JP4339321B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に排気還流機構を備える内燃機関の燃焼室内における空燃比を正確に制御するものに関する。

特許文献１には、排気還流機構を備えるディーゼル機関の制御装置が示されている。この制御装置によれば、アクセルペダル踏み込み量及び機関回転数に応じて予め設定されたマップを用いて燃焼室内に供給されるガス量Ｇｆが算出されるとともに、吸入空気量センサにより吸入空気量Ｇａが検出される。さらにガス量Ｇｆから吸入空気量Ｇａを減算することにより得られる還流ガス量Ｇｅが算出され、この還流ガス量Ｇｅと、排気系に設けられた酸素濃度センサにより検出される排気中の酸素濃度ＯＸとに応じて、排気還流機構を介して還流される排気中の空気量Ｇａｅが算出される。そして、燃焼室内に供給される空気量Ｇｃｙｌは、（Ｇａ＋Ｇａｅ）として算出され、この空気量Ｇｃｙｌに応じて燃料噴射量が算出される。

特開平８−６１１１２号公報

内燃機関、特にディーゼル機関では、近年ＮＯｘや粒子状物質（ＰＭ）の排出量が厳しく規制されているため、従来のように供給燃料量に対して空気を過剰に供給する制御手法では、要求される性能を得ることができなくなっている。そのため、機関の吸入空気量及び燃焼室内の混合気の空燃比をより適切に制御することが必要になってきている。

上述した従来の制御装置では、機関運転状態に応じて吸入空気量の目標値を設定し、実際の吸入空気量を目標値に制御する技術は採用されておらず、近年の厳格な性能要求を満たすような吸入空気量制御及び燃料供給制御を行うことは困難であった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、内燃機関の吸気状態及び燃焼混合気の空燃比をより厳密に制御し、良好な運転性能及び排気特性を得ることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の吸気管（２）または燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段（９）を備えた内燃機関の制御装置において、前記機関へ導入する吸気の状態を示す吸気状態パラメータ（ＧＡ，ＰＩ）を検出する吸気状態パラメータ検出手段（２１，２４）と、前記機関の運転状態を示す運転状態パラメータ（ＮＥ，ＴＲＱ）に応じて前記吸気状態パラメータの要求値（Ｇiades，Ｐides）を算出する要求値算出手段（４２）と、前記吸気状態パラメータＧＡ，ＰＩ）が前記要求値（Ｇiades，Ｐides）と一致するように前記吸気状態を制御する吸気状態制御手段（４３，３，６，１２）と、前記運転状態パラメータ（ＮＥ，ＴＲＱ）、及び前記吸気状態パラメータと前記要求値との偏差（δＧa，δＰi）に応じて制御値（Ｍfcmd）を算出し、該制御値（Ｍfcmd）により前記燃料噴射手段（９）による燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段（４４）とを備え、前記燃料噴射制御手段（４４）は、前記運転状態パラメータ（ＮＥ，ＴＲＱ）に応じて基本制御値（Ｍfmap）を算出する基本制御値算出手段と、前記運転状態パラメータ（ＮＥ，ＴＲＱ）に応じて前記基本制御値の変化率を示す変化率パラメータ（Ｄmfga，Ｄmfpi）を算出する変化率パラメータ算出手段と、前記吸気状態パラメータと前記要求値との偏差（δＧa，δＰi）に前記変化率パラメータ（Ｄmfga，Ｄmfpi）を乗算することにより補正値（δＧa・Ｄmfga，δＰi・Ｄmfpi）を算出する補正値算出手段と、前記基本制御値を前記補正値（δＧa・Ｄmfga，δＰi・Ｄmfpi）で補正することにより、前記燃料噴射量の制御値（Ｍfcmd）を算出する制御値算出手段とを備え、該制御値算出手段により算出される制御値（Ｍfcmd）により前記燃料噴射制御を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射制御手段（４４）は、前記運転状態パラメータ（ＮＥ，ＴＲＱ）、及び前記吸気状態パラメータと前記要求値との偏差（δＧa，δＰi）に応じて、前記燃料噴射手段（９）による燃料噴射時期（φfcmd）を制御することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、前記吸気状態パラメータは、吸気圧（ＰＩ）、吸入酸素分圧（ＰＩＯ）、及び吸入不活性ガス分圧（ＰＩＩ）のうちのいずれか２つであることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は排気を吸気系に還流させる排気還流機構を備え、前記吸気状態パラメータは、吸気圧（ＰＩ）、吸入新気流量（ＧＡ）、及び還流排気流量（ＧＲ）のうちのいずれか２つであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置において、前記吸気状態パラメータは、さらに吸気温度（ＴＩ）を含み、吸気温度の基準値（Ｔinorm）を算出する吸気温度基準値算出手段をさらに備え、前記燃料噴射制御手段は、検出される吸気温度（ＴＩ）と前記基準値（Ｔinorm）との偏差（δＴi）に応じた制御を行うことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置において、前記運転状態パラメータに応じて前記機関の燃焼モード（Ｍdcmb）を決定する燃焼モード決定手段（４１）を備え、前記燃料噴射制御手段（４４）は、前記燃焼モードに対応して設定された制御用マップを用いて前記制御値（Ｍfcmd）の算出を行うことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃焼モード決定手段（４１）が燃焼モード（Ｍdcmd）を変更した場合において、前記燃料噴射制御手段は、前記偏差（δＧa，δＰi）の絶対値が所定閾値（εga2，εga3，εpi2，εpi3）以上であるときは、変更前の燃焼モードに対応した制御用マップを使用し、前記偏差（δＧa，δＰi）の絶対値が前記所定閾値（εga2，εga3，εpi2，εpi3）より小さいときは、変更後の燃焼モードに対応した制御用マップを使用することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関へ導入する吸気の状態を示す吸気状態パラメータが検出され、機関の運転状態を示す運転状態パラメータに応じて吸気状態パラメータの要求値が算出されるとともに、吸気状態パラメータが要求値と一致するように吸気状態が制御され、運転状態パラメータ、及び吸気状態パラメータと要求値との偏差に応じて燃料噴射量が制御される。したがって、機関運転状態に応じた望ましい吸気状態が実現されるとともに、その吸気状態に適した燃料噴射量の制御が行われ、良好な機関運転性能及び排気特性を得ることができる。より具体的には、運転状態パラメータに応じて基本制御値及び基本制御値の変化率を示す変化率パラメータが算出され、吸気状態パラメータと要求値との偏差に変化率パラメータを乗算することにより補正値が算出される。そして、基本制御値を前記補正値で補正することにより、燃料噴射量及び燃料噴射時期の制御値が算出され、この制御値により燃料噴射制御が行われる。したがって、吸気状態パラメータが要求値と完全に一致していない状態でも、その偏差に応じた適切な燃料噴射量の制御値が得られ、正確な制御を行うことができる。また、偏差に変化率パラメータを乗算することにより補正値を算出するようにしたので、実際の吸気状態パラメータ値に適した燃料噴射量の算出に使用するマップの設定点を比較的少なくし、メモリ容量やマップ設定のための工数を抑制しつつ、精度の高い燃料噴射制御を実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、運転状態パラメータ、及び吸気状態パラメータと要求値との偏差に応じて、燃料噴射手段による燃料噴射時期が制御される。したがって、吸気状態制御により実現される吸気状態に適した燃料噴射時期の制御が行われ、良好な機関運転性能及び排気特性を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、吸気状態パラメータは、吸気圧、吸気酸素分圧、及び不活性ガス分圧のうちのいずれか２つとされ、請求項４に記載の発明によれば、吸気状態パラメータは、吸気圧、吸入新気流量、及び還流排気流量のうちのいずれか２つとされる。これらの吸気状態パラメータを用いることにより、燃焼室内の酸素質量及び不活性ガス質量を所望値に制御することが可能となり、燃料噴射制御を適切に行うことができる。

請求項５に記載の発明によれば、吸気状態パラメータは、さらに吸気温度を含むので、吸気温度変化の影響を加味してより正確な制御を行うことができる。

請求項６に記載の発明によれば、運転状態パラメータに応じて機関の燃焼モードが決定され、該決定された燃焼モードに対応して設定された制御用マップを用いて制御値の算出が行われる。すなわち、空燃比や燃料噴射時期が異なる複数の燃焼モードが機関運転状態に応じて選択され、その選択される燃焼モードに対応した制御用マップを用いることにより、燃焼モード毎に最適な制御値を得ることができる。

請求項７に記載の発明によれば、燃焼モードが変更されたときは、吸気状態パラメータと要求値との偏差の絶対値が所定閾値以上であるときは、変更前の燃焼モードに対応した制御用マップが使用され、吸気状態パラメータの偏差の絶対値が所定閾値より小さいときは、変更後の燃焼モードに対応した制御用マップが使用される。燃焼モードが変更された直後の過渡状態においては、実際の吸気状態パラメータと要求値との偏差が大きくなり易いので、その偏差が小さくなるまでは変更前の燃焼モードに対応した制御マップを使用することにより、制御の安定化を図ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関と、その制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁９が設けられている。燃料噴射弁９は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁９の開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２，排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール１０を有するタービン１１と、タービンホイール１０とシャフト１４を介して連結されたコンプレッサホイール１５を有するコンプレッサ１６とを備えている。コンプレッサホイール１５は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。

タービン１１は、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される複数の可変ベーン１２（２個のみ図示）及び該可変ベーンを開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）を有しており、可変ベーン１２の開度（以下「ベーン開度」という）ＶＯを変化させることにより、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させ、タービンホイール１０の回転速度を変更できるように構成されている。可変ベーン１２を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ２０に接続されており、ベーン開度ＶＯは、ＥＣＵ２０により制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をアクチュエータに供給し、これによってベーン開度ＶＯを制御する。なお、可変ベーンを有するターボチャージャの構成は広く知られており、例えば特開平１−２０８５０１号公報に示されている。

吸気管２のコンプレッサ１６の下流側にはインタークーラ１８が設けられ、さらにインタークーラ１８の下流側には、スロットル弁３が設けられている。スロットル弁３は、アクチュエータ１９により開閉駆動可能に構成されており、アクチュエータ１９はＥＣＵ２０に接続されている。ＥＣＵ２０は、アクチュエータ１９を介して、スロットル弁３の開度制御を行う。

排気管４と吸気管２との間には、排気ガスを吸気管２に環流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下［ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。

吸気管２には、吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、コンプレッサ１６の下流側の吸気圧（過給圧）ＰＢを検出する過給圧センサ２２、吸気温ＴＩを検出する吸気温センサ２３、及び吸気圧ＰＩを検出する吸気圧センサ２４が設けられている。また、排気管４には、タービン１１の上流側の排気圧ＰＥを検出する排気圧センサ２５が設けられている。これらのセンサ２１〜２５は、ＥＣＵ２０と接続されており、センサ２１〜２５の検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

排気管４の、タービン１１の下流側には、排気ガス中に含まれる炭化水素などの酸化を促進する触媒コンバータ３１と、粒子状物質（主としてすすからなる）を捕集する粒子状物質フィルタ３２とが設けられている。
エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２７、、エンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ２８、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ２９がＥＣＵ２０に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、タービン１１の可変ベーン１２を駆動するアクチュエータ、燃料噴射弁９、ＥＧＲ弁６、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ１９などに駆動信号を供給する出力回路から構成される。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態に応じて、エンジン１の燃焼モードを決定するとともに、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides、及び基準吸気温Ｔinormを算出し、エンジン１に吸入されるガス（新気＋還流ガス）の状態（以下「吸気状態」という）の制御を行う。より具体的には、検出される吸入空気流量ＧＡ及び吸気圧ＰＩが、要求新気流量Ｇiades及び要求吸気圧Ｐidesと一致するように、ベーン開度ＶＯ、スロットル弁開度ＴＨ、及びＥＧＲ弁６のリフト量（開度）ＬＡＣＴを制御する吸気状態制御を実行する。

ＥＣＵ２０は、さらにエンジン運転状態、並びに要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides、及び基準吸気温Ｔinormに応じて、燃料噴射弁９による燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdを算出し、エンジン運転状態及び吸気状態に適した燃料噴射制御を行う。

図２は、上記吸気状態制御及び燃料噴射制御を行う制御モジュールの構成を示す機能ブロック図である。この図に示される各ブロックの機能は、実際にはＥＣＵ２０のＣＰＵにより実行される演算処理により実現される。なお、以下に示す種々の制御パラメータ算出用のマップは、予め行った実験結果に基づき、公知の最適化ツール（コンピュータプログラム）を用いて設定されている。

