JP6876503B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳しくは、筒内圧検出手段及びＮＯｘ検出手段を用いて点火時期並びに燃料量及び吸気量の何れか又は両方を制御する内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関の燃焼室における燃焼質量割合に着目した制御装置が提案されている。燃焼質量割合とは、混合気の燃焼の進み具合を表す量であり、混合気全体の質量に対しそれまでに燃焼した混合気の質量の割合をいう。例えば特許文献１の内燃機関の制御装置では、燃焼質量割合が所定割合（例えば、５０％）となるタイミングと点火時期との間には相関関係があることに着目し、燃焼質量割合が所定割合になるタイミングと点火時期との関係を表す値を算出し、この値が所定の関係領域から逸脱しないように点火時期を補正する。

特開２０１０−２２９９２８号公報

ところで燃焼質量割合を算出するためには、気筒内の圧力を検出する筒内圧センサの他、排気の空燃比を検出する空燃比センサも必要となる。しかしながら既存の空燃比センサは、ストイキ近傍（より具体的には、１４．７［Ａ／Ｆ］）ではほぼリニアな出力特性を有し精度良く空燃比を検出できるものの、ストイキよりもリーンの領域（より具体的には、２０［Ａ／Ｆ］以上の領域）ではストイキ近傍と比べると著しく精度が落ちる。

このため混合気の空燃比をリーンにするリーン運転を行いながら、空燃比センサを用いて燃焼質量割合を算出し、これを用いて点火時期を制御すると、失火したりＮＯｘの発生量が増加したりするおそれがある。

本発明は、失火したりＮＯｘの排出量を増加させたりさせないようにしながら、点火時期や空燃比等を制御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。

（１）内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の制御装置（例えば、後述の制御装置２）は、内燃機関の気筒（例えば、後述の気筒１ａ）内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧検出手段（例えば、後述の筒内圧センサ６５）と、前記内燃機関の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出手段（例えば、後述のＮＯｘセンサ６６）と、前記内燃機関のクランク角で表されかつ前記筒内圧検出手段の検出信号に基づいて算出される燃焼パラメータ（例えば、後述の最大筒内圧角θＰｍａｘ）が最適タイミング（例えば、後述の目標最大筒内圧角下限θＰｍａｘ＿α２から目標最大筒内圧角上限θＰｍａｘ＿α１の間で定められる最適角度範囲）となるように前記気筒の点火時期を制御する第１フィードバック制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７及び後述の図４の点火時期制御処理及び図５の最大筒内圧角フィードバック制御処理の実行に係る手段）と、前記第１フィードバック制御手段によって点火時期が制御されている状態で、前記ＮＯｘ検出手段によって検出されるＮＯｘ濃度（例えば、後述のＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓ）が目標範囲（例えば、後述の目標ＮＯｘ濃度下限ＮＯｘ＿β２から目標ＮＯｘ濃度上限ＮＯｘ＿β１の間で定められる目標濃度範囲）内に収まるように前記気筒内で燃焼に供される燃料量及び空気量又はこれらの何れかを制御する第２フィードバック制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７及び後述の図８の燃料噴射制御の実行に係る手段）と、を備える。

（２）この場合、前記燃焼パラメータが前記最適タイミングとなっている場合には、前記気筒内における混合気の空燃比と前記ＮＯｘ濃度との間には相関関係があり、前記目標範囲は、前記相関関係の下で空燃比に換算した場合に２０［Ａ／Ｆ］以上の範囲内に定められることが好ましい。

（１）本発明では、第１フィードバック制御手段は、筒内圧検出手段の検出信号に基づいて算出される燃焼パラメータが最適タイミングとなるように点火時期を制御し、第２フィードバック制御手段は、第１フィードバック制御手段によって点火時期が制御されている状態で、ＮＯｘ検出手段によって検出されるＮＯｘ濃度が目標範囲内に収まるように気筒内で燃焼に供される燃料量及び空気量又はこれらの何れか（以下、「燃料量等」という）を制御する。ここで、第１フィードバック制御手段によって点火時期を制御することによって燃焼パラメータが最適タイミングに維持されている場合、気筒内で燃焼に供される混合気の空燃比と、この混合気を燃焼することによって生成される排気のＮＯｘ濃度との間には、相関関係がある（後述の、図９及び図１０参照）。このため、第１フィードバック制御手段によって点火時期を制御しながら第２フィードバック制御手段によってＮＯｘ濃度を目標範囲内に収まるように燃料量等を制御することにより、空燃比センサを用いずに、空燃比を、ＮＯｘ濃度に対する目標範囲に応じた空燃比範囲内に収めることができる。また上記相関関係の下では、僅かな混合気の空燃比の変化に対しＮＯｘ濃度は大きく変化する。このため本発明では、混合気の空燃比によってＮＯｘ濃度が変化する特性を利用することにより、空燃比センサでは精度良く検出できない領域であっても精度良く空燃比を制御できる。従って本発明によれば、失火したりＮＯｘの排出量を増加させたりすることなく点火時期及び燃料量等を制御することができる。

