(57)【要約】【課題】  還流配管内で発生する逆流や脈動の影響により、ＥＧＲの還流量を計量する流量センサの計量精度が著しく低下してしまう。【解決手段】  排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁から所定の距離に配置し、流量センサ信号をフィードバック制御し、運転状態に応じてＥＧＲ制御弁の開度を調整する。【効果】  ＥＧＲガスの逆流や脈動による計量誤差を抑制することができ、かつ機関の運転状態の変化に応じて常に正確なＥＧＲガス量を還流することが可能となるため、内燃機関から排出されるＮＯｘを大幅に低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気経路と吸気経路との間に連結された排気の一部を還流するための配管を有し、排気の還流量を調整する制御弁が前記配管に介装され、排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁より吸気側の前記配管内に配置した内燃機関の排気還流装置。
【請求項２】
排気経路と吸気経路との間に連結された排気の一部を還流するための配管を有し、排気の還流量を調整する制御弁が前記配管に介装され、排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁から前記配管直径の４倍以内の距離に配置し、流量センサ信号をフィードバック制御し、運転状態に応じてＥＧＲ制御弁の開度を調整することを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
【請求項３】
排気の還流量を調整する制御弁が吸気経路に直接接続され、流量センサを前記制御弁の排気側で、かつ排気を還流する配管直径の３倍以内の距離に配置し、前記流量センサ信号をフィードバック制御し、運転状態に応じてＥＧＲ制御弁の開度を調整する内燃機関の排気還流装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気の一部を吸気へ還流する内燃機関の排気還流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼過程においては、混合気中の不活性成分を多くすると、単位発熱量当たりのガス量の増加により燃焼温度が下がり、排気に含まれるＮＯｘの排出量が少なくなるため、内燃機関から排出された排気の一部を吸気側に還流させ、混合気の燃焼温度を下げて排気中のＮＯｘを低減する排気還流いわゆるＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation）が従来から広く採用されている。
【０００３】
このＥＧＲを行うと、火炎核の生成遅れ，火炎伝幡遅れなどが発生するため、内燃機関の運転状態に応じた適切な制御が必要となり、安定した燃焼状態を維持するためにＥＧＲ制御に係る種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、排気管の触媒下流側とマフラ上流側との間から延出した排気還流通路に流量センサを介装するとともに、上記排気還流通路の吸気管への合流部に制御弁を設け、前記流量センサからの信号に基づいて前記制御弁の弁開度を制御し、上記排気還流通路を流れる排気の流量が目標値となるようフィードバック制御することにより、大量の排気還流を実行する際に、正確な還流ガスの調量と混合を可能とするＥＧＲの制御技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献２】特開平６−７４１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、自動車用の内燃機関においては排気規制の強化に伴いＥＧＲ大量化の要求が高まっている。ガソリンの場合は筒内噴射化により、燃料噴射の自由を生かし成層燃焼を実現することで燃費を向上する一方で、内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量が増大する。この課題に対して燃焼系での対応として大量のＥＧＲガスを積極的に還流させる傾向がある。特にディーゼル内燃機関においては、排気の課題であるＮＯｘとＰＭの同時低減するために、コモンレールによる燃料圧力の高圧化によって燃料噴霧の微粒化の促進を図り、混合気とより均一化することによりＥＧＲの大量化を実現している。ＥＧＲガスの還流を実施する運転条件は燃焼状態から制約されているものの、より多くのＥＧＲを還流する運転領域においては、内燃機関に吸入される新気と同等あるいはそれ以上のＥＧＲガスの還流が要求される。また、実際の車両においては常に運転状態が変化していることから、過渡変化に対応できるＥＧＲ制御の高応答，高制度化が要求される。
