特許 5970745 内燃機関のＥＧＲ制御方法及び内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5970745

(24)【登録日】2016年7月22日

(45)【発行日】2016年8月17日

(54)【発明の名称】内燃機関のＥＧＲ制御方法及び内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02M 26/00 20160101AFI20160804BHJP

【ＦＩ】

   F02M26/00

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-110683(P2011-110683)

(22)【出願日】2011年5月17日

(65)【公開番号】特開2012-241569(P2012-241569A)

(43)【公開日】2012年12月10日

【審査請求日】2014年4月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001368

【氏名又は名称】清流国際特許業務法人

(74)【代理人】

【識別番号】100066865

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 信一

(74)【代理人】

【識別番号】100066854

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 賢照

(74)【代理人】

【識別番号】100129252

【弁理士】

【氏名又は名称】昼間 孝良

(74)【代理人】

【識別番号】100117938

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 謙二

(74)【代理人】

【識別番号】100138287

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 功

(74)【代理人】

【識別番号】100155033

【弁理士】

【氏名又は名称】境澤 正夫

(74)【代理人】

【識別番号】100068685

【弁理士】

【氏名又は名称】斎下 和彦

(72)【発明者】

【氏名】西山 康宏

【審査官】 中川 康文

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００３−５１９３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１４０８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０１−１７４５５９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０８−１２８３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０４２０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１９５８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１４１１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１３８９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２８６９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１８８３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０６８５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０７１１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２０３２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２０９８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２２９８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２８４９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１４０８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１３０２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７０５１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ４７／０８−４７／１０

Ｆ０２Ｄ １３／００−２８／００

Ｆ０２Ｄ ４３／００−４５／００

Ｆ０２Ｍ ２６／００−２６／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲガスの流量を調整する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、
エンジン回転速度に応じてサンプリング間隔を変更し、所定のサンプリング数で気筒間における吸気マニホールドの吸気酸素濃度を平均処理するとともに、
過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御方法。

【請求項2】

ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲガスの流量を調整する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、
エンジン回転速度に応じてサンプリング間隔を変更し、所定のサンプリング数で気筒間における吸気マニホールドの吸気酸素濃度を平均処理するとともに、
過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の位置に相当する排気酸素濃度を推定し、この推定した排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御方法。

【請求項3】

ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲガスの流量を調整する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、
過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御方法。

【請求項4】

ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲガスの流量を調整する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、
過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の位置に相当する排気酸素濃度を推定し、この推定した排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御方法。

【請求項5】

ＥＧＲシステムと、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブの弁開度を調整することでＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に制御する制御装置を備え、吸気酸素濃度センサをＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路に設けると共に、排気酸素濃度センサをＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路に設け、前記制御装置が、前記吸気酸素濃度センサで検出した吸気酸素濃度と、前記排気酸素濃度センサで検出した排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲバルブを制御する内燃機関において、
前記吸気酸素濃度センサを吸気マニホールドに設け、
前記制御装置が、エンジン回転速度に応じてサンプリング間隔を変更し、所定のサンプリング数で、前記吸気酸素濃度センサで検出した気筒間における吸気マニホールドの吸気酸素濃度を平均処理する制御をするとともに、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、前記排気酸素濃度センサで検出した前記排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする内燃機関。

【請求項6】

ＥＧＲシステムと、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブの弁開度を調整することでＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に制御する制御装置を備え、吸気酸素濃度センサをＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路に設けると共に、排気酸素濃度センサをＥＧＲ通路の分岐点より下流側の排気経路に設け、前記制御装置が、前記吸気酸素濃度センサで検出した吸気酸素濃度と、前記排気酸素濃度センサで検出した排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲバルブを制御する内燃機関において、
前記吸気酸素濃度センサを吸気マニホールドに設け、
前記制御装置が、エンジン回転速度に応じてサンプリング間隔を変更し、所定のサンプリング数で、前記吸気酸素濃度センサで検出した気筒間における吸気マニホールドの吸気酸素濃度を平均処理する制御をするとともに、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、前記排気酸素濃度センサで検出した前記排気酸素濃度で、予め設定した補償器を用いてＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の位置に相当する排気酸素濃度を推定し、この推定した排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする内燃機関。

【請求項7】

吸気経路と、排気経路と、前記吸気経路と前記排気経路とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブと、
ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるように前記ＥＧＲバルブの弁開度を調整する制御装置を備えた内燃機関において、
前記制御装置が、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする内燃機関。

