JP4375213B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - 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制御方法に関する。

一般に、燃焼室における燃料および空気の空燃比が理論空燃比に設定される内燃機関では、空燃比センサ（Ｏ_２センサ）を用いた燃焼室における空燃比のリッチ／リーン判定が行われ、その判定結果に応じて、燃焼室における空燃比が理論空燃比と一致するように燃料噴射量が設定される。そして、このように空燃比が理論空燃比に一致するようにフィードバック制御される内燃機関としては、空燃比のフィードバック制御に伴って発生するトルク変動を抑制するために、燃焼室における空燃比と理論空燃比との偏差に応じて更に点火時期を補正するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平７−８３１５０号公報

しかしながら、空燃比のフィードバック制御を実行する際に、上記従来例のように、燃焼室における空燃比と理論空燃比との偏差に応じて更に点火時期を補正しても、トルク変動を満足に抑制し得ないことが多かった。

そこで、本発明は、燃焼室における空燃比の制御に伴って発生するトルク変動を良好に抑制することができる内燃機関の制御装置および制御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、燃焼室における空燃比のリッチ／リーン判定を行う空燃比判定手段と、空燃比判定手段の判定結果に応じて、燃焼室における空燃比が目標空燃比と一致するように燃焼室に対する燃料供給量を設定する燃料供給量設定手段と、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た筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合と目標燃焼割合との偏差に基づいて燃焼室における燃焼開始時期を算出する燃焼開始時期算出手段と、空燃比判定手段によって燃焼室における空燃比がリッチであると判断された際に、燃焼開始時期算出手段によって算出される燃焼開始時期を内燃機関のトルク変動が抑制されるように補正するための補正手段とを備えることを特徴とする。

本発明による内燃機関の制御方法は、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方法において、燃焼室における空燃比のリッチ／リーン判定を行い、その判定結果に応じて、燃焼室における空燃比が目標空燃比と一致するように燃焼室に対する燃料供給量を設定すると共に、燃焼室における筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出し、当該燃焼割合と目標燃焼割合との偏差に基づいて燃焼室における燃焼開始時期を算出し、燃焼室における空燃比がリッチであると判断された際には、算出した燃焼開始時期を内燃機関のトルク変動が抑制されるように補正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の制御に伴って発生するトルク変動を良好に抑制することができる内燃機関の制御装置および制御方法の実現が可能となる。

本発明による制御装置が適用された内燃機関では、燃料供給量設定手段により、空燃比判定手段の判定結果に応じて燃焼室における空燃比が目標空燃比と一致するように燃焼室に対する燃料供給量が設定され、これにより、燃焼室における空燃比が目標空燃比と一致するようにフィードバック制御される。また、当該内燃機関では、燃焼開始時期算出手段により、筒内圧力に基づいて算出される所定のタイミングにおける燃焼割合と目標燃焼割合との偏差に基づいて概ね最適な燃焼開始時期（火花点火時期または圧縮着火時期）が算出される。

そして、燃焼開始時期算出手段によって算出される燃焼開始時期は、空燃比判定手段によって燃焼室における空燃比がリッチであると判断された場合にのみ、補正手段によって内燃機関のトルク変動を無くすように補正（遅角または進角）される。これにより、空燃比判定手段の判定結果に拘らず燃焼開始時期を補正する場合に比べて、燃焼室における空燃比の制御（フィードバック制御）に伴って発生するトルク変動の収束性を高めることができるので、当該トルク変動を良好に抑制することが可能となる。

また、補正手段は、燃料供給量設定手段によって設定される燃料供給量に基づいて、燃焼開始時期算出手段の算出値に付加すべき補正量を設定すると好ましい。

かかる構成によれば、空燃比判定手段によって燃焼室における空燃比がリッチであると判断された場合に、空燃比の制御に伴って発生するトルク変動を抑制するための燃焼開始時期の補正量を適切に定めることが可能となる。

更に、空燃比判定手段によって燃焼室における空燃比がリッチであると判断された際に、燃焼開始時期算出手段の出力が所定値に固定されるか、または、燃焼割合と目標値との偏差がゼロに設定されると好ましい。