（２）本発明では、ＮＯｘ濃度に対して設定される目標範囲を、ＮＯｘ濃度と空燃比との間の相関関係の下で空燃比に換算した場合に２０［Ａ／Ｆ］以上の範囲内、すなわちリーン空燃比の範囲内に設定する。上述のように空燃比センサはリーンの領域ではストイキ近傍と比較して著しく検出精度が落ちるところ、本発明ではこのようなリーンの領域にＮＯｘ濃度に対する目標範囲を定めることにより、ＮＯｘ濃度を目標範囲内に収めながら、空燃比センサを用いた場合には実現できない高い精度で点火時期及び燃料量等を制御することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及びその制御装置の構成を示す図である。 エンジン制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 運転モード決定マップの一例を示す図である。 点火時期制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 最大筒内圧角フィードバック制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 遅角要求量に対する目標最大筒内圧角、目標最大筒内圧角上限、及び目標最大筒内圧角下限を算出するマップの一例である。 点火時期上限及び下限を算出するマップの一例を示す図である。 点火時期上限及び下限を算出するマップの一例を示す図である。 燃料噴射制御の具体的な手順を示すフローチャートである。 最大筒内圧角とＮＯｘ濃度との関係を空燃比毎に示す図である。 リーン領域における最大筒内圧角とＮＯｘ濃度との関係を示す図である。 ＮＯｘ濃度に対する目標濃度範囲を算出するマップの一例である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその制御装置２の構成を示す図である。

エンジン１は、複数の気筒１ａ及び複数のピストン１ｂ（図１には、何れも１つのみ図示する）を備える多気筒のものである。またこのエンジン１は、運転モードを、各気筒の燃焼室での燃焼に供される混合気の空燃比をストイキ近傍（例えば、１４．７［Ａ／Ｆ］）とするストイキ運転と、混合気の空燃比をストイキよりリーン（例えば、２０〜３０［Ａ／Ｆ］）とするリーン運転とで変更可能である。

エンジン１には、気筒毎に燃料噴射弁１ｃ及び点火プラグ１ｄ（図１では、何れも１つのみ図示する）が設けられている。これら燃料噴射弁１ｃは、制御装置２の一部を構成する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７に電気的に接続されている。ＥＣＵ７は、後述の図２のＳ５に示す燃料噴射制御処理を実行することによって燃料噴射弁１ｃからの燃料噴射量に対する目標である目標噴射量を算出し、この目標噴射量が実現されるように燃料噴射弁１ｃからの燃料噴射量や噴射時期を制御する。またこれら点火プラグ１ｄも、ＥＣＵ７に電気的に接続されている。ＥＣＵ７は、後述の図２のＳ４に示す点火時期制御処理を実行することによって点火プラグ１ｄによって火花を発生させる時期に対する目標である目標点火時期を算出し、この目標点火時期が実現されるように点火プラグ１ｄによる点火時期を制御する。

エンジン１には、吸気が流れる吸気管１１と、排気が流れる排気管１２とが設けられている。吸気管１１は、吸気マニホルドの複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒１ａの吸気ポートに接続されている。排気管１２は、排気マニホルドの複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒１ａの排気ポートに接続されている。

吸気管１１には、エンジン１の気筒１ａに導入される空気の量を制御するスロットルバルブ９が設けられている。スロットルバルブ９は、吸気管１１内に開閉可能に設けられた電磁弁であり、アクチュエータ９１を介してＥＣＵ７に接続されている。スロットルバルブ９の開度は、図示しないバッテリからアクチュエータ９１へ供給される駆動電流のデューティ比を、ＥＣＵ７によって制御することによって調整される。ＥＣＵ７では、後述の図２のＳ３に示す吸気制御処理を実行することによってスロットルバルブ９の開度に対する目標に相当する目標開度を算出し、この目標開度が実現されるようにアクチュエータ９１の通電制御を行う。

排気管１２には、排気を触媒の作用下で浄化する触媒浄化装置１５が設けられている。触媒浄化装置１５は、ストイキ空燃比の排気の下で排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを三元浄化反応によって浄化する三元触媒や、リーン空燃比の排気の下で排気中のＮＯｘを還元浄化するリーンＮＯｘ触媒等を備える。

ＥＣＵ７は、センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、図２のエンジン制御処理、図４の点火時期制御処理、図５の最大筒内圧角フィードバック制御処理及び図８の燃料噴射制御処理等の各種プログラムや図３、図６、図７Ａ，７Ｂ、図１０、及び図１１等のマップ等の各種データを記憶するＲＡＭやＲＯＭ、上記プログラムに従って各種演算処理を実行するＣＰＵ、及びＣＰＵの演算処理結果に応じて各種アクチュエータの通電制御を行う駆動回路等で構成される。

ＥＣＵ７には、エンジン１の運転状態を把握するため、エアフローメータ６１、空燃比センサ６２、クランク角度位置センサ６３、アクセル開度センサ６４、筒内圧センサ６５、ＮＯｘセンサ６６、吸気圧センサ６７、ノックセンサ６８、水温センサ６９、吸気温センサ７０、及びスロットル開度センサ７１等の各種センサが接続されている。