【請求項8】

吸気経路と、排気経路と、前記吸気経路と前記排気経路とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブと、
ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるように前記ＥＧＲバルブの弁開度を調整する制御装置を備えた内燃機関において、
前記制御装置が、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の位置に相当する排気酸素濃度を推定し、この推定した排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、過渡状態においてもＥＧＲ率を精度よく制御することができる内燃機関のＥＧＲ制御方法及び内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関の排気ガス中の有害成分を低減するために、排気ガスの一部を吸気に還流して、シリンダ内に吸入するガスの酸素濃度を低下させることで、燃焼温度を下げてＮＯｘを低減するＥＧＲ装置が利用されている。このＥＧＲ装置を利用する場合には、排気性能、燃費、燃焼音等を総合的に最適化するためにはＥＧＲ率を精度よく制御する必要がある。

【0003】

そのため、予め内燃機関のベンチテストにおいて各種の実験を行い、燃料噴射とＥＧＲ等を適合している。このＥＧＲの適合においては、吸気と排気のＣＯ₂濃度を排ガス分析計により計測し、その値からＥＧＲ率を算出し、適合させる時の目安の一つとしている。

【0004】

従来技術では、一般的に、ディーゼルエンジンにおいては、様々な運転条件において、吸入空気流量を計測して、吸入空気量が適切な目標値になるようＥＧＲバルブを制御している。この制御では、吸入空気量を制御することで間接的にＥＧＲ率を制御している。また、吸入空気量はエアクリーナ付近に搭載したホットワイヤ式の流量計を利用し、この流量計で検出した値を内燃機関の制御装置（エンジンコントロールユニット：ＥＣＵ）に取り込んで、この制御装置の出力で、ＥＧＲバルブのＤＣモータを駆動し、ＥＧＲバルブの弁開度を制御している。

【0005】

しかしながら、ＥＧＲ率と吸入空気量との関係は、雰囲気温度の変化やＥＧＲクーラの冷却性能の変化や、排気圧力の変化（ＤＰＦの詰まりなど）により変化してしまうので、正確なＥＧＲ率にすることが難しいという問題がある。これらの変化を検出するために、温度、圧力等のパラメータの値を検出し、この検出値を利用してＥＧＲ率が適正なものとなるように補正しながら制御を行う場合もあるが、必ずしも十分ではない。更に、ＥＧＲの適合に利用する排ガス分析計によるＥＧＲ率の計測は、過渡運転時には、排ガス分析計に計測遅れがあるため、精度よく計測することが難しく、十分な精度が期待できないという問題がある。

【0006】

これに対処するために、酸素センサを内燃機関に組み込んで、その検出値を利用して直接ＥＧＲ率を制御することが考えられており、例えば、吸気中の酸素濃度である吸気酸素濃度、排気酸素濃度と新気酸素濃度（＝外気酸素濃度＝２１％）とを用いて、新気酸素濃度と排気酸素濃度との差に対する、新気酸素濃度と吸気酸素濃度との差の比を演算することにより、ＥＧＲ率を算出し、排気流量センサを用いることなく、酸素濃度の値によってＥＧＲ率が精度良く求められ、ＥＧＲ率またはＥＧＲ流量が目標値となるようにＥＧＲ弁の正確なフィードバック制御が可能となるＥＧＲ制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１０−２０３２８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の運転状態においてＥＧＲ率を精度よく制御することができる内燃機関のＥＧＲ制御方法及び内燃機関を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のＥＧＲ制御方法は、ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲガスの流量を調整する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、エンジン回転速度に応じてサンプリング間隔を変更し、所定のサンプリング数で気筒間における吸気マニホールドの吸気酸素濃度を平均処理するとともに、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする方法である。

