JP4049158B2

JP4049158B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

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Publication number: JP4049158B2
Application number: JP2005065551A
Authority: JP
Inventors: 彰生松永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2025-03-09
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Description

本発明は、スモークの発生を抑制すべく燃料噴射量を制限する機能を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

ＥＧＲ装置を備えたディーゼル機関の燃料噴射制御装置として、筒内に流入する吸入ガスの酸素濃度をセンサで検出してその検出値から酸素量を算出し、算出された酸素量に基づいてスモーク発生量を許容限界内に抑制するために必要な燃料噴射量の最大値を決定する燃料噴射制御装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。その他に、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。
特開平９−１９５８２５号公報特開平９−１２６０６０号公報特開平９−４５１９号公報特開平１０−３７７８６号公報

スモークの発生量は筒内における燃焼速度と相関関係を有しているが、燃焼速度は吸入ガス中の酸素量のみならず吸入ガスの組成によっても変化する。すなわち、吸入ガス中の酸素量が同一であっても、例えばＥＧＲ率の上昇に伴ってＣＯ_２やＨ_２Ｏのように比熱が大きい分子の分圧が増加すれば燃焼速度が遅くなり、スモークが発生し易くなる。従来の燃料噴射制御装置は酸素濃度を検出していても、その検出された酸素濃度を酸素量の算出に使用しているだけであり、スモーク許容限界量の決定において酸素濃度の変化を考慮していない。従って、スモークの抑制に関する燃焼制御の精度が十分ではないことがある。

そこで、本発明はスモークの抑制に関する燃焼制御の精度を従来よりも向上させることが可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、排気通路から取り出されたＥＧＲガスを筒内へ流入する吸入ガスの一部として吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関に適用される燃料噴射制御装置であって、前記吸入ガスに含まれる酸素量を検出する酸素量検出手段と、前記吸入ガスに含まれる分子のうち比熱の大きい分子が前記吸入ガス中に占める分圧を表す指標として前記吸入ガスに含まれる特定ガスの濃度又は該濃度を代表する値を検出する濃度検出手段と、前記内燃機関のスモーク発生量を所定の許容範囲に抑え得る燃料噴射量の上限値としてのスモーク許容限界量を、前記酸素量検出手段及び前記濃度検出手段のそれぞれの検出結果に基づいて設定するスモーク許容限界量設定手段と、を備えた燃料噴射制御装置により、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の燃料噴射制御装置によれば、燃料噴射量に関するスモーク許容限界量を酸素量のみならず、吸入ガスに含まれる特定ガスの濃度又は該濃度を代表する値に基づいて決定しているので、吸入ガスの組成の変化がスモークの発生に与える影響をスモーク許容限界量に反映させてスモークの抑制に関する燃焼制御の精度を従来よりも向上させることができる。

本発明の一形態において、前記濃度検出手段は前記特定ガスの濃度として酸素濃度を検出し、前記スモーク許容限界量設定手段は、検出された酸素量及び酸素濃度に基づいて、前記スモーク許容限界量を設定してもよい（請求項２）。この形態によれば、吸入ガスの組成が燃焼に与える影響を酸素濃度によって把握し、その把握した酸素濃度をスモーク許容限界量の設定に反映させることができる。

酸素濃度を検出する形態においては、さらに、前記ＥＧＲ装置に設けられたＥＧＲ弁の全閉状態を検出するＥＧＲ開度検出手段を備え、前記スモーク許容限界量設定手段は、前記ＥＧＲ弁開度検出手段が前記全閉状態を検出した場合には、前記酸素濃度が空気中の酸素濃度に一致するとみなして前記スモーク許容限界量を設定してもよい（請求項３）。ＥＧＲ弁には機械的な動作部品があり、その全閉状態は酸素濃度と比較すれば、高い信頼性で検出することができる。しかも、ＥＧＲ弁が全閉状態であれば吸入ガスにはＥＧＲガスが含まれず、吸入ガス中の酸素濃度は空気（大気）の酸素濃度に一致する。従って、ＥＧＲ弁の全閉状態が検出された場合に、酸素濃度を空気の酸素濃度と一致させることにより、酸素濃度の検出誤差（推定誤差を含む）の影響を排除してスモーク許容限界量を高精度に設定することができる。

酸素濃度を検出する形態において、前記スモーク許容限界量設定手段は、所定の酸素濃度下における前記スモーク許容限界量を前記酸素量検出手段が検出した酸素量に基づいて特定し、特定されたスモーク許容限界量を前記濃度検出手段が検出した酸素濃度と所定の酸素濃度との差に応じて補正した値を最終的なスモーク許容限界量として設定してもよい（請求項４）。この形態によれば、酸素濃度の変化量とスモーク許容限界量の変化量との間の相関関係がほぼ一定とみなせる領域に限って言えば、所定の酸素濃度を基準として酸素量とスモーク許容限界量との対応関係を予め調べておき、その基準となる酸素濃度と実際の酸素濃度との差に応じてスモーク許容限界量を補正すれば実際の酸素量及び酸素濃度にそれぞれ対応するスモーク許容限界量を比較的高精度に特定することができる。このような補正を行えば、内燃機関の実用上で想定し得る酸素濃度のすべてに対応付けてスモーク許容限界量を予め調べておく必要がなくなり、スモーク許容限界量の決定に対して要する手間が軽減できる。

