JP4126560B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路から排出される排ガス中の窒素酸化物（本明細書において「ＮＯｘ」と称呼する。）の発生量、及び微粒子状物質（パティキュレート・マター、或いはスモーク。本明細書において「ＰＭ」と総称する。）の発生量を制御する内燃機関の制御装置に関し、特に、機関のシリンダ内に吸入されるガスの流量に対する前記シリンダ内に吸入されるＥＧＲガスの流量の比（以下、「ＥＧＲ率」と称呼する。）を制御することによりＮＯｘの発生量、及びＰＭの発生量を制御するものに関する。

火花点火式内燃機関、ディーゼル機関等の内燃機関（特に、ディーゼル機関）においては、同機関の運転に伴って発生するＮＯｘ、及びＰＭ（以下、「エミッション」と総称することもある。）等の有害物質の発生量を効果的に低減する必要がある。

ここで、エミッション発生量を低減するためにはエミッション発生量を所定の目標値になるように制御することが有効である。また、ディーゼル機関におけるＮＯｘ発生量は、ＥＧＲ率と強い相関を有している。このため、下記特許文献１に記載の内燃機関（ディーゼル機関）の制御装置は、筒内圧力センサ、及び吸気酸素濃度センサによりそれぞれ検出された燃焼圧力、及び吸気酸素濃度に基づいて算出した燃焼温度、及び混合気濃度から、代表的な公知の燃焼モデルの一つである拡大ゼルドビッチ（ＺＥＬＤＯＶＩＣＨ）機構を用いて燃焼により発生するＮＯｘ発生量を推定する。そして、推定されたＮＯｘ発生量が所定の目標値になるようにＥＧＲ率等を制御するようになっている。
特開２００２−３７１８９３号公報

ところで、ＮＯｘ発生量を低減するためにＥＧＲ率を増大させていくと（特に、ディーゼル機関において）ＰＭ発生量が増大していくという関係があることも知られている。即ち、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分はＥＧＲ率により決定され、ＮＯｘ発生量の低減のみに着目してＥＧＲ率を制御すると、ＰＭ発生量が大きくなる。これは、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減するという観点からは好ましくない。

換言すれば、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減するためには、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量とのバランスを考慮してエミッション発生量の目標値（従って、ＥＧＲ率の目標値）を決定する必要がある。

このため、通常、現時点での機関の運転状態（例えば、燃料噴射量、機関回転速度等）におけるＮＯｘ発生量の定常適合値及びＰＭ発生量の定常適合値の組み合わせがエミッション発生量の目標値として使用され、実際のＥＧＲ率が係るエミッション発生量目標値に対応するＥＧＲ率目標値となるようにＥＧＲ率が制御されるようになっている。

ここで、ＮＯｘ発生量定常適合値、及びＰＭ発生量定常適合値とは、機関が現時点での運転状態（例えば、燃料噴射量、機関回転速度等）にて定常状態に維持されている場合においてＮＯｘ発生量とＰＭ発生量とのバランスを考慮した上で最適な組み合わせとなる予め適合されているＮＯｘ発生量とＰＭ発生量である。

係るＮＯｘ発生量定常適合値、及びＰＭ発生量定常適合値は、機関が或る定常運転状態に維持された状態においてＮＯｘ発生量定常適合値、及びＰＭ発生量定常適合値を適合する実験を機関の運転状態（例えば、燃料噴射量、機関回転速度等）を種々変更しながら実行することで取得され得る。

しかしながら、一般に、機関の回転速度が急増する場合など機関が過渡運転状態にある場合と定常運転状態にある場合とでは、同一の運転状態（例えば、燃料噴射量、機関回転速度等）であってもＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係が異なる。換言すれば、同一の運転状態（例えば、燃料噴射量、機関回転速度等）であっても、機関が過渡運転状態にある場合と定常運転状態にある場合とで同一のＥＧＲ率に対するＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分が異なる。

従って、上述のように、上記ＮＯｘ発生量定常適合値及びＰＭ発生量定常適合値をエミッション発生量の目標値として使用してＥＧＲ率を制御すると、機関が過渡運転状態にある場合において、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量とのバランスがくずれ、この結果、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減することができないという問題があった。

本発明は、かかる課題に対処するためになされたものであって、その目的は、内燃機関が過渡運転状態にあっても、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減するためのＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との良好なバランスを維持することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の制御装置（或いは、ＥＧＲ制御装置）は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、同ＥＧＲ通路に介装されて同排気通路から同吸気通路へ流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ制御弁とを備えた内燃機関に適用され、運転状態取得手段と、ＥＧＲ率実際値取得手段と、関係取得手段と、配分決定手段と、ＥＧＲ率目標値決定手段と、ＥＧＲ制御弁制御手段とを備えている。以下、これらの手段について順に説明していく。

運転状態取得手段は、内燃機関の運転状態を取得する手段であって、上記ＥＧＲ率実際値取得手段、及び関係取得手段等での計算に必要な機関の運転状態（を表すパラメータ）である、機関の回転速度、吸気通路を通過する空気の流量、アクセルペダル操作量等を、センサの出力等を利用して取得する。

ＥＧＲ率実際値取得手段は、前記取得された運転状態に基づいてＥＧＲ率の実際値を取得する手段である。ＥＧＲ率の実際値は、例えば、吸気行程中において機関のシリンダ内に吸入されたガス量（筒内吸入ガス量）と同吸気行程において吸気通路を通過した空気（新気）の量とを前記取得された運転状態に基づいて推定することで求めることができる。

関係取得手段は、前記取得された運転状態に基づいて同取得された運転状態におけるＮＯｘ発生量（の瞬時値）とＰＭ発生量（の瞬時値）との関係を取得する手段である。これによれば、機関が過渡運転状態にあっても、逐次取得される運転状態に基づいてＮＯｘ発生量の瞬時値とＰＭ発生量の瞬時値との関係（を表す数式等）が逐次正確に取得され得る。

配分決定手段は、前記ＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を決定する手段である。これによれば、後述するように、例えば、ＮＯｘ発生量の規制値及びＰＭ発生量の規制値を考慮して、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減するためのＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分（を表す数式等）が決定される。

ＥＧＲ率目標値決定手段は、前記取得されたＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係と前記決定されたＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分とからＥＧＲ率の目標値を決定する手段である。例えば、上記ＮＯｘ発生量の瞬時値とＰＭ発生量の瞬時値との関係を表す数式と、上記ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分を表す数式とを連立させることで、同ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分を維持できるエミッション発生量の目標値（の瞬時値）を求めることができる。

そして、係るエミッション発生量目標値（の瞬時値）を求めることができれば、同エミッション発生量目標値を達成するためのＥＧＲ率目標値（の瞬時値）を求めることができる。即ち、上記ＥＧＲ率目標値決定手段によれば、機関が過渡運転状態にあっても、上記ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分が維持され得るようにＥＧＲ率目標値（の瞬時値）が逐次決定され得る。

ＥＧＲ制御弁制御手段は、前記ＥＧＲ率実際値が前記ＥＧＲ率目標値になるように前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御する手段である。これによれば、ＥＧＲ率実際値が上述のように逐次決定されていくＥＧＲ率目標値になるようにＥＧＲ制御弁の開度が逐次制御されていく。

従って、機関が過渡運転状態にあっても、上記ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の実際の配分が上記狙いとする配分に維持されるようにＮＯｘ発生量とＰＭ発生量が逐次制御されていく。この結果、内燃機関が過渡運転状態にあっても、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減するためのＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との良好なバランスを維持することができる。

上記本発明に係る制御装置においては、前記関係取得手段は、前記機関のシリンダに吸入されるガスの酸素濃度である吸気酸素濃度に基づいて前記ＮＯｘ発生量を算出するＮＯｘ発生量推定モデルと、前記機関のシリンダに吸入されるガスの空気過剰率に基づいて前記ＰＭ発生量を算出するＰＭ発生量推定モデルとを利用して前記ＮＯｘの発生量とＰＭの発生量との関係を取得するように構成されることが好適である。

