JP5177329B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、排気ポートに燃料添加弁を備える内燃機関の排気浄化装置が開示されている。この特許文献１には、燃料添加弁が設置される気筒に備えられた排気弁の開弁期間と同期して、燃料添加弁を用いた燃料添加を実行することが記載されている。
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

日本特開２００１−２８０１２５号公報 日本特開２００８−３８８２５号公報 日本特開２００８−６９６５７号公報

排気弁の作用角が固定されている上記従来の内燃機関においては、エンジン回転数が高くなるほど、排気弁の開弁期間が短くなる。一方、エンジン回転数が高くなると、基本的に排気ガス流量が多くなるので、排気浄化触媒をリッチな空燃比の雰囲気下におくために必要な燃料添加量が多くなる。つまり、エンジン回転数が高くなるほど必要な燃料添加量が増えるにもかかわらず、上記従来の内燃機関の構成では、エンジン回転数が高い場合に、十分な量の添加燃料を確保しにくくなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の運転状態によらずに、燃料添加弁により添加される燃料の必要添加期間をより十分に確保できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の制御装置であって、
他の気筒からの上流排気通路との合流部よりも上流側の上流排気通路において内燃機関の少なくとも１つの気筒に対して配置され、前記上流排気通路に燃料を添加可能な燃料添加弁と、
排気弁の作用角を可変とする排気可変動弁機構と、
前記燃料添加弁が配置される気筒に備えられた排気弁の開弁期間と同期して、前記燃料添加弁を用いて燃料添加を実行する燃料添加実行手段と、
前記燃料添加弁を用いた燃料の必要添加期間を取得する必要添加期間取得手段と、
前記必要添加期間に応じて、前記排気可変動弁機構を用いて前記排気弁の作用角を調整する排気作用角調整手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気作用角調整手段は、前記必要添加期間が前記排気弁の開弁期間よりも長い場合に、前記排気弁の作用角を拡大することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
エンジン回転数を取得する回転数取得手段を更に備え、
前記排気作用角調整手段は、エンジン回転数が高いほど、前記排気弁の作用角をより拡大することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記燃料添加弁よりも下流側の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比を取得する空燃比取得手段と、
前記燃料添加弁を用いた燃料添加時に、前記空燃比取得手段により取得される排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーンである場合に、前記燃料添加弁により添加される燃料の流量が低下したと判定する添加弁性能判定手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記排気作用角調整手段は、前記添加弁性能判定手段によって前記燃料添加弁により添加される燃料流量が低下したと判定された場合に、前記排気弁の作用角を拡大することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記燃料添加弁よりも下流側の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比を取得する空燃比取得手段と、
前記燃料添加弁を用いた燃料添加時に、前記空燃比取得手段により取得される排気ガスの空燃比と目標空燃比との差に基づいて、前記燃料添加弁により添加される燃料の流量低下量を算出する流量低下量算出手段と、
前記流量低下量に基づいて前記必要添加期間を修正する必要添加期間修正手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
吸気弁の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構と、
前記吸気可変動弁機構を用いて前記吸気弁の開弁特性を変更することにより、筒内に吸入される空気量を調整する空気量調整手段と、
前記必要添加期間が前記排気弁の開弁期間よりも長い場合に、前記排気作用角調整手段による前記排気弁の作用角の調整および前記空気量調整手段による前記空気量の調整のうち、前記燃料添加弁による必要添加量を確保するうえで前記内燃機関の燃費上有利である方の調整手法を選択する選択手段と、
前記排気弁の開弁期間が前記必要添加期間以上となる状態が得られるように、前記選択手段により選択された調整手法を用いた調整を実行する調整実行手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料添加弁を用いた燃料の必要添加期間に応じて排気弁の作用角を調整する手段を備えたことにより、エンジン回転数が高い場合などにおいて、必要に応じて排気弁の作用角を拡大することで排気弁の開弁期間を拡大することができる。これにより、内燃機関の運転状態によらずに、必要添加期間をより十分に確保できるようになる。

第２の発明によれば、排気弁の作用角の拡大によって排気弁の開弁期間を拡大することができるので、必要添加期間をより十分に確保できるようになる。

第３の発明によれば、排気弁の開弁期間が短いために必要添加期間を確保し難い高エンジン回転数領域において、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。