【0010】

この内燃機関のＥＧＲ制御方法によれば、吸気酸素濃度を精度よく補正できるので、ＥＧＲ率を精度よく算出でき、適正なＥＧＲを行うことができる。

【0012】

また、過渡状態においても排気酸素濃度を精度よく補正できるので、ＥＧＲ率を精度よく算出でき、適正なＥＧＲを行うことができる。

【0013】

あるいは、本発明の内燃機関のＥＧＲ制御方法は、ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲガスの流量を調整する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、エンジン回転速度に応じてサンプリング間隔を変更し、所定のサンプリング数で気筒間における吸気マニホールドの吸気酸素濃度を平均処理するとともに、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の位置に相当する排気酸素濃度を推定し、この推定した排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正する方法を採ると、過渡状態においても排気酸素濃度を精度よく補正できるので、ＥＧＲ率を精度よく算出でき、適正なＥＧＲを行うことができる。
以上より、本発明の内燃機関のＥＧＲ制御方法は、ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲガスの流量を調整する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする方法である。
あるいは、本発明の内燃機関のＥＧＲ制御方法は、ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲガスの流量を調整する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の位置に相当する排気酸素濃度を推定し、この推定した排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正することを特徴とする方法である。

【0014】

そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、ＥＧＲシステムと、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブの弁開度を調整することでＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に制御する制御装置を備え、吸気酸素濃度センサをＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路に設けると共に、排気酸素濃度センサをＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路に設け、前記制御装置が、前記吸気酸素濃度センサで検出した吸気酸素濃度と、前記排気酸素濃度センサで検出した排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲバルブを制御する内燃機関において、前記吸気酸素濃度センサを吸気マニホールドに設け、前記制御装置が、エンジン回転速度に応じてサンプリング間隔を変更し、所定のサンプリング数で、前記吸気酸素濃度センサで検出した気筒間における吸気マニホールドの吸気酸素濃度を平均処理する制御をするとともに、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、前記排気酸素濃度センサで検出した前記排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正するように構成される。

【0015】

この構成によれば、吸気酸素濃度を精度よく補正できるので、ＥＧＲ率を精度よく算出でき、適正なＥＧＲを行うことができる。

【0019】

また、この構成によれば、過渡状態においても排気酸素濃度を精度よく補正できるので、ＥＧＲ率を精度よく算出でき、適正なＥＧＲを行うことができる。

【0020】

あるいは、本発明の内燃機関は、ＥＧＲシステムと、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブの弁開度を調整することでＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に制御する制御装置を備え、吸気酸素濃度センサをＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路に設けると共に、排気酸素濃度センサをＥＧＲ通路の分岐点より下流側の排気経路に設け、前記制御装置が、前記吸気酸素濃度センサで検出した吸気酸素濃度と、前記排気酸素濃度センサで検出した排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲバルブを制御する内燃機関において、前記吸気酸素濃度センサを吸気マニホールドに設け、前記制御装置が、エンジン回転速度に応じてサンプリング間隔を変更し、所定のサンプリング数で、前記吸気酸素濃度センサで検出した気筒間における吸気マニホールドの吸気酸素濃度を平均処理する制御をするとともに、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、前記排気酸素濃度センサで検出した前記排気酸素濃度で、予め設定した補償器を用いてＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の位置に相当する排気酸素濃度を推定し、この推定した排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正するように構成される。
以上より、本発明の内燃機関は、吸気経路と、排気経路と、前記吸気経路と前記排気経路とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブと、ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるように前記ＥＧＲバルブの弁開度を調整する制御装置を備えた内燃機関において、前記制御装置が、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正するように構成される。
あるいは、本発明の内燃機関は、吸気経路と、排気経路と、前記吸気経路と前記排気経路とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブと、ＥＧＲ通路との合流点より下流側の吸気経路の吸気酸素濃度と、排気経路の排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるように前記ＥＧＲバルブの弁開度を調整する制御装置を備えた内燃機関において、前記制御装置が、過渡状態におけるＥＧＲ率を算出する前に、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路の位置に相当する排気酸素濃度を推定し、この推定した排気酸素濃度に対して、エンジン回転数に関係する一次遅れの無駄時間を適用して補正するように構成される。

【0021】

この構成においても、過渡状態においても排気酸素濃度を精度よく補正できるので、ＥＧＲ率を精度よく算出でき、適正なＥＧＲを行うことができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明に係るＥＧＲ制御装置によれば、内燃機関の運転においてＥＧＲ率を精度よく制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施の形態の内燃機関の構成を示した図である。

【図2】各センサにおける検出値の時系列を示した図である。

【図3】過渡モデルにおける「一次遅れ＋無駄時間」を説明するための図であり、「排気＋ＥＧＲ」系（システム）を模式的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲ制御方法及び内燃機関について、図面を参照しながら説明する。ここでは、内燃機関が車両搭載のディーゼルエンジンである場合について説明しているが、本発明は、車両搭載のディーゼルエンジンのみならず、車両搭載のその他のエンジンや産業用のエンジンや発電用のエンジン等の内燃機関全般において適用できる。

