(57)【要約】【課題】過渡状態におけるＮＯｘ生成量の目標値からのずれを燃料噴射時期以外のパラメータによって調整することが可能な内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関１の運転条件に応じて定まるシリンダ壁温の基準値とそのシリンダ壁温の現在値との偏差に基づいて、吸気酸素濃度の目標値を制御する。その偏差に基づいて制御された吸気酸素濃度の目標値に従って、吸気酸素濃度に影響を与える機器としてのＥＧＲ弁１１の動作を制御することにより、壁温の偏差に対応したＮＯｘ生成量のずれを打ち消し、ＮＯｘ生成量をシリンダ壁温が基準値のときの生成量に維持する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダ壁温の現在値を特定する現在値特定手段と、
前記内燃機関の運転条件に応じて定まるシリンダ壁温の基準値と、前記現在値との偏差に基づいて、吸気酸素濃度の目標値を制御する目標値制御手段と、
前記偏差に基づいて制御された吸気酸素濃度の目標値に従って、吸気酸素濃度に影響を与える機器の動作を制御する吸気酸素濃度制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関の回転数と燃料噴射量とに基づいて前記基準値を特定する基準値特定手段を備えた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。
【請求項３】
前記目標値制御手段は、予め求められているシリンダ壁温とＮＯｘ生成量との対応関係に従って、前記シリンダ壁温の基準値と現在値との偏差に対応したＮＯｘ生成量の偏差を特定するとともに、予め求められている吸気酸素濃度とＮＯｘ生成量との対応関係に従って前記ＮＯｘ生成量の偏差を吸気酸素濃度の変化量に置き換えて前記吸気酸素濃度の前記目標値を制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記目標値制御手段は、予め求められている前記シリンダ壁温とＮＯｘ生成量との対応関係に従って、既定の吸気酸素濃度の目標値に対応するＮＯｘ生成量を特定し、その特定されたＮＯｘ生成量を前記ＮＯｘ生成量の偏差で補正してＮＯｘ生成量の目標値を特定するとともに、予め与えられている前記吸気酸素濃度とＮＯｘ生成量との対応関係に従って前記ＮＯｘ生成量の目標値に対応する吸気酸素濃度を新たな吸気酸素濃度の目標値として特定する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記吸気酸素濃度に影響を与える機器として、前記吸気酸素濃度制御手段はＥＧＲ量を調整するための弁手段の動作を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関が過渡状態のときに吸気酸素濃度を操作してＮＯｘ生成量を制御する内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のＮＯｘ生成量は燃料混合気の燃焼温度と密接に関係し、燃焼温度はシリンダ壁温の影響を受ける。従って、内燃機関の運転状態を制御するために操作される各種の運転パラメータ（例えば燃料の噴射時期、噴射圧、ＥＧＲ弁の開度、スロットル弁の開度等）が同一であっても、シリンダ壁温が異なればＮＯｘ生成量は変化する。そこで、特許第２９９０３６２号公報に開示された制御装置では、シリンダ壁温が所定の温度から高いほど燃料噴射タイミングを遅くしてＮＯｘ生成量を抑制している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関を開発して市場に送り出す際には、内燃機関の排気ガス、騒音、振動等の特性が各種の規制を満たすような内燃機関の制御則を特定することを目的として、適合と呼ばれる作業が行なわれる。一般に、適合作業は、内燃機関の回転数及び負荷（燃料噴射量、又はトルクで代替されることがある。）を特定の状態に固定し、その状態で排気ガス等の規制対象が所定の目標値を満足するような内燃機関の各種の運転パラメータの組み合わせを見つけ出すことにより行なわれる。適合作業において設定される機関回転数及び負荷が一定値に固定された状態を定常状態と言い、適合作業で得られた各種のパラメータの値を適合値と言う。適合作業は様々な機関回転数及び負荷に対して行なわれる。そして、一連の適合作業によって見出された各種のパラメータの適合値は、機関回転数及び機関負荷と対応付けた二次元マップ、あるいは演算式として制御装置のＲＯＭに記憶される。内燃機関が実際に運転される際には、それらのマップや演算式が参照されて各種のパラメータが機関回転数及び負荷に応じた値に制御される。
