(57)【要約】【課題】空燃比センサの応答遅れ特性が変化した場合にもスカベンジ量を精度良く推定することができる内燃機関のスカベンジ量推定装置を提供する。【解決手段】過給機５５を備えた内燃機関１００のスカベンジ量推定装置は、過給機５５の上流側の排気通路に配置された空燃比センサ４０を備え、内燃機関１００の機関回転数に基づいて内燃機関１００の爆発周波数を算出し、空燃比センサ４０の出力を周波数解析することによって爆発周波数における空燃比センサ４０の出力の振幅を算出し、算出された振幅に基づいてスカベンジ量を推定するように構成される。【選択図】図４
2016138498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機を備えた内燃機関のスカベンジ量推定装置であって、
前記過給機の上流側の排気通路に配置された空燃比センサを備え、
前記内燃機関の機関回転数に基づいて前記内燃機関の爆発周波数を算出し、前記空燃比センサの出力を周波数解析することによって前記爆発周波数における前記出力の振幅を算出し、該振幅に基づいてスカベンジ量を推定するように構成された、内燃機関のスカベンジ量推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のスカベンジ量推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、吸気ポート内の圧力が排気ポート内の圧力よりも高いときにバルブオーバーラップが発生すると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。ターボチャージャのような過給機を備えた内燃機関において、トルク要求に対して吸入空気量が不足している場合、スカベンジが用いられる。スカベンジを発生させることで、排気ガスの掃気量が増加して、過給機のタービンの回転数が高められる。この結果、吸入空気の圧力が高められ、吸入空気量が増大せしめられる。
【０００３】
従来、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力が目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））に一致するように内燃機関の燃焼室に供給する燃料量を制御するように構成された内燃機関が知られている。しかしながら、上記のスカベンジが発生すると、排気通路に配置された空燃比センサに到達した空気中の酸素が空燃比センサのセンサ電極及び拡散律速層に付着することによって、空燃比センサの出力がリーン側にオフセットする。このため、燃焼ガスが空燃比センサに到達したときの空燃比センサの出力がリーン側にずれてしまう。リーン側にずれた空燃比に基づいて空燃比の制御が行われると、筒内の実際の燃焼空燃比は目標空燃比よりもリッチとなる。この結果、排気浄化触媒での未燃ガス等の浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【０００４】
また、排気浄化触媒にスカベンジによって多くの酸素が流入すると、流入した酸素が排気浄化触媒の触媒貴金属と反応して排気浄化触媒の温度が過剰に上昇してしまうおそれがある。この場合も、排気浄化触媒での未燃ガス等の浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。したがって、スカベンジ発生中の排気エミッションの悪化を抑制するためには、スカベンジ量を精度良く推定できることが望ましい。
【０００５】
そこで、特許文献１に記載の内燃機関の制御装置では、空燃比センサの出力に基づいてスカベンジ量が推定される。具体的には、空燃比センサによって、バルブオーバーラップが発生していない期間（非オーバーラップ期間）の酸素濃度と、バルブオーバーラップが発生している期間（オーバーラップ期間）の酸素濃度とを検出し、これら酸素濃度の比率に基づいてスカベンジ量が推定される。非オーバーラップ期間及びオーバーラップ期間は、機関回転数に基づいて算出された空燃比センサの応答遅れ特性（時間）に応じて補正される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２６３０８３号公報
【特許文献２】特開２０１４−０２５３５５号公報
【特許文献３】特開２０１０−２０３４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、空燃比センサの応答遅れ特性は、製造による個体差、センサの経時劣化等によっても変化する。このため、特許文献１に記載のスカベンジ量の推定方法では、空燃比センサの応答遅れ特性が変化した場合、非オーバーラップ期間及びオーバーラップ期間の酸素濃度を正確に算出することができず、ひいてはスカベンジ量を精度良く推定することができない。
