(57)【要約】    【課題】  適量の窒素または窒素富化空気を機関に供給し、機関出力の低下（燃費の悪化）を抑制しつつ、十分なノッキング抑制効果を得ることができる内燃機関の制御装置を提供する。    【解決手段】  燃料噴射弁１１により機関の回転位相に応じて吸気管６内に燃料噴射を行うとともに、窒素噴射弁１２により機関の回転位相に応じて吸気管６内に窒素噴射を行う。窒素噴射弁１２による基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅは、エンジン回転数ＮＥ及び気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’に応じて設定される（Ｓ４１）。基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅは、空燃比、機関始動完了後の経過時間、窒素タンク内圧、ノッキング発生状態に応じて補正され、窒素噴射時間Ｔｎｉが算出される（Ｓ４２〜Ｓ４８）。【選択図】  図１０
2005105992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に窒素を供給する窒素供給手段を備えた内燃機関の制御装置において、
前記窒素供給手段は、前記機関の運転状態に応じて窒素量基本値を算出し、該窒素量基本値に応じた量の窒素を前記機関に供給することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記窒素供給手段は、前記機関に供給される混合気の空燃比を示すパラメータに応じて前記窒素量基本値を補正する空燃比補正手段を備え、該空燃比補正手段により補正された量の窒素を前記機関に供給する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】
前記窒素供給手段は、前記機関の始動完了後の経過時間に応じて前記窒素量基本値を補正する始動後補正手段を備え、該始動後補正手段により補正された量の窒素を前記機関に供給する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４】
前記窒素供給手段は、窒素噴射弁を備え、該窒素噴射弁の開弁時間を変更することにより、前記機関に供給する窒素量を制御するものであり、前記窒素量基本値は、前記窒素噴射弁の基本開弁時間であり、前記窒素供給手段は、前記窒素噴射弁に供給する窒素の圧力に応じて前記窒素噴射弁の基本開弁時間を補正する窒素圧補正手段を備え、該窒素圧補正手段により補正された開弁時間だけ前記窒素噴射弁を開弁させる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５】
前記機関のノッキングを検出するノッキング検出手段を備え、前記窒素供給手段は、ノッキングの発生状態に応じて前記窒素量基本値を補正するノッキング補正手段を備え、該ノッキング補正手段により補正された量の窒素を前記機関に供給する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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素あるいは窒素濃度を高めた空気を供給可能に構成された内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気特性を改善するために、窒素濃度を高めた空気（窒素富化空気）を機関に供給する技術は例えば特許文献１に示されている。この文献に示された装置では、膜型窒素富化装置により窒素富化空気が生成され、機関の燃焼室に供給される。膜型窒素富化装置は、膜によって空気を酸素濃度が高いガスと、窒素濃度が高いガスとに分離する装置である。
【０００３】
また特許文献２には、燃料の噴射タイミングを進角状態に保持しているときに、窒素富化量を増加させるようにしたディーゼルエンジンが示されている。燃料噴射タイミングを進角させるのは、窒素富化により燃費が悪化することを防止するためである。
【０００４】
【特許文献１】特許第２５３５３８１号公報
【特許文献２】実開平１−１０５７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、オクタン価の低い燃料を使用しているときに、機関の出力を高めるとノッキングが発生し易くなる。そこで、ノッキングの発生を検出したときは、点火時期を遅角させることにより、ノッキングを抑制する技術が用いられる。また低オクタン価燃料が使用されることを予め想定し、圧縮比を低減することなども行われる。しかし、点火時期の遅角や圧縮比の低減は、機関出力を低下させるので、点火時期の遅角や圧縮比の低減よらずに、ノッキングを有効に抑制できることが望ましい。
【０００６】
上述した窒素富化空気を機関に供給すると、混合気が着火し難くなることは明らかである。そこで、この窒素富化空気を供給する技術をノッキング抑制に応用することを考慮した場合、以下のような課題がある。すなわち、窒素富化空気の窒素濃度を高めると、混合気の点火が困難になり、また窒素濃度を十分に高められないと、十分なノッキング抑制効果が得られない。