エアフローメータ６１は、吸気管１１に設けられ、吸気管１１を介してエンジン１の吸気マニホルドに流入する空気の量（以下、「吸気量」ともいう）を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。

空燃比センサ６２は、排気管１２に設けられ、エンジン１の排気の空燃比（排気中の酸素に対する燃料成分の比）を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。空燃比センサ６２は、検出箇所の空燃比に略比例したリニアな出力特性を有する。ただし、空燃比センサ６２による空燃比の検出精度は、ストイキ（より具体的には、１４．７［Ａ／Ｆ］）近傍に対し、リーン領域（より具体的には、２０［Ａ／Ｆ］以上の領域）で著しく低下する。

クランク角度位置センサ６３は、エンジン１のクランクシャフトに固定されたパルサの回転に応じて、所定のクランク角ごとにパルス信号をＥＣＵ７に送信する。ＥＣＵ７では、このクランク角度位置センサ６３からのパルス信号に基づいてエンジン回転数が算出される。

アクセル開度センサ６４は、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量を検出し、これに応じた検出信号をＥＣＵ７に送信する。運転者からエンジン１に要求される負荷に相当する目標トルクは、このアクセル開度センサ６４の検出信号とエンジン回転数とに基づいて、ＥＣＵ７によって算出される。

筒内圧センサ６５は、エンジン１の気筒１ａ内の圧力である筒内圧を検出し、これに応じた検出信号をＥＣＵ７に送信する。ＮＯｘセンサ６６は、排気管１２を流れる排気のＮＯｘ濃度を検出し、これに応じた検出信号をＥＣＵ７に送信する。

吸気圧センサ６７は、吸気管１１のうちスロットルバルブ９より下流側の圧力である吸気圧を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。ノックセンサ６８は、エンジン１に装着され、このエンジン１で発生する振動を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。ＥＣＵ７では、このノックセンサ６８からの検出信号に基づいてノッキングの有無を判定する。

水温センサ６９は、エンジン１の冷却水の温度を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。吸気温センサ７０は、吸気管１１のうちスロットルバルブ９より上流側に設けられ、吸気管１１を介してエンジン１に供給される空気の温度である吸気温を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。スロットル開度センサ７１は、スロットルバルブ９の開度であるスロットル開度を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。

以下、ＥＣＵ７によるエンジン制御について説明する。
図２は、ＥＣＵ７によるエンジン制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。図２に示すエンジン制御処理は、所定の周期（例えば、エンジン１の燃焼サイクル）毎にＥＣＵ７において繰り返し実行される。

Ｓ１では、ＥＣＵ７は、エンジン回転数及びアクセル開度を取得し、これら２つの値に基づいて図示しないマップを検索することによって、エンジンの実トルクに対する目標に相当する目標トルクＴＲＱ［ｋ］を算出する。なお以下では、今回の制御周期において算出される値については、括弧書きで符号“ｋ”を付し、前回の制御周期において算出された値については、括弧書きで符号“ｋ−１”を付す。

次にＳ２では、ＥＣＵ７は、目標トルクＴＲＱ［ｋ］及びエンジン回転数ＮＥ［ｋ］に応じて図３に示すような運転モード決定マップを検索することにより、今回の周期における運転モードを決定する。図３に示すように、エンジン回転数を横軸とし目標トルクを縦軸として表されるエンジンの運転領域において、中回転かつ中トルクの領域では運転モードとしてリーン運転が選択され、それ以外の領域ではストイキ運転が選択される。

次にＳ３では、ＥＣＵ７は、吸気制御処理を実行する。この吸気制御処理では、目標トルクＴＲＱ［ｋ］及びエンジン回転数ＮＥ［ｋ］に応じて、運転モード毎に規定された図示しないマップを検索することによって、目標トルクＴＲＱ［ｋ］を実現するような吸気量を目標吸気量として算出し、この目標吸気量を実現するようなスロットルバルブの目標開度を算出する。

次にＳ４では、ＥＣＵ７は、点火時期制御処理を実行する。この点火時期制御処理では、ＥＣＵ７は、後に図４及び図５を参照して説明する手順に従って目標点火時期を算出する。

次にＳ５では、ＥＣＵ７は、燃料噴射制御処理を実行する。この燃料噴射制御処理では、ＥＣＵ７は、後に図８を参照して説明する手順に従って目標噴射量を算出し、図２の処理を終了する。

図４は、点火時期制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。ＥＣＵ７では、図４に示す手順に従って点火プラグ１ｄで火花を発生させるクランク角［ｄｅｇ．ＣＡ］である目標点火時期θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ］を算出する。

始めにＳ１１では、ＥＣＵ７は、エンジン回転数ＮＥ［ｋ］及び吸気圧センサの検出信号を用いて得られる吸気圧ＰＢＡ［ｋ］に応じて図示しない基本点火時期マップを検索することにより、目標点火時期θＩｇ＿ｃｍｇ［ｋ］に対する基本値となる基本点火時期θＩｇ＿ｍｂｔ［ｋ］を算出する。なおこの基本点火時期マップによれば、基本点火時期θＩｇ＿ｍｂｔ［ｋ］は、エンジン１の出力トルクを最大とする所謂ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｓｐａｒｋ Ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）が実現するように定められている。

