CN105339641B - 内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的内燃机的控制装置被应用于将EGR气体与EGR冷却器中所生成的冷凝水供给至气缸内的内燃机中。本控制装置对内燃机的当量比进行计算，并对EGR阀以及冷凝水供给阀进行控制，从而使高当量比时与低当量比时相比，冷凝水的供给比率较高且EGR气体的供给比率较低。

Description

内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及一种应用于具备EGR(Exhaust Gas Recirculation：废气再循环)装置的内燃机的控制装置。
背景技术
已知一种将在EGR冷却器中所生成的冷凝水贮留于冷凝水罐中，并将所贮留的冷凝水向进气通道喷射的装置(专利文献1)。通过将供给到进气通道中的冷凝水与进气一起引导至气缸并使之气化，从而抑制了燃烧温度，其结果为，抑制了随着燃烧而产生的NOX的生成量。另外，作为与本发明相关的在先技术文献而存在有专利文献2。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-318049号公报
专利文献2：日本特开2010-71135号公报
发明内容
发明所要解决的课题
通过向气缸内供给EGR气体从而能够减小NOX的生成量。然而，由于当EGR气体的供给量增加时缸内密度会上升，因而会阻碍气缸内的燃料喷雾的扩散。因此，当EGR气体的供给量过剩时，气缸内的空气的利用率会下降，从而烟雾以及碳氢化合物(HC)的生成量会增加。
因此，本发明的目的在于，提供一种内燃机的控制装置，其能够对由于缸内密度的上升而导致的烟雾以及HC的生成量的增加进行抑制。
用于解决课题的方法
本发明的第一控制装置被应用于内燃机中，所述内燃机具备：废气再循环装置，其将排气的一部分作为废气再循环气体而供给至气缸内；低密度物质供给装置，其将与所述废气再循环气体相比密度较低的低密度物质供给至所述气缸内，在所述内燃机中，向所述气缸内喷射燃料，所述内燃机的控制装置具备：当量比计算单元，其对所述内燃机的当量比进行计算；供给比率控制单元，其对所述废气再循环装置以及所述低密度物质供给装置进行控制，从而使高当量比时与低当量比时相比，所述低密度物质的供给比率较高、且所述废气再循环气体的供给比率较低。
根据第一控制装置，在高当量比时，与低当量比时相比低密度物质的供给比率较高且EGR气体的供给比率较低。因此，缸内密度在高当量比时较低、而在低当量比时较高。由此，通过使缸内密度在高当量比时较低，从而促进了燃料喷雾的扩散，进而能够对烟雾以及HC的生成量进行抑制。另一方面，通过使缸内密度在低当量比时较高从而使燃料喷雾的渗透率降低，从而对由燃料向气缸内壁面的附着而导致的冷却损失以及HC的生成量的增加进行抑制。
在第一控制装置中，当量比的计算方法没有特别的限制。例如，所述当量比计算单元可以根据所述内燃机的运转状态来对所述当量比进行计算。
在第一控制装置的一个方式中，可以采用如下结构，即，所述供给比率控制单元对所述废气再循环装置以及所述低密度物质供给装置进行控制，从而使所述当量比低于预定值的情况下的所述低密度物质的供给比率，在所述内燃机的暖机完成前与所述内燃机的暖机完成后相比而较低。根据该方式，由于在内燃机的暖机完成前与暖机完成后相比缸内密度较高，因此能够使低当量比时的燃料喷雾的渗透率与暖机完成后相比而降低。因此，由于能够抑制暖机完成前的燃料向气缸的内壁面的附着，因此能够减小暖机完成前的HC的生成量。
在第一控制装置的一个方式中，可以采用如下结构，即，所述供给比率控制单元根据所述当量比和燃料喷射压来对所述废气再循环气体的供给比率以及所述低密度物质的供给比率进行计算，并根据该计算结果来对所述废气再循环装置以及所述低密度物质供给装置进行控制。通过使燃料喷射压发生变化从而使燃料喷雾的渗透率也发生变化。根据该方式，由于能够根据当量比和燃料喷射压来对EGR气体的供给比率以及低密度物质的供给比率进行计算，因此能够使燃料喷雾的渗透率适当化。
在第一控制装置的一个方式中，可以采用如下结构，即，所述低密度物质供给单元将所述内燃机的排气系统中所生成的冷凝水作为所述低密度物质而供给至所述气缸内。根据该方式，由于利用了内燃机的排气系统中所生成的冷凝水，因此具有无需实施低密度物质的准备及补充的优点。此外，通过使所供给的冷凝水在气缸内气化，从而使燃烧温度下降。因此，由于在高当量比时取代EGR气体的供给比率下降而使冷凝水的供给比率升高，因此能够在抑制缸内密度的上升的同时维持NOX的生成抑制效果。
本发明的第二控制装置被应用于内燃机中，所述内燃机具备：废气再循环装置，其将排气的一部分作为废气再循环气体而供给至气缸内；成分比率变更单元，其能够对所述废气再循环气体中的水与二氧化碳的比率进行变更，在所述内燃机中，向所述气缸内喷射燃料，所述内燃机的控制装置具备：当量比计算单元，其对所述内燃机的当量比进行计算；成分比率控制单元，其对所述成分比率变更单元进行控制，从而使高当量比时与低当量比时相比，所述废气再循环气体中的水的比率较高、且所述废气再循环气体中的二氧化碳的比率较低。
