JP2009275617A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、比熱比κが変動する場合でも、例えばＰＶ^κ法などを用いた燃焼制御を高い精度で実現することを目的とする。
【解決手段】ＥＣＵ６０は、内燃機関１０の筒内圧Ｐ、筒内容積Ｖ及び比熱比κを用いて燃焼質量割合（ＭＦＢ）を算出し、このＭＦＢが目標値となるように燃焼制御を行う。このとき、ＥＣＵ６０は、燃料性状センサ４４により検出した燃料中のアルコール濃度と、Ａ／Ｆセンサ４８により検出した排気空燃比とに応じて比熱比κを算出する。これにより、例えばアルコール混合燃料を用いてリーンバーン制御を行うことにより、筒内ガスの比熱比が変化する場合でも、実際の比熱比に対して計算上の比熱比をほぼ一致させることができる。従って、ＭＦＢの計算精度を高めることができ、ＰＶ^κ法による燃焼制御やこれと併用するリーンバーン制御等を円滑に実施することができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、内燃機関を制御するのに好適に用いられる制御装置に関し、特に、ＰＶκ法により燃焼制御を行う構成とした内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２００７−３２５３１号公報）に開示されているように、所謂ＰＶ^κ法を用いて燃焼制御を行う構成とした制御装置が知られている。ＰＶ^κ法による燃焼制御では、例えば筒内に流入した燃料のうち、燃焼した燃料の割合である燃焼質量割合（ＭＦＢ：Mass Fraction Burned）を算出する。そして、例えば燃焼行程中の特定のタイミングで燃焼質量割合が一定の目標値となるように、燃料噴射量、吸入空気量、点火時期、バルブタイミング等を制御するものである。

上述の燃焼制御において、燃焼質量割合は、筒内圧センサ等により検出した筒内圧力Ｐと、クランク角に応じて定まる筒内容積Ｖと、筒内ガスの比熱比κとを用いて算出される。これらの値から求められる計算値ＰＶ^κは、断熱圧縮／膨張行程において一定値となるので、従来技術では、この原理を利用して燃焼質量割合を算出するようにしている。

特開２００７−３２５３１号公報 特開２００５−３０３３２号公報

上述した従来技術では、内燃機関の燃費性能や排気エミッションを改善するために、ＰＶ^κ法による燃焼制御と並行してリーンバーン制御も実施したいという要求がある。しかしながら、燃料を希薄状態で燃焼させるリーンバーン制御中には、ストイキ（理論空燃比）での燃焼時と比べて比熱比κが変動し易いので、これに伴ってＰＶ^κの値も変動し易くなる。

このため、従来技術において、単にＰＶ^κ法と並行してリーンバーン制御を行うだけでは、高い精度の燃焼制御が難しくなり、空燃比をリーン限界近くまで希薄化することができないという問題がある。つまり、従来技術において、ＰＶ^κ法による燃焼制御時には、リーンバーン制御の効果を十分に得ることができない。この問題は、リーンバーン以外の制御でも、比熱比κに影響を与えるような制御であれば生じ得るものである。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、比熱比κが変動する場合でも、例えばＰＶ^κ法などを用いた燃焼制御を高い精度で実現することができ、この燃焼制御に対して他の制御を効果的に併用することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

第１の発明は、内燃機関の筒内で燃焼される燃料の性状を取得する燃料性状取得手段と、
前記筒内の圧力及び容積を取得する筒内情報取得手段と、
前記筒内から排出される排気ガスの空燃比を取得する排気空燃比取得手段と、
前記燃料の性状と前記排気ガスの空燃比とを用いて前記筒内で燃焼されるガスの比熱比を算出する比熱比算出手段と、
前記筒内の圧力及び容積と前記比熱比とを用いて前記ガスの燃焼状態が反映されたパラメータを算出し、当該算出値に応じて前記燃焼状態を制御する燃焼制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
理論空燃比よりもリーン状態の混合気を前記筒内で燃焼させるリーンバーン制御手段を備え、
前記比熱比算出手段は、前記リーンバーン制御手段によりリーン化した排気ガスの空燃比に応じて前記比熱比を算出する構成としている。

第３の発明によると、第１または第２の発明において、
前記比熱比算出手段は、前記排気ガスの空燃比がリーン化するにつれて、前記比熱比を増大させる構成としている。

第４の発明によると、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記燃料性状取得手段は、前記燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサであり、前記比熱比算出手段は、前記燃料中のアルコール濃度が高いほど、前記比熱比を減少させる構成としている。

