JP2008261271A

JP2008261271A - 内燃機関の排気還流装置

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Publication number: JP2008261271A
Application number: JP2007103990A
Authority: JP
Inventors: Akiyuki Iemura; 曉幸家村; Akio Matsunaga; 彰生松永; Shigeki Nakayama; 茂樹中山; Tomomi Onishi; 知美大西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-30

Abstract

【課題】排気浄化触媒を通過している排気の流量を簡単な構成で推定することが可能な内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】排気通路５に設けられた排気浄化触媒１０と、排気浄化触媒１０の上流から燃料を添加する燃料添加弁９と、排気浄化触媒１０よりも下流の排気通路５と吸気通路４とを連通するＥＧＲ通路２０と、排気浄化触媒１０よりも下流かつＥＧＲ通路２０の接続位置よりも上流の排気通路５に配置されるＡ／Ｆセンサ３３と、を備えた内燃機関の排気還流装置において、内燃機関１が所定の運転状態で運転され、かつ燃料添加弁９から燃料が添加されていない状態の排気の酸素濃度Ｒｏｘｅと内燃機関１が所定の運転状態で運転され、かつ燃料添加弁９から燃料が添加されている状態の排気の酸素濃度Ｒｏｘｅａｄを取得し、これらの酸素濃度に基づいて排気浄化触媒１０を通過している排気の流量を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化触媒又はパティキュレートフィルタなどの排気浄化手段よりも下流の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を備えた内燃機関の排気還流装置に関する。

排気浄化触媒が担持されたフィルタを内蔵した触媒コンバータの出口部に連結された排気管と排気ターボチャージャのコンプレッサ上流の空気吸込管とが第１のＥＧＲ通路にて連結され、排気ターボチャージャの排気タービンよりも上流に位置する排気マニホルドと内燃機関の吸気ポートに連結されるサージタンクとが第２のＥＧＲ通路にて連結された内燃機関が知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−０７６４５６号公報

排気浄化触媒又はパティキュレートフィルタなどの排気浄化手段には、温度を目標温度に昇温する昇温操作によって排気の浄化機能を再生するものが知られている。このような排気浄化手段の温度の制御は、排気浄化手段を通過している排気の流量に影響される。そのため、排気浄化手段の温度の制御精度を高めるには、排気浄化手段を通過している排気の流量を把握する必要がある。排気浄化手段の上流の排気通路からのみ吸気通路に排気が還流される場合は、外部から内燃機関に吸入された空気（以下、新気と称することがある。）とほぼ同量のガスが排気として排気浄化手段を通過する。そのため、新気の流量に基づいて排気浄化手段を通過しているガスの流量（以下、通過ガス量と称することがある。）を算出することができる。一方、特許文献１の内燃機関のように排気浄化手段よりも下流の排気通路から排気が還流される場合は、新気及び吸気通路に還流された排気が排気浄化手段を通過する。この場合は、新気の流量のみからは通過ガス量を算出することは困難となる。通過ガス量を検出するべく排気通路に排気の流量を検出するセンサを設ける場合は、新たにセンサを設ける必要があるため、コストが高くなる。

そこで、本発明は、排気浄化触媒などの排気浄化手段よりも下流の排気通路から吸気通路に排気を還流するＥＧＲ通路を備えた内燃機関において、排気浄化手段を通過している排気の流量を簡単な構成で推定することが可能な内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気還流装置は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化手段と、前記排気浄化手段の上流から燃料を添加する燃料添加手段と、前記排気浄化手段よりも下流の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、前記排気浄化手段よりも下流かつ前記ＥＧＲ通路の接続位置よりも上流の排気通路に配置されて排気の酸素濃度を検出する検出手段と、を備えた内燃機関の排気還流装置において、前記内燃機関が所定の運転状態で運転され、かつ前記燃料添加手段から燃料が添加されていない状態の排気の酸素濃度である添加前酸素濃度を取得するとともに、前記内燃機関が前記所定の運転状態で運転され、かつ前記燃料添加手段から燃料が添加されている状態の排気の酸素濃度である添加後酸素濃度を前記検出手段の検出結果に基づいて取得する酸素濃度取得手段と、前記酸素濃度取得手段により取得された前記添加前酸素濃度及び前記添加後酸素濃度に基づいて前記排気浄化手段を通過している排気の流量を推定する排気流量推定手段と、を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

