JP4299305B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係り、特に、空燃比で規定される第一、第二、及び第三の燃焼領域を使用するようにされ、第一燃焼領域→第三燃焼領域及び第三燃焼領域→第一燃焼領域への燃焼領域切換時における、排気エミッションの悪化と運転性悪化を効果的に抑えることができるようにされたエンジンの制御装置に関する。

自動車等で使用されるエンジンにおいて、燃費向上を目的として、理論空燃比（以下、ストイキと称す）よりも空気量が過多のリーン空燃比での燃焼と、リッチ空燃比又はストイキでの燃焼との燃焼切り換えを行うリーンバーンエンジンが実用化されている（図１参照）。例えば、吸気通路の下流端部を構成する吸気ポート付近で燃料を噴射する方式（ポート噴射）で空燃比２０〜２５程度のリーン燃焼を行うものや、シリンダ（燃焼室）内に直接燃料を噴射する方式（筒内噴射）で層状混合気を形成して空燃比が４０〜５０といった極めてリーンな領域で燃焼を行うものがある。これらは、リーンな燃焼、すなわちシリンダ（燃焼室）に吸入される空気量を増やすことによって、ポンピング損失や熱損失を少なくして燃費を向上させている。
ストイキでの燃焼を行う場合には、排気通路に設けられた三元触媒によって、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に酸化還元して浄化することができるが、リーン空燃比での燃焼では排気ガスが酸素過剰状態となるため、ＮＯｘの還元が困難である。このため、排気ガスの空燃比がリーン（空気過多）であるときに、排気ガスのＮＯｘを貯蔵し、空燃比がリッチ（燃料過多）であるときにＮＯｘを放出して、還元又は接触還元等するリーンＮＯｘ触媒を排気通路における三元排気浄化装置下流に配置し、混合気の空燃比を所定の周期でリーン空燃比からストイキ又はリッチ空燃比に一時的に変化させてリーンＮＯｘ触媒に貯蔵されたＮＯｘを放出又は還元させ、ＮＯｘ貯蔵能力を回復させるようにしたエンジンの排気浄化装置が考えられている（例えば、特開２００１−２４１３２０公報参照）。
上記のリーンＮＯｘ触媒は、排気ガスの空燃比により変化し、燃焼室内の混合気の空燃比又はリーンＮＯｘ触媒の入口空燃比が約１７以上の場合に高いＮＯｘ貯蔵能力があるが、ストイキから約１７以下の空燃比においてはＮＯｘを浄化する能力が低く、排気ガス中のほとんどのＮＯｘを貯蔵できずに通過させるという問題がある（図２参照）。
かかる問題を解決するための技術として、従来、リーン空燃比での燃焼とストイキ又はリッチ空燃比での燃焼を切り換える際に、空燃比がＮＯｘを浄化又は貯蔵が不可能な領域の滞在時間を可能な限り短くすることが提案されている。
ＮＯｘ排出量を低減させるための燃焼領域切換技術は、例えば、リーン空燃比からストイキ又はリッチ空燃比へ切り換える際には、燃焼室に吸入される空気量を調節するスロットル弁の開度を減じて、空気量を減少させる操作と同時に、スロットル弁開度の変化に対する空気量の伝達遅れを補償するように、燃料供給量（燃料噴射量）を一時的に増加させて空燃比をスキップ変化させ、燃料噴射量の増加により発生するエンジントルクの変動を点火時期をリタードさせる（遅らせる）ことで排気エミッションの悪化と運転性の悪化を防止している。なお、この種の制御を行うエンジンの制御装置としては、例えば、特開平７−１８９７９９号公報に所載のものが挙げられる。
ところで、リーンバーンエンジンはリーン燃焼により燃費向上を図るものであるが、上述の通り、リーン運転中のＮＯｘ排出量を低減するために、排気通路にリーンＮＯｘ触媒を設ける必要がある。これにより、燃費の向上代がリーンＮＯｘ触媒装備によるコストアップ分に打ち消されてしまうことから、コスト低減のためにリーンＮＯｘ触媒を装備しないシステムが検討されている。
リーンバーンエンジンのＮＯｘ排出量を図３に示す。図３に示されるように、リーンＮＯｘ触媒を装備した場合には、ストイキからリッチ空燃比と、空燃比が１７近傍からリーンの場合にＮＯｘ浄化率が高く、ＮＯｘ排出量が低減可能であるが、リーンＮＯｘ触媒を未装備の場合には、空燃比が約１７近傍よりリーンの領域でのＮＯｘ排出量が増大し、排気通路出口よりＮＯｘを多量に排出する空燃比領域がストイキから空燃比Ａまでと、リーンＮＯｘ触媒が装備されている場合よりも拡大する。従って、リーンＮＯｘ触媒を装備していないリーンバーンエンジンのＮＯｘ排出量を低減するためには、ＮＯｘ排出量が増大する広い空燃比領域（ストイキ〜空燃比Ａ）を速やかに通過して、ストイキ又はリッチ空燃比での燃焼と空燃比Ａよりリーン空燃比での燃焼とを切り換える燃焼領域切換技術が必要である。
燃焼領域切換時のＮＯｘ排出量を低減するために、従来技術を適用した場合、空気量と燃料噴射量を操作（増減）することにより空燃比を切り換えることが可能であり、ＮＯｘ排出量を低減することができる。しかしながら、空燃比の切換時の変化幅が大きいため、空燃比の切り換えに必要な燃料噴射量操作幅も大きくなり、燃焼領域切換時の燃料噴射量操作分によるトルク変動量が増大する。このトルク変動量低減のために、上述のように点火時期のリタードを行うのであるが、燃料噴射量操作幅が大きく、点火時期リタード実施によっても、トルク変動を完全には抑制することができない。
また、リーンバーンエンジンと同様に、リーン燃焼による燃費向上を図った圧縮着火エンジンが提案されている。この圧縮着火エンジンは、従来ガソリンエンジンでは成しえない超リーン空燃比領域（空燃比８０以上）の運転が可能であり、火炎温度低下及び均一混合気による着火燃焼を実現することから、ＮＯｘ排出量の大幅な低減を可能とする（例えば、特開２００３−１０６１８４号公報参照）。
上記圧縮着火エンジンは高精度な着火制御が必要であるため、高負荷、高回転での実施が困難であり、低負荷、低回転数領域のみで圧縮着火を行うという特徴がある（図４参照）。そして、かかる圧縮着火エンジンでは、リーン燃焼時のＮＯｘ排出量を低減可能であるが、ＮＯｘ排出量が空燃比に依存し、空燃比が２０近傍からリーン領域ではＮＯｘが数十ｐｐｍ以下の排出量であるものの、空燃比がストイキから２０近傍以下の領域内では数百ｐｐｍ程度のＮＯｘを排出してしまうということを本発明者は見い出した（図５参照）。従って、リーンバーンエンジンと同様、ＮＯｘ排出量低減を目的として、ストイキからリッチ空燃比での燃焼と２０以上のリーン空燃比での燃焼を切り換える燃焼領域切換技術が必要である。
上述の圧縮着火エンジンに従来技術を適用した場合、空気量と燃料噴射量を操作することで燃焼領域切換時のＮＯｘ排出量を低減可能である。しかしながら、リーンＮＯｘ触媒を装備しないリーンバーンエンジンと同様に、燃焼を切り換えた際の空燃比の変化量が大きく、燃料噴射量操作によるトルク変動量を点火時期のリタードで完全には抑制することができない。
すなわち、リーンＮＯｘ触媒を装備していないリーンバーンエンジンと圧縮着火エンジンの例で述べたように、前記従来技術は、燃焼領域切換時に必要な空燃比の変化幅が大きくなった場合について配慮されておらず、燃焼領域切換時の排気エミッションの悪化は防止可能であるが、トルク変動を充分には抑制することができないという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ストイキ又はリッチ空燃比での燃焼とリーン空燃比での燃焼とを切り換える際に、ＮＯｘ排出量の増大による排気エミッション悪化と、トルク変動の発生による運転性悪化を共に効果的に抑えることができるようにされたエンジンの制御装置を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係るエンジンの制御装置は、基本的には、ストイキよりリッチな空燃比でＮＯｘを浄化する機能を持つ排気浄化装置を備え、燃焼領域として、燃焼に供される混合気の空燃比がリッチからリーンとなる順序で規定される第一燃焼領域、第二燃焼領域、及び第三燃焼領域を使用するようにされ、前記第一燃焼領域から前記第二燃焼領域を通過して前記第三燃焼領域への燃焼領域切換、及び、前記第三燃焼領域から前記第二燃焼領域を通過して前記第一燃焼領域への燃焼領域切換を行うようにされる。
そして、前記第二燃焼領域通過時における排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量及びトルク変動量を可及的に低減すべく、前記燃焼領域切換時に、燃焼室に吸入される吸入空気量を通常時とは異なる態様で制御する燃焼制御手段を備えていることを特徴としている。