上述の燃焼割合算出手段による燃焼割合と目標値との偏差に基づいた燃焼開始時期の算出（燃焼開始時期のフィードバック制御）と、補正手段による燃焼開始時期の補正（遅角または進角）とが共に実行されていくと、燃焼開始時期は、遅角側あるいは進角側へと徐々にシフトしていってしまうおそれがある。従って、空燃比判定手段によって燃焼室における空燃比がリッチであると判断され、補正手段による燃焼開始時期の補正が実行される場合には、燃焼開始時期算出手段の出力を所定値に固定するか、または、燃焼割合と目標値との偏差をゼロにして、燃焼開始時期のフィードバック制御を中止させるとよい。これにより、燃焼開始時期が遅角側あるいは進角側へと徐々にシフトしていってしまうことを確実に抑制することが可能となる。

また、補正手段は、燃焼開始時期算出手段によって算出される燃焼開始時期が遅角されるように目標燃焼割合の値を減少させると好ましい。

このような構成のもとでは、燃焼開始時期が、空燃比判定手段の判定結果に拘らず、所定のタイミングにおける燃焼割合と目標燃焼割合との偏差に基づいて算出されることになるので、燃焼開始時期の制御を安定化させることが可能となる。

更に、燃焼割合算出手段は、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燃焼割合を算出すると好ましい。

本発明者は、ある燃焼室について所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する際の演算負荷を低減すべく鋭意研究を行った。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１に示されるような相関を有することを見出した。図１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１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１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１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１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。

本発明の好ましい実施形態においては、燃焼室における熱発生量Ｑと積値ＰＶ^κとの相関を利用して、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の積値ＰＶ^κに基づいて、ある２点間におけるトータルの熱発生量に対する当該２点間の所定のタイミングまでの熱発生量の比である燃焼割合ＭＦＢが求められる。ここで、積値ＰＶ^κに基づいて燃焼室における燃焼割合を算出すれば、高負荷な演算処理を要することなく燃焼室における燃焼割合を精度よく得ることができる。すなわち、図２に示されるように、積値ＰＶ^κに基づいて求められる燃焼割合（同図における実線参照）は、熱発生率に基づいて求められる燃焼割合（同図における破線参照）とほぼ一致する。

図２において、実線は、上述のモデル気筒においてクランク角＝θとなるタイミングにおける燃焼割合を、次の（２）式に従うと共に、検出した筒内圧力Ｐ（θ）に基づいて算出し、プロットしたものである。ただし、簡単のために、κ＝１．３２とした。また、図２において、破線は、上述のモデル気筒においてクランク角＝θとなるタイミングにおける燃焼割合を、上記（１）式および次の（３）式に従うと共に、検出した筒内圧力Ｐ（θ）に基づいて算出し、プロットしたものである。この場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。

更に、上記所定のタイミングは、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定された第１のタイミングと、燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定された第２のタイミングとの間に設定されるとよく、燃焼割合算出手段は、第１のタイミングと第２のタイミングとの間における積値の差分と、第１のタイミングと所定のタイミングとの間における積値の差分とに基づいて燃焼割合を算出すると好ましい。

この場合、当該所定のタイミングにおけるクランク角をθ_０とすると、クランク角＝θ_０となる当該所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢは、第１のタイミングと上記所定のタイミングとの間における積値ＰＶ^κの差分{Ｐ（θ_０）・Ｖ^κ（θ_０）−Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）}を、第１のタイミングと第２のタイミングとの間における積値ＰＶ^κの差分{Ｐ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）−Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）}で除して１００を乗じることにより得ることができる。これにより、３点において検出した筒内圧力に基づいて精度よく燃焼割合を求めることが可能となり、演算負荷を大幅に低減させることができる。

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３は、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。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。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、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉは、対応する吸気ポートを開閉し、各排気弁Ｖｅは、対応する排気ポートを開閉する。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）によって動作させられる。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３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、給気ラインが接続されており、給気ラインは、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３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３に示されるように、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配置されている。各インジェクタ１２は、各吸気管５の内部にガソリン等の燃料を噴射する。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆるポート噴射式のガソリン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、本発明がいわゆる直噴式内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。また、本発明が、ガソリンエンジンだけではなく、ディーゼルエンジンにも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３に示されるように、クランク角センサ１４や排気管６に設けられた空燃比センサ（Ｏ_２センサ）１６等の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。

