JP4447626B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
この発明は、出力トルクを制御目標として内燃機関を制御する内燃機関の制御装置に関する。
近年、運転者や各車両システム（トランスミッション制御、ブレーキ制御、トラクション制御等）からの駆動力の要求値として、車両の制御に直接作用する物理量である内燃機関（エンジン）の出力軸トルクを用いることが考えられている。
例えば、この出力軸トルクをエンジン出力の目標値として、エンジン制御量である空気流量、燃料量および点火時期を決定し、また、実際のエンジンの運転状態から実出力トルクを推定して上記各車両システムに送信することにより、協調制御を実現して良好な走行性能を得る内燃機関の制御装置が提案されている。
例えば、この出力軸トルクをエンジン出力の目標値として、エンジン制御量である空気流量、燃料量および点火時期を決定し、また、実際のエンジンの運転状態から実出力トルクを推定して上記各車両システムに送信することにより、協調制御を実現して良好な走行性能を得る内燃機関の制御装置が提案されている。
従来の内燃機関の制御方法は、運転変数の関数として内燃機関の出力トルクを計算する制御方法であって、エンジン回転速度、エンジン負荷、混合物組成（空燃比）、最適点火角（点火時期）、排気ガス戻し率（ＥＧＲ率）に基づいて出力トルクが算出されている（例えば、特許文献１参照）。
具体的には、まず、エンジン回転速度およびエンジン負荷に基づいて、特性曲線群（制御マップ）から最適燃焼トルクが算出される。続いて、この最適燃焼トルクに対して、実際の点火時期やＥＧＲ率による補正を行うことによって、出力トルクが精度よく算出される。なお、実際の点火時期やＥＧＲ率による補正の補正量は、それぞれの運転ポイント毎の制御マップから算出される。
具体的には、まず、エンジン回転速度およびエンジン負荷に基づいて、特性曲線群（制御マップ）から最適燃焼トルクが算出される。続いて、この最適燃焼トルクに対して、実際の点火時期やＥＧＲ率による補正を行うことによって、出力トルクが精度よく算出される。なお、実際の点火時期やＥＧＲ率による補正の補正量は、それぞれの運転ポイント毎の制御マップから算出される。
また、従来のガソリン直接噴射式内燃機関のトルク決定方法は、運転変数の関数としてモデルにより内燃機関の出力トルクを計算する方法であって、運転変数に基づいて所定の特性曲線群から標準条件における最大トルクが決定され、出力トルクを調節する内燃機関の少なくとも１つの制御変数に対して効率があらかじめ与えられて、その効率がこの制御変数のその時点の値、およびこの制御変数の標準値の関数として決定され、実際の出力トルクを決定するために、最大トルクがこの少なくとも１つの効率で補正されている（例えば、特許文献２参照）。
また、従来の内燃機関の制御方法は、トルク・モデルにより、少なくとも１つの実際変数が計算され、または少なくとも１つの操作変数が設定変数から導かれる制御方法であって、実際変数または操作変数を計算するために、燃焼エネルギーの所定部分が変換されているクランク軸角に対応する燃焼重心と、点火角との関数性を表わす関係が使用され、燃焼重心は、所定の関数により、点火角設定と、負荷、エンジン回転速度および不活性ガス・レートのような運転変数との関数として決定されている（例えば、特許文献３参照）。
上記特許文献１〜３に記載された従来の方法では、各運転変数に応じた制御マップを用いて内燃機関の出力トルクを算出している。
そのため、適合する制御マップの量が多くなり、適合の工数が多くなるとともに、大容量のＲＯＭが必要になるという問題点があった。
そのため、適合する制御マップの量が多くなり、適合の工数が多くなるとともに、大容量のＲＯＭが必要になるという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、より少ない制御マップで、内燃機関の実出力トルクを高精度に算出することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気管に設けられたスロットルバルブと、吸気管におけるスロットルバルブの下流側の吸気管内圧、および内燃機関に吸入される実吸入空気流量の少なくとも一方と、内燃機関の回転速度とを含む運転状態を検出する運転状態検出手段と、吸気管に導入される排気ガスの導入量を調節するＥＧＲバルブと、内燃機関に供給する燃料量を変化させて空燃比を制御する空燃比制御手段と、運転状態に応じて、ＥＧＲバルブの開度を制御するＥＧＲバルブ開度制御手段と、運転状態とＥＧＲバルブの開度とに基づいて、ＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出手段と、内燃機関のシリンダ内における燃焼が急激に加速する着火時期を算出する着火時期算出手段と、シリンダ内における燃焼の開始から終了までに要する燃焼期間を算出する燃焼期間算出手段と、空燃比と、ＥＧＲ率と、着火時期と、燃焼期間と、吸気管内圧または実吸入空気流量から算出される充填効率とに基づいて、内燃機関の実熱効率を算出する実熱効率算出手段と、内燃機関の実出力トルクまたは実図示平均有効圧を算出する実トルク算出手段と、を備え、実熱効率算出手段は、充填効率に基づいて、熱解離を考慮した基本熱効率を算出し、空燃比とＥＧＲ率とから算出される第１熱効率補正係数に基づいて、基本熱効率を補正して補正後熱効率を算出し、着火時期と燃焼期間とから算出される第２熱効率補正係数に基づいて、補正後熱効率を補正して実熱効率を算出し、実トルク算出手段は、空燃比と、吸気管内圧または実吸入空気流量と、実熱効率とに基づいて、内燃機関の実出力トルクまたは実図示平均有効圧を算出するものである。
この発明の内燃機関の制御装置によれば、実トルク算出手段は、空燃比と、吸気管内圧または実吸入空気流量と、実熱効率とに基づいて、内燃機関の実出力トルクまたは実図示平均有効圧を算出する。
そのため、少ない制御マップで、内燃機関の実出力トルクを高精度に算出することができる。
そのため、少ない制御マップで、内燃機関の実出力トルクを高精度に算出することができる。
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の実施の形態では、内燃機関の制御装置が車両に搭載されている場合について説明する。
なお、以下の実施の形態では、内燃機関の制御装置が車両に搭載されている場合について説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置を概略的に示す構成図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置のエンジン制御部の構成を概略的に示すブロック図である。
