(57)【要約】【課題】エンジンの使用ライフサイクル全般において適正なＥＧＲ率〔％〕を維持することが可能なＥＧＲ電動バルブの制御システムを提供する。【解決手段】ＥＧＲ電動バルブ１０の上流に排気ガス圧力センサ２８と排気ガス温度センサ２９が、ＥＧＲ電動バルブ１０下流にガス圧力センサ２２がそれぞれ備えられており、制御装置において前記各センサ２８，２９，２２からの情報を用いて排気ガス圧力や排気ガス温度が変化した場合の適正なＥＧＲ流量を維持するようにＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項を計算し、この圧力温度補正項を元となるＥＧＲ電動基本開度に積することで、一定のＥＧＲ率を維持できるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火機関を採用するエンジンのＥＧＲ装置に用いるＥＧＲ電動バルブの制御システムであって、前記ＥＧＲ電動バルブは流量を電気的に制御することが可能である駆動装置を有しており、前記ＥＧＲ電動バルブの上流に排気ガス圧力センサと排気ガス温度センサが、前記ＥＧＲ電動バルブの下流にガス圧力センサがそれぞれ備えられており、制御装置において前記各センサからの情報を用いて排気ガス圧力や排気ガス温度が変化した場合の適正なＥＧＲ流量を維持するようにＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項を計算し、この圧力温度補正項を元となるＥＧＲ電動基本開度に積することで、一定のＥＧＲ率を維持できるようＥＧＲ電動バルブ目標開度の補正方法を持つことを特徴とするＥＧＲ電動バルブの制御システム。
【請求項２】
前記ＥＧＲ電動バルブ下流の排気ガス圧力情報は吸気管に備えた吸気管空気圧力センサの情報を利用することを特徴とする請求項１記載のＥＧＲ電動バルブの制御システム。
【請求項３】
前記ＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項の情報の基が、前記電動バルブ上流の排気ガス圧力情報と電動バルブ下流の圧力情報の比率であることを特徴とする請求項１または２記載のＥＧＲ電動バルブの制御システム。
【請求項４】
前記ＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項の情報の基が、前記電動バルブ上流の排気ガス圧力情報と電動バルブ上流の圧力情報から算出した排気ガス密度であることを特徴とする請求項１，２または３記載のＥＧＲ電動バルブの制御システム。
【請求項５】
前記ＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項の情報の基が、前記電動バルブ上流の排気ガス圧力情報と電動バルブ下流の圧力比から求めたＥＧＲ流量変化の割合と、ＥＧＲバルブの上流ガス密度によるＥＧＲ流量変化の割合を別々に制御装置内のコンピュータへ記憶しておき、前記両者の計算結果を積することで最終的な補正係数を算出することを特徴とする請求項１，２，３または４記載のＥＧＲ電動バルブの制御システム。
【請求項６】
前記排気ガス圧力センサ、排気ガス温度センサおよびガス圧力センサの少なくとも１つに低域周波数帯通過フィルタが設けられていてノイズ情報を除去することによりＥＧＲ電動バルブの意図しない駆動を削減することを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載のＥＧＲ電動バルブの制御システム。
【請求項７】
前記ＥＧＲ電動バルブの制御装置が、ＥＣＵと共通化することでコストアップを抑えるともにエンジン制御と協調性を図ることを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６記載のＥＧＲ電動バルブの制御システム。
【請求項８】
前記ＥＧＲ電動バルブ目標開度が一定の範囲を超えることを検出した場合、エンジンシステム部品の劣化やＥＧＲ機能異常を検知し、運転者に知らせることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６または７記載のＥＧＲ電動バルブの制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排気通路へ排出される排気の一部を排気還流ガスとして吸気通路へ流すことでエンジンへ還流させる排気還流（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）（以下「ＥＧＲ」という）装置に用いられるＥＧＲ電動バルブの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの燃焼室から排気通路へ排出される燃焼後の排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路を介して吸気通路へ導き、吸気通路を流れる吸気と混合させて燃焼室へ還流させることにより排気中の窒素酸化物（ＮＯX）を低減させるとともにエンジンの部分負荷時における燃費向上を図ることが行われている。
