(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気の一部を還流ガスとして吸気系に還流させる排気還流通路と、
前記排気還流通路に介装した還流ガス冷却手段と、
前記還流ガス冷却手段を迂回するバイパス通路と、
前記還流ガス冷却手段を介装した通路又は前記バイパス通路のいずれか一方を択一的に連通させる切換手段と、
機関運転状態に応じて目標排気還流率を設定する目標排気還流率設定手段と、
前記目標排気還流率に応じて開度が変化する還流ガス量調節手段と、
機関から排出される排気中の窒素酸化物の生成量を検知する検知手段と、
を備える内燃機関の排気還流装置において、
目標排気還流率が一定の運転状態で、前記還流ガス冷却手段を介装した通路を連通させた場合と前記バイパス通路を連通させた場合との前記検知手段の検出値の差を算出する窒素酸化物生成量差算出手段を備え、
前記還流ガス冷却手段が初期状態である場合の窒素酸化物生成量差を初期値とし、初期値を算出した状態と同一目標排気還流率の運転状態での窒素酸化物生成量差と初期値との差を劣化度として算出する劣化度算出手段と、
劣化度が閾値より大きくなった場合に前記還流ガス冷却手段が劣化したと判定する劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
【請求項２】
前記閾値の大きさは前記初期値を算出したときの目標排気還流率に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
【請求項３】
前記劣化度に応じて、実際の排気還流率が前記目標排気還流率に近づくように前記還流ガス量調節手段の開度を補正する補正手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気還流装置。
【請求項４】
前記補正手段は、前回演算時と今回演算時とでの前記劣化度の変化率を算出し、この変化率が所定時間以上継続して所定値以下となったら前記目標排気還流率の補正を中止することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の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、排気の一部を吸気系に還流させる排気還流装置（ＥＧＲ装置）に関し、特に還流させる排気（ＥＧＲガス）を冷却するためのＥＧＲクーラの劣化診断に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのＮＯｘ排出量を低減する技術として、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流（ＥＧＲ）が知られている。そして、さらなるＮＯｘ排出量低減を図るために、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが特許文献１等に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１５６５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ＥＧＲクーラの冷却性能は、使用開始から急激に低下し、ある程度低下すると劣化の進行が緩やかになり、安定した状態が続く。そして、安定した状態となってからも徐々に冷却性能は低下し、やがて冷却効果がほとんど得られなくなる。
【０００４】
このようなＥＧＲクーラの冷却性能の低下、つまり劣化は、ＥＧＲクーラの入口と出口の温度差を検出すれば容易に検知することができるが、温度センサを新たに設けるとコストが増大する。
【０００５】
そこで、本発明では、新たにセンサを設けることなく、ＥＧＲクーラの劣化を判定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関の排気還流装置は、内燃機関から排出される排気の一部を還流ガスとして吸気系に還流させる排気還流通路と、排気還流通路に介装した還流ガス冷却手段（ＥＧＲクーラ）と、ＥＧＲクーラを迂回するバイパス通路と、ＥＧＲクーラを介装した通路又はバイパス通路のいずれか一方を機関運転状態に応じて択一的に連通させる切換手段と、機関運転状態に応じて目標排気還流率を設定する目標排気還流率設定手段と、目標排気還流率に応じて開度が変化する還流ガス量調節手段と、機関から排出される排気中の窒素酸化物の生成量を検知する検知手段と、を備える内燃機関の排気還流装置において、目標排気還流率が一定の運転状態での、ＥＧＲクーラを介装した通路を連通させた場合とバイパス通路を連通させた場合との検知手段の検出値の差を算出する窒素酸化物生成量差算出手段を備え、ＥＧＲクーラが初期状態である場合の窒素酸化物生成量差を初期値とし、初期値を算出した状態と同一目標排気還流率の運転状態での窒素酸化物生成量差と初期値との差を劣化度として算出する劣化度算出手段と、劣化度が閾値より大きくなった場合にＥＧＲクーラが劣化したと判定する劣化判定手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、窒素酸化物生成量に基づいてＥＧＲクーラの劣化を判定することができる。