用于内燃机的NOx排放量估算方法

摘要

用于配备有EGR装置的内燃机的NOx排放量估算方法，假定吸入到燃烧室的进气的气体组份(例如，氧分子和NOx)均匀地分布在燃烧室的整个区域。在这种假设下，燃烧室通过使用“由于燃烧而消耗的氧气质量”与“吸入到燃烧室中的氧气的总质量”的比被分成燃烧区(区域B)和非燃烧区(区域A)。而且，假定由燃烧产生的NOx在燃烧后残留在区域B中，并且在燃烧前存在于区域A中的NOx由于EGR气体的循环将在燃烧后被保存，则从排气通道排放到外部的NOx的量将不仅考虑区域B中的由燃烧产生的NOx量，还应考虑在区域A中循环的NOx的量而被计算。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于内燃机的NOx排放量估算方法，该内燃机配备有用于将一部分流过排气通道的废气循环至进气通道的EGR装置，并且该方法适用于估算包含在从排气通道排放至外部的废气中的NOx的量。

背景技术

在内燃机例如火花点燃式发动机或柴油机中，包含在从排气通道排放至外部的废气中的NOx的量(在下文中可能指的是“NOx排放量”)必须被减少。一种减少NOx排放量的有效方式是通过例如增加由EGR装置循环的EGR气体的量，或者延迟燃料喷射定时来降低最高火焰温度(最高燃烧温度)。

但是，当为了减少NOx的排放量而增加EGR气体的量时，颗粒物质(PM)的产生量增加了。当为了减少NOx的排放量而延迟燃料喷射定时时，燃料效率将恶化。

因此，为了将NOx的排放量减到最小，考虑抑制颗粒物质(PM)排放量的增加以及抑制燃料效率的恶化，NOx的排放量需要根据发动机的操作状态被控制到一预定目标值。为了精确控制NOx的排放量至一预定目标值，NOx的排放量必须被精确估算。

为了这种精确估算，日本专利申请特开2002-371893公开了一种用于内燃机的控制装置，该装置使用气缸压力传感器和进气氧浓度传感器来检测燃烧压力和进气氧浓度，并根据由燃烧压力和进气氧浓度计算的燃烧温度和气体混合物浓度来估算由于燃烧而产生的NOx的量(在下文中指的是“燃烧产生的NOx量”)，其中这种估算利用扩展的Zeldovich机理来执行，这是一种典型的已知燃烧模型。随后，EGR气体量，燃料喷射定时，或者其它被控制以便所估算的由燃烧产生的NOx的量与预定的目标燃烧产生的NOx的量相一致，从而NOx的排放量可被控制到一预定目标值。

附带地，在配备有EGR装置的内燃机中，包含在EGR气体中的NOx通过EGR装置循环到燃烧室中。此外，上述由燃烧产生的NOx的量是在燃烧区中产生的NOx的量，该燃烧区为燃烧室的一部分并且燃烧发生在其中(在下文指的是“燃烧区”)。因此，在燃烧室的其余区域中(在下文指的是“非燃烧区”)，燃烧后残留的循环的NOx。因此，为了精确估算NOx的排放量，不仅要考虑由燃烧产生的NOx的量，而且“残留在非燃烧区中的NOx的量”也应被考虑。

但是，在上述传统的装置中，“残留在非燃烧区的NOx的量”根本不被考虑。因此，当传统的装置应用于配备EGR装置的内燃机时，NOx的排放量不能被精确地估算，于是，NOx的排放量不能被精确控制到预定的目标值。

发明内容

考虑前面的描述，本发明的一个目标是提供一种用于配备有EGR装置的内燃机的NOx排放量的估算方法，该方法可通过考虑残留在非燃烧区的NOx的量而能精确估算从排气通道排放到外部的NOx的量。

根据本发明的NOx排放量估算方法适用于配备有EGR装置的内燃机，并且通过考虑由于燃烧而在燃烧室中产生的NOx的量(即，上述燃烧产生的NOx的量)以及通过EGR装置循环到燃烧室内的一部分NOx的量而适用于估算包含在从发动机的排气通道排放到外部的废气中的NOx的量(即，上述NOx排放量)。

通过EGR装置循环到燃烧室内的NOx的量(部分地)作为上述燃烧后“残留在非燃烧区中的NOx的量”。因此，在本发明的方法下，NOx的排放量可通过不仅考虑由燃烧产生的NOx的量，还考虑“残留在非燃烧区的NOx的量”而被估算。因此，NOx的排放量可被精确地估算。

一种根据本发明的用于估算NOx排放量的更加特别的方法，其适用于配备有EGR装置的内燃机，其包括步骤：估算燃烧区，该燃烧区是燃烧室中发生燃烧的一个区域；估算由于燃烧而在该燃烧区内产生的NOx的量作为燃烧产生的NOx的量，以及估算在非燃烧区中的NOx的量，其中该非燃烧区为燃烧室的剩余区域；以及根据由燃烧产生的NOx的量和在非燃烧区中的NOx的量估算包含在从排气通道排放到外部的废气中的NOx的量。

在该方法下，NOx的排放量可通过不仅考虑由燃烧产生的NOx的量；即，由于燃烧而在估算的燃烧区中产生的NOx的量，以及在非燃烧区中的NOx的量(在燃烧后)；即上述“残留在非燃烧区中的NOx的量”来估算。于是，NOx的排放量可被精确地估算。

在该情形中，将被估算的位于非燃烧区的NOx的量优选地为非燃烧区循环的NOx的量，其代表了通过EGR装置循环到燃烧室中的一部分NOx的量，该部分循环的NOx存在于燃烧之前的非燃烧区。

在燃烧室内的燃烧仅仅发生在燃烧区中，而不发生在非燃烧区。因此，通过EGR装置循环到燃烧室中的NOx的量，燃烧之前(在燃烧开始之前)存在于非燃烧区内的NOx的量(在下文中指的是“非燃烧区循环的NOx的量”)可被认为是在燃烧后被保存(保留)。换句话说，非燃烧区循环的NOx的量可被用作“残留在非燃烧区的NOx的量”。因此，通过使用上述方案，“残留在非燃烧区的NOx的量”可通过使用简单的配置(燃烧模型)而被精确地估算。结果，NOx的排放量可通过简单的计算而被精确地估算。

