説明

エンジンのEGR流量検出装置

【課題】運転状態に応じて適正なEGR流量を高精度に測定することのできるエンジンのEGR流量検出装置を得ること。
【解決手段】EGR配管内のEGR流量を調整するEGRバルブと、前記EGRバルブ前後の差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段により検出した差圧からEGR流量に変換するEGR流量算出手段と、前記差圧検出手段により検出した差圧の波形または前記EGR流量算出手段により算出したEGR流量の波形の変動を抑える変動抑制手段を備え、前記エンジンの運転条件によって前記変動抑制手段の特性を変える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、EGRバルブ前後の差圧検出手段を備えたエンジンのEGR流量検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車の燃費や排気の規制は今後ますます強化されていく傾向にあり、特に燃費性能に関してはガソリン価格の高騰や地球温暖化問題などにより関心が高まっている。こうした状況の中、世界各国で燃費向上技術の開発が行われており、その技術の一つにEGRシステムがある。EGRシステムとは、一度燃焼させた排気ガスを再度吸気通路へ還流させるシステムのことである。EGRガス(排気ガス)を吸気通路へ還流させても新気量が減少しないようにするためにはスロットルバルブを開く必要があるため、ポンピングロス(吸気抵抗)が減少し、燃費が向上する。また、排気においても、燃焼室内にEGRガスを導入することで燃焼温度が低下し、高温時に発生するNOxを抑制できる効果がある。
【0003】
EGRシステムにおけるEGRガスの還流先は、負圧の発生するスロットルバルブの下流であるものが一般的である。過給機を搭載したエンジンにおいては、過給領域ではスロットル下流は正圧となりEGRガスが入っていきにくいが、過給領域までEGRをかけることはなかった。しかし最近は、更なる燃費向上のため、過給領域においてもEGRをかける必要があり、EGRガスをコンプレッサの上流に戻すシステムも考えられている。
【0004】
EGRガスは燃費向上やNOx低減に有効である反面、EGRをかけすぎると燃焼が不安定になり、逆に燃費性能や排気性能を悪化させてしまう可能性もあるため、EGRの還流先を問わず、EGRをかける場合はEGR流量を正確に検出できる必要がある。
【0005】
EGR流量を検出する技術として、「特許文献1」がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許第3888024号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1では、吸気行程時にEGRバルブ前後の差圧とEGRバルブ開度とをサンプリングし、それらの平均値からEGR流量を求めるものである。しかしながら、吸気行程の時間はエンジン回転数に依存するため、低回転時はサンプリング数が多く得られるが、高回転時はサンプリング数が不足し、正確なEGR流量を求めることが難しい。また、吸気通路内および排気通路内を流れる流体は脈動しており、エンジン回転数に依存した脈動周波数成分を含んでいるため、低回転になるほど脈動周波数成分を除去しにくい。脈動周波数成分を除去するために平均化処理の時定数をあらかじめ大きく設定しておくことが考えられるが、そうすると過渡運転時の応答が遅れるため、EGR率に大きな誤差が生じて燃焼悪化を引き起こしてしまう可能性がある。
【0008】
また、同一回転数においてもエンジン負荷が高い場合、排圧が高くなるため、脈動が大きくなってしまう。
【0009】
さらに、スロットル開度が大きい場合、エンジンの吸気脈動が伝わりやすくなるため、脈動が大きくなってしまう。
【0010】
このように、時定数の設定は一つではなく、エンジンの運転条件によって最適な時定数に切り替えた方が効果的であるが、特許文献1には、EGRバルブ前後の差圧とEGRバルブ開度とをサンプリングし、それらを平均化するとの記述はあるが、平均化の手法を運転条件によって切り替えることまでは言及していない。
【0011】
本発明は、前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、EGR配管内を流れるEGR流量を、運転条件に拘わらず正確に検出するEGR流量検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