【０００７】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、適量の窒素または窒素富化空気を機関に供給し、機関出力の低下（燃費の悪化）を抑制しつつ、十分なノッキング抑制効果を得ることが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。なお、本明細書及び特許請求の範囲における「窒素」には、「窒素富化空気」も含め、「酸素」には、「酸素富化空気」を含めるものとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関に窒素を供給する窒素供給手段を備えた内燃機関の制御装置において、前記窒素供給手段は、前記機関の運転状態（ＮＥ，Ｇｃｙｌ’）に応じて窒素量基本値（Ｔｎｉｂａｓｅ）を算出し、該窒素量基本値に応じた量（Ｔｎｉ）の窒素を前記機関に供給することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記窒素供給手段は、前記機関に供給される混合気の空燃比を示すパラメータ（ＫＡＣＴ，ＫＣＭＤ）に応じて前記窒素量基本値（Ｔｎｉｂａｓｅ）を補正する空燃比補正手段を備え、該空燃比補正手段により補正された量（Ｔｎｉ）の窒素を前記機関に供給することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記窒素供給手段は、前記機関の始動完了後の経過時間（ＴＭＡＳＴ）に応じて前記窒素量基本値（Ｔｎｉｂａｓｅ）を補正する始動後補正手段を備え、該始動後補正手段により補正された量（Ｔｎｉ）の窒素を前記機関に供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記窒素供給手段は、窒素噴射弁（１２）を備え、該窒素噴射弁の開弁時間（Ｔｎｉ）を変更することにより、前記機関に供給する窒素量を制御するものであり、前記窒素量基本値（Ｔｎｉｂａｓｅ）は、前記窒素噴射弁の基本開弁時間であり、前記窒素供給手段は、前記窒素噴射弁に供給する窒素の圧力（Ｐｎｔ）に応じて前記窒素噴射弁の基本開弁時間（Ｔｎｉｂａｓｅ）を補正する窒素圧補正手段を備え、該窒素圧補正手段により補正された開弁時間（Ｔｎｉ）だけ前記窒素噴射弁を開弁させることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関のノッキングを検出するノッキング検出手段を備え、前記窒素供給手段は、ノッキングの発生状態に応じて前記窒素量基本値（Ｔｎｉｂａｓｅ）を補正するノッキング補正手段を備え、該ノッキング補正手段により補正された量（Ｔｎｉ）の窒素を前記機関に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じて窒素量基本値が算出され、該窒素量基本値に応じた量の窒素が機関に供給されるので、機関運転状態の変化に対応して適量の窒素を供給することができる。その結果、例えばノッキングの発生し難い運転状態では窒素供給量を減少させることにより、燃焼速度の向上による燃焼効率の改善を図ることができ、またノッキングの発生し易い運転状態で窒素供給量を増加させることにより、十分なノッキング抑制効果を得ることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、機関に供給される混合気の空燃比を示すパラメータに応じて、窒素量基本値が補正され、該補正された量の窒素が機関に供給される。空燃比によってノッキングの発生し易さが異なるので、ノッキングの発生し難い空燃比リッチ運転またはリーン運転中は、窒素供給量を減少させ、燃焼効率を改善することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、機関の始動完了後の経過時間に応じて窒素量基本値が補正され、該補正された量の窒素が機関に供給される。機関の始動完了直後においては燃焼が不安定化し易いので、窒素供給量を低減することにより、始動直後において燃焼の安定化を図ることができる。その結果、未燃ガス（ＨＣ）の排出量を低減することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、窒素噴射弁に供給する窒素の圧力に応じて、窒素噴射弁の基本開弁時間が補正され、該補正された開弁時間だけ窒素噴射弁が開弁される。したがって、窒素圧力が変動しても正確な窒素噴射量制御を行うことができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、ノッキングの発生状態に応じて窒素量基本値が補正され、該補正された量の窒素を機関に供給されるので、ノッキング発生状態に応じて点火時期の遅角補正を行う必要がなく、燃焼効率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関の構成を示す図であり、図２は、図１に示す内燃機関の燃焼室及びその近傍の構成を説明するための図である。る。図１に示す内燃機関（以下「エンジン」という）は、過給機１００及び窒素供給装置２００を備えている。過給機１００は、吸気の圧縮を行う第１コンプレッサ７と、窒素供給装置２００の一部を構成し、窒素を分離する空気を圧縮する第２コンプレッサ３６と、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン２２とを備えている。第１コンプレッサ７及び第２コンプレッサ３６は、タービン２２により駆動される。
【００１９】
また窒素供給装置２００は、空気通路３１、窒素分離装置３２、窒素タンク３３、窒素供給通路３４、窒素噴射弁１２、電動コンプレッサ３５、第２コンプレッサ３６、電動流量制御弁３７、リリーフ通路４０、及びリリーフ弁４１を備えている。また空気通路３１の第２コンプレッサ３６の下流側には、空気通路３１内の圧力（以下「Ｎ２過給圧」という）Ｐｎｉを検出するＮ２過給圧センサ５８が設けられ、窒素タンク３３には、該タンク内の圧力（以下「Ｎ２タンク内圧」という）Ｐｎｔを検出するＮ２タンク内圧センサ５９が設けられている。リリーフ通路４０は、吸気管６の、第１コンプレッサ７の下流側に接続されている。
【００２０】
空気通路３１を介して流入する空気は、通常は第２コンプレッサ３６により加圧され、窒素分離装置３２に供給される。Ｎ２過給圧Ｐｎｉがリリーフ弁４１の設定圧を越えると、リリーフ弁４１が開弁する。第２コンプレッサ３６による加圧が十分でないとき、電動コンプレッサ３５による加圧が行われる。
【００２１】