より具体的な好ましい態様では、前記第二燃焼領域通過時における前記排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量をオンラインで推定するＮＯｘ排出量推定手段と、前記第二燃焼領域通過時におけるトルク変動量をオンラインで推定するトルク変動量推定手段と、前記ＮＯｘ排出量推定値及び前記トルク変動量推定値に基づいて、前記第二燃焼領域通過時における前記排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量を所定値以下、かつ、前記第二燃焼領域通過時におけるトルク変動量を所定値以下とする制御を行う燃焼制御手段と、を備える。
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、好ましくは、燃焼に供される混合気の空燃比、エンジン回転数、エンジントルク、及び燃焼室に導入されたＥＧＲ量もしくは燃焼室内に残留するＥＧＲ量に基づいて、前記第二燃焼領域通過時における前記排気浄化装置入口のＮＯｘ排出量を推定する排気浄化装置入口ＮＯｘ排出量推定手段と、前記排気浄化装置入口の空燃比、前記排気浄化装置の温度、及び前記排気浄化装置入口の推定ＮＯｘ排出量に基づいて、前記排気浄化装置出口のＮＯｘ排出量を推定する触媒モデルと、を備える。
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、好ましくは、前記燃焼領域切換に要する期間をＴ１とし、該期間Ｔ１よりも十分に短い期間をＴ２として、該期間Ｔ２毎に演算されるＮＯｘ濃度を前記期間Ｔ１だけ積算することにより、前記燃焼領域切換時の前記排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量を推定するようにされる。
他の好ましい態様では、前記排気浄化装置上流側又は下流側において排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する空燃比センサを備え、前記ＮＯｘ排出量推定手段は、前記空燃比センサの出力に基づいて、前記ＮＯｘ排出量を推定する際のパラメータを調整するようにされる。
前記トルク変動量推定手段は、好ましくは、前記第二燃焼領域通過時における燃料供給量及びエンジン回転数に基づいて、前記トルク変動量を推定するようにされる。
前記トルク変動量推定手段は、好ましくは、前記燃焼領域切換時に、所定時間内でスロットル弁の開度を変化させて前記吸入空気量を変化させ、その際、前記スロットル弁の変化に対する前記吸入空気量の変化の時間遅れを補償するために行われる燃料供給量補正に起因して発生するトルク変動分に基づいて、前記トルク変動量を推定するようにされる。
前記トルク変動量推定手段は、他の好ましい態様では、前記燃焼領域切換時に、点火時期をリタードさせ、その点火時期をリタードさせたことに起因して発生するトルク変動分を、前記燃料供給量補正に起因して発生するトルク変動分から減じた値に基づいて、前記トルク変動量を推定するようにされる。
好ましい他の態様では、エンジントルクを検出するトルクセンサを備え、前記トルク変動量推定手段は、前記トルクセンサの出力に基づいて、前記トルク変動量を推定する際のパラメータを調整するようにされる。
他の別の好ましい態様では、前記スロットル弁の開度変化に対する前記吸入空気量の変化の時間遅れよりも短い時間で前記吸入空気量を変化させることができる空気量可変手段を備え、前記燃焼制御手段は、前記燃料供給量補正に起因して発生する前記トルク変動分が所定値以上となる場合に、前記空気量可変手段を用いて前記吸入空気量を変化させるようにされる。
前記空気量可変手段として、好ましくは、開閉時間、開閉時期、及びリフト量のうちの少なくとも一つが可変とされた吸気弁が用いられる。
前記燃焼制御手段は、好ましくは、前記第二燃焼領域通過時において、目標空燃比の変化に対する、燃焼に供される混合気の空燃比の応答遅れが所定値以上となる場合、前記燃焼に供される混合気の空燃比を所定時間内で変化させるように燃料供給量を補正するようにされる。
前記燃焼制御手段は、他の好ましい態様では、前記第二燃焼領域通過時において、燃料供給量の補正によって前記トルク変動が発生した際には、点火時期をリタードさせて前記トルク変動を抑制するようにされる。
他の好ましい態様においては、前記第二燃焼領域通過時における混合気の空燃比、エンジン回転数、及びエンジントルクに基づいて、前記排気浄化装置入口の空燃比を推定する排気系モデルと、該排気系モデルにより推定された前記排気浄化装置入口の空燃比から前記混合気の空燃比を推定する排気系逆モデルと、を備え、前記燃焼制御手段は、前記第二燃焼領域を通過する期間が所定値以上である場合に、前記排気系逆モデルに基づいて、前記混合気の空燃比を変化させるようにされる。
この場合、好ましくは、前記空燃比センサの出力に基づいて、前記排気系逆モデルのパラメータを調整するようにされる。
前記燃焼制御手段は、好ましくは、前記燃焼領域切換時に、前記スロットル弁から前記空気量可変手段までの空気量の応答特性を変化せるべく前記スロットル弁の開度を調整し、前記スロットル弁の開度調整と同時に前記空気量可変手段の動作を調整して前記吸入空気量を前記スロットル弁開度調整以前の吸入空気量と同等とし、その後に、前記空気量可変手段の動作を制御して前記吸入空気量を変化させるようにされる。
好ましい態様では、前記第一燃焼領域は、ストイキよりリッチな空燃比領域と規定され、また、前記排気浄化装置は、リーンＮＯｘ触媒とされ、さらに、前記第二燃焼領域は、ストイキ及び前記リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ貯蔵効率が所定値以上となる空燃比領域と規定され、かつ、前記第三燃焼領域は、前記リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ貯蔵効率が所定値以上となる空燃比よりリーンな空燃比領域と規定される。
別の好ましい態様では、前記エンジンが圧縮着火エンジンとされ、前記排気浄化装置が三元触媒とされる。
この場合、前記第二燃焼領域は、ストイキ及び前記燃焼室の出口におけるＮＯｘ濃度が所定値以下となる空燃比領域と規定され、前記第三燃焼領域が、前記燃焼室の出口におけるＮＯｘ濃度が所定値以下となる空燃比よりリーンな空燃比領域と規定される。
前記の如くに、本発明に係るエンジンの制御装置においては、燃焼領域として、第一、第二、及び第三燃焼領域を使用するようにされ、第一燃焼領域→第三燃焼領域及び第三燃焼領域→第一燃焼領域への燃焼領域切換時、つまり、第二燃焼領域通過時における排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量をオンラインで推定するとともに、第二燃焼領域通過時におけるトルク変動量をオンラインで推定し、それらのＮＯｘ排出量推定値及びトルク変動量推定値に基づいて、第二燃焼領域通過時における排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量を所定値以下、かつ、第二燃焼領域通過時におけるトルク変動量を所定値以下とすべく、燃焼室に吸入される吸入空気量を、通常時とは異なる態様、例えば、吸気弁のリフト量を変えることにより調整するようにされるので、前記燃焼領域切換時の排気エミッションの悪化と運転性の悪化を共に効果的に抑えることができる。

図１は、ストイキ又はリッチ燃焼領域とリーン燃焼領域の例を示す図。
図２は、空燃比とリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化効率の関係を示す図。
図３は、三元触媒を備えたリーンバーンエンジンにおける、空燃比とＮＯｘ排出量の関係を示す図。
図４は、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼の運転領域を示す図。
図５は、三元触媒を備えた圧縮着火エンジンにおける、空燃比とＮＯｘ排出量の関係を示す図。
図６は、本発明に係る制御装置の第１実施形態を、それが適用されたエンジンと共に示す概略構成図。
図７は、コントロールユニットの内部構成図。。
図８は、第１実施形態における、空燃比とＮＯｘ排出量の関係と、空燃比と燃焼領域の関係を示す図。
図９は、コントロールユニットが燃焼領域切換に際して実行する処理内容を示す機能ブロック図。
図１０は、図９に示される燃焼制御手段の詳細を示す機能ブロック図。
図１１は、図１０に示される燃焼切換推定手段の詳細を示す機能ブロック図。
図１２は、第１実施形態における、吸入空気量と燃料噴射量の操作と燃焼領域切換時のＮＯｘ排出量との関係を示すタイムチャート。
図１３は、第１実施形態における、吸入空気量、燃料噴射量、及び点火時期の操作と燃焼領域切換時のトルク変動量との関係を示すタイムチャート
