JP3743078B2 - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式内燃機関に関し、特には実際空気過剰率を目標空気過剰率に近づける制御を行う筒内噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料と空気の混合を良くするために、燃料の微粒化が行われている。燃料と空気が良好に混合されることにより、内燃機関の燃焼は良好に行われ、スモークの発生の少ない燃焼が行われる。しかしながら、回転数が低く、内燃機関の出力が小さい場合、燃料噴射圧が十分に高くならず、燃料の微粒化及び燃料の噴射の拡散範囲が悪くなってしまう。そのため、内燃機関の出力が小さい場合には、内燃機関の出力が大きい場合に比べて、燃焼の際に発生するスモークの量が多くなりがちであった。
【０００３】
一方で、内燃機関の排ガス中に含まれるスモーク及びＮＯｘの少ない燃焼を行うことが必要とされる。例えば、スモーク及びＮＯｘの発生の少ない燃焼を行うこの種の燃焼装置の例としては、特公昭６０−１７９３８に提案されたものがある。スモーク及びＮＯｘの発生の少ない燃焼を行うために、特公昭６０−１７９３８の装置は、ＥＧＲ（排気還流）量の制御を行っている。特公昭６０−１７９３８の装置のＥＧＲ量の制御方法は、燃料量と空気量との比（空気過剰率）に基づく制御方法である。詳細には、まず実際燃料量と実際空気量とが検出され、続いて実際燃料量と実際空気量とから実際空気過剰率が算出され、この実際空気過剰率と予め設定された目標空気過剰率とが比較される。実際空気過剰率が目標空気過剰率より大きい場合にはＥＧＲ量が増加され、実際空気過剰率が目標空気過剰率より小さい場合にはＥＧＲ量が減少され、実際空気過剰率が目標空気過剰率と等しい場合にはＥＧＲ量が維持される。ＥＧＲ量が適切に調節されることにより、ＮＯｘ及びスモークの発生の少ない燃焼が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述されたように、内燃機関の筒内に噴射される燃料の微粒化の度合い、及び燃料の噴霧拡散範囲が、内燃機関の出力が大きい場合と小さい場合とではその程度が異なり、筒内に吸入された空気の空気利用率が異なる。具体的には、内燃機関の出力が大きい場合には、一般に燃料の噴射圧力も高く、燃料の微粒化も良好となり、しかも噴霧の拡散範囲も広い範囲に及ぶため、筒内に吸入された空気の空気利用率が良好となる。一方、内燃機関の出力が小さい場合には、燃料の噴射圧力も上記出力の大きい場合のときほど高くなく、燃料の微粒化も悪化し、しかも噴霧の拡散範囲も狭く燃料噴射弁のまわりの局所的な範囲に限られ、筒内に吸入された空気の空気利用率が悪化する。
【０００５】
しかし、このことは上述された特公昭６０−１７９３８には開示されておらず、この公報に開示される技術においては、内燃機関の運転状態に関わらず一律に目標空気過剰率を設定することを開示している。従って、上記公報のように、例えば、内燃機関の出力が大きい運転領域におけるＮＯｘやスモークの発生量が共に制御されるように目標空気過剰率を比較的小さい値にて一律に設定すると、内燃機関の出力が小さい運転領域においては、燃料の微粒化の悪化及び燃料の拡散範囲が狭いことによる空気利用率の悪化により、燃焼に必要な空気が不足してしまい、スモークが発生し易くなるという問題がある。又、逆に、内燃機関の出力が小さい運転領域におけるＮＯｘやスモークの発生量が共に抑制されるように目標空気過剰率を比較的大きい値にて一律に設定すると、内燃機関の出力が大きい運転領域においては、燃料の微粒化が良好となることに加え、燃料の拡散範囲が広範囲となることにより空気利用率が良好となるため、燃料と空気との燃焼反応が活発に行われ、しかも目標空気過剰率が比較的大きな値に設定されることにより、ＥＧＲ量が過度に低減されるため、ＮＯｘが発生し易くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、前記課題を克服し、内燃機関の出力値の大小に関わらず、内燃機関の排気ガス中に含まれるスモーク及びＮＯｘが少ない燃焼を行うことが可能なように、目標空気過剰率が設定された筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関出力値に対応する所定の目標空気過剰率と実際空気過剰率とを比較し、前記実際空気過剰率の大きさが前記目標空気過剰率の大きさと異なる場合には、前記内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び前記内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つを制御することにより、前記実際空気過剰率を前記目標空気過剰率に近づける筒内噴射式内燃機関において、
前記筒内噴射式内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記目標空気過剰率は、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、燃料の微粒化の悪化及び燃料の拡散範囲が狭いことによる空気利用率の悪化を改善するために、内燃機関出力値が増加するに従って急激に減少し、かつ、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以上の範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも小さくほぼ一定であるように設定されることを特徴とする筒内噴射式内燃機関が提供される。
【０００８】
請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関であるディーゼルエンジンの目標空気過剰率は、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、燃料の微粒化の悪化及び燃料の拡散範囲が狭いことによる空気利用率の悪化を改善するために、内燃機関出力値が増加するに従って急激に減少し、かつ、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以上の範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも小さくほぼ一定であるように設定される、つまり内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲の目標空気過剰率は、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％より大きい範囲の目標空気過剰率よりもかなり大きく設定される。そのため、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、実際空気過剰率は、比較的大きい値に設定された目標空気過剰率に近づくように制御され、その結果、あまり微粒化されておらず、かつ、燃料噴霧の拡散範囲が狭い燃料を良好に燃焼することが可能にされ、内燃機関の排ガス中に含まれるスモークの量が減少される。一方、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％より大きい範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも、目標空気過剰率が比較的小さく設定されているために、過剰に空気が供給されることが防止され、ＥＧＲ量を燃焼を阻害しない範囲での最大限度まで増大でき、それゆえ、良好に微粒化された燃料を燃焼する際の排ガス中に含まれるＮＯｘの発生が抑制される。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、前記内燃機関へ供給される前記新気量を検出する手段と、前記内燃機関へ供給される前記燃料量を決定する手段と、前記新気量と前記燃料量との比から前記実際空気過剰率を得る手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関が提供される。
【００１０】
