JP2017082799A - 予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と比較して、ＨＣＣＩ燃焼における自着火時期や燃焼時期の推定精度を向上させることができる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置は、少なくとも、圧力状態値としての筒内圧Ｐｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣと、燃料割合値としての当量比φと、既燃ガス状態値としての残留ガス割合Ｘｒｇとをアレニウス式の頻度因子とし、該頻度因子と圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内温Ｔｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣとをアレニウス式に用いて予混合圧縮自着火式内燃機関において筒内噴射した燃料が５０％消費された時点を推定し、推定した時点が目標燃焼時期となるように予混合圧縮自着火式内燃機関を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置に関する。

近年、気筒内に高温の既燃ガスを導入して混合気を自着火させる予混合圧縮自着火燃焼を燃焼形態として利用する予混合圧縮自着火式内燃機関が提案されている。このような予混合圧縮自着火燃焼は、ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼と称され、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの燃焼形態の１つとして利用される。

ＨＣＣＩ燃焼は、気筒内の混合気を圧縮し、高温・高圧化することにより、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。ＨＣＣＩ燃焼は、気筒内の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られるという利点を有する。

したがって、例えばガソリンエンジンでは、ＨＣＣＩ燃焼が利用されることで主に燃費の向上が期待される。また、ディーゼルエンジンでは、ＨＣＣＩ燃焼が利用されることで主にスートや窒素酸化物の低減が期待される。

一方で、ＨＣＣＩ燃焼を利用する予混合圧縮自着火式内燃機関の自着火時期は、筒内温度や筒内圧力、空気量、残留ガス量および燃料量などの種々の筒内状態量によって大きく変化する。したがって、予混合圧縮自着火式内燃機関においては、自着火時期を正確にコントロールしなければ最適な時期に燃焼を行うことができず、ノッキングや失火が発生しやすいという問題があった。ここで、自着火時期を正確にコントロールするためには、ＨＣＣＩ燃焼における正確な自着火時期や燃焼時期を推定する必要がある。

従来、ＨＣＣＩ燃焼における自着火時期や燃焼時期を推定する予混合圧縮自着火式内燃機関として、特許文献１〜３に記載のものが知られている。

特許文献１に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関は、残留ガス残量および空気量の調整量の少なくとも一方、先行の行程で噴射された燃料量、平均圧力、先行の行程における燃焼重心の瞬時値および各種調整係数に基づく関係式から燃焼重心を推定するものである。

特許文献２に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関は、筒内圧力、筒内温度および空燃比等に応じた係数に基づきアレニウス式を用いて着火遅れ期間を推定するものである。

特許文献３に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関は、筒内圧力、活性化エネルギ、筒内絶対温度、気体定数および各種定数に基づきアレニウス式を用いて着火遅れ期間を推定するものである。

特開２００９−１６８０２７号公報 特開２００６−２６３７号公報 特開２００８−１０１５９１号公報

しかしながら、ＨＣＣＩ燃焼における自着火時期や燃焼時期は、低温酸化反応および高温酸化反応という化学反応に律速される着火遅れ時間に対して、例えば乱流混合や壁面熱損失による温度分布といった物理的な因子が影響を及ぼすことによって支配される。また、ＨＣＣＩ燃焼における化学反応速度にあっては、筒内圧力以外に、例えば当量比や残留ガス割合などが大きく影響する。

ところが、上述の特許文献１〜３に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関にあっては、上述したような物理的な因子や、化学反応速度に影響を与える因子を全て考慮してＨＣＣＩ燃焼における自着火時期や燃焼時期を推定するものではない。したがって、上述の特許文献１〜３に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関では、ＨＣＣＩ燃焼における自着火時期や燃焼時期の推定精度が必ずしも高いとはいえない。

そこで、本発明は、従来と比較して、ＨＣＣＩ燃焼における自着火時期や燃焼時期の推定精度を向上させることができる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する本発明に係る制御装置は、筒内の混合気を圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置において、少なくとも、圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内圧と、当量比と、筒内混合気量に対する、吸気バルブ開弁時の筒内圧及び排気温と該筒内圧及び排気温が検出されたときの燃焼室の容積とに基づき気体の状態方程式を用いて算出した残留ガス量の割合とをアレニウス式の頻度因子とし、該頻度因子と圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内温とをアレニウス式に用いて前記予混合圧縮自着火式内燃機関において筒内噴射した燃料が５０％消費された時点を推定し、推定した時点が目標燃焼時期となるように前記予混合圧縮自着火式内燃機関を制御する。

本発明は、従来と比較して、ＨＣＣＩ燃焼における自着火時期や燃焼時期の推定精度を向上させることができる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る制御装置が適用される車両の概略を示す構成図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態における燃焼時期推定制御の概略を示すブロック図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＵによって実行される燃焼時期推定制御および着火時期制御の処理の流れを示すフローチャートである。 図４は、燃焼時期の推定精度について従来と比較した図であり、（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る制御装置による燃焼時期の推定精度、（ｂ）は、従来の制御装置による燃焼時期の推定精度を示す。 図５は、本発明の第２の実施の形態に係るＥＣＵによって実行される燃焼時期推定制御および着火時期制御の処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、本発明の第３の実施の形態に係るＥＣＵによって実行される燃焼時期推定制御および着火時期制御の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）

