JP2017166356A - Control device for internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an internal combustion engine control device capable of reducing the increase of a NOx concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine due to the fact that an equivalence ratio is locally high in a combustion zone in a combustion chamber.SOLUTION: An actual combustion temperature is specified from the measured value of a NOx concentration on the basis of a correspondence between a NOx concentration measured in advance in an exhaust gas and a burning temperature. On the basis of a 2-area model, in which a combustion chamber inside (cylinder) is divided into a combustion area and a non-combustion area, an equivalence ratio in a combustion area capable of achieving that real combustion temperature is estimated. The valve closing timing of an intake valve is controlled so that the equivalence ratio estimated may approach a target equivalence ratio.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳しくは、本発明は、少なくとも吸気バルブの位相可変機構を備える内燃機関の制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for an internal combustion engine. More specifically, the present invention relates to a control device for an internal combustion engine that includes at least a phase variable mechanism of an intake valve.

当該技術分野においては、内燃機関から大気中に排出される窒素酸化物(以降、「NOx」と称呼される場合がある。)の削減を目的として排気再循環装置(以降、「EGR装置」と称呼される場合がある。)を備える内燃機関が知られている。EGR装置は、排気の一部を内燃機関の吸気系に再循環させて燃焼室における混合気の燃焼温度を下げることにより内燃機関におけるNOxの生成量を低減することができる。   In this technical field, an exhaust gas recirculation device (hereinafter referred to as an “EGR device”) for the purpose of reducing nitrogen oxides (hereinafter sometimes referred to as “NOx”) discharged from an internal combustion engine into the atmosphere. Internal combustion engines are known that may be referred to. The EGR device can reduce the amount of NOx generated in the internal combustion engine by recirculating part of the exhaust gas to the intake system of the internal combustion engine to lower the combustion temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber.

しかしながら、例えば内燃機関の運転状況によっては、EGR装置によって再循環される排気の量(以降、「EGR量」と称呼される場合がある。)が不十分となり、十分なNOx低減効果を得ることができない場合がある。そこで、当該技術分野においては、吸気バルブ及び排気バルブの位相可変機構(以降、「VVT機構」と称呼される場合がある。)を備える内燃機関において所謂「バルブオーバーラップ」の期間を延長して内部EGRを実行し、EGR装置による外部EGRによるEGR量の不足を補う技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。   However, depending on the operating condition of the internal combustion engine, for example, the amount of exhaust gas recirculated by the EGR device (hereinafter sometimes referred to as “EGR amount”) becomes insufficient, and a sufficient NOx reduction effect is obtained. May not be possible. Therefore, in this technical field, a so-called “valve overlap” period is extended in an internal combustion engine provided with a phase variable mechanism of an intake valve and an exhaust valve (hereinafter sometimes referred to as “VVT mechanism”). A technique has been proposed in which internal EGR is executed to compensate for an insufficient EGR amount due to external EGR by an EGR device (see, for example, Patent Document 1).

特開2008−150957号公報JP 2008-150957 A

石田正弘、松村昇、植木弘信、山口征則、駱貴峰、「2領域モデルによるディーゼル燃焼解析(第1報,モデル解析と実験の比較)、日本機械学會論文集(B編)、一般社団法人日本機械学会、1994年5月25日、60巻、573号、p.1845−1851Masahiro Ishida, Noboru Matsumura, Hironobu Ueki, Masanori Yamaguchi, Takamine Tsuji, “Diesel Combustion Analysis by Two-Region Model (1st Report, Comparison of Model Analysis and Experiment), Japan Mechanics Journal (B), Japan Japan Society of Mechanical Engineers, May 25, 1994, Vol. 60, No. 573, p.

前述したように、当該技術分野においては、EGR装置によるEGR量の不足に起因するNOx低減効果の不足をVVT機構によるEGR量の増大によって補うことにより、十分なNOx低減効果を達成しようとする技術が知られている。しかしながら、内燃機関の排気中のNOx濃度の増大は、EGR量の不足のみならず、燃焼室内の燃焼領域における(局所的な)当量比が高い(リッチである)ことによっても生じ得る。当業者に周知であるように、「当量比」とは、混合気の空燃比に対する理論空燃比の比であり、空気過剰率の逆数である。   As described above, in this technical field, a technique for achieving a sufficient NOx reduction effect by compensating for the shortage of the NOx reduction effect caused by the shortage of the EGR amount by the EGR device by the increase of the EGR amount by the VVT mechanism. It has been known. However, the increase in the NOx concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine can be caused not only by a shortage of the EGR amount but also by a high (local) equivalence ratio in the combustion region in the combustion chamber. As is well known to those skilled in the art, the “equivalent ratio” is the ratio of the stoichiometric air-fuel ratio to the air-fuel ratio of the air-fuel mixture, and is the reciprocal of the excess air ratio.

例えば、図1のグラフに示すように、燃焼室内の燃焼領域における当量比(Φ)がその目標値(目標当量比)を含む所定の範囲(網掛け部分)よりも大きくなるにつれて、排気中のNOx濃度が増大する。一方、燃焼室内の燃焼領域における当量比(Φ)が上記所定の範囲よりも小さくなるにつれて、騒音が悪化したり、失火により排気中の未燃炭化水素(THC)が増大したりする。   For example, as shown in the graph of FIG. 1, as the equivalence ratio (Φ) in the combustion region in the combustion chamber becomes larger than a predetermined range (shaded portion) including the target value (target equivalence ratio), The NOx concentration increases. On the other hand, as the equivalence ratio (Φ) in the combustion region in the combustion chamber becomes smaller than the predetermined range, noise worsens or unburned hydrocarbon (THC) in the exhaust increases due to misfire.

上述した従来技術に係る内燃機関の制御装置においては、EGR量の不足に起因するNOx濃度の増大については抑制可能であるが、燃焼領域における当量比が高いことに起因するNOx濃度の増大については抑制することができない。即ち、燃焼領域における当量比が高いことに起因して内燃機関の排気中のNOx濃度が増大している場合、EGR量を増大させても燃焼領域における当量比を下げることができず、結果として、NOx濃度を下げることができない。   In the control device for an internal combustion engine according to the above-described prior art, it is possible to suppress an increase in the NOx concentration due to a shortage of the EGR amount, but an increase in the NOx concentration due to a high equivalence ratio in the combustion region. It cannot be suppressed. That is, when the NOx concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine is increased due to the high equivalence ratio in the combustion region, even if the EGR amount is increased, the equivalence ratio in the combustion region cannot be lowered. , NOx concentration cannot be lowered.

更に、燃焼室内の燃焼領域における(局所的な)当量比が高い(リッチである)ということは、当該領域に燃料が過剰に供給されていることを意味する。従って、図2のグラフに示すように、燃焼室内の燃焼領域における当量比(Φ)がその目標値(目標当量比)を含む所定の範囲(網掛け部分)よりも大きくなるにつれて、内燃機関の燃料消費率が増大する(燃費が悪化する)。このような状態は、省資源及び環境保護の観点から望ましくない。一方、燃焼室内の燃焼領域における当量比(Φ)が上記所定の範囲よりも小さくなるにつれて、騒音が悪化したり、失火により排気中の未燃炭化水素(THC)が増大したりする。   Further, a high (local) equivalence ratio in the combustion region in the combustion chamber means that the fuel is excessively supplied to the region. Therefore, as shown in the graph of FIG. 2, as the equivalence ratio (Φ) in the combustion region in the combustion chamber becomes larger than a predetermined range (shaded portion) including the target value (target equivalence ratio), the internal combustion engine The fuel consumption rate increases (fuel consumption deteriorates). Such a state is undesirable from the viewpoint of resource saving and environmental protection. On the other hand, as the equivalence ratio (Φ) in the combustion region in the combustion chamber becomes smaller than the predetermined range, noise worsens or unburned hydrocarbon (THC) in the exhaust increases due to misfire.