図２に示す制御モジュールは、燃焼モード決定部４１と、吸気状態パラメータ要求値設定部４２と、吸気状態制御部４３と、燃料噴射制御部４４とを備えている。以下これらの機能ブロックの機能を順次説明する。
燃焼モード決定部４１は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、エンジン１の燃焼モードの決定を行う。具体的には、リーン燃焼モード、リッチ燃焼モード、及び予混合燃焼モードのいずれかを選択し、燃焼モードパラメータＭdcmbを出力する。本実施形態では、燃焼モードパラメータＭdcmbは、「１」〜「３」に値に設定され、「１」はリーン燃焼モードに対応し、「２」はリッチ燃焼モードに対応し、「３」は予混合燃焼モードに対応する。

リーン燃焼モードは、エンジン１の燃焼室内の混合気の空燃比を、理論空燃比よりリーン側の値に設定する燃焼モードであり、リッチ燃焼モードは、空燃比を理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側の値に設定する燃焼モードであり、予混合燃焼モードは、リーン燃焼モードより排気還流量を増加させることにより、空燃比を理論空燃比から２０程度に設定し、着火遅れ時間（燃料噴射から実際に着火するまでの時間）が長くして予混合燃焼を実現する燃焼モードである。予混合燃焼モードは、予め設定された予混合燃焼領域（エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱで決まる運転領域）で採用される。

なお、要求トルクＴＲＱは、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出される。要求トルクＴＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、増加するように設定される。

吸気状態パラメータ要求値設定部４２は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱ、並びに燃焼モードパラメータＭdcmbに応じて、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides、及び基準吸気温Ｔinormの設定を行う。基本的には、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、また要求トルクＴＲＱが大きくなるほど、要求新気流量Ｇiades及び要求吸気圧Ｐidesが増加するように設定される。基準吸気温Ｔinormは、要求新気流量Ｇiades及び要求吸気圧Ｐidesが実現された状態での実際の吸気温を検出することにより、実験的に求められる。

吸気状態制御部４３は、要求新気流量Ｇiades及び要求吸気圧Ｐidesと、検出されるエンジン回転数ＮＥ、吸入空気流量ＧＡ、吸気圧ＰＩ、排気圧ＰＥ、及び大気圧ＰＡに応じて、可変ベーン１２の開度指令値（以下「ベーン開度指令値」という）θvcmd、スロットル弁３の開度指令値（以下「スロットル弁開度指令値」という）θthcmd、及びＥＧＲ弁６の開度指令値（以下「ＥＧＲ弁開度指令値」とう）θrcmdを算出する。すなわち、吸気状態制御部４３は、可変ベーン開度θvcmd、スロットル弁開度指令値θthcmd、及びＥＧＲ弁開度指令値θrcmdを制御することにより、検出される吸入空気流量ＧＡ及び吸気圧ＰＩを、要求新気流量Ｇiades及び要求吸気圧Ｐidesに収束させる制御を行う。

燃料噴射制御部４４は、燃焼モードパラメータＭdcmb、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides及び基準吸気温Ｔinormと、検出されるエンジン回転数ＮＥ、吸入空気流量ＧＡ、吸気圧ＰＩ、吸気温ＴＩに応じて、燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdを算出する。燃料噴射弁９は、燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdに応じた駆動信号により、駆動される。

図３は、吸気状態パラメータ要求値設定部４２の構成を示すブロック図である。吸気状態パラメータ要求値設定部４２は、第１要求値設定部１０１と、第２要求値設定部１０２と、第３要求値設定部１０３と、スイッチ部１０４〜１０６とを備えている。第１要求値設定部１０１は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、リーン燃焼モードに適したＧiades1マップ、Ｐides1マップ、及びＴinorm1マップ（いずれも図示せず）の検索を行い、第１要求新気流量Ｇiades1、第１要求吸気圧Ｐides1、及び第１基準吸気温Ｔinorm1を算出する。第２要求値設定部１０２は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、リッチ燃焼モードに適したＧiades2マップ、Ｐides2マップ、及びＴinorm2マップ（いずれも図示せず）の検索を行い、第２要求新気流量Ｇiades2、第２要求吸気圧Ｐides2、及び第２基準吸気温Ｔinorm2を算出する。第３要求値設定部１０３は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、予混合燃焼モードに適したＧiades3マップ、Ｐides3マップ、及びＴinorm3マップ（いずれも図示せず）の検索を行い、第３要求新気流量Ｇiades3、第３要求吸気圧Ｐides3、及び第３基準吸気温Ｔinorm3を算出する。

スイッチ部１０４は、燃焼モードパラメータＭdcmbに応じて第１〜第３要求新気流量Ｇiades1，Ｇiades2，Ｇiades3の何れか１つを選択し、要求新気流量Ｇiadesとして出力する。Ｍdcmb＝１のとき、第１要求新気流量Ｇiades1が選択され、Ｍdcmb＝２のとき、第２要求新気流量Ｇiades2が選択され、Ｍdcmb＝３のとき、第３要求新気流量Ｇiades3が選択される。スイッチ部１０５及び１０６においても同様の切換が行われ、Ｍdcmb＝１のとき、第１要求吸気圧Ｐides1及び第１基準吸気温Ｔinorm1が選択され、Ｍdcmb＝２のとき、第２要求吸気圧Ｐides2及び第２基準吸気温Ｔinorm2が選択され、Ｍdcmb＝３のとき、第３要求吸気圧Ｐides3及び第３基準吸気温Ｔinorm3が選択される。

図４は、吸気状態制御部４３の構成を示すブロック図である。吸気状態制御部４３は、要求還流ガス分圧算出部５１と、目標仕事率算出部５３、実仕事率推定部５４、目標排気圧算出部５５、除算部５２、目標吸気圧算出部５６、乗算部５７、減算部５８、分圧推定部５９、モデル予測コントローラ６０、θv変換部６１、θth変換部６２、及びθr変換部６３を備えている。

要求還流ガス分圧算出部５１は、図５に示すように、要求新気分圧算出部７４、温度補正部７６、及び減算部７７とからなる。要求新気分圧算出部７４は、エンジン回転数ＮＥ及び要求新気流量Ｇiadesに応じて、Ｐｉａマップを検索し、要求新気分圧マップ値Ｐiamapdを算出する。要求新気分圧は、エンジン１に吸入されるガス中の新気分圧の望ましい値である。Ｐｉａマップは、吸気温ＴＩが所定温度ＴＩＮＯＲである状態に対応して設定されている。

１シリンダ容積を占める新気質量Ｍiaと、要求新気分圧マップ値Ｐiamapdとは、下記式（１）で示す関係を有する。
Ｐiamapd＝｛Ｒ・ＴＩＮＯＲ／（ηv・Ｖs）｝Ｍia （１）
ここでＲはガス定数、ηvは体積効率、Ｖsは気筒の容積である。

式（１）より、吸気温ＴＩに対応する要求新気分圧Ｐiadesは、下記式（２）で与えられる。
Ｐiades＝（ＴＩ／ＴＩＮＯＲ）Ｐiamapd （２）
温度補正部７６は、検出される吸気温ＴＩを式（２）に適用して、マップ値Ｐiamapdを補正し、要求新気分圧Ｐiadesを算出する。
減算部７７は、要求吸気圧Ｐidesから要求新気分圧Ｐiadesを減算することにより、要求還流ガス分圧Ｐirdesを算出する。

図４に戻り、目標仕事率算出部５３は、要求吸気圧Ｐides、要求新気流量Ｇiades及び大気圧ＰＡに応じてＷcrefマップの検索、あるいは下記式（３ａ）による演算により、コンプレッサ１６の目標仕事率Ｗcrefを算出する。Ｗcrefマップは、要求吸気圧Ｐides、または要求新気流量Ｇiadesが増加するほど、また大気圧ＰＡが低下するほど、目標仕事率Ｗcrefが増加するように設定されている。実仕事率推定部５４は、検出される過給圧ＰＢ及び吸入空気流量ＧＡを下記式（３ｂ）に適用し、コンプレッサ１６の実仕事率推定値Ｗcestを算出する。

ここでηcmpはコンプレッサの効率、ｃpは空気の定圧比熱、ＴＡは大気温度、κaは空気の比熱比である。

目標排気圧算出部５５は、実仕事率推定値Ｗcestが目標仕事率Ｗcrefと一致するように、目標排気圧Ｐerefを算出する。具体的には、目標排気圧算出部５５は、実仕事率推定値Ｗcestが目標仕事率Ｗcrefより小さいときは、目標排気圧Ｐerefを高める方向に更新し、逆に実仕事率推定値Ｗcestが目標仕事率Ｗcrefより大きいときは、目標排気圧Ｐerefを下げる方向に更新する。

目標吸気圧算出部５６は、要求吸気圧Ｐidesと、検出される過給圧ＰＢとを比較し、低い方を選択することにより、目標吸気圧Ｐirefを算出する。除算部５２は、要求還流ガス分圧Ｐirdesを要求吸気圧Ｐidesで除算することにより、要求還流ガス比率ＲＰＩＲを算出し、乗算部５７は、目標吸気圧Ｐirefに要求還流ガス比率ＲＰＩＲを乗算することにより、目標還流ガス分圧Ｐirrefを算出する。減算部５８は、目標吸気圧Ｐirefから目標還流ガス分圧Ｐirrefを減算することにより、目標新気分圧Ｐiarefを算出する。

分圧推定部５９は、図６に示すように、新気分圧推定部８１と、温度補正部８３と、減算部８４とからなる。新気分圧推定部８１は、検出されるエンジン回転数ＮＥ及び吸入空気流量ＧＡに応じて、新気分圧推定マップ値Ｐiamapを算出する。新気分圧推定マップ値Ｐiamapは、吸入空気流量ＧＡが増加するほど、またエンジン回転数ＮＥが減少するほど、増加するように算出される。より具体的には、新気分圧推定マップ値Ｐiamapは、吸入空気流量ＧＡに比例し、エンジン回転数ＮＥに反比例するように設定されている。温度補正部８３は、図５に示す温度補正部７６と同様に、検出吸気温ＴＩに応じて、新気分圧推定マップ値Ｐiamapを補正し、推定新気分圧Ｐiaestを算出する。減算部８４は、検出される吸気圧ＰＩから推定新気分圧Ｐiaestを減算することにより、推定還流ガス分圧Ｐirestを算出する。

図４に戻り、モデル予測コントローラ６０は、検出される排気圧ＰＥ、推定新気分圧Ｐiaest及び推定還流ガス分圧Ｐirestが、それぞれ目標排気圧Ｐeref、目標新気分圧Ｐiaref及び目標還流ガス分圧Ｐirrefと一致するように、モデル予測制御を用いて、タービン１１を通過するガス流量の指令値であるタービンガス流量指令値Ｇvcmd、スロットル弁３を通過する新気流量の指令値である新気流量指令値Ｇthcmd及びＥＧＲ弁６を通過する還流ガス流量の指令値である還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。

θｖ変換部６１は、検出される排気圧ＰＥ及び大気圧ＰＡに応じて、タービンガス流量指令値Ｇvcmdを、可変ベーン１２の開度指令値（以下「ベーン開度指令値」という）θvcmdに変換する。具体的には、以下のようにして変換を行う。
タービン１１をノズルとしてモデル化することにより、下記式（４）の関係が成立する。
Ｇvcmd＝Ａtb（θvcmd）・Ｕ（ＰＥ）・Φ（ＰＡ／ＰＥ） （４）

ここで、Ａtb（θvcmd）はベーン開度の関数である可変ベーンの有効開口面積であり、Ｕ（ＰＥ）は下記式（５）により算出される上流条件関数であり、Φ（ＰＡ／ＰＥ）は可変ベーン１２の下流側圧力と上流側圧力との比の関数である。式（５）のρeは、タービン１１を通過する排気ガスの密度であり、式（６）及び（７）のκeは、タービン１１を通過する排気ガスの比熱比である。排気ガスの流速が音速より低いとき、式（６）が適用され、排気ガスの流速が音速以上であるとき、式（７）が適用される。

式（４）から有効開口面積Ａtb（θvcmd）は、下記式（８）により算出され、有効開口面積Ａtb（θvcmd）に応じて予め設定されている変換テーブルを検索することにより、ベーン開度指令値θvcmdが算出される。
Ａtb（θvcmd）＝Ｇvcmd／｛Ｕ（ＰＥ）・Φ（ＰＡ／ＰＥ）｝ （８）

θth変換部６２及びθr変換部６３も同様にしてそれぞれ下記式（９）及び（１０）により、それぞれスロットル弁３の有効開口面積Ａth（θth）及びＥＧＲ弁６の有効開口面積Ａr（θr）を算出し、有効開口面積Ａth（θth）及びＡr（θr）に応じて変換テーブルを検索することにより、スロットル弁開度指令値θthcmd及びＥＧＲ弁開度指令値θrcmdを算出する。
Ａth（θthcmd）＝Ｇthcmd／｛Ｕ（ＰＢ）・Φ（ＰＩ／ＰＢ）｝ （９）
Ａr（θrcmd） ＝Ｇrcmd／｛Ｕ（ＰＥ）・Φ（ＰＩ／ＰＥ）｝ （１０）

