(57)【要約】【課題】リーン燃焼運転中に算出クランク角期間が目標クランク角期間に近づくように燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方を調整する制御構成を採用した場合において、基準の燃焼条件での関係に対してクランク角期間と空燃比との関係が変化している状況下であっても、ＮＯｘ排出量の増加およびトルク変動の増大のうちの少なくとも一方を抑制する内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】クランク角センサ４２と筒内圧センサ３０とを用いて、算出ＳＡ−ＣＡ１０を算出する。リーン燃焼運転中に算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくように燃料噴射量のフィードバック制御を実行する。このフィードバック制御を行っている状況下において、空燃比センサ３２により検出される空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れた場合に、目標ＳＡ−ＣＡ１０を補正して空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れることを抑制する。【選択図】図４
2016118111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、
排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
クランク角度を検出するクランク角検出手段と、
燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する第１クランク角度取得手段と、
点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う調整手段と、
リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が前記目標空燃比を含む空燃比範囲から外れた場合に、空燃比が前記空燃比範囲から外れることが抑制されるように、前記調整手段による前記調整を変更する変更手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記変更手段は、空燃比が前記空燃比範囲から外れた場合に、前記目標クランク角期間を補正することによって空燃比が前記空燃比範囲から外れることを抑制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】
前記変更手段は、空燃比が前記空燃比範囲からリッチ側に外れた場合には、前記目標クランク角期間を大きくし、空燃比が前記空燃比範囲からリーン側に外れた場合には、前記目標クランク角期間を小さく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】
前記変更手段は、空燃比が前記空燃比範囲から外れた場合に、前記調整手段による前記調整を制限することによって空燃比が前記空燃比範囲から外れることを抑制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５】
前記変更手段は、空燃比が前記空燃比範囲からリッチ側に外れた場合には、前記算出クランク角期間を小さくするときに用いる燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の補正量の絶対値の上限を小さくすることによって前記調整を制限し、空燃比が前記空燃比範囲からリーン側に外れた場合には、前記算出クランク角期間を大きくするときに用いる燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の補正量の絶対値の上限を小さくすることによって前記調整を制限することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、
排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段と、
クランク角度を検出するクランク角検出手段と、
燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する第１クランク角度取得手段と、
点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う調整手段と、
リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されるＮＯｘ濃度が、前記目標空燃比での燃焼の下で排出される排気ガスのＮＯｘ濃度よりも高い所定値よりも高い場合に、排気ガスのＮＯｘ濃度が前記所定値よりも高くなることが抑制されるように、前記調整手段による前記調整を変更する変更手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記変更手段は、排気ガスのＮＯｘ濃度が前記所定値よりも高い場合に、前記目標クランク角期間を大きくすることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記変更手段は、排気ガスのＮＯｘ濃度が前記所定値よりも高い場合に、前記算出クランク角期間を小さくするときに用いる燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の補正量の絶対値の上限を小さくすることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、
排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
クランク角度を検出するクランク角検出手段と、
燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する第１クランク角度取得手段と、
点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う調整手段と、
リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が前記目標空燃比を含む空燃比範囲から外れた場合に、リーン燃焼運転を禁止する第１禁止手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、
排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
クランク角度を検出するクランク角検出手段と、
燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する第１クランク角度取得手段と、
点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う調整手段と、
リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が前記目標空燃比を含む空燃比範囲から外れた場合に、前記調整手段による前記調整を禁止する第２禁止手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、
排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段と、
クランク角度を検出するクランク角検出手段と、
燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する第１クランク角度取得手段と、
点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う調整手段と、
リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されるＮＯｘ濃度が、前記目標空燃比での燃焼の下で排出される排気ガスのＮＯｘ濃度よりも高い所定値よりも高い場合に、リーン燃焼運転を禁止する第１禁止手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、
排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段と、
クランク角度を検出するクランク角検出手段と、
燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する第１クランク角度取得手段と、
点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う調整手段と、
リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されるＮＯｘ濃度が、前記目標空燃比での燃焼の下で排出される排気ガスのＮＯｘ濃度よりも高い所定値よりも高い場合に、前記調整手段による前記調整を禁止する第２禁止手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記所定燃焼質量割合は１０％であることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１つ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関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、リーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置が開示されている。この従来の制御装置では、排気エミッションを低下させつつリーン燃焼を可能とするために、所定燃焼質量割合に到達する時の実際のクランク角度を検知し、検知したクランク角度と目標クランク角度との比較に基づき、燃料供給量を調整することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３１７５２２号公報
【特許文献２】特開２０１１−０８５０６１号公報
【特許文献３】特開２００５−２０１１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１の制御手法のように燃料噴射量の制御に利用するパラメータとして所定燃焼質量割合に到達する時のクランク角度を用いるだけでは、点火時期が考慮されていないため、上記パラメータを用いてリーン燃焼運転中の空燃比を適切に代表させることができない。これに対し、リーン燃焼運転領域での空燃比を制御するために、点火時期から所定燃焼質量割合までのクランク角期間をパラメータとして、当該パラメータの算出値である算出クランク角期間がその目標値である目標クランク角期間に近づくように燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも１つを調整する手法を採用することが考えられる。このように定義されるクランク角期間と空燃比との間には相関関係がある。
【０００５】
しかしながら、上記手法による燃料噴射量などの調整は空燃比を直接的に制御するものではない。より具体的には、実際のクランク角期間が同じ目標クランク角期間に制御されていても、空燃比が常に同じ値に制御されているとは限らない。その理由は、次の通りである。すなわち、燃料噴射量などの調整によって実際のクランク角期間を目標クランク角期間に近づけることは、あくまでも実際の燃焼を目標とする燃焼に近づけることに相当する。目標クランク角期間は、基準の燃焼条件を対象として定められる。ここでいう基準の燃焼条件とは、タンブル比、および使用燃料の性状などの燃焼に関係するパラメータが設計通りの値であるときに行われる燃焼の条件のことである。基準の燃焼条件に対して各種燃焼ばらつき要因（例えば、タンブル流のばらつき、または、使用燃料の性状のばらつきなど）によって燃焼条件が変化すると、上記クランク角期間と空燃比との対応関係が基準の燃焼条件での関係からずれてしまう。その結果、上記調整によって燃焼が適切に制御されている場合であっても、空燃比が目標空燃比から外れてしまう可能性がある。また、上記クランク角期間の算出に用いられるセンサの特性変化、あるいは当該センサ自体の個体差なども、上記クランク角期間と空燃比との関係を、基準の燃焼条件での関係から変化させてしまう要因となる。
【０００６】
上記調整によって実際のクランク角期間が目標クランク角期間に一致するように制御されている場合であっても、上記クランク角期間と空燃比との対応関係にずれが生じてしまうと、空燃比が本来意図した値からずれてしまうことになる。リーン燃焼運転中に空燃比がリッチ側にずれると、ＮＯｘ排出量の増加が懸念される。逆に、空燃比がリーン側にずれると、トルク変動の増大が懸念される。
【０００７】
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、リーン燃焼運転中に算出クランク角期間が目標クランク角期間に近づくように燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方を調整する制御構成を採用した場合において、基準の燃焼条件での関係に対してクランク角期間と空燃比との関係が変化している状況下であっても、ＮＯｘ排出量の増加およびトルク変動の増大のうちの少なくとも一方を抑制でき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】
【０００８】
本発明の第１の態様に係る内燃機関の制御装置は、理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、空燃比検出手段と、クランク角検出手段と、燃焼質量割合算出手段と、第１クランク角度取得手段と、調整手段と、変更手段とを備えている。空燃比検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する。クランク角検出手段は、クランク角度を検出する。燃焼質量割合算出手段は、燃焼質量割合を算出する。第１クランク角度取得手段は、燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する。調整手段は、点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う。変更手段は、リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が前記目標空燃比を含む空燃比範囲から外れた場合に、空燃比が前記空燃比範囲から外れることが抑制されるように、前記調整手段による前記調整を変更する。
【０００９】
前記変更手段は、空燃比が前記空燃比範囲から外れた場合に、前記目標クランク角期間を補正することによって空燃比が前記空燃比範囲から外れることを抑制するものであってもよい。
【００１０】
前記変更手段は、空燃比が前記空燃比範囲からリッチ側に外れた場合には、前記目標クランク角期間を大きくし、空燃比が前記空燃比範囲からリーン側に外れた場合には、前記目標クランク角期間を小さくすることが好ましい。
【００１１】
前記変更手段は、空燃比が前記空燃比範囲から外れた場合に、前記調整手段による前記調整を制限することによって空燃比が前記空燃比範囲から外れることを抑制するものであってもよい。
【００１２】
