JP4405275B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気還流機構を備える内燃機関の制御装置に関し、特に排気中の還元剤量の増量を行う際に、吸入空気量を減少させる制御を行うものに関する。

機関の燃焼室で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘの排出量が増加する傾向がある。そのため、機関の排気系にＮＯｘ浄化装置を設け、ＮＯｘの排出量を低減する技術が、例えば特許文献１に示されている。排気系にＮＯｘ浄化装置を備えた機関では、リーンバーン運転のみを長時間継続して行うと、ＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘ量が飽和する。したがって、ＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘを還元するために、比較的短時間の空燃比リッチ化（以下「還元リッチ化」という）を行う必要がある。

特許文献１に示された装置では、還元リッチ化を行うときには、燃料供給量を増加させるとともに、吸気系に設けられたスロットル弁の開度を減少させ、機関の吸入空気量を減少させる制御が行われる。
特開平１０−１８４４１８

排気還流機構を備えた機関では、吸入空気量を変化させると、排気還流量も変化するため、吸入空気量を減少させるのみでは、空燃比を最適値に維持することができないという課題がある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、空燃比リッチ化を行う際に、吸入空気量を減少させつつ排気還流量を最適値に制御し、排気特性を良好に維持することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）に吸入される空気量を制御する吸気制御弁（１３）と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流手段（５，６）と、前記機関（１）の吸入空気量（ＧＡ）を検出する吸入空気量検出手段（２１）とを備える内燃機関の制御装置において、前記機関（１）の排気中の還元剤濃度が酸素濃度より低い状態から高い状態に切り換えるときに、前記吸気制御弁（１３）の開度（ＴＨ）及び前記機関の目標吸入空気量（ＧＡＣＭＤ）を、前記還元剤濃度が酸素濃度より高い状態に適した値（ＴＨＣＭＤ２，ＧＡＣＭＤ２）に変更する変更手段（３２，３３，５２，５３）と、該変更手段による、前記吸気制御弁（１３）の開度（ＴＨ）及び目標吸入空気量（ＧＡＣＭＤ）の変更後に、前記吸気制御弁の開度（ＴＨ）を一定値に維持する吸気制御弁開度制御手段と、該吸気制御弁開度制御手段によって前記吸気制御弁の開度（ＴＨ）が一定値に維持された状態で、前記吸入空気量検出手段（２１）により検出される吸入空気量（ＧＡ）が目標吸入空気量（ＧＡＣＭＤ２）と一致するように、前記排気還流手段（５，６）により還流される排気量をフィードバック制御するフィードバック制御手段（３４，３５）とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関（１）の排気系（４）に設けられ、排気の空燃比を検出する空燃比検出手段（２３）と、該空燃比検出手段（２３）により検出される空燃比（ＡＦＡＣＴ）が、目標空燃比（ＡＦＣＭＤ）と一致するように前記機関（１）に供給する燃料量（ＴＯＵＴ）を制御する空燃比制御手段（８１〜８８）とを備えることを特徴とする。

「空燃比」は、一般には機関で燃焼する混合気の空気と燃料の比率を意味するが、本明細書及び特許請求の範囲において、「排気の空燃比」という場合には、排気中の酸素濃度と、還元剤（還元成分）濃度との比率を意味するものとする。

請求項１に記載の発明によれば、排気中の還元剤濃度が酸素濃度より低い状態から高い状態に切り換えるときに、吸気制御弁の開度及び目標吸入空気量が、排気中の還元剤濃度が高い状態に適した値に変更され、この吸気制御弁の開度及び目標吸入空気量の変更後に、吸気制御弁の開度が一定値に維持されるとともに、吸気制御弁の開度が一定値に維持された状態で、検出される吸入空気量が目標吸入空気量と一致するように、排気還流量がフィードバック制御される。したがって、吸入空気量は目標吸入空気量に維持されるので、目標吸入空気量を、吸気制御弁の開度を一定値に維持するという条件のもとで、排気還流量が最適値となるように予め設定しておくことにより、吸入空気量が目標吸入空気量と一致するように排気還流量を制御すれば、排気還流量を最適値に制御することができる。その結果、還元剤増量制御中において、良好な排気特性を維持することができる。

