(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に直接燃料を噴射可能で、かつ、噴射形態が可変な燃料噴射手段と、
空気過剰率の減少要求に応じて熱発生率が最大となるクランク角位置を一定に保つように前記燃料噴射手段の噴射形態を制御する燃料噴射制御手段と、
排気を吸気系に還流するＥＧＲ量を制御するＥＧＲ手段と、を含んで構成し、
前記燃料噴射制御手段は、前記空気過剰率の減少に加え、前記ＥＧＲ量が減少するほど、メイン噴射時期の進角、パイロット噴射量の増量、あるいは、噴射圧の増大のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記燃料噴射制御手段は、前記空気過剰率およびＥＧＲ量の減少に加え、酸素濃度が減少するほど、メイン噴射時期の進角、パイロット噴射量の増量、あるいは、噴射圧の増大のうち少なくとも１つを行う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。
【請求項３】
排気を吸気系に還流するＥＧＲ量の吸入空気量に対するＥＧＲ率を制御するＥＧＲ手段を備え、
前記燃料噴射制御手段は、空気過剰率とＥＧＲ率とに基づき、メイン噴射時期の制御、パイロット噴射量の制御、あるいは、噴射圧の制御のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
内燃機関の排気通路に配設され、排気中の排気成分を浄化する排気浄化手段と、
前記排気浄化手段の温度を上昇させるとき、あるいは、前記排気浄化手段を再生させるとき、前記空気過剰率を減少する空気過剰率設定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化触媒活性化等のため空気過剰率を減少制御するときに、燃焼性を安定化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−１４５５０８号公報には、燃焼圧（筒内圧力）センサの出力に基づき燃料噴射時期を制御することで、空気過剰率の変化による燃焼不良（燃焼変動）を抑制する技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術は、燃焼変動を燃焼圧センサで検出してから抑制させるものであるから、燃焼変動を確実に防止することができない。燃焼変動の発生はそれが一瞬であっても運転者に違和感を与えてしまうといった問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
燃焼室に直接燃料を噴射可能で、かつ、噴射形態が可変な燃料噴射手段と、
空気過剰率の減少要求に応じて熱発生率が最大となるクランク角位置を一定に保つように前記燃料噴射手段の噴射形態を制御する燃料噴射制御手段と、
排気を吸気系に還流するＥＧＲ量を制御するＥＧＲ手段と、を含んで構成し、
前記燃料噴射制御手段は、前記空気過剰率の減少に加え、前記ＥＧＲ量が減少するほど、メイン噴射時期の進角、パイロット噴射量の増量、あるいは、噴射圧の増大のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする。
【０００５】
請求項１に係る発明によると、
排気浄化装置を備えた内燃機関にあっては、冷間始動直後における排気浄化装置の早期活性化や排気浄化装置（ＮＯｘトラップ触媒）の再生要求などによって、空気過剰率の減少が要求され、該要求に応じて空気過剰率を減少制御する場合（単なるエンジン回転速度、負荷等の運転状態変化によって空気過剰率が変化する場合を除く）がある。この場合、空気過剰率の減少に伴い、筒内の作動ガス量（吸入空気量とＥＧＲ量の総量：図１３参照）が減少すると、圧縮端温度が低下する。圧縮端温度が低下すると、燃料の着火性が悪化し、熱発生率が最大となるクランク角位置（以下単に位置という）が圧縮上死点から遠ざかる傾向となり、遠ざかり過ぎるといずれは失火して燃焼変動が生じてしまう（図１２参照）。
【０００６】
そこで、燃料の噴射形態を変更して、空気過剰率の減少に関わらず熱発生率が最大となるクランク角位置を同じ位置に保つように制御することで、失火を防止して燃焼変動を確実に防止することができる。
【０００７】