なお、一般的な内燃機関には、複数のシリンダ２が設けられているが、以下の実施の形態では、そのうちの１つのシリンダ２について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置を概略的に示す構成図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置のエンジン制御部の構成を概略的に示すブロック図である。
なお、一般的な内燃機関には、複数のシリンダ２が設けられているが、以下の実施の形態では、そのうちの１つのシリンダ２について説明する。
図１において、車両のエンジン１（内燃機関）の吸気系を構成する吸気管３の上流側には、エンジン１に吸入される実吸入空気流量Ｑｒ（運転状態）を測定するエアフロセンサ４（運転状態検出手段）が設けられている。
吸気管３において、エアフロセンサ４の下流のエンジン１側には、電子的に開閉制御されて実吸入空気流量Ｑｒを調整するためのスロットルバルブ５が設けられている。
スロットルバルブ５には、スロットル開度Ｔ（運転状態）を測定するスロットル開度センサ６（運転状態検出手段）が設けられている。
吸気管３において、エアフロセンサ４の下流のエンジン１側には、電子的に開閉制御されて実吸入空気流量Ｑｒを調整するためのスロットルバルブ５が設けられている。
スロットルバルブ５には、スロットル開度Ｔ（運転状態）を測定するスロットル開度センサ６（運転状態検出手段）が設けられている。
また、スロットルバルブ５の下流のエンジン１側には、吸気管３内の圧力を均一化するサージタンク７と、サージタンク７内の圧力をインマニ圧Ｐ（吸気管内圧、運転状態）として測定するインマニ圧センサ８（運転状態検出手段）とが設けられている。
なお、エアフロセンサ４およびインマニ圧センサ８については、両方とも設けられてもよいし、何れか一方のみが設けられてもよい。
また、インマニ圧Ｐを直接測定するインマニ圧センサ８に代えて、他のセンサ情報からインマニ圧Ｐを推定する手段を用いてもよい。
なお、エアフロセンサ４およびインマニ圧センサ８については、両方とも設けられてもよいし、何れか一方のみが設けられてもよい。
また、インマニ圧Ｐを直接測定するインマニ圧センサ８に代えて、他のセンサ情報からインマニ圧Ｐを推定する手段を用いてもよい。
サージタンク７には、電子的に制御され、エンジン１の排気管９と連通したＥＧＲ管１０を開閉させて、吸気管３に導入される排気ガスの導入量を調節するＥＧＲバルブ１１が接続されている。
また、吸気管３において、サージタンク７の下流のエンジン１側には、燃料を噴射するインジェクタ１２が設けられている。
なお、インジェクタ１２は、シリンダ２内に直接燃料を噴射するように設けられてもよい。
また、吸気管３において、サージタンク７の下流のエンジン１側には、燃料を噴射するインジェクタ１２が設けられている。
なお、インジェクタ１２は、シリンダ２内に直接燃料を噴射するように設けられてもよい。
シリンダ２の頂部には、エンジン１に吸入された空気とインジェクタ１２から噴射された燃料とが混合して生成される可燃混合気に点火する点火プラグ１３と、点火プラグ１３に火花を飛ばすための電流を発生させる点火コイル１４とが設けられている。
また、エンジン１のクランク軸（図示せず）には、クランク軸と一体で回転するクランクプレートの突起からエンジン１の回転速度Ｎ（運転状態）を検出するクランク角センサ１５（運転状態検出手段）が設けられている。
また、エンジン１のクランク軸（図示せず）には、クランク軸と一体で回転するクランクプレートの突起からエンジン１の回転速度Ｎ（運転状態）を検出するクランク角センサ１５（運転状態検出手段）が設けられている。
エアフロセンサ４からの実吸入空気流量Ｑｒ、スロットル開度センサ６からのスロットル開度Ｔ、インマニ圧センサ８からのインマニ圧Ｐ、およびクランク角センサ１５からの回転速度Ｎは、電子制御ユニット１６（以下、「ＥＣＵ１６」と称する）に入力される。
また、ＥＣＵ１６には、車両に設けられたアクセルの開度を検出するアクセル開度センサ（図示せず）からアクセル開度Ｄが入力され、可燃混合気の空燃比を検出する空燃比センサ（図示せず）から空燃比ＡＦが入力される。
さらに、ＥＣＵ１６には、他のコントローラ（例えば、トランスミッション制御、ブレーキ制御、トラクション制御等）からのトルク要求値が入力される。
また、ＥＣＵ１６には、車両に設けられたアクセルの開度を検出するアクセル開度センサ（図示せず）からアクセル開度Ｄが入力され、可燃混合気の空燃比を検出する空燃比センサ（図示せず）から空燃比ＡＦが入力される。
さらに、ＥＣＵ１６には、他のコントローラ（例えば、トランスミッション制御、ブレーキ制御、トラクション制御等）からのトルク要求値が入力される。
ＥＣＵ１６は、上記各センサからの入力データに基づいて、エンジン１の実出力トルクＴｒｑを算出するとともに、上記各センサからの入力データ、および他のコントローラからのトルク要求値に基づいて、目標出力トルクを算出する。
また、ＥＣＵ１６は、目標出力トルクを達成するように、吸入空気流量、ＥＧＲ率Ｒ、空燃比ＡＦ、および点火時期ＩＴ等の目標値を設定し、吸入空気流量の目標値を達成するようにスロットルバルブ５を制御し、ＥＧＲ率Ｒの目標値を達成するようにＥＧＲバルブ１１を制御し、空燃比ＡＦの目標値を達成するようにインジェクタ１２を駆動し、点火時期ＩＴの目標値を達成するように点火コイル１４を通電する。また、ＥＣＵ１６は、これらのアクチュエータ以外のアクチュエータに対する目標値も算出する。
また、ＥＣＵ１６は、目標出力トルクを達成するように、吸入空気流量、ＥＧＲ率Ｒ、空燃比ＡＦ、および点火時期ＩＴ等の目標値を設定し、吸入空気流量の目標値を達成するようにスロットルバルブ５を制御し、ＥＧＲ率Ｒの目標値を達成するようにＥＧＲバルブ１１を制御し、空燃比ＡＦの目標値を達成するようにインジェクタ１２を駆動し、点火時期ＩＴの目標値を達成するように点火コイル１４を通電する。また、ＥＣＵ１６は、これらのアクチュエータ以外のアクチュエータに対する目標値も算出する。
図２において、ＥＣＵ１６には、各種センサ２０、他のコントローラ３０、および各種アクチュエータ４０が接続されている。
各種センサ２０は、エアフロセンサ４、スロットル開度センサ６、インマニ圧センサ８、クランク角センサ１５、アクセル開度センサ２１、および空燃比センサ２２等を含んでいる。
また、各種アクチュエータ４０は、スロットルバルブ５、ＥＧＲバルブ１１、インジェクタ１２、および点火コイル１４等を含んでいる。
