JP2020159298A - 内燃機関制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒の筒内における混合気の状態を正確に推定することができる内燃機関制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関制御装置１０は、点火プラグが筒内の混合気を点火する点火時期、インジェクターが筒内に燃料の噴射が開始される燃料噴射開始時期を取得する制御部１０１、１１０を備えている。制御部１０１、１１０は、点火時期及び燃料噴射開始時期に基づいて、筒内における混合気の分布の散らばり度合いを算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関制御装置に関するものである。

内燃機関では、燃料と空気が混合された混合気が燃焼する際に、粒子状物資（ＰＭ:Particulate Matter）が生成される。特に、シリンダの燃料室内に直接燃料を噴射するエンジン、いわゆる直噴エンジンでは、局所的に燃料の割合が濃くなる混合気（以下、リッチ混合気と称す）が存在する。そのため、直噴エンジンの燃料室内は、混合気における空気の燃料の割合が不均一な状態になりやすく、ＰＭ排出量が増加する。

そのため、内燃機関の排気に含まれるＰＭを低減させるために、ＰＭ捕集フィルタが設けられている。ＰＭ捕集フィルタは、目詰まりを防ぐために、捕集したＰＭを燃焼させて除去する必要がある。この際、ＰＭがＰＭ捕集フィルタに過大に堆積していると、ＰＭの燃焼によりＰＭ捕集フィルタの温度が過度に上昇し、フィルタが破損する恐れがある。そのため、ＰＭ捕集フィルタに堆積しているＰＭの量を正確に把握する必要があり、ＰＭ捕集フィルタに流入するＰＭの量を推定することが重要となる。

また、ＰＭは、特定の温度域において、リッチ混合気と燃料が付着した箇所で生成量が増加する。そのため、ＰＭの量を推定するためには、筒内内での混合気の状態や、筒内の壁面に付着した燃料の割合を推定することが重要となる。混合気の状態を推定する技術としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。

特許文献１には、噴射燃料区分手段と、混合気状態推定手段と、を備えた技術が記載されている。噴射燃料区分手段は、内燃機関の筒内内にて所定の噴射開始時点から所定の噴射期間だけ連続して噴射される燃料を複数の部分に区分する。そして、混合気状態推定手段は、区分された噴射燃料の各部分が所定の噴射開始時点からの時間経過に従って独立して順次噴射されていくとの仮定のもと、噴射燃料の各部分が筒内内に吸入されている筒内ガスと混ざり合って形成されていくそれぞれの混合気の状態を個別に推定する。

特許文献１に記載された技術は、内燃機関としてディーゼルエンジンにおける混合気の状態を推定する技術である。ディーゼルエンジンは、燃料噴射装置から噴射された燃料が蒸発し、空気を取り込みながら燃焼が進行する拡散燃焼である。そして、拡散燃焼は、燃料噴霧の移動と燃焼反応が同時に進行するため、燃料噴霧が燃焼を支配している。

特開２００６−２７４９９１号公報

しかしながら、ガソリンエンジンは、燃料と空気からなる混合気が点火プラグで発生する点火エネルギーによって活性化され、燃焼を開始し、火炎伝播と呼ばれる燃焼形態で開演が筒内内を進行する予混合燃焼である。予混合燃焼は、混合気と点火時期が燃焼を支配しているため、ディーゼルエンジンの燃焼とは異なる。そして、ガソリンエンジンは、通常、吸気行程時に燃料を噴射している。

そのため、特許文献１に記載された技術を適用した場合、１サイクルあたりの計算期間が長期化し、燃料を分割する領域が増加する。その結果、特許文献１に記載された技術では、計算負荷が増大し、筒内内における燃料と空気の混合状態、すなわち混合気の状態を正確に推定することが困難なものとなっていた。

本目的は、上記の問題点を考慮し、気筒の筒内における混合気の状態を正確に推定することができる内燃機関制御装置を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するため、内燃機関制御装置は、内燃機関を制御する内燃機関制御装置である。内燃機関は、気筒と、気筒の筒内を摺動するピストンと、ピストンに接続されたクランクシャフトと、気筒の筒内に燃料を噴射するインジェクターと、筒内において空気と燃料が混合した混合気を点火させる点火プラグと、を有している。
内燃機関制御装置は、点火プラグが筒内の混合気を点火する点火時期、インジェクターが筒内に燃料の噴射が開始される燃料噴射開始時期を取得する制御部を備えている。制御部は、点火時期及び燃料噴射開始時期に基づいて、筒内における混合気の分布の散らばり度合いを算出する。

また、上記課題を解決し、目的を達成するため、内燃機関制御装置は、内燃機関を制御する内燃機関制御装置である。内燃機関は、気筒と、気筒の筒内を摺動するピストンと、ピストンに接続されたクランクシャフトと、気筒の筒内に燃料を噴射するインジェクターと、筒内において空気と燃料が混合した混合気を点火させる点火プラグと、を有している。
内燃機関制御装置は、気筒の排気ポートの開閉可能に配置された排気バルブの開閉タイミング、気筒に吸気される空気の圧力である吸気圧を取得する制御部を備えている。制御部は、排気バルブの開閉タイミング及び吸気圧に基づいて、筒内の壁面及びピストンの冠面に付着した燃料の量の割合である燃料付着割合を算出する。

上記構成の内燃機関制御装置によれば、気筒の筒内における混合気の状態を正確に推定することができる。

実施の形態例にかかる内燃機関制御装置が搭載された内燃機関のシステム構成を示す概略構成図である。 実施の形態例にかかる内燃機関制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態例にかかる内燃機関制御装置におけるＧＰＦ制御部の構成を示すブロック図である。 ＰＭの生成速度を示す特性図である。 内燃機関の筒内における混合気割合を示すもので、混合気の割合と当量比の関係を示すグラフである。 確率密度関数であるベータ関数を示すグラフである。 実施の形態例にかかる内燃機関制御装置における混合気分布の散らばり度合いの算出動作を示すフローチャートである。 インジェクターから噴射された燃料噴霧の中心断面における噴霧の形状を示す説明図である。 燃料噴射後の燃料の気化率を示す説明図である。 燃料噴射直後と点火時期における筒内の混合分率を示すグラフである。 筒内における燃料の付着状態を示す図である。 実施の形態例にかかる内燃機関制御装置における燃料付着割合の算出動作を示すフローチャートである ピストンの位置と燃料付着の状態を示す図である。 実施の形態例にかかる内燃機関制御装置における温度圧力履歴の算出動作を示すフローチャートである。 混合気割合と燃料濃度との関係を示すグラフである。 混合気起因反応速度マップを示すもので、混合気である反応ガス温度と分布定数で表されたマップ上の混合気起因反応速度を示す特性図である。 燃料付着起因反応速度マップを示すもので、混合気である反応ガス温度と燃料付着起因反応速度の関係を示す特性図である。 実施の形態例にかかる内燃機関制御装置におけるＰＭ排出量の算出動作を示すフローチャートである。 ＧＰＦの内部状態と、ＧＰＦに流入するＰＭを示す模式図である。 実施の形態例にかかる内燃機関制御装置におけるＰＭ堆積量の算出動作を示すフローチャートである。 ＰＭ燃焼速度マップを示すもので、ＧＰＦの上流温度とＰＭ燃焼速度との関係を示す特性図である。 ＰＭ燃焼速度補正係数マップを示すもので、空気過剰率とＰＭ燃焼速度補正係数の関係を示す特性図である。 実施の形態例にかかる内燃機関制御装置における再生制御指令の判定動作を示すフローチャートである。

１．実施の形態例
以下、実施の形態例（以下、「本例」という）にかかる内燃機関制御装置について、図１〜図２３を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

１−１．内燃機関の構成例
まず、内燃機関の構成例について説明する。
図１は、本例の内燃機関のシステム構成を示す概略構成図である。

図１に示す内燃機関２は、ガソリンからなる燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射型の内燃機関（直噴エンジン）である。内燃機関２は、吸入行程、圧縮行程、燃焼（膨張）行程、排気行程の４行程を繰り返す４サイクルエンジンである。さらに、内燃機関２は、例えば、４つの気筒（シリンダ）を備えた多気筒エンジンである。なお、内燃機関２が有する気筒の数は、４つに限定されるものではなく、６つ又は８つ以上の気筒を有していてもよい。また、内燃機関２のサイクル数は、４サイクルに限定されるものではない、

図１に示すように、内燃機関２は、気筒２１と、ピストン２２と、クランクシャフト２３と、吸気バルブ２４と、排気バルブ２５と、点火プラグ２６と、燃料噴射装置であるインジェクター２７とを有している。この内燃機関２は、内燃機関制御装置１０により制御される。

