JP6500816B2

JP6500816B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP6500816B2
Application number: JP2016050085A
Authority: JP
Inventors: 健太郎西田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2019-04-17
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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳しくは、本発明は、少なくとも吸気バルブの位相可変機構を備える内燃機関の制御装置に関する。

当該技術分野においては、内燃機関から大気中に排出される窒素酸化物（以降、「ＮＯｘ」と称呼される場合がある。）の削減を目的として排気再循環装置（以降、「ＥＧＲ装置」と称呼される場合がある。）を備える内燃機関が知られている。ＥＧＲ装置は、排気の一部を内燃機関の吸気系に再循環させて燃焼室における混合気の燃焼温度を下げることにより内燃機関におけるＮＯｘの生成量を低減することができる。

しかしながら、例えば内燃機関の運転状況によっては、ＥＧＲ装置によって再循環される排気の量（以降、「ＥＧＲ量」と称呼される場合がある。）が不十分となり、十分なＮＯｘ低減効果を得ることができない場合がある。そこで、当該技術分野においては、吸気バルブ及び排気バルブの位相可変機構（以降、「ＶＶＴ機構」と称呼される場合がある。）を備える内燃機関において所謂「バルブオーバーラップ」の期間を延長して内部ＥＧＲを実行し、ＥＧＲ装置による外部ＥＧＲによるＥＧＲ量の不足を補う技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００８−１５０９５７号公報

石田正弘、松村昇、植木弘信、山口征則、駱貴峰、「２領域モデルによるディーゼル燃焼解析（第１報，モデル解析と実験の比較）、日本機械学會論文集（Ｂ編）、一般社団法人日本機械学会、１９９４年５月２５日、６０巻、５７３号、ｐ．１８４５−１８５１

前述したように、当該技術分野においては、ＥＧＲ装置によるＥＧＲ量の不足に起因するＮＯｘ低減効果の不足をＶＶＴ機構によるＥＧＲ量の増大によって補うことにより、十分なＮＯｘ低減効果を達成しようとする技術が知られている。しかしながら、内燃機関の排気中のＮＯｘ濃度の増大は、ＥＧＲ量の不足のみならず、燃焼室内の燃焼領域における（局所的な）当量比が高い（リッチである）ことによっても生じ得る。当業者に周知であるように、「当量比」とは、混合気の空燃比に対する理論空燃比の比であり、空気過剰率の逆数である。

例えば、図１のグラフに示すように、燃焼室内の燃焼領域における当量比（Φ）がその目標値（目標当量比）を含む所定の範囲（網掛け部分）よりも大きくなるにつれて、排気中のＮＯｘ濃度が増大する。一方、燃焼室内の燃焼領域における当量比（Φ）が上記所定の範囲よりも小さくなるにつれて、騒音が悪化したり、失火により排気中の未燃炭化水素（ＴＨＣ）が増大したりする。

上述した従来技術に係る内燃機関の制御装置においては、ＥＧＲ量の不足に起因するＮＯｘ濃度の増大については抑制可能であるが、燃焼領域における当量比が高いことに起因するＮＯｘ濃度の増大については抑制することができない。即ち、燃焼領域における当量比が高いことに起因して内燃機関の排気中のＮＯｘ濃度が増大している場合、ＥＧＲ量を増大させても燃焼領域における当量比を下げることができず、結果として、ＮＯｘ濃度を下げることができない。

更に、燃焼室内の燃焼領域における（局所的な）当量比が高い（リッチである）ということは、当該領域に燃料が過剰に供給されていることを意味する。従って、図２のグラフに示すように、燃焼室内の燃焼領域における当量比（Φ）がその目標値（目標当量比）を含む所定の範囲（網掛け部分）よりも大きくなるにつれて、内燃機関の燃料消費率が増大する（燃費が悪化する）。このような状態は、省資源及び環境保護の観点から望ましくない。一方、燃焼室内の燃焼領域における当量比（Φ）が上記所定の範囲よりも小さくなるにつれて、騒音が悪化したり、失火により排気中の未燃炭化水素（ＴＨＣ）が増大したりする。

本発明は、上記課題を解決するために為されたものである。即ち、本発明は、燃焼室内の燃焼領域において当量比が局所的に高いことに起因する内燃機関の排気中のＮＯｘ濃度の増大を低減することができる内燃機関の制御装置を提供することを１つの目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究の結果、排気中のＮＯｘ濃度と燃焼温度との対応関係に基づいてＮＯｘ濃度の実測値から実燃焼温度を特定し、燃焼室内（筒内）を燃焼領域と未燃焼領域とに区分する２領域モデルに基づいて、この実燃焼温度を達成し得る燃焼領域における当量比を推定し、この推定された当量比を目標当量比に近づけるように吸気バルブの閉弁時期を制御することにより、上記目的を達成し得ることを見出した。