【０００８】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、空燃比センサの応答遅れ特性が変化した場合にもスカベンジ量を精度良く推定することができる内燃機関のスカベンジ量推定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、過給機を備えた内燃機関のスカベンジ量推定装置であって、過給機の上流側の排気通路に配置された空燃比センサを備え、内燃機関の機関回転数に基づいて内燃機関の爆発周波数を算出し、空燃比センサの出力を周波数解析することによって爆発周波数における空燃比センサの出力の振幅を算出し、算出された振幅に基づいてスカベンジ量を推定するように構成された、内燃機関のスカベンジ量推定装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、空燃比センサの応答遅れ特性が変化した場合にもスカベンジ量を精度良く推定することができる内燃機関のスカベンジ量推定装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係るスカベンジ量推定装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、スカベンジ発生中における空燃比センサの出力変化の一つの例を示す。
【図３】図３は、爆発周波数が１００Ｈｚのときにスカベンジを発生させた場合の空燃比センサの出力の振幅と周波数との関係の一例を示す。
【図４】図４は、第１実施形態におけるスカベンジ量の推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図５は、スカベンジ量と爆発周波数におけるセンサ出力の振幅との関係を示す。
【図６】図６は、スカベンジ量が所定値以上のときの空燃比センサの出力変化の一つの例を示す。
【図７】図７は、第２実施形態におけるスカベンジ量の推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】図８は、センサ出力の補正処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は、排気浄化触媒の過昇温防止処理の制御ルーチン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】
【００１２】
＜第１実施形態＞
以下、図１〜４を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
【００１３】
＜内燃機関全体の説明＞
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態に係るスカベンジ量推定装置が用いられる内燃機関１００を概略的に示す図である。この例では、内燃機関１００は火花点火式内燃機関である。なお、内燃機関１００は圧縮着火式内燃機関であってもよい。内燃機関１００は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む機関本体１を備える。シリンダブロック２の内部には、シリンダブロック２の内部で往復運動するピストン３が配置されている。内燃機関１００は複数の気筒を有する。
【００１５】
燃焼室５が、それぞれの気筒ごとに、ピストン３とシリンダヘッド４との間に形成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７及び排気ポート９が形成されている。吸気ポート７及び排気ポート９は燃焼室５に接続されている。吸気弁６が、吸気ポート７の端部に配置され、吸気ポート７を開閉可能に形成されている。排気弁８が、排気ポート９の端部に配置され、排気ポート９を開閉可能に形成されている。また、内燃機関１００は、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ａと、排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｂとを備える。
【００１６】
内燃機関１００は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１と、燃焼室５において混合気を点火するための点火プラグ１０とを備える。点火プラグ１０はシリンダヘッド４に固定されている。燃料噴射弁１１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置されている。すなわち、内燃機関１００は筒内噴射式内燃機関である。なお、内燃機関１００はポート噴射式内燃機関であってもよく、この場合、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように吸気ポート７の周辺部に配置される。また、内燃機関１００は、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンを用いる。しかしながら、内燃機関１００では、他の燃料を用いてもよい。
【００１７】
内燃機関１００は、過給機であるターボチャージャ５５を備える。ターボチャージャ５５は、排気通路に配置されたタービン５６と、吸気通路に配置されたコンプレッサ５７と、タービン５６とコンプレッサ５７とを接続する軸とを含む。排気の流れによってタービン５６が回転すると、コンプレッサ５７も回転して吸入空気の圧力を高める。したがって、ターボチャージャ５５は、排気ガスのエネルギーを用いて、吸入空気を圧縮して吸入空気量を増大させることができる。
【００１８】
各気筒の吸気ポート７は、それぞれ、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気管１５を介してターボチャージャ５５のコンプレッサ５７の出口部に連結されている。サージタンク１４とコンプレッサ５７との間の吸気管１５の内部には、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。また、コンプレッサ５７とスロットル弁１８との間の吸気管１５には、ターボチャージャ５５によって圧縮された吸入空気を冷却する冷却器（インタークーラ）６０が配置されている。