請求項２に記載の発明によれば、検出される排気空燃比が、目標空燃比と一致するように機関に供給する燃料量が制御されるので、還元剤増量制御中における排気空燃比が目標空燃比に維持され、良好な排気特性を安定して得ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成を示す図である。エンジン１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１２が設けられている。燃料噴射弁１２は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１２の開弁時期及び開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。燃料噴射弁１２には、燃料供給通路１６を介して燃料が供給される。燃料供給通路１６には、圧力調整器１５が設けられており、圧力調整器１５は、ＥＣＵ２０に接続されている。ＥＣＵ２０は、圧力調整器１５に制御信号を供給し、燃料噴射弁１２に供給する燃料の圧力、すなわち燃料噴射圧ＰＩを制御する。

エンジン１は、吸気管２、排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えている。

タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンのの開度（以下「ベーン開度」という）を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をタービン１０に供給し、これによってベーン開度を制御する。ベーン開度を増加させると、タービン１０の効率が向上し、タービン回転数は増加する。その結果、過給圧が増加する。

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には吸入空気量を制御するスロットル弁１３が設けられている。吸気管２は、スロットル弁１３の下流側において各気筒に対応して分岐し、分岐した吸気管２のそれぞれは、２つの吸気ポート２Ａ，２Ｂに分岐する。なお、図１には１つの気筒に対応する構成のみが示される。

エンジン１の各気筒には、２つの吸気弁（図示せず）及び２つの排気弁（図示せず）が設けられている。２つの吸気弁により開閉される吸気口（図示せず）は吸気ポート２Ａ，２Ｂのそれぞれに接続されている。
また、吸気ポート２Ｂ内には、当該吸気ポート２Ｂを介して吸入される空気量を制限してエンジン１の燃焼室にスワールを発生させるスワール制御弁（以下「ＳＣＶ」という）１４が設けられている。スロットル弁１３及びＳＣＶ１４は、電動モータや油圧アクチュエータによって駆動されるバタフライ弁であり、それらの弁開度はＥＣＵ２０により制御される。

排気管４と吸気ポート２Ｂとの間には、排気を吸気ポート２Ｂに還流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。ＥＧＲ弁６は、デューティ比可変の制御信号により、弁開度ＬＡＣＴが、エンジン運転状態に応じて設定されるリフト量指令値ＬＣＭＤと一致するように制御される。

吸気管２には、吸入空気量ＧＡを検出する吸入空気量センサ２１と、コンプレッサ９の下流側の過給圧ＰＣＨを検出する過給圧センサ２２とが取り付けられており、これらの検出信号はＥＣＵ２０に供給される。
排気管４の、タービン１０の下流側には、ＮＯｘ浄化装置１１が設けられている。ＮＯｘ浄化装置１１は、ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ浄化装置１１は、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高く、還元剤（ＨＣ及びＣＯ）濃度が酸素濃度より低い排気リーン状態においては、ＮＯｘを吸収する一方、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的低く、還元剤濃度が酸素濃度より高い排気リッチ状態においては、吸収ＮＯｘを還元剤により還元し、窒素ガス、水蒸気及び二酸化炭素として排出するように構成されている。

ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ吸収量まで、ＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収できなくなるので、適時ＮＯｘを還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。また、ディーゼル機関用の燃料に含まれている硫黄（Ｓ）が酸化して発生したＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に付着すると、ＮＯｘ吸収能力が低下するので、適時ＳＯｘの放出（以下「サルファーパージ」という）を実行する必要がある。この場合にも、空燃比のリッチ化が実行される。これらの空燃比のリッチ化は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料量の増量と主としてスロットル弁１３による吸入空気量の減量とによって行われる。なお本実施形態では、空燃比をリッチ化するときにおける吸入空気量の調整は、スロットル弁１３だけでなく、ＥＧＲ弁６の開度を制御を併用して行われる。

