内燃機関の排気再循環制御装置
【課題】 排気再循環回路を有する内燃機関において、ＮＯＸ低減と黒煙低減とエンジン出力と燃費とのバランスをとって排気の還流率を制御する。
【解決手段】 内燃機関の排気再循環制御装置において、検出手段(31)で検出した回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度に応じて、ＥＧＲ率と空燃比とが記憶手段(32)の記憶するそれぞれの目標の値となるように、排気再循環回路を開閉する第１開閉弁(15c) 及び吸気バイパス回路(12c) を開閉する第２開閉弁(12d)を制御する制御部(33)を設ける。
【解決手段】 内燃機関の排気再循環制御装置において、検出手段(31)で検出した回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度に応じて、ＥＧＲ率と空燃比とが記憶手段(32)の記憶するそれぞれの目標の値となるように、排気再循環回路を開閉する第１開閉弁(15c) 及び吸気バイパス回路(12c) を開閉する第２開閉弁(12d)を制御する制御部(33)を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気再循環制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保全の見地から、内燃機関の排出する有害物質に対する規制強化が各地で進んでいる昨今、内燃機関の排気に含まれる有害物質を低減させる方法として排気再循環（通称ＥＧＲ）が広く知られ、用いられている。燃焼室から排出される排気の一部を排気マニホルドから吸気マニホルドへ還流し吸気に混合させて再度燃焼室に送り込むことで、燃焼を緩慢にし、燃焼最高温度を下げる作用があり、排気に含まれる有害物質特に窒素酸化物（以下ＮＯＸと略記）の発生を抑える効果が大きい。
【０００３】
図８に従来の形態として、実開平６−１７５９号公報に記載された、排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１１４の給排気回路図を示す。エンジン１１４は、ターボチャージャー１１１と、吸気回路１１２と、コントローラ１１３と、排気再循環回路１１５と、排気回路１１６とを有する。ターボチャージャー１１１のコンプレッサ１１１ａで圧縮された吸気は吸気回路１１２を経てエンジン本体１１４ａに導入される。エンジン本体１１４ａから排出された排気は排気回路１１６を経てターボチャージャー１１１に流れ込み、タービン１１１ｂを駆動して排出される。排気再循環回路１１５は、一端を排気回路１１６のタービン１１１ｂの上流側に分岐接続され、他端を吸気回路１１２のコンプレッサ１１１ａの下流側に分岐接続される。排気再循環回路１１５中には、第１アクチュエータ１１５ａによって駆動され排気再循環回路１１５を開閉自在とするＥＧＲ弁１１５ｃが設けられている。吸気回路１１２には、吸気バイパス回路１１２ａと、第２アクチュエータ１１２ｂによって駆動されこの吸気バイパス回路１１２ａへの吸気の流入を選択自在とする三方弁１１２ｃとが設けられている。吸気バイパス回路１１２ａにはベンチュリ１１２ｄが設けられ、このベンチュリ１１２ｄの狭隘部１１２ｅに前記排気再循環回路１１５が接続している。
【０００４】
排気の還流を行うとき、コントローラ１１３は第１アクチュエータ１１５ａを駆動してＥＧＲ弁１１５ｃを開く。しかし、タービン１１１ｂ入口の圧力がコンプレッサ１１１ａ出口の圧力よりも低い場合にはＥＧＲ弁１１５ｃを開くだけでは排気を還流できない。そこで図示しない検出手段によりタービン１１１ｂ入口の圧力がコンプレッサ１１１ａ出口の圧力よりも低いことを検出すると、コントローラ１１３が第２アクチュエータ１１２ｂを駆動して三方弁１１２ｃを切換え、吸気の大部分を吸気バイパス回路１１２ａに流す。するとベンチュリ１１２ｄの狭隘部１１２ｅで流速が高まり局所的に圧力が下がるので、タービン１１１ｂ入口の圧力がコンプレッサ１１１ａ出口の圧力よりも低くとも、排気の還流が可能となりＮＯＸの発生を抑えられる。
【０００５】
【特許文献１】実開平６−１７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術には以下の問題がある。従来技術のベンチュリ付排気還流システムでは、エンジンの運転条件が変わった場合に不都合が生じる。例えば、急加速時はターボラグのため吸入空気量が過渡的に不足する上に、タービン１１１ｂ入口の圧力がコンプレッサ１１１ａ出口の圧力よりも過渡的に高くなって還流する排気の流量が増大するため、燃焼が緩慢になり、黒煙の排出量が増加するとともに加速性が悪化する。また、エンジン劣化や気圧の変化などによってＮＯＸまたは黒煙の排出量が増加した場合、これを補正するように排気の還流を制御する機能がないので、こういった排気成分の悪化を救済することができない。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたものであり、ＮＯＸの排出量、黒煙の排出量、エンジン出力及び燃費のバランスを考慮して排気の還流の制御を行う内燃機関の排気再循環制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、吸気回路上に配したコンプレッサと排気回路上に配したタービンとを有するターボチャージャと、排気回路のタービン−内燃機関本体間と吸気回路のコンプレッサ−内燃機関本体間とを接続して第１開閉弁によって開閉自在とした排気再循環回路とを設けるとともに、コンプレッサ−内燃機関本体間の吸気の流れを絞る狭隘部を有する絞りを吸気回路に設けて排気再循環回路の接続位置をこの狭隘部略中央とし、この絞りの直上流と直下流とをバイパス接続するとともに第２開閉弁によって開閉自在とされる吸気バイパス回路を設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度を検出する検出手段と、内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の空燃比及びＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段と、前記検出手段の検出した排気中の酸素濃度から空燃比を求め、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度からＥＧＲ率を求め、前記求めた空燃比及びＥＧＲ率を前記記憶手段の記憶するそれぞれの目標値に近づけるように前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開度を微調整する制御を行う制御手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、吸気回路上に配したコンプレッサと排気回路上に配したタービンとを有するターボチャージャと、排気回路のタービン−内燃機関本体間と吸気回路のコンプレッサ−内燃機関本体間とを接続して第１開閉弁によって開閉自在とした排気再循環回路とを設けるとともに、コンプレッサ−内燃機関本体間の吸気の流れを絞る狭隘部を有する絞りを吸気回路に設けて排気再循環回路の接続位置をこの狭隘部略中央とし、この絞りの直上流と直下流とをバイパス接続するとともに第２開閉弁によって開閉自在とされる吸気バイパス回路を設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度を検出する検出手段と、内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の、前記第１開閉弁の開度、前記第２開閉弁の開度、空燃比及びＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段と、前記検出手段の検出した回転速度及び負荷に対する前記記憶手段の記憶する目標の開度となるように前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開度を制御するとともに、検出手段の検出した排気中の酸素濃度から空燃比を求め、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度からＥＧＲ率を求め、前記求めた空燃比及びＥＧＲ率を前記記憶手段の記憶するそれぞれの目標値に近づけるように前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開度を微調整する制御を行う制御手段とを設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１又は第２発明の内燃機関の排気再循環制御装置において、前記制御手段は、前記検出手段の検出した運転状態から急加速中と判断したときに、前記第１開閉弁を閉じる制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度から求まるＥＧＲ率と、排気中の酸素濃度から求まる空燃比との両方の値をフィードバックして、内燃機関の回転速度と負荷とに対するＥＧＲ率及び空燃比の目標値に近づけるように、第１開閉弁と第２開閉弁との開度を制御することにより、エンジンの運転状態に最適な値となるようにＥＧＲ率及び空燃比を制御できるので、ＮＯＸと黒煙との両方の排出量を内燃機関の回転速度と負荷とに応じてバランスよく低減できる。さらに、内燃機関の回転速度と負荷とに対するＮＯＸと黒煙との排出量が内燃機関の劣化や気圧の変化などにより変動しても、上記フィードバック制御によりこれらの変動を補正する制御ができる。しかも、酸素濃度を検出する検出手段は、ＮＯＸ濃度を検出する検出手段よりも安価なので、ＮＯＸと黒煙との両方の排出量を内燃機関の回転速度と負荷とに応じてバランスよく低減できる内燃機関の排気再循環制御装置を安価に構成できる。