ピストン２２は、気筒２１の筒内２１ａに摺動可能に配置されている。ピストン２２は、気筒２１の筒内２１ａに流入した燃料とガスの混合気を圧縮する。そして、ピストン２２は、筒内２１ａに生じた燃焼圧力により気筒２１の筒内２１ａを往復運動する。

ピストン２２には、クランクシャフト２３がコンロッドを介して接続されている。そして、ピストン２２の往復運動がクランクシャフト２３により回転運動に変換される。また、クランクシャフト２３には、クランクシャフト２３のクランク角度を検出するクランク角度センサ２９が設けられている。クランク角度センサ２９は、クランクシャフト２３に設けた回転円盤からクランクシャフト２３のクランク角度を検出する。クランク角度センサ２９は、後述する内燃機関制御装置１０に接続されている。そして、クランク角度センサ２９は、検出したクランク角度に関する角度情報を内燃機関制御装置１０に出力する。

吸気バルブ２４は、気筒２１における吸気ポートに開閉可能に配置されており、排気バルブ２５は、気筒２１における排気ポートに開閉可能に配置されている。吸気バルブ２４は、不図示の吸気側カムシャフトに当接し、排気バルブ２５は、不図示の排気側カムシャフトに当接している。そして、吸気側カムシャフト及び排気側カムシャフトが回転することで、吸気バルブ２４及び排気バルブ２５が駆動する。吸気バルブ２４が駆動することで、吸気ポートから気筒２１の筒内２１ａにガス（空気）が流入する。また、排気バルブ２５が駆動することで、燃焼後の排気ガスが気筒２１の排気ポートから排出される。

インジェクター２７は、気筒２１の筒内２１ａに燃料を噴射する。インジェクター２７は、内燃機関制御装置１０に接続されている。内燃機関制御装置１０は、後述するエアフローセンサ４２から出力された吸気量を、回転数、吸気圧力等で決まる目標空燃比で割ることで、目標燃料噴射量を算出する。そして、内燃機関制御装置１０は、算出した目標燃料噴射量にしたがってインジェクター２７から燃料を噴射させる。これにより、筒内２１ａでは、空気と燃料が混合された混合気が生成される。

気筒２１には、点火プラグ２６と、インジェクター２７が取り付けられている。点火プラグ２６には、不図示の点火コイルが接続されている。点火コイルは、内燃機関制御装置１０の制御の下、高電圧を生成し、点火プラグ２６に印加する。これにより、点火プラグ２６に火花が発生する。そして、点火プラグ２６に発生した火花により、筒内２１ａの混合気が燃焼し、爆発する。爆発した混合気によりピストン２２が押し下げられる。このピストン２２の押し下げ運動がクランクシャフト２３の回転運動に変換されて、車両等の駆動力となる。

また、気筒２１には、気筒２１を冷却する冷却水の温度を測定する冷却水センサ２８が設けられている。冷却水センサ２８は、内燃機関制御装置１０に接続されており、測定した冷却水の温度を内燃機関制御装置１０に出力する。

気筒２１の吸気ポートには、空気からなるガスを取り込む吸気管３１が接続され、気筒２１の排気ポートには、排気ガスを排気する排気管３２が接続されている。また、吸気管３１と排気管３２は、ＥＧＲ管３３により接続されている。

ＥＧＲ管３３は、排気管３２を通過する排気ガスの一部を吸気管３１に戻す。これにより、ポンピングロスが低減される。ＥＧＲ管３３には、ＥＧＲ弁４５が設けられている。ＥＧＲ弁４５は、ＥＧＲ管３３を通るガスの流量を調整する。

吸気管３１には、スロットル弁４１と、エアフローセンサ４２が設けられている。スロットル弁４１は、吸気管３１における吸気ポートやＥＧＲ管３３との接続箇所よりも上流側に設けられている。スロットル弁４１は、不図示の駆動モータにより開閉可能に駆動する。そして、運転者のアクセル操作に基づいて、スロットル弁４１の開度が調整される。これにより、吸気管３１に取り込まれたガスの量（吸気量）が調整される。

エアフローセンサ４２は、吸気管３１に取り込まれた吸気量を測定する。エアフローセンサ４２は、内燃機関制御装置１０に接続されている。エアフローセンサ４２は、測定した吸気量を内燃機関制御装置１０に出力する。

また、吸気管３１には、吸気圧力センサ４３及び吸気温度センサ４４が設けられている。吸気圧力センサ４３及び吸気温度センサ４４は、内燃機関制御装置１０に接続されている。吸気圧力センサ４３は、吸気管３１を通るガスの圧力（吸気圧力）を測定する。そして、吸気圧力センサ４３は、測定した吸気圧力を内燃機関制御装置１０に出力する。また、吸気温度センサ４４は、吸気管３１を通るガスの温度（吸気温度）を測定する。そして、吸気温度センサ４４は、測定した吸気温度を内燃機関制御装置１０に出力する。

排気管３２には、空燃比センサ４６、三元触媒３４と、ガソリンパーティキュートフィルタ（Gasoline Particulate Filter：以下「ＧＰＦ」という）３５が設けられている。空燃比センサ４６は、排気管３２を通る排気ガス中に含まれる酸素濃度を測定する。そして、そして、空燃比センサ４６は、内燃機関制御装置１０に接続されており、測定した酸素濃度を内燃機関制御装置１０に出力する。

三元触媒３４は、排気管３２に中間部に設けられている。三元触媒３４は、酸化・還元反応により排気ガスに含まれる有害物質を浄化する。

排気管３２における三元触媒３４よりも下流側には、ＧＰＦ３５が設けられている。ＰＭ捕集フィルタであるＧＰＦ３５は、排気ガス中に含まれる粒子状物質、いわゆるＰＭを捕集する。また、ＧＰＦ３５よりも上流側、すなわち三元触媒３４とＧＰＦ３５との間には、ＧＰＦ上流温度センサ４７が設けられている。ＧＰＦ上流温度センサ４７は、ＧＰＦ３５に流入する排気ガスの温度を測定する。そして、ＧＰＦ上流温度センサ４７は、内燃機関制御装置１０に接続されており、測定した排気ガスの温度を内燃機関制御装置１０に出力する。

また、ＧＰＦ３５には、差圧センサ４８が設けられている。差圧センサ４８は、ＧＰＦ３５の上流側と下流側の圧力の差（差圧）を測定する。そして、差圧センサ４８は、内燃機関制御装置１０に接続されており、測定した差圧を内燃機関制御装置１０に出力する。

なお、本例では、三元触媒３４とＧＰＦ３５を別部材として構成した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ＧＰＦ３５に三元触媒３４の浄化機能を付与した四限触媒等のＰＭ捕集フィルタであってもよい。

１−２．内燃機関制御装置１０の構成例
次に、図２を参照して内燃機関制御装置１０の構成例について説明する。
図２は、内燃機関制御装置１０の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、ＥＣＵ（Engine Control Unit）である内燃機関制御装置１０は、制御部の一例を示すＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０３と、入出力ポート１０４と、入力回路１０５を有している。また、内燃機関制御装置１０は、制御部の一例を示すＧＰＦ制御部１１０を有している。

受信部の一例を示す入力回路１０５には、エアフローセンサ４２から吸気量、吸気圧力センサ４３から吸気圧力、吸気温度センサ４４から吸気温度やクランク角度センサ２９から回転数等の各センサの出力が入力される。なお、入力回路１０５に入力される入力信号は、上述したものに限定されない。入力回路１０５は、入力された信号に対してノイズ除去等の信号処理を行って、入出力ポート１０４へ送る。入出力ポート１０４の入力ポートに入力された値はＲＡＭ１０２に格納される。

記憶部の一例を示すＲＯＭ１０３には、ＣＰＵ１０１により実行される各種演算処理の内容を記述した制御プログラムや、各処理に用いられるＭＡＰやデータテーブル等が記憶されている。ＲＡＭ１０２には、入出力ポート１０４の入力ポートに入力された値や、制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの操作量を表す値を格納する格納領域が設けられている。また、ＲＡＭ１０２に格納された各アクチュエータの操作量を表す値は、入出力ポート１０４の出力ポートに送られる。

また、入出力ポート１０４には、インジェクター２７、点火プラグ２６や、スロットル弁４１を駆動するためのそれぞれの駆動回路が接続されている。そして、入出力ポート１０４の出力ポートにセットされた駆動信号は、各駆動回路を経て、インジェクター２７、点火プラグ２６やスロットル弁４１に送られる。

また、入出力ポート１０４には、ＧＰＦ制御部１１０が接続されている。ＧＰＦ制御部１１０は、各種センサから出力された情報に基づいて、ＧＰＦ３５の内部温度（以下、ＧＰＦ温度）や、ＧＰＦ３５に堆積するＰＭ堆積量を算出する。そして、算出したＧＰＦ温度やＰＭ堆積量が設定した閾値を超えた場合、点火プラグ２６やインジェクター２７を制御し、空燃比や点火タイミングを調整することで、ＧＰＦ３５中のＰＭを燃焼除去する。このＧＰＦ中のＰＭを燃焼除去する動作を本例では、ＧＰＦ３５の再生制御と称す。

