JP4175743B2 - 排ガス再循環装置及び酸素過剰率算出方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排ガスを吸気通路に還流させる、排ガス再循環装置、及び排ガスの還流量を決定するパラメータとしての酸素過剰率を算出する、酸素過剰率算出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下ＮＯX という）の排出量を低減するべく、排ガスの一部を吸気通路に還流するようにした排ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という）が広く知られている。
このようなＥＧＲ装置では、排ガス通路と吸気通路とを接続する排ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）と、ＥＧＲ通路を介して吸気通路中に還流される排ガスの流量を調整する排ガス再循環弁（ＥＧＲ弁）とをそなえるとともに、このＥＧＲ弁の開度を制御するための制御手段（コントローラ）をそなえて構成されている。
【０００３】
そして、排ガスの一部を還流させることにより、シリンダ内での燃焼を緩慢にして最高燃焼温度を下げ、ＮＯX の低減を図るのである。
ところで、ディーゼルエンジンでは排ガス中に煤が含まれており、これが黒煙（スモーク）となって大気に排出される。この煤は上記ＮＯX とはトレードオフの関係にあり、ＥＧＲ装置をディーゼルエンジンに適用した場合、還流ガス量が過多となると、酸素が不足して黒煙（スモーク）の発生が過大となる。
【０００４】
そこで、スモークの排出量を許容値に抑制しながら、極力ＮＯX の排出量を低減したいという要望がある。このような要望に対して、特開平９−１２６０６０号公報には、還流ガスを含む全吸気中の酸素濃度（Ｒ02）、及び全吸気中酸素量（Ｑ02）と燃料噴射量（ＱF ）との比（Ｑ02／ＱF ）を求め、この酸素燃料比（Ｑ02／ＱF ）とスモーク許容限界値Ｋとを比較して、酸素燃料比（Ｑ02／ＱF ）が小さいときには、スモーク許容限界値ＫとなるようにＥＧＲ弁を制御し、酸素燃料比（Ｑ02／ＱF ）が大きいときには酸素濃度（Ｒ02）が目標酸素濃度（Ｄ02）となるようにＥＧＲ弁を制御するようにした技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術では、還流ガスを含む全吸気の流量を検出するために流量検出手段（エアフローセンサ）が必要となる。一般にガソリンエンジンでは、吸気量に対応した燃料供給量を設定するべくあらかじめエアフローセンサが設けられているので、これを利用すればよいが、通常ディーゼルエンジンではエアフローセンサは設けられていない。このため、ディーゼルエンジンに上記の技術を適用する場合、あらためてエアフローセンサを追加しなければならないという課題がある。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、排ガスに含まれるスモーク量とＮＯｘ量とを低減すべく、エアフローセンサを用いることなく最適な還流ガス量を設定できるようにした、ＥＧＲ装置を提供することを目的とするとともに、ＥＧＲ弁を制御するためのパラメータとしての実酸素過剰率を簡単に算出できるようにした、酸素過剰率算出方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の排ガス再循環装置では、吸気通路に配設された第１の酸素濃度検出手段により、還流された排ガスを含む全吸気中の酸素濃度（Ｏ2in ）が検出されるとともに、排ガス通路に配設された第２の酸素濃度検出手段により、排ガス中の酸素濃度（Ｏ2ex ）が検出される。そして、制御手段により、これらの酸素濃度（Ｏ2in ，Ｏ2ex ）に基づいてエンジンの実際の酸素過剰率（λＯ2 ）が算出される。
【０００８】
一方、運転状態検出手段によりエンジンの運転状態が検出されると、目標酸素過剰率設定手段に基づいてエンジンの運転状態に応じた目標酸素過剰率（λＯ2T）が設定される。そして、制御手段では、実酸素過剰率（λＯ2 ）が目標酸素過剰率（λＯ2T）となるように排ガス再循環弁の開度が制御される。
【０００９】
さらに、実酸素過剰率（λＯ２）が下式により算出される。
λＯ２ ＝〔（Ｏ２ｅｘ＋λＯ２ ′）・Ｏ２ｉｎ 〕／〔（Ｏ２ｉｎ‐Ｏ２ｅｘ）・λＯ２′〕
なお、λＯ２′は、単位質量当たりの燃料を燃焼させるのに必要な理論酸素量である。
【００１０】
また、請求項２記載の酸素過剰率算出方法では、エンジンの吸気通路に配設された第１の酸素濃度検出手段により還流された排ガスを含む全吸気中の酸素濃度（Ｏ２ｉｎ）を検出し、排ガス通路に配設された第２の酸素濃度検出手段により排ガス中の酸素濃度（Ｏ２ｅｘ）を検出する。
そして、これらの酸素濃度（Ｏ２ｉｎ，Ｏ２ｅｘ）から、下式によりエンジンの実酸素過剰率（λＯ２）を算出する。
λＯ２ ＝〔（Ｏ２ｅｘ＋λＯ２′）・Ｏ２ｉｎ〕／〔（Ｏ２ｉｎ‐Ｏ２ｅｘ）・λＯ２′〕
なお、λＯ２′は、単位質量当たりの燃料を燃焼させるのに必要な理論酸素量である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかるＥＧＲ制御装置について説明すると、図１はその全体構成を示す模式図、図２はその作用を説明するためのフローチャート、図３はその目標酸素過剰率設定手段としての目標酸素過剰率設定マップの具体例である。
【００１２】
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１には過給機（ターボチャージャ）４が設けられており、排ガス通路３の途中にタービン５が介装されるとともに、吸気通路２の途中に上記タービン５により駆動されるコンプレッサ６が介装されている。
