JP2018112139A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着火又は燃焼による機関振動の共鳴周波数をより正確に求め、内燃機関をより正確に制御する。【解決手段】ピストン３２の頂面にキャビティ３２ｃが形成されており、圧縮自着火燃焼が行われる内燃機関の制御装置は、燃焼によって生ずる機関振動を検出するための振動センサ４０と、複数のクランク角のそれぞれについて、筒内空間３８の温度と、クランク角に応じて定まる筒内空間の代表径とを推定するとともに、筒内空間の代表径及び温度から当該クランク角における機関振動の共鳴周波数を推定し、複数のクランク角における振動センサの検出結果から、共鳴周波数における機関振動の振幅をそれぞれ算出し、振幅に基づいて着火時期を制御する、ように構成されている電子制御ユニットと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

燃焼により生ずる機関振動を検出するノックセンサを備え、ノックセンサの検出結果から着火時期及び燃焼期間を検出し、検出された着火時期及び燃焼期間に基づいて内燃機関の燃焼状態を制御する、内燃機関の制御装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。すなわち、特許文献１では、まず、着火時期における筒内温度があらかじめ推定され、この筒内温度とボア径とから、着火時期における機関振動の共鳴周波数を含む第１の周波数範囲（５〜７ｋＨｚ）があらかじめ算出される。また、燃焼中における筒内温度があらかじめ推定され、この筒内温度とボア径とから、燃焼中における機関振動の共鳴周波数を含む第２の周波数範囲（８〜９ｋＨｚ）があらかじめ算出される。次いで、ノックセンサの検出結果のうち第１の周波数範囲における機関振動の振幅の積分値が算出され、この積分値から着火時期が検出される。また、ノックセンサの検出結果のうち第２の周波数範囲における機関振動の振幅の積分値が算出され、この積分値から燃焼期間が検出される。

ところで、燃焼により生ずる機関振動の共鳴周波数は、この燃焼が発生する空間（以下、筒内空間と称する。）の径方向の大きさに依存する。この点、特許文献１では上述したように、機関振動の共鳴周波数を含む周波数範囲がボア径から算出される。そうすると、特許文献１では、筒内空間がピストンの頂面、シリンダヘッドの内壁面、及び、シリンダボアの内壁面により画定される円筒状空間から形成され、筒内空間の径方向の大きさがシリンダボアの内径、すなわちボア径によって表される、と考えているようである。

特開２０１０−２１６２６４号公報

しかしながら、圧縮自着火燃焼が行われる内燃機関では、ピストンの頂面にキャビティ又は凹溝が形成されるのが一般的である。この場合、上述の筒内空間は上述の円筒状空間とキャビティの内部空間とから形成されることになる。ピストンが上死点からかなり離れた位置にあるときには、筒内空間の大部分は円筒状空間から形成されるので、このときの筒内空間の径方向の大きさを表す代表径はボア径であると考えることができる。ところが、ピストンが上死点に近づくにつれて、筒内空間に占めるキャビティ内部空間の割合が高くなる。したがって、ピストンが上死点に近づくにつれて筒内空間の代表径はキャビティの内径に近づく。すなわち、筒内空間の代表径はピストンの位置、すなわちクランク角に応じて変化するのである。特許文献１では筒内空間の代表径をボア径という一定値と考えているので、機関振動の共鳴周波数又は周波数範囲を正確に求めることができないおそれがある。しかも、圧縮自着火燃焼はピストンが上死点周りにあるときに生ずることを考えると、筒内空間の代表径をボア径として算出された機関振動の共鳴周波数又は周波数範囲は正確ではないおそれがある。その結果、着火時期等を正確に検出することができないおそれがあり、燃焼状態をより正確に制御できないおそれがある。

本発明によれば、ピストンの頂面にキャビティが形成されており、圧縮自着火燃焼が行われる内燃機関の制御装置において、燃焼によって生ずる機関振動を検出するための振動センサと、電子制御ユニットであって、複数のクランク角のそれぞれについて、筒内空間の温度と、クランク角に応じて定まる筒内空間の代表径とを推定するとともに、前記筒内空間の代表径及び温度から当該クランク角における前記機関振動の共鳴周波数を推定し、前記複数のクランク角における前記振動センサの検出結果から、前記共鳴周波数における前記機関振動の振幅をそれぞれ算出し、前記振幅に基づいて着火時期を制御する、ように構成されている電子制御ユニットと、を備えた、内燃機関の制御装置が提供される。

着火又は燃焼による機関振動の共鳴周波数をより正確に求めることができ、したがって内燃機関をより正確に制御することができる。

内燃機関の全体図である。 内燃機関の部分縦断面図である。 クランク角ＣＡ及びクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）の一例を示す線図である。 代表径Ｄ（ＣＡ）を示す線図である。 周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）の一例を示す線図である。 周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）、対応する周波数範囲ＲＦ（ＣＡ）、及び振幅Ａ（ＣＡ）の一例を示す線図である。 実際の周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）及び基準周波数解析結果ＦＴｒｅｆ（ＣＡ）の一例を示す線図である。 実際の周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）及び基準周波数解析結果ＦＴｒｅｆ（ＣＡ）の一例を示す線図である。 本発明による第１実施例の着火時期制御ルーチンを示すフローチャートである。 着火遅れｔａｕ、主燃料噴射時刻ｔｉｎｊ及び着火時刻ｔｉｇｎの関係を示すタイムチャートである。 本発明による第２実施例の着火時期制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による第２実施例の着火時期制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による第３実施例の着火時期制御ルーチンを示すフローチャートである。 主燃料の着火時期を表す共鳴周波数ｆｍ、パイロット燃料の着火時期を表す共鳴周波数ｆｐ、及び、共鳴周波数偏差ｄｉｆｆの一例を示す線図である。 本発明による第４実施例の着火時期制御ルーチンを示すフローチャートである。 振幅Ａと共鳴周波数比との関係の一例を示す線図である。 学習値ＫＧの第１算出例を実行するためのルーチンを示すフローチャートである。 学習値ＫＧの第２算出例を実行するためのルーチンを示すフローチャートである。 筒内空間での圧力分布を模式的に示す図である。

