JP7234749B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、内燃機関の制御装置及び制御方法に関する。

特許文献１には、無過給状態でかつ理論空燃比で実行するストイキ燃焼モードと、過給状態でかつ理論空燃比よりもリーンな空燃比で実行するリーン燃焼モードとを切り替えるエンジンが記載されている。このエンジンは、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの切り替え過渡時に、過給圧を上昇しながら、失火しない限度で点火時期を遅角する。これにより、エンジンは、切り替え前のトルクを維持しながら過給圧を高める。そして、過給圧が目標過給圧に到達すれば、エンジンは、空燃比をリーン空燃比へ変化させる。

特開２０１８－４８６１０号公報

混合気の燃料比を理論空燃比よりもリーンにすると、三元触媒は排気ガス中のＮＯｘを浄化することができない。そのため、エンジンは、リーン燃焼運転中に燃焼室内で発生するＲａｗＮＯｘが少なくなるよう、混合気を大幅にリーンにしなければならない。尚、「燃料比」の文言は、ここでは、燃焼室内の空気と燃料との比率（つまりＡ／Ｆ）、及び、燃焼室内のガスと燃料との比率（つまりＧ／Ｆ）の総称として用いている。

一方、目標の燃料比となるように調節を行っても、燃焼室内に導入する空気量及び／又はＥＧＲガス量を調節するデバイスのばらつきや、燃料比を計測するセンサのばらつきに起因して、実際の燃料比は、目標の燃料比に対してばらつく。

目標の燃料比を大幅にリーンにした場合に、実際の燃料比が、その目標燃料比によりもリーンになると、混合気が過剰にリーンになってしまい燃焼が不安定になる恐れがある。

ここに開示する技術は、リーン燃焼運転が可能な内燃機関において、ＮＯｘの排出抑制と、燃焼安定性の確保とを両立する。

ここに開示する技術は、燃焼室内に導入される混合気の燃料比を理論空燃比よりも大きくして運転するリーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御方法に関する。この制御方法は、
制御部が、前記内燃機関の運転状態に応じて、混合気の燃料比の目標値を設定するステップと、
前記制御部が、燃料比の実際のばらつき度合いに基づき、前記設定した目標値に対して、燃料比がリーン側に最大限ずれた場合の燃料比を推定するステップと、
前記制御部が、前記推定した燃料比が、燃焼安定性に基づき定まるリーン限界を超える場合に、前記目標値よりもリッチな初期値を設定するステップと、
前記制御部が、前記初期値となるように、状態量調整部及び燃料供給部を通じて前記内燃機関の筒内状態量及び燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させるステップと、
前記制御部が、前記燃焼ステップの後、前記目標値となるように、又は、前記目標値に近づいた燃料比となるように、前記状態量調整部及び前記燃料供給部を通じて前記筒内状態量及び前記燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させるステップと、
を備えている。

この構成によると、制御部は、内燃機関の運転状態に応じて混合気の燃料比の目標値を設定する。目標値は、例えばＲａｗＮＯｘが少なくなる燃料比となるよう設定してもよい。その場合、燃料比は、理論空燃比よりも大幅にリーンになる。

制御部は、目標値を設定すると、燃料比の実際のばらつき度合いに基づき、燃料比が、目標値に対してリーン側に最大限ずれた場合の燃料比を推定する。燃料比の実際のばらつき度合いは、内燃機関の運転中に計測をした各種計測値に基づいて定めてもよい。推定した燃料比がリーン限界を超える場合は、燃焼が不安定になる恐れがある。制御部は、推定した燃料比がリーン限界を超える場合、目標値よりもリッチな初期値を設定する。初期値は、ＲａｗＮＯｘが多くならないような値に設定してもよい。尚、推定した燃料比がリーン限界を超えない場合、初期値の設定は行わなくてもよい。

制御部は、設定した初期値となるように筒内状態量と燃料量とを調節する。筒内状態量の調節は、筒内に導入する空気量及びＥＧＲガス量の調節である。実際の燃料比がリーン側に最大限ずれたとしても、燃料比はリーン限界を超えない。混合気は安定的に燃焼する。

制御部は、燃焼ステップの後、目標値となるように、又は、目標値に近づいた燃料比となるように、筒内状態量と燃料量とを調節する。つまり、燃料比を、初期値よりもリーンな燃料比にする。混合気を安定的に燃焼させながら、混合気の燃料比を、内燃機関の運転状態に対応した燃料比に変更することができる。その結果、リーン燃焼運転が可能な内燃機関において、ＮＯｘの排出抑制と、燃焼安定性の確保とが両立する。内燃機関がリーン燃焼運転することにより、当該内燃機関が搭載された自動車は、燃費性能が向上する。

前記制御部は、前記燃料比を前記目標値に近づけるステップを複数回実行する、としてもよい。

つまり、制御部は、混合気の燃料比を、初期値から目標値へ徐々に近づける。これにより、ＮＯｘの排出が抑制されると共に、混合気の燃焼安定性が確保される。

前記制御部は、実際の燃料比が前記リーン限界を超えた場合には、前記燃料比を前記目標値に近づけることを中止する、としてもよい。

こうすることで、燃料比は過剰にリーンにならないから、混合気の燃焼が不安定になることが抑制される。

前記制御部は、燃料量を一定にしかつ、スロットル弁の開度を大きくすることによって、前記燃料比を前記目標値に近づける、としてもよい。

こうすることで、燃焼安定性を維持しながら、燃料比を目標値に近づけることが可能になる。

前記制御部は、前記内燃機関をストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へ切り替える場合に、前記初期値を設定する。

ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へ切り替える場合、混合気の燃料比は大きく変化する。切り替え時の燃料比のばらつきが大きくなり、実際の燃料比が目標値からずれることによって、リーン限界を超えてしまう恐れがある。

ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へ切り替える場合に、初期値に基づく燃料比の調節を行えば、ＮＯｘの排出抑制と燃焼安定性の確保とを両立させることができる。