また、吸気通路２のコンプレッサ６よりも下流側には、コンプレッサ６により加圧された空気の温度低下を図るべくインタクーラ７が設けられている。また、排ガス通路３のタービン５よりも下流側には、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）８が設けられている。
【００１３】
また、このエンジン１には、排ガス通路３に排出された排ガスの一部を吸気通路２に再循環させるためのＥＧＲ装置本体（排ガス再循環装置本体）９が設けられている。このＥＧＲ装置本体９は、主にＥＧＲ通路（排ガス再循環通路）１０，ＥＧＲ弁（排ガス再循環弁）１１，ＥＧＲクーラ１２から構成されており、このうちのＥＧＲ通路１０により、排ガス通路３と吸気通路２とが接続されている。
【００１４】
ＥＧＲ通路１０には上記ＥＧＲ弁１１が介装されており、ＥＧＲ弁１１はアクチュエータ１１ａに機械的に接続されている。そして、このアクチュエータ１１ａの作動を制御することによりＥＧＲ弁１１の開度が調整されて、吸気通路２に還流される排ガス（以下、ＥＧＲガス又は還流ガスという）の流量が制御されるようになっている。なお、本実施形態では、ＥＧＲ弁１１は、単なる開閉弁ではなく、その開度を直接変更できるような弁であって、アクチュエータ１１ａは例えばステッパモータにより構成されている。また、ＥＧＲクーラ１２は、ＥＧＲガスの温度低下を図るべく設けられている。
【００１５】
また、アクチュエータ１１ａは、制御手段としてのＥＣＵ（コントローラ）１３に接続されており、このコントローラ１３からの制御信号に基づいてその作動が制御されるようになっている。
このコントローラ１３には、図示するように、エンジン１の運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段として、エンジン回転数センサ１４及びラック位置センサ１５が接続されている。このうち、エンジン回転数センサ１４は、エンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するセンサであり、また、ラック位置センサ１５は、図示しない燃料噴射ポンプのラック位置ＲＷをエンジン負荷として検出するものである。
【００１６】
また、図１に示すように、吸気通路２と排ガス通路３とにはそれぞれ酸素濃度を検出する第１及び第２のＯ2 センサ（第１及び第２の酸素濃度検出手段）２１，２２が設けられている。
第１のＯ2 センサ２１は、吸気通路２とＥＧＲ通路１０との合流部よりも下流側に配設されており、大気から取り込まれた吸気とＥＧＲガスとが十分に撹拌した状態で、全吸気の酸素濃度を検出できるような位置に配設されている。
【００１７】
そして、コントローラ１３では、上記２つのＯ2 センサ２１，２２から得られる酸素濃度Ｏ2in ，Ｏ2ex に基づいて、酸素過剰率（実酸素過剰率）λＯ2 を算出するとともに、エンジン回転数センサ１４及びラック位置センサ１５から得られるエンジン１の運転状態（具体的にはエンジン回転数ＮＥ及びラック位置ＲＷ）から目標酸素過剰率λＯ2Tを設定し、酸素過剰率λＯ2 がこの目標酸素過剰率λＯ2TとなるようにＥＧＲ弁１１のアクチュエータ１１ａへの作動制御信号を設定するようになっている。
【００１８】
ここで、酸素過剰率λＯ2 とは、ＥＧＲガスの量を決定するためのパラメータであって、燃焼に最低限必要な酸素量に対してどの程度酸素が余剰であるかを示す値である。
ところで、ディーゼルエンジンでは、燃焼状態を表すパラメータの１つとして空気過剰率λが用いられる。この空気過剰率λは、吸入された空気量と燃焼に必要な空気量との比、すなわち、実際の燃焼に必要な空気量に対してどの位の空気量を吸入したかを示す値であり、下式（１）で表される。
【００１９】
λ＝Ｇａ／（Ｇｆ・λａ）・・・・（１）
ただし、Ｇａは吸入空気量、Ｇｆは供給燃料量、λａは単位質量当たりの燃料（例えば燃料１ｋｇ）を燃焼させるのに必要な理論空気量である。Ｇａ，Ｇｆ及び後述のＧegr はいずれも単位期間（又は時間）当たりの量である。
しかしながら、本実施形態のように、エンジン１にＥＧＲ装置本体９を設けた場合には、ＥＧＲガスつまり排ガス中に残存する酸素量も考慮する必要があり、ＥＧＲ装置本体９の制御パラメータとしては空気過剰率λではなく酸素過剰率λＯ2 を用いるのが好ましい。
【００２０】
以下、酸素過剰率算出方法について説明する。まず、ＥＧＲガス量をＧegr 、第１のＯ2 センサ２１で得られる全吸気中の酸素濃度をＯ2in 、単位質量当たりの燃料を燃焼させるのに必要な理論酸素量（定数）をλＯ2 ′とすると、エンジン１における酸素過剰率（実酸素過剰率）λＯ2 は、下式（２）で表すことができる。
【００２１】
ここで、エンジン１の吸気及び排気における酸素のバランスを考えると、下式（３）が成り立つ。
（Ｇａ＋Ｇegr ）・Ｏ2in ＝（Ｇａ＋Ｇegr ＋Ｇｆ）・Ｏ2ex ＋Ｇｆ・λＯ2 ′・・・・（３）
ただし、Ｏ2ex は第２のＯ2 センサ２２により検出された排ガス中の酸素濃度である。
【００２２】
上記式（３）を変形してＧegr を求めると、
Ｇegr ＝Ｇｆ・〔（Ｏ2ex ＋λＯ2 ′）／（Ｏ2in −Ｏ2ex ）〕−Ｇａ ・・・・（４）
となり、式（４）を式（２）に代入すると、下式（５）が得られる。
λＯ2 ＝〔（Ｏ2ex ＋λＯ2 ′）・Ｏ2in 〕／
〔（Ｏ2in −Ｏ2ex ）・λＯ2 ′〕・・・（５）