上記の形態において、前記スモーク許容限界量設定手段は、酸素濃度が最大値及び最小値にそれぞれ制御されているときの前記スモーク許容限界量と酸素量との関係を記述したマップデータを利用して前記酸素量検出手段が検出した酸素量に対応する２つのスモーク許容限界量をそれぞれ特定し、特定された２つのスモーク許容限界量の間で、前記濃度検出手段が検出した酸素濃度に対応するスモーク許容限界量を補間演算し、その演算された値を最終的なスモーク許容限界量として設定してもよい（請求項５）。この場合には、酸素濃度が最大値及び最小値にそれぞれ制御されている状態、すなわちＥＧＲ弁が全閉及び全開にそれぞれ制御されている状態を基準として酸素量とスモーク許容限界量との対応関係を予め調べてマップデータを作成しておけば、そのマップデータから酸素濃度の最大値及び最小値にそれぞれ対応するスモーク許容限界量を特定し、それらの間で実際の酸素濃度と酸素濃度の最大値又は最小値の差に応じた補間演算を行うだけで実際の酸素濃度に対応したスモーク許容限界量を求めることができる。これにより、酸素濃度を考慮したスモーク許容限界量の決定に際して必要なマップデータの容量、その作成の手間を削減し、ベンチ適合試験の効率を向上させることができる。

本発明の一形態において、前記濃度検出手段は前記特定ガスの濃度として前記ＥＧＲガスの濃度を検出し、前記スモーク許容限界量設定手段は、検出された酸素量及びＥＧＲガスの濃度に基づいて、前記スモーク許容限界量を設定してもよい（請求項７）。ＥＧＲガスの濃度（ＥＧＲ率として定義される場合を含む。）は吸入ガスの組成に強い相関性を有しているため、ＥＧＲガス濃度の検出値を利用すれば酸素濃度を直接的に検出することなく本発明を適用することが可能となる。

本発明の一形態において、前記濃度検出手段は前記特定ガスの濃度を代表する値として前記ＥＧＲ装置に設けられたＥＧＲ率調整用のＥＧＲ弁の開度を検出し、前記スモーク許容限界量設定手段は、検出された酸素量及びＥＧＲ弁の開度に基づいて、前記スモーク許容限界量を設定してもよい（請求項８）。ＥＧＲ弁の開度はＥＧＲ通路の前後差圧の変化が十分に小さい場合においてはＥＧＲガスの濃度を比較的強い相関性を有する。従って、酸素濃度に代えて、ＥＧＲ弁の開度の検出値を利用すれば、酸素濃度あるいはＥＧＲガスの濃度を直接的に検出することができない場合でも本発明を適用することが可能となる。

本発明の一形態において、燃料噴射制御装置は、内燃機関の運転状態に基づいて決定された要求燃料噴射量と前記スモーク許容限界量設定手段が設定したスモーク許容限界量とを比較し、前記要求燃料噴射量が前記スモーク許容限界量設定手段よりも大きい場合には前記筒内へ導入されるべき燃料量を前記スモーク許容限界量に制限する燃料噴射量制限手段をさらに備えてもよい（請求項８）。この形態によれば、スモーク許容限界量を超える量の燃料が筒内に導入されることがなく、スモークの発生量を許容範囲内に確実に抑えることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、吸入ガス中の酸素量のみならず酸素濃度、ＥＧＲガス濃度あるいはＥＧＲ弁開度といった特定ガス成分の濃度又は該濃度を代表する値をも考慮して燃料噴射量の上限値であるスモーク許容限界量を設定しているので、吸入ガスの組成の変化がスモークの発生に与える影響をスモーク許容限界量に反映させてスモークの抑制に関する燃焼制御の精度を従来よりも向上させることができる。

［第１の形態］
図１は本発明の一形態に係る燃料噴射制御装置を内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、エンジンと略称する。）１に適用した一形態を示している。エンジン１は車両に走行用動力源として搭載される。エンジン１には複数（図では４つ）のシリンダ２が設けられ、それらのシリンダ２には吸気通路３及び排気通路４が接続されている。吸気通路３には吸気濾過用のエアフィルタ５、ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、吸気量調節用の絞り弁７が、排気通路４にはターボチャージャ６のタービン６ｂがそれぞれ設けられている。排気通路４のタービン６ｂよりも下流側には排気浄化触媒（一例としてＮＯｘ吸蔵還元型排気浄化触媒）８を含んだ排気浄化装置９が設けられている。また、エンジン１には筒内（シリンダ２の内部）に燃料を噴射する燃料噴射弁１０と、各燃料噴射弁１０に供給されるべき高圧の燃料を蓄えるコモンレール１１とが設けられている。排気通路４のエキゾーストマニホールド４ａと吸気通路３のインテークマニホールド３ａとの間にはＥＧＲ通路１２が設けられ、そのＥＧＲ通路１２にはＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲ弁１４が設けられている。ＥＧＲ通路１２、ＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲ弁１４によってＥＧＲ装置が構成される。