各種センサ２０は、エアフロセンサ４、スロットル開度センサ６、インマニ圧センサ８、クランク角センサ１５、アクセル開度センサ２１、および空燃比センサ２２等を含んでいる。
また、各種アクチュエータ４０は、スロットルバルブ５、ＥＧＲバルブ１１、インジェクタ１２、および点火コイル１４等を含んでいる。
ここで、ＥＣＵ１６は、演算処理を実行するＣＰＵと、プログラムデータや固定値データを記憶するＲＯＭと、格納されているデータを更新して順次書き換えられるＲＡＭとを有するマイクロプロセッサ（図示せず）で構成されている。
ＥＣＵ１６のＲＯＭには、空燃比制御手段、ＥＧＲバルブ開度制御手段、ＥＧＲ率算出手段、着火時期算出手段、燃焼期間算出手段、実熱効率算出手段、実トルク算出手段、点火時期制御手段、および吸入空気流量制御手段が、ソフトウェアとして記憶されている。
また、吸入空気流量制御手段は、スロットル開度制御手段、要求トルク算出手段、目標トルク算出手段、目標シリンダ内新気量算出手段、および目標吸入空気流量算出手段が、ソフトウェアとして記憶されている。
ＥＣＵ１６のＲＯＭには、空燃比制御手段、ＥＧＲバルブ開度制御手段、ＥＧＲ率算出手段、着火時期算出手段、燃焼期間算出手段、実熱効率算出手段、実トルク算出手段、点火時期制御手段、および吸入空気流量制御手段が、ソフトウェアとして記憶されている。
また、吸入空気流量制御手段は、スロットル開度制御手段、要求トルク算出手段、目標トルク算出手段、目標シリンダ内新気量算出手段、および目標吸入空気流量算出手段が、ソフトウェアとして記憶されている。
空燃比制御手段は、インジェクタ１２を駆動してエンジン１に供給する燃料量を変化させ、可燃混合気の空燃比ＡＦを制御する。
ＥＧＲバルブ開度制御手段は、例えば実吸入空気流量Ｑｒやエンジン１の回転速度Ｎ等の運転状態に応じて、ＥＧＲバルブ１１の開度を制御する。
ＥＧＲ率算出手段は、例えば実吸入空気流量Ｑｒやエンジン１の回転速度Ｎ等の運転状態と、ＥＧＲバルブ１１の開度とに基づいて、排気ガスの導入率を示すＥＧＲ率Ｒを算出する。
ＥＧＲバルブ開度制御手段は、例えば実吸入空気流量Ｑｒやエンジン１の回転速度Ｎ等の運転状態に応じて、ＥＧＲバルブ１１の開度を制御する。
ＥＧＲ率算出手段は、例えば実吸入空気流量Ｑｒやエンジン１の回転速度Ｎ等の運転状態と、ＥＧＲバルブ１１の開度とに基づいて、排気ガスの導入率を示すＥＧＲ率Ｒを算出する。
着火時期算出手段は、シリンダ２内における燃焼が急激に加速する着火時期ＩＡを算出する。また、燃焼期間算出手段は、シリンダ２内における燃焼の開始から終了までに要する燃焼期間ＢＰを算出する。
実熱効率算出手段は、空燃比ＡＦと、ＥＧＲ率Ｒと、着火時期ＩＡと、燃焼期間ＢＰと、実吸入空気流量Ｑｒまたはインマニ圧Ｐから算出される充填効率Ｅｃとに基づいて、エンジン１の実熱効率ηｉを算出する。
実トルク算出手段は、空燃比ＡＦと、インマニ圧Ｐまたは実吸入空気流量Ｑｒと、実熱効率ηｉとに基づいて、エンジン１の実出力トルクＴｒｑまたは実図示平均有効圧Ｐｉｒを算出する。
実熱効率算出手段は、空燃比ＡＦと、ＥＧＲ率Ｒと、着火時期ＩＡと、燃焼期間ＢＰと、実吸入空気流量Ｑｒまたはインマニ圧Ｐから算出される充填効率Ｅｃとに基づいて、エンジン１の実熱効率ηｉを算出する。
実トルク算出手段は、空燃比ＡＦと、インマニ圧Ｐまたは実吸入空気流量Ｑｒと、実熱効率ηｉとに基づいて、エンジン１の実出力トルクＴｒｑまたは実図示平均有効圧Ｐｉｒを算出する。
点火時期制御手段は、点火コイル１４を通電して、エンジン１の点火時期ＩＴを制御する。
スロットル開度制御手段は、スロットルバルブ５のスロットル開度Ｔを制御することにより、吸気管３の開口面積を変化させて、実吸入空気流量Ｑｒを可変制御する。
要求トルク算出手段は、例えばエンジン１の回転速度Ｎ（または、車両の走行速度Ｖ）とアクセル開度Ｄとに基づいて、車両の運転者による運転者要求出力トルクを算出する。
スロットル開度制御手段は、スロットルバルブ５のスロットル開度Ｔを制御することにより、吸気管３の開口面積を変化させて、実吸入空気流量Ｑｒを可変制御する。
要求トルク算出手段は、例えばエンジン１の回転速度Ｎ（または、車両の走行速度Ｖ）とアクセル開度Ｄとに基づいて、車両の運転者による運転者要求出力トルクを算出する。
目標トルク算出手段は、運転者要求出力トルクに基づいて、エンジン１が発生すべき目標出力トルクまたは目標図示平均有効圧Ｐｉｔを算出する。
目標シリンダ内新気量算出手段は、目標出力トルクまたは目標図示平均有効圧Ｐｉｔと、実熱効率ηｉと、空燃比ＡＦとに基づいて、目標シリンダ内新気量Ｑｃｔを算出する。
目標吸入空気流量算出手段は、目標シリンダ内新気量Ｑｃｔに基づいて、エンジン１が吸入すべき目標吸入空気流量Ｑｔを算出する。
吸入空気流量制御手段は、実吸入空気流量Ｑｒが目標吸入空気流量Ｑｔと一致するように、スロットル開度制御手段を介してスロットル開度Ｔを制御する。
目標シリンダ内新気量算出手段は、目標出力トルクまたは目標図示平均有効圧Ｐｉｔと、実熱効率ηｉと、空燃比ＡＦとに基づいて、目標シリンダ内新気量Ｑｃｔを算出する。
目標吸入空気流量算出手段は、目標シリンダ内新気量Ｑｃｔに基づいて、エンジン１が吸入すべき目標吸入空気流量Ｑｔを算出する。
吸入空気流量制御手段は、実吸入空気流量Ｑｒが目標吸入空気流量Ｑｔと一致するように、スロットル開度制御手段を介してスロットル開度Ｔを制御する。
以下、図１、図２とともに、図３のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１による実出力トルクＴｒｑの算出処理について説明する。
まず、エアフロセンサ４、またはインマニ圧センサ８は、エンジン１に吸入される実吸入空気流量Ｑｒ、またはサージタンク７内のインマニ圧Ｐを検出する（ステップＳ１０１）。
続いて、実トルク算出手段は、実吸入空気流量Ｑｒに対してフィルタ処理を実行するか、またはインマニ圧Ｐからシリンダ２内の密度を推定することにより、一行程あたりの実シリンダ内新気量Ｑｃｒ［ｇ］を算出する（ステップＳ１０２）。
まず、エアフロセンサ４、またはインマニ圧センサ８は、エンジン１に吸入される実吸入空気流量Ｑｒ、またはサージタンク７内のインマニ圧Ｐを検出する（ステップＳ１０１）。
続いて、実トルク算出手段は、実吸入空気流量Ｑｒに対してフィルタ処理を実行するか、またはインマニ圧Ｐからシリンダ２内の密度を推定することにより、一行程あたりの実シリンダ内新気量Ｑｃｒ［ｇ］を算出する（ステップＳ１０２）。