【００１２】
第２の発明によれば、第１の発明と同じ効果を奏するのに加えて、内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の第１開閉弁と第２開閉弁との開度を初期設定するとともに、内燃機関の回転速度と負荷とに対するＥＧＲ率及び空燃比の目標値に近づけるように、第１開閉弁と第２開閉弁との開度を微調整する制御を行うことにより、内燃機関の回転速度と負荷との変動に対する制御系の応答性が向上する。
【００１３】
第３の発明によれば、急加速時に排気の還流を中止することで、排気の還流による吸気中の酸素濃度の低下を避け、急加速時における出力の低下と排気中の黒煙増加とを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施形態について、図１、図２を参照して説明する。図１に第１実施形態の排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１４の給排気回路図を示す。エンジン１４は、ターボチャージャー１１と、吸気回路１２と、コントローラ１３と、排気再循環回路１５と、排気回路１６とを有する。ターボチャージャー１１のコンプレッサ１１ａで圧縮された吸気は吸気回路１２を経てエンジン本体１４ａに導入される。エンジン本体１４ａから排出された排気は排気回路１６を経てターボチャージャー１１に流れ込み、タービン１１ｂを駆動して排出される。
【００１５】
排気再循環回路１５は、一端を排気回路１６の排気マニホルド１６ａ近傍に分岐接続され、他端を吸気回路１２の吸気マニホルド１２ａ近傍に分岐接続される。排気再循環回路１５中には、図示しないアクチュエータ１５ａによって駆動され排気再循環回路１５を開閉自在とするＥＧＲ弁１５ｃが設けられている。ＥＧＲ弁１５ｃの開度が増加するほど還流する排気の流量は増加し、すなわちＥＧＲ率も増加する。吸気回路１２には、ベンチュリ１２ｂと、このベンチュリ１２ｂの直上流と直下流とをバイパス接続する吸気バイパス回路１２ｃと、図示しないアクチュエータによって駆動されこの吸気バイパス回路１２ｃを開閉自在とする吸気バイパス弁１２ｄとが設けられている。ベンチュリ１２ｂの狭隘部にはベンチュリ１２ｂ内の上流から下流への流れに合流する接続口が設けられ、この接続口に排気再循環回路１５が分岐接続している。吸気バイパス弁１２ｄを絞ると吸気バイパス回路１２ｃの通過流量が減少し、その分ベンチュリ１２ｂの通過流量が増大するので、狭隘部の流速が増大して圧力が下がり、還流する排気の流量は増加し、すなわちＥＧＲ率も増加する。吸気回路１２のコンプレッサ１１ａ出口近傍と排気回路１６のタービン１１ｂ入口近傍との間には、これらを連通する給排気バイパス回路２０が設けられ、給排気バイパス回路２０には、これを吸気回路１２側から排気回路１６側への一方向のみ導通自在とする逆止弁２０ａが設けられている。
【００１６】
エンジン１４は更に、エンジン１４の回転速度を検出する回転速度センサ３１ａ、エンジン１４の冷却水の水温を検出する水温センサ３１ｂ、出力トルクを検出するトルクメータ３１ｃ、排気中の酸素濃度を検出する排気酸素濃度センサ３１ｄ、及び排気中のＮＯＸ濃度を検出するＮＯＸセンサ３１ｅなどといったエンジン１４の運転状態を検出する検出手段３１を有する。また、吸気バイパス弁１２ｄの開度の目標値ＢＴ、ＥＧＲ弁１５ｃの開度の目標値ＥＴ、ＮＯＸ濃度の目標値ＮＯＸＴ及び空燃比の目標値ＲＴ（Ａ／Ｆ）を制御マップとして記憶した記憶手段３２を有し、検出手段３１の検出した各状態に応じた検出信号と記憶手段３２に記憶された制御マップの各目標値データとを入力して後述する演算処理を行い、吸気バイパス弁１２ｄ及びＥＧＲ弁１５ｃの開度を制御する制御部３３を有する。なお、前記制御マップは、検出手段３１が検出する回転速度Ｎを横の座標、出力トルクＴを縦の座標とする座標平面を設定し、この座標平面を格子状に細分し、細分した各領域毎に前記の各目標値を設定するように構成されている。したがって、回転速度及び出力トルクの値が定まれば、これらに対応する前記の各目標値が前記制御マップから一義的に決まる。
【００１７】
第１実施形態における制御部３３の処理手順を図２に示す制御フローチャート例に基づいて説明する。初期状態となるステップＳ１では、ＥＧＲ弁１５ｃは完全に閉じられ、吸気バイパス弁１２ｄは完全に開ききっている。まず制御部３３は、ステップＳ２で、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎとトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴとから選択される目標の開度になるように、ＥＧＲ弁１５ｃを開き吸気バイパス弁１２ｄを閉じる制御を行う。これにより吸気バイパス弁１２ｄの開度は前記目標値ＢＴとなり、ＥＧＲ弁１５ｃの開度は前記目標値ＥＴとなる。次にステップＳ３で、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎ及びトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴに基づいて選択した目標のＮＯＸ濃度ＮＯＸＴと、ＮＯＸセンサ３１ｅが検出したＮＯＸ濃度ＮＯＸＯとを比較し、数式「ＮＯＸＯ≧ＮＯＸＴ」が真ならばステップＳ４へ移行し、偽ならばステップＳ６へ移行する。
【００１８】
ステップＳ４では、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎ及びトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴから選択した目標の空燃比ＲＴ（Ａ／Ｆ）と、排気酸素濃度センサ３１ｄが検出した排気中の酸素濃度から算定した空燃比ＲＯ（Ａ／Ｆ）とを比較し、数式「ＲＯ（Ａ／Ｆ）≧ＲＴ（Ａ／Ｆ）」が真ならばステップＳ５へ移行する。ステップＳ５ではＥＧＲ弁１５ｃの開度を所定値ΔＥ１だけ増加させるとともに吸気バイパス弁１２ｄの開度を所定値ΔＢ１だけ減少させ、すなわちＥＧＲ率を増加させてステップＳ３へ戻る。数式「ＲＯ（Ａ／Ｆ）≧ＲＴ（Ａ／Ｆ）」が偽ならばステップＳ７へ移行する。ステップＳ６では、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎ及びトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴから選択した目標の空燃比ＲＴ（Ａ／Ｆ）と、排気酸素濃度センサ３１ｄが検出した排気中の酸素濃度から算定した空燃比ＲＯ（Ａ／Ｆ）とを比較し、数式「ＲＯ（Ａ／Ｆ）≧ＲＴ（Ａ／Ｆ）」が偽ならばステップＳ８へ移行する。ステップＳ８では、ＥＧＲ弁１５ｃの開度を所定値ΔＥ２だけ減少させるとともに吸気バイパス弁１２ｄの開度を所定値ΔＢ２だけ増加させ、すなわちＥＧＲ率を減少させてステップＳ３へ戻る。前記ステップＳ６で数式「ＲＯ（Ａ／Ｆ）≧ＲＴ（Ａ／Ｆ）」が真ならばステップＳ７へ移行する。ステップＳ７ではＥＧＲ弁１５ｃ及び吸気バイパス弁１２ｄの開度を現在値のまま、所定時間保持し、この経過後、Ｓ３に戻って以上の処理を繰り返す。なお、上記処理で、微小開度制御量ΔＥ１とΔＥ２、及びΔＢ１とΔＢ２は等しい値でも異なった値でもよい。
【００１９】
第１実施形態によれば、以上の制御フローチャートにより、まずＥＧＲ弁１５ｃ及び吸気バイパス弁１２ｄの開度を、エンジン１４の回転速度Ｎと出力トルクＴとに対する目標値となるように制御する。通常の運転条件ならば、これだけでもエンジン１４の運転状態に最適な値となるようにＥＧＲ率を制御できる。さらに排気中のＮＯＸ濃度ＮＯＸＯと空燃比ＲＯ（Ａ／Ｆ）との両方の値をフィードバックしてエンジン１４の回転速度Ｎと出力トルクＴとに対する目標値に近づけるように制御する。これにより、エンジン１４の劣化や気圧の変化などによるＮＯＸと黒煙との排出量の変化を補正するようにＥＧＲ率を制御できる。したがって、ＮＯＸと黒煙との両方の排出量をエンジン１４の回転速度と負荷とに応じてバランスよく低減できる。
【００２０】