このように構成される内燃機関１では、基本的に、運転中の各燃焼室３における燃料および空気の空燃比が理論空燃比（約１４．７）に設定される。すなわち、排気管６の空燃比センサ１６は、排気管６内を流通する排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧を出力しており、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１６の応答遅れ等を考慮した上で、空燃比センサ１６の検出値に基づいて各燃焼室３における空燃比のリッチ／リーン判定を行っている。そして、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１６の検出値に基づいて燃焼室３における空燃比が理論空燃比よりも大きく（リーンに）なっていると判断すると、所定の空燃比フラグを「０」に設定（維持）すると共に、予め定められた手順に従ってインジェクタ１２からの燃料噴射量τを増量補正する。

また、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１６の検出値に基づいて燃焼室３における空燃比が理論空燃比よりも小さく（リッチに）なっていると判断すると、上記空燃比フラグを「１」に設定すると共に、予め定められた手順に従ってインジェクタ１２からの燃料噴射量τを減量補正する。なお、燃料噴射量の増量補正および減量補正は、いずれも、ステップ的な変更、連続的な変更、あるいは両者の組合せによって行うことができる。このように、内燃機関１では、始動時等の所定条件に該当する場合を除いて、空燃比センサ１６を用いた空燃比のリッチ／リーン判定の結果に応じて燃料噴射量τが設定され、これにより、燃焼室３における空燃比が理論空燃比と一致するようにフィードバック制御されることになる。このフィードバック制御は、空燃比の検出値（中央値）が目標値（理論空燃比）と一致するように行われる。

更に、ＥＣＵ２０は、図５に示されるように、内燃機関１の点火時期を設定するための比例積分回路を有している。この比例積分回路は、後述の手順に従ってサイクルごとに算出される所定のタイミング（本実施形態では、上死点後８°）における燃焼割合ＭＦＢと目標燃焼割合（目標ＭＦＢ、本実施形態では、５０％）との偏差に基づいて（偏差をゼロにするように）燃焼室３ごとに点火時期を算出（設定）する。これにより、内燃機関１では、基本的に、燃焼割合ＭＦＢが目標燃焼割合と一致するように点火時期がフィードバック制御され、各燃焼室３における点火時期が概ね最適に設定されるので、ノッキングが発生しないようにしつつ内燃機関１から大きなトルクを得ることができる。

次に、図４，図６および図７等を参照しながら、上述の内燃機関１における燃焼開始時期すなわち点火時期の制御手順について説明する。

内燃機関１では、上述のような空燃比のフィードバック制御が実行されると共に、図６の点火時期設定ルーチンが燃焼室３ごとに繰り返し実行される。この場合、ＥＣＵ２０は、まず、上述の空燃比フラグの値を読み込み（Ｓ１０）、点火時期の設定対象となる燃焼室３における空燃比がリッチ（理論空燃比よりも小さく）になっているか否か判定する（Ｓ１２）。

Ｓ１２にて、対象となる燃焼室３における空燃比がリッチになっていると判断すると、ＥＣＵ２０は、所定の記憶領域から現サイクルの燃料噴射量（他のルーチンを経て減量補正されている燃料噴射量）τを読み出す。そして、ＥＣＵ２０は、当該燃料噴射量τに基づいて点火時期補正量（ここでは、遅角量）ｄＳＡを設定し、所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１４）。本実施形態において、点火時期補正量ｄＳＡは、
ｄＳＡ＝ｗ_１・τ＋ｗ_２
として定められる。ただし、ｗ_１およびｗ_２は、実験的、経験的に定められる係数である。また、ＥＣＵ２０は、Ｓ１４にて、比例積分回路の制御偏差を「ゼロ」にするために、比例積分回路にフィードバックされる燃焼割合ＭＦＢの値を５０％に設定する。