前記目的を達成するために、本発明によるEGR流量検出装置は、エンジンの排気通路から吸気通路へEGRガス(排気ガス)を還流させるEGR配管と、前記EGR配管内のEGR流量を調整するEGRバルブと、前記EGRバルブ前後の差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段により検出した差圧からEGR流量に変換するEGR流量算出手段と、前記差圧検出手段により検出した差圧の波形または前記EGR流量算出手段により算出したEGR流量の波形の変動を抑える変動抑制手段と、前記エンジンの運転条件を検出する運転条件検出手段とを備え、前記エンジンの運転条件によって前記変動抑制手段の特性を変える。
【0013】
本発明によるEGR流量検出装置は、好ましくは、前記EGRバルブ前後の絶対圧から差圧を検出する。
【0014】
本発明によるEGR流量検出装置は、好ましくは、前記運転条件とはエンジン回転数であり、前記エンジン回転数が低いほど、前記変動抑制手段の時定数を大きくする。
【0015】
本発明によるEGR流量検出装置は、好ましくは、前記運転条件とはエンジン負荷であり、前記エンジン負荷が高いほど、前記変動抑制手段の時定数を大きくする。
【0016】
本発明によるEGR流量検出装置は、好ましくは、前記運転条件とはEGRバルブ開度であり、前記EGRバルブ開度が所定値以上変化した場合、前記変動抑制手段の時定数を小さくする。
【0017】
本発明によるEGR流量検出装置は、好ましくは、前記運転条件とはスロットルバルブ開度であり、前記スロットルバルブ開度が所定値よりも大きい場合、前記変動抑制手段の時定数を大きくする。
【発明の効果】
【0018】
本発明によるEGR流量検出装置によれば、EGR配管内を流れるEGR流量を、運転条件に拘わらず正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明に係るEGR流量装置の一実施例を、それが適用された車載用エンジンと共に示す概略構成図。
【図2】差圧センサの説明に供される図。
【図3】EGR流量算出の説明に供されるブロック図。
【図4】大脈動時のサンプリング誤差の説明に供される図。
【図5】小脈動時のサンプリング誤差の説明に供される図。
【図6】変動抑制手段の時定数を設定する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャート。
【図7】回転数毎の脈動周波数成分の説明に供される図。
【図8】変動抑制手段の時定数違いによる周波数特性の説明に供される図。
【図9】変動抑制手段の時定数違いによる応答性比較の説明に供される図。
【図10】定常運転用時定数演算の説明に供されるブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【0021】
図1は、本発明に係るEGR流量検出装置の一実施例を、それが適用された車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図である。
【0022】
図1において、本実施例のEGR流量検出装置が適用されたエンジン10は、例えば4つの気筒(#1,#2,#3,#4)を有する火花点火式の多気筒エンジンであって、シリンダヘッド11a及びシリンダブロック11bからなるシリンダ11と、このシリンダ11の各気筒内に摺動自在に嵌挿されたピストン15と、を有し、ピストン15はコンロッド14を介してクランク軸(図示せず)に連結されている。ピストン15上方には、所定形状の天井部を持つ燃焼室17が画成され、各気筒の燃焼室17には、点火コイル34から高電圧化された点火信号が供給される点火プラグ35が臨設されている。
【0023】
燃料の燃焼に必要な空気は、エアクリーナ19から、コンプレッサ41,スロットルバルブ25,インタークーラ18,コレクタ27,吸気マニホールド28,吸気ポート29等からなる吸気通路20を通り、下流端である吸気ポート29端部に配在された、吸気カム軸23により開閉駆動される吸気弁21を介して各気筒の燃焼室17に吸入される。そして、吸気通路20の下流部分である吸気マニホールド28には、各気筒毎に、吸気ポート29に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁30が臨設されている。
【0024】
エアクリーナ19の下流にあるエアフローセンサ50は、測定対象である空気流の中に配置されたホットワイヤ(発熱抵抗体)に流れる電流値が吸入空気量(質量流量)が多いほど増え、逆に吸入空気量が少ないほど減るようにブリッジ回路が構成されており、流れる発熱抵抗電流より電圧信号として取り出され、後述するECU(エンジンコントロールユニット)100へ入力される。
【0025】
燃焼室17に吸入された空気と燃料噴射弁30から噴射された燃料との混合気は、点火コイル34に接続された点火プラグ35による火花点火により燃焼せしめられ、その排気ガスは、燃焼室17から、排気カム軸24により開閉駆動される排気弁22を介して排気ポート,排気マニホールド,排気管等からなる排気通路40を通って外部の大気中に排出される。
