JP2024064392A - 内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来は複雑な演算を行っており、より少ない情報を用いてより簡便に未燃燃料の推定を行うことが求められていた。【解決手段】燃料を噴射する燃料噴射装置を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、気筒内での燃焼速度を検知する燃焼速度検知部５０１と、燃焼速度を用いて気筒内の未燃燃料レベルを推定する未燃燃料レベル推定部５０２と、未燃燃料レベルの許容値を設定する許容値設定部５０３と、未燃燃料レベル推定部５０２で推定される未燃燃料レベルが許容値以下となるように、内燃機関１を制御する未燃燃料レベル調節部５０４と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、ガソリンエンジン等の内燃機関を制御する内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法に関する。

近年、環境対応型エンジンの開発が進む中、エンジンの始動時又は低温運転時に発生するＰＮ（Particulate Number）やＴＨＣ（Total Hydro Carbon）の排出低減が課題となっている。これらの発生源として挙げられるのは、エンジンのシリンダ内に発生する燃料付着や燃料液滴である。これらはシリンダ内に導入された液体燃料が、蒸発することなく残留して発生するものであり、特にエンジン始動時や低温環境下での運転で発生しやすいものである。先述の物質の発生を低減するために、燃料付着量の発生予測技術がいくつか提案されている。

特開２００５－３１５０９９号公報 特開２００７－１４６７７７号公報

特許文献１及び２に記載の技術は、エンジン運転条件やシリンダ壁面の温度の予測値などから複雑な演算によって燃料付着量の推定を実施しており、複雑な演算で燃料噴霧の貫徹距離を求めたり、燃料質量割合と未燃燃料割合を切り分けて演算したりしている。このため、実車における運転時にリアルタイムに燃料付着量を推定することが難しい。さらに、これらの技術によって推定できるのはシリンダ内壁への燃料付着のみであり、シリンダ内を浮遊している燃料液滴は特段考慮されていない。

上記の状況から、より少ない入力情報を用いて、より簡便に燃焼に寄与しなかった燃料を推定できる手法が要望されていた。

上記課題を解決するために、本発明の一態様の内燃機関制御装置は、燃料を噴射する燃料噴射装置を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、気筒内での燃焼速度を検知する燃焼速度検知部と、燃焼速度を用いて気筒内の未燃燃料レベルを推定する未燃燃料レベル推定部と、未燃燃料レベルの許容値を設定する許容値設定部と、未燃燃料レベル推定部で推定される未燃燃料レベルが許容値以下となるように、内燃機関を制御する未燃燃料レベル調節部と、を備える。

本発明の少なくとも一態様によれば、より少ない入力情報を用いて、より簡便に未燃燃料レベルのより正確な推定が可能となり、その推定した未燃燃料レベルを基に内燃機関の制御を実現できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

内燃機関の一例を示した概略断面図である。 内燃機関制御装置のハードウェア構成例を示した図である。 内燃機関内で燃料を噴霧した様子を示した図である。 燃焼速度と未燃燃料量の関係の一例、並びに、未燃燃料量と空燃比の関係の一例を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る内燃機関制御装置の構成例と入力データの例を示したブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃焼速度と未燃燃料レベルの関係の一例を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る内燃機関制御装置の構成例と入力データの例を示したブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃焼速度と補正前後の未燃燃料レベルとの関係の一例を示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る内燃機関制御装置の構成例と入力データの例を示したブロック図である。 本発明の第４の実施形態の第１の制御例におけるクランク角と燃料噴射信号と未燃燃料量の関係の一例を示した図である。 本発明の第４の実施形態の第１の制御例における多段噴射におけるクランク角と燃料噴射信号と未燃燃料量の関係の一例を示した図である。 本発明の第４の実施形態の第２の制御例における燃料圧力と未燃燃料量の関係の一例を示した図である。 本発明の第４の実施形態の第３の制御例におけるクランク角と燃料噴射信号と未燃燃料量の関係の一例を示した図である。 本発明の第４の実施形態の第３の制御例における多段噴射におけるクランク角と燃料噴射信号と未燃燃料量と点火時刻の関係の一例を示した図である。 本発明の第４の実施形態の第４の制御例におけるクランク角と点火信号の関係の一例、並びに、未燃燃料レベルと予備点火回数の関係の一例を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する）の例について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び添付図面において、同一の構成要素又は実質的に同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

＜第１の実施形態＞
まず、内燃機関の一例について図１を参照して説明する。
図１は、内燃機関の一例を示した概略断面図である。図１に示す内燃機関１は、ピストン１０１と、シリンダ１０２と、シリンダヘッド１０４とを備える。シリンダヘッド１０４は、ピストン１０１の冠面１０１Ｐとシリンダ１０２の内壁１０９とにより燃焼室１０３を形成する。また、燃料噴射用のインジェクタ（燃料噴射装置）として、少なくとも直噴用インジェクタ１１１若しくはポート噴射用インジェクタ１１２、又はその両方を備えている。本実施形態では、本発明を内燃機関１としてガソリンエンジンに適用した例を説明する。

燃焼室１０３の直上に混合気に着火する電極１０６を有した点火プラグ１０５が構成されている。空気は吸気行程において、主燃焼室に連通する、吸気バルブ１１３が開いた吸気ポート１０７を通して燃焼室１０３に流れ込む。燃料は直噴用インジェクタ１１１若しくはポート噴射用インジェクタ１１２、又はその両方により霧状に噴霧されることによって燃焼室１０３に送られる。燃料は、燃焼室１０３で気化し、吸気と混合して混合気となる。その後、ピストン１０１により混合気が圧縮され、適切なタイミングで点火コイル１１０に主点火信号が送られる。そして、点火プラグ１０５によって燃焼室１０３内の混合気に着火し、燃焼室１０３内の混合気を燃焼させる。これにより、燃焼室１０３内の圧力が上昇してピストン１０１を押し下げ、コネクティングロッド１１６がクランクシャフト１１５を回転させる。内燃機関１は、クランクシャフト１１５が回転することで動力を得る。燃焼室１０３内の燃焼後の排ガスは、排気バルブ１１４が開くことで排気ポート１０８から排気管へ排出される。