前記変更手段は、空燃比が前記空燃比範囲からリッチ側に外れた場合には、前記算出クランク角期間を小さくするときに用いる燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の補正量の絶対値の上限を小さくすることによって前記調整を制限し、空燃比が前記空燃比範囲からリーン側に外れた場合には、前記算出クランク角期間を大きくするときに用いる燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の補正量の絶対値の上限を小さくすることによって前記調整を制限することが好ましい。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る内燃機関の制御装置は、理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、ＮＯｘ濃度検出手段と、クランク角検出手段と、燃焼質量割合算出手段と、第１クランク角度取得手段と、調整手段と、変更手段とを備えている。ＮＯｘ濃度検出手段は、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する。クランク角検出手段は、クランク角度を検出する。燃焼質量割合算出手段は、燃焼質量割合を算出する。第１クランク角度取得手段は、燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する。調整手段は、点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う。変更手段は、リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されるＮＯｘ濃度が、前記目標空燃比での燃焼の下で排出される排気ガスのＮＯｘ濃度よりも高い所定値よりも高い場合に、排気ガスのＮＯｘ濃度が前記所定値よりも高くなることが抑制されるように、前記調整手段による前記調整を変更する。
【００１４】
前記変更手段は、排気ガスのＮＯｘ濃度が前記所定値よりも高い場合に、前記目標クランク角期間を大きくすることが好ましい。
【００１５】
前記変更手段は、排気ガスのＮＯｘ濃度が前記所定値よりも高い場合に、前記算出クランク角期間を小さくするときに用いる燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の補正量の絶対値の上限を小さくすることが好ましい。
【００１６】
本発明の第３の態様に係る内燃機関の制御装置は、理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、空燃比検出手段と、クランク角検出手段と、燃焼質量割合算出手段と、第１クランク角度取得手段と、調整手段と、第１禁止手段とを備えている。空燃比検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する。クランク角検出手段は、クランク角度を検出する。燃焼質量割合算出手段は、燃焼質量割合を算出する。第１クランク角度取得手段は、燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する。調整手段は、点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う。第１禁止手段は、リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が前記目標空燃比を含む空燃比範囲から外れた場合に、リーン燃焼運転を禁止する。
【００１７】
本発明の第４の態様に係る内燃機関の制御装置は、理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、空燃比検出手段と、クランク角検出手段と、燃焼質量割合算出手段と、第１クランク角度取得手段と、調整手段と、第２禁止手段とを備えている。空燃比検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する。クランク角検出手段は、クランク角度を検出する。燃焼質量割合算出手段は、燃焼質量割合を算出する。第１クランク角度取得手段は、燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する。調整手段は、点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う。第２禁止手段は、リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が前記目標空燃比を含む空燃比範囲から外れた場合に、前記調整手段による前記調整を禁止する。
【００１８】
本発明の第５の態様に係る内燃機関の制御装置は、理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、ＮＯｘ濃度検出手段と、クランク角検出手段と、燃焼質量割合算出手段と、第１クランク角度取得手段と、調整手段と、第１禁止手段とを備えている。ＮＯｘ濃度検出手段は、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する。クランク角検出手段は、クランク角度を検出する。燃焼質量割合算出手段は、燃焼質量割合を算出する。第１クランク角度取得手段は、燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する。調整手段は、点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う。第１禁止手段は、リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されるＮＯｘ濃度が、前記目標空燃比での燃焼の下で排出される排気ガスのＮＯｘ濃度よりも高い所定値よりも高い場合に、リーン燃焼運転を禁止する。
【００１９】
本発明の第６の態様に係る内燃機関の制御装置は、理論空燃比よりも大きな空燃比でリーン燃焼運転を行う内燃機関の制御装置であって、ＮＯｘ濃度検出手段と、クランク角検出手段と、燃焼質量割合算出手段と、第１クランク角度取得手段と、調整手段と、第２禁止手段とを備えている。ＮＯｘ濃度検出手段は、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する。クランク角検出手段は、クランク角度を検出する。燃焼質量割合算出手段は、燃焼質量割合を算出する。第１クランク角度取得手段は、燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する。調整手段は、点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値である算出クランク角期間が、当該クランク角期間の目標値である目標クランク角期間に近づくように、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方の調整を行う。第２禁止手段は、リーン燃焼運転中に前記調整手段による前記調整を行っている状況下において、前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されるＮＯｘ濃度が、前記目標空燃比での燃焼の下で排出される排気ガスのＮＯｘ濃度よりも高い所定値よりも高い場合に、前記調整手段による前記調整を禁止する。
【００２０】
前記所定燃焼質量割合は１０％であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、リーン燃焼運転中に算出クランク角期間が目標クランク角期間に近づくように燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一方を調整する制御構成を採用した場合において、基準の燃焼条件での関係に対してクランク角期間と空燃比との関係が変化している状況下であっても、ＮＯｘ排出量の増加およびトルク変動の増大のうちの少なくとも一方を抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。
【図２】点火時期と燃焼質量割合の波形とを表した図である。
【図３】ＮＯｘ濃度、燃費、トルク変動およびＳＡ−ＣＡ１０のそれぞれと空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。
【図４】本発明の実施の形態１においてリーン燃焼運転中にＥＣＵが行う空燃比制御（リーンリミット制御）の概要を説明するためのブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態１において用いられる目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量の設定を表した図である。
【図６】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２においてリーン燃焼運転中にＥＣＵが行う空燃比制御（リーンリミット制御）の概要を説明するためのブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態２において用いられるＦＢ補正量についての上下限値の補正量の更新量の設定を表した図である。
【図９】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態３においてＥＣＵが行う空燃比制御の概要を説明するためのブロック図である。
【図１１】本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態４においてリーン燃焼運転中にＥＣＵが行う空燃比制御（リーンリミット制御）の概要を説明するためのブロック図である。
【図１３】本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態５における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。
【図１５】本発明の実施の形態５において用いられる目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量の設定を表した図である。
【図１６】本発明の実施の形態６において用いられるＦＢ補正量についての上限値の補正量の更新量の設定を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
実施の形態１．
［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における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、火花点火式の内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。
【００２４】
吸気通路１６の吸気ポートには、当該吸気ポートを開閉する吸気弁２０が設けられており、排気通路１８の排気ポートには、当該排気ポートを開閉する排気弁２２が設けられている。また、吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内（筒内）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２６、および、混合気に点火するための点火装置（点火プラグのみを図示）２８が、それぞれ設けられている。さらに、各気筒には、筒内圧力を検出するための筒内圧センサ３０が組み込まれている。
【００２５】
排気通路１８には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ３２が配置されている。空燃比センサ３２は、排気ガスの燃焼前の空燃比に対してリニアに変化する信号を出力する。空燃比センサ３２よりも下流側の排気通路１８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３４およびＮＳＲ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）３６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３６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。
【００２６】
さらに、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０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。ＥＣＵ４０が信号を取り込むセンサには、上述した筒内圧センサ３０および空燃比センサ３２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４２、および、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ４４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ポジションセンサ４６も含まれる。ＥＣＵ４０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２６および点火装置２８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。また、ＥＣＵ４０は、筒内圧センサ３０の出力信号を、クランク角度と同期させてＡＤ変換して取得する機能を有している。これにより、ＡＤ変換の分解能が許す範囲で、任意のクランク角タイミングにおける筒内圧力を検出することができる。さらに、ＥＣＵ４０は、クランク角度の位置によって決まる筒内容積の値を、クランク角度に応じて算出する機能を有している。
【００２７】
［実施の形態１の制御］
（点火時期と燃焼質量割合）
図２は、点火時期と燃焼質量割合の波形とを表した図である。筒内圧センサ３０とクランク角センサ４２とを備える本実施形態のシステムによれば、内燃機関１０の各サイクルにおいて、クランク角度（ＣＡ）同期での筒内圧データ（筒内圧波形）を取得することができる。得られた筒内圧データと熱力学第１法則とを用いて、任意のクランク角度θでの筒内の発熱量Ｑを次の（１）、（２）式にしたがって算出することができる。そして、算出された筒内の発熱量Ｑのデータを用いて、任意のクランク角度θにおける燃焼質量割合（以下、「ＭＦＢ」と称する）を次の（３）式にしたがって算出することができる。また、この（３）式を利用して、ＭＦＢが所定割合α（％）となる時のクランク角度（以下、「ＣＡα」と称する）を取得することができる。
【数１】
2016118111.tif 000003
2016118111.tif 000004
ただし、上記（１）式において、Ｐは筒内圧力、Ｖは筒内容積、κは筒内ガスの比熱比である。また、上記（３）式において、θｍｉｎは燃焼開始点（０％燃焼点ＣＡ０）であり、θｍａｘは燃焼終了点（１００％燃焼点ＣＡ１００）である。
【００２８】
ここでは、図２を参照して代表的なクランク角度ＣＡαについて説明する。筒内の燃焼は、点火時期にて混合気に点火を行った後に着火遅れを伴って開始する。この燃焼の開始点、すなわち、ＭＦＢが立ち上がる時のクランク角度をＣＡ０と称する。ＣＡ０からＭＦＢが１０％となる時のクランク角度ＣＡ１０までのクランク角期間（ＣＡ０−ＣＡ１０）が初期燃焼期間に相当し、ＣＡ１０からＭＦＢが９０％となる時のクランク角度ＣＡ９０までのクランク角期間（ＣＡ１０−ＣＡ９０）が主燃焼期間に相当する。また、ＭＦＢが５０％となる時のクランク角度ＣＡ５０が燃焼重心位置に相当する。
【００２９】
（ＳＡ−ＣＡ１０を用いたリーンリミット制御）
図３は、ＮＯｘ濃度、燃費、トルク変動およびＳＡ−ＣＡ１０のそれぞれと空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。図３は、理論空燃比よりもリーン側のリーン空燃比領域での各種特性を示している。より詳細には、このリーン空燃比領域は、ＮＯｘ濃度がピークを示す１６程度の空燃比よりもリーン側の領域である。内燃機関の低燃費技術としては、理論空燃比よりも希薄な空燃比にて行うリーン燃焼運転が有効である。図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、空燃比がリーンになるほど、燃費が良くなり、排気ガスのＮＯｘ濃度が減少する。ただし、空燃比をリーンにし過ぎると、燃焼が悪化することで、燃費が悪化する。その一方で、トルク変動は、図３（Ｃ）に示すように、空燃比がリーンになるにつれて徐々に大きくなり、空燃比がある値を超えてリーンになると急激に大きくなる。ここでいうトルク変動とは、時系列のトルク値に対する変動値のことである。以下、混合気の希薄燃焼限界の空燃比、より具体的には、内燃機関１０のドライバビリティの観点で限界となる閾値にトルク変動値が達する時の空燃比を、「リーンリミット」と称する。
【００３０】