【０００３】
そして、ＥＧＲ装置に使用されるＥＧＲバルブとして、弁体を弁座に対してモータや他のアクチュエータなどにより微小開度に開閉制御が可能な電動式のＥＧＲ電動バルブが用いられており、例えば特開平７−３０１１５５号公報、特開２００７−３０９１１５号公報などに提示されている。
【０００４】
図９は従来のＥＧＲ電動バルブの制御システムの一例を示すものであり、火花点火式のエンジン１の排気管２にターボチャージャ３が接続されており、排気管２から排気ガスが分岐管４，５により分岐され、例えば排気管２に備えられた排気λセンサ２４などの空燃比を用いて一部はウェイスト・ゲートバルブ６を介して触媒装置７、消音器８を通って大気中に排気され、もう一方はＥＧＲクーラ９により冷却されてＥＧＲ電動バルブ１０で流量調整されてスロットルバルブ１１とエンジン１との間を連結する空気流路１２においてエアクリーナ１３およびターボチャージャ３、インタークーラ１４を介して吸い込まれる吸気ガスと混合することでＥＧＲ装置システムを構成しており、前記空気流路１２において前記吸気と排気を混合して吸気管１５に送られ、エンジン制御用コンピュータ（以下「
ＥＣＵ」という）１６の制御により燃料噴射弁１７からの燃料と混合してエンジン１内に燃料とともに噴射され火花点火式の点火装置１８によりエンジン１が稼働するものである。
【０００５】
また、一般に前記ＥＧＲ電動バルブ１０は前記ＥＣＵ１６によって制御されており、ＥＣＵ１６からの指令によって任意の開度に制御できる弁構造を有した装置となっている。
【０００６】
図１０は前記図９に示した従来のＥＣＵ１６からの指令によってＥＧＲ電動バルブ１０を任意の開度に制御する際のブロック回路図であり、ＥＣＵ１６の内部では、ＥＧＲ電動バルブ１０に送信する目標とする指令開度（ＰＤ＿ＥＧＲＶ）を常に演算しており、種々の情報によってＥＧＲ起動判定処理部１９においてＥＧＲ起動判定フラグ（ＦＬＡＧ＿ＥＧＲ）の演算が実施されて、これが成立しない場合は、ＥＧＲ電動バルブ開度指令の切替部２０においてＥＧＲ電動バルブ１０へ指令開度（ＰＤ＿ＥＧＲＶ）を０％出力することでＥＧＲ電動バルブ９を閉じる処理となっており、前記起動条件が成立したときは、図９に示したエンジン１の回転速度センサ２１と吸気管空気圧力センサ２３からの回転速度情報（Ｎｅ）と負荷情報（Ｌｏａｄ）から任意のＥＧＲ電動バルブ１０の開度になるよう前記図９に示したＥＣＵ１６内のメモリに記憶された値を読み出してＥＧＲ電動バルブ基本開度計算処理部２５に送って基本開度（ＢＡＳＥ＿Ｐ）を演算してＥＧＲ電動バルブ１０へ所定の指令開度（ＰＤ＿ＥＧＲＶ）を出力することでＥＧＲ電動バルブ１０を開く処理をする。
【０００７】
ところが、前記処理による開度では環境条件に対してロバストではない。そのため、前記図９に示したエンジン１に備えた各種のセンサ（一部図示せず）により環境情報である大気圧力（Ｐａ），吸気温度（Ｔａ）、冷却水温度（Ｔｗ）などの情報を用いてＥＧＲ電動バルブ補正開度演算処理部２６により補正係数（ＫＰａ，ＫＴａ，ＫＴｗ）を演算する処理をして、これを演算子２７により前述の基本開度（ＢＡＳＥ＿Ｐ）に積算して、最終的な指令開度（ＰＤ＿ＥＧＲＶ）を計算することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−３０１１５５号公報
【特許文献２】特開２００７−３０９１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の電動ＥＧＲバルブの制御システムにおいては、排気ガス圧力や排気ガス温度がエンジンの新品状態から変化しないことを前提にシステムが設計されている。
【００１０】
そのため、図１１に示すように排気ガス圧力〔ｋＰａ〕が低下するとＥＧＲ率（吸気系に還流させる排出ガスの量を吸入空気量で除した数値、つまり、吸気ガスの中に占めるＥＧＲガスの割合）〔％〕が低下し、逆に排気ガス圧力〔ｋＰａ〕が上昇するとＥＧＲ率〔