窒素分離装置３２は、例えば特許文献２に示されるような酸素選択性透過膜（例えば、その素材としては、ポリイミド、ポリスルホン、ポリジメチルシロキサン、カーボン等が用いられる）を有し、この酸素選択性透過膜を通過する酸素を通路３８を介して大気中に放出し、酸素選択性透過膜を通過しない窒素を生成する。また、ここでは、酸素を大気中に放出したが、必要に応じて吸気系に導入することも可能であり、この場合、燃焼室内の酸素濃度が減少することを抑制することができる。通路３８には一方向弁３９が設けられており、分離された酸素の圧力が、大気圧より所定圧以上高くなると開弁する。電動流量制御弁３７は、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが、Ｎ２過給圧Ｐｎｉに、窒素分離装置３２における圧力損失Ｐｎｉｌｏｓｓを加算した圧力より低くなると開弁される。
【００２２】
エンジンの本体１は、４気筒で構成され、各気筒には、燃焼室２、点火プラグ３、吸気弁４、及び排気弁５が設けられている。図２に示すように、吸気弁４及び排気弁５は、燃焼室２内に吸入された混合気のスワールが生成されるように配置されている。燃焼室２には、吸気管６及び排気管２１が接続されている。エンジン本体１には、ノッキングを検出するノッキングセンサ５５が取り付けられている。
【００２３】
吸気管６には、上流側から順に過給機１００の第１コンプレッサ７、加圧された空気を冷却するインタークーラ８、及びスロットル弁９が設けられており、スロットル弁９を駆動するアクチュエータ１０がスロットル弁９に接続されている。また、窒素供給装置２００の窒素噴射弁１２及び燃料噴射弁１１が各気筒に対応して、吸気弁４の少し上流側に設けられいる。図１では、窒素噴射弁１２が燃料噴射弁１１の上流側に設けられているように示されているが、これは説明のためにこのように示したものであり、実際には図２に示すように、両者は吸気管６の幅方向に並んで配置されている。燃料噴射弁１１は図示しない燃料タンクに接続されており、加圧された燃料が燃料噴射弁１１に供給される。
【００２４】
吸気管６の第１コンプレッサ７とインタークーラ８との間には、吸入空気量（流量）を検出するエアフローセンサ５１が設けられ、またインタークーラ８の下流側には、吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ５２が設けられている。またスロットル弁９の開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ５３，スロットル弁下流側の吸気管内圧力（絶対圧）ＰＢＡを検出する吸気管内圧センサ５４が設けられている。
【００２５】
排気管２１には、過給機１００のタービン２２、三元触媒２３、及びＮＯｘ吸着触媒２４が設けられている。またタービン２２をバイパスする通路２５と、通路２５を開閉するウエイストゲート弁２６が設けられている。三元触媒２３は、排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化を行い、ＮＯｘ吸着触媒は、エンジンに供給する混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定された状態でＮＯｘを吸着し、空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定された状態で、吸着したＮＯｘの還元を行う。
【００２６】
排気管２１のタービン２２と三元触媒２３の間には、排気中の酸素濃度（空燃比）を検出する比例型空燃比センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）５６が設けられ、三元触媒２３とＮＯｘ吸着触媒２４との間には、二値型の酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）５７が設けられている。ＬＡＦセンサ５６は、排気中の酸素濃度に略比例した電気信号を出力し、Ｏ２センサ５７は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。
【００２７】
本実施形態では、燃料噴射弁１１による燃料噴射の後に、窒素噴射弁１２による窒素噴射を行い、燃焼室２内のスワールにより、図３に示すように、点火プラグ３の近傍に、燃料と空気の混合気層を形成し、その混合気層の外側、換言すれば燃焼室２の外縁部（気筒内壁の近傍）に窒素層を形成する。図４は、燃焼室２を上方から見た図であり、実線が混合気層を示し、破線が窒素層を示す。通常ノッキングは、燃焼室２の外縁部において発生するので、このように窒素層を形成することによりノッキングを抑制することができる。また、点火プラグ３の近傍に混合気層が形成されるので、混合気を確実に着火させることができる。
【００２８】
図５は、上述したエンジンの制御系の構成を示すブロック図である。上述したセンサ５１〜５９は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）７０に接続されており、センサ５１〜５９の検出信号がＥＣＵ７０に供給される。ＥＣＵ７０には、さらにクランク角度位置センサ６０、アクセルセンサ６１、車速センサ６２、及びギヤ位置センサ６３が接続されている。クランク角度位置センサ６０は、当該エンジンのクランク軸（図示せず）の回転角度を検出する。アクセルセンサ６１は、当該エンジンにより駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出する。車速センサ６２は、当該エンジンにより駆動される車両の走行速度（車速）ＶＰを検出し、ギヤ位置センサ６３は、当該車両の変速機のギヤ位置ＧＰを検出する。クランク軸の回転角度（エンジンの回転位相）に応じた信号、アクセルペダル操作量ＡＰを示す信号、車速ＶＰを示す信号、及びギヤ位置ＧＰを示す信号がＥＣＵ７０に供給される。
