WO2014076845A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

　この発明は、燃料噴射時期の影響も考慮して、排気ガス中のＮＯｘ量を正確かつ安定的に算出することを目的とする。　エンジン（１０）は、燃料噴射弁（１４）、ＮＯｘ還元触媒（３０）、ＥＣＵ（６０）等を備える。ＥＣＵ（６０）は、筒内での燃焼に寄与する燃料噴射である有効噴射の噴射時期のべき乗と、吸気酸素濃度のべき乗とからなる少なくとも２つのパラメータに基いて、排気ガス中のＮＯｘ量を算出する。 有効噴射は、メイン噴射、アフタ噴射及びパイロット噴射を総称したものとする。これにより、ＮＯｘの生成量と高い相関がある有効噴射の噴射時期をＮＯｘ濃度の算出値に反映させることができる。従って、内燃機関の機差や運転状況等に影響されることなく、ＮＯｘ量を正確かつ安定的に算出することができる。

Description

内燃機関の制御装置
　本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、排気ガス中のＮＯｘ量を算出する機能を備えた内燃機関の制御装置に関する。
　従来技術として、例えば特許文献１（日本特開２００５－１３９９８４号公報）に開示されているように、排気ガス中のＮＯｘ量を算出する機能を備えた内燃機関の制御装置が知られている。従来技術では、負荷指標値、吸気酸素濃度、燃料噴射量及び燃料噴射圧のべき乗と、最高火炎温度とに基いて、ＮＯｘ量を算出するようにしている。
　尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。
日本特開２００５－１３９９８４号公報 日本特開２００９－１３３２８５号公報 日本特開２００５－２６４７３１号公報 日本特開平１０－２５２５７３号公報
　ところで、上述した従来技術では、ＮＯｘ量の算出に用いるパラメータとして、負荷指標値、吸気酸素濃度、燃料噴射量、燃料噴射圧及び最高火炎温度を用いるものとしている。しかしながら、本願発明者の実験によれば、例えば燃料噴射時期が変化する場合において、上記パラメータを用いてＮＯｘ量を正確に算出するには限界があり、算出方法に改善の余地があることが判明した。即ち、従来技術の算出方法によると、運転状態によってはＮＯｘ量を高い精度で算出するのが難しいという問題がある。
　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、燃料噴射時期の影響も考慮して、排気ガス中のＮＯｘ量の算出精度を向上させることが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。
　第１の発明は、内燃機関の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
　前記燃料噴射弁による燃料の噴射時期を設定する噴射制御手段と、
　前記筒内に吸入されるガス中の酸素濃度を吸気酸素濃度として取得する酸素濃度取得手段と、
　前記筒内での燃焼に寄与する燃料噴射である有効噴射の噴射時期のべき乗と、前記吸気酸素濃度のべき乗とからなる少なくとも２つのパラメータに基いて、排気ガス中のＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出手段と、を備えることを特徴とする。
　第２の発明は、前記噴射制御手段は、１サイクル中に複数回の有効噴射を実行する構成とし、
　個々の有効噴射毎に噴射時期と噴射量との乗算値を算出して全ての有効噴射の当該乗算値を合計した加重噴射時期を算出し、前記全ての有効噴射の噴射量を合計した合計噴射量により前記加重噴射時期を除算して平均噴射時期を算出する平均算出手段を備え、
　前記ＮＯｘ量算出手段は、前記有効噴射の噴射時期のべき乗として前記平均噴射時期のべき乗を用いる構成としている。
　第３の発明は、前記有効噴射は、圧縮上死点を跨ぐ期間中または膨張行程中に燃料を噴射して当該燃料を前記筒内で燃焼させる燃料噴射である構成としている。
　第４の発明は、前記有効噴射は、圧縮上死点前に完了する燃料噴射も含む構成としている。
　第５の発明は、前記筒内に吸入される新気量を検出する新気量センサと、
　排気空燃比を検出する空燃比センサと、
　前記有効噴射の噴射量と前記新気量とに基いて算出された空燃比と前記空燃比センサの検出値との比率であるＡ／Ｆ学習補正係数を算出し、当該Ａ／Ｆ学習補正係数を運転領域毎に記憶する学習記憶手段と、を備え、
　前記ＮＯｘ量算出手段は、現時点の運転領域に応じて前記学習記憶手段から読出した前記Ａ／Ｆ学習補正係数に基いて補正後推定Ａ／Ｆを算出し、前記少なくとも２つのパラメータと前記補正後推定Ａ／Ｆとに基いて前記ＮＯｘ量を算出する構成としている。
　第６の発明は、前記筒内に吸入される新気量を検出する新気量センサと、
　排気空燃比を検出する空燃比センサと、
　前記有効噴射の噴射量と前記新気量とに基いて算出された空燃比と前記空燃比センサの検出値との比率であるＡ／Ｆ学習補正係数を算出し、当該Ａ／Ｆ学習補正係数を運転領域毎に記憶する学習記憶手段と、を備え、
　前記酸素濃度取得手段は、現時点の運転領域に応じて前記学習記憶手段から読出した前記Ａ／Ｆ学習補正係数を前記吸気酸素濃度の算出に用いる構成としている。
　第７の発明は、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ機構を備え、
　前記酸素濃度取得手段は、前記Ａ／Ｆ学習補正係数と、前記新気量及び前記有効噴射の噴射量と、前記ＥＧＲ機構により実現されるＥＧＲ率とに基いて前記吸気酸素濃度を算出する構成としている。
　第８の発明は、前記ＮＯｘ量算出手段は、前記有効噴射の噴射量のべき乗を前記パラメータに加えた複数のパラメータに基いて、前記ＮＯｘ量を算出する構成としている。
　第９の発明は、前記ＮＯｘ量算出手段は、内燃機関の回転数のべき乗を前記パラメータに加えた複数のパラメータに基いて、前記ＮＯｘ量を算出する構成としている。
　第１０の発明は、内燃機関の運転状態に基いて前記パラメータのべき乗の指数を変更する指数可変手段を備え、
　前記ＮＯｘ量算出手段は、前記指数可変手段により設定された前記指数を用いて前記ＮＯｘ量を算出する構成としている。
　第１１の発明は、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒と、
　前記ＮＯｘ還元触媒に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
　前記ＮＯｘ量算出手段により算出された前記ＮＯｘ量に基いて前記還元剤の添加量を算出し、当該算出結果に基いて前記還元剤添加手段を作動させる添加制御手段と、
　を備えている。
　第１２の発明は、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒と、
　前記ＮＯｘ還元触媒に流入するＮＯｘ量を検出するＮＯｘセンサと、
　前記ＮＯｘセンサによるＮＯｘ量の検出値と前記ＮＯｘ量算出手段により算出された前記ＮＯｘ量の算出値とに基いて、前記ＮＯｘセンサの故障を検出するセンサ故障検出手段と、を備えている。
　第１３の発明は、前記筒内に吸入される新気量を調整するスロットル弁と、
　排気ガスを吸気系に還流させるためのＥＧＲ通路に設けられ、排気ガスの還流量を調整するＥＧＲ弁と、
　前記スロットル弁及び前記ＥＧＲ弁の弁開度を変化させ、当該弁開度の変化により生じた前記ＮＯｘ量の算出値の変化に基いて前記スロットル弁及び前記ＥＧＲ弁の故障を検出するバルブ故障検出手段と、を備えている。
　第１４の発明は、前記筒内に吸入される新気量を検出する新気量センサと、
　排気空燃比を検出する空燃比センサと、
　排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ機構と、
　前記噴射制御手段を含んで構成され、圧縮上死点を跨ぐ期間中または膨張行程中に燃料を噴射して当該燃料を前記筒内で燃焼させる有効噴射を１サイクル中に複数回実行する多段噴射制御手段と、