周知のように排気中に燃料を添加した場合、その添加した燃料によって排気中の酸素が消費されるため、排気の酸素濃度が低下する。排気中の酸素の量は排気の流量が多いほど多いため、添加した燃料量が同じであれば排気の流量が少ないほど添加前の酸素濃度と添加後の酸素濃度との差が大きくなる。すなわち、排気中に燃料を添加した際の添加前後における排気の酸素濃度の変化は、そのときに排気浄化手段を通過しているガス量（通過ガス量）と相関関係を有している。そのため、酸素濃度取得手段が取得した添加前酸素濃度及び添加後酸素濃度に基づいて排気浄化手段を通過している排気の流量を推定することができる。

本発明の排気還流装置の一形態において、前記酸素濃度取得手段は、前記内燃機関の吸入空気量及び前記内燃機関の気筒内にて燃焼させるべく前記気筒に供給した燃料量に基づいて前記添加前酸素濃度を算出してもよい（請求項２）。排気に燃料が添加されていない場合、新気に含まれていた酸素量から気筒内で燃料の燃焼に消費された酸素量を引いた値が排気に含まれる酸素量となる。そのため、排気の酸素濃度は、新気の流量と内燃機関の気筒内にて燃焼させるべく気筒に供給した燃料量とを足した値でその排気に含まれる酸素量を割ることによって求めることができる。また、このように添加前酸素濃度を算出する場合、吸入空気量及び燃料量を取得することにより、添加前酸素濃度と添加後酸素濃度とをほぼ同じ時期に算出することができる。

本発明の排気還流装置の一形態においては、前記内燃機関が前記所定の運転状態で安定に運転されているか否か判定する判定手段をさらに備え、前記酸素濃度取得手段は、前記判定手段により前記内燃機関が前記所定の運転状態で安定に運転されていると判定された場合、前記検出手段の検出結果に基づいて前記添加前酸素濃度を取得し、次に前記燃料添加手段から燃料を添加させ、その後前記検出手段の検出結果に基づいて前記添加後酸素濃度を取得してもよい（請求項３）。周知のようにセンサは検出精度を有しており、各センサでその検出精度は異なっている。そのため、添加前酸素濃度と添加後酸素濃度とをそれぞれ異なるセンサの検出結果に基づいて算出した場合、添加前酸素濃度には添加前酸素濃度の算出に使用したセンサの検出誤差が、添加後酸素濃度には添加後酸素濃度の算出に使用したセンサの検出誤差がそれぞれ含まれる。これらの酸素濃度に基づいて通過ガス量を推定すると、推定した通過ガス量には各酸素濃度の検出誤差が含まれることになる。この形態では、同じ検出手段の検出結果に基づいて添加前酸素濃度及び添加後酸素濃度をそれぞれ取得するので、通過ガス量の推定精度に影響を与える原因を減少させることができる。そのため、通過ガス量の推定精度を向上させることができる。

本発明の排気還流装置の一形態においては、前記排気流量推定手段により推定された排気の流量、前記内燃機関の吸入空気量、及び前記内燃機関の気筒内にて燃焼させるべく前記気筒に供給した燃料量に基づいて前記ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流される排気であるＥＧＲガスの流量を算出するＥＧＲガス流量算出手段をさらに備えていてもよい（請求項４）。吸入空気量、燃料量、及びＥＧＲガスの流量の合計が、排気浄化手段を通過している排気の流量（通過ガス量）になるため、通過ガス量から吸入空気量及び燃料量を引くことによりＥＧＲガスの流量を算出することができる。

