JP2005030332A - 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度な機関制御を低負荷で簡易に実行可能とする実用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法の提供。
【解決手段】 燃料および空気の混合気を各燃焼室３内で燃焼させて動力を発生する内燃機関１は、燃焼室３に設けられて筒内圧力を検出する筒内圧センサ１５およびＥＣＵ２０を備える。ＥＣＵ２０は、筒内圧センサ１５によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータを所定の２点について算出すると共に、所定の２点間における当該制御パラメータの差分に基づいて燃料噴射量の補正値を算出する。所定の２点の一方は、吸気弁Ｖｉの開弁後かつ点火プラグ７による点火前に設定され、他方は、当該点火後かつ排気弁Ｖｅの開弁前に設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法に関する。

従来から、内燃機関の制御装置として、各気筒に設けられた筒内圧センサと、各筒内圧センサからの圧力信号に基づいて各気筒につき単位クランク角ごとに燃焼行程中の熱発生量を算出する演算手段とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関の制御装置では、演算手段の演算結果に基づいて各気筒における熱発生量が同一レベルになるように各気筒への燃料供給量（各気筒における空燃比）が補正される。また、従来から、内燃機関の制御装置として、筒内圧検出手段によりサンプリングされる筒内圧の微小クランク角間における変化量を熱発生率として求め、求めた熱発生率に基づいて高負荷運転時における燃料供給量や、吸気系統への排気還流量を補正するものも知られている（特許文献２および特許文献３参照。）。更に、筒内圧を積算して算出した上死点後圧力積算値から上死点前圧力積算値を差し引いた値を用いて、点火時期、空燃比、排気還流量および燃料噴射時期を制御する手法も知られている（特許文献４参照。）。

特開昭６３−２６８９５１号公報 特開平４−８１５３４号公報 特開平４−８１５５７号公報 特開２００１−１５２９５２号公報

しかしながら、上述のような従来の内燃機関の制御装置は、基本的に、筒内圧検出手段より検出された筒内圧を微小な単位クランク角ごとに積分または微分処理するものである。このため、従来の制御装置における演算負荷は多大なものとなっており、この点から、従来の制御装置を例えば車両用内燃機関等に適用するのは実際上困難となっていた。

そこで、本発明は、高精度な機関制御を低負荷で簡易に実行可能とする実用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法の提供を目的とする。

本発明による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出する演算手段と、演算手段によって算出された制御パラメータに基づいて所定の制御量を設定する制御手段とを備えることを特徴とする。

この場合、制御パラメータは、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であると好ましい。

また、演算手段は、所定の２点について制御パラメータを算出し、制御手段は、所定の２点間における制御パラメータの差分に基づいて所定の制御量を設定すると好ましい。

更に、所定の２点の一方は、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、他方は、燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されると好ましい。

また、制御手段は、所定条件下で、前回算出された制御パラメータの差分と、今回算出された制御パラメータの差分との偏差を求め、求めた偏差に基づいて混合気の空燃比を補正するための制御量を設定すると好ましい。

更に、制御手段は、所定条件下で、制御パラメータの差分が目標値と一致するように混合気の空燃比を補正するための制御量を設定すると好ましい。

本発明による内燃機関の制御方法は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法において、
（ａ）筒内圧力を検出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で算出した制御パラメータに基づいて所定の制御量を設定するステップとを含むものである。

この場合、制御パラメータは、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であると好ましい。

また、ステップ（ｂ）では、所定の２点について制御パラメータを算出し、ステップ（ｃ）では、所定の２点間における制御パラメータの差分に基づいて所定の制御量を設定すると好ましい。

更に、所定の２点の一方は、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、他方は、燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されると好ましい。

また、ステップ（ｃ）には、所定条件下で、前回算出された制御パラメータの差分と、今回算出された制御パラメータの差分との偏差を求めるステップと、求めた偏差に基づいて混合気の空燃比を補正するための制御量を設定するステップとが含まれると好ましい。

