(57)【要約】    【課題】  排気還流ガス中の酸素濃度をより正確に推定することができる内燃機関の制御装置を提供する。    【解決手段】  排気還流通路５に流入する排気還流ガスの空気過剰率λ0が排気系に設けられた酸素濃度センサ２５により検出される酸素濃度ＯＸＣＥに応じて算出される。また機関運転状態に応じて排気還流ガス流速Ｖが算出され、空気過剰率λ0及び排気還流ガス流速Ｖを入力とする空気過剰率モデルを用いて、吸気管２に流入する排気還流ガスの空気過剰率λnが算出される。空気過剰率λnを用いて燃料供給制御が行われる。【選択図】  図２
2006291871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気の一部を吸気管に還流する排気還流手段と、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段とを備えた内燃機関の制御装置において、
前記酸素濃度検出手段の出力及び排気還流ガスの流速を入力とした空気過剰率モデルに基づいて、前記吸気管に流入する排気還流ガス中の酸素濃度を推定する排気還流ガス酸素濃度推定手段を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気還流機構を備えた内燃機関の制御装置に関し、特に排気還流機構を介して還流される排気中の酸素濃度を推定する機能を備えた制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気還流機構を備えた内燃機関において、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、排気に含まれる空気（酸素）の割合が大きくなるため、排気還流機構を介して吸気系に還流される排気還流ガス中の酸素濃度が高くなる。そのため、吸入空気流量センサにより新気流量を検出し、検出した新気流量に応じて所望の空燃比を得るための燃料供給量を決定すると、排気還流ガス中の酸素（空気）の影響により、空燃比が所望値よりリーン側にずれる。
【０００３】
特許文献１にはこの不具合をなくすための空燃比制御装置が示されている。この装置では、排気還流ガス中の空気量Ｑ２が算出され、この空気量Ｑ２から、排気還流ガスがシリンダまで到達するのに要する時間に対応する位相遅れを考慮した空気量Ｑ２’が算出される。そして、この空気量Ｑ２’を用いて内燃機関の気筒内に供給される実際の総空気量が求められ、その総空気量に応じて燃料供給量が決定される。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８７５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された空気量Ｑ２’は、空気量Ｑ２の最新の推定値と、過去の推定値との加重平均演算により、あるいは空気量Ｑ２の一次遅れ値として、推定される。しかしながら、この空気量推定手法では、排気還流機構を通過する排気還流ガスの流速が考慮されていないため、機関運転状態の変化によって推定精度が低下する場合があった。
【０００６】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、排気還流ガス中の酸素濃度（空気過剰率）をより正確に推定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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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）の排気の一部を吸気管（２）に還流する排気還流手段（５，６）と、排気中の酸素濃度（ＯＸＣＥ）を検出する酸素濃度検出手段（２３）とを備えた内燃機関の制御装置において、前記酸素濃度検出手段（２３）の出力及び排気還流ガスの流速（Ｖ）を入力とした空気過剰率モデルに基づいて、前記吸気管（２）に流入する排気還流ガス中の酸素濃度（ＯＸＣＲ）を推定する排気還流ガス酸素濃度推定手段を有することを特徴とする。
【０００８】
上記空気過剰率モデルは、前記排気還流手段を構成する排気還流通路を、長さ方向にｎ個（ｎは２以上の整数）の領域に分割したとき、第ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の領域における空気過剰率λiが下記式により定義されるモデルである。
λi(k+1)＝（１−ａ）λi(k)＋ａλi-1(k)
ここで、ｋは演算周期で離散化した演算時刻、ａは前記排気還流ガス流速（Ｖ）に比例するモデルパラメータである。またλ0は、前記排気還流通路に流入する排気の空気過剰率に相当し、前記酸素濃度検出手段の出力に応じて算出される。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、酸素濃度検出手段の出力及び排気還流ガスの流速を入力とした空気過剰率モデルに基づいて、吸気管に流入する排気還流ガス中の酸素濃度が推定されるので、排気還流ガス中の酸素濃度（空気過剰率）をより正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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と、その制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）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９が設けられている。燃料噴射弁９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９の開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。