図１４は、図１１に示される排気伝達特性推定手段の詳細を示す機能ブロック図。
図１５は、図１０に示される燃焼領域切換要求手段の詳細を示す機能ブロック図。
図１６は、図１０に示される燃焼領域切換実現手段の一例の詳細を示す機能ブロック図。
図１７は、第１実施形態における燃焼領域切換時の制御操作説明に供されるタイムチャート。
図１８は、第１実施形態における燃焼領域切換時の動作説明に供されるタイムチャート。
図１９は、コントロールユニットが燃焼領域切換時に実行するプログラムの一例を示すフローチャート。
図２０は、図１９の燃焼領域切換要求処理の詳細を示すフローチャート。
図２１は、図１９の燃焼領域切換制御処理の詳細を示すフローチャート。
図２２は、図１９の推定値学習処理の詳細を示すフローチャート。
図２３は、第２実施形態における火花点火運転時の１サイクル中の燃焼室内圧力の変化を示す図。
図２４は、第２実施形態における圧縮着火運転時の１サイクル中の燃焼室内圧力の変化を示す図。
図２５は、第２実施形態における火花点火燃焼時と圧縮着火燃焼時とにおける吸気弁及び排気弁のプロフィール例を示す図。
図２６は、第２実施形態における、燃焼領域とＮＯｘ排出量との関係を示す図。
図２７は、図１０に示される燃焼領域切換実現手段の他の例の詳細を示す機能ブロック図。
図２８は、第２実施形態における燃焼領域切換時の制御操作説明に供されるタイムチャート。
図２９は、第２実施形態における燃焼領域切換時の動作説明に供されるタイムチャート。
発明を行うための最良の形態
以下、本発明の幾つかの実施形態を図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図６は、本発明に係る制御装置の第１実施形態を、それが適用されたエンジンと共に示す概略構成図である。
図示のエンジン１は、筒内（燃焼室１２内）に直接燃料を噴射する車載用筒内噴射エンジンであり、シリンダ１Ａには例えば４つの気筒が設けられ、それらの各気筒にはピストン１５が摺動自在に嵌挿され、このピストン１５上方に燃焼室１２が画成される。燃焼室１２には、所定の態様で点火プラグ４及び燃料噴射弁３が臨設され、さらに、吸気通路８が吸気弁５を介して連通せしめられるとともに、排気通路１３が排気弁６を介して連通せしめられている。吸気通路８には、燃焼室１２に吸入される吸入空気量を計測するエアフローセンサ１４や吸入空気量を調整する電制スロットル弁２等が配在されている。また、排気通路１３には、排気浄化装置としての三元触媒７や該三元触媒７の上流側にて排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１６等が配在されている。さらに、前記シリンダ１Ａには、図示はされていないが、エンジン冷却水温を検出する水温センサ等が配在され、また、クランクシャフト１１の位相及び回転数（エンジン回転数）を検出するためのクランク角センサ９等も備えられている。
前記吸気弁５及び排気弁６は、電磁コイル等からなる可変動弁機構５Ａ、６Ａにより開閉駆動され、それらの開閉時間、開閉時期、及びリフト量は任意に変化させることができるようになっている。
前記吸気通路８から吸気弁５を介して燃焼室１２内に吸入された空気に対し、燃料噴射弁３から燃料が噴射され、所定の空燃比（目標空燃比）の混合気が形成される。混合気は所定の点火時期で点火プラグ４から発生される火花により爆発燃焼し、その燃焼圧によりピストン１５が押し下げられてエンジンの駆動力となる。さらに、爆発燃焼後の排気ガスは燃焼室１２から排気通路１３を経て三元触媒７に送り込まれ、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ成分が三元触媒７内で浄化され、この浄化された排気ガスが外部へ排出される。
そして、前記スロットル弁２の開度（吸入空気量）、燃料噴射弁８での燃料噴射量、点火プラグ４による点火時期等を制御するために本実施形態の制御装置１０の主要部を構成するコントロールユニット１００が備えられている。コントロールユニット１００は、図７に示される如くに、前記エアフローセンサ１４、空燃比センサ１６、クランク角センサ９等の出力が入力される入力回路７０１を備え、該入力回路７０１の出力は入出力ポート７０２に送られる。入出力ポート７０２内の入力ポートの値はＲＡＭ７０３に保管され、ＣＰＵ７０５内で演算処理される。演算処理内容を記述した制御ポログラムはＲＯＭ７０４に予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された前記スロットル弁等の各アクチュエータ操作量を示す値はＲＡＭ３２に保管された後、入出力ポート７０２内の出力ポートに送られ、各駆動回路７０６、７０７、７０８、７０９を経て各アクチュエータに送られる。
すなわち、コントロールユニット１００は、前記各センサ出力に基づいて、エンジンの運転状態を検知し、そのときの運転状態に応じて、最適な、前記スロットル弁２の開度（スロットル開度）、燃料噴射弁８による燃料噴射量、点火プラグ４による点火時期、吸気弁５及び排気弁６の開閉態様（開閉時間、開弁時期、及びリフト量）を算定する。
コントロールユニット１００で算定された燃料噴射量は開弁パルス信号（噴射弁駆動信号）に変換されて燃料噴射弁３に供給される。また、コントロールユニット１００で算定された点火時期で点火されるように、駆動信号が点火プラグ４に送られる。さらに、コントロールユニット１００で算定されたスロットル開度となるように電制スロットル弁２に駆動信号が送られる。また、コントロールユニット１００で算定された吸気弁５及び排気弁６の開閉態様（開閉時間、開弁時期、及びリフト量）が得られるように、弁駆動信号が可変動弁機構５Ａ、５Ｂに送られる。
前記エンジン１における燃焼形態としては、ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼等がある。ストイキ燃焼は、燃焼に供される混合気の空燃比をストイキからリッチ側の空燃比とし、吸気行程中に燃料を噴射して空気との混合を行い、均質な混合気を燃焼させる。均質リーン燃焼は、混合気の空燃比をストイキからリーン側の空燃比とし、ストイキ燃焼と同様に、吸気行程中に燃料を噴射して空気との混合を行い、均質な混合気を燃焼させる。また、成層リーン燃焼は、圧縮行程で燃料を噴射して、混合気中に層状に燃料を分布させ、点火プラグ４近傍に燃料を集めることにより、均質リーン燃焼よりも更にリーンな空燃比を実現する。
図８は、エンジン１における、混合気の空燃比と排気浄化装置（三元触媒７）流のＮＯｘ排出量の関係を示したものである。ストイキよりリッチ側の空燃比領域においては、三元触媒７の浄化率が高く、燃焼室１２から排気通路１３に排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化するため、外部へのＮＯｘの排出量は少ない。これに対し、ストイキよりリーン側の空燃比領域においては、三元触媒７のＮＯｘ浄化率が極めて低いため、外部へのＮＯｘ排出量が多くなる。
ここで、燃焼に供せられる混合気の空燃比に応じて区分けされる第一燃焼領域、第二燃焼領域、及び第三燃料領域は下記のように定義される。すなわち、第一燃焼領域は、三元触媒７のＮＯｘ浄化率が高く、三元触媒７下流のＮＯｘ排出量が数十ｐｐｍである空燃比、すなわち、ストイキからリッチ側の空燃比領域と規定される。第二燃焼領域は、ストイキからリーン側の空燃比であり、ストイキと図８中の空燃比Ａとの間の領域と規定される。前記空燃比Ａとは、例えば、ＮＯｘ排出量が数十ｐｐｍである許容ＮＯｘレベルとなる空燃比である。また、第三燃焼領域は、前記空燃比Ａよりリーン側の空燃比領域と規定される。
次に、第一燃焼領域から第二燃焼領域を通過して第三燃焼領域へと燃焼領域を切り換える、又は第三燃焼領域から第二燃焼領域を通過して第一燃焼領域へと燃焼領域を切り換える燃焼領域切換時、つまり、前記第二燃焼領域通過時において、ＮＯｘ排出量とトルク変動量を可及的に抑える制御について説明する。
図９は、コントロールユニット１００が燃焼領域切換時に行う処理内容を示す機能ブロック図である。燃焼領域切換を要求する燃焼領域切換要求手段９０１と、燃焼領域切換を行う燃焼制御手段９０２と、燃焼領域切換に使用する推定値を学習する推定値学習手段９０３と、を備えている。