図１に示すように、本実施の形態に係る車両１は、エンジン２と、吸気管３と、排気管４と、ＥＧＲ装置５と、制御装置としてのＥＣＵ１０とを含んで構成されている。

エンジン２は、例えば直列４気筒のガソリンエンジンで構成されている。また、エンジン２は、シリンダ２１内、すなわち燃焼室内に直接燃料を噴射するためのインジェクタ２３を備えた、いわゆる直噴エンジンである。なお、エンジン２の気筒数は４気筒に限られない。また、エンジン２は、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンであってもよい。

また、本実施の形態に係るエンジン２は、スパークプラグ２０によらず、シリンダ２１内の混合気を圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼（以下、「ＨＣＣＩ燃焼」という）が可能な予混合圧縮自着火式内燃機関である。

また、エンジン２は、スパークプラグ２０からの火花放電により強制的に混合気を着火させるＳＩ（Spark Ignition）燃焼も可能な構成となっている。したがって、エンジン２は、エンジン回転数やエンジン負荷などのエンジン運転状態に応じてＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを切り替えることが可能となっている。

吸気管３の内部には、吸気通路３ａが形成されている。吸気通路３ａ上には、過給機３０と、インタクーラ３１とが設けられている。過給機３０は、ハウジング内を２つのロータが連動して回転することで吸入空気を圧縮して過給する、いわゆる機械式の過給機である。過給機３０は、エンジン２を駆動源としている。

インタクーラ３１は、過給機３０の吸気方向下流側に設けられ、過給機３０によって圧縮された吸入空気を冷却する。これにより、吸入空気の体積効率が高まるとともに、吸入効率が向上する。

排気管４の内部には、排気通路４ａが形成されている。排気通路４ａ上には、触媒４０が設けられている。触媒４０は、エンジン２から排出された排気ガスを浄化する。

ＥＧＲ装置５は、ＥＧＲ通路５０ａが内部に形成されたＥＧＲ配管５０と、ＥＧＲバルブ５１とを備えている。ＥＧＲ通路５０ａは、排気通路４ａと吸気通路３ａとを連通し、排気通路４ａを流れる排気ガスの一部を吸気通路３ａに還流させる通路である。

ＥＧＲバルブ５１は、ＥＧＲ通路５０ａ上に設けられ、吸気通路３ａに還流させる排気ガスの量であるＥＧＲ量を調節するものである。ＥＧＲバルブ５１は、ＥＣＵ１０によって開閉制御される。

ＥＣＵ１０は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されており、ＣＰＵは、ＲＡＭの一時記憶機能を利用するとともにＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行う。ＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等が予め記憶されている。

また、ＥＣＵ１０の入力側には、エアフロセンサ１０１、吸気温センサ１０２、吸気圧センサ１０３、吸気Ｏ_２センサ１０４、筒内圧センサ１０５、排気温センサ１０６、リニアＡ／Ｆセンサ１０７、クランク角センサ１８０、水温センサ１８１などの各種センサ類が接続されている。

エアフロセンサ１０１は、過給機３０よりも吸気方向上流側の吸気通路３ａ上に設けられ、吸入空気量を検出する。吸気温センサ１０２は、インタクーラ３１よりも吸気方向下流側の吸気通路３ａ上に設けられ、吸入空気の温度である吸気温度（以下、単に「吸気温」という）を検出する。

吸気圧センサ１０３は、インタクーラ３１よりも吸気方向下流側の吸気通路３ａ上に設けられ、吸入空気の圧力である吸気圧を検出する。吸気Ｏ_２センサ１０４は、インタクーラ３１よりも吸気方向下流側の吸気通路３ａ上に設けられ、シリンダ２１内に吸入されるガスの酸素濃度を検出する。

筒内圧センサ１０５は、シリンダ２１を形成する図示しないシリンダヘッドに設けられ、シリンダ２１内の圧力である筒内圧を検出する。排気温センサ１０６は、触媒４０よりも排気方向上流側の排気通路４ａ上に設けられ、排気ガスの温度である排気温度（以下、単に「排気温」という）を検出する。

リニアＡ／Ｆセンサ１０７は、触媒４０よりも排気方向上流側の排気通路４ａ上に設けられ、排気ガスの空燃比に比例した線形な出力特性を有するＡ／Ｆセンサである。リニアＡ／Ｆセンサ１０７は、シリンダ２１内から排出された排気ガス中の酸素濃度に基づき排気ガスの空燃比を検出する。

クランク角センサ１８０は、エンジン２に設けられ、エンジン２のクランクシャフトのクランク角を検出する。水温センサ１８１は、エンジン２に設けられ、エンジン２の冷却水の温度、すなわち冷却水温を検出する。

また、ＥＣＵ１０の出力側には、ＥＧＲバルブ５１やスパークプラグ２０、インジェクタ２３などの各種機器類が接続されている。ＥＣＵ１０は、上述した各種センサからの入力に基づき前述の各種機器類を制御する。

例えば、ＥＣＵ１０は、上述した各種センサからの入力に基づき、エンジン２におけるＨＣＣＩ燃焼の燃焼時期を演算により推定する燃焼時期推定制御を行うようになっている。また、ＥＣＵ１０は、燃焼時期推定制御によって推定された燃焼時期に基づき、エンジン２において最適な時期にＨＣＣＩ燃焼が行われるよう、インジェクタ２３およびスパークプラグ２０を制御する着火時期制御を行うようになっている。