第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
内燃機関のために貯留された前記燃料に対して、新しい燃料が給油されたことを検出する給油検出手段を備え、
前記比熱比算出手段は、前記給油が検出されたときに、前記燃料性状取得手段により前記燃料の性状を検出し、当該検出結果に応じて前記比熱比を算出する構成としている。

第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記比熱比算出手段により算出した前記比熱比を複数回の燃焼サイクルにわたって平均する比熱比平均手段を備え、
前記燃焼制御手段は、前記比熱比の平均値を用いて前記パラメータを算出する構成としている。

第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
内燃機関は複数気筒を備え、
前記燃焼制御手段は、前記筒内情報取得手段により気筒別に取得された前記筒内の圧力及び容積に基づいて、前記各気筒の燃焼状態を気筒別に制御する構成としている。

第８の発明によると、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、
前記燃焼制御手段により算出されるパラメータは、前記筒内に吸気された燃料のうち燃焼した燃料の割合に対応する燃焼質量割合であり、前記燃焼制御手段は、前記比熱比を累乗の指数として前記筒内容積を累乗した値と、前記筒内圧との乗算値を用いて前記燃焼質量割合を算出する構成としている。

第１の発明によれば、比熱比算出手段は、排気ガスの空燃比と燃料の性状とに応じて比熱比の値を適切に変化させることができる。これにより、実機の燃焼状態を比熱比に反映させることができ、実際の筒内ガスの比熱比に対して計算上の比熱比をほぼ一致させることができる。即ち、空燃比や燃料性状の変化による比熱比のずれを最小限に抑制することができる。このため、比熱比のずれが原因で燃焼制御のパラメータに生じる誤差を十分に減少させることができ、パラメータの計算精度を高めることができる。

従って、燃焼制御手段は、内燃機関の運転状態や使用燃料の種類等に影響されることなく、常に正確なパラメータを用いて燃焼制御を安定的に行うことができる。また、ベースとなる燃焼制御と並行して他の制御を行う場合でも、比熱比算出手段によれば、他の制御の影響による比熱比の変化を当該比熱比の算出値に反映させることができる。従って、両方の制御を円滑に進行させることができる。

第２の発明によれば、比熱比を考慮した燃焼制御では、リーン空燃比での燃焼においても、高精度の燃焼制御が可能となる。このため、リーンバーン制御と、比熱比を考慮した燃焼制御とを組合わせることにより、リーンバーン制御を安定的に実施することができ、燃費性能や排気エミッションを改善することができる。

このとき、比熱比算出手段は、リーンバーン制御により空燃比がリーン化しても、また混合気のリーン限界を高めるためにアルコール混合燃料が用いられたとしても、これらの影響で変化する筒内ガスの比熱比に合わせて計算上の比熱比を正確に算出することができる。従って、２つの制御を高い精度で実施することができ、リーンバーン制御の効果を十分に発揮させることができる。

第３の発明によれば、筒内ガスの比熱比は、混合気の空燃比がリーン化するにつれて、ストイキでの比熱比から徐々に増大し、窒素を主成分とする空気の比熱比に漸近していく。これに対し、比熱比算出手段によれば、空燃比がリーン化するにつれて比熱比を増大させることができるので、実際の比熱比と比熱比の算出値とを合わせることができる。

第４の発明によれば、ガソリン等の燃料と混合されるアルコールの比熱比は、ストイキでの燃焼ガスの比熱比よりも小さい。このため、燃料中のアルコール濃度が高くなると、燃焼ガスの比熱比は徐々に減少していくことになる。これに対し、比熱比算出手段によれば、燃料中のアルコール濃度が高いほど、比熱比を減少させることができるので、実際の比熱比と比熱比の算出値とを合わせることができる。

第５の発明によれば、排気ガスの空燃比は頻繁に変化するので、排気空燃比に応じた比熱比の算出は、例えば１燃焼サイクル毎の高い頻度で実施する必要がある。一方、燃料中のアルコール濃度は、給油のタイミングで変化することはあっても、それ以外のタイミングではほぼ一定であると考えられる。このため、比熱比算出手段は、給油検出手段により給油動作を検出したときにのみ、燃料中のアルコール濃度を検出し、その検出結果と排気空燃比とに応じて比熱比を算出することができる。

また、給油動作が検出されないときには、新しい濃度検出値による比熱比の算出を行わず、例えば前回の濃度検出値を用いることができる。これにより、アルコール濃度が変化しないタイミングにおいて、無駄な検出処理や検出結果の取込処理等が行われるのを避けることができ、制御回路の演算負荷を軽減することができる。

