(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の制御装置であって、
機関吸気組成に関する情報を検出する吸気組成検出手段と、機関筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記検出した吸気組成情報と機関筒内圧とに基づいて、機関燃焼時のＮＯX生成量を推定するＮＯX生成量推定手段と、
機関運転状態に基づいて、ＮＯX生成量目標値を設定するＮＯX目標値設定手段と、
前記ＮＯX生成量推定手段の推定したＮＯX生成量推定値と前記ＮＯX目標値設定手段の設定したＮＯX生成量目標値との偏差を、ＮＯX生成量を前記ＮＯX生成量目標値に合致させるために必要な吸気酸素濃度の目標値と現在の実際の吸気酸素濃度との偏差に換算する酸素濃度偏差算出手段と、
前記酸素濃度偏差算出手段により算出された酸素濃度偏差がゼロになるように、機関吸気酸素濃度に影響を与える機関吸気系の制御要素を制御する制御手段と、
機関運転状態に基づいて定まる、少なくとも燃料噴射時期を含む燃料噴射パラメータに基づいて気筒内燃料分布に関する情報を生成する燃料分布情報生成手段を備え、
前記ＮＯX生成量推定手段は前記吸気組成情報と前記燃料分布情報とに基づいて前記燃焼時の混合気濃度を算出するとともに、筒内圧及びその燃焼サイクルにおける変化特性に基づいて熱発生率を算出し、算出した燃焼時の混合気濃度と熱発生率とに基づいて機関燃焼時のＮＯX生成量を推定する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記酸素濃度偏差と現在の吸気酸素濃度とに基づいて吸気酸素濃度目標値を算出するとともに、該吸気酸素濃度目標値に応じて定まる設定値に前記機関吸気系の制御要素を制御する、オープンループ制御を行う、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記酸素濃度偏差がゼロになるように、前記機関吸気系の制御要素をフィードバック制御する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
更に、前記燃料噴射パラメータを、少なくとも運転者のアクセル操作量を含む現在の機関運転状態から推定される機関運転者の機関出力トルク要求に基づいて算出する燃料噴射パラメータ設定手段を備えた、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記燃料噴射パラメータ設定手段は、前記機関出力トルク要求に基づいて算出された燃料噴射パラメータを、前記ＮＯX生成量推定値とＮＯX生成量目標値との偏差に基づいて修正する修正手段を備えた、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記吸気組成検出手段は、少なくとも機関吸気中の酸素濃度を検出する吸気酸素濃度センサを備えた、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記機関吸気酸素濃度に影響を与える機関吸気系の制御要素は少なくとも、吸気への排気再循環量を制御するＥＧＲ装置と、機関の過給圧を制御する過給制御装置と、機関吸入空気量を制御するスロットル装置とのうち少なくとも１つを含む、請求項１から請求項６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、内燃機関の制御装置に関し、詳細には機関で生成されるＮＯX量を正確に管理することが可能な内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室で生成されるＮＯXを低減するために、機関の燃焼状態を制御する試みが従来からなされている。ＮＯXの生成量を低減するためには、例えば機関の排気の一部を吸気に循環させるＥＧＲ等により機関の燃焼温度を低下させることが有効であるが、機関のＮＯX生成量と機関出力、燃費との間には一種のトレードオフがあり、全部を最適の状態にすることは困難な問題がある。
このため、機関のＮＯX生成量を機関出力、燃費とを考慮した上でできるだけ低減できるように、機関運転状態を最適化することが必要となる。
【０００３】
このように、機関出力と燃費とを考慮してＮＯX生成量を適正化しようとした内燃機関の制御装置の例としては、例えば特開平１１−２３６８３３号公報に記載されたものがある。