　個々の有効噴射毎に噴射時期と噴射量との乗算値を算出して全ての有効噴射の当該乗算値を合計した加重噴射時期を算出し、前記全ての有効噴射の噴射量を合計した合計噴射量により前記加重噴射時期を除算して平均噴射時期を算出する平均算出手段と、
　前記有効噴射の噴射量と前記新気量とに基いて算出された空燃比と前記空燃比センサの検出値との比率であるＡ／Ｆ学習補正係数を算出し、当該Ａ／Ｆ学習補正係数を運転領域毎に記憶する学習記憶手段と、
　現時点の運転領域に応じて前記学習記憶手段から読出した前記Ａ／Ｆ学習補正係数と、現時点の前記新気量及び前記有効噴射の噴射量とに基いて補正後推定Ａ／Ｆを算出する補正後推定Ａ／Ｆ算出手段と、を備え、
　前記酸素濃度取得手段は、前記補正後推定Ａ／Ｆと、前記ＥＧＲ機構により実現されるＥＧＲ率と、空気中の酸素濃度と、理論空燃比とに基いて前記吸気酸素濃度を算出し、
　前記ＮＯｘ量算出手段は、前記吸気酸素濃度のべき乗と、前記平均噴射時期のべき乗と、前記有効噴射の噴射量を全て合計した合計値のべき乗と、内燃機関の回転数のべき乗とを乗算した分子を算出すると共に、現時点の運転領域に応じて前記学習記憶手段から読出した前記補正後推定Ａ／Ｆに基いて１０－６×１．５８７×（前記補正後推定Ａ／Ｆ＋1）の演算により分母を算出し、前記分子を前記分母で除算することにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する構成としている。
　第１の発明によれば、有効噴射の噴射時期のべき乗と、前記吸気酸素濃度のべき乗とからなる少なくとも２つのパラメータに基いて、排気ガス中のＮＯｘ量を算出する構成としたので、ＮＯｘの生成量と高い相関がある有効噴射の噴射時期をＮＯｘ量の算出値に反映させることができる。これにより、内燃機関の機差や運転状況等に影響されることなく、ＮＯｘ量を正確かつ安定的に算出し、当該算出値を用いる制御の精度を向上させることができる。しかも、第１の発明では、ＮＯｘの生成量に影響を与える有効噴射（例えばメイン噴射、アフタ噴射及びパイロット噴射）のみをＮＯｘ量の算出に用いるので、例えばポスト噴射の状態によりＮＯｘ量の算出値に誤差が生じるのを抑制することができる。
　第２の発明によれば、平均算出手段は、複数回の有効噴射が行われる場合でも、個々の有効噴射毎に噴射時期を噴射量で重み付けすることにより、全ての有効噴射の噴射時期及び噴射量が反映された平均噴射時期を算出することができる。これにより、全ての有効噴射の噴射時期をＮＯｘ量の算出値に適切に反映させ、多段噴射時のＮＯｘ量を正確に算出することができる。
　第３の発明によれば、圧縮上死点を跨ぐ期間中または膨張行程中に燃料を噴射して筒内で燃料を燃焼させる噴射としては、メイン噴射及びアフタ噴射が該当する。従って、ＮＯｘ量算出手段は、ＮＯｘの生成量に特に大きな影響を与えるメイン噴射及びアフタ噴射を対象として、ＮＯｘ量を正確に算出することができ、例えばポスト噴射の状態によりＮＯｘ量の算出値に誤差が生じるのを抑制することができる。
　第４の発明によれば、圧縮上死点前に完了する燃料噴射としては、パイロット噴射が該当する。メイン噴射及びアフタ噴射に加えて、パイロット噴射を有効噴射として扱った場合でも、従来技術と比較してＮＯｘ量を正確に算出することができ、第１の発明とほぼ同様の効果を得ることができる。
　第５の発明によれば、部品の特性ずれが反映されたＡ／Ｆ学習補正係数に基いて補正後推定Ａ／Ｆを算出し、更に、補正後推定Ａ／Ｆに基いてＮＯｘ量を算出することができる。これにより、例えば新気量センサ及び燃料噴射弁の量産ばらつき、経年変化等により生じた特性ずれを補正後推定Ａ／Ｆにより吸収することができる。従って、部品の特性ずれに影響されることなく、ＮＯｘ量の算出精度を長期間にわたって良好に保持することができる。
　第６の発明によれば、酸素濃度取得手段は、部品の特性ずれが反映されたＡ／Ｆ学習補正係数を用いて、吸気酸素濃度を算出することができる。これにより、部品の特性ずれをＡ／Ｆ学習補正係数により吸収しつつ、吸気酸素濃度を正確に算出することができるので、ＮＯｘ量の算出精度を向上させることができる。
　第７の発明によれば、吸気酸素濃度の算出時には、ＥＧＲ率もパラメータとして用いることができる。これにより、ＥＧＲ制御を実行している場合でも、ＥＧＲガスの影響を吸気酸素濃度の算出値に正確に反映させることができ、吸気酸素濃度の算出精度を向上させることができる。
　第８の発明によれば、ＮＯｘ量の算出時には、有効噴射の噴射量のべき乗もパラメータとして用いることができる。これにより、噴射量の変化をＮＯｘ濃度の算出値に適切に反映させ、算出精度を更に向上させることができる。
　第９の発明によれば、ＮＯｘ量の算出時には、回転数のべき乗もパラメータとして用いることができる。これにより、回転数の変化をＮＯｘ濃度の算出値に適切に反映させ、算出精度を更に向上させることができる。
　第１０の発明によれば、指数可変手段は、ＮＯｘ量の算出に用いるべき乗の指数を内燃機関の運転状態に基いて適切に変更することができる。これにより、ＮＯｘ量の算出値を運転状態の変化にも適合させることができ、濃度の算出精度を更に向上させることができる。
　第１１の発明によれば、ＮＯｘ量算出手段により排気ガス中のＮＯｘ量を正確に算出することができるので、添加制御手段は、高価なＮＯｘセンサ等を使用しなくても、ＮＯｘ濃度に応じて適切な量の還元剤を添加することができる。これにより、排気エミッションや燃費を改善し、コストダウンも促進することができる。
　第１２の発明によれば、センサ故障検出手段は、ＮＯｘ量算出手段によるＮＯｘ量の算出値と、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ量の検出値とに基いてＮＯｘセンサの故障を検出することができる。これにより、故障検出用の特別な機構等を追加しなくても、センサの故障検出が可能となるので、コストアップを抑制しつつ、システムの信頼性を向上させることができる。
　第１３の発明によれば、ＮＯｘ量の算出値を利用してスロットル弁及びＥＧＲ弁の故障を検出することができる。これにより、故障検出用の特別な機構等を追加しなくても、弁の故障検出が可能となるので、コストアップを抑制しつつ、システムの信頼性を向上させることができる。
　第１４の発明によれば、ＮＯｘ量算出手段は、吸気酸素濃度のべき乗と、平均噴射時期のべき乗と、有効噴射の噴射量を全て合計した合計値のべき乗と、回転数のべき乗と、補正後推定Ａ／Ｆとに基いて、排気ガス中のＮＯｘ量を算出することができる。これにより、ＮＯｘの生成量と高い相関がある有効噴射の噴射時期をＮＯｘ量の算出値に反映させ、また、吸気酸素濃度、有効噴射の噴射量及び回転数の変化も前記算出値に反映させることができる。しかも、新気量センサや燃料噴射弁の特性ずれを吸収した補正後推定Ａ／ＦもＮＯｘ量の算出値に反映されるので、これらの特性ずれに影響されることなく、ＮＯｘ量を長期間にわたって正確かつ安定的に算出することができる。
本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。 多段噴射制御の一例を示すタイミングチャートである。 燃料の噴射時期と噴射燃料の着火遅れとの相関を定性的に示す特性線図である。 噴射時期及び着火遅れと、燃焼時の筒内容積との相関を定性的に示す特性線図である。 噴射時期及び着火遅れと、排気ガス中のＮＯｘ濃度との相関を定性的に示す特性線図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、ＮＯｘ濃度の算出に用いられるべき乗の指数を運転領域毎に変更する制御を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態３のシステム構成を説明するための全体構成図である。 本発明の実施の形態３において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
