JP5517770B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、エアフローメータを用いずに燃焼室に流入される吸気の酸素濃度を推定して、該推定値を用いて内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関の燃料噴射量や燃料噴射時期やＥＧＲ（排ガス再循環装置）量等の制御量の算出のために、吸気マニホールドの上流の吸気通路に設けられたエアフローメータからの信号、および排ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度センサ等からの信号が用いられている。

例えば、特許文献１（特許第３２５９５３６号公報）には、吸気通路側にエアフローメータを設け、排気通路側に酸素濃度センサを設け、酸素濃度センサによって排ガス中に含まれる酸素濃度を検出してＥＧＲガス中に含まれる空気量を把握し、エアフローメータにより検出された吸入空気量と、ＥＧＲガス中の空気量との和から機関シリンダ内に供給される空気量を算出してこの空気量を基に燃料噴射量を算出することが開示されている。

また、特許文献２（特許４２８４９０６号公報）には、エアフローメータ、吸気マニホールド内温度、吸気マニホールド内圧力、さらに燃料噴射指令値をもとに排気Ｏ_２濃度を予測し、内燃機関の運転領域毎に排気Ｏ_２濃度の目標値を持ち、前記予測排気Ｏ_２濃度が目標値に一致するように、ＥＧＲバルブをフィードバッグ制御することが示されている。

特許第３２５９５３６号公報 特許第４２８４９０６号公報

しかしながら、これら特許文献１、２に開示されるように、内燃機関の燃料噴射量制御またはＥＧＲ量の制御に、排気路側に酸素濃度センサ、および吸気通路側にエアフローメータの両方のセンサを設置する必要がある。
エアフローメータは、動作原理によって熱線式、カルマン渦式等のタイプがあるが、設置部に所定の直線区間等のスペースを要し、大型化する。このため、エンジンルームのスペースが限られた産業用車両等においては、エアフローメータを省略して省スペース化することが望まれている。

そこで、本発明は、これら課題に鑑みてなされたもので、吸気通路にエアフローメータを設置せずに、シリンダ内へ流入する燃焼前の吸気の酸素濃度を、排気通路に設置された酸素濃度センサの検出信号から精度よく推定可能にするとともに、該推定値を用いて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えた内燃機関の制御装置において、エンジン回転数センサと、吸気スロットルバルブより下流側の吸気圧力を検出する吸気圧力センサと、吸気スロットルバルブより下流側の吸気温度を検出する吸気温度センサと、排気マニホールドよりも下流側に設けられた酸素濃度センサとを備え、
これら、エンジン回転数、吸気圧力、吸気温度、および酸素濃度センサの信号を用いて、前記排気マニホールドよりも下流側に設置される酸素濃度センサによって検出される酸素濃度の応答遅れを表す伝達特性に基づいて前記排気マニホールド位置での酸素濃度を推定する状態推定器と、該状態推定器によって推定された排気マニホールド位置の酸素濃度を基にシリンダに流入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出する吸気酸素濃度算出手段と、吸気エアフローメータを設けずに前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された吸気酸素濃度を用いて内燃機関の燃焼を制御する燃焼制御手段と、を備えたことを特徴とする。

かかる発明によれば、吸気通路にエアフローメータを設置する必要がないため吸気通路部分の小型化が可能になりエンジンルームを省スペース化できる。また、エンジンルームスペースを十分とれない産業用車両へのエンジン搭載性が向上する。
また、本発明によれば、状態推定器によって、排気マニホールド下流側の酸素濃度センサによって検出された酸素濃度から排気マニホールド位置の酸素濃度を推定し、さらに吸気酸素濃度算出手段によって、シリンダに流入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出するので、排気通路後流に設置されたことで生じる酸素濃度センサの計測遅れを補償することができ、排ガス中の有害物質の制御にとって重要な燃焼前の酸素濃度を精度よく推定できる。
このように、燃焼前のシリンダ内の酸素濃度を精度よく推定できることによって、燃焼前酸素濃度の制御性が向上し、排ガス中の有ガス物質（ＮＯ_Ｘ、ＰＭ）の低減が可能になる。

また、本発明において好ましくは、前記状態推定器は、前記排気マニホールド位置の酸素濃度と排気マニホールド下流側の酸素濃度センサでの酸素濃度との応答遅れを制御対象とする状態方程式を有して構成され、該状態方程式はシリンダ流入ガス量と燃料噴射量との変化率を入力項とするとよい。

このように、シリンダ流入ガス量の時間微分値および燃料噴射量つまり燃料噴射量指令値の時間微分値を状態方程式の入力項として用いることで、酸素濃度センサが排気通路下流側に設置されていることによる排気酸素濃度の検出遅れと、酸素濃度センサの応答遅れとを補償することができるようになる。

また、本発明において好ましくは、前記状態方程式には、酸素濃度センサの設置位置での酸素濃度推定値と該酸素濃度センサの検出値との偏差を用いた補正項を有し、該補正項の補正ゲインが内燃機関の運転状態に応じて、過渡運転時には補正ゲインを小さくして酸素濃度センサの検出値の影響度を小さくし、定常運転時には補正ゲインを大きくして酸素濃度センサの検出値の影響度を大きくするとよい。

このように、定常運転時には、排気マニホールド位置と排気通路後流に設置される酸素濃度センサ位置との間で酸素濃度の大きな変化はないため、酸素濃度センサの検出値の影響を大きくするように補正ゲインを大きくとり、また、過渡運転時には、排ガス流の変動が大きくなるため、酸素濃度センサの検出値の影響を小さくするように補正ゲインを小さくする。これによって、定常運転状態における燃焼前のシリンダ内酸素濃度推定精度と、過渡運転状態における燃焼前のシリンダ内酸素濃度推定精度のバランスをとることができる。