根据第二控制装置，在高当量比时与低当量比时相比，EGR气体中的水的比率较高、且EGR气体中的二氧化碳的比率较低。因此，缸内密度在高当量比时较低、且在低当量比时较高。由此，通过使缸内密度在高当量比时较低，从而能够促进燃料喷雾的扩散，进而对烟雾以及HC的生成量进行抑制。另一方面，通过使缸内密度在低当量比时较高，从而能够使燃料喷雾的渗透率降低，进而对由燃料向气缸内壁面的附着而导致的冷却损失以及HC的生成量的增加进行抑制。
在第二控制装置中，当量比的计算方法没有特别限制。例如，所述当量比计算单元可以根据所述内燃机的运转状态来对所述当量比进行计算。
在第二控制装置的一个方式中，可以采用如下结构，即，所述成分比率控制单元对所述成分比率变更单元进行控制，从而使所述当量比低于预定值的情况下的所述废气再循环气体中的二氧化碳的比率，与所述内燃机的暖机完成后相比在所述内燃机的暖机完成前较低。根据该方式，由于在内燃机的暖机完成前与暖机完成后相比缸内密度较高，因此能够使低当量比时的燃料喷雾的渗透率与暖机完成后相比而下降。因此，由于能够对暖机完成前的燃料向气缸的内壁面附着的情况进行抑制，因此能够减小暖机完成前的HC的生成量。
在第二控制装置的一个方式中，可以采用如下结构，即，所述成分比率控制单元根据所述当量比和燃料喷射压来对所述废气再循环气体中的水的比率以及所述废气再循环气体中的二氧化碳的比率进行计算，并根据该计算结果来对所述成分比率变更单元进行控制。根据该方式，根据该方式，由于能够根据当量比和燃料喷射压来对EGR气体中的水的比率以及EGR气体中的二氧化碳的比率进行计算，因此能够使燃料喷雾的渗透率适当化。
在第二控制装置的一个方式中，可以采用如下结构，即，作为所述成分比率变更单元而设置有：分离单元，其从所述废气再循环气体中分离出二氧化碳；调节单元，其能够对从所述废气再循环气体中分离出的二氧化碳的分离量进行调节；冷凝水供给机构，其向通过所述分离单元而被分离出二氧化碳后的所述废气再循环气体中加入所述内燃机的排气系统中所生成的冷凝水。根据该方式，根据该方式，由于利用了内燃机的排气系统中所生成的冷凝水，因此具有无需进行低密度物质的准备及补充的优点。此外，通过使所供给的冷凝水在气缸内气化，从而使燃烧温度下降。因此，由于在高当量比时取代了EGR气体中的二氧化碳的比率下降而使EGR气体中的水的比率升高，因此能够在抑制缸内密度的上升的同时维持NOX的生成抑制效果。
附图说明
图1为表示本发明的一个方式所涉及的内燃机的整体结构的图。
图2为表示当量比与渗透率之间的关系的图。
图3为表示用于对EGR气体以及冷凝水的供给比率进行计算的计算映射图的特性的图。
图4为表示用于对与负载相对应的基准当量比进行计算的映射图的特性的图。
图5为表示第一方式所涉及的控制程序的一个示例的流程图。
图6为表示第二方式所涉及的控制程序的一个示例的流程图。
图7为表示用于对缸内密度进行确定的映射图的特性的图。
图8为表示第三方式所涉及的控制程序的一个示例的流程图。
图9为表示用于根据图7中所确定的缸内密度来对EGR阀以及冷凝水供给阀各自的开度进行计算的计算映射图的特性的图。
图10为表示第四方式所涉及的控制的特征的图。
图11为表示第四方式所涉及的控制程序的一个示例的流程图。
图12为表示第五方式所涉及的内燃机的整体结构的图。
图13为表示用于对EGR气体中的水与二氧化碳的比率进行确定的计算映射图的特性的图。
图14为表示第五方式所涉及的控制程序的一个示例的流程图。
图15为表示第六方式所涉及的控制程序的一个示例的流程图。
具体实施方式
(第一方式)
如图1所示，内燃机1A被构成为，将四个气缸2配置于同一方向上的直列四气缸型的柴油发动机。内燃机1A例如作为汽车的行驶用动力源而被搭载。在内燃机1A中，为了向各气缸2内供给燃料而针对每个气缸2设置有燃料喷射阀3。在各燃料喷射阀3上连接有对燃料进行加压输送的共轨5，从而经由共轨5来对各燃料喷射阀3供给燃料。在各气缸2中分别连接有进气通道6以及排气通道7。进气通道6包括针对每个气缸2而分支的进气歧管8。在进气歧管8的上游处设置有涡轮增压器9的压缩机9a。排气通道7包括将各气缸2的排气集中的排气歧管10。在排气歧管10的下游处设置有涡轮增压器9的涡轮9b。在涡轮9b的下游侧处设置有未图示的排气净化装置，通过涡轮9b的排气在通过排气净化装置而被净化后被释放到大气中。
如图1所示，在内燃机1A中，为了实现NOX的减少与耗油率的提高而设置有两个EGR装置20A、20B，所述两个EGR装置20A、20B实施将排气的一部分作为EGR气体而使其回流至进气系统中的EGR(Exhaust Gas Recirculation：废气再循环)。内燃机1A会根据负载而区分使用两个EGR装置20A、20B。第一EGR装置20A被构成为低压回流型的EGR装置。第一EGR装置20A具备：第一EGR通道21，其对涡轮9b的下游侧的排气通道7与压缩机9a的上游侧的进气通道6进行连接；第一EGR阀22，其对EGR气体的流量进行调节；第一EGR冷却器23，其对EGR气体进行冷却。第二EGR装置20B被构成为高压回流型的EGR装置。第二EGR装置20B具备：第二EGR通道26，其对排气歧管10与进气歧管8进行连接；第二EGR阀27，其对EGR气体的流量进行调节；第二EGR冷却器28，其对EGR气体进行冷却。
各EGR冷却器23、28利用内燃机1A的冷却水来作为冷却剂，并通过在该冷却剂与温热的排气之间实施热交换来使EGR气体的温度降低。由于通过EGR气体的温度下降而使EGR气体中所包括的水分发生冷凝，因此在各EGR冷却器23、28内会生成冷凝水。在内燃机1A中，为了对在各EGR冷却器23、28中所生成的冷凝水进行回收处理而设置有冷凝水处理装置30。
