JP7360261B2

JP7360261B2 - エンジンシステム

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Description

本発明は、ＥＧＲ機構を備えるエンジンシステムに関する。

近年、理論空燃比（ストイキ）よりもリーンな空燃比で燃料を燃焼させるリーン燃焼や、理論空燃比よりもリッチな空燃比で燃料を燃焼させるリッチ燃焼を実行可能なエンジンが開発されている。

また、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減やエンジンのノックの抑制を目的として、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）機構が設けられたエンジンが開発されている（例えば、特許文献１）。ＥＧＲ機構は、排気路と吸気路とを接続するＥＧＲ流路と、ＥＧＲ流路の開度を調整するＥＧＲバルブとを備え、ＥＧＲ流路を通じて、排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気路に還流する。

特開２００７－３３２９２５号公報

上記リーン燃焼させる場合、排気ガスに含まれる空気（酸素）の量は、ストイキ燃焼よりも多い。したがって、リーン燃焼の実行中にＥＧＲガスを還流させると、ＥＧＲガスに含まれる空気の分、エンジンの燃焼室に導入される空気の量が増加するため、燃焼室において着火性が低下するおそれがある。

また、上記リッチ燃焼させる場合、排気ガスに含まれる未燃焼の燃料の量は、ストイキ燃焼よりも多い。したがって、リッチ燃焼の実行中にＥＧＲガスを還流させると、ＥＧＲガスに含まれる燃料の分、エンジンの燃焼室に導入される燃料の量が増加するため、排気ガスに含まれる未燃焼の燃料（炭化水素）の量が増加するおそれがある。

本発明は、燃焼室における着火性を向上しつつ、排気ガスに含まれる燃料の量を低減することが可能なエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のエンジンシステムは、エンジンの燃焼室に吸気を導く吸気管と、燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気管と、排気管および吸気管に接続され、排気ガスをＥＧＲガスとして吸気管に還流させるＥＧＲ管と、排気管を通過する排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサと、燃料の目標噴射量を導出する噴射量導出部と、噴射量導出部によって導出された目標噴射量の燃料を燃焼室に噴射する燃料噴射部と、を備え、噴射量導出部は、エンジンの運転領域を、リーン領域、リッチ領域、および、ストイキ領域のいずれかの領域に決定し、決定した運転領域に基づいて目標空気過剰率を設定し、運転領域をリーン領域に決定した場合に、酸素センサの検出値に基づいて排気ガスの空気過剰率を算出し、ＥＧＲガスの質量、および、排気ガスの空気過剰率に基づいて、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量を導出し、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量を０に設定し、運転領域をリッチ領域に決定した場合に、酸素センサの検出値に基づいて排気ガスの空気過剰率を算出し、ＥＧＲガスの質量、および、排気ガスの空気過剰率に基づいて、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量を導出し、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量を０に設定し、運転領域をストイキ領域に決定した場合に、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量を０に設定し、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量を０に設定し、運転領域に拘わらず、吸気管を通じて燃焼室に導かれる新気の質量をMair_thr、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量をMair_egr、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量をMfuel_egr、理論空燃比をa、目標空気過剰率をλ_tgt、目標噴射量をMfuel_tgt とした場合、下記式（Ａ）に基づいて、目標噴射量を導出する。
Mfuel_tgt ＝｛（Mair_thr ＋ Mair_egr） ÷ （a × λ_tgt）｝－ Mfuel_egr …式（Ａ）

また、上記エンジンシステムは、ＥＧＲ管を開閉するＥＧＲバルブと、ＥＧＲバルブの前後の圧力差を検出する差圧センサと、ＥＧＲガスの温度を検出する温度センサと、をさらに備え、噴射量導出部は、ＥＧＲバルブの開度、差圧センサの検出値、温度センサの検出値、および、エンジンの回転数に基づいて、ＥＧＲガスの質量を導出してもよい。

本発明によれば、燃焼室における着火性を向上しつつ、排気ガスに含まれる燃料の量を低減することが可能となる。

実施形態にかかるエンジンシステムを説明する図である。実施形態にかかる目標噴射量導出方法の処理の流れを示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