【0025】

図１に示すように、本発明の実施の形態の内燃機関１０は、エンジン本体１１の吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路（吸気経路）１２と、排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路（排気経路）１３を備えて形成されている。

【0026】

この吸気通路１２には、上流側からエアクリーナ１４とターボチャージャ（ターボ式過給器）１５のコンプレッサ１５ａと吸気絞り弁１６が設けられ、更には、図示しないが、吸入空気量を測定するエアフローセンサや、コンプレッサ１５ａで圧縮され温度が上昇した吸入空気を冷却するためのインタークーラ等も設けられる。

【0027】

また、排気通路１３には、上流側から排気絞り弁１７とターボチャージャ１５のタービン１５ｂと排気ガス浄化装置１８が設けられ、更には、図示しないがサイレンサー（消音器）が設けられる。

【0028】

次に、ＥＧＲシステムについて説明する。ＥＧＲ通路１９が、排気マニホールド１１ｂと排気絞り弁１７との間の排気通路１３と、吸気絞り弁１６と吸気マニホールド１１ａとの間の吸気通路１２とを接続して設けられ、このＥＧＲ通路１９の上流側からＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２０と、ＥＧＲガスの流量を調整するためのＥＧＲバルブ２１が設けられる。

【0029】

そして、この内燃機関１０では、吸気酸素濃度センサ２２と吸気圧力センサ２３を吸気マニホールド１１ａに設け、上流側排気酸素濃度センサ２４と上流側排気圧力センサ２５を排気マニホールド１１ｂに設ける。つまり、吸気酸素濃度センサ２２をＥＧＲ通路１９との合流点より下流側の吸気経路１１ａに設けると共に、上流側排気酸素濃度センサ２４と上流側排気圧力センサ２５をＥＧＲ通路１９の分岐点より上流側の排気通路１３に設ける。あるいは、排気ガス処理装置１８の下流側の排気通路１３に、下流側排気酸素濃度センサ２６と下流側排気圧力センサ２７を設ける。また、クランク角度センサ２８とエンジン回転速度センサ（エンジン回転数センサ）２９を設ける。

【0030】

更に、これらのセンサ２２〜２９等の検出値を入力して、ＥＧＲバルブ２１の弁開度を調整する制御装置３０を設ける。この制御装置３０は、通常は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれるエンジン全般を制御する制御装置に組み込まれている。

【0031】

この制御装置３０は、定常状態及び過渡状態において、吸気酸素濃度センサ２２で検出した吸気酸素濃度と、上流側排気酸素濃度センサ２４、又は、下流側排気酸素濃度センサ２６で検出した排気酸素濃度を使用してＥＧＲ率を算出し、この算出されたＥＧＲ率が、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲバルブ２１を制御するように構成される。

【0032】

そして、内燃機関１０の運転が定常状態においては、吸気酸素濃度センサ２２で検出した吸気酸素濃度Ｃｉを吸気圧力センサ２３で検出した吸気圧力Ｐｉで補正する前に、吸気圧力Ｐｉに対してエンジン回転速度に同期させて気筒間（シリンダ間）の平均処理を行う。また、上流側排気酸素濃度センサ２４、又は、下流側排気酸素濃度センサ２６で検出した排気側酸素濃度Ｃｅを上流側排気圧力センサ２５で検出した排気圧力Ｐｅで補正する前に、排気圧力Ｐｅに対してエンジン回転速度に同期させて気筒間の平均処理を行う。

【0033】

このエンジン回転速度に同期させての気筒間の平均処理について説明する。酸素濃度センサ２２、２４（又は２６）の検出値Ｃｉ，Ｃｅは雰囲気圧力により影響を受ける場合があるので、雰囲気圧力Ｐｉ，Ｐｅにより補正する必要がある。しかしながら、クランク軸の回転角度に対して、気筒内の吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程等により気筒内圧力が変動するので、吸気マニホールド（吸気経路）１１ａ及び排気マニホールド１１ｂや排気通路１３の排気経路における酸素濃度Ｃｉ，Ｃｅと圧力Ｐｉ，Ｐｅの計測においても、図２に示すように、この圧力変化の影響がある。また、圧力センサ２３、２５（又は２７）と酸素濃度センサ２２、２４（又は２６）を設置する場所が異なるので、この位置の違いによる出力の位相差も考慮する必要がある。