同公報の装置は、機関吸気ポートに燃料を噴射して予混合気の形で気筒内に燃料を供給する圧縮着火機関において、負荷状態、機関筒内圧力、排気空燃比などの機関運転パラメータに基づいて、機関吸排気弁の開閉タイミング、ＥＧＲ量等の制御パラメータを調節することにより燃焼室内における燃焼時期と混合気濃度、筒内圧力の変化を制御するようにしている。同公報の装置は、このように機関運転状態に応じて機関制御パラメータを精密に制御することにより、機関排気性状、特にＮＯX生成量の低減と機関運転状態に最適な機関出力の確保との両立を図ったものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平１１−２３６８３３号公報の装置は、負荷状態、機関筒内圧力、排気空燃比などの機関運転パラメータに基づいて機関制御パラメータを精密に制御しているものの、燃焼におけるＮＯX生成量そのものを直接管理しているわけではなく、排気中のＮＯXが低減されているという保証もない。また、前述したように、ＮＯXの生成量と機関出力、燃費との間にはトレードオフの関係があるが、上記公報の装置ではＮＯX生成量、機関出力、燃費のいずれをも直接管理していないため、実際の運転でこれらの一つが変化するとＮＯX生成量は目標値から外れてしまうことになり、ＮＯX生成量を正確に管理することはできない。
本発明は上記の問題に鑑み、機関におけるＮＯX生成量を正確に管理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している。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の制御装置であって、機関吸気組成に関する情報を検出する吸気組成検出手段と、機関筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、前記検出した吸気組成情報と機関筒内圧とに基づいて、機関燃焼時のＮＯX生成量を推定するＮＯX生成量推定手段と、機関運転状態に基づいて、ＮＯX生成量目標値を設定するＮＯX目標値設定手段と、前記ＮＯX生成量推定手段の推定したＮＯX生成量推定値と前記ＮＯX目標値設定手段の設定したＮＯX生成量目標値との偏差を、ＮＯX生成量を前記ＮＯX生成量目標値に合致させるために必要な吸気酸素濃度の目標値と現在の実際の吸気酸素濃度との偏差に換算する酸素濃度偏差算出手段と、前記酸素濃度偏差算出手段により算出された酸素濃度偏差がゼロになるように、機関吸気酸素濃度に影響を与える機関吸気系の制御要素を制御する制御手段と、機関運転状態に基づいて定まる、少なくとも燃料噴射時期を含む燃料噴射パラメータに基づいて気筒内燃料分布に関する情報を生成する燃料分布情報生成手段を備え、前記ＮＯX生成量推定手段は前記吸気組成情報と前記燃料分布情報とに基づいて前記燃焼時の混合気濃度を算出するとともに、筒内圧及びその燃焼サイクルにおける変化特性に基づいて熱発生率を算出し、算出した燃焼時の混合気濃度と熱発生率とに基づいて機関燃焼時のＮＯX生成量を推定する、内燃機関の制御装置が提供される。
【０００６】
すなわち、請求項１の発明では機関吸気組成情報（例えば吸気酸素濃度等）と筒内圧とに基づいて機関で生成されるＮＯX量が推定される。更に、機関運転状態に基づいて、例えば機関出力と燃費とが悪化しない範囲で最小のＮＯX量としてＮＯX生成量目標値が設定される。更に、この目標値と推定値との偏差が吸気酸素濃度偏差に換算されて、偏差がゼロになるように吸気系の制御要素（例えば、スロットル弁、ＥＧＲ装置、過給機など）が制御される。これにより機関におけるＮＯXの生成量が機関運転状態に応じた目標値に制御され、機関のＮＯX発生量が正確に管理されるようになる。
本発明では、吸気組成情報に基づいて算出された燃焼時の混合気濃度と、機関筒内圧に基づいて算出された燃焼時の気筒内熱発生率とに基づいてＮＯX生成量が推定されるが、この、ＮＯX生成量の推定には、例えば拡大ゼルドビッチ（ＺＥＬＤＯＶＩＣＨ）機構などの燃焼モデルを使用することができる。
また、本発明では、燃焼時の混合気濃度の算出の際に、機関運転状態に基づいて定まる、例えば燃料噴射時期、燃料噴射量などの燃料噴射パラメータに基づいて生成された気筒内燃料分布情報が用いられる。気筒内燃料分布情報は、予め仮定した一定の燃料分布を使用して吸気組成情報と筒内圧とに基づいて算出することも可能であるが、実際の機関運転状態に応じて定まる燃料分布情報を用いて、吸気組成情報と筒内圧とに基づいて混合気濃度を算出することにより、より正確にＮＯX生成量を好推定することが可能となり、より正確にＮＯX生成量を管理することが可能となる。
【０００７】
請求項２に記載の発明によれば、前記制御手段は、前記酸素濃度偏差と現在の吸気酸素濃度とに基づいて吸気酸素濃度目標値を算出するとともに、該吸気酸素濃度目標値に応じて定まる設定値に前記機関吸気系の制御要素を制御する、オープンループ制御を行う、請求項１に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【０００８】
すなわち、請求項２の発明では、酸素濃度偏差と現在の吸気酸素濃度とから吸気酸素濃度目標値が算出され、制御要素は算出された目標値に応じて定められる値に制御される。これにより、短時間で吸気酸素濃度が目標値に調整され、酸素濃度偏差がゼロに制御される。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、前記制御手段は、前記酸素濃度偏差がゼロになるように、前記機関吸気系の制御要素をフィードバック制御する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【００１０】
