(57)【要約】【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、第１燃焼から第２燃焼への燃焼の切り替えの過程での燃費低減とＮＯｘ排出抑制とを両立しつつ、当該切り替えを行えるようにすることを目的とする。【解決手段】吸入空気量の増加を伴ってストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替えるための切替モードとして、空燃比を連続的に切り替える第１切替モードと、空燃比をステップ的に切り替える第２切替モードとを有する。ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えが要求された場合に、当該切り替えを第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で筒内から排出されるＮＯｘの総排出量を推定する。推定されたＮＯｘの総排出量が判定閾値未満である場合には第１切替モードを実行し、推定されたＮＯｘの総排出量が判定閾値以上である場合には第２切替モードを実行する。【選択図】図１１
2016108966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入空気量を調整する空気量調整手段と、内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁と、筒内の混合気に点火する点火装置とを備える前記内燃機関を制御し、かつ、理論空燃比以下の空燃比での第１燃焼と理論空燃比よりも大きな空燃比での第２燃焼とを実施可能な内燃機関の制御装置であって、
第１燃焼から第２燃焼に切り替える際に第１切替モードもしくは第２切替モードを実行する燃焼切替実行手段を備え、
前記第１切替モードを実行する場合に前記燃焼切替実行手段は、吸入空気量を増加させ、かつ、吸入空気量の当該増加の過程で要求トルクに対するエンジントルクの変化を抑制しつつ空燃比が第２燃焼での目標空燃比となるように燃料噴射量と点火時期とを調整し、
前記第２切替モードを実行する場合に前記燃焼切替実行手段は、第１燃焼における空燃比を維持した状態で吸入空気量を増加させ、かつ、吸入空気量の当該増加に伴って、燃料噴射量を増加させるとともに点火時期を遅角し、吸入空気量が切り替え後の第２燃焼に必要な要求吸入空気量に到達してから、空燃比が第２燃焼での目標空燃比となるように燃料噴射量を減少させるとともに点火時期を進角し、
前記第１切替モードは、第１燃焼から第２燃焼への切り替えを前記第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で筒内から排出されるＮＯｘの総排出量が第１所定値未満となる状況下において実行され、一方、前記第２切替モードは、ＮＯｘの前記総排出量が前記第１所定値以上となる状況下において実行されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関は、
前記内燃機関の吸気通路に配置され、吸入空気を過給するコンプレッサと、
前記コンプレッサよりも下流側の前記吸気通路に配置され、吸入空気量を調整するスロットルバルブと、
前記コンプレッサの駆動力を調整して過給圧を制御するアクチュエータと、
を備え、
前記制御装置は、第１燃焼から第２燃焼に切り替える際に過給圧を高める要求がある場合に、要求トルクを第１燃焼の下で実現するために必要な要求吸入空気量を維持しつつ過給圧を高める過給圧リザーブ制御を、前記スロットルバルブと前記アクチュエータとを用いて実行するリザーブ制御実行手段をさらに備え、
前記燃焼切替実行手段は、前記過給圧リザーブ制御が終了した後に、第１燃焼から前記第２燃焼への燃焼の切り替えを開始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】
前記制御装置は、ＮＯｘの前記総排出量を推定するＮＯｘ排出量推定手段をさらに備え、
前記燃焼切替実行手段は、前記ＮＯｘ排出量推定手段により推定されたＮＯｘの前記総排出量が前記第１所定値未満である場合には前記第１切替モードを実行し、推定されたＮＯｘの前記総排出量が前記第１所定値以上である場合には前記第２切替モードを実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、第１燃焼から第２燃焼に切り替える過程での吸入空気量の変化率に基づいて、ＮＯｘの前記総排出量を推定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、第１燃焼から第２燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と前記要求吸入空気量との差を少なくともパラメータとしてＮＯｘの前記総排出量を規定するマップに従って、ＮＯｘの前記総排出量を算出することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記燃焼切替実行手段は、第１燃焼から第２燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と前記要求吸入空気量との差が第２所定値未満である場合には前記第１切替モードを実行し、一方、前記差が前記第２所定値以上である場合には前記第２切替モードを実行することを特徴とする請求項１または２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】
この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、理論空燃比以下の空燃比での第１燃焼と理論空燃比よりも大きな空燃比での第２燃焼とを実施可能な内燃機関を制御する装置として好適な内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、ディーゼルエンジンの制御装置が開示されている。この制御装置によれば、ＮＯｘ吸蔵触媒で捕捉したＮＯｘを還元するために、理論空燃比よりも大きな空燃比でのリーン燃焼中に、理論空燃比よりも小さな空燃比でのリッチ燃焼が一時的に実行される。そのうえで、リッチ燃焼からリーン燃焼への切り替え時に過給圧を上昇させる必要がある場合には、吸入空気量を増やす前に過給圧を上昇させる制御が実行される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９１８９７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２４１８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸入空気量を調整してエンジントルクを制御するガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関においても、理論空燃比以下の空燃比での第１燃焼（ストイキ燃焼、もしくは理論空燃比よりも小さな空燃比でのリッチ燃焼）と理論空燃比よりも大きな空燃比での第２燃焼（リーン燃焼）とを実施可能なものがある。第１燃焼と第２燃焼との切り替えは、エンジントルクに段差が生じないようにしつつ行うことが要求される。ここで、第１燃焼と第２燃焼では、同じエンジントルクを実現するために必要な吸入空気量が異なる。このため、燃焼を切り替えるときには、燃料噴射量および点火時期を吸入空気量の調整とともに調整してエンジントルクをスムーズに繋げることが必要となる。そして、このような燃焼の切り替えは、切り替えの過程での燃費低減とＮＯｘ排出抑制とに配慮されたものであることが望ましい。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１燃焼から第２燃焼への燃焼の切り替えの過程での燃費低減とＮＯｘ排出抑制とを両立しつつ、当該切り替えを行えるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、空気量調整手段と、燃料噴射弁と、点火装置とを備える内燃機関を制御し、かつ、理論空燃比以下の空燃比での第１燃焼と理論空燃比よりも大きな空燃比での第２燃焼とを実施可能なものである。内燃機関の制御装置は、燃焼切替実行手段を備える。空気量調整手段は、吸入空気量を調整する。燃料噴射弁は、内燃機関に燃料を供給する。点火装置は、筒内の混合気に点火する。燃焼切替実行手段は、第１燃焼から第２燃焼に切り替える際に第１切替モードもしくは第２切替モードを実行する。前記第１切替モードを実行する場合に前記燃焼切替実行手段は、吸入空気量を増加させ、かつ、吸入空気量の当該増加の過程で要求トルクに対するエンジントルクの変化を抑制しつつ空燃比が第２燃焼での目標空燃比となるように燃料噴射量と点火時期とを調整する。前記第２切替モードを実行する場合に前記燃焼切替実行手段は、第１燃焼における空燃比を維持した状態で吸入空気量を増加させ、かつ、吸入空気量の当該増加に伴って、燃料噴射量を増加させるとともに点火時期を遅角し、吸入空気量が切り替え後の第２燃焼に必要な要求吸入空気量に到達してから、空燃比が第２燃焼での目標空燃比となるように燃料噴射量を減少させるとともに点火時期を進角する。前記第１切替モードは、第１燃焼から第２燃焼への切り替えを前記第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で筒内から排出されるＮＯｘの総排出量が第１所定値未満となる状況下において実行され、一方、前記第２切替モードは、ＮＯｘの前記総排出量が前記第１所定値以上となる状況下において実行される。