【0034】

一般的には一定時間毎にサンプリングするので、この場合には、クランク軸の一定回転数の時間に対して、遅い回転数ではサンプリング数が多くなり、早い回転数ではサンプリング数が少なくなるので、エンジン回転速度が異なるとサンプリング数が変化する。そのため、平均値を計算するときの母数（サンプル数）が変わる。つまり、クランク軸の回転数が低くなれば、母数は大きくなり、回転数が高くなれば母数は小さくなる。そのため、平均化しても、各エンジン回転速度に対して、同じ精度の値が求められるとは限らない。そのため、適当な時間間隔でサンプリングして平均値を求めても、すべてのエンジン回転速度で、同じような精度の酸素濃度や圧力の値が得られないので、精度よい制御を行うことができない。

【0035】

これに対して、本発明では、エンジン回転速度に応じて、サンプリング間隔を変更し、同じサンプリング数で平均処理できるようにする。例えば、クランク角度を基準にして一定角度毎にサンプリングする。より具体的には、各気筒の上死点位置を中心として４気筒エンジンならば±９０度の区間でサンプリングする。これにより、エンジン回転速度に因らずに、クランク軸の一定回転角度に対して同一サンプル数となり、クランク軸が一回転した時間の倍数の時間の期間でサンプリングすることで位相差も考慮できるので、異なるエンジン回転速度であっても、平均化に関しては、常に同じ精度で平均値を求めることができる。

【0036】

本発明では、吸気酸素濃度センサ２２で検出した吸気酸素濃度Ｃｉ、吸気圧力センサ２３で検出した吸気圧力Ｐｉ、上流側排気酸素濃度センサ２４（又は下流側排気酸素濃度センサ２６）で検出した排気酸素濃度Ｃｅ、上流側排気圧力センサ２５（又は下流側排気圧力センサ２７）で検出した排気圧力Ｐｅの検出を、クランク軸の一定回転角度に対して同一サンプル数になるようにサンプリングし、平均化する。即ち、エンジン回転速度に同期させて気筒間の平均処理を行う。これにより、図２に示すような、各センサ２２、２３、２４（又は２６）、２５（又は２７）の検出値Ｃｉ，Ｐｉ，Ｃｅ，Ｐｅにおける脈動による影響、即ち、測定値のばらつきを低減する。

【0037】

これにより、吸気酸素濃度センサ２２で検出した吸気酸素濃度Ｃｉを吸気圧力センサ２３で検出した吸気圧力Ｐｉで補正する前に、吸気酸素濃度Ｃｉと吸気圧力Ｐｉに対してエンジン回転速度に同期させて気筒間（シリンダ間）の平均処理を行うことができ、また、上流側排気酸素濃度センサ２４（又は下流側排気酸素濃度センサ２６）で検出した排気酸素濃度Ｃｅを上流側排気圧力センサ２５（又は下流側排気圧力センサ２７）で検出した排気圧力Ｐｅで補正する前に、排気酸素濃度Ｃｅと排気圧力Ｐｅに対してエンジン回転速度に同期させて気筒間の平均処理を行うことができる。

【0038】

そして、酸素濃度センサ２２、２４（又は２６）の出力値Ｃｉ，Ｃｅと、圧力センサ２３、２５（又は２７）の出力値Ｐｉ，Ｐｅに対して、エンジン回転速度に同期させての気筒間の平均処理した後、これらの平均処理後の圧力データＰｉｍ，Ｐｅｍを利用して酸素濃度データＣｉｍ，Ｃｅｍの圧力補正を行う。なお、この圧力補正式に関してはセンサメーカー仕様によるのでここでは述べない。

【0039】

また、酸素濃度センサ２２、２４、２６は経年変化により汚損し出力が変化してしまうという問題があるが、これは、モータリング時の吸気酸素濃度＝大気酸素濃度の関係を用いて、酸素濃度センサ２２、２４、２６の出力を校正して利用することで解決できる。

