JP2017031843A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】気筒内の混合気が含む酸素の量（エアマス）を高い精度で計算できる場合とそうでない場合の両方において燃料噴射量を適切に制限することができるエンジンを提供する。【解決手段】エンジンは、ＤＰＦと、ＥＣＵと、を備える。このＤＰＦは、排気ガス内の粒子状物質（ＰＭ）を捕捉することにより排気ガスを浄化する。ＥＣＵは、燃料噴射量の上限値であるλ制限噴射量を、空気過剰率λの下限値（λ下限値）に基づいて求める。ＥＣＵは、ＤＰＦに捕集されたＰＭの堆積量に基づいてλ下限値を補正し、補正後のλ下限値を用いてλ制限噴射量を求める。【選択図】図５

Description

本発明は、排気ガス浄化装置を備えるエンジンに関する。

従来から、複数の稼動条件に応じて算出される制限噴射量に基づいて、燃料の最大噴射量を設定するエンジンが知られている。特許文献１は、この種のエンジンを開示する。

この特許文献１のエンジンは、エンジンの目標回転数及びエンジンの冷却水温度に基づいて算出した基準最大噴射量と、目標回転数及び大気圧に基づいて算出した大気圧制限噴射量と、空気過剰率に基づいて算出した黒煙制限噴射量（λ制限噴射量）と、のうち最も小さい値を最終最大噴射量（最大燃料噴射量）に設定し、エンジンの始動が完了してからの経過時間が所定時間未満の場合、又は冷却水温度が所定温度未満の場合においては基準最大噴射量を所定量だけ増加させた値を最終最大噴射量とする構成となっている。特許文献１は、この構成により、運転環境及び使用態様に関わらず、運転状態を安定させるエンジンを提供できるとする。

特開２０１４−２５４４１号公報

上記特許文献１の構成は、空気過剰率（λ）と、制御部に記憶された黒煙制限噴射量マップ（λベースマップ）と、を用いて黒煙制限噴射量を算出している。空気過剰率は空燃比を理論空燃比で除算して得られるものであるから、その計算には、気筒内の混合気が含む酸素の量（いわゆるエアマス）が必要になる。従って、空気過剰率の計算にあたっては、気筒に吸入される空気量が必要になり、また、排気ガスを吸気側に戻して再吸気させるＥＧＲ（排気ガス再循環）が行われる構成では、気筒に吸入されるＥＧＲガス量も必要になる。

気筒に吸入される空気量及びＥＧＲガス量は、公知の式を用いた理論的な計算により求めることができる。しかしながら、例えば排気側の圧力と吸気側の圧力との差が小さい状況においてはＥＧＲ還流量を正確に求めることが難しいため、気筒内の混合気が含む酸素の量を常に高い精度で計算できるとは限らず、空気過剰率の計算精度が低下する場合がある。

計算により得られた空気過剰率にマイナス側の誤差が生じた場合、当該空気過剰率に基づいて算出される黒煙制限噴射量は過少となる。この結果、燃料噴射量が必要以上に制限されて、特に過渡期（車両の加速や負荷の投入が行われる時期）において、出力低下やエンストなどが発生してしまうおそれがある。

一方、計算により得られた空気過剰率にプラス側の誤差が生じた場合、当該空気過剰率λに基づいて算出される黒煙制限噴射量は過多となる。この結果、燃料噴射量の制限が不十分となって黒煙が大量に発生し、排気ガス浄化装置（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を頻繁に再生しなければならなくなるおそれがある。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、気筒内の混合気が含む酸素の量（エアマス）を高い精度で計算できる場合とそうでない場合の両方において燃料噴射量を適切に制限することができるエンジンを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のエンジンが提供される。即ち、このエンジンは、排気ガス浄化装置と、制御部と、を備える。前記排気ガス浄化装置は、排気ガスを浄化する。前記制御部は、燃料噴射量の上限値である制限噴射量を空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値に基づいて求める。前記空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値は、少なくとも、前記排気ガス浄化装置に捕集された粒子状物質の堆積量に応じて異なる。

このように粒子状物質の堆積量に基づいて空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を異ならせることで、エアマスの計算精度が例えば排気圧力によって変化し得ることを考慮して燃料噴射量を適切に制限することができる。例えば、粒子状物質の堆積量が少なくエアマスの計算精度が低いと見込まれる場合は、空気過剰率の下限値を意図的に小さく（又は燃空比の上限値を意図的に大きく）することで、燃料噴射量が過剰に制限されることによる出力の低下やエンスト等を防止することができる。一方、粒子状物質の堆積量が多くエアマスの計算精度が高いと見込まれる場合は、空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を本来あるべき値（あるいは、その近傍の値）にすることで、燃料噴射量の制限不足による未燃燃料の発生や排気ガス浄化装置の再生頻度の増加を回避することができる。

前記のエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部は、前記空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を、前記排気ガス浄化装置に捕集された粒子状物質の堆積量に基づいて補正する。前記制御部は、補正後の前記空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を用いて前記制限噴射量を求める。

このように、排気ガス浄化装置内に堆積した粒子状物質の堆積量に応じて空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を補正することで、状況に対応して燃料噴射量を適切に制限することができる。

