JP4265667B2

JP4265667B2 - 内燃機関の排気システム

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Publication number: JP4265667B2
Application number: JP2007043415A
Authority: JP
Inventors: 貴文山田; 久大木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: US20100211293A1; EP2134948B1; JP2008208723A; WO2008102260A2; CN101617112A; EP2134948A2; US8332129B2; CN101617112B; WO2008102260A3; WO2008102260A8

Description

本発明は、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に導入する排気還流装置が設けられた内燃機関の排気システムに関する。

内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置として、排気中のパティキュレートを捕集して排気を浄化するフィルタや、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを還元して浄化する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒などが広く知られている。

フィルタの場合、捕集したパティキュレートの量が増えると目詰まりを起こしその捕集機能、つまり排気浄化機能が悪化する。そこで、その機能を回復するため、排気通路に燃料を供給してフィルタの床温を上昇させることにより捕集されたパティキュレートを燃焼させるフィルタ再生処理が行われる。また、ＮＯｘ触媒の場合、ＮＯｘの吸蔵量が増えるとＮＯｘの浄化機能が悪化するので、吸蔵したＮＯｘを還元して浄化させるため排気通路内に燃料を供給して排気空燃比を一時的にリッチ化するリッチスパイク処理が行われ、これによって悪化した浄化機能を回復させる。更に、ＮＯｘ触媒の場合には硫黄被毒により悪化した浄化機能を回復するため排気通路に燃料を供給する硫黄被毒再生処理も行われる。排気通路に燃料を供給するこれらの処理は排気浄化装置の浄化機能を回復させるために必要なものである。また、排気通路に燃料を供給する燃料供給手段として設けられた燃料添加弁の詰まりを防止するため、所定のサイクルで詰まり防止のための排気通路への燃料供給が行われる。

このような排気浄化装置が設けられた内燃機関には、燃焼温度を下げてＮＯｘの排出量を低減するために排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路へ導入する排気還流装置が搭載されることが多い。例えば、フィルタの下流からＥＧＲガスを取り出して吸気通路に導入する排気還流装置が設けられた排気システムが知られている（特許文献１）。このシステムでは、パティキュレートの捕集量の変化に基づいてフィルタ下流の酸素濃度を推定し、その酸素濃度が低くなるにつれＥＧＲガスのガス流量が低下するように制御している。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２が存在する。

特開２００５−０６９２０７号公報特開２００１−２３４７７２号公報

このような排気システムでは、排気通路へ燃料供給がおこなわれると、その燃料が酸化することにより又はフィルタのパティキュレートが酸化することにより、フィルタ等の排気浄化装置を通過する排気の二酸化炭素濃度が増加する。換言すれば、その排気の酸素濃度が低下する。この結果、排気浄化装置の下流から取り出すＥＧＲガスの二酸化炭素濃度が増加するため、そのＥＧＲガスと吸気通路に導かれる空気とが混合された状態で気筒内に吸入される吸入ガスの酸素濃度が変化して内燃機関の燃焼が不安定になる。

そこで、本発明は、ＥＧＲガスの吸気通路への導入中に排気通路へ燃料を供給した場合に、その燃料供給の前後で内燃機関の燃焼が不安定になることを防止できる内燃機関の排気システムを提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気システムは、内燃機関の排気通路に配置されて排気を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段の上流に配置されて前記排気通路内に燃料を供給する燃料供給手段と、前記排気浄化手段の下流から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して前記内燃機関の吸気通路へ導入する排気還流装置と、前記排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスと前記吸気通路に導かれる空気とが混合された状態で前記内燃機関の気筒内に吸入される吸入ガスの酸素濃度が前記燃料供給手段による燃料供給の前後で一定となるように、前記吸入ガスに占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を前記燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して制御する排気還流制御手段と、を備えることにより上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気システムによれば、排気還流装置によるＥＧＲガスの導入中に燃料供給手段にて排気通路へ燃料が供給されることにより、排気中の二酸化炭素が排気通路への燃料供給前と比べて増加した場合でも、気筒内に吸入される吸入ガスの酸素濃度が燃料供給手段による燃料供給の前後で一定になる。このため、内燃機関の燃焼が不安定になることが防止される。ＥＧＲ率の制御は吸気通路に導かれる空気の流量及び排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスの流量の少なくとも一方を操作することにより実現できる。

本発明の排気システムの一態様においては、前記内燃機関には、前記吸気通路に配置されるコンプレッサと前記コンプレッサと一体回転可能な状態で前記排気通路に配置されるタービンとを有し、前記タービンが得た排気エネルギにて前記コンプレッサを駆動して過給するターボチャージャーが設けられ、前記排気還流装置として、前記排気通路からのＥＧＲガスの取り出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの下流に、前記吸気通路へのＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの上流にそれぞれ設定された低圧排気還流装置が設けられていてもよい（請求項２）。この態様によれば、タービンの上流から排気をＥＧＲガスとして取り出してコンプレッサの下流に導入する態様と比較して低温のＥＧＲガスを導入できる。このような低温のＥＧＲガスが燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して導入されるので、ターボチャージャー付き内燃機関に低圧排気還流装置を適用した場合の利点を可能な限り生かすことができる。

本発明の排気システムの一態様において、前記排気浄化手段として、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタが設けられ、前記排気還流制御手段は、前記フィルタが捕集したパティキュレートが前記燃料供給手段による燃料供給に伴って酸化したパティキュレートの酸化量を、前記酸化量に相当する等価燃料量へ変換する変換手段と、前記変換手段により変換された前記等価燃料量を考慮して、前記吸気通路に導かれる空気の目標空気流量を算出する目標空気流量算出手段とを備えるとともに、前記目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量に基づいて前記ＥＧＲ率を制御してもよい（請求項３）。燃料供給手段による燃料供給に伴って酸化したパティキュレート量が多いほど多くの二酸化炭素が発生する。この態様によれば、パティキュレートの酸化量がその酸化量に相当する等価燃料量に変換され、その等価燃料量を考慮して目標空気流量が算出される。これにより、パティキュレートの酸化によって生じる二酸化炭素が目標空気流量の算出に考慮されることになるのでより正確なＥＧＲ率の制御が可能となる。

本発明の排気システムの一態様において、前記排気還流制御手段は、前記燃料供給手段による燃料供給の前後で前記吸入ガスの流量が一定であるものとみなして前記燃料供給手段による燃料供給後に前記吸気通路に導かれる空気の目標空気流量を前記燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して算出する目標空気流量算出手段を備えるとともに、前記目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量に基づいて前記ＥＧＲ率を制御してもよい（請求項４）。この態様によれば、燃料供給手段による燃料供給の前後で気筒内への吸入ガスの流量が一定であるものとみなすことにより、気筒内の状態が単純化されるため燃料供給手段による燃料供給に伴って増加する二酸化炭素の影響を見積もることが容易になる。

この態様において、前記吸入空気流量算出手段は、前記目標空気流量をＧ_ａ２、前記燃料供給手段による燃料供給前の吸入空気流量をＧ_ａ１、前記吸入ガスの流量をＧ_ｃｙｌ１、前記気筒内への燃料噴射量をＧ_ｆ１、前記燃料供給手段が供給する燃料量をＧ_ａｄとした場合、次式

に基づいて前記目標空気流量を算出してもよい（請求項５）。この場合、上記の式から算出した目標空気流量に基づいてＥＧＲ率を制御することにより、気筒内に吸入される吸入ガスの酸素濃度を燃料供給手段による燃料供給の前後で一定にすることができる。上記の式は、ＥＧＲ率と空気過剰率との比（ＥＧＲ率／空気過剰率）が燃料供給の前後において等しいものとして導き出すことができる。この空気過剰率は空燃比を理論空燃比で除したものある。

本発明の排気システムの一態様において、前記排気浄化手段の下流に配置され、排気の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃度検出手段を更に備え、前記排気還流制御手段は、前記目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量を前記酸素濃度検出手段の検出結果を考慮して補正する空気流量補正手段を備えてもよい（請求項６）。この態様によれば、目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量が酸素濃度検出手段の検出結果にて補正されるので、ＥＧＲ率の制御精度が向上する。