ここで、上述したように、λＯ2 ′は定数であるので、コントローラ１３では、２つのＯ2 センサ２１，２２から得られる酸素濃度Ｏ2in ，Ｏ2ex に基づいて、エンジン１の酸素過剰率λＯ2 を算出することができるのである。
【００２３】
一方、コントローラ１３には、図３（ａ）に示すような目標酸素過剰率設定マップ（目標酸素過剰率設定手段）が設けられている。この目標酸素過剰率設定マップは、エンジン回転数センサ１４とラック位置センサ１５とからの検出情報に基づいて、エンジ１の目標酸素過剰率λＯ2Tを設定するものであって、コントローラ１３では、この目標酸素過剰率設定マップで設定された目標酸素過剰率λＯ2Tと上記酸素過剰率λＯ2 とを比較して、酸素過剰率λＯ2 が目標酸素過剰率λＯ2Tとなるように、ＥＧＲ弁１１のアクチュエータ１１ａの作動をフィードバック制御するようになっているのである。
【００２４】
そして、例えば酸素過剰率λＯ2 が目標酸素過剰率λＯ2Tよりも小さい場合には、ＥＧＲ弁１１の開度を減少させて、新気の吸気割合を増大する事によりＥＧＲガスを含む全吸気の酸素濃度を高めるようになっており、また、これとは逆に酸素過剰率λＯ2 が目標酸素過剰率λＯ2Tよりも大きい場合には、ＥＧＲ弁１１の開度を増大させて、ＥＧＲガスを含む全吸気の酸素濃度を低減させるようになっている。また、酸素過剰率λＯ2 と目標酸素過剰率λＯ2Tとが一致している場合には、ＥＧＲ弁１１の開度を維持するように、アクチュエータ１１ａの作動が制御されるようになっている。なお、λＯ2 とλＯ2Tとの一致とは、λＯ2 とλＯ2Tとが所定の微少差以内に接近した場合をいう。
【００２５】
なお、従来の技術の欄で説明したように、ディーゼルエンジンの黒煙（又はスモーク）の主成分である煤はＮＯX とはトレードオフの関係にある。すなわち、ＮＯX は酸素濃度が低くなるほど低減効果が高まるのに対して、スモークは酸素濃度が低くなるほどその排出量が増大してしまう。そこで、スモークの排出量が許容値以下となる範囲内で、ＮＯX の排出量を最大限低減するような目標酸素過剰率λＯ2Tが目標酸素過剰率設定マップに格納されている。
【００２６】
また、本実施形態では、図１に示すように、エンジン１に過給機（ターボチャージャ）４が設けられているが、このような過給機付きエンジンの場合、高負荷域では吸気圧力が高く、ＥＧＲガスの円滑な還流が困難となる。このため、図３（ａ）の斜線部で示すような高負荷域ではＥＧＲ弁１１を閉じてＥＧＲ装置本体９の作動を停止するようになっており、これにともない、このような高負荷域では目標酸素過剰率λＯ2Tが設定されないようになっている。
【００２７】
本発明の第一実施形態にかかる排ガス再循環装置は、上述のように構成されているので、例えば図２に示すフローチャートに基づいてＥＧＲ弁１１の開度制御が行なわれる。
まず、ステップＳ１で、エンジン回転数センサ１４及びラック位置センサ１５からエンジン回転数ＮＥ及びラック位置ＲＷを読み込むとともに、第１及び第２のＯ2 センサ２１，２２から全吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度Ｏ2in ，Ｏ2ex を読み込む。
【００２８】
次に、ステップＳ２に進んで、下式により酸素過剰率λＯ2 が演算される。
λＯ2 ＝〔（Ｏ2ex ＋λＯ2 ′）・Ｏ2in 〕／
〔（Ｏ2in −Ｏ2ex ）・λＯ2 ′〕
その後、ステップＳ３に進み、エンジン回転数ＮＥ及びラック位置ＲＷに基づいて目標酸素過剰率設定マップから目標酸素過剰率λＯ2Tが設定される。
【００２９】
そして、ステップＳ４で酸素過剰率λＯ2 と目標酸素過剰率λＯ2Tとが一致しているか否かを判定し、一致していればステップＳ５に進んで、現在のＥＧＲ弁１１の開度を維持するようにアクチュエータ１１ａに作動制御信号を設定した後、リターンする。
また、上記ステップＳ４で酸素過剰率λＯ2 と目標酸素過剰率λＯ2Tとが一致していない場合には、ステップＳ６に進んで酸素過剰率λＯ2 と目標酸素過剰率λＯ2Tとの大きさを比較し、酸素過剰率λＯ2 の方が大きい場合には、ステップＳ７でＥＧＲ弁１１の開度を増大させるようにアクチュエータ１１ａに作動制御信号を設定した後、リターンする。また、これとは逆に酸素過剰率λＯ2 の方が小さい場合には、ステップＳ８でＥＧＲ弁１１の開度を減少させるようにアクチュエータ１１ａに作動制御信号を設定した後、リターンする。
【００３０】
以上のように、本実施形態にかかる排ガス再循環装置によれば、ＥＧＲ弁１１の開度制御のパラメータとして、実際に燃焼に必要とされる酸素過剰率λＯ2 を用いているので、制御精度が向上し排ガスのＮＯX 及びスモークをともに低減することができるという利点がある。
また、スモークが許容値以下となる範囲内で最大限ＮＯX を低減できる目標酸素過剰率λＯ2Tが設定されるので、スモーク排出量を増大させることなくＮＯX の低減を図ることができるのである。
【００３１】
また、本発明では、エンジン１の吸気通路２と排ガス通路３とにそれぞれＯ2 センサ２１，２２を設け、これら２つのＯ2 センサ２１，２２のみを用いて酸素過剰率を算出することができるので、低コストで且つ信頼性の高い装置を提供することができる利点がある。また、従来の技術のようにエアフローセンサを必要としないので、特にディーゼルエンジンの場合にはコスト低減効果が大きい。また、エアフローセンサは空気の流れを考慮しなければならず、設置場所等の取付け上の制約が大きいという課題もあるが、本発明ではこのような課題も生じない。
【００３２】