すなわち、ＥＧＲクーラの劣化度を判定するための新たなセンサ等を設けることなくＥＧＲクーラの劣化を判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は第１実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。１はエンジン、２は吸気通路、３は排気通路、４は燃料噴射装置、５はＥＧＲ配管（排気還流通路）である。
【００１０】
吸気通路２には、上流側から順に、空気中の塵などを除去するエアクリーナ９、エアクリーナ９を通過した空気量を計測するエアフローメータ８、後述する可変容量型過給機１０のコンプレッサ１０ａ、コンプレッサ１０ａで圧縮された空気を冷却するインタークーラ７、吸入空気を各気筒に分配するコレクタタンク６を設ける。
【００１１】
排気通路３には、エンジン１の排気中のＮＯｘ量を検出するＮＯｘセンサ（検知手段）２０を設け、その下流には可変容量型過給機１０のタービン１０ｂ、さらにその下流側には酸化触媒１１、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１２を設ける。
【００１２】
燃料噴射装置４は、いわゆるコモンレール式であり、図示しない燃料タンク、サプライポンプ１３、コモンレール（蓄圧室）１４、気筒毎に設けられるノズル１５を有し、サプライポンプ１３により加圧された燃料はコモンレール１４に蓄えられた後、各気筒のノズル１５に分配される。
【００１３】
可変容量型過給機１０は、排気の熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン１０ｂと、吸気を圧縮するコンプレッサ１０ａとを同軸で連結し、タービン１０ｂのスクロール入口に、図示しないアクチュエータにより駆動される可変ノズル１０ｃ（ジオメトリ可変機構）が設けられる。可変ノズル１０ｃはコントロールユニット（目標排気還流率設定手段、窒素酸化物生成量差算出手段、劣化度算出手段、劣化判定手段、補正手段）２１により制御され、低回転速度域から所定の過給圧が得られるように、低回転速度側ではタービン１０ｂに導入される排気の流速を高めるノズル開度、つまり傾動状態に制御される。一方、高回転速度域では、より多くの吸入空気をエンジン１に導入できるように、排気を抵抗なくタービン１０ｂに導入させるノズル開度、つまり全開状態に制御される。
【００１４】
ＥＧＲ配管５は、排気通路３から分岐してコレクタタンク６に接続されており、この配管５にはＥＧＲバルブ１８を介装する。ＥＧＲバルブ１８はＥＧＲ配管５を流れるＥＧＲガス量を調節するためのものであり、後述する目標ＥＧＲ率（目標排気還流率）に応じて開度の制御が行われる。
【００１５】
また、熱交換によりＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ（還流ガス冷却手段）１７をＥＧＲバルブ（還流ガス量調節手段）１８より排気通路３側に介装し、ＥＧＲクーラ１７を迂回するＥＧＲクーラバイパス通路１６を設ける。そしてＥＧＲクーラ１７下流側のＥＧＲクーラバイパス通路１６との合流部には切換弁（切換手段）１９を設ける。この切換弁１９により、ＥＧＲクーラ１７とＥＧＲクーラバイパス通路１６のいずれかがＥＧＲガスの流路として選択される。例えば、低水温時に炭化水素の排出量を低減するためにＥＧＲクーラバイパス通路１６を選択したり、より多くのＥＧＲガスを導入する際に、高温のＥＧＲガスによる燃焼温度の上昇を抑制するためにＥＧＲクーラ１７を選択する。
【００１６】
コントロールユニット２１には、アクセル開度センサ２２、クランク角度（エンジン回転数）を検出するクランク角センサ２３、冷却水温を検出する水温センサ２４、過給圧センサ２５、エアフローメータ８、からの信号が入力され、これらの信号に基づいて、目標ＥＧＲ率及び目標過給圧等の設定、そしてそれに応じたＥＧＲバルブ１８の開度制御及び切換弁１９の制御を行う。また、ＮＯｘセンサ２０の検出値に基づいて燃焼噴射量や燃焼噴射時期の設定といった燃焼制御も行う。
