WO2013187141A1

WO2013187141A1 - 内燃機関の制御装置及び制御方法

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Publication number: WO2013187141A1
Application number: PCT/JP2013/062376
Authority: WO
Inventors: 小原　徹也
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2014-12-15

Abstract

ＥＧＲ制御弁の開弁時にスロットル弁が閉じられると、コンプレッサを通過する吸気の質量流量（コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐ）の変化から、ＥＧＲガスを含んだ吸気の逆流を検知する。そして、吸気の逆流が検知されてから、コンプレッサを上流側に通過した吸気が再吸入されるまで、ＥＧＲ制御弁を閉弁する。これにより、ＥＧＲガスを含んだ吸気に対して、さらにＥＧＲガスを添加してしまうことを防止することができ、安定したＥＧＲ率の吸気を内燃機関（１）の筒内に供給することが可能なり、燃費性能や運転性を向上させることができる。

Description

内燃機関の制御装置及び制御方法

　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制御装置及び制御方法に関する。

　特許文献１には、排気を浄化する触媒の下流側から、排気の一部を吸気通路に設けられた過給機のコンプレッサ上流側に導入する内燃機関において、コンプレッサと、コンプレッサ下流のスロットル弁との間に大気開放する大気開放バルブを設け、ＥＧＲ実行中に減速状態となった場合、吸気通路内に滞留したＥＧＲガスをこの大気開放バルブを開くことで大気中に放出し、加速状態に移行する前に、大気開放バルブを閉じることで、加速時に筒内に吸入されるＥＧＲガス量を減少させ、加速応答性を向上させる技術が開示されている。

　しかしながら、このような特許文献１においては、大気開放バルブから大気開放されたガスの計量を行っていないため、加速時に筒内に吸入されるＥＧＲガス量を把握することができず、燃費や運転性が悪化してしまう可能性がある。

特開２０１１－１１２０１２号公報

　本発明に係る内燃機関の制御装置は、排気の一部をＥＧＲガスとして過給機よりも上流側から吸気通路に導入する内燃機関において、ＥＧＲガスを含んだ吸気の吸気通路上流側へ向かう流れを検知すると吸気通路へのＥＧＲガスの導入を禁止することを特徴としている。

　本発明によれば、ＥＧＲガスを含んだ吸気に対して、さらにＥＧＲガスを添加してしまうことが防止され、安定したＥＧＲ率の吸気を筒内に供給することが可能となり、燃費性能や運転性を向上させることができる。

本発明が適用される内燃機関の全体構成を示すシステム図。高負荷定常運転時の吸気系の様子を模式的に示した説明図。リサーキュレーション弁開時の吸気系の様子を模式的に示した説明図。再加速時の吸気系の様子を模式的に示した説明図。コンプレッサ前後の吸気系を模式的に示した説明図。吸気の逆流を検知した際のタイミングチャート。吸気の逆流を検知した際の制御の流れを示すフローチャート。

　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６、エアクリーナ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するとともに、エアフローメータ６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の上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が介装されている。

　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が介装されている。

　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（排気還流通路）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、その他端がエアクリーナ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、過給時であっても、排気の一部を吸気通路２に還流させることが可能な構成となっている。このＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲ制御弁２１とＥＧＲクーラ２２が介装されている。ＥＧＲ制御弁２１の弁開度は、コントロールユニット２５によって制御され、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようになっている。

　コントロールユニット２５は、上述したエアフローメータ６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、インタークーラ１３よりも下流側でスロットル弁５よりも上流側となる位置の吸気通路２内の温度Ｔ［Ｋ］及び圧力（絶対圧）Ｐ［ｋＰａ］を検出する吸気温センサ２７及び吸気圧センサ２８、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２９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の点火時期や空燃比等の制御を実施すると共に、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。

　このような内燃機関１においては、高負荷域から減速時によりスロットル弁５が閉じられるような場合、コンプレッサ１１下流側の圧力が高くなりすぎないように、リサーキュレーション弁１５を開弁することがある。

　図２に示すように、高負荷定常運転中では、リサーキュレーション弁１５が閉弁した状態でＥＧＲ制御弁２１が所定の開度で開弁し、吸気通路２とＥＧＲ通路１４とが合流するＥＧＲ合流部３１よりも下流側では、吸気は所定のＥＧＲ率となっている。