前記のエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部は、前記空気過剰率の下限値又は前記燃空比の上限値をエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて求める。前記制御部は、前記空気過剰率の下限値又は前記燃空比の上限値の補正基準量をエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて求めるとともに、補正係数を少なくとも前記粒子状物質の前記堆積量に基づいて求める。前記制御部は、前記補正基準量に前記補正係数を乗じた値を用いて前記空気過剰率の下限値又は前記燃空比の上限値を補正する。

これにより、エンジンの回転数、燃料噴射量、及び粒子状物質の堆積量を複合的に考慮して、空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を適切に補正することができる。従って、エンジンの出力の低下やエンスト、又は排気ガス浄化装置の詰まりを一層好適に防止することができる。

前記のエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、このエンジンは、吸気温度を検出する吸気温度検出部を備える。前記制御部は、前記補正係数を、少なくとも、前記粒子状物質の前記堆積量と、前記吸気温度検出部により検出された前記吸気温度と、に基づいて求める。

これにより、吸気温度も考慮して空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を補正することができるので、例えば吸気温度が高温の場合に未燃燃料や黒煙が発生するのを防止することができる。

前記のエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部には、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を求めるための情報が、前記粒子状物質の前記堆積量に応じて予め複数記憶される。前記制御部は、記憶された複数の前記情報のうち前記粒子状物質の前記堆積量に応じた情報に基づいて、前記空気過剰率の下限値又は前記燃空比の上限値を求める。

これにより、状況に対応して燃料噴射量を適切に制限することができる。

前記のエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、このエンジンは、過給機と、大気圧検出部と、冷却水温度検出部と、を備える。前記過給機は、排気ガスのエネルギーを利用して空気を圧縮して吸入する。前記大気圧検出部は、運転環境における大気圧を検出する。前記冷却水温度検出部は、冷却水温度を検出する。前記制御部は、基準制限噴射量と、ブースト圧制限噴射量と、前記制限噴射量と、のうち最小の値を超えないように燃料噴射量を制御する。前記基準制限噴射量は、エンジン回転数、前記冷却水温度検出部により検出された前記冷却水温度、及び前記大気圧検出部により検出された前記大気圧に基づいて求められる。前記ブースト圧制限噴射量は、前記エンジン回転数及び前記過給機のブースト圧に基づいて求められる。前記制限噴射量は、前記空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値に基づいて求められる。

これにより、エンジンの各種の稼動状態に応じて、エンジンの噴射量が過大にならないように適切に制御することができる。例えば、エンジンが高地で稼動する場合、大気圧による噴射量への影響を回避できる。また、加速又は負荷投入等の過渡期における過給機の応答遅れなどによって、出力の低下、排気ガス浄化装置の詰まり等を防止することができる。そして、粒子状物質の堆積量が少ないためにエアマスの計算精度が低い場合は、燃料噴射量が過剰に制限されるのを防止できるので、出力の低下及びエンストを一層好適に回避できる。一方、ＰＭの堆積量が多いためにエアマスの計算精度が高い場合には、燃料噴射量の制限不足を防止できるので、排気ガス浄化装置の再生頻度の増加を好適に回避することができる。

本発明の第１実施形態に係るエンジンの概略平面図。 エンジンの吸気、排気及び燃料供給の流れを模式的に示す説明図。 ＥＣＵの構成を示す機能ブロック図。 エンジンにおける燃料噴射量の制限を説明するブロック図。 図４の空気過剰率制限ブロックを詳細に示すブロック図。 補正係数カーブを説明する概略図。 第２実施形態のエンジンにおける空気過剰率制限ブロックを詳細に示すブロック図。 補正係数マップを説明する概略図。 変形例における空気過剰率制限ブロックを詳細に示すブロック図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。初めに、図１及び図２を参照して、エンジン１００の概要について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン１００の概略平面図である。図２は、エンジン１００の吸気、排気及び燃料供給の流れを模式的に示す説明図である。図３は、ＥＣＵ９０の構成を示す機能ブロック図である。

本実施形態のエンジン１００は、ディーゼルエンジンであり、例えば作業機及び船舶等に搭載して用いられる。このエンジン１００は、エンジン本体１０と、制御部であるＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）９０と、を備えている。

エンジン本体１０は、外部から空気を吸入する吸気部２と、燃焼室３を有する図略のシリンダと、燃料の燃焼によって燃焼室３内に発生する排気ガスを外部に排出する排気部４と、を主要な構成として備えている。

吸気部２は、吸気の通路である吸気管２１を備える。また、吸気部２は、吸気管２１において吸気が流れる方向の上流側から順に配置された、過給機２２と、吸気弁２７と、吸気マニホールド２８と、を備える。

吸気管２１は、吸気の通路であって、過給機２２と、吸気弁２７と、吸気マニホールド２８と、を接続するように構成されている。吸気管２１の内部には、外部から吸入された空気を流すことができる。

過給機２２は、図２に示すように、タービン２３と、シャフト２４と、コンプレッサ２５と、を備えている。シャフト２４の一端はタービン２３と接続され、他端はコンプレッサ２５と接続されている。タービン２３は、排気ガスを利用して回転するように構成されている。シャフト２４を介してタービン２３と連結されているコンプレッサ２５は、タービン２３の回転に伴って回転する。コンプレッサ２５の回転により、図略のエアクリーナにより浄化された空気を圧縮して強制的に吸入することができる。

吸気弁２７は、ＥＣＵ９０からの制御指令に従って、その開度を調節することにより、吸気通路の断面積を変化させる。これにより、吸気弁２７を介して、吸気マニホールド２８へ供給する空気量を調整することができる。