また、本発明において好ましくは、前記吸気酸素濃度算出手段は、エンジンのシリンダ内に吸入した酸素量から燃焼に寄与して消費した酸素量を差し引いた酸素が排出される関係を基に、前記状態推定器によって推定された排気マニホールド位置の酸素濃度からシリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出するとよい。

前記状態推定器によって推定された排気マニホールド位置の酸素濃度からシリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出するので、すなわち、シリンダに吸入される酸素質量流量は、排ガス中の酸素質量流量に、燃焼に寄与して消費した酸素質量流量を加えたものである関係を基に、シリンダ内に吸入する酸素質量流量を算出し、さらに酸素濃度を算出できる。

また、本発明において好ましくは、前記燃焼制御手段は、前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された吸気酸素濃度が設定された目標酸素濃度になるように、ＥＧＲバルブもしくは吸気スロットルバルブの少なくとも何れか一方を制御する酸素濃度制御手段を備えるとよい。

このように、酸素濃度制御手段はＥＧＲバルブまたは吸気スロットルバルブの少なくとも何れか一方によって、燃焼前のシリンダ内酸素濃度を精度よく目標酸素濃度に制御するので、燃焼前のシリンダ内酸素濃度の制御性が向上し、排ガス有害物質（ＮＯ_Ｘ、ＰＭ）の低減が可能となる。

また、本発明において好ましくは、前記燃焼制御手段は、前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度が設定された目標酸素濃度より高いか低いかに応じて、燃料噴射時期を調整する燃料噴射時期調整手段を備えるとよい。

このように、燃料噴射時期調整手段によって、シリンダ内酸素濃度が設定された目標酸素濃度より高いか低いかに応じて、燃料噴射時期を調整するため、排ガス有害物質（ＮＯ_Ｘ、ＰＭ）の低減が可能となる。

また、本発明において好ましくは、ＥＧＲバルブが全閉でかつ内燃機関の運転が安定時において、前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度が大気中の酸素濃度である２１％となるように補正値を算出し、該補正値をＥＧＲバルブが全閉でかつ安定時以外の運転時における調整値として加算する吸気酸素濃度補正手段を備えるとよい。

このように、吸気酸素濃度補正手段によって、ＥＧＲバルブが全閉でかつ内燃機関の運転が安定時において、前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度が大気中の酸素濃度である２１％となるように補正値を算出するので、すなわち、酸素濃度センサの劣化状態や、さらに燃料性状違いによる理論空燃比の変化を補正値に反映して算出するため、つまりキャリブレーションされるので、ＥＧＲバルブが全閉でかつ内燃機関の運転が安定でない他の運転状態の場合における算出時に、該補正値を加算することによって吸気酸素濃度算出手段によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度の算出精度を高めることができる。

また、本発明において好ましくは、ＥＧＲガス流量を検出するＥＧＲ流量センサをＥＧＲ配管に設置し、前記状態推定器への入力信号としてＥＧＲガス質量流量、ＥＧＲガス中の酸素濃度をさらに用いるとよい。
具体的には、ＥＧＲガス流量の時間微分値およびＥＧＲガス中の酸素濃度の時間微分値の情報をさらに用いて、状態推定器の状態方程式に基づいて排気マニホールド位置での酸素濃度を推定することによって、燃焼前のシリンダ内酸素濃度の推定精度がさらに向上できる。

本発明によれば、排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えた内燃機関の制御装置において、エンジン回転数センサと、吸気スロットルバルブより下流側の吸気圧力を検出する吸気圧力センサと、吸気スロットルバルブより下流側の吸気温度を検出する吸気温度センサと、排気マニホールドよりも下流側に設けられた酸素濃度センサとを備えて、これらセンサからの信号を用い、吸気通路にエアフローメータを設けないため、吸気通路部分の小型化が可能になりエンジンルームを省スペース化できる。また、エンジンルームスペースを十分とれない車両へのエンジン搭載性が向上する。
さらに、本発明によれば、状態推定器によって、排気マニホールドよりも下流側の酸素濃度センサによって検出された酸素濃度から排気マニホールド位置の酸素濃度を推定し、さらに吸気酸素濃度算出手段によって、シリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出するので、排気通路後流に設置されることで生じる酸素濃度センサの計測遅れを補償することができ、排ガス中の有ガス物質の制御にとって重要な燃焼前の酸素濃度を精度よく推定できる。

本発明の実施形態を示す全体構成図である。 制御装置の全体フローを示すフローチャートである。 状態推定器による推定演算の第１実施形態を示すフローチャートである。 酸素濃度Ｆ／Ｂ制御演算の演算フローチャートである。 主噴射タイミング補正の制御フローチャートである。 状態推定器による推定演算の第２実施形態を示すフローチャートである。 第２実施形態の説明図である。 状態推定器による推定演算の第３実施形態を示すフローチャートである。 第３実施形態の詳細説明のフローチャートである。 第４実施形態を示す全体構成図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

図１は、本発明の実施形態を示す全体構成である。図１において、エンジン１は４つの気筒を有する４サイクルディーゼルエンジンである。
エンジン１には、吸気マニホールド３を介して吸気通路５を通って流入した新気が各気筒に供給されるようになっている。また、排気マニホールド７を介して排気通路９が接続されている。
吸気通路５には、排気過給機１１のコンプレッサ１１ａが設けられている。コンプレッサ１１ａは後述する排気タービン１１ｂに同軸駆動されるものである。吸気通路５のコンプレッサ１１ａよりも下流側には、コンプレッサ１１ａで加圧された給気を冷却するインタークーラ１３が設けられている。