請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関では、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御され、内燃機関へ供給される新気量と燃料量との比が変更され、新気量と燃料量との比から得られる実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、前記内燃機関に吸入される吸気酸素量を検出する手段と、前記内燃機関へ供給される前記燃料量を決定する手段と、前記吸気酸素量と前記燃料量との比から前記実際空気過剰率を得る手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関が提供される。
【００１２】
請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関では、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御され、内燃機関に吸入される吸気酸素量と、内燃機関へ供給される燃料量との比が変更され、吸気酸素量と燃料量との比から得られる実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、排気系に配置された酸素濃度センサを具備し、前記実際空気過剰率は前記酸素濃度センサの出力値から得られることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関が提供される。
【００１４】
請求項４に記載の筒内噴射式内燃機関では、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御され、排気系に配置された酸素濃度センサによって検出される出力値から得られる実際空気過剰率が変更され、実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の筒内噴射式内燃機関を詳細に説明する。図１は、本発明をＥＧＲ（排気還流）装置付きディーゼルエンジンに適用した第一の実施形態の概略の全体構成図であり、図２は、実際空気過剰率を目標空気過剰率に近づける、第一の実施形態の制御方法を示すフローチャートであり、図３は、回転数ＮＥと最小空気過剰率λ(min) との関係を示すグラフであり、図４は、アクセル開度θ、回転数ＮＥ及び基本燃料量Ｑｆ(gov) の関係を示す図であり、図５は、目標空気過剰率λ(egr) を示すグラフである。
【００１６】
図１において、１０はディーゼルエンジン、１２はエアクリーナ、１４、２２はそれぞれエンジン１０の吸気通路と排気通路、１６は排気ターボチャージャ過給機を示している。また、本実施形態では、エンジン１０の排気の一部を吸気通路１４のサージタンク１８に還流させるＥＧＲ装置が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気通路２２と吸気通路１４のサージタンク１８とを接続するＥＧＲ通路２０、及びＥＧＲ通路２０上に設けられたＥＧＲ弁とを備えている。図１に３６で示すのは、ＥＧＲ弁３４を駆動するＥＧＲ弁駆動部であり、例えば負圧アクチュエータ、ステッパモータ等の適宜な形式のＥＧＲアクチュエータである。本実施形態では、後述するように、エンジン１０の制御回路２６はエンジン１０の燃料噴射量に応じてＥＧＲ弁駆動部３６を駆動し、ＥＧＲ弁３４の開度を調節する。これにより、ＥＧＲ通路２０を通ってエンジンの排気通路２２から吸気通路１４に還流するＥＧＲガスの量が制御される。
【００１７】
更に、本実施形態では、吸気通路１４のサージタンク１８の上流側には、ＥＧＲ実施時に吸気通路１４を絞り、吸気通路１４を通る新気の流量を低減すると共にサージタンク１８の圧力を低下させＥＧＲガス量を増大させる吸気絞り弁３０が設けられている。吸気絞り弁３０は、例えば、全開時の吸気抵抗が少ないバタフライ式弁とされており、制御回路（ＥＣＵ）２６からの駆動信号に応じた開度をとる。図１に３２で示すのは、ＥＣＵ２６からの駆動信号に応じて吸気絞り弁３０を駆動する吸気絞り弁駆動部であり、例えば、負圧アクチュエータ、ステッパモータ等の適宜な形式のアクチュエータである。
【００１８】
図１に２６で示すのは、エンジン１０の制御回路（ＥＣＵ）である。本実施形態では、ＥＣＵ２６は、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）７６、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７２、及び入力ポート６６、出力ポート６８を相互に双方向性バス７０で接続した公知の形式のデジタルコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２６は、エンジン１０の燃料噴射制御等の基本制御を行う他、本実施形態では、ＥＧＲ弁３４の開度を制御するＥＧＲ制御や、吸気絞り弁３０の開度を制御する吸気絞り弁制御等の各制御を行う。
【００１９】
これらの制御のため、ＥＣＵ２６の入力ポート６６には、アクセルペダル（図示せず）に設けたアクセル開度センサ５４からアクセル開度θ（運転者のアクセルペダル踏み込み量）に応じた電圧信号が、また、吸気通路１４に設けた、例えばエアフローメータ等の、吸気量センサ５０から、吸気通路１４を流れる新気量Ｇａに応じた電圧信号が、また、排気通路２２に設けた、例えば空燃比（Ａ／Ｆ）センサ等の、排気センサ５２から、排気通路２２内の酸素濃度Ｃに応じた電圧信号が、それぞれマルチプレクサ内蔵型のＡＤ変換器７８を経由して入力されている。上記各センサからのアナログ電圧信号は、ＥＣＵ２６により一定時間毎に実行されるＡＤ変換ルーチンによりデジタル信号に変換され、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納されている。また上記の他、入力ポート６５には、エンジン１０のクランク軸（図示せず）に配置された回転数センサ５６からエンジン１０の回転数ＮＥを表すパルス信号が入力されている。ＣＰＵ７２は、一定時間毎に入力する回転数パルス周波数からエンジン回転数ＮＥを算出し、ＲＡＭ７４に格納する。すなわち、新気量Ｇａ、酸素濃度Ｃ、アクセル開度θ及びエンジン回転数ＮＥの各データは、一定時間毎に更新され、ＲＡＭ７４には常にこれらのデータの最新の値が格納されている。
【００２０】
また、ＥＣＵ２６の出力ポート６８は、エンジン１０の各気筒の燃料噴射弁３８の燃料噴射弁駆動部４０に噴射弁駆動回路６２を介して接続され、エンジンへの燃料噴射量を制御すると共に、ＥＧＲ弁３４のＥＧＲ弁駆動部３６、及び吸気絞り弁３０の吸気絞り弁駆動部３２にそれぞれ駆動回路６０、６４を介して接続され、ＥＧＲ弁３４と吸気絞り弁３０との開度制御を行っている。
【００２１】
以下図２に従って、実際空気過剰率を目標空気過剰率に近づける、第一の実施形態の制御方法を説明する。まず、図１の吸気量センサ（エアフローメータ等）５０によって、エンジン１０に吸入される新気量Ｇａ（ｇ／ｒｅｖ）が検出される（ステップ２０２）。詳細には、吸気通路１４を流れる新気量Ｇａに応じた電圧信号が、吸気量センサ５０から、マルチプレクサ内蔵型のＡＤ変換器７８を経由して、ＥＣＵ２６の入力ポート６６に入力される。その際、吸気量センサ５０からのアナログ電圧信号は、ＥＣＵ２６により一定時間毎に実行されるＡＤ変換ルーチンによりデジタル信号に変換され、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２２】
続いて、新気量Ｇａと、スモーク抑制の観点から定められた所定の最小空気過剰率λ(min) とから最大燃料量Ｑｆ(max) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ２０４）。詳細には、回転数センサ５６（図１）から得られた回転数ＮＥに対応する最小空気過剰率λ(min) が図３のグラフから得られる。図３は、回転数ＮＥと最小空気過剰率λ(min) との関係を示すグラフであり、図３の縦軸は最小空気過剰率λ(min) を、横軸はエンジン回転数ＮＥを示している。図３に示すように、最小空気過剰率λ(min) の値は、エンジン回転数ＮＥが高い範囲でやや上昇するように設定され、予めＥＣＵ２６のＲＯＭ７６に格納されている。最大燃料量Ｑｆ(max) は、新気量Ｇａと、最大燃料量Ｑｆ(max) とから、（最大燃料量Ｑｆ(max) ）＝（新気量Ｇａ）／（（最小空気過剰率λ(min) ）×（理論空燃比））の式を用いて算出される。この最大燃料量Ｑｆ(max) は、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２３】
