用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備和排放物生成量估計設備的製作方法

2023-12-06 12:13:51 1

專利名稱：用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備和排放物生成量估計設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備，該設備估計氣體混合物的狀態(溫度等)，所述氣體混合物是通過將注入到內燃機的燃燒室中的燃料和缸內氣體(被吸入燃燒室的氣體)相混合而產生的，並且涉及用於估計排放物生成量的排放物生成量估計設備，該排放物是氣體混合物的燃燒結果所產生的有害物質。

背景技術：
諸如在內燃機(特別是柴油機)的燃燒室中生成的菸灰和NOx等的排放物量，與在燃燒室中形成的氣體混合物的狀態(特別是溫度、燃料濃度等)具有較強的相關性(特別是點燃之後的氣體混合物狀態)。因此，為了精確地控制和減少排放物生成量(排放量)，必須準確地估計氣體混合物的狀態。
已知存在各種技術用於估計氣體混合物的狀態。在日本專利申請特開(kokai)第2001-254645號中公開了一種用於柴油機的燃料注入設備，其根據諸如引擎冷卻水的溫度、吸入空氣的溫度和吸入空氣的壓力等影響氣體混合物溫度的各種操作條件來估計混合氣體的溫度。
順便說一下，在燃燒室中形成的氣體混合物的狀態(溫度等)根據隨著活塞運動而隨時改變的缸內氣體的溫度等而連續地得到確定。進而，氣體混合物的狀態還取決於缸內氣體與燃料的混合程度(相應地，根據例如氣體混合物的過高空氣比、燃料濃度等)。氣體混合物的過高空氣比是根據在注入時氣體混合物中所包含的燃料的注入壓力，以及在注入時缸內氣體的密度來確定的值。也就是說，氣體混合物的狀態是根據在注入時氣體混合物中所包含的燃料的注入壓力，以及在注入時缸內氣體的密度來連續地確定的。
同時，對應於燃料注入後經過某一時間的缸內氣體的溫度等，會隨著燃料注入的時間點而改變。進而，燃料注入時的燃料注入壓力和燃料注入時的缸內氣體密度也隨著燃料注入的時間點而改變。因此，在燃燒室中形成的氣體混合物的狀態根據包含在氣體混合物中的燃料注入的時間點而改變。
另外，當一定量的燃料被注入到燃燒室中時，在根據注入量而設置的注入時間段期間，燃料不斷地被注入。因此，當在顯微鏡下觀察燃燒室中形成的氣體混合物時，在氣體混合物前面附近的部分中包含的燃料的注入早於包含在其餘部分中的燃料的注入。換句話說，包含在某一部分中的燃料的注入時間點根據在由氣體混合物所佔據的區域內的該部分的位置(具體地說，就是沿著朝向注入開口的方向與所測量得到的氣體混合物前面位置之間的距離)而改變。
從上可以看出，當在微觀下觀察燃燒室中形成的氣體混合物時，氣體混合物(對應於燃料注入後經過的時間)的狀態(溫度等)根據其位於由氣體混合物所佔據的區域內的位置而改變。因此，作為氣體混合物燃燒結果而生成的排放物生成程度會根據其在由氣體混合物所佔據的區域內的位置而改變。換句話說，由於在燃燒室中形成的氣體混合物的狀態不均勻，因此排放物生成程度也不均勻，結果在燃燒室內生成的排放物的總生成量嚴重受到這種不均勻性的影響。
不過，由現有設備所估計的氣體混合物溫度(例如，氣體混合物的狀態)是在假定燃料在某一時刻(幾乎與注入開始的時間點同時)注入的情況下所計算的值，而沒有考慮到上述注入時間段。也就是說，氣體混合物溫度是在沒有考慮上述氣體混合物的不均勻性的情況下所計算的值。因此，如果根據由現有設備所估計的氣體混合物溫度來估計排放物的總生成量，則所估計的總排放物生成量包含誤差，導致無法準確控制排放物生成量(排放量)的問題。


發明內容
本發明的實現用於解決這種問題，並且本發明的目標是提出一種用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備，能夠通過考慮在燃燒室內形成的氣體混合物的非均勻性來準確估計氣體混合物的狀態，以及提出一種排放物生成量估計設備，能夠通過考慮在可歸屬於氣體混合物的非均勻性的排放量生成度的非均勻性來準確估計在燃燒室內生成的排放總量。
本發明的氣體混合物狀態估計設備的特徵是包括注入燃料劃分裝置，用於將在從預定注入開始時間開始的預定注入時間期間不斷注入到內燃機的燃燒室中的燃料劃分為多個部分；以及氣體混合物狀態估計裝置，用於在假定所劃分的注入燃料的多個部分是根據從預定注入開始時間開始逝去的時間來單獨和連續注入的情況下，單獨估計通過將注入燃料的多個部分與被吸入燃燒室的缸內氣體相混合所形成的每一個氣體混合物的狀態。這裡，氣體混合物狀態的例子包括氣體混合物的溫度，氣體混合物的燃料濃度，氣體混合物的氧氣濃度，以及氣體混合物的氮氣濃度。
如上所述，氣體混合物的狀態是根據缸內氣體與燃料相混合的程度來決定的(例如，氣體混合物的過量空氣比、燃料濃度等)。因此，優選情況下，氣體混合物狀態估計裝置用於單獨獲得用於表示缸內氣體與所劃分的注入燃料的每一個部分的混合程度的值，並且通過使用所得到的表示缸內氣體與所述注入燃料的每一個部分的混合程度的值來單獨估計根據注入燃料的每一個部分所形成的氣體混合物的狀態。這裡，表示缸內氣體的混合程度的值的例子包括氣體混合物的過量空氣比率和氣體混合物的燃料濃度。
通過上述結構，在假定所劃分的注入燃料的部分是根據從預定注入開始時間開始逝去的時間來單獨和連續注入的情況下，單獨估計根據注入燃料的每一個部分所形成的每一個氣體混合物的狀態，而相應部分的燃料被認為是在相應部分的注入時間被注入的。因此，可以通過考慮根據注入燃料的各個部分所形成的氣體混合物重的非均勻性來單獨和準確地估計每一個氣體混合物的狀態。
在這種情況下，優選情況下，注入燃料劃分裝置能夠根據預定規則將預定注入時間段劃分成多個時間段，並且將注入燃料劃分為在相應的時間段內被連續注入的部分。
可以將所劃分注入時間段的多個(劃分數)時間段的長度設置為等於通過注入時間段除以劃分數而得到的時間段的長度。在這種情況下，多個時間段是均勻的。在這種情況下，例如由於在注入時間段中注入壓力無法保持不變，對應於各個時間段的注入燃料部分的燃料量可以變得不均勻。進而，可以設置多個時間段，以便對應於各個時間段的注入燃料部分的燃料量可以彼此相等。在這種情況下，多個時間段可以是非均勻的。
進而，可以根據注入時間段來改變劃分數。也就是說，可以設置劃分數，以使得注入時間段越長(總的燃料注入量越大)，則劃分數越大。根據上述結構，通過根據簡單規則將注入時間段劃分為多個時間段這一簡單操作可以容易地獲得注入燃料的多個部分。
本發明的氣體混合物狀態估計設備可以進一步包括點火時刻獲得裝置，用於獲得表示氣體混合物的點火時刻的值，其中注入燃料劃分裝置根據表示點火時刻的所獲值將注入燃料劃分為在氣體混合物點火之前注入的部分和在氣體混合物點火之後注入的部分。表示點火時刻的值的例子包括氣體混合物自己的點火時刻，以及在燃料注入開始時間和氣體混合物點火之間的時間(下面稱之為「點火延遲時間」)。
一般地，已知預混合物類的燃燒主要出現在根據在點火之前注入的燃料所形成的氣體混合物中，並且擴散類的燃燒出現在根據在點火之後注入的燃料所形成的氣體混合物中。預混合物類的燃燒和擴散類的燃燒的反應速度(相應地，燃燒得到的熱量生成量)不同(下面將詳細講述)。
換句話說，根據在點火之前注入的燃料所形成的氣體混合物和根據在點火之後注入的燃料所形成的氣體混合物隨著燃料注入之後逝去的時間而在溫度增加上有不同。
上述結構基於這種觀點。也就是說，根據上述結構，由於注入燃料被劃分為氣體混合物點火之前注入的部分和氣體混合物點火之後注入的部分，因此可以單獨估計根據在點火之前注入的燃料所形成的氣體混合物的狀態(溫度等)和根據在點火之後注入的燃料所形成的氣體混合物的狀態(溫度等)。
因此，在每一個氣體混合物的狀態的估計中可以設置最佳反應速度(相應地為熱量生成量)。結果，可以更為準確地估計每一個氣體混合物的狀態(特別是溫度)。
本發明的氣體混合物狀態估計設備可以進一步包括混合指數值獲得裝置，用於獲得第一部分混合指數值，它是表示缸內氣體與所劃分的注入燃料的第一注入部分的混合程度的值(例如，上述過量空氣比率)，以便該值對應於燃燒室內第一注入部分的形成。氣體混合物狀態估計裝置通過利用所獲得的第一部分混合指數值來估計根據第一注入部分所形成的氣體混合物的狀態。在假設表示缸內氣體與所劃分的注入燃料的第二或稍後注入部分的混合程度並且對應於燃燒室內的第二或稍後注入部分的形成的值是根據所獲得的對應於該形成的第一部分混合指數值來確定的情況下，氣體混合物狀態估計裝置通過利用所確定的表示缸內氣體和第二或稍後注入部分的混合程度的值來估計根據第二或稍後注入部分所形成的氣體混合物的狀態。
在這種情況下，更為優選地，「表示缸內氣體與所劃分的注入燃料的第二或稍後注入部分的混合程度並且對應於燃燒室內的第二或稍後注入部分的形成(例如注入之後逝去的時間或者與注入開口相關的位置等)的值」被確定為等於所獲得的對應於形成的第一部分混合指數值。
通常，用於表示缸內氣體與燃料的混合程度的值(例如過量空氣比等)通過使用非常複雜的經驗公式等進行計算，這包括涵蓋大量計算量的功率計算等。因此，這種計算包含巨大的計算量，並且因此需要減少這種計算的次數。
上述結構就是基於這種觀點。也就是說，根據上述結構，由於「表示缸內氣體與第二或稍後注入部分的混合程度的值」是根據上述第一部分混合指數值進行確定的，因此沒有必要通過使用非常複雜的經驗公式等來計算「表示缸內氣體與第二或稍後注入部分的混合程度的值」。結果，考慮到基於注入燃料的各個部分所形成的氣體混合物中的不均勻性，可以簡單和單獨估計基於注入燃料的每一個部分所形成的每一個氣體混合物的狀態，並且可以減少計算量。
本發明的排放物生成量估計設備包括排放物生成量估計裝置，用於根據由上述本發明的氣體混合物狀態估計設備的任一個所估計的相應氣體混合物的狀態來單獨估計作為每一個氣體混合物的燃燒結果的有害物質的排放物的生成量。優選情況下，排放物包括至少菸灰和NOx，減少它們的排放量是人們近年來非常想做到的。
根據上述結構，作為每一個氣體混合物的燃燒結果所生成的排放物的生成量(菸灰和NOx等)是根據多個氣體混合物的單獨估計狀態中的相應狀態進行單獨估計的。因此，在考慮到排放物生成的不均勻程度的情況下可以準確估計排放物的總生成量。
本發明的另一排放物生成量估計設備包括排放物生成量估計裝置，假設在點燃了通過被注入到燃燒室中的燃料與作為被吸入到燃燒室中的氣體的缸內氣體相混合而形成的氣體混合物之後在內燃機的燃燒室中生成了穩定火苗的情況下，估計排放物的生成量，其中排放物生成量估計設備單獨估計作為其中燃料是過量的穩定火苗區域中的燃燒結果而生成的有害物質的排放量和作為其中氧氣是過量的穩定火苗區域中的燃燒結果而生成的排放量。
當燃料注入時間段相對較長時，在一些情況下在點燃氣體混合物之後生成所謂的穩定火苗(或者非常類似於穩定火苗的幀)。在這種情況下，如後所述，由穩定火苗所佔據的區域可以被分割成其中燃料是過量的區域(相應地為其中穩態氧氣濃度變成零的區域)和其中氧氣是過量的區域(相應地為其中穩態燃料濃度變成零的區域)。
同時，如下面要講述的，已知的用於計算菸灰生成量(更為確切地說為菸灰的生成速度)的代表性經驗公式包括兩項一項用於獲得菸灰的形成速度(相應地為增加速度)，該項包括燃料濃度值；另一項用於獲得菸灰的氧化速度(相應地為減少速度)，該項包括氧氣濃度值。
因此，在如上述結構中所述由穩定火苗所佔據的區域被分割成其中穩態氧氣濃度變成零的區域和其中穩態燃料濃度變成零的區域的情況下，當通過上述代表性經驗公式來計算每一個區域中的菸灰生成量時，兩項的任一項的值在相應區域中總是保持為零。因此，當計算每一個區域中的菸灰生成量時，可以省略兩項的任一項的計算，從而可以減少與計算菸灰生成量有關的計算量。
在這種情況下，優選情況下，排放物生成量估計裝置用於單獨計算用於每一個氣體混合物或者每一個穩定火苗區域的排放物的生成速度，並且將所計算的排放物生成速度針對時間進行積分，從而單獨估計排放物的生成量。
通常，在計算排放物的生成量時，使用了已知的經驗公式等(例如上述用於獲得菸灰的生成速度的經驗公式等)。因此，上述結構使得通過使用非常可靠的現有經驗公式等可以計算排放物的生成量。
在這種情況下，優選情況下，排放物生成量估計裝置的結構使得當氣體混合物的溫度或者穩定火苗區域之內的溫度變得低於預定溫度時，相應地結束排放物生成速度對時間的積分。
通常，當氣體混合物的溫度低於反應臨界溫度時，很難產生排放物。因此，在氣體混合物的溫度變得低於相應的反應臨界溫度的時間點之後，通過上述時間積分處理所獲得的排放物的總生成量一般都是相同的值，而不論是否繼續積分處理。因此，在其中排放物生成量估計裝置的結構使得當氣體混合物的溫度(或者穩定火苗區域之內的溫度)低於預定溫度(例如低於反應臨界溫度)時就結束排放物生成速度對時間的積分的情況下，可以減少用於計算排放物的生成量所需的計算量。



圖1為示意圖，示出了其中根據本發明第一實施例的包括有用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備的排放物生成量估計設備被應用到四缸內燃機(柴油機)的整個系統結構。
圖2示意性示出了其中氣體從進氣管被吸入到特定氣缸(氣缸內部)並且然後被排出到排氣管的狀態。
圖3A示意性示出了當一次注入燃料時燃料的狀態。
圖3B示意性示出了在與缸內氣體相混合從而產生氣體混合物的同時呈圓錐形分散的燃料的狀態。
圖4示意性示出了根據在三個相等時間段，也就是注入時間段的前段、中段和後段中連續注入的燃料部分所分別形成的氣體混合物的狀態。
圖5為流程圖，示出了圖1所示的CPU所執行的例程的第一部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖6流程圖，示出了圖1所示的CPU所執行的例程的第二部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖7為流程圖，示出了圖1所示的CPU所執行的例程的第三部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖8為流程圖，示出了圖1所示的CPU所執行的例程的第四部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖9為流程圖，示出了圖1所示的CPU所執行的例程的第五部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖10為表格，用於確定如圖1所示的CPU在執行如圖5所示的例程期間所參考的指令燃料注入量。
圖11為表格，用於確定如圖1所示的CPU在執行如圖5所示的例程期間所參考的燃料注入時刻。
圖12為表格，用於確定如圖1所示的CPU在執行如圖5所示的例程期間所參考的基準燃料注入壓力。
圖13為流程圖，示出了圖1所示的CPU所執行的例程，用於執行燃料注入控制。
圖14示意性示出了分別在兩個時間段也就是注入時間段的點燃前和點燃後時間段中所連續注入的燃料部分所形成的氣體混合物的狀態。
圖15為流程圖，示出了第二實施例的CPU在當執行如圖5所示的例程時所執行的步驟，該步驟是不同於如圖5所示的例程的部分。
圖16為流程圖，示出了第二實施例的CPU在當執行如圖7所示的例程時所執行的步驟，該步驟是不同於如圖7所示的例程的部分。
圖17為流程圖，示出了第二實施例的CPU在當執行如圖9所示的例程時所執行的步驟，該步驟是不同於如圖9所示的例程的部分。
圖18示意性示出了n個氣體混合物隨時間(從注入開始到結束)的狀態變化，該n個氣體混合物是由在注入時間段的n個部分中所連續注入的n個燃料部分形成的。
圖19為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第一部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖20為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第二部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖21為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第三部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖22為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第四部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖23為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第五部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖24為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第一部分，用於計算與第i次注入相關聯的排放量(2≤i≤n)。
圖25為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第二部分，用於計算與第i次注入相關聯的排放量(2≤i≤n)。
圖26為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第三部分，用於計算與第i次注入相關聯的排放量(2≤i≤n)。
圖27為流程圖，示出了第三實施例的CPU所執行的例程的第四部分，用於計算與第i次注入相關聯的排放量(2≤i≤n)。
圖28為示意圖，示出了在其中在燃燒室中生成穩定火苗的情況下在豐富和貧乏區域與氣體混合物傳輸距離之間的關係。
圖29示出了在由穩定火苗所佔據的區域中的過量空氣比(氣體混合物傳輸距離)和穩態氣體混合物溫度升高之間的關係曲線。
圖30示出了在由穩定火苗所佔據的區域中過量空氣比(氣體混合物傳輸距離)和穩態燃料濃度之間的關係曲線。
圖31示出了在由穩定火苗所佔據的區域中過量空氣比(氣體混合物傳輸距離)和穩態氧氣濃度之間的關係曲線。
圖32示出了在由穩定火苗所佔據的區域中過量空氣比(氣體混合物傳輸距離)和穩態氮氣濃度之間的關係曲線。
圖33示出了在由穩定火苗所佔據的區域中注入後時間和過量空氣比之間的關係曲線。
圖34示出了在由穩定火苗所佔據的區域中注入後時間和穩態氣體混合物溫度升高之間的關係曲線。
圖35示出了在由穩定火苗所佔據的區域中注入後時間和穩態燃料濃度之間的關係曲線。
圖36示出了在由穩定火苗所佔據的區域中注入後時間和穩態氧氣濃度之間的關係曲線。
圖37示出了在由穩定火苗所佔據的區域中注入後時間和穩態氮氣濃度之間的關係曲線。
圖38為流程圖，示出了第四實施例的CPU所執行的例程的第一部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖39為流程圖，示出了第四實施例的CPU所執行的例程的第二部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖40為流程圖，示出了第四實施例的CPU所執行的例程的第三部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。
圖41為流程圖，示出了第四實施例的CPU所執行的例程的第四部分，用於計算氣體混合物溫度等和排放量。

具體實施例方式 現在參照附圖來講述根據本發明的包括用於內燃機(柴油機)的氣體混合物狀態估計設備的排放物生成量估計設備的實施例。
(第一實施例) 圖1示意性示出了系統的整個結構，其中根據本發明第一實施例的用於內燃機的排放物生成量估計設備被應用到四缸內燃機(柴油機)10。該系統包括引擎主機20，包括燃料供應系統；吸氣系統30，用於將氣體導入引擎主機20的單個氣缸的燃燒室中(缸內)；排放系統40，用於將廢體從引擎主機20排出；EGR設備50，用於執行排氣循環；以及電氣控制設備60。
燃料注入閥(注入閥，注入器)21置於引擎主機20的單個氣缸之上。經由燃料線路23將燃料注入閥21連接到燃料注入泵22，該燃料注入泵連接到了未示出的燃料罐。燃料注入泵22電氣連接到電氣控制設備60。根據來自電氣控制設備60的驅動信號(與稍後要講述的指令最後燃料注入壓力Pcrfin相對應的指令信號)，燃料注入泵22以如下方式對燃料進行施壓，以便燃料的實際注入壓力(排放壓力)變得等於指令最後燃料注入壓力Pcrfin。
因此，從燃料注入泵22將被施加了指令最後燃料注入壓力Pcrfin的燃料供應到燃料注入閥21。而且，燃料注入閥21電氣連接到電氣控制設備60。根據來自電氣控制設備60的驅動信號(與指令燃料注入量(質量)Qfin相對應的指令信號)，燃料注入閥21的每一個在注入時間段TAU期間打開，以便將指令燃料注入量Qfin的被施加了指令最後燃料注入壓力Pcrfin的燃料直接注入到相應氣缸的燃燒室中。
吸氣系統30包括吸氣歧管31，被連接到引擎主機20的單個氣缸的各個燃燒室；吸氣管32，其被連接到吸氣歧管31的上遊側分支部分並且與吸氣歧管31合作組成吸氣通道；節氣閥33，旋轉地固定在吸氣管32內部；節氣閥致動器33a，用於根據來自電氣控制設備60的驅動信號來旋轉節氣閥33；中間冷卻器34，被插在位於節氣閥33的上遊側上的吸氣管32中；渦輪增壓器35的壓縮機35a，其被插在位於中間冷卻器34的上遊側上的吸氣管32中；以及空氣過濾器36，置於吸氣管32的末端部分。
排放系統40包括排放歧管41，其被連接到引擎主機20的單個汽缸；排氣管42，其被連接到排放歧管41的下遊側的合併部分；渦輪增壓器35的渦輪35b，其被插在排氣管42中；以及柴油顆粒濾波器(下面將其稱為「DPNR」)43，其被插在排氣管42中。排放歧管41和排氣管42組成排氣通道。
EGR設備50包括排氣循環管51，其形成了用於循環廢氣的通道(EGR通道)；EGR控制閥52，其被插在排氣循環管51中；以及ERG冷卻器53。排氣循環管51建立了位於渦輪35b上遊側上的排氣通道(排放歧管41)和位於節氣閥33下遊側上的吸氣通道(吸氣歧管31)之間的連通。EGR控制閥52對來自電氣控制設備60的驅動信號做出響應，以便改變待被循環的廢氣量(廢氣循環量，EGR氣體流動速率)。
電氣控制設備60是一種微型計算機，其包括通過總線裝置相互連接的CPU 61、ROM 62、RAM 63、備份RAM 64和接口65等。ROM 62存儲待被CPU 61執行的程序、表格(查詢表格和映射)和常數等。RAM63允許CPU 61暫時存儲數據。備份RAM 64在其中電源為接通的狀態中存儲數據，並且甚至在斷電之後仍然保持所存儲的數據。接口65包含A/D轉換器。
接口65被連接到熱線型氣流測量器71，其置於吸氣管32中；吸入空氣溫度傳感器72，其置於吸氣通道中節氣閥33的下遊和排氣循環管51連接到吸氣通道的點的下遊；吸氣管壓力傳感器73，置於吸氣通道中節氣閥33的下遊和排氣循環管51連接到吸氣通道的點的下遊；曲柄位置傳感器74；加速器打開傳感器75；燃料溫度傳感器76，位於燃料注入泵22的排放埠附近的燃料管23中；缸內壓力傳感器77，用於每一個氣缸並且用作注入時刻獲得裝置；以及吸入空氣氧氣濃度傳感器78，置於吸氣通道中節氣閥33的下遊和排氣循環管51連接到吸氣通道的點的下遊。接口65從這些傳感器接收各個信號，並且將所接收的信號供應給CPU 61。進而，接口65被連接到燃料注入閥21、燃料注入泵22、節氣閥致動器33a和EGR控制閥52；並且根據來自CPU 61的指令將相應的驅動信號輸出到這些部件。