【０００４】
しかしながら、適合作業は内燃機関を定常状態という一種の理想的な状態で運転させて行なわれているので、実際の内燃機関の運転状態は適合時の状態からずれることがある。このような応答遅れに起因して内燃機関が適合時の状態からずれて運転されている状態は過渡状態と呼ばれる。過渡状態では、内燃機関の運転パラメータを適合値に設定しても内燃機関の運転状態が適合時の状態からずれているので、ＮＯｘの生成量が目標値からずれる。特に、シリンダ壁温のような温度については、燃料噴射量等の操作に対して応答が遅れるので適合時の基準値からのずれが生じ易く、ＮＯｘ生成量の制御に対してそのずれが与える影響は無視できない。
【０００５】
上述した特許第２９９０３６２号公報の制御装置において、適合時のシリンダ壁温を基準値とし、その基準値とシリンダ壁温の現在値との偏差に応じて燃料噴射時期を変化させたならば、過渡状態におけるＮＯｘ生成量の目標値からのずれを抑制することが可能である。しかし、燃料噴射時期が遅れ側に変化すると内燃機関の出力トルクが低下する。一般の内燃機関の制御装置では、そのトルク低下を補うべく吸入空気量及び燃料噴射量を増加させる制御が行なわれるので、燃料噴射時期を調整してＮＯｘ生成量を制御したならば、燃料噴射量が不必要に増加して燃料消費率が悪化する。
【０００６】
そこで、本発明は、過渡状態におけるＮＯｘ生成量の目標値からのずれを燃料噴射時期以外のパラメータによって調整することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関のシリンダ壁温の現在値を特定する現在値特定手段と、前記内燃機関の運転条件に応じて定まるシリンダ壁温の基準値と、前記現在値との偏差に基づいて、吸気酸素濃度の目標値を制御する目標値制御手段と、前記偏差に基づいて制御された吸気酸素濃度の目標値に従って、吸気酸素濃度に影響を与える機器の動作を制御する吸気酸素濃度制御手段と、を備えた内燃機関の制御装置により、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００８】
この発明によれば、吸気酸素濃度はＮＯｘ生成量に影響を与えるので、シリンダ壁温の基準値と現在値との偏差に応じて吸気酸素濃度の目標値を制御することにより、シリンダ壁温が基準値からずれた過渡状態においても、ＮＯｘ生成量を、シリンダ壁温が基準値に保持されているときの目標値に維持することができる。
【０００９】
本発明の内燃機関の制御装置において、シリンダ壁温の基準値は内燃機関の運転条件を規定する種々のパラメータと関連付けて定めてよい。例えば、本発明の制御装置は、内燃機関の回転数（回転速度）と燃料噴射量とに基づいて前記基準値を特定する基準値特定手段を備えてもよい（請求項２）。機関回転数及び燃料噴射量は、内燃機関において単位時間当たりに入力される熱エネルギーに相関するから、シリンダ壁温の基準値をこれらのパラメータと関連付けることによりシリンダ壁温の基準値を適切に変化させることができる。
【００１０】
また、本発明の制御装置において、前記目標値制御手段は、予め求められているシリンダ壁温とＮＯｘ生成量との対応関係に従って、前記シリンダ壁温の基準値と現在値との偏差に対応したＮＯｘ生成量の偏差を特定するとともに、予め求められている吸気酸素濃度とＮＯｘ生成量との対応関係に従って前記ＮＯｘ生成量の偏差を吸気酸素濃度の変化量に置き換えて前記吸気酸素濃度の前記目標値を制御してもよい（請求項３）。より詳しくは、前記目標値制御手段は、予め求められている前記シリンダ壁温とＮＯｘ生成量との対応関係に従って、既定の吸気酸素濃度の目標値に対応するＮＯｘ生成量を特定し、その特定されたＮＯｘ生成量を前記ＮＯｘ生成量の偏差で補正してＮＯｘ生成量の目標値を特定するとともに、予め与えられている前記吸気酸素濃度とＮＯｘ生成量との対応関係に従って前記ＮＯｘ生成量の目標値に対応する吸気酸素濃度を新たな吸気酸素濃度の目標値として特定してもよい（請求項４）。