図３（Ａ）〜（Ｃ）より、低燃費および低ＮＯｘ排出を実現するためには、内燃機関１０の状態を監視し、ドライバビリティが悪化しない範囲内で出来るだけリーンとなるように空燃比を制御すること、すなわち、リーンリミット近傍で空燃比を制御することが好ましいといえる。以下、このような空燃比の制御を「リーンリミット制御」と称する。本実施形態では、そのようなリーンリミット制御として、点火時期（ＳＡ）から１０％燃焼点であるＣＡ１０までのクランク角期間（ＳＡ−ＣＡ１０）を利用した燃料噴射量のフィードバック制御（以下、単に、「ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御」と称する）を気筒毎に行うこととした。なお、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御は、必ずしも気筒毎に実行されるものに限られない。すなわち、本実施形態の内燃機関１０は、各気筒に筒内圧センサ３０を備えているが、例えば、１つの代表気筒にのみ筒内圧センサを備えている構成の内燃機関であれば、単一の筒内圧センサから得られる筒内圧に基づく算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくように全気筒の燃料噴射量を補正するものであってもよい。
【００３１】
ここで、本実施形態のリーンリミット制御のパラメータとしてＳＡ−ＣＡ１０を用いる利点について説明する。ＳＡ−ＣＡ１０は、着火遅れを代表するパラメータである。図３（Ｄ）に示すように、ＳＡ−ＣＡ１０は、空燃比との相関性が高く、リーンリミット付近においても空燃比に対して線形性を良好に保持している。このため、ＳＡ−ＣＡ１０の利用によって、リーンリミット近傍に空燃比をフィードバック制御し易くなる。より具体的には、図３（Ｄ）に示すように、理論空燃比よりもリーン側の空燃比領域においては、空燃比がリーンになるほどＳＡ−ＣＡ１０が大きくなるという関係がある。
【００３２】
また、ＳＡ−ＣＡ１０は、次のような理由により、空燃比自体よりもリーンリミットの代表性が高いといえる。すなわち、リーンリミットとなる空燃比は運転条件（例えば、エンジン水温の高低）により変化するが、ＳＡ−ＣＡ１０は空燃比よりも運転条件に応じて変化しにくい。言い換えると、リーンリミットとなる空燃比は混合気の着火要因に依るところが大きいため、着火遅れを代表するＳＡ−ＣＡ１０の方が空燃比自体よりも運転条件等による影響を受けにくいといえる。ただし、エンジン回転速度が変わると、１クランク角度当たりの時間が変化するため、ＳＡ−ＣＡ１０の目標値である目標ＳＡ−ＣＡ１０は、エンジン回転速度に応じて設定されていることが好ましい。より好適には、ＳＡ−ＣＡ１０は筒内の空気充填率（ＫＬ）によっても変化するため、目標ＳＡ−ＣＡ１０は、エンジン回転速度に代え、或いはそれとともに、空気充填率に応じて設定されていると良い。
【００３３】
次に、本実施形態のリーンリミット制御の指標としてのクランク角期間を点火時期との間で特定するために用いる燃焼点（ＭＦＢが所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度）として、ＣＡ１０が他の燃焼点と比べて好ましい理由について説明する。第１クランク角度としては、ＣＡ１０に限らず、他の任意の燃焼点を用いることができる。そして、他の任意の燃焼点の利用時であっても、得られるクランク角期間は、上述した空燃比との相関性の高さおよびリーンリミットの代表性の高さという利点を基本的に有しているといえる。しかしながら、ＣＡ１０よりも後の主燃焼期間（ＣＡ１０−ＣＡ９０）内の燃焼点を利用した場合には、得られるクランク角期間は、火炎が燃え広がる時に燃焼に影響するパラメータ（ＥＧＲ率、吸気温度およびタンブル比など）の影響を大きく受けてしまう。つまり、この場合に得られるクランク角期間は、純粋に空燃比に着目したものではなく、外乱に弱くなる。このような外乱の影響を排除するために、クランク角期間を上記パラメータに応じて補正する構成とすることは、適合工数の増加となる。これに対し、初期燃焼期間（ＣＡ０−ＣＡ１０）内の燃焼点を利用した場合には、得られるクランク角期間は、上記パラメータの影響を受けにくく、着火に影響する因子の影響が良く表れたものとなる。その結果、制御性が良くなる。その一方で、燃焼開始点（ＣＡ０）や燃焼終了点（ＣＡ１００）は、ＥＣＵ４０が取得する筒内圧センサ３０からの出力信号に重畳するノイズの影響によって誤差が生じ易い。このノイズの影響は、燃焼開始点（ＣＡ０）や燃焼終了点（ＣＡ１００）から離れるにつれて小さくなる。したがって、耐ノイズ性と適合工数の削減とを考慮すると、本実施形態で用いるように、第１クランク角度としてはＣＡ１０が最も優れているといえる。
【００３４】
（実施の形態１におけるリーン燃焼運転時の空燃比制御の概要）
図４は、本発明の実施の形態１においてリーン燃焼運転中にＥＣＵ４０が行う空燃比制御（リーンリミット制御）の概要を説明するためのブロック図である。本実施形態のリーンリミット制御に相当する制御であるＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御は、「算出ＳＡ−ＣＡ１０」が「目標ＳＡ−ＣＡ１０」に近づくように燃料噴射量を調整するというものである。ここでいう算出ＳＡ−ＣＡ１０とは、点火時期から、筒内圧センサ（ＣＰＳ）３０とクランク角センサ４２とを利用して得られる筒内圧データの解析結果から求められたＣＡ１０までのクランク角期間として算出される値のことである。目標ＳＡ−ＣＡ１０は、基準の燃焼条件の下で、リーンリミット付近の所定の目標空燃比（Ａ／Ｆ）と関連付けられた値である。ここでいう基準の燃焼条件とは、タンブル比、および使用燃料の性状などの燃焼に関係するパラメータが設計通りの値であるときに行われる燃焼の条件のことである。
【００３５】
より具体的には、ＥＣＵ４０によって実行される空燃比制御の構成は、図４に示すように表すことができる。この制御構成は、燃焼モード判定部５０、目標Ａ／Ｆ切替部５２、リーン燃焼時の目標Ａ／Ｆ算出部５４、基本噴射量算出部５６、目標ＳＡ−ＣＡ１０設定部５８、ＳＡ−ＣＡ１０算出部６０、減算部６２、ＳＡ−ＣＡ１０のＦＢ補正量算出部６４、ＦＢ補正量の上下限ガード部６６、加算部６８、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量算出部７０、加算部７２、および加算部７４を含んでいる。
【００３６】
燃焼モード判定部５０は、エンジントルクとエンジン回転速度（ＮＥ）とに基づいて、現在のエンジン運転領域に対応する燃焼モードを判定する。対象となる燃焼モードは、筒内空燃比を理論空燃比に制御して行うストイキ燃焼モードと、筒内空燃比を理論空燃比よりも大きな（燃料リーンな）空燃比に制御して行うリーン燃焼モードである。本実施形態では、一例として、リーン燃焼モードは、低中負荷かつ低中回転の運転領域において選択され、ストイキ燃焼モードは、リーン燃焼モードが用いられる運転領域よりも高負荷高回転側の運転領域において選択されるものとする。なお、ここで用いられるエンジントルクには、例えば、目標トルクもしくは実トルクが該当する。目標トルクは、アクセル開度に基づいて算出することができる。実トルクは、最適点火時期の使用を前提として、現在の空気充填率および目標空燃比の下で実現されることが推定されるトルクとして算出することができる。
【００３７】
目標Ａ／Ｆ切替部５２は、現在の運転領域において用いるべき燃焼モードはストイキ燃焼モードであると燃焼モード判定部５０が判定した場合には、目標空燃比として理論空燃比を選択する。一方、現在の運転領域において用いるべき燃焼モードはリーン燃焼モードであると燃焼モード判定部５０が判定した場合には、目標Ａ／Ｆ切替部５２は、リーン燃焼時目標Ａ／Ｆ算出部５４が算出する値を目標空燃比として選択する。なお、図４への図示は省略しているが、目標空燃比として理論空燃比が選択されている場合には、公知のフィードバック制御、すなわち、空燃比センサ３２により検出される空燃比が目標空燃比（理論空燃比）となるようにするための燃料噴射量のフィードバック制御が行われる。
【００３８】
リーン燃焼時の目標Ａ／Ｆ算出部５４は、空気充填率（ＫＬ）とエンジン回転速度（ＮＥ）とに基づいて、リーン燃焼モードを利用する運転領域内での目標空燃比を決定する。この目標空燃比は、ＮＯｘ濃度とトルク変動とを考慮して設定されるため、図５を参照して後述する空燃比範囲Ｒ１内の値（空燃比範囲Ｒ１の中央付近の値）となる。なお、空気充填率に代え、エンジントルク（目標トルクもしくは実トルクなど）を用いてもよい。
【００３９】
基本噴射量算出部５６は、目標Ａ／Ｆ切替部５２から出力される目標空燃比を現在の吸入空気量の下で実現するために必要な基本の燃料噴射量である基本噴射量を算出する。この基本噴射量は、全気筒で共通の値が使用される。
【００４０】
目標ＳＡ−ＣＡ１０設定部５８は、空気充填率とエンジン回転速度とに基づいて目標ＳＡ−ＣＡ１０を設定する。ＥＣＵ４０には、空気充填率とエンジン回転速度との関係で目標ＳＡ−ＣＡ１０を予め定めたマップ（図示省略）が記憶されており、ここでは、そのようなマップを参照して、目標ＳＡ−ＣＡ１０が設定される。より具体的には、図３（Ｄ）に示すように、空燃比とＳＡ−ＣＡ１０とは相関がある。ここでは、基準の燃焼条件にて燃焼が行われたときの空燃比とＳＡ−ＣＡ１０との相関関係を用いて、目標Ａ／Ｆ算出部５４で用いられる空気充填率とエンジン回転速度とに基づく目標空燃比に対応する目標ＳＡ−ＣＡ１０が、空気充填率とエンジン回転速度とに基づく値として設定されている。このような手法により、目標ＳＡ−ＣＡ１０は、リーン燃焼運転時の目標空燃比と関連付けられている。
【００４１】
ＳＡ−ＣＡ１０算出部６０は、点火時期（ＳＡ）と、筒内圧センサ（ＣＰＳ）３０により検出される筒内圧の解析結果とを利用して算出ＳＡ−ＣＡ１０を算出する。算出ＳＡ−ＣＡ１０は、各気筒においてサイクル毎に算出される。減算部６２は、後述の加算部７４を通過した後の最終的な目標ＳＡ−ＣＡ１０と、算出ＳＡ−ＣＡ１０との差分ΔＳＡ−ＣＡ１０を算出する。ここでは、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０は、算出ＳＡ−ＣＡ１０から目標ＳＡ−ＣＡ１０を引いて得られる値であるものとする。差分ΔＳＡ−ＣＡ１０は、気筒毎に算出される。
【００４２】
ＦＢ補正量算出部６４は、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０をゼロとするための燃料噴射量の補正量であるＦＢ補正量を算出する。このＦＢ補正量の算出のために、一例としてＰＩ制御が使用される。具体的には、ＦＢ補正量算出部６４は、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０と所定のＰＩゲイン（比例項ゲインと積分項ゲイン）とを用いて、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０およびその積算値の大きさに応じた燃料噴射量の補正量をＦＢ補正量として算出する。ＦＢ補正量は、気筒毎に算出される。
【００４３】
上下限ガード部６６は、加算部６８において基本噴射量に足し合わされることになる最終的なＦＢ補正量が所定範囲内の値となるように、ＦＢ補正量算出部６４により算出されたＦＢ補正量を必要に応じて制限する。この所定範囲は、上下限ガード部６６が有する上限値と下限値とで規定される。つまり、ＦＢ補正量算出部６４により算出されたＦＢ補正量は、必ずしもそのままの値で基本噴射量に加算されるとは限られず、上記所定範囲から外れるＦＢ補正量が上下限ガード部６６に入力された場合には、上限値もしくは下限値に等しい値に制限されたＦＢ補正量が、最終的に上下限ガード部６６から加算部６８に出力されることになる。
【００４４】
上下限ガード部６６を通過した最終的なＦＢ補正量が加算部６８において基本噴射量に足し合わされることにより、燃料噴射弁２６によって噴射される最終的な燃料噴射量が決定される。このような燃料噴射量の補正処理が気筒毎に行われることにより、算出ＳＡ−ＣＡ１０を目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づけるための燃料噴射量の補正が、対象となる気筒の燃料噴射量に反映される。これにより、内燃機関１０の各気筒に供給される燃料噴射量がＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御によって調整（補正）されることになる。
【００４５】
以上説明したＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御によれば、目標空燃比と関連付けられた目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくように算出ＳＡ−ＣＡ１０を制御することにより、リーン燃焼運転中に空燃比をリーンリミット近傍に制御することができる。既述したように、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との間には相関関係はあるが、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御は空燃比を直接的に制御するものではない。より具体的には、実際のＳＡ−ＣＡ１０が同じ目標ＳＡ−ＣＡ１０に制御されていても、空燃比が常に同じ値に制御されているとは限らない。その理由は、次の通りである。すなわち、燃料噴射量の調整によって実際のＳＡ−ＣＡ１０を目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づけることは、あくまでも実際の燃焼を目標とする燃焼に近づけることに相当する。目標ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関連付けを行った基準の燃焼条件に対して各種燃焼ばらつき要因（例えば、タンブル流のばらつき、または、使用燃料の性状のばらつきなど）によって燃焼が変化すると、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との対応関係にずれが生じてしまう。例えば、基準の燃焼条件でのタンブル流に対してタンブル流が変化して燃焼が悪化すると、実際の燃焼が目標とする燃焼に近づくようにＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御によって燃料噴射量の調整が行われることで、燃焼は同等になっても空燃比は異なる値になってしまう。このように、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御によって燃焼が適切に制御されている場合であっても、空燃比が目標空燃比から外れてしまう可能性がある。また、ＳＡ−ＣＡ１０の算出に用いられる筒内圧センサ３０の特性変化、あるいは筒内圧センサ３０自体の個体差なども、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係を、関連付けを行った基準の燃焼条件での関係から変化させてしまう要因となる。
【００４６】
ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御によって実際のＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０に一致するように制御されている場合であっても、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との対応関係にずれが生じてしまうと、空燃比が本来意図した値からずれてしまうことになる。リーン燃焼運転中に空燃比がリッチ側にずれると、図３（Ａ）よりＮＯｘ濃度が増加するので、ＮＯｘ排出量の増加が懸念される。逆に、空燃比がリーン側にずれると、トルク変動の増大が懸念される。したがって、リーン燃焼運転中には、ＮＯｘ排出抑制とトルク変動低減とを好適に両立可能な高い空燃比の制御性が求められる。
【００４７】