吸気マニホールド２８は、吸気管２１から供給された空気をエンジン本体１０のシリンダ数に応じて分配し、それぞれのシリンダの燃焼室３へ供給することができるように構成されている。

なお、過給機２２のコンプレッサ２５の下流側に、過給機２２によって吸入された圧縮空気を冷却水又は流動空気（即ち、風）と熱交換させることで冷却させる図略のインタークーラを設置しても良い。

燃焼室３では、吸気マニホールド２８から供給された空気を圧縮し、高温になった圧縮空気に燃料を噴射することにより、燃料を自然着火燃焼させ、ピストンを押して運動させる。こうして得られた動力は、クランク軸等を介して、動力下流側の適宜の装置へ伝達される。

そして、本実施形態のエンジン１００には、エンジン本体１０が燃料の燃焼により過熱状態にならないようにするための図略の冷却水循環システムが設けられている。この冷却水循環システムは、冷却水を、エンジン本体１０のシリンダヘッド等に形成された冷却ジャケット（図略）等に還流させ、エンジン本体１０の冷却ジャケット等と熱交換させるように構成されている。

続いて、本実施形態のエンジン１００において燃料の供給及び噴射を行う構成について簡単に説明する。図２に示すように、エンジン１００は、燃料を貯留するための燃料タンク８１と、燃料フィルタ８２と、燃料ポンプ８３と、コモンレール８４と、インジェクタ８５と、を備えている。

燃料ポンプ８３によって吸い込まれた燃料は、燃料フィルタ８２を通過し、これにより、燃料に混入しているゴミ及び汚れが取り除かれる。その後、燃料はコモンレール８４へ供給される。コモンレール８４は、高圧で燃料を蓄え、複数のインジェクタ８５に分配して供給する。

インジェクタ８５は、燃焼室３に燃料を噴射するためのインジェクタ電磁弁（燃料噴射バルブ）８６を備える。インジェクタ電磁弁８６がＥＣＵ９０の指示に応じたタイミングで開閉することにより、インジェクタ８５が燃焼室３に燃料を噴射する。当該インジェクタ８５の開閉を制御することにより、燃料噴射量を調整することができる。

燃焼室３で燃料が燃焼することによって発生した排気ガスは、排気部４を介して、燃焼室３からエンジン本体１０の外へ排出される。

排気部４は、排気ガスの通路である排気管４１を備える。また、排気部４は、排気管４１において排気ガスが流れる方向における上流側から順に配置された、排気マニホールド４２と、排気ガス浄化装置であるＤＰＦ６０と、を備えている。

エンジン本体１０はＥＧＲ装置５０を備えており、排気ガスの一部を、図２に示すように、当該ＥＧＲ装置５０を介して吸気側へ還流させることができる。ＥＧＲ装置５０には、ＥＧＲクーラ５１と、ＥＧＲバルブ５２と、が設けられている。ＥＧＲクーラ５１は、吸気へ還流させる排気ガスを冷却する。ＥＧＲバルブ５２は、排気ガスの還流量を調整できるように構成されている。このように構成された冷却機能付きのＥＧＲ装置５０により、例えばエンジン１００の高負荷運転時における最高燃焼温度を下げることができるので、ＮＯｘ（窒素酸化物）の生成量を低減することができる。

排気管４１は、排気ガスの通路であって、排気マニホールド４２と、ＤＰＦ６０と、を接続するように構成されている。排気管４１の内部に、燃焼室３から排出された排気ガスを流すことができる。

排気マニホールド４２は、各燃焼室３で発生した排気ガスをまとめて、当該排気ガスを過給機２２のタービン２３に供給するように排気管４１へ導く。

なお、過給機２２のタービン２３とＤＰＦ６０の間に、排気ガスの排出量を調整できる排気弁（図略）を設けても良い。

ＤＰＦ６０は、図１及び図２に示すように、排気管４１の出口に設けられている。ＤＰＦ６０は、細長く形成されたケーシングを備える。また、ＤＰＦ６０は、酸化触媒６１と、スートフィルタ６２と、を備えている。酸化触媒６１及びスートフィルタ６２は、ケーシングの内部に配置されている。また、スートフィルタ６２は、ケーシングの内部で排気ガスが流れる方向において、酸化触媒６１の下流側に配置される。排気管４１からＤＰＦ６０に導入された排気ガスは、スートフィルタ６２により浄化された後、エンジン１００の外へ排出される。

酸化触媒６１は、白金等で構成されており、排気ガスに含まれる一酸化炭素、一酸化窒素などの酸化を促進することができる。酸化触媒６１の作用によって、排気ガス中の一酸化窒素は、不安定な二酸化窒素に酸化される。そして、二酸化窒素が一酸化窒素に戻るとき放出された酸素は、下流側のスートフィルタ６２で捕捉されたＰＭの酸化のために供給される。

スートフィルタ６２は、排気ガス内の煤等からなる粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集することで、排気ガスを濾過することができる。また、スートフィルタ６２の内部でＰＭを酸化反応させることができるようになっている。