なお、式（９）のＵ（ＰＢ），Φ（ＰＩ／ＰＢ）、及び式（１０）のΦ（ＰＩ／ＰＥ）は、下記式（１１）〜（１５）で与えられる。

ここで、式（１１）のρaは空気の密度であり、式（１２）（１３）のκaは空気の比熱比である。

θv変換部６１，θth変換部６２及びθr変換部６３から出力されるベーン開度指令値θvcmd、スロットル弁開度指令値θth及びＥＧＲ弁開度指令値θrに基づいて、可変ベーン１２の開度、スロットル弁３の開度、及びＥＧＲ弁６の開度が制御される。

次にモデル予測コントローラ６０について説明する。先ず、コントローラ６０による制御の対象をモデル化した制御対象モデルについて説明する。
容積Ｖのチャンバ内気体の質量Ｍ及び圧力Ｐの関係は、絶対温度Ｔを用いて下記式（２０）で示される。
ＰＶ＝ＭＲＴ （２０）

この式を時間微分することにより、下記式（２１）が得られる。

ここで、κnは、チャンバ内の気体の比熱比κ以下で１．０以上の値をとるポリトロープ指数である。

これを吸気管２内の新気分圧Ｐiaに適用すると、下記式（２２）が得られる。

ここで、Ｇ'thはスロットル弁３を通過する単位時間当たりの新気流量であり、Ｇ'zは気筒内に流入する単位時間当たりの吸入ガス流量であり、Ｐiは吸気圧である。また定数ｋiは下記式（２３）で与えられる。

ここで、Ｔiは吸気温、Ｖiは吸気管のスロットル弁３より下流側の容積、κniは、ポリトロープ指数である。

式（２２）の吸入ガス流量Ｇ'zは、下記式（２４）で表すことができるので、式（２２）は下記式（２５）のように表すことができる。

ここで、ＮＥはエンジン回転数、Ｐcylは気筒内圧力、Ｖcylは気筒容積、Ｔcylは気筒内温度、ηvは体積効率である。

式（２５）では、新気分圧Ｐiaの係数がエンジン回転数ＮＥに依存するため、クランク角度αを基準とする式に変換する（具体的には、両辺にｄｔ／ｄα＝１／ＮＥを乗算する）と、下記式（２６）が得られる。式（２６）のＧthは、スロットル弁３を通過する単位クランク角当たりの新気流量である。

また吸気管内の還流ガス分圧Ｐirについても、同様にして下記式（２７）が得られる。式（２６）のＧrは、ＥＧＲ弁６を通過する単位クランク角当たりの還流ガス流量である。

一方排気管４のタービン上流側の排気ガスについては、下記式（２８）が成立する。

ここで、Ｐeは排気管４のタービン上流側における排気圧、Ｇ'rは単位時間当たりの還流ガス流量、Ｔeは排気温度、Ｖeは排気管４のタービン上流側の容積、κneはポリトロープ指数である。

吸入ガス流量Ｇ'zは、式（２４）をさらに変形することにより、下記式（２９）で表すことができる。
Ｇ'z＝＝ｋ'_ηv×Ｐi＝ｋ'_ηv（Ｐia＋Ｐir） （２９）
これを式（２８）に適用すると、下記式（３０）が得られ、さらにクランク角度基準に変換することにより、下記式（３１）が得られる。

式（２６）、（２７）及び（３１）をまとめると、下記式（３２）が得られる。

次に式（３２）により定義される制御対象モデルを、サンプリング周期ｈで離散化した時刻ｋを用いた離散時間系の制御対象モデルに変換すると、その制御対象モデルは下記式（３４）により定義され、式（３４）の制御出力ｘ(k)、制御入力ｕ(k)、モデルパラメータ行列Ａ及びＢは、それぞれ下記式（３５）〜（３８）で表される。
ｘ(k+1)＝Ａｘ(k)＋Ｂｕ(k) （３４）

図７は、モデル予測制御の概要を説明するための図である。この図では、制御出力ｘ(k)を、目標値（ベクトル）ｒに一致させる制御が示されており、以下のような手順で演算が行われる。

１）現時刻ｋにおいて出力ｘ(k)を計測し、目標値ｒに徐々に近づく参照軌道ｘＲ（破線）を算出する。
２）予測式を用いて未来の出力の予測値ｘＰ(k+i)を求め、一致区間において予測値ｘＰが参照軌道ｘＲにできるだけ近づくように、現時刻ｋ以降Ｈuステップ（図７ではＨu＝２）の期間である制御区間において、制御入力ｕ(k)，ｕ(k+1)，…，ｕ(k+Ｈu-1)を、最適化演算アルゴリズムにより算出する。
３）得られた制御入力のうちｕ(k)のみを実際に制御対象に入力する。
４）時刻（ｋ＋１）以後、上記１）〜３）の手順を繰り返す。

次にモデル予測制御の詳細を説明する。式（３４）を繰り返し適用することにより、例えばｘ(k+2)は下記式（３９）で与えられ、一般に離散時間ｉ経過後の出力であるｘ(k+i)は、下記式（４０）で与えられる。

制御入力ｕは、時刻ｋから（ｋ＋Ｈu−１）までの制御区間において変化し、以後は一定値をとると仮定して、制御出力ｘの予測値ｘ(k+i)を算出し、その予測値ｘ(k+i)が一致区間において目標値と一致するように（目標値からのずれを示す評価関数Ｖの値が最小となるように）、今回の制御入力ｕ(k)が決定される。

制御入力ｕ(k)を決定するためには、式（４０）を制御入力変化量Δｕ(k)を用いた式に変換し、先ず最適な制御入力変化量Δｕ(k)optを求めて、最適制御入力変化量Δｕ(k)optを積算することにより、制御入力ｕ(k)を算出する手法が採用される。

制御入力変化量Δｕ(k)と、制御入力ｕ(k)との関係は、下記式（４１）で表される。
ｕ(k)＝Δｕ(k)＋ｕ(k-1) （４１）
式（４１）の関係を用いて式（４０）を変換すると、下記式（４２）及び（４３）が得られる。式（４２）は、離散時間ｉが１からＨuまでの期間に適用され、式（４３）は、離散時間ｉが（Ｈu＋１）からＨpまでの期間に適用される。式（４２）及び（４３）のＩは、単位行列である。式（４２）と（４３）をまとめて行列及びベクトルの形式で表すと、式（４４）が得られる。

次に評価関数Ｖを下記式（４５）で定義すると、式（４５）は式（４６）〜（４８）のようにベクトルＸ(k)、Ｔ(k)、及びΔＵ(k)を定義することにより、式（４９）のようの書き直すことができる。なお、式（４５）のＱ(i)及びＲ(i)は重み係数であり、式（４９）の重み行列Ｑ、Ｒは、式（５０）、（５１）で与えられる。

また式（４４）の係数行列を下記式（５２）〜（５４）に示すように、Ψ、Γ、Θで表すと、一致区間（ｋ＋Ｈw〜ｋ＋Ｈp）における予測値ベクトルＸ(k)は、下記式（５５）で表される。

Ｘ(k)＝Ψｘ(k)＋Γｕ(k-1)＋ΘΔｕ(k) （５５）

ここで追従誤差ε(k)を下記式（５６）で定義すると、式（４９）の評価関数Ｖは、下記式（５７）のように変形できる。
ε(k)＝Ｔ(k)−Ψｘ(k)−Γｕ(k-1) （５６）

また重み行列Ｑ、Ｒの平方根に相当する行列ＳＱ、ＳＲを下記式（５８）、（５９）で定義すると、式（６０）で表されるベクトルの二乗長が、式（５７）で示される評価関数Ｖに相当する。

したがって、最適な制御入力変化量ベクトルΔＵ(k)optは、式（６０）のベクトルの長さを最小化するΔＵ(k)として求められる。これは、ＱＲアルゴリズムを用いて求めることができる（例えば「モデル予測制御」Jan M. Maciejowski著、２００５年１月２０日、東京電機大学出版局発行（以下「文献１」という）を参照）。

文献１に示された表記法を用いれば、最適な制御入力変化量ベクトルΔｕ(k)optは、下記式（６１）、（６２）及び（６３）で示される。式（６３）のバックスラッシュ記号が、最小２乗解を求める演算を示している。またＩ_mはｍ行ｍ列の単位行列であり、Ｏ_mはｍ行ｍ列のすべての要素が「０」である行列である。すなわち行列［Ｉ_m Ｏ_m Ｏ_m…Ｏ_m］は、ベクトルΔＵ(k)から、実際に制御入力ｕ(k)の演算に使用されるベクトルΔｕ(k)のみを抽出するための行列である。
Δｕ(k)opt＝ＫＭＰＣ・ε(k) （６１）
ＫＭＰＣ＝［Ｉ_m Ｏ_m Ｏ_m…Ｏ_m］ＫＦＵＬＬ （６２）

図８は、モデル予測コントローラ６０の構成を示す機能ブロック図である。モデル予測コントローラ６０は、目標値ベクトル算出部９１と、減算部９２と、最適入力変化量算出部９３と、積算部９４と、遅延部９５と、自由応答出力算出部９６とから構成される。図８には、制御入力ｕ(k)が制御対象１００に入力され、制御出力ｘ(k)がモデル予測コントローラ６０にフィードバックされる構成が示されている。

本実施形態では、制御区間を決めるパラメータＨu及び一致区間の開始時刻を示すパラメータＨwをともに「１」とし、一致区間の終了時刻を示すパラメータＨpを「２」とし、重み行列Ｑ、Ｒは、対角要素がすべて「１」で他の要素がすべて「０」である単位行列としている（実質的に重み付け無しの設定としている）。したがって、最適入力変化量Δｕ(k)optの算出に必要な行列ＳＱ、ＳＲは、下記式（６５）、（６６）で与えられ、行列Θは、下記式（６７）で与えられる。追従誤差ε(k)の算出に必要な行列Ψ及びΓ、並びに目標値ベクトルＴ(k)は、下記式（６８）〜（７０）で与えられる。

図８の目標値ベクトル算出部９１は、目標値ベクトルＴ(k)を以下のようにして算出する。
１）現在の制御偏差ｅ(k)を下記式（７１）により算出する。ｓ(k)は、本実施形態では、下記式（７２）で与えられる、目標値ベクトル算出部９１の入力（以下「設定値ベクトル」という）である。
ｅ(k)＝ｓ(k)−ｘ(k) （７１）

２）ｉステップ後の制御偏差ｅ(k+i)を下記式（７３）により算出する。
ｅ(k+i)＝λⁱ×ｅ(k) （７３）
ここでλは、出力ｘ(k+i)が目標値ｒ(k+i)に近づく速度を示すパラメータ（以下「収束速度パラメータ」という）であり、０から１の間の値に設定される。収束速度パラメータλは、その値が小さくなるほど収束速度が速くなることを示す。

３）下記式（７４）により、参照軌道を示す目標値ｒ(k+i)を算出する。
ｒ(k+i)＝ｓ(k+i)−ｅ(k+i) （７４）
ただし、本実施形態では、未来の設定値ベクトルｓ(k+i)は、現在値ｓ(k)と等しいとして、目標値ベクトルＴ(k)は、下記式（７５）により算出される。

遅延部９５は、制御入力ｕ(k)を１サンプル周期だけ遅延させ、ｕ(k-1)を出力する。自由応答出力算出部９６は、制御出力ｘ(k)及び制御入力ｕ(k-1)を下記式（７６）に適用することにより、自由応答出力ｘＦを算出する。
ｘＦ＝Ψｘ(k)＋Γｕ(k-1) （７６）

式（７６）は、式（５５）のΔｕ(k)を「０」としたものであり、自由応答出力ｘＦは、制御入力ｕ(k)の変化が無い場合の制御出力に相当する。
減算部９２は、目標値ベクトルＴ(k)から自由応答出力ｘＦを減算する。最適入力変化量算出部９３は、式（５６）により、最適入力変化量Δｕ(k)optを算出する。積算部９４は、最適入力変化量Δｕ(k)optを積算することにより、制御入力ｕ(k)を算出する。モデル予測コントローラ６０は、算出された制御入力ｕ(k)＝（Ｇth(k) Ｇr(k) Ｇv(k)）^Tを、新気流量指令値Ｇthcmd(k)，還流ガス流量指令値Ｇrcmd(k)，及びタービンガス流量指令値Ｇvcmd(k)として出力する。

