JP2019124141A - 車両用エンジンにおける燃焼制御方法および車両用エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用エンジンについての新規な燃焼制御手法を提供する。【解決手段】車両用エンジンにおける燃焼制御方法が、エンジンから排出される排気ガスの排気経路において触媒よりも上流側に設けられたＮＯｘセンサからの出力値に基づいて特定される、排気ガスのＮＯｘ濃度が、所定の基準範囲内の値か否かを判定するＮＯｘ判定工程と、ＮＯｘ判定工程においてＮＯｘ濃度が当該基準範囲を外れたと判定された場合に、エンジンにおける熱発生率のクランク角度依存性を示す熱発生率プロファイルを推定する熱発生率プロファイル推定工程と、熱発生率プロファイル推定工程において推定された熱発生率プロファイルを特徴付ける値と、エンジンが搭載された車両の運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける当該値とを対比し、その結果に基づいてエンジンにおける燃焼条件を制御する燃焼制御工程と、を備えるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用エンジンにおける燃焼制御に関し、特に、排気ガス中のＮＯｘ濃度に基づく制御に関する。

近年、筒内圧センサを搭載した自動車が普及してきている。このような自動車においては、ピストン内部の圧力をエンジンのピストン上部に取り付けられた筒内圧センサにて計測することにより、高速回転するエンジンの燃焼形態をクランク角毎に把握できることが、公知である（例えば、特許文献１参照）。オンボードで燃焼形態を把握できることから、筒内圧センサは、既存のセンサの中で、特にエンジン制御に関与するセンサとしては、最も高速、高応答のものの１つといえる。技術的には、筒内圧センサからの出力値の時々刻々の変化をポリトロープ変化とみなすことで、筒内温度を把握することも可能である。

一方、大気汚染物質として近年問題視されている自動車由来のＮＯｘは、通常、不活性ガスである窒素が高温場で燃焼することで生成される。また、エンジン筒内の酸素濃度（吸気酸素濃度から算出可能）と、筒内温度と、ＮＯｘ生成との間には、関係性がある。それゆえ、係る関係性を示す情報を、あらかじめマップもしくは関数としてエンジンＥＣＵ内に保持しておくことで、エンジンから排出されるＮＯｘの量を、筒内圧センサの出力から得られる温度情報と、吸入空気量と、筒内酸素濃度とに基づいて、オンボードでかつリアルタイムに、推定することが可能である（例えば、特許文献２参照）。係る場合において、吸入空気量と筒内酸素濃度とは、筒内圧力もしくはエアフローセンサの出力と、エンジンにおいてＥＧＲ（排気再循環）装置を構成するＥＧＲ弁の開口面積と、ＥＧＲ系に備わる圧力センサの出力と、吸気系もしくは排気系に備わる酸素センサからの出力値に基づき算出される。

国際公開第２０１１／１１７９７３号 特開２００９−２８７４１０号公報

筒内圧センサからの出力値に基づくエンジンの燃焼制御には、以下のような問題がある。

まず、筒内圧センサは非常に高応答であるが、それ自体が高価であるほか、高速演算用の専用ＥＣＵも必要である。しかも車種や自動車の仕向地によっては複数本必要な場合もある。それゆえ、コストおよび搭載スペースの確保の面から不利である。

また、筒内圧センサは高応答であるがゆえにデータの出力量も多いが、専用ＥＣＵが接続されるエンジン制御用ＥＣＵの演算速度が係る出力に追いつかないため、実際に筒内圧センサが使用される際には、多くの出力データが間引かれるか、あるいは、出力データの一部がエンジン制御ロジックの演算に供される。それゆえ、費用対効果の観点からも不利である。

さらには、エンジンにおける筒内圧力は、タイヤからドライブトレインを伝わってエンジン回転方向とは反対の向きに作用する、路面の段差由来の反力により、瞬間的に高圧側もしくは低圧側に振れることがある。そのため、筒内圧センサの出力値に基づきエンジン制御を行う場合、エンジン制御用ＥＣＵにおける演算に、エンジン内での燃焼以外に由来する圧力変動が影響する可能性がある。特に、筒内圧センサからの出力データの間引きのようなデータ加工が行われている場合、係る影響を受けやすくなる。