【０００７】
本発明に係る前記内燃機関は、前記内燃機関の吸気通路に配置され、吸入空気を過給するコンプレッサと、前記コンプレッサよりも下流側の前記吸気通路に配置され、吸入空気量を調整するスロットルバルブと、前記コンプレッサの駆動力を調整して過給圧を制御するアクチュエータと、を備えるものであってもよい。前記制御装置は、第１燃焼から第２燃焼に切り替える際に過給圧を高める要求がある場合に、要求トルクを第１燃焼の下で実現するために必要な要求吸入空気量を維持しつつ過給圧を高める過給圧リザーブ制御を、前記スロットルバルブと前記アクチュエータとを用いて実行するリザーブ制御実行手段をさらに備えるものであってもよい。そのうえで、前記燃焼切替実行手段は、前記過給圧リザーブ制御が終了した後に、第１燃焼から前記第２燃焼への燃焼の切り替えを開始するものであってもよい。
【０００８】
前記制御装置は、ＮＯｘの前記総排出量を推定するＮＯｘ排出量推定手段をさらに備えるものであってもよい。そして、前記燃焼切替実行手段は、前記ＮＯｘ排出量推定手段により推定されたＮＯｘの前記総排出量が前記第１所定値未満である場合には前記第１切替モードを実行し、推定されたＮＯｘの前記総排出量が前記第１所定値以上である場合には前記第２切替モードを実行するものであってもよい。
【０００９】
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、第１燃焼から第２燃焼に切り替える過程での吸入空気量の変化率に基づいて、ＮＯｘの前記総排出量を推定するものであってもよい。
【００１０】
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、第１燃焼から第２燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と前記要求吸入空気量との差を少なくともパラメータとしてＮＯｘの前記総排出量を規定するマップに従って、ＮＯｘの前記総排出量を算出するものであってもよい。
【００１１】
前記燃焼切替実行手段は、第１燃焼から第２燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と前記要求吸入空気量との差が第２所定値未満である場合には前記第１切替モードを実行し、一方、前記差が前記第２所定値以上である場合には前記第２切替モードを実行するものであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１燃焼から第２燃焼への切り替えが要求された場合に、当該切り替えを第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で筒内から排出されるＮＯｘの総排出量が第１所定値未満となる状況下では、燃費低減の観点で優れた第１切替モードが使用される。一方、ＮＯｘの総排出量が第１所定値以上となる状況下では、ＮＯｘ排出抑制の観点で優れた第２切替モードが使用される。これにより、燃費低減とＮＯｘ排出抑制という観点で、切り替えが要求されたときの個々の状況に適した切替モードが選択できるようになる。このため、本発明によれば、トルク段差を抑制しつつ第１燃焼から第２燃焼に切り替えようとする際に、燃費低減とＮＯｘの排出抑制とを好適に両立させられるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る内燃機関のシステム構成を概略的に説明するための図である。
【図２】エンジン運転領域と燃焼方式との関係の一例を表した図である。
【図３】第１切替モードの動作を表したタイムチャートである。
【図４】第２切替モードの動作を表したタイムチャートである。
【図５】ＮＯｘ排出量と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。
【図６】ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えの過程の各サイクルでのＮＯｘ排出量の推定手法を説明するためのタイムチャートである。
【図７】エンジントルクと吸入空気量と空燃比との関係を表した図である。
【図８】筒内からのＮＯｘの排出量と空燃比との関係を表した図である。
【図９】ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えの過程で各気筒から排出されると予想されるＮＯｘの総排出量の推定値の時間変化を表した図である。
【図１０】ＮＯｘの総排出量の判定閾値の設定手法の一例を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る制御の流れを示すフローチャートである。
【図１２】ストイキ燃焼の下で吸入空気量の応答性を高めてエンジントルクを高応答に制御する手法を説明するための図である。
【図１３】ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替え時に、切り替え時間の短縮のために図１２に示すスロットル制御を適用することを想定した図である。
【図１４】過給圧リザーブ制御を伴う第１切替モードの動作を表したタイムチャートである。
【図１５】過給圧リザーブ制御を伴う第２切替モードの動作を表したタイムチャートである。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る制御の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
まず、図１〜図１３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
［実施の形態１のシステムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関１０のシステム構成を概略的に説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、内燃機関本体１２を備えている。内燃機関１０は、火花点火式エンジン（一例として、ガソリンエンジン）であり、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。内燃機関本体１２の各気筒には、吸気通路１４および排気通路１６が連通している。
【００１５】
吸気通路１４の入口付近には、エアクリーナ１８が設けられている。エアクリーナ１８には、吸気通路１４に取り入れられた空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。エアクリーナ１８よりも下流側の吸気通路１４には、吸入空気を過給するために、ターボ過給機２２のコンプレッサ２２ａが配置されている。ターボ過給機２２は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン２２ｂを排気通路１６に備えている。コンプレッサ２２ａは、連結軸２２ｃを介してタービン２２ｂと一体的に連結されており、タービン２２ｂに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動される。
【００１６】
コンプレッサ２２ａよりも下流側の吸気通路１４には、吸気通路１４を開閉する電子制御式のスロットルバルブ２４が配置されている。スロットルバルブ２４よりも下流側の吸気通路１４は、各気筒に向けて吸入空気を分配する吸気マニホールド２６として構成されている。吸気マニホールド２６の集合部（サージタンク）には、コンプレッサ２２ａによって圧縮された吸入空気を冷却するためのインタークーラ２８が配置されている。吸気通路１４におけるコンプレッサ２２ａとスロットルバルブ２４との間には、スロットル上流圧力、すなわち、過給圧を計測するための第１吸気圧力センサ３０が配置されている。また、吸気マニホールド２６には、スロットル下流圧力、すなわち、吸気マニホールド圧力を計測するための第２吸気圧力センサ３２が配置されている。
