JP2005299600A - 内燃機関の燃料供給制御装置 - Google Patents

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彰生 松永
Takao Fukuma
隆雄 福間
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Abstract

【課題】 スモーク限界燃料量を正確に求める。
【解決手段】 機関運転状態に基づいて要求燃料量を求める。筒内に吸入された吸気ガス中の酸素量である筒内酸素量を求め、スモーク発生量が許容上限量となる燃料量であるスモーク限界燃料量を筒内酸素量に基づいて求める。要求燃料量がスモーク限界燃料量よりも少ないときには要求燃料量だけ燃料を機関に供給し、要求燃料量がスモーク限界燃料量よりも多いときにはスモーク限界燃料量だけ燃料を機関に供給する。排気マニホルド10からEGR通路18内に流入したEGRガス中の酸素量または酸素濃度を求め、EGRガスがEGR通路18内に流入してから吸気管IM内に流出するまでの遅れを考慮して、EGR通路18から吸気管IM内に流出したEGRガス中の酸素量または酸素濃度を求め、このEGRガス中の酸素量または酸素濃度に基づき筒内酸素量を求める。
【選択図】 図1

Description

本発明は内燃機関の燃料供給制御装置に関する。
多量の空気のもとで少量の燃料が燃焼するたとえば圧縮着火式内燃機関では、機関に供給される燃料の量に応じて機関出力が定まり、このため機関への供給燃料量を多くすれば機関出力を大きくすることができる。ところが、機関への供給燃料量が多くなるにつれて、発生するスモークの量が多くなる。そこで、スモーク発生量が許容上限量となる燃料量であるスモーク限界燃料量を求め、このスモーク限界燃料量を越えないように機関への供給燃料量を制御する内燃機関が従来より知られている。
スモークの発生には筒内に存在する酸素が大きく関与しており、上述したスモーク限界燃料量は筒内に吸入されたガス中の酸素量ないし空気量に依存する。一方、一般的な圧縮着火式内燃機関では、機関に再循環排気ガスが供給されるようになっており、したがって筒内には新気と再循環排気ガスとを含んでなる吸気ガスが吸入される。この場合、再循環排気ガス中にも酸素ないし空気が残存しているので、筒内には新気と再循環排気ガス中の残存空気とが吸入されることになる。そこで、筒内に吸入された新気の量と、筒内に吸入された再循環排気ガス中の残存空気量との合計である総新気量を算出し、この総新気量に基づいてスモーク限界燃料量を算出する内燃機関が公知である(特許文献1参照)。この特許文献1では、再循環排気ガス中の残存空気の割合(KOR)を一定として総新気量を算出している(特許文献1の[0059]等参照)。
特開2001−355493号公報 特開平9−242595号公報 特開平11−159404号公報
再循環排気ガス中の残存空気の割合は筒内から排気通路内に排出された排気ガス中の残存空気の割合に依存し、この割合は空気過剰率に依存する。しかしながら、空気過剰率は必ずしも一定に維持されるものではなく、そうすると、上述の特許文献1ではスモーク限界燃料量を正確に算出することができないおそれがある。算出されたスモーク限界燃料量が正規のものよりも多いときにはスモーク発生量が許容上限量を越え、少ないときには機関出力が要求出力よりも低く抑えられることになる。
そこで本発明は、スモーク限界燃料量を正確に求めることができる内燃機関の燃料供給制御装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために1番目の発明によれば、排気通路内の排気ガスを吸気通路内に再循環させるための再循環排気ガス通路を具備し、新気と再循環排気ガスとを含んでなる吸気ガスが筒内に吸入される内燃機関において、機関運転状態に基づいて要求燃料量を求める手段と、筒内に吸入された吸気ガス中の酸素量である筒内酸素量を求める手段と、スモーク発生量が許容上限量となる燃料量であるスモーク限界燃料量を筒内酸素量に基づいて求める手段と、要求燃料量とスモーク限界燃料量とを比較して要求燃料量がスモーク限界燃料量よりも少ないときには要求燃料量だけ燃料を機関に供給し、要求燃料量がスモーク限界燃料量よりも多いときにはスモーク限界燃料量だけ燃料を機関に供給する手段と、を具備し、前記筒内酸素量を求める手段が、排気通路から再循環排気ガス通路内に流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求め、該流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度に基づき、再循環排気ガス通路から吸気通路内に流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求め、該流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度に基づき筒内酸素量を求めるようにしている。
また、2番目の発明によれば1番目の発明において、前記筒内酸素量を求める手段が、再循環排気ガスが再循環排気ガス通路内に流入してから吸気通路内に流出するまでの遅れを考慮して前記流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求めるようにしている。
また、3番目の発明によれば2番目の発明において、前記筒内酸素量を求める手段が、前記流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を逐次求めて記憶しておき、再循環排気ガスが排気通路から再循環排気ガス通路内に流入し再循環排気ガス通路内を流通して吸気通路内に流出するまでの遅れと、前記記憶されている前記流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度とに基づき、前記流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求めるようにしている。