熱線型氣流測量器71測量穿過吸氣通道的吸入空氣的質量流動速率(每單位時間的吸入空氣量，每單位時間的新空氣量)，並且生成表示質量流動速率Ga的信號(空氣流動速率Ga)。吸入空氣溫度傳感器72測量被吸入引擎10的每個氣缸(也就是缸內或每一個燃燒室)中的氣體的溫度(也就是吸入空氣溫度)，並且生成表示吸入空氣溫度Tb的信號。吸氣管壓力傳感器73測量被吸入引擎10的每一個氣缸中的氣體的壓力(也就是吸氣管壓力)，並且生成表示吸氣管壓力Pb的信號。
曲柄位置傳感器74檢測每一個氣缸的絕對曲柄角度，並且生成表示實際曲柄角度CAact和引擎速度NE，也就是引擎10的旋轉速度的信號。加速器打開傳感器75檢測加速器踏板AP所操作的量，並且生成表示加速器踏板操作量Accp的信號。燃料溫度傳感器76檢測流過燃料線路23的燃料的溫度，並且生成表示燃料溫度Tcr的信號。缸內壓力傳感器77檢測相應燃燒室內的氣體的壓力(也就是上述缸內氣體的壓力)，並且生成表示缸內氣體壓力Pa的信號。如後所述，該缸內壓力傳感器77隻用於檢測點火時刻。吸入空氣氧氣濃度傳感器78檢測吸入空氣中所包含的氧氣濃度，並且生成表示吸入空氣氧氣濃度RO2in的信號。
(用於估計氣體混合物狀態的方法要點) 接下來講述由排放物生成量估計設備所執行的估計氣體混合物狀態的方法(下面被稱為「本設備」)，它包括具有上述結構的氣體混合物狀態估計設備。
圖2示意性示出了其中氣體從吸氣歧管31被吸入到特定氣缸(氣缸內部；燃燒室)並且隨後被排出到排氣歧管41的狀態。如圖2所示，被吸入氣缸的氣體(也就是缸內氣體)包括經由節氣閥33從吸氣管32的頂端被吸入的新鮮空氣和經由EGR控制閥52從排氣循環管51被吸入的EGR氣體。
所吸入EGR氣體的數量(質量)與所吸入新鮮空氣的數量(質量)和所吸入EGR氣體的數量(質量)之和的比率(也就是EGR比率)根據節氣閥33的打開和EGR控制閥52的打開而變化，根據操作條件通過電子控制設備60(CPU 61)對其進行適當控制。
在吸入衝程期間，隨著活塞向下移動，這種新鮮空氣和EGR氣體經由打開的吸氣閥Vin被吸入燃燒室內，且由此產生的氣體混合物作為缸內氣體。在活塞到達壓縮底部死點的時點附近關閉吸氣閥Vin時，缸內氣體被限制在燃燒室內，並且然後在當活塞向上移動時在隨後的壓縮衝程中進行壓縮。
當活塞到達頂部死點的附近時(確切地說，當到了稍後講述的燃料注入開始時間(曲柄角度)CAinj時)，在與指令燃料注入量Qfin相對應的注入時間段TAU期間，本設備打開相應的燃料注入閥21，從而將燃料直接注入到燃燒室內。結果，由於從因壓縮而變熱的缸內氣體所發散的熱量，從燃料注入閥21的注入開口所注入的(液體)燃料立刻變成燃料蒸氣。隨著時間的流逝，燃料蒸氣在燃燒室內呈圓錐形分布，同時與缸內氣體相混合以生成氣體混合物。
如上所述，實際上，指令燃料注入量為Qfin的燃料在從燃料注入開始時間CAinj開始的注入時間段TAU期間是連續注入的。不過，為了方便起見，在假設指令燃料注入量為Qfin的燃料是在燃料注入開始時間CAinj處一次性(瞬間)注入的情況下繼續進行講述。
圖3A示意性示出了在從燃料注入閥21的注入開口一次性地注入燃料時的時點(也就是注入後時間t＝0)處的指令燃料注入量(質量)為Qfin(與注入時間段TAU相對應)的燃料(燃料蒸氣)的狀態。圖3B示意性示出了在注入之後的某一個時點(任意注入後時間t)處如圖3A所示的質量為Qfin的燃料蒸氣的狀態。
如圖3B所示，在燃料注入開始時刻CAinj(也就是注入後時間t＝0)被注入之後，質量為Qfin的燃料蒸氣以噴射角為θ呈圓錐形分散，同時與缸內氣體相混合。這裡，假設在任意注入後時間t處，質量為Qfin的燃料蒸氣與質量為G的缸內氣體相混合，其為注入後時間t的函數(下面，缸內氣體可以被稱為「形成缸內氣體的氣體混合物」)，從而形成質量為(Qfin+G)的氣體混合物。
本設備估計任意注入後時間t的氣體混合物的狀態。作為氣體混合物的狀態，包括所估計的氣體混合物的溫度Tmix、氣體混合物中所包含的燃料濃度[Fuel]mix、氣體混合物中所包含的氧氣濃度[O2]mix和氣體混合物中所包含的氮氣濃度[N2]mix，他們對於估計排放物的生成量來說都是必需的，將在稍後進行講述。首先，講述在任意注入後時間t處獲得過量空氣比λ的方法，這對於估計氣體混合物的狀態是必需的。
[獲得過量空氣比率λ] 注入後時間t處的過量空氣比λ是由以下方程(1)來確定的。在方程(1)中，stoich表示燃燒單位質量的燃料所需的缸內氣體的質量(下面將其稱為「缸內氣體理論空氣燃料比率stoich」)。由於缸內氣體理論空氣燃料比率stoich被認為是根據吸入空氣中所包含的氧氣濃度而變化的，因此根據其中上述吸入空氣氧氣濃度RO2in被用作自變量的預定函數可以獲得缸內氣體理論空氣燃料比率stoich。
例如，根據以下方程式(2)和方程式(3)，可以獲得上述定義的過量空氣比率λ作為注入後時間t的函數，該方程式是YutaroWAGURI、Masaru FUJII、Tatsuo AMIYA和Reijiro TSUNEYA在Transactions of the Japaneses Society of Mechanical Engineers在25-156(1959)的第820頁的「Study on Injected Fuel Travel Distance in DieselEngine」中所引入的經驗公式。
在方程式(3)中，t表示上述注入後時間，並且dλ/dt表示作為注入後時間t的函數的燃料稀釋比率。進而，c表示收縮係數，d表示燃料注入閥21的注入開口的直徑，ρf表示(液體)燃料的密度，並且L表示理論稀釋氣體量，這些都是常數。
在方程式(3)中，ΔP表示有效注入壓力，這是通過從注入開始時刻(也就是注入後時間t＝0)處的缸內氣體壓力Pg0中減去上述最終燃料注入壓力Pcrfin所得到的值。在假設缸內氣體的狀態在吸氣閥Vin關閉之後(也就是其上缸內氣體被限制的時點(下面將其稱為「IVC」))的壓縮衝程(和擴張衝程)中絕熱地變化的情況下，缸內氣體壓力Pg0可以根據以下方程式(4)來得到。
在方程式(4)中，Pgivc表示處於IVC的缸內氣體壓力。由於如上所述IVC在壓縮底部死點的附近，因此在IVC處，缸內氣體壓力被看作是近似等於吸氣管壓力Pb。因此，通過IVC處的吸氣管壓力傳感器73所檢測的吸氣管壓力Pb可以被用作Pgivc。Vg(CAivc)表示與IVC處的曲柄角度CA相對應的缸內體積。Vg(CAinj)表示與注入後時間t＝0處的曲柄角度CA相對應的缸內體積。由於根據引擎10的設計明細可以將缸內體積Vg視為曲柄角度CA的函數Vg(CA)，因此也可以獲得Vg(CAivc)和Vg(CAinj)的值。K表示缸內氣體的特定熱比(在本例子中為常數)。
在方程式(3)中，θ表示如圖3B所示的噴射角。由於噴射角θ被看作是根據上述處於注入開始時刻(也就是注入後時間t＝0)的缸內氣體的有效注入壓力ΔP和密度ρg0而變化的，因此根據用於定義缸內氣體密度ρg0、有效注入壓力ΔP和噴射角θ之間關係的表格Mapθ來獲得噴射角θ。缸內氣體密度ρg0可以通過用於注入後時間t為零的時點處的缸內氣體的總質量Mg除以上述缸內體積Vg(CAinj)來得到。缸內氣體的總質量Mg可以根據以下方程式(5)來得到，所述方程式(5)基於IVC處的狀態方程式。在方程式(5)中，Tgivc表示IVC處的缸內氣體溫度。由於IVC在壓縮底部死點的附近，因此在IVC處，缸內氣體溫度被看作是近似等於吸入空氣溫度Tb。因此，通過IVC處的吸入空氣溫度傳感器72所檢測到的吸入空氣溫度Tb被用作Tgivc。R表示缸內氣體的氣體常數(在本例子中為常數)。
在方程式(3)中，ρg表示注入後時間t處的缸內氣體的密度，並且通過在注入後時間t處用缸內氣體的總質量Mg除以上述缸內體積Vg(CA)，可以被獲得作為注入後時間t的函數。
如上所述，一旦以上述方式得到有效注入壓力ΔP和噴射角θ，通過使用注入後時間t和作為注入後時間t的函數的缸內氣體密度ρg，根據方程式(3)，燃料稀釋比率dλ/dt可以被獲得作為注入後時間t的函數。然後，通過根據上述方程式(2)將燃料稀釋比率dλ/dt相對於時間進行積分(累積)，可以獲得從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt(例如0.1msec)的注入後時間t處的過量空氣比率λ，其中針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt獲得了燃料稀釋比率dλ/dt。
由於從方程式(3)得到的燃料稀釋比率dλ/dt總是正的，因此從方程式(2)得到的過量空氣比率λ隨著注入後時間t而增加。因此，從方程式(1)可以看出，形成缸內氣體的氣體混合物的質量G隨著注入後時間t而增加。這對應於缸內氣體(相應地，形成缸內氣體的氣體混合物)量的增加，由於燃料蒸氣在注入之後呈圓錐形分散，因此該缸內氣體與(被吸入的)燃料蒸氣相混合。
接下來講述通過使用以上述方式得到的過量空氣比率λ來在任意注入後時間t處獲得氣體混合物溫度Tmix的方法。通常，氣體混合物的熱能(熱函)Hmix可以由使用了氣體混合物溫度Tmix的以下方程式(6)來表示。
Hmix＝Mmix.Cmix·Tmix (6) 在方程式(6)中，Mmix表示氣體混合物的總質量(氣體混合物質量)，並且Cmix表示氣體混合物的常壓比熱。因此，通過獲得(更新)針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物的氣體混合物的熱函Hmix、氣體混合物質量Mmix和常壓比熱Cmix，可以根據以下方程式(7)獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物溫度Tmix。首先，講述獲得氣體混合物質量Mmix的方法。
<> 如上所述，在任意注入後時間t處，質量為Qfin的燃料蒸氣與質量為G的形成缸內氣體的氣體混合物相混合，以形成質量為(Qfin+G)的氣體混合物。因此，任意注入後時間t處的氣體混合物質量Mmix為(Qfin+G)。由於從上述方程式(1)中可以推導出關係「G＝stoich·λ·Qfin」，因此氣體混合物質量Mmix可以由使用了過量空氣比率λ的以下方程式(8)來表示。
Mmix＝(1+stoich·λ)·Qfin(8) 因此，通過將方程式(8)應用到針對注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt而得到的過量空氣比率λ，可以獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物質量Mmix。
<> 下面來講述獲得氣體混合物的常壓比熱Cmix的方法。通常，氣體混合物的常壓比熱Cmix被視為主要取決於在氣體混合物中包含的氧氣濃度[O2]mix和氣體混合物溫度Tmix。如將要描述的，可以得到針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的在氣體混合物中所包含的氧氣濃度[O2]mix。因此，如果可以得到針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物溫度Tmix，則根據以下方程式(9)可以得到針對每一個微小時間Δt的氣體混合物的常壓比熱Cmix。
Cmix＝funcCmix([O2]mix，Tmix) (9) 在方程式(9)中，funcCmix是用於獲得氣體混合物的常壓比熱Cmix的函數，同時使用氣體混合物氧氣濃度[O2]mix和氣體混合物溫度Tmix作為自變量。注意，用於通過方程式(9)來獲得針對每一個微小時間Δt的氣體混合物的常壓比熱Cmix的自變量[O2]mix和Tmix的值與處於比當前時點(也就是注入後時間t)超前了微小時間Δt的時點處的值是相對應的。
<> 接下來講述獲得氣體混合物的熱函Hmix的方法。這裡，針對其中處於注入後時間(t-Δt)處的氣體混合物的熱函Hmix(t-Δt)是已知的情況，考慮在從注入後時間(t-Δt)和注入後時間t之間的微小時間Δt期間氣體混合物的熱函增加ΔHmix。該氣體混合物的熱函增加ΔHmix是由於在微小時間Δt期間被新吸入氣體混合物的缸內氣體的熱能ΔHg和作為在微小時間Δt期間在氣體混合物中發生化學反應的結果而生成的反應熱Hr所引起的。
首先，缸內氣體的熱能ΔHg可以用以下方程式(10)來表示。在方程式(10)中，g表示在微小時間Δt期間被新吸入氣體混合物的缸內氣體的質量。該質量g是通過從注入後時間t處形成缸內氣體的氣體混合物的質量減去注入後時間(t-Δt)處形成缸內氣體的氣體混合物的質量而得到的值。因此，質量g可以通過使用了上述關係「G＝stoich·λ·Qfin」的以下方程式(11)來得到。在方程式(11)中，λ(t)和λ(t-Δt)分別表示注入後時間t和(t-Δt)處的過量空氣比率，其可以從上述方程式(2)和(3)中來得到。
ΔHg＝g·Cg·Tg(10) g＝stoich·(λ(t)-λ(t-Δt))·Qfin (11) 進而，在方程式(10)中，Tg表示注入後時間t處的缸內氣體的溫度，並且在假設在IVC之後缸內氣體的狀態絕熱地改變的情況下，可以根據以下方程式(12)來獲得Tg。在以下方程式(12)中，Tgivc表示IVC處的缸內氣體的溫度，並且Vg(CAivc)表示IVC處與曲柄角度CA相對應的缸內體積。進而，Vg(CA)表示當前時點(也就是注入後時間t)的缸內體積。
進而，在方程式(10)中，Cg表示注入後時間t處的缸內氣體的常壓比熱，並且可以根據以下方程式(13)來獲得，所述方程式(13)類似於用於獲得氣體混合物的常壓比熱Cmix的上述方程式(9)。在以下方程式(13)中，funcCg為用於獲得缸內氣體的常壓比熱Cg的函數，同時使用吸入空氣氧氣濃度[O2]in和缸內氣體溫度Tg作為自變量。
Cg＝funcCg([O2]in，Tg)(13) 注意，由吸入空氣氧氣濃度傳感器78所檢測的吸入空氣氧氣濃度RO2in被用作自變量[O2]in的值，其用於通過方程式(13)來獲得針對每一個微小時間Δt的缸內氣體的常壓比熱Cg。進而，當前時點(也就是注入後時間t)處的缸內氣體溫度被用作自變量Tg的值。由於上述方程式(10)的右側的所有項都可以通過上述計算來得到，因此缸內氣體的熱能ΔHg可以根據方程式(10)來得到。
接下來，作為在微小時間Δt期間在氣體混合物中發生化學反應的結果而生成的反應熱Hr可以由以下方程式(14)來表示。在以下方程式(14)中，Hf表示預定常數，並且qr表示在微小時間Δt期間在氣體混合物中發生的化學反應所消耗的燃料量。
Hr＝Hf·qr (14) 與燃料消耗量qr有關的化學反應不僅包括點燃反應(熱焰反應)和低溫氧化反應(冷焰反應)，而且包括各種其他的化學反應。由於燃料消耗量qr被視為主要取決於氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix和氣體混合物溫度Tmix，因此燃料消耗量qr可以用以下方程式(15)來表示。
qr＝funcqr([O2]mix，[Fuel]mix，Tmix) (15) 在方程式(15)中，funcqr為用於獲得燃料消耗量qr的函數，同時使用了氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix和氣體混合物溫度Tmix作為自變量。與氣體混合物氧氣濃度[O2]mix的情況一樣，如後所述，可以獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix。通過方程式(15)來獲得針對每一個微小時間Δt的燃料消耗量qr的自變量[O2]mix和[Fuel]mix的值與處於比當前時點(也就是注入後時間t)超前了微小時間Δt的時點處的值是相對應的。
進而，在發生化學反應之前的氣體混合物溫度Tpre被用作方程式(15)的自變量Tmix(氣體混合物溫度)的值。在發生化學反應之前的氣體混合物溫度Tpre指的是，在由上述方程式(11)計算的質量為g的缸內氣體在被新吸入氣體混合物中之後，但是在從注入後時間(t-Δt)到注入後時間t的時間段中發生化學反應之前的時點處的氣體混合物溫度，並且可以通過以下方程式(16)來獲得。
在方程式(16)中，Mmix(t-Δt)和Cmix(t-Δt)分別表示注入後時間(t-Δt)處的氣體混合物的質量和氣體混合物的常壓比熱，並且可以分別通過上述方程式(8)和(9)來獲得。進而，注入後時間(t-Δt)處的氣體混合物的熱函Hmix(t-Δt)是已知的。因此，可以得到在發生化學反應之前的氣體混合物溫度Tpre。由於上述方程式(15)的右側的所有自變項的值都可以得到，因此根據方程式(14)和(15)可以得到通過化學反應產生的反應熱Hr。
通過上述計算，針對其中注入後時間(t-Δt)處的氣體混合物的熱函Hmix(t-Δt)是已知的情況，獲得了從注入後時間(t-Δt)和注入後時間t之間的微小時間Δt期間的氣體混合物的熱函增加ΔHmix(＝ΔHg+Hr)。因此，可以得到注入後時間t處的氣體混合物(＝Hmix(t-Δt)+ΔHmix)的熱函Hmix(t)。
而且，在當注入後時間t為零的時點處，氣體混合物處於其中氣體混合物還沒有吸入缸內氣體中的狀態，也就是說，氣體混合物只包括燃料蒸氣(見圖3A)。因此，當時的氣體混合物的熱函Hmix(0)可以通過以下方程式(17)來獲得。在方程式(17)中，Cf表示燃料(蒸氣)的常壓比熱(在本例子中為常數)。
Hmix(0)＝Qfin·Cf·Tf (17) 進而，Tf表示燃料蒸氣本身的溫度，在考慮到在緊接著其注入之後當液體燃料變成燃料蒸氣時的時點處每單位質量的比潛熱Qvapor的情況下，可以通過以下方程式(18)來得到Tf。在以下方程式(18)中，Tcr表示在注入後時間t等於零的時點處由燃料溫度傳感器76所檢測的液體燃料的溫度。αcr表示校正係數，用於考慮當燃料通過燃料管23從燃料注入泵22的排放埠附近到燃料注入閥21時所產生的熱損失。
因此，還可以獲得注入後時間t為零的時點處的氣體混合物的熱函Hmix(0)。通過上述計算，可以獲得針對注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物熱函Hmix。
由於以上述方式獲得了針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物的熱函Hmix、氣體混合物的質量Mmix和氣體混合物的常壓比熱Cmix，因此可以根據上述方程式(7)獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物溫度Tmix。
接下來講述用於獲得在氣體混合物中所包含的燃料的濃度(質量濃度)[Fuel]mix。注入後時間t處的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix為，「注入後時間t處氣體混合物中所存在的燃料質量」與通過上述方程式(8)所得到的注入後時間t處的氣體混合物質量Mmix的比。
「注入後時間t處氣體混合物中所存在的燃料質量」是通過如下方式所獲得的值，即，從當注入後時間t為零時所注入的燃料量(指令燃料注入量Qfin)減去在從注入到當前時點(注入後時間t)的時間段期間化學反應所消耗的燃料量。因此，注入後時間t處的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix可以由以下方程式(19)來表示。
在方程式(19)中，「∑qr」表示燃料消耗量qr的值的總和，並且根據上述方程式(15)在從注入到當前時點(注入後時間t)的時間段中的每一個微小時間Δt中對其進行獲得和更新。以上述方式，通過獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的燃料消耗量qr和氣體混合物質量Mmix，可以根據方程式(19)來獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix。
接下來講述用於獲得在氣體混合物中所包含的氧氣的濃度(質量濃度)[O2]mix的方法。注入後時間t處的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix為，「注入後時間t處氣體混合物中所存在的氧氣質量」與注入後時間t處的氣體混合物質量Mmix的比。
「注入後時間t處氣體混合物中所存在的缸內氣體的質量」是通過如下方式所獲得的值，即，從注入後時間t處形成缸內氣體的氣體混合物的質量G中減去在從注入到當前時點(注入後時間t)的時間段期間化學反應所消耗的缸內氣體的質量。氣體混合物在微小時間Δt內的化學反應中所消耗的缸內氣體的消耗量gr和燃料的消耗量qr(在微小時間Δt內)可以用以下方程式(20)來表示。
gr＝stoich·qr (20) 因此，「注入後時間t處氣體混合物中所存在的缸內氣體的質量」可以表示成「G-∑gr」。這裡，∑gr表示缸內氣體消耗量gr的值的總和，根據上述方程式(20)，在從注入到當前時點(注入後時間t)的時間段中的每一個微小時間Δt中獲得和更新缸內氣體消耗量gr。
「注入後時間t處氣體混合物中所存在的氧氣質量」可以通過用「注入後時間t處氣體混合物中所存在的缸內氣體的質量」乘以缸內氣體中的氧氣濃度(相應地，上述吸入空氣氧氣濃度[O2]in)來得到。因此，注入後時間t處的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix可以用以下方程式(21)來表示。
以上述方式，通過獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的形成缸內氣體的氣體混合物的質量G、缸內氣體消耗量gr和氣體混合物質量Mmix，可以根據方程式(21)來獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix。
接下來講述用於獲得在氣體混合物中所包含的氮氣濃度(質量濃度)[N2]mix。注入後時間t處的氣體混合物氮氣濃度[N2]mix為「注入後時間t處氣體混合物中所存在的氮氣質量」與注入後時間t處的氣體混合物質量Mmix的比。
缸內氣體中的氮氣為惰性氣體，並且在從注入到當前時點(注入後時間t)的時間段期間發生的化學反應中，不消耗氣體混合物中的氮氣。因此，通過用注入後時間t處形成缸內氣體的氣體混合物的質量G乘以缸內氣體中的氮氣濃度(相應地，吸入空氣氮氣濃度[N2]in)而獲得「注入後時間t處氣體混合物中所存在的氮氣質量」。因此，注入後時間t處的氣體混合物氮氣濃度[N2]mix可以用以下方程式(22)來表示。
以上述方式，通過獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的形成缸內氣體的氣體混合物的質量G和氣體混合物質量Mmix，根據方程式(22)，可以獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的氣體混合物氮氣濃度[N2]mix。上面講述了用於獲得氣體混合物溫度Tmix、氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix、氣體混合物氧氣濃度[O2]mix和氣體混合物氮氣濃度[N2]mix的方法，它們都是估計排放物生成量所需要的。
