JP5099263B2 - 内燃機関のegr制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関のEGR制御システムに関する。
内燃機関の排気の一部を吸気系に再循環させるEGR装置を備えた内燃機関において、体積効率に基づいて内燃機関の気筒に吸入されるEGRガス量を算出し、当該算出されるEGRガス量に基づいて、EGR率を目標値に制御する技術が知られている(例えば特許文献1を参照)
特開2000−220510号公報
体積効率に基づいて気筒に流入するEGRガス量を算出する計算には、気筒に吸入されるガスの密度が必要になる。気筒に吸入されるガスは、EGR装置を備えた内燃機関の場合には空気とEGRガスとが混合したものであるから、気筒に吸入されるガスの密度は、EGRガスの流量や組成に依存して変化する。そのため、気筒に吸入されるガスの密度を定数とみなしてEGRガス量の計算を行なっていた従来のEGR制御では、精度良くEGR制御を行なうことができない可能性があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、体積効率及び気筒に吸入されるガスの密度に基づいて行なわれるEGR制御の制御精度を向上させることを目的とする。
上記の課題を解決するための本発明に係る内燃機関のEGR制御システムは、
内燃機関の排気の一部をEGRガスとして吸気通路に流入させるEGR装置と、
前記EGR装置によって前記吸気通路に流入するEGRガスの流量を調節するEGRガス量調節手段と、
前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるEGRガスの流量を取得し、当該取得されるEGRガスの流量に基づいて前記EGRガス量調節手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの組成を取得する手段を有し、当該取得される組成に基づいて前記気筒に吸入されるガスの密度を取得し、当該取得されるガス密度及び体積効率に基づいて前記気筒に吸入されるEGRガスの流量を取得することを特徴とする。
上記構成のようにEGR装置を備え吸気通路にEGRガスが導入される内燃機関では、気筒に吸入されるガスの密度は、吸気通路に流入するEGRガスの流量やEGRガスの組成に依存して変化するので、気筒に吸入されるガスの密度は一定ではない。本発明のEGR制御システムによれば、気筒に吸入されるガスの組成を取得することができ、当該取得される組成に基づいて気筒に吸入されるガスの密度を取得することができる。従って、EGRガスの導入に起因して変動する気筒に吸入されるガスの密度を精度良く取得することが可能となる。そして、内燃機関の体積効率と、このようにして取得される気筒に吸入されるガスの密度と、に基づいて、気筒に吸入されるガスの流量を取得し、これに基づいて気筒に吸入されるEGRガスの流量を取得する。従って、EGRガスの導入により気筒に吸入されるガスの組成が変化する場合においても、気筒に吸入されるEGRガスの流量を精度良く取得することができる。これにより、体積効率及び気筒に吸入されるガスの密度に基づいて行なわれるEGR制御の制御精度を向上させることが可能となる。
上記構成において、前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの流量に対する前記気筒に吸入されるEGRガスの流量の比率であるEGR率を取得する手段を有し、当該取得されるEGR率に基づいて前記気筒に吸入されるガスの組成を取得することができる。
EGR装置を備え吸気通路にEGRガスが導入される内燃機関では、気筒に吸入されるガスの組成は、気筒に吸入されるガスのEGR率に依存して変化する。従って、気筒に吸入されるガスの組成をEGR率に基づいて取得することにより、気筒に吸入されるガスの密度を精度良く取得することができ、従って気筒に吸入されるガスの流量を精度良く取得することができる。これにより、気筒に吸入されるEGRガスの流量を精度良く取得することが可能となる。
上記構成において、前記制御手段は、前記内燃機関から排出される既燃ガスの組成及び温度を取得する手段を有し、当該取得される既燃ガスの組成及び温度の少なくとも一方に基づいて、前記気筒に吸入されるガスの組成を取得することができる。
EGR装置を備え吸気通路にEGRガスが導入される内燃機関では、気筒に吸入されるガスの組成は、気筒に吸入されるガス中のEGRガスの組成に依存して変化する。EGRガスは内燃機関から排出される既燃ガスの一部であるから、気筒に吸入されるガス中のEGRガスの組成は、既燃ガスの組成や温度に基づいて推定できる。従って、気筒に吸入されるガスの組成を既燃ガスの組成や温度に基づいて取得することにより、気筒に吸入されるガスの密度を精度良く取得することができ、従って気筒に吸入されるガスの流量を精度良く取得することができる。これにより、気筒に吸入されるEGRガスの流量を精度良く取得することが可能となる。