また、吸気通路５のインタークーラ１３よりも下流側には、吸気通路５内を流通する吸気流量を調節する吸気スロットルバルブ１５が設けられている。また、吸気スロットルバルブ１５の下流側には、吸気マニホールド３内の温度および圧力を検出する吸気温度センサ１７及び吸気圧力センサ１９が設けられている。また、排気タービン１１ｂの下流側には排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２１が設けられている。

吸気温度センサ１７、吸気圧力センサ１９、酸素濃度センサ２１の検知信号は、それぞれＡ／Ｄ変換器２３ａ、２３ｂ、２３ｃを介して制御装置２５に入力される。

排気通路９には、排気過給機１１の排気タービン１１ｂが設けられている。排気タービン１１ｂは、エンジン１からの排気ガスにより駆動される。また、排気マニホールド７には、排気の一部を吸気通路５へ再循環させる排ガス再循環装置（ＥＧＲ）のＥＧＲ通路２７が接続されている。このＥＧＲ通路２７には、ＥＧＲクーラー２９及びＥＧＲバルブ３１が設けられている。
ＥＧＲクーラー２９は、ＥＧＲバルブ３１よりも排気マニホールド７側に設けられ、ＥＧＲクーラー２９を通過するＥＧＲガスは冷却水とで熱交換によって温度低下される。また、ＥＧＲバルブ３１によって、ＥＧＲ通路２７を流れるＥＧＲガスの流量が制御されるようになっている。ＥＧＲバルブ３１はＥＧＲバルブ駆動回路３２を介して制御装置２５と接続され、吸気スロットルバルブ１５は、スロットルバルブ駆動回路３４を介して制御装置２５と接続されている。

また、エンジン１にはエンジン回転数センサ３３が設けられており、エンジン回転数センサ３３の検知値はパルスカウント回路３５を介して制御装置２５に入力される。制御装置２５には、燃料の噴射時期、噴射量、噴射圧力を制御して燃焼室内に燃料を噴射するように各気筒の燃料噴射弁３７に対してインジェクタ駆動回路３９を介してエンジン１への燃料噴射が制御される。

また、制御装置２５には、状態推定器４１が備えられている。
酸素濃度センサ２１の位置が排気マニホールド７下流側で、さらに排気タービン１１ｂの下流側に設けられているため設置位置の差による遅れ、および酸素濃度センサ２１自体が有している応答遅れのため、酸素濃度センサ２１によって検出された酸素濃度はエンジン１の燃焼状態を精度よく表しているとは言えない。
そこで、状態推定器４１によって、排気マニホールド７下流側の酸素濃度センサ２１によって検出された酸素濃度から応答遅れ表す伝達特性を基に排気マニホールド７内の酸素濃度を推定する。

状態推定器４１について説明する。状態推定器４１は、排気マニホールド７内の酸素濃度と排気マニホールド７下流側の酸素濃度センサ２１での酸素濃度との応答遅れを制御対象とする状態方程式を有して構成されている。

排ガス中の酸素量に関する式として式（１）、式（２）が成り立つ。
Ｍ_ＯＥＸ＝Ｏ_Ａｉｒ・Ｍ_Ａｉｒ＋Ｏ_ＥＧＲ・Ｍ_ＥＧＲ−Ｏ_Ａｉｒ・Ｌ_ｔｈ・Ｍ_Ｆｕｅｌ （１）
Ｍ_ＯＥＸ＝Ｏ_ＭＥＸ・Ｍ_ＥＸ （２）
燃焼前の酸素量に関する式として式（３）が成り立つ。
Ｍ_ＯＣＹＬ＝Ｏ_ＣＬＹ・Ｍ_ＣＬＹ＝Ｍ_ＯＥＸ＋Ｏ_Ａｉｒ・Ｌ_ｔｈ・Ｍ_Ｆｕｅｌ （３）

ここで、Ｍ_Ａｉｒ：新気（大気）の質量流量、
Ｍ_ＣＬＹ：吸気質量流量
Ｍ_ＥＧＲ：ＥＧＲガスの質量流量、
Ｍ_ＥＸ ：排ガス質量流量、
Ｍ_Ｆｕｅｌ：燃料質量流量、
Ｍ_ＯＥＸ：排ガス中の酸素質量流量、
Ｍ_ＯＭＥＸ：酸素濃度センサ位置での排ガス中の酸素質量流量
Ｍ_ＯＣＹＬ：吸気中の酸素質量流量、
Ｏ_Ａｉｒ：新気（大気）の酸素濃度、
Ｏ_ＣＬＹ：吸気の酸素濃度、
Ｏ_ＥＧＲ：ＥＧＲガスの酸素濃度、
Ｏ_ＥＸ：排ガスの酸素濃度 （燃焼後のシリンダ内酸素濃度）
Ｏ_ＭＥＸ：酸素濃度位置における排ガス中の酸素濃度（センサ値）、
Ｌ_ｔｈ：理論空燃比、

式（１）で、ＥＧＲガスの影響が少ないとして式（４）で代用する。なお、ＥＧＲガスの影響を考慮した場合については第４実施形態で説明する。
Ｍ_ＯＥＸ＝Ｏ_Ａｉｒ・Ｍ_ＣＬＹ−Ｏ_Ａｉｒ・Ｌ_ｔｈ・Ｍ_Ｆｕｅｌ （４）
式（４）の両辺を微分して式（５）を得る。
ｄ（Ｍ_ＯＥＸ）／ｄｔ＝Ｏ_Ａｉｒ・ｄ（Ｍ_ＣＬＹ）／ｄｔ−Ｏ_Ａｉｒ・Ｌ_ｔｈ・ｄ（Ｍ_Ｆｕｅｌ）／ｄｔ （５）