(估計排放物生成量的方法) 接下來講述用於通過本設備來估計排放物生成量的方法。在本例子中，菸灰生成量和NO生成量被估計為排放物生成量。首先來講述菸灰生成量的估計。
菸灰生成量可以通過使用在氣體混合物中所包含的菸灰濃度[Soot]mix的變化速率(下面將其稱為「菸灰生成速度d[Soot]mix/dt」)來得到，這可以以下方程式(23)來獲得，方程式(23)是在Transactionsof the Japanese Society of Mechanical Engineers(book B)，vol 48和No.432(以下稱為非專利文獻2)中的「Combustion Model ofDirect-Injection-Type Diesel Engine and Performance Prediction」中所公開的經驗公式。
在方程式(23)中，dmsf/dt表示由於氣體混合物內菸灰的形成而引起的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix的增加速度(下面將其稱為「菸灰形成速度」)，並且dmso/dt表示由於氣體混合物內菸灰被氧化而引起的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix的減少速度(下面將其稱為「菸灰氧化速度」)。這些速度分別用以下方程式(24)和(25)來表示。
在方程式(24)和(25)中，Af和Ao都是常數，並且Esf和Eso為活化能量(在本例子中為常數)。進而，Pg表示缸內氣體的壓力，在假設缸內氣體的狀態在IVC之後絕熱地改變的情況下，可以通過以下方程式(26)來得到Pg。在以下方程式(26)中，Pgivc表示在IVC處缸內氣體的壓力，並且Vg(CAivc)表示與上述IVC處的曲柄角度CA相對應的缸內體積。進而，Vg(CA)表示當前時點(也就是注入後時間t)處的缸內體積。
上述方程式(24)顯示，氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix、氣體混合物溫度Tmix和缸內氣體壓力Pg越大，則菸灰形成速度越大(對應地為菸灰形成越容易)。進而，上述方程式(25)顯示，氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix、氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、氣體混合物溫度Tmix和缸內氣體壓力Pg越大，則菸灰氧化速度越大(對應地為菸灰的氧化和消除越容易)。
通過在每一個微小時間Δt內將針對注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt可以得到的氣體混合物溫度Tmix、氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix和氣體混合物氧氣濃度[O2]mix應用到方程式(23)至(25)，可以獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的菸灰生成速度d[Soot]mix/dt。
因此，通過將從注入後時間t為零的時點處開始的每一個微小時間Δt處獲得的菸灰生成速度d[Soot]mix/dt相對於時間進行積分(累積)，可以在從注入後時間t為零的時點處開始的每一個微小時間Δt內對注入後時間t處的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix進行更新。如果可以以上述方式獲得注入後時間t處的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix，則通過用氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix乘以氣體混合物質量Mmix可以得到注入後時間t處的菸灰生成量。
接下來講述NO生成量的估計。NO生成量可以通過利用在氣體混合物中所包含的NO濃度[NO]mix的變化速率(下面將其稱為「NO生成速度d[NO]mix/dt」)來得到，例如，這可以通過基於Yukio MIZUTANI，Morikita Publishing Co.，Ltd的「Combustion Engineering」中引入的擴展Zel』dovich機制的以下方程式(27)來得到。
在方程式(27)中，An為常數，En表示活化能量(本例子中的常數)。進而，kfo(Tmix)表示根據氣體混合物溫度Tmix所確定的均衡常數。上述方程式(27)顯示，氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、氣體混合物氮氣濃度[N2]mix和氣體混合物溫度Tmix越高，則NO生成速度越大(對應地為NO的生成越容易)。
通過在每一個微小時間Δt內將針對注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt可以得到的氣體混合物溫度Tmix、氣體混合物氮氣濃度[N2]mix和氣體混合物氧氣濃度[O2]mix應用到方程式(27)，可以獲得針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的NO生成速度d[NO]mix/dt。
因此，通過將從注入後時間t為零的時點處開始的每一個微小時間Δt內獲得的NO生成速度d[NO]mix/dt相對於時間進行積分(累積)，可以在從注入後時間t為零的時點處開始的每一個微小時間Δt內對注入後時間t處的氣體混合物NO濃度[NO]mix進行更新。如果可以以上述方式來獲得注入後時間t處的氣體混合物NO濃度[NO]mix，則通過用氣體混合物NO濃度[NO]mix乘以氣體混合物質量Mmix可以得到注入後時間t處的NO生成量。
(注入燃料的劃分，氣體混合物的劃分) 如圖3A和3B所示，以這種方式獲得的氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)和排放物生成量都是在假設指令燃料注入量為Qfin的燃料是在燃料注入開始時刻CAinj處一次性(瞬時)注入的情況下獲得的值。也就是說，假設在燃料注入開始時刻CAinj之後，質量為Qfin的所有燃料都以上述噴射角θ呈圓錐形分散(見圖3B)，從而形成「單個氣體混合物」，這裡噴射角θ是根據燃料注入開始時刻CAinj處的有效注入壓力ΔP和燃料注入開始時刻CAinj處的缸內氣體密度ρg0確定的。
不過，如上所述，實際上指令燃料注入量為Qfin的燃料在從燃料注入開始時刻CAinj的注入時間段TAU上是連續注入的。因此，當在顯微鏡下觀察燃燒室內的氣體混合物的進展時，越是接近氣體混合物的底部，相對於燃料注入開始時刻Cainj的燃料注入中所包含的延遲就越大。換句話說，在特定部分中所包含的燃料的注入時點是根據在由氣體混合物所佔據的區域內的特定部分的位置所改變的。
同時，與在燃料注入之後所過去的時間相對應的缸內氣體的狀態(溫度Tg和密度ρg等)是根據燃料的注入時點而變化的。另外，燃料注入時點處的有效注入壓力ΔP和燃料注入時點處的缸內氣體密度ρg0(對應的，噴射角θ)也是根據燃料的注入時點而變化的。換句話說，燃燒室內的氣體混合物的狀態的進展根據氣體混合物中所包含的燃料的注入時點而變化。
從上面我們知道，氣體混合物(對應於在燃料注入之後所過去的時間)的狀態(溫度等)是根據氣體混合物所佔據的區域中的位置而變化的。因此，氣體混合物內所生成的排放物的量也是根據氣體混合物所佔據的區域中的位置而變化的。也就是說，由於燃燒室內的氣體混合物進展的不均勻性，氣體混合物內所生成的排放物的量也變得不均勻。
考慮到氣體混合物的不均勻性和排放物生成量的不均勻性，為了準確估計氣體混合物的狀態和排放物生成量，可以採用其中注入時間段TAU被分成多個子時間段並且指令燃料注入量為Qfin的燃料被分成在相應的子時間段中被依次注入的多個部分的方法。然後，單獨估計由各燃料部分所形成的氣體混合物。
在本實施例中，如圖4所示，注入時間段TAU被均等分成三個子時間段也就是「前1/3 TAU時間段」、「中間1/3 TAU時間段」和「後1/3 TAU時間段」，並且在前1/3 TAU時間段、中間1/3 TAU時間段和後1/3 TAU時間段依次並且單獨注入質量分別為Q(1)、Q(2)和Q(3)的燃料部分。
更為確切地說，在燃料注入開始時刻CAinj處一次性注入了在與第一注入有關的注入時間段「前1/3 TAU時間段」內的質量為Q(1)的燃料部分；在第一注入已經過去了1/3 TAU時一次性注入與第二注入有關的注入時間段「中間1/3 TAU時間段」的質量為Q(2)的燃料部分；並且在第二注入已經過去了1/3 TAU時一次性注入與第三注入有關的注入時間段「前1/3 TAU時間段」的質量為Q(3)的燃料部分。注意，雖然「Q(1)+Q(2)+Q(3)＝Qfin」仍然成立，但是例如由於注入壓力Pcr在注入時間段TAU內並不是保持不變的，因此Q(1)、Q(2)和Q(3)並非彼此相等。
本設備單獨處理作為第一注入的結果而形成的氣體混合物(第一氣體混合物)、作為第二注入的結果而形成的氣體混合物(第二氣體混合物)和作為第三注入的結果而形成的氣體混合物(第三氣體混合物)；並且對於每一個氣體混合物，按照上述流程單獨估計氣體混合物狀態(溫度Tmix等)和排放物生成量。
因此，考慮到氣體混合物在如下方面的差別，可以單獨估計氣體混合物狀態和排放物生成量，所述方面是與燃料注入之後過去的時間相對應的缸內氣體狀態、在燃料注入時的有效注入壓力ΔP和燃料注入時的缸內氣體密度ρg(對應的，噴射角θ)。
因此，本設備通過對每一個氣體混合物所估計的排放物生成量進行求和，從而估計總的排放物生成量(確切地說為總的菸灰生成量Soot和總的NO生成量NO)。通過這種程序，在考慮到上述排放物生成量的不均勻性的情況下可以準確地估計總的排放物生成量。
(燃料注入控制的要點) 緊接著確定了缸內氣體的量的IVC之後，本設備開始進行與氣體混合物狀態的估計和排放物生成量的估計有關的上述計算，並且在燃料注入開始時刻CAinj到來之前完成總的排放物生成量(確切地說為總的菸灰生成量Soot和總的NO生成量NO)的估計。
本設備根據引擎的操作條件來獲得目標排放物生成量(確切地說為目標菸灰生成量Sootter和目標NO生成量NOter)，當所估計的總的菸灰生成量Soot和總的NO生成量NO中的一個充分大於相應的目標生成量時，並且對燃料注入壓力進行反饋控制，以便使總的生成量下降。
確切地說，當通過用所估計的總的菸灰生成量Soot減去目標菸灰生成量Sootter所得到的值大於預定值時，本設備將燃料注入起始壓力從基準燃料注入壓力Pcrbase增大預定量。因此，控制以減少菸灰生成量。同時，當通過用所估計的總的NO生成量NO減去目標NO生成量NOter所得到的值大於預定值時，本設備將燃料注入起始壓力從基準燃料注入壓力Pcrbase減少預定量。因此，控制以減少NO生成量。上述為燃料注入控制的要點。
(實際操作) 接下來講述用於具有上述結構的內燃機的排放物生成量估計設備的實際操作。
CPU 61以預定間隔重複執行由圖5～9中的一系列流程圖所示的例程，並且用於計算氣體混合物的溫度等和排放量。因此，當已經到達預定時刻時，CPU 61從步驟500開始處理，並且進行到步驟505，以便確定吸氣閥Vin是否從打開狀態變成關閉狀態(也就是是否到達了IVC)。當CPU 61判斷為「否」時，直接進展到步驟595，並且結束當前本例程的執行。
這裡，假設在特定氣缸中到達了IVC。在這種情況下，當進展到步驟505時，CPU 61判斷為「是」，然後進展到步驟510。在步驟510中，CPU 61將從曲柄位置傳感器74獲得的當前實際曲柄角度CAact存儲為IVC處的曲柄角度CAivc，將從吸氣管壓力傳感器73獲得的當前吸氣管壓力Pb存儲為IVC處的缸內氣體壓力Pgivc，將從吸入空氣溫度傳感器72獲得的當前吸入空氣溫度Tb存儲為IVC處的缸內氣體溫度Tgivc，並且將從吸入空氣氧氣濃度傳感器78獲得的當前吸入空氣氧氣濃度RO2in存儲為吸入空氣氧氣濃度
in。
隨後，CPU 61進展到步驟515，以便根據IVC處的缸內氣體壓力Pgivc、IVC處的缸內氣體溫度Tgivc和上述方程(5)獲得缸內氣體的總質量Mg。
接下來，CPU 61進展到步驟520，並且根據從加速器打開傳感器75獲得的當前加速器打開Accp、從曲柄位置傳感器74獲得的當前引擎速度NE和如圖10所示的表格(映射)MapQfin來獲得指令燃料注入量Qfin(也就是燃料注入時間段TAU)。在ROM 62中所存儲的表格MapQfin確定了加速器打開Accp和引擎速度NE以及指令燃料注入量Qfin之間的關係。
接下來，CPU 61進展到步驟525，並且根據指令燃料注入量Qfin、引擎速度NE和如圖11所示的表格MapCAinj來確定燃料注入開始時刻CAinj。在ROM 62中所存儲的表格MapCAinj確定了指令燃料注入量Qfin和引擎速度NE以及指令燃料注入量Qfin之間的關係。
隨後，CPU 61進展到步驟530，以便根據指令燃料注入量Qfin、引擎速度NE和如圖12所示的表格MapPcrbase來確定基準燃料注入壓力Pcrbase。在ROM 62中所存儲的表格MapPcrbase確定了指令燃料注入量Qfin和引擎速度NE以及基準燃料注入壓力Pcrbase之間的關係。
接下來，CPU 61進展到步驟535，並且根據通過將燃料注入時間段TAU除以3所獲得的值「TAU/3」、所獲得的基準燃料注入壓力Pcrbase和函數funcPcr來獲得用於第一、第二和第三注入的燃料注入壓力Pcr(1)、Pcr(2)和Pcr(3)。如上所述，假設在燃料注入開始時刻CAinj處一次性執行第一注入(質量Q(1))，在第一注入之後過去了1/3 TAU時一次性執行第二注入(質量Q(2))，並且在第二注入之後過去了1/3 TAU時一次性執行第三注入(質量Q(3))。
在將注入壓力調整為在燃料注入開始時刻CAinj處所獲得的基準燃料注入壓力Pcrbase的狀態下，當從燃料注入開始時刻CAinj的燃料注入時間段TAU上連續注入燃料時，函數funcPcr在考慮到注入壓力的改變(下降)的情況下確定燃料注入壓力Pcr(1)、Pcr(2)和Pcr(3)。確切地說，通過上述判斷，用於第一注入的燃料注入壓力Pcr(1)被設置為等於基準燃料注入壓力Pcrbase的值，並且用於第二和第三注入的燃料注入壓力Pcr(2)和Pcr(3)的每一個被設置為比基準燃料注入壓力Pcrbase小預定量的值。
隨後，CPU 61進展到步驟540，並且根據所獲得的燃料注入時間段TAU、值「TAU/3」、所獲得的基準燃料注入壓力Pcrbase和函數funcQ來獲得第一、第二和第三注入的各個燃料量(質量)Q(1)、Q(2)和Q(3)。該步驟540對應於注入燃料劃分裝置。
在其中將注入壓力調整為在燃料注入開始時刻CAinj處所獲得的基準燃料注入壓力Pcrbase的狀態下，當從燃料注入開始時刻CAinj起的燃料注入時間段TAU上連續注入燃料時，函數funcQ在考慮到注入壓力的改變(下降)的情況下確定燃料量Q(1)、Q(2)和Q(3)。確切地說，通過上述判斷，設置燃料量(質量)Q(1)、Q(2)和Q(3)，從而使關係「Qfin＝Q(1)+Q(2)+Q(3)」成立。不過，燃料量Q(1)、Q(2)和Q(3)不會變成彼此相等。
接下來，CPU 61進展到步驟545，並且根據值「TAU/3」、當前引擎速度NE、燃料注入開始時刻CAinj和函數funcCAinj來獲得用於第一、第二和第三注入的各個注入時刻的曲柄角度CAinj(1)、CAinj(2)和CAinj(3)。
在假設引擎速度NE保持在當前速度的情況下，函數funcCAinj獲得曲柄角度CAinj(1)、CAinj(2)和CAinj(3)。確切地說，通過上述處理，第一注入時點處的曲柄角度CAinj(1)被設置為與燃料注入開始時刻CAinj相對應的值；第二注入時點處的曲柄角度CAinj(2)被設置為與燃料注入開始時刻CAinj(相應地，第一注入的時刻)滯後了時間段「TAU/3」的時點相對應的值；第三注入時點處的曲柄角度CAinj(3)被設置為與第二注入時刻滯後了時間段「TAU/3」的時刻相對應的值。
接下來，CPU 61進展到步驟550，並且根據從燃料溫度傳感器76獲得的當前燃料溫度Tcr和上述方程式(18)來獲得燃料蒸氣溫度Tf。隨後，CPU 61進展到步驟555，並且根據吸入空氣氧氣濃度[O2]in和用於通過使用[O2]in作為自變量來獲得缸內氣體理論空氣-燃料比率stoich的函數funcstoich，從而獲得缸內氣體理論空氣-燃料比率stoich。
接下來，CPU 61進展到步驟560，並且根據吸入空氣氧氣濃度[O2]in和用於通過使用[O2]in作為自變量來獲得缸內氣體中的氮氣濃度的函數func[N2]來獲得缸內氣體中所包含的氮氣濃度(也就是吸入空氣氮氣濃度[N2]in)。
隨後，CPU 61進展到步驟565，並且根據當前引擎速度NE、微小時間Δt和用於通過使用NE和Δt作為自變量用於獲得微小曲柄角度ΔCA的函數funcΔCA來獲得微小曲柄角度ΔCA，該微小曲柄角度ΔCA是對應於微小時間Δt(例如0.1msec)的曲柄角度。當引擎速度NE保持在當前時間(也就是緊接著IVC之後)處的值時，該微小曲柄角度ΔCA是對應於微小時間Δt的曲柄角度。
然後CPU 61進展到步驟570，並且將總的菸灰生成量Soot設置為初始值Soot0，並且將總的NO生成量NO設置為初始值NO0。在隨後的步驟575中，CPU 61將變量i的值清「0」。初始值Soot0對應於在燃料注入之前的缸內氣體中所包含的(對應地，之前在EGR氣體中所包含的)菸灰量；並且初始值NO0對應於在燃料注入之前的缸內氣體中所包含的(對應地為之前在EGR氣體中所包含的)NO量。
變量i的值被用於有選擇性地表示第一至第三注入中的一個。也就是說，「i＝1」表示第一注入(對應為第一氣體混合物)、「i＝2」表示第二注入(對應為第二氣體混合物)，並且「i＝3」表示第三注入(對應為第三氣體混合物)。
接下來，CPU 61然後進展到圖6的步驟605，並且將變量i的值(在當前時點處為「0」)增加「1」。結果，在當前時點處，變量i的值變成「1」。因此，在該時點之後，只要「i＝1」就執行與第一注入有關的計算。確切地說，首先，與第一注入有關的各種初始值被確定如下。
首先，CPU 61進展到步驟610，並且通過用在上述步驟515中所獲得的缸內氣體的總質量Mg除以第一注入時點處的缸內氣體體積Vg(CAinj(1))來獲得缸內氣體密度ρg0(在第一注入時點處)，其中所述第一注入時點處的缸內氣體體積Vg(CAinj(1))是根據在上述步驟545中所獲得的第i次(第一)注入時間處的曲柄角度CAinj(i)而獲得的。
隨後，CPU 61進展到步驟615，並且根據在上述步驟510中所獲得的IVC處的缸內氣體壓力Pgivc、上述IVC處缸內體積Vg(CAivc)、第i次(第一)注入時間處的缸內體積Vg(CAinj(i))和對應於上述方程式(4)的方程式來獲得缸內氣體壓力Pg0(在第一注入時點處)。
接下來，CPU 61進展到步驟620，並且通過用在上述步驟535中所獲得的第i次(第一)注入壓力Pcr(i)減去上述缸內氣體壓力Pg0來獲得有效注入壓力ΔP(在第一注入時點處)。在隨後的步驟625中，根據所獲得的有效注入壓力ΔP、缸內氣體密度ρg0和表格Mapθ來獲得噴射角θ(與第一注入有關)，CPU 61獲得噴射角θ(與第一注入有關)。通過這樣，噴射角θ是根據第i次(第一)注入時點處的有效注入壓力ΔP和缸內氣體密度ρg0來確定的(也就是曲柄角度CAinj(1))。
接下來，CPU 61進展到步驟630，以便將過量空氣比率之前的值λb設置為初始值「0」，並且進展到步驟635，以便將形成缸內氣體質量G的氣體混合物的值(與第一氣體混合物有關)設置為初始值「0」。在隨後的步驟640中，CPU 61將燃料消耗量累積值sumpr和缸內氣體消耗量累積值sumgr(與第一氣體混合物有關)都設置為初始值「0」。
隨後，CPU 61進展到步驟645，並且根據對應於上述方程式(17)的方程式，將氣體混合物熱函Hmix(與第一氣體混合物有關)設置為初始值(也就是在上述步驟540中所獲得的第i次(第一)注入量Q(i)、燃料的常壓比熱Cf和在上述步驟550中所獲得的燃料蒸氣溫度Tf的乘積) 接下來，CPU 61進展到步驟650，以便將氣體混合物常壓比熱Cmix(與第一氣體混合物有關)設置為燃料的上述常壓比熱Cf(初始值)，並且進展到步驟655，以便將氣體混合物質量Mmix(與第一氣體混合物有關)設置為第i次(第一次)注入量Q(i)(初始值)。
接下來，CPU 61進展到步驟660，以便將氣體混合物NO濃度[NO]mix、菸灰濃度[Soot]mix和氧氣濃度[O2]mix的每一個(與第一氣體混合物有關)設置為初始值「0」，並且將氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix(與第一氣體混合物有關)設置為初始值「1」。
隨後，CPU 61進展到步驟665，以便將注入後時間t(與第一氣體混合物有關)設置為初始值「0」，並且將曲柄角度CA(與第一注入有關)設置為第i次(第一)注入時點處的曲柄角度CAinj(i)(初始值)。通過這些設置，與第i次(第一)氣體混合物有關的注入後時間t從第i次(第一)注入時點處算起。
接下來，CPU 61進展到步驟670，並且將標誌ENDsoot和ENDno的值初始化為「0」。當標誌ENDsoot的值為「1」時，該標誌表示菸灰濃度[Soot]mix的值正在被更新。當標誌ENDsoot的值為「0」時，該標誌表示菸灰濃度[Soot]mix的更新已經完成了。當標誌ENDno的值為「1」時，該標誌表示NO濃度[NO]mix的值正在被更新。當標誌ENDno的值為「0」時，該標誌表示NO濃度[NO]mix的更新已經完成了。這樣，確定了與第i次(第一)注入有關的各種初始值。
接下來，CPU 61進展到圖7的例程，並且開始進行與第i次(第一)注入有關的計算氣體混合物溫度的處理。確切地說，CPU 61首先進展到步驟705，並且將注入後時間t(與第一注入有關)的值(當前時點處為「0」)更新或增加微小時間Δt，並且將曲柄角度CA(與第一注入有關)的值(當前時點處的「CAinj(1)」)更新或增加微小的曲柄角度ΔCA。這樣，曲柄角度CA的值被保持為與注入後時間t相對應的值。通過這種處理，在該時點之後，注入後時間t(與第一注入有關)變得等於微小時間Δt，並且曲柄角度CA(與第一注入有關)變得等於CAinj(1)+ΔCA。
隨後，CPU 61進展到步驟710，並且通過將在上述步驟515中所獲得的缸內氣體的總質量Mg除以在上述步驟705中所更新的與曲柄角度CA相對應的缸內容量Vg(CA)，從而獲得了注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的缸內氣體密度ρg(與第一注入有關)。
