JP4362826B2 - 内燃機関の制御装置および空燃比算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置および空燃比算出方法に関する。

従来から、内燃機関の制御装置として、上死点前６０°となるタイミングで検出される筒内圧力と、上死点後６０°となるタイミングで検出される筒内圧力との比に基づいて燃焼室における空燃比を推定するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関の制御装置には、上述の筒内圧力の比と燃焼室における空燃比との相関を運転条件ごとに規定するテーブルが備えられており、このテーブルから上述の筒内圧力の比に対応した空燃比が読み出される。

特開平５−５９９８６号公報

しかしながら、所定の２点間における筒内圧力の比と燃焼室における空燃比との相関を運転条件ごとにきめ細かく規定することは容易ではなく、この点から、従来の制御装置を実際に内燃機関に適用することは困難である。

そこで、本発明は、燃焼室における空燃比を高精度に検出可能とする実用的な内燃機関の制御装置および空燃比算出方法の提供を目的とする。

本発明による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃焼室内の熱量を算出する筒内エネルギ算出手段と、筒内エネルギ算出手段によって算出された熱量に基づいて燃焼室における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備え、前記筒内エネルギ算出手段は、前記燃焼室内に吸入された空気の熱量と前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量とを算出し、前記空燃比導出手段は、前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記空気の前記熱量と前記燃料の前記発熱量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする。

この場合、筒内エネルギ算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて上記熱量を算出すると好ましい。

また、筒内エネルギ算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて上記熱量を算出すると好ましい。

この場合、筒内エネルギ算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の吸気行程中の所定の２点間における偏差に基づいて空気の熱量を算出すると好ましく、筒内エネルギ算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の燃焼開始から実質的な燃焼完了までの間における所定の２点間の偏差に基づいて燃料の発熱量を算出すると好ましい。

本発明の別の態様による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃焼室内の熱量を算出する筒内エネルギ算出手段と、筒内エネルギ算出手段によって算出された熱量に基づいて燃焼室における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備え、筒内エネルギ算出手段は、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定される場合、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による熱量を算出し、空燃比導出手段は、筒内エネルギ算出手段によって算出された燃料の発熱量と燃焼室に対して供給された燃料の量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする。

本発明のまた別の態様による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃焼室内の熱量を算出する筒内エネルギ算出手段と、筒内エネルギ算出手段によって算出された熱量に基づいて燃焼室における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備え、筒内エネルギ算出手段は、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値に設定される場合、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、空燃比導出手段は、筒内エネルギ算出手段によって算出された燃料の発熱量と燃焼室内に吸入された空気の量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする。

また、本発明による内燃機関の制御装置は、空燃比導出手段によって算出される空燃比と予め設定される目標空燃比とが一致するように所定の補正量を算出する補正手段を更に備えると好ましい。

本発明による内燃機関の空燃比算出方法は、燃料室内における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段を有し、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、
（ａ）筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃焼室内の熱量を算出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で算出した熱量に基づいて、燃焼室における空燃比を導出するステップとを含み、
ステップ（ａ）では、前記燃焼室内に吸入された空気の熱量と前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量とを算出し、ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で算出した前記空気の前記熱量と前記燃料の前記発熱量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする。

この場合、ステップ（ａ）では、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて上記熱量を算出すると好ましい。

また、ステップ（ａ）では、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて上記熱量を算出すると好ましい。

この場合、ステップ（ａ）では、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の吸気行程中の所定の２点間における偏差に基づいて空気の熱量を算出すると好ましく、ステップ（ａ）では、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の燃焼開始から実質的な燃焼完了までの間における所定の２点間の偏差に基づいて燃料の発熱量を算出すると好ましい。

本発明の別の態様による内燃機関の空燃比算出方法は、燃料室内における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段を有し、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、
（ａ）筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃焼室内の熱量を算出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で算出した熱量に基づいて、燃焼室における空燃比を導出するステップとを含み、
また、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定される場合に、ステップ（ａ）では、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で算出した燃料の発熱量と燃焼室に対して供給される燃料の量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする。