本発明は、上記課題を解決するために為されたものである。即ち、本発明は、燃焼室内の燃焼領域において当量比が局所的に高いことに起因する内燃機関の排気中のNOx濃度の増大を低減することができる内燃機関の制御装置を提供することを1つの目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems. That is, the present invention provides a control device for an internal combustion engine that can reduce an increase in the concentration of NOx in the exhaust gas of the internal combustion engine due to the locally high equivalence ratio in the combustion region in the combustion chamber. One purpose.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究の結果、排気中のNOx濃度と燃焼温度との対応関係に基づいてNOx濃度の実測値から実燃焼温度を特定し、燃焼室内(筒内)を燃焼領域と未燃焼領域とに区分する2領域モデルに基づいて、この実燃焼温度を達成し得る燃焼領域における当量比を推定し、この推定された当量比を目標当量比に近づけるように吸気バルブの閉弁時期を制御することにより、上記目的を達成し得ることを見出した。   As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems, the present inventor has determined the actual combustion temperature from the measured value of the NOx concentration based on the correspondence relationship between the NOx concentration in the exhaust gas and the combustion temperature, and the combustion chamber (in-cylinder) Based on a two-region model that divides the combustion region into an unburned region, the equivalence ratio in the combustion region that can achieve the actual combustion temperature is estimated, and the intake air is taken so that the estimated equivalence ratio approaches the target equivalence ratio. It has been found that the above object can be achieved by controlling the valve closing timing.

上記に鑑みて、本発明に係る内燃機関の制御装置(以降、「本発明装置」と称呼される場合がある。)は、燃焼室から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の濃度であるNOx濃度を検出するNOxセンサと、燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサと、燃焼室内に供給される燃焼の量である燃料供給量を制御する燃料供給機構と、少なくとも吸気バルブの閉弁時期を制御するバルブ位相可変機構と、を備える内燃機関に適用される。   In view of the above, the control device for an internal combustion engine according to the present invention (hereinafter sometimes referred to as “the present invention device”) has a concentration of nitrogen oxides contained in the exhaust gas discharged from the combustion chamber. A NOx sensor for detecting a certain NOx concentration, an in-cylinder pressure sensor for detecting an in-cylinder pressure that is a pressure in the combustion chamber, a fuel supply mechanism that controls a fuel supply amount that is an amount of combustion supplied to the combustion chamber, and at least an intake air The present invention is applied to an internal combustion engine that includes a variable valve phase mechanism that controls valve closing timing.

前記内燃機関は、吸気圧を検出又は予測する吸気圧センサと、吸気温を検出又は予測する吸気温センサと、を更に備える。
前記制御装置は、燃焼温度特定手段と、燃焼温度推定手段と、当量比推定手段と、を備える。
The internal combustion engine further includes an intake pressure sensor that detects or predicts intake pressure, and an intake air temperature sensor that detects or predicts intake air temperature.
The control device includes combustion temperature specifying means, combustion temperature estimating means, and equivalence ratio estimating means.

燃焼温度特定手段は、データ記憶手段に予め格納されたNOx濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係に基づいて、前記NOxセンサによって検出されるNOx濃度から、前記燃料の燃焼によって前記燃焼室内に生ずる火炎領域である燃焼領域における燃焼温度である実燃焼温度を特定するように構成されている。   The combustion temperature specifying means is based on the correspondence relationship between the NOx concentration stored in advance in the data storage means and the combustion temperature in the combustion chamber, and the NOx concentration detected by the NOx sensor is used to burn the fuel into the combustion chamber. An actual combustion temperature that is a combustion temperature in a combustion region that is a flame region that is generated is specified.

燃焼温度推定手段は、前記燃焼室内を前記燃焼領域とそれ以外の領域である未燃焼領域とに区分する2領域モデルに基づいて、前記筒内圧、前記燃料供給量、前記吸気圧及び前記吸気温から、前記燃焼領域における燃焼温度である推定燃焼温度を、前記燃焼領域における当量比と関連付けて推定するように構成されている。   The combustion temperature estimation means is configured to determine the in-cylinder pressure, the fuel supply amount, the intake pressure, and the intake temperature based on a two-region model that divides the combustion chamber into the combustion region and an unburned region that is the other region. Therefore, the estimated combustion temperature, which is the combustion temperature in the combustion region, is estimated in association with the equivalence ratio in the combustion region.

当量比推定手段は、前記2領域モデルに基づいて、前記推定燃焼温度が前記実燃焼温度に一致する前記燃焼領域における当量比である推定当量比を推定するように構成されている。   The equivalence ratio estimation means is configured to estimate an estimated equivalence ratio, which is an equivalence ratio in the combustion region where the estimated combustion temperature coincides with the actual combustion temperature, based on the two-region model.

加えて、前記制御装置は、その時点における当量比の目標値である目標当量比に対して前記推定当量比が所定の閾値である当量比許容差以上大きい場合、前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を遅角させるように構成されている。一方、前記制御装置は、前記目標当量比に対して前記推定当量比が前記当量比許容差以上小さい場合、前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を進角させるように構成されている。   In addition, the control device uses the valve phase variable mechanism when the estimated equivalent ratio is larger than the equivalent ratio tolerance that is a predetermined threshold with respect to the target equivalent ratio that is the target value of the equivalent ratio at that time. The closing timing of the intake valve is retarded. On the other hand, the control device is configured to advance the closing timing of the intake valve using the valve phase variable mechanism when the estimated equivalent ratio is smaller than the equivalent ratio tolerance with respect to the target equivalent ratio. Has been.

上記のように、本発明装置は、排気中のNOx濃度と燃焼温度との対応関係に基づいてNOx濃度の実測値から実燃焼温度を特定する。更に、本発明装置は、燃焼室内(筒内)を燃焼領域と未燃焼領域とに区分する2領域モデルに基づいて、この実燃焼温度を達成し得る燃焼領域における当量比を推定する。加えて、本発明装置は、この推定された当量比を目標当量比に近づけるように吸気バルブの閉弁時期を制御する。これにより、燃焼室内の燃焼領域において当量比が局所的に高いことに起因する内燃機関の排気中のNOx濃度の増大を低減することができる。   As described above, the present invention device specifies the actual combustion temperature from the measured value of the NOx concentration based on the correspondence relationship between the NOx concentration in the exhaust gas and the combustion temperature. Furthermore, the device according to the present invention estimates the equivalence ratio in the combustion region where the actual combustion temperature can be achieved, based on a two-region model that divides the combustion chamber (cylinder) into a combustion region and an unburned region. In addition, the device of the present invention controls the closing timing of the intake valve so that the estimated equivalence ratio approaches the target equivalence ratio. Thereby, the increase in the NOx concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine caused by the locally high equivalence ratio in the combustion region in the combustion chamber can be reduced.

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。   Other objects, other features and attendant advantages of the present invention will be readily understood from the description of the embodiments of the present invention described with reference to the following drawings.

燃焼室内の燃焼領域における当量比(Φ)と排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)の濃度との関係を示す模式的なグラフである。It is a typical graph which shows the relationship between the equivalent ratio ((PHI)) in the combustion area | region in a combustion chamber, and the density | concentration of the nitrogen oxide (NOx) contained in exhaust_gas | exhaustion. 燃焼室内の燃焼領域における当量比(Φ)と図示燃料消費率(ISFC)との関係を示す模式的なグラフである。It is a typical graph which shows the relationship between the equivalence ratio ((PHI)) in the combustion area | region in a combustion chamber, and the illustration fuel consumption rate (ISFC). 燃焼室内における燃焼温度と排気中のNOx濃度との対応関係を表す模式的なグラフである。It is a typical graph showing the correspondence of the combustion temperature in a combustion chamber, and the NOx density | concentration in exhaust_gas | exhaustion. 2領域モデルの概念図である。It is a conceptual diagram of a 2 area | region model. 筒内平均温度(Tc)、燃焼領域の温度(Tb)及び未燃焼領域の温度(Tu)のクランク角(ATDC)に対する変化を表す模式的なグラフである。It is a typical graph showing the change with respect to crank angle (ATDC) of the in-cylinder average temperature (Tc), the temperature (Tb) of a combustion area | region, and the temperature (Tu) of an unburned area | region. 本発明に係る内燃機関の制御装置において実行される当量比制御ルーチンを表すフローチャートである。It is a flowchart showing the equivalence ratio control routine performed in the control apparatus for an internal combustion engine according to the present invention. 2領域モデルに基づいて算出される「燃焼領域における燃焼温度(Tb)」の履歴を表す模式的なグラフである。It is a typical graph showing the log | history of the "combustion temperature (Tb) in a combustion area | region" calculated based on a 2 area | region model.

《第1実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第1実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第1装置」と称される場合がある。)について説明する。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a control device for an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention (hereinafter may be referred to as a “first device”) will be described with reference to the drawings.

