WO2017010467A1 - 内燃機関のｅｇｒ制御システム、内燃機関、及び内燃機関のｅｇｒ制御方法 - Google Patents

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

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nox
target value
egr
value
combustion engine
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健二 波多野
信夫 青木
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いすゞ自動車株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/45—Sensors specially adapted for EGR systems
    • F02M26/46—Sensors specially adapted for EGR systems for determining the characteristics of gases, e.g. composition

Definitions

  • the present invention is an internal combustion engine having an EGR (Exhaust Gas Recirculation) system configured to have an EGR valve in an EGR passage, and the opening degree of the EGR valve is controlled based on the in-cylinder oxygen concentration of the internal combustion engine.
  • EGR exhaust Gas Recirculation
  • the present invention relates to an EGR control system for an internal combustion engine, an internal combustion engine, and an EGR control method for an internal combustion engine.
  • an internal combustion engine such as a diesel engine mounted on a vehicle is provided with an EGR system in order to control the concentration of nitrogen oxides contained in exhaust gas to a certain concentration or less.
  • feed-forward control is performed so that the flow rate of the low pressure EGR is constant regardless of the load of the internal combustion engine, and the flow rate of the high pressure EGR is set to the target value so that the oxygen concentration in the exhaust gas is constant.
  • An exhaust gas recirculation control device for an internal combustion engine that performs feedback control has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • NOx control In general, in NOx control, control is performed based on the concentration of NOx contained in the exhaust gas. However, what should be considered as a problem of NOx actually discharged to the outside air is emission of NOx rather than NOx concentration.
  • the amount of NOx is considered as a quantity.
  • the NOx mass is obtained by multiplying the NOx concentration by the exhaust gas flow rate, and the exhaust gas flow rate is related to the intake air amount and the fuel amount.
  • this intake amount (mass) corresponds to the amount of supercharging by a turbocharger such as a turbocharger provided in the intake passage, and is related to atmospheric pressure, atmospheric temperature, supercharging pressure, supercharging temperature, etc. To do.
  • An aspect of the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is an internal combustion engine including an EGR system configured to have an EGR valve in an EGR passage.
  • the EGR system of an internal combustion engine that controls the opening of the EGR valve based on the concentration, in particular, the NOx mass, not the NOx concentration, is used for calculating the target value of the in-cylinder oxygen concentration, thereby improving the control accuracy of the NOx control.
  • Another object of the present invention is to provide an EGR control system for an internal combustion engine, an internal combustion engine, and an EGR control method for an internal combustion engine that can facilitate NOx treatment in an exhaust gas purification treatment apparatus.
  • An EGR control system for an internal combustion engine for achieving the above object is an internal combustion engine including an EGR system configured to have an EGR valve in an EGR passage, and is based on a target value of oxygen concentration in a cylinder.
  • the control device that controls the EGR system sets the NOx mass target value that is a target value for controlling the amount of NOx discharged into the exhaust gas. The opening degree of the EGR valve is controlled based on the corresponding in-cylinder oxygen concentration target value.
  • the NOx parameter for calculating the target value of the in-cylinder oxygen concentration for calculating the control amount of the opening degree of the EGR valve is not the NOx concentration.
  • NOx mass is obtained by multiplying the NOx concentration by the exhaust gas flow rate (mass) or the like, and this exhaust gas flow rate varies greatly when the operating state of the internal combustion engine is in a transient state.
  • the supercharging pressure changes due to variations in the turbocharger products and changes over time.
  • the EGR control is made to follow the NOx concentration target value. Therefore, especially in the transient state, the NOx mass increases or decreases even if the NOx concentration is constant.
  • the NOx concentration target value is obtained.
  • the EGR control is made to follow the NOx mass target value, even if the operating state of the internal combustion engine is in a transient state and the exhaust gas flow rate fluctuates, increase / decrease in the NOx mass can be avoided.
  • the NOx parameter corresponding to the target value of the in-cylinder oxygen concentration for calculating the control amount of the opening degree of the EGR valve that is, the control amount of NOx control
  • the exhausted NOx mass can be grasped especially when the operating state of the internal combustion engine is in a transient state, and the exhausted NOx mass can be grasped more accurately and the cylinder can be grasped more accurately.
  • the control device refers to the map data in which the NOx mass target value is set in advance when the operating state of the internal combustion engine is in a transient state.
  • the in-cylinder oxygen concentration target value corresponding to the NOx mass target value is calculated, and the opening degree of the EGR valve is controlled based on the in-cylinder oxygen concentration target value. According to this configuration, the NOx treatment in the exhaust gas can be stably performed.
  • a NOx concentration detection device is provided in an exhaust passage, and the control device calculates a NOx mass calculation value from a detection value of a sensor related to intake air, and the NOx concentration detection After calculating the actual NOx mass value via the mass converter from the actual NOx concentration value detected by the apparatus, a NOx correction coefficient is calculated from the NOx mass calculated value and the actual NOx mass actual value, and further engine operation is performed.
  • a basic NOx mass target value is calculated based on the state, and the NOx mass target value is calculated from the basic NOx mass target value and the NOx correction coefficient.
  • the NOx correction coefficient used for correcting the basic NOx mass target value is calculated after being converted to NOx mass instead of NOx concentration, the influence of the supercharging amount and the intake air corresponding to the supercharging amount Since the NOx correction coefficient can be calculated with the influence of atmospheric pressure, atmospheric temperature, etc. affecting the amount, the basic NOx mass target value can be corrected more accurately.
  • a NOx concentration detection device is provided in an exhaust passage, and the control device calculates a NOx concentration calculation value from a detection value of a sensor related to intake air, and the NOx concentration detection After detecting the measured NOx concentration value, which is the detection value of the device, a NOx correction coefficient is calculated from the calculated NOx concentration value and the measured NOx concentration value, and further, a basic NOx mass target value is calculated based on the engine operating state The NOx mass target value is calculated from the basic NOx mass target value and the NOx correction coefficient.
  • the difference between the calculated NOx concentration value calculated from the actual measured value obtained from the sensor and the actual measured NOx concentration value detected from the NOx concentration sensor can be reflected in the NOx mass target value.
  • the control accuracy according to the value can be further improved, and in particular, the control accuracy of the NOx control can be improved when the operating state of the internal combustion engine is in a transient state.
  • an internal combustion engine equipped with the above-described EGR control system for an internal combustion engine can exhibit the same operational effects as the EGR control system for the internal combustion engine.
  • an EGR control method for an internal combustion engine for achieving the above object is an internal combustion engine having an EGR system configured to have an EGR valve in an EGR passage.
  • the EGR control method for an internal combustion engine that controls the opening of the EGR valve based on the above, the in-cylinder oxygen concentration target value corresponding to the NOx mass target value that is the target value for controlling the amount of NOx discharged into the exhaust gas Based on the above, the opening degree of the EGR valve is controlled.
  • the NOx mass target value is referred to, for example, by referring to map data set in advance.
  • a cylinder oxygen concentration target value corresponding to the NOx mass target value is calculated, and the opening degree of the EGR valve is controlled based on the cylinder oxygen concentration target value.
  • the internal combustion engine includes an EGR system configured to have an EGR valve in an EGR passage.
  • the EGR system of an internal combustion engine that controls the opening degree of the EGR valve based on the in-cylinder oxygen concentration, the NOx mass, not the NOx concentration, is used for calculating the target value of the in-cylinder oxygen concentration.
  • the control accuracy of NOx control when the state is a transient state can be improved, and NOx processing in the exhaust gas purification processing device can be facilitated.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an EGR system in an internal combustion engine according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration of an EGR control system for an internal combustion engine according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration of an EGR control system for an internal combustion engine in the reference technique.