而且，由燃烧产生的NOx的量优选地以这种方式来估算，即当燃烧区循环NOx的量大于由燃烧产生的NOx的量时，燃烧区循环NOx的量被用作由燃烧产生的NOx的量(其作为燃烧后残留在燃烧区中的NOx的量)，其中燃烧区循环的NOx的量代表了通过EGR装置循环到燃烧室中的一部分NOx的量，该部分循环的NOx的量在燃烧之前存在于燃烧区。

在燃烧开始之前，通过EGR装置循环到燃烧室中的NOx的量(即，上述燃烧区循环的NOx的量)存在于燃烧区中，并且在燃烧后，由于燃烧而产生的NOx(即，上述燃烧产生的NOx的量)被加入到那里。通常，氮气分子N₂和NOx(特别是一氧化氮NO)是可通过逆向反应相互产生的物质。因此，在化学反应之后气体的NOx的量(NOx浓度)可通过化学平衡，根据化学反应之后的气体的温度(以这种方式，气体的温度越高，NOx的量越大(NOx浓度))被确定，而不管化学反应之前的NOx的量(NOx浓度)。

而且，在发动机的普通操作状态中，在很多情形下，由燃烧产生的NOx的量(在因为燃烧而具有增加温度的气体中产生的NOx的量)大于上述燃烧区循环的NOx的量。因此，基本上，由于燃烧产生的NOx的量可被认为基本上等于由燃烧产生的NOx的量(其作为燃烧后残留在燃烧区的NOx的量)。

但是，在由于加速器的开度非常小引起的EGR气体中的NOx浓度非常高并且燃料喷射量非常小的情形下，燃烧区循环的NOx的量将增加，并且由于燃烧而导致气体温度的较小增加，将导致由燃烧产生的NOx的量减少。结果，在某些情形中，燃烧区循环的NOx的量变得远大于由燃烧产生的NOx的量。在该情形下，燃烧区循环的NOx的量，而不是燃烧产生的NOx的量，被认为是由燃烧产生的NOx的量的更精确的代表(其用作“燃烧后残留在燃烧区的NOx的量”)。

换句话说，由燃烧产生的NOx的量(其作为燃烧后残留在燃烧区的NOx的量)优选地通过选择燃烧区循环的NOx的量和由燃烧产生的NOx的量(在燃烧后产生)中的较大者来估算。因此，通过使用上述方案，由燃烧产生的NOx的量(其作为燃烧后残留在燃烧区的NOx的量)可使用简单的配置(燃烧模型)被精确地估算。结果，NOx的排放量可通过简单的计算而被精确地估算。

在根据本发明的NOx排放量的估算方法中，NOx的排放量优选地通过下列步骤来估算：根据燃烧产生的NOx量和在非燃烧区中的NOx的量来估算排气中的NOx浓度；和通过将NOx的浓度与从排气通道排放到外部的废气量相乘而估算Nox排放量。

通过排气阀从发动机排放到排气通道的废气中的NOx浓度可被简单地计算为“由燃烧产生的NOx的量和非燃烧区中的NOx的量的和”与燃烧室内的气体总量的比。而且，当假定流过排气通道的废气中的NOx浓度在排气通道的整个区域是恒定时，通过排气阀从发动机排放到排气通道的废气中的NOx浓度将变得与从排气通道排放到外部的废气中的NOx的浓度相等。

因此，正如上文所述，排气中的NOx浓度(在通过阀从发动机排放到排气通道的时刻)，将根据由燃烧产生的NOx的量和在非燃烧区中的NOx的量被计算，并且NOx浓度与由从排气通道排放到外部的废气量相乘。于是，NOx的排放量，从排气通道排放到外部的NOx的量可以简单的方式被精确地估算。

在该情形中，吸入到进气通道的新空气量(在下文中可能指的是“吸入新空气量”)可方便地用作从排气通道排放到外部的废气的量。通常，用于测量吸入的新空气量的装置，例如气流计，被设置在发动机的进气通道中，以用于测量吸入到进气通道中的新空气量。而且，在发动机的普通操作状态中(特别是稳定的操作状态)，从排气通道排放到外部的废气量变得基本上与吸入的新空气量相等。

因此，以这种方案，从排气通道排放到外部的NOx的量可在无需提供额外的用于测量从排气通道排放到外部的废气量的装置的前提下被估算。结果，NOx的排放量可通过使用简单的配置被精确地估算。

在根据本发明的NOx排放量估算方法中，燃烧区优选地通过下列步骤来估算：估算吸入到燃烧室中的氧气量和由燃烧所消耗的氧气量；和根据由于燃烧所消耗的氧气量与吸入到燃烧室中的氧气量的比来估算燃烧区域。

吸入到燃烧室中的氧气量可将通过进气阀吸入到燃烧室的气体(在下文中可能指的是“吸入气体”)中的氧浓度(进气氧浓度)与吸入到燃烧室的气体总量(在下文中可能指的是“气缸内部总气体量”)相乘而得到，其中，氧浓度通过进气氧浓度传感器测量。由于燃烧消耗的氧气量可在假定所有喷射的燃料在化学计量空燃比下完全燃烧掉而被确定。

当假定吸入到燃烧室的进气的气体组份(包括氧分子和NOx)均匀地分布在燃烧室的整个区域时，“由于燃烧所消耗的氧气量”与“吸入到燃烧室中的氧气量”的比(在下文中指的是“氧气量比值”)将精确地代表了燃烧区与燃烧室的体积比，并因此代表了在燃烧之前存在于燃烧区中的NOx的量与吸入到燃烧室的NOx的总量(通过EGR装置循环到燃烧室)的比。

因此，当该方法被配置为使用氧气量比值来估算燃烧室时，燃烧区循环的NOx的量(循环到燃烧室的、在燃烧之前存在于燃烧区内的一部分NOx的量)和非燃烧区循环的NOx的量(循环到该燃烧室的、在燃烧之前存在于非燃烧区内的一部分NOx的量)可更精确地得到。

