JP4481179B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスの一部を吸気系に還流する排ガス還流装置を備えた内燃機関の制御装置に関し、特にインジェクタによる燃料噴射などの制御を行うものに関する。

特許文献１には、内燃機関で燃焼する混合気の空燃比を、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に設定するリーンバーン運転を行っているときに、排ガス中のＮＯｘを吸収するリーンＮＯｘ触媒を備えた排ガス浄化装置が示されている。この装置では、リーンバーン運転を継続すると、リーンＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘ量が増加するので、そのＮＯｘ量が許容限界を超える前に空燃比を理論空燃比よりリッチ化することにより、リーンＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘの還元が行われる。このような空燃比のリッチ化を以下「ＮＯｘ還元リッチ化」という。

特許第２６００４９２号公報

上記特許文献１に示された装置では、ＮＯｘ還元リッチ化を行うときは、空燃比は、先ずリーン空燃比からリッチ空燃比にステップ的に切り換えられ、ＮＯｘの還元が終了した時点で、リッチ空燃比からリーン空燃比にステップ的に戻される。そのため、空燃比の切換時に機関出力トルクの変動を起こすという課題があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、空燃比切換時において気筒内に燃料を噴射するインジェクタの制御を適切に行い、トルク変動を抑制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目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、吸気系（４）を介して気筒（３ａ）に空気を吸入し、インジェクタ（６）から噴射された燃料を前記気筒（３ａ）内に供給するとともに、内燃機関（３）から排出された排ガスの一部を排ガス還流装置（１４）により前記吸気系（４）に還流排ガスとして還流する内燃機関の制御装置において、前記吸気系（４）を介して前記気筒（３ａ）に吸入される吸入空気量を制御する吸入空気量制御手段（２，７）と、前記吸入空気量（Ｆａ）を検出する吸入空気量検出手段（２７）と、前記排ガス還流装置（１４）による還流排ガスの流量（Ｆｅ）を推定する還流排ガス流量推定手段と、前記検出された吸入空気量（Ｆａ）、及び前記推定された還流排ガス流量（Ｆｅ）に基づいて、前記気筒内に存在する酸素量（ｍo2）を推定する気筒内酸素量推定手段（２）と、前記内燃機関の回転数（Ｎｅ）を検出する回転数検出手段（２２）と、該検出された内燃機関の回転数（Ｎｅ）、及び前記推定された気筒内酸素量（ｍo2）に基づいて、燃料噴射パラメータ（Ｑ*）を決定する燃料噴射パラメータ決定手段（２）と、該決定された燃料噴射パラメータ（Ｑ*）に基づいて、前記インジェクタ（６）を制御するインジェクタ制御手段（２）と、前記気筒内で燃焼する混合気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り換えること、またはリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換えることを指令する切換指令手段（２）とを備え、前記燃料噴射パラメータ決定手段は、前記切換指令手段により前記空燃比の切換が指令されたときは、切換前の推定気筒内酸素量（ｍo2ini）、及び切換後の目標気筒内酸素量（ｍo2tgt）とに応じて、前記空燃比の変化に対して前記燃料噴射パラメータ（Ｑ*）を滑らかかつ非線形に変化するように決定し、前記空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り換えるときに、前記空燃比が減少するにつれて前記燃料噴射パラメータ（Ｑ*）の変化量が徐々に増加するように制御する変化量増加制御手段、及び前記空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換えるときに、前記空燃比が増加するにつれて前記燃料噴射パラメータ（Ｑ*）の変化量が徐々に減少するように制御する変化量減少制御手段の少なくとも一方を備えることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射パラメータ決定手段は、前記空燃比の切換を行う過渡状態において前記気筒内酸素量推定手段により推定された気筒内酸素量（ｍo2）を、該推定気筒内酸素量（ｍo2）と等価な前記機関の定常状態における気筒内酸素量に相当する仮想気筒内酸素量（ｍo2v）に変換する気筒内酸素量変換手段を備え、前記切換指令手段により前記空燃比の切換が指令されたときは、前記仮想気筒内酸素量（ｍo2v）を用いて前記燃料噴射パラメータ（Ｑ*）を滑らかに変化させることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、前記変化量増加制御手段は、前記リーン空燃比が小さくなるほど前記燃料噴射パラメータの変化量の増加率が減少するように制御し、前記変化量減少制御手段は、前記リーン空燃比が小さくなるほど前記燃料噴射パラメータの変化量の減少率が減少するように制御することを特徴とする。

具体的には、前記燃料噴射パラメータ決定手段は、前記切換前の推定気筒内酸素量（ｍo2ini）と切換後の目標気筒内酸素量（ｍo2tgt）の差（｜ｍo2ini−ｍo2tgt｜）に対する、切換指令後の推定気筒内酸素量の変化量（｜ｍo2v−ｍo2ini｜）の比率（Ｏxyratio）を算出する比率算出手段と、前記比率（Ｏxyratio）が増加するほど、増加するように比率パラメータ（Ｑ*ratio）を設定する比率パラメータ設定手段とを備え、前記切換前の燃料噴射パラメータの値（Ｑ*ini）、前記切換後の燃料噴射パラメータの目標値（Ｑ*tgt）、及び前記比率パラメータ（Ｑ*ratio）とを用いて、前記燃料噴射パラメータ（Ｑ*）を決定することが望ましい。

前記比率パラメータ設定手段は、前記空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えるときは、前記比率（Ｏxyratio）の変化に対する前記比率パラメータ（Ｑ*ratio）の変化率（ｄＱ*ratio／ｄＯxyratio）が、前記比率（Ｏxyratio）が増加するほど徐々に増加するように前記比率パラメータ（Ｑ*ratio）を設定し、前記空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り換えるときは、前記変化率（ｄＱ*ratio／ｄＯxyratio）が、前記比率（Ｏxyratio）が増加するほど徐々に減少するように前記比率パラメータ（Ｑ*ratio）を設定することが望ましい。

また、前記比率パラメータ設定手段は、前記リーン空燃比に応じて前記比率パラメータ（Ｑ*ratio）を補正することが望ましい。具体的には、前記空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えるときは、前記リーン空燃比が小さいほど前記比率パラメータ（Ｑ*ratio）が増加するように補正し、前記空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り換えるときは、前記リーン空燃比が小さいほど前記比率パラメータ（Ｑ*ratio）が減少するように補正することが望ましい。

請求項１に記載の発明によれば、空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り換えること、またはリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換えることが指令されたときは、切換前の推定気筒内酸素量、及び切換後の目標気筒内酸素量とに応じて、空燃比の変化に対して燃料噴射パラメータが滑らかかつ非線形に変化するように決定される。空燃比の変化に対するエンジン出力トルクの変化は非線形なものであるため、空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り換えるときに、空燃比が減少するにつれて燃料噴射パラメータの変化量が徐々に増加するように制御する一方、空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換えるときに、空燃比が増加するにつれて燃料噴射パラメータの変化量が徐々に減少するように制御することにより、空燃比切換時におけるトルク変動を適切に抑制することができる。

以下本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１に示す内燃機関（以下「エンジン」という）３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒（１つのみ図示）のディーゼルエンジンである。各気筒３ａのピストン３ｂとシリンダヘッド３ｃの間には、燃焼室３ｄが形成されている。燃焼室３ｄには、吸気管４（吸気系）および排気管５が接続されており、これらの吸気ポートおよび排気ポートには、吸気弁および排気弁（いずれも図示せず）がそれぞれ設けられている。また、シリンダヘッド３ｃには、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６および筒内圧センサ２１が、燃焼室３ｄに臨むように取り付けられている。

インジェクタ６は、シリンダヘッド３ｃの中央に配置されており、コモンレールを介して高圧ポンプ（いずれも図示せず）に接続されている。燃料タンク（図示せず）の燃料は、高圧ポンプで昇圧された後、コモンレールを介してインジェクタ６に送られ、インジェクタ６から燃焼室３ｄに噴射される。インジェクタ６の噴射圧力Ｐｅ、噴射時間（開弁時間）Ｄｅおよび噴射タイミング（開弁タイミング）ＴＭｅは、図２に示される電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２からの制御信号によって制御される。以下の説明では図２も合わせて参照する。

