JP2004245085A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転者のトルク要求を満たし、リーンバーン運転時において、高い燃焼効率と三元触媒による高い浄化性能とを両立させる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】吸入空気中の窒素を富化する窒素富化器７、および排気ガスを浄化する浄化装置１５を備えた内燃機関の制御装置であって、排気ガスの酸素濃度Ｋａｃｔを検出する酸素濃度センサ２０と、酸素濃度Ｋａｃｔがストイキ燃焼に相当する酸素濃度になるように、燃焼室３ａに供給される酸素質量Ｇｏ２および燃料噴射量Ｇｆｕｅｌの一方である制御量を設定する制御量設定手段２と、検出された内燃機関３の運転状態に基づいて、要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに対応する制御量の目標値Ｇｏ２＿ｃｍｄを設定する目標値設定手段２と、制御量が設定された目標値になるように、スロットル弁９、１３の開度ＴＨｍａｉｎ、ＴＨｓｕｂを制御するスロットル弁開度制御手段２と、を備える。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸入通路に吸入空気中の窒素を富化する窒素富化器を備えた内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の内燃機関の制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この制御装置は、ディーゼルエンジンなどに適用されたものであり、吸気通路から分岐する分岐路には、ガス分離装置が設けられている。このガス分離装置は、ハウジングに内蔵された分離膜によって、流入した吸入空気（外気）を窒素と酸素富化空気に分離するものである。吸気通路の上流側には、吸入空気を分離膜に透過させるためにこれを過給するターボチャージャのコンプレッサが設けられている。ガス分離装置の窒素出口は、分岐路を介して吸気ポートに接続され、酸素富化空気出口は、酸素貯蔵タンクを設けた酸素供給路を介して、シリンダに接続されており、シリンダヘッドには、酸素富化空気をシリンダ内に噴射するためのガス噴射弁が設けられている。吸気通路の分岐路との分岐部よりも下流側には、バタフライバルブが配置されている。また、分岐路のガス分離装置よりも下流側には、排気還流（ＥＧＲ）路が接続され、この排気還流路には、ＥＧＲガス量を制御するためのＥＧＲバルブが設けられている。
【０００３】
この制御装置では、例えば、エンジンの低負荷運転領域では、吸入空気の一部が分岐路に流れるようにバタフライバルブの開度を制御し、ＥＧＲバルブを開くとともに、ガス噴射弁の作動を停止する。これにより、分岐路のガス分離装置で分離された窒素が、吸気通路からの外気とともにシリンダに供給されることで、供給された吸入空気全体としての酸素含有率が低くなることで、実質的なＥＧＲ効果が得られる。また、ガス分離装置を通る際の圧力損失により吸入空気が減圧されることで、ＥＧＲガスが還流されやすくなり、本来のＥＧＲ効果が得られることによって、ＮＯｘの発生が抑制される。
【０００４】
また、従来、ガソリンエンジンの低負荷運転状態などにおいて、燃費を改善するために、混合気の空燃比を理論空燃比よりも非常に大きな値に制御したリーンバーン運転を行うことが周知である（例えば特許文献２）。このリーンバーンによる燃費の改善効果は、作動流体の増加による熱ロスの低減や、ポンピングロスの低減による燃焼効率の向上によって達成されるものであり、図９に示すように、空燃比Ａ／Ｆが約２１．０のときに、正味燃料消費率ＢＳＦＣが最小になり、最良の燃費が得られる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２５４１６１号公報（図１）
【特許文献２】
特許第２８１７１０６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したリーンバーン運転によれば、燃費は改善されるものの、浄化装置として一般に用いられる三元触媒によっては、排気ガス中のＮＯｘを十分に浄化できないという問題がある。これは、リーンバーン運転では、混合気の空燃比が理論空燃比よりも高いため、燃焼されなかった余剰酸素が排気ガス中に多量に残留するのに対し、三元触媒は、酸素濃度がほぼ０の条件下で、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘの浄化性能が最高になるという特性を有するからである。
【０００７】
このため、三元触媒に代わる浄化装置として、▲１▼リーンバーン時にＮＯｘを貯蔵し、理論空燃比でのストイキ燃焼時にこれを浄化するタイプの触媒や、▲２▼余剰酸素の存在下でもＮＯｘを浄化可能なタイプの触媒などが、従来知られている。しかし、これらの触媒はいずれも三元触媒よりも高価である。また、▲１▼のタイプの触媒では、貯蔵したＮＯｘが飽和した時点で、その排出を防止するためにリーンバーン運転を中断せざるを得ず、連続的に行えないため、リーンバーンによる燃費の改善効果を十分に得ることができない。一方、▲２▼のタイプの触媒は、余剰酸素の存在下でのＮＯｘの浄化率が低く、良好な排気ガス特性を達成できないことから、実用化には至っていない。
【０００８】
以上のように、リーンバーンにおけるＮＯｘの浄化の問題が、排気ガス中の余剰酸素の存在に起因するため、この問題を解消する上では、特許文献１に開示されるようなガス分離装置を用い、リーンバーン運転時にガス分離装置からエンジンに窒素を供給することが有効である。しかし、特許文献１の制御装置では、窒素の供給時に、吸入空気の一部をガス分離装置に流入させるためにバタフライバルブを開くにすぎないため、ガス分離装置に実際に流入する吸入空気量を正確に把握できない。また、この種のガス分離装置は、その分離性能が吸入空気の過給圧や温度に応じて変化するという特性を有するため、窒素と酸素富化空気との分離度合もまた不明であるとともに、ターボチャージャの立上がり時などには、過給圧が不足するため、分離性能が低下してしまう。以上の結果、この制御装置では、エンジンのシリンダに供給された吸入空気中の実際の窒素量、すなわち実際の酸素量や酸素濃度を精度良く制御できないため、排気ガス中に余剰酸素が残留することは避けられない。その結果、三元触媒の浄化性能を十分に発揮させることができず、やはり良好な排気ガス特性を達成できない。