【００１１】
このように、シリンダ壁温とＮＯｘ生成量との対応関係と、吸気酸素濃度とＮＯｘ生成量との対応関係とを予め求めておけば、シリンダ壁温の現在値と基準値との偏差を吸気酸素濃度の制御量に簡単に置き換えることができる。
【００１２】
なお、本発明において、前記吸気酸素濃度に影響を与える機器としては種々のものが考えられる。例えば、前記吸気酸素濃度制御手段はＥＧＲ量を調整するための弁手段の動作を制御してもよい（請求項５）。この場合には、ＥＧＲガスの吸気系への環流量を増減させて吸気酸素濃度を所望値に操作することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の制御装置及びそれによって制御される内燃機関の一実施形態を示している。内燃機関１は、例えば自動車に原動機として搭載される直列式の４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１の吸気通路２には、スロットルバルブ４の開度に応じた空気（一次空気）がエアフィルタ３を介して吸入され、その空気はインテークマニホールド５を介して各シリンダ６に取り込まれる。インテークマニホールド５には燃料を噴射するための燃料噴射弁７がシリンダ６毎に設けられている。なお、燃料噴射弁７はシリンダ６内に直接燃料を噴射するものでもよい。
【００１４】
シリンダ６内の燃焼によって生成される排気ガスは排気通路８を経て触媒９に導かれて浄化された後、不図示の消音器を経て大気へ排出される。触媒９はＨＣ、ＣＯを酸化する一方で、ＮＯｘを還元する周知の三元触媒である。排気通路８には、触媒９を通過した排気ガスをインテークマニホールド５に還流させるためのＥＧＲ通路１０が接続される。ＥＧＲ通路１０を通過する排気ガスの流量はＥＧＲ弁１１によって制御される。
【００１５】
吸気通路２には吸入空気流量に対応した信号を出力するエアフローメータ１２、吸気温度に対応した信号を出力する吸気温センサ１３、スロットルバルブ４の開度に対応した信号を出力するスロットル開度センサ１４が、排気通路８には排気ガス中のＮＯｘ量に対応した信号を出力するＮＯｘセンサ１５がそれぞれ設けられる。各センサ１２〜１５の出力信号は制御装置としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１６に導かれる。ＥＣＵ１６はマイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺回路を備えたコンピュータとして構成される。ＥＣＵ１６は各種のセンサの出力信号を参照して、内燃機関１の運転制御に必要な各種の演算処理及び各種の機器の動作制御を実行する。例えば、ＥＣＵ１６はエアフローメータ１２の出力信号を参照して所定の空燃比の混合気が形成されるように燃料噴射弁７の燃料噴射量を制御し、ＮＯｘセンサ１５の出力信号を参照してＥＧＲ弁１１の開度（デューティー比）を制御する。ＥＣＵ１６が参照するセンサとしては、上記のセンサ１２〜１５の他にも、内燃機関１の冷却水温度に対応した信号を出力する水温センサ、クランク軸の角度に対応した信号を出力するクランク角センサ等が存在するが、それらの図示は省略した。
【００１６】
ＥＣＵ１６は所定のプログラムを実行することにより、内燃機関１の吸気酸素濃度（吸気Ｏ２濃度と表記することがある。）を制御する装置として機能する。図２は吸気酸素濃度を制御するためにＥＣＵ１６内に構成される目標吸気酸素濃度取得モデルを示している。このモデルは、現在温度特定部２１と、基準温度特定部２２と、壁温−ＮＯｘ変換部２３と、ＮＯｘ生成量偏差算出部２４と、目標ＮＯｘ算出部２５と、酸素濃度（Ｏ２濃度）−ＮＯｘ変換部２６とを備えている。
【００１７】
現在温度特定部２１は内燃機関１の現在のシリンダ壁温Ｔｐを特定する。シリンダ壁温は、シリンダ壁温を検出するセンサの出力に基づいて特定してもよいし、シリンダ壁温と相関する物理量から推定してもよい。一方、基準温度特定部２２は、内燃機関１の機関回転数（回転速度）と燃料噴射量とを変数とする二次元マップからシリンダ壁温の基準温度Ｔｃを特定する。基準温度Ｔｃを特定するための二次元マップは適合作業によって与えられるものであり、ＥＣＵ１６のＲＯＭに予め記憶される。つまり、基準温度Ｔｃを特定するための二次元マップは、内燃機関１が定常状態で運転されているときのシリンダ壁温を機関回転数と燃料噴射量とに対応付けて特定したものである。