更に、ステップ（ｃ）には、所定条件下で、制御パラメータの差分が目標値と一致するように混合気の空燃比を補正するための制御量を設定するステップが含まれてもよい。

本発明によれば、高精度な機関制御を低負荷で簡易に実行可能とする実用的な内燃機関の制御装置および制御方法の実現が可能となる。

本発明者らは、演算負荷の低減化を図りつつ高精度な内燃機関の制御を可能にするために鋭意研究を重ね、その結果、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータに着目するに至った。より詳細には、本発明者らは、クランク角がθである際に筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力をＰ（θ）とし、クランク角がθである際の筒内容積をＶ（θ）とし、比熱比をκとした場合に、筒内圧力Ｐ（θ）と、筒内容積Ｖ（θ）を比熱比（所定の指数）κで累乗した値Ｖ^κ（θ）との積として得られる制御パラメータＰ（θ）・Ｖ^κ（θ）（以下、適宜「ＰＶ^κ」と記す）に着目した。そして、本発明者らは、クランク角に対する内燃機関の筒内における熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する制御パラメータＰＶ^κの変化パターンとは、図１に示されるような相関を有することを見出した。ただし、図１において、−３６０°，０°および３６０°は、上死点に、−１８０°および１８０°は、下死点に対応する。

図１において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κをプロットしたものである。また、図１において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Ｑを、熱発生率の式：ｄＱ／ｄθ＝｛ｄＰ／ｄθ・Ｖ＋κ・Ｐ・ｄＶ／ｄθ｝／｛κ−１｝に基づき、Ｑ＝∫ｄＱとして算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。

図１に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する制御パラメータＰＶ^κの変化パターンとは、概ね一致（相似）しており、特に、筒内の混合気の燃焼開始（ガソリンエンジンでは火花点火時、ディーゼルエンジンでは圧縮着火時）の前後（例えば、図１における約−１８０°から約１３５°までの範囲）では、熱発生量Ｑの変化パターンと、制御パラメータＰＶ^κの変化パターンとは極めて良好に一致することがわかる。従って、本発明者らによって見出された筒内における熱発生量Ｑと制御パラメータＰＶ^κとの相関を利用して、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータＰＶ^κに基づいて所定の制御量を設定すれば、高負荷な演算処理を要することなく、筒内における熱発生量Ｑを反映させた高精度かつ応答性の良好な機関制御を簡易に実行することが可能となる。

このように、本発明による内燃機関の制御装置では、上述のような新規な知見に基づいて、筒内圧力を検出する筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積に基づいて算出される制御パラメータ、すなわち、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータ（ＰＶ^κ）に基づいて所定の制御量が算出されるのである。

そして、好ましくは、所定の２点について制御パラメータが算出され、当該所定の２点間における制御パラメータの差分に基づいて所定の制御量が算出される。

上述のように、本発明者らが着目した制御パラメータＰＶ^κは、内燃機関の筒内における熱発生量Ｑを反映するものであり、所定の２点間（例えば筒内における燃焼開始（火花点火または圧縮着火）の前後２点）における制御パラメータＰＶ^κの差分は、上記２点間における筒内での熱発生量∫ｄＱ（ｄＱを例えばθ_１からθ_２〔ただし、θ_１＜θ_２〕まで積分した値、以下同じ）を示し、極めて低負荷で算出し得るものである。従って、所定の２点間における制御パラメータの差分を利用すれば、演算負荷を大幅に低減させつつ、筒内における熱発生量に応じて所定の制御量を精度よく設定することが可能となる。この場合、上記所定の２点の一方は、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、他方は、燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されると好ましい。

また、好ましくは、所定条件下で、前回算出された制御パラメータの差分と、今回算出された制御パラメータの差分との偏差が求められ、求められた差分に基づいて混合気の空燃比を補正するための制御量が算出される。

本発明者らは、更に、筒内における熱発生量と、筒内における混合気の空燃比との関係にも着目した。すなわち、図２に示されるように、混合気の空燃比が理想空燃比よりも小さい場合（リッチな場合）、上記所定の２点間における熱発生量∫ｄＱの変化（率）は、リーン領域に比べて微小であり、混合気の空燃比が理想空燃比を上回ってリーン領域に入ると、急激に減少するようになる。従って、内燃機関の運転中に、熱発生量∫ｄＱを示す所定の２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分を求めると共に、制御パラメータＰＶ^κの差分の前回の算出値と今回の算出値との偏差を求め、当該偏差が所定値付近（所定範囲内）に保たれるように燃料供給量の補正値といった混合気の空燃比を補正するための制御量を設定すれば、常に筒内における混合気の空燃比を理想空燃比付近に精度よく保つことが可能となる。