【００１７】
図２は、ＥＧＲクーラ１７の使用時間と冷却性能との関係を示す図である。図に示すように、新品の状態で使用開始すると、冷却性能は急激に低下する。そしてある程度冷却性能が低下すると（図中ｔ１）、冷却性能の低下速度は緩やかになり、ほぼ安定した状態となる。なお、ｔ１は、モード評価等のための走行パターンで走行した場合には約２０時間程度となる。すなわち、冷却性能は使用開始から２０時間程度までは急激に低下するが、その後はほぼ安定した状態となり、徐々に低下する。そのため、一般的に目標ＥＧＲ率の設定や切換弁１９の制御等の適合は、ｔ１以降の安定した状態の冷却性能を用いて実施する。ところが、このようにｔ１以降の冷却性能で適合を行うと、ｔ１以前では過冷却となり燃焼騒音が悪化する等の問題がある。一方、ｔ１以前の冷却性能での適合を図るために、冷却性能を検知するための新たなセンサを設けると、コストが増加するという問題がある。
【００１８】
そこで、本実施形態では以下に説明する制御を行うことにより、新たなセンサを設けることなく、冷却性能の低下、つまりＥＧＲクーラ１７の劣化を適確に検知する。
【００１９】
図３はコントロールユニット２１が実行する制御ルーチンを表すフローチャートである。
【００２０】
ステップＳ１００では、機関運転状態が一定であるか否かを判定する。具体的にはアクセル開度センサ２２、クランク角センサ２３等の検出信号に基づいて判定する。一定であればステップＳ１１０に進み、そうでない場合には処理を終了する。なお、運転状態が一定であるか否かの判定を行うのは、以下の処理を行うために目標ＥＧＲ率が一定であることが必要だからである。したがって、アクセル開度センサ２２等の検出値でなく、コントロールユニット２１で演算する目標ＥＧＲ率が一定であるか否かで判定してもよい。
【００２１】
ステップＳ１１０では、図４に示すサブルーチンを実行することにより初期値△Ｎ１を演算する。
【００２２】
図４のステップＳ１０００では切換弁１９をＥＧＲクーラ１７使用側に制御し、ステップＳ１０１０でＮＯｘセンサ２０の検出信号を読み込み、これをＮＯｘ量Ｎｃとする。次にステップＳ１０２０で切換弁１９をＥＧＲクーラバイパス通路１６使用側に制御し、ステップＳ１０３０でＮＯｘセンサ２０の検出信号を読み込み、これをＮＯｘ量Ｎｂとする。
【００２３】
ステップＳ１０４０では、ＮＯｘ量ＮｂとＮＯｘ量Ｎｃとの差を演算し、ステップＳ１０５０でこれを初期値△Ｎ１として記憶し、図３のステップＳ１２０に進む。
【００２４】
図３のステップＳ１２０では、機関運転状態がステップＳ１１０実行時のまま一定であるか否かを判定し、一定の場合にはステップＳ１３０に進み、そうでない場合にはステップＳ１１０実行時と同じ機関運転状態になってからステップＳ１３０に進む。これは、後述するステップＳ１３０、Ｓ１４０での劣化度Ｄの演算、劣化判定は、目標ＥＧＲ率がステップＳ１１０実行時と同じであることが前提となるからである。
【００２５】
ステップＳ１３０では、図５に示すサブルーチンを実行することにより、冷却性能の低下の程度を表す劣化度Ｄを演算する。
【００２６】
図５のステップＳ２０００〜Ｓ２０４０では、図４のステップＳ１０００〜Ｓ１０４０と同様の処理を実行して、ＥＧＲクーラ１７使用時とＥＧＲクーラバイパス通路１６使用時とのＮＯｘ量の差△Ｎ２を算出する。そして、ステップＳ２０５０でこの△Ｎ２と初期値△Ｎ１との差を求め、これを劣化度Ｄとして図３のステップＳ１４０に進む。
【００２７】
ここで、劣化度Ｄについて図６を参照して説明する。図６は縦軸が機関運転状態等から定まる目標ＥＧＲ率、横軸がその目標ＥＧＲ率で運転した場合にＮＯｘセンサ２０で検出するＮＯｘ排出量であり、Ｘｂ１はＥＧＲクーラバイパス通路１６使用時、Ｘｃ１は新品の状態でのＥＧＲクーラ１７使用時（新品時）、Ｘｃ２は所定時間経過後のＥＧＲクーラ１７使用時のＮＯｘ排出量を示している。
【００２８】
ＥＧＲガスを冷却すると、筒内の燃焼温度が低下し、通常のＥＧＲガス導入時よりもさらにＮＯｘ排出量が低減する。そのため、ＥＧＲクーラ１７使用時のＮＯｘ排出量Ｘｃ１、Ｘｃ２は、ＥＧＲクーラバイパス通路１６使用時（ＥＧＲクーラ１７非使用時）のＮＯｘ排出量Ｘｂ１よりも少なくなる。しかし、ＥＧＲクーラ１７の冷却性能が低下すると、ＮＯｘ排出量低減効果が小さくなるので、図６のＸｃ２に示すように、新品時のＮＯｘ排出量Ｘｃ１に比べてＮＯｘ排出量が多くなる。つまり、ＥＧＲクーラ１７の冷却性能が低下するほど△Ｎ２は小さくなる。
【００２９】
