JP5310709B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関から排気通路に排出される排気の一部を排気還流通路を介して該内燃機関の吸気通路に還流させるべく操作される外部ＥＧＲ手段を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用される内燃機関の制御装置に関する。
この種の制御装置としては、例えば下記特許文献１に見られるように、内燃機関の運転状態が加速運転状態に移行した直後において、内燃機関の燃焼室に供給される新気量の不足に起因する内燃機関のスモーク排出量を低減する技術が知られている。詳しくは、この技術は、排気還流通路を介した吸気通路への排気還流量（外部ＥＧＲ量）を減少させるように、排気還流通路上に設けられるＥＧＲバルブの開度（ＥＧＲ開度）を調節するものである。
特許第３７６７２１１号公報
ところで、ＥＧＲ開度の目標値は通常、内燃機関の燃焼制御のための各種アクチュエータの制御量が固定されて十分な時間が経過した状態（定常状態）において、エミッション量（スモーク排出量、ＮＯｘ排出量等）を規制値以下とするための外部ＥＧＲ量を供給可能な値として、機関運転状態毎に適合されている。このため、機関運転状態が変化する過渡状態においては、実際の外部ＥＧＲ量が、適合時に想定された量からずれることで、燃焼状態が悪化し、スモーク排出量やＮＯｘ排出量が規制値を上回るおそれがある。
このような事態を回避すべく、過渡状態においてＥＧＲバルブを操作することで、外部ＥＧＲ量を調節することも考えられる。ここで外部ＥＧＲ量を増大させると、吸気中の酸素濃度が減少することでＮＯｘ排出量が減少するものの、スモーク排出量が増大する。一方、外部ＥＧＲ量を減少させると、吸気中の酸素濃度が増大することでスモーク排出量が減少するものの、ＮＯｘ排出量が増大する。外部ＥＧＲ量の変化に対するスモーク排出量及びＮＯｘ排出量のこうした変化に鑑みると、過渡状態において外部ＥＧＲ量を適切に調節することができない場合、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のうち一方の増大度合いが顕著となることで、例えばこれら排出量のうちいずれかがその規制値を上回る等、内燃機関の排気特性を適切なものとすることができなくなるおそれがある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、機関運転状態が過渡状態となる状況下における内燃機関の排気特性を適切なものとすることのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
請求項１記載の発明は、内燃機関から排気通路に排出される排気の一部を排気還流通路を介して該内燃機関の吸気通路に還流させるべく操作される外部ＥＧＲ手段を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、前記内燃機関に供給される吸気中の酸素濃度と、前記内燃機関から排出される排気中の酸素濃度とを推定又は検出する処理によってこれら酸素濃度を取得する酸素濃度取得手段と、該酸素濃度取得手段によって取得される排気中の酸素濃度に基づき、前記内燃機関のスモーク排出量について、その基準値からの現在値の増大度合いを示すスモーク増大度合いを算出する処理を行うスモーク増大度合い算出手段と、前記酸素濃度取得手段によって取得される吸気中の酸素濃度に基づき、前記内燃機関のＮＯｘ排出量について、その基準値からの現在値の増大度合いを示すＮＯｘ増大度合いを算出する処理を行うＮＯｘ増大度合い算出手段と、前記算出されたスモーク増大度合いと、前記算出されたＮＯｘ増大度合いとの双方を制御すべく、これら増大度合いを入力として前記外部ＥＧＲ手段を操作することで前記吸気通路への排気還流量を調節する処理を行う還流処理手段とを備えることを特徴とする。
上記発明では、上記スモーク増大度合い及びＮＯｘ増大度合いの双方を制御すべく、これら増大度合いを入力として排気還流量（外部ＥＧＲ量）を調節する処理を行う。このため、スモーク増大度合い及びＮＯｘ増大度合いの双方を反映して外部ＥＧＲ量を調節することができ、ひいてはスモーク排出量及びＮＯｘ排出量のうち一方が顕著に増大することを抑制することができる。これにより、内燃機関の排気特性を適切なものとすることができる。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記還流処理手段は、前記調節する処理として、前記スモーク増大度合い算出手段によって算出されたスモーク増大度合いと、前記ＮＯｘ増大度合い算出手段によって算出されたＮＯｘ増大度合いとの比率をその目標値とすべく、前記排気還流量を調節する処理を行うことを特徴とする。
上記発明では、外部ＥＧＲ量を調節するために上記比率を用いることで、単一の制御パラメータによってスモーク排出量及びＮＯｘ排出量を適切なものとすることができる。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記内燃機関の運転状態に基づき、前記スモーク排出量及び前記ＮＯｘ排出量のそれぞれの基準値として、該スモーク排出量の目標値及び該ＮＯｘ排出量の目標値のそれぞれを設定する目標値設定手段を更に備えることを特徴とする。
