JP2015081584A - 圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混合気温度が適正化され、筒内圧力に基づいて推定される燃焼時期を現在の運転条件における所望の燃焼時期に精度良く制御することのできる圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置を得る。【解決手段】逆流させる内部ＥＧＲガス量と、吸気管壁および内部ＥＧＲガスの間の熱移動特性とを考慮した上で、吸気開弁時期を補正制御する構成を備え、不活性ガス量の変化に伴う燃焼速度の変化を招くことなく混合気から過剰な熱量を取り去るように吸気開弁時期を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一部の運転条件において、燃焼室内に形成された空気と燃料との混合気を、ピストンの圧縮作用によって自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置に関するものである。

圧縮自己着火内燃機関では、空気と燃料とが混ざり合って燃焼室内に形成される混合気が、ピストンで圧縮されることで自己着火温度に達し、燃焼室内空間の複数の箇所で同時多発的に燃焼が開始される。すなわち、従来のガソリン燃焼の内燃機関において、点火に用いられる火花放電は、圧縮自己着火内燃機関では不要である。

ここで、ピストンの圧縮による混合気温度の上昇は、断熱圧縮作用によるものである。そこで、より強い断熱圧縮作用を得て混合気温度を自己着火温度に到達させるために、圧縮自己着火内燃機関では、一般的に、従来の火花点火の内燃機関よりも、圧縮比が高く設定されている。しかしながら、常温の空気を多く含む混合気を、断熱圧縮作用だけで自己着火温度まで上昇させることは困難である。そこで、排気閉弁時期を進角側に調整することにより高温の排気ガスの一部（以下、内部ＥＧＲガスと称す）を残留させる等の手段を用いて、混合気の温度を従来の火花点火によるガソリン燃焼の内燃機関の場合よりも高くする工夫がなされている。

また、混合気温度を高温にすること自体は、上記のようにして比較的容易に実現される。しかしながら、混合気温度が必要以上に高温になると、燃焼速度が上昇して、ノッキングに類似した振動を伴う燃焼が発生し、混合気温度が必要以下の低温になると、着火が不安定になって失火が発生する。このため、混合気温度を常に適正な温度に制御する必要がある。

そして、混合気温度を制御する第１の従来技術として、計測した筒内圧力から推定した燃焼時期と、あらかじめ求めた現在の運転条件（運転状態）で適正な燃焼時期（目標の燃焼時期）との偏差に応じて、排気閉弁時期および吸気開弁時期を変更制御することで、内部ＥＧＲガス量を調整し、その後に燃焼室内に供給される新気（空気）と燃料とを、内部ＥＧＲガスと混合することで混合気温度を調整するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、具体的には、筒内圧力から推定した燃焼時期が現在の運転条件で適正な燃焼時期よりも進角している場合には、混合気温度を下げるために、排気閉弁時期を遅角側に、または吸気開弁時期を進角側に変更制御することで、内部ＥＧＲガスを減量する。一方、筒内圧力から推定した燃焼時期が現在の運転条件で適正な燃焼時期よりも遅角している場合には、混合気温度を上げるために、排気閉弁時期を進角側に、または吸気開弁時期を遅角側に変更制御することで、内部ＥＧＲガスを増量する。

また、混合気温度を制御する第２の従来技術として、内部ＥＧＲガス量には変化を与えずに混合気温度を変化させるために、内部ＥＧＲガスの一部を比較的低温である吸気管に逆流させることで冷却するものがある（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２では、具体的には、吸気管に逆流した内部ＥＧＲガスが新気によって冷却された後に、再び燃焼室内に戻ることで、混合気温度の上昇を抑制する。ここで、新気以外への熱の移動が無ければ、吸気管に逆流した内部ＥＧＲガスによって過熱された新気も同時に燃焼室に供給される。したがって、燃焼室内の熱量には何ら変わり無く、混合気温度にも変化が生じない。しかしながら、実際上、新気以外への熱の移動として、吸気管に逆流した内部ＥＧＲガスから吸気管壁への熱の移動、すなわち燃焼室の壁面よりも温度が低い吸気管壁による内部ＥＧＲガスの冷却が生じる。冷却された内部ＥＧＲガスは、吸気行程において新気とともに再び燃焼室に戻るので、内部ＥＧＲガス量が当初と変わらずに混合気温度だけが下がる。

特開２００５−１３９９８５号公報 特開２００９−１９７７４０号公報

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
特許文献１に記載の従来技術では、筒内圧力から推定した燃焼時期が現在の運転条件で適正な燃焼時期に対して進角している場合には内部ＥＧＲガス量を低減させ、遅角している場合には内部ＥＧＲガス量を増大させる制御を行うとともに、筒内圧力から推定した燃焼時期と現在の運転条件で適正な燃焼時期との偏差に応じて、制御量を補正することが開示されている。しかしながら、この制御量を具体的に決定する方法までは開示されていない。

さらに、内部ＥＧＲガス量を低減させることで燃焼時期が遅角化するが、混合気温度が下がったことによる燃焼速度低下と、不活性ガスである内部ＥＧＲガス量が低減したことによる燃焼速度向上が同時に作用する。したがって、実際上、燃焼時期が目標の燃焼時期になるように制御することが困難であるという問題がある。

また、特許文献２に記載の従来技術では、内燃機関の運転条件が高回転数および高負荷である場合において、その回転数あるいは負荷に応じて、吸気開弁時期を設定することが開示されている。しかしながら、この吸気開弁時期を具体的に設定する方法までは開示されていない。

