JP2007231846A - 内燃機関の排気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＭの成分割合を積極的に制御して、燃費の悪化、出力の低下等を抑制しつつ外部へ排出されるＰＭの総量を低減すること。
【解決手段】 この排気制御装置は、ＰＭがＳｏｏｔとＳＯＦのみからなるとの仮定のもと、燃焼室から排出される排気ガス中のＳｏｏｔ濃度［Ｓｏｏｔ］及びＳＯＦ濃度［ＳＯＦ］を用いてＰＭ中のＳＯＦ割合（ＳＯＦ/ＰＭ）を計算する。この値ＳＯＦ/ＰＭに基づいて燃料噴射圧力Pcrfinを調整することで、値ＳＯＦ/ＰＭが値α１以上値α２以下に積極的に制御される。値α１はＰＭの総量低減の観点から決定される値ＳＯＦ/ＰＭの下限値であり、値α２は燃費の悪化及び出力の低下等の抑制の観点から決定される値ＳＯＦ/ＰＭの上限値である。これにより、燃費の悪化、出力の低下等を抑制しつつ外部へ排出されるＰＭの総量を低減することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関の排気制御装置に関する。

内燃機関（特に、ディーゼル機関）の燃焼室から排出される有害物質の一つである粒子状物質（パティキュレート、パティキュレート・マター（以下、本出願では「ＰＭ」と称呼する。））は、主として、カーボン等からなるＳｏｏｔ（スート、すす）と、未燃ＨＣやオイル等からなるＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）とから構成されることが広く知られている。

このＰＭ内では、一般に、ＳＯＦはＳｏｏｔの表面に付着している状態（Ｓｏｏｔの表面を取り囲んでいる状態）となっている。ここで、ＳＯＦは、可溶性有機成分であるから、不溶解成分であるＳｏｏｔに比して燃焼温度が低い。即ち、ＳＯＦはＳｏｏｔに比して排気通路に配設された触媒の酸化作用により燃焼し易い。

加えて、燃焼し易いＳＯＦが触媒の酸化作用により燃焼を開始すると、その燃焼熱によりＳＯＦに取り囲まれた（ＳＯＦに包まれた）燃焼し難いＳｏｏｔも燃焼され得る。従って、ＰＭ中のＳＯＦの割合を大きくすると、触媒の酸化作用によるＳＯＦの燃焼による燃焼熱が大きくなって、ＳＯＦに加えてＳｏｏｔをも効果的に燃焼させることができる。

以上のことから、特許文献１に記載の排気浄化装置は、燃料の主噴射の後にＰＭ中のＳＯＦ割合を増大させるために燃料の追加噴射を行うようになっている。これにより、ＰＭ中のＳＯＦ量に加えてＰＭ中のＳｏｏｔ量をも効果的に低減できるから、触媒から排出されるＰＭ（≒ＳＯＦ＋Ｓｏｏｔ）の総量を効果的に低減できる。
特開２００３−２６９２２１号公報

ところで、ＰＭ中のＳＯＦ割合を大きくすることは、未燃ＨＣを増大させることを意味する。従って、ＰＭ中のＳＯＦ割合を大きくし過ぎると、燃費の悪化、出力の低下等の新たな問題が発生する。即ち、燃費の悪化、出力の低下等を抑制しつつ触媒から排出されるＰＭの総量を低減するためには、ＰＭ中のＳＯＦ割合が或る適切な値（範囲）に積極的に制御される必要があると考えられる。

しかしながら、上記文献に記載の装置では、ＰＭの成分割合を積極的に制御することについては開示も示唆も全くなされていない。以上より、上記文献に記載の装置では、ＰＭ中のＳＯＦ割合を大きくし過ぎることで燃費の悪化、出力の低下等を増大させる可能性があるという問題がある。

本発明は、係る問題に対処するためになされたものであり、その目的は、ＰＭの成分割合を積極的に制御して、燃費の悪化、出力の低下等を抑制しつつ外部へ排出されるＰＭの総量を低減することができる内燃機関の排気制御装置を提供することにある。

本発明に係る排気制御装置は、内燃機関の排気通路に配設されたＰＭを捕集するＰＭ捕集手段を備えた内燃機関に適用される。前記ＰＭ捕集手段は、少なくとも酸化作用を発揮し得る触媒（酸化触媒、ＤＰＮＲ触媒、三元触媒等）等である。

本発明に係る排気制御装置は、前記内燃機関の燃焼室での燃料の燃焼により発生し同燃焼室から排出されるＰＭの成分割合を取得する成分割合取得手段と、前記取得されたＰＭの成分割合が所定値になるように同取得されたＰＭの成分割合に基づいて前記内燃機関の制御パラメータを制御する成分割合制御手段とを備える。

より好ましくは、前記成分割合取得手段は、前記ＰＭ中のＳＯＦの割合を取得するように構成され、前記成分割合制御手段は、前記取得されたＰＭ中のＳＯＦの割合が所定値になるように同取得されたＳＯＦの割合に基づいて前記制御パラメータを制御するように構成される。

ここで、前記制御パラメータとしては、例えば、燃料噴射圧力、燃料噴射時期、及びＥＧＲ率等が使用され得る。燃料噴射圧力を増大させること、或いはＥＧＲ率を減少させることによりＳｏｏｔ量が低減され得、燃料噴射時期を遅らせることにより未燃ＨＣの量が増大してＳＯＦ量が増大され得る。従って、これらを制御することでＰＭの成分割合（特に、ＰＭ中のＳＯＦ割合）を調整することができる。

上記構成によれば、燃料噴射圧力等の制御パラメータを制御することでＰＭの成分割合（特に、ＰＭ中のＳＯＦ割合）が所定値になるように積極的に制御される。従って、燃費の悪化及び出力の低下等の抑制、並びにＰＭ捕集手段から排出されるＰＭの総量の低減が全て考慮された適切な値（範囲）に前記所定値（所定範囲）を設定すれば、燃費の悪化、出力の低下等を抑制しつつＰＭ捕集手段から排出される（従って、外部へ排出される）ＰＭの総量を低減することができる。

