JP5773094B2 - 内燃機関の排気還流制御装置及び排気還流制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、過給機の上流側に排気の一部を還流する内燃機関の排気還流制御装置及び排気還流制御方法に関する。
運転状態に応じた量の排気ガスを吸気系に還流するような内燃機関において、排気系から吸気系に排気を還流するEGR通路に設けられたEGR制御弁の故障診断を実施するようにしたものが従来から知られている。
例えば、特許文献1には、排気通路と吸気通路とを繋ぐEGR通路に設けられたEGR制御弁の故障診断を実施し、その結果、EGR制御弁が開いた状態で固着する開故障が生じている判定されると、内燃機関の出力を制限するフェイルセーフ制御を行うようにした技術が開示されている。
この特許文献1においては、上記フェイルセーフ制御を行うことで、EGR制御弁が開いた状態で固着した際に内燃機関の高出力運転が回避されるため、高温のEGRガスによってEGR制御弁や吸気系が過度に加熱されることがなく、EGR制御弁の二次故障や内燃機関の性能悪化を防止することが可能となっている。
しかしながら、この特許文献1においては、EGR制御弁が開いた状態で固着した際に、EGR率が過大になることによって生じる燃焼悪化や失火によるエンストを防止できないという問題がある。
そこで、本発明は、吸入空気量が所定量よりも大きくなると、EGR制御弁の弁開度に応じた量の排気が還流し、吸入空気量が上記所定量以下になると、上記EGR制御弁の弁開度に関わらず排気がほとんど還流しない内燃機関の排気還流装置において、上記EGR制御弁が固着した際には、内燃機関が失火しないように吸入空気量に制限を加えることを特徴としている。
本発明によれば、EGR制御弁が固着したと判定された際には、吸入空気量に制限が加えられることになり、吸気系に還流する排気の量(EGR量)が減少して、内燃機関の失火が防止され、エンストや、内燃機関が始動不能状態に陥ることを回避することができる。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明が適用される内燃機関1の全体構成を示すシステム図である。
内燃機関1は、駆動源として自動車等の車両に搭載されるものであって、吸気通路2と排気通路3とが接続されている。吸気マニホールド4を介して内燃機関1に接続された吸気通路2には、スロットル弁5が設けられていると共に、その上流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ7が設けられている。排気マニホールド8を介して内燃機関1に接続された排気通路3には、排気浄化用として、三元触媒等の排気触媒9が設けられている。
また、この内燃機関1は、吸気通路2に配置されたコンプレッサ11と排気通路3に配置されたタービン12とを同軸上に備えたターボ過給機10を有している。コンプレッサ11は、スロットル弁5よりも上流側に位置していると共に、エアフローメータ7よりも下流側に位置している。タービン12は、排気触媒9よりも上流側に位置している。なお、図1中の13は、スロットル弁5の下流側に設けられたインタークーラである。
吸気通路2には、コンプレッサ11を迂回してコンプレッサの上流側と下流側とを接続するリサーキュレーション通路14が接続されている。リサーキュレーション通路14には、リサーキュレーション通路14内の吸気流量を制御するリサーキュレーション弁15が設けられている。
排気通路3には、タービン12を迂回してタービン12の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路16が接続されている。排気バイパス通路16には、排気バイパス通路16内の排気流量を制御するウエストゲート弁17が設けられている。
また、内燃機関1は、排気還流(EGR)が実施可能なものであって、排気通路3と吸気通路2との間には、EGR通路20が設けられている。EGR通路20は、その一端が排気触媒9の下流側の位置で排気通路3に接続され、その他端がエアフローメータ7の下流側となりコンプレッサ11の上流側となる位置で吸気通路2に接続されている。このEGR通路20には、EGR制御弁21とEGRクーラ22が設けられている。EGR制御弁21の弁開度は、運転条件に応じた所定のEGR率が得られるように、コントロールユニット25によって制御される。
コントロールユニット25には、上述したエアフローメータ7の検出信号のほか、クランクシャフト(図示せず)のクランク角を検出するクランク角センサ26、アクセルペダル(図示せず)の踏込量を検出するアクセル開度センサ27、EGR制御弁21の弁開度を検出するEGR制御弁開度センサ28等のセンサ類の検出信号が入力されている。