酸素濃度センサ２１は、排気通路９の後流に設置され、さらに酸素濃度センサ２１の応答性から、Ｏ_ＭＥＸは、Ｏ_ＥＸに対して応答遅れを有する。この酸素濃度センサ２１の応答遅れを次の式（６）の１次遅れで仮定する。
ｄ（Ｏ_ＭＥＸ）／ｄｔ＝−（１／Ｔ_ｓｅｎｓ）・Ｏ_ＭＥＸ＋（１／Ｔ）・Ｏ_ＥＸ （６）
排ガス流量の時間変化が小さいと仮定すると、次式（７）となる。
ｄ（Ｍ_ＯＭＥＸ）／ｄｔ＝−（１／Ｔ_ｓｅｎｓ）・Ｍ_ＯＭＥＸ＋（１／Ｔ）・Ｍ_ＯＥＸ （７）
ここで、Ｔ_ｓｅｎｓとは、酸素濃度センサ２１の時定数（センサ取り付け位置による計測遅れ、センサ自体の応答遅れの両方を含む。）である。

式（５）と式（７）から、状態推定器４１の状態方程式（８）、出力方程式（９）を構成する。
ｄＸ／ｄｔ＝Ａ・Ｘ＋Ｂ・Ｕ＋Ｌ（ｙ_Ｍ−ｙ） （８）
ｙ＝Ｃ・Ｘ （９）
ここで、Ｘ＝[Ｍ_ＯＥＸ Ｍ_ＯＭＥＸ]^Ｔ
Ｕ＝[ｄ（Ｍ_ＣＬＹ）／ｄｔ ｄ（Ｍ_Ｆｕｅｌ）／ｄｔ]^Ｔ
ｙ＝Ｍ_ＯＭＥＸ
ｙ_Ｍ＝Ｏ_ＭＥＸ・Ｍ_ＥＸ

式（８）、式（９）を用いて、排気マニホールド７位置での排ガス中の酸素質量流量（Ｍ_ＯＥＸ）と、酸素濃度センサ２１位置での排ガス中の酸素質量流量（Ｍ_ＯＭＥＸ）とをそれぞれ算出してＸとして出力する。

また、制御装置２５には、吸気酸素濃度算出手段４３、吸気酸素濃度補正手段４５、燃焼制御手段４７、酸素濃度制御手段４９、燃料噴射時期調整手段５１が設けられている。

吸気酸素濃度算出手段４３は、状態推定器４１によって推定された排気マニホールド７位置の酸素濃度、つまり排気直後の排気マニホールド７内の酸素濃度を基に吸気マニホールド３内の燃焼前の酸素濃度を算出する。

吸気酸素濃度補正手段４５は、ＥＧＲバルブ３１が全閉でかつ内燃機関の運転が安定時（エンジン回転変動が所定以下の状態）において、吸気酸素濃度算出手段４３によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度が大気中の酸素濃度である２１％となるように補正値を算出し、該補正値をＥＧＲバルブ３１が全閉でかつ安定時以外の運転時における調整値として吸気酸素濃度算出手段４３によって算出された酸素濃度に加算して補正する。

燃焼制御手段４７は、吸気酸素濃度補正手段４５によって算出された吸気マニホールド３内の燃焼前の酸素濃度、つまり燃焼前のシリンダ内酸素濃度に基づいてエンジン１の燃焼制御を行う。
具体的には、酸素濃度制御手段４９によって、吸気酸素濃度算出手段によって算出された吸気酸素濃度が目標酸素濃度になるように、ＥＧＲバルブ３１もしくは吸気スロットルバルブ１５の少なくとも何れか一方を制御する。また、燃料噴射時期調整手段５１によって、吸気酸素濃度算出手段４３によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度が設定された目標酸素濃度より高いか低いかに応じて、燃料噴射時期を調整する。

（第１実施形態）
以上の構成を有する制御装置２５における制御フローについて以下に説明する。図２を参照して全体のフローをまず説明する。
ステップＳ１で制御を開始すると、ステップＳ２で初期化を行い、次に、ステップＳ３でセンサ値の取り込みを行う。センサ値は酸素濃度センサ２１、エンジン回転数センサ３３、吸気温度センサ１７、吸気圧力センサ１９のそれぞれのセンサ値を読み込む。次に、ステップＳ４で状態推定器４１による推定演算を行う。状態推定器４１は、排気マニホールド７内の酸素濃度と排気マニホールド７より下流側の酸素濃度センサ２１での酸素濃度との応答遅れを制御対象とする状態方程式を有して構成されている。この状態方程式を用いて排気マニホールド７内の酸素濃度を推定する（詳細については、図３のフローチャート参照）。

ステップＳ５では、ステップＳ４の状態推定器４１によって推定された排気マニホールド７位置の酸素濃度を基に吸気マニホールド３内のシリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出する。この算出は吸気酸素濃度算出手段４３によって行われる。具体的には、吸気酸素濃度算出手段４３においては、エンジン１のシリンダ内に吸入した酸素質量流量から燃焼に寄与して消費した酸素質量流量を差し引いた分が排出される酸素質量流量になる関係を基に算出する。
すなわち、式（３）によって、シリンダに吸入される酸素質量流量（Ｍ_ＯＣＹＬ）は、排ガス中の酸素質量流量（Ｍ_ＯＥＸ）＋燃焼に寄与して消費した酸素質量流量（Ｏ_Ａｉｒ・Ｌ_ｔｈ・Ｍ_Ｆｕｅｌ）の関係を基に、シリンダ内に吸入する酸素質量流量を算出しさらに酸素濃度を算出できる。