すなわち、請求項３の発明では、酸素濃度偏差が算出されると、この酸素濃度偏差がゼロになるように吸気系の制御要素がフィードバック制御されるため、最終的に正確に酸素濃度偏差がゼロに収束する。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、更に、前記燃料噴射パラメータを、少なくとも運転者のアクセル操作量を含む現在の機関運転状態から推定される機関運転者の機関出力トルク要求に基づいて算出する燃料噴射パラメータ設定手段を備えた、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【００１６】
すなわち、請求項４の発明では、運転者の機関出力トルク要求に基づいて燃料噴射パラメータが定められる。これにより、機関の出力トルク要求をパラメータとして機関を制御するいわゆるトルクデマンド制御を行う機関においても正確にＮＯX生成量を管理することが可能となる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、前記燃料噴射パラメータ設定手段は、前記機関出力トルク要求に基づいて算出された燃料噴射パラメータを、前記ＮＯX生成量推定値とＮＯX生成量目標値との偏差に基づいて修正する修正手段を備えた、請求項４に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項５の発明では、ＮＯX生成量推定値とＮＯX生成量目標値との偏差に基づいて、運転者の機関出力トルク要求から定まる燃料噴射パラメータが修正されるため、運転者の出力トルク要求をできるだけ満たしながらＮＯX生成量を目標値に近づける、いわゆる機関出力とＮＯX生成量との協調制御を行うことが可能となる。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、前記吸気組成検出手段は、少なくとも機関吸気中の酸素濃度を検出する吸気酸素濃度センサを備えた、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項６の発明では、吸気組成検出手段として少なくとも吸気酸素濃度センサが用いられる。吸気酸素濃度は、ＮＯXの生成量と強い相関があるため、吸気酸素濃度情報に基づいてＮＯX生成量を推定することにより、正確なＮＯX生成量の推定が可能となる。
【００２１】
請求項７に記載の発明によれば、前記機関吸気酸素濃度に影響を与える機関吸気系の制御要素は少なくとも、吸気への排気再循環量を制御するＥＧＲ装置と、機関の過給圧を制御する過給制御装置と、機関吸入空気量を制御するスロットル装置とのうち少なくとも１つを含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【００２２】
すなわち、請求項７の発明では、機関吸気系の制御要素として、少なくともＥＧＲ装置、過給圧制御装置、スロットル装置の少なくとも１つが用いられるため、吸気酸素濃度が高い応答性で制御される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用ディーゼルエンジンに適用した実施形態の概略構成を説明する図である。
図１において、１はディーゼルエンジン本体、２はエンジン１の吸気通路、２０は吸気通路２に設けられたサージタンク、２１はサージタンク２０と各気筒の吸気ポートとを接続する吸気枝管である。本実施形態では、吸気通路２には吸気通路２を流れる吸入空気の流量を絞るスロットル弁２７、および吸気を冷却するインタクーラ２６が設けられている。スロットル弁２７はソレノイド、バキュームアクチュエータ等の適宜な形式のアクチュエータ２７ａを備え、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０からの制御信号に応じた開度をとる。
【００２４】
吸気通路２に流入した大気は、排気過給機（ターボチャージャ）３５の圧縮機により昇圧され、吸気通路２に設けたインタクーラ２６により冷却された後サージタンク２０、枝管２１を経て各気筒に吸入される。
図１に１１１で示すのは、各気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁である。燃料噴射弁１１１は、高圧燃料を貯留する共通の蓄圧室（コモンレール）１１５に接続されている。機関１の燃料は高圧燃料ポンプ１１３により昇圧されてコモンレール１１５に供給され、コモンレール１１５から各燃料噴射弁１１１を介して直接各気筒内に噴射される。
【００２５】
更に、本実施形態では機関１の気筒には筒内圧力を検出する筒内圧センサ１１０が設けられている。筒内圧センサは、本実施形態では機関の気筒の１つ（例えば第１シリンダ）に設けられており、この筒内圧センサ１１０で検出した筒内圧を機関の全気筒の筒内圧の代表値として使用するが、各気筒に筒内圧センサを設けてそれぞれの気筒の筒内圧を個別に検出するようにしてもよい。