上記発明では、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれについて、機関運転状態毎に目標値を定めている。これにより、スモーク増大度合い及びＮＯｘ増大度合いを、機関運転状態毎に適切に把握することができる。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記スモーク増大度合い算出手段は、前記算出する処理として、前記設定されたスモーク排出量の目標値に対する前記算出されたスモーク排出量の比率を前記スモーク増大度合いとして算出する処理を行うものであり、前記ＮＯｘ増大度合い算出手段は、前記算出する処理として、前記設定されたＮＯｘ排出量の目標値に対する前記算出されたＮＯｘ排出量の比率を前記ＮＯｘ増大度合いとして算出する処理を行うことを特徴とする。
上記発明では、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれについての上記比率を用いることで、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれの増大度合いをより適切に把握することができる。
請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の発明において、前記目標値設定手段は、前記スモーク排出量の目標値及び前記ＮＯｘ排出量の目標値のそれぞれをその規制値以下の値に設定するものであり、前記還流処理手段は、前記算出されたスモーク排出量及び前記算出されたＮＯｘ排出量のそれぞれを前記規制値以下とするように、前記排気還流量を調節する処理を行うことを特徴とする。
上記発明では、エミッションに関する法規制等の要求を満たすべく、上記態様にてスモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれの目標値を定めている。そして上記発明では、上記態様にて外部ＥＧＲ量の調節処理を行うことで、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のうち一方が顕著に増大する事態の発生を好適に回避することができる。
請求項６記載の発明は、請求項３〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記スモーク排出量及び前記ＮＯｘ排出量のそれぞれの都度の目標値の積算値を算出する手段と、前記スモーク排出量の都度の値の積算値と、前記算出されたスモーク排出量の都度の目標値の積算値との比率であるスモーク積算比率を算出する手段と、前記ＮＯｘ排出量の都度の値の積算値と、前記算出されたＮＯｘ排出量の都度の目標値の積算値との比率であるＮＯｘ積算比率を算出する手段とを更に備え、前記還流処理手段は、前記スモーク増大度合いと前記ＮＯｘ増大度合いとの比率の目標値を、前記スモーク積算比率及び前記ＮＯｘ積算比率に基づき可変設定することを特徴とする。
上記スモーク積算比率及びＮＯｘ積算比率によれば、現在までのスモーク増大度合い及びＮＯｘ増大度合いの推移の傾向を把握することができる。この点に鑑み、上記発明では、スモーク増大度合いとＮＯｘ増大度合いとの比率の目標値を、これら積算比率に基づき可変設定する。このため、スモーク増大度合いとＮＯｘ増大度合いとの比率と、その目標値とのずれを適切に補償可能なように排気還流量を調節することができる。これにより、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のうち一方が顕著に増大する事態の発生を適切に抑制することができる。
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発明において、前記吸気通路と前記排気通路との間には、前記内燃機関に供給される吸気を過給する過給機が備えられ、前記外部ＥＧＲ手段は、前記排気通路のうち前記過給機の排気タービンの上流側と前記吸気通路とを接続する前記排気還流通路としての高圧ＥＧＲ通路に設けられる絞り弁、前記排気通路の下流側であって且つ前記排気タービンの下流側と前記吸気通路とを接続する前記排気還流通路としての低圧ＥＧＲ通路との接続部よりも下流側に設けられる絞り弁、及び前記吸気通路のうち該吸気通路と前記高圧ＥＧＲ通路との接続部の上流側に設けられる絞り弁のうち少なくとも１つであることを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記内燃機関は、圧縮点火式内燃機関であることを特徴とする。
一実施形態にかかるシステム構成図。 一実施形態にかかる過渡状態におけるスモーク及びＮＯｘの増大態様の概要を示す図。 一実施形態にかかる増大率バランス制御の概要を示す図。 一実施形態にかかる増大率バランス制御処理を示す機能ブロック図。 一実施形態にかかる増大率バランス制御処理の手順を示すフローチャート。
以下、本発明にかかる制御装置を、過給機（ターボチャージャ）付き内燃機関を備える車両（自動車）に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に、本実施形態にかかるシステム構成図を示す。
図示されるエンジン１０は、圧縮点火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。エンジン１０の吸気通路１２には、上流側から順に、吸入される空気量（新気量）を検出するエアフローメータ１４、後述するターボチャージャ１６によって過給された吸気を冷却するインタークーラ１８、更にはＤＣモータ等のアクチュエータ（吸気側アクチュエータ２０ａ）によって開度が調節される吸気絞り弁２０が設けられている。なお、吸気側アクチュエータ２０ａは、吸気絞り弁２０の開度を検出する機能を有している。
吸気絞り弁２０の下流側には、サージタンク２２が設けられ、このサージタンク２２には、吸気通路１２を流れる吸気の圧力（過給圧）を検出する吸気圧センサ２４と、吸気通路１２を流れる吸気の温度を検出する吸気温センサ２６とが設けられている。サージタンク２２の下流側は、エンジン１０の各気筒の燃焼室２８と接続されている。