第４の発明によれば、燃料添加時の排気ガスの実空燃比と目標空燃比とに基づいて、燃料添加弁により添加される燃料の流量低下を診断することができる。

第５の発明によれば、燃料添加弁の燃料流量の低下を補うために、排気弁の作用角の拡大によって燃料流量の低下前と同等の燃料添加可能領域を確保することができる。

第６の発明によれば、燃料添加弁により添加される燃料の流量低下量に基づいて必要添加期間が修正される。その結果、上記流量低下の影響を反映した修正後の必要添加期間に応じて、排気弁の作用角が調整されるようになる。これにより、燃料添加弁の燃料流量の低下を補うために、排気弁の作用角の拡大によって燃料流量の低下前と同等の燃料添加可能領域を確保することができる。

第７の発明によれば、燃料消費を抑制しつつ、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 図１に示す燃料添加弁の詳細な配置を説明するための図である。 燃料添加弁を用いた燃料添加量の制御手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における特徴的な制御を、従来の構成と比較して説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである 本発明の実施の形態２において実行される特徴的な制御を説明するための図である。 燃料添加弁による燃料添加時の空燃比波形に対する燃料流量低下の影響を表した図である。 本発明の実施の形態３における特徴的な制御を説明するための図である。 添加弁劣化学習を実現するために、本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３において燃料添加時に実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、圧縮着火式の内燃機関１０を備えている。ここでは、圧縮着火式内燃機関の一例として、内燃機関１０は、直列４気筒型のディーゼルエンジンであるものとする。

内燃機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧された高圧の燃料が貯留されている。コモンレール１４内に貯留された燃料は、各インジェクタ１２に供給される。

図２は、図１に示す燃料添加弁２４の詳細な配置を説明するための図である。内燃機関１０の排気通路１８は、排気マニホールド２０により枝分かれして、各気筒の排気ポート２２に接続されている。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポート２２に繋がる枝管部２０ａと各気筒の枝管部２０ａが合流した後の合流部２０ｂとを有している。

内燃機関１０の＃１気筒における排気ポート２２の近傍には、図１および図２に示すように、排気ポート２２内に燃料を噴射（添加）するための燃料添加弁２４が設置されている。以下、燃料添加弁２４が設置された＃１気筒のことを「添加弁設置気筒」と称する。また、本明細書においては、各気筒における排気ポート２２および各排気ポート２２に繋がる各枝管部２０ａのことを、各気筒からの「上流排気通路」と定義する。

また、図１に示すように、本実施形態の内燃機関１０は、ターボ過給機２６を備えている。排気通路１８は、ターボ過給機２６の排気タービンに接続されている。また、排気通路１８におけるターボ過給機２６の下流側には、排気ガスを浄化するための排気浄化装置２８が設けられている。ここでは、この排気浄化装置２８として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒としての機能と、ＰＭ(Particulate Matter)を捕集するＰＭフィルターとしての機能の双方を備えた触媒付きフィルターが設けられている。また、排気通路１８における排気浄化装置２８の下流側には、その位置で排気ガスの空燃比を検知するための空燃比センサ３０が設置されている。

内燃機関１０の吸気通路３２の入口付近には、エアクリーナ３４が設けられている。エアクリーナ３４を通って吸入された空気は、ターボ過給機２６の吸気圧縮機で圧縮された後、インタークーラ３６で冷却される。インタークーラ３６を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３８により、各気筒の吸気ポート３９（図２参照）に分配される。インタークーラ３６と吸気マニホールド３８との間には、吸気絞り弁４０が設置されている。また、エアクリーナ３４の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ４２が設置されている。

また、図１に示すシステムは、各気筒の吸気弁４４（図２参照）の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構４６と、各気筒の排気弁４８（図２参照）の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構５０とを備えている。より具体的には、ここでは、吸気可変動弁機構４６は、油圧もしくは電動モータを用いてクランク軸５２の回転位相に対する吸気カム（図示省略）の回転位相を変更することにより吸気弁４４の開閉時期を変更できる機能（位相可変機能）と、吸気弁４４の作用角（およびリフト量）を連続的に変更できる機能（作用角可変機能）を具備する機構であるものとする。