この形態においては、前記排気浄化手段よりも上流の排気通路と前記吸気通路とを連通する高圧ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの流量を推定する吸入ガス量推定手段と、をさらに備え、前記燃料添加手段は前記高圧ＥＧＲ通路の接続位置よりも下流、かつ前記排気浄化手段よりも上流の排気通路に設けられ、前記ＥＧＲガス流量算出手段は、算出した前記ＥＧＲガスの流量、前記吸入ガス量推定手段により推定されたガスの流量、及び前記内燃機関の吸入空気量に基づいて前記高圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流される排気である高圧ＥＧＲガスの流量を算出してもよい（請求項５）。内燃機関の気筒に吸入されるガスは、高圧ＥＧＲガス、ＥＧＲガス、新気を合計したものである。そのため、内燃機関の気筒に吸入されたガスの流量からＥＧＲガスの流量及び吸入空気量を引くことにより、容易に高圧ＥＧＲガスの流量を算出することができる。

以上に説明したように、本発明の排気還流装置によれば、新たにセンサを設けることなく簡単な構成で排気浄化手段を通過している排気の流量を取得することができる。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係る排気還流装置が組み込まれた内燃機関を示している。図１の内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるディーゼルエンジンであり、複数の気筒２が設けられる機関本体３と、各気筒２にそれぞれ接続される吸気通路４及び排気通路５とを備えている。吸気通路４には、新気の流量である吸入空気量に対応した信号を出力するエアフローメータ６と、ターボ過給機７のコンプレッサ７ａと、吸気を冷却するためのインタークーラ８とが設けられている。排気通路５には、排気中に燃料を添加する燃料添加手段としての燃料添加弁９と、ターボ過給機７のタービン７ｂと、排気を浄化する排気浄化手段としての排気浄化触媒１０とが設けられている。図１に示したように燃料添加弁９は、排気浄化触媒１０よりも上流の排気通路５に設けられる。排気浄化触媒１０としては、例えば吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が設けられる。

図１に示したようにエンジン１は、排気浄化触媒１０よりも下流の排気通路５とコンプレッサ７ａよりも上流の吸気通路４とを連通するＥＧＲ通路２０を備えている。ＥＧＲ通路２０には、吸気通路４に還流されるＥＧＲガスの流量を調整するためのＥＧＲ弁２１が設けられている。

エンジン１の運転状態は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によって制御される。ＥＣＵ３０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、気筒２に燃料を噴射するためのインジェクタ４０、インジェクタ４０へ供給される燃料圧力を蓄えるコモンレール４１の圧力調整弁といった各種の装置を操作してエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ３０は、例えばエンジン１の回転数及び吸入空気量に基づいてエンジン１の空燃比が目標空燃比になるように各インジェクタ３０から噴射すべき燃料量（以下、噴射燃料量と称することがある。）を算出し、その算出した燃料量の燃料が噴射されるように各インジェクタ３０の動作を制御する。また、ＥＣＵ３０は、燃料添加弁９から排気中に添加すべき燃料量を算出し、その算出した燃料量の燃料が排気中に添加されるように燃料添加弁９の動作を制御する。ＥＣＵ３０による制御対象はその他ＥＧＲ弁２１など種々存在する。ＥＣＵ３０には、これら制御対象への制御において参照されるべき各種の物理量又は状態量を検出する検出手段として、エンジン１のクランク角に対応して信号を出力するクランク角センサ３１、アクセルの開度に対応した信号を出力するアクセル開度センサ３２、排気の空燃比に対応した信号を出力するＡ／Ｆセンサ３３、及びエアフローメータ６などが接続されている。図１に示したようにＡ／Ｆセンサ３３は、排気浄化触媒１０よりも下流、かつＥＧＲ通路２０の接続位置よりも上流の排気通路５に設けられる。周知のように、排気の酸素濃度は排気の空燃比に基づいて算出できる。そのため、Ａ／Ｆセンサ３３が本発明の検出手段として機能する。