本発明のまた別の態様による内燃機関の空燃比算出方法は、燃料室内における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段を有し、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、
（ａ）筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃焼室内の熱量を算出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で算出した熱量に基づいて、燃焼室における空燃比を導出するステップとを含み、
更に、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値に設定される場合に、ステップ（ａ）では、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で算出した燃料の発熱量と燃焼室内に吸入された空気の量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする。

本発明によれば、燃焼室における空燃比を高精度に検出可能とする実用的な内燃機関の制御装置および空燃比算出方法の実現が可能となる。

本発明者は、燃焼室における空燃比を高精度に検出可能とする実用的な装置および方法の実現を図るべく鋭意研究を重ねた。その結果、燃焼室内の熱量、具体的には、燃焼室内に吸入された空気の熱量や、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量に着目するに至った。すなわち、所定期間について算出される燃焼室内の熱量を空気あるいは燃料の低位発熱量で除することにより、燃焼室内に吸入された空気や燃焼室に対して供給された燃料の質量を得ることができる。従って、燃焼室内の熱量を求めれば、当該熱量に基づいて燃焼室における空気と燃料との質量比である空燃比を精度よく導出することが可能となる。

具体的には、燃焼室内に吸入された空気の熱量をＱ_ａｉｒとし、燃焼室に対して供給された燃料が燃焼により発生する熱量をＱ_ｆｕｅｌとし、空気の低位発熱量をｑ_ａｉｒとし、燃焼室内で気化した燃料の低位発熱量をｑ_ｆｕｅｌとすれば、燃焼室における空燃比ＡＦは、空気の熱量Ｑ_ａｉｒと燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌとに基づいて、次の（１）式のように表わされる。

ところで、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌと燃焼室における混合気の空燃比との間には、図１に示されるような相関が認められる。すなわち、燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比よりも小さい範囲（リッチ域）では、燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌの変化（率）は微小であり、空燃比が変化しても燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌは殆ど変化しない。これに対して、燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比を上回ってリーン域に入ると、燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌは、いわゆるリーン限界まで空燃比に概ね比例して減少するようになる。そして、図1に示される燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌと燃焼室における空燃比との相関を利用することにより、燃焼室における空燃比を次のようにして求めることが可能となる。

すなわち、燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌが空燃比に概ね比例するリーン域（図１参照）において、燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌを燃焼室に対して供給された燃料の量に相当する燃料噴射時間（燃焼供給時間）τで除して正規化すると、値Ｑ_ｆｕｅｌ／τと燃焼室内の混合気の空燃比との間には、内燃機関の負荷にかかわらず、図２に示されるような相関が成立し、値Ｑ_ｆｕｅｌ／τは、リーン域において空燃比に概ね比例して減少する。これにより、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値（リーンな値）に設定される場合には、燃焼室に対して供給された燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌと、燃焼室に対して供給される燃料の量に相当する燃料噴射時間τとに基づいて、燃焼室における空燃比ＡＦを次の（２）式から求めることができる。なお、（２）式において、Ａ_ＬおよびＣ_Ｌは実験的に求められる定数であり、εは燃料に関して理論的に求められる発熱量変換係数である。

一方、燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌが空燃比によらず概ね一定となるリッチ域（図１参照）において、燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌを燃焼室への吸入空気量ｍ_ａで除して正規化すると、値Ｑ_ｆｕｅｌ／ｍ_ａと燃焼室内の混合気の空燃比との間には、内燃機関の負荷にかかわらず、図３に示されるような相関が成立し、値Ｑ_ｆｕｅｌ／ｍ_ａは、リーン域において空燃比に概ね比例して増加する。これにより、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値（リッチな値）に設定される場合には、燃焼室に対して供給された燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌと、燃焼室内に吸入された空気の量ｍ_ａとに基づいて、燃焼室における空燃比ＡＦを次の（３）式から求めることができる。なお、（３）式において、Ａ_ＲおよびＣ_Ｒは実験的に求められる定数であり、δは空気に関して理論的に求められる発熱量変換係数である。