筒内圧センサ２１（燃焼状態検出手段）は、例えば圧電素子タイプのものであり、燃焼室３ｄ内の圧力（以下「筒内圧」という）Ｐの変化に応じて、圧電素子（図示せず）が変位することにより、筒内圧Ｐの変化量ΔＰを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この検出信号を積分することによって、筒内圧Ｐを求める。

また、エンジン３のクランクシャフト３ｅには、マグネットロー夕２２ａが取り付けられている。このマグネットロータ２２ａとＭＲＥピックアップ２２ｂによって、クランク角センサ２２（回転数検出手段）が構成されている。クランク角センサ２２は、クランクシャフト３ｅの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０度）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）Ｎｅを求める。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン３ｂが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０度ごとに出力される。

吸気管４の吸気マニホルド４ａの集合部よりも上流側には、スロットル弁７（吸入量制御手段）が設けられており、スロットル弁７には、これを駆動するアクチュエータ８が連結されている。アクチュエータ８は、モータやギヤ機構（いずれも図示せず）などで構成されており、その動作がＥＣＵ２からの制御信号で制御されることにより、スロットル弁７の開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨが変化し、それに応じて、燃焼室３ｄに吸入される吸入空気量が制御される。スロットル弁開度ＴＨは、スロットル弁開度センサ２３によって検出され、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。

吸気マニホルド４ａには、吸気圧センサ２４および吸気温センサ２５が設けられている。吸気圧センサ２４は、吸気マニホルド４ａ内の圧力（以下「インマニ圧」という）Ｐｉを検出し、吸気温センサ２５は、サーミスタなどで構成され、吸気マニホルド４ａ内の温度（以下「インマニ温度」という）Ｔｓを検出し、それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。エンジン３の本体には、エンジン水温センサ２６が取り付けられている。エンジン水温センサ２６は、サーミスタなどで構成され、エンジン３の本体内を循環する冷却水の温度（以下「エンジン水温」という）Ｔｗを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、吸気管４には過給装置９が設けられている。過給装置９は、夕ーボチャージャ式の過給機１０と、これに連結されたアクチュエータ１１と、べーン開度制御弁１２を備えている。過給機１０は、吸気管４のスロットル弁７よりも上流側に設けられた回転自在のコンプレッサブレード１０ａと、排気管５の途中に設けられたタービンブレード１０ｂおよび複数の回動自在の可変ベーン１０ｃ（２つのみ図示）と、これらのブレード１０ａ，１０ｂを一体に連結するシャフト１０ｄを有している。過給機１０は、排気管５内の排ガスによってタービンブレード１０ｂが回転駆動されるのに伴い、これと一体のコンプレッサブレード１０ａが回転駆動されることによって、過給動作を行う。

各可変べーン１０ｃは、アクチュエータ１１に連結されており、その開度（以下「ベーン開度」という）ＶＯがアクチュエータ１１を介して制御される。アクチュエータ１１は、負圧によって作動するダイアフラム式のものであり、負圧ポンプ（図示せず）に接続されていて、その途中に前記べーン開度制御弁１２が設けられている。負圧ポンプは、エンジン３を動力源として作動し、発生した負圧をアクチュエータ１１に供給する。ベーン開度制御弁１２は、電磁弁で構成されており、その弁開度がＥＣＵ２からの制御信号で制御されることにより、アクチュエータ１１に供給される負圧が変化し、それに伴い、可変べーン１０ｃのべーン開度ＶＯが変化することによって、過給圧が制御される。

また、吸気管４の過給機１０よりも上流側には、エアフローセンサ２７（吸入空気量検出手段）が設けられている。エアフローセンサ２７は、吸気管４内を流れる吸入空気量Ｆａを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。
さらに、吸気管４の吸気マニホールド４ａは、その集合部から分岐部にわたって、スワール通路４ｂとバイパス通路４ｃに仕切られている。バイパス通路４ｃには、燃焼室３ｄ内にスワールを発生させるためのスワール装置１３が設けられている。スワール装置１３は、スワール弁１３ａ、これを駆動するアクチュエータ１３ｂ、およびスワール制御弁１３ｃを備えている。アクチュエータ１３ｂおよびスワール制御弁１３ｃはそれぞれ、過給装置９のアクチュエータ１１およびベーン開度制御弁１２と同様に構成されており、スワール制御弁１３ｃは前記負圧ポンプに接続されている。以上の構成により、スワール制御弁１３ｃの弁開度がＥＣＵ２からの制御信号で制御されることにより、アクチュエータ１３ｂに供給される負圧が変化し、スワール弁１３ａの開度ＳＶＯが変化することによって、スワールの強さが制御される。

また、吸気マニホルド４ａのスワール通路４ｂの集合部の部分と、排気管５の後述する酸化触媒１５のすぐ下流側との間には、排ガス還流管（以下「ＥＧＲ管」という）１４ａが接続されており、このＥＧＲ管１４ａとその途中に設けられた排ガス還流制御弁（以下「ＥＧＲ制御弁」という）１４ｂによって、排ガス還流装置（以下「ＥＧＲ装置」という）１４が構成されている。このＥＧＲ管１４ａを介して、エンジン３の排ガスの一部が還流排ガスとして吸気管４に還流される。ＥＧＲ制御弁１４ｂは、リニア電磁弁で構成されており、その開度（以下「ＥＧＲ弁開度」、という）ＬＥがＥＣＵ２からの制御信号に応じて制御されることによって、還流排ガス流量Ｆｅが制御される。ＥＧＲ弁開度ＬＥは、ＥＧＲ弁開度センサ２８によって検出され、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。

また、排気管５の過給機１０よりも下流側には、上流側から順に、酸化触媒１５およびＮＯｘ吸収触媒１６が設けられている。酸化触媒１５は、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化し、排ガスを浄化する。また、ＮＯｘ吸収触媒１６は、リーンな酸化雰囲気下において、排ガス中のＮＯｘを吸収するとともに、吸収したＮＯｘを、リッチな還元雰囲気下において還元する。

さらに、排気管５の過給機１０と酸化触媒１５との間には、酸素濃度センサ２９が設けられている。酸素濃度センサ２９は、排ガス中の酸素濃度λをリニアに検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この酸素濃度λに基づいて、燃焼室３ｄで燃焼されるガスの空燃比Ａ／Ｆを算出する。ＥＣＵ２にはさらに、アクセル開度センサ３０（アクセル踏込み量検出手段）から、エンジン３により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の踏込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、本実施形態において、吸入空気量制御手段、還流排ガス流量推定手段、気筒内酸素量推定手段、回転数検出手段、燃料噴射パラメータ決定手段、インジェクタ制御手段、切換指令手段、比率算出手段、及び比率パラメータ設定手段を構成する。ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されており、前述した各種センサ２１〜３０からの検出信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、各種の演算処理を実行する。具体的には、上記の検出信号からエンジン３の運転状態を判別し、その判別結果に基づいてエンジン３の燃焼モードを決定するとともに、決定した燃焼モードなどに応じ、スロットル弁開度ＴＨを介して吸入空気量を制御するとともに、インジェクタ６による燃料噴射などを制御する。

上記のエンジン３の燃焼モードは、低温燃焼モードと、それ以外の通常燃焼モードに大別される。低温燃焼モードは、エンジン３の暖機終了後、低負荷域で実行されるものであり、ー方、通常燃焼モードは、それよりも高い負荷域で実行される。また、両燃焼モードでは、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御したリーン運転が通常、行われるとともに、ＮＯｘ吸収触媒１６に吸収されたＮＯｘを還元するため、あるいはＮＯｘ吸収触媒１６に付着した燃料中のイオウを脱離するために、空燃比を理論空燃比よりもリッチ化するリッチ運転が適宜、行われる。低温燃焼モードでは、以下に説明する主として気筒内酸素量及びエンジン回転数Ｎｅに基づく燃料噴射制御（以下「Ｏ２基準ＬＴＣ制御」という）が実行され、通常燃焼モードでは、スロットル弁開度ＴＨ及びＥＧＲ弁開度ＬＥの変更により吸入空気量の制御が可能な低負荷側で、主として気筒内酸素量及びエンジン回転数Ｎｅに基づく燃料噴射制御（以下「Ｏ２基準ＳＴＤ制御」という）が実行され、スロットル弁７を全開とし、ＥＧＲ制御弁１４ｂを全閉とする高負荷側で、アクセル開度ＡＰ及びエンジン回転数Ｎｅに基づく燃料噴射制御（以下「ペダル基準ＳＴＤ制御」という）が実行される。