次に、空燃比センサ２２は、可燃混合気の空燃比ＡＦを検出する（ステップＳ１０３）。なお、空燃比ＡＦは、空燃比センサ２２によって検出された実際の検出値であってもよいし、インジェクタ１２の駆動時間を算出するために用いられる空燃比ＡＦの目標値から求められてもよい。
続いて、実トルク算出手段は、一行程あたりの実シリンダ内新気量Ｑｃｒと空燃比ＡＦとに基づいて、次式（１）のように、一行程あたりの燃料量Ｑｆ［ｇ］を算出する（ステップＳ１０４）。
続いて、実トルク算出手段は、一行程あたりの実シリンダ内新気量Ｑｃｒと空燃比ＡＦとに基づいて、次式（１）のように、一行程あたりの燃料量Ｑｆ［ｇ］を算出する（ステップＳ１０４）。
Ｑｆ＝Ｑｃｒ／ＡＦ ・・・（１）
また、実トルク算出手段は、エンジン１に使用される燃料の発熱量（例えば、ガソリンの場合には、約４４［ＭＪ／ｋｇ］）に基づいて、一行程あたりの燃料量Ｑｆから発熱量Ｈｔ［Ｊ］を算出する（ステップＳ１０５）。
次に、実熱効率算出手段は、エンジン１の実熱効率ηｉ［％］を算出する（ステップＳ１０６）。なお、実熱効率ηｉの算出処理については、後述する。
続いて、実トルク算出手段は、発熱量Ｈｔと実熱効率ηｉとに基づいて、次式（２）のように、燃焼ガスがシリンダ２内でピストンに対してする仕事である実図示仕事Ｗｉ［Ｊ］を算出する（ステップＳ１０７）。
次に、実熱効率算出手段は、エンジン１の実熱効率ηｉ［％］を算出する（ステップＳ１０６）。なお、実熱効率ηｉの算出処理については、後述する。
続いて、実トルク算出手段は、発熱量Ｈｔと実熱効率ηｉとに基づいて、次式（２）のように、燃焼ガスがシリンダ２内でピストンに対してする仕事である実図示仕事Ｗｉ［Ｊ］を算出する（ステップＳ１０７）。
Ｗｉ＝Ｈｔ×ηｉ ・・・（２）
次に、実トルク算出手段は、実図示仕事Ｗｉに基づいて、次式（３）のように、実図示平均有効圧Ｐｉｒ［ｋＰａ］を算出する（ステップＳ１０８）。
なお、式（３）において、Ｖｃ［Ｌ］は一気筒あたりのシリンダ行程容積を示している。
なお、式（３）において、Ｖｃ［Ｌ］は一気筒あたりのシリンダ行程容積を示している。
Ｐｉｒ＝Ｗｉ／Ｖｃ ・・・（３）
続いて、実トルク算出手段は、実図示平均有効圧Ｐｉｒに基づいて、次式（４）のように、実出力トルクＴｒｑ［Ｎｍ］を算出する（ステップＳ１０９）。
なお、式（４）において、ｚは気筒数、ｉは１サイクルあたりの回転数（例えば、４サイクルエンジンの場合には、ｉ＝２）をそれぞれ示している。
なお、式（４）において、ｚは気筒数、ｉは１サイクルあたりの回転数（例えば、４サイクルエンジンの場合には、ｉ＝２）をそれぞれ示している。
Ｔｒｑ＝Ｐｉｒ×Ｖｃ×ｚ／（２π×ｉ） ・・・（４）
このように、実熱効率ηｉを用いることにより、実出力トルクＴｒｑを、簡単な演算で、かつ少ない制御マップで高精度に算出することができる。
ここで、熱効率について以下に説明する。一般に、内燃機関の熱力学的サイクルは、オットーサイクルとディーゼルサイクルとに大別され、ガソリンエンジンは、オットーサイクルに近似され、ディーゼルエンジンは、ディーゼルサイクルに近似されることが多い。
これらのサイクルから熱効率を算出する場合には、作動流体が大気温度における空気の比熱を持った完全ガス（理想気体）であり、かつ、燃焼が上死点において瞬時に行われるとする理論空気サイクルとして考えることが一般的である。
ここで、熱効率について以下に説明する。一般に、内燃機関の熱力学的サイクルは、オットーサイクルとディーゼルサイクルとに大別され、ガソリンエンジンは、オットーサイクルに近似され、ディーゼルエンジンは、ディーゼルサイクルに近似されることが多い。
これらのサイクルから熱効率を算出する場合には、作動流体が大気温度における空気の比熱を持った完全ガス（理想気体）であり、かつ、燃焼が上死点において瞬時に行われるとする理論空気サイクルとして考えることが一般的である。
この場合、オットーサイクルにおける熱効率は、作動流体の比熱比κとエンジンの圧縮比εとのみに依存して決まることが知られている。すなわち、理論空気サイクルにおいて、作動流体の比熱比κやエンジンの圧縮比εが変化しない場合には、どのような運転状態であっても、熱効率が一定の値となる。
しかしながら、実際のエンジンのサイクルにおいては、以下に示す４点が理論空気サイクルと異なることが知られている。
まず、第１点目として、高温、高圧下で燃焼が行われるので、熱解離が生じる。また、第２点目として、行程中に燃焼が行われるので、作動流体の組成が、圧縮行程と膨張行程とで互いに異なる。また、第３点目として、作動流体の組成や温度が変化するので、比熱が変化する。また、第４点目として、燃焼が瞬時に行われることはなく、ある程度の期間継続する。
そこで、実熱効率ηｉを算出する場合には、上記の４点を考慮する必要がある。
まず、第１点目として、高温、高圧下で燃焼が行われるので、熱解離が生じる。また、第２点目として、行程中に燃焼が行われるので、作動流体の組成が、圧縮行程と膨張行程とで互いに異なる。また、第３点目として、作動流体の組成や温度が変化するので、比熱が変化する。また、第４点目として、燃焼が瞬時に行われることはなく、ある程度の期間継続する。
そこで、実熱効率ηｉを算出する場合には、上記の４点を考慮する必要がある。
以下、図１〜図３とともに、図４のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１による実熱効率ηｉの算出処理について説明する。
まず、実熱効率算出手段は、充填効率Ｅｃ［％］を算出する（ステップＳ２０１）。充填効率Ｅｃは、前述したステップＳ１０２で算出された一行程あたりの実シリンダ内新気量Ｑｃｒと、標準状態における空気のシリンダ行程容積Ｖｃに対する質量Ｑｃｏ［ｇ］とに基づいて、次式（５）のように算出される。
まず、実熱効率算出手段は、充填効率Ｅｃ［％］を算出する（ステップＳ２０１）。充填効率Ｅｃは、前述したステップＳ１０２で算出された一行程あたりの実シリンダ内新気量Ｑｃｒと、標準状態における空気のシリンダ行程容積Ｖｃに対する質量Ｑｃｏ［ｇ］とに基づいて、次式（５）のように算出される。
Ｅｃ＝Ｑｃｒ／Ｑｃｏ ・・・（５）
ここで、燃焼によって生じる熱解離は、燃焼時の温度と圧力とに依存し、これらは、充填効率Ｅｃと強い相関があるものと考えられる。そこで、以下、上記第１点目に示した熱解離を考慮した熱効率を基本熱効率ηｂ［％］と称する。
続いて、実熱効率算出手段は、充填効率Ｅｃと基本熱効率ηｂとの関係が記された基本熱効率マップを用いて、充填効率Ｅｃから、基本熱効率ηｂを算出する（ステップＳ２０２）。
続いて、実熱効率算出手段は、充填効率Ｅｃと基本熱効率ηｂとの関係が記された基本熱効率マップを用いて、充填効率Ｅｃから、基本熱効率ηｂを算出する（ステップＳ２０２）。