そして、コントロールユニット25は、これらの検出信号に基づいて、内燃機関1の吸入吸気量、点火時期、空燃比等の制御を実施すると共に、上述したようにEGR制御弁21の弁開度を制御して排気通路3から吸気通路2に排気の一部を還流する排気還流制御(EGR制御)を実施している。なお、スロットル弁5、リサーキュレーション弁15、ウエストゲート弁17の弁開度もコントロールユニット25により制御されている。リサーキュレーション弁15としては、コントロールユニット25により開閉制御されるものではなく、コンプレッサ11下流側の圧力が所定圧力以上となったときのみ開弁するようないわゆる逆止弁を用いることも可能である。
上述した内燃機関1においては、排気の一部をタービン12の下流側からコンプレッサ11の上流側にEGRガスとして還流する構成となっており、定常状態であれば、基本的にはEGR制御弁21の弁開度(開口率)によってEGR率が決定する。
詳述すると、上述した内燃機関1においては、図2に示すように、吸入空気量が所定量Qlim1よりも大きくなると、吸入空気量の多寡に関わらずEGR制御弁21の弁開度だけでEGR率が決まり、吸入空気量が上記所定量Qlim1以下となる極小量になると、EGR制御弁21の弁開度に関わらず排気(EGRガス)がほとんど還流せず、EGR率がほぼゼロとなる。
図2は、EGR制御弁21の弁開度を異なる3つの弁開度(大、中、小)とした場合の吸入空気量とEGR率の相関を模式的に示したものである。なお、この図2における3つの弁開度のうち、相対的に最も大きい弁開度のときのEGR率は、吸入空気量が上記所定量Qlim1よりも大きくなると、内燃機関1が失火する所定の失火限界EGR率を上回っている。また、この図2における3つの弁開度のうち、中間の弁開度のときのEGR率と、相対的に最も小さい弁開度のときのEGR率は、吸入空気量が上記所定量Qlim1より大きくなっても、定常状態では上記失火限界EGR率よりも小さくなっている。
ここで、EGR制御弁21が固着した場合、固着した弁開度で吸入空気量が上記所定量Qlim1より大きくなったときのEGR率が上記失火限界EGR率よりも小さければ、定常状態では内燃機関は失火することはない。
しかしながら、減速時においては、スロットル弁5の弁開度が小さくなり吸入空気量が減少しているにも関わらず排気系では排気の応答の遅れにより減速直前の排圧がしばらく維持されることになるため、その間EGR制御弁21の弁開度が一定であっても、相対的にEGR量が増えてEGR率が一時的に大きくなってしまう。
すなわち、定常状態ではEGR率が上記失火限界EGR率を下回るような弁開度でEGR制御弁21の弁開度が固着した場合、このような減速過渡時においては、EGR率が一時的に上記失火限界EGR率よりも大きくなって、内燃機関1が失火してしまう可能性がある。
また、EGR制御弁21において、固着した弁開度で吸入空気量が上記所定量Qlim1より大きくなったときのEGR率が上記失火限界EGR率以上であれば、定常状態であっても、吸入空気量が上記所定量Qlim1より大きくなると内燃機関1が失火してしまうことになる。
そこで、本実施例では、EGR制御弁21が固着した場合に、吸入空気量に制限を加えることで、吸気通路2に還流する排気の量(EGR量)を減少させ、内燃機関1のEGR率が減速時においても上記失火限界EGR率を越えることがないように制御する。
すなわち、EGR制御弁21が予め設定された所定の弁開度閾値EGRVOth(詳細は後述)よりも大きい弁開度で固着した場合には、吸入空気量の上限が上記所定量Qlim1となるように、吸入空気量の制限値Qlimを上記所定量Qlim1とする。また、EGR制御弁21が上記弁開度閾値EGRVOth以下の弁開度で固着した場合には、吸入空気量の上限が第2所定量としての所定量Qlim2(詳細は後述)となるように、吸入空気量の制限値Qlimを上記所定量Qlim2とする。
ここで、上記弁開度閾値EGRVOthは、吸入空気量が上記所定量Qlim1より大きくなった場合に、EGR率が定常状態で上記失火限界EGR率となる弁開度に相当する。
なお、図2において、上記所定量Qlim1は、EGR率が急激に立ち上がり始める吸入空気量よりもわずかに小さい値に設定されているが、これは実際の吸入空気量は定常状態でも厳密には微小変動してしまう可能性があり、定常状態での微小変動により吸入空気量が上記所定量Qlim1を越えてしまっても、EGR率が上記失火限界EGR率以上とならないようにするためである。
また、上記所定量Qlim2は、上記所定量Qlim1よりも大きい値であって、EGR制御弁21の固着した際の弁開度が大きいほど小さくなるように設定されている。この所定量Qlim2は、EGR制御弁21の固着した際の弁開度を用い、例えば、図3に示すような所定量Qlim2算出テーブルから算出される。