冷凝水处理装置30具备：冷凝水罐31，其对在各EGR冷却器23、28中所生成的冷凝水进行贮留；第一回收通道32，其对第一EGR冷却器23与冷凝水罐31进行连接；第二回收通道33，其对第二EGR冷却器28与冷凝水罐31进行连接；冷凝水供给机构35，其作为将贮留于冷凝水罐31中的冷凝水CW供给至内燃机1A的进气系统的低密度物质供给装置。冷凝水供给机构35具有对冷凝水罐31与进气通道6的进气歧管8进行连接的冷凝水通道36。在冷凝水通道36上设置有电动式的泵37、与对通过泵37而被加压了的冷凝水的供给量进行调节的冷凝水供给阀38。冷凝水通道36的顶端部36a被构成为喷嘴状，当冷凝水供给阀38开阀时，将会从顶端部36a以雾状喷射出被加压后的冷凝水。能够通过冷凝水供给阀38的开度控制来对冷凝水的供给量进行控制。
在内燃机1A中设置有，被构成为对内燃机1A的各部分进行控制的计算机的发动机控制单元(ECU)40。ECU40除了实施通过燃料喷射阀3来对燃料喷射量、喷射正时进行控制的主要的动作控制以外，还被利用于各EGR装置20A、20B与冷凝水处理装置30的控制中。在ECU40中，为了掌握内燃机1A的运转状态而输入有来自对各种物理量进行检测的多个传感器的信号。例如，作为与本发明相关的传感器而在内燃机1A中设置有：曲轴转角传感器41，其输出与内燃机1A的曲轴转角相对应的信号；加速器开度传感器42，其输出与被设置在内燃机1A中的加速踏板39的踩踏量(加速器开度)相对应的信号；空气流量计43，其输出与空气量相对应的信号；排气A/F传感器44等，其输出与排气中的氧浓度相对应的信号，并且将这些传感器的输出信号输入至ECU40。
本方式的特征在于，ECU40将EGR气体的供给与冷凝水的供给联系起来进行控制这一点。由于当EGR气体的供给量增加时，被填充于气缸2中的气体的密度(缸内密度)将会上升，因此气缸2内的燃料喷雾的扩散将会受到阻碍。即，在为相同的燃料喷射压的情况下，缸内密度越高则燃料喷雾的渗透率越降低。因此，当EGR气体的供给量成为过剩时，气缸2内的空气的利用率会下降，从而烟雾以及HC的生成量会增加。此外，当渗透率过强时，由向气缸2的内壁面的燃料的附着导致的冷却损失以及HC的生成量会增加。
如图2中实线所示，存在有如下特性，即，燃料喷雾的渗透率在相同的燃料喷射压的情况下会随着内燃机1A的当量比的升高而升高。为了对上述的高当量比时的烟雾以及HC的增加进行抑制，对低当量比时的冷却损失以及HC的生成量的增加进行抑制，优选为在当量比较高的情况下将渗透率操作为较高，而在当量比较低的情况下将渗透率操作为较低。本方式的控制通过根据当量比而使缸内密度进行变化，从而如图2中虚线所示的那样，在高当量比的情况下使渗透率上升，在低当量比的情况下使渗透率降低。然后，通过根据当量比而使EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率变化，从而使缸内密度发生变化。
由于EGR气体为燃料燃烧后的排气，因此作为其主要成分而包括二氧化碳(CO2)与水(H2O)。此外，冷凝水的主要成分是水。因此，通过改变EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率，从而能够改变被填充于气缸2中的气体的二氧化碳的比率与水的比率。即，当EGR气体的供给比率降低时气缸2内的二氧化碳的比率会下降，当冷凝水的供给比率增加时气缸2内的水的比率会增加。水为与二氧化碳相比分子量较小且密度较低的物质。因此，当气缸2内的二氧化碳的比率与水的比率发生变化时缸内密度将会改变。
如图3所示，本方式的控制在高当量比时与低当量比时相比，将冷凝水的供给比率设定得较高、且将EGR气体的供给比率设定得较低。由此，由于高当量比时与低当量比时相比缸内密度变得较低，因此如图2虚线所示，在高当量比的情况下渗透率上升，而在低当量比的情况下渗透率降低。
ECU40以图3的计算映射图所确定的方式而根据当量比来分别对EGR气体的供给比率与水的供给比率进行操作。EGR气体的供给量能够通过EGR阀22、27各自的开度来进行控制，冷凝水的供给量能够通过冷凝水供给阀38的开度来控制。因此，ECU40参照图3的计算映射图而分别对与当量比相对应的EGR气体的供给比率和冷凝水的供给比率进行确定。然后，ECU40会对实现该供给比率的EGR阀22、27各自的开度与冷凝水供给阀38的开度进行计算，并以成为该开度的方式来对各阀22、27、38进行控制。各阀22、27、38的开度的计算为，通过真机试验或模拟来对EGR气体以及冷凝水的供给比率与各阀22、27、38的开度的对应关系进行预先确定，并根据该确定结果来实施。以上述方式，两个EGR装置20A、20B根据内燃机1A的负载而被区分使用。即，作为EGR的实施模式而存在有同时使用两个EGR装置20A、20B的模式、仅使用第一EGR装置20A的模式、以及仅使用第二EGR装置20B的模式这三个模式。因此，各阀22、27以及38的开度按照这些模式中的每一种来进行计算。