［エンジンシステム１００］
図１は、本実施形態にかかるエンジンシステム１００を説明する図である。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示す。また、図１中、一方の差圧センサ１８８とＥＣＵ１０との間の信号の流れを示す破線、および、温度センサ１９０とＥＣＵ１０との間の信号の流れを示す破線は、図面の簡略化のため図示を省略する。

図１に示すように、車両に搭載されるエンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１０が設けられる。ＥＣＵ１０によりエンジンＥ全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。

エンジンシステム１００を構成するエンジンＥは、シリンダブロック１０２と、クランクケース１０４と、シリンダヘッド１０６と、オイルパン１１０とを含む。クランクケース１０４は、シリンダブロック１０２と一体形成されている。シリンダヘッド１０６は、シリンダブロック１０２におけるクランクケース１０４とは反対側に接合される。オイルパン１１０は、クランクケース１０４におけるシリンダブロック１０２とは反対側に接合される。

シリンダブロック１０２には、複数のシリンダボア１１２が形成されている。複数のシリンダボア１１２において、それぞれピストン１１４が摺動可能にコネクティングロッド１１６に支持されている。そして、エンジンＥでは、シリンダボア１１２と、シリンダヘッド１０６と、ピストン１１４の冠面とによって囲まれた空間が燃焼室１１８として形成される。

また、エンジンＥでは、クランクケース１０４およびオイルパン１１０に囲まれた空間がクランク室１２０として形成される。クランク室１２０内には、クランクシャフト１２２が回転可能に支持されており、ピストン１１４がコネクティングロッド１１６を介してクランクシャフト１２２に連結される。

シリンダヘッド１０６には、吸気ポート１２４および排気ポート１２６が燃焼室１１８に連通するように設けられる。吸気ポート１２４と燃焼室１１８との間には、吸気弁１２８の先端（傘部）が位置し、排気ポート１２６と燃焼室１１８との間には、排気弁１３０の先端（傘部）が位置している。

また、シリンダヘッド１０６および不図示のヘッドカバーに囲まれた空間には、吸気用カム１３４ａ、ロッカーアーム１３４ｂ、排気用カム１３６ａ、および、ロッカーアーム１３６ｂが設けられる。吸気弁１２８は、ロッカーアーム１３４ｂを介して、吸気用カムシャフトに固定された吸気用カム１３４ａが当接されている。吸気弁１２８は、吸気用カムシャフトの回転に伴って、軸方向に移動し、吸気ポート１２４と燃焼室１１８との間を開閉する。排気弁１３０は、ロッカーアーム１３６ｂを介して、排気用カムシャフトに固定された排気用カム１３６ａが当接されている。排気弁１３０は、排気用カムシャフトの回転に伴って、軸方向に移動し、排気ポート１２６と燃焼室１１８との間を開閉する。
なお、吸気用カムシャフトおよび排気用カムシャフトは、不図示のベルトを介してクランクシャフト１２２に接続されており、クランクシャフト１２２の回転に伴って回転する。

吸気ポート１２４の上流側には、吸気マニホールドを含む吸気管１４０が連通される。吸気管１４０内には、スロットルバルブ１４２、および、スロットルバルブ１４２より上流側にエアクリーナ１４４が設けられる。スロットルバルブ１４２は、アクセル（図示せず）の開度に応じてアクチュエータにより開閉駆動される。エアクリーナ１４４にて浄化された空気は、吸気管１４０、吸気ポート１２４を通じて燃焼室１１８に吸入される。

シリンダヘッド１０６には、燃料噴射口が燃焼室１１８に開口するようにインジェクタ１５０（燃料噴射部）が設けられるとともに、先端が燃焼室１１８内に位置するように点火プラグ１５２が設けられる。インジェクタ１５０から燃焼室１１８に噴射された燃料は、吸気ポート１２４から燃焼室１１８に供給された空気と混ざり混合気となる。そして、所定のタイミングで点火プラグ１５２が点火され、燃焼室１１８内で生成された混合気が燃焼される。かかる燃焼により、ピストン１１４が往復運動を行い、その往復運動が、コネクティングロッド１１６を通じてクランクシャフト１２２の回転運動に変換される。