本発明の第２実施形態について、図３、図４を参照して説明する。図３に第２実施形態の排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１４の給排気回路図を示す。第１実施形態との相違は、ＮＯＸ濃度の替わりにＥＧＲ率を状態量として用いることである。このためＮＯＸセンサ３１ｅの替わりに吸気中の酸素濃度を検出する吸気酸素濃度センサ３１ｇを有する。また、記憶手段３２の替わりに記憶手段３２ａを有しており、この記憶手段３２ａは吸気バイパス弁１２ｄの開度の目標値ＢＴ、ＥＧＲ弁１５ｃの開度の目標値ＥＴ、ＥＧＲ率の目標値ＥＧＲＴ及び空燃比の目標値ＲＴ（Ａ／Ｆ）を、第１実施形態と同様に制御マップとして記憶する。他のハード構成については第１実施形態と同様である。
【００２１】
ここで、実際のＥＧＲ率ＥＧＲＯは、排気酸素濃度センサ３１ｄで検出した排気中の酸素濃度と吸気酸素濃度センサ３１ｇで検出した吸気中の酸素濃度とから一義的に求められる。運転状態が決まれば、目標となるＮＯＸ排出量ＮＯＸＴに対応するＥＧＲ率ＥＧＲＴは、一義的に決まるので、ＥＧＲ率でＮＯＸ濃度の代用ができる。したがって第２実施形態の上記構成によって第１実施形態と等価の制御ができる。
【００２２】
第２実施形態における制御部３３の処理手順について、図４に示す制御フローチャートに基づいて説明する。ステップＳ１及びステップＳ２の処理までは第１実施形態と同様である（記憶手段３２は記憶手段３２ａに置き換える）。次にステップＳ２からステップＳ３ａに進み、記憶手段３２ａが記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎ及びトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴに基づいて選択した目標のＥＧＲ率ＥＧＲＴと、実際のＥＧＲ率ＥＧＲＯとを比較し、数式「ＥＧＲＯ≧ＥＧＲＴ」が真ならばステップＳ４へ移行し、偽ならばステップＳ６へ移行する。この先の制御フローチャートは、第１実施形態と同様である（記憶手段３２は記憶手段３２ａに置き換える）。
【００２３】
第２実施形態によれば、以上の制御フローチャートにより、まずＥＧＲ弁１５ｃ及び吸気バイパス弁１２ｄの開度を、エンジン１４の回転速度Ｎと出力トルクＴとに対する目標値となるように制御する。さらに吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度から算定したＥＧＲ率ＥＧＲＯと排気中の酸素濃度から算定した空燃比ＲＯ（Ａ／Ｆ）との両方の値をフィードバックしてエンジン１４の回転速度Ｎと出力トルクＴとに対する目標のＥＧＲ率ＥＧＲＴ及び空燃比ＲＴ（Ａ／Ｆ）の値に近づけるように制御する。これにより、エンジン１４の運転状態に最適な値となるようにＥＧＲ率を制御する。したがって、第１実施形態の効果に加えて、ＮＯＸ濃度を直接検出する必要がなく、これをＥＧＲ率で代用するので、高価なＮＯＸセンサ３１ｅが不要になり、製造コストを低減できる。
【００２４】
本発明の第３実施形態について、図５を参照して説明する。第１実施形態または第２実施形態との相違は、暖機運転時及び急加速時に排気の還流を停止する制御が加わることであり、ハード構成については第１実施形態または第２実施形態と同一である。
【００２５】
第３実施形態における制御部３３の処理手順について、図５に示す制御フローチャートに基づいて説明する。ステップＳ１及びステップＳ２の処理までは第１実施形態または第２実施形態と同様であり、ステップＳ２からはステップＳ９へ移行する。ステップＳ９では、予め設定した温度値ＴＴと水温センサ３１ｂが検出した冷却水の水温ＴＯとを比較し、数式「ＴＯ≦ＴＴ」が真ならばステップＳ１２へ移行する。ステップＳ１２ではＥＧＲ弁１５ｃを閉じ切るとともに吸気バイパス弁１２ｄを開き切り、すなわちＥＧＲ率をゼロにしてステップＳ９へ戻る。前記ステップＳ９で数式「ＴＯ≦ＴＴ」が偽ならばステップＳ１０へ移行する。ステップＳ１０では、予め設定されたエンジンの回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＴと、回転速度センサ３１ａが検出した実際の回転速度Ｎより得られるエンジンの回転速度の単位時間当り増加量ｄＮＯとを比較し、数式「ｄＮＯ≧ｄＮＴ」が真ならばステップＳ１３へ移行する。ステップＳ１３ではＥＧＲ弁１５ｃを閉じ切るとともに吸気バイパス弁１２ｄを開き切り、すなわちＥＧＲ率をゼロにしてステップＳ１０へ戻る。前記ステップＳ１０で数式「ｄＮＯ≧ｄＮＴ」が偽ならばステップＳ１１へ移行する。ステップＳ１１ではＥＧＲ弁１５ｃ及び吸気バイパス弁１２ｄの開度を現在値のまま、所定時間保持し、この経過後ステップＳ３またはステップＳ３ａへ移行する。この先の制御フローチャートは、第１実施形態または第２実施形態と同様であり、ステップＳ５，Ｓ７及びＳ８の処理後はステップＳ９に戻って以上の処理を繰り返す。
【００２６】
第３実施形態によれば、第１実施形態または第２実施形態の制御に加えて以下の制御を行う。
（１）エンジン１４の回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＯが所定値ｄＮＴ以上の場合、ＥＧＲ率をゼロにして排気の還流を停止する。
（２）エンジン１４の冷却水の水温ＴＯが所定値ＴＴ以下の場合、ＥＧＲ率をゼロにして排気の還流を停止する。
したがって第１実施形態または第２実施形態の効果に加えて、以下の効果が得られる。
（１）エンジン１４の回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＯが所定値ｄＮＴ以上の場合すなわち加速時に、排気の還流で吸気中の酸素濃度が低下することによる出力低下と不完全燃焼とを避けられる。したがって、加速時の出力低下を防止して加速性を向上できるとともに、不完全燃焼を防止して黒煙の発生をも抑えられる。
（２）エンジン１４の冷却水の水温ＴＯが所定値ＴＴ以下の場合すなわち寒冷時に排気の還流を行うと、排気中の水蒸気が排気再循環回路１５中で凝結して水になり、各部の腐食作用を招く。特に排気再循環回路１５中にＥＧＲクーラが設けてあれば水の凝結量が増え、腐食作用が顕著になる。したがって、寒冷時の排気再循環回路１５中での水の凝結を抑えることで、エンジン１４各部の腐食を防止できる。
【００２７】
本発明の第４実施形態について、図６、図７を参照して説明する。第４実施形態は、第３実施形態における加速時に排気の還流を停止する制御処理を、ルーツ形に代表される容積形スーパチャージャで加速時に過給を行う制御処理に置き換えたものである。したがって説明は第３実施形態と相違する箇所に限り、重複する箇所については省略する。図６に第４実施形態の、排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１４の給排気回路図を示す。吸気回路１２のコンプレッサ１１ａの直上流に、制御部３３からの指令により起動停止自在なスーパチャージャ４０と、このスーパチャージャ４０の直上流とこのスーパチャージャ４０の直下流すなわちコンプレッサ１１ａの直上流とをバイパスする逆止弁４１とが設けられている。制御部３３からの指令によりスーパチャージャ４０を起動すると、コンプレッサ１１ａに導入される吸気に過給圧力を与えることができる。スーパチャージャ４０を停止しているときは、吸気は逆止弁４１を通ってコンプレッサ１１ａに導入される。
【００２８】
第４実施形態における制御部３３の処理手順について、図７に示す制御フローチャートに基づいて説明する。第３実施形態との相違は、ステップＳ１１及びＳ１３の制御処理を、以下に説明するステップＳ１１ａ及びＳ１３ａの制御処理に置き換えたことである。ステップＳ１０では、予め設定されたエンジンの回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＴと、回転速度センサ３１ａが検出した実際の回転速度より得られるエンジンの回転速度の単位時間当り増加量ｄＮＯとを第３実施形態と同様に比較する。そして数式「ｄＮＯ≧ｄＮＴ」が真ならばステップＳ１３ａへ移行する。ステップＳ１３ａではスーパチャージャ４０を起動してステップＳ１０へ戻る。前記ステップＳ１０で数式「ｄＮＯ≧ｄＮＴ」が偽ならばステップＳ１１ａへ移行する。ステップＳ１１ａではスーパチャージャ４０を停止して、ステップＳ３またはＳ３ａへ移行する。この先の制御フローチャートは、第１実施形態または第２実施形態と同様であり、ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ８の処理後はステップＳ９に戻って以上の処理を繰り返す。
【００２９】
第４実施形態によれば、第１実施形態または第２実施形態の制御に加えて、以下の制御を行う。
（１）エンジン１４の回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＯが所定値ｄＮＴ以上の場合、スーパチャージャ４０を起動して過給を行う。