このように、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌと燃焼室における混合気の空燃比との相関を利用すると共に、リーン域とリッチ域とにおいて燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌを正規化することにより、リーン域とリッチ域とのそれぞれにおいて、燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌを正規化した値と空燃比との負荷に依存しない相関を得ることが可能となり、リーン域とリッチ域とのそれぞれにおける相関から空燃比を精度よく求めることができる。また、上記（２）および（３）式を用いれば、燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌのみを求めればよく、空気の熱量Ｑ_ａｉｒを求める必要がなくなることから、空燃比の算出時の演算負荷を低減させることが可能となる。

さて、上述のように、上記（１）式あるいは上記（２）および（３）式を用いることにより、燃焼室内の熱量に基づいて燃焼室における空燃比を精度よく求めることが可能となるが、本発明者は、燃焼室内の熱量の算出負荷の低減化を図るべく更に研究を行った。その結果、本発明者は、クランク角がθである際に筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力をＰ（θ）とし、クランク角がθである際（当該筒内圧力Ｐ（θ）の検出時）の筒内容積をＶ（θ）とし、比熱比をκとした場合に、筒内圧力Ｐ（θ）と、筒内容積Ｖ（θ）を比熱比（所定の指数）κで累乗した値Ｖ^κ（θ）との積値Ｐ（θ）・Ｖ^κ（θ）（以下、適宜「ＰＶ^κ」と記す）に着目した。

そして、本発明者は、クランク角に対する内燃機関の燃焼室内における熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する積値ＰＶ^κの変化パターンとが図４に示されるような相関を有することを見出した。図４において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積値ＰＶ^κをプロットしたものである。また、図４において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Ｑを次の（１）式に基づき、Ｑ＝∫ｄＱ／ｄθ・Δθとして算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。また、図４において、−３６０°，０°および３６０°は、上死点に、−１８０°および１８０°は、下死点に対応する。

図４に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する積値ＰＶ^κの変化パターンとは、概ね一致（相似）しており、特に、筒内の混合気の燃焼開始（ガソリンエンジンでは火花点火時、ディーゼルエンジンでは圧縮着火時）の前後（例えば、図４における約−１８０°から約１３５°までの範囲）では、熱発生量Ｑの変化パターンと、積値ＰＶ^κの変化パターンとは極めて良好に一致することがわかる。

ここで、図４において、所定の２点間の積値ＰＶ^κの差分は、当該２点間における燃焼室内の熱量を示す。従って、吸気行程が開始される吸気弁の開放時、あるいは燃焼室内におけるエネルギのやりとりがゼロになるタイミング（吸気行程中に熱発生率ｄＱ／ｄθ＝０となるタイミング）におけるクランク角をθ_１とし、吸気行程が終了する吸気弁の閉鎖時におけるクランク角をθ_２とすると、燃焼室内に吸入された空気の熱量Ｑ_ａｉｒは、次の（５）式から求めることができる。ただし（５）式において、α_Ａは、実験的に求められる定数である。

同様に、点火また着火時期におけるクランク角をθ_３とし、燃焼が実質的に完了するタイミング（膨張行程中にエネルギのやりとりがゼロになるタイミング、すなわち、膨張行程中に熱発生率ｄＱ／ｄθ＝０となるタイミングを含む）におけるクランク角をθ_４とすると、燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌは、次の（６）式から求めることができる。ただし（６）式において、α_Ｆは、実験的に求められる定数である。

このように、本発明者によって見出された燃料室内における熱発生量Ｑと積値ＰＶ^κとの相関を利用すれば、積値ＰＶ^κに基づいて、燃焼室に吸入される空気の熱量Ｑ_ａｉｒや燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌを極めて低負荷で精度よく算出することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について具体的に説明する。

図５は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図５には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管（吸気マニホールド）５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気管（排気マニホールド）６にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、点火プラグ７は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

吸気管５は、図５に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインＬ１が接続されており、給気ラインＬ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインＬ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）１０が組み込まれている。一方、排気管６には、図５に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。

更に、内燃機関１は、複数のインジェクタ１２を有し、各インジェクタ１２は、図５に示されるように、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配置されている。また、内燃機関１の各ピストン４は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部４ａが形成されている。そして、内燃機関１では、各燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ１２から各燃焼室３内のピストン４の凹部４ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。

これにより、内燃機関１では、点火プラグ７の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管（吸気ポート）噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。