排気ポート１２６の下流側には、排気マニホールドを含む排気管１６０が連通される。排気管１６０内には、浄化触媒１６２が設けられる。浄化触媒１６２は、例えば、三元触媒（ＴＷＣ：Three-Way Catalyst）、および、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap）を含む。

三元触媒は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒成分を含む。三元触媒は、排気ポート１２６から排出された排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化（除去）する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、三元触媒で除去しきれなかったＮＯｘを一旦吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを所定のタイミングで還元（浄化）する。浄化触媒１６２によって浄化された排気ガスは、マフラ１６４を通じて外部に排気される。

ＥＧＲ管１７０は、排気管１６０における、浄化触媒１６２の上流側と、吸気管１４０におけるスロットルバルブ１４２の下流側とに接続される。ＥＧＲ管１７０は、排気管１６０を流通する排気ガスの一部を吸気管１４０に還流させる（以下、還流させた排気ガスを「ＥＧＲガス」と称する）。

ＥＧＲ管１７０には、ＥＧＲクーラ１７２が設けられており、ＥＧＲクーラ１７２で冷却されたＥＧＲガスは、吸気管１４０、吸気ポート１２４を通じて燃焼室１１８に還流する。ＥＧＲバルブ１７４は、ＥＧＲ管１７０におけるＥＧＲクーラ１７２の下流側に設けられる。ＥＧＲバルブ１７４は、ＥＧＲ管１７０を開閉して流路幅を調整することで、ＥＧＲ管１７０を流れるＥＧＲガスの流量を制御する。ＥＧＲ管１７０を介して吸気管１４０に流入したＥＧＲガスは、スロットルバルブ１４２を通過した新気とともに燃焼室１１８に供給される。

また、エンジンシステム１００には、吸入空気量センサ１８０、スロットル開度センサ１８２、クランク角センサ１８４、アクセル開度センサ１８６、差圧センサ１８８、温度センサ１９０、酸素センサ１９２が設けられる。

吸入空気量センサ１８０は、吸気管１４０におけるエアクリーナ１４４とスロットルバルブ１４２との間に設けられており、エンジンＥに流入する吸入空気量を検出する。スロットル開度センサ１８２は、スロットルバルブ１４２の開度を検出する。クランク角センサ１８４は、クランクシャフト１２２のクランク角を検出する。アクセル開度センサ１８６は、アクセル（図示せず）の開度を検出する。差圧センサ１８８は、吸気管１４０におけるＥＧＲ管１７０の接続箇所および吸気ポート１２４の間と、ＥＧＲ管１７０におけるＥＧＲバルブ１７４の上流側との圧力差を検出する。つまり、差圧センサ１８８は、ＥＧＲバルブ１７４前後の圧力差を検出する。温度センサ１９０は、ＥＧＲ管１７０におけるＥＧＲバルブ１７４の下流側を流れるＥＧＲガスの温度を検出する。酸素センサ１９２は、排気管１６０を通過する排気ガスの酸素濃度を検出する。

吸入空気量センサ１８０、スロットル開度センサ１８２、クランク角センサ１８４、アクセル開度センサ１８６、差圧センサ１８８、温度センサ１９０、および、酸素センサ１９２は、ＥＣＵ１０に接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ１０に出力する。

ＥＣＵ１０は、吸入空気量センサ１８０、スロットル開度センサ１８２、クランク角センサ１８４、アクセル開度センサ１８６、差圧センサ１８８、温度センサ１９０、および、酸素センサ１９２から出力された信号を取得してエンジンＥを制御する。ＥＣＵ１０は、エンジンＥを制御する際、信号取得部１２、目標値導出部１４、空気量決定部１６、スロットル開度決定部１８、噴射量導出部２０、点火時期決定部２２、駆動制御部２４、バルブ制御部２６として機能する。

