JP4239763B2

JP4239763B2 - 内燃機関の排気ガス再循環装置

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Publication number: JP4239763B2
Application number: JP2003316229A
Authority: JP
Inventors: 勝彦宮本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005083257A

Description

本発明は車両用エンジンなどの内燃機関の排気系から排出される排気ガスを吸気系に循環させる内燃機関の排気ガス再循環装置に関する。

従来より内燃機関、例えば車両用エンジンにおいては、ＮＯｘの発生を抑制するため、また燃費を向上させるための排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）が適用されている。この装置は、機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）により連通し、このＥＧＲ通路を介して一部の排気ガス、即ちＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。ＥＧＲ通路内には、ＥＧＲバルブを設けて、内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲバルブを開閉することで、所定量の排気ガス、つまりＥＧＲガスをＥＧＲ通路を介して機関吸気通路に戻している。

ＥＧＲガスは燃焼反応には関与しないため、多量の熱を吸収できるのでＥＧＲガス量を増大するほど、即ちＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））が増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとＮＯｘの発生量を抑えることができる。また、ＥＧＲ率が増大することで機関吸気通路の負圧が相対的に低下し、ポンプロス低減により燃費も向上する。なお、機関内へのＥＧＲガス率は、機関の運転状況に応じて負荷及び回転数によって制御されている。これは、ＥＧＲ率が増大しすぎると新気割合の低下による燃焼悪化を起こしてしまうからである。

このような排気ガス再循環装置としては、例えば、特開２０００−２４９００２号公報などに開示されているものがある。

特開２０００−２４９００２号公報

図５に従来の機関における減速時の直結状態及び非直結状態でのＥＧＲ変化遅れの様子を示す。図中、直結状態を２点鎖線で示し，非直結状態を実線で示す。

機関減速運転中において自動変速機（可変無段変速機を含む）のクラッチとエンジンが係合していない状態、即ち非直結状態について説明する。車両を減速させるためにアクセルを緩めると、スロットルバルブの開度は減少する。スロットルバルブの開度が減少するときの、スロットルバルブが閉じ始める時刻をｔ１とする。時刻ｔ１では、エンジン回転数，ＥＧＲバルブ開度，筒内ＥＧＲ率はまだ変化はしておらず、これらは時刻ｔ１より少し遅れて減少を始める。しかも、筒内ＥＧＲ率は、ＥＧＲバルブが閉じ始める時刻ｔ２よりも更に遅れて減少し始めている。時刻ｔ３では、スロットルバルブが閉じ終わったにもかかわらず、エンジン回転数，ＥＧＲバルブ開度，筒内ＥＧＲ率は共に減少している最中である。そして、時刻ｔ３直後の時刻ｔ４にてＥＧＲバルブが閉じ終わっているが、この時刻ｔ４においても筒内ＥＧＲ率は減少途中であり、即ち減少の遅れが生じている。エンジン回転数は、極端に時刻ｔ５において低下した後にある程度の回転数を保って回転していく。

また、エンジン減速運転中において自動変速機のクラッチとエンジンが係合している状態、即ち直結状態においては、スロットルバルブの変動に対して、ＥＧＲバルブ開度及び筒内ＥＧＲ率は非直結状態と同様に変動している。エンジン回転数は、非直結状態に比べてなだらかに低下していることがわかる。

非直結状態において上記のようになる理由としては、スロットルバルブ開度の変動に対して、ＥＧＲバルブは電気的あるいは機械的損失などにより僅かに遅れて変動するからである。また、ＥＧＲバルブが閉じ終わった後においても、まだ筒内や機関吸気通路にはＥＧＲガスが残っているので、筒内ＥＧＲ率は、徐々に減少していくからである。上述のような筒内ＥＧＲ率の減少の遅れは、エンジンの運転状況に適さないＥＧＲガス過多の状態を引き起こし、一時的に燃焼が悪化するという問題がある。これによりエンジン回転数は一時的に回転低下を招き、場合によってはエンストに至ってしまう。

一方、直結状態においては、エンジンと自動変速機が係合しているので、非直時のようなエンジン回転数の低下は見られない。従って、非直結状態のようにエンストになるという問題もない。