如图4所示，内燃机1A的当量比与负载(燃料喷射量)的关系并非出于单纯的比例关系，而是会根据EGR的有无与EGR量而发生变化。即，如图4的A所示，存在当量比相同而负载不同的情况，如B所示，还存在即使负载相同当量比也会根据EGR的有无而不同的情况。由于本方式的控制采用根据当量比来对EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率进行控制的方式，因此能够不受EGR的有无以及EGR量的影响而准确地对缸内密度进行控制。
图5图示了ECU40所实施的控制程序的一个示例。图5的控制程序的程序被存储于ECU40中，并被适时读取且以预定间隔而被反复执行。
在步骤S1中，ECU40对内燃机1A的燃料喷射量进行计算。ECU40参照加速器开度传感器42的输出信号来对加速器开度进行确定，并根据该加速器开度来对燃料喷射量进行计算。在步骤S2中，ECU40根据内燃机1A的运转状态即燃料喷射量(负载)来对基准当量比进行计算。基准当量比为，根据燃料喷射量而唯一确定的当量比，其为具有图4所示的特性的映射图所确定的当量比。ECU40参照图4所示的映射图并根据在步骤S11中算出的燃料喷射量(负载)以及EGR的实施的有无来对基准当量比进行计算。例如，如图4所示，分别在负载为B且实施了EGR的情况下计算出φ2以作为基准当量比，在负载为B且未实施EGR的情况下计算出φ2以作为基准当量比。众所周知，当量比被定义为，用空燃比除以理论空燃比所得到的空气过剩率的倒数。
在步骤S3中，ECU40参照图3所示的计算映射图来对与在步骤S2中计算出的基准当量比相对应的EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率进行确定。在步骤S4中，ECU40根据在步骤S3中所确定的各供给比率来对EGR阀22、27以及冷凝水供给阀38各自的开度进行计算。另外，ECU40在同时使用第一EGR装置20A以及第二EGR装置20B的模式中，对两个EGR阀22、27以及冷凝水供给阀38各自的开度进行计算。此外，ECU40在仅使用第一EGR装置20A的模式中，对第一EGR阀22以及冷凝水供给阀38各自的开度进行计算。并且，ECU40在仅使用第二EGR装置20B的模式中，对第二EGR阀27以及冷凝水供给阀38各自的开度进行计算。
在步骤S5中，ECU40对第一EGR阀22以及第二EGR阀27中的至少一个进行操作以使之成为在步骤S6中计算出的开度。在步骤S6中，ECU40对冷凝水供给阀38进行操作以使之成为在步骤S6中计算出的开度。然后，结束本次程序。
图5的步骤S4中计算出的各阀22、27、38的开度根据图3的计算映射图所确定的供给比率而被计算出。因此，通过以图4中所计算出的开度而对各阀22、27、38进行操作，从而实现了与当前的当量比相对应的EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率。
因此，根据本方式，内燃机1A的缸内密度在高当量比时较低、且在低当量比时较高。由此，通过使缸内密度在高当量比时较低，从而促进了燃料喷雾的扩散进而能够对烟雾以及HC的生成量进行抑制。另一方面，通过使缸内密度在低当量比时较高从而使燃料喷雾的渗透率降低，进而能够对由燃料向气缸2的内壁面的附着导致的冷却损失以及HC的生成量增加的情况进行抑制。ECU40通过执行图5的控制程序，从而作为本发明所涉及的供给比率控制单元而发挥功能。此外，ECU40通过执行图5的步骤S2，从而作为本发明所涉及的当量比计算单元而发挥功能。
(第二方式)
接下来，参照图6来对本发明的第二方式进行说明。第二方式除了控制内容之外均与第一方式相同。因此，关于第二方式的物理结构参照图1。第二方式的当量比的计算方法与第一方式不同。图6的控制程序的计算机程序被存储于ECU40中，并被适时读取且以预定间隔而被反复执行。
在步骤S11中，与第一方式相同，ECU40参照加速器开度传感器42的输出信号来对加速器开度进行确定，并根据该加速器开度来对燃料喷射量进行计算。在步骤S12中，ECU40参照空气流量计43的输出信号来取得空气量。在步骤S13中，ECU40参照排气A/F传感器44的输出信号来取得排气中的氧浓度。在步骤S14中，ECU40根据分别在步骤S11～步骤S13中取得的燃料喷射量、空气量以及氧浓度来对内燃机1A的当量比进行计算。由于步骤S15～步骤S18的处理与第一方式所涉及的图5的步骤S3～步骤S6相同因此省略其说明。
根据第二方式，与第一方式相同，能够达成对高当量比时的烟雾以及HC的生成量的抑制以及对低当量比时的冷却损失以及HC的生成量的增加的抑制。ECU40通过执行图6的控制程序从而作为本发明所涉及的供给比率控制单元而发挥功能。此外，ECU40通过执行图6的步骤S14而作为本发明所涉及的当量比计算单元而发挥功能。
(第三方式)
接下来，参照图7～图9来对本发明的第三方式进行说明。第三方式除了控制内容之外均与第一方式相同。因此，关于第三方式的物理结构参照图1。ECU40根据内燃机1A的运转状态来对内燃机1A的燃料喷射压即共轨5内的压力进行控制。由于当燃料喷射压变化时将会对燃料喷雾的渗透率产生影响，因此与第一或者第二方式相同，即使使缸内密度变化也无法获得适当的渗透率。因此，在第三方式中，根据当量比与燃料喷射压来对EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率进行计算，从而实现了渗透率的适当化。