そこで、本実施形態では、リーン燃焼運転中にＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を行っている状況下において、関連付けを行った基準の燃焼条件での関係に対してＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係が変化している状況下であってもＮＯｘ排出抑制とトルク変動低減とを好適に両立させられるようにするために、次のような制御を行うこととした。すなわち、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中に空燃比（Ａ／Ｆ）センサ３２により検出される空燃比がリーン燃焼運転中の目標空燃比を含む空燃比範囲Ｒ１から外れた場合には、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れることが抑制されるように、目標ＳＡ−ＣＡ１０を補正することとした。なお、このような処理に用いられる「空燃比センサ３２により検出される空燃比」とは、空燃比センサ３２の出力値をそのまま利用したものであってもよいし、出力値を空燃比に換算した後の値であってもよい。また、このような処理に用いる空燃比は、筒内で燃焼に付されたガスの空燃比を検出したいため、空燃比センサ３２がそうであるように検出対象の排気ガスは、最上流に配置される触媒（内燃機関１０の場合には、三元触媒３４）よりも上流のものであることが望ましい。このことは、後述の実施の形態５等でのＮＯｘ濃度の検出についても同様である。
【００４８】
上記の目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正を行うために、図４に示す制御構成は、更新量算出部７０、加算部７２、および加算部７４を備えている。この制御構成によれば、更新量算出部７０において目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量が算出され、算出された更新量が加算部７２において補正量の前回値に加算される。ここでいう前回値とは、同一気筒の前回のサイクルで用いた値のことである。加算部７２から出力された目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量は、目標ＳＡ−ＣＡ１０設定部５８によって設定された目標ＳＡ−ＣＡ１０に加算部７４において足し合わされる。以下、図５を参照して、具体的な目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正処理について説明する。
【００４９】
図５は、本発明の実施の形態１において用いられる目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量の設定を表した図である。図５は、理論空燃比よりもリーン側のリーン空燃比領域での関係を表している。リーン空燃比領域でのＮＯｘ濃度およびトルク変動は、図３（Ａ）および図３（Ｃ）を参照して既述しているが、摸式的に表すと図５に示すようになる。すなわち、空燃比があるレベルよりもリーンであれば、排気ガスのＮＯｘ濃度は空燃比の変化に対してあまり変化せず、一方、空燃比があるレベルよりもリッチになると、ＮＯｘ濃度は空燃比がリッチになるほど急激に大きくなっていく。トルク変動は、ＮＯｘ濃度とは逆の傾向を有し、空燃比がリーンリミット近傍に近くなるにつれ急激に大きくなっていく。この関係より、ＮＯｘ濃度が所定値以下であってトルク変動が所定値以下となる空燃比範囲Ｒ１が得られる。このように、空燃比範囲Ｒ１は、リーン燃焼運転中にＮＯｘ濃度およびトルク変動がそれぞれ許容レベルに収まる空燃比範囲である。
【００５０】
図５に示す設定によれば、空燃比が空燃比範囲Ｒ１内にある場合は、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量はゼロとされている。したがって、この場合には、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量は前回値から更新されないため、減算部６２に入力される最終的な目標ＳＡ−ＣＡ１０も前回値から変更されない。
【００５１】
一方、上記設定によれば、空燃比が空燃比範囲Ｒ１よりもリッチ側に外れた場合には、正の更新量が算出される。その結果、目標ＳＡ−ＣＡ１０は大きくなるように補正される。目標ＳＡ−ＣＡ１０が大きくなると、大きくなった目標ＳＡ−ＣＡ１０に算出ＳＡ−ＣＡ１０が近づくように燃料噴射量が減らされる。つまり、目標ＳＡ−ＣＡ１０を大きくすることは、燃料噴射量を減量側に補正して空燃比をリーン側に補正することを促すことを意味する。より具体的には、空燃比範囲Ｒ１の下限（リッチ側の境界）に対するリッチ側での空燃比のずれ量が大きいほど、正の更新量は大きくされる。その結果、目標ＳＡ−ＣＡ１０は、リッチ側でのずれ量が大きいほど大きくなるように補正される。このため、上記ずれ量が大きいほど、空燃比のリーン補正がより強く促されることになるので、空燃比範囲Ｒ１よりもリッチ側に空燃比がずれることがより積極的に抑制されることになる。
【００５２】
また、上記設定によれば、空燃比が空燃比範囲Ｒ１よりもリーン側に外れた場合には、負の更新量が算出される。その結果、目標ＳＡ−ＣＡ１０は小さくなるように補正される。目標ＳＡ−ＣＡ１０が小さくなると、小さくなった目標ＳＡ−ＣＡ１０に算出ＳＡ−ＣＡ１０が近づくように燃料噴射量が増やされる。つまり、目標ＳＡ−ＣＡ１０を小さくすることは、燃料噴射量を増量側に補正して空燃比をリッチ側に補正することを促すことを意味する。より具体的には、空燃比範囲Ｒ１の上限（リーン側の境界）に対するリーン側での空燃比のずれ量が大きいほど、負の更新量はマイナス側で大きくされる。その結果、目標ＳＡ−ＣＡ１０は、リーン側でのずれ量が大きいほど小さくなるように補正される。このため、上記ずれ量が大きいほど、空燃比のリッチ補正がより強く促されることになるので、空燃比範囲Ｒ１よりもリーン側に空燃比がずれることがより積極的に抑制されることになる。
【００５３】
なお、Ｖ型エンジンが用いられており、かつ、空燃比センサがバンク毎に備えられている場合には、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量は、それぞれのバンクの空燃比センサの出力に応じてバンク毎に算出するのが良い。このような手法によって目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正が行われた場合には、最終的に算出ＳＡ−ＣＡ１０と比較される目標ＳＡ−ＣＡ１０についても、バンク毎に異なる値となる。
【００５４】
（実施の形態１における具体的処理）
図６は、本発明の実施の形態１に係るリーン燃焼運転時の空燃比制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、各気筒において燃焼終了後の所定タイミングにて、サイクル毎に繰り返し実行されるものとする。
【００５５】
図６に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、まず、ステップ１００の処理を実行する。ステップ１００の処理は、燃焼モード判定部５０の処理であり、リーン燃焼運転中であるか否かを判定するものである。本ステップ１００においてリーン燃焼運転中ではないと判定した場合には、ＥＣＵ４０は、今回の処理サイクルにおける処理を速やかに終了する。
【００５６】
一方、リーン燃焼運転中であると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、ステップ１０２に進む。ステップ１０２の処理は、目標Ａ／Ｆ切替部５２の処理であり、リーン燃焼運転に用いる目標空燃比を算出するものである。次いで、ＥＣＵ４０は、ステップ１０４に進む。ステップ１０４の処理は、目標Ａ／Ｆ算出部５４および基本噴射量算出部５６の処理である。ステップ１０４では、ステップ１０２の処理による算出値が次サイクルでの燃焼の目標空燃比として選択され、当該目標空燃比と吸入空気量とに基づいて基本噴射量が算出される。
【００５７】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１０６に進む。ステップ１０６の処理は、目標ＳＡ−ＣＡ１０設定部５８の処理であり、空気充填率とエンジン回転速度とに応じた目標ＳＡ−ＣＡ１０を設定するものである。ＥＣＵ４０には、空気充填率とエンジン回転速度との関係で目標ＳＡ−ＣＡ１０を予め定めたマップ（図示省略）が記憶されている。本ステップ１０６では、そのようなマップを参照して目標ＳＡ−ＣＡ１０が設定される。
【００５８】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１０８に進む。ステップ１０８の処理は、更新量算出部７０の処理であり、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量を算出するものである。ＥＣＵ４０には、図５に示すように更新量と空燃比との関係を予め定めたマップが記憶されている。本ステップ１０８では、そのようなマップを参照して更新量が算出される。より具体的には、このマップを参照する際に用いる空燃比としては、センサ出力に重畳するノイズへの対策のため、空燃比センサ３２により検出される空燃比の瞬時値よりも、例えば、ローパスフィルタ等による平滑化処理を施した後の値を用いるのが好適である。また、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れたときには、直ちに正または負の更新量を算出するのではなく、空燃比が所定時間継続して空燃比範囲Ｒ１から外れたことを条件として、正または負の更新量を算出するのが良い。これらと同様の対策については、後述の実施の形態２〜８においても行うことが好ましい。
【００５９】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１１０に進む。ステップ１１０の処理は、加算部７２の処理であり、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量を当該補正量の前回値に加算することによって今回の処理サイクルで用いる目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量を算出するものである。既述したように、空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まっている場合には、更新量はゼロとされるため、補正量は実質的には更新されない。一方、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリッチ側もしくはリーン側に外れた場合には、正または負の更新量が算出されるため、今回の処理サイクルにおいて補正量が更新されることになる。
【００６０】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１１２に進む。ステップ１１２の処理は、加算部７４の処理であり、目標ＳＡ−ＣＡ１０設定部５８によって設定された目標ＳＡ−ＣＡ１０に、加算部７２を通過した後の目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量を加算することにより最終的な目標ＳＡ−ＣＡ１０を算出するものである。
【００６１】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１１４に進み、筒内圧センサ３０とクランク角センサ４２とを利用して、今回のサイクルでの燃焼時に計測された筒内圧データを取得する。次いで、ＥＣＵ４０は、ステップ１１６に進む。ステップ１１６の処理は、ＳＡ−ＣＡ１０算出部６０の処理であり、算出ＳＡ−ＣＡ１０を算出するものである。より具体的には、算出ＳＡ−ＣＡ１０を算出するために用いる点火時期としては、例えば、今回のサイクルで用いた目標点火時期を用いることができる。１０％燃焼点ＣＡ１０は、筒内圧データの解析結果（ＭＦＢの波形）を利用して取得することができる。
【００６２】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１１８に進む。ステップ１１６の処理は、減算部６２の処理であり、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０を算出するものである。次いで、ＥＣＵ４０は、ステップ１２０に進む。ステップ１２０の処理は、ＦＢ補正量算出部６４の処理であり、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０をゼロとするための燃料噴射量の補正量であるＦＢ補正量を算出するものである。具体的には、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０よりも大きい場合（すなわち、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０が正の値である場合）には、空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれていることに相当するため、正のＦＢ補正量（すなわち、燃料噴射量を増量側に補正して空燃比をリッチ側に補正するためのＦＢ補正量）が算出される。逆に、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０よりも小さい場合（すなわち、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０が負の値である場合）には、空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれていることに相当するため、負のＦＢ補正量（すなわち、燃料噴射量を減量側に補正して空燃比をリーン側に補正するためのＦＢ補正量）が算出される。なお、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０と等しい場合には、ＦＢ補正量はゼロになる。
【００６３】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１２２に進む。ステップ１２２の処理は、上下限ガード部６６の処理であり、最終的なＦＢ補正量を取得するものである。最終的なＦＢ補正量は、基本的には、ステップ１２０の処理により算出されるＦＢ補正量であるが、当該ＦＢ補正量が上下限ガード部６６の上限値もしくは下限値を超える値である場合には、上限値もしくは下限値に等しい値となる。
【００６４】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１２４に進む。ステップ１２４の処理は、加算部６８の処理であり、ステップ１０４において算出された基本噴射量に対して、ステップ１２２において取得された最終的なＦＢ補正量を加算するものである。この処理によって算出された最終的な燃料噴射量は、次サイクルにおいて使用されることになる。
【００６５】
以上説明した図６に示すルーチンによれば、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくように燃料噴射量のフィードバック制御が実行される。既述したように、ＳＡ−ＣＡ１０はリーンリミット付近においても空燃比に対して線形性を有している。本実施形態の手法とは異なり、所定燃焼質量割合が得られる時の第１クランク角度のみを用いて当該第１クランク角度がある目標値となるように燃料噴射量を調整することとした場合には、次のような問題がある。すなわち、点火時期が変化すると、それに伴い、所定燃焼質量割合が得られる時の第１クランク角度が変化する。これに対し、点火時期が変化しても、点火時期から上記第１クランク角度になるまでのクランク角期間はほとんど変化しない。このため、燃料噴射量の調整のための指標として上記クランク角期間（本実施形態では、ＳＡ−ＣＡ１０）を用いることで、上記第１クランク角度のみを用いる場合と比べ、点火時期の影響を排除して空燃比との相関性を好適に把握できるようになる。
【００６６】