上記に鑑みて、本発明に係る内燃機関の制御装置（以降、「本発明装置」と称呼される場合がある。）は、燃焼室から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の濃度であるＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサと、燃焼室内に供給される燃焼の量である燃料供給量を制御する燃料供給機構と、少なくとも吸気バルブの閉弁時期を制御するバルブ位相可変機構と、を備える内燃機関に適用される。

前記内燃機関は、吸気圧を検出又は予測する吸気圧センサと、吸気温を検出又は予測する吸気温センサと、を更に備える。
前記制御装置は、燃焼温度特定手段と、燃焼温度推定手段と、当量比推定手段と、を備える。

燃焼温度特定手段は、データ記憶手段に予め格納されたＮＯｘ濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係に基づいて、前記ＮＯｘセンサによって検出されるＮＯｘ濃度から、前記燃料の燃焼によって前記燃焼室内に生ずる火炎領域である燃焼領域における燃焼温度である実燃焼温度を特定するように構成されている。

燃焼温度推定手段は、前記燃焼室内を前記燃焼領域とそれ以外の領域である未燃焼領域とに区分する２領域モデルに基づいて、前記筒内圧、前記燃料供給量、前記吸気圧及び前記吸気温から、前記燃焼領域における燃焼温度である推定燃焼温度を、前記燃焼領域における当量比と関連付けて推定するように構成されている。

当量比推定手段は、前記２領域モデルに基づいて、前記推定燃焼温度が前記実燃焼温度に一致する前記燃焼領域における当量比である推定当量比を推定するように構成されている。

加えて、前記制御装置は、その時点における当量比の目標値である目標当量比に対して前記推定当量比が所定の閾値である当量比許容差以上大きい場合、前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を遅角させるように構成されている。一方、前記制御装置は、前記目標当量比に対して前記推定当量比が前記当量比許容差以上小さい場合、前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を進角させるように構成されている。

上記のように、本発明装置は、排気中のＮＯｘ濃度と燃焼温度との対応関係に基づいてＮＯｘ濃度の実測値から実燃焼温度を特定する。更に、本発明装置は、燃焼室内（筒内）を燃焼領域と未燃焼領域とに区分する２領域モデルに基づいて、この実燃焼温度を達成し得る燃焼領域における当量比を推定する。加えて、本発明装置は、この推定された当量比を目標当量比に近づけるように吸気バルブの閉弁時期を制御する。これにより、燃焼室内の燃焼領域において当量比が局所的に高いことに起因する内燃機関の排気中のＮＯｘ濃度の増大を低減することができる。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

燃焼室内の燃焼領域における当量比（Φ）と排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度との関係を示す模式的なグラフである。燃焼室内の燃焼領域における当量比（Φ）と図示燃料消費率（ＩＳＦＣ）との関係を示す模式的なグラフである。燃焼室内における燃焼温度と排気中のＮＯｘ濃度との対応関係を表す模式的なグラフである。２領域モデルの概念図である。筒内平均温度（Ｔｃ）、燃焼領域の温度（Ｔｂ）及び未燃焼領域の温度（Ｔｕ）のクランク角（ＡＴＤＣ）に対する変化を表す模式的なグラフである。本発明に係る内燃機関の制御装置において実行される当量比制御ルーチンを表すフローチャートである。２領域モデルに基づいて算出される「燃焼領域における燃焼温度（Ｔｂ）」の履歴を表す模式的なグラフである。

《第１実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、「第１装置」と称される場合がある。）について説明する。

〈構成〉
前述したように、第１装置が適用される内燃機関は、燃焼室から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の濃度であるＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサと、燃焼室内に供給される燃焼の量である燃料供給量を制御する燃料供給機構と、少なくとも吸気バルブの閉弁時期を制御するバルブ位相可変機構と、を備える。ＮＯｘセンサ、筒内圧センサ、燃料供給機構、及びバルブ位相可変機構の構成については、当業者に周知であるので、ここでは説明を省略する。