〈構成〉
前述したように、第1装置が適用される内燃機関は、燃焼室から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の濃度であるNOx濃度を検出するNOxセンサと、燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサと、燃焼室内に供給される燃焼の量である燃料供給量を制御する燃料供給機構と、少なくとも吸気バルブの閉弁時期を制御するバルブ位相可変機構と、を備える。NOxセンサ、筒内圧センサ、燃料供給機構、及びバルブ位相可変機構の構成については、当業者に周知であるので、ここでは説明を省略する。
<Constitution>
As described above, the internal combustion engine to which the first device is applied includes the NOx sensor that detects the NOx concentration that is the concentration of nitrogen oxide contained in the exhaust discharged from the combustion chamber, and the cylinder that is the pressure in the combustion chamber. An in-cylinder pressure sensor that detects an internal pressure, a fuel supply mechanism that controls a fuel supply amount that is the amount of combustion supplied into the combustion chamber, and a valve phase variable mechanism that controls at least the closing timing of the intake valve. The configurations of the NOx sensor, the in-cylinder pressure sensor, the fuel supply mechanism, and the valve phase variable mechanism are well known to those skilled in the art, and thus description thereof is omitted here.

上記に加えて、第1装置が適用される内燃機関は、吸気圧を検出又は予測する吸気圧センサと、吸気温を検出又は予測する吸気温センサと、を更に備える。吸気圧センサは、吸気ポートを介して燃焼室に吸入される吸気の圧力(吸気圧)を直接的に検出する圧力センサであってもよく、或いは吸気圧に関連する他の状態量等に基づいて吸気圧を予測する検出手段であってもよい。吸気温センサは、吸気ポートを介して燃焼室に吸入される吸気の温度(吸気温)を直接的に検出する温度センサであってもよく、或いは吸気温に関連する他の状態量等に基づいて吸気温を予測する検出手段であってもよい。   In addition to the above, the internal combustion engine to which the first device is applied further includes an intake pressure sensor that detects or predicts the intake pressure, and an intake air temperature sensor that detects or predicts the intake air temperature. The intake pressure sensor may be a pressure sensor that directly detects the pressure (intake pressure) of the intake air that is drawn into the combustion chamber via the intake port, or is based on other state quantities related to the intake pressure, etc. It may be a detecting means for predicting the intake pressure. The intake air temperature sensor may be a temperature sensor that directly detects the temperature of intake air (intake air temperature) taken into the combustion chamber through the intake port, or based on other state quantities related to the intake air temperature, etc. It may be a detecting means for predicting the intake air temperature.

第1装置は、マイクロコンピュータを主要部として備える電子制御装置(ECU:Electric Control Unit)であり、各種検出手段からの検出信号を受信するための入力ポート及び各種アクチュエータへの指示信号を送信するための出力ポート等を備える。本明細書において、マイクロコンピュータは、CPUとROM及びRAM等のデータ記憶装置を含み、CPUはROMに格納されたインストラクション(プログラム)に基づいて、各種検出信号を受信し、各種演算処理を実行し、各種指示信号を送信することにより、各種機能を実現するように構成されている。このように実現される機能として、第1装置は、燃焼温度特定手段と、燃焼温度推定手段と、当量比推定手段と、を備える。   The first device is an electronic control unit (ECU) including a microcomputer as a main part, and transmits instruction signals to input ports and various actuators for receiving detection signals from various detection means. Output port. In this specification, the microcomputer includes a CPU, a data storage device such as a ROM and a RAM, and the CPU receives various detection signals and executes various arithmetic processes based on instructions (programs) stored in the ROM. Various functions are realized by transmitting various instruction signals. As a function realized in this way, the first device includes combustion temperature specifying means, combustion temperature estimating means, and equivalence ratio estimating means.

燃焼温度特定手段は、データ記憶手段(例えばROM)に予め格納されたNOx濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係に基づいて、NOxセンサによって検出されるNOx濃度から、燃料の燃焼によって燃焼室内に生ずる火炎領域である燃焼領域における燃焼温度である実燃焼温度を特定するように構成されている。上記「NOx濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係」は、例えば、以下のような手法によって得ることができる。   The combustion temperature specifying means is based on the correspondence between the NOx concentration stored in advance in the data storage means (for example, ROM) and the combustion temperature in the combustion chamber, and from the NOx concentration detected by the NOx sensor, The actual combustion temperature, which is the combustion temperature in the combustion region that is the flame region, is determined. The “correspondence relationship between the NOx concentration and the combustion temperature in the combustion chamber” can be obtained, for example, by the following method.

先ず、実機又は実験用モデル等を種々の燃焼温度において運転し、その際に検出される排気中のNOx濃度を記録する。このようにして得られる燃焼温度とNOx濃度との対応関係の一例としては、例えば、図3に示すグラフを挙げることができる。図3に示すように、燃焼温度が高くなるほど排気中のNOx濃度も高くなる。このようにして得られた燃焼温度とNOx濃度との対応関係は、例えばデータテーブル(マップ)又は関数(例えば近似関数)として、第1装置が備えるデータ記憶装置に格納される。   First, an actual machine or an experimental model is operated at various combustion temperatures, and the NOx concentration in the exhaust gas detected at that time is recorded. As an example of the correspondence relationship between the combustion temperature and the NOx concentration thus obtained, for example, a graph shown in FIG. 3 can be cited. As shown in FIG. 3, the higher the combustion temperature, the higher the NOx concentration in the exhaust gas. The correspondence relationship between the combustion temperature and the NOx concentration thus obtained is stored in a data storage device included in the first device, for example, as a data table (map) or a function (for example, an approximate function).

燃焼温度推定手段は、燃焼室内を燃焼領域とそれ以外の領域である未燃焼領域とに区分する2領域モデルに基づいて、筒内圧、燃料供給量、吸気圧及び吸気温から、燃焼領域における燃焼温度である推定燃焼温度を、燃焼領域における当量比と関連付けて推定するように構成されている。2領域モデル及び2領域モデルに基づく推定燃焼温度の推定については後に詳しく説明する。   The combustion temperature estimation means is configured to calculate combustion in the combustion region from the in-cylinder pressure, the fuel supply amount, the intake pressure, and the intake temperature based on a two-region model that divides the combustion chamber into a combustion region and an unburned region that is the other region The estimated combustion temperature, which is the temperature, is estimated in association with the equivalence ratio in the combustion region. The estimation of the estimated combustion temperature based on the two-region model and the two-region model will be described in detail later.

また、当量比推定手段は、上記2領域モデルに基づいて、推定燃焼温度が実燃焼温度に一致する燃焼領域における当量比である推定当量比を推定するように構成されている。具体的には、上記燃焼温度推定手段によって当量比と関連付けて推定された推定燃焼温度の中から、燃焼温度特定手段によって特定された実燃焼温度と一致する推定燃焼温度を特定し、当該特定された推定燃焼温度と関連付けられた当量比を推定当量比として特定する。2領域モデルに基づく推定当量比の推定についても後に詳しく説明する。   The equivalence ratio estimation means is configured to estimate an estimated equivalence ratio that is an equivalence ratio in a combustion region where the estimated combustion temperature coincides with the actual combustion temperature, based on the two-region model. Specifically, an estimated combustion temperature that matches the actual combustion temperature specified by the combustion temperature specifying means is identified from the estimated combustion temperatures estimated in association with the equivalence ratio by the combustion temperature estimating means, and is specified. The equivalent ratio associated with the estimated combustion temperature is specified as the estimated equivalent ratio. The estimation of the estimated equivalent ratio based on the two-region model will also be described in detail later.

加えて、第1装置は、その時点における当量比の目標値である目標当量比に対して推定当量比が所定の閾値である当量比許容差以上大きい場合は、バルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期を遅角させるように構成されている。一方、前記制御装置は、前記目標当量比に対して前記推定当量比が前記当量比許容差以上小さい場合、前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を進角させるように構成されている。   In addition, when the estimated equivalent ratio is larger than the equivalent ratio tolerance that is a predetermined threshold with respect to the target equivalent ratio that is the target value of the equivalent ratio at that time, the first device uses the valve phase variable mechanism to The valve closing timing is configured to be retarded. On the other hand, the control device is configured to advance the closing timing of the intake valve using the valve phase variable mechanism when the estimated equivalent ratio is smaller than the equivalent ratio tolerance with respect to the target equivalent ratio. Has been.

上記「目標当量比」は、前述したように、排気中のNOx濃度の上昇、内燃機関の燃料消費率の増大、騒音の悪化及び失火による排気中の未燃炭化水素(THC)の増大を低減するように定められる当量比の目標値である。例えば、目標当量比は、その時々の内燃機関における目標空燃比(A/F)から求めることができる。   As described above, the “target equivalent ratio” reduces the increase in NOx concentration in exhaust gas, the increase in fuel consumption of the internal combustion engine, the deterioration of noise, and the increase in unburned hydrocarbon (THC) in exhaust due to misfire. This is the target value of the equivalence ratio determined to be. For example, the target equivalent ratio can be obtained from the target air-fuel ratio (A / F) in the internal combustion engine at that time.