ここに開示する技術は、リーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御装置に係る。この制御装置は、前記内燃機関に取り付けられた燃料供給部と、前記内燃機関の筒内状態量を調節する状態量調節部と、前記内燃機関の運転状態に応じて設定した混合気の燃料比の目標値に従って、前記燃料供給部及び前記状態量調節部に制御信号を出力する制御部と、を備える。

前記制御部は、
燃料比の実際のばらつき度合いに基づき、前記設定した目標値に対して、燃料比がリーン側に最大限ずれた場合の燃料比を推定する推定部と、
前記推定した燃料比が、燃焼安定性に基づき定まるリーン限界を超える場合に、前記目標値よりもリッチな初期値を設定する初期値設定部と、
前記初期値となるように、前記状態量調節部及び前記燃料供給部を通じて前記筒内状態量及び燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させる燃料比調節部と、を有し、
前記燃料比調節部は、前記燃焼の後、前記目標値となるように、又は、前記目標値に近づいた燃料比となるように、前記状態量調節部及び前記燃料供給部を通じて前記筒内状態量及び前記燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させる。

前記燃料比調節部は、前記燃料比を前記目標値に近づけることを複数回実行する、としてもよい。

前記燃料比調節部は、実際の燃料比が前記リーン限界を超えた場合には、前記燃料比を前記目標値に近づけることを中止する、としてもよい。

前記燃料比調節部は、前記燃料量を一定にしかつ、スロットル弁の開度を大きくすることによって、前記燃料比を前記目標値に近づける、としてもよい。

前記制御部は、前記内燃機関をストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へ切り替える場合に、前記初期値を設定する。

以上説明したように、前記の内燃機関の制御装置及び制御方法は、リーン燃焼運転が可能な内燃機関において、ＮＯｘの排出抑制と、燃焼安定性の確保とを両立することができる。

図１は、エンジンの構成を例示する図である。 図２は、燃焼室の構成を例示する図であり、上図は燃焼室の平面視相当図、下図はII－II線断面図である。 図３は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。 図４は、ＳＰＣＣＩ燃焼の波形を例示する図である。 図５は、エンジンの運転マップを例示する図である。 図６は、燃料比とＲａｗＮＯｘとの関係、及び、燃料比とＳＤＩとの関係を例示する図である。 図７は、燃料比の調節に関する制御を実行するＥＣＵの機能ブロックを例示するブロック図である。 図８は、エンジンの基本制御を例示するフローチャートである。 図９は、目標燃料比の設定に係るフローチャートである。 図１０は、ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転への切り替え時における、運転モード、燃料比、スロットル開度、燃料噴射量、及びＲａｗＮＯｘの変化を例示するタイムチャートである。

以下、内燃機関の制御装置に関する実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、内燃機関としてのエンジン、及び、エンジンの制御装置の一例である。

図１は、エンジンシステムの構成を例示する図である。図２は、エンジンの燃焼室の構成を例示する図である。尚、図１における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図２における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図３は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。

エンジン１は、燃焼室１７が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する４ストロークエンジンである。エンジン１は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン１が運転することによって、自動車は走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であればよい。燃料は、例えばバイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。

（エンジンの構成）
エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている。図１及び図２では、一つのシリンダ１１のみを示す。エンジン１は、多気筒エンジンである。

各シリンダ１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。尚、「燃焼室」は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。

シリンダヘッド１３の下面、つまり、燃焼室１７の天井面は、図２の下図に示すように、傾斜面１３１１と、傾斜面１３１２とによって構成されている。傾斜面１３１１は、吸気側から、後述するインジェクタ６の噴射軸心Ｘ２に向かって上り勾配となっている。傾斜面１３１２は、排気側から噴射軸心Ｘ２に向かって上り勾配となっている。燃焼室１７の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。

ピストン３の上面は燃焼室１７の天井面に向かって***している。ピストン３の上面には、キャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は、ピストン３の上面から凹陥している。キャビティ３１は、この構成例では、浅皿形状を有している。キャビティ３１の中心は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側にずれている。

エンジン１の幾何学的圧縮比は、１０以上３０以下に設定されている。後述するようにエンジン１は、一部の運転領域において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、ＣＩ燃焼をコントロールする。エンジン１は、圧縮着火式である。このエンジン１は、ピストン３が圧縮上死点に至った時の燃焼室１７の温度（つまり、圧縮端温度）を高くする必要がない。エンジン１は、幾何学的圧縮比を、比較的低く設定することが可能である。幾何学的圧縮比を低くすると、冷却損失の低減、及び、機械損失の低減に有利になる。エンジン１の幾何学的圧縮比は、レギュラー仕様（燃料のオクタン価が９１程度の低オクタン価燃料）においては、１４～１７とし、ハイオク仕様（燃料のオクタン価が９６程度の高オクタン価燃料）においては、１５～１８としてもよい。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、吸気ポート１８が形成されている。吸気ポート１８は、図示は省略するが、第１吸気ポート及び第２吸気ポートを有している。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート１８は、燃焼室１７の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。

吸気ポート１８には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間を開閉する。吸気弁２１は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図３に示すように、可変動弁機構は、吸気電動Ｓ－ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３を有している。吸気電動Ｓ－ＶＴ２３は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。吸気弁２１の開弁タイミング及び閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、油圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。吸気弁２１及び吸気電動Ｓ－ＶＴ２３は、状態量調節部の一例である。

シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、排気ポート１９が形成されている。排気ポート１９も、第１排気ポート及び第２排気ポートを有している。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。

排気ポート１９には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間を開閉する。排気弁２２は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図３に示すように、可変動弁機構は、排気電動Ｓ－ＶＴ２４を有している。排気電動Ｓ－ＶＴ２４は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。排気弁２２の開弁タイミング及び閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、油圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。排気弁２２及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４は、状態量調節部の一例である。

吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４は、吸気弁２１と排気弁２２との両方が開弁するオーバーラップ期間の長さを調節する。オーバーラップ期間の長さを長くすると、燃焼室１７の中の残留ガスを掃気することができる。また、オーバーラップ期間の長さを調節することによって、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室１７の中に導入することができる。吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４は、内部ＥＧＲシステムを構成している。尚、内部ＥＧＲシステムは、Ｓ－ＶＴによって構成されるものに限らない。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ６は、燃料供給部の一例である。インジェクタ６は、傾斜面１３１１と傾斜面１３１２とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。図２に示すように、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に位置している。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、中心軸Ｘ１に平行である。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２とキャビティ３１の中心とは一致している。インジェクタ６は、キャビティ３１に対向している。尚、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１と一致していてもよい。その構成の場合に、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２と、キャビティ３１の中心とは一致していてもよい。

インジェクタ６は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ６は、図２に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室１７の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。インジェクタ６は、本構成例においては、十個の噴孔を有しており、噴孔は、周方向に等角度に配置されている。

インジェクタ６には、燃料供給システム６１が接続されている。燃料供給システム６１は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク６３と、燃料タンク６３とインジェクタ６とを互いに連結する燃料供給路６２とを備えている。燃料供給路６２には、燃料ポンプ６５とコモンレール６４とが介設している。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を送る。燃料ポンプ６５は、この構成例においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール６４は、燃料ポンプ６５から送られた燃料を、高い燃料圧力で蓄える。インジェクタ６が開弁すると、コモンレール６４に蓄えられていた燃料が、インジェクタ６の噴口から燃焼室１７の中に噴射される。燃料供給システム６１は、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ６に供給することが可能である。インジェクタ６に供給する燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム６１の構成は、前記の構成に限定されない。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ２５は、この構成例では、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも吸気側に配設されている。点火プラグ２５は、２つの吸気ポート１８の間に位置している。点火プラグ２５は、上方から下方に向かって、燃焼室１７の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ２５の電極は、図２に示すように、燃焼室１７の中に臨んでかつ、燃焼室１７の天井面の付近に位置している。尚、点火プラグ２５を、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ２５をシリンダ１１の中心軸Ｘ１上に配置してもよい。

エンジン１の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に連通している。燃焼室１７に導入するガスは、吸気通路４０を流れる。吸気通路４０の上流端部には、エアクリーナー４１が配設されている。エアクリーナー４１は、新気を濾過する。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ１１の吸気ポート１８に接続されている。

吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットル弁４３が配設されている。スロットル弁４３は、弁の開度を調節することによって、燃焼室１７の中への新気の導入量を調節する。スロットル弁４３は状態量調節部の一例である。

吸気通路４０にはまた、スロットル弁４３の下流に、過給機４４が配設されている。過給機４４は、燃焼室１７に導入するガスを過給する。この構成例において、過給機４４は、エンジン１によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機４４は、ルーツ式、リショルム式、ベーン式、又は遠心式であってもよい。

過給機４４とエンジン１との間には、電磁クラッチ４５が介設している。電磁クラッチ４５は、過給機４４とエンジン１との間で、エンジン１から過給機４４へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ＥＣＵ１０が電磁クラッチ４５の接続及び遮断を切り替えることによって、過給機４４はオンとオフとが切り替わる。

吸気通路４０における過給機４４の下流には、インタークーラー４６が配設されている。インタークーラー４６は、過給機４４において圧縮されたガスを冷却する。インタークーラー４６は、例えば水冷式又は油冷式に構成してもよい。

吸気通路４０には、バイパス通路４７が接続されている。バイパス通路４７は、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスするよう、吸気通路４０における過給機４４の上流部とインタークーラー４６の下流部とを互いに接続する。バイパス通路４７には、エアバイパス弁４８が配設されている。エアバイパス弁４８は、バイパス通路４７を流れるガスの流量を調節する。

ＥＣＵ１０は、過給機４４をオフにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を遮断したとき）に、エアバイパス弁４８を全開にする。吸気通路４０を流れるガスは、過給機４４をバイパスして、エンジン１の燃焼室１７に導入される。エンジン１は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。

過給機４４をオンにすると、エンジン１は過給状態で運転する。ＥＣＵ１０は、過給機４４をオンにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を接続したとき）に、エアバイパス弁４８の開度を調節する。過給機４４を通過したガスの一部は、バイパス通路４７を通って過給機４４の上流に逆流する。ＥＣＵ１０がエアバイパス弁４８の開度を調節すると、燃焼室１７に導入するガスの過給圧が変わる。尚、過給時とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧を超える時をいい、非過給時とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧以下になる時をいう、と定義してもよい。

この構成例においては、過給機４４とバイパス通路４７とエアバイパス弁４８とによって、過給システム４９が構成されている。過給システム４９は状態量調節部の一例である。

エンジン１は、燃焼室１７内に、スワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール流は、図２に白抜きの矢印で示すように流れる。スワール発生部は、吸気通路４０に取り付けられたスワールコントロール弁５６を有している。スワールコントロール弁５６は、詳細な図示は省略するが、二つの吸気ポート１８のうちの一方の吸気ポート１８につながるプライマリ通路と、他方の吸気ポート１８につながるセカンダリ通路との内の、セカンダリ通路に配設されている。スワールコントロール弁５６は、セカンダリ通路の断面を絞ることができる開度調節弁である。スワールコントロール弁５６の開度が小さいと、一方の吸気ポート１８から燃焼室１７に入る吸気流量が相対的に多くかつ、他方の吸気ポート１８から燃焼室１７に入る吸気流量が相対的に少ないから、燃焼室１７内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁５６の開度が大きいと、二つの吸気ポート１８のそれぞれから燃焼室１７に入る吸気流量が略均等になるから、燃焼室１７内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁５６を全開にすると、スワール流が発生しない。

エンジン１の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各シリンダ１１の排気ポート１９に連通している。排気通路５０は、燃焼室１７から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ１１の排気ポート１９に接続されている。

排気通路５０には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒５１１と、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）５１２とを有している。下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配設されている。下流の触媒コンバーターは、三元触媒５１３を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、ＧＰＦは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びＧＰＦの並び順は、適宜変更してもよい。