具体的には、空気過剰率が減少するほど、燃焼圧力上昇が遅れる傾向となるのを、メイン噴射時期の進角、パイロット噴射量の増量、あるいは、噴射圧の増大のうち少なくとも１つを行うことで、燃焼圧力上昇が早められ熱発生率が最大となるクランク角位置を同じ位置に保つように制御することができる。
【０００９】
また、同じ空気過剰率であっても作動ガス量（圧縮端温度）が異なる場合がある。例えば、スロットル弁制御のみで空気過剰率を減少させる場合とＥＧＲ弁制御のみで空気過剰率を減少させる場合とを比較すると、ＥＧＲ弁制御のみで行う場合の方が作動ガス量が大きい。したがって、空気過剰率に加え、ＥＧＲ弁制御によって決まるＥＧＲ量を考慮する（空気過剰率は減少してもＥＧＲ量が増大するときは、その分逆方向に戻す制御を行う）ことで、熱発生率が最大になるクランク角位置をより正確に同じ位置に保つことができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、
前記燃料噴射制御手段は、前記空気過剰率およびＥＧＲ量の減少に加え、酸素濃度が減少するほど、メイン噴射時期の進角、パイロット噴射量の増量、あるいは、噴射圧の増大のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
同じ空気過剰率であっても筒内の酸素濃度が異なると燃焼速度が異なる。すなわち、酸素濃度が低下するほど酸化反応が起こり難くなって燃焼速度は低下する。燃焼速度が遅くなると、熱発生率波形は緩やかになり（図１２参照）、熱発生率が最大となるクランク角位置が圧縮上死点から遠ざかる傾向となる。したがって、空気過剰率に加えて酸素濃度を考慮して制御することで、圧縮端温度の低下による熱発生率のズレと、燃焼速度の低下による熱発生率のズレとを考慮することになり、熱発生率が最大になるクランク角位置をより正確に同じ位置に保つことができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、
排気を吸気系に還流するＥＧＲ量の吸入空気量に対するＥＧＲ率を制御するＥＧＲ手段を備え、
前記燃料噴射制御手段は、前記空気過剰率と前記ＥＧＲ率とに基づき、メイン噴射時期の制御、パイロット噴射量の制御、或いは、噴射圧の制御のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明によると、
実際は、運転状態や排気浄化装置からの要求に基づき、吸入空気量、及び、ＥＧＲ率が決定される。ここで、ＥＧＲ率＝ＥＧＲ量／吸入空気量であるから、ＥＧＲ率と吸入空気量とからＥＧＲ量が決定する。また、図１５に示すように、ＥＧＲ率と酸素濃度とは反比例の関係にあるから、ＥＧＲ率が決まると酸素濃度も一義に決定する。
【００１３】
つまり、ＥＧＲ率を知ることで、ＥＧＲ量と酸素濃度とを知ることができ、上記の関係（請求項１，２）を用いて、メイン噴射時期、パイロット噴射量、及び、噴射圧とを制御することができる。したがって、空気過剰率とＥＧＲ率とに基づき、メイン噴射時期、パイロット噴射量、及び、噴射圧とを制御することができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、
内燃機関の排気通路に配設され、排気中の排気成分を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段の温度を上昇させるとき、あるいは、前記排気浄化手段を再生させるとき、前記空気過剰率を減少する空気過剰率設定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る発明によると、
空気過剰率を減少することによって排気温度を上昇させて排気浄化手段の温度を上昇させることができ、また排気浄化手段がＮＯｘトラップ触媒で構成されるときは、排気空燃比をリッチ化することによって触媒にトラップされたＮＯｘを脱離・還元して再生することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、過給機付ディーゼルエンジンのシステム図である。