以下、ＥＣＵ２で実行される処理について説明する。ＥＣＵ２は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＡＰに応じて図３に示すＡ*マップを検索し、空気調節パラメータＡ*を決定する。空気調節パラメータＡ*は、目標スロットル弁開度ＴＨＲ、目標ＥＧＲ弁開度ＬＥＲ、目標ベーン開度ＶＯＲ及び目標スワール弁開度ＳＶＯＲを要素とするベクトルである。Ａ*マップ上の番地ｉ，ｊの格子点には、対応するエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＡＰに適した目標スロットル弁開度ＴＨＲ、目標ＥＧＲ弁開度ＬＥＲ、目標ベーン開度ＶＯＲ及び目標スワール弁開度ＳＶＯが設定されている。そしてＥＣＵ２は、実際のスロットル弁開度ＴＨ，ＥＧＲ弁開度ＬＥ，ベーン開度ＶＯ，及びスワール弁開度ＳＶＯが、Ａ*マップから検索された目標開度となるように対応するアクチュエータを駆動する。これにより、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＡＰに応じた吸入空気量、還流排ガス流量、過給圧、及びスワールの制御が行われる。

なお、Ａ*マップは、上述したＯ２基準ＬＴＣ制御、Ｏ２基準ＳＴＤ制御、及びペダル基準ＳＴＤ制御のそれぞれに対応して設けられており、さらにこれらの各制御毎に、通常リーン運転用マップ、ＰＭ（Particulate Matter）酸化用マップ、ＮＯｘ還元用マップ、及びイオウ脱離用マップが設定されている。通常リーン運転用マップ、ＰＭ酸化用マップ、ＮＯｘ還元用マップ、及びイオウ脱離用マップを用いたときの設定空燃比をそれぞれＡ／ＦLN，Ａ／ＦLP，Ａ／ＦRN，及びＡ／ＦRSとすると、Ａ／ＦLN＞Ａ／ＦLP＞Ａ／ＦRS＞Ａ／ＦRNなる関係が成立する。

次にＥＣＵ２による燃料噴射制御について説明する。図４は、Ｏ２基準ＬＴＣ制御及びＯ２基準ＳＴＤ制御に用いられる気筒内状態パラメータ［Ｏ２］の算出処理を示している。この気筒内状態パラメータ［Ｏ２］は、燃料の噴射直前における気筒３ａ内の状態を表すものであり、気筒内酸素量ｍo2、気筒内不活性ガス量ｍint および実インマニ温度Ｔｉの計３つのパラメータで構成される。この気筒内酸素量ｍo2は、燃料の噴射前に気筒３ａ内に存在する酸素の量を表し、気筒内不活性ガス量ｍint は、燃料の噴射前に気筒３ａ内に存在する不活性ガス（酸素以外の燃焼に寄与しないガス）の量を表し、また、実インマニ温度Ｔｉは、吸気マニホルド４ａの実際の温度を表す。このうち、気筒内酸素量ｍo2は、燃焼に主要な影響を及ぼす主パラメータである。これに対し、気筒内不活性ガス量ｍint および実インマニ温度Ｔｉは、気筒内酸素量ｍo2を補完する副パラメータであり、エンジン３の定常状態では、気筒内酸素量ｍo2に応じてほぼ一義的に定まるとともに、過渡状態では、後述するように、気筒内酸素量ｍo2を補正するのに用いられる。

この処理ではまず、吸気温センサ２５で検出されたインマニ温度Ｔｓから、実インマニ温度Ｔｉを次式（１）によって算出する（ステップ３１）。
Ｔｉ＝Ｔｓ（τo・ｓ＋１） （１）
ここで、τo：吸気温センサの時定数
ｓ ：ラプラス変換演算子
このような算出によって、吸気温センサ２５の検出結果に基づき、その応答遅れを補償しながら、実インマニ温度Ｔｉをリアルタイムで正しく推定することができる。

次に、気筒内酸素量ｍo2を推定によって算出する（ステップ３２）。この算出は、エアフローセンサ２７で検出された吸入空気量Ｆａ、吸気圧センサ２４で検出されたインマニ圧Ｐｉ、およびステップ３１で推定された実インマニ温度Ｔｉに応じ、さらに後述するＥＧＲモデルを用いて、次の手順で行われる。

Ａ．ＥＧＲ率Ｒｉの推定
Ｂ．気筒内酸素量ｍo2の推定
Ａ．ＥＧＲ率Ｒｉの推定
ＥＧＲ率Ｒｉの基本式は、次式（２）で与えられる。
Ｒｉ＝Ｆｅ_hat／Ｆｉ （２）
ここで、Ｆｉは、気筒に流入する総ガス流量、Ｆｅ_hatは、気筒３ａに流入する還流排ガス流量の予測値（推定した還流排ガス流量）であり、リーン運転とリッチ運転の間の過渡状態におけるＥＧＲ装置１４の応答遅れを考慮して求められる。

式（２）中の総ガス流量Ｆｉは、周知のスピードデンシティの式から、次式（３）で算出される。
Ｆｉ＝Ｎｅ・Ｖｄ・Ｐｉ・ηｖ／（６０×２Ｒ・Ｔｉ） （３）
ここで、Ｎｅ：エンジン回転数（ｒｐｍ）
Ｖｄ：エンジンの押しのけ容積
Ｐｉ：インマニ圧
ηｖ：エンジンの体積効率
Ｒ ：気体定数
Ｔｉ：インマニ温度
なお、上記の体積効率ηｖは、例えば、実験結果に基づいてあらかじめ設定したマップから、エンジン回転数Ｎｅおよびインマニ圧Ｐｉに応じてマップ値を求めるとともに、求めたマップ値を実インマニ温度Ｔｉに応じて補正することによって求められる。

一方、吸気マニホルド４ａに対して、一定温度の条件の下で、理想気体の法則を適用すると、還流排ガス流量Ｆｅ、吸入空気量Ｆａおよび総ガス流量Ｆｉの間には、次式（４）の関係が成立する。
ｄＰｉ／ｄｔ＝（Ｒ・Ｔｉ／Ｖｉ）・（Ｆｅ＋Ｆａ−Ｆｉ） （４）
ここで、Ｖｉ：インマニ容積
式（４）を還流排ガス流量Ｆｅについて解くと、次式（５）が得られる。
Ｆｅ＝（ｄＰｉ／ｄｔ）・Ｖｉ／（Ｒ・Ｔｉ）−Ｆａ＋Ｆｉ （５）

また、ラプラス変換演算子ｓを導入し（ｄＰｉ／ｄｔ＝ｓＰｉ）、式（５）を書き換えると、次式（６）が得られる。
Ｆｅ＝ｓ・Ｐｉ・Ｖｉ／（Ｒ・Ｔｉ）−Ｆａ＋Ｆｉ （６）
一方、還流排ガス流量の予測値Ｆｅ_hatは、ＥＧＲ装置１４の応答の一次遅れを考慮すると、次式（７）で表される。
Ｆｅ_hat＝（１／（τｓ＋１））・Ｆｅ （７）

したがって、還流排ガス流量の予測値Ｆｅ_hatは、両式（６）（７）から、次式（８）のように求められる。
Ｆｅ_hat＝（ｓ・Ｐｉ／（τｓ＋１））（Ｖｉ／（Ｒ・Ｔｉ））
−（１／（τｓ＋１））・Ｆａ＋（１／（τｓ＋１））・Ｆｉ
（８）
ここで、ｓ・Ｐｉ／（τｓ＋１）は、数値差分フィルタｓ／（τｓ＋１）を用いたｄＰi／ｄｔの近似値であり、時定数τは、実験結果に基づいて決定される。

