(57)【要約】【課題】  リーンな状態で内燃機関が運転せしめられているときに、機関要求トルクが大きくなった場合に、排気エミッションを悪化させず、また、トルクショックの発生を抑制しつつ、スムーズに機関要求トルクを内燃機関から出力させる。【解決手段】  リーンな状態での運転が行われているときに機関要求トルクＴＴが増大し、該増大した機関要求トルクを達成するために燃焼室２内に供給される燃料量Ｑと燃焼室内に供給される酸素量Ｇａとを増大する必要が生じた場合には、燃焼室内に供給される酸素量が実際に増大し始まるとき（ｔ１）に燃焼室内に供給される燃料量が燃焼室内に現在供給されている酸素量に対して当量な燃料量となるように燃焼室内に供給される燃料量を徐々に増大してゆき、燃焼室内に供給される酸素量が増大し始まった後は、最終的に燃焼室内に供給されるべき酸素量に対して当量な燃料量に向かって燃焼室内に供給される燃料量を徐々に増大する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
理論空燃比よりもリーンな状態での運転が行われる内燃機関の空燃比制御装置において、理論空燃比よりもリーンな状態での運転が行われているときに機関要求トルクが増大し、該増大した機関要求トルクを達成するために燃焼室内に供給される燃料量と燃焼室内に供給される酸素量とを増大する必要が生じた場合には、燃焼室内に供給される酸素量が実際に増大し始まるときに燃焼室内に供給される燃料量が燃焼室内に現在供給されている酸素量に対して当量な燃料量となるように燃焼室内に供給される燃料量を徐々に増大してゆき、燃焼室内に供給される酸素量が増大し始まった後は、最終的に燃焼室内に供給されるべき酸素量に対して当量な燃料量に向かって燃焼室内に供給される燃料量を徐々に増大することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
増大した機関要求トルクを達成するために燃焼室内に供給される燃料量と燃焼室内に供給される酸素量とを増大する必要が生じた時から、燃焼室内に供給される酸素量が実際に増大し始まる時までの間は、この間に行われる内燃機関のサイクル数で、上記現在供給されている酸素量に対して当量な燃料量となるまでに増大すべき燃料量を割って得られる割合で、燃料噴射量を増大させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
増大した機関要求トルクを達成するために燃焼室内に供給される燃料量と燃焼室内に供給される酸素量とを増大する必要が生じた後に燃焼室内に供給される酸素量が実際に増大し始まる後においては、その時々の燃料噴射量と最終的な目標燃料噴射量との差の２分の１の量ずつ燃料噴射量を増大させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
内燃機関が理論空燃比よりもリーンな状態で運転せしめられているときに、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比またはそれよりもリッチとするために、膨張行程後半から排気行程中のタイミングで、燃料噴射が行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関回転数や機関要求トルクが比較的小さいとき（いわゆる軽負荷時）に、燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーンな状態で運転せしめられる内燃機関が、特許文献１〜３に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第３０９２５６９号
【特許文献２】特許第３４０５１９７号
【特許文献３】特許第３１０４６９２号
【特許文献４】特開２０００−０８７７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃焼室内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられているときには、燃料燃焼後、燃焼室内には酸素が残っている。したがって、機関要求トルクが大きくなったときに、この燃料燃焼後に燃焼室内に残る酸素の量に対して当量な量だけ燃料噴射量を増量すれば、機関出力トルクを一気に大きくすることができる。しかしながら、これによると、トルクショックが発生してしまう。
【０００５】