ＮＯｘ発生量は、吸気酸素濃度に強い相関を有していることが判っている。また、ＰＭ発生量は、空気過剰率に強い相関を有していることが判っている。従って、これによれば、吸気酸素濃度とＮＯｘ発生量との関係を規定するＮＯｘ発生量推定モデルを表す数式と、空気過剰率とＰＭ発生量との関係を規定するＰＭ発生量推定モデルを表す数式とを連立させることで、ＮＯｘ発生量の瞬時値とＰＭ発生量の瞬時値との関係を精度良く表す数式が取得され得る。

また、上記本発明に係る制御装置においては、上記前記取得された運転状態に基づいて噴射すべき燃料量である要求燃料噴射量を決定する要求燃料噴射量決定手段と、前記取得された運転状態に基づいて前記機関のシリンダに吸入されたガス量である筒内吸入ガス量を算出する筒内吸入ガス量算出手段とを更に備え、前記関係取得手段は、前記決定された要求燃料噴射量と前記算出された筒内吸入ガス量とを利用して前記ＮＯｘの発生量とＰＭの発生量との関係を取得するように構成されることが好適である。

後述するように、ＮＯｘ発生量の瞬時値とＰＭ発生量の瞬時値との関係は、過渡運転状態において時々刻々と変化する上記要求燃料噴射量と上記筒内吸入ガス量とに大きく依存する。上記構成によれば、ＮＯｘ発生量の瞬時値とＰＭ発生量の瞬時値との関係を表す数式中に上記要求燃料噴射量と上記筒内吸入ガス量とを変数として含めることができる。この結果、この数式は、機関が過渡運転状態であっても、ＮＯｘ発生量の瞬時値とＰＭ発生量の瞬時値との関係を一層精度良く表す数式となり得る。

上記本発明に係る制御装置においては、前記配分決定手段は、前記機関が前記取得された運転状態にて定常状態に維持されている場合において発生する予め計測されている前記ＮＯｘ発生量及び前記ＰＭ発生量（以下、「個別計測値」と云うこともある。）の組み合わせと、前記ＮＯｘ発生量の規制値及び前記ＰＭ発生量の規制値（以下、単に「規制値」と云うこともある。）に係わる予め定められた組み合わせと、の関係である２つの組み合わせの関係を利用して前記ＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を決定するように構成されると好ましい。

ここにおいて、「個別計測値」とは、例えば、機関が現時点での運転状態（例えば、燃料噴射量、機関回転速度等）にて定常状態に維持されたまま、所定時間だけ運転された場合（或いは、機関を搭載した車両が所定距離だけ走行した場合）に発生する総ＮＯｘ発生量、及び総ＰＭ発生量であって、所定の実験等により予め計測されている値である。

また、「規制値」とは、例えば、法律により定められたパターン（例えば、１０・１５モード）で機関を搭載した車両が走行した場合に発生する総ＮＯｘ発生量及び総ＰＭ発生量の法律により許容される各上限値である。

上記個別計測値の組み合わせと上記規制値に係わる予め定められた組み合わせとの関係（２つの組み合わせの関係）から、個別計測値（の瞬時値）の規制値に対する「現時点での余裕度」がＮＯｘ及びＰＭのそれぞれに対して取得され得る。従って、上記構成によれば、例えば、ＮＯｘ及びＰＭのうち上記「現時点での余裕度」が小さい方の発生量がより抑制されるようにＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分が逐次決定されていく。これにより、ＮＯｘ発生量、及びＰＭ発生量が共に規制値をなるべく超えないようにＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分を逐次決定していくことができる。

また、上記本発明に係る制御装置においては、前記配分決定手段は、前記機関が予め定められたパターンで稼働された場合において発生する予め計測されている前記ＮＯｘ発生量の総量及び前記ＰＭ発生量の総量（以下、「全体計測値」と云うこともある。）の組み合わせと、上記規制値に係わる予め定められた組み合わせと、の関係である２つの組み合わせの関係を利用して前記ＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を決定するように構成されてもよい。

ここにおいて、「全体計測値」とは、例えば、法律により定められたパターン（例えば、１０・１５モード）で機関を搭載した車両が走行した場合に発生する総ＮＯｘ発生量及び総ＰＭ発生量であって、所定の実験等により予め計測されている値である。

上記全体計測値の組み合わせと上記規制値に係わる予め定められた組み合わせとの関係（２つの組み合わせの関係）から、上記定められたパターンで機関が稼働された場合における総ＮＯｘ発生量、及び総ＰＭ発生量の規制値に対する「総合的な余裕度」がそれぞれ取得され得る。従って、上記構成によれば、例えば、ＮＯｘ及びＰＭのうち上記「総合的な余裕度」が小さい方の発生量がより抑制されるようにＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分が決定される。これによっても、ＮＯｘ発生量、及びＰＭ発生量が共に規制値をなるべく超えないようにＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分を逐次決定していくことができる。

上記本発明に係る制御装置においては、前記取得された運転状態に基づいて上記ＮＯｘ発生量定常適合値及びＰＭ発生量定常適合値を取得する定常適合値取得手段を更に備え、前記配分決定手段は、前記取得されたＮＯｘ発生量定常適合値及びＰＭ発生量定常適合値の組み合わせに相当する点を通るとともに前記２つの組み合わせの関係から得られるＮＯｘ発生量の増加量に対するＰＭ発生量の増加量の比である傾きを有する直線を表す式を利用して前記ＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を決定するように構成され、前記ＥＧＲ率目標値決定手段は、前記関係取得手段により取得されたＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を表す式と前記配分決定手段による前記直線を表す式とから前記ＥＧＲ率の目標値を決定するように構成されることが好適である。

これによれば、上記ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分を表す式である上記直線を表す式と、上記ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を表す式とを連立させることでエミッション発生量の目標値（の瞬時値）、従って、ＥＧＲ率目標値（の瞬時値）を得ることができる。このＥＧＲ率目標値は、後述するように、上記「現時点での余裕度」、或いは上記「総合的な余裕度」が考慮された値であって、ＮＯｘ発生量及びＰＭ発生量が共に規制値をなるべく超えないように同ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量を制御するための値となり得る。

上記何れかの本発明に係る制御装置においては、ＥＧＲ率目標値決定手段は、前記決定されたＥＧＲ率目標値が負になった場合、前記ＥＧＲ率目標値をゼロに設定するように構成されることが好適である。

ＥＧＲ率は、実際には、「０」以上「１」以下の値となる。しかしながら、機関が過度の過渡運転状態にあるとき、上記ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を表す式と、上記ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分を表す式（例えば、上記直線を表す式）とを連立させて求められるＥＧＲ率目標値（の瞬時値）が負の値に決定される場合がある。

このような場合、ＥＧＲ率目標値を「０」以上「１」以下のいずれかの値に再設定する必要がある。ここで、再設定されるＥＧＲ率目標値が上記求められた負のＥＧＲ率目標値から離れるほど、上記ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分が上記狙いとする配分から離れていく。従って、この場合、上記構成のように、再設定されるＥＧＲ率目標値を、実現可能なＥＧＲ率のうちで上記求められた負のＥＧＲ率目標値に最も近い値である「０」に設定することが好ましいと考えられる。

このように、ＥＧＲ率目標値が負になった場合に同ＥＧＲ率目標値をゼロに再設定するように構成されている場合、本発明に係る制御装置は、前記取得された運転状態に基づいて噴射すべき燃料量である要求燃料噴射量を決定する要求燃料噴射量決定手段と、前記決定された要求燃料噴射量の燃料の噴射指示を行う燃料噴射指示手段と、前記ＥＧＲ率目標値決定手段により決定されたＥＧＲ率目標値が負になった場合、前記配分決定手段により決定されたＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を維持しつつ前記ＥＧＲ率目標値決定手段により決定される前記ＥＧＲ率の目標値をゼロとするためのＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を得るために必要な燃料噴射量を燃料噴射量制限値として取得する燃料噴射量制限値取得手段とを更に備え、前記燃料噴射指示手段は、前記ＥＧＲ率目標値決定手段により決定されたＥＧＲ率目標値が負になった場合、前記決定された要求燃料噴射量に代えて前記取得された燃料噴射量制限値の燃料の噴射指示を行うように構成されると好ましい。