接下來，CPU 61進展到步驟715，並且根據在上述步驟510中所獲得的IVC處的缸內氣體壓力Pgivc、IVC處的上述缸內容量Vg(CAivc)、對應於曲柄角度CA的上述缸內容量Vg(CA)和上述方程式(26)來獲得注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的缸內氣體壓力Pg(與第一注入有關)。
接下來，CPU 61進展到步驟720，並且根據在上述步驟510中所獲得的IVC處的缸內氣體溫度Tgivc、IVC處的上述缸內容量Vg(CAivc)、對應於曲柄角度CA的上述缸內容量Vg(CA)和上述方程式(12)來獲得注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的缸內氣體溫度Tg(與第一注入有關)。
接下來，CPU 61進展到步驟725，並且根據在上述步驟510中所獲得的上述吸入空氣氧氣濃度[O2]in、在步驟720中所獲得的缸內氣體溫度Tg、用於通過使用[O2]in和Tg作為自變量用於獲得缸內氣體的常壓比熱Cg的函數funcCg和上述方程式(13)來獲得注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的缸內氣體壓力(與第一注入有關)的常壓比熱Cg。
隨後，CPU 61進展到步驟730，並且根據在上述步驟710中所獲得的缸內氣體密度ρg、在上述步驟625中所獲得的噴射角θ、在上述步驟620中所獲得的有效注入壓力ΔP、在上述步驟705中所更新的注入後時間t(與第i次(第一)注入有關)和上述方程式(3)來得到燃料稀釋比率dλ/dt(與第i次(第一)注入有關)。
然後，CPU 61進展到步驟735，並且根據上述方程式(2)將與第i次(第一)注入有關的過量空氣比率λ更新為如下的值，即，通過將值「dλ/dt·Δt」(通過用所獲得的燃料稀釋比率dλ/dt乘以微小時間Δt而獲得的)加上當時的過量空氣比率先前的值λb(由於步驟630的處理，當前時點處為「0」)所得到的值。通過這樣，得到了注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的過量空氣比率λ(與第一注入有關)。
接下來，CPU 61進展到步驟740，並且根據在上述步驟555中所獲得的缸內氣體理論空氣-燃料比率stoich、在步驟735中所獲得的過量空氣比率λ、過量空氣比率先前值λb(由於步驟630的處理，當前時點處為「0」；並且在下一個和隨後的時點處，為將要講述的在步驟785中所設置的值)、在步驟540中所設置的第i次(第一)注入量Q(i)和對應於上述方程式(11)的方程式來得到在微小時間Δt期間(在注入後時間(t-Δt)和t之間)(與第一注入有關)被新吸入到氣體混合物中的缸內氣體的質量g。
隨後，CPU 61進展到步驟745，並且將形成缸內氣體的氣體混合物的質量G更新為如下的值，即，通過用上述新吸入的缸內氣體的質量g加上當時形成缸內氣體的氣體混合物的質量G(由於步驟635的處理，當前時點處為「0」)所得到的值。通過這樣，得到了注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的形成缸內氣體的氣體混合物的質量G(與第一注入有關)。
接下來，CPU 61進展到步驟750，並且將氣體混合物質量Mmix更新為通過將上述新吸入的缸內氣體的質量g加上當時的氣體混合物質量Mmix(由於步驟655的處理，當前時點處為第一注入量Q(1))所得到的值。通過這樣，得到了注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的氣體混合物質量Mmix(與第一注入有關)。
隨後，CPU 61進展到步驟755，並且將發生化學反應之前的氣體混合物的熱函Hpre設置為如下的值，即，通過用根據上述方程式(10)所得到的「上述新吸入的缸內氣體的熱能ΔHg＝g·Cg·Tg」加上當時的氣體混合物的熱函Hmix(由於步驟645的處理，當前時點處值為「Q(1)·Cf·Tf」)所得到的值。
接下來，CPU 61進展到步驟760，並且根據對應於方程式(16)的方程式，通過如下方法，獲得發生化學反應之前的氣體混合物的溫度Tpre，所述方法是，用所得到的在發生化學反應之前的氣體混合物的熱函Hpre除以如下所述的值，所述值是，通過在上述步驟750中所得到的氣體混合物質量Mmix乘以當時的氣體混合物常壓比熱Cmix(由於步驟650的處理，當前時點處為燃料的常壓比熱Cf；並且在下一個和隨後的時點處，為在將要講述的步驟830中所設置的值)所得到的值。
接下來，CPU 61進展到步驟765，並且根據如下值來獲得在微小時間Δt期間(在注入後時間(t-Δt)和t之間)從氣體混合物中發生的化學反應中獲得燃料消耗母體的量qr，所根據的值是，當時的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix(由於步驟660的處理，當前時點處為「0」；並且在下一個和隨後的時點處，為在將要講述的步驟820中所設置的值)、當時的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix(由於步驟660的處理，當前時點處為「0」；並且在下一個和隨後的時點處，為在將要講述的步驟815中所設置的值)、所獲得的發生化學反應之前的氣體混合物的溫度Tpre和上述方程式(15)。
隨後，CPU 61進展到步驟770，並且根據所獲得的燃料消耗量qr和上述方程式(14)來獲得在微小時間Δt期間(在注入後時間(t-Δt)和t之間)在氣體混合物中發生的化學反應而產生的反應熱量Hr。進而，在隨後的步驟775中，CPU 61通過將氣體混合物的熱函Hmix設置為如下值從而對其進行更新，所述值是，通過將所獲得的反應熱量Hr加上發生化學反應之前的氣體混合物的熱函Hpre所得到的值。通過這樣，得到了注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的氣體混合物的熱函Hmix(與第一注入有關)。
然後，CPU 61進展到步驟780，並且根據在上述步驟775中所得到的氣體混合物的熱函Hmix、在上述步驟750中所得到的氣體混合物質量Mmix、當時的氣體混合物常壓比熱Cmix(由於步驟650的處理，在當前時點處為燃料的常壓比熱Cf；並且在下一個和隨後的時點處，為在將要講述的步驟830中所設置的值)和上述方程式(7)來獲得氣體混合物溫度Tmix。通過這樣，得到了在注入後時間t等於Δt的時點(對應為曲柄角度CA＝CAinj(1)+ΔCA)處的氣體混合物溫度Tmix(與第一注入有關)。步驟780對應於氣體混合物狀態估計裝置。
接下來，CPU 61進展到步驟785，並且為了準備下一次計算，將過量空氣比率先前值λb設置為在上述步驟735中所得到的過量空氣比率λ的值。在這一時點之後，在上述步驟735中使用該值。以這樣的方式，計算了注入後時間t處的氣體混合物溫度Tmix(與第i次(第一)注入有關)。
接下來，CPU 61進展到圖8的例程，並且啟動用於計算與第i次(第一)注入有關的各種濃度的處理。確切地說，CPU 61首先進展到步驟805，以便根據在上述步驟765中所得到的在微小時間Δt期間(在注入後時間(t-Δt)和t之間)在氣體混合物中發生的化學反應中所消耗的燃料量qr、在上述步驟555中所得到的缸內氣體理論空氣-燃料比率stoich和上述方程式(20)，來獲得在微小時間Δt期間(在注入後時間(t-Δt)和t之間)在氣體混合物中發生的化學反應中所消耗的缸內氣體量gr。
隨後，CPU 61進展到步驟810，以便將燃料消耗量累積值sumqr(與第一注入有關)更新為通過用在步驟675中所得到的燃料消耗量qr加上當時的燃料消耗量累積值sumqr(由於步驟640的處理，當前時點處為「0」)所得到的值，並且將缸內氣體消耗量累積值sumgr(與第一注入有關)更新為通過用在步驟805中所得到的缸內氣體消耗量gr加上當時的缸內氣體消耗量累積值sumgr(由於步驟640的處理，當前時點處為「0」)所得到的值。通過這樣，得到了注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的燃料消耗量累積值sumqr和缸內氣體消耗量累積值sumgr(與第一注入有關)。
接下來，CPU 61進展到步驟815，並且根據在步驟540中所得到的第i次(第一)注入量Q(i)、所得到的燃料消耗量累積值sumqr、在步驟750中所得到的氣體混合物質量Mmix和對應於上述方程式(19)的方程式來獲得注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix(與第一注入有關)。
接下來，CPU 61進展到步驟820，並且根據在步驟745中所得到形成缸內氣體的氣體混合物的質量G、所得到的缸內氣體消耗量累積值sumgr、在步驟510中所設置的吸入空氣氧氣濃度[O2]in、在步驟750中所得到的氣體混合物質量Mmix和上述方程式(21)來獲得注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix(與第一注入有關)。
接下來，CPU 61進展到步驟825，並且根據在步驟745中所得到形成缸內氣體的氣體混合物的質量G、在步驟560中所設置的吸入空氣氮氣濃度[N2]in、在步驟750中所得到的氣體混合物質量Mmix和上述方程式(22)來獲得注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的氣體混合物氮氣濃度[N2]mix(與第一注入有關)。這些步驟815至825也對應於氣體混合物狀態估計裝置。
接下來，CPU 61進展到步驟830，並且根據在上述步驟820中所得到的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、在步驟780中所得到的氣體混合物溫度Tmix和上述方程式(9)來獲得注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的氣體混合物常壓比熱Cmix(與第一注入有關)。在這一時點之後，在步驟760和780中使用該值。
然後，CPU 61進展到步驟835，以便確定標誌ENDsoot的值是否為「0」。當CPU 61判斷為「No」時，直接進展到步驟870，而不對將要講述的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix執行更新(將菸灰生成速度d[Soot]mix/dt相對於時間進行積分的處理(步驟855))。
在當前時點處，由於上述步驟670的處理，標誌ENDsoot的值被設置為「0」。因此，CPU 61在步驟835中判斷為「Yes」，並且進展到步驟840，以便根據在步驟815中所得到的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix、步驟715中所得到的缸內氣體壓力Pg、在步驟780中所得到的氣體混合物溫度Tmix和上述方程式(24)來獲得菸灰形成速度dmsf/dt。
隨後，CPU 61進展到步驟845，以便根據當時的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix(由於步驟660的處理，當前時點處為「0」；並且在下一個和隨後的時點處，為在將要講述的步驟855中所設置的值)、在步驟820中所得到的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、在步驟715中所得到的缸內氣體壓力Pg、在步驟780中所得到的氣體混合物溫度Tmix和上述方程式(25)來獲得菸灰氧化速度dmso/dt。
接下來，CPU 61進展到步驟850，以便根據所獲得的菸灰形成速度dmsf/dt、所獲得的菸灰氧化速度dmso/dt和上述方程式(23)來獲得菸灰生成速度d[soot]mix/dt，並且然後進展到步驟855，以便將氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix設置或更新為如下值，即，用值「d[soot]mix/dt·Δt」(通過用所得到的菸灰生成速度d[soot]mix/dt乘以微小時間Δt得到的)加上當時的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix(由於步驟660的處理，當前時點處為「0」)所得到的值。通過這樣，得到了在注入後時間t等於Δt的時點(對應為曲柄角度CA＝CAinj(1)+ΔCA)處的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix(與第一注入有關)。該步驟855對應於排放物生成量估計裝置。
隨後，CPU 61進展到步驟860，以便判斷曲柄角度CA是否在壓縮頂部死點(下面將其稱為「TDC」)之後並且在步驟780中獲得的注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的氣體混合物溫度Tmix(與第一注入有關)是否小於菸灰反應臨界溫度TminSoot。注意，菸灰反應臨界溫度TminSoot指的是低於該溫度就很難產生菸灰的溫度。
當CPU 61判斷為「Yes」時，進展到步驟865並且將標誌ENDsoot的值從「0」變成「1」。結果，在這一時點之後，當CPU 61進展到步驟835時，CPU 61判斷為「No」，從而如上所述地不執行氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix的更新(步驟855)。通過這樣，可以省略與氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix的更新有關的多餘計算，並且可以減少CPU61的計算負荷。
由於當前時點緊接著IVC，因此當前時間是在TDC之前。因此，CPU 61在步驟860中判斷為「No」，並且直接進展到步驟870。也就是說，標誌ENDsoot的值保持為「0」。
當CPU 61進展到步驟870時，判斷標誌ENDno的值是否為「0」。當CPU 61判斷為「No」時，直接進展到圖9的步驟905，而不執行將要講述的氣體混合物NO濃度[NO]mix的更新(將NO生成速度d[NO]mix/dt相對於時間進行積分的處理(步驟880))。
在當前時點處，由於上述步驟670的處理，標誌ENDno的值被設置為「0」。因此，CPU 61在步驟870中判斷為「Yes」，並且進展到步驟875，以便根據在步驟825中所獲得的氣體混合物氮氣濃度[N2]mix、在步驟820中所獲得的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、在步驟780中所獲得的氣體混合物溫度Tmix和上述方程式(27)來獲得NO生成速度d[NO]mix/dt。
接下來，CPU 61進展到步驟880，以便將氣體混合物NO濃度[NO]mix設置或更新為如下值，即，用值「d[NO]mix/dt·Δt」(通過所得到的NO生成速度d[NO]mix/dt乘以微小時間Δt得到的)加上當時的氣體混合物NO濃度[NO]mix(由於步驟660的處理，當前時點處為「0」)所得到的值。通過這樣，得到了在注入後時間t等於Δt的時點(對應為曲柄角度CA＝CAinj(1)+ΔCA)處的氣體混合物NO濃度[NO]mix(與第一注入有關)。該步驟880也對應於排放物生成量估計裝置。
隨後，CPU 61進展到步驟885，以便判斷曲柄角度CA是否在TDC之後並且在步驟780中獲得的注入後時間t(對應為曲柄角度CA)處的氣體混合物溫度Tmix(與第一注入有關)是否小於NO反應臨界溫度Tmin NO。注意，NO反應臨界溫度TminNO指的是低於該溫度就很難產生NO的溫度。
當CPU 61判斷為「Yes」時，進展到步驟890並且將標誌ENDno的值從「0」變成「1」。結果，在這一時點之後，當CPU 61進展到步驟870時，CPU 61判斷為「No」，從而如上所述地不執行氣體混合物NO濃度[NO]mix的更新(步驟880)。通過這樣，可以省略與氣體混合物NO濃度[NO]mix的更新有關的多餘計算，並且可以減少CPU 61的計算負荷。
與上述情況一樣，當前時點緊接著IVC之後，因此當前時間是在TDC之前。因此，CPU 61在步驟885中判斷為「No」，並且直接進展到圖9的例程。也就是說，標誌ENDno的值保持為「0」。通過上述處理，計算了氣體混合物(第一氣體混合物)的過量空氣比率λ、第一氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)，以及在i＝1的注入後時間t(相應地與第一注入有關)等於Δt的時點(對應為曲柄角度CA＝CAinj(1)+ΔCA)處的與第一氣體混合物有關的排放物濃度([Soot]mix和[NO]mix)。
當CPU 61進展到圖9的步驟905時，判斷標誌ENDsoot和ENDno的值是否均為「1」或者曲柄角度CA與TDC之後的預定最終判斷曲柄角度Caend相一致。在當前時點處，如上所述，標誌ENDsoot和ENDno的值均為「0」，並且曲柄角度CA為通過用微小曲柄角度ΔCA加上處於第一注入(相應地為TDC之前)的時點處的曲柄角度CAinj(1)所得到的角度，並且還沒有到達預定最終判斷曲柄角度CAend。
因此，在當前時點處，CPU 61在步驟905中判斷為「No」，並且返回到圖7的步驟705。在這種情況下，在通過增加微小時間Δt來更新注入後時間t(與第一注入有關)(在當前時點處為「1·Δt」)並且通過增加微小曲柄角度ΔCA來更新曲柄角度CA(與第一注入有關)(在當前時點處為「CAinj(1)+·ΔCA」)之後，CPU 61再次執行圖7的步驟710至圖9的步驟905的處理。
通過上述處理，計算了氣體混合物(第一氣體混合物)(見步驟735)的過量空氣比率λ、第一氣體混合物(見步驟780)的狀態(溫度Tmix等)，以及(只要標誌ENDsoot和ENDno的值為零)對於i＝1的注入後時間t(相應地與第一注入有關)等於2·Δt的時點(對應為曲柄角度CA＝CAinj(1)+2·ΔCA)處的與第一氣體混合物(見步驟855和880)有關的排放物濃度([Soot]mix和[NO]mix)。
每次在圖9的步驟905中判斷為「No」時，都重複執行圖7的步驟705至圖9的步驟905的處理。結果，只要在圖9的步驟905中判斷為「No」，同時變量i保持為「1」，則獲得了從第一注入時間開始的每一個微小時間Δt(從CAinj(1)開始的每一個微小曲柄角度ΔCA)的第一氣體混合物的過量空氣比率λ、第一氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)，以及(只要標誌ENDsoot和ENDno的值為零)與第一氣體混合物有關的排放物濃度([Soot]mix和[NO]mix)。
當在TDC之後的擴張衝程期間缸內體積的增加或其他原因而導致氣體混合物溫度Tmix下降從而滿足了步驟860的上述條件時，標誌ENDsoot的值從「0」變成「1」。在這一時點之後，如上所述，不執行菸灰濃度[Soot]mix的更新(步驟855)。進而，當在TDC之後的擴張衝程期間缸內體積的增加或者其他原因從而滿足了步驟885的上述條件時，標誌ENDno的值從「0」變成「1」。在這一時點之後，如上所述，不執行NO濃度[NO]mix的更新(步驟880)。
當標誌ENDsoot和ENDno的值都變成「1」，或者當曲柄角度CA已經到了預定最終判斷曲柄角度CAend(即使標誌ENDsoot和ENDno的值都還沒有變成「1」)時，當CPU 61進展到圖9的步驟905時，CPU 61判斷為「Yes」，並且進展到步驟910和隨後的步驟，以便執行用於結束對於i＝1的情況的計算的處理(相應地與第一注入有關)。
也就是說，在步驟910中，通過用在上述步驟855的處理所更新的當前氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix乘以在上述步驟750中所更新的當前氣體混合物質量Mmix，CPU 61獲得了在第i次(第一)氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(i)，並且通過用在上述步驟880的處理中所更新的當前氣體混合物NO濃度[NO]mix乘以當前氣體混合物質量Mmix，來獲得在第i次(第一)氣體混合物中所生成的NO的量NO(i)。
然後CPU 61進展到步驟915，以便將總的菸灰生成量Soot更新為通過用所得到的在第i次(第一)氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(i)加上當時總的菸灰生成量Soot(由於步驟570的處理，當前時點處為初始值Soot0)所得到的值(Soot0+Soot(1))，並且將總的NO生成量NO更新為通過用所得到的在第i次(第一)氣體混合物中所生成的No的量NO(i)加上當時總的NO生成量NO(由於步驟570的處理，當前時點處為初始值NO0)所得到的值(NO0+NO(1))。通過上述處理，完成了用於第一注入(相應地為第一氣體混合物)的計算。
然後CPU 61進展到步驟920，並且判斷變量i的值是否為「3」。
由於在當前時點處變量i的值為1，因此CPU 61在步驟920中判斷為「No」，並且返回到圖6的步驟605，以便將變量i的值增加1。在這一時點之後，由於變量i被設置為「2」，因此執行用於第二注入(相應地為第二氣體混合物)的計算。
也就是說，首先，在上述圖6的步驟610至670中設置與第二注入有關的各種初始值。確切地說，在步驟610中，通過使用第二注入時點處的缸內體積Vg(CAinj(2))而得到了缸內氣體密度ρg0(在第二注入的時點處)，其中第二注入時點處的缸內體積Vg(CAinj(2))是根據在上述步驟545中所得到的第二注入時點處的曲柄角度CAinj(2)而獲得的。
隨後，在步驟615中，通過使用第二注入時點處的缸內體積Vg(CAinj(2))得到了缸內氣體壓力Pg0(在第二注入的時點處)。結果，在步驟620中，通過從第二注入壓力Pcr(2)中減去上述缸內氣體壓力Pg0，得到了有效注入壓力ΔP(在第二注入的時點處)。在隨後的步驟625中，根據所得到的有效注入壓力ΔP、缸內氣體密度ρg0和表格Mapθ得到了噴射角θ(與第二注入有關)。通過這樣，噴射角θ是根據有效注入壓力ΔP和第二注入時點處的缸內氣體密度ρg0(也就是曲柄角度CAinj)來確定的。
進而，在步驟645中，氣體混合物熱函Hmix(與第二氣體混合物有關)被設置為初始值(也就是在上述步驟540中所得到的第二注入量Q(2)、燃料的常壓比熱Cf和在上述步驟550中所得到的燃料蒸氣溫度Tf的乘積)，並且在步驟655中，氣體混合物質量Mmix(與第二氣體混合物有關)被設置為第二注入量Q(2)(初始值)。
然後，在步驟665中，注入後時間t(與第二氣體混合物有關)被設置為初始值「0」，並且曲柄角度CA(與第二氣體混合物有關)被設置為第二注入時點處的曲柄角度CAinj(2)(初始值)。通過這些設置，與第二氣體混合物有關的注入後時間t是從第二注入時點算起的。