吸気通路４０と排気通路５０との間には、外部ＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、排気ガスの一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０における過給機４４の上流部に接続されている。ＥＧＲ通路５２を流れるＥＧＲガスは、バイパス通路４７のエアバイパス弁４８を通らずに、吸気通路４０における過給機４４の上流部に入る。

ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、排気ガスを冷却する。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲ弁５４が配設されている。ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲ通路５２を流れる排気ガスの流量を調節する。ＥＧＲ弁５４の開度を調節することによって、冷却した排気ガス、つまり外部ＥＧＲガスの還流量を調節することができる。

この構成例において、ＥＧＲシステム５５は、外部ＥＧＲシステムと、内部ＥＧＲシステムとによって構成されている。外部ＥＧＲシステムは、内部ＥＧＲシステムよりも低温の排気ガスを、燃焼室１７に供給することができる。ＥＧＲシステム５５は、状態量調節部の一例である。

図１及び図３において、符号５７は、クランクシャフト１５に連結されたオルタネータ５７である。オルタネータ５７は、エンジン１によって駆動される。

内燃機関の制御装置は、エンジン１を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０を備えている。ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図３に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をする入出力バス１０３と、を備えている。ＥＣＵ１０は、制御部の一例である。

ＥＣＵ１０には、図１及び図３に示すように、各種のセンサＳＷ１～ＳＷ１７が接続されている。センサＳＷ１～ＳＷ１７は、信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。

エアフローセンサＳＷ１：吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる新気の流量を計測する
第１吸気温度センサＳＷ２：吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる新気の温度を計測する
第１圧力センサＳＷ３：吸気通路４０におけるＥＧＲ通路５２の接続位置よりも下流でかつ、過給機４４の上流に配置されかつ、過給機４４に流入するガスの圧力を計測する
第２吸気温度センサＳＷ４：吸気通路４０における過給機４４の下流でかつ、バイパス通路４７の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機４４から流出したガスの温度を計測する
第２圧力センサＳＷ５：サージタンク４２に取り付けられかつ、過給機４４の下流のガスの圧力を計測する
筒内圧センサＳＷ６：各シリンダ１１に対応してシリンダヘッド１３に取り付けられかつ、各燃焼室１７内の圧力を計測する
ＮＯｘセンサＳＷ７：排気通路５０における三元触媒５１３の下流に配置されかつ、三元触媒５１３を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度を計測する
リニアＯ_２センサＳＷ８：排気通路５０における上流の触媒コンバーターよりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する
ラムダＯ_２センサＳＷ９：上流の触媒コンバーターにおける三元触媒５１１の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する
水温センサＳＷ１０：エンジン１に取り付けられかつ、冷却水の温度を計測する
クランク角センサＳＷ１１：エンジン１に取り付けられかつ、クランクシャフト１５の回転角を計測する
アクセル開度センサＳＷ１２：アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する
吸気カム角センサＳＷ１３：エンジン１に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を計測する
排気カム角センサＳＷ１４：エンジン１に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を計測する
ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５：ＥＧＲ通路５２に配置されかつ、ＥＧＲ弁５４の上流及び下流の差圧を計測する
燃圧センサＳＷ１６：燃料供給システム６１のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６に供給する燃料の圧力を計測する
第３吸気温度センサＳＷ１７：サージタンク４２に取り付けられかつ、サージタンク４２内のガスの温度、換言すると燃焼室１７に導入される吸気の温度を計測する。

ＥＣＵ１０は、これらのセンサＳＷ１～ＳＷ１７の信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶されている。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶している運転マップを用いて、目標量及び／又は制御量を演算することを含む。

ＥＣＵ１００は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３、排気電動Ｓ－ＶＴ２４、燃料供給システム６１、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、過給機４４の電磁クラッチ４５、エアバイパス弁４８、スワールコントロール弁５６、及び、オルタネータ５７に出力する。

例えば、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサＳＷ１２の信号と運転マップとに基づいて、エンジン１の目標トルクを設定すると共に、目標過給圧を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、目標過給圧と、第１圧力センサＳＷ３及び第２圧力センサＳＷ５の信号から得られる過給機４４の前後差圧とに基づいて、エアバイパス弁４８の開度を調節するフィードバック制御を行うことにより、過給圧が目標過給圧となるようにする。

また、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態と運転マップとに基づいて目標ＥＧＲ率を設定する。ＥＧＲ率は、燃焼室１７の中の全ガスに対するＥＧＲガスの比である。ＥＣＵ１０は、目標ＥＧＲ率とアクセル開度センサＳＷ１２の信号に基づく吸入空気量とに基づき目標ＥＧＲガス量を決定すると共に、ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５の信号から得られるＥＧＲ弁５４の前後差圧に基づいてＥＧＲ弁５４の開度を調節するフィードバック制御を行うことにより、燃焼室１７の中に導入する外部ＥＧＲガス量が目標ＥＧＲガス量となるようにする。

さらに、ＥＣＵ１０は、所定の制御条件が成立している場合に空燃比フィードバック制御を実行する。具体的にＥＣＵ１０は、リニアＯ_２センサＳＷ８、及び、ラムダＯ_２センサＳＷ９が計測した排気中の酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比が所望の値となるように、インジェクタ６の燃料噴射量を調節する。

尚、その他のＥＣＵ１０によるエンジン１の制御の詳細は、後述する。

（ＳＰＣＣＩ燃焼のコンセプト）
エンジン１は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、所定の運転状態にある場合に圧縮自己着火による燃焼を行う。自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン１は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

ＳＰＣＣＩ燃焼は、点火プラグ２５が、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりＳＩ燃焼をすると共に、ＳＩ燃焼の発熱により燃焼室１７の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室１７の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるＣＩ燃焼をする形態である。

ＳＩ燃焼の発熱量を調節することによって、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度のばらつきを吸収することができる。ＥＣＵ１０が点火時期を調節することによって、混合気を目標のタイミングで自己着火させることができる。

ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＳＩ燃焼時の熱発生は、ＣＩ燃焼時の熱発生よりも穏やかである。図４は、ＳＰＣＣＩ燃焼における熱発生率の波形８０１を例示している。ＳＰＣＣＩ燃焼における熱発生率の波形８０１は、立ち上がりの傾きが、ＣＩ燃焼の波形における立ち上がりの傾きよりも小さくなる。また、燃焼室１７の中における圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も、ＳＩ燃焼時は、ＣＩ燃焼時よりも穏やかになる。

ＳＩ燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火すると、自己着火のタイミングで、熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化する場合がある。熱発生率の波形は、ＣＩ燃焼が開始するタイミングθｃｉで、変曲点Ｘを有する場合がある。

ＣＩ燃焼の開始後は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とが並行して行われる。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。しかし、ＣＩ燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。ＣＩ燃焼時の圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も、比較的穏やかになる。

圧力変動（ｄｐ／ｄθ）は、燃焼騒音を表す指標として用いることができる。前述の通りＳＰＣＣＩ燃焼は、圧力変動（ｄｐ／ｄθ）を小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなりすぎることを回避することが可能になる。エンジン１の燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えられる。

ＣＩ燃焼が終了することによって、ＳＰＣＣＩ燃焼が終了する。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼に比べて、燃焼期間が短い。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。

ＳＰＣＣＩ燃焼の熱発生率波形は、ＳＩ燃焼によって形成された第１熱発生率部Ｑ_ＳＩと、ＣＩ燃焼によって形成された第２熱発生部Ｑ_ＣＩと、が、この順番に連続するように形成されている。

（エンジンの運転領域）
図５は、エンジン１の制御に係る運転マップを例示している。運転マップは、ＥＣＵ１０のメモリ１０２に記憶されている。図５に例示する運転マップ５０１は、エンジン１の半暖機時の運転マップであり、５０２は、エンジン１の温間時の運転マップである。ＥＣＵ１０は、燃焼室１７の壁温及び吸気の温度それぞれの高低に応じて運転マップ５０１又は運転マップ５０２を選択する。ＥＣＵ１０は、選択した運転マップを用いてエンジン１を制御する。

各運転マップ５０１、５０２は、エンジン１の負荷及び回転数によって規定されている。運転マップ５０１は、回転数の高低に対し二つの領域に分かれる。具体的に運転マップ５０１は、回転数Ｎ３以上である高回転の領域Ａ１と、低回転及び中回転の領域に広がる領域Ａ２とに分かれる。運転マップ５０２は、三つの領域に分かれる。具体的に運転マップ５０２は、前述した高回転の領域Ａ１と、低回転及び中回転の領域Ａ２と、領域Ａ２内における、Ｎ１からＮ２の所定回転数範囲でかつ、Ｌ１からＬ２の所定負荷範囲の領域Ａ３とに分かれる。

ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン１の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にした場合の、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域としてもよい。

図５の運転マップ５０１、５０２は、各領域における混合気の状態及び燃焼形態を示している。エンジン１は、領域Ａ１においてＳＩ燃焼を行う。エンジン１はまた、領域Ａ２及びＡ３においてＳＰＣＣＩ燃焼を行う。以下、図５の運転マップ５０１、５０２の各領域におけるエンジン１の運転について詳細に説明をする。

（領域Ａ３におけるエンジンの運転）
エンジン１が領域Ａ３において運転している場合に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

エンジン１の燃費性能を向上させるために、ＥＧＲシステム５５は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。具体的に、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４は、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。

混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比よりもリーンである（つまり、空気過剰率λ＞１）。より詳細に、燃焼室１７の全体において混合気のＡ／Ｆは２５以上３１以下である。こうすることで、ＲａｗＮＯｘの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。スロットル弁４３は、全開である。

インジェクタ６が燃料噴射を終了した後、点火プラグ２５は、燃焼室１７の混合気に点火をする。領域Ａ３でエンジン１は、リーン燃焼運転を行う。

（領域Ａ２におけるエンジンの運転）
エンジン１が領域Ａ２において運転している場合に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

ＥＧＲシステム５５は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。具体的に、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４は、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。内部ＥＧＲガスが、燃焼室１７の中に導入される。また、ＥＧＲシステム５５は、領域Ａ２の少なくとも一部の領域において、ＥＧＲクーラー５３によって冷却した排気ガスを、ＥＧＲ通路５２を通じて燃焼室１７の中に導入する。つまり、内部ＥＧＲガスに比べて温度が低い外部ＥＧＲガスが、燃焼室１７の中に導入される。外部ＥＧＲガスは、燃焼室１７の中の温度を、適切な温度に調節する。ＥＧＲシステム５５は、エンジン１の負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。ＥＧＲシステム５５は、全開負荷において、内部ＥＧＲガス及び外部ＥＧＲガスを含むＥＧＲガスを、ゼロにしてもよい。

混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）である。三元触媒５１１、５１３が、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン１の排出ガス性能は良好になる。混合気のＡ／Ｆは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２としてもよい。尚、エンジン１が、全開負荷（つまり、最高負荷）において運転している場合には、混合気のＡ／Ｆは、燃焼室１７の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにしてもよい（つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦１）。スロットル弁４３は、全開又は中間開度に調節される。

燃焼室１７内にＥＧＲガスを導入しているため、燃焼室１７の中の全ガスと燃料との重量比であるＧ／Ｆは理論空燃比よりもリーンになる。混合気のＧ／Ｆは１８以上にしてもよい。こうすることで、いわゆるノッキングの発生を抑制することができる。Ｇ／Ｆは１８以上３０以下において設定してもよい。また、Ｇ／Ｆは１８以上５０以下において設定してもよい。

点火プラグ２５は、インジェクタ６が燃料の噴射を行った後、圧縮上死点付近の所定のタイミングで混合気に点火をする。領域Ａ２においてエンジン１は、ストイキ燃焼運転を行う。