これによれば、ＥＧＲ率目標値が「０」に再設定される場合、燃料噴射量を上記要求燃料噴射量から上記燃料噴射量制限値に変更（制限）することで、ＥＧＲ率を「０」に制御しつつＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を狙いとする配分に維持することができる。この結果、内燃機関が過渡運転状態にある場合、より一層、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減するためのＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との良好なバランスを維持することができる。

以下、本発明の実施形態に係る内燃機関（ディーゼル機関）の制御装置について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明による内燃機関の制御装置を４気筒内燃機関（ディーゼル機関）１０に適用したシステム全体の概略構成を示している。このシステムは、燃料供給系統を含むエンジン本体２０、エンジン本体２０の各気筒の燃焼室（筒内）にガスを導入するための吸気系統３０、エンジン本体２０からの排ガスを放出するための排気系統４０、排気還流を行うためのＥＧＲ装置５０、及び電気制御装置６０を含んでいる。

エンジン本体２０の各気筒の上部には燃料噴射弁（噴射弁、インジェクタ）２１が配設されている。各燃料噴射弁２１は、図示しない燃料タンクと接続された燃料噴射用ポンプ２２に燃料配管２３を介して接続されている。燃料噴射用ポンプ２２は、電気制御装置６０と電気的に接続されていて、同電気制御装置６０からの駆動信号（後述する指令燃料噴射圧力Pcrfinに応じた指令信号）により燃料の実際の噴射圧力（吐出圧力）Pcrが指令燃料噴射圧力Pcrfinになるように同燃料を昇圧するようになっている。

これにより、燃料噴射弁２１には、燃料噴射用ポンプ２２から前記指令燃料噴射圧力Pcrfinまで昇圧された燃料が供給されるようになっている。また、燃料噴射弁２１は、電気制御装置６０と電気的に接続されていて、同電気制御装置６０からの駆動信号（指令燃料噴射量qfinに応じた指令信号）により所定時間だけ開弁し、これにより各気筒の燃焼室内に前記指令燃料噴射圧力Pcrfinにまで昇圧された燃料を前記指令燃料噴射量qfinだけ直接噴射するようになっている。

吸気系統３０は、エンジン本体２０の各気筒の燃焼室にそれぞれ接続された吸気マニホールド３１、吸気マニホールド３１の上流側集合部に接続され同吸気マニホールド３１とともに吸気通路を構成する吸気管３２、吸気管３２内に回動可能に保持されたスロットル弁３３、電気制御装置６０からの駆動信号に応答してスロットル弁３３を回転駆動するスロットル弁アクチュエータ３３ａ、スロットル弁３３の上流において吸気管３２に順に介装されたインタクーラー３４と過給機３５のコンプレッサ３５ａ、及び吸気管３２の先端部に配設されたエアクリーナ３６とを含んでいる。

排気系統４０は、エンジン本体２０の各気筒にそれぞれ接続された排気マニホールド４１、排気マニホールド４１の下流側集合部に接続された排気管４２、排気管４２に配設された過給機３５のタービン３５ｂ、及び排気管４２に介装されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＮＲ」と称呼する。）４３を含んでいる。排気マニホールド４１及び排気管４２は排気通路を構成している。

ＤＰＮＲ４３は、コージライト等の多孔質材料から形成されたフィルタ４３ａを備え、通過する排気ガス中のパティキュレートを細孔表面にて捕集するフィルタである。ＤＰＮＲ４３は、担体としてのアルミナに、カリウムＫ，ナトリウムＮａ，リチウムＬｉ，セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ，カルシウムＣａのようなアルカリ土類金属、及びランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類金属から選ばれた少なくとも一つを白金とともに担持し、ＮＯｘを吸収した後に同吸収したＮＯｘを放出して還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒としても機能するようになっている。

ＥＧＲ装置５０は、排気ガスを還流させる通路（ＥＧＲ通路）を構成する排気還流管５１と、排気還流管５１に介装されたＥＧＲ制御弁５２と、ＥＧＲクーラー５３とを備えている。排気還流管５１はタービン３５ｂの上流側排気通路（排気マニホールド４１）とスロットル弁３３の下流側吸気通路（吸気マニホールド３１）を連通している。ＥＧＲ制御弁５２は電気制御装置６０からの駆動信号に応答し、再循環される排気ガス量（排気還流量、ＥＧＲガス流量）を変更し得るようになっている。

電気制御装置６０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ６１、ＣＰＵ６１が実行するプログラム、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、及び定数等を予め記憶したＲＯＭ６２、ＣＰＵ６１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ６３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ６４、並びにＡＤコンバータを含むインターフェース６５等からなるマイクロコンピュータである。

インターフェース６５は、空気流量（新気流量）計測手段であって吸気管３２に配置された熱線式エアフローメータ７１、スロットル弁３３の下流であって排気還流管５１が接続された部位よりも下流の吸気通路に設けられた吸気温センサ７２、スロットル弁３３の下流であって排気還流管５１が接続された部位よりも下流の吸気通路に配設された吸気管圧力センサ７３、クランクポジションセンサ７４、アクセル開度センサ７５、及び燃料噴射用ポンプ２２の吐出口の近傍の燃料配管２３に配設された燃料圧力センサ７６、と接続されていて、これらのセンサからの信号をＣＰＵ６１に供給するようになっている。以上の各センサは運転状態取得手段に相当する。

また、インターフェース６５は、燃料噴射弁２１、燃料噴射用ポンプ２２、スロットル弁アクチュエータ３３ａ、及びＥＧＲ制御弁５２と接続されていて、ＣＰＵ６１の指示に応じてこれらに駆動信号を送出するようになっている。

熱線式エアフローメータ７１は、吸気通路内を通過する吸入空気の質量流量（単位時間当りの吸入空気量、単位時間あたりの新気量）を計測し、同質量流量Ga（空気流量Ga）を表す信号を発生するようになっている。吸気温センサ７２は、エンジン１０のシリンダ（即ち、燃焼室、筒内）に吸入されるガスの温度（即ち、吸気温度）を検出し、同吸気温度Tbを表す信号を発生するようになっている。吸気管圧力センサ７３は、エンジン１０のシリンダに吸入されるガスの圧力（即ち、吸気管圧力）を検出し、同吸気管圧力Pbを表す信号を発生するようになっている。

クランクポジションセンサ７４は、各気筒の絶対クランク角度を検出し、クランク角度CAを表すとともにエンジン１０の回転速度であるエンジン回転速度NEをも表す信号を発生するようになっている。アクセル開度センサ７５は、アクセルペダルＡＰの操作量を検出し、アクセル操作量Accpを表す信号を発生するようになっている。燃料圧力センサ７６は、燃料配管２３を通過する燃料の圧力を検出し、噴射圧力Pcrを表す信号を発生するようになっている。

（吸排気系の作動の概要）
次に、上記のように構成された内燃機関の制御装置（以下、「本装置」と称呼する。）の吸排気系の作動の概要について説明する。図２は、或る一つの気筒のシリンダ内(筒内)に吸気マニホールド３１からガスが吸入され、筒内に吸入されたガスが排気マニホールド４１へ排出される様子を模式的に示した図である。

図２に示したように、筒内に吸入されるガス（筒内ガス）には、吸気管３２の先端部からスロットル弁３３を介して吸入された新気と、排気還流管５１からＥＧＲ制御弁５２を介して吸入されたＥＧＲガスが含まれる。吸入される新気量（質量）Gnと吸入されるＥＧＲガス量（質量）Gegrの和である筒内吸入ガス量Gcylに対するＥＧＲガス量Gegrの割合（即ち、ＥＧＲ率Regr＝Gegr/Gcyl）は、運転状態に応じて電気制御装置６０（ＣＰＵ６１）により後述するように制御されるスロットル弁３３の開度、及びＥＧＲ制御弁５２の開度に応じて変化する。

かかる新気、及びＥＧＲガスは、吸気行程において開弁している吸気弁Vinを介してピストンの下降に伴って筒内に吸入されて筒内ガスとなる。筒内ガスは、ピストンが下死点に達した時点（以下、「ATDC-180°」と称呼する。）で吸気弁Vinが閉弁することにより筒内に密閉され、その後の圧縮行程においてピストンの上昇に伴って圧縮される。