続いて、アクセル開度センサ５４及び回転数センサ５６（図１）によって得られたアクセル開度θ及びエンジン回転数ＮＥから、図４に基づいて、基本燃料量Ｑｆ(gov) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ２０６）。図４は、アクセル開度θ、回転数ＮＥ及び基本燃料量Ｑｆ(gov) の関係を示す図であり、図４の縦軸は基本燃料量Ｑｆ(gov) を、横軸はエンジン回転数ＮＥを表し、図中の各線はアクセル開度θが一定の場合の基本燃料量Ｑｆ(gov) を示している。図４に示すように、基本燃料量Ｑｆ(gov) は、エンジン回転数ＮＥが同一であればアクセル開度θが大きい程大きい値をとり、アクセル開度θが同一であればエンジン回転数ＮＥが低い程大きな値に設定される。図４の基本燃料量Ｑｆ(gov) の各値は、エンジン回転数ＮＥとアクセル開度θとをパラメータとして用いた数値マップの形で予めＥＣＵ２６のＲＯＭ７６に格納されており、ＥＣＵ２６は検出したエンジン回転数ＮＥとアクセル開度θとの値に基づいて、この数値マップから基本燃料量Ｑｆ(gov) の値を設定する。得られた基本燃料量Ｑｆ(gov) は、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２４】
続いて、基本燃料量Ｑｆ(gov) にエンジン過渡補正が加えられ、補正燃料量Ｑｆ(clc) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ２０８）。エンジン過渡補正とは、具体的には、加速補正、減速補正、暖気補正等であり、加速補正では、スモークの発生を抑えるように燃料量が補正され、減速補正では、ＮＯｘの発生を抑えるように燃料量が補正され、暖気補正では、過度にエンジン回転数が上昇しない範囲で、エンジン回転数を上昇させるように燃料量が補正される。得られた補正燃料量Ｑｆ(clc) は、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２５】
続いて、補正燃料量Ｑｆ(clc) と最大燃料量Ｑｆ(max) とが比較され、小さい側の値が最終燃料量Ｑｆ(fin) （ｇ／ｒｅｖ）とされる（ステップ２１０）。得られた最終燃料量Ｑｆ(fin) は、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２６】
続いて、現時点の実際空気過剰率λ(pst) が、最終燃料量Ｑｆ(fin) と新気量Ｇａとから、（実際空気過剰率λ(pst) ）＝（新気量Ｇａ）／（（最終燃料量Ｑｆ(fin) ）×（理論空燃比））の式を用いて算出される（ステップ２１２）。
【００２７】
続いて、目標空気過剰率λ(egr) を示す図５から、最終燃料量Ｑｆ(fin) （エンジン出力値Ｐ）に対応する目標空気過剰率λ(egr) が得られる（ステップ２１４）。図５の目標空気過剰率λ(egr) は、内燃機関出力値Ｐが最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、内燃機関出力値Ｐが増加するに従って急激に減少し、かつ、内燃機関出力値Ｐが最大内燃機関出力値のほぼ１０％以上の範囲では、ほぼ一定であるように設定されている。ここで、ほぼ１０％とは、１０％±５％である。
【００２８】
続いて、実際空気過剰率λ(pst) と目標空気過剰率λ(egr) とが比較される（ステップ２１６又は２１８）。実際空気過剰率λ(pst) が目標空気過剰率λ(egr) より小さい場合には、実際空気過剰率λ(pst) を増加させる制御が行われ（ステップ２２０）、実際空気過剰率λ(pst) が目標空気過剰率λ(egr) より大きい場合には、実際空気過剰率λ(pst) を減少させる制御が行われる（ステップ２２２）。ここで、実際空気過剰率λ(pst) は、（実際空気過剰率λ(pst) ）＝（新気量Ｇａ）／（（最終燃料量Ｑｆ(fin) ）×（理論空燃比））の式に示されるように、新気量Ｇａ、最終燃料量Ｑｆ(fin) の関数であり、内燃機関に供給される新気量Ｇａ及び最終燃料量Ｑｆ(fin) を増減させるため、つまり、実際空気過剰率λ(pst) を増減させるために、具体的には、図１の吸気絞り弁３０、燃料噴射弁３８、及びＥＧＲ弁３４が制御される。尚、実際空気過剰率λ(pst) を増減させるために、吸気絞り弁３０、燃料噴射弁３８、及びＥＧＲ弁３４のすべてを制御することが可能であるが、吸気絞り弁３０、燃料噴射弁３８、及びＥＧＲ弁３４のうちのいずれか一つ又は二つのみを制御することも可能である。例えば、実際空気過剰率λ(pst) を増減させるために、燃料噴射弁３８の制御を行わず、吸気絞り弁３０及びＥＧＲ弁３４のみを制御する場合には、燃焼する燃料の量が同じであるため、エンジンに供給される燃料量の変動により生じるトルクショックの発生が防止される。
【００２９】
図５に関し、上述されたように、目標空気過剰率λ(egr) は、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％以下の範囲では、エンジン出力値Ｐが増加するに従って急激に減少するように設定され、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％以上の範囲では、ほぼ一定の値になるように設定されている。つまり、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％以下の範囲の目標空気過剰率λ(egr) は、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％より大きい範囲の目標空気過剰率λ(egr) よりもかなり大きく設定されている。そのため、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％以下の範囲では、実際空気過剰率λ(pst) は、比較的大きい値に設定された目標空気過剰率λ(egr) に近づくように制御される。その結果、エンジン出力値Ｐの小さい範囲ではあまり微粒化されていない、又は燃料噴霧の拡散範囲の狭い燃料を良好に燃焼することができる。それゆえ、エンジンの排ガス中に含まれるスモークの量が減少される。一方、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％より大きい範囲では、最大エンジン出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも、目標空気過剰率λ(egr) が小さく設定されているために、過剰に空気が供給されることが防止され、ＥＧＲ量を燃焼を阻害しない範囲での最大限度まで増大できる。その結果、エンジン出力値Ｐの大きい範囲では良好に微粒化されている燃料を良好に燃焼することができ、ＥＧＲ量が燃焼を阻害しない範囲で最大限度まで増大されているため、エンジンの排ガス中に含まれるＮＯｘの量が減少される。
【００３０】
以下、本発明の筒内噴射式内燃機関の他の実施形態を説明する。第二の実施形態では、最終燃料量Ｑｆ(fin) と新気量Ｇａとから実際空気過剰率λ(pst) を算出する（図２のステップ２１２）の代わりに、実際空気過剰率λ(pst) を得るために、排気通路２２に配置された、例えば空燃比（Ａ／Ｆ）センサ等の、排気センサ５２（図１）が使用され、排気センサ５２により得られた酸素濃度検出値が、機関の運転状態に応じた目標空気過剰率に対応する目標酸素濃度になるように制御を行う。本実施形態の特有の制御により、吸気ガス量の検出精度、燃料噴射量の制御精度、及びＥＧＲ制御の制御精度の各制御精度のずれを単一のセンサ（排気センサ）により検出し、かつ補正することができるため、排気ガス制御の制御性が向上する。
【００３１】