　そして、高負荷定常運転中から車両が減速するような場合、リサーキュレーション弁１５が開弁すると、コンプレッサ１１下流側の吸気がリサーキュレーション通路１４を通りコンプレッサ１１上流側に押し出されるため、ＥＧＲ合流部３１では、既にＥＧＲガスを含んだ吸気が上流側に向かって流れることになる。このとき、ＥＧＲ制御弁２１が開弁していると、既にＥＧＲガスを含んだ吸気に対して、さらにＥＧＲガスが添加されることになる。その結果、図３示すように、ＥＧＲ合流部３１より上流側には、ＥＧＲ制御弁２１の開度に応じたＥＧＲ率よりも高いＥＧＲ率の吸気が生じることになる。

　そして、この状態から車両が加速する場合、スロットル弁５が開き、リサーキュレーション弁１５が閉弁するため、ＥＧＲ合流部３１では、吸気が下流側に向って流れることになる。そのため、このときＥＧＲ制御弁２１が開弁していると、ＥＧＲ合流部３１より上流側に生じた高いＥＧＲ率の吸気に対して、さらにＥＧＲガスが添加されることになり、図４に示すように、さらに高いＥＧＲ率の吸気が内燃機関１に供給されることなる。

　つまり、ＥＧＲ制御弁２１を開弁している状態でリサーキュレーション弁１５を開弁してしまうと、ＥＧＲガスが２重（図３参照）、３重（図４参照）に、ＥＧＲ合流部３１で添加されることになり、安定したＥＧＲ率の吸気を内燃機関１の筒内に供給できなくなる。

　そこで、本実施例では、ＥＧＲ制御弁２１の開弁時にスロットル弁５が閉じられると、コンプレッサ１１を通過する吸気の質量流量（コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐ［ｋｇ／ｓ］）の変化から、ＥＧＲガスを含んだ吸気の逆流を検知する。そして、吸気の逆流が検知されてから、コンプレッサ１１を上流側に通過した吸気が再吸入されるまで、ＥＧＲ制御弁２１を閉弁する。

　このコンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐは、コンプレッサ１１とリサーキュレーション弁１５を通過する質量流量の総和であり、スロットル弁５を通過するスロットル弁通過質量流量Ｑｔｈ［ｋｇ／ｓ］と、吸気温センサ２７及び吸気圧センサ２８の検出値（上述の温度Ｔ［Ｋ］と圧力Ｐ［ｋＰａ］）を用いて算出される。

　具体的には、図５に示すように、コンプレッサ１１からスロットル弁５までの区間を容積Ｖの閉じた系Ａとして、この閉じた系Ａ内に位置する吸気温センサ２７及び吸気圧センサ２８の検出値を用いて、気体の状態方程式からこの閉じた系Ａ内の吸気密度ρＡを算出する。また、吸気密度ρＡの変化から、この閉じた系Ａ内における吸気の質量変化分を算出する。そして、この質量変化と、スロットル弁通過質量流量Ｑｔｈを用い、この閉じた系Ａにおける質量保存則からコンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐを算出する。

　なお、本実施例おけるコンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐは、吸気通路２下流側に向かって流れるときを正の値とし、吸気通路２上流側に向かって流れるときを負の値とする。また、スロットル弁通過質量流量Ｑｔｈは、スロットル弁５の前後差圧とスロットル弁５の開口率から算出される。スロットル弁５の上流側の圧力は、吸気圧センサ２８で検出される。スロットル弁５の下流側の圧力は、例えば、エアフローメータ６の検出値を用いて推定可能である。

　図６は、ＥＧＲガスを含んだ吸気の逆流を検知した際のタイミングチャートである。

　時刻ｔ１からスロットル弁５の開度が小さくなり、時刻ｔ３でスロットル弁５が閉弁されている。このとき、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐは、時刻ｔ１から徐々に小さくなり、時刻ｔ２を境に負値となる。換言すれば、時刻ｔ２から、コンプレッサ１１を下流側に向かって通過する吸気よりも、コンプレッサ１１を上流側に向かって通過する吸気が上回ることになる。