エンジン１０の各気筒の燃焼室２８には、燃焼室２８に突出して電磁駆動式の燃料噴射弁３０が設けられている。燃料噴射弁３０には、図示しない蓄圧容器（コモンレール）から高圧の燃料（軽油）が供給され、燃料噴射弁３０から燃焼室２８に高圧の燃料が噴射供給される。
エンジン１０の各気筒の吸気ポート及び排気ポートのそれぞれは、吸気バルブ３２及び排気バルブ３４のそれぞれにより開閉される。ここでは、吸気バルブ３２の開弁によってインタークーラ１８で冷却された吸気が燃焼室２８に導入され、導入された吸気と、燃料噴射弁３０から噴射供給された燃料とが燃焼に供される。なお、燃焼に供された吸気及び燃料は、排気バルブ３４の開弁によって排気として排気通路３６に排出される。また、エンジン１０の出力軸（クランク軸３８）付近には、クランク軸３８の回転角度を検出するクランク角度センサ４０が設けられている。
吸気通路１２と排気通路３６との間には、ターボチャージャ１６が設けられている。ターボチャージャ１６は、吸気通路１２に設けられた吸気コンプレッサ１６ａと、排気通路３６に設けられた排気タービン１６ｂと、これらを連結する回転軸１６ｃとを備えて構成されている。詳しくは、排気通路３６を流れる排気のエネルギによって排気タービン１６ｂが回転し、その回転エネルギが回転軸１６ｃを介して吸気コンプレッサ１６ａに伝達され、吸気コンプレッサ１６ａによって吸気が圧縮される。すなわち、ターボチャージャ１６によって吸気が過給される。なお本実施形態では、ターボチャージャ１６として、吸気の過給圧を調節可能なものを想定しており、具体的には例えば、ターボチャージャ１６の有する図示しない可変ベーンの開度の調節によって過給圧が調節可能なものを想定している。
上記排気通路３６のうち、ターボチャージャ１６の下流側には、上流側から順に、排気を浄化する浄化装置４２及び排気中の酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ４４が設けられている。本実施形態では、浄化装置４２として、排気中のＰＭ（スモーク）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒、及び排気中のＨＣやＣＯを浄化する酸化触媒等を想定している。
排気通路３６に排出される排気の一部は、排気還流通路としての高圧ＥＧＲ通路４５や、低圧ＥＧＲ通路４６を介して吸気通路１２に還流される。詳しくは、排気通路３６のうち、排気タービン１６ｂの上流側は、高圧ＥＧＲ通路４５を介して吸気通路１２の吸気絞り弁２０の下流側（サージタンク２２）に接続されている。高圧ＥＧＲ通路４５には、同通路の流路面積を調節するＥＧＲバルブ４８が設けられている。ＥＧＲバルブ４８は、ＤＣモータ等のアクチュエータ（ＥＧＲアクチュエータ４８ａ）によってその開度（ＥＧＲ開度）が調節される電子制御式の弁体である。ＥＧＲバルブ４８の開度に応じて、排気通路３６に排出された排気の一部が、ＥＧＲクーラ５０によって冷却された後に、外部ＥＧＲとして吸気通路１２に供給される。なお、ＥＧＲアクチュエータ４８ａは、ＥＧＲ開度を検出する機能を有している。
一方、排気通路３６のうち、排気タービン１６ｂの下流側は、低圧ＥＧＲ通路４６を介して、吸気通路１２のうち吸気コンプレッサ１６ａの上流に接続されている。また、排気通路３６のうち、この通路と低圧ＥＧＲ通路４６との接続部の下流側には、排気通路３６の流路面積を調節する排気絞り弁５２が設けられている。排気絞り弁５２は、ＤＣモータ等のアクチュエータ（排気側アクチュエータ５２ａ）によってその開度が調節される電子制御式の弁体である。排気絞り弁５２の開度に応じて、排気通路３６に排出された排気の一部が、図示しない低圧側のＥＧＲクーラによって冷却された後に、低圧ＥＧＲ通路４６の流路面積を調節する図示しない低圧側ＥＧＲバルブを通過し、外部ＥＧＲとして吸気通路１２に供給される。なお、排気側アクチュエータ５２ａは、排気絞り弁５２の開度を検出する機能を有している。
エンジンシステムを操作対象とする電子制御装置（ＥＣＵ５４）は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されている。ＥＣＵ５４には、ドライバのアクセル操作量（踏み込み量）を検出するアクセルセンサ５６や、エアフローメータ１４、吸気圧センサ２４、吸気温センサ２６、クランク角度センサ４０、Ａ／Ｆセンサ４４、吸気側アクチュエータ２０ａ、ＥＧＲアクチュエータ４８ａ、更には排気側アクチュエータ５２ａの出力信号等が逐次入力される。ＥＣＵ５４は、上記各センサからの入力信号に基づき、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、燃料噴射弁３０による燃料噴射制御や、ＥＧＲアクチュエータ４８ａ等による排気還流制御（外部ＥＧＲ制御）、ターボチャージャ１６による過給圧制御等、エンジン１０の燃焼制御を行う。
上記燃料噴射制御について説明すると、まず、クランク角度センサ４０の出力値に基づくエンジン回転速度と、アクセルセンサ５６の出力値に基づくアクセル操作量とから、エンジン１０の要求トルクを算出する。そして、算出されたエンジン要求トルクに基づき燃料噴射弁３０の指令値を算出し、この指令値に基づき燃料噴射弁３０を通電操作する。これにより、上記指令値に相当する量の燃料が燃料噴射弁３０から噴射される。
また、上記過給圧制御は、吸気圧センサ２４の出力値に基づく過給圧をその目標値に制御すべく、ターボチャージャ１６を通電操作するものとなる。
更に、上記外部ＥＧＲ制御は、ＥＧＲアクチュエータ４８ａの出力値に基づくＥＧＲ開度をその目標値（目標ＥＧＲ開度）に制御すべく、ＥＧＲアクチュエータ４８ａを通電操作するものとなる。