エンジン１の運転状態はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０にて制御される。ＥＣＵ２０はマイクロプロセッサを使用したコンピュータユニットとして構成され、上述した燃料噴射弁１０、コモンレール１１に対する圧力調整弁（不図示）、ＥＧＲ弁１４といった各種の制御対象機器を操作してエンジン１の運転状態を所定の目標状態に制御する。エンジン１の制御において参照されるべき各種の物理量、あるいは状態量の検出手段として、ＥＣＵ２０には、エアフローメータ２１と、吸気管圧力センサ２２と、酸素濃度センサ２３と、クランク角センサ２４と、ＥＧＲ弁リフトセンサ２５と、アクセル開度センサ２６とが接続されている。その他にも、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ、排気中の空燃比を検出するＡ／Ｆセンサといった各種のセンサがエンジン１に接続されるが、それらの図示は省略した。

エアフローメータ２１は吸気通路３に取り込まれる吸入空気量（厳密には質量流量）ＧＡに対応した信号を出力する。吸気管圧力センサ２２は吸気通路３におけるインテークマニホールド３ａの吸入ガスの圧力ＰＭに対応した信号を出力する。吸入ガスはエンジン１の外部から吸気通路３に取り込まれた吸入空気、言い換えれば新気と、ＥＧＲ通路１２を介して吸気通路３に導入されるＥＧＲガスとの混合ガスである。酸素濃度センサ２３はインテークマニホールド３ａにおける吸入ガス中の酸素濃度ＯＸＣに対応した信号を出力する。クランク角センサ２４はエンジン１のクランク軸の角速度に対応した周期のパルス列信号及びクランク軸の基準位置の検出信号を出力する。ＥＣＵ２０はそのクランク角センサ２４の出力信号に基づいてクランク軸の回転位置及びエンジン１の回転数（回転速度）ＮＥを判別する。ＥＧＲ弁リフトセンサ２５はＥＧＲ弁１４の全閉位置を機械的に検出し、その全閉位置からのＥＧＲ弁１４のリフト量（開度）に対応した信号を出力する。アクセル開度センサ２６はアクセルペダル１５の開度、すなわちアクセルペダル１５の踏込み量に対応した信号を出力する。

ＥＣＵ２０は、クランク角センサ２４の出力に基づいて判別したエンジン回転数ＮＥと、アクセル開度センサ２６の出力信号に基づいて判別したアクセルペダルの開度（エンジン１の負荷に相当）とに基づき、所定の基本燃料噴射量マップから燃料の基本噴射量ＱＢＡＳＥを求め、得られた基本噴射量ＱＢＡＳＥを各種のセンサの信号に基づいて補正して最終的な指令噴射量ＱＦＩＮを決定し、その決定した指令噴射量ＱＦＩＮが実現されるように燃料噴射弁１０の燃料噴射動作を制御する。また、ＥＣＵ２０は、各種のセンサの出力に基づいて判別したエンジン１の運転状態に応じて目標ＥＧＲ率を設定し、その目標ＥＧＲ率が実現されるようにＥＧＲ弁リフトセンサ２５の出力を参照しつつＥＧＲ弁１４の開度を制御する。目標ＥＧＲ率は例えばエンジン１のＮＯｘ生成量が所定の許容限界内に抑制されるように定められる。ＥＧＲ弁１４の開度制御は他の観点から設定されてもよく、その開度制御のアルゴリズムは適宜に変更されてよい。

さらに、ＥＣＵ２０は、エンジン１で発生するスモーク量を所定のスモーク許容限界内に抑制するために、吸入ガスの酸素量と酸素濃度とを考慮して指令噴射量ＱＦＩＮを制限するスモーク限界制御を実行する。図２はそのスモーク限界制御のためにＥＣＵ２０が所定の周期（一般の燃料噴射量演算周期に等しい）で繰り返し実行するスモーク限界制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは要するに吸入ガス中の酸素量ＯＸＭ、酸素濃度ＯＸＣ及びエンジン回転数ＮＥとから図３のマップを参照して燃料噴射量に関する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを決定し、その最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを超えないように指令噴射量ＱＦＩＮを制限するものである。

図３のマップはエンジン回転数ＮＥが所定値に固定されているときの吸入ガス中の酸素量ＯＸＭ及び酸素濃度ＯＸＣと最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴとの関係を示した３次元マップである。最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴは、エンジン１におけるスモークの発生量を所定の許容範囲内に抑制できる燃料噴射量の最大値であって、燃料噴射量に関するスモーク許容限界量に相当する。スモークの発生は筒内における燃焼速度に相関し、その燃焼速度は吸入ガス中の酸素量ＯＸＭの影響を受ける。しかし、ＥＧＲ装置を備えたエンジン１においては、吸入ガスに占めるＥＧＲガスの重量比がＥＧＲ率に応じて変化するため、酸素量ＯＸＭが一定であっても吸入ガスの組成が適宜に変化する。筒内における燃料混合気の燃焼速度は吸入ガスの組成の影響を受け、比熱の大きい分子が吸入ガス中に占める分圧が大きいほど燃焼速度が低下してスモーク発生量が増える。そこで、この形態では、吸入ガスの組成が燃焼速度に与える影響を評価する指標、あるいはスモークの発生に影響する燃焼状態を判別する指標として吸入ガス中の酸素濃度を利用し、酸素量ＯＸＭと酸素濃度ＯＸＣとに基づいて図３の３次元マップから最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを特定する。