％〕が上昇してしまうため、エンジンの使用ライフサイクル全般において適正なＥＧＲ率〔％〕を維持することが難しく、これらの誤差を見越してある程度ＥＧＲ率〔％〕が変動してもエンジン性能に悪影響を及ぼさないように余裕を持ったＥＧＲ率の初期設定を行わなくてはならず、十分なエンジン性能を発揮することができないという問題があった。
【００１１】
本発明は、前記のような従来の問題点に着目してなされたものであり、エンジンの使用ライフサイクル全般において適正なＥＧＲ率〔％〕を維持することが可能なＥＧＲ電動バルブの制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するためになされた本発明は、火花点火機関を採用するエンジンのＥＧＲ装置に用いるＥＧＲ電動バルブの制御システムであって、前記ＥＧＲ電動バルブは流量を電気的に制御することが可能である駆動装置を有しており、前記ＥＧＲ電動バルブの上流に排気ガス圧力センサと排気ガス温度センサが、前記ＥＧＲ電動バルブの下流にガス圧力センサがそれぞれ備えられており、制御装置において前記各センサからの情報を用いて排気ガス圧力や排気ガス温度が変化した場合の適正なＥＧＲ流量を維持するようにＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項を計算し、この圧力温度補正項を元となるＥＧＲ電動基本開度に積することで、一定のＥＧＲ率を維持できるようＥＧＲ電動バルブ目標開度の補正方法を持つことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明において、前記ＥＧＲ電動バルブ下流の排気ガス圧力情報は吸気管に備えた吸気管空気圧力センサの情報を利用すること、前記ＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項の情報の基が、前記電動バルブ上流の排気ガス圧力情報と電動バルブ下流の圧力情報の比率であること、前記ＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項の情報の基が、前記電動バルブ上流の排気ガス圧力情報と電動バルブ上流の圧力情報から算出した排気ガス密度であること、更には、前記ＥＧＲ電動バルブ開度の圧力温度補正項の情報の基が、前記電動バルブ上流の排気ガス圧力情報と電動バルブ下流の圧力比から求めたＥＧＲ流量変化の割合と、ＥＧＲバルブの上流ガス密度によるＥＧＲ流量変化の割合を別々に制御装置内のコンピュータへ記憶しておき、前記両者の計算結果を積することで最終的な補正係数を算出することが好ましい。
【００１４】
加えて、本発明において、前記排気ガス圧力センサ、排気ガス温度センサおよびガス圧力センサの少なくとも１つに低域周波数帯通過フィルタが設けられていてノイズ情報を除去することによりＥＧＲ電動バルブの意図しない駆動を削減することが可能であり、前記ＥＧＲ電動バルブの制御装置が、ＥＣＵと共通化することでコストアップを抑えるともにエンジン制御と協調性を図ることができる。
【００１５】
更に、本発明において、前記ＥＧＲ電動バルブ目標開度が一定の範囲を超えることを検出した場合、エンジンシステム部品の劣化やＥＧＲ機能異常を検知し、運転者に知らせることによりより安全に制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によればエンジンの使用ライフサイクル全般において適正なＥＧＲ率〔％〕を維持することが可能なＥＧＲ電動バルブの制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明における好ましい実施の形態におけるＥＧＲ電動バルブを用いた制御システムの概略図。
【図２】図１に示した実施の形態におけるＥＧＲ電動バルブの構造を示す概略図。
【図３】図２に示したＥＧＲ電動バルブのモデル化を示す模式図。
【図４】図１に示した実施の形態におけるＥＧＲ電動バルブ流量とＥＧＲ電動バルブ上流ガス圧力との関係図。
【図５】図１に示した実施の形態についての制御システムのブロック図。
【図６】図１に示した実施の形態におけるＥＧＲ電動バルブの圧力温度補正項における演算部の詳細を示す説明図。
【図７】図１に示した実施の形態において、実際に測定した実施試験における排気圧力とＥＧＲ率との関係図。
【図８】図１に示した実施の形態において、実際に測定した異なる実施試験における排気圧力とＥＧＲ率との関係図。
【図９】従来例におけるＥＧＲ電動バルブを用いた制御システムの概略図。
【図１０】図９に示した従来例についての制御システムのブロック図。