また、4番目の発明によれば2番目の発明において、前記筒内酸素量を求める手段が、前記流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を逐次求めて記憶しておき、再循環排気ガスが排気通路から再循環排気ガス通路内および吸気通路内を順次流通して筒内に吸入されるまでの遅れと、前記記憶されている前記流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度とに基づき、前記流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求めるようにしている。
スモーク限界燃料量を正確に求めることができ、したがってスモーク発生量が許容上限量を越えるのを阻止しつつ大きな機関出力を確保することができる。
図1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら、火花点火式内燃機関に本発明を適用することもできる。
図1を参照すると、機関本体1はたとえば4つの気筒1aを有する。各気筒1aはそれぞれ対応する吸気枝管2を介して共通のサージタンク3に連結され、サージタンク3は吸気ダクト4を介して可変ノズル式排気ターボチャージャ5のコンプレッサ5aに連結される。吸気ダクト4内には電気制御式又は負圧制御式のアクチュエータ6により駆動されるスロットル弁7が配置され、吸気ダクト4周りにはコンプレッサ5aから吐出された新気を冷却するための冷却装置8が配置される。コンプレッサ5aの入口には吸気導入管9が連結される。
また、各気筒1aは排気マニホルド10および排気管11を介して排気ターボチャージャ5の排気タービン5bに連結され、排気タービン5bの出口は排気管12を介して触媒コンバータ13に連結される。触媒コンバータ13はたとえばパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタ上に担持された触媒とを具備する。触媒コンバータ13の出口には排気管14が連結される。
各気筒1aの燃焼室内には燃料噴射弁15が配置され、これら燃料噴射弁15は共通の燃料蓄圧室すなわちコモンレール16を介して吐出量可変な電気制御式燃料ポンプ17に連結される。コモンレール16にはコモンレール16内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ(図示しない)が取り付けられており、燃料圧センサの出力信号に基づいてコモンレール16内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ17の吐出量が制御される。
さらに図1を参照すると、排気マニホルド10とサージタンク3とは再循環排気ガス(以下、EGRと称す)通路18を介して互いに連結される。EGR通路18内には電気制御式EGR制御弁19が配置され、EGR通路18周りにはEGRガスを冷却するための冷却装置20が配置される。EGR制御弁19の開弁割合は実際のEGR率(後述する)が目標のEGR率になるように制御される。
なお、本明細書では、各気筒の吸気弁、スロットル弁7、およびEGR制御弁19により囲まれた通路部分を吸気管IMと称している。この場合、EGR制御弁19が開弁されると、排気マニホルド10内の排気ガスがEGR通路18内に流入し、EGR通路18内を流通した後に吸気管IM内に流出し、新気とEGRガスとを含んでなる吸気ガスが吸気管IM内に形成され、この吸気ガスがシリンダ内に吸入される。
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、バックアップRAM(B−RAM)35、入力ポート36および出力ポート37を具備する。スロットル弁7と冷却装置8間の吸気ダクト4には吸気管IM内に流入する新気の温度を検出するための温度センサ40が取り付けられ、サージタンク3には吸気管IMの圧力を検出するための圧力センサ41が取り付けられる。また、吸気導入管9には吸気導入管9内を流通する新気の質量流量を検出するためのエアフローメータ42が取り付けられる。さらに、アクセルペダル(図示しない)にはアクセルペダルの踏み込み量に比例した出力電圧を発生する踏み込み量センサ43が接続される。これらセンサ40,41,42,43の出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート36にそれぞれ入力される。さらに、入力ポート36にはクランクシャフトがたとえば10°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ44が接続される。CPU34ではこの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート37は対応する駆動回路39を介してアクチュエータ6、燃料噴射弁15、燃料ポンプ17、およびEGR制御弁19にそれぞれ接続される。
図1に示される内燃機関では、要求燃料量QFDMDが機関運転状態、たとえばアクセルペダルの踏み込み量ACCおよび機関回転数NEに基づいて算出される。この要求燃料量QFDMDは図2に示されるマップの形で予めROM32内に記憶されている。
要求燃料量QFDMDはたとえば機関出力トルクを要求トルクに一致させるのに必要な燃料量である。ところが、要求燃料量QFDMDだけ機関に供給すると、多量のスモークが発生するおそれがある。すなわち、シリンダ内に存在する酸素量を一定にしたときの各気筒への供給燃料量QFとスモーク発生量QSMとの関係を表す図3からわかるように、供給燃料量QFが多くなるにつれてスモーク発生量QSMが多くなり、供給燃料量QFがスモーク限界燃料量QFLMTを越えるとスモーク発生量QSMが許容上限量QSMULよりも多くなる。