なお、図３の実線Ｌ１はＥＧＲ率が０、すなわちＥＧＲ弁１４が全閉状態に制御されているときの酸素量ＯＸＭと最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴとの関係を示す酸素濃度一定線であり、実線Ｌ２はＥＧＲ率が最大、すなわちＥＧＲ弁１４の開度が最大値に制御されているときの酸素量ＯＸＭ、酸素濃度ＯＸＣ及び最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴとの関係を示す吸入ガス量一定線である。酸素濃度一定線上における酸素濃度は大気中の酸素濃度の約２１％であるが、ここでは２１％として説明を続ける。両線Ｌ１、Ｌ２にて囲まれたハッチング領域内において酸素量ＯＸＭ及び酸素濃度ＯＸＣのそれぞれに対して複数の代表点を設定し、それらの代表点の組み合わせに対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴをベンチ適合試験で予め求めることにより図３のマップが得られる。このようなマップを複数の代表的な回転数ＮＥのそれぞれについて作成してＥＣＵ２０のＲＯＭに予め格納しておくことにより、エンジン回転数ＮＥ、酸素量ＯＸＭ及び酸素濃度ＯＸＣとに対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを特定することができる。

図２に戻って説明を続ける。図２のスモーク限界制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０はまずステップＳ１で吸入ガス中の酸素濃度ＯＸＣを酸素濃度センサ２３の出力に基づいて判別する。この処理によりＥＣＵ２０は濃度検出手段として機能する。なお、酸素濃度ＯＸＣの判別においては、酸素濃度センサ２３の応答遅れを考慮した補正を行うことが望ましい。続くステップＳ２において、ＥＣＵ２０は吸入ガス中の酸素量ＯＸＭを判別する。酸素量ＯＸＭは例えば次の手順で求めることができる。吸気管圧力センサ２２の出力に基づいて吸気管圧力ＰＭを判別し、その吸気管圧力ＰＭとエンジン回転数ＮＥとに基づいて、所定の吸入ガス量マップから吸入ガス量ＧＡＳＩＮを求める。その吸入ガス量ＧＡＳＩＮに酸素濃度ＯＸＣ及び酸素の密度を乗じることにより、吸入ガスに含まれる酸素量ＯＸＭを求めることができる。この処理によりＥＣＵ２０は酸素量検出手段として機能する。

次のステップＳ３において、ＥＣＵ２０は現在のエンジン回転数ＮＥに対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴのマップを選びだし、そのマップから、酸素濃度ＯＸＣ及び酸素量ＯＸＭに対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを特定する。この処理によりＥＣＵ２０はスモーク許容限界量設定手段として機能する。次に、ＥＣＵ２０はステップＳ４に進み、要求噴射量ＱＤＭＤが最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴよりも大きいか否か判断する。要求噴射量ＱＤＭＤは、エンジン回転数とアクセルペダルの開度とから求められた基本燃料噴射量ＱＢＡＳＥを吸気温、冷却水温等に応じて補正して得られた値であり、エンジン１に対して要求される運転状態を実現すべくエンジン１の現在の運転状態に応じて定められる燃料噴射量である。

ステップ４にて要求噴射量ＱＤＭＤが最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴよりも大きい場合、ＥＣＵ２０はステップＳ５に進んで最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを指令噴射量ＱＦＩＮとして決定する。一方、ステップ４にて要求噴射量ＱＤＭＤが最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴ以下の場合、ＥＣＵ２０はステップＳ６に進んで要求噴射量ＱＤＭＤを指令噴射量ＱＦＩＮとして決定する。ステップＳ５の処理によりＥＣＵ２０は燃料噴射量制限手段として機能する。指令噴射量ＱＦＩＮを決定した後、ＥＣＵ２０は図２のルーチンを終了し、決定された指令噴射量ＱＦＩＮが実現されるように燃料噴射弁１０の動作を制御する。

以上の形態によれば、吸入ガスの酸素量ＯＸＭ及び酸素濃度ＯＸＣの両者を考慮してスモーク発生量を抑えるための最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴが決定され、要求噴射量ＱＤＭＤがその最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを超えるときには指令噴射量ＱＦＩＮが最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴに制限される。従って、酸素量ＯＸＭのみに基づいて燃料噴射量を制限する場合と比較して、スモークの発生をより正確に抑えることができる。

［第２の形態］
次に、図４〜図７を参照して本発明の第２の形態を説明する。なお、これらの図において、第１の形態と共通する部分には第１の形態と同一符号を使用し、それらの詳細な説明は省略する。上述した第１の形態では図３に示した酸素濃度一定線Ｌ１と吸入ガス量一定線Ｌ２とで囲まれたハッチング領域の全域を対象としてマップを用意するものとしたが、実用上における最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴは図４において実線Ｌ３で区切られた狭い範囲に限られる可能性が高い。このような狭い範囲においては、酸素量ＯＸＭ及び酸素濃度ＯＸＣのそれぞれに対して最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴがほぼ一定の関係を保ちつつ変化する。従って、酸素濃度一定線Ｌ１及び吸入ガス量一定線Ｌ２上における最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを予め把握しておき、それらの最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴに基づいて中間点、すなわち酸素濃度一定線Ｌ１及び吸入ガス量一定線Ｌ２から離れた点における最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを補間演算することができ、その補間演算された最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを用いて燃料噴射量を制限すればスモークの発生やトルク特性の変化を実用上許容できる範囲に抑えることができる。