上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図５に示されるように、エアフローメータＡＦＭやクランク角センサ１４といった各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、動弁機構等を制御する。

また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ（筒内圧検出手段）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３における筒内圧力（相対圧力）を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ２０に与える。各筒内圧センサ１５の検出値は、所定時間（所定クランク角）おきにＥＣＵ２０に順次与えられ、絶対圧力に補正された上でＥＣＵ２０の所定の記憶領域（バッファ）に所定量ずつ格納保持される。

次に、図６を参照しながら、上述の内燃機関１の各燃焼室３における空燃比を算出する手順について説明する。

内燃機関１が始動されると、ＥＣＵ２０によって図６に示される空燃比算出ルーチンが燃焼室３ごとに繰り返し実行される。すなわち、内燃機関１が始動された後、アイドル状態からアイドルオフ状態に移行すると、ＥＣＵ２０は、図示されないアクセル位置センサからの信号等に基づいて内燃機関１の目標トルクと目標空燃比ＡＦ_Ｔを定めると共に、予め用意されているマップ等を用いて目標トルクおよび目標空燃比ＡＦ_Ｔに応じたスロットルバルブ１０の開度（吸入空気量）と、各インジェクタ１２の燃料噴射時間τ（燃料噴射量）とを設定する（Ｓ１０）。これにより、スロットルバルブ１０がＳ１０にて定められた開度に設定され、更に、所定のタイミングで各インジェクタ１２がＳ１０にて定められた時間τだけ開弁されることになる。

Ｓ１０の処理後、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて内燃機関１のクランク角をモニタし、予め定められた第１のタイミング（クランク角がθ_１となるタイミング）が到来した燃焼室（対象となる燃焼室）３について、筒内圧センサ１５からの信号に基づいてクランク角がθ_１となる時の筒内圧力Ｐ（θ_１）を取得する。更に、ＥＣＵ２０は、取得した筒内圧力Ｐ（θ_１）と、筒内圧力Ｐ（θ_１）の検出時、すなわち、クランク角がθ_１となる時の筒内容積Ｖ（θ_１）を比熱比κ（本実施形態では、κ＝１．３２）で累乗した値との積である積値Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１２）。第１のタイミングは、吸気行程が開始される吸気弁Ｖｉの開放時、あるいは燃焼室３内におけるエネルギのやりとりがゼロになると想定されるタイミング（吸気行程中に熱発生率ｄＱ／ｄθ＝０になると想定されるタイミング）とされる。また、Ｖ^κ（θ_１）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

Ｓ１２の処理の後、ＥＣＵ２０は、予め定められた第２のタイミング（クランク角がθ_２となるタイミング）になると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいてクランク角がθ_２となる時の筒内圧力Ｐ（θ_２）を取得する。更に、ＥＣＵ２０は、取得した筒内圧力Ｐ（θ_２）と、筒内圧力Ｐ（θ_２）の検出時、すなわち、クランク角がθ_２となる時の筒内容積Ｖ（θ_２）を比熱比κ（＝１．３２）で累乗した値との積である積値Ｐ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１４）。第２のタイミングは、吸気行程が終了する吸気弁Ｖｉの閉鎖時とされる。また、Ｖ^κ（θ_２）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

上述のようにして、積値Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）およびＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を求めると、ＥＣＵ２０は、上記（５）式を用いて、対象となる燃焼室３内に吸入された空気の熱量Ｑ_ａｉｒを、
Ｑ_ａｉｒ＝α_Ａ×{Ｐ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）−Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）}
として算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１６）。このように、Ｓ１２からＳ１６までの処理により、吸気行程について算出される対象燃焼室３内の熱量、すなわち、当該燃焼室３内に吸入された空気の熱量Ｑ_ａｉｒが簡易かつ速やかに算出されることになり、ＥＣＵ２０における演算負荷を大幅に低減させることが可能となる。