そこで本発明による各実施例では、スモーク限界燃料量QFLMTを求め、要求燃料量QFDMDがスモーク限界燃料量QFLMTよりも多いときには各気筒への供給燃料量QFをスモーク限界燃料量QFLMTに制限するようにしている。その結果、スモーク発生量QSMが許容上限量QSMULを越えることがない。
スモーク限界燃料量QFLMTはシリンダ内に吸入された吸気ガス中の酸素量であるシリンダ内酸素量MOXCYL(たとえばグラム)に依存することが判明している。本発明による第1実施例では、スモーク限界燃料量QFLMTをシリンダ内酸素量MOXCYLおよび機関回転数NEの関数として予め実験により求めておき、図4に示されるマップの形で予めROM32内に記憶している。
スモーク限界燃料量QFLMTを正確に求めるためにはシリンダ内酸素量MOXCYLを正確に求める必要がある。次に、図5から図9を参照しつつ本発明による第1実施例のシリンダ内酸素量MOXCYLの算出方法を説明する。
本発明による第1実施例では、シリンダ内酸素量MOXCYLが次式(1)に基づいて算出される。
MOXCYL=MCYL・COXIM (1)
ここで、MCYLは1回の吸気行程でシリンダCYL内に吸入された吸気ガスの量であるシリンダ内吸気ガス量(たとえばグラム)、COXIMは吸気管IM内の吸気ガス中の酸素濃度である吸気管内酸素濃度をそれぞれ表している。シリンダCYL内に吸入された吸気ガス中の酸素濃度は吸気管内酸素濃度COXIMに等しいので、シリンダ内酸素量MOXCYLをこのように表すことができる。
シリンダ内吸気ガス量MCYLを求めるにはさまざまな方法がある。たとえば、吸気管IM内の吸気ガスについての状態方程式および吸気管IMについてのエネルギ保存則に基づき、吸気管IM内の圧力PIMおよび吸気ガス温度TIMの関数としてシリンダ内吸気ガス量MCYLを推定することができる。この場合、吸気管IM内の圧力PIMは圧力センサ41により検出することができ、吸気ガス温度TIMはたとえば、吸気管IMについてのエネルギ保存則と、吸気管IMの壁面との熱授受とを考慮して推定することができる。あるいは、吸気弁がちょうど閉弁したときの吸気管圧力PIMの一次関数としてシリンダ内吸気ガス量MCYLを求めることもできる。
一方、吸気管内酸素濃度COXIMはEGR率Rを用いて次式(2)により算出される。
COXIM=COXAIR・(1−R)+COXEGRout・R (2)
ここで、COXAIRは新気中の酸素濃度である空気中酸素濃度(=約0.233、定数)、COXEGRoutはEGR通路18から吸気管IM内に流出したEGRガス中の酸素濃度である流出EGRガス中酸素濃度をそれぞれ表している。
EGR率Rはシリンダ内吸気ガス量MCYLに対する、シリンダCYL内に吸入されたEGRガスの量であるシリンダ内EGRガス量MEGRCYLの比である。シリンダ内吸気ガス量MCYLがシリンダCYL内に吸入された新気の量であるシリンダ内新気量MAIRCYLとシリンダ内EGRガス量MEGRCYLとの和(MCYL=MAIRCYL+MEGRCYL)であることを考えると、EGR率Rは次のように表される。
R=MEGRCYL/MCYL
=(MCYL−MAIRCYL)/MCYL (3)
シリンダ内新気量MAIRCYLはエアフローメータ42によって検出され、シリンダ内吸気ガス量MCYLは上述したように算出され、かくして式(3)からEGR率Rが算出される。そうすると、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutがわかれば吸気管内酸素濃度COXIMがわかり、したがってシリンダ内酸素量MOXCYLがわかることになる。
EGRガスはシリンダCYL内から排気マニホルド10内に排出された排気ガスの一部であるので、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutは必ずしも一定ではなく、シリンダCYL内から排気マニホルド10内に排出された排気ガス中の酸素濃度である排気ガス中酸素濃度COXEXに応じて変動しうる。そこで本発明による第1実施例では、排気ガス中酸素濃度COXEXを求め、この排気ガス中酸素濃度COXEXに基づき流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutを求めるようにしている。
ここで、一つの気筒に着目すると、排気行程では対応するシリンダCYLから排気マニホルド10内に排気ガスが排出され、この排気行程に続く吸気行程では吸気管IM内の吸気ガスが当該シリンダCYL内に流入する。この場合、排気行程において排気マニホルド10内に排出された排気ガス中の酸素濃度COXEXを算出し、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutがこの排気ガス中酸素濃度COXEXに等しいものとして、この排気行程に続く吸気行程においてシリンダCYL内に吸入された吸気ガス中の酸素量MOXCYLを算出するようにすると、次のような問題点が生ずる。
すなわち、図1に示される内燃機関では加速運転が開始されるとまず供給燃料量QFが増量され、その結果排気ガス中酸素濃度COXEXが急激に低下する。ところが、このとき実際にEGR通路18から吸気管IM内に流出するEGRガスは加速運転が開始される前に排気マニホルド10内に排出された排気ガスであり、その酸素濃度は比較的高い。このため、上述のように算出されたシリンダ内酸素量MOXCYLは実際のシリンダ内酸素量よりも少なくなっており、この少ないシリンダ内酸素量MOXCYLに基づき算出されるスモーク限界燃料量QFLMTは正規のものよりも少なくなっている。その結果、加速運転の初期に供給燃料量QFがこの少ないスモーク限界燃料量QFLMTに制限され、かくして機関出力トルクが好ましくなく制限されることになる。