  • the internal combustion engine of the present embodiment is configured to include the EGR control system 40 of the internal combustion engine of the present embodiment, and has the same operational effects as the operational effects of the EGR control system 40 of the internal combustion engine described later. Can do.
  • an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 10 includes an EGR system 1 and includes an engine body 11, an intake passage 12, an exhaust passage 13, and an EGR passage 14.
  • the EGR passage 14 is provided by connecting the exhaust passage 13 and the intake passage 12, and is provided with an EGR cooler 15 and an EGR valve 16 that use engine cooling water as a cooling medium in order from the upstream side.
  • fresh air A introduced from the atmosphere is sent to the combustion chamber in the cylinder (cylinder) 11c together with the EGR gas Ge flowing into the intake manifold 11a from the EGR passage 14 as necessary.
  • the engine 10 is mixed and compressed with fuel injected from a fuel injection device (not shown), and the fuel burns to generate power in the engine 10.
  • the exhaust gas G generated by combustion in the engine 10 flows out from the exhaust manifold 11b to the exhaust passage 13.
  • an intake flow sensor (MAF sensor) 21 that detects the intake flow rate
  • an intake pressure sensor 22 that detects the intake pressure
  • an intake temperature sensor 23 that detects the intake temperature, which constitute the intake system sensor group Sg1.
  • the exhaust passage 13 is provided with a NOx concentration sensor 20 that detects the NOx concentration in the exhaust gas and an exhaust lambda sensor 24 that detects the excess air ratio of the exhaust gas, which constitute the exhaust system sensor group Sg2. .
  • the signals of these sensors 20 to 24 are transmitted to the control device 30 described later at every preset control time.
  • a control device 30 for the EGR control system 40 that controls the EGR system 1 of the internal combustion engine of the present embodiment is provided.
  • the control device 30 is configured to control the sensors 20 to 24 for each preset control time based on signals transmitted from the sensors 21 to 23 of the intake system sensor group Sg1 and the sensors 20 and 24 of the exhaust system sensor group Sg2.
  • the detection value is calculated and necessary detection value data is stored.
  • the control device 30 is normally incorporated in an engine control unit (ECU) that controls the overall operation state of the engine 10, but may be provided independently.
  • the control device 30 includes a program for executing the EGR control method of the present embodiment, a memory configured to store various data, and a processor (CPU or the like) for executing the program. May be.
  • the control apparatus 30 may be comprised from ASIC (Application
  • ASIC Application
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration of an EGR control system for an internal combustion engine, and is a diagram showing a reference technique for explaining the present embodiment. This reference technique constitutes a part of the present invention.
  • the actual exhaust gas G is set to the first NOx concentration target value (basic NOx concentration target value) Nt1 calculated based on the engine operating state such as the engine speed and the fuel injection amount. Based on the in-cylinder oxygen concentration, the opening degree of the EGR valve 16 is controlled so that the NOx concentration in the engine becomes equal.
  • the control amount C of the target opening degree that controls the opening degree of the EGR valve 16 is the basic control amount (pre-control amount) calculated by the feedforward control of the fourth control unit 44 based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt.
  • the first control unit 41X calculates the NOx concentration based on the detected values from the intake system sensor group Sg1 such as the intake flow rate sensor 21, the intake pressure sensor 22, the intake air temperature sensor 23, and the exhaust lambda sensor 24.
  • a value Nc is calculated.
  • the NOx concentration sensor 46 uses the NOx concentration sensor.
  • the first NOx concentration target value Nt1 is calculated by referring to the map data based on the engine speed and the fuel injection amount, and the second control unit 42 performs smoke on the first NOx concentration target value Nt1.
  • the third control unit 43 calculates the in-cylinder oxygen concentration target value Dt
  • the fourth control unit 44 calculates a basic control amount that is a target value for feedforward control (pre-control).
  • Pre-control amount) Ca is calculated.
  • the fifth control unit 45 inputs the in-cylinder oxygen concentration target value Dt and the in-cylinder oxygen concentration calculated value Dc calculated by the first control unit 41X to obtain the target value for feedback control (PID control).
  • a certain correction control amount Cb is calculated.
  • the adder 47 adds the basic control amount Ca and the correction control amount Cb to calculate the valve control amount C. With this valve control amount C, the opening degree of the EGR valve 16 is adjusted and controlled.
  • parameters related to NOx corresponding to the in-cylinder oxygen concentration target value Dt are the NOx concentration (first NOx concentration target value Nt1, second NOx concentration target value Nt2, third NOx concentration target value Nt3). It is said.
  • the control amount C of the target opening degree for controlling the opening degree of the EGR valve 16 is a basic control amount (pre-control amount) Ca calculated by feedforward control of the fourth control unit 44 based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt.
  • the controller 30 that controls the EGR system 1 controls the EGR system based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt corresponding to the NOx mass target value Nt3g that is a target value for controlling the NOx amount discharged into the exhaust gas G.
  • the opening of the valve 16 is configured to be controlled.
  • the NOx parameter for calculating the in-cylinder oxygen concentration target value Dt for calculating the control amount of the opening degree of the EGR valve 16 (control amount of NOx control) C is not the NOx concentration but the NOx mass. .
  • This NOx mass is obtained by multiplying the NOx concentration by the exhaust gas flow rate (mass) or the like, but this exhaust gas flow rate varies greatly when the engine operating state is in a transient state.
  • the supercharging pressure changes due to variations in the turbocharger products and changes over time.
  • the EGR control is made to follow the NOx concentration target value Nt3. Therefore, in the transient state, the NOx mass increases or decreases even if the NOx concentration is constant.
  • the EGR control is made to follow the NOx mass target value Nt3g instead of the NOx concentration target value Nt3, even if the engine operating state is in a transient state and the exhaust gas flow rate fluctuates, an increase or decrease in the NOx mass can be avoided.
  • control device 30 refers to the map data in which the relationship between the NOx mass target value Nt3g and the in-cylinder oxygen concentration target value Dt is preset when the engine operating state is in a transient state.
  • the in-cylinder oxygen concentration target value Dt corresponding to the NOx mass target value Nt3g is calculated and the opening degree of the EGR valve 16 is controlled based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt, the engine operation state becomes a transient state. Even so, the NOx treatment in the exhaust gas G can be performed stably.
  • the in-cylinder oxygen concentration target value Dt it is not necessary to refer to the map data, and the in-cylinder oxygen concentration target value Dt may be calculated using mathematical formulas or the like.
  • the first control unit 41 calculates the NOx concentration based on the detection values from the intake system sensor group Sg1 such as the intake flow rate sensor 21, the intake pressure sensor 22, the intake air temperature sensor 23, the exhaust lambda sensor 24, and the like.
  • a value Nc and a cylinder oxygen concentration calculation value Dc are calculated.
  • the in-cylinder oxygen concentration calculation value Dc is calculated in consideration of the exhaust gas amount and oxygen concentration of the internal EGR gas, without calculating only the intake air amount and oxygen concentration, and the exhaust gas amount and oxygen concentration of the external EGR gas. It is preferable.
  • the NOx amount generated in the cylinder and the NOx concentration of the exhaust gas discharged from the cylinder are calculated from the calculated oxygen concentration value Dc in the cylinder and the estimated value of the combustion temperature, and set as the NOx concentration calculated value Nc. Further, the intake gas flow rate (mass) is calculated from the detected value of the intake system sensor group Sg1 related to intake air, and the NOx concentration calculated value Nc is multiplied by the exhaust gas flow rate obtained by adding the intake gas flow rate and the fuel injection amount to NOx. The calculated mass value Ncg is calculated.