そして、ピストンが上死点近傍に達っすると（具体的には、後述する指令燃料噴射時期finjfinが到来すると）、本装置は、前記指令燃料噴射量qfinに応じた所定時間だけ燃料噴射弁２１を開弁することで燃料を筒内に直接噴射する。この結果、噴射された燃料は、時間の経過に伴って同筒内ガスと混ざり合いながら混合気となって筒内において円錐状に拡散していき、所定のタイミングで自己着火が発生することに起因して燃焼（拡散燃焼）する。

そして、燃焼後に燃焼室内に存在するガスは、排ガスとなって、排気行程において開弁している排気弁Voutから排気通路を介してピストンの上昇に伴って排気マニホールド４１へ排出され、係る排ガスは、排気管４２を介して外部へと排出されていく。

（本装置によるＥＧＲ制御の概要）
次に、本装置によるＥＧＲ制御（具体的には、ＥＧＲ率Regrの制御）の概要について説明する。先に述べたように、ディーゼル機関におけるＮＯｘ発生量とＰＭ発生量（即ち、エミッション発生量）は、ＥＧＲ率Regrに大きく依存し、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分はＥＧＲ率Regrにより決定され得る。

即ち、ＥＧＲ率Regrが大きいとＮＯｘ発生量が小さくなるとともにＰＭ発生量が大きくなり、一方、ＥＧＲ率Regrが小さいとＮＯｘ発生量が大きくなるとともにＰＭ発生量が小さくなる。このように、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の間には、一方が小さくなると他方が大きくなるというトレードオフが存在する。

また、ＮＯｘもＰＭも有害物質である。従って、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減するためには、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分を設定し、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の実際の配分が同狙いとする配分と一致するようにＥＧＲ率Regrを制御することが好ましい。

ここで、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の実際の配分を上記狙いとする配分に正確に一致させるためには、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との正確な関係を取得する必要がある。以下、先ず、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との正確な関係を表す式を取得する方法について説明する。

<ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係>
ＮＯｘ発生量は、筒内ガスの酸素濃度に強い相関がある。種々の実験によれば、ＮＯｘ発生量noxと吸気酸素モル濃度RO2inとの関係は、下記(1)式にて表すことができる。下記(1)式において、ＮＯｘ発生量noxは、単位噴射燃料量、且つ一燃焼サイクルあたりのＮＯｘ発生量であり、吸気酸素モル濃度RO2inは、筒内ガスの全モル数に対する同筒内ガス中の酸素のモル数の比である。また、値a、値bは定数である。下記(1)式は、「吸気酸素濃度に基づいてＮＯｘ発生量を算出するＮＯｘ発生量推定モデル」に相当する。

また、ＰＭ発生量は、筒内ガスの空気過剰率に強い相関がある。種々の実験によれば、ＰＭ発生量pmと筒内ガスの空気過剰率λとの関係は、下記(2)式にて表すことができる。下記(2)式において、pmは単位噴射燃料量、且つ一燃焼サイクルあたりのＰＭ発生量である。また、空気過剰率λは、下記(3)式にて表される値である。また、値c、値dは定数である。下記(2)式は、「空気過剰率に基づいてＰＭ発生量を算出するＰＭ発生量推定モデル」に相当する。

上記(3)式において、Gnは一吸気行程において筒内に吸入された新気量であり、Qは燃料噴射量（要求燃料噴射量）である。Gcylは一吸気行程において筒内に吸入された筒内吸入ガス量（全筒内ガス量）であり、値Zは「Gcyl/(Q・AFth)」であり、AFthは理論空燃比である。Regrは下記(4)式にて表されるＥＧＲ率である。下記(4)式において、Gegrは一吸気行程において筒内に吸入されたＥＧＲガス量である。

また、吸気酸素モル濃度RO2inは、空気中の酸素のモル濃度である空気酸素モル濃度RO2air（定数）を使用すれば、下記(5)式にて近似できることが知られている。

ここで、上記(1)式、(3)式、及び(5)式から、吸気酸素モル濃度RO2inと、空気過剰率λとを消去すると、下記(6)式を得ることができる。この(6)式は、ＥＧＲ率RegrとＮＯｘ発生量noxとの関係を表す式である。(6)式から理解できるように、ＥＧＲ率Regrが増加するとＮＯｘ発生量は減少する。ここで、(6)式の右辺は、変数nox，Zを引数としてＥＧＲ率Regrを求める関数となっている。以下、(6)式の右辺を「funcRegr(nox,Z)」と表すこともある。

一方、上記(2)式、及び(3)式から、空気過剰率λを消去すると、下記(7)式を得ることができる。この(7)式は、ＥＧＲ率RegrとＰＭ発生量pmとの関係を表す式である。(7)式から理解できるように、ＥＧＲ率Regrが増加するとＰＭ発生量は増加する。

そして、上記(6)式と上記(7)式とからＥＧＲ率Regrを消去すると、下記(8)式が得られる。

上記(8)式は、ＥＧＲ率RegrをパラメータとするＮＯｘ発生量noxとＰＭ発生量pmとの関係を表す式である。係る関係は、図５に示した曲線（以下、「トレードオフライン」と称呼する。）にて表される。ここで、値noxegr0は、「ＥＧＲ率Regr＝０」に対応するＮＯｘ発生量noxであって、上記(6)式にて「ＥＧＲ率Regr＝０」と置くことで得られる定数である（noxegr0＝RO2air・a＋b）。

このトレードオフラインは、上記(8)式から理解できるように、値Z（＝Gcyl/(Q・AFth)）に依存して決定され、値Zが小さいほど図５に示した座標系上において上方向に移動する。ここで、筒内吸入ガス量Gcyl、及び要求燃料噴射量Q（従って、値Z）は、定常運転状態では一定に維持される一方、過渡運転状態においては時々刻々と変化し得る。

従って、このトレードオフラインは、定常運転状態では一定となる一方、過渡運転状態では時々刻々と変化する。このように、トレードオフラインは、定常運転状態のみならず過渡運転状態においても、ＮＯｘ発生量noxの瞬時値とＰＭ発生量pmの瞬時値との正確な関係を表す曲線となる。換言すれば、ＮＯｘ発生量noxとＰＭ発生量pmの組み合わせに対応する点は、定常運転状態のみならず過渡運転状態においても常に、このトレードオフライン上に存在する。

以上、上記(8)式は、筒内吸入ガス量Gcylと要求燃料噴射量Qとを利用して、定常運転状態のみならず過渡運転状態においてもＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との正確な関係を表す式となる。上記(8)式に基づいてＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を取得する手段が関係取得手段に相当する。なお、(8)式の右辺は、変数Z，noxを引数としてＰＭ発生量pmを求める関数となっている。以下、(8)式の右辺を「funcpm1(Z,nox)」と表すこともある。

<ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分の決定方法>
次に、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分の決定方法について説明する。上述したように、ＮＯｘ発生量noxとＰＭ発生量pmの組み合わせに対応する点は、常にトレードオフライン上に存在する。従って、ＮＯｘ発生量noxとＰＭ発生量pmの配分は、トレードオフライン上におけるいずれの点をエミッション目標値（即ち、ＮＯｘ発生量目標値、及びＰＭ発生量目標値）として使用するかにより決定される。

ここで、本装置は、先に説明したＮＯｘ発生量定常適合値noxTA及びＰＭ発生量定常適合値pmTAと、運転状態（本例では、要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）と、の関係を規定するテーブルMapnoxTA(Q,NE)、MappmTA(Q,NE)をＲＯＭ６２内に格納している。このＮＯｘ発生量定常適合値noxTA、及びＰＭ発生量定常適合値pmTAとは、機関が現時点での運転状態（要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）にて定常状態に維持されている場合においてＮＯｘ発生量とＰＭ発生量とのバランスを考慮した上で最適な組み合わせとなる（ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分となる）予め適合されているＮＯｘ発生量とＰＭ発生量である。