なお、スートフィルタ６２におけるＰＭの堆積量は、エンジン本体１０が稼動するのに伴って徐々に増大するが、ＰＭを燃焼させて除去する制御（再生制御）を適宜のタイミングで行うことで、堆積量を減らすことができる。スートフィルタ６２へのＰＭの堆積は、流通抵抗の増大による排気圧力の上昇を通じて、ＥＧＲガスの還流に影響を与える。なお、以下の説明においては、スートフィルタ６２に堆積されたＰＭを酸化することにより除去することをＤＰＦ再生と称する場合がある。

図２に示すＥＣＵ９０は、各種演算処理や制御を実行するＣＰＵと、記憶部としてのＲＯＭ及びＲＡＭなどから構成され、エンジン本体１０又はその近傍に配置される。本実施形態において、ＥＣＵ９０は、図１に示すように、エンジン本体１０に配置されている。

ＥＣＵ９０は、様々な検知部及びセンサから出力される検出結果に基づいて、エンジン本体１０の回転数、吸気流量（吸入空気量）、空気過剰率λ、排気流量、及び排気温度等を得ることができる。そして、ＥＣＵ９０は、様々なセンサから取得したエンジン本体１０の状態に関する前記情報に基づいて、エンジン本体１０を制御することができる。

空気過剰率λは、上述したとおり、空燃比を理論空燃比で除したものである。空気過剰率が小さ過ぎる場合（燃料量が過多な場合）は未燃燃料及び黒煙の発生の原因となるため、本実施形態では、空気過剰率λが小さくなり過ぎないように下限値を設定している。ＥＣＵ９０は、空気過剰率λの下限値（λ下限値）を、回転数及び燃料噴射量に基づいて計算することにより取得する。また、ＥＣＵ９０は、ＰＭの堆積量に基づいて、上記のλ下限値を補正することができる。

エンジン本体１０の状態に関する情報を取得するための検知部及びセンサとしては、例えば、回転数検知部９１、燃料噴射量検知部９２、冷却水温度センサ９３、大気圧センサ７１、吸気圧力センサ７２、排気温度センサ７５、排気圧力センサ７４、差圧センサ７６、酸化触媒温度センサ７７、及びスートフィルタ温度センサ７８を挙げることができる。以下、それぞれのセンサについて説明する。

回転数検知部９１は、例えば、エンジン本体１０が備える図略のクランク軸の回転を検出するクランクセンサとして構成することができる。

燃料噴射量検知部９２は、例えば、ＥＣＵ９０から上記のインジェクタ電磁弁８６への指令値に基づいて燃料噴射量を計算することにより得るように構成することができる。

冷却水温度センサ９３は、エンジン１００の冷却水の温度を検出し、上述の冷却水循環システムにおける冷却水経路の適宜の位置に配置された温度センサとして構成されている。

大気圧センサ７１は、エンジン１００の稼動時における環境の大気圧を検出する。エンジン１００の適宜の位置に配置された圧力センサとして構成されている。

吸気圧力センサ７２は、吸気マニホールド２８内の気体（ＥＧＲ混合気）の圧力を検出する。吸気温度センサ７３は、吸気マニホールド２８内の気体の温度を検出する。

排気圧力センサ７４は、排気マニホールド４２内の気体（排気）の圧力を検出する。排気温度センサ７５は、排気マニホールド４２内の気体の温度を検出する。

差圧センサ７６は、ＤＰＦ６０において、スートフィルタ６２の上流側（酸化触媒６１の下流側）と、スートフィルタ６２の下流側と、の圧力差を検出する。ＥＣＵ９０は、当該差圧センサ７６の検出結果に基づいて、スートフィルタ６２に堆積したＰＭの堆積量を算出することができる。なお、ＰＭの堆積量の算出方法はこれに限定されず、例えばエンジン１００の運転履歴などに基づいてＰＭの堆積量を推測して求めることもできる。

酸化触媒温度センサ７７は、ＤＰＦ６０の入口近傍（酸化触媒６１の上流側）の温度を検出する。即ち、当該酸化触媒温度センサ７７を用いて、ＤＰＦ６０の入口の排気ガスの温度を検出することができる。

スートフィルタ温度センサ７８は、酸化触媒６１とスートフィルタ６２との間（スートフィルタ６２の上流側）の温度を検出する。

図３に示すように、ＥＣＵ９０には、エンジン１００の稼動を制御する各種のパラメータを算出するための制御情報（具体的には、制御マップ及び制御カーブ）が複数記憶されている。制御情報の例としては、燃料噴射量の制限のベースとなる値（ベース制限噴射量）を算出するためのベース制限マップ、大気圧制限噴射量を算出するための大気圧制限マップ、ブースト圧制限噴射量を算出するためのブースト圧制限マップ、許容される空気過剰率λの下限値（λ下限値）を算出するためのλ下限値マップ、λ下限値の補正量を算出するための補正基準量マップ及び補正係数カーブ等を挙げることができる。なお、それぞれの制御情報の詳細については後述する。

次に、本実施形態のエンジン１００において、ＥＣＵ９０における燃料噴射量の制御に関する最大燃料噴射量の設定について説明する。図４は、エンジン１００における燃料噴射量の制限を説明するブロック図である。

本実施形態のエンジン１００のＥＣＵ９０は、回転数検知部９１により検出されたエンジン１００の回転数、及び、冷却水温度センサ９３により検出された冷却水温度に基づき、ＥＣＵ９０に予め記憶されているベース制限マップを用いてベース制限噴射量を求める。このベース制限マップは、回転数及び冷却水温度の組合せに最大噴射量を対応付けた２次元のテーブルとして表現することができる。