Ｓ１６の処理の後、ＥＣＵ２０は、予め定められた第３のタイミング（クランク角がθ_３となるタイミング）になると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいてクランク角がθ_３となる時の筒内圧力Ｐ（θ_３）を取得する。更に、ＥＣＵ２０は、取得した筒内圧力Ｐ（θ_３）と、筒内圧力Ｐ（θ_３）の検出時、すなわち、クランク角がθ_３となる時の筒内容積Ｖ（θ_３）を比熱比κ（κ＝１．３２）で累乗した値との積である積値Ｐ（θ_３）・Ｖ^κ（θ_３）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１８）。第３のタイミングは、点火プラグ７による点火時とされるが、吸気弁閉鎖時から点火時までの任意の時点とすることができる。また、Ｖ^κ（θ_３）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

Ｓ１８の処理の後、ＥＣＵ２０は、予め定められた第４のタイミング（クランク角がθ_４となるタイミング）になると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいてクランク角がθ_４となる時の筒内圧力Ｐ（θ_４）を取得する。更に、ＥＣＵ２０は、取得した筒内圧力Ｐ（θ_４）と、筒内圧力Ｐ（θ_４）の検出時、すなわち、クランク角がθ_４となる時の筒内容積Ｖ（θ_４）を比熱比κ（＝１．３２）で累乗した値との積である積値Ｐ（θ_４）・Ｖ^κ（θ_４）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ２０）。第４のタイミングは、燃焼が実質的に完了するタイミング（膨張行程中にエネルギのやりとりがゼロになると想定されるタイミング、すなわち、膨張行程から排気弁オープン時までの間に熱発生率ｄＱ／ｄθ＝０になると想定されるタイミングを含む）とされる。また、Ｖ^κ（θ_４）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

上述のようにして、積値Ｐ（θ_３）・Ｖ^κ（θ_３）およびＰ（θ_４）・Ｖ^κ（θ_４）を求めると、ＥＣＵ２０は、上記（６）式を用いて、対象となる燃焼室３内に供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌを、
Ｑ_ｆｕｅｌ＝α_Ｆ×{Ｐ（θ_４）・Ｖ^κ（θ_４）−Ｐ（θ_３）・Ｖ^κ（θ_３）}
として算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ２２）。このように、Ｓ１８からＳ２２までの処理により、燃焼開始から実質的な燃焼完了までの期間について算出される対象燃焼室３内の熱量、すなわち、当該燃焼室３内に供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌが簡易かつ速やかに算出されることになり、ＥＣＵ２０における演算負荷を大幅に低減させることが可能となる。

Ｓ２２における処理が完了すると、ＥＣＵ２０は、上記（１）式を用いて、Ｓ１６にて求めた空気の熱量をＱ_ａｉｒと、Ｓ２２にて求めた燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌとに基づいて、対象となる燃焼室３における混合気の空燃比ＡＦを算出する（Ｓ２４）。このように、燃焼室３内の熱量である空気の熱量Ｑ_ａｉｒと燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌとを求め、これらの熱量Ｑ_ａｉｒおよびＱ_ｆｕｅｌに基づいて燃焼室３における空気と燃料との質量比である空燃比ＡＦを算出することにより、実用上良好なレベルまで演算負荷を低減させながら、燃焼室３ごとに空燃比ＡＦを精度よく求めることが可能となる。

Ｓ２４にて、対象となる燃焼室３における空燃比ＡＦを求めると、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０にて定めた目標空燃比ＡＦ_ＴとＳ２４にて求めた空燃比ＡＦとの偏差の絶対値が所定の許容誤差γ以上となっているか、すなわち、求めた空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦ_Ｔから所定量以上外れているか否か判定する（Ｓ２６）。ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にて目標空燃比ＡＦ_Ｔと空燃比ＡＦとの偏差の絶対値が所定の許容誤差γ以上であると判断すると、対象となる燃焼室３について、目標空燃比ＡＦ_Ｔと空燃比ＡＦとの偏差に応じたインジェクタ１２の燃料噴射時間τの補正量を設定する（Ｓ２８）。

これにより、内燃機関１では、空燃比ＡＦを燃焼室３ごとに高精度に制御することが可能となり、過渡時等における空燃比ＡＦの目標空燃比ＡＦ_Ｔからのズレを良好に抑制することができる。なお、Ｓ２８では、燃料噴射時間τの補正量と共に、あるいは燃料噴射時間τの補正量の代わりに、スロットルバルブ１０の開度の補正量が設定されてもよい。Ｓ２８の処理の実行後、またはＳ２６にて否定判断を行った後、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０以降の処理を繰り返し実行する。