排気浄化触媒１０として設けられる吸蔵還元型のＮＯｘ触媒は、排気中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）によって被毒されその浄化性能が徐々に低下する。このＳＯｘによる被毒は、排気浄化触媒１０に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりリッチにするとともに排気浄化触媒１０の温度を目標温度（例えば、６５０°Ｃ）に昇温する昇温操作を実行することにより回復させることができる。そこで、ＥＣＵ３０は所定の間隔で燃料添加弁９から排気中に燃料を添加し、この回復処理（以下、Ｓ再生と称することがある。）を実行する。ＥＣＵ３０は、Ｓ再生を実行する場合、まず排気浄化触媒１０をＳ再生時の目標温度まで昇温するために必要な燃料量を算出し、次に算出した燃料量の燃料が排気中に添加されるように燃料添加弁９の動作を制御する。排気浄化触媒１０の温度は排気浄化触媒１０を通過している排気の流量（通過ガス量）に影響されるため、このように排気浄化触媒１０の温度を制御する場合は通過ガス量を把握する必要がある。

排気中に燃料を添加した場合、その添加した燃料が排気中で燃焼して排気中の酸素を消費するので、排気の酸素濃度が低下する。添加した燃料量が同じであれば、排気の流量が少ないほど排気の酸素濃度は低くなる。燃料添加弁９から燃料を添加したときの排気の酸素濃度Ｒｏｘｅａｄは、燃料添加弁９から燃料が添加されていないときの排気の酸素濃度Ｒｏｘｅ、通過ガス量Ｇｃａｔ、燃料添加弁９から排気中に添加した燃料量（以下、添加燃料量と称することがある。）Ｑａｄ、及び燃料添加弁９から添加された燃料が燃焼するときに消費される酸素量（以下、消費酸素量と称することがある。）αより式（１）で示すことができる。なお、このように計算式で使用するため、本発明におけるガスの流量は重量流量で示される。

なお、消費酸素量αは、添加燃料量Ｑａｄ、燃料の理論空燃比Ａ／Ｆｔｈ、及び空気中の酸素の重量比Ｒａｉｒより式（２）で示すことができる。なお、燃料が軽油の場合、理論空燃比Ａ／Ｆｔｈには例えば１４．６が用いられる。また、重量比Ｒａｉｒには例えば０．２３３が用いられる。

式（１）に式（２）を代入して変形することにより、以下の式（３）を導くことができる。

式（３）において添加燃料量ＱａｄはＥＣＵ３０が算出する。そのため、燃料添加弁９から燃料を添加したときの排気の酸素濃度Ｒｏｘｅａｄ、及び燃料添加弁９よりも上流の排気の酸素濃度Ｒｏｘｅを取得することにより、通過ガス量Ｇｃａｔを算出することができる。

そこで、ＥＣＵ３０は、通過ガス量Ｇｃａｔを推定するべく図２に示した触媒通過ガス量推定ルーチンをエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行する。図２のルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１でエンジン１の運転状態を取得する。エンジン１の運転状態としては、エンジン１の回転数、アクセル開度、吸入空気量、及び噴射燃料量が取得される。続くステップＳ１２においてＥＣＵ３０は、所定の推定条件が成立しているか否か判定する。上述したように通過ガス量Ｇｃａｔの算出は燃料添加弁９から燃料を添加した際の酸素濃度の変化に基づいて行う。そのため、各気筒２から排出される排気の温度が高く、燃料添加弁９から燃料を添加する前の時点で既に排気浄化触媒１０の温度が高い場合は燃料添加弁９から燃料を添加すると排気浄化触媒１０が過熱され、排気浄化触媒１０が焼損するおそれがある。そこで、例えば排気中に燃料を添加しても排気浄化触媒１０の温度を焼損が生じない温度域に抑えることが可能な場合に所定の推定条件が成立していると判断する。所定の推定条件が不成立と判断した場合は今回のルーチンを終了する。

一方、所定の推定条件が成立していると判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ３０は排気への燃料添加を実行する。上述したように通過ガス量Ｇｃａｔは、燃料を添加したときの排気の酸素濃度の変化に基づいて算出する。Ａ／Ｆセンサ３３は燃料添加弁９よりも下流に設けられているため、燃料が添加された排気の酸素濃度は、Ａ／Ｆセンサ３３の検出結果に基づいて取得することができる。そこで、排気に添加する添加燃料量Ｑａｄには、Ａ／Ｆセンサ３３にて検出可能な範囲で排気の酸素濃度を変化させることが可能な燃料量が設定される。この添加燃料量Ｑａｄは、予め所定値を設定しておいてもよいし、燃料添加時のエンジン１の運転状態に応じて設定してもよい。