次に、上記第２点目および第３点目による熱効率への影響について考える。
これら２点は、作動流体の組成、および組成の変化に起因しているので、作動流体の組成に応じて基本熱効率ηｂを補正すればよいと考えられる。
ここで、作動流体の組成を示す物理量としては、空燃比ＡＦとＥＧＲ率Ｒとが考えられることから、空燃比ＡＦおよびＥＧＲ率Ｒに基づいて算出される第１熱効率補正係数を用いて基本熱効率ηｂを補正する。
これら２点は、作動流体の組成、および組成の変化に起因しているので、作動流体の組成に応じて基本熱効率ηｂを補正すればよいと考えられる。
ここで、作動流体の組成を示す物理量としては、空燃比ＡＦとＥＧＲ率Ｒとが考えられることから、空燃比ＡＦおよびＥＧＲ率Ｒに基づいて算出される第１熱効率補正係数を用いて基本熱効率ηｂを補正する。
具体的には、空燃比センサ２２は、可燃混合気の空燃比ＡＦを検出し、ＥＧＲ率算出手段は、ＥＧＲ率Ｒを算出する（ステップＳ２０３）。
なお、空燃比ＡＦは、前述したステップＳ１０３で検出した値を用いればよい。また、ＥＧＲ率Ｒについては、ＥＧＲバルブ１１を経由して導入された外部ＥＧＲ量と、排気行程から吸気行程までのガス交換時にシリンダ２内に残留した燃焼ガスである内部ＥＧＲ量とを加算されて総ＥＧＲ量が算出され、総ＥＧＲ量に基づいて算出される。
なお、空燃比ＡＦは、前述したステップＳ１０３で検出した値を用いればよい。また、ＥＧＲ率Ｒについては、ＥＧＲバルブ１１を経由して導入された外部ＥＧＲ量と、排気行程から吸気行程までのガス交換時にシリンダ２内に残留した燃焼ガスである内部ＥＧＲ量とを加算されて総ＥＧＲ量が算出され、総ＥＧＲ量に基づいて算出される。
外部ＥＧＲ量については、例えばエンジン１の回転速度Ｎや充填効率Ｅｃ等の運転状態と、ＥＧＲバルブ１１の開度と、外部ＥＧＲ量との関係が記された外部ＥＧＲ量マップをあらかじめＲＯＭに記憶し、外部ＥＧＲ量マップを現時点の運転状態で検索すればよい。
また、内部ＥＧＲ量についても同様に、例えばエンジン１の回転速度Ｎや充填効率Ｅｃ等の運転状態と、バルブタイミングと、内部ＥＧＲ量との関係が記された内部ＥＧＲ量マップをあらかじめＲＯＭに記憶し、内部ＥＧＲ量マップを現時点での運転状態で検索すればよい。
また、内部ＥＧＲ量についても同様に、例えばエンジン１の回転速度Ｎや充填効率Ｅｃ等の運転状態と、バルブタイミングと、内部ＥＧＲ量との関係が記された内部ＥＧＲ量マップをあらかじめＲＯＭに記憶し、内部ＥＧＲ量マップを現時点での運転状態で検索すればよい。
なお、外部ＥＧＲ量を算出する別の方法として、エアフロセンサ４で検出された実吸入空気流量Ｑｒから推定されるサージタンク７内の新気分圧と、インマニ圧センサ８で検出されたインマニ圧Ｐとから外部ＥＧＲ量を推定してもよい。
また、さらに別の方法として、排圧（排気管９の圧力）とインマニ圧ＰとＥＧＲバルブ１１の開度とから、オリフィスの流量算出式を用いて外部ＥＧＲ量を算出してもよい。
また、さらに別の方法として、排圧（排気管９の圧力）とインマニ圧ＰとＥＧＲバルブ１１の開度とから、オリフィスの流量算出式を用いて外部ＥＧＲ量を算出してもよい。
続いて、実熱効率算出手段は、空燃比ＡＦと、ＥＧＲ率Ｒと、第１熱効率補正係数との関係が記された第１熱効率補正係数マップを用いて、空燃比ＡＦおよびＥＧＲ率Ｒから、第１熱効率補正係数を算出する（ステップＳ２０４）。
次に、実熱効率算出手段は、基本熱効率ηｂと第１熱効率補正係数とに基づいて、補正後熱効率ηｒ［％］を算出する（ステップＳ２０５）。
次に、実熱効率算出手段は、基本熱効率ηｂと第１熱効率補正係数とに基づいて、補正後熱効率ηｒ［％］を算出する（ステップＳ２０５）。
ここで、上記第４点目による熱効率への影響について考える。
エンジン１のシリンダ２内における燃焼は、点火により火種が発生することによって始まる。また、火種が発生してから、この火種が噴き消えることなく、発熱を伴う連鎖反応を繰り返して膨張し、最終的に急激な発熱反応に至って着火するまでには、所定時間を要することが知られており、この時間は、着火遅れ時間と呼ばれている。そこで、以下、急激な発熱反応が開始して、シリンダ２内における燃焼が急激に加速するタイミングを着火時期ＩＡと称する。
エンジン１のシリンダ２内における燃焼は、点火により火種が発生することによって始まる。また、火種が発生してから、この火種が噴き消えることなく、発熱を伴う連鎖反応を繰り返して膨張し、最終的に急激な発熱反応に至って着火するまでには、所定時間を要することが知られており、この時間は、着火遅れ時間と呼ばれている。そこで、以下、急激な発熱反応が開始して、シリンダ２内における燃焼が急激に加速するタイミングを着火時期ＩＡと称する。
また、着火してから（燃焼が開始してから）燃焼が終了するまでの燃焼期間ＢＰも、所定時間を要することが知られている。
ここで、燃焼が上死点において瞬時に行われるとする理論空気サイクルと、燃焼に所定時間を要する実際のサイクルとの関係を対数表示したＰ−Ｖ線図を図５に示す。
図５において、実際のサイクルでは、燃焼に要する時間によって、一般に時間損失（図の斜線部分参照）と呼ばれる損失が発生している。
そこで、この時間損失を模擬するために、着火時期ＩＡおよび燃焼期間ＢＰに基づいて算出される第２熱効率補正係数を用いて補正後熱効率ηｒを補正する。
ここで、燃焼が上死点において瞬時に行われるとする理論空気サイクルと、燃焼に所定時間を要する実際のサイクルとの関係を対数表示したＰ−Ｖ線図を図５に示す。
図５において、実際のサイクルでは、燃焼に要する時間によって、一般に時間損失（図の斜線部分参照）と呼ばれる損失が発生している。
そこで、この時間損失を模擬するために、着火時期ＩＡおよび燃焼期間ＢＰに基づいて算出される第２熱効率補正係数を用いて補正後熱効率ηｒを補正する。
具体的には、着火時期算出手段は、着火時期ＩＡを算出し、燃焼期間算出手段は、燃焼期間ＢＰを算出する（ステップＳ２０６）。なお、着火時期ＩＡおよび燃焼期間ＢＰの算出処理については、後述する。
続いて、実熱効率算出手段は、着火時期ＩＡと、燃焼期間ＢＰと、第２熱効率補正係数との関係が記された第２熱効率補正係数マップを用いて、着火時期ＩＡおよび燃焼期間ＢＰから、第２熱効率補正係数を算出する（ステップＳ２０７）。
次に、実熱効率算出手段は、補正後熱効率ηｒと第２熱効率補正係数とに基づいて、実熱効率ηｉを算出する（ステップＳ２０８）。
続いて、実熱効率算出手段は、着火時期ＩＡと、燃焼期間ＢＰと、第２熱効率補正係数との関係が記された第２熱効率補正係数マップを用いて、着火時期ＩＡおよび燃焼期間ＢＰから、第２熱効率補正係数を算出する（ステップＳ２０７）。