  • the NOx concentration that is the detected value of the NOx concentration sensor 20 is used.
  • a NOx mass calculation value Ndg is calculated from the actual measurement value Nd via the mass converter 48, and the NOx correction unit 46 calculates the NOx correction coefficient NCfg from the NOx mass calculation value Ncg and the NOx mass calculation value Ndg.
  • the second control unit 42 calculates the first NOx mass target value (basic NOx mass target value) Nt1g by referring to the map data based on the engine speed and the fuel injection amount, and this first NOx mass target.
  • a detection value of the exhaust lambda sensor 24 is input, and smoke is generated at the first NOx mass target value Nt1g.
  • the NOx concentration at which smoke does not occur is set as the second NOx mass target value Nt2g.
  • a so-called smoke limit is performed. If there is no possibility of smoke, the first NOx mass target value Nt1g is used as it is as the second NOx mass target value Nt2g. Thereby, the second NOx mass target value Nt2g is calculated.
  • the NOx correction coefficient NCfg used for correcting the second NOx mass target value Nt2g is calculated after being converted to NOx mass instead of the NOx concentration, which corresponds to the influence of the supercharging amount and the supercharging amount. Since the NOx correction coefficient NCfg can be calculated with the influence of atmospheric pressure, atmospheric temperature, etc. affecting the intake air amount to be corrected, the second NOx mass target value Nt2g can be corrected more accurately.
  • the second control unit 42 calculates the NOx concentration calculation value Nc and detects the NOx concentration actual measurement value Nd that is the detection value of the NOx concentration sensor 20.
  • the NOx mass target value Nt3g is calculated from the NOx correction coefficient NCf and the first NOx mass target value Nt1g. May be.
  • the NOx correction coefficient NCf is calculated not on the basis of the NOx mass but on the basis of the NOx concentration. Strictly speaking, the NOx mass target value Nt3g is calculated by multiplying the second NOx mass target value Nt2g by the NOx correction coefficient NCf.
  • the difference between the NOx concentration calculation value Nc calculated from the actual measurement value obtained from the sensor and the NOx concentration actual measurement value Nd detected from the NOx concentration sensor 20 is defined as the third NOx mass target value Nt3g. Since this can be reflected, the control accuracy based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt can be further improved, and in particular, the control accuracy of NOx control can be improved when the engine operating state is in a transient state.
  • the third control unit 43 inputs the detection values of the intake pressure sensor 22 and the intake temperature sensor 23, and calculates the in-cylinder oxygen concentration target value Dt for the third NOx mass target value Nt3g.
  • the fourth control unit 44 calculates a basic control amount (pre-control amount) Ca that is a target value for feedforward control (pre-control) with respect to the calculated in-cylinder oxygen concentration target value Dt. In calculating the basic control amount Ca, it is preferable to consider the internal EGR gas.
  • the oxygen concentration target value Dto of the external EGR is calculated from the in-cylinder oxygen concentration target value Dt, which is the target value of the oxygen concentration in the cylinder, using the determination of the exhaust gas amount and the oxygen concentration of the external EGR gas.
  • the EGR gas amount Ge in the external EGR is calculated, and the opening degree of the EGR valve 16 that can supply the EGR gas amount Ge is defined as a pre-control amount Ca.
  • the fifth controller 45 calculates the in-cylinder oxygen concentration target value Dt calculated for the third NOx mass target value Nt3g by the third controller 43 and the cylinder calculated by the first controller 41.
  • the internal oxygen concentration calculation value Dc is input to calculate a correction control amount Cb that is a target value for feedback control (PID control).
  • the adding unit 47 adds the basic control amount Ca and the correction control amount Cb to calculate the valve control amount C.
  • the valve opening amount of the EGR valve 16 is adjusted and controlled by the valve control amount C.
  • the EGR control system 40 of the present embodiment shown in FIG. 2 has three differences compared to the EGR control system 40X of the reference technology shown in FIG.
  • the first point is that the first NOx concentration target value (basic NOx concentration target value) Nt1 calculated based on the engine operating state such as the engine speed and the fuel injection amount is changed to the first NOx mass target value (basic NOx mass target value) Nt1g. Is to convert to
  • the second point is that the first control unit 41 is provided with a mass conversion function (d / g in FIG. 2) from NOx concentration to NOx mass, and this mass conversion function converts the NOx concentration calculated value Nc into the NOx mass calculated value. It is to convert to Ncg.
  • the third point is that a mass converter 48 for converting the NOx concentration to the NOx mass is provided, and the NOx mass actual measurement value from the NOx concentration actual measurement value Nd, which is a detected value of the NOx concentration sensor 20, via the mass converter 48.
  • the NOx correction coefficient NCfg is calculated from the calculated NOx mass value Ncg and the measured NOx mass value Ndg.
  • the EGR control system 40 for an internal combustion engine is the engine 10 provided with the EGR system 1 configured by including the EGR valve 16 in the EGR passage 14, and the in-cylinder oxygen concentration target value.
  • the control device 30 that controls the EGR system 1 uses the target value for controlling the amount of NOx discharged into the exhaust gas G.
  • the opening degree of the EGR valve 16 is controlled based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt corresponding to a certain NOx mass target value Ntg3.
  • control device 30 refers to the map data in which the NOx mass target value Nt3g is set in advance, and the cylinder corresponding to the referenced NOx mass target value Nt3g.
  • An internal oxygen concentration target value Dt is calculated, and the opening degree of the EGR valve 16 is controlled based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt.
  • the NOx concentration sensor 20 is provided in the exhaust passage 13, and the control device 30 calculates the NOx mass calculation value Ncg from the detection value of the sensor related to intake air, and measures the NOx concentration that is the detection value of the NOx concentration sensor 20.
  • the basic NOx mass target value Nt1g is calculated based on the operating state, and the NOx mass target value Nt3g is calculated from the basic NOx mass target value Nt1g and the NOx correction coefficient NCfg.
  • the NOx concentration sensor 20 is provided in the exhaust passage 13, and the control device 30 calculates the NOx concentration calculation value Nc from the detection value of the sensor related to intake air, and the NOx concentration actual measurement that is the detection value of the NOx concentration sensor 20.
  • the NOx mass target value Nt3g is calculated from the basic NOx mass target value Nt1g and the NOx correction coefficient NCf.
  • This method is an internal combustion engine that controls an opening degree of an EGR valve 16 based on an in-cylinder oxygen concentration target value Dt in an engine 10 having an EGR system 1 configured by including an EGR valve 16 in an EGR passage 14.
  • the EGR valve 16 is based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt corresponding to the NOx mass target value Nt3g, which is a target value for controlling the amount of NOx discharged into the exhaust gas G.
  • the opening degree is controlled.
  • the target oxygen concentration target value in the cylinder corresponding to the referred NOx mass target value Nt3g is obtained by referring to the preset map data for the NOx mass target value Nt3g.
  • Dt is calculated, and the opening degree of the EGR valve 16 is controlled based on the in-cylinder oxygen concentration target value Dt.
  • the EGR control system 40 for the internal combustion engine the engine (internal combustion engine) 10 and the EGR control method for the internal combustion engine configured as described above, the engine provided with the EGR system 1 having the EGR valve 16 in the EGR passage 14.
  • the NOx mass is calculated instead of the NOx concentration in calculating the target value Dt of the in-cylinder oxygen concentration.
  • the NOx parameter for calculating the target value Dt of the in-cylinder oxygen concentration for calculating the control amount of the opening degree of the EGR valve 16 is Not NOx mass.
  • the EGR control is made to follow the NOx concentration target value Nt3. Therefore, in the transient state, the NOx mass increases or decreases even if the NOx concentration is constant, but in the embodiment, the NOx concentration target value. Since the EGR control is made to follow the NOx mass target value Nt3g instead of Nt3, even if the engine operating state is in a transient state, the increase / decrease in the NOx mass can be avoided.