作为对燃料喷射压与渗透率强度之间的关系进行规定的实验式，熟知一种被称为“广安(Hiroyasu)公式”的以下的式1。
S＝2.95×((Pinj-Pa)/ρa)0.25×(d0·t)0.5…1
在此，S：渗透率强度，Pinj：燃料喷射压，Pa：缸内空气气压，ρa：缸内密度，d0：喷孔径，t：时间。
由于缸内密度ρa与缸内环境气压Pa成比例，因此在将A设为系数的情况下，能够将式1视为下述的式2。
S＝A×((Pinj-Pa)/Pa)0.25＝A×(Pinj/Pa-1)0.25…2
如对式2关于缸内环境气压Pa而进行求解并将B设为系数，则可得到式3。
Pa＝B×Pinj/(S4+1)…3
并且，如上所述，由于缸内密度ρa与缸内环境气压Pa成比例，因此在将C设为系数的情况下能够将式3视为下述的式4。
ρa＝C×Pinj/(S4+1)…4
在此，针对每个当量比来决定所需的渗透率强度(参照图2)，并将其代入式4。由此，能够针对每个当量比而获得能够得到所需的渗透率强度的燃料喷射压与缸内密度之间的关系。如果对该当量比、燃料喷射压以及缸内密度这三个参数进行整理则能够取得图7的映射图。
在第三方式中，参照图7所示的这种将当量比与燃料喷射压作为变量并提供有缸内密度的映射图，来对与当前的当量比、燃料喷射压相对应的缸内密度进行确定。而且，以获得与所确定的缸内密度相对应的EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率的方式来决定EGR阀22、27以及冷凝水供给阀38各自的开度，并对各阀22、27、38进行操作以获得所决定的开度。
图8的控制程序的计算机程序被存储在ECU40中，并被适时读取且以预定间隔而被反复执行。在步骤S21中，ECU40对内燃机1A的当量比进行计算。当量比的计算方法也可以为第一方式或第二方式中的任一方法。在步骤S22中，ECU40取得燃料喷射压。ECU40根据来自被安装于共轨5上的未图示的压力传感器的输出信号而取得燃料喷射压。
在步骤S23中，ECU40根据图7中所例示的计算映射图来对与当前的当量比以及燃料喷射压相对应的缸内密度进行确定。在步骤S24中，ECU40参照图9中所例示的计算映射图来对与在步骤S23中所确定的缸内密度相对应的EGR阀22、27的开度进行计算。在步骤S25中，ECU40参照该计算映射图来对与在步骤S23中所确定的缸内密度相对应的冷凝水供给阀38的开度进行计算。图9的计算映射图为，与ECU40仅使用了第一EGR装置20A的运转领域相对应的映射图。另外，对于同时使用了两个EGR装置20A、20B的模式以及仅使用了第二EGR装置20B的模式，而分别准备了具有与图9相同特性的计算映射图。在步骤S24以及步骤S25中分别选择与当前的运转领域相对应的计算映射图，并根据所选择的计算映射图来对上述各开度进行计算。
在步骤S26中，ECU40对第一EGR阀22以及第二EGR阀27中的至少一个进行操作以使其成为在步骤S24中所计算出的开度。在步骤S27中，ECU40对冷凝水供给阀38进行操作以使其成为在步骤S25中所计算出的开度。然后，结束本次程序。
图8的步骤S24以及步骤S25中所使用的计算映射图对如下的各阀22、28、38的开度进行计算，即，所述各阀22、28、38的开度实现了能够获得图7的映射图中所确定的缸内密度的EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率。图7的映射图所确定的缸内密度与图3相同，当量比越高则其越低。即，内燃机1A的缸内密度在高当量比时较低、且在低当量比时较高。而且，图7的映射图对根据当量比和燃料喷射压能够获得适当的渗透率强度的缸内密度进行规定。因此，即使在燃料喷射压发生了变化的情况下，也能够使燃料喷雾的渗透率适当化。ECU40通过执行图8的控制程序，从而作为本发明所涉及的供给比率控制单元而发挥功能。此外，ECU40通过执行图8的步骤S21从而作为本发明所涉及的当量比计算单元而发挥功能。
(第四方式)
接下来，参照图10以及图11来对本发明的第四方式进行说明。第四方式除了控制内容之外均与第一方式相同。因此，关于第四方式的物理结构参照图1。如图10所示，第四方式为，以当量比低于预定值φt的情况下的水的比率与内燃机1A的暖机完成后相比而在暖机完成前成为较低的方式来对EGR气体的供给比率与冷凝水的供给比率进行控制的方式。
图11的控制程序的计算机程序被存储在ECU40中，并被适时读取且以预定的间隔而被反复执行。在步骤S31中，ECU40对内燃机1A的当量比进行计算。当量比的计算方法也可以为第一方式或第二方式中的任一方法。在步骤S32中，ECU40对EGR阀22、27的开度进行计算。在步骤S33中，ECU40对冷凝水供给阀38的开度进行计算。步骤S32以及步骤S33中的各开度的计算采用了第一～第三方式的任一方式中所说明的方法。
在步骤S34中，ECU40对在步骤S31中计算出的当量比是否小于预定值φt进行判断。该预定值φt为考虑后文所述的暖机完成前的、由燃料向气缸2的内壁面的附着导致的不良影响的程度而被设定。在当量比小于预定值φt的情况下、即当量比低于预定值φt的情况下进入步骤S35。在当量比在预定值φt以上的情况下，跳过步骤S35以及步骤S36而进入步骤S37。