【００２６】
また、図１に３１で示すのは各気筒の排気ポートと排気通路３とを接続する排気マニホルド、３５で示すのはターボチャージャである。ターボチャージャ３５は排気通路３の排気により駆動される排気タービンと、この排気タービンにより駆動される吸気圧縮機とを備えている。本実施形態では、ターボチャージャ３５は、圧縮機入口に可動ガイドベーンを備えた、いわゆるＶＧＴ（バリアブルジオメトリーターボチャージャー）とされている。ＶＧＴでは、可動ガイドベーンの角度を変えて吸気圧縮機のインペラへの吸気流入角度を変えることにより、圧縮機の回転数が一定の状態でも吸気圧縮機での圧縮比を変えることが可能となる。
【００２７】
このため、本実施形態では、ターボチャージャ３５の回転数により吸気圧縮機（過給圧）を制御する場合に較べて過給圧を応答性良好に変化させることが可能となっている。
更に、本実施形態ではエンジン排気の一部を吸気系に循環させるＥＧＲ装置が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気マニホルド３１と吸気サージタンク２０とを連通するＥＧＲ通路３３、およびＥＧＲ通路３３上に配置されたＥＧＲ弁２３、およびＥＧＲ弁２３上流側のＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラ４５を備えている。ＥＧＲ弁２３は図示しないステッパモータ、ソレノイドアクチュエータ等のアクチュエータを備え、ＥＣＵ３０からの制御信号に応じた開度をとり、ＥＧＲ通路３３を通って吸気サージタンク２０に流入するＥＧＲガス流量を制御する。
【００２８】
また、本実施形態では、機関１のサージタンク２０には機関吸気中の酸素濃度を検出する吸気酸素濃度センサ２５が配置されている。機関吸気中の酸素濃度はＥＧＲ装置により吸気系に供給される排気流量により変化する。吸気酸素濃度センサ２５は、機関運転中に気筒内に供給される吸気中の実際の酸素濃度を検出するものである。後述するように、ＥＣＵ３０は、吸気酸素濃度センサ２５の出力と、筒内圧センサ１１０出力とに基づいて機関の燃焼により生成されるＮＯX量を推定する。
【００２９】
図１に３０で示すのは、エンジン１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。本実施形態のＥＣＵ３０は、公知の構成のマイクロコンピュータとして構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入力ポート、出力ポートを双方向性バスで相互に接続した構成とされている。ＥＣＵ３０はエンジン１の燃料噴射制御、回転数制御等の基本制御を行うほか、本実施形態では後述するように、筒内圧センサ１１０で検出した気筒筒内圧と、吸気酸素濃度センサ２５で検出した吸気酸素濃度とに基づいて機関の燃焼によるＮＯX生成量を推定するＮＯX生成量推定手段、機関運転状態に基づいて、ＮＯX生成量目標値を設定するＮＯX目標値設定手段、推定されたＮＯX生成量を前記ＮＯX生成量目標値との偏差を吸気酸素濃度と目標酸素濃度との偏差に換算する酸素濃度偏差算出手段及び、この酸素濃度偏差がゼロになるように、ＥＧＲ弁２３、スロットル弁２７、ＶＧＴ３５を制御する制御手段などの各手段として機能している。
【００３０】
これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、筒内圧センサ１１０と吸気酸素濃度センサ２５の出力が入力されている他、エンジン１のクランク軸近傍に配置された回転数センサ５５とエンジンアクセルペダル近傍に配置されたアクセル開度センサ５７とから、それぞれエンジン回転数に対応する信号と運転者のアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）に対応する信号とが入力されている。更に、ＥＣＵ３０の入力ポートには、上記各センサ出力以外に、車両変速機のシフトポジション、ステアリング角（舵角）、過給圧、冷却水温度等の他の運転状態を表す信号が、それぞれ対応するセンサから入力されている。
【００３１】
ＥＣＵ３０の出力ポートは、図示しない燃料噴射回路を介してエンジン１の燃料噴射弁１１１に接続され、燃料噴射弁１１１からの燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御している。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは図示しない駆動回路を介してそれぞれＥＧＲ弁２３、スロットル弁２７およびＶＧＴ３５の可動ガイドベーンのアクチュエータに接続され、ＥＧＲ弁２３とスロットル弁２７の開度及びＶＧＴ３５の可動ガイドベーン作動量を制御している。
【００３２】
次に、本実施形態におけるＮＯX生成量の目標値への制御について説明する。後述するように、本実施形態では機関のＮＯX生成量を推定し、この推定ＮＯX生成量がＮＯX生成量目標値に等しくなるようにＮＯX生成量を制御する。従って、以下の説明ではＮＯX生成量の目標値への制御を「ＮＯXフィードバック制御」と呼ぶ。