  • the NOx parameter corresponding to the target value Dt of the in-cylinder oxygen concentration for calculating the control amount of the opening degree of the EGR valve 16, that is, the control amount of NOx control is not the NOx concentration of the prior art, but the NOx mass. Therefore, in particular, when the engine operating state is in a transient state, the NOx mass discharged can be grasped, and the NOx mass discharged as a whole can be grasped more accurately, and the cylinder 11c to the exhaust passage 14 can be grasped. It is possible to efficiently take measures against the outflowing NOx emission amount, and it is easy to reduce the total amount of exhausted NOx mass.
  • the concentration base is changed to the mass base, so that the exhaust gas flow rate can be considered in the exhaust gas processing by considering the supply amount of the reducing agent and the like. Since there is no need to consider the correction of the gas flow rate, these calculations are simplified and control for exhaust gas purification is facilitated.
  • the EGR control system for an internal combustion engine the internal combustion engine, and the EGR control method for an internal combustion engine of the present invention, it is possible to improve the control accuracy of NOx control and facilitate the NOx processing in the exhaust gas purification processing apparatus.

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Abstract

ＥＧＲシステムを制御する制御装置が、排気ガスＧ中に排出されるＮＯｘ量の制御の目標値であるＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値に基づいて、ＥＧＲバルブの開度を制御するように構成される。

Description

内燃機関のＥＧＲ制御システム、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ制御方法
　本発明は、ＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有して構成されるＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)システムを備えた内燃機関で、この内燃機関の気筒内酸素濃度に基づいて、ＥＧＲバルブの開度を制御する内燃機関のＥＧＲ制御システム、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ制御方法に関する。
　一般的に、車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関には、排気ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を一定濃度以下に制御するために、ＥＧＲシステムが備えられる。
　これに関連して、内燃機関の負荷にかかわらず低圧ＥＧＲの流量を一定となるようにフィードフォワード制御するとともに、排気中の酸素濃度が一定となるように、高圧ＥＧＲの流量をその目標値にフィードバック制御する内燃機関の排気還流制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　一般的には、ＮＯｘ制御では、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を基に制御しているが、実際に外気に排出されるＮＯｘとして問題にされるべきは、ＮＯｘの濃度よりもＮＯｘの排出量であるＮＯｘ質量と考えられる。このＮＯｘ質量は、ＮＯｘ濃度に排気ガス流量を乗じて得られるが、排気ガス流量は、吸気量と燃料量に関係する。この吸気量（質量）は、言い換えれば、吸気通路に設けられるターボ式過給機等の過給機による過給量に相当し、大気圧、大気温度、過給圧、過給温度等に関係する。
　そのため、例えば、エンジンの過渡状態において、過給量が増加しているにもかかわらず、ＮＯｘ濃度一定で制御した場合には、ＮＯｘ濃度と排気ガス流量の掛算の結果であるＮＯｘ質量は過給量の増加に伴って増加してしまい、逆に、過給量が減少しているにもかかわらず、ＮＯｘ濃度一定で制御した場合には、ＮＯｘ質量は過給量の減少に伴って減少することになる。
　そして、ＮＯｘ濃度の目標値に合わせて過給量の増減時におけるＥＧＲ弁を制御する場合には、過給量が増加した場合には排出されるＮＯｘ質量は多くなり、過給量が減少した場合には排出されるＮＯｘ質量は少なくなるので、ＮＯｘ濃度を目標にした場合には、必ずしも、全体で考えた時に、内燃機関から排出されるＮＯｘ質量を効率よく減少できているか否かの把握が難しいという問題がある。
　さらに、内燃機関の過渡状態において排気ガス流量が変化しているときにＮＯｘ濃度でＥＧＲ制御すると、排気ガス流量の変化に応じて排気通路へ排出されるＮＯｘ質量が変化し、排気ガス浄化処理装置における還元剤の供給量の制御などへの影響が大きいという問題がある。特に、トラックやバスの市街地運転などにおいては、内燃機関の運転状態で過渡状態が多くなるため、この問題はＮＯｘ浄化の向上の面では重要となる。
日本国特開２０１２－２３７２９０号公報
　本発明の態様は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、ＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有して構成されるＥＧＲシステムを備えた内燃機関で、この内燃機関の気筒内酸素濃度に基づいて、ＥＧＲバルブの開度を制御する内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、特に、ＮＯｘ濃度でなくＮＯｘ質量を気筒内酸素濃度の目標値の算出に用いて、ＮＯｘ制御の制御精度を向上させることができ、また、排気ガス浄化処理装置におけるＮＯｘ処理を容易にすることができる内燃機関のＥＧＲ制御システム、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ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態様の内燃機関のＥＧＲ制御システムは、ＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有して構成されるＥＧＲシステムを備えた内燃機関で、気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御する内燃機関のＥＧＲ制御システムにおいて、前記ＥＧＲシステムを制御する制御装置が、排気ガス中に排出されるＮＯｘ量の制御の目標値であるＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御するように構成される。
　すなわち、本発明の態様では、ＥＧＲバルブの開度の制御量（ＮＯｘ制御の制御量）を算出するための気筒内酸素濃度の目標値を算出するためのＮＯｘに関するパラメータを、ＮＯｘ濃度ではなく、ＮＯｘ質量とする。このＮＯｘ質量は、ＮＯｘ濃度に排気ガス流量（質量）等を乗じて得られるが、この排気ガス流量は、内燃機関の運転状態が過渡状態であると大きく変動する。また、過給機の製品別のバラツキや経年変化により過給圧が変化するので、この影響も受ける。
　そのため、先行技術においては、ＮＯｘ濃度目標値にＥＧＲ制御を追従させているため、特に、過渡状態においては、ＮＯｘ濃度が一定でもＮＯｘ質量は増減するが、本発明の態様では、ＮＯｘ濃度目標値ではなくＮＯｘ質量目標値にＥＧＲ制御を追従させているので、内燃機関の運転状態が過渡状態で排気ガス流量が変動しても、ＮＯｘ質量の増減を回避できる。
　したがって、この構成によれば、ＥＧＲバルブの開度の制御量、即ち、ＮＯｘ制御の制御量を算出するための気筒内酸素濃度の目標値に対応するＮＯｘに関するパラメータを、従来技術のＮＯｘ濃度ではなく、ＮＯｘ質量とするので、特に、内燃機関の運転状態が過渡状態であるときにおける、排出されるＮＯｘ質量を把握でき、全体として排出されるＮＯｘ質量をより精度よく把握できるようになり、気筒から排気通路へ流出するＮＯｘ排出量に対する対策を効率よく行うことができ、排出されるＮＯｘ質量の全体量を減少し易くなる。