【０００９】
また、この制御装置では、低負荷運転時に、窒素の供給と同時にＥＧＲが実行される。このため、燃焼により比熱の大きなＣＯ２が増えることで熱ロスが増大するため、燃焼効率が低下し、リーンバーンによる燃費の改善効果が十分に得られなくなる。また、ＥＧＲガス中のＣＯによって、カーボン詰まりやスモークなどが発生するおそれもある。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、運転者のトルク要求を満たしながら、リーンバーン運転時において、高い燃焼効率と三元触媒による高い浄化性能とを両立させ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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、請求項１に係る発明は、スロットル弁９、１３および吸入空気中の窒素を富化する窒素富化器７を吸気通路（実施形態における（以下、この項において同じ）吸気管４）に備え、排気ガスを浄化する浄化装置（三元触媒１５）を排気通路（排気管５）に備えた内燃機関の制御装置であって、排気通路に設けられ、排気ガスの酸素濃度Ｋａｃｔを検出する酸素濃度センサ（ＬＡＦセンサ２０）と、検出された酸素濃度Ｋａｃｔがストイキ燃焼に相当する酸素濃度になるように、内燃機関３の燃焼室３ａに供給される酸素質量Ｇｏ２および燃料噴射量Ｇｆｕｅｌの一方である制御量を設定する制御量設定手段（ＥＣＵ２）と、内燃機関３の運転状態（アクセル開度ＡＰ、車速ＶＰ）を検出する運転状態検出手段（アクセル開度センサ２２、車速センサ２３）と、検出された内燃機関３の運転状態に基づいて、内燃機関３の要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに対応する制御量の目標値（目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄ）を設定する目標値設定手段（ＥＣＵ２）と、制御量が設定された目標値になるように、スロットル弁９、１３の開度（メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎ、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂ）を制御するスロットル弁開度制御手段（ＥＣＵ２）と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この内燃機関では、吸気通路に流入した吸入空気（外気）は、窒素富化器で窒素を富化された（酸素を減じた）後、燃焼室に供給され、吸入空気量は、スロットル弁の開度によって制御される。また、この制御装置によれば、燃焼室に供給される酸素質量および燃料噴射量の一方である制御量が、酸素濃度センサで検出された排気ガス中の酸素濃度がストイキ燃焼（酸素が過不足ない状態で燃料が燃焼することで余剰酸素がほとんど発生しない燃焼）に相当する酸素濃度になるように設定される。このような設定により、燃焼室に実際に供給される酸素質量と燃料噴射量との比を、余剰酸素がほとんど発生しないストイキ燃焼が行われるように制御することができる。また、制御量が要求トルクに対応する目標値になるように、スロットル弁の開度を制御するので、運転者のトルク要求を満たすことができる。
【００１３】
以上のように、窒素を富化した吸入空気を燃焼室に供給するとともに、吸入空気量および燃料噴射量を上記のように制御することによって、トルク要求の低い運転状態において、空燃比を理論空燃比よりも非常に大きな値に制御したリーンバーン運転を、ストイキ燃焼状態で行うことができる。その結果、例えばリーンバーン運転においても、排気ガスを余剰酸素をほとんど含まないストイキ状態に維持できるので、浄化装置として三元触媒を用いた場合でも、その浄化性能を最大限に発揮させることができ、良好な排気ガス特性を得ることができる。
【００１４】
また、窒素富化器で生成される窒素富化空気は、外気（以下、窒素富化空気と区別するために「自然空気」という）中の酸素成分の一部を窒素成分に置換したものであるとともに、酸素と窒素はいずれも２原子分子であることから比熱が等価であるので、燃焼時の熱ロスは変わらない。したがって、リーンバーン運転において窒素富化空気を用いた場合にも、自然空気を用いたリーンバーンの場合と同等の高い燃焼効率および燃費を維持することができる。以上のように、本発明によれば、運転者のトルク要求を満たしながら、リーンバーン運転時において、高い燃焼効率と三元触媒による高い浄化性能とを両立させることができる。また、ＥＧＲを用いる場合と異なり、窒素富化空気にはＣＯの不純物が含まれないので、カーボン詰まりやスモークなどが発生するおそれはまったくない。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、窒素富化器７の窒素富化率は、燃焼室３ａに供給される吸入空気の酸素濃度が所定濃度になるように設定されていることを特徴とする。
【００１６】
自然空気の組成は窒素：酸素＝７９％：２１％（図１０（ａ）参照）であり、自然空気を用いた場合、空燃比が理論空燃比（空気：燃料＝１４．７：１．０）のときに、ストイキ燃焼が行われる。一方、前述したように、自然空気を用いてリーンバーン運転を行った場合には、燃焼効率の向上によって、最良の燃費が２１．０前後の空燃比（以下「燃費ベスト空燃比」という）のときに得られる（図９参照）ものの、燃料に対して酸素が過剰になることで、余剰酸素が発生する（図１０（ｃ）参照）。また、前述したように、請求項１の発明によれば、酸素質量および燃料噴射量の制御によって、リーンバーン運転時にもストイキ燃焼状態が維持される。以上の関係から、リーンバーン運転時において、ストイキ燃焼状態を維持しながら、最良の燃費を得るための吸入空気の酸素濃度Ｘは、Ｘ＝２１％×１４．７／２１．０＝１４．７％になる（同図（ｂ）参照）。したがって、本発明によれば、吸入空気の酸素濃度がこのような所定濃度（＝１４．７％、以下「最適濃度」という）になるように、窒素富化器の窒素富化率を設定することによって、リーンバーン運転時において、三元触媒による高い浄化性能を維持できるとともに、空燃比が燃費ベスト空燃比に制御されることで、最良の燃焼効率および燃費を達成することができる。