次に、図２を参照して、ＥＣＵ１０によって実行される燃焼時期推定制御および着火時期制御について説明する。

図２に示すように、ＥＣＵ１０は、クランク角センサ１８０から入力される検知結果に基づきエンジン回転数Ｎｅを算出する。また、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサから入力されるアクセル開度に基づきエンジン負荷を算出する。

ＥＣＵ１０は、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷とエアフロセンサ１０１で検出された吸入空気量とに基づき、基本燃料噴射量を算出する。また、ＥＣＵ１０は、基本燃料噴射量と吸入空気量とに基づき、エンジン２に吸入される混合気の空燃比と理論空燃比との比率である当量比φを算出する。

ＥＣＵ１０は、吸入空気量と吸気Ｏ_２センサ１０４で検出された酸素濃度とリニアＡ／Ｆセンサ１０７で検出された実際の空燃比に基づき求められる当量比とから、ＥＧＲ装置５によって吸気側に還流される排気ガスの量（以下、外部ＥＧＲガス量という）を算出する。

ここで、空気中の酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）および二酸化炭素（ＣＯ_２）などの割合は、空気の組成であるため既知である。このため、エアフロセンサ１０１で検出される吸入空気量における酸素濃度等も既知である。したがって、ＥＣＵ１０は、リニアＡ／Ｆセンサ１０７で検出された酸素濃度の排気ガスを含む吸入空気の酸素濃度を吸気Ｏ_２センサ１０４で検出することによって、外部ＥＧＲガス量を検出することができる。

ＥＣＵ１０は、吸気バルブの開弁時に、筒内圧センサ１０５および排気温センサ１０６によって検出された筒内圧および排気温と、該筒内圧および排気温が検出されたときの燃焼室の容積とに基づき、気体の状態方程式を用いて残留ガス量として残留ガスの質量を算出する。気体の状態方程式は、筒内圧を「Ｐ」、燃焼室の容積を「Ｖ」、残留ガスの質量を「ｍ」、残留ガスのガス定数を「Ｒ」、筒内温に略一致する排気温を「Ｔ」としたとき、「ＰＶ＝ｍＲＴ」で表される。

ＥＣＵ１０は、外部ＥＧＲガス量と残留ガス量とに基づき残留ガス割合Ｘ_ｒｇを算出する。具体的には、ＥＣＵ１０は、外部ＥＧＲガス量と残留ガス量と吸入空気量と基本燃料噴射量の合計である筒内混合気量に対する残留ガス量の割合である残留ガス割合Ｘ_ｒｇを算出する。

ＥＣＵ１０は、外部ＥＧＲガス量、吸入空気量、基本燃料噴射量、残留ガス量および筒内圧に基づき、筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}を算出する。ここで、「ｃｙｌ」は、筒内であること、「１０ＢＴＤＣ」は、圧縮上死点前１０°ＣＡのタイミングであることを示す。

具体的には、ＥＣＵ１０は、筒内圧センサ１０５を用いて筒内圧を検出する場合、次のように筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}を算出する。すなわち、ＥＣＵ１０は、例えばポリトロープ変化を仮定し、吸気バルブの閉弁時の筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}と燃焼室の容積Ｖ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}と圧縮上死点前１０°ＣＡにおける燃焼室の容積Ｖ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}とを用いて下記式（１）に基づき、筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}を算出する。ここで、「ｉｖｃ」は、吸気バルブの閉弁時を示す。また、下記式（１）における「ｎ」は、ポリトロープ指数である。
また、ＥＣＵ１０は、筒内温Ｔ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}も上述の筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}と同様に、下記式（２）に基づき、算出することができる。

ここで、上記式（２）における筒内温Ｔ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}は、吸気バルブの閉弁時の筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}と、燃焼室の容積Ｖ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}と、筒内混合気の質量ｍと、混合気のガス定数Ｒを用いて気体の状態方程式「Ｐ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}Ｖ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}＝ｍＲＴ」からＥＣＵ１０によって求められる。

混合気のガス定数Ｒは、外部ＥＧＲガスや残留ガス、吸入空気と燃料との混合気などの各ガスの質量割合であるモル分率から気体の平均分子量を算出し、算出した気体の平均分子量で一般ガス定数（Ｒ＝８．３１４４６２１（７５）ＪＫ^−１ｍｏｌ^−１）を除算することで得られる。なお、筒内温Ｔ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}は、エネルギ保存の法則を用いて求めてもよい。

また、筒内圧センサ１０５を用いない場合には、ＥＣＵ１０は、上述の筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}および筒内温Ｔ_{ｃｙｌ＿ｉｖｃ}を、次式（３）、（４）を用いてそれぞれ算出することも可能である。

ここで、上記式（３）におけるＭ_ａｉｒは、エアフロセンサ１０１で検出された吸入空気量、Ｐ_{ｉｎ＿ｉｖｃ}は、吸気バルブの閉弁時の吸気圧である。また、上記式（４）におけるＴ_{ｉｎ＿ｉｖｏ}は、吸気バルブの開弁時の吸気温、Ｔ_{ｅｘ＿ｉｖｏ}は、吸気バルブの開弁時の排気温、Ｔ_{ｗａｔｅｒ}は、水温センサ１８１で検出された冷却水温である。