また、ＥＣＵ９０は、エンジン１００の回転数、及び、大気圧センサ７１により検出された大気圧に基づいて、ＥＣＵ９０に予め記憶されている大気圧制限マップを用いて大気圧制限噴射量を求める。この大気圧制限マップは、回転数及び大気圧の組合せに最大噴射量を対応付けた２次元のテーブルとして表現することができる。そして、ＥＣＵ９０は、ベース制限噴射量から大気圧制限噴射量を減算することにより、基準制限噴射量を計算する。

更に、ＥＣＵ９０は、エンジン１００の回転数、及び、過給機２２のブースト圧に基づいて、ＥＣＵ９０に予め記憶されているブースト圧制限マップを用いてブースト圧制限噴射量を求める。このブースト圧制限マップは、回転数及びブースト圧の組合せに最大噴射量を対応付けた２次元のマップとして表現することができる。

更に、ＥＣＵ９０は、後述する空気過剰率制限ブロックにおいて空気過剰率λの下限値（λ下限値）を計算するとともに、この空気過剰率の下限値にエアマスの値を代入することで、最大噴射量であるλ制限噴射量（制限噴射量）を求める。なお、このλ制限噴射量の計算の詳細については後述する。

その後、ＥＣＵ９０は、基準制限噴射量と、ブースト圧制限噴射量と、λ制限噴射量と、のうち最小の値を選択し、当該最小の値をエンジン１００の最大燃料噴射量として設定する。そして、ＥＣＵ９０は、エンジン１００の燃料噴射量を、この最大燃料噴射量を超えないように制御する。以上により、燃料噴射量を様々な観点で適切に制限してエンジン１００を稼動させることができる。

続いて、空気過剰率λの下限値に基づくλ制限噴射量の計算について、図５等を参照して詳細に説明する。図５は、図４の空気過剰率制限ブロックを詳細に示すブロック図である。図６は、補正係数カーブを説明する概略図である。

図５に示すように、空気過剰率制限ブロックは、基本制限ブロックと、補正ブロックと、を備える。

基本制限ブロックでは、エンジン１００の回転数及び燃料の噴射量に基づき、ＥＣＵ９０に予め記憶されているλ下限値マップを用いて、許容できる空気過剰率λの下限値（λ下限値）を求める。このλ下限値制限マップは、回転数及び燃料噴射量の組合せにλ下限値を対応付けた２次元のテーブルとして表現することができる。

なお、本実施形態のエンジン１００においては、上記のλ下限値制限マップにおけるλ下限値は、エンジン１００の回転数及び燃料噴射量に対応して本来定めるべき値より意図的に小さく設定されている。詳細は後述する。

補正ブロックでは、エンジン１００の回転数及び燃料噴射量に基づき、ＥＣＵ９０に予め記憶されている補正基準量マップを用いて、上記のλ下限値を補正する基本となる値である補正基準量を求める。この補正基準量マップは、回転数及び燃料噴射量の組合せに補正基準量を対応付けた２次元のテーブルとして表現することができる。

また、補正ブロックでは、計算により得られるＤＰＦ６０内のＰＭの堆積量に基づき、ＥＣＵ９０に予め記憶されている補正係数カーブを用いて、補正係数を求める。この補正係数カーブは、ＰＭ堆積量に補正係数を対応付けた１次元のテーブルとして表現することができる。

その後、補正ブロックでは、上記の補正基準量に補正係数を乗じることにより、λ補正量が求められる。

そして、ＥＣＵ９０は、基本制限ブロックで求められたλ下限値を、補正ブロックで求められたλ補正量を加算することにより補正し、補正後のλ下限値を求める。得られた補正後のλ下限値は、空気過剰率制限ブロックから出力される。

補正後のλ下限値は、空気過剰率λを求める一般的な式；
λ＝（Ａｉｒ／Ｆｕｅｌ）／（理論空燃比）
を用いてＦｕｅｌの上限値を求めるために用いられる。具体的には、上記の式のうちλの部分に補正後のλ下限値を代入するとともに、Ａｉｒには、排気圧力及び吸気圧力等に基づいて公知の方法により算出される、気筒内の混合気が含む酸素の量（エアマス）が代入される。これにより、Ｆｕｅｌの上限値（即ち、λ制限噴射量Ｑ）を求めることができる。

ここで、気筒内の混合気が含む酸素の量は、混合気におけるＥＧＲガスの比率の影響を受ける。排気側から吸気側に還流されるＥＧＲガスの量は、排気圧力と吸気圧力の差が大きければ比較的良好な精度で計算できるが、排気圧力と吸気圧力の差が小さい場合は計算精度があまり期待できない。このように、エアマス（上記の式のＡｉｒの項）を高精度に計算できることが見込める状況と、そうでない状況と、が発生し得る。

上記の式で、エアマス（Ａｉｒ）の計算精度が低い場合、Ｆｕｅｌの上限値が過少又は過多になる可能性がある。特に、計算されたエアマス（Ａｉｒ）の値にプラス側の誤差があると、Ｆｕｅｌの上限値が過少になってエンジン１００の出力が低下し、最悪な場合、エンストが発生する可能性もある。