本発明の排気システムの一態様において、前記排気還流制御手段は、前記燃料供給手段による燃料供給の時期から、当該燃料の供給に伴って前記吸入ガスの二酸化炭素濃度の変化が現れるまでの遅れ時間と同期するようにして前記ＥＧＲ率を制御してもよい（請求項７）。この態様によれば、ＥＧＲ率の制御が遅れ時間と同期して実施されるため制御精度が向上する。

この態様において、前記燃料供給手段は、所定の間隔で燃料を複数回供給するように構成されており、前記排気還流制御手段は、前記間隔が所定の基準以下の場合に、前回の燃料供給に係る前記遅れ時間に前記ＥＧＲ率の制御を同期させた後は、次の燃料供給まで継続して前記ＥＧＲ率を制御してもよい（請求項８）。燃料供給の間隔が短いほど二酸化炭素濃度の変化のピークがなまされる。そのため、燃料供給の間隔が吸気ガスの二酸化炭素濃度が略一定状態とみなすことができる範囲の上限値である所定の基準以下の場合は燃料供給の度に同期を取る必要がないので、効率的なＥＧＲ率の制御が可能となる。

本発明の排気システムの一態様において、前記内燃機関には、前記吸気通路に配置されるコンプレッサと前記コンプレッサと一体回転可能な状態で前記排気通路に配置されるタービンとを有し、前記タービンが得た排気エネルギにて前記コンプレッサを駆動して過給するターボチャージャーが設けられ、前記排気還流装置として、前記排気通路からのＥＧＲガスの取り出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの下流に、前記吸気通路へのＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの上流にそれぞれ設定された低圧排気還流装置と、前記排気通路からのＥＧＲガスの取り出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの上流に、前記吸気通路へのＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの下流にそれぞれ設定された高圧排気還流装置とがそれぞれ設けられ、前記低圧排気還流装置のみによりＥＧＲガスを前記吸気通路に導入する低圧モードと、前記高圧排気還流装置のみによりＥＧＲガスを前記吸気通路に導入する高圧モードと、前記低圧排気還流装置及び前記高圧排気還流装置の両者によってＥＧＲガスを前記吸気通路に導入する中間モードとの相互間で、ＥＧＲガスの導入モードを前記内燃機関の運転状態に応じて切り替えるモード切替手段を更に備えてもよい（請求項９）。この場合、低圧モード、高圧モード及び中間モードを内燃機関の運転状態に応じて使い分けることができる。

例えば、本発明の排気システムの一態様において、前記吸気通路に導かれる空気の空気流量に応じた信号を出力する空気流量検出手段を更に備え、前記排気還流制御手段は、前記吸気通路に導かれる空気の目標空気流量を前記燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して算出する目標空気流量算出手段と、前記モード切替手段にて前記中間モードに切り替えられた状態において、前記燃料供給手段による燃料供給の前後における前記目標空気流量の変化率に応じて前記低圧排気還流装置を操作する低圧排気還流制御手段と、前記目標空気流量算出手段の算出結果と前記空気流量検出手段の検出結果との偏差が減少するように、前記高圧排気還流装置を操作して前記高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量をフィードバック制御する高圧排気還流フィードバック制御手段と、を備えてもよい（請求項１０）。この態様によれば、中間モードにおいて、低圧排気還流装置は目標空気流量の変化率に応じて操作されるため、目標空気流量算出手段の算出結果と空気流量検出手段の検出結果との偏差が減少する。つまり低圧排気還流装置の操作によって現在の空気流量が目標空気流量へ近づけられる。その上で、その偏差が減少するように高圧排気還流装置がフィードバック制御される。高圧排気還流装置のＥＧＲガスの導入経路は低圧排気還流装置のＥＧＲガスの導入経路よりも短いため、高圧排気還流装置の応答性は低圧排気還流装置の応答性よりも優れている。従って、この態様のように低圧排気還流装置を操作しながら高圧排気還流装置を操作することによって、現在の空気流量を目標空気流量へ速やかに到達させることができる。

例えば、本発明の排気システムの一態様において、前記吸気通路に導かれる空気の目標空気流量を算出する目標空気流量算出手段と、前記吸気通路に導かれる空気の空気流量に応じた信号を出力する空気流量検出手段と、前記目標空気流量算出手段の算出結果と前記空気流量検出手段の検出結果との偏差が減少するように前記高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量をフィードバック制御する高圧排気還流フィードバック制御手段と、前記モード切替手段にて前記中間モードに切り替えられた状態において、前記燃料供給手段により燃料供給が行われた場合に、前記高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量が減少しないように前記高圧排気還流フィードバック制御手段による前記フィードバック制御を禁止するフィードバック制御禁止手段と、を更に備え、前記目標空気流量算出手段は前記燃料供給手段にて燃料が供給される場合に前記燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して前記目標空気流量を算出し、前記排気還流制御手段は、前記目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量に基づいて前記ＥＧＲ率を制御してもよい（請求項１１）。高圧排気還流フィードバック制御手段は目標空気流量と空気流量検出手段との偏差が減少するようにＥＧＲガスのガス流量をフィードバック制御するため、中間モードにおける過渡応答性が確保される。しかしながら、中間モードにおいて燃料供給手段にて燃料供給が実施された場合にこのようなフィードバック制御を行うと、目標空気流量算出手段が燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して目標空気流量を算出する結果、その目標空気流量が増加する。これに連動して、高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量が減少方向に制御されるので、吸気温度及び排気温度が低下し、それらの低下を補うために燃料供給手段が供給する燃料量を増やすことが必要となる。この態様によれば、中間モードにおいて燃料供給手段により燃料供給が行われた場合に、高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量が減少しないように高圧排気還流フィードバック制御手段によるフィードバック制御が禁止されるため、高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量の変化が抑えられる。その結果、燃料供給手段が供給する燃料量を増やす必要がなくなるので燃費悪化を抑制することができる。

本発明の排気システムの一態様において、前記排気還流制御手段は、前記導入モード切替制御手段にてＥＧＲガスの導入モードが前記高圧モードから前記低圧モードへ切り替えられた後に、前記低圧排気還流装置にて導入されたＥＧＲガスが前記内燃機関の気筒内に到達してから所定時間経過したことを条件として、前記内燃機関の気筒内に吸入される吸入ガスの酸素濃度が前記燃料供給手段による燃料供給の前後で一定となるように前記ＥＧＲ率を制御してもよい（請求項１２）。高圧モードから低圧モードへの切り替え初期は低圧排気還流装置が導入するＥＧＲガスに空気が多く含まれているため、この切り替え後、直ちに上述したＥＧＲ率の制御を行うと、気筒内へ吸入される吸入ガスの空燃比がリーン側に変化して窒素酸化物の排出量が増加するおそれがある。この態様によれば、低圧排気還流装置にて導入されたＥＧＲガスが内燃機関の気筒内に到達してから所定時間経過したことを条件としてＥＧＲ率の制御が行われるため、上述した窒素酸化物の排出量の増加を防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、排気還流装置によるＥＧＲガスの導入中に燃料供給手段にて排気通路へ燃料が供給されることにより、排気中の二酸化炭素が排気通路への燃料供給前と比べて増加した場合でも、気筒内に吸入される吸入ガスの酸素濃度が燃料供給手段による燃料供給の前後で一定になるため、内燃機関の燃焼が不安定になることが防止される。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る排気システムが適用された内燃機関の要部を示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載され、４つの気筒２が一列に並べられた直列４気筒のディーゼルエンジンとして構成されている。各気筒２には燃料噴射弁３が一つずつ設けられるとともに、吸気通路４及び排気通路５がそれぞれ接続されている。吸気通路４には空気流量に応じた信号を出力する空気流量検出手段としてのエアフローメータ６、スロットル弁７、ターボチャージャー８のコンプレッサ８ａ及び圧縮された空気を冷却するインタークーラ９が設けられている。一方、排気通路５にはターボチャージャー８のタービン８ｂ及び排気浄化装置１０が設けられている。ターボチャージャー８は不図示の可変ノズルをタービン８ｂ側に備えた可変容量型の周知のターボチャージャーである。詳細な説明は省略するが、ターボチャージャー８は可変ノズルの開度を内燃機関１の運転状態に応じて変化させることで過給圧を適宜に調整することができる。