【００１７】
各気筒には、燃焼室３４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３６と、燃焼室３４内の混合気に点火するための点火プラグ３８とが備えられている。燃焼室３４内に燃料を供給する燃料噴射弁としては、燃料噴射弁３６に代え、あるいはそれとともに各吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁が用いられていてもよい。
【００１８】
排気通路１６には、タービン２２ｂをバイパスする排気バイパス通路４０が接続されている。排気バイパス通路４０には、排気バイパス通路４０を開閉するバイパスバルブとして、ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）４２が配置されている。ＷＧＶ４２は、一例として電動式であり、所定の開度制御範囲内で任意の開度に調整可能に構成されている。ＷＧＶ４２の開度を変更することにより、タービン２２ｂを通過する排気ガスの流量を調整してコンプレッサ２２ａの駆動力を調整することができる。
【００１９】
また、タービン２２ｂよりも上流側の排気通路１６には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４４が配置されている。空燃比センサ４４よりも下流側の排気通路１６には、排気ガスを浄化するための各種触媒が配置されている。ここでは、一例として、排気ガスの上流側から順に、三元触媒４６およびＮＳＲ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）４８が備えられている。なお、リーン燃焼運転時のＮＯｘの浄化のために、ＮＳＲ触媒４８に代え、あるいはそれとともにＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）が備えられていてもよい。
【００２０】
さらに、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０は、少なくとも入出力インターフェースとメモリと演算処理装置（ＣＰＵ）とを備えている。入出力インターフェースは、内燃機関１０もしくはこれを搭載する車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関１０が備える各種アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。ＥＣＵ５０が信号を取り込むセンサには、上述したエアフローメータ２０、吸気圧力センサ３０および３２ならびに空燃比センサ４４に加え、クランク軸の回転位置およびエンジン回転速度を取得するためのクランク角センサ５２等のエンジン運転状態を取得するための各種センサが含まれる。上記センサには、内燃機関１０を搭載する車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサ５４も含まれる。ＥＣＵ５０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁３６、点火プラグ３８を利用する点火装置（図示省略）、およびＷＧＶ４２等のエンジン運転を制御するための各種アクチュエータが含まれる。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。
【００２１】
［前提とするエンジントルク制御］
本実施形態のシステムでのエンジントルク制御では、アクセル開度に応じて要求トルクが算出され、算出された要求トルクを目標トルクとしてエンジントルクが制御される。より具体的には、要求トルクが算出されると、現在の空燃比の下で要求トルクを実現するために必要な要求吸入空気量（筒内に吸入される空気量の要求値）が算出される。吸入空気量（筒内空気量）の計算は、公知のエアモデルを用いて行うことができる。点火時期は、基本的には、空燃比に応じたＭＢＴ点火時期に制御される。
【００２２】
内燃機関１０の場合には、吸入空気量は、スロットルバルブ２４とＷＧＶ４２とを用いて調整することができる。低負荷側のトルク領域では、ＷＧＶ４２の開度を開度制御範囲内の最大開度にて開いた状態で、スロットルバルブ２４の開度調整によって要求吸入空気量が得られるように吸入空気量が調整される。この調整の下でスロットルバルブ２４が全開開度に到達するときの吸入空気量よりも多くの吸入空気量を必要とする領域（すなわち、過給領域）では、スロットルバルブ２４を全開開度にて開いた状態で、要求吸入空気量を実現する要求過給圧が得られるようにＷＧＶ４２の開度調整によって過給圧が調整され、これにより、過給領域での吸入空気量が要求吸入空気量となるように調整される。なお、以下の説明においては、吸入空気量および過給圧の要求値（目標値）の表記について、ストイキ燃焼の下での値の場合には末尾に「Ｓ」を付し、リーン燃焼を想定した値もしくはリーン燃焼の下での値の場合には末尾に「Ｌ」を付している。
【００２３】
［実施の形態１における燃焼の切り替え制御］
（ストイキ燃焼領域とリーン燃焼領域）
図２は、エンジン運転領域と燃焼方式との関係の一例を表した図である。図２に示すエンジン運転領域は、エンジントルク（エンジン負荷）とエンジン回転速度とによって規定されている。エンジン運転領域には、理論空燃比よりも大きな（リーンな）空燃比を用いるリーン燃焼領域が含まれている。リーン燃焼領域は、おおよそ、低中負荷かつ低中回転の領域に該当する。リーン燃焼領域よりも高負荷高回転側には、理論空燃比を用いる第１ストイキ燃焼領域が設けられている。また、リーン燃焼領域よりも低負荷低回転側にも、理論空燃比を用いる第２ストイキ燃焼領域が設けられている。第２ストイキ燃焼領域は、この領域においてリーン燃焼を行うと燃焼が不安定となるため、それを避けるために理論空燃比を用いる領域である。
【００２４】
リーン燃焼領域内の高負荷側の領域は、過給リーン燃焼領域として設定されている。過給リーン燃焼領域は、この領域内のエンジントルクをリーン燃焼で実現するために過給を必要とする領域である。この領域よりも低負荷側のリーン燃焼領域が、自然吸気リーン燃焼領域となる。なお、第２ストイキ燃焼領域は、過給を必要としない領域であり、一方、第１ストイキ燃焼領域内には、図示は省略するが、過給を必要とする過給領域と過給を必要としない自然吸気領域とが含まれている。
【００２５】
本実施形態の制御は、ストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替える際の動作に特徴を有している。ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えの態様としては、ストイキ燃焼を実施する自然吸気領域もしくは過給領域からリーン燃焼を実施する自然吸気領域への切り替え、または、ストイキ燃焼を実施する自然吸気領域もしくは過給領域からリーン燃焼を実施する過給領域への切り替えがある。ストイキ燃焼とリーン燃焼との切り替えは、エンジントルクに段差が生じないようにしつつ行うことが要求される。ここで、ストイキ燃焼とリーン燃焼では、同じエンジントルクを実現するために必要な吸入空気量が異なる。このため、燃焼を切り替えるときには、燃料噴射量および点火時期を吸入空気量の調整とともに調整してエンジントルクをスムーズに繋げることが必要となる。より具体的には、リーン燃焼の実施時には、ストイキ燃焼でのエンジントルクと同じエンジントルクを実現するためにはストイキ燃焼の実施時よりも多くの吸入空気量を必要とする。したがって、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えは、エンジントルクを下げる場合（減速時）であっても、吸入空気量の増加を必要とするケースが多くなる。本実施形態では、吸入空気量の増加を伴ってストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替える際の空燃比の切替モードとして、以下に説明する第１切替モードおよび第２切替モードが用いられる。
【００２６】
（第１切替モードと第２切替モード）
図３は、第１切替モードの動作を表したタイムチャートであり、図４は、第２切替モードの動作を表したタイムチャートである。図３および図４では、一例として、ストイキ燃焼を実施する自然吸気領域からリーン燃焼を実施する過給領域への切り替えの動作について説明する。また、図３および図４は、燃焼の切り替えの前後で目標トルク（要求トルク）が一定である場合の動作を示している。
【００２７】