図７は、上述の内燃機関１において実行される他の空燃比算出ルーチンを説明するためのフローチャートである。

図７の空燃比算出ルーチンも燃焼室３ごとに繰り返し実行されるものである。図７のルーチンが採用された場合、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の始動後にアイドル状態からアイドルオフ状態に移行すると、図示されないアクセル位置センサからの信号等に基づいて内燃機関１の目標トルクと目標空燃比ＡＦ_Ｔを定めると共に、予め用意されているマップ等を用いて目標トルクおよび目標空燃比ＡＦ_Ｔに応じたスロットルバルブ１０の開度（吸入空気量）と、各インジェクタ１２の燃料噴射時間τ（燃料噴射量）とを設定する（Ｓ３０）。これにより、スロットルバルブ１０がＳ３０にて定められた開度に設定され、その後、所定のタイミングで各インジェクタ１２がＳ３０にて定められた時間τだけ開弁されると共に、所定のタイミングで各点火プラグ７による点火が実行されることになる。

Ｓ３０の処理後、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて内燃機関１のクランク角をモニタし、クランク角がθ_３になった燃焼室（対象となる燃焼室３）について、筒内圧センサ１５からの信号に基づいてクランク角がθ_３となる時の筒内圧力Ｐ（θ_３）を取得する。更に、ＥＣＵ２０は、取得した筒内圧力Ｐ（θ_３）と、筒内圧力Ｐ（θ_３）の検出時、すなわち、クランク角がθ_３となる時の筒内容積Ｖ（θ_３）を比熱比κ（κ＝１．３２）で累乗した値との積である積値Ｐ（θ_３）・Ｖ^κ（θ_３）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ３２）。クランク角がθ_３となるタイミングは、上述のように、点火プラグ７による点火時であるが、吸気弁閉鎖時から点火時までの任意の時点とすることができる。この場合も、Ｖ^κ（θ_３）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

Ｓ３２の処理の後、ＥＣＵ２０は、クランク角がθ_４になった時点で、筒内圧センサ１５からの信号に基づいてクランク角がθ_４となる時の筒内圧力Ｐ（θ_４）を取得する。更に、ＥＣＵ２０は、取得した筒内圧力Ｐ（θ_４）と、筒内圧力Ｐ（θ_４）の検出時、すなわち、クランク角がθ_４となる時の筒内容積Ｖ（θ_４）を比熱比κ（＝１．３２）で累乗した値との積である積値Ｐ（θ_４）・Ｖ^κ（θ_４）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ３４）。クランク角がθ_４となるタイミングは、上述のように、燃焼が実質的に完了するタイミング（膨張行程中にエネルギのやりとりがゼロになると想定されるタイミング、すなわち、膨張行程から排気弁オープンまでの間に熱発生率ｄＱ／ｄθ＝０になると想定されるタイミングを含む）である。この場合も、Ｖ^κ（θ_４）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

上述のようにして、積値Ｐ（θ_３）・Ｖ^κ（θ_３）およびＰ（θ_４）・Ｖ^κ（θ_４）を求めると、ＥＣＵ２０は、上記（６）式を用いて、対象となる燃焼室３内に供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌをα_Ｆ×{Ｐ（θ_４）・Ｖ^κ（θ_４）−Ｐ（θ_３）・Ｖ^κ（θ_３）}として算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ３６）。このように、Ｓ３２からＳ３６までの処理により、燃焼開始から実質的な燃焼完了までの期間について算出される対象燃焼室３内の熱量、すなわち、当該燃焼室３内に供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌが簡易かつ速やかに算出されることになり、ＥＣＵ２０における演算負荷を大幅に低減させることが可能となる。