ここで、上記目標ＥＧＲ開度は、燃焼制御のための各種アクチュエータの制御量が固定されて十分な時間が経過した状態（定常状態）において、エンジン１０のスモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれを規制値以下とする外部ＥＧＲ量を供給可能な値として予め実験等により適合されるものである。詳しくは、まず、エンジン１０の運転状態を示すパラメータであるエンジン回転速度及びエンジン要求トルク（又は燃料噴射弁３０からの燃料噴射量）の離散的な値のそれぞれに対して、スモーク排出量の規制値（スモーク規制値）以下に設定されるスモーク排出量の目標値（スモーク目標値）と、ＮＯｘ排出量の規制値（ＮＯｘ規制値）以下に設定されるＮＯｘ排出量の目標値（ＮＯｘ目標値）とが定められる。そして、エンジン回転速度及び要求トルクの離散的な値のそれぞれに対して、実際のスモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれを、スモーク目標値及びＮＯｘ目標値のそれぞれにすることが可能なＥＧＲ開度が目標ＥＧＲ開度として適合される。
ちなみに、スモーク規制値及びＮＯｘ規制値は、例えば燃料消費率やエミッション等を計測するための所定の走行モード（例えばＮＥＤＣモード、ＬＡ＃４モード等）において要求される排気特性を満たすように定めればよい。具体的には例えば、上記所定の走行モード全体に渡るスモーク排出量の合計値及びＮＯｘ排出量の合計値のそれぞれを要求される値（エミッションに関する法規制を満たすような値）以下とすべく、エンジン１０の運転状態毎にスモーク規制値及びＮＯｘ規制値を定めればよい。また本実施形態では、スモーク規制値及びＮＯｘ規制値のそれぞれを、排気通路３６のうち浄化装置４２の上流側について定めている。
こうして定められる目標ＥＧＲ開度に実際のＥＧＲ開度を制御することで、基本的には、実際の外部ＥＧＲ量を、適合時に想定された外部ＥＧＲ量とすることが可能となる。しかしながら、実際のＥＧＲ開度を目標ＥＧＲ開度へと制御を開始してから十分な時間が経過するまでの過渡状態においては、実際の外部ＥＧＲ量が、適合時に想定された外部ＥＧＲ量からずれることがある。実際の外部ＥＧＲ量がずれると、エンジン１０に供給される吸気量や、吸排気中の酸素濃度等が燃焼状態を良好なものとする値からずれるため、スモーク排出量がスモーク規制値よりも多くなったり、ＮＯｘ排出量がＮＯｘ規制値よりも多くなったりするおそれがある。
このような状況としては、例えばＥＧＲ開度が変更されることに起因して、外部ＥＧＲ量が変化する状況がある。つまり、ＥＧＲ開度が増大すると、外部ＥＧＲ量が増大することで吸気中の酸素濃度が減少し、ＮＯｘ排出量が減少するものの、スモーク排出量が増大する。一方、ＥＧＲ開度が減少すると、外部ＥＧＲ量が減少することで吸気中の酸素濃度が増大し、スモーク排出量が減少するものの、ＮＯｘ排出量が増大する。すなわち、ＥＧＲ開度の変化に対するスモーク排出量及びＮＯｘ排出量の軌跡が、図２にＡにて示す曲線（トレードオフライン）となるため、スモーク排出量等がその規制値よりも多くなり得る。
また例えば、燃料噴射弁３０からの燃料噴射量が変更されることに起因して、排気中の酸素濃度が変化する状況がある。つまり、燃料噴射量が変更されてから、酸素濃度が変化した排気の一部が外部ＥＧＲとして燃焼室２８に供給されるまでにある程度時間（還流遅れ時間）を要することに起因して、スモーク排出量等がその規制値よりも多くなり得る。なお、吸気絞り弁２０の開度が変更されることによって吸気量が変化する状況もある。
特に、車両の加速時は、スモーク排出量等がその規制値よりも顕著に多くなる状況となり得る。つまり、車両の加速時においては、エンジン要求トルクの増大に応じて燃料噴射量が増量されるものの、ターボチャージャ１６によって過給された吸気が燃焼室２８に供給されるまでに遅れ（過給遅れ）を伴うことで供給すべき吸気量に対して実際の吸気量が不足し、同図にＢにて示すように、スモーク排出量やＮＯｘ排出量（図中「▲」にて表記）がその規制値を大きく上回る懸念がある。
こうした問題を解決すべく、本実施形態では、スモーク目標値に対するスモーク排出量の比率であるスモーク増大率と、ＮＯｘ目標値に対するＮＯｘ排出量の比率であるＮＯｘ増大率とを入力として、ＥＧＲ開度を調節する増大率バランス制御を行うことで、図３に「■」にて示すように、過渡状態においてスモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれがその目標値を上回ることを許容しつつ、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のうち一方が顕著に増大することを回避する。これにより、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれがその規制値を上回ることを回避する。以下、増大率バランス制御について、図４を用いて詳述する。
図４は、本実施形態にかかる増大率バランス制御処理を示す機能ブロック図である。
吸排気Ｏ２濃度推定部Ｂ１は、過給圧Ｐ、吸気温センサ２６の出力値に基づく吸気温Ｔｍｐ、エアフローメータ１４の出力値に基づく新気量Ａｉｒ及び燃料噴射弁３０からの燃料噴射量Ｑ（又はエンジン要求トルクＴｒｑ）を入力として、燃焼室２８に供給される吸気中の酸素濃度（吸気Ｏ２濃度）及び燃焼室２８から排出される排気中の酸素濃度（排気Ｏ２濃度）を推定する。本実施形態では、Ｏ２濃度を推定するための所定のモデルによって、吸気Ｏ２濃度及び排気Ｏ２濃度を都度推定する。