また、ＮＯｘ浄化装置１１の上流側には、比例型空燃比センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）２３が設けられている。ＬＡＦセンサ２３は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した検出信号をＥＣＵ２０に供給する。
さらに、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２５及びエンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２６が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

クランク角度位置センサ２６は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ２０に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１２、ＥＧＲ弁６、タービン１０、スロットル弁１３、ＳＣＶ１４などに制御信号を供給する出力回路等から構成される。

図１に示す構成のエンジンにおいては、ターボチャージャ８のベーン開度ＶＯ、ＳＣＶ１４の開度ＳＯ、またはスロットル弁開度ＴＨが変化すると、排気還流量も変化する。したがって、ＥＧＲ弁６の開度を制御して、排気還流量を所望値に正確に制御するためには、ターボチャージャ８のベーン開度ＶＯ、ＳＣＶ１４の開度ＳＯ、及びスロットル弁開度ＴＨは、一定値に維持する必要がある。また、以下に説明する目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤを算出するためのマップ（ＴＨＣＭＤ１マップ、及びＴＨＣＭＤ２マップ）、目標ベーン開度を算出するためのマップ（ＶＯＣＭＤ１マップ、及びＶＯＣＭＤ２マップ）、及び目標ＳＣＶ開度を算出するためのマップ（ＳＯＣＭＤ１マップ、及びＳＯＣＭＤ２マップ）は、検出される吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤと一致するように、ＥＧＲ弁６の開度が制御されたときに、最適な体積効率（ηＶ）及びスワール強度が得られるように予め設定されている。

また本実施形態では、ターボチャージャ８のベーン開度ＶＯ、ＳＣＶ１４の開度ＳＯ、及びスロットル弁開度ＴＨが、一定値に維持された状態で、検出吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤに一致するようにＥＧＲ弁６の開度ＬＡＣＴを制御したときに、最適な排気還流量が得られるように、目標吸入空気量を算出するマップ（ＧＡＣＭＤ１マップ、ＧＡＣＭＤ２マップ）が設定されている。したがって、ターボチャージャ８のベーン開度ＶＯ、ＳＣＶ１４の開度ＳＯ、及びスロットル弁開度ＴＨを、一定値に維持して、検出吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤに一致するようにＥＧＲ弁６の開度ＬＡＣＴを制御することにより、排気還流量を最適値に制御することができ、良好な排気特性を維持することができる。

図２及び図３は、ＥＣＵ２０によるエンジン制御を説明するための機能ブロック図である。これらの図に示されるブロックの機能は、具体的にはＥＣＵ２０のＣＰＵによる演算処理により実現される。

図２（ａ）は、ＥＧＲ弁６のリフト量指令値ＬＣＭＤを算出するリフト量指令値算出モジュールの構成を示すブロック図である。リフト量指令値算出モジュールは、第１目標吸入空気量算出部３１と、第２目標吸入空気量算出部３２と、切換部３３と、減算部３４と、ＬＣＭＤ算出部３５とを備えている。

第１目標吸入空気量算出部３１は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＧＡＣＭＤ１マップ（図示せず）を検索し、リーンバーン運転時に適用される第１目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ１を算出する。第２目標吸入空気量算出部３２は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＧＡＣＭＤ２マップ（図示せず）を検索し、リッチ化運転時に適用される第２目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ２を算出する。第２目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ２は、同一のエンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰで比較した場合、第１目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ１より小さな値に設定される。

切換部３３は、空燃比切換信号ＳＡＦに応じて、第１目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ１と、第２目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ２とを切り換えて、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤを出力する。具体的には、リーンバーン運転時は、第１目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ１が選択され、リッチ化運転時は、第２目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ２が選択される。

減算部３４は、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤから、吸入空気量センサ２１により検出される吸入空気量ＧＡを減算し、吸入空気量偏差ＤＧＡを算出する。ＬＣＭＤ算出部３５は、吸入空気量偏差ＤＧＡが「０」となるように、リフト量指令値ＬＣＭＤを算出する。具体的には、吸入空気量偏差ＤＧＡが正の値であって、検出される吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤより小さいときは、リフト量指令値ＬＣＭＤを減少させる一方、吸入空気量偏差ＤＧＡが負の値であって、検出される吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤより大きいときは、リフト量指令値ＬＣＭＤを増加させる。これにより、吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤに一致するように、ＥＧＲ弁６の開度（リフト量）ＬＡＣＴが制御される。