一方、Ｓ１２にて、対象となる燃焼室３における空燃比がリーン（理論空燃比よりも大きく）になっていると判断すると、ＥＣＵ２０は、点火時期補正量ｄＳＡを「０」に設定し、所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１６）。また、Ｓ１６では、ＥＣＵ２０により、後述のＳ２４にて算出される燃焼割合ＭＦＢの値が比例積分回路にそのままフィードバックされることを許容する処理が実行される。

Ｓ１４またはＳ１６の処理が完了すると、ＥＣＵ２０（比例積分回路）は、後述のＳ２４にて前サイクル中に算出される燃焼割合ＭＦＢと目標燃焼割合（５０％）との偏差に基づいて対象となる燃焼室３の点火時期ＳＡ_ＭＦＢを算出する（Ｓ１８）。更に、ＥＣＵ２０は、比例積分回路によって算出された点火時期ＳＡ_ＭＦＢに対して、所定の記憶領域に記憶されている点火時期補正量ｄＳＡを加算し、点火時期ＳＡを
ＳＡ＝ＳＡ_ＭＦＢ＋ｄＳＡ
として設定する（Ｓ２０）。そして、Ｓ２０にて設定された点火時期が到来すると、対象となる燃焼室３において点火プラグ７による点火が実行される（Ｓ２２）。

ここで、Ｓ１２にて対象となる燃焼室３における空燃比がリッチになっていると判断された場合、Ｓ１４にて比例積分回路における制御偏差を「ゼロ」にする処理が実行されることから、Ｓ１８において、比例積分回路による点火時期のフィードバック制御が実質的に禁止されることになり、比例積分回路から出力される対象燃焼室３についての点火時期は前回と同じ値となる。そして、Ｓ２０では、比例積分回路の出力に対して、Ｓ１４にて算出された点火時期補正量ｄＳＡが加算されることから、Ｓ２０にて設定される点火時期ＳＡは、前回の点火時期を点火時期補正量ｄＳＡだけ遅角させた値となる。

このように、Ｓ１２にて対象となる燃焼室３における空燃比がリッチになっていると判断された場合、Ｓ１４にて、点火時期補正量ｄＳＡが適切に定められ、点火時期が実質的にフィードフォワード制御されることになる。これに対して、Ｓ１２にて対象となる燃焼室３における空燃比がリーンになっていると判断された場合、Ｓ１４にて、点火時期補正量ｄＳＡが「ゼロ」に設定されると共に、比例積分回路に対する燃焼割合ＭＦＢのフィードバックが許容されることから、Ｓ２０にて設定される点火時期ＳＡは、比例積分回路によって燃焼割合ＭＦＢが目標燃焼割合と一致するように算出された値（概ね最適な点火時期）となる。

Ｓ２２にて点火が実行されると、ＥＣＵ２０は、点火が実行された燃焼室３について所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを算出する（Ｓ２４）。Ｓ２４における燃焼割合ＭＦＢの算出に際して、ＥＣＵ２０は、まず、対象となる燃焼室３について所定の記憶領域から、吸気弁Ｖｉの開弁後かつ点火前の第１のタイミング（クランク角がθ_１となるタイミング）における筒内圧力Ｐ（θ_１）と、点火の後かつ排気弁開弁前の第２タイミング（クランク角がθ_２となるタイミング）における筒内圧力Ｐ（θ_２）と、第１のタイミングと第２のタイミングとの間に予め定められており、クランク角＝θ_０（ただし、θ_１＜θ_０＜θ_２）となる所定のタイミングにおける筒内圧力Ｐ（θ_０）とを読み出す。

クランク角θ_１は、燃焼室３内において燃焼が開始される時点（点火時）よりも十分に前のタイミングに設定されると好ましく、例えば−６０°とされる。また、クランク角θ_２は、燃焼室３内における混合気の燃焼が概ね完了したタイミングに設定されると好ましく、例えば９０°とされる。更に、第１のタイミングと第２のタイミングとの間の所定のタイミングは、燃焼割合ＭＦＢがほぼ５０％になることが実験的、経験的に知られているクランク角がθ_０＝８°（上死点後８°）となるタイミングに設定されている。なお、燃焼割合ＭＦＢがおよそ５０％となるクランク角は、内燃機関の冷却損失によって変化するものであり、機種によって上死点後８°から多少前後する。また、成層燃焼運転が実行される場合や、ディーゼルエンジンの場合、それぞれに応じた最適燃焼開始時期（ＭＢＴ）を求めればよく、そのＭＢＴでの燃焼割合は容易に算出することができる。