この問題点は、EGRガスがEGR通路18内に流入してから吸気管IM内に流出するまでの遅れを無視していることに起因する。そこで本発明による第1実施例では、この遅れを考慮して流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutを求めるようにしている。次に、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutの具体的な算出方法を説明する。
いずれかの気筒で吸気行程が行われて吸気管IMから対応するシリンダCYL内に吸気ガスが流入すると、スロットル弁7を介して吸気管IM内に新気が流入し、EGR通路18から吸気管IM内にEGRガスが流出する。その結果、排気マニホルド10からEGR通路18内にEGRガスが流入する。ここで、1回の吸気行程でEGR通路18内に流入したEGRガスをEGRガス部分と称すると、吸気行程が行われる毎にEGR通路18内にEGRガス部分が一つずつ流入すると考えることができる。
この場合、EGR通路18内には、EGR通路18内に流入した順序でEGR通路18の軸線方向に整列する複数のEGRガス部分が存在すると考えることができる。すなわち、k回目の吸気行程でEGR通路18内に流入したEGRガス部分をPEGR(k)で表すと、i回目の吸気行程が行われた後には図6に示されるように、EGR通路18の入口部分18iにEGRガス部分PEGR(i)が存在する。EGRガス部分PEGR(i)下流のEGR通路18内には(i−1)回目の吸気行程でEGR通路18内に流入したEGRガス部分PEGR(i−1)が存在し、その下流にはEGRガス部分PEGR(i−2)が存在する。また、このときEGR制御弁19に隣接するEGR通路18の出口部分18eには、j回目(j<i)の吸気行程でEGR通路18内に流入したEGRガス部分PEGR(j)が存在し、その上流には(j+1)回目の吸気行程でEGR通路18内に流入したEGRガス部分PEGR(j+1)が存在する。さらに、その上流にはEGRガス部分PEGR(j+2),PEGR(j+3)が順次存在する。
次いで、(i+1)回目の吸気行程が行われると、たとえば図7においてハッチングが付されたEGRガス部分、すなわちEGRガス部分PEGR(j)と、EGRガス部分PEGR(j+1)と、EGRガス部分PEGR(j+2)の一部がEGR通路18から流出する。その結果、図8に示されるようにEGRガス部分PEGR(j+2)の残りがEGR通路18の出口部分18eまで進行し、その上流にはEGRガス部分PEGR(j+3),PEGR(j+4)が順次位置するようになる。一方、EGR通路18の入口部分18iにはEGRガス部分PEGR(i+1)が位置し、その下流にはEGRガス部分PEGR(i),PEGR(i−1)が順次位置するようになる。
このように、EGRガス部分PEGR(k)はEGR通路18内に流入した順序を保ちながらEGR通路18内を流通し、EGR通路18内に流入した順序でEGR通路18から流出すると考えることができる。なお、EGRガス部分PEGR(k)EGR通路18内を流通する間に冷却装置20(図1参照)により冷却されるので、EGR通路18の出口部分18e周りにおけるEGRガス部分PEGR(k)の体積はEGR通路18の入口部分18i周りにおけるよりも減少する。
このように考えると、EGR通路18から吸気管IM内に流出したEGRガス部分PEGR(k)を特定すると共に、特定されたEGRガス部分PEGR(k)中の酸素濃度COXPEGR(k)がわかれば、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutがわかることになる。
まず、EGRガス部分中酸素濃度COXPEGR(k)の算出方法について説明する。EGR通路18は通路長に対して断面積が十分に小さいので、EGR通路18内において各EGRガス部分PEGR(k)は先行するEGRガス部分PEGR(k−1)や後続のEGRガス部分PEGR(k+1)とほとんど混合しないと考えることができる。このため、EGRガス部分中酸素濃度COXPEGR(k)はEGR通路18内に流入してから吸気管IM内に流出するまでほぼ一定に維持されると考えることができる。したがって、EGRガス部分中酸素濃度COXPEGR(k)はEGRガス部分PEGR(k)がEGR通路18内に流入した時点の排気ガス中酸素濃度COXEXに一致する。
そこで本発明による第1実施例では、EGRガス部分PEGR(k)がEGR通路18内に流入した時点での排気ガス中酸素濃度COXEXを求め、この排気ガス中酸素濃度COXEXをEGRガス部分中酸素濃度COXPEGR(k)として記憶するようにしている。
排気ガス中酸素濃度COXEXはたとえば次のように算出される。すなわち、まず、燃焼で消費された酸素量である燃料消費酸素量が前回算出された供給燃料量QFに基づいて算出され、前回算出されたシリンダ内酸素量MOXCYLからこの燃焼消費酸素量だけ減算することにより排気ガス中の酸素量が算出される。次いで、この排気ガス中の酸素量を、前回算出された供給燃料量QFを体積に変換したものとシリンダ容積VCYLとの合計で除算することにより、今回の排気ガス中酸素濃度COXEXが算出される。
さらに本発明による第1実施例では、EGRガス部分PEGR(k)がEGR通路18内に流入した時点でのEGRガス部分PEGR(k)の体積VPEGRin(k)および排気圧PEXも記憶される。すなわち、本発明による第1実施例では、EGRガス部分PEGR(k)がEGR通路18内に流入した時点でのEGRガス部分中酸素濃度COXPEGR(k)と、体積VPEGR(k)と、排気圧PEXとがRAM33内に逐次記憶される。したがって、一般的に言うと、EGR通路18内に流入した時点でのEGRガス部分PEGR(k)の状態を逐次求めて記憶しているということになる。