次に、実熱効率算出手段は、補正後熱効率ηｒと第２熱効率補正係数とに基づいて、実熱効率ηｉを算出する（ステップＳ２０８）。
このように、充填効率Ｅｃから基本熱効率ηｂを算出し、空燃比ＡＦおよびＥＧＲ率Ｒから算出される第１熱効率補正係数と、着火時期ＩＡおよび燃焼期間ＢＰから算出される第２熱効率補正係数とを用いて基本熱効率ηｂを補正することにより、実熱効率ηｉを、簡単な演算で、かつ少ない制御マップで高精度に算出することができる。
なお、基本熱効率マップ、第１熱効率補正係数マップ、および第２熱効率補正係数マップは、基本熱効率ηｂ、第１熱効率補正係数、および第２熱効率補正係数を厳密な測定によって設定することが困難なので、上記の条件で計算したエンジンシミュレーションの結果を用いて設定すればよい。
なお、基本熱効率マップ、第１熱効率補正係数マップ、および第２熱効率補正係数マップは、基本熱効率ηｂ、第１熱効率補正係数、および第２熱効率補正係数を厳密な測定によって設定することが困難なので、上記の条件で計算したエンジンシミュレーションの結果を用いて設定すればよい。
続いて、着火時期ＩＡについて考える。
前述したように、エンジン１のシリンダ２内における燃焼は、火種が発生してから、着火遅れ時間が経過した後に急激に加速する。この着火遅れ時間は、主に着火時におけるシリンダ２内の温度または圧力に依存し、シリンダ２内の温度または圧力は、点火時期ＩＴと強い相関があるものと考えられる。
そこで、点火時期ＩＴと着火時期ＩＡとの関係が１次関数で近似された近似式を用いて、点火時期ＩＴから着火時期ＩＡを算出することを考える。
前述したように、エンジン１のシリンダ２内における燃焼は、火種が発生してから、着火遅れ時間が経過した後に急激に加速する。この着火遅れ時間は、主に着火時におけるシリンダ２内の温度または圧力に依存し、シリンダ２内の温度または圧力は、点火時期ＩＴと強い相関があるものと考えられる。
そこで、点火時期ＩＴと着火時期ＩＡとの関係が１次関数で近似された近似式を用いて、点火時期ＩＴから着火時期ＩＡを算出することを考える。
以下、図１〜図５とともに、図６のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１による着火時期ＩＡの算出処理について説明する。
まず、着火時期算出手段は、点火時期ＩＴを算出する（ステップＳ３０１）。点火時期ＩＴは、点火コイル１４を通電するために用いられる点火時期ＩＴの目標値から求められる。
続いて、着火時期算出手段は、点火時期ＩＴに基づいて、次式（６）のように、着火時期ＩＡを算出する（ステップＳ３０２）。
なお、式（６）において、ａ、ｂは、それぞれ実験的に求められる係数を示している。
まず、着火時期算出手段は、点火時期ＩＴを算出する（ステップＳ３０１）。点火時期ＩＴは、点火コイル１４を通電するために用いられる点火時期ＩＴの目標値から求められる。
続いて、着火時期算出手段は、点火時期ＩＴに基づいて、次式（６）のように、着火時期ＩＡを算出する（ステップＳ３０２）。
なお、式（６）において、ａ、ｂは、それぞれ実験的に求められる係数を示している。
ＩＡ＝ａ×ＩＴ＋ｂ ・・・（６）
ここで、全領域において式（６）によって着火時期ＩＡを算出した場合には、着火時期ＩＡが点火時期ＩＴよりも先になることが考えられる。
通常では、着火時期ＩＡが点火時期ＩＴよりも先になることは考えられないので、続いて、着火時期算出手段は、ステップＳ３０２で算出された着火時期ＩＡが、点火時期ＩＴよりも後であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。
通常では、着火時期ＩＡが点火時期ＩＴよりも先になることは考えられないので、続いて、着火時期算出手段は、ステップＳ３０２で算出された着火時期ＩＡが、点火時期ＩＴよりも後であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。
ステップＳ３０３において、着火時期ＩＡが点火時期ＩＴよりも先である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、着火時期算出手段は、着火時期ＩＡを点火時期ＩＴと同じタイミングに設定し（ステップＳ３０４）、ステップＳ３０４で設定された着火時期ＩＡをＲＡＭに記憶して（ステップＳ３０５）、図６の処理を終了する。
一方、ステップＳ３０３において、着火時期ＩＡが点火時期ＩＴよりも後である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、着火時期算出手段は、ステップＳ３０２で算出された着火時期ＩＡをＲＡＭに記憶し（ステップＳ３０５）、図６の処理を終了する。
ここで、この発明の実施の形態１による点火時期ＩＴと着火時期ＩＡとの関係を図７に示す。
図７において、着火時期ＩＡ（図の破線参照）は、常に点火時期ＩＴよりも後になるように設定される。
図７において、着火時期ＩＡ（図の破線参照）は、常に点火時期ＩＴよりも後になるように設定される。
このように、点火時期ＩＴと着火時期ＩＡとの関係が１次関数で近似された近似式を用いることにより、点火時期ＩＴから着火時期ＩＡを、簡単な演算で、かつ少ない制御マップで高精度に算出することができる。
続いて、燃焼期間ＢＰについて考える。
前述したように、エンジン１のシリンダ２内における燃焼が開始してから、燃焼が終了するまでには、所定の燃焼期間ＢＰを要する。この燃焼期間ＢＰに影響を与える要素としては、シリンダ２内の温度および圧力の変化、作動流体の組成、および着火時期ＩＡが考えられる。
前述したように、エンジン１のシリンダ２内における燃焼が開始してから、燃焼が終了するまでには、所定の燃焼期間ＢＰを要する。この燃焼期間ＢＰに影響を与える要素としては、シリンダ２内の温度および圧力の変化、作動流体の組成、および着火時期ＩＡが考えられる。
ここで、シリンダ２内の温度および圧力の変化は、運転状態であるエンジン１の回転速度Ｎと充填効率Ｅｃとに強い相関があるものと考えられる。また、前述のように、作動流体の組成を示す物理量としては、空燃比ＡＦおよびＥＧＲ率Ｒが考えられる。
そこで、エンジン１の回転速度Ｎ、充填効率Ｅｃ、空燃比ＡＦ、ＥＧＲ率Ｒ、および着火時期ＩＡに基づいて、燃焼期間ＢＰを算出することを考える。
そこで、エンジン１の回転速度Ｎ、充填効率Ｅｃ、空燃比ＡＦ、ＥＧＲ率Ｒ、および着火時期ＩＡに基づいて、燃焼期間ＢＰを算出することを考える。