そこで、現在の運転状態におけるＥＧＲクーラ１７使用時と非使用時とのＮＯｘ排出量の差△Ｎ２と、新品時におけるＥＧＲクーラ１７使用時と非使用時とのＮＯｘ排出量の差△Ｎ１との差が大きくなるほど、ＥＧＲクーラ１７の冷却性能は低下していることとなる。このように、ＥＧＲクーラ１７の出口温度を測定しなくても、ＮＯｘ排出量に基づいてＥＧＲクーラ１７の劣化度合を知ることができる。
【００３０】
図３のステップＳ１４０では、劣化度Ｄが予め設定した閾値ｍより大きいか否かを判定する。この判定は、交換する必要がある程度までＥＧＲクーラ１７の冷却性能が低下しているか否かを判定するものである。閾値ｍは任意に設定することができ、例えば図６に示すように、ＥＧＲクーラ１７によるＮＯｘ排出量低減効果がほとんど無くなった場合の、△Ｎ１と△Ｎ２との差を閾値ｍとする。なお、目標ＥＧＲ率及びＥＧＲクーラ１７によるＮＯｘ排出量低減効果は運転状態により異なるので、閾値ｍは運転状態ごとに異なる値を設定する。
【００３１】
劣化度Ｄが閾値ｍより大きい場合はＥＧＲクーラ１７が交換が必要な程度まで劣化しているため処理を終了し、小さい場合はステップＳ１２０に戻って閾値ｍより大きくなるまで処理を繰り返す。
【００３２】
本制御によりＥＧＲクーラ１７が劣化したか否かを判定できるので、劣化したと判定した場合には、インジケータを点灯する等して使用者等にＥＧＲクーラ１７の交換を促すようにしてもよい。
【００３３】
以上のように本実施形態によれば次のような効果を得ることができる。
（１）目標ＥＧＲ率が一定となる運転状態のときに、ＥＧＲクーラ１７を通して還流させた場合とＥＧＲクーラバイパス通路１６を通して還流させた場合とのＮＯｘ排出量の差をＮＯｘ排出量差としたときに、ＥＧＲクーラ１７が新品の状態（初期状態）におけるＮＯｘ排出量差を初期値△Ｎ１とし、この初期値△Ｎ１と、初期値△Ｎ１を算出した状態と同一目標ＥＧＲ率の運転状態でのＮＯｘ排出量差△Ｎ２との差を劣化度Ｄとし、劣化度Ｄが閾値ｍより大きくなった場合にＥＧＲクーラ１７が劣化したと判定するので、ディーゼルエンジンやリーン燃焼を行うエンジンの燃焼制御のためも使用できるＮＯｘセンサ２０の検出値に基づいてＥＧＲクーラ１７が劣化しているか否かを判定することができる。すなわち、ＥＧＲクーラ１７の出口に温度センサ等を設けることなくＥＧＲクーラ１７が劣化しているか否かを判定することができる。
（２）閾値ｍの大きさを、初期値△Ｎ１を算出したときの目標ＥＧＲ率に応じて変化させるので、目標ＥＧＲ率の大きさに応じた適切な判定用閾値ｍに基づいて劣化判定をすることができる。
【００３４】
第２実施形態について説明する。
【００３５】
本実施形態では、第１実施形態と同様の制御によりＥＧＲクーラ１７の劣化度Ｄを演算し、これに基づいてＥＧＲバルブ１８の開度を補正する。
【００３６】
ＥＧＲクーラ１７の内部は、高温のＥＧＲガスが冷却された凝縮水等によりデポジット等が付着しやすい状態となっており、デポジットの付着が冷却性能低下の原因となっている。また、デポジットが付着すると、冷却性能低下の他にも、圧力損失の増大や、これらに伴うＥＧＲ率の低下という問題もある。
【００３７】
すなわち、ＥＧＲクーラ１７の冷却性能が低下すると、目標ＥＧＲ率に応じてＥＧＲバルブ１８の開度を設定しても、実際のＥＧＲ率（実ＥＧＲ率）は目標ＥＧＲ率よりも低くなる。そこで、コントロールユニット２１にて以下に説明する制御により、実ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に一致させる。
【００３８】
図７はコントロールユニット２１が実行する制御ルーチンを表すフローチャートである。ステップＳ２００〜Ｓ２３０は図３のステップＳ１００〜Ｓ１３０と同様であるので説明を省略する。
【００３９】
ステップＳ２３０でＥＧＲクーラ１７の劣化度Ｄを算出したら、ステップＳ２４０で劣化度Ｄに応じてＥＧＲバルブ１８の開度補正を行う。
【００４０】
劣化度判定を行っている間は、目標ＥＧＲ率は一定であるが、上述したように冷却性能及び圧力損失に伴って実ＥＧＲ率が低下している。そこで、この劣化度Ｄと実ＥＧＲ率の低下量との関係を予めマップ化等しておき、演算により求めた劣化度Ｄに基づいて実ＥＧＲ率の低下量を算出し、この実ＥＧＲ率の低下量を補うようにＥＧＲバルブ１８の開度を増加補正する。
【００４１】
なお、直接ＥＧＲバルブ１８の開度を制御せずに、実ＥＧＲ率の低下量を補うように目標ＥＧＲ率を増加補正してもよい。目標ＥＧＲ率の増加に応じてＥＧＲバルブ１８の開度が増大するため、結果としてＥＧＲバルブ１８の開度を補正するのと同様の効果が得られるからである。
【００４２】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果を得ることができる。
