JP6679917B2 - 内燃機関のNOx濃度制御システム、内燃機関、及び内燃機関のNOx濃度制御方法 - Google Patents

内燃機関のNOx濃度制御システム、内燃機関、及び内燃機関のNOx濃度制御方法 Download PDF

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本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれるNOx濃度の算出値に基づいて内燃機関の運転状態を制御する内燃機関のNOx濃度制御システム、内燃機関、及び内燃機関のNOx濃度制御方法に関する。
車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関より排出される排気ガスには、NOx(窒素酸化物)が含まれている。このNOxは人体や大気環境に悪影響を及ぼす懸念があるので、排気ガスに含まれるNOx濃度は、EGRシステム等により、各種法規制値以下になるように制御されている。
近年、このNOx濃度の法規制値は、車両の実走行時を想定して、ますます厳しい値に設定されてきている。なお、この法規制値とは、例えば、WNTE(World harmonized Not To Exceed)のように、多種多様な大気環境条件下で、内燃機関が一定出力以上等の種々の条件を満たす内燃機関の連続的な運転において、排気ガスの各浄化対象成分(NOx、HC、PM等)が予め設定された設定閾値以下であることを検証する試験等で設定される設定閾値のことである。
一方、排気ガスに含まれるNOx濃度は、燃焼に供する大気湿度の影響を大きく受けることが知られている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、燃焼で生成するNOx濃度を精度よく予測するためには、燃焼条件として湿度を考慮する事がのぞましい。
しかしながら、排気ガスに含まれるNOx濃度を大気の湿度を考慮して算出するための具体的な手段または方法については、未だ確立されておらず、すなわち、NOx濃度の算出精度には未だ向上の余地が残されていた。
特開平6−213055号公報
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気ガスに含まれるNOx濃度の算出値に基づいて内燃機関から排出されるNOxの濃度が目標値に追従するように内燃機関の運転状態を制御する内燃機関のNOx濃度制御システムに関し、特に、大気の湿度の影響を考慮してNOx濃度を算出することができ、NOx濃度の算出精度を向上させることができる内燃機関のNOx濃度制御システム、内燃機関、及び内燃機関のNOx濃度制御方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のNOx濃度制御システムは、内燃機関の排気ガスに含まれるNOx濃度の算出値に基づいて内燃機関の運転状態を制御する内燃機関のNOx濃度制御システムにおいて、吸気ガスの状態を取得するセンサと、排気ガスの状態を取得するセンサと、大気の温度を検出する大気用吸気温度検出センサと、大気の圧力を検出する大気圧力検出センサと、それらの各々のセンサに接続された制御装置とを備え、前記制御装置が、大気の温度と大気の絶対湿度を2軸とするマップを大気の圧力ごとに複数有し、これらのマップのそれぞれに固定の設定相対湿度を示す設定相対湿度線が設定されており、取得した吸気ガスの状態及び排気ガスの状態に基づいて、前記NOx濃度の算出値を算出するとともに、検出した大気の温度、大気の圧力、及び、前記設定相対湿度線が設定された複数の前記マップに基づいて、前記内燃機関の吸気通路に吸気される大気の絶対湿度を算出し、算出したその絶対湿度に基づいて湿度補正係数を算出して、算出したその湿度補正係数を用いて、前記算出したNOx濃度の算出値を補正する制御を行うように構成される。
ここで、吸気ガスとは、新気(大気)とEGRガスの混合気であり、その状態とは、吸気ガスの温度、圧力等のことである。これらのパラメーター(温度、圧力等)は、吸気通路に備えた各種センサ(吸気温度センサ、吸気圧力センサ等)により検出される。
また、排気ガスとは、気筒(シリンダ)より排気通路に排出されるガスのことであり、その状態とは、排気ガスの空気過剰率等のことである。この空気過剰率は、例えば、排気通路に備えた排気ラムダセンサ等により検出される。