１−３．ＧＰＦ制御部１１０の構成例
次に、図３を参照してＧＰＦ制御部１１０の構成例について説明する。
図３は、ＧＰＦ制御部１１０の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、ＧＰＦ制御部１１０は、散らばり度合い算出処理部２０１と、燃料付着割合算出処理部２０２と、温度圧力状態算出処理部２０３と、ＰＭ排出量算出処理部２０４と、ＰＭ堆積量算出処理部２０５と、再生制御処理部２０６とを有している。ＰＭ排出量算出処理部２０４には、散らばり度合い算出処理部２０１、燃料付着割合算出処理部２０２、及び温度圧力状態算出処理部２０３が接続されている。そして、ＰＭ堆積量算出処理部２０５には、ＰＭ排出量算出処理部２０４が接続され、再生制御処理部２０６には、ＰＭ堆積量算出処理部２０５が接続されている。

散らばり度合い算出処理部２０１は、エンジン回転数、燃料噴射パルス、燃料噴射開始時期、及び点火時期等に基づいて、気筒２１の筒内２１ａにおける混合気分布の散らばり度合い、すなわち筒内２１ａにおける混合気の状態を算出する。そして、散らばり度合い算出処理部２０１は、算出した混合気分布の散らばり度合いをＰＭ排出量算出処理部２０４に出力する。なお、散らばり度合い算出処理部２０１における、混合気分布の散らばり度合いの算出方法については、後述する。

燃料付着割合算出処理部２０２は、エンジン回転数、燃料噴射パルス、燃料噴射開始時期、点火時期、冷却水温度、吸気圧力、燃圧、排気バルブの開閉タイミング、吸気圧力等に基づいて、筒内２１ａに噴射された燃料の噴射量を算出する。また、燃料付着割合算出処理部２０２は、上述した情報に基づいて、筒内２１ａの壁面に付着した燃料Ｎ２やピストン２２の冠面２２ａに付着した燃料Ｎ３（図１１参照）の割合（燃料付着割合）を算出する。そして、燃料付着割合算出処理部２０２は、算出した燃料付着割合をＰＭ排出量算出処理部２０４に出力する。なお、燃料付着割合算出処理部２０２における、燃料付着割合の算出方法については、後述する。

温度圧力状態算出処理部２０３は、吸気圧力、吸気温度及び気筒２１の筒内容積に基づいて、筒内２１ａにおける混合気の温度履歴及び筒内２１ａの圧力履歴を算出する。温度圧力状態算出処理部２０３は、算出した温度圧力履歴をＰＭ排出量算出処理部２０４に出力する。なお、温度圧力状態算出処理部２０３における温度圧力履歴の算出方法については、後述する。

ＰＭ排出量算出処理部２０４は、混合気分布の散らばり度合い、燃料付着割合及び温度圧力履歴に基づいて、内燃機関２から排出されたＰＭの排出量（ＰＭ排出量）を算出する。そして、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、算出したＰＭ排出量をＰＭ堆積量算出処理部２０５に出力する。なお、ＰＭ排出量算出処理部２０４におけるＰＭ排出量の算出方法については、後述する。

ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、ＰＭ排出量に基づいて、ＧＰＦ３５中に堆積しているＰＭの量（ＰＭ堆積量）を算出する。そして、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、算出したＰＭ堆積量を再生制御処理部２０６に出力する。なお、ＰＭ堆積量算出処理部２０５におけるＰＭ堆積量の算出方法については、後述する。

再生制御処理部２０６は、ＰＭ堆積量に基づいて、ＧＰＦ３５の再生制御を行うか否かを判定する。そして、再生制御処理部２０６は、判定結果に基づいて、再生制御を指令する。不図示の駆動回路は、再生制御処理部２０６からの再生制御指令に基づいて、駆動信号を生成し、点火プラグ２６やインジェクター２７を駆動させる。なお、再生制御処理部２０６における判定動作については、後述する。

なお、上述したＧＰＦ制御部１１０は、ＣＰＵ１０１に設けられていてもよい。そのため、ＧＰＦ制御部１１０が有する各種算出処理部は、ＣＰＵ１０１に設けられる。そして、ＣＰＵ１０１が、混合気の散らばり度合い、燃料付着割合、混合気の温度圧力履歴、ＰＭ排出量、ＰＭ堆積量の算出処理を行うと共に、ＧＰＦ３５の再生制御の判定を行う。

また、図２に示すように、ＧＰＦ制御部１１０をＣＰＵ１０１とは別の制御部として内燃機関制御装置１０に設けてもよい。

２．ＰＭの生成の特性
次に、ＰＭの生成の特性について図４を参照して説明する。
図４は、ＰＭの生成速度を示す特性図であり、図５は、筒内２１ａ内における混合気分布を示すもので、混合気の割合と当量比の関係を示すグラフ図である。

図４では、横軸に反応ガス、すなわち混合気の温度を示し、縦軸に当量比を示している。当量比は、混合気中における燃料濃度を表す指標で、実際の空燃比で、理論上最も燃焼効率の高い空燃比である理論空燃比を割った値である。図４に示すように、当量比の増加に戸もない、ＰＭの生成速度が増加する。このように、ＰＭの量を高精度に推定するためには、筒内２１ａ内における当量比の大きな混合気がどの程度存在するのを推定することが重要となる。

なお、図４に示す例では、縦軸として当量比を用いた例を説明したが、これに限定されるものではなく、燃料と空気の比に関連する指標として、空燃比や燃空比、燃料質量分率等を適用してもよい。

次に、混合気が高均質な状態と低均質な状態における筒内２１ａにおける混合気分布について説明する。
図５は、筒内２１ａにおける混合気分布を示す図である。図５では、横軸に当量比、縦軸に混合気割合を示している。

ガソリンエンジンは、通常、燃料と空気が均一に混合した状態（高均質な状態）で燃焼する。しかしながら、図１に示すような、燃料を筒内２１ａに直接噴射する筒内噴射型の内燃機関２では、圧縮行程での燃料の噴射等の燃料噴射開始時期が遅い場合や、空気の流動が弱い場合等には、燃料と空気の混合が不十分となる。そのため、筒内２１ａには、局所的に燃料の割合が濃くなる混合気（以下、リッチ混合気）が存在する状態（低均質な状態）になりやすい。また、図５に示すように、当量比が一定値よりも高い状態（リッチ）、すなわち燃料の割合が濃くなると、ＰＭの生成量が増大する。

そのため、筒内２１ａにおける混合気分布を推定することで、ＰＭの生成の推定を行うことができる。この混合気分布を推定する一つの手段としては、混合気分布を混合分率空間の確率密度関数を用いて推定する方法がある。

３．確立密度関数を用いた算出方法
次に、筒内２１ａにおける混合気分布を混合分率空間（混合分率を横軸にしたグラフ）の確率密度関数を用いて算出する方法について説明する。なお、本例では、確率密度関数を用いて筒内２１ａの混合気分布を推定する方法について説明するが、混合気分布の推定方法については、これに限定されるものではない。

確率密度関数の一つにベータ関数がある。混合分率空間におけるベータ関数Ｐ（Ｚ）は、以下の式１〜式４で求められる。
［式１］

［式２］

［式３］

［式４］

上述した式１〜式４におけるＺは混合分率［−］、Ｚ_ａｖｅは混合分率の筒内平均値、σは混合分率の分散、Ａ／Ｆは空燃比、ａ、ｂは分布定数を示している。

図６は、ベータ関数の分布を示す図である。
図６に示すように、ベータ関数Ｐ（Ｚ）は、混合分率の筒内平均値Ｚ_ａｖｅと混合分率の分散σの組み合わせにより、上に凸、下に凸、又は混合分率Ｚに対して単調減少などの分布が得られる。例えば、燃料と空気がよく混合した状態（高均質な状態）は、σ＝ａ_１，Ｚ_ａｖｅ＝ｂ_１では、ベータ関数Ｐ（Ｚ）は、上に凸となる。また、燃料と空気が筒内２１ａで分離している状態（低均質な状態）は、σ＝ａ_２、Ｚ_ａｖｅ＝ｂ_２では、ベータ関数Ｐ（Ｚ）は、下に凸となる。ここれ、混合分率の筒内平均値Ｚ_ａｖｅは、筒内２１ａの平均空燃比Ａ／Ｆから与えることができる。なお、本例では、平均空燃比Ａ／Ｆを理想空燃比として１４．７とした例を説明したが、これに限定されるものではない。

ここで、確率密度関数において混合気の状態を推定する際の重要なパラメータは、分散σである。車両の運転条件や、インジェクター２７や点火プラグ２６等の各アクチュエータの操作量により、分散の変化を算出することができれば、確率密度関数によって筒内２１ａの混合気分布の状態を算出することができる。