本発明の発明者は、鋭意検討するなかで、エンジンから排出されるＮＯｘの量が同等であれば、エンジン筒内における燃焼履歴は同等であろうという仮説のもと、筒内圧センサからの出力値に基づく燃焼制御に代わり、排ガス中のＮＯｘ量に基づく新規なエンジンの燃焼制御の手法に、想到するに至った。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、車両用エンジンの新規な燃焼制御手法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、エンジンから排出される排気ガスの排気経路において触媒よりも上流側に設けられたＮＯｘセンサからの出力値に基づいて特定される、前記排気ガスのＮＯｘ濃度が、所定の基準範囲内の値か否かを判定するＮＯｘ判定工程と、前記ＮＯｘ判定工程において前記ＮＯｘ濃度が前記基準範囲を外れたと判定された場合に、前記エンジンにおける熱発生率のクランク角度依存性を示す熱発生率プロファイルを推定する熱発生率プロファイル推定工程と、前記熱発生率プロファイル推定工程において推定された前記熱発生率プロファイルを特徴付ける値と、前記エンジンが搭載された車両の運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける当該値とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する燃焼制御工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係る車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、前記燃焼制御工程においては、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける着火時期として推定される推定着火時期と、前記車両の運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての着火時期である理想着火時期とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様に係る車両用エンジンの燃焼制御方法であって、前記燃焼制御工程においては、前記推定着火時期が所定の基準範囲を超えて前記理想着火時期よりも進角している場合に、前記エンジンに付設されている燃料噴射装置から前記エンジンへの燃料噴射タイミングを規定する燃料噴射パルスを遅角させ、前記推定着火時期が所定の基準範囲を超えて前記理想着火時期よりも遅角している場合に、前記燃料噴射パルスを進角させる、ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係る車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、前記燃焼制御工程においては、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける最大筒内圧力として推定される推定最大圧力と、前記エンジンの運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての最大筒内圧力である理想最大圧力とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第４の態様に係る車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、前記エンジンがターボチャージャーを備えており、前記燃焼制御工程においては、前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記ターボチャージャーにおける過給圧を低下させ、前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記過給圧を増加させる、ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第４の態様に係る車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、前記エンジンにおいては、付設された排気循環装置によって前記排気ガスの一部が還流されて再吸気されるようになっており、前記燃焼制御工程においては、前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記排気循環装置における前記排気ガスの還流量を増大させ、前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記還流量を減少させる、ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第１ないし第６の態様のいずれかに係る車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、前記熱発生率プロファイル推定工程においては、前記熱発生率プロファイルに対応する９０％熱発生点、５０％熱発生点、および１０％熱発生点を与えるクランク角度を、前記９０％熱発生点についてはＮＯｘ生成時の火炎温度を特定することにより、前記５０％熱発生点については前記９０％熱発生点と前記エンジンの上死点との中間として特定することにより、前記１０％熱発生点については前記９０％熱発生点と前記５０％熱発生点とからの線型的な外挿により、それぞれ推定し、得られた推定結果に基づいて前記熱発生率プロファイルを推定する、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、エンジンからの排気ガスが途中に触媒を備えた排気経路を介して外部に排出される車両用エンジンシステムであって、前記排気経路において前記触媒よりも上流側に設けられたＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘセンサからの出力値に基づいて特定される前記排気ガスのＮＯｘ濃度が、所定の基準範囲内の値か否かを判定する判定手段と、前記判定手段が、前記ＮＯｘ濃度が前記基準範囲を外れたと判定した場合に、前記エンジンにおける熱発生率のクランク角度依存性を示す熱発生率プロファイルを推定する熱発生率プロファイル推定手段と、前記熱発生率プロファイル推定手段によって推定された前記熱発生率プロファイルを特徴付ける値と、前記エンジンが搭載された車両の運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける当該値とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する燃焼制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明の第９の態様は、第８の態様に係る車両用エンジンシステムであって、前記燃焼制御手段は、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける着火時期として推定される推定着火時期と、前記エンジンの運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての着火時期である理想着火時期とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、第９の態様に係る車両用エンジンシステムであって、前記燃焼制御手段は、前記推定着火時期が所定の基準範囲を超えて前記理想着火時期よりも進角している場合に、前記エンジンに付設されている燃料噴射装置から前記エンジンへの燃料噴射タイミングを規定する燃料噴射パルスを遅角させ、前記推定着火時期が所定の基準範囲を超えて前記理想着火時期よりも遅角している場合に、前記燃料噴射パルスを進角させる、ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第１１の態様は、第８ないし第１０の態様のいずれかに係る車両用エンジンシステムであって、前記燃焼制御手段は、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける最大筒内圧力として推定される推定最大圧力と、前記エンジンの運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての最大筒内圧力である理想最大圧力とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第１２の態様は、第１１の態様に係る車両用エンジンシステムであって、前記エンジンがターボチャージャーを備えており、前記燃焼制御手段は、前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記ターボチャージャーにおける過給圧を低下させ、前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記過給圧を増加させる、ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第１３の態様は、第１１の態様に係る車両用エンジンシステムであって、前記エンジンにおいては、付設された排気循環装置によって前記排気ガスの一部が還流されて再吸気されるようになっており、前記燃焼制御手段は、前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記排気循環装置における前記排気ガスの還流量を増大させ、前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記還流量を減少させる、ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第１４の態様は、第８ないし第１３の態様のいずれかに係る車両用エンジンシステムであって、前記熱発生率プロファイル推定手段は、前記熱発生率プロファイルに対応する９０％熱発生点、５０％熱発生点、および１０％熱発生点を与えるクランク角度を、前記９０％熱発生点についてはＮＯｘ生成時の火炎温度を特定することにより、前記５０％熱発生点については前記９０％熱発生点と前記エンジンの上死点との中間として特定することにより、前記１０％熱発生点については前記９０％熱発生点と前記５０％熱発生点とからの線型的な外挿により、それぞれ推定し、得られた推定結果に基づいて前記熱発生率プロファイルを推定する、ことを特徴とする。

本発明の第１ないし１４の態様によれば、筒内圧センサを設けずとも、筒内圧センサを用いた燃焼制御における制御性と概ね同等の制御性にて、エンジンの燃焼制御を好適に行うことができる。かつ、筒内圧センサを用いる場合に比して、コスト面でも有利であるほか、物理的な外乱に対するロバスト性の高い燃焼制御を、行うことができる。

等ＮＯｘ燃焼制御の基本的考え方を説明するための図である。 エンジンシステム１０００の吸気および排気に係る構成を例示する図である。 等ＮＯｘ燃焼制御の具体的な処理手順を示す図である。 等ＮＯｘ燃焼制御において行われる燃焼状態演算の手順を示す図である。 エンジン本体部１００からの排気ガスＥＧのＮＯｘ濃度とエンジン内の温度との関係の、燃焼開始からの経時的変化を示すグラフである。 拡散燃焼の場合における、エンジン本体部１００における筒内温度と筒内圧力と熱発生率の、クランク角度依存性を示す図である。 ＮＯｘセンサＮＳの構成例を示す断面模式図である。

＜等ＮＯｘ燃焼制御の基本的考え方＞
初めに、本実施の形態に係る車両用エンジンの燃焼制御手法である、等ＮＯｘ燃焼制御（等ＮＯｘ制御とも称する）について、その基本的考え方を説明する。等ＮＯｘ燃焼制御は、エンジンにおける燃焼状態を定常状態に保つための制御手法である。概略的には、内燃機関から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を測定し、当該ＮＯｘ濃度が略一定に保たれるように当該エンジンの動作を制御することによって、当該エンジンにおける燃焼を定常状態に保つというものである。

図１は、本実施の形態において行う等ＮＯｘ燃焼制御の基本的考え方を説明するための図である。具体的には、図１には、部分的予混合燃焼の場合を例として、等ＮＯｘ燃焼制御の前後における、エンジンでの熱発生率のクランク角度（時刻に対応）依存性（熱発生率プロファイル）と、エンジンへの燃料噴射タイミングを規定する燃料噴射パルスとを、併せて示している。

図１（ａ）および（ｂ）において破線で示すのは、ある燃料噴射パルスｉｐ１に対応する理想的な熱発生率プロファイル（理想プロファイル）ｐｆ０である。理想プロファイルｐｆ０としては、ピストンの上死点ＴＤＣよりも略５°ＣＡ遅角側にピークが位置するような波形が良い。燃費が最も良くなるのはＴＤＣと燃焼ピークが一致する場合であるが、その場合、騒音が著しく増大するため、一般的には、やや遅角させたほうがよいと考えられている。

しかしながら、実際に燃料噴射パルスｉｐ１が与えられた場合、熱発生率は、図１（ａ）において実線で示すような、理想プロファイルｐｆ０よりも時間的に遅れた熱発生率プロファイルｐｆ１や、あるいは、図１（ｂ）において実線で示すような、理想プロファイルｐｆ０よりも時間的に早い熱発生率プロファイルｐｆ２に沿って変化することがある。前者は、何らかの理由で着火時期が理想よりも遅くなっている場合に該当し、後者は同様に着火時期が理想よりも早くなっている場合に該当する。

本実施の形態において行う等ＮＯｘ燃焼制御においては、このような、着火時期の理想状態からのずれを、エンジンから排出されるＮＯｘの濃度の変化をトリガーとして検知する。そして、図１（ａ）のように着火時期が理想状態における着火時期よりも遅れていると判断された場合には、着火時期を進角させ、図１（ｂ）のように着火時期が理想状態における着火時期よりも早いと判断された場合には、着火時期を遅角させる。これにより、図１（ａ）および（ｂ）の右側に示すような、熱発生率プロファイルｐｆ１あるいはｐｆ２が理想プロファイルｐｆ０に略一致するような、つまりは、理想に近いエンジンの燃焼状態が、実現されるようになる。