　そこで、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐが負値の状態であれば、ＥＧＲガスを含んだ吸気が吸気通路２上流側へ向かって流れているものと判定する。本実施例では、時刻ｔ２において、ＥＧＲガスを含んだ吸気が吸気通路２上流側へ向かう流れ（逆流）になったと判定し、ＥＧＲ制御弁２１を閉弁して、このタイミングからＥＧＲを禁止する。

　これにより、ＥＧＲガスを含んだ吸気に対して、さらにＥＧＲガスを添加してしまうことを防止することができ、安定したＥＧＲ率の吸気を内燃機関１の筒内に供給することが可能なり、燃費性能や運転性を向上させることができる。

　そして、この時刻ｔ２からコンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐの積算を開始し、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐが負値となる期間（時刻ｔ２～ｔ４）の積算値（逆流流量積算値）と、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐが負値から正値になってから（時刻ｔ４～ｔ５の期間）の積算値（順流流量積算値）が同じ量になるまで、ＥＧＲ制御弁２１を閉弁状態に維持する。図６において、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐの特性線と、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐが「０」となる直線Ｐに挟まれた面積が積算値であり、時刻ｔ２～ｔ４の期間にＱｃｏｍｐ特性線と直線Ｐに挟まれた面積Ｂ１が逆流流量積算値に相当し、時刻ｔ４～ｔ５の期間にＱｃｏｍｐ特性線と直線Ｐに挟まれた面積Ｂ２が順流流量積算値に相当する。

　このように、時刻ｔ４で、吸気の流れがコンプレッサ１１を下流側に向かって通過する順流となっても、ＥＧＲ制御弁２１の開弁を禁止し、コンプレッサ１１を上流側に通過した吸気が全て再吸入される時刻ｔ５で、ＥＧＲ制御弁２１を開弁を許可し、ＥＧＲの禁止を解除する。すわわち、吸気の流れが逆流しているときに、吸気の逆流流量積算値を算出し、吸気の流れが逆流から順流に切り替わると、吸気の順流流量積算値を算出する。そして、逆流流量積算値と順流流量積算値とが同じ量になってから、つまり図６における面積Ｂ１と面積Ｂ２とが等しくなってからＥＧＲの禁止を解除する。

　そのため、ＥＧＲガスを含んだ吸気に対して、２重、３重にＥＧＲガスが添加されてしまうことを確実に防止することができる。

　また、逆流流量積算値と、順流流量積算値を用いることで、合流部３１における吸気中にＥＧＲガスが含まれているのか否かを精度良く推定することが可能となり、より安定したＥＧＲ率の吸気を内燃機関１に供給することが可能となる。

　なお、順流流量積算値は、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐではなく、エアフローメータ６の検出値を積算することで算出する事も可能である。

　図７は、ＥＧＲガスを含んだ吸気の逆流を検知した際の制御の流れを示すフローチャートである。

　Ｓ１では、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐが負値（Ｑｃｏｍｐ＜０）であるか否かを判定し、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐが負値であればＳ２へ進み、負値でなければＳ３へ進む。Ｓ２では、ＥＧＲガスを含んだ吸気が吸気通路２上流側へ向かう流れ（逆流）になったと判定し、逆流検知フラグであるＦｌａｇを「１」として、Ｓ３へ進む。つまり、上記Ｆｌａｇが「１」のときには、ＥＧＲ合流部３１に流れ込む吸気にＥＧＲガスが含まれている状態となっている。

　Ｓ３では、上記Ｆｌａｇの状態が「１」であるか否かを判定し、「１」であればＳ４へ進み、「０」であればＳ８へ進む。

　Ｓ４ではコンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐを積算し、Ｓ５ではコンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐの積算値（ΣＱｃｏｍｐ）が負値であるか否かを判定する。Ｓ５にて、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐの積算値が負値であると判定されると、Ｓ６へ進み、ＥＧＲ制御弁２１の閉弁し、ＥＧＲを禁止する。一方、Ｓ５にて、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐの積算値が負値でなければＳ７へ進む。Ｓ７では、コンプレッサ１１を上流側に通過した吸気が全て再吸入されたものと判定して上記Ｆｌａｇの状態を「１」から「０」に切り替えてＳ８へ進む。つまり、上記Ｆｌａｇが「０」のときには、ＥＧＲ合流部３１に流れ込む吸気にＥＧＲガスが含まれていない状態となっている。そして、Ｓ８では、ＥＧＲ制御弁２１の開弁を許可し、ＥＧＲの禁止を解除する。