上述した非直結状態のＥＧＲガス量が一時的に過多になるということについては、特許文献１の特開２０００−２４９００２号公報に開示されている手動変速機においても同様に問題視されている。しかしながら、特許文献１では、クラッチが係合離脱してから要求ＥＧＲ量を制御しているので、筒内ＥＧＲ率の減少遅れが発生する恐れがある。また、機関減速中おいては、ＥＧＲガス量の減量補正を行わないとしており、非直結状態の低回転，低負荷時に特にエンストが起こりやすいという問題に対しては、何ら解決はされていない。

従って、本発明は、直結状態においては、適正ＥＧＲガス量によりＮＯｘを低減し燃費を向上させる一方、非直結状態においては、ＥＧＲガス量が過多となるような機関運転状態の変化があっても、機関回転数の急激な低下を防ぐことができる内燃機関の排気ガス再循環装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の本発明に係る内燃機関の排気ガス再循環装置は、内燃機関の排気系と吸気系とを連通する排気ガス再循環通路に設けられた排気再循環制御弁と、自動変速機のポンプ回転数を検出するポンプ回転センサと、前記自動変速機のタービン回転数を検出するタービン回転センサと、前記ポンプ回転センサにより検出されたポンプ回転数及び前記タービン回転センサにより検出されたタービン回転数に基づいて、前記自動変速機が前記内燃機関と直結状態又は非直結状態であるかを検出する検出手段と、前記検出手段より信号を受けて前記排気再循環制御弁を開閉する制御手段とを備えた内燃機関の排気ガス再循環装置において、前記制御手段は、前記検出手段より前記自動変速機が前記内燃機関と非直結状態であるという信号を受けた場合に、直結状態であるという信号を受けた場合よりも前記排気再循環制御弁の開度を低く設定することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の本発明に係る内燃機関の排気ガス再循環装置は、第１の発明に係る内燃機関の排気ガス再循環装置において、前記制御手段は、前記検出手段より直結状態であるという信号を受けてから、所定時間経過後に前記排気再循環制御弁を開弁側に制御するものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第３の本発明に係る内燃機関の排気ガス再循環装置は、前記内燃機関の運転領域が所定回転数以下である低回転側であるときには、前記制御手段が、前記検出手段より前記自動変速機が前記内燃機関と非直結状態であるという信号を受けた場合に、直結状態であるという信号を受けた場合よりも前記排気再循環制御弁の開度を低く設定することを特徴とする。

上記課題を解決する第４の本発明に係る内燃機関の排気ガス再循環装置は、前記内燃機関の運転領域が所定負荷以下である低負荷側であるときには、前記制御手段が、前記検出手段より前記自動変速機が前記内燃機関と非直結状態であるという信号を受けた場合に、直結状態であるという信号を受けた場合よりも前記排気再循環制御弁の開度を低く設定することを特徴とする。

本発明の内燃機関の排ガス再循環装置によれば、非直結状態の時は直結状態の時よりもＥＧＲバルブの開度が低く設定されているのでＥＧＲガス量が減少される。従って、非直結状態での機関減速中であってもＥＧＲガスが過多になる恐れはなく、燃焼悪化によるエンジン回転数の低下を防止できる。加えて、直結状態においては、適正なＥＧＲガス量によってＮＯｘの低減と燃費の向上とが図られる。

また、エンジンと自動変速機のクラッチとが、直結状態であることを検出して所定時間後に直結状態のＥＧＲバルブ開度とするため、非直結状態から直結状態への切替時においても、確実にエンジン回転数の低下を防止できる。

また更に、所定の低回転，低負荷の領域において、非直結状態の時は直結状態の時よりもＥＧＲバルブの開度が低く設定されているので、エンジン回転数の低下を招き易い運転領域でエンジン回転数の低下を確実に防止するとともに、それ以外の領域では、ＮＯｘの低減と燃費の向上とが図られる。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス再循環装置の概略図を示す。車両に搭載されるエンジン１のシリンダブロック２上にはシリンダヘッド３が設置され、このシリンダブロック２にピストン４が上下動自在に嵌合している。そして、前記シリンダブロック２の下部にはクランクシャフト５が回転自在に支持されている。このクランクシャフト５と前記ピストン４がコネクティングロッド６により連結されている。

前記シリンダブロック２と前記シリンダヘッド３と前記ピストン４によって燃焼室７が構成され、この燃焼室７の両側に吸気ポート８及び排気ポート９が連通されている。前記吸気ポート８及び前記排気ポート９に吸気バルブ１０と排気バルブ１１の先端部が臨み、前記燃焼室７と前記吸気ポート８，前記排気ポート９との開閉が行えるようになっている。そして、前記吸気ポート８には吸気管１２が、前記排気ポート９には排気管１３が連結されている。