【００２９】
クランク角度位置センサ６０は、エンジンの特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ７０に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。
【００３０】
ＥＣＵ７０は、上記センサの検出信号に応じて、点火プラグ３、燃料噴射弁１１、窒素噴射弁１２、スロットル弁９のアクチュエータ１０、電動コンプレッサ３５、及び電動流量制御弁３７の駆動制御を行う。
ＥＣＵ７０は、入力回路、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、記憶回路、及び出力回路を備えている。入力回路は、上述したセンサからの入力信号波形を整形して電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する。記憶回路は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムや後述する各種マップを記憶するＲＯＭ及び演算結果等を記憶するＲＡＭからなる。出力回路は、燃料噴射弁、窒素噴射弁等に駆動信号を出力する。
【００３１】
図６は、ＥＣＵ７０のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行されるＴＤＣ処理のフローチャートである。ステップＳ１１では、図８に示すＴｆｉ算出処理を実行し、燃料噴射弁１１による燃料噴射時間Ｔｆｉを算出する。ステップＳ１２では、図１０に示すＴｎｉ算出処理を実行し、窒素噴射弁１２による窒素噴射時間Ｔｎｉを算出する。ステップＳ１３では、図１２に示す噴射時期決定処理を実行し、燃料噴射時期及び窒素噴射時期を決定する。
【００３２】
ＥＣＵ７０は、この処理により算出される燃料噴射時期において燃料噴射時間Ｔｆｉに亘って燃料噴射弁１１を開弁させるとともに、窒素噴射時期において窒素噴射時間Ｔｎｉに亘って窒素噴射弁１２を開弁させる。これにより、燃料噴射時間Ｔｆｉに比例する量の燃料が燃焼室２に供給され、窒素噴射時間Ｔｎｉに比例する量の窒素が燃焼室２に供給される。
【００３３】
図７は、ＥＣＵ７０のＣＰＵで一定時間（例えば１０ミリ秒）毎に実行されるタイマ処理のフローチャートである。ステップＳ２１では、図１５に示すＮ２タンク内圧制御処理を実行し、Ｎ２過給圧Ｐｎｉが目標過給圧Ｐｎｉｃｍｄと一致するように電動コンプレッサ３５の作動を制御するとともに、電動流量制御弁３７を開閉して、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔを所定圧以上に制御する。ステップＳ２２では、図１７に示す吸入空気量制御処理を実行し、エンジンの吸入空気量Ｇｃｙｌが目標吸入空気量Ｇｃｙｌｃｍｄと一致するようにスロットル弁開度ＴＨを制御する。
【００３４】
図８は、図６のステップＳ１１で実行されるＴｆｉ算出処理のフローチャートである。
ステップＳ３１では、図１７の吸入空気量制御処理で算出される吸入空気量Ｇｃｙｌ（ｇ／ｓｅｃ）を、下記式（１）により、１ＴＤＣ期間（ＴＤＣパルスの発生時間間隔）に燃焼室２に吸入される空気量（以下「気筒吸入空気量」という）Ｇｃｙｌ’（ｇ／ＴＤＣ）に変換する。なお、式（１）においてエンジン回転数ＮＥの単位はｒｐｍである。
Ｇｃｙｌ’＝Ｇｃｙｌ×６０／２ＮＥ                      （１）
【００３５】
ステップＳ３２では、気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’に応じて図９に示すＴｆｉｂａｓｅテーブルを検索し、基本燃料噴射時間Ｔｆｉｂａｓｅを算出する。Ｔｆｉｂａｓｅテーブルは、基本燃料噴射時間Ｔｆｉｂａｓｅが気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’にほぼ比例し、空燃比が理論空燃比とほぼ一致するように設定されている。なお、燃料噴射弁１１に供給される燃料の圧力により、噴射される燃料量は変化するので、燃料圧力に応じて基本燃料噴射時間Ｔｆｉｂａｓｅを補正するようにしてもよい。その場合には、燃料圧力が高くなるほど、基本燃料噴射時間Ｔｆｉｂａｓｅが小さくなるように補正する。
【００３６】
ステップＳ３３では、下記式（２）に基本燃料噴射時間Ｔｆｉｂａｓｅを適用して、燃料噴射時間Ｔｆｉを算出する。
Ｔｆｉ＝Ｔｆｉｂａｓｅ×ＫＣＭＤ×ＫＡＦ                （２）
ここでＫＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥ、吸気管内圧力ＰＢＡ、Ｏ２センサ５７の出力等のエンジン運転状態に応じて設定される目標空燃比係数である。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、目標当量比ともいう。ＫＡＦは、ＬＡＦセンサ５６により検出される空燃比に応じて設定される空燃比補正係数である。具体的には、検出空燃比を当量比に変換することにより得られる検出当量比ＫＡＣＴが、目標当量比ＫＣＭＤと一致するようにＰＩＤ（比例積分微分）制御あるいは適応制御により設定される。
【００３７】
図１０は、図６のステップＳ１２で実行されるＴｎｉ算出処理のフローチャートである。