【0026】
排気通路40には、タービン42が配備され、タービン42は同一の軸でコンプレッサ41と接続されており、エンジンから排出されるガスの圧力が所定以上になると過給し始め、圧縮した空気を燃焼室17内へ送り込む。圧縮された高温の空気はインタークーラ18により冷却させられる。過給圧が所定以上になると、それ以上過給しないようにするため、ウェイストゲートバルブ44やリサーキュレーションバルブ43が開くように制御されている。
【0027】
更に、排気通路40には排気浄化用の三元触媒60が配備され、三元触媒60より上流側には、触媒前空燃比に対して線形の出力特性を持つリニア空燃比センサ51が配在され、三元触媒60より下流側には、触媒後空燃比がストイキ(理論空燃比)よりリッチ側かリーン側かを識別するためのスイッチング信号を出力するO2センサ52が配在されている。
【0028】
また、各気筒毎に配備された燃料噴射弁30には、燃料タンク75内の燃料が燃料ポンプ76や燃圧レギュレータ77等を備えた燃料供給機構により所定燃圧に調圧されて供給され、燃料噴射弁30は、ECU100から供給される、そのときの運転状態に応じたデューティ(=パルス幅=開弁時間に相当する)を持つ燃料噴射パルス信号により開弁駆動され、その開弁時間に応じた量の燃料を吸気ポート29に向けて噴射するようになっている。
【0029】
一方、前記エンジン10の種々の制御、つまり、前記燃料噴射弁30による燃料噴射制御(空燃比制御)、前記点火プラグ35による点火時期制御等を行うべく、マイクロコンピュータを内蔵するECU100が備えられている。
【0030】
排気通路40の三元触媒60下流にはEGR配管61が接続されており、排気通路40からEGR配管61内へ流れるEGRガスは、EGRクーラ62で冷却された後、EGRバルブ64を通過してEGR合流部66で空気と混ざり合う。EGRバルブ64の上流には、EGRガス温度を計測するEGR温度センサ63が配備されている。また、EGRバルブ64前後には、上流圧力通路67と下流圧力通路68とが差圧センサ65に接続されている。ここでは差圧センサ65の一例として、図2に示す絶対圧センサ73及び74,AD変換部70,差圧演算部71,DA変換部72および温度センサ69を有した物について説明する。差圧センサ65への入力信号は、EGRバルブ64上流圧力Puと、EGRバルブ64下流圧力Pdであり、それぞれの入力信号を絶対圧センサ73及び74で電圧に変換し、その電圧値をAD変換部70でAD変換した後、差圧演算部71で差圧を計算する。その際、圧力は温度によって変化するため、差圧センサ65内に温度センサ69を搭載し、温度センサ69の情報に基づいてPu,Pdをそれぞれ温度補正するとより正確な差圧が求められる。差圧演算後はDA変換部72にてDA変換した後、ECU100へ出力される。
【0031】
図3に示すブロック図によりEGR流量の算出方法について説明する。ECU100では、差圧センサ65から出力された差圧、EGRバルブ64から出力されたEGRバルブ開度、EGR温度センサ63から出力されたEGRガス温度をそれぞれサンプリングする。その後、ブロック151では、差圧センサ65の出力特性に従って差圧を求め、ブロック152で差圧からEGRバルブ64を通過するEGRガスの流速に変換する。EGRバルブ64前後の圧力と流速には式(A)の関係がある。ここでPuはEGRバルブ上流圧力、PdはEGRバルブ下流圧力、ρはEGRガス密度、vはEGRガス流速である。この式(A)を変換すると式(B)となり、EGRガス流速vが求まる。ここで、Pdifは差圧で、Pdif=Pu−Pdである。
【0032】
【数1】

【0033】
【数2】

【0034】
ブロック153では、EGRバルブ開度からEGRバルブ開口面積を算出している。ブロック154では、EGR温度センサ63から得られたEGRガス温度に基づいてEGRガス密度を算出している。ブロック155では、ブロック152から154で算出したEGRガス流速,EGRバルブ開口面積,EGRガス密度より、下記の式(C)によりEGR流量を算出する。ここで、QegrはEGRガス流量、AはEGRバルブ開口面積、vはEGRガス流速、ρはEGRガス密度である。
【0035】
【数3】

【0036】
ここで、変動抑制手段であるLPF(Low Pass Filter)は、図3のブロック151後の差圧、もしくはブロック155後のEGR流量のいずれか一方または両方に対して掛ける。
【0037】