次に、図１〜図７とともに、図８のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１による燃焼期間ＢＰの算出処理について説明する。
まず、クランク角センサ１５は、エンジン１の回転速度Ｎを検出し、燃焼期間算出手段は、充填効率Ｅｃを算出する（ステップＳ４０１）。充填効率Ｅｃは、前述したステップＳ２０１で算出された値を用いればよい。
まず、クランク角センサ１５は、エンジン１の回転速度Ｎを検出し、燃焼期間算出手段は、充填効率Ｅｃを算出する（ステップＳ４０１）。充填効率Ｅｃは、前述したステップＳ２０１で算出された値を用いればよい。
続いて、燃焼期間算出手段は、エンジン１の回転速度Ｎと、充填効率Ｅｃと、基本燃焼期間Ｂｂとの関係が記された基本燃焼期間マップを用いて、エンジン１の回転速度Ｎおよび充填効率Ｅｃから、基本燃焼期間Ｂｂを算出する（ステップＳ４０２）。
ここで、基本燃焼期間Ｂｂとしては、所定の着火時期（例えば、ＴＤＣ（上死点））で、ＥＧＲ率が零で、かつ理論空燃比の場合における燃焼期間を設定する。
なお、基本燃焼期間マップは、基本燃焼期間Ｂｂを厳密な測定によって設定することが困難なので、上記の条件で計算したエンジンシミュレーションの結果を用いて設定すればよい。
ここで、基本燃焼期間Ｂｂとしては、所定の着火時期（例えば、ＴＤＣ（上死点））で、ＥＧＲ率が零で、かつ理論空燃比の場合における燃焼期間を設定する。
なお、基本燃焼期間マップは、基本燃焼期間Ｂｂを厳密な測定によって設定することが困難なので、上記の条件で計算したエンジンシミュレーションの結果を用いて設定すればよい。
次に、着火時期算出手段は、着火時期ＩＡを算出する（ステップＳ４０３）。着火時期ＩＡは、前述したステップＳ３０５でＲＡＭに記憶された値を用いればよい。
ここで、着火時期ＩＡと燃焼期間ＢＰとの関係について考える。
シリンダ２の瞬時容積は、圧縮行程で減少し、上死点において最小となった後、膨張行程で増加する。このとき、燃焼が同心球状にほぼ一定速度で進行すると考えると、膨張行程において燃焼が進行する場合には、燃焼の進行と同期して燃焼するべき容積が増加するので、燃焼期間ＢＰが長くなると考えられる。また、圧縮行程において燃焼が進行する場合には、燃焼の進行と同期して燃焼するべき容積が減少するので、燃焼期間ＢＰが短くなると考えられる。
シリンダ２の瞬時容積は、圧縮行程で減少し、上死点において最小となった後、膨張行程で増加する。このとき、燃焼が同心球状にほぼ一定速度で進行すると考えると、膨張行程において燃焼が進行する場合には、燃焼の進行と同期して燃焼するべき容積が増加するので、燃焼期間ＢＰが長くなると考えられる。また、圧縮行程において燃焼が進行する場合には、燃焼の進行と同期して燃焼するべき容積が減少するので、燃焼期間ＢＰが短くなると考えられる。
すなわち、着火時期ＩＡが遅い（遅角側）場合には、燃焼期間ＢＰが長くなり、着火時期ＩＡが早い（進角側）場合には、燃焼期間ＢＰが短くなると考えられる。
以上のことを踏まえて実測した着火時期ＩＡと燃焼期間ＢＰとの関係を図９に示す。
図９において、燃焼期間ＢＰは、着火時期ＩＡが進角側に変化するにつれて、短くなっている。
以上のことを踏まえて実測した着火時期ＩＡと燃焼期間ＢＰとの関係を図９に示す。
図９において、燃焼期間ＢＰは、着火時期ＩＡが進角側に変化するにつれて、短くなっている。
続いて、燃焼期間算出手段は、基本燃焼期間Ｂｂと着火時期ＩＡとに基づいて、次式（７）のように、着火時期補正後燃焼期間Ｂｉを算出する（ステップＳ４０４）。
Ｂｉ＝ｃ×ＩＡ＋Ｂｂ ・・・（７）
なお、式（７）において、着火時期ＩＡがＴＤＣである場合における燃焼期間を基本燃焼期間Ｂｂと設定しているので、着火時期ＩＡの進行方向を正とすると、定数ｃは負の値となる。
なお、式（７）のように直線近似した場合に、誤差が大きくなるときには、次式（８）に示すように、２次関数で着火時期補正後燃焼期間Ｂｉを近似してもよい。
なお、式（７）のように直線近似した場合に、誤差が大きくなるときには、次式（８）に示すように、２次関数で着火時期補正後燃焼期間Ｂｉを近似してもよい。
Ｂｉ＝ｄ×ＩＡ２＋ｅ×ＩＡ＋Ｂｂ ・・・（８）
なお、式（８）において、この２次関数は、下に凸になると考えられるので、定数ｄは正の値となる。また、頂点は、ＴＤＣよりも進角側にあると考えられるので、定数ｅは負の値となる。
次に、ＥＧＲ率算出手段は、ＥＧＲ率Ｒを算出する（ステップＳ４０５）。ＥＧＲ率Ｒは、前述したステップＳ２０３で算出された値を用いればよい。
ここで、ＥＧＲ率Ｒと燃焼期間ＢＰとの関係について考える。
排気ガスをサージタンク７に導入するということは、燃焼に寄与しない不活性ガス（窒素、二酸化炭素、水等）を導入することである。そのため、排気ガスを導入した後の可燃混合気は、酸素濃度が低下するので、燃焼速度が低下して、燃焼期間ＢＰが長くなると考えられる。
以上のことを踏まえて実測したＥＧＲ率Ｒと燃焼期間ＢＰとの関係を図１０に示す。
図１０において、燃焼期間ＢＰは、ＥＧＲ率Ｒが高くなるにつれて、長くなっている。
排気ガスをサージタンク７に導入するということは、燃焼に寄与しない不活性ガス（窒素、二酸化炭素、水等）を導入することである。そのため、排気ガスを導入した後の可燃混合気は、酸素濃度が低下するので、燃焼速度が低下して、燃焼期間ＢＰが長くなると考えられる。
以上のことを踏まえて実測したＥＧＲ率Ｒと燃焼期間ＢＰとの関係を図１０に示す。
図１０において、燃焼期間ＢＰは、ＥＧＲ率Ｒが高くなるにつれて、長くなっている。
続いて、燃焼期間算出手段は、着火時期補正後燃焼期間ＢｉとＥＧＲ率Ｒとに基づいて、次式（９）のように、ＥＧＲ率補正後燃焼期間Ｂｒを算出する（ステップＳ４０６）。
Ｂｒ＝ｆ×Ｒ＋Ｂｉ ・・・（９）
なお、式（９）において、排気ガスを導入すると燃焼期間ＢＰが長くなるので、定数ｆは正の値となる。
なお、式（９）のように直線近似した場合に、誤差が大きくなるときには、次式（１０）および次式（１１）に示すように、２次関数および指数関数でそれぞれＥＧＲ率補正後燃焼期間Ｂｒを近似してもよい。
なお、式（９）のように直線近似した場合に、誤差が大きくなるときには、次式（１０）および次式（１１）に示すように、２次関数および指数関数でそれぞれＥＧＲ率補正後燃焼期間Ｂｒを近似してもよい。
Ｂｒ＝ｇ×Ｒ２＋Ｂｉ ・・・（１０）
Ｂｒ＝（１＋Ｒ）ｈ×Ｂｉ ・・・（１１）
Ｂｒ＝（１＋Ｒ）ｈ×Ｂｉ ・・・（１１）
なお、式（１０）および式（１１）において、この関数は、下に凸になると考えられるので、定数ｇ、ｈはそれぞれ正の値となる。
次に、空燃比センサ２２は、可燃混合気の空燃比ＡＦを検出する（ステップＳ４０７）。なお、空燃比ＡＦは、前述したステップＳ１０３で検出した値を用いればよい。