上記に加えて、第１装置が適用される内燃機関は、吸気圧を検出又は予測する吸気圧センサと、吸気温を検出又は予測する吸気温センサと、を更に備える。吸気圧センサは、吸気ポートを介して燃焼室に吸入される吸気の圧力（吸気圧）を直接的に検出する圧力センサであってもよく、或いは吸気圧に関連する他の状態量等に基づいて吸気圧を予測する検出手段であってもよい。吸気温センサは、吸気ポートを介して燃焼室に吸入される吸気の温度（吸気温）を直接的に検出する温度センサであってもよく、或いは吸気温に関連する他の状態量等に基づいて吸気温を予測する検出手段であってもよい。

第１装置は、マイクロコンピュータを主要部として備える電子制御装置（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、各種検出手段からの検出信号を受信するための入力ポート及び各種アクチュエータへの指示信号を送信するための出力ポート等を備える。本明細書において、マイクロコンピュータは、ＣＰＵとＲＯＭ及びＲＡＭ等のデータ記憶装置を含み、ＣＰＵはＲＯＭに格納されたインストラクション（プログラム）に基づいて、各種検出信号を受信し、各種演算処理を実行し、各種指示信号を送信することにより、各種機能を実現するように構成されている。このように実現される機能として、第１装置は、燃焼温度特定手段と、燃焼温度推定手段と、当量比推定手段と、を備える。

燃焼温度特定手段は、データ記憶手段（例えばＲＯＭ）に予め格納されたＮＯｘ濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係に基づいて、ＮＯｘセンサによって検出されるＮＯｘ濃度から、燃料の燃焼によって燃焼室内に生ずる火炎領域である燃焼領域における燃焼温度である実燃焼温度を特定するように構成されている。上記「ＮＯｘ濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係」は、例えば、以下のような手法によって得ることができる。

先ず、実機又は実験用モデル等を種々の燃焼温度において運転し、その際に検出される排気中のＮＯｘ濃度を記録する。このようにして得られる燃焼温度とＮＯｘ濃度との対応関係の一例としては、例えば、図３に示すグラフを挙げることができる。図３に示すように、燃焼温度が高くなるほど排気中のＮＯｘ濃度も高くなる。このようにして得られた燃焼温度とＮＯｘ濃度との対応関係は、例えばデータテーブル（マップ）又は関数（例えば近似関数）として、第１装置が備えるデータ記憶装置に格納される。

燃焼温度推定手段は、燃焼室内を燃焼領域とそれ以外の領域である未燃焼領域とに区分する２領域モデルに基づいて、筒内圧、燃料供給量、吸気圧及び吸気温から、燃焼領域における燃焼温度である推定燃焼温度を、燃焼領域における当量比と関連付けて推定するように構成されている。２領域モデル及び２領域モデルに基づく推定燃焼温度の推定については後に詳しく説明する。

また、当量比推定手段は、上記２領域モデルに基づいて、推定燃焼温度が実燃焼温度に一致する燃焼領域における当量比である推定当量比を推定するように構成されている。具体的には、上記燃焼温度推定手段によって当量比と関連付けて推定された推定燃焼温度の中から、燃焼温度特定手段によって特定された実燃焼温度と一致する推定燃焼温度を特定し、当該特定された推定燃焼温度と関連付けられた当量比を推定当量比として特定する。２領域モデルに基づく推定当量比の推定についても後に詳しく説明する。

加えて、第１装置は、その時点における当量比の目標値である目標当量比に対して推定当量比が所定の閾値である当量比許容差以上大きい場合は、バルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期を遅角させるように構成されている。一方、前記制御装置は、前記目標当量比に対して前記推定当量比が前記当量比許容差以上小さい場合、前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を進角させるように構成されている。

上記「目標当量比」は、前述したように、排気中のＮＯｘ濃度の上昇、内燃機関の燃料消費率の増大、騒音の悪化及び失火による排気中の未燃炭化水素（ＴＨＣ）の増大を低減するように定められる当量比の目標値である。例えば、目標当量比は、その時々の内燃機関における目標空燃比（Ａ／Ｆ）から求めることができる。

上記「当量比許容差」は、排気中のＮＯｘ濃度の上昇、内燃機関の燃料消費率の増大、騒音の悪化及び失火による排気中の未燃炭化水素（ＴＨＣ）の増大を低減する観点から許容可能な目標当量比と推定当量比との差の大きさ（絶対値）である。このような当量比許容差の具体的な大きさは、例えば、種々の当量比において内燃機関を運転するときの排気中のＮＯｘ濃度、燃料消費率、騒音、失火の発生及び排気中のＴＨＣ濃度を測定して、それぞれが許容範囲内に収まっている場合における目標当量比と推定当量比との差を求める実験等によって定めることができる。