また、上記式（３）における指数Ｊ、Ｋは、エンジン２の仕様等による個体差を考慮して予め実験的に求めた値をもとに重回帰分析によって求めた値である。さらに、上記式（３）および式（４）における係数Ｉ、Ｌ、Ｎ、Ｑは、指数Ｊ、Ｋと同様、エンジン２の仕様等による個体差を考慮して予め実験的に求めた値をもとに重回帰分析によって求めた値である。

また、ＥＣＵ１０は、燃焼反応パラメータおよび燃料状態パラメータを頻度因子としてアレニウス式に用いてエンジン２の燃焼時期ＣＡ５０を推定する。本実施の形態では、燃料が５０％消費された時点のクランク角ＣＡ５０を燃焼時期ＣＡ５０として取り扱う。

ここで、エンジン２のような予混合圧縮自着火式内燃機関の燃焼時期は、低温酸化反応および高温酸化反応という化学反応に律速される着火遅れ時間に対して、乱流混合や壁面熱損失による温度分布といった物理的な因子が影響を及ぼすことによって支配される。このため、正確な燃焼時期を推定するためには、前述したような物理的な因子や化学反応速度に影響を与える因子などを考慮する必要がある。

そこで、本実施の形態では、燃焼時期の推定精度を向上させるために、ある温度における化学反応の速度を定義するアレニウス式に上述の各燃焼反応パラメータおよび各燃料状態パラメータを頻度因子として用いることとした。

上述の燃焼反応パラメータとしては、筒内圧に基づく圧力状態値として上記式（１）で算出した筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}、シリンダ２１内の既燃ガス量に基づく既燃ガス状態値としての残留ガス割合Ｘ_ｒｇ、および基本燃料噴射量と吸入空気量とに基づき算出した当量比φが含まれる。ここで、本実施の形態の当量比φは、シリンダ２１内の燃料量と空気量との状態に基づく燃料割合値に相当する。なお、燃料割合値は、空気過剰率を表す当量比φの逆数であってもよい。

また、上述の燃料状態パラメータとしては、シリンダ２１内の燃料の混合状態を推定する混合推定値としてのエンジン回転数Ｎｅの逆数、燃料の噴射終了時期ＥｏＩ、およびシリンダ２１内の壁面と燃料との熱の授受による熱損失を推定する熱損失推定値としての排気温Ｔ_ｅｘと吸気温Ｔ_ｉｎとの偏差（Ｔ_ｅｘ−Ｔ_ｉｎ）が含まれる。なお、混合推定値は、エンジン回転数Ｎｅであってもよい。

具体的には、ＥＣＵ１０は、上述の各燃焼反応パラメータ、各燃料状態パラメータおよび上記式（２）で算出した筒内温Ｔ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}に基づき、次式（５）を用いて燃焼時期ＣＡ５０を算出する。

ここで、上記式（５）におけるＲは、混合気のガス定数、Ａは、エンジン２の仕様等による個体差を考慮して予め実験的に求めた値をもとに重回帰分析によって求めた係数である。

また、上記式（５）において、各燃焼反応パラメータおよび各燃料状態パラメータには、予め定められたＢ〜Ｄ、Ｆ〜Ｈの指数がそれぞれ付されている。これら指数Ｂ〜Ｄ、Ｆ〜Ｈは、係数Ａと同様、エンジン２の仕様等による個体差を考慮して予め実験的に求めた値をもとに重回帰分析によって求めた値である。

また、ＥＣＵ１０は、目標燃焼時期マップから得られる目標燃焼時期と上記式（５）を用いて算出した燃焼時期ＣＡ５０とを比較し、その比較結果に基づき、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数をそれぞれ決定する。目標燃焼時期マップは、例えばエンジン回転数Ｎｅをパラメータに目標燃焼時期を決定するマップであり、エンジン回転数Ｎｅと燃焼時期との関係を予め実験的に求めてＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶したものである。

なお、目標燃焼時期は、クランク角で表され、燃焼時期ＣＡ５０と同様、燃料が５０％消費された時点の目標のクランク角ＣＡ５０である。したがって、以下においては、目標のクランク角ＣＡ５０を目標燃焼時期ＣＡ５０として取り扱うものとする。

具体的には、ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するか否かに応じて、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数をそれぞれ決定する。ここで、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するとは、完全に一致する場合のほか、例えば燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に対して所定の閾値以内の範囲にあることを含む。なお、所定の閾値は、エンジン２の仕様等によって任意に定められるが、例えば±１°ＣＡである。

ＥＣＵ１０は、例えば燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致する場合には、予め定められた噴射量マップ、噴射時期マップ、点火時期マップおよび点火回数マップ等によって決定される燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数で燃料噴射および点火を行うよう、インジェクタ２３およびスパークプラグ２０の駆動を制御する。

一方、ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致しない場合には、燃料噴射量の増量または減量や点火時期の進角あるいは遅角などによって燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数の補正を行う。この場合、ＥＣＵ１０は、補正後の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数で燃料噴射および点火を行うよう、インジェクタ２３およびスパークプラグ２０の駆動を制御する。

次に、図３を参照して、ＥＣＵ１０によって実行される燃焼時期推定制御および着火時期制御の処理の流れについて説明する。この燃焼時期推定制御および着火時期制御は、ＥＣＵ１０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