更に、好ましくは、所定条件下で、上記制御パラメータの差分が目標値と一致するように混合気の空燃比を補正するための制御量が算出される。

図２からわかるように、筒内における混合気の空燃比が理想空燃比よりも大きくなると（リーンになると）、所定の２点間における熱発生量∫ｄＱは、空燃比が増加するにつれて、失火前の急変点（リーン限界）まで、空燃比に概ね比例して減少する。従って、熱発生量∫ｄＱを示す所定の２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分を求めた上で、当該差分が予め定められた目標値と一致するように燃料供給量の補正値といった混合気の空燃比を補正するための制御量を設定すれば、筒内における混合気の空燃比を理想空燃比よりも大きな（リーンな）所望の目標値付近に精度よく保つことが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図３は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールドを介して吸気管５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールドを介して排気管６にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、点火プラグ７は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

各吸気管５（吸気マニホールド）は、図１に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインＬ１が接続されており、給気ラインＬ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインＬ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子スロットルバルブ）１０が組み込まれている。一方、排気管６には、図１に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。

更に、内燃機関１は、図１に示されるように、複数のインジェクタ１２を有し、インジェクタ１２は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。また、内燃機関１の各ピストン４は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部４ａが形成されている。そして、内燃機関１では、各燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ１２から各燃焼室３内のピストン４の凹部４ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、内燃機関１では、点火プラグ７の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管（吸気ポート）噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。

上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図１に示されるように、内燃機関１のクランク角センサ１４を始めとした各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、動弁機構等を制御する。

また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバセンサ等を含む筒内圧センサ（筒内圧検出手段）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３における筒内圧力を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ２０に与える。

次に、図４を参照しながら、上述の内燃機関１の動作について説明する。

内燃機関１が始動された後、アイドル状態からアイドルオフ状態に移行すると、図４に示されるように、ＥＣＵ２０は、図示されないアクセル位置センサからの信号等に基づいて内燃機関１の目標トルクを定めると共に、予め用意されているマップ等を用いて目標トルクに応じた吸入空気量（スロットルバルブ１０の開度）および各インジェクタ１２からの燃料噴射量（燃料噴射時間）を設定する（Ｓ１０）。更に、ＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて、スロットルバルブ１０の開度をＳ１０にて求めた開度に設定すると共に、各インジェクタ１２から例えば吸気行程中にＳ１０にて定めた量の燃料を噴射させる。

また、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて内燃機関１のクランク角をモニタしている。そして、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、各吸気弁Ｖｉの開弁後であって、かつ、各点火プラグ７による点火前に設定された第１のタイミング（クランク角がθ_１となるタイミング）になると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいて、クランク角がθ_１となる時の筒内圧力Ｐ（θ_１）を求める。更に、ＥＣＵ２０は、求めた筒内圧力Ｐ（θ_１）と、筒内圧力Ｐ（θ_１）の検出時、すなわち、クランク角がθ_１となる時の筒内容積Ｖ（θ_１）を比熱比κ（本実施形態では、κ＝１．３２）で累乗した値との積である制御パラメータＰ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）を燃焼室３ごとに算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１４）。

第１のタイミングは、各燃焼室３内において燃焼が開始される時点（点火時）よりも十分に前のタイミングに設定されると好ましく、本実施形態において、第１のタイミングは、例えば、クランク角センサ１４からの信号に示されるクランク角が−６０°となるタイミング（θ_１＝−６０°、すなわち、上死点前６０°）とされている。また、Ｖ^κ（θ_１）の値（本実施形態では、Ｖ^κ（−６０°）の値）は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

Ｓ１４の処理の後、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、各点火プラグ７による点火後であって、各排気弁Ｖｅの開弁前に設定された第２のタイミング（クランク角がθ_２となるタイミング）になると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいて、クランク角がθ_２となる時の筒内圧力Ｐ（θ_２）を求める。更に、ＥＣＵ２０は、求めた筒内圧力Ｐ（θ_２）と、筒内圧力Ｐ（θ_２）の検出時、すなわち、クランク角がθ_２となる時の筒内容積Ｖ（θ_２）を比熱比κ（本実施形態では、κ＝１．３２）で累乗した値との積である制御パラメータＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を燃焼室３ごとに算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１６）。第２のタイミングは、燃焼室３内における混合気の燃焼が概ね完了したタイミングに設定されると好ましく、本実施形態では、第２のタイミングが、例えば、クランク角センサ１４からの信号に示されるクランク角θが９０°となるタイミング（θ_２＝９０°、すなわち、上死点後９０°）とされている。また、Ｖ^κ（θ_２）の値（本実施形態では、Ｖ^κ（９０°）の値）は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