この場合、EGR通路18から流出したEGRガス部分PEGR(k)の状態を記憶しておく必要はなく、EGR通路18内に存在するEGRガス部分PEGR(k)についての状態を記憶しておけば足りる。すなわち、図6および図7に示される例の場合には図9(A)に示されるように、EGR通路18内に存在するEGRガス部分PEGR(j),…,PEGR(i)の状態がRAM33内に記憶されている。
次に、EGR通路18から吸気管IM内に流出したEGRガス部分PEGR(k)の特定方法を説明する。再び図5を参照すると、いずれかの気筒で吸気行程が行われて吸気管IMから対応するシリンダCYL内に吸気ガスがシリンダ容積VCYL(既知の一定値)だけ流入すると、EGR通路18から吸気管IM内にEGRガスが体積VEGRoutだけ流出する。この体積VEGRoutを体積流出EGRガス量と称すると、体積流出EGRガス量VEGRoutはシリンダ容積VCYLとEGR率Rの積として算出することができる(VEGRout=VCYL・R)。
その上で、体積流出EGRガス量VEGRoutに見合う体積を有するEGRガス部分PEGR(k)が、EGR通路18の出口部分18eから順に特定される。ただし、上述したように、EGR通路18の出口部分18e周りにおけるEGRガス部分PEGR(k)の体積VPEGRout(k)は入口部分18i周りにおける体積VPEGRin(k)と異なっているので、体積VPEGRout(k)を求める必要がある。本発明による第1実施例では、記憶されているEGRガス部分PEGR(k)の状態、冷却装置20の冷却程度、EGRガス部分PEGR(k)がEGR通路18から流出する時点でのEGR通路18内の圧力すなわち圧力差(PEX−PIM)などに基づいて算出される。
図7に示される例では、EGRガス部分PEGR(j)と、EGRガス部分PEGR(j+1)と、EGRガス部分PEGR(j+2)のうち割合pt(0<pt≦1)が体積流出EGRガス量VEGRoutに相当する。この場合、次式が成立している。
VPEGRout(j)+VPEGRout(j+1)
+VPEGRout(j+2)・pt=VEGRout
言い換えると、この式を満たすEGRガス部分PEGR(k)および割合ptが決定される。
次いで、特定されたEGRガス部分中の酸素濃度COXPEGR(k)に、対応するEGRガス部分の体積VPEGRout(k)が体積流出EGRガス量VEGRoutに占める割合(=VPEGRout(k)/VEGRout)を乗算したものを合計して流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutが算出される。
図7に示される例では、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutは次式から算出される。
COXEGRout
={COXPEGR(j)・VPEGRout(j)
+COXPEGR(j+1)・VPEGRout(j+1)
+COXPEGR(j+2)・VPEGRout(j+2)・pt}
/VEGRout
このようにして流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutが算出されると、上述した式(2)から吸気管内酸素濃度COXIMが算出され、上述した式(1)からシリンダ内酸素量MOXCYLが算出される。
(i+1)回目の吸気行程の後にEGR通路18内を満たしているのは、図8に示されるようにEGRガス部分PEGR(j+2),…,PEGR(i+1)である。そこで、図9(B)に示されるように、EGRガス部分PEGR(j+2),…,PEGR(i+1)の状態が記憶されるように、RAM33内の記憶内容が更新される。この場合、EGRガス部分PEGR(j+2)のEGR通路18内に流入した時点での体積VPEGRin(j+2)がVPEGRin(j+2)・(1−pt)に書き換えられる。これは、EGRガス部分PEGR(j+2)のうち体積VPEGRin(j+2)・ptに相当する分だけEGR通路18から流出し、EGR通路18内に残留しているのは体積VPEGRin(j+2)・(1−pt)に相当する分だけだからである。
図10は本発明による第1実施例における供給燃料量QFの算出ルーチンを示している。このルーチンはたとえば180°クランク角毎の割り込みによって実行される。
図10を参照すると、まずステップ100では、シリンダ内酸素量MOXCYLを算出するためのシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンが実行される。このシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンは図11に示されている(後述する)。続くステップ101では図3のマップを用いて要求燃料量QFDMDが算出される。続くステップ102では図4のマップを用いてスモーク限界燃料量QFLMTが算出される。続くステップ103では、要求燃料量QFDMDがスモーク限界燃料量QFLMTよりも多いか否かが判別される。QFDMD>QFLMTのときには次いでステップ104に進み、供給燃料量QFがスモーク限界燃料量QFLMTとされる。これに対し、QFDMD≦QFLMTのときには次いでステップ105に進み、供給燃料量QFが要求燃料量QFDMDとされる。各燃料噴射弁15からは供給燃料量QFだけ燃料が噴射される。
図11は本発明による第1実施例のシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンを示している。このルーチンは図10のルーチンのステップ100で実行される。