図９は、本実施形態における制御動作例を説明するためのタイムチャートであり、同図（ａ）〜（ｃ）は、制御入力ｕ(k)＝（Ｇthcmd(k) Ｇrcmd(k) Ｇvcmd(k)）^Tの推移を示し、同図（ｄ）〜（ｆ）は対応する制御出力ｘ(k)＝（Ｐiaest Ｐirest ＰＥ）^Tの推移を示す。時刻ｔ１において、吸気管内の還流ガス分圧Ｐirを高めるためにＥＧＲ弁６が開弁されるが、このときタービン１１のベーン開度は、排気圧ＰＥを一定に維持するように若干閉じ方向に制御される。また時刻ｔ２において、排気圧ＰＥを高めるためにベーン開度が閉じ方向に制御されるが、このときＥＧＲ弁６の開度は、還流ガス分圧Ｐieを一定に維持するように若干閉じ方向に制御される。また時刻ｔ３において、新気分圧Ｐiaを増加させるためにスロットル弁３が開弁されるが、このときベーン開度は、排気圧ＰＥを一定に維持するように開き方向に制御される。

このように本実施形態によれば、相互に関連しあうガスパラメータである、吸気管内の新気分圧Ｐia及び還流ガス分圧Ｐirと、排気圧ＰＥとが、それぞれの目標値に独立して整定させることが可能となる。したがって、これらのガスパラメータをエンジン１の運転状態に応じて適切に制御し、エンジン１の性能を最大限に引き出すことができる。

吸気状態制御部４３によれば、吸気状態パラメータの推定値である推定新気分圧Ｐiaest及び推定還流ガス分圧Ｐirestが算出されるとともに、排気圧の目標値Ｐeref及び吸気管内の新気分圧及び還流ガス分圧の目標値Ｐiaref，Ｐirrefが算出される。そして、検出される排気圧ＰＥ，推定新気分圧Ｐiaest及び推定還流ガス分圧Ｐirestが、それぞれの目標値Ｐeref，Ｐiaref，及びＰirrefに一致するように、モデル予測制御を用いてタービン１１のベーン開度、ＥＧＲ弁６の開度、及びスロットル弁３の開度が制御される。その結果、排気ガスの状態を最適に維持しつつ機関に吸気状態を最適に制御することができる。またモデル予測制御を用いることにより、複数入力・複数出力の制御対象の複数出力、すなわち排気圧ＰＥ、新気分圧Ｐia及び還流ガス分圧Ｐirを、それぞれ対応する目標値Ｐeref，Ｐiaref，及びＰirrefへ、同時に且つ同じ速さで一致させることが可能となる。その結果、エンジン１に吸入されるガス（新気及び還流排気ガス）の流量制御を総合的に、きめ細かく行い、機関の性能を最大限に引き出すことができる。また制御対象モデルが数式で定義することができれば、モデル予測制御の制御系を構築することができるため、様々なハードウエア構成に容易に適用することができ、汎用性が高いという利点があり、制御に必要なマップ設定のための工数を大幅に低減することができる。

またエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、定常状態に対応した定常状態目標値としての要求吸気圧Ｐidesが、要求吸気圧算出部７２により算出され、検出される過給圧ＰＢと要求吸気圧Ｐidesの小さい方を選択することにより、目標吸気圧Ｐirefが算出される。さらに目標吸気圧Ｐirefに基づいて目標還流ガス分圧Ｐirrefが実現可能な値に再設定される。これにより過給圧ＰＢの変化遅れにより目標吸気圧Ｐiref及び目標還流ガス分圧Ｐirrefが不適切な値に設定されることを防止することができる。

また大気圧ＰＡ、要求吸気圧Ｐides及び要求新気流量Ｇiadesに応じてコンプレッサホイール１５の目標仕事率Ｗcrefが算出されるとともに、検出される過給圧ＰＢ及び新気流量ＧＡに応じて、コンプレッサホイール１５の実仕事率推定値Ｗcestが算出される。そして、コンプレッサホイール１５の実仕事率推定値Ｗcestが目標仕事率Ｗcrefに一致するように目標排気圧Ｐerefが算出される。さらに、そのようにして算出される目標排気圧Ｐerefに、検出排気圧ＰＥが一致するように、ベーン開度、ＥＧＲ弁開度及びスロットル弁開度が算出される。すなわち、目標排気圧Ｐerefの算出においてマスタフィードバック制御が行われ、流量制御機構（タービンの可変ベーン１２、ＥＧＲ弁６、及びスロットル弁３）の制御量の算出においてスレーブフィードバック制御が行われるカスケード制御が実行されるので、応答の遅い過給圧制御の制御性能を向上させることができる。

制御対象モデルは、タービンの可変ベーン１２、ＥＧＲ弁６、及びスロットル弁３を通過するガスの質量流量Ｇv、Ｇr、及びＧthを制御入力として定義される（式（３４）〜（３８））ので、例えば可変ベーン１２やＥＧＲ弁６の制御量を、制御入力として定義する場合に比べて制御対象モデルを定義する数式を簡略化でき、ＥＣＵ２０のＣＰＵの演算負荷を軽減できる。また、可変ベーン１２、ＥＧＲ弁６、またはスロットル弁３の流量特性が変更されたときは、流量を弁の開度に変換する変換特性を置き換えるだけで足り、モデル予測制御を行うコントローラ６０の制御ロジックを変更する必要がない。また可変ベーン１２の開度、ＥＧＲ弁６及びスロットル弁３の弁開度をフィードバック制御するローカルフィードバック制御を追加することにより、弁開度の外乱に対する制御性能を向上させることができる。これは、一種のカスケード制御の効果であり、弁開度指令値に対する実開度の応答が十分に（コントローラ６０の制御対象である吸排気ガスの挙動と比較して）速い場合にこの効果は特に大きくなる。

図１０は、図２の燃料噴射制御部４４の構成を示すブロック図である。燃料噴射制御部４４は、偏差算出部１１１と、過渡制御部１１２と、第１指令値算出部１１３と、第２指令値算出部１１４と、第３指令値算出部１１５と、スイッチ部１１６及び１１７とを備えている。

燃料噴射制御部４４は、基本的には５つの入力パラメータ（ＴＲＱ，ＮＥ，ＧＡ，ＰＩ，ＴＩ）に応じて、燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdを算出するものである。これを、５次元のマップを用いて算出する手法を採用すると、設定点の組み合わせが膨大なものとなり、実現することは非常に難しい。そこで、本実施形態では、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥを入力パラメータとする複数の２次元マップを用いて、５つの入力パラメータ（ＴＲＱ，ＮＥ，ＧＡ，ＰＩ，ＴＩ）の値に最適な燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdを算出する手法を採用した。

より具体的には、５つの入力パラメータｒ，ｓ，ｘ，ｙ，ｚで決まる関数ｆ（r,s,x,y,z）を、下記式（１０１）で近似する。

ここで、ｆ(r,s)｜_{(xsp,ysp,zsp)}は、パラメータｘ，ｙ，ｚがそれぞれ設定値ｘｓｐ，ｙｓｐ，ｚｓｐであるときの関数ｆ(r,s)の値を示し、また偏微分係数値∂ｆ(r,s)/∂ｘ｜_{(xsp,ysp,zsp)}等も同様である。

本実施形態では、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥがパラメータｒ及びｓに相当し、吸入空気流量ＧＡ，吸気圧ＰＩ，及び吸気温ＴＩが、それぞれパラメータｘ，ｙ，及びｚに相当し、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides、及び基準吸気温Ｔinormが、それぞれ設定値ｘｓｐ、ｙｓｐ、及びｚｓｐに相当する。

したがって、ｆ（ｒ，ｓ），∂ｆ(r,s)/∂ｘ，∂ｆ(r,s)/∂ｙ，及び∂ｆ(r,s)/∂ｚを、それぞれ基本値（Ｍf，φf）、流量変化率パラメータ（Ｄmfga，Ｄφfga）、圧力変化率パラメータ（Ｄmfpi，Ｄφfpi）、吸気温変化率パラメータ（Ｄmfti，Ｄφfti）として、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じたマップに設定しておくことにより、４つの２次元マップの検索と、式（１０１）に相当する数式の演算とにより、燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdを算出することができる。

燃料噴射制御部４４は、この手法により燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdの算出を行うものである。
偏差算出部１１１は、下記式（１０２）〜（１０４）により、新気流量偏差δＧa、吸気圧偏差δＰi、及び吸気温偏差δＴiを算出する。これらの偏差が、式（１０１）の（ｘ−ｘｓｐ）、（ｙ−ｙｓｐ）、及び（ｚ−ｚｓｐ）に相当する。
δＧa＝ＧＡ−Ｇiades （１０２）
δＰi＝ＰＩ−Ｐides （１０３）
δＴi＝ＴＩ−Ｔinorm （１０４）

過渡制御部１１２は、燃焼モードパラメータＭdcmb、新気流量偏差δＧa、及び吸気圧偏差δＰiに応じて、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを算出する。エンジン１の運転状態が定常的な状態にあるときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbは、燃焼モードパラメータＭdcmbと等しくなり、燃焼モードパラメータＭdcmbが変更されたとき（例えば「１」から「２」に変更されたとき）は、新気流量偏差δＧa及び吸気圧偏差δＰiがともに所定偏差量以上である間は、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbは前回値（「１」）のまま維持され、新気流量偏差δＧa及び吸気圧偏差δＰiがともに所定偏差量より小さくなると、変更後の燃焼モードパラメータＭdcmb（「２」）に設定される。

第１指令値算出部１１３は、要求トルクＴＲＱ、エンジン回転数ＮＥ、並びに新気流量偏差δＧa、吸気圧偏差δＰi、及び吸気温偏差δＴiに応じて、リーン燃焼モードに適した第１燃料噴射量Ｍfcmd1及び第１燃料噴射時期φfcmd1を算出する。第２指令値算出部１１４は、要求トルクＴＲＱ、エンジン回転数ＮＥ、並びに新気流量偏差δＧa、吸気圧偏差δＰi、及び吸気温偏差δＴiに応じて、リッチ燃焼モードに適した第２燃料噴射量Ｍfcmd2及び第２燃料噴射時期φfcmd2を算出する。第３指令値算出部１１５は、要求トルクＴＲＱ、エンジン回転数ＮＥ、並びに新気流量偏差δＧa、吸気圧偏差δＰi、及び吸気温偏差δＴiに応じて、予混合燃焼モードに適した第３燃料噴射量Ｍfcmd3及び第３燃料噴射時期φfcmd3を算出する。

スイッチ部１１６は、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbに応じて、第１〜第３燃料噴射量Ｍfcmd1，Ｍfcmd2，Ｍfcmd3の何れか１つを選択し、燃料噴射量指令値Ｍfcmdとして出力する。スイッチ部１１７は、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbに応じて、第１〜第３燃料噴射時期φfcmd1，φfcmd2，φfcmd3の何れか１つを選択し、燃料噴射時期指令値φfcmdとして出力する。すなわち、ＦＭdcmb＝１のとき、第１燃料噴射量Ｍfcmd1及び第１燃料噴射時期φfcmd1が選択され、ＦＭdcmb＝２のとき、第２燃料噴射量Ｍfcmd2及び第２燃料噴射時期φfcmd2が選択され、ＦＭdcmb＝３のとき、第３燃料噴射量Ｍfcmd3及び第３燃料噴射時期φfcmd3が選択される。

図１１は、第１指令値算出部１１３の構成を示す図である。第１指令値算出部１１３は、第１及び第２基本値算出部１２１，１４１と，第１及び第２流量変化率パラメータ算出部１２２，１４２と、第１及び第２圧力変化率パラメータ算出部１２３，１４３と、第１及び第２温度変化率パラメータ算出部１２４，１４４と、乗算部１２５〜１２７，１４５〜１４７と、加算部１２８〜１３０，１４８〜１５０とを備えている。

第１基本値算出部１２１は、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＭf1マップを検索し、第１燃料噴射量基本値Ｍf1を算出する。第１流量変化率パラメータ算出部１２２は、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤmfga1マップを検索し、第１流量変化率パラメータＤmfga1を算出する。第１圧力変化率パラメータ算出部１２３は、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤmfpi1マップを検索し、第１圧力変化率パラメータＤmfpi1を算出する。第１温度変化率パラメータ算出部１２４は、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤmfti1マップを検索し、第１温度変化率パラメータＤmfti1を算出する。

上記Ｍf1マップ、Ｄmfga1マップ、Ｄmfpi1マップ、及びＤmfti1マップは、リーン燃焼モードに適した値が設定されており、かつ要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥにより定まる格子点は、第１要求値設定部１０１で使用されるマップの格子点と同一となるように設定されている。

乗算部１２５は、新気流量偏差δＧaに第１流量変化率パラメータＤmfga1を乗算し、乗算部１２６は、吸気圧偏差δＰiに第１圧力変化率パラメータＤmfpi1を乗算し、乗算部１２７は、吸気温偏差δＴiに第１温度変化率パラメータＤmfti1を乗算する。加算部１２８及び１２９は、乗算部１２５〜１２７の出力を加算して第１燃料噴射量補正値Ｍfcr1を算出し、加算部１３０は、第１燃料噴射量基本値Ｍf1に第１燃料噴射量補正値Ｍfcr1を加算し、第１燃料噴射量Ｍfcmd1を算出する。