　なお、上述した実施例では、コンプレッサ通過質量流量Ｑｃｏｍｐが負値になったときに、ＥＧＲガスを含んだ吸気が吸気通路２上流側へ向かう流れ（逆流）になったとしてＥＧＲを禁止しているが、リサーキュレーション弁１５が開弁したときに、ＥＧＲガスを含んだ吸気が吸気通路２上流側へ向かう流れ（逆流）になったとしてＥＧＲを禁止するようにしてもよい。

　また、リサーキュレーション弁１５が開弁している間だけＥＧＲの禁止するようにしてもよい。この場合には、リサーキュレーション弁１５の開弁中にコンプレッサ１１の下流側から上流側に流れ込んだ吸気に対して、リサーキュレーション弁１５が閉弁後にＥＧＲガスが再度添加されることになるため上述した実施例に比べて、過渡時により多くのＥＧＲガスが添加されることになるが、ＥＧＲガスの添加量が少ない場合には、安定したＥＧＲ率の吸気を内燃機関１の筒内に供給可能である。

Claims

　吸気通路に設けられた過給機と、排気の一部をＥＧＲガスとして上記過給機よりも上流側から上記吸気通路に導入する排気還流手段と、を有する内燃機関の制御装置において、
　上記吸気通路内の吸気の状態を検知する吸気状態検知手段を有し、
　上記吸気状態検知手段がＥＧＲガスを含んだ吸気の吸気通路上流側へ向かう流れを検知すると、上記排気還流手段によるＥＧＲガスの導入を禁止する内燃機関の制御装置。
　上記吸気状態検知手段は、ＥＧＲガスを含んだ吸気の吸気通路上流側へ向かう流れを検知し、上記排気還流手段によるＥＧＲガスの導入を禁止した後、上記吸気状態検知手段がＥＧＲガスを含んだ吸気の吸気通路下流側へ向かう流れを検知して所定期間が経過したら、上記排気還流手段によるＥＧＲガスの導入を許可する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
　上記吸気状態検知手段は、ＥＧＲガスを含んだ吸気が吸気通路上流側へ逆流している間の吸気の逆流量の積算値と、吸気の流れが逆流から吸気通路下流側へ向かう順流に切り替わってからの吸気の順流量の積算値と、を算出し、上記逆流量の積算値と上記順流量の積算値から吸気通路内の吸気の状態を検知するものであり、
　上記逆流量の積算値が上記順流量の積算値と等しい量になると、上記排気還流手段によるＥＧＲガスの導入を許可する請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
　上記過給機と該過給機よりも下流側に位置するスロットル弁との間の吸気温度及び吸気圧力を検知する温度圧力検知手段を有し、
　上記吸気状態検知手段は、吸気温度及び吸気圧力を用いて上記逆流量と上記順流量とを算出する請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
　上記過給機よりも上流側に位置し、吸気通路内の吸入空気量を検知するエアフローメータを有し、上記エアフローメータの検出を用いて上記順流量を算出する請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
　上記過給機の上流側と下流側とを連通するよう上記吸気通路に接続されたバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス弁と、を有し、
　上記吸気状態検知手段は、上記バイパス弁が開弁している状態を、ＥＧＲガスを含んだ吸気が吸気通路上流側へ逆流している状態として検知する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
　上記吸気状態検知手段は、上記バイパス弁が開弁した時点を、ＥＧＲガスを含んだ吸気が吸気通路上流側へ逆流を開始したときと判定する請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
　排気の一部であるＥＧＲガスを含んだ吸気の吸気通路上流側へ向かう流れを検知すると、吸気通路に設けられた過給機よりも上流側から導入されるＥＧＲガスの吸気通路への導入を禁止する内燃機関の制御方法。