上述したように、定常状態でのEGR率が上記失火限界EGR率を下回るような弁開度であっても、減速時にはEGR率が一時的に大きくなってしまうため、減速時のEGR率が上記失火限界EGR率より大きくなってしまう場合があるが、この減速時のEGR率の一時的な増加量は、吸入空気量の変化と相関があり、減速時における吸入空気量の変化が大きくなるほど大きくなる傾向がある。
そのため、本実施例における上記所定量Qlim2は、この減速過渡時におけるEGR率の一時的増加を考慮して、EGR制御弁21の固着した際の弁開度が大きいほど小さくなるように設定されている。つまり、EGR制御弁21の固着した弁開度が、定常状態で上記失火限界EGR率未満となるような弁開度であれば、EGR制御弁21の固着した弁開度に応じて、吸入空気量の制限を緩和する。
詳述すると、上記所定量Qlim2は、EGR制御弁21の固着した弁開度が所定の微小開度である第1弁開度EGRVO1以下の場合、内燃機関1の最大吸入空気量に設定される。つまり、EGR制御弁21の固着時の弁開度が微小開度であれば、実質的に吸入空気量の制限は行われない。また、EGR制御弁21の固着した弁開度が上記第1弁開度EGRVO1よりも大きく上記弁開度閾値EGRVOth以下の場合、上記所定量Qlim2は、内燃機関1の最大吸入空気量より小さく、かつ固着した弁開度が大きくなるほど小さくなるよう設定されている。つまり、EGR制御弁21の固着時の弁開度が、上記第1弁開度EGRVO1よりも大きく上記弁開度閾値EGRVOth以下の場合には、吸入空気量の制限が行われる。
なお、上記所定量Qlim1と上記所定量Qlim2は、上述したように、互いに異なる状況を前提として設定されるものであるため、EGR制御弁21の固着した弁開度が上記弁開度閾値EGRVOthのときに不連続となっている。
図4、図5は、吸入空気量の制限値Qlimが上記所定量Qlim2に設定された場合のEGR率の減速時の変化を模式的に示した特性図である。
図4は、EGR制御弁21の固着した弁開度が上記第1弁開度EGRVO1よりも僅かに大きい第2弁開度EGRVO2の場合を示している。EGR制御弁21の固着した弁開度が上記第2弁開度EGRVO2の場合、減速前の吸入空気量(スロットル弁開度)はあまり制限されておらず、減速前後での吸入空気量変化が大きいため、減速時のEGR率の一時的な増加量も大きくなるが、もともとのEGR率が小さいので、上記失火限界EGR率を越えることはない。
図5は、EGR制御弁21の固着した弁開度が上記第1弁開度EGRVO1よりも上記弁開度閾値EGRVOthに近い第3弁開度EGRVO3の場合を示している。EGR制御弁21の固着した弁開度が上記第3弁開度EGRVO3の場合、減速前の吸入空気量(スロットル弁開度)は上記所定量Qlim2によって制限されており、減速前後での吸入空気量変化が小さくなるため、減速時のEGR率の一時的な増加量も小さくなり、上記失火限界EGR率を越えることはない。
以上説明してきたように、EGR制御弁21が固着した場合、減速時であっても内燃機関1が失火しないように吸入空気量に制限を加えることによって、内燃機関1の失火が防止され、エンストや内燃機関1が始動不能状態になることを回避することができる。また、EGR制御弁21が仮に固着しても、内燃機関1は運転可能なので、当該内燃機関1を駆動源とする車両は、EGR制御弁21の固着を修理するために、整備工場等まで安全に自走可能である。
そして、EGR制御弁21の固着した弁開度に応じて、吸入空気量の制限値Qlimに用いる上記所定量Qlim1と上記所定量Qlim2を使い分けることで、EGR制御弁21の固着した弁開度が定常状態で上記失火限界EGR率未満となるような弁開度であれば、EGR制御弁21の固着に伴う内燃機関の失火防止を図りつつ、EGR制御弁21が固着した際の内燃機関の出力を相対的に向上させることができる。従って、EGR制御弁21が固着した開度が小さいほど、EGR制御弁21の固着を修理するために、整備工場等に速やかに向うことができる。
なお、EGR制御弁21が固着した場合には、例えば警告ランプ等を点灯する等して運転者に告知するようにすれば、可及的速やかに整備工場等で修理することが可能となる。
図6は、EGR制御弁21が固着してもEGR率が上記失火限界EGR率を越えないようにするための制御の流れの一例を示すフローチャートである。図6に示す制御ルーチンは、例えば、内燃機関1の運転中、所定時間毎にコントロールユニット25内で実行されるものである。
S1では、内燃機関1の機関回転数Ne、EGR制御弁21の弁開度EGRVOを読み込む。機関回転数Neは、上述したクランク角センサ26の出力信号に基づき算出される。弁開度EGRVOは、上述したEGR制御弁開度センサ28で検出されるEGR制御弁21の弁開度である。