排気浄化装置１０は、排気通路５の一部をなすケーシング１１と、そのケーシング１１に収容される酸化触媒１２及びフィルタ１３とを備えている。フィルタ１３は排気中のパティキュレートを捕集可能な不図示の多孔質の基材を有している。これにより、排気浄化装置１０はフィルタ１３にてパティキュレートを捕集する排気浄化機能を持つ。捕集したパティキュレートの量が限界に達するとフィルタ１３が目詰まりを起こして排気浄化装置１０は排気浄化機能を損なう。そこで、その限界に達する前に排気浄化装置１０の浄化機能を回復させるため、排気通路５内に燃料を噴射する燃料供給手段としての燃料添加弁１４が設けられている。燃料添加弁１４は排気浄化装置１０の及びターボチャージャー８のタービン８ｂの上流に配置される。燃料添加弁１４から燃料が噴射されることにより、燃料が排気通路５内に供給されると、酸化触媒１２が発熱しその熱によってフィルタ１３の床温が上昇する。それによりフィルタ１３が捕集したパティキュレートが酸化（燃焼）して排気浄化装置１０の浄化機能が回復する。このような操作はフィルタ再生処理と呼ばれる周知のものである。また、燃料添加弁１４は排気通路５の通路内に臨むように配置されているため、燃料の噴射が長期間おこなわれないと詰まりを起こす。そこで、所定周期で燃料添加弁１４から燃料を噴射させる詰まり防止処理が行われる。

図１に示すように、内燃機関１には排気通路５から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路４へ導入するために、排気還流装置としての低圧排気還流装置１５及び高圧排気還流装置１９がそれぞれ設けられている。低圧排気還流装置１５は排気通路５と吸気通路４とを接続する低圧排気還流通路１６と、低圧排気還流通路１６を通過するＥＧＲガスを冷却する冷却装置１７と、低圧排気還流通路１６を流れるＥＧＲガスの流量を開度変化にて調整する低圧排気還流弁１８とを備えている。低圧排気還流通路１６と排気通路５との接続位置つまりＥＧＲガスの取り出し位置１６ａは排気浄化装置１０の下流側に設定され、低圧排気還流通路１６と吸気通路４との接続位置つまりＥＧＲガスの導入位置１６ｂはスロットル弁７の下流側かつターボチャージャー８のコンプレッサ８ａの上流側に設定される。これにより、低圧排気還流装置１５は排気浄化装置１０及び燃料添加弁１４のそれぞれの下流側からＥＧＲガスを取り出してそのＥＧＲガスをコンプレッサ８ａの上流に導入する。このような経路で排気を還流する低圧排気還流装置１５はロープレッシャーループ型の排気還流装置として知られている。

一方、高圧排気還流装置１９は排気通路５と吸気通路４とを接続する高圧排気還流通路２０と、高圧排気還流通路２０を流れるＥＧＲガスの流量を開度変化にて調整する高圧排気還流弁２１とを備えている。なお、低圧排気還流装置１５と同様に高圧排気還流通路２０にＥＧＲガスを冷却する冷却装置を設けてもよい。高圧排気還流通路２０と排気通路５との接続位置つまりＥＧＲガスの取り出し位置２０ａはターボチャージャー８のタービン８ｂ及び燃料添加弁１４のそれぞれの上流側に設定され、高圧排気還流通路２０と吸気通路４との接続位置つまりＥＧＲガスの導入位置２０ｂはターボチャージャー８のコンプレッサ８ａの下流側に設定される。これにより、高圧排気還流装置１９は燃料添加弁１４の上流からＥＧＲガスを取り出してそのＥＧＲガスをコンプレッサ８ａの下流に導入する。そのため、燃料添加弁１４による供給燃料が吸気通路４に回り込むおそれがない。このような経路で排気を還流する高圧排気還流装置１９はハイプレッシャーループ型の排気還流装置として知られている。

燃料添加弁１４、低圧排気還流装置１５及び高圧排気還流装置１９のそれぞれの動作は内燃機関１を適正に制御するために設けられたコンピュータであるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２２にて制御される。ＥＣＵ２２はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置を備えており、ＥＣＵ２２にはエアフローメータ６からの信号の他、内燃機関１の回転数（回転速度）に応じた信号を出力する回転速度センサ２３からの信号、排気浄化装置１０の前後差圧に応じた信号を出力する差圧センサ２４からの信号、フィルタ１３の温度（床温）に応じた信号を出力する床温センサ２５からの信号及びタービン８ｂの下流の排気温度に応じた信号を出力する排気温センサ２６からの信号が入力される。更に、ＥＣＵ２２には、スロットル弁７の開度に関する信号、低圧排気還流弁１８の開度に関する信号及び高圧排気還流弁２１の開度に関する信号等も入力される。ＥＣＵ２２はこれらの各種信号を参照しつつ記憶装置に保持された各種のプログラムに従って内燃機関１の各気筒２へ供給する燃料噴射量や燃料噴射時期等の各種パラメータを制御する。ＥＣＵ２２が行う制御は多岐に亘るがここでは本発明に関連する制御を主に説明する。

吸気通路４へのＥＧＲガスの導入の実行及びその禁止は内燃機関１の運転状態に応じて決定される。図２はＥＧＲガスの導入を実行するための複数種類の導入モードが運転状態に対応付けられた導入モード選択マップの一例を示した概念図である。この図に示すように、ＥＧＲガスの導入が実行される場合には、ＥＣＵ２２は内燃機関１の運転状態に応じて、ここでは内燃機関１の回転数及び負荷に応じて、低圧排気還流装置１５のみを利用してＥＧＲガスの導入を行う低圧モードとしてのＬＰＬモード、高圧排気還流装置１９のみを利用してＥＧＲガスの導入を行う高圧モードとしてのＨＰＬモード及びこれらの排気還流装置１５、１９の両者を利用してＥＧＲガスの導入を行う中間モードとしてのＭＰＬモードのなかから適切な導入モードを選択し、これらのモードの相互間で導入モードを切り替える。これによりＥＣＵ２２は本発明に係るモード切替手段として機能する。

上記のいずれのモードへ切り替えられた場合でも、ＥＣＵ２２はスロットル弁７の開度を操作しつつ低圧排気還流装置１５及び高圧排気還流装置１９をそれぞれ操作してＥＧＲ率を制御する。周知のようにＥＧＲ率は各気筒２に吸入される吸入ガスに占めるＥＧＲガスの割合として定義される。

ＥＧＲガスの導入中に燃料添加弁１４にて排気通路５に燃料が供給されると、排気浄化装置１０が内蔵する酸化触媒１２上で燃料が酸化したり、またフィルタ１３に溜まったパティキュレートが酸化することにより二酸化炭素が発生する。ＥＧＲガスの取り出し位置１６ａが排気浄化装置１０の下流に設定された低圧排気還流装置１５を利用してＥＧＲガスを導入するＬＰＬモード又はＭＰＬモードの場合、燃料添加弁１４による燃料供給前と比べて二酸化炭素が増加したＥＧＲガスが吸気通路４へ導入される。そのため、燃料添加弁１４による燃料供給の前後で吸入空気流量及びＥＧＲ率を一定に維持した場合には、ＥＧＲガスの二酸化炭素が増加したことを原因として、燃料供給の前後で気筒２に吸入される吸入ガスの酸素濃度が変化して燃焼が不安定になる。