この構成によれば、内燃機関の排気ガス中のNOx濃度を吸気ガス及び排気ガスの状態に基づいて算出した後、このNOx濃度の算出値を大気の絶対湿度により補正するので、すなわち、大気の湿度の影響を考慮してNOx濃度を算出することができるので、NOx濃度の算出精度を向上させることができる。これにより、より正確なNOx濃度の算出値を用いて、内燃機関の排気ガス中のNOx濃度が目標値に追従するよう内燃機関の運転状態をより適切に制御することができる。
この構成によれば、コスト面やレイアウト面の制約により吸気通路に相対湿度検出装置を備えることができない場合でも、大気の相対湿度を実験等により適切な値に予め設定された設定相対湿度に設定することで、大気の相対湿度から絶対湿度を算出することができ、湿度補正係数を算出することができるので、大気の湿度の影響を考慮してNOx濃度を算出することができる。
また、上記の内燃機関のNOx濃度制御システムにおいて、前記制御装置が、前記設定相対湿度を、前記内燃機関を備える車両の走行地点の位置情報および大気の温度に基づいて設定するように構成される。
この構成によれば、設定相対湿度を熱地、寒地、高地、低地等の各走行環境に応じた適切な値に確実に設定することができるので、湿度補正係数の算出精度を向上させることができる。
また、上記の内燃機関のNOx濃度制御システムを搭載した内燃機関は、上記の内燃機関のNOx濃度制御システムと同様の作用効果を奏することができる。
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のNOx濃度制御方法は、内燃機関の排気ガスに含まれるNOx濃度の算出値に基づいて内燃機関の運転状態を制御する内燃機関のNOx濃度制御方法において、吸気ガスの状態及び排気ガスの状態を取得するとともに、大気の温度及び大気の圧力を検出し、取得した吸気ガスの状態及び排気ガスの状態に基づいて、前記NOx濃度の算出値を算出し、検出した大気の温度、大気の圧力、及び、大気の圧力ごとに複数設定されて、大気の温度と大気の絶対湿度を2軸とするマップに基づいて、これらのマップのそれぞれに設定された固定の設定相対湿度を示す設定相対湿度線から前記内燃機関の吸気通路に吸気される大気の絶対湿度を算出し、算出した前記大気の絶対湿度に基づいて湿度補正係数を算出し、算出した前記湿度補正係数を用いて、前記算出したNOx濃度の算出値を補正することを特徴とする方法である。
この方法によれば、上記の内燃機関のNOx濃度制御システムと同様の作用効果を奏することができる。
本発明の内燃機関のNOx濃度制御システム、内燃機関、及び内燃機関のNOx濃度制御方法によれば、大気の湿度の影響を考慮して、内燃機関の排気ガスに含まれるNOx濃度を算出することができるので、NOx濃度の算出精度を向上させることができ、これにより、より正確なNOx濃度の算出値を用いて、内燃機関の排気ガス中のNOx濃度が目標値に追従するよう内燃機関の運転状態をより適切に制御することができる。
本発明に係る実施の形態の内燃機関のNOx濃度制御システムを備えた内燃機関の構成を模式的に示す図である。 湿り空気線図を簡略化して示す図である。
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のNOx濃度制御システム、内燃機関、及び内燃機関のNOx濃度制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、本発明に係る実施の形態の内燃機関のNOx濃度制御システムを備えて構成され、後述する内燃機関のNOx濃度制御システムが奏する作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
図1に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関(以下エンジン)10は、EGRシステム1を備えて構成され、エンジン本体11と吸気通路12と排気通路13とEGR通路14を備えている。このEGR通路14は、排気通路13と吸気通路12とを接続して設けられ、上流側より順に、エンジン冷却水を冷却媒体とするEGRクーラー15、EGRバルブ16が設けられている。
そして、大気から導入される新気Aが、必要に応じて、EGR通路14から吸気マニホールド11aに流入するEGRガスGeを伴って、気筒(シリンダ)11c内の燃焼室に送られ、燃焼室にて燃料噴射装置(図示しない)より噴射された燃料と混合圧縮されて、燃料が燃焼することで、エンジン10に動力を発生させる。そして、エンジン10で燃焼により発生した排気ガスGが、排気マニホールド11bから排気通路13に流出するが、その一部はEGR通路14にEGRガスGeとして流れ、残りの排気ガスGa(=G−Ge)は、排気浄化処理装置(図示しない)により浄化処理された後、マフラー(図示しない)を経由して大気へ放出される。