燃焼領域切換要求手段９０１は、エンジン回転数、エンジントルク、アクセル開度、水温、触媒温度等を読み込み、これらに基づいて燃焼領域切換を行うか否かを判定し、その判定結果を燃焼制御手段９０２に送る。例えば、図１に示される如くに、エンジン回転数とエンジン負荷（トルク）とに対応して、リーン燃焼が可能な領域をマップとして持ち、アクセル開度から目標のエンジントルクを演算し、現在の回転数と目標とするエンジントルクとが、前記マップのリーン燃焼可能な範囲にある場合には、ストイキ燃焼からリーン燃焼への燃焼領域切換を行うことが可能であるか否かを判定し、可能である場合に燃焼領域切換要求を燃焼制御手段９０２に送る。また、燃焼制御手段９０２は、前記切換要求に従って第一燃焼領域から第三燃焼領域へ、あるいは、第三燃焼領域から第一燃焼領域へと燃焼領域を切り換える際に、ＮＯｘ量排出量とトルク変動量を抑制するための操作量を算出する。
燃焼制御手段９０２は、図１０に示される如くに、燃焼領域切換推定手段１００１と、燃焼領域切換判定手段１００２と、燃焼領域切換実現手段１００３とを備えている。前記燃焼領域切換推定手段１００１は、図１１に示される如くに、ＮＯｘ排出量推定手段１１０１と、トルク変動量推定手段１１０２と、排気系伝達特性推定手段１１０３を備えており、燃焼領域切換時のＮＯｘ排出量と、トルク変動量と、燃焼領域切換開始から三元触媒７入口の空燃比が変化するまでの排気系伝達特性を推定する。また、後述するように、学習結果を用いて推定値を更新する。
ＮＯｘ排出量推定手段１１０１は、燃焼領域切換要求、第二燃焼領域通過時の混合気の空燃比、エンジントルク、エンジン回転数、燃焼室１２に残留する排気ガス量（内部ＥＧＲ量）、等に基づいて、燃焼領域切換時に排出されるＮＯｘ量を推定（算出）し、この推定ＮＯｘ排出量（推定値）を燃焼領域切換判定手段１００２へ送る。該ＮＯｘ排出量推定手段１１０１は、エンジンが排出するＮＯｘの動的モデルに基づくものである。該ＮＯｘ動的モデルは、例えば、図１２に示される如くに、燃焼領域切換時の空燃比変化の要求に応じてスロットル弁開度と燃料供給量（燃料噴射量）を変化させた際に燃焼室１２から排出されるＮＯｘ排出量を推定するものである。より具体的には、例えば、期間Ｔ１で燃焼領域切換を行った際の第二燃焼領域の空燃比より、期間Ｔ１よりも十分短い期間Ｔ２毎に排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出して、期間Ｔ２毎ににＮＯｘ濃度を積算することで燃焼領域切換時のＮＯｘ排出量を推定する。ただし、燃焼領域切換前後はトルク一定を前提とする（切換中は含まず）。また、この該ＮＯｘ動的モデルは、三元触媒７のモデルに基づき、三元触媒７のＮＯｘ浄化効率を考慮したものである。
前記トルク変動量推定手段１１０２は、燃焼領域切換要求、第二燃焼領域通過時の空燃比、エンジン回転数、等に基づいて、燃焼領域切換時に発生するトルク変動量を推定（算出）し、この推定トルク変動量（推定値）を燃焼領域切換判定手段１００２へ送る。該トルク変動量推定手段１１０２は、エンジンが発生させる出力トルクの動的モデルに基づくものである。該トルク動的モデルは、例えば、図１３に示される如くに、燃焼領域切換時の空燃比変化の要求に応じてスロットル弁２により調整される吸入空気量と燃料供給量（燃焼噴射量）と点火時期を操作した際に発生するトルク変動量を推定するものである。より具体的には、例えば、燃焼領域切換時の燃料噴射量の補正量からトルク変動分を算出し、更に、点火時期をリタードさせた場合のトルク変動分を燃料噴射量補正によるトルク変動分から減算し、そのトルク変動分の最大値をもって、燃焼領域切換時のトルク変動量を推定する。ただし、燃焼領域切換前後はトルク一定を前提とする。
前記排気系伝達特性推定手段１１０３は、燃焼領域切換要求、第二燃焼領域の空燃比、エンジントルク、エンジン回転数、等に基づいて、燃焼に供される混合気の空燃比が変化してから、三元触媒７の入口の空燃比が変化するまでの排気系伝達特性を推定する。より具体的には、例えば、図１４に示される如くに、燃焼領域切換前後の空燃比変化量とエンジン回転数とに対応した、三元触媒７の入口の空燃比変化の時定数マップを持ち、目標空燃比変化量とエンジン回転数から、燃焼室１２から三元触媒７の入口までの時定数である、排気空燃比応答時定数を推定する。また、エンジンサイクルを考慮したモデルであってもよい。
前記燃焼領域切換判定手段１００２は、図１５に示される如くに、ＮＯｘ排出量判定手段１５０１と、トルク変動量判定手段１５０２と、燃焼領域切換モード判定手段１５０３とを備え、燃焼領域切換時にＮＯｘ排出量とトルク変動量が所定値以上であるか否かを判定し、燃焼領域切換方法を決定する燃焼領域切換モードを判定する。
前記ＮＯｘ排出量判定手段１５０１は、前記推定ＮＯｘ排出量（推定値）が前記許容ＮＯｘ排出量（許容値）を越えるか否かを判定する。ここで、許容ＮＯｘ排出量とは、燃焼領域切換時に許容されるＮＯｘ排出量である。判定した後、ＮＯｘ排出量判定フラグを燃焼領域切換モード判定手段１５０３に送る。より具体的には、例えば、推定ＮＯｘ排出量が許容ＮＯｘ排出量以上である場合に、ＮＯｘ排出量判定フラグをオンとする。
前記トルク変動量判定手段１５０２は、前記推定トルク変動量（推定値）が許容トルク変動量（許容値）を越えるか否かを判定する。ここで、該許容トルク変動量とは、燃焼領域切換時に許容されるトルク変動量である。判定した後、トルク変動量判定フラグを燃焼領域切換モード判定手段１５０３に送る。より具体的には、例えば、推定トルク変動量が許容トルク変動量以上である場合に、トルク変動量判定フラグをオンとする。
前記燃焼領域切換モード判定手段１５０３は、前記ＮＯｘ排出量判定フラグと前記トルク変動量判定フラグとに基づいて、燃焼領域切換モードをいずれにするかを判定し、判定結果を燃焼領域切換実現手段１００３に送る。より具体的には、例えば、ＮＯｘ排出量判定フラグがオフ、かつトルク変動量判定フラグがオフである場合には、スロットル弁２による吸入空気量、燃料噴射量、及び点火時期を操作する（変える）ことで、燃焼領域切換時に排気エミッションの悪化と運転性悪化を抑えることが可能であると判断し、スロットル弁２の開度、燃料噴射量、及び点火時期を制御して燃焼領域切換を行う燃焼領域切換モード１を選択する。また、他の例としては、ＮＯｘ排出量判定フラグがオン、かつトルク変動量判定フラグがオンの場合には、スロットル弁２による吸入空気量、燃料噴射量、及び点火時期を変えても、排気エミッションの悪化と運転性悪化を抑えることが難しいと判断し、スロットル弁２から燃焼室１２までの吸入空気の時間遅れよりも、短い時間遅れで燃焼室１２内に空気を吸入することができる吸気弁５を操作して、吸入空気量のみを変化させることにより燃焼領域切換を実現する燃焼領域切換モード２を選択する。上記の例だけではなく、ＮＯｘ排出量判定フラグとトルク変動量判定フラグの状況に応じた、上記モードの他の燃焼領域切換モードを持つものであってもよいし、燃焼領域切換前の準備段階を含む燃焼領域切換モードを出力するものであってもよい。
前記燃焼領域切換実現手段１００３は、図１６に示される如くに、空気量制御手段１６０１と、燃料噴射量制御手段１６０２と、点火時期制御手段１６０３を備える。
前記空気量制御手段１６０１は、燃焼領域切換要求、推定排気系伝達特性（排気空燃比応答時定数）、第二燃焼領域通過時の空燃比、エンジン回転数、及び燃焼領域切換モード、等に基づいて吸入空気量操作量を算出する。ここで、吸入空気量操作量としては、例えば、目標スロットル弁開度、目標吸気弁リフト量、目標吸気弁開閉時間、目標吸気弁開閉時期、等が挙げられる。
前記燃料噴射量制御手段１６０２は、燃焼領域切換要求、推定排気系伝達特性（排気空燃比応答時定数）、燃焼領域切換前後の空燃比、エンジン回転数、及び燃焼領域切換モード、等に基づいて目標燃料噴射量を算出する。
さらに、前記点火時期制御手段１６０３は、燃焼領域切換要求、推定排気系伝達特性（排気空燃比応答時定数）、燃焼領域切換前後の空燃比、エンジン回転数、及び燃焼領域切換モード、等に基づいて、目標点火時期を算出する。
また、燃焼領域切換実現手段１００３の各制御手段１６０１、１６０２、１６０３は、燃焼に供される混合気の空燃比変化から三元触媒７入口の空燃比変化を推定する排気系モデルに基づいた排気系逆モデルを有し、該推定排気系伝達特性（排気空燃比応答時定数）に基づいて、混合気の空燃比の変化に対する、三元触媒７入口の空燃比変化の遅れを補償するように動作して、排気エミッションの悪化を防止する。より具体的には、例えば、空気量制御手段１６０１において、排気空燃比変化の時間遅れを補償するように、吸入空気量を制御したにも関わらず、排気空燃比の切り換えに所定時間以上要すると推定される場合には、排気空燃比の切り換えを所定時間以下で実現するように燃料噴射量を補正する。また、燃料噴射量補正によって発生するトルク変動量を点火時期を補正することによって、抑制する。