この場合、前記成分割合取得手段は、前記燃焼室から排出されるＰＭ中のＳｏｏｔの量を取得するＳｏｏｔ量取得手段と、前記燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦの量を取得するＳＯＦ量取得手段とを備え、前記ＰＭがＳｏｏｔとＳＯＦのみからなるとの仮定のもと、前記取得されたＳｏｏｔ量と、前記取得されたＳＯＦ量とに基づいて前記ＰＭ中のＳＯＦの割合を取得するように構成されることが好適である。

これによれば、上記取得されたＳｏｏｔの量（濃度等）と上記取得されたＳＯＦの量（濃度等）とに基づいてＰＭ（＝Ｓｏｏｔ＋ＳＯＦ）中のＳＯＦ割合を簡易な計算により取得することができる。

なお、燃焼室から排出されるＰＭ中のＳｏｏｔ量（濃度等）は、例えば、燃焼室でのＳｏｏｔの発生速度（Ｓｏｏｔ濃度の増加速度）を燃料噴射開始時期から排気弁開弁時までの間に亘って時間積分すること等により求めることができる。同様に、燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ量（濃度等）は、例えば、燃焼室でのＳＯＦの発生速度（ＳＯＦ濃度の増加速度）を燃料噴射開始時期から排気弁開弁時までの間に亘って時間積分すること等により求めることができる。

前記ＳＯＦ量取得手段は、前記燃焼室で発生する炭化水素（ＨＣ）の量を取得する炭化水素量取得手段を備え、前記取得された炭化水素の量に基づいて前記ＳＯＦの量を取得するように構成されることが好ましい。燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ量（濃度、濃度の増加速度等）は、燃焼室で発生する炭化水素（ＨＣ）の量（濃度、濃度の増加速度等）に大きく依存する。従って、上記構成によれば、燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ量が精度良く取得され得る。

なお、この場合、具体的には、例えば、燃焼室での炭化水素の発生速度（ＨＣ濃度の増加速度）からＳＯＦの発生速度（ＳＯＦ濃度の増加速度）を求め、このＳＯＦの発生速度を燃料噴射開始時期から排気弁開弁時までの間に亘って時間積分すること等により、燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ量（濃度等）を求めることができる。

前記炭化水素量取得手段は、前記燃焼室への燃料噴射量と、前記燃焼室で発生する少なくとも一つの炭化水素以外の成分であって炭素原子を含んだ成分の量とに基づいて前記炭化水素の量を取得するように構成されることが好適である。ここで、前記炭素原子を含んだ成分の代表例としては、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｓｏｏｔが挙げられる。

燃焼室で発生するＨＣの量（濃度、濃度の増加速度等）は、燃焼室への燃料噴射量（噴射速度、噴射率、燃料濃度、燃料濃度の増加速度等）と、燃焼室で発生するＨＣ以外の炭素原子を含んだ成分（ＣＯ、ＣＯ_２等）の量（濃度、濃度の増加速度等）に大きく依存する。従って、上記構成によれば、燃焼室で発生するＨＣの量が精度良く取得され得、この結果、燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ量も精度良く取得され得る。

以下、本発明による内燃機関（ディーゼル機関）の排気制御装置（排気浄化装置）の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気制御装置を４気筒内燃機関（ディーゼル機関）１０に適用したシステム全体の概略構成を示している。このシステムは、燃料供給系統を含むエンジン本体２０、エンジン本体２０の各気筒の燃焼室（筒内）にガスを導入するための吸気系統３０、エンジン本体２０からの排ガスを放出するための排気系統４０、排気還流を行うためのＥＧＲ装置５０、及び電気制御装置６０を含んでいる。

エンジン本体２０の各気筒の上部には燃料噴射弁（噴射弁、インジェクタ）２１が配設されている。各燃料噴射弁２１は、図示しない燃料タンクと接続された燃料噴射用ポンプ２２に燃料配管２３を介して接続されている。燃料噴射用ポンプ２２は、電気制御装置６０と電気的に接続されていて、電気制御装置６０からの駆動信号（後述する指令最終燃料噴射圧力Pcrfinに応じた指令信号）により燃料の実際の噴射圧力（吐出圧力）が指令最終燃料噴射圧力Pcrfinになるように同燃料を昇圧するようになっている。

これにより、燃料噴射弁２１には、燃料噴射用ポンプ２２から前記指令最終燃料噴射圧力Pcrfinまで昇圧された燃料が供給されるようになっている。また、燃料噴射弁２１は、電気制御装置６０と電気的に接続されていて、同電気制御装置６０からの駆動信号（指令パイロット燃料噴射量（質量）Qp、指令メイン燃料噴射量（質量）Qmに応じた指令信号）により開弁する。これにより、前記指令最終燃料噴射圧力Pcrfinにまで昇圧された燃料が直接燃焼室内に、先ずは前記指令パイロット燃料噴射量Qpだけパイロット噴射され、その後、前記指令メイン燃料噴射量Qmだけメイン噴射されるようになっている。

吸気系統３０は、エンジン本体２０の各気筒の燃焼室にそれぞれ接続された吸気マニホールド３１、吸気マニホールド３１の上流側集合部に接続され同吸気マニホールド３１とともに吸気通路を構成する吸気管３２、吸気管３２内に回動可能に保持されたスロットル弁３３、電気制御装置６０からの駆動信号に応答してスロットル弁３３を回転駆動するスロットル弁アクチュエータ３３ａ、スロットル弁３３の上流において吸気管３２に順に介装されたインタクーラー３４と過給機３５のコンプレッサ３５ａ、及び吸気管３２の先端部に配設されたエアクリーナ３６とを含んでいる。