一方、機関要求トルクが大きくなると、機関要求トルクにもよるが、燃料噴射量を増量するだけでなく、燃焼室内に吸入される空気の量をも増量する必要がある。ここで、燃料噴射量の制御には制御遅れがほとんどないが、スロットル弁から燃焼室までの距離が長いこともあって、吸気量の制御には制御遅れがある。したがって、目標吸気量が大きくなったときに、吸気量を一気に目標吸気量にしようとしても、実際の吸気量は一気に目標吸気量とはならない。このため、目標燃料噴射量および目標吸気量が大きくなったときに、燃料噴射量および吸気量を同時に目標燃料噴射量および目標吸気量にまで大きくしようとしても、吸気量が目標吸気量となるよりも早く、燃料噴射量が目標燃料噴射量となってしまう。この場合、燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチな状態となり、燃焼室内で多量のスモークが発生してしまう（排気エミッションが悪くなる）。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態で内燃機関が運転せしめられているときに、機関要求トルクが大きくなった場合に、排気エミッションを悪化させず、また、トルクショックの発生を抑制しつつ、スムーズに機関要求トルクを内燃機関から出力させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、理論空燃比よりもリーンな状態での運転が行われる内燃機関の空燃比制御装置において、理論空燃比よりもリーンな状態での運転が行われているときに機関要求トルクが増大し、該増大した機関要求トルクを達成するために燃焼室内に供給される燃料量と燃焼室内に供給される酸素量とを増大する必要が生じた場合には、燃焼室内に供給される酸素量が実際に増大し始まるときに燃焼室内に供給される燃料量が燃焼室内に現在供給されている酸素量に対して当量な燃料量となるように燃焼室内に供給される燃料量を徐々に増大してゆき、燃焼室内に供給される酸素量が増大し始まった後は、最終的に燃焼室内に供給されるべき酸素量に対して当量な燃料量に向かって燃焼室内に供給される燃料量を徐々に増大する。
【０００８】
２番目の発明では、１番目の発明において、増大した機関要求トルクを達成するために燃焼室内に供給される燃料量と燃焼室内に供給される酸素量とを増大する必要が生じた時から、燃焼室内に供給される酸素量が実際に増大し始まる時までの間は、この間に行われる内燃機関のサイクル数で、上記現在供給されている酸素量に対して当量な燃料量となるまでに増大すべき燃料量を割って得られる割合で、燃料噴射量を増大させる。
【０００９】
３番目の発明では、１または２番目の発明において、増大した機関要求トルクを達成するために燃焼室内に供給される燃料量と燃焼室内に供給される酸素量とを増大する必要が生じた後に燃焼室内に供給される酸素量が実際に増大し始まる後においては、その時々の燃料噴射量と最終的な目標燃料噴射量との差の２分の１の量ずつ燃料噴射量を増大させる。
【００１０】
４番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、内燃機関が理論空燃比よりもリーンな状態で運転せしめられているときに、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比またはそれよりもリッチとするために、膨張行程後半から排気行程中のタイミングで、燃料噴射が行われる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料噴射量が徐々に増大せしめられ且つ燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大幅にリッチになることが抑制されるので、排気エミッションを悪化させず、また、トルクショックの発生を抑制しつつ、スムーズに機関要求トルクを内燃機関から出力させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の全体図である。図１に示されている内燃機関は、圧縮着火式の内燃機関である。図１において、１は内燃機関の本体（以下「機関本体」という）、２は燃焼室、３は燃焼室２内に燃料を直接噴射するタイプの燃料噴射弁、４は燃料噴射弁３に送られる燃料を一時的に溜めておくためのリザーバ（いわゆる、コモンレール）をそれぞれ示している。
【００１３】
機関本体１には、吸気枝管５を介して吸気管６が接続されている。吸気管６には、燃焼室２に供給される空気（場合によっては、空気および排気ガス）を冷却するためのインタークーラ７が配置されている。また、インタークーラ７上流の吸気管６には、排気ターボチャージャのコンプレッサ８が配置されている。さらに、コンプレッサ８上流の吸気管６には、燃焼室２に供給される空気の量を制御するためのスロットル弁９が配置されている。また、スロットル弁９上流の吸気管６には、燃焼室２に供給される空気の量を検出するためのエアフローメータ１０が配置されている。
【００１４】
一方、機関本体１には、排気枝管１１を介して排気管１２も接続されている。排気管１２には、排気ターボチャージャの排気タービン１３が配置されている。また、排気タービン１３下流の排気管には、排気ガス中の成分を浄化するための排気浄化触媒（例えば、排気ガス中の窒素酸化物を浄化するためのいわゆるＮＯｘ触媒）１４が配置されている。さらに、排気浄化触媒１４下流の排気管には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１５が配置されている。ここで、排気ガスの空燃比とは、燃焼室２内に噴射された燃料の量に対する燃焼室２に供給された空気の量の比を意味する。