図２（ｂ）は、タービン１０のベーン開度の目標値（以下「目標ベーン開度」という）を算出する目標ベーン開度算出モジュールの構成を示すブロック図である。目標ベーン開度算出モジュールは、第１目標ベーン開度算出部４１と、第２目標ベーン開度算出部４２と、切換部４３とを備えている。

第１目標ベーン開度算出部４１は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＶＯＣＭＤ１マップ（図示せず）を検索し、リーンバーン運転時に適用される第１目標ベーン開度ＶＯＣＭＤ１を算出する。第２目標ベーン開度算出部４２は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＶＯＣＭＤ２マップ（図示せず）を検索し、リッチ化運転時に適用される第２目標ベーン開度ＶＯＣＭＤ２を算出する。切換部４３は、空燃比切換信号ＳＡＦに応じて、第１目標ベーン開度ＶＯＣＭＤ１と、第２目標ベーン開度ＶＯＣＭＤ２とを切り換えて、目標ベーン開度ＶＯＣＭＤを出力する。具体的には、リーンバーン運転時は、第１目標ベーン開度ＶＯＣＭＤ１が選択され、リッチ化運転時は、第２目標ベーン開度ＶＯＣＭＤ２が選択される。ＥＣＵ２０は、タービン１０のベーン開度が、目標ベーン開度ＶＯＣＭＤとなるようにベーン開度の制御を行う。

図２（ｃ）は、スロットル弁１３の目標開度（以下「目標スロットル弁開度」という）ＴＨＣＭＤを算出する目標スロットル弁開度算出モジュールの構成を示すブロック図である。目標スロットル弁開度算出モジュールは、第１目標スロットル弁開度算出部５１と、第２目標スロットル弁開度算出部５２と、切換部５３とを備えている。

第１目標スロットル弁開度算出部５１は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＴＨＣＭＤ１マップ（図示せず）を検索し、リーンバーン運転時に適用される第１目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ１を算出する。第２目標スロットル弁開度算出部５２は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＴＨＣＭＤ２マップ（図示せず）を検索し、リッチ化運転時に適用される第２目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ２を算出する。第２目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ２は、同一のエンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰで比較した場合、第１目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ１より小さな値に設定される。

切換部５３は、空燃比切換信号ＳＡＦに応じて、第１目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ１と、第２目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ２とを切り換えて、目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤを出力する。具体的には、リーンバーン運転時は、第１目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ１が選択され、リッチ化運転時は、第２目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ２が選択される。ＥＣＵ２０は、スロットル弁１３の開度が、目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤとなるようにスロットル弁開度の制御を行う。

図２（ｄ）は、ＳＣＶ１４の目標開度（以下「目標ＳＣＶ開度」という）ＳＯＣＭＤを算出する目標ＳＣＶ開度算出モジュールの構成を示すブロック図である。目標ＳＣＶ開度算出モジュールは、第１目標ＳＣＶ開度算出部６１と、第２目標ＳＣＶ開度算出部６２と、切換部６３とを備えている。

第１目標ＳＣＶ開度算出部６１は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＳＯＣＭＤ１マップ（図示せず）を検索し、リーンバーン運転時に適用される第１目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤ１を算出する。第２目標ＳＣＶ開度算出部６２は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＳＯＣＭＤ２マップ（図示せず）を検索し、リッチ化運転時に適用される第２目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤ２を算出する。リッチ化運転時に適用される第２目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤ２は、燃焼を向上させるために、リーンバーン運転時よりスワールが強くなるように（ＳＣＶ開度が小さくなるように）設定される。切換部６３は、空燃比切換信号ＳＡＦに応じて、第１目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤ１と、第２目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤ２とを切り換えて、目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤを出力する。具体的には、リーンバーン運転時は、第１目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤ１が選択され、リッチ化運転時は、第２目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤ２が選択される。ＥＣＵ２０は、ＳＣＶ１４の開度ＳＯが、目標ＳＣＶ開度ＳＯＣＭＤとなるようにＳＣＶ開度の制御を行う。