排気系統４０は、エンジン本体２０の各気筒にそれぞれ接続された排気マニホールド４１、排気マニホールド４１の下流側集合部に接続された排気管４２、排気管４２に配設された過給機３５のタービン３５ｂ、及び排気管４２に介装されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＮＲ」と称呼する。）４３を含んでいる。排気マニホールド４１及び排気管４２は排気通路を構成している。ＤＰＮＲ４３はＰＭ捕集手段に対応する。

ＥＧＲ装置５０は、排気ガスを還流させる通路（ＥＧＲ通路）を構成する排気還流管５１と、排気還流管５１に介装されたＥＧＲ制御弁５２と、ＥＧＲクーラー５３とを備えている。排気還流管５１はタービン３５ｂの上流側排気通路（排気マニホールド４１）とスロットル弁３３の下流側吸気通路（吸気マニホールド３１）を連通している。ＥＧＲ制御弁５２は電気制御装置６０からの駆動信号に応答し、再循環される排気ガス量（排気還流量、ＥＧＲガス流量）を変更し得るようになっている。

電気制御装置６０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ６１、ＣＰＵ６１が実行するプログラム、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、及び定数等を予め記憶したＲＯＭ６２、ＣＰＵ６１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ６３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ６４、並びにＡＤコンバータを含むインターフェース６５等からなるマイクロコンピュータである。

インターフェース６５は、吸気管３２に配置された熱線式エアフローメータ７１、スロットル弁３３の下流であって排気還流管５１が接続された部位よりも下流の吸気通路に設けられた吸気温センサ７２、スロットル弁３３の下流であって排気還流管５１が接続された部位よりも下流の吸気通路に配設された吸気管圧力センサ７３、クランクポジションセンサ７４、アクセル開度センサ７５、燃料噴射用ポンプ２２の吐出口の近傍の燃料配管２３に配設された燃料温度センサ７６、及び水温センサ７７と接続されていて、これらのセンサからの信号をＣＰＵ６１に供給するようになっている。

また、インターフェース６５は、燃料噴射弁２１、燃料噴射用ポンプ２２、スロットル弁アクチュエータ３３ａ、及びＥＧＲ制御弁５２と接続されていて、ＣＰＵ６１の指示に応じてこれらに駆動信号を送出するようになっている。

熱線式エアフローメータ７１は、吸気通路内を通過する吸入空気の質量流量（単位時間当りの吸入空気量、単位時間あたりの新気量）を計測し、同質量流量Ga（空気流量Ga）を表す信号を発生するようになっている。吸気温センサ７２は、エンジン１０のシリンダ（即ち、燃焼室、筒内）に吸入されるガスの温度（即ち、吸気温度）を検出し、同吸気温度Tbを表す信号を発生するようになっている。吸気管圧力センサ７３は、エンジン１０のシリンダに吸入されるガスの圧力（即ち、吸気管圧力）を検出し、同吸気管圧力Pbを表す信号を発生するようになっている。

クランクポジションセンサ７４は、各気筒の絶対クランク角度を検出し、実クランク角度CAactを表すとともにエンジン１０の回転速度であるエンジン回転速度NEをも表す信号を発生するようになっている。アクセル開度センサ７５は、アクセルペダルＡＰの操作量を検出し、アクセル操作量Accpを表す信号を発生するようになっている。燃料温度センサ７６は、燃料配管２３を通過する燃料の温度を検出し、燃料温度Tcrを表す信号を発生するようになっている。水温センサ７７は、冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を発生するようになっている。

（燃焼室周りのガスの流れの概要）
図２は、或る一つの気筒のシリンダ内(筒内、燃焼室内)に吸気マニホールド３１からガスが吸入され、燃焼室内に吸入されたガスが排気マニホールド４１へ排出される様子を模式的に示した図である。図２に示したように、燃焼室内に吸入されるガス（従って、筒内ガス）には、吸気管３２の先端部からスロットル弁３３を介して吸入された新気と、排気還流管５１からＥＧＲ制御弁５２を介して吸入されたＥＧＲガスが含まれる。

吸入される新気量（質量）と吸入されるＥＧＲガス量（質量）の和に対するＥＧＲガス量の割合（即ち、ＥＧＲ率）は、運転状態に応じて電気制御装置６０（ＣＰＵ６１）により適宜制御されるスロットル弁３３の開度、及びＥＧＲ制御弁５２の開度に応じて変化する。

かかる新気、及びＥＧＲガスは、吸気行程において開弁している吸気弁Vinを介してピストンの下降に伴って燃焼室内に吸入されて筒内ガスとなる。筒内ガスは、ピストンが圧縮下死点に達する時点近傍で吸気弁Vinが閉弁することにより燃焼室内に密閉され、その後の圧縮行程においてピストンの上昇に伴って圧縮される。

そして、所定時期になると、上述したように、先ずはパイロット噴射が行われる。パイロット噴射された（液体の）燃料は、圧縮により高温になっている筒内ガスから受ける熱により直ちに燃料蒸気になる。そして、時間の経過に伴って同筒内ガスを取り込みながら混合気となって燃焼室内において円錐状に拡散していき、所定のタイミングで自着火に起因して拡散燃焼していく。

その後、メイン噴射が行われる。メイン噴射された燃料もパイロット噴射された燃料と同様、混合気となって燃焼室内において円錐状に拡散していき、所定のタイミングで自着火に起因して拡散燃焼していく。そして、燃焼により発生した排気ガスは、排気行程において開弁する排気弁Voutを介してピストンの上降に伴って排気通路に排出されていく。

（炭化水素量の推定方法）
上記のように構成されている本発明の実施形態に係る内燃機関の排気制御装置（以下、「本装置」と称呼する。）は、後にフローチャートを参照しながら詳述するように、燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦの割合（質量割合）（以下、「ＳＯＦ/ＰＭ」と表記する。）を算出する。そのＳＯＦ/ＰＭの算出過程では、燃焼室で発生する炭化水素（以下、「ＨＣ」と標記する。）の濃度［ＨＣ］の増加速度ｄ［ＨＣ］/ｄｔを、パイロット燃料噴射開始時期から排気弁Voutの開弁時期までの間に亘って逐次求めていく必要がある。以下、本装置によるＨＣ濃度増加速度ｄ［ＨＣ］/ｄｔを求める手法について説明する。なお、本例では、「濃度」とは、燃焼室内のガス中の平均質量濃度を意味するものとする。