第三の実施形態では、第二の実施形態と同様に、排気通路２２に配置された、例えば空燃比（Ａ／Ｆ）センサ等の、排気センサ５２（図１）が使用され、排気センサ５２により得られた酸素濃度検出値が、機関の運転状態に応じた目標空気過剰率に対応する目標酸素濃度になるように制御を行う。以下図７に従って、本実施形態の制御方法を説明する。まず、図２のステップ２０２と同様に、吸気量センサ（エアフローメータ等）５０によって、エンジン１０に吸入される新気量Ｇａ（ｇ／ｒｅｖ）が検出される（ステップ３０２）。続いて、図２のステップ２０４と同様に、新気量Ｇａと、所定の最小空気過剰率λ(min) と、理論空燃比とから最大燃料量Ｑｆ(max) （ｇ／ｒｅｖ）（＝Ｇａ／（λ(min) ×理論空燃比））が得られる（ステップ３０４）。続いて、ステップ２０６と同様に、アクセル開度θとエンジン回転数ＮＥとから基本燃料量Ｑｆ(gov) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ３０６）。続いて、ステップ２０８と同様に、基本燃料量Ｑｆ(gov) から補正燃料量Ｑｆ(clc) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ３０８）。続いて、ステップ２１０と同様に、補正燃料量Ｑｆ(clc) と最大燃料量Ｑｆ(max) とから最終燃料量Ｑｆ(fin) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ３１０）。
【００３２】
続いて、図６から最終燃料量Ｑｆ(fin) に対応する最終燃料量補正係数ｍが得られる（ステップ３１２）。ここで、図６は、最終燃料量Ｑｆ(fin) と最終燃料量補正係数ｍとの関係を示すグラフであり、図６の縦軸は最終燃料量補正係数ｍを、横軸は最終燃料量Ｑｆ(fin) を示し、最終燃料量補正係数ｍは、エアフローメータの測定値のズレ、及び内燃機関に供給される燃料量の目標値（指令値）と実際の値とのズレを補正するための係数である。続いて、値（Ｇａ／（Ｑｆ(fin) ×ｍ））と現時点での実際空気過剰率λ(pst) との関係を記憶したマップを用いることにより、新気量Ｇａと最終燃料量Ｑｆ(fin) と最終燃料量補正係数ｍとから実際空気過剰率λ(pst) を算出する（ステップ３１４）。続いて、実際空気過剰率λ(pst) と、排気センサ５２により得られた酸素濃度検出値に対応するセンサ検出空気過剰率λ(sns) との差から誤差ｅが得られる（ステップ３１６）。続いて、補正係数ｍを誤差ｅでもって補正し学習する、つまり、図６のマップｍの値を更新する（ステップ３１８）。
【００３３】
続いて、図２のステップ２１４と同様に、図５から、最終燃料量Ｑｆ(fin) （エンジン出力値Ｐ）に対応する目標空気過剰率λ(egr) が得られる（ステップ３２０）。続いて、図２のステップ２１６〜２２２と同様に、センサ検出空気過剰率λ(sns) と目標空気過剰率λ(egr) とが比較される（ステップ３２２又は３２４）。センサ検出空気過剰率λ(sns) が目標空気過剰率λ(egr) より小さい場合には、センサ検出空気過剰率λ(sns) を増加させる、つまりＥＧＲ量を減少させる制御が行われ（ステップ３２６）、センサ検出空気過剰率λ(sns) が目標空気過剰率λ(egr) より大きい場合には、センサ検出空気過剰率λ(sns) を減少させる、つまりＥＧＲ量を増加させる制御が行われる（ステップ３２８）。本実施形態の特有の制御による効果として、最終燃料量補正係数ｍを学習することにより、常に排気エミッションに影響のない燃料噴射量制御が可能になる。
【００３４】
第四の実施形態では、最終燃料量Ｑｆ(fin) と新気量Ｇａとから実際空気過剰率λ(pst) を算出する（図２のステップ２１２）の代わりに、実際空気過剰率λ(pst) を得るために、図１には示されていないが、上述されたものと同様のＡ／Ｆセンサと、混合ガス圧力検出手段とが、ＥＧＲ通路２０との合流部より下流の吸気通路１４内に配置される。更に、Ａ／Ｆセンサにより検出された酸素濃度検出値が、機関の運転状態（燃料噴射量、新気量、ＥＧＲ量等）に応じた目標空気過剰率に対応する酸素濃度検出値となるように制御を行う。
【００３５】
以上、本発明による空気過剰率制御を圧縮着火式のディーゼル機関に適用する例を説明したが、本発明による空気過剰率制御は、火花点火式のガソリン機関にも適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明により、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、実際空気過剰率は、比較的大きい値に設定された目標空気過剰率に近づくように制御され、その結果、あまり微粒化されておらず、かつ、燃料噴霧の拡散範囲が狭い燃料を良好に燃焼することが可能にされ、内燃機関の排ガス中に含まれるスモークの量が減少される。更に請求項１に記載の発明により、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％より大きい範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも、目標空気過剰率が比較的小さく設定されているために、過剰に空気が供給されることが防止され、ＥＧＲ量を燃焼を阻害しない範囲での最大限度まで増大でき、それゆえ、良好に微粒化された燃料を燃焼する際の排ガス中に含まれるＮＯｘの発生が抑制される。
【００３７】
請求項２に記載の発明により、内燃機関へ供給される新気量が検出され、かつ、内燃機関へ供給される燃料量が決定されるために、新気量と燃料量との比から実際空気過剰率が容易に得られ、更に、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御されることによって実際空気過剰率が容易に変更され、その結果、実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００３８】
請求項３に記載の発明により、内燃機関へ吸入される吸気酸素量が検出され、かつ、内燃機関へ供給される燃料量が決定されるために、吸気酸素量と燃料量との比から実際空気過剰率が容易に得られ、更に、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御されることによって実際空気過剰率が容易に変更され、その結果、実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００３９】
請求項４に記載の発明により、実際空気過剰率は、排気系に配置された酸素濃度センサによって検出された酸素濃度から得られるために、酸素濃度を検出することにより実際空気過剰率が容易に得られ、更に、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御されることによって実際空気過剰率が容易に変更され、その結果、実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をディーゼルエンジンに適用した第一の実施形態の全体構成図である。
【図２】実際空気過剰率を目標空気過剰率に近づける、第一の実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】回転数ＮＥと最小空気過剰率λ(min) との関係を示すグラフである。
【図４】アクセル開度θ、回転数ＮＥ及び基本燃料量Ｑｆ(gov) の関係を示す図である。
【図５】目標空気過剰率λ(egr) を示すグラフである。
【図６】最終燃料量Ｑｆ(fin) と最終燃料量補正係数ｍとの関係を示すグラフである。
【図７】第三の実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…ディーゼルエンジン
１４…吸気通路
２０…ＥＧＲ通路
２２…排気通路
３０…吸気絞り弁
３４…ＥＧＲ弁
３８…燃料噴射弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式内燃機関に関し、特には実際空気過剰率を目標空気過剰率に近づける制御を行う筒内噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料と空気の混合を良くするために、燃料の微粒化が行われている。燃料と空気が良好に混合されることにより、内燃機関の燃焼は良好に行われ、スモークの発生の少ない燃焼が行われる。しかしながら、回転数が低く、内燃機関の出力が小さい場合、燃料噴射圧が十分に高くならず、燃料の微粒化及び燃料の噴射の拡散範囲が悪くなってしまう。そのため、内燃機関の出力が小さい場合には、内燃機関の出力が大きい場合に比べて、燃焼の際に発生するスモークの量が多くなりがちであった。
【０００３】