４．混合気分布の散らばり度合いの算出動作
次に、図７を参照して散らばり度合い算出処理部２０１における、混合気分布の散らばり度合いの算出動作について説明する。
図７は、散らばり度合い算出処理部２０１における、混合気分布の散らばり度合いの算出動作を示すフローチャートである。

図７に示すように、まず散らばり度合い算出処理部２０１は、内燃機関２の運転条件を取得する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１の処理では、散らばり度合い算出処理部２０１は、内燃機関２の運転条件として、各種センサの出力情報や、各アクチュエータの操作量等を取得する。センサの出力情報や操作量としては、例えば、回転数Ｎｅ、燃料噴射パルスｔi、燃料噴射開始時期θ_ＳＯＩ、点火時期θ_ＡＤＶ等である。

回転数Ｎｅは、クランクシャフト２３の回転数であり、燃料噴射パルスｔｉは、インジェクター２７から燃料が噴射される期間である。また、燃料噴射開始時期θ_ＳＯＩは、クランク角度に対するインジェクター２７から燃料の噴射が開始される時期である。そして、点火時期θ_ＡＤＶは、クランク角度に対する点火プラグ２６が筒内２１ａの混合気を点火する時期である。回転数Ｎｅは、クランク角度センサ２９の検出情報に基づいて取得される。燃料噴射パルスｔi及び燃料噴射開始時期θ_ＳＯＩは、インジェクター２７の制御量、点火時期θ_ＡＤＶは点火プラグ２６の制御量として、それぞれ既知である。

次に、散らばり度合い算出処理部２０１は、取得した回転数Ｎｅに基づいて、回転周期ｔｃを計算する（ステップＳ１２）。回転周期ｔｃ［ｓ］は、回転数Ｎｅ［ｒｐｍ］を用いて下記式５により算出される。
［式５］

次に、回転周期ｔｃを計算した後、散らばり度合い算出処理部２０１は、燃料噴射終了時期θ_ＥＯＩ［ＡＴＤＣ］を計算する（ステップＳ１３）。燃料噴射終了時期θ_ＥＯＩは、燃料噴射パルスｔｉ［ｓ］、燃料噴射開始時期θ_ＳＯＩ［ＡＴＤＣ］、回転数Ｎｅ［ｒｐｍ］を用いて下記式６により算出される。
［式６］

燃料噴射終了時期θ_ＥＯＩを計算した後、散らばり度合い算出処理部２０１は、混合時間ｔｍを計算する（ステップＳ１４）。ここで、混合時間ｔｍは、燃料噴射が終了してから点火するまでの時間を表す。混合時間ｔｍ［ｓ］は、点火時期θ_ＡＤＶ［ＡＴＤＣ］、回転数Ｎｅ［ｒｐｍ］、燃料噴射終了時期θ_ＥＯＩ［ＡＴＤＣ］を用いて下記式７により算出される。
［式７］

混合時間ｔｍを計算した後、散らばり度合い算出処理部２０１は、混合気分布の散らばり度合い、すなわち分散σを計算する（ステップＳ１５）。混合気分布の散らばり度合いσは、混合時間ｔｍ［ｓ］を用いて、下記式８により算出される。
［式８］

また、混合気分布の散らばり度合いσは、噴射パルスｔｉ［ｓ］、回転周期ｔｃ［ｓ］、混合時間ｔｍ［ｓ］を用いて、下記式９からより正確に算出することもできる。
［式９］

これにより、散らばり度合い算出処理部２０１における、混合気分布の散らばり度合いσの算出動作が完了する。

４−１．混合気分布の散らばり度合いの算出根拠
次に、噴射パルスｔｉ［ｓ］、回転周期ｔｃ［ｓ］、混合時間ｔｍ［ｓ］を用いて、混合気分布の散らばり度合いσが算出される根拠について図８〜図１０を参照して説明する。
ここで、燃料と空気からなる混合気は、「燃料噴霧の形成」、「形成した噴霧の蒸発」、「蒸発した燃料と空気との混合」の３つのプロセスを経て形成される。

［燃料噴霧の形成］
まず、「燃料噴霧の形成」と燃料噴射パルスｔｉ［ｓ］との関係について図８を参照して説明する。
図８は、インジェクター２７から噴射された燃料噴霧の中心断面における噴霧の形状を示す説明図である。

図８に示すように、インジェクター２７から噴射された燃料は、略円錐形状に噴霧される。そのため、燃料噴霧の中心断面は、三角形となる。ここで、噴霧の先端速度ｕ_ｔｉｐは、下記式１０により算出される。
［式１０］

式１０に示すｕ_０は、噴射の初期速度［ｍ／ｓ］であり、ｔは噴射時間［ｓ］である。

また、式１０の積分により噴射終了時の三角形となる噴霧中心断面の面積Ｓ１は下記式１１により算出される。
［式１１］

式１１に示すθは噴射角［ｒａｄ］、ｔｉは燃料噴射パルス［ｓ］である。

式１１に示すように、噴射終了時の噴霧の初期位置は、噴射初期速度ｕ_０、噴射時間ｔ、噴射角度θの関数により算出することができる、ここで、噴射初期速度ｕ_０、噴射角度θが一定である場合、噴射終了時の噴霧の初期位置は、燃料噴射パルスｔｉの関数である。そのため、燃料噴射パルスｔｉ、いわゆる燃料が噴射される期間を用いることで、燃料の初期分布を考慮して、筒内２１ａの混合気分布の散らばり度合いσを推定することができる。その結果、燃料噴射パルスｔｉにより混合気分布の散らばり度合いσの計算精度を向上させることができる。

［形成した噴霧の蒸発］
次に、「形成した噴霧の蒸発」と回転周期ｔｃ［ｓ］との関係について図９を参照して説明する。
図９は、燃料噴射後の燃料の気化率を示す説明図である。図９におけるＳＯＩは燃料噴射の開始時期を示し、ＥＯＩは燃料噴射の終了時期を示す。

図９に示すように、燃料は、噴射が終了ＥＯＩすると、気化率が０から上昇する。そして、燃料噴射の終了時期ＥＯＩから気化率が１になるまでの時間が混合開始までの遅れ時間、いわゆる燃料が蒸発するまでに生じる時間（蒸発遅れ時間）となる。ここで、蒸発速度が燃料の飽和蒸気圧と圧力の比で律速されるとしたモデル式を下記式１２に示す。
［式１２］

また、吸気行程中の温度変化が筒内２１ａの壁面の熱伝達により支配されるとしたモデル式を下記式１３に示す。
［式１３］

ここで、ρ_ｆは燃料成分のガス密度［ｋｇ／ｍ^３］、ρ_ｌは燃料成分の液体密度［ｋｇ／ｍ^３］、Ｄは核酸係数［ｍ^２／ｓ^２］、ｄは粒子径［ｍ］、ρ_ｓ，ｆは飽和蒸気圧［Ｐａ］、Ｍは筒内２１ａの質量［ｋｇ］、Ｃ_ｐは定圧比熱［Ｊ／Ｋｇ／Ｋ］、αは熱伝達率［Ｗ／ｍ^２／Ｋ］、Ｓは筒内２１ａの表面積［ｍ^２］、Ｔはガス温度［Ｋ］、Ｔ_ｗは壁面温度［Ｋ］である。

そして、式１２と式１３から下記式１４を導出することができる。
［式１４］

式１４は、図９に示される蒸発遅れ時間が回転周期ｔｃの関数であることを示している。これにより、回転周期ｔｃを用いることで、蒸発遅れ時間を求めることができる。その結果、回転周期ｔｃを用いることで、形成した噴霧の蒸発遅れ時間を考慮して、筒内２１ａの混合気分布の散らばり度合いσを推定することができる。そのため、回転周期ｔｃにより混合気分布の散らばり度合いσの計算精度を向上させることができる。

［蒸発した燃料と空気との混合］
次に、「蒸発した燃料と空気との混合」と混合時間ｔｍ［ｓ］との関係について図１０を参照して説明する。
図１０は、燃料噴射直後と点火時期における筒内２１ａの混合分率を示している。図１０に示す実線は燃料噴射直後の混合分率を示し、点線は点火時期における混合分率を示している。

図１０に示すように、燃料噴射直後の混合分率の分散は大きいが、乱流拡散により燃料と空気の混合が進み、筒内平均値Ｚ_ａｖｅに近づく。そして、点火時期には、分散が小さい状態となる。燃料の空気の拡散は、拡散現象の基本式である１次元拡散方程式から検討することができる。１次元拡散方程式を下記式１５に示す。
［式１５］