また、本発明によれば、種々のエンジンにも容易に対応可能であるという利点がある。つまり、他のエンジン（例えば排気量の異なるエンジン）に対しても、２つのＯ2 センサを取り付けて、目標酸素過剰率設定マップの特性をエンジンの特性に合わせて変更するだけで対応可能であるため、エンジンの種類毎にそれぞれ専用の装置を開発する必要もなく、幅広いエンジンに低コストで本装置を適用することができる。これにより、従来のものに対して開発工数を低減することができるという利点がある。
【００３３】
なお、本発明の排ガス再循環装置は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では過給機（ターボチャージャ）４が設けられているが、過給機４は設けなくてもよい。
また、過給機４を設けない場合には、高負荷領域においてもＥＧＲ装置本体９を作動させるので、この場合には、例えば図３（ｂ）に示すようなマップに基づいて目標酸素過剰率λＯ2Tを設定すればよい。ここで、図３（ｂ）に示すマップについて簡単に説明すると、低回転・高負荷領域では一般に列型燃料噴射ポンプの燃料噴射圧が低いことを考慮して目標酸素過剰率λＯ2Tが高めに設定されている。また、高回転・高負荷領域では燃焼時間が短くなること及び低燃費化を考慮して、目標酸素過剰率λＯ2Tが高めに設定されているのである。
【００３４】
また、運転状態検出手段を構成するラック位置センサ１５の代わりに、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサを設けてもよい。また、これ以外にもエンジンの負荷を検出できるセンサであれば他のセンサをラック位置センサ１５の代わりに設けてもよい。
さらに、インタクーラ７やＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）８やＥＧＲクーラ１２についても、本発明の必須の構成要件ではなくこれらは設けられていなくてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の排ガス再循環装置によれば、排ガス再循環弁の開度制御のパラメータとして、実際に燃焼に必要とされる酸素過剰率を用いているので、制御精度が向上し排ガスのＮＯX 及びスモークをともに低減することができるという利点がある。
【００３６】
また、一般的な排ガス再循環装置に対して、エンジンの吸気通路と排ガス通路とにそれぞれ第１及び第２の酸素濃度検出手段を付加するという簡素な構成により、低コストで且つ信頼性の高い装置を提供することができる利点がある。また、従来の技術のようにエアフローセンサを必要としないので、特にディーゼルエンジンの場合にはコスト低減効果が大きい。なお、エアフローセンサは空気の流れを考慮しなければならず、設置場所等の取付け上の制約が大きいという課題があるが、本発明ではこのような問題もない。
【００３７】
また、種々のエンジンに対して、目標酸素過剰率設定マップの特性をエンジン毎の特性に合わせて変更するだけで対応可能であるため、エンジンの種類毎にそれぞれ専用の装置を開発する必要もなく、幅広いエンジンに低コストで本装置を適用することができる。これにより、従来の技術に対して開発工数を低減することができるという利点がある。
【００３８】
さらに、第１及び第２の酸素濃度検出手段からの検出情報のみを用いて、簡単に且つ正確に酸素過剰率を算出することができるという利点がある。
また、請求項２記載の本発明の酸素過剰率算出方法によれば、第１及び第２の酸素濃度検出手段からの検出情報のみを用いて、従来エアフローセンサを用いて算出していた酸素過剰率を簡単に且つ正確に算出することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる排ガス再循環装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる排ガス再循環装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態にかかる排ガス再循環装置の目標酸素過剰率設定マップの具体例であって、（ａ）は過給機付きエンジンの目標酸素過剰率設定マップの一例、（ｂ）は過給機をそなえていないエンジンの目標酸素過剰率設定マップの一例である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
３ 排ガス通路
１０ 排ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）
１３ 制御手段（コントローラ又はＥＣＵ）
１４ 運転状態検出手段を構成するエンジン回転数センサ
１５ 運転状態検出手段を構成するラック位置センサ
１１ 排ガス再循環弁（ＥＧＲ弁）
２１ 第１の酸素濃度検出手段（第１のＯ2 センサ）
２２ 第２の酸素濃度検出手段（第２のＯ2 センサ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排ガスを吸気通路に還流させる、排ガス再循環装置、及び排ガスの還流量を決定するパラメータとしての酸素過剰率を算出する、酸素過剰率算出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下ＮＯX という）の排出量を低減するべく、排ガスの一部を吸気通路に還流するようにした排ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という）が広く知られている。
このようなＥＧＲ装置では、排ガス通路と吸気通路とを接続する排ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）と、ＥＧＲ通路を介して吸気通路中に還流される排ガスの流量を調整する排ガス再循環弁（ＥＧＲ弁）とをそなえるとともに、このＥＧＲ弁の開度を制御するための制御手段（コントローラ）をそなえて構成されている。