一方で、内燃機関の排ガス中に含まれるスモーク及びＮＯｘの少ない燃焼を行うことが必要とされる。例えば、スモーク及びＮＯｘの発生の少ない燃焼を行うこの種の燃焼装置の例としては、特公昭６０−１７９３８に提案されたものがある。スモーク及びＮＯｘの発生の少ない燃焼を行うために、特公昭６０−１７９３８の装置は、ＥＧＲ（排気還流）量の制御を行っている。特公昭６０−１７９３８の装置のＥＧＲ量の制御方法は、燃料量と空気量との比（空気過剰率）に基づく制御方法である。詳細には、まず実際燃料量と実際空気量とが検出され、続いて実際燃料量と実際空気量とから実際空気過剰率が算出され、この実際空気過剰率と予め設定された目標空気過剰率とが比較される。実際空気過剰率が目標空気過剰率より大きい場合にはＥＧＲ量が増加され、実際空気過剰率が目標空気過剰率より小さい場合にはＥＧＲ量が減少され、実際空気過剰率が目標空気過剰率と等しい場合にはＥＧＲ量が維持される。ＥＧＲ量が適切に調節されることにより、ＮＯｘ及びスモークの発生の少ない燃焼が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述されたように、内燃機関の筒内に噴射される燃料の微粒化の度合い、及び燃料の噴霧拡散範囲が、内燃機関の出力が大きい場合と小さい場合とではその程度が異なり、筒内に吸入された空気の空気利用率が異なる。具体的には、内燃機関の出力が大きい場合には、一般に燃料の噴射圧力も高く、燃料の微粒化も良好となり、しかも噴霧の拡散範囲も広い範囲に及ぶため、筒内に吸入された空気の空気利用率が良好となる。一方、内燃機関の出力が小さい場合には、燃料の噴射圧力も上記出力の大きい場合のときほど高くなく、燃料の微粒化も悪化し、しかも噴霧の拡散範囲も狭く燃料噴射弁のまわりの局所的な範囲に限られ、筒内に吸入された空気の空気利用率が悪化する。
【０００５】
しかし、このことは上述された特公昭６０−１７９３８には開示されておらず、この公報に開示される技術においては、内燃機関の運転状態に関わらず一律に目標空気過剰率を設定することを開示している。従って、上記公報のように、例えば、内燃機関の出力が大きい運転領域におけるＮＯｘやスモークの発生量が共に制御されるように目標空気過剰率を比較的小さい値にて一律に設定すると、内燃機関の出力が小さい運転領域においては、燃料の微粒化の悪化及び燃料の拡散範囲が狭いことによる空気利用率の悪化により、燃焼に必要な空気が不足してしまい、スモークが発生し易くなるという問題がある。又、逆に、内燃機関の出力が小さい運転領域におけるＮＯｘやスモークの発生量が共に抑制されるように目標空気過剰率を比較的大きい値にて一律に設定すると、内燃機関の出力が大きい運転領域においては、燃料の微粒化が良好となることに加え、燃料の拡散範囲が広範囲となることにより空気利用率が良好となるため、燃料と空気との燃焼反応が活発に行われ、しかも目標空気過剰率が比較的大きな値に設定されることにより、ＥＧＲ量が過度に低減されるため、ＮＯｘが発生し易くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、前記課題を克服し、内燃機関の出力値の大小に関わらず、内燃機関の排気ガス中に含まれるスモーク及びＮＯｘが少ない燃焼を行うことが可能なように、目標空気過剰率が設定された筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関出力値に対応する所定の目標空気過剰率と実際空気過剰率とを比較し、前記実際空気過剰率の大きさが前記目標空気過剰率の大きさと異なる場合には、前記内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び前記内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つを制御することにより、前記実際空気過剰率を前記目標空気過剰率に近づける筒内噴射式内燃機関において、
前記筒内噴射式内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記目標空気過剰率は、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、燃料の微粒化の悪化及び燃料の拡散範囲が狭いことによる空気利用率の悪化を改善するために、内燃機関出力値が増加するに従って急激に減少し、かつ、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以上の範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも小さくほぼ一定であるように設定されることを特徴とする筒内噴射式内燃機関が提供される。
【０００８】
請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関であるディーゼルエンジンの目標空気過剰率は、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、燃料の微粒化の悪化及び燃料の拡散範囲が狭いことによる空気利用率の悪化を改善するために、内燃機関出力値が増加するに従って急激に減少し、かつ、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以上の範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも小さくほぼ一定であるように設定される、つまり内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲の目標空気過剰率は、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％より大きい範囲の目標空気過剰率よりもかなり大きく設定される。そのため、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、実際空気過剰率は、比較的大きい値に設定された目標空気過剰率に近づくように制御され、その結果、あまり微粒化されておらず、かつ、燃料噴霧の拡散範囲が狭い燃料を良好に燃焼することが可能にされ、内燃機関の排ガス中に含まれるスモークの量が減少される。一方、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％より大きい範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも、目標空気過剰率が比較的小さく設定されているために、過剰に空気が供給されることが防止され、ＥＧＲ量を燃焼を阻害しない範囲での最大限度まで増大でき、それゆえ、良好に微粒化された燃料を燃焼する際の排ガス中に含まれるＮＯｘの発生が抑制される。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、前記内燃機関へ供給される前記新気量を検出する手段と、前記内燃機関へ供給される前記燃料量を決定する手段と、前記新気量と前記燃料量との比から前記実際空気過剰率を得る手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関が提供される。
【００１０】
請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関では、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御され、内燃機関へ供給される新気量と燃料量との比が変更され、新気量と燃料量との比から得られる実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、前記内燃機関に吸入される吸気酸素量を検出する手段と、前記内燃機関へ供給される前記燃料量を決定する手段と、前記吸気酸素量と前記燃料量との比から前記実際空気過剰率を得る手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関が提供される。
【００１２】
請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関では、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御され、内燃機関に吸入される吸気酸素量と、内燃機関へ供給される燃料量との比が変更され、吸気酸素量と燃料量との比から得られる実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、排気系に配置された酸素濃度センサを具備し、前記実際空気過剰率は前記酸素濃度センサの出力値から得られることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関が提供される。