式１５は、無限遠でＺ＝０とする境界条件を課すことで厳密解が得られる。厳密解は下記式１６により示される。
［式１６］

また、式１６において分散σは、下記式１７で示される
［式１７］

ここで、乱流拡散による混合を対象とする場合、Ｄは乱流拡散係数で評価する。そして、乱流拡散係数Ｄは、乱流エネルギーｋ及び乱流エネルギー散逸率εを用いて下記式１８により示すことができる。
［式１８］

なお、Ｒｅは、レイノルズ数である。

簡単化のため、燃料の空気の混合は、噴射終わりから点火時期までの時間で進行すると仮定すると、式１７における時間ｔは噴射終了時期から点火時期までの時間、すなわち混合時間ｔｍで与えられる。その結果、実空間における混合気分布の分散σは、下記式１９により求められる。
［式１９］

このように、混合時間ｔｍを用いることで、燃料と空気の乱流拡散プロセスを考慮して、筒内２１ａの混合気分布の散らばり度合いσを推定することができる。その結果、混合時間ｔｍにより混合気分布の散らばり度合いσの計算精度を向上させることができる。

５．燃料付着割合の算出動作及びＰＭの生成特性
次に、図１１から図１３を燃料付着割合算出処理部２０２における燃料付着割合の算出動作及びＰＭの生成特性について説明する。
まず、図１１を参照して燃料の付着割合とＰＭの生成の関係について説明する。
図１１は、筒内２１ａにおける燃料の付着状態を示す図である。

筒内噴射型の内燃機関２では、特に機関の冷間時に気筒２１の筒内２１ａにおける燃料の霧化が促進され難くなる。そのため、図１１に示すように、インジェクター２７から筒内２１ａに燃料Ｎ１が噴射されると、筒内２１ａの壁面やピストン２２の冠面２２ａに燃料Ｎ２、Ｎ３が付着する。このため、機関の冷間時に通常は、燃料噴射開始時期を吸気行程中に設定し、いわゆる吸気行程噴射を行う。そして、燃料噴射から点火までの機関を極力長く確保して、噴射された燃料の霧化を促進するようにしている。

ただし、吸気行程噴射を行っても、筒内２１ａの壁面やピストン２２の冠面２２ａに付着した燃料Ｎ２、Ｎ３を全て解消することは困難である。そして、付着した燃料Ｎ２、Ｎ３のうち一部の燃料は燃焼に供されることなく、機関の燃焼後も筒内２１ａの壁面やピストン２２の冠面２２ａに付着した状態で残留する。残留した燃料は、その後の機関燃焼時に除々に霧化され、不完全燃焼して気筒２１から排出される。燃料が不完全燃焼して排出されることで、ＰＭの生成の起因となっていた。このように、機関の冷間時には燃料の付着割合を推定することが、ＰＭの生成の推定を行う際に重要となる。

次に、図１２を参照して燃料付着割合算出処理部２０２における、燃料付着割合の算出動作について説明する。
図１２は、燃料付着割合算出処理部２０２における、燃料付着割合の算出動作を示すフローチャートである。

図１２に示すように、燃料付着割合算出処理部２０２は、内燃機関２の運転条件を取得する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１の処理では、燃料付着割合算出処理部２０２は、内燃機関２の運転条件として、各種センサの出力情報や、各アクチュエータの操作量等を取得する。センサの出力情報や操作量としては、例えば、排気バルブタイミングθ_ｅｖｃ、吸気圧Ｐｉ、インジェクター２７から燃料にかけられる圧力である燃圧Ｐｆ、燃料噴射開始時期θ_ＳＯＩ、燃料噴射パルスｔｉ、回転数Ｎｅ、冷却水温度Ｔｗ等である。

吸気圧Ｐｉは、気筒２１の筒内２１ａに流入する際の圧力であり、吸気圧力センサ４３が計測した計測情報に基づいて取得される。回転数Ｎｅは、クランク角度センサ２９の検出情報に基づいて取得される。排気バルブタイミングθ_ｅｖｃは、排気バルブ２５の開閉タイミングである。燃料噴射パルスｔi、燃圧Ｐ、燃料噴射開始時期θ_ＳＯＩは、インジェクター２７の制御量、排気バルブタイミングθ_ｅｖｃは、インジェクター２７や排気バルブ２５の制御量として、それぞれ既知である。また、冷却水温度Ｔｗは、気筒２１に設けられた冷却水センサ２８から取得される。

次に、燃料付着割合算出処理部２０２は、排気バルブタイミングθ_ｅｖｃ、吸気圧Ｐｉ、燃圧Ｐｆ、燃料噴射開始時期θ_ＳＯＩ、燃料噴射パルスｔｉ、回転数Ｎｅ、冷却水温度Ｔｗに基づいて、筒内２１ａの壁面やピストン２２の冠面２２ａに付着する燃料量の割合（燃料付着割合）αを計算する（ステップＳ２２）。燃料付着割合αは、下記式２０により算出される。なお、回転周期ｔｃは、回転数Ｎｅにより上述した式５により算出される。
［式２０］

式２０に示すように、排気バルブタイミングθ_ｅｖｃ、吸気圧Ｐｉ、燃圧Ｐｆ、燃料噴射開始時期θ_ＳＯＩ、燃料噴射パルスｔｉ、回転周期ｔｃ、冷却水温度Ｔｗの関数として燃料付着割合αを算出することができる。これにより、燃料付着割合算出処理部２０２における燃料付着割合αの算出動作が完了する。

６．燃料付着の制御要因
次に、筒内噴射型の内燃機関２における燃料付着の制御要因について説明する。

筒内噴射型の内燃機関２における燃料付着の制御要因としては、次のような要因が考えられる。まず、筒内混合気状態要因として、筒内２１ａでの混合気の温度、圧力が燃料のペネトレーション（噴射距離）に影響を与えるものと考えられる。また、燃料分布要因として、噴射された燃料の初期分布と筒内２１ａの壁面やピストン２２の冠面２２ａとの距離が近いほど燃料付着が増加するものと考えられる。そして、燃料蒸発要因として、壁面温度と気化温度が付着した燃料の蒸発に影響を与えるものと考えられる。

［筒内混合気状態要因］
まず、筒内混合気状態要因の制御因子について説明する。
噴霧先端距離Ｓは、燃料圧力と周囲気体の圧力差ΔＰ_Ｌ、周囲気体密度ρ_Ａ、燃料を噴射してからの経過時間ｔに基づいて、下記式２１により算出される。
［式２１］

式２１に示すように、噴霧先端距離Ｓは、燃料圧力と周囲気体の圧力差ΔＰ_Ｌ、周囲気体密度ρ_Ａに依存していることが分かる。また、気体の状態方程式から、下記式２２に示す関係を得ることができる。なお、式２２におけるＴは、筒内２１ａの温度、Ｐは筒内２１ａの圧力、Ｒはガス定数である。
［式２２］

式２２に示すように、噴射先端距離Ｓは、周囲気体の圧力Ｐと負の相関を持ち、温度Ｔと性の相関を持つことが分かる。そして、筒内２１ａの温度Ｔが変化する一因としては、例えば、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing機構：以下、ＶＶＴという）等の操作により内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス量の変化がある。例えば、排気バルブ２５の閉じ時期が下死点から離れると、前サイクルの燃焼ガスの残留量が増加するため、筒内２１ａの温度Ｔが上昇する。その結果、式２２に示すように、噴射先端距離Ｓが短くなる。

また、筒内２１ａの圧力Ｐが変化する一因としては、例えば、吸入空気量制御のために行うスロットル弁４１の開度調整による吸気圧変化がある。例えば、スロットル弁４１の開度が小さくなると、吸気圧が低下し、筒内２１ａの圧力Ｐが低下する。その結果、式２２に示すように、噴射先端距離Ｓが長くなる。

これらにより、排気バルブタイミングθ_ｅｖｃと吸気圧Ｐｉを変数として用いることで、筒内２１ａにおける混合気の温度や圧力の状態に起因する燃料付着の変化を算出することができる。その結果、排気バルブタイミングθ_ｅｖｃと吸気圧Ｐｉによって、燃料付着割合αの計算精度を向上させることができる。

［燃料分布要因］
次に、燃料分布要因の制御因子について図１３を参照して説明する。
図１３は、ピストン２２の位置と燃料付着の状態を示す図である。

燃料分布要因の制御因子を検討する際には、燃料噴射終了時期における噴射された燃料の先端位置と、ピストン２２との相対的な位置関係が重要である。図１３に示すように、ピストン２２とインジェクター２７との間隔が近い位置で、燃料Ｎ１を噴射すると、噴射された燃料Ｎ１がピストン２２の冠面２２ａに到達する。そのため、ピストン２２の冠面２２ａに付着する燃料Ｎ３は増加する。

また、ピストン２２とインジェクター２７との間隔が遠い位置で、燃料Ｎ１を噴射すると、噴射された燃料Ｎ１は、ピストン２２の冠面２２ａに到達し難い。そのため、ピストン２２の冠面２２ａに付着する燃料Ｎ３は減少する。