上記構成において、前記制御手段は、空燃比に基づいて前記内燃機関から排出される既燃ガスの組成及び温度を取得することができる。
既燃ガスの組成や温度は内燃機関における燃料の燃焼条件に依存して変化する。空燃比は燃料の燃焼条件に最も直接的に影響する量であり、空燃比に基づいて既燃ガスの組成及び温度を取得することによって、センシングに依存せずに精度良く既燃ガスの組成や温度を取得することができるので、気筒に吸入されるガスの密度を精度良く取得することができる。これにより、気筒に吸入されるEGRガスの流量を精度良く取得することが可能となる。
上記構成において、前記吸気通路に流入する空気量を取得する空気量取得手段を更に備え、前記制御手段は、前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるガス量を取得し、当該取得されるガス量と前記吸入空気量取得手段により取得される空気量との差に基づいて、前記気筒に吸入されるEGRガスの流量を取得することができる。
上述したように、本発明によれば、EGRガスの導入により気筒に吸入されるガスの密度が変動する場合であっても、気筒に吸入されるガスの流量を精度良く取得することができるので、当該気筒に吸入されるガスの流量から空気量を差し引く計算に基づいて、EGRガスの流量を精度良く取得することが可能となる。
本発明によれば、体積効率及び気筒に吸入されるガスの密度に基づいて行なわれるEGR制御の制御精度を向上させることが可能となる。
実施例に係る内燃機関とその吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係るEGR制御のフローチャートである。 実施例に係るEGR制御のフローチャートである。 EGRガス中のCO濃度と、EGRガス導入による気筒に吸入されるガスの密度の変化率と、の関係を示す図である。 EGRガスの温度と、EGRガス導入による気筒に吸入されるガスの密度の変化率と、の関係を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図1は、本実施例に係る内燃機関のEGR制御システムを適用する内燃機関とその吸気系及び排気系の概略構成を模式的に示す概念図である。
エンジン1は4つの気筒17を有するディーゼルエンジンである。各気筒17は吸気マニホールド2を介して吸気通路8に連通する。また、排気マニホールド3を介して排気通路9に連通する。吸気通路8に設けられたコンプレッサ6及び排気通路9に設けられたタービン7を有し、排気のエネルギーを利用して過給を行うターボチャージャ5を備えている。
コンプレッサ6より下流側の吸気通路8には過給された吸気を冷却するインタークーラ4が設けられている。コンプレッサ6より上流側の吸気通路8には吸気通路8に流入する空気量を測定するエアフローメータ19が設けられている。
排気マニホールド3と吸気通路8とは、EGR通路15によって連通している。EGR通路15を介して排気の一部が吸気通路8に再循環する。EGR通路15には、EGR通路15を介して吸気通路8に流入する排気であるEGRガスの流量を調節するEGR弁18が設けられている。EGR弁18の開度を調節することにより、EGRガスの流量を調節することができる。EGR弁18が本発明におけるEGRガス量調節手段に相当する。
吸気マニホールド2には、吸気マニホールド2におけるガスの圧力を測定する吸気圧センサ13と、吸気マニホールド2におけるガスの温度を測定する吸気温センサ14とが備えられている。
タービン7より下流側の排気通路9には、排気浄化装置12が備えられている。排気浄化装置12は排気空燃比がリーンの場合に排気中のNOxを吸蔵し、排気空燃比がリッチ化した場合に吸蔵していたNOxを放出し還元剤存在下で該NOxを還元浄化するNOx触媒と、排気中の微粒子物質を捕集するパティキュレートフィルタと、を有している。
このシステムには、エンジン1の運転状態を制御するECU16が備えられている。ECU16には上記の吸気圧センサ13、吸気温センサ14、エアフローメータ19の他、アクセルペダルの踏み込み量を測定するアクセル開度センサ10とエンジン1のクランクシャフトの角度を測定するクランク角度センサ11による測定データが入力される。ECU16はこれら各種センサから入力される測定データに基づいてエンジン1の運転状態や運転者の要求を取得し、それに基づいてEGR制御の他既知の燃料噴射制御等を行う。
ここで、本実施例に係るEGR制御について説明する。