【００１９】
コンプレッサ５７の入口部は、吸気管１５を介してエアクリーナ５４に連結されている。エアクリーナ５４とコンプレッサ５７との間の吸気管１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ポート７、吸気枝管１３、吸気管１５等が、空気を燃焼室５に導く吸気通路を画成する。
【００２０】
一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホルド１９に連結されている。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部はターボチャージャ５５のタービン５６の入口部に連結されている。タービン５６の出口部は排気管２２を介してケーシング２１に連結されている。ケーシング２１は排気浄化触媒２０を内蔵する。排気ポート９、排気マニホルド１９、排気管２２等が、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを燃焼室５から排出する排気通路を画成する。
【００２１】
また、タービン５６の上流側の排気通路、すなわち排気マニホルド１９の集合部には、排気通路を流れる排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４０が配置されている。空燃比センサ４０は、空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる限界電流式空燃比センサである。
【００２２】
タービン５６の上流の排気マニホルド１９とタービン５６の下流の排気管２２との間には、タービン５６をバイパスするバイパス通路５８が配置されている。バイパス通路５８には、バイパス通路５８を開閉するバイパス弁であるウエストゲートバルブ５９が配置されている。ウエストゲートバルブ５９の開度を調整することによって、タービン５６を通過する排気ガスの量を調整することができる。したがって、ウエストゲートバルブ５９を制御することによって吸入空気の圧力（過給圧）を制御することができる。なお、過給圧を制御可能な過給圧制御手段は、ウエストゲートバルブ５９以外の任意の機構であってもよい。
【００２３】
内燃機関１００は、デジタルコンピュータから成る電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１を備える。ＥＣＵ３１は、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を含む。
【００２４】
エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。内燃機関１００はアクセルペダル４２を備え、アクセルペダル４２には、負荷センサ４３が接続されている。負荷センサ４３は、アクセルペダル４２の踏込量に比例した出力電圧を発生する。負荷センサ４３の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２５】
内燃機関１００はクランク角センサ４４を備える。クランク角センサ４４は、クランクシャフトが例えば所定の角度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が算出される。また、クランク角センサ４４の出力により、クランク角度を検出することができる。空燃比センサ４０の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２６】
ＥＣＵ３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、スロットル弁駆動アクチュエータ１７、ウエストゲートバルブ５９及び可変バルブタイミング機構Ａ、Ｂに接続されている。ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁１１の燃料噴射時期、スロットル弁１８の開度、ウエストゲートバルブ５９の開度、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期、並びに排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御することができる。
【００２７】
＜スカベンジの発生＞
吸気ポート７内の圧力が排気ポート９内の圧力よりも高いときにバルブオーバーラップが発生すると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。なお、バルブオーバーラップとは、吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とが部分的に重なることを意味する。ＥＣＵ３０によって吸気弁６の可変バルブタイミング機構Ａ及び排気弁８の可変バルブタイミング機構Ｂの少なくともいずれか一方を制御することによってバルブオーバーラップを発生させることができる。具体的には、バルブオーバーラップは、吸気弁６の開弁時期を進角させること及び排気弁８の閉弁時期を遅角させることの少なくともいずれか一方によって発生せしめられる。
【００２８】