ステップＳ４１では、エンジン回転数ＮＥ及び気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’に応じて図１１（ａ）に示すＴｎｉｂａｓｅマップを検索し、基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅを算出する。図１１（ａ）においてラインＬ１，Ｌ２，及びＬ３は、ぞれぞれ気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’が第１の値Ｇ１、第２の値Ｇ２、及び第３の値Ｇ３に対応する基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅの設定を示し、Ｇ１〜Ｇ３はＧ１＞Ｇ２＞Ｇ３なる関係を満たす。すなわち、Ｔｎｉｂａｓｅマップは、気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’（エンジン負荷）が増加するほど、基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅが増加するように設定されている。また気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’が大きい高負荷運転状態では、エンジン回転数ＮＥの高回転領域及び低回転領域で、基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅが増加するように設定されている。高負荷運転状態では、高回転領域及び低回転領域でノッキングが発生し易くなるからである。
【００３８】
ステップＳ４２では、空燃比（具体的には検出当量比ＫＡＣＴ）に応じて図１１（ｂ）に示すＫｎｉａｆテーブルを検索し、Ｎ２空燃比補正値Ｋｎｉａｆを算出する。Ｋｎｉａｆテーブルは、空燃比が理論空燃比であるとき、Ｎ２空燃比補正値Ｋｎｉａｆが「１．０」となり、理論空燃比と空燃比との差が大きくなるほど、Ｎ２空燃比補正値Ｋｎｉａｆが減少するように設定されている。空燃比が理論空燃比からずれるほど、ノッキングが発生し難くなるからである。
【００３９】
ステップＳ４３では、エンジンの始動完了後の経過時間ＴＭＡＳＴに応じて図１１（ｃ）に示すＫｎｉａｓｔテーブルを検索し、Ｎ２始動後補正値Ｋｎｉａｓｔを算出する。Ｋｎｉａｓｔテーブルは、Ｎ２始動後補正値Ｋｎｉａｓｔが最初の２０秒間は「０」となり、その後時間経過とともに徐々に「１．０」まで増加するように設定されている。エンジン始動直後は、燃焼を安定化させるため、窒素噴射量を「０」とし、その後徐々の増加させることにより、ノッキング抑制効果を得るようにしている。
【００４０】
ステップＳ４４では、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔに応じて図１１（ｄ）に示すＫｎｉｐｎｔテーブルを検索し、Ｎ２タンク内圧補正値Ｋｎｉｐｎｔを算出する。Ｋｎｉｐｎｔテーブルは、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが高くなるほど、Ｎ２タンク内圧補正値Ｋｎｉｐｎｔが減少するように設定されており、かつＮ２タンク内圧Ｐｎｔが加圧要求下限圧Ｐｎｔｍｉｎ（図１５，ステップＳ６１参照）に等しいとき、Ｎ２タンク内圧補正値Ｋｎｉｐｎｔが「１．０」となるように設定されている。Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが低下すると、窒素噴射時間Ｔｎｉが同一であっても窒素噴射量が減少することを考慮したものである。
【００４１】
ステップＳ４５では、ノッキングフラグＦＫＮＯＣＫが「１」であるか否かを判別する。ノッキングフラグＦＫＮＯＣＫは、図示しない処理において、ノッキングセンサ５５の出力に基づいてノッキングの発生が検出されたとき、「１」に設定される。ステップＳ４５の答が否定（ＮＯ）、すなわちノッキングが発生していないときは、Ｎ２ノッキング補正値Ｋｎｉｉｇを「１．０」に設定する（ステップＳ４７）。一方、ＦＫＮＯＣＫ＝１であってノッキングが発生したときは、Ｎ２ノッキング補正値Ｋｎｉｉｇを「１．２」に設定する（ステップＳ４６）。
【００４２】
ステップＳ４８では、下記式（３）に上記基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅ及び各補正値を適用し、窒素噴射時間Ｔｎｉを算出する。
Ｔｎｉ＝Ｔｎｉｂａｓｅ×Ｋｎｉａｆ×Ｋｎｉａｓｔ
×Ｋｎｉｐｎｔ×Ｋｎｉｉｇ            （３）
【００４３】
図１０の処理によれば、エンジン運転状態（エンジン回転数ＮＥ及び気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’）に応じて基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅが算出されるので、ノッキングの発生し難い運転状態で窒素噴射量を減少させることにより、燃焼速度の向上による燃焼効率の改善を図ることができる。
【００４４】
また空燃比に応じて設定されるＮ２空燃比補正値Ｋｎｉａｆを用いることにより、ノッキングの発生し難い空燃比リッチ運転またはリーン運転中は、窒素噴射量を減少させ、燃焼効率を改善することができる。またＮ２始動後補正値Ｋｎｉａｓｔにより、エンジンの始動完了直後においては、窒素噴射が抑制されるので、燃焼が不安定化し易い始動直後において燃焼の安定化を図ることができる。その結果、未燃ガス（ＨＣ）の排出量を低減することができる。またＮ２タンク内圧補正値ＫｎｉｐｎｔによりＮ２タンク内圧Ｐｎｔが低下するほど窒素噴射時間Ｔｎｉを増加させるようにしたので、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが変動しても正確な窒素噴射量制御を行うことができる。さらにノッキングの発生したときは、Ｎ２ノッキング補正値Ｋｎｉｉｇにより、窒素噴射量を増加させるようにしたので、点火時期の遅角補正が不要となり、燃焼効率を改善することができる。
【００４５】
図１２は、図６のステップＳ１３で実行される噴射時期決定処理のフローチャートである。