【０００３】
そして、排ガスの一部を還流させることにより、シリンダ内での燃焼を緩慢にして最高燃焼温度を下げ、ＮＯX の低減を図るのである。
ところで、ディーゼルエンジンでは排ガス中に煤が含まれており、これが黒煙（スモーク）となって大気に排出される。この煤は上記ＮＯX とはトレードオフの関係にあり、ＥＧＲ装置をディーゼルエンジンに適用した場合、還流ガス量が過多となると、酸素が不足して黒煙（スモーク）の発生が過大となる。
【０００４】
そこで、スモークの排出量を許容値に抑制しながら、極力ＮＯX の排出量を低減したいという要望がある。このような要望に対して、特開平９−１２６０６０号公報には、還流ガスを含む全吸気中の酸素濃度（Ｒ02）、及び全吸気中酸素量（Ｑ02）と燃料噴射量（ＱF ）との比（Ｑ02／ＱF ）を求め、この酸素燃料比（Ｑ02／ＱF ）とスモーク許容限界値Ｋとを比較して、酸素燃料比（Ｑ02／ＱF ）が小さいときには、スモーク許容限界値ＫとなるようにＥＧＲ弁を制御し、酸素燃料比（Ｑ02／ＱF ）が大きいときには酸素濃度（Ｒ02）が目標酸素濃度（Ｄ02）となるようにＥＧＲ弁を制御するようにした技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術では、還流ガスを含む全吸気の流量を検出するために流量検出手段（エアフローセンサ）が必要となる。一般にガソリンエンジンでは、吸気量に対応した燃料供給量を設定するべくあらかじめエアフローセンサが設けられているので、これを利用すればよいが、通常ディーゼルエンジンではエアフローセンサは設けられていない。このため、ディーゼルエンジンに上記の技術を適用する場合、あらためてエアフローセンサを追加しなければならないという課題がある。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、排ガスに含まれるスモーク量とＮＯｘ量とを低減すべく、エアフローセンサを用いることなく最適な還流ガス量を設定できるようにした、ＥＧＲ装置を提供することを目的とするとともに、ＥＧＲ弁を制御するためのパラメータとしての実酸素過剰率を簡単に算出できるようにした、酸素過剰率算出方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の排ガス再循環装置では、吸気通路に配設された第１の酸素濃度検出手段により、還流された排ガスを含む全吸気中の酸素濃度（Ｏ2in ）が検出されるとともに、排ガス通路に配設された第２の酸素濃度検出手段により、排ガス中の酸素濃度（Ｏ2ex ）が検出される。そして、制御手段により、これらの酸素濃度（Ｏ2in ，Ｏ2ex ）に基づいてエンジンの実際の酸素過剰率（λＯ2 ）が算出される。
【０００８】
一方、運転状態検出手段によりエンジンの運転状態が検出されると、目標酸素過剰率設定手段に基づいてエンジンの運転状態に応じた目標酸素過剰率（λＯ2T）が設定される。そして、制御手段では、実酸素過剰率（λＯ2 ）が目標酸素過剰率（λＯ2T）となるように排ガス再循環弁の開度が制御される。
【０００９】
さらに、実酸素過剰率（λＯ２）が下式により算出される。
λＯ２ ＝〔（Ｏ２ｅｘ＋λＯ２ ′）・Ｏ２ｉｎ 〕／〔（Ｏ２ｉｎ‐Ｏ２ｅｘ）・λＯ２′〕
なお、λＯ２′は、単位質量当たりの燃料を燃焼させるのに必要な理論酸素量である。
【００１０】
また、請求項２記載の酸素過剰率算出方法では、エンジンの吸気通路に配設された第１の酸素濃度検出手段により還流された排ガスを含む全吸気中の酸素濃度（Ｏ２ｉｎ）を検出し、排ガス通路に配設された第２の酸素濃度検出手段により排ガス中の酸素濃度（Ｏ２ｅｘ）を検出する。
そして、これらの酸素濃度（Ｏ２ｉｎ，Ｏ２ｅｘ）から、下式によりエンジンの実酸素過剰率（λＯ２）を算出する。
λＯ２ ＝〔（Ｏ２ｅｘ＋λＯ２′）・Ｏ２ｉｎ〕／〔（Ｏ２ｉｎ‐Ｏ２ｅｘ）・λＯ２′〕
なお、λＯ２′は、単位質量当たりの燃料を燃焼させるのに必要な理論酸素量である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかるＥＧＲ制御装置について説明すると、図１はその全体構成を示す模式図、図２はその作用を説明するためのフローチャート、図３はその目標酸素過剰率設定手段としての目標酸素過剰率設定マップの具体例である。
【００１２】
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１には過給機（ターボチャージャ）４が設けられており、排ガス通路３の途中にタービン５が介装されるとともに、吸気通路２の途中に上記タービン５により駆動されるコンプレッサ６が介装されている。
また、吸気通路２のコンプレッサ６よりも下流側には、コンプレッサ６により加圧された空気の温度低下を図るべくインタクーラ７が設けられている。また、排ガス通路３のタービン５よりも下流側には、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）８が設けられている。
【００１３】
また、このエンジン１には、排ガス通路３に排出された排ガスの一部を吸気通路２に再循環させるためのＥＧＲ装置本体（排ガス再循環装置本体）９が設けられている。このＥＧＲ装置本体９は、主にＥＧＲ通路（排ガス再循環通路）１０，ＥＧＲ弁（排ガス再循環弁）１１，ＥＧＲクーラ１２から構成されており、このうちのＥＧＲ通路１０により、排ガス通路３と吸気通路２とが接続されている。
【００１４】