そのうえで、上記ルーチンによれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中に空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れた場合には、目標ＳＡ−ＣＡ１０が補正される。より具体的には、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリッチ側に外れた場合には、空燃比のリーン補正を促すために目標ＳＡ−ＣＡ１０が大きくされ、一方、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリーン側に外れた場合には、空燃比のリッチ補正を促すために目標ＳＡ−ＣＡ１０が小さくされる。これにより、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０の近傍に適切に制御されているけれども燃焼条件の変化等の要因によってＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係が変化している状況下であっても、空燃比が目標空燃比付近の空燃比範囲Ｒ１から外れることを抑制することができる。つまり、空燃比センサ３２を用いて空燃比を監視することによって、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を実行しているだけでは気づくことができない空燃比の変化に対処できるようになる。さらに付け加えると、空燃比センサ３２により検出される空燃比をＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御に与えるようにしたことで、空燃比を空燃比範囲Ｒ１内により確実に収めつつ、実際の燃焼を目標とする燃焼に近づけられるようにＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を実行させられるようになる。また、ＮＯｘ排出の限界およびトルク変動の限界を空燃比にて管理できるようになる。以上説明した本実施形態の制御によれば、リーン燃焼運転中にＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を行っている状況下において、関連付けを行った基準の燃焼条件での関係に対してＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係が変化している状況下であっても、ＮＯｘ排出抑制とトルク変動低減とを好適に両立させられるようになる。
【００６７】
また、本実施形態の手法は、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の目標値そのものを補正するものであるため、他の実施の形態２〜４の手法と比較して、制御が合理的となる。そして、本手法によれば、ＳＡ−ＣＡ１０をどのような値に制御しようとしているかが明確となるため、制御の発展性および展開性が高いといえる。
【００６８】
ところで、上述した実施の形態１においては、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリッチ側に外れた場合には目標ＳＡ−ＣＡ１０を大きくし、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリーン側に外れた場合には目標ＳＡ−ＣＡ１０を小さくすることとしている。しかしながら、本発明における目標クランク角期間の補正は、空燃比が空燃比範囲からリッチ側およびリーン側のどちらに外れた場合にも実施されるものに必ずしも限られず、空燃比がリッチ側およびリーン側の何れか一方に外れた場合にのみ実施されるようになっていてもよい。
【００６９】
なお、上述した実施の形態１においては、ＣＡ１０が本発明における「第１クランク角度」に、算出ＳＡ−ＣＡ１０が本発明における「算出クランク角期間」に、目標ＳＡ−ＣＡ１０が本発明における「目標クランク角期間」に、空燃比範囲Ｒ１が本発明における「空燃比範囲」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ４０が空燃比センサ３２を用いて空燃比を検出することにより本発明における「空燃比検出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０がクランク角センサ４２を用いてクランク角度を検出することにより本発明における「クランク角検出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が筒内圧センサ３０とクランク角センサ４２とを用いて取得した燃焼期間中の筒内圧データを使用して燃焼質量割合（ＭＦＢ）を算出することにより本発明における「燃焼質量割合算出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が燃焼質量割合の算出結果を利用してＣＡ１０を取得することにより本発明における「第１クランク角度取得手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１１８〜１２４の処理を実行することにより本発明における「調整手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０８〜１１２の処理を実行することにより本発明の第１の態様における「変更手段」が実現されている。
【００７０】
実施の形態２．
次に、図７から図９を新たに参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００７１】
［実施の形態２の制御］
（実施の形態２におけるリーン燃焼運転時の空燃比制御の概要）
本実施形態は、上述した内燃機関１０を制御する場合に、図４に示す制御構成に代えて図７に示す制御構成を用いるという点において、実施の形態１と相違している。そして、本実施形態の制御は、リーン燃焼運転中にＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を行っている状況下において空燃比センサ３２により検出される空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れた場合には、燃料噴射量のＦＢ補正量についての上下限値を補正することによってＦＢ補正量の制御範囲を制限し、これにより、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れることを抑制するというものである。
【００７２】
図７は、本発明の実施の形態２においてリーン燃焼運転中にＥＣＵ４０が行う空燃比制御（リーンリミット制御）の概要を説明するためのブロック図である。図７に示す制御構成は、上述した更新量算出部７０、加算部７２および加算部７４に代えて、上下限値の補正量の更新量算出部７６ならびに加算部７８、８０、８２および８４を備えているという点を除き、図４に示す制御構成と同様である。
【００７３】
図７に示す制御構成においても、図４に示す制御構成と同様に、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を実行しつつ、空燃比センサ３２により検出される空燃比を利用する。ただし、図７に示す制御構成では、空燃比センサ３２により検出される空燃比は、更新量算出部７６に入力されるようになっている。
【００７４】
更新量算出部７６は、燃料噴射量のＦＢ補正量についての上限値および下限値のそれぞれの補正量の更新量を算出する。算出された上限値の補正量の更新量は加算部７８において補正量の前回値に加算される。加算部７８から出力された上限値の補正量は、加算部８０において上限値のベース値に足し合わされる。これにより、最終的な上限値が算出される。同様に、算出された下限値の補正量の更新量は加算部８２において補正量の前回値に加算される。加算部８２から出力された下限値の補正量は、加算部８４において下限値のベース値に足し合わされる。これにより、最終的な下限値が算出される。以下、図８を参照して、具体的な上下限値の補正処理について説明する。
【００７５】
図８は、本発明の実施の形態２において用いられるＦＢ補正量についての上下限値の補正量の更新量の設定を表した図である。図８中に示すリーン空燃比領域でのＮＯｘ濃度およびトルク変動と空燃比との関係は、図５に示すものと同じである。
【００７６】
図８に示す設定によれば、空燃比が空燃比範囲Ｒ１内にある場合は、上下限値（ガード値）の補正量の更新量はゼロとされている。したがって、この場合には、上下限値の補正量は前回値から更新されないため、上下限ガード部６６に入力される最終的な上下限値も前回値から変更されない。
【００７７】
一方、上記設定によれば、空燃比が空燃比範囲Ｒ１よりもリッチ側に外れた場合には、上限値のために負の更新量が算出され、一方、下限値の補正量の更新量はゼロとされる。その結果、上限値は小さくなるように補正されるが、下限値は更新されない。ＦＢ補正量の上限値が小さくなると、燃料噴射量を大きく増やすことが制限されることになる。つまり、上限値を小さくすることは、算出ＳＡ−ＣＡ１０を小さくするとき（すなわち、空燃比をリッチにするとき）に用いるＦＢ補正量の絶対値の上限を小さくすること、したがって、空燃比をリッチ側に補正しすぎないようにすることを意味する。そして、図８に示す設定をより詳細に説明すると、空燃比範囲Ｒ１の下限（リッチ側の境界）に対するリッチ側での空燃比のずれ量が大きいほど、負の更新量はマイナス側で大きくされる。その結果、上限値は、リッチ側でのずれ量が大きいほど小さくなるように補正される。このため、上記ずれ量が大きいほど、リッチ側への空燃比のずれがより積極的に抑制されることになる。
【００７８】
また、上記設定によれば、空燃比が空燃比範囲Ｒ１よりもリーン側に外れた場合には、下限値のために正の更新量が算出され、一方、上限値の補正量の更新量はゼロとされる。その結果、下限値は大きくなる（マイナス側で小さくなる）ように補正されるが、上限値は更新されない。ＦＢ補正量の下限値が大きくなると、燃料噴射量を大きく減らすことが制限されることになる。つまり、下限値を大きくすることは、算出ＳＡ−ＣＡ１０を大きくするとき（すなわち、空燃比をリーンにするとき）に用いるＦＢ補正量の絶対値の上限を小さくすること、したがって、空燃比をリーン側に補正しすぎないようにすることを意味する。そして、図８に示す設定をより詳細に説明すると、空燃比範囲Ｒ１の上限（リーン側の境界）に対するリーン側での空燃比のずれ量が大きいほど、正の更新量は大きくされる。その結果、下限値は、リーン側でのずれ量が大きいほど大きくなるように補正される。このため、上記ずれ量が大きいほど、リーン側への空燃比のずれがより積極的に抑制されることになる。
【００７９】
なお、Ｖ型エンジンが用いられており、かつ、空燃比センサがバンク毎に備えられている場合には、上下限値の補正量の更新量は、それぞれのバンクの空燃比センサの出力に応じてバンク毎に算出するのが良い。このような手法によって目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正が行われた場合には、最終的に算出ＳＡ−ＣＡ１０と比較される目標ＳＡ−ＣＡ１０についても、バンク毎に異なる値となる。
【００８０】
（実施の形態２における具体的処理）
図９は、本発明の実施の形態２に係るリーン燃焼運転時の空燃比制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図９において、実施の形態１における図６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。
【００８１】
図９に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、ステップ１２０においてＦＢ補正量を算出した後に、ステップ２００に進む。ステップ２００の処理は、更新量算出部７６の処理であり、ＦＢ補正量の上下限値についての補正量の更新量を算出するものである。ＥＣＵ４０には、図８に示すように更新量と空燃比との関係を予め定めたマップが記憶されている。本ステップ２００では、そのようなマップを参照して更新量が算出される。
【００８２】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ２０２に進む。ステップ２０２の処理は、加算部７８および加算部８２の処理であり、上限値および下限値のそれぞれの補正量の更新量を各補正量の前回値に加算することによって今回の処理サイクルで用いる上下限値の補正量を算出するものである。既述したように、上限値の補正量は、空燃比が空燃比範囲Ｒ１よりもリッチ側に外れた場合にのみ更新され、一方、下限値の補正量は、空燃比が空燃比範囲Ｒ１よりもリーン側に外れた場合にのみ更新されることになる。
【００８３】
次に、ＥＣＵ４０は、ステップ２０４に進む。ステップ２０４の処理は、加算部８０および加算部８４の処理であり、上限値および下限値のそれぞれのベース値に、加算部７８および加算部８２を通過した後の上下限値の補正量を加算することにより最終的な上限値および下限値をそれぞれ算出するものである。次いで、このような手法によって算出された最終的な上下限値によって制限される範囲内のＦＢ補正量を用いて、次サイクルにおいて使用される最終的な燃料噴射量が算出されることになる（ステップ１２２および１２４）。
【００８４】
以上説明した図９に示すルーチンによれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中に空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れた場合には、燃料噴射量のＦＢ補正量の上下限値が補正される。より具体的には、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリッチ側に外れた場合には、空燃比のリッチ補正を制限するために上限値が小さくされ、一方、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリーン側に外れた場合には、空燃比のリーン補正を制限するために下限値が大きくされる。このような本実施形態の手法によってＦＢ補正量の制御範囲を制限することによっても、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０の近傍に適切に制御されているけれども燃焼条件の変化等の要因によってＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係が変化している状況下であっても、空燃比が目標空燃比付近の空燃比範囲Ｒ１から外れることを抑制することができる。
【００８５】
また、本実施形態の手法は、ＦＢ補正量の制御範囲を制限しつつもＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御自体は継続している。このため、上記制限に伴う範囲内に空燃比を収めつつ、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御によって実際の燃焼を目標とする燃焼に近づけられるようになる。そして、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の継続により、後述の実施の形態４の手法（ＳＡ−ＣＡ１０フィードバックの禁止）と比べて、より適正な空燃比範囲に空燃比を維持できるようになる。さらに、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を禁止する場合と比べて適正な空燃比範囲に空燃比を維持できることにより、ＮＯｘの排出抑制を図り易くすることができる。このため、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を禁止する場合と比べて、ＮＯｘの浄化のためのリッチスパイクの実行頻度の低減、すなわち、リーン燃焼運転の実行頻度を高く確保できるようになる。
【００８６】