図１を参照すると、本発明による第１実施例の内燃機関１は、複数、例えば４つの気筒２ａを含む機関本体２を備える。気筒２ａは吸気枝管３を介してサージタンク４に連結され、サージタンク４は吸気ダクト５を介して排気過給器６のコンプレッサ６ｃの出口に連結される。コンプレッサ６ｃの入口は吸気導入管７を介してエアクリーナ８に連結される。吸気導入管７内には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ９が配置される。吸気ダクト５には吸入空気を冷却するための冷却器１０と、スロットル弁１１とが順次配置される。

また、気筒２ａは排気マニホルド１２及び排気管１３を順次介して排気過給器６のタービン６ｔの入口に連結される。タービン６ｔの出口は排気管１４を介して触媒１５に連結される。タービン６ｔ上流の排気管１３とタービン６ｔ下流の排気管１４とはウエストゲート弁１６によって互いに連結される。また、サージタンク４と排気マニホルド１２とは、排気ガス再循環（以下、ＥＧＲという。）通路１７によって互いに連結される。ＥＧＲ通路１７内には、ＥＧＲガス量を制御するためのＥＧＲ制御弁１８と、ＥＧＲガスを冷却するための冷却器１９とが配置される。

図２は、本発明による第１実施例の機関本体２を詳細に示している。図２を参照すると、３０はシリンダブロック、３１はシリンダブロック３０内に形成された円筒状のシリンダボア、３２はピストン、３３はシリンダヘッド、３４は吸気ポート、３５は吸気弁、３６は排気ポート、３７は排気弁をそれぞれ示す。ピストン３２の頂面３２ｔには、円形状の開口を有するキャビティ３２ｃが形成される。本発明による第１実施例では、ピストン３２の頂面３２ｔ、シリンダボア３１の内壁面３１ｉ、及びシリンダヘッド３３の内壁面３３ｉによって画定される円筒状の空間と、キャビティ３２ｃの内部空間とによって形成される空間３８を筒内空間と称している。シリンダヘッド３３には、筒内空間３８内に位置するように配置された電子制御式の燃料噴射弁３９が取り付けられる。なお、図２において、Ｄｂはシリンダボア３１の内径、すなわちボア径を表しており、Ｄｃはキャビティ３２ｃの内径、すなわちキャビティ径を表している。

本発明による第１実施例では、更に、燃焼による機関振動を検出するための振動センサ４０が設けられる。図２に示される実施例では、振動センサ４０は、筒内空間３８内の圧力である筒内圧を検出するための筒内圧センサから構成される。この筒内圧センサは筒内空間３８内に配置される。別の実施例（図示しない）では、振動センサ４０は、シリンダブロック３０又はシリンダヘッド３３の外面に取り付けられたノックセンサから構成される。この場合、ノックセンサは筒内圧センサよりも安価であるので好ましい。なお、振動センサ４０は少なくとも１箇所に設けられる。

再び図１を参照すると、電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。エアフローメータ９及び振動センサ４０の出力電圧はそれぞれ対応するＡ／Ｄ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に、アクセルペダル５９にはアクセルペダル５９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ６０が接続され、負荷センサ６０の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に、クランク角を検出するためのクランク角センサ６１が入力ポート５５に接続される。ＣＰＵ５４ではクランク角センサ６１からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート５６はそれぞれ対応する駆動回路５８を介して、気筒２ａの燃料噴射弁３９、スロットル弁１１のアクチュエータ、ウエストゲート弁１６、及び、ＥＧＲ制御弁１８にそれぞれ接続される。

本発明による第１実施例では、内燃機関１において圧縮自着火燃焼、例えば拡散燃焼が行われる。この場合、圧縮上死点周りで主燃料が噴射される。また、機関運転状態に応じて、主燃料噴射よりも前の圧縮行程に少なくとも１回のパイロット燃料が噴射される場合もある。別の実施例（図示しない）では予混合圧縮自着火（ＰＣＣＩ，Ｐｒｅｍｉｘｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ））燃焼が行われる。

燃焼が開始されると、すなわち着火が生じると、筒内空間３８内に圧力振動が生じる。この圧力振動は機関本体２、具体的にはシリンダブロック３０、シリンダヘッド３３等に伝達され、機関本体２が振動する。本明細書ではこのような圧力振動や機関本体２の振動を機関振動と称している。なお、主燃料に加えてパイロット燃料が噴射される場合には、主燃料の着火とパイロット燃料の着火とが生ずる。以下では、主燃料の着火について説明する。しかしながら、以下の説明はパイロット燃料の着火にも適用できる。