ステップＳ６では、酸素濃度フィードバック制御演算を行う。ここでは、吸気酸素濃度算出手段４３によって算出されたシリンダ内に吸入される吸気酸素濃度が目標酸素濃度になるように、ＥＧＲバルブ３１もしくは吸気スロットルバルブ１５の少なくとも何れか一方を制御する。この制御は酸素濃度制御手段４９によって行われる。

ステップＳ７では、主噴射タイミングの補正を行う。すなわち、吸気酸素濃度算出手段４３によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度が設定された目標酸素濃度より高いか低いかに応じて、燃料噴射時期を調整する。制御は燃料噴射時期調整手段５１によって行われる。
そして、以上のステップＳ３〜Ｓ７の手順が繰り返される。

次に、ステップＳ３の状態推定器４１による推定演算について、図３のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１１で制御が開始すると、ステップＳ１２では、シリンダ流入ガス量すなわち吸気質量流量（Ｍ_ＣＬＹ）の変化率および燃料噴射量（Ｍ_Ｆｕｅｌ）の変化率、つまり時間微分ｄ（Ｍ_ＣＬＹ）／ｄｔ、ｄ（Ｍ_Ｆｕｅｌ）／ｄｔを算出する。

燃料噴射量（Ｍ_Ｆｕｅｌ）の変化率は、燃料噴射量指令値を基に算出する。また、吸気質量流量（Ｍ_ＣＬＹ）については、次の式（１０）によって算出する。
Ｍ_ＣＬＹ＝Ｐ_ｍ／（Ｔ_ｍ・Ｒ）・（Ｎ_ｅ／６０）・Ｎ_ＣＹＬ／Ｉ_ＣＹＣ・２・Ｅ_Ｖ （１０）
ここで、Ｐ_ｍ：吸気圧力
Ｔ_ｍ：吸気温度
Ｒ： 気体定数
Ｎ_ｅ：エンジン回転数
Ｎ_ＣＹＬ：シリンダ数（４気筒エンジンであれば４）
Ｉ_ＣＹＣ：サイクル数（４サイクルであれば４）
Ｅ_Ｖ ： 体積効率

ステップＳ１３では、ｙ＝Ｍ_ＯＭＥＸ（酸素濃度センサ位置での排ガス中の酸素質量流量）の演算を行う。この演算は、前回演算周期で算出された状態量ＸのＭ_ＯＭＥＸ値が用いられて酸素濃度センサ位置での排ガス中の酸素質量流量を算出する。

ステップＳ１４で、排ガス質量流量（Ｍ_ＥＸ）を演算する。この演算は、排ガス質量流量（Ｍ_ＥＸ）＝吸気質量流量（Ｍ_ＣＬＹ）＋燃料質量流量（Ｍ_Ｆｕｅｌ）の関係より算出する。

ステップＳ１５で、実際の観測値として酸素濃度センサ２１による排ガス酸素濃度（Ｏ_ＭＥＸ）に、排ガス質量流量（Ｍ_ＥＸ）を乗算して酸素濃度センサ２１位置における排ガス中の酸素質量流量（ｙ_Ｍ＝Ｏ_ＭＥＸ・Ｍ_ＥＸ）を算出する。

ステップＳ１６で、状態方程式の演算を行う。ステップＳ１２〜Ｓ１５によって演算したそれぞれの値を用いて今回演算周期における推定結果として状態量Ｘを算出する。そして、次のステップＳ１７で、今回演算周期で算出した状態量Ｘを次の演算周期で用いるために更新する。

ステップＳ１８では、推定した排ガス中の酸素質量流量（Ｍ_ＯＥＸ）、すなわち、排気マニホールド７位置で排ガス中の酸素質量流量を基に、式（３）を用いて、吸気中の酸素質量流量（Ｍ_ＯＣＹＬ）を算出し、さらに、ステップＳ１９では、ステップＳ１８で算出した吸気中の酸素質量流量（Ｍ_ＯＣＹＬ）と吸気質量流量（Ｍ_ＣＬＹ）とから、吸気の酸素濃度（Ｏ_ＣＬＹ）を算出する。そして、ステップＳ２０でステップＳ１１にリターンする。

次に、図２のフローチャートのステップＳ６の酸素濃度フィードバック制御演算について、図４のフローチャートを参照して説明する。
図４のステップＳ２１で制御がスタートすると、ステップＳ２２で基本ＥＧＲバルブの操作量を計算する。この基本量の計算は、予めエンジン回転数と燃料噴射量とをパラメータとするＥＧＲバルブ基本開度が設定されたマップに基づいて、基本開度量が算出される。

ステップＳ２３で、シリンダ内酸素濃度フィードバック補正量計算を行う。すなわち、図２のステップＳ６で既に説明したように、吸気酸素濃度算出手段４３によって算出された吸気酸素濃度が目標酸素濃度に一致するように、ＥＧＲバルブ３１もしくは吸気スロットルバルブ１５の少なくとも何れか一方を制御して、ステップＳ２４で、最終ＥＧＲバルブ３１または／および吸気スロットルバルブ１５の操作量を設定する。そして、ステップＳ２５でステップと２２にリターンする。

このように、酸素濃度制御手段４９によってはＥＧＲバルブ３１または吸気スロットルバルブ１５の少なくとも何れか一方によって、燃焼前のシリンダ内酸素濃度を精度よく目標酸素濃度に制御するので、燃焼前のシリンダ内酸素濃度の制御性が向上し、排ガス有害物質（ＮＯ_Ｘ、ＰＭ）の低減が可能となる。