上述した式２２に示すように、噴射先端距離Ｓは、燃圧Ｐｆと、噴射からの経過時間ｔに比例する。また、噴射からの経過時間ｔは、噴射期間である燃料噴射パルスｔｉにより算出することができる。そのため、噴射先端距離Ｓは、燃料噴射パルスｔｉにより算出することができる。また、ピストン２２の位置は、クランク角度センサ２９が検出したクランク角度により一義的に決まる。

これらにより、燃圧ｐｆ、燃料噴射パルスｔｉを変数として用いることで、燃料分布に起因する燃料付着の変化を算出することができる。その結果、燃圧ｐｆ、燃料噴射パルスｔｉ、回転数Ｎｅによって、燃料付着割合αの計算精度を向上させることができる。

［燃料蒸発要因］
次に、燃料蒸発要因の制御要因について説明する。
筒内２１ａの壁面やピストン２２の冠面２２ａに付着した燃料Ｎ２、Ｎ３には、付着してから点火までの期間に蒸発が発生する。この蒸発期間は、上述した式１４で示したように回転周期ｔｃに比例する。また、蒸発は、筒内２１ａの壁面の温度が高いほど促進する。そして、筒内２１ａの壁面の温度は、冷却水温度Ｔｗに大きく依存する。そのため、回転周期ｔｃ及び冷却水温度Ｔｗを用いることで、燃料の蒸発に起因する燃料付着の変化を算出することができる。その結果、回転周期ｔｃ及び冷却水温度Ｔｗによって、燃料付着割合αの計算精度を向上させることができる。

７．温度圧力状態算出処理部の動作例
次に、温度圧力状態算出処理部２０３の動作例について図１４を参照して説明する。
図１４は、温度圧力状態算出処理部２０３における温度圧力履歴の算出動作を示すフローチャートである。

図１４に示すように、まず温度圧力状態算出処理部２０３は、内燃機関２の運転条件を取得する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１の処理では、散らばり度合い算出処理部２０１は、内燃機関２の運転条件として、各種センサの出力情報や、各アクチュエータの操作量等を取得する。センサの出力情報や操作量としては、例えば、吸気圧Ｐｉ、吸気温度Ｔｉ、筒内容積Ｖ等が挙げられる。

吸気温度Ｔｉは、気筒２１に吸気される空気の温度であり、吸気温度センサ４４が計測した計測情報に基づいて取得される。吸気圧Ｐｉは、気筒２１に吸気される際の圧力であり、吸気圧力センサ４３が計測した計測情報に基づいて取得される。筒内容積Ｖは、クランク角度センサ２９の検出情報に基づいて取得される。

次に、温度圧力状態算出処理部２０３は、点火時期での筒内圧力（以下、点火時期筒内圧力という）Ｐ_ＡＤＶを計算する（ステップＳ３２）。ステップＳ３２の処理では、温度圧力状態算出処理部２０３は、吸気圧Ｐｉ、筒内容積Ｖ、点火時期筒内容積Ｖ（θ_ＡＤＶ）、吸気バルブ２４が閉じる時期での筒内容積（以下、吸気バルブ閉じ時期筒内容積という）Ｖ（θ_ＩＶＣ）に基づいて、下記式２３により点火時期筒内圧力Ｐ_ＡＤＶを算出する。
［式２３］

なお、点火時期筒内容積Ｖ（θ_ＡＤＶ）及び吸気バルブ閉じ時期筒内容積Ｖ（θ_ＩＶＣ）は、予め設定された定数であってもよい。また、点火時期筒内容積Ｖ（θ_ＡＤＶ）及び吸気バルブ閉じ時期筒内容積Ｖ（θ_ＩＶＣ）は、サイクル毎に、クランク角度センサ２９の検出情報に基づいて算出してもよい。この場合、点火時期筒内圧力Ｐ_ＡＤＶの算出精度を向上させることができる。

次に、温度圧力状態算出処理部２０３は、筒内圧力履歴Ｐ_ａｐｐを計算する（ステップＳ３３）。ステップＳ３３の処理では、温度圧力状態算出処理部２０３は、点火時期筒内圧力Ｐ_ＡＤＶ、筒内容積Ｖ、点火時期筒内容積Ｖ（θ_ＡＤＶ）及び比熱比γに基づいて、下記式２４及び式２５によって筒内圧力履歴Ｐ_ａｐｐを算出する。
［式２４］

［式２５］

ここで、ａ、ｍは定数、Ｑ_ｆは総発熱量、Δθ_ｂｕｒｎは燃焼期間である。式２４及び式２５から燃焼期間中も含めて筒内２１ａの圧力を算出することができる。また、比熱比γは、予め設定された定数であってもよく、あるいは他の方法により求めてもよい。

次に、温度圧力状態算出処理部２０３は、点火時期温度Ｔ_ＡＤＶを計算する（ステップＳ３４）。ステップＳ３４の処理では、温度圧力状態算出処理部２０３は、吸気温度Ｔｉ、点火時期筒内容積Ｖ（θ_ＡＤＶ）及び吸気バルブ閉じ時期筒内容積Ｖ（θ_ＩＶＣ）と比熱比に基づいて、点火時期温度Ｔ_ＡＤＶを算出する。
［式２６］

次に、温度圧力状態算出処理部２０３は、筒内空気質量と気体定数の積ＭＲを、点火時期筒内圧力Ｐ_ＡＤＶ、点火時期筒内容積Ｖ（θ_ＡＤＶ）及び点火時期温度Ｔ_ＡＤＶに基づいて、下記式２７により計算する（ステップＳ３５）。
［式２７］

次に、温度圧力状態算出処理部２０３は、筒内２１ａにおける混合気の温度履歴である筒内ガス温度履歴Ｔ_ａｖｅ（θ）を計算する（ステップＳ３６）。ステップＳ３６の処理では、温度圧力状態算出処理部２０３は、筒内圧力履歴Ｐ_ａｐｐ、筒内容積Ｖと、筒内空気質量と気体定数の積ＭＲに基づいて、下記式２８により筒内ガス温度履歴Ｔ_ａｖｅ（θ）を算出する。
［式２８］

これにより、温度圧力状態算出処理部２０３における温度圧力履歴の算出動作が完了する。この結果、運転条件により様々に変化する筒内２１ａの圧力及び混合気の筒内ガス温度を算出することができるため、後述するＰＭの算出精度を向上させることができる。

８．ＰＭ排出量算出処理部の動作例
次に、ＰＭ排出量算出処理部２０４の動作例について図１５〜図１８を参照して説明する。
図１５は、混合気割合と燃料濃度との関係を示すグラフである。

上述したようにＰＭの生成は、混合気の割合に大きく依存している。図１５に示すように、ＰＭの生成に大きく依存する混合気の割合は、混合気分布に起因する混合気起因確率密度関数Ｐ_１（Ｚ）と、燃料付着に起因する燃料付着起因確率密度関数Ｐ_２（Ｚ）で増加する。そして、ＰＭの平均反応速度Ｗ（θ）［ｇ／ｍ^３・ｓ］は、混合気起因確率密度関数Ｐ_１（Ｚ）と、燃料付着起因確率密度関数Ｐ_２（Ｚ）により下記式２０により算出することができる。
［式２９］

ここで、ｗ_１は混合気起因反応速度［ｇ／ｍ^３・ｓ］、ｗ_２は燃料付着起因反応速度［ｇ／ｍ^３・ｓ］、Ｚは混合分率、Ｔは温度［Ｋ］、ｐは圧力［ｐａ］である。

混合気起因確率密度関数Ｐ_１（Ｚ）は、上述した式１により算出される。また、燃料付着起因確率密度関数Ｐ_２（Ｚ）は、予め設定された、ある大きさを持つ確率密度関数とした固定値である。

また、内燃機関２の冷機状態では、燃料付着の影響が大きく作用し、内燃機関２の暖機状態では、混合気分布の散らばり度合いの影響が大きく作用する。そのため、式２９に示すように混合気起因確率密度関数Ｐ_１（Ｚ）と、燃料付着起因確率密度関数Ｐ_２（Ｚ）は、上述した式２０により算出された燃料付着割合αで重み付けされて和算されている。これにより、内燃機関２における冷機状態から暖機状態までの混合気の割合を正確に検出することができる。

図１６は、混合気起因反応速度ｗ_１マップを示すもので、混合気である反応ガス温度と分布定数ａで表されたマップ上の混合気起因反応速度ｗ_１を示す特性図である。図１６では、反応ガス温度を横軸、分布定数ａを縦軸として混合気起因反応速度ｗ_１をマップ化している。また、図１７は、燃料付着起因反応速度ｗ_２マップを示すもので、混合気である反応ガス温度と燃料付着起因反応速度ｗ_２の関係を示す特性図である。
図１６及び図１７に示す特性図は、予め作成されてＲＯＭ１０３等の記憶部に格納されている。これにより、混合気起因反応速度ｗ_１及び燃料付着起因反応速度ｗ_２の計算時間の短縮を図ることができる。