また、排気可変動弁機構５０は、吸気可変動弁機構４６と同様の位相可変機能および作用角可変機能を具備する機構であるものとする。更に、吸気可変動弁機構４６は、吸気カム軸の回転位置（進角量）を検知するための吸気カム角センサ５４を備えるとともに、吸気弁４４の作用角を検知するための作用角センサ（図示省略）を備えている。また、排気可変動弁機構５０は、同様に、排気カム角センサ５６を備えるとともに、排気弁４８の作用角を検知するための作用角センサ（図示省略）を備えている。また、クランク軸５２の近傍には、クランク角度やエンジン回転数を検知するためのクランク角センサ５８が設置されている。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータがそれぞれ接続されている。ＥＣＵ６０は、それらのセンサ信号や情報に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［排気通路への燃料添加について］
上述した排気浄化装置２８は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」と称する）を備えている。ＮＯｘ触媒に吸蔵したＮＯｘを放出／還元させるためには、リッチな空燃比の排気ガスを所定の時間間隔毎にＮＯｘ触媒に供給する必要がある。このような目的のために、本実施形態では、燃料添加弁２４を用いて排気通路１８に燃料を添加するようにしている。ＮＯｘ触媒に到達した添加燃料は、ＮＯｘ触媒において排気ガス中の酸素と反応して酸化する。そして、酸素がほぼ全部消費された後に残された燃料によってＮＯｘ触媒の雰囲気がリッチ雰囲気となり、また、この余剰の燃料が還元剤として機能するようになる。尚、上記のようなＮＯｘ触媒への還元剤の供給以外に、燃料添加弁２４により燃料添加を行う目的としては、ＮＯｘ触媒等の触媒の昇温、或いはＰＭフィルターに捕集されたＰＭの燃焼除去がある。

本実施形態では、燃料添加弁２４は、燃料配管の取り回し等の観点から、＃１気筒（添加弁設置気筒）の排気ポート２２に設置されている。このように排気ポート２２に燃料添加弁２４を設置した場合、排気ポート内壁への添加燃料の付着防止および添加燃料の分散性の確保のためには、添加弁設置気筒の排気ポート２２内を排気ガスが流れている期間と同期して、つまり、添加弁設置気筒の排気弁４８の開弁期間と同期して、燃料添加を行うことが好ましい。

図３は、燃料添加弁２４を用いた燃料添加量の制御手法を説明するための図である。より具体的には、図３（Ａ）は、燃料添加弁２４を用いた燃料添加の態様を示し、図３（Ｂ）は、排気浄化装置２８の下流に配置された空燃比センサ３０により検知される排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）の波形を示している。

本実施形態では、上記のように添加弁設置気筒の排気弁４８の開弁期間と同期して燃料添加を行う際に、ＮＯｘ触媒の雰囲気をリッチ雰囲気とする期間を長く確保するために、図３（Ａ）に示すように、内燃機関１０の複数のサイクルに渡って燃料添加を分割して実行するようにしている。すなわち、ＮＯｘ触媒の雰囲気をリッチ雰囲気とする期間は、燃料添加弁２４を用いた燃料添加の回数により制御される。その結果、図３（Ｂ）中の右側の波形では、同図中の左側の波形に比して、排気ガスの空燃比がより長くリッチに制御されるようになる。

また、図３（Ｂ）中の右側に示す波形は、同図中の左側に示す波形によりも、燃料添加開始前の排気ガス中の酸素濃度が高い（すなわち、燃料添加開始前の排気ガスがリーンである）場合のものである。燃料添加開始前の排気ガスがよりリーンであると、ＮＯｘ触媒の雰囲気を同じ程度のリッチ雰囲気とするために必要とされる燃料添加量がより多くなる。一方、燃料添加弁２４における単位時間当たりの燃料添加量は一定である。このため、１回（１サイクル中）の燃料添加量は、燃料添加弁２４の燃料添加（噴射）期間τａをパラメータとして制御されることとなる。従って、燃料添加開始前の排気ガスがよりリーンである場合（図３中の右側の波形の場合）には、図３に示すように、１回（１サイクル中）の燃料添加期間τａがより長くなるように設定されることになる。

［実施の形態１における特徴的な制御］
図４は、本発明の実施の形態１における特徴的な制御を、従来の構成と比較して説明するための図である。より具体的には、図４（Ａ）は、対比のために参照される従来の構成を示す図であり、図４（Ｂ）は、本実施形態の制御を示す図である。

ＮＯｘ触媒の還元のために必要な燃料添加量は、排気ガス流量、排気ガス中の酸素濃度（≒実Ａ／Ｆ）、およびＮＯｘ触媒に供給したい還元剤濃度（≒目標Ａ／Ｆ）によって決定される。また、燃料添加弁２４を用いた燃料添加量の調整は、既述したように燃料添加期間τａによって行われる。従って、ＮＯｘ触媒の還元のために必要な燃料添加期間（以下、単に「必要添加期間τａ」と称する）についても、同様に排気ガス流量、実Ａ／Ｆおよび目標Ａ／Ｆによって決定されることとなる。