第６の発明によれば、比熱比には、比熱比算出手段によりアルコール濃度と排気空燃比の変化が反映される。しかし、内燃機関の運転中には、例えば失火等による排気空燃比の変化やセンサ系のノイズ等により、比熱比κが一瞬だけ急変することがある。これに対し、比熱比平均手段は、比熱比の算出値を複数回の燃焼サイクルにわたって平均することができ、燃焼制御手段は、その平均値をパラメータの算出に用いることができる。

これにより、１回だけの外乱による比熱比の変動を平滑化することができ、外乱により比熱比に誤差が生じるのを抑制することができる。従って、パラメータの演算精度をより高めることができ、燃焼制御を安定させることができる。

第７の発明によれば、内燃機関の各気筒間には燃焼状態のばらつきが存在する。このため、全気筒を一緒に制御した場合には、比熱比算出手段により燃焼制御の精度を高めても、燃焼状態の悪い気筒に合わせて制御を抑える必要が生じ、その分だけ制御の効果が損なわれる。これに対し、燃焼制御手段は、各気筒の燃焼制御を気筒別に実施することができる。これにより、気筒間に燃焼状態のばらつきが存在したとしても、それぞれの気筒毎に最適な制御を行うことができる。従って、比熱比算出手段、燃焼制御手段、リーンバーン制御手段等の効果を最大限に発揮させることができる。

第８の発明によれば、燃焼制御では、複雑な微分・積分演算等を行わなくても、計算値ＰＶ^κを用いて燃焼質量割合を容易に算出することができる。これにより、燃焼質量割合のフィードバック制御を比較的軽い演算負荷で実現することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図８を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１及び図２は、実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図を示している。本実施形態のシステムは、ガソリンとアルコールとの混合燃料が用いられる多気筒型の内燃機関１０を備えている。

内燃機関１０の各気筒１２内には、図１に示すように、ピストン１４が往復動可能に設けられている。これらのピストン１４は、各気筒１２内に燃焼室１６をそれぞれ形成している。また、各ピストン１４は、内燃機関１０のクランク軸１８に連結されている。

各気筒１２には、内燃機関１０の吸入空気が流通する吸気通路２０と、排気ガスが流通する排気通路２２とが接続されている。吸気通路２０には、吸入空気の流量（吸入空気量）を検出するエアフローメータ２４と、吸入空気量を増減させる電子制御式のスロットルバルブ２６とが設けられている。スロットルバルブ２６は、アクセル開度等に基づいてスロットルモータ２８により駆動される。

また、各気筒１２は、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁３０と、燃焼室１６内の混合気に点火する点火プラグ３２とを備えている。さらに、各気筒１２は、吸気通路２０を燃焼室１６に対して開，閉する吸気バルブ３４と、排気通路２２を燃焼室１６に対して開，閉する排気バルブ３６とを備えている。図示は省略したが、これらのバルブ３４，３６には、可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing system）が付設されている。ＶＶＴによれば、バルブ３４，３６の開閉タイミングを可変に設定することができる。

一方、図２に示すように、内燃機関１０は、ガソリンとアルコールとの混合燃料が貯留される燃料タンク３８を備えている。燃料タンク３８内の燃料は、燃料配管４０を通じて各気筒１２の燃料噴射弁３０に供給される。また、内燃機関１０は、給油センサ４２、燃料性状センサ４４、筒内圧センサ４６、Ａ／Ｆセンサ４８、クランク角センサ５０等を含むセンサ系統を備えている。

給油センサ４２は、燃料タンク３８に新しい燃料が給油されたことを検出する給油検出手段を構成している。具体例を挙げれば、給油センサ４２は、例えば燃料タンク３８内の液面レベルが上昇したことを検出するフロート等の液面センサ、あるいは給油口が開，閉されたことを検出するセンサ、タンク内の圧力（燃料の蒸気圧）が低下したことを検出する圧力センサ等により構成されている。

燃料性状センサ４４は、例えば燃料配管４０等に設けられており、燃料の性状（種類、組成など）を取得する燃料性状取得手段を構成している。具体例を挙げれば、燃料性状センサ４４は、燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサ等により構成されている。また、筒内圧センサ４６は、各気筒１２毎にそれぞれ設けられており（１個のみ図示）、各気筒の筒内圧をそれぞれ個々に検出する。

さらに、Ａ／Ｆセンサ４８は、排気通路２２に設けられており、排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比と称す）を取得する排気空燃比取得手段を構成している。一方、図１中に示すクランク角センサ５０は、クランク軸１８の回転に同期した信号をＥＣＵ６０に出力する。これにより、ＥＣＵ５０は、クランク角θや機関回転数を検出することができる。

また、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０の運転状態を制御するためのＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０を備えている。ＥＣＵ６０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶回路を備えたマイクロコンピュータにより構成されている。ＥＣＵ６０の入力側には、上述したエアフローメータ２４、センサ４２〜５０等に加えて、内燃機関１０の冷却水温度を検出する水温センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ等を含むセンサ系統が接続されている。