そこで、本形態のＥＣＵ２２は吸入ガスの酸素濃度が燃料添加弁１４による燃料供給の前後で一定となるようにＥＧＲ率を燃料添加弁１４が供給する燃料量を考慮して制御する。ＥＣＵ２２は吸気通路４に導かれる空気の空気流量の目標値（目標空気流量）を算出し、その算出結果に基づいてＥＧＲ率を制御する。このＥＧＲ率の制御はスロットル弁７、低圧排気還流弁１８及び高圧排気還流弁２１の開度がＥＣＵ２２にて操作することにより実現される。

まずＥＧＲ率の制御に利用される目標空気流量を算出する原理について説明する。図３は吸入ガスの酸素濃度と窒素酸化物の排出量との関係を示す説明図であり、図４はＥＧＲ率と空気過剰率との比（ＥＧＲ率／λ）と吸入ガスの酸素濃度との関係を示す説明図である。図３に示すように、吸入ガスの酸素濃度と窒素酸化物の排出量との関係には、その酸素濃度が高くなるほど窒素酸化物の排出量が増加する傾向がある。また、図４に示すように、ＥＧＲ率／λと吸入ガスの酸素濃度との関係には、ＥＧＲ率／λが大きくなるほど酸素濃度が低下する傾向がある。つまり、ＥＧＲ率／λは酸素濃度に相関する物理量である。そのため、燃料添加弁１４による燃料供給の前後でＥＧＲ率／λを一定に保持することにより、吸入ガスの酸素濃度を一定に保つことができる。酸素濃度が一定に保たれることにより燃焼が安定化して窒素酸化物の排出量も一定になる。なお、空気過剰率λは、λ＝空燃比／理論空燃比（＝１４．７）として定義される。

この形態では、以下の式１により燃料添加弁１４による燃料供給前の運転状態から目標空気流量を算出し、その燃料供給後の空気流量が式１で算出した目標空気流量Ｇ_ａ２となるようにＥＧＲ率を制御する。これによって、吸入ガスの酸素濃度が燃料添加弁１４による燃料供給前後で一定となる。

ここで、Ｇ_ａ１は燃料供給前の吸入空気流量、Ｇ_ｃｙｌ１は吸入ガスの流量、Ｇ_ｆ１は気筒２内への燃料噴射量、Ｇ_ａｄは燃料添加弁１４が供給する燃料量をそれぞれ示す。

式１は次の過程から導出される。なお、以下の説明において、燃料添加弁１４による燃料供給前の状態には各種物理量を示す文字に添え字「１」を、燃料供給後の状態には各種物理量を示す文字に添え字「２」をそれぞれ付して区別する。まず、燃料供給前後におけるＥＧＲ率／λを式２及び式３のようにしてそれぞれ算出する。

ここで、Ｅ_ＥＧＲはＥＧＲ率を、Ｇ_ＥＧＲはＥＧＲガスの流量をそれぞれ示す。

燃料供給の前後で、酸素濃度が一致するように制御するため、式２と式３とが等しいものとし、式２及び式３から式４が得られる。

更に、燃料供給前後で吸入ガスの流量Ｇ_ｃｙｌ１は変化しないものとみなし、Ｇ_ｃｙｌ１＝Ｇ_ｃｙｌ２を式４に代入すると、式４から式５が得られる。

Ｇ_ＥＧＲ、Ｇ_ｃｙｌ及びＧ_ａの間には、Ｇ_ＥＧＲ＝Ｇ_ｃｙｌ−Ｇ_ａが成立するので、これを式５に代入すると式６が得られる。

式６をＧ_ａ２に関して解くと、式７が得られる。

ここで、Ｇ_ｆ２は気筒２内への燃料噴射量Ｇ_ｆ１と燃料供給量Ｇ_ａｄとの和とみなすことができるので、式８が成立し、これを式７に代入することにより式１が導かれる。

燃料供給量Ｇ_ａｄは、燃料添加弁１４の燃料供給目的に応じて算出される値であり、上述したフィルタ再生処理、詰まり防止処理に関する各種制御ルーチンで算出される値である。例えば、フィルタ再生処理の場合には、排気浄化装置１０を通過する排気の流量をＧ_ｃａｔ、排気温度をｅｔ、フィルタ再生時のフィルタ１２の目標床温をｅｔｈｃｔｒｇとした場合、式９にて算出される。なお、式９のＣ_Ｐは比熱、Ｈｕは燃料の発熱量である。

排気浄化装置１０を通過する排気の流量Ｇ_ｃａｔは、ＥＧＲガスの導入モードに応じて成立する次の関係式から算出できる。なお、（３）のＧ_ＨＰＬは高圧排気還流通路２０を通過するＥＧＲガスの流量を示す。
（１）ＬＰＬモード：Ｇ_ｃａｔ＝Ｇ_ｃｙｌ
（２）ＨＰＬモード：Ｇ_ｃａｔ＝Ｇ_ａ
（３）ＭＰＬモード：Ｇ_ｃａｔ＝Ｇ_ｃｙｌ−Ｇ_ＨＰＬ

図５は排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。この制御ルーチンのプログラムは所定の演算周期で繰り返し実行される。図５に示すように、ステップＳ１において、ＥＣＵ２２は空気流量Ｇ_ａ１をエアフローメータ６の出力信号に基づいて取得する。次に、ステップＳ２において、気筒２内に噴射される燃料噴射量Ｇ_ｆ１を取得する。燃料噴射量Ｇ_ｆ１は図５のルーチンと並行して実行される燃料噴射制御ルーチン（不図示）により算出された値である。

次に、ステップＳ３において、吸入ガス流量Ｇ_ｃｙｌ１を取得する。吸入ガス流量Ｇ_ｃｙｌ１はＥＧＲガスの流量を取得し、この流量に空気流量Ｇ_ａ１を加算することにより取得できる。ＥＧＲガスの流量は、低圧排気還流通路１６及び高圧排気還流通路２０のそれぞれに流量センサ等の検出手段を設けて直接的に測定してもよいが、ＥＧＲガスの流量を低圧排気還流弁１８、高圧排気還流弁２１及びスロットル弁６のそれぞれの開度と、内燃機関１の回転速度とに基づいて推定することにより取得することもできる。

次に、ステップＳ４において、現在のＥＧＲガスの導入モードがＬＰＬモード又はＭＰＬモードのいずれかであるか否かを判定する。ＬＰＬモード又はＭＰＬモードの場合は、燃料添加弁１４の燃料供給による燃焼への影響が懸念されるためである。ＨＰＬモードの場合は、ＥＧＲガスが燃料添加弁１４の上流から取り出されるため、そのような懸念がない。そこで、ステップＳ５に進んで通常制御を実行し、今回のルーチンを終了する。通常制御においては、ＥＣＵ２２は内燃機関１の運転状態に応じた目標空気流量とＥＧＲ率ととを算出するとともに、算出された目標空気流量とＥＧＲ率とが得られるように低圧排気還流弁１８、高圧排気還流弁２１及びスロットル弁７の開度を制御する。通常制御において、ＥＣＵ２２は算出した目標空気流量を記憶する。

続くステップＳ６において、燃料添加弁１４による燃料供給の実行中であるか否かを判定する。この燃料供給は上述したフィルタ再生処理又は詰まり防止処理を行うことを目的としたものである。燃料供給の実行中でない場合は、燃料供給による燃焼への影響を考慮する必要がないのでステップＳ５に進み、通常制御を実行して今回のルーチンを終了する。

次に、ステップＳ７において、燃料添加弁１４が供給する燃料量Ｇ_ａｄを取得する。この燃料量は燃料供給の目的に応じて算出される。例えばフィルタ再生処理の場合には上述した式９に基づいて算出することができる。式９に基づいて算出する際には、排気温度ｅｔを排気温センサ２６からの信号に基づいて取得される。次に、ステップＳ８において、目標空気流量Ｇ_ａ２を上述した式１に基づいて算出する。続くステップＳ９において、算出した目標空気流量Ｇ_ａ２に基づいてＥＧＲ率を制御して、今回のルーチンを終了する。ＥＧＲ率の制御は低圧排気還流弁１８、高圧排気還流弁２１及びスロットル弁７の開度をＥＣＵ２２が操作することにより実現される。