次に、ＰＭ排出量算出処理部２０４におけるＰＭ排出量の算出動作について図１８を参照して説明する。
図１８は、ＰＭ排出量算出処理部２０４におけるＰＭ排出量の算出動作を示すフローチャートである。

図１８に示すように、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、分布定数ａを計算する（ステップＳ４１）。ステップＳ４１の処理では、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、混合分率の筒内平均値Ｚ_ａｖｅと、散らばり度合い算出処理部２０１が算出した分散σに基づいて、上述した式３から分布定数ａを算出する。

次に、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、混合気起因反応速度ｗ_１及び燃料付着起因反応速度ｗ_２を計算する（ステップＳ４２）。ステップＳ４２の処理では、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、ステップＳ４１の処理で算出した分布定数ａと、反応ガス温度Ｔｂに基づいて、図１６及び図１７に示すマップを用いて、混合気起因反応速度ｗ_１及び燃料付着起因反応速度ｗ_２を算出する。なお、反応ガス温度Ｔｂは、温度圧力状態算出処理部２０３が算出した筒内ガス温度履歴Ｔ_ａｖｅ（θ）から求められる。

次に、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、ＰＭ排出量を計算する（ステップＳ４３）。ステップＳ４３では、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、まず上述した式２９からＰＭの平均反応速度Ｗ（θ）［ｇ／ｍ^３・ｓ］を算出する。次に、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、下記式３０に示すように、ＰＭの平均反応速度Ｗ（θ）を点火時期θ_ＡＤＶから排気バルブ開き時期θ_ＥＶＯまでのクランク角度θで積分する。
［式３０］

そして、式３０により、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、１サイクル当たりのＰＭ排出量ＰＭｃｙｃｌｅ［ｇ］を算出することができる。次に、ＰＭ排出量算出処理部２０４は、下記式３１により、標準状態時（２５℃、１００ｋＰａ）のＰＭ濃度ＰＭｏｕｔ［ｇ／ｍ^３］を算出する。また、式３１に示すように、ＰＭ濃度ＰＭｏｕｔ［ｇ／ｍ^３］の算出には、温度圧力状態算出処理部２０３が算出した筒内圧力履歴Ｐ_ａｐｐが用いられる。
［式３１］

これにより、ＰＭ排出量算出処理部２０４におけるＰＭ排出量の算出動作が完了する。このように、混合気分布の散らばり度合いσと、燃料付着割合αを用いることで、内燃機関２における冷機状態から暖機状態までのＰＭの反応速度及びＰＭ排出量を正確に推定することができる。なお、内燃機関２が冷機状態では、燃料付着割合αと燃料付着起因確率密度関数Ｐ_２（Ｚ）だけを用いて、ＰＭの反応速度及びＰＭ排出量を算出してもよいあるいは内燃機関２が暖機状態では、混合気分布の散らばり度合いσと、混合気起因確率密度関数Ｐ_１（Ｚ）だけを用いて、ＰＭの反応速度及びＰＭ排出量を算出してもよい。

９．ＰＭ堆積量算出処理部の動作例
次に、ＰＭ堆積量算出処理部２０５の動作例について図１９〜図２２を参照して説明する。
図１９は、ＧＰＦ３５の内部状態と、ＧＰＦ３５に流入するＰＭを示す模式図である。

図１９に示すように、ＧＰＦ３５には、排気ガスと共にＰＭが流入する。そして、ＧＰＦ３５は、内部に設けられたフィルタ部３５ａによってＰＭを捕集する。また、ＧＰＦ３５に捕集されたＰＭは、燃焼により消滅する。そのため、ＧＰＦ３５に堆積するＰＭの量（ＰＭ堆積量）は、ＧＰＦ３５が捕集するＰＭの量（ＰＭ捕集量）と、燃焼により消滅するＰＭの量（ＰＭ燃焼量）に基づいて、以下のように算出される。
ＰＭ堆積量＝ＰＭ捕集量−ＰＭ燃焼量

次に、図２０〜図２２を参照して、ＰＭ堆積量算出処理部２０５におけるＰＭ堆積量の算出動作について説明する。
図２０は、ＰＭ堆積量算出処理部２０５におけるＰＭ堆積量の算出動作を示すフローチャートである。図２１は、ＧＰＦ３５の上流温度とＰＭ燃焼速度との関係を示す特性図、図２２は、空気過剰率とＰＭ燃焼速度補正係数Ａの関係を示す特性図である。

図２０に示すように、まずＰＭ堆積量算出処理部２０５は、ＧＰＦ３５に流入するＰＭの量を計算する（ステップＳ５１）。ステップＳ５１の処理では、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、ＰＭ排出量算出処理部２０４が算出したＰＭ濃度ＰＭｏｕｔ［ｇ／ｍ^３］と、排気流量Ｑ_ＥＸＨ［ｍ^３／ｓ］に基づいて、ＰＭ流入量ＰＭ_{ｕｓＧＰＦ}［ｇ／ｓ］を下記式３２により算出する。
［式３２］

なお、排気流量Ｑ_ＥＸＨ［ｍ^３／ｓ］は、吸気管３１に取り付けられたエアフローセンサ４２が測定した吸気量Ｑ_ｉｎ［ｍ^３／ｓ］により求められる。

次に、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、ＧＰＦ３５に捕集されるＰＭの量、すなわちＰＭ捕集量を計算する（ステップＳ５２）。ステップＳ５２の処理では、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、ＰＭ流入量ＰＭ_{ｕｓＧＰＦ}［ｇ／ｓ］とＰＭ捕集効率η_ａｄｐに基づいて、ＰＭ捕集量ＰＭａｄｐ［ｇ／ｓ］を下記式３３により算出する。
［式３３］

なお、ＰＭ捕集効率η_ａｄｐは、予め設定されＲＯＭ１０３に格納されている。

次に、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、予め設定されＲＯＭ１０３に格納されたＰＭ燃焼速度マップと、ＧＰＦ３５の上流温度に基づいて、ＰＭ燃焼速度Ｖｂｕｒｎ［ｇ／ｓ］を取得する（ステップＳ５３）。ＧＰＦ３５の上流温度［Ｋ］は、ＧＰＦ３５の上流側に設けられたＧＰＦ上流温度センサ４７が検出した温度である。

ＰＭ燃焼速度マップを図２１に示す。図２１では、横軸にＧＰＦ３５の上流温度、縦軸にＰＭ燃焼速度を示している。図２１に示すように、ＧＰＦ３５の上流温度が上昇することで、ＰＭ燃焼速度が増加する。

次に、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、補正係数Ａを取得する（ステップＳ５４）。ステップＳ５４の処理では、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、予め設定されＲＯＭ１０３に格納されたＰＭ燃焼速度補正係数マップと、排気管３２に設けられた空燃比センサ４６によって検出された空気過剰率λに基づいて、ＰＭ燃焼速度補正係数Ａを取得する。

ＰＭ燃焼速度補正係数マップを図２２に示す。図２２では、横軸に空気過剰率λ、縦軸にＰＭ燃焼速度補正係数Ａを示している。排気中の酸素濃度の上昇によりＰＭ燃焼速度が増加することを考慮して、図２２に示すように、ＰＭ燃焼速度補正係数マップでは、空気過剰率λの増加に伴って、ＰＭ燃焼速度補正係数Ａが増加している。

次に、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、ＰＭ燃焼量を計算する（ステップＳ５５）。ステップＳ５５の処理では、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、１秒あたりのＰＭ燃焼速度Ｖｂｕｒｎ［ｇ／ｓ］と、ＰＭ燃焼速度補正係数Ａを用いて、ＰＭ燃焼量ＰＭｂｕｒｎ［ｇ／ｓ］を下記式３４により算出する。
［式３４］

次に、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、ＰＭ堆積量を算出する（ステップＳ５５）。ステップＳ５５の処理において、ＰＭ堆積量算出処理部２０５は、ｎサイクル（現サイクル）目のＰＭ堆積量ＰＭｌｏａｄ（ｎ）を、ｎ−１サイクル（前サイクル）目のＰＭ堆積量ＰＭｌｏａｄ（ｎ−１）、ＰＭ捕集量ＰＭａｄｐ、ＰＭ燃焼量ＰＭｂｕｒｎ、と単位時間Δｔに基づいて、下記式３５より算出する。
［式３５］

これにより、ＰＭ堆積量算出処理部２０５におけるＰＭ堆積量の算出動作が完了する。上述したＰＭ排出量算出処理部２０４によって正確なＰＭ排出量を算出することができ、さらにＧＰＦ３５が捕集するＰＭ捕集量とＧＰＦ３５内部で燃焼されるＰＭ燃焼量を算出することで、ＧＰＦ３５に堆積するＰＭ堆積量を正確に算出することができる。