以上の前提に従って、最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴの補間演算を行うため、第２の形態では、図５Ａ〜図５Ｃに示した３種類のマップが予め作成されてＥＣＵ２０のＲＯＭに書き込まれる。図５ＡのマップはＥＧＲ弁１４の開度ＰＥＧＡＣＴが０％、すなわちＥＧＲ弁１４が全閉状態にあるときの最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴをエンジン回転数ＮＥ吸入ガス中の酸素量ＯＸＭと対応付けたマップである。図５ＢのマップはＥＧＲ弁１４の開度ＰＥＧＡＣＴが１００％、すなわちＥＧＲ弁１４が全開状態にあるときの最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴをエンジン回転数ＮＥ吸入ガス中の酸素量ＯＸＭと対応付けたマップである。図５ＣのマップはＥＧＲ弁１４の開度ＰＥＧＡＣＴが１００％のときの酸素濃度ＯＸＣをエンジン回転数ＮＥ吸入ガス中の酸素量ＯＸＭと対応付けたマップである。そして、ＥＣＵ２０は、第１の形態における図２のルーチンに代え、上記のマップを利用しつつ図６のスモーク限界制御ルーチンを実行することにより、スモーク発生量が許容限界を超えないように燃料噴射量を制限する。

図６のスモーク限界制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０は図２のルーチンと同様にステップＳ１及びＳ２にて吸入ガス中の酸素濃度ＯＸＣ及び酸素量ＯＸＭをそれぞれ判別する。続くステップＳ１１にてＥＣＵ２０は図５Ａのマップを利用して現在のエンジン回転数ＮＥ及び酸素量ＯＸＭに対応した最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴ１を特定する。続くステップＳ１２にて、ＥＣＵ２０は図５Ｂのマップを利用して現在のエンジン回転数ＮＥ及び酸素量ＯＸＭに対応した最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴ２を特定する。さらに、ステップＳ１３にて、ＥＣＵ２０は図５Ｃのマップを利用して現在のエンジン回転数ＮＥ及び酸素量ＯＸＭに対応した最小酸素濃度ＯＸＣＭＩＮを特定する。

続くステップＳ１４において、ＥＣＵ２０はステップＳ１１〜１３でそれぞれ特定した最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴ１及びＱＯＸＭＬＭＴ２、並びに最小酸素濃度ＯＸＣＭＩＮに基づいて、現在のエンジン回転数ＮＥ、酸素量ＯＸＭ及び酸素濃度ＯＸＣに対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを補間演算する。例えば、図７に示すように最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴ１及びＱＯＸＭＬＭＴ２の間で最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴが酸素濃度ＯＸＣに比例して変化すると仮定したならば、現在の酸素濃度ＯＸＣに対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴは、最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴ１とＱＯＸＭＬＭＴ２との差、及び酸素濃度の最大値２１％（つまりＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴ＝０％のときの酸素濃度）と最小酸素濃度ＯＸＣＭＩＮとの差とを利用して酸素濃度の変化量と最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴの変化量との関係（比例係数）を求め、その関係に従って現在の酸素濃度ＯＸＣと最大酸素濃度２１％又は最小酸素濃度ＯＸＣＭＩＮとのずれ量に対応する最大噴射量限界値の変化量を求めることにより、現在の酸素濃度ＯＸＣに対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを補間演算することができる。なお、図７では酸素濃度と最大噴射量限界値とが比例関係にあると仮定したが、最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴの補間演算は線形補間に限らず、各種の補間演算法を利用してよい。ステップＳ１１〜Ｓ１４の処理によりＥＣＵ２０はスモーク許容限界量設定手段として機能する。

図６に戻って、ＥＣＵ２０はステップＳ１４で最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを求めた後、ステップＳ４に進んで要求噴射量ＱＤＭＤが最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴよりも大きいか否か判断し、要求噴射量ＱＤＭＤが最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴよりも大きい場合にはステップＳ５で最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを指令噴射量ＱＦＩＮとして決定し、他方、要求噴射量ＱＤＭＤが最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴ以下の場合にはステップＳ６で要求噴射量ＱＤＭＤを指令噴射量ＱＦＩＮとして決定する。指令噴射量ＱＦＩＮを決定した後、ＥＣＵ２０は図６のルーチンを終了し、決定された指令噴射量ＱＦＩＮが実現されるように燃料噴射弁１０の動作を制御する。

第２の形態においては、図５Ａ〜図５Ｃに示した３種類のマップを用意するだけで最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴを決定することができるので、図３の３次元マップをエンジン回転数毎に用意する場合と比較してマップ容量を削減することができ、またそれぞれのマップ作成時に変化を与えるべき定数の数を削減し、ベンチ適合試験に要する手間を軽減してマップの作成効率を向上させることができる。

［第３の形態］
図８は本発明の第３の形態に係るスモーク限界制御ルーチンを示すフローチャートである。ＥＣＵ２０は図２に示した第１の形態のスモーク限界制御ルーチンに代えて、図８のルーチンを実行する。このルーチンでは、ＥＧＲ弁リフトセンサ２５の出力に基づいて判別されるＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴを参照して酸素濃度が補正される。なお、図８において図２と共通する部分には同一符号を使用し、それらの詳細な説明は省略する。