また、着火時期は理想状態と同等であるものの、エンジンにおける筒内圧力（シリンダー内圧力）が基準値よりも過大あるいは過小であると判断されることもある。このような場合には、ターボ（ターボチャージャー）による過給圧またはＥＧＲにおける排気の還流量（ＥＧＲ量）を調整することで、理想プロファイルｐｆ０に近い熱発生率プロファイルが得られるようにすればよい。

このような等ＮＯｘ燃焼制御は、排ガスにおけるＮＯｘ濃度が同等であればエンジンにおける筒内燃焼履歴は同等であるという仮説が成り立つことを、前提とするものである。

なお、図１で例示する燃焼波形はメイン噴射時期より遅れて熱発生する予混合的な燃焼形態を例示しているが、上述の内容は、メイン噴射中に燃焼が開始する一般的なディーゼルエンジンの燃焼形態である拡散燃焼の場合も同様に成り立つ。

＜エンジンシステムの構成例＞
図２は、本実施の形態に係る等ＮＯｘ燃焼制御の制御対象の一態様である車両用エンジンシステム１０００の吸気および排気に係る構成を、例示する図である。

図２に示す車両用エンジンシステム１０００は、図示を省略する車両に搭載されている、エンジン本体部１００に４つのシリンダー（より詳細には燃焼室）１０１を備えた４気筒のディーゼルエンジンシステムである。なお、本明細書においては、車両用エンジンシステム１０００とエンジン本体部１００とを区別せず単にエンジンと称することがある。エンジン本体部１００としては、公知の構成（いわゆる４サイクルエンジンの構成）が使用される。それゆえ、ピストン、クランクシャフト、吸気バルブ、排気バルブ、燃料噴射装置、燃料インジェクターなどの、エンジン本体部１００の内部に備わる構成要素については、詳細な図示および説明を省略する。車両用エンジンシステム１０００の各部の動作は、電子制御装置（ＥＣＵ）２００においてあらかじめ記憶された所定の運転制御プログラムが実行されることにより、制御される。

エンジンシステム１０００においては、概略、吸気口１ａから取り入れられ、吸気経路１を経てエンジン本体部１００に到達した吸気ガス（空気）ＩＧが、燃焼に使用される。一方、エンジン本体部１００からの排気ガスＥＧは、排気経路２を経て排気口２ａにて外部へと排出される。

吸気経路１と排気経路２の途中には、ターボチャージャーの一種であって、排気経路２からの排気ガスＥＧを利用して吸気ガスＩＧの供給圧力を制御する可変容量ターボ（ＶＮ ターボ）１１が、設けられている。また、吸気経路１においてＶＮターボ１１よりも下流側には水冷式のインタークーラ１２が設けられている。

一方、排気経路２においてＶＮターボ１１よりも下流側には、排気ガスＥＧ中のＮＯｘを吸蔵する吸蔵型ＮＯｘ還元触媒（ＬＮＴ）１３と、排気ガスＥＧ中の粒子状物質（ＰＭ）を除去するディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）１４とが、この順に設けられ、さらにその下流側には、尿素（urea）によりＮＯｘを分解する選択触媒還元脱硝装置（ＳＣＲ）１５が、該ＳＣＲ１５に尿素を供給する尿素供給源１６ともども設けられている。

また、排気経路２のエンジン本体部１００とＶＮターボ１１との間からは分岐経路３が分岐しており、インタークーラ１２よりも下流側で吸気経路１に接続されている。同様に、排気経路２のＤＰＦ１４とＳＣＲ１５との間からは分岐経路４が分岐しており、ＶＮターボ１１よりも上流側で吸気経路１に接続されている。なお、分岐経路４の途中にはＥＧＲクーラ１７が設けられている。

これらの分岐経路３および４により、エンジンからの排気ガスＥＧの一部は吸気ＩＧに混入させられてなる。すなわち、排気ガスＥＧの一部は廃棄されずに循環（還流）させられて再び吸気される。図２においては、エンジン本体部１００に供給されるものを吸気ガスＩＧと総称するとともに、吸気口１ａから取り入られた吸気ガスＩＧを特に吸気ガスＩＧ１とし、該吸気ガスＩＧ１に分岐経路４を経た排気ガスＥＧが混入させられたものを特に吸気ガスＩＧ２とし、該吸気ガスＩＧ２に分岐経路３を経た排気ガスＥＧが混入させられたものを特に吸気ガスＩＧ３として区別している。

なお、吸気経路１においては、分岐経路４との合流部分とよりも上流側にスロットルＳＴ１が設けられており、分岐経路３との合流部分とよりも上流側にスロットルＳＴ２が設けられている。一方、分岐経路３の途中にはバルブＶＬＶ１が設けられており、分岐経路４の途中にはバルブＶＬＶ２が設けられている。これらのスロットルＳＴ１、ＳＴ２およびバルブＶＬＶ１、ＶＬＶ２によって、吸気ガスＩＧに対する排気ガスＥＧの供給比率が制御される。なお、バルブＶＬＶ１の開閉を制御することによって、吸気ガスＩＧ３における排気ガスＥＧの供給量を制御する構成を、高圧排気循環装置ＥＧＲ１と称し、バルブＶＬＶ２の開閉を制御することによって、吸気ガスＩＧ２における排気ガスＥＧの供給量を制御する構成を、低圧排気循環装置ＥＧＲ２と称する。

さらに、エンジンシステム１０００には、種々のセンサが各所に設けられている。具体的には、吸気経路１のスロットルＳＴ１よりも上流側には吸気ガスＩＧの流量を検知するエアフローセンサ２１が設けられており、ＶＮターボ１１にはタービンの回転数を検知する回転数センサ２２が設けられている。また、吸気経路１のインタークーラ１２の下流側には湿度センサ２３が設けられている。さらには、エンジン本体部１００には吸気圧力センサ２４と吸気温度センサ２５とが設けられている。

一方、排気経路２においては、ＮＯｘセンサＮＳ（ＮＳ１、ＮＳ２、ＮＳ３）がそれぞれ、ＬＮＴ１３の上流側近傍、ＳＣＲ１５の（尿素供給源１６の）上流側近傍、ＳＣＲ１５の下流側近傍に設けられているほか、酸素センサＯＳがＤＰＦ１４の下流側近傍に設けられている。また、温度センサ２７、２８、２９がそれぞれ、ＬＮＴ１３の上流側近傍、ＬＮＴ１３の下流側近傍（ＬＮＴ１３とＤＰＦ１４の間）、ＤＰＦ１４の下流側近傍に設けられている。加えて、ＬＮＴ１３の上流側とＤＰＦ１４の下流側の間の圧力差を検知する排気圧力センサ（差圧センサ）３０も備わっている。