次に、図２のフローチャートのステップＳ７の主噴射タイミング補正について、図５を参照して説明する。
図５のステップＳ３１で制御がスタートすると、ステップＳ３２で基本主噴射タイミング計算を行う。この基本タイミングの計算は、予めエンジン回転数と燃料噴射量とをパラメータとする基本燃料噴射タイミングが設定されたマップに基づいて、基本燃料噴射タイミングが算出される。

ステップＳ３３では、主噴射タイミングの補正量計算が行われる。この補正量計算は既に図２のステップＳ７で説明したように、吸気酸素濃度算出手段４３によって算出されたシリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度が、設定された目標酸素濃度より高いか低いかに応じて、燃料噴射時期を調整する。
目標酸素濃度より高い場合には、ＮＯ_Ｘ排出が増大傾向になるため、ＮＯ_Ｘ排出量を低減させるために燃料噴射タイミングを遅らせるように制御する。また、目標酸素濃度より低い場合には、着火し難く着火が遅くなるため、着火性を改善するために燃料噴射タイミングを早めるように制御する。
このように制御して、ステップＳ３５で最終主噴射タイミングを設定する。そしステップＳ３５で、リターンする。

このように、燃料噴射時期調整手段５１よって、算出されたシリンダ内酸素濃度が、設定された目標酸素濃度より高いか低いかに応じて、燃料噴射時期を調整するため、排ガス有害物質（ＮＯ_Ｘ、ＰＭ）の低減が可能となる。

以上の第１実施形態によると、吸気通路５にエアフローメータを設置する必要がないため吸気通路５の小型化が可能になりエンジンルームを省スペース化できる。また、エンジンルームスペースを十分とれない産業用車両へのエンジン搭載性が向上する。
また、第１実施形態によれば、状態推定器４１によって、排気マニホールド７よりも下流側の酸素濃度センサ２１によって検出された酸素濃度を基に、排気マニホールド位置、すなわち排気マニホールド内の酸素濃度を推定し、さらに吸気酸素濃度算出手段４３によって、シリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出することができるので、排気通路９の後流側に設置されたことで生じる酸素濃度センサ２１の計測遅れを補償することができ、排ガス中の有ガス物質の制御にとって重要な燃焼前の酸素濃度を精度よく推定できる。

また、本発明によれば、状態推定器４１は、排気マニホールド７の位置の酸素濃度と排気マニホールド７より下流側の酸素濃度センサ２１での酸素濃度との応答遅れを制御対象とする状態方程式を有して構成され、該状態方程式はシリンダ流入ガス量の時間微分値および燃料噴射量つまり燃料噴射量指令値の時間微分値を入力項とすることによって、酸素濃度センサ２１が排気通路９の下流側に設置されることによる排気酸素濃度の検出遅れと、酸素濃度センサ２１の応答遅れを補償することができる。
また、排ガス中の酸素濃度の変動に大きな要因となるシリンダ流入ガス量および燃料噴射量の変化率によって推定するので的確な推定が可能となる。

（第２実施形態）
次に図６、７を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態は、図６に示すように、ステップＳ４６において、補正ゲインＬの選択をすることが第１実施形態と相違し、その他のステップＳ４１〜Ｓ４５まで、およびＳ４７〜Ｓ５１までについては第１実施形態の図３に示すフローチャートと同様である。

図６のステップＳ４６の補正ゲインＬの選択は、式（８）の状態方程式において、酸素濃度センサ２１の設置位置での排ガス中の酸素質量流量ｙ（ｙ＝Ｍ_ＯＭＥＸ）と、酸素濃度センサ２１位置における酸素濃度センサ２１の検出値（Ｏ_ＭＥＸ）を基に算出した排ガス中の酸素質量流量（ｙ_Ｍ＝Ｏ_ＭＥＸ・Ｍ_ＥＸ）との偏差を用いた補正項（ｙ_Ｍ−ｙ）に対する重み付けとしてゲインである。

補正項（ｙ_Ｍ−ｙ）の補正ゲインＬが内燃機関の運転状態に応じて、過渡運転時には補正ゲインＬを小さくして酸素濃度センサ２１の検出値の影響度を小さくして、式（８）でＡ・Ｘ＋Ｂ・Ｕのモデル化した項の影響を強める。定常運転時には補正ゲインＬを大きくして、式（８）での補正項の（ｙ_Ｍ−ｙ）の影響を強めて酸素濃度センサ２１の検出値の影響度を大きくする。

このように、定常運転時には、排気マニホールド７と排気通路９の後流に設置される酸素濃度センサ２１の位置との間で酸素濃度の大きな変化はなく、酸素濃度センサ２１の検出値の影響を大きくするように補正ゲインを大きくとり、また、過渡運転時には、排ガス流の変動が大きくなるため、酸素濃度センサ２１の検出値の影響を小さくするように補正ゲインを小さくする。従って、定常運転状態における燃焼前のシリンダ内酸素濃度推定精度と、過渡運転状態におけるシリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度推定精度のバランスをとることができる

補正ゲインＬの特性を図７に示す。図７（ａ）は、補正ゲインＬをエンジン回転数Ｎｅの変化率に応じて変化させる特性を示している。エンジン回転数ＮｅがＮｅ１を境にＬ１とＬ２との間を変化する。ただし補正ゲインＬの変化は瞬時に変化するものではなく、図７（ｃ）のようにある一定の傾きをもって変化する。図７（ｂ）は、エンジン回転数Ｎｅの時間経過に伴う変化状態を示している。
図７で示すように、補正ゲインＬをエンジン回転数Ｎｅの変化率で変化させることによって、燃焼前のシリンダ内酸素濃度の推定精度のバランスをとることができる。