ＥＣＵ６０の出力側には、スロットルモータ２８、燃料噴射弁３０、点火プラグ３２、ＶＶＴのアクチュエータ等を含めて各種のアクチュエータが接続されている。そして、ＥＣＵ６０は、内燃機関の運転状態をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動することにより、運転制御を行う。この運転制御には、以下に述べる基本燃焼制御、リーンバーン制御および比熱比可変制御が含まれている。

（基本的な燃焼制御）
本実施の形態では、ＰＶ^κ法を用いた燃焼制御（以下、単に基本燃焼制御と称す）を実施する。基本燃焼制御では、特開２００５−３０３３２号公報等に記載されているように、筒内での熱発生量Ｑを制御する。熱発生量Ｑは、筒内に流入した燃料のうち燃焼した燃料の割合である燃焼質量割合（以下、ＭＦＢと称す）と一定の関係がある。つまり、ＭＦＢは、筒内での燃焼状態が反映されたパラメータであるから、このＭＦＢに応じて内燃機関のアクチュエータを駆動することにより、熱発生量Ｑを一定の範囲に保持する基本燃焼制御を行うことができる。

図３は、基本燃焼制御におけるＭＦＢの変化を説明するための特性線図である。この図３に示すように、基本燃焼制御では、燃焼行程の開始に対応する所定のクランク角θsと、燃焼行程の終了に対応する所定のクランク角θeと、燃焼行程の途中となる所定のクランク角θmとを用いる。これらのクランク角の具体例を挙げれば、爆発上死点を基準として、クランク角θsは−６０°ＣＡ、クランク角θeは＋６０°ＣＡ、クランク角θmは＋８°程度に設定される。なお、本発明は、これらの角度に限定されるものではなく、クランク角θs，θe，θmを他の角度に設定してもよい。

ＭＦＢは、その定義から判るように、燃焼行程の開始時（クランク角θs）には０％であり、燃焼行程の終了時（クランク角θe）には１００％となる。そして、基本燃焼制御では、中間のクランク角θmにおけるＭＦＢが目標燃焼割合（例えば５０〜６０％）と一致するように、燃焼状態を制御する。ここで、ＭＦＢは、各クランク角θs，θe，θmでの計算値ＰＶ^κであるＰＶ^κθs，ＰＶ^κθe，ＰＶ^κθmを用いて、下記（１）式により算出することができる。

ＭＦＢ＝（ＰＶ^κθm−ＰＶ^κθs）／（ＰＶ^κθe−ＰＶ^κθs） ・・・（１）

この式中において、Ｐは筒内圧センサ４６により検出した筒内圧、Ｖは筒内容積、κは比熱比である。なお、筒内圧Ｐは、筒内圧センサを用いずに、内燃機関の運転状態等に応じて推定する構成としてもよい。また、筒内容積Ｖは、クランク角θに応じて一意的に定まるものであり、両者の関係はマップデータや関数式等としてＥＣＵ６０に予め記憶されている。さらに、比熱比κは、ストイキのガソリン混合気においてほぼ一定値（１．３２程度）となるので、この値もＥＣＵ６０に予め記憶されている。比熱比κの値は、後述の比熱比可変制御により必要に応じて可変に設定される。

上記（１）式によれば、ＥＣＵ６０は、筒内圧センサ４６の出力等を用いてＭＦＢを算出することができる。従って、基本燃焼制御では、例えば内燃機関の燃料噴射量、吸入空気量、点火時期、バルブタイミング等を変化させることにより、これらの値に応じてＭＦＢをフィードバック制御することができる。

そして、ＭＦＢ（即ち、筒内での熱発生量Ｑ）は、出力トルクに対応しているので、基本燃焼制御によれば、熱発生量Ｑに応じて内燃機関の燃焼状態や出力トルクを高精度に制御することができる。また、計算値ＰＶ^κを用いることにより、複雑な微分・積分演算等を行わなくても、計算値ＰＶ^κを用いてＭＦＢを容易に算出することができる。これにより、ＭＦＢのフィードバック制御を比較的軽い演算負荷で実現することができる。

（リーンバーン制御）
本実施の形態では、上述した基本燃焼制御と並行して、理論空燃比よりもリーン状態の混合気を燃焼させるリーンバーン制御を実施する。リーンバーン制御では、リーン限界に近い空燃比の混合気を安定的に燃焼させる必要がある。これに対し、ＰＶ^κ法を用いた基本燃焼制御では、リーン空燃比での燃焼においても、高精度の燃焼制御が可能となる。従って、これらの制御を組合わせることにより、リーンバーン制御を安定的に実施することができ、燃費性能や排気エミッションを改善することができる。