以上の形態によれば、ＥＧＲガスの導入中に燃料添加弁１４にて排気通路５へ燃料が供給されることにより、排気中の二酸化炭素が燃料供給前と比べて増加した場合でも、気筒２内に吸入される吸入ガスの酸素濃度が燃料添加弁１４による燃料供給の前後で一定になる。このため内燃機関１の燃焼が不安定になることが防止される。また、低圧排気還流装置１５及び高圧排気還流装置１９が設けられてＥＧＲガスの導入モードを切り替えることができるので、低圧排気還流装置１５のみを利用したＬＰＬモード、高圧排気還流装置１９のみを利用したＨＰＬモード及びこれらの排気還流装置１５、１９の両者を利用したＭＰＬモードを内燃機関１の運転状態に応じて使い分けることができる。特に、ＬＰＬモードの場合には、ＨＰＬモードよりも低温のＥＧＲガスを導入することができる。そのため、例えば燃料添加弁１４による燃料供給がされた場合にＬＰＬモードからＨＰＬモードに切り替える形態よりもＬＰＬモードの利点を可能な限り生かすことができる。

第１の形態において、ＥＣＵ２２は、図５の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る排気還流制御手段として、図５のステップＳ８を実行することにより、本発明に係る目標空気流量算出手段として、それぞれ機能する。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図６及び図７を参照して説明する。この形態は排気還流制御の内容を除き第１の形態と同一であるため、以下第１の形態との共通部分の説明を省略する。図６は第２の形態に係る排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートであり、図７は図６に示された酸化量算出処理の内容を示すフローチャートである。なお、図６において、第１の形態に係る図５と同一処理には同一符号を付して説明を省略ないし簡略化する。

図６に示すように、ＥＣＵ２２はステップＳ７で燃料量Ｇ_ａｄを算出した後に、続くステップＳ２１でフィルタ１３に捕集されたパティキュレートの酸化量ｄｇｐｍを算出する。図７に示すように、まずステップＳ２１１でフィルタ１３の温度（床温）Ｔｄｐｒを取得する。フィルタ１３の床温はこの形態では床温センサ２５からの信号に基づいて取得するが、フィルタ１３の床温に相関する物理量からの推定により取得してもよい。次に、ステップＳ２１２において、フィルタ１３に捕集されたパティキュレートの量、即ち堆積量ｇｐｍを取得する。堆積量ｇｐｍは例えば排気浄化装置１０の前後差圧から推定することにより取得できる。前後差圧は差圧センサ２４からの信号に基づいて取得する。次に、ステップＳ２１３において、パティキュレートの酸化速度Ｖを取得する。酸化速度Ｖはフィルタ１３の床温Ｔｄｐｒに依存する物理量であるので、例えば、予め床温Ｔｄｐｒと酸化速度Ｖとの関係を記述したマップをＥＣＵ２２に保持させておき、ＥＣＵ２２がそのマップを参照することにより、現在の床温Ｔｄｐｒに基づいて酸化速度Ｖを取得することができる。次に、ステップＳ２１４で酸化量ｄｇｐｍを算出する。酸化量ｄｇｐｍは堆積量ｇｐｍに酸化速度Ｖを乗じることにより算出できる。即ち、酸化量ｄｇｐｍはｄｇｐｍ＝ｇｐｍ×Ｖにより算出できる。

図６に戻り、ステップＳ２２では、ステップＳ２１で算出した酸化量ｄｇｐｍを、これに相当する燃料量である等価燃料量Ｇ_ＰＭへ変換する。等価燃料量Ｇ_ＰＭはパティキュレートの酸化によって発生する二酸化炭素と同量の二酸化炭素が燃料添加弁１４による燃料供給の酸化によって発生したと仮定した場合、その供給燃料の燃料量を意味する。等価燃料量Ｇ_ＰＭは次の式１０に基づいて酸化量ｄｇｐｍから変換される。

ここで、Ｋは燃料添加弁１４が供給する燃料によって決まる定数である。

次に、ステップＳ８では、ステップＳ２２で得た等価燃料量Ｇ_ＰＭを考慮して目標空気流量Ｇ_ａ２を次の式１１に基づいて算出する。

この形態によれば、パティキュレートの酸化量がその酸化量に相当する等価燃料量に変換され、その等価燃料量を考慮して目標空気流量が算出される。これにより、パティキュレートの酸化によって生じる二酸化炭素が目標空気流量の算出に考慮されることになるのでより正確なＥＧＲ率の制御が可能となる。

第２の形態において、ＥＣＵ２２は、図６の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る排気還流制御手段として、図６のステップＳ２２を実行することにより、本発明に係る変換手段として、図６のステップＳ８を実行することにより、本発明に係る目標空気流量算出手段として、それぞれ機能する。

（第３の形態）
次に、本発明の第３の形態を図８を参照して説明する。本形態は図８に示した処理を図５のステップＳ９又は図６のステップＳ９に置き換えて実施するもので、上述した各形態と組み合わせて実施される。

図８は図５のステップＳ９又は図６のステップＳ９に置き換えて実施される処理の一例を示したフローチャートである。まず、ＥＣＵ２２はステップＳ３１で燃料添加弁１４による燃料供給時期から、その燃料の供給に伴って気筒２内に吸入される吸入ガスの二酸化炭素濃度の変化が現れるまでの遅れ時間Ｔｄを算出する。この遅れ時間Ｔｄは燃料添加弁１４の位置を通過した排気が低圧排気還流通路１６及び吸気通路４を経由して気筒２へ到達するまでに要する時間である。遅れ時間Ｔｄは内燃機関１の回転速度に応じて変化するため、予め実験的に遅れ時間Ｔｄを測定し、その測定結果をマップにてＥＣＵ２２に保持しておき、現在の回転速度に応じた遅れ時間Ｔｄをそのマップを参照することによって算出することもできる。また、燃料添加弁１４の位置を通過した排気が低圧排気還流通路１６及び吸気通路４を経由して気筒２へ到達するまでの経路の容積をＶ、内燃機関１の運転サイクルの１サイクル当たりの排気量をＧ_ｅｘとすると、気筒２から排出された排気が吸気されるまでにＶ／Ｇ_ｅｘサイクル遅れることになる。Ｖ／Ｇ_ｅｘは予め知ることができるため、現在の回転速度とＶ／Ｇ_ｅｘとに基づいて遅れ時間Ｔｄを算出することもできる。

次に、ステップＳ３２において、燃料添加弁１４による燃料供給時期からの経過時間Ｔを取得し、続くステップＳ３３において経過時間Ｔが遅れ時間Ｔｄ以上であるか否かを判定する。経過時間Ｔが遅れ時間Ｔｄ以上の場合はステップＳ３４に進む。ステップＳ３４は図５のステップＳ９又は図６のステップＳ９と同一処理である。即ち、目標空気流量Ｇ_ａ２に基づいた上述したＥＧＲ率の制御が行われる。一方、経過時間Ｔが遅れ時間Ｔｄに満たない場合はステップＳ３５に進む。ステップＳ３５は図５のステップＳ５又は図６のステップＳ５と同一処理であり、上述した通常制御が行われる。

この形態によれば、遅れ時間Ｔｄと同期して上述したＥＧＲ制御が実行されることになるので制御精度が向上する。これにより、燃料添加弁１４の燃料供給に伴う燃焼不安定を確実に防止できるようになる。