次に、内燃機関制御装置５００のハードウェア構成について図２を参照して説明する。
図２は、内燃機関制御装置５００のハードウェア構成例を示すブロック図である。

図２に示すように、内燃機関制御装置５００は、入力回路１９１、Ａ／Ｄ変換部１９２、中央演算装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）１９３、ＲＯＭ（Read Only Memory）１９４、ＲＡＭ（Random Access Memory）１９５、出力回路１９６、及び通信ＩＦ１９９を備える。

ＣＰＵ１９３が、ＲＯＭ１９４（記憶部の一例）に格納されたプログラムをＲＡＭ１９５に展開して実行することで、本発明の実施形態に係る各機能が実現される。ＣＰＵ１９３は、制御装置の一例である。なお、ＣＰＵ１９３の代わりに、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）等の処理装置が用いられてもよい。

入力回路１９１は、センサ類２１０から出力された信号を入力信号１９０として取り込む。例えば、センサ類２１０は、吸気流量センサ、スロットルセンサ、水温センサ、クランク角センサ、吸気カム角センサ、排気カム角センサ等である。入力回路１９１は、入力信号１９０がアナログ信号の場合に、入力信号１９０からノイズ成分の除去等を行い、ノイズ除去後の信号をＡ／Ｄ変換部１９２に出力する。

Ａ／Ｄ変換部１９２は、アナログ信号をデジタル信号に変換し、ＣＰＵ１９３に出力する。ＣＰＵ１９３は、Ａ／Ｄ変換部１９２から出力されたデジタル信号を取り込み、ＲＯＭ１９４等の記憶媒体に記憶された制御ロジック（プログラム）を実行することによって、多種多様な演算及び制御等を実行する。

なお、ＣＰＵ１９３の演算結果、及びＡ／Ｄ変換部１９２の変換結果は、ＲＡＭ１９５に一時的に記憶される。また、本実施形態では、ＲＯＭ１９４として、内容の書き換えが可能なＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）等の不揮発性メモリを用いてもよい。例えば、ＲＯＭ１９４又は不図示の不揮発性ストレージに、本発明の実施形態に係る各機能を実現するためのアルゴリズムが記述されたプログラムが記憶されてもよい。また、不図示の不揮発性ストレージには、例えば、センサ類２１０から取得した複数のデータ、後述する未燃燃料曲線に対応するマップ情報等が格納される。なお、この不揮発性ストレージは、カセットタイプＳＳＤ（Solid State Drive）などの、内燃機関制御装置５００に対して着脱可能な記憶媒体であってもよい。

ＣＰＵ１９３の演算結果は、出力回路１９６から制御信号１９７として出力され、制御対象のアクチュエータ類２２０の制御に用いられる。制御対象は、例えば、吸気バルブ駆動装置、排気バルブ駆動装置、インジェクタ、点火プラグ、操舵装置、ブレーキ装置、電力変換回路等である。

入力信号１９０がデジタル信号の場合は、入力信号１９０が入力回路１９１から信号線１９８を介して直接ＣＰＵ１９３に送られ、ＣＰＵ１９３が必要な演算及び制御等を実行する。

通信ＩＦ１９９は、他の装置との間で行われる通信の制御を行う通信デバイス等により構成される。例えば、通信ＩＦ１９９は、広域ネットワークＮ（例えば、インターネット）と通信を行う通信デバイス、又は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などにより図示しないマスターＥＣＵ等といった車両内のＥＣＵやセンサと通信を行う通信デバイスである。

図３は、内燃機関１内で燃料を噴霧した様子を示した図である。
通常、液体状の燃料をインジェクタから噴射するとき、燃料が対向壁に液体の状態のまま付着することがある。例えば、図３に示すように直噴用インジェクタ１１１で燃焼室１０３内に燃料噴霧３０１を噴射したとき、ピストン１０１の冠面１０１Ｐやシリンダ１０２の内壁１０９などに、燃料液膜３０２が形成される。また、燃料噴霧３０１は高速であるため、ピストン１０１の冠面１０１Ｐやシリンダ１０２の内壁１０９などに衝突した際の衝撃によって、液滴３０３が燃焼室１０３内に飛散することがある。また、直噴用インジェクタ１１１の噴射口周辺に、燃料の液滴が残留して付着するチップウェット３０４が発生することがある。

燃焼室１０３内の混合気に対して点火プラグ１０５によって着火した際、燃料液膜３０２や液滴３０３、チップウェット３０４が残留していると、それらは液体の状態で燃焼する。このとき、火炎が到達した瞬間に残留している燃料液膜３０２や液滴３０３、チップウェット３０４は、内燃機関１の出力に寄与することができず混合気とは別に拡散燃焼する。その結果、ＰＮやＴＨＣが発生してしまう。ポート噴射用インジェクタ１１２を使用した場合も同様の現象が発生する。燃料液膜３０２や液滴３０３やチップウェット３０４などの内燃機関１の出力に寄与できなかった燃料を、総称して「未燃燃料３０５」と呼ぶ。