さらに、吸気開弁時期の設定には内燃機関の回転数あるいは負荷が考慮されるにとどまっており、吸気管での冷却が必要な熱量に応じた制御と、吸気管あるいは吸気管内の内部ＥＧＲガスの状態によって変化する熱移動に応じた制御とがなされていない。したがって、吸気管での内部ＥＧＲガスの冷却が過剰になったり、不足したりして、混合気温度を適正に制御することが困難であり、結果として、過早燃焼または失火が発生する可能性があるという問題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、混合気温度が適正化され、燃焼時期を所望の燃焼時期に精度良く制御することのできる圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置を得ることを目的とする。

本発明における圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置は、燃焼室内に形成された混合気を、ピストンの圧縮作用によって自己着火させることが可能であり、クランク角度を検出するクランク角度検出部と、気筒内の圧力である筒内圧力を検出する筒内圧力検出部と、吸気管内の壁面温度を検出する吸気管内壁面温度検出部と、燃焼室内に残留した内部ＥＧＲガスの温度を検出する内部ＥＧＲガス温度検出部と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数算出部と、エンジン負荷を算出するエンジン負荷算出部と、を有する圧縮自己着火内燃機関に対して、燃焼制御を実行するための燃焼制御装置であって、吸気弁および排気弁のそれぞれの開弁時期および閉弁時期を可変調整する可変バルブタイミング制御部とクランク角度検出部が検出したクランク角度と、筒内圧力検出部が検出した筒内圧力とに基づいて、燃焼時期を検出する燃焼時期検出部と、エンジン回転数およびエンジン負荷と、目標燃焼時期とが関連付けられた第１のデータマップから、エンジン回転数算出部が算出したエンジン回転数およびエンジン負荷算出部が算出したエンジン負荷に対応する目標燃焼時期を抽出する目標燃焼時期抽出部と、燃焼時期検出部が検出した燃焼時期と、目標燃焼時期抽出部が抽出した目標燃焼時期との偏差である燃焼時期偏差を算出する燃焼時期偏差算出部と、燃焼時期偏差算出部が算出した燃焼時期偏差がゼロとなるように、内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量を推定する熱量推定部と、内部ＥＧＲガス温度検出部が検出した内部ＥＧＲガスの温度と、吸気管内壁面温度検出部が検出した壁面温度との温度差である吸気管内壁面温度差を算出する吸気管内壁面温度差算出部と、吸気管内壁面温度差算出部が算出した吸気管内壁面温度差と、熱量推定部が推定した熱量とに基づいて、吸気管へ逆流させる内部ＥＧＲガス量として、逆流内部ＥＧＲガス量を推定する逆流内部ＥＧＲガス量推定部と、逆流内部ＥＧＲガス量と、吸気開弁時期補正量とが関連付けられた第２のデータマップから、逆流内部ＥＧＲガス量推定部が推定した逆流内部ＥＧＲガス量に対応する吸気開弁時期補正量を抽出する吸気開弁時期補正量抽出部と、を備え、可変バルブタイミング制御部は、燃焼時期偏差算出部が算出した燃焼時期偏差の絶対値があらかじめ設定した定数よりも大きい場合に、吸気開弁時期補正量抽出部が抽出した吸気開弁時期補正量に基づいて、吸気弁の開弁時期を変更するものである。

本発明によれば、熱移動特性を考慮した上で、吸気開弁時期を補正制御する構成を備え、不活性ガス量の変化に伴う燃焼速度の変化を招くことなく混合気から過剰な熱量を取り去るように吸気開弁時期を制御することで、混合気温度が適正化され、燃焼時期を所望の燃焼時期に精度良く制御することのできる圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における圧縮自己着火内燃機関の概略を示す構成図である。 本発明の実施の形態１において、クランク角度に対する熱発生率の変化を示す説明図である。 本発明の実施の形態１において、クランク角度に対する燃焼室内の混合気の温度変化を示す説明図である。 本発明の実施の形態１において、推定した吸気管に逆流させる内部ＥＧＲガス量に対する吸気開弁時期補正量を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における圧縮自己着火内燃機関の一連の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、圧力差に対する熱伝達率補正量を示す説明図である。

以下、本発明による圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、この内燃機関は、点火プラグを備え、一部の運転条件において、燃焼室内に形成された空気と燃料との混合気を、ピストンの圧縮作用によって自己着火させるものであってもよい。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における圧縮自己着火内燃機関の概略を示す構成図である。なお、車両等の駆動に用いられる内燃機関は、一般的に複数個の燃焼室を有しているが、ここでは、動作の説明を簡素化するために、複数個のうちの１つの燃焼室のみの構成を示している。

図１に示した本実施の形態１における圧縮自己着火内燃機関は、クランク軸１、コネクティングロッド２、ピストン３、シリンダ４、燃焼室５、吸気弁６、吸気管７、排気弁８、動弁機構９（リフト可変機構１０および位相可変機構１１）、エンジン制御部（ＥＣＵ）１２、動弁機構制御部１３、燃料噴射弁１４、燃料供給管１５、燃料噴射制御部１６、排気管１７、クランク角度センサ（クランク角度検出部）１８、筒内圧力センサ（筒内圧力検出部）１９、排気温度センサ２０（内部ＥＧＲガス温度検出部）、吸気管内壁面温度センサ（吸気管内壁面温度検出部）２１、吸気圧力センサ２２（吸気圧力検出部）を備える。

エンジン制御部１２は、圧縮自己着火内燃機関全体を統括制御するとともに、エンジン回転数算出部１０１、エンジン負荷算出部１０２、可変バルブタイミング制御部１０３、燃焼時期検出部１０４、目標燃焼時期抽出部１０５、燃焼時期偏差算出部１０６、熱量推定部１０７、吸気管内壁面温度差算出部１０８、逆流内部ＥＧＲガス量推定部１０９、吸気開弁時期補正量抽出部１１０、熱伝達率抽出部１１１、伝熱量推定部１１２、および記憶部（図示せず）を含んで構成されている。