なお、この形態は次のように変更して実施してよい。燃料添加弁１４は使用目的に応じて燃料を所定の間隔で複数回供給する場合がある。図９は燃料供給の間隔と吸気ガスの二酸化炭素濃度の時間的変化とを示した説明図である。なお、この図では上述したＥＧＲ率の制御を行っていない。図９に示すように、燃料供給が長い間隔ＩＮＴ１の場合は破線で示すように二酸化炭素濃度の変化のピークが燃料供給毎に現れるのに対し、燃料供給が短い間隔ＩＮＴ２の場合は実線で示すように二酸化炭素濃度の変化のピークがなまされる。つまり、燃料供給の間隔が短いほど二酸化炭素濃度の変化のピークがなまされる。そのため、燃料供給の間隔が吸気ガスの二酸化炭素濃度が略一定状態とみなすことができる範囲の上限値である所定の基準ＩＮＴｓ以下の場合には、燃料供給の度に図８で説明した同期を取る必要がない。このような場合に同期を取ると、却って制御が不安定になる可能性もある。そこで、図８の制御を図１０に示す制御に変更することで、燃料供給の間隔を考慮して同期を取ることができる。

図１０に示すように、まずステップＳ３６で燃料供給の間隔が基準ＩＮＴｓ以下か否かを判定し、基準ＩＮＴｓ以下の場合はステップＳ３７に進み、そうでない場合はステップＳ３１に進む。ステップＳ３７では、燃料供給が初回のものか否かを判定する。この判定は前回の燃料供給からの経過時間や、本実施形態のルーチンと並行して実行されるフィルタ再生処理等の制御状態から判別することが可能である。燃料供給が初回のものであると判定した場合は、同期を取る必要があるためステップＳ３１に進み、初回のものでない場合はステップＳ３１〜ステップＳ３３をスキップしてステップＳ３４に進む。ステップＳ３１〜ステップＳ３５は図８と同一であるので説明を省略する。

図１０に示した形態によれば、燃料供給の間隔が基準ＩＮＴｓ以下の場合、初回の燃料供給に係る遅れ時間Ｔｄに同期させた後は、次の燃料供給までは継続してＥＧＲ率の制御が行われる。なお、初回とは一群の燃料供給の最初である場合の他、前回の燃料供給から所定時間経過した後に行われる燃料供給も含まれる。従って、燃料供給の間隔が基準ＩＮＴｓ以下の場合には、前回の燃料供給で同期が取られた場合には次の燃料供給には同期されない。これにより、効率的なＥＧＲ率の制御が可能となり、制御の安定性も向上する。

第３の形態において、ＥＣＵ２２は、図８の処理を図５のステップＳ８又は図６のステップＳ８に置き換えて図５又は図６の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る排気還流制御手段として機能する。

（第４の形態）
次に、本発明の第４の形態を図１１を参照して説明する。この形態は上述した各形態と組み合わせて実施される。その概要は、上述したＭＰＬモードの際に目標空気流量の変化率に応じて低圧排気還流装置を操作する一方で、高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量を目標空気流量と実際の空気流量との偏差が減少するようにフィードバック制御するものである。

図１１は第４形態に係る排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。この図において、図５のルーチンと同一の処理は同一符号を付して説明を省略する。ＥＣＵ２２はステップＳ８にて目標空気流量Ｇ_ａ２を算出した後、続くステップＳ４１にてＭＰＬモードか否かを判定する。ＭＰＬモードの場合はステップＳ４２に進み、そうでない場合、つまりＬＰＬモードの場合はステップＳ９に進んで上述した制御を行う。

ステップＳ４２では燃料添加弁１４による燃料供給の前後における目標空気流量の変化率を算出する。この変化率は、燃料供給の実行前にステップＳ５で算出及び記憶した目標空気流量とステップ８で算出した目標空気流量との比に相当する。続くステップＳ４３では低圧排気還流弁１８の開度が上記の変化率に応じた開度となるように低圧排気還流装置１５を操作する。低圧排気還流弁１８の開度の算出は、目標空気流量の変化率を変数として燃料供給の前後における排気還流弁１８の開度比を与えるマップをＥＣＵ２２に保持させておき、ＥＣＵ２２がそのマップを参照することにより開度比を取得し、その開度比を現在の低圧排気還流弁１８の開度に乗じることで実現できる。そのマップは燃料供給の前後で酸素濃度が一定となる空気流量の比と、その空気流量の比に対応する燃料供給の前後における低圧排気還流弁１８の開度比とを実験的にそれぞれ求めることによって作成することができる。次に、ステップＳ４４では、空気流量Ｇ_ａ１と目標空気流量Ｇ_ａ２との偏差が減少するように、高圧排気還流装置１９を操作して導入されるＥＧＲガスのガス流量をフィードバック制御して今回のルーチンを終了する。

この形態によれば、ＭＰＬモードにおいて、低圧排気還流装置１５は目標空気流量の変化率に応じて操作されるため、空気流量Ｇ_ａ１と目標空気流量Ｇ_ａ２との偏差が減少する。つまり低圧排気還流装置１５の操作によって現在の空気流量が目標空気流量Ｇ_ａ２へ近づけられる。その上で、空気流量Ｇ_ａ１と目標空気流量Ｇ_ａ２との偏差が減少するように高圧排気還流装置１９がフィードバック制御される。高圧排気還流装置１９のＥＧＲガスの導入経路は低圧排気還流装置１５のＥＧＲガスの導入経路よりも短いため、高圧排気還流装置１９の応答性は低圧排気還流装置１５の応答性よりも優れている。従って、この形態のように低圧排気還流装置１５を操作しながら高圧排気還流装置１９を操作することによって、現在の空気流量を目標空気流量Ｇ_ａ２へ速やかに到達させることができる。

この形態において、ＥＣＵ２２は、図１１の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る排気還流制御手段として、図１１のステップＳ５及びステップＳ８を実行することにより、本発明に係る目標空気流量算出手段として、図１１のステップＳ４２及びステップＳ４３を実行することにより、本発明に係る低圧排気還流制御手段として、図１１のステップＳ４４を実行することにより、高圧排気還流フィードバック制御手段として、それぞれ機能する。

（第５の形態）
次に、本発明の第５の形態を図１２を参照して説明する。この形態は上述した第４の形態を除く各形態と組み合わせて実施される。その概要は、上述したＭＰＬモードの際に高圧排気還流装置１９にて導入されるＥＧＲガスのガス流量を、目標空気流量と実際の空気流量との偏差が減少するようにフィードバック制御する一方で、燃料添加弁１４による燃料供給の実行中である場合にそのフィードバック制御を禁止するものである。

このようなフィードバック制御によりＭＰＬモードにおける過渡応答性が確保される。しかし、ＭＰＬモードにおいて燃料添加弁１４にて燃料供給が実施された場合にもフィードバック制御を続けると、上述した各形態で燃料添加弁１４による燃料供給量を考慮して目標空気流量が算出された場合に目標空気流量が増加する。そして、この増加に連動して、高圧排気還流装置１９にて導入されるＥＧＲガスのガス流量が減少方向に制御されるので、吸気温度及び排気温度が低下し、それらの低下を補うために燃料添加弁１４が供給する燃料量を増やすことが必要となり燃費悪化を引き起こす。そこで、ＥＣＵ２２は図１２に示す制御ルーチンを所定周期で繰り返し実行してこのような問題の発生を防止する。

図１２に示すように、まずステップＳ５１において、ＥＣＵ２２は目標空気流量を算出する。目標空気流量は内燃機関１の運転状態に応じて算出される。上述した式１により算出することも可能である。次に、ステップＳ５２において、エアフローメータ６の信号から現在の空気流量を取得する。

次に、ステップＳ５３において、現在の導入モードがＭＰＬモードか否かを判定する。ＭＰＬモードでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。一方、ＭＰＬモードである場合はステップＳ５４に進み、燃料添加弁１４による燃料供給の実行中であるか否かを判定する。

燃料供給の実行中でないときは、ステップＳ５５に進み、ステップＳ５１で算出した目標空気流量とステップＳ５２で取得した空気流量との偏差が減少するように高圧排気還流装置１９にて導入されるガス流量を減少方向に制御して今回のルーチンを終える。ステップＳ５５の制御は高圧排気還流弁２１の開度を操作することにより実現される。一方、燃料供給の実行中であるときは、このようなフィードバック制御を禁止して今回のルーチンを終える。フィードバック制御が禁止されるので、燃料供給に伴う目標空気流量の変化によって高圧排気還流弁２１が絞られてＥＧＲガスのガス流量が減少することが防止される。