各吸気管１２には気筒ごとにインジェクタ１４が設置されると共に、前記シリンダヘッド３に点火プラグ１５が設置されている。前記エンジン１には、各気筒の所定のクランク位置でクランク角信号を出力するクランク角センサ１６が設けられ、このクランクセンサ１６はエンジン回転速度を検出可能となっている。また、前記エンジン１の周囲には冷却水を循環させるウォータジャケット１７が設置されている。前記ウォータジャケット１７には冷却水温を検出する水温センサ１８が設けられている。

更に、前記吸気管１２の中途部にはサージタンク１９が設けられると共に、その上流端部にはエアクリーナ２０が取り付けられている。前記吸気管１２にはスロットルバルブ２１が設置されと共に、このスロットルバルブ２１の開度を検出するスロットルポジションセンサ２２が設置されている。前記スロットルバルブ２１の上流側には、吸入空気量を検出するエアフローセンサ２３が取り付けられている。

また更に、前記エンジン１には、ＥＧＲ機構として、一端部が前記排気管１３に連結され、他端部が前記吸気管１２の前記サージタンク１９に連結されたＥＧＲ通路２４が設置されている。このＥＧＲ通路２４は、排気ガスを排気系から吸気系へ再循環させるものであり、このＥＧＲ通路２４にはＥＧＲバルブ２５が設置されている。

車両には、前記エンジン１などを制御するエンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）２６が設けられている。このＥＣＵ２６には、入出力装置，制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置，中央処理装置及びタイマやカウンタ類が具備されている。前記ＥＣＵ２６により前記エンジン１の総合的な制御が実施される。

即ち、前述した前記クランクセンサ１６が検出したエンジン回転数，前記水温センサ１８が検出したエンジン水温，前記スロットルポジションセンサ２２が検出したスロットルバルブ開度，前記エアフローセンサ２３が検出した吸入空気量などの運転状態情報が前記ＥＣＵ２６に入力される。前記ＥＣＵ２６は、このエンジン回転数，エンジン水温，スロットル開度，吸入空気量などの運転状態情報に基づいて燃料噴射量，エンジン点火時期，排ガス循環量などを決定し、前記インジェクタ１４，前記点火プラグ１５，前記スロットルバルブ２１，前記ＥＧＲバルブ２５などを駆動制御する。

また、前記ＥＣＵ２６には、自動変速機２７を制御する電子制御ユニット（Ｔ／Ｍ−ＣＵ）２８が接続されている。このＴ／Ｍ−ＣＵ２８には、前記自動変速機２７に設置されているポンプ回転センサ２９及びタービン回転センサ３０が検出したポンプ回転数及びタービン回転数の信号が入力される。前記Ｔ／Ｍ−ＣＵ２８では入力されたこの信号を基に、前記エンジン１と前記自動変速機２７とが、直結状態であるか、非直結状態であるかを判断する。更に、前記Ｔ／Ｍ−ＣＵ２８はこの直結状態であるか、非直結状態であるかの情報を指示フラグとして前記ＥＣＵ２６に通信出力する。

図２は、本実施例の内燃機関の排気ガス再循環装置の制御方法を示したフローチャート図である。
まず、ステップＳ１において、前記ＥＣＵ２６が通信により、前記自動変速機２７が直結状態又は非直結状態であるかの指示フラグ（ＣＨＦＬＡＧ）を受信する。ステップＳ２では、そのフラグが非直結状態であるか否か、つまり、前記自動変速機２７のクラッチが前記エンジン１と係合されている状態か、離脱されている状態かを判別する。離脱されている状態の場合にはステップＳ３に進み、係合されている状態の場合にはステップＳ４に進む。ステップＳ３では、ステップＳ２において非直結状態であるという判別結果を基に、前記ＥＣＵ２６が前記ＥＧＲバルブ２５の開度を制御する。このとき、前記ＥＧＲバルブ２５の開度は直結状態の場合より低開度側に制御される。前記ＥＧＲバルブ２５の開度が変わるとエンジンの点火時期も変わるので、同時に前記点火プラグ１５の制御も行われる。