図11を参照すると、まずステップ110では、シリンダ内吸気ガス量MCYLが算出される。続くステップ111では、上述した式(3)からEGR率Rが算出される。続くステップ112では、EGR通路18から吸気管IM内に流出したEGRガス部分PEGR(k)が特定される。続くステップ113では、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutが算出される。続くステップ114では、EGRガス部分PEGR(k)の状態が更新される。続くステップ115では、上述した式(2)から吸気管内酸素濃度COXIMが算出される。続くステップ116では、上述した式(1)からシリンダ内酸素量MOXCYLが算出される。
次に、本発明による第2実施例を説明する。本発明による第2実施例では、次式(4)に基づいてシリンダ内酸素量MOXCYLが算出される。
MOXCYL=MOXAIRCYL+MOXEGRCYL (4)
ここで、MOXAIRCYLはシリンダCYL内に吸入された新気中の酸素量であるシリンダ内新気中酸素量、MOXEGRCYLはシリンダCYL内に吸入されたEGRガス中の酸素量であるシリンダ内EGRガス中酸素量をそれぞれ表している。
図12に示されるように、いずれかの気筒で吸気行程が行われると、酸素濃度COXAIRの新気がスロットル弁7を介し新気量MAIRだけ吸気管IM内に流入し、酸素濃度COXEGRoutのEGRガスがEGR通路18からEGRガス量MEGRoutだけ吸気管IM内に流出する。したがって、シリンダ内新気中酸素量MOXAIRCYLおよびシリンダ内EGRガス中酸素量MOXEGRCYLは次式(5),(6)からそれぞれ算出できる。
MOXAIRCYL=MAIR・COXAIR (5)
MOXEGRCYL=MEGRout・COXEGRout (6)
ここで、新気量MAIRはエアフローメータ42によって検出され、EGRガス量MEGRoutはシリンダ内吸気ガス量MCYLおよびEGR率Rを用いて算出される(MEGRout=MCYL・R)。酸素濃度COXAIRは一定値であり、酸素濃度COXEGRoutは本発明による第1実施例と同様に算出される。
図13は本発明による第2実施例のシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンを示している。このルーチンは図10のルーチンのステップ100で実行される。
図13を参照すると、まずステップ120では、シリンダ内吸気ガス量MCYLが算出される。続くステップ121では、上述した式(3)からEGR率Rが算出される。続くステップ122では、EGR通路18から吸気管IM内に流出したEGRガス部分PEGR(k)が特定される。続くステップ123では、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutが算出される。続くステップ124では、EGRガス部分PEGR(k)の状態が更新される。続くステップ125では、上述した式(5)からシリンダ内新気中酸素量MOXAIRCYLが算出される。続くステップ126では、上述した式(6)からシリンダ内EGRガス中酸素量MOXEGRCYLが算出される。続くステップ127では、上述した式(1)からシリンダ内酸素量MOXCYLが算出される。
本発明による第2実施例のその他の構成および作用は本発明による第1実施例と同様であるので説明を省略する。
次に、図14を参照しながら本発明による第3実施例を説明する。
吸気管IMの容積VIMはシリンダ容積VCYLよりも大きく、このため新気およびEGRガスが吸気管IM内に流入してからシリンダCYL内に吸入されるまでに遅れがある。そこで本発明による第3実施例では、たとえば上述した本発明による第1実施例において、この遅れを考慮してシリンダ内酸素量MOXCYLを算出するようにしている。この場合、EGRガスに着目すると、EGRガスが排気マニホルド10からEGR通路18内および吸気管IM内を順次流通してシリンダCYL内に吸入されるまでの遅れを考慮しているということになる。
いずれかの気筒で吸気行程が行われると、吸気管IM内の吸気ガスの一部がシリンダCYL内に吸入され、吸気管IM内には吸気ガス部分IGoldが残存する。一方、このとき吸気管IM内には、スロットル弁7を介して新気部分AIRnewが流入し、EGR制御弁19を介してEGRガス部分EGRnewが流入する。これら新気部分AIRnewおよびEGRガス部分EGRnewは吸気管IM内に新たな吸気ガス部分IGnewを形成すると考えることができる。
新気ガス部分AIRnew中の酸素濃度は上述したCOXAIR(既知の一定値)であり、EGRガス部分EGRnew中の酸素濃度も上述したCOXEGRoutである。したがって、新たな吸気ガス部分IGnew中の酸素濃度COXIMnewはEGR率Rを用いて次式(7)から算出することができる。
COXIMnew=COXAIR・(1−R)
+COXEGRout・R (7)
吸気行程が行われたときに吸気ガスがシリンダ容積VCYL(既知の一定値)だけ吸気管IMからシリンダCYL内に吸入されるので、残存吸気ガスIGoldの体積は吸気管容積VIM(既知の一定値)からシリンダ容積VCYLを減算した結果に一致し、新たな吸気ガス部分IGnewの体積はシリンダ容積VCYLに一致する。そうすると、吸気行程が行われた後の吸気管IM内の吸気ガス中の酸素濃度、すなわち吸気管内酸素濃度COXIMは次式(8)から算出できるということになる。
COXIM=COXIMold・(VIM−VCYL)/VIM
+COXIMnew・VCYL/VIM (8)
ところで、上述したシリンダ内吸気ガス量MCYLの算出方法はシリンダ内吸気ガス量MCYLを間接的に求めあるいは推定するものである。このため、シリンダ内吸気ガス量MCYLを精度よく算出することができないおそれがある。この場合、算出されたシリンダ内吸気ガス量MCYLが、エアフローメータ42によって検出された新気量MAIRよりも大きくなることはない。