ステップＳ５１では、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内圧力ＰＢＡに応じて、図１３（ａ）に示すＦｅｓｔｇマップを検索し、燃料噴射終了ステージＦｅｓｔｇを決定する。ここで「ステージ」は、クランク角３０度（ＣＲＫパルスの発生角度間隔）に対応する期間であり、図１４に示すように、各気筒の圧縮行程開始時から順にステージ番号が０，１，２，３，…，２３まで付されている。そして、燃料噴射終了ステージＦｅｓｔｇは燃料噴射を終了するステージであり、図１４に示した例では、Ｆｅｓｔｇ＝１４である。図１３（ａ）に示すＦｅｓｔｇマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また吸気管内圧力ＰＢＡが増加するほど、燃料噴射終了ステージＦｅｓｔｇが進角するように設定されている。
【００４６】
ステップＳ５２では、燃料噴射終了ステージＦｅｓｔｇ及び燃料噴射時間Ｔｆｉから燃料噴射開始時期Ｆｓｔｍｇを決定する。なお、燃料噴射終了時期Ｆｅｔｍｇは、燃料噴射終了ステージＦｅｓｔｇの開始時点である。
ステップＳ５３では、、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内圧力ＰＢＡに応じて、図１３（ｂ）に示すＮｅｓｔｇマップを検索し、窒素噴射終了ステージＮｅｓｔｇを決定する。Ｎｅｓｔｇマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また吸気管内圧力ＰＢＡが増加するほど、窒素噴射終了ステージＮｅｓｔｇが進角するように設定されている。また、窒素噴射終了ステージＮｅｓｔｇは、燃料噴射終了ステージＦｅｓｔｇより後（遅角側）となるように設定されている。図１４に示す例では、Ｎｅｓｔｇ＝２０である。
【００４７】
ステップＳ５４では、窒素噴射終了ステージＮｅｓｔｇ及び窒素噴射時間Ｔｎｉから窒素噴射開始時期Ｎｓｔｍｇを決定する。なお、窒素噴射終了時期Ｎｅｔｍｇは、窒素噴射終了ステージＮｅｓｔｇの開始時点である。
【００４８】
図１２の処理によれば、窒素噴射終了ステージＮｅｓｔｇは、燃料噴射終了ステージＦｅｓｔｇより後に設定されるので、燃料と空気の混合気の後に窒素が燃焼室に供給される。したがって、燃焼室の周縁部に窒素層を確実に形成することができる。なお、好ましくは図１４に示すように窒素噴射開始時期Ｎｓｔｍｇを、燃料噴射終了時期Ｆｅｔｍｇより後に設定し、燃料噴射の実行期間と、窒素噴射の実行期間がオーバラップしないようにするか、あるいはそのオーバラップ期間をできるだけ短くすることが望ましい。これにより、燃焼室内における混合気層と窒素層とが明確に分離され、ノッキング抑制の効果を高めることができる。
【００４９】
なお、エンジン回転数ＮＥが急上昇したときは、図１２の処理により決定された窒素噴射終了ステージＮｅｓｔｇに窒素噴射を終了できない場合や、燃料噴射終了ステージＦｅｓｔｇに燃料噴射を終了できない場合がある。そのような場合には、窒素噴射及び燃料噴射は、ステージ番号２３のステージにおいて強制終了される。
【００５０】
図１５は、図７のステップＳ２１で実行されるＮ２タンク内圧制御処理のフローチャートである。
ステップＳ６１では、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが加圧要求下限圧Ｐｎｔｍｉｎより低いか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは、電動コンプレッサ３５の制御入力（以下「Ｎ２過給圧制御量」という）Ｕｎｃ(k)を「０」に設定し（ステップＳ６５）、ステップＳ６６に進む。Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが加圧要求下限圧Ｐｎｔｍｉｎより高いときは、加圧の必要がないので、省電力のためにＮ２過給圧制御量Ｕ(k)を「０」として、電動コンプレッサ３５を作動させないようにする。なお、(k)は、図７に示すタイマ処理の実行周期（例えば１０ミリ秒）で離散化された離散化時刻を示す。
【００５１】
ステップＳ６１でＰｎｔ＜Ｐｎｔｍｉｎであるときは、吸入空気量Ｇｃｙｌ及びＮ２タンク内圧Ｐｎｔに応じて図１６に示すＰｎｉｃｍｄマップを検索し、目標過給圧Ｐｎｉｃｍｄを算出する（ステップＳ６２）。図１６において、ラインＬ４，Ｌ５，及びＬ６は、ぞれぞれＮ２タンク内圧Ｐｎｔが第１の値Ｐ１、第２の値Ｐ２、及び第３の値Ｐ３に対応する目標過給圧Ｐｎｉｃｍｄの設定を示し、Ｐ１〜Ｐ３はＰ１＜Ｐ２＜Ｐ３なる関係を満たす。すななちＰｎｉｃｍｄマップは、吸入空気量Ｇｃｙｌが増加するほど、またＮ２タンク内圧Ｐｎｔが低下するほど、目標過給圧Ｐｎｉｃｍｄが高くなるよう設定されている。
【００５２】
ステップＳ６３では、下記式（４）によりＮ２過給圧制御量Ｕｎｃ(k)を算出する。
【数１】
2005105992.tif 000003
ここでσ(k)は下記式（５）で定義される切換関数値、Ｋｒｃｈ及びＫａｄｐは所定の値に設定されるフィードバックゲインである。
σ(k)＝Ｐｎｉ(k)−Ｐｎｉｃｍｄ(k)
＋ＰＯＬＥ×（Ｐｎｉ(k-1)−Ｐｎｉｃｍｄ(k-1)）        （５）
【００５３】
ここでＰＯＬＥは、切換関数設定パラメータであり、「−１」から「０」の間の値に設定される。切換関数設定パラメータＰＯＬＥの値は、本実施形態では固定値としているが、必要に応じて変更するようにしてもよい。切換関数設定パラメータＰＯＬＥの値を変更することにより、Ｎ２過給圧Ｐｎｉの目標過給圧Ｐｎｉｃｍｄに対する追従特性を変更することができる。具体的には、切換関数設定パラメータＰＯＬＥの絶対値を小さくするほど、追従速度を速めることができる。制御偏差を示すパラメータとして、式（５）で定義される切換関数値σを用いると、制御の応答特性を指定できるので、このような制御を応答指定型制御と呼ぶ。応答指定型制御としては、他にスライディングモード制御やバックステッピング制御が知られている。上記式（４）及び（５）による制御は、スライディングモード制御における等価制御入力を除いた制御に相当する。