トルク要求に対して吸入空気量が不足している場合、スカベンジが用いられる。スカベンジを発生させることで、排気ガスの掃気量が増加して、過給機５５のタービン５６の回転数が高められる。この結果、吸入空気の圧力が高められ、吸入空気量が増大せしめられる。
【００２９】
＜スカベンジにおける問題点＞
内燃機関１００では、空燃比センサ４０の出力が目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））に一致するように内燃機関１００の燃焼室５に供給する燃料量が制御される。しかしながら、スカベンジが発生すると、空燃比センサ４０に到達した空気中の酸素が空燃比センサ４０のセンサ電極及び拡散律速層に付着することによって、空燃比センサ４０の出力がリーン側にオフセットする。このため、燃焼ガスが空燃比センサに到達したときの空燃比センサの出力がリーン側にずれてしまう。オフセット量はスカベンジ量に応じて変化し、スカベンジ量が多いほど、オフセット量は多くなる。なお、本明細書において、スカベンジ量とは、スカベンジ発生中に吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けてきた空気の単位時間当たりの質量を意味する。
【００３０】
リーン側にずれた空燃比に基づいて空燃比の制御が行われると、筒内の実際の燃焼空燃比は目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））よりもリッチとなる。この結果、排気浄化触媒２０での未燃ガス等の浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【００３１】
また、排気浄化触媒２０にスカベンジによって多くの酸素が流入すると、流入した酸素が排気浄化触媒２０の触媒貴金属と反応して排気浄化触媒２０の温度が過剰に上昇してしまうおそれがある。この場合も、排気浄化触媒２０での未燃ガス等の浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。したがって、スカベンジ発生中の排気エミッションの悪化を抑制するためには、スカベンジ量を精度良く推定できることが望ましい。
【００３２】
＜スカベンジ量の推定方法＞
そこで、本発明の第１実施形態に係るスカベンジ量推定装置は、以下に詳細に説明するように、内燃機関１００の機関回転数に基づいて内燃機関１００の爆発周波数を算出し、空燃比センサ４０の出力を周波数解析することによって爆発周波数における空燃比センサ４０の出力の振幅（以下、単に「センサ出力の振幅」と称する。）を算出し、算出された振幅に基づいてスカベンジ量を推定する。
【００３３】
＜本発明の原理＞
スカベンジが発生していない場合、空燃比センサ４０には各気筒における混合気の燃焼によって生じた燃焼ガスが空燃比センサ４０に到達する。一方、スカベンジを発生させた場合、燃焼ガスに加えて、吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けてきた空気が空燃比センサ４０に到達する。この結果、空燃比センサ４０の出力は、図２に示されるように、空気が空燃比センサ４０に到達したタイミングで、燃焼ガスの空燃比よりも大幅にリーンな値を示す。図２は、スカベンジ発生中における空燃比センサ４０の出力変化の一つの例を示す。
【００３４】
スカベンジを発生させた場合、吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けてきた空気は各気筒における混合気の爆発のタイミング毎に空燃比センサ４０に到達する。したがって、スカベンジ発生中の内燃機関１００の機関回転数が一定の場合、図２から分かるように空気は一定の周期で空燃比センサ４０に到達し、この周期は爆発周波数に対応する。このため、内燃機関１００の爆発周波数におけるセンサ出力の振幅は、スカベンジ量と相関を有する。爆発周波数におけるセンサ出力の振幅が大きいほど、スカベンジ量は多くなる。なお、爆発周波数とは、燃焼室５において混合気が燃焼せしめられる周波数を意味し、内燃機関１００が火花点火式内燃機関である場合、点火周波数と一致する。
【００３５】
４ストロークの内燃機関１００の爆発周波数Ｆｉは内燃機関１００の機関回転数ＮＥに基づいて下記式（１）によって算出される。
Ｆｉ（Ｈｚ）＝ＮＥ（ｒｐｍ）／６０／２×Ｎｃ…（１）
ここで、Ｎｃは内燃機関１００の気筒数を表している。なお、機関回転数ＮＥはクランク角センサ４４の出力から算出される。例えば、内燃機関１００の気筒数が４つであり、内燃機関１００の機関回転数が３０００ｒｐｍである場合、爆発周波数Ｆｉは１００Ｈｚである。
【００３６】
また、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅は、空燃比センサ４０の出力を周波数解析することによって算出される。周波数解析の計算方法は例えばフーリエ変換である。図３は、爆発周波数が１００Ｈｚのときにスカベンジを発生させた場合のセンサ出力の振幅と周波数との関係の一例を示す。図３のグラフは、空燃比センサ４０の出力を周波数解析することによって得られる。前述したように、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅がスカベンジ量と相関を有するため、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅に基づいてスカベンジ量を推定することができる。