　以下、図１乃至図６を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、例えばディーゼルエンジンからなる内燃機関としてのエンジン１０を備えている。なお、図１では、４気筒エンジンを例示したが、本発明はこれに限らず、任意の気筒数の内燃機関に適用されるものである。エンジン１０の各気筒には、図示しないピストンにより燃焼室１２が形成されており、ピストンは、エンジン１０の出力軸であるクランク軸に連結されている。また、各気筒は、燃焼室１２内（筒内）に燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、筒内に開口した吸気ポートを開閉する吸気バルブ１６と、筒内に開口した排気ポートを開閉する排気バルブ１８とを備えている。
　また、エンジン１０は、各気筒に空気を吸入する吸気通路２０を備えており、吸気通路２０の下流側は、各気筒の吸気ポートに接続された吸気マニホールド２２により構成されている。吸気通路２０には、吸気通路２０を介して各気筒に吸入される新気量（吸入空気量）を調整する電子制御式のスロットル弁２４が設けられている。また、エンジン１０は、各気筒から排気ガスが排出される排気通路２６を備えており、排気通路２６の上流側は、各気筒の排気ポートに接続された排気マニホールド２８により構成されている。
　排気通路２６には、ＮＯｘ還元触媒３０が設けられている。ＮＯｘ還元触媒３０は、例えば尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）、ＨＣ－ＳＣＲ等により構成されるもので、燃料または尿素水を還元剤として用いることにより、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化する。なお、ＮＯｘ還元触媒３０は、排気ガス中の他の成分を浄化する浄化装置と組合わせて配置してもよい。このような浄化装置としては、例えば三元触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）等が挙げられる。
　一方、エンジン１０は、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機３２と、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ機構３４とを備えている。ＥＧＲ機構３４は、吸気通路２０と排気マニホールド２８とを接続するＥＧＲ配管３６と、ＥＧＲ配管３６を経由して排気マニホールド２８から吸気通路２０に還流する排気ガス（ＥＧＲガス）の還流量を調整するＥＧＲ弁３８とを備えている。なお、本発明は、過給機３２及びＥＧＲ機構３４を搭載しないエンジンに適用してもよい。
　次に、エンジン１０の制御系統について説明する。本実施の形態のシステムは、エンジン１０やこれを搭載する車両の制御に必要な各種のセンサを含むセンサ系統と、エンジン１０の運転状態を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０とを備えている。まず、センサ系統について説明すると、クランク角センサ４０は、クランク軸の回転に応じた信号を出力するもので、エアフローセンサ４２は、吸入空気量（新気量）を検出する新気量センサを構成している。水温センサ４４はエンジンの冷却水温を検出し、空燃比センサ４６は、排気空燃比を連続値として検出するもので、アクセル開度センサ４８は、運転者のアクセル操作量を検出する。センサ系統には、この他にも各種のセンサが含まれる。
　ＥＣＵ６０は、例えばマイクロコンピュータにより構成されるもので、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等からなる記憶回路６１と、記憶回路６１に記憶されたプログラムに基いて演算処理を行う演算処理装置と、複数の入出力ポートとを備えている。ＥＣＵ６０の入力側には、センサ系統の各センサが個別に接続されている。ＥＣＵ６０の出力側には、燃料噴射弁１４、スロットル弁２４、ＥＧＲ弁３８等を含む各種のアクチュエータが個別に接続されている。また、記憶回路６１は、後述のＡ／Ｆ学習補正係数を運転領域毎に記憶したマップデータ（学習マップ）を備えており、学習記憶手段を構成している。
　そして、ＥＣＵ６０は、センサ系統により検出したエンジンの運転情報に基いて、各アクチュエータを駆動することにより運転制御を行う。具体例を挙げると、ＥＣＵ６０は、クランク角センサ４０の出力に基いて、エンジンの回転数とクランク角とを検出すると共に、吸入空気量、アクセル操作量等に基いて総燃料噴射量を決定する。そして、総燃料噴射量、回転数等に基いて１サイクル中における燃料噴射の回数、各燃料噴射の噴射量及び噴射時期を設定し、設定した噴射時期が到来する毎に燃料噴射弁１４を駆動する。このように、本実施の形態では、１サイクル中に複数回の燃料噴射を実行することにより、後述の多段噴射制御を実行する構成としてもよい。そして、後述するポスト噴射以外の燃料噴射により噴射された燃料は、筒内で圧縮されることにより圧縮上死点の近傍で自着火し、エンジンを作動させる。
　また、ＥＣＵ６０は、排気ガスの浄化効率を高めるために、空燃比フィードバック制御と空燃比学習制御とを実行する。空燃比フィードバック制御は、空燃比センサ４６により検出した排気空燃比に基いて燃料噴射量をフィードバック制御し、排気空燃比が排気ガスの浄化に適した所定の範囲内に収まるように制御するものである。また、空燃比学習制御は、後述のように部品の特性ずれが反映されたＡ／Ｆ学習補正係数を運転領域毎に算出し、各運転領域のＡ／Ｆ学習補正係数を記憶回路６１の学習マップに記憶させるものである。なお、運転領域は、例えば回転数と吸入空気量（または燃料噴射量）とに基いて定められる。このように記憶されたＡ／Ｆ学習補正係数は、例えば噴射制御において、現時点の運転領域に応じて学習マップから読出され、燃料噴射量の補正項として用いられる。一方、ＥＣＵ６０は、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ弁３８の開度を調整することにより、筒内に流入するＥＧＲガスの量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ制御を実行する。
　次に、排気ガス中のＮＯｘに関連した制御について説明する。ＥＣＵ６０は、ＮＯｘ還元触媒３０によるＮＯｘの還元効率を高めるために、ＮＯｘ量算出制御と、還元剤添加制御とを実行する。ＮＯｘ量算出制御では、多段噴射制御の影響を考慮しつつ、排気ガス中のＮＯｘ量を算出する。また、還元剤添加制御では、ＮＯｘ量算出制御により算出したＮＯｘ量に基いて、ＮＯｘ還元触媒３０に添加する還元剤の添加量を制御する。以下、本実施の形態による多段噴射制御とＮＯｘ量算出制御について説明する。なお、以下の説明では、ＮＯｘ量として、ＮＯｘ濃度[ppm]を算出する場合を例示する。
（多段噴射制御）
　図２は、多段噴射制御の一例を示すタイミングチャートである。この図では、１サイクル中に５回の燃料噴射を行う場合、即ち、メイン噴射、アフタ噴射、２回のパイロット噴射及びポスト噴射を行う場合を例示している。各噴射名の下側に記載した数字（mm3/st）は、当該噴射の噴射量の一例を示したものである。また、図２中のクランク角は、圧縮上死点ＴＤＣを基準（０[CA]）として記載している。
　メイン噴射は、トルクを発生させるための主たる燃料噴射であり、圧縮上死点を跨ぐ期間中または膨張行程中に実行される。具体的に述べると、例えば回転数がそれほど高くない中・低回転領域では、メイン噴射が膨張期間の前半に実行されるが、高回転領域では、メイン噴射の一部が圧縮上死点前の期間（例えば、－２～３[CA]）にかかる場合もある。アフタ噴射は、メイン噴射と同様に、トルクを発生させるための燃料噴射であるが、膨張行程中において、メイン噴射と時間間隔をあけて実行される。アフタ噴射は、メイン噴射による噴射燃料が筒内のガス流により移動した後の空間に燃料を噴射することで、筒内ガスと燃料との混合状態を均等化し、燃焼性を向上させるものである。
　一方、パイロット噴射は、メイン噴射及びアフタ噴射により噴射される燃料の燃焼性を高めるために、これらの噴射に先立って燃料を噴射し、筒内を燃焼に適した温度まで予熱するものである。パイロット噴射では、メイン噴射及びアフタ噴射と比較して少量の燃料を圧縮行程中に噴射し、圧縮上死点前に噴射を完了させる。なお、パイロット噴射により噴射された燃料は、筒内での燃焼及びトルクの発生に若干寄与する。