【００１８】
壁温−ＮＯｘ変換部２３は、予め実験的に求められているシリンダ壁温とＮＯｘ生成量との対応関係を記述したマップを保有し、そのマップに従ってシリンダ壁温Ｔｐ、ＴｃをＮＯｘ生成量のＮＯｘＡ、ＮＯｘＢにそれぞれ変換する（図３参照）。ＮＯｘ生成量偏差算出部２４は、変換されたＮＯｘ生成量ＮＯｘＡ、ＮＯｘＢの偏差ｄＮＯｘ（＝ＮＯｘＡ−ＮＯｘＢ）を算出する。目標ＮＯｘ算出部２５は酸素濃度−ＮＯｘ変換部２６から与えられる目標吸気酸素濃度に対応したＮＯｘ生成量ＮＯｘＣを偏差ｄＮＯｘで補正して目標ＮＯｘ生成量ＮＯｘＴ（＝ＮＯｘＣ−ｄＮＯｘ）を算出する。
【００１９】
酸素濃度−ＮＯｘ変換部２６は、予め実験的に求められている吸気酸素濃度とＮＯｘ生成量との対応関係を記述したマップを保有し、そのマップに従って目標吸気酸素濃度Ｌ１をＮＯｘ生成量ＮＯｘＣに変換するとともに、目標ＮＯｘ算出部２５から与えられる目標ＮＯｘ生成量ＮＯｘＴを吸気酸素濃度Ｌ２に変換する（図４参照）。この酸素濃度−ＮＯｘ変換部２６にて特定される目標ＮＯｘ生成量ＮＯｘＴに対応した吸気酸素濃度Ｌ２が、シリンダ壁温の基準温度Ｔｃと現在温度Ｔｐとの偏差ｄＮＯｘに応じて補正された吸気酸素濃度に相当する。なお、酸素濃度−ＮＯｘ変換部２６のマップは、シリンダ壁温を定常時の温度に設定したときの吸気酸素濃度とＮＯｘ生成量との対応関係を示している。各変換部２３，２６のマップは、いずれもＥＣＵ１６のＲＯＭに予め記憶されている。
【００２０】
図５は上述したモデルが実装されたＥＣＵ１６が吸気酸素濃度の目標値を取得するために適当な周期で実行する目標吸気酸素濃度取得ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンにおいて、ＥＣＵ１６はステップＳ１で現在の壁面温度Ｔｐを取得し、ステップＳ２でその壁面温度Ｔｐに対応するＮＯｘ生成量ＮＯｘＡを壁温−ＮＯｘ変換部２３のマップに従って取得する。続くステップＳ３ではシリンダ壁面の基準温度Ｔｃを取得し、ステップＳ４ではその基準温度Ｔｃに対応するＮＯｘ生成量ＮＯｘＢを壁温−ＮＯｘ変換部２３のマップに従って取得する。
【００２１】
次に、ＥＣＵ１６は目標吸気酸素濃度Ｌ１を取得する。ここで取得する目標吸気酸素濃度Ｌ１は、内燃機関１を所定の運転状態に維持するためにＥＣＵ１６が各種の運転パラメータを参照して決定した値である。目標吸気酸素濃度Ｌ１の取得後はステップＳ６へ進み、取得した目標吸気酸素濃度Ｌ１に対応するＮＯｘ生成量ＮＯｘＣを酸素濃度−ＮＯｘ変換部２６のマップに従って取得する。次のステップＳ７では、現在のシリンダ壁温Ｔｐに対応したＮＯｘ生成量ＮＯｘＡから、基準温度Ｔｃに対応したＮＯｘ生成量ＮＯｘＢを減算してＮＯｘ生成量の偏差ｄＮＯｘを取得する。偏差ｄＮＯｘは、シリンダ壁面についての現在温度Ｔｐと基準温度Ｔｃとの偏差に対応したＮＯｘ生成量のずれに相当する。従って、シリンダ壁温Ｔｐが基準温度Ｔｃからずれている過渡状態であっても、ＮＯｘ生成量を定常運転時の値（つまり、基準温度Ｔｃに対応した生成量）に正しく制御するためには、偏差ｄＮＯｘに対応する量だけＮＯｘ生成量が増加又は減少するように吸気酸素濃度を調整すればよい。
【００２２】
そこで、ステップＳ８において目標吸気酸素濃度Ｌ１に対応するＮＯｘ生成量ＮＯｘＣから偏差ｄＮＯｘを減算して目標ＮＯｘ生成量ＮＯｘＴを取得し、続くステップＳ９にて目標ＮＯｘ生成量ＮＯｘＴに対応する吸気酸素濃度Ｌ２を酸素濃度−ＮＯｘ変換部２６のマップに従って取得する。これにより図５の処理を終える。
【００２３】
以上のようにして得られた吸気酸素濃度Ｌ２は、ステップＳ５で取得した吸気酸素濃度Ｌ１を、ＮＯｘ生成量の偏差ｄＮＯｘに相当する量だけ修正した値に相当する。従って、ＥＣＵ１６は、ステップＳ９で得られた吸気酸素濃度Ｌ２を最終的な吸気酸素濃度の目標値として設定し、その吸気酸素濃度Ｌ２に対応したＥＧＲ率が実現されるようにＥＧＲ弁１１のデューティー比を制御する。これにより、シリンダ壁面温度が基準温度からずれている過渡状態において、シリンダ壁温の基準温度からの偏差に応じて発生するＮＯｘ生成量のずれを打ち消すように吸気酸素濃度が調整され、ＮＯｘ生成量は定常状態の値、つまり、シリンダ壁温が内燃機関１の運転条件に応じて与えられる基準温度Ｔｃに保持されているときのＮＯｘ生成量に維持される。