係るテーブルMapnoxTA(Q,NE)、MappmTA(Q,NE)は、機関が或る要求燃料噴射量Q及びエンジン回転速度NEで定常運転状態に維持されている状態においてＮＯｘ発生量定常適合値noxTA、及びＰＭ発生量定常適合値pmTAを適合する実験を、要求燃料噴射量Q及びエンジン回転速度NEを種々変更しながら実行することで取得され得る。係るテーブルMapnoxTA(Q,NE)、MappmTA(Q,NE)に基づいてＮＯｘ発生量定常適合値noxTA及びＰＭ発生量定常適合値pmTAを取得する手段が定常適合値取得手段に相当する。

以下、ＮＯｘ発生量定常適合値noxTA及びＰＭ発生量定常適合値pmTAの組み合わせに対応する点を適合点Ａと呼ぶことにすると、機関が定常運転状態にある場合、図５に示したように、現時点での適合点Ａは、必ず、トレードオフライン上に存在する。即ち、現時点での適合点Ａそのものをエミッション目標値として使用して、ＥＧＲ率Regrを現時点での適合点Ａに対応するＥＧＲ率Regr(＝RegrA)そのものに一致するように制御すれば、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分を上記実験を通して適合された狙いとする配分に一致させることができる。

一方、エンジン回転速度NEが急増する場合など、機関が過渡運転状態にある場合、上述したように、トレードオフラインは、時々刻々と変化する値Z（即ち、筒内吸入ガス量Gcyl及び要求燃料噴射量Q）に依存して時々刻々と変化する。この結果、現時点での適合点Ａはトレードオフライン上に存在しなくなる。

図６は、機関が過渡運転状態にあって、現時点での値Zが、現時点での適合点Ａに対応するＮＯｘ発生量定常適合値noxTA及びＰＭ発生量定常適合値pmTAを適合した実験を行った時点での値よりも小さい値となっている場合における、現時点での適合点Ａとトレードオフラインとの関係の一例を示している。

図６に示した例では、ＥＧＲ率Regrを現時点での適合点Ａに対応するＥＧＲ率Regr(＝RegrA)そのものに一致するように制御すると、点Ａ’をエミッション目標値として使用することになり、この結果、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分が点Ａ’に対応する配分に一致するように制御されてしまう。この結果、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分を上記実験を通して適合された狙いとする配分に一致させることができない。

即ち、機関が過渡運転状態にある場合、現時点での適合点Ａがトレードオフライン上に存在しなくなることから、トレードオフライン上におけるいずれの点をエミッション目標値（即ち、ＮＯｘ発生量目標値、及びＰＭ発生量目標値）として使用すべきかが問題となる。

そこで、本装置は、図６に示したように、現時点での適合点Ａを通り、傾きＫの直線（以下、「配分決定ライン」と称呼する。）を導入し、配分決定ラインとトレードオフラインとの交点（以下、「目標点Ｂ」と称呼する。）をエミッション目標値として使用する。

以下、図７を参照しながら、上記傾きＫの設定方法について説明する。図７に示した微細なドットで示された領域は、燃料の消費量や排ガス量の測定用に法律により定められている走行モード（例えば、「１０・１５モード」）で機関を搭載した車両が走行した場合に発生する総ＮＯｘ発生量及び総ＰＭ発生量の法律により許容される範囲を示している。即ち、規制点Ｒは、総ＮＯｘ発生量の許容上限値及び総ＰＭ発生量の許容上限値の組み合わせに対応する点（固定点）である。

また、機関が現時点での運転状態（要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）にて定常状態に維持されたまま、上記走行モードで車両が走行する延べ時間と同一の時間に亘って運転された場合に発生する予め計測されている総ＮＯｘ発生量、及び総ＰＭ発生量の組み合わせ（個別計測値）に対応する点を現時点での計測点Ｃと呼ぶことにする。即ち、計測点Ｃは、機関の運転状態（要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）に応じて移動する。

図７に示したように、現時点での傾きＫは、現時点での計測点Ｃと規制点Ｒとを通る直線の傾きに決定される。即ち、例えば、現時点での計測点Ｃが計測点Ｃ１となる場合は傾きＫ＝Ｋ１となり、現時点での計測点Ｃが計測点Ｃ２となる場合は傾きＫ＝Ｋ２となり、現時点での計測点Ｃが計測点Ｃ３となる場合は傾きＫ＝Ｋ３となる。

ここで、例えば、現時点での計測点Ｃが計測点Ｃ１となる場合を考える。この場合、計測点Ｃ１に対応するＰＭ発生量は許容上限値に近い値であり、計測点Ｃ１に対応するＮＯｘ発生量は許容上限値より十分に小さい値となっている。即ち、ＰＭについての「現時点での余裕度」が、ＮＯｘについての「現時点での余裕度」よりも小さい。このような場合、傾きＫは小さめの値（＝Ｋ１）となる。この結果、図６から理解できるように、目標点Ｂに対応するＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分は、「現時点での余裕度」が小さいＰＭ発生量がより抑制されるように決定される。

一方、現時点での計測点Ｃが計測点Ｃ３となる場合を考える。この場合、計測点Ｃ３に対応するＮＯｘ発生量は許容上限値に近い値であり、計測点Ｃ３に対応するＰＭ発生量は許容上限値より十分に小さい値となっている。即ち、ＮＯｘについての「現時点での余裕度」が、ＰＭについての「現時点での余裕度」よりも小さい。このような場合、傾きＫは大きめの値（＝Ｋ３）となる。この結果、図６から理解できるように、目標点Ｂに対応するＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分は、「現時点での余裕度」が小さいＮＯｘ発生量がより抑制されるように決定される。

即ち、このように、現時点での計測点Ｃと規制点Ｒとを通る直線の傾きを現時点での傾きＫとして使用すれば、ＮＯｘとＰＭのうち「現時点での余裕度」が小さい方の発生量がより抑制されるようにＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分が決定されていく。これにより、ＮＯｘ発生量、及びＰＭ発生量が共に許容上限値をなるべく超えないようにＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の狙いとする配分が逐次決定されていく。

<ＥＧＲ率の目標値Regrtの具体的な決定方法>
次に、ＥＧＲ率の目標値Regrtの具体的な決定方法について説明する。上述したように、機関の運転状態（要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）に応じて移動する上記計測点Ｃは、予め計測されている総ＮＯｘ発生量、及び総ＰＭ発生量の組み合わせに対応する点であり、また、規制点Ｒは既知である。従って、機関の運転状態（要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）と傾きＫとの関係は予め取得することができる。

本装置は、傾きＫと、運転状態（要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）との関係を規定するテーブルMapＫ(Q,NE)をＲＯＭ６２内に格納している。従って、現時点での傾きＫはテーブルMapＫ(Q,NE)を検索することで取得できる。また、現時点での適合点Ａに対応する現時点での定常適合値noxTA，pmTAは、上述したテーブルMapnoxTA(Q,NE)、MappmTA(Q,NE)を検索することで取得できる。

従って、配分決定ラインを下記(9)式にて表すことにすると、下記(9)式における値e（図６を参照）は、現時点での傾きＫ、及び現時点での定常適合値noxTA,pmTAを利用して下記(10)式にて求めることができる。なお、(9)式の右辺は、変数Ｋ，e，noxを引数としてＰＭ発生量pmを求める関数となっている。以下、(9)式の右辺を「funcpm2(Ｋ,e,nox)」と表すこともある。上記(9)式に基づいてＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分を決定する手段が配分決定手段に相当する。また、(10)式の右辺は、変数Ｋ，noxTA，pmTAを引数として値eを求める関数となっている。以下、(10)式の右辺を「funce(Ｋ,noxTA,pmTA)」と表すこともある。

ここで、上記(8)式と、上記(9)式とを連立させてＰＭ発生量pmを消去することにより求められるＮＯｘ発生量noxは、図６に示す目標点Ｂに対応するＮＯｘ発生量目標値noxtとなる。ＮＯｘ発生量目標値noxtは下記(11)式にて表すことができる。なお、(11)式の右辺は、変数Ｋ，e，Zを引数としてＮＯｘ発生量目標値noxtを求める関数となっている。以下、(11)式の右辺を「funcnoxt(Ｋ,e,Z)」と表すこともある。