　さらに、気筒から排気通路中に排出されるＮＯｘ排出量に関して、濃度ベースから質量ベースにすることにより、排気ガス処理における還元剤の供給量などの演算で排気ガス流量の変動に対する考慮や排気ガス流量の補正を考慮する必要が無くなるので、これらの演算が簡略化されると共に、排気ガス浄化のための制御も容易となる。
　上記の内燃機関のＥＧＲ制御システムにおいて、前記制御装置が、前記内燃機関の運転状態が過渡状態にあるときに、前記ＮＯｘ質量目標値を予め設定されるマップデータを参照する等して、この参照された前記ＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値を算出して、この気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御するように構成される。この構成によれば、排気ガス中のＮＯｘ処理を安定して行なうことができるようになる。
　また、上記の内燃機関のＥＧＲ制御システムにおいて、排気通路にＮＯｘ濃度検出装置を設け、前記制御装置が、吸気に関係するセンサの検出値からＮＯｘ質量算出値を算出し、かつ、前記ＮＯｘ濃度検出装置の検出値であるＮＯｘ濃度実測値から質量換算器を介してＮＯｘ質量実測値を算出した後、前記ＮＯｘ質量算出値と前記ＮＯｘ質量実測値とからＮＯｘ補正係数を算出し、さらに、エンジン運転状態に基づいて基本ＮＯｘ質量目標値を算出し、該基本ＮＯｘ質量目標値と前記ＮＯｘ補正係数とから、前記ＮＯｘ質量目標値を算出するように構成される。
　この構成によれば、基本ＮＯｘ質量目標値の補正に用いるＮＯｘ補正係数を、ＮＯｘ濃度でなくＮＯｘ質量に換算してから算出しているので、過給量の影響及び過給量に相当する吸気量に影響する大気圧や大気温度等の影響を入れた形で、ＮＯｘ補正係数を算出できるので、基本ＮＯｘ質量目標値の補正をより精度よく行うことができる。
　あるいは、上記の内燃機関のＥＧＲ制御システムにおいて、排気通路にＮＯｘ濃度検出装置を設け、前記制御装置が、吸気に関係するセンサの検出値からＮＯｘ濃度算出値を算出し、かつ、前記ＮＯｘ濃度検出装置の検出値であるＮＯｘ濃度実測値を検出した後、前記ＮＯｘ濃度算出値と前記ＮＯｘ濃度実測値とからＮＯｘ補正係数を算出し、さらに、エンジン運転状態に基づいて基本ＮＯｘ質量目標値を算出し、該基本ＮＯｘ質量目標値と前記ＮＯｘ補正係数とから、前記ＮＯｘ質量目標値を算出するように構成される。
　この構成によれば、センサから求めた実際の計測値から算出したＮＯｘ濃度算出値とＮＯｘ濃度センサから検出したＮＯｘ濃度実測値との違いをＮＯｘ質量目標値に反映できるので、気筒内酸素濃度目標値による制御精度をより向上することができ、特に、内燃機関の運転状態が過渡状態であるときにおける、ＮＯｘ制御の制御精度を向上させることができる。
　また、上記の内燃機関のＥＧＲ制御システムを搭載した内燃機関は、上記の内燃機関のＥＧＲ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態様の内燃機関のＥＧＲ制御方法は、ＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有して構成されるＥＧＲシステムを備えた内燃機関で、気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御する内燃機関のＥＧＲ制御方法において、排気ガス中に排出されるＮＯｘ量の制御の目標値であるＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御することを特徴とする方法である。
　また、上記の内燃機関のＥＧＲ制御方法において、前記内燃機関の運転状態が過渡状態にあるときに、前記ＮＯｘ質量目標値を予め設定されるマップデータを参照する等して、この参照された前記ＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値を算出して、この気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御する。
　これらの方法によれば、上記の内燃機関のＥＧＲ制御システムと同様の作用効果を奏することができる。
　本発明の態様の内燃機関のＥＧＲ制御システム、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ制御方法によれば、ＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有して構成されるＥＧＲシステムを備えた内燃機関で、この内燃機関の気筒内酸素濃度に基づいて、ＥＧＲバルブの開度を制御する内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、ＮＯｘ濃度でなくＮＯｘ質量を気筒内酸素濃度の目標値の算出に用いて、特に、内燃機関の運転状態が過渡状態であるときにおける、ＮＯｘ制御の制御精度を向上させることができ、また、排気ガス浄化処理装置におけるＮＯｘ処理を容易にすることができる。
図１は、実施の形態の内燃機関におけるＥＧＲシステムの構成を模式的に示す図である。 図２は、実施の形態の内燃機関のＥＧＲ制御システムの構成を模式的に示す図である。 図３は、参考技術における内燃機関のＥＧＲ制御システムの構成を模式的に示す図である。
　以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲ制御システム、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態の内燃機関は、本実施の形態の内燃機関のＥＧＲ制御システム４０を備えて構成され、後述する内燃機関のＥＧＲ制御システム４０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、吸気系センサ群Ｓｇ１を構成する、吸気流量を検出する吸気流量センサ（ＭＡＦセンサ）２１、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、排気系センサ群Ｓｇ２を構成する、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ２０と、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２０～２４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、本実施の形態の内燃機関のＥＧＲシステム１を制御するＥＧＲ制御システム４０のための制御装置３０が備えられる。この制御装置３０は、吸気系センサ群Ｓｇ１のセンサ２１～２３と排気系センサ群Ｓｇ２のセンサ２０、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２０～２４の検出値を算出するとともに、必要な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。なお、制御装置３０は、本実施の形態のEGR制御方法を実行するためのプログラムや各種データを記憶するように構成されたメモリとプログラムを実行するためのプロセッサ（CPU等）などから構成されていてもよい。また、制御装置３０は、本実施の形態のEGR制御方法を実行するように設計されたASIC（Application Specific Integrated Circuit）などから構成されていてもよい。
　以下、実施の形態に係る内燃機関のＥＧＲ制御方法を図２と図３を参照しながら説明する。図３は、内燃機関のＥＧＲ制御システムの構成を模式的に示す図であり、本実施の形態を説明するための参考技術を示した図である。なお、この参考技術は本発明の一部を構成するものである。
　図３に示すようなＥＧＲ制御システム４０Ｘにおいて、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第１ＮＯｘ濃度目標値（基本ＮＯｘ濃度目標値）Ｎｔ１に、実際の排気ガスＧ中のＮＯｘ濃度がなるように、気筒内酸素濃度に基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御する。
　すなわち、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御する目標開度の制御量Ｃは、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを基に第４制御部４４のフィードフォワード制御で算出される基本制御量（プリ制御量）Ｃａに、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔと、各種センサからの入力を基に算出される気筒内酸素濃度の計算値Ｄｃとの差（誤差）ΔＤ（＝Ｄｔ－Ｄｃ）を基に第５制御部４５のフィードバック制御（ＰＩＤ制御）で算出される補正制御量Ｃｂを加算してバルブ制御量Ｃが算出される（Ｃ＝Ｃａ＋Ｃｂ）。
　より詳細に説明すると、吸気流量センサ２１、吸気圧力センサ２２、吸気温度センサ２３、排気ラムダセンサ２４などの吸気系センサ群Ｓｇ１からの検出値を基に、第１制御部４１Ｘで、ＮＯｘ濃度算出値Ｎｃが算出される。それと共に、ＮＯｘ濃度検出値Ｎｄを基本としてＮＯｘ濃度算出値Ｎｃによる算出値を補正する値を用いて、制御用の算出値を補正するとの考えに基づいて、ＮＯｘ補正部４６で、ＮＯｘ濃度センサ２０の検出値であるＮＯｘ濃度検出値Ｎｄが入力され、このＮＯｘ濃度検出値ＮｄとＮＯｘ濃度算出値ＮｃとからＮＯｘ補正係数（補正比率）ＮＣｆ＝Ｎｄ／Ｎｃが算出される。