　これに対し、ポスト噴射は、メイン噴射及びアフタ噴射と比較して少量の燃料を噴射し、この燃料を未燃燃料として排気通路２６に供給するものである。このため、ポスト噴射により噴射された燃料は、筒内での燃焼及びトルクの発生に殆ど寄与しない。ポスト噴射は、燃焼の終了後であって排気行程に近い時期、好ましくは、排気バルブ１８の開弁時期に合わせて実行される。ポスト噴射により生じた未燃燃料は、還元剤としてＮＯｘ還元触媒３０に添加されたり、ＤＰＦに捕集された粒子状物質の燃焼に用いられる。
　上述したメイン噴射、アフタ噴射、パイロット噴射及びポスト噴射のうち、筒内での燃焼に大きく寄与する燃料噴射、即ち、トルクを発生させる燃料噴射は、メイン噴射及びアフタ噴射である。そして、後述のように、ＮＯｘの生成量は、トルクを発生させる燃料噴射の噴射時期に大きく影響される。このため、以下の説明では、メイン噴射とアフタ噴射とを総称して「有効噴射」と表記するものとし、パイロット噴射は有効噴射に含めないものとする。なお、パイロット噴射も、筒内での燃焼及びトルクの発生に少しは寄与するので、本発明では、パイロット噴射を有効噴射に含める構成としてもよい。この構成については後述する。
（ＮＯｘ量算出制御）
　ＮＯｘは、主として、有効噴射により噴射された燃料が燃焼するときに生成される。トルクを発生させる燃焼時には、火炎温度が高くなるので、ＮＯｘの生成が促進される。一方、有効噴射の噴射量が一定でも、噴射時期を遅角させると、燃焼時の筒内容積が増加するので、筒内の酸素密度が低下して燃焼反応速度が遅くなる。この結果、筒内の最高火炎温度が低下し、ＮＯｘの生成量が減少する。従って、ＮＯｘの生成量は、噴射時期を遅角させるほど減少することになる。
　図３乃至図５は、ＮＯｘ濃度と噴射時期との相関を説明するための説明図である。詳しく述べると、図３は、燃料の噴射時期と噴射燃料の着火遅れとの相関を定性的に示す特性線図であり、図４は、噴射時期及び着火遅れと、燃焼時の筒内容積との相関を定性的に示す特性線図である。また、図５は、噴射時期及び着火遅れと、排気ガス中のＮＯｘ濃度との相関を定性的に示す特性線図である。なお、これらの図では、噴射時期としてメイン噴射の噴射時期を例示している。以下、図３乃至図５を参照して、ＮＯｘ濃度と噴射時期との相関について説明する。
　まず、燃焼時の筒内容積は、定性的にみると、燃料の噴射時期の関数であると考えることができる。また、噴射燃料の着火遅れも、噴射時期の関数であると考えることができ、図３に示すように、噴射時期に対して下向きに凸形状をなす特性をもって変化する。これらの特性を考慮すれば、燃焼時の筒内容積は、噴射時期及び着火遅れに応じて、図４に示すように変化すると考えられる。また、排気ガス中のＮＯｘ濃度は、燃焼時の筒内容積が大きいほど増加する傾向があるので、この傾向に対応する相関が両者間に存在すると仮定して、図４に示す特性線の上下を逆にすると、図５に示す特性線を得ることができる。
　つまり、ＮＯｘの生成量に影響するのは、着火遅れを考慮した燃焼時の筒内容積であると考えられ、筒内容積及び着火遅れは、上述のように噴射時期と相関があるので、ＮＯｘ濃度と噴射時期との間には高い相関があると考えることができる。本願発明者によれば、図５に示すように、噴射時期が遅角されるほど、また、着火遅れが大きくなるほど、ＮＯｘ濃度が上向きに凸形状をなして減少するという特性が見出され、この特性は実験によっても確認することができた。
　また、ＮＯｘ濃度は、燃料噴射がメイン噴射とアフタ噴射に分けて行われると、減少する傾向がある。即ち、メイン噴射のみの場合と比較して、メイン噴射及びアフタ噴射が行われた場合には、燃焼が進行する過程において、筒内容積が増えた状態（ピストンが下降した状態）での噴射割合が増加する。この結果、噴射時期を遅角してメイン噴射のみを実行した場合と類似の作用が生じ、ＮＯｘ濃度が減少することになる。従って、ＮＯｘ濃度の算出時には、メイン噴射だけでなく、アフタ噴射の影響も考慮する必要がある。本願発明者は、このように複数回の有効噴射の影響を考慮する場合に、各有効噴射の噴射時期を噴射量により重み付けして平均した噴射時期を用いると、ＮＯｘ濃度を精度よく算出できることを見出した。
　以上の観点から、ＮＯｘ量算出制御では、まず、下記数１の式に示すように、全ての有効噴射の噴射時期及び噴射量が反映された平均噴射時期を算出する。この式において、メイン噴射時期とメイン噴射量は、それぞれ、メイン噴射の噴射時期と噴射量を表すもので、アフタ噴射時期とアフタ噴射量は、それぞれ、アフタ噴射の噴射時期と噴射量を表している。また、噴射時期とは、燃料の噴射が開始されるクランク角として定義され、例えば圧縮上死点を基準として進角側が負値となり、遅角側が正値となるように定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記式において、Ａは、エンジンの機種や特性等に応じて設定されるオフセット値であり、正値に設定される。オフセット値Ａは、例えばメイン噴射時期が圧縮上死点前に設定されることで負値となっても、平均噴射時期が負値とならないようにするための正のオフセットとして機能する。また、平均噴射時期の算出例として、図２に示す噴射パターンの平均噴射時期を算出すると、平均噴射時期＝（メイン噴射時期５[CA]×メイン噴射量２０[mm3/st]＋アフタ噴射時期１５[CA]×アフタ噴射量５[mm3/st]）/（メイン噴射量２０[mm3/st]＋アフタ噴射量５[mm3/st]）＝７[CA]となる。但し、上記算出例では、オフセット値Ａの加算を省略している。
　なお、上記数１の式及び図２では、メイン噴射及びアフタ噴射がそれぞれ１回ずつ行われる場合を例示した。しかし、本発明は、メイン噴射及びアフタ噴射を含めて筒内での燃焼に寄与する全ての噴射を有効噴射と定義した上で、１サイクル中に１回または複数回の有効噴射が実行される場合に適用されるものである。即ち、本発明は、メイン噴射及びアフタ噴射のそれぞれの有無及び噴射回数により限定されるものではなく、例えばメイン噴射を１回実行してアフタ噴射を実行しない場合や、メイン噴射の実行後に３回以上のアフタ噴射を実行する場合にも適用される。
　ここで、複数回の有効噴射が行われる場合について、平均噴射時期の算出方法を一般化して説明する。この場合には、まず、複数回の有効噴射を構成する個々の噴射毎に噴射時期と噴射量との乗算値を算出し、更に、全ての有効噴射の当該乗算値を合計した加重噴射時期を算出する。次に、全ての有効噴射の噴射量を合計した合計噴射量を算出し、この合計噴射量により前記加重噴射時期を除算して平均噴射時期を算出すればよい。なお、上述の加重噴射時期は、前記数１の式の分子に相当するものであり、合計噴射量は、数１の式の分母に相当するものである。また、１サイクル中に１回のみの有効噴射が行われる場合には、当該有効噴射の噴射時期がそのまま平均噴射時期として採用される。
　次に、本実施の形態によるＮＯｘ濃度の具体的な算出方法について説明する。ＮＯｘ濃度[ppm]は、吸気酸素濃度[wt%]のべき乗と、平均噴射時期[CA]のべき乗と、燃料噴射量[mm3/st]のべき乗と、回転数[rpm]のべき乗とからなる複数のパラメータに基いて、下記数２の式により算出される。この式の分子は、単位燃料当たりのＮＯｘ量[g/g]を意味しており、分母は、ＮＯｘ量[g/g]をＮＯｘ濃度[ppm]に換算するための除数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記数２の式において、燃料噴射量とは、全ての有効噴射の噴射量の合計値であり、図２に示す一例では、メイン噴射量とアフタ噴射量とを合計した値である。また、同式中の「１．５８７」はＮＯｘの質量を排気ガスの質量により除算して得られる質量比、ｅは自然対数の底をそれぞれ表している。一方、べき乗の指数Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、エンジンの機種や特性等に応じて設定される。次に、上記式中で用いられる補正後推定Ａ／Ｆと、吸気酸素濃度について説明する。