図に示すように、エンジン本体１には、コモンレール２、燃料噴射弁３及び図示しない燃料ポンプを構成要素とするコモンレール燃料噴射系が設けられており、高圧の燃料をエンジン本体１に供給する。前記燃料噴射弁３は、燃焼室に燃料を直接噴射し、かつ、メイン噴射の前にパイロット噴射が可能であり、また、コモンレール２内の設定燃料圧力を変更することにより、燃料噴射圧力（以下噴射圧という）を可変に制御できる。
【００１７】
過給機４のコンプレッサ４ａは吸気通路５に接続されており、駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。
過給機４のタービン４ｂは排気通路６に接続されており、エンジン本体１からの排気により回転されて前記コンプレッサ４ａを駆動する。
なお、本実施形態においては、過給機４として可変容量型のものを用いており、低速域においてはタービン４ｂ側に設けられた可変ノズルを絞ってタービン効率を高め、高速域においては前記可変ノズルを開いてタービン容量を拡大させることにより、広い運転領域で高い過給効果を得ることができる。
【００１８】
吸気通路５には、前記過給機４のコンプレッサ４ａの上流側に配設されたエアフローメータ７と、吸気絞り弁８とが設けられている。
吸気絞り弁８は、例えば、ステップモータを用いて開度変更が可能な電子制御式のものであり、その開度に応じてエンジン本体１に吸入される吸入空気量を制御する。
【００１９】
排気通路６には、エンジン本体１と過給機のタービン４ｂとの間から分岐して吸気通路５に接続するＥＧＲ通路９と、該ＥＧＲ通路９に介装されたＥＧＲ弁１０と、前記過給機４のタービン４ｂの下流側に配設されたＮＯｘトラップ触媒１１及びＨＣ吸着機能付き酸化触媒１２が設けられている。
前記ＥＧＲ弁１０は、例えば、ステップモータを用いた電子制御式のものであり、その開度に応じて吸気側に還流する排気の量、すなわち、エンジン本体１に吸入されるＥＧＲ量を制御する。
【００２０】
前記ＮＯｘトラップ触媒１１は、排気中のＮＯｘをトラップしつつ還元浄化し、ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１２は低温時に排気中のＨＣを吸着しつつＨＣ、ＣＯを酸化して浄化する。
各種状態を検出するセンサとして、吸入空気量Ｑａを検出する前記エアフローメータ７の他、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ１３、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１４、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１５、前記ＮＯｘトラップ触媒１１及びＨＣ吸着機能付き酸化触媒１２の温度を検出する熱電対１６，１７、前記コモンレール２内の燃料圧力（すなわち、燃料噴射圧）を検出するレール圧センサ１８等が設けられる。
【００２１】
コントロールユニット２０は、前記各種センサからの検出信号および補機類２１からの信号に基づいて燃料噴射量Ｑｆ、噴射時期ＩＴを設定して前記燃料噴射弁３の駆動を制御すると共に、前記吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１０の開度制御を行う。特に、本発明に係る制御として、前記ＮＯｘトラップ触媒１１及びＨＣ吸着機能付き酸化触媒１２を低温時に活性化するときなどに、排気温度を上昇させるように空気過剰率を減少させる際に、燃料の噴射形態を可変制御して熱発生率が最大となるクランク角位置を一定に保つことにより燃焼を安定化させて変動を防止する。
【００２２】
以下に、上記燃料噴射形態の可変制御を、図２に示したフローチャートに従って説明する。
ステップ１では、エンジン回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ、冷却水温度Ｔｗと、実空気過剰率λ、実ＥＧＲ率ＥＧＲrateを検出乃至推定する。ここで、空気過剰率λは、エアフローメータ７で検出される吸入空気量Ｑacと、燃料噴射量Ｑｆと、理論空燃比(14.6)とに基づき、λ＝（Ｑac／Ｑｆ）/14.6の演算式によって算出でき、実ＥＧＲ率ＥＧＲrateは、吸入空気量Ｑacと、実ＥＧＲ量Ｑec［例えば、EGR弁開度（指令値）から算出可能］とに基づき、ＥＧＲrate＝Ｑec／Ｑacの演算式によって算出できる。
【００２３】