次にＳ１２では、ＥＣＵ７は、吸気圧センサ６７、ノックセンサ６８、水温センサ６９、吸気温センサ７０、及びスロットル開度センサ７１等の検出信号を用いることによって遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］を算出する。この遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］は、基本点火時期θＩｇ＿ｍｂｔ［ｋ］に加算されることにより、当該基本点火時期θＩｇ＿ｍｂｔ［ｋ］を増加側（すなわち、遅角側）に補正する。これにより、目標点火時期は、ノッキングが発生しないように、又は一旦発生したノッキングが抑制されるように設定される。なお、ＥＣＵ７は、上記基本点火時期θＩｇ＿ｍｂｔ［ｋ］を増加側、すなわち遅角側へ補正するよう、この遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］を０又は正の値となるように算出する。より具体的には、ＥＣＵ７は、下記の演算式に基づいて遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］を算出し、右辺の値が０又は負の値となった場合には遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］＝０とし、右辺の値が正の値となった場合にはその値を遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］とする。
θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］＝ＩＧＣＲ［ｋ］＋ＩＧＫＮＯＣＫ［ｋ］

上記式において、ＩＧＣＲ［ｋ］は、環境補正項であり、水温センサ６９、吸気圧センサ６７、吸気温センサ７０、及びスロットル開度センサ７１等の検出信号を入力パラメータとして用いて図示しないマップを検索することによって算出される。より具体的には、ＥＣＵ７は、上記入力パラメータによって特定される環境がノッキングを生じ易い環境である場合や、過渡運転時であって吸気量に遅れが生じる場合には、この環境補正項ＩＧＣＲ［ｋ］を正の値に設定し、点火時期の遅角化を要求する。

また上記式において、ＩＧＫＮＯＣＫ［ｋ］は、ノッキング補正項であり、ノックセンサ６８の検出信号に基づいて算出される。より具体的には、ＥＣＵ７は、ノッキングセンサ６８の検出信号に基づいてノッキングの有無を判定し、ノッキングが発生している場合にはＩＧＫＮＯＣＫ［ｋ］を正の方向（遅角側）へ変化させ、ノッキングが発生していない場合にはＩＧＫＮＯＣＫ［ｋ］を負の方向（進角側）へ変化させる。

次にＳ１３では、ＥＣＵ７は、運転モードとしてリーン運転が選択されているか否かを判別する。Ｓ１３の判別がＹＥＳである場合、すなわちリーン運転が選択されている場合には、ＥＣＵ７は、後に図５を参照して説明する最大筒内圧角フィードバック制御処理を実行することによって、上記基本点火時期θＩｇ＿ｍｂｔ［ｋ］に対する補正項に相当する最大筒内圧角ＦＢ補正項θＩｇ＿ｐｆｂ［ｋ］を算出する（Ｓ１４参照）。Ｓ１３の判別がＮＯである場合、すなわちリーン運転が選択されていない場合には、ＥＣＵ７は、図５の最大筒内圧角フィードバック制御処理を実行することなく補正項θＩｇ＿ｐｆｂ［ｋ］を０とする（Ｓ１５参照）。

次にＳ１６では、ＥＣＵ７は、下記式に示すように、基本点火時期θＩｇ＿ｍｂｔ［ｋ］に遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］及び最大筒内圧角ＦＢ補正項θＩｇ＿ｐｆｂ［ｋ］を加算することによって、目標点火時期θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ］を算出する。
θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ］
＝θＩｇ＿ｍｂｔ［ｋ］＋θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］＋θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ］

図５は、最大筒内圧角フィードバック制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。ＥＣＵ７では、図５に示す手順に従って最大筒内圧角ＦＢ補正項θＩｇ＿ｐｆｂ［ｋ］を算出する。

始めにＳ２１では、ＥＣＵ７は、筒内圧センサによって検出された筒内圧を用いることによって、前回の制御周期から今回の制御周期までの間（すなわち、時刻ｋ−１〜ｋまでの間）で筒内圧が最大となったクランク角である最大筒内圧角θＰｍａｘ［ｋ］を算出する。次にＳ２２では、ＥＣＵ７は、前回の制御周期において図４の点火時期制御処理によって算出された目標点火時期θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ−１］を取得する。

次にＳ２３では、ＥＣＵ７は、最大筒内圧角θＰｍａｘ［ｋ］に対する目標に相当する目標最大筒内圧角θＰｍａｘ＿ｃｍｄ［ｋ］を算出する。より具体的には、ＥＣＵ７は、前回の制御周期における遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ−１］に応じて図６に示すようなマップを検索することによって、目標最大筒内圧角θＰｍａｘ＿ｃｍｄ［ｋ］を算出する。図６のマップによれば、目標最大筒内圧角θＰｍａｘ＿ｃｍｄ［ｋ］は、遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ−１］が大きくなるほど大きな値に設定される。