図８のスモーク限界制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０はステップＳ１で酸素濃度センサ２３の出力に基づき酸素濃度ＯＸＣを判別し、その後にステップＳ２１へ進んでＥＧＲ弁１４の開度ＰＥＧＡＣＴをＥＧＲ弁リフトセンサ２５の出力に基づいて判別する。続くステップＳ２２において、ＥＣＵ２０はＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴが０％か否か判別し、０％のときは酸素濃度ＯＸＣを空気の酸素濃度２１％に設定する。一方、ステップＳ２２においてＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴが０％ではないと判断した場合はステップＳ２３をスキップし、ステップＳ１で判別した酸素濃度ＯＸＣを以降の処理における酸素濃度ＯＸＣとしてそのまま保持する。その後は図２と同様にステップＳ２〜Ｓ６の処理を実行して指令噴射量ＱＦＩＮを決定する。

以上のようにＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴ＝０％のときに酸素濃度を２１％に強制的に設定する理由は次の通りである。酸素濃度センサ２３を利用した酸素濃度の検出には、酸素濃度センサ２３の応答遅れ、検出誤差、あるいはセンサ出力からの酸素濃度の推定誤差等が含まれる可能性がある。その一方、ＥＧＲ弁１４が全閉状態にあるときはＥＧＲが実施されず、吸入ガスは外部から吸気通路３に取り込まれる空気のみで構成されており、その酸素濃度は空気（大気）の酸素濃度に一致する。ＥＧＲ弁リフトセンサ２５はＥＧＲ弁１４の全閉位置を機械的に検出しているので、全閉状態の検出に関する信頼性は酸素濃度ＯＸＣの検出値のそれよりも高い。従って、ＥＧＲ弁開度＝０％の場合には酸素濃度ＯＸＣを空気中の酸素濃度に強制的に合わせた方が酸素濃度の信頼性も高い。そして、酸素濃度をこのように設定すれば、動力性能の重視を理由としてＥＧＲが中止される高負荷域において、酸素濃度を正確に把握して酸素濃度に応じた燃料噴射量の制限を高精度に実施し、それにより動力性能の劣化を抑えつつスモークの発生をより正確に抑えることができる。

なお、第３の形態ではＥＧＲ弁リフトセンサ２５が全閉状態検出手段に相当する。図８のステップＳ２３の処理において酸素濃度ＯＸＣを２１％に設定するタイミングは、吸入ガスの置換遅れを考慮してもよい。すなわち、ＥＧＲ弁１４が全閉位置へ操作された後、吸入ガスの全量が空気によって構成されるまでの遅れ時間を考慮してステップＳ２２の条件成立後のステップＳ２３の実施時期を遅らせてもよい。例えば、ステップＳ２２の条件成立後、数回の爆発後、あるいは所定の遅延時間経過後にステップＳ２３を実行してもよい。このときの爆発回数又は遅延時間は、吸入空気の流量とエンジン１の回転数、あるいは各シリンダ２における体積充填効率に基づいて定めることができる。

［第４の形態］
次に、第４の形態を説明する。この形態は、酸素濃度センサ２３が存在せず、吸入ガス中の酸素濃度を直接的に検出することができないエンジン１を対象とし、酸素濃度ＯＸＣに代えてＥＧＲ率（ＥＧＲガスの濃度）を利用することによりスモーク限界制御を行うものである。酸素濃度ＯＸＣとＥＧＲ率との間には、次の関係が成立する。
ＯＸＣ≒２１％（空気の酸素濃度）×（１−ＥＧＲ率÷空気過剰率λ）
従って、図９に示すように、空気過剰率λの変化が小さい状態では、酸素濃度ＯＸＣがＥＧＲ率に比例すると考えることができ、酸素濃度ＯＸＣに代えてＥＧＲ率を利用してスモーク限界制御を実行することができる。さらに、空気過剰率λにてＥＧＲ率を補正すれば、酸素濃度ＯＸＣとＥＧＲ率とを等価に扱うことができる。

図１０は酸素濃度ＯＸＣに代えてＥＧＲ率を利用する場合のスモーク限界制御ルーチンを示す。図１０のルーチンにおいて、ＥＣＵ２０はまずステップＳ３１にてＥＧＲ率を判別する。ＥＧＲ率は公知の各種の方法で判別することができる。例えば、吸気管圧力センサ２２の出力に基づいて吸気管圧力ＰＭを判別し、その吸気管圧力ＰＭとエンジン回転数ＮＥとに基づいて所定の吸入ガス量マップから吸入ガス量ＧＡＳＩＮを求める。その一方、エアフローメータ２１の出力に基づいて吸入空気量ＧＡを求め、吸入ガス量ＧＡＳＩＮと吸入空気量ＧＡとの差を求めることによりＥＧＲガス量を知ることができる。そして、これらの値からＥＧＲ率を特定することができる。