燃焼室内のガス中の炭素原子の数に着目すると、燃焼室内で発生するＨＣの増加速度を増大させる要因としては、燃焼室への燃料（本例では、Ｃ１４Ｈ２８とする。）の供給が考えられ、燃焼室内で発生するＨＣの増加速度を減少させる要因としては、燃焼室での燃料の燃焼により発生するＨＣ以外の炭素原子Ｃを含んだ成分の発生が考えられる。ここで、「燃焼室で発生するＨＣ以外の炭素原子Ｃを含んだ成分」の代表例としては、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ_２、及びＳｏｏｔが考えられる。

以上のことを考慮すれば、下記(1)式が成立する。(1)式において、ｄ［Fuel］/ｄｔは燃料濃度［Fuel］の増加速度、ｄ［ＣＯ］/ｄｔはＣＯ濃度［ＣＯ］の増加速度、ｄ［ＣＯ_２］/ｄｔはＣＯ_２濃度［ＣＯ_２］の増加速度、ｄ［Ｓｏｏｔ］/ｄｔはＳｏｏｔ濃度［Ｓｏｏｔ］の増加速度である。Ｍ_HCaveはＨＣの平均分子量、Ｍ_C14H28は燃料（Ｃ１４Ｈ２８）の分子量、Ｍ_COはＣＯの分子量、Ｍ_CO2はＣＯ_２の分子量、Ｍ_SootはＳｏｏｔの分子量である。Ｎ_HCaveはＨＣ分子内の平均炭素原子数であり、Ｎ_SootはＳｏｏｔ分子内の平均炭素原子数である。

(1)式において、左辺は燃焼室内のガスの単位質量当たり且つ単位時間当たりに増加するＨＣ内の炭素原子のモル数を表す。同様に、右辺第１項は燃焼室内のガスの単位質量当たり且つ単位時間当たりに増加する燃料内の炭素原子のモル数、右辺第２項は燃焼室内のガスの単位質量当たり且つ単位時間当たりに増加するＣＯ内の炭素原子のモル数、右辺第３項は燃焼室内のガスの単位質量当たり且つ単位時間当たりに増加するＣＯ_２内の炭素原子のモル数、右辺第４項は燃焼室内のガスの単位質量当たり且つ単位時間当たりに増加するＳｏｏｔ内の炭素原子のモル数をそれぞれ表す。

ここで、燃料濃度増加速度ｄ［Fuel］/ｄｔ、ＣＯ濃度増加速度ｄ［ＣＯ］/ｄｔ、ＣＯ_２濃度増加速度ｄ［ＣＯ_２］/ｄｔ、及びＳｏｏｔ濃度増加速度ｄ［Ｓｏｏｔ］/ｄｔはそれぞれ、後にフローチャートを参照しながら説明するように、予め作製されているテーブルを利用してクランク角度に対応させながら逐次取得することができる。

そこで、本装置は、上記(1)をＨＣ濃度増加速度ｄ［ＨＣ］/ｄｔについて解いて得られる下記(2)式に従って、ＨＣ濃度増加速度ｄ［ＨＣ］/ｄｔを、パイロット燃料噴射開始時期から排気弁Voutの開弁時期までの間に亘って逐次求めていく。

このように、本装置は、燃焼室への燃料噴射量（燃料濃度増加速度ｄ［Fuel］/ｄｔ）と、燃焼室で発生する少なくとも一つの炭化水素以外の成分であって炭素原子を含んだ成分の量（ｄ［ＣＯ］/ｄｔ，ｄ［ＣＯ_２］/ｄｔ，ｄ［Ｓｏｏｔ］/ｄｔ）とに基づいて炭化水素の量（ｄ［ＨＣ］/ｄｔ）を取得する。

（実際の作動）
次に、上記のように構成された内燃機関の排気制御装置の実際の作動について説明する。ＣＰＵ６１は、図３〜図５に一連のフローチャートにより示したＳＯＦ/ＰＭの制御を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に、気筒毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ６１はステップ３００から処理を開始し、ステップ３０５に進んで吸気弁Vinが開状態から閉状態へと変化したか否か（吸気弁閉弁時（ＩＶＣ時）が到来したか否か）を判定し、「Ｎｏ」と判定する場合、ステップ３９５に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。

いま、吸気弁閉弁時が到来したものとすると、ＣＰＵ６１はステップ３０５に進んだとき「Ｙｅｓ」と判定してステップ３１０に進み、ＩＶＣ時クランク角度CAivcをクランクポジションセンサ７４から取得される現時点での実クランク角度CAactの値に設定し、ＩＶＣ時筒内ガス圧力Pgivcを吸気管圧力センサ７３から得られる現時点での吸気管圧力Pbの値に設定し、ＩＶＣ時筒内ガス温度Tgivcを吸気温センサ７２から得られる現時点での吸気温度Tbの値に設定し、ＩＶＣ時エンジン回転速度NEivcをクランクポジションセンサ７４から取得される現時点でのエンジン回転速度NEの値に設定し、ＩＶＣ時冷却水温THWivcを水温センサ７７から取得される現時点での冷却水温THWの値に設定する。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ３１５に進んで、上記設定されたＩＶＣ時筒内ガス圧力Pgivcと、上記設定されたＩＶＣ時筒内ガス温度Tgivcと、ＩＶＣ時筒内容積Vg(CAivc)と、気体の状態方程式に基づくステップ３１５内に記載の式とに基づいて筒内ガスの全質量Mgを求める。ＩＶＣ時筒内容積Vg(CAivc)は、設計諸元等から得られるクランク角度CAの関数である筒内容積Vg(CA)においてCA＝CAivcとしたときの値である。Ｒは気体定数（本例では、定数）である。この計算は、ＩＶＣ時では、筒内ガスの圧力及び温度はそれぞれ、上記設定されたＩＶＣ時筒内ガス圧力Pgivc及び上記設定されたＩＶＣ時筒内ガス温度Tgivcに近い値になっているとの事実に基づく。