【００５４】
式（５）により算出されるＮ２過給圧制御量Ｕｎｃ(k)により電動コンプレッサ３５を駆動することにより、Ｎ２過給圧Ｐｎｉが目標過給圧Ｐｎｉｃｍｄと一致するように応答指定型制御によるフィードバック制御が行われる。応答指定型制御を採用することにより、Ｎ２過給圧Ｐｎｉの目標過給圧Ｐｎｉｃｍｄに対するオーバシュートを確実に防止することができる。その結果、オーバシュート分の無駄な過給仕事の発生（電力消費）を抑制することができる。
【００５５】
ステップＳ６４では、式（４）により算出されたＮ２過給圧制御量Ｕｎｃ(k)が負の値であるか否かを判別し、負の値であるときは、前記ステップＳ６５に進む。Ｎ２過給圧制御量Ｕｎｃ(k)が「０」以上であるときは、直ちにステップＳ６６に進む。
【００５６】
ステップＳ６６では、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが、窒素分離装置３２における圧力損失ＰｎｉｌｏｓｓをＮ２過給圧Ｐｎｉに加算した値（以下「設定圧」という）より小さいか否かを判別する。その答が否定（ＮＯ）であって、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが設定圧（Ｐｎｉ＋Ｐｎｉｌｏｓｓ）以上であるときは、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔの加圧は不要と判断し、電動流量制御弁３７を閉弁する（ステップＳ６８）。一方、Ｐｎｔ＜（Ｐｎｔ＋Ｐｎｉｌｏｓｓ）であるときは、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔの加圧が必要であるので、電動流量制御弁３７を開弁する（ステップＳ６７）。
【００５７】
図１５の処理によれば、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが加圧要求下限圧Ｐｎｔｍｉｎより低くなったときのみ、電動コンプレッサ３５が駆動される。すなわち、過給機１００の第２コンプレッサ３６による加圧により、十分なＮ２タンク内圧Ｐｎｔが得られているときは、電動コンプレッサ３５を停止させ、省電力化を図ることができる。
【００５８】
またＮ２タンク内圧Ｐｎｔが低下したときは、電動コンプレッサ３５により直ちに加圧が行われ、Ｎ２タンク内圧Ｐｎｔが所定値（Ｐｎｔｍｉｎ）以上に保持されるので、窒素噴射量を正確に制御することができる。その結果、ノッキングを確実に抑制することができる。
【００５９】
図１７は、図７のステップＳ２２で実行される吸入空気量制御処理のフローチャートである。
ステップＳ７１では、アクセルペダル操作量ＡＰ、車速ＶＰ、ギヤ位置ＧＰなどに応じて、目標吸入空気量Ｇｃｙｌｃｍｄを決定する。基本的には、目標吸入空気量Ｇｃｙｌｃｍｄは、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、増加するように設定される。
【００６０】
ステップＳ７２では、下記式（６）にエアフローメータ５１により検出される空気量Ｇｔｈ，吸気管内圧力ＰＢＡ及び吸気温ＴＡを適用し、吸入空気量Ｇｃｙｌを算出する。
Ｇｃｙｌ＝Ｇｔｈ(k)−Ｖｂ（ＰＢＡ(k)−ＰＢＡ(k-1)）／（Ｒ・ＴＡ）
（６）
ここで、Ｖｂは吸気管６の容積（ｍ3）であり、Ｒは気体定数（ｇ・Ｋ／（Ｐａ・ｍ3))である。
【００６１】
ステップＳ７３では、吸入空気量Ｇｃｙｌが目標吸入空気量Ｇｃｙｌｃｍｄに一致するように、下記式（７）を用いて目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄを算出する。
【数２】
2005105992.tif 000004
ここでσ’(k)は下記式（８）で定義される切換関数値、Ｋｒｃｈ’及びＫａｄｐ’は所定の値に設定されるフィードバックゲインである。
σ’(k)＝Ｇｃｙｌ(k)−Ｇｃｙｌｃｍｄ(k)
＋ＰＯＬＥ’×（Ｇｃｙｌ(k-1)−Ｇｃｙｌｃｍｄ(k-1)）    （８）
【００６２】
ここでＰＯＬＥ’は、切換関数設定パラメータであり、「−１」から「０」の間の値に設定される。切換関数設定パラメータＰＯＬＥの値は、本実施形態では固定値としているが、必要に応じて変更するようにしてもよい。式（７）及び（８）は、前述した式（４）及び（５）と同一の形式である。すなわち、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄは、吸入空気量Ｇｃｙｌが目標吸入空気量Ｇｃｙｌｃｍｄに一致するように、応答指定型制御により算出される。
【００６３】
図１７の処理より目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄが算出されると、図示しない処理により、スロットル弁開度ＴＨを目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄに一致されるように、アクチュエータ１０の制御量が決定される。これにより、吸入空気量Ｇｃｙｌを目標吸入空気量Ｇｃｙｌｃｍｄに一致させることができる。
【００６４】
本実施形態では、クランク角度位置センサ６０、ＥＣＵ７０及び窒素供給装置２００により窒素供給手段が構成される。具体的には、図１０の処理が窒素供給手段の一部に相当する。より具体的には、図１０のステップＳ４２及びＳ４８が空燃比補正手段に相当し、ステップＳ４３及びＳ４８が始動後補正手段に相当し、ステップＳ４４及びＳ４８が窒素圧補正手段に相当し、ステップＳ４５〜Ｓ４８がノッキング補正手段に相当する。