図３（ａ）は、燃料噴射弁１２により噴射される燃料の圧力（以下「燃料噴射圧」という）ＰＩの目標値、すなわち目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤを算出する目標燃料噴射圧算出モジュールの構成を示すブロック図である。目標燃料噴射圧算出モジュールは、第１目標燃料噴射圧算出部７１と、第２目標燃料噴射圧算出部７２と、切換部７３とを備えている。

第１目標燃料噴射圧算出部７１は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＰＩＣＭＤ１マップ（図示せず）を検索し、リーンバーン運転時に適用される第１目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤ１を算出する。第２目標燃料噴射圧算出部７２は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、ＰＩＣＭＤ２マップ（図示せず）を検索し、リッチ化運転時に適用される第２目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤ２を算出する。ＰＩＣＭＤ１マップ及びＰＩＣＭＤ２マップは、対応するエンジン運転状態において最適な噴射燃料粒径（噴射された燃料粒の直径）が得られるように設定されている。

切換部７３は、空燃比切換信号ＳＡＦに応じて、第１目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤ１と、第２目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤ２とを切り換えて、目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤを出力する。具体的には、リーンバーン運転時は、第１目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤ１が選択され、リッチ化運転時は、第２目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤ２が選択される。ＥＣＵ２０は、燃料噴射圧ＰＩが、目標燃料噴射圧ＰＩＣＭＤとなるように、圧力調整器１５の制御を行う。

図３（ｂ）は、燃料噴射弁１２による燃料噴射量ＴＯＵＴを算出する燃料噴射量算出モジュールの構成を示すブロック図である。燃料噴射量算出モジュールは、第１基本燃料量算出部８１と、第２基本燃料量算出部８２と、切換部８３と、第１目標空燃比設定部８４と、第２目標空燃比設定部８５と、切換部８６と、減算部８７と、フィードバック制御項算出部８８と、加算部８９とを備えている。なお、燃料噴射量ＴＯＵＴは、実際には燃料噴射弁１２の開弁時間として算出されるものである。

第１基本燃料増算出部８１は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＴＩＭ１マップ（図示せず）を検索することにより、リーンバーン運転時に適用される第１基本燃料量ＴＩＭ１を算出する。第２基本燃料量算出部８２は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＴＩＭ２マップ（図示せず）を検索することにより、リッチ化運転時に適用される第２基本燃料量ＴＩＭ２を算出する。第２基本燃料量ＴＩＭ２は、同一のエンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰで比較した場合、第１基本燃料量ＴＩＭ１より大きい値に設定されている。

切換部８３は、空燃比切換信号ＳＡＦに応じて、第１基本燃料量ＴＩＭ１と、第２基本燃料量ＴＩＭ２とを切り換えて、基本燃料量ＴＩＭを出力する。具体的には、リーンバーン運転時は、第１基本燃料量ＴＩＭ１が選択され、リッチ化運転時は、第２基本燃料量ＴＩＭ２が選択される。

第１目標空燃比設定部８４は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＡＦＣＭＤ１マップ（図示せず）を検索することにより、リーンバーン運転時に適用される第１目標空燃比ＡＦＣＭＤ１を算出する。第１目標空燃比ＡＦＣＭＤ１は、理論空燃比よりリーン側の空燃比に設定される。第２目標空燃比設定部８５は、リッチ化運転時に適用される所定の第２目標空燃比ＡＦＣＭＤ２（例えば、１４．０）の設定を行う。

切換部８６は、空燃比切換信号ＳＡＦに応じて、第１目標空燃比ＡＦＣＭＤ１と、第２目標空燃比ＡＦＣＭＤ２とを切り換えて、目標空燃比ＡＦＣＭＤを出力する。具体的には、リーンバーン運転時は、第１目標空燃比ＡＦＣＭＤ１が選択され、リッチ化運転時は、第２目標空燃比ＡＦＣＭＤ２が選択される。