次いで、ＣＰＵ６１はステップ３２０に進み、アクセル開度センサ７５により得られる現時点でのアクセル開度Accp、クランクポジションセンサ７４から取得される現時点でのエンジン回転速度NE、及び図６に示したテーブル（マップ）MapQfinから指令燃料噴射量Qfin（＝指令パイロット燃料噴射量Qp＋指令メイン燃料噴射量Qm）を求める。テーブルMapQfinは、アクセル開度Accp及びエンジン回転速度NEと、指令燃料噴射量Qfin(＝Qp＋Qm)との関係を規定するテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

次に、ＣＰＵ６１はステップ３２５に進み、指令燃料噴射量Qfin、エンジン回転速度NE、及び図７に示したテーブルMapCAinjから、パイロット燃料噴射開始時期（クランク角度）CAinjp及びメイン燃料噴射開始時期（クランク角度）CAinjmを決定する。テーブルMapCAinjは、指令燃料噴射量Qfin及びエンジン回転速度NEと、パイロット燃料噴射開始時期CAinjp及びメイン燃料噴射開始時期CAinjmとの関係を規定するテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ３３０に進んで、指令燃料噴射量Qfin、エンジン回転速度NE、及び図８に示したテーブルMapPcrbaseから基本燃料噴射圧力Pcrbaseを決定する。テーブルMapPcrbaseは、指令燃料噴射量Qfin及びエンジン回転速度NEと、基本燃料噴射圧力Pcrbaseとの関係を規定するテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

次に、ＣＰＵ６１はステップ３３５に進み、燃焼室から排出されるＳＯＦの濃度［ＳＯＦ］、及び燃焼室から排出されるＳｏｏｔの濃度［Ｓｏｏｔ］を共に初期値「０」に設定する。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ３４０に進んで、上記ＩＶＣ時エンジン回転速度NEivcと、微小クランク角度ΔCA（定数）と、NE，ΔCAを引数とする微小時間Δｔを求めるための関数funcΔｔとに基づいて、微小時間Δｔを求める。この微小時間Δｔは、エンジン回転速度NE＝NEivcの場合における、微小クランク角度ΔCAに相当する時間（クランク角度が微小クランク角度ΔCAだけ進行するのに要する時間）である。

次に、ＣＰＵ６１はステップ３４５に進み、計算上のクランク角度CAを先のステップ３２５にて求めたパイロット燃料噴射開始時点CAinjpと等しい値に設定し、続く図４のステップ４０５に進む。

ＣＰＵ６１はステップ４０５に進むと、上述のようにそれぞれ求めた、ＩＶＣ時エンジン回転速度NEivc、筒内ガスの全質量Mg、ＩＶＣ時筒内ガス圧力Pgivc、ＩＶＣ時筒内ガス温度Tgivc、指令パイロット燃料噴射量Qp、指令メイン燃料噴射量Qm、パイロット燃料噴射開始時期CAinjp、メイン燃料噴射開始時期CAinjm、基本燃料噴射圧力Pcrbase、ＩＶＣ時冷却水温THWivc（以下、これら１０個の値を「特定パラメータ値」と称呼する。）と、計算上のクランク角度CA（現時点では、ステップ３４５の処理によりCAinjpに等しい。）と、テーブルMapdFuelとから、クランク角度CAにおける燃料濃度増加速度ｄ［Fuel］/ｄｔを求める。テーブルMapdFuelは、特定パラメータ値及びクランク角度と、燃料濃度増加速度ｄ［Fuel］/ｄｔとの関係を規定する予め実験等を通して作製されたテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ４１０に進み、上記特定パラメータ値と、計算上のクランク角度CAと、テーブルMapdＣＯとから、クランク角度CAにおけるＣＯ濃度増加速度ｄ［ＣＯ］/ｄｔを求める。テーブルMapdＣＯは、特定パラメータ値及びクランク角度と、ＣＯ濃度増加速度ｄ［ＣＯ］/ｄｔとの関係を規定する予め実験等を通して作製されたテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

次に、ＣＰＵ６１はステップ４１５に進み、上記特定パラメータ値と、計算上のクランク角度CAと、テーブルMapdＣＯ_２とから、クランク角度CAにおけるＣＯ_２濃度増加速度ｄ［ＣＯ_２］/ｄｔを求める。テーブルMapdＣＯ_２は、特定パラメータ値及びクランク角度と、ＣＯ_２濃度増加速度ｄ［ＣＯ_２］/ｄｔとの関係を規定する予め実験等を通して作製されたテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

次いで、ＣＰＵ６１はステップ４２０に進み、上記特定パラメータ値と、計算上のクランク角度CAと、テーブルMapdＳｏｏｔとから、クランク角度CAにおけるＳｏｏｔ濃度増加速度ｄ［Ｓｏｏｔ］/ｄｔを求める。テーブルMapdＳｏｏｔは、特定パラメータ値及びクランク角度と、Ｓｏｏｔ濃度増加速度ｄ［Ｓｏｏｔ］/ｄｔとの関係を規定する予め実験等を通して作製されたテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ４２５に進んで、上記求めた燃料濃度増加速度ｄ［Fuel］/ｄｔ、ＣＯ濃度増加速度ｄ［ＣＯ］/ｄｔ、ＣＯ_２濃度増加速度ｄ［ＣＯ_２］/ｄｔ、及びＳｏｏｔ濃度増加速度ｄ［Ｓｏｏｔ］/ｄｔと、上記(2)式とに基づいて、計算上のクランク角度CAでのＨＣ濃度増加速度ｄ［ＨＣ］/ｄｔを求める。