【0040】

次に、補正後の吸気酸素濃度Ｃｉｍｃと排気酸素濃度ＣｅｍｃからＥＧＲ率Ｅｃを算出する。従来技術のＥＧＲ率の算出に用いられているように、一般的に、吸気のＣＯ2濃度Ｂｉと、排気のＣＯ₂濃度Ｂｅと大気中ＣＯ₂濃度Ｂａ（Ｂａ≒０）から、ＥＧＲ率Ｅｃは、「Ｅｃ＝（Ｂｉ−Ｂａ）／（Ｂｅ−Ｂａ）≒Ｂｉ／Ｂｅ」となる。同様に、本願発明のように、補正後の吸気酸素濃度Ｃｉｍｃと排気酸素濃度Ｃｅｍｃと大気中酸素濃度Ｃａ（Ｃａ≒２１％）を用いる場合は、ＥＧＲ率Ｅｃは、「Ｅｃ＝（Ｃａ−Ｃｉｍｃ）／（Ｃａ−Ｃｅｍｃ）」となる。

【0041】

次に、内燃機関１０の運転が過渡状態におけるＥＧＲ率Ｅｃの算出について説明する。先ず、過渡状態で、ＥＧＲ通路の分岐点より上流側の排気経路に設けた上流側排気酸素濃度センサ２４の検出値Ｃｅを用いた場合を説明する。この過渡状態におけるＥＧＲ率Ｅｃの算出には、排気マニホールド１１ｂに設けた上流側排気酸素濃度センサ２４で計測した排気酸素濃度Ｃｅの瞬時値が、ＥＧＲ通路１９の配管を伝わって吸気マニホールド１１ａに到達する時間を考慮する必要がある。

【0042】

この上流側排気酸素濃度センサ２４の測定値に対して直接「一次遅れ＋無駄時間」を適用する。これについて説明する。図３は、「排気＋ＥＧＲ」系（システム）４５を模式的に示したものである。以下の式（１）〜（８）を基に、「排気＋ＥＧＲ」系を「一次遅れ＋無駄時間」の簡易的なモデルで表わす。

【0043】

エネルギー保存側から、熱の移動が無い場合、図３で示したシステム４５の容積の収支は以下の式（１）で示すことができる（一般的な式）。式（１）は、

【数1】

となる。Ｖを一定とし、温度Ｔが一定の場合、ｈ１＝ｈ２＝ｃpＴとして、

【数2】

「排気＋ＥＧＲ」経路の容積は一定であるので、

【数3】

となり、式（２）と式（３）から、κ＝ｃp／ｃvであるので、

【数4】

となる。

【0044】

ここで、単位時間当たりのシリンダ吸入ガス量は、エンジン回転数Ｎｅ、体積効率η、ガス定数Ｒとすると、以下の式（５）で表わせる。体積効率ηは、予め実験的に得ているデータである。

【数5】

よって、

【数6】

次式（７）のような、一次の微分方程式に帰着する。

【数7】

よって、この系の時定数Ｔは、Ｔ＝１／ａであるから、

【数8】

となる。

【0045】

ここで、「排気＋ＥＧＲ」経路の容積Ｖから時定数Ｔを算出する。

【0046】

次に、過渡状態で、上流側排気酸素濃度センサ２４の代わりに排気ガス処理装置１８の下流側の排気通路１３に設けた下流側排気酸素濃度センサ２６を用いる場合について説明する。この場合は、排気ガスＧが排気マニホールド１１ｂ、配管１３、タービン１５ｂ、排気ガス浄化装置１８を通って、下流側排気酸素濃度センサ２６で検出するまでに、遅れが生じることになる。この下流側排気酸素濃度センサ２６の検出値を用いて、吸気マニホールド１１ａに到達する排気ガスＧの排気酸素濃度を推定するためには、この下流側排気酸素濃度センサ２６の検出値から、微分補償器によりＥＧＲ通路１９の分岐点より上流側の排気経路の位置（例えば、排気酸素濃度センサ２４の搭載位置、あるいは、排気マニホールド１１ｂの位置）に相当する排気酸素濃度Ｃｅを推定する。