減算部８７は、切換部８６から出力される目標空燃比ＡＦＣＭＤから、ＬＡＦセンサ２３により検出される検出空燃比ＡＦＡＣＴを減算することにより、空燃比偏差ＤＡＦを算出する。フィードバック制御項算出部８８は、空燃比偏差ＤＡＦが「０」となるように、フィードバック制御項ＴＦＢを算出する。

加算部８９は、切換部８３から出力される基本燃料量ＴＩＭに、フィードバック制御項ＴＦＢを加算することにより、燃料噴射量ＴＯＵＴを算出する。ＥＣＵ２０は、燃料噴射量ＴＯＵＴに応じた時間に亘って、燃料噴射弁１２を開弁し、燃料噴射を実行する。

図４は、時刻ｔ１に、リーンバーン運転からリッチ化運転への移行した場合における、スロットル弁開度ＴＨ、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ、ＥＧＲ弁６の弁開度（リフト量）ＬＡＣＴ、吸入空気量ＧＡ、燃料噴射量ＴＯＵＴ、及びＬＡＦセンサ２３により検出される検出空燃比ＡＦＡＣＴの推移を示すタイムチャートである。時刻ｔ１において、空燃比切換信号ＳＡＦが切り換えられると、目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤとして、リッチ化運転用の第２目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤ２が選択されるとともに、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤとして、第２目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ２が選択される。その結果、スロットル弁開度ＴＨ及び吸入空気量ＧＡＣＭＤがステップ状に減少する（図４（ａ）（ｂ））とともに、ＥＧＲ弁６のリフト量ＬＡＣＴが急激に増加し（図４（ｃ））、吸入空気量ＧＡが急激に減少する（図４（ｄ））。また、時刻ｔ１における空燃比切換信号ＳＡＦの切り換えに対応して、基本燃料量ＴＩＭとして、第２基本燃料量ＴＩＭ２が選択され、燃料噴射量ＴＯＵＴがステップ状に増加する。吸入空気量ＧＡの減少及び燃料噴射量ＴＯＵＴの増加により、空燃比ＡＦＡＣＴは、急激に減少し、リッチ化運転が開始される。

その後は、ＥＧＲ弁６のリフト量指令値ＬＣＭＤは、吸入空気量ＧＡが一定の目標吸入空気量ＧＡＣＭＤに一致するよう制御され、燃料噴射量ＴＯＵＴは、フィードバック制御項ＴＦＢにより、検出空燃比ＡＦＡＣＴが第２目標空燃比ＡＦＣＭＤ２に一致するように制御される。その結果、リッチ化運転中において、吸入空気量ＧＡ及び検出空燃比ＡＦＡＣＴは、ほぼ一定値に維持される。

以上のように本実施形態では、リーンバーン運転からリッチ化運転に切り換えるときに、スロットル弁１３の開度及び目標吸入空気量ＧＡＣＭＤが、リッチ運転に適した値に変更される。そして、このスロットル弁１３の開度及び目標吸入空気量ＧＡＣＭＤの変更後に、検出吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤと一致するように、ＥＧＲ弁６の開度、すなわち排気還流量が、フィードバック制御される。したがって、吸入空気量ＧＡは目標吸入空気量ＧＡＣＭＤに維持される。ここで、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤは、スロットル弁開度ＴＨ、ターボチャージャのベーン開度ＶＯ、及びＳＣＶ開度ＳＯを一定に維持するという条件のもとで、最適な排気還流量となるように予め設定されているので、吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＣＭＤと一致するように排気還流量（ＥＧＲ弁６）を制御することにより、排気還流量を最適値に制御することができる。その結果、空燃比リッチ化制御中において、良好な排気特性を維持することができる。

また検出される空燃比ＡＦＡＣＴが、目標空燃比ＡＦＣＭＤと一致するように燃料噴射量ＴＯＵＴが制御されるので、リッチ化制御中における実際の空燃比ＡＦＡＣＴが目標空燃比ＡＦＣＭＤに維持され、良好な排気特性を安定して得ることができる。