従って、目標当量比に対して推定当量比が当量比許容差以上大きい場合（即ち、推定当量比が過大である場合）は、排気中のＮＯｘ濃度の上昇及び／又は内燃機関の燃料消費率の増大を招く虞がある。しかしながら、この場合、第１装置はバルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期を遅角させる。その結果、燃焼室内に吸入される空気の量が増えるので、燃焼領域における当量比が低下し、目標当量比に近付く。

一方、目標当量比に対して推定当量比が当量比許容差以上小さい場合（即ち、推定当量比が過小である場合）は、騒音の悪化及び失火による排気中の未燃炭化水素（ＴＨＣ）の増大を招く虞がある。しかしながら、この場合、第１装置はバルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期を進角させる。その結果、燃焼室内に吸入される空気の量が減るので、燃焼領域における当量比が上昇し、目標当量比に近付く。尚、吸気バルブの閉弁時期を遅角及び／又は進角させるときの変更幅は予め定められた一定の値であってもよく、或いは、目標当量比と推定当量比との差の大きさに応じて変化する値であってもよい。

以上のようにして、第１装置は、排気中のＮＯｘ濃度と燃焼温度との対応関係に基づいてＮＯｘ濃度の実測値から実燃焼温度を特定し、燃焼室内を燃焼領域と未燃焼領域とに区分する２領域モデルに基づいて、上記実燃焼温度を達成し得る燃焼領域における当量比を推定し、この推定された当量比を目標当量比に近づけるように吸気バルブの閉弁時期を制御する。これにより、燃焼室内の燃焼領域において当量比が局所的に高いことに起因する内燃機関の排気中のＮＯｘ濃度及び／又は燃料消費率の増大を低減することができる。

（２領域モデルに基づく推定燃焼温度及び推定当量比の推定原理）
ここで、上述した２領域モデルに基づく推定燃焼温度及び推定当量比の推定原理について詳しく説明する。「２領域モデル」は、例えば図４に示すように、燃料の燃焼によって燃焼室内に生ずる火炎領域である燃焼領域と燃焼領域以外の領域である未燃焼領域とに燃焼室内を区分して、それぞれの温度履歴等を算出するモデルである。尚、図４においては、１つの燃焼領域と１つの未燃焼領域とが燃焼室内に存在するかのように描かれている。しかしながら、現実には、燃焼領域及び未燃焼領域は必ずしも１つずつ発生するとは限らない。即ち、図４に示した２領域モデルは、理解を容易にするために単純化された概念的なモデルである。

非特許文献１に記載されているように、気筒内の平均温度（Ｔｃ）は、気体の状態方程式に基づき、筒内圧（Ｐ）、燃焼室の容積（Ｖ）及び筒内に存在するガスの総質量（Ｇｃ）を用いて、以下の式（１）によって表される。尚、Ｒは気体定数である。

上式中、筒内に存在するガスの総質量（Ｇｃ）は、燃焼室内に充填された空気の質量（Ｇａ）と残留ガスの質量（Ｇｒ）と燃焼室内に供給された燃料の質量（Ｇｉ）との総和であり、以下の式（２）によって表される。

燃焼領域に存在するガスの質量（Ｇｂ）は、燃焼領域に存在する燃料の質量（Ｇｆ）と燃焼領域に存在する空気の質量（Ｇａｂ）との和として求められる。燃焼領域に存在する燃料の質量（Ｇｆ）は、筒内圧（Ｐ）の変化等に基づいて導かれる受熱率から算出される。燃焼領域に存在する空気の質量（Ｇａｂ）は、燃焼領域における当量比（Φ）に基づいて、燃焼領域に存在する燃料の質量（Ｇｆ）及び理論空気量（Ｌｔｈ）から算出される。従って、燃焼領域に存在するガスの質量（Ｇｂ）は、以下の式（３）によって表される。

未燃焼領域は、燃焼室内における燃焼領域以外の領域であるので、未燃焼領域に存在するガスの質量（Ｇｕ）は、以下の式（４）によって表される。

ところで、上述したように、気筒内の平均温度（Ｔｃ）は、式（１）によって算出することができる。しかしながら、図５のグラフに示すように、燃焼領域の温度（Ｔｂ）と未燃焼領域の温度（Ｔｕ）とはそれぞれ異なる変化を示し、気筒内の平均温度（Ｔｃ）はこれらの平均値である。また、排気中のＮＯｘ濃度に影響するのは、燃焼領域における燃焼温度（Ｔｂ）の最高値（Ｔｍａｘ）である。