上記のように決定される必要添加期間τａは、エンジン回転数との関係で表すと、図４に示すような幅を有する領域となる。また、エンジン回転数が高いほど、基本的に排気ガス流量が多くなる。このため、図４に示すように、エンジン回転数が高くなるほど、必要添加期間τａが長くなる。また、上述したように添加弁設置気筒の排気弁４８の開弁期間と同期して燃料添加を行う場合には、添加弁設置気筒の排気弁４８の開弁期間が燃料添加期間τａの上限となる。

図４（Ａ）は、排気弁の作用角が固定されている従来の構成を例示している。排気弁の作用角が固定されていると、図４（Ａ）に示すように、エンジン回転数が高くなるほど、排気弁の開弁期間（必要添加期間τａの上限）が短くなる。一方、エンジン回転数が高くなると、上述したように、必要添加期間τａが長くなる。つまり、エンジン回転数が高くなるほど必要添加期間τａが増えるにもかかわらず、従来の構成では、図４（Ａ）中にハッチングを付して示すように、エンジン回転数が高い場合に、十分な量の添加燃料を確保しにくくなる。

そこで、本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、必要添加期間τａが排気弁４８の開弁期間よりも長い場合には、排気可変動弁機構５０を用いて、添加弁設置気筒の排気弁４８の作用角を拡大するようにした。より具体的には、エンジン回転数が高くなるほど、添加弁設置気筒の排気弁４８の作用角を拡大するようにした。これにより、排気弁４８の開弁期間が短いために必要添加期間τａを確保し難い高エンジン回転数領域において、燃料添加弁２４の噴射可能期間（必要添加期間τａの上限）を拡大することができる。このため、図４（Ｂ）に示すように、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。

図５は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ６０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
図５に示すルーチンでは、先ず、燃料添加が必要であるか否かが判定される（ステップ１００）。その結果、燃料添加が必要であると判定された場合には、次のステップ１０２〜１０６の処理が並行して実行される。

上記ステップ１０２では、排気ガス流量が算出される。排気ガス流量の算出は、例えばエアフローメータ４２により検出される吸入空気量等に基づいて算出することができる。上記ステップ１０４では、空燃比センサ３０の出力に基づいて、排気ガスの空燃比が検出される。また、上記ステップ１０６では、ＥＣＵ６０に予め記憶されたマップ等の関係に従って、今回の燃料添加時の目標空燃比が決定される（ステップ１０６）。

次に、上記ステップ１０２〜１０６において取得された排気ガス流量、排気ガスの空燃比（実空燃比）および目標空燃比に基づいて、今回の燃料添加時に必要とされる燃料添加量が算出される（ステップ１０８）。次いで、算出された必要燃料添加量を満足するために要求される燃料添加弁２４の必要添加期間τａが算出される（ステップ１１０）。燃料添加弁２４が単位時間に添加（噴射）可能な燃料添加量Ｑは、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。本ステップ１１０では、上記ステップ１０８において算出された必要燃料添加量を上記燃料添加量Ｑで除することで、必要添加期間τａが算出される。

次に、排気弁４８の現在の開弁期間が必要添加期間τａ以上であるか否かが判定される（ステップ１１２）。尚、排気弁４８の開弁期間は、排気弁４８の作用角とエンジン回転数とに基づいて算出することができる。本ステップ１１２において排気弁４８の現在の開弁期間が必要添加期間τａ以上であると判定された場合には、排気弁４８の現在の作用角の設定を用いて必要燃料添加量を確保できる燃料添加が可能であると判断することができる。このため、この場合には、燃料添加弁２４を用いた燃料添加が直ちに実行される（ステップ１１４）。

一方、上記ステップ１１２における判定が不成立であると判定された場合、つまり、排気弁４８の現在の開弁期間よりも必要添加期間τａが長いと判定された場合には、排気弁４８の必要作用角が算出される（ステップ１１６）。より具体的には、本ステップ１１６における排気弁４８の必要作用角は、燃料添加時のエンジン回転数が高いほど大きくなるように設定される。

次に、上記ステップ１１６において算出された排気弁４８の必要作用角が得られるように、排気弁４８の開き時期の進角および排気弁４８の閉じ時期の遅角のうちの少なくとも一方が実行される（ステップ１１８）。そして、本ステップ１１８における排気弁４８の作用角の調整が行われた後に、燃料添加弁２４を用いた燃料添加が実行される（ステップ１１４）。

以上説明した図５に示すルーチンによれば、排気弁４８の現在の開弁期間よりも必要添加期間τａが長い場合に、排気弁４８の作用角の拡大によって排気弁４８の開弁期間を拡大することができる。これにより、燃料添加弁２４の噴射可能期間（必要添加期間τａの上限）を拡大することができる。このため、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。その結果、ＮＯｘ触媒の雰囲気を十分なリッチ雰囲気にできる運転領域を広げることができるので、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