そこで、上記のようにエアマスの計算精度が低下する場合でもエンジン１００の出力低下が起こらないように、空気過剰率λの下限値を、本来あるべき値より意図的に小さく設定することが考えられる。このようにしてある程度のマージンを確保することで、エアマス（Ａｉｒ）の計算値にプラス側の誤差が生じても燃料の噴射量Ｆｕｅｌの上限値が過少となることを防止できるので、エンジン１００が搭載された装置の作業性を良好に維持することができる。

しかし、エアマス（Ａｉｒ）の計算値に常にプラス側の誤差が生じるとは限らない。従って、上記のようにλの下限値を単純に小さくするのでは、例えばエアマス（Ａｉｒ）の計算値に誤差が殆ど無い場合には燃料の噴射量Ｆｕｅｌの上限値が多めに算出されてしまうので、噴射量の制限不足によってＰＭが大量に発生し、ＤＰＦ６０を頻繁に再生しなければならなくなるおそれがある。

この点、本実施形態のエンジン１００において、基本制限ブロックで求められるλ下限値は、上記で説明したように、エンジン１００の回転数及び燃料噴射量に対応して本来定めるべき値より意図的に小さく設定されている。その一方で、補正ブロックでは、ＤＰＦ６０におけるＰＭ堆積量が多く、排気圧力が大きいためにエアマスの計算精度が比較的高いことを見込める場合には、λ下限値を大きくするように（本来定めるべき値に近づくように）補正する。これにより、エンジン１００の稼動状況に合わせて燃料噴射量を適切に制限することができる。

上記の補正ブロックの動作について具体的に説明すると、ＥＣＵ９０は、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づき、補正基準量マップを用いて、λ下限値の基本的な補正量（補正基準量）を求める。また、ＥＣＵ９０は、ＰＭ堆積量に基づき、補正係数カーブを用いて、補正係数を求める。そして、ＥＣＵ９０は、補正係数を上記の補正基準量に乗じることによってλ補正量を求める。

図６には、ＰＭ堆積量に基づいて補正係数を求めるための補正係数カーブが示されている。この図６に示すように、ＰＭの堆積量が一定量未満である場合は、排気圧力があまり上がらないためにエアマスの計算精度が低くなると見込まれるので、噴射量の過剰な制限を防止するために、基本制限ブロックで求められるλ下限値（本来あるべき値よりも低い値）に近い値が空気過剰率制限ブロックから出力されるように補正係数が設定されている。一方、ＰＭの堆積量が一定量以上である場合は、排気圧力が上がるためにエアマスの計算精度を一定程度確保できると見込まれるので、（基本制限ブロックで求められるλ下限値ではなく）本来あるべきλ下限値に近い値が空気過剰率制限ブロックから出力されるように補正係数が設定されている。

これにより、本実施形態のエンジン１００は、空気過剰率λの観点による燃料噴射量の制限を、当該エンジン１００の稼動状態に応じてエアマスの計算精度が変わり得ることを考慮しながら適切に行うことができる。即ち、エアマスの計算精度が低い場合は、意図的に小さく設定された空気過剰率λの下限値（あるいはその近傍の値）を用いて燃料噴射量の上限値を算出する一方、エアマスの計算精度が高い場合は、本来あるべき空気過剰率λの下限値（あるいはその近傍の値）を用いて燃料噴射量の上限値を算出することができる。従って、エアマスの計算精度が低いときにおける出力の低下を防止できるとともに、エアマスの計算精度が高いときにおけるＰＭの大量発生によるＤＰＦ６０の再生頻度の増加を好適に回避することができる。

以上に説明したように、本実施形態のエンジン１００は、ＤＰＦ６０と、ＥＣＵ９０と、を備える。ＤＰＦ６０は、排気ガスを浄化する。ＥＣＵ９０は、燃料噴射量の上限値であるλ制限噴射量を空気過剰率λの下限値（λ下限値）に基づいて求める。λ下限値は、ＤＰＦ６０に捕集されたＰＭの堆積量に応じて異なる。

このようにＰＭの堆積量に基づいてλ下限値を異ならせることで、エアマスの計算精度が例えば排気圧力によって変化し得ることを考慮して燃料噴射量を適切に制限することができる。例えば、ＰＭの堆積量が少なくエアマスの計算精度が低いと見込まれる場合は、λ下限値を意図的に小さくすることで、燃料噴射量が過剰に制限されることによる出力の低下やエンスト等を防止することができる。一方、ＰＭの堆積量が多くエアマスの計算精度が高いと見込まれる場合は、λ下限値を本来あるべき値（あるいは、その近傍の値）にすることで、燃料噴射量の制限不足による未燃燃料の発生やＤＰＦ６０の再生頻度の増加を回避することができる。

また、本実施形態のエンジンにおいて、ＥＣＵ９０は、λ下限値を、ＤＰＦ６０に捕集されたＰＭの堆積量に基づいて補正する。ＥＣＵ９０は、補正後のλ下限値を用いてλ制限噴射量を求める。

このように、ＤＰＦ６０内に堆積したＰＭの堆積量に応じてλ下限値を補正することで、状況に対応して燃料噴射量を適切に制限することができる。

また、本実施形態のエンジン１００において、ＥＣＵ９０は、エンジン１００の回転数及び燃料噴射量に基づいて（補正前の）λ下限値を求める。また、ＥＣＵ９０は、λ下限値の補正基準量をエンジン１００の回転数及び燃料噴射量に基づいて求めるとともに、補正係数をＰＭの堆積量に基づいて求める。そして、ＥＣＵ９０は、補正基準量に補正係数を乗じた値を用いてλ下限値を補正する。