上述のようにして、制御パラメータＰ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）およびＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を求めると、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、第１および第２のタイミングの間における制御パラメータＰＶ^κの差分を、
ΔＰＶ^κ＝Ｐ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）−Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）
として算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１８）。この差分ΔＰＶ^κは、上述のように、第２のタイミングと第１のタイミングとの間（所定の２点間）における各燃焼室３での熱発生量∫ｄＱ、すなわち、第１のタイミングから第２のタイミングまでの間に燃焼室３で発生した熱量を示すものである。燃焼室３ごとに制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κを求めると、ＥＣＵ２０は、すべての燃焼室３について制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの平均値Ｑ_ｅｓｔ（＝Ｑ_{ｅｓｔｎｅｗ}）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ２０）。このように、全燃料室３について差分ΔＰＶ^κの平均をとることにより、その後の処理に対する燃焼室３間の燃焼バラツキによる影響を緩和させることができる。

上述のＳ１４からＳ２０までの処理により、第１のタイミングと第２タイミングとの間における熱発生量を良好に反映した制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの平均値Ｑ_ｅｓｔが簡易かつ速やかに算出されることになる。これにより、筒内圧力を微小な単位クランク角ごとに積分処理して各燃焼室３における熱発生量を算出する場合と比較して、ＥＣＵ２０における演算負荷を大幅に低減させることができる。

Ｓ２０における処理が完了すると、ＥＣＵ２０は、この段階で内燃機関１が何れの運転モードに従って運転されるべきかを判定する（Ｓ２２）。本実施形態の内燃機関１は、各燃焼室３における燃料および空気の混合気の空燃比を理想空燃比（燃料：空気＝１：１４．７）に設定するストイキ運転モードと、各燃焼室３における混合気の空燃比を理想空燃比よりも大きい所望の目標空燃比に設定するリーン運転モードの何れかのもとで運転され得る。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２２において、回転数、負荷、スロットル開度、アクセルペダルの踏込加速度等のパラメータに基づいて、ストイキ運転モードを実行すべきか否か判定する。

Ｓ２２において、ストイキ運転モードを実行すべきであると判断した場合、ＥＣＵ２０は、各燃焼室３における今回の点火に伴ってＳ２０にて算出した制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの平均値Ｑ_{ｅｓｔｎｅｗ}と、各燃焼室３における前回の点火に伴ってＳ２０にて算出した制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの平均値Ｑ_{ｅｓｔｏｌｄ}との偏差ΔＱを、
ΔＱ＝Ｑ_{ｅｓｔｎｅｗ}−Ｑ_{ｅｓｔｏｌｄ}
として算出する（Ｓ２４）。

ここで、図２に関連して説明されたように、混合気の空燃比が理想空燃比よりも小さい場合（リッチな場合）、所定の２点間における熱発生量∫ｄＱの変化（率）は、リーン領域に比べて微小であり、燃料室３内の混合気の空燃比が理想空燃比を上回ってリーン領域に入ると、急激に減少するようになる。従って、熱発生量∫ｄＱを示す所定の２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分の今回の算出値Ｑ_{ｅｓｔｎｅｗ}と前回の算出値Ｑ_{ｅｓｔｏｌｄ}との偏差ΔＱ（図２における熱発生量の傾き）が所定値付近（所定範囲内）に保たれるようにすれば、各燃焼室３において、所定の２点間における熱発生量∫ｄＱが１回の点火の前後でほぼ一定に保たれ、混合気の空燃比もほぼ一定に保たれることになる。