また、上記ルーチンによれば、エンジン回転数が高くなるほど、排気弁４８の作用角がより拡大される。これにより、排気弁４８の開弁期間が短いために必要添加期間τａを確保し難い高エンジン回転数領域において、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ６０が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃料添加実行手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「必要添加期間取得手段」が、上記ステップ１１２、１１６および１１８の処理を実行することにより前記第１の発明における「排気作用角調整手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ６０がクランク角センサ５８の出力に基づいてエンジン回転数を取得することにより、前記第３の発明における「回転数取得手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態においても、図１に示すハードウェア構成が用いられているものとする。本実施形態では、上述した実施の形態１の図５に示すルーチンの制御に加え、以下に示すような排気弁４８の作用角の調整が行われる。

図６は、本発明の実施の形態２において実行される特徴的な制御を説明するための図である。
噴射可能な燃料流量（単位時間当たりの燃料添加量Ｑ）の少ない燃料添加弁２４が用いられていると、標準的な燃料流量にて噴射可能な燃料添加弁２４の使用時と比べ、所定量の燃料添加に必要な噴射期間（必要添加期間）τａが長くなってしまう。その結果、図５に示すように、噴射可能な燃料流量の少ない燃料添加弁２４の使用時には、必要添加期間τａを確保できるエンジン回転数の上限が低くなる。

そこで、本実施形態では、噴射可能な燃料流量の少ない燃料添加弁２４の使用時に、標準的な燃料流量にて噴射可能な燃料添加弁２４の使用時と同等の燃料添加領域（必要添加期間τａを満足する領域）が確保されるように、排気弁４８の開き時期の進角および排気弁４８の閉じ時期の遅角のうちの少なくとも一方を用いて排気弁４８の作用角を拡大するようにした。

より具体的には、燃料添加弁２４の燃料添加期間（通電時間）τと、通電時に燃料添加弁２４から噴射される単位時間当たりの燃料添加量Ｑとの間に成立するτＱ特性は、予め計測され、ＥＣＵ６０に記憶されている。そのようなτＱ特性を参照して、ＥＣＵ６０は、内燃機関１０に実際に備えられた燃料添加弁２４における燃料流量（単位時間当たりの燃料添加量Ｑ）と、標準的な燃料添加弁２４における燃料流量との差に応じて、標準的な燃料流量にて噴射可能な燃料添加弁２４の使用時と同等の燃料添加領域が確保されるように、排気弁４８の作用角を拡大する。

以上説明した排気弁４８の作用角の調整によれば、内燃機関１０に実際に備えられた燃料添加弁２４の燃料流量が標準的な燃料添加弁２４の燃料流量よりも少ない場合であっても、良好な燃料添加領域を確保できるようになる。

実施の形態３．
次に、図７乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ６０に図５に示すルーチンに代えて後述の図９および図１０に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

図７は、燃料添加弁２４による燃料添加時の空燃比波形に対する燃料流量低下の影響を表した図である。
燃料添加弁２４により噴射される燃料流量（単位時間当たりの燃料添加量Ｑ）は、経時劣化或いはデポジットの付着に起因して低下する場合がある。そのような燃料流量の低下が生ずると、図７に示すように、排気ガスの空燃比が燃料流量低下前の空燃比（目標空燃比に相当）に比べてリーンとなる。その結果、ＮＯｘ触媒の雰囲気を狙いのリッチ雰囲気に十分に制御できなくなる。そこで、本実施形態では、燃料添加時の排気ガスの空燃比に基づいて、燃料添加弁２４の劣化（上記燃料流量の低下）を定期的に学習するようにした。ここでは、本学習のことを「添加弁劣化学習」と称する。

より具体的には、添加弁劣化学習時には、燃料添加時に空燃比センサ３０により検出される排気ガスの空燃比と、燃料流量が低下していない状態における燃料添加時の排気ガスの空燃比（すなわち、目標空燃比）との差に基づいて、燃料添加弁２４の燃料流量低下（劣化）の有無が判定される。そして、燃料添加弁２４の燃料流量が低下していると判定された場合には、空燃比の上記差に基づいて燃料流量の低下幅（低下量）が算出され、この燃料流量の低下幅がＥＣＵ６０に添加弁劣化学習値として記録される。この添加弁劣化学習値は、学習が進むにつれ順次更新されていく。また、記録された添加弁劣化学習値に基づいて、必要添加期間τａが修正される。