次にＳ２４では、ＥＣＵ７は、目標最大筒内圧角上限θＰｍａｘ＿α１［ｋ］及び目標最大筒内圧角下限θＰｍａｘ＿α２［ｋ］を算出する。ここで、目標最大筒内圧角上限θＰｍａｘ＿α１［ｋ］は、最適な燃焼状態を実現するために最大筒内圧角に対して設定される最適角度範囲の遅角側の限界角度に相当する。また目標最大筒内圧角下限θＰｍａｘ＿α２［ｋ］は、この目標角度範囲の進角側の限界角度に相当する。すなわち、これら下限θＰｍａｘ＿α２［ｋ］から上限θＰｍａｘ＿α１［ｋ］までの角度範囲が、最適角度範囲となっている。以下で説明するように、ＥＣＵ７では、制御周期毎に算出される最大筒内圧角θＰｍａｘ［ｋ］が、これら最適角度範囲（θＰｍａｘ＿α２［ｋ］〜θＰｍａｘ＿α１［ｋ］）内に収まるように点火時期を制御する。

より具体的には、Ｓ２４では、ＥＣＵ７は、目標最大筒内圧角θＰｍａｘ＿ｃｍｄ［ｋ］に、エンジン１の燃焼変動を考慮して定められる所定の正の値を加算することによって目標最大筒内圧角上限θＰｍａｘ＿α１［ｋ］を算出し、また目標最大筒内圧角θＰｍａｘ＿ｃｍｄ［ｋ］に、エンジン１の燃焼変動を考慮して定められる所定の正の値を減算することによって目標最大筒内圧角下限θＰｍａｘ＿α２［ｋ］を算出する。又は、これら上限θＰｍａｘ＿α１［ｋ］及び下限θＰｍａｘ＿α２［ｋ］は、上述の目標最大筒内圧角θＰｍａｘ＿ｃｍｄ［ｋ］と同様に、遅角要求量θＩｇ＿ｃｒ［ｋ］に応じて図６に示すようなマップを検索することによって算出してもよい。

次にＳ２５では、ＥＣＵ７は、燃焼状態が不安定にならないように目標点火時期に対して設定される進角側の限界角度［ｄｅｇ．ＣＡ］に相当する点火時期下限θＩｇ＿γ１［ｋ］と遅角側の限界角度［ｄｅｇ．ＣＡ］に相当する点火時期上限θＩｇ＿γ２［ｋ］とを算出する。より具体的には、ＥＣＵ７は、目標トルクＴＲＱ［ｋ］と、前回の制御周期において後述の図８の燃料噴射制御処理でＮＯｘセンサの検出信号に基づいて算出される推定空燃比ＡＦ＿ｅｓｔ［ｋ−１］（図８のＳ５６参照）とに応じてマップを検索することによって、点火時期下限θＩｇ＿γ１［ｋ］及び点火時期上限θＩｇ＿γ２［ｋ］を算出する。以下で説明するように、ＥＣＵ７では、燃焼状態が不安定にならないようにするため、目標点火時期をこれら下限θＩｇ＿γ１［ｋ］から上限θＩｇ＿γ２［ｋ］内に収まるように点火時期を制御する。

図７Ａ及び図７Ｂは、点火時期下限及び上限を算出するために用いられるマップの一例である。より具体的には、図７Ａは、上記マップにおいて推定空燃比を一定とした場合における目標トルクと点火時期下限θＩｇ＿γ１［ｋ］及び点火時期上限θＩｇ＿γ２［ｋ］との関係を示す図である。また図７Ｂは、上記マップにおいて目標トルクを一定とした場合における推定空燃比と点火時期下限θＩｇ＿γ１［ｋ］及び点火時期上限θＩｇ＿γ２［ｋ］との関係を示す図である。これら図７Ａ及び図７Ｂに示すように、目標トルクＴＲＱ［ｋ］が大きくなるほどこれら下限θＩｇ＿γ１及び上限θＩｇ＿γ２は遅角側にシフトされる。また推定空燃比ＡＦ＿ｅｓｔ［ｋ−１］が大きくなるほどこれら下限θＩｇ＿γ１［ｋ］及び上限θＩｇ＿γ２［ｋ］は、進角側にシフトされる。

次にＳ２６では、ＥＣＵ７は、Ｓ２１で算出した最大筒内圧角θＰｍａｘ［ｋ］が目標最大筒内圧角上限θＰｍａｘ＿α１［ｋ］より大きいか否かを判別する。Ｓ２６の判別がＹＥＳである場合には、今回の制御周期において実現される最大筒内圧角を進角側に変更し、最適角度範囲内に収めるべく、Ｓ２７に移る。

Ｓ２７では、ＥＣＵ７は、Ｓ２２で取得した目標点火時期θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ−１］がＳ２５で算出された点火時期下限θＩｇ＿γ１［ｋ］より小さいか否かを判別する。Ｓ２７の判別がＮＯである場合、すなわち目標点火時期θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ−１］がまだ点火時期上限θＩｇ＿γ１［ｋ］を超えていない場合には、ＥＣＵ７は、今回の制御周期で実現される最大筒内圧角を進角側に変更し、最適角度範囲内に収まるように、目標点火時期を進角化する（Ｓ２８参照）。より具体的には、ＥＣＵ７は、最大筒内圧角ＦＢ補正項θＩｇ＿ｐｆｂ［ｋ］を負の所定値−Δａｄ（Δａｄ＞０）に設定し、図５の処理を終了する。