また、吸気通路12には、大気Aの吸気流量を検出する吸気流量センサ(MAFセンサ)21、吸気ガスA+Geの吸気圧力を検出する吸気圧力センサ22及び吸気温度を検出する吸気温度センサ23が設けられるとともに、排気通路13には、排気の空気過剰率を検出する排気ラムダセンサ24が設けられる。これらのセンサ21〜24の信号は、予め設定された制御時間毎に、後述する制御装置30に送信される。
また、本発明の内燃機関のNOx濃度制御システムのための制御装置30が備えられる。この制御装置30は、センサ21〜24より送信された信号に基づいて、予め設定された制御時間毎に、センサ21〜24の検出値を算出するとともに、必要な検出値のデータ(通常は、最新の検出値のデータ)を記憶する。この制御装置30は、通常は、エンジン10の運転状態全般を制御するエンジンコントロールユニット(ECU)に組み込まれるが、独立して設けてもよい。
また、EGR通路14の分岐点より下流側の排気通路13に、NOx濃度センサ(NOx濃度検出装置)20が設けられる。このNOx濃度センサ20の信号も、センサ21〜24の信号と同様に、予め設定された制御時間毎に、制御装置30に送信され、制御装置30は、センサ20より送信された信号に基づいて、センサ20の検出値を算出するとともに、必要検出値のデータ(通常は、最新の検出値のデータ)を記憶する。
本発明に係る実施の形態の内燃機関のNOx濃度制御システムは、エンジン10の排気ガスGに含まれるNOx濃度の算出値Ncに基づいてエンジン10の運転状態を制御するシステムである。
より詳細には、EGRシステム1のEGRバルブ16の開度を制御して、吸気通路12に還流されるEGRガスGeの流量を制御すること等により、NOx濃度の算出値Ncが、エンジン回転数及び燃料噴射量等のエンジン運転状態に基づいて算出されるNOx濃度の目標値Ntになるようにして、エンジン10の運転状態を制御するシステムである。
そして、制御装置30が、エンジン10に対する吸気ガスA+Ge及び排気ガスGの状態に基づいて、NOx濃度の算出値Ncを算出するとともに、エンジン10の吸気通路12に吸気される大気Aの絶対湿度Haに基づいて湿度補正係数Kを算出して、この算出した湿度補正係数Kを用いて、この算出したNOx濃度の算出値Ncを補正して、NOx濃度の補正値Nccを算出する制御を行うように構成する。すなわち、Ncc=K×Ncで表される式に、湿度補正係数KとNOx濃度の算出値Ncを代入して、NOx濃度の補正値Nccを算出する。そして、このNOx濃度の補正値NccがNOx濃度の目標値Ntになるように、エンジン10の運転状態を制御する。
ここで、吸気ガスA+Geの状態とは、吸気ガスA+Geの温度、圧力等のことである。吸気ガスA+Geの圧力、温度は、それぞれ、吸気圧力センサ22、吸気温度センサ23により検出される。
また、排気ガスGの状態とは、排気ガスGの空気過剰率等のことである。この空気過剰率は、例えば、排気通路13に備えた排気ラムダセンサ24等により検出される。
また、大気Aの絶対湿度Haから湿度補正係数Kを算出する方法については、例えば、K=15.698×Ha/1000+0.832で表される式に、実際の大気Aの絶対湿度Ha(g/kg(DA))を代入して、湿度補正係数Kを算出する方法がある。
また、大気Aの絶対湿度Haの算出方法については、吸気通路12に大気Aの相対湿度Hrを検出するための相対湿度センサ(相対湿度検出装置)25を備える場合と備えない場合とで、その方法は異なる。
吸気通路12に相対湿度センサ25を備える場合は、制御装置30が、湿度補正係数Kを算出するための大気Aの絶対湿度Haを、大気Aの温度および大気Aの圧力と、相対湿度センサ25の検出値Hrに基づいて算出する制御を行うように構成する。
より詳細には、大気圧力を検出するための大気圧力検出センサ(図示しない)および吸気通路12に大気Aの温度Tを検出するための大気用吸気温度検出センサ(図示しない)を備えて、この大気圧力検出センサの検出値(大気の圧力)および大気用吸気温度検出センサの検出値(大気の温度)Tと相対湿度センサ25の検出値(大気の相対湿度)Hrとを基に、図2に示すような湿り空気線図を用いて、大気Aの絶対湿度Haを算出する。例えば、大気Aの温度T=T1で、相対湿度Hr=50(%RH)であるときは、大気Aの絶対湿度Ha=Ha1となる。この湿り空気線図は予め制御装置30に記憶させておく。なお、この大気Aの絶対湿度Haの算出方法は一例であり、必ずしも図2に示すような湿り空気線図を用いる必要はなく、その他の方法を用いて、大気Aの相対湿度Hrから絶対湿度Haを算出してもよい。