本実施例のEGR制御では、エンジン1の体積効率及び気筒17に吸入されるガスの密度に基づいて気筒17に吸入される全ガス量(気筒吸入ガス量という)を算出し、当該算出した気筒吸入ガス量からエアフローメータ19で測定される空気量を減算することによって、EGRガス量を算出する。そして、算出したEGRガス量に基づいてEGR率を算出し、このEGR率がエンジン1の運転条件に応じて定められる目標値に一致するように、EGR弁18の開度をフィードバック制御する。ここで、EGR率とは、気筒吸入ガス量に対するEGRガス量の比率として定義される量である。EGR率は燃焼特性、排気特性、燃費特性等の機関性能に直接影響するパラメータであり、その目標値は排気規制や燃費要求等の要請を満たすように運転状態に応じて定められている。
本実施例のEGR制御の特徴点は、体積効率及び気筒吸入ガスの密度から気筒吸入ガス量を算出する計算において用いる気筒吸入ガスの密度として、気筒吸入ガスの組成に基づいて算出する値を用いる点である。
この気筒吸入ガスの密度は、従来、空気密度などの定数で代用していた。しかしながら、EGR装置を備え吸気系にEGRガスが導入される内燃機関の場合、気筒吸入ガスの密度はEGRガス量やEGRガスの組成の変化に依存して変化するので、気筒吸入ガスの密度を空気密度で近似してしまうと、体積効率と気筒吸入ガスの密度から算出される気筒吸入ガス量の精度が低くなる。従って、気筒吸入ガス量から空気量を減算して算出されるEGRガス量の精度も低くなり、結果としてEGR制御の制御精度の低下を招く可能性がある。
この点に鑑みて、本実施例のEGR制御システムでは、体積効率と気筒吸入ガスの密度とから気筒吸入ガス量を算出する計算において用いる気筒吸入ガスの密度を、EGRガス量及びEGRガスの組成を考慮してその都度算出するようにした。これにより、EGRガスの導入に起因する気筒吸入ガスの密度の変化を反映させて気筒吸入ガス量を算出することができるので、気筒に吸入されるEGRガス量も精度良く算出することができる。従って、高精度のEGR制御を行なうことが可能となる。
ここで、本実施例のEGR制御について、図2及び図3に基づいて説明する。図2及び図3は上述した本実施例のEGR制御のフローチャートである。このフローチャートで表される処理は、ECU16によってエンジン1の稼働中所定間隔で繰り返し実行される。
ステップS101において、ECU16は、エンジン1の負荷及び回転数を取得する。本実施例では、アクセル開度センサ10による測定データに基づいて負荷APOを取得するとともに、クランク角度センサ11による測定データに基づいて回転数Neを取得する。
ステップS102において、ECU16は、基準体積効率ηv0を取得する。基準体積効率とは、所定の基準温度及び基準圧力におけるエンジン1の体積効率であり、負荷及び回転数毎に予め試験等により調べた値をマップ化してECU16に記憶させておく。ECU16は、このマップをステップS101で取得した負荷APO及び回転数Neを用いて検索することにより基準体積効率ηv0を取得する。
ステップS103において、ECU16は、吸気マニホールド2におけるガスの圧力Pin(以下、インマニ圧力という)及び温度Tin(以下、インマニ温度という)を取得する。本実施例では、吸気圧センサ13による測定データに基づいてインマニ圧力Pinを取得するとともに、吸気温センサ14による測定データに基づいてインマニ温度Tinを取得する。
ステップS104において、ECU16は、現在の体積効率ηを取得する。本実施例では、ステップS102で取得した基準体積効率ηv0を、ステップS103で取得したインマニ圧力Pin及びインマニ温度Tinを用いて補正することによって、現在の体積効率ηを取得する。ここでは、基準圧力P、基準温度Tとした場合に、次の式に基づいて体積効率ηを算出する。
Figure 0005099263
ステップS105において、ECU16は、エンジン1の行程容積Vを取得する。行程容積Vはエンジン1の構造によって定まる定数である。
ステップS106において、ECU16は、気筒吸入ガスの密度を取得する。ここではインマニ圧力Pin及びインマニ温度Tinでの空気密度γを、暫定的に気筒吸入ガスの密度とする。上述したように本実施例のEGR制御においては、EGRガスを考慮して気筒吸入ガスの密度を算出して、該算出される気筒吸入ガスの密度と体積効率とから気筒吸入ガス量を算出することを特徴としているが、この段階ではまだこのEGRガスを考慮した気筒吸入ガスの密度が取得されていないため、暫定的な値を用いる。
ステップS107において、ECU16は、気筒吸入ガス量Gcylを算出する。本実施例では、ステップS104で取得した体積効率ηと、ステップS101で取得したエンジン1の回転数Neと、ステップS105で取得した行程容積Vと、ステップS106で取得した気筒吸入ガス密度の暫定値γと、を用いて、次の式で気筒吸入ガス量Gcylを算出する。