　一方、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいてマップデータを参照する等して、第１ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ１が算出され、この第１ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ１に対して、第２制御部４２で、スモークリミットを考慮して第２ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ２が算出され、更に、内燃機関の運転状態が定常状態であるときに、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆを乗じて、第３ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３（＝Ｎｔ２×ＮＣｆ＝Ｎｔ２×Ｎｄ／Ｎｃ）（ＮＯｘ濃度目標値）が算出される。また、内燃機関の運転状態が過渡状態であるときには、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆによる補正を行わず、補正比率を１として、第３ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３が算出される（Ｎｔ３＝Ｎｔ２×１＝Ｎｔ２）。
　この第３ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３に対して、第３制御部４３で、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔが算出され、第４制御部４４でフィードフォワード制御（プリ制御）の目標値である基本制御量（プリ制御量）Ｃａが算出される。それと共に、第５制御部４５で、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔと第１制御部４１Ｘで算出された気筒内酸素濃度算出値Ｄｃとを入力して、フィードバック制御（ＰＩＤ制御）の目標値である補正制御量Ｃｂが算出される。加算部４７で、この基本制御量Ｃａと補正制御量Ｃｂとが加算されてバルブ制御量Ｃが算出される。このバルブ制御量ＣでＥＧＲバルブ１６の開度が調整制御される。
　そして、このＥＧＲ制御においては、このＮＯｘ補正係数ＮＣｆによる第２ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ２に対する補正を、内燃機関の運転状態が定常状態の時にのみ行っている。すなわち、内燃機関の運転状態が定常状態であるときに、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆによる補正を行って、第３ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３を算出している（Ｎｔ３＝Ｎｔ２×ＮＣｆ）。なお、内燃機関の運転状態が過渡状態であるときには、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆによる補正を行わず、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆを１として、第３ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３を算出している（Ｎｔ３＝Ｎｔ２×１＝Ｎｔ２）。
　上記のＥＧＲ制御によるＮＯｘ制御においては、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに対応するＮＯｘに関係するパラメータをＮＯｘ濃度（第１ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ１、第２ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ２、第３ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３）としている。
　次に、図２を参照しながら本実施の形態を説明する。
　ＥＧＲバルブ１６の開度を制御する目標開度の制御量Ｃは、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを基に第４制御部４４のフィードフォワード制御で算出される基本制御量（プリ制御量）Ｃａに、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔと、各種センサからの入力を基に算出される気筒内酸素濃度算出値Ｄｃとの差（誤差）ΔＤ（＝Ｄｔ－Ｄｃ）を基に第５制御部４５のフィードバック制御（ＰＩＤ制御）で算出される補正制御量Ｃｂを加算してバルブ制御量Ｃが算出される（Ｃ＝Ｃａ＋Ｃｂ）。
　そして、ＥＧＲシステム１を制御する制御装置３０を、排気ガスＧ中に排出されるＮＯｘ量の制御の目標値であるＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇに対応する気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御するように構成する。
　つまり、ＥＧＲバルブ１６の開度の制御量（ＮＯｘ制御の制御量）Ｃを算出するための気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを算出するためのＮＯｘに関するパラメータを、ＮＯｘ濃度ではなく、ＮＯｘ質量とする。このＮＯｘ質量は、ＮＯｘ濃度に排気ガス流量（質量）等を乗じて得られるが、この排気ガス流量は、エンジン運転状態が過渡状態であると大きく変動する。また、過給機の製品別のバラツキや経年変化により過給圧が変化するので、この影響も受ける。
　そのため、図２の参考技術においては、ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３にＥＧＲ制御を追従させているため、特に、過渡状態においては、ＮＯｘ濃度が一定でもＮＯｘ質量は増減するが、本実施の形態では、ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３ではなくＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇにＥＧＲ制御を追従させることにより、エンジン運転状態が過渡状態で排気ガス流量が変動する状況下にあっても、ＮＯｘ質量の増減を回避できる。
　また、制御装置３０を、エンジン運転状態が過渡状態にあるときに、ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇと気筒内酸素濃度目標値Ｄｔとの関係が予め設定されるマップデータを参照する等して、この参照されたＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇに対応する気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを算出して、この気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御すると、ンジン運転状態が過渡状態であっても、排気ガスＧ中のＮＯｘ処理を安定して行なうことができる。なお、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを算出する際にはマップデータを参照する必要はなく、数式などを用いて気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを算出してもよい。
　より詳細に説明すると、第１制御部４１では、吸気流量センサ２１、吸気圧力センサ２２、吸気温度センサ２３、排気ラムダセンサ２４などの吸気系センサ群Ｓｇ１からの検出値を基に、ＮＯｘ濃度算出値Ｎｃと気筒内酸素濃度算出値Ｄｃを算出する。
　この気筒内酸素濃度算出値Ｄｃの算出に際しても内部ＥＧＲガスを考慮することが好ましい。つまり、気筒内で発生するＮＯｘ量に関係するのは、気筒内の全排気ガス量に対する気筒内酸素濃度算出値Ｄｃであるので、気筒内の全排気ガス量に対する気筒内酸素濃度算出値Ｄｃを、吸気量と酸素濃度、外部ＥＧＲガスの排気ガス量と酸素濃度だけで算出せずに、内部ＥＧＲガスの排気ガス量と酸素濃度を考慮に入れて、気筒内酸素濃度算出値Ｄｃを算出することが好ましい。
　そして、この気筒内酸素濃度算出値Ｄｃと燃焼温度の推定値などから気筒内で発生するＮＯｘ量及び気筒内から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度を算出し、ＮＯｘ濃度算出値Ｎｃとする。さらに、吸気に関係する吸気系センサ群Ｓｇ１の検出値から吸気ガス流量（質量）を算出し、この吸気ガス流量と燃料噴射量を足し合わせた排気ガス流量をＮＯｘ濃度算出値Ｎｃに乗じてＮＯｘ質量算出値Ｎｃｇを算出する。
　それと共に、ＮＯｘ濃度センサ２０で検出される検出値を基本として算出される補正値を用いて、制御用の算出値を補正するとの考えに基づいて、ＮＯｘ濃度センサ２０の検出値であるＮＯｘ濃度実測値Ｎｄから質量換算器４８を介してＮＯｘ質量算出値Ｎｄｇを算出し、ＮＯｘ補正部４６で、ＮＯｘ質量算出値ＮｃｇとＮＯｘ質量算出値ＮｄｇとからＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇを算出する。
　一方、第２制御部４２では、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいてマップデータを参照する等して、第１ＮＯｘ質量目標値（基本ＮＯｘ質量目標値）Ｎｔ１ｇが算出され、この第１ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇが入力される第２制御部４２では、排気ラムダセンサ２４の検出値を入力して、この第１ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇではスモークが発生することが、予め設定してある計算式やマップデータ等から予測される場合には、スモークが発生しないようなＮＯｘ濃度を第２ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ２ｇとする。所謂スモークリミットを行う。なお、スモークが発生する可能性が無い場合は、そのまま、第１ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇを第２ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ２ｇとする。これにより第２ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ２ｇを算出する。