（２）エンジン１４の冷却水の水温ＴＯが所定値ＴＴ以下の場合、ＥＧＲ率をゼロにして排気の還流を停止する。
したがって、第１実施形態または第２実施形態の効果に加えて、以下の効果が得られる。
（１）エンジン１４の回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＯが所定値ｄＮＴ以上の場合すなわち加速時に、スーパチャージャ４０の過給作用で、排気の還流による吸気中の酸素濃度の低下を補い、出力の低下と不完全燃焼とを防止できる。したがって、排気の還流を停止することなく加速時の出力低下を防止して加速性を向上できるとともに黒煙の発生も抑えられる。
（２）エンジン１４の冷却水の水温ＴＯが所定値ＴＴ以下の場合すなわち寒冷時に排気の還流を行うと、排気中の水蒸気が排気再循環回路１５中で凝結して水になり、各部の腐食作用を招く。特に排気再循環回路１５中にＥＧＲクーラが設けてあれば水の凝結量が増え、腐食作用が顕著になる。したがって、寒冷時の排気再循環回路１５中での水の凝結を抑えることで、エンジン１４各部の腐食を防止できる。
【００３０】
なお、本発明は以上に例示した実施形態に限定されるものではない。例えば前述の給排気バイパス回路２０は、吸気の一部を排気回路１６に逃がすことで吸気回路１２の圧力を下げるとともに排気回路１６の圧力を上げて排気の還流を容易にするものであり、本発明にとって必須の構成要件ではない。また、エンジン１４の負荷に相当する状態量として、出力トルクＴの替わりに例えば燃料噴射量を用いてもよい。燃料噴射量の検出方法としては、燃料の流量を直接測定してもよいし、コントロールラックの位置から求めてもよい。さらに、ＥＧＲ率を求める方法として、例えば吸気中の二酸化炭素濃度と排気中の二酸化炭素濃度とをそれぞれセンサを設けて検出し、各々の二酸化炭素濃度の比率からＥＧＲ率を求める方法を用いてもよい。また空燃比を求める他の方法として、吸気流量を直接測定、または吸気回路の圧力及び温度からの演算によって求めるとともに、燃料流量を直接測定、またはコントロールラックの位置からの演算によって求め、この吸気流量と燃料流量とから空燃比を求める方法をとってもよい。加えて各実施形態の制御フローチャートにおいて、ステップＳ２の処理を省略し、ステップＳ１から次のステップに移行する制御を行ってもよい。
【００３１】
以上実施形態を例示して説明した通り、本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）排気中のＮＯＸ濃度（またはＥＧＲ率）と空燃比との両方の値をフィードバックしてエンジンの回転速度と負荷とに対する目標値に近づけるように、第１開閉弁と吸気バイパス弁との開度を制御することでＥＧＲ率を制御している。したがって、ＮＯＸと黒煙との両方の排出量をエンジンの回転速度と負荷とに応じてバランスよく低減できる。しかも、エンジンの劣化や気圧の変化などによってＮＯＸと黒煙との排出量が変化しても、この変化を補正して排出量を低減するようにＥＧＲ率を制御できる。
（２）急加速時に排気の還流を中止することで、排気の還流による吸気中の酸素濃度の低下を避け、急加速時における出力の低下と排気中の黒煙増加とを防止できる。
（３）急加速時に、排気の還流を中止する替わりに、スーパチャージャにより吸気の過給を行うので、排気の還流による吸気中の酸素濃度の低下を補い、出力の低下と不完全燃焼とを防止する。これにより、急加速時における加速性を向上させ、かつ排気中の黒煙を低減できる。しかも急加速時も排気の還流ができるのでＮＯＸの排出量を抑えたまま加速できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
建設機械、農林機械、産業車両、一般車両等の、内燃機関を使用する機械全般に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態の給排気回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態の制御フローチャート例である。
【図３】本発明の第２実施形態の給排気回路図である。
【図４】本発明の第２実施形態の制御フローチャート例である。
【図５】本発明の第３実施形態の制御フローチャート例である。
【図６】本発明の第４実施形態の給排気回路図である。
【図７】本発明の第４実施形態の制御フローチャート例である。
【図８】従来技術の給排気回路図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１…ターボチャージャ、１１ａ…コンプレッサ、１１ｂ…タービン、１２…吸気回路、１２ｂ…ベンチュリ、１２ｃ…吸気バイパス回路、１２ｄ…吸気バイパス弁、１５…排気再循環回路、１５ｃ…ＥＧＲ弁、３１…検出手段、３２…記憶手段、３３…制御部、４０…スーパチャージャ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気再循環制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保全の見地から、内燃機関の排出する有害物質に対する規制強化が各地で進んでいる昨今、内燃機関の排気に含まれる有害物質を低減させる方法として排気再循環（通称ＥＧＲ）が広く知られ、用いられている。燃焼室から排出される排気の一部を排気マニホルドから吸気マニホルドへ還流し吸気に混合させて再度燃焼室に送り込むことで、燃焼を緩慢にし、燃焼最高温度を下げる作用があり、排気に含まれる有害物質特に窒素酸化物（以下ＮＯＸと略記）の発生を抑える効果が大きい。
【０００３】
図８に従来の形態として、実開平６−１７５９号公報に記載された、排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１１４の給排気回路図を示す。エンジン１１４は、ターボチャージャー１１１と、吸気回路１１２と、コントローラ１１３と、排気再循環回路１１５と、排気回路１１６とを有する。ターボチャージャー１１１のコンプレッサ１１１ａで圧縮された吸気は吸気回路１１２を経てエンジン本体１１４ａに導入される。エンジン本体１１４ａから排出された排気は排気回路１１６を経てターボチャージャー１１１に流れ込み、タービン１１１ｂを駆動して排出される。排気再循環回路１１５は、一端を排気回路１１６のタービン１１１ｂの上流側に分岐接続され、他端を吸気回路１１２のコンプレッサ１１１ａの下流側に分岐接続される。排気再循環回路１１５中には、第１アクチュエータ１１５ａによって駆動され排気再循環回路１１５を開閉自在とするＥＧＲ弁１１５ｃが設けられている。吸気回路１１２には、吸気バイパス回路１１２ａと、第２アクチュエータ１１２ｂによって駆動されこの吸気バイパス回路１１２ａへの吸気の流入を選択自在とする三方弁１１２ｃとが設けられている。吸気バイパス回路１１２ａにはベンチュリ１１２ｄが設けられ、このベンチュリ１１２ｄの狭隘部１１２ｅに前記排気再循環回路１１５が接続している。
【０００４】
排気の還流を行うとき、コントローラ１１３は第１アクチュエータ１１５ａを駆動してＥＧＲ弁１１５ｃを開く。しかし、タービン１１１ｂ入口の圧力がコンプレッサ１１１ａ出口の圧力よりも低い場合にはＥＧＲ弁１１５ｃを開くだけでは排気を還流できない。そこで図示しない検出手段によりタービン１１１ｂ入口の圧力がコンプレッサ１１１ａ出口の圧力よりも低いことを検出すると、コントローラ１１３が第２アクチュエータ１１２ｂを駆動して三方弁１１２ｃを切換え、吸気の大部分を吸気バイパス回路１１２ａに流す。するとベンチュリ１１２ｄの狭隘部１１２ｅで流速が高まり局所的に圧力が下がるので、タービン１１１ｂ入口の圧力がコンプレッサ１１１ａ出口の圧力よりも低くとも、排気の還流が可能となりＮＯＸの発生を抑えられる。
【０００５】