而且，在根据本发明的NOx排放量估算方法中，当内燃机被配置为在每一操作循环中影响至少一个引燃喷射并且随后主喷射时，由燃烧产生的NOx的量(在通过主喷射喷射的燃料燃烧殆尽后产生的NOx的量)优选地通过考虑由于引燃喷射而产生的惰性气体的影响而估算。

在引燃喷射完成后执行一次或多次主喷射的情形下，在当通过主喷射喷射的燃料开始在燃烧区中燃烧的时刻时，由于通过引燃喷射的燃料的燃烧而产生的惰性气体残留在燃烧区，从而燃烧区中的氧浓度将减小。而且，通过主喷射喷射的燃料的最高燃烧温度由于残留在燃烧室中的惰性气体的热容量将降低。

从上面的描述可以理解，由燃烧产生的NOx的量；即由于燃烧而在燃烧区产生的NOx的量，在所需数量的燃料部分地通过引燃喷射和部分地通过主喷射的方式被喷射的情形下，与所需数量的燃料以单次喷射的情形相比将降低。

因此，在主喷射之前执行至少一次引燃喷射的情形下，上述配置适合于估算由燃烧产生的NOx的量，考虑到由于引燃喷射而产生的惰性气体的影响，可更精确地估算由燃烧产生的NOx的量。由于惰性气体的影响而导致的燃烧产生的NOx的量的减少可被计算为例如，在引燃喷射的时刻或引燃喷射定时时的燃料喷射量的函数。

附图说明

图1是示出一系统整体配置的示意图，在该系统中，一发动机控制装置执行用于根据本发明一实施例的NOx排放量的估算方法，并且该发动机控制装置应用于四缸内燃机(柴油机)。

图2的示意图示出了气体从一进气歧管引入到某一气缸中并随后排放到排气歧管的状态。

图3是一流程图，其示出了图1中的CPU执行的以便控制燃料喷射量的程序。

图4是用于确定燃料喷射量的表，其涉及的是示于图1的CPU执行示于图3的程序的过程。

图5是用于确定基本燃料喷射定时的表，其涉及的是示于图1的CPU执行示于图3的程序的过程。

图6是用于确定基本燃料喷射压力的表，其涉及的是示于图1的CPU执行示于图3的程序的过程。

图7是用于确定目标NOx排放量的表，其涉及的是示于图1的CPU执行示于图3的程序的过程。

图8是用于确定喷射定时修正值的表，其涉及的是示于图1的CPU执行示于图3的程序的过程。

图9是一流程图，其示出了图1中的CPU执行的以便计算NOx排放量的程序。

具体实施方式

现在将参照附图描述内燃机(柴油机)的控制装置，其中该装置执行根据本发明一实施例的NOx排放量的估算方法。

图1示意性地示出了一系统的整体配置，其中这种发动机控制装置被应用于四缸内燃机(柴油机)10。该系统包括：发动机主体20，其包括燃料供给系统；进气系统30，用于将气体引入到发动机主体20的各自气缸的燃烧室(气缸内部)；排气系统40，用于从发动机主体20排出废气；EGR装置50，用于执行排气循环；以及一电子控制装置60。

燃料喷射阀(喷射阀，喷射器)21设置在发动机主体20的各自气缸之上。燃料喷射阀21通过燃料管23连接到喷射泵22，该喷射泵连接到一未显示的燃料箱。燃料喷射泵22电连接到电子控制装置60。按照来自电子控制装置60的驱动信号(相应于基本喷射压力Pcrbase的指令信号，其将在后面描述)，燃料喷射泵22以这样的方式对燃料加压，使燃料的实际喷射压力(排放压力)与基本燃料喷射压力Pcrbase相等。

于是，加压至基本燃料喷射压力Pcrbase的燃料从燃料喷射泵22供给到燃料喷射阀21。而且，燃料喷射阀21电连接到电子控制装置60。根据来自电子控制装置60的驱动信号(相应于在下文将被描述的燃料喷射量qfin的指令信号)，每一燃料喷射阀21打开一段预定时间，以便将加压至基本燃料喷射压力Pcrbase，喷射量为qfin的燃料直接喷射至相应气缸的燃烧室中。

进气系统30包括一进气歧管31，其连接到发动机主体20各自气缸的相应燃烧室；一进气管32，其连接到进气歧管31的上游侧分支部分并且包括一与进气歧管31相连通的进气通道；一节气门33，其可旋转地容纳在进气管32中；一节气门执行机构33a，用于根据来自电子控制装置60的驱动信号转动节气门33；一中间冷却器34，其插入在将被定位于节气门33上游侧上的进气管32中；一涡轮增压器35的压缩机35a，其插入在将被定位于中间冷却器34的上游侧上的进气管32中；以及一空气滤清器36，其设置在进气管32的远端部分。

排气系统40包括一排气歧管41，其连接到发动机主体20的各自气缸；一排气管42，其连接到排气歧管41的下游侧合并部分；一涡轮增压器35的涡轮35b，其插入在排气管42中；以及一柴油机微粒过滤器(在下文指的是“DPNR”)43，其插入在排气管42中。排气歧管41和排气管42构成了一排气通道。

DPNR43是一容纳过滤器43a的过滤器单元，该过滤器由多孔材料例如堇青石形成并且其借助于多孔表面收集包含在穿过该过滤器的废气中的颗粒物质。在DPNR43中，携带有至少一种选自下列碱金属、碱土金属以及稀土金属的金属元素，碱金属例如钾K，钠Na，锂Li，锶Ce；碱土金属例如钡Ba和钙Ca；以及稀土金属例如镧La和钇Y；同时还有铂，其位于作为载体的氧化铝之上。于是，DPNR43还作为存储—还原型的NOx催化剂单元，其在吸收NOx后，释放所吸收的NOx并将其还原。