【００２４】
以上の実施形態では、図２の目標吸気酸素濃度取得モデルにおける現在値特定部２１が現在値特定手段に、壁温−ＮＯｘ変換部２３、ＮＯｘ生成量偏差算出部２４、目標ＮＯｘ特定部２５及び酸素濃度−ＮＯｘ変換部２６の組み合わせが目標値制御手段に、基準温度特定部２２が基準値特定手段にそれぞれ相当する。また、特定された吸気酸素濃度の目標値に基づいてＥＧＲ弁１１のデューティー比を制御するＥＣＵ１６が吸気酸素濃度制御手段に相当し、ＥＧＲ弁１１が吸気酸素濃度に影響を与える機器としての弁手段に相当する。
【００２５】
但し、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、図２の壁温−ＮＯｘ変換部２３のマップをシリンダ壁温の変化量とＮＯｘ生成量の変化量とを対応付けたマップに変更して、シリンダ壁温の偏差（Ｔｐ−Ｔｃ）に対応する偏差ｄＮＯｘをマップから取得してもよい。また、酸素濃度−ＮＯｘ変換部２６のマップを、吸気酸素濃度の変化量とＮＯｘ生成量の変化量とを対応付けたマップに変更して、偏差ｄＮＯｘに対応する吸気酸素濃度の変化量を特定し、その特定された変化量を既定の吸気酸素濃度の目標値Ｌ１に対して加算又は減算して吸気酸素濃度の目標値Ｌ２を取得してもよい。
【００２６】
上記の実施形態ではシリンダ壁温の現在値Ｔｐが基準温度Ｔｃよりも低い場合には、現在温度Ｔｐに対応するＮＯｘ生成量ＮＯｘＡよりも基準温度Ｔｃに対応するＮＯｘ生成量ＮＯｘＢが大きいので、吸気酸素濃度Ｌ１はＮＯｘ生成量を増加させる方向に修正される。このような状態は例えば車両の加速時に見られる。ＮＯｘ生成量を適合時の状態に維持する観点からは、たとえＮＯｘ生成量を増加させる方向の制御であってもこれを実行することが好ましい。しかし、ＮＯｘ生成量の絶対的な排出量を減らすことを優先する場合には、ＮＯｘ生成量が減少する方向にのみ本発明の目標値の制御が行われるように制限を設けてもよい。この場合には、例えば図５のステップＳ７において偏差ｄＮＯｘが負の値であったときにステップＳ８及びＳ９をスキップして目標吸気酸素濃度Ｌ１をそのまま目標値として使用すればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、シリンダ壁温の基準値と現在値との偏差に応じて吸気酸素濃度の目標値を制御することにより、シリンダ壁温が基準値からずれた過渡状態においても、ＮＯｘ生成量をシリンダ壁温が基準値に保持されているときの目標値に維持することができる。しかも、吸気酸素濃度の操作によってＮＯｘ生成量を制御しているので、燃料噴射時期を遅らせる場合のようなトルク低下は発生せず、燃料消費率が低下するおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の制御装置の一実施形態を示す図。
【図２】図１のＥＣＵに組み込まれる目標吸気酸素濃度取得モデルの機能ブロック図。
【図３】図２の壁温−ＮＯｘ変換部において行なわれるマップを示す図。
【図４】図２の酸素濃度−ＮＯｘ変換部において行なわれるマップを示す図。
【図５】図２のＥＣＵが実行する目標吸気酸素濃度取得ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１　内燃機関
６　シリンダ
７　燃料噴射弁
１１　ＥＧＲ弁（弁手段）
１６　エンジンコントロールユニット（吸気酸素濃度制御手段）
２１　現在温度特定部（現在値特定手段）
２２　基準温度特定部
２３　壁温−ＮＯｘ変換部（目標値制御手段）
２４　ＮＯｘ生成量偏差算出部（目標値制御手段）
２５　目標ＮＯｘ算出部（目標値制御手段）
２６　酸素濃度−ＮＯｘ変換部（目標値制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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