これらのセンサの検知信号は適宜、等ＮＯｘ燃焼制御を含めた、ＥＣＵ２００によるエンジンシステム１０００の動作制御に用いられる。

＜等ＮＯｘ燃焼制御の詳細＞
次に、本実施の形態においてＥＣＵ２００による制御のもと行われる、エンジンシステム１０００の等ＮＯｘ燃焼制御について、その内容をより具体的に説明する。図３は、本実施の形態において行われる、等ＮＯｘ燃焼制御の具体的な処理手順を示す図である。また、図４は、係る等ＮＯｘ燃焼制御において行われる燃焼状態演算の手順を示す図である。また、図５は、ある温度（火炎温度）にあるエンジン本体部１００内で燃焼が開始されたときのＮＯｘ濃度の経時的変化を示すとともに、エンジン本体部１００からの排気ガスＥＧのＮＯｘ濃度と火炎温度との関係（ＮＯｘ生成特性）の、燃焼開始からの経時的変化を示すグラフである。図５には、火炎温度がＴａのときのＮＯｘ濃度の経時的変化を曲線ＣＶａにて示している。さらに、図６は、拡散燃焼の場合における、エンジン本体部１００における筒内温度と筒内圧力と熱発生率の、クランク角度依存性を示す図である。

等ＮＯｘ燃焼制御では、エンジンシステム１０００を搭載した車両が運転状態にあるときに、エンジン本体部１００からの排気ガスＥＧのＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度）がモニタされる。これは、排気ガスＥＧ中のＮＯｘを、所定のインターバルでＬＮＴ１３の上流側近傍に設けられたＮＯｘセンサＮＳ１によって検知することによりなされる（ステップＳ１）。

ＮＯｘセンサＮＳ１により検出されたＮＯｘ量は、ＥＣＵ２００において、該ＥＣＵ２００にあらかじめ保持されている基準ＮＯｘ排出量マップに記述されている基準値と対比される（ステップＳ２）。基準ＮＯｘ排出量マップは、車両の運転状態においてエンジン本体部１００が排出するＮＯ量の基準値を、エンジン回転速度（単位：ｒｐｍ）とトルク（単位：Ｎ・ｍ）に対しマッピングしたデータである。換言すれば、ＥＣＵ２００は、仮想的に、排気ガスのＮＯｘ量が所定の基準範囲内の値か否かを判定する、判定手段を構成しているともいえる。

検出されたＮＯｘ量と、基準ＮＯｘ排出量マップに記述されている基準値との差分値が、所定の基準範囲内である（ステップＳ２でＹＥＳ）限りは、係るモニタが継続されるのみである。

一方、ＮＯｘセンサＮＳ１により検出されたＮＯｘ量が基準範囲を外れた場合（ステップＳ２でＮＯ）、ＥＣＵ２００において、燃焼状態演算と称される、エンジン本体部１００における燃焼状態を、より具体的には、熱発生率のクランク角度依存性（つまりは熱発生率プロファイル）を、推定するための処理が実行される（ステップＳ３）。それゆえ、ＥＣＵ２００は、仮想的に、エンジンにおける熱発生率プロファイルを推定する熱発生率プロファイル推定手段をも構成しているともいえる。

燃焼状態演算は、概略的には、図６（ａ）に示すように、ある燃料噴射パルスｉｐ２が与えられた場合、クランク角度θ＝θｍ（°ＣＡ）において筒内温度が最高となる（最大火炎温度になる）とすると、図６（ｂ）に示すように筒内圧力もクランク角度θ＝θｍ（°ＣＡ）において最高となることを利用し、図６（ｃ）に示すような熱発生率プロファイルを、ＮＯｘセンサＮＳ１の出力その他を利用して推定するという処理である。なお、図６においては、吸気バルブ閉時期ＩＶＣ、ピストンの上死点ＴＤＣ、排気バルブ開時期ＥＶＯのクランク角度をそれぞれ、θα、θβ、θγとする。これらは、車両の運転条件に応じて定まる既知の値である。

また、図６（ｃ）には、推定される熱発生率プロファイルＣＶ１とともに、その累積度数分布に相当する熱発生割合曲線ＣＶ２も併せて示している。ここで、熱発生率プロファイルＣＶ１に示したクランク角度の相異なるＡ点〜Ｅ点（それぞれのクランク角度はθａ〜θｅ）は、それぞれ、以下のように特徴付けられる。

Ａ点：熱発生前の点、図６（ｃ）においては吸気バルブ閉時期ＩＶＣによって代表している、すなわちθａ＝θα；
Ｂ点：１０％熱発生点と推定される点（推定１０％熱発生点）；
Ｃ点：最大熱発生率点と推定される点（推定最大熱発生率点）；
Ｄ点：燃焼終了と推定される点（推定燃焼終了点）；
Ｅ点：熱発生後の点、図６（ｃ）においては排気バルブ開時期ＥＶＯによって代表している、すなわちθｅ＝θγ。

そして、本実施の形態においては、推定１０％熱発生点であるＢ点のクランク角度を、エンジン本体部１００における着火時期とみなすこととする。

まず、吸気圧力センサ２４からの出力に基づき、吸気バルブ閉時期ＩＶＣでもあるＡ点（θ＝θａ＝θα）での筒内圧力が、取得される（ステップＳ１０１）。

続いて、ＮＯｘセンサＮＳ１からの出力値を、あらかじめ特定されている、図５に示したＮＯｘ生成特性に当てはめることにより、火炎温度（燃焼温度）と、これを与える時刻（つまりはクランク角度θｍ）を求める（ステップＳ１０２）。

図５に示したＮＯｘ生成特性は、燃焼開始直後こそ経過時間ｔに応じて変化するものの、およそ０．１ｓｅｃが経過した以降は、概ね一定となる。例えば、図５に示す０．１ｓｅｃ経過時点でのＮＯ濃度−温度曲線ＣＶｂで示される関数関係が、これ以降も成立する。ＮＯｘセンサＮＳ１が検知対象とする排気ガスＥＧ中のＮＯｘは、生成後相当の時間（少なくとも０．１ｓｅｃ以上）が経過したうえでＮＯｘセンサＮＳ１の配置位置に到達することから、エンジン本体部１００における燃焼状態が略一定に保たれる限りにおいては、このＮＯ濃度−温度曲線ＣＶｂを用いることで、火炎温度を特定することができる。

加えて、図５からは、当該火炎温度において、燃焼開始後、ＮＯｘ濃度が飽和する時刻を、ＮＯｘの生成が完了した時刻として特定することができる。このＮＯｘの生成が完了した時刻が、図６におけるθ＝θｍとなる。例えば、火炎温度がＴａでＮＯｘ濃度がｎである、ＮＯ濃度−温度曲線ＣＶｂ上の点Ｐに該当する場合であれば、曲線ＣＶａにおいてＮＯｘ濃度が飽和している点Ｑを与える時刻が、θ＝θｍを与える。

このθ＝θｍは、熱発生割合曲線ＣＶ２における９０％熱発生点と略一致することがわかっている。よって、θ＝θｍの特定により、推定９０％熱発生点が特定されたことになる。また、この９０％熱発生点を与えるクランク角度θｍと、上死点ＴＤＣのクランク角度θβとの中間のクランク角度が、Ｃ点（推定最大熱発生率点）のクランク角度θｃとなることもわかっている。そこで、これらの関係に基づき、推定最大熱発生率点（Ｃ点）のクランク角度θｃを導出する（ステップＳ１０３）。