これにより、エンジン１００の回転数、燃料噴射量、及びＰＭの堆積量を複合的に考慮して、λ下限値を適切に補正することができる。従って、エンジン１００の出力の低下やエンスト、又はＤＰＦ６０の詰まりを一層好適に防止することができる。

また、本実施形態のエンジン１００は、過給機２２と、大気圧センサ７１と、冷却水温度センサ９３と、を備える。過給機２２は、排気ガスのエネルギーを利用して空気を圧縮して吸入する。大気圧センサ７１は、運転環境における大気圧を検出する。冷却水温度センサ９３は、冷却水温度を検出する。ＥＣＵ９０は、基準制限噴射量と、ブースト圧制限噴射量と、λ制限噴射量と、のうち最小の値を超えないように燃料噴射量を制御する。基準制限噴射量は、エンジン１００の回転数、冷却水温度センサ９３により検出された冷却水温度、及び大気圧センサ７１により検出された大気圧に基づいて求められる。ブースト圧制限噴射量は、エンジン１００回転数及び過給機２２のブースト圧に基づいて求められる。λ制限噴射量は、λ下限値に基づいて求められる。

これにより、エンジンの各種の稼動状態に応じて、エンジンの噴射量が過大にならないように適切に制御することができる。例えば、エンジンが高地で稼動する場合、大気圧による噴射量への影響を回避できる。また、加速又は負荷投入等の過渡期における過給機の応答遅れなどによって、出力の低下、排気ガス浄化装置の詰まり等を防止することができる。そして、ＰＭの堆積量が少ないためにエアマスの計算精度が低い場合は、燃料噴射量が過剰に制限されるのを防止できるので、出力の低下及びエンストを一層好適に回避できる。一方、ＰＭの堆積量が多いためにエアマスの計算精度が高い場合には、燃料噴射量の制限不足を防止できるので、排気ガス浄化装置の再生頻度の増加を好適に回避することができる。

次に、第２実施形態を説明する。図７は、第２実施形態のエンジンにおける空気過剰率制限ブロックを詳細に示すブロック図である。図８は、補正係数マップを説明する概略図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

知られているように、吸気温度が高い場合は低い場合に比べて、黒煙が生じたり排気温度が過剰に昇温したりする可能性が高くなる。この点を考慮し、本実施形態のエンジンは、上記のＰＭ堆積量に加えて、吸気温度に基づいてλ下限値を補正するように構成されている。

具体的には、本実施形態では、補正基準量に乗算するための補正係数を、上記の補正係数カーブの代わりに、計算により得られるＰＭ堆積量と、吸気温度センサ７３で検出した吸気温度と、に基づく補正係数マップを用いて求める。この補正係数マップは、ＰＭ堆積量及び燃料噴射量の組合せに補正係数を対応付けた２次元のテーブルとして表現することができる。なお、上記以外の処理は、上述の第１実施形態と同様である。

図８には、ＰＭ堆積量及び吸気温度に基づいて補正係数を求めるための補正係数マップが概略的に示されている。図８に示すように、補正係数は、ＰＭの堆積量が少ない程、また、吸気温度が低い程、基本制限ブロックで求められるλ下限値（本来あるべき値よりも低い値）に近い値が空気過剰率制限ブロックから出力されるように設定されている。また、補正係数は、ＰＭの堆積量が多い程、また、吸気温度が高い程、（基本制限ブロックで求められるλ下限値ではなく）本来あるべきλ下限値に近い値が空気過剰率制限ブロックから出力されるように設定されている。これにより、吸気温度が高くなった場合にはλ下限値が増大側に補正されるので、燃料噴射量が十分に制限されて、黒煙の発生等を防止することができる。

以上に説明したように、本実施形態のエンジンは、吸気温度センサ７３を備える。吸気温度センサ７３は、吸気温度を検出する。ＥＣＵ９０は、補正係数を、ＰＭの堆積量と、吸気温度センサ７３により検出された吸気温度と、に基づいて求める。

これにより、吸気温度も考慮してλ下限値を補正することができるので、例えば吸気温度が高温の場合に未燃燃料や黒煙が発生するのを防止することができる。

次に、上記第１実施形態の変形例を説明する。図９は、変形例における空気過剰率制限ブロックを詳細に示すブロック図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

本変形例のエンジンにおいては、空気過剰率制限ブロックにおいて、エンジンの回転数及び燃料の噴射量に基づいてλ下限値を求めるためのλ下限値マップが、ＰＭの堆積量に応じて予め複数用意されている。なお、これらのλ下限値マップには、上述の第１実施形態において補正ブロックにより補正された後の値に相当するλ下限値が記憶されている。

図９の例では、ＰＭの堆積量が多い場合（多）、中間の場合（中）、少ない場合（少）の３段階のそれぞれにおけるλ下限値マップがＥＣＵ９０に記憶されている。ＥＣＵ９０は、差圧センサ７６の検出結果から得られたＰＭの堆積量に応じて、当該３つのλ下限値マップからＰＭの堆積量に対応するλ下限値マップを選択し、当該λ下限値マップを用いて、エンジンの回転数及び燃料の噴射量に基づいてλ下限値を求める。