ＥＣＵ２０は、筒内圧力Ｐ（θ_１）、筒内圧力Ｐ（θ_０）および筒内圧力Ｐ（θ_２）を読み出すと、クランク角がθ_１，θ_０およびθ_２となる時の積値Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１），Ｐ（θ_０）・Ｖ^κ（θ_０）およびＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を算出する。すなわち、ＥＣＵ２０は、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）を算出する。同様に、ＥＣＵ２０は、筒内圧力Ｐ（θ_０）と、クランク角がθ_０となる時の筒内容積Ｖ（θ_０）を比熱比κで累乗した値との積である積値Ｐ（θ_０）・Ｖ^κ（θ_０）、および、筒内圧力Ｐ（θ_２）と、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で累乗した値との積である積値Ｐ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を算出する。なお、Ｖ^κ（θ_１），Ｖ^κ（θ_０）および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。

そして、ＥＣＵ２０は、クランク角がθ_１，θ_０およびθ_２となる時の積値Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１），Ｐ（θ_０）・Ｖ^κ（θ_０）およびＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を用いて、次の（４）式からクランク角がθ_０となるタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを算出する（Ｓ２０）。これにより、３点において検出された筒内圧力Ｐ（θ_１），Ｐ（θ_０），Ｐ（θ_２）に基づいて精度よく燃焼割合を求めることが可能となり、演算負荷を大幅に低減させることができる。このようして、Ｓ２４にて燃焼割合ＭＦＢを算出すると、ＥＣＵ２０は、上記Ｓ１０以降の処理を再度実行する。

上述のように、図６の点火時期設定ルーチンが繰り返し実行されることにより、比例積分回路によって算出される点火時期ＳＡ_ＭＦＢは、燃焼室３における空燃比がリッチであると判断された場合にのみ、図７に示されるように、内燃機関１のトルク変動を無くすように遅角されることになる。これにより、図４に示されるように、リッチ／リーン判定の結果に拘らず点火時期を補正する場合（図４における破線参照）に比べて、空燃比のフィードバック制御に伴って発生するトルク変動の収束性を高めることができるので、当該トルク変動を良好に抑制することが可能となる。

また、Ｓ１４にて、空燃比のリッチ／リーン判定の結果に応じて補正された燃料噴射量τに基づいて、点火時期補正量（遅角量）ｄＳＡを算出することにより、空燃比のフィードバック制御に伴って発生するトルク変動を抑制するための点火時期補正量ｄＳＡを適切に定めることが可能となる。なお、図７からわかるように、燃焼室３における空燃比がリッチである場合、点火時期を進角させても、トルク変動を抑制することが可能である。従って、Ｓ１４では、空燃比のリッチ／リーン判定の結果に応じて補正された燃料噴射量τに基づいて進角量が設定されてもよい。ただし、点火時期の補正量に対するトルクの変化の応答性（感度）は、点火時期を遅角させた場合の方が良好であるので、本実施形態のように、Ｓ１４にて遅角量を設定したほうが有利である。

更に、図６のルーチンのもとでは、Ｓ１２にて対象となる燃焼室３における空燃比がリーンになっていると判断された場合、比例積分回路による点火時期のフィードバック制御が中止されるので、当該フィードバック制御と、Ｓ２０における点火時期の補正（点火時期補正量ｄＳＡの加算）とが共に実行されることにより、点火時期ＳＡが遅角側（Ｓ１４にて進角量が設定される場合、進角側）へと徐々にシフトしていってしまうことを確実に抑制することが可能となる。なお、比例積分回路による点火時期のフィードバック制御を中止させるために、Ｓ１４において、比例積分回路における制御偏差（燃焼割合ＭＦＢと目標値との偏差）をゼロに設定する代わりに、比例積分回路の出力を所定値（前回値あるいはＭＢＴに対応した値）に固定する処理が実行されてもよい。