（領域Ａ１におけるエンジンの運転）
エンジン１の回転数が高いと、クランク角が１°変化するのに要する時間が短くなる。エンジン１の回転数が高くなると、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うことが困難になる。

そこで、エンジン１が領域Ａ１において運転している場合に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、ＳＩ燃焼を行う。

ＥＧＲシステム５５は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。ＥＧＲシステム５５は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。ＥＧＲシステム５５は、全開負荷では、ＥＧＲガスをゼロにしてもよい。

混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、基本的には、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）である。混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。尚、エンジン１が全開負荷の付近において運転している場合には、混合気の空気過剰率λは１未満であってもよい。スロットル弁４３は、全開又は中間開度に調節される。

点火プラグ２５は、インジェクタ６が燃料の噴射を終了した後、圧縮上死点付近の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う。

（エンジンの運転モードの切り替え）
図５に示すように、エンジン１の負荷及び／又は回転数が変化することに伴い、エンジン１の運転状態が、領域Ａ２から領域Ａ３へと移行すると、エンジン１は、ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へと切り替わる。また、燃焼室１７の壁温及び吸気の温度が高まり、運転マップ５０１から運転マップ５０２へ切り替わると、エンジン１の負荷及び回転数が変わらなくても、エンジン１は、ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へと切り替わる。

ここで、図６は、混合気の燃料比と、ＲａｗＮＯｘとの関係（実線）、及び、燃料比と、燃焼安定性の指標としてのＳＤＩ（Standard Deviation of IMEP（Indicated Mean Effective Pressure））との関係（一点鎖線）を例示している。図６の横軸は燃料比（つまりＡ／Ｆ又はＧ／Ｆ）であり、図の右に進むほど混合気は、燃料がリーンになる。また、図６の左の縦軸はＲａｗＮＯｘであり、図の上に進むほどＲａｗＮＯｘが多くなる。

図６の実線から、混合気がリーンになると、ＲａｗＮＯｘが少なくなる。混合気が理論空燃比の場合（つまりλ＝１の場合）、ＲａｗＮＯｘが多いが、三元触媒によってＲａｗＮＯｘを還元することができる。ＲａｗＮＯｘを、ＮＯｘ限界以下に抑えようとすると、燃料比を大幅にリーンにしなければならない。

一方、燃料比をリーンにすると、図６の一点鎖線で示すように、燃焼が不安定になる。ＮＯｘ限界を満たす燃料比と、燃焼安定性を確保することができる燃料比としてのリーン限界とは近い。ＮＯｘ限界が満足するように燃料比をリーンにすると、燃焼が不安定になる恐れがある。

ここで、図６の符号６０１に示すストイキ燃焼運転から、符号６０２に示すリーン燃焼運転へと切り替える場合を考える。ＥＣＵ１０が混合気の燃料比を目標値６０２に設定しかつ、各デバイスによって燃焼室１７内へ導入する空気及びＥＧＲガス量を調節すると共に、インジェクタ６が、エンジン１の運転状態に対応する量の燃料を燃焼室１７内に供給したときに、混合気の実際の燃料比は、図６に両端矢印で示すように、ばらつきが生じる。ＲａｗＮＯｘを少なくするために目標値６０２がリーン限界に近いと、図６に例示するように、実際の燃料比がリーン限界を超えてしまい、燃焼が不安定になってしまう恐れがある。ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転への切り替え時のように、スロットル弁４３の開度を大きくして燃焼室１７内への空気量を増えると、燃料比のばらつきは、より一層大きくなるから、燃焼が不安定になりやすい。

そこで、このエンジン１は、ＲａｗＮＯｘの排出抑制と、燃焼安定性の確保とを両立するために、燃料比の調節に特徴を有している。具体的にＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態に応じて目標燃料比を設定すると、燃料比の実際のばらつき度合いに基づき、設定した目標燃料比に対して、燃料比がリーン側に最大限ずれた場合の燃料比を推定する。燃料比の実際のばらつき度合いのデータは、メモリ１０２に記憶されている。

図７は、燃料比の調節に関する制御を実行するＥＣＵ１０の機能ブロックを例示している。ＥＣＵ１０は、目標値設定部１０４と、推定部１０５と、初期値設定部１０６と、燃料比調節部１０７と、燃料比計測部１０８とを有している。

目標値設定部１０４は、燃料比の目標値を設定する。目標値設定部１０４は、前述したように、エンジン１の運転状態に応じて目標燃料比を設定する。

推定部１０５は、メモリ１０２に記憶されている燃料比の実際のばらつき度合いに基づき、目標値設定部１０４が設定した目標燃料比に対して、燃料比がリーン側に最大限ずれた場合の燃料比を推定する。

初期値設定部１０６は、推定部１０５が推定した燃料比がリーン限界を超える場合、目標値よりもリッチな初期値を設定する。初期値は、実際の燃料比がリーン側に最大限ずれた場合でもリーン限界を超えないように設定される。図６の符号６０３は、初期値設定部１０６が設定する初期値の一例である。

燃料比調節部１０７は、初期値設定部１０６が燃料比の初期値を設定すれば、当該初期値となるように、筒内状態量を調節すると共に、燃料の噴射量を調節し、混合気を燃焼させる。具体的に、燃料比調節部１０７は、インジェクタ６に燃料の噴射に関する信号を出力すると共に、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３、排気電動Ｓ－ＶＴ２４、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４及びエアバイパス弁４８に、筒内状態量の調節に関する信号を出力する。

燃料比計測部１０８は、ＥＣＵ１０が、エンジン１の運転状態に応じて設定した燃料噴射量と、エアフローセンサＳＷ１の信号とに基づいて、混合気の実際の空燃比を計測する。

燃料比調節部１０７はその後、詳細は後述するが、燃料比計測部１０８の計測結果にも基づいて、燃料比が目標値に到達するまで、又は、燃料比がリーン限界を超えない限度まで、燃料比を目標値に近づける（図６の符号６０４参照）。こうして燃料比を調節することにより、エンジン１は、リーン燃焼運転において、ＮＯｘの排出抑制と、燃焼安定性の確保とを両立させることができる。