以上の制御により、第一燃焼領域から第三燃焼領域に、又は第三燃焼領域から第一燃焼領域に燃焼領域切換を行う際に、第二燃焼領域通過時のＮＯｘ排出量を所定値以下とし、かつトルク変動量を所定値以下とするように燃焼領域切換が行われ、排気エミッションの悪化と運転性悪化を防止することができる。
しかしながら、本実施形態のエンジン１０及びセンサ類を含む制御装置１０は、出荷時に調整されたものであるため、経時変化等により必ずしも適切でなくなる場合がある。例えば、推定ＮＯｘ排出量が実際の排出量よりも少なく推定された場合には、燃焼領域切換モード判定手段１５０３において、燃焼領域切換モードが誤って選択されるため、ＮＯｘ排出量が増大するままに燃焼領域切換を起こりってしまい、排気エミッションの悪化を効果的に抑えることができない場合がある。
そこで、コントロールユニット１００は、図９に示される如くに、推定値学習手段９０３を設けており、各センサ類の出力と推定値とを比較し、その差が所定値以上である場合に、その差を学習し、燃焼領域切換推定手段１００１を更新し、経時変化や製造ばらつき等による排気エミッションの悪化と運転性悪化を防止する。
より具体的には、例えば、図６には示していないが、システムに三元触媒７下流側で排気ガス中のＮＯｘ量（濃度）を検出する手段（例、ＮＯｘセンサ）を備える場合には、該ＮＯｘセンサの出力に基づいてＮＯｘ排出量を学習し、その学習結果を用いて、ＮＯｘ排出量推定値を補正する。さらに、図６には示してないが、エンジントルクを検出する手段（例、トルクセンサ）を備える場合には、該トルクセンサの出力に基づいてエンジントルクを学習し、その学習結果を用いて、トルク変動量推定値を補正する。
また、前記排気浄化装置７の上流に備えられた前記空燃比センサ１６の出力に基づいて、排気系伝達特性を学習し、その学習結果を用いて、該排気系伝達特性推定値を補正することで、排気浄化装置（三元触媒７）の劣化等による誤差に対応する。
図１７は、第三燃焼領域から第一燃焼領域への燃焼領域切換時に、吸入空気量と燃焼噴射量を同時に操作した際には、ＮＯｘ排出量とトルク変動量が許容値を越える場合の切換制御の一例を示したものであり、定常状態（トルク一定）での切換制御である。
また、図１７は、スロットル弁２の開度、吸気弁５のリフト量、燃料噴射量（燃料噴射パルス幅）、及び点火時期の各目標値を時系列に沿って示したものである（図の上方に向かって、それぞれ、スロットル弁開度増大、リフト量増大、燃料噴射量増量、点火時期進角を表す）。
まず、燃焼室１２内に吸入される吸入空気量と吸気弁５のリフト量ＩＶ１あるいは該吸気弁５のリフト時間との関係は、エンジン回転数や負荷等の運転状態によって異なるため、予め実験あるいはシミュレーションにより運転状態毎の吸入空気量と排気弁リフト量ＩＶ１もしくはリフト時間との関係を求めておき、マップあるいはモデルとして持っておく必要がある。
第三燃焼領域で運転中に、ドライバーからの加速要求等により、燃焼領域切換要求手段９０１は、第三燃焼領域から第一燃焼領域への燃焼領域切換があったと判定し、該燃焼領域切換要求に対し、燃焼制御手段９０２は要求される燃焼領域切換を実現するようにエンジン１０の制御を開始する。
まず、燃焼領域切換時の推定ＮＯｘ排出量（推定値）と、推定トルク変動量（推定値）と、排気系伝達特性推定値を算出する。次に、算出された推定ＮＯｘ排出量と許容ＮＯｘ排出量を比較し、推定ＮＯｘ排出量が該許容ＮＯｘ排出量以上であるか否かを判定すると同時に、推定トルク排出量と許容トルク変動量を比較し、推定トルク変動量が該許容トルク変動量以上であるか否かを判定する。この場合は、いずれも許容値以上であると判定され、かかる２つの判定に基づき、排気エミッションの悪化と運転性悪化を防止するには、吸気弁５（のリフト量）を操作し、吸入空気量のみを変化させて空燃比を切り換えることが適当であると判断し、吸気弁５のみを操作する燃焼領域切換モードを選択する。
選択された燃焼領域切換モードに従い、各操作量が制御される。吸気弁５のみによる空気量の操作のため、目標スロットル弁開度、目標燃料噴射量（パルス幅）、目標点火時期は燃焼領域切換時において一定とされる。燃焼領域切換が開始されると、吸気弁５のリフト量は、排気系の遅れを補償しながら、第一燃焼領域での空燃比を実現するリフト量ＩＶ１まで変化せしめられる。これにより、排気エミッションの悪化と運転性悪化を防止しながら第三燃焼領域から第一燃焼領域へと燃焼領域の切り換えが行われる。
図１８は、本制御を実行したときの吸入空気量、燃料噴射量、燃焼室１２内の空燃比、三元触媒７入口の空燃比、トルク変動量、及び三元触媒７出口のＮＯｘ濃度を時系列で示したものである（図面上方に向かって、空気量増量、燃料噴射量増量、空燃比希薄化、トルク変動量増大、ＮＯｘ濃度増大を示す）。
かかる制御では、第三燃焼領域から第一燃焼領域への燃焼領域切換時に、燃焼領域切換モードに基づいて、吸気弁５のリフト量が燃焼室１２から三元触媒７間の空燃比の変化遅れを補償するように調整されるため、吸入空気量は減少する。この際、燃料噴射量が燃焼領域切換前後で一定であるため、燃焼室１２内の混合気の空燃比は吸入空気量に従って変化し、リーンからストイキへ変化するとともに、トルク変動は発生しない。さらに、排気系の遅れ補償により、三元触媒７入口の空燃比は短時間で切り換られるので、ＮＯｘ排出量を抑制することができる。
また、推定ＮＯｘ排出量、推定トルク変動量、推定排気系伝達特性は、出荷時に調整されたものであるため、経時変化等により必ずしも適切で無くなる場合があるが、ＮＯｘセンサ、トルクセンサ、空燃比センサの出力に基づいて学習することで、排気エミッションの悪化と運転性悪化を防止することができる。
図１９ないし図２２は、コントロールユニット１００が燃焼領域切換に際して実行するプログラムの一例を示すフローチャートであり、図１９は図９に示される機能ブロック図に対応している。
図１９のフローチャートにおいて、ステップ１９０１では、運転状態（エンジン回転数、アクセル開度、冷却水温、触媒温度、等）を各センサ類から読み込み、ステップ１９０２では、燃焼状態を切り換えるか否かを判定してステップ１９０３に進む。
ステップ１９０３では、燃焼領域切換要求があるか否かを判定し、切換要求がある場合にはステップ１９０４に進んで、燃焼領域切換制御を行い、ステップ１９０５に進む。また、ステップ１９０３で燃焼領域切換要求がない場合には元に戻る。
ステップ１９０５では、燃焼領域切換が完了したか否かを判定し、燃焼領域切換制御が終わるまではステップ１９０４に戻って燃焼領域切換制御及び完了判定を繰り返して実行し、燃焼領域切換が完了したと判定された場合はステップ１９０６へ進み、各種センサの出力に基づいて前記各推定値を学習補正して元に戻る。
図２０は、図１９のステップ１９０２で実行する燃焼領域切換要求ルーチンの詳細を示すフローチャートであり、ステップ２００１では、切換要求フラグをクリア（ＯＦＦ）し、ステップ２００２では、現在の燃焼領域が第一燃焼領域であるか否かを判定し、第一燃焼領域であると判定された場合にはステップ２００３に進み、燃焼領域が第一燃焼領域でないと判定された場合（第二燃焼領域又は第三燃焼領域にある場合）にはステップ２００５に進む。
ステップ２００３では、第一燃焼領域から第三燃焼領域へ燃焼領域を切換可能であるか否かを判定する。より具体的には、例えば、エンジン回転数とエンジン負荷とで燃焼領域が定められるマップにおいて、現在の状態が第三燃焼領域に存在するか否かを判定する。同時に、エンジン回転数が所定値以下であること、空気流量が所定値以下であること、アクセル開度変化が所定値以下であること、エンジン回転数変動が所定値以下であること等の運転状態に関する条件をチェックする。第三燃焼領域へ燃焼領域を切換可能であると判定された場合にはステップ２００４に進み、第三燃焼領域へ燃焼領域切換が不可能であると判定された場合には、このルーチンを終了する。ステップ２００４では、、燃焼領域を第一燃焼領域から第三燃焼領域へ切り換える要求フラグをオン（ＯＮ）にしてこのルーチンを終了する。
一方、ステップ２００５では、現在の燃焼領域が第三燃焼領域であるか否かを判定し、第三燃焼領域にある場合にステップ２００６に進む。燃焼領域が第三燃焼領域でない場合には、このルーチンを終了する。ステップ２００６においては、第三燃焼領域から第一燃焼領域へ燃焼領域切換が可能であるが否かを判定する。より具体的には、ステップ２００３と同様のマップによる運転領域の条件と、運転状態に関する条件に基づいて、燃焼領域切換が可能か否かをチェックする。第一燃焼領域へ燃焼領域切換が可能である場合にはステップ２００７に進む。燃焼領域切換が不可能である場合には、このルーチンを終了する。ステップ２００７では、第三燃焼領域から第一燃焼領域へと燃焼領域を切り換えるフラグをオン（ＯＮ）にして、このルーチンを終了する。