また、エンジン制御部１２の記憶部には、目標燃焼時期、燃料密度、熱伝達率、各物質の分子量、各物質のガス定数、各物質の比熱比、空燃比、各物質の比熱、推定した逆流させる内部ＥＧＲガス量と吸気開弁時期補正量とが関連付けられたデータマップＡ、および圧力差と熱伝達率補正量とが関連付けられたデータマップＢが格納されたデータベースが記憶されている。

次に、本実施の形態１における圧縮自己着火内燃機関の動作について説明する。本実施の形態１における圧縮自己着火内燃機関は、４サイクル内燃機関であり、「吸気」、「圧縮」、「膨張」、「排気」の４つの行程を順に繰り返す。また、クランク軸１の回転とコネクティングロッド２の作用によりピストン３がシリンダ４に沿って往復移動することで燃焼室５の容積が変化する。

まず、吸気工程では、ピストン３が最も押し込まれた状態付近から吸気弁６が徐々に開き、ピストン３が引き抜かれることで、吸気管７を介して燃焼室５に空気が吸入される。圧縮自己着火内燃機関では、この吸気行程中に、燃料噴射弁１４から、燃料が燃焼室５に噴射供給される。

なお、燃料は、燃料供給管１５を介して、燃料昇圧ポンプ（図示せず）等で１００〜２００気圧程度に加圧されて供給される。燃料の噴射供給は、エンジン制御部１２内での演算処理によって決定された噴射量および噴射時期の制御情報を、燃料噴射制御部１６が受け取って、燃料噴射弁１４に駆動エネルギーを供給することで制御される。

ここで、吸気弁６および排気弁８は、動弁機構９のカム軸により、クランク軸１の回転に同期して駆動するようになっている。また、動弁機構９には、吸気側および排気側にそれぞれバルブリフト量を連続的に変更可能な公知のリフト可変機構１０と、バルブリフトのクランク回転に対する位相角を連続的に変更可能な公知の位相可変機構１１とが組み込まれている。

また、バルブリフト量および位相角は、エンジン制御部１２内の可変バルブタイミング制御部１０３での演算処理によって決定された吸排気弁開閉時期の制御情報を、動弁機構制御部１３が受け取って、リフト可変機構１０および位相可変機構１１に駆動エネルギーを供給することで制御される。換言すると、動弁機構制御部１３は、この制御情報に基づいて、リフト可変機構１０および位相可変機構１１に駆動エネルギーを供給し、リフト可変機構１０および位相可変機構１１を作動させる。これにより、動弁機構制御部１３は、吸気弁６および排気弁８のリフト特性（すなわち、バルブリフト量および位相角）を変更することができ、燃焼室５への吸気の充填量および内部ＥＧＲガス量を調整することができる。

続いて、圧縮工程では、ピストン３が引き抜かれる途中から吸気弁６が徐々に閉じ始め、ピストン３が再び押し込まれ始めた付近で吸気弁６が完全に閉じると、燃焼室５に吸入された空気と燃料とが、混合を継続しながら圧縮される。

火花点火によって燃焼を開始させる従来のガソリン燃焼の内燃機関では、その後、ピストン３が最も押し込まれる少し前に、点火プラグ等により、空気と燃料との混合気の燃焼を開始させる。一方、圧縮自己着火内燃機関では、断熱圧縮によって、空気と燃料との混合気を、その温度が上昇して自己着火するまで、ピストン３によって強く圧縮することで、燃焼を開始させる。

続いて、膨張行程では、燃焼が開始されると、燃焼室５内の圧力が急上昇してピストン３を押し戻す力が作用するので、コネクティングロッド２によって、クランク軸１に回転力を生じさせる。

続いて、排気工程では、ピストン３が最も押し戻される付近から排気弁８が徐々に開き、押し戻されるピストン３によって、燃焼で発生した高温高圧の燃焼ガスが燃焼室５内から排気管１７を介して排気される。

次に、エンジン制御部１２内の燃焼時期検出部１０４による燃焼時期θ_ａの検出について、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の実施の形態１において、クランク角度θに対する熱発生率ｄＱ／ｄθの変化を示す説明図である。

ここで、図２に示す熱発生率ｄＱ／ｄθ（以下、単に熱発生率と称す）は、例えば、気筒内の圧力である筒内圧力Ｐを用いた下式（１）によって算出される。

なお、上式（１）において、Ｐは筒内圧力、θはクランク角度、Ｖは燃焼室容積、κは混合気の比熱比を示す。また、筒内圧力Ｐは、筒内圧力センサ１９によって検出され、クランク角度θは、クランク角度センサ１８によって検出される。さらに、混合気の比熱比κは、エンジン制御部１２内のデータベースから抽出される。

また、図２に示すように、クランク角度θの値がθ_ａ以上となれば、熱発生率が増加し始める。このような熱発生率の増加は、燃焼室５内で燃焼が発生するとともに、燃焼が拡大していることを示している。すなわち、熱発生率が増加し始めるクランク角度θ_ａは、燃焼が開始された時期として扱うことができる。したがって、燃焼時期検出部１０４は、熱発生率が増加し始めるクランク角度θ_ａを、現在の運転条件における燃焼時期θ_ａとして検出する。