【００３３】
まず、本実施形態のＮＯX生成量の推定について説明する。本実施形態では、燃焼におけるＮＯX生成量の推定に、例えば、拡大ゼルドビッチ（ＺＥＬＤＯＶＩＣＨ）機構等の公知の燃焼モデルを使用する。燃焼におけるＮＯXの生成量は、一般に燃焼温度と混合気濃度との関数になる。拡大ゼルドビッチ機構等の燃焼モデルは、燃焼温度と混合気濃度とを入力することにより燃焼により生成するＮＯX濃度を算出するものである。
従って、拡大ゼルドビッチ機構等の燃焼モデルを用いてＮＯX生成量（濃度）を推定するためには、燃焼における燃焼温度と混合気濃度とを知る必要がある。
【００３４】
本実施形態では、筒内圧センサ１１０で検出した１燃焼サイクルにおける気筒内の圧力変化と吸気酸素濃度センサ２５で検出した吸気中の酸素濃度、及び燃焼室内の燃料分布とに基づいて、燃焼温度と混合気濃度とを算出している。
すなわち、筒内圧力、及びその燃焼サイクルにおける変化特性が判ると、これらから気筒内の燃焼サイクルにおける熱発生率が求められる。熱発生率は燃焼サイクルのどのタイミングでどの程度の割合の燃焼が生じているかを表している。従って、熱発生率と燃焼時の混合気組成（酸素濃度）とを用いて燃焼温度を求めることができる。
【００３５】
一方、混合気濃度は、吸気中の酸素濃度と筒内に噴射された燃料の分布とから算出することができる。また、筒内燃料分布は燃料噴射時期と噴射量などの燃料噴射パラメータ、及び燃料噴射弁の設計諸元（噴射パターン等）とにより定まる。
従って、入力情報として筒内圧センサで検出した筒内圧と酸素濃度センサで検出した吸気酸素濃度、及び燃料噴射パラメータを用いることにより、拡大ゼルドビッチ機構等の燃焼モデルに基づいてＮＯX生成量（またはＮＯX濃度）を推定することが可能となる。
【００３６】
本実施形態では、上記により算出されたＮＯX生成量推定値が機関の運転状態から決定されるＮＯX生成量の目標値に等しくなるようにＮＯX生成量をフィードバック制御する。ここで、ＮＯX生成量の目標値は、現在の機関運転状態において燃費と出力トルクとが悪化しない範囲での最低のＮＯX量（下限値）として設定されている。
一般にＮＯX生成量の変化量と吸気酸素濃度の変化量との間には相関関係があることが知られている。このため、上記により求められた現在のＮＯX生成量（推定値）と機関運転状態に基づいて定められた目標ＮＯX生成量との偏差に基づいて、上記相関関係を用いることにより、現在の吸気酸素濃度をどれだけ変化させればＮＯX生成量が目標値に一致するか、すなわち、現在の吸気酸素濃度と目標吸気酸素濃度との偏差が求められる。
【００３７】
本実施形態では、上記により求めた吸気酸素濃度の偏差がゼロになるように、すなわち吸気酸素濃度が目標酸素濃度に一致するようにＥＧＲ弁２３、ＶＧＴ３５、スロットル弁２７等の吸気系制御要素を作動させることにより、ＮＯX生成量を目標ＮＯX生成量に一致させる。
例えば、ＥＧＲ弁２３の開度を増大すると、ＥＧＲ通路３３を通って吸気系に循環する排気流量が増大するため、相対的に吸気中の新気量が減少し吸気酸素濃度は低下する。また、スロットル弁２７の開度を低下させると、吸気通路２からサージタンク２０に流入する新気量が減少し、同時にＥＧＲ通路３３を通って吸気系に循環する排気流量が増大するため、同様に吸気酸素濃度は低下する。
【００３８】
一方、ＶＧＴ３５の可動ガイドベーンを過給圧が上昇する方向に作動させると、スロットル弁２７開度やＥＧＲ弁２３の開度が同一であっても、機関に供給される新気量が増大する。このため、吸気酸素濃度は増大する。従って、ＥＧＲ弁２３開度、スロットル弁２７開度、ＶＧＴ３５の可動ガイドベーン角度を吸気酸素濃度の偏差に応じた量だけ増減することにより、吸気酸素濃度の偏差をゼロに調節することが可能となる。
【００３９】
次に、図２を用いて上記ＮＯXフィードバック制御を具体的に説明する。図２は、ＮＯXフィードバック制御のもっとも基本的な例を説明するフローチャートである。
図２において、ステップ２０１では、筒内圧センサ１１０で検出した筒内圧力に基づいて別途算出された燃焼サイクル当りの燃焼圧とその変化とからなる燃焼圧データと、吸気酸素濃度センサ２５で検出した現在の吸気酸素濃度ＲＯ2とが、それぞれ読込まれる。
【００４０】
そして、ステップ２０３では上記により読込んだ燃焼圧データから筒内熱発生率が算出され、ステップ２０５ではこの筒内熱発生率と吸気酸素濃度ＲＯ2とに基づいて筒内燃焼温度が算出される。
一方、ステップ２０７では、ステップ２０１で読込んだ吸気酸素濃度ＲＯ2と筒内燃料分布とに基づいて筒内混合気濃度が算出される。ここで、本実施形態では、制御を簡素化するため筒内燃料分布を算出するための燃料噴射パラメータのうち、燃料噴射時期は固定値を使用して近似的な筒内燃料分布を算出する。
【００４１】
ステップ２０９では、上記により算出した筒内燃焼温度（ステップ２０５）と筒内混合気濃度（ステップ２０７）とを用いて、拡大ゼルドビッチ機構に基づいてＮＯX生成量（濃度）が推定される。