従って、この燃焼領域切換ルーチンは、現在の運転状態等から燃焼領域切換が可能であるが否かを判断し、切換が可能である場合には、その切換形態を要求するものである。
図２１は、図１９のステップ１９０４で実行する燃焼切換制御ルーチンの詳細を示すフローチャートであり、図１７及び図１８に示される如くに、吸入空気量のみで、第三燃焼領域から第一燃焼領域へ燃焼領域を切り換える場合が例にとられている（第一燃焼領域から第三燃焼領域へ燃焼領域を切り換える場合も、略同様な処理であるので、ここでは省略する）。
この燃焼切換制御ルーチンにおいては、ステップ２１０１で、燃焼領域切換時の推定ＮＯｘ排出量（推定値）、推定トルク変動量（推定値）、及び推定排気系伝達特性（推定値）を演算し、ステップ２１０２に進む。ステップ２１０２においては、従来の燃焼領域切換手法によって、排気エミッションの悪化及び運転性悪化が発生するか否かを判定する。より具体的には、推定ＮＯｘ排出量が許容ＮＯｘ排出量（許容値）以下であるか否かと、推定トルク変動量が許容トルク変動量（許容値）以下であるかをチェックする。排気エミッションの悪化と運転性悪化が発生しないと判定された場合には、ステップ２１０６に進む。
前記ステップ２１０３では、燃焼領域切換モードを要求する。より具体的には、例えば、推定ＮＯｘ排出量が許容ＮＯｘ排出量以上で、推定トルク変動量が許容トルク変動量以上である場合には、燃焼領域切換時に空気量のみを変化させることを要求する。また、燃焼領域切換を行う準備として、コレクタ内に空気を充填させるようなスロットル弁操作や、同時に燃焼室１２内に吸入される空気量を一定とする吸気弁５操作の要求を燃焼領域切換モードに含むものであってもよい。燃焼領域切換モード要求後はステップ２１０４に進み、次回の吸気行程で吸入空気量を変化させるために、切換気筒が排気行程に入るまで待機し、排気行程に入ったときにステップ２１０５に進む。ステップ２１０５では、燃焼領域切換モードに基づいた燃焼領域切換を実現するために、吸気弁５のリフト量を排気系伝達特性に基づいた過渡状態を経てＩＶ１だけ調整し、このルーチンを終了する。この際、変化させるのは空気量のみであるため、スロットル弁開度、燃料噴射量、点火時期は一定とする。
一方、ステップ２１０６では、燃焼領域切換時に、従来の手法でも排気エミッションの悪化と運転性悪化がさほど発生しないので、吸入空気量、燃料噴射量、及び点火時期を操作する燃料切換モードを要求し、ステップ２１０７に進む。また、燃料切換モードは、ステップ２１０３と同様に、燃焼領域切換前の準備動作を含むものであってもよい。ステップ２１０７では、スロットル弁開度、燃料噴射量、及び点火時期を調整する。
このようにされることにより、推定ＮＯｘ排出量と推定トルク変動量に基づいて、排気エミッションの悪化及び運転性悪化を抑えながら燃焼領域切換を行うことができる。
図２２は、図１９のステップ１９０６で実行する推定値学習ルーチンの詳細を示すフローチャートである。ただし、図６には示されていないが、三元触媒７下流のＮＯｘ排出量を検出するＮＯｘセンサと、エンジントルクを検出するトルクセンサを備えている場合のものである。
かかる推定値学習ルーチンにおいては、ステップ２２０１ではＮＯｘセンサの出力に基づいて算出されるＮＯｘ排出量と推定ＮＯｘ排出量とを比較し、両者間の差が所定値以上である場合、ステップ２２０２に進む。ＮＯｘ排出量の差が所定値未満である場合には、ステップ２２０３に進む。ステップ２２０２では、ＮＯｘ排出量の差を学習し、推定ＮＯｘ排出量（推定値）を補正して、ステップ２２０３に進む。
ステップ２２０３では、トルクセンサの出力に基づいて算出されるトルク変動量と推定トルク変動量を比較し、両者間の差が所定値以上である場合、ステップ２２０４に進む。トルク変動量の差が所定値未満である場合には、ステップ２２０５に進む。ステップ２２０４では、トルク変動量の差を学習し、推定トルク変動量を補正する。
ステップ２２０５では、空燃比センサの出力に基づいて算出される排気系伝達特性と推定排気系伝達特性を比較し、両者間の差が所定値以上である場合、ステップ２２０６に進む。排気系伝達特性の差が所定値未満である場合にはこのルーチンを終了する。ステップ２２０６では、排気系伝達特性の差を学習し、推定排気系伝達特性を補正する。
このようにされることにより、各センサ類の出力に基づいて、各推定値を学習補正することにより、経時変化や製造ぱらつきに起因する排気エミッションの悪化及び運転性悪化を抑えることができる。
［第２実施形態］
以下、本発明に係る制御装置の第２実施形態を説明する。本実施形態の制御装置の基本構成は、前述した第１実施形態のもの（図６、図７参照）と基本的には同じであるが、それが適用されるエンジンが圧縮着火エンジンであることが異なる。すなわち、本実施形態のエンジンでは、第１実施形態と異なり、混合気を点火プラグによって点火、燃焼させるだけではなく、燃料及び空気の予混合気を圧縮して自己着火させるものである。
図２３は、コントロールユニット１００による火花点火運転時における燃焼室１２内圧力及び燃料噴射信号と点火時期との関係を示した図である。図示のように、火花点火運転時では、吸気行程において燃料噴射弁３が燃料を噴射し、圧縮行程において点火プラグ４で燃料（混合気）を点火するようになっている。
一方、図２４は、コントロールユニット１００による圧縮着火運転時における燃焼室１２内圧力及び燃料噴射信号等との関係を示した図である。ここで、圧縮着火運転を実現する方法はいくつか存在するが、ここでは図示のように、まず、吸排気弁５、６のプロフィールを変えて排気ガスを閉じ込めて残留させる（内部ＥＧＲ）、この閉じ込めた排気ガス中に燃料噴射弁３が副燃料噴射を行って圧縮することでラジカル化させ、次に、圧縮行程において燃料噴射弁３が主燃料噴射を行うことで燃料を自己着火させる。つまり、コントロールユニット１００は、内部ＥＧＲによって燃焼室１２内の温度を制御し、かつ、副燃料噴射及び主燃料噴射により着火温度を制御することが可能であり、圧縮着火時期を適切にコントロールする。
図２５は、前記内部ＥＧＲを制御するための吸排気弁５、６のプロフィールを示したものであり、図２５（ａ）は、圧縮着火燃焼時の排気弁６のリフト量を火花点火燃焼時に比べて減らすことにより、排気ガスを燃焼室１２内に閉じ込めて内部ＥＧＲ量を増加させる場合を示している。また、図２５（ｂ）は、圧縮着火燃焼時の排気弁６のリフト時間（開閉時間）を吸気弁５のリフト時間（開閉時間）に比べて短くすることにより、排気ガスを燃焼室１２内の閉じ込めて前記内部ＥＧＲ量を増加させる場合を示している。さらに、図２５（ｃ）は、圧縮着火燃焼時の吸気弁５の開閉時期を火花点火燃焼時に対して早めることと、排気弁６の開閉時期を火花点火燃焼時に対して遅くすることにより、燃焼室１２内に排気ガスを閉じ込めて、内部ＥＧＲ量を増加させる場合を示している。
図５は、前述したように、圧縮着火エンジン１における、空燃比と三元触媒７下流のＮＯｘ排出量との関係を示したものである。リッチ側からストイキの空燃比においては、三元触媒７のＮＯｘ浄化効率が高く、燃焼室１２から排気通路１３に排出されるＮＯｘを浄化するため、外部へのＮＯｘ排出量は少ない。これに対し、ストイキから空燃比が２０近傍までは、三元触媒７のＮＯｘ浄化効率が低く、また、燃焼室１２からのＮＯｘ排出量が多いために、外部へのＮＯｘ排出量が多くなる。ただし、ＮＯｘ排出量は第１実施形態の筒内噴射エンジンよりも低い。また、空燃比が２０以上のリーン空燃比においては、多点で同時におこる低温急速燃焼の効果により、ＮＯｘ排出量は数十ｐｐｍに抑えられる。
ここで、燃焼に供せられる混合気の空燃比に応じて区分けされる第一燃焼領域、第二燃焼領域、及び第三燃焼領域は下記の様に定義される（図２６）。第一燃焼領域は、三元触媒７のＮＯｘ浄化効率が高く、三元触媒７下流のＮＯｘ量が数十ｐｐｍである空燃比、すなわち、ストイキからリッチ側の空燃比領域とされ、火花点火燃焼を行う領域である。第二燃焼領域は、ストイキと空燃比が２０で挟まれる空燃比領域とされ、ＮＯｘ排出量が増大する領域であり、圧縮着火燃焼を行う領域である。第三燃焼領域は、ＮＯｘ排出量が数十ｐｐｍ程度となる領域であり、空燃比が２０以上のリーン空燃比領域とされ、圧縮着火燃焼を行う領域である。
次に、本実施形態において、第一燃焼領域から第二燃焼領域を通過して第三燃焼領域へと燃焼領域を切り換える、又は、第三燃焼領域から第二燃焼領域を通過して第一燃焼領域へと燃焼領域を切り換える燃焼領域切換時に、ＮＯｘ排出量とトルク変動量を抑える制御について説明する。
コントロールユニット１００は、第１実施形態と同様に、図９、図１０等において機能ブロックで示されている各手段を備えているが、図１６に示されている第１実施形態の燃焼切換実現手段１００３（図１０）の詳細構成は、本実施形態では、図２７に示される如くのものとなっている。