また、現在の運転条件における燃焼時期θ_ａに対して、同じ運転条件における所望の（適正な）燃焼時期を目標燃焼時期θ_ｂとする。この目標燃焼時期θ_ｂは、現在の運転条件におけるエンジン回転数およびエンジン負荷に基づいて算出される。具体的には、エンジン回転数算出部１０１は、クランク角度センサ１８からの検出値に基づいてエンジン回転数を算出するとともに、エンジン負荷算出部１０２は、エンジン制御部１２内で演算された燃料噴射量に基づいてエンジン負荷を算出する。そして、目標燃焼時期抽出部１０５は、あらかじめ設けられたデータマップから、算出したエンジン回転数およびエンジン負荷に対応する目標燃焼時期θ_ｂを抽出する。なお、このデータマップは、エンジン回転数およびエンジン負荷と、目標燃焼時期θ_ｂとが関連付けられたものであり、実験等を行うことであらかじめ設定しておくことができる。

次に、エンジン制御部１２内の熱量推定部１０７による混合気に与えるべき温度変化量ΔＴの推定について、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施の形態１において、クランク角度θに対する燃焼室５内の混合気の温度変化を示す説明図である。

ここで、熱量推定部１０７は、燃焼時期偏差算出部１０６が算出する燃焼時期θ_ａと目標燃焼時期θ_ｂとの偏差（以下、燃焼時期偏差Δθと称す）がゼロとなるように制御すべく、内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量Ｑを推定する。熱量推定部１０７は、この途中のプロセスとして、熱量Ｑに対応する温度変化量ΔＴを推定する。

図３において、特性曲線（１）は、現在の運転条件における燃焼室５内の混合気の温度変化を示したものに相当する。また、特性曲線（１）において、現在の燃焼時期θ_ａに対応する燃焼室５内の混合気温度をＴ_１とする。

さらに、図３において、特性曲線（２）は、目標燃焼時期θ_ｂで燃焼室５内の混合気温度がＴ_１となる混合気の断熱変化を仮定したものに相当する。また、特性曲線（２）において、現在の燃焼時期θ_ａに対応する燃焼室５内の混合気温度をＴ_２とする。

ここで、現在の運転条件における燃焼時期を最適化するには、燃焼時期θ_ａを燃焼時期偏差Δθだけずらすことで、燃焼時期θ_ａが目標燃焼時期θ_ｂに一致するようにすればよい。すなわち、特性曲線（１）が目標燃焼時期θ_ｂで燃焼室５内の混合気温度がＴ_１となる温度変化特性（特性曲線（２））になるように合わせ込むために、Ｔ_１とＴ_２との偏差である温度変化量ΔＴを混合気に与えればよい。

続いて、温度変化量ΔＴを推定する手順を説明する。まず、現在の運転条件における燃焼時期θ_ａでの燃焼室５内の混合気温度Ｔ_１を推定する。なお、燃焼室５内の混合気温度Ｔ_１は、目標燃焼時期θ_ｂにおける燃焼室５内の混合気温度でもあり、目標燃焼時期θ_ｂで燃焼室５内の混合気温度Ｔ_１となる混合気は、特性曲線（２）に示すような温度特性を持つ。

したがって、燃焼時期θ_ａにおける燃焼室５内の混合気温度がＴ_２である混合気は、目標燃焼時期θ_ｂで燃焼室５内の混合気温度Ｔ_１となる混合気（すなわち、特性曲線（２）で示される混合気）と同じであり、断熱変化の関係から、Ｔ_２を、Ｔ_１を用いて推定することができる。これにより、Ｔ_１とＴ_２との偏差である温度変化量ΔＴを推定することができる。

具体的には、はじめに、現在の運転条件における燃焼室５内の混合気の温度特性から、燃焼時期θ_ａにおける燃焼室５内の混合気温度Ｔ_１を推定する。Ｔ_１は、燃焼時期θ_ａにおける筒内圧力Ｐ_θａ、燃焼時期θ_ａにおける燃焼室容積Ｖ_θａ、内部ＥＧＲガスのモル数Ｎ_ｅｇｒ、吸入空気のモル数Ｎ_ａｉｒ、ガス定数Ｒ（Ｒ_ｅｇｒおよびＲ_ａｉｒ）を用いると、下式（２）のように推定される。

なお、ガス定数Ｒは、エンジン制御部１２内のデータベースから抽出される。また、内部ＥＧＲガスのモル数Ｎ_ｅｇｒは、排気閉弁時期の筒内圧力、燃焼室容積および排気温度センサ２０が検出した排気温度と、ガス定数Ｒとに基づいて算出される。さらに、吸入空気のモル数Ｎ_ａｉｒは、エンジン制御部１２にあらかじめ設けられたデータベースから抽出された空燃比、空気の分子量および燃料密度と、エンジン回転数と、燃料噴射量とに基づいて算出される。

また、ポワソンの法則から、断熱変化における燃焼室容積Ｖおよび混合気温度Ｔについて、混合気の比熱比をκとすると、下式（３）の関係が成り立つ。

また、上式（３）を用いると、Ｔ_２は、下式（４）のように推定される。なお、Ｖ_θｂは、目標燃焼時期θ_ｂにおける燃焼室容積である。

また、上式（２）および上式（４）を用いると、混合気に与えるべき温度変化量ΔＴは、下式（５）のように推定される。

次に、熱量推定部１０７による内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量Ｑの推定と、逆流内部ＥＧＲガス量推定部１０９による逆流させる内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅ（以下、逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅと称す）の推定とについて説明する。

ここで、エンジン制御部１２は、温度変化量ΔＴを混合気に与えるべく、内部ＥＧＲガスから熱量Ｑを取り去る。また、エンジン制御部１２は、内部ＥＧＲガスから熱量Ｑを取り去るべく、吸気管７に推定した逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅだけ内部ＥＧＲガスを逆流させる。