未燃焼領域の温度（Ｔｕ）は、断熱等エントロピー変化に基づき、以下の式（５）によって表される。尚、下式中、Ｐ_０及びＴ_０は燃料が着火する前の筒内圧及び筒内平均温度であり、ｋは比熱比である。

一方、燃焼領域の温度（Ｔｂ）は、燃焼室内（気筒内）に存在するガスの内部エネルギーの総和に基づき、以下の式（６）によって表される。即ち、燃焼温度推定手段は、式（６）によって、その時点における燃焼領域の温度（Ｔｂ）（推定燃焼温度）を推定することができる。尚、下式中、Ｃｖｃ、Ｃｖｕ及びＣｖｂはそれぞれ筒内全体（平均）、未燃焼領域及び燃焼領域に存在するガスの定容比熱である。

更に、燃焼領域に存在するガスの体積（Ｖｂ）は、気体の状態方程式に基づき、以下の式（７）によって表される。尚、Ｒｂは燃焼領域における気体定数である。

以上のように、２領域モデルによれば、排気中のＮＯｘ濃度に影響する「燃焼領域における燃焼温度（Ｔｂ）」の履歴を算出することができる。

ところで、式（３）からも明らかであるように、燃焼領域に存在するガスの質量（Ｇｂ）は、燃焼領域における当量比（Φ）に応じて変化する。その結果、式（６）からも明らかであるように、燃焼領域の温度（Ｔｂ）もまた、燃焼領域における当量比（Φ）に応じて変化する。

従って、当量比推定手段は、上述したように燃焼温度特定手段によって特定された実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））と一致する推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）を与える当量比（Φ）を特定することにより、その時点における燃焼領域の当量比（Φｂ）（推定当量比）を推定することができる。そして、第１装置は、上述したように、このようにして推定された推定当量比（Φｂ）を目標当量比（Φｔｇｔ）に近づけるように吸気バルブの閉弁時期を制御する。これにより、燃焼室内の燃焼領域において当量比が局所的に高いことに起因する内燃機関の排気中のＮＯｘ濃度及び／又は燃料消費率の増大を低減することができる。

〈作動〉
以上説明してきたような構成及び原理に基づく第１装置の具体的な作動につき、図６のフローチャートを参照しながら、以下に詳しく説明する。先ず、第１装置を構成するＥＣＵに含まれるＣＰＵは、ステップＳ１１０において、適用対象となる内燃機関が定常状態にあるか否かを判定する。ここでいう「定常状態」とは、例えば内燃機関の暖気後であり且つアイドル運転中である状態等、内燃機関の運転状態が過渡的な状況にない状態を意味する。

上記ステップＳ１１０において内燃機関が定常状態にはないと判定された場合（Ｓ１１０：Ｎｏ）、例えば、排気中のＮＯｘ濃度、筒内圧、吸気圧及び吸気温等の状態量の検出並びに２領域モデルに基づく各種状態量の推定等を正確に行うことが困難である。従って、ＣＰＵは当該ルーチンを一旦終了する。

一方、上記ステップＳ１１０において内燃機関が定常状態にあると判定された場合（Ｓ１１０：Ｙｅｓ）、ＣＰＵは次のステップＳ１２０へと進み、燃焼室から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の濃度であるＮＯｘ濃度の実測値（ＮＯｘ（Ｍ））をＮＯｘセンサから取得する。そして、ＣＰＵは次のステップＳ１３０へと進み、取得されたＮＯｘ（Ｍ）がＮＯｘ濃度の目標値（ＮＯｘｔｇｔ）から逸脱しているか否かを判定する。尚、ここでいう「ＮＯｘ濃度の目標値（ＮＯｘｔｇｔ）」は、必ずしも特定の値のみを指す訳ではなく、例えば内燃機関の排気関連部材の保全（劣化防止）及び環境保護等の観点から許容可能な範囲を指すものであってもよい。この場合、ＣＰＵは、ステップＳ１３０において、取得されたＮＯｘ（Ｍ）が許容範囲から逸脱しているか否かを判定することとなる。