【００３７】
爆発周波数におけるセンサ出力の振幅とスカベンジ量との相関関係は空燃比センサ４０の特性等によって変化する。このため、例えば、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅とスカベンジ量との相関関係をマップの形態で予めＲＯＭ３４に記憶しておき、このマップに基づいて、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅からスカベンジ量を推定することが好ましい。
【００３８】
スカベンジを発生させるときの機関回転数、ひいては爆発周波数が変化した場合、空気が空燃比センサ４０に到達する時間間隔（例えば図２の例における時間Ｔ1）が変化する。しかしながら、スカベンジ量が同じであれば、空気が空燃比センサ４０に到達したときの空燃比センサ４０の出力（例えば図２の例における出力Ｉ1）はほとんど変化しない。このため、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅とスカベンジ量との関係は、スカベンジを発生させるときの機関回転数によらず一定である。したがって、スカベンジを発生させるときの機関回転数によらず、同一のマップに基づいて爆発周波数におけるセンサ出力の振幅からスカベンジ量を推定することができる。
【００３９】
また、空燃比センサ４０が応答遅れ特性を有する場合、排気ガスが空燃比センサ４０に到達してから、到達した排気ガスの空燃比が空燃比センサ４０によって検出されるまでに応答遅れ時間が生じる。空燃比センサ４０の応答遅れ特性が変化した場合、応答遅れ時間が変化する。この結果、スカベンジ発生中に空気が空燃比センサ４０に到達したときの排気空燃比が空燃比センサ４０によって検出される時刻（例えば図２の例における時刻ｔ1）が変化する。しかしながら、爆発周波数が同じであれば、空気が空燃比センサ４０に到達したときの排気空燃比が空燃比センサ４０によって検出される時間間隔（例えば図２の例における時間Ｔ1）は変化しない。このため、空燃比センサ４０の応答遅れ特性に関わらず、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅はスカベンジ量と相関を有する。したがって、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅に基づいてスカベンジ量を推定することによって、空燃比センサ４０の応答遅れ特性が変化した場合にもスカベンジ量を精度良く推定することができる。
【００４０】
また、燃料噴射量又は吸入空気量の一時的な増減のような外乱によって、空燃比センサ４０の出力が一時的に変動する場合がある。しかしながら、図３の例に示されるように、外乱が発生する周波数は典型的には爆発周波数と異なる。したがって、本実施形態では、外乱の影響を受けることなく、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅に基づいてスカベンジ量を精度良く推定することができる。
【００４１】
＜スカベンジ量の推定処理＞
以下、図４を参照して、本発明の第１実施形態におけるスカベンジ量推定装置によるスカベンジ量の推定処理の制御ルーチンについて説明する。本発明の第１実施形態におけるスカベンジ量推定装置は、内燃機関１００の機関回転数に基づいて内燃機関１００の爆発周波数を算出し、空燃比センサ４０の出力を周波数解析することによって爆発周波数におけるセンサ出力の振幅を算出し、算出された振幅に基づいてスカベンジ量を推定するように構成される。
【００４２】
図４は、第１実施形態におけるスカベンジ量の推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、スカベンジを発生させている間、一定時間間隔で実行される。
【００４３】
本実施形態では、まず、ステップＳ１０１では、空燃比センサ４０が活性しているか否かが判定される。この判定は、例えば、空燃比センサ４０の温度が予め定められた活性温度（例えば７００℃）以上であるか否かを判定することによって行われる。空燃比センサ４０の温度が予め定められた活性温度以上である場合、空燃比センサ４０は活性していると判定される。空燃比センサ４０の温度は、例えばセンサ素子のインピーダンスを検出することによって算出される。空燃比センサ４０が活性していると判定された場合、ステップＳ１０２へと進む。一方、空燃比センサ４０が活性していないと判定された場合、空燃比センサ４０の出力に基づいてスカベンジ量を精度良く推定することができないため、本制御ルーチンは終了する。
【００４４】
ステップＳ１０２では、空燃比センサ４０の出力が検出される。次いで、ステップＳ１０３では、内燃機関１００の機関回転数に基づいて内燃機関１００の爆発周波数が上記（１）式によって算出される。
【００４５】
次いで、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２において検出された空燃比センサ４０の出力を周波数解析することによって、ステップＳ１０３において算出された爆発周波数におけるセンサ出力の振幅が算出される。周波数解析の計算方法は例えばフーリエ変換である。
【００４６】