内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量Ｑは、各物質の比熱Ｃ（Ｃ_ｅｇｒおよびＣ_ａｉｒ）、内部ＥＧＲガスのモル数Ｎ_ｅｇｒ、吸入空気のモル数Ｎ_ａｉｒ、混合気に与えるべき温度変化量ΔＴを用いると、下式（６）のように推定される。なお、各物質の比熱Ｃは、エンジン制御部１２内のデータベースから抽出される。

また、内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量Ｑは、吸気管７内に逆流した内部ＥＧＲガスから熱が吸気管壁面に移動することで取り去ることができる。逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅは、内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量Ｑを用いると、下式（７）のように推定される。

なお、上式（７）中の吸気管内壁面温度差ΔＴ_ｉｎは、排気温度センサ２０で検出される排気閉弁時期の排気温度Ｔ_ｅｖｃ（燃焼室５内に残留した内部ＥＧＲガスの温度に相当）と、吸気管内壁面温度センサ２１で検出される吸気管内壁面温度Ｔ_ｉｎとの温度差であり、吸気管内壁面温度差算出部１０８によって算出される。

続いて、図４は、本発明の実施の形態１において、推定した逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅに対する吸気開弁時期補正量を示す説明図である。換言すると、図４は、前述したデータベースに格納されているデータマップＡに相当する。なお、このデータマップＡは、逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅおよび後述する伝熱量ｄＱと、吸気開弁時期補正量とが関連付けられたものであり、実験等を行うことであらかじめ設定しておくことができる。

逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅから吸気管壁面に移動する熱量は、吸気管７内の状態によって異なる。したがって、推定した逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅだけでなく、吸気管７内に逆流させた内部ＥＧＲガスから吸気管壁面に移動する伝熱量ｄＱをさらに考慮して、吸気開弁時期を補正するように設定することが好ましい。

ここで、単位時間あたりに吸気管７内に逆流した内部ＥＧＲガスから吸気管壁面に移動する伝熱量ｄＱは、吸気管内壁面有効面積Ａ、熱伝達率ｈ、温度差ΔＴ_ｉｎを用いると、下式（８）のように推定される。

なお、吸気管内壁面有効面積Ａは、吸気管７の形状によって設定されるので、運転条件によらず一定であるが、熱伝達率ｈおよび温度差ΔＴ_ｉｎは、運転条件により変化する。

また、熱伝達率抽出部１１１は、あらかじめ設けられたデータマップから、エンジン回転数算出部１０１が算出したエンジン回転数および吸気管内壁面温度差算出部１０８が算出した吸気管内壁面温度差ΔＴ_ｉｎに対応する熱伝達率ｈを抽出する。なお、このデータマップは、エンジン回転数および吸気管内壁面温度差ΔＴ_ｉｎと、熱伝達率ｈとが関連付けられたものであり、実験等を行うことであらかじめ設定しておくことができる。

さらに、伝熱量推定部１１２は、熱伝達率抽出部１１１が抽出した熱伝達率ｈと、吸気管内壁面温度差算出部１０８が算出した吸気管内壁面温度差ΔＴ_ｉｎとに基づいて、上式（８）にしたがって、伝熱量ｄＱを推定する。図４の特性曲線は、各伝熱量における逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅに対する吸気開弁時期補正量を示す。図４において、伝熱量ｄＱが大きいほど、逆流内部ＥＧＲガスの単位時間あたりの伝熱量が大きい。

したがって、推定した逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅの値が正（増量側）の場合には、伝熱量ｄＱが大きいほど、同じ逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅの値に対して、吸気開弁時期を進角側に補正する量が、より小さい値として設定されるように補正制御する。また、推定した逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅの値が負（減量側）の場合には、伝熱量ｄＱが大きいほど、同じ逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅの値に対して、吸気開弁時期を遅角側に補正する量が、より小さい値として設定されるように補正制御する。

ただし、逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅが少な過ぎると、逆流内部ＥＧＲガスがもつ熱量自体が少ないので、逆流内部ＥＧＲガスがもつ熱量に対する吸気管壁面に移動した熱量の割合が大きくなり、逆流内部ＥＧＲガスの温度が大きく低下して温度差ΔＴ_ｉｎが減少する。

上式（８）より温度差ΔＴ_ｉｎが減少すると、伝熱量ｄＱも減少するので、吸気管７内に滞留している間に内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量Ｑだけの熱量すべてを吸気管壁面に移動できない。このようなことを回避するために、図４の吸気開弁時期補正量は、逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅと伝熱量ｄＱとに応じて、温度差ΔＴ_ｉｎの減少が抑制されるようにすることも考慮して設定されている。

そして、吸気開弁時期補正量抽出部１１０は、図４から、逆流内部ＥＧＲガス量推定部１０９が推定した逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅおよび伝熱量推定部１１２が推定した伝熱量ｄＱに対応する吸気開弁時期補正量を抽出する。そして、可変バルブタイミング制御部１０３は、この吸気開弁時期補正量に基づいて、位相可変機構１１により吸気開弁時期を変更（補正）制御することで燃焼時期を適正化する。

なお、前述したように、吸気開弁時期を補正するように設定する場合に、逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅだけでなく、伝熱量ｄＱを考慮する方がより燃焼時期を適正化することができるので好ましい。ただし、伝熱量ｄＱを考慮しなくても、吸気開弁時期を補正することによる効果を得ることはできる。このような場合、伝熱量ｄＱを算出する必要がなく、データマップＡについても逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅと、吸気開弁時期補正量とが関連付けられたものであればよい。

次に、本発明の実施の形態１における圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置の一連の動作について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態１における圧縮自己着火内燃機関の一連の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１００において、燃焼時期検出部１０４は、筒内圧力センサ１９が検出した筒内圧力Ｐに基づいて、熱発生率を算出する。そして、燃焼時期検出部１０４は、算出した熱発生率が増加し始める時期を、燃焼時期θ_ａとして検出し、ステップＳ１０１へと進む。