次に、ＣＰＵ６１はステップ４３０に進んで、定数kと、上記ＩＶＣ時エンジン回転速度NEivcと、指令燃料噴射量Qfinと、上記求めたＨＣ濃度増加速度ｄ［ＨＣ］/ｄｔと、関数funcとに基づいて、計算上のクランク角度CAでのＳＯＦ濃度［ＳＯＦ］の増加速度ｄ［ＳＯＦ］/ｄｔを求める。

この関数funcは、k，NE，Qfin（トルクに相当する値），ｄ［ＨＣ］/ｄｔを引数としてＳＯＦ濃度増加速度ｄ［ＳＯＦ］/ｄｔを求める関数であり、例えば、非特許文献「上海交通大学 Ｐ−ＱＴＡＮ，Journal
of the Energy Institute，September 2004，77，pp68-75」に紹介されている。このように、ＳＯＦの量（ｄ［ＳＯＦ］/ｄｔ）は、炭化水素の量（ｄ［ＨＣ］/ｄｔ）に基づいて取得される。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ４３５に進み、その時点でのＳＯＦ濃度［ＳＯＦ］の値（現時点では、先のステップ３３５の処理により「０」）に、上記求めたＳＯＦ濃度増加速度ｄ［ＳＯＦ］/ｄｔに先のステップ３４０にて求めた微小時間Δｔを乗じた値（＝微小時間Δｔの間におけるＳＯＦ濃度［ＳＯＦ］の増加量）を加えることで、ＳＯＦ濃度［ＳＯＦ］の値を更新する。

次いで、ＣＰＵ６１はステップ４４０に進んで、その時点でのＳｏｏｔ濃度［Ｓｏｏｔ］の値（現時点では、先のステップ３３５の処理により「０」）に、先のステップ４２０にて求めたＳｏｏｔ濃度増加速度ｄ［Sｏｏｔ］/ｄｔに先のステップ３４０にて求めた微小時間Δｔを乗じた値（＝微小時間Δｔの間におけるＳｏｏｔ濃度［Ｓｏｏｔ］の増加量）を加えることで、Ｓｏｏｔ濃度［Ｓｏｏｔ］の値を更新する。

次に、ＣＰＵ６１は図５のステップ５０５に進み、その時点での計算上のクランク角度CA（現時点では、先のステップ３４５の処理によりCAinjpに等しい）に微小クランク角度ΔCAを加えることで計算上のクランク角度CAを更新し、続くステップ５１０にて、更新した計算上のクランク角度CAが排気弁Voutの開弁時期（クランク角度）CA_EVOを超えたか否かを判定する。

現時点では、計算上のクランク角度CA（＝CAinjp＋ΔCA）は、排気弁開弁時期CA_EVOを超えていない。従って、ＣＰＵ６１はステップ５１０にて「Ｎｏ」と判定して図４のステップ４０５に戻り、図４のステップ４０５〜４４０及び図５のステップ５０５の一連の処理を再び実行する。

図４のステップ４０５〜４４０及び図５のステップ５０５の一連の処理は、ステップ５０５の繰り返し実行により更新されていく計算上のクランク角度CAが排気弁開弁時期CA_EVOを超えるまで繰り返し実行されていく。これにより、ステップ４３５，４４０にて、ＳＯＦ濃度［ＳＯＦ］、Ｓｏｏｔ濃度［Ｓｏｏｔ］がそれぞれ更新されていく。

そして、計算上のクランク角度CAが排気弁開弁時期CA_EVOを超えると、ＣＰＵ６１はステップ５０５に進んだとき「Ｙｅｓ」と判定してステップ５１５に進むようになる。なお、ステップ４３５，４４０にてそれぞれ更新されてきたＳＯＦ濃度［ＳＯＦ］及びＳｏｏｔ濃度［Ｓｏｏｔ］のこの時点での値はそれぞれ、燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ量（排気ガス中のＳＯＦ濃度）及び燃焼室から排出されるＰＭ中のＳｏｏｔ量（排気ガス中のＳｏｏｔ濃度）を表す。

ＣＰＵ６１はステップ５１５に進むと、先のステップ４３５，４４０にてそれぞれ更新されているＳＯＦ濃度［ＳＯＦ］及びＳｏｏｔ濃度［Ｓｏｏｔ］の各値と、ステップ５１５内に記載の式とに基づいて、燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ割合であるＳＯＦ/ＰＭの値を算出する。この計算は、ＰＭがＳｏｏｔとＳＯＦのみからなるとの仮定に基づく。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ５２０に進んで、上記求めた値ＳＯＦ/ＰＭが第１所定値α１以上であって且つ第２所定値α２（＞α１）以下であるか否かを判定する。この第１所定値α１は、ＤＰＮＲ４３（ＰＭ捕集手段）から排出されるＰＭの総量の低減の観点から決定される値ＳＯＦ/ＰＭの下限値（本例では、定数）である。第２所定値α２は、燃費の悪化及び出力の低下等の抑制の観点から決定される値ＳＯＦ/ＰＭの上限値（本例では、一定）である。

ＣＰＵ６１はステップ５２０にて「Ｙｅｓ」と判定する場合（α１≦ＳＯＦ/ＰＭ≦α２）、ステップ５２５に進んで、指令最終燃料噴射圧力Pcrfinを先のステップ３３０にて求めた基本燃料噴射圧力Pcrbaseと等しい値に設定する。

一方、ＣＰＵ６１はステップ５２０にて「Ｎｏ」と判定する場合、ステップ５３０に進み、値ＳＯＦ/ＰＭが第１所定値α１よりも小さいか否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定する場合（ＳＯＦ/ＰＭ＜α１）、ステップ５３５に進んで、指令最終燃料噴射圧力Pcrfinを上記基本燃料噴射圧力Pcrbaseに調整値ΔPcr（正の定数）を加えた値に設定する。これは、以下の理由に基づく。