第１切替モードは、切り替え後のリーン燃焼の下で要求トルクに相当する目標トルクを実現するために必要な要求吸入空気量Ｌに向けて吸入空気量を増やしながら、空燃比をリーン燃焼での目標空燃比に向けて「連続的に（すなわち、複数サイクルを利用して）」切り替えるというものである。燃焼（すなわち、空燃比）の切り替えは、図３に示すように、切り替え要求が出されたときに直ちに開始される。具体的には、要求吸入空気量Ｌが目標吸入空気量Ｌ（破線）として算出される。この場合の切り替え後のリーン燃焼は過給を伴うものであるため、スロットルバルブ２４を全開とした状態で目標吸入空気量Ｌを実現するために必要な要求過給圧Ｌが目標過給圧Ｌ（破線）として算出される。そして、切り替え開始時点において、スロットル開度が全開開度に制御される。ＷＧＶ開度は、この制御例では、実過給圧を速やかに高めるために、切り替え初期に最小開度に制御された後に目標過給圧Ｌに対応する開度に制御される。これに伴い、吸入空気量が目標吸入空気量Ｌに向けて上昇していく。切り替え中の空燃比は、変化していく実吸入空気量の下で目標トルクを維持するための値となるように燃料噴射量が調整されることで変更される。より具体的には、切り替えの過程においてスロットルバルブ２４が全開とされた状態で吸気マニホールド圧が上昇していくことに伴ってポンプロスが低減していく。これに伴い、切り替えの過程での燃料噴射量は徐々に減らされていく。ＭＢＴ点火時期は空燃比が理論空燃比に対して大きくなるにつれて進角するため、切り替えの過程での点火時期は、空燃比が大きくなるにつれて進角される。実空燃比がリーン燃焼での目標空燃比に到達したときに、第１切替モードによる燃焼の切り替え動作が終了される。
【００２８】
一方、第２切替モードは、図４に示すように、燃焼の切り替え要求が出された場合に、まず、ストイキ燃焼の下で目標トルクを維持しつつ吸入空気量を要求吸入空気量Ｌに向けて増加させた後に、リーン燃焼での目標空燃比に向けて空燃比を「ステップ的に（１サイクルで）」切り替えるというものである。具体的には、切り替えが要求されたときに吸入空気量および過給圧を要求吸入空気量Ｌおよび要求過給圧Ｌに向けてそれぞれ高める動作については、第１切替モードと同様である。第１切替モードとの相違点は、ストイキ燃焼の下でスロットルバルブ２４を開いて目標吸入空気量Ｌに向けて吸入空気量を増やしながら、目標トルクを維持するために点火時期が遅角される点にある。燃料噴射量は、吸入空気量が増加する過程で理論空燃比を維持するために増やされていく。その後、吸入空気量が目標吸入空気量Ｌに到達したときに、理論空燃比からリーン燃焼での目標空燃比に向けて空燃比を切り替えるために、燃料噴射量が減らされる。これに伴い、リーン燃焼でのＭＢＴ点火時期となるように点火時期が進角される。これにより、第２切替モードによる燃焼の切り替え動作が終了される。
【００２９】
（第１切替モードと第２切替モードの長所と短所）
第２切替モードは、燃焼の切り替えのために吸入空気量を増加する過程で目標トルクに対するエンジントルクの変化を抑制するために点火時期の遅角を利用する。ＭＢＴ点火時期よりも点火時期を遅角することは燃費の悪化要因となる。これに対し、第１切替モードは、エンジントルクの変化抑制のために点火時期の遅角を利用しないため、第２切替モードと比べて、切り替えの過程での燃費という点において優れている。したがって、第１切替モードを主な切替モードとして利用することで、切り替えの過程での燃費低減に配慮した燃焼の切り替えを行えるようになる。その一方で、図３および図４を比較すると分かるように、第１切替モードでは、第２切替モードと比べて、空燃比の切り替えに要する時間が長くなる。
【００３０】
図５は、ＮＯｘ排出量と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。燃焼室３４からのＮＯｘの排出量は、図５に示すように、理論空燃比よりも少し大きな空燃比（１６程度）にてピークがあり、これを超えて空燃比が大きくなるにつれて減少していく特性を有している。本実施形態のシステムでは、リーン燃焼領域にて用いる目標空燃比として、図５中に示すようにＮＯｘ排出量が十分に少なくなるレベルの値（すなわち、ＮＯｘ排出量が相対的に多くなる空燃比範囲（１６〜２０付近）内の値よりも大きな値）が使用されるようになっている。
【００３１】
上記のように第１切替モードは、空燃比の切り替えに時間を要する（すなわち、切り替えの過程で複数のサイクルの経過を必要とする）。このため、理論空燃比からリーン燃焼での目標空燃比に移行する過程で、図５に示すようにＮＯｘ排出量が多い空燃比（１６〜２０付近）での燃焼を経験することになる。このことは、ＮＯｘ排出量の増加に繋がる。特に、リーン燃焼への切り替え時に過給圧を高める必要がある場合には、吸入空気量の応答に対してより時間がかかるため、空燃比の切り替えに要する時間が長くなり、ＮＯｘ排出量が多くなる。
【００３２】
（実施の形態１の特徴的な制御）
燃焼の切り替えは、切り替えの過程での燃費低減とＮＯｘ排出抑制とに配慮されたものであることが望ましい。図３〜図５を参照した以上の説明から、切り替えの過程における燃費低減という観点では、第１切替モードが優れているといえ、切り替えの過程におけるＮＯｘ排出抑制という観点では、第２切替モードが優れているといえる。したがって、ＮＯｘの排出が許容レベルであれば、第１切替モードを利用することで、切り替えの過程における燃費低減を図ることができるといえる。
【００３３】
そこで、本実施形態では、吸入空気量の増加を伴う切り替えを対象として、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えが要求されたときに、当該切り替えを第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で（すなわち、要求吸入空気量Ｌに向けて吸入空気量を変化させる過程で）各気筒から排出されると予想されるＮＯｘの総排出量（すなわち、当該ＮＯｘの排出量の積算値）を推定することとした。そして、要求された切り替えのために、推定されたＮＯｘの総排出量が所定の判定閾値（本発明における「第１所定値」に相当）未満である場合には第１切替モードを実行し、推定されたＮＯｘの量が上記判定閾値以上である場合には第２切替モードを実行することとした。
【００３４】
ここで、図６〜図８を参照して、空燃比の切り替えの過程の各サイクルでのＮＯｘ排出量の推定手法について説明する。図６は、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えの過程の各サイクルでのＮＯｘ排出量の推定手法を説明するためのタイムチャートである。図６は、第１切替モードを利用した燃焼の切り替えの前後で目標トルクが一定のケースを例に挙げているが、ここで説明する推定手法の考え方は、アクセルペダルが操作されて目標トルクがステップ的に変化することに伴ってストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えが要求された場合も同様に適用することができる。ただし、図６に示す推定手法では、空燃比の切り替えの過程でエンジン回転速度が一定であると仮定している。
【００３５】
図６（Ａ）は、現在の吸入空気量（すなわち、燃焼の切り替え要求が出された時の吸入空気量であり、図６の説明においては、「ＫＬ（０）」とも称する）から切り替え後の吸入空気量（すなわち、目標（要求）吸入空気量Ｌ）に向けて変化する吸入空気量の予測波形を表している。あるエンジン回転速度の下で現在の吸入空気量ＫＬ（０）から目標吸入空気量Ｌにまで吸入空気量を増やす際のおおよその空気量の変化率は、内燃機関１０の仕様および吸入空気量の制御に用いるアクチュエータ（ここでは、スロットルバルブ２４とＷＧＶ４２）の制御状態に応じて定まるものである。そこで、本実施形態では、所定の空気量変化率Ａを用いて、切り替えの過程での吸入空気量を推定することとしている。より具体的には、空気量変化率Ａは、現在の吸入空気量ＫＬ（０）およびエンジン回転速度Ｎｅ（すなわち、現在の運転領域）と目標吸入空気量Ｌとの関係で事前に定めておくことができる。さらに、ここで用いている空気量変化率Ａは、次のような配慮がなされた値である。すなわち、詳細は後述するが、吸入空気量の応答速度を最大限に高めることを目的として、スロットルバルブ２４の操作速度を高め過ぎたり、スロットル開度を意図的に目標開度よりも一旦オーバーシュートさせたりすると、目標吸入空気量に対して実吸入空気量がオーバーシュートしてしまうことがある。そこで、空気量変化率Ａは、目標吸入空気量に対する実吸入空気量のオーバーシュートが生じない範囲内での変化率の上限として位置づけられる値として事前に設定されている。