EGR装置50包括一排气循环管51，其形成了一用于废气循环的通道(EGR通道)；EGR控制阀52，其插入在废气循环管51中；以及EGR冷却器53。该废气循环管51在位于涡轮35b上游侧的排气通道(排气歧管41)和位于节气门33的下游侧的进气通道(进气歧管31)之间建立起了连通。EGR控制阀52响应来自电子控制装置60的驱动信号，以便改变将被循环的废气量(废气循环量，EGR-气体流速)。

电子控制装置60是一个微型计算机，其包括CPU 61，ROM 62，RAM 63，备份RAM 64，界面65等，它们通过总线相互连接。ROM 62存储着将由CPU 61，表区(查表，映射表)，常数等执行的程序。当需要时，RAM 63允许CPU 61暂时地存储数据。备份RAM 64在电源开启的情形下存储数据，并且即使是在电源关闭后，也能保存所存储的数据。界面65包括A/D转换器。

界面65连接到热线型的气流计71，其作为一空气流速(新空气流速)测量装置，并且设置在进气管32中；一进气温度传感器72，其设置在将被定位于节气门33的下游和废气循环管51连接到进气通道的那一点的下游的进气通道中；一进气管压力传感器73，其设置在将被定位于节气门33的下游和废气循环管51连接到进气通道的那一点的下游的进气通道中；一曲柄位置传感器74；一加速器开度传感器75；以及一进气氧浓度传感器76，其设置在将被定位于节气门33的下游和废气循环管51连接到该进气通道的那一点的下游的进气通道中。界面65接收来自这些传感器的各自的信号，并将所接收的信号提供给CPU 61。而且，界面65连接到燃料喷射阀21，燃料喷射泵22，节气门执行机构33a，以及EGR控制阀52；并根据CPU61的指令将相应的驱动信号输出到这些元件。

热线型的气流计71测量穿过进气通道(每单位时间吸入的新空气量)的吸入空气(新空气)的质量流量，并产生指示质量流量Ga(吸入的新空气流速Ga)的信号。进气温度传感器72检测上述进气的温度，并产生一表示进气温度Tb的信号。进气管压力传感器73测量进气的压力(即，进气管压力)，并产生一表示进气管压力Pb的信号。

曲柄位置传感器74检测每一气缸的绝对曲柄角，并产生一表示曲柄角CA和发动机转速NE即发动机10的转速的信号。加速器开度传感器75检测加速器踏板AP操作的量，并产生一表示加速器踏板操作量Accp的信号。进气氧浓度传感器76检测进气的氧浓度(即，进气氧浓度)，并产生一表示进气氧浓度RO2_in的信号。

NOx排放量估算方法概述

接下来，将描述根据本发明实施例的通过具有上述配置的内燃机的控制装置(在下文中指的是“本装置”)来执行NOx排放量估算方法的概述。图2是一示意性的视图，其示出了气体(进气)从进气歧管31吸入到发动机10的某一气缸内(气缸内部)的状态并随后排放到排气歧管41。

如图2所示，进气(相应地，气缸内部气体)包括从进气管32的末端通过节气门33吸入的新空气，以及从排气循环管51通过EGR控制阀52吸入的EGR气体(包括NOx)。吸入的EGR气体的质量(EGR气体质量)与吸入的新空气的质量(新空气质量)以及吸入的EGR气体的质量(EGR气体质量)之和的质量比(即，EGR比率)根据节气门33和EGR控制阀52的开度而改变，它们根据操作条件而由电子控制装置60(CPU61)适当地控制。

在进气冲程过程中，进气(即，由新空气和包括NOx的EGR气体组成的气体)当活塞向下移动时通过打开的进气阀Vin吸入到气缸中，并且这样产生的混合气作为气缸内部气体。当活塞到达下止点(在下文中指的是“ATDC-180°”)而进气阀Vin关闭时，该气缸内部气体被限制在气缸中，并且当活塞向上移动时在随后的压缩冲程中被压缩。当活塞到达上止点(特别地，当将在以后描述的最终的燃料喷射定时finjfin到来时)，本装置相应于燃料喷射量qfin而打开相应的燃料喷射阀21一段预定的时间，从而将燃料直接喷入气缸。结果，喷射的燃料随着时间的流逝而分散在气缸中，并与气缸内部气体混合以产生气体混合物。气体混合物通过在预定定时的自动点火而开始燃烧。

在本实施例中，假定这种燃烧仅发生在燃烧区(在下文中可能指的是“区域B”，如图2所示)，该区域是燃烧室的一部分并在以后被估算；而不发生在非燃烧区(在下文中可能指的是“区域A”，如图2所示)，该区域是燃烧室中除了区域B之外的剩余区域。残留在燃烧室中的气缸内部气体在燃烧后作为废气通过排气阀Vout排放到排气歧管41，当活塞向上移动时，该阀在排气冲程中保持开启。废气随后通过排气管42排放到外部。

下面，将描述一种特定的NOx排放量估算方法，其适用于安装有EGR装置50的内燃机10，并且其通过本装置来实现。在NOx排放量估算方法中，在每一对于气缸的最终燃料喷射定时finjfin的时间到来时，其中燃料喷射到该气缸(在下文中指的是“燃料喷射气缸”)，包含在废气中的NOx的质量(即，NOx排放量，实际NOx排放量NOxact)被估算，在最终燃料喷射定时之后立即进行的排气冲程过程中，废气从燃料喷射气缸通过排放阀Vout和排气通道排放到外部。

在该方法中，为了估算实际的NOx排放量NOxact，在燃烧前存在于上述区域B中的NOx的质量与吸入到燃烧室中的NOx的总质量的比(在下文中指的是“NOx数量比，RatioNOx”)，燃烧后残留在上述区域A中的NOx质量，以及燃烧后残留在上述区域B中的NOx的质量必须被估算。因此，将参照附图2描述获得这些值的方法。

<获得NOx数量比，RatioNOx的方法>

假定吸入到燃烧室内的进气(气缸内部气体)中的每一气体组分，包括氧分子和Nox，均匀地分布在燃烧室内的整个区域中。而且，在该状态下，假定存在于区域B中的所有氧气都被燃烧消耗殆尽。在该情形中，“由燃烧消耗的氧气质量”与“吸入到燃烧室内的氧气的总质量”之比(即，上述氧气数量比)代表了区域B的体积与燃烧室的体积之比，还代表了在燃烧前区域B中的NOx的质量与吸入到燃烧室中的NOx的总质量的比(也即上述NOx数量比，RatioNOx)。换句话说，区域B可通过使用氧数量比被估算。