そこで本発明による第3実施例では、算出されたシリンダ内吸気ガス量MCYLが検出された新気量MAIRよりも多いときには、シリンダ内酸素量MOXCYLを次式(9)により再計算するようにしている。
MOXCYL=MAIR・COXAIR (9)
すなわち、算出されたシリンダ内吸気ガス量MCYLが検出された新気量MAIRよりも多いときには、シリンダCYL内に吸入される吸気ガスはすべて新気であるとみなしてシリンダ内酸素量MOXCYLが再計算される。次いで、この再計算されたシリンダ内酸素量MOXCYLに基づきスモーク限界燃料量QFLMTが算出される。
したがって、一般的に言うと、算出されたシリンダ内吸気ガス量MCYLの算出誤差が許容範囲を超えたか否かを判断し、算出誤差が許容範囲を越えたときにはエアフローメータ42の出力に基づいてシリンダ内酸素量MOXCYLを算出しているということになる。あるいは、算出誤差が許容範囲を越えたときには、算出されたシリンダ内吸気ガス量MCYLに基づくシリンダ内酸素量MOXCYLまたはスモーク限界燃料量QFLMTの算出が禁止されるという見方もできる。
図15は本発明による第3実施例のシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンを示している。このルーチンは図10のルーチンのステップ100で実行される。
図15を参照すると、まずステップ130では、シリンダ内吸気ガス量MCYLが算出される。続くステップ131では、上述した式(3)からEGR率Rが算出される。続くステップ132では、EGR通路18から吸気管IM内に流出したEGRガス部分PEGR(k)が特定される。続くステップ133では、流出EGRガス中酸素濃度COXEGRoutが算出される。続くステップ134では、EGRガス部分PEGR(k)の状態が更新される。続くステップ135では、上述した式(7)から新たな吸気ガス部分IGnew中の酸素濃度COXIMnewが算出される。続くステップ136では、上述した式(8)から吸気管内酸素濃度COXIMが算出される。続くステップ137では、上述した式(1)からシリンダ内酸素量MOXCYLが算出される。
続くステップ138では、ステップ130で算出されたシリンダ内吸気ガス量MCYLが、エアフローメータ42によって検出された新気量MAIRよりも多いか否かが判別される。MCYL≦MAIRのときには処理サイクルを終了し、すなわちステップ137で算出されたシリンダ内酸素量MOXCYLを用いてスモーク限界燃料量QFLMTが算出される。これに対し、MCYL>MAIRのときには次いでステップ139に進み、上述した式(9)からシリンダ内酸素量MOXCYLが再計算される。この場合、ステップ139で再計算されたシリンダ内酸素量MOXCYLを用いてスモーク限界燃料量QFLMTが算出される。
本発明による第3実施例のその他の構成および作用は本発明による第1実施例と同様であるので説明を省略する。なお、本発明による第3実施例を本発明による第2実施例と組み合わせることもできる。
次に、本発明による第4実施例を説明する。
これまで説明してきたように、シリンダCYL内に吸入された吸気ガス中には酸素がシリンダ内酸素量MOXCYLだけ含まれている。このことは、シリンダ内酸素量MOXCYLと同量の酸素を含む空気がシリンダCYL内に吸入されたのと同じことである。
このシリンダ内酸素量MOXCYLと同量の酸素を含む空気の量を等価シリンダ内空気量MAIRCYLと称すると、本発明による第4実施例ではこの等価シリンダ内空気量MAIRCYLからスモーク限界燃料量QFLMTを算出するようにしている。具体的には、スモーク限界燃料量QFLMTが等価シリンダ内空気量MAIRCYLおよび機関回転数NEの関数として予め実験により求められており、図16に示されるマップの形で予めROM32内に記憶されている。
これまで説明してきた各実施例と同様にシリンダ内酸素量MOXCYLが算出され、次いでシリンダ内酸素量MOXCYLに空気中酸素濃度COXAIRの逆数を乗算することにより等価シリンダ内空気量MAIRCYLが算出される(MAIRCYL=MOXCYL・(1/COXAIR))。次いで、図16に示されるマップを用いてスモーク限界燃料量QFLMTが算出される。
このようにすると、EGRガスの供給が停止されているときに、エアフローメータ42により検出される空気量からスモーク限界燃料量QFLMTを算出できる。すなわち、この場合にシリンダ内酸素量MOXCYLを算出する必要がない。
図17は本発明による第4実施例における供給燃料量QFの算出ルーチンを示している。このルーチンはたとえば180°クランク角毎の割り込みによって実行される。
図17を参照すると、まずステップ140では、シリンダ内酸素量MOXCYLを算出するためのシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンが実行される。このシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンは図11、図13、または図15に示されている。続くステップ141では、等価シリンダ内空気量MAIRCYLが算出される。続くステップ142では図3のマップを用いて要求燃料量QFDMDが算出される。続くステップ143では図16のマップを用いてスモーク限界燃料量QFLMTが算出される。続くステップ144では、要求燃料量QFDMDがスモーク限界燃料量QFLMTよりも多いか否かが判別される。QFDMD>QFLMTのときには次いでステップ145に進み、供給燃料量QFがスモーク限界燃料量QFLMTとされる。これに対し、QFDMD≦QFLMTのときには次いでステップ146に進み、供給燃料量QFが要求燃料量QFDMDとされる。各燃料噴射弁15からは供給燃料量QFだけ燃料が噴射される。