Ｓ３６における処理が完了すると、ＥＣＵ３０は、内燃機関１が何れの運転モードに従って運転されるべきかを判定する（Ｓ３８）。本実施形態の内燃機関１は、各燃焼室３における燃料および空気の混合気の空燃比を理論空燃比（燃料：空気＝１：１４．７）に設定するストイキ運転モード、各燃焼室３における混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きい所望の目標空燃比に設定するリーン運転モード、および、各燃焼室３における混合気の空燃比を理論空燃比よりも小さい所望の目標空燃比に設定するリッチ運転モードの何れかのもとで運転され得る。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ３８において、回転数、負荷、スロットル開度、アクセルペダルの踏込加速度等のパラメータに基づいて、ストイキ運転モードあるいはリーン運転モードを実行すべきか否か判定する。

Ｓ３８において、ストイキ運転モードあるいはリーン運転モードの何れかを実行すべきであると判断した場合、ＥＣＵ２０は、Ｓ３０にて設定した燃料噴射時間τを読み出した上で（Ｓ４０）、上記（２）式を用いて、当該燃料噴射時間τとＳ３６にて求めた燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌとに基づいて、対象となる燃焼室３内の混合気の空燃比ＡＦを算出する（Ｓ４２）。これに対して、Ｓ３８において、リッチ運転モードを実行すべきであると判断した場合、ＥＣＵ２０は、エアフローメータＡＦＭの検出値に基づいて算出される吸気弁Ｖｉの開弁から閉弁までの間における対象燃焼室３への吸入空気量ｍ_ａを取得すると共に（Ｓ４４）、上記（３）式を用いて、当該吸入空気量ｍ_ａとＳ３６にて求めた燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌとに基づいて当該燃焼室３内の混合気の空燃比ＡＦを算出する（Ｓ４６）。

このように、燃焼室３に対して供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌと燃焼室３における混合気の空燃比との相関（図１参照）を利用すると共に、リーン域とリッチ域とにおいて燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌを正規化して得られるリーン域用の（２）式とリッチ域用の（３）式とを用いることにより、実用上良好なレベルまで演算負荷を低減させながら、リーン域とリッチ域とのそれぞれにおいて燃焼室３ごとに空燃比ＡＦを精度よく求めることが可能となる。また、上記（２）および（３）式を用いれば、燃料の発熱量Ｑ_ｆｕｅｌのみを求めればよく、空気の熱量Ｑ_ａｉｒを求める必要がなくなることから、空燃比ＡＦの算出時の演算負荷をより一層低減させることが可能となる。なお、ストイキ運転モードが実行される際の空燃比ＡＦは、上記（３）式を用いるＳ４６にて求められてもよい。

Ｓ４２またはＳ４６にて、対象となる燃焼室３における空燃比ＡＦを求めると、ＥＣＵ２０は、Ｓ３０にて定めた目標空燃比ＡＦ_ＴとＳ４２またはＳ４６にて求めた空燃比ＡＦとの偏差の絶対値が所定の許容誤差γ以上となっているか、すなわち、求めた空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦ_Ｔから所定量以上外れているか否か判定する（Ｓ４８）。ＥＣＵ２０は、Ｓ４８にて目標空燃比ＡＦ_Ｔと空燃比ＡＦとの偏差の絶対値が所定の許容誤差γ以上であると判断すると、対象となる燃焼室３について、目標空燃比ＡＦ_Ｔと空燃比ＡＦとの偏差に応じたインジェクタ１２の燃料噴射時間τの補正量を設定する（Ｓ５０）。

これにより、図７のルーチンが実行された場合も、空燃比ＡＦを燃焼室３ごとに高精度に制御することが可能となり、過渡時等における空燃比ＡＦの目標空燃比ＡＦ_Ｔからのズレを良好に抑制することができる。なお、Ｓ５０では、燃料噴射時間τの補正量と共に、あるいは燃料噴射時間τの補正量の代わりに、スロットルバルブ１０の開度の補正量が設定されてもよい。Ｓ５０の処理の実行後、またはＳ４８にて否定判断を行った後、ＥＣＵ２０は、Ｓ３０以降の処理を繰り返し実行する。