図３に示すように、ＥＣＵ１０は、まずクランク角センサ１８０から入力される検出結果に基づき、燃焼時期推定制御および着火時期制御で行われる各種演算、各種センサでの計測のタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１）。ＥＣＵ１０は、各種演算、各種センサでの計測のタイミングでないと判定した場合には、再度ステップＳ１の処理を繰り返す。

一方、ＥＣＵ１０は、各種演算、各種センサでの計測のタイミングであると判定した場合には、エンジン回転数Ｎｅやアクセル開度などのエンジン運転状態を検出する（ステップＳ２）。

次いで、ＥＣＵ１０は、例えば吸入空気量、吸気温Ｔ_ｉｎ、排気温Ｔ_ｅｘ、冷却水温Ｔ_{ｗａｔｅｒ}などの燃焼時期推定制御および着火時期制御で用いられる各種センサ値を検出する（ステップＳ３）。

その後、ＥＣＵ１０は、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン負荷および吸入空気量に基づき基本燃料噴射量を算出する（ステップＳ４）。次いで、ＥＣＵ１０は、上記式（５）を用いて燃焼時期ＣＡ５０を算出する（ステップＳ５）。

次いで、ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するか否かを判定する（ステップＳ６）。なお、上述した通り、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するか否かは、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に完全に一致するか否か、あるいは燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に対して所定の閾値以内の範囲にあるか否かによって判定される。

ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致すると判定した場合には、本処理を終了する。この場合、ＥＣＵ１０は、予め定められた噴射量マップ、噴射時期マップ、点火時期マップおよび点火回数マップ等によって決定される燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数で燃料噴射および点火を行うよう、インジェクタ２３およびスパークプラグ２０の駆動を制御する。

一方、ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致しないと判定した場合には、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０よりも大きいか否か、つまり目標燃焼時期ＣＡ５０に対して燃焼時期ＣＡ５０が遅角しているか否かを判定する（ステップＳ７）。

ＥＣＵ１０は、目標燃焼時期ＣＡ５０に対して燃焼時期ＣＡ５０が遅角していると判定した場合には、燃焼時期ＣＡ５０の進角補正を行う（ステップＳ８）。具体的には、ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０を進角させるように、例えば燃料噴射量の増量、点火時期の進角などによって燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数の補正を行う。これにより、燃焼時期ＣＡ５０が進角側に補正される。

一方、ＥＣＵ１０は、目標燃焼時期ＣＡ５０に対して燃焼時期ＣＡ５０が遅角していない、すなわち進角していると判定した場合には、燃焼時期ＣＡ５０の遅角補正を行う（ステップＳ９）。具体的には、ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０を遅角させるように、例えば燃料噴射量の減量、点火時期の遅角などによって燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数の補正を行う。これにより、燃焼時期ＣＡ５０が遅角側に補正される。

なお、ステップＳ８およびステップＳ９で用いられる燃料噴射量や点火時期などの補正値は、予め実験的に求められた値であり、例えば燃料噴射量や点火時期などの補正マップとしてＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されている。

次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ８およびステップＳ９で燃焼時期ＣＡ５０が補正された後、再度ステップＳ５で補正後の燃焼時期ＣＡ５０を算出し、補正後の燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するか否かを判定する。このように、本実施の形態では、補正後の燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するまで、補正後の燃焼時期ＣＡ５０が補正される。

次に、図４を参照して、本実施の形態に係る制御装置における燃焼時期ＣＡ５０の推定精度について説明する。図４は、本実施の形態の制御装置において上記式（５）を用いて推定した燃焼時期ＣＡ５０の推定精度と、従来のアレニウス式を用いて推定した燃焼時期ＣＡ５０の推定精度との比較を示したものである。

図４（ａ）において、図中、「ＣＡ５０ Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｄｅｇ．ＡＴＤＣ」で示す横軸は、上記式（５）を用いて推定した燃焼時期ＣＡ５０、図中、「ＣＡ５０ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄｅｇ．ＡＴＤＣ」で示す縦軸は、実際に測定された燃焼時期ＣＡ５０を示している。

また、図４（ｂ）において、図中、「ＣＡ５０ Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｄｅｇ．ＡＴＤＣ」で示す横軸は、従来のアレニウス式を用いて推定した燃焼時期ＣＡ５０、図中、「ＣＡ５０ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄｅｇ．ＡＴＤＣ」で示す縦軸は、実際に測定された燃焼時期ＣＡ５０を示している。なお、これら燃焼時期ＣＡ５０は、いずれも上死点後となる。

また、図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ推定した燃焼時期ＣＡ５０と実際に測定された燃焼時期ＣＡ５０との相関を表すグラフであり、グラフ中の各プロットが図中に示す実線（傾きが「１」の一次関数）に近似するほど、推定した燃焼時期ＣＡ５０と実際に測定された燃焼時期ＣＡ５０との相関が高い、つまり燃焼時期ＣＡ５０の推定精度が高いことを示している。

また、こうした相関の程度は、決定係数Ｒ^２で表すことができ、決定係数Ｒ^２が「１」に近いほど、推定した燃焼時期ＣＡ５０と実際に測定された燃焼時期ＣＡ５０との相関が高いことを示している。したがって、燃焼時期ＣＡ５０の推定精度は、決定係数Ｒ^２が「１」に近いほど高い。