信号取得部１２は、吸入空気量センサ１８０、スロットル開度センサ１８２、クランク角センサ１８４、アクセル開度センサ１８６、差圧センサ１８８、温度センサ１９０、および、酸素センサ１９２が検出した値を示す信号を取得する。目標値導出部１４は、クランク角センサ１８４から取得したクランク角を示す信号に基づいてエンジンＥの回転数（クランクシャフト１２２の回転数）を導出する。また、目標値導出部１４は、導出したエンジンＥの回転数、および、アクセル開度センサ１８６から取得したアクセル開度を示す信号に基づき、不図示のメモリに予め記憶された目標値マップを参照して目標トルクおよび目標エンジン回転数を導出する。

空気量決定部１６は、目標値導出部１４により導出された目標エンジン回転数および目標トルクに基づいて、各燃焼室１１８に供給する目標空気量を決定する。スロットル開度決定部１８は、空気量決定部１６により決定された各燃焼室１１８の目標空気量の合計量を導出し、合計量の空気を外部から吸気するための目標スロットル開度を決定する。

噴射量導出部２０は、空気量決定部１６により決定された燃焼室１１８の目標空気量（エンジン負荷）と、目標エンジン回転数とに基づき、メモリに予め記憶された運転領域マップを参照して運転領域を決定する。なお、運転領域は、ストイキ領域、リーン領域、および、リッチ領域を少なくとも含む。ストイキ領域は、理論空燃比（ストイキ）でエンジンＥを運転させる領域である。リーン領域は、ストイキよりも燃料が希薄な経済空燃比でエンジンＥを運転させる領域である。リッチ領域は、ストイキよりも燃料が高濃度な出力空燃比でエンジンＥを運転させる領域である。

そして、噴射量導出部２０は、決定した運転領域に基づいて、目標空気過剰率λ_tgtを決定する。例えば、噴射量導出部２０は、運転領域をストイキ領域に決定した場合、目標空気過剰率λ_tgt ＝１に決定する。また、噴射量導出部２０は、運転領域をリーン領域に決定した場合、目標空気過剰率λ_tgt > １に決定する。さらに、噴射量導出部２０は、運転領域をリッチ領域に決定した場合、目標空気過剰率λ_tgt < １に決定する。そして、噴射量導出部２０は、決定した目標空気過剰率λ_tgtに基づいて、各燃焼室１１８に供給する燃料の目標噴射量を導出する。噴射量導出部２０による目標噴射量の導出処理については後に詳述する。

また、噴射量導出部２０は、決定した目標噴射量の燃料をエンジンＥの吸気行程あるいは圧縮行程でインジェクタ１５０から噴射させるために、クランク角センサ１８４により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各インジェクタ１５０の目標噴射時期および目標噴射期間を決定する。

点火時期決定部２２は、目標値導出部１４により導出された目標エンジン回転数、および、クランク角センサ１８４により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各燃焼室１１８での点火プラグ１５２の目標点火時期を決定する。

駆動制御部２４は、スロットル開度決定部１８により決定された目標スロットル開度でスロットルバルブ１４２が開口するように不図示のアクチュエータを駆動させる。また、駆動制御部２４は、噴射量導出部２０により決定された目標噴射時期および目標噴射期間でインジェクタ１５０を駆動することで、インジェクタ１５０から目標噴射量の燃料を噴射させる。また、駆動制御部２４は、点火時期決定部２２により決定された目標点火時期で点火プラグ１５２を点火させる。

バルブ制御部２６は、エンジンＥの回転数およびエンジン負荷に応じて、不図示のアクチュエータを駆動させ、ＥＧＲバルブ１７４を開閉制御する。具体的に説明すると、不図示のメモリは、エンジンＥの回転数およびエンジン負荷（注入空気量）と、ＥＧＲバルブ１７４の開度とが関連付けられたＥＧＲマップを保持しており、バルブ制御部２６は、ＥＧＲマップを参照して、ＥＧＲバルブ１７４の開度を決定する。そして、バルブ制御部２６は、決定した開度となるように、ＥＧＲバルブ１７４を開閉制御する。