上記「当量比許容差」は、排気中のNOx濃度の上昇、内燃機関の燃料消費率の増大、騒音の悪化及び失火による排気中の未燃炭化水素(THC)の増大を低減する観点から許容可能な目標当量比と推定当量比との差の大きさ(絶対値)である。このような当量比許容差の具体的な大きさは、例えば、種々の当量比において内燃機関を運転するときの排気中のNOx濃度、燃料消費率、騒音、失火の発生及び排気中のTHC濃度を測定して、それぞれが許容範囲内に収まっている場合における目標当量比と推定当量比との差を求める実験等によって定めることができる。   The above "equivalent ratio tolerance" is acceptable from the viewpoint of reducing the increase in NOx concentration in the exhaust, increase in the fuel consumption rate of the internal combustion engine, worsening noise, and increase in unburned hydrocarbon (THC) in the exhaust due to misfire. This is the magnitude (absolute value) of the difference between the possible target equivalent ratio and the estimated equivalent ratio. The specific magnitude of such equivalence ratio tolerance is, for example, NOx concentration in exhaust gas, fuel consumption rate, noise, occurrence of misfire, and THC concentration in exhaust gas when operating an internal combustion engine at various equivalence ratios. Can be determined by an experiment or the like for obtaining a difference between the target equivalent ratio and the estimated equivalent ratio when each is within the allowable range.

従って、目標当量比に対して推定当量比が当量比許容差以上大きい場合(即ち、推定当量比が過大である場合)は、排気中のNOx濃度の上昇及び/又は内燃機関の燃料消費率の増大を招く虞がある。しかしながら、この場合、第1装置はバルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期を遅角させる。その結果、燃焼室内に吸入される空気の量が増えるので、燃焼領域における当量比が低下し、目標当量比に近付く。   Therefore, when the estimated equivalent ratio is larger than the equivalent ratio tolerance relative to the target equivalent ratio (that is, when the estimated equivalent ratio is excessive), the increase in the NOx concentration in the exhaust gas and / or the fuel consumption rate of the internal combustion engine May increase. However, in this case, the first device retards the closing timing of the intake valve using the valve phase variable mechanism. As a result, the amount of air sucked into the combustion chamber increases, so that the equivalence ratio in the combustion region decreases and approaches the target equivalence ratio.

一方、目標当量比に対して推定当量比が当量比許容差以上小さい場合(即ち、推定当量比が過小である場合)は、騒音の悪化及び失火による排気中の未燃炭化水素(THC)の増大を招く虞がある。しかしながら、この場合、第1装置はバルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期を進角させる。その結果、燃焼室内に吸入される空気の量が減るので、燃焼領域における当量比が上昇し、目標当量比に近付く。尚、吸気バルブの閉弁時期を遅角及び/又は進角させるときの変更幅は予め定められた一定の値であってもよく、或いは、目標当量比と推定当量比との差の大きさに応じて変化する値であってもよい。   On the other hand, when the estimated equivalent ratio is smaller than the equivalent ratio tolerance with respect to the target equivalent ratio (that is, when the estimated equivalent ratio is too small), the unburned hydrocarbon (THC) in the exhaust due to the deterioration of noise and misfiring. May increase. However, in this case, the first device uses the valve phase variable mechanism to advance the closing timing of the intake valve. As a result, the amount of air sucked into the combustion chamber is reduced, so that the equivalence ratio in the combustion region increases and approaches the target equivalence ratio. The range of change when the intake valve closing timing is retarded and / or advanced may be a predetermined constant value, or the magnitude of the difference between the target equivalent ratio and the estimated equivalent ratio. The value may vary depending on

以上のようにして、第1装置は、排気中のNOx濃度と燃焼温度との対応関係に基づいてNOx濃度の実測値から実燃焼温度を特定し、燃焼室内を燃焼領域と未燃焼領域とに区分する2領域モデルに基づいて、上記実燃焼温度を達成し得る燃焼領域における当量比を推定し、この推定された当量比を目標当量比に近づけるように吸気バルブの閉弁時期を制御する。これにより、燃焼室内の燃焼領域において当量比が局所的に高いことに起因する内燃機関の排気中のNOx濃度及び/又は燃料消費率の増大を低減することができる。   As described above, the first device identifies the actual combustion temperature from the measured value of the NOx concentration based on the correspondence relationship between the NOx concentration in the exhaust gas and the combustion temperature, and sets the combustion chamber to the combustion region and the unburned region. Based on the divided two-region model, the equivalence ratio in the combustion region where the actual combustion temperature can be achieved is estimated, and the valve closing timing of the intake valve is controlled so that the estimated equivalence ratio approaches the target equivalence ratio. Thereby, the increase in the NOx concentration and / or the fuel consumption rate in the exhaust gas of the internal combustion engine due to the locally high equivalence ratio in the combustion region in the combustion chamber can be reduced.

(2領域モデルに基づく推定燃焼温度及び推定当量比の推定原理)
ここで、上述した2領域モデルに基づく推定燃焼温度及び推定当量比の推定原理について詳しく説明する。「2領域モデル」は、例えば図4に示すように、燃料の燃焼によって燃焼室内に生ずる火炎領域である燃焼領域と燃焼領域以外の領域である未燃焼領域とに燃焼室内を区分して、それぞれの温度履歴等を算出するモデルである。尚、図4においては、1つの燃焼領域と1つの未燃焼領域とが燃焼室内に存在するかのように描かれている。しかしながら、現実には、燃焼領域及び未燃焼領域は必ずしも1つずつ発生するとは限らない。即ち、図4に示した2領域モデルは、理解を容易にするために単純化された概念的なモデルである。
(Estimation principle of estimated combustion temperature and estimated equivalence ratio based on two-region model)
Here, the estimation principle of the estimated combustion temperature and the estimated equivalent ratio based on the above-described two-region model will be described in detail. For example, as shown in FIG. 4, the “two-region model” divides the combustion chamber into a combustion region that is a flame region generated in the combustion chamber by combustion of fuel and an unburned region that is a region other than the combustion region, This is a model for calculating the temperature history and the like. In FIG. 4, one combustion region and one unburned region are depicted as if they exist in the combustion chamber. However, in reality, one combustion region and one unburned region are not necessarily generated one by one. That is, the two-region model shown in FIG. 4 is a conceptual model that is simplified for easy understanding.

非特許文献1に記載されているように、気筒内の平均温度(Tc)は、気体の状態方程式に基づき、筒内圧(P)、燃焼室の容積(V)及び筒内に存在するガスの総質量(Gc)を用いて、以下の式(1)によって表される。尚、Rは気体定数である。   As described in Non-Patent Document 1, the average temperature (Tc) in the cylinder is based on the gas equation of state, the cylinder pressure (P), the combustion chamber volume (V), and the gas existing in the cylinder. It represents with the following formula | equation (1) using gross mass (Gc). R is a gas constant.

Figure 2017166356
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上式中、筒内に存在するガスの総質量(Gc)は、燃焼室内に充填された空気の質量(Ga)と残留ガスの質量(Gr)と燃焼室内に供給された燃料の質量(Gi)との総和であり、以下の式(2)によって表される。   In the above equation, the total mass (Gc) of the gas present in the cylinder is the mass of the air (Ga) filled in the combustion chamber, the mass of the residual gas (Gr), and the mass of fuel supplied to the combustion chamber (Gi). ) And is expressed by the following equation (2).

Figure 2017166356
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燃焼領域に存在するガスの質量(Gb)は、燃焼領域に存在する燃料の質量(Gf)と燃焼領域に存在する空気の質量(Gab)との和として求められる。燃焼領域に存在する燃料の質量(Gf)は、筒内圧(P)の変化等に基づいて導かれる受熱率から算出される。燃焼領域に存在する空気の質量(Gab)は、燃焼領域における当量比(Φ)に基づいて、燃焼領域に存在する燃料の質量(Gf)及び理論空気量(Lth)から算出される。従って、燃焼領域に存在するガスの質量(Gb)は、以下の式(3)によって表される。   The mass (Gb) of the gas existing in the combustion region is obtained as the sum of the mass (Gf) of the fuel existing in the combustion region and the mass (Gab) of air existing in the combustion region. The mass (Gf) of the fuel existing in the combustion region is calculated from the heat receiving rate derived based on the change in the in-cylinder pressure (P) or the like. The mass (Gab) of air existing in the combustion region is calculated from the mass (Gf) and the theoretical air amount (Lth) of fuel existing in the combustion region based on the equivalence ratio (Φ) in the combustion region. Therefore, the mass (Gb) of the gas existing in the combustion region is expressed by the following formula (3).