機関振動には種々の周波数成分が含まれており、ある周波数成分は筒内空間３８内で共鳴を生ずる。共鳴が生ずると機関振動の振幅又は強度が大きくなる。この共鳴周波数は筒内空間３８の径方向の大きさ又はクランク角に応じて定まる。逆に言うと、クランク角が決まれば、このクランク角における共鳴周波数が決まる。したがって、あるクランク角における共鳴周波数（例えば、一次共鳴周波数）を推定し、当該クランク角において検出された振動の周波数成分のうち、この共鳴周波数における振幅を検出すれば、着火が生じたか否かを知ることができる。すなわち、例えば、目標着火時期よりも前のクランク角での共鳴周波数における振幅があらかじめ定められた基準値よりも大きいときには、実際の着火時期は目標着火時期よりも前であることがわかる。これに対し、当該振幅が基準値よりも小さいときには、実際の着火時期は目標着火時期よりも後であるか、又は失火もしくは失火に近い状態にあることがわかる。そこで本発明による第１実施例では、共鳴周波数における振幅を検出し、振幅に基づいて着火時期を制御するようにしている。

具体的に説明すると、本発明による第１実施例では、複数のクランク角ＣＡが設定される。一例では、クランク角ＣＡは初期値ＣＡ０から最大値ＣＡｍａｘまで、間隔ｄでもって順次設定される（ｄは例えば小さな一定値）。クランク角ＣＡ０からクランク角ＣＡｍａｘまでのクランク角範囲は、着火が生ずると予想されるクランク角範囲をカバーするように設定される。また、設定されたクランク角ＣＡをそれぞれ含む複数のクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）が設定される。一例では、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）はＣＡ−ｄＣＡからＣＡまでの範囲に設定される（ｄＣＡは例えば小さな一定値）。図３には、クランク角ＣＡがＣＡ０からＣＡ５まで設定され、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）がＲＣＡ（ＣＡ０）からＲＣＡ（ＣＡ５）まで設定された例が示されている。図３に示される例では、例えば、クランク角ＣＡ１はＣＡ０＋ｄであり、クランク角ＣＡ２はＣＡ１＋ｄである。また、例えば、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ０）はＣＡ０−ｄＣＡからＣＡ０までのクランク角範囲であり、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ１）はＣＡ１−ｄＣＡからＣＡ１までのクランク角範囲である。なお、図３に示される例では、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）は互いに重なっている（ｄＣＡ＞ｄ）。別の例（図示しない）ではクランク角ＲＣＡ（ＣＡ）は互いに重なることなく連続する。

その上で、複数のクランク角ＣＡにおける機関振動の共鳴周波数ｆ（ＣＡ）がそれぞれ推定される。あるクランク角ＣＡにおける機関振動の共鳴周波数ｆ（ＣＡ）は例えば次式（１）により表される。
ｆ（ＣＡ）＝α・Ｃ（ＣＡ）／Ｄ（ＣＡ） …（１）

ここで、αは共鳴の次数に応じて定まる定数（例えば、共鳴一次の場合には０．５８６）、Ｃ（ＣＡ）はクランク角ＣＡにおける筒内空間３８での音速、Ｄ（ＣＡ）はクランク角ＣＡにおける筒内空間３８の径方向の大きさを表す代表径、をそれぞれ表している。

クランク角ＣＡにおける筒内空間３８での音速Ｃ（ＣＡ）は例えば次式（２）により表される。
Ｃ（ＣＡ）＝√（κ・Ｒ・Ｔ（ＣＡ）） …（２）

ここで、κは比熱比、Ｒはガス定数、Ｔ（ＣＡ）はクランク角ＣＡにおける筒内空間３８の温度、すなわち筒内温度をそれぞれ表している。

圧縮行程において断熱圧縮が行われると仮定すると、クランク角ＣＡにおける筒内温度Ｔ（ＣＡ）は例えば次式（３）により表される。
Ｔ（ＣＡ）＝Ｔｂ・（Ｖｃｙｌ／Ｖ（ＣＡ））＾（κ−１） …（３）

ここで、Ｔｂはサージタンク４における吸気の温度、Ｖｃｙｌはピストン３２が下死点にあるときの筒内空間３８の体積、Ｖ（ＣＡ）はクランク角ＣＡにおける筒内空間３８の体積、をそれぞれ表している。本発明による第１実施例では、筒内空間３８の体積Ｖ（ＣＡ）はクランク角ＣＡの関数としてあらかじめ求められており、マップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。

一方、クランク角ＣＡにおける筒内空間３８の代表径Ｄ（ＣＡ）は図４に示されるように、クランク角ＣＡが上死点ＴＤＣから遠ざかるにつれてボア径Ｄｂに近づき、クランク角ＣＡが上死点ＴＤＣに近づくにつれてキャビティ径Ｄｃに近づき、クランク角ＣＡが上死点ＴＤＣのときにはキャビティ径Ｄｃよりもわずかに大きい値となる。筒内空間３８の代表径Ｄ（ＣＡ）はクランク角ＣＡの関数としてあらかじめ求められており、図４に示されるマップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。

複数のクランク角ＣＡにおける共鳴周波数ｆ（ＣＡ）がそれぞれ算出されると、共鳴周波数ｆ（ＣＡ）を含む周波数範囲Ｒｆ（ＣＡ）がそれぞれ設定される。一例では、周波数範囲Ｒｆ（ＣＡ）は、ｆ（ＣＡ）−ｄｆからｆ（ＣＡ）＋ｄｆまでの範囲に設定される（ｄｆは例えば小さな一定値）。本発明による第１実施例では、周波数範囲Ｒｆ（ＣＡ）は５から８ｋＨｚの範囲内にある。なお、共鳴周波数ｆ（ＣＡ）は、クランク角ＣＡが上死点ＴＤＣから遠ざかるにつれて小さくなり、クランク角ＣＡが上死点ＴＤＣに近づくにつれて大きくなる。