次いで、ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４において算出された振幅に基づいてスカベンジ量が推定される。例えば、スカベンジ量は、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅とスカベンジ量との相関関係が記載されたマップに基づいて爆発周波数におけるセンサ出力の振幅から推定される。具体的には、上記マップでは、スカベンジ量は、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅が大きいほど多くなるものとして推定される。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００４７】
＜第２実施形態＞
以下、図５〜７を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態のスカベンジ量推定装置の構成及び制御は基本的に第１実施形態のスカベンジ量推定装置と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４８】
図５は、スカベンジ量と爆発周波数におけるセンサ出力の振幅との関係を示す。スカベンジ量が増加し、燃焼ガスがほとんど含まれない大気状態のガスが空燃比センサ４０に到達すると、空燃比センサ４０の出力は最大値を示す。スカベンジ量がそれ以上増加しても、空燃比センサ４０の出力は最大値のまま一定である。したがって、スカベンジ量が所定値以上の場合、図５に示されるように爆発周波数におけるセンサ出力の振幅が一定の値を示すため、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅に基づいてスカベンジ量を推定することができない。
【００４９】
図６は、スカベンジ量が所定値以上のときの空燃比センサ４０の出力変化の一つの例を示す。図６におけるＩ2は、大気が空燃比センサ４０に到達したときの空燃比センサ４０の出力を示し、空燃比センサ４０の最大出力に対応する。スカベンジ量が多いほど、空燃比センサ４０が連続して最大出力Ｉ2を示す時間Ｔ2が長くなる。このため、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０の最大出力が検出された場合、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０が連続して最大出力Ｉ2を示す時間Ｔ2に基づいてスカベンジ量を推定することで、スカベンジ量が所定値以上の場合にもスカベンジ量を精度良く推定することができる。
【００５０】
以下、図７を参照して、本発明の第２実施形態におけるスカベンジ量推定装置によるスカベンジ量の推定処理の制御ルーチンについて説明する。本発明の第２実施形態におけるスカベンジ量推定装置は、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０の最大出力を検出しなかった場合、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅に基づいてスカベンジ量を推定し、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０の最大出力を検出した場合、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０が連続して最大出力を示す時間に基づいてスカベンジ量を推定するように構成される。
【００５１】
図７は、第２実施形態におけるスカベンジ量の推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、スカベンジを発生させている間、一定時間間隔で実行される。図７におけるステップＳ２０１及びステップＳ２０２は、図４におけるステップＳ１０１及びステップＳ１０２と同様であることから説明を省略する。
【００５２】
ステップＳ２０３では、空燃比センサ４０の最大出力が検出されたか否かが判定される。空燃比センサ４０の最大出力が検出されなかったと判定された場合、ステップＳ２０４へと進む。図７におけるステップＳ２０４〜ステップＳ２０６は、図４におけるステップＳ１０３〜ステップＳ１０５と同様であることから説明を省略する。一方、空燃比センサ４０の最大出力が検出されたと判定された場合、ステップＳ２０７へと進む。
【００５３】
ステップＳ２０７では、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０が連続して最大出力を示す時間Ｔ2を検出する。なお、時間Ｔ2を複数回検出し、これらの平均値を時間Ｔ2としてもよい。図７におけるステップＳ２０８及びステップＳ２０９は、図４におけるステップＳ１０３及びステップＳ１０４と同様であることから説明を省略する。
【００５４】
ステップＳ２１０では、ステップＳ２０７において検出された時間Ｔ2に基づいてスカベンジ量が推定される。例えば、スカベンジ量は、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０が連続して最大出力を示す時間Ｔ2の関数として示されたマップに基づいて時間Ｔ2から推定される。具体的には、上記マップでは、スカベンジ量は、時間Ｔ2が長いほど多くなるものとして推定される。ステップＳ２１０の後、本制御ルーチンは終了する。
【００５５】
＜第３実施形態及び第４実施形態＞