【図１１】図９に示した従来例における排気ガス圧力とＥＧＲ率との関係図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の好ましい実施の形態を示すものであり、基本的な構造ならびに作用については前記図９に示した従来例とほぼ同様であり全体の説明は省略するが、ＥＧＲ電動バルブ１０の上流部に排気ガス圧力センサ２８と排気ガス温度センサ２９を追加した点が異なる。
【００２０】
そして、これらの排気ガス圧力センサ２８および排気ガス温度センサ２９はＥＣＵ１６に接続され、制御装置内で圧力温度補正計算を行うことになる。
【００２１】
また、圧力温度補正制御の考え方は、ＥＧＲ電動バルブ１０に流れるＥＧＲガスを圧縮性ガスの圧力噴流モデルとして取り扱うことにした。
【００２２】
図２は本実施の形態において使用するのに好ましいＥＧＲ電動バルブの構造を示すものであり、ＥＧＲ電動バルブ１０は、その内部に可動弁１０１があり、これが弁座１０２との間で幾何学的な開口面積が構成される。この開口面積を変化させることによってＥＧＲガスの流量を制御できる構造となっている。
【００２３】
また、前記可動弁１０１は永久磁石で構成された回転子１０３が接続されており、この回転子１０３には周辺に設置された電磁コイル１０４によって回転する構造となっており
、更にボールネジ１０５によってこの回転方向の力が垂直方向に変換されることで、可動弁１０１を軸線方向に往復移動する構成とすることで電気的にＥＧＲガス流量を可変にするものであり、前記可動弁１０１と弁座１０２で構成された最狭部には上流であるＥＧＲガス入口１０６からＥＧＲガス出口１０７を通して出口側ハウジング１０８に排気ガスが流れるが、その際の前記上流のガス圧力をＰ1、温度をＴ1、下流のガス圧力をＰ2、最狭部の断面積をＡと定義し、これらの構造をオリフィスと考えることでモデル化を行った。尚、本実施の形態に示したＥＧＲ電動バルブ１０は一例であって、これに限るものでなく
、電気的な機構により可動弁１０１が開閉操作可能なものであれば他の形式でも良いことは言うまでもない。
【００２４】
図３は前記ＥＧＲ電動バルブ１０をＥＧＲガス入口１０６からＥＧＲガス出口１０７との間に配置される先細ノズル１０９としてモデル化した模式図を示すものであり、これによるとＥＧＲ電動バルブ１０に流れる流量（ＱEGR）は以下に示す圧力噴流の流量式（式１）によって支配され、ノズル前後の圧力比によって算出される流量関数（φ）と断面積（Ａ）、流量係数（Ｃv）、上流ガス圧力（Ｐ1）の積に、ガス定数（Ｒ）と上流ガス温度（Ｔ1）の積を平方根して前述計算した項に割算した結果が流量（ＱEGR）の解となる。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
尚、前記式（１）中、ＱEGRはＥＧＲガスの流量、Ａは先細ノズルの断面積、ＣVは流量係数、φはノズル前後の圧力比によって算出される流量関数、Ｐ1は上流ガス圧力、Ｒはガス定数、Ｔ1は上流ガス温度である。
【００２７】
図４は前記式（１）の計算結果についてグラフで説明したものであり、横軸をＥＧＲ電動バルブの上流ガス圧力（Ｐ1）、縦軸をＥＧＲガス流量（ＱEGR）として、ＥＧＲ電動バルブの下流圧力（Ｐ2）とＥＧＲ電動バルブの上流ガス温度（Ｔ1）、最狭部の断面積（Ａ
）を一定とした場合、ＥＧＲガス流量（ＱEGR）はグラフ実線のような傾向を示す。
【００２８】
また、入口側の上流ガス圧力（Ｐ1）と出口側の下流ガス圧力（Ｐ2）が等しい点Ｘ1で流量が０となり、そこから入口側の上流ガス圧力（Ｐ1）の上昇に伴ってＥＧＲガス流量（ＱEGR）は上に凸の曲線を描いて増加する。
【００２９】
そして、前記曲線は最狭部が音速に達する点Ｘ2の圧力ＰCを境に線形となり、それ以上の圧力（ＰC＜Ｐ1）では右肩上がりにＥＧＲガス流量が増加する傾向を示しており、破線で示した流量関数（φ）は前記圧力ＰCを境にノズル出口の流速が音速に達するため、前記最狭部が音速に達する点Ｘ2の圧力ＰC以上の圧力では一定値となる。
【００３０】
図５は前記の物理的モデルに基づく本発明におけるＥＧＲ電動バルブの制御システムのブロック図を示すものである。これは前記図１０に示した従来におけるＥＧＲ電動バルブの制御システムのブロック図に対して、圧力温度による補正項（ＫEGRPT）の演算部３０を追加し、演算された値を演算子３１において基本開度（ＢＡＳＥ＿Ｐ）に積算する構成となっている。
【００３１】
また、図６は前記図５に示した圧力温度補正項の演算部３０を詳細に示したものであり