一方、上述したクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）ごとに、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）において得られた振動センサ４０の出力又は検出結果を用いて、例えば短時間フーリエ変換のような周波数解析が行われ、解析結果ＦＴ（ＣＡ）が得られる。すなわち、周波数と振幅又は強度との関係が算出される。図５には、周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）の一例が示される。図５において、ＦＴ（ＣＡ０），ＦＴ（ＣＡ１），…，ＦＴ（ＣＡ５）はそれぞれ、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ０），ＲＣＡ（ＣＡ１），…，ＲＣＡ（ＣＡ５）における振動センサ４０の出力の周波数解析結果を示している。

図５に示される例では、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ０），ＲＣＡ（ＣＡ１），ＲＣＡ（ＣＡ２）における周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ０），ＦＴ（ＣＡ１），ＦＴ（ＣＡ２）にはピークが表れていない。一方、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ３），ＲＣＡ（ＣＡ４），ＲＣＡ（ＣＡ５）における周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ３），ＦＴ（ＣＡ４），ＦＴ（ＣＡ５）にはピークがそれぞれ表れている。したがって、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ３），ＲＣＡ（ＣＡ４），ＲＣＡ（ＣＡ５）のうち最も早いクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ３）内において着火が生じており、着火による振動がクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ４），ＲＣＡ（ＣＡ５）においても残っていることがわかる。なお、周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ３），ＦＴ（ＣＡ４），ＦＴ（ＣＡ５）のピークには相関があり、例えば図５に示される例では、これらピークを直線ＬＰで結ぶことができる。したがって、この直線ＬＰを用いれば、ピークが発生した時期、すなわち着火時期をより正確に求めることができる。

次いで、周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）のそれぞれにおいて、対応する周波数範囲Ｒｆ（ＣＡ）内の振幅を積算することにより積算値ＰＯＡ（ＣＡ）が算出される（パーシャルオーバーオール）。次いで、積算値ＰＯＡ（ＣＡ）から、共鳴周波数ｆ（ＣＡ）における振幅Ａが算出される。一例では、振幅Ａは積算値ＰＯＡ（ＣＡ）とされる。図６には、クランク角ＣＡ又はクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）における周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）、対応する周波数範囲ＲＦ（ＣＡ）、及び振幅Ａ（ＣＡ）の一例が示される。

一方、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）又は周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）に応じて、基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）がそれぞれ算出される。この基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）は、例えば、着火が目標着火時期に生じたと仮定したときに、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）の周波数解析ＦＴ（ＣＡ）の共鳴周波数ｆ（ＣＡ）において生ずる振幅である。すなわち、例えば、目標着火時期がクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ３）内にあるときには、それよりも前のクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ０），ＲＣＡ（ＣＡ１），ＲＣＡ（ＣＡ２）では着火が生じていない。したがって、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ０）の周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ０）における、共鳴周波数ｆ（ＣＡ０）での振幅は比較的小さくなる。周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ１），ＦＴ（ＣＡ２）における共鳴周波数ｆ（ＣＡ１），ｆ（ＣＡ２）での振幅も同様である。このため、基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ０），Ａｒｅｆ（ＣＡ１），Ａｒｅｆ（ＣＡ２）は比較的小さく設定される。これに対し、クランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ３）の周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ３）における、共鳴周波数ｆ（ＣＡ３）での振幅は比較的大きくなる。ＦＴ（ＣＡ４），ＦＴ（ＣＡ５）における共鳴周波数ｆ（ＣＡ４），ｆ（ＣＡ５）での振幅も同様である。このため、基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ３），Ａｒｅｆ（ＣＡ４），Ａｒｅｆ（ＣＡ５）は比較的大きく設定される。基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）は例えば、クランク角ＣＡと、機関運転状態（例えば、機関負荷及び機関回転数）との関数としてあらかじめ求められており、マップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。

次いで、例えば、最も小さいクランク角ＣＡから順に、振幅Ａ（ＣＡ）が対応する基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）と比較される。振幅Ａ（ＣＡ）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）に等しいときには、次に大きいクランクＣＡに対応する振幅Ａ（ＣＡ）が対応する基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）と比較される。振幅Ａ（ＣＡ）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）に等しい限り、クランク角ＣＡが最大値ＣＡｍａｘまで順次増大され、このような比較が繰り返される。すなわち、まず、初期値ＣＡ０に対応する振幅Ａ（ＣＡ０）が対応する基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ０）と比較される。振幅Ａ（ＣＡ０）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ０）に等しいときには、次に大きいクランク角ＣＡ１に対応する振幅Ａ（ＣＡ１）が対応する基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ１）と比較される。振幅Ａ（ＣＡ１）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ１）に等しいときには、次に大きいクランク角ＣＡ２に対応する振幅Ａ（ＣＡ２）が対応する基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ２）と比較される。このような比較が最大値ＣＡｍａｘまで行われる。

これらの比較を行っていく途中で、図７に示されるように、振幅Ａ（ＣＡ）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）よりも大きくなっているときには、実際の着火時期が目標着火時期よりも早いと判断される。なお、図７において、実線は実際の周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）を示しており、破線は着火が目標着火時期に生じたと仮定したときの周波数解析結果である基準周波数解析結果ＦＴｒｅｆ（ＣＡ）を示している。すなわち、目標着火時期よりも前のクランク角ＣＡ又はクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）では、対応する共鳴周波数ｆ（ＣＡ）での振幅は比較的小さいはずである。にもかかわらず、振幅Ａ（ＣＡ）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）よりも大きいということは、当該クランク角ＣＡにおいてすでに着火が生じており、実際の着火時期が目標着火時期よりも早い、ということを意味している。この場合には、例えば、パイロット燃料量の減少、主燃料の噴射時期の遅角、吸気中の酸素濃度の減少のうちの少なくとも１つが行われ、それにより実際の着火時期が目標着火時期になるように着火時期が制御される。なお、吸気中の酸素濃度の調節は例えば、過給圧力、ＥＧＲガス量、スロットル開度の少なくとも１つを調節することにより行われる。