【００１４】
請求項４に記載の筒内噴射式内燃機関では、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御され、排気系に配置された酸素濃度センサによって検出される出力値から得られる実際空気過剰率が変更され、実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の筒内噴射式内燃機関を詳細に説明する。図１は、本発明をＥＧＲ（排気還流）装置付きディーゼルエンジンに適用した第一の実施形態の概略の全体構成図であり、図２は、実際空気過剰率を目標空気過剰率に近づける、第一の実施形態の制御方法を示すフローチャートであり、図３は、回転数ＮＥと最小空気過剰率λ(min) との関係を示すグラフであり、図４は、アクセル開度θ、回転数ＮＥ及び基本燃料量Ｑｆ(gov) の関係を示す図であり、図５は、目標空気過剰率λ(egr) を示すグラフである。
【００１６】
図１において、１０はディーゼルエンジン、１２はエアクリーナ、１４、２２はそれぞれエンジン１０の吸気通路と排気通路、１６は排気ターボチャージャ過給機を示している。また、本実施形態では、エンジン１０の排気の一部を吸気通路１４のサージタンク１８に還流させるＥＧＲ装置が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気通路２２と吸気通路１４のサージタンク１８とを接続するＥＧＲ通路２０、及びＥＧＲ通路２０上に設けられたＥＧＲ弁とを備えている。図１に３６で示すのは、ＥＧＲ弁３４を駆動するＥＧＲ弁駆動部であり、例えば負圧アクチュエータ、ステッパモータ等の適宜な形式のＥＧＲアクチュエータである。本実施形態では、後述するように、エンジン１０の制御回路２６はエンジン１０の燃料噴射量に応じてＥＧＲ弁駆動部３６を駆動し、ＥＧＲ弁３４の開度を調節する。これにより、ＥＧＲ通路２０を通ってエンジンの排気通路２２から吸気通路１４に還流するＥＧＲガスの量が制御される。
【００１７】
更に、本実施形態では、吸気通路１４のサージタンク１８の上流側には、ＥＧＲ実施時に吸気通路１４を絞り、吸気通路１４を通る新気の流量を低減すると共にサージタンク１８の圧力を低下させＥＧＲガス量を増大させる吸気絞り弁３０が設けられている。吸気絞り弁３０は、例えば、全開時の吸気抵抗が少ないバタフライ式弁とされており、制御回路（ＥＣＵ）２６からの駆動信号に応じた開度をとる。図１に３２で示すのは、ＥＣＵ２６からの駆動信号に応じて吸気絞り弁３０を駆動する吸気絞り弁駆動部であり、例えば、負圧アクチュエータ、ステッパモータ等の適宜な形式のアクチュエータである。
【００１８】
図１に２６で示すのは、エンジン１０の制御回路（ＥＣＵ）である。本実施形態では、ＥＣＵ２６は、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）７６、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７２、及び入力ポート６６、出力ポート６８を相互に双方向性バス７０で接続した公知の形式のデジタルコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２６は、エンジン１０の燃料噴射制御等の基本制御を行う他、本実施形態では、ＥＧＲ弁３４の開度を制御するＥＧＲ制御や、吸気絞り弁３０の開度を制御する吸気絞り弁制御等の各制御を行う。
【００１９】
これらの制御のため、ＥＣＵ２６の入力ポート６６には、アクセルペダル（図示せず）に設けたアクセル開度センサ５４からアクセル開度θ（運転者のアクセルペダル踏み込み量）に応じた電圧信号が、また、吸気通路１４に設けた、例えばエアフローメータ等の、吸気量センサ５０から、吸気通路１４を流れる新気量Ｇａに応じた電圧信号が、また、排気通路２２に設けた、例えば空燃比（Ａ／Ｆ）センサ等の、排気センサ５２から、排気通路２２内の酸素濃度Ｃに応じた電圧信号が、それぞれマルチプレクサ内蔵型のＡＤ変換器７８を経由して入力されている。上記各センサからのアナログ電圧信号は、ＥＣＵ２６により一定時間毎に実行されるＡＤ変換ルーチンによりデジタル信号に変換され、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納されている。また上記の他、入力ポート６５には、エンジン１０のクランク軸（図示せず）に配置された回転数センサ５６からエンジン１０の回転数ＮＥを表すパルス信号が入力されている。ＣＰＵ７２は、一定時間毎に入力する回転数パルス周波数からエンジン回転数ＮＥを算出し、ＲＡＭ７４に格納する。すなわち、新気量Ｇａ、酸素濃度Ｃ、アクセル開度θ及びエンジン回転数ＮＥの各データは、一定時間毎に更新され、ＲＡＭ７４には常にこれらのデータの最新の値が格納されている。
【００２０】
また、ＥＣＵ２６の出力ポート６８は、エンジン１０の各気筒の燃料噴射弁３８の燃料噴射弁駆動部４０に噴射弁駆動回路６２を介して接続され、エンジンへの燃料噴射量を制御すると共に、ＥＧＲ弁３４のＥＧＲ弁駆動部３６、及び吸気絞り弁３０の吸気絞り弁駆動部３２にそれぞれ駆動回路６０、６４を介して接続され、ＥＧＲ弁３４と吸気絞り弁３０との開度制御を行っている。
【００２１】
以下図２に従って、実際空気過剰率を目標空気過剰率に近づける、第一の実施形態の制御方法を説明する。まず、図１の吸気量センサ（エアフローメータ等）５０によって、エンジン１０に吸入される新気量Ｇａ（ｇ／ｒｅｖ）が検出される（ステップ２０２）。詳細には、吸気通路１４を流れる新気量Ｇａに応じた電圧信号が、吸気量センサ５０から、マルチプレクサ内蔵型のＡＤ変換器７８を経由して、ＥＣＵ２６の入力ポート６６に入力される。その際、吸気量センサ５０からのアナログ電圧信号は、ＥＣＵ２６により一定時間毎に実行されるＡＤ変換ルーチンによりデジタル信号に変換され、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２２】
続いて、新気量Ｇａと、スモーク抑制の観点から定められた所定の最小空気過剰率λ(min) とから最大燃料量Ｑｆ(max) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ２０４）。詳細には、回転数センサ５６（図１）から得られた回転数ＮＥに対応する最小空気過剰率λ(min) が図３のグラフから得られる。図３は、回転数ＮＥと最小空気過剰率λ(min) との関係を示すグラフであり、図３の縦軸は最小空気過剰率λ(min) を、横軸はエンジン回転数ＮＥを示している。図３に示すように、最小空気過剰率λ(min) の値は、エンジン回転数ＮＥが高い範囲でやや上昇するように設定され、予めＥＣＵ２６のＲＯＭ７６に格納されている。最大燃料量Ｑｆ(max) は、新気量Ｇａと、最大燃料量Ｑｆ(max) とから、（最大燃料量Ｑｆ(max) ）＝（新気量Ｇａ）／（（最小空気過剰率λ(min) ）×（理論空燃比））の式を用いて算出される。この最大燃料量Ｑｆ(max) は、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２３】
続いて、アクセル開度センサ５４及び回転数センサ５６（図１）によって得られたアクセル開度θ及びエンジン回転数ＮＥから、図４に基づいて、基本燃料量Ｑｆ(gov) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ２０６）。図４は、アクセル開度θ、回転数ＮＥ及び基本燃料量Ｑｆ(gov) の関係を示す図であり、図４の縦軸は基本燃料量Ｑｆ(gov) を、横軸はエンジン回転数ＮＥを表し、図中の各線はアクセル開度θが一定の場合の基本燃料量Ｑｆ(gov) を示している。図４に示すように、基本燃料量Ｑｆ(gov) は、エンジン回転数ＮＥが同一であればアクセル開度θが大きい程大きい値をとり、アクセル開度θが同一であればエンジン回転数ＮＥが低い程大きな値に設定される。図４の基本燃料量Ｑｆ(gov) の各値は、エンジン回転数ＮＥとアクセル開度θとをパラメータとして用いた数値マップの形で予めＥＣＵ２６のＲＯＭ７６に格納されており、ＥＣＵ２６は検出したエンジン回転数ＮＥとアクセル開度θとの値に基づいて、この数値マップから基本燃料量Ｑｆ(gov) の値を設定する。得られた基本燃料量Ｑｆ(gov) は、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２４】