すなわち、燃焼領域切換実現手段１００３は、図２７に示される如くに、空気量制御手段２７０１と、燃料噴射量制御手段２７０２と、点火時期制御手段２７０３と、内部ＥＧＲ制御手段２７０４を備えている。空気量制御手段２７０１は、燃焼領域切換要求、推定排気系伝達特性、燃焼領域切換前後の空燃比、エンジン回転数、及び燃焼領域切換モード、等に基づいて、吸入空気量操作量を算出する。ここで、吸入空気量操作量としては、例えば、目標スロットル弁開度、目標吸気弁リフト量、目標吸気弁開閉時間、目標吸気弁開閉時期、等が挙げられる。
前記燃料噴射量制御手段２７０２は、燃焼領域切換要求、推定排気系伝達特性（排気空燃比応答時定数）、燃焼領域切換前後の空燃比、エンジン回転数、及び燃焼領域切換モード、等に基づいて、目標燃料噴射量を算出する。
また、前記点火時期制御手段２７０３は、燃焼領域切換要求、推定排気系伝達特性（排気空燃比応答時定数）、燃焼領域切換前後の空燃比、エンジン回転数、及び燃焼領域切換モード、等に基づいて、目標点火時期を算出する。
さらに、前記内部ＥＧＲ制御手段２７０４は、燃焼領域切換要求、推定排気系伝達特性、燃焼領域切換前後の空燃比、エンジン回転数、及び燃焼領域切換モード、等に基づいて、内部ＥＧＲ制御量を算出する。内部ＥＧＲ制御量としては、例えば、図２５に示される如くに、排気弁６のリフト量、排気弁６のリフト時間、吸排気弁５，６のバルブオーバーラップ量を調整する吸排気弁５、６の開閉時期、等が挙げられる。ただし、各制御手段は、第１実施形態と同様に、排気エミッションの悪化を防止すべく、推定排気系伝達特性に基づいて、燃焼に供される混合気空燃比の変化に対する、排気浄化装置（三元触媒７）入り口の空燃比の変化の遅れを補償するように制御する。
以上の制御により、第一燃焼領域と第三燃焼領域との燃焼領域切換、すなわち、火花点火燃焼領域と圧縮着火燃焼領域との燃焼領域切換を行う際に、第二燃焼領域通過時のＮＯｘ排出量を所定値以下とし、かつトルク変動量を所定値以下とすることができ、これにより、排気エミッションの悪化と運転性悪化を効果的に抑えることができる。
図２８は、第一燃焼領域（火花点火燃焼領域）から第三燃焼領域（圧縮着火燃焼領域）への燃焼領域切換時に、吸入空気量と燃焼噴射量を同時に操作した際には、ＮＯｘ排出量とトルク変動量が許容値を越える場合の切換制御の一例を示したものであり、定常状態（トルク一定）での切換制御である。また、内部ＥＧＲ量はバルブオーバーラップ量により制御している。
また、図２８は、スロットル弁２の開度、吸気弁５のリフト量、バルブオーバーラップ量、燃料噴射量（燃料噴射パルス幅）、及び点火時期の各目標値を時系列に沿って示したものである（図の上方に向かって、それぞれ、スロットル弁開度増大、リフト量増大、燃料噴射量増量、点火時期進角を表す）。
まず、燃焼室１２に吸入される吸入空気量とスロットル弁２の開度ＴＶ１、吸気弁５のリフト量ＩＶ１、ＩＶ２の関係と、内部ＥＧＲ量とバルブオーバーラップ量ＯＶ１の関係は、エンジン回転数やエンジン負荷等の運転状態によって異なるため、予め実験あるいはシミュレーションにより運転状態毎の吸入空気量とスロットル弁開度ＴＶ１、排気弁リフト量ＩＶ１、ＩＶ２の関係、及び内部ＥＧＲ量とバルブオーバーラップ量ＯＶ１の関係を求めておき、マップもしくはモデルとして持っておく必要がある。
コントロールユニット１００は、第一燃焼領域（火花点火燃焼領域）で運転中に、第三燃焼領域（圧縮着火燃焼領域）への燃焼領域切換が要求されると、燃焼領域切換を実現すべく、エンジンの制御を開始する。
ここでは、第１実施形態と同様に、燃焼領域切換時に、推定されるＮＯｘ排出量、トルク変動量はそれぞれの許容値を越えるものと判定される。この判定に基づき、排気エミッションの悪化と運転性悪化を防止するには、吸気弁５を操作して、吸入空気量のみを変化させて空燃比を切り換える燃焼領域切換モードが要求される。
前記燃焼領域切換モードに基づき、各操作量が算出される。まず、燃焼領域切換の準備として、スロットル弁２の開度を調整し、吸気通路１１内の空気量を充填させる。このとき、燃焼室１２内に吸入される吸入空気量も変化してしまうため、吸気弁５のリフト量を調整して、燃焼室１２内に吸入される吸入空気量を一定に保つ。その後、燃焼領域切換が開始され、吸気弁５のリフト量を増加させ、燃焼室１２内の空気量を増加させる。ただし、同時に排気系の空燃比変化の遅れを補償するように操作する。また、燃焼領域切換後に圧縮着火を行うため、バルブオーバーラップ量を増大させ、内部ＥＧＲ量を増加させる。また、燃料噴射量は燃焼領域切換前後で一定となる。点火時期は、第一燃焼領域では火花点火を行うため、点火信号が出力されるが、第三燃焼領域に切換後は自己着火を行うため、点火信号をＯＦＦとする。
図２９は、燃焼領域切換制御装置１０Ａによる本制御を実行したときの燃焼室１２内の空気量、燃料噴射量、燃焼室１２内の空燃比、排気浄化装置７入口の空燃比、トルク変動量、及び排気浄化装置７出口のＮＯｘ排出量を時系列で示したものである（図面上方に向かって、空気量増加、燃料噴射量増加、空燃比希薄化、トルク変動量増大、ＮＯｘ排出量増加を示す）。
かかる制御では、第一燃焼領域（火花点火燃焼領域）から第三燃焼領域（圧縮着火燃焼領域）へと燃焼領域切換を行った際、燃焼領域切換の準備をしたもとでは、スロットル弁と吸気弁の操作に関わらず、吸入空気量は一定となる。燃焼領域切換後、吸気弁５のリフト量を増大させることにより、燃焼室１２の吸入空気量が増大する。この際、燃焼室１２から三元触媒７入口までの空燃比の変化の遅れを補償するように、吸気弁５のリフト量が制御される。これにより、燃焼室１２内の混合気の空燃比は燃焼領域切換時に過度にリーンとなるが、三元触媒７入口の空燃比は、短時間でストイキからリーンへと変化し、目標とする空燃比まで変化する。これにより、燃焼領域切換時のＮＯｘ排出量を低減することが可能であり、さらに、燃焼領域切換時に燃料噴射量の操作を行わないため、トルク変動を抑制することができる。
また、推定ＮＯｘ排出量、推定トルク変動量、推定排気伝達特性は、出荷時に調整されたものであるため、経時変化等により必ずしも適切でなくなる場合があるが、第１実施形態と同様に、各センサ類からの信号に基づいて学習することで、排気エミッションの悪化と運転性悪化を抑えることができる。
以上のように、本発明の実施形態においては、燃焼領域切換時に、推定ＮＯｘ排出量と推定トルク変動量が所定値以下となるように、例えば、吸気弁のリフト量を制御して吸入空気量を調整するようにされるので、排気エミッションの悪化と運転性悪化を抑えることができ、さらに、各センサ類からの信号に基づいて前記推定値を学習、更新（補正）することにより、経時変化等による排気エミッションの悪化や運転性悪化を抑えることが可能となる。
以上、本発明の一実施形態について詳説したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができる。
例えば、前記実施形態では、排気浄化装置として三元触媒７のみが配備されているが、リーンＮＯｘ触媒のみや、三元触媒７の他にリーンＮＯｘ触媒を併設した場合でも本発明を適用できる。また、燃焼領域切換モードとして、吸入空気量と燃料噴射量と点火時期を操作した後に、吸入空気量のみを制御するといった、燃焼領域切換時に２つの燃焼領域切換モードを連続して行う燃焼領域切換形態をとるようにしてもよい。また、エンジンは、排気通路１３と吸気通路８とを繋ぐバイパス通路を設けるとともに、そのバイパス通路途中にバルブを設置し、このバルブの開度によって排気を吸気側に引き戻す外部ＥＧＲ制御を併用してもよい。これらの場合にも前記と同様の作用効果を得ることができる。
産業上の利用の可能性
以上の説明から理解できるように、本発明に係るエンジンの制御装置は、第一燃焼領域→第三燃焼領域及び第三燃焼領域→第一燃焼領域への燃焼領域切換時、における排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量及びトルク変動量をオンラインで推定し、それらのＮＯｘ排出量推定値及びトルク変動量推定値に基づいて、第二燃焼領域通過時における排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量を所定値以下、かつ、第二燃焼領域通過時におけるトルク変動量を所定値以下とすべく、燃焼室に吸入される吸入空気量を、例えば、吸気弁のリフト量を変えることにより調整するようにされるので、燃焼領域切換時の排気エミッションの悪化と運転性悪化を効果的に抑えることができる。

Claims (20)