因此，为了得到NOx数量比RatioNOx，应得到氧气数量比，而“吸入到燃烧室中的氧气的总质量”和“由燃烧消耗的氧气质量”必须得到以便获得氧气数量比。

“吸入到燃烧室的氧气总质量”可通过将吸入到燃烧室的气体的总质量(在下文中指的是“气缸内的总气体量Gcyl”)与燃烧之前的气缸内气体的氧浓度相乘而得到。气缸内部总气体量Gcyl可根据方程式(1)得到，该方程式建立在气体在ATDC-180°处的平衡状态。

Gcyl＝(Pa0·Va0)/(R·Ta0)          (1)

在方程式(1)中，Pa0是下止点气缸内部气体的压力；即气缸内部气体在ATDC-180°处的压力。在ATDC-180°处，气缸内部气体压力被认为基本上等于进气管压力Pb。因此，下止点气缸内部气体压力Pa0可由在ATDC-180°处通过进气管压力传感器73检测的进气管压力Pb而获得。Va0是下止点燃烧室体积；即在ATDC-180°处的燃烧室体积。燃烧室体积Va可根据发动机10的设计规格而表示为曲柄角CA的函数。因此，下止点燃烧室体积Va0可根据该函数得到。Ta0是下止点气缸内部气体温度，即在ATDC-180°处的气缸内部气体温度。在ATDC-180°处，气缸内部气体温度被认为基本上等于进气温度Tb。因此，下止点气缸内部气体温度Ta0可从在ATDC-180°处借助于进气温度传感器72检测的进气温度Tb而得到。R是气缸内部气体的气体常数。

而且，在燃烧之前的气缸内部气体的氧浓度被认为基本上等于ATDC-180°处的进气氧浓度RO2_in。因此，燃烧之前的气缸内部气体的氧气浓度可从在ATDC-180°处借助于进气氧浓度传感器76检测的下止点进气氧浓度RO20_in而得到。由上所述，“吸入到燃烧室的氧气的总质量”可表示为“Gcyl·RO20_in”。

同时，若假定喷射的全部燃料(即，以上述燃料喷射量qfin的燃料)在化学计量空燃比stoich下完全燃烧，则“由燃烧消耗的氧气质量”可表示为“K·Qfuel”。K是一个系数，它是通过将包含在大气中的氧气质量比(0.23)与化学计量空燃比stoich(如14.6)，即“0.23·stoich”，相乘而得到的值。Qfuel是与上述燃料喷射量qfin相等的值。由上述可知，NOx数量比RatioNOx可根据下面的方程式(2)得到。

RatioNOx＝(K·Qfuel)/(Gcyl·RO20_in)             (2)

<获得燃烧后残留在区域A中的NOx质量的方法>

正如上文所述，在该实施例中，假定燃烧室内的燃烧仅在区域B中发生而不发生在区域A中。因此，通过EGR装置50循环到燃烧室的NOx质量中，在燃烧前存在于区域A中的NOx质量(在下文中指的是“A区循环的NOx量NOxA”)可被认为是保存(容纳)在区域A中，即使是在燃烧之后。换句话说，A区循环的NOx量NOxA直接代表了“燃烧后残留在区域A中的NOx的质量”。

燃烧之前存在于区域A中的NOx的质量与吸入到燃烧室中的NOx的总质量之比可通过使用上述NOx数量比RatioNOx来表示，即，表示为“1-RatioNOx”。因此，A区循环的NOx量NOxA可通过将气缸内部的总气体量Gcyl与燃烧之前的气缸内部气体的NOx浓度和(1-RatioNOx)相乘而获得。由于燃烧之前的气缸内部气体的NOx浓度可认为基本上与进气NOx浓度(进气NOx浓度RNOx_in)相等，A区循环NOx量NOxA可由下述方程式(3)表示。

NOxA＝RNOx_in·(1-RatioNOx)·Gcyl             (3)

在方程式(3)中，进气NOx浓度RNOx_in是包含在由EGR装置50循环的EGR气体中的NOx质量与气缸内部总气体量Gcyl的比。当假定EGR气体的NOx浓度与下述在先前操作循环中计算的排气NOx浓度RNOx_ex相等时，进气NOx浓度RNOx_in可根据下述方程式(4)得到

RNOx_in＝(RNOx_ex·Gegr)/Gcyl              (4)

在方程式(4)中，Gegr是EGR气体的质量，在本操作循环的进气冲程过程中，该EGR气体作为进气的一部分已从EGR装置50吸入到燃烧室中，并且可根据下面的方程式(5)得到。

Gegr＝Gcyl-Gm                              (5)

在方程式(5)中，Gm代表新空气的质量(吸入的新空气量)，在本操作循环的进气冲程过程中，该新空气作为进气的一部分已从进气管32的末端吸入到燃烧室中，并且在借助于气流计71测量的每单位时间吸入的新空气量(吸入新空气流速Ga)、根据曲柄位置传感器74输出的发动机转速NE以及函数f(Ga，NE)的基础上被计算，该函数f(Ga，NE)利用吸入新空气流速Ga和发动机转速NE作为自变量以便得到每个进气冲程所吸入的新空气量。在ATDC-180°处由相应传感器检测的下止点吸入新空气流速Ga0和下止点发动机转速NE0分别用作吸入新空气流速Ga和发动机转速NE。如上文所述，A区循环的NOx量NOxA，并且“燃烧后残留在区域A中的NOx质量”可通过上述方程式(3)得到。

<获得燃烧后残留在区域B中的NOx质量的方法>

通过EGR装置50循环到燃烧室中的NOx质量中，燃烧前存在于区域B中的NOx质量(在下文中指的是B区循环NOx量NOxB2)可通过下面的方程式(6)表示，就像A区循环NOx量NOxA通过上述方程式(3)来表示一样。