【００１５】
さらに、排気浄化触媒１４下流の排気管１２と、コンプレッサ８上流であってスロットル弁９下流の吸気管６とは、排気管１２から吸気管６へ排気ガスを導入することによって排気ガスを燃焼室２に再循環させるための排気ガス再循環（以下「ＥＧＲ」という）通路１６によって接続されている。ＥＧＲ通路１６には、ＥＧＲ通路１６内を流れる排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１７が配置されている。また、ＥＧＲクーラ１７下流のＥＧＲ通路１６には、燃焼室２に供給される排気ガスの量を制御するためのＥＧＲ制御弁１８が配置されている。
【００１６】
ところで、内燃機関の運転中では、燃焼室２内の空燃比が目標空燃比となるように、スロットル弁９の開度とＥＧＲ制御弁１８の開度とが制御される。そして、目標空燃比は、機関回転数や機関要求トルクに応じて決定される。また、本実施形態の内燃機関は、機関回転数や機関要求トルクが比較的小さいとき（いわゆる軽負荷時）には、燃焼室２内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーンな状態で運転せしめられる。
【００１７】
ところで、一般的に、機関要求トルクが増大すると、燃料噴射弁３から燃焼室２内に噴射される燃料の量（以下「燃料噴射量」ともいう）を増量する必要がある。そして、機関要求トルクにもよるが、これと同時に、燃焼室２内に吸入される空気の量（以下「吸気量」ともいう）をも増量する必要がある。すなわち、本実施形態において、軽負荷時に、燃焼室２内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられているときに、機関要求トルクが増大すると、目標燃料噴射量が大きくなる同時に、目標吸気量が大きくなることがある。このように目標燃料噴射量および目標吸気量共に大きくなった場合、一般的には、スロットル弁９の開度が大きくされると共にＥＧＲ制御弁１８の開度が小さくされる。
【００１８】
ここで、燃料噴射量の制御にはほとんど制御遅れがないため、目標燃料噴射量が大きくなったときに、燃料噴射量を一気に目標燃料噴射量にしようとすれば、燃料噴射量は一気に目標燃料噴射量となる。ところが、スロットル弁９から燃焼室２までは距離があり、また、スロットル弁９下流の吸気管６内に排気ガスがあることから、スロットル弁９の開度を大きくしたとしても、実際に吸気量が増えるまでには時間がかかる。すなわち、吸気量の制御には制御遅れがある。したがって、目標吸気量が大きくなったときに、吸気量を一気に目標吸気量にしようとしても、実際の吸気量は一気に目標吸気量とはならない。すなわち、目標燃料噴射量および目標吸気量が大きくなったときに、燃料噴射量および吸気量を同時に目標燃料噴射量および目標吸気量にまで大きくしようとしても、吸気量が目標吸気量となるよりも早く、燃料噴射量が目標燃料噴射量となってしまう。この場合、燃焼室２内の空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチな状態となり、燃焼室２内で多量のスモークが発生してしまう（排気エミッションが悪くなる）。
【００１９】
また、燃焼室２内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられているときには、燃料燃焼後、燃焼室２内には酸素が残っている。したがって、この燃料燃焼後に燃焼室２内に残る酸素の量に対して当量な量だけ燃料噴射量を増量すれば、機関出力トルクを一気に大きくすることができる。しかしながら、これによると、トルクショックが発生してしまう。
【００２０】
このように、燃焼室２内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられているときに、機関要求トルクが大きくなった場合に、燃料噴射量を目標燃料噴射量にまで増量したり、燃料燃焼後に燃焼室２内に残る酸素の量に対して当量な量だけ燃料噴射量を増量したりすると、排気エミッションが悪くなったり、トルクショックが発生したりしてしまう。
【００２１】
図２は、排気エミッションの悪化やトルクショックの発生を考慮せずに、燃料噴射量の制御が実行されたときの燃料噴射量などの動きを示すタイムチャートを示している。図２において、（Ａ）は燃焼室２内の空燃比、（Ｂ）は機関要求トルク、（Ｃ）は機関出力トルク、（Ｄ）は燃焼室２内に実際に吸入される空気の量、（Ｅ）は燃料噴射量、（Ｆ）は時刻をそれぞれ示している。
【００２２】
図２に示した例では、時刻ｔ０以前は、燃焼室内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられている。そして、時刻ｔ０において、機関要求トルクＴＴが一気に大きくなる。すると、この例では、燃料燃焼後に燃焼室内に残る酸素の量に対して当量な量だけ、燃料噴射量Ｑが増量せしめられる。これにより、燃焼室内の空燃比は一気に理論空燃比（ストイキ）または理論空燃比よりもリッチとなる。そして、これによれば、機関出力トルクＴが一気に大きくなり、トルクショックが発生する。