ＥＧＲ通路１０には上記ＥＧＲ弁１１が介装されており、ＥＧＲ弁１１はアクチュエータ１１ａに機械的に接続されている。そして、このアクチュエータ１１ａの作動を制御することによりＥＧＲ弁１１の開度が調整されて、吸気通路２に還流される排ガス（以下、ＥＧＲガス又は還流ガスという）の流量が制御されるようになっている。なお、本実施形態では、ＥＧＲ弁１１は、単なる開閉弁ではなく、その開度を直接変更できるような弁であって、アクチュエータ１１ａは例えばステッパモータにより構成されている。また、ＥＧＲクーラ１２は、ＥＧＲガスの温度低下を図るべく設けられている。
【００１５】
また、アクチュエータ１１ａは、制御手段としてのＥＣＵ（コントローラ）１３に接続されており、このコントローラ１３からの制御信号に基づいてその作動が制御されるようになっている。
このコントローラ１３には、図示するように、エンジン１の運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段として、エンジン回転数センサ１４及びラック位置センサ１５が接続されている。このうち、エンジン回転数センサ１４は、エンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するセンサであり、また、ラック位置センサ１５は、図示しない燃料噴射ポンプのラック位置ＲＷをエンジン負荷として検出するものである。
【００１６】
また、図１に示すように、吸気通路２と排ガス通路３とにはそれぞれ酸素濃度を検出する第１及び第２のＯ2 センサ（第１及び第２の酸素濃度検出手段）２１，２２が設けられている。
第１のＯ2 センサ２１は、吸気通路２とＥＧＲ通路１０との合流部よりも下流側に配設されており、大気から取り込まれた吸気とＥＧＲガスとが十分に撹拌した状態で、全吸気の酸素濃度を検出できるような位置に配設されている。
【００１７】
そして、コントローラ１３では、上記２つのＯ2 センサ２１，２２から得られる酸素濃度Ｏ2in ，Ｏ2ex に基づいて、酸素過剰率（実酸素過剰率）λＯ2 を算出するとともに、エンジン回転数センサ１４及びラック位置センサ１５から得られるエンジン１の運転状態（具体的にはエンジン回転数ＮＥ及びラック位置ＲＷ）から目標酸素過剰率λＯ2Tを設定し、酸素過剰率λＯ2 がこの目標酸素過剰率λＯ2TとなるようにＥＧＲ弁１１のアクチュエータ１１ａへの作動制御信号を設定するようになっている。
【００１８】
ここで、酸素過剰率λＯ2 とは、ＥＧＲガスの量を決定するためのパラメータであって、燃焼に最低限必要な酸素量に対してどの程度酸素が余剰であるかを示す値である。
ところで、ディーゼルエンジンでは、燃焼状態を表すパラメータの１つとして空気過剰率λが用いられる。この空気過剰率λは、吸入された空気量と燃焼に必要な空気量との比、すなわち、実際の燃焼に必要な空気量に対してどの位の空気量を吸入したかを示す値であり、下式（１）で表される。
【００１９】
λ＝Ｇａ／（Ｇｆ・λａ）・・・・（１）
ただし、Ｇａは吸入空気量、Ｇｆは供給燃料量、λａは単位質量当たりの燃料（例えば燃料１ｋｇ）を燃焼させるのに必要な理論空気量である。Ｇａ，Ｇｆ及び後述のＧegr はいずれも単位期間（又は時間）当たりの量である。
しかしながら、本実施形態のように、エンジン１にＥＧＲ装置本体９を設けた場合には、ＥＧＲガスつまり排ガス中に残存する酸素量も考慮する必要があり、ＥＧＲ装置本体９の制御パラメータとしては空気過剰率λではなく酸素過剰率λＯ2 を用いるのが好ましい。
【００２０】
以下、酸素過剰率算出方法について説明する。まず、ＥＧＲガス量をＧegr 、第１のＯ2 センサ２１で得られる全吸気中の酸素濃度をＯ2in 、単位質量当たりの燃料を燃焼させるのに必要な理論酸素量（定数）をλＯ2 ′とすると、エンジン１における酸素過剰率（実酸素過剰率）λＯ2 は、下式（２）で表すことができる。
【００２１】
（Ｇａ＋Ｇegr ）・Ｏ2in ＝（Ｇａ＋Ｇegr ＋Ｇｆ）・Ｏ2ex ＋Ｇｆ・λＯ2 ′・・・・（３）
ただし、Ｏ2ex は第２のＯ2 センサ２２により検出された排ガス中の酸素濃度である。
【００２２】
上記式（３）を変形してＧegr を求めると、
Ｇegr ＝Ｇｆ・〔（Ｏ2ex ＋λＯ2 ′）／（Ｏ2in −Ｏ2ex ）〕−Ｇａ ・・・・（４）
となり、式（４）を式（２）に代入すると、下式（５）が得られる。
λＯ2 ＝〔（Ｏ2ex ＋λＯ2 ′）・Ｏ2in 〕／
〔（Ｏ2in −Ｏ2ex ）・λＯ2 ′〕・・・（５）
ここで、上述したように、λＯ2 ′は定数であるので、コントローラ１３では、２つのＯ2 センサ２１，２２から得られる酸素濃度Ｏ2in ，Ｏ2ex に基づいて、エンジン１の酸素過剰率λＯ2 を算出することができるのである。
【００２３】
一方、コントローラ１３には、図３（ａ）に示すような目標酸素過剰率設定マップ（目標酸素過剰率設定手段）が設けられている。この目標酸素過剰率設定マップは、エンジン回転数センサ１４とラック位置センサ１５とからの検出情報に基づいて、エンジ１の目標酸素過剰率λＯ2Tを設定するものであって、コントローラ１３では、この目標酸素過剰率設定マップで設定された目標酸素過剰率λＯ2Tと上記酸素過剰率λＯ2 とを比較して、酸素過剰率λＯ2 が目標酸素過剰率λＯ2Tとなるように、ＥＧＲ弁１１のアクチュエータ１１ａの作動をフィードバック制御するようになっているのである。
【００２４】
そして、例えば酸素過剰率λＯ2 が目標酸素過剰率λＯ2Tよりも小さい場合には、ＥＧＲ弁１１の開度を減少させて、新気の吸気割合を増大する事によりＥＧＲガスを含む全吸気の酸素濃度を高めるようになっており、また、これとは逆に酸素過剰率λＯ2 が目標酸素過剰率λＯ2Tよりも大きい場合には、ＥＧＲ弁１１の開度を増大させて、ＥＧＲガスを含む全吸気の酸素濃度を低減させるようになっている。また、酸素過剰率λＯ2 と目標酸素過剰率λＯ2Tとが一致している場合には、ＥＧＲ弁１１の開度を維持するように、アクチュエータ１１ａの作動が制御されるようになっている。なお、λＯ2 とλＯ2Tとの一致とは、λＯ2 とλＯ2Tとが所定の微少差以内に接近した場合をいう。