（補正後推定Ａ／Ｆの算出処理）
　補正後推定Ａ／Ｆは、後述する部品の特性ずれを補正した後の排気空燃比に相当するものである。補正後推定Ａ／Ｆは、現時点の新気量[g/s]及び燃料噴射量[g/s]と、現時点の運転領域に応じて学習マップから読出したＡ／Ｆ学習補正係数とに基いて、下記数３の式により算出される。この式において、燃料噴射量は、例えば全ての有効噴射の噴射量の合計値を単位換算したものを意味している。このように、補正後推定Ａ／Ｆは、補正前の推定空燃比（＝新気量／燃料噴射量）を、Ａ／Ｆ学習補正係数により除算して補正したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、Ａ／Ｆ学習補正係数は、前述の空燃比学習制御により設定される。空燃比学習制御では、まず、エアフローセンサ４２により検出された新気量[g/s]と、多段噴射制御により設定された燃料噴射量（有効噴射の噴射量）[g/s]とに基いて、下記数４の式により推定空燃比を算出する。次の処理では、下記数５の式により、空燃比センサ４６による実際の検出値と前記推定空燃比との比率を、Ａ／Ｆ学習補正係数として算出する。この算出処理は運転領域毎に実行され、各運転領域のＡ／Ｆ学習補正係数は、記憶回路６１の学習マップに記憶される。
［数４］
推定空燃比＝新気量／燃料噴射量
［数５］
Ａ／Ｆ学習補正係数＝推定空燃比／空燃比センサの実際の検出値
　エアフローセンサ４２の出力特性や燃料噴射弁１４の噴射特性は、量産ばらつき（部品の個体差）や経年変化等により変動し易い。このような部品の特性ずれは、推定空燃比を実際の空燃比から乖離させる誤差の発生原因となる。これに対し、推定空燃比の誤差は、前記数５の式に示すように、Ａ／Ｆ学習補正係数として取得されている。従って、前記数３の式により推定空燃比を補正すれば、部品の特性ずれに起因する推定空燃比の誤差を補正し、実際の排気空燃比とほぼ等しい補正後推定Ａ／Ｆを正確に算出することができる。なお、空燃比センサ４６の特性ずれは、エアフローセンサ４２及び燃料噴射弁１４の特性ずれと比較して極端に小さい。このため、空燃比センサ４６の検出値を利用して、エアフローセンサ４２及び燃料噴射弁１４の特性ずれを補正することができる。
（吸気酸素濃度の算出処理）
　次に、吸気酸素濃度の算出処理について説明する。吸気酸素濃度[wt%]は、補正後推定Ａ／Ｆと、前述のＥＧＲ制御により設定されるＥＧＲ率[%]とに基いて、下記数６の式により算出される。この式中において、「２３．２」は既知である空気中の酸素濃度、「１４．６」は理論空燃比を表している。また、ＥＧＲ率は、ＥＧＲ量／（筒内に流入する新気量＋ＥＧＲ量）として定義されるもので、例えば回転数、吸入空気量、ＥＧＲ弁３８の開度等に基いて算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　上記数６の式によれば、吸気酸素濃度についても、補正後推定Ａ／Ｆを用いて補正することができるので、前述した部品の特性ずれが生じている場合でも、吸気酸素濃度を正確に算出することができる。また、ＥＧＲ制御を実行している場合でも、その影響を吸気酸素濃度の算出値に正確に反映させることができる。これにより、ＮＯｘ濃度の算出精度を向上させることができる。なお、ＥＧＲ機構３４を搭載していない場合、及びＥＧＲ弁３８を閉弁した場合には、上記数６の式においてＥＧＲ率が０となるので、吸気酸素濃度は空気中の酸素濃度と等しくなる。従って、本実施の形態は、これらの場合にも適用されるものである。
［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
　次に、図６を参照して、上述した制御を実現するための具体的な処理について説明する。図６は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジンの運転中に繰り返し実行されるものとする。図６に示すルーチンでは、まず、ステップ１００において、各種のセンサ信号と、各種の制御により設定された設定値とを取得する。ここで、取得されるセンサ信号には、少なくとも、回転数、新気量、ＥＧＲ率、総燃料噴射量、メイン噴射量、メイン噴射時期、アフタ噴射量、アフタ噴射時期等が含まれる。
　次に、ステップ１０２では、現時点の運転領域に応じて学習マップを参照することにより、Ａ／Ｆ学習補正係数を取得する。続いて、ステップ１０４では、前記数３の式により補正後推定Ａ／Ｆを算出し、ステップ１０６では、前記数６の式により吸気酸素濃度を算出する。また、ステップ１０８では、前記数１の式により平均噴射時期を算出する。そして、ステップ１１０では、これらの算出結果に基いて、前記数２の式によりＮＯｘ濃度を算出する。
　次に、ステップ１１２，１１４では、還元剤添加制御を実行する。即ち、ステップ１１２では、ＮＯｘ濃度の算出値に基いて、ＮＯｘ還元触媒３０に添加すべき還元剤の添加量を算出する。この算出処理では、例えば還元剤の適切な添加量がＮＯｘ濃度毎に設定されたデータマップをＥＣＵ６０の記憶回路６１に予め記憶しておき、このデータマップに基いて添加量を設定すればよい。
　次に、ステップ１１４では、ポスト噴射を行うことにより、ステップ１１２で設定された量の還元剤（燃料）をＮＯｘ還元触媒３０に添加する。なお、本実施の形態では、上述のように、還元剤添加手段としてポスト噴射を用いる場合を例示したが、本発明はこれに限らず、還元剤添加手段として、例えば電磁式の還元剤添加弁を排気通路２６に設置し、この還元剤添加弁により触媒に還元剤を添加する構成としてもよい。そして、この場合には、還元剤として尿素水を用いてもよい。
　以上詳述した通り、本実施の形態によれば、有効噴射の噴射時期のべき乗と、吸気酸素濃度のべき乗とからなる少なくとも２つのパラメータに基いて、排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する構成としたので、ＮＯｘの生成量と高い相関がある有効噴射の噴射時期をＮＯｘ濃度の算出値に反映させることができる。これにより、エンジンの機差や運転状況等に影響されることなく、ＮＯｘ濃度を正確かつ安定的に算出し、当該算出値を用いる制御の精度を向上させることができる。従って、還元剤添加制御では、高価なＮＯｘセンサ等を使用しなくても、ＮＯｘ濃度に応じて適切な量の還元剤を添加し、排気エミッションや燃費を改善することができ、コストダウンも促進することができる。
　しかも、本実施の形態では、ＮＯｘの生成量に特に大きな影響を与えるメイン噴射及びアフタ噴射を有効噴射として扱うので、例えばポスト噴射の状態によりＮＯｘ濃度の算出値に誤差が生じるのを抑制することができる。また、複数回の有効噴射が行われる場合でも、個々の有効噴射毎に噴射時期を噴射量で重み付けすることにより、全ての有効噴射の噴射時期及び噴射量が反映された平均噴射時期を算出することができる。これにより、全ての有効噴射の噴射時期をＮＯｘ濃度の算出値に適切に反映させ、多段噴射時のＮＯｘ濃度を正確に算出することができる。さらに、本実施の形態では、有効噴射量のべき乗及び回転数のべき乗も濃度算出時のパラメータとして用いるので、噴射量及び回転数の変化をＮＯｘ濃度の算出値に適切に反映させ、算出精度を更に向上させることができる。
　また、本実施の形態では、空燃比学習制御により得られるＡ／Ｆ学習補正係数に基いて補正後推定Ａ／Ｆを算出し、補正後推定Ａ／Ｆに基いてＮＯｘ濃度を算出している。これにより、エアフローセンサ４２及び燃料噴射弁１４の特性ずれを補正後推定Ａ／Ｆにより吸収することができる。また、吸気酸素濃度の算出時にも、補正後推定Ａ／Ｆを用いたので、部品の特性ずれにより吸気酸素濃度に誤差が生じるのを抑制することができる。従って、エアフローセンサ４２及び燃料噴射弁１４の特性ずれに影響されることなく、ＮＯｘ濃度の算出精度を長期間にわたって良好に保持することができる。