NOxB2＝RNOx_in·RatioNOx·Gcyl                 (6)

同时，作为燃烧的结果，NOx产生在区域B中(该NOx的量将指的是“B区由燃烧产生的NOx的量NOxB1”)。B区燃烧产生的NOx的量NOxB1可根据下面的方程式(7)确定，它是一个通过将每单位燃料量的燃烧产生NOx的量(在下文中指的是“燃烧产生的NOx比率RNOx_burn”)与上述燃料喷射量Qfuel相乘而得到的值。燃烧产生的NOx比率RNOx_burn根据例如，燃料喷射量Qfuel，发动机转速NE，以及使用燃料喷射量Qfuel和发动机转速NE为自变量以便获得燃烧产生的NOx比率的函数g(Qfuel，NE)来计算。

NOxB1＝RNOx_burn·Qfuel                      (7)

正如先前的描述，燃烧之后的气体中的NOx量(NOx浓度)可不考虑燃烧之前的NOx量(NOx浓度)而借助于化学平衡，根据燃烧后的气体温度来确定(以这种方式，气体温度越高，NOx量越大(NOx浓度))。

因此，在发动机的普通操作状态，在很多情形下，B区燃烧产生的NOx量NOxB1(由于燃烧，具有增加温度的气体内所产生的NOx量)变得比B区循环NOx的量NOxB2要大很多。因此，基本上，B区燃烧产生的NOx量NOxB1可认为基本上等于“燃烧后残留在区域B中的NOx质量”。

但是，在EGR气体的NOx浓度(因此，下述在先前操作循环中在燃料喷射时被计算的排气NOx的浓度RNOx_ex)非常高并且燃料喷射量qfin(＝Qfuel)由于非常小的加速器操作量Accp而非常小的情形下，B区循环NOx的量NOxB2将增加，并且由于燃烧引成的气体温度的小幅增加，B区由燃烧产生的NOx的量NOxB1将减少。结果，B区循环NOx的量NOxB2在某些情形下变得大于B区燃烧产生的NOx的量NOxB1。在该情形下，B区循环NOx的量NOxB2，而不是B区燃烧产生的NOx量的NOxB1，被认为是“燃烧后残留在区域B中的NOx质量”的更精确的代表。

从上述可以理解，“燃烧后残留在区域B中的NOx质量”可按照根据方程式(7)得到的B区燃烧产生的NOx的量NOxB1和根据方程式(6)得到的B区循环NOx的量NOxB2中的较大者来得到(较大的一个将指的是“B区最终NOx的量NOxB”)。

一旦A区循环NOx的量NOxA，它是“燃烧后残留在A区的NOx的质量”，以及B区最终NOx的量NOxB，它是“燃烧后残留在B区的NOx质量”被获得，燃烧后残留在燃烧室的NOx的总质量可按照“NOxA+NOxB”得到。而且，燃烧后残留在燃烧室内的气体的总质量可按照“Gcyl+Qfuel”得到。

因此，在排气冲程过程中，通过排气阀Vout从燃烧室排放到排气通道(排气歧管41)的废气中的NOx浓度(排气NOx浓度RNOx_ex)等于“燃烧后残留在燃烧室中的NOx的总质量”与“燃烧后残留在燃烧室中的气体总质量”的比，并且可根据方程式(8)得到。

RNOx_ex＝(NOxA+NOxB)/(Gcyl+Qfuel)        (8)

正如上文所述，假定穿过排气通道(排气歧管41)的废气中的NOx浓度与流过废气循环管51的EGR气体中的NOx浓度相等，那么根据方程式(8)得到的废气中NOx浓度RNOx_ex的先前值被用于上述方程式(4)中以用于获得进气中NOx浓度RNOx_in的当前值。

当假定流过排气通道(排气歧管41和排气管42)的废气中的NOx浓度在排气通道的整个区域上是恒定时，排气NOx浓度RNOx_ex变得与从排气通道(特别地，排气管42的末端)排放到外部的废气中的NOx的浓度相等。

而且，在发动机10的一个普通操作状态下(特别的，一个稳定的操作状态)，每一操作循环(排气冲程)从排气通道(排气管42)排放到外部的废气的质量基本上与上述吸入的新空气量Gm相等。可从上述理解到，在每一操作循环包含在通过排气通道排放到外部的废气中的NOx的质量(上述实际NOx排放量NOxact)可根据方程式(9)得到。方程式(9)显示了当EGR气体量Gegr增加时，吸入的新空气量Gm将减小，从而实际NOx排放量NOxact也将减少。因此，当EGR气体量Gegr增加时，实际NOx排放量NOxact减少的现象可被精确地表示。

NOxact＝RNOx_ex·Gm                  (9)

正如上文所述，当对于燃料喷射气缸的每一最终燃料喷射定时finjfin的到来时，本装置通过使用方程式(1)至(9)来估算实际的NOx排放量NOxact，即在喷射定时后立即进行的排气冲程中通过排气阀Vout从燃料喷射气缸排放的NOx的质量。以上就是NOx排放量估算方法的概述。

<燃料喷射控制概述>

执行上述NOx排放量估算方法的本装置根据上述燃料喷射量qfin和发动机转速NE以预定的间隔计算每一操作循环的NOxt所排放的目标NOx排放量。随后，本装置以这样的方式反馈控制最终燃料喷射开始定时finjfin和EGR控制阀52的开度，以便在先前操作循环中估算的实际NOx排放量NOxact与目标NOx排放量NOxt相一致。

特别地，当在先前操作循环中估算的实际NOx排放量NOxact大于目标NOx排放量NOxt时，将被应用于本操作循环中的燃料喷射气缸的最终燃料喷射开始定时finjfin将相对于基本燃料喷射开始定时finjbase延迟一预定量，并且EGR控制阀52的开度从当前角度增加一预定量。结果，在本操作循环中的燃料喷射气缸的最高火焰温度被控制减小，从而实际NOx排放量NOxact，即在本操作循环中从燃料喷射气缸排放到外部的NOx的量与目标NOx排放量NOxt相一致。