【００２３】
さらに、時刻ｔ１で、燃焼室内に実際に吸入される空気の量Ｇａが目標吸気量ＴＧａに向かって多くなり始める。すると、この例では、今度は、燃料噴射量Ｑが一気に目標燃料噴射量ＴＱにまで増量せしめられる。このため、時刻ｔ１で、機関出力トルクＴが再び一気に大きくなり、トルクショックが発生する。
【００２４】
一方、本発明では、以下のような制御を行う。すなわち、本発明では、燃焼室２内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられているときに、機関要求トルクが大きくなり、したがって、燃料噴射量および吸気量を増量する必要が生じたときには、機関要求トルクが大きくなると同時に、要求される量の空気と排気ガスとが燃焼室２内に供給されるようにスロットル弁９の開度を大きくすると共にＥＧＲ制御弁１８の開度を小さくする。そして、これと同時に、現在、燃焼室２内に吸入されている空気の量に対して当量の燃料量まで、燃料噴射量を徐々に増大する。ここで、燃料噴射量を増大させる割合は、種々様々考えられるが、一例を挙げるとすれば、以下の式（１）から算出される割合が好ましい。
【００２５】
Ｒ＝Ｑ／Ｃ    …  （１）
ここで、Ｒが燃料噴射量を増大させる割合であり、Ｑは、機関要求トルクが大きくなる直前において燃料燃焼後に燃焼室２内に残る酸素の量に対して当量な燃料の量であり、Ｃは、機関要求トルクが大きくなってから実際に燃焼室２内に吸入される空気の量が多くなり始めるまでの機関サイクル数である。
【００２６】
そして、実際に燃焼室２内に吸入される空気の量が多くなり始めたら、燃料噴射量を目標燃料噴射量に向けて徐々に増量する。ここで、燃料噴射量の増大させ方は、種々様々考えられるが、一例を挙げるとすれば、現在の燃料噴射量と最終的な目標燃料噴射量との差の２分の１ずつ燃料噴射量を増量させる方法（いわゆる２分の１なまし）が好ましい。
【００２７】
このように燃料噴射量を制御することによって、排気エミッションの悪化やトルクショックの発生が抑制されることになる。そして、これによれば、機関要求トルクが大きくなってから、途中、燃焼室内に吸入される空気の量が実際に大きくなり始め、最終的に、機関要求トルクが内燃機関から出力されるまでの間、機関出力トルクは滑らかに上昇することとなる。したがって、本発明は、機関出力トルクが機関要求トルクまで滑らかに上昇するように、燃料噴射量を制御するものであるとも言える。
【００２８】
図３は、図２と同様の図であるが、上述した燃料噴射量の制御が実行されたときの燃料噴射量などの動きを示すタイムチャートを示している。なお、本例の機関出力トルクの動きと図２に示した例の機関出力トルクの動きとを比較しやすいように、図３の（Ｃ）に、図２の（Ｃ）に示した機関出力トルクを一点鎖線Ｔ’で示している。
【００２９】
図３に示した例では、時刻ｔ０以前は、燃焼室２内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられている。そして、時刻ｔ０において、機関要求トルクＴＴが一気に大きくなる。すると、燃料噴射量Ｑが一定の割合（例えば、上式（１）に従って算出される割合）で徐々に増量せしめられる。これにより、燃焼室２内の空燃比は徐々に理論空燃比（ストイキ）に向かって小さくなる。そして、これによれば、機関出力トルクＴは徐々に大きくなる。
【００３０】
さらに、時刻ｔ１で、燃焼室２内に実際に吸入される空気の量Ｇａが目標吸気量ＴＧａに向かって多くなり始める。すると、今度は、現在の燃料噴射量Ｑと目標燃料噴射量ＴＱとの差の２分の１ずつ燃料噴射量Ｑが増量せしめられる。これにより、燃焼室２内の空燃比は理論空燃比（ストイキ）に維持されるか、あるいは、理論空燃比（ストイキ）よりも若干リッチに維持される。そして、これによれば、機関出力トルクＴは徐々に徐々に大きくなる。
【００３１】
なお、図３の（Ｃ）を参照すると分かるように、本例では、機関出力トルクＴは、図２に示した例の時刻ｔ１での機関出力トルクの段差部分をかすめるように上昇してゆく。
【００３２】
こうした本発明の燃料噴射量の制御は、次のような場面でも利用可能である。すなわち、燃焼室２内の空燃比（ここでは、これは吸気行程中から圧縮上死点近傍までのタイミングで噴射された燃料に対する燃焼室２内に吸入された空気の量の比を意味する）がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられているときに、排気浄化触媒に理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給するために、膨張行程後半から排気行程中までのタイミングで、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となるように、燃料噴射弁３から燃料を噴射すること（いわゆる、ポスト噴射によるリッチスパイク）がある。