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、スロットル弁は、吸気通路の窒素富化器７よりも下流側に配置されたメインスロットル弁９と、窒素富化器７をバイパスし且つメインスロットル弁９の上流側に合流するバイパス通路１２に配置されたサブスロットル弁１３とを有し、スロットル弁開度制御手段は、メインスロットル弁９およびサブスロットル弁１３の開度（メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎ、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂ）を制御することを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、メインスロットル弁の開度を制御することによって、内燃機関の燃焼室に供給される吸入空気量が制御される。また、サブスロットル弁の開度を制御することによって、窒素富化器からの窒素富化空気量とバイパス通路からの自然空気量との割合を変えることにより、燃焼室に供給される吸入空気の酸素濃度を任意に制御できる。したがって、制御量が要求トルクに対応する目標値になるように、メインスロットル弁およびサブスロットル弁の開度を制御することによって、そのときの内燃機関の要求トルクに応じた最適な吸入空気量および酸素濃度を得ることができる。例えば、要求トルクが小さいリーンバーン運転では、吸入空気量が大きく且つ酸素濃度が小さくなるように両スロットル弁の開度を制御することによって、ストイキ燃焼を実現できる一方、高出力運転状態では、吸入空気量および酸素濃度がともに大きくなるように制御することによって、高いトルク要求に応えることができる。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、燃焼室３ａに供給されている吸入空気量Ｇｃｙｌを検出する吸入空気量検出手段（エアフローメータ１７、吸気圧センサ１８）と、検出された吸入空気量Ｇｃｙｌが所定の上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘに達したか否かを判別する吸入空気量判別手段（ＥＣＵ２）と、をさらに備え、スロットル弁開度制御手段は、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘに達していないときに、サブスロットル弁１３を所定の適正開度ＴＨｎｒに保持し、メインスロットル弁９の開度を制御することを特徴とする。
【００２０】
この構成では、燃焼室に供給される吸入空気量が上限吸入空気量に達するまでは、サブスロットル弁を所定の適正開度に保持するとともに、制御量が目標値になるようにメインスロットル弁の開度を制御する。これにより、吸入空気の酸素濃度をほぼ一定に保った状態で、要求トルクに応じて吸入空気量を増減制御することによって、要求トルクに見合う酸素質量が燃焼室に供給される。また、吸入空気量が上限吸入空気量に達するまで、すなわち要求トルクに応えられる限界まで、リーンバーン運転を行えるので、燃費をさらに改善することができる。
【００２１】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、サブスロットル弁１３の適正開度ＴＨｎｒは、燃焼室３ａに供給される吸入空気の酸素濃度が所定濃度になるように設定されていることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、サブスロットル弁の適正開度が上記のように設定されているので、吸入空気量が上限吸入空気量に達するまでは、サブスロットル弁を適正開度に保持することによって、燃焼室に供給される吸入空気の酸素濃度がほぼ所定濃度に制御される。したがって、この所定濃度を、請求項２の説明で述べた最適濃度に設定することによって、リーンバーン運転時において、最良の燃焼効率および燃費を達成することができる。
【００２３】
請求項６に係る発明は、請求項４または５に記載の内燃機関の制御装置において、スロットル弁開度制御手段は、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘに達した後に、メインスロットル弁９を所定の有効開度ＴＨｅｆｔに保持し、サブスロットル弁１３の開度を制御することを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、吸入空気量が上限吸入空気量に達した後には、メインスロットル弁を所定の有効開度に保持するとともに、制御量が目標値になるようにサブスロットル弁の開度を制御する。これにより、吸入空気量をほぼ一定に保った状態で、その酸素濃度を要求トルクに応じて増減制御することで、要求トルクに見合う酸素質量が燃焼室に供給される。したがって、高出力運転時においても、高いトルク要求に応えることができるとともに、ストイキ燃焼状態が維持されることで、三元触媒による高い浄化性能を維持できる。また、この場合、サブスロットル弁の全開時に、吸入空気の大部分がバイパス通路側に流れ、窒素富化器による窒素富化効果がほとんど得られないような流量設定とすることによって、自然空気を用いた場合と同等の高トルクを実現することが可能である。
【００２５】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の内燃機関の制御装置において、メインスロットル弁９の有効開度ＴＨｅｆｔは、メインスロットル弁９の開度を増大させても吸入空気量Ｇｃｙｌが増加しないような開度に設定されていることを特徴とする。
【００２６】
この構成では、メインスロットル弁の有効開度が上記のように設定されているので、吸入空気量が上限吸入空気量に達した後に、メインスロットル弁を有効開度に保持することによって、吸入空気量を最大限に確保でき、したがって、高いトルク要求も十分に満たすことができる。
【００２７】
請求項８に係る発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、吸気通路の窒素富化器７よりも上流側に設けられ、吸入空気を過給する過給器６をさらに備えていることを特徴とする。
【００２８】