第２基本値算出部１４１は、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてφf1マップを検索し、第１燃料噴射時期基本値φf1を算出する。第２流量変化率パラメータ算出部１４２は、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤφfga1マップを検索し、第２流量変化率パラメータＤφfga1を算出する。第２圧力変化率パラメータ算出部１４３は、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤφfpi1マップを検索し、第２圧力変化率パラメータＤφfpi1を算出する。第２温度変化率パラメータ算出部１４４は、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤφfti1マップを検索し、第２温度変化率パラメータＤφfti1を算出する。

上記φf1マップ、Ｄφfga1マップ、Ｄφfpi1マップ、及びＤφfti1マップは、リーン燃焼モードに適した値が設定されており、かつ要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥにより定まる格子点は、第１要求値設定部１０１で使用されるマップの格子点と同一となるように設定されている。

乗算部１４５は、新気流量偏差δＧaに第２流量変化率パラメータＤφfga1を乗算し、乗算部１４６は、吸気圧偏差δＰiに第２圧力変化率パラメータＤφfpi1を乗算し、乗算部１４７は、吸気温偏差δＴiに第２温度変化率パラメータＤφfti1を乗算する。加算部１４８及び１４９は、乗算部１４５〜１４７の出力を加算して、第１燃料噴射時期補正値φfcr1を算出し、加算部１５０は、第１燃料噴射時期基本値φf1に第１燃料噴射時期補正値φfcr1を加算し、第１燃料噴射時期φfcmd1を算出する。

したがって、第１指令値算出部１１３における第１燃料噴射量Ｍfcmd1及び第１燃料噴射時期φfcmd1の演算は、下記式（１０５）及び（１０６）で表される。
Ｍfcmd1＝Ｍf1＋Ｍfcr1
＝Ｍf1＋δＧa・Ｄmfga1＋δＰi・Ｄmfpi1＋δＴi・Ｄmfti1
（１０５）
φfcmd1＝φf1＋φfcr1
＝φf1＋δＧa・Ｄφfga1＋δＰi・Ｄφfpi1＋δＴi・Ｄφfti1
（１０６）

図１０に示す第２指令値算出部１１４及び第３指令値算出部１１５は、第１指令値算出部１１３と同様に構成され、下記式（１０７）〜（１１０）により、第２燃料噴射量Ｍfcmd2及び第２燃料噴射時期φfcmd2、並びに第３燃料噴射量Ｍfcmd3及び第３燃料噴射時期φfcmd3が算出される。
Ｍfcmd2＝Ｍf2＋Ｍfcr2
＝Ｍf2＋δＧa・Ｄmfga2＋δＰi・Ｄmfpi2＋δＴi・Ｄmfti2
（１０７）
φfcmd2＝φf2＋φfcr2
＝φf2＋δＧa・Ｄφfga2＋δＰi・Ｄφfpi2＋δＴi・Ｄφfti2
（１０８）
Ｍfcmd3＝Ｍf3＋Ｍfcr3
＝Ｍf3＋δＧa・Ｄmfga3＋δＰi・Ｄmfpi3＋δＴi・Ｄmfti3
（１０９）
φfcmd3＝φf3＋φfcr3
＝φf3＋δＧa・Ｄφfga3＋δＰi・Ｄφfpi3＋δＴi・Ｄφfti3
（１１０）

図１２及び図１３は、上述した吸気状態制御及び燃料噴射制御を実行する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間（例えば ）毎に実行される。

ステップＳ１１では、検出されるエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱを取得し、次いでエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、燃焼モードパラメータＭdcmbを決定する（ステップＳ１２）。燃焼モードパラメータＭdcmbは、選択された燃焼モードがリーン燃焼モードであれば「１」に設定され、リッチ燃焼モードであれば「２」に設定され、予混合燃焼モードであれば「３」に設定される。

ステップＳ１３では、燃焼モードパラメータＭcmbの値が「１」〜「３」のいずれであるかを判別する。燃焼モードパラメータＭcmbの値が「１」であってリーン燃焼モードが選択されているときは、ステップＳ１４に進み、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、Ｇiades1マップ、Ｐides1マップ、及びＴinorm1マップを検索し、第１要求新気流量Ｇiades1、第１要求吸気圧Ｐides1、及び第１基準吸気温Ｔinorm1を算出する。次いで、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides及び基準吸気温Ｔinormを、それぞれ算出した第１要求新気流量Ｇiades1、第１要求吸気圧Ｐides1、及び第１基準吸気温Ｔinorm1に設定する（ステップＳ１５）。

燃焼モードパラメータＭcmbの値が「２」であってリッチ燃焼モードが選択されているときは、ステップＳ１３からステップＳ１６に進み、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、Ｇiades2マップ、Ｐides2マップ、及びＴinorm2マップを検索し、第２要求新気流量Ｇiades2、第２要求吸気圧Ｐides2、及び第２基準吸気温Ｔinorm2を算出する。次いで、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides及び基準吸気温Ｔinormを、それぞれ算出した第２要求新気流量Ｇiades2、第２要求吸気圧Ｐides2、及び第２基準吸気温Ｔinorm2に設定する（ステップＳ１７）。

燃焼モードパラメータＭcmbの値が「３」であって予混合燃焼モードが選択されているときは、ステップＳ１３からステップＳ１８に進み、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、Ｇiades3マップ、Ｐides3マップ、及びＴinorm3マップを検索し、第３要求新気流量Ｇiades3、第３要求吸気圧Ｐides3、及び第３基準吸気温Ｔinorm3を算出する。次いで、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides及び基準吸気温Ｔinormを、それぞれ算出した第３要求新気流量Ｇiades3、第３要求吸気圧Ｐides3、及び第３基準吸気温Ｔinorm3に設定する（ステップＳ１９）。

ステップＳ２０では、検出される吸入空気流量ＧＡ，吸気圧ＰＩ，及び吸気温ＴＩなどの検出パラメータを取得する。ステップＳ２１では、上述した吸気状態制御を実行し、ベーン開度指令値θvcmd、スロットル弁開度指令値θthcmd、及びＥＧＲ弁開度指令値θrcmdを算出する。

続く図１３のステップＳ３１では、新気流量偏差δＧa、吸気圧偏差δＰi、及び吸気温偏差δＴiを算出する。ステップＳ３２では、ステップＳ１３と同様に、燃焼モードパラメータＭcmbの値が「１」〜「３」のいずれであるかを判別する。燃焼モードパラメータＭcmbの値が「１」であってリーン燃焼モードが選択されたときは、ステップＳ３３に進み、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを「１」に設定する。その後ステップＳ３８に進む。

燃焼モードパラメータＭcmbの値が「２」であってリッチ燃焼モードが選択されたときは、ステップＳ３２からステップＳ３４に進み、新気流量偏差δＧaの絶対値が第１所定閾値εga2（例えば０．０５×Ｇiades）より小さく、かつ吸気圧偏差δＰiの絶対値が第２所定閾値εpi2（例えば０．０５×Ｐides）より小さいか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）、すなわち｜δＧa｜≧εga2または｜δＰi｜≧εpi2が成立するときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを変更することなく（前回値を保持して）、ステップＳ３８に進む。一方ステップＳ３４の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを「２」に設定し（ステップＳ３５）、ステップＳ３８に進む。

燃焼モードパラメータＭcmbの値が「３」であって予混合燃焼モードが選択されたときは、ステップＳ３２からステップＳ３６に進み、新気流量偏差δＧaの絶対値が第３所定閾値εga3（例えば０．０５×Ｇiades）より小さく、かつ吸気圧偏差δＰiの絶対値が第４所定閾値εpi3（例えば０．０５×Ｐides）より小さいか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）、すなわち｜δＧa｜≧εga3または｜δＰi｜≧εpi3が成立するときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを変更することなく（前回値を保持して）、ステップＳ３８に進む。一方ステップＳ３６の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを「３」に設定し（ステップＳ３７）、ステップＳ３８に進む。

ステップＳ３８では、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbの値が、「１」〜「３」のいずれであるかを判別し、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbの値が「１」であるときは、第１燃料噴射指令値マップの検索処理を実行し（ステップＳ３９）、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbの値が「２」であるときは、第２燃料噴射指令値マップの検索を実行し（ステップＳ４０）、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbの値が「３」であるときは、第３燃料噴射指令値マップの検索を実行する（ステップＳ４１）。

図１４は、ステップＳ３９で実行される検索処理のフローチャートである。
ステップＳ５１では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＭf1マップを検索して、燃料噴射量基本値Ｍf1を算出し、基本燃料噴射量Ｍfmapを燃料噴射量基本値Ｍf1に設定する（ステップＳ５２）。ステップＳ５３では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＤmfga1マップを検索して、第１流量変化率パラメータＤmfga1を算出し、流量変化率パラメータＤmfgaを第１流量変化率パラメータＤmfga1に設定する（ステップＳ５４）。

ステップＳ５５では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＤmfpi1マップを検索して、第１圧力変化率パラメータＤmfpi1を算出し、圧力変化率パラメータＤmfpiを第１圧力変化率パラメータＤmfpi1に設定する（ステップＳ５６）。ステップＳ５７では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＤmfti1マップを検索して、第１温度変化率パラメータＤmfti1を算出し、温度変化率パラメータＤmftiを第１温度変化率パラメータＤmfti1に設定する（ステップＳ５８）。

ステップＳ５９では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてφf1マップを検索して、燃料噴射時期基本値φf1を算出し、基本燃料噴射時期φfmapを燃料噴射時期基本値φf1に設定する（ステップＳ６０）。ステップＳ６１では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＤφfga1マップを検索して、第２流量変化率パラメータＤφfga1を算出し、流量変化率パラメータＤφfgaを第２流量変化率パラメータＤφfga1に設定する（ステップＳ６２）。

ステップＳ６３では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてφfpi1マップを検索して、第２圧力変化率パラメータＤφfpi1を算出し、圧力変化率パラメータＤφfpiを第２圧力変化率パラメータＤφfpi1に設定する（ステップＳ６４）。ステップＳ６５では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＤφfti1マップを検索して、第２温度変化率パラメータＤφfti1を算出し、温度変化率パラメータＤφftiを第２温度変化率パラメータＤφfti1に設定する（ステップＳ６６）。

以上のようにして、リーン燃焼モードに適した基本燃料噴射量Ｍfmap、第１流量変化率パラメータＤmfga、第１圧力変化率パラメータＤmfpi、第１温度変化率パラメータＤmfti、基本燃料噴射時期φfmap、第２流量変化率パラメータＤφfga、第２圧力変化率パラメータＤφfpi、及び第２温度変化率パラメータＤφftiが算出される。

図１３に戻り、ステップＳ４０及びＳ４１の第２燃料噴射指令値マップの検索処理及び第３燃料噴射指令値マップの検索処理は、図１４に示す第１燃料噴射指令値マップの検索処理と同様に構成される。すなわち、第２燃料噴射指令値マップの検索処理では、リッチ燃焼モードに適した基本燃料噴射量Ｍfmap、第１流量変化率パラメータＤmfga、第１圧力変化率パラメータＤmfpi、第１温度変化率パラメータＤmfti、基本燃料噴射時期φfmap、第２流量変化率パラメータＤφfga、第２圧力変化率パラメータＤφfpi、及び第２温度変化率パラメータＤφftiが算出され、第３燃料噴射指令値マップの検索処理では、予混合燃焼モードに適した基本燃料噴射量Ｍfmap、第１流量変化率パラメータＤmfga、第１圧力変化率パラメータＤmfpi、第１温度変化率パラメータＤmfti、基本燃料噴射時期φfmap、第２流量変化率パラメータＤφfga、第２圧力変化率パラメータＤφfpi、及び第２温度変化率パラメータＤφftiが算出される。

ステップＳ４２では、下記式（１１１）により、燃料噴射量補正値Ｍfcrを算出し、ステップＳ４３では、下記式（１１２）により、燃料噴射時期補正値φfcrを算出する。
Ｍfcr＝δＧa・Ｄmfga＋δＰi・Ｄmfpi＋δＴi・Ｄmfti （１１１）
φfcr＝δＧa・Ｄφfga＋δＰi・Ｄφfpi＋δＴi・Ｄφfti （１１２）

ステップＳ４４では、下記式（１１３）により、燃料噴射量指令値Ｍfcmdを算出し、ステップＳ４５では、下記式（１１４）により、燃料噴射時期指令値φfcmdを算出する。
Ｍfcmd＝Ｍfmap＋Ｍfcr （１１３）
φfcmd＝φfmap＋φfcr （１１４）