ところで、上述した実施の形態２においては、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリッチ側に外れた場合にはＦＢ補正量の上限値を小さくし、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリーン側に外れた場合には下限値を大きくすることとしている。しかしながら、本発明における補正量の上下限値の補正は、空燃比が空燃比範囲からリッチ側およびリーン側のどちらに外れた場合にも実施されるものに必ずしも限られず、空燃比がリッチ側およびリーン側の何れか一方に外れた場合にのみ実施されるようになっていてもよい。
【００８７】
なお、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ２００〜２０４の処理を実行することにより本発明の第１の態様における「変更手段」が実現されている。
【００８８】
実施の形態３．
次に、図１０および図１１を新たに参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
【００８９】
［実施の形態３の制御］
（実施の形態３における空燃比制御の概要）
本実施形態は、上述した内燃機関１０を制御する場合に、図４に示す制御構成に代えて図１０に示す制御構成を用いるという点において、実施の形態１と相違している。そして、本実施形態の制御は、リーン燃焼運転中にＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を行っている状況下において、空燃比センサ３２により検出される空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れた場合には、リーン燃焼運転を禁止するというものである。
【００９０】
図１０は、本発明の実施の形態３においてＥＣＵ４０が行う空燃比制御の概要を説明するためのブロック図である。図１０に示す制御構成は、図４に示す制御構成から目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量算出部７０と加算部７２および７４とを削除し、かつ、目標Ａ／Ｆ切替部５２に代えて目標Ａ／Ｆ切替部８６を備えるものに相当する。
【００９１】
目標Ａ／Ｆ切替部８６には、空燃比センサ３２により検出される空燃比が入力されるようになっている。目標Ａ／Ｆ切替部８６は、リーン燃焼運転中の空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まっている場合には、目標Ａ／Ｆ切替部５２と同じように機能する。すなわち、燃焼モード判定部５０により判定された燃焼モードがリーン燃焼モードである場合には、空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まっている場合であれば、判定通りのリーン燃焼モードを最終的に選択する。これにより、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を伴うリーン燃焼運転が通常通り実行される。その一方で、目標Ａ／Ｆ切替部８６は、現在のエンジン運転領域に対応する燃焼モードがリーン燃焼モードである場合であっても、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れている場合には、最終的にはリーン燃焼モードを選択せずにストイキ燃焼モードを選択する。これにより、リーン燃焼運転が禁止されて、ストイキ燃焼運転が実行されることになる。
【００９２】
（実施の形態３における具体的処理）
図１１は、本発明の実施の形態３に係る空燃比制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１１において、実施の形態１における図６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。
【００９３】
図９に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、まず、ステップ３００の処理を実行する。ステップ３００の処理は、燃焼モード判定部５０の処理であり、エンジントルクとエンジン回転速度とに基づいて、現在のエンジン運転領域に対応する燃焼モードがリーン燃焼モードであるか否かを判定するものである。
【００９４】
ステップ３００の判定が不成立となる場合、つまり、現在のエンジン運転領域に対応する燃焼モードがストイキ燃焼モードであると判定された場合には、ＥＣＵ４０は、ステップ３０２に進む。ステップ３０２では、ストイキ燃焼運転のための各種処理（目標空燃比の設定、基本噴射量の算出、および空燃比センサ３２を利用した空燃比のフィードバック制御など）が実行される。
【００９５】
一方、ステップ３００においてリーン燃焼モードであると判定された場合には、ＥＣＵ４０は、ステップ３０４に進む。ステップ３０４の処理は、目標Ａ／Ｆ切替部８６の処理であり、空燃比センサ３２により検出される空燃比が空燃比範囲Ｒ１（図５参照）内に収まっているか否かを判定するものである。
【００９６】
ステップ３０４において空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まっていると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、リーン燃焼モードを最終的に選択し、ステップ１０２以降の一連の処理を実行する。その結果、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を伴うリーン燃焼運転が実行されることになる。
【００９７】
一方、ステップ３０４の判定が不成立となる場合、つまり、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れていると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、最終的にはリーン燃焼モードに代えてストイキ燃焼モードを選択し、ステップ３０２に進む。その結果、リーン燃焼運転の実行が禁止され、その代わりにストイキ燃焼運転が実行されることになる。
【００９８】
以上説明した図１１に示すルーチンによれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中に空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れた場合には、リーン燃焼運転が禁止され、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えが実行される。リーン燃焼運転自体が行われなくなることで、リーン燃焼運転領域において空燃比範囲Ｒ１よりも空燃比がリッチ側もしくはリーン側にずれてしまうことを回避することができる。このため、そのような空燃比のずれに起因するＮＯｘ排出量の増加またはトルク変動の増大を抑制することができる。また、本手法は、実施の形態１および２の手法とは異なり、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を伴うリーン燃焼運転を継続させながら行えるものではないが、リーン燃焼運転そのものを禁止するため、制御構成を簡素化することができる。
【００９９】
ところで、上述した実施の形態３においては、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリッチ側およびリーン側のどちらに外れた場合にも、リーン燃焼運転を禁止することとしている。しかしながら、本発明におけるリーン燃焼運転の禁止は、上記に代え、空燃比がリッチ側およびリーン側の何れか一方に外れた場合にのみ実施されるようになっていてもよい。
【０１００】
なお、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ３０４の判定が不成立となる場合に上記ステップ３０２の処理を実行することにより本発明の第３の態様における「第１禁止手段」が実現されている。
【０１０１】
実施の形態４．
次に、図１２および図１３を新たに参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
【０１０２】
［実施の形態４の制御］
（実施の形態４におけるリーン燃焼運転時の空燃比制御の概要）
本実施形態は、上述した内燃機関１０を制御する場合に、図４に示す制御構成に代えて図１２に示す制御構成を用いるという点において、実施の形態１と相違している。そして、本実施形態の制御は、リーン燃焼運転中にＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を行っている状況下において、空燃比センサ３２により検出される空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れた場合には、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行を禁止するというものである。また、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の禁止中の目標空燃比は、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中の値よりもリッチ側の値に設定される。
【０１０３】
図１２は、本発明の実施の形態４においてリーン燃焼運転中にＥＣＵ４０が行う空燃比制御（リーンリミット制御）の概要を説明するためのブロック図である。図１２に示す制御構成は、図４に示す制御構成から目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量算出部７０と加算部７２および７４とを削除し、目標Ａ／Ｆ算出部５４に変えて目標Ａ／Ｆ算出部８８を備え、かつ、ＦＢ補正量算出部６４に代えてＦＢ補正量算出部９０を備えるものに相当する。
【０１０４】
目標Ａ／Ｆ算出部８８およびＦＢ補正量算出部９０には、空燃比センサ３２により検出される空燃比がそれぞれ入力されるようになっている。目標Ａ／Ｆ算出部８８は、リーン燃焼運転中の空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まっている場合には、目標Ａ／Ｆ算出部５４と同じように機能する。すなわち、空気充填率（ＫＬ）とエンジン回転速度（ＮＥ）とに基づいて目標空燃比を通常通り決定する。その一方で、目標Ａ／Ｆ算出部８８は、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れている場合には、リーン燃焼運転中の空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まっている場合に用いる値に対して、空燃比範囲Ｒ１内において所定の余裕代だけリッチ側の値を目標空燃比として設定する。
【０１０５】
ＦＢ補正量算出部９０は、リーン燃焼運転中の空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まっている場合には、ＦＢ補正量算出部６４と同じように機能する。すなわち、この場合には、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行のために、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０をゼロとするための燃料噴射量の補正量であるＦＢ補正量を通常通り算出する。その一方で、ＦＢ補正量算出部９０は、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れている場合には、ＦＢ補正量をゼロとして上下限ガード部６６に出力する。この処理が行われた場合には、ＳＡ−ＣＡ１０を利用した燃料噴射量の補正は行われないこととなり、最終的な燃料噴射量は、基本噴射量のままとなる。つまり、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御が禁止され、燃料噴射量はオープンループ制御によって調整されることになる。ただし、上述した実施の形態３とは異なり、本実施形態では、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れている場合であっても、リーン燃焼運転自体は継続される。
【０１０６】
また、本実施形態で用いる空燃比範囲Ｒ１は、図５を参照して既述した考え方で設定されるものであってもよいが、次のような観点も踏まえて設定されることが好適である。すなわち、内燃機関１０の各種構成部品のばらつき、および筒内圧センサ３０の個体差等を考慮して、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中に想定される空燃比の変動範囲を事前に求めておく。そして、当該空燃比範囲相当となるように空燃比範囲Ｒ１を設定するのが良い。そして、このような設定の空燃比範囲Ｒ１から空燃比が外れた場合には、筒内圧センサ３０が異常であると判断し、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を禁止するのが良い。
【０１０７】
（実施の形態４における具体的処理）
図１３は、本発明の実施の形態４に係るリーン燃焼運転時の空燃比制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１３において、実施の形態１における図６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。
【０１０８】
図１３に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、ステップ１００においてリーン燃焼運転中であると判定した後に、ステップ４００に進む。ステップ４００では、空燃比センサ３２により検出される空燃比が空燃比範囲Ｒ１（図５参照）内に収まっているか否かが判定される。
【０１０９】
ステップ４００において空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まっていると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、ステップ１０２以降の一連の処理を実行する。これにより、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御が通常通り実行されることになる。
【０１１０】
一方、ステップ４００の判定が不成立となる場合、つまり、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れていると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、ステップ４０２に進む。ステップ４０２の処理は、目標Ａ／Ｆ算出部８８の処理であり、ステップ１０２において算出される値に対して、空燃比範囲Ｒ１内において所定の余裕代だけリッチ側の値を目標空燃比として算出するものである。次いで、ＥＣＵ４０は、ステップ４０４に進み、ステップ４０２において算出された目標空燃比を用いて基本噴射量を算出する。次いで、ＥＣＵ４０は、ステップ４０６に進む。ステップ４０６の処理は、ＦＢ補正量算出部９０の処理であり、ＦＢ補正量をゼロとして算出するものである。ステップ４０６の処理を実行した後に、ＥＣＵ４０は、ステップ１２２に進む。
【０１１１】
以上説明した図１３に示すルーチンによれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中に空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れた場合には、ＦＢ補正量がゼロとされることで、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行が禁止される。これにより、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の作用によって空燃比が空燃比範囲Ｒ１よりもリッチ側もしくはリーン側にずれてしまうことを回避することができる。このため、そのような空燃比のずれに起因するＮＯｘ排出量の増加またはトルク変動の増大を抑制することができる。また、本手法は、実施の形態１および２の手法とは異なり、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を継続させながら行えるものではないが、実施の形態１とは異なり、リーン燃焼運転を継続させるものである。このため、リーン燃焼運転の頻度を高く確保することができる。なお、本実施形態におけるＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の禁止は、実施の形態２におけるＦＢ補正量の上下限値を限界まで狭めたものに相当するといえる。