【０００７】
ところでＥＧＲの流量を調整するＥＧＲ制御弁は、熱的な制約により吸気側に介装されているのが一般的である。このような装置構成においては、排気脈動の影響によりＥＧＲ配管内ではＥＧＲガスの逆流あるいは脈動が生じる。前記、特開平６−７４１００号公報のＥＧＲ制御方法においては、ホットワイヤ式の流量センサをＥＧＲ配管上に介装し、流量センサの信号に基づいて上記制御弁の弁開度を制御する技術が提案されているが、ホットワイヤ式の流量センサは、原理的に逆流を検知することは困難であり、ホットワイヤを適用する場合は、逆流を抑制する手段を追加するか、逆流の影響の少ない取付け位置に介装しなければ計量精度が著しく低下してしまう。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、流量センサの取付け位置をＥＧＲ制御弁から所定の距離内に配置することで、ＥＧＲガスの還流量の大小に関係なく、かつ過渡変化時においてもＥＧＲ還流量の目標値に対して常に正確なＥＧＲガス量の調整を可能とする排気還流装置及び制御方法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】
【０００９】
本発明による内燃機関の排気還流装置及び制御方法は、排気経路と吸気経路との間に連結された排気の一部を還流するための配管と、排気の還流量を調整する制御弁が前記配管に介装された排気還流装置において、排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁より吸気側に配置することを特徴とする。
【００１０】
もしくは、排気経路と吸気経路との間に連結された排気の一部を還流するための配管と、排気の還流量を調整する制御弁が前記配管に介装された排気還流装置において、排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁から前記配管直径の４倍以内の距離に配置し、流量センサ信号をフィードバック制御し、運転状態に応じてＥＧＲ制御弁の開度を調整することを特徴とする。
【００１１】
もしくは、排気の還流量を調整する制御弁が吸気経路に直接接続された構成においては、流量センサを前記制御弁の上流（排気側）で、かつ排気を還流する配管直径の３倍以内の距離に配置し、流量センサ信号をフィードバック制御し、運転状態に応じてＥＧＲ制御弁の開度を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上に説明した本発明によれば、排気経路と吸気経路との間に連結された排気の一部を還流するための配管と、排気の還流量を調整する制御弁が前記配管に介装された排気還流装置において、排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁から所定の距離に配置することで、課題であるＥＧＲガスの逆流や脈動による計量誤差を抑制することができ、流量センサ信号のフィードバック制御により、機関の運転状態の変化に応じて排気の還流量が目標値となるように前記制御弁の開度を制御することが可能となるために、常に正確なＥＧＲガス量を還流することが可能となるため、内燃機関から排出されるＮＯｘを大幅に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１４】
図１に本実施形態に係る排気還流装置の構成図を示す。本図に示すように、本実施形態に係る排気環流装置１は、内燃機関の排気を吸気側へ環流させる装置であり、ディーゼル内燃機関を搭載した車両に適用したものである。本発明は、ディーゼル内燃機関に限らずガソリン内燃機関にも適用可能である。内燃機関２は、ターボチャージャ３を備えており、吸気マニホルドなどからなる吸気経路４が接続されている。また、内燃機関２には、排気マニホルドなどからなる排気経路５が接続されている。
【００１５】
内燃機関２には、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ６が設けられている。インジェクタ６は、燃料を燃焼室へ供給する燃料噴射手段であり、内燃機関２に形成されるシリンダごとに設置されている。ＥＧＲを環流する配管７の途中にはＥＧＲクーラ８が設けられている。