このように、ＥＧＲガスを燃焼室１１８に還流させることにより、燃焼室１１８内の酸素濃度を低下させることができ、燃焼温度を低減することが可能となる。これにより、燃焼室１１８内における窒素酸化物の生成を抑制することができ、また、燃費を向上させることが可能となる。

しかし、運転領域がリーン領域である場合、排気ガスに含まれる空気（酸素）の量は、ストイキ領域の場合よりも多くなる。したがって、リーン領域においてＥＧＲガスを還流させると、燃焼室１１８に導入される空気の量は、ＥＧＲガスに含まれる空気の分、目標空気量より増加する。このため、燃焼室１１８において着火性が低下するおそれがある。また、運転領域がリッチ領域である場合、排気ガスに含まれる未燃焼の燃料の量は、ストイキ領域の場合よりも多くなる。したがって、リッチ領域において、ＥＧＲガスを還流させると、燃焼室１１８に導入される燃料の量は、ＥＧＲガスに含まれる燃料の分、増加する。このため、排気ガスに含まれる未燃焼の燃料（炭化水素）の量が増加して、浄化触媒１６２で浄化しきれず、外部に流出してしまうおそれがある。

そこで、噴射量導出部２０は、ＥＧＲガスに含まれる空気（窒素７８体積％、酸素２１体積％を含む混合ガス）の質量、および、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量を勘案して、目標噴射量を導出する。以下、本実施形態にかかる噴射量導出部２０による目標噴射量導出方法について説明する。

図２は、本実施形態にかかる目標噴射量導出方法の処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、目標噴射量導出方法は、ストイキ領域判定処理Ｓ１１０、ＥＧＲガス質量導出処理Ｓ１２０、リーン領域判定処理Ｓ１３０、空気質量導出処理Ｓ１４０、燃料質量導出処理Ｓ１５０、目標噴射量導出処理Ｓ１６０を含む。以下、各処理について詳述する。

［ストイキ領域判定処理Ｓ１１０］
噴射量導出部２０は、現在の運転領域がストイキ領域であるか否かを判定する。その結果、ストイキ領域であると判定した場合（Ｓ１１０におけるＹＥＳ）、噴射量導出部２０は、目標噴射量導出処理Ｓ１６０に処理を移す。一方、ストイキ領域ではないと判定した場合（Ｓ１１０におけるＮＯ）、噴射量導出部２０は、ＥＧＲガス質量導出処理Ｓ１２０に処理を移す。

［ＥＧＲガス質量導出処理Ｓ１２０］
噴射量導出部２０は、燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスの質量を導出する。本実施形態において、噴射量導出部２０は、ＥＧＲバルブ１７４の開度、差圧センサ１８８の検出値、温度センサ１９０の検出値、および、エンジンＥの回転数に基づいて、燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスの質量を導出する。

具体的に説明すると、まず、噴射量導出部２０は、ＥＧＲバルブ１７４の開度および差圧センサ１８８の検出値に基づいて、燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスの体積流量を導出する。例えば、噴射量導出部２０は、ＥＧＲバルブ１７４の開度に基づいて、ＥＧＲ管１７０の流路断面積を導出する。そして、噴射量導出部２０は、ＥＧＲ管１７０の流路断面積と、差圧センサ１８８の検出値と、所定の流出係数とに基づいて、燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスの体積流量を導出する。また、噴射量導出部２０は、温度センサ１９０の検出値に基づいて、ＥＧＲガスの密度を導出する。そして、噴射量導出部２０は、導出したＥＧＲガスの体積流量と、ＥＧＲガスの密度とに基づいて、燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスの質量流量を導出する。噴射量導出部２０は、導出したＥＧＲガスの質量流量と、エンジンＥの回転数とに基づいて、１サイクル当たりに燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスの質量を導出し、リーン領域判定処理Ｓ１３０に処理を移す。