尚、ＥＣＵ１０は、燃料比計測部１０８が計測した実際の空燃比に基づいて、メモリ１０２に記憶している、燃料比のばらつき度合いのデータを更新する。

次に、図８及び図９のフローチャートを参照しながら、ＥＣＵ１０が実行するエンジン１の制御について説明する。尚、図８及び図９のフローチャートにおける各ステップの順番は入れ替えることも可能である。

図８のフローチャートは、エンジン１の基本制御に係るフローチャートである。ＥＣＵ１０は、メモリ１０２に記憶している制御ロジックに従いエンジン１を運転する。ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１～ＳＷ１７の信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、目標トルクを設定し、エンジン１が目標トルクを出力するように、燃焼室１７の中の状態量の調節、噴射量の調節、噴射タイミングの調節、及び、点火時期の調節を行うための演算を行う。

具体的に、図８のフローチャートのステップＳ１において、ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１～ＳＷ１７の信号を読み込み、続くステップＳ２において、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態に対応した、燃料比のリーン限界を設定する。リーン限界は、前述したように、混合気の燃焼安定性を確保することができる、混合気の燃料比の希薄限界を意味する。

次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ３において、運転マップ５０１、５０２とエンジン１の運転状態とに基づいて、エンジン１をリーン燃焼運転させるか否かを判断する。エンジン１をリーン燃焼運転させる場合、プロセスはステップＳ７に進み、リーン燃焼運転をさせない場合、言い替えるとエンジン１をストイキ燃焼運転させる場合、プロセスはステップＳ４に進む。

ステップＳ４～Ｓ６はストイキ燃焼運転に関するステップである。ステップＳ４においてＥＣＵ１０は、目標トルクを設定し、続くステップＳ５において、ＥＣＵ１０は、目標空気量を設定する。そして、ステップＳ６においてＥＣＵ１０は、設定した目標空気量に基づいて、混合気の空燃比が理論空燃比となるように、目標燃料噴射量を設定する。

ＥＣＵ１０はその後、ステップＳ１１において、設定した目標空気量及び目標燃料噴射量となるように、各デバイスへ信号を出力する。エンジン１は、ストイキ燃焼運転をする。

一方、ステップＳ７～Ｓ１０はリーン燃焼運転に関するステップである。ステップＳ７においてＥＣＵ１０は、ステップＳ４と同様に、目標トルクを設定し、続くステップＳ８においてＥＣＵ１０は、目標トルクに対応する目標燃料噴射量を設定する。

ＥＣＵ１０は、次のステップＳ９において、目標燃料比を設定する。図９は、ステップＳ９の目標燃料比の設定に係るフローチャートである。図９のフローのステップＳ２１において、ＥＣＵ１０は、エンジン１がストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転への切り替え過渡時であるか否かを判断する。ステップＳ２１の判断がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ２３に進み、ＮＯのときには、プロセスはステップＳ２２に進む。後述するように、リーン燃焼運転への切り替えが完了した後は、プロセスはステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２において、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態に応じて目標燃料比を設定する。リーン燃焼運転であるため、燃料比は、理論空燃比よりもリーンでかつ、ＮＯｘ限界を下回るような燃料比に設定される。

ステップＳ２３においてＥＣＵ１０は、初期値が既に設定されたか否かを判断する。初期値は、ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転への切り替え時に最初に設定される目標空燃比である。前述したように、初期値は、目標燃料比よりもリッチに設定される場合がある。ステップＳ２３の判断がＹＥＳのときは、プロセスはステップＳ２７に進み、ＮＯのときは、プロセスはステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４においてＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態に応じて目標燃料比を設定する。ＥＣＵ１０は、ＲａｗＮＯｘがＮＯｘ限界を下回るように目標燃料比を設定する。目標燃料比はまた、リーン限界よりもリッチである。

続くステップＳ２５においてＥＣＵ１０は、燃料比の実際のばらつき度合いに基づいて、燃料比が、目標燃料比に対してリーン側に最大限ずれた場合に、リーン限界を超えるか否かを判断する。リーン限界を超える場合、プロセスはステップＳ２６に進む。ステップＳ２６においてＥＣＵ１０は、目標燃料比よりもリッチな初期値を設定する。一方、ステップＳ２５においてリーン限界を超えない場合、プロセスはリターンする。ステップＳ２４で設定した目標燃料比が初期値となる。

初期値の設定後に、プロセスは図８のフローチャートへ一旦戻る。ステップＳ１０において、ＥＣＵ１０は、設定された初期値に基づいて目標空気量を設定し、その後、ステップＳ１１においてＥＣＵ１０は、各デバイスへ制御信号を出力する。

次の燃焼サイクルにおいて、図９のステップＳ２３の判断はＹＥＳになり、プロセスはステップＳ２７に進む。ＥＣＵ１０は、設定した燃料噴射量と、エアフローセンサＳＷ１の信号とに基づいて、混合気の実際の空燃比を計測すると共に、実際の空燃比がリーン限界を超えたか否かを判断する。実際の空燃比がリーン限界を超えた場合、プロセスはステップＳ２８に進む。これ以上に燃料比をリーンにすると燃焼安定性を確保することができないため、ＥＣＵ１０は、燃料比を目標空燃比に近づけないで、そのまま維持する。ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転への切り替えが完了したことになる。

実際の空燃比がリーン限界を超えない場合、プロセスはステップＳ２７からステップＳ２９に進む。ステップＳ２９においてＥＣＵ１０は、実際の燃料比が、ステップＳ２４で最初に定めた目標空燃比であるか否かを判断する。実際の燃料比が目標空燃比であれば、ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転への切り替えが完了したとして、プロセスはリターンする。次の燃焼サイクル時には、ステップＳ２１の判断がＮＯとなり、プロセスはステップＳ２２に進むことになる。