一般に、窒素富化器は、分離膜を備え、この分離膜に空気を透過させることによって窒素富化を行うように構成されている。本発明では、過給器による過給によって、分離膜に空気を透過させるための差圧を確保でき、十分な窒素富化率を得ることができる。また、過給器がターボチャージャのコンプレッサで構成される場合には、内燃機関の立上がり時などに、過給圧が不足し、窒素富化率が不足する傾向があるが、前述したように、本発明では、窒素富化率にかかわらず、排気ガスをストイキ燃焼状態を維持できるので、前述した作用を支障なく得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態による制御装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示している。同図に示すように、この制御装置１は、内燃機関（以下「エンジン」という）３の動作を制御するためのＥＣＵ２を備えている。
【００３０】
エンジン３は、例えば車両用の４気筒ガソリンエンジンであり、各気筒の燃焼室３ａ（１つのみ図示）に、吸気管４（吸気通路）および排気管５（排気通路）がそれぞれ接続されている。吸気管４には上流側から順に、過給器６、窒素富化器７、インタークーラ８およびメインスロットル弁９が設けられ、マニホルド部４ａには燃料噴射弁１０が設けられている。
【００３１】
窒素富化器７は、ハウジング内に繊維状の分離膜（いずれも図示せず）を内蔵したものであり、この分離膜を自然空気が通る際の酸素と窒素との間の透過性の差異を利用して、自然空気を窒素富化空気と酸素富化空気に分離・生成するものである。生成された窒素富化空気は、吸気管４の下流側に送られ、酸素富化空気は吸気管４の外部に排出される。
【００３２】
過給器６は、吸入空気を過給することによって、窒素富化器７の分離膜に空気を透過させる差圧を確保するためのものであり、本実施形態では、ターボチャージャのコンプレッサで構成されている。インタークーラ８は、吸入空気の温度上昇による密度低下を抑制するために、これを冷却するものである。
【００３３】
メインスロットル弁９には、ステッピングモータなどから成る電気モータ１１が接続されている。メインスロットル弁９の開度（以下「メインスロットル弁開度」という）ＴＨｍａｉｎは、ＥＣＵ２から電気モータ１１への駆動信号によって制御され、それにより、燃焼室３ａに供給される吸入空気量が制御される。また、燃料噴射弁１０から噴射される燃料噴射量Ｇｆｕｅｌも、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される。
【００３４】
また、吸気管４には、窒素富化器７をバイパスするバイパス通路１２が設けられている。このバイパス通路１２は、過給器６の下流側の分岐部１２ａで吸入管４から分岐し、インタークーラ８の上流側の合流部１２ｂで吸気管４に合流している。バイパス通路１２にはサブスロットル弁１３が配置され、サブスロットル弁１３には、ステッピングモータなどから成る電気モータ１４が接続されている。サブスロットル弁１３の開度（以下「サブスロットル弁開度」という）ＴＨｓｕｂは、ＥＣＵ２から電気モータ１４への駆動信号によって制御される。一方、排気管５には、排気ガスを浄化する三元触媒１５（浄化装置）が設けられている。
【００３５】
以上の構成により、吸気通路４に吸入された吸入空気（自然空気）は、過給器６で過給された後、窒素富化器７に送られ、窒素富化器７で窒素を富化される。一方、過給された吸入空気の一部は、バイパス通路１２に流入し、サブスロットル弁１３によって流量を制御される。そして、窒素富化器１４からの窒素富化空気とバイパス通路１２からの自然空気が合流部１２ｂで合流し、混合されることで、窒素を富化した（酸素を減じた）吸入空気が生成される。したがって、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂを制御することにより、窒素富化空気量と自然空気量の割合を変えることによって、吸入空気の酸素濃度を任意に制御することができる。また、サブスロットル弁１３の全開時には、吸入空気の大部分がバイパス通路１２側に流れ、窒素富化器７による窒素富化効果がほとんど得られないことで、吸入空気の酸素濃度は自然空気とほぼ同じに制御される。
【００３６】
この吸入空気は、インタークーラ８で冷却され、メインスロットル弁９によって流量を制御される。その後、マニホルド部４ａにおいて、燃料噴射弁１０から噴射された燃料と混合された後、燃焼室３ａに供給され、燃焼される。燃焼によって発生した排気ガスは、三元触媒１５で浄化された後、排出される。
【００３７】
また、吸気管４には、過給器６の下流側に、吸入空気の過給圧Ｐｃを検出する過給圧センサ１６が、インタークーラ８とメインスロットル弁９との間に、吸入空気流量Ｇｔｈを検出するエアフローメータ１７（吸入空気量検出手段）が、インマニチャンバ４ｂに、吸気圧ＰＢを検出する吸気圧センサ１８（吸入空気量検出手段）および吸気温Ｔｂを検出する吸気温センサ１９が、それぞれ取り付けられており、それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。
【００３８】
一方、排気管５には、三元触媒１５の上流側および下流側に、ＬＡＦセンサ２０およびＯ２センサ２１がそれぞれ取り付けられている。ＬＡＦセンサ２０は、自然空気での理論空燃比よりもリッチなリッチ領域から極リーン領域までの広い空燃比Ａ／Ｆの範囲にわたって、排気ガスの酸素濃度Ｋａｃｔをリニアに検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、Ｏ２センサ２１は、排気ガスの酸素濃度が理論空燃比に相当する酸素濃度を横切る前後で、電圧値がハイレベルとローレベルに切り換わる検出信号Ｖｏｕｔを、ＥＣＵ２に出力する。
【００３９】
ＥＣＵ２にはさらに、アクセル開度センサ２２（運転状態検出手段）から、アクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が、車速センサ２３（運転状態検出手段）から車両の速度（以下「車速」という）ＶＰを表す検出信号が、エンジン回転数センサ２４から、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥをを表す検出信号が、それぞれ出力される。
【００４０】
ＥＣＵ２は、本実施形態において、制御量設定手段、目標値設定手段、スロットル弁開度制御手段および吸入空気量判別手段を構成するものである。ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力インターフェースなどから成るマイクロコンピュータ（いずれも図示せず）で構成されている。前述したセンサ１６〜２４の検出信号は、それぞれ入力インターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。