上記ステップＳ１３０においてＮＯｘ（Ｍ）がＮＯｘｔｇｔから逸脱していないと判定された場合（Ｓ１３０：Ｎｏ）、排気中に含まれる窒素酸化物の濃度は許容範囲内にあるので、特段の対策は不要である。従って、ＣＰＵは当該ルーチンを一旦終了する。一方、上記ステップＳ１３０においてＮＯｘ（Ｍ）がＮＯｘｔｇｔから逸脱していると判定された場合（Ｓ１３０：Ｙｅｓ）、ＣＰＵは次のステップＳ１４０へと進み、データ記憶手段に予め格納されたＮＯｘ濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係に基づいて、ＮＯｘセンサによって検出されるＮＯｘ濃度から、燃焼領域における燃焼温度である実燃焼温度を特定する。具体的には、ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された上記対応関係を表すデータテーブル（マップ）を参照して、ＮＯｘ（Ｍ）に対応する実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））を特定する。

次に、ＣＰＵは、上述した２領域モデルに基づいて、推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）及び対応する当量比（Φ）を推定し、実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））と一致する推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）を与える当量比（Φ）を推定当量比（Φｂ）として推定する。具体的には、ＣＰＵは、種々の当量比（Φ）について燃焼温度（Ｔｂ）の履歴を算出し、それらの極大値をそれぞれの当量比（Φ）に対応する推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）として算出する。そして、これらの推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）の中から実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））と一致する推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）を特定し、対応する当量比（Φ）を推定当量比（Φｂ）として推定する。

本例においては、ＣＰＵは、当量比（Φ）の値を、最も高い推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）を与えると予測される値から徐々に減少させながら、それぞれの当量比（Φ）に対応する推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）を算出する。そして、推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）が最初に実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））以下となったときの当量比（Φ）の値を、推定当量比（Φｂ）の値として推定する。

具体的には、ＣＰＵは、次のステップＳ１５０へと進み、予め設定された当量比の初期値（Φｉｎｉ）を燃焼領域における当量比Φとして設定する。本例においては、当量比の初期値（Φｉｎｉ）として「１」を採用する。当量比が１である場合、燃焼領域における空燃比は理論空燃比に一致するので、最も高い推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）が得られる。

次に、ＣＰＵはステップＳ１６０へと進み、上述した２領域モデルに基づいて、排気中のＮＯｘ濃度に影響する「燃焼領域における燃焼温度（Ｔｂ）」の履歴を算出する。このようにして算出された燃焼温度（Ｔｂ）の履歴の一例を図７のグラフに示す。当該グラフに示す曲線は、燃焼領域の温度（Ｔｂ）のクランク角（ＡＴＤＣ）に対する変化（履歴）を表し、その極大値が推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）として算出される。尚、図７のグラフにおいては、上記初期値Φｉｎｉ（＝１）を燃焼領域における当量比Φとして１回目に算出された燃焼温度（Ｔｂ）の履歴が最も高温側の曲線として現れており、このように１回目に推定された推定燃焼温度Ｔｍａｘが「Ｔｍａｘ（１）」として表示されている。一点鎖線によって示す実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））からＴｍａｘ（１）が大幅に逸脱している（大幅に高い）ことから、燃焼領域における当量比（Φｂ）は上記当量比Φ（＝１）とは大きく異なる（１よりも大幅に低い）であろうと予測される。

次に、ＣＰＵはステップＳ１７０へと進み、上記のようにして算出された推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）が実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））以下であるか否かを判定する。ステップＳ１７０において推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）が実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））以下ではないと判定された場合（Ｓ１７０：Ｎｏ）、ＣＰＵは次のステップＳ１８０へと進み、当量比（Φ）の値を所定の減少幅（ΔΦ_１）だけ減少させる。そして、ＣＰＵは、上述したステップＳ１６０及びＳ１７０の処理を繰り返す。

上記のように繰り返し実行されるステップＳ１６０において２回目及び３回目に算出された燃焼温度（Ｔｂ）の履歴及びこれらの履歴の極大値として算出される推定燃焼温度（Ｔｍａｘ（２）及びＴｍａｘ（３））もまた図７のグラフに示されている。図７に示すように、当量比（Φ）の減少に伴って、推定燃焼温度（Ｔｍａｘ（２）及びＴｍａｘ（３））も低下している。

やがて、推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）が実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））以下となると、ＣＰＵはステップＳ１７０において「Ｙｅｓ」と判定し、次のステップＳ１９０へと進み、その時点における当量比（Φ）を推定当量比（Φｂ）として推定する。