ここで、図４（ａ）に示すグラフにおける決定係数Ｒ^２は、「０．９６７５」であり、図４（ｂ）に示すグラフにおける決定係数Ｒ^２＝０．６９８よりも「１」に近い値である。したがって、図４（ａ）、（ｂ）からも明らかなように、上記式（５）を用いて推定した燃焼時期ＣＡ５０の推定精度のほうが従来のアレニウス式を用いて推定した燃焼時期ＣＡ５０の推定精度よりも高いことが分かる。

よって、本実施の形態に係る制御装置は、従来のアレニウス式を用いて燃焼時期ＣＡ５０を推定する制御装置と比較して、燃焼時期ＣＡ５０の推定精度が高いといえる。

以上のように、本実施の形態に係る制御装置は、燃焼時期ＣＡ５０の変化に影響のある燃焼反応パラメータおよび燃料状態パラメータを、燃焼時期ＣＡ５０を推定するためのアレニウス式に用いて演算を行うので、従来と比較して正確な燃焼時期ＣＡ５０を推定することができる。

本実施の形態に係る制御装置は、複数の燃焼反応パラメータおよび複数の燃料状態パラメータをアレニウス式に用いて演算を行うため、エンジン２の運転状態が変化する場合であっても、正確に燃焼時期ＣＡ５０を推定することができる。

このように、本実施の形態に係る制御装置は、従来と比較して、ＨＣＣＩ燃焼における自着火時期や燃焼時期ＣＡ５０の推定精度を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る制御装置は、各燃焼反応パラメータおよび各燃料状態パラメータのそれぞれに予め定められた指数が付されているので、より正確に燃焼時期ＣＡ５０を推定することができる。

例えば、各燃焼反応パラメータおよび各燃料状態パラメータのそれぞれに付される指数を予め実験的に求めておけば、エンジン２の仕様による個体差を吸収でき、高い精度で燃焼時期ＣＡ５０を推定することができる。

また、本実施の形態に係る制御装置は、既燃ガス状態値として、残留ガス割合Ｘ_ｒｇを用いる。残留ガスは、窒素酸化物や部分酸化した燃料などを含み、新気すなわち吸入空気に対して熱力学的な物性値である比熱比や温度が異なる。

このため、残留ガス量は、シリンダ２１内の温度上昇や燃焼の科学的な特性を変え、燃焼時期ＣＡ５０に影響をもたらす。したがって、本実施の形態に係る制御装置は、残留ガス割合Ｘ_ｒｇをアレニウス式の演算に用いるので、燃焼時期ＣＡ５０の推定精度を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る制御装置は、混合推定値として、エンジン回転数Ｎｅを用いる。ここで、燃料の混合状態は、燃焼の速度に影響を及ぼすことが知られており、エンジン回転数Ｎｅに依存してその混合度合が変化する。

したがって、本実施の形態に係る制御装置は、燃料の混合状態を推定可能なエンジン回転数Ｎｅをアレニウス式の演算に用いるので、燃焼時期ＣＡ５０の推定精度を向上させることができる。

さらに、本実施の形態に係る制御装置は、熱損失推定値として、排気温Ｔ_ｅｘと吸気温Ｔ_ｉｎとの偏差を用いる。ここで、排気温Ｔ_ｅｘと吸気温Ｔ_ｉｎとの偏差は、シリンダ２１内にできるガス温度の分布と相関がある。また、シリンダ２１内にできるガス温度の分布は、燃焼時期ＣＡ５０に影響を与えることが知られている。

したがって、本実施の形態に係る制御装置は、シリンダ２１内にできるガス温度の分布の影響を考慮するべく、排気温Ｔ_ｅｘと吸気温Ｔ_ｉｎとの偏差をアレニウス式の演算に用いるので、燃焼時期ＣＡ５０の推定精度を向上させることができる。

なお、本実施の形態においては、式（５）による燃焼時期ＣＡ５０の推定にあたって燃焼反応パラメータおよび燃料状態パラメータの全てを用いたが、これに限らず、例えばエンジン２としてシリンダ２１内の温度分布や当量比分布が比較的少ないエンジンを用いる場合には、式（５）からシリンダ２１内の温度分布や当量比分布の影響を排除した下記式（６）〜式（８）を燃焼時期ＣＡ５０の推定に用いてもよい。

また、エンジン２として乱流混合などの影響が小さいエンジンを用いる場合には、式（５）からエンジン回転数Ｎｅに係る項を省略した下記式（９）を燃焼時期ＣＡ５０の推定に用いてもよい。

なお、上記に掲げた式（６）〜（９）は、エンジン２の仕様などに応じて式（５）における燃焼反応パラメータおよび燃料状態パラメータが変更される一例であって、これに限定されるものではない。

例えば、本実施の形態に係る制御装置は、式（５）において、筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}、残留ガス割合Ｘ_ｒｇ、および当量比φのうち少なくとも２つの燃焼反応パラメータを用いることとしてもよい。

また、本実施の形態に係る制御装置は、式（５）において、筒内圧Ｐ_{ｃｙｌ＿１０ＢＴＤＣ}、残留ガス割合Ｘ_ｒｇ、および当量比φのうち少なくとも１つの燃焼反応パラメータと、エンジン回転数Ｎｅ、噴射終了時期ＥｏＩ、および偏差（Ｔ_ｅｘ−Ｔ_ｉｎ）のうち少なくとも１つの燃料状態パラメータを用いることとしてもよい。