また、内燃機関１０は、アルコールを含む混合燃料により運転される。一般に、リーンバーン制御が可能な混合気の空燃比（以下、筒内空燃比と称す）には、失火等を回避するために一定のリーン限界がある。しかし、混合燃料を用いた場合には、燃料中にアルコールが含まれる分だけ筒内空燃比のリーン限界を高める（リーン側に移動させる）ことができる。このため、本実施の形態のように、アルコールとの混合燃料を用いてリーンバーン制御を実施すれば、通常のリーンバーン制御よりもリーン空燃比での燃焼制御が可能となり、希薄燃焼による効果を更に発揮することができる。

（比熱比可変制御）
上述したように、基本燃焼制御は、断熱圧縮／膨張行程において、ＰＶ^κ＝一定値となることを利用してＭＦＢを算出する。しかしながら、基本燃焼制御と一緒にリーンバーン制御を行う場合には、筒内空燃比がストイキからリーン側に変化する。このため、ストイキでの燃焼制御に対して比熱比κが変動し易くなり、これに伴って計算値ＰＶ^κも変動し易くなる。

図４は、比熱比κの変化が計算値ＰＶ^κに与える影響を示している。さらに、図５は、比熱比κの変化が前記（１）式によるＭＦＢに与える影響を示している。なお、図５中の縦軸は、ＡＴＤＣ１０°ＣＡのＭＦＢであることを示すものである。これらの図に示すように、例えば比熱比κに±０．０３程度の比較的小さな変化が生じるだけでも、計算値ＰＶ^κは大きく変動し、ＭＦＢには±３．２％程度の誤差が生じることになる。

つまり、リーンバーン制御により筒内空燃比がリーン化されると、その影響で比熱比κが変動し、ＰＶ^κやＭＦＢに誤差が生じるので、燃焼制御の精度が低下する。特に、アルコール混合燃料を使用する場合には、燃料中のアルコール自体によって比熱比κが変化するだけでなく、筒内空燃比のリーン限界が高くなる（リーン化が促進される）ことによっても比熱比κが変動し易くなる。このため、ＭＦＢの誤差は更に増大し易くなる。

そこで、本実施の形態では、排気空燃比と燃料中のアルコール濃度とに応じて比熱比κを算出し、比熱比κを用いて計算されるＭＦＢの計算精度を向上させるものである。まず、図６を参照して、空燃比と比熱比との関係について説明する。空燃比がリーンになるということは、燃焼ガス中に含まれる空気の比率が高くなることを意味する。このため、比熱比κは、図６に示すように、空燃比がリーン化するにつれて、ストイキでの比熱比１．３２から徐々に増大し、窒素を主成分とする空気の比熱比１．４０に漸近していく。

一方、ガソリンとの混合に用いられるアルコールの比熱比は、ストイキでの燃焼ガスの比熱比１．３２よりも小さい。このため、燃料中のアルコール濃度が高くなると、燃焼ガスの比熱比κは徐々に減少していくことになる。このような比熱比κの、空燃比とアルコール濃度に対する特性をまとめたものが図７である。図７に示す特性データは、例えば２次元マップとしてデータ化され、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。

比熱比可変制御では、Ａ／Ｆセンサ４８により検出した排気空燃比と、燃料性状センサ４４により検出した燃料中のアルコール濃度とを用いて、図７のマップデータから比熱比κを算出する。このため、比熱比κの算出値は、図７に示すように、排気空燃比がリーン化するにつれて増大し、また燃料中のアルコール濃度が高くなるにつれて減少する。なお、本発明では、図７のマップデータに代えて、排気空燃比とアルコール濃度から比熱比を設定するための関数式等を用いる構成としてもよい。

上述したように、比熱比可変制御によれば、ＰＶ^κ法を用いた基本燃焼制御を行うときには、排気空燃比とアルコール濃度とに応じて比熱比κの値を適切に変化させることができる。これにより、実機の燃焼状態を比熱比κに反映させることができ、実際の筒内ガスの比熱比に対して計算上の比熱比をほぼ一致させることができる。即ち、空燃比や燃料性状の変化による比熱比κのずれを最小限に抑制することができる。

このため、比熱比κのずれが原因でＭＦＢに生じる誤差を十分に減少させることができ、ＭＦＢの計算精度を高めることができる。従って、内燃機関の運転状態や使用燃料の種類等に影響されることなく、常に正確なＭＦＢを得ることができ、このＭＦＢに応じて基本燃焼制御を安定的に行うことができる。