1. 燃焼に供される混合気の空燃比がストイキとストイキよりリッチな第一の燃焼領域と、該第一の燃焼領域よりもリーンな第二の燃焼領域と、該第二の燃焼領域よりも更にリーンな第三の燃焼領域と、で燃焼を行い、前記第一の燃焼領域から前記第二の燃焼領域を通過して前記第三の燃焼領域への燃焼領域切換、及び、前記第三の燃焼領域から前記第二の燃焼領域を通過して前記第一の燃焼領域への燃焼領域切換を行うようにされたエンジンの制御装置であって、
   前記第一の燃焼領域から前記第三の燃焼領域に燃焼領域を切換える際に、シリンダへの吸入空気量を維持しつつスロットル弁の下流の圧力を切換前の状態よりも高め、その後に、前記シリンダへの吸入空気量を切換前の状態よりも増量する制御を行うことで燃焼を切換える切換制御手段を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 燃焼に供される混合気の空燃比がストイキとストイキよりリッチな第一の燃焼領域と、該第一の燃焼領域よりもリーンな第二の燃焼領域と、該第二の燃焼領域よりも更にリーンな第三の燃焼領域と、で燃焼を行い、前記第一の燃焼領域から前記第二の燃焼領域を通過して前記第三の燃焼領域への燃焼領域切換、及び、前記第三の燃焼領域から前記第二の燃焼領域を通過して前記第一の燃焼領域への燃焼領域切換を行うようにされたエンジンの制御装置であって、
   前記第一の燃焼領域から前記第三の燃焼領域に燃焼領域を切換える際に、スロットル弁開度を切換前の状態よりも大きくすると共に、吸気弁のリフト量を切換前の状態よりも減少させてシリンダの吸入空気量を切換前の状態に維持させ、その後に、該吸気弁のリフト量をシリンダの吸入空気量を維持するためのリフト量よりも増大させる制御を行うことで燃焼を切り換える燃焼切換制御手段を備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
3. 空燃比がストイキよりリッチな空燃比でＮＯｘを浄化する機能を持つ排気浄化装置を備えた前記エンジンの制御装置であって、
   前記第二の燃焼領域通過時における前記排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量をオンラインで推定するＮＯｘ排出量推定手段と、前記第二の燃焼領域通過時におけるトルク変動量をオンラインで推定するトルク変動量推定手段と、前記ＮＯｘ排出量推定値及び前記トルク変動量推定値に基づいて、前記第二の燃焼領域通過時における前記排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量を所定値以下、かつ、前記第二の燃焼領域通過時におけるトルク変動量を所定値以下とする制御を行う燃焼制御手段と、を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記ＮＯｘ排出量推定手段は、燃焼に供される混合気の空燃比、エンジン回転数、エンジントルク、及び燃焼室に導入されたＥＧＲ量もしくは燃焼室内に残留するＥＧＲ量に基づいて、前記第二の燃焼領域通過時における前記排気浄化装置入口のＮＯｘ排出量を推定する排気浄化装置入口ＮＯｘ排出量推定手段と、前記排気浄化装置入口の空燃比、前記排気浄化装置の温度、及び前記排気浄化装置入口の推定ＮＯｘ排出量に基づいて、前記排気浄化装置出口のＮＯｘ排出量を推定する触媒モデルと、を備えていることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記ＮＯｘ排出量推定手段は、前記燃焼領域切換に要する期間をＴ１とし、該期間Ｔ１よりも十分に短い期間をＴ２として、該期間Ｔ２毎に演算されるＮＯｘ排出量を前記期間Ｔ１だけ積算することにより、前記燃焼領域切換時の前記排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量を推定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記排気浄化装置上流側又は下流側において排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する空燃比センサを備え、前記ＮＯｘ排出量推定手段は、前記空燃比センサの出力に基づいて、前記ＮＯｘ排出量を推定する際のパラメータを調整することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
7. 前記トルク変動量推定手段は、前記第二の燃焼領域通過時における燃料供給量及びエンジン回転数に基づいて、前記トルク変動量を推定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
8. 前記トルク変動量推定手段は、前記燃焼領域切換時に、所定時間内でスロットル弁の開度を変化させて前記吸入空気量を変化させ、その際、前記スロットル弁の変化に対する前記吸入空気量の変化の時間遅れを補償するために行われる燃料供給量補正に起因して発生するトルク変動分に基づいて、前記トルク変動量を推定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
9. 前記トルク変動量推定手段は、前記燃焼領域切換時に、点火時期をリタードさせ、その点火時期をリタードさせたことに起因して発生するトルク変動分を、前記燃料供給量補正に起因して発生するトルク変動分から減じた値に基づいて、前記トルク変動量を推定することを特徴とする請求項８に記載のエンジンの制御装置。
10. エンジントルクを検出するトルクセンサを備え、前記トルク変動量推定手段は、前記トルクセンサの出力に基づいて、前記トルク変動量を推定する際のパラメータを調整することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
11. 前記燃焼制御手段は、前記第二の燃焼領域通過時において、目標空燃比の変化に対する、燃焼に供される混合気の空燃比の応答遅れが所定値以上となる場合、前記燃焼に供される混合気の空燃比を所定時間内で変化させるように燃料供給量を補正することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
12. 前記燃焼制御手段は、前記第二の燃焼領域通過時において、燃料供給量の補正によってトルク変動が発生した際には、点火時期をリタードさせて前記トルク変動を抑制するようにされていることをを特徴とする請求項１１に記載のエンジンの制御装置。
13. 前記第二の燃焼領域通過時における混合気の空燃比、エンジン回転数、及びエンジントルクに基づいて、前記排気浄化装置入口の空燃比を推定する排気系モデルと、該排気系モデルにより推定された前記排気浄化装置入口の空燃比から前記混合気の空燃比を推定する排気系逆モデルと、を備え、前記燃焼制御手段は、前記第二の燃焼領域を通過する期間が所定値以上である場合に、前記排気系逆モデルに基づいて、前記混合気の空燃比を変化させることを特徴とする請求項６に記載のエンジンの制御装置。
14. 前記空燃比センサの出力に基づいて、前記排気系逆モデルのパラメータを調整することを特徴とする請求項１３に記載のエンジンの制御装置。
15. 前記排気浄化装置は、リーンＮＯｘ触媒であることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
16. 前記第二の燃焼領域は、ストイキ及び前記リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ貯蔵効率が所定値以上となる空燃比領域と規定されていることを特徴とする請求項１５に記載のエンジンの制御装置。
17. 前記第三の燃焼領域は、前記リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ貯蔵効率が所定値以上となる空燃比よりリーンな空燃比領域と規定されていることを特徴とする請求項１５に記載のエンジンの制御装置。
18. 前記エンジンが圧縮着火エンジンであり、前記排気浄化装置が三元触媒であることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
19. 前記第二の燃焼領域は、ストイキ及び前記燃焼室の出口におけるＮＯｘ濃度が所定値以下となる空燃比領域と規定されていることを特徴とする請求項１８に記載のエンジンの制御装置。
20. 前記第三の燃焼領域が、前記燃焼室の出口におけるＮＯｘ濃度が所定値以下となる空燃比よりリーンな空燃比領域と規定されていることを特徴とする請求項１８に記載のエンジンの制御装置。

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