具体的には、吸気Ｏ２濃度及び排気Ｏ２濃度は、過給圧Ｐ及び吸気温Ｔｍｐを入力として燃焼室２８に充填される吸気量を推定する処理、推定された吸気量及び新気量Ａｉｒに基づき、高圧ＥＧＲ通路４５や、低圧ＥＧＲ通路４６から吸気通路１２に流入する外部ＥＧＲ量を算出する処理、及び燃焼室２８に供給される新気量Ａｉｒと、外部ＥＧＲ量と、燃料噴射弁３０からの燃料噴射量Ｑ（又はエンジン要求トルクＴｒｑ）とに基づき、排気Ｏ２濃度を推定する処理等によって推定する。これにより、燃焼室２８から排出された排気が高圧ＥＧＲ通路４５や低圧ＥＧＲ通路４６を介して吸気通路１２に戻される影響を取り入れつつ、吸気Ｏ２濃度及び排気Ｏ２濃度を都度推定することが可能となる。
なお、推定されたＯ２濃度と、実際のＯ２濃度とのずれ（モデル誤差）を低減すべく、Ａ／Ｆセンサ４４の出力値に基づく実際の排気Ｏ２濃度からモデル誤差の学習処理を行ってもよい。ここでこの学習処理は、排気が浄化装置４２を通過する前後における排気Ｏ２濃度の変化量が小さい状況において行われるのが望ましい。
ＮＯｘ排出量推定部Ｂ２は、吸気Ｏ２濃度、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン要求トルクＴｒｑ（又は燃料噴射弁３０からの燃料噴射量Ｑ）に基づき、ＮＯｘ排出量の推定値（ＮＯｘ推定値）を算出する。ここで吸気Ｏ２濃度をパラメータとしているのは、吸気Ｏ２濃度が高くなるほどＮＯｘ排出量が多くなることに鑑みたものである。また、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン要求トルクＴｒｑをパラメータとしているのは、ＮＯｘ排出量が、エンジン１０の運転状態毎の燃焼温度に影響を及ぼされること、及び上記運転状態を示すパラメータであるエンジン回転速度ＮＥ及びエンジン要求トルクＴｒｑと燃焼温度とを関連付けることが可能であることに鑑みたものである。ここでＮＯｘ推定値は、具体的には例えば、吸気Ｏ２濃度、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン要求トルクＴｒｑと関係付けられたＮＯｘ推定値が規定されるマップや数式を用いて算出すればよい。
スモーク排出量推定部Ｂ３は、排気Ｏ２濃度、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン要求トルクＴｒｑ（又は燃料噴射弁３０からの燃料噴射量Ｑ）に基づき、スモーク排出量の推定値（スモーク推定値）を算出する。ここで排気Ｏ２濃度をパラメータとしているのは、排気Ｏ２濃度が低くなるほどスモーク排出量が多くなることに鑑みたものである。また、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン要求トルクＴｒｑをパラメータとしているのは、上記ＮＯｘ排出量推定部Ｂ２の処理と同様に、スモーク排出量が、エンジン１０の運転状態毎の燃焼温度に影響を及ぼされること等に鑑みたものである。ここでスモーク推定値は、具体的には例えば、排気Ｏ２濃度、エンジン回転速度ＮＥ及び要求トルクＴｒｑと関係付けられたスモーク推定値が規定されるマップや数式を用いて算出すればよい。
目標値算出部Ｂ４は、エンジン回転速度ＮＥ及びエンジン要求トルクＴｒｑに基づき、ＮＯｘ目標値及びスモーク目標値を設定する。
ＮＯｘ増大率算出部Ｂ５は、都度のＮＯｘ推定値を都度のＮＯｘ目標値で除算することで、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘ（瞬時値）を算出する。また、ＮＯｘ増大率積算部Ｂ６は、都度のＮＯｘ推定値の積算値を、都度のＮＯｘ目標値の積算値で除算した値であるＮＯｘ積算増大率Ｘｉを算出する。
スモーク増大率算出部Ｂ７は、都度のスモーク推定値を都度のスモーク目標値で除算することで、スモーク増大率ΔＰＭ（瞬時値）を算出する。また、スモーク増大率積算部Ｂ８は、都度のスモーク推定値の積算値を、都度のスモーク目標値の積算値で除算した値であるスモーク積算増大率Ｙｉを算出する。
制御パラメータ算出部Ｂ９は、上記増大率バランス制御の制御量（制御パラメータδ）を算出する。本実施形態では、係数α０，β０（α０，β０＞０、α０＋β０＝１）を用いてスモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの目標比率を「α０／β０」として表し、スモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの比率を目標比率「α０／β０」とすべく、制御用係数α，β（α，β＞０）を用いて制御パラメータδを下式（ｃ１）のように算出する。
δ＝β×（ΔＮＯｘ）―α×（ΔＰＭ）…（ｃ１）
α＝（α０＾２×βｉ）／（α０＾２×βｉ＋β０＾２×αｉ） …（ｃ２）
β＝（β０＾２×αｉ）／（α０＾２×βｉ＋β０＾２×αｉ） …（ｃ３）
ただし、αｉ＝Ｘｉ／（Ｘｉ＋Ｙｉ）
βｉ＝Ｙｉ／（Ｘｉ＋Ｙｉ）
以下、上式（ｃ１）を用いた制御手法の技術的意義について説明する。
ここで、係数αｉ，βｉは、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘ及びスモーク増大率ΔＰＭの履歴を反映したＮＯｘ積算増大率Ｘｉ及びスモーク積算増大率Ｙｉを用いて定義されている。
上式（ｃ２）及び（ｃ３）によれば、スモーク積算増大率Ｙｉに対するＮＯｘ積算増大率Ｘｉの比率が目標比率「α０／β０」となる場合、係数αｉ，βｉが係数α０，β０となることで、制御用係数α，βは、係数α０，β０となる。
ここで、係数α０，β０に代えて、制御用係数α，βを用いるのは、大きなタイムスケール（例えば、瞬時値が演算されるような微視的なタイムスケールではなく、スモーク積算増大率Ｙｉ等の積分演算に要求される時間等、上記微視的なタイムスケールよりも十分に長いタイムスケール）で見た場合におけるスモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの比率が目標比率「α０／β０」から大きくずれる事態の発生を抑制するためである。