ステップＳ１０１において、目標燃焼時期抽出部１０５は、算出されたエンジン回転数およびエンジン負荷に対応する目標燃焼時期θ_ｂを、あらかじめ設定した燃焼時期のデータマップから抽出し、ステップＳ１０２へと進む。

ステップＳ１０２において、燃焼時期偏差算出部１０６は、ステップＳ１００で検出された燃焼時期θ_ａと、ステップＳ１０１で抽出された目標燃焼時期θ_ｂとに基づいて、燃焼時期偏差Δθを算出し、ステップＳ１０３へと進む。

ステップＳ１０３において、燃焼時期偏差算出部１０６は、燃焼時期偏差Δθの絶対値｜Δθ｜があらかじめ設定した定数αよりも大きいか否かを判定し、絶対値｜Δθ｜が定数αよりも大きい場合には、ステップＳ１０４へと進み、絶対値｜Δθ｜が定数α未満である場合には、ステップＳ１００へと戻る。

ここで、絶対値｜Δθ｜が微小であった場合、吸気開弁時期の補正制御を行うことでハンチングを起こす可能性があるので、それを防ぐためにあらかじめ不感帯を設けている。そして、ハンチングが起こらない絶対値｜Δθ｜の最小の値を定数αとして、｜Δθ｜が定数αより大きい場合にのみ、吸気開弁時期の補正制御を実施している。なお、あらかじめ設定する定数αは、例えば、クランク角度で０．５ｄｅｇとして運用し、ハンチングが起こるようであれば０＜α≦３．０の範囲で定数αを変更すればよい。

ステップＳ１０４において、熱量推定部１０７は、燃焼時期θ_ａに対応する筒内圧力Ｐ_θａおよび燃焼室容積Ｖ_θａと、目標燃焼時期θ_ｂに対応する燃焼室容積Ｖ_θｂとに基づいて、混合気に与えるべき温度変化量ΔＴを推定し、ステップＳ１０５へと進む。

ステップＳ１０５において、熱量推定部１０７は、ステップＳ１０４で推定された混合気に与えるべき温度変化量ΔＴに基づいて、内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量Ｑを推定し、ステップＳ１０６へと進む。

ステップＳ１０６において、逆流内部ＥＧＲガス量推定部１０９は、ステップＳ１０５で推定された内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量Ｑに基づいて、逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅを推定し、ステップＳ１０７へと進む。

ステップＳ１０７において、熱伝達率抽出部１１１は、エンジン回転数と、吸気管内壁面温度差ΔＴ_ｉｎとに対応する熱伝達率ｈを、データベースから抽出し、ステップＳ１０８へと進む。

ステップＳ１０８において、伝熱量推定部１１２は、ステップＳ１０７で抽出された熱伝達率ｈと、吸気管内壁面温度差ΔＴ_ｉｎと、吸気管内壁面有効面積Ａとに基づいて、伝熱量ｄＱを推定し、ステップＳ１０９へと進む。

ステップＳ１０９において、吸気開弁時期補正量抽出部１１０は、ステップＳ１０８で推定された伝熱量ｄＱに基づいて、吸気管７へ逆流させる内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅに対して伝熱量ｄＱに応じた吸気開弁時期補正量の関係（データマップＡ）から吸気開弁時期補正量を抽出してステップＳ１１０へと進む。

ステップＳ１１０において、可変バルブタイミング制御部１０３は、ステップＳ１０９で抽出された吸気開弁時期補正量に基づいて、位相可変機構１１に対して吸気開弁時期を補正するように指令し、ステップＳ１００へと戻る。

以上のように、本実施の形態１によれば、筒内圧力に基づいて推定される燃焼時期と、現在の運転条件における目標燃焼時期との偏差に基づいて混合気に与えるべき温度変化量を算出し、内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量を温度変化量と混合気量との関係から推定する。さらに、推定した内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量に応じて吸気管へ逆流させる内部ＥＧＲガス量を推定し、逆流させる内部ＥＧＲガス量と、吸気管壁および内部ＥＧＲガスの間の熱移動特性とを考慮した上で、吸気開弁時期を補正制御する。したがって、不活性ガス量の変化に伴う燃焼速度の変化を招くことなく、混合気から過剰な熱量を取り去るように吸気開弁時期を補正制御することで混合気温度が適正化され、燃焼時期を所望の燃焼時期に精度よく制御することができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、熱伝達率ｈを変更（補正）しない場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、熱伝達率ｈを圧力差ΔＰに基づいて変更（補正）する場合について説明する。なお、本実施の形態２における圧縮自己着火内燃機関の構成は、先の実施の形態１のものと同様であるので、説明を省略する。

ここで、本実施の形態２では、クランク角度センサ１８および筒内圧力センサ１９によって検出される吸気開弁時期の筒内圧力Ｐ_ｉｖｏと、クランク角度センサ１８および吸気圧力センサ２２によって検出される吸気開弁時期の吸気圧力（吸気管７内の圧力）Ｐ_{ｉｎｉｖｏ}との圧力差ΔＰ（Ｐ_ｉｖｏ−Ｐ_{ｉｎｉｖｏ}）に基づいて熱伝達率ｈを補正する。そして、本実施の形態２は、補正した熱伝達率ｈに応じて推定した伝熱量ｄＱに基づいて、吸気開弁時期を補正することを技術的特徴としている。なお、熱伝達率ｈの補正は、エンジン制御部１２内の熱伝達率変更部（図示せず）によって行われる。

図６は、本発明の実施の形態２において、圧力差ΔＰに対する熱伝達率補正量を示す説明図である。換言すると、図６は、前述したデータベースに格納されているデータマップＢに相当する。なお、このデータマップＢは、圧力差ΔＰと、熱伝達率補正量とが関連付けられたものであり、実験等を行うことであらかじめ設定しておくことができる。