【特許文献１】実開平６−１７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術には以下の問題がある。従来技術のベンチュリ付排気還流システムでは、エンジンの運転条件が変わった場合に不都合が生じる。例えば、急加速時はターボラグのため吸入空気量が過渡的に不足する上に、タービン１１１ｂ入口の圧力がコンプレッサ１１１ａ出口の圧力よりも過渡的に高くなって還流する排気の流量が増大するため、燃焼が緩慢になり、黒煙の排出量が増加するとともに加速性が悪化する。また、エンジン劣化や気圧の変化などによってＮＯＸまたは黒煙の排出量が増加した場合、これを補正するように排気の還流を制御する機能がないので、こういった排気成分の悪化を救済することができない。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたものであり、ＮＯＸの排出量、黒煙の排出量、エンジン出力及び燃費のバランスを考慮して排気の還流の制御を行う内燃機関の排気再循環制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、吸気回路上に配したコンプレッサと排気回路上に配したタービンとを有するターボチャージャと、排気回路のタービン−内燃機関本体間と吸気回路のコンプレッサ−内燃機関本体間とを接続して第１開閉弁によって開閉自在とした排気再循環回路とを設けるとともに、コンプレッサ−内燃機関本体間の吸気の流れを絞る狭隘部を有する絞りを吸気回路に設けて排気再循環回路の接続位置をこの狭隘部略中央とし、この絞りの直上流と直下流とをバイパス接続するとともに第２開閉弁によって開閉自在とされる吸気バイパス回路を設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度を検出する検出手段と、内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の空燃比及びＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段と、前記検出手段の検出した排気中の酸素濃度から空燃比を求め、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度からＥＧＲ率を求め、前記求めた空燃比及びＥＧＲ率を前記記憶手段の記憶するそれぞれの目標値に近づけるように前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開度を微調整する制御を行う制御手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、吸気回路上に配したコンプレッサと排気回路上に配したタービンとを有するターボチャージャと、排気回路のタービン−内燃機関本体間と吸気回路のコンプレッサ−内燃機関本体間とを接続して第１開閉弁によって開閉自在とした排気再循環回路とを設けるとともに、コンプレッサ−内燃機関本体間の吸気の流れを絞る狭隘部を有する絞りを吸気回路に設けて排気再循環回路の接続位置をこの狭隘部略中央とし、この絞りの直上流と直下流とをバイパス接続するとともに第２開閉弁によって開閉自在とされる吸気バイパス回路を設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度を検出する検出手段と、内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の、前記第１開閉弁の開度、前記第２開閉弁の開度、空燃比及びＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段と、前記検出手段の検出した回転速度及び負荷に対する前記記憶手段の記憶する目標の開度となるように前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開度を制御するとともに、検出手段の検出した排気中の酸素濃度から空燃比を求め、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度からＥＧＲ率を求め、前記求めた空燃比及びＥＧＲ率を前記記憶手段の記憶するそれぞれの目標値に近づけるように前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開度を微調整する制御を行う制御手段とを設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１又は第２発明の内燃機関の排気再循環制御装置において、前記制御手段は、前記検出手段の検出した運転状態から急加速中と判断したときに、前記第１開閉弁を閉じる制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度から求まるＥＧＲ率と、排気中の酸素濃度から求まる空燃比との両方の値をフィードバックして、内燃機関の回転速度と負荷とに対するＥＧＲ率及び空燃比の目標値に近づけるように、第１開閉弁と第２開閉弁との開度を制御することにより、エンジンの運転状態に最適な値となるようにＥＧＲ率及び空燃比を制御できるので、ＮＯＸと黒煙との両方の排出量を内燃機関の回転速度と負荷とに応じてバランスよく低減できる。さらに、内燃機関の回転速度と負荷とに対するＮＯＸと黒煙との排出量が内燃機関の劣化や気圧の変化などにより変動しても、上記フィードバック制御によりこれらの変動を補正する制御ができる。しかも、酸素濃度を検出する検出手段は、ＮＯＸ濃度を検出する検出手段よりも安価なので、ＮＯＸと黒煙との両方の排出量を内燃機関の回転速度と負荷とに応じてバランスよく低減できる内燃機関の排気再循環制御装置を安価に構成できる。
【００１２】
第２の発明によれば、第１の発明と同じ効果を奏するのに加えて、内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の第１開閉弁と第２開閉弁との開度を初期設定するとともに、内燃機関の回転速度と負荷とに対するＥＧＲ率及び空燃比の目標値に近づけるように、第１開閉弁と第２開閉弁との開度を微調整する制御を行うことにより、内燃機関の回転速度と負荷との変動に対する制御系の応答性が向上する。
【００１３】
第３の発明によれば、急加速時に排気の還流を中止することで、排気の還流による吸気中の酸素濃度の低下を避け、急加速時における出力の低下と排気中の黒煙増加とを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施形態について、図１、図２を参照して説明する。図１に第１実施形態の排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１４の給排気回路図を示す。エンジン１４は、ターボチャージャー１１と、吸気回路１２と、コントローラ１３と、排気再循環回路１５と、排気回路１６とを有する。ターボチャージャー１１のコンプレッサ１１ａで圧縮された吸気は吸気回路１２を経てエンジン本体１４ａに導入される。エンジン本体１４ａから排出された排気は排気回路１６を経てターボチャージャー１１に流れ込み、タービン１１ｂを駆動して排出される。
【００１５】
排気再循環回路１５は、一端を排気回路１６の排気マニホルド１６ａ近傍に分岐接続され、他端を吸気回路１２の吸気マニホルド１２ａ近傍に分岐接続される。排気再循環回路１５中には、図示しないアクチュエータ１５ａによって駆動され排気再循環回路１５を開閉自在とするＥＧＲ弁１５ｃが設けられている。ＥＧＲ弁１５ｃの開度が増加するほど還流する排気の流量は増加し、すなわちＥＧＲ率も増加する。吸気回路１２には、ベンチュリ１２ｂと、このベンチュリ１２ｂの直上流と直下流とをバイパス接続する吸気バイパス回路１２ｃと、図示しないアクチュエータによって駆動されこの吸気バイパス回路１２ｃを開閉自在とする吸気バイパス弁１２ｄとが設けられている。ベンチュリ１２ｂの狭隘部にはベンチュリ１２ｂ内の上流から下流への流れに合流する接続口が設けられ、この接続口に排気再循環回路１５が分岐接続している。吸気バイパス弁１２ｄを絞ると吸気バイパス回路１２ｃの通過流量が減少し、その分ベンチュリ１２ｂの通過流量が増大するので、狭隘部の流速が増大して圧力が下がり、還流する排気の流量は増加し、すなわちＥＧＲ率も増加する。吸気回路１２のコンプレッサ１１ａ出口近傍と排気回路１６のタービン１１ｂ入口近傍との間には、これらを連通する給排気バイパス回路２０が設けられ、給排気バイパス回路２０には、これを吸気回路１２側から排気回路１６側への一方向のみ導通自在とする逆止弁２０ａが設けられている。
【００１６】
エンジン１４は更に、エンジン１４の回転速度を検出する回転速度センサ３１ａ、エンジン１４の冷却水の水温を検出する水温センサ３１ｂ、出力トルクを検出するトルクメータ３１ｃ、排気中の酸素濃度を検出する排気酸素濃度センサ３１ｄ、及び排気中のＮＯＸ濃度を検出するＮＯＸセンサ３１ｅなどといったエンジン１４の運転状態を検出する検出手段３１を有する。また、吸気バイパス弁１２ｄの開度の目標値ＢＴ、ＥＧＲ弁１５ｃの開度の目標値ＥＴ、ＮＯＸ濃度の目標値ＮＯＸＴ及び空燃比の目標値ＲＴ（Ａ／Ｆ）を制御マップとして記憶した記憶手段３２を有し、検出手段３１の検出した各状態に応じた検出信号と記憶手段３２に記憶された制御マップの各目標値データとを入力して後述する演算処理を行い、吸気バイパス弁１２ｄ及びＥＧＲ弁１５ｃの開度を制御する制御部３３を有する。なお、前記制御マップは、検出手段３１が検出する回転速度Ｎを横の座標、出力トルクＴを縦の座標とする座標平面を設定し、この座標平面を格子状に細分し、細分した各領域毎に前記の各目標値を設定するように構成されている。したがって、回転速度及び出力トルクの値が定まれば、これらに対応する前記の各目標値が前記制御マップから一義的に決まる。
【００１７】