図８は、本発明の実施の形態３における特徴的な制御を説明するための図である。
本実施形態では、上記のような添加弁劣化学習を実行したうえで、次のような制御を実行する。すなわち、図８に示すように、添加弁劣化学習値に基づく修正後の必要添加期間τａが燃料添加時の排気弁４８の開弁期間よりも長い場合には、燃料流量低下前の同等の燃料添加可能領域が確保されるように、排気弁４８の作用角の拡大によって排気弁４８の開弁期間が拡大される。

図９は、上記添加弁劣化学習を実現するために、本実施の形態３においてＥＣＵ６０が実行するルーチンのフローチャートである。
図９に示すルーチンでは、先ず、燃料添加の実行中であるか否かが判定される（ステップ２００）。その結果、燃料添加の実行中であると判定された場合には、排気浄化装置２８の下流における排気ガスの空燃比が空燃比センサ３０を用いて検出される（ステップ２０２）。

次に、上記ステップ２０２において検出された排気ガスの空燃比と、燃料流量が低下していない状態における燃料添加時の排気ガスの空燃比（すなわち、目標空燃比）との差が算出される（ステップ２０４）。次いで、空燃比の上記差が所定値以上であるか否か（言い換えれば、排気ガスの実空燃比が目標空燃比よりもリーンであるか否か）に基づいて、燃料添加弁２４の燃料流量が低下したか否かが判定される（ステップ２０６）。

その結果、上記ステップ２０６において燃料添加弁２４の燃料流量が低下したと判定された場合には、排気ガスの空燃比の上記差に基づいて、燃料流量の低下幅（低下量）が算出されたうえでそれが添加弁劣化学習値として記録される（ステップ２０８）。尚、本ステップ２０８においては、排気ガスの空燃比の上記差が大きいほど、燃料流量の低下幅がより大きな値として算出される。

次に、図１０は、本発明の実施の形態３において燃料添加時に実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、図１０において、実施の形態１における図５に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１０に示すルーチンでは、ステップ１０８において今回の燃料添加時に必要とされる燃料添加量が算出された後に、上記添加弁劣化学習値を反映した必要添加期間τａ’が算出される（ステップ３００）。具体的には、本ステップ３００では、添加弁劣化学習値（燃料流量の低下幅）が大きいほど、添加弁劣化学習値が未反映である場合の必要添加期間τａ（上記ステップ１１０の手法により算出可能）に対して必要添加期間τａ’がより大きな値として算出される。

次に、排気弁４８の現在の開弁期間が上記添加弁劣化学習値を反映した必要添加期間τａ’以上であるか否かが判定される（ステップ３０２）。その結果、本ステップ３０２における判定が成立する場合には、排気弁４８の現在の作用角の設定で必要燃料添加量を確保できる燃料添加が可能であると判断することができるので、燃料添加弁２４を用いた燃料添加が直ちに実行される（ステップ３０４）。

一方、上記ステップ３０２の判定が不成立であると判定された場合、つまり、排気弁４８の現在の開弁期間よりも上記学習後の必要添加期間τａ’が長いと判定された場合には、排気弁４８の開弁期間が上記学習後の必要添加期間τａ’以上となるように排気弁４８の作用角が拡大される（ステップ３０６）。

以上説明した図９に示すルーチンによれば、燃料添加時の排気ガスの実空燃比と目標空燃比との差に基づいて、燃料添加弁２４により添加される燃料の流量低下を診断することができる。また、燃料添加弁２４の燃料流量が低下したと判定された場合に、燃料流量の低下幅が算出されたうえでそれが添加弁劣化学習値として記録される。

そのうえで、以上説明した図１０に示すルーチンによれば、燃料添加弁２４の燃料流量が低下したと判定された場合、すなわち、添加弁劣化学習値が記録されている場合には、添加弁劣化学習値を反映した必要添加期間τａ’が算出される。そして、排気弁４８の現在の開弁期間よりも上記学習後の必要添加期間τａ’が長いと判定された場合には、排気弁４８の開弁期間が上記学習後の必要添加期間τａ’以上となるように排気弁４８の作用角が拡大される。これにより、燃料添加弁２４の燃料流量の低下を補うために、排気弁４８の作用角の拡大によって燃料流量の低下前と同等の燃料添加可能領域を確保することができる。

尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ６０が、空燃比センサ３０の出力に基づいて排気ガスの空燃比を取得することにより前記第４または第６の発明における「空燃比取得手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより前記第４の発明における「添加弁性能判定手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ６０が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより前記第６の発明における「流量低下量算出手段」が、上記ステップ３００の処理を実行することにより前記第６の発明における「必要添加期間修正手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態４．
次に、図１１を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ６０に図５に示すルーチンに代えて後述の図１１に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