更に、ステップ２１１では、予め機関運転状態（例えば機関回転数、アクセル開度、過給圧、冷却水温度）等に応じて設定された目標ＮＯX生成量の数値マップを用いて、現在の機関運転状態に対応する目標ＮＯX生成量（濃度）が算出される。
【００４２】
また、ステップ２１３では、ステップ２１１で算出した目標ＮＯX濃度とステップ２０９で算出した現在のＮＯX濃度推定値との偏差（ＮＯX濃度偏差）が算出され、ステップ２１７では予め実験などにより求めておいた相関関係に基づいて、ステップ２１３で算出したＮＯX濃度偏差を吸気酸素濃度偏差ΔＯ2に変換する。すなわち、ステップ２１７で算出される吸気酸素濃度偏差ΔＯ2は、機関のＮＯX生成量を目標ＮＯX生成量にするために必要とされる吸気酸素濃度の増減量となる。
【００４３】
更に、ステップ２１７では、上記により算出した吸気酸素濃度偏差ΔＯ2と現在のステップ２０１で読込んだ現在の吸気酸素濃度ＲＯ2とに基づいて、吸気酸素濃度目標値ＴＯ2が、ＴＯ2＝ＲＯ2＋ΔＯ2として算出される。
ステップ２１９では、現在の機関運転状態（機関回転数、アクセル開度、過給圧、及びＥＧＲ弁開度、スロットル弁開度）と吸気酸素濃度目標値ＴＯ2とに基づいて、機関の吸気酸素濃度を目標値ＴＯ2に一致させるためのＥＧＲ弁開度、スロットル弁開度及びＶＧＴ可動ガイドベーン角度（以下、「ＶＧＴ開度」という）の目標値がそれぞれ算出される。本実施形態では、上記各目標値と機関運転状態及び吸気酸素濃度目標値ＴＯ2との関係は予め実験等により求められており、機関運転状態と吸気酸素濃度目標値とをパラメータとした数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに予め格納されている。
【００４４】
次に、ステップ２２１では、ＥＧＲ弁２３開度、スロットル弁２７開度、及びＶＧＴ３５開度が、それぞれ上記により設定された目標値になるようにそれぞれのアクチュエータに駆動信号が出力される。すなわち、本実施形態では、ＥＧＲ弁２３開度、スロットル弁２７開度、及びＶＧＴ３５開度は、設定された目標値にオープンループ制御（フィードフォワード制御）される。これにより、機関の実際の吸気酸素濃度は応答性良好に目標吸気酸素濃度との偏差がゼロになるように調節され、機関の実際のＮＯX生成量（濃度）が目標値に一致するようになる。
【００４５】
次に、図３を用いて、ＮＯXフィードバック制御の図２とは別の実施形態について説明する。
図２の実施形態では、ＮＯX濃度偏差に基づいて吸気酸素濃度偏差ΔＯ2を算出後、ΔＯ2と現在の吸気酸素濃度とに基づいて目標吸気酸素濃度ＴＯ2を算出し、この目標酸素濃度に基づいてＥＧＲ弁２３開度、スロットル弁２７開度、及びＶＧＴ３５開度の目標値を設定していた。
【００４６】
これに対して、本実施形態では吸気酸素濃度偏差ΔＯ2を算出後、この偏差ΔＯ2がゼロになるようにＥＧＲ弁２３開度、スロットル弁２７開度、及びＶＧＴ３５開度をフィードバック制御する点が図２の実施形態と相違している。
このように、ＥＧＲ弁２３開度、スロットル弁２７開度、及びＶＧＴ３５開度をフィードバック制御することにより、実際の機関吸気酸素濃度をより正確にＮＯX生成量が目標値になる値に制御することが可能となる。
【００４７】
図３は、本実施形態のＮＯXフィードバック制御を説明する図２と同様なフローチャートである。図３のフローチャートにおいて、ステップ３０１から３１５は、それぞれ図２のフローチャートのステップ２０１から２１５の各操作と同一である。
本実施形態では、ステップ３１５で吸気酸素濃度偏差ΔＯ2算出後、ステップ３１７では、ＥＧＲ弁２３開度、スロットル弁２７開度、及びＶＧＴ３５開度をΔＯ2がゼロになるようにフィードバック制御する。この制御は、例えば偏差ΔＯ2に基づくＰＩＤ（比例、積分、微分）制御などの公知のフィードバック制御を用いることができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００４８】
次に、図４を用いてＮＯXフィードバック制御の別の実施形態を説明する。図２及び図３の実施形態では、筒内混合気濃度を算出する際に（ステップ２０７、ステップ３０７）、燃料噴射パラメータとして燃料噴射時期等の固定値を使用していた。しかし、実際には燃料噴射時期、燃料噴射量、噴射圧力等の燃料噴射パラメータは機関運転状態に応じて変更される。そこで、本実施形態では機関運転状態に基づいて設定される燃料噴射時期、燃料噴射量、噴射圧力等の実際の燃料噴射パラメータの値を使用して筒内混合気濃度を算出するようにしている。
【００４９】
図４は、本実施形態のＮＯXフィードバック制御を説明するフローチャートである。