第１実施形態における制御部３３の処理手順を図２に示す制御フローチャート例に基づいて説明する。初期状態となるステップＳ１では、ＥＧＲ弁１５ｃは完全に閉じられ、吸気バイパス弁１２ｄは完全に開ききっている。まず制御部３３は、ステップＳ２で、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎとトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴとから選択される目標の開度になるように、ＥＧＲ弁１５ｃを開き吸気バイパス弁１２ｄを閉じる制御を行う。これにより吸気バイパス弁１２ｄの開度は前記目標値ＢＴとなり、ＥＧＲ弁１５ｃの開度は前記目標値ＥＴとなる。次にステップＳ３で、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎ及びトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴに基づいて選択した目標のＮＯＸ濃度ＮＯＸＴと、ＮＯＸセンサ３１ｅが検出したＮＯＸ濃度ＮＯＸＯとを比較し、数式「ＮＯＸＯ≧ＮＯＸＴ」が真ならばステップＳ４へ移行し、偽ならばステップＳ６へ移行する。
【００１８】
ステップＳ４では、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎ及びトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴから選択した目標の空燃比ＲＴ（Ａ／Ｆ）と、排気酸素濃度センサ３１ｄが検出した排気中の酸素濃度から算定した空燃比ＲＯ（Ａ／Ｆ）とを比較し、数式「ＲＯ（Ａ／Ｆ）≧ＲＴ（Ａ／Ｆ）」が真ならばステップＳ５へ移行する。ステップＳ５ではＥＧＲ弁１５ｃの開度を所定値ΔＥ１だけ増加させるとともに吸気バイパス弁１２ｄの開度を所定値ΔＢ１だけ減少させ、すなわちＥＧＲ率を増加させてステップＳ３へ戻る。数式「ＲＯ（Ａ／Ｆ）≧ＲＴ（Ａ／Ｆ）」が偽ならばステップＳ７へ移行する。ステップＳ６では、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎ及びトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴから選択した目標の空燃比ＲＴ（Ａ／Ｆ）と、排気酸素濃度センサ３１ｄが検出した排気中の酸素濃度から算定した空燃比ＲＯ（Ａ／Ｆ）とを比較し、数式「ＲＯ（Ａ／Ｆ）≧ＲＴ（Ａ／Ｆ）」が偽ならばステップＳ８へ移行する。ステップＳ８では、ＥＧＲ弁１５ｃの開度を所定値ΔＥ２だけ減少させるとともに吸気バイパス弁１２ｄの開度を所定値ΔＢ２だけ増加させ、すなわちＥＧＲ率を減少させてステップＳ３へ戻る。前記ステップＳ６で数式「ＲＯ（Ａ／Ｆ）≧ＲＴ（Ａ／Ｆ）」が真ならばステップＳ７へ移行する。ステップＳ７ではＥＧＲ弁１５ｃ及び吸気バイパス弁１２ｄの開度を現在値のまま、所定時間保持し、この経過後、Ｓ３に戻って以上の処理を繰り返す。なお、上記処理で、微小開度制御量ΔＥ１とΔＥ２、及びΔＢ１とΔＢ２は等しい値でも異なった値でもよい。
【００１９】
第１実施形態によれば、以上の制御フローチャートにより、まずＥＧＲ弁１５ｃ及び吸気バイパス弁１２ｄの開度を、エンジン１４の回転速度Ｎと出力トルクＴとに対する目標値となるように制御する。通常の運転条件ならば、これだけでもエンジン１４の運転状態に最適な値となるようにＥＧＲ率を制御できる。さらに排気中のＮＯＸ濃度ＮＯＸＯと空燃比ＲＯ（Ａ／Ｆ）との両方の値をフィードバックしてエンジン１４の回転速度Ｎと出力トルクＴとに対する目標値に近づけるように制御する。これにより、エンジン１４の劣化や気圧の変化などによるＮＯＸと黒煙との排出量の変化を補正するようにＥＧＲ率を制御できる。したがって、ＮＯＸと黒煙との両方の排出量をエンジン１４の回転速度と負荷とに応じてバランスよく低減できる。
【００２０】
本発明の第２実施形態について、図３、図４を参照して説明する。図３に第２実施形態の排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１４の給排気回路図を示す。第１実施形態との相違は、ＮＯＸ濃度の替わりにＥＧＲ率を状態量として用いることである。このためＮＯＸセンサ３１ｅの替わりに吸気中の酸素濃度を検出する吸気酸素濃度センサ３１ｇを有する。また、記憶手段３２の替わりに記憶手段３２ａを有しており、この記憶手段３２ａは吸気バイパス弁１２ｄの開度の目標値ＢＴ、ＥＧＲ弁１５ｃの開度の目標値ＥＴ、ＥＧＲ率の目標値ＥＧＲＴ及び空燃比の目標値ＲＴ（Ａ／Ｆ）を、第１実施形態と同様に制御マップとして記憶する。他のハード構成については第１実施形態と同様である。
【００２１】
ここで、実際のＥＧＲ率ＥＧＲＯは、排気酸素濃度センサ３１ｄで検出した排気中の酸素濃度と吸気酸素濃度センサ３１ｇで検出した吸気中の酸素濃度とから一義的に求められる。運転状態が決まれば、目標となるＮＯＸ排出量ＮＯＸＴに対応するＥＧＲ率ＥＧＲＴは、一義的に決まるので、ＥＧＲ率でＮＯＸ濃度の代用ができる。したがって第２実施形態の上記構成によって第１実施形態と等価の制御ができる。
【００２２】
第２実施形態における制御部３３の処理手順について、図４に示す制御フローチャートに基づいて説明する。ステップＳ１及びステップＳ２の処理までは第１実施形態と同様である（記憶手段３２は記憶手段３２ａに置き換える）。次にステップＳ２からステップＳ３ａに進み、記憶手段３２ａが記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度Ｎ及びトルクメータ３１ｃが検出した出力トルクＴに基づいて選択した目標のＥＧＲ率ＥＧＲＴと、実際のＥＧＲ率ＥＧＲＯとを比較し、数式「ＥＧＲＯ≧ＥＧＲＴ」が真ならばステップＳ４へ移行し、偽ならばステップＳ６へ移行する。この先の制御フローチャートは、第１実施形態と同様である（記憶手段３２は記憶手段３２ａに置き換える）。
【００２３】
第２実施形態によれば、以上の制御フローチャートにより、まずＥＧＲ弁１５ｃ及び吸気バイパス弁１２ｄの開度を、エンジン１４の回転速度Ｎと出力トルクＴとに対する目標値となるように制御する。さらに吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度から算定したＥＧＲ率ＥＧＲＯと排気中の酸素濃度から算定した空燃比ＲＯ（Ａ／Ｆ）との両方の値をフィードバックしてエンジン１４の回転速度Ｎと出力トルクＴとに対する目標のＥＧＲ率ＥＧＲＴ及び空燃比ＲＴ（Ａ／Ｆ）の値に近づけるように制御する。これにより、エンジン１４の運転状態に最適な値となるようにＥＧＲ率を制御する。したがって、第１実施形態の効果に加えて、ＮＯＸ濃度を直接検出する必要がなく、これをＥＧＲ率で代用するので、高価なＮＯＸセンサ３１ｅが不要になり、製造コストを低減できる。
【００２４】
本発明の第３実施形態について、図５を参照して説明する。第１実施形態または第２実施形態との相違は、暖機運転時及び急加速時に排気の還流を停止する制御が加わることであり、ハード構成については第１実施形態または第２実施形態と同一である。
【００２５】
第３実施形態における制御部３３の処理手順について、図５に示す制御フローチャートに基づいて説明する。ステップＳ１及びステップＳ２の処理までは第１実施形態または第２実施形態と同様であり、ステップＳ２からはステップＳ９へ移行する。ステップＳ９では、予め設定した温度値ＴＴと水温センサ３１ｂが検出した冷却水の水温ＴＯとを比較し、数式「ＴＯ≦ＴＴ」が真ならばステップＳ１２へ移行する。ステップＳ１２ではＥＧＲ弁１５ｃを閉じ切るとともに吸気バイパス弁１２ｄを開き切り、すなわちＥＧＲ率をゼロにしてステップＳ９へ戻る。前記ステップＳ９で数式「ＴＯ≦ＴＴ」が偽ならばステップＳ１０へ移行する。ステップＳ１０では、予め設定されたエンジンの回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＴと、回転速度センサ３１ａが検出した実際の回転速度Ｎより得られるエンジンの回転速度の単位時間当り増加量ｄＮＯとを比較し、数式「ｄＮＯ≧ｄＮＴ」が真ならばステップＳ１３へ移行する。ステップＳ１３ではＥＧＲ弁１５ｃを閉じ切るとともに吸気バイパス弁１２ｄを開き切り、すなわちＥＧＲ率をゼロにしてステップＳ１０へ戻る。前記ステップＳ１０で数式「ｄＮＯ≧ｄＮＴ」が偽ならばステップＳ１１へ移行する。ステップＳ１１ではＥＧＲ弁１５ｃ及び吸気バイパス弁１２ｄの開度を現在値のまま、所定時間保持し、この経過後ステップＳ３またはステップＳ３ａへ移行する。この先の制御フローチャートは、第１実施形態または第２実施形態と同様であり、ステップＳ５，Ｓ７及びＳ８の処理後はステップＳ９に戻って以上の処理を繰り返す。
【００２６】
第３実施形態によれば、第１実施形態または第２実施形態の制御に加えて以下の制御を行う。
（１）エンジン１４の回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＯが所定値ｄＮＴ以上の場合、ＥＧＲ率をゼロにして排気の還流を停止する。
（２）エンジン１４の冷却水の水温ＴＯが所定値ＴＴ以下の場合、ＥＧＲ率をゼロにして排気の還流を停止する。
したがって第１実施形態または第２実施形態の効果に加えて、以下の効果が得られる。