一旦在圖6的步驟610至670中設置了與第二注入有關的各種初始值，則執行圖7的步驟705至圖9的步驟905的上述處理。結果，只要在圖9的步驟905中判斷為「No」，同時變量i保持為2，則對於第二注入時間開始的每一個微小時間Δt(從CAinj(2)開始的每一個微小曲柄角度ΔCA)都獲得了第二氣體混合物的過量空氣比率λ、第二氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)，以及(只要標誌ENDsoot和ENDno的值為零)與第二氣體混合物有關的排放物濃度([Soot]mix和[NO]mix)。
當滿足了步驟905的上述條件時，在步驟910中，獲得了在第二氣體混合物中生成的菸灰量Soot(2)和在第二氣體混合物中所生成的NO量NO(2)。在步驟915中，將總的菸灰生成量Soot更新為通過用所得到的在第二氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(2)加上當時總的菸灰生成量(Soot0+Soot(1))所得到的值(Soot0+Soot(1)+Soot(2))，並且將總的NO生成量NO更新為通過用所得到的在第二氣體混合物中所生成的No量NO(2)加上當時總的NO生成量(NO0+NO(1))所得到的值(NO0+NO(1)+NO(2))。通過上述處理，完成了用於第二注入(相應地為第二氣體混合物)的計算。
在步驟920中，判斷變量i的值是否為「3」。由於在當前時點處變量i的值為2，因此判斷為「No」，並且處理返回到圖6的步驟605，以便將變量i的值增加1。在這一時點之後，由於變量i被設置為「3」，因此執行用於第三注入(相應地為第三氣體混合物)的計算。
也就是說，首先，在上述圖6的步驟610至670中設置與第三注入有關的各種初始值。確切地說，在步驟610至625中，噴射角θ(與第三注入有關)是根據有效注入壓力ΔP和第三注入時點處的缸內氣體密度ρg0(也就是曲柄角度CAinj(3))來確定的。
進而，在步驟645中，氣體混合物熱函Hmix(與第三氣體混合物有關)被設置為初始值(也就是在上述步驟540中所得到的第三注入量Q(3)、燃料的常壓比熱Cf和在上述步驟550中所得到的燃料蒸氣溫度Tf的乘積)，並且在步驟655中，氣體混合物質量Mmix(與第三氣體混合物有關)被設置為第三注入量Q(3)(初始值)。
然後，在步驟665中，注入後時間t(與第三氣體混合物有關)被設置為初始值「0」，並且曲柄角度CA(與第三注入有關)被設置為第三注入時點處的曲柄角度CAinj(3)(初始值)。通過這些設置，與第三氣體混合物有關的注入後時間t是從第三注入時點算起的。
一旦在圖6的步驟610至670中設置了與第三注入有關的各種初始值，則隨後執行圖7的步驟705至圖9的步驟905的上述處理。結果，只要在圖9的步驟905中判斷為「No」，同時變量i保持為3，則對於從第三注入時間開始的每一個微小時間Δt(從CAinj(3)開始的每一個微小曲柄角度ΔCA)都獲得了第三氣體混合物的過量空氣比率λ、第三氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)，以及(只要標誌ENDsoot和ENDno的值為零)與第三氣體混合物有關的排放物濃度([Soot]mix和[NO]mix)。
當滿足了步驟905的上述條件時，在步驟910中，獲得了在第三氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(3)和在第三氣體混合物中所生成的NO量NO(3)。在步驟915中，將總的菸灰生成量Soot更新為通過用所得到的在第三氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(3)加上當時總的菸灰生成量(Soot0+Soot(1)+Soot(2))所得到的值(Soot0+Soot(1)+Soot(2)+Soot(3))，並且將總的NO生成量NO更新為用通過所得到的在第二氣體混合物中所生成的No量NO(3)加上當時總的NO生成量(NO0+NO(1)+NO(2))所得到的值(NO0+NO(1)+NO(2)+NO(3))。
通過上述處理，完成了用於第三注入(相應地為第三氣體混合物)的計算。進而，通過上述處理，總的菸灰生成量Soot被獲得為在各個氣體混合物中所生成的菸灰量的總和，並且總的NO生成量NO被獲得為在各個氣體混合物中所生成的NO量的總和。也就是說，完成了排放物生成量的估計。CPU 61完成了上述氣體混合物狀態和緊接著IVC之後(也就是在燃料注入開始時刻CAinj之前的時點)的排放物生成量的估計。
然後，在步驟920中，判斷變量i的值是否為「3」。由於在當前時點處變量i的值為3，因此判斷為「Yes」。在這種情況下，CPU 61進展到步驟925，並且根據當前時點(也就是緊接著IVC之後的時點)處的引擎速度NE、在上述步驟520中所確定的指令燃料注入量Qfin以及表格MapSootter和MapNOter來獲得目標菸灰生成量Sootter和目標NO生成量NOter。
接下來，CPU 61進展到步驟930，以便將菸灰生成量變動Δsoot設置為通過用在步驟915中所獲得的總的菸灰生成量Soot減去所得到的目標菸灰生成量Sootter所得到的值，並且將NO生成量變動ΔNO設置為通過用在步驟915中所獲得的總的NO生成量NO減去所得到的目標NO生成量NOter所得到的值。
隨後，CPU 61進展到步驟935，以便判斷所得到的菸灰生成量變動Δsoot是否大於參考值Sootref。當CPU 61判斷為「Yes」時，進展到步驟940，以便將最後燃料注入壓力Pcrfin設置為通過用預定值ΔPcr加上在上述步驟530中所確定的基準燃料注入壓力Pcrbase所得到的值。通過這樣，對燃料注入壓力進行校正，以便減少菸灰生成量。
同時，當CPU 61在步驟935中判斷為「No」時，進展到步驟945，以便確定所得到的NO生成量變動ΔNO是否大於參考值NOref。當CPU61判斷為「Yes」時，進展到步驟950，以便將最後燃料注入壓力Pcrfin設置為通過從在上述步驟530中所確定的基準燃料注入壓力Pcrbase減去預定值ΔPcr所得到的值。通過這樣，對燃料注入壓力進行校正，以便減少NO生成量。
同時，當CPU 61在步驟945中判斷為「No」時(也就是當ΔSoot≤Sootref且ΔNO≤NOref時)，進展到步驟955，以便最後燃料注入壓力Pcrfin的值被設置為等於在上述步驟530中所確定的基準燃料注入壓力Pcrbase。也就是說，在這種情況下，不對燃料注入壓力進行校正。
當CPU 61進展到步驟960時，它發出控制指令給燃料注入泵22(其驅動電路)，以便燃料注入壓力等於所設置的最後燃料注入壓力Pcrfin。然後CPU 61進展到步驟595，並且結束圖5至9的一系列例程的當前執行。在這一時點之後，CPU 61每次進展到步驟505時，都判斷為「No」，直到下一個IVC到來為止。
結果，通過執行本例程，每次IVC到來時，確定燃料注入的條件(注入量、注入壓力和注入時刻)；立刻估計氣體混合物狀態和總的排放物生成量；並且根據總的排放物生成量的估計來結果來校正注入壓力。
進而，對於每一個氣缸，CPU 61都以預定間隔重複執行如圖13中的流程圖所示的例程，並且適用於執行燃料注入控制。因此，當已經到達預定時刻時，CPU 61啟動從步驟1300開始的處理，然後進展到步驟1305，以便確定實際的曲柄角度CAact是否等於在上述步驟525中所確定的燃料注入開始時刻CAinj。當CPU 61判斷為「No」時，直接進展到步驟1395，並且結束本例程的當前執行。
這裡，假設實際曲柄角度CAact與燃料注入開始時刻Cainj相一致。在這種情況下，CPU 61進展到步驟1310，並且指示相應的燃料注入閥21注入步驟520中所確定的指令燃料注入量為Qfin的燃料(確切地說，在燃料注入時間段TAU期間是打開的)。隨後，CPU 61進展到步驟1395，並且結束本例程的當前執行。通過該處理，在上述步驟940、950和955的一個中所設置的最後燃料注入壓力Pcrfin之下，注入了指令燃料輸入數量為Qfin的燃料。
如上所述，根據本發明的氣體混合物狀態估計設備和排放物生成量估計設備的第一實施例，注入時間段TAU被等分成三個時間段也就是「前1/3 TAU時間段」、「中間1/3 TAU時間段」和「後1/3 TAU時間段」。並且假設在燃料注入開始時刻CAinj處一次性執行與「前1/3 TAU時間段」相對應的第一注入(質量Q(1))；在第一注入已經過去了1/3 TAU時間段後一次性執行與「中間1/3 TAU時間段」相對應的第二注入(質量Q(2))；並且在第二注入已經過去了1/3 TAU時間段後一次性執行與「後1/3 TAU時間段」相對應的第三注入(質量Q(3))。因此，單獨處理「三個氣體混合物」，也就是基於第一注入的第一氣體混合物、基於第二注入的第二氣體混合物和基於第三注入的第三氣體混合物；並且對於每一個氣體混合物，單獨估計對應於注入後時間t的氣體混合物的過量空氣比率λ(表示缸內氣體與氣體混合物的混合程度的值)、氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)和在氣體混合物中所生成的排放物(菸灰和NO)的量。
因此，考慮到氣體混合物在對應於注入後時間T的過量空氣比率λ、對應於注入後時間t的缸內氣體的狀態(溫度Tg和密度ρg等)以及注入時點處的缸內氣體密度ρg0和有效注入壓力ΔP(對應的為噴射角θ)處的差別，可以單獨估計氣體混合物狀態和排放物生成量。然後，通過對每一個氣體混合物所估計的排放物的量進行求和來估計總的排放物生成量(確切地說為總的菸灰生成量Soot和總的NO生成量NO)。因此，在考慮到上述氣體混合物的不均勻性和排放物生成量的不均勻性的情況下可以準確估計總的排放物生成量。
本發明並不限於上述第一實施例，並且在本發明的保護範圍之內可以進行各種修改。例如，在第一實施例中，不論指令燃料注入量Qfin(相應地為燃料注入時間段TAU)如何，注入燃料(相應地為氣體混合物)都被分成三個部分。不過，注入燃料(相應地為氣體混合物)所劃分的部分的個數可以根據指令燃料注入量Qfin而變化。在這種情況下，優選地，部分的個數隨著指令燃料注入量Qfin而增加。
進而，在第一實施例中，注入時間段TAU被等分成多個時間段。不過，注入時間段TAU可以被分成多個時間段，以便與這些時間段相對應的燃料注入量彼此相等。在這種情況下，多個時間段變得不均勻。
而且，在第一實施例中，不僅點燃反應(熱焰反應)和低溫氧化反應(冷焰反應)而且各種其他化學反應都被包含在與根據上述方程式(15)所計算的燃料消耗量qr有關的化學反應中(圖7的步驟765)。不過，考慮到與點燃反應和低溫氧化反應相比，與其他化學反應有關的燃料消耗量是相當小的這一事實，可以僅僅將點燃反應和低溫氧化反應處理成與燃料消耗量qr有關的化學反應。
在這種情況下，當化學反應前氣體混合物溫度Tpre在其中發生低溫氧化反應的溫度範圍之內時，用於獲得燃料消耗量qr的函數funcqr用於輸出在低溫氧化反應中所消耗的燃料量；當化學反應前氣體混合物溫度Tpre在其中發生點燃反應的溫度範圍之內時，用於獲得燃料消耗量qr的函數funcqr用於輸出在點燃反應中所消耗的燃料量；並且當化學反應前氣體混合物溫度Tpre不在這些溫度範圍之內時，輸出「0」。
上述第一實施例被配置為使得當曲柄角度CA在TDC之後並且氣體混合物溫度Tmix低於排放物的反應臨界溫度時，結束排放物生成速度對時間的積分處理，以便減少CPU 61的計算負荷。不過，除此之外，在曲柄角度CA到達TDC並且氣體混合物溫度Tmix超過排放物的反應臨界溫度之前，停止執行排放物生成速度對時間的積分處理。因此，可以省略與排放物生成量的計算有關的多餘計算，從而可以進一步減小CPU 61的計算負荷。
(第二實施例) 接下來講述包括根據本發明第二實施例的內燃機的氣體混合物狀態估計設備的排放物生成量估計設備。該第二實施例與第一實施例的不同之處在於，假設了其中在燃料注入時間段TAU的中間點燃氣體混合物，並且注入燃料被分成在點燃氣體混合物之前所注入的部分和在點燃氣體混合物之後所注入的部分的情況。因此，該差別主要講述如下。
(第二實施例中注入燃料的劃分和氣體混合物的劃分) 當燃料注入時間段TAU相對較長時，在許多情況下燃燒室內發展的氣體混合物在燃料注入時間段TAU的中間(也就是在其中繼續燃料注入的時間段中)點燃。在這種情況下，由於根據在點燃之前所注入的燃料而形成的氣體混合物(下面將其稱為「基於點燃前注入的氣體混合物」)從注入到點燃具有較長的時間，因此在點燃時已經充分散開了。因此，在許多情況下，類似於混合前壓縮點燃燃燒的類似混合前的燃燒變成主導。
同時，由於根據在點燃之後所注入的燃料而形成的氣體混合物(下面將其稱為「基於點燃後注入的氣體混合物」)在注入之後立即點燃，因此在點燃的同時在氣體混合物還沒有充分散開的狀態中分散。因此，在許多情況下，類似於擴散燃燒的類似擴散燃燒變成主導。
類似混合前燃燒與類似擴散燃燒的不同之處在於燃料的反應速度(燃燒速度)。也就是說，在類似混合前燃燒中，由於在燃料和氧氣已經充分混合的狀態下進行點燃，因此存在足夠的氧氣量以容易地與燃料發生反應。結果，燃料的反應速度(燃燒速度)變得相對較大。
同時，在類似擴散燃燒中，由於在燃料和氧氣還沒有充分混合的狀態下進行點燃，因此與燃料容易地發生反應的氧氣很少。結果，燃料的反應速度(燃燒速度)變得相對較小。
而且，燃料的反應速度(燃燒速度)的差別還導致了與在微小時間Δt期間在氣體混合物中發生的化學反應有關的燃料消耗量qr(相應地為反應熱量Hr)的差別，這用上述方程式(15)來表示。也就是說，雖然在作為上述方程式(15)的函數funcqr的自變量的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix和氣體混合物溫度Tmix上是相同的，但是基於點燃前注入的氣體混合物和基於點燃後注入的氣體混合物在燃料消耗量qr上是不同的。
考慮到基於點燃前注入的氣體混合物和基於點燃後注入的氣體混合物在燃料消耗量qr(對應地為反應熱量Hr)處的差別，為了準確估計氣體混合物狀態和排放物生成量，可以採用以下舉措。與上述方程式(15)相對應的函數funcqr替換為兩個對應的函數，也就是用於基於點燃前注入的氣體混合物的函數funcqrpre和用於基於點燃後注入的氣體混合物的函數funcqrpost；並且注入燃料被分成在點燃氣體混合物之前所注入的部分和在點燃氣體混合物之後所注入的部分。然後，根據通過使用基於點燃前注入的氣體混合物的函數funcqrpre所得到的燃料消耗量qr，估計基於點燃前注入的氣體混合物的狀態，而根據通過使用用於基於點燃後注入的氣體混合物的函數funcqrpost所得到的燃料消耗量qr，估計基於點燃後注入的氣體混合物的狀態。
因此，在第二實施例中，估計了點燃延遲時間Tdelay(在開始注入和點燃之間的時間)。進而，如圖14所示，注入時間段TAU被分成兩個時間段，也就是「前Tdelay時間段」和「後(TAU-Tdelay)時間段」，並且假設Q(1)的燃料和Q(2)的燃料分別是在前Tdelay時間段和後(TAU-Tdelay)時間段中連續和分開注入的。下面來講述點燃延遲時間Tdelay的估計。
更為確切地說，假設與點燃前注入(第一注入)有關的注入時間段「前Tdelay時間段」的質量為Q(1)的燃料是在燃料注入開始時刻CAinj處一次性注入的；並且與點燃後注入(第二注入)有關的注入時間段「後(TAU-Tdelay)時間段」的質量為Q(2)的燃料是在當點燃前注入之後已經過去了Tdelay時一次性注入的。注意，關係「Q(1)+Q(2)＝Qfin」成立。
在第二實施例中，當得到基於點燃前注入的氣體混合物(第一氣體混合物)的狀態時，使用了通過利用基於點燃前注入的氣體混合物的函數funcqrpre所得到的燃料消耗量qr；並且當得到基於點燃後注入的氣體混合物(第二氣體混合物)的狀態時，使用了通過利用基於點燃後注入的氣體混合物的函數funcqrpost所得到的燃料消耗量qr。
進而，在第二實施例中，單獨處理基於點燃前注入的氣體混合物和基於點燃後注入的氣體混合物，並且對於每一個氣體混合物，以類似於上述第一實施例的方式來單獨估計氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)和排放物生成量。在第二實施例中，將針對兩個氣體混合物所估計的排放物生成量進行求和，以便估計總的排放物生成量(確切地說，為總的菸灰生成量Soot和總的NO生成量NO)。
通過該結構，除了氣體混合物在缸內氣體的狀態(溫度Tg和密度ρg等)方面的差別之外，考慮到氣體混合物之間在與注入之後時間相對應的燃料消耗量qr(對應地為反應熱量Hr)以及注入時點處的有效注入壓力ΔP和缸內氣體密度ρg0(對應地為噴射角θ)處的差別，單獨估計氣體混合物狀態和排放物生成量。因此，除了上述氣體混合物的不均勻性和排放物生成量的不均勻性，考慮到燃料消耗量qr(對應地為反應熱量Hr)處的差別，可以準確估計總的排放物生成量。
(第二實施例的實際操作) 接下來講述包括有根據第二實施例的氣體混合物狀態估計設備的排放物生成量估計設備的實際操作。在如圖5至9和圖13所示並且由第一實施例的CPU 61所執行的例程中，本設備的CPU 61按照相同的方式執行圖6、8和13的例程，而在執行圖5、7和9的例程時存在部分變動，如下所述。下面主要講述圖5、7和9中的例程的變化部分。
第二實施例的CPU 61執行如圖15所示的步驟1505至1520，以取代如圖5所示的例程中的步驟535至545。也就是說，當CPU 61從步驟530進展到步驟1505時，根據氣缸的缸內壓力傳感器77的輸出變化，CPU 61獲得了與該燃燒有關的點燃延遲時間，並且將其存儲為與此時燃燒有關的點燃延遲時間Tdelay，其中在所述氣缸中，在離當前時點最近的過去發生了燃燒。
這裡，可以根據缸內壓力在發生點燃的時點處急劇增加這一事實，也就是通過根據缸內壓力傳感器77的輸出變化來確定點燃時間，從而獲得點燃延遲時間(從注入開始到點燃的時間)。將這樣得到的點燃延遲存儲為與此時的燃燒有關的點燃延遲時間Tdelay的原因在於，與此時燃燒有關的點燃延遲時間Tdelay被預測為接近與在離當前時點最近的過去所發生的燃燒有關的點燃延遲時間。
接下來，CPU 61進展到步驟1510，並且根據所獲得的點燃延遲時間Tdelay、在圖5的步驟530中所得到的基準燃料注入壓力Pcrbase和上述函數funcPcr來分別獲得用於第一注入(點燃前注入)和用於第二注入(點燃後注入)的燃料注入壓力Pcr(1)和Pcr(2)。如上所述，假設點燃前注入(質量為Q(1))是在燃料注入開始時刻CAinj處一次性執行的；並且點燃後注入(質量為Q(2))是在當點燃前注入已經過去了點燃延遲時間Tdelay時一次性執行的。因此，與第一實施例的情況一樣，用於點燃前注入的燃料注入壓力Pcr(1)被設置為等於基準燃料注入壓力Pcrbase的值，並且用於點燃後注入的燃料注入壓力Pcr(2)被設置為比基準燃料注入壓力Pcrbase小預定值的值。
隨後，CPU 61進展到步驟1515，並且根據在圖5的步驟520中所得到的燃料注入時間段TAU、點燃延遲時間Tdelay、上述基準燃料注入壓力Pcrbase和上述函數funcQ來獲得用於點燃前注入和點燃後注入的燃料量(質量)Q(1)和Q(2)。通過該處理，如上所述，燃料量(質量)Q(1)和Q(2)被設置為使得關係「Qfin＝Q(1)+Q(2)」成立。該步驟1515對應於注入燃料劃分裝置。
接下來，CPU 61進展到步驟1520，並且根據上述點燃延遲時間Tdelay、當前引擎速度NE、在圖5的步驟525中所確定的燃料注入開始時刻CAinj和上述函數funcCAinj來獲得點燃前注入和點燃後注入的各個注入時刻的曲柄角度CAinj(1)和CAinj(2)。通過該處理，點燃前注入時點處的曲柄角度CAinj(1)被設置為與燃料注入開始時刻CAinj相對應的值，並且點燃後注入時點處的曲柄角度CAinj(2)被設置為與比燃料注入開始時刻CAinj滯後點燃延遲時間Tdelay的時點(也就是點燃前注入的時點)相對應的值。然後CPU 61進展到圖5的步驟550。
從以上講述可以知道，步驟1505和1520的處理意味著變量i＝1對應著點燃前注入(相對應地，基於點燃前注入的氣體混合物)，並且變量i＝2對應著點燃後注入(相對應地，基於點燃後注入的氣體混合物)。
進而，第二實施例的CPU 61執行如圖16所示的步驟1605至1615，以取代如圖7所示的例程的步驟765。也就是說，當CPU 61從步驟760進展到步驟1605時，判斷變量i的值是否為「1」。
這裡，假設變量i＝1(也就是說，正在執行與點燃前注入有關的計算)。在這種情況下，CPU 61在步驟1605中判斷為「Yes」，並且進展到步驟1610，以便根據當時的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、當時的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix、在圖7的步驟760中所得到的在發生化學反應之前的氣體混合物的溫度Tpre和用於對應於上述方程式(15)的基於點燃前注入的氣體混合物的函數funcqrpre來獲得在微小時間Δt(在注入後時間(t-Δt)和t之間)期間在氣體混合物中發生化學反應所消耗的燃料量qr。
同時，假設變量i＝2(也就是說，正在執行與點燃後注入有關的計算)。在這種情況下，CPU 61在步驟1605中判斷為「No」，並且進展到步驟1615，以便根據當時的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix、當時的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix、在圖7的步驟760中所得到的在發生化學反應之前的氣體混合物的溫度Tpre和用於對應於上述方程式(15)的基於點燃後注入的氣體混合物的函數funcqrpost來獲得在微小時間Δt(在注入後時間(t-Δt)和t之間)期間在氣體混合物中發生化學反應所消耗的燃料量qr。隨後，CPU61進展到圖7的步驟770. 進而，第二實施例的CPU 61執行如圖17所示的步驟1705，以取代如圖9所示的例程的步驟920。也就是說，當CPU 61從步驟915進展到步驟1705時，確定變量i的值是否為「2」。當變量i的值不為「2」時(也就是i＝1)，CPU 61返回到圖6的步驟605。當變量i的值為「2」時，CPU 61進展到步驟925和之後的步驟。
通過該處理，在當在步驟1705中做出判斷「Yes」時的時點處，完成排放物生成量的估計，並且總的菸灰生成量Soot被獲得為，通過用基於點燃前注入的氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(1)和在基於點燃後注入的氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(2)加上初始值Soot0所得到的值。類似地，總的NO生成量NO被獲得為，通過用基於點燃前注入的氣體混合物中所生成的NO量NO(1)和在基於點燃後注入的氣體混合物中所生成的NO量NO(2)加上初始值NO0所得到的值。