以下、本発明の第３実施形態及び第４実施形態について説明する。なお、第３実施形態のスカベンジ量推定装置の構成及び制御は基本的に第１実施形態と同様であり、第４実施形態のスカベンジ量推定装置の構成及び制御は基本的に第２実施形態と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態及び第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５６】
燃焼ガスの空燃比が変化すると、空気が空燃比センサ４０に到達したときの空燃比センサ４０の出力（例えば図２の例における出力Ｉ1）と、燃焼ガスの空燃比に相当する空燃比センサ４０の出力（例えば図２の例における出力Ｉ3）との差が変化する。出力差Ｉ1−Ｉ3が爆発周波数におけるセンサ出力の振幅に対応するため、燃焼ガスの空燃比によって爆発周波数におけるセンサ出力の振幅が変化する。具体的には、燃焼ガスの空燃比がリッチであるほど、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅は大きくなり、燃焼ガスの空燃比がリーンであるほど、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅は小さくなる。このため、スカベンジ発生中の燃焼ガスの空燃比も考慮してスカベンジ量を推定することによってスカベンジ量をより精度良く推定することができる。
【００５７】
そこで、第３実施形態におけるスカベンジ量推定装置は、内燃機関１００の機関回転数に基づいて内燃機関１００の爆発周波数を算出し、空燃比センサ４０の出力を周波数解析することによって爆発周波数におけるセンサ出力の振幅を算出し、算出された振幅と、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０によって検出された燃焼ガスの空燃比とに基づいてスカベンジ量を推定するように構成される。
【００５８】
したがって、第３実施形態におけるスカベンジ量の推定処理の制御ルーチンでは、図４におけるステップＳ１０５において、ステップＳ１０４において算出された振幅と、ステップＳ１０２において空燃比センサ４０によって検出された燃焼ガスの空燃比とに基づいてスカベンジ量が推定される。例えば、スカベンジ量は、スカベンジ量が爆発周波数におけるセンサ出力の振幅及び燃焼ガスの空燃比の関数として示されたマップに基づいて爆発周波数におけるセンサ出力の振幅及び燃焼ガスの空燃比から推定される。具体的には、上記マップでは、スカベンジ量は、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅が大きいほど多くなるものとして推定され、燃焼ガスの空燃比が高い（リーンである）ほど多くなるものとして推定される。
【００５９】
また、第４実施形態におけるスカベンジ量推定装置は、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０の最大出力を検出しなかった場合、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅と、空燃比センサ４０によって検出された燃焼ガスの空燃比とに基づいてスカベンジ量を推定し、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０の最大出力を検出した場合、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０が連続して最大出力を示す時間と、スカベンジ発生中に空燃比センサ４０によって検出された燃焼ガスの空燃比とに基づいてスカベンジ量を推定するように構成される。
【００６０】
したがって、第４実施形態におけるスカベンジ量の推定処理の制御ルーチンでは、図７におけるステップＳ２０６において、ステップＳ２０５において算出された振幅と、ステップＳ２０２において空燃比センサ４０によって検出された燃焼ガスの空燃比とに基づいてスカベンジ量が推定される。例えば、スカベンジ量は、スカベンジ量が爆発周波数におけるセンサ出力の振幅及び燃焼ガスの空燃比の関数として示されたマップに基づいて爆発周波数におけるセンサ出力の振幅及び燃焼ガスの空燃比から推定される。具体的には、上記マップでは、スカベンジ量は、爆発周波数におけるセンサ出力の振幅が大きいほど多くなるものとして推定され、燃焼ガスの空燃比が高い（リーンである）ほど多くなるものとして推定される。
【００６１】
また、図７におけるステップＳ２１０において、ステップＳ２０７において検出された時間Ｔ2と、ステップＳ２０２において空燃比センサ４０によって検出された燃焼ガスの空燃比とに基づいてスカベンジ量が推定される。例えば、スカベンジ量は、スカベンジ量が時間Ｔ2及び燃焼ガスの空燃比の関数として示されたマップに基づいて時間Ｔ2及び燃焼ガスの空燃比から推定される。具体的には、上記マップでは、スカベンジ量は、時間Ｔ2が長いほど多くなるものとして推定され、燃焼ガスの空燃比が高い（リーンである）ほど多くなるものとして推定される。
【００６２】
以上、スカベンジ量推定装置を用いてスカベンジ量を推定するための制御について説明してきたが、以下、推定されたスカベンジ量を用いた内燃機関１００の制御の例について説明する。
【００６３】
＜センサ出力の補正処理＞