Figure 0005099263
なお、この式自体は公知であり、次の体積効率の定義式、
Figure 0005099263
において、分母のGに次の関係式、
Figure 0005099263
を代入し、Gcylについて解くことによって得られる。
ステップS108において、ECU16は、吸気通路8に流入する新気量Gを取得する。本実施例では、エアフローメータ19による測定データに基づいて新気量を取得する。
ステップS109において、ECU16は、気筒17に吸入されるEGRガス量Gegrを取得する。本実施例では、ステップS107で取得した気筒吸入ガス量Gcylから、ステップS108で取得した新気量Gを減算することによってEGRガス量を取得する。
ステップS110において、ECU16は、EGR率Regrを取得する。本実施例では、ステップS109で取得したEGRガス量GegrとステップS107で取得した気筒吸入ガス量Gcylとの比を計算することによってEGR率を取得する。
以上の処理は、気筒吸入ガスの密度として暫定的に空気密度を用いて、従来通りの方法でEGR率を算出する処理である。本実施例の特徴点は、この後、このEGR率及びEGRガスの組成及び温度に基づいて気筒吸入ガスの密度を再計算し、その密度を用いて上記の処理と同様の処理を再度実行することによって、再度EGR率を計算する点である。この処理について図3に基づいて説明する。
ステップS111において、ECU16は、燃料噴射量G及び空気量Gを取得する。これらの値は別途実行される燃料噴射制御ルーチンで用いられた値を読み込むことで取得する。燃料噴射制御は、一般的なディーゼルエンジンの燃料噴射制御とし詳細な説明は割愛する。
ステップS112において、ECU16は、空燃比A/Fを取得する。本実施例では、ステップS111で取得した燃料噴射量G及び空気量Gから空燃比を取得する。なお、ここでいう空気量とは、最終的に燃焼に関与する空気量であって、エアフローメータ19によって測定される新気量Gとは異なる。
ステップS113において、ECU16は、EGRガスの組成及び温度Texを取得する。本実施例では、ステップS112で取得した空燃比に基づいて、エンジン1から排気マニホールド3に排出される既燃ガス中の二酸化炭素濃度Dco2を算出し、これをEGRガスの組成として取得する。また、ステップS112で取得した空燃比に基づいて、エンジン1から排気マニホールド3に排出される既燃ガスの温度を算出し、これをEGRガスの温度Texとして取得する。空燃比から既燃ガスの温度を算出する関係式は、実験的に求めた式を用いる。
ステップS114において、ECU16は、気筒吸入ガス密度γinを取得する。本実施例では、ステップS113で取得したEGRガスの二酸化炭素濃度Dco2及びEGRガスの温度Texと、ステップS110で算出したEGR率Regrと、に基づいて、気筒吸入ガス密度γinを算出する。図4に示すように、EGRガス中の二酸化炭素濃度Dco2が高いほど、EGRガスが導入されることによる気筒吸入ガス密度の増加側への変化率が高くなる。一方、図5に示すように、EGRガスの温度Texが高いほど、EGRガスが導入されることによる気筒吸入ガス密度の減少側への変化率が高くなる。また、これらの変化の傾向は、EGR率Regrが高くなるほど大きくなる。このように、EGR率Regrと、EGRガスの二酸化炭素濃度Dco2と、EGRガス温度Texと、に基づくことにより、現状の気筒吸入ガス密度γinを精度良く取得することができる。
ステップS115以降の処理では、ECU16は、ステップS114で取得したEGR率を考慮した気筒吸入ガス密度γinを用いて、図2に基づいて説明したEGR率の計算を再度実行する。
まず、ステップS115において、ECU16は、気筒吸入ガス量Gcylを算出する。本ステップでは、ステップS104で取得した体積効率ηと、ステップS101で取得したエンジン1の回転数Neと、ステップS105で取得した行程容積Vと、ステップS114で取得したEGR率Regrを考慮した気筒吸入ガス密度γinと、を用いて、次の式で気筒吸入ガス量Gcyl’を算出する。

Figure 0005099263
ステップS116において、ECU16は、吸気通路8に流入する新気量G’をエアフローメータ19による測定データに基づいて取得する。
ステップS117において、ECU16は、気筒17に吸入されるEGRガス量Gegr’を取得する。ここでは、ステップS115で取得した気筒吸入ガス量Gcyl’から、ステップS116で取得した新気量G’を減算することによってEGRガス量を取得する。