　これに対し、従来技術では、燃料の噴射時期とＮＯｘ量との間に相関が存在することや、多段噴射のうち有効噴射のみがＮＯｘ量に影響を与えることが認識されていないので、多様な運転状態においてＮＯｘ量を常に正確に算出するのが困難である。また、従来技術では、ＮＯｘ量の算出処理において、センサ及びアクチュエータの特性ずれを吸収する処理が存在しないので、エンジンの機差や経年変化等によりＮＯｘ量の算出値に誤差が生じ易く、ＮＯｘ量を用いる制御の精度も低下し易い。本実施の形態によれば、このような従来技術の問題点を解決することができる。
　なお、前記実施の形態１では、図２が請求項１，２，１４における噴射制御手段及び多段噴射制御手段の具体例を示している。また、図６中のステップ１０４は、請求項１４における補正後推定Ａ／Ｆ算出手段の具体例を示し、ステップ１０６は、請求項１，６，７，１４における酸素濃度取得手段の具体例を示し、ステップ１１０は、請求項１，５，８～１２，１４におけるＮＯｘ量算出手段の具合例を示している。さらに、ステップ１０８は、請求項２，１４における平均算出手段の具体例を示し、ステップ１１２，１１４は、請求項１１における添加制御手段の具体例を示している。
　また、前記実施の形態１では、メイン噴射とアフタ噴射とを有効噴射として扱う場合を例示したが、本発明はこれに限らず、筒内での燃焼及びトルクの発生に若干寄与するパイロット噴射も有効噴射に含める構成としてもよい。この場合、平均噴射時期は、パイロット噴射の噴射時期及び噴射量であるパイロット噴射時期及びパイロット噴射量を用いて、下記数７の式により算出する。また、前記数２の式中の燃料噴射量には、パイロット噴射量も含める構成とすればよい。この構成によれば、パイロット噴射を有効噴射として扱った場合でも、、従来技術と比較してＮＯｘ濃度を正確に算出することができ、前記実施の形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　また、前記実施の形態１では、吸気酸素濃度のべき乗と、平均噴射時期のべき乗と、燃料噴射量のべき乗と、回転数のべき乗とを用いてＮＯｘ濃度を算出する場合を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、吸気酸素濃度のべき乗と、平均噴射時期のべき乗とからなる少なくとも２つのパラメータに基いて、下記数８の式によりＮＯｘ濃度を算出する構成としてもよい。この構成によっても、噴射時期の変化に応じてＮＯｘ濃度を正確に算出することができ、実施の形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、本発明では、前記数８の式に対して、燃料噴射量のべき乗と回転数のべき乗のうち何れか一方のパラメータのみを加えた式により、ＮＯｘ濃度を算出する構成としてもよい。即ち、前記数８の式の分子を、（e^B×吸気酸素濃度^C×平均噴射時期^D×燃料噴射量^E）に置換えるか、または、前記分子を（e^B×吸気酸素濃度^C×平均噴射時期^D×回転数^F）に置換えた式を用いて、ＮＯｘ濃度を算出する構成としてもよい。
　また、前記実施の形態１では、前記数２の式によりＮＯｘ濃度[ppm]を算出し、この算出結果を制御に用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、前記数２の式の分子だけを単位燃料当たりのＮＯｘ量[g/g]として算出し、このＮＯｘ量を制御に用いる構成としてもよい。
実施の形態２．
　次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、前記実施の形態１と同様の構成及び制御（図１，図６）において、ＮＯｘ量の算出に用いるべき乗の指数を運転領域毎に変更することを特徴としている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
［実施の形態２の特徴］
　前記実施の形態１では、数１，数２の式に含まれるオフセット値Ａ及びべき乗の指数Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを、エンジンの機種や特性等に応じて設定する場合を例示した。これに対し、本実施の形態では、これらの値Ａ～Ｆをエンジンの運転状態に応じて変更する構成としている。図７は、本発明の実施の形態２において、ＮＯｘ濃度の算出に用いられるべき乗の指数を運転領域毎に変更する制御を説明するための説明図である。この図では、エンジンの回転数と前述の吸気酸素濃度とに基いて定められる４個の運転領域（１）～（４）毎に、オフセット値Ａ及びべき乗の指数Ｂ～Ｆをそれぞれ変更する場合を例示している。なお、図２は、請求項１０における指数可変手段の具体例を示している。
　このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、ＮＯｘ濃度の算出に用いるオフセット値Ａ及びべき乗の指数Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを運転領域が変わる毎に適切に切換えることができる。従って、ＮＯｘ濃度の算出値を運転状態の変化にも適合させることができ、濃度の算出精度を更に向上させることができる。
　なお、前記実施の形態２では、エンジンの全運転領域を、回転数と前述の吸気酸素濃度とに基いて定められる４個の運転領域（１）～（４）に分割する場合を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、全運転領域を２個、３個あるいは５個以上の運転領域に分割し、個々の運転領域毎にオフセット値Ａ及びべき乗の指数Ｂ～Ｆを変更する構成としてもよい。また、運転領域を設定するためのパラメータは、回転数と吸気酸素濃度に限定されるものではなく、例えば吸入空気量、燃料噴射量、トルク等を含む任意のパラメータを必要に応じて用いることができる。
　また、本発明では、オフセット値Ａ及びべき乗の指数Ｂ～Ｆを必ずしも運転領域毎に変更する必要はなく、運転領域を設定しない構成としてもよい。即ち、本発明では、内燃機関の運転状態が反映される任意のパラメータ（回転数、吸入空気量、燃料噴射量、噴射時期、トルク等）に基いて、オフセット値Ａ及びべき乗の指数Ｂ～Ｆの全部または一部を徐々に増減させたり、これらの値Ａ～Ｆを段階的に切換える構成としてもよい。
実施の形態３．
　次に、図８及び図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態では、前記実施の形態１と同様の方法により算出したＮＯｘ量に基いて、ＮＯｘセンサの故障を検出することを特徴としている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
［実施の形態３の特徴］
　図８は、本発明の実施の形態３のシステム構成を説明するための全体構成図である。この図に示すように、本実施の形態のシステムは、実施の形態１とほぼ同様に構成されているものの、ＮＯｘセンサ５０を備えている。ＮＯｘセンサ５０は、ＮＯｘ還元触媒３０に流入する排気ガス中のＮＯｘ量を検出し、検出結果に対応した信号をＥＣＵ６０に出力するものである。
（ＮＯｘセンサの故障検出制御）
　本実施の形態では、図９に示すように、ＮＯｘセンサ５０の故障検出制御を実行する。図９は、本発明の実施の形態３において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジンの運転中に繰り返し実行されるものとする。図９に示すルーチンでは、まず、ステップ２００～２１０において、前記実施の形態１（図６）のステップ１００～１１０と同様の処理を実行し、排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。
　次に、ステップ２１２では、ＮＯｘセンサ５０の出力に基いて排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。そして、ステップ２１４では、ＮＯｘ濃度の算出値と、ＮＯｘセンサ５０によるＮＯｘ濃度の検出値との乖離度に基いて、ＮＯｘセンサ５０が故障しているか否かを判定する。ステップ２１４の判定が成立した場合、即ち、ＮＯｘ濃度の算出値と検出値との乖離度が正常時の乖離度に対応した許容範囲内に収まる場合には、ステップ２１６に移行し、ＮＯｘセンサ５０を正常と判定する。