また、このように実機の状態が反映された比熱比κが得られるので、基本燃焼制御と並行して、アルコール混合燃料を用いたリーンバーン制御を行う場合でも、両方の制御を円滑に進行させることができる。即ち、比熱比可変制御によれば、リーンバーン制御により空燃比がリーン化しても、リーン空燃比に適合するように比熱比κを増大させることができる。また、燃料中のアルコールにより筒内ガスの比熱比が小さくなっても、これに対応して比熱比κを減少させることができる。

一方、比熱比可変制御によれば、前述したように燃焼制御を安定的に実施できるが、この燃焼制御は気筒別に実施するのが好ましい。何故なら、内燃機関の各気筒間には、制御条件を揃えても燃焼状態のばらつきが存在する。このため、全気筒を一緒に制御した場合には、燃焼状態の良い気筒に合わせて空燃比をリーン化すると、燃焼状態の悪い気筒で失火が生じる。この結果、比熱比可変制御により燃焼制御の精度を高めても、燃焼状態の悪い気筒に合わせてリーン化度合いを抑える必要が生じ、その分だけリーンバーン制御の効果が損なわれる。

そこで、本実施の形態では、個々の気筒毎に筒内圧センサ４６を配置している。そして、各センサの出力と個々の気筒の筒内容積とに基づいて、燃焼制御を気筒別に行う構成としている。これにより、リーンバーン制御では、気筒間に燃焼状態のばらつきが存在したとしても、それぞれの気筒毎に空燃比のリーン化を可能な限り進めることができる。従って、リーンバーン制御だけでなく、基本燃焼制御や比熱比可変制御を含めた全体の制御効果を最大限に発揮させることができる。

（比熱比の可変タイミング）
上述した比熱比可変制御において、排気空燃比に応じた比熱比κの算出は、例えば１燃焼サイクル毎の高い頻度で実施される。これにより、頻繁に変化する空燃比に対して、比熱比κを応答よく追従させることができる。一方、燃料中のアルコール濃度は、給油のタイミングで変化することはあっても、それ以外のタイミングではほぼ一定であると考えられる。このため、本実施の形態では、給油が行われたときにのみ、新たに検出したアルコール濃度を用いて比熱比κを算出する構成としている。

即ち、ＥＣＵ６０は、給油センサ４２により給油動作の有無を検出し、給油が行われたときにのみ、燃料性状センサ４４の出力（アルコール濃度）と、排気空燃比とに応じて比熱比κを算出する。それ以外のタイミングでは、アルコール濃度の検出を行わず、新しい濃度検出値を用いた比熱比κの算出を実施しない。この場合、比熱比κは、前回の給油時に検出したアルコール濃度の記憶値と、排気空燃比とに応じて算出される。

これにより、アルコール濃度が変化しないタイミングにおいて、無駄な検出処理や検出結果の取込処理等が行われるのを避けることができ、ＥＣＵ６０の演算負荷を軽減することができる。なお、アルコール濃度に応じた比熱比κの算出は、上述した給油時に加えて、例えば始動時（ＥＣＵ６０等への電源投入時）にも実施するのが好ましい。

（算出値の平均化処理）
比熱比κには、アルコール濃度や排気空燃比の変化が反映される。しかし、内燃機関の運転中には、例えば失火等による排気空燃比の変化やセンサ系のノイズ等により、比熱比κが一瞬だけ急変することがある。このような外乱については、出来るだけ比熱比κに反映されないようにするのが好ましい。このため、本実施の形態では、比熱比κの算出値をｎ回の燃焼サイクルにわたって平均（移動平均）し、その平均値を基本燃焼制御（ＭＦＢの算出）に用いる構成としている。

ここで、移動平均を行うデータのサンプル数ｎは、１回だけの外乱による比熱比κの変動を平滑化することができ、かつ排気空燃比への応答性が十分に確保される範囲内で適宜決定される。この構成によれば、外乱により比熱比κに誤差が生じるのを抑制することができる。これにより、ＭＦＢの演算精度を高め、燃焼制御を安定させることができる。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図８及び図９は、本実施の形態のシステム動作を実現するために、ＥＣＵ６０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、これらの図に示すルーチンは、一定の時間毎に繰返し実行されるものとする。

まず最初に、図８に示すルーチンについて説明する。このルーチンでは、まず、クランク角センサ５０の出力に基づいて、クランク角と機関回転数とを取得する（ステップ１００）。また、エアフローメータ２４により吸入空気量を取得する（ステップ１０２）。そして、前記クランク角に基づいて、例えば各気筒のうち吸気行程が近い気筒（制御の対象気筒）を判別する（ステップ１０４）。