【０１１２】
また、上記ルーチンによれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御が禁止される場合の目標空燃比は、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御が実行される場合の値に対して、空燃比範囲Ｒ１内において所定の余裕代だけリッチ側に設定される。これにより、空燃比の制御に繋がるフィードバック制御が実行されていない状況下において、目標空燃比の変更がなされない場合と比べて、トルク変動の増大や失火の発生をより確実に抑制しつつリーン燃焼運転を継続させられるようになる。
【０１１３】
ところで、上述した実施の形態４においては、空燃比が空燃比範囲Ｒ１からリッチ側およびリーン側のどちらに外れた場合にも、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を禁止することとしている。しかしながら、本発明における調整手段による調整の禁止は、上記に代え、空燃比がリッチ側およびリーン側の何れか一方に外れた場合にのみ実施されるようになっていてもよい。
【０１１４】
なお、上述した実施の形態４においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ４００の判定が不成立となる場合に上記ステップ４０６の処理を実行することにより本発明の第４の態様における「第２禁止手段」が実現されている。
【０１１５】
実施の形態５．
次に、図１４および図１５を新たに参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
【０１１６】
［実施の形態５のシステム構成］
図１４は、本発明の実施の形態５における内燃機関１００のシステム構成を説明するための図である。図１４に示す内燃機関１００は、三元触媒３４よりも上流側の排気通路１８に、空燃比センサ３２に代えて、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ１０２を備えている。内燃機関１００は、この点を除き、図１に示す内燃機関１０と同様に構成されている。より具体的には、ここで用いられるＮＯｘセンサ１０２は、排気ガスの酸素濃度の検出機能も兼ね備えた公知のＮＯｘセンサであり、上記空燃比センサ３２と同様に、排気ガスの酸素濃度に応じた出力も可能となっている。このため、ＥＣＵ４０は、ＮＯｘセンサ１０２の出力に基づいて、ＮＯｘ濃度だけでなく、空燃比をも検出することができる。
【０１１７】
［実施の形態５の制御］
（実施の形態５におけるリーン燃焼運転時の空燃比制御の概要）
図示は省略するが、本実施形態の制御構成は、基本的には、実施の形態１における図４に示す制御構成と同様である。ただし、本制御構成は、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量算出部７０に入力されるパラメータが、空燃比センサ３２により検出される空燃比に代えてＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度であるという点において、図４に示す制御構成と相違している。
【０１１８】
図１５は、本発明の実施の形態５において用いられる目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量の設定を表した図である。本実施形態では、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正量の更新量の算出のために、ＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度を利用する。具体的には、図１５中に示す所定値Ｖ１は、実施の形態１の図５中に示す空燃比範囲Ｒ１の下限（リッチ側の境界）でのＮＯｘ濃度に相当する値である。また、所定値Ｖ１は、リーン燃焼運転の目標空燃比での燃焼の下で排出される排気ガスのＮＯｘ濃度よりも高い値である。なお、このような処理に用いられる「ＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度」とは、ＮＯｘセンサ１０２の出力値をそのまま利用したものであってもよいし、出力値をＮＯｘ濃度に換算した後の値であってもよい。
【０１１９】
ＮＯｘ濃度と空燃比との間には、図５等に示すような関係がある。このため、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも大きいということは、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１になる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれたことに相当する。図１５に示す設定によれば、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１以下である場合、すなわち、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１になる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれることは認められない場合には、更新量はゼロとされる。したがって、この場合には、減算部６２に入力される最終的な目標ＳＡ−ＣＡ１０も前回値から変更されない。
【０１２０】
一方、上記設定によれば、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高い場合には、正の更新量が算出される。その結果、実施の形態１において既述したように、目標ＳＡ−ＣＡ１０が大きくなるように補正される。これにより、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１となる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれることが抑制される。より具体的には、図１５に示す例では、所定値Ｖ１に対してＮＯｘ濃度が高いほど更新量が大きくされる。その結果、既述したように、目標ＳＡ−ＣＡ１０は、所定値Ｖ１に対してＮＯｘ濃度が高いほど、すなわち、リッチ側への空燃比のずれ量が大きいほど、大きくなるように補正される。このため、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１となる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれることがより積極的に抑制されることになる。
【０１２１】
（実施の形態５における具体的処理）
本実施形態に係るリーン燃焼運転時の空燃比制御は、上記図６に示すルーチンに類似するルーチンの処理をＥＣＵ４０に実行させることによって実現することができる。より具体的には、ステップ１０８の処理に代えて、図１５に示すような更新量とＮＯｘ濃度との関係を予め定めたマップを利用して、検出されるＮＯｘ濃度から更新量を算出する処理を行うようにすればよい。
【０１２２】
以上説明した実施の形態５の制御によれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中にＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高くなった場合には、空燃比のリーン補正を促すために目標ＳＡ−ＣＡ１０が大きくされる。これにより、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０の近傍に適切に制御されているけれども燃焼条件の変化等の要因によってＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係が変化している状況下であっても、ＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度を利用して、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高くなること（より具体的には、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１になる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれること）を抑制することができる。つまり、ＮＯｘ９２を用いて排気ガスのＮＯｘ濃度を監視することによって、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を実行しているだけでは気づくことができない空燃比の変化に対処できるようになる。以上説明した本実施形態の制御によれば、リーン燃焼運転中にＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を行っている状況下において、関連付けを行った基準の燃焼条件での関係に対してＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係が変化している状況下であっても、ＮＯｘ排出を好適に抑制することができる。
【０１２３】
ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中にＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１になる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれたか否かを判定するためには、実施の形態１等のように空燃比センサ３２を利用する手法よりも、本実施形態のようにＮＯｘセンサ１０２を利用する手法の方が、次のような理由により好ましいといえる。空燃比センサ３２を利用する手法の場合には、図５等に示すような空燃比とＮＯｘ濃度との関係を用いることになる。しかしながら、この空燃比とＮＯｘ濃度との関係も、ばらつくことがある。したがって、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１になる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれたか否かを判定するためには、ＮＯｘセンサ１０２を用いてＮＯｘ濃度を直接的に検出する方がより正確であるといえる。
【０１２４】
ところで、上述した実施の形態５においては、ＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度を利用した判定結果に応じて目標ＳＡ−ＣＡ１０を補正する処理を行うことで、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中にＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１になる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれることを抑制している。このような処理に対して、トルク変動が許容限界値となる時の空燃比よりもリーン側に空燃比がずれることを抑制するために、実施の形態１において説明したように空燃比の検出値を利用した判定結果に応じて目標ＳＡ−ＣＡ１０を補正する処理を組み合わせるようにしてもよい。具体的には、空燃比範囲Ｒ１の上限（リーン側の境界）に相当する所定値を備えておき、空燃比の検出値が上記所定値よりも大きくなった場合には、目標ＳＡ−ＣＡ１０を小さくする処理を組み合わせればよい。本実施形態のＮＯｘセンサ１０２を利用すれば、ＮＯｘ濃度だけでなく空燃比も検出可能である。このため、上記のリッチ側およびリーン側の双方の処理は、ＮＯｘセンサ１０２を用いて行えばよい。このことは、後述する実施の形態６〜８の処理についても同様である。なお、ＮＯｘ濃度および空燃比の双方の検出が可能ではないＮＯｘセンサを用いる場合であれば、空燃比センサを併用すればよい。
【０１２５】
なお、上述した実施の形態５においては、所定値Ｖ１が本発明における「所定値」に相当している。ＥＣＵ４０がＮＯｘセンサ１０２を用いてＮＯｘ濃度を検出することにより本発明における「ＮＯｘ濃度検出手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ４０が上述のように図６に示すルーチンに類似するルーチンの処理を実行することにより本発明の第２の態様における「変更手段」が実現されている。
【０１２６】
実施の形態６．
次に、図１６を新たに参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
【０１２７】
［実施の形態６の制御］
（実施の形態６におけるリーン燃焼運転時の空燃比制御の概要）
本実施形態は、上述した内燃機関１００を制御する場合に、次のような制御構成を採用したものである。すなわち、図示は省略するが、本実施形態の制御構成は、基本的には、実施の形態２における図７に示す制御構成と同様である。ただし、本制御構成は、更新量算出部７６に代え、ＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度が入力される更新量算出部を備えている。この更新量算出部は、ＦＢ補正量の上限値と下限値のうちの上限値に対してのみ、補正量の更新量を算出するように機能するものである。このように、本制御構成では下限値についての補正は行われない。このため、加算部８２および８４は備えられていない。したがって、上限値は、予め設定されたベース値が常に使用される。
【０１２８】
図１６は、本発明の実施の形態６において用いられるＦＢ補正量についての上限値の補正量の更新量の設定を表した図である。本実施形態では、上限値の補正量の更新量の算出のために、ＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度を利用する。具体的には、図１６に示すように、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１以下である場合には、更新量はゼロとされる。したがって、この場合には、上下限ガード部６６に入力される最終的な下限値も前回値から変更されない。
【０１２９】
一方、上記設定によれば、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高い場合には、負の更新量が算出される。その結果、実施の形態２において既述したように、ＦＢ補正量の上限値は小さくなるように補正される。つまり、算出ＳＡ−ＣＡ１０を小さくするとき（すなわち、空燃比をリッチにするとき）に用いるＦＢ補正量の絶対値の上限が小さくされる。これにより、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１となる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれることが抑制される。図１６に示す設定をより詳細に説明すると、所定値Ｖ１に対してＮＯｘ濃度が高いほど負の更新量がマイナス側で大きくされる。その結果、既述したように、上限値は、所定値Ｖ１に対してＮＯｘ濃度が高いほど、すなわち、リッチ側への空燃比のずれ量が大きいほど、小さくなるように補正される。このため、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１となる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれることがより積極的に抑制されることになる。
【０１３０】
（実施の形態６における具体的処理）