続いて、基本燃料量Ｑｆ(gov) にエンジン過渡補正が加えられ、補正燃料量Ｑｆ(clc) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ２０８）。エンジン過渡補正とは、具体的には、加速補正、減速補正、暖気補正等であり、加速補正では、スモークの発生を抑えるように燃料量が補正され、減速補正では、ＮＯｘの発生を抑えるように燃料量が補正され、暖気補正では、過度にエンジン回転数が上昇しない範囲で、エンジン回転数を上昇させるように燃料量が補正される。得られた補正燃料量Ｑｆ(clc) は、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２５】
続いて、補正燃料量Ｑｆ(clc) と最大燃料量Ｑｆ(max) とが比較され、小さい側の値が最終燃料量Ｑｆ(fin) （ｇ／ｒｅｖ）とされる（ステップ２１０）。得られた最終燃料量Ｑｆ(fin) は、ＥＣＵ２６のＲＡＭ７４に格納される。
【００２６】
続いて、現時点の実際空気過剰率λ(pst) が、最終燃料量Ｑｆ(fin) と新気量Ｇａとから、（実際空気過剰率λ(pst) ）＝（新気量Ｇａ）／（（最終燃料量Ｑｆ(fin) ）×（理論空燃比））の式を用いて算出される（ステップ２１２）。
【００２７】
続いて、目標空気過剰率λ(egr) を示す図５から、最終燃料量Ｑｆ(fin) （エンジン出力値Ｐ）に対応する目標空気過剰率λ(egr) が得られる（ステップ２１４）。図５の目標空気過剰率λ(egr) は、内燃機関出力値Ｐが最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、内燃機関出力値Ｐが増加するに従って急激に減少し、かつ、内燃機関出力値Ｐが最大内燃機関出力値のほぼ１０％以上の範囲では、ほぼ一定であるように設定されている。ここで、ほぼ１０％とは、１０％±５％である。
【００２８】
続いて、実際空気過剰率λ(pst) と目標空気過剰率λ(egr) とが比較される（ステップ２１６又は２１８）。実際空気過剰率λ(pst) が目標空気過剰率λ(egr) より小さい場合には、実際空気過剰率λ(pst) を増加させる制御が行われ（ステップ２２０）、実際空気過剰率λ(pst) が目標空気過剰率λ(egr) より大きい場合には、実際空気過剰率λ(pst) を減少させる制御が行われる（ステップ２２２）。ここで、実際空気過剰率λ(pst) は、（実際空気過剰率λ(pst) ）＝（新気量Ｇａ）／（（最終燃料量Ｑｆ(fin) ）×（理論空燃比））の式に示されるように、新気量Ｇａ、最終燃料量Ｑｆ(fin) の関数であり、内燃機関に供給される新気量Ｇａ及び最終燃料量Ｑｆ(fin) を増減させるため、つまり、実際空気過剰率λ(pst) を増減させるために、具体的には、図１の吸気絞り弁３０、燃料噴射弁３８、及びＥＧＲ弁３４が制御される。尚、実際空気過剰率λ(pst) を増減させるために、吸気絞り弁３０、燃料噴射弁３８、及びＥＧＲ弁３４のすべてを制御することが可能であるが、吸気絞り弁３０、燃料噴射弁３８、及びＥＧＲ弁３４のうちのいずれか一つ又は二つのみを制御することも可能である。例えば、実際空気過剰率λ(pst) を増減させるために、燃料噴射弁３８の制御を行わず、吸気絞り弁３０及びＥＧＲ弁３４のみを制御する場合には、燃焼する燃料の量が同じであるため、エンジンに供給される燃料量の変動により生じるトルクショックの発生が防止される。
【００２９】
図５に関し、上述されたように、目標空気過剰率λ(egr) は、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％以下の範囲では、エンジン出力値Ｐが増加するに従って急激に減少するように設定され、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％以上の範囲では、ほぼ一定の値になるように設定されている。つまり、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％以下の範囲の目標空気過剰率λ(egr) は、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％より大きい範囲の目標空気過剰率λ(egr) よりもかなり大きく設定されている。そのため、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％以下の範囲では、実際空気過剰率λ(pst) は、比較的大きい値に設定された目標空気過剰率λ(egr) に近づくように制御される。その結果、エンジン出力値Ｐの小さい範囲ではあまり微粒化されていない、又は燃料噴霧の拡散範囲の狭い燃料を良好に燃焼することができる。それゆえ、エンジンの排ガス中に含まれるスモークの量が減少される。一方、エンジン出力値Ｐが最大エンジン出力値のほぼ１０％より大きい範囲では、最大エンジン出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも、目標空気過剰率λ(egr) が小さく設定されているために、過剰に空気が供給されることが防止され、ＥＧＲ量を燃焼を阻害しない範囲での最大限度まで増大できる。その結果、エンジン出力値Ｐの大きい範囲では良好に微粒化されている燃料を良好に燃焼することができ、ＥＧＲ量が燃焼を阻害しない範囲で最大限度まで増大されているため、エンジンの排ガス中に含まれるＮＯｘの量が減少される。
【００３０】
以下、本発明の筒内噴射式内燃機関の他の実施形態を説明する。第二の実施形態では、最終燃料量Ｑｆ(fin) と新気量Ｇａとから実際空気過剰率λ(pst) を算出する（図２のステップ２１２）の代わりに、実際空気過剰率λ(pst) を得るために、排気通路２２に配置された、例えば空燃比（Ａ／Ｆ）センサ等の、排気センサ５２（図１）が使用され、排気センサ５２により得られた酸素濃度検出値が、機関の運転状態に応じた目標空気過剰率に対応する目標酸素濃度になるように制御を行う。本実施形態の特有の制御により、吸気ガス量の検出精度、燃料噴射量の制御精度、及びＥＧＲ制御の制御精度の各制御精度のずれを単一のセンサ（排気センサ）により検出し、かつ補正することができるため、排気ガス制御の制御性が向上する。
【００３１】
第三の実施形態では、第二の実施形態と同様に、排気通路２２に配置された、例えば空燃比（Ａ／Ｆ）センサ等の、排気センサ５２（図１）が使用され、排気センサ５２により得られた酸素濃度検出値が、機関の運転状態に応じた目標空気過剰率に対応する目標酸素濃度になるように制御を行う。以下図７に従って、本実施形態の制御方法を説明する。まず、図２のステップ２０２と同様に、吸気量センサ（エアフローメータ等）５０によって、エンジン１０に吸入される新気量Ｇａ（ｇ／ｒｅｖ）が検出される（ステップ３０２）。続いて、図２のステップ２０４と同様に、新気量Ｇａと、所定の最小空気過剰率λ(min) と、理論空燃比とから最大燃料量Ｑｆ(max) （ｇ／ｒｅｖ）（＝Ｇａ／（λ(min) ×理論空燃比））が得られる（ステップ３０４）。続いて、ステップ２０６と同様に、アクセル開度θとエンジン回転数ＮＥとから基本燃料量Ｑｆ(gov) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ３０６）。続いて、ステップ２０８と同様に、基本燃料量Ｑｆ(gov) から補正燃料量Ｑｆ(clc) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ３０８）。続いて、ステップ２１０と同様に、補正燃料量Ｑｆ(clc) と最大燃料量Ｑｆ(max) とから最終燃料量Ｑｆ(fin) （ｇ／ｒｅｖ）が得られる（ステップ３１０）。
【００３２】