【００３６】
現在の吸入空気量ＫＬ（０）から目標吸入空気量Ｌに到達するまでの到達時間ΔＴ（秒）は、目標吸入空気量Ｌから現在の吸入空気量ＫＬ（０）を引いて得られる差ΔＫＬと空気量変化率Ａとに基づいて次の（１）式に従って算出することができる。また、到達時間ΔＴ中に行われる点火の回数ｎは、次の（２）式に従って算出することができる。
ΔＴ＝ΔＫＬ／Ａ  ・・・（１）
ｎ＝ΔＴ×（Ｎｅ／６０）×（ｉ／２）  ・・・（２）
ただし、（２）式において、Ｎｅは、上述のように一定と仮定された切り替え時のエンジン回転速度（ｍｉｎ−１）であり、ｉは、内燃機関１０の気筒数である。
【００３７】
到達時間ΔＴ中に各気筒において点火が行われるタイミングでの吸入空気量ＫＬ（ｋ）の値は、点火回数ｋがｎ回であるとすると次の（３）式に従って算出することができる。例えば、点火回数ｋが４回であれば、４回の点火のそれぞれに対応した吸入空気量ＫＬが順に算出されることになる。
ＫＬ（ｋ）＝ＫＬ（ｋ−１）＋Ａ×ΔＴ／ｎ  ・・・（３）
【００３８】
図６（Ｂ）は、燃焼の切り替えの過程での目標空燃比の時間変化を表している。図７は、エンジントルクと吸入空気量と空燃比との関係を表した図である。図７に示すように、空燃比が大きくなるにつれ、同じエンジントルクを実現するために必要な吸入空気量ＫＬ（ｋ）が多くなる。図７に示すような関係をマップとして備えておくことで、到達時間ΔＴ中に点火が行われるタイミングでの吸入空気量ＫＬ（ｋ）の下で目標トルクを維持するために必要な目標空燃比Ａ／Ｆ（ｋ）を算出できるようになる。例えば、図６（Ｂ）に示す例では、ＫＬ（１）およびＫＬ（２）に対応するＡ／Ｆ（１）およびＡ／Ｆ（２）がそれぞれ算出される。
【００３９】
図６（Ｃ）は、燃焼の切り替えの過程の各時点において燃焼が行われたとしたら筒内から排出されることになるＮＯｘの量の時間変化を表している。図８は、筒内からのＮＯｘの排出量と空燃比との関係を表した図である。空燃比に対するＮＯｘ排出量の図８に示す特性は、図５を参照して既述した通りである。この特性は、吸入空気量とエンジン回転速度とによって異なるものとなる。したがって、吸入空気量、エンジン回転速度および空燃比との関係でＮＯｘ排出量を定めたマップを備えておくことで、切り替えの過程での目標空燃比Ａ／Ｆ（ｋ）、ＫＬ（ｋ）およびエンジン回転速度（一定値）に基づいてＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）（図６（Ｃ）に示す例では、ＮＯｘ（１）とＮＯｘ（２））を算出することができる。
【００４０】
到達時間ΔＴ中の各気筒において点火が行われるタイミングでのＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）を足し合わせることで、切り替えの過程で各気筒から排出されると予想されるＮＯｘの総排出量の推定値を算出することができる。図９は、切り替えの過程におけるＮＯｘの総排出量の推定値の時間変化の一例を表した図である。図９に示すように、ＮＯｘの総排出量の推定値は、到達時間ΔＴ中に点火（燃焼）が行われる度に増加していく。図９は、ＮＯｘの総排出量の推定値が判定閾値よりも大きい場合のものである。この場合には、燃費面で優れているために基本の切替モードとされている第１切替モードに代えて、ＮＯｘの排出抑制に優れている第２切替モードが選択される。
【００４１】
図１０は、ＮＯｘの総排出量の判定閾値の設定手法の一例を説明するための図である。前提として、本実施形態では、リーン燃焼運転の実行中に、ＮＳＲ触媒４８のＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前にＮＯｘの還元処理が実行されるようになっている。この還元処理は、ＮＳＲ触媒４８に対して還元剤（ＨＣ等）を供給し、吸蔵されたＮＯｘを放出して還元剤と反応させることによって、ＮＯｘを窒素（Ｎ２）に還元するというものである。ＮＳＲ触媒４８への還元剤の供給は、燃料噴射量を増やして空燃比を一時的に理論空燃比以下の空燃比に変更する処理（いわゆる、リッチスパイク処理）によって行われる。
【００４２】
切り替え前のストイキ燃焼の下では、三元触媒４６およびＮＳＲ触媒４８の雰囲気が理論空燃比近傍の空燃比雰囲気となっているため、これらの触媒４６、４８によってＮＯｘがある程度浄化されることを期待することができる。これに対し、燃焼の切り替えの過程において排出されるＮＯｘの量が多くなり過ぎると、切り替えの過程においてＮＳＲ触媒４８のＮＯｘ吸蔵量が増えてしまい、切り替え後のリーン燃焼中に（排出量としては少ないが）排出が継続されるＮＯｘを吸蔵可能な容量が少なくなってしまう。その結果、リッチスパイク処理を早いタイミングで実行する必要が生じるため、リーン燃焼の継続時間が短くなってしまう。リッチスパイク処理の頻度の上昇は燃費悪化要因となる。
【００４３】
ここで、リッチスパイク処理による燃料消費量が増えると、リッチスパイク処理によって投入される還元剤の量が増えることになるので、１回のリッチスパイク処理によるＮＳＲ触媒４８のＮＯｘ吸蔵能力の回復量が増えることになる。その結果、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えの過程で排出が許容されるＮＯｘの量が増えることになるといえる。したがって、図１０に示すように、リッチスパイク処理（Ｒ／Ｓ）による燃料消費増加量が多いほど、切り替えの過程におけるＮＯｘの排出許容量が多いという関係が得られる。ただし、リッチスパイク処理による燃料消費量の増加は、燃費悪化に繋がるものである。既述したように、第１切替モードは、そもそも燃費低減の観点で選択される切替モードである。そうであるのに、第１切替モードを利用した切り替えの過程で排出されるＮＯｘの許容量を十分に確保するためにリッチスパイク処理での燃料消費量を増やし過ぎると、却って燃費の悪化を招くことが懸念される。そこで、本実施形態では、図１０に示すように、第１切替モードの利用による燃費低減の成立という観点で、リッチスパイク処理による燃料消費増加量の制限値（上限値）が決定されている。この制限値が決まれば、図１０に示す関係を利用して、上記制限値に対応するＮＯｘ排出量Ｂを求めることができる。このようにして求められたＮＯｘ排出量Ｂは、第１切替モードを利用する燃焼の切り替えの過程で許容されるＮＯｘの総排出量の上限値に相当する。すなわち、切り替えの過程で各気筒から排出されるＮＯｘの総排出量がＮＯｘ排出量Ｂ未満であれば、ＮＯｘ排出量を許容レベル以下に抑制しつつ燃費の観点でもメリットがある状況下において第１切替モードを利用できることになるといえる。このため、本実施形態では、図９中に示すＮＯｘ排出量の判定閾値の好ましい設定の一例として、上記ＮＯｘ排出量Ｂが使用される。
【００４４】
（実施の形態１における具体的処理）
図１１は、本発明の実施の形態１における燃焼の切り替え制御の流れを示すフローチャートである。
【００４５】
図１１に示すように、ＥＣＵ５０は、まず、ステップ１００において、燃焼の切り替え要求があるか否かを判定する。より具体的には、ＥＣＵ５０は、各運転領域で用いる燃焼方式を規定した関係（図２参照）をマップとして記憶している。そして、現在の運転領域で使用している燃焼方式と、アクセル開度に基づいて算出される現在の要求トルク（目標トルク）に対応する要求運転領域での燃焼方式とを比較して、燃焼の切り替えが要求されているか否かが判定される。また、運転領域上の動作点に変更はない場合であっても、例えば、リーン燃焼が禁止されてストイキ燃焼を用いている際に、その禁止が解かれてストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えが可能となったときにも、燃焼の切り替え要求があると判定される。
【００４６】
ステップ１００の判定が成立する場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ１０２に進み、リーン燃焼での目標空燃比の下で現在の要求トルクを実現するために必要な要求吸入空気量Ｌを算出する。次いで、ＥＣＵ５０は、ステップ１０４に進み、今回の切り替え要求が、吸入空気量の増加を伴うストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えを要求するものであるか否かを判定する。具体的には、現在の運転領域で使用している燃焼方式がストイキ燃焼であり、要求されている燃焼方式がリーン燃焼である場合であって、ステップ１０２にて算出した要求吸入空気量Ｌが現在の実吸入空気量よりも多い場合には、ステップ１０４の判定が成立する。
【００４７】