これに対し、図８に示されるように、振幅Ａ（ＣＡ）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）よりも小さくなっているときには、実際の着火時期が目標着火時期よりも遅いか又は失火もしくは失火に近い状態にあると判断される。なお、図８において、実線は実際の周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）を示しており、破線は着火が目標着火時期に生じたと仮定したときの周波数解析結果である基準周波数解析結果ＦＴｒｅｆ（ＣＡ）を示している。すなわち、目標着火時期又はそれ以降のクランク角ＣＡ又はクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）では、対応する共鳴周波数ｆ（ＣＡ）での振幅は比較的大きいはずである。にもかかわらず、振幅Ａ（ＣＡ）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）よりも小さいということは、当該クランク角ＣＡにおいて着火が生じておらず、実際の着火時期が目標着火時期よりも遅い又は失火もしくは失火に近い状態にある、ということを意味している。この場合には、例えば、パイロット燃料量の増大、主燃料の噴射時期の進角、吸気中の酸素濃度の増大のうちの少なくとも１つが行われ、それにより実際の着火時期が目標着火時期になるように着火時期が制御される。

一方、クランク角最大値ＣＡｍａｘに対応する振幅Ａ（ＣＡｍａｘ）と対応する基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡｍａｘ）との比較まで進み、振幅Ａ（ＣＡｍａｘ）が基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡｍａｘ）に等しいときには、実際の着火時期が目標着火時期に一致していると判断される。この場合には、現在の制御が維持され、それにより実際の着火時期が目標着火時期に維持されるように着火時期が制御される。

なお、上述の説明では、複数のクランク角ＣＡ又はクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）についての共鳴周波数ｆ（ＣＡ）、周波数解析、振幅Ａ（ＣＡ）、基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）等の算出がまとめて行われる。しかしながら、実際の計算では、これらの算出は、振幅Ａ（ＣＡ）と基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）との比較に必要な限りで行われる。

図９は上述した本発明による第１実施例の着火時期制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図９を参照すると、ステップ１００では、クランク角ＣＡが初期値ＣＡ０に設定される。続くステップ１０１では、クランク角ＣＡにおける筒内空間３８の体積Ｖ（ＣＡ）が算出される。続くステップ１０２では、クランク角ＣＡにおける筒内温度Ｔ（ＣＡ）が算出される。続くステップ１０３では、クランク角ＣＡにおける音速Ｃ（ＣＡ）が算出される。続くステップ１０４では、クランク角ＣＡにおける筒内空間３８の代表径Ｄ（ＣＡ）が算出される。続くステップ１０５では、クランク角ＣＡにおける基準共鳴周波数ｆ（ＣＡ）が算出される。続くステップ１０６では、周波数範囲Ｒｆ（ＣＡ）における周波数解析が実行される。続くステップ１０７では、積算値ＰＯＡ（ＣＡ）が算出される。続くステップ１０８では、振幅Ａ（ＣＡ）が算出される。続くステップ１０９では、基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）が算出される。続くステップ１１０では、振幅Ａ（ＣＡ）と基準振幅Ａｒｅｆ（ＣＡ）とが比較される。Ａ（ＣＡ）＝Ａｒｅｆ（ＣＡ）のときには次いでステップ１１１に進み、クランク角ＣＡが最大値ＣＡｍａｘになったか否かが判別される。ＣＡ＜ＣＡｍａｘのときには次いでステップ１１２に進み、クランク角ＣＡが一定値ｄだけ増大される。次いでステップ１０１に戻る。

ステップ１１０においてＡ（ＣＡ）＞Ａｒｅｆ（ＣＡ）又はＡ（ＣＡ）＜Ａｒｅｆ（ＣＡ）のときには、次いでステップ１１３に進み、着火時期が制御される。具体的には、例えば、パイロット燃料量、主燃料の噴射時期、吸気中の酸素濃度のうちの少なくとも１つが調節される。一方、ステップ１１１においてＣＡ＝ＣＡｍａｘのときには処理サイクルを終了する。この場合は現在の制御が維持される。

次に、本発明による第２実施例を説明する。以下では、本発明による第１実施例との相違点を説明する。これまでの説明からわかるように、着火が生じる前のクランク角ＣＡ又はクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）における周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）にはピークが生じないけれども、着火が生じたクランク角ＣＡ又はクランク角範囲ＲＣＡ（ＣＡ）以降における周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）にはピークが生じる。したがって、クランク角ＣＡの小さい方から見て、初めて周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）にピークが生じたクランク角ＣＡが着火時期であるということになる。

本発明による第２実施例では、それぞれ対応する共鳴周波数ｆ（ＣＡ）における振幅Ａ（ＣＡ）があらかじめ定められたしきい値Ａ０（ＣＡ）よりも大きいときにピークが生じていると判断される。このしきい値Ａ０（ＣＡ）は例えば、クランク角ＣＡと、機関運転状態（例えば、機関負荷及び機関回転数）との関数としてあらかじめ求められており、マップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。したがって、クランク角ＣＡの小さい方から、振幅Ａ（ＣＡ）が対応するしきい値Ａ０（ＣＡ）よりも大きいか否かを順次判断し、初めてＡ（ＣＡ）＞Ａ０（ＣＡ）となったクランク角ＣＡが着火時期であるということになる。