最大熱発生率点は概ね５０％熱発生点と一致することから、Ｃ点のクランク角度θｃは、推定５０％熱発生点のクランク角度を与えているともいえる。

すると、９０％熱発生点のクランク角度θｍと、５０％熱発生点のクランク角度θｃとから、線型的な外挿によって、１０％熱発生点であると推定されるＢ点のクランク角度θｂについても、さらに導出することができる（ステップＳ１０４）。これにより、着火時期が推定されたことになる。

続いて、排気圧力センサ３０からの出力に基づき、排気バルブ開時期ＥＶＯでもあるＥ点（θ＝θｅ＝θγ）での筒内圧力が、取得される（ステップＳ１０５）。

そして、これら一連の処理を踏まえて、ＮＯｘセンサＮＳ１により検出されたＮＯｘ量が基準範囲を外れた場合について、熱発生率プロファイルつまりは熱発生履歴が推定できる（ステップＳ１０６）。

概略的には、熱発生割合曲線ＣＶ２において１０％熱発生点、５０％熱発生点、９０％熱発生点のクランク角度θｂ、θｃ、θｍが特定されていることから、熱発生割合曲線ＣＶ２を与える関数を導出することができる。そして、得られた熱発生割合曲線ＣＶ２に合致するようなプロファイルとして、Ｃ点の熱発生率をピーク値（最大熱発生率）とする、熱発生率プロファイルＣＶ１を与える関数が導出される。係る導出のための具体的な演算には、適宜のシミュレーション手法が適用されてよい。なお、係る態様にて導出される熱発生率プロファイルＣＶ１は、実際のプロファイルと概ね良好に一致することが、本発明の発明者によって確認されている。

以上の態様にて燃焼状態演算がなされ、熱発生プロファイルが推定されると、続いて、ＥＣＵ２００において、係る熱発生プロファイルを特徴付ける値が、車両の運転条件から定まる理想的な熱発生プロファイルにおける当該値と対比され、係る対比の結果に基づいて、エンジン本体部１００における燃焼条件が制御される。これは、ＥＣＵ２００の本来の機能であるエンジンシステム１０００の制御手段としての制御動作の一態様である。

具体的には、まず、推定された着火時期（Ｂ点のクランク角度θｂ）が、車両の運転条件から特定される理想的な着火時期と対比される（ステップＳ４）。

推定された着火時期と、理想的な着火時期との差分値が、あらかじめ定められた基準範囲を超えていた場合（ステップＳ４でＮＯ）、その特定された着火時期が、理想的な着火時期に対して進角（過進角）しているか、遅角（過遅角）しているかが判定される（ステップＳ５）。進角（過進角）している場合、その大きさに応じて、燃料噴射パルスｉｐ２における噴射時期が遅角されるよう、運転条件が変更される（ステップＳ６ａ）。遅角（過遅角）している場合、その大きさに応じて、燃料噴射パルスｉｐ２における噴射時期が進角されるよう、エンジン本体部１００における燃焼条件が変更される（ステップＳ６ｂ）。

一方、推定された着火時期と、理想的な着火時期との差分値が、あらかじめ定められた基準範囲内であった場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、推定された熱発生率プロファイルＣＶ１に基づいて推定される最大筒内圧力が、車両の運転条件から特定される理想的な最大筒内圧力に比して過大であるか過小であるかのいずれかが生じていることになる（ステップＳ７）。いずれの場合も、両者の差分値が基準範囲を超えていることになる。

過大である場合は、ＶＮターボ１１における過給圧を低下させるか、バルブＶＬＶ１および／またはＶＬＶ２の開度を調整することで高圧排気循環装置ＥＧＲ１および／または低圧排気循環装置ＥＧＲ２における還流量（ＥＧＲ量）を増量させる（ステップＳ８ａ）。過小である場合は、ＶＮターボ１１における過給圧を増加させるか、バルブＶＬＶ１および／またはＶＬＶ２の開度を調整することで高圧排気循環装置ＥＧＲ１および／または低圧排気循環装置ＥＧＲ２における還流量（ＥＧＲ量）を減量させる（ステップＳ８ｂ）。

ステップＳ６ａ、Ｓ６ｂ、Ｓ８ａ、Ｓ８ｂのいずれかの処理がなされると、再びステップＳ１に戻って排気ガスＥＧ中のＮＯｘがモニタされ、ステップＳ２における対比がなされる。その結果、排気ガスＥＧのＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度）が、なおも基準範囲を外れるようであれば、再びステップＳ３以下の処理が繰り返される。例えば、上述の手順を実行している間に車両の運転条件が変更されたときなど、係る場合に該当することがある。

以上の手順が実行されることで、排気ガスＥＧのＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度）がその時点における燃焼条件に見合った値に保たれるように、当該燃焼条件が制御されることになる。これが、本実施の形態における等ＮＯｘ燃焼制御である。

このように、本実施の形態に係る等ＮＯｘ燃焼制御によれば、筒内圧センサを設けずとも、エンジンの燃焼制御を好適に行うことができる。なお、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度は、筒内圧センサの出力値に比して時定数が大きいものの、筒内圧センサを用いた燃焼制御に際してはデータの間引きが生じることや、吸気やＥＧＲ系の制御遅れやガス流れの遅れを鑑みると、本実施の形態に係る等ＮＯｘ燃焼制御における制御性は、筒内圧センサを用いた燃焼制御における制御性と概ね同等である。なお、時々刻々の燃焼制御を常時行う場合には筒内圧センサを用いた燃料噴射時期の補正が最速だが、本実施の形態に係る等ＮＯｘ燃焼制御は、一定インターバル毎に理想的な燃焼形態からの乖離を検知した際に補正を行うことを想定しているため、ＮＯｘセンサからの出力の時定数の大きさは特段のデメリットとはならない。

また、本実施の形態に係る等ＮＯｘ燃焼制御に必須のＮＯｘセンサは、ＬＮＴ１３の上流側近傍に設けられたＮＯｘセンサのみであり、当該ＮＯｘセンサは他の目的で設けられているものを流用可能であることから、高価な筒内圧センサを用いる場合に比して、コスト面で有利である。

しかも、制御に際して路面の段差の影響を受けることがないことから、係る影響を受けることのある筒内圧センサを用いた場合に比して、物理的な外乱に対するロバスト性の高い燃焼制御を、行うことができる。

＜ＮＯｘセンサの構成例＞
図７は、エンジンシステム１０００において用いられるＮＯｘセンサＮＳの構成例を示す断面模式図である。以下においては、ＮＯｘセンサＮＳの構成について、その主たる構成要素であるセンサ素子Ｎ１０１を中心に説明する。ただし、エンジンシステム１０００に用いられるＮＯｘセンサＮＳの構成は、図７に示すものに限られない。