如上所述，根據本發明的氣體混合物估計設備和排放物生成量估計設備的第二實施例，注入時間段TAU被分成兩個子時間段，也就是「前Tdelay時間段」和「後(TAU-Tdelay)時間段」，並且假設對應於「前Tdelay時間段」的點燃前注入(質量Q(1))是在燃料注入開始時刻CAinj處一次性執行的；並且對應於「後(TAU-Tdelay)時間段」的點燃後注入(質量Q(2))是在當點燃前注入已經過去了點燃延遲時間Tdelay時一次性執行的。
單獨處理「兩個氣體混合物」，也就是基於點燃前注入的第一氣體混合物和基於點燃後注入的第二氣體混合物；並且對於每一個氣體混合物，單獨估計對應於注入後時間t的氣體混合物的過量空氣比率λ、氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)和在氣體混合物中所生成的排放物(菸灰和NO)的量。隨後，通過對每一個氣體混合物所估計的排放物生成量進行求和，從而對排放物的總生成量進行估計。
另外，當得到了基於點燃前注入的氣體混合物(第一氣體混合物)的狀態時，使用了利用基於點燃前注入的氣體混合物的函數funcqrpre所得到的燃料消耗量qr；並且當得到了基於點燃後注入的氣體混合物(第二氣體混合物)的狀態時，使用了利用基於點燃後注入的氣體混合物的函數funcqrpost所得到的燃料消耗量qr。
通過上述結構，可以在不僅在考慮到上述氣體混合物的不均勻性和排放物生成量的不均勻性，而且在考慮到上述「在基於點燃前注入的氣體混合物和基於點燃後注入的氣體混合物之間燃料消耗量qr的差別」的情況下，準確地估計總的排放物生成量。
本發明並不限於上述第二實施例，在本發明的範圍之內可以進行各種修改。例如，第二實施例被構造成將注入燃料分成「兩個部分」，也就是在點燃氣體混合物之前所注入的部分和在點燃氣體混合物之後所注入的部分。不過，第二實施例進一步被構造成將在點燃氣體混合物之前所注入的部分分成多個(例如M個)部分，並且將在點燃氣體混合物之後所注入的部分分成多個(例如N個)部分，從而將注入燃料分成總共(M+N)個部分。
在這種情況下，當得到基於M個部分的M個氣體混合物的狀態時，使用了利用基於點燃前注入的氣體混合物的函數funcqrpre所得到的燃料消耗量qr；並且當得到基於N個部分的N個氣體混合物的狀態時，使用了利用基於點燃後注入的氣體混合物的函數funcqrpost所得到的燃料消耗量qr。
通過上述結構，可以在考慮到上述「在基於點燃前注入的氣體混合物和基於點燃後注入的氣體混合物之間燃料消耗量qr的差別」的情況下，更為清晰地考慮到上述氣體混合物的不均勻性和排放物生成量的不均勻性，從而可以更為準確地估計總的排放物生成量。
(第三實施例) 接下來講述包括有用於根據本發明第三實施例的內燃機的氣體混合物狀態估計設備的排放物生成量估計設備。該第三實施例與第一和第二實施例的不同之處在於燃料注入時間段TAU被分成了每一個都對應於微小時間Δt(例如0.1msec)的許多(n個)時間段，且注入燃料被分成了在相應時間段中所注入的多個(n個)部分；並且在不使用上述方程式(2)和(3)的情況下，基於第二或稍後注入的燃料部分而形成的氣體混合物的過量空氣比率是根據基於第一注入燃料部分而形成的氣體混合物的過量空氣比率而確定的。下面主要來講述這些差別。注意，下面將基於第i(i為不大於n的自然數)次注入的燃料部分而形成的氣體混合物稱為「第i次氣體混合物」。
在第一和第二實施例中，通過使用(兩個或三個)氣體混合物的每一個並且針對每一個微小時間Δt(例如0.1msec)的上述方程式(2)和(3)來計算過量空氣比率λ(見圖7的步驟730和735)。這是由於必須得到針對每一個氣體混合物和每一個微小時間Δt的被新吸入氣體混合物的缸內氣體的量g(見圖7的步驟740)。
這裡，方程式(3)的右側包括隨時間變化的有關變量ρg和t的功率計算。功率計算包括很大的計算量。因此，通過使用上述方程式(2)和(3)而執行的過量空氣比率λ的計算涉及了很大的計算符合，因此需要儘可能地減少這種計算次數。
不過，如果與在第一和第二實施例中一樣，在其中注入燃料被分成許多(n個)部分的第三實施例中，也通過利用用於每一個氣混合物和每一個微小時間Δt的上述方程式(2)和(3)來計算過量空氣比率λ，則這種計算的次數非常大，並且計算負荷也非常大。
考慮到上述情況，在第三實施例中，針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的基於第二或稍後注入的燃料部分而形成的氣體混合物的過量空氣比率被假設等於針對從注入後時間t為零的時點開始的每一個微小時間Δt的第一氣體混合物的過量空氣比率。在這種假設下，在不使用上述方程式(2)和(3)的情況下，對基於第二或稍後注入的燃料部分而形成的每一個氣體混合物，可以計算在每一個微小時間Δt內被新吸入氣體混合物的缸內氣體量g。結果，通過使用上述方程式(2)和(3)來計算基於第二或稍後注入的燃料部分而形成的每一個氣體混合物的過量空氣比率λ就是多餘的。下面參照圖18來講述這一點。
圖18示意性地示出了隨著時間的流逝基於注入燃料的n個部分(q(1)，q(2)，...，q(n-1)，q(n))而形成的n個氣體混合物的變化(在從注入開始到注入結束的時間段中的變化)。
如圖18所示，在第三實施例中，假設用於與第一注入有關的注入時間段「第一個微小時間Δt」的質量為q(1)的燃料是在燃料注入開始時刻CAinj一次性注入的；用於與第二注入有關的注入時間段「第二個微小時間Δt」的質量為q(2)的燃料是當在燃料注入開始時刻CAinj之後已經過去了Δt時一次性注入的；...；並且用於與第n個注入有關的注入時間段「第n個微小時間Δt」的質量為q(n)的燃料是當在燃料注入開始時刻CAinj之後過去了(n-1)·Δt時一次性注入的。注意，在指令燃料注入量Qfin與q(i)(i為不大於n的自然數)之間，如以下方程式(28)所示的關係成立；不過，由於在燃料注入時間段TAU期間注入壓力的變化和其他原因，q(i)(i為不大於n的自然數)的值並不彼此相等。
而且，如圖18所示，在注入後時間t(與第i個氣體混合物有關)＝(k-1)·Δt的時點與注入後時間t＝k·Δt的時點之間的時間段期間中，被新吸入第i個氣體混合物的缸內氣體量用「g(i，k)」來表示(i為不大於n的自然數，k為自然數；這些也適用於以下方程式)。
首先，只考慮第一注入(相應地，第一氣體混合物)。與第一和第二實施例中的一樣，通過使用上述方程式(2)和(3)，可以連續獲得與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點處的第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k)(第一部分混合指數值)。
因此，根據對應於上述方程式(11)的以下方程式(29)，可以得到被新吸入第一氣體混合物的缸內氣體的量g(1，k)(對應於圖18中的陰影部分)。注意，假設λ(0)＝0。也就是說，與第一和第二實施例中的一樣，通過使用上述方程式(2)和(3)來得到被新吸入第一氣體混合物的缸內氣體的量g(1，k)。
g(1，k)＝stoich·(λ(k)-λ(k-1))·q(1)(29) 這裡，從圖18和方程式(29)中可以理解，直到與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點為止，被吸入第一氣體混合物的缸內氣體的總量sumg(k)用以下方程式(30)來表示。
例如，直到與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於2·Δt的時點為止，被吸入第一氣體混合物的缸內氣體的總量sumg(2)為g(1，1)+g(1，2)，並且直到與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於3·Δt的時點為止，被吸入第一氣體混合物的缸內氣體的總量sumg(3)為g(1，1)+g(1，2)+g(1，3)。因此，在與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點處，過量空氣比率λ(k)可以用以下方程式(31)來表示。
由於以下方程式(32)可以從方程式(31)中推出，因此可以通過使用作為已知數的「g(1，k)」和「q(1)」得到值「λ(k)-λ(k-1)」。
這裡，在上述假設下，在與第i個氣體混合物有關的注入後時間t為k·Δt的時點處的第i個(i為不小於2並且不大於n的自然數)氣體混合物的過量空氣比率等於「在與第一氣體混合物有關的注入後時間t為k·Δt的時點處的第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k)」。因此，當使用上述假設時，在注入後時間t(與第i個氣體混合物有關)＝(k-1)·Δt的時點與注入後時間t＝(k-1)·Δt的時點之間的時間段期間，被新吸入第i個氣體混合物(i≥2)的缸內氣體量g(i，k)可以用以下方程式(33)來表示，這與上述用於表示「被新吸入第一氣體混合物的缸內氣體量g(1，k)」的方程式(29)是類似的。
g(i，k)＝stoich·(λ(k)-λ(k-1))·q(i)(33) 以下方程式(34)可以通過在方程式(33)中代換方程式(32)來得到。在不使用包含了大量計算負荷的上述方程式(2)和(3)的情況下，根據以下方程式(34)，通過使用作為已知數的「g(1，k)」、「q(i)」和「q(1)」可以很容易地獲得被新吸入第i個氣體混合物(i≥2)的缸內氣體量g(i，k)。也就是說，為了獲得被新吸入第i個氣體混合物(i≥2)的缸內氣體量g(i，k)，不需要通過使用上述方程式(2)和(3)來計算第i個氣體混合物(i≥2)的過量空氣比率λ。
如上所述，在第三實施例中，由於假設在從注入後時間t＝零的時點之後的每一個微小時間Δt內第i個氣體混合物(i≥2)的過量空氣比率都等於在從注入後時間t＝零的時點開始的每一個微小時間Δt內第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k)，因此只有第一氣體混合物需要通過使用上述方程式(2)和(3)來計算過量空氣比率λ。因此，可以減少需要使用上述方程式(2)和(3)並且包含大量計算負荷的過量空氣比率λ的計算次數，從而可以減少CPU 61的計算負荷。
注意，與第一和第二實施例中的一樣，在第三實施例中，在考慮到氣體混合物在對應於注入後時間t的缸內氣體的狀態(溫度Tg和壓力Pg等)的情況下，單獨估計氣體混合物狀態和排放物生成量。不過，氣體混合物在注入時處的有效注入壓力ΔP和缸內氣體密度ρg0(相應地為噴射角θ)之間的差別，也就是氣體混合物在對應於注入後時間t的過量空氣比率λ上的差別沒有納入考慮範圍之內。因此，與第一和第二實施例相比，較少地考慮了上述氣體混合物的不均勻性和排放物生成量的不均勻性。
(第三實施例的實際操作) 接下來講述包括有根據第三實施例的氣體混合物狀態估計設備的排放物生成量估計設備的實際操作。在由第一實施例的CPU 61所執行的如圖5至9所示的和如圖13所示的系列例程中，本設備按照相同的方式執行圖13的例程，並且執行圖19至23中的流程圖所示的例程，以取代與其相對應的如圖5至9所示的系列例程。另外，本設備的CPU61進一步執行如圖24至27中的流程圖所示的系列例程。
注意，與如圖5至9所示的例程相同的如圖19至27所示的例程的步驟用相同的標號表示，以對應於如圖5至9所示的例程的步驟。這裡省略了重複性的講述。現在來講述第三實施例所特有的如圖19至27所示的例程。
第三實施例的CPU 61以預定間隔重複執行與如圖5至9所示的系列例程相對應的如圖19至27所示的系列例程。因此，當已經到達預定時刻時，CPU 61開始從圖19的步驟1900起的處理，並且進展到步驟505。當CPU 61在步驟505中判斷為「Yes」時(也就是到了IVC)，CPU 61連續執行步驟510至530的處理，然後進展到步驟1905，以便通過將步驟520中所得到的燃料注入時間段TAU除以微小時間Δt(例如0.1msec)來得到除數n。
隨後，CPU 61進展到步驟1910，並且以類似於圖5的步驟540中的方式，從所得到的燃料注入時間段TAU、微小時間Δt、所得到的基準燃料注入壓力Pcrbase和上述函數funcQ來獲得用於第一至第n個注入的各個燃料量(質量)q(1)、q(2)，...，q(n)。如上所述，各個燃料量(質量)q(1)、q(2)，...，q(n)的設置使得關係「Qfin＝q(1)+q(2)+...+q(n)」成立，不過，各個燃料量彼此不同。該步驟1910對應於燃料注入劃分裝置。
隨後，CPU 61進展到步驟1915，並且以類似於圖5的步驟545中的方式，根據微小時間Δt、當前引擎速度NE、在步驟525中所確定的燃料注入開始時刻CAinj和上述函數funcCAinj來獲得用於第一至第n個注入的各個注入時點處的曲柄角度CAinj(1)、CAinj(2)，...，CAinj(n)。
通過上述處理，將第一注入時點處的曲柄角度CAinj(1)設置為與燃料注入開始時刻CAinj相對應的值；將第二注入時點處的曲柄角度CAinj(2)設置為與比燃料注入開始時刻CAinj滯後Δt的時點相對應的值；...；並且將第n個注入時點處的曲柄角度CAinj(n)設置為與比燃料注入開始時刻CAinj滯後(n-1)·Δt的時點相對應的值。
接下來，CPU 61連續執行步驟550至570的處理，然後進展到圖20的例程，以便執行用於確定只與第一注入有關的各種初始值的處理。確切地說，CPU 61進展到步驟2005，並且以類似於圖6的步驟610中的方式，通過用步驟515中所得到的缸內氣體的總質量Mg除以根據在上述步驟1915中得到的第一注入時點處的曲柄角度CAinj(1)而得到的第一注入時點處的缸內體積Vg(CAinj(1))來獲得第一注入時點處的缸內氣體密度ρg0。
隨後，CPU 61進展到步驟2010，並且以類似於圖6的步驟615中的方式，根據在步驟510中所得到的IVC處的缸內氣體壓力Pgivc、IVC處的上述缸內體積Vg(CAivc)、第一注入時點處的缸內體積Vg(CAinj(1))和與上述方程式(4)相對應的方程式，來獲得第一注入時點處的缸內氣體壓力Pg0。
接下來，CPU 61進展到步驟2015，並且通過用在步驟530中所得到的基準燃料注入壓力Pcrbase減去上述第一注入時點處的缸內氣體壓力Pg0來獲得第一注入時點處的有效注入壓力ΔP。在隨後的步驟625中，CPU 61根據所得到的有效注入壓力ΔP、缸內氣體密度ρg0和上述表格Mapθ來獲得與第一注入有關的噴射角θ。通過這樣，根據第一注入時點處的有效注入壓力ΔP和缸內氣體密度ρg0來確定噴射角θ(也就是曲柄角度CAinj(1))。
隨後，CPU 61進展到步驟2020，並且如上所述，為了方便計算，將在與第一混合物有關的注入後時間t＝0時的時點處的第一氣體混合物的過量空氣比率λ(0)(在稍後講述的圖21的步驟2110中使用了該值)設置為「0」。
接下來，CPU 61連續執行步驟635和640的處理，然後進展到步驟2025。在步驟2025中，以類似於圖6的步驟645中的方式，根據與上述方程式(17)相對應的方程式，將與第一氣體混合物有關的氣體混合物熱函Hmix設置為初始值(也就是在上述步驟1910中所得到的第一注入量q(1)、燃料的常壓比熱Cf和在步驟550中所得到的燃料蒸氣溫度Tf的乘積)。
然後，CPU 61執行步驟650的處理，然後進展到步驟2030，以便將與第一氣體混合物有關的氣體混合物質量Mmix設置為第一注入量q(1)(初始值)。隨後，CPU 61執行步驟660的處理，然後進展到步驟2035，以便以類似於圖6的步驟665中的方式，將與第一氣體混合物有關的注入後時間t設置為初始值「0」。進而，將與第一注入有關的曲柄角度CA設置為第一注入時點處的曲柄角度CAinj(1)(初始值)。通過這些設置，與第一氣體混合物有關的注入後時間t是從第一注入時點算起的。另外，在該步驟2035中，CPU 61將變量k的值設置為「0」。該變量k的值表示注入後時間t為「k·Δt」。
接下來，CPU 61執行步驟670的處理，進展到圖21的例程，並且啟動用於計算與第一注入有關的氣體混合物溫度的處理。確切地說，CPU 61首先進展到步驟2105，並且以類似於圖7的步驟705中的方式，將與第一氣體混合物有關的注入後時間t前進Δt，並且將與第一注入有關的曲柄角度CA前進在圖19的步驟565中所得到的ΔCA。
另外，在步驟2105中，CPU 61將變量k的值增加1。通過該處理，與第一注入有關的曲柄角度CA的值以及變量k的值被保持為與第一氣體混合物相關的注入後時間t相對應的值。
接下來，CPU 61連續執行步驟710至730的處理，然後進展到步驟2110。在步驟2110中，與在圖7的步驟735中的一樣，CPU 61根據上述方程式(2)和(3)，通過用值「dλ/dt·Δt」(通過用步驟730中所得到的燃料稀釋比率dλ/dt乘以微小時間Δt所得到的)加上與第一氣體混合物有關的注入後時間t＝(k-1)·Δt的時點處的第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k-1)(當k＝1時，λ(k-1)＝λ(0)＝0)，從而獲得了與第一氣體混合物有關的注入後時間t＝k·Δt的時點處的第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k)(第一部分混合指數值)。該步驟2110對應於混合指數值獲得裝置。
隨後，CPU 61進展到2115，並且根據在步驟2110中已經得到的λ(k)和λ(k-1)、在圖19的步驟1910中所得到的q(1)和上述方程式(29)，獲得了在與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於(k-1)·Δt的時點與注入後時間t等於k·Δt的時點之間的時間段期間被新吸入第一氣體混合物中的缸內氣體量g(1，k)。
接下來，CPU 61進展到步驟2120，並且以類似於圖7的步驟745中的方式，將形成缸內氣體的氣體混合物質量G更新為通過用所得到的被新吸入到第一氣體混合物中的缸內氣體質量g(1，k)加上當時的形成缸內氣體的氣體混合物質量G所得到的值(通過圖20的步驟635，初始值被設置為「0」)。通過這樣，得到了在當注入後時間t＝k·Δt的時點處的與第一氣體混合物有關的形成缸內氣體的氣體混合物質量G。
然後CPU 61進展到步驟2125，並且以類似於圖7的步驟750中的方式，將氣體混合物質量Mmix更新為通過用上述被新吸入到第一氣體混合物中的缸內氣體質量g(1，k)加上當時的氣體混合物質量Mmix所得到的值(通過圖20的步驟2030，初始值被設置為「q(1)」)。通過這樣，得到了在當注入後時間t＝k·Δt的時點處的與第一氣體混合物有關的氣體混合物質量Mmix。
隨後，CPU 61進展到步驟2130，並且以類似於圖7的步驟755中的方式，將在發生化學反應之前的氣體混合物熱函Hpre設置為通過用「被新吸入到第一氣體混合物中的缸內氣體熱函ΔHg＝g(1，k)·Cg·Tg」加上當時的氣體混合物熱函Hmix所得到的值(通過圖20的步驟2025的處理，初始值被設置為「q(1)·Cf·Tf」)。
接下來，CPU 61連續執行步驟760至780。結果，在步驟780中，得到了在當注入後時間t為k·Δt(相應地為曲柄角度CA＝CAinj(1)+k·ΔCA)的時點處的第一氣體混合物溫度Tmix。
然後，CPU 61進展到圖22的例程，並且啟動用於計算與第一注入有關的各種濃度的處理。圖22的例程與圖8的例程的不同之處僅在於用步驟2205取代了圖8的例程的步驟815。在步驟2205中，CPU 61根據在圖19的步驟1910中所得到的第一注入量q(1)、在步驟810中所得到的燃料消耗量累積值sumqr、在圖21的步驟2125中所得到的氣體混合物質量Mmix和對應於上述方程式(19)的方程式來獲得在當注入後時間t＝k·Δt的時點處的第一氣體混合物之內的燃料濃度[Fuel]mix。
接下來，CPU 61進展到圖23的例程，並且每次CPU 61在步驟905中判斷為「No」時，重複執行圖21的步驟2105至圖23的步驟905的處理。結果，每次在步驟905中判斷為「No」時，變量k的值增加「1」，與第一氣體混合物有關的注入後時間t增加Δt，並且在圖21的步驟2105中與第一注入有關的曲柄角度CA增加ΔCA。
也就是說，只要在步驟905中判斷為「No」，則在從注入後時間開始的每一個微小時間Δt(也就是從CAinj(1)起的每一個微小曲柄角度ΔCA)內獲得了第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k)、被新吸入第一氣體混合物中的缸內氣體的質量g(1，k)、第一氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)和(只要標誌ENDsoot和ENDno的值為零)排放物濃度([Soot]mix和[NO]mix)。
當滿足了步驟905的上述條件時，CPU 61在圖23的步驟905中判斷為「Yes」，並且進展到步驟2305和隨後的步驟，以便執行用於結束與第一氣體混合物有關的計算的處理。
也就是說，在步驟2305中，以類似於圖9的步驟910中的方式，CPU 61獲得在第一氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(1)和在第一氣體混合物中所生成的NO量NO(1)。然後CPU 61進展到步驟2310，以便以類似於圖9的步驟915中的方式，將總的菸灰生成量Soot更新為通過用所得到的在第一氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(1)加上當時總的菸灰生成量Soot(在當前時點處，由於圖19的步驟570的處理，初始值為Soot0)所得到的值(Soot0+Soot(1))，並且將總的NO生成量NO更新為通過所得到的在第一氣體混合物中所生成的NO量NO(1)加上當時總的NO生成量NO(在當前時點處，由於圖19的步驟570的處理，初始值為NO0)所得到的值(NO0+NO(1))。通過上述處理，完成了用於第一注入(相應地為第一氣體混合物)的計算。
接下來，CPU 61進展到步驟2315，並且將變量i設置為「1」。與第一和第二實施例中的一樣，變量i為用於識別每一個注入的位置(順序)(相應地為每一個氣體混合物的位置)的值。
隨後，CPU 61進展到步驟2320，並且將變量i的值增加1。然後CPU 61經由步驟2325進展到如後所述的如圖24至27所示的系列例程，用於「計算與第i(2≤i≤n)次注入有關的排放量的計算」。因此，CPU 61獲得了菸灰生成量作為與第i(2≤i≤n)次注入有關的排放物生成量的Soot(i)和NO生成量NO(i)。這裡，值n為除數，也就是在圖19的步驟1905中所得到的注入燃料所被分成的部分的個數。