本実施形態では、スロットル弁１３が吸気制御弁に相当し、吸入空気量センサ２１が吸入空気量検出手段に相当し、酸素濃度センサ２３が空燃比検出手段に相当し、ＥＣＵ２０が変更手段、吸気制御弁開度制御手段、フィードバック制御手段、及び空燃比制御手段を構成する。具体的には、図２（ｃ）に示す目標スロットル弁開度算出モジュールが変更手段の一部及び吸気制御弁開度制御手段の一部に相当し、図２（ａ）に示すリフト量指令値算出モジュールが変更手段の一部及びフィードバック制御手段に相当し、図３（ｄ）に示す燃料噴射量算出モジュールが、空燃比制御手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、ＮＯｘ浄化装置１１は、空燃比リッチ化制御中に生成されるアンモニアを保持する能力を有し、リーンバーン運転時にそのアンモニアによってＮＯｘを還元することができるアンモニア活用型のＮＯｘ浄化装置を、ＮＯｘ浄化装置１１として用いてもよい。

また上述した実施形態では、燃料噴射弁１２により、１気筒当たり１回の主噴射を行う場合において、その主噴射の燃料噴射量ＴＯＵＴを増量して、排気空燃比のリッチ化（排気中の還元剤量の増量）を行うようにしたが、主噴射に加えてポスト噴射（主噴射の後に実行される補助的な燃料噴射）を実行して、排気空燃比のリッチ化を行うようにしてもよい。また、排気管４内に燃料、水素、アンモニアといった還元剤を直接供給する機構を、還元剤供給手段として設け、この還元剤供給手段により、還元剤の増量を行うようにしてもよい。ポスト噴射や還元剤供給手段により、還元剤量の増量を行う場合には、排気の空燃比に対応する目標空燃比を設定し、ＬＡＦセンサ２３により検出される排気空燃比が目標空燃比に一致するように、ポスト噴射量または還元剤供給手段による還元剤供給量の制御を行うようにする。

また上述した実施形態では、ディーゼル内燃機関の制御に本発明を適用した例を示したが、これに限るものではなく、ガソリン内燃機関の制御にも、本発明は適用可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示す電子制御ユニットで実行される機関制御処理を説明するためのブロック図である。 図１に示す電子制御ユニットで実行される機関制御処理を説明するためのブロック図である。 リーンバーン運転から空燃比リッチ化制御に移行したときの、機関運転パラメータの推移を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
５ 排気還流通路
６ 排気還流弁
１１ ＮＯｘ浄化装置
１２ 燃料噴射弁
１３ スロットル弁（吸気制御弁）
２０ 電子制御ユニット（開度変更手段、フィードバック制御手段、空燃比制御手段）
２１ 吸入空気量センサ（吸入空気量検出手段）
２３ 酸素濃度センサ（空燃比検出手段）
２５ アクセルセンサ
２６ クランク角度位置センサ

Claims (2)

1. 内燃機関に吸入される空気量を制御する吸気制御弁と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流手段と、前記機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段とを備える内燃機関の制御装置において、
   前記機関の排気中の還元剤濃度が酸素濃度より低い状態から高い状態に切り換えるときに、前記吸気制御弁の開度及び前記機関の目標吸入空気量を、前記還元剤濃度が酸素濃度より高い状態に適した値に変更する変更手段と、
   該変更手段による、前記吸気制御弁の開度及び目標吸入空気量の変更後に、前記吸気制御弁の開度を一定値に維持する吸気制御弁開度制御手段と、
   該吸気制御弁開度制御手段によって前記吸気制御弁の開度が一定値に維持された状態で、前記吸入空気量検出手段により検出される吸入空気量が目標吸入空気量と一致するように、前記排気還流手段により還流される排気量をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記機関の排気系に設けられ、排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、該空燃比検出手段により検出される空燃比が、目標空燃比と一致するように前記機関に供給する燃料量を制御する空燃比制御手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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