尚、上述した減少幅（ΔΦ_１）は予め定められた固定値とすることができる。この場合、減少幅（ΔΦ_１）が大きいほど推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）の減少幅も大きくなる。従って、推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）が実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））以下となるまでに繰り返し実行されるステップＳ１６０の実行回数が少なくなるので、ＣＰＵの演算負荷を低減することができる。しかしながら、推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）が最初に実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））以下となったときの推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）と実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））との乖離が大きくなる可能性が高まる。その結果、推定当量比（Φｂ）の推定精度が低下する可能性が高まる。逆に、減少幅（ΔΦ_１）が小さいほど、ＣＰＵの演算負荷が高まるものの、推定当量比（Φｂ）の推定精度が高まる。

従って、減少幅（ΔΦ_１）の具体的な大きさは、ＣＰＵの演算能力及び必要とされる推定当量比（Φｂ）の推定精度に応じて適宜定めることができる。或いは、推定燃焼温度（Ｔｍａｘ）と実燃焼温度（Ｔｍａｘ（Ｍ））との乖離の大きさに応じて、減少幅（ΔΦ_１）の大きさを定めてもよい。これによれば、ＣＰＵの演算負荷の増大を低減しつつ、推定当量比（Φｂ）の推定精度を高めることができる。

次に、ＣＰＵはステップＳ２００へと進み、上記のようにして推定された推定当量比（Φｂ）が許容範囲内にあるか否かを判定する。具体的には、ＣＰＵは、その時点における当量比の目標値である目標当量比（Φｔｇｔ）からの推定当量比（Φｂ）の乖離の程度が所定の閾値である当量比許容差（ΔΦ_２）以上であるか否かを判定する。換言すれば、ＣＰＵは、推定当量比（Φｂ）が目標当量比（Φｔｇｔ）から当量比許容差（ΔΦ_２）を減じた値よりも大きく且つ目標当量比（Φｔｇｔ）に当量比許容差（ΔΦ_２）を加えた値よりも小さい範囲内（許容範囲内）にあるか否かを判定する。

上記ステップＳ２００において推定当量比（Φｂ）が許容範囲から逸脱していると判定された場合（Ｓ２００：Ｎｏ）、ＣＰＵは次のステップＳ２１０へと進み、推定当量比（Φｂ）が目標当量比（Φｔｇｔ）よりも大きいか否かを判定する。

上記ステップＳ２１０において推定当量比（Φｂ）が目標当量比（Φｔｇｔ）よりも大きいと判定された場合（Ｓ２１０：Ｙｅｓ）、その時点における当量比の目標値である目標当量比（Φｔｇｔ）に対して推定当量比（Φｂ）が所定の閾値である当量比許容差（ΔΦ_２）以上大きい。即ち、燃焼領域における（局所的な）当量比（Φ）が高い（リッチである）ことに起因して、内燃機関の排気中のＮＯｘ濃度（ＮＯｘ（Ｍ））の増大及び／又は燃費の悪化が生じている蓋然性が高い。

従って、ＣＰＵは、次のステップＳ２２０へと進み、バルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期（ＩＶＣ）を遅角させる。これにより、燃焼室内に吸入される空気の量を増やし、燃焼領域における当量比（Φ）を低下させて、目標当量比（Φｔｇｔ）に近付けることができる。その結果、内燃機関の排気中のＮＯｘ濃度（ＮＯｘ（Ｍ））の増大及び燃費の悪化を低減することができる。

一方、上記ステップＳ２１０において推定当量比（Φｂ）が目標当量比（Φｔｇｔ）よりも大きくない（小さい）と判定された場合（Ｓ２１０：Ｎｏ）、その時点における当量比の目標値である目標当量比（Φｔｇｔ）に対して推定当量比（Φｂ）が所定の閾値である当量比許容差（ΔΦ_２）以上小さい。即ち、燃焼領域における（局所的な）当量比（Φ）が低い（リーンである）ことに起因して、騒音の悪化及び／又は失火による排気中の未燃炭化水素（ＴＨＣ）の増大が生じている蓋然性が高い。

従って、ＣＰＵは、次のステップＳ２３０へと進み、バルブ位相可変機構を用いて吸気バルブの閉弁時期（ＩＶＣ）を進角させる。これにより、燃焼室内に吸入される空気の量を減らし、燃焼領域における当量比（Φ）を上昇させて、目標当量比（Φｔｇｔ）に近付けることができる。その結果、騒音の悪化及び失火による排気中の未燃炭化水素（ＴＨＣ）の増大を低減することができる。