【００４１】
ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、燃料噴射弁１０の燃料噴射量Ｇｆｕｅｌや、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎおよびサブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂを、以下のようにして制御する。
【００４２】
図２は、ＥＣＵ２で実行される制御処理のフローチャートを示している。まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、検出されたアクセル開度ＡＰおよび車速ＶＰに応じて、目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄ（目標値）を算出する。この目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄは、エンジン３に要求される要求トルクＴＲＱ＿ＲＱ（図８参照）に対応し、この要求トルクＴＲＱ＿ＲＱを出力するのに必要な酸素質量を表していて、燃焼室３ａに供給すべき酸素質量Ｇｏ２の目標となるものである。目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄは、例えば図４に示すマップから検索される。このマップでは、目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄは、車速ＶＰが大きいほど、より大きな値に設定されている。また、アクセル開度ＡＰが増加するにつれ、所定値ＡＰ１未満では大きな傾きで、それ以上ではより小さな傾きで、増加するように設定されている。
【００４３】
次に、燃焼室３ａに供給されている吸入空気量Ｇｃｙｌを算出する（ステップ２）。この算出は、検出された吸入空気流量Ｇｔｈおよび吸気圧ＰＢから、図３の式（１）によって行われる。式（１）の右辺の第２項ΔＰＢ（ｋ）・Ｖｂ／Ｒ・Ｔｂは、インマニチャンバ４ｂでの圧力変動に伴う吸入空気量の実質増減分に相当する補正項である。吸入空気流量Ｇｔｈをこのように補正することで、実際の吸入空気量Ｇｃｙｌをより精度良く算出することができる。
【００４４】
次いで、ＬＡＦセンサ２０で検出された排気ガスの酸素濃度Ｋａｃｔに基づいて、燃料噴射量Ｇｆｕｅｌを算出する（ステップ３）。この算出は、酸素濃度Ｋａｃｔがストイキ燃焼に相当する酸素濃度になるように、燃料噴射量Ｇｆｕｅｌをフィードバック制御することによって行われる。なお、この燃料噴射量Ｇｆｕｅｌの算出を、Ｏ２センサ２１からのＶｏｕｔ信号に基づくフィードバック制御によって行ってもよい。次に、算出した燃料噴射量Ｇｆｕｅｌを完全燃焼させるための酸素質量Ｇｏ２（制御量）を、換算係数Ｋｇｏ２を用い、図３の式（２）によって算出する（ステップ４）。以上により、燃料噴射量Ｇｆｕｅｌおよび酸素質量Ｇｏ２が、ストイキ燃焼が行われるような互いに過不足ない値として算出される。
【００４５】
次に、検出されたエンジン回転数ＮＥおよび過給圧Ｐｃに基づいて、上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘを算出する（ステップ５）。この上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘは、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎを増加させても、燃焼室３ａに供給される実際の吸入空気量Ｇｃｙｌをそれ以上増やせなくなる上限の吸入空気量に相当する。上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘは、例えば図５に示すマップから検索される。このマップでは、上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘは、過給圧Ｐｃが大きいほど、より大きな値に設定される。また、エンジン回転数ＮＥに対しては、ＮＥ値の上昇につれて増加し、その後減少するように設定されている。これは、エンジン回転数ＮＥがかなり大きくなると、吸気共鳴によって吸入空気が燃焼室３ａに入りにくくなるためである。
【００４６】
次に、エンジン回転数ＮＥおよび過給圧Ｐｃに基づいて、メインスロットル弁９の有効開度ＴＨｅｆｔを算出する（ステップ６）。この有効開度ＴＨｅｆｔは、インマニチャンバ４ｂ内の圧力上昇により吸入空気量Ｇｃｙｌが限界に達することによって、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎを増大させても、吸入空気量Ｇｃｙｌがそれ以上増加しないような開度に相当する。この有効開度ＴＨｅｆｔは、例えば図６に示すマップから検索される。このマップでは、有効開度ＴＨｅｆｔは、過給圧Ｐｃが大きいほど、より大きな値に設定され、また、エンジン回転数ＮＥが上昇するにつれて、リニアに増加するように設定されている。
【００４７】
次いで、エンジン回転数ＮＥおよび過給圧Ｐｃに基づいて、サブスロットル弁１３の適正開度ＴＨｎｒを算出する（ステップ７）。後述するように、リーンバーン運転時には、サブスロットル弁１３からの自然空気とメインスロットル弁９からの窒素富化空気とを合わせた吸入空気全体の酸素濃度がほぼ一定に保たれるよう、サブスロットル弁１３が適正開度ＴＨｎｒに保持される。この適正開度ＴＨｎｒは、このときの吸入空気の酸素濃度を前述した最適濃度付近に保つようにするために設定されるものである。
【００４８】
図７は、この適正開度ＴＨｎｒを検索するためのマップの一例を示している。このマップでは、適正開度ＴＨｎｒは、過給圧Ｐｃが大きいほど、より大きな値に設定されている。また、エンジン回転数ＮＥが上昇するにつれて、リニアに減少するように設定されている。これは、エンジン回転数ＮＥが大きくなると、吸入空気の流速が大きくなり、窒素富化器７の富化能力がこれに追随できなくなることで、窒素富化率が低下するためである。
【００４９】