図８は、上述の内燃機関１において実行され得る他の点火時期設定ルーチンを説明するためのフローチャートである。

図８の点火時期ルーチンも、ＥＣＵ２０によって燃焼室３ごとに繰り返し実行されるものである。この場合、ＥＣＵ２０は、まず、空燃比フラグの値を読み込み（Ｓ３０）、点火時期の設定対象となる燃焼室３における空燃比がリッチ（理論空燃比よりも小さく）になっている否か判定する（Ｓ３２）。そして、Ｓ３２にて、対象となる燃焼室３における空燃比がリッチになっていると判断すると、ＥＣＵ２０は、上述の比例積分回路に与えられる目標燃焼割合を「４０％」に設定する（Ｓ３４）。また、ＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて、対象となる燃焼室３における空燃比がリーンになっていると判断すると、上述の比例積分回路に与えられる目標燃焼割合を「５０％」に設定する（Ｓ３６）。

Ｓ３４またはＳ３６の処理が完了すると、ＥＣＵ２０（比例積分回路）は、後述のＳ４２にて前サイクル中に算出される燃焼割合ＭＦＢと目標燃焼割合（５０％）との偏差に基づいて対象となる燃焼室３の点火時期ＳＡ_ＭＦＢを算出する（Ｓ３８）。そして、Ｓ３８にて算出された点火時期ＳＡ_ＭＦＢが到来すると、対象となる燃焼室３において点火プラグ７による点火が実行される（Ｓ４０）。更に、Ｓ４０にて点火が実行されると、ＥＣＵ２０は、図６のＳ２４と同様の手順に従って点火が実行された燃焼室３について所定のタイミング（上死点後８°）における燃焼割合ＭＦＢを算出し（Ｓ４２）、上述のＳ３０以降の処理を再度実行する。

ここで、Ｓ３２にて対象となる燃焼室３における空燃比がリッチになっていると判断された場合、Ｓ３４にて、目標燃焼割合の値が最適な点火時期を得るための値（５０％）よりも減少させられることから、Ｓ３８にて算出される点火時期ＳＡ_ＭＦＢは、図９からわかるように、Ｓ３６にて目標燃焼割合の値が５０％に設定される場合、すなわち、Ｓ１２にて燃焼室３における空燃比がリーンになっていると判断される場合に比べて遅角されることになる。

従って、図８の点火時期設定ルーチンのもとでも、比例積分回路によって算出される点火時期ＳＡ_ＭＦＢは、燃焼室３における空燃比がリッチであると判断された場合にのみ、図９に示されるように、内燃機関１のトルク変動を無くすように遅角されることになる。これにより、リッチ／リーン判定の結果に拘らず点火時期を補正する場合に比べて、空燃比のフィードバック制御に伴って発生するトルク変動の収束性を高めることができるので、当該トルク変動を良好に抑制することが可能となる。

また、図８のルーチンのもとでは、空燃比のリッチ／リーン判定の結果に拘らず、点火時期が所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢと目標燃焼割合との偏差に基づいて算出され、燃焼割合ＭＦＢに基づいてフィードバック制御されることになるので、点火時期の制御を安定化させることが可能となる。なお、Ｓ３４にて設定される目標燃焼割合の値は、「４０％」に限られるものではなく、空燃比のフィードバック制御に伴って発生するトルク変動を抑制し得る範囲内で任意に定められ得る。

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。 積値ＰＶ^κに基づいて求められる燃焼割合と、熱発生率に基づいて求められる燃焼割合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３の内燃機関の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図３の内燃機関における点火時期の設定を説明するための制御ブロック図である。 図３の内燃機関において実行される点火時期設定ルーチンを説明するためのフローチャートである。 燃焼室における空燃比が変化した場合の点火時期と内燃機関のトルクとの相関を示すグラフである。 図３の内燃機関において実行され得る他の点火時期設定ルーチンを説明するためのフローチャートである。 点火時期と、燃焼室における燃焼割合に基づいて点火時期を設定する際の目標燃焼割合との相関を示すグラフである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
７ 点火プラグ
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
１６ 空燃比センサ
２０ ＥＣＵ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (7)