即ち、燃料噴射圧力が大きいほど燃焼室から排出されるＳｏｏｔ量が減少することが知られている。これは、燃料噴射圧力が大きいほど燃料噴霧の粒径が小さくなって燃料と酸素の反応がより促進されるからであると考えられる。他方、燃焼室から排出されるＳｏｏｔ量が減少することは上記値ＳＯＦ/ＰＭが増大することを意味する（ステップ５１５内に記載の式を参照）。以上より、燃料噴射圧力を増大させると上記値ＳＯＦ/ＰＭを増大させることができる。

一方、ＣＰＵ６１はステップ５２０にて「Ｎｏ」と判定する場合（ＳＯＦ/ＰＭ＞α２）、ステップ５４０に進んで、指令最終燃料噴射圧力Pcrfinを上記基本燃料噴射圧力Pcrbaseから調整値ΔPcr（正の定数）を減じた値に設定する。これは、上記と反対に、燃料噴射圧力を減少させると上記値ＳＯＦ/ＰＭを減少させることができることに基づく。

そして、ＣＰＵ６１はステップ５４５に進んで、燃料噴射圧力が上記求めた指令最終燃料噴射圧力Pcrfinと一致するように燃料噴射用ポンプ２２に対して指示した後、ステップ３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ここで、ステップ５４５が実行される時点は、今回の吸気弁閉弁時（ＩＶＣ時）が到来した時点（ステップ３０５にて「Ｙｅｓ」と判定された時点）の直後である（即ち、今回の実際のパイロット燃料噴射開始時期CAinjpよりも十分に前の時点である）。従って、ステップ５４５の実行により、今回の実際のパイロット燃料噴射開始時期CAinjpよりも前の時点で燃料噴射圧力が上記求めた指令最終燃料噴射圧力Pcrfinと一致するように調整され得る。

この結果、今回の燃料噴射前における燃料噴射圧力（制御パラメータ）の調整により、今回の燃料噴射に基づく燃焼後において燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ割合（ＳＯＦ/ＰＭ）が上記第１所定値α１以上、上記第２所定値α２以下（所定値、所定の範囲）に積極的に制御され得る。

また、ＣＰＵ６１は、図９にフローチャートにより示した燃料噴射制御を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に、気筒毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ６１はステップ９００から処理を開始し、ステップ９０５に進んで実クランク角度CAactが先のステップ３２５にて決定されているパイロット燃料噴射開始時期CAinjpに一致したか否かを判定し、「Ｎｏ」と判定する場合、ステップ９１５に進んで実クランク角度CAactが先のステップ３２５にて決定されているメイン燃料噴射開始時期CAinjmに一致したか否かを判定し、「Ｎｏ」と判定する場合、ステップ９９５に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。

いま、実クランク角度CAactが上記パイロット燃料噴射開始時期CAinjpに一致したものとすると、ＣＰＵ６１はステップ９０５に進んだとき「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進んで、対応する燃料噴射弁２１に対してステップ３２０にて決定されている指令パイロット燃料噴射量Qpの燃料の噴射指示を行い、続くステップ９１５にて「Ｎｏ」と判定した後、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、指令パイロット燃料噴射量Qpの燃料が上述した指令最終燃料噴射圧力Pcrfinをもって噴射される。

その後、実クランク角度CAactが上記メイン燃料噴射開始時期CAinjmに一致したものとすると、ＣＰＵ６１はステップ９０５にて「Ｎｏ」と判定しステップ９１５に進んだとき「Ｙｅｓ」と判定してステップ９２０に進み、対応する燃料噴射弁２１に対してステップ３２０にて決定されている指令メイン燃料噴射量Qmの燃料の噴射指示を行った後、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、指令メイン燃料噴射量Qmの燃料が上述した指令最終燃料噴射圧力Pcrfinをもって噴射される。

以上、ステップ５１５は成分割合取得手段に相当し、ステップ５４５は成分割合制御手段に相当し、ステップ４３５はＳＯＦ量取得手段に相当し、ステップ４４０はＳｏｏｔ量取得手段に相当し、ステップ４２５は炭化水素量取得手段に相当している。

以上、説明したように、本発明による排気制御装置の実施形態によれば、今回の燃料噴射圧力を調整することにより、今回の燃料噴射に基づく燃焼後において燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦ割合（ＳＯＦ/ＰＭ）が上記第１所定値α１以上、上記第２所定値α２以下に積極的に制御され得る。これにより、燃費の悪化、出力の低下等を抑制しつつＤＰＮＲ４３から排出される（従って、外部へ排出される）ＰＭの総量を低減することができる。

また、値ＳＯＦ/ＰＭを算出するにあたり使用されるＨＣ濃度増加速度ｄ［ＨＣ］/ｄｔが、燃焼室内のガス中の炭素原子の数に着目することで、燃焼室内で発生するＨＣの増加速度を増大させる要因となる「燃焼室への燃料の供給」、並びに、燃焼室内で発生するＨＣの増加速度を減少させる要因となる「燃焼室での燃料の燃焼により発生するＨＣ以外の炭素原子Ｃを含んだ成分の発生」を考慮して計算される。従って、ＨＣ濃度増加速度ｄ［ＨＣ］/ｄｔが精度良く計算され得るから、値ＳＯＦ/ＰＭも精度良く計算され得る。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、指令最終燃料噴射圧力Pcrfin（従って、燃料噴射圧力）を調整してＳｏｏｔ量を調整することで値ＳＯＦ/ＰＭが上記第１所定値α１以上上記第２所定値α２以下の範囲内に制御されているが、ＥＧＲ率を調整してＳｏｏｔ量を調整することで値ＳＯＦ/ＰＭを上記第１所定値α１以上上記第２所定値α２以下の範囲内に制御するように構成してもよい。また、燃料噴射時期を調整して未燃ＨＣの量（即ち、ＳＯＦの量）を調整することで値ＳＯＦ/ＰＭを上記第１所定値α１以上上記第２所定値α２以下の範囲内に制御するように構成してもよい。