また、本実施の形態に係る制御装置は、燃焼時期ＣＡ５０の進角補正および遅角補正を行うにあたって点火時期および点火回数の補正を行っているが、例えばこれら点火時期および点火回数の補正を行わず、燃料噴射量や燃料噴射時期の補正のみを行う構成であってもよい。

（第２の実施の形態）
次に、図５を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。

本実施の形態は、上述した第１の実施の形態とは、燃焼時期推定制御および着火時期制御の一部処理が異なるが、他の構成および処理内容は第１の実施の形態と同様である。したがって、以下においては、第１の実施の形態と同一の構成および処理内容については説明を省略し、第１の実施の形態と異なる箇所のみ説明する。

燃焼時期推定制御および着火時期制御において、第１の実施の形態では、ＥＣＵ１０は、図３のステップＳ８およびステップＳ９でそれぞれ進角補正、遅角補正を行った後の燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するまで、燃焼時期ＣＡ５０の補正を繰り返し行っていた。

これに対して、本実施の形態に係るＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０の補正を繰り返すことなく、ステップＳ１８およびステップＳ１９において燃焼時期ＣＡ５０の補正を１回のみ行うこととした。

具体的には、図５に示すように、本実施の形態に係るＥＣＵ１０は、ステップＳ１８で燃焼時期ＣＡ５０の進角補正を行った後、本処理を終了する。また、本実施の形態に係るＥＣＵ１０は、ステップＳ１９で燃焼時期ＣＡ５０の遅角補正を行った後、本処理を終了する。

また、ステップＳ１８において、ＥＣＵ１０は、例えば、燃焼時期ＣＡ５０と目標燃焼時期ＣＡ５０の偏差と、燃料噴射量の増量量および点火時期の進角量などとの関係が規定された補正マップを参照することによって、１回の処理で燃焼時期ＣＡ５０の進角補正を行うことができる。前述の補正マップは、予め実験的に求めてＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されている。

また、ステップＳ１９についても、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１８と同様に、燃焼時期ＣＡ５０と目標燃焼時期ＣＡ５０の偏差と、燃料噴射量の減量量および点火時期の遅角量などとの関係が規定された補正マップを参照することによって、１回の処理で燃焼時期ＣＡ５０の遅角補正を行うことができる。

なお、図５のステップＳ１１〜ステップＳ１９の各ステップの内容は、第１の実施の形態における図３のステップＳ１〜ステップＳ９の各ステップの内容と同一であるため、本実施の形態では、その説明を省略する。

以上のように、本実施の形態に係る制御装置は、第１の実施の形態における作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。すなわち、本実施の形態に係る制御装置は、ステップＳ１８およびステップＳ１９において燃焼時期ＣＡ５０の補正を１回のみ行う構成としたので、燃焼時期ＣＡ５０の補正を繰り返すことがなく、ＥＣＵ１０の処理負担を軽減することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図６を用いて、本発明の第３の実施の形態について説明する。

上述した第１の実施の形態では、燃焼時期ＣＡ５０が最適なタイミングとなるよう、燃料噴射量の増量または減量や点火時期の進角あるいは遅角などによって燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期および点火回数の補正を行った。

しかし、こうした補正を行って燃焼時期ＣＡ５０を最適なタイミングとした場合、燃焼期間が短くなり、ノイズやエンジン強度に問題が生じるおそれがある。このように燃焼期間が短くなるのは、例えば筒内圧の圧力上昇率ｄＰ／ｄＣＡが増大するためである。

そこで、本実施の形態では、ＥＣＵ１０は、上述した第１の実施の形態の燃焼時期ＣＡ５０の推定方法と同様の方法で、燃焼期間ＣＡ１０−ＣＡ９０や最大筒内圧力Ｐｍａｘ、圧力上昇率ｄＰ／ｄＣＡを推定する。燃焼期間ＣＡ１０−ＣＡ９０は、シリンダ２１内の燃焼が１０％消費された時点から９０％消費される時点までの時間すなわちクランク角である。

また、ＥＣＵ１０は、推定した圧力上昇率ｄＰ／ｄＣＡに基づき、燃料噴射量の減量や点火時期の遅角を行う。これにより、筒内圧が低減され、圧力上昇率ｄＰ／ｄＣＡの増大が抑制される。

ここで、図６を参照して、本実施の形態に係る燃焼時期推定制御および着火時期制御について説明する。なお、図６におけるステップＳ２１〜ステップＳ２５までの各処理は、第１の実施の形態で示した図３におけるステップＳ１〜ステップＳ５と同様である。したがって、以下においては、第１の実施の形態と異なる処理についてのみ説明する。

図６に示すように、ＥＣＵ１０は、ステップＳ２５において算出した燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するか否かを判定する（ステップＳ２６）。燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致するか否かは、第１の実施の形態と同様に判断される。

ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致すると判定した場合には、ステップＳ２８に処理を移す。一方、ＥＣＵ１０は、燃焼時期ＣＡ５０が目標燃焼時期ＣＡ５０に一致しないと判定した場合には、燃焼時期ＣＡ５０の補正を行って（ステップＳ２７）、ステップＳ２５に処理を戻す。

燃焼時期ＣＡ５０の補正として、ＥＣＵ１０は、例えば燃料噴射量の増量や減量、点火時期の進角または遅角などを行う。これにより、燃焼時期ＣＡ５０が進角側または遅角側に補正される。