続くステップＳ３２にてＥＣＵ２０は吸入ガス中の酸素量ＯＸＭを判別する。但し、この形態では酸素濃度ＯＸＣが不明であるため、第１の形態とは異なる方法で酸素量ＯＸＭを判別する必要がある。例えば、排気浄化触媒８の上流における空燃比がＡ／Ｆセンサ等によって判別できる場合には、その空燃比とＥＧＲガス量とを利用して酸素量ＯＸＭを求めることができる。すなわち、排気中の空燃比が判れば排気中の酸素濃度を判別することができ、その空燃比の検出時点においてＥＧＲガス中の酸素濃度は排気のそれと一致する。一方、ＥＧＲガス量は上述したＥＧＲ率の判別において説明した手順により求めることができる。そして、ＥＧＲガス量とその酸素濃度とからＥＧＲガスに含まれる酸素量を知ることができる。インテークマニホールド３ａにはＥＧＲガスと新気とが吸入ガスとして導入されるが、新気中の酸素量はエアフローメータ２１が検出した吸入空気量ＧＡに大気の酸素濃度（２１％）を掛けることによって求められる。従って、その吸入空気量ＧＡから求めた酸素量と、ＥＧＲガス中の酸素量とを合計すれば、吸入ガスにおける酸素量ＯＸＭが求められる。あるいは、この形態ではＥＧＲ率が判別できているので、上述したＥＧＲ率と酸素濃度ＯＸＣとの関係式から酸素濃度ＯＸＣを求め、その酸素濃度ＯＸＣから酸素量ＯＸＭを求めることもできる。但し、この場合は空気過剰率λを求める必要があるが、これは排気中のＡ／Ｆセンサにより検出することができる。

続くステップＳ３３において、ＥＣＵ２０はエンジン回転数ＮＥ、酸素量ＯＸＭ及びＥＧＲ率に対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴをマップに基づいて特定する。そのマップは、図３に示したマップにおいて酸素濃度ＯＸＣに代えてＥＧＲ率を定数として用いるものである。最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴの決定後は図２と同様にステップＳ４〜Ｓ６の処理を実行して指令噴射量ＱＦＩＮを決定する。なお、この形態ではステップＳ３１においてＥＣＵ２０が濃度検出手段として機能し、ステップＳ３２においてＥＣＵ２０が酸素量検出手段として機能し、ステップＳ３３においてＥＣＵ２０がスモーク許容限界量設定手段として機能する。

［第５の形態］
次に、第５の形態を説明する。この形態は、酸素濃度センサ２３による酸素濃度の検出ができず、かつＥＧＲ率の検出もできないエンジン１を対象とし、酸素濃度ＯＸＣ及びＥＧＲ率に代えて、ＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴを利用することによりスモーク限界制御を行うものである。図１１に示すようにＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴとＥＧＲ率との間には相関関係があり、その関係はＥＧＲ通路１２の入口及び出口の圧力、すなわち吸気管圧力及び排気管圧力の差圧によって変化する。しかしながら、差圧の変化が十分に小さい範囲であれば、ＥＧＲ率とＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴとを等価と考え、酸素濃度ＯＸＣをＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴで代用してスモーク限界制御を実行することができる。さらに、ＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴを吸気管圧力及び排気管圧力にて補正した値を利用すれば、その補正後の値を酸素濃度ＯＸＣ又はＥＧＲ率と等価に扱うことができる。

図１２は酸素濃度ＯＸＣに代えてＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴを利用する場合のスモーク限界制御ルーチンを示す。図１２のルーチンにおいて、ＥＣＵ２０はまずステップＳ２で酸素量ＯＸＭを判別する。この場合の酸素量ＯＸＭの判別方法としては、例えば図１０のステップＳ３２において説明したように、その空燃比とＥＧＲガス量とを利用して酸素量ＯＸＭを求める方法が適用できる。続くステップＳ４１において、ＥＣＵ２０はＥＧＲ弁リフトセンサ２５の出力に基づいてＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴを判別する。その後、ステップＳ４２において、ＥＣＵ２０はエンジン回転数ＮＥ、酸素量ＯＸＭ及びＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴに対応する最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴをマップに基づいて特定する。そのマップは、図３に示したマップにおいて酸素濃度ＯＸＣに代えてＥＧＲ弁開度ＰＥＧＡＣＴを定数として用いるものである。最大噴射量限界値ＱＯＸＭＬＭＴの決定後は図２と同様にステップＳ４〜Ｓ６の処理を実行して指令噴射量ＱＦＩＮを決定する。なお、この形態では、ステップＳ３２においてＥＣＵ２０が酸素量検出手段として機能し、ステップＳ４１においてＥＣＵ２０が濃度検出手段として機能し、ステップＳ４２においてＥＣＵ２０がスモーク許容限界量設定手段として機能する。

本発明は以上の形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、酸素濃度及び酸素量の検出は上記の形態の手法に限定されず、種々の手法を用いてよい。上記の形態では吸入ガスに含まれている特定ガスの濃度として酸素濃度又はＥＧＲガスの濃度を検出したが、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等の他のガスの濃度を検出し、それらの検出結果に基づいて燃料噴射量に関するスモーク許容限界量（最大噴射量限界値）を決定してもよい。酸素量の検出は、酸素量に対応する信号を出力するセンサ等を利用して直接検出する場合のみならず、酸素量に相関する物理量又は状態量を検出してその検出結果から酸素量を演算又は推定することにより、酸素量を間接的に検出する場合も含む。酸素、ＥＧＲガス等の特定ガスの濃度の検出についても、濃度に対応する信号を出力するセンサ等を利用して直接検出する場合のみならず、濃度に相関する物理量又は状態量を検出してその検出結果から濃度を演算又は推定することにより、特定ガスの濃度を間接的に検出する場合も含む。本発明はディーゼル機関に限らず、ガソリンを燃料とする火花点火式内燃機関においても適用可能である。例えば、燃料を筒内に直接的に噴射する筒内噴射式内燃機関における成層燃焼時のスモーク抑制に本発明を効果的に用いることができる。