ステップＳ４では、ステップＳ２において直結状態であるという判別結果を基に、更に所定時間経過後に直結状態であればステップＳ５に進み、非直結状態であればステップＳ３へ進む。ステップＳ５では、ステップＳ４において直結状態から所定時間経過後であっても直結であるという判別結果を基に、前記ＥＣＵ２６が前記ＥＧＲバルブ２５を制御する。また、同時に前記点火プラグ１５の点火時期も制御される。

これにより、非直結状態の時は直結状態の時よりも前記ＥＧＲバルブ２５の開度が低く設定されるのでＥＧＲガス量が減少される。従って、非直結状態での機関減速中であってもＥＧＲガスが過多になる恐れはなく、燃焼悪化によるエンジン回転数の低下を防止できる。直結状態においては、適正なＥＧＲガス量によってＮＯｘの低減と燃費の向上とが図られる。

また、前記エンジン１と前記自動変速機２７のクラッチとが、直結状態であることを前記Ｔ／Ｍ−ＣＵ２８が検出して、所定時間後に前記ＥＣＵ２６が直結状態のＥＧＲバルブ開度とするため、非直結状態から直結状態への切替時においても、確実にエンジン回転数の低下を防止できる。

なお、図２の制御は、例えばエンジン回転数が２０００ｒｐｍ以下で、例えばエンジン負荷が平均有効圧において３００ｋＰａ以下といった低回転，低負荷の領域において実行されている。そして、それ以外の領域では、直結状態及び非直結状態における前記ＥＧＲバルブ２５の開度は同一設定とされている。

従って、エンジン回転数の低下を招き易い運転領域でエンジン回転数の低下を確実に防止するとともに、それ以外の領域では、ＮＯｘの低減と燃費の向上とが図られる。

図３に本発明の機関減速時の非直結状態におけるＥＧＲバルブ２５の様子を示す。図中、本発明の実施例に係る非直結状態を太線で示し、直結状態を細線で示し、従来の非直結状態を２点鎖線で示す。

前記スロットルバルブ２１がスロットルバルブ開度量Ａ１より閉じ始める時刻Ｔ１では、エンジン回転数Ｂ１，ＥＧＲバルブ開度Ｃ１，筒内ＥＧＲ率Ｄ１は変化していない。これらは時刻Ｔ１より少し遅れて減少を始める。しかも、筒内ＥＧＲ率は前記ＥＧＲバルブ２５が閉じ始める時刻Ｔ２よりも更に遅れて減少し始めている。前記ＥＧＲバルブ２５は前記スロットルバルブ２１に対して電気的あるいは機械的損失があるため僅かに遅れて変動し、筒内ＥＧＲ率は前記ＥＧＲバルブ２５が閉じても前記燃焼室７や前記吸気管１２にはＥＧＲガスが残っているため、迅速に設定する筒内ＥＧＲ率Ｄ２に達することができないからである。これは、直結状態及び従来の非直結状態と同じ傾向である。

前記スロットルバルブ２１が閉じたＡ２の状態の時刻Ｔ３では、エンジン回転数，筒内ＥＧＲ率は設定されたエンジン回転数Ｂ２，筒内ＥＧＲ率Ｄ２へ向けて減少している最中であるが、ＥＧＲバルブ開度は設定されたＥＧＲバルブ開度Ｃ２に達している。これは、直結状態及び従来の非直結状態のＥＧＲバルブ開度Ｃ３よりもＥＧＲバルブ開度量ｃの分だけ下げて設定されているため、直結状態及び従来の非直結状態のＥＧＲバルブ開度Ｃ３が設定された開度Ｃ２に達する時刻Ｔ４よりも時間Ｔｃの分だけ早く、ＥＧＲバルブ開度Ｃ１は設定された開度Ｃ２に達することができるからである。

また、ＥＧＲバルブ開度がＥＧＲバルブ開度量ｃの分だけ下げて設定されたので、直結状態及び従来の非直結状態の筒内ＥＧＲ率Ｄ３よりも筒内ＥＧＲ率変化量ｄの分だけ低下することになる。これにより、筒内ＥＧＲ率Ｄ１は、直結状態及び従来の非直結状態の筒内ＥＧＲ率Ｄ３が設定された筒内ＥＧＲ率Ｄ２に達する時刻Ｔ６よりも、Ｔｂの分だけ早い時刻Ｔ５に筒内ＥＧＲ率Ｄ２に達することになる。