　一方、ステップ２１４の判定が不成立の場合、即ち、ＮＯｘ濃度の算出値と検出値との乖離度が前記許容範囲から外れた場合には、ステップ２１８に移行し、ＮＯｘセンサ５０を故障と判定する。この場合には、例えばＭＩＬ等の警告灯を点灯してユーザに故障を報知し、ＮＯｘセンサ５０の部品交換を促す構成としてもよい。また、この場合には、ＮＯｘセンサ５０の出力を無視して、当該出力を用いる制御を故障モードで実行する構成としてもよい。
　なお、ステップ２１４では、例えばＮＯｘ濃度の算出値と検出値との差分を前記乖離度として算出し、この乖離度が前記許容範囲に対応する判定値を超えた場合に、センサの故障と判定してもよい。また、ステップ２１４では、ＮＯｘ濃度の算出値と検出値との比率（＝検出値／算出値）を前記乖離度として算出し、この乖離度が前記許容範囲から外れた場合には、例えばセンサ出力のゲインのずれ、オフセットのずれ、ゼロスタック等が原因で故障が生じたと判定してもよい。また、ステップ２１４では、ＮＯｘ濃度の算出値の変化速度と検出値の変化速度との比率を前記乖離度として算出し、この乖離度が前記許容範囲から外れた場合には、センサの応答性の悪化等により故障が生じたと判定してもよい。
　さらに、本実施の形態では、ＮＯｘ濃度の算出値と検出値との差分または比率が前記許容範囲内に収まるか否かを判定する第１の判定と、前記変化速度の比率が前記許容範囲内に収まるか否かを判定する第２の判定とを組合わせることにより、ステップ２１４の判定処理を構成してもよい。具体例を挙げると、ステップ２１４では、前記第１及び第２の判定のうち少なくとも一方の判定が成立した場合にセンサを正常と判定し、両方の判定が不成立の場合にセンサを故障と判定してもよい。
　このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、ＮＯｘ濃度の算出値を利用してＮＯｘセンサ５０の故障を検出することができる。これにより、故障検出用の特別な機構等を追加しなくても、センサの故障検出が可能となるので、コストアップを抑制しつつ、システムの信頼性を向上させることができる。なお、前記実施の形態３では、図９中のステップ２１４，２１６，２１８が請求項１２におけるセンサ故障検出手段の具体例を示している。
実施の形態４．
　次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態では、前記実施の形態１と同様の構成（図１）において、スロットル弁及びＥＧＲ弁の弁開度の変化により生じたＮＯｘ量の算出値の変化に基いて、前記２つの弁の故障を検出することを特徴としている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
［実施の形態４の特徴］
　本実施の形態では、図１０に示すように、スロットル弁２４及びＥＧＲ弁３８の故障検出制御を実行する。図１０は、本発明の実施の形態４において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジンの運転中に繰り返し実行されるものとする。図１０に示すルーチンでは、まず、ステップ３００において、スロットル弁２４及びＥＧＲ弁３８を予め設定された第１開度に駆動し、ステップ３０２では、第１開度における排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。ここで、スロットル弁２４の第１開度と、ＥＧＲ弁３８の第１開度とは異なる弁開度であってもよい。また、ステップ３０２では、前記実施の形態１（図６）のステップ１００～１１０と同様の処理によりＮＯｘ濃度を算出する。
　次に、ステップ３０４では、スロットル弁２４及びＥＧＲ弁３８を第２開度に駆動し、ステップ３０６では、前記ステップ３０２の場合と同様に、第２開度でのＮＯｘ濃度を算出する。ここで、第２開度は、前記第１開度と異なる弁開度に予め設定されている。また、スロットル弁２４の第２開度と、ＥＧＲ弁３８の第２開度とは異なる弁開度であってもよい。また、第１開度と第２開度とは、全閉及び全開を含む任意の弁開度に設定してよいが、両者の差分はＮＯｘ濃度が変化する程度に大きいことが好ましい。
　次に、ステップ３０８では、スロットル弁２４及びＥＧＲ弁３８の弁開度の変化により生じたＮＯｘ濃度の変化が正常な状態に対応した許容範囲内に収まるか否かを判定する。この判定が成立した場合、即ち、ＮＯｘ濃度の変化が許容範囲内に収まる場合には、弁開度の変化に応じてＮＯｘ濃度が正常に変化しているので、ステップ３１０に移行し、スロットル弁２４及びＥＧＲ弁３８を正常と判定する。
　一方、ステップ３０８の判定が不成立の場合、即ち、ＮＯｘ濃度の変化が前記許容範囲から外れた場合には、ステップ３１２に移行し、スロットル弁２４とＥＧＲ弁３８のうち少なくとも一方の弁が故障したと判定する。この場合には、前記実施の形態３の場合と同様に、警告灯の点灯、故障モードでの制御等を実行してもよい。
　なお、ステップ３０８では、「ＮＯｘ濃度の変化」として、第１開度でのＮＯｘ濃度と、第２開度でのＮＯｘ濃度との差分（変化量）を用いてもよいし、弁開度が第１開度から第２開度に変化するときのＮＯｘ濃度の変化速度を用いてもよい。具体的に述べると、ステップ３０８において、ＮＯｘ濃度の変化量が前記許容範囲から外れた場合には、例えばスロットル弁２４またはＥＧＲ弁３８の固着、作動範囲の異常、全閉時の漏れ等が原因で故障が生じたと判定してもよい。また、ステップ３０８において、ＮＯｘ濃度の変化速度が前記許容範囲から外れた場合には、スロットル弁２４またはＥＧＲ弁３８の応答性の悪化等により故障が生じたと判定してもよい。
　さらに、本実施の形態では、ＮＯｘ濃度の変化量が前記許容範囲内に収まるか否かを判定する第１の判定と、ＮＯｘ濃度の変化速度が前記許容範囲内に収まるか否かを判定する第２の判定とを組合わせることにより、ステップ３０８の判定処理を構成してもよい。具体例を挙げると、ステップ３０８では、前記第１及び第２の判定のうち少なくとも一方の判定が成立した場合に、スロットル弁２４及びＥＧＲ弁３８の両方を正常と判定し、第１及び第２の判定が何れも不成立の場合に、少なくとも一方の弁を故障と判定してもよい。
　このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、ＮＯｘ濃度の算出値を利用してスロットル弁２４及びＥＧＲ弁３８の故障を検出することができる。これにより、故障検出用の特別な機構等を追加しなくても、弁の故障検出が可能となるので、コストアップを抑制しつつ、システムの信頼性を向上させることができる。なお、前記実施の形態４では、図１０中のステップ３０８，３１０，３１２が請求項１３におけるバルブ故障検出手段の具体例を示している。
　なお、前記実施の形態１乃至４では、それぞれ個別の構成を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、実施の形態１の構成に対して、実施の形態２，３，４のうち複数の構成を組合わせることにより、1つの構成を実現してもよい。
１０　エンジン（内燃機関）
１２　燃焼室
１４　燃料噴射弁
１６　吸気バルブ
１８　排気バルブ
２０　吸気通路
２２　吸気マニホールド
２４　スロットル弁
２６　排気通路
２８　排気マニホールド
３０　ＮＯｘ還元触媒
３２　過給機
３４　ＥＧＲ機構
３６　ＥＧＲ配管
３８　ＥＧＲ弁
４０　クランク角センサ
４２　エアフローセンサ（新気量センサ）
４４　水温センサ
４６　空燃比センサ
４８　アクセル開度センサ
５０　ＮＯｘセンサ
６０　ＥＣＵ
６１　記憶回路（学習記憶手段）

Claims (14)

  1. 　内燃機関の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    　前記燃料噴射弁による燃料の噴射時期を設定する噴射制御手段と、
    　前記筒内に吸入されるガス中の酸素濃度を吸気酸素濃度として取得する酸素濃度取得手段と、
    　前記筒内での燃焼に寄与する燃料噴射である有効噴射の噴射時期のべき乗と、前記吸気酸素濃度のべき乗とからなる少なくとも２つのパラメータに基いて、排気ガス中のＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出手段と、