すなわち、上式（ｃ１）において「α＝α０、β＝β０」とし、そして上記制御パラメータδを０にフィードバック制御することで、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のうち一方が顕著に増大する事態の発生を抑制することができる。ただし、上記フィードバック制御によって微視的なタイムスケールにおいてスモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの比率が目標比率「α０／β０」に制御されたとしても、大きなタイムスケールで見た場合には、スモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの比率が目標比率「α０／β０」から大きくずれる事態が生じ得る。これは、ドライバの車両操作性向や、燃焼制御のための各種アクチュエータの作動遅れ等に起因して、いずれか一方の増大率が大きくなる傾向が生じうるためである。
これに対し、制御用係数α，βを上式(ｃ２)及び(ｃ３)のように設定することで、換言すれば都度の制御用の目標比率「α／β」をスモーク積算増大率Ｙｉ及びＮＯｘ積算増大率Ｘｉに基づき可変設定することで、大きなタイムスケールで見た場合におけるスモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの比率を目標比率「α０／β０」に制御することが可能となる。
例えば、大きなタイムスケールにおいて、スモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの比率が目標比率「α０／β０」よりも小さくなる傾向が生じると、係数βｉに対する係数αｉの比率が目標比率「α０／β０」よりも小さくなり、制御用係数αが係数α０よりも大きくなるとともに、制御用係数βが係数β０よりも小さくなる。このため、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの増大が許容されるとともに、スモーク増大率ΔＰＭの増大が制限される。
また例えば、大きなタイムスケールにおいて、スモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの比率が目標比率「α０／β０」よりも大きくなる傾向が生じると、係数βｉに対する係数αｉの比率が目標比率「α０／β０」よりも大きくなり、制御用係数αが係数α０よりも小さくなるとともに、制御用係数βが係数β０よりも大きくなる。このため、スモーク増大率ΔＰＭの増大が許容されるとともに、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの増大が制限される。
ちなみに、上式（ｃ２）及び（ｃ３）は、制御用係数α，βの算出時に、制御用係数α及びβの和が規定値「１」になるように規格化されたものとなっている。これは、後述するフィードバック制御部Ｂ１０において比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉを、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘ等に応じて都度変更することを回避するためである。つまり、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘとスモーク増大率ΔＰＭとの比率が同じ場合であっても、これら増大率の絶対値が異なると、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘとスモーク増大率ΔＰＭとの比率を目標比率「α０／β０」とするために要求される制御パラメータδの値が異なる。この場合、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘ及びスモーク増大率ΔＰＭに応じた比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉの適合が要求されることとなる。本実施形態では、比例ゲインＫｐ等の適合作業の簡素化等を図る観点から、制御用係数α，βについて都度の規格化を行うことで、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘ等に応じて比例ゲインＫｐ等を都度変更することを回避する。
フィードバック制御部Ｂ１０は、制御パラメータδに基づくＥＧＲアクチュエータ４８ａのフィードバック操作量を算出する。本実施形態では、制御パラメータδに基づく比例積分制御によってフィードバック操作量を算出する。具体的には、制御パラメータδに比例ゲインＫｐを乗算することで算出される比例項と、制御パラメータδに積分ゲインＫｉを乗算したものの累積値である積分項との加算値としてフィードバック操作量を算出する。
フィードフォワード制御部Ｂ１１は、エンジン回転速度ＮＥと、エンジン要求トルクＴｒｑとに基づき、ＥＧＲアクチュエータ４８ａのフィードフォワード操作量（上記目標ＥＧＲ開度）を算出する。
加算部Ｂ１２は、上記フィードバック操作量と、フィードフォワード操作量との加算値として最終的な操作量を算出する。
なお、この最終的な操作量に基づきＥＧＲアクチュエータ４８ａが通電操作されることで、実際のＥＧＲ開度が、スモーク増大率ΔＰＭに対するＮＯｘ増大率ΔＮＯｘの比率を目標比率とするための開度に収束することとなる。
図５に、本実施形態にかかる増大率バランス制御処理の手順を示す。この処理は、ＥＣＵ５４によって、例えば所定周期で実行される。