【００２５】
なお、従来の技術の欄で説明したように、ディーゼルエンジンの黒煙（又はスモーク）の主成分である煤はＮＯX とはトレードオフの関係にある。すなわち、ＮＯX は酸素濃度が低くなるほど低減効果が高まるのに対して、スモークは酸素濃度が低くなるほどその排出量が増大してしまう。そこで、スモークの排出量が許容値以下となる範囲内で、ＮＯX の排出量を最大限低減するような目標酸素過剰率λＯ2Tが目標酸素過剰率設定マップに格納されている。
【００２６】
また、本実施形態では、図１に示すように、エンジン１に過給機（ターボチャージャ）４が設けられているが、このような過給機付きエンジンの場合、高負荷域では吸気圧力が高く、ＥＧＲガスの円滑な還流が困難となる。このため、図３（ａ）の斜線部で示すような高負荷域ではＥＧＲ弁１１を閉じてＥＧＲ装置本体９の作動を停止するようになっており、これにともない、このような高負荷域では目標酸素過剰率λＯ2Tが設定されないようになっている。
【００２７】
本発明の第一実施形態にかかる排ガス再循環装置は、上述のように構成されているので、例えば図２に示すフローチャートに基づいてＥＧＲ弁１１の開度制御が行なわれる。
まず、ステップＳ１で、エンジン回転数センサ１４及びラック位置センサ１５からエンジン回転数ＮＥ及びラック位置ＲＷを読み込むとともに、第１及び第２のＯ2 センサ２１，２２から全吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度Ｏ2in ，Ｏ2ex を読み込む。
【００２８】
次に、ステップＳ２に進んで、下式により酸素過剰率λＯ2 が演算される。
λＯ2 ＝〔（Ｏ2ex ＋λＯ2 ′）・Ｏ2in 〕／
〔（Ｏ2in −Ｏ2ex ）・λＯ2 ′〕
その後、ステップＳ３に進み、エンジン回転数ＮＥ及びラック位置ＲＷに基づいて目標酸素過剰率設定マップから目標酸素過剰率λＯ2Tが設定される。
【００２９】
そして、ステップＳ４で酸素過剰率λＯ2 と目標酸素過剰率λＯ2Tとが一致しているか否かを判定し、一致していればステップＳ５に進んで、現在のＥＧＲ弁１１の開度を維持するようにアクチュエータ１１ａに作動制御信号を設定した後、リターンする。
また、上記ステップＳ４で酸素過剰率λＯ2 と目標酸素過剰率λＯ2Tとが一致していない場合には、ステップＳ６に進んで酸素過剰率λＯ2 と目標酸素過剰率λＯ2Tとの大きさを比較し、酸素過剰率λＯ2 の方が大きい場合には、ステップＳ７でＥＧＲ弁１１の開度を増大させるようにアクチュエータ１１ａに作動制御信号を設定した後、リターンする。また、これとは逆に酸素過剰率λＯ2 の方が小さい場合には、ステップＳ８でＥＧＲ弁１１の開度を減少させるようにアクチュエータ１１ａに作動制御信号を設定した後、リターンする。
【００３０】
以上のように、本実施形態にかかる排ガス再循環装置によれば、ＥＧＲ弁１１の開度制御のパラメータとして、実際に燃焼に必要とされる酸素過剰率λＯ2 を用いているので、制御精度が向上し排ガスのＮＯX 及びスモークをともに低減することができるという利点がある。
また、スモークが許容値以下となる範囲内で最大限ＮＯX を低減できる目標酸素過剰率λＯ2Tが設定されるので、スモーク排出量を増大させることなくＮＯX の低減を図ることができるのである。
【００３１】
また、本発明では、エンジン１の吸気通路２と排ガス通路３とにそれぞれＯ2 センサ２１，２２を設け、これら２つのＯ2 センサ２１，２２のみを用いて酸素過剰率を算出することができるので、低コストで且つ信頼性の高い装置を提供することができる利点がある。また、従来の技術のようにエアフローセンサを必要としないので、特にディーゼルエンジンの場合にはコスト低減効果が大きい。また、エアフローセンサは空気の流れを考慮しなければならず、設置場所等の取付け上の制約が大きいという課題もあるが、本発明ではこのような課題も生じない。
【００３２】
また、本発明によれば、種々のエンジンにも容易に対応可能であるという利点がある。つまり、他のエンジン（例えば排気量の異なるエンジン）に対しても、２つのＯ2 センサを取り付けて、目標酸素過剰率設定マップの特性をエンジンの特性に合わせて変更するだけで対応可能であるため、エンジンの種類毎にそれぞれ専用の装置を開発する必要もなく、幅広いエンジンに低コストで本装置を適用することができる。これにより、従来のものに対して開発工数を低減することができるという利点がある。
【００３３】
なお、本発明の排ガス再循環装置は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では過給機（ターボチャージャ）４が設けられているが、過給機４は設けなくてもよい。
また、過給機４を設けない場合には、高負荷領域においてもＥＧＲ装置本体９を作動させるので、この場合には、例えば図３（ｂ）に示すようなマップに基づいて目標酸素過剰率λＯ2Tを設定すればよい。ここで、図３（ｂ）に示すマップについて簡単に説明すると、低回転・高負荷領域では一般に列型燃料噴射ポンプの燃料噴射圧が低いことを考慮して目標酸素過剰率λＯ2Tが高めに設定されている。また、高回転・高負荷領域では燃焼時間が短くなること及び低燃費化を考慮して、目標酸素過剰率λＯ2Tが高めに設定されているのである。
【００３４】