このようにして、目標点Ｂに対応するＮＯｘ発生量目標値noxtが求まれば、上記(6)式におけるnoxをnoxtと置くことにより、図６に示すＥＧＲ率目標値Regrtを求めることができる（Regrt＝funcRegr(noxt,Z)）。このようにして、ＥＧＲ率目標値Regrtを決定する手段がＥＧＲ率目標値決定手段に相当する。

以上、本装置は、上述のようにしてＥＧＲ率目標値Regrtを逐次求め、現時点でのＥＧＲ率の実際値Regractが現時点でのＥＧＲ率目標値Regrtに一致するようにＥＧＲ率Regrを制御する（具体的には、スロットル弁３３の開度、及びＥＧＲ制御弁５２の開度を制御する）。これにより、機関が定常運転状態にあっても過渡運転状態にあっても、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分が図６に示す目標点Ｂ（定常運転状態では、目標点Ｂは適合点Ａに一致する。）に対応する狙いとする配分に一致するように、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量が逐次制御されていく。

<ＥＧＲ率目標値Regrtが負となる場合の対処>
ＥＧＲ率Regrは、実際には、「０」以上「１」以下の値となる。しかしながら、例えば、機関が過度の過渡運転状態にあることで上記値Zが小さめの値となっていて、且つ傾きＫが小さめの値に設定されている場合、図８に示すように、目標点Ｂに対応するＥＧＲ率目標値Regrtが負の値になる場合が発生し得る。

このような場合、本装置は、ＥＧＲ率目標値Regrtを実現可能な値である「０」に再設定する。しかしながら、この場合、ＥＧＲ率目標値Regrtを「０」に設定することでＥＧＲ率実際値Regractを「０」になるように制御すると、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分が図８に示す点Ｄに対応する配分に一致するように制御されてしまう。この結果、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分を上記配分決定ラインに基づく配分に一致させることができない。

ここで、ＥＧＲ率実際値Regractを「０」になるように制御しつつ、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分を上記配分決定ラインに基づく配分に一致させるためには、トレードオフラインが目標点Ｂ’を通るように上記値Zを調整し、目標点Ｂ’をエミッション目標値として使用すればよい。

このような値Z(＝Zegr0)は、目標点Ｂ’に対応するＮＯｘ発生量nox(＝noxegr0(定数))と、ＰＭ発生量pm(＝pmegr0)とを、トレードオフラインを表す上記(8)式におけるnox、及びpmにそれぞれ代入することで求めることができる。即ち、値Zegr0は、pmegr0＝funcpm1(Z,noxegr0)を成立させるための値Zである。なお、値pmegr0は、上記(9)式におけるnoxをnoxegr0と置くことにより求めることができる（pmegr0＝funcpm2(Ｋ,e,noxegr0)）。

そして、値Z（＝Gcyl/(Q・AFth)）を上記値Zegr0に調整するためには、要求燃料噴射量Qを下記(12)式にて表される燃料噴射量制限値Qlimitに調整（制限）すればよい。

Qlimit＝Gcyl/(Zegr0・AFth) ・・・(12)

なお、要求燃料噴射量Qを上記燃料噴射量制限値Qlimitに制限することは、図８において、トレードオフラインを２点鎖線で示した曲線（即ち、目標点Ｂ’を通るようにトレードオフラインを下方向へ移動させた曲線）に移動させることと等価である。このようにして燃料噴射量制限値Qlimitを取得する手段が燃料噴射量制限値取得手段に相当する。

以上のことから、本装置は、ＥＧＲ率目標値Regrtが負の値となる場合、ＥＧＲ率目標値Regrtを「０」に再設定するとともに、要求燃料噴射量Q（実際には、後述する指令燃料噴射量qfin）を燃料噴射量制限値Qlimitに制限する。これにより、ＥＧＲ率実際値Regractを「０」になるように制御しつつ、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分を上記配分決定ラインに基づく配分に一致させることができる。以上が、本装置によるＥＧＲ制御の概要である。

（実際の作動）
次に、上記のように構成された内燃機関の制御装置の実際の作動について説明する。ＣＰＵ６１は、図９にフローチャートにより示したＥＧＲ率実際値Regractを取得するためのルーチンを所定時間（例えば、8msec）の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ６１はステップ９００から処理を開始し、ステップ９０５に進んで、現時点が或る気筒の吸気行程終了時点と一致しているか（ATDC-180°になっているか）否かを判定し、「Ｎｏ」と判定する場合にはステップ９９５に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。

一方、「Ｙｅｓ」と判定する場合、ＣＰＵ６１はステップ９１０に進んで吸気温センサ７２により得られる吸気温度Tbを下死点時筒内ガス温度Ta0として取得するとともに、続くステップ９１５にて吸気管圧力センサ７３により得られる吸気管圧力Pbを下死点時筒内ガス圧力Pa0として取得する。

次いで、ＣＰＵ６１はステップ９２０に進んで、気体の状態方程式に基づく下記(13)式に従って筒内吸入ガス量Gcylを求める。下記(13)式において、Va0はATDC-180°における下死点時燃焼室内容積である。燃焼室内容積は、機関１０の設計諸元に基づいてクランク角度の関数として表すことができるから、この関数に基づいて下死点時燃焼室内容積Va0を求めることができる。下記(13)式は、ATDC-180°において筒内ガス温度、及び筒内ガス圧力は吸気温度Tb、及び吸気管圧力Pbにそれぞれ略等しいとの仮定のもとで成立する式である。下記(13)式に従って筒内吸入ガス量Gcylを求める手段が筒内吸入ガス量算出手段に相当する。

Gcyl＝Pa0・Va0/(R・Ta0) ・・・(13)

続いて、ＣＰＵ６１はステップ９２５に進み、エアフローメータ７１により得られる現時点での単位時間あたりの新気量Gaと、クランクポジションセンサ７４により得られる現時点でのエンジン回転速度NEと、Ga、NEを引数とする一吸気行程において筒内に吸入された新気量Gnを求める関数funcGnと、に基づいて、一吸気行程において筒内に吸入された新気量Gnを求める。

そして、ＣＰＵ６１はステップ９３０に進み、上記求めた筒内吸入ガス量Gcylと、上記求めた一吸気行程において筒内に吸入された新気量Gnと、上記(4)式に相当するステップ９３０内に記載の式と、に従って現時点でのＥＧＲ率実際値Regractを求めた後、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。このようにして、ＥＧＲ率実際値Regractは、或る気筒の吸気行程終了時点が到来する毎に更新されていく。このステップ９３０は、ＥＧＲ率実際値取得手段に相当する。

また、ＣＰＵ６１は、図１０、及び図１１に一連のフローチャートにより示したＥＧＲ率、及び燃料噴射形態の制御を行うためのルーチンを所定時間（例えば、8msec）の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ６１はステップ１０００から処理を開始し、ステップ１００２に進んで、アクセル操作量Accp、エンジン回転速度NE、及び図１２に示したテーブルMapQから現時点での要求燃料噴射量Qを求める。テーブルMapQは、アクセル開度Accp及びエンジン回転速度NEと要求燃料噴射量Qとの関係を規定するテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。このようにして、テーブルMapQを利用して要求燃料噴射量Qを決定する手段が要求燃料噴射量決定手段に相当する。

次に、ＣＰＵ６１はステップ１００４に進んで、上記求めた要求燃料噴射量Q、エンジン回転速度NE、及び上述したＲＯＭ６２内に格納されているテーブルMapnoxTAから現時点でのＮＯｘ発生量定常適合値noxTAを求める。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ１００６に進み、上記求めた要求燃料噴射量Q、エンジン回転速度NE、及び上述したＲＯＭ６２内に格納されているテーブルMappmTAから現時点でのＰＭ発生量定常適合値pmTAを求める。

次いで、ＣＰＵ６１はステップ１００８に進んで、上記求めた要求燃料噴射量Q、エンジン回転速度NE、及び上述したＲＯＭ６２内に格納されているテーブルMapＫから現時点での傾きＫを求める。