またＳ２７の判別がＹＥＳである場合には、ＥＣＵ７は、目標点火時期をこれ以上進角化させると燃焼状態が不安定になるおそれがあると判断し、最大筒内圧角ＦＢ補正項θＩｇ＿ｐｆｂ［ｋ］を０とし（Ｓ２９参照）、さらに空燃比のリッチ化を要求する（Ｓ３０参照）。なお、後述の図８の燃料噴射制御処理では、Ｓ３０で生じたリッチ化の要求を受けて空燃比のリッチ化が行われる。

またＳ２６の判別がＮＯである場合、ＥＣＵ７は、Ｓ３１に移り、Ｓ２１で算出した最大筒内圧角θＰｍａｘ［ｋ］が目標最大筒内圧角下限θＰｍａｘ＿α２［ｋ］より小さいか否かを判別する。Ｓ３１の判別がＹＥＳである場合には、今回の制御周期において実現される最大筒内圧角を遅角側に変更し、最適角度範囲内に収めるべく、Ｓ３２に移る。

Ｓ３２では、ＥＣＵ７は、Ｓ２２で取得した目標点火時期θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ−１］がＳ２５で算出された点火時期上限θＩｇ＿γ２［ｋ］より大きいか否かを判別する。Ｓ３２の判別がＮＯである場合、すなわち目標点火時期θＩｇ＿ｃｍｄ［ｋ−１］がまだ点火時期上限θＩｇ＿γ２［ｋ］を超えていない場合には、ＥＣＵ７は、今回の制御周期で実現される最大筒内圧角を遅角側に変更し、最適角度範囲内に収まるように、目標点火時期を遅角化する（Ｓ３３参照）。より具体的には、ＥＣＵ７は、最大筒内圧角ＦＢ補正項θＩｇ＿ｐｆｂ［ｋ］を正の所定値Δｒ（Δｒ＞０）に設定し、図５の処理を終了する。

またＳ３２の判別がＹＥＳである場合には、ＥＣＵ７は、目標点火時期をこれ以上遅角化させると燃焼状態が不安定になるおそれがあると判断し、最大筒内圧角ＦＢ補正項θＩｇ＿ｐｆｂ［ｋ］を０とし（Ｓ３４参照）、さらに空燃比のリーン化を要求する（Ｓ３５参照）。なお、後述の図８の燃料噴射制御処理では、Ｓ３５で生じたリッチ化の要求を受けて空燃比のリーン化が行われる。

以上のように、図４〜図５の点火時期制御処理によれば、リーン運転時には、最大筒内圧角θＰｍａｘ［ｋ］が目標最大筒内圧角上限θＰｍａｘ＿α１［ｋ］と目標最大筒内圧角下限θＰｍａｘ＿α２［ｋ］との間で定められる最適角度範囲内に収まるように点火プラグ１ｄの点火時期が制御される。

図８は、燃料噴射制御の具体的な手順を示すフローチャートである。ＥＣＵ７では、図８に示す手順に従って燃料噴射弁１ｃから噴射させる燃料量［ｍｇ］の目標である目標噴射量Ｇｆｕｅｌ［ｋ］を算出する。

始めにＳ５１では、ＥＣＵ７は、運転モードとしてリーン運転が選択されているか否かを判別する。Ｓ５１の判別がＮＯである場合、すなわち運転モードとしてストイキ運転が選択されている場合には、ＥＣＵ７は、Ｓ５２に移り、空燃比センサ６２の検出信号を用いたフィードバック制御によって目標噴射量Ｇｆｕｅｌ［ｋ］を算出する。

Ｓ５２では、ＥＣＵ７は、Ｓ３で算出された目標吸気量とストイキ運転時の目標空燃比とを用いることによって目標噴射量Ｇｆｕｅｌ［ｋ］に対する基本値に相当する基本噴射量Ｇｂｓ［ｋ］を算出する。Ｓ５３では、ＥＣＵ７は、空燃比センサ６２によって検出される検出空燃比とストイキ運転時の目標空燃比との偏差を算出し、既知のフィードバック制御則に従ってこの偏差が０になるような補正係数Ｋａｆ［ｋ］を算出する。

Ｓ６５では、ＥＣＵ７は、基本噴射量Ｇｂｓ［ｋ］に補正係数Ｋａｆ［ｋ］を乗算することによって目標噴射量Ｇｆｕｅｌ［ｋ］を算出する。

Ｓ５１の判別がＹＥＳである場合、すなわち運転モードとしてリーン運転が選択されている場合には、ＥＣＵ７は、Ｓ５４に移り、ＮＯｘセンサ６６の検出信号を用いたフィードバック制御によって目標噴射量Ｇｆｕｅｌ［ｋ］を算出する。

ここでＮＯｘセンサ６６の検出信号を用いたフィードバック制御によって燃料噴射量を制御することの利点について説明する。上述のように、空燃比センサ６２は、排気の空燃比に対し概ねリニアな出力特性を有するが、リーンの領域ではストイキ近傍よりも著しく検出精度が落ちる。このため、リーン運転時には、ストイキ運転時と同様に空燃比センサ６２を用いたフィードバック制御によって燃料噴射量を制御しても、空燃比を精度良く制御することができず、過大な量のＮＯｘが排出されるおそれがある。