（１）エンジン１４の回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＯが所定値ｄＮＴ以上の場合すなわち加速時に、排気の還流で吸気中の酸素濃度が低下することによる出力低下と不完全燃焼とを避けられる。したがって、加速時の出力低下を防止して加速性を向上できるとともに、不完全燃焼を防止して黒煙の発生をも抑えられる。
（２）エンジン１４の冷却水の水温ＴＯが所定値ＴＴ以下の場合すなわち寒冷時に排気の還流を行うと、排気中の水蒸気が排気再循環回路１５中で凝結して水になり、各部の腐食作用を招く。特に排気再循環回路１５中にＥＧＲクーラが設けてあれば水の凝結量が増え、腐食作用が顕著になる。したがって、寒冷時の排気再循環回路１５中での水の凝結を抑えることで、エンジン１４各部の腐食を防止できる。
【００２７】
本発明の第４実施形態について、図６、図７を参照して説明する。第４実施形態は、第３実施形態における加速時に排気の還流を停止する制御処理を、ルーツ形に代表される容積形スーパチャージャで加速時に過給を行う制御処理に置き換えたものである。したがって説明は第３実施形態と相違する箇所に限り、重複する箇所については省略する。図６に第４実施形態の、排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１４の給排気回路図を示す。吸気回路１２のコンプレッサ１１ａの直上流に、制御部３３からの指令により起動停止自在なスーパチャージャ４０と、このスーパチャージャ４０の直上流とこのスーパチャージャ４０の直下流すなわちコンプレッサ１１ａの直上流とをバイパスする逆止弁４１とが設けられている。制御部３３からの指令によりスーパチャージャ４０を起動すると、コンプレッサ１１ａに導入される吸気に過給圧力を与えることができる。スーパチャージャ４０を停止しているときは、吸気は逆止弁４１を通ってコンプレッサ１１ａに導入される。
【００２８】
第４実施形態における制御部３３の処理手順について、図７に示す制御フローチャートに基づいて説明する。第３実施形態との相違は、ステップＳ１１及びＳ１３の制御処理を、以下に説明するステップＳ１１ａ及びＳ１３ａの制御処理に置き換えたことである。ステップＳ１０では、予め設定されたエンジンの回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＴと、回転速度センサ３１ａが検出した実際の回転速度より得られるエンジンの回転速度の単位時間当り増加量ｄＮＯとを第３実施形態と同様に比較する。そして数式「ｄＮＯ≧ｄＮＴ」が真ならばステップＳ１３ａへ移行する。ステップＳ１３ａではスーパチャージャ４０を起動してステップＳ１０へ戻る。前記ステップＳ１０で数式「ｄＮＯ≧ｄＮＴ」が偽ならばステップＳ１１ａへ移行する。ステップＳ１１ａではスーパチャージャ４０を停止して、ステップＳ３またはＳ３ａへ移行する。この先の制御フローチャートは、第１実施形態または第２実施形態と同様であり、ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ８の処理後はステップＳ９に戻って以上の処理を繰り返す。
【００２９】
第４実施形態によれば、第１実施形態または第２実施形態の制御に加えて、以下の制御を行う。
（１）エンジン１４の回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＯが所定値ｄＮＴ以上の場合、スーパチャージャ４０を起動して過給を行う。
（２）エンジン１４の冷却水の水温ＴＯが所定値ＴＴ以下の場合、ＥＧＲ率をゼロにして排気の還流を停止する。
したがって、第１実施形態または第２実施形態の効果に加えて、以下の効果が得られる。
（１）エンジン１４の回転速度の単位時間当りの増加量ｄＮＯが所定値ｄＮＴ以上の場合すなわち加速時に、スーパチャージャ４０の過給作用で、排気の還流による吸気中の酸素濃度の低下を補い、出力の低下と不完全燃焼とを防止できる。したがって、排気の還流を停止することなく加速時の出力低下を防止して加速性を向上できるとともに黒煙の発生も抑えられる。
（２）エンジン１４の冷却水の水温ＴＯが所定値ＴＴ以下の場合すなわち寒冷時に排気の還流を行うと、排気中の水蒸気が排気再循環回路１５中で凝結して水になり、各部の腐食作用を招く。特に排気再循環回路１５中にＥＧＲクーラが設けてあれば水の凝結量が増え、腐食作用が顕著になる。したがって、寒冷時の排気再循環回路１５中での水の凝結を抑えることで、エンジン１４各部の腐食を防止できる。
【００３０】
なお、本発明は以上に例示した実施形態に限定されるものではない。例えば前述の給排気バイパス回路２０は、吸気の一部を排気回路１６に逃がすことで吸気回路１２の圧力を下げるとともに排気回路１６の圧力を上げて排気の還流を容易にするものであり、本発明にとって必須の構成要件ではない。また、エンジン１４の負荷に相当する状態量として、出力トルクＴの替わりに例えば燃料噴射量を用いてもよい。燃料噴射量の検出方法としては、燃料の流量を直接測定してもよいし、コントロールラックの位置から求めてもよい。さらに、ＥＧＲ率を求める方法として、例えば吸気中の二酸化炭素濃度と排気中の二酸化炭素濃度とをそれぞれセンサを設けて検出し、各々の二酸化炭素濃度の比率からＥＧＲ率を求める方法を用いてもよい。また空燃比を求める他の方法として、吸気流量を直接測定、または吸気回路の圧力及び温度からの演算によって求めるとともに、燃料流量を直接測定、またはコントロールラックの位置からの演算によって求め、この吸気流量と燃料流量とから空燃比を求める方法をとってもよい。加えて各実施形態の制御フローチャートにおいて、ステップＳ２の処理を省略し、ステップＳ１から次のステップに移行する制御を行ってもよい。
【００３１】
以上実施形態を例示して説明した通り、本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）排気中のＮＯＸ濃度（またはＥＧＲ率）と空燃比との両方の値をフィードバックしてエンジンの回転速度と負荷とに対する目標値に近づけるように、第１開閉弁と吸気バイパス弁との開度を制御することでＥＧＲ率を制御している。したがって、ＮＯＸと黒煙との両方の排出量をエンジンの回転速度と負荷とに応じてバランスよく低減できる。しかも、エンジンの劣化や気圧の変化などによってＮＯＸと黒煙との排出量が変化しても、この変化を補正して排出量を低減するようにＥＧＲ率を制御できる。
（２）急加速時に排気の還流を中止することで、排気の還流による吸気中の酸素濃度の低下を避け、急加速時における出力の低下と排気中の黒煙増加とを防止できる。
（３）急加速時に、排気の還流を中止する替わりに、スーパチャージャにより吸気の過給を行うので、排気の還流による吸気中の酸素濃度の低下を補い、出力の低下と不完全燃焼とを防止する。これにより、急加速時における加速性を向上させ、かつ排気中の黒煙を低減できる。しかも急加速時も排気の還流ができるのでＮＯＸの排出量を抑えたまま加速できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
建設機械、農林機械、産業車両、一般車両等の、内燃機関を使用する機械全般に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態の給排気回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態の制御フローチャート例である。
【図３】本発明の第２実施形態の給排気回路図である。
【図４】本発明の第２実施形態の制御フローチャート例である。
【図５】本発明の第３実施形態の制御フローチャート例である。
【図６】本発明の第４実施形態の給排気回路図である。
【図７】本発明の第４実施形態の制御フローチャート例である。
【図８】従来技術の給排気回路図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１…ターボチャージャ、１１ａ…コンプレッサ、１１ｂ…タービン、１２…吸気回路、１２ｂ…ベンチュリ、１２ｃ…吸気バイパス回路、１２ｄ…吸気バイパス弁、１５…排気再循環回路、１５ｃ…ＥＧＲ弁、３１…検出手段、３２…記憶手段、３３…制御部、４０…スーパチャージャ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気回路(12)上に配したコンプレッサ(11a) と排気回路(16)上に配したタービン(11b) とを有するターボチャージャ(11)と、排気回路(16)のタービン(11b)
−内燃機関本体(14a) 間と吸気回路(12)のコンプレッサ(11a) −内燃機関本体(14a) 間とを接続して第１開閉弁(15c) によって開閉自在とした排気再循環回路(15)とを設けるとともに、コンプレッサ(11a)
−内燃機関本体(14a) 間の吸気の流れを絞る狭隘部を有する絞り(12b) を吸気回路(12)に設けて排気再循環回路(15)の接続位置をこの狭隘部略中央とし、この絞り(12b)