次のステップＳ１４においてＥＣＵ３０は、エンジン１が所定の運転状態で運転され、かつ燃料添加弁９から燃料が添加されていない状態の排気の酸素濃度である添加前酸素濃度Ｒｏｘｅと、エンジン１が所定の運転状態で運転され、かつ燃料添加弁９から燃料が添加されている状態の排気の酸素濃度である添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄとを算出する。上述したように添加後酸素濃度ＲｏｘｅａｄはＡ／Ｆセンサ３３の出力信号に基づいて算出する。一方、添加前酸素濃度Ｒｏｘｅは、燃料の理論空燃比Ａ／Ｆｔｈ、吸入空気量Ｇａ及び噴射燃料量Ｑを以下の式（４）に代入することにより求めることができる。噴射燃料量ＱはＥＣＵ３０によりそれぞれ設定され、吸入空気量Ｇａはエアフローメータ６にて検出できるので、これらは既知の値である。そのため、添加前酸素濃度Ｒｏｘｅを算出することができる。なお、燃料の理論空燃比Ａ／Ｆｔｈの代わりにＥＣＵ３０によって設定されるエンジン１の目標空燃比を用いてもよい。この処理を実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の酸素濃度取得手段として機能する。

続くステップＳ１５においてＥＣＵ３０は、算出した添加前酸素濃度Ｒｏｘｅ及び添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄを上述の式（３）に代入して通過ガス量Ｇｃａｔを算出する。これにより、ＥＣＵ３０が本発明の排気流量推定手段として機能する。その後、今回のルーチンを終了する。

このように図２のルーチンを実行し、添加前酸素濃度Ｒｏｘｅと添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄとを算出することにより、通過ガス量Ｇｃａｔを算出することができる。そして、例えばＳ再生時に燃料添加弁９から添加すべき燃料量の算出を、この算出した通過ガス量Ｇｃａｔを参照して行うことにより、排気浄化触媒１０の温度の制御精度を向上させることができる。また、この算出方法ではエアフローメータ６及びＡ／Ｆセンサ３３の検出結果によって通過ガス量Ｇｃａｔを算出できるので、新たにセンサを設ける必要がない。

図３のルーチンは、触媒通過ガス量推定ルーチンの変形例を示している。なお、図３において図２と同一の処理には同一の参照符号を付して説明を省略する。図３のルーチンにおいてＥＣＵ３０は、ステップＳ１２まで図２と同様に処理を進める。ステップＳ１２で所定の推定条件が成立していると判断した場合はステップ２１に進み、ＥＣＵ３０はエンジン１の運転状態が予め設定した定常状態で安定に運転されているか否か判断する。定常状態としては、例えばアクセル開度及びエンジン１の回転数がほぼ一定の運転状態が設定される。この処理を実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の判定手段として機能する。エンジン１の運転状態が定常状態ではないと判断した場合は今回のルーチンを終了する。

一方、エンジン１の運転状態が定常状態と判断した場合はステップＳ２２に進み、ＥＣＵ３０はＡ／Ｆセンサ３３の出力信号に基づいて排気の酸素濃度を算出する。この時点では燃料添加弁９から排気中に燃料が添加されていないため、この酸素濃度は添加前酸素濃度Ｒｏｘｅである。続くステップＳ１３においてＥＣＵ３０は排気中への燃料添加を実行する。次のステップＳ２３においてＥＣＵ３０は、Ａ／Ｆセンサ３３の出力信号を参照して排気の酸素濃度を算出する。この時点では燃料添加弁９から排気中に燃料が添加されているため、この酸素濃度は添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄである。続くステップＳ１５においてＥＣＵ３０は、添加前酸素濃度Ｒｏｘｅ及び添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄを式（３）に代入して通過ガス量Ｇｃａｔを算出する。その後、今回のルーチンを終了する。