したがって、式（３）で算出した総ガス流量Ｆｉと、式（８）で算出した過渡状態での還流排ガス流量の予測値Ｆｅ_hatを、式（２）に代入することによって、過渡状態でのＥＧＲ率Ｒｉを算出することができる。
また、定常状態では、次式（９）が成立するので、
Ｆｅ_hat＝Ｆｅ＝Ｆｉ−Ｆａ （９）
この式（９）と式（２）から、定常状態でのＥＧＲ率Ｒｉは次式（１０）によって算出される。
Ｒｉ＝（Ｆｉ−Ｆａ）／Ｆｉ （１０）

Ｂ．気筒内酸素量ｍo2の推定
次いで、上記のようにして求めた総ガス流量ＦｉおよびＥＧＲ率Ｒｉなどに基づいて、気筒内酸素量ｍo2を推定する。

気筒内酸素量ｍo2の基本式は、次式（１１）で与えられる。
ｍo2＝ｍa×φ(Ｏ２)a ＋ｍe×φ(Ｏ２)e （１１）
ここで、ｍa ：各燃焼サイクルにおいて気筒に流入する空気量
ｍe ：各燃焼サイクルにおいて気筒に流入する還流排ガス量
φ(Ｏ２)a ：空気中の酸素濃度（定数）
φ(Ｏ２)e ：還流排ガス中の酸素濃度
式（１１）の空気量ｍa および還流排ガス量ｍe は、総ガス流量ＦｉおよびＥＧＲ率Ｒｉから、それぞれ次式（１２）（１３）によって算出される。
ｍa ＝ （Ｆｉ×（１−Ｒｉ）×６０×２）／（Ｎｅ×ｎcyl） （１２）
ｍe ＝ （Ｆｉ×Ｒｉ×６０×２）／（Ｎｅ×ｎcyl） （１３）
ここで、ｎcyl：エンジンの気筒数

また、還流排ガス中の酸素濃度φ(Ｏ２)e は、ＥＧＲ装置１４の応答遅れを考慮すると次式（１４）によって算出できる。

ここで、ｉは燃焼サイクルを表す添え字であり（累乗を意味するものではない）、ａ0，ａ1，ａ2，…ａnは、実験結果に基づき、エンジン３の運転状態および排気マニホルドの容積によって決定される重み係数である。

また、φ(Ｏ２)exh は、排ガス中の酸素濃度であり、リーン運転においては、次式（１５）によって算出される。

ここで、ｍf は気筒に噴射される燃料量、Ｌstは、燃料のタイプに応じて決定される理論空燃比である。すなわち、式（１５）中のｍf×Ｌst×φ(Ｏ２)a は、リーン運転において噴射燃料量ｍf の完全燃焼により消費される酸素量に相当する。なお、式（１４）（１５）によれば、還流排ガス中の酸素濃度φ(Ｏ２)e を算出するには、排ガス中の酸素濃度φ(Ｏ２)exh の初期値が必要である。このφ(Ｏ２)exh の初期値は、例えば、エンジン３の始動直後にＥＧＲ動作を停止するという条件が設定されている場合には、φ(Ｏ２)e ＝０であることから、そのときの吸入空気量Ｆａおよび燃料噴射量ｍf などに応じ、式（１４）などを用いて求めることができる。

したがって、式（１４）で算出した還流排ガス中の酸素濃度φ(Ｏ２)e と、式（１２）（１３）で算出した空気量ｍa および還流排ガス量ｍe を、式（１１）に代入することによって、リーン運転での気筒内酸素量ｍo2を算出することができる。また、リッチ運転では、気筒内酸素が燃焼によって完全に消費されることで、φ(Ｏ２)exh ＝０になるので、これを式（１４）に代入することによって、還流排ガス中の酸素濃度φ(Ｏ２)e が求められ、気筒内酸素量ｍo2を算出することができる。

図４に戻り、前記ステップ３２に続くステップ３３では、気筒内不活性ガス量ｍint を算出する。前述したように、気筒内不活性ガスは、気筒３ａ内に存在するガスのうちの、酸素以外のガスであるので、気筒内不活性ガス量ｍint は、ステップ３２で求めた気筒内酸素量ｍo2を用いて、次式（１６）によって算出される。
ｍint ＝（ｍa＋ｍe）−ｍo2 （１６）

次いで、ステップ３１〜３３でそれぞれ推定した実インマニ温度Ｔｉ、気筒内酸素量ｍo2および気筒内不活性ガス量ｍint を１組として、気筒内状態パラメータ［Ｏ２］を決定し（ステップ３４）、本処理を終了する。

以上から明らかなように、この気筒内状態パラメータ［Ｏ２〕の算出処理では、エアフローセンサ２７で検出された吸入空気量Ｆａ、吸気圧センサ２４で検出されたインマニ圧Ｐｉ、吸気温センサ２５で検出されたインマニ温度Ｔｓ、およびＥＧＲモデルを用い、過渡状態を含むすべての運転状態において、気筒内酸素量ｍo2、気筒内不活性ガス量ｍint および実インマニ温度Ｔｉが推定される。そして、これらの３つのパラメータを１組として、燃料の噴射直前における気筒３ａ内の状態を表す気筒内状態パラメータ［Ｏ２］が決定される。なお、気筒内状態パラメータ［Ｏ２］は、上記のように燃料の噴射直前における気筒３ａ内の状態を表すので、これにエンジン水温Ｔｗを含めてもよい。

図５は、Ｑ*i,jマップの設定処理を示している。このＱ*i,jマップは、定常状態において、気筒内状態パラメータ［Ｏ２〕およびエンジン回転数Ｎｅに対して最適な燃料噴射パラメータＱ*i,jを定めるものである。燃料噴射パラメータＱ*i,jは、インジェクタ６の噴射圧力Ｐｅ、噴射時間Ｄｅおよび噴射タイミングＴＭｅの計３つの制御パラメータで構成され、添え字ｉは、エンジン回転数Ｎｅの番地を、添え字ｊは、気筒内状態パラメータ［Ｏ２］の番地を、それぞれ表す。この設定処理は、ベンチ試験（ベンチマーク試験）においてあらかじめ実行される。

この処理ではまず、アクセル開度ＡＰ、ベーン開度制御弁１２の開度やＥＧＲ弁開度ＬＥなどをある一定の値に制御しながら、燃料噴射パラメータＱ* 、すなわち噴射圧力Ｐｅ、噴射時間Ｔｅおよび噴射タイミングＴＭｅをチューニング（調整）する（ステップ４１）。次いで、この状態で、燃焼状態が最適になったか否かを判定する（ステップ４２）。この判定は、適当な所定の１つの基準、例えば、ＮＯｘの排出量が最小（ＮＯｘベスト）、燃費が最良（燃費ベスト）、または出力が最大（出力ベスト）などの基準に基づいて行われる。あるいは、これらの複数の基準ごとに、判定を行い、燃料噴射パラメータＱ* を設定してもよい。

ステップ４２の答がＹＥＳで、燃焼状態が最適になったときには、そのときのエンジン回転数Ｎｅおよび気筒内状態パラメータ［Ｏ２］に対応する番地ｉ，ｊに対し、そのときの燃料噴射パラメータＱ* を割り当てる（ステップ４３）。これにより、１つの燃料噴射パラメータＱ*i,jが決定される。次いで、Ｎｅ値および［Ｏ２］値のすべての番地ｉ、ｊに対して、燃料噴射パラメータＱ* の割当てが完了したか否かを判別する（ステップ４４）。この答がＮＯのときには、前記ステップ４１〜４３を繰り返し、ＹＥＳになったときに、本処理を終了する。これにより、図６に示すようなＱ*i,jマップが得られ、エンジン回転数Ｎｅおよび気筒内状態パラメータ［Ｏ２］に対応するすべての番地ｉ，ｊに対して、燃料噴射パラメータＱ*i,jが割り当てられる。