未燃燃料３０５を低減するために、燃焼室１０３内への燃料噴霧３０１の形状や長さを制御し燃料液膜３０２の発生を抑えるなどの対策が検討されている。通常、内燃機関１の燃焼室１０３内の空燃比がねらった数値となるように噴射条件などが最適化されている。しかしながら、外気温度が低い際の冷機始動などにおいては、燃焼室１０３内での燃料の蒸発不良によって、ねらった空燃比に対して実際の空燃比がずれてしまう。他の冷気始動としては、アイドリング中の一時停止など内燃機関１が短い時間停止後に再始動することなどが挙げられる。この冷機始動のとき、通常未燃燃料は増加するため、その結果ＰＮやＴＨＣが多く発生するばかりか、燃焼できず失火するなどの問題が生じる。また、冷機始動においては、触媒などが温まっていないとともに、従来の酸素センサや空燃比センサなどが活性化しておらず、センサによる正確な測定が困難である。

特許文献１には、エンジンの運転条件や燃料の噴射条件、エンジンの水温などから複雑な計算式を用いて燃焼室内の燃料液膜３０２の量を推定する技術が紹介されている。この技術の場合、燃料液膜３０２の量を推定するためには燃焼質量割合と未燃燃料割合を切り分けて複雑な数式で演算をする必要があり、実車にてリアルタイムに図３に示した未燃燃料３０５を推定することが困難である。加えて、特許文献１に記載の技術によって推定できるものは燃料液膜３０２の量だけであり、液滴３０３やチップウェット３０４の量までは推定できない。このように、燃料液膜３０２と燃料噴霧３０１の長さや燃料量、内燃機関１の内壁温度の関連については検討されているが、実際の燃焼状態、特に燃焼速度と未燃燃料３０５の関係に関して検討はされていなかった。本明細書において燃焼速度とは、混合気が点火して燃焼完了するまでの時間、又は混合気がある燃料質量割合となるまでの時間である。燃焼速度は、火炎が混合気中を伝播する速度によって異なると考えられる。

図４は、燃焼速度と未燃燃料量の関係の一例、並びに、未燃燃料量と空燃比の関係の一例を示した図である。ここでは、理想空燃比になるように燃料を燃焼室１０３に噴射し、燃焼室１０３内で燃焼させた際の燃焼速度と未燃燃料量の関係４０１（図４上側）と、未燃燃料量と燃焼室１０３内の空燃比の関係４０１１（図４下側）が示されている。本発明では、近年の環境へ配慮したエンジンの台頭を鑑みて、燃料を理想空燃比以下になるように噴射することを考える。目標となる空燃比、内燃機関１の負荷、及び点火時期が同じであるとき、図４に示すように未燃燃料量が多いほど、目標となる空燃比と実際に燃焼する混合気の空燃比の間で差分４０７（ずれ量）が生じる。これは、燃料の層流燃焼速度が空燃比によって変化するためである。

通常、内燃機関１における燃料噴霧などの設定は、未燃燃料量が許容値以下になるように最適化されている。しかし、前述の通り、外気温度などの外的要因により、未燃燃料量が許容値を超える（許容範囲から外れる）ことが発生する。燃料が燃焼するときの燃焼速度は、燃料の成分と、雰囲気の温度と、雰囲気の圧力に強く影響を受ける。そのため、目標となる空燃比、負荷、及び、点火時期における基準となる燃焼速度４０２と実際の燃焼速度４０３との差４０４がわかれば、その燃焼時点での未燃燃料レベル４０５、つまり空燃比の基準値４０６からの差分４０７が推定できる。

燃焼速度の検出方法としては、図示しないクランク角センサの出力の変化を読み取ることで、点火時刻からの燃焼位相を精度よく検知する方法が、例えば特開２０２１－１６１９０４号公報（参考文献１）に示されている。点火時刻は、点火時期（例えば、圧縮上死点を基点としたクランクの位相）の情報である。燃焼位相が進んでいるか遅れているかを見ることで、燃焼速度が速いか遅いかがわかる。例えば、燃焼速度は、燃焼開始から燃焼質量割合５０％（ＭＦＢ５０）に達するまでの時間で表すことができる。

図５は、本実施形態に係る内燃機関制御装置５００の構成例と入力データの例を示したブロック図である。内燃機関制御装置５００は、シリンダ１０２（燃焼室１０３）内での燃焼速度を検知する燃焼速度検知部５０１と、燃焼速度からシリンダ１０２内の未燃燃料レベルを推定する未燃燃料レベル推定部５０２と、推定した未燃燃料レベルの許容値を設定する許容値設定部５０３と、推定した未燃燃料レベルが許容値以下となるように内燃機関１を制御する未燃燃料レベル調節部５０４を有している。

燃焼速度検知部５０１には、少なくとも燃焼速度に影響の大きい変数、例えば目標となる空燃比（目標空燃比５１０）、負荷情報５１１、点火時刻５１２、及びクランク角センサの検出信号５１３が入力される。負荷情報５１１には、一例として内燃機関１（クランクシャフト１１５）の回転数と吸気圧が含まれる。燃焼速度検知部５０１では、上記参考文献１に示されているように、クランク角センサの検出信号５１３の変化を観測し、燃焼速度を検知する。そして、燃焼速度検知部５０１は、検知した燃焼速度５１４を未燃燃料レベル推定部５０２へ出力する。

許容値設定部５０３には、少なくとも目標空燃比５１０と負荷情報５１１が入力される。許容値設定部５０３は、運転条件として入力された目標空燃比５１０及び負荷情報５１１から許容できる未燃燃料レベル（許容未燃燃料レベル５１５）を設定し、未燃燃料レベル調節部５０４へ出力する。許容未燃燃料レベル５１５は、例えば、目標空燃比５１０と負荷情報５１１から算出された燃料噴射量（推定値）に対する割合として設定してもよく、又は実際の燃料噴射量（実測値）に対する割合として設定してもよい。例えば、実際の燃料噴射量は、任意の設定された時間範囲においてインジェクタ５２０から噴射された燃料量の平均値である。