ステップ１０４の判定が不成立となる場合、すなわち、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替え要求である場合、もしくは、吸入空気量の増加を伴わないストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替え要求である場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ１０６に進み、直ちに所定の切替動作を実行する。
【００４８】
一方、ステップ１０４の判定が成立する場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ１０８に進み、図６〜図１０を参照して説明した推定手法を利用して、第１切替モードを使用すると仮定した場合に切り替えの過程で各気筒から排出されると予想されるＮＯｘの総排出量の推定値を算出する。次いで、ＥＣＵ５０は、ステップ１１０に進み、算出したＮＯｘの推定値が図９および図１０を参照して説明した判定閾値（ＮＯｘ排出量Ｂ）以上であるか否かを判定する。
【００４９】
ステップ１１０の判定が不成立となる場合、つまり、今回の燃焼の切り替えに第１切替モードを使用すると仮定した場合に切り替えの過程で排出が予想されるＮＯｘの総排出量が許容レベル内の値であると判断できる場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ１１２に進み、第１切替モードを実行する。
【００５０】
一方、ステップ１１０の判定が成立する場合、つまり、今回の燃焼の切り替えに第１切替モードを使用した場合に切り替えの過程で排出が予想されるＮＯｘの総排出量が許容レベルを超える値になると判断できる場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ１１４に進み、第２切替モードを実行する。
【００５１】
以上説明した本実施形態の制御によれば、切り替えの過程（すなわち、切り替えの開始時点から終了時点までの期間）でのＮＯｘの総排出量の推定値が判定閾値未満である場合には、燃費面で優れた第１切替モードが使用され、一方、ＮＯｘの当該推定値が判定閾値以上である場合には、ＮＯｘの排出抑制に適した第２切替モードが第１切替モードの代わりに使用される。換言すると、燃費低減とＮＯｘ排出抑制という観点で、切り替えが要求されたときの個々の状況に適した切替モードが選択できるようになる。その一方で、上記の配慮なしに第１切替モードが常に使用されると、切り替えの過程での燃費低減は基本的に図れるが、切り替えの過程で実際に排出されるＮＯｘの総排出量が許容レベルよりも多くなってしまうケースが生じ得る。そして、このようなケースでは、リッチスパイク処理の頻度が高くなってしまうので、第１切替モードの利用による燃費低減を図れなくなる可能性がある。逆に、第２切替モードが常に使用されると、切り替えの過程でのＮＯｘの排出抑制は図れるが、常に燃費面で劣る手法を選択することになってしまう。これに対し、本実施形態の制御によれば、トルク段差を抑制しつつストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替えようとする際に、燃費低減とＮＯｘの排出抑制とを好適に両立させられるようになる。
【００５２】
また、切り替えの過程でのＮＯｘの総排出量の推定値に基づいて切替モードを変更するという手法を採用する本実施形態の制御は、以下に説明する空気量応答に関する課題への対策としても高い意義を有する。
【００５３】
図１２は、ストイキ燃焼の下で吸入空気量の応答性を高めてエンジントルクを高応答に制御する手法を説明するための図である。図１２に示すスロットル制御は、空気量応答を最大限に高めるために、スロットルバルブ２４を最速で開き、かつ、要求トルクに応じた開度に対してオーバーシュートを伴った動作でスロットル開度を調整するというものである。その結果、図１２には示していないが、吸入空気量の波形もオーバーシュートを伴ったものとなる。そのような吸入空気量のオーバーシュートに対して何らの対策がなされないと、図１２中に破線に示すようにエンジントルクの波形にもオーバーシュートが表れることになる。この際、点火時期の遅角によってオーバーシュート分のエンジントルクを低下させることによって、図１２中に実線で示すようにオーバーシュートを回避しつつ、吸入空気量の応答性向上によって要求トルクに沿ったエンジントルクを高応答に実現できるようになる。
【００５４】
図１３は、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替え時に、切り替え時間の短縮のために図１２に示すスロットル制御を適用することを想定した図である。ストイキ燃焼の下でのトルク制御であれば、図１２に示すような制御を行うことに問題はない。しかしながら、図１３に示すようなストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替え時には、ストイキ燃焼でのトルク制御と同様に点火時期の遅角を利用したエンジントルクの低下を行うことはできない。その理由は、リーン燃焼の下ではストイキ燃焼と比べて燃焼が元々不安定になり易いため、ＭＢＴ点火時期に対して点火時期の遅角を行うと失火の発生が懸念される。したがって、第１切替モードを利用してストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替える場合には、本実施形態の空気量変化率Ａの設定もそうであるように、吸入空気量にオーバーシュートを生じさせない範囲内に吸入空気量の変化率を制限する必要がある。具体的には、リーン燃焼を実施する自然吸気領域への切り替えの場合には、スロットル開度をオーバーシュートを伴って制御しないことが必要となる。また、切り替え後のリーン燃焼が自然吸気領域であるか過給領域であるかを問わず、スロットル開度を最速よりも緩やかな動作で開くようにする必要がある。しかしながら、このようにオーバーシュートへの対策のためにスロットル開度の動作に制限を設けることとすると、仮に第１切替モードだけを切替モードとして備えていた場合には、空気量応答に要する時間の増加を抑制するための有効な対策を見つけることが難しくなる。これに対し、本実施形態の制御は、第１切替モードの使用を想定した場合に切り替えの過程でのＮＯｘの総排出量の推定値が判定閾値以上となる場合には、第２切替モードが選択されるように構成されている。つまり、第１切替モードの使用時に吸入空気量の応答遅れが問題となってＮＯｘ排出量の増加が懸念される状況下では、ステップ的に空燃比を切り替え可能な第２切替モードの使用によって、吸入空気量の応答遅れの問題から解放された切り替えが可能となる。また、第２切替モードは、ストイキ燃焼の下で吸入空気量を変化させるものであるため、トルク変化の抑制のために点火時期の遅角を利用することができる。このため、吸入空気量にオーバーシュートが生じることを懸念する必要なしにスロットルバルブ２４を高応答に制御することができる。
【００５５】
なお、上述した実施の形態１においては、スロットルバルブ２４およびＷＧＶ４２が本発明における「空気量調整手段」に相当している。ＥＣＵ５０がステップ１０４の判定が成立する状況下においてステップ１１０の判定結果に応じてステップ１１２または１１４の処理を実行することにより本発明における「燃焼切替実行手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ５０がステップ１０８の処理を実行することにより本発明における「ＮＯｘ排出量推定手段」が実現されている。
【００５６】
実施の形態２．
次に、図１４〜図１６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
実施の形態２のシステムの構成は、図１を参照して既述した内燃機関１０のシステム構成と同じであるものとする。
【００５７】
［実施の形態２における燃焼の切り替え制御］