［リーン領域判定処理Ｓ１３０］
噴射量導出部２０は、現在の運転領域がリーン領域であるか否かを判定する。その結果、リーン領域であると判定した場合（Ｓ１３０におけるＹＥＳ）、噴射量導出部２０は、空気質量導出処理Ｓ１４０に処理を移す。一方、リーン領域ではないと判定した場合（Ｓ１３０におけるＮＯ）、つまり、リッチ領域であると判定した場合、噴射量導出部２０は、燃料質量導出処理Ｓ１５０に処理を移す。

［空気質量導出処理Ｓ１４０］
噴射量導出部２０は、ＥＧＲガス質量導出処理Ｓ１２０で導出したＥＧＲガスの質量と、理論空燃比と、酸素センサ１９２の検出値に基づいて、燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスに含まれる空気の質量を導出する。

具体的に説明すると、例えば、MAir_in［ｇ］の空気と、MFuel_in［ｇ］の燃料とを混合して燃焼させた結果、MExh_all［ｇ］の排気ガスが生成された場合、質量保存の法則から下記式（１）が成立する。
MExh_all ＝ MAir_in ＋ MFuel_in …式（１）
ここで、排気ガスの空気過剰率をλ、理論空燃比をaとすると、下記式（２）が成立する。
MAir_in ／ MFuel_in ＝ a × λ …式（２）

一方、排気ガスに含まれる空気の質量をMAir_exとすると、下記式（３）となる。
MAir_ex ＝ MAir_in － a×MFuel_in …式（３）
そして、式（３）に式（１）、式（２）を代入すると、式（４）となる。
MAir_ex ＝ MExh_all × a × ｛λ－１／（１＋a×λ）｝ …式（４）

また、排気ガスに含まれる燃料の質量をMFuel_exとすると、下記式（５）となる。
MFuel_ex ＝ MFuel_in － MAir_in／a …式（５）
そして、式（５）に式（１）、式（２）を代入すると、式（６）となる。
MFuel_ex ＝ MExh_all × ｛１－λ ／（１＋a×λ）｝ …式（６）

したがって、まず、噴射量導出部２０は、酸素センサ１９２の検出値に基づいて、排気管１６０を流れる排気ガスの空気過剰率λを導出する。そして、噴射量導出部２０は、上記式（４）を用い、ＥＧＲガス質量導出処理Ｓ１２０で導出したＥＧＲガスの質量Megr_allをMExh_allに代入し、酸素センサの検出値に基づいて導出した空気過剰率λを代入することで、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrを導出する。つまり、空気質量導出処理Ｓ１４０において噴射量導出部２０は、下記式（７）を用いて、１サイクル当たりに燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrを導出する。
Mair_egr ＝ Megr_all × a × ｛λ－１／（１＋a×λ）｝ …式（７）

［燃料質量導出処理Ｓ１５０］
噴射量導出部２０は、ＥＧＲガス質量導出処理Ｓ１２０で導出したＥＧＲガスの質量Megr_allと、理論空燃比aと、酸素センサ１９２の検出値に基づいて、燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスに含まれる燃料の質量を導出する。

具体的に説明すると、まず、噴射量導出部２０は、酸素センサ１９２の検出値に基づいて、排気管１６０を流れる排気ガスの空気過剰率λを導出する。そして、噴射量導出部２０は、上記式（６）を用い、ＥＧＲガス質量導出処理Ｓ１２０で導出したＥＧＲガスの質量Megr_allをMExh_allに代入し、酸素センサの検出値に基づいて導出した空気過剰率λを代入することで、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrを導出する。つまり、燃料質量導出処理Ｓ１５０において噴射量導出部２０は、下記式（８）を用いて、１サイクル当たりに燃焼室１１８に還流されるＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrが導出される。
Mfuel_egr ＝ Megr_all × ｛１－λ ／（１＋a×λ）｝ …式（８）