このため、ＥＣＵ２０は、Ｓ２４にて偏差ΔＱを求めると、偏差ΔＱと所定の閾値α（負の所定値）を比較することにより、各燃焼室３内における混合気の空燃比が理想空燃比よりも大きいか（リーンであるか）否かを判定する（Ｓ２６）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にて各燃焼室３における混合気がリーンになっている（偏差ΔＱが閾値α以下である）と判断した場合、各インジェクタ１２からの燃焼噴射量を僅かに増加させるように燃料噴射量の補正値を設定する（Ｓ２８）。これにより、ストイキ運転モードの実行中に各燃焼室３内における混合気の空燃比が理想空燃比よりも大きくなっていたとしても、各燃焼室３における混合気をリッチ化させて、各燃焼室３における混合気の空燃比を理想空燃比に近づけることが可能となる。

また、ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にて各燃焼室３内における混合気がリーンになっていないと判断した場合には、各燃焼室３における混合気の空燃比が理想空燃比よりも小さく（リッチに）なっているとみなし、各インジェクタ１２からの燃焼噴射量を僅かに減少させるように燃料噴射量の補正値を設定する（Ｓ３０）。これにより、ストイキ運転モードの実行中に各燃焼室３内における混合気の空燃比が理想空燃比よりも小さくなっていたとしても、各燃焼室３における混合気を僅かリーン化させて、各燃焼室３における混合気の空燃比を理想空燃比に近づけることができる。なお、本実施形態では、Ｓ２８およびＳ３０で設定される燃料噴射量の補正値は、予め定められた一定の量とされるが、当該補正値は、偏差ΔＱと閾値との差分に応じて算出されてもよい。

一方、Ｓ２２において、ストイキ運転モードを実行すべきではない、すなわち、リーン運転モードを実行すべきであると判断した場合、ＥＣＵ２０は、リーン運転モードにおける目標空燃比に対応した熱発生量の目標値Ｑ_ｔを記憶装置から読み出すと共に、Ｓ２０で求めた制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの平均値Ｑ_ｅｓｔ（Ｑ_{ｅｓｔｏｌｄ}）と目標値Ｑ_ｔとの偏差ｅを、
ｅ＝Ｑ_ｅｓｔ−Ｑ_ｔ
として算出する（Ｓ３２）。そして、ＥＣＵ２０は、予め用意されたマップまたは所定の関数式を用いてＳ３２にて求めた偏差ｅをゼロにするように燃焼噴射量の補正値を算出（設定）する（Ｓ３４）。

ここで、図２に関連して説明されたように、各燃焼室３内における混合気の空燃比が理想空燃比よりも大きくなると（リーンになると）、所定の２点間における熱発生量∫ｄＱは、空燃比が増加するにつれて、失火前の急変点（リーン限界）まで、空燃比に概ね比例して減少する。従って、混合気の空燃比が理想空燃比よりも大きい領域（リーン領域）では、Ｓ２０で求めた所定の２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの平均値Ｑ_ｅｓｔと目標値Ｑ_ｔとの偏差ｅがゼロになるようにすることにより、各燃焼室３における混合気の空燃比を理想空燃比よりも大きな（リーンな）所望の目標空燃比に保つことが可能となる。すなわち、内燃機関１では、リーン運転モードに際して、制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの平均値Ｑ_ｅｓｔを目標値Ｑｔに近づけるフィードバック制御が行われる。これにより、内燃機関１では、熱発生量の目標値Ｑｔを適宜設定することにより、各燃焼室３内の混合気を図２におけるリーン限界付近までできる限りリーン化させる、いわゆるリーンリミット運転を実行することも可能である。

上述のようにして、ＥＣＵ２０は、ストイキ運転モードの場合、Ｓ２８またはＳ３０にて燃料噴射量の補正値を設定し、リーン運転モードの場合、Ｓ３４にて燃料噴射量の補正値を設定する。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０に戻ると、Ｓ２８，Ｓ３０またはＳ３４にて設定した燃料噴射量の補正値を踏まえて（加減算しながら）各インジェクタ１２からの燃料噴射量（燃料噴射時間）を設定すると共に、スロットルバルブ１０の開度を設定し、再度Ｓ１２以降の処理を実行する。このような一連の処理は、アイドルオフ状態が継続される間、ＥＵＣ２０によって繰り返される。