【0047】

微分補償器はラプラス演算子ｓとすると、その伝達関数Ｇ（ｓ）は、Ｇ（ｓ）＝ｋ・ｓとなり、ここで、係数ｋは、ＥＧＲ通路１９の分岐点より上流側の排気経路の位置（例えば、上流側排気酸素濃度センサ２４の搭載位置あるいは排気マニホールド１１ｂの内部の位置）から下流側排気酸素濃度センサ２６の搭載位置までのガスの経路長及び容積、排気ガスＧの流速から決まる値である。この配管長Ｌｅｘ、容積Ｖｅｘはエンジン固有の定数であり、流速はエンジン回転数Ｎｅと相関があるので、係数ｋはｋ＝ｆ（Ｎｅ，Ｌｅｘ，Ｖｅｘ）の形となり、エンジン回転数のテーブルとなる。従って、実際には、ｋ＝ｆ（Ｎｅ，Ｌｅｘ，Ｖｅｘ）に相当するデータを、予めマップデータで記憶させておき、係数ｋの算出時に、このマップデータを参照する。

【0048】

微分補償を適用して推定した、ＥＧＲ通路１９の分岐点より上流側の排気経路の位置の排気酸素濃度に対して、上記の過渡状態での上流側排気酸素濃度センサ２４の検出値を用いた場合と同様に「一次遅れ＋無駄時間」の補償を適用する。

【0049】

一次遅れ系の伝達関数は、時定数Ｔとして、

【数9】

となり、無駄時間の伝達係数は、無駄時間Ｌとして、

【数10】

となるので、よって、一次遅れ＋無駄時間系として、

【数11】

となる。

【0050】

酸素濃度センサで検出された酸素濃度をＣｅｘｍとし、補正後の酸素濃度をＣｅｘｍｈとすると、時刻ｔにおける値は、

【数12】

となる。

【0051】

そして、上記で算出したＥＧＲ率Ｅｃの目標ＥＧＲ率Ｅｔに対する偏差ｅｒを計算し、この偏差ｅｒがゼロになるように、例えば、ＰＩＤのフィードバック制御によりＥＧＲバルブ２１の弁開度を制御する。なお、実際には、弁開度を調整するために、ＥＧＲバルブ２１の弁開度を変更するための直流モータ（ＤＣモータ）において回転軸の回転角度の制御を実施することになる。

【0052】

つまり、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆで決まるエンジン運転状態に対して、ＥＧＲ制御マップ等を参照して得られる目標ＥＧＲ率Ｅｔ（Ｎｅ，Ｑｆ）を算出し、この目標ＥＧＲ率Ｅｔに対して、算出されたＥＧＲ率Ｅｃを用いると、偏差ｅｒは、「ｅｒ＝Ｅｔ−Ｅｃ」となり、ＰＩＤ制御を行う場合には、ＥＧＲバルブ２１の操作量Ｅｖｔは、「Ｅｖｔ＝ｋｐ×ｅｒ＋ｋｉ×∫ｅｒ・ｄｔ＋ｋｄ×ｄｅｒ／ｄｔ」で算出される。この操作量Ｅｖｔに対して、ＥＧＲバルブ２１の直流モータの位置制御が行われることになる。

【0053】

上記の内燃機関のＥＧＲ制御方法及び内燃機関１０によれば、内燃機関の運転状態においてＥＧＲ率を精度よく制御することができる。特に内燃機関の運転状態が過渡状態になってもＥＧＲ率を精度よく制御することができる。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本発明の内燃機関のＥＧＲ制御方法及び内燃機関は、内燃機関の運転状態においてＥＧＲ率を精度よく制御することができるので、自動車に搭載する内燃機関や建設機械用や発電用の内燃機関等の広範囲の内燃機関において利用できる。

【符号の説明】

【0055】

１０ 内燃機関（エンジン）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド
１２ 吸気通路
１１ｂ 排気マニホールド
１３ 排気通路
１９ ＥＧＲ通路
２１ ＥＧＲバルブ
２２ 吸気酸素濃度センサ
２３ 吸気圧力センサ
２４ 上流側排気酸素濃度センサ
２５ 上流側排気圧力センサ
２６ 下流側排気酸素濃度センサ
２７ 下流側排気圧力センサ
２８ クランク角度センサ
２９ エンジン回転速度センサ
３０ 制御装置
Ｃｉ 吸気酸素濃度
Ｃｅ 排気酸素濃度
Ｅｃ 算出されたＥＧＲ率
Ｅｔ 目標ＥＧＲ率
Ｎｅ エンジン回転速度
Ｐｉ 吸気圧力
Ｐｅ 排気圧力
Ｑｆ 燃料噴射量

【図1】

【図2】

【図3】