【００１６】
ＥＧＲクーラ８は、環流配管７を流通するＥＧＲガスを冷却する冷却手段である。EGRクーラ８としては、例えば、水冷式のものが用いられ、冷却水の循環により環流配管７を流通するＥＧＲガスを冷却する。また、ＥＧＲクーラ８は、積層型，多管型など何れの型式のものを用いてもよい。
【００１７】
環流配管７の途中であってＥＧＲクーラ８の下流側にはＥＧＲ制御弁１０が設けられている。ＥＧＲ制御弁１０は、環流配管７を開閉する弁体であり、弁体の開閉によりＥＧＲガスの環流量を調整する。図１では、ＥＧＲクーラ８が排気側に配置された構成例を示しているが、ＥＧＲクーラ８とＥＧＲ制御弁１０の配置関係については特に制約はない。
【００１８】
環流配管７の途中には流量センサ９が設けられている。図１において、流量センサ９は、ＥＧＲ制御弁１０の配置に対して上流に配置されているが、図２に示したとおり、EGR制御弁１０から還流配管径Ｄの４倍以内の距離に配置されていれば、上流，下流のどちらに配置されていても問題はない。流量センサ９は、例えばホットワイヤなどを利用した熱式の流量センサであり、還流配管７を流通するＥＧＲガスの質量流量を直接検知する。
【００１９】
排気環流装置１には、ＥＣＵ１１が設けられている。ＥＣＵ１１は、排気環流装置の装置全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、排気環流ルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。ＥＣＵ１１には、流量センサ９が接続され流量センサ９の出力信号を入力する。また、ＥＣＵ１１は各インジェクタ６と接続され、インジェクタ６に噴射制御信号を出力する。また、ＥＣＵ１１はＥＧＲクーラ８やＥＧＲ制御弁１０と接続され、ＥＧＲクーラ８に冷却制御信号やＥＧＲ制御弁１０にＥＧＲ制御信号を出力する。流量センサ９の信号のフィードバック制御により、機関の運転状態の変化に応じて常に最適なＥＧＲの還流量を吸気側へ供給することができる。
【００２０】
なお、図１において、符号１２は吸気流量計、符号１３はインタークーラ、符号１４は吸気絞り弁、符号１５は触媒である。
【００２１】
ＥＧＲ制御弁１０は、熱的な制約により吸気側に介装されているのが一般的である。次に図３のように、ＥＧＲ制御弁１０を吸気側に配置した場合における、還流配管７のほぼ中間点におけるクランク角に対する質量流量の変動、すなわち還流配管７内の逆流及び脈動状態について図４を用いて説明する。
【００２２】
図４は還流配管７の中間点におけるＥＧＲ制御弁１０の開度の逆流及び脈動影響を示す。条件は機関回転数１５００rpm ・正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）２.６bar・吸気絞り弁開度５０deg の結果である。ＥＧＲ制御弁開度２０deg では逆流が発生し、４０deg 以上では逆流が殆ど発生していない。還流配管内の逆流発生の有無は、ＥＧＲ制御弁１０の開度に依存することが分かる。これは、ＥＧＲ制御弁１０の開度が小さい場合には、還流配管７内の平均流量が小さいことやＥＧＲ制御弁１０上流は排気脈動振幅の影響が大きいことにより、振幅の下限値が負の値となり逆流するためである。一方、ＥＧＲ制御弁１０の開度が大きい場合には、還流配管７内の平均流量が大きいため、排気脈動振幅の下限値が負の値に到達しづらくなるため逆流は小さくなる。
【００２３】
次に、ＥＧＲ制御弁からの距離と内燃機関の運転条件の違いによる逆流及び脈動の影響について、図５と図６を用いて説明する。図５に示したＥＧＲ制御弁１０から排気側に還流配管径の１倍，２.５倍，４倍，７倍の距離に相当する４箇所について、吸気絞り弁開度５０deg ，ＥＧＲ制御弁開度２０deg と一定にした場合の、それぞれ１５００rpm ・
ＢＭＥＰ２.６bar，２０００rpm・ＢＭＥＰ２bar，３０００rpm・ＢＭＥＰ２barの結果を図６に示す。１５００rpm においてＥＧＲ制御弁１０からの距離が４倍以上離れた位置での還流配管７内では、逆流が発生している。これは、ＥＧＲ制御弁１０の開度が小さいとＥＧＲ制御弁１０が固定端、すなわち脈動の「節」となり、還流配管入口が開口端なので脈動の「腹」となるため、ＥＧＲ制御弁１０から遠ざかるに従い脈動振幅が大きくなるためである。また、機関回転数が高くなると単位時間あたりに還流配管７内を流れるＥＧＲガスの平均流量が大きくなるため、排気脈動振幅の下限値が負の値に到達しづらくなり逆流は小さくなる。以上を整理すると機関の運転状態やＥＧＲ制御弁１０の開度によって大小は異なるが、ＥＧＲ制御弁１０の上流、すなわち排気側の還流配管７内ではＥＧＲ制御弁１０に近いほど逆流は少ないと言える。