ステップS118において、ECU16は、EGR率Regr’を取得する。ここでは、ステップS117で取得したEGRガス量Gegr’とステップS115で取得した気筒吸入ガス量Gcyl’との比を計算することによってEGR率を取得する。
この後、取得したEGR率とエンジン1の運転条件(負荷、回転数)に応じて定められた目標EGR率との比較に基づいてEGR弁18の開度をフィードバック制御する。
以上説明したフローチャートに従ってEGR制御を行なうことにより、本実施例のEGR制御システムでは、体積効率と気筒吸入ガスの密度とから気筒吸入ガス量を算出する計算を2回行なう。すなわち、まず気筒吸入ガスの密度として空気密度を暫定的に用いる初回の計算を行なう。そして、当該初回の計算結果として得られたEGR率と別途空燃比から求めたEGRガス組成及びEGRガス温度を考慮して算出した密度を気筒吸入ガスの密度として用いる2回目の計算を行なう。これら2回の計算を行なうことにより、EGRガスの導入に起因して気筒吸入ガスの密度が変化する場合においても、精度良く気筒吸入ガス量を算出することを可能にした。気筒吸入ガス量を精度良く算出することができることで、気筒吸入ガスから空気量を減算して算出されるEGRガス量の精度も向上させることが可能となった。これにより、体積効率及び気筒吸入ガスの密度に基づいて行なわれるEGR制御の制御精度を向上させることが可能となった。本実施例において、以上説明したフローチャートの処理を実行するECU16が、本発明における制御手段に相当する。
なお、本実施例では、ステップS103における吸気マニホールド2におけるガスの圧力及び温度の取得を吸気圧センサ13及び吸気温センサ14によってセンシングして取得する例について説明したが、エンジン1の運転条件やエンジン1の環境条件等に基づいてモデルによってこれらを推定するようにしても良い。
1 エンジン
2 吸気マニホールド
3 排気マニホールド
4 インタークーラ
5 ターボチャージャ
6 コンプレッサ
7 タービン
8 吸気通路
9 排気通路
10 アクセル開度センサ
11 クランク角度センサ
12 排気浄化装置
13 吸気圧センサ
14 吸気温センサ
15 EGR通路
16 ECU
17 気筒
18 EGR弁
19 エアフローメータ

Claims (5)

  1. 内燃機関の排気の一部をEGRガスとして吸気通路に流入させるEGR装置と、
    前記EGR装置によって前記吸気通路に流入するEGRガスの流量を調節するEGRガス量調節手段と、
    前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるEGRガスの流量を取得し、当該取得されるEGRガスの流量に基づいて前記EGRガス量調節手段を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの組成を取得する手段を有し、当該取得される組成に基づいて前記気筒に吸入されるガスの密度を取得し、当該取得されるガス密度及び体積効率に基づいて前記気筒に吸入されるEGRガスの流量を取得することを特徴とする内燃機関のEGR制御システム。
  2. 請求項1において、前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの流量に対する前記気筒に吸入されるEGRガスの流量の比率であるEGR率を取得する手段を有し、当該取得されるEGR率に基づいて前記気筒に吸入されるガスの組成を取得することを特徴とする内燃機関のEGR制御システム。
  3. 請求項1又は2において、前記制御手段は、前記内燃機関から排出される既燃ガスの組成及び温度を取得し、当該取得される既燃ガスの組成及び温度の少なくとも一方に基づいて、前記気筒に吸入されるガスの組成を取得することを特徴とする内燃機関のEGR制御システム。
  4. 請求項3において、前記制御手段は、空燃比に基づいて前記内燃機関から排出される既燃ガスの組成及び温度を取得することを特徴とする内燃機関のEGR制御システム。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項において、
    前記吸気通路に流入する空気量を取得する空気量取得手段を更に備え、前記制御手段は、前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるガス量を取得し、当該取得されるガス量と前記吸入空気量取得手段により取得される空気量との差に基づいて、前記気筒に吸入されるEGRガスの流量を取得することを特徴とする内燃機関のEGR制御システム。
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