ＮＯｘセンサＮＳの主たる構成要素であるセンサ素子Ｎ１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層Ｎ１と、第２基板層Ｎ２と、第３基板層Ｎ３と、第１固体電解質層Ｎ４と、スペーサ層Ｎ５と、第２固体電解質層Ｎ６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子Ｎ１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

センサ素子Ｎ１０１の一先端部であって、第２固体電解質層Ｎ６の下面と第１固体電解質層Ｎ４の上面との間には、ガス導入口Ｎ１０と、第１拡散律速部Ｎ１１と、緩衝空間Ｎ１２と、第２拡散律速部Ｎ１３と、第１内部空所Ｎ２０と、第３拡散律速部Ｎ３０と、第２内部空所Ｎ４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

ガス導入口Ｎ１０と、緩衝空間Ｎ１２と、第１内部空所Ｎ２０と、第２内部空所Ｎ４０とは、スペーサ層Ｎ５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層Ｎ６の下面で、下部を第１固体電解質層Ｎ４の上面で、側部をスペーサ層Ｎ５の側面で区画されたセンサ素子Ｎ１０１内部の空間である。

第１拡散律速部Ｎ１１と、第２拡散律速部Ｎ１３と、第３拡散律速部Ｎ３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口Ｎ１０から第２内部空所Ｎ４０に至る部位をガス流通部とも称する。

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層Ｎ３の上面と、スペーサ層Ｎ５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層Ｎ４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間Ｎ４３が設けられている。基準ガス導入空間Ｎ４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

大気導入層Ｎ４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層Ｎ４８には基準ガス導入空間Ｎ４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層Ｎ４８は、基準電極Ｎ４２を被覆するように形成されている。

基準電極Ｎ４２は、第３基板層Ｎ３の上面と第１固体電解質層Ｎ４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間Ｎ４３につながる大気導入層Ｎ４８が設けられている。また、後述するように、基準電極Ｎ４２を用いて第１内部空所Ｎ２０内や第２内部空所Ｎ４０内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。

ガス流通部において、ガス導入口Ｎ１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口Ｎ１０を通じて外部空間からセンサ素子Ｎ１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。

第１拡散律速部Ｎ１１は、ガス導入口Ｎ１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

緩衝空間Ｎ１２は、第１拡散律速部Ｎ１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部Ｎ１３へと導くために設けられた空間である。

第２拡散律速部Ｎ１３は、緩衝空間Ｎ１２から第１内部空所Ｎ２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

被測定ガスが、センサ素子Ｎ１０１外部から第１内部空所Ｎ２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口Ｎ１０からセンサ素子Ｎ１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所Ｎ２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部Ｎ１１、緩衝空間Ｎ１２、第２拡散律速部Ｎ１３を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所Ｎ２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所Ｎ２０へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。

第１内部空所Ｎ２０は、第２拡散律速部Ｎ１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセルＮ２１が作動することによって調整される。

主ポンプセルＮ２１は、第１内部空所Ｎ２０に面する第２固体電解質層Ｎ６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部Ｎ２２ａを有する内側ポンプ電極Ｎ２２と、第２固体電解質層Ｎ６の上面の天井電極部Ｎ２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極Ｎ２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層Ｎ６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

内側ポンプ電極Ｎ２２は、第１内部空所Ｎ２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層Ｎ６および第１固体電解質層Ｎ４）、および、側壁を与えるスペーサ層Ｎ５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所Ｎ２０の天井面を与える第２固体電解質層Ｎ６の下面には天井電極部Ｎ２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層Ｎ４の上面には底部電極部Ｎ２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部Ｎ２２ａと底部電極部Ｎ２２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所Ｎ２０の両側壁部を構成するスペーサ層Ｎ５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。

内側ポンプ電極Ｎ２２と外側ポンプ電極Ｎ２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとジルコニアとのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極Ｎ２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

主ポンプセルＮ２１においては、内側ポンプ電極Ｎ２２と外側ポンプ電極Ｎ２３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極Ｎ２２と外側ポンプ電極Ｎ２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所Ｎ２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所Ｎ２０に汲み入れることが可能となっている。

また、第１内部空所Ｎ２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極Ｎ２２と、第２固体電解質層Ｎ６と、スペーサ層Ｎ５と、第１固体電解質層Ｎ４と、第３基板層Ｎ３と、基準電極Ｎ４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８０が構成されている。

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所Ｎ２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるようにＶｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所Ｎ２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

第３拡散律速部Ｎ３０は、第１内部空所Ｎ２０で主ポンプセルＮ２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所Ｎ４０に導く部位である。

第２内部空所Ｎ４０は、第３拡散律速部Ｎ３０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、補助ポンプセルＮ５０により酸素濃度が調整された第２内部空所Ｎ４０において、さらに、測定用ポンプセルＮ４１が動作することによりなされる。

第２内部空所Ｎ４０では、あらかじめ第１内部空所Ｎ２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部Ｎ３０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセルＮ５０による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第２内部空所Ｎ４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るＮＯｘセンサＮＳにおいては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

補助ポンプセルＮ５０は、第２内部空所Ｎ４０に面する第２固体電解質層Ｎ６の下面の略全体に設けられた天井電極部Ｎ５１ａを有する補助ポンプ電極Ｎ５１と、外側ポンプ電極Ｎ２３（外側ポンプ電極Ｎ２３に限られるものではなく、センサ素子Ｎ１０１と外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層Ｎ６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

係る補助ポンプ電極Ｎ５１は、先の第１内部空所Ｎ２０内に設けられた内側ポンプ電極Ｎ２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所Ｎ４０内に配設されている。つまり、第２内部空所Ｎ４０の天井面を与える第２固体電解質層Ｎ６に対して天井電極部Ｎ５１ａが形成され、また、第２内部空所Ｎ４０の底面を与える第１固体電解質層Ｎ４には、底部電極部Ｎ５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部Ｎ５１ａと底部電極部Ｎ５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所Ｎ４０の側壁を与えるスペーサ層Ｎ５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。

なお、補助ポンプ電極Ｎ５１についても、内側ポンプ電極Ｎ２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

補助ポンプセルＮ５０においては、補助ポンプ電極Ｎ５１と外側ポンプ電極Ｎ２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所Ｎ４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所Ｎ４０内に汲み入れることが可能となっている。

また、第２内部空所Ｎ４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極Ｎ５１と、基準電極Ｎ４２と、第２固体電解質層Ｎ６と、スペーサ層Ｎ５と、第１固体電解質層Ｎ４と、第３基板層Ｎ３とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８１が構成されている。

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源Ｎ５２にて、補助ポンプセルＮ５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所Ｎ４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部Ｎ３０から第２内部空所Ｎ４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセルＮ２１と補助ポンプセルＮ５０との働きによって、第２内部空所Ｎ４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