以上説明されたように、内燃機関１では、ストイキ運転モードに際して、所定の２点間における熱発生量を良好に反映した制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κを用いて、各燃焼室３における混合気の空燃比が精度よく理想空燃比付近に設定されるので、供給空気量と理論空気量との比λがλ＝１となる領域を拡大させることができる。また、内燃機関１では、リーン運転モードに際しても、所定の２点間における熱発生量を良好に反映した制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κを用いて、各燃焼室３における混合気の空燃比が理想空燃比よりも大きな所定の目標空燃比に精度よく設定される。

このように、所定の２点間における熱発生量を反映した制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κを用いて内燃機関１の空燃比制御を実行することにより、内燃機関の排気系統において取得された排気空燃比等に基づいて筒内空燃比を制御（フィードバック制御）する場合に認められる、いわゆる検出遅れや輸送遅れの問題を解消することが可能となり、空燃比制御の応答性および精度を大幅に向上させることができる。そして、上述のように制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κを用いることによって高精度な空燃比制御を実行することができるので、従来の空燃比制御において不可欠であった排気空燃比検出用のＯ_２センサや、吸入空気量検出用のエアフローメータ等を省略可能となり、内燃機関１を低コストで構成可能となる。また、高精度な空燃比制御の実現により、触媒の浄化負担を低減させることができるので、触媒装置をコンパクト化することも可能となる。

なお、各燃焼室３における混合気の空燃比を補正するため制御量は、燃料噴射量の補正値に限られるものではなく、スロットル開度の補正値や、排気還流システムを備えた内燃機関における排気還流量の補正値等であってもよく、これらが適宜組み合わされてもよい。すなわち、Ｓ２８，Ｓ３０およびＳ３４の処理では、各燃焼室３における混合気の空燃比を補正するために、燃料噴射量、スロットル開度、排気還流量等の少なくとも何れか一つの補正値が設定されればよい。更に、本発明は、ガソリンエンジンだけではなく、ディーゼルエンジンにも適用され得ることはいうまでもない。

本発明において用いられる制御パラメータＰＶ^κと、燃焼室内における熱発生量との相関を示すグラフである。 燃焼室内における混合気の空燃比と、所定の２点間における熱発生量との相関を示すグラフである。 本発明による内燃機関を示す概略構成図である。 図３の内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
４ ピストン
７ 点火プラグ
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (12)

1. 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、
   筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出する演算手段と、
   前記演算手段によって算出された前記制御パラメータに基づいて所定の制御量を設定する制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御パラメータは、前記筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記演算手段は、所定の２点について前記制御パラメータを算出し、前記制御手段は、前記所定の２点間における前記制御パラメータの差分に基づいて前記所定の制御量を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記所定の２点の一方は、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、他方は、前記燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記制御手段は、所定条件下で、前回算出された前記制御パラメータの差分と、今回算出された前記制御パラメータの差分との偏差を求め、求めた偏差に基づいて混合気の空燃比を補正するための制御量を設定することを特徴とする請求項３または４の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記制御手段は、所定条件下で、前記制御パラメータの差分が目標値と一致するように混合気の空燃比を補正するための制御量を設定することを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法において、
   （ａ）筒内圧力を検出するステップと、
   （ｂ）ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出するステップと、
   （ｃ）ステップ（ｂ）で算出した前記制御パラメータに基づいて所定の制御量を設定するステップとを含む内燃機関の制御方法。
8. 前記制御パラメータは、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御方法。
9. ステップ（ｂ）では、所定の２点について前記制御パラメータを算出し、ステップ（ｃ）では、前記所定の２点間における前記制御パラメータの差分に基づいて前記所定の制御量を設定することを特徴とする請求項７または８に記載の内燃機関の制御方法。
10. 前記所定の２点の一方は、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、他方は、前記燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御方法。
11. ステップ（ｃ）には、所定条件下で、前回算出された前記制御パラメータの差分と、今回算出された前記制御パラメータの差分との偏差を求めるステップと、求めた偏差に基づいて混合気の空燃比を補正するための制御量を設定するステップとが含まれることを特徴とする請求項９または１０に記載の内燃機関の制御方法。
12. ステップ（ｃ）には、所定条件下で、前記制御パラメータの差分が目標値と一致するように混合気の空燃比を補正するための制御量を設定するステップが含まれることを特徴とする請求項９〜１１の何れかに記載の内燃機関の制御方法。
    

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