周知のように異なるセンサでは、その検出精度も異なる。そのため、添加前酸素濃度Ｒｏｘｅの算出に用いたセンサと添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄの算出に用いたセンサとが異なる場合は、これらの酸素濃度を使用して通過ガス量を算出には添加前酸素濃度Ｒｏｘｅの算出に用いたセンサの検出誤差と添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄの算出に用いたセンサの検出誤差とが含まれる。図３のルーチンでは、添加前酸素濃度Ｒｏｘｅも添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄも同じＡ／Ｆセンサ３３の検出結果に基づいて算出するため、通過ガス量に含まれる検出誤差を減少させ、通過ガス量の推定精度に影響を与える原因を減少させることができる。そのため、通過ガス量の推定精度を向上させることができる。

（第２の形態）
図４は、本発明の第２の形態に係る排気還流装置が組み込まれた内燃機関を示している。なお、図４において図１と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。図４に示したように、ＥＧＲ通路２０に加えて吸気通路４と排気通路５とを連通する高圧ＥＧＲ通路２２が設けられる点が図１と異なる。図４に示したように高圧ＥＧＲ通路２２は、燃料添加弁９よりも上流の排気通路５とＥＧＲ通路２０の接続位置よりも下流の吸気通路４とを連通する。すなわち、第２の形態においては、燃料添加弁９が、高圧ＥＧＲ通路２２の接続位置よりも下流、かつ排気浄化触媒１０よりも上流の排気通路５に設けられる。高圧ＥＧＲ通路２２には、高圧ＥＧＲ通路２２を介して吸気通路４に還流される排気（以下、高圧ＥＧＲガスと称することがある。）の流量を調整するための高圧ＥＧＲ弁２３が設けられている。それ以外は、第１の形態と同じである。

このように排気通路５と吸気通路４とが複数のＥＧＲ通路２０、２２で接続されているエンジン１では、各ＥＧＲ通路２０、２２を介して吸気通路４に還流されるＥＧＲガスの流量の変化がエンジン１の運転状態に種々の影響を与える。そのため、各ＥＧＲ通路２０、２２を介して還流されるＥＧＲガスの流量をそれぞれ把握することにより、エンジン１の運転状態を適切に制御することができる。

図５は、図４のエンジン１の各部におけるガス量の関係を示している。図５に示した関係によれば、通過ガス量Ｇｃａｔは、下記の式（５）に示したようにＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌ、吸入空気量Ｇａ、及び噴射燃料量Ｑを合計した値となる。

この式（５）を変形すると式（６）を導出することができる。

また、機関本体３の気筒２に吸入されるガスの流量（以下、筒内吸入ガス量と称することがある。）Ｇｃｙｌは、下記の式（７）に示したように吸入空気量Ｇａ、高圧ＥＧＲガスの流量Ｇｈｐｌ、及びＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌを合計した値となる。

そのため、高圧ＥＧＲガスの流量Ｇｈｐｌは、式（７）を変形した式（８）のように示すことができる。

筒内吸入ガス量Ｇｃｙｌは、吸気通路４の一部を形成し、各気筒２の吸気ポートと接続するインテークマニホールド（以下、インマニと称することがある。）４ａにおける吸気の温度及び圧力に基づいて推定することができる。インマニ４ａの吸気の温度が高いほど密度が小さくなるので、筒内吸入ガス流量Ｇｃｙｌは少なくなる。また、インマニ４ａの吸気の圧力が低いほど、筒内吸入ガス流量Ｇｃｙｌは少なくなる。そこで、筒内吸入ガス流量Ｇｃｙｌの算出は、例えばインマニ４ａにおける吸気の温度及び圧力と筒内吸入ガス流量Ｇｃｙｌとの関係を予め実験などで求めてＥＣＵ３０のＲＯＭにマップとして記憶させておき、そのマップを参照して行えばよい。なお、インマニ４ａの吸気の温度及び圧力は、吸気通路４に温度センサ及び圧力センサを設けて検出してもよいし、エンジン１の運転状態に基づいて推定してもよい。インマニ４ａの吸気の温度及び圧力の推定方法は周知の方法で行えばよいため、詳細な説明は省略する。