この形態によれば、ＭＰＬモードにおいて燃料添加弁１４により燃料供給が行われた場合に、高圧排気還流装置１９にて導入されるＥＧＲガスのガス流量が減少しないようにフィードバック制御が禁止されるため、高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量の変化が抑えられる。その結果、燃料添加弁１４が供給する燃料量を増やす必要がなくなるので燃費悪化を抑制することができる。

第５の形態において、ＥＣＵ２２は、上述した各形態の排気還流制御を実行することにより、排気還流制御手段及び目標空気流量算出手段として機能し、図１２のステップＳ５５の処理を実行することにより、本発明に係る高圧排気還流フィードバック制御手段として、図１２のステップＳ５６の処理を実行することにより、本発明に係るフィードバック制御禁止手段として、それぞれ機能する。

（第６の形態）
次に、本発明の第６の形態を図１３を参照して説明する。この形態は上述した各形態と組み合わせて実施される。この形態に固有の部材を図１に破線で示し、以下の説明では図１を代用する。図１に破線で示すように、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃度検出手段としての酸素濃度センサ２７が排気浄化装置１０の下流に設けられ、その酸素濃度センサ２７の信号はＥＣＵ２２に入力される。上述した各形態では、燃料添加弁１４による燃料供給の前後で吸入ガスの酸素濃度が一定となるように、燃料供給後の目標空気流量を計算により求めている。換言すれば、上述した各形態は、燃料添加弁１４による燃料供給前の運転状態から燃料供給後の目標空気流量を予測しているものである。実際の内燃機関１の運転中には種々の要因でその予測結果と実際の状況とが完全に一致せず、これらの間にずれが生じる可能性がある。そこで、本形態では、そのようなずれを解消するため、上述した式１又は式１１で算出された目標空気流量を酸素濃度センサ２７にて測定した酸素濃度に基づいて補正する。

図１３は第６の形態に係る補正制御の制御ルーチンの一例を示している。このルーチンのプログラムは所定の演算間隔で繰り返し実行される。まず、ＥＣＵ２２はステップＳ６１で酸素濃度センサ２７の信号に基づいて排気浄化装置１０の下流に流れる排気の酸素濃度の測定値を取得する。次に、ステップＳ６２で酸素濃度の基準値を算出する。この基準値は内燃機関１の運転状態に応じた酸素濃度であり、予め実験的に求められている。次に、ステップＳ６３で測定値と基準値との偏差を算出してステップＳ６４に進み、その偏差に応じて式１又は式１１にて算出された目標空気流量Ｇ_ａ２を補正する。そして、今回のルーチンを終了する。目標空気流量Ｇ_ａ２は偏差が大きいほど補正の度合いが大きくなるように補正される。

この形態によれば、予め求めておいた基準値からの偏差に応じて目標空気流量Ｇ_ａ２が補正されるので、仮に、予測された燃料供給後の状況と実際の状況との間にずれが生じてもそのずれを解消することができるためＥＧＲ率の制御精度が向上する。

第６の形態において、ＥＣＵ２２は、上述した各形態の排気還流制御を実行することにより本発明に係る排気還流制御手段及び目標空気流量算出手段として機能し、図１３の制御を実行することにより、本発明に係る空気流量補正手段として機能する。

（第７の形態）
次に、本発明の第７の形態を図１４を参照して説明する。本形態は図１４に示した処理を図５のステップＳ９又は図６のステップＳ９に置き換えて実施するもので、上述した各形態と組み合わせて実施される。

図１４は図５のステップＳ９又は図６のステップ９に置き換えて実施される処理の一例を示したフローチャートである。まず、ＥＣＵ２２はステップＳ７１でＨＰＬモードからＬＰＬモードへ切り替えられたか否かを判定する。このような切り替えが行われていない場合はステップＳ７５に進んで通常制御を行って今回のルーチンを終える。即ち、各導入モードに応じたＥＧＲ率の制御が行われてから今回のルーチンが終了する。

次に、ＨＰＬモードからＬＰＬモードへの切り替えが行われた場合にはステップＳ７２に進んで、低圧排気還流装置１５からのＥＧＲガスが気筒２内に到達したか否かを判定する。ＥＧＲガスが気筒２内に到達までの到達時間は空気流量に応じて変化する。そのため、予め空気流量毎に到達時間を実験的に求めておき、空気流量を変数として到達時間を与えるマップをＥＣＵ２２に記憶させ、ＥＣＵ２２がマップを参照することにより到達時間を推定することができる。これにより、ステップＳ７２の判定はそのように推定した到達時間と導入モードの切替時期からの経過時間とを比較することにより実現可能である。

ステップＳ７２でＥＧＲガスが気筒２内に到達していない場合はステップＳ７５に進んで通常制御が行われる。一方、ＥＧＲガスが気筒２内に到達した場合はステップＳ７３に進み、到達から所定時間経過したか否かを判定する。所定時間は、切替初期にＥＧＲガスに多く含まれていた空気の含有量が十分に減ってＥＧＲガスの成分が安定したとみなすことができる時間として、内燃機関１の運転状態に応じて設定される。所定時間を経過していない場合は、ステップＳ７５に進み通常制御が行われる。一方、所定時間を経過した場合にはステップＳ７４に進んで上述したＥＧＲ率の制御が行われ、その後、今回のルーチンを終える。

この形態によれば、ＨＰＬモードからＬＰＬモードへの切り替え後、ＥＧＲガスの成分が安定してから上述したＥＧＲ率が行われるため、気筒内へ吸入される吸入ガスの空燃比がリーン側に変化することが防止される。これにより、窒素酸化物の排出量が増加を抑制することができる。

第７の形態において、ＥＣＵ２２は、図１４の処理を図５のステップＳ８又は図６のステップＳ８に置き換えて図５又は図６の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る排気還流制御手段として機能する。

本発明は上記の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上記の各形態ではターボチャージャー付きの内燃機関に本発明を適用しているが、適用対象の内燃機関がターボチャージャーを備えていなくてもよい。また、排気還流装置の構成も、燃料供給手段及び排気浄化手段の下流からＥＧＲガスを取り出すものであることを限度として特段の制限はなく図示の形態に限定されない。

また、図１に示したフィルタ１３の基材に吸蔵還元型のＮＯｘ触媒物質をコーティングすることにより、排気浄化装置１０にパティキュレートの捕集機能の他にＮＯｘを吸蔵して還元する排気浄化機能を与えてもよい。排気浄化装置１０がこのような機能を持つ場合には、ＮＯｘの吸蔵量が限界に達する前に、燃料添加弁１４から燃料を噴射して排気の空燃比を一時的にリッチ側に設定することにより吸蔵したＮＯｘを還元させるリッチスパイク処理が行われる。また、排気浄化装置１０が硫黄被毒した場合には、それを解消して排気浄化機能を回復させるため、燃料添加弁１４から燃料を噴射させる周知の硫黄被毒再生処理も行われる。リッチスパイク処理や硫黄被毒再生処理は、排気通路５に燃料を供給する点で上述したフィルタ再生処理や詰まり防止処理と共通するので、上述した各形態の制御と同様の制御をリッチスパイク処理の際に又は硫黄被毒再生処理の際に実行する形態で本発明の排気システムを実施してもよい。

また、高圧排気還流通路２０に不図示の冷却装置を設け、ＭＰＬモード又はＬＰＬモードへ切り替えるべき一部の運転領域で、例外的に高圧排気還流装置１９によって冷却装置を経由したＥＧＲガスの導入を行うこともできる。こうすることで、空気温度温度が過剰に上昇することが抑制されるためスモークの増加を防止できる。また、その間には高圧排気還流装置１９によってＥＧＲガスが導入されるため、フィルタ１３を通過する排気の流量を正確に見積もることができる。これにより、式９を利用した燃料添加弁１４による燃料量の算出精度の悪化を防止できる。