本実施形態においても、吸入空気量の増加を伴ってストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替える際の切替モードの選択に関する基本的な考え方は、実施の形態１と同じである。ここで、吸入空気量の増加を必要としつつストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替える場合には、切り替え後のリーン燃焼領域が過給を必要としない領域であれば、スロットルバルブ２４にて吸入空気量を調整することができる。この場合には、相対的に高い応答性で吸入空気量を調整することができるといえる。一方、リーン燃焼への切り替え時に過給圧を高める必要がある場合（例えば、図２中に示す第２ストイキ燃焼領域から過給リーン領域に動作点が移行する場合）には、吸入空気量を要求吸入空気量ＬとするためにＷＧＶ４２を利用した過給圧調整が必要とされる。この場合には、ＷＧＶ４２を閉じ側に制御してタービン２２ｂの回転速度を高めることによって過給圧を高めることになるため、自然吸気領域を対象としたスロットルバルブ２４だけでの調整と比べて相対的に吸入空気量の応答性が低くなる。したがって、ストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替える際に過給圧を高める必要がある場合に第１切替モードを利用すると、空燃比の切り替えに要する時間が特に長くなる。このため、切り替えの過程においてＮＯｘ排出量が多くなる空燃比（１６〜２０付近の空燃比）にて燃焼が行われる時間が長くなってしまう。そうすると、切り替えの過程でのＮＯｘの総排出量がより大きな推定値として算出されるので、ＮＯｘの排出抑制のために第２切替モードが選択され易くなる。その結果、第１切替モードの利用による燃費低減の機会が減少してしまう。
【００５８】
（過給圧リザーブ制御）
本実施形態では、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替え要求があり、かつ、過給圧を高める要求がある場合には、吸入空気量の応答速度を高めることによって切り替え時間（上述の到達時間ΔＴ）を短縮するために、空燃比の切り替えに先立ち、過給圧リザーブ制御を行うこととした。ここでいう過給圧リザーブ制御とは、スロットルバルブ２４とＷＧＶ４２との協調制御によって、燃焼切り替え前の理論空燃比の下で要求トルクを実現するために必要な要求吸入空気量Ｓを維持しつつ、リーン燃焼の下で要求トルクを実現するために必要な要求過給圧Ｌに向けて過給圧を高める制御である。次に、図３および図４を参照して既述した過給圧リザーブ制御を伴わない場合の動作との相違点を中心として、過給圧リザーブ制御を伴う第１および第２切替モードの動作についてそれぞれ説明する。
【００５９】
図１４は、過給圧リザーブ制御を伴う第１切替モードの動作を表したタイムチャートである。上述のように、過給圧リザーブ制御は、切り替え要求が出された時点において、空燃比の切り替えに先立って実行される。具体的には、図１４の例は目標トルクが一定の場合であるため、目標吸入空気量がストイキ燃焼の下での目標吸入空気量Ｓにて一定とされた状態で目標過給圧（要求過給圧）Ｌとなるように過給圧が高められる。図１４に示す目標過給圧Ｌの決め方自体は、図３に示す過給圧リザーブ制御を伴わない場合と同様である。
【００６０】
過給圧リザーブ制御を伴う場合には、過給圧リザーブ制御を伴わない場合の制御に対し、ＷＧＶ開度の制御は同様であるがスロットル開度の制御は相違している。すなわち、過給圧の上昇に伴ってスロットル通過空気量（さらには筒内吸入空気量）が変化しないように、スロットル開度は過給圧の上昇に伴って小さくされていく。スロットル通過空気量、スロットル上流圧力（過給圧）およびスロットル下流圧力と、スロットル開度との間には、既知の関係がある。この関係を利用して、吸気圧力センサ３０、３２を用いてスロットル前後圧力を計測しながら、実過給圧が上昇していく状況において切り替え開始時のスロットル通過空気量を維持できるようにスロットル開度が制御される。
【００６１】
図１４に示す例では、過給圧リザーブ制御によって実過給圧が目標過給圧Ｌとなった時点で過給圧リザーブ制御を完了して、第１切替モードを利用した燃焼（空燃比）の切り替え動作が開始される。具体的には、実過給圧が目標過給圧Ｌに高まっている状態でスロットルバルブ２４が全開とされるとともに、実空燃比がリーン燃焼での目標空燃比に向けて切り替えられていく。切り替え中の空燃比の調整のための燃料噴射量の制御、および、これに付随する点火時期の制御の考え方は、図３を参照して説明した動作と同様である。
【００６２】
以上説明した過給圧リザーブ制御を伴う第１切替モードによれば、吸入空気量を増やす前に過給圧を高めておくことで、過給圧リザーブ制御を伴わない場合と比べて、速やかに吸入空気量を高めることができる。そして、これに伴い空燃比を速やかに切り替えることが可能となる。その結果、ＮＯｘ排出量の多い空燃比（１６〜２０付近の空燃比）が使用される時間が短縮されるため、切り替えの過程におけるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。
【００６３】
図１５は、過給圧リザーブ制御を伴う第２切替モードの動作を表したタイムチャートである。第２切替モードに組み合わせられる場合にも、過給圧リザーブ制御の動作自体は、第１切替モードに対するものと同じである。そのうえで、図１５に示す例では、過給圧リザーブ制御によって実過給圧が目標過給圧Ｌとなった時点で過給圧リザーブ制御を完了して、第２切替モードを利用した燃焼の切り替え動作が開始される。具体的には、まず、ストイキ燃焼の下で目標トルクを維持しつつ吸入空気量を要求吸入空気量Ｌに向けて増加させる動作が実行される。この動作は、実過給圧が目標過給圧Ｌに高まっている状態で行うという点が異なっていることを除き、過給圧リザーブ制御を伴わない場合の第２切替モードの動作と同様である。そして、吸入空気量が目標吸入空気量Ｌに到達したときに行われる空燃比の切り替えの動作自体も、過給圧リザーブ制御を伴わない場合の第２切替モードの動作と同様である。
【００６４】
以上説明した過給圧リザーブ制御を伴う第２切替モードによれば、過給圧リザーブ制御を伴わない場合と比べて、速やかに吸入空気量を高めることができるので、目標トルクを維持するための点火時期の遅角を行う時間を短縮することができる。このため、切り替えの過程における燃費の悪化を抑制することができる。
【００６５】
（実施の形態２における具体的処理）
図１６は、本発明の実施の形態２における燃焼の切り替え制御の流れを示すフローチャートである。なお、図１６において、実施の形態１における図１１に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００６６】
図１６に示すように、ＥＣＵ５０は、ステップ１０４の判定が成立した場合にはステップ２００に進む。ステップ２００では、過給圧を高める要求があるか否かが判定される。より具体的には、ステップ１０２にて算出された要求吸入空気量Ｌが所定の閾値よりも多いか否かが判断される。その判断が成り立つ場合にステップ２００の判定が成立する。なお、上記の閾値は、要求吸入空気量Ｌが過給を必要とする値であるか否かを判断するための閾値として予め設定された値である。
【００６７】
ステップ２００の判定が不成立となる場合、つまり、吸入空気量の増加を伴うストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えが要求されているが過給圧を高める必要はない場合（例えば、ストイキ燃焼を実施する自然吸気領域からリーン燃焼を実施する自然吸気領域への動作点の移行が要求された場合）には、ＥＣＵ５０は、ステップ１０８に進む。
【００６８】
一方、ステップ２００の判定が成立する場合、つまり、過給圧を高めつつストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替える要求がある場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ２０２に進み、過給圧リザーブ制御を実行する。過給圧リザーブ制御のための各アクチュエータの動作は、図１４および図１５を参照して既述した通りである。
【００６９】
次に、ＥＣＵ５０は、ステップ２０４に進み、実過給圧が目標過給圧（要求過給圧Ｌ）に到達したか否かを判定する。その結果、この判定が不成立となる場合には、過給圧リザーブ制御が継続される。一方、本ステップ２０４の判定が成立した場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ１０８に進む。過給圧リザーブ制御の実行後にステップ１０８に進んだ場合のＮＯｘの総排出量の推定値の算出手法は、過給圧リザーブ制御を伴わない場合のものと基本的に同じであるが、以下の点において相違する。すなわち、過給圧リザーブ制御を伴う場合のＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）の算出は、過給圧リザーブ制御の効果を加味して行われる。より具体的には、切り替えの過程での吸入空気量ＫＬ（ｋ）の算出に用いる空気量変化率Ａとして、過給圧リザーブ制御による吸入空気量の応答性の向上効果を加味した値（事前に定められた値）が用いられる。なお、過給圧リザーブ制御の実行後にステップ１０８および１１０を経由してステップ１１２または１１４に進んだ場合には、第１切替モードまたは第２切替モードの動作が開始されることをもって、過給圧リザーブ制御が終了されることになる。