上述した実施の形態１等においては、排気弁４８の現在の開弁期間よりも必要添加期間τａが長いと判定された場合には、排気弁４８の開弁期間が必要添加期間τａ以上となるように排気弁４８の作用角を拡大するようにしている。このような手法によれば、添加可能な燃料量を増やすことにより、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。

上記の手法とは異なり、吸入空気量が減少するように吸気弁４４の開弁特性を変更することによっても、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。具体的には、吸気弁４４の開弁特性の変更によって吸入空気量が減少すると、排気ガスの空燃比がよりリッチな値となり、また、排気ガス流量自体も減少する。このため、排気ガス中の酸素量が減少し、ＮＯｘ触媒の雰囲気をリッチ雰囲気とするために必要な燃料添加量が減少する。その結果、必要添加期間τａが短くて済むようになるので、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。

本実施形態では、排気弁４８の現在の開弁期間よりも必要添加期間τａが長いと判定された場合に、上記２つの調整手法（すなわち、排気弁４８の作用角の調整と吸気弁４４の開弁特性の調整）のうちのどちらが、燃料添加弁２４の必要添加量を確保するうえで、現在の内燃機関１０の運転状態において燃費上有利であるか否かを判断するようにしている。そのうえで、本実施形態では、燃費上有利であると判断された方の調整手法を用いて、排気弁４８の開弁期間が必要添加期間τａ以上となるように制御するようにした。

図１１は、上記の機能を実現するために、本実施の形態４においてＥＣＵ６０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、図１１において、実施の形態１における図５に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１１に示すルーチンでは、ステップ１１２における判定が不成立であると判定された場合（つまり、排気弁４８の現在の開弁期間よりも必要添加期間τａが長いと判定された場合）には、次いで、現在の内燃機関１０の運転状態において、排気弁４８の作用角の調整が、吸気弁４４の開弁特性の調整よりも、燃料添加弁２４の必要添加量を確保するうえで燃費上有利であるか否かが判定される（ステップ４００）。排気弁４８の作用角の調整と吸気弁４４の開閉時期の調整のうちのどちらが燃費上有利であるかは、内燃機関１０の運転状態に応じて異なるものとなる。ＥＣＵ６０には、予め実験もしくはシミュレーション等により内燃機関１０の個々の運転状態と燃料添加弁２４の必要添加量との関係で、上記２つの調整手法のどちらが燃費上有利になるかを定めたマップ（図示省略）が記憶されている。本ステップ４００では、そのようなマップの関係を利用した判定が実行される。尚、このような手法に代え、例えば実機上で上記２つの調整手法のどちらが燃費上有利となるかを計算したうえで、燃費上有利な方の調整手法を選択するようにしてもよい。

その結果、上記ステップ４００の判定が成立すると判定された場合には、排気弁４８の作用角の調整を用いて、排気弁４８の開弁期間が必要添加期間τａ以上となるように制御される（ステップ４０２）。一方、上記ステップ４００の判定が不成立であると判定された場合には、吸入空気量が減少するように吸気弁４４の開弁特性を調整することによって、排気弁４８の開弁期間が必要添加期間τａ以上となるように制御される（ステップ４０４）。本ステップ４０４において、吸入空気量を減少させるための吸気弁４４の開弁特性の具体的な調整手法としては、例えば、開き時期の遅角および閉じ時期の進角の少なくとも一方に用いて吸気弁４４の作用角を縮小する手法を用いることができる。

以上説明した図１１に示すルーチンによれば、燃料添加時に排気弁４８の現在の開弁期間よりも必要添加期間τａが長いと判定された場合に、排気弁４８の作用角の調整と吸気弁４４の開弁特性の調整の中から、燃料添加弁２４の必要添加量を確保するうえで現在の内燃機関１０の運転状態において燃費上有利である方の調整手法が選択される。そして、選択された調整手法を用いて、排気弁４８の開弁期間が必要添加期間τａ以上となるように制御される。これにより、燃料消費を抑制しつつ、必要量の燃料を添加可能な領域を広げることが可能となる。

ところで、上述した実施の形態４においては、燃料添加時に排気弁４８の現在の開弁期間よりも必要添加期間τａが長いと判定された場合に、排気弁４８の作用角の調整と吸気弁４４の開弁特性の調整）の中から、燃料添加弁２４の必要添加量を確保するうえで現在の内燃機関１０の運転状態において燃費上有利である方の調整手法を選択するようにしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば以下のようなものであってもよい。すなわち、燃料添加時に必要燃料添加量が所定量以上である場合（より具体的には、排気弁４８の現在の開弁期間よりも必要添加期間τａが長いと判定された場合）には、排気弁４８の作用角の調整に加え、吸入空気量が減少するように吸気弁４４の開弁特性を制御するようにしてもよい。