Figure 2017166356
Figure 2017166356

未燃焼領域は、燃焼室内における燃焼領域以外の領域であるので、未燃焼領域に存在するガスの質量(Gu)は、以下の式(4)によって表される。   Since the unburned region is a region other than the combustion region in the combustion chamber, the mass (Gu) of the gas existing in the unburned region is expressed by the following equation (4).

Figure 2017166356
Figure 2017166356

ところで、上述したように、気筒内の平均温度(Tc)は、式(1)によって算出することができる。しかしながら、図5のグラフに示すように、燃焼領域の温度(Tb)と未燃焼領域の温度(Tu)とはそれぞれ異なる変化を示し、気筒内の平均温度(Tc)はこれらの平均値である。また、排気中のNOx濃度に影響するのは、燃焼領域における燃焼温度(Tb)の最高値(Tmax)である。   Incidentally, as described above, the average temperature (Tc) in the cylinder can be calculated by the equation (1). However, as shown in the graph of FIG. 5, the temperature (Tb) in the combustion region and the temperature (Tu) in the unburned region show different changes, and the average temperature (Tc) in the cylinder is an average value of these. . Further, it is the maximum value (Tmax) of the combustion temperature (Tb) in the combustion region that affects the NOx concentration in the exhaust gas.

未燃焼領域の温度(Tu)は、断熱等エントロピー変化に基づき、以下の式(5)によって表される。尚、下式中、P及びTは燃料が着火する前の筒内圧及び筒内平均温度であり、kは比熱比である。 The temperature (Tu) in the unburned region is expressed by the following equation (5) based on the adiabatic isentropic change. In the following equation, P 0 and T 0 are the in-cylinder pressure and in-cylinder average temperature before the fuel is ignited, and k is the specific heat ratio.

Figure 2017166356
Figure 2017166356

一方、燃焼領域の温度(Tb)は、燃焼室内(気筒内)に存在するガスの内部エネルギーの総和に基づき、以下の式(6)によって表される。即ち、燃焼温度推定手段は、式(6)によって、その時点における燃焼領域の温度(Tb)(推定燃焼温度)を推定することができる。尚、下式中、Cvc、Cvu及びCvbはそれぞれ筒内全体(平均)、未燃焼領域及び燃焼領域に存在するガスの定容比熱である。   On the other hand, the temperature (Tb) of the combustion region is expressed by the following equation (6) based on the sum of the internal energy of the gas existing in the combustion chamber (cylinder). In other words, the combustion temperature estimating means can estimate the temperature (Tb) (estimated combustion temperature) of the combustion region at that time point by the equation (6). In the following formula, Cvc, Cvu, and Cvb are constant volume specific heats of gases existing in the entire cylinder (average), unburned region, and burning region, respectively.

Figure 2017166356
Figure 2017166356

更に、燃焼領域に存在するガスの体積(Vb)は、気体の状態方程式に基づき、以下の式(7)によって表される。尚、Rbは燃焼領域における気体定数である。   Furthermore, the volume (Vb) of the gas existing in the combustion region is expressed by the following equation (7) based on the gas equation of state. Rb is a gas constant in the combustion region.

Figure 2017166356
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以上のように、2領域モデルによれば、排気中のNOx濃度に影響する「燃焼領域における燃焼温度(Tb)」の履歴を算出することができる。   As described above, according to the two-region model, it is possible to calculate the history of “the combustion temperature (Tb) in the combustion region” that affects the NOx concentration in the exhaust gas.

ところで、式(3)からも明らかであるように、燃焼領域に存在するガスの質量(Gb)は、燃焼領域における当量比(Φ)に応じて変化する。その結果、式(6)からも明らかであるように、燃焼領域の温度(Tb)もまた、燃焼領域における当量比(Φ)に応じて変化する。   By the way, as is apparent from the equation (3), the mass (Gb) of the gas existing in the combustion region changes according to the equivalent ratio (Φ) in the combustion region. As a result, as is clear from the equation (6), the temperature (Tb) of the combustion region also changes according to the equivalence ratio (Φ) in the combustion region.

従って、当量比推定手段は、上述したように燃焼温度特定手段によって特定された実燃焼温度(Tmax(M))と一致する推定燃焼温度(Tmax)を与える当量比(Φ)を特定することにより、その時点における燃焼領域の当量比(Φb)(推定当量比)を推定することができる。そして、第1装置は、上述したように、このようにして推定された推定当量比(Φb)を目標当量比(Φtgt)に近づけるように吸気バルブの閉弁時期を制御する。これにより、燃焼室内の燃焼領域において当量比が局所的に高いことに起因する内燃機関の排気中のNOx濃度及び/又は燃料消費率の増大を低減することができる。   Therefore, the equivalence ratio estimating means specifies the equivalent ratio (Φ) that gives the estimated combustion temperature (Tmax) that matches the actual combustion temperature (Tmax (M)) specified by the combustion temperature specifying means as described above. The equivalence ratio (Φb) (estimated equivalence ratio) of the combustion region at that time can be estimated. Then, as described above, the first device controls the closing timing of the intake valve so that the estimated equivalent ratio (Φb) thus estimated approaches the target equivalent ratio (Φtgt). Thereby, the increase in the NOx concentration and / or the fuel consumption rate in the exhaust gas of the internal combustion engine due to the locally high equivalence ratio in the combustion region in the combustion chamber can be reduced.

〈作動〉
以上説明してきたような構成及び原理に基づく第1装置の具体的な作動につき、図6のフローチャートを参照しながら、以下に詳しく説明する。先ず、第1装置を構成するECUに含まれるCPUは、ステップS110において、適用対象となる内燃機関が定常状態にあるか否かを判定する。ここでいう「定常状態」とは、例えば内燃機関の暖気後であり且つアイドル運転中である状態等、内燃機関の運転状態が過渡的な状況にない状態を意味する。
<Operation>
The specific operation of the first device based on the configuration and principle described above will be described in detail below with reference to the flowchart of FIG. First, in step S110, the CPU included in the ECU constituting the first device determines whether or not the internal combustion engine to be applied is in a steady state. The “steady state” here means a state where the operating state of the internal combustion engine is not in a transitional state, such as a state after the internal combustion engine is warmed up and in an idle operation.

上記ステップS110において内燃機関が定常状態にはないと判定された場合(S110:No)、例えば、排気中のNOx濃度、筒内圧、吸気圧及び吸気温等の状態量の検出並びに2領域モデルに基づく各種状態量の推定等を正確に行うことが困難である。従って、CPUは当該ルーチンを一旦終了する。   If it is determined in step S110 that the internal combustion engine is not in a steady state (S110: No), for example, detection of state quantities such as NOx concentration in the exhaust, in-cylinder pressure, intake pressure and intake air temperature, and a two-region model are used. It is difficult to accurately estimate various state quantities based thereon. Therefore, the CPU ends the routine once.

一方、上記ステップS110において内燃機関が定常状態にあると判定された場合(S110:Yes)、CPUは次のステップS120へと進み、燃焼室から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の濃度であるNOx濃度の実測値(NOx(M))をNOxセンサから取得する。そして、CPUは次のステップS130へと進み、取得されたNOx(M)がNOx濃度の目標値(NOxtgt)から逸脱しているか否かを判定する。尚、ここでいう「NOx濃度の目標値(NOxtgt)」は、必ずしも特定の値のみを指す訳ではなく、例えば内燃機関の排気関連部材の保全(劣化防止)及び環境保護等の観点から許容可能な範囲を指すものであってもよい。この場合、CPUは、ステップS130において、取得されたNOx(M)が許容範囲から逸脱しているか否かを判定することとなる。   On the other hand, when it is determined in step S110 that the internal combustion engine is in a steady state (S110: Yes), the CPU proceeds to the next step S120, and the concentration of nitrogen oxides contained in the exhaust discharged from the combustion chamber. The actual measured value (NOx (M)) of the NOx concentration is acquired from the NOx sensor. Then, the CPU proceeds to the next step S130 to determine whether or not the acquired NOx (M) deviates from the NOx concentration target value (NOxtgt). Note that the “NOx concentration target value (NOxtgt)” here does not necessarily indicate a specific value, but is acceptable from the viewpoint of, for example, the maintenance (deterioration prevention) of exhaust-related members of the internal combustion engine and environmental protection. It may be a range. In this case, in step S130, the CPU determines whether or not the acquired NOx (M) deviates from the allowable range.