したがって、エンジン３の定常状態において、エンジン回転数Ｎｅおよび気筒内状態パラメータ［Ｏ２］が求まれば、それらの番地ｉ，ｊに対応する燃料噴射パラメータＱ*i,jをＱ*i,jマップから読み出すことによって、そのときの燃焼室３ｄの状態に最適な燃料噴射パラメータＱ* 、すなわち噴射圧力Ｐｅ、噴射時間Ｔｅおよび噴射タイミングＴＭｅを、一義的に決定することができる。また、燃料噴射パラメータＱ*i,jが決定されると、そのときに得られるエンジン３のトルクＴも、番地ｉ，ｊを関数として一義的に決定され、決定したトルクＴi,jは、Ｔi,jマップとして記憶される（図示せず）。

なお、これらのＱ*i,jマップおよびＴi,jマップは、リーン運転用およびリッチ運転用に別個に設定されている。リーン運転用マップとしては、通常リーン運転用マップ及びＰＭ（Particulate Matter）酸化用マップが設けられ、リッチ運転用マップとしては、ＮＯｘ還元用マップおよびイオウ脱離用マップが設けられている。通常リーン運転用マップ、ＰＭ酸化用マップ、ＮＯｘ還元用マップ、及びイオウ脱離用マップを用いたときの設定空燃比をそれぞれＡ／ＦLN，Ａ／ＦLP，Ａ／ＦRN，及びＡ／ＦRSとすると、Ａ／ＦLN＞Ａ／ＦLP＞Ａ／ＦRS＞Ａ／ＦRNなる関係が成立する。

また、本実施形態のエンジン制御では、燃料噴射パラメータＱ* およびトルクＴを含むすべての制御パラメータが、番地ｉ，ｊを基準として設定される。
上記のＱ*i,jマップは、エンジン３が定常状態にあることを前提にして設定されている。これは、定常状態であれば、ある気筒内酸素量ｍo2に対して、気筒内不活性ガス量ｍint および実インマニ温度Ｔｉがほぼ一義的に定まり、三者間の関係がほぼ一定とみなせることから、これらの三者によって代表される燃焼室３ｄの状態に対し、最適な燃料噴射パラメータＱ* もまた一義的に定まるためである。しかし、過渡状態では、上記の三者の関係が定常状態からずれてしまい、例えば気筒内酸素量ｍo2が同じであっても、気筒内不活性ガス量ｍint および実インマニ温度Ｔｉが定常状態とは異なる値になるため、それに応じて燃焼状態も変化する。このため、過渡状態では、Ｑ*i,jマップを参照しただけでは、最適な燃料噴射パラメータＱ* を求めることができない。

以上の観点から、過渡状態において気筒内不活性ガス量ｍint および実インマニ温度Ｔｉのずれが燃焼に及ぼす影響を定量的に補償するために、次式（１７）で表される補正関数ｆ（α，β）i,jが導入される。
f(α，β)i,j＝(ｍint ／ｍints)^-αi,j×(Ｔｉ／Ｔｉs)^βi,j （１７）
この補正関数ｆ（α，β）i,jは、次式（１８）に示すように、過渡状態における実際の気筒内酸素量ｍo2を、それと等価な定常状態での気筒内酸素量（以下「仮想気筒内酸素量」という）ｍo2v に変換するのに用いられる。
ｍo2v ＝ｍo2×ｆ（α，β）i,j （１８）

式（１７）中のｍints、Ｔｉs はそれぞれ、定常状態における気筒内不活性ガス量および実インマニ温度である。また、同式中のｍint 、Ｔｉはそれぞれ、前述した手法によって算出される過渡状態での実際の気筒内不活性ガス量および実インマニ温度である。すなわち、同式中の第１項（ｍint ／ｍints)^-αi,jは、気筒内不活性ガス量のずれによる燃焼への影響度合を表し、第２項（Ｔｉ／Ｔｉs）^βi,jは、インマニ温度のずれによる燃焼への影響度合を表す。また、αi,j、βi,jは、これらの影響度合を規定するための補正変数である。このため、ＥＧＲ装置１４が停止されていて、気筒内不活性ガス量の影響がないとみなされる運転状態では、補正変数αは値０に設定される。

図７は、補正変数αi,j、βi,jの設定処理を示している。この処理は、前述したＱ*i,jマップの設定処理と同様、ベンチ試験においてあらかじめ実行される。この処理ではまず、エンジン３が一定のエンジン回転数Ｎｅおよび気筒内状態パラメータ［Ｏ２］で運転されている定常状態から、ベーン開度制御弁１２の開度および／またはＥＧＲ弁開度ＬＥを変化させることによって、気筒内不活性ガス量ｍint のみをオフセットする（少量変化させる）（ステップ６１）。次いで、このオフセット状態で、燃料噴射パラメータＱ* をチューニングしながら、燃焼状態が最適になったか否かを判定する（ステップ６２）。この判定は、Ｑ*i,jマップの設定に用いた前述した基準と同じ基準に基づいて行われる。

ステップ６２の答がＹＥＳになったときには、そのときの燃焼状態に最も近い定常状態での燃焼状態を、仮想燃焼状態として、Ｑ*i,jマップから選択する（ステップ６３）。この選択は、例えば、Ｑ*i,jマップ上の各番地ｉ,ｊにおける熱発生率の近似関数をあらかじめ求めておき、オフセット前のエンジン回転数Ｎｅに相当する番地ｉ上において、そのときの熱発生率に最も近い近似関数値を有する番地ｊを特定することによって行われる。このように番地ｉ，ｊが特定されると、気筒内状態パラメータ［Ｏ２〕もまた特定され、そのうちの気筒内酸素量ｍo2が仮想気筒内酸素量ｍo2v として求められる。

次いで、補正変数αを算出する（ステップ６４）。この算出は次のようにして行われる。すなわち、上記ステップ６３で仮想気筒内酸素量ｍo2vが求められ、気筒内酸素量ｍo2は、式（１１）から随時、算出されるので、これらのｍo2v 値、ｍo2値と式（１８）から、次式（１９）によって、補正関数ｆ（α，β)i,jが求められる。
ｆ（α，β）i,j ＝ｍo2v／ｍo2 （１９）

一方、式（１７）中の気筒内不活性ガス量ｍint は式（１６）によって随時、算出され、定常状態での気筒内不活性ガス量ｍintsは、オフセット前の番地ｊから既知であるとともに、Ｔｉ／Ｔｉs は、実インマニ温度Ｔｉをオフセットしていないことから、値１に等しい。したがって、次式（２０）が成立し、この式（２０）と式（１９）から、補正変数αを算出することができる。
ｆ（α，β）i,j ＝（ｍint ／ｍints)^-αi,j （２０）

次いで、補正変数βを算出するために、定常状態から、べーン開度制御弁１２の開度および／またはＥＧＲ弁開度ＬＥを変化させることによって、実インマニ温度Ｔｉのみをオフセットする（ステップ６５）。以下、ステップ６２〜６４と同様にして、燃焼状態が最適になったか否かを判定し（ステップ６６）、最適な燃焼状態に最も近い定常での燃焼状態を仮想燃焼状態として選択する（ステップ６７）とともに、選択した仮想燃焼状態と式（１７）（１８）から、補正変数βを算出する（ステップ６８）。以上により、１つ番地ｉ，ｊに対して補正関数α、βが設定される。次いで、Ｎｅ値および［Ｏ２］値のすべての番地ｉ，ｊに対して、補正関数α、βの算出が完了したか否かを判別する（ステップ６９）。この答がＮＯのときには、前記ステップ６１〜６８を繰り返し、ＹＥＳになったときに、本処理を終了する。以上により、すべての番地ｉ，ｊに対して、補正変数α、βが設定され、αi,jマップおよびβi,jマップとして記憶されるとともに、αi,jおよびβi,jに応じて補正関数ｆ（α，β）i,jが設定される。