　更に、内燃機関の運転状態が定常状態であるときには、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇを乗じて、第３ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇ（＝Ｎｔ２ｇ×ＮＣｆｇ＝Ｎｔ２ｇ×Ｎｄｇ／Ｎｃｇ）を算出する。一方、過渡状態であるときには、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇによる補正を行わず、補正比率を１として、第３ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇを算出する（Ｎｔ３ｇ＝Ｎｔ２ｇ×１＝Ｎｔ２ｇ）。つまり、この基本ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇとＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇとから、ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇを算出する。
　この構成によれば、第２ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ２ｇの補正に用いるＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇを、ＮＯｘ濃度でなくＮＯｘ質量に換算してから算出しているので、過給量の影響及び過給量に相当する吸気量に影響する大気圧や大気温度等の影響を入れた形で、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇを算出できるので、第２ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ２ｇの補正をより精度よく行うことができる。
　また、第２制御部４２では、図３に示す参考技術と同様に、ＮＯｘ濃度算出値Ｎｃを算出し、かつ、ＮＯｘ濃度センサ２０の検出値であるＮＯｘ濃度実測値Ｎｄを検出した後、ＮＯｘ濃度算出値ＮｃとＮＯｘ濃度実測値ＮｄとからＮＯｘ補正係数ＮＣｆ＝Ｎｄ／Ｎｃを算出し、このＮＯｘ補正係数ＮＣｆと第１ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇとから、ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇを算出するように構成してもよい。この場合は、ＮＯｘ補正係数ＮＣｆは、ＮＯｘ質量ベースではなくＮＯｘ濃度ベースで算出されることになる。なお、厳密には、第２ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ２ｇにＮＯｘ補正係数ＮＣｆを乗じてＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇを算出する。
　このＮＯｘ補正係数ＮＣｆを用いる場合は、センサから求めた実際の計測値から算出したＮＯｘ濃度算出値ＮｃとＮＯｘ濃度センサ２０から検出したＮＯｘ濃度実測値Ｎｄとの違いを第３ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇに反映できるので、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔによる制御精度をより向上することができ、特に、エンジン運転状態が過渡状態であるときにおける、ＮＯｘ制御の制御精度を向上させることができる。
　そして、第３制御部４３では、吸気圧力センサ２２及び吸気温度センサ２３の検出値を入力して、この第３ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇに対して、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを算出する。第４制御部４４で、この算出された気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに対して、フィードフォワード制御（プリ制御）の目標値である基本制御量（プリ制御量）Ｃａを算出する。この基本制御量Ｃａの算出に際しても、内部ＥＧＲガスを考慮することが好ましい。
　なお、この第４制御部４４では、ＥＧＲバルブ１６の前後に設けた差圧センサ（図示しない）で検出したＥＧＲバルブ１６の前後圧力、ＥＧＲバルブ１６の下流のＥＧＲ通路１４に設けた温度センサ（図示しない）で検出したＥＧＲガスＧｅの温度等を用いて、より正確なＥＧＲガスＧｅの流量とＥＧＲバルブ１６の開度の関係を求めておくことが好ましい。
　つまり、気筒内で発生するＮＯｘ量に関係する気筒内の全排気ガス量に対する気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを、気筒内の排気ガス量と酸素濃度が、内部ＥＧＲガスの排気ガス量と酸素濃度と、外部ＥＧＲガスの排気ガス量と酸素濃度と決まることを利用して、気筒内の酸素濃度の目標値である気筒内酸素濃度目標値Ｄｔから、外部ＥＧＲの酸素濃度目標値Ｄｔｏを算出し、外部ＥＧＲにおけるＥＧＲガス量Ｇｅを算出して、このＥＧＲガス量Ｇｅを供給できるＥＧＲバルブ１６の開度をプリ制御量Ｃａとする。
　また、それと並行して、第５制御部４５で、第３制御部４３で第３ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇに対して算出された気筒内酸素濃度目標値Ｄｔと第１制御部４１で算出された気筒内酸素濃度算出値Ｄｃとを入力して、フィードバック制御（ＰＩＤ制御）の目標値である補正制御量Ｃｂを算出する。そして、加算部４７で、この基本制御量Ｃａと補正制御量Ｃｂとを加算してバルブ制御量Ｃを算出する。このバルブ制御量ＣでＥＧＲバルブ１６の開度を調整制御する。
　より理解を深めるために、図３に示す参考技術のＥＧＲ制御システム４０Ｘと比較すると、図２に示す本実施の形態のＥＧＲ制御システム４０は、３つの相違点がある。
　１点目は、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第１ＮＯｘ濃度目標値（基本ＮＯｘ濃度目標値）Ｎｔ１を第１ＮＯｘ質量目標値（基本ＮＯｘ質量目標値）Ｎｔ１ｇに換算することである。
　２点目は、第１制御部４１内に、ＮＯｘ濃度からＮＯｘ質量への質量換算機能（図２におけるｄ／ｇ）を設け、この質量換算機能により、ＮＯｘ濃度算出値ＮｃをＮＯｘ質量算出値Ｎｃｇに換算することである。
　３点目は、ＮＯｘ濃度からＮＯｘ質量への換算を行う質量換算器４８を設けて、ＮＯｘ濃度センサ２０の検出値であるＮＯｘ濃度実測値Ｎｄからこの質量換算器４８を介してＮＯｘ質量実測値Ｎｄｇを算出した後、ＮＯｘ質量算出値ＮｃｇとＮＯｘ質量実測値ＮｄｇとからＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇを算出する点である。
　以上より、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲ制御システム４０は、ＥＧＲ通路１４にＥＧＲバルブ１６を有して構成されるＥＧＲシステム１を備えたエンジン１０で、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御する内燃機関のＥＧＲ制御システム４０において、ＥＧＲシステム１を制御する制御装置３０が、排気ガスＧ中に排出されるＮＯｘ量の制御の目標値であるＮＯｘ質量目標値Ｎｔｇ３に対応する気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御するように構成される。
　また、制御装置３０が、エンジン運転状態が過渡状態にあるときに、ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇを予め設定されるマップデータを参照する等して、この参照されたＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇに対応する気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを算出して、この気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御するように構成される。
　また、排気通路１３にＮＯｘ濃度センサ２０を設け、制御装置３０が、吸気に関係するセンサの検出値からＮＯｘ質量算出値Ｎｃｇを算出し、かつ、ＮＯｘ濃度センサ２０の検出値であるＮＯｘ濃度実測値Ｎｄから質量換算器４８を介してＮＯｘ質量実測値Ｎｄｇを算出した後、ＮＯｘ質量算出値ＮｃｇとＮＯｘ質量実測値ＮｄｇとからＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇ（＝Ｎｄｇ／Ｎｃｇ）を算出し、さらに、エンジン運転状態に基づいて基本ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇを算出し、この基本ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇとＮＯｘ補正係数ＮＣｆｇとからＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇを算出するように構成される。