本発明の一形態に係る燃料噴射制御装置が適用されたディーゼル機関の概略構成を示す図。燃料噴射量に関するスモーク限界制御のためにＥＣＵが実行するスモーク限界制御ルーチンを示すフローチャート。図２のルーチンで参照される酸素量、酸素濃度及び最大噴射量限界値の相関関係を記述した３次元マップの一例を示す図。図３の３次元マップにおいて実用上使用される領域を示す図。酸素濃度最大時における最大噴射量限界値をエンジン回転数及び酸素量と対応付けて記述したマップを示す図。酸素濃度最小時における最大噴射量限界値をエンジン回転数及び酸素量と対応付けて記述したマップを示す図。酸素濃度の最小値をエンジン回転数及び酸素量と対応付けて記述したマップを示す図。第２の形態におけるスモーク限界制御ルーチンを示すフローチャート。図６のルーチンにおける補間演算の一例を説明するための図。第３の形態におけるスモーク限界制御ルーチンを示すフローチャート。ＥＧＲ率と酸素濃度との相関関係を空気過剰率に応じて示した図。第４の形態におけるスモーク限界制御ルーチンを示すフローチャート。ＥＧＲ弁開度とＥＧＲ率との相関関係をＥＧＲ通路の前後差圧に応じて示した図。第５の形態におけるスモーク限界制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２シリンダ
３吸気通路
４排気通路
１０燃料噴射弁
１２ＥＧＲ通路
１４ＥＧＲ弁
２０エンジンコントロールユニット
２１エアフローメータ
２２吸気管圧力センサ
２３酸素濃度センサ
２４クランク角センサ
２５ＥＧＲ弁リフトセンサ
２６アクセル開度センサ

Claims

排気通路から取り出されたＥＧＲガスを筒内へ流入する吸入ガスの一部として吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関に適用される燃料噴射制御装置であって、
前記吸入ガスに含まれる酸素量を検出する酸素量検出手段と、
前記吸入ガスに含まれる分子のうち比熱の大きい分子が前記吸入ガス中に占める分圧を表す指標として前記吸入ガスに含まれる特定ガスの濃度又は該濃度を代表する値を検出する濃度検出手段と、
前記内燃機関のスモーク発生量を所定の許容範囲に抑え得る燃料噴射量の上限値としてのスモーク許容限界量を、前記酸素量検出手段及び前記濃度検出手段のそれぞれの検出結果に基づいて設定するスモーク許容限界量設定手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記濃度検出手段は前記特定ガスの濃度として酸素濃度を検出し、前記スモーク許容限界量設定手段は、検出された酸素量及び酸素濃度に基づいて、前記スモーク許容限界量を設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
前記ＥＧＲ装置に設けられたＥＧＲ弁の全閉状態を検出するＥＧＲ開度検出手段を備え、前記スモーク許容限界量設定手段は、前記ＥＧＲ弁開度検出手段が前記全閉状態を検出した場合には、前記酸素濃度が空気中の酸素濃度に一致するとみなして前記スモーク許容限界量を設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
前記スモーク許容限界量設定手段は、所定の酸素濃度下における前記スモーク許容限界量を前記酸素量検出手段が検出した酸素量に基づいて特定し、特定されたスモーク許容限界量を前記濃度検出手段が検出した酸素濃度と所定の酸素濃度との差に応じて補正した値を最終的なスモーク許容限界量として設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
前記スモーク許容限界量設定手段は、酸素濃度が最大値及び最小値にそれぞれ制御されているときの前記スモーク許容限界量と酸素量との関係を記述したマップデータを利用して前記酸素量検出手段が検出した酸素量に対応する２つのスモーク許容限界量をそれぞれ特定し、特定された２つのスモーク許容限界量の間で、前記濃度検出手段が検出した酸素濃度に対応するスモーク許容限界量を補間演算し、その演算された値を最終的なスモーク許容限界量として設定することを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射制御装置。
前記濃度検出手段は前記特定ガスの濃度として前記ＥＧＲガスの濃度を検出し、前記スモーク許容限界量設定手段は、検出された酸素量及びＥＧＲガスの濃度に基づいて、前記スモーク許容限界量を設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
前記濃度検出手段は前記特定ガスの濃度を代表する値として前記ＥＧＲ装置に設けられたＥＧＲ率調整用のＥＧＲ弁の開度を検出し、前記スモーク許容限界量設定手段は、検出された酸素量及びＥＧＲ弁の開度に基づいて、前記スモーク許容限界量を設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
内燃機関の運転状態に基づいて決定された要求燃料噴射量と前記スモーク許容限界量設定手段が設定したスモーク許容限界量とを比較し、前記要求燃料噴射量が前記スモーク許容限界量設定手段よりも大きい場合には前記筒内へ導入されるべき燃料量を前記スモーク許容限界量に制限する燃料噴射量制限手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置。