接下來，CPU 61進展到步驟2330，並且將總的菸灰生成量Soot更新為通過所得到的與第i個氣體混合物有關的菸灰生成量Soot(i)加上當時總的菸灰生成量所得到的值(當i＝2時為Soot0+Soot(1))，並且將總的NO生成量NO更新為通過所得到的與第i個氣體混合物有關的NO生成量NO(i)加上當時總的NO生成量NO所得到的值(當i＝2時為NO0+NO(1))。結果，總的菸灰生成量Soot等於Soot0+Soot(1)+...+Soot(i)，並且總的NO生成量NO等於NO0+NO(1)+...+NO(i)。
然後CPU 61進展到步驟2335，以便確定變量i的值是否等於上述除數n。當CPU 61判斷為「No」時，返回到步驟2320。也就是說，重複執行步驟2320至2330的處理，直到作為重複執行步驟2320的結果，變量i的值到達上述除數n。結果，每次變量i的值增加「1」，並且在步驟2330中更新總的菸灰生成量Soot和總的NO生成量NO。
當變量i的值已經到達除數n時，CPU 61在步驟2335中判斷為「Yes」，然後進展到925。此時，結束排放物生成量的估計，從而將總的菸灰生成量Soot確定為「Soot0+Soot(1)+...+Soot(n)」，並且將總的NO生成量NO確定為「NO0+NO(1)+...+NO(n)」。CPU 61完成緊接著IVC之後(也就是在燃料注入開始時刻CAinj之前的時點處)的氣體混合物狀態和排放物生成量的上述估計。
接下來講述如圖24至27所示的系列例程，用於計算與第i(2≤i≤n)次注入有關的排放量。系列例程用於獲得第i(2≤i≤n)個氣體混合物的菸灰生成量Soot(i)和NO生成量NO(i)，並且圖24至27的例程對應於圖6至9的例程。
在執行圖23的步驟2320之後，CPU 61經由步驟2325進展到圖24的例程，以便確定與第i(2≤i≤n)個氣體混合物有關的各種初始值。確切地說，首先，CPU 61連續執行步驟635和640的處理，然後進展到步驟2405。在步驟2405中，以類似於圖20的步驟2025中的方式，將與第i個氣體混合物有關的氣體混合物熱函Hmix設置為初始值(也就是在上述步驟1910中所得到的第一注入量q(i)、燃料的常壓比熱Cf和在步驟2025中所得到的燃料蒸氣溫度Tf的乘積)。
然後，CPU 61執行步驟650的處理，並且進展到步驟2410，以便將與第i個氣體混合物有關的氣體混合物質量Mmix設置為上述第i個注入量q(i)(初始值)。隨後，CPU 61執行步驟660的處理，然後進展到步驟2415，以便以類似於圖20的步驟2035中的方式，將與第i個氣體混合物有關的曲柄角度CA設置為在第i個注入時點處的曲柄角度CAinj(i)(初始值)。除此之外，CPU 61將變量k的值設置為「0」。該變量k的值表示在第i個注入之後所過去的時間為「k·Δt」(相應地為與第i個注入有關的曲柄角度CA為「CAinj(1)+k·ΔCA」)。
接下來，CPU 61執行步驟670的處理，進展到圖25的例程，並且啟動用於計算與第i(2≤i≤n)個注入有關的氣體混合物溫度的處理。確切地說，CPU 61首先進展到步驟2505，並且以類似於圖21的步驟2105中的方式，將與第i個注入有關的曲柄角度CA前進在圖19的步驟565中所得到的ΔCA。另外，在該步驟2505中，CPU 61將變量k的值增加「1」。通過該處理，與第i個注入有關的曲柄角度CA的值和變量k的值都保持為相互對應。
接下來，CPU 61連續執行步驟715至725的處理，然後進展到步驟2510。在步驟2510中，CPU 61在不使用上述方程式(2)和(3)的情況下，根據在圖21的步驟2115中所得到的「被新吸入第一氣體混合物中的缸內氣體量g(1，k)」、在圖19的步驟1910中所得到的q(i)和上述方程式(34)，獲得在與第i個氣體混合物有關的注入後時間t＝(k-1)·Δt的時點與注入後時間t＝k·Δt的時點之間的時間段期間被新吸入第i(2≤i≤n)個氣體混合物中的缸內氣體量g(i，k)。
然後CPU 61進展到步驟2515，並且以類似於圖21的步驟2120中的方式，將形成缸內氣體的氣體混合物質量G更新為通過用所得到的被新吸入到第i個氣體混合物中的缸內氣體質量g(i，k)加上當時的形成缸內氣體的氣體混合物質量G所得到的值(通過圖24的步驟635，初始值被設置為「0」)。通過這樣，得到了在當注入後時間t＝k·Δt的時點處的與第i個氣體混合物有關的形成缸內氣體的氣體混合物質量G。
然後CPU 61進展到步驟2520，並且以類似於圖21的步驟2125中的方式，將氣體混合物質量Mmix更新為通過用上述被新吸入到第i個氣體混合物中的缸內氣體質量g(i，k)加上當時的氣體混合物質量Mmix所得到的值(通過圖24的步驟2410，初始值被設置為「q(i)」)。通過這樣，得到了在當注入後時間t＝k·Δt的時點處的與第i個氣體混合物有關的氣體混合物質量Mmix。
隨後，CPU 61進展到步驟2525，並且以類似於圖21的步驟2130中的方式，將在發生化學反應之前的氣體混合物熱函Hpre設置為通過用將「被新吸入到第i個氣體混合物中的缸內氣體熱函ΔHg＝g(i，k)·Cg·Tg」加上當時的氣體混合物熱函Hmix所得到的值(通過圖24的步驟2405的處理，初始值被設置為「q(i)·Cf·Tf」)。
接下來，CPU 61連續執行步驟760至780的處理。結果，在步驟780中，得到了在當注入後時間t為k·Δt(相應地為曲柄角度CA＝CAinj(i)+k·ΔCA)的時點處的第i(2≤i≤n)個氣體混合物的溫度Tmix。
然後，CPU 61進展到圖26的例程，並且啟動用於計算與第i個注入有關的各種濃度的處理。圖26的例程與圖8的例程的不同之處僅在於用步驟2605取代了圖8的例程的步驟815。在步驟2605中，CPU 61根據在圖19的步驟1910中所得到的第i個注入量q(i)、在步驟810中所得到的燃料消耗量累積值sumqr、在圖25的步驟2520中所得到的氣體混合物質量Mmix和對應於上述方程式(19)的方程式來獲得在當注入後時間t＝k·Δt的時點處的第i個氣體混合物之內的燃料濃度[Fuel]mix。
然後CPU 61進展到圖27的例程，並且每次CPU 61在步驟905中判斷為「No」時，重複執行圖25的步驟2505至圖27的步驟905的處理。結果，每次在步驟905中判斷為「No」時，變量k的值增加「1」，並且在圖25的步驟2505中與第i個注入有關的曲柄角度CA增加ΔCA。
也就是說，只要在步驟905中判斷為「No」，則在從第i個注入時點開始的每一個微小時間Δt(也就是對於從CAinj(1)起的每一個微小曲柄角度ΔCA)內獲得被新吸入到第i個氣體混合物中的缸內氣體的質量g(i，k)、第i個氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)和(只要標誌ENDsoot和ENDno的值為零)排放物濃度([Soot]mix和[NO]mix)。
當滿足了步驟905的上述條件時，CPU 61在圖27的步驟905中判斷為「Yes」，並且進展到步驟910。在步驟910中，CPU 61獲得在第i個氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(i)和在第i個氣體混合物中所生成的NO量NO(i)。通過用圖26的步驟855的處理所更新的當前第i個氣體混合物中的菸灰濃度[Soot]mix乘以由圖25的步驟2520所更新的當前氣體混合物質量Mmix，可以得到在第i個氣體混合物中所生成的菸灰量Soot(i)。進而，通過用圖26的步驟880的處理所更新的當前第i個氣體混合物中的NO濃度[NO]mix乘以上述氣體混合物質量Mmix，可以得到在第i個氣體混合物中所生成的NO量NO(i)。
然後CPU 61經由步驟2495進展到上述圖23的步驟2330(也就是在結束執行如圖24至27所示的系列例程之後)。以這種方式，每次重複執行圖23的步驟2320至2330的處理時，將I(2≤i≤n)值增加「1」，並且在圖27的步驟910中連續獲得與第i個氣體混合物有關的菸灰生成量Soot(i)和與第i個氣體混合物有關的NO生成量NO(i)。以上講述了圖24至27所示的系列例程。
如上所述，當變量i的值已經到達除數n時，CPU 61在圖23的步驟2335中判斷為「Yes」。在這種情況下，CPU 61執行步驟925至960，以便根據在圖23的步驟2330中所得到的總的菸灰生成量Soot和總的NO生成量NO(對應地為總的排放物生成量的估計結果)來校正注入壓力。然後，CPU 61進展到步驟1995，以便結束圖19至23的系列例程的當前執行。在此時點之後，每次CPU 61進展到圖19的步驟505時，都判斷為「No」，直到下一個IVC到來為止。
如上所述，根據本發明的氣體混合物狀態估計設備和排放物生成量估計設備，注入時間段TAU被分成較大數量的n個(＝TAU/Δt)時間段；並且假設用於與第i個(1≤i≤n)注入相對應的注入時間段「第i個微小時間Δt」的質量為q(i)的燃料是在當在燃料注入開始時刻Cainj之後已經過去了(i-1)·Δt時一次性執行的。與第一和第二實施例中一樣，通過使用上述方程式(2)和(3)得到了在與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點處的第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k)(第一部分混合指數值)，並且通過使用過量空氣比率λ(k)估計了第一氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)。
假設在與第i個氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點處的第i個(i為不小於2並且不大於n的自然數)氣體混合物的過量空氣比率等於上述「在與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點處的第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k)」。在這種假設下，在不使用上述方程式(2)和(3)的情況下估計了第i個(i≥2)氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)。
因此，只有第一氣體混合物需要利用上述方程式(2)和(3)來計算過量空氣比率λ。結果，可以減少利用了上述方程式(2)和(3)並且其中包含很大計算負荷的過量空氣比率λ的計算次數，從而可以減少CPU 61的計算負荷。
本發明並不限於上述第三實施例，並且在本發明的範圍之內可以進行各種修改。例如，在上述第三實施例中，假設在與第i個氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點處的第i個(i為不小於2並且不大於n的自然數)氣體混合物的過量空氣比率等於上述「在與第一氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點處的第一氣體混合物的過量空氣比率λ(k)」。不過，可以假設第i個氣體混合物的過量空氣比率等於通過用過量空氣比率λ(k)乘以預定係數所得到的值。
也就是說，當在與第i個氣體混合物有關的注入後時間t等於k·Δt的時點處的第i個(i≥2)氣體混合物的過量空氣比率用λ(i，k)來表示(i為不小於2並且不大於n的自然數)，例如將λ(i，k)設置成等於h(i)·λ(k)，其中h(i)為根據變量i所確定的係數。
在這種情況下，根據對應於上述方程式(33)的方程式「g(i，k)＝stoich(λ(i，k)-λ(i，k-1))·q(i)」，而不根據在圖25的步驟2510中所講述的上述方程式(34)，可以獲得在與第i個氣體混合物有關的注入後時間t＝(k-1)·Δt的時點與其上注入後時間t＝k·Δt的時點之間的時間段期間被新吸入第i(2≤i≤n)個氣體混合物中的缸內氣體量g(i，k)。
(第四實施例) 接下來講述用於根據本發明第四實施例的內燃機的排放物生成量估計設備。該第四實施例與第一至第三實施例的不同之處在於假設在點燃氣體混合物之後在每一個內燃室中生成了所謂的穩定火苗，並且通過使用這種穩定火苗所特有的特性來估計氣體混合物的狀態(溫度Tmix等)和排放物生成量。下面主要來講述不同之處。
根據作為在上述非專利文獻1中所介紹的經驗公式的以下方程式(35)和(36)，在注入開始時刻之後從燃料注入閥21的注入開口所注入的燃料(相應地為氣體混合物)的傳輸距離(下面將其稱為「氣體混合物傳輸距離X)可以表示為注入後時間t的函數。在方程式(36)中，dX/dt表示氣體混合物移動速度，它是注入後時間t的函數。注意，如方程式(36)的右側所示的各個值與上述方程式(3)的右側所示的值相同。
這裡，當上述方程式(3)的兩側都除以方程式(36)的兩側時，dλ/dx可以使用ρg、tanθ和各種常數來表示。這裡，如果假設在注入之後ρg和tanθ為常數，則dλ/dx變成某個常數(正值)。進而，當氣體混合物傳輸距離X為零時(相應地為注入時點)，過量空氣比率λ為「0」。
因此，在這種情況下，在氣體混合物傳輸距離X和過量空氣比率λ之間存在如圖28所示的線性關係。也就是說，隨著氣體混合物傳輸距離X從「0」開始增大，過量空氣比率λ也從「0」開始增大，並且當X＝X0時，λ變成1。
同時，如果在某些情況下，如圖28所示，燃料的注入時間段TAU相對較長時，則在點燃氣體混合物之後在燃燒室內可以生成所謂的穩定火苗(或者非常類似於穩定火苗的火苗)。
當生成了穩定火苗時，在其中燃料過量的穩定火苗區域中(也就是其中過量空氣比率λ小於1的區域；下面將其稱為「充足區域」)，由於被吸入到氣體混合物中的缸內氣體中所包含的氧氣是充足的，因此氧氣已經被燃燒完全消耗了。也就是說，在穩定火苗的充足區域中(在圖28中對應於0≤X≤X0)，穩態中的氧氣濃度(下面將其稱為「穩態氧氣濃度[O2]mixsteady」)為零。注意，在穩定火苗的充足區域中，甚至在氧氣已經被燃燒完全消耗了之後，仍然還有燃料，因此穩態中的燃料濃度(下面將其稱為「穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady」)被認為是大於零的值。
同時，當生成了穩定火苗時，在其中氧氣過量的穩定火苗區域中(也就是其中過量空氣比率λ大於1的區域；下面將其稱為「不充足區域」)，由於燃料是不充足的，因此燃料已經被燃燒完全消耗了。也就是說，在穩定火苗的不充足區域中(在圖28中對應於X0≤X)，穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady為零。注意，在穩定火苗的不充足區域中，甚至在燃料已經被燃燒完全消耗了之後，仍然還有氧氣，因此穩態氧氣濃度[O2]mixsteady被認為是大於零的值。
如上所述，用於獲得氣體混合物內的菸灰生成速度d[Soot]mix/dt的上述方程式(23)包括用於獲得菸灰形成速度dmsf/dt的項，它包括了作為因子的氣體混合物燃料濃度[Fuel]mix，如圖以上方程式(24)所示；以及用於獲得菸灰氧化速度dmso/dt的項，它包括了作為因子的氣體混合物氧氣濃度[O2]mix，如圖以上方程式(25)所示。
因此，當根據上述方程式(23)來計算穩定火苗的充足區域中的菸灰生成速度d[Soot]mix/dt時，如上述方程式(25)所示的用於獲得菸灰氧化速dmso/dt的項的值總是保持為零。換句話說，在這種情況下可以省略用於獲得菸灰氧化速度dmso/dt的項的計算。
類似地，當根據上述方程式(23)來計算穩定火苗的不充足區域中的菸灰生成速度d[Soot]mix/dt時，如上述方程式(24)所示的用於獲得菸灰形成速dmsf/dt的項的值總是保持為零。換句話說，在這種情況下可以省略用於獲得菸灰形成速度dmsf/dt的一項的計算。
另外，上述方程式(24)和(25)的右側包括了隨時間變化的、與變量Pg和Tmix有關的功率計算。功率計算需要很大的計算負荷。因此，期望儘可能地減少方程式(24)和(25)的計算次數。
考慮到上述情況，在第四實施例中，其根據上述方程式(23)來估計在由穩定火苗佔據的區域中(也就是在氣體混合物中)的菸灰生成速度d[Soot]mix/dt，在穩定火苗的充足區域中(λ＜1)中，根據作為從上述方程式(23)中去除dmso/dt項所得到的方程式「d[Soot]mix/dt＝dmsf/dt」來獲得菸灰生成速度d[Soot]mix/dt。
類似地，在第四實施例中，在穩定火苗的不充足區域中(λ＞1；實際上λ≥1)中，根據作為從上述方程式(23)中去除dmsf/dt項所得到的方程式「d[Soot]mix/dt＝-dmso/dt」來獲得菸灰生成速度d[Soot]mix/dt。通過這些計算，可以減少方程式(24)和(25)的計算次數，並且作為結果，可以減少CPU 61的計算負荷。
接下來，連續講述用於獲得氣體混合物的溫度(確切地說，通過在穩態中燃燒的氣體混合物溫度的增加量；下面將其稱為「穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady」)、上述穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady、上述穩態氧氣濃度[O2]mixsteady的方法，這對於通過使用上述方程式(23)來獲得由穩定火苗所佔據的區域中(也就是在氣體混合物中)的菸灰生成速度d[Soot]mix/dt是必需的，另外還將講述用於獲得穩態中的氮氣濃度(下面將其稱為「穩態氮氣濃度[N2]mixsteady」)，這對於通過使用上述方程式(27)來獲得由穩定火苗所佔據的區域中(也就是在氣體混合物中)的NO生成速度d[NO]mix/dt是必需的。
在講述上述方法中所必需的過量空氣比率λ是根據使用了上述缸內氣體理論空氣-燃料比率stoich、燃料量(質量)Q和形成缸內氣體的氣體混合物質量G的以下方程式(37)來確定的。
穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady可以用以下方程式(38)來表示。在以下方程式(38)中，Qreac表示通過氣體混合物中的燃燒所消耗的燃料量(質量)，Cg表示缸內氣體的常壓比熱，並且Cf表示燃料的常壓比熱。Hf為用於將Qreac轉化成反應熱Hr(＝Hf·Qreac)的係數。該方程式(38)是基於如下假設，即，「作為氣體混合物中質量為Qreac的燃料的燃燒結果而生成的反應熱Hr被消耗，從而將包括有質量為Q的燃料和質量為G的缸內氣體的氣體混合物的溫度增加穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady」。
這裡，在穩定火苗的充足區域中(λ＜1)，通過氣體混合物中的燃燒所消耗的燃料量Qreac等於作為與在氣體混合物中的缸內氣體中所包含的所有氧氣發生反應的結果而消耗的燃料量，並且因此通過以下方程式(39)可以得到。
當將Q、G和Qreac從上述方程式(37)至(39)中消去，並且對所得到的方程式進行整理時，在穩定火苗的充足區域中(λ＜1)中的穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady可以被表示為作為過量空氣比率λ的函數的以下方程式(40)。
同時，在穩定火苗的不充足區域中(λ＞1；實際上λ≥1)中，氣體混合物之內的燃料通過燃燒被完全消耗了，並且因此通過氣體混合物中的燃燒所消耗的燃料量Qreac等於「Q」。當將Q、G和Qreac從上述方程式(37)和(38)中消去同時使用關係「Qreac＝Q」，並且對所得到的方程式進行整理時，在穩定火苗的不充足區域中(λ＞1；實際上λ≥1)中的穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady可以被表示為作為過量空氣比率λ的函數的以下方程式(41)。
圖29示出了由方程式(40)和(41)所表示的過量空氣比率λ和穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady之間的關係。注意，在考慮到如圖28所示的氣體混合物傳輸距離X和過量空氣比率λ之間的線性關係的情況下，圖29示出了氣體混合物傳輸距離X和穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady之間的關係。如圖29所示，穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady假設為當λ＝1時(也就是X＝X0；參見圖28)的最大值ΔTmix0＝Hf/(stoich·Cg+Cf)。
如上所述，在穩定火苗的不充足區域中，不論過量空氣比率λ(對應地為氣體混合物傳輸距離X)如何，穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady都保持為零。同時，在穩定火苗的充足區域中(λ＜1)，當考慮到上述方程式(39)時，在氣體混合物中剩餘的燃料量(質量)可以被表示為(Q-(G/stoich))。因此，作為「在氣體混合物中剩餘的燃料量(質量)」與氣體混合物的質量(Q+G)的比值的穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady可以用以下方程式(42)來表示。
因此，當將Q和G從上述方程式(37)和(42)中消去並且對所得到的方程式進行整理時，在穩定火苗的充足區域中(λ＜1)中的穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady可以被表示為作為過量空氣比率λ的函數的以下方程式(43)。
圖30示出了由方程式(43)所示的過量空氣比率λ和穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady之間的關係。注意，在考慮到氣體混合物傳輸距離X和過量空氣比率λ之間的線性關係的情況下，圖30示出了氣體混合物傳輸距離X和穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady之間的關係。
如上所述，在穩定火苗的充足區域中，不論過量空氣比率λ(對應地為氣體混合物傳輸距離X)如何，穩態氧氣濃度[O2]mixsteady都保持為零。同時，在穩定火苗的不充足區域中(λ＞1；實際上λ≥1)，當考慮到上述關係「Qreac＝Q」時，在氣體混合物中剩餘的氧氣量(質量)可以被表示為(G-(Q·stoich))·[O2]in。這裡，[O2]in表示吸入空氣的氧氣濃度(對應地為缸內氣體的氧氣濃度)。因此，作為「在氣體混合物中剩餘的氧氣量(質量)」與氣體混合物的質量(Q+G)的比值的穩態氧氣濃度[O2]mixsteady可以用以下方程式(44)來表示。
因此，當將Q和G從上述方程式(37)和(44)中消去並且對所得到的方程式進行整理時，在穩定火苗的不充足區域中(λ＞1)中的穩態氧氣濃度[O2]mixsteady可以被表示為作為過量空氣比率λ的函數的以下方程式(45)。
圖31示出了由方程式(45)所示的過量空氣比率λ和穩態氧氣濃度[O2]mixsteady之間的關係。注意，在考慮到氣體混合物傳輸距離X和過量空氣比率λ之間的線性關係的情況下，圖31示出了氣體混合物傳輸距離X和穩態氧氣濃度[O2]mixsteady之間的關係。