尚、上述した実施の形態４においては、ＥＣＵ６０が、吸気可変動弁機構４６を用いて吸気弁４４の作用角を調整することにより前記第７の発明における「空気量調整手段」が、上記ステップ４００の処理を実行することにより前記第７の発明における「選択手段」が、上記ステップ４０２または４０４の処理を実行することにより前記第７の発明における「調整実行手段」が、それぞれ実現されている。

ところで、上述した実施の形態１乃至４においては、各気筒の排気弁４８の作用角を同時に変更可能な排気可変動弁機構５０を用いた制御例について説明を行った。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、添加弁設置気筒における排気弁４８の作用角のみを他の気筒と独立して制御するものであってもよい。

また、上述した実施の形態１乃至４においては、＃１気筒の排気ポート２２に燃料添加弁２４が設置された構成を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明における燃料添加弁の設置場所は、本明細書において定義される上流排気通路（図２の構成においては、各気筒の排気ポート２２および各気筒の排気マニホールド２０の枝管部２０ａ）であれば、排気ポートに限定されない。また、本発明における燃料添加弁は、複数の気筒に対して設置されていてもよい。

１０ 内燃機関
１２ インジェクタ
１８ 排気通路
２０ 排気マニホールド
２０ａ 枝管部
２０ｂ 合流部
２２ 排気ポート
２４ 燃料添加弁
２８ 排気浄化装置
３０ 空燃比センサ
３２ 吸気通路
３８ 吸気マニホールド
４４ 吸気弁
４６ 吸気可変動弁機構
４８ 排気弁
５０ 排気可変動弁機構
５２ クランク軸
５４ 吸気カム角センサ
５６ 排気カム角センサ
５８ クランク角センサ
６０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (7)

1. 他の気筒からの上流排気通路との合流部よりも上流側の上流排気通路において内燃機関の少なくとも１つの気筒に対して配置され、前記上流排気通路に燃料を添加可能な燃料添加弁と、
   排気弁の作用角を可変とする排気可変動弁機構と、
   前記燃料添加弁が配置される気筒に備えられた排気弁の開弁期間と同期して、前記燃料添加弁を用いて燃料添加を実行する燃料添加実行手段と、
   前記燃料添加弁を用いた燃料の必要添加期間を取得する必要添加期間取得手段と、
   前記必要添加期間に応じて、前記排気可変動弁機構を用いて前記排気弁の作用角を調整する排気作用角調整手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記排気作用角調整手段は、前記必要添加期間が前記排気弁の開弁期間よりも長い場合に、前記排気弁の作用角を拡大することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. エンジン回転数を取得する回転数取得手段を更に備え、
   前記排気作用角調整手段は、エンジン回転数が高いほど、前記排気弁の作用角をより拡大することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記燃料添加弁よりも下流側の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比を取得する空燃比取得手段と、
   前記燃料添加弁を用いた燃料添加時に、前記空燃比取得手段により取得される排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーンである場合に、前記燃料添加弁により添加される燃料の流量が低下したと判定する添加弁性能判定手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記排気作用角調整手段は、前記添加弁性能判定手段によって前記燃料添加弁により添加される燃料流量が低下したと判定された場合に、前記排気弁の作用角を拡大することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記燃料添加弁よりも下流側の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比を取得する空燃比取得手段と、
   前記燃料添加弁を用いた燃料添加時に、前記空燃比取得手段により取得される排気ガスの空燃比と目標空燃比との差に基づいて、前記燃料添加弁により添加される燃料の流量低下量を算出する流量低下量算出手段と、
   前記流量低下量に基づいて前記必要添加期間を修正する必要添加期間修正手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
7. 吸気弁の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構と、
   前記吸気可変動弁機構を用いて前記吸気弁の開弁特性を変更することにより、筒内に吸入される空気量を調整する空気量調整手段と、
   前記必要添加期間が前記排気弁の開弁期間よりも長い場合に、前記排気作用角調整手段による前記排気弁の作用角の調整および前記空気量調整手段による前記空気量の調整のうち、前記燃料添加弁による必要添加量を確保するうえで前記内燃機関の燃費上有利である方の調整手法を選択する選択手段と、
   前記排気弁の開弁期間が前記必要添加期間以上となる状態が得られるように、前記選択手段により選択された調整手法を用いた調整を実行する調整実行手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

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