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空燃比のリッチ／リーン判定を行う空燃比判定手段と、
   前記空燃比判定手段の判定結果に応じて、前記燃焼室における空燃比が目標空燃比と一致するように前記燃焼室に対する燃料供給量を設定する燃料供給量設定手段と、
   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た筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、
   前記空燃比判定手段によって前記燃焼室における空燃比がリーンであると判断された際には、前記燃焼割合算出手段によって算出された前回の燃焼時の燃焼割合と目標燃焼割合との偏差に基づいて今回の燃焼時の燃焼開始時期を算出し、前記空燃比判定手段によって前記燃焼室における空燃比がリッチであると判断された際には、前回の燃焼時の燃焼開始時期にこれを遅角するような補正量を加算して今回の燃焼時の燃焼開始時期を算出する燃焼開始時期算出手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃焼開始時期算出手段は、前記燃料供給量設定手段によって設定される燃料供給量に基づいて前記補正量を設定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. 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空燃比のリッチ／リーン判定を行う空燃比判定手段と、
   前記空燃比判定手段の判定結果に応じて、前記燃焼室における空燃比が目標空燃比と一致するように前記燃焼室に対する燃料供給量を設定する燃料供給量設定手段と、
   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た筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、
   前記空燃比判定手段によって前記燃焼室における空燃比がリーンであると判断された際には、前記燃焼割合算出手段によって算出された前回の燃焼時の燃焼割合と目標燃焼割合との偏差に基づいて今回の燃焼時の燃焼開始時期を算出し、前記空燃比判定手段によって前記燃焼室における空燃比がリッチであると判断された際には、前記燃焼割合算出手段によって算出された前回の燃焼時の燃焼割合と、前記目標燃焼割合と異なり且つ前回の燃焼時の燃焼開始時期を遅角するような別の目標燃焼割合との偏差に基づいて、今回の燃焼時の燃焼開始時期を算出する燃焼開始時期算出手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 前記燃焼割合算出手段は、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燃焼割合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. 前記燃焼割合算出手段によって燃焼割合が求められる所定のタイミングは、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定された第１のタイミングと、前記燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定された第２のタイミングとの間に設定されており、前記燃焼割合算出手段は、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間における前記積値の差分と、前記第１のタイミングと前記所定のタイミングとの間における前記積値の差分とに基づいて前記燃焼割合を算出することを特徴とする請求項４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前記燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法において、
   前記燃焼室における空燃比のリッチ／リーン判定を行い、その判定結果に応じて、前記燃焼室における空燃比が目標空燃比と一致するように前記燃焼室に対する燃料供給量を設定すると共に、前記燃焼室における筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出し、前記燃焼室における空燃比がリーンであると判断された際には、前回の燃焼時の燃焼割合と目標燃焼割合との偏差に基づいて今回の燃焼時の燃焼開始時期を算出し、前記燃焼室における空燃比がリッチであると判断された際には、前回の燃焼時の燃焼開始時期にこれを遅角するような補正量を加算して今回の燃焼時の燃焼開始時期を算出することを特徴とする内燃機関の制御方法。
7. 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制御方法において、
   前記燃焼室における空燃比のリッチ／リーン判定を行い、その判定結果に応じて、前記燃焼室における空燃比が目標空燃比と一致するように前記燃焼室に対する燃料供給量を設定すると共に、前記燃焼室における筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出し、前記燃焼室における空燃比がリーンであると判断された際には、前回の燃焼時の燃焼割合と目標燃焼割合との偏差に基づいて今回の燃焼時の燃焼開始時期を算出し、前記燃焼室における空燃比がリッチであると判断された際には、前回の燃焼時の燃焼割合と、前記目標燃焼割合と異なり且つ前回の燃焼時の燃焼開始時期を遅角するような別の目標燃焼割合との偏差に基づいて、今回の燃焼時の燃焼開始時期を算出することを特徴とする内燃機関の制御方法。

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