次に、ステップ２で算出した吸入空気量Ｇｃｙｌが、ステップ５で算出した上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘよりも大きいか否かを判別する（ステップ８）。この答がＮＯで、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘに達していないときには、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎを図３の式（３）および（４）によって算出する（ステップ９）。また、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂを、ステップ７で算出した適正開度ＴＨｎｒに保持する（ステップ１０）。
【００５０】
式（３）（４）に示すように、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎの算出は、ステップ１で算出した目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄとステップ４で算出した酸素質量Ｇｏ２に基づく応答指定型のフィードバック制御によって行われる。これにより、燃焼室３ｂに供給される酸素質量Ｇｏ２が要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに対応した目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄに収束するように、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎによって、吸入空気量Ｇｃｙｌが増減制御される。したがって、ストイキ燃焼状態を維持しながら、要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに見合う酸素質量Ｇｏ２を燃焼室３ａに供給でき、トルク要求を満たすことができる。なお、上記のように応答指定型制御を採用するのは、吸入空気の窒素濃度がオーバーシュートにより過剰になることに起因する失火を防止するためである。
【００５１】
一方、前記ステップ８の答がＹＥＳで、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘに達したときには、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎを、ステップ６で算出した有効開度ＴＨｅｆｔに保持する（ステップ１１）。これにより、吸入空気量Ｇｃｙｌが最大限に確保される。また、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂを、図３の式（５）および（６）によって算出する（ステップ１２）。両式に示すように、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂの算出は、ステップ９でのメインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎの場合と同様、目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄおよび酸素質量Ｇｏ２に基づく応答指定型のフィードバック制御によって行われる。
【００５２】
これにより、酸素質量Ｇｏ２が目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄに収束するように、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂが制御され、それにより、自然空気量と窒素富化空気量の割合が変化することによって、吸入空気の酸素濃度が増減制御される。したがって、この場合にも、ストイキ燃焼状態を維持しながら、要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに見合う酸素質量Ｇｏ２を燃焼室３ａに供給でき、トルク要求を満たすことができる。また、上記のように応答指定型制御を採用するのは、酸素質量Ｇｏ２が増加側へオーバーシュートした場合のエンジン３の出力トルクのオーバーシュートによるドライバビリティの悪化を防止するためである。
【００５３】
図８は、図２の制御処理によって得られるエンジン３の動作例を示している。同図において、時刻ｔ０で、車両がアイドル状態から発進され、エンジン３の要求トルクＴＲＱ＿ＲＱが図示のように増加するとともに、時刻ｔ１で、過給器６の過給圧Ｐｃが完全に立ち上がり、時刻ｔ２で、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘを超えるものとする。この場合、エンジン３の制御モードは、以下のモード１〜３の順で推移する。
【００５４】
・モード１（ｔ０〜ｔ１）
このモード１では、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘよりも小さいので、図２のステップ９および１０の実行によって、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂが適正開度ＴＨｎｒに保持されるとともに、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎが制御され、吸入空気量Ｇｃｙｌが増減制御される。それにより、ストイキ燃焼状態を維持しながら、要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに対応した酸素質量Ｇｏ２が燃焼室３ａに供給される。
【００５５】
また、このモード１では、エンジン３で駆動される過給器６による過給圧Ｐｃが立上がり中であることで、窒素富化器７の窒素富化率も上昇中であるため、吸入空気の酸素濃度が、自然空気の濃度（＝２１％）から最適濃度（１４．７％）に向かって減少している状態にある。このような状態でも、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎの制御により、吸入空気の酸素濃度が高い状態にあるのに応じて、吸入空気量Ｇｃｙｌが減少側に制御されるので、ストイキ燃焼状態が維持されるとともに、トルク要求トルクも満たされる。この吸入空気量Ｇｃｙｌの減少分は、図８の破線Ａ部と実線との差として表され、このときの空燃比は、燃費ベスト空燃比よりも低い値になる。以上のように、このモード１では、過給圧Ｐｃの立上がり時、窒素富化器７の窒素富化率が不十分で、変化している状況でも、ストイキ燃焼状態を維持し、かつ要求トルクＴＲＱ＿ＲＱを満たしながら、燃費ベスト空燃比よりも低い空燃比で、リーンバーン運転が行われる。
【００５６】
・モード２（ｔ１〜ｔ２）