　あるいは、排気通路１３にＮＯｘ濃度センサ２０を設け、制御装置３０が、吸気に関係するセンサの検出値からＮＯｘ濃度算出値Ｎｃを算出し、かつ、ＮＯｘ濃度センサ２０の検出値であるＮＯｘ濃度実測値Ｎｄを検出した後、ＮＯｘ濃度算出値ＮｃとＮＯｘ濃度実測値ＮｄとからＮＯｘ補正係数ＮＣｆ（＝Ｎｄ／Ｎｃ）を算出し、さらに、エンジン運転状態に基づいて基本ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇを算出し、この基本ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ１ｇとＮＯｘ補正係数ＮＣｆとから、ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇを算出するように構成される。
　次に、上記の内燃機関のＥＧＲ制御システム４０における、内燃機関のＥＧＲ制御方法について説明する。この方法は、ＥＧＲ通路１４にＥＧＲバルブ１６を有して構成されるＥＧＲシステム１を備えたエンジン１０で、気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御する内燃機関のＥＧＲ制御方法であり、この方法において、排気ガスＧ中に排出されるＮＯｘ量の制御の目標値であるＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇに対応する気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御することを特徴とする。
　また、エンジン運転状態が過渡状態にあるときに、ＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇを予め設定されるマップデータを参照する等して、この参照されたＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇに対応する気筒内酸素濃度目標値Ｄｔを算出して、この気筒内酸素濃度目標値Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御する。
　上記の構成の内燃機関のＥＧＲ制御システム４０、エンジン（内燃機関）１０及び内燃機関のＥＧＲ制御方法によれば、ＥＧＲ通路１４にＥＧＲバルブ１６を有して構成されるＥＧＲシステム１を備えたエンジン１０で、このエンジン１０の気筒内酸素濃度Ｄｔに基づいて、ＥＧＲバルブ１６の開度を制御する内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、ＮＯｘ濃度でなくＮＯｘ質量を気筒内酸素濃度の目標値Ｄｔの算出に用いて、特に、エンジン運転状態が過渡状態であるときにおける、ＮＯｘ制御の制御精度を向上させることができ、また、排気ガス浄化処理装置におけるＮＯｘ処理を容易にすることができる。
　すなわち、本実施の形態では、ＥＧＲバルブ１６の開度の制御量（ＮＯｘ制御の制御量）を算出するための気筒内酸素濃度の目標値Ｄｔを算出するためのＮＯｘに関するパラメータを、ＮＯｘ濃度ではなく、ＮＯｘ質量とする。
　そのため、参考技術においては、ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３にＥＧＲ制御を追従させているため、特に、過渡状態においては、ＮＯｘ濃度が一定でもＮＯｘ質量は増減するが、実施の形態では、ＮＯｘ濃度目標値Ｎｔ３ではなくＮＯｘ質量目標値Ｎｔ３ｇにＥＧＲ制御を追従させているので、エンジン運転状態が過渡状態で排気ガス流量が変動しても、ＮＯｘ質量の増減を回避できる。
　したがって、ＥＧＲバルブ１６の開度の制御量、即ち、ＮＯｘ制御の制御量を算出するための気筒内酸素濃度の目標値Ｄｔに対応するＮＯｘに関するパラメータを、従来技術のＮＯｘ濃度ではなく、ＮＯｘ質量とするので、特に、エンジン運転状態が過渡状態であるときにおける、排出されるＮＯｘ質量を把握でき、全体として排出されるＮＯｘ質量をより精度よく把握できるようになり、気筒１１ｃから排気通路１４へ流出するＮＯｘ排出量に対する対策を効率よく行うことができ、排出されるＮＯｘ質量の全体量を減少し易くなる。
　さらに、気筒１１ｃから排気通路１４中に排出されるＮＯｘ排出量に関して、濃度ベースから質量ベースにすることにより、排気ガス処理における還元剤の供給量などの演算で排気ガス流量の変動に対する考慮や排気ガス流量の補正を考慮する必要が無くなるので、これらの演算が簡略化されると共に、排気ガス浄化のための制御も容易となる。
　本出願は、2015年7月13日付で出願された日本国特許出願（2015-139563）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　　本発明の内燃機関のＥＧＲ制御システム、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ制御方法によれば、ＮＯｘ制御の制御精度を向上させることができ、また、排気ガス浄化処理装置におけるＮＯｘ処理を容易にすることができるという点で有用である
１　内燃機関のＥＧＲシステム
１０　エンジン（内燃機関）
１１　エンジン本体１１ａ　吸気マニホールド
１１ｂ　排気マニホールド
１１ｃ　気筒
１２　吸気通路
１３　排気通路
１４　ＥＧＲ通路
１５　ＥＧＲクーラー
１６　ＥＧＲバルブ
２０　ＮＯｘ濃度センサ（ＮＯｘ濃度検出装置）
２１　吸気流量センサ（ＭＡＦセンサ）
２２　吸気圧力センサ
２３　吸気温度センサ
２４　排気ラムダセンサ
３０　制御装置
４０、４０Ｘ　内燃機関のＥＧＲ制御システム
４１、４１Ｘ　第１制御部
４２　第２制御部
４３　第３制御部
４４　第４制御部
４５　第５制御部
４６　ＮＯｘ補正部
４７　加算部
４８　質量換算器
Ａ　新気
Ｃ　ＥＧＲバルブの開度の制御量
Ｃａ　ＥＧＲバルブの開度の基本制御量
Ｃｂ　ＥＧＲバルブの開度の補正制御量
Ｄｔ　気筒内酸素濃度目標値
Ｄｃ　気筒内酸素濃度算出値
Ｎｔ１　第１ＮＯｘ濃度目標値（基本ＮＯｘ濃度目標値）
Ｎｔ２　第２ＮＯｘ濃度目標値
Ｎｔ３　第３ＮＯｘ濃度目標値（ＮＯｘ濃度目標値）
Ｎｔ１ｇ　第１ＮＯｘ質量目標値（基本ＮＯｘ質量目標値）
Ｎｔ２ｇ　第２ＮＯｘ質量目標値
Ｎｔ３ｇ　第３ＮＯｘ質量目標値（ＮＯｘ質量目標値）
Ｎｃ　ＮＯｘ濃度算出値
Ｎｃｇ　ＮＯｘ質量算出値
Ｎｄ　ＮＯｘ濃度検出値（ＮＯｘ濃度実測値）
Ｎｄｇ　ＮＯｘ質量算出値
Ｇ、Ｇａ　排気ガス
Ｇｅ　ＥＧＲガス
ＮＣｆ、ＮＣｆｇ　ＮＯｘ補正係数
Ｓｇ１　吸気系センサ群

Claims (9)

  1. 　ＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有して構成されるＥＧＲシステムを備えた内燃機関を制御するＥＧＲ制御システムであって、
    　排気ガス中に排出されるＮＯｘ量の制御の目標値であるＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御するように構成された制御装置を含むことを特徴とするＥＧＲ制御システム。
  2. 　前記制御装置が、
    　前記内燃機関の運転状態が過渡状態にあるときに、前記ＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値を算出して、この気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御するように構成された請求項１に記載のＥＧＲ制御システム。
  3. 　前記制御装置は、前記ＮＯｘ質量目標値と前記気筒内酸素濃度目標値との関係が予め設定されているマップデータを参照することで、前記ＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値を算出することを特徴とする請求項２に記載のＥＧＲ制御システム。
  4. 　前記ＥＧＲシステムの排気通路にＮＯｘ濃度検出装置を設け、
    　前記制御装置が、
    　吸気に関係するセンサの検出値からＮＯｘ質量算出値を算出し、かつ、前記ＮＯｘ濃度検出装置の検出値であるＮＯｘ濃度実測値から質量換算器を介してＮＯｘ質量実測値を算出した後、前記ＮＯｘ質量算出値と前記ＮＯｘ質量実測値とからＮＯｘ補正係数を算出し、
    　さらに、エンジン運転状態に基づいて基本ＮＯｘ質量目標値を算出し、該基本ＮＯｘ質量目標値と前記ＮＯｘ補正係数とから、前記ＮＯｘ質量目標値を算出するように構成された請求項１乃至３に記載のＥＧＲ制御システム。
  5. 　前記ＥＧＲの排気通路にＮＯｘ濃度検出装置を設け、
    　前記制御装置が、
    　吸気に関係するセンサの検出値からＮＯｘ濃度算出値を算出し、かつ、前記ＮＯｘ濃度検出装置の検出値であるＮＯｘ濃度実測値を検出した後、前記ＮＯｘ濃度算出値と前記ＮＯｘ濃度実測値とからＮＯｘ補正係数を算出し、
    　さらに、エンジン運転状態に基づいて基本ＮＯｘ質量目標値を算出し、該基本ＮＯｘ質量目標値と前記ＮＯｘ補正係数とから、前記ＮＯｘ質量目標値を算出するように構成された請求項１乃至３に記載の内燃機関のＥＧＲ制御システム。
  6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内燃機関のＥＧＲ制御システムを備えて構成されたことを特徴とする内燃機関。
  7. 　ＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有して構成されるＥＧＲシステムを備えた内燃機関を制御するＥＧＲ制御方法において、
    　排気ガス中に排出されるＮＯｘ量の制御の目標値であるＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御方法。
  8. 　前記内燃機関の運転状態が過渡状態にあるときに、前記ＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値を算出して、この気筒内酸素濃度目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御する請求項７に記載の内燃機関のＥＧＲ制御方法。
  9. 　前記ＮＯｘ質量目標値と前記気筒内酸素濃度目標値との関係が予め設定されているマップデータを参照することで、前記ＮＯｘ質量目標値に対応する気筒内酸素濃度目標値を算出することを特徴とする請求項８に記載のＥＧＲ制御方法。
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