この一連の処理では、ステップＳ１０において、吸気Ｏ２濃度及び排気Ｏ２濃度を推定する処理を行う。
続くステップＳ１２では、ＮＯｘ推定値及びスモーク推定値を算出する処理を行う。そしてステップＳ１４では、ＮＯｘ目標値及びスモーク目標値を設定する処理を行う。
続くステップＳ１６では、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘ、ＮＯｘ積算増大率Ｘｉ、スモーク増大率ΔＰＭ及びスモーク積算増大率Ｙｉを算出する処理を行う。なお、スモーク積算増大率Ｙｉ及びＮＯｘ積算増大率Ｘｉを、規定期間毎に初期化する処理を行ってもよい。
続くステップＳ１８では、ＮＯｘ増大率ΔＮＯｘ及びスモーク増大率ΔＰＭ等に基づき、制御パラメータδを算出する処理を行う。そしてステップＳ２０では、フィードバック操作量及びフィードフォワード操作量の加算値に基づき、ＥＧＲアクチュエータ４８ａの通電操作処理を行う。
なお、ステップＳ２０の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）制御パラメータδを用いて算出されたフィードバック操作量と、フィードフォワード操作量との加算値に基づくＥＧＲアクチュエータ４８ａの通電操作処理を行った。これにより、エンジン１０の運転状態が過渡状態になる場合であっても、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のうち一方が顕著に増大することを回避することができ、ひいてはスモーク排出量がスモーク規制値を上回ったり、ＮＯｘ排出量がＮＯｘ規制値を上回ったりする事態の発生を好適に回避することができる。
また、単一の制御パラメータδを用いて外部ＥＧＲ制御を行うため、スモーク排出量やＮＯｘ排出量の顕著な増大を回避するための外部ＥＧＲ制御を簡易且つ適切に行うこともできる。
（２）スモーク積算増大率Ｙｉに対するＮＯｘ積算増大率Ｘｉの比率が目標比率「α０／β０」となるように、これら積算増大率を用いて、制御パラメータδを算出するために用いる制御用係数α，βを算出した。これにより、ドライバの車両操作性向等を反映して外部ＥＧＲ制御を行うことができ、エンジン１０の排気特性を、エミッションに関する法規制等の要求を満たす適切なものとすることができる。
（その他の実施形態）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・ＮＯｘ増大度合いやスモーク増大度合いの定量化手法としては、上記実施形態に例示したものに限らない。例えば、ＮＯｘ増大度合いを、ＮＯｘ推定値からＮＯｘ目標値を減算した値として算出し、スモーク増大度合いを、スモーク推定値からスモーク目標値を減算した値として算出してもよい。この場合、ＮＯｘ増大度合い及びスモーク増大度合いのそれぞれについて、その現在値が所定の閾値以下となるように外部ＥＧＲ量を調節すればよい。
なお、ＮＯｘ増大度合いやスモーク増大度合いを定量化する際の基準値としては、上記目標値（ＮＯｘ目標値、スモーク目標値）に限らない。具体的には例えば、上記基準値を０とする場合、ＮＯｘ増大度合い及びスモーク増大度合いのそれぞれがスモーク推定値及びＮＯｘ推定値のそれぞれとなるため、ＮＯｘ推定値をスモーク推定値で除算した値をその目標値に制御すべく、外部ＥＧＲ量を調節すればよい。
更に、ＮＯｘ増大度合い等の定量化手法としては例えば、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれを規制値以下とすることが可能な排気Ｏ２濃度の目標値及び吸気Ｏ２濃度の目標値を機関運転状態毎に設定し、スモーク増大度合いを、排気Ｏ２濃度の推定値とその目標値との偏差として算出し、ＮＯｘ増大度合いを、吸気Ｏ２濃度の推定値とその目標値との偏差として算出してもよい。ここでこれら増大度合いを入力とした外部ＥＧＲ量の調節手法について説明すると、具体的には例えば、まず、吸気Ｏ２濃度の推定値からその目標値を減算した値としてＮＯｘ増大度合いを算出し、排気Ｏ２濃度の推定値からその目標値を減算した値としてスモーク増大度合いを算出する。そして、これら増大度合いの比率がその目標値となるように外部ＥＧＲ量を調節すればよい。
・上記実施形態では、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量の現在値を、スモーク排出量推定部Ｂ３及びＮＯｘ排出量推定部Ｂ２のそれぞれによって推定したがこれに限らない。例えば、排気通路３６のうち、エンジン１０と浄化装置４２との間に、スモーク排出量及びＮＯｘ排出量を検出するためのセンサを備え、これらセンサによってスモーク排出量及びＮＯｘ排出量を検出してもよい。
・上記実施形態では、吸気Ｏ２濃度及び排気Ｏ２濃度のそれぞれを推定したがこれに限らない。例えば、これらＯ２濃度を検出するセンサ（Ａ／Ｆセンサ）を備え、同センサによって吸気Ｏ２濃度及び排気Ｏ２濃度を検出してもよい。
・上記実施形態では、ＥＧＲ開度を調節することで外部ＥＧＲ量を調節したがこれに限らない。例えば、吸気側アクチュエータ２０ａの通電操作によって吸気絞り弁２０の開度を調節することで外部ＥＧＲ量を調節してもよい。この場合、吸気絞り弁２０の開度が小さくなるほど、サージタンク２２の圧力が低下するため、高圧ＥＧＲ通路４５を介して吸気通路１２に供給される外部ＥＧＲ量が多くなる。また例えば、排気側アクチュエータ５２ａの通電操作によって排気絞り弁５２の開度を調節することで外部ＥＧＲ量を調節してもよい。この場合、排気絞り弁５２の開度が小さくなるほど、排気通路３６のうち、排気絞り弁５２の上流側の圧力が上昇するため、低圧ＥＧＲ通路４６を介して吸気通路１２に供給される外部ＥＧＲ量が多くなる。