ここで、圧力差ΔＰは、大きいほど単位時間あたりに吸気管７内に逆流させる内部ＥＧＲガス量が増加し、吸気管７内で内部ＥＧＲガスの対流が大きくなる。この場合、熱伝達率ｈは、流体の対流が大きく流速が速いほど高くなるので、圧力差ΔＰに応じて熱伝達率ｈを補正することが好ましい。具体的には、熱伝達率ｈの補正は、圧力差ΔＰに基づいて、図６に示すような、圧力差ΔＰと熱伝達率補正量との関係から抽出した熱伝達率補正量に応じて行う。

また、本実施の形態２における圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置について、先の実施の形態１における燃焼制御装置の一連の動作と異なる点は、ステップＳ１０７で熱伝達率ｈを抽出した後、抽出した熱伝達率ｈを圧力差ΔＰに基づいて補正するという処理を実行してからステップＳ１０８を実行する点である。

すなわち、本実施の形態２における圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置は、先の図５におけるステップＳ１００〜ステップＳ１０６を先の実施の形態１と同様に実行する。そして、先の図５におけるステップＳ１０７において、熱伝達率抽出部１１１は、熱伝達率ｈを抽出し、ステップＳ１０８を実行する前に、熱伝達率変更部は、ステップＳ１０７で抽出された熱伝達率ｈを圧力差ΔＰに基づいて補正する。

続いて、熱伝達率変更部による熱伝達率ｈの補正が完了すれば、先の実施の形態１と同様に、ステップＳ１０８において、伝熱量推定部１１２は、補正した熱伝達率ｈに基づいて伝熱量ｄＱを推定し、ステップＳ１０９において、吸気開弁時期補正量抽出部１１０は、逆流内部ＥＧＲガス量Ｎ_ｒｅと伝熱量ｄＱとに基づいて吸気開弁時期補正量を抽出し、ステップＳ１１０において、可変バルブタイミング制御部１０３は、位相可変機構１１に対して吸気開弁時期を補正するように指令し、ステップＳ１００へと戻るというフローで全体の制御が実行される。

このように、圧力差ΔＰに基づいて抽出した熱伝達率補正量に応じて熱伝達率ｈを補正することで、伝熱量ｄＱの推定精度を向上することができる。したがって、混合気から過剰な熱量を取り去るべく吸気開弁時期補正量を精度よく抽出することができるので、燃焼時期を所望の燃焼時期に制御する精度を向上させることができる。

以上、本実施の形態２によれば、圧力差ΔＰを考慮することで、内部ＥＧＲガスとの間の熱移動特性に対する推定精度が向上して、先の実施の形態１による効果をさらに高めることができる。

１ クランク軸、２ コネクティングロッド、３ ピストン、４ シリンダ、５ 燃焼室、６ 吸気弁、７ 吸気管、８ 排気弁、９ 動弁機構、１０ リフト可変機構、１１ 位相可変機構、１２ エンジン制御部、１３ 動弁機構制御部、１４ 燃料噴射弁、１５ 燃料供給管、１６ 燃料噴射制御部、１７ 排気管、１８ クランク角度センサ、１９ 筒内圧力センサ、２０ 排気温度センサ、２１ 吸気管内壁面温度センサ、２２ 吸気圧力センサ、１０１ エンジン回転数算出部、１０２ エンジン負荷算出部、１０３ 可変バルブタイミング制御部、１０４ 燃焼時期検出部、１０５ 目標燃焼時期抽出部、１０６ 燃焼時期偏差算出部、１０７ 熱量推定部、１０８ 吸気管内壁面温度差算出部、１０９ 逆流内部ＥＧＲガス量推定部、１１０ 吸気開弁時期補正量抽出部、１１１ 熱伝達率抽出部、１１２ 伝熱量推定部。

本発明における圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置は、燃焼室内に形成された混合気を、ピストンの圧縮作用によって自己着火させることが可能であり、クランク角度を検出するクランク角度検出部と、気筒内の圧力である筒内圧力を検出する筒内圧力検出部と、吸気管内の壁面温度を検出する吸気管内壁面温度検出部と、燃焼室内に残留した内部ＥＧＲガスの温度を検出する内部ＥＧＲガス温度検出部と、エンジン回転数を算出するエンジン回転数算出部と、エンジン負荷を算出するエンジン負荷算出部と、を有する圧縮自己着火内燃機関に対して、燃焼制御を実行するための燃焼制御装置であって、吸気弁および排気弁のそれぞれの開弁時期および閉弁時期を可変調整する可変バルブタイミング制御部とクランク角度検出部が検出したクランク角度と、筒内圧力検出部が検出した筒内圧力とに基づいて、燃焼時期を検出する燃焼時期検出部と、エンジン回転数およびエンジン負荷と、目標燃焼時期とが関連付けられた第１のデータマップから、エンジン回転数算出部が算出したエンジン回転数およびエンジン負荷算出部が算出したエンジン負荷に対応する目標燃焼時期を抽出する目標燃焼時期抽出部と、燃焼時期検出部が検出した燃焼時期と、目標燃焼時期抽出部が抽出した目標燃焼時期との偏差である燃焼時期偏差を算出する燃焼時期偏差算出部と、燃焼時期偏差算出部が算出した燃焼時期偏差がゼロとなるように、内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量を推定する熱量推定部と、内部ＥＧＲガス温度検出部が検出した内部ＥＧＲガスの温度と、吸気管内壁面温度検出部が検出した壁面温度との温度差である吸気管内壁面温度差を算出する吸気管内壁面温度差算出部と、吸気管内壁面温度差算出部が算出した吸気管内壁面温度差と、熱量推定部が推定した熱量とに基づいて、吸気管へ逆流させる内部ＥＧＲガス量として、逆流内部ＥＧＲガス量を推定する逆流内部ＥＧＲガス量推定部と、逆流内部ＥＧＲガス量と、吸気開弁時期補正量とが関連付けられた第２のデータマップから、逆流内部ＥＧＲガス量推定部が推定した逆流内部ＥＧＲガス量に対応する吸気開弁時期補正量を抽出する吸気開弁時期補正量抽出部と、を備え、可変バルブタイミング制御部は、燃焼時期偏差算出部が算出した燃焼時期偏差の絶対値があらかじめ設定した定数よりも大きい場合に、吸気開弁時期補正量抽出部が抽出した吸気開弁時期補正量に基づいて、吸気弁の開弁時期を変更するものである。