【００２４】
したがって、流量センサをＥＧＲ制御弁から排気側に配置する場合は、ＥＧＲ制御弁からの距離で還流配管径の４倍以下の距離に近接配置するのが好ましい。
【００２５】
次にＥＧＲ制御弁下流、すなわち吸気側の還流配管７内の脈動について説明する。吸気側の還流配管７内の脈動について確認するため、図７のように還流配管の中間点にＥＧＲ制御弁１０を配置した。ＥＧＲ制御弁１０からの距離は、排気側の場合とは逆に、吸気側に還流配管径の１倍，２.５ 倍，４倍，７倍の距離に相当する４箇所について確認した結果である。また、その他の条件は図６の場合と同様である。１５００rpm においてＥＧＲ制御弁１０からの距離が７倍以上離れた位置ではじめて逆流が発生していることが分かる。これは、前記のとおりＥＧＲバルブから遠ざかるに従い脈動振幅が大きくなることが原因であるが、排気側に比べ吸気側は脈動振幅が小さいため１Ｄ，２.５Ｄ ，４Ｄの距離では逆流が発生しないためである。
【００２６】
このことからＥＧＲ制御弁の吸気側に流量センサを配置する場合は、逆流や脈動という観点においては、排気側に配置する場合に比べてＥＧＲ制御弁と流量センサの距離間を離して配置しても問題ない。しかしながら、ＥＧＲ制御弁は吸気絞り弁に近いほど応答性が向上し、過渡時の制御性が向上すると考えられるため、ＥＧＲ制御弁を吸気絞り弁により近いところに配置するのが理想である。
【００２７】
よって以上のことから、流量センサをＥＧＲ制御弁の吸気側に配置する場合は、ＥＧＲ制御弁と吸気絞り弁との距離の制約から排気側配置の場合と同様にＥＧＲ制御弁から還流配管径の４倍以下のところに配置するのが好ましい。また、吸気側に配置する場合は、
ＥＧＲ制御弁により煤の付着など汚損に対しても有利である。さらに吸気側に配置し、
ＥＧＲ制御弁に近づけると偏流の影響を受ける可能性がある。したがって、図９の構成のように近接配置をする場合は、ＥＧＲ制御弁１０と流量センサ９の間にハニカムやフィルタなどＥＧＲガスの流れを整流化するための手段１６を設けると、より安定して計量することが可能である。
【００２８】
図１０，図１１に最適な排気還流装置構成とその場合の逆流及び脈動について説明する。ＥＧＲ制御弁１０は、図１０に示したとおり、吸気経路４からほぼ３Ｄの距離に配置している。図１１から排気側，吸気側共に逆流が発生しないことが分かる。
【００２９】
本発明は、逆流検地が可能な流量センサを適用する場合にも有効であるが、ホットワイヤなどの逆流検知が困難である加熱素子を使用した流量センサを適用する場合はより効果的である。逆流検地機能の有無については特に制約はない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態に係る排気還流装置の基本構成図。
【図２】流量センサの最適な取付け範囲。
【図３】本実施形態に係る排気還流装置の第１の構成図。
【図４】第１の構成におけるＥＧＲ制御弁開度による逆流及び脈動への影響。
【図５】本実施形態に係る排気還流装置の第１の構成図。
【図６】ＥＧＲ制御弁上流における還流配管内の逆流及び脈動波形。
【図７】本実施形態に係る排気還流装置の第２の構成図。
【図８】ＥＧＲ制御弁下流における還流配管内の逆流及び脈動波形。
【図９】吸気側配置の場合の最適な排気還流装置の構成。
【図１０】本実施形態に係る排気還流装置の最適な構成図。
【図１１】排気還流装置の最適な構成における逆流及び脈動波形。
【符号の説明】
【００３１】
１…排気環流装置、２…内燃機関、３…ターボチャージャ、４…吸気経路、５…排気経路、６…インジェクタ、７…還流配管、８…ＥＧＲクーラ、９…流量センサ、１０…EGR制御弁、１１…ＥＣＵ、１２…吸気流量計、１３…インタークーラ、１４…吸気絞り弁、１５…触媒、１６…整流化手段。
【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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