【００１１】
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回転駆動されるタービンホイール１０を有するタービン１１と、タービンホイール１０とシャフト１４を介して連結されたコンプレッサホイール１５を有するコンプレッサ１６とを備えている。コンプレッサホイール１５は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。
【００１２】
タービン１１は、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される複数の可変ベーン１２（２個のみ図示）及び該可変ベーンを開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）を有しており、可変ベーン１２の開度（以下「ベーン開度」という）ＶＯを変化させることにより、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させ、タービンホイール１０の回転速度を変更できるように構成されている。可変ベーン１２を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ２０に接続されており、ベーン開度ＶＯは、ＥＣＵ２０により制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をアクチュエータに供給し、これによってベーン開度ＶＯを制御する。なお、可変ベーンを有するターボチャージャの構成は広く知られており、例えば特開平１−２０８５０１号公報に示されている。
【００１３】
排気管４と吸気管２との間には、排気を吸気管２に環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。
【００１４】
吸気管２には、吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、及びコンプレッサ１６の下流側の吸気圧（過給圧）Ｐ２を検出する過給圧センサ２２が設けられている。また、排気管４には、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２３が設けられている。これらのセンサ２１〜２３は、ＥＣＵ２０と接続されており、センサ２１〜２３の検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。
【００１５】
排気管４の、酸素濃度センサ２３の下流側には、排気ガス中に含まれる粒子状物質（主としてすすからなる）を捕集する粒子状物質フィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１７が設けられている。
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）の踏み込み量（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２６、及びエンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ２７がＥＣＵ２０に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。
【００１６】
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、タービン１１の可変ベーン１２を駆動するアクチュエータ、燃料噴射弁９、ＥＧＲ弁６などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
【００１７】
ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態、具体的にはアクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて目標過給圧Ｐ２ＣＭＤを算出し、検出される過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤと一致するようにベーン開度ＶＯの制御する過給圧制御を行う。さらにＥＣＵ２０は、アクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて燃料噴射弁９の開弁時間ＴＯＵＴを算出し、開弁時間ＴＯＵＴに応じた駆動信号を燃料噴射弁９に供給する。
【００１８】
ＥＣＵ２０は、さらにアクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤを設定し、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ及び検出される吸入空気流量ＧＡに基づいて排気還流量を決定し、ＥＧＲ弁６のリフト量（開弁量）を制御する。
【００１９】
ＥＣＵ２０は、さらに以下に説明する手法により、排気還流通路５を介して還流される排気還流ガスの空気過剰率λ（酸素濃度）の推定を行う。
本実施形態では、排気還流通路５を通過する排気還流ガスの流速Ｖと、空気過剰率λが下記式（１）を満たす制御対象モデル（以下「空気過剰率モデル」という）を用いて、吸気管２に流入する排気還流ガスの空気過剰率を推定する。この空気過剰率モデルは、排気還流通路５内の空気過剰率の空間分布（図２参照）及び挙動（時間変化）をモデル化したものである。なお、式（１）の右辺が「０」となっているのは、排気還流通路５と外部との間で空気（新気）及び燃料の流入・流出がないことに対応するものである。
【数１】
2006291871.tif 000003