着火時期であるクランク角ＣＡが算出されると、このクランク角ＣＡから着火時刻ｔｉｇｎが算出される。次いで、主燃料が噴射されてから主燃料が着火するまでに要した時間、すなわち着火遅れｔａｕが、主燃料噴射時刻ｔｉｎｊ及び着火時刻ｔｉｇｎから算出される（ｔａｕ＝ｔｉｎｊ−ｔｉｇｎ）。図１０には着火遅れｔａｕ、主燃料噴射時刻ｔｉｎｊ及び着火時刻ｔｉｇｎの関係が示される。

次いで、基準着火遅れｔａｕｒｅｆが算出される。基準着火遅れｔａｕｒｅｆは、パイロット燃料が３回噴射される場合には、例えば次式（４）により表される。
ｔａｕｒｅｆ＝ａ・Ｐｃ＾ｂ・ＣＯＸｃ＾ｃ・Ｐｉｎｊ＾ｄ・Ｑｐｉ１＾ｅ・Ｑｐｉ２＾ｆ・Ｑｐｉ３＾ｇ・ｅｘｐ（ｈ／Ｔ） …（４）

ここで、Ｐｃは主燃料が噴射された時期での筒内空間３８における圧力、ＣＯＸは筒内空間３８における酸素濃度、Ｐｉｎｊは燃料噴射圧、Ｑｐｉ１，Ｑｐｉ２，Ｑｐｉ３はそれぞれ１回目，２回目，３回目のパイロット燃料量、Ｔは主燃料が噴射された時期での筒内温度、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈは偏回帰係数、をそれぞれ表している。

次いで、基準着火遅れｔａｕｒｅｆに対する、実際の着火遅れｔａｕの偏差、すなわち着火遅れ偏差ｄｉｆｔａｕが算出される（ｄｉｆｔａｕ＝ｔａｕ−ｔａｕｒｅｆ）。次いで、着火遅れ偏差ｄｉｆｔａｕに応じて着火時期が制御される。一例では、着火遅れ偏差ｄｉｆｔａｕがゼロでないときには、パイロット燃料量が正規の量から逸脱していると考えられるので、着火遅れ偏差ｄｔａがゼロになるように、パイロット燃料量が調節される。

なお、いずれのクランク角ＣＡにおける周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）にもピークが発生していないと判断されたときには、失火している。この場合には、着火が生じるように、例えばパイロット燃料量が調節される。

図１１及び図１２は上述した本発明による第２実施例の着火時期制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図１１及び図１２を参照すると、ステップ２００では、クランク角ＣＡが初期値ＣＡ０に設定される。続くステップ２０１では、クランク角ＣＡにおける筒内空間３８の体積Ｖ（ＣＡ）が算出される。続くステップ２０２では、クランク角ＣＡにおける筒内温度Ｔ（ＣＡ）が算出される。続くステップ２０３では、クランク角ＣＡにおける音速Ｃ（ＣＡ）が算出される。続くステップ２０４では、クランク角ＣＡにおける筒内空間３８の代表径Ｄ（ＣＡ）が算出される。続くステップ２０５では、クランク角ＣＡにおける基準共鳴周波数ｆ（ＣＡ）が算出される。続くステップ２０６では、周波数範囲Ｒｆ（ＣＡ）における周波数解析が実行される。続くステップ２０７では、積算値ＰＯＡ（ＣＡ）が算出される。続くステップ２０８では、振幅Ａ（ＣＡ）が算出される。続くステップ２０９では、しきい値Ａ０（ＣＡ）が算出される。続くステップ２１０では、振幅Ａ（ＣＡ）がしきい値Ａ（ＣＡ）よりも大きいか否かが判別される。Ａ（ＣＡ）≦Ａ０（ＣＡ）のときには次いでステップ２１１に進み、クランク角ＣＡが最大値ＣＡｍａｘになったか否かが判別される。ＣＡ＜ＣＡｍａｘのときには次いでステップ２１２に進み、クランク角ＣＡが一定値ｄだけ増大される。次いでステップ２０１に戻る。

ステップ２１０においてＡ（ＣＡ）＞Ａ０（ＣＡ）のときには、次いでステップ２１３に進み、着火時刻ｔｉｇｎが算出される。続くステップ２１４では着火遅れｔａｕが算出される。続くステップ２１５では基準着火遅れｔａｕｒｅｆが算出される。続くステップ２１６では着火遅れ偏差ｄｉｆｔａｕが算出される。続くステップ２１７では着火遅れ偏差ｄｉｆｔａｕに基づいて着火時期が制御される。一例では、パイロット燃料量が調節される。一方、ステップ２１１においてＣＡ＝ＣＡｍａｘのときにはステップ２１８に進み、失火判定が行われる。次いでステップ２１７に進み、着火が生じるように、例えばパイロット燃料量が調節される。

次に、本発明による第３実施例を説明する。以下では、本発明による第２実施例との相違点を説明する。本発明による第２実施例では、クランク角ＣＡの小さい方から、周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）にピークが生じたか否かが順次判断され、周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）に初めてピークが生じたクランク角ＣＡが着火時期とされる。ここで、上述の説明からわかるように、共鳴周波数ｆ（ＣＡ）はクランク角ＣＡが上死点に近づくにつれて大きくなる。したがって、周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）に初めて生じたピークを与える共鳴周波数ｆ（ＣＡ）は、着火時期を表している。このように着火時期を表す共鳴周波数は周波数解析ＦＴ（ＣＡ）から算出することができる。