この相対湿度センサ25を用いて大気Aの絶対湿度Haを算出する場合は、大気Aの絶対湿度Haの算出精度を向上させることができるので、排気ガスGに含まれるNOx濃度を大気Aの湿度を考慮して補正するための湿度補正係数Kの算出精度も向上させることができる。
一方、吸気通路12に相対湿度センサ25を備えない場合は、例えば、制御装置30に図2に示すような湿り空気線図を記憶させておく。そして、制御装置30が、吸気通路12に吸気される大気Aの相対湿度Hrを予め設定される設定相対湿度Hr1に設定するとともに、この設定相対湿度Hr1と、大気Aの圧力および吸気通路12に吸気される大気Aの温度Tとを基に、制御装置30に記憶させた湿り空気線図を用いて、湿度補正係数Kを算出するための大気Aの絶対湿度Haを算出する制御を行うように構成する。吸気通路12に吸気される大気Aの温度Tには、例えば、上記した大気用吸気温度検出センサの検出値を用いる。また、大気Aの圧力には、例えば、上記した大気圧力検出センサの検出値を用いる。
より詳細には、図2に示すように、横軸に大気Aの温度Tを、縦軸に大気Aの絶対湿度Haを設定した湿り空気線図を制御装置30に記憶させる。また、この湿り空気線図上に、設定相対湿度Hr1を示す設定相対湿度線L(図2ではHr1=50(%RH))を設定する。そして、設定相対湿度線Lにおいて、実際の大気Aの温度Tに対応する大気Aの絶対湿度Haを算出する。例えば、実際の大気Aの温度T=T1のときは、大気Aの絶対湿度Ha=Ha1となる。なお、このような図を大気圧ごと用意し、大気Aの圧力を引数として大気Aの絶対湿度を求める。
この相対湿度センサ25を用いることなく、大気Aの絶対湿度Haを算出する場合は、コスト面やレイアウト面の制約により吸気通路12に相対湿度センサ25を備えることができない場合でも、大気Aの相対湿度Hrを実験等により適切な値に設定された設定相対湿度Hr1に設定することで、大気Aの相対湿度Hrから絶対湿度Haを算出することができ、湿度補正係数Kを算出することができるので、大気Aの湿度の影響を考慮してNOx濃度を算出することができる。
なお、吸気通路12に相対湿度センサ25を備えている場合で、相対湿度センサ25が故障しているときにも、大気Aの相対湿度Hrを設定相対湿度Hr1に設定することで、湿度補正係数Kを算出することができるので、大気Aの湿度の影響を考慮してNOx濃度を算出することができる。
また、吸気通路12に相対湿度センサ25を備えない場合の大気Aの絶対湿度Haの算出方法として、湿り空気線図を用いた方法を一例として上記しているが、設定相対湿度Hr1を設定することができれば、上記の湿り空気線図を用いた方法に限定されない。
また、相対湿度センサ25を用いることなく、大気Aの絶対湿度Haを算出する場合において、制御装置30が、この設定相対湿度線Lを、エンジン10を備える車両の走行地点の位置情報および大気Aの温度Tに基づいて設定するように構成すると、設定相対湿度Hr1を熱地、寒地、高地、低地等の各走行環境に応じた適切な値に確実に設定することができるので、大気Aの絶対湿度Haの算出精度を向上させることができ、湿度補正係数Kの算出精度を向上させることができる。
なお、この設定相対湿度線Lで示す設定相対湿度Hr1は、絶対湿度算出の誤差による運転状態のばらつきを管理する観点から、40%RH〜60%RHの範囲内で設定することが好ましい。また、車両の走行地点の位置情報とは、車両の走行地点における過去の気象履歴や未来の気象予報(例えば、湿度予報の情報等)等のことであり、この位置情報は、車両の走行地点に対して、予め制御装置30内に設定した値を読み出すことや、最寄の地域気象局から制御装置30に対し、通信されることで取得される。
以上のように、上記の内燃機関のNOx濃度制御システムを基にした、本発明の内燃機関のNOx濃度制御方法は、内燃機関10の排気ガスGに含まれるNOx濃度の算出値Ncに基づいて内燃機関10の運転状態を制御する内燃機関のNOx濃度制御方法において、この内燃機関10に対する吸気ガスA+Ge及び排気ガスGの状態に基づいて、NOx濃度の算出値Ncを算出するとともに、内燃機関10の吸気通路12に吸気される大気Aの絶対湿度Haに基づいて湿度補正係数Kを算出して、この算出した湿度補正係数Kを用いて、算出したNOx濃度の算出値Ncを補正する制御を行うことを特徴とする方法である。