本実施形態に係るリーン燃焼運転時の空燃比制御は、上記図９に示すルーチンに類似するルーチンの処理をＥＣＵ４０に実行させることによって実現することができる。より具体的には、ステップ２００の処理に代えて、図１６に示すような更新量とＮＯｘ濃度との関係を予め定めたマップを利用して、検出されるＮＯｘ濃度から更新量を算出する処理を行うようにすればよい。
【０１３１】
以上説明した実施の形態６の制御によれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中にＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高くなった場合には、空燃比のリッチ補正を制限するために上限値が小さくされる。これにより、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０の近傍に適切に制御されているけれども燃焼条件の変化等の要因によってＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係が変化している状況下であっても、ＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度を利用して、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高くなること（より具体的には、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１になる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれること）を抑制することができる。
【０１３２】
なお、上述した実施の形態６においては、ＥＣＵ４０が上述のように図９に示すルーチンに類似するルーチンの処理を実行することにより本発明の第２の態様における「変更手段」が実現されている。
【０１３３】
実施の形態７．
次に、本発明の実施の形態７について説明する。
【０１３４】
［実施の形態７の制御］
（実施の形態７における空燃比制御の概要）
本実施形態は、上述した内燃機関１００を制御する場合に、次のような制御構成を採用したものである。すなわち、図示は省略するが、本実施形態の制御構成は、基本的には、実施の形態３における図１０に示す制御構成と同様である。ただし、本制御構成は、目標Ａ／Ｆ切替部８６に入力されるパラメータが、空燃比センサ３２により検出される空燃比に代えてＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度であるという点において、図１０に示す制御構成と相違している。
【０１３５】
本実施形態では、目標Ａ／Ｆ切替部８６は、現在のエンジン運転領域に対応する燃焼モードがリーン燃焼モードであると判定した場合において、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１以下であれば、リーン燃焼モードをそのまま選択する。一方、現在のエンジン運転領域に対応する燃焼モードがリーン燃焼モードである場合であっても、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高い場合には、目標Ａ／Ｆ切替部８６は、最終的にはリーン燃焼モードを選択せずにストイキ燃焼モードを選択する。これにより、リーン燃焼運転が禁止されて、ストイキ燃焼運転が実行されることになる。
【０１３６】
（実施の形態７における具体的処理）
本実施形態に係る空燃比制御は、上記図１１に示すルーチンに類似するルーチンの処理をＥＣＵ４０に実行させることによって実現することができる。より具体的には、ステップ３０４の処理に代えて、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１以下であるか否かを判定する処理を行うようにすればよい。
【０１３７】
以上説明した実施の形態７の制御によれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中にＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高くなった場合には、リーン燃焼運転が禁止され、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えが実行される。これにより、ＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度を利用して、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１になる時の空燃比よりもリッチ側に空燃比がずれることを回避することができる。
【０１３８】
なお、上述した実施の形態７においては、ＥＣＵ４０が上述のように図１１に示すルーチンに類似するルーチンの処理を実行することにより本発明の第５の態様における「第１禁止手段」が実現されている。
【０１３９】
実施の形態８．
次に、本発明の実施の形態８について説明する。
【０１４０】
［実施の形態８の制御］
（実施の形態８におけるリーン燃焼運転時の空燃比制御の概要）
本実施形態は、上述した内燃機関１００を制御する場合に、次のような制御構成を採用したものである。すなわち、図示は省略するが、本実施形態の制御構成は、基本的には、実施の形態４における図１２に示す制御構成と同様である。ただし、本制御構成は、目標Ａ／Ｆ算出部８８およびＦＢ補正量算出部９０に入力されるパラメータが、空燃比センサ３２により検出される空燃比に代えてＮＯｘセンサ１０２により検出されるＮＯｘ濃度であるという点において、図１２に示す制御構成と相違している。
【０１４１】
本実施形態では、目標Ａ／Ｆ算出部８８は、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１以下であれば、目標空燃比を通常通り決定する。その一方で、目標Ａ／Ｆ算出部８８は、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高い場合には、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１以下の場合に用いる値に対して、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１である時の空燃比には届かない範囲内で所定の余裕代だけリッチ側の値を目標空燃比として設定する。
【０１４２】
ＦＢ補正量算出部９０は、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１以下であれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行のために、差分ΔＳＡ−ＣＡ１０をゼロとするための燃料噴射量の補正量であるＦＢ補正量を通常通り算出する。一方、ＦＢ補正量算出部９０は、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高い場合には、ＦＢ補正量をゼロとして上下限ガード部６６に出力する。この処理が行われた場合には、実施の形態４において既述したように、ＳＡ−ＣＡ１０を利用した燃料噴射量の補正は行われないこととなり、したがって、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御が禁止される。ただし、リーン燃焼運転自体は継続される。
【０１４３】
また、本実施形態で用いる所定値Ｖ１は、図１５を参照して既述した考え方で設定されるものであってもよいが、次のような観点も踏まえて設定されることが好適である。すなわち、内燃機関１０の各種構成部品のばらつき、および筒内圧センサ３０の個体差等を考慮して、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中に想定される空燃比の変動範囲のリッチ側の境界を事前に求めておく。そして、当該リッチ側の境界での空燃比に対応するＮＯｘ濃度となるように所定値Ｖ１を設定するのが良い。そして、このような設定の所定値Ｖ１よりもＮＯｘ濃度が大きくなった場合には、筒内圧センサ３０が異常であると判断し、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御を禁止するのが良い。
【０１４４】
（実施の形態８における具体的処理）
本実施形態に係るリーン燃焼運転時の空燃比制御は、上記図１３に示すルーチンに類似するルーチンの処理をＥＣＵ４０に実行させることによって実現することができる。より具体的には、ステップ４００の処理に代えて、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１以下であるか否かを判定する処理を行えばよい。また、ステップ４０２の処理に代えて、上述した手法で、ＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高い場合に用いる目標空燃比を算出する処理を行うようにすればよい。
【０１４５】
以上説明した実施の形態８の制御によれば、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行中にＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１よりも高くなった場合には、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の実行が禁止される。これにより、ＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の作用によってＮＯｘ濃度が所定値Ｖ１となる時の空燃比よりもリッチ側にずれてしまうことを回避することができる。
【０１４６】
なお、上述した実施の形態８においては、ＥＣＵ４０が上述のように図１３に示すルーチンに類似するルーチンの処理を実行することにより本発明の第６の態様における「第２禁止手段」が実現されている。
【０１４７】
その他実施の形態．
ところで、上述した実施の形態１〜８においては、ＳＡ−ＣＡ１０を利用したリーンリミット制御において、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくようにフィードバック制御を利用して燃料噴射量を調整することとしている。しかしながら、本発明において、算出クランク角期間が目標クランク角期間に近づくようにするための調整の対象は、燃料噴射量に代えて、吸入空気量であってもよい。さらには、燃料噴射量および吸入空気量の双方が上記調整の対象とされていてもよい。具体的には、吸入空気量の調整の場合には、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０よりも大きい場合には、空燃比をリッチ補正するために吸入空気量を減らすことになり、逆に、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０よりも小さい場合には、空燃比をリーン補正するために吸入空気量を増やすことになる。なお、ここでいう吸入空気量の調整は、例えば、筒内に吸入される空気量をサイクル毎に制御可能な公知の吸気可変動弁機構を用いて行うことが好適である。
【０１４８】
また、実施の形態２〜４もしくは６〜８におけるＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の禁止処理、ＦＢ補正量の上下限値の補正処理、または目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正処理を行った場合には、次のような態様で、これらの処理の何れかを伴わない通常の処理に復帰するようにしてもよい。すなわち、例えば、空燃比センサ３２により検出される空燃比が所定時間継続して空燃比範囲Ｒ１内に収まるようになったときを通常の処理への復帰を許可してもよい。また、例えば、空燃比センサ３２により検出される空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まるようになったトリップの次の車両のトリップの開始時に復帰を許可してもよい。また、例えば、空燃比センサ３２により検出される空燃比が空燃比範囲Ｒ１内に収まるようになったと判断した後に、燃料カットもしくはストイキ燃焼運転の実施によってリーン燃焼運転が中断されてから再びリーン燃焼運転を開始する時に復帰を許可してもよい。
【０１４９】
また、実施の形態１における目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正処理と実施の形態２におけるＦＢ補正量の上下限値の補正処理は、適宜組み合わせて実行してもよく、このことは、ＮＯｘセンサ１０２を利用する実施の形態５と実施の形態６との関係においても同様である。さらには、実施の形態１〜４の各処理（実施の形態５〜８の各処理も同様）は、例えば、次のような態様で組み合わせてもよい。すなわち、実施の形態１もしくは５における目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正処理または実施の形態２もしくは６におけるＦＢ補正量の上下限値の補正処理を行ったにもかかわらず、空燃比が空燃比範囲Ｒ１から外れる状態が所定時間以上継続される場合、あるいは、目標ＳＡ−ＣＡ１０の補正処理または上下限値の補正処理を行ったことで空燃比が一旦空燃比範囲Ｒ１内に収まった後に空燃比が空燃比範囲Ｒ１から再び外れる場合には、リーン燃焼運転の禁止処理またはＳＡ−ＣＡ１０フィードバック制御の禁止処理を行うようにしてもよい。
【０１５０】
また、上述した実施の形態１〜８においては、燃焼質量割合（ＭＦＢ）を算出するために、筒内圧センサ３０とクランク角センサ４２とを用いて取得した筒内圧データの解析結果を利用している。しかしながら、本発明における燃焼質量割合の算出は、筒内圧データを利用したものに必ずしも限定されるものではない。すなわち、燃料質量割合は、例えば、燃焼に伴って発生するイオン電流をイオンセンサによって検出し、検出したイオン電流を利用して算出されるものであってもよいし、或いは、筒内温度を計測できる場合には、筒内温度の履歴を利用して算出されるものであってもよい。
【符号の説明】
【０１５１】
１０、１００  内燃機関
１２  ピストン
１４  燃焼室
１６  吸気通路
１８  排気通路
２０  吸気弁
２２  排気弁
２４  スロットルバルブ
２６  燃料噴射弁
２８  点火装置
３０  筒内圧センサ
３２  空燃比センサ
３４  三元触媒
３６  ＮＳＲ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）
４０  ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２  クランク角センサ
４４  エアフローメータ
４６  アクセルポジションセンサ
５０  燃焼モード判定部
５２、８６  目標Ａ／Ｆ切替部
５４、８８  目標Ａ／Ｆ算出部
５６  基本噴射量算出部
５８  目標ＳＡ−ＣＡ１０設定部
６０  ＳＡ−ＣＡ１０算出部
６２  減算部
６４、９０  ＦＢ補正量算出部
６６  上下限ガード部
６８、７２、７４、７８、８０、８２、８４  加算部
７０、７６  更新量算出部
１０２  ＮＯｘセンサ
【図１】
2016118111.tif 000005
【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】
2016118111.tif 000011
【図８】
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【図９】
2016118111.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
2016118111.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
2016118111.tif 000017
【図１４】
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【図１５】
2016118111.tif 000019
【図１６】
2016118111.tif 000020