以上詳述したように本実施形態では、エンジン１の吸気（新気及び還流排気）の状態を示す吸気状態パラメータとして、吸入空気流量ＧＡ、吸気圧ＰＩ、及び吸気温ＴＩが検出され、エンジン運転状態を示すエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて吸気状態パラメータの要求値である、要求新気流量Ｇiades及び要求吸気圧Ｐides、並びに基準吸気温Ｔinormが算出されるとともに、吸入空気流量ＧＡ及び吸気圧ＰＩが、それぞれ要求新気流量Ｇiades及び要求吸気圧Ｐidesと一致するように吸気状態が制御される。さらにエンジン回転数ＮＥ、要求トルクＴＲＱ、並びに吸入空気流量ＧＡ、吸気圧ＰＩ、及び吸気温ＴＩと、対応する要求値（Ｇiades、Ｐides）及び基準値（Ｔinorm）との偏差に応じて燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdが算出され、燃料噴射弁９がこれらの指令値に応じて制御される。したがって、エンジン運転状態に応じた望ましい吸気状態が実現されるとともに、その吸気状態に適した燃料噴射量及び燃料噴射時期の制御が行われ、良好な機関運転性能及び排気特性を得ることができる。

より具体的には、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて基本燃料噴射量Ｍfmap及び基本燃料噴射時期φfmapが算出されるとともに、基本燃料噴射量Ｍfmapの変化率を示す第１流量変化率パラメータＤmfga、第１圧力変化率パラメータＤmfpi、及び第１温度変化率パラメータＤmfti、並びに基本燃料噴射時期φfmapの変化率を示す第２流量変化率パラメータＤφfga、第２圧力変化率パラメータＤφfpi、及び第２温度変化率パラメータＤφftiが算出される。そして、検出される吸気状態パラメータと要求値または基準値との偏差を示す新気流量偏差δＧa、吸気圧偏差δＰi、及び吸気温偏差δＴiに、それぞれ対応する変化率パラメータ（Ｄmfga、Ｄmfpi、Ｄmfti、Ｄφfga、Ｄφfpi、Ｄφfti）を乗算して加算することにより補正値Ｍfcr、φfcrが算出される。そして、基本燃料噴射量Ｍfmap及び基本燃料噴射時期φfmapに補正値Ｍfcr、φfcrを加算することにより、燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdが算出され、これらの指令値により燃料噴射制御が行われる。したがって、吸気状態パラメータＧＡ，ＰＩ，ＴＩが要求値または基準値と完全に一致していない状態でも、その偏差δＧa、δＰi、及びδＴiに応じた適切な燃料噴射量及び燃料噴射時期の指令値が得られ、正確な制御を行うことができる。また、偏差δＧa、δＰi、及びδＴiに変化率パラメータを乗算することにより補正値Ｍfcr、φfcrを算出するようにしたので、実際の吸気状態パラメータ値に適した燃料噴射量及び燃料噴射時期の算出に使用するマップの設定点を比較的少なくし、メモリ容量やマップ設定のための工数を抑制しつつ、精度の高い燃料噴射制御を実現することができる。

さらに吸気状態パラメータに吸気温ＴＩを含めることにより、吸気温変化の影響を加味してより正確な制御を行うことができる。
また燃焼モード毎に設定されたマップを用いて、燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdを算出するようにしたので、燃焼モード毎に最適な指令値を得ることができる。

また燃焼モードパラメータＭdcmbが、リッチ燃焼モードまたは予混合燃焼モードに変更された直後において、新気流量偏差δＧa及び吸気圧偏差δＰiの絶対値が所定閾値以上であるときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbが変更前の値に維持され（図１３，ステップ３４，Ｓ３６）、変更前の燃焼モードに対応した制御用マップが使用される。そして、新気流量偏差δＧa及び吸気圧偏差δＰiの絶対値が所定閾値より小さくなると、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを燃焼モードパラメータＭdcmbと一致させ（図１３，ステップＳ３５，Ｓ３７）、変更後の燃焼モードに対応した制御用マップが使用される。燃焼モードを変更したときの過渡状態においては、新気流量偏差δＧa及び吸気圧偏差δＰiが大きくなり易いので、その偏差が小さくなるまでは変更前の燃焼モードに対応した制御マップを使用することにより、制御の安定化を図ることができる。

本実施形態では、燃料噴射弁９が燃料噴射手段に相当し、吸入空気流量センサ２１、吸気温センサ２３、及び吸気圧センサ２４が吸気状態パラメータ検出手段に相当する。またスロットル弁３、ＥＧＲ弁６、及び可変ベーン１２が吸気状態制御手段の一部を構成し、ＥＣＵ２０が燃焼モード決定手段、要求値算出手段、、吸気温度基準値算出手段、吸気状態制御手段の一部、及び燃料噴射制御手段を構成する。具体的には、燃焼モード決定部４１が燃焼モード決定手段に相当し、吸気状態パラメータ要求値設定部４２が要求値算出手段及び吸気温度基準値算出手段に相当し、吸気状態制御部４３が吸気状態制御手段の一部に相当し、燃料噴射制御部４４が燃料噴射制御手段に相当する。

［第２の実施形態］
本実施形態は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides、及び要求吸入酸素分圧Ｐiodesを算出し、要求吸気圧Ｐides及び要求吸入酸素分圧Ｐiodesを実現する吸気状態制御を行うとともに、要求吸気圧Ｐides及び要求吸入酸素分圧Ｐiodesに対応する燃料噴射制御を行うようにしたものである。要求吸入酸素分圧Ｐiodesは、吸気中の酸素分圧（以下「吸入酸素分圧」という）の要求値である。なお、要求新気流量Ｇiadesは、本実施形態では吸気状態制御部におけるコンプレッサホイール１５の目標仕事率Ｗcrefの算出にのみ適用されるものであり、特許請求の範囲に記載した「吸気状態パラメータ」に相当しない。

吸入酸素分圧に着目した制御を行うため、図１５に示すように吸気中の酸素濃度ＣＩＯを検出する吸気酸素濃度センサ３０が吸気管２に設けられている。また排気中の酸素濃度ＣＥＯを検出する排気酸素濃度センサ２６が排気管４の、タービン１１と触媒コンバータ３１との間に設けられている。

図１６は、本実施形態において、吸気状態制御及び燃料噴射制御を行う制御モジュールの構成を示す機能ブロック図である。この制御モジュールは、燃焼モード決定部４１、吸気状態パラメータ要求値設定部４２ａ、吸気状態制御部４３ａ、及び燃料噴射制御部４４ａを備えている。燃焼モード決定部４１は、第１の実施形態（図２）の燃焼モード決定部と同一である。

吸気状態パラメータ要求値設定部４２ａは、図１７に示すように、第１要求値設定部１０１ａと、第２要求値設定部１０２ａと、第３要求値設定部１０３ａと、スイッチ部１０４，１０５，及び１０６ａとを備えている。スイッチ部１０４，１０５は、図３に示すスイッチ部１０４，１０５と同一である。

第１要求値設定部１０１ａは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、リーン燃焼モードに適したＧiades1マップ、Ｐides1マップ、及びＰiodes1マップの検索を行い、第１要求新気流量Ｇiades1、第１要求吸気圧Ｐides1、及び第１要求吸入酸素分圧Ｐiodes1を算出する。第２要求値設定部１０２ａは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、リッチ燃焼モードに適したＧiades2マップ、Ｐides2マップ、及びＰiodes2マップの検索を行い、第２要求新気流量Ｇiades2、第２要求吸気圧Ｐides2、及び第２要求吸入酸素分圧Ｐiodes2を算出する。第３要求値設定部１０３ａは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、予混合燃焼モードに適したＧiades3マップ、Ｐides3マップ、及びＰiodes3マップの検索を行い、第３要求新気流量Ｇiades3、第３要求吸気圧Ｐides3、及び第３要求吸入酸素分圧Ｐiodes3を算出する。

スイッチ部１０６ａは、燃焼モードパラメータＭdcmbに応じて第１〜第３要求吸入酸素分圧Ｐiodes1，Ｐiodes2，Ｐiodes3の何れか１つを選択し、要求吸入酸素分圧Ｐiodesとして出力する。Ｍdcmb＝１のとき、第１要求吸入酸素分圧Ｐiodes1が選択され、Ｍdcmb＝２のとき、第２要求吸入酸素分圧Ｐiodes2が選択され、Ｍdcmb＝３のとき、第３要求吸入酸素分圧Ｐiodes3が選択される。

吸気状態制御部４３ａは、図１８に示すように構成される。すなわち、図４に示す吸気状態制御部４３の要求還流ガス分圧算出部５１及び減算部５８を削除し、除算部５２、乗算部５７、及びモデル予測コントローラ６０を、それぞれ除算部５２ａ、乗算部５７ａ、及びモデル予測コントローラ６０ａに変更し、さらに乗算部５７ｂを追加することにより、吸気状態制御部４３ａが得られる。

除算部５２ａは、要求吸入酸素分圧Ｐiodesを要求吸気圧Ｐidesで除算することにより、要求吸入酸素比率ＲＰＩＯを算出し、乗算部５７ａは、目標吸気圧Ｐirefに要求吸入酸素比率ＲＰＩＯを乗算して目標吸入酸素分圧Ｐiorefを算出する。乗算部５７ｂは、検出吸気圧ＰＩに検出吸気酸素濃度ＣＩＯを乗算し、吸入酸素分圧ＰＩＯを算出する。

モデル予測コントローラ６０ａには、目標排気圧Ｐeref及び検出排気圧ＰＥとともに、目標吸気圧Ｐiref、検出吸気圧ＰＩ、目標吸入酸素分圧Ｐioref、検出吸入酸素分圧ＰＩＯ、及び検出排気酸素濃度ＣＥＯが供給される。モデル予測コントローラ６０ａは、検出される排気圧ＰＥ、吸気圧ＰＩ及び吸入酸素分圧ＰＩＯが、それぞれ目標排気圧Ｐeref、目標吸気圧Ｐiref及び目標吸入酸素分圧Ｐiorefと一致するように、モデル予測制御を用いて、タービンガス流量指令値Ｇvcmd、新気流量指令値Ｇthcmd及び還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。

次に本実施形態における吸気状態制御系のモデルについて説明する。
先ず吸気圧Ｐiについては、下記式（２０１）が成立する。ここで、吸入ガス流量Ｇ'zは、下記式（２４）（再掲）で表すことができるので、これを式（２０１）に適用することにより、式（２０２）が得られる。

また吸入酸素分圧Ｐioについては、吸気管内の酸素の質量をＭioとして、下記式（２０３）が成立する。
Ｐio・Ｖi＝Ｍio・Ｒ・Ｔi （２０３）
これを微分することにより、下記式（２０４）が得られる。また、空気に含まれる酸素の比率をｒaoとし、排気に含まれる酸素の比率をｒeoとすると、下記式（２０５）が成立する。ここで空気中の酸素比率ｒaoは定数（０．２３２）であり、排気中の酸素比率ｒeoは、検出される排気酸素濃度ＣＥＯを用いる。

上記式（２０４）に、式（２０５）及び（２４）を適用すると、下記式（２０６）が得られる。

また排気圧Ｐeについては、下記式（２８）（再掲）の関係が成立するので、これに式（２４）の関係を適用して整理すると、下記式（２０７）が得られる。

式（２０２）、（２０６）、及び（２０７）をまとめ、さらにクランク角度基準に変換することにより、制御対象モデルを定義する下記式（２０８）が得られる。したがって、この式（２０８）に基づいて、上述した第１の実施形態と同一の手法により、制御入力ｕ(k)を算出することができる。

図１９は、図１７の燃料噴射制御部４４ａの構成を示すブロック図である。燃料噴射制御部４４ａは、偏差算出部１１１ａと、過渡制御部１１２ａと、第１指令値算出部１１３ａと、第２指令値算出部１１４ａ、第３指令値算出部１１５ａと、スイッチ部１１６及び１１７と、乗算部１１８とを備えている。スイッチ部１１６及び１１７は、図１０に示すものと同様に動作する。

乗算部１１８は、吸気圧ＰＩに吸気酸素濃度ＣＩＯを乗算し、吸入酸素分圧ＰＩＯを算出する。偏差算出部１１１ａは、下記式（２１１）及び（２１２）により、吸入酸素分圧偏差δＰio及び吸気圧偏差δＰiを算出する。
δＰio＝ＰＩＯ−Ｐiodes （２１１）
δＰi＝ＰＩ−Ｐides （２１２）