上記ステップS130においてNOx(M)がNOxtgtから逸脱していないと判定された場合(S130:No)、排気中に含まれる窒素酸化物の濃度は許容範囲内にあるので、特段の対策は不要である。従って、CPUは当該ルーチンを一旦終了する。一方、上記ステップS130においてNOx(M)がNOxtgtから逸脱していると判定された場合(S130:Yes)、CPUは次のステップS140へと進み、データ記憶手段に予め格納されたNOx濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係に基づいて、NOxセンサによって検出されるNOx濃度から、燃焼領域における燃焼温度である実燃焼温度を特定する。具体的には、CPUは、ROMに格納された上記対応関係を表すデータテーブル(マップ)を参照して、NOx(M)に対応する実燃焼温度(Tmax(M))を特定する。   If it is determined in step S130 that NOx (M) does not deviate from NOxtgt (S130: No), the concentration of nitrogen oxides contained in the exhaust gas is within the allowable range, so no special measures are required. is there. Therefore, the CPU ends the routine once. On the other hand, if it is determined in step S130 that NOx (M) has deviated from NOxtgt (S130: Yes), the CPU proceeds to the next step S140, where the NOx concentration and combustion stored in advance in the data storage means are burned. Based on the correspondence relationship with the combustion temperature in the room, the actual combustion temperature, which is the combustion temperature in the combustion region, is specified from the NOx concentration detected by the NOx sensor. Specifically, the CPU specifies the actual combustion temperature (Tmax (M)) corresponding to NOx (M) with reference to the data table (map) representing the correspondence relationship stored in the ROM.

次に、CPUは、上述した2領域モデルに基づいて、推定燃焼温度(Tmax)及び対応する当量比(Φ)を推定し、実燃焼温度(Tmax(M))と一致する推定燃焼温度(Tmax)を与える当量比(Φ)を推定当量比(Φb)として推定する。具体的には、CPUは、種々の当量比(Φ)について燃焼温度(Tb)の履歴を算出し、それらの極大値をそれぞれの当量比(Φ)に対応する推定燃焼温度(Tmax)として算出する。そして、これらの推定燃焼温度(Tmax)の中から実燃焼温度(Tmax(M))と一致する推定燃焼温度(Tmax)を特定し、対応する当量比(Φ)を推定当量比(Φb)として推定する。   Next, the CPU estimates the estimated combustion temperature (Tmax) and the equivalent ratio (Φ) based on the above-described two-region model, and the estimated combustion temperature (Tmax) that matches the actual combustion temperature (Tmax (M)). ) Is estimated as the estimated equivalent ratio (Φb). Specifically, the CPU calculates the history of the combustion temperature (Tb) for various equivalent ratios (Φ), and calculates the maximum value as the estimated combustion temperature (Tmax) corresponding to each equivalent ratio (Φ). To do. Then, an estimated combustion temperature (Tmax) that matches the actual combustion temperature (Tmax (M)) is specified from these estimated combustion temperatures (Tmax), and the corresponding equivalent ratio (Φ) is set as the estimated equivalent ratio (Φb). presume.

本例においては、CPUは、当量比(Φ)の値を、最も高い推定燃焼温度(Tmax)を与えると予測される値から徐々に減少させながら、それぞれの当量比(Φ)に対応する推定燃焼温度(Tmax)を算出する。そして、推定燃焼温度(Tmax)が最初に実燃焼温度(Tmax(M))以下となったときの当量比(Φ)の値を、推定当量比(Φb)の値として推定する。   In this example, the CPU gradually reduces the value of the equivalence ratio (Φ) from the value predicted to give the highest estimated combustion temperature (Tmax), while estimating the equivalent ratio (Φ). A combustion temperature (Tmax) is calculated. Then, the value of the equivalent ratio (Φ) when the estimated combustion temperature (Tmax) first becomes equal to or lower than the actual combustion temperature (Tmax (M)) is estimated as the value of the estimated equivalent ratio (Φb).

具体的には、CPUは、次のステップS150へと進み、予め設定された当量比の初期値(Φini)を燃焼領域における当量比Φとして設定する。本例においては、当量比の初期値(Φini)として「1」を採用する。当量比が1である場合、燃焼領域における空燃比は理論空燃比に一致するので、最も高い推定燃焼温度(Tmax)が得られる。   Specifically, the CPU proceeds to the next step S150, and sets the preset initial value (Φini) of the equivalence ratio as the equivalence ratio Φ in the combustion region. In this example, “1” is adopted as the initial value (Φini) of the equivalence ratio. When the equivalence ratio is 1, the air-fuel ratio in the combustion region matches the stoichiometric air-fuel ratio, so that the highest estimated combustion temperature (Tmax) is obtained.

次に、CPUはステップS160へと進み、上述した2領域モデルに基づいて、排気中のNOx濃度に影響する「燃焼領域における燃焼温度(Tb)」の履歴を算出する。このようにして算出された燃焼温度(Tb)の履歴の一例を図7のグラフに示す。当該グラフに示す曲線は、燃焼領域の温度(Tb)のクランク角(ATDC)に対する変化(履歴)を表し、その極大値が推定燃焼温度(Tmax)として算出される。尚、図7のグラフにおいては、上記初期値Φini(=1)を燃焼領域における当量比Φとして1回目に算出された燃焼温度(Tb)の履歴が最も高温側の曲線として現れており、このように1回目に推定された推定燃焼温度Tmaxが「Tmax(1)」として表示されている。一点鎖線によって示す実燃焼温度(Tmax(M))からTmax(1)が大幅に逸脱している(大幅に高い)ことから、燃焼領域における当量比(Φb)は上記当量比Φ(=1)とは大きく異なる(1よりも大幅に低い)であろうと予測される。   Next, the CPU proceeds to step S160, and calculates a history of “combustion temperature (Tb) in the combustion region” that affects the NOx concentration in the exhaust based on the above-described two-region model. An example of the history of the combustion temperature (Tb) calculated in this way is shown in the graph of FIG. The curve shown in the graph represents a change (history) with respect to the crank angle (ATDC) of the temperature (Tb) of the combustion region, and the maximum value is calculated as the estimated combustion temperature (Tmax). In the graph of FIG. 7, the history of the combustion temperature (Tb) calculated for the first time with the initial value Φini (= 1) as the equivalent ratio Φ in the combustion region appears as the curve on the highest temperature side. Thus, the estimated combustion temperature Tmax estimated for the first time is displayed as “Tmax (1)”. Since Tmax (1) deviates significantly (highly) from the actual combustion temperature (Tmax (M)) indicated by the one-dot chain line, the equivalent ratio (Φb) in the combustion region is equal to the equivalent ratio Φ (= 1). Is expected to be very different (much lower than 1).

次に、CPUはステップS170へと進み、上記のようにして算出された推定燃焼温度(Tmax)が実燃焼温度(Tmax(M))以下であるか否かを判定する。ステップS170において推定燃焼温度(Tmax)が実燃焼温度(Tmax(M))以下ではないと判定された場合(S170:No)、CPUは次のステップS180へと進み、当量比(Φ)の値を所定の減少幅(ΔΦ)だけ減少させる。そして、CPUは、上述したステップS160及びS170の処理を繰り返す。 Next, the CPU proceeds to step S170 to determine whether or not the estimated combustion temperature (Tmax) calculated as described above is equal to or lower than the actual combustion temperature (Tmax (M)). When it is determined in step S170 that the estimated combustion temperature (Tmax) is not equal to or lower than the actual combustion temperature (Tmax (M)) (S170: No), the CPU proceeds to the next step S180, and the value of the equivalence ratio (Φ) Is reduced by a predetermined reduction width (ΔΦ 1 ). Then, the CPU repeats the processes in steps S160 and S170 described above.

上記のように繰り返し実行されるステップS160において2回目及び3回目に算出された燃焼温度(Tb)の履歴及びこれらの履歴の極大値として算出される推定燃焼温度(Tmax(2)及びTmax(3))もまた図7のグラフに示されている。図7に示すように、当量比(Φ)の減少に伴って、推定燃焼温度(Tmax(2)及びTmax(3))も低下している。   The history of the combustion temperature (Tb) calculated at the second and third times in step S160 repeatedly executed as described above, and the estimated combustion temperatures (Tmax (2) and Tmax (3) calculated as the maximum values of these histories. )) Is also shown in the graph of FIG. As shown in FIG. 7, the estimated combustion temperature (Tmax (2) and Tmax (3)) is also lowered with a decrease in the equivalence ratio (Φ).