燃焼室に供給された燃料の燃焼による発熱量と、燃焼室内における混合気の空燃比との相関を示すグラフである。 燃料の燃焼による発熱量を燃料供給時間によって正規化した値と燃焼室における空燃比とのリーン域における相関を示すグラフである。 燃料の燃焼による発熱量を吸入空気量によって正規化した値と燃焼室における空燃比とのリッチ域における相関を示すグラフである。 本発明において用いられる積値ＰＶ^κと、燃焼室内における熱発生量との相関を示すグラフである。 本発明による制御装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。 図５の内燃機関において実行される空燃比算出ルーチンを説明するためのフローチャートである。 図５の内燃機関において実行され得る他の空燃比算出ルーチンを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
７ 点火プラグ
１０ スロットルバルブ
１１ａ，１１ｂ 触媒装置
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
２０ ＥＣＵ
ＡＦＭ エアフローメータ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (15)

1. 燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、
   前記燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の熱量を算出する筒内エネルギ算出手段と、
   前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記熱量に基づいて前記燃焼室における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備え、
   前記筒内エネルギ算出手段は、前記燃焼室内に吸入された空気の熱量と前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量とを算出し、前記空燃比導出手段は、前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記空気の前記熱量と前記燃料の前記発熱量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記筒内エネルギ算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて前記熱量を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記筒内エネルギ算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて前記熱量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記筒内エネルギ算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の吸気行程中の所定の２点間における偏差に基づいて前記空気の前記熱量を算出することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記筒内エネルギ算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の燃焼開始から実質的な燃焼完了までの間における所定の２点間の偏差に基づいて前記燃料の前記発熱量を算出することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、
   前記燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の熱量を算出する筒内エネルギ算出手段と、
   前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記熱量に基づいて前記燃焼室における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備え、
   前記筒内エネルギ算出手段は、前記燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定される場合、前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、前記空燃比導出手段は、前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記燃料の前記発熱量と前記燃焼室に対して供給された燃料の量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、
   前記燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の熱量を算出する筒内エネルギ算出手段と、
   前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記熱量に基づいて前記燃焼室における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備え、
   前記筒内エネルギ算出手段は、前記燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値に設定される場合、前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、前記空燃比導出手段は、前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記燃料の前記発熱量と前記燃焼室内に吸入された空気の量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
8. 前記空燃比導出手段によって算出される空燃比と予め設定される目標空燃比とが一致するように所定の補正量を算出する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
9. 燃料室内における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段を有し、燃料および空気の混合気を前記燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、
   （ａ）前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の熱量を算出するステップと、
   （ｂ）ステップ（ａ）で算出した前記熱量に基づいて、前記燃焼室における空燃比を導出するステップとを含み、
   ステップ（ａ）では、前記燃焼室内に吸入された空気の熱量と前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量とを算出し、ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で算出した前記空気の前記熱量と前記燃料の前記発熱量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする内燃機関の空燃比算出方法。
10. ステップ（ａ）では、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて前記熱量を算出することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の空燃比算出方法。
11. ステップ（ａ）では、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて前記熱量を算出することを特徴とする請求項９または１０に記載の内燃機関の空燃比算出方法。
12. ステップ（ａ）では、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の吸気行程中の所定の２点間における偏差に基づいて前記空気の前記熱量を算出することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の空燃比算出方法。
13. ステップ（ａ）では、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の燃焼開始から実質的な燃焼完了までの間における所定の２点間の偏差に基づいて前記燃料の前記発熱量を算出することを特徴とする請求項１１または１２に記載の内燃機関の空燃比算出方法。
14. 燃料室内における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段を有し、燃料および空気の混合気を前記燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、
    （ａ）前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の熱量を算出するステップと、
    （ｂ）ステップ（ａ）で算出した前記熱量に基づいて、前記燃焼室における空燃比を導出するステップとを含み、
    前記燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定される場合に、ステップ（ａ）では、前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で算出した前記燃料の前記発熱量と前記燃焼室に対して供給される燃料の量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする内燃機関の空燃比算出方法。
15. 燃料室内における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段を有し、燃料および空気の混合気を前記燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、
    （ａ）前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の熱量を算出するステップと、
    （ｂ）ステップ（ａ）で算出した前記熱量に基づいて、前記燃焼室における空燃比を導出するステップとを含み、
    前記燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値に設定される場合に、ステップ（ａ）では、前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で算出した前記燃料の前記発熱量と前記燃焼室内に吸入された空気の量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする内燃機関の空燃比算出方法。

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