、この圧力温度補正項はノズル前後の圧力比（Ｐ2／Ｐ1）、即ち、入口側の上流ガス圧力（Ｐ1）と出口側の下流ガス圧力（Ｐ2）によって計算できる流量関数（φ）の演算部３２と、ノズル上流ガス圧力（Ｐ1）とガス温度（Ｔ1）からガス密度を計算し、そこに流量関数（φ）を積算した結果と、基準流量（ＫBASE）との比率を流量比として計算する演算部３３で構成される。
【００３２】
ここで流量関数（φ）は圧力比（Ｐ2／Ｐ1）が最狭部の音速に達する点の臨界圧力ＰC以上か、以下かによって音速状態の場合と亜音速状態の場合があり、それぞれ複雑な演算式（２）乃至（４）によって計算されるが、流れるガスの種類が定まれば比熱比（κ）は一定となるため、先述の式（２）乃至（４）は圧力比（Ｐ2／Ｐ1）だけの関数となる。
【００３３】
従って、予め前記演算をしておき、結果を例えば図１に示したＥＣＵ１６などのコンピ
ュータメモリに圧力比（Ｐ2／Ｐ1）情報に記憶しておき、これを読み出すことにすれば、制御コンピュータに複雑な計算を強いることはない。
【００３４】
また、前記ノズル上流ガス圧力（Ｐ1）とガス温度（Ｔ1）からガス密度を計算し、そこに流量関数（φ）を積算した結果と、基準流量（ＫBASE）との比率を流量比として計算する演算部３３の計算においても、ノズル上流ガス圧力（Ｐ1）とガス温度（Ｔ1）の関数であり、前述のように予め計算した結果をコンピュータメモリに記憶し、これを参照することで演算負荷を少なくすることができる。
【００３５】
尚、基準流量（ＫBASE）については、正常な状態で運転したＥＧＲ流量をコンピュータメモリに記憶しておき、これを参照することで演算を行う。
【００３６】
図７は前記本実施の形態であるＥＧＲ電動バルブの制御システムにおいて、エンジン１の運転条件を最高出力条件にした状態で、ＥＧＲガス圧力温度補正制御の実施試験に前記図１に示したＥＧＲ電動バルブ１０の上流部に備えた排気ガス圧力センサ２８の入力値から参照して横軸として排気圧力（Ｐ1）（前述したノズル上流ガス圧力（Ｐ1）と同義）を
、縦軸としてＥＧＲ率（ＥＧＲバルブの開度）を求めた関係図であり、この実施試験においては排気圧力を調整し、正規の圧力から低い状態、そして、高い状態を意図的に作り出した。
【００３７】
このとき、この関係図におけるＥＧＲ電動バルブ１０の開度Ｙ1を手動で調節し、ＥＧＲ率の試験値が一定Ｙ2になるようにしている。また、前記本発明であるＥＧＲ圧力温度補正により計算したＥＧＲ開度を実線Ｙ3で示すが、この実線Ｙ3と実際の実施試験の結果Ｙ1によるＥＧＲ開度（ＥＧＲ率）が一致していることが確認できた。
【００３８】
また、図８は最大トルクの運転条件で同様の実施試験を行った結果を示すものであり、この場合も前記図７に示したと同様に、ＥＧＲ率一定になるようＥＧＲ電動バルブの開度を手動で調節したが、その試験値Ｙ2と計算値Ｙ3が一致する結果が得られた。
【００３９】
以上のことから、ＥＧＲ電動バルブ１０の上流に排気ガス圧力センサ２８と排気ガス温度センサ２９を追加し、下流圧力を吸気管空気圧力センサの情報を利用し、これらの情報から圧力温度補正を実施することで、ＥＧＲ率の高精度な制御が可能になり、より誤差の少ないＥＧＲ率の設定が可能になることが実証された。
【符号の説明】
【００４０】
１  エンジン、２  排気管、３  ターボチャージャ、４  分岐管、５  分岐管、６  ウ
ェイスト・ゲートバルブ、７  触媒装置、８  消音器、９  ＥＧＲクーラ、１０  ＥＧＲ電動バルブ、１１  スロットルバルブ、１２  空気流路、１３  エアクリーナ、１４  インタークーラ、１５  吸気管、１６  ＥＣＵ、１７  燃料噴射弁、１８  点火装置、１９  ＥＧＲ起動判定処理部、２０  ＥＧＲ電動バルブ開度指令の切替部、２１  回転速度センサ、２２  吸気管空気温度センサ、２３  吸気管空気圧力センサ、２４  排気λセンサ
、２５  ＥＧＲ電動バルブ基本開度計算処理部、２６  ＥＧＲ電動バルブ補正開度演算処理部、２７  演算子、２８  排気ガス圧力センサ、２９  排気ガス温度センサ、３０  補正項の演算部、３１  演算子、３２  流量関数の演算部、３３  流量比率の演算部、１０
１  可動弁、１０２  弁座、１０３  回転子、１０４  電磁コイル、１０５  ボールネジ
、１０６  ＥＧＲガス入口、１０７  ＥＧＲガス出口、１０８  出口側ハウジング、１０
９  先細ノズル
【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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【図１１】
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