【００４３】
劣化度Ｄに応じてＥＧＲバルブ１８の開度を補正するので、ＥＧＲクーラ１７の冷却性能が低下した状態であっても、実ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に近づけることができる。
【００４４】
第３実施形態について説明する。
【００４５】
図８はコントロールユニット２１が実行する制御ルーチンを表すフローチャートである。
【００４６】
ステップＳ３００〜Ｓ３３０は図３のステップＳ１００〜Ｓ１３０と同様であるので説明を省略する。
【００４７】
ステップＳ３４０では、前回演算時に算出した劣化度Ｄと今回算出した劣化度Ｄとの差から劣化度Ｄの変化率△Ｄを算出する。
【００４８】
ステップＳ３５０では、図３のステップＳ１４０と同様に、劣化度Ｄが所定値ｍより大きいか否かを判定する。判定の結果、大きい場合はステップＳ３６０に進み、ＥＧＲクーラ１７が交換の必要がある程度まで劣化したと判定し、インジケータ点灯等で使用者等に交換を促す。判定の結果、劣化度Ｄが所定値ｍより小さい場合には、ステップＳ３７０に進む。
【００４９】
ステップＳ３７０では、劣化度Ｄの変化率△Ｄが、所定時間以上継続して閾値ｂより小さいか否かを判定する。この判定は、ＥＧＲクーラ１７の冷却性能が図２のｔ１以前の急激に劣化が進む状態であるか、ｔ１以降の劣化の進行が緩やかな状態であるかを知るためのものであり、「所定時間」及び「閾値ｂ」は、使用するＥＧＲクーラ１７の冷却性能低下の特性に基づいて設定する。
【００５０】
判定の結果、変化率△Ｄが所定時間、閾値ｂより小さい場合、つまり劣化の進行が緩やかな状態になっている場合にはステップＳ３８０に進み、そうでない場合、つまり急激に劣化が進む状態である場合にはステップＳ３９０に進む。
【００５１】
ステップＳ３９０では、図７のステップＳ２４０と同様のＥＧＲバルブ１８の開度補正を行い、ステップＳ３８０では、当該ＥＧＲバルブ１８の開度補正を終了する。
【００５２】
ステップＳ３８０でＥＧＲバルブ１８の開度補正を終了するのは、冷却性能の低下が収束したことにより、当該補正の必要がなくなるからである。なお、図２のｔ１以降の冷却性能で適合を行っていることが前提となる。
【００５３】
上記の制御により、本実施形態では第１、第２実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果を得ることができる。
【００５４】
劣化度Ｄの変化率△Ｄが所定時間以上継続して所定値ｂ以下となったら、ＥＧＲバルブ１８の開度補正を中止するので、演算負荷を軽減することができる。
【００５５】
なお、上記実施形態の説明ではエンジン１がディーゼルエンジンの場合について説明したが、本願発明はガソリンエンジンについても同様に適用することができる。
【００５６】
また、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１実施形態を適用するシステムの概略構成図である。
【図２】ＥＧＲクーラの冷却性能と使用時間との関係を表した図である。
【図３】第１実施形態の制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図４】初期値△Ｎ１演算のサブルーチンである。
【図５】劣化度Ｄ演算のサブルーチンである。
【図６】目標ＥＧＲ率とＮＯｘ排出量との関係を表す図である。
【図７】第２実施形態の制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図８】第３実施形態の制御ルーチンを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１    エンジン
２    吸気通路
３    排気通路
４    燃料噴射装置
５    ＥＧＲ配管
６    コレクタタンク
７    インタークーラ
８    エアフローメータ
９    エアクリーナ
１０  可変容量型過給機
１１  酸化触媒
１２  ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１３  サプライポンプ
１４  コモンレール
１５  ノズル
１６  ＥＧＲクーラバイパス通路
１７  インタークーラ
１８  ＥＧＲバルブ
１９  切換弁
２０  ＮＯｘセンサ
２１  コントロールユニット
【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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