これらの値に基づき、ステップ２では、目標主（メイン）噴射時期を算出し、ステップ３では、目標副（パイロット）噴射時期を算出し、ステップ４では、目標噴射圧を算出する。
以下、図を参照して具体的に説明する。
目標主噴射時期は、図３に示すように、まず、基本噴射時期を基本的な運転状態（負荷を表す燃料噴射量Ｑｆとエンジン回転速度Ｎｅ）に基づいてマップから検索する。同じく運転状態（Ｑｆ，Ｎｅ）基づいてマップから検索した基本噴射時期水温補正量を、水温Ｔｗに基づいてテーブルから検索した水温補正係数を乗じて最終的な水温補正量を算出し、同様に実空気過剰率λに基づきマップ（図４参照）から検索した目標噴射時期λ補正量と、実ＥＧＲ率ＥＧＲrateに基づきマップ（図５参照）から検索した目標噴射時期ＥＧＲ補正量とを算出し、これら補正量を乗算した総補正量を前記基本噴射時期に加算することにより、目標主噴射時期ＩＴ＿solを算出する。ここで、実空気過剰率λが減少するほど、また、実ＥＧＲ率ＥＧＲrateが増大するほど、目標主噴射時期ＩＴ＿solは進角方向に大きく補正される。
【００２４】
目標副噴射量についても、図６に示すように、前記目標主噴射時期の算出と同様に、基本的な運転状態（Ｑｆ，Ｎｅ）に基づいてマップから検索した基本副噴射量に、マップ検索した基本噴射量水温補正量と水温補正係数とを乗じて得た水温補正量と、マップ（図７参照）から検索した目標副噴射量λ補正量と、マップ（図８参照）から検索した目標副噴射量ＥＧＲ補正量と、を乗じて得た総補正量を加算することにより算出する。ここで、実空気過剰率λが減少するほど、また、実ＥＧＲ率ＥＧＲrateが増大するほど、目標副噴射量Ｐｉｌｏｔ＿Ｑは増量方向に大きく補正される。
【００２５】
目標噴射圧についても、同様に図９に示すように、Ｑｆ，Ｎｅに基づいてマップ検索した基本噴射圧副噴射量に、基本噴射圧水温補正量と水温補正係数とを乗じて得た水温補正量と、マップ（図１０参照）から検索した目標噴射圧λ補正量と、マップ（図１１参照）から検索した目標噴射圧ＥＧＲ補正量と、を乗じて得た総補正量を加算することにより算出する。ここで、実空気過剰率λが減少するほど、また、実ＥＧＲ率ＥＧＲrateが増大するほど、目標噴射圧Ｐｒａｉｌは増圧方向に大きく補正される。
【００２６】
以上の目標主噴射時期、目標副噴射量、目標噴射圧が得られるように、燃料噴射弁のＯＮ、ＯＦＦ及びコモンレール圧が制御される。この結果、作動ガス量が減少して着火性が悪化し、酸素濃度が低下して燃焼速度が低下することによって熱発生率最大となる位置が圧縮上死点から遠ざかる傾向となるのを、前記主噴射時期進角、副噴射量増量、噴射圧増圧の各補正量を大きくすることによって圧縮上死点に近づけて、該位置を一定化することができ、燃焼変動を良好に抑制できる。
【００２７】
すなわち、空気過剰率低下およびそれに加えてＥＧＲ率増大により、燃料に気化が遅くなる等によって着火遅れ期間が長くなる分、噴射時期の進角、副噴射量の増量、噴射圧の増圧によって、熱発生率が最大となる位置を一定に保つことができる。
なお、前記主噴射時期進角、副噴射量増量、噴射圧増圧を全て行う必要はなく、少なくとも１つを行う構成であればよい。
【００２８】
上記実施形態では、目標主噴射時期と目標副噴射量と目標噴射圧の演算に際して、空気過剰率と実ＥＧＲ率に基づき補正を行ったが、これに限定されるものではなく、空気過剰率と実ＥＧＲ量とに基づき補正してもよい（請求項３に相当）。すなわち、目標主噴射時期の算出の場合、基本噴射時期と基本噴射時期水温補正量と目標噴射時期λ補正量とを上記実施形態と同様の方法で算出するとともに、実ＥＧＲ量（推定値あるいは検出値）に基づく目標噴射時期ＥＧＲ量補正量（実ＥＧＲ量が大きいほど小さくなる補正量）を算出し、これら３つの補正量を乗算した総補正量を前記基本噴射時期に加算することにより目標噴射時期を算出してもよい。この場合、主噴射時期は、着火性の観点から、実空気過剰率が減少するほど作動ガス量が減少するため進角補正し、その時の実ＥＧＲ量が大きければ作動ガス量の減少量は小さいため遅角補正することになる（実空気過剰率に基づく進角補正量を小さくすることになる）。副噴射量及び噴射圧の算出についても同様である。
【００２９】