次に、ＣＰＵ６１はステップ１０１０に進み、上記求めた傾きＫ、上記求めたＮＯｘ発生量定常適合値noxTA、上記求めたＰＭ発生量定常適合値pmTA、及び上記(10)式から値eを求め、続くステップ１０１２にて、先のステップ９２５にて算出されている筒内吸入ガス量Gcyl、上記求めた要求燃料噴射量Q、及びステップ１０１２内に記載の上記値Zの定義式から現時点での値Zを求める。

次いで、ＣＰＵ６１はステップ１０１４に進んで、上記求めた傾きＫ、上記求めた値e、上記求めた値Z、及び上記(11)式からＮＯｘ発生量目標値noxtを求め、続くステップ１０１６にて、上記求めたＮＯｘ発生量目標値noxt、上記求めた値Z、上記(6)式からＥＧＲ率目標値Regrtを求める。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ１０１８に進み、上記求めたＥＧＲ率目標値Regrtの値が負であるか否かを判定する。ここで、上記求めたＥＧＲ率目標値Regrtの値が「０」以上であれば、ＣＰＵ６１はステップ１０１８にて「Ｎｏ」と判定してステップ１０２０に進み、フラグＬＩＭＩＴの値を「０」に設定した後、図１１のステップ１０３２に進む。

ここで、フラグＬＩＭＩＴは、その値が「０」のとき上記求めたＥＧＲ率目標値Regrtの値が「０」以上であることを示し、その値が「１」のとき上記求めたＥＧＲ率目標値Regrtの値が負であることを示す。

一方、上記求めたＥＧＲ率目標値Regrtの値が負であれば、ＣＰＵ６１はステップ１０１８にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０２２に進み、フラグＬＩＭＩＴの値を「１」に設定するとともに、続くステップ１０２４にてＥＧＲ率目標値Regrtの値を「０」に再設定する。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ１０２６に進み、上記求めた傾きＫ、上記求めた値e、上記値noxegr0、及び上記(9)式から上記値pmegr0を求め、続くステップ１０２８にて上記求めた値pmegr0、上記値noxegr0、上記(8)式から上記値Zegr0を求め、続くステップ１０３０にて、上記求めた筒内吸入ガス量Gcyl、上記求めた値Zegr0、上記(12)式から燃料噴射量制限値Qlimitを求めた後、図１１のステップ１０３２に進む。

ＣＰＵ６１はステップ１０３２に進むと、上記求めたＥＧＲ率目標値Regrtから先のステップ９３０にて算出されているＥＧＲ率実際値Regractを減じることでＥＧＲ率偏差ΔRegrを求め、続くステップ１０３４にて、上記求めたＥＧＲ率偏差ΔRegrに応じて、ＥＧＲ率実際値RegractがＥＧＲ率目標値Regrtに一致するように、スロットル弁アクチュエータ３３ａ、及びＥＧＲ制御弁５２に対して駆動指示を行う。

これにより、ＥＧＲ率実際値RegractがＥＧＲ率目標値Regrtに一致するように逐次制御され、従って、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分が上記配分決定ラインに基づく配分に逐次一致させられる。このステップ１０３４はＥＧＲ制御弁制御手段に相当する。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ１０３６に進み、フラグＬＩＭＩＴの値が「１」であるか否かを判定し、「Ｎｏ」と判定する場合（即ち、ＥＧＲ率目標値Regrtが「０」に再設定されている場合）、ステップ１０３８に進んで指令燃料噴射量qfinを先のステップ１０３０にて算出されている燃料噴射量制限値Qlimitの値に設定する。

一方、ＣＰＵ６１はステップ１０３６の判定において「Ｙｅｓ」と判定する場合、ステップ１０４０に進んで指令燃料噴射量qfinを先のステップ１００２で求めた要求燃料噴射量Qの値に設定する。

続いて、ＣＰＵ６１はステップ１０４２に進んで、上記求めた指令燃料噴射量qfin、エンジン回転速度NE、及び図１３に示したテーブルMapfinjfinから燃料噴射時期finjfinを決定する。テーブルMapfinjfinは、指令燃料噴射量qfin及びエンジン回転速度NEと燃料噴射時期finjfinとの関係を規定するテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

次に、ＣＰＵ６１はステップ１０４４に進み、上記求めた指令燃料噴射量qfin、エンジン回転速度NE、及び図１４に示したテーブルMapPcrfinから燃料噴射圧力Pcrfinを決定する。テーブルMapPcrfinは、指令燃料噴射量qfin及びエンジン回転速度NEと燃料噴射圧力Pcrfinとの関係を規定するテーブルであり、ＲＯＭ６２内に格納されている。

そして、ＣＰＵ６１はステップ１０４６に進み、上記求めた燃料噴射時期finjfinが到来したか否かを判定し、「Ｎｏ」と判定する場合、燃料を噴射することなくステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。一方、上記求めた燃料噴射時期finjfinが到来している場合、ＣＰＵ６１はステップ１０４６にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０４８に進み、上記求めた燃料噴射時期finjfinが到来している気筒のインジェクタ２１に対して上記求めた指令燃料噴射量qfinだけ燃料を噴射する指示を行った後、ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上、説明したように、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置よれば、吸気酸素モル濃度RO2inに基づいてＮＯｘ発生量を算出するＮＯｘ発生量推定モデル（上記(1)式）と、空気過剰率λに基づいてＰＭ発生量を算出するＰＭ発生量推定モデル(上記(2)式)とから、要求燃料噴射量Qと筒内吸入ガス量Gcylとを利用した（即ち、値Zを利用した）、ＥＧＲ率Regrをパラメータとする「ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係」を表す式（上記(8)式。図６のトレードオフライン）を求める。

また、現時点での運転状態におけるＮＯｘ発生量及びＰＭ発生量の定常適合値の組み合わせに対応する点（図６の適合点Ａ）を通り、エミッションの規制に係わる法律に基づく規制値を考慮して決定される傾きＫを有する直線を表す式（上記(9)式。図６の配分決定ライン）を求める。そして、トレードオフラインと配分決定ラインの交点（図６の目標点Ｂ）をエミッション目標値として使用し、ＥＧＲ率目標値Regrtを目標点Ｂに対応するＥＧＲ率Regrに設定する。

これにより、機関が定常運転状態にあっても過渡運転状態にあっても、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分が、図６に示す目標点Ｂ（定常運転状態では、目標点Ｂは適合点Ａに一致する。）に対応する上記規制値が考慮された狙いとする配分に一致するように、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量が逐次制御されていく。従って、エミッション発生量を総合的、且つ効果的に低減するためのＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との良好なバランスを維持することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、機関の運転状態（要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）に応じて移動し得る計測点Ｃ（個別計測値。図７を参照）と規制点Ｒ（図７を参照。固定点）とを通る直線の傾きを傾きＫとして使用するように構成されているが、図１５に示したように、燃料の消費量や排ガス量の測定用に法律により定められている走行モード（例えば、「１０・１５モード」）で機関を搭載した車両が走行した場合に発生する予め計測されている総ＮＯｘ発生量及び総ＰＭ発生量の組み合わせ（全体計測値）に対応する点（計測点Ｃtotal）と、規制点Ｒ（固定点）とを通る直線の傾き（一定値）を傾きＫとして使用するように構成してもよい。

これによれば、傾きＫが一定値となるから、逐次変動する傾きＫを求めるための、傾きＫと、運転状態（要求燃料噴射量Q、及びエンジン回転速度NE）との関係を規定する上記テーブルMapＫ(Q,NE)が不要となる。従って、ＲＯＭ６２のメモリを節約できるとともに、テーブル検索に伴うＣＰＵ６１の演算負荷を低減することができる。

また、上記実施形態においては、図１０、及び図１１に示した一連のルーチンの実行間隔時間（例えば、8msec）毎に、上記ＥＧＲ率偏差ΔRegrに応じてＥＧＲ率実際値RegractがＥＧＲ率目標値Regrtに一致するようにＥＧＲ率を制御しているが（ステップ１０３４を参照）、図９のステップ９３０にてＥＧＲ率実際値Regractが更新される毎（即ち、或る気筒の吸気行程終了時点が到来する毎）に上記ＥＧＲ率偏差ΔRegrに応じてＥＧＲ率実際値RegractがＥＧＲ率目標値Regrtに一致するようにＥＧＲ率を制御するように構成してもよい。