本発明による第4実施例のその他の構成および作用は本発明による第1実施例と同様であるので説明を省略する。
内燃機関の全体図である。 要求燃料量QFDMDのマップを示す図である。 供給燃料量QFとスモーク発生量QSMとの関係を表す線図である。 本発明による第1実施例のスモーク限界燃料量QFLMTのマップを示す図である。 本発明による第1実施例のシリンダ内酸素量MOXCYLの算出方法を説明するための図である。 本発明による第1実施例のシリンダ内酸素量MOXCYLの算出方法を説明するための図である。 本発明による第1実施例のシリンダ内酸素量MOXCYLの算出方法を説明するための図である。 本発明による第1実施例のシリンダ内酸素量MOXCYLの算出方法を説明するための図である。 本発明による第1実施例のシリンダ内酸素量MOXCYLの算出方法を説明するための図である。 本発明による第1実施例における供給燃料量QF算出ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による第1実施例のシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による第2実施例のシリンダ内酸素量MOXCYLの算出方法を説明するための図である。 本発明による第2実施例のシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による第3実施例のシリンダ内酸素量MOXCYLの算出方法を説明するための図である。 本発明による第3実施例のシリンダ内酸素量MOXCYL算出ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による第4実施例のスモーク限界燃料量QFLMTのマップを示す図である。 本発明による第4実施例における供給燃料量QF算出ルーチンを示すフローチャートである。
符号の説明
1a…気筒
10…排気マニホルド
15…燃料噴射弁
18…EGR通路
IM…吸気管

Claims (4)

  1. 排気通路内の排気ガスを吸気通路内に再循環させるための再循環排気ガス通路を具備し、新気と再循環排気ガスとを含んでなる吸気ガスが筒内に吸入される内燃機関において、機関運転状態に基づいて要求燃料量を求める手段と、筒内に吸入された吸気ガス中の酸素量である筒内酸素量を求める手段と、スモーク発生量が許容上限量となる燃料量であるスモーク限界燃料量を筒内酸素量に基づいて求める手段と、要求燃料量とスモーク限界燃料量とを比較して要求燃料量がスモーク限界燃料量よりも少ないときには要求燃料量だけ燃料を機関に供給し、要求燃料量がスモーク限界燃料量よりも多いときにはスモーク限界燃料量だけ燃料を機関に供給する手段と、を具備し、前記筒内酸素量を求める手段が、排気通路から再循環排気ガス通路内に流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求め、該流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度に基づき、再循環排気ガス通路から吸気通路内に流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求め、該流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度に基づき筒内酸素量を求めるようにした燃料供給制御装置。
  2. 前記筒内酸素量を求める手段が、再循環排気ガスが再循環排気ガス通路内に流入してから吸気通路内に流出するまでの遅れを考慮して前記流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求めるようにした請求項1に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
  3. 前記筒内酸素量を求める手段が、前記流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を逐次求めて記憶しておき、再循環排気ガスが排気通路から再循環排気ガス通路内に流入し再循環排気ガス通路内を流通して吸気通路内に流出するまでの遅れと、前記記憶されている前記流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度とに基づき、前記流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求めるようにした請求項2に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
  4. 前記筒内酸素量を求める手段が、前記流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を逐次求めて記憶しておき、再循環排気ガスが排気通路から再循環排気ガス通路内および吸気通路内を順次流通して筒内に吸入されるまでの遅れと、前記記憶されている前記流入した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度とに基づき、前記流出した再循環排気ガス中の酸素量または酸素濃度を求めるようにした請求項2に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2388462A3 (en) * 2010-05-18 2015-01-28 Deere & Company Method of operating a variable geometry turbine
CN104895686A (zh) * 2015-05-07 2015-09-09 潍柴动力股份有限公司 确定发动机废气的氧气浓度的方法以及系统

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