S2では、EGR制御弁21が固着しているか否かを判定する。EGR制御弁21の固着判定は、例えば、検出された弁開度EGRVOが、目標EGR制御弁開度から乖離し、かつ検出された上記弁開度EGRVOが所定時間不変のとき、EGR制御弁21が固着していると判定する。EGR制御弁21が、固着していると判定されるとS3へ進み、固着していなければ今回のルーチンを終了する。
S3では、検出されたEGR制御弁21の弁開度EGRVOが、上記弁開度閾値EGRVOthよりも大きいか否かを判定し、上記弁開度EGRVOが上記弁開度閾値EGRVOthよりも大きい場合にはS4へ進み、上記弁開度EGRVOが上記弁開度閾値EGRVOth以下の場合にはS5へ進む。
S4では、吸入空気量の制限値Qlimを、上記所定量Qlim1に設定する。これにより、吸入空気量の上限値が上記所定量Qlim1となる。
S5では、検出されたEGR制御弁21の弁開度EGRVOに基づき、上記所定量Qlim2を算出する。上記所定量Qlim2は、上述したように、EGR制御弁21の固着した弁開度が大きいほど小さくなるように設定された値であって、例えば、上述した図3に示すような所定量Qlim2算出テーブルをコントロールユニット25内に記憶させておくことで算出される。そして、S6へ進んで、吸入空気量の制限値Qlimを、上記所定量Qlim2に設定する。
そして、S7では、機関回転数Ne、S4またはS6で設定された吸入空気量の制限値Qlimに基づき、吸入空気量が上記制限値Qlimとなるスロットル弁開度制限値TVOlimを算出する。
S8では、アクセルペダルの踏み込み量に基づいて設定される目標スロットル弁開度tTVOと、S7で算出されたスロットル弁開度制限値TVOlimとを比較し、上記目標スロットル弁開度tTVOがスロットル弁開度制限値TVOlimよりも大きい場合には、目標スロットル弁開度tTVOをスロットル弁開度制限値TVOlimで制限する。
すなわち、上記目標スロットル弁開度tTVOがスロットル弁開度制限値TVOlimよりも大きい場合には、スロットル弁開度制限値TVOlimを目標スロットル開度として、スロットル弁5を制御する。
Claims (6)
- スロットル弁の上流側に位置する過給機と、上記過給機の上流側に排気の一部を還流するEGR通路と、上記EGR通路の途中に配置されたEGR制御弁と、上記EGR制御弁の弁開度を検出可能なEGR制御弁開度検出手段と、を有し、吸入空気量が所定量より大きくなると、上記EGR制御弁の弁開度に応じた量の排気が還流し、吸入空気量が上記所定量以下になると、上記EGR制御弁の弁開度に関わらず排気がほとんど還流しない内燃機関の排気還流装置において、
上記EGR制御弁の固着の有無を判定するEGR制御弁固着判定手段と、
上記EGR制御弁が固着した際には、内燃機関が失火しないように吸入空気量に制限を加える吸入空気量制限手段と、を有する内燃機関の排気還流制御装置。 - 内燃機関が失火する所定の失火限界EGR率より大きくなるような弁開度で上記EGR制御弁が固着した場合には、吸入空気量が上記所定量に制限される請求項1に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
- 内燃機関が失火する所定の失火限界EGR率以下となるような弁開度で上記EGR制御弁が固着した場合には、吸入空気量が上記所定量より大きい第2所定量に制限される請求項1または2に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
- 上記第2所定量は、上記EGR制御弁の固着した弁開度が大きいほど小さくなるよう設定されている請求項3に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
- 上記第2所定量は、上記EGR制御弁の固着した弁開度が微小開度であれば、当該内燃機関の最大吸入空気量に設定される請求項3または4に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
- 吸入空気量が所定量より大きくなるとEGR通路の途中に配置されたEGR制御弁の弁開度に応じた量の排気が過給機の上流側に還流し、吸入空気量が上記所定量以下になると上記EGR制御弁の弁開度に関わらず排気がほとんど上記過給機の上流側に還流しない内燃機関において、
上記EGR制御弁が固着した際には、当該内燃機関が失火しないように、吸入空気量を制限することで過給機の上流側に還流される排気還流量を制御する内燃機関の排気還流制御方法。
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