図９は、最大筒内圧角と排気のＮＯｘ濃度との関係を空燃比毎に示す図である。図９では、横軸を最大筒内圧角とし縦軸（対数軸）をＮＯｘ濃度とした。また図９には、各空燃比１４．７［Ａ／Ｆ］、２０［Ａ／Ｆ］、２５［Ａ／Ｆ］、及び２８［Ａ／Ｆ］の下で最大筒内圧角を所定範囲で変化させた場合におけるＮＯｘ濃度をプロットした。

図１０は、リーン領域（より具体的には、２０〜３４［Ａ／Ｆ］）における最大筒内圧角と排気のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。図１０では、横軸を最大筒内圧角とし縦軸をＮＯｘ濃度とした。

図９及び図１０に示すように、最大筒内圧角を一定とした場合に得られる排気のＮＯｘ濃度は混合気の空燃比によって変化する。すなわち、最大筒内圧角が一定に維持されている場合には、混合気の空燃比と排気のＮＯｘ濃度との間には相関関係がある。より具体的には、空燃比がリーンになるほどＮＯｘ濃度は低くなる傾向がある。また図９及び図１０に示すように、各空燃比の下で最大筒内圧角を一定にした場合に得られる排気のＮＯｘ濃度の空燃比間の差は、空燃比がストイキからリーンに離れる程大きくなる傾向がある。これは、２０［Ａ／Ｆ］以上のリーン領域では、空燃比センサ６２を用いるよりも、ＮＯｘセンサ６６と上記相関関係を用いた方が精度良く空燃比を得ることができることを意味する。以下では、このようなＮＯｘセンサ６６の検出信号を用いたフィードバック制御によって燃料噴射量を制御する手順について説明する。

先ず、Ｓ５４では、ＥＣＵ７は、目標ＮＯｘ濃度上限ＮＯｘ＿β１［ｋ］及び目標ＮＯｘ濃度下限ＮＯｘ＿β２［ｋ］を算出する。目標ＮＯｘ濃度上限ＮＯｘ＿β１［ｋ］は、エンジン１からの排気のＮＯｘ濃度に対して許容される目標濃度範囲の上限濃度に相当する。また目標ＮＯｘ濃度下限ＮＯｘ＿β２［ｋ］は、目標濃度範囲の下限に相当する。以下で説明するように、ＥＣＵ７では、ＮＯｘセンサ６６によって検出されるＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓ［ｋ］が、これら目標濃度範囲（ＮＯｘ＿β２［ｋ］〜ＮＯｘ＿β１［ｋ］）内に収まるように燃料噴射量を制御する。より具体的には、ＥＣＵ７は、目標トルクＴＲＱ［ｋ］に応じて図１１に示すようなマップを検索することによってこれら目標ＮＯｘ濃度上限ＮＯｘ＿β１［ｋ］及び目標ＮＯｘ濃度下限ＮＯｘ＿β２［ｋ］を算出する。

図１１は、目標ＮＯｘ濃度上限及び下限を算出するために用いられるマップの一例である。図１１のマップの例によれば、これら目標ＮＯｘ濃度上限ＮＯｘ＿β１［ｋ］及び目標濃度下限ＮＯｘ＿β２［ｋ］は、それぞれ目標トルクが大きくなるほど小さくなるように定められる。またこれら目標ＮＯｘ濃度上限ＮＯｘ＿β１［ｋ］及び目標濃度下限ＮＯｘ＿β２［ｋ］の間で定義される目標濃度範囲は、上述のような空燃比とＮＯｘ濃度との間の相関関係の下で空燃比に換算した場合には、２０［Ａ／Ｆ］以上の範囲内に定められている。また図１１に示すように、この目標濃度範囲は、エンジン１の燃焼変動を考慮してある程度の幅を持たせることが好ましい。

次にＳ５５では、ＥＣＵ７は、ＮＯｘセンサの検出信号を用いて排気のＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓ［ｋ］を取得する。次にＳ５６では、ＥＣＵ７は、最大筒内圧角θＰｍａｘ［ｋ］及びＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓ［ｋ］に応じて図示しないマップを検索することによって、推定空燃比ＡＦ＿ｅｓｔ［ｋ］を算出する。なおこの推定空燃比ＡＦ＿ｅｓｔ［ｋ］を算出するマップには、例えば図１０に示すマップ、すなわちリーン領域において最大筒内圧角と排気のＮＯｘ濃度との相関関係を予め測定することによって構築されたものが用いられる。

次にＳ５７では、ＥＣＵ７は、図４の点火時期制御においてリーン化が要求されているか否か（Ｓ２２参照）を判別する。Ｓ５７の判別がＹＥＳである場合には、ＥＣＵ７は、Ｓ６１に移り、前回の制御周期における補正係数Ｋａｆ［ｋ−１］に正のシフト量ｄを減算することによって今回の制御周期における補正係数Ｋａｆ［ｋ］を算出する。これにより、補正係数Ｋａｆ［ｋ］は前回の制御周期よりも小さくなるので、目標噴射量Ｇｆｕｅｌ［ｋ］も前回の制御周期よりも少なくなり、これによりリーン化が実現される。