【００７０】
以上説明した実施の形態２の制御によれば、実施の形態１の制御と同様の効果に加え、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替え時に過給圧を高める必要がある場合に、次のような効果を奏することができる。すなわち、過給圧リザーブ制御を伴って第１切替モードが実行された場合には、吸入空気量の応答性向上によって、到達時間ΔＴが短縮される。このため、過給圧リザーブ制御を伴わない場合と比べて切り替えの過程でのＮＯｘの総排出量を低減させることができる。このことは、過給を伴うリーン燃焼への切り替えが要求された場合に燃費面で優れた第１切替モードの利用機会を増やすことに寄与する。また、過給圧リザーブ制御を伴って第２切替モードが実行された場合には、吸入空気量の応答性向上によって、目標トルクを維持するために点火時期を遅角する時間が短縮される。このため、過給圧リザーブ制御を伴わない場合と比べて切り替えの過程での点火遅角による燃費のロスを低減させることができる。これにより、第２切替モードが選択されたときの燃費の悪化を軽減させることができる。
【００７１】
ところで、上述した実施の形態２においては、スロットルバルブ２４とＷＧＶ４２との協調制御によって過給圧リザーブ制御を行う例について説明を行った。しかしながら、本発明において過給圧リザーブ制御の実行のためにスロットルバルブとともに使用される「アクチュエータ」は、コンプレッサの駆動力を調整して過給圧を制御可能なものであれば、ＷＧＶ４２に限られない。すなわち、上記アクチュエータは、例えば、タービンに流入する排気ガスの流量を可変とする可変ノズルを有するターボ過給機を備える内燃機関であれば可変ノズルであってもよい。また、上記アクチュエータは、例えば、コンプレッサを駆動可能な電動機を有する過給機を備える内燃機関であれば当該電動機であってもよい。
【００７２】
なお、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０がステップ２００の判定が成立する状況下においてステップ２０４の判定が成立するまでステップ２０２の処理を実行することにより本発明における「リザーブ制御実行手段」が実現されている。
【００７３】
その他実施の形態．
ところで、上述した実施の形態１および２においては、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えを対象とした制御を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明における第１燃焼から第２燃焼（リーン燃焼）への切り替えの対象となる「第１燃焼」は、ストイキ燃焼に限られるものではなく、理論空燃比よりも小さな空燃比でのリッチ燃焼であってもよい。このようなリッチ燃焼からリーン燃焼への切り替えの具体例としては、例えば、既述したリッチスパイク処理のためにリーン燃焼中にリッチ燃焼を一時的に実行した後に、リッチ燃焼からリーン燃焼に戻す要求がある場合が該当する。
【００７４】
また、実施の形態１および２においては、図６〜図８を参照して説明した推定手法を用いて、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えを第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で各気筒内から排出されるＮＯｘの総排出量を推定することとしている。しかしながら、本発明における「ＮＯｘの総排出量」の推定手法は、上記のものに限られるものではなく、例えば、次のような手法であってもよい。すなわち、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えが要求された場合の要求吸入空気量Ｌ（目標要求吸入空気量Ｌ）から現在の（つまり、要求が出された時点の）吸入空気量を引いて得られる差（上記ΔＫＬ）が大きくなると、第１切替モードでの空燃比の切り替えに要する時間が長くなり、ＮＯｘの総排出量が増加する。したがって、切り替えが要求された場合には、この差を算出し、算出した差の大きさを利用してＮＯｘの総排出量を簡易的に推定するようにしてもよい。具体的には、例えば、この差を少なくともパラメータとしてＮＯｘの総排出量を規定するマップをＥＣＵ５０が備えるようにしたうえで、ＮＯｘの総排出量は、そのようなマップに従って推定（算出）されるものであってもよい。より具体的には、当該マップによれば、ＮＯｘの総排出量は、上記の差が大きいほど大きくなる値として算出される。そして、このような手法によって算出されたＮＯｘの総排出量が所定の判定閾値（例えば、上記ＮＯｘ排出量Ｂ）未満である場合には第１切替モードを使用し、ＮＯｘの当該総排出量が判定閾値以上である場合には第２切替モードを使用するようにしてもよい。さらに付け加えると、吸入空気量の上記の差が同じ値であっても燃焼の切り替えの対象となるエンジン運転領域が異なると、吸入空気量の応答性が異なり、その結果として、空燃比の切り替えに要する時間が変化する。このため、上記マップは、当該マップを規定するための上記差以外のパラメータとして、例えば、燃焼の切り替えが要求されたときの現在の吸入空気量およびそのときのエンジン回転速度を備えるようにし、これらの吸入空気量およびエンジン回転速度の少なくとも一方の大きさをも考慮してＮＯｘの総排出量が規定されることが好ましい。また、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替えのために過給圧を高める必要があるか否かによって、既述したように吸入空気量の応答性が異なる。このため、上記の差に基づいてＮＯｘの総排出量を規定する上記マップは、過給圧を高める必要の有無に応じて２通り備えるようにしてもよい。
【００７５】
また、本発明の思想に基づく第１切替モードまたは第２切替モードの選択は、必ずしも、ＮＯｘの総排出量の推定手法（例えば、図６〜図８を参照して説明した推定手法、もしくは上記マップを利用した推定手法）を用いて実際にＮＯｘの総排出量を算出し、算出されたＮＯｘの総排出量を判定閾値と比較して行うものに限られない。すなわち、例えば、吸入空気量の上記の差が所定の判定閾値（本発明における「第２所定値」に相当）未満である場合にはＥＣＵ５０が第１切替モードを実行するという処理を行うことにより、本発明における第１切替モードが、ＮＯｘの総排出量が第１所定値未満となる状況下において実行されるようになっていてもよい。そして、上記の差が上記判定閾値以上である場合にはＥＣＵ５０が第２切替モードを実行するという処理を行うことにより、本発明における第２切替モードが、ＮＯｘの総排出量が第１所定値以上となる状況下において実行されるようになっていてもよい。
【００７６】
また、実施の形態１および２においては、過給エンジンである内燃機関１０を例に挙げて説明を行った。しかしながら、実施の形態１において説明したように、切り替えの過程でのＮＯｘの総排出量の大きさに応じた切替モードの選択の対象には、ストイキ燃焼を実施する自然吸気領域からリーン燃焼を実施する自然吸気領域への切り替えも含まれている。したがって、本発明の対象となる内燃機関は、過給エンジンに限らず、自然吸気エンジンであってもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０  内燃機関
１２  内燃機関本体
１４  吸気通路
１６  排気通路
１８  エアクリーナ
２０  エアフローメータ
２２  ターボ過給機
２２ａ  コンプレッサ
２２ｂ  タービン
２２ｃ  連結軸
２４  スロットルバルブ
２６  吸気マニホールド
２８  インタークーラ
３０  第１吸気圧力センサ
３２  第２吸気圧力センサ
３４  燃焼室
３６  燃料噴射弁
３８  点火プラグ
４０  排気バイパス通路
４２  ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）
４４  空燃比センサ
４６  三元触媒
４８  ＮＳＲ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）
５０  ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
５２  クランク角センサ
５４  アクセル開度センサ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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