・規制値の設定手法としては、上記実施形態に例示したものに限らない。例えば、浄化装置４２の下流側におけるスモーク排出量及びＮＯｘ排出量のそれぞれの規制値を定める場合、浄化装置４２によるスモークやＮＯｘの浄化度合いが大きいほど規制値を低く設定してもよい。
・制御パラメータδの算出手法としては、上記実施形態に例示したものに限らない。例えば、スモーク積算増大率Ｙｉに対するＮＯｘ積算増大率Ｘｉの比率を目標比率「α０／β０」とすべく、制御パラメータδを下式（ｃ４）のように算出すればよい。
δ＝β０×Ｘｉ―α０×Ｙｉ …（ｃ４）
・内燃機関としては、圧縮点火式内燃機関に限らず、例えば筒内直噴式ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。
１０…エンジン、１２…吸気通路、１６…ターボチャージャ、２０…吸気絞り弁、３６…排気通路、４４…Ａ／Ｆセンサ、４５…高圧ＥＧＲ通路、４６…低圧ＥＧＲ通路、４８…ＥＧＲバルブ、５４…ＥＣＵ（内燃機関の制御装置の一実施形態）。

Claims (8)

  1. 内燃機関から排気通路に排出される排気の一部を排気還流通路を介して該内燃機関の吸気通路に還流させるべく操作される外部ＥＧＲ手段を備える内燃機関の燃焼制御システムに適用され、
    前記内燃機関に供給される吸気中の酸素濃度と、前記内燃機関から排出される排気中の酸素濃度とを推定又は検出する処理によってこれら酸素濃度を取得する酸素濃度取得手段と、
    該酸素濃度取得手段によって取得される排気中の酸素濃度に基づき、前記内燃機関のスモーク排出量について、その基準値からの現在値の増大度合いを示すスモーク増大度合いを算出する処理を行うスモーク増大度合い算出手段と、
    前記酸素濃度取得手段によって取得される吸気中の酸素濃度に基づき、前記内燃機関のＮＯｘ排出量について、その基準値からの現在値の増大度合いを示すＮＯｘ増大度合いを算出する処理を行うＮＯｘ増大度合い算出手段と、
    前記算出されたスモーク増大度合いと、前記算出されたＮＯｘ増大度合いとの双方を制御すべく、これら増大度合いを入力として前記外部ＥＧＲ手段を操作することで前記吸気通路への排気還流量を調節する処理を行う還流処理手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記還流処理手段は、前記調節する処理として、前記スモーク増大度合い算出手段によって算出されたスモーク増大度合いと、前記ＮＯｘ増大度合い算出手段によって算出されたＮＯｘ増大度合いとの比率をその目標値とすべく、前記排気還流量を調節する処理を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記内燃機関の運転状態に基づき、前記スモーク排出量及び前記ＮＯｘ排出量のそれぞれの基準値として、該スモーク排出量の目標値及び該ＮＯｘ排出量の目標値のそれぞれを設定する目標値設定手段を更に備えることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記スモーク増大度合い算出手段は、前記算出する処理として、前記設定されたスモーク排出量の目標値に対する前記算出されたスモーク排出量の比率を前記スモーク増大度合いとして算出する処理を行うものであり、
    前記ＮＯｘ増大度合い算出手段は、前記算出する処理として、前記設定されたＮＯｘ排出量の目標値に対する前記算出されたＮＯｘ排出量の比率を前記ＮＯｘ増大度合いとして算出する処理を行うことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記目標値設定手段は、前記スモーク排出量の目標値及び前記ＮＯｘ排出量の目標値のそれぞれをその規制値以下の値に設定するものであり、
    前記還流処理手段は、前記算出されたスモーク排出量及び前記算出されたＮＯｘ排出量のそれぞれを前記規制値以下とするように、前記排気還流量を調節する処理を行うことを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記スモーク排出量及び前記ＮＯｘ排出量のそれぞれの都度の目標値の積算値を算出する手段と、
    前記スモーク排出量の都度の値の積算値と、前記算出されたスモーク排出量の都度の目標値の積算値との比率であるスモーク積算比率を算出する手段と、
    前記ＮＯｘ排出量の都度の値の積算値と、前記算出されたＮＯｘ排出量の都度の目標値の積算値との比率であるＮＯｘ積算比率を算出する手段とを更に備え、
    前記還流処理手段は、前記スモーク増大度合いと前記ＮＯｘ増大度合いとの比率の目標値を、前記スモーク積算比率及び前記ＮＯｘ積算比率に基づき可変設定することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記吸気通路と前記排気通路との間には、前記内燃機関に供給される吸気を過給する過給機が備えられ、
    前記外部ＥＧＲ手段は、前記排気通路のうち前記過給機の排気タービンの上流側と前記吸気通路とを接続する前記排気還流通路としての高圧ＥＧＲ通路に設けられる絞り弁、前記排気通路の下流側であって且つ前記排気タービンの下流側と前記吸気通路とを接続する前記排気還流通路としての低圧ＥＧＲ通路との接続部よりも下流側に設けられる絞り弁、及び前記吸気通路のうち該吸気通路と前記高圧ＥＧＲ通路との接続部の上流側に設けられる絞り弁のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  8. 前記内燃機関は、圧縮点火式内燃機関であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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