図４のステップ４０１では、図３ステップ３０１と同様に、燃焼圧データと吸気酸素濃度濃度ＲＯ2が読込まれる。しかし、本実施形態では、次にステップ４０３で別途ＥＣＵ３０により実行される燃料噴射制御により機関運転状態（例えば機関回転数、アクセル開度、過給圧、冷却水温度等）に基づいて設定される燃料噴射時期、燃料噴射量、噴射圧などの燃料噴射パラメータが読込まれる。そして、ステップ４０５と４０７とで燃焼圧データと吸気酸素濃度とに基づいて熱発生率と燃焼温度とを算出した後、ステップ４０９では、これらの燃料噴射パラメータに基づいて筒内燃料分布が算出され、ステップ４１１では算出された筒内燃料分布と吸気酸素濃度とに基づいて筒内混合気濃度が算出される。これにより、算出される筒内混合気濃度はより現実のものに近くなる。
【００５０】
そして、ステップ４１３から４１７では算出した燃焼温度と混合気濃度とに基づくＮＯX生成量の推定（ステップ４１３）、ＮＯX生成量偏差の算出（ステップ４１７）及びＮＯX生成量偏差の吸気酸素濃度偏差ΔＯ2への換算（ステップ４１９）が行われる。また、ステップ４２１では、図３ステップ３１７と同様に、算出された吸気酸素濃度偏差ΔＯ2に基づいて、ＥＧＲ弁２３開度、スロットル弁２７開度、及びＶＧＴ３５開度が、ΔＯ2がゼロになるようにフィードバック制御される。
【００５１】
このように、実際の燃料噴射パラメータを用いて算出した筒内燃料分布を用いて筒内混合気濃度を算出し、この混合気濃度に基づいてＮＯX生成量を推定することにより、ＮＯX生成量の正確な推定を行うことが可能となり、図２、図３の実施形態に較べて更に正確なＮＯX生成量の管理を行うことが可能となっている。
【００５２】
次に、図５を用いてＮＯXフィードバック制御の別の実施形態を説明する。上記の図４の実施形態では、筒内混合気濃度を算出する際に用いる燃料噴射パラメータとして実際の機関運転状態に基づいて設定される燃料噴射パラメータが用いられている。これに対して、本実施形態では機関の燃料噴射パラメータが車両運転者の機関出力トルク要求に基づいて設定される、いわゆるトルクデマンド制御が行われる点が相違している。トルクデマンド制御では、運転者の車両操作に関する情報（例えば、アクセル開度、変速機のシフトポジション、ステアリング角（舵角）等）に基づいて運転者の要求する機関出力トルクを推定し、この機関出力トルクを得るのに必要な機関燃料噴射パラメータが設定される。本実施形態のトルクデマンド制御では、例えば、運転者の要求する機関出力トルクの推定値に基づいて、機関の応答モデル（正確には逆応答モデル）を使用してこの機関出力トルクを得るために必要とされる燃料噴射パラメータが決定されるが、他の公知の方法により、運転者の要求出力トルクの推定と、この要求出力トルクに基づく燃料噴射パラメータの設定を行うことも可能である。
【００５３】
図５は、本実施形態のＮＯXフィードバック制御を説明するフローチャートである。図５の各ステップの操作は、ステップ５０３で燃料噴射パラメータが運転者の出力トルク要求（トルクデマンド）により決定されること、及びステップ５１５でＮＯX生成量の目標値がトルクデマンドにより決定される機関運転状態に応じて設定されることが相違している以外は、図４の各ステップの操作と同一である。
【００５４】
次に、図６を用いてＮＯXフィードバック制御の別の実施形態について説明する。本実施形態では、図５の制御と同様にトルクデマンドにより燃料噴射パラメータとＮＯX生成量目標値が設定される。また、ＮＯX生成量目標値とＮＯX生成量推定値との偏差を吸気酸素濃度偏差に換算し、この吸気酸素濃度偏差がゼロになるように、ＥＧＲ弁２３、ＶＧＴ３５、スロットル弁２７等の吸気系制御要素がフィードバック制御される点も図５と同様である。
【００５５】
しかし、本実施形態では、トルクデマンドにより設定された燃料噴射パラメータをＮＯX生成量偏差に応じて補正する点が図５の実施形態と相違している。
前述したように、機関のＮＯX生成量と、機関出力トルク、燃費とは互いにトレードオフの関係にある。このため、運転者の機関出力トルク要求のみに基づいてトルクデマンド制御により燃料噴射パラメータを設定すると、筒内燃料噴射分布は必ずしもＮＯX生成量を低減する方向には設定されない。このため、トルクデマンドにより設定された燃料噴射パラメータで機関を運転するとＮＯX生成量と目標値との偏差が大きい値になり、それに応じて吸気酸素濃度偏差も大きくなる。このため、吸気酸素濃度偏差をゼロにするためのＥＧＲ弁等の吸気系制御要素の操作量が大きくなり、これらの制御要素のみではＮＯX生成量を充分に低減できなくなる場合が生じる。
【００５６】
一方、トルクデマンド制御によらず、例えば図２から図４の制御のように常にＮＯX生成量が低減するように燃料噴射パラメータを設定していると、例えば急加速などのように大きな出力トルクが要求される場合に、充分な出力トルクが得られず運転者の要求に反する場合が生じる。
そこで、本実施形態では、トルクデマンドにより算出した燃料噴射パラメータを運転者の出力トルク要求の程度に応じて、ＮＯX生成量偏差がゼロになる方向に補正することにより上記問題を解決している。
【００５７】
機関のＮＯX生成量と機関出力とはトレードオフの関係にあるため、両方の要求を完全に満足させることはできない場合がある。しかし、運転状況（運転者の出力トルク要求の度合）を考慮して、ＮＯX生成量と機関出力トルクとのどちらを優先させるかを予め決めておくことにより両方の要求をある程度満足させることは可能である。