同时，当在先前操作循环中估算的实际NOx排放量NOxact小于目标NOx排放量NOxt时，将在本操作循环中应用于燃料喷射气缸的最终燃料喷射开始定时finjfin将相对于基本燃料喷射开始定时finjbase提前一个预定量，并且EGR控制阀52的开度从当前角度减小一预定量。结果，在本操作循环中的燃料喷射气缸的最高火焰温度被控制增加，从而实际NOx排放量NOxact，即在本操作循环中从燃料喷射气缸排放到外部的NOx的排放量与目标NOx排放量NOxt相一致。以上就是燃料喷射控制的概述。

实际操作

下面将描述具有上述配置的内燃机的控制装置的实际操作。

<燃料喷射量等的控制>

CPU 61以预定的间隔重复执行由图3的流程图所示的程序并其其适合于控制燃料喷射量等。因此，当已经到达预定的定时时，CPU 61从步骤300开始启动程序，并随后进行步骤305以便从加速器开度Accp、发动机转速NE、以及示于图4的表(图)Mapqfin中得到燃料喷射量qfin。表Mapqfin确定了加速器开度Accp和发动机转速NE，以及燃料喷射量qfin之间的关系；并且被存储在ROM62中。

随后，CPU 61进行步骤310，以便根据燃料喷射量qfin，发动机转速NE，以及示于图5的表Mapfinjbase来确定基本燃料喷射定时finjbase。表Mapfinjbase确定了燃料喷射量qfin与发动机转速NE，以及基本燃料定时finjbase之间的关系；并且被存储在ROM62中。

随后，CPU61执行步骤315，以便根据燃料喷射量qfin，发动机转速NE，以及示于图6的表MapPcrbase确定基本燃料喷射压力Pcrbase。表MapPcrbase确定了燃料喷射量qfin和发动机转速NE，以及基本燃料喷射压力Pcrbase之间的关系，并被存储在ROM 62中。

随后，CPU61执行步骤320，以便根据燃料喷射量qfin，发动机转速NE，以及示于图7的表MapNOxt来确定目标NOx的排放量。表MapNOxt确定了燃料喷射量qfin和发动机转速NE，以及目标NOx排放量NOxt之间的关系；并被存储在ROM 62中。

随后，CPU61执行步骤325，以便存储NOx排放量偏差ΔNOx，它是一个从目标NOx排放量NOxt减去至少实际NOx排放量NOxact后得到的值，其通过将在后文描述的程序在先前操作循环的燃料喷射定时时被计算。

随后，CPU61执行步骤330，以便根据NOx排放量偏差ΔNOx和示于图8的表MapΔθ来确定喷射定时修正值Δθ。表MapΔθ确定了NOx排放量偏差ΔNOx和喷射定时修正值Δθ之间的关系，并被存储在ROM 62中。

随后，CPU61执行步骤335，以便通过喷射定时修正值Δθ修正基本燃料喷射定时finjbase，从而得到最终燃料喷射定时finjfin。于是，燃料喷射定时根据NOx排放量偏差ΔNOx被修正。图8明显的示出了，当NOx排放量偏差ΔNOx为正值时，喷射定时修正值Δθ变为正值，并且其大小随NOx排放量偏差ΔNOx的大小而增加，从而最终燃料喷射定时finjfin偏向点火提前一侧。当NOx排放量偏差ΔNOx为负值时，喷射定时修正值Δθ变为负值，并且其大小随NOx排放量偏差ΔNOx的大小而增加，从而最终燃料喷射定时finjfin偏向点火延迟一侧。

随后，CPU61进行步骤340，以便确定对于燃料喷射气缸是否达到了喷射起始定时(即，最终燃料喷射定时finjfin)。当CPU61在步骤340作出“否”的判定时，CPU61直接执行步骤395，以便终止本程序的当前执行。

相反，当CPU61在步骤340作出“是”的判定时，CPU61继续进行步骤345，以便从燃料喷射阀21以基本燃料喷射压力Pcrbase将喷射量为qfin的燃料喷射到燃料喷射气缸。在随后的步骤350中，CPU61判定NOx排放量偏差ΔNOx是否为正值。当CPU61在步骤350中作出“是”的判定时，CPU61继续执行步骤355以便将EGR控制阀52的开度从当前的角度减少一预定值。随后，CPU61继续执行步骤370。

当CPU 61在步骤350中作出“否”的判定时，CPU 61继续执行步骤360以便确定NOx排放量偏差ΔNOx是否为负值。当CPU61在步骤360中作出“是”的判定时，CPU61继续执行步骤365以便将EGR控制阀52的开度从当前的角度增加一预定值。随后，CPU61继续执行步骤370。当CPU 61在步骤360中作出“否”的判定时(即，当NOx排放量偏差ΔNOx为零时)，CPU61继续执行步骤370而不改变EGR控制阀52的开度。

以这种方式，EGR控制阀52的开度根据NOx排放量偏差ΔNOx来改变。在步骤370中，CPU61将实际喷射的燃料喷射量qfin存储为值Qfuel。随后，CPU61继续执行步骤395以便终止本程序的当前执行。通过上述操作过程，可实现燃料喷射量，燃料喷射定时，燃料喷射压力，以及EGR控制阀52的开度的控制。

<NOx排放量的计算>

在这期间，CPU61以预定的间隔重复执行由图9的流程图所示的程序该程序适合于计算实际NOx排放量NOxact。因此，当已经达到预定的定时时，CPU61从步骤900启动程序，并且随后进行步骤905以便判定此时当前点处的曲柄角CA是否与ATDC-180°相一致。

下面的描述将假定此时当前点处的曲柄角CA仍未达到ATDC-180°。在该情形下，CPU61在步骤905中作出“否”的判定，并随后直接进行步骤935以便确定对于燃料喷射气缸的燃料喷射开始定时(即，最终燃料喷射定时finjfin)是否已经到来。由于此时当前点处的曲柄角CA仍未到达ATDC-180°，CPU61在步骤935中作出“否”的判定，并随后直接进行步骤995以便终止本程序的当前执行。