次に、前記機関回転数、吸入空気量等に基づいて燃料噴射量を算出する（ステップ１０６）。この燃料噴射量は、リーンバーン制御に対応した噴射量であり、対象気筒の筒内空燃比が理論空燃比よりも薄くなるように設定される。そして、燃料噴射量の設定後には、対象気筒のリーンバーン制御を実施する（ステップ１０８）。即ち、ステップ１０８では、吸気行程の直前または途中の適切な時期に燃料噴射を実施し、その後に点火を行う。

次に、対象気筒の燃焼行程において、３つの特定のクランク角が到来したときに、筒内圧センサ４６により対象気筒の筒内圧Ｐを取得する（ステップ１１０）。特定のクランク角とは、前述したように、燃焼行程の開始，途中，終了にそれぞれ対応するクランク角θs，θm，θeである。続いて、ＥＣＵ６０の記憶データを参照し、個々のクランク角θs，θm，θeにおける筒内容積Ｖを取得する（ステップ１１２）。

また、ステップ１１４では、後述の比熱比算出処理により算出した比熱比κを取得する。前記ステップ１１０〜１１４の取得処理は、特定のクランク角θs，θm，θeのそれぞれについて行われる（ステップ１１６）。この判定成立時には、前述した計算値ＰＶ^κθs，ＰＶ^κθe，ＰＶ^κθmが算出可能となるので、前記（１）式によりＭＦＢを算出する（ステップ１１８）。

そして、ステップ１１８で算出されたＭＦＢが、ＥＣＵ６０に予め記憶された目標燃焼割合と一致するように、吸入空気量、点火時期、バルブタイミング等を制御する（ステップ１２０）。上述した処理により、基本燃焼制御とリーンバーン制御とを一緒に実施することができる。

次に、図９を参照しつつ、比熱比可変制御について説明する。なお、この制御のルーチンは、前述した図８のルーチンと並列に実施されるものである。

まず、このルーチンでは、給油センサ４２の出力や、ＥＣＵ６０に記憶された当該出力の記憶（履歴）に基づいて、燃料タンク３８への給油が行われたか否かを判定する（ステップ１３０）。なお、始動時（ＥＣＵ６０への電源投入時）には、給油の有無に関係なく、上記判定が成立したものとして処理される。

そして、ステップ１３０の判定成立時には、燃料性状センサ４４によりアルコール濃度を検出し（ステップ１３２）、その検出値をＥＣＵ６０の記憶回路に記憶させる（ステップ１３４）。

一方、ステップ１３０の判定が不成立のときには、給油が行われていないので、前回の濃度検出履歴があれば、今回新たにアルコール濃度を検出する必要がない。そこで、この場合には、前回の検出時に前記メモリ領域に記憶されたアルコール濃度を取得する（ステップ１３６）。

次に、Ａ／Ｆセンサ４８により排気空燃比を検出する（ステップ１３８）。比熱比κを用いたＭＦＢの計算処理は、各気筒において１燃焼サイクル毎にそれぞれ実施される。このため、Ａ／Ｆセンサ４８による排気空燃比の検出処理は、少なくともＭＦＢの計算処理と同等の周期で実施される。なお、この場合には、例えばクランク角に応じて検出タイミングを設定することにより、各気筒の排気行程が開始される毎に排気空燃比を検出する構成としてもよい。

続いて、前記ステップ１３２またはステップ１３６で取得したアルコール濃度と、前記ステップ１３８で取得した排気空燃比とを用いて、図７のマップデータから比熱比κを算出する（ステップ１４０）。この算出値は前記メモリ領域に記憶される。また、今回算出した比熱比と、前記メモリ領域に記憶された過去の比熱比とを用いて移動平均を算出する（ステップ１４２）。この移動平均により算出された比熱比κの平均値は、前記ステップ１１４（図８）で比熱比κとして取得され、ＭＦＢの計算処理に用いられる。

なお、前記実施の形態では、図８中のステップ１１０，１１２が筒内情報取得手段の具体例を示している。また、ステップ１０８はリーンバーン制御手段の具体例を示し、ステップ１２０は燃焼制御手段の具体例を示している。さらに、図９中のステップ１３０〜１４２は比熱比算出手段の具体例を示し、このうちステップ１４２は比熱比平均手段の具体例を示している。

また、実施の形態では、ＰＶ^κ法を用いた基本燃焼制御と、リーンバーン制御とを一緒に実施する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、基本燃焼制御のみを実行する場合において、比熱比κを空燃比と燃料性状とに応じて変化させる構成としてもよい。さらに、本発明は、基本燃焼制御と共にリーンバーン制御以外の制御を実施する構成にも広く適用することができる。