また、許容未燃燃料レベル５１５は、事前にシミュレーションや実験などを実施してその結果に基づいたマップ情報として保持する記憶部（図示略）を有していてもよい。記憶部は、例えば、キャッシュメモリ、レジスタ、又はコンピュータープログラムに書き込まれた形態とすることができる。例えば、マップ情報により、目標空燃比、負荷情報、及び許容未燃燃料レベルの関係が定義される。これらの項目の関係をマップ情報として保持することによって、演算を高速に実施することができる。

未燃燃料レベル推定部５０２には、少なくとも燃焼速度検知部５０１で検知された燃焼速度５１４と、目標空燃比５１０と、負荷情報５１１と、点火時刻５１２が入力される。また、未燃燃料レベル推定部５０２は、図６に示すような、燃焼速度５１４と未燃燃料レベル５１６の推定値との関係を表す未燃燃料曲線６０１を保持している。この未燃燃料曲線６０１は、目標空燃比５１０と、負荷情報５１１と、点火時刻５１２の組合せごとに設定されている。なお、図６において未燃燃料曲線６０１は直線として示されているが、実際に曲線であってもよい。

図６は、混合気の燃焼速度と未燃燃料レベルの関係の一例を示した図である。ここで、ある目標空燃比５１０と、負荷情報５１１と、点火時刻５１２の条件において、未燃燃料曲線６０１が決定される。このとき、基準となる燃焼速度６０２（基準燃焼速度）は、未燃燃料量が０かつ均一混合気が燃焼した際の燃焼速度でもよいし、事前に暖機状態（内燃機関１が充分に暖まった条件）での実験、又は暖機状態を想定したシミュレーションで取得した値を使用してもよい。

例えば、未燃燃料レベル推定部５０２は、未燃燃料曲線６０１を、目標空燃比５１０、負荷情報５１１、及び点火時刻５１２ごとにマップ情報として保持する記憶部（図示略）を有していてもよい。記憶部は、例えば、キャッシュメモリ、レジスタ、又はコンピュータープログラムに書き込まれた形態でもよい。マップ情報として保持することにより、未燃燃料レベルの演算を高速に実施することができる。

未燃燃料レベル推定部５０２は、燃焼速度検知部５０１で検知された燃焼速度を、点火時期５１４、内燃機関１の負荷、及び目標空燃比５１０から事前に設定された燃焼速度と未燃燃料レベルとの関係を示した情報である未燃燃料曲線６０１に照らして、未燃燃料レベルを推定する。このように、燃焼速度５１４から未燃燃料曲線６０１を参照することで未燃燃料レベル５１６を推定することができる。これは、基準となる燃焼速度６０２と実際の燃焼速度５１４との差分を取っていることに相当する。つまり、推定される未燃燃料レベル５１６には、この燃焼速度の差分６０３が反映される。

ここで、未燃燃料レベル５１６は、未燃燃料の質量、噴射燃料量に対する未燃燃料の割合、又は未燃燃料の質量を有限の区分に分割した区間などとして定義してよい。例えば、未燃燃料レベル５１６を未燃燃料の質量に応じて、「多い」、「中程度（適量）」、「少ない」の３区分や、「多すぎ」、「やや多い」、「中程度（適量）」、「やや少ない」、「少なすぎ」の５区分に分けてもよい。なお、この未燃燃料レベル５１６は、燃料液膜３０２や液滴３０３及びチップウェット３０４などの液体の状態で存在している燃料を全て含んだ状態（未燃燃料３０５に相当）で設定される。

未燃燃料レベル調節部５０４には、許容未燃燃料レベル５１５と未燃燃料レベル５１６が入力される。未燃燃料レベル５１６が許容未燃燃料レベル５１５を超えた場合、未燃燃料レベル調節部５０４は、未燃燃料レベル５１６が許容未燃燃料レベル５１５以下となるように、少なくともインジェクタ５２０、燃料ポンプ５２１、点火コイル５２２（点火装置）、及びスロットル５２３のいずれかを制御する。このような制御により、燃焼室１０３内の未燃燃料量を低減させることができる。インジェクタ５２０は、直噴用インジェクタ及びポート噴射用インジェクタ１１２に相当する。点火コイル５２２は、点火コイル１１０に相当する。一般的に、内燃機関制御装置５００は、センサ類２１０からアクセルの踏み込み量及び内燃機関１の状態を示す情報を受け取り、それらを総合した上で最終的なスロットル５２３の開度を調整する。

なお、本発明は、触媒が活性化していない冷機始動であっても、実際の燃焼速度５１４と、運転条件（目標空燃比５１０と負荷情報５１１）から設定された基準の許容未燃燃料レベル５１５によって未燃燃料レベルの推定が可能である。それゆえ、本発明は、これまで検出できなかった冷機始動時の未燃燃料の検知にも使用することができ、暖気後の未燃燃料の検知にも使用することが可能である。

以上のとおり、本実施形態では、燃料を噴射する燃料噴射装置（インジェクタ５２０）を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置（内燃機関制御装置５００）において、気筒（シリンダ１０２）内での燃焼速度を検知する燃焼速度検知部（燃焼速度検知部５０１）と、燃焼速度を用いて気筒内の未燃燃料レベルを推定する未燃燃料レベル推定部（未燃燃料レベル推定部５０２）と、運転条件又は実際の燃料噴射量から未燃燃料レベルの許容値（許容未燃燃料レベル５１５）を設定する許容値設定部（許容値設定部５０３）と、未燃燃料レベル推定部で推定される未燃燃料レベルが許容値以下となるように、内燃機関を制御する未燃燃料レベル調節部（未燃燃料レベル調節部５０４）と、を備えるように構成する。