本発明の一形態に係る排気システムが適用された内燃機関の要部を示した図。ＥＧＲガスの導入を実行するための複数種類のモードが運転状態に対応付けられたモード選択マップの一例を示した概念図。吸入ガスの酸素濃度と窒素酸化物の排出量との関係を示す説明図。ＥＧＲ率と空気過剰率との比（ＥＧＲ率／λ）と吸入ガスの酸素濃度との関係を示す説明図。第１の形態に係る排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第２の形態に係る排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。図６に示された酸化量算出処理の内容を示すフローチャート。図５のステップＳ９又は図６のステップＳ９に置き換えて実施される第３の形態に係る処理の一例を示したフローチャート。燃料供給の間隔と吸気ガスの二酸化炭素濃度の時間的変化とを示した説明図。図８の制御の変形例を示したフローチャート。第４の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第５の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第６の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。図５のステップＳ９又は図６のステップＳ９に置き換えて実施される第７の形態に係る処理の一例を示したフローチャート。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
４吸気通路
５排気通路
８ターボチャージャー
８ａコンプレッサ
８ｂタービン
１０排気浄化装置（排気浄化手段）
１３フィルタ（排気浄化手段）
１４燃料添加弁（燃料供給手段）
１５低圧排気還流装置（排気還流装置）
１９高圧排気還流装置（排気還流装置）
２２ＥＣＵ（排気還流制御手段、変換手段、目標空気流量算出手段、空気流量補正手段、モード切替手段、高圧排気還流フィードバック制御手段、フィードバック制御禁止手段）
２７酸素濃度センサ（酸素濃度検出手段）

Claims

内燃機関の排気通路に配置されて排気を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段の上流に配置されて前記排気通路内に燃料を供給する燃料供給手段と、前記排気浄化手段の下流から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して前記内燃機関の吸気通路へ導入する排気還流装置と、前記排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスと前記吸気通路に導かれる空気とが混合された状態で前記内燃機関の気筒内に吸入される吸入ガスの酸素濃度が前記燃料供給手段による燃料供給の前後で一定となるように、前記吸入ガスに占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を前記燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して制御する排気還流制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気システム。
前記内燃機関には、前記吸気通路に配置されるコンプレッサと前記コンプレッサと一体回転可能な状態で前記排気通路に配置されるタービンとを有し、前記タービンが得た排気エネルギにて前記コンプレッサを駆動して過給するターボチャージャーが設けられ、
前記排気還流装置として、前記排気通路からのＥＧＲガスの取り出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの下流に、前記吸気通路へのＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの上流にそれぞれ設定された低圧排気還流装置が設けら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排気システム。
前記排気浄化手段として、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタが設けられ、
前記排気還流制御手段は、前記フィルタが捕集したパティキュレートが前記燃料供給手段による燃料供給に伴って酸化したパティキュレートの酸化量を、前記酸化量に相当する等価燃料量へ変換する変換手段と、前記変換手段により変換された前記等価燃料量を考慮して、前記吸気通路に導かれる空気の目標空気流量を算出する目標空気流量算出手段とを備えるとともに、前記目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量に基づいて前記ＥＧＲ率を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気システム。
前記排気還流制御手段は、前記燃料供給手段による燃料供給の前後で前記吸入ガスの流量が一定であるものとみなして前記燃料供給手段による燃料供給後に前記吸気通路に導かれる空気の目標空気流量を前記燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して算出する目標空気流量算出手段を備えるとともに、前記目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量に基づいて前記ＥＧＲ率を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気システム。
前記目標空気流量算出手段は、前記目標空気流量をＧ_ａ２、前記燃料供給手段による燃料供給前の吸入空気流量をＧ_ａ１、前記吸入ガスの流量をＧ_ｃｙｌ１、前記気筒内への燃料噴射量をＧ_ｆ１、前記燃料供給手段が供給する燃料量をＧ_ａｄとした場合、次式

に基づいて目標空気流量を算出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気システム。
前記排気浄化手段の下流に配置され、排気の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃度検出手段を更に備え、
前記排気還流制御手段は、前記目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量を前記酸素濃度検出手段の検出結果を考慮して補正する空気流量補正手段を備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気システム。
前記排気還流制御手段は、前記燃料供給手段による燃料供給の時期から、当該燃料の供給に伴って前記吸入ガスの二酸化炭素濃度の変化が現れるまでの遅れ時間と同期するようにして前記ＥＧＲ率を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気システム。
前記燃料供給手段は、所定の間隔で燃料を複数回供給するように構成されており、
前記排気還流制御手段は、前記間隔が所定の基準以下の場合に、前回の燃料供給に係る前記遅れ時間に前記ＥＧＲ率の制御を同期させた後は、次の燃料供給まで継続して前記ＥＧＲ率を制御することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気システム。
前記内燃機関には、前記吸気通路に配置されるコンプレッサと前記コンプレッサと一体回転可能な状態で前記排気通路に配置されるタービンとを有し、前記タービンが得た排気エネルギにて前記コンプレッサを駆動して過給するターボチャージャーが設けられ、
前記排気還流装置として、前記排気通路からのＥＧＲガスの取り出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの下流に、前記吸気通路へのＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの上流にそれぞれ設定された低圧排気還流装置と、前記排気通路からのＥＧＲガスの取り出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの上流に、前記吸気通路へのＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの下流にそれぞれ設定された高圧排気還流装置とがそれぞれ設けられ、
前記低圧排気還流装置のみによりＥＧＲガスを前記吸気通路に導入する低圧モードと、前記高圧排気還流装置のみによりＥＧＲガスを前記吸気通路に導入する高圧モードと、前記低圧排気還流装置及び前記高圧排気還流装置の両者によってＥＧＲガスを前記吸気通路に導入する中間モードとの相互間で、ＥＧＲガスの導入モードを前記内燃機関の運転状態に応じて切り替えるモード切替手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気システム。
前記吸気通路に導かれる空気の空気流量に応じた信号を出力する空気流量検出手段を更に備え、
前記排気還流制御手段は、前記吸気通路に導かれる空気の目標空気流量を前記燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して算出する目標空気流量算出手段と、前記モード切替手段にて前記中間モードに切り替えられた状態において、前記燃料供給手段による燃料供給の前後における前記目標空気流量の変化率に応じて前記低圧排気還流装置を操作する低圧排気還流制御手段と、前記目標空気流量算出手段の算出結果と前記空気流量検出手段の検出結果との偏差が減少するように、前記高圧排気還流装置を操作して前記高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量をフィードバック制御する高圧排気還流フィードバック制御手段と、を備えることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気システム。
前記吸気通路に導かれる空気の目標空気流量を算出する目標空気流量算出手段と、前記吸気通路に導かれる空気の空気流量に応じた信号を出力する空気流量検出手段と、前記目標空気流量算出手段の算出結果と前記空気流量検出手段の検出結果との偏差が減少するように前記高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量をフィードバック制御する高圧排気還流フィードバック制御手段と、前記モード切替手段にて前記中間モードに切り替えられた状態において、前記燃料供給手段により燃料供給が行われた場合に、前記高圧排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量が減少しないように前記高圧排気還流フィードバック制御手段による前記フィードバック制御を禁止するフィードバック制御禁止手段と、を更に備え、
前記目標空気流量算出手段は前記燃料供給手段にて燃料が供給される場合に前記燃料供給手段が供給する燃料量を考慮して前記目標空気流量を算出し、
前記排気還流制御手段は、前記目標空気流量算出手段が算出した目標空気流量に基づいて前記ＥＧＲ率を制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気システム。
前記排気還流制御手段は、前記導入モード切替制御手段にてＥＧＲガスの導入モードが前記高圧モードから前記低圧モードへ切り替えられた後に、前記低圧排気還流装置にて導入されたＥＧＲガスが前記内燃機関の気筒内に到達してから所定時間経過したことを条件として、前記内燃機関の気筒内に吸入される吸入ガスの酸素濃度が前記燃料供給手段による燃料供給の前後で一定となるように前記ＥＧＲ率を制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気システム。