このように筒内吸入ガス量Ｇｃｙｌの算出は可能であるため、通過ガス量Ｇｃａｔを算出することができれば、式（６）及び式（８）からＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌ及び高圧ＥＧＲガスの流量Ｇｈｐｌを算出することができる。そこで、ＥＣＵ３０は図６に示したＥＧＲガス流量推定ルーチンをエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行して各ＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌ、Ｇｈｐｌを算出する。図６のルーチンは、図２のルーチンのステップＳ１５の下にステップＳ３１〜Ｓ３３を追加したものである。そのため、図６において図２と同一の処理には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図６のルーチンにおいてＥＣＵ３０はステップＳ１５まで図２のルーチンと同様に処理を進める。次のステップＳ３１においてＥＣＵ３０は、算出した通過ガス量Ｇｃａｔ、吸入空気量Ｇａ、及び噴射燃料量Ｑを式（６）に代入してＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌを算出する。続くステップＳ３２においてＥＣＵ３０は、インマニ４ａにおける吸気の温度及び圧力に基づいて筒内吸入ガス流量Ｇｃｙｌを算出する。この処理を実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の吸入ガス量推定手段として機能する。次のステップＳ３３においてＥＣＵ３０は、算出した筒内吸入ガス流量Ｇｃｙｌ、ＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌ、及び吸入空気量Ｇａを式（８）に代入して高圧ＥＧＲガスの流量Ｇｈｐｌを算出する。その後、今回のルーチンを終了する。

このように図６のルーチンによれば、添加前酸素濃度Ｒｏｘｅ及び添加後酸素濃度Ｒｏｘｅａｄに基づいて通過ガス量Ｇｃａｔを算出し、その通過ガス量Ｇｃａｔに基づいてＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌ及び高圧ＥＧＲガスの流量Ｇｈｐｌをそれぞれ容易に算出することができる。図６のルーチンを実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明のＥＧＲガス流量算出手段として機能する。

図４のエンジン１ではＥＧＲガス及び高圧ＥＧＲガスの両方のＥＧＲガスが吸気通路４に還流されるが、高圧ＥＧＲガスはＥＧＲガスよりも上流側で取り出されるので、高圧ＥＧＲガスの温度はＥＧＲガスの温度よりも高い。そのため、ＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌと高圧ＥＧＲガスの流量Ｇｈｐｌの比が変動して高圧ＥＧＲガスの流量が増加すると吸気の温度が上昇する。この場合、エンジン１の運転状態が変化したり、気筒２内の燃焼温度が上昇して排気エミッションが悪化するおそれがある。そこで、例えば算出したＥＧＲガスの流量Ｇｌｐｌ及び高圧ＥＧＲガスの流量Ｇｈｐｌを用いてＥＧＲガスの流量と高圧ＥＧＲガスの流量との比が一定に維持されるようにＥＧＲ弁２１の開度及び高圧ＥＧＲ弁２３の開度をそれぞれフィードバック制御する。このように各ＥＧＲ弁２１、２３の開度をそれぞれ制御することにより、エンジン１の運転状態を安定化させたり、排気エミッションの悪化を防止したりすることができる。

本発明は、上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンその他の燃料を利用する各種の内燃機関に適用してよい。本発明が適用される内燃機関の排気浄化手段は吸蔵還元型のＮＯｘ触媒に限定されない。例えば、排気浄化手段は、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタでもよい。また、このパティキュレートフィルタに吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が担持されたものでもよい。パティキュレートフィルタにおいては、パティキュレートフィルタをＰＭが酸化除去される温度まで昇温する昇温操作、いわゆるＰＭ再生を行う。そのため、本発明を適用し、パティキュレートフィルタを通過している排気の流量を把握することにより、ＰＭ再生時のパティキュレートフィルタの温度を適切に制御できる。さらに、排気浄化手段は、三元触媒又は酸化触媒でもよい。これらの触媒が設けられた内燃機関に本発明を適用することにより、触媒の温度を適切に制御できるので、触媒の焼損を防止できる。

排気浄化触媒よりも上流の排気中に燃料を添加する手段は、燃料添加弁に限定されない。例えば排気行程中にインジェクタから燃料を噴射させる、いわゆるポスト噴射を行って排気中に燃料を添加してもよい。この場合、インジェクタが本発明の燃料添加手段として機能する。