Ｓ５７の判別がＮＯである場合には、ＥＣＵ７は、Ｓ５８に移り、図４の点火時期制御においてリッチ化が要求されているか否か（Ｓ１８参照）を判別する。Ｓ５８の判別がＹＥＳである場合には、ＥＣＵ７は、Ｓ６２に移り、前回の制御周期における補正係数Ｋａｆ［ｋ−１］に正のシフト量ｄを加算することによって今回の制御周期における補正係数Ｋａｆ［ｋ］を算出する。これにより、補正係数Ｋａｆ［ｋ］は前回の制御周期よりも大きくなるので、目標噴射量Ｇｆｕｅｌ［ｋ］も前回の制御周期よりも多くなり、これによりリッチ化が実現される。

Ｓ５８の判別がＮＯである場合には、ＥＣＵ７は、Ｓ５９に移る。Ｓ５９では、ＥＣＵ７は、Ｓ５５で取得したＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓ［ｋ］が目標ＮＯｘ濃度上限ＮＯｘ＿β１［ｋ］より大きいか否かを判別する。Ｓ５９の判別がＹＥＳである場合には、ＮＯｘ濃度を減少させ、目標濃度範囲内に収まるようにするため、Ｓ６１に移り、リーン化を実行する。図９を参照して説明したように、最大筒内圧角を一定に保ちながら混合気の空燃比をリーン化すると、ＮＯｘ濃度が低下し、上記目標濃度範囲内に近づく。

Ｓ５９の判別がＮＯである場合には、ＥＣＵ７は、Ｓ６０に移る。Ｓ６０では、ＥＣＵ７は、Ｓ５５で取得したＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓ［ｋ］が目標ＮＯｘ濃度下限ＮＯｘ＿β２［ｋ］より小さいか否かを判別する。Ｓ６０の判別がＹＥＳである場合には、ＮＯｘ濃度を増加させ、目標濃度範囲内に収まるようにするため、Ｓ６２に移り、リッチ化を実行する。図９を参照して説明したように、最大筒内圧角を一定に保ちながら混合気の空燃比をリッチ化すると、ＮＯｘ濃度が上昇し、上記目標濃度範囲内に近づく。

Ｓ６０の判別がＮＯである場合には、ＥＣＵ７は、Ｓ６３に移り、補正係数Ｋａｆ［ｋ］を前回の制御周期時の値から維持したまま（すなわち、Ｋａｆ［ｋ］＝Ｋａｆ［ｋ−１］とし）、Ｓ６４に移る。

Ｓ６４では、ＥＣＵ７は、Ｓ３で算出された目標吸気量とリーン運転時の目標空燃比とを用いることによって基本噴射量Ｇｂｓ［ｋ］を算出し、Ｓ６５に移る。Ｓ６５では、ＥＣＵ７は、基本噴射量Ｇｂｓ［ｋ］に補正係数Ｋａｆ［ｋ］を乗算することによって目標噴射量Ｇｆｕｅｌ［ｋ］を算出する。

以上のように、図８の燃料噴射制御処理によれば、リーン運転時には、図４〜図５の点火時期制御処理によって点火プラグ１ｄの点火時期が最適角度範囲内に収まるように制御されている状態で、ＮＯｘセンサ６６によって検出されるＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓ［ｋ］が目標濃度範囲内に収まるように燃料噴射弁１ｃからの燃料噴射量が制御される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

例えば上記実施形態では、リーン運転時にはＮＯｘセンサ６６によって検出されるＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓが目標濃度範囲内に収まるように燃料噴射弁１ｃによる燃料噴射量を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、燃料噴射量を制御する代わりに、ＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓが目標濃度範囲内に収まるように、スロットルバルブを用いて吸気量を制御してもよい。又は、ＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｓｎｓが目標濃度範囲内に収まるように、燃料噴射量と吸気量との両方を制御してもよい。

１…エンジン（内燃機関）
１ａ…気筒
２…制御装置
６５…筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
６６…ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ検出手段）
７…ＥＣＵ（第１フィードバック制御手段、第２フィードバック制御手段）

Claims (1)

1. 内燃機関の気筒内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   前記内燃機関の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出手段と、を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関のクランク角で表されかつ前記筒内圧検出手段の検出信号に基づいて算出される燃焼パラメータが最適タイミングとなるように前記気筒の点火時期を制御する第１フィードバック制御手段と、
   前記第１フィードバック制御手段によって点火時期が制御されている状態で、前記ＮＯｘ検出手段によって検出されるＮＯｘ濃度が目標範囲内に収まるように前記気筒内で燃焼に供される燃料量及び空気量又はこれらの何れかを制御する第２フィードバック制御手段と、を備え、
   前記燃焼パラメータが前記最適タイミングとなっている場合には、前記気筒内における混合気の空燃比と前記ＮＯｘ濃度との間には相関関係があり、
   前記目標範囲は、前記相関関係の下で空燃比に換算した場合に２０［Ａ／Ｆ］以上の範囲内に定められることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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