例えば、本実施形態では、車両の急加速の場合（すなわち、運転者の機関出力トルク要求が非常に大きい場合）には、出力トルクを優先し、多少ＮＯX生成量が増大しても、機関出力トルクが増大するように燃料噴射パラメータを設定する。すなわち、この場合には、トルクデマンドにより設定された燃料噴射パラメータにより生成されるＮＯX生成量が目標値から比較的大きく離れていても、燃料噴射パラメータは補正しない。
【００５８】
一方、定常運転時等のように、運転者の出力トルク要求が比較的低い場合には、ＮＯX生成量に対する要求を優先させ、トルクデマンドにより設定された燃料噴射パラメータを、ＮＯX生成量と目標値との偏差に応じて補正し、偏差がゼロに近づくように燃料噴射パラメータを修正する。この場合には、ＮＯX生成量と目標値との偏差が大きいほど燃料噴射パラメータの補正量は大きくなる。
このように、本実施形態では、ＮＯX生成量に対する要求と機関出力トルクに対する運転者の要求との両方を加味して燃料噴射パラメータを設定することにより、運転者の出力トルク要求をできるだけ満たしながらＮＯX生成量を目標値に近づける、いわゆる機関出力とＮＯX生成量との協調制御を行うことが可能となる。
【００５９】
図６は、本実施形態のＮＯXフィードバック制御を説明するフローチャートである。
図６のフローチャートにおいて、ステップ６０１から６０７は、図５ステップ５０１から５０７と同一の操作である。すなわち、これらの操作では、燃焼圧データと吸気酸素濃度とに基づいて、筒内熱発生率と燃焼温度とが算出されるとともに、トルクデマンド制御により燃料噴射パラメータが設定される（ステップ６０３）。
【００６０】
しかし、本実施形態ではステップ６０３で設定されたトルクデマンドに基づく燃料噴射パラメータをそのまま使用して燃料噴射を行うのではなく、ＮＯX生成量偏差に基づいて燃料噴射パラメータを補正する。すなわち、ステップ６０９では、トルクを優先すべき運転状況かＮＯX生成量に対する要求を優先すべき運転状況かを判断し、例えば、ＮＯX生成量に対する要求を優先すべき運転状況の場合にはトルクデマンドに基づく燃料噴射パラメータをＮＯX生成量偏差が小さくなる方向に補正する。そして、ステップ６１１では補正後の燃料噴射パラメータに基づいて筒内燃料分布が算出される。また、別途実行される燃料噴射制御操作では、上記補正後の燃料噴射パラメータに基づいて燃料噴射が行われる。
【００６１】
ステップ６１３からステップ６２３は、図５のステップ５１１から５２１とそれぞれ同一の操作である。すなわち、これらの操作では補正後の燃料噴射パラメータに基づいて算出された筒内燃料分布と吸気酸素濃度とから混合気濃度が算出され（ステップ６１３）、燃焼温度と混合気濃度とに基づいてＮＯX生成量が推定され（ステップ６１５）ＮＯX生成量の目標値との偏差に基づいて吸気酸素濃度偏差が算出され（ステップ６１７から６２１）、吸気系制御要素が酸素濃度偏差がゼロになるようにフィードバック制御される（ステップ６２３）。
上述のように、本実施形態によれば、運転者の出力トルク要求に応じながらＮＯX生成量を正確に管理することが可能となる。
【００６２】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、機関のＮＯX生成量を正確に管理することが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用ディーゼル機関に適用した実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】本発明のＮＯXフィードバック制御の一実施形態を説明するフローチャートである。
【図３】本発明のＮＯXフィードバック制御の図２とは異なる実施形態を説明するフローチャートである。
【図４】本発明のＮＯXフィードバック制御の図２、図３とは異なる実施形態を説明するフローチャートである。
【図５】本発明のＮＯXフィードバック制御の図２から図４とは異なる実施形態を説明するフローチャートである。
【図６】本発明のＮＯXフィードバック制御の図２から図５とは異なる実施形態を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン本体
２…吸気通路
２３…ＥＧＲ弁
２５…吸気酸素濃度センサ
２７…スロットル弁
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３５…ＶＧＴ
１１０…筒内圧センサ
【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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【図６】
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