上記構成の本実施形態に係る内燃機関制御装置によれば、より少ない入力情報を用いて、より簡便に未燃燃料レベルのより正確な推定が可能となる。そして、本実施形態は、その推定した未燃燃料レベルを基に該未燃燃料レベルが許容値以下となるように調節（内燃機関を制御）することができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して未燃燃料レベルの推定精度を向上させるための例である。

第２の実施形態に係る内燃機関制御装置の構成例について図７を参照して説明する。
図７は、第２の実施形態に係る内燃機関制御装置５００Ａの構成例と入力データの例を示したブロック図である。内燃機関制御装置５００Ａは、第１の実施形態に係る内燃機関制御装置５００と比較して、未燃燃料レベル推定部５０２に代えて未燃燃料レベル推定部５０２Ａを備える点が異なる。未燃燃料レベル推定部５０２Ａに対して、内燃機関１が備える図示しないＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムのＥＧＲ濃度情報７０１が入力される。

燃料が燃焼するとき、燃焼状態は、燃料の成分と、雰囲気の温度と、雰囲気の圧力に強く影響を受ける。これに加えて、実エンジンでは燃焼室１０３内に排ガス（不活性ガス）を再循環させることで混合気を希釈して燃焼させることがあり、燃焼速度は再循環排ガス（以下「ＥＧＲ」とも称する）の濃度の影響を受ける。ＥＧＲ濃度は、ある期間においてシリンダ１０２の容積に対する該シリンダ１０２に再循環する排ガス量の割合として定義される。

そのため、ＥＧＲ濃度が高い燃焼では、未燃燃料レベルの推定精度が低下する恐れがある。よって、未燃燃料レベル推定部５０２ＡにＥＧＲ濃度情報７０１を入力し、図８に示すように破線の未燃燃料曲線６０１を、実線の未燃燃料曲線８０１に補正する必要がある。なお、ＥＧＲ濃度の代わりにＥＧＲ率を用いてもよい。ＥＧＲ率は、シリンダ１０２の吸気量に対する再循環排ガス量の比率として定義される。

図８は、本実施形態に係る燃焼速度と補正前後の未燃燃料レベルとの関係の一例を示した図である。図８において横軸は燃焼速度、縦軸は未燃燃料レベルを表す。未燃燃料レベル推定部５０２ＡにＥＧＲ濃度情報７０１の入力がない場合、未燃燃料曲線６０１によって燃焼速度５１４から未燃燃料レベル５１６が推定される。一方、ＥＧＲ濃度情報７０１の入力がある場合、未燃燃料レベル推定部５０２Ａは、ＥＧＲ濃度情報７０１を用いて未燃燃料曲線６０１を未燃燃料曲線８０１に補正する。そして、未燃燃料レベル推定部５０２Ａは、ＥＧＲ濃度情報７０１がない場合での未燃燃料レベル５１６に対して、ＥＧＲ濃度情報７０１を用いて補正された未燃燃料レベル８０２を推定することができる。

以上により、本実施形態では、未燃燃料レベル推定部５０２ＡにＥＧＲ濃度情報７０１を入力することにより、ＥＧＲによる混合気の希釈を考慮した未燃燃料レベルを推定することができる。それにより、本実施形態は、第１の実施形態と比較して、未燃燃料レベルの推定精度の向上が可能となる。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態は、第１の実施形態と比較して未燃燃料レベルの推定精度を向上させるための他の例である。

第３の実施形態に係る内燃機関制御装置の構成例について図９を参照して説明する。
図９は、第３の実施形態に係る内燃機関制御装置５００Ｂの構成例と入力データの例を示したブロック図である。内燃機関制御装置５００Ｂは、第１の実施形態に係る内燃機関制御装置５００と比較して、未燃燃料レベル推定部５０２に代えて未燃燃料レベル推定部５０２Ｂを備える点が異なる。未燃燃料レベル推定部５０２Ｂに対して、補正情報９０１が入力される。なお、第２の実施形態におけるＥＧＲ濃度情報７０１は、本実施形態の補正情報９０１の一種とも言える。

例えば、内燃機関１の圧縮比は、ピストン１０１の冠面１０１Ｐと内壁１０９で形成される燃焼室１０３の、冠面１０１Ｐが下死点にあるときの容積と該冠面１０１Ｐが上死点にあるときの容積との比で表される。内燃機関１に導入された空気は、該圧縮比で圧縮され点火される。点火時の混合気の温度と圧力は、内燃機関１の圧縮比によって変化する。よって、基準となる燃焼速度６０２が内燃機関１によって異なることになる。

ここで、未燃燃料レベル推定部５０２Ｂで未燃燃料レベルを推定時に、補正情報９０１として圧縮比の情報があれば、内燃機関１の形状（ボアストローク）が変わった場合であっても、その圧縮比に応じて未燃燃料曲線６０１の補正を行うことができる。それにより、対象の内燃機関１が変わっても、内燃機関制御装置５００Ｂは最適な未燃燃料曲線を得て、補正された未燃燃料レベル９０２を推定することができる。また、補正情報９０１として、吸気温度又は外気温度などの環境情報を用いてもよい。

以上、本実施形態では、未燃燃料レベル推定部５０２Ｂに、内燃機関１の圧縮比又は、吸気温度若しくは外気温度の情報を入力することにより、内燃機関１の圧縮比や環境情報を考慮した未燃燃料レベルを推定することができる。それにより、本実施形態は、第１の実施形態と比較して、未燃燃料レベルの推定精度の向上が可能となる。