本発明による第３実施例では、着火時期を表す共鳴周波数ｆが算出される。次いで、着火時期における筒内温度Ｔが算出される。次いで、筒内温度Ｔと上述の式（２）とから、着火時期における音速Ｃが算出される。次いで、音速Ｃと上述の式（１）とから、着火時期における代表径Ｄが算出される。次いで、代表径Ｄと図４のマップとから、着火時期を表すクランク角ＣＡｉｇｎが算出される。次いで、目標着火時期を表すクランク角ＣＡｔｇｔに対する、着火時期を表すクランク角ＣＡｉｇｎのクランク角偏差ｄｉｆＣＡが算出される（ｄｉｆＣＡ＝ＣＡｉｇｎ−ＣＡｔｇｔ）。次いで、クランク角偏差ｄｉｆＣＡに基づいて着火時期が制御される。この場合、例えば、クランク角偏差ｄｉｆＣＡがゼロになるように、着火時期が制御される。なお、目標着火時期を表すクランク角ＣＡｔｇｔは例えば機関運転状態の関数としてあらかじめ求められており、マップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。このように代表径Ｄから着火時期を求めることにより、着火時期制御をより正確にかつより簡単に行うことができる。

図１３は上述した本発明による第３実施例の着火時期制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図１３を参照すると、ステップ３００では、着火時期を表す共鳴周波数ｆが算出される。続くステップ３０１では筒内温度Ｔが算出される。続くステップ３０２では音速Ｃが算出される。続くステップ３０３では、代表径Ｄが算出される。続くステップ３０４では、着火時期を表すクランク角ＣＡｉｇｎが算出される。続くステップ３０５では目標着火時期を表すクランク角ＣＡｔｇｔが算出される。続くステップ３０６ではクランク角偏差ｄｉｆＣＡが算出される。続くステップ３０７では、クランク角偏差ｄｉｆＣＡに基づいて着火時期が制御される。具体的には、例えば、パイロット燃料量、主燃料の噴射時期、吸気中の酸素濃度のうちの少なくとも１つが調節される。

次に、本発明による第４実施例を説明する。以下では、本発明による第２実施例との相違点を説明する。本発明による第３実施例において説明したように、着火時期を表す共鳴周波数は周波数解析ＦＴ（ＣＡ）から算出することができる。

本発明による第４実施例では、主燃料の着火時期を表す共鳴周波数ｆｍと、パイロット燃料の着火時期を表す共鳴周波数ｆｐとが算出される。次いで、共鳴周波数偏差ｄｉｆｆ（＝｜ｆｍ−ｆｐ｜）が算出される。図１４には、主燃料の着火時期を表す共鳴周波数ｆｍ、パイロット燃料の着火時期を表す共鳴周波数ｆｐ、及び、共鳴周波数偏差ｄｉｆｆの一例が示される。

次いで、共鳴周波数偏差ｄｉｆｆがあらかじめ定められた設定値ｄｉｆｆ０よりも小さいか否かが判別される。ｄｉｆｆ＜ｄｉｆｆ０のときには、例えば、パイロット燃料と主燃料とがほぼ同時に着火しているおそれがある。あるいは、パイロット燃料が圧縮上死点近傍で着火し、主燃料が遅角側で着火しているおそれがある。

前者の場合、例えば、パイロット燃料量が増大され、それによりパイロット燃料の着火時期が進角される。後者の場合、例えば、主燃料の着火時期が更に遅角される。いずれにしても共鳴周波数偏差ｄｉｆｆが大きくされる。一方、ｄｉｆｆ≧ｄｉｆｆ０のときには現在の制御が維持される。

図１５は上述した本発明による第４実施例の着火時期制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図１５を参照すると、ステップ４００では、主燃料の着火時期を表す共鳴周波数ｆｍが算出される。続くステップ４０１ではパイロット燃料の着火時期を表す共鳴周波数ｆｐが算出される。続くステップ４０２では共鳴周波数偏差ｄｉｆｆが算出される。続くステップ４０３では、共鳴周波数偏差ｄｉｆｆが設定値ｄｉｆｆ０よりも小さいか否かが判別される。ｄｉｆｆ＜ｄｉｆｆ０のときにはついでステップ４０４に進み、着火時期が制御される。これに対し、ｄｉｆｆ≧ｄｉｆｆ０のときには処理サイクルを終了する。この場合は、現在の制御が維持される。

ところで、本発明による各実施例では、周波数解析結果ＦＴ（ＣＡ）を得るための振動センサ４０の出力として、振動センサ４０の実際の出力を補正したものが用いられる。その結果、振動センサ４０を用いて機関振動をより正確に検出することができる。この場合、振動センサ４０の出力ＯＰＴは例えば次式（５）によって表される。
ＯＰＴ＝ＯＰＴａ＋ＫＧ …（５）

ここで、ＯＰＴａは振動センサ４０の実際の出力を、ＫＧは学習値（補正係数）を、それぞれ表している。

学習値ＫＧは種々の方法により算出することができる。まず、学習値ＫＧの第１算出例を説明する。パイロット燃料が噴射される場合、主燃料の燃焼による機関振動と、パイロット燃料の燃焼による機械振動との一次共鳴による振幅Ａは、主燃料の着火時期を表す一次共鳴周波数ｆｍとパイロット燃料の着火時期を表す一次共鳴周波数ｆｐとの比である共鳴周波数比（例えば、ｆｍ／ｆｐ）によって表される。図１６は、共鳴周波数比と振幅Ａとの関係の一例を示している。図６に示されるように、振幅Ａは、共鳴周波数比が１のときに最大となり、共鳴周波数比が１から小さくなるにつれて又は大きくなるにつれて小さくなる。