の直上流と直下流とをバイパス接続するとともに第２開閉弁(12d) によって開閉自在とされる吸気バイパス回路(12c) を設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、
回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度を検出する検出手段(31)と、
内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の空燃比及びＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段(32)と、
前記検出手段(31)の検出した排気中の酸素濃度から空燃比を求め、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度からＥＧＲ率を求め、前記求めた空燃比及びＥＧＲ率を前記記憶手段(32)の記憶するそれぞれの目標値に近づけるように前記第１開閉弁(15c)
及び前記第２開閉弁(12d) の開度を微調整する制御を行う制御手段(33)とを設けた
ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
【請求項２】
吸気回路(12)上に配したコンプレッサ(11a) と排気回路(16)上に配したタービン(11b) とを有するターボチャージャ(11)と、排気回路(16)のタービン(11b)
−内燃機関本体(14a) 間と吸気回路(12)のコンプレッサ(11a) −内燃機関本体(14a) 間とを接続して第１開閉弁(15c) によって開閉自在とした排気再循環回路(15)とを設けるとともに、コンプレッサ(11a)
−内燃機関本体(14a) 間の吸気の流れを絞る狭隘部を有する絞り(12b) を吸気回路(12)に設けて排気再循環回路(15)の接続位置をこの狭隘部略中央とし、この絞り(12b)
の直上流と直下流とをバイパス接続するとともに第２開閉弁(12d) によって開閉自在とされる吸気バイパス回路(12c) を設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、
回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度を検出する検出手段(31)と、
内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の、前記第１開閉弁(15c) の開度、前記第２開閉弁(12d) の開度、空燃比及びＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段(32)と、
前記検出手段(31)の検出した回転速度及び負荷に対する前記記憶手段(32)の記憶する目標の開度となるように前記第１開閉弁(15c) 及び前記第２開閉弁(12d)
の開度を制御するとともに、検出手段(31)の検出した排気中の酸素濃度から空燃比を求め、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度からＥＧＲ率を求め、前記求めた空燃比及びＥＧＲ率を前記記憶手段(32)の記憶するそれぞれの目標値に近づけるように前記第１開閉弁(15c)
及び前記第２開閉弁(12d) の開度を微調整する制御を行う制御手段(33)とを設けた
ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
前記制御手段(33)は、前記検出手段(31)の検出した運転状態から急加速中と判断したときに、前記第１開閉弁(15c) を閉じる制御を行う
ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
【請求項１】
吸気回路(12)上に配したコンプレッサ(11a) と排気回路(16)上に配したタービン(11b) とを有するターボチャージャ(11)と、排気回路(16)のタービン(11b)
−内燃機関本体(14a) 間と吸気回路(12)のコンプレッサ(11a) −内燃機関本体(14a) 間とを接続して第１開閉弁(15c) によって開閉自在とした排気再循環回路(15)とを設けるとともに、コンプレッサ(11a)
−内燃機関本体(14a) 間の吸気の流れを絞る狭隘部を有する絞り(12b) を吸気回路(12)に設けて排気再循環回路(15)の接続位置をこの狭隘部略中央とし、この絞り(12b)
の直上流と直下流とをバイパス接続するとともに第２開閉弁(12d) によって開閉自在とされる吸気バイパス回路(12c) を設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、
回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度を検出する検出手段(31)と、
内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の空燃比及びＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段(32)と、
前記検出手段(31)の検出した排気中の酸素濃度から空燃比を求め、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度からＥＧＲ率を求め、前記求めた空燃比及びＥＧＲ率を前記記憶手段(32)の記憶するそれぞれの目標値に近づけるように前記第１開閉弁(15c)
及び前記第２開閉弁(12d) の開度を微調整する制御を行う制御手段(33)とを設けた
ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
【請求項２】
吸気回路(12)上に配したコンプレッサ(11a) と排気回路(16)上に配したタービン(11b) とを有するターボチャージャ(11)と、排気回路(16)のタービン(11b)
−内燃機関本体(14a) 間と吸気回路(12)のコンプレッサ(11a) −内燃機関本体(14a) 間とを接続して第１開閉弁(15c) によって開閉自在とした排気再循環回路(15)とを設けるとともに、コンプレッサ(11a)
−内燃機関本体(14a) 間の吸気の流れを絞る狭隘部を有する絞り(12b) を吸気回路(12)に設けて排気再循環回路(15)の接続位置をこの狭隘部略中央とし、この絞り(12b)
の直上流と直下流とをバイパス接続するとともに第２開閉弁(12d) によって開閉自在とされる吸気バイパス回路(12c) を設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、
回転速度、負荷、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度を検出する検出手段(31)と、
内燃機関の回転速度及び負荷に対する目標の、前記第１開閉弁(15c) の開度、前記第２開閉弁(12d) の開度、空燃比及びＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段(32)と、
前記検出手段(31)の検出した回転速度及び負荷に対する前記記憶手段(32)の記憶する目標の開度となるように前記第１開閉弁(15c) 及び前記第２開閉弁(12d)
の開度を制御するとともに、検出手段(31)の検出した排気中の酸素濃度から空燃比を求め、吸気中の酸素濃度及び排気中の酸素濃度からＥＧＲ率を求め、前記求めた空燃比及びＥＧＲ率を前記記憶手段(32)の記憶するそれぞれの目標値に近づけるように前記第１開閉弁(15c)
及び前記第２開閉弁(12d) の開度を微調整する制御を行う制御手段(33)とを設けた
ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
前記制御手段(33)は、前記検出手段(31)の検出した運転状態から急加速中と判断したときに、前記第１開閉弁(15c) を閉じる制御を行う
ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２４８８８８（Ｐ２００８−２４８８８８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４８８７６（Ｐ２００８−１４８８７６）
【出願日】平成２０年６月６日（２００８．６．６）
【分割の表示】特願２０００−１８２５４０（Ｐ２０００−１８２５４０）の分割
【原出願日】平成１２年６月１９日（２０００．６．１９）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月６日（２００８．６．６）
【分割の表示】特願２０００−１８２５４０（Ｐ２０００−１８２５４０）の分割
【原出願日】平成１２年６月１９日（２０００．６．１９）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]