＜第４の実施形態＞
ここで、第１～第３の実施形態に係る未燃燃料レベル調節部５０４による未燃燃料量の制御例について、図１０～図１５を用いて説明する。まず、未燃燃料レベル調節部５０４による未燃燃料量の第１の制御例について図１０及び図１１を用いて説明する。

（第１の制御例）
図１０は、第４の実施形態の第１の制御例におけるクランク角と燃料噴射信号と未燃燃料量の関係の一例を示した図である。図１０において１段目と２段目のグラフは、未燃燃料量を制御する前の燃料噴射信号と未燃燃料量を表し、図１０において３段目と４段目のグラフは、未燃燃料量を制御した後の燃料噴射信号と未燃燃料量を表す。

燃料を燃料噴射信号１００１のように噴射したとき、例えば、未燃燃料量が未燃燃料量１００３のような推移を経て点火時刻１００２にて点火される（図１０の１段目、２段目）。このとき、内燃機関１が冷えた状態であると、想定よりも点火時の未燃燃料量が増加することがある。この原因として吸気が冷えており、燃料の蒸発が不良であることと、燃料噴霧３０１が壁面に衝突した際に発生した液滴３０３等が蒸発できないことなどが挙げられる。

そこで、未燃燃料レベル調節部５０４がインジェクタ５２０の燃料噴射タイミングを進角化させる制御を行い、燃料噴射信号１００１を燃料噴射信号１００４に補正する（図１０の３段目）ことで、燃料が蒸発するまでの時間的猶予を長く確保する。これにより、液滴３０３の蒸発を促進し、未燃燃料量１００５のように点火時刻１００２における未燃燃料量の低減を図ることができる（図１０の４段目）。ただし、その場合、ピストン１０１がより上死点に近い位置で燃料噴射が開始され、ピストン１０１の冠面１０１Ｐへの燃料付着量が増加する可能性がある。このため、燃料噴射タイミングと併せて燃料圧力の調整を実施してもよい。燃料圧力が低い場合には燃料噴霧３０１の貫徹距離が短くなるため、未燃燃料量の低減が期待できる。

図１１は、第４の実施形態の第１の制御例における多段噴射におけるクランク角と燃料噴射信号と未燃燃料量の関係の一例を示した図である。近年では、燃料噴射信号１１０１のような複数のパルス信号を生成して、同一燃焼サイクルで燃料を多段に噴射することによって燃料噴霧３０１の貫徹距離を短くし、燃料付着量１１０３のように燃料付着量を低減する技術が開発されている（図１１の１段目、２段目）。この技術でも、シリンダ１０２の内壁１０９の温度や吸気温度が低い場合には、未燃燃料量１１０３のように点火時刻１１０２における未燃燃料量が想定した値にならないことがある。

この対策として、例えば、燃料噴射信号１１０４のように、ピストン１０１の冠面１０１Ｐが下死点に近い位置での２段目噴射の燃料噴射量を増やす（図１１の３段目）。この場合、ピストン１０１の冠面１０１Ｐが上死点に近い位置で燃料を噴射する、１段目噴射と３段目噴射の燃料噴射量が減少する。このため、冠面１０１Ｐに到達する燃料噴霧３０１が減少し、燃料付着量１１０５のように燃料付着量を低減できる（図１１の４段目）。

また、圧縮行程での燃料噴射（例えば、不図示の４段目噴射）を新たに実施してもよい。この場合、発生するピストン１０１の冠面１０１Ｐに付着する燃料液膜３０２や発生する液滴３０３が増加する可能性はあるが、圧縮によって燃料液膜３０２や液滴３０３が小さくなるとともに蒸発しやすくなる。

また、吸気行程初期（例えば、１段目噴射）の燃料噴射量を減らしてもよい。これより、ピストン１０１の冠面１０１Ｐに付着する燃料液膜３０２や発生する液滴３０３が減少し、燃料付着量を低減できる。

また、燃料噴射信号の各パルス間の間隔を空けたり又は詰めたりすることで、燃料付着量を制御するようにしてもよい。なお、上述した多段噴射において、基本的には燃料噴射方法の変更前と変更後で一燃焼サイクルの総噴射量は変化しない。

（第２の制御例）
次に、未燃燃料レベル調節部５０４による未燃燃料量の第２の制御例について図１２を用いて説明する。
図１２は、第４の実施形態の第２の制御例における燃料圧力と未燃燃料量の関係の一例を示した図である。燃料ポンプ５２１による燃料の噴射圧力（以下「燃料圧力」と称する）を増加させると、インジェクタ５２０から噴射される燃料噴霧３０１や液滴３０３の微粒化が進み、燃料の蒸発が促進される。しかしながら、噴射された燃料噴霧３０１の飛翔速度も上昇するため、燃料圧力と未燃燃料量は、インジェクタ５２０の配置や燃焼室１０３の形状によっては、燃料圧力を上げると未燃燃料量が増加する曲線１２０１のような関係を持つ（図１２上側）。

さらに、内燃機関１の始動時などで燃焼室１０３内の壁温度が低いときには、いったん燃料が付着してしまうと蒸発するまでに時間を要するため、想定よりも未燃燃料量が増加することが考えられる。冷機始動時の燃料ポンプ５２１の燃料圧力と未燃燃料量の関係を表した曲線１２０２（図１２下側）のように、冷気始動時は暖機運転時とは未燃燃料量の特性が変わることになる。図１２下側に示した冷気始動時の例では、燃料圧力が増加すると暖機運転時よりも未燃燃料量が増加し、かつ、暖機運転時において未燃燃料量が極小となる燃料圧力１２０３よりもさらに低い燃料圧力から未燃燃料量の増加傾向が見られる。