ここで、ｘは、図２に示すように排気還流通路５の排気管側に入口を基準位置（ｘ＝０）とする排気還流通路５の長さ方向の座標である。
【００２０】
式（１）を差分方程式に変換すると、下記式（２）が得られ、これを変形すると、下記式（３）が得られる。式（２）のｋは、演算周期Δｔで離散化した演算時刻であり、ｉは、位置座標ｘを一定の長さΔｘで離散化した位置パラメータであり、図２に示すように、排気還流通路５の管路長Ｌをｎ分割したとき（Δｘ＝Ｌ／ｎ）、１からｎまでの値をとる。なおλ0（ｉ＝１のときのλi-1）は、排気還流通路５に流入する排気の空気過剰率である。
【数２】
2006291871.tif 000004
【００２１】
ここで、パラメータａを下記式（４）で定義し、式（３）に適用すると、下記式（５）が得られる。
ａ＝Ｖ・（Δｔ／Δｘ）                                    （４）
λi(k+1)＝（１−ａ）・λi(k)＋ａ・λi-1(k)                  （５）
【００２２】
式（５）をｉ＝１〜ｎに対応させて、行列形式で表すと、下記式（６）のようになる。
【数３】
2006291871.tif 000005
【００２３】
図３は、ｎ＝８とした場合において、空気過剰率λ0をステップ状に増加させたときの、空気過剰率λ1〜λ8の推移を示すタイムチャートである。このように、入力側の空気過剰率λ0の変化が、時間遅れを伴って徐々に吸気管側へ伝達される。この例では、吸気管２に流入する排気還流ガスの空気過剰率はλ8で与えられる。
【００２４】
図４は、上述した手法により、吸気管２に流入する排気還流ガスの空気過剰率λnを算出する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間（例えば３０ミリ秒）毎に実行される。
ステップＳ１１では、酸素濃度センサ２３により検出される酸素濃度ＯＸＣＥに応じて図５に示すλテーブルを検索し、空気過剰率λ0(k)を算出する。
【００２５】
ステップＳ１２では、吸入空気流量ＧＡ、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧Ｐ２に応じて排気還流ガス流速Ｖを算出する。具体的には、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧Ｐ２に応じて設定されたＧＣＹＬマップ（図示せず）を検索し、気筒吸入ガス流量ＧＣＹＬを算出し、吸入空気流量ＧＡとともに下記式（７）に適用して、排気還流ガス流量ＧＥＧＲを算出する。
ＧＥＧＲ＝ＧＣＹＬ−ＧＡ                      （７）
【００２６】
排気還流ガス流速Ｖは、排気還流ガス流量ＧＥＧＲに比例する。したがって、所定の換算係数ｋＧＶを排気還流ガス流量ＧＥＧＲに乗算することにより、排気下流ガス流速Ｖが算出される。
【００２７】
ステップＳ１３では前記式（４）により、パラメータａを算出する。ステップＳ１４では、前記式（６）により、空気過剰率λi（ｉ＝１〜ｎ）を算出し、吸気管２に流入する排気還流ガスの空気過剰率がλnとして算出される。
空気過剰率λnは、図５のλテーブルを逆に参照することにより、排気還流ガス中の酸素濃度ＯＸＣＲに変換することができる。
【００２８】
また排気還流ガス流量ＧＥＧＲ及び空気過剰率λnから、排気還流通路５を介して供給される空気流量ＧＡＥＧＲが得られるので、吸入空気量センサ２１により検出される吸入空気流量ＧＡに、空気流量ＧＡＥＧＲを加算することにより、エンジン１の気筒に吸入される気筒吸入空気流量ＧＣＹＬＡが得られる。したがって、気筒吸入空気流量ＧＣＹＬＡに応じて燃料噴射量や燃料噴射時期を決定することにより、正確な燃料供給制御を行うことができる。
【００２９】
本実施形態では、排気還流通路５及びＥＧＲ弁６により排気還流手段が構成され、酸素濃度センサ２３により酸素濃度検出手段が構成される。またＥＣＵ２０により、排気還流ガス酸素濃度推定手段が構成される。具体的には、図４に示す処理が排気還流ガス酸素濃度推定手段に相当する。
【００３０】
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、上述した実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関の制御装置に適用したが、本発明はガソリン内燃機関の制御装置にも適用可能である。
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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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２】モデル化した排気還流通路を示す図である。
【図３】排気還流通路の各分割ブロックにおける空気過剰率の推移を示すタイムチャートである。
【図４】排気還流ガスの空気過剰率（λ）を算出する処理のフローチャートである。
【図５】酸素濃度（ＯＸＹＣ）から空気過剰率（λ）を算出するためのテーブルを示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  内燃機関
２  吸気管
４  排気管
５  排気還流通路（排気還流手段）
６  排気還流弁（排気還流手段）
２０  電子制御ユニット（排気還流ガス酸素濃度推定手段）
２３  酸素濃度センサ（酸素濃度検出手段）
【図１】
2006291871.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006291871.tif 000009
【図５】
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