在步骤S35中，ECU40对是否处于内燃机1A的暖机完成前进行判断。例如，ECU40在代表着内燃机1A的温度的冷却水温低于摄氏80度的情况下判断为处于暖机完成前。在暖机完成前的情况下进入步骤S36。在不处于暖机完成前的情况下、即在处于内燃机1A的暖机完成后的情况下，跳过步骤S36而进入步骤S37。
在步骤S36中，ECU40对在步骤S32以及步骤S33中计算出的EGR阀22、27以及冷凝水供给阀38各自的开度进行补正。该开度补正分别将EGR阀22、27的开度向开启侧进行补正，并将冷凝水供给阀38的开度向关闭侧进行补正。各补正量以能够获得图10所示的暖机完成前的供给比率的方式而被设定。
在步骤S37中，ECU40对第一EGR阀22以及第二EGR阀27的至少一个进行操作，以使之成为步骤S32中计算出的开度或在步骤S36中实施了补正的补正后的开度。在步骤S38中，ECU40对冷凝水供给阀38进行操作以使之成为在步骤S33中计算出的开度或者在步骤S36中实施了补正的补正后的开度。然后，结束本次程序。
根据第四方式，在当量比低于预定值φt且处于暖机完成前的情况下，在图11的步骤S36中，分别将EGR阀22、27的开度向开启侧进行补正，将冷凝水供给阀38的开度向关闭侧进行补正。由此，当量比低于预定值φt的情况下的冷凝水的供给比率与暖机完成后相比而在暖机完成前较低。因此，由于低当量比时的暖机完成前的缸内密度与暖机完成后的缸内密度相比而较高，因此能够使燃料喷雾的渗透率与暖机完成后相比而降低。因此，由于能够抑制暖机完成前的燃料向气缸2的内壁面的附着的情况，因此能够减小暖机完成前的HC的生成量。ECU40通过执行图11的控制程序，从而作为本发明所涉及的供给比率控制单元而发挥功能。此外，ECU40通过执行图11的步骤S31，从而作为本发明所涉及的当量比计算单元而发挥功能。
(第五方式)
接下来，参照图12～图14来对本发明的第五方式进行说明。如图12所示，第五方式应用于EGR系统以及冷凝水的供给位置与图1的内燃机1A不同的内燃机1B。在图12中对内燃机1B中的共同的结构附加与内燃机1A相同的参照符号并省略其说明。
内燃机1B具备第一EGR装置20A以及第二EGR装置20B′。在第二EGR装置20B′处设置有：二氧化碳分离器(以下，称之为分离器)50，其作为分离单元而从EGR气体中分离出二氧化碳；旁通通道51，其以对分离器50进行旁通的方式而设置于第二EGR通道26上；流量分配变更阀52，其被设置于旁通通道51与第二EGR通道26的汇合位置处，并能够连续对旁通通道51的流量与分离器50的流量的流量分配进行变更。分离器50被设置于第二EGR冷却器28的下游侧的第二EGR通道26上。作为分离器50能够应用可通过化学分离法或物理吸附法等各种方法而分离出二氧化碳的周知的装置。旁通通道51的上游侧被连接在第二EGR冷却器28与分离器50之间，其下游侧被连接在分离器50与第二EGR阀27之间。
流量分配变更阀52能够在从将分离器50关闭而使其流量为0的同时使流过第二EGR通道26的EGR气体全部流过旁通通道51的状态起，至将旁通通道51关闭而使其流量为0的同时使流过第二EGR通道26的EGR气体全部流过分离器50的状态为止之间，对流量分配进行变更。通过流量分配变更阀52的操作，从而能够对从EGR气体中分离出的二氧化碳的分离量进行调节。因此，旁通通道51与流量分配变更阀52的组合作为本发明所涉及的调节单元而发挥功能。
在冷凝水供给机构35中，冷凝水通道36的顶端部36a被连接在流量分配变更阀52与第二EGR阀27之间的第二EGR通道26上。由此，能够将贮留于冷凝水罐31中的冷凝水供给到流量分配变更阀52与第二EGR阀27之间的第二EGR通道26上。如上所述，能够通过冷凝水供给阀38的操作来对冷凝水的供给量进行控制。通过分别对流量分配变更阀52与冷凝水供给阀38进行操作，从而能够对EGR气体中的水与二氧化碳的比率进行变更。因此，通过分离器50、旁通通道51、流量分配变更阀52以及冷凝水供给机构35而构成本发明所涉及的成分比率变更单元。
ECU40通过根据内燃机1B的当量比而对EGR气体中的水与二氧化碳的比率进行变更来控制缸内密度。缸内密度与上述第一～第四方式相同，被控制为在高当量比时较低、且在低当量比时较高。即，ECU40根据图13所示的计算映射图，而对与内燃机1B的当量比相对应的EGR气体中的水(H2O)与二氧化碳(CO2)的比率进行计算，并对流量分配变更阀52以及冷凝水供给阀38分别进行操作以实现该比率。
图14图示了ECU40所实施的控制程序的一个示例。图14的控制程序的计算机程序被存储在ECU40中，并被适时读取且以预定间隔而被反复执行。
在步骤S41中，ECU40对内燃机1B的燃料喷射量进行计算。与上述各方式相同，ECU40参照加速器开度传感器42的输出信号来对加速器开度进行确定，并根据该加速器开度来对燃料喷射量进行计算。在步骤S42中，ECU40根据内燃机1B的运转状态即燃料喷射量(负载)来对基准当量比进行计算。与第一方式相同，基准当量比为根据燃料喷射量而唯一提供的当量比，并为具有图4所示的特性的映射图所确定的当量比。ECU40参照图4所示的映射图，并根据在步骤S41中算出的燃料喷射量(负载)以及EGR的实施的有无来对基准当量比进行计算。