過渡制御部１１２ａは、燃焼モードパラメータＭdcmb、吸入酸素分圧偏差δＰio、及び吸気圧偏差δＰiに応じて、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを算出する。エンジン１の運転状態が定常的な状態にあるときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbは、燃焼モードパラメータＭdcmbと等しくなり、燃焼モードパラメータＭdcmbが変更されたとき（例えば「１」から「２」に変更されたとき）は、吸入酸素分圧偏差δＰio及び吸気圧偏差δＰiがともに所定偏差量以上である間は、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbは前回値（「１」）のまま維持され、吸入酸素分圧偏差δＰio及び吸気圧偏差δＰiがともに所定偏差量より小さくなると、変更後の燃焼モードパラメータＭdcmb（「２」）に設定される。

第１指令値算出部１１３ａは、要求トルクＴＲＱ、エンジン回転数ＮＥ、並びに吸入酸素分圧偏差δＰio及び吸気圧偏差δＰiに応じて、リーン燃焼モードに適した第１燃料噴射量Ｍfcmd1及び第１燃料噴射時期φfcmd1を算出する。第２指令値算出部１１４ａは、要求トルクＴＲＱ、エンジン回転数ＮＥ、並びに吸入酸素分圧偏差δＰio及び吸気圧偏差δＰiに応じて、リッチ燃焼モードに適した第２燃料噴射量Ｍfcmd2及び第２燃料噴射時期φfcmd2を算出する。第３指令値算出部１１５ａは、要求トルクＴＲＱ、エンジン回転数ＮＥ、並びに吸入酸素分圧偏差δＰio及び吸気圧偏差δＰiに応じて、予混合燃焼モードに適した第３燃料噴射量Ｍfcmd3及び第３燃料噴射時期φfcmd3を算出する。

図２０は、第１指令値算出部１１３ａの構成を示す図である。第１指令値算出部１１３ａは、第１及び第２基本値算出部１２１，１４１と，第１及び第２酸素分圧変化率パラメータ算出部１２２ａ，１４２ａと、第１及び第２圧力変化率パラメータ算出部１２３，１４３と、乗算部１２５ａ，１２６，１４５ａ，１４６と、加算部１２９ａ，１３０，１４９ａ，１５０とを備えている。図１１に示すブロックと同一符号を付したブロックは、図１１に示すブロックと同一の機能を有する。以下異なる点のみ説明する。

第１酸素分圧変化率パラメータ算出部１２２ａは、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤmfpio1マップを検索し、第１酸素分圧変化率パラメータＤmfpio1を算出する。上記Ｄmfpio1マップは、リーン燃焼モードに適した値が設定されており、かつ要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥにより定まる格子点は、第１要求値設定部１０１ａで使用されるマップの格子点と同一となるように設定されている。
乗算部１２５ａは、吸入酸素分圧偏差δＰioに第１酸素分圧変化率パラメータＤmfpio1を乗算し、加算部１２９ａは、乗算部１２５ａ及び１２６の出力を加算して第１燃料噴射量補正値Ｍfcr1を算出する。

第２酸素分圧変化率パラメータ算出部１４２ａは、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤφfpio1マップを検索し、第２酸素分圧変化率パラメータＤφfpio1を算出する。上記Ｄφfpio1マップは、リーン燃焼モードに適した値が設定されており、かつ要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥにより定まる格子点は、第１要求値設定部１０１ａで使用されるマップの格子点と同一となるように設定されている。
乗算部１４５ａは、吸入酸素分圧偏差δＰioに第２酸素分圧変化率パラメータＤφfpio1を乗算し、加算部１４９ａは、乗算部１４５ａ及び１４６の出力を加算して第１燃料噴射時期補正値φfcr1を算出する。

したがって、第１指令値算出部１１３ａにおける第１燃料噴射量Ｍfcmd1及び第１燃料噴射時期φfcmd1の演算は、下記式（２１３）及び（２１４）で表される。
Ｍfcmd1＝Ｍf1＋Ｍfcr1
＝Ｍf1＋δＰio・Ｄmfpio1＋δＰi・Ｄmfpi1 （２１３）
φfcmd1＝φf1＋φfcr1
＝φf1＋δＰio・Ｄφfpio1＋δＰi・Ｄφfpi1 （２１４）

図１９に示す第２指令値算出部１１４ａ及び第３指令値算出部１１５ａは、第１指令値算出部１１３ａと同様に構成され、下記式（２１５）〜（２１８）により、第２燃料噴射量Ｍfcmd2及び第２燃料噴射時期φfcmd2、並びに第３燃料噴射量Ｍfcmd3及び第３燃料噴射時期φfcmd3が算出される。
Ｍfcmd2＝Ｍf2＋Ｍfcr2
＝Ｍf2＋δＰio・Ｄmfpio2＋δＰi・Ｄmfpi2 （２１５）
φfcmd2＝φf2＋φfcr2
＝φf2＋δＰio・Ｄφfpio2＋δＰi・Ｄφfpi2 （２１６）
Ｍfcmd3＝Ｍf3＋Ｍfcr3
＝Ｍf3＋δＰio・Ｄmfpio3＋δＰi・Ｄmfpi3 （２１７）
φfcmd3＝φf3＋φfcr3
＝φf3＋δＰio・Ｄφfpio3＋δＰi・Ｄφfpi3 （２１８）

図２１及び図２２は、上述した吸気状態制御及び燃料噴射制御を実行する処理のフローチャートである。この処理は、図１２及び図１３に示す処理のステップＳ１４〜Ｓ２１，Ｓ３１，Ｓ３４，Ｓ３６，Ｓ３９〜Ｓ４３を、それぞれステップＳ１４ａ〜Ｓ２１ａ，Ｓ３１ａ，Ｓ３４ａ，Ｓ３６ａ，Ｓ３９ａ〜Ｓ４３ａに変更し、ステップＳ２０ｂを追加したものである。

ステップＳ１４ａでは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、Ｇiades1マップ、Ｐides1マップ、及びＰiodes1マップを検索し、第１要求新気流量Ｇiades1、第１要求吸気圧Ｐides1、及び第１要求吸入酸素分圧Ｐiodes1を算出する。次いで、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides及び要求吸入酸素分圧Ｐiodesを、それぞれ算出した第１要求新気流量Ｇiades1、第１要求吸気圧Ｐides1、及び第１要求吸入酸素分圧Ｐiodes1に設定する（ステップＳ１５ａ）。

ステップＳ１６ａでは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、Ｇiades2マップ、Ｐides2マップ、及びＰiodes2マップを検索し、第２要求新気流量Ｇiades2、第２要求吸気圧Ｐides2、及び第２要求吸入酸素分圧Ｐiodes2を算出する。次いで、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides及び要求吸入酸素分圧Ｐiodesを、それぞれ算出した第２要求新気流量Ｇiades2、第２要求吸気圧Ｐides2、及び第２要求吸入酸素分圧Ｐiodes2に設定する（ステップＳ１７ａ）。

ステップＳ１８ａでは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、Ｇiades3マップ、Ｐides3マップ、及びＰiodes3マップを検索し、第３要求新気流量Ｇiades3、第３要求吸気圧Ｐides3、及び第３要求吸入酸素分圧Ｐiodes3を算出する。次いで、要求新気流量Ｇiades、要求吸気圧Ｐides及び要求吸入酸素分圧Ｐiodesを、それぞれ算出した第３要求新気流量Ｇiades3、第３要求吸気圧Ｐides3、及び第３要求吸入酸素分圧Ｐiodes3に設定する（ステップＳ１９ａ）。

ステップＳ２０ａでは、検出される吸気酸素濃度ＣＩＯ，吸気圧ＰＩなどの検出パラメータを取得し、ステップＳ２１ａでは、吸気圧ＰＩに吸気酸素濃度ＣＩＯを乗算することにより、吸入酸素分圧ＰＩＯを算出する。
ステップＳ２１ａでは、図１８を参照して説明した吸気状態制御を実行し、ベーン開度指令値θvcmd、スロットル弁開度指令値θthcmd、及びＥＧＲ弁開度指令値とう）θrcmdを算出する。

続く図２２のステップＳ３１ａでは、吸入酸素分圧偏差δＰio及び吸気圧偏差δＰiを算出する。
ステップＳ３４ａでは、吸入酸素分圧偏差δＰioの絶対値が第５所定閾値εpio2（例えば０．０５×Ｐiodes）より小さく、かつ吸気圧偏差δＰiの絶対値が第２所定閾値εpi2（例えば０．０５×Ｐides）より小さいか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）、すなわち｜δＰio｜≧εpio2または｜δＰi｜≧εpi2が成立するときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを変更することなく（前回値を保持して）、ステップＳ３８に進む。一方ステップＳ３４ａの答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを「２」に設定し（ステップＳ３５）、ステップＳ３８に進む。

ステップＳ３６ａでは、吸入酸素分圧偏差δＰioの絶対値が第６所定閾値εpio3（例えば０．０５×Ｐiodes）より小さく、かつ吸気圧偏差δＰiの絶対値が第４所定閾値εpi3（例えば０．０５×Ｐides）より小さいか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）、すなわち｜δＰio｜≧εpio3または｜δＰi｜≧εpi3が成立するときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを変更することなく（前回値を保持して）、ステップＳ３８に進む。一方ステップＳ３６ａの答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、修正燃焼モードパラメータＦＭdcmbを「３」に設定し（ステップＳ３７）、ステップＳ３８に進む。

ステップＳ３９ａでは、リーン燃焼モードに対応した第１燃料噴射指令値マップの検索処理を実行し、ステップＳ４０ａでは、リッチ燃焼モードに対応した第２燃料噴射指令値マップの検索処理を実行し、ステップＳ４１ａでは、予混合燃焼モードに対応した第３燃料噴射指令値マップの検索処理を実行する。

図２３は、ステップＳ３９ａで実行される検索処理のフローチャートである。この処理は、図１４に示す処理のステップＳ５３，Ｓ５４，Ｓ６１，及びＳ６２を、それぞれステップＳ５３ａ，Ｓ５４ａ，Ｓ６１ａ，及びＳ６２ａに変更し、ステップＳ５７，Ｓ５８，Ｓ６５，及びＳ６６を削除したものである。

ステップＳ５３ａでは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＤmfpio1マップを検索して、第１酸素分圧変化率パラメータＤmfpio1を算出し、酸素分圧変化率パラメータＤmfpioを第１酸素分圧変化率パラメータＤmfpio1に設定する（ステップＳ５４ａ）。

ステップＳ６１ａでは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＤφfpio1マップを検索して、第２酸素分圧変化率パラメータＤφfpio1を算出し、酸素分圧変化率パラメータＤφfpioを第２酸素分圧変化率パラメータＤφfpio1に設定する（ステップＳ６２ａ）。

図２３の処理により、リーン燃焼モードに適した基本燃料噴射量Ｍfmap、第１酸素分圧変化率パラメータＤmfpio、第１圧力変化率パラメータＤmfpi、基本燃料噴射時期φfmap、第２酸素分圧変化率パラメータＤφfpio、及び第２圧力変化率パラメータＤφfpiが算出される。

図２２に戻り、ステップＳ４０ａ及びＳ４１ａの第２燃料噴射指令値マップの検索処理及び第３燃料噴射指令値マップの検索処理は、図２３に示す第１燃料噴射指令値マップの検索処理と同様に構成される。すなわち、第２燃料噴射指令値マップの検索処理では、リッチ燃焼モードに適した基本燃料噴射量Ｍfmap、第１酸素分圧変化率パラメータＤmfpio、第１圧力変化率パラメータＤmfpi、基本燃料噴射時期φfmap、第２酸素分圧変化率パラメータＤφfpio、及び第２圧力変化率パラメータＤφfpiが算出され、第３燃料噴射指令値マップの検索処理では、予混合燃焼モードに適した基本燃料噴射量Ｍfmap、第１酸素分圧変化率パラメータＤmfpio、第１圧力変化率パラメータＤmfpi、基本燃料噴射時期φfmap、第２酸素分圧変化率パラメータＤφfpio、及び第２圧力変化率パラメータＤφfpiが算出される。

ステップＳ４２ａでは、下記式（２１９）により、燃料噴射量補正値Ｍfcrを算出し、ステップＳ４３ａでは、下記式（２２０）により、燃料噴射時期補正値φfcrを算出する。
Ｍfcr＝δＰio・Ｄmfpio＋δＰi・Ｄmfpi （２１９）
φfcr＝δＰio・Ｄφfpio＋δＰi・Ｄφfpi （２２０）

以上詳述したように本実施形態では、吸気状態パラメータとして、吸気圧ＰＩ及び吸入酸素分圧ＰＩＯ（吸気酸素濃度ＣＩＯ）が検出され、エンジン運転状態を示すエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて吸気状態パラメータの要求値である、要求吸気圧Ｐides及び要求吸入酸素分圧Ｐiodesが算出されるとともに、吸気圧ＰＩ及び吸入酸素分圧ＰＩＯが、それぞれ要求吸気圧Ｐides及び要求吸入酸素分圧ＰＩＯと一致するように吸気状態が制御される。またエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱ、並びに吸気圧ＰＩ及び吸入酸素分圧ＰＩＯと対応する要求値（Ｐides、Ｐiodes）との偏差に応じて燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdが算出され、燃料噴射弁９がこれらの指令値に応じて制御される。したがって、エンジン運転状態に応じた望ましい吸気状態が実現されるとともに、その吸気状態に適した燃料噴射量及び燃料噴射時期の制御が行われ、良好な機関運転性能及び排気特性を得ることができる。