そこで、冷気始動時及び暖機運転時において、未燃燃料レベル調節部５０４が燃料ポンプ５２１の燃料圧力を変化させる制御を行うことによって、未燃燃料量をねらった値に近づけることが可能となる。

（第３の制御例）
次に、未燃燃料レベル調節部５０４による未燃燃料量の第３の制御例について図１３及び図１４を用いて説明する。
図１３は、第４の実施形態の第３の制御例におけるクランク角と燃料噴射信号と未燃燃料量の関係の一例を示した図である。図１３上側と図１３下側のグラフは、図１０上側と図１０下側のグラフと同じである。

図１２において説明したように、内燃機関１の冷機始動時、通常よりも燃料の蒸発が遅く、未燃燃料量が多くなることが考えられる。そのため、点火時刻１００２を点火時刻１３０１のように遅角化させることにより（図１３上側）、燃料が蒸発するまでの時間的猶予を確保し未燃燃料量をねらった値に近づけることが可能となる（図１３下側）。

図１４は、第４の実施形態の第３の制御例における多段噴射におけるクランク角と燃料噴射信号と未燃燃料量と点火時刻の関係の一例を示した図である。図１４上側と図１４下側のグラフは、図１１上側と図１１下側のグラフと同じである。

図１４に示すように、多段噴射の場合も同様に、点火時刻１１０２を点火時刻１４０１のように遅角化させるとよい（図１４上側）。これにより、図１３に示した１回のみの燃料噴射と同様に、燃料が蒸発するまでの時間的猶予を確保し未燃燃料量をねらった値に近づけることが可能となる（図１４下側）。

（第４の制御例）
次に、未燃燃料レベル調節部５０４による未燃燃料量の第４の制御例について図１５を用いて説明する。
図１５は、第４の実施形態の第４の制御例におけるクランク角と点火信号の関係の一例、並びに、未燃燃料レベルと予備点火回数の関係の一例を示した図である。未燃燃料量が大きく増えすぎた場合に、燃焼の途中で失火するなどのリスクがある。失火した場合、ＴＨＣの排出量が増加する。その対策として、点火信号１５０１のように、吸気行程において点火コイル５２２にて事前に複数回の点火を実施する予備点火信号１５０２を出力し、その後、主点火信号１５０３を出力する予備点火方式が有効である（図１５上側）。

例えば、この予備点火回数を点火コイル５２２の性能や電費制限により決まる上限回数１５０５までの範囲において、予備点火回数曲線１５０４（図１５下側）に基づいて予備点火回数を未燃燃料レベルに応じて変化させる。これにより、ＴＨＣを削減するために最適な予備点火回数を含む予備点火信号１５０２を生成することができる。また、複数回の予備点火によって点火プラグ１０５の温度も上昇するため、点火プラグ１０５の電極１０６周りに存在する燃料の蒸発促進が期待できる。

一方、未燃燃料レベル５１６が許容未燃燃料レベル５１５以下にならない場合、特に未燃燃料レベル５１６の低下が見られない場合には、例えば、スロットル５２３を制御して燃焼室１０３へ送る空気量を減少させ、内燃機関１の回転数を低下させるとよい。回転数の低下により、高温の燃焼室１０３内に既燃ガスを一定量とどめて、ＨＣ（Hydro Carbon）を焼き切り、ＰＮとＴＨＣを減らすことができる。

本実施形態における未燃燃料量の第１の制御例から第４の制御例は単一で行うだけではなく、複数の制御を協調して実施することができる。複数の制御を協調して実施することにより、未燃燃料量を制御した結果発生するデメリットを相殺しつつ、未燃燃料量又はＰＮとＴＨＣの発生量を低減することができる。

例えば、図１２に示したように、燃料圧力を上げると燃料噴霧３０１の貫徹距離が長くなり、燃料付着量が増える。その半面、燃料圧力が高いと燃料噴霧３０１が小さくなり、液滴３０３などが発生しても蒸発しやすいため燃料付着量が減少する。燃料圧力の上昇に伴うこれらの事象は、相反する事象である。したがって、そのときの運転条件によって制御を組み合わせて、未燃燃料量の制御を幾とおりにも変更可能である。以下に、２つの制御例の組合せの一例を説明する。

（１）燃料圧力を上げて燃料噴霧３０１の貫徹距離が長くなった分、燃料噴射を遅角化する（ピストン１０１の冠面１０１Ｐが下がってから噴射）。
（２）ピストン１０１の冠面１０１Ｐが下がるときに燃料噴射（遅角化）することで、燃料が蒸発を完了すべき時刻までの時間が短くなるため、点火時期を遅角化する（蒸発までの時間的猶予を与える）。

また、この第４の実施形態で説明した未燃燃料量の第１の制御例から第４の制御例は一例であり、内燃機関１の形状構成（圧縮比）によって制御方法は変化する。

以上のとおり、本実施形態は、未燃燃料レベル調節部５０４が未燃燃料レベルを許容値以下にするよう、インジェクタ５２０（燃料噴射装置）、燃料ポンプ５２１、点火コイル５２２（点火装置）、スロットル５２３の制御を適宜実行することで、ＰＮ、ＴＨＣの発生を低減することができる。

また、各実施形態における未燃燃料量の制御は、気筒別に独立して実施してもよい。すなわち、複数の気筒を備えた内燃機関において、未燃燃料レベル調整部５０４は、気筒ごとに未燃燃料レベル５１６が許容未燃燃料レベル５１５以下となるように、少なくともインジェクタ５２０、燃料ポンプ５２１、点火コイル５２２（点火装置）、及びスロットル５２３のいずれかを制御する。これにより、複数の気筒を備えた内燃機関全体のＴＨＣ、ＰＮの排出量の低減が可能となる。