如上所述，由於缸內氣體中的氮氣為惰性氣體，因此在氣體混合物中的化學反應中沒有消耗氮氣。因此，在氣體混合物中剩餘的氮氣量(質量)可以被表示為G·[N2]in。這裡，[N2]in表示吸入空氣的氮氣濃度(對應地為缸內氣體的氮氣濃度)。因此，作為「在氣體混合物中剩餘的氮氣量(質量)」與氣體混合物的質量(Q+G)的比值的穩態氮氣濃度[N2]mixsteady可以用以下方程式(46)來表示。
因此，當將Q和G從上述方程式(37)和(46)中消去並且對所得到的方程式進行整理時，穩態氮氣濃度[N2]mixsteady可以用作為過量空氣比率λ的函數的以下方程式(47)來表示。
圖32示出了由方程式(47)所示的過量空氣比率λ和穩態氮氣濃度[N2]mixsteady之間的關係。注意，在考慮到氣體混合物傳輸距離X和過量空氣比率λ之間的線性關係的情況下，圖32示出了氣體混合物傳輸距離X和穩態氮氣濃度[N2]mixsteady之間的關係。
如上所述，在穩定火苗所佔據的區域中(也就是在氣體混合物中)，穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady、穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady、穩態氧氣濃度[O2]mixsteady和穩態氮氣濃度[N2]mixsteady的每一個都可以由過量空氣比率λ的函數表示。
同時，通過上述方程式(2)和(3)，過量空氣比率λ可以被表示成注入後時間t的函數funcλ(t)。圖33示出了注入後時間t和從函數funcλ(t)得到的過量空氣比率λ之間的關係。注意，假設當t＝t0時，λ＝1。
從以上講述可以知道，通過將如圖33所示和從函數funcλ(t)所得到的關係應用到如圖29至32所示的關係中，在穩定火苗所佔據的區域中(也就是在氣體混合物中)，穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady、穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady、穩態氧氣濃度[O2]mixsteady和穩態氮氣濃度[N2]mixsteady可以表示為作為注入後時間t的函數的funcΔTmixsteady(t)、func[Fuel]mixsteady(t)、func[O2]mixsteady(t)和func[N2]mixsteady(t)。
圖34至37分別示出了由funcΔTmixsteady(t)、func[Fuel]mixsteady(t)、func[O2]mixsteady(t)和func[N2]mixsteady(t)所表示的關係。在第四實施例中，在穩定火苗所佔據的區域中(也就是在氣體混合物中)，通過使用作為注入後時間t的函數的funcΔTmixsteady(t)、func[Fuel]mixsteady(t)、func[O2]mixsteady(t)和func[N2]mixsteady(t)來獲得菸灰生成速度d[Soot]mix/dt和NO生成速度d[NO]mix/dt。
(第四實施例的實際操作) 接下來，講述根據第四實施例的排放物生成量估計設備的實際操作。在由第一實施例的CPU 61所執行的如圖5至9所示的和如圖13所示的系列例程中，本設備的CPU 61按照相同的方式執行圖13的例程，並且執行如圖38至41中的流程圖所示的系列例程，以取代如圖5至9所示的系列例程。
注意，與如圖5至9所示的例程相同的如圖38至41所示的例程的步驟用圖5至9所示的例程的相應的步驟的相同標號來表示。這裡省略了重複性的講述。現在來講述第四實施例所特有的如圖38至41所示的例程。注意，圖38的例程對應於圖5的例程；圖39的例程對應於圖6的例程；圖40的例程對應於圖7和圖8的例程；並且圖41的例程對應於圖9的例程。
第四實施例的CPU 61以預定間隔重複執行與如圖5至9所示的系列例程相對應的如圖38至41所示的系列例程。因此，當已經到達預定時刻時，CPU 61從圖38的步驟3800開始處理，並且進展到步驟505。當CPU 61在步驟505中判斷為「Yes」時(也就是到了IVC)，CPU 61連續執行步驟510至530的處理，並且連續執行步驟550至560的處理。
接下來，CPU 61進展到圖39的例程，以便執行用於確定各種函數的處理。確切地說，CPU 61進展到步驟3905，並且得到穩定火苗時間平均缸內氣體密度ρgave，它是在其中生成了穩定火苗的時間段期間的缸內氣體密度ρg的平均值。由於穩定火苗時間平均缸內氣體密度ρgave是根據缸內氣體的總質量Mg來確定的，因此根據在圖38的步驟515中所得到的缸內氣體的總質量Mg和用於獲得ρgave的函數funcρgave並同時使用Mg作為自變量來得到穩定火苗時間平均缸內氣體密度ρgave。
隨後，CPU 61進展到步驟3910，並且得到穩定火苗時間平均缸內氣體壓力Pgave，它是在其中生成了穩定火苗的時間段期間的缸內氣體壓力Pg的平均值。由於穩定火苗時間平均缸內氣體壓力Pgave是根據IVC處的缸內氣體壓力Pgivc、IVC處的曲柄角度CAivc和指令燃料注入量Qfin來確定的，因此根據在圖38的步驟510中所得到的IVC處的缸內氣體壓力Pgivc和IVC處的曲柄角度CAivc、在圖38的步驟520中所得到的指令燃料注入量Qfin，以及用於獲得Pgave的函數funcPgave並同時使用了Pgivc、CAivc和Qfin作為自變量來得到穩定火苗時間平均缸內氣體壓力Pgave。
然後CPU 61進展到步驟3915，並且通過從在圖38的步驟530中所得到的基準燃料注入壓力Pcrbase減去穩定火苗時間平均缸內氣體壓力Pgave來獲得穩定火苗時間平均有效注入壓力ΔPave。在隨後的步驟3920中，CPU 61根據所得到穩定火苗時間平均有效注入壓力ΔPave、所得到的穩定火苗時間平均缸內氣體密度ρgave和上述表格Mapθ來得到穩定火苗時間平均噴射角θave。通過該處理，穩定火苗時間平均噴射角θave根據ΔPave和ρgave來確定。
隨後，CPU 61進展到步驟3925，並且通過使用上述方程式(2)和(3)，同時使用了穩定火苗時間平均有效注入壓力ΔPave、穩定火苗時間平均缸內氣體密度ρgave和穩定火苗時間平均噴射角θave作為上述方程式(3)的有效注入壓力ΔP、缸內氣體密度ρg和噴射角θ，來確定用於定義注入後時間t和過量空氣比率λ之間的關係的上述函數funcλ(t)(見圖33)。
接下來，CPU 61進展到步驟3930，並且確定函數funcΔTmixsteady(t)，用於根據所得到的函數funcλ(t)同時使用注入後時間t作為自變量，來獲得穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady；以及確定函數funcΔTmixsteady(λ)，用於獲得由其中過量空氣比率λ作為自變量的上述方程式(40)和(41)所表示的ΔTmixsteady。
隨後，CPU 61進展到步驟3935，並且確定函數func[Fuel]mixsteady(t)，用於根據所得到的函數funcλ(t)同時使用注入後時間t作為自變量，來獲得穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady；以及確定函數func[Fuel]mixsteady(λ)，用於獲得由其中過量空氣比率λ作為自變量的上述方程式(43)所表示的[Fuel]mixsteady。
然後，CPU 61進展到步驟3940，並且確定函數func[O2]mixsteady(t)，用於根據所得到的函數funcλ(t)同時使用注入後時間t作為自變量，來獲得穩態氧氣濃度[O2]mixsteady；以及確定函數func[O2]mixsteady(λ)，用於獲得由其中過量空氣比率λ作為自變量的上述方程式(45)所表示的[O2]mixsteady。
然後，CPU 61進展到步驟3945，並且確定函數func[N2]mixsteady(t)，用於根據所得到的函數funcλ(t)同時使用注入後時間t作為自變量，來獲得穩態氮氣濃度[N2]mixsteady；以及確定函數func[N2]mixsteady(λ)，用於獲得由其中過量空氣比率λ作為自變量的上述方程式(47)所表示的[N2]mixsteady。
隨後，CPU 61進展到步驟3950，以便與圖6的步驟660中的一樣，將氣體混合物NO濃度[NO]mix和氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix的每一個設置為初始值「0」。在隨後的步驟3955中，與圖6的步驟665中的一樣，將注入後時間t設置為初始值「0」。
接下來，CPU 61執行步驟670的處理，進展到圖40的例程，並且啟動用於計算在由穩定火苗所佔據的區域中(也就是氣體混合物中)的氣體混合物溫度和各種濃度等的處理。確切地說，CPU 61首先進展到步驟4002，並且將注入後時間t(由於圖39的步驟3955的處理，初始值為「0」)前進微小時間Δt(例如0.1msec)。在隨後的步驟4004中，CPU 61根據注入後時間t處的當前值和在圖39的步驟3925中所確定的函數funcλ(t)來獲得與注入後時間t相對應的過量空氣比率λ。
然後，CPU 61進展到步驟4006，並且根據注入後時間t處的當前值和在圖39的步驟3930中所確定的函數funcΔTmixsteady(t)來獲得與注入後時間t相對應的穩態氣體混合物溫度增加量ΔTmixsteady，並且通過用在圖38的步驟550中所得到的燃料蒸氣溫度Tf加上所得到的ΔTmixsteady來獲得與注入後時間t相對應的穩態氣體混合物溫度Tmixsteady。
隨後，CPU 61進展到步驟4008，並且根據注入後時間t處的當前值和在圖39的步驟3935中所確定的函數func[Fuel]mixsteady(t)來獲得與注入後時間t相對應的穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady。
接下來，CPU 61進展到步驟4010，並且根據注入後時間t處的當前值和在圖39的步驟3940中所確定的函數func[O2]mixsteady(t)來獲得與注入後時間t相對應的穩態氧氣濃度[O2]mixsteady。
接下來，CPU 61進展到步驟4012，並且根據注入後時間t處的當前值和在圖39的步驟3945中所確定的函數func[N2]mixsteady(t)來獲得與注入後時間t相對應的穩態氮氣濃度[N2]mixsteady。
接下來，CPU 61執行步驟835的判斷。這裡假設CPU 61判斷為「Yes」。在這種情況下，CPU 61進展到步驟4016，以便確定在步驟4004中所更新的與當前注入後時間t相對應的過量空氣比率λ是否小於「1」(也就是當前區域是否為充足區域)。
當CPU 61判斷為「Yes」時(也就是當前區域為充足區域)，CPU61進展到步驟4018，並且根據在步驟4008中所得到的與當前注入後時間t相對應的穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady、在圖39的步驟3910中所得到的穩定火苗時間平均缸內氣體壓力Pgave、在步驟4006中所得到的與當前注入後時間t相對應的穩態氣體混合物溫度Tmixsteady和上述方程式(24)來獲得菸灰形成速度dmsf/dt。隨後，CPU 61進展到步驟4020，並且根據在步驟4020的框中所述的方程式來獲得與當前注入後時間t相對應的菸灰生成速度d[soot]mix/dt，這可以通過從中省略「dmso/dt」項的上述方程式(23)和所得到的菸灰形成速度dmsf/dt來得到。也就是說，在這種情況下省略了上述方程式(25)的計算。
同時，當CPU 61在步驟4016中判斷為「No」時(也就是當前區域為不充足區域)，CPU 61進展到步驟4022，並且根據當時的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix、在步驟4010中所得到的與當前注入後時間t相對應的穩態氧氣濃度[O2]mixsteady、在圖39的步驟3910中所得到的穩定火苗時間平均缸內氣體壓力Pgave、在步驟4006中所得到的與當前注入後時間t相對應的穩態氣體混合物溫度Tmixsteady和上述方程式(25)來獲得菸灰氧化速度dmso/dt。隨後，CPU 61進展到步驟4024，並且根據在步驟4024的框中所述的方程式來獲得與當前注入後時間t相對應的菸灰生成速度d[soot]mix/dt，這可以通過從中省略「dmsf/dt」項的上述方程式(23)和所得到的菸灰氧化速度dmso/dt來得到。也就是說，在這種情況下省略了上述方程式(24)的計算。
一旦在步驟4020或4024中得到了與當前注入後時間t相對應的菸灰生成速度d[soot]mix/dt，則CPU 61執行步驟855的處理，然後進展到步驟4028，以便確定與當前注入後時間t相對應的過量空氣比率λ是否大於「1」並且與當前注入後時間t相對應的穩態氣體混合物溫度Tmixsteady是否小於上述菸灰反應臨界溫度TminSoot。
當CPU 61在步驟4028中判斷為「Yes」時，與在圖8的步驟860中的判斷一樣，CPU 61執行步驟865的處理，然後進展到步驟870。當CPU 61在步驟4028中判斷為「No」時，直接進展到步驟870。
當CPU 61進展到步驟870時，執行步驟870的判斷。這裡，假設CPU 61判斷為「Yes」。在這種情況下，CPU 61進展到步驟4034，並且根據在步驟4006中所得到的與當前注入後時間t相對應的穩態氣體混合物溫度Tmixsteady、在步驟4010中所得到的與當前注入後時間t相對應的穩態氧氣濃度[O2]mixsteady、在步驟4012中所得到的與當前注入後時間t相對應的穩態氮氣濃度[N2]mixsteady和上述方程式(27)來獲得與當前注入後時間t相對應的NO生成速度d[NO]mix/dt。
隨後，CPU 61執行步驟880的處理，然後進展到步驟4038，以便確定與當前注入後時間t相對應的過量空氣比率λ是否大於「1」並且與當前注入後時間t相對應的穩態氣體混合物溫度Tmixsteady是否小於上述NO反應臨界溫度TminNO。
當CPU 61在步驟4038中判斷為「Yes」時，與在圖8的步驟885中的判斷一樣，CPU 61執行步驟890的處理，然後進展到圖41的例程。當CPU 61在步驟4038中判斷為「No」時，直接進展到圖41的例程。
當CPU 61進展到圖41的例程時，執行與圖9的步驟905相對應的步驟4015的判斷。每次CPU 61在步驟4105中判斷為「No」時，CPU 61重複執行圖40的步驟4002至圖41的步驟4105。結果每次在步驟4105中判斷為「No」，在圖40的步驟4002中將注入後時間t前進Δt。
也就是說，只要在步驟4105中判斷為「No」，則對注入後時間t的每一個微小時間Δt都獲得過量空氣比率λ和(只要標誌ENDsoot和ENDno的值為零)排放物濃度([Soot]mix和[NO]mix)。
當滿足了步驟4105的條件時，CPU 61在圖41的步驟4105中判斷為「Yes」，並且進展到步驟4110和隨後的步驟，以便執行用於結束與排放物生成量有關的計算的處理。
也就是說，在步驟4110中，CPU 61根據當前時點處(也就是在滿足了步驟4105的條件的時點處)的過量空氣比率λ、在圖38的步驟520中所得到的指令燃料注入量Qfin和步驟4110的框中所述的方程式，來獲得包含有指令燃料注入量為Qfin的燃料、與穩定火苗有關的並且其過量空氣比率假設為值λ的氣體混合物的質量(穩態氣體混合物質量Mmixsteady)。
接下來，CPU 61進展到步驟4115，以便通過用圖40的步驟855中所更新的氣體混合物菸灰濃度[Soot]mix的當前值乘以上述穩態氣體混合物質量Mmixsteady來獲得由穩定火苗所佔據的區域中的菸灰生成量，並且然後通過用初始值Soot0加上所得到的菸灰生成量來獲得總的菸灰生成量。
類似地，在步驟4115中，CPU 61通過用圖40的步驟880中所更新的氣體混合物NO濃度[NO]mix的當前值乘以上述穩態氣體混合物質量Mmixsteady來獲得由穩定火苗所佔據的區域中的NO生成量，並且然後通過用初始值NO0加上所得到的NO生成量來獲得總的NO生成量。
然後，CPU 61連續執行步驟925至960，以便根據在圖41的步驟4115中所得到的總的菸灰生成量Soot和總的NO生成量NO(相應地為總的排放物生成量的估計結果)來校正注入壓力。然後CPU 61進展到步驟3895，以便結束圖38至41的系列例程的當前執行。在該時點之後，每次CPU 61進展到圖38的步驟505時，都判斷為「No」，直到到了下一個IVC為止。
如上所述，本發明的排放物生成量估計設備的第四實施例假設了其中在點燃氣體混合物之後在每一個燃燒室中都生成了所謂的穩定火苗。因此，在利用穩態中的氧氣濃度(穩態氧氣濃度[O2]mixsteady)在穩定火苗的充足區域(λ＜1)中變成零這一優點的同時，第四實施例根據通過在上述方程式(23)中省略dmso/dt這一項所得到的方程式「d[Soot]mix/dt＝dmsf/dt」來獲得菸灰生成速度d[soot]mix/dt。
類似地，在利用了穩態中的燃料濃度(穩態燃料濃度[Fuel]mixsteady)在穩定火苗的不充足區域(λ≥1)中變成零這一事實的情況下，第四實施例根據通過在上述方程式(23)中省略dmsf/dt這一項所得到的方程式「d[Soot]mix/dt＝-dmso/dt」來獲得菸灰生成速度d[soot]mix/dt。這些計算可以減少方程式(24)和(25)的計算次數，從而可以減少CPU 61的計算負荷。
權利要求
1.一種用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備，包括
注入燃料劃分裝置，在從預定的注入開始時間的預定注入時間段期間，用於將不斷注入到內燃機的燃燒室中的燃料劃分成多個部分；以及
氣體混合物狀態估計裝置，基於這樣的假設，即，假設所劃分的多個燃料注入部分是根據從預定的注入開始時間經過的時間來被單獨和連續地注入，則該氣體混合物狀態估計裝置單獨估計通過將注入燃料的多個部分與缸內氣體相混合而形成的每一個氣體混合物的狀態，其中所述缸內氣體是被吸入燃燒室的氣體。
2.如權利要求1所述的用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備，其中氣體混合物狀態估計裝置被配置用於單獨地獲取一值，所述值表示缸內氣體與所劃分的注入燃料的每個部分的混合程度，並且通過利用所獲得的表示缸內氣體與所述注入燃料的每一個部分的混合程度的值，單獨估計根據注入燃料的每一個部分所形成的氣體混合物的狀態。
3.如權利要求1或2所述的用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備，其中注入燃料劃分裝置被配置為根據預定規則將預定注入時間段劃分成多個時間段，並且將注入燃料分成在相應的時間段中被連續注入的部分。
4.如權利要求1至3的任一項所述的用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備，進一步包括點火時刻獲取裝置，用於獲得表示氣體混合物的點火時刻的值，
其中注入燃料劃分裝置根據所得到的表示點火時刻的值，將注入燃料劃分成在氣體混合物點火之前注入的部分和在氣體混合物點火之後注入的部分。
5.如權利要求1所述的用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備，進一步包括混合指數值獲得裝置，用於獲取第一部分混合指數值，從而使得該值與燃燒室內的第一注入部分的進展相對應，其中該第一部分混合指數值是表示缸內氣體與所劃分的注入燃料的第一注入部分的混合程度的值，
其中氣體混合物狀態估計裝置通過利用所獲得的第一部分混合指數值來估計根據第一注入部分所形成的氣體混合物的狀態，並且
其中假設根據與燃燒室內的第二或後面的注入部分的進展相對應的、所獲得的第一部分混合指數值來確定一值，其中所述的值表示所述缸內氣體與所劃分的注入燃料的第二或更後面的注入部分的混合程度且與所述進展相對應的值，則所述氣體混合物狀態估計裝置通過利用表示缸內氣體和第二或後面的注入部分的混合程度的所確定的值來估計根據第二或後面的注入部分所形成的氣體混合物的狀態。
6.如權利要求1至5的任一項所述的用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備，其中由氣體混合物估計裝置所估計的氣體混合物的狀態包括氣體混合物的溫度，氣體混合物內的燃料濃度，氣體混合物內的氧氣濃度以及氣體混合物內的氮氣濃度中的至少一個。
7.一種包括排放物生成量估計裝置的排放物生成量估計設備，用於根據由權利要求1至6中任一項所述的用於內燃機的氣體混合物狀態估計設備所估計的相應的氣體混合物的狀態，來單獨地估計作為每一個氣體混合物的燃燒結果而生成的排放物的生成量，其中該排放物是有害物質。
8.一種用於內燃機的排放物生成量估計設備，包括排放物生成量估計裝置，用於在假設的如下情況下對排放物的生成量進行估計，所述情況是，在點燃了氣體混合物之後在內燃機的燃燒室中產生了穩定火苗的情況下，其中所述氣體混合物是通過注入到燃燒室中的燃料與作為被吸入到燃燒室中的氣體的缸內氣體相混合而形成的，其中排放物生成量估計裝置單獨估計如下的排放物的量，其中所述排放物的量是在其中燃料過量的穩定火苗區域中作為燃燒結果而產生的作為有害物質的排放物的量，以及在其中氧氣過量的穩定火苗區域中的作為燃燒結果而產生的排放物的量。
9.如權利要求7或8所述的用於內燃機的排放物生成量估計設備，其中氣體混合物狀態估計裝置至少估計作為排放物生成量的菸灰和NOX的生成量。
10.如權利要求7至9的任一項所述的用於內燃機的排放物生成量估計設備，其中排放物生成量估計裝置被配置為用於單獨計算每個氣體混合物或每一個穩定火苗區域的排放物生成速度，並且將所計算的排放物生成速度相對於時間進行積分，從而單獨估計排放物的生成量。
11.如權利要求10所述的用於內燃機的排放物生成量估計設備，其中排放物生成量估計裝置被配置為當氣體混合物的溫度或者穩定火苗區域內的溫度變得低於預定溫度時，結束相應的排放物生成速度對時間的積分。
全文摘要
該設備將注入時間段TAU等分成三個時間段也就是前、中、後三個時間段，並且假設在燃料注入開始時刻一次性執行與「前時間段」相對應的第一注入(質量Q(1))，在第一注入已經過去了1/3TAU時的時點處一次性執行與「中時間段」相對應的第二注入(質量Q(2))，並且在第二注入已經過去了1/3TAU時一次性執行與「後時間段」相對應的第三注入(質量Q(3))。單獨處理基於第一注入的第一氣體混合物、基於第二注入的第二氣體混合物和基於第三注入的第三氣體混合物。並且對於每一個氣體混合物，單獨估計氣體混合物的過量空氣比率、氣體混合物的狀態(溫度等)和氣體混合物中的排放物生成量。
文檔編號F02D45/00GK101151453SQ20068001069
公開日2008年3月26日 申請日期2006年3月24日 優先權日2005年3月30日
發明者大西知美, 中山茂樹 申請人:豐田自動車株式會社