図８は、以上のようにしてあらかじめ設定したＱ*i,jマップおよび補正関数ｆ（α，β）i,jを用い、エンジン３の運転中において燃料噴射パラメータＱ*i,jを決定する処理を示す。まず、エンジン３が過渡状態にあるか否かを判別する（ステップ７１）。この答がＮＯで、エンジン３が定常状態のときには、前述した手法によって、定常状態での気筒内状態パラメータ［Ｏ２］s （気筒内酸素量ｍo2s 、気筒内不活性ガス量ｍints および実インマニ温度Ｔｉs）を算出する（ステップ７２）。次に、エンジン回転数Ｎｅおよび算出した気筒内状態パラメータ［Ｏ２］に対応する番地ｉ，ｊを決定する（ステップ７３）とともに、決定した番地ｉ，ｊに対応する燃料噴射パラメータＱ*i,jをＱ*i,jマップから読み出し、燃料噴射パラメータＱ* として決定する（ステップ７４）。また、αi,jマップおよびβi,jを検索することによって、補正変数α、βを決定する（ステップ７５）。

前記ステップ７１の答がＹＥＳで、エンジン３が定常状態から過渡状態に移行したときには、過渡状態での気筒内状態パラメータ［Ｏ２］（ｍo2、ｍint およびＴｉ）を算出する（ステップ７６）。そして、算出したｍint 値およびＴｉ値、ステップ７２で算出した定常状態でのｍints値およびＴｉs値と、ステップ７５で決定した補正変数α、βを用い、式（１７）によって、補正関数ｆ（α，β）を算出する（ステップ７７）。次いで、算出した補正関数ｆ（α，β）と、ステップ７６で算出した気筒内酸素量ｍo2を用い、式（１８）によって、仮想気筒内酸素量ｍo2v を算出する（ステップ７８）。これにより、過渡状態における実際の気筒内酸素量ｍo2が、定常状態における仮想気筒内酸素量ｍo2v に変換される。次に、同じ番地ｉ上において、算出した仮想気筒内酸素量ｍo2v に最も近い気筒内酸素量ｍo2を含む気筒内状態パラメータ［Ｏ２］を選択し、それに対応する番地ｉ，ｊを仮想番地ｉ，ｊｖとして決定する（ステップ７９）。これにより、図９に示すように、Ｑ*i,jマップ上において、気筒内状態パラメータ［Ｏ２］の番地が定常状態のjから仮想番地ｊｖに移動する。そして、仮想番地ｉ，ｊｖに対応する燃料噴射パラメータＱ*i,jv をＱ*i,jマップから読み出し、燃料噴射パラメータＱ* として決定する（ステップ８０）。また、燃料噴射パラメータＱ*i,jv が決定されると、そのときに得られるエンジン３のトルクＴは、Ｔｉ,j マップから、Ｔ＝Ｔｉ,jvとして決定することができる。

次に、リーン運転からリッチ運転への移行時及びリッチ運転からリーン運転への移行時の燃料噴射制御（以下「空燃比切換制御」という）について説明する。
図１０は、空燃比切換制御の状態遷移図であり、４つの状態、すなわちリーン状態、リーン→リッチ状態（リーン状態からリッチ状態への移行状態）、リッチ状態、及びリッチ→リーン状態（リッチ状態からリーン状態への移行状態）が示されている。リーン状態における目標気筒内酸素量ｍo2tgtL及びリッチ状態における目標気筒内酸素量ｍo2tgtRは、アクセル開度ＡＰ及びエンジン回転数Ｎｅに応じて、予めベンチ試験により設定されたマップを用いて決定される。

空燃比切換制御は、概略以下のように実行される。
１）通常運転中は、エンジン３はリーン状態で作動する。例えばＮＯｘ還元リッチ化が必要となり、リッチ要求（リッチ空燃比への空燃比切換指令）がなされると、エンジン燃焼モードは、リーン→リッチ状態へ移行する。
２）リーン→リッチ状態において、仮想気筒内酸素量ｍo2vがリッチ状態における目標気筒内酸素量ｍo2tgtRに達したとき、またはリッチ要求が無くなったとき、エンジン燃焼モードは、リッチ状態へ移行する。なお、リッチ要求がなくなったときは、リッチ状態から直ちにリッチ→リーン状態へ移行することになる。
３）リッチ状態において、リッチ要求がなくなった（リーン空燃比への空燃比切換指令がなされた）ときには、リッチ→リーン状態へ移行する。
４）リッチ→リーン状態において、仮想気筒内酸素量ｍo2vがリーン状態における目標気筒内酸素量ｍo2tgtLに達したとき、またはリッチ要求がなされたとき、エンジン燃焼モードは、リーン状態へ移行する。なお、リッチ要求がなされたときは、リーン状態から直ちにリーン→リッチ状態へ移行することになる。

リーン状態では、前述したリーン運転用のマップ、すなわち通常リーン運転用マップまたはＰＭ酸化用マップを用いて、空気調節パラメータＡ*及び燃料噴射パラメータＱ*が設定され、リッチ状態では、前述したリッチ運転用のマップ、すなわちＮＯｘ還元用マップまたはイオウ脱離用マップを用いて、空気調節パラメータＡ*及び燃料噴射パラメータＱ*が設定される。

リーン→リッチ状態またはリッチ→リーン状態では、空気調節パラメータＡ*は、移行先の対応するマップを用いて算出され、気筒内酸素量ｍo2が目標気筒内酸素量ｍo2tgtRまたはｍo2tgtLとなるように、主としてスロットル弁開度ＴＨが制御される。また燃料噴射パラメータＱ*は、以下のように算出される。まず下記式（２１）により酸素比率Ｏxyratioを算出する。酸素比率Ｏxyratioは、空燃比移行の開始時は値「０」であり、移行完了時に値「１」をとるパラメータであり、空燃比切換の進行度合を示す。
Ｏxyratio＝｜ｍo2v−ｍo2ini｜／｜ｍo2ini−ｍo2tgt｜ （２１）
ここで、ｍo2v：仮想気筒内酸素量
ｍo2ini：切換直前の気筒内酸素量
ｍo2tgt：切換後の目標気筒内酸素量

次に下記式（２２）に示すように、酸素比率Ｏxyratioに応じて比率パラメータＱ*ratioを算出する。関数ｆ（Ｏxyratio）については、後述する。そして、比率パラメータＱ*ratioを下記式（２３）に適用して、燃料噴射パラメータＱ*を算出する。
Ｑ*ratio＝ｆ（Ｏxyratio） （２２）
Ｑ*＝Ｑ*ini＋Ｑ*ratio×（Ｑ*tgt−Ｑ*ini） （２３）
ここで、Ｑ*ini：切換直前の燃料噴射パラメータ
Ｑ*tgt：切換後の目標燃料噴射パラメータ

式（２１）〜（２３）を用いた燃料噴射パラメータＱ*の算出は、空燃比の切換に伴うトルクショックを抑制するために行うものである。以下、関数ｆ（Ｏxyratio）をどのように設定すべきかについて説明する。

図１１は、燃料供給量を一定とした状態で、吸入空気量を変化させることにより、空燃比を変化させたときの、エンジン出力トルクの変化を示す。空燃比Ａ／Ｆ＝２８のリーン状態から吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ化していくと、出力トルクは最初は小さい傾きで減少し、空燃比が低下するにしたがって、より大きな傾きで減少する。すなわち、この変化特性は、リニアなものではなく、指数関数的なものである。

このように、空燃比の変化に対するトルクの変化は、非線形なものであるため、空燃比切換時においてトルク変化を抑制するためには、非線形な燃料量の調節が必要となる。すなわち、リーン状態からリッチ状態へ移行するときは、燃料量は最初は徐々に増加させ、空燃比が減少するほど、より迅速に増加させる必要がある一方、リッチ状態からリーン状態へ移行するときは、燃料量を最初は迅速に減少させ、空燃比が増加するにつれて、減少速度を低下させる必要がある。
なお、空燃比切換時においては、燃料噴射タイミングＴＭｅ及び燃料噴射圧力Ｐｅも同様に、非線形に変化させる必要がある。