このモード２では、過給圧Ｐｃの立上がりが完了していることで、窒素富化器７の窒素富化率が十分に安定して得られる。また、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘに達していないことで、モード１の場合と同様、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂが適正開度ＴＨｅｆｔに保持され、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎが制御される。これにより、吸入空気の酸素濃度をほぼ最適濃度に保った状態で、酸素質量Ｇｏ２が要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに見合うように、吸入空気量Ｇｃｙｌが増減制御される。以上のように、このモード２では、ストイキ燃焼状態を維持し、かつトルク要求を満たしながら、燃費ベスト空燃比で、リーンバーン運転が行われる。
【００５７】
・モード３（ｔ２〜）
このモード３では、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘを超えていることで、図２のステップ１１および１２の実行によって、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎが有効開度ＴＨｅｆｔに保持されるとともに、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂが制御される。これにより、吸入空気量Ｇｃｙｌを最大限に保った状態で、酸素質量Ｇｏ２が要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに見合うように、吸入空気の酸素濃度が増減制御される。図８の区間Ｂ（ｔ２〜ｔ３）は、要求トルクＴＲＱ＿ＲＱが増大するにつれて、吸入空気の酸素濃度が最適濃度から自然空気の濃度に向かって増加し、それに伴い、酸素質量Ｇｏ２が増加している区間であり、リーンバーン運転からリーンバーン外運転（中高出力運転）への移行運転期間に相当する。時刻ｔ３以降では、要求トルクＴＲＱ＿ＲＱが一定になるのに応じて、吸入空気の酸素濃度が自然空気とほぼ同じに保たれる。以上のように、このモード３では、ストイキ燃焼状態を維持し、かつ高い要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに応えながら、リーンバーン運転からの移行運転を経た中高出力運転が行われる。
【００５８】
以上のように、本実施形態によれば、エンジン３に供給される窒素富化空気量および自然空気量と両者の割合を、排気ガスの酸素濃度Ｋａｃｔと要求トルクＴＲＱ＿ＲＱに応じ、メインスロットル弁９およびサブスロットル弁１３によって制御する。したがって、エンジン３のあらゆる運転状態において、運転者のトルク要求を満たすことができる。また、中高出力運転時だけでなく、リーンバーン運転時においても、ストイキ燃焼を行うことができ、排気ガスを余剰酸素をほとんど含まないストイキ状態に維持できる。したがって、浄化装置として三元触媒１５を用いた場合、リーンバーン運転時においても、その浄化性能を最大限に発揮させることができ、良好な排気ガス特性を得ることができる。
【００５９】
また、リーンバーン運転時には、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂを適正開度ＴＨｎｒに保持した状態で、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎを制御するので、過給圧Ｐｃの立上がり時を除き、吸入空気の酸素濃度を最適濃度付近に保ち、燃費ベスト空燃比付近で燃焼を行うことができ、それにより、最良の燃焼効率および燃費を達成することができる。さらに、このような制御を、吸入空気量Ｇｃｙｌが上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘに達するまで行うので、燃費ベスト空燃比付近でのリーンバーン運転を、要求トルクに応えられる限界まで行うことができ、燃費をさらに向上させることができる。
【００６０】
また、中高出力運転時には、メインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎを有効開度ＴＨｅｆｔに保持することで、吸入空気量Ｇｃｙｌを最大限に確保した状態で、サブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂを制御し、吸入空気量の酸素濃度を増減制御するので、高いトルク要求も十分に満たすことができる。
【００６１】
図１１は、本発明の第２実施形態による制御処理のフローチャートを示している。この実施形態は、図２の第１実施形態と比較し、酸素質量Ｇｏ２に代えて、制御量として燃料噴射量Ｇｆｕｅｌを用いた点のみが異なるものである。したがって、図２の制御処理と同じ実行内容については、図１１に同じステップ番号を付するとともに、以下、相違点を中心として説明する。すなわち、この制御処理のステップ１’では、アクセル開度ＡＰおよび車速ＶＰに応じて、目標燃料噴射量Ｇｆｕｅｌ＿ｃｍｄ（目標値）を算出する。この目標燃料噴射量Ｇｆｕｅｌ＿ｃｍｄの算出は、第１実施形態における目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄの場合と同様に行われる。第１実施形態のステップ４の酸素質量Ｇｏ２の算出は省略されている。また、ステップ９’でのメインスロットル弁開度ＴＨｍａｉｎの算出、およびステップ１２’でのサブスロットル弁開度ＴＨｓｕｂの算出は、ステップ１’で算出した目標燃料噴射量Ｇｆｕｅｌ＿ｃｍｄとステップ３で算出した燃料噴射量Ｇｆｕｅｌに基づき、第１実施形態と同様、応答指定型のフィードバック制御によって行われる。したがって、本実施形態においても、第１実施形態とまったく同様の効果を得ることができる。
【００６２】