したがって、共鳴周波数比を変更することにより、振幅Ａを変更することができる。この場合、騒音を変化させることなく、振幅Ａを増大させることができる。共鳴周波数比は例えば、主燃料の着火時期及びパイロット燃料の着火時期の一方又は両方を調節することにより変更することができる。

学習値ＫＧの第１算出例では、共鳴周波数比が一時的に変化され、振幅が一時的に増大される。この状態において、学習値ＫＧを用いることなく振動センサ４０の出力を用いて、振幅Ａが算出される。また、この状態における振幅の予測値Ａｐｒｄが式（６）を用いて算出される。次いで、算出された振幅Ａと、振幅予測値Ａｐｒｄとに基づいて学習値ＫＧが算出される。なお、算出された振幅Ａと、振幅予測値Ａｐｒｄと、学習値ＫＧとの関係はあらかじめ求められており、マップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。

このように学習値ＫＧの第１算出例では、振幅が増大された振動を振動センサ４０が検出し、この検出結果に基づいて学習値ＫＧが算出されるので、学習値ＫＧの精度をより高めることができる。

図１７は学習値ＫＧの第１算出例を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図１７を参照すると、ステップ５００では学習値ＫＧの算出条件が成立しているか否かが判別される。第１算出例では、例えば、機関運転状態が定常状態にあり、かつ、振動センサ４０の暖機が完了しているときに、条件成立と判断され、それ以外は条件不成立と判断される。条件不成立と判断されたときには処理サイクルを終了する。条件成立と判断されたときには次いでステップ５０１に進み、振幅が一時的に増大される。続くステップ５０２では、振動センサ４０の出力を用いて振幅Ａが算出される。続くステップ５０３では振幅予測値Ａｐｒｄが算出される。続くステップ５０４では振幅Ａ及び振幅予測値Ａｐｒｄに基づいて学習値ＫＧが算出される。

次に、学習値ＫＧの第２算出例を説明する。学習値ＫＧの第２算出例では、フューエルカット時（機関減速運転時における燃料噴射停止時）に学習値ＫＧを用いることなく振動センサ４０の出力を用いて、振幅Ａが算出される。また、この状態における振幅の予測値Ａｐｒｄが算出される。この場合の振幅予測値Ａｐｒｄは例えば機関回転数の関数としてあらかじめ求められており、マップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。次いで、算出された振幅Ａと、振幅予測値Ａｐｒｄとに基づいて学習値ＫＧが算出される。なお、算出された振幅Ａと、振幅予測値Ａｐｒｄと、学習値ＫＧとの関係はあらかじめ求められており、マップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。

図１８は学習値ＫＧの第２算出例を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図１８を参照すると、ステップ５５０では学習値ＫＧの算出条件が成立しているか否かが判別される。第２算出例では、例えば、フューエルカット状態にあり、かつ、振動センサ４０の暖機が完了しているときに、条件成立と判断され、それ以外は条件不成立と判断される。条件不成立と判断されたときには処理サイクルを終了する。条件成立と判断されたときには次いでステップ５５１に進み、振動センサ４０の出力を用いて振幅Ａが算出される。続くステップ５５２では振幅予測値Ａｐｒｄが算出される。続くステップ５５３では振幅Ａ及び振幅予測値Ａｐｒｄに基づいて学習値ＫＧが算出される。

このように学習値ＫＧの第２算出例では、燃焼が行われていないときの振動を振動センサ４０が検出し、この検出結果に基づいて学習値ＫＧが算出されるので、学習値ＫＧの精度をより高めることができる。

図１９（Ａ），１９（Ｂ），１９（Ｃ）はそれぞれ、シリンダ軸線に垂直な断面内における、筒内空間３８での圧力分布を模式的に示している。具体的には、図１９（Ａ）は筒内共鳴一次振動モードを、図１９（Ｂ）は筒内共鳴二次振動モードを、図１９（Ｃ）は筒内共鳴三次振動モードを、それぞれ示している。図１９（Ａ），１９（Ｂ），１９（Ｃ）において、「＋」は平均圧力よりも圧力が高い領域を、「−」は平均圧力よりも圧力が低い領域を、それぞれ表している。燃焼期間中は、圧力分布はランダムに発生する。燃焼が終了した後は、筒内空間３８内に形成されるシリンダ軸線周りのガス流れ、すなわちスワール流によって圧力分布はシリンダ軸線回りに回転する。筒内共鳴一次振動モードでは、筒内空間３８をほぼ二分する圧力分布が発生するので、筒内空間３８内の圧力を検出する場合には、検出が容易である。機関本体２の振動を検出する場合でも、振動伝達系が簡易となるので、検出が容易である。

１ 内燃機関
２ 機関本体
３０ シリンダブロック
３１ シリンダボア
３２ ピストン
３２ｃ キャビティ
３３ シリンダヘッド
３８ 筒内空間
４０ 振動センサ
５０ 電子制御ユニット

Claims (1)

1. ピストンの頂面にキャビティが形成されており、圧縮自着火燃焼が行われる内燃機関の制御装置において、
   燃焼によって生ずる機関振動を検出するための振動センサと、
   電子制御ユニットであって、
   複数のクランク角のそれぞれについて、筒内空間の温度と、クランク角に応じて定まる筒内空間の代表径とを推定するとともに、前記筒内空間の代表径及び温度から当該クランク角における前記機関振動の共鳴周波数を推定し、
   前記複数のクランク角における前記振動センサの検出結果から、前記共鳴周波数における前記機関振動の振幅をそれぞれ算出し、
   前記振幅に基づいて着火時期を制御する、
   ように構成されている電子制御ユニットと、
   を備えた、内燃機関の制御装置。

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