以下、図８を参照して、推定されたスカベンジ量を用いた空燃比センサ４０の出力の補正処理について説明する。図８は、センサ出力の補正処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、スカベンジを発生させている間、一定時間間隔で実行される。
【００６４】
本制御ルーチンでは、ステップＳ３０１においてスカベンジ量が推定される。スカベンジ量は、本発明の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態又は第４実施形態におけるスカベンジ量の推定処理によって推定される。
【００６５】
次いで、ステップＳ３０２では、ステップＳ３０１において推定されたスカベンジ量に基づいて空燃比センサ４０の出力が補正される。具体的には、ステップＳ３０１において推定されたスカベンジ量に基づいて、空燃比センサ４０によって検出された燃焼ガスの空燃比が補正される。例えば、燃焼ガスの空燃比の補正量は、スカベンジ量と補正量との相関関係が記載されたマップに基づいてスカベンジ量から推定される。具体的には、スカベンジ量が多いほど、空燃比センサ４０によって検出される出力のずれ量が大きくなるため、補正量は大きくされる。このことによって、スカベンジ発生中においても燃焼ガスの空燃比を精度良く検出することができる。この結果、スカベンジ発生中における排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【００６６】
＜排気浄化触媒の過昇温防止処理＞
以下、図９を参照して、推定されたスカベンジ量を用いた排気浄化触媒の過昇温防止処理について説明する。図９は、排気浄化触媒の過昇温防止処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、スカベンジを発生させている間、一定時間間隔で実行される。
【００６７】
本制御ルーチンでは、ステップＳ４０１においてスカベンジ量が推定される。スカベンジ量は、本発明の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態又は第４実施形態におけるスカベンジ量の推定処理によって推定される。
【００６８】
次いで、ステップＳ４０２では、ステップＳ４０１において推定されたスカベンジ量に基づいて排気浄化触媒２０の温度Ｔｃが推定される。例えば、排気浄化触媒２０の温度Ｔｃは、スカベンジ量と排気浄化触媒２０の温度Ｔｃとの相関関係が記載されたマップに基づいてスカベンジ量から推定される。具体的には、排気浄化触媒２０の温度Ｔｃは、スカベンジ量が多いほど高くなるものとして推定される。
【００６９】
次いで、ステップＳ４０３では、ステップＳ４０２において推定された排気浄化触媒２０の温度Ｔｃが予め定められた基準温度Ｔｃｒｅｆよりも高いか否かが判定される。基準温度Ｔｃｒｅｆは、排気浄化触媒２０の適正温度の上限値とされ、例えば１０００℃である。温度Ｔｃが基準温度Ｔｃｒｅｆ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、温度Ｔｃが基準温度Ｔｃｒｅｆよりも大きいと判定された場合、ステップＳ４０４へと進む。
【００７０】
ステップＳ４０４では、ステップＳ４０２において推定された温度Ｔｃに基づいて燃料噴射量を増加させる。例えば、燃料噴射量の増加量は、排気浄化触媒２０の温度Ｔｃと燃料噴射量の増加量との相関関係が記載されたマップに基づいて排気浄化触媒２０の温度Ｔｃから推定される。具体的には、燃料噴射量は、排気浄化触媒２０の温度Ｔｃが高いほど多くされる。ステップＳ４０４の後、本制御ルーチンは終了する。
【００７１】
排気浄化触媒の過昇温防止処理では、スカベンジ量に基づいて推定された排気浄化触媒２０の温度が基準温度よりも高い場合、燃料噴射量が増加せしめられる。このことによって、スカベンジ量が多い場合に、燃料の気化熱によって排気温度を低下させて排気浄化触媒２０を冷却させることができる。この結果、排気浄化触媒２０の過昇温が防止される。したがって、排気浄化触媒２０の過昇温を防止するためにスカベンジ量を制限する必要がないため、トルク要求に対して適切な量のスカベンジを発生させることができる。
【００７２】
なお、上述した全ての制御は内燃機関１００のＥＣＵ３１によって制御される。
【００７３】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
【符号の説明】
【００７４】
１    機関本体
５    燃焼室
６    吸気弁
７    吸気ポート
８    排気弁
９    排気ポート
１８    スロットル弁
１９    排気マニホルド
２０    排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    空燃比センサ
５５    ターボチャージャ（過給機）
５６    タービン
５７    コンプレッサ
１００    内燃機関
【図１】
2016138498.tif 000003
【図２】
2016138498.tif 000004
【図３】
2016138498.tif 000005
【図４】
2016138498.tif 000006
【図５】
2016138498.tif 000007
【図６】
2016138498.tif 000008
【図７】
2016138498.tif 000009
【図８】
2016138498.tif 000010
【図９】
2016138498.tif 000011