さらにリッチ状態における目標空燃比は、ほぼ固定されているが、リーン状態における空燃比は、エンジン負荷に応じて変化する。例えば、エンジン負荷が増加するほど、リーン状態の空燃比（リーン空燃比）が減少するように設定した場合、リーン→リッチ状態では、エンジン負荷が高くなるほど、より迅速に燃料量を増加させる必要がある。また、リッチ→リーン状態では、エンジン負荷が高くなるほど、より低い速度で燃料量を減少させる必要がある。

以上の検討結果から、本実施形態では、リーン→リッチ状態において、図１２（ａ）に示すような関数ｆ（Ｏxyratio）を用いて、比率パラメータＱ*ratioを算出し、リッチ→リーン状態において、図１２（ｂ）に示すような関数ｆ（Ｏxyratio）を用いて、比率パラメータＱ*ratioを算出するようにしている。図１２（ａ）の曲線Ｌ１がリーン空燃比が大きい時の特性を示し、曲線Ｌ２がリーン空燃比が小さい時の特性を示す。同様に、図１２（ｂ）の曲線Ｌ３がリーン空燃比が大きい時の特性を示し、曲線Ｌ４がリーン空燃比が小さい時の特性を示す。

図１２（ａ）に示す関数ｆ（Ｏxyratio）は、酸素比率Ｏxyratioの変化に対する比率パラメータＱ*ratioの変化率ｄＱ*ratio／ｄＯxyratio、すなわち曲線の傾きが、酸素比率Ｏxyratioが増加するほど徐々に増加するように設定されている。一方図１２（ｂ）に示す関数ｆ（Ｏxyratio）は、変化率ｄＱ*ratio／ｄＯxyratioが、酸素比率Ｏxyratioが増加するほど徐々に減少するように設定されている。この傾向は、リーン空燃比が大きいほど顕著であり、小さい時は変化率ｄＱ*ratio／ｄＯxyratioの変化は少ない。リーン→リッチ状態（図１２（ａ））では、曲線Ｌ１を基準とすると、リーン空燃比が小さくなるほど比率パラメータＱ*ratioが増加するように補正することが望ましく、またリッチ→リーン状態（図１２（ｂ））では、曲線Ｌ３を基準とすると、リーン空燃比が小さくなるほど比率パラメータＱ*ratioが減少するように補正することが望ましい。
図１２に示す関数ｆ（Ｏxyratio）を用いることにより、空燃比切換時におけるトルク変動を適切に抑制することができる。

次に図１３及び図１４を参照して、空燃比切換時においてＥＣＵ２で実行される燃料噴射制御処理について説明する。
図１３は、リーン運転からリッチ運転への移行時に実行される燃料噴射制御を含む制御処理を示している。この処理ではまず、今回がリーン運転からリッチ運転への切換指令がなされた直後のループであるか否かを判別する（ステップ９１）。この答がＹＥＳで、切換指令直後のときには、リッチ運転における目標トルクＴＲi,j，目標燃料噴射パラメータＱ*tgt，及び目標気筒内酸素量ｍo2tgtを決定する（ステップ９２）。具体的には、リッチ運転用のＴＲi,jマップ上において、エンジン回転数Ｎｅが移行直前と同じで、かつ移行直前のトルクＴＬi,jvと同じトルク値を有する番地ｉ，ｊを特定し、その番地ｉ，ｊのトルクＴＲi,j（＝ＴＬi,jv）を移行先の目標トルクとして設定する。このように移行先の番地ｉ，ｊが特定されると、それに応じて、目標燃料噴射パラメータＱ*tgtや目標気筒内酸素量ｍo2tgt（ｍo2tgtR）も自動的に定まる。またこの時点の気筒内酸素量ｍo2及び燃料噴射パラメータＱ*を、それぞれ初期気筒内酸素量ｍo2ini及び初期燃料噴射パラメータＱ*iniとして記憶する。

次いで、ステップ９２で設定した目標トルクＴＲi,jに応じて、目標スロットル開度ＴＨＲと、移行期間に相当するオーバーシュート時間ＴＭosを設定する（ステップ９３）とともに、これらの設定に従って、スロットル弁７を駆動した後、ステップ９４に進む。また、前記ステップ９１の答がＮＯで、移行直後でないときには、ステップ９２、９３をスキップし、ステップ９４に進む。このステップ９４では、実際の気筒内酸素量ｍo2を算出し、次いで、算出した気筒内酸素量ｍo2を補正関数ｆ（α，β）i,jで補正することによって、仮想気筒内酸素量ｍo2v を算出する（ステップ９５）。

次に、算出した仮想気筒内酸素量ｍo2v が、ステップ９２で求めた目標気筒内酸素量ｍo2tgtにほぼ等しくなったか否かを判別する（ステップ９６）。この答がＮＯのときには、リッチ運転への移行中であるので、仮想気筒内酸素量ｍo2v 、初期気筒内酸素量ｍo2ini、及び目標気筒内酸素量ｍo2tgtを前記式（２１）に適用し、酸素比率Ｏxyratioを算出する（ステップ９７）。ステップＳ９８では、酸素比率Ｏxyratioに応じて図１２（ａ）に示す曲線Ｌ１及びＬ２に対応するＱ*ratioテーブルを検索し、エンジン負荷（具体的にはトルクＴＲi,jあるいはアクセル開度ＡＰ）に応じた補間演算を行って、比率パラメータＱ*ratioを算出する。ステップＳ９９では、比率パラメータＱ*ratio、初期燃料噴射パラメータＱ*ini及び目標燃料噴射パラメータＱ*tgtを、前記式（２３）に適用し、燃料噴射パラメータＱ*を算出する。

一方、ステップ９６の答がＹＥＳで、仮想気筒内酸素量ｍo2v が目標気筒内酸素量ｍo2tgtにほぼ等しくなったときには、移行期間が終了したと判定して、スロットル開度ＴＨを目標スロットル開度ＴＨＲに設定する（ステップ１００）とともに、燃料噴射パラメータＱ* を目標燃料噴射パラメータＱ*tgtに設定する（ステップ１０１）。次いで、酸素濃度センサ２９の検出結果に応じ、スロットル開度ＴＨや過給圧などを微調整することによって、空燃比Ａ／Ｆを調整し（ステップ１０２）、本処理を終了する。移行期間が終了した後には、リッチ運転用のＱ*Ｒi,jマップに基づき、エンジン回転数Ｎｅおよび気筒内状態パラメー夕〔Ｏ２］に応じた定常状態での燃料噴射制御が行われる。

図１４は、リッチ運転からリーン運転への移行時に実行される燃料噴射制御を含む制御処理を示している。この処理は、リッチ／リーンの関係が逆である以外は、図１３の処理と基本的に同様にして行われる。すなわち、リッチ運転からリーン運転への切換指令直後に（ステップ１１１：ＹＥＳ）、リーン運転における目標トルクＴＬi,j，目標燃料噴射パラメータＱ*tgt，及び目標気筒内酸素量ｍo2tgtを決定する（ステップ１１２）。具体的には、リーン運転用のＴＬi,jマップ上において、エンジン回転数Ｎｅが移行直前と同じで、かつ移行直前のトルクＴＲi,jvと同じトルク値を有する番地ｉ，ｊを特定し、その番地ｉ，ｊのトルクＴＬi,j（＝ＴＲi,jv）を移行先の目標トルクとして設定する。さらに移行先の番地ｉ，ｊに応じて、目標燃料噴射パラメータＱ*tgtや目標気筒内酸素量ｍo2tgt（ｍo2tgtL）を決定する。またこの時点の気筒内酸素量ｍo2及び燃料噴射パラメータＱ*を、それぞれ初期気筒内酸素量ｍo2ini及び初期燃料噴射パラメータＱ*iniとして記憶する。