より具体的には、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて基本燃料噴射量Ｍfmap及び基本燃料噴射時期φfmapが算出されるとともに、基本燃料噴射量Ｍfmapの変化率を示す第１圧力変化率パラメータＤmfpi及び第１酸素分圧変化率パラメータＤφfpio、並びに基本燃料噴射時期φfmapの変化率を示す第２圧力変化率パラメータＤφfpi及び第２酸素分圧変化率パラメータＤφfpioが算出される。そして、検出される吸気状態パラメータと要求値との偏差を示す吸気圧偏差δＰi及び吸入酸素分圧偏差δＰioに、それぞれ対応する変化率パラメータ（Ｄmfpi、Ｄmfpio、Ｄφfpi、及びＤφfpio）を乗算して加算することにより補正値Ｍfcr、φfcrが算出される。基本燃料噴射量Ｍfmap及び基本燃料噴射時期φfmapに補正値Ｍfcr、φfcrを加算することにより、燃料噴射量指令値Ｍfcmd及び燃料噴射時期指令値φfcmdが算出され、これらの指令値により燃料噴射制御が行われる。したがって、吸気状態パラメータＰＩ及びＰＩＯが要求値と完全に一致していない状態でも、その偏差δＰi及びδＰioに応じた適切な燃料噴射量及び燃料噴射時期の指令値が得られ、正確な制御を行うことができる。また、偏差δＰi及びδＰioに変化率パラメータを乗算することにより補正値Ｍfcr、φfcrを算出するようにしたので、実際の吸気状態パラメータ値に適した燃料噴射量及び燃料噴射時期の算出に使用するマップの設定点を比較的少なくし、メモリ容量やマップ設定のための工数を抑制しつつ、精度の高い燃料噴射制御を実現することができる。

本実施形態では、吸気圧センサ２４及び吸気酸素濃度センサ３０が吸気状態パラメータ検出手段に相当する。また、スロットル弁３、ＥＧＲ弁６、及び可変ベーン１２が吸気状態制御手段の一部を構成し、ＥＣＵ２０が燃焼モード決定手段、要求値算出手段、吸気状態制御手段の一部、及び燃料噴射制御手段を構成する。具体的には、燃焼モード決定部４１が燃焼モード決定手段に相当し、吸気状態パラメータ要求値設定部４２ａが要求値算出手段に相当し、吸気状態制御部４３ａが吸気状態制御手段の一部に相当し、燃料噴射制御部４４ａが燃料噴射制御手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１の実施形態において、吸気状態パラメータとして、吸気圧ＰＩ、還流ガス流量ＧＲ、及び吸気温ＴＩ、あるいは吸入空気流量（吸入新気流量）ＧＡ、還流ガス流量ＧＲ、及び吸気温ＴＩを用いるようにしてもよい。また第２の実施形態において、吸気状態パラメータとして、吸気圧ＰＩ及び不活性ガス分圧ＰＩＩ、あるいは吸入酸素分圧ＰＩＯ及び不活性ガス分圧ＰＩＩを用いるようにしてもよい。

以下にこのような吸気状態パラメータを採用しても、燃料噴射制御を適切に行うことができる理由を説明する。
燃料噴射制御を適切に行うためには、燃焼室内の酸素質量Ｍo及び不活性ガス質量Ｍiを所望値に制御することが必要である。吸気圧ＰＩは、下記式（３０１）で示すように、吸入酸素分圧ＰＩＯと、吸入不活性ガス分圧ＰＩＩとの和に等しい。
ＰＩ＝ＰＩＯ＋ＰＩＩ （３０１）

また燃焼室内の全ガス質量Ｍtは、燃焼室内の酸素質量Ｍoと、不活性ガス質量Ｍiとの和に等しい。さらに前記式２０（ＰＶ＝ＭＲＴ）の関係、及びエンジンの体積効率を考慮すると、吸気圧ＰＩ、吸入酸素分圧ＰＩＯ、及び吸入不活性ガス分圧ＰＩＩは、下記式（３０２）〜（３０４）で表すことができる。
ＰＩ＝ｋＥＶ×Ｍt （３０２）
ＰＩＯ＝ｋＥＶ×Ｍo （３０３）
ＰＩＩ＝ｋＥＶ×Ｍi （３０４）
ここで、ｋＥＶは、式（２０）の関係及びエンジンの体積効率を考慮して算出される係数である。

したがって、酸素質量Ｍo及び不活性ガス質量Ｍiを所望値に制御するには、吸気圧ＰＩ、吸入酸素分圧ＰＩＯ、及び吸入不活性ガス分圧ＰＩＩのうちのいずれか２つを要求値に制御すればよい。いずれか２つが決まると残りの１つは、式（３０１）の関係から決まるからである。
吸入不活性ガス分圧ＰＩＩは、検出される吸気圧ＰＩから吸入酸素分圧ＰＩＯを減算することにより、求めることができる。

一方、吸気圧ＰＩは下記式（３０５）で示すように、新気分圧ＰＩＡと、還流ガス分圧ＰＩＲとの和で表すこともできる。
ＰＩ＝ＰＩＡ＋ＰＩＲ （３０５）
また、吸入酸素分圧ＰＩＯ及び吸入不活性ガス分圧ＰＩＩは、下記式（３０６）及び（３０７）で表すことができる。ｒeo及びｒaoは、それぞれ排気中の酸素比率、及び空気中の酸素比率である。
ＰＩＯ＝ｒeo×ＰＩＲ＋ｒao×ＰＩＡ （３０６）
ＰＩＩ＝（１−ｒeo）×ＰＩＲ＋（１−ｒao）×ＰＩＡ （３０７）

上記式（３０５）〜（３０７）で示される関係を用いると、吸気圧ＰＩ，新気分圧ＰＩＡ，及び還流ガス分圧ＰＩＲのうちのいずれか２つを制御することにより、酸素質量Ｍo及び不活性ガス質量Ｍiを所望値に制御することができる。すなわち、吸気圧ＰＩ，新気分圧ＰＩＡ，及び還流ガス分圧ＰＩＲのうちのいずれか２つを吸気状態パラメータとして採用してもよい。

ただし、実際には新気分圧ＰＩＡ及び還流ガス分圧ＰＩＲを直接検出することは困難であるため、相関のある検出可能なパラメータである新気流量、すなわち吸入空気流量ＧＡと、還流ガス流量ＧＲとを用いることが望ましい。吸気圧ＰＩ，新気分圧ＰＩＡ，及び還流ガス分圧ＰＩＲは、下記式（３０８）〜（３１０）で表すことができるので（式（２４）、（２６）参照）、新気分圧ＰＩＡ及び還流ガス分圧ＰＩＲに代えて、吸入空気流量ＧＡ及び還流ガス流量ＧＲを吸気状態パラメータとして使用可能である。
ＰＩ＝ｋ_ηV×ＧＺ （３０８）
ＰＩＡ＝ｋ_ηV×ＧＡ （３０９）
ＰＩＲ＝ｋ_ηV×ＧＲ （３１０）

ここで、ＧＺは、吸入空気流量ＧＡと、還流ガス流量ＧＲとを加算した吸入ガス流量であり、還流ガス流量ＧＲは、式（３０８）の関係を用いて算出される吸入ガス流量ＧＺから吸入空気流量ＧＡを減算することにより、算出することができる。

また上述した実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関の制御に適用した例を示したが、ガソリン内燃機関の制御にも適用可能である。ガソリン内燃機関についてには、吸気管内に燃料噴射を行う場合にも適用可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 内燃機関の吸気状態制御及び燃料噴射制御を行う制御モジュールの構成を示す機能ブロック図である。 図２の吸気状態パラメータ要求値設定部の構成を示すブロック図である。 図２の吸気状態制御部の構成を示すブロック図である。 図４の要求還流ガス圧算出部の構成を示すブロック図である。 図４の分圧推定部の構成を示すブロック図である。 モデル予測制御の概要を説明するための図である。 図４に示すモデル予測コントローラの構成を示すブロック図である。 制御動作例を説明するためのタイムチャートである。 図２の燃料噴射制御部の構成を示すブロック図である。 図１０の第１指令値算出部の構成を示す図である。 吸気状態制御及び燃料噴射制御を実行する処理のフローチャートである。 吸気状態制御及び燃料噴射制御を実行する処理のフローチャートである。 図１３の処理で実行される第１燃料噴射指令値マップの検索処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 内燃機関の吸気状態制御及び燃料噴射制御を行う制御モジュールの構成を示す機能ブロック図である。 図１６の吸気状態パラメータ要求値設定部の構成を示すブロック図である。 図１６の吸気状態制御部の構成を示すブロック図である。 図１６の燃料噴射制御部の構成を示すブロック図である。 図１９の第１指令値算出部の構成を示す図である。 吸気状態制御及び燃料噴射制御を実行する処理のフローチャートである。 吸気状態制御及び燃料噴射制御を実行する処理のフローチャートである。 図２２の処理で実行される第１燃料噴射指令値マップの検索処理のフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
３ スロットル弁（吸気状態制御手段）
６ 排気還流弁（吸気状態制御手段）
８ ターボチャージャ
９ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
１２ 可変ベーン（吸気状態制御手段）
２０ 電子制御ユニット（燃焼モード決定手段、要求値算出手段、吸気温度基準値算出手段、吸気状態制御手段、燃料噴射制御手段）
２１ 吸入空気流量センサ（吸気状態パラメータ検出手段）
２３ 吸気温センサ（吸気状態パラメータ検出手段）
２４ 吸気圧センサ（吸気状態パラメータ検出手段）
３０ 吸気酸素濃度センサ（吸気状態パラメータ検出手段）
４１ 燃焼モード決定部（燃焼モード決定手段）
４２，４２ａ 吸気状態パラメータ要求値設定部（目標値算出手段、吸気温度基準値算出手段）
４３，４３ａ 吸気状態制御部（吸気状態制御手段）
４４，４４ａ 燃料噴射制御部（燃料噴射制御手段）

Claims (7)

1. 内燃機関の吸気管または燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えた内燃機関の制御装置において、
   前記機関へ導入する吸気の状態を示す吸気状態パラメータを検出する吸気状態パラメータ検出手段と、
   前記機関の運転状態を示す運転状態パラメータに応じて前記吸気状態パラメータの要求値を算出する要求値算出手段と、
   前記吸気状態パラメータが前記要求値と一致するように前記吸気状態を制御する吸気状態制御手段と、
   前記運転状態パラメータ、及び前記吸気状態パラメータと前記要求値との偏差に応じて制御値を算出し、該制御値により前記燃料噴射手段による燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段とを備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記運転状態パラメータに応じて基本制御値を算出する基本制御値算出手段と、前記運転状態パラメータに応じて前記基本制御値の変化率を示す変化率パラメータを算出する変化率パラメータ算出手段と、前記吸気状態パラメータと前記要求値との偏差に前記変化率パラメータを乗算することにより補正値を算出する補正値算出手段と、前記基本制御値を前記補正値で補正することにより、前記燃料噴射量の制御値を算出する制御値算出手段とを備え、該制御値算出手段により算出される制御値により前記燃料噴射制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴射制御手段は、前記運転状態パラメータ、及び前記吸気状態パラメータと前記要求値との偏差に応じて、前記燃料噴射手段による燃料噴射時期を制御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。
3. 前記吸気状態パラメータは、吸気圧、吸入酸素分圧、及び吸入不活性ガス分圧のうちのいずれか２つであ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。
4. 前記機関は排気を吸気系に還流させる排気還流機構を備え、前記吸気状態パラメータは、吸気圧、吸入新気流量、及び還流排気流量のうちのいずれか２つであ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。
5. 前記吸気状態パラメータは、さらに吸気温度を含み、吸気温度の基準値を算出する吸気温度基準値算出手段をさらに備え、前記燃料噴射制御手段は、検出される吸気温度と前記基準値との偏差に応じた制御を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記運転状態パラメータに応じて前記機関の燃焼モードを決定する燃焼モード決定手段を備え、前記燃料噴射制御手段は、前記燃焼モードに対応して設定された制御用マップを用いて前記制御値の算出を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記燃焼モード決定手段が燃焼モードを変更した場合において、前記燃料噴射制御手段は、前記偏差の絶対値が所定閾値以上であるときは、変更前の燃焼モードに対応した制御用マップを使用し、前記偏差の絶対値が前記所定閾値より小さいときは、変更後の燃焼モードに対応した制御用マップを使用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。

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