このようにλ下限値マップをＰＭ堆積量に応じて切り換えることで、λ下限値をＰＭの堆積量に応じて補正する上記の第１実施形態と実質的に同等の効果を奏することができる。なお、λ下限値マップの数は３つに限定されず、２つでも４つ以上でも良い。また、例えばＰＭの堆積量が少と中の中間である場合、少のλ下限値マップにより得られる値と中のλ下限値マップにより得られる値を適宜補間してλ下限値を求めても良い。

以上に説明したように、本変形例のエンジンにおいて、ＥＣＵ９０には、エンジンの回転数及び燃料噴射量に基づいてλ下限値を求めるためのλ下限値マップが、ＰＭの堆積量に応じて予め複数記憶されている。ＥＣＵ９０は、記憶された複数のλ下限値マップのうち、ＰＭの堆積量に対応するλ下限値マップに基づいてλ下限値を求める。

これにより、状況に対応して燃料噴射量を適切に制限することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態（変形例）を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

第１実施形態及び第２実施形態において、基本制限ブロックのλ下限値マップに記憶されているλ下限値は、本来あるべき値より意図的に小さく設定されている。しかしながら、当該λ下限値マップに、本来あるべきλ下限値をそのまま設定することもできる。この場合は、補正ブロック側で、ＰＭ堆積量が少ない場合にはλ下限値を減少させ、ＰＭ堆積量が多い場合にはλ下限値を殆ど減少させないようにλ補正量を出力するように変更すれば良い。

図６の補正係数カーブ及び図８の補正係数マップは一例であり、様々に変更することができる。

各種の制御情報（例えば、λ下限値マップ、補正基準量マップ、補正係数カーブ、補正係数マップ）は、マップ及びカーブの形で表現されることに限定されず、例えば数式の形でＥＣＵ９０に記憶させるように構成することもできる。

上記の実施形態等では、空気過剰率制限ブロックにおいて空気過剰率λの下限値を求めて補正し、これに基づいて制限噴射量を算出している。しかしながら、空気過剰率λの下限値に代えて、燃空比の上限値を求めて補正して制限噴射量を算出する構成に変更することができる。具体的には、ＥＣＵ９０が空気過剰率制限ブロックに代えて燃空比制限ブロックを備えることとし、この燃空比制限ブロックのうち基本制限ブロックで燃空比の上限値をマップ等により取得し、当該燃空比の上限値を補正ブロックで補正して、当該燃空比の上限値から制限噴射量（燃空比制限噴射量）を求めても良い。なお、空気過剰率の上限値を用いても燃空比の下限値を用いても技術的な意味は同じである。

本発明のエンジン１００は、作業車両及び船舶以外の機械（例えば、発電機）にも適用することができる。

２２ 過給機
６０ ＤＰＦ（排気ガス浄化装置）
７１ 大気圧センサ（大気圧検出部）
７２ 吸気圧力センサ（吸気温度検出部）
９０ ＥＣＵ（制御部）
９３ 冷却水温度センサ（冷却水温度検出部）
１００ エンジン

Claims (6)

1. 排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置と、
   燃料噴射量の上限値である制限噴射量を空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値に基づいて求める制御部と、
   を備え、
   前記空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値は、少なくとも、前記排気ガス浄化装置に捕集された粒子状物質の堆積量に応じて異なることを特徴とするエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンであって、
   前記制御部は、前記空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を、前記排気ガス浄化装置に捕集された粒子状物質の堆積量に基づいて補正し、
   前記制御部は、補正後の前記空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を用いて前記制限噴射量を求めることを特徴とするエンジン。
3. 請求項２に記載のエンジンであって、
   前記制御部は、前記空気過剰率の下限値又は前記燃空比の上限値をエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて求め、
   前記制御部は、前記空気過剰率の下限値又は前記燃空比の上限値の補正基準量をエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて求めるとともに、補正係数を少なくとも前記粒子状物質の前記堆積量に基づいて求め、
   前記制御部は、前記補正基準量に前記補正係数を乗じた値を用いて前記空気過剰率の下限値又は前記燃空比の上限値を補正することを特徴とするエンジン。
4. 請求項３に記載のエンジンであって、
   吸気温度を検出する吸気温度検出部を備え、
   前記制御部は、前記補正係数を、少なくとも、前記粒子状物質の前記堆積量と、前記吸気温度検出部により検出された前記吸気温度と、に基づいて求めることを特徴とするエンジン。
5. 請求項１に記載のエンジンであって、
   前記制御部には、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値を求めるための情報が、前記粒子状物質の前記堆積量に応じて予め複数記憶され、
   前記制御部は、記憶された複数の前記情報のうち前記粒子状物質の前記堆積量に応じた情報に基づいて、前記空気過剰率の下限値又は前記燃空比の上限値を求めることを特徴とするエンジン。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載のエンジンであって、
   排気ガスのエネルギーを利用して空気を圧縮して吸入する過給機と、
   運転環境における大気圧を検出する大気圧検出部と、
   冷却水温度を検出する冷却水温度検出部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   エンジン回転数、前記冷却水温度検出部により検出された前記冷却水温度、及び前記大気圧検出部により検出された前記大気圧に基づいて求められた基準制限噴射量と、
   前記エンジン回転数及び前記過給機のブースト圧に基づいて求められたブースト圧制限噴射量と、
   前記空気過剰率の下限値又は燃空比の上限値に基づいて求められた前記制限噴射量と、
   のうち最小の値を超えないように燃料噴射量を制御することを特徴とするエンジン。

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