また、上記の内燃機関のNOx濃度制御方法において、湿度補正係数Kを算出するための大気Aの絶対湿度Haを、大気Aの温度及び大気Aの圧力と、吸気通路12に備えた大気Aの相対湿度を検出するための相対湿度センサ25の検出値Hrに基づいて算出する制御を行うことを特徴とする方法である。
あるいは、上記の内燃機関のNOx濃度制御方法において、吸気通路12に吸気される大気Aの相対湿度Hrを予め設定される設定相対湿度Hr1に設定するとともに、この設定相対湿度Hr1と、大気Aの圧力および吸気通路12に吸気される大気Aの温度とを基に、図2に示すような湿り空気線図を用いて、湿度補正係数Kを算出するための大気Aの絶対湿度Haを算出する制御を行うことを特徴とする方法である。
また、上記の内燃機関のNOx濃度制御方法において、設定相対湿度Hr1を、内燃機関10を備える車両の走行地点の位置情報および大気Aの温度Tに基づいて設定することを特徴とする方法である。
上記の内燃機関のNOx濃度制御システム、内燃機関10、及び内燃機関のNOx濃度制御方法によれば、大気Aの湿度の影響を考慮して、内燃機関10の排気ガスGに含まれるNOx濃度を算出することができるので、NOx濃度の算出精度を向上させることができ、これにより、より正確なNOx濃度の算出値を用いて、内燃機関の排気ガス中のNOx濃度が目標値に追従するよう内燃機関の運転状態をより適切に制御することができる。
10 エンジン(内燃機関)
11 エンジン本体
12 吸気通路
13 排気通路
25 相対湿度センサ(相対湿度検出装置)
30 制御装置
Nc NOx濃度の算出値
K 湿度補正係数
Ha 大気の絶対湿度
Hr 大気の相対湿度
Hr1 設定相対湿度
L 設定相対湿度線
A 大気(新気)
G、Ga 排気ガス
Ge EGRガス

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気ガスに含まれるNOx濃度の算出値に基づいて内燃機関の運転状態を制御する内燃機関のNOx濃度制御システムにおいて、
    吸気ガスの状態を取得するセンサと、排気ガスの状態を取得するセンサと、大気の温度を検出する大気用吸気温度検出センサと、大気の圧力を検出する大気圧力検出センサと、それらの各々のセンサに接続された制御装置とを備え、
    前記制御装置が、大気の温度と大気の絶対湿度を2軸とするマップを大気の圧力ごとに複数有し、これらのマップのそれぞれに固定の設定相対湿度を示す設定相対湿度線が設定されており、
    取得した吸気ガスの状態及び排気ガスの状態に基づいて、前記NOx濃度の算出値を算出するとともに、
    検出した大気の温度、大気の圧力、及び、前記設定相対湿度線が設定された複数の前記マップに基づいて、前記内燃機関の吸気通路に吸気される大気の絶対湿度を算出し、算出したその絶対湿度に基づいて湿度補正係数を算出して、算出したその湿度補正係数を用いて、前記算出したNOx濃度の算出値を補正する制御を行うように構成される内燃機関のNOx濃度制御システム。
  2. 前記制御装置が、
    前記設定相対湿度を、前記内燃機関を備える車両の走行地点の位置情報および大気の温度に基づいて設定するように構成される請求項に記載の内燃機関のNOx濃度制御システム。
  3. 請求項1または2に記載の内燃機関のNOx濃度制御システムを備えて構成される内燃機関。
  4. 内燃機関の排気ガスに含まれるNOx濃度の算出値に基づいて内燃機関の運転状態を制御する内燃機関のNOx濃度制御方法において、
    吸気ガスの状態及び排気ガスの状態を取得するとともに、大気の温度及び大気の圧力を検出し、
    取得した吸気ガスの状態及び排気ガスの状態に基づいて、前記NOx濃度の算出値を算出し、
    検出した大気の温度、大気の圧力、及び、大気の圧力ごとに複数設定されて、大気の温度と大気の絶対湿度を2軸とするマップに基づいて、これらのマップのそれぞれに設定された固定の設定相対湿度を示す設定相対湿度線から前記内燃機関の吸気通路に吸気される大気の絶対湿度を算出し、
    算出した前記大気の絶対湿度に基づいて湿度補正係数を算出し、
    算出した前記湿度補正係数を用いて、前記算出したNOx濃度の算出値を補正することを特徴とする内燃機関のNOx濃度制御方法。
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