測定用ポンプセルＮ４１は、第２内部空所Ｎ４０内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセルＮ４１は、第２内部空所Ｎ４０に面する第１固体電解質層Ｎ４の上面であって第３拡散律速部Ｎ３０から離間した位置に設けられた測定電極Ｎ４４と、外側ポンプ電極Ｎ２３と、第２固体電解質層Ｎ６と、スペーサ層Ｎ５と、第１固体電解質層Ｎ４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。

測定電極Ｎ４４は、多孔質サーメット電極である。測定電極Ｎ４４は、第２内部空所Ｎ４０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。さらに、測定電極Ｎ４４は、第４拡散律速部Ｎ４５によって被覆されてなる。

第４拡散律速部Ｎ４５は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部Ｎ４５は、測定電極Ｎ４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担うとともに、測定電極Ｎ４４の保護膜としても機能する。

測定用ポンプセルＮ４１においては、測定電極Ｎ４４の有する触媒活性作用による、測定電極Ｎ４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流（ＮＯｘ電流ともいう）Ｉｐ２として検出することができる。

また、測定電極Ｎ４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第２固体電解質層Ｎ６と、スペーサ層Ｎ５と、第１固体電解質層Ｎ４と、第３基板層Ｎ３と、測定電極Ｎ４４と、基準電極Ｎ４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源Ｎ４６が制御される。

第２内部空所Ｎ４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部Ｎ４５を通じて測定電極Ｎ４４に到達することとなる。測定電極Ｎ４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ_２＋Ｏ_２）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセルＮ４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８２にて検出された制御電圧Ｖ２が一定となるように可変電源の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極Ｎ４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセルＮ４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

また、測定電極Ｎ４４と、第１固体電解質層Ｎ４と、第３基板層Ｎ３と、基準電極Ｎ４２を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極Ｎ４４の周りの雰囲気中のＮＯｘ成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度を求めることも可能である。

また、第２固体電解質層Ｎ６と、スペーサ層Ｎ５と、第１固体電解質層Ｎ４と、第３基板層Ｎ３と、外側ポンプ電極Ｎ２３と、基準電極Ｎ４２とから電気化学的なセンサセルＮ８３が構成されており、このセンサセルＮ８３によって得られる起電力Ｖ_ｒｅｆにより、センサ外部の被測定ガス中の酸素濃度（酸素分圧）を特定可能となっている。すなわち、ＮＯｘセンサＮＳは、酸素センサとしての機能も有している。

このような構成を有するＮＯｘセンサＮＳにおいては、主ポンプセルＮ２１と補助ポンプセルＮ５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセルＮ４１に与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセルＮ４１より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

より具体的には、個々のセンサ素子Ｎ１０１について、ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との関数関係（感度特性）が、使用に先立ってあらかじめ特定される。実際のＮＯｘの検出に際しては、Ｉｐ２の値が絶えず測定され、先に特定されていた感度特性をもとに、個々の測定値に対応するＮＯｘ濃度が求められる。

加えて、センサ素子Ｎ１０１においては、外側ポンプ電極Ｎ２３と基準電極Ｎ４２との間に生じる起電力Ｖ_ｒｅｆを測定することにより、センサ素子Ｎ１０１外部の酸素分圧を知ることもできるようになっている。

さらに、センサ素子Ｎ１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子Ｎ１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部Ｎ７０を備えている。ヒータ部Ｎ７０は、ヒータ電極Ｎ７１と、ヒータＮ７２と、スルーホールＮ７３と、ヒータ絶縁層Ｎ７４、圧力放散孔Ｎ７５とを備えている。

ヒータ電極Ｎ７１は、第１基板層Ｎ１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極Ｎ７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部Ｎ７０へ給電することができるようになっている。

ヒータＮ７２は、第２基板層Ｎ２と第３基板層Ｎ３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータＮ７２は、スルーホールＮ７３を介してヒータ電極Ｎ７１と接続されており、該ヒータ電極Ｎ７１を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子Ｎ１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、ヒータＮ７２は、第１内部空所Ｎ２０から第２内部空所Ｎ４０の全域に渡って埋設されており、センサ素子Ｎ１０１全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。

ヒータ絶縁層Ｎ７４は、ヒータＮ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層Ｎ７４は、第２基板層Ｎ２とヒータＮ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層Ｎ３とヒータＮ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

圧力放散孔Ｎ７５は、第３基板層Ｎ３を貫通し、基準ガス導入空間Ｎ４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層Ｎ７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

１ 吸気経路
１ａ 吸気口
２ 排気経路
２ａ 排気口
３、４ 分岐経路
１１ 可変容量（ＶＮ）ターボ
１２ インタークーラ
１３ ＬＮＴ
１４ ＤＰＦ
１５ ＳＣＲ
１６ 尿素供給源
１７ ＥＧＲクーラ
２００ ＥＣＵ
２１ エアフローセンサ
２２ 回転数センサ
２３ 湿度センサ
２４ 吸気圧力センサ
２５ 吸気温度センサ
２７、２８、２９ 温度センサ
３０ 排気圧力センサ
１００ エンジン本体部
１０１ シリンダー
ＣＶｂ ＮＯ濃度−温度曲線
ＣＶ１ 熱発生率プロファイル
ＣＶ２ 熱発生割合曲線
ＥＧＲ１ 高圧排気循環装置
ＥＧＲ２ 低圧排気循環装置
ＩＧ１ 吸気ガス
ＩＧ２ 吸気ガス
ＩＧ３ 吸気ガス
ＮＳ（ＮＳ１、ＮＳ２、ＮＳ３） ＮＯｘセンサ
ＯＳ 酸素センサ
ＳＴ１、ＳＴ２ スロットル
ＶＬＶ１、ＶＬＶ２ バルブ
ｉｐ１、ｉｐ２ 燃料噴射パルス
ｐｆ０ 理想プロファイル
ｐｆ１、ｐｆ２ 熱発生率プロファイル

これらの分岐経路３および４により、エンジンからの排気ガスＥＧの一部は吸気ガスＩＧに混入させられてなる。すなわち、排気ガスＥＧの一部は廃棄されずに循環（還流）させられて再び吸気される。図２においては、エンジン本体部１００に供給されるものを吸気ガスＩＧと総称するとともに、吸気口１ａから取り入られた吸気ガスＩＧを特に吸気ガスＩＧ１とし、該吸気ガスＩＧ１に分岐経路４を経た排気ガスＥＧが混入させられたものを特に吸気ガスＩＧ２とし、該吸気ガスＩＧ２に分岐経路３を経た排気ガスＥＧが混入させられたものを特に吸気ガスＩＧ３として区別している。

なお、吸気経路１においては、分岐経路４との合流部分よりも上流側にスロットルＳＴ１が設けられており、分岐経路３との合流部分よりも上流側にスロットルＳＴ２が設けられている。一方、分岐経路３の途中にはバルブＶＬＶ１が設けられており、分岐経路４の途中にはバルブＶＬＶ２が設けられている。これらのスロットルＳＴ１、ＳＴ２およびバルブＶＬＶ１、ＶＬＶ２によって、吸気ガスＩＧに対する排気ガスＥＧの供給比率が制御される。なお、バルブＶＬＶ１の開閉を制御することによって、吸気ガスＩＧ３における排気ガスＥＧの供給量を制御する構成を、高圧排気循環装置ＥＧＲ１と称し、バルブＶＬＶ２の開閉を制御することによって、吸気ガスＩＧ２における排気ガスＥＧの供給量を制御する構成を、低圧排気循環装置ＥＧＲ２と称する。