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、窒素富化器７の窒素富化率は一般に、温度が高いほど高くなるという特性を有するので、窒素富化器７の上流側に、吸入空気を昇温させるための熱交換器などを設けてもよい。その場合、熱交換器は、エンジン３の排気ガスの廃熱を利用するタイプのものが好ましい。また、本発明は、クランクシャフトを鉛直方向に配置した船外機などの船舶推進機用の内燃機関の制御にも適用可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の内燃機関の制御装置は、運転者のトルク要求を満たしながら、リーンバーン運転時において、高い燃焼効率と三元触媒による高い浄化性能とを両立させることができるなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による制御装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】メインスロットル弁およびサブスロットル弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図３】図２の制御処理に用いられる数式である。
【図４】目標酸素質量Ｇｏ２＿ｃｍｄを算出するためのマップである。
【図５】上限吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｍａｘを算出するためのマップである。
【図６】メインスロットル弁の有効開度ＴＨｅｆｔを算出するためのマップである。
【図７】サブスロットル弁の適正開度ＴＨｎｒを算出するためのマップである。
【図８】図２の制御処理によって得られる動作例を示すタイミングチャートである。
【図９】空燃比と燃焼効率との関係を示す図である。
【図１０】燃料噴射量とその燃焼に用いられる酸素質量との関係を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 制御装置
２ ＥＣＵ（制御量設定手段、目標値設定手段、スロットル弁開度制御手段および吸入空気量判別手段）
３ 内燃機関
３ａ 燃焼室
４ 吸気管（吸気通路）
５ 排気管（排気通路）
６ 過給器
７ 窒素富化器
９ メインスロットル弁
１２ バイパス通路
１３ サブスロットル弁
１５ 三元触媒（浄化装置）
１７ エアフローメータ（吸入空気量検出手段）
１８ 吸気圧センサ（吸入空気量検出手段）
２０ ＬＡＦセンサ（酸素濃度センサ）
２２ アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
２３ 車速センサ（運転状態検出手段）
ＡＰ アクセル開度（運転状態）
ＶＰ 車速（運転状態）
Ｋａｃｔ 排気ガスの酸素濃度
ＴＲＱ＿ＲＱ 要求トルク
Ｇｏ２ 酸素質量（制御量）
Ｇｏ２＿ｃｍｄ 目標酸素質量（目標値）
Ｇｃｙｌ 吸入空気量
Ｇｃｙｌ＿ｍａｘ 上限吸入空気量
Ｇｆｕｅｌ 燃料噴射量（制御量）
Ｇｆｕｅｌ＿ｃｍｄ 目標燃料噴射量（目標値）
ＴＨｍａｉｎ メインスロットル弁開度
ＴＨｓｕｂ サブスロットル弁開度
ＴＨｅｆｔ 有効開度
ＴＨｎｒ 適正開度

Claims (8)

1. スロットル弁および吸入空気中の窒素を富化する窒素富化器を吸気通路に備え、排気ガスを浄化する浄化装置を排気通路に備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記排気通路に設けられ、排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
   当該検出された酸素濃度がストイキ燃焼に相当する酸素濃度になるように、当該内燃機関の燃焼室に供給される酸素質量および燃料噴射量の一方である制御量を設定する制御量設定手段と、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記検出された内燃機関の運転状態に基づいて、当該内燃機関の要求トルクに対応する前記制御量の目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記制御量が前記設定された目標値になるように、前記スロットル弁の開度を制御するスロットル弁開度制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記窒素富化器の窒素富化率は、前記燃焼室に供給される吸入空気の酸素濃度が所定濃度になるように設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記スロットル弁は、前記吸気通路の前記窒素富化器よりも下流側に配置されたメインスロットル弁と、前記窒素富化器をバイパスし且つ前記メインスロットル弁の上流側に合流するバイパス通路に配置されたサブスロットル弁とを有し、
   前記スロットル弁開度制御手段は、前記メインスロットル弁および前記サブスロットル弁の開度を制御することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記燃焼室に供給されている吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   当該検出された吸入空気量が所定の上限吸入空気量に達したか否かを判別する吸入空気量判別手段と、をさらに備え、
   前記スロットル弁開度制御手段は、前記吸入空気量が前記上限吸入空気量に達していないときに、前記サブスロットル弁を所定の適正開度に保持し、前記メインスロットル弁の開度を制御することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記サブスロットル弁の前記適正開度は、前記燃焼室に供給される吸入空気の酸素濃度が所定濃度になるように設定されていることを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記スロットル弁開度制御手段は、前記吸入空気量が前記上限吸入空気量に達した後に、前記メインスロットル弁を所定の有効開度に保持し、前記サブスロットル弁の開度を制御することを特徴とする、請求項４または５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記メインスロットル弁の前記有効開度は、当該メインスロットル弁の開度を増大させても吸入空気量が増加しないような開度に設定されていることを特徴とする、請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記吸気通路の前記窒素富化器よりも上流側に設けられ、吸入空気を過給する過給器をさらに備えていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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