通常、エンジンの吸気圧力や排気圧力は脈動している。大脈動時にサンプリングした場合に起こり得る不具合について図4に示す。サンプリングはあらかじめ決まった周期間隔で行われるため、図4のようにサンプリングした場合、真の平均値はVaveであるのに対して、サンプリング後の平均値はVsamとなり、サンプリング誤差(=Vave−Vsam)が大きく発生してしまう。この脈動波形を変動抑制手段により効果的に減衰させた後にサンプリングした場合を図5に示す。脈動が減衰している場合、先ほどの図4と同様のサンプリングをしたとしてもサンプリング誤差は小さくなる。そのため、EGRバルブ前後の差圧、もしくは算出したEGR流量に対して変動抑制手段により脈動を低減することはサンプリング誤差を低減するために必要不可欠であることが分かる。
【0038】
脈動を低減するためには変動抑制手段の時定数を大きくすればよいが、そうすると過渡時の応答が遅れてしまい、EGR率が急変して燃焼が不安定になることが考えられる。
【0039】
そこで本発明では脈動を低減するための変動抑制手段の特性を定常時と過渡時とで切り替え、更に定常時においてもエンジン回転数やエンジン負荷,スロットルバルブ開度といったエンジン条件に応じて変化させることを特徴としている。
【0040】
以下に、本発明の変動抑制手段の時定数の設定方法について、図6のフローチャートを用いて説明する。
【0041】
図6はエンジン10がEGR運転領域内にあるときの変動抑制手段の時定数の設定に関するフローチャートである。
【0042】
ステップ111では、EGRバルブ64より入力されたEGRバルブ開度を演算する。ステップ112はエンジンの運転状態が定常運転中であるのか、過渡運転中であるのかを判定する。ステップ111のEGRバルブ開度の値の変化量が所定の値以上変化した場合、エンジンは過渡運転中であると判定し、ステップ117へ移る。
【0043】
ステップ117では過渡運転であるので応答性を優先させるために変動抑制手段の時定数が小さな過渡運転用時定数τkを設定する。ステップ112で定常運転中と判定された場合はステップ113へ移る。
【0044】
ステップ113では、エンジン回転数を演算する。エンジンの吸気圧力,排気圧力の波形には、エンジン回転数に依存した脈動周波数成分が含まれているため、常に変動している。図7に回転数毎の脈動周波数成分を図示している。図7では一例として、4気筒エンジンにおいて回転数が1000r/minから4000r/minまで1000r/min毎の圧力波形内に含まれる脈動周波数成分を示している。図7を見て分かるように、エンジン回転数が低いほど多くの脈動周波数成分が含まれる傾向にある。また、図8に変動抑制手段の時定数違いによる周波数応答の一例を示している。横軸は周波数で、縦軸はGain[abs]となっており、このGainは小さいほど脈動周波数成分を低減する効果が大きいことを意味する。時定数が小さい場合、ほとんどの周波数領域において脈動周波数成分の低減効果が小さく、逆に時定数が大きい場合、ほぼ全ての周波数領域において高い低減効果があることが分かる。即ち、変動抑制手段の時定数は大きい方が脈動低減効果は高いと言える。ただし、時定数を大きくしすぎると、応答時間が遅くなってしまう欠点がある。図9では、時間t=t0のときに信号がステップ的に変化した場合、時定数の大きさにより応答時間に差が生じる様子を図示したものである。時定数とは、信号がステップ的に変化した際、その信号の63.2%応答するまでの時間のことを指す。時定数が小さい場合の応答時間は(t1−t0)となり最も速く、時定数が大きい場合の応答時間は(t3−t0)となり、最も遅くなる。
【0045】
このように、回転数によって波形に含まれる脈動周波数成分は異なるため、回転数によって変動抑制手段の時定数を変えることが望ましい。具体的には、低回転では時定数が大きく、高回転では時定数が小さくなるように設定することで脈動周波数成分を効果的に低減することができる。
【0046】
ステップ114では、エンジン負荷を演算する。同一回転数であっても、エンジン負荷が高いほど排圧が高くなるため、脈動は大きくなる。そのため、エンジン負荷が高いほど時定数が大きく、エンジン負荷が低いほど時定数が小さくなるように設定することで脈動周波数成分を効果的に低減することができる。
【0047】
ステップ115ではスロットルバルブ開度を演算する。スロットルバルブ開度が開いている場合、エンジンの脈動が伝わりやすくなるため、脈動が大きくなる。特に、スロットルバルブ25が全開もしくは全開に近い条件では、エンジン10の大脈動の影響により圧力波形が大きく変動してしまう。そのため、スロットルバルブ25が所定の開度以上開いている条件では、変動抑制手段の時定数を大きく設定することで脈動周波数成分を効果的に低減することができる。
【0048】
ステップ116では、ステップ113から115までの結果に基づいて定常運転用時定数τtを設定する。図10に定常運転用時定数τt演算ブロックを示す。
【0049】