第２内部空所Ｎ４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部Ｎ４５を通じて測定電極Ｎ４４に到達することとなる。測定電極Ｎ４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ２＋Ｏ２）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセルＮ４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルＮ８２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源Ｎ４６の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極Ｎ４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセルＮ４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

Claims (14)

1. 車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
   エンジンから排出される排気ガスの排気経路において触媒よりも上流側に設けられたＮＯｘセンサからの出力値に基づいて特定される、前記排気ガスのＮＯｘ濃度が、所定の基準範囲内の値か否かを判定するＮＯｘ判定工程と、
   前記ＮＯｘ判定工程において前記ＮＯｘ濃度が前記基準範囲を外れたと判定された場合に、前記エンジンにおける熱発生率のクランク角度依存性を示す熱発生率プロファイルを推定する熱発生率プロファイル推定工程と、
   前記熱発生率プロファイル推定工程において推定された前記熱発生率プロファイルを特徴付ける値と、前記エンジンが搭載された車両の運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける当該値とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する燃焼制御工程と、
   を備えることを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。
2. 請求項１に記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
   前記燃焼制御工程においては、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける着火時期として推定される推定着火時期と、前記車両の運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての着火時期である理想着火時期とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
   ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。
3. 請求項２に記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
   前記燃焼制御工程においては、
   前記推定着火時期が所定の基準範囲を超えて前記理想着火時期よりも進角している場合に、前記エンジンに付設されている燃料噴射装置から前記エンジンへの燃料噴射タイミングを規定する燃料噴射パルスを遅角させ、
   前記推定着火時期が所定の基準範囲を超えて前記理想着火時期よりも遅角している場合に、前記燃料噴射パルスを進角させる、
   ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
   ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
   前記燃焼制御工程においては、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける最大筒内圧力として推定される推定最大圧力と、前記エンジンの運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての最大筒内圧力である理想最大圧力とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
   ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。
5. 請求項４に記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
   前記エンジンがターボチャージャーを備えており、
   前記燃焼制御工程においては、
   前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記ターボチャージャーにおける過給圧を低下させ、
   前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記過給圧を増加させる、
   ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
   ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。
6. 請求項４に記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
   前記エンジンにおいては、付設された排気循環装置によって前記排気ガスの一部が還流されて再吸気されるようになっており、
   前記燃焼制御工程においては、
   前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記排気循環装置における前記排気ガスの還流量を増大させ、
   前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記還流量を減少させる、
   ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
   ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の車両用エンジンにおける燃焼制御方法であって、
   前記熱発生率プロファイル推定工程においては、前記熱発生率プロファイルに対応する９０％熱発生点、５０％熱発生点、および１０％熱発生点を与えるクランク角度を、
   前記９０％熱発生点についてはＮＯｘ生成時の火炎温度を特定することにより、
   前記５０％熱発生点については前記９０％熱発生点と前記エンジンの上死点との中間として特定することにより、
   前記１０％熱発生点については前記９０％熱発生点と前記５０％熱発生点とからの線型的な外挿により、
   それぞれ推定し、得られた推定結果に基づいて前記熱発生率プロファイルを推定する、
   ことを特徴とする、車両用エンジンにおける燃焼制御方法。
8. エンジンからの排気ガスが途中に触媒を備えた排気経路を介して外部に排出される、車両用エンジンシステムであって、
   前記排気経路において前記触媒よりも上流側に設けられたＮＯｘセンサと、
   前記ＮＯｘセンサからの出力値に基づいて特定される前記排気ガスのＮＯｘ濃度が、所定の基準範囲内の値か否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段が、前記ＮＯｘ濃度が前記基準範囲を外れたと判定した場合に、前記エンジンにおける熱発生率のクランク角度依存性を示す熱発生率プロファイルを推定する熱発生率プロファイル推定手段と、
   前記熱発生率プロファイル推定手段によって推定された前記熱発生率プロファイルを特徴付ける値と、前記エンジンが搭載された車両の運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける当該値とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する燃焼制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする、車両用エンジンシステム。
9. 請求項８に記載の車両用エンジンシステムであって、
   前記燃焼制御手段は、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける着火時期として推定される推定着火時期と、前記エンジンの運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての着火時期である理想着火時期とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
   ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。
10. 請求項９に記載の車両用エンジンシステムであって、
    前記燃焼制御手段は、
    前記推定着火時期が所定の基準範囲を超えて前記理想着火時期よりも進角している場合に、前記エンジンに付設されている燃料噴射装置から前記エンジンへの燃料噴射タイミングを規定する燃料噴射パルスを遅角させ、
    前記推定着火時期が所定の基準範囲を超えて前記理想着火時期よりも遅角している場合に、前記燃料噴射パルスを進角させる、
    ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
    ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。
11. 請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の車両用エンジンシステムであって、
    前記燃焼制御手段は、前記熱発生率プロファイルに基づき前記エンジンにおける最大筒内圧力として推定される推定最大圧力と、前記エンジンの運転条件から特定される理想的な熱発生率プロファイルにおける前記エンジンについての最大筒内圧力である理想最大圧力とを対比し、その結果に基づいて前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
    ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。
12. 請求項１１に記載の車両用エンジンシステムであって、
    前記エンジンがターボチャージャーを備えており、
    前記燃焼制御手段は、
    前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記ターボチャージャーにおける過給圧を低下させ、
    前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記過給圧を増加させる、
    ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
    ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。
13. 請求項１１に記載の車両用エンジンシステムであって、
    前記エンジンにおいては、付設された排気循環装置によって前記排気ガスの一部が還流されて再吸気されるようになっており、
    前記燃焼制御手段は、
    前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも大きい場合に、前記排気循環装置における前記排気ガスの還流量を増大させ、
    前記推定最大圧力が所定の基準範囲を超えて前記理想最大圧力よりも小さい場合に、前記還流量を減少させる、
    ことによって、前記エンジンにおける燃焼条件を制御する、
    ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。
14. 請求項８ないし請求項１３のいずれかに記載の車両用エンジンシステムであって、
    前記熱発生率プロファイル推定手段は、前記熱発生率プロファイルに対応する９０％熱発生点、５０％熱発生点、および１０％熱発生点を与えるクランク角度を、
    前記９０％熱発生点についてはＮＯｘ生成時の火炎温度を特定することにより、
    前記５０％熱発生点については前記９０％熱発生点と前記エンジンの上死点との中間として特定することにより、
    前記１０％熱発生点については前記９０％熱発生点と前記５０％熱発生点とからの線型的な外挿により、
    それぞれ推定し、得られた推定結果に基づいて前記熱発生率プロファイルを推定する、
    ことを特徴とする、車両用エンジンシステム。