なお、本発明において吸蔵還元型のＮＯｘ触媒は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒にて保持できるものであればよく、吸収又は吸着いずれの態様でＮＯｘが保持されるかは吸蔵の用語によって制限されない。また、硫黄酸化物（ＳＯｘ）の被毒についてもその態様を問わないものである。さらに、ＮＯｘやＳＯｘの放出についてもその態様を問わない。

本発明の第１の形態に係る排気還流装置が組み込まれた内燃機関を示す図。図１のＥＣＵが実行する触媒通過ガス量推定ルーチンを示すフローチャート。触媒通過ガス量推定ルーチンの変形例を示すフローチャート。本発明の第２の形態に係る排気還流装置が組み込まれた内燃機関を示す図。図４のエンジンの各部におけるガス量の関係を示す図。図４のＥＣＵが実行するＥＧＲガス流量推定ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
４吸気通路
５排気通路
９燃料添加弁（燃料添加手段）
１０排気浄化触媒（排気浄化手段）
２０ＥＧＲ通路
２２高圧ＥＧＲ通路
３０エンジンコントロールユニット（酸素濃度取得手段、排気流量推定手段、判定手段、ＥＧＲガス流量推定手段、吸入ガス量推定手段）
３３Ａ／Ｆセンサ（検出手段）
Ｒｏｘｅ添加前酸素濃度
Ｒｏｘｅａｄ添加後酸素濃度

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化手段と、前記排気浄化手段の上流から燃料を添加する燃料添加手段と、前記排気浄化手段よりも下流の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、前記排気浄化手段よりも下流かつ前記ＥＧＲ通路の接続位置よりも上流の排気通路に配置されて排気の酸素濃度を検出する検出手段と、を備えた内燃機関の排気還流装置において、
前記内燃機関が所定の運転状態で運転され、かつ前記燃料添加手段から燃料が添加されていない状態の排気の酸素濃度である添加前酸素濃度を取得するとともに、前記内燃機関が前記所定の運転状態で運転され、かつ前記燃料添加手段から燃料が添加されている状態の排気の酸素濃度である添加後酸素濃度を前記検出手段の検出結果に基づいて取得する酸素濃度取得手段と、前記酸素濃度取得手段により取得された前記添加前酸素濃度及び前記添加後酸素濃度に基づいて前記排気浄化手段を通過している排気の流量を推定する排気流量推定手段と、を備えていることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
前記酸素濃度取得手段は、前記内燃機関の吸入空気量及び前記内燃機関の気筒内にて燃焼させるべく前記気筒に供給した燃料量に基づいて前記添加前酸素濃度を算出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。
前記内燃機関が前記所定の運転状態で安定に運転されているか否か判定する判定手段をさらに備え、
前記酸素濃度取得手段は、前記判定手段により前記内燃機関が前記所定の運転状態で安定に運転されていると判定された場合、前記検出手段の検出結果に基づいて前記添加前酸素濃度を取得し、次に前記燃料添加手段から燃料を添加させ、その後前記検出手段の検出結果に基づいて前記添加後酸素濃度を取得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。
前記排気流量推定手段により推定された排気の流量、前記内燃機関の吸入空気量、及び前記内燃機関の気筒内にて燃焼させるべく前記気筒に供給した燃料量に基づいて前記ＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流される排気であるＥＧＲガスの流量を算出するＥＧＲガス流量算出手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記排気浄化手段よりも上流の排気通路と前記吸気通路とを連通する高圧ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの流量を推定する吸入ガス量推定手段と、をさらに備え、
前記燃料添加手段は前記高圧ＥＧＲ通路の接続位置よりも下流、かつ前記排気浄化手段よりも上流の排気通路に設けられ、
前記ＥＧＲガス流量算出手段は、算出した前記ＥＧＲガスの流量、前記吸入ガス量推定手段により推定されたガスの流量、及び前記内燃機関の吸入空気量に基づいて前記高圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流される排気である高圧ＥＧＲガスの流量を算出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気還流装置。