（第３実施形態）
次に、図８、９を参照して第３実施形態について説明する。第３実施形態は、図８に示すように、ステップＳ７０において、酸素濃度補正処理をすることが第１実施形態と相違し、その他のステップＳ６１〜Ｓ６９までについては第１形態の図３に示すフローチャートと同様である。

図８のステップＳ７０の酸素濃度補正処理は、図９のフローチャートに示すように、まずステップＳ８１でスタートすると、ステップＳ８２で、エンジン１が定常運転状態かどうかを判定する。定常運転状態であれば、ステップＳ８３でさらにＥＧＲバルブ３１が全閉かどうかを判定する。全閉の場合には、ステップＳ８４に進んで、補正処理を行う。吸気酸素濃度補正手段４５によって補正処理が行われる。補正処理後にはステップＳ８５でリターンする。補正処理は、式（４）を変形して次の式（１１）を用いて行う。

Ｍ_ＯＥＸ＝Ｏ_Ａｉｒ・Ｍ_ＣＬＹ−Ｏ_Ａｉｒ・Ｌ_ｔｈ・Ｍ_Ｆｕｅｌ （４）
Ｏ_ＣＬＹ＝Ｍ_ＯＥＸ／Ｍ_ＣＬＹ＋Ｏ_Ａｉｒ・Ｌ_ｔｈ・Ｍ_Ｆｕｅｌ ／Ｍ_ＣＬＹ＋Ｏ_Ｈ（Ｎ_ｅ、Ｍ_Ｆｕｅｌ ） （１１）

式（１１）内のＯ_Ｈ（Ｎ_ｅ、Ｍ_Ｆｕｅｌ）が補正値である。補正値はエンジン回転数と燃料噴射量とに応じて決まる値として算出される。すなわち、定常運転状態で且つＥＧＲバルブが全閉の条件時には、吸気酸素濃度算出手段４３によって算出されたシリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度は、大気中の酸素濃度は２１％となるため、式（１１）で、Ｏ_ＣＬＹが２１％となるように補正値Ｏ_Ｈを算出し、その時のエンジン回転数（Ｎ_ｅ）と燃料噴射量指令値（Ｍ_Ｆｕｅｌ）とが、補正値Ｏ_Ｈとともに記憶される。

そして、定常運転状態で且つＥＧＲバルブが全閉の条件時以外のときには、前記求めた補正値に対して、ステップＳ８４に示す次の式（１２）のように、α（Ｏ_Ａｉｒ−Ｏ_ＣＬＹ）を加算して補正値として用いる。α＜１．０の定数である。
Ｏ_Ｈ（Ｎ_ｅ、Ｍ_Ｆｕｅｌ ）＝Ｏ_Ｈ（Ｎ_ｅ、Ｍ_Ｆｕｅｌ ）＋α（Ｏ_Ａｉｒ−Ｏ_ＣＬＹ） （１２）

このように、αを加算すことによって、酸素濃度センサ２１の劣化状態や、さらに燃料性状違いによる理論空燃比の変化を補正値に反映して算出できる。つまり、劣化や、その他変化状態を含めてキャリブレーションがなされるので、ＥＧＲバルブ３１が全閉でかつ定常運転状態以外の運転状態の場合における吸気酸素濃度の算出時に、該補正値を加算することによって吸気酸素濃度算出手段４３によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度の算出精度を高めることができる。

（第４実施形態）
次に、図１０を参照して第４実施形態について説明する。第４実施形態は、図１０に示すように、ＥＧＲガス流量（Ｍ_ＥＧＲ）を検出するＥＧＲ流量センサ５５をＥＧＲ通路２７に設置し、式（８）の状態方程式の入力項にＥＧＲ量の変化率およびＥＧＲの酸素濃度変化率をさらに追加するものである。

具体的には、式（１）〜式（３）は変更せずに、式（５）に対応した式として次の式（１３）が成立する。そして、式（１３）を利用して、状態方程式の入力条件Ｕ、Ｂを変更して、第１実施形態に対して、ＥＧＲガス中の酸素濃度の変化率およびＥＧＲガスの質量流量の変化率を入力条件に追加する。

式（１）の両辺を微分して式（１３）を得る。
ｄ（Ｍ_ＯＥＸ）／ｄｔ＝Ｏ_Ａｉｒ・ｄ（Ｍ_Ａｉｒ）／ｄｔ＋ｄ（Ｏ_ＥＧＲ）／ｄｔ・Ｍ_ＥＧＲ０＋Ｏ_ＥＧＲ０・ｄ（Ｍ_ＥＧＲ）／ｄｔ−Ｏ_Ａｉｒ・Ｌ_ｔｈ・ｄ（Ｍ_Ｆｕｅｌ）／ｄｔ （１３）

新気質量流量（Ｍ_Ａｉｒ）＝吸気質量流量（Ｍ_ＣＬＹ）−ＥＧＲガスの質量流量（Ｍ_ＥＧＲ）の関係から、新気の質量流量（Ｍ_Ａｉｒ）を算出する。このとき、吸気管内の吸気圧力Ｐ_ｍ、吸気温度Ｔ_ｍの変化に伴う密度変化も考慮すると、つぎのようになる。
Ｍ_Ａｉｒ＝Ｍ_ＣＬＹ−Ｍ_ＥＧＲ＋Ｖ_Ｍｄρ_Ｍ／ｄｔ
ρ_Ｍ＝Ｐ_Ｍ／（ＲＴ_Ｍ）