また、運転状態検出手段を構成するラック位置センサ１５の代わりに、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサを設けてもよい。また、これ以外にもエンジンの負荷を検出できるセンサであれば他のセンサをラック位置センサ１５の代わりに設けてもよい。
さらに、インタクーラ７やＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）８やＥＧＲクーラ１２についても、本発明の必須の構成要件ではなくこれらは設けられていなくてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の排ガス再循環装置によれば、排ガス再循環弁の開度制御のパラメータとして、実際に燃焼に必要とされる酸素過剰率を用いているので、制御精度が向上し排ガスのＮＯX 及びスモークをともに低減することができるという利点がある。
【００３６】
また、一般的な排ガス再循環装置に対して、エンジンの吸気通路と排ガス通路とにそれぞれ第１及び第２の酸素濃度検出手段を付加するという簡素な構成により、低コストで且つ信頼性の高い装置を提供することができる利点がある。また、従来の技術のようにエアフローセンサを必要としないので、特にディーゼルエンジンの場合にはコスト低減効果が大きい。なお、エアフローセンサは空気の流れを考慮しなければならず、設置場所等の取付け上の制約が大きいという課題があるが、本発明ではこのような問題もない。
【００３７】
また、種々のエンジンに対して、目標酸素過剰率設定マップの特性をエンジン毎の特性に合わせて変更するだけで対応可能であるため、エンジンの種類毎にそれぞれ専用の装置を開発する必要もなく、幅広いエンジンに低コストで本装置を適用することができる。これにより、従来の技術に対して開発工数を低減することができるという利点がある。
【００３８】
さらに、第１及び第２の酸素濃度検出手段からの検出情報のみを用いて、簡単に且つ正確に酸素過剰率を算出することができるという利点がある。
また、請求項２記載の本発明の酸素過剰率算出方法によれば、第１及び第２の酸素濃度検出手段からの検出情報のみを用いて、従来エアフローセンサを用いて算出していた酸素過剰率を簡単に且つ正確に算出することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる排ガス再循環装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる排ガス再循環装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態にかかる排ガス再循環装置の目標酸素過剰率設定マップの具体例であって、（ａ）は過給機付きエンジンの目標酸素過剰率設定マップの一例、（ｂ）は過給機をそなえていないエンジンの目標酸素過剰率設定マップの一例である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
３ 排ガス通路
１０ 排ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）
１３ 制御手段（コントローラ又はＥＣＵ）
１４ 運転状態検出手段を構成するエンジン回転数センサ
１５ 運転状態検出手段を構成するラック位置センサ
１１ 排ガス再循環弁（ＥＧＲ弁）
２１ 第１の酸素濃度検出手段（第１のＯ2 センサ）
２２ 第２の酸素濃度検出手段（第２のＯ2 センサ）
Claims (2)
- エンジンの排ガス通路と吸気通路とを接続する排ガス再循環通路と、
該排ガス再循環通路に配設され該吸気通路に還流される排ガスの流量を調整する排ガス再循環弁と、
該吸気通路に配設され該還流された排ガスを含む全吸気中の酸素濃度を検出する第１の酸素濃度検出手段と、
該排ガス通路に配設され排ガス中の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度検出手段と、
該エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該エンジンの運転状態に応じた目標酸素過剰率を設定する目標酸素過剰率設定手段とをそなえるとともに、
該第１及び第２の酸素濃度検出手段からの検出情報に基づいて該エンジンの実酸素過剰率を算出し、算出された該実酸素過剰率が該運転状態に対応した目標酸素過剰率となるように該排ガス再循環弁の開度を制御する制御手段をそなえ、
上記実酸素過剰率を下式により算出する
ことを特徴とする、排ガス再循環装置。
λＯ 2 ＝〔（Ｏ 2ex ＋λＯ 2 ′）・Ｏ 2in 〕／〔（Ｏ 2in ‐Ｏ 2ex ）・λＯ 2 ′〕
ただし、λＯ 2 は実酸素過剰率、Ｏ 2in は全吸気中の酸素濃度、Ｏ 2ex は排ガス中の酸素濃度、λＯ 2 ′は単位質量当たりの燃料を燃焼させるのに必要な理論酸素量である。 - エンジンの吸気通路に配設された第１の酸素濃度検出手段により全吸気中の酸素濃度を検出し、該エンジンの排ガス通路に配設された第２の酸素濃度検出手段により排ガス中の酸素濃度を検出して、これらの検出情報に基づいて、該エンジンの実酸素過剰率を下式により算出することを特徴とする、酸素過剰率算出方法。
λＯ 2 ＝〔（Ｏ 2ex ＋λＯ 2 ′）・Ｏ 2in 〕／〔（Ｏ 2in ‐Ｏ 2ex ）・λＯ 2 ′〕
ただし、λＯ 2 は実酸素過剰率、Ｏ 2in は全吸気中の酸素濃度、Ｏ 2ex は排ガス中の酸素濃度、λＯ 2 ′は単位質量当たりの燃料を燃焼させるのに必要な理論酸素量である。
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