続いて、図６から最終燃料量Ｑｆ(fin) に対応する最終燃料量補正係数ｍが得られる（ステップ３１２）。ここで、図６は、最終燃料量Ｑｆ(fin) と最終燃料量補正係数ｍとの関係を示すグラフであり、図６の縦軸は最終燃料量補正係数ｍを、横軸は最終燃料量Ｑｆ(fin) を示し、最終燃料量補正係数ｍは、エアフローメータの測定値のズレ、及び内燃機関に供給される燃料量の目標値（指令値）と実際の値とのズレを補正するための係数である。続いて、値（Ｇａ／（Ｑｆ(fin) ×ｍ））と現時点での実際空気過剰率λ(pst) との関係を記憶したマップを用いることにより、新気量Ｇａと最終燃料量Ｑｆ(fin) と最終燃料量補正係数ｍとから実際空気過剰率λ(pst) を算出する（ステップ３１４）。続いて、実際空気過剰率λ(pst) と、排気センサ５２により得られた酸素濃度検出値に対応するセンサ検出空気過剰率λ(sns) との差から誤差ｅが得られる（ステップ３１６）。続いて、補正係数ｍを誤差ｅでもって補正し学習する、つまり、図６のマップｍの値を更新する（ステップ３１８）。
【００３３】
続いて、図２のステップ２１４と同様に、図５から、最終燃料量Ｑｆ(fin) （エンジン出力値Ｐ）に対応する目標空気過剰率λ(egr) が得られる（ステップ３２０）。続いて、図２のステップ２１６〜２２２と同様に、センサ検出空気過剰率λ(sns) と目標空気過剰率λ(egr) とが比較される（ステップ３２２又は３２４）。センサ検出空気過剰率λ(sns) が目標空気過剰率λ(egr) より小さい場合には、センサ検出空気過剰率λ(sns) を増加させる、つまりＥＧＲ量を減少させる制御が行われ（ステップ３２６）、センサ検出空気過剰率λ(sns) が目標空気過剰率λ(egr) より大きい場合には、センサ検出空気過剰率λ(sns) を減少させる、つまりＥＧＲ量を増加させる制御が行われる（ステップ３２８）。本実施形態の特有の制御による効果として、最終燃料量補正係数ｍを学習することにより、常に排気エミッションに影響のない燃料噴射量制御が可能になる。
【００３４】
第四の実施形態では、最終燃料量Ｑｆ(fin) と新気量Ｇａとから実際空気過剰率λ(pst) を算出する（図２のステップ２１２）の代わりに、実際空気過剰率λ(pst) を得るために、図１には示されていないが、上述されたものと同様のＡ／Ｆセンサと、混合ガス圧力検出手段とが、ＥＧＲ通路２０との合流部より下流の吸気通路１４内に配置される。更に、Ａ／Ｆセンサにより検出された酸素濃度検出値が、機関の運転状態（燃料噴射量、新気量、ＥＧＲ量等）に応じた目標空気過剰率に対応する酸素濃度検出値となるように制御を行う。
【００３５】
以上、本発明による空気過剰率制御を圧縮着火式のディーゼル機関に適用する例を説明したが、本発明による空気過剰率制御は、火花点火式のガソリン機関にも適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明により、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、実際空気過剰率は、比較的大きい値に設定された目標空気過剰率に近づくように制御され、その結果、あまり微粒化されておらず、かつ、燃料噴霧の拡散範囲が狭い燃料を良好に燃焼することが可能にされ、内燃機関の排ガス中に含まれるスモークの量が減少される。更に請求項１に記載の発明により、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％より大きい範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも、目標空気過剰率が比較的小さく設定されているために、過剰に空気が供給されることが防止され、ＥＧＲ量を燃焼を阻害しない範囲での最大限度まで増大でき、それゆえ、良好に微粒化された燃料を燃焼する際の排ガス中に含まれるＮＯｘの発生が抑制される。
【００３７】
請求項２に記載の発明により、内燃機関へ供給される新気量が検出され、かつ、内燃機関へ供給される燃料量が決定されるために、新気量と燃料量との比から実際空気過剰率が容易に得られ、更に、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御されることによって実際空気過剰率が容易に変更され、その結果、実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００３８】
請求項３に記載の発明により、内燃機関へ吸入される吸気酸素量が検出され、かつ、内燃機関へ供給される燃料量が決定されるために、吸気酸素量と燃料量との比から実際空気過剰率が容易に得られ、更に、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御されることによって実際空気過剰率が容易に変更され、その結果、実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【００３９】
請求項４に記載の発明により、実際空気過剰率は、排気系に配置された酸素濃度センサによって検出された酸素濃度から得られるために、酸素濃度を検出することにより実際空気過剰率が容易に得られ、更に、内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つが制御されることによって実際空気過剰率が容易に変更され、その結果、実際空気過剰率が目標空気過剰率に近づけられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をディーゼルエンジンに適用した第一の実施形態の全体構成図である。
【図２】実際空気過剰率を目標空気過剰率に近づける、第一の実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】回転数ＮＥと最小空気過剰率λ(min) との関係を示すグラフである。
【図４】アクセル開度θ、回転数ＮＥ及び基本燃料量Ｑｆ(gov) の関係を示す図である。
【図５】目標空気過剰率λ(egr) を示すグラフである。
【図６】最終燃料量Ｑｆ(fin) と最終燃料量補正係数ｍとの関係を示すグラフである。
【図７】第三の実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…ディーゼルエンジン
１４…吸気通路
２０…ＥＧＲ通路
２２…排気通路
３０…吸気絞り弁
３４…ＥＧＲ弁
３８…燃料噴射弁
Claims (4)
- 内燃機関出力値に対応する所定の目標空気過剰率と実際空気過剰率とを比較し、前記実際空気過剰率の大きさが前記目標空気過剰率の大きさと異なる場合には、前記内燃機関へ供給される燃料量、新気量、及び前記内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気還流ガスの排気還流量、のうちの少なくとも一つを制御することにより、前記実際空気過剰率を前記目標空気過剰率に近づける筒内噴射式内燃機関において、
前記筒内噴射式内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記目標空気過剰率は、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲では、燃料の微粒化の悪化及び燃料の拡散範囲が狭いことによる空気利用率の悪化を改善するために、内燃機関出力値が増加するに従って急激に減少し、かつ、内燃機関出力値が最大内燃機関出力値のほぼ１０％以上の範囲では、最大内燃機関出力値のほぼ１０％以下の範囲よりも小さくほぼ一定であるように設定されることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。 - 前記内燃機関へ供給される前記新気量を検出する手段と、前記内燃機関へ供給される前記燃料量を決定する手段と、前記新気量と前記燃料量との比から前記実際空気過剰率を得る手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 前記内燃機関に吸入される吸気酸素量を検出する手段と、前記内燃機関へ供給される前記燃料量を決定する手段と、前記吸気酸素量と前記燃料量との比から前記実際空気過剰率を得る手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 排気系に配置された酸素濃度センサを具備し、前記実際空気過剰率は前記酸素濃度センサの出力値から得られることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
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