また、ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ_ＥＧＲ）は、Ｏ_ＥＧＲ＝Ｏ_ＥＸ＝Ｍ_ＯＥＸ／Ｍ_ＥＸによって算出する。また、Ｍ_ＥＧＲ０、Ｏ_ＥＧＲ０はそれぞれ定数である。

式（１３）と式（７）から状態推定器４１を構成し、状態方程式の入力項のＵ、Ｂは次のように変更される。
Ｕ＝[ｄ（Ｍ_Ａｉｒ）／ｄｔ ｄ（Ｍ_Ｆｕｅｌ）／ｄｔ ｄ（Ｍ_ＥＧＲ）／ｄｔ ｄ（Ｏ_ＥＧＲ）／ｄｔ]^Ｔ

このように第４実施形態によると、ＥＧＲガス流量を検出するＥＧＲ流量センサ５５をＥＧＲ通路２７に設置し、状態方程式の入力項のＵ、Ｂを第１実施形態とは異なる設定として、ＥＧＲガス流量の時間微分値およびＥＧＲガス中の酸素濃度の時間微分値の情報をさらに用いて、状態推定器４１による状態方程式に基づいて排気マニホールド７位置での酸素濃度を推定することによって、シリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度の推定精度がさらに向上できる。
なお、以上の第１実施形態から第４実施形態については適宜組み合わせてよいことは勿論である。

本発明によれば、エンジン回転数センサと、吸気スロットルバルブより下流側の吸気圧力を検出する吸気圧力センサと、吸気スロットルバルブより下流側の吸気温度を検出する吸気温度センサと、排気マニホールドよりも下流側に設けられた酸素濃度センサとを備えて、これらセンサからの信号を用い、吸気通路にエアフローメータを設けないため、吸気通路部分の小型化が可能になりエンジンルームを省スペース化でき、さらに、状態推定器によって、排気通路後流に設置されることで生じる酸素濃度センサの計測遅れを補償することができ、排ガス中の有ガス物質の制御にとって重要な燃焼前の酸素濃度を精度よく推定できるので、内燃機関の制御装置に適している。

１ エンジン（内燃機関）
３ 吸気マニホールド
５ 吸気通路
７ 排気マニホールド
９ 排気通路
１３ インタークーラ
１５ 吸気スロットルバルブ
１７ 吸気温度センサ
１９ 吸気圧力センサ
２１ 酸素濃度センサ
２９ ＥＧＲクーラー
３１ ＥＧＲバルブ
３３ エンジン回転数センサ
４１ 状態方程式
４３ 吸気酸素濃度算出手段
４５ 吸気酸素濃度補正手段
４７ 燃焼制御手段
４９ 酸素濃度制御手段
５１ 燃料噴射時期調整手段
５５ ＥＧＲ流量センサ
Ｌ 補正ゲイン

Claims (8)

1. 排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えた内燃機関の制御装置において、
   エンジン回転数センサと、吸気スロットルバルブより下流側の吸気圧力を検出する吸気圧力センサと、吸気スロットルバルブより下流側の吸気温度を検出する吸気温度センサと、排気マニホールドよりも下流側に設けられた酸素濃度センサとを備え、
   これら、エンジン回転数、吸気圧力、吸気温度、および酸素濃度センサの信号を用いて、前記排気マニホールドよりも下流側に設置される酸素濃度センサによって検出される酸素濃度の応答遅れを表す伝達特性に基づいて前記排気マニホールド位置での酸素濃度を推定する状態推定器と、
   該状態推定器によって推定された排気マニホールド位置の酸素濃度を基にシリンダに流入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出する吸気酸素濃度算出手段と、
   吸気エアフローメータを設けずに前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された吸気酸素濃度を用いて内燃機関の燃焼を制御する燃焼制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記状態推定器は、前記排気マニホールド位置の酸素濃度と排気マニホールド下流側の酸素濃度センサでの酸素濃度との応答遅れを制御対象とする状態方程式を有して構成され、該状態方程式はシリンダ流入ガス量と燃料噴射量との変化率を入力項とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記状態方程式には、酸素濃度センサの設置位置での酸素濃度推定値と該酸素濃度センサの検出値との偏差を用いた補正項を有し、該補正項の補正ゲインが内燃機関の運転状態に応じて、過渡運転時には補正ゲインを小さくして酸素濃度センサの検出値の影響度を小さくし、定常運転時には補正ゲインを大きくして酸素濃度センサの検出値の影響度を大きくすることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記吸気酸素濃度算出手段は、エンジンのシリンダ内に吸入した酸素量から燃焼に寄与して消費した酸素量を差し引いた酸素量が排出される関係を基に、前記状態推定器によって推定された排気マニホールド位置の酸素濃度からシリンダに吸入する燃焼前の吸気の酸素濃度を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記燃焼制御手段は、前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された吸気酸素濃度が設定された目標酸素濃度になるように、ＥＧＲバルブもしくは吸気スロットルバルブの少なくとも何れか一方を制御する酸素濃度制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記燃焼制御手段は、前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度が設定された目標酸素濃度より高いか低いかに応じて、燃料噴射時期を調整する燃料噴射時期調整手段を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
7. ＥＧＲバルブが全閉でかつ内燃機関の運転が安定時において、前記吸気酸素濃度算出手段によって算出された燃焼前のシリンダ内酸素濃度が大気中の酸素濃度である２１％となるように補正値を算出し、該補正値をＥＧＲバルブが全閉でかつ安定時以外の運転時における調整値として加算する吸気酸素濃度補正手段を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
8. ＥＧＲガス流量を検出するＥＧＲ流量センサをＥＧＲ配管に設置し、前記状態推定器への入力信号としてＥＧＲガス質量流量、ＥＧＲガス中の酸素濃度をさらに用いることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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