次いで、目標トルクＴＬi,jに応じて、目標スロットル開度ＴＨＬおよびオーバーシュート時間ＴＭosを設定し（ステップ１１３）、これらの設定に従って、スロットル弁７を駆動する。次に、実際の気筒内酸素量ｍo2を算出する（ステップ１１４）とともに、算出した気筒内酸素量ｍo2を補正関数f（α，β）i．jで補正し、仮想気筒内酸素量ｍo2vを算出する（ステップ１１５）。

仮想気筒内酸素量ｍo2v が目標気筒内酸素量ｍo2tgtに達しておらず（ステップ１１６：ＮＯ）、移行中のときには、仮想気筒内酸素量ｍo2v 、初期気筒内酸素量ｍo2ini、及び目標気筒内酸素量ｍo2tgtから酸素比率Ｏxyratioを算出する（ステップ１１７）。次いで、酸素比率Ｏxyratioに応じて図１２（ｂ）に示す曲線Ｌ３及びＬ４に対応するＱ*ratioテーブルを検索し、エンジン負荷（具体的にはトルクＴＬi,jまたはアクセル開度ＡＰ）に応じた補間演算を行って、比率パラメータＱ*ratioを算出する（ステップ１１８）。ステップ１１９では、比率パラメータＱ*ratio、初期燃料噴射パラメータＱ*ini及び目標燃料噴射パラメータＱ*tgtを、前記式（２３）に適用し、燃料噴射パラメータＱ*を算出する。

一方、仮想気筒内酸素量ｍo2v が目標気筒内酸素量ｍo2tgt とほぼ等しくなり（ステップ１１６：ＹＥＳ）、移行期間が終了したときには、スロットル開度ＴＨを目標スロットル開度ＴＨＬに制御する（ステップ１２０）とともに、燃料噴射パラメータＱ* を目標燃料噴射パラメータＱ*tgtに設定し（ステップ１２１）、本処理を終了する。移行期間が終了した後には、リーン運転用のＱ*Ｌi,jマップに基づき、エンジン回転数Ｎｅおよび気筒内状態パラメータ［Ｏ２］に応じた定常状態での燃料噴射制御が行われる。

以上のように本実施形態では、空燃比を切り換えるときは、切換前の初期気筒内酸素量ｍo2ini、及び切換後の目標気筒内酸素量ｍo2tgtに応じて、燃料噴射パラメータＱ*を滑らかに変化させるようにしたので、空燃比切換時のトルク変動を抑制することができる。より具体的には、空燃比切換の進行度合を示す酸素比率Ｏxyratioを算出し、酸素比率Ｏxyratioに応じて比率パラメータＱ*ratioを算出し、比率パラメータＱ*ratioにより燃料噴射パラメータＱ*を滑らかに変化させるようにしている。そして、比率パラメータＱ*ratioの設定は、図１１に示す、空燃比変化に対するトルク変化の特性を考慮して、図１２に示すように、酸素比率Ｏxyratio及びエンジン負荷などの運転状態に応じて行われるので、空燃比切換時のエンジン負荷に拘わらずトルク変動を十分に抑制することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ２が、ＮＯｘ還元またはイオウ脱離のための空燃比リッチ化時期、すなわちリーン運転からリッチ運転への切換時期、及びその空燃比リッチ化の終了時期、すなわちリッチ運転からリーン運転への切換時期を判断し、空燃比切換指令を行うとともに、該切換指令に対応した吸入空気量の制御及び燃料噴射制御処理を実行する。したがって、ＥＣＵ２が、切換指令手段、吸入空気量制御手段の一部、燃料噴射パラメータ決定手段、比率算出手段、及び比率パラメータ設定手段を構成する。より具体的には、図８，図１３及び図１４の処理が、燃料噴射パラメータ決定手段に相当し、図１３のステップ９７及び図１４のステップ１１７が比率算出手段に相当し、図１３のステップ９８及び図１４のステップ１１８が比率パラメータ設定手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、燃料噴射パラメータＱ*は、噴射時間Ｄｅ、噴射タイミングＴＭｅ及び噴射圧Ｐｅで構成されているが、これらの１つまたは２つであってもよい。さらに、上述した実施形態ではディーゼルエンジンの制御に本発明を適用した例を示したが、本発明は、ガソリンエンジンの制御にも適用可能である。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明を適用した制御装置を内燃機関とともに概略的に示す図である。 制御装置を示すブロック図である。 Ａ*マップを示す図である。 気筒内状態パラメータの算出処理を示すフローチャートである。 Ｑ*i,jマップの設定処理を示すフローチャートである。 Ｑ*i,jマップを示す図である。 補正変数αi,j及びβi,jの設定処理を示すフローチャートである。 燃料パラメータＱ*の設定処理を示すフローチャートである。 仮想番地ｉ，ｊｖを求める方法を説明する図である。 空燃比切換制御にかかる状態遷移図である。 空燃比を変化させたときの機関出力トルクの変化を説明するための図である。 酸素比率（Ｏxyratio）から比率パラメータ（Ｑ*ratio）を算出するための関数（テーブル）を示す図である。 リーン運転からリッチ運転への移行時に実行される制御処理を示すフローチャートである。 リッチ運転からリーン運転への移行時に実行される制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

２ 電子制御ユニット（吸入空気量制御手段、還流排ガス流量推定手段、気筒内酸素量推定手段、燃料噴射パラメータ決定手段、インジェクタ制御手段、切換指令手段、比率算出手段、比率パラメータ設定手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
４ 吸気管（吸気系）
６ インジェクタ
７ スロットル弁（吸入空気量制御手段）
１４ 排ガス還流装置
２２ クランク角センサ（回転数検出手段）
２７ エアーフローセンサ（吸入空気量検出手段）

Claims (3)

1. 吸気系を介して気筒に空気を吸入し、インジェクタから噴射された燃料を前記気筒内に供給するとともに、内燃機関から排出された排ガスの一部を排気還流装置により前記吸気系に還流排ガスとして還流する内燃機関の制御装置において、
   前記吸気系を介して前記気筒に吸入される吸入空気量を制御する吸入空気量制御手段と、
   前記吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記排気還流装置による還流排ガスの流量を推定する還流排ガス流量推定手段と、
   前記検出された吸入空気量、及び前記推定された還流排ガス流量に基づいて、前記気筒内に存在する酸素量を推定する気筒内酸素量推定手段と、
   前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
   該検出された内燃機関の回転数、及び前記推定された気筒内酸素量に基づいて、燃料噴射パラメータを決定する燃料噴射パラメータ決定手段と、
   該決定された燃料噴射パラメータに基づいて、前記インジェクタを制御するインジェクタ制御手段と、
   前記気筒内で燃焼する混合気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り換えること、またはリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換えることを指令する切換指令手段とを備え、
   前記燃料噴射パラメータ決定手段は、前記切換指令手段により前記空燃比の切換が指令されたときは、切換前の推定気筒内酸素量、及び切換後の目標気筒内酸素量とに応じて、前記空燃比の変化に対して前記燃料噴射パラメータを滑らかかつ非線形に変化するように決定し、
   前記空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り換えるときに、前記空燃比が減少するにつれて前記燃料噴射パラメータの変化量が徐々に増加するように制御する変化量増加制御手段、及び
   前記空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換えるときに、前記空燃比が増加するにつれて前記燃料噴射パラメータの変化量が徐々に減少するように制御する変化量減少制御手段の少なくとも一方を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴射パラメータ決定手段は、
   前記空燃比の切換を行う過渡状態において前記気筒内酸素量推定手段により推定された気筒内酸素量を、該推定気筒内酸素量と等価な前記機関の定常状態における気筒内酸素量に相当する仮想気筒内酸素量に変換する気筒内酸素量変換手段を備え、
   前記切換指令手段により前記空燃比の切換が指令されたときは、前記仮想気筒内酸素量を用いて前記燃料噴射パラメータを滑らかに変化させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記変化量増加制御手段は、前記リーン空燃比が小さくなるほど前記燃料噴射パラメータの変化量の増加率が減少するように制御し、
   前記変化量減少制御手段は、前記リーン空燃比が小さくなるほど前記燃料噴射パラメータの変化量の減少率が減少するように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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