在步骤S43中，ECU40参照图13所示的计算映射图来对与步骤S42中算出的当量比相对应的EGR气体中的水与二氧化碳的比率进行确定。在步骤S44中，ECU40对能够获得步骤S43中所确定的水与二氧化碳的比率的、分离器50的流量与旁通通道51的流量之间的流量分配进行计算。在步骤S45中，ECU40对能够获得步骤S43中所确定的水与二氧化碳的比率的、冷凝水供给阀38的开度进行计算。步骤S44的流量分配以及步骤S45的开度根据预先通过真机试验或模拟而规定的未图示的计算映射图而被计算出。另外，本方式以同时使用两个EGR装置20A、20B′的模式以及仅使用第二EGR装置20B′的模式为前提。因此，未图示的计算映射图是分别对应于该两个模式而准备的。
在步骤S46中，ECU40操作流量分配变更阀52，以实现在步骤S44中所计算出的流量分配。在步骤S47中，ECU40对冷凝水供给阀38进行操作以使其成为在步骤S45中所计算出的开度。然后，结束本次程序。
根据图14的控制程序，将在实施了EGR时被供给至内燃机1B的气缸2内的EGR气体中的水与二氧化碳的比率控制为图13所示的比率。即，高当量比时与低当量比时相比，EGR气体中的水的比率较高、且EGR气体中的二氧化碳的比率较低。即，与上述各方式相同，内燃机1B的缸内密度在高当量比时较低、且在低当量比时较高。由此，通过使缸内密度在高当量比时较低，从而促进了燃料喷雾的扩散，进而能够对烟雾以及HC的生成量进行抑制。另一方面，通过使缸内密度在低当量比时较高，从而使燃料喷雾的渗透率降低，进而能够对由燃料向气缸2的内壁面的附着而导致的冷却损失以及HC的生成量的增加进行抑制。ECU40通过执行图14的控制程序，从而作为本发明所涉及的成分比率控制单元而发挥功能。此外，ECU40通过执行图14的步骤S42，从而作为本发明所涉及的当量比计算单元而发挥功能。
(第六方式)
接下来，参照图15来对本发明的第六方式进行说明。第六方式除控制内容之外均与第五方式相同。因此，对于第六方式的物理结构参照图14。第六方式的当量比的计算方法与第五方式不同。图15的控制程序的计算机程序被存储在ECU40中，并被适时读取且以预定间隔而被反复执行。
在步骤S51中，与第五方式相同，ECU40参照加速器开度传感器42的输出信号来对加速器开度进行确定，并根据该加速器开度来对燃料喷射量进行计算。在步骤S52中，ECU40参照空气流量计43的输出信号来取得空气量。在步骤S53中，ECU40参照排气A/F传感器44的输出信号来取得排气中的氧浓度。在步骤S54中，ECU40根据在步骤S51～步骤S53中分别取得的燃料喷射量、空气量以及氧浓度来对内燃机1B的当量比进行计算。由于步骤S55～步骤S59的处理与第五方式所涉及的图14的步骤S43～步骤S47相同因此省略其说明。
根据第六方式，与第五方式相同，能够达成对高当量比时的烟雾以及HC的生成量的抑制与对低当量比时的冷却损失以及HC的生成量的增加的抑制。ECU40通过执行图15的控制程序，从而作为本发明所涉及的成分比率控制单元而发挥功能。此外，ECU40通过执行图15的步骤S54，从而作为本发明所涉及的当量比计算单元而发挥功能。
本发明不限定于上述各方式，能够在本发明的主旨的范围内通过各种方式来实施。虽然在第一～第四方式中，作为低密度物质而使用了冷凝水，但将冷凝水或者水作为低密度物质来使用仅为一个示例。能够通过将低密度物质供给至进气系统来使缸内密度变化。例如也能够使用氦、氮、氖等的分子量小于二氧化碳(分子量44)的物质且不会给燃烧带来不良影响的惰性物质来作为代替水的低密度物质来达成本发明的目的。
但是，由于第一～第四方式为，将内燃机的排气系统中所生成的冷凝水供给至气缸内的实施方式，因此具有无需实施低密度物质的准备及补充的优点。此外，通过使被供给的冷凝水在气缸内气化，从而使燃烧温度下降。因此，由于在高当量比时取代了EGR气体的供给比率下降而使冷凝水的供给比率升高，因此能够在抑制缸内密度的上升的同时维持NOX的生成抑制效果。
虽然在第一～第四方式中，经由进气通道而将EGR气体供给至气缸内，但是也可以变更为将EGR气体直接供给至气缸内的方式。此外，虽然在第一～第四方式中，经由进气通道而将冷凝水供给至气缸内，但是也能够通过与所谓的内部EGR相同的方法而在气门重叠期间中将冷凝水经由排气通道而供给至气缸内。此外，也能够将冷凝水直接供给至气缸内。在代替冷凝水或者水而将上述的惰性物质用作低密度物质的情况下，将惰性物质向气缸内进行供给的供给方法既可以为经由进气通道或排气通道的间接的方法，也可以为不经由进气通道或排气通道的直接的方法。
在第五以及第六方式中，为了变更EGR气体中的水与二氧化碳的比率而通过分离器50将二氧化碳从EGR气体中分离出，并且通过冷凝水供给机构35来供给冷凝水仅为一个示例。例如，能够通过将EGR气体中的水分离出且添加二氧化碳的方式来实施本发明。在该方式中，对EGR气体中的水进行分离的单元与施加二氧化碳的单元的组合相当于本发明所涉及的成分比率变更单元。虽然在第五以及第六方式中，为了对EGR气体中的水与二氧化碳的比率进行变更而利用了在内燃机的排气系统中所生成的冷凝水，但利用冷凝水的方式仅为一个示例。也能够通过准备好与冷凝水不同的水，并将该水施加于EGR气体的方式来实施本发明。但是，与第一～第四方式相同，通过利用冷凝水会具有无需实施低密度物质的准备或补充的优点。此外，通过使供给的冷凝水在气缸内气化，从而使燃烧温度下降。因此，由于在高当量比时，取代了EGR气体中的二氧化碳的比率下降而使EGR气体中的水的比率升高，因此能够在抑制缸内密度的上升的同时维持NOX的生成抑制效果。