【００３３】
このように、燃焼室２内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられ、且つ、いわゆるポスト噴射によるリッチスパイクが行われているときに、機関要求トルクが一気に大きくなったときには、以下のような燃料噴射量の制御を行う。
【００３４】
すなわち、機関要求トルクが大きくなると同時に、要求される量の空気と排気ガスとが燃焼室２内に供給されるようにスロットル弁９の開度を大きくすると共にＥＧＲ制御弁１８の開度を小さくする。そして、これと同時に、いわゆるポスト噴射を停止し、現在、燃焼室２内に吸入されている空気の量に対して当量の燃料量まで、燃料噴射量を徐々に増大する。ここで、燃料噴射量を増大させる割合は、例えば、上式（１）から算出される割合である。
【００３５】
そして、実際に燃焼室２内に吸入される空気の量が多くなり始めたら、燃料噴射量を目標燃料噴射量に向けて徐々に増量する。ここで、燃料噴射量の増大させ方は、例えば、現在の燃料噴射量と最終的な目標燃料噴射量との差の２分の１ずつ燃料噴射量を増量させる方法（いわゆる２分の１なまし）が好ましい。
【００３６】
図４は、上述した燃料噴射量の制御が実行されたときの燃料噴射量などの動きを示すタイムチャートを示している。図４において、（Ａ）は燃焼室２内の空燃比（ここでは、これは吸気行程中から圧縮上死点近傍までのタイミングで噴射された燃料に対する燃焼室２内に吸入された空気の量の比を意味する）、（Ｂ）は燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比、（Ｃ）は機関要求トルク、（Ｄ）は機関出力トルク、（Ｅ）は燃焼室２内に実際に吸入される空気の量、（Ｆ）は吸気行程中から圧縮上死点近傍までのタイミングで燃料噴射弁３から噴射される燃料の量（いわゆる、メイン噴射量）、（Ｇ）は膨張行程後半から排気行程中までのタイミングで燃料噴射弁３から噴射される燃料の量（いわゆる、ポスト噴射量）、（Ｈ）は時刻をそれぞれ示している。なお、図４の（Ｄ）にも、図３の（Ｃ）と同様に、図２の（Ｃ）に示した機関出力トルクを一点鎖線Ｔ'で示している。
【００３７】
図４に示した例では、時刻ｔ０以前は、燃焼室２内の空燃比がリーンな状態で内燃機関が運転せしめられており、また、ポスト噴射が行われることによって燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比は理論空燃比または理論空燃比よりも若干リッチとなっている。そして、時刻ｔ０において、機関要求トルクＴＴが一気に大きくなる。すると、ポスト噴射量Ｑｐが零とされ、メイン噴射量Ｑｍが一定の割合（例えば、上式（１）に従って算出される割合）で徐々に増量せしめられる。これにより、燃焼室２内の空燃比は徐々に理論空燃比（ストイキ）に向かって小さくなる。もちろん、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比もいったん理論空燃比（ストイキ）よりも大きくリーンとなった後、徐々に理論空燃比（ストイキ）に向かって小さくなる。そして、これによれば、機関出力トルクＴは徐々に大きくなる。
【００３８】
さらに、時刻ｔ１で、燃焼室２内に実際に吸入される空気の量Ｇａが目標吸気量ＴＧａに向かって多くなり始める。すると、今度は、現在のメイン噴射量Ｑｍと目標燃料噴射量ＴＱｍとの差の２分の１ずつメイン噴射量Ｑｍが増量せしめられる。これにより、燃焼室２内の空燃比は理論空燃比（ストイキ）に維持されるか、あるいは、理論空燃比（ストイキ）よりも若干リッチに維持される。そして、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比も理論空燃比（ストイキ）または理論空燃比（ストイキ）よりも若干リッチに維持される。そして、これによれば、機関出力トルクＴは徐々に大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の空燃比制御装置を備えた内燃機関の全体図である。
【図２】本発明に従わずに燃料噴射量を制御したときの燃料噴射量などの動きの一例を示すタイムチャートである。
【図３】本発明に従って燃料噴射量を制御したときの燃料噴射量などの動きの一例を示すタイムチャートである。
【図４】本発明に従って燃料噴射量を制御したときの燃料噴射量などの動きの別の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１    内燃機関の本体
２    燃焼室
３    燃料噴射弁
６    吸気管
９    スロットル弁
１１    排気管
１４    排気浄化触媒
１６    ＥＧＲ通路
１８    ＥＧＲ制御弁
【図１】
2006063861.tif 000003
【図２】
2006063861.tif 000004
【図３】
2006063861.tif 000005
【図４】
2006063861.tif 000006