    　を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 　前記噴射制御手段は、１サイクル中に複数回の有効噴射を実行する構成とし、
    　個々の有効噴射毎に噴射時期と噴射量との乗算値を算出して全ての有効噴射の当該乗算値を合計した加重噴射時期を算出し、前記全ての有効噴射の噴射量を合計した合計噴射量により前記加重噴射時期を除算して平均噴射時期を算出する平均算出手段を備え、
    　前記ＮＯｘ量算出手段は、前記有効噴射の噴射時期のべき乗として前記平均噴射時期のべき乗を用いる構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 　前記有効噴射は、圧縮上死点を跨ぐ期間中または膨張行程中に燃料を噴射して当該燃料を前記筒内で燃焼させる燃料噴射である請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 　前記有効噴射は、圧縮上死点前に完了する燃料噴射も含む構成としてなる請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 　前記筒内に吸入される新気量を検出する新気量センサと、
    　排気空燃比を検出する空燃比センサと、
    　前記有効噴射の噴射量と前記新気量とに基いて算出された空燃比と前記空燃比センサの検出値との比率であるＡ／Ｆ学習補正係数を算出し、当該Ａ／Ｆ学習補正係数を運転領域毎に記憶する学習記憶手段と、を備え、
    　前記ＮＯｘ量算出手段は、現時点の運転領域に応じて前記学習記憶手段から読出した前記Ａ／Ｆ学習補正係数に基いて補正後推定Ａ／Ｆを算出し、前記少なくとも２つのパラメータと前記補正後推定Ａ／Ｆとに基いて前記ＮＯｘ量を算出する構成としてなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 　前記筒内に吸入される新気量を検出する新気量センサと、
    　排気空燃比を検出する空燃比センサと、
    　前記有効噴射の噴射量と前記新気量とに基いて算出された空燃比と前記空燃比センサの検出値との比率であるＡ／Ｆ学習補正係数を算出し、当該Ａ／Ｆ学習補正係数を運転領域毎に記憶する学習記憶手段と、を備え、
    　前記酸素濃度取得手段は、現時点の運転領域に応じて前記学習記憶手段から読出した前記Ａ／Ｆ学習補正係数を前記吸気酸素濃度の算出に用いる構成としてなる請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 　排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ機構を備え、
    　前記酸素濃度取得手段は、前記Ａ／Ｆ学習補正係数と、前記新気量及び前記有効噴射の噴射量と、前記ＥＧＲ機構により実現されるＥＧＲ率とに基いて前記吸気酸素濃度を算出する構成としてなる請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
  8. 　前記ＮＯｘ量算出手段は、前記有効噴射の噴射量のべき乗を前記パラメータに加えた複数のパラメータに基いて、前記ＮＯｘ量を算出する構成としてなる請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  9. 　前記ＮＯｘ量算出手段は、内燃機関の回転数のべき乗を前記パラメータに加えた複数のパラメータに基いて、前記ＮＯｘ量を算出する構成としてなる請求項１乃至８のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  10. 　内燃機関の運転状態に基いて前記パラメータのべき乗の指数を変更する指数可変手段を備え、
    　前記ＮＯｘ量算出手段は、前記指数可変手段により設定された前記指数を用いて前記ＮＯｘ量を算出する構成としてなる請求項１乃至９のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  11. 　排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒と、
    　前記ＮＯｘ還元触媒に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
    　前記ＮＯｘ量算出手段により算出された前記ＮＯｘ量に基いて前記還元剤の添加量を算出し、当該算出結果に基いて前記還元剤添加手段を作動させる添加制御手段と、
    　を備えてなる請求項１乃至１０のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  12. 　排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒と、
    　前記ＮＯｘ還元触媒に流入するＮＯｘ量を検出するＮＯｘセンサと、
    　前記ＮＯｘセンサによるＮＯｘ量の検出値と前記ＮＯｘ量算出手段により算出された前記ＮＯｘ量の算出値とに基いて、前記ＮＯｘセンサの故障を検出するセンサ故障検出手段と、
    　を備えてなる請求項１乃至１０のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  13. 　前記筒内に吸入される新気量を調整するスロットル弁と、
    　排気ガスを吸気系に還流させるためのＥＧＲ通路に設けられ、排気ガスの還流量を調整するＥＧＲ弁と、
    　前記スロットル弁及び前記ＥＧＲ弁の弁開度を変化させ、当該弁開度の変化により生じた前記ＮＯｘ量の算出値の変化に基いて前記スロットル弁及び前記ＥＧＲ弁の故障を検出するバルブ故障検出手段と、
    　を備えてなる請求項１乃至１２のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  14. 　前記筒内に吸入される新気量を検出する新気量センサと、
    　排気空燃比を検出する空燃比センサと、
    　排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ機構と、
    　前記噴射制御手段を含んで構成され、圧縮上死点を跨ぐ期間中または膨張行程中に燃料を噴射して当該燃料を前記筒内で燃焼させる有効噴射を１サイクル中に複数回実行する多段噴射制御手段と、
    　個々の有効噴射毎に噴射時期と噴射量との乗算値を算出して全ての有効噴射の当該乗算値を合計した加重噴射時期を算出し、前記全ての有効噴射の噴射量を合計した合計噴射量により前記加重噴射時期を除算して平均噴射時期を算出する平均算出手段と、
    　前記有効噴射の噴射量と前記新気量とに基いて算出された空燃比と前記空燃比センサの検出値との比率であるＡ／Ｆ学習補正係数を算出し、当該Ａ／Ｆ学習補正係数を運転領域毎に記憶する学習記憶手段と、
    　現時点の運転領域に応じて前記学習記憶手段から読出した前記Ａ／Ｆ学習補正係数と、現時点の前記新気量及び前記有効噴射の噴射量とに基いて補正後推定Ａ／Ｆを算出する補正後推定Ａ／Ｆ算出手段と、を備え、
    　前記酸素濃度取得手段は、前記補正後推定Ａ／Ｆと、前記ＥＧＲ機構により実現されるＥＧＲ率と、空気中の酸素濃度と、理論空燃比とに基いて前記吸気酸素濃度を算出し、
    　前記ＮＯｘ量算出手段は、前記吸気酸素濃度のべき乗と、前記平均噴射時期のべき乗と、前記有効噴射の噴射量を全て合計した合計値のべき乗と、内燃機関の回転数のべき乗とを乗算した分子を算出すると共に、現時点の運転領域に応じて前記学習記憶手段から読出した前記補正後推定Ａ／Ｆに基いて１０－６×１．５８７×（前記補正後推定Ａ／Ｆ＋1）の演算により分母を算出し、前記分子を前記分母で除算することにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
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