なお、上述した実施形態では、内燃機関としてガソリンエンジンを例に説明したが、内燃機関はガスエンジン、ディーゼルエンジンなどであってもよい。

また、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するためにその構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成要素に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成要素を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成要素の追加又は置換、削除をすることも可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。ハードウェアとして、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの広義のプロセッサデバイスを用いてもよい。

また、上述した実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成要素が相互に接続されていると考えてもよい。

１…内燃機関、 １０１…ピストン、 １０１Ｐ…冠面、 １０２…シリンダ、 １０３…燃焼室、 １０５…点火プラグ、 １１０…点火コイル、 １１１…直噴用インジェクタ、 １１２…ポート噴射用インジェクタ、 ２１０…センサ類、 ２２０…アクチュエータ類、 ３０１…燃料噴霧、 ３０２…燃料液膜、 ３０３…液滴、 ３０４…チップウェット、 ３０５…未燃燃料、 ５００，５００Ａ，５００Ｂ…内燃機関制御装置、 ５０１…燃焼速度検知部、 ５０２，５０２Ａ，５０２Ｂ…未燃燃料レベル推定部、 ５０３…許容値設定部、 ５０４…未燃燃料レベル調節部、 ５１０…目標空燃比、 ５１１…負荷情報、 ５１２…点火時刻、 ５１３…検出信号、 ５１４…燃焼速度、 ５１５…許容未燃燃料レベル、 ５１６…未燃燃料レベル、 ５２０…インジェクタ、 ５２１…燃料ポンプ、 ５２２…点火コイル、 ５２３…スロットル、 ６０１…未燃燃料曲線、 ７０１…ＥＧＲ濃度情報、 ８０１…未燃燃料曲線、 ９０１…補正情報

Claims (13)

1. 燃料を噴射する燃料噴射装置を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、
   気筒内での燃焼速度を検知する燃焼速度検知部と、
   前記燃焼速度を用いて前記気筒内の未燃燃料レベルを推定する未燃燃料レベル推定部と、
   運転条件又は実際の燃料噴射量から前記未燃燃料レベルの許容値を設定する許容値設定部と、
   前記未燃燃料レベル推定部で推定される前記未燃燃料レベルが前記許容値以下となるように、前記内燃機関を制御する未燃燃料レベル調節部と、を備える
   内燃機関制御装置。
2. 前記未燃燃料レベル推定部には、少なくとも前記燃焼速度、点火時期、前記内燃機関の負荷、及び目標空燃比の各情報が入力される
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
3. 前記未燃燃料レベル推定部には、さらに前記気筒に再循環される排ガスの濃度の情報が入力され、前記未燃燃料レベル推定部は、再循環される前記排ガスの濃度に応じて前記未燃燃料レベルの推定結果を補正する
   請求項２に記載の内燃機関制御装置。
4. 前記未燃燃料レベル推定部には、さらに前記内燃機関の圧縮比の情報が入力され、前記未燃燃料レベル推定部は、前記圧縮比に応じて前記未燃燃料レベルの推定結果を補正する
   請求項２に記載の内燃機関制御装置。
5. 前記未燃燃料レベル推定部には、さらに吸気温度又は外気温度の情報が入力され、前記未燃燃料レベル推定部は、前記吸気温度又は前記外気温度に応じて前記未燃燃料レベルの推定結果を補正する
   請求項２に記載の内燃機関制御装置。
6. 前記未燃燃料レベル推定部は、前記燃焼速度と前記未燃燃料レベルが関連付けられたマップ情報を記憶する記憶部を有している
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関制御装置。
7. 前記未燃燃料レベル推定部は、前記燃焼速度検知部で検知された燃焼速度を、前記点火時期、前記内燃機関の負荷、及び前記目標空燃比から事前に設定された燃焼速度と未燃燃料レベルとの関係を示した情報に照らして、前記未燃燃料レベルを推定する
   請求項２に記載の内燃機関制御装置。
8. 前記燃焼速度検知部には、少なくとも点火時期、前記内燃機関の負荷、目標空燃比、及びクランク角センサの検出結果の各情報が入力される
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
9. 前記未燃燃料レベルの許容値は、前記運転条件として、目標空燃比と、前記内燃機関の負荷とを用いて設定される
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
10. 前記未燃燃料レベルの前記許容値は、任意の設定された時間範囲で前記燃料噴射装置から噴射された燃料量の平均値に応じて設定される
    請求項１に記載の内燃機関制御装置。
11. 前記未燃燃料レベル調節部は、前記未燃燃料レベルが前記許容値以下になるように、少なくとも燃料噴射装置、燃料ポンプ、点火装置、及びスロットルのいずれかの制御を行う
    請求項１に記載の内燃機関制御装置。
12. 前記内燃機関が複数の気筒を備え、
    前記未燃燃料レベル調節部は、前記気筒ごとに前記未燃燃料レベルが前記許容値以下になるように、少なくとも燃料噴射装置、燃料ポンプ、点火装置、又はスロットルのいずれかの制御を行う
    請求項１に記載の内燃機関制御装置。
13. 燃料を噴射する燃料噴射装置を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置における内燃機関制御方法であって、
    気筒内での燃焼速度を検知する処理と、
    前記燃焼速度を用いて前記気筒内の未燃燃料レベルを推定する処理と、
    運転条件又は実際の燃料噴射量から前記未燃燃料レベルの許容値を設定する処理と、
    推定される前記未燃燃料レベルが前記許容値以下となるように、前記内燃機関を制御する処理と、を含む
    内燃機関制御方法。

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