やがて、推定燃焼温度(Tmax)が実燃焼温度(Tmax(M))以下となると、CPUはステップS170において「Yes」と判定し、次のステップS190へと進み、その時点における当量比(Φ)を推定当量比(Φb)として推定する。   Eventually, when the estimated combustion temperature (Tmax) becomes equal to or lower than the actual combustion temperature (Tmax (M)), the CPU makes a “Yes” determination at step S170 to proceed to the next step S190, where the equivalent ratio (Φ) at that time point is reached. Is estimated as the estimated equivalent ratio (Φb).

尚、上述した減少幅(ΔΦ)は予め定められた固定値とすることができる。この場合、減少幅(ΔΦ)が大きいほど推定燃焼温度(Tmax)の減少幅も大きくなる。従って、推定燃焼温度(Tmax)が実燃焼温度(Tmax(M))以下となるまでに繰り返し実行されるステップS160の実行回数が少なくなるので、CPUの演算負荷を低減することができる。しかしながら、推定燃焼温度(Tmax)が最初に実燃焼温度(Tmax(M))以下となったときの推定燃焼温度(Tmax)と実燃焼温度(Tmax(M))との乖離が大きくなる可能性が高まる。その結果、推定当量比(Φb)の推定精度が低下する可能性が高まる。逆に、減少幅(ΔΦ)が小さいほど、CPUの演算負荷が高まるものの、推定当量比(Φb)の推定精度が高まる。 It should be noted that the above-described reduction width (ΔΦ 1 ) can be a predetermined fixed value. In this case, the greater the decrease width (ΔΦ 1 ), the greater the decrease width of the estimated combustion temperature (Tmax). Therefore, the number of executions of step S160 that is repeatedly executed until the estimated combustion temperature (Tmax) becomes equal to or lower than the actual combustion temperature (Tmax (M)) is reduced, and the calculation load on the CPU can be reduced. However, there is a possibility that the difference between the estimated combustion temperature (Tmax) and the actual combustion temperature (Tmax (M)) when the estimated combustion temperature (Tmax) first becomes equal to or lower than the actual combustion temperature (Tmax (M)) is increased. Will increase. As a result, the possibility that the estimation accuracy of the estimated equivalent ratio (Φb) is lowered increases. Conversely, the smaller the reduction width (ΔΦ 1 ), the higher the calculation load of the CPU, but the estimation accuracy of the estimated equivalent ratio (Φb) increases.

従って、減少幅(ΔΦ)の具体的な大きさは、CPUの演算能力及び必要とされる推定当量比(Φb)の推定精度に応じて適宜定めることができる。或いは、推定燃焼温度(Tmax)と実燃焼温度(Tmax(M))との乖離の大きさに応じて、減少幅(ΔΦ)の大きさを定めてもよい。これによれば、CPUの演算負荷の増大を低減しつつ、推定当量比(Φb)の推定精度を高めることができる。 Therefore, the specific size of the reduction width (ΔΦ 1 ) can be determined as appropriate according to the calculation capability of the CPU and the estimated accuracy of the estimated equivalent ratio (Φb). Alternatively, the magnitude of the decrease width (ΔΦ 1 ) may be determined according to the magnitude of the difference between the estimated combustion temperature (Tmax) and the actual combustion temperature (Tmax (M)). According to this, it is possible to increase the estimation accuracy of the estimated equivalent ratio (Φb) while reducing an increase in the calculation load of the CPU.

次に、CPUはステップS200へと進み、上記のようにして推定された推定当量比(Φb)が許容範囲内にあるか否かを判定する。具体的には、CPUは、その時点における当量比の目標値である目標当量比(Φtgt)からの推定当量比(Φb)の乖離の程度が所定の閾値である当量比許容差(ΔΦ)以上であるか否かを判定する。換言すれば、CPUは、推定当量比(Φb)が目標当量比(Φtgt)から当量比許容差(ΔΦ)を減じた値よりも大きく且つ目標当量比(Φtgt)に当量比許容差(ΔΦ)を加えた値よりも小さい範囲内(許容範囲内)にあるか否かを判定する。 Next, the CPU proceeds to step S200 to determine whether or not the estimated equivalent ratio (Φb) estimated as described above is within an allowable range. Specifically, the CPU determines an equivalence ratio tolerance (ΔΦ 2 ) in which the degree of deviation of the estimated equivalent ratio (Φb) from the target equivalent ratio (Φtgt) that is the target value of the equivalent ratio at that time is a predetermined threshold value. It is determined whether it is above. In other words, the CPU determines that the estimated equivalent ratio (Φb) is greater than the target equivalent ratio (Φtgt) minus the equivalent ratio tolerance (ΔΦ 2 ), and the target equivalent ratio (Φtgt) is equivalent to the equivalent ratio tolerance (ΔΦ). 2 ) It is determined whether or not it is within a range (within an allowable range) smaller than the value added.

上記ステップS200において推定当量比(Φb)が許容範囲から逸脱していると判定された場合(S200:No)、CPUは次のステップS210へと進み、推定当量比(Φb)が目標当量比(Φtgt)よりも大きいか否かを判定する。   When it is determined in step S200 that the estimated equivalent ratio (Φb) deviates from the allowable range (S200: No), the CPU proceeds to the next step S210, where the estimated equivalent ratio (Φb) is the target equivalent ratio ( It is determined whether it is larger than (Φtgt).

上記ステップS210において推定当量比(Φb)が目標当量比(Φtgt)よりも大きいと判定された場合(S210:Yes)、その時点における当量比の目標値である目標当量比(Φtgt)に対して推定当量比(Φb)が所定の閾値である当量比許容差(ΔΦ)以上大きい。即ち、燃焼領域における(局所的な)当量比(Φ)が高い(リッチである)ことに起因して、内燃機関の排気中のNOx濃度(NOx(M))の増大及び/又は燃費の悪化が生じている蓋然性が高い。 When it is determined in step S210 that the estimated equivalent ratio (Φb) is larger than the target equivalent ratio (Φtgt) (S210: Yes), the target equivalent ratio (Φtgt) that is the target value of the equivalent ratio at that time is determined. The estimated equivalent ratio (Φb) is greater than an equivalent ratio tolerance (ΔΦ 2 ) that is a predetermined threshold. That is, due to the high (rich) equivalence ratio (Φ) in the combustion region, the NOx concentration (NOx (M)) in the exhaust gas of the internal combustion engine increases and / or the fuel consumption deteriorates. There is a high probability that

従って、CPUは、次のステップS220へと進み、バルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期(IVC)を遅角させる。これにより、燃焼室内に吸入される空気の量を増やし、燃焼領域における当量比(Φ)を低下させて、目標当量比(Φtgt)に近付けることができる。その結果、内燃機関の排気中のNOx濃度(NOx(M))の増大及び燃費の悪化を低減することができる。   Accordingly, the CPU proceeds to the next step S220, and retards the valve closing timing (IVC) of the intake valve using the valve phase variable mechanism. As a result, the amount of air taken into the combustion chamber can be increased, and the equivalent ratio (Φ) in the combustion region can be reduced to approach the target equivalent ratio (Φtgt). As a result, it is possible to reduce the increase in NOx concentration (NOx (M)) in the exhaust gas of the internal combustion engine and the deterioration of fuel consumption.

一方、上記ステップS210において推定当量比(Φb)が目標当量比(Φtgt)よりも大きくない(小さい)と判定された場合(S210:No)、その時点における当量比の目標値である目標当量比(Φtgt)に対して推定当量比(Φb)が所定の閾値である当量比許容差(ΔΦ)以上小さい。即ち、燃焼領域における(局所的な)当量比(Φ)が低い(リーンである)ことに起因して、騒音の悪化及び/又は失火による排気中の未燃炭化水素(THC)の増大が生じている蓋然性が高い。 On the other hand, when it is determined in step S210 that the estimated equivalent ratio (Φb) is not larger (smaller) than the target equivalent ratio (Φtgt) (S210: No), the target equivalent ratio that is the target value of the equivalent ratio at that time The estimated equivalent ratio (Φb) is smaller than the equivalent ratio tolerance (ΔΦ 2 ), which is a predetermined threshold, with respect to (Φtgt). That is, due to the low (local) equivalence ratio (Φ) in the combustion region, noise deterioration and / or an increase in unburned hydrocarbons (THC) in the exhaust due to misfiring occurs. There is a high probability of being.