従って、ＥＧＲバルブ開度を直結状態及び従来の非直結状態のＥＧＲバルブ開度よりも低く設定したことにより、筒内ＥＧＲ率を減少させると、エンジン回転数Ｂ１は設定されたエンジン回転数Ｂ２にスムーズに変化することが可能になる。そのため、筒内において一時的にＥＧＲガス量が多くなることもないので、従来のエンジンにおける回転数の低下、つまりエンジン回転数Ｂ３という状態にはならず、燃焼が悪化するという問題もなくなる。

また、ＥＧＲバルブ開度Ｃ１はＥＧＲバルブ開度Ｃ３よりも低く設定し、ＥＧＲバルブ開度量ｃについては、ＥＧＲガス量など制御に応じて自由に設定値を変えても構わない。

図４は低回転における負荷とＥＧＲ開度の関係を示した図である。図中、直結状態を細線で示し、非直結状態を太線で示す。

非直結状態の低回転，低負荷においては、筒内のＥＧＲガス量が多くなるとエンジンの回転数が低下するので、図４に示すように所定の低回転以下での所定の低負荷領域Ｘにおいても、直結状態の時よりも非直結状態の時のＥＧＲバルブ開度を低く設定した。

これにより、非直時におけるＥＧＲガス量が過多となり燃焼悪化による機関回転数の急激な低下を防ぐことができる。また、低負荷領域ＸはＥＧＲガス量などの制御に応じて自由に設定値を変えても構わない。

本実施例では、自動変速機を用いたが、可変無段変速機（ＣＶＴ）を用いても適用可能である。

排気ガスの再循環が必要な内燃機関に用いると有効である。

本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス再循環装置の概略図である。本発明の実施例に係る内燃機関の排気ガス再循環装置の制御方法を示したフローチャート図である。本発明の機関減速時の非直結状態におけるＥＧＲバルブの様子を示す図である。低回転における負荷とＥＧＲ開度の関係を示した図である。従来の機関における減速時の直結状態及び非直結状態でのＥＧＲ変化遅れの様子を示す図である。

符号の説明

１エンジン
２シリンダブロック
３シリンダヘッド
４ピストン
５クランクシャフト
６コネクティングロッド
７燃焼室
８吸気ポート
９排気ポート
１０吸気バルブ
１１排気バルブ
１２吸気管
１３排気管
１４インジェクタ
１５点火プラグ
１６クランク角センサ
１７ウォータジャケット
１８水温センサ
１９サージタンク
２０エアクリーナ
２１スロットバルブ
２２スロットルポジショニングセンサ
２３エアフローセンサ
２４ＥＧＲ通路
２５ＥＧＲバルブ
２６ＥＣＵ
２７自動変速機
２８Ｔ／Ｍ−ＣＵ
２９ポンプ回転センサ
３０タービン回転センサ

Claims

内燃機関の排気系と吸気系とを連通する排気ガス再循環通路に設けられた排気再循環制御弁と、
自動変速機のポンプ回転数を検出するポンプ回転センサと、
前記自動変速機のタービン回転数を検出するタービン回転センサと、
前記ポンプ回転センサにより検出されたポンプ回転数及び前記タービン回転センサにより検出されたタービン回転数に基づいて、前記自動変速機が前記内燃機関と直結状態又は非直結状態であるかを検出する検出手段と、
前記検出手段より信号を受けて前記排気再循環制御弁を開閉する制御手段と
を備えた内燃機関の排気ガス再循環装置において、
前記制御手段は、前記検出手段より前記自動変速機が前記内燃機関と非直結状態であるという信号を受けた場合に、直結状態であるという信号を受けた場合よりも前記排気再循環制御弁の開度を低く設定する
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。
請求項１に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置において、
前記制御手段は、前記検出手段より直結状態であるという信号を受けてから、所定時間経過後に前記排気再循環制御弁を開弁側に制御するものである
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置において、
前記内燃機関の運転領域が所定回転数以下である低回転側であるときには、前記制御手段が、前記検出手段より前記自動変速機が前記内燃機関と非直結状態であるという信号を受けた場合に、直結状態であるという信号を受けた場合よりも前記排気再循環制御弁の開度を低く設定する
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス再循環装置において、
前記内燃機関の運転領域が所定負荷以下である低負荷側であるときには、前記制御手段が、前記検出手段より前記自動変速機が前記内燃機関と非直結状態であるという信号を受けた場合に、直結状態であるという信号を受けた場合よりも前記排気再循環制御弁の開度を低く設定する
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。