１０．再生制御処理部の動作例
次に、再生制御処理部２０６における再生制御指令の判定動作について図２３を参照して説明する。
図２３は、再生制御処理部２０６における再生制御指令の判定動作を示すフローチャートである。

図２３に示すように、再生制御処理部２０６は、再生制御を行うか否かを判定する（ステップＳ６１）。ステップＳ６１の処理において、再生制御処理部２０６は、再生制御を行わないと判定した場合（ステップＳ６１のＮＯ判定）。そして、再生制御処理部２０６は、判定動作を終了する。

また、ステップＳ６１の処理において、再生制御処理部２０６は、再生制御を行うと判定した場合（ステップＳ６１のＹＥＳ判定）、再生制御指令を出力する（ステップＳ６２）。これにより、再生制御処理部２０６における再生制御指令の判定動作が完了する。

なお、ステップＳ６１の判定処理において、再生制御処理部２０６は、上述したＰＭ堆積量算出処理部２０５が算出したＰＭ堆積量ＰＭｌｏａｄがＲＯＭ１０３等の格納されているＰＭ堆積許容量を超えたか否かで判断する。また、ステップＳ６１の判定処理において、再生制御処理部２０６は、ＧＰＦ上流温度センサ４７が計測した温度がＲＯＭ１０３等の格納されているＧＰＦ許容温度を超えたか否かで判断する。

また、ステップＳ６２の再生制御指令としては、例えば、ＰＭ堆積量がＰＭ堆積量許容量を超えた際に、再生制御処理部２０６は、リーンバーン制御指令や、燃料カット禁止指令を行う。リーンバーン制御指令は、スロットル弁４１やインジェクター２７を制御し、理想空燃比以上の燃焼となるように制御する指令である。また、燃料カット禁止指令は、インジェクター２７を制御し、気筒２１の筒内２１ａへの燃料供給の停止を禁止する指令である。これらの指令により、ＧＰＦ３５の温度がＧＰＦ破損温度以上になることを防止し、ＧＰＦ３５が破損することを防止できる。

このように、本例の内燃機関制御装置１０によれば、混合気分布の散らばり度合いσと、燃料付着割合α、反応ガス温度Ｔｂを考慮して、ＧＰＦ３５に流入するＰＭの量を正確に算出することができる。これにより、適切なタイミングでＧＰＦ３５の再生制御を行うことができ、ＰＭの過大堆積によるＧＰＦ３５が破損することを防止することができる。

なお、上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

２…内燃機関、 １０…内燃機関制御装置、 ２１…気筒、 ２１ａ…筒内、 ２２…ピストン、 ２２ａ…冠面、 ２３…クランクシャフト、 ２４…吸気バルブ、 ２５…排気バルブ、 ２６…点火プラグ、 ２７…インジェクター、 ２８…冷却水センサ、 ２９…クランク角度センサ、 ３１…吸気管、 ３２…排気管、 ３３…ＥＧＲ管、 ３４…三元触媒、 ３５…ガソリンパーティキュートフィルタ（ＰＭ捕集フィルタ）、 ４１…スロットル弁、 ４２…エアフローセンサ、 ４３…吸気圧力センサ、 ４４…吸気温度センサ、 ４５…ＥＧＲ弁、 ４６…空燃比センサ、 ４７…ＧＰＦ上流温度センサ、 ４８…差圧センサ、 １０１…ＣＰＵ（制御部）、 １０２…ＲＡＭ、 １０３…ＲＯＭ（記憶部）、 １０４…入出力ポート、 １０５…入力回路（受信部）、 １１０…ＧＰＦ制御部（制御部）、 ２０１…散らばり度合い算出処理部、 ２０２…燃料付着割合算出処理部、 ２０３…温度圧力状態算出処理部、 ２０４…ＰＭ排出量算出処理部、 ２０５…ＰＭ堆積量算出処理部、 ２０６…再生制御処理部

Claims (14)

1. 気筒と、前記気筒の筒内を摺動するピストンと、前記ピストンに接続されたクランクシャフトと、前記気筒の筒内に燃料を噴射するインジェクターと、前記筒内において空気と前記燃料が混合した混合気を点火させる点火プラグと、を有する内燃機関を制御する内燃機関制御装置において、
   前記点火プラグが前記筒内の前記混合気を点火する点火時期、前記インジェクターが前記筒内に燃料の噴射が開始される燃料噴射開始時期を取得し、前記点火時期及び前記燃料噴射開始時期に基づいて、前記筒内における前記混合気の分布の散らばり度合いを算出する制御部を備えた内燃機関制御装置。
2. 前記制御部は、前記インジェクターから燃料が噴射される期間である燃料噴射パルスを取得し、前記点火時期及び前記燃料噴射開始時期に加えて、前記燃料噴射パルスに基づいて、前記混合気の分布の散らばり度合いを算出する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
3. 前記制御部は、前記クランクシャフトの回転数を取得し、前記点火時期及び前記燃料噴射開始時期、前記燃料噴射パルスに加えて、前記回転数に基づいて、前記混合気の分布の散らばり度合いを算出する
   請求項２に記載の内燃機関制御装置。
4. 前記制御部は、前記気筒の排気ポートの開閉可能に配置された排気バルブの開閉タイミング、前記気筒に吸気される空気の圧力である吸気圧を取得し、前記排気バルブの開閉タイミング及び前記吸気圧に基づいて、前記筒内の壁面及び前記ピストンの冠面に付着した前記燃料の量の割合である燃料付着割合を算出する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
5. 前記制御部は、前記クランクシャフトの回転数及び前記気筒を冷却する冷却水の温度を取得し、前記排気バルブの開閉タイミング及び前記吸気圧に加えて、前記回転数及び前記冷却水の温度に基づいて、前記燃料付着割合を算出する
   請求項４に記載の内燃機関制御装置。
6. 前記制御部は、前記インジェクターにより前記燃料に加えられる圧力である燃圧と、前記インジェクターから燃料が噴射される期間である燃料噴射パルスを取得し、前記排気バルブの開閉タイミング、前記吸気圧、前記回転数及び前記冷却水の温度に加えて、前記燃圧、前記燃料噴射開始時期及び前記燃料噴射パルスに基づいて、前記燃料付着割合を算出する
   請求項５に記載の内燃機関制御装置。
7. 前記制御部は、算出した前記混合気の分布の散らばり度合いに基づいて、前記気筒から排出される粒子状物資の量を算出する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
8. 前記制御部は、算出した前記混合気の分布の散らばり度合い及び前記燃料付着割合に基づいて、前記気筒から排出される粒子状物質の排出量を算出する
   請求項４に記載の内燃機関制御装置。
9. 前記制御部は、前記粒子状物質の平均反応速度を算出し、算出した前記平均反応速度から前記粒子状物質の排出量を算出する
   請求項７又は８に記載の内燃機関制御装置。
10. 前記制御部は、前記気筒に吸気される空気の温度である吸気温度、前記気筒に吸気される空気の圧力である吸気圧及び前記気筒における筒内容積を取得し、前記吸気温度、前記吸気圧及び前記筒内容積に基づいて、前記筒内における前記混合気の温度履歴、及び前記筒内の圧力履歴を算出する
    請求項９に記載の内燃機関制御装置。
11. 前記制御部は、算出した前記混合気の温度履歴から前記粒子状物質の排出量を算出する
    請求項１０に記載の内燃機関制御装置。
12. 前記制御部は、算出した前記粒子状物質の排出量に基づいて、前記内燃機関に設けられた前記粒子状物質を捕集するＰＭ捕集フィルタに堆積された前記粒子状物質の堆積量を算出する
    請求項７又は８に記載の内燃機関制御装置。
13. 前記制御部は、算出した前記粒子状物質の堆積量に基づいて、前記ＰＭ捕集フィルタから前記粒子状物質を除去する再生制御指令を出力するか否かを判断する
    請求項１２に記載の内燃機関制御装置。
14. 気筒と、前記気筒の筒内を摺動するピストンと、前記ピストンに接続されたクランクシャフトと、前記気筒の筒内に燃料を噴射するインジェクターと、前記筒内において空気と前記燃料が混合した混合気を点火させる点火プラグと、を有する内燃機関を制御する内燃機関制御装置において、
    前記気筒の排気ポートの開閉可能に配置された排気バルブの開閉タイミング、前記気筒に吸気される空気の圧力である吸気圧を取得し、前記排気バルブの開閉タイミング及び前記吸気圧に基づいて、前記筒内の壁面及び前記ピストンの冠面に付着した前記燃料の量の割合である燃料付着割合を算出する制御部を備えた内燃機関制御装置。

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