ステップＳ２８において、ＥＣＵ１０は、圧力上昇率ｄＰ／ｄＣＡを算出する。次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ２８で算出した圧力上昇率ｄＰ／ｄＣＡが目標圧力上昇率より小さいか否かを判定する（ステップＳ２９）。ここで、目標圧力上昇率は、燃焼期間が短くなることを抑制可能な圧力上昇率であって、予め実験的に求められマップとしてＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ１０は、圧力上昇率ｄＰ／ｄＣＡが目標圧力上昇率より小さいと判定した場合には、本処理を終了する。一方、ＥＣＵ１０は、圧力上昇率ｄＰ／ｄＣＡが目標圧力上昇率より小さくない、つまり目標圧力上昇率以上であると判定した場合には、筒内圧低減制御を行って（ステップＳ３０）、ステップＳ２８に処理を戻す。

筒内圧低減制御としては、例えば燃焼時期ＣＡ５０を遅角させたり、燃料噴射量を減量する制御を行う。これにより、筒内圧が低減される。

また、ＨＣＣＩ燃焼における自着火と火花点火式エンジンにおけるノッキングとは、同一の現象である。したがって、上述の各実施の形態で説明した燃焼時期の推定手法は、火花点火式エンジンのノッキング制御にも利用可能である。例えば、こうしたノッキング制御では、燃焼時期に代えてノッキングの有無が推定される。また、燃焼時期の推定手法は、ノッキング制御だけでなく、例えば過給時に発生するプレイグニッションの制御にも利用可能である。この場合、燃焼時期に代えてプレイグニッションの発生有無が推定される。

上述の通り、本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ 車両
２ エンジン（予混合圧縮自着火式内燃機関）
５ ＥＧＲ装置
１０ ＥＣＵ
２０ スパークプラグ
２１ シリンダ
２３ インジェクタ
３０ 過給機
１０１ エアフロセンサ
１０２ 吸気温センサ
１０３ 吸気圧センサ
１０４ 吸気Ｏ_２センサ
１０５ 筒内圧センサ
１０６ 排気温センサ
１０７ リニアＡ／Ｆセンサ
１８０ クランク角センサ
１８１ 水温センサ

Claims (7)

1. 筒内の混合気を圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置において、
   少なくとも、圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内圧と、当量比と、筒内混合気量に対する、吸気バルブ開弁時の筒内圧及び排気温と該筒内圧及び排気温が検出されたときの燃焼室の容積とに基づき気体の状態方程式を用いて算出した残留ガス量の割合とをアレニウス式の頻度因子とし、該頻度因子と圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内温とをアレニウス式に用いて前記予混合圧縮自着火式内燃機関において筒内噴射した燃料が５０％消費された時点を推定し、推定した時点が目標燃焼時期となるように前記予混合圧縮自着火式内燃機関を制御することを特徴とする予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
2. 前記アレニウス式の頻度因子として用いられる前記筒内圧、前記当量比および前記残留ガス量の割合のそれぞれには、予め定められた指数が付されていることを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
3. 筒内の混合気を圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置において、
   前記予混合圧縮自着火式内燃機関の回転数と、筒内噴射される燃料の噴射終了時期と、前記筒内の壁面と前記燃料との熱の授受による熱損失を推定する熱損失推定値と、圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内圧と、当量比と、筒内混合気量に対する、吸気バルブ開弁時の筒内圧及び排気温と該筒内圧及び排気温が検出されたときの燃焼室の容積とに基づき気体の状態方程式を用いて算出した残留ガス量の割合とをアレニウス式の頻度因子とし、該頻度因子と圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内温とをアレニウス式に用いて前記予混合圧縮自着火式内燃機関において筒内噴射した燃料が５０％消費された時点を推定し、推定した時点が目標燃焼時期となるように前記予混合圧縮自着火式内燃機関を制御することを特徴とする予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
4. 前記アレニウス式の頻度因子として用いられる前記予混合圧縮自着火式内燃機関の回転数、前記噴射終了時期、前記熱損失推定値、前記筒内圧、前記当量比および前記残留ガス量の割合のそれぞれには、予め定められた指数が付されていることを特徴とする請求項３に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
5. 筒内の混合気を圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置において、
   少なくとも、圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内圧と、当量比と、筒内混合気量に対する、吸気バルブ開弁時の筒内圧及び排気温と該筒内圧及び排気温が検出されたときの燃焼室の容積とに基づき気体の状態方程式を用いて算出した残留ガス量の割合と、前記筒内の壁面と燃料との熱の授受による熱損失を推定する熱損失推定値とをアレニウス式の頻度因子とし、該頻度因子と圧縮上死点前１０°ＣＡにおける筒内温とをアレニウス式に用いて前記予混合圧縮自着火式内燃機関において筒内噴射した燃料が５０％消費された時点を推定し、推定した時点が目標燃焼時期となるように前記予混合圧縮自着火式内燃機関を制御することを特徴とする予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
6. 前記熱損失推定値は、排気温と吸気温との偏差であることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
7. 前記予混合圧縮自着火式内燃機関において筒内噴射した燃料が５０％消費された時点を推定し、推定した時点が目標燃焼時期となるように前記予混合圧縮自着火式内燃機関を制御した後に、筒内圧の圧力上昇率が目標圧力上昇率以上であれば、筒内圧を低減させるように、前記予混合圧縮自着火式内燃機関を制御する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。