第五以及第六方式的各个控制还能够变更为与第三或第四方式相同的控制。作为与第三方式相同的控制，ECU40也可以根据当量比和燃料喷射压来对EGR气体中的水的比率以及EGR气体中的二氧化碳的比率进行计算，并根据该计算结果来分别对流量分配变更阀52以及冷凝水供给阀38进行操作。具体的处理内容与第三方式相同。即，ECU40参照图7所示的映射图，并根据当量比和燃料喷射压来对缸内密度进行计算，并对实现该缸内密度的水与二氧化碳的比率进行计算。由此，与第三方式同样，能够使燃料喷雾的渗透率适当化。
此外，作为与第四方式相同的控制，ECU400对流量分配变更阀52以及冷凝水供给阀38进行操作，从而使内燃机1B的当量比低于预定值的情况下的EGR气体中的二氧化碳的比率与内燃机1B的暖机完成后相比而在内燃机1B的暖机完成前较低。具体的处理内容与第四方式相同。即，如图10所示，ECU40在当量比低于预定值φt且处于暖机完成前的情况下，将流量分配变更阀52的操作量向使朝旁通通道51的流量分配增加的方向进行补正，将冷凝水供给阀38的开度向关闭侧进行补正。由此，关于当量比低于预定值φt的情况下的EGR气体中的二氧化碳的比率，与暖机完成后相比在暖机完成前较低。因此，低当量比时的暖机完成前的缸内密度与暖机完成后的缸内密度相比而较高。由此，与第四方式相同，能够减小暖机完成前的HC的生成量。
虽然在上述各方式中具备回流方式彼此不同的两个EGR装置，但也能够通过具备单一的EGR装置的方式来实施本发明。虽然上述各方式的内燃机被构成为柴油发动机，但是本发明的应用对象并不仅限于柴油发动机。只要为将燃料向气缸内喷射的内燃机，则也能够将本发明应用于将汽油作为燃料的缸内直接喷射型的火花点火式内燃机。此外，本发明的应用不会被涡轮增压器的有无所影响。因此，本发明还能够应用于自然吸气型的内燃机。

Claims (10)

1.一种控制装置，其用于内燃机，所述内燃机以向气缸内喷射燃料的方式而构成，且所述内燃机包括：
废气再循环装置，其被构成为，将排气的一部分作为废气再循环气体而供给至气缸内；
低密度物质供给装置，其被构成为，将与所述废气再循环气体相比密度较低的低密度物质供给至所述气缸内，
所述控制装置具备电子控制单元，所述电子控制单元被构成为，
(ⅰ)对所述内燃机的当量比进行计算；
(ⅱ)对所述废气再循环装置以及所述低密度物质供给装置进行控制，从而使高当量比时与低当量比时相比，所述低密度物质的供给比率较高、且所述废气再循环气体的供给比率较低。
2.如权利要求1所述的控制装置，其中，
所述电子控制单元被构成为，根据所述内燃机的运转状态来对所述当量比进行计算。
3.如权利要求1或2所述的控制装置，其中，
所述电子控制单元被构成为，对所述废气再循环装置以及所述低密度物质供给装置进行控制，从而使所述当量比低于预定值的情况下的所述低密度物质的供给比率，在所述内燃机的暖机完成前与所述内燃机的暖机完成后相比而较低。
4.如权利要求1或2所述的控制装置，其中，
所述电子控制单元被构成为，
(ⅰ)根据所述当量比和燃料喷射压来对所述废气再循环气体的供给比率以及所述低密度物质的供给比率进行计算；
(ⅱ)根据该计算结果来对所述废气再循环装置以及所述低密度物质供给装置进行控制。
5.如权利要求1或2所述的控制装置，其中，
所述低密度物质供给装置被构成为，将所述内燃机的排气系统中所生成的冷凝水作为所述低密度物质而供给至所述气缸内。
6.一种控制装置，其用于内燃机，所述内燃机以向气缸内喷射燃料的方式而构成，且所述内燃机包括：
废气再循环装置，其被构成为，将排气的一部分作为废气再循环气体而供给至气缸内；
成分比率变更单元，其被构成为，对所述废气再循环气体中的水与二氧化碳的比率进行变更，
所述控制装置具备电子控制单元，所述电子控制单元被构成为，
(ⅰ)对所述内燃机的当量比进行计算；
(ⅱ)对所述成分比率变更单元进行控制，从而使高当量比时与低当量比时相比，所述废气再循环气体中的水的比率较高、且所述废气再循环气体中的二氧化碳的比率较低。
7.如权利要求6所述的控制装置，其中，
所述电子控制单元被构成为，根据所述内燃机的运转状态来对所述当量比进行计算。
8.如权利要求6或7所述的控制装置，其中，
所述电子控制单元被构成为，对所述成分比率变更单元进行控制，从而使所述当量比低于预定值的情况下的所述废气再循环气体中的二氧化碳的比率，与所述内燃机的暖机完成后相比在所述内燃机的暖机完成前较低。
9.如权利要求6或7所述的控制装置，其中，
所述电子控制单元被构成为，
(ⅰ)根据所述当量比和燃料喷射压来对所述废气再循环气体中的水的比率以及所述废气再循环气体中的二氧化碳的比率进行计算；
(ⅱ)根据该计算结果来对所述成分比率变更单元进行控制。
10.如权利要求6或7所述的控制装置，其中，
作为所述成分比率变更单元而设置有：
分离单元，其从所述废气再循环气体中分离出二氧化碳；
调节单元，其能够对从所述废气再循环气体中分离出的二氧化碳的分离量进行调节；
冷凝水供给机构，其向通过所述分离单元而被分离出二氧化碳后的所述废气再循环气体中加入所述内燃机的排气系统中所生成的冷凝水。
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