ブロック156では、エンジン回転数とエンジン負荷から構成される3次元マップにより、τt演算の基本となる基本時定数τ0を決定する。3次元マップは、横軸がエンジン回転数であり、高回転ほど変動抑制手段の時定数が小さく、低回転ほど変動抑制手段の時定数が大きくなるように設定する。縦軸はエンジン負荷であり、低負荷ほど変動抑制手段の時定数が小さく、高負荷ほど変動抑制手段の時定数が大きくなるように設定する。
【0050】
ブロック157では、スロットルバルブ開度の大きさによってτ0に掛ける補正係数であるCthの値を変更する。具体的には、スロットルバルブ25が所定の開度(θ0)よりも開いている場合エンジン10の脈動が大きくなるため、Cth>1として時定数が大きくなるように補正係数を変更する。逆にスロットルバルブ25がθ0より小さい場合はCth=1とする。
【0051】
ブロック158ではτtを算出する。τtはブロック156で算出したτ0に、ブロック157で算出したCthを乗じて求める。
【0052】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施例では、EGRガスの還流先をコンプレッサ上流とする例を挙げて説明したが、EGRガスの還流先はコンプレッサ下流でも良く、また過給機を搭載していないエンジンでも筒内直接噴射型エンジンでも同様の効果を得ることができ、さらにハイブリッド車両に搭載されるエンジンにも適用できるものである。
【符号の説明】
【0053】
10 エンジン
11a シリンダヘッド
11b シリンダブロック
14 コンロッド
15 ピストン
17 燃焼室
18 インタークーラ
19 エアクリーナ
20 吸気通路
21 吸気弁
22 排気弁
23 吸気カム軸
24 排気カム軸
25 スロットルバルブ
27 コレクタ
28 吸気マニホールド
29 吸気ポート
34 点火コイル
35 点火プラグ
40 排気通路
41 コンプレッサ
42 タービン
43 リサーキュレーションバルブ
44 ウェイストゲートバルブ
51 リニア空燃比センサ
52 O2センサ
60 三元触媒
61 EGR配管
62 EGRクーラ
63 EGR温度センサ
64 EGRバルブ
65 差圧センサ
66 EGR合流部
67 上流圧力通路
68 下流圧力通路
69 温度センサ
70 AD変換部
71 差圧演算部
72 DA変換部
73 絶対圧センサ(EGRバルブ上流)
74 絶対圧センサ(EGRバルブ下流)
75 燃料タンク
76 燃料ポンプ
77 燃圧レギュレータ
100 ECU(エンジンコントロールユニット)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
エンジンの排気通路から吸気通路へ排気ガスを還流させるEGR配管と、前記EGR配管内のEGR流量を調整するEGRバルブと、前記EGRバルブ前後の差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段により検出した差圧からEGR流量に変換するEGR流量算出手段と、前記差圧検出手段により検出した差圧の波形または前記EGR流量算出手段により算出したEGR流量の波形の変動を抑える変動抑制手段と、前記エンジンの運転条件を検出する運転条件検出手段とを備えたシステムであって、
前記エンジンの運転条件によって前記変動抑制手段の特性を変えることを特徴としたEGR流量検出装置。
【請求項2】
前記差圧検出手段とは、前記EGRバルブ前後の絶対圧から差圧を検出することを特徴とした請求項1に記載のEGR流量検出装置。
【請求項3】
前記運転条件とはエンジン回転数であり、前記エンジン回転数が低い程、前記変動抑制手段の時定数を大きくすることを特徴とする請求項1または2に記載のEGR流量検出装置。
【請求項4】
前記運転条件とはエンジン負荷であり、前記エンジン負荷が高い程、前記変動抑制手段の時定数を大きくすることを特徴とする請求項1または2に記載のEGR流量検出装置。
【請求項5】
前記運転条件とはEGRバルブ開度であり、前記EGRバルブ開度が所定値以上変化した場合、前記変動抑制手段の時定数を小さくすることを特徴とする請求項1または2に記載のEGR流量検出装置。
【請求項6】
前記運転条件とはスロットルバルブ開度であり、前記スロットルバルブ開度が所定値よりも大きい場合、前記変動抑制手段の時定数を大きくすることを特徴とする請求項1または2に記載のEGR流量検出装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2013−24175(P2013−24175A)
【公開日】平成25年2月4日(2013.2.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−161529(P2011−161529)
【出願日】平成23年7月25日(2011.7.25)
【出願人】(509186579)日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Fターム(参考)】