従って、CPUは、次のステップS230へと進み、バルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期(IVC)を進角させる。これにより、燃焼室内に吸入される空気の量を減らし、燃焼領域における当量比(Φ)を上昇させて、目標当量比(Φtgt)に近付けることができる。その結果、騒音の悪化及び失火による排気中の未燃炭化水素(THC)の増大を低減することができる。   Therefore, the CPU proceeds to the next step S230, and advances the valve closing timing (IVC) of the intake valve using the valve phase variable mechanism. As a result, the amount of air sucked into the combustion chamber can be reduced, and the equivalent ratio (Φ) in the combustion region can be increased to approach the target equivalent ratio (Φtgt). As a result, it is possible to reduce an increase in unburned hydrocarbons (THC) in the exhaust gas due to noise deterioration and misfire.

ところで、上記ステップS200において推定当量比(Φb)が許容範囲から逸脱していない(許容範囲内にある)と判定された場合(S200:Yes)、上述したステップS130において排気中のNOx濃度の実測値(NOx(M))がNOx濃度の目標値(NOxtgt)から逸脱していると判定されたのは、燃焼領域における当量比(Φ)以外の原因に起因すると考えられる。このような原因としては、冒頭で述べたようなEGR量の過不足が想定される。   By the way, when it is determined in step S200 that the estimated equivalent ratio (Φb) does not deviate from the allowable range (is within the allowable range) (S200: Yes), the NOx concentration in the exhaust gas is actually measured in step S130 described above. The reason that the value (NOx (M)) deviates from the target value (NOxtgt) of the NOx concentration is considered to be caused by causes other than the equivalent ratio (Φ) in the combustion region. As such a cause, an excess or deficiency of the EGR amount as described at the beginning is assumed.

そこで、上記ステップS200において推定当量比(Φb)が許容範囲から逸脱していない(許容範囲内にある)と判定された場合(S200:Yes)、CPUは次のステップS310へと進み、排気中のNOx濃度の実測値(NOx(M))がNOx濃度の目標値(NOxtgt)よりも大きいか否かを判定する。   Therefore, if it is determined in step S200 that the estimated equivalent ratio (Φb) does not deviate from the allowable range (is within the allowable range) (S200: Yes), the CPU proceeds to the next step S310, and the exhaust is being performed. It is determined whether the actual measured value of NOx concentration (NOx (M)) is larger than the target value of NOx concentration (NOxtgt).

上記ステップS310においてNOx(M)NOxtgtよりも大きいと判定された場合(S310:Yes)、EGR量の不足に起因する燃焼温度の上昇が生じている蓋然性が高い。そこで、CPUは、EGR装置によって内燃機関の吸気系に再循環される排気(以降、「EGRガス」と称呼される場合がある。)が燃焼室に吸入される吸気に占める割合(EGR率)を上昇(アップ)させる。具体的には、前述したようにバルブオーバーラップの期間を延長して内部EGRによるEGR量を増大させたり、EGR装置を備える内燃機関においてはEGRバルブ開度を増大させて外部EGRによるEGR量を増大させたりする。その結果、EGR率の上昇(アップ)により燃焼温度を低下させて、排気中のNOx濃度を低下させることができる。   If it is determined in step S310 that it is greater than NOx (M) NOxtgt (S310: Yes), there is a high probability that the combustion temperature has risen due to an insufficient EGR amount. Therefore, the CPU accounts for the ratio (EGR rate) of the exhaust gas recirculated to the intake system of the internal combustion engine by the EGR device (hereinafter sometimes referred to as “EGR gas”) in the intake air sucked into the combustion chamber. Is raised. Specifically, as described above, the valve overlap period is extended to increase the EGR amount by internal EGR, or in an internal combustion engine equipped with an EGR device, the EGR valve opening is increased to increase the EGR amount by external EGR. Or increase it. As a result, the combustion temperature can be lowered by increasing (up) the EGR rate, and the NOx concentration in the exhaust gas can be lowered.

一方、上記ステップS310においてNOx(M)NOxtgtよりも大きくない(小さい)と判定された場合(S310:No)、過剰なEGR量に伴う酸素不足に起因する煤(PM:Particulate Matter)の発生等の問題が生じている蓋然性が高い。そこで、CPUは、EGR率を低下(ダウン)させる。具体的には、バルブオーバーラップの期間を短縮して内部EGRによるEGR量を減少させたり、EGR装置を備える内燃機関においてはEGRバルブ開度を減少させて外部EGRによるEGR量を減少させたりする。その結果、EGR率の低下(ダウン)により酸素不足に起因する煤(PM)の発生等の問題を低減することができる。   On the other hand, if it is determined in step S310 that it is not larger (smaller) than NOx (M) NOxtgt (S310: No), generation of soot (PM) due to oxygen deficiency due to excessive EGR amount, etc. There is a high probability that this problem has occurred. Therefore, the CPU decreases (downs) the EGR rate. Specifically, the EGR amount due to internal EGR is reduced by shortening the valve overlap period, or in an internal combustion engine equipped with an EGR device, the EGR valve opening is decreased to reduce the EGR amount due to external EGR. . As a result, it is possible to reduce problems such as generation of soot (PM) due to oxygen shortage due to a decrease (down) in the EGR rate.

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する実施形態につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、上記において例示した実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。   As mentioned above, for the purpose of explaining the present invention, the embodiment having a specific configuration has been described with reference to the accompanying drawings sometimes, but the scope of the present invention is limited to the embodiment exemplified above. Needless to say, modifications should be made as appropriate within the scope of the matters described in the claims and the specification.

Claims (1)

燃焼室から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の濃度であるNOx濃度を検出するNOxセンサと、燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサと、燃焼室内に供給される燃焼の量である燃料供給量を制御する燃料供給機構と、少なくとも吸気バルブの閉弁時期を制御するバルブ位相可変機構と、を備える内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関は、
吸気圧を検出又は予測する吸気圧センサと、
吸気温を検出又は予測する吸気温センサと、
を更に備え、
前記制御装置は、
データ記憶手段に予め格納されたNOx濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係に基づいて、前記NOxセンサによって検出されるNOx濃度から、前記燃料の燃焼によって前記燃焼室内に生ずる火炎領域である燃焼領域における燃焼温度である実燃焼温度を特定する燃焼温度特定手段と、
前記燃焼室内を前記燃焼領域とそれ以外の領域である未燃焼領域とに区分する2領域モデルに基づいて、前記筒内圧、前記燃料供給量、前記吸気圧及び前記吸気温から、前記燃焼領域における燃焼温度である推定燃焼温度を、前記燃焼領域における当量比と関連付けて推定する燃焼温度推定手段と、
前記2領域モデルに基づいて、前記推定燃焼温度が前記実燃焼温度に一致する前記燃焼領域における当量比である推定当量比を推定する当量比推定手段と、
を備え、
その時点における当量比の目標値である目標当量比に対して前記推定当量比が所定の閾値である当量比許容差以上大きい場合は前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を遅角させ、前記目標当量比に対して前記推定当量比が前記当量比許容差以上小さい場合は前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を進角させるように構成された、
内燃機関の制御装置。
NOx sensor for detecting NOx concentration which is concentration of nitrogen oxide contained in exhaust gas discharged from combustion chamber, in-cylinder pressure sensor for detecting in-cylinder pressure which is pressure in combustion chamber, and combustion supplied into combustion chamber A control device for an internal combustion engine, comprising: a fuel supply mechanism that controls a fuel supply amount that is an amount of
The internal combustion engine
An intake pressure sensor for detecting or predicting the intake pressure;
An intake air temperature sensor for detecting or predicting the intake air temperature;
Further comprising
The controller is
Combustion that is a flame region generated in the combustion chamber by combustion of the fuel from the NOx concentration detected by the NOx sensor based on the correspondence relationship between the NOx concentration stored in advance in the data storage means and the combustion temperature in the combustion chamber A combustion temperature specifying means for specifying an actual combustion temperature that is a combustion temperature in the region;
Based on a two-region model that divides the combustion chamber into the combustion region and an unburned region that is the other region, from the in-cylinder pressure, the fuel supply amount, the intake pressure, and the intake air temperature, Combustion temperature estimation means for estimating an estimated combustion temperature that is a combustion temperature in association with an equivalent ratio in the combustion region;
An equivalent ratio estimation means for estimating an estimated equivalent ratio that is an equivalent ratio in the combustion region where the estimated combustion temperature matches the actual combustion temperature based on the two-region model;
With
When the estimated equivalent ratio is larger than the equivalent ratio tolerance, which is a predetermined threshold, with respect to the target equivalent ratio that is the target value of the equivalent ratio at that time, the valve timing variable mechanism is used to set the closing timing of the intake valve. When the estimated equivalent ratio is smaller than the equivalent ratio tolerance with respect to the target equivalent ratio, the valve timing variable mechanism is used to advance the closing timing of the intake valve.
Control device for internal combustion engine.
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