在这之后，CPU61重复执行步骤900，905，935，以及995直到曲柄角到达ATDC-180°。当曲柄角已经到达ATDC-180°时，CPU61在进行步骤905时作出“是”的判定，并随后进行步骤910。在步骤910中，CPU61将分别通过进气温度传感器72、进气管压力传感器73、气流计71以及曲柄位置传感器74在此时的当前点处(ATDC-180°)检测的进气温度Tb、进气管压力Pb、进气新空气流速Ga以及发动机转速NE，存储作为下止点气缸内部气体温度Ta0、下止点气缸内部气体压力Pa0、下止点吸入新空气流速Ga0以及下止点发动机转速NE0。

随后，CPU 61进行步骤915以便将由进气氧浓度传感器76在此时当前点处(ATDC-180°)检测的进气氧浓度RO20_in存储作为下止点进气氧浓度RO20_in。在随后的步骤920中，CPU61根据上述方程式(1)计算气缸内部的总气体量Gcyl。这里，存储在步骤910中的值被用作下止点气缸内部气体压力Pa0和下止点气缸内部气体温度Ta0。

随后，CPU 61进行步骤925以便根据上述定义的函数f并由下止点吸入新空气流速Ga0和下止点发动机转速NE0来计算吸入新空气量Gm。在随后的步骤930中，CPU61根据在步骤920中计算的气缸内部总气体量Gcyl计算EGR气体量Gegr，并且根据上述方程式(5)计算吸入的新空气量Gm。随后，CPU61进行步骤935以便作出“否”的判定，并且随后进行步骤995以便终止本程序的当前执行。

在这之后，CPU61重复执行步骤900，905，935，以及995直到燃料喷射定时(即，最终燃料喷射定时finjfin)的到来。当最终燃料喷射定时finjfin到来后，CPU61在步骤935中作出“是”的判定，并随后进行步骤940以便根据上述方程式(4)计算进气NOx的浓度RNOx_in。这里，在步骤930和920中计算的值被分别用作EGR气体量Gegr和气缸内部总气体量Gcyl。在先前操作循环中燃料喷射开始定时时而在步骤975(将在稍后描述)中已被计算的值被用作排气NOx的浓度RNOx_ex。

随后，CPU 61进行步骤945以便根据在图9的步骤945的框中所示的方程式来计算A区循环NOx的量NOxA；该方程式与上述方程式(2)和(3)相对应。这里，存储在图3所示的步骤370中的最新值被用作值Qfuel。在这之后，CPU 61进行步骤950以便根据值Qfuel，此时当前点处的发动机转速NE，以及上述函数g来计算由燃烧产生的NOx的比率RONx_burn。在随后的步骤955中，CPU61根据上述方程式(7)获得B区燃烧产生的NOx的量NOxB1。

随后，CPU61进行步骤960以便根据在步骤960的框中描述的方程式获得B区循环NOx的量NOxB2，其中该方程式与上述方程式(2)和(6)相对应。在步骤965中，B区燃烧产生的NOx的量NOxB1和B区循环NOx的量NOxB2中的较大者被存储为B区最终NOx的量NOxB。

随后，CPU61进行步骤970以便根据上述方程式(8)获得排气中NOx的浓度RNOx_ex。在步骤975中，CPU61根据上述方程式(9)获得实际NOx排放量NOxact，并随后进行步骤995以便终止本程序的当前执行。在这之后，CPU61重复执行步骤900，905，935，以及995的程序，直到用于燃料喷射气缸的ATDC-180°再次到来为止。

在上述方式中，新的实际NOx排放量NOxact在每一次燃料喷射开始定时到来时可被获得。所获得的新的实际NOx排放量NOxact被用在上述图3所示的步骤325中。结果，在下一个操作循环中将应用于燃料喷射气缸的最终燃料喷射定时finjfin以及EGR控制阀52的开度在新的实际NOx排放量NOxact的基础上被反馈控制。

正如上文所述，在根据本发明实施例的用于内燃机的NOx排放量的估算方法中，假定吸入在燃烧室中的进气中的气体组份(即，氧分子和NOx)均匀分布在燃烧室的整个区域中。在这种假设下，利用“由燃烧所消耗的氧气质量”与“吸入在燃烧室内的氧气总质量”之比，燃烧室可被分成燃烧区(区域B)和非燃烧区(区域A)。而且，假定由燃烧产生的NOx在燃烧后残留在区域B中(实际NOx量为上述B区最终NOx的量NOxB)，并且在燃烧前存在于区域A中的循环NOx(循环NOx的量为上述A区循环NOx的量NOxA)在燃烧后被保存(保留)，则实际NOx排放量NOxaxt(由排气通道排到外部的实际NOx的量)将不仅考虑区域B中的由燃烧产生的NOx量，还应考虑A区循环的NOx量NOxA而被计算。因此，实际NOx排放量NOxaxt可被精确地估算。

本发明并不限定于上述实施例，而是可在本发明的范围内以各种方式作出改进。例如，下述改进可被应用。在上述实施例中，NOx的排放量(实际NOx排放量NOxaxt)是在每当燃料喷射开始定时到来而不管发动机10的操作状态被计算的。但是，该实施例可以这种方式改进，以便NOx的排放量仅在发动机处于预定的稳定操作状态时被计算。

在上述实施例中，上述B区最终NOx的量NOxB，被用作“燃烧后残留在B区的NOx质量”，它是根据方程式(7)获得的上述B区由燃烧产生的NOx的量NOxB1以及根据方程式(6)获得的上述B区循环NOx的量NOxB2中的较大者。但是B区燃烧产生的NOx的量NOxB1可一直被用作“燃烧后残留在B区的NOx的质量”。

在上述实施例中，发动机10被配置为在每一操作循环中单次喷射所需数量(燃料喷射量qfin)的燃料。但是，考虑到由于引燃喷射产生的惰性气体的影响，在发动机10被配置为在每一操作循环中通过引燃喷射和主喷射来喷射所需数量的燃料的情形下，上述燃烧产生的NOx的比率RNOx_burn可根据例如，在引燃喷射的时刻或引燃喷射定时的燃料喷射量被修订(减少)一预定量。