また、空気過剰率と酸素濃度とに基づき補正してもよい（請求項４に相当）。すなわち、目標主噴射時期の算出の場合、基本噴射時期と基本噴射時期水温補正量と目標噴射時期λ補正量とを上記実施形態と同様の方法で算出するとともに、酸素濃度(推定値あるいは検出値)に基づく目標噴射時期酸素濃度補正量（酸素濃度が低下するほど大きくなる補正量）を算出し、これら３つの補正量を乗算した総補正量を前記基本噴射時期に加算することにより目標噴射時期を算出してもよい。この場合、主噴射時期は、着火性の観点から、実空気過剰率が減少するほど作動ガス量が減少するため進角補正し、燃焼速度の観点から、酸素濃度が低下するほど進角補正することになる。副噴射量及び噴射圧の算出についても同様である。
【００３０】
さらにまた、空気過剰率と実ＥＧＲ量と酸素濃度とに基づき補正してもよい（請求項３に従属する請求項４に相当）。この場合、主噴射時期は、着火性の観点から、実空気過剰率が減少するため進角補正し、その時の実ＥＧＲ量が大きければ作動ガス量の減少量は小さいため遅角補正し（実空気過剰率に基づく進角補正量を小さくし）、燃焼速度の観点から、酸素濃度が低下するほど進角補正することになる。目標副噴射量及び目標噴射圧の算出についても同様である。
【００３１】
そして、この空気過剰率と実ＥＧＲ量と酸素濃度とに基づく補正を空気過剰率と実ＥＧＲ率とに置き換えたものが上記実施形態である（請求項５に相当）。これは、実ＥＧＲ率が実ＥＧＲ量と酸素濃度とに相関することに基づくものであり、目標主噴射時期の算出の場合、実ＥＧＲ率が大きくなるときの補正量は、実ＥＧＲ量に基づく遅角補正量と酸素濃度に基づく進角補正量との総補正量に等しいことになる。この総補正量が遅角方向か進角方向かは実験によりマッチングすればよく、上記実施形態の場合は図５に示すように進角方向になる。目標副噴射量及び目標噴射圧の算出についても同様である。
【００３２】
また、上記実施形態では、吸入空気量とＥＧＲ量とから空気過剰率とＥＧＲ率とを推定したが、吸入空気量とＥＧＲ量とにそれぞれ補正量マップを設定し、吸入空気量とＥＧＲ量とで直接補正することも可能である。また、図１４に示すように、吸入空気量と酸素量とは比例の関係にあるので、酸素量が決まれば空気過剰率も決定し、したがって、酸素量と酸素濃度とにそれぞれ補正量テーブルを設定し、酸素量と酸素濃度とで直接補正することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシステム図。
【図２】同上実施形態の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３】同じく目標主噴射時期の演算ブロック図。
【図４】同上目標主噴射時期の演算に用いる主噴射時期の空気過剰率による補正量のマップ。
【図５】同上目標主噴射時期の演算に用いる主噴射時期のＥＧＲ率による補正量のマップ。
【図６】同じく目標副噴射量の演算ブロック図。
【図７】同上目標副噴射量の演算に用いる副噴射量の空気過剰率による補正量のマップ。
【図８】同上目標副噴射量の演算に用いる副噴射量のＥＧＲ率による補正量のマップ。
【図９】同じく目標副噴射量の演算ブロック図。
【図１０】同上目標噴射圧の演算に用いる噴射圧の空気過剰率による補正量のマップ。
【図１１】同上目標噴射圧の演算に用いる噴射圧のＥＧＲ率による補正量のマップ。
【図１２】通常燃焼時と空気過剰率低下時（酸素濃度低下時）とにおける筒内圧力と熱発生率の様子を示す図。
【図１３】作動ガス量と体積効率、圧縮端温度の関係を示す図。
【図１４】吸入空気量と酸素濃度との関係を示す図。
【図１５】ＥＧＲ率と酸素濃度との関係を示す図。
【符号の説明】
１    エンジン本体
２    コモンレール
３    燃料噴射弁
５    吸気通路
６    排気通路
８    吸気絞り弁
９    ＥＧＲ通路
１０    ＥＧＲ弁
１１    ＮＯｘトラップ触媒
１２    酸化触媒
１３    回転速度センサ
１４    アクセル開度センサ
１５    水温センサ
１６，１７    熱電対
２０    コントロールユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003864754.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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