ところで、上記ステップＳ２００において推定当量比（Φｂ）が許容範囲から逸脱していない（許容範囲内にある）と判定された場合（Ｓ２００：Ｙｅｓ）、上述したステップＳ１３０において排気中のＮＯｘ濃度の実測値（ＮＯｘ（Ｍ））がＮＯｘ濃度の目標値（ＮＯｘｔｇｔ）から逸脱していると判定されたのは、燃焼領域における当量比（Φ）以外の原因に起因すると考えられる。このような原因としては、冒頭で述べたようなＥＧＲ量の過不足が想定される。

そこで、上記ステップＳ２００において推定当量比（Φｂ）が許容範囲から逸脱していない（許容範囲内にある）と判定された場合（Ｓ２００：Ｙｅｓ）、ＣＰＵは次のステップＳ３１０へと進み、排気中のＮＯｘ濃度の実測値（ＮＯｘ（Ｍ））がＮＯｘ濃度の目標値（ＮＯｘｔｇｔ）よりも大きいか否かを判定する。

上記ステップＳ３１０においてＮＯｘ（Ｍ）ＮＯｘｔｇｔよりも大きいと判定された場合（Ｓ３１０：Ｙｅｓ）、ＥＧＲ量の不足に起因する燃焼温度の上昇が生じている蓋然性が高い。そこで、ＣＰＵは、ＥＧＲ装置によって内燃機関の吸気系に再循環される排気（以降、「ＥＧＲガス」と称呼される場合がある。）が燃焼室に吸入される吸気に占める割合（ＥＧＲ率）を上昇（アップ）させる。具体的には、前述したようにバルブオーバーラップの期間を延長して内部ＥＧＲによるＥＧＲ量を増大させたり、ＥＧＲ装置を備える内燃機関においてはＥＧＲバルブ開度を増大させて外部ＥＧＲによるＥＧＲ量を増大させたりする。その結果、ＥＧＲ率の上昇（アップ）により燃焼温度を低下させて、排気中のＮＯｘ濃度を低下させることができる。

一方、上記ステップＳ３１０においてＮＯｘ（Ｍ）ＮＯｘｔｇｔよりも大きくない（小さい）と判定された場合（Ｓ３１０：Ｎｏ）、過剰なＥＧＲ量に伴う酸素不足に起因する煤（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）の発生等の問題が生じている蓋然性が高い。そこで、ＣＰＵは、ＥＧＲ率を低下（ダウン）させる。具体的には、バルブオーバーラップの期間を短縮して内部ＥＧＲによるＥＧＲ量を減少させたり、ＥＧＲ装置を備える内燃機関においてはＥＧＲバルブ開度を減少させて外部ＥＧＲによるＥＧＲ量を減少させたりする。その結果、ＥＧＲ率の低下（ダウン）により酸素不足に起因する煤（ＰＭ）の発生等の問題を低減することができる。

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する実施形態につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、上記において例示した実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。

Claims

燃焼室から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の濃度であるＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサと、燃焼室内に供給される燃焼の量である燃料供給量を制御する燃料供給機構と、少なくとも吸気バルブの閉弁時期を制御するバルブ位相可変機構と、を備える内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関は、
吸気圧を検出又は予測する吸気圧センサと、
吸気温を検出又は予測する吸気温センサと、
を更に備え、
前記制御装置は、
データ記憶手段に予め格納されたＮＯｘ濃度と燃焼室内における燃焼温度との対応関係に基づいて、前記ＮＯｘセンサによって検出されるＮＯｘ濃度から、前記燃料の燃焼によって前記燃焼室内に生ずる火炎領域である燃焼領域における燃焼温度である実燃焼温度を特定する燃焼温度特定手段と、
前記燃焼室内を前記燃焼領域とそれ以外の領域である未燃焼領域とに区分する２領域モデルに基づいて、前記筒内圧、前記燃料供給量、前記吸気圧及び前記吸気温から、前記燃焼領域における燃焼温度である推定燃焼温度を、前記燃焼領域における当量比と関連付けて推定する燃焼温度推定手段と、
前記２領域モデルに基づいて、前記推定燃焼温度が前記実燃焼温度に一致する前記燃焼領域における当量比である推定当量比を推定する当量比推定手段と、
を備え、
その時点における当量比の目標値である目標当量比に対して前記推定当量比が所定の閾値である当量比許容差以上大きい場合は前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を遅角させ、前記目標当量比に対して前記推定当量比が前記当量比許容差以上小さい場合は前記バルブ位相可変機構を用いて前記吸気バルブの閉弁時期を進角させるように構成された、
内燃機関の制御装置。