ステップＳ２９の判断がＮＯであれば、プロセスはステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０においてＥＣＵ１０は、次の燃焼サイクルの燃料比を、ステップＳ２４で最初に定めた目標燃料比に近づける。そして、次の燃焼サイクル時に再び、ステップＳ２７及びステップＳ２９の判断を行う。こうして、プロセスがステップ２１０を複数回繰り返すことによって、燃料比が徐々に目標燃料比に近づく。燃料比は、最終的に目標空燃比になる、又は、リーン限界に到達する。これにより、ＮＯｘの排出が抑制されると共に、混合気の燃焼安定性が確保される。

図１０は、図８及び図９のフローチャートに従って燃料比の調節を行った場合の、運転モードの変化９０１、燃料比の変化９０２、スロットル開度の変化９０３、燃料噴射量の変化９０４、及び、ＲａｗＮＯｘの変化９０５を例示するタイムチャートである。

先ず、時刻ｔ１までは、９０１に示すように、エンジン１は、ストイキ燃焼運転をしている。目標燃料比は、９０２に示すように、理論空燃比である。燃料比は理論空燃比となるように調節される。スロットル弁４３の開度は、９０３に示すように、相対的に小さい。９０５に示すように、ＲａｗＮＯｘは多くなるものの、三元触媒５１１、５１３がＲａｗＮＯｘを還元する。

時刻ｔ１において、エンジン１は、ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へと切り替わる（９０１参照）。９０２に示すように、目標燃料比よりもリッチな初期値が設定される。また、初期値は、リーン限界よりもリッチである。スロットル弁４３の開度は、９０３に示すように、リーンに設定される燃料比に対応するように大きくなる。ＲａｗＮＯｘは、９０５に示すように、ＮＯｘ限界を下回る。

燃料比はその後、９０２に示すように、目標燃料比に徐々に近づく。燃料噴射量は、９０４に示すように一定であるのに対し、スロットル弁３２の開度は、９０３に示すように、燃料比がリーンになるに従い、徐々に大きくなる。こうすることで、燃焼安定性を維持しながら、燃料比を目標値に近づけることが可能になる。そして、図１０の例では、時刻ｔ２に、燃料比が目標燃料比に到達し、ストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転への切り替えが完了する。

尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン１に適用することに限定されない。エンジン１の構成は、様々な構成を採用することが可能である。

１ エンジン（内燃機関）
１０ ＥＣＵ（制御部）
１０５ 推定部
１０６ 初期値設定部
１０７ 燃料比調節部
２１ 吸気弁（状態量調節部）
２２ 排気弁（状態量調節部）
２３ 吸気電動Ｓ－ＶＴ（状態量調節部）
２４ 排気電動Ｓ－ＶＴ（状態量調節部）
４３ スロットル弁（状態量調節部）
４４ 過給機（状態量調節部）
４９ 過給システム（状態量調節部）
５４ ＥＧＲ弁（状態量調節部）
５５ ＥＧＲシステム（状態量調節部）
６ インジェクタ（燃料供給部）

Claims (8)

1. 燃焼室内に導入される混合気の燃料比を理論空燃比よりも大きくして運転するリーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御方法であって、
   前記内燃機関をストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へ切り替える場合に、
   制御部が、前記内燃機関の運転状態に応じて、混合気の燃料比の目標値を設定するステップと、
   前記制御部が、燃料比の実際のばらつき度合いに基づき、前記設定した目標値に対して、燃料比がリーン側に最大限ずれた場合の燃料比を推定するステップと、
   前記制御部が、前記推定した燃料比が、燃焼安定性に基づき定まるリーン限界を超える場合に、前記目標値よりもリッチな初期値を設定するステップと、
   前記制御部が、前記初期値となるように、状態量調整部及び燃料供給部を通じて前記内燃機関の筒内状態量及び燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させるステップと、
   前記制御部が、前記燃焼ステップの後、前記目標値となるように、又は、前記目標値に近づいた燃料比となるように、前記状態量調整部及び前記燃料供給部を通じて前記筒内状態量及び前記燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させるステップと、
   を備えている内燃機関の制御方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記制御部は、前記燃料比を前記目標値に近づけるステップを複数回実行する内燃機関の制御方法。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記制御部は、実際の燃料比が前記リーン限界を超えた場合には、前記燃料比を前記目標値に近づけることを中止する内燃機関の制御方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記制御部は、燃料量を一定にしかつ、スロットル弁の開度を大きくすることによって、前記燃料比を前記目標値に近づける内燃機関の制御方法。
5. リーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関に取り付けられた燃料供給部と、
   前記内燃機関の筒内状態量を調節する状態量調節部と、
   前記内燃機関の運転状態に応じて設定した混合気の燃料比の目標値に従って、前記燃料供給部及び前記状態量調節部に制御信号を出力する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記内燃機関をストイキ燃焼運転からリーン燃焼運転へ切り替える場合に、
   燃料比の実際のばらつき度合いに基づき、前記設定した目標値に対して、燃料比がリーン側に最大限ずれた場合の燃料比を推定する推定部と、
   前記推定した燃料比が、燃焼安定性に基づき定まるリーン限界を超える場合に、前記目標値よりもリッチな初期値を設定する初期値設定部と、
   前記初期値となるように、前記状態量調節部及び前記燃料供給部を通じて前記筒内状態量及び燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させる燃料比調節部と、を有し、
   前記燃料比調節部は、前記燃焼の後、前記目標値となるように、又は、前記目標値に近づいた燃料比となるように、前記状態量調節部及び前記燃料供給部を通じて前記筒内状態量及び前記燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させる内燃機関の制御装置。
6. 請求項５に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記燃料比調節部は、前記燃料比を前記目標値に近づけることを複数回実行する内燃機関の制御装置。
7. 請求項６に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記燃料比調節部は、実際の燃料比が前記リーン限界を超えた場合には、前記燃料比を前記目標値に近づけることを中止する内燃機関の制御装置。
8. 請求項５～７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記燃料比調節部は、前記燃料量を一定にしかつ、スロットル弁の開度を大きくすることによって、前記燃料比を前記目標値に近づける内燃機関の制御装置。

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