また、実施の形態では、比熱比κを用いる燃焼制御として、ＰＶ^κ法を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、燃焼状態の制御に比熱比κが関与する制御であれば、ＰＶ^κ法以外の任意の燃焼制御にも適用することができる。

また、実施の形態では、比熱比κの算出に用いる燃料性状として、燃料中のアルコール濃度を例に挙げて説明した。しかし、本発明はアルコール濃度に限らず、比熱比κに影響を与える燃料性状であれば、他の燃料性状でもよい。即ち、例えばハイオク、レギュラー、軽油等のような燃料の種類を燃料性状として取得し、燃料の種類に応じて比熱比κを変化させる構成としてもよい。

また、実施の形態では、筒内圧センサ４６を用いて各気筒の筒内圧を直接的に検出する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば筒内圧センサ４６を廃止し、特開２００７−３２５３１号公報等に記載されているような方法を用いて、各気筒の筒内圧を推定する構成としてもよい。

これと同様に、実施の形態では、燃料性状センサ４４によりアルコール濃度を検出し、Ａ／Ｆセンサ４８により排気空燃比を検出する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、内燃機関の運転状態が反映される各種のパラメータ等を用いて、燃料性状や空燃比をソフトウェア処理により取得する構成としてもよい。

本発明の実施の形態１によるシステム構成を示す全体構成図である。 図１中のセンサ系統、燃料タンク等を示す構成図である。 基本燃焼制御におけるＭＦＢの変化を示す特性線図である。 比熱比κの変化が計算値ＰＶ^κに与える影響を示す特性線図である。 比熱比κの変化がＭＦＢに与える影響を示す特性線図である。 比熱比κと空燃比との関係を示す特性線図である。 空燃比とアルコール濃度に対する比熱比κの特性を示す特性線図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１８ クランク軸
２０ 吸気通路
２２ 排気通路
２４ エアフローメータ
２６ スロットルバルブ
２８ スロットルモータ
３０ 燃料噴射弁
３２ 点火プラグ
３４ 吸気バルブ
３６ 排気バルブ
３８ 燃料タンク
４０ 燃料配管
４２ 給油センサ（給油検出手段）
４４ 燃料性状センサ（燃料性状取得手段）
４６ 筒内圧センサ
４８ Ａ／Ｆセンサ（排気空燃比取得手段）
５０ クランク角センサ
６０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 内燃機関の筒内で燃焼される燃料の性状を取得する燃料性状取得手段と、
   前記筒内の圧力及び容積を取得する筒内情報取得手段と、
   前記筒内から排出される排気ガスの空燃比を取得する排気空燃比取得手段と、
   前記燃料の性状と前記排気ガスの空燃比とを用いて前記筒内で燃焼されるガスの比熱比を算出する比熱比算出手段と、
   前記筒内の圧力及び容積と前記比熱比とを用いて前記ガスの燃焼状態が反映されたパラメータを算出し、当該算出値に応じて前記燃焼状態を制御する燃焼制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 理論空燃比よりもリーン状態の混合気を前記筒内で燃焼させるリーンバーン制御手段を備え、
   前記比熱比算出手段は、前記リーンバーン制御手段によりリーン化した排気ガスの空燃比に応じて前記比熱比を算出する構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記比熱比算出手段は、前記排気ガスの空燃比がリーン化するにつれて、前記比熱比を増大させる構成としてなる請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記燃料性状取得手段は、前記燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサであり、前記比熱比算出手段は、前記燃料中のアルコール濃度が高いほど、前記比熱比を減少させる構成としてなる請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 内燃機関のために貯留された前記燃料に対して、新しい燃料が給油されたことを検出する給油検出手段を備え、
   前記比熱比算出手段は、前記給油が検出されたときに、前記燃料性状取得手段により前記燃料の性状を検出し、当該検出結果に応じて前記比熱比を算出する構成としてなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記比熱比算出手段により算出した前記比熱比を複数回の燃焼サイクルにわたって平均する比熱比平均手段を備え、
   前記燃焼制御手段は、前記比熱比の平均値を用いて前記パラメータを算出する構成としてなる請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 内燃機関は複数気筒を備え、
   前記燃焼制御手段は、前記筒内情報取得手段により気筒別に取得された前記筒内の圧力及び容積に基づいて、前記各気筒の燃焼状態を気筒別に制御する構成としてなる請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記燃焼制御手段により算出されるパラメータは、前記筒内に吸気された燃料のうち燃焼した燃料の割合に対応する燃焼質量割合であり、前記燃焼制御手段は、前記比熱比を累乗の指数として前記筒内容積を累乗した値と、前記筒内圧との乗算値を用いて前記燃焼質量割合を算出する構成としてなる請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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