Claims (3)

1. 燃焼室内に形成された混合気を、ピストンの圧縮作用によって自己着火させることが可能であり、
   クランク角度を検出するクランク角度検出部と、
   気筒内の圧力である筒内圧力を検出する筒内圧力検出部と、
   吸気管内の壁面温度を検出する吸気管内壁面温度検出部と、
   前記燃焼室内に残留した内部ＥＧＲガスの温度を検出する内部ＥＧＲガス温度検出部と、
   エンジン回転数を検出するエンジン回転数算出部と、
   エンジン負荷を算出するエンジン負荷算出部と、
   を有する圧縮自己着火内燃機関に対して、燃焼制御を実行するための燃焼制御装置であって、
   吸気弁および排気弁のそれぞれの開弁時期および閉弁時期を可変調整する可変バルブタイミング制御部と
   前記クランク角度検出部が検出した前記クランク角度と、前記筒内圧力検出部が検出した前記筒内圧力とに基づいて、燃焼時期を検出する燃焼時期検出部と、
   前記エンジン回転数および前記エンジン負荷と、目標燃焼時期とが関連付けられた第１のデータマップから、前記エンジン回転数算出部が算出した前記エンジン回転数および前記エンジン負荷算出部が算出した前記エンジン負荷に対応する目標燃焼時期を抽出する目標燃焼時期抽出部と、
   前記燃焼時期検出部が検出した燃焼時期と、前記目標燃焼時期抽出部が抽出した前記目標燃焼時期との偏差である燃焼時期偏差を算出する燃焼時期偏差算出部と、
   前記燃焼時期偏差算出部が算出した前記燃焼時期偏差がゼロとなるように、内部ＥＧＲガスから取り去るべき熱量を推定する熱量推定部と、
   前記内部ＥＧＲガス温度検出部が検出した前記内部ＥＧＲガスの温度と、前記吸気管内壁面温度検出部が検出した前記壁面温度との温度差である吸気管内壁面温度差を算出する吸気管内壁面温度差算出部と、
   前記吸気管内壁面温度差算出部が算出した前記吸気管内壁面温度差と、前記熱量推定部が推定した前記熱量とに基づいて、前記吸気管へ逆流させる内部ＥＧＲガス量として、逆流内部ＥＧＲガス量を推定する逆流内部ＥＧＲガス量推定部と、
   前記逆流内部ＥＧＲガス量と、吸気開弁時期補正量とが関連付けられた第２のデータマップから、前記逆流内部ＥＧＲガス量推定部が推定した前記逆流内部ＥＧＲガス量に対応する前記吸気開弁時期補正量を抽出する吸気開弁時期補正量抽出部と、
   を備え、
   前記可変バルブタイミング制御部は、
   前記燃焼時期偏差算出部が算出した前記燃焼時期偏差の絶対値があらかじめ設定した定数よりも大きい場合に、前記吸気開弁時期補正量抽出部が抽出した前記吸気開弁時期補正量に基づいて、前記吸気弁の開弁時期を変更する
   圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置。
2. 請求項１に記載の圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記エンジン回転数および前記吸気管内壁面温度差と、熱伝達率とが関連付けられた第３のデータマップから、前記エンジン回転数算出部が算出した前記エンジン回転数および前記吸気管内壁面温度差算出部が算出した前記吸気管内壁面温度差に対応する熱伝達率を抽出する熱伝達率抽出部と、
   前記熱伝達率抽出部が抽出した前記熱伝達率と、前記吸気管内壁面温度差算出部が算出した前記吸気管内壁面温度差とに基づいて伝熱量を推定する伝熱量推定部と、
   をさらに備え、
   前記吸気開弁時期補正量抽出部は、
   前記伝熱量および前記逆流内部ＥＧＲガス量と、前記吸気開弁時期補正量とが関連付けられた第４のデータマップから、前記伝熱量推定部が推定した前記伝熱量および前記逆流内部ＥＧＲガス量推定部が推定した前記逆流内部ＥＧＲガス量に対応する前記吸気開弁時期補正量を抽出する
   圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置。
3. 請求項２に記載の圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記吸気管内の圧力である吸気圧力を検出する吸気圧力検出部と、
   前記吸気弁の開弁時期において前記筒内圧力検出部が検出した前記筒内圧力と、前記吸気弁の開弁時期において前記吸気圧力検出部が検出した前記吸気圧力との圧力差に基づいて、前記熱伝達率抽出部が抽出した前記熱伝達率を変更する熱伝達率変更部と、
   をさらに備え、
   前記伝熱量推定部は、
   前記熱伝達率変更部が変更した前記熱伝達率と、前記吸気管内壁面温度差算出部が算出した前記吸気管内壁面温度差とに基づいて前記伝熱量を推定する
   圧縮自己着火内燃機関の燃焼制御装置。

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