［目標噴射量導出処理Ｓ１６０］
噴射量導出部２０は、吸入空気量センサ１８０の検出値に基づき、スロットルバルブ１４２（吸気管１４０）を通じて燃焼室１１８に導かれる新気の質量Mair_thrを導出する。そして、噴射量導出部２０は、導出した新気の質量Mair_thr、空気質量導出処理Ｓ１４０で導出したＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egr、燃料質量導出処理Ｓ１５０で導出したＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egr、理論空燃比a、決定した目標空気過剰率λ_tgtに基づき、下記式（Ａ）を用いて目標噴射量Mfuel_tgtを導出する。
Mfuel_tgt ＝｛（Mair_thr ＋ Mair_egr） ÷ （a × λ_tgt）｝－ Mfuel_egr …式（Ａ）

なお、運転領域がストイキ領域である場合、ＥＧＲガス（排気ガス）中に空気および燃料は含まれない。したがって、ストイキ領域である場合、噴射量導出部２０は、上記式（Ａ）において、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrおよびＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrに０（ゼロ）を代入して、目標噴射量Mfuel_tgtを導出する。

一方、運転領域がリーン領域である場合、燃焼室１１８に導かれる空気は、ストイキ領域よりも多い。このため、リーン領域である場合、ＥＧＲガス（排気ガス）中に燃料は含まれない。したがって、リーン領域である場合、噴射量導出部２０は、上記式（Ａ）において、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrに０（ゼロ）を代入して、目標噴射量Mfuel_tgtを導出する。

また、運転領域がリッチ領域である場合、燃焼室１１８に導かれる空気は、ストイキ領域よりも少ない。このため、リッチ領域である場合、ＥＧＲガス（排気ガス）中に空気は含まれない。したがって、リッチ領域である場合、噴射量導出部２０は、上記式（Ａ）において、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrに０（ゼロ）を代入して、目標噴射量Mfuel_tgtを導出する。

以上説明したように、本実施形態のエンジンシステム１００は、運転領域がリーン領域である場合、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrを勘案して、目標噴射量Mfuel_tgtを導出し、この目標噴射量Mfuel_tgtの燃料を燃焼室１１８に噴射する。つまり、エンジンシステム１００は、運転領域がリーン領域である場合、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egr分を加えた燃料を燃焼室１１８に噴射する。これにより、エンジンシステム１００は、燃焼室１１８における着火性を向上させることができる。したがって、エンジンシステム１００は、燃焼室１１８において失火してしまう事態を回避することが可能となる。

また、エンジンシステム１００は、運転領域がリッチ領域である場合、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrを勘案して、目標噴射量Mfuel_tgtを導出し、この目標噴射量Mfuel_tgtの燃料を燃焼室１１８に噴射する。つまり、エンジンシステム１００は、運転領域がリッチ領域である場合、ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egr分を減じた燃料を燃焼室１１８に噴射する。これにより、エンジンシステム１００は、燃焼室１１８に過剰に燃料が供給される事態を回避することができる。したがって、エンジンシステム１００は、排気ガスに含まれる未燃焼の燃料（炭化水素）の増加を防止することが可能となる。したがって、エンジンシステム１００は、マフラ１６４から燃料が外部に流出する事態を回避することができる。

また、エンジンシステム１００は、上記式（Ａ）を用いるだけで、ストイキ領域、リーン領域、および、リッチ領域のいずれの運転領域であっても最適な目標噴射量Mfuel_tgtを導出することができる。したがって、エンジンシステム１００は、運転領域ごとに固有の計算式を参照する構成と比較して、処理負荷を軽減することが可能となる。

また、エンジンシステム１００は、運転領域に応じて、噴射量導出部２０が目標噴射量Mfuel_tgtを補正する。このため、エンジンシステム１００は、スロットルバルブ１４２の開度を調整して目標空気量を補正する場合と比較して、燃焼室１１８の着火性の向上、および、排気ガス中の燃料の低減の応答性を向上させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上記実施形態において、噴射量導出部２０が、上記式（Ａ）を用いて目標噴射量Mfuel_tgtを導出する構成を例に挙げた。しかし、噴射量導出部２０は、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrまたはＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrと、予め設定された目標空気過剰率λ_tgtとに基づいて、目標噴射量Mfuel_tgtを導出することができれば、導出方法に限定はない。例えば、エンジンシステム１００は、運転領域と、ＥＧＲバルブ１７４の開度と、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrまたはＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrとを関連付けた補正マップをメモリに記憶しておき、補正マップを参照して、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrまたはＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrを導出してもよい。