また、上記実施形態においては、値ＳＯＦ/ＰＭが上記第１所定値α１以上上記第２所定値α２以下の範囲内に制御されているが、値ＳＯＦ/ＰＭが上記第１所定値α１以上であって上記第２所定値α２以下の或る一つの値に制御されてもよい。

また、上記実施形態においては、値ＳＯＦ/ＰＭの上限値及び下限値である上記第１所定値α１及び上記第２所定値α２を一定としているが、機関の運転状態に応じて上記第１所定値α１及び上記第２所定値α２を可変としてもよい。

また、上記実施形態においては、値ＳＯＦ/ＰＭの計算に必要となる、燃料濃度増加速度ｄ［Fuel］/ｄｔ、ＣＯ濃度増加速度ｄ［ＣＯ］/ｄｔ、ＣＯ_２濃度増加速度ｄ［ＣＯ_２］/ｄｔ、及びＳｏｏｔ濃度増加速度ｄ［Ｓｏｏｔ］/ｄｔをそれぞれ対応するテーブルを利用して取得しているが、センサを利用してこれらの値を取得するように構成してもよい。

加えて、排気ガス中のＰＭ濃度を検出するセンサを利用して排気ガス中のＰＭ濃度［ＰＭ］を直接検出する場合、ステップ５１５に記載の式（ＳＯＦ/ＰＭ＝［ＳＯＦ］/(［ＳＯＦ］＋［Ｓｏｏｔ］)）に代えて、（ＳＯＦ/ＰＭ＝［ＳＯＦ］/［ＰＭ］）なる式に従って値ＳＯＦ/ＰＭを計算してもよい。更には、（ＳＯＦ/ＰＭ＝(［ＰＭ］−［Ｓｏｏｔ］)/［ＰＭ］）なる式に従って値ＳＯＦ/ＰＭを計算してもよい。

本発明の実施形態に係る内燃機関の排気制御装置を４気筒内燃機関（ディーゼル機関）に適用したシステム全体の概略構成図である。 或る一つの気筒のシリンダ内(筒内)に吸気マニホールドからガスが吸入され、筒内に吸入されたガスが排気マニホールドへ排出される様子を模式的に示した図である。 図１に示したＣＰＵが実行するＰＭ中のＳＯＦ割合ＳＯＦ/ＰＭを制御するためのルーチンの第１番目の部分を示したフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが実行するＰＭ中のＳＯＦ割合ＳＯＦ/ＰＭを制御するためのルーチンの第２番目の部分を示したフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが実行するＰＭ中のＳＯＦ割合ＳＯＦ/ＰＭを制御するためのルーチンの第３番目の部分を示したフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが図３に示したルーチンを実行する際に参照する指令燃料噴射量を決定するためのテーブルである。 図１に示したＣＰＵが図３に示したルーチンを実行する際に参照する燃料燃料噴射時期を決定するためのテーブルである。 図１に示したＣＰＵが図３に示したルーチンを実行する際に参照する基本燃料噴射圧力を決定するためのテーブルである。 図１に示したＣＰＵが実行する燃料噴射制御を行うためのルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

２１…燃料噴射弁、４３…ＤＰＮＲ、６０…電気制御装置、６１…ＣＰＵ、７２…吸気温センサ、７３…吸気管圧力センサ、７４…クランクポジションセンサ、７７…水温センサ

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に配設されたＰＭを捕集するＰＭ捕集手段を備えた内燃機関に適用され、
   前記内燃機関の燃焼室での燃料の燃焼により発生し同燃焼室から排出されるＰＭの成分割合を取得する成分割合取得手段と、
   前記取得されたＰＭの成分割合が所定値になるように同取得されたＰＭの成分割合に基づいて前記内燃機関の制御パラメータを制御する成分割合制御手段と、
   を備えた内燃機関の排気制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気制御装置において、
   前記成分割合取得手段は、前記ＰＭ中のＳＯＦの割合を取得するとともに、
   前記成分割合制御手段は、前記取得されたＰＭ中のＳＯＦの割合が所定値になるように同取得されたＳＯＦの割合に基づいて前記制御パラメータを制御するように構成された内燃機関の排気制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の排気制御装置において、
   前記成分割合取得手段は、
   前記燃焼室から排出されるＰＭ中のＳｏｏｔの量を取得するＳｏｏｔ量取得手段と、
   前記燃焼室から排出されるＰＭ中のＳＯＦの量を取得するＳＯＦ量取得手段と、
   を備え、
   前記成分割合取得手段は、
   前記ＰＭがＳｏｏｔとＳＯＦのみからなるとの仮定のもと、前記取得されたＳｏｏｔ量と、前記取得されたＳＯＦ量とに基づいて前記ＰＭ中のＳＯＦの割合を取得するように構成された内燃機関の排気制御装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の排気制御装置において、
   前記ＳＯＦ量取得手段は、
   前記燃焼室で発生する炭化水素の量を取得する炭化水素量取得手段を備え、前記取得された炭化水素の量に基づいて前記ＳＯＦの量を取得するように構成された内燃機関の排気制御装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の排気制御装置において、
   前記炭化水素量取得手段は、
   前記燃焼室への燃料噴射量と、前記燃焼室で発生する少なくとも一つの炭化水素以外の成分であって炭素原子を含んだ成分の量とに基づいて前記炭化水素の量を取得するように構成された内燃機関の排気制御装置。
6. 請求項５に記載の内燃機関の排気制御装置において、
   前記炭化水素量取得手段は、
   前記炭素原子を含んだ成分として、ＣＯ、ＣＯ_２、及びＳｏｏｔの少なくとも一つを使用するように構成された内燃機関の排気制御装置。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の内燃機関の排気制御装置において、
   前記成分割合制御手段は、
   前記制御パラメータとして、燃料噴射圧力、燃料噴射時期、及びＥＧＲ率の少なくとも一つを使用するように構成された内燃機関の排気制御装置。
   

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