【００６５】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図１３に示すＦｅｓｔｇマップ及びＮｅｓｔｇマップは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内圧力ＰＢＡに応じて設定されている。すなわち、機関負荷を示すパラメータとして、吸気管内圧力ＰＢＡを用いているが、吸気管内圧力ＰＢＡに代えて、吸入空気量Ｇｃｙｌまたは気筒吸入空気量Ｇｃｙｌ’を機関負荷を示すパラメータとして用いてもよい。
【００６６】
また上述した実施形態では、窒素分離装置を用いた窒素供給装置２００を示したが、窒素分離装置に代えて、高圧の窒素を充填した窒素タンクを用いるようにしてもよい。
また上述した実施形態では、吸気ポート及び排気ポートの構造、並びに吸気弁４及び排気弁５の配置により、スワール生成機構を構成し、燃焼室内で混合気あるいは窒素のスワールを発生させるようにしたが、吸気ポートにスワール制御弁を設け、燃焼室内にスワールを生成するか否かを制御するようにしてもよい。また、各気筒に吸気弁を２個設け、エンジン運転状態に応じて一方の吸気弁を休止若しくは低リフト量とすることにより、スワールを生成するようにしてもよい。また、エンジンの燃焼室に対して、上方へ立てた角度にて構成した吸気ポートを組合せてターンブル流を生成し、生成したターンブル流をスワール流に代えて利用することも可能である。
【００６７】
また上述した実施形態では、窒素噴射時間Ｔｎｉは、基本窒素噴射時間Ｔｎｉｂａｓｅを、Ｎ２空燃比補正値Ｋｎｉａｆ，Ｎ２始動後補正値Ｋｎｉａｓｔ，Ｎ２タンク内圧Ｋｎｉｐｎｔ，及びＮ２ノッキング補正値Ｋｎｉｉｇのすべてにより補正して算出するようにしたが、これらの補正値の１つのみ、あるいは任意の２つまたは３つの組み合わせにより補正して算出するようにしてもよい。
【００６８】
また上述した実施形態では、空燃比を示すパラメータとして、検出当量比ＫＡＣＴを用いて、Ｎ２空燃比補正係数Ｋｎｉａｆを算出しているが、検出当量比ＫＡＣＴに代えて目標当量比ＫＣＭＤを空燃比を示すパラメータとして用いて、Ｎ２空燃比補正係数Ｋｎｉａｆを算出するようにしてもよい。
【００６９】
また上述した実施形態では、燃料を吸気管内に噴射する内燃機関を示したが、本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴内燃機関にも適用可能である。さらに本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどにも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の構成を示す図である。
【図２】燃焼室及びその近傍の構造を説明するための模式図である。
【図３】燃焼室内における混合気層と窒素層とを説明するための図である。
【図４】スワールにより混合気層と窒素層が形成されることを説明するための図である。
【図５】図１に示す内燃機関の制御系の構成を示すブロック図である。
【図６】内燃機関の回転位相に同期して実行される制御処理のフローチャートである。
【図７】所定時間毎に実行される制御処理のフローチャートである。
【図８】図６の処理で実行されるＴｆｉ算出処理を示すフローチャートである。
【図９】図８の処理で使用されるテーブルを示す図である。
【図１０】図６の処理で実行されるＴｎｉ算出処理を示すフローチャートである。
【図１１】図１０の処理で使用されるマップ及びテーブルを示す図である。
【図１２】図６の処理で実行される噴射時期決定処理を示すフローチャートである。
【図１３】図１２の処理で使用されるマップを示す図である。
【図１４】燃料噴射時期及び窒素噴射時期を説明するための図である。
【図１５】図７の処理で実行されるＮ２タンク内圧制御処理を示すフローチャートである。
【図１６】図１５の処理で使用されるマップを示す図である。
【図１７】図７の処理で実行される吸入空気量制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７１】
１  エンジン本体
２  燃焼室
３  点火プラグ
４  吸気弁
５  排気弁
６  吸気管
７  第１コンプレッサ
１２  窒素噴射弁（窒素供給手段）
２１  排気管
２２  タービン
３１  空気通路（窒素供給手段）
３２  窒素分離装置（窒素供給手段）
３３  窒素タンク（窒素供給手段）
３４  窒素供給通路（窒素供給手段）
３５  電動コンプレッサ（窒素供給手段）
３６  第２コンプレッサ（窒素供給手段）
３７  電動流量制御弁（窒素供給手段）
５１  エアーフローセンサ
５４  吸気管内圧センサ
５５  ノッキングセンサ
５８  Ｎ２過給圧センサ
５９  Ｎ２タンク内圧センサ
６０  クランク角度位置センサ（窒素供給手段）
７０  電子制御ユニット（窒素供給手段、空燃比補正手段、始動後補正手段、窒素圧補正手段、ノッキング補正手段）
１００  過給機
２００  窒素供給装置（窒素供給手段）
【図１】
2005105992.tif 000005
【図２】
2005105992.tif 000006
【図３】
2005105992.tif 000007
【図４】
2005105992.tif 000008
【図５】
2005105992.tif 000009
【図６】
2005105992.tif 000010
【図７】
2005105992.tif 000011
【図８】
2005105992.tif 000012
【図９】
2005105992.tif 000013
【図１０】
2005105992.tif 000014
【図１１】
2005105992.tif 000015
【図１２】
2005105992.tif 000016
【図１３】
2005105992.tif 000017
【図１４】
2005105992.tif 000018
【図１５】
2005105992.tif 000019
【図１６】
2005105992.tif 000020
【図１７】
2005105992.tif 000021