また、上記実施形態において、噴射量導出部２０が、ＥＧＲガスの質量Megr_allおよびＥＧＲガスの空気過剰率λに基づいて、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrおよびＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrを導出する構成を例に挙げた。しかし、噴射量導出部２０による、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrまたはＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrの導出方法に限定はない。例えば、エンジンシステム１００は、ＥＧＲガスに含まれる空気の質量Mair_egrまたはＥＧＲガスに含まれる燃料の質量Mfuel_egrを検出可能なセンサを備え、噴射量導出部２０は、センサの検出値に基づいて、目標噴射量Mfuel_tgtを導出してもよい。

本発明は、ＥＧＲ機構を備えるエンジンシステムに利用できる。

２０噴射量導出部
１００エンジンシステム
１４０吸気管
１５０インジェクタ（燃料噴射部）
１６０排気管
１７０ＥＧＲ管

Claims

エンジンの燃焼室に吸気を導く吸気管と、
前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気管と、
前記排気管および前記吸気管に接続され、前記排気ガスをＥＧＲガスとして前記吸気管に還流させるＥＧＲ管と、
前記排気管を通過する排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサと、
燃料の目標噴射量を導出する噴射量導出部と、
前記噴射量導出部によって導出された前記目標噴射量の燃料を前記燃焼室に噴射する燃料噴射部と、
を備え、
前記噴射量導出部は、
前記エンジンの運転領域を、リーン領域、リッチ領域、および、ストイキ領域のいずれかの領域に決定し、
決定した前記運転領域に基づいて目標空気過剰率を設定し、
前記運転領域を前記リーン領域に決定した場合に、前記酸素センサの検出値に基づいて前記排気ガスの空気過剰率を算出し、前記ＥＧＲガスの質量、および、前記排気ガスの空気過剰率に基づいて、前記ＥＧＲガスに含まれる空気の質量を導出し、前記ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量を０に設定し、
前記運転領域を前記リッチ領域に決定した場合に、前記酸素センサの検出値に基づいて前記排気ガスの空気過剰率を算出し、前記ＥＧＲガスの質量、および、前記排気ガスの空気過剰率に基づいて、前記ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量を導出し、前記ＥＧＲガスに含まれる空気の質量を０に設定し、
前記運転領域を前記ストイキ領域に決定した場合に、前記ＥＧＲガスに含まれる空気の質量を０に設定し、前記ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量を０に設定し、
前記運転領域に拘わらず、
前記吸気管を通じて前記燃焼室に導かれる新気の質量をMair_thr、前記ＥＧＲガスに含まれる空気の質量をMair_egr、前記ＥＧＲガスに含まれる燃料の質量をMfuel_egr、理論空燃比をa、前記目標空気過剰率をλ_tgt、前記目標噴射量をMfuel_tgt とした場合、下記式（Ａ）に基づいて、前記目標噴射量を導出する
Mfuel_tgt ＝｛（Mair_thr ＋ Mair_egr） ÷ （a × λ_tgt）｝－ Mfuel_egr …式（Ａ）
エンジンシステム。
前記ＥＧＲ管を開閉するＥＧＲバルブと、
前記ＥＧＲバルブの前後の圧力差を検出する差圧センサと、
前記ＥＧＲガスの温度を検出する温度センサと、
をさらに備え、
前記噴射量導出部は、前記ＥＧＲバルブの開度、前記差圧センサの検出値、前記温度センサの検出値、および、前記エンジンの回転数に基づいて、前記ＥＧＲガスの質量を導出する請求項１に記載のエンジンシステム。