また、上記実施形態においては、ＥＧＲ率目標値Regrtが負になった場合、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量の配分を上記配分決定ラインに基づく配分に維持しつつＥＧＲ率目標値Regrtを「０」とするためのトレードオフラインを得るために必要な燃料噴射量である燃料噴射量制限値Qlimitを計算し、指令燃料噴射量qfinを燃料噴射量制限値Qlimitに制限するように構成されているが、これに加えて、ＥＧＲ率目標値Regrtが負になった場合、空気過剰率λを「１」とするために必要な燃料噴射量を第２燃料噴射量制限値Qlimit2として取得するとともに、指令燃料噴射量qfinを、上記燃料噴射量制限値Qlimitと第２燃料噴射量制限値Qlimit2のうち小さい方の値に制限するように構成してもよい。

この場合、第２燃料噴射量制限値Qlimit2は、上記(3)式において、ＥＧＲ率Regrを「０」と置き、空気過剰率λを「１」と置くことにより、下記(14)式に従って求めることができる。

Qlimit2＝Gcyl/AFth ・・・(14)

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置を４気筒内燃機関（ディーゼル機関）に適用したシステム全体の概略構成図である。 図１に示した内燃機関の吸排気系の作動の概要を説明するためのシリンダ周辺の概略断面図である。 図１に示した制御装置が使用するＮＯｘ発生量推定モデルによる吸気酸素モル濃度とＮＯｘ発生量との関係を示したグラフである。 図１に示した制御装置が使用するＰＭ発生量推定モデルによる空気過剰率とＰＭ発生量との関係を示したグラフである。 図１に示した制御装置が使用する、ＮＯｘ発生量推定モデルとＰＭ発生量推定モデルとを利用して取得されたＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係（トレードオフライン）を示したグラフである。 図１に示した制御装置によるＥＧＲ率目標値の決定方法を説明するための図である。 図１に示した制御装置がＥＧＲ率目標値を決定するために使用する配分決定ラインの傾きの決定方法を説明するための図である。 ＥＧＲ率目標値が負となる場合の対処方法を説明するための図である。 図１に示したＣＰＵが実行するＥＧＲ率実際値を取得するためのルーチンを示したフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが実行するＥＧＲ率、及び燃料噴射形態の制御を行うためのルーチンの前半部を示したフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが実行するＥＧＲ率、及び燃料噴射形態の制御を行うためのルーチンの後半部を示したフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが図１０に示したルーチンを実行する際に参照する要求燃料噴射量を決定するためのテーブルである。 図１に示したＣＰＵが図１１に示したルーチンを実行する際に参照する燃料噴射時期を決定するためのテーブルである。 図１に示したＣＰＵが図１１に示したルーチンを実行する際に参照する燃料噴射圧力を決定するためのテーブルである。 ＥＧＲ率目標値を決定するために使用される配分決定ラインの傾きの決定方法の他の例を説明するための図である。

符号の説明

２１…燃料噴射弁、２２…燃料噴射用ポンプ、３３…スロットル弁、３３ａ…スロットル弁アクチュエータ、５２…ＥＧＲ制御弁、６０…電気制御装置、６１…ＣＰＵ、７１…エアフローメータ、７２…吸気温センサ、７３…吸気管圧力センサ、７４…クランクポジションセンサ、７５…アクセル開度センサ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、同ＥＧＲ通路に介装されて同排気通路から同吸気通路へ流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ制御弁とを備えた内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転状態を取得する運転状態取得手段と、
   前記取得された運転状態に基づいて前記機関のシリンダに吸入されるガスの流量に対する同機関のシリンダに吸入されるＥＧＲガスの流量の比であるＥＧＲ率の実際値を取得するＥＧＲ率実際値取得手段と、
   前記取得された運転状態に基づいて同取得された運転状態におけるＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を取得する関係取得手段と、
   前記ＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を決定する配分決定手段と、
   前記取得された関係と前記決定された配分とからＥＧＲ率の目標値を決定するＥＧＲ率目標値決定手段と、
   前記ＥＧＲ率実際値が前記ＥＧＲ率目標値になるように前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御するＥＧＲ制御弁制御手段と、
   を備えた内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記関係取得手段は、
   前記機関のシリンダに吸入されるガスの酸素濃度である吸気酸素濃度に基づいて前記ＮＯｘ発生量を算出するＮＯｘ発生量推定モデルと、前記機関のシリンダに吸入されるガスの空気過剰率に基づいて前記ＰＭ発生量を算出するＰＭ発生量推定モデルとを利用して前記ＮＯｘの発生量とＰＭの発生量との関係を取得するように構成された内燃機関の制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記取得された運転状態に基づいて噴射すべき燃料量である要求燃料噴射量を決定する要求燃料噴射量決定手段と、
   前記取得された運転状態に基づいて前記機関のシリンダに吸入されたガス量である筒内吸入ガス量を算出する筒内吸入ガス量算出手段とを更に備え、
   前記関係取得手段は、
   前記決定された要求燃料噴射量と前記算出された筒内吸入ガス量とを利用して前記ＮＯｘの発生量とＰＭの発生量との関係を取得するように構成された内燃機関の制御装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記配分決定手段は、
   前記機関が前記取得された運転状態にて定常状態に維持されている場合において発生する予め計測されている前記ＮＯｘ発生量及び前記ＰＭ発生量の組み合わせと、前記ＮＯｘ発生量の規制値及び前記ＰＭ発生量の規制値に係わる予め定められた組み合わせと、の関係である２つの組み合わせの関係を利用して前記ＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を決定するように構成された内燃機関の制御装置。
5. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記配分決定手段は、
   前記機関が予め定められたパターンで稼働された場合において発生する予め計測されている前記ＮＯｘ発生量の総量及び前記ＰＭ発生量の総量の組み合わせと、前記ＮＯｘ発生量の規制値及び前記ＰＭ発生量の規制値に係わる予め定められた組み合わせと、の関係である２つの組み合わせの関係を利用して前記ＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を決定するように構成された内燃機関の制御装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記機関が前記取得された運転状態にて定常状態に維持されている場合において最適な組み合わせとなる予め適合されている前記ＮＯｘ発生量及び前記ＰＭ発生量を、同取得された運転状態に基づいてＮＯｘ発生量定常適合値及びＰＭ発生量定常適合値としてそれぞれ取得する定常適合値取得手段を更に備え、
   前記配分決定手段は、
   前記取得されたＮＯｘ発生量定常適合値及びＰＭ発生量定常適合値の組み合わせに相当する点を通るとともに前記２つの組み合わせの関係から得られるＮＯｘ発生量の増加量に対するＰＭ発生量の増加量の比である傾きを有する直線を表す式を利用して前記ＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を決定するように構成され、
   前記ＥＧＲ率目標値決定手段は、
   前記関係取得手段により取得されたＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を表す式と前記配分決定手段による前記直線を表す式とから前記ＥＧＲ率の目標値を決定するように構成された内燃機関の制御装置。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲ率目標値決定手段は、
   前記決定されたＥＧＲ率目標値が負になった場合、前記ＥＧＲ率目標値をゼロに設定するように構成された内燃機関の制御装置。
8. 請求項７に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記取得された運転状態に基づいて噴射すべき燃料量である要求燃料噴射量を決定する要求燃料噴射量決定手段と、
   前記決定された要求燃料噴射量の燃料の噴射指示を行う燃料噴射指示手段と、
   前記ＥＧＲ率目標値決定手段により決定されたＥＧＲ率目標値が負になった場合、前記配分決定手段により決定されたＮＯｘ発生量と前記ＰＭ発生量の配分を維持しつつ前記ＥＧＲ率目標値決定手段により決定される前記ＥＧＲ率の目標値をゼロとするためのＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を得るために必要な燃料噴射量を燃料噴射量制限値として取得する燃料噴射量制限値取得手段とを更に備え、
   前記燃料噴射指示手段は、
   前記ＥＧＲ率目標値決定手段により決定されたＥＧＲ率目標値が負になった場合、前記決定された要求燃料噴射量に代えて前記取得された燃料噴射量制限値の燃料の噴射指示を行うように構成された内燃機関の制御装置。
   

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