ここで、空燃比ＡＦと燃焼期間ＢＰとの関係について考える。
一般に、燃焼速度は、理論空燃比よりもややリッチ側で最大となることが知られている。そのため、燃焼期間ＢＰは、図１１に示すように、理論空燃比よりもややリッチ側で最も短くなる。
一般に、燃焼速度は、理論空燃比よりもややリッチ側で最大となることが知られている。そのため、燃焼期間ＢＰは、図１１に示すように、理論空燃比よりもややリッチ側で最も短くなる。
続いて、燃焼期間算出手段は、ＥＧＲ率補正後燃焼期間Ｂｒと空燃比ＡＦとに基づいて、次式（１２）のように、燃焼期間ＢＰを算出する（ステップＳ４０８）。
ＢＰ＝ｉ×ΔＡＦ２＋ｊ×ΔＡＦ＋Ｂｒ ・・・（１２）
なお、式（１２）において、ΔＡＦは、空燃比ＡＦから理論空燃比を減算した値を示している。また、この２次関数は、下に凸になると考えられ、かつ頂点は、理論空燃比よりもリッチ側（小側）になると考えられるので、定数ｉ、ｊはともに正の値となる。
このように、エンジン１の回転速度Ｎ、充填効率Ｅｃ、空燃比ＡＦ、ＥＧＲ率Ｒ、および着火時期ＩＡを用いることにより、燃焼期間ＢＰを、簡単な演算で、かつ少ない制御マップで高精度に算出することができる。
次に、図１〜図１１とともに、図１２のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１による吸入空気流量の制御処理について説明する。
まず、クランク角センサ１５は、エンジン１の回転速度Ｎを検出し、アクセル開度センサ２１は、アクセル開度Ｄを検出する（ステップＳ５０１）。エンジン１の回転速度Ｎは、前述したステップＳ４０１で検出された値を用いればよい。
このとき、クランク角センサ１５がエンジン１の回転速度Ｎを検出する代わりに、車速センサ（図示せず）が車両の走行速度Ｖを検出してもよい。
まず、クランク角センサ１５は、エンジン１の回転速度Ｎを検出し、アクセル開度センサ２１は、アクセル開度Ｄを検出する（ステップＳ５０１）。エンジン１の回転速度Ｎは、前述したステップＳ４０１で検出された値を用いればよい。
このとき、クランク角センサ１５がエンジン１の回転速度Ｎを検出する代わりに、車速センサ（図示せず）が車両の走行速度Ｖを検出してもよい。
続いて、要求トルク算出手段は、エンジン１の回転速度Ｎ（または、走行速度Ｖ）と、アクセル開度Ｄと、運転者要求出力トルクとの関係が記された運転者要求出力トルクマップを用いて、エンジン１の回転速度Ｎ（または、走行速度Ｖ）およびアクセル開度Ｄから、運転者要求出力トルクを算出する（ステップＳ５０２）。
次に、他のコントローラ（例えば、トランスミッション制御、ブレーキ制御、トラクション制御等）から、それぞれのトルク要求値が入力される（ステップＳ５０３）。
続いて、吸入空気流量制御手段は、運転者要求出力トルクとトルク要求値とを比較して、最終要求出力トルクを算出する（ステップＳ５０４）。ここで算出された最終要求出力トルクは、エンジン１のクランク軸から出力されるトルクを示している。
続いて、吸入空気流量制御手段は、運転者要求出力トルクとトルク要求値とを比較して、最終要求出力トルクを算出する（ステップＳ５０４）。ここで算出された最終要求出力トルクは、エンジン１のクランク軸から出力されるトルクを示している。
次に、吸入空気流量制御手段は、一般にエンジン補機と呼ばれるオルタネータ、エアコン用コンプレッサ、パワステ用ポンプ、トランスミッション用ポンプ、およびトルクコンバータ等の負荷を算出する（ステップＳ５０５）。
続いて、吸入空気流量制御手段は、最終要求出力トルクとエンジン補機負荷とを加算して、エンジン１に付随する補機負荷を考慮したエンジン要求出力トルクを算出する（ステップＳ５０６）。
続いて、吸入空気流量制御手段は、最終要求出力トルクとエンジン補機負荷とを加算して、エンジン１に付随する補機負荷を考慮したエンジン要求出力トルクを算出する（ステップＳ５０６）。
次に、吸入空気流量制御手段は、エンジン１自身の持つメカロスやポンピングロス（総称して、「エンジンロス」と称する）を算出する（ステップＳ５０７）。
続いて、目標トルク算出手段は、エンジン要求出力トルクとエンジンロスとを加算して、エンジン１のシリンダ２内で発生すべき目標図示平均有効圧Ｐｉｔを算出する（ステップＳ５０８）。なお、目標トルク算出手段は、目標図示平均有効圧Ｐｉｔの代わりに、目標出力トルクを算出してもよい。
続いて、目標トルク算出手段は、エンジン要求出力トルクとエンジンロスとを加算して、エンジン１のシリンダ２内で発生すべき目標図示平均有効圧Ｐｉｔを算出する（ステップＳ５０８）。なお、目標トルク算出手段は、目標図示平均有効圧Ｐｉｔの代わりに、目標出力トルクを算出してもよい。
次に、実熱効率算出手段は、エンジン１の実熱効率ηｉを算出し、空燃比センサ２２は、可燃混合気の空燃比ＡＦを検出する（ステップＳ５０９）。実熱効率ηｉおよび空燃比ＡＦは、前述したステップＳ１０６およびステップＳ１０３でそれぞれ検出された値を用いればよい。
続いて、目標シリンダ内新気量算出手段は、目標図示平均有効圧Ｐｉｔ、実熱効率ηｉおよび空燃比ＡＦに基づいて、目標図示平均有効圧Ｐｉｔを実現するための目標シリンダ内新気量Ｑｃｔを算出する（ステップＳ５１０）。
ここで、目標シリンダ内新気量Ｑｃｔは、前述した式（１）〜式（３）を逆算して、次式（１３）で表される。
ここで、目標シリンダ内新気量Ｑｃｔは、前述した式（１）〜式（３）を逆算して、次式（１３）で表される。
Ｑｃｔ＝ＡＦ×Ｑｆ
＝ＡＦ×Ｈｔ／４４０００
＝ＡＦ×Ｗｉ／（ηｉ×４４０００）
＝ＡＦ×Ｐｉｔ×Ｖｃ／（ηｉ×４４０００） ・・・（１３）
＝ＡＦ×Ｈｔ／４４０００
＝ＡＦ×Ｗｉ／（ηｉ×４４０００）
＝ＡＦ×Ｐｉｔ×Ｖｃ／（ηｉ×４４０００） ・・・（１３）
次に、目標吸入空気流量算出手段は、目標シリンダ内新気量Ｑｃｔと、ステップＳ５０１で検出されたエンジン１の回転速度Ｎとに基づいて、エンジン１が吸入すべき目標吸入空気流量Ｑｔ［ｇ／ｓ］を算出する（ステップＳ５１１）。
続いて、吸入空気流量制御手段は、実吸入空気流量Ｑｒが目標吸入空気流量Ｑｔと一致するように、スロットル開度Ｔの目標値を算出し、スロットル開度制御手段を介してスロットル開度Ｔを制御する（ステップＳ５１２）。
ここでは、オリフィスの流量算出式、およびエアフロセンサ４を用いたスロットル開度フィードバック等の少なくとも一方を用いることにより、目標吸入空気流量Ｑｔを高精度に達成することができる。
続いて、吸入空気流量制御手段は、実吸入空気流量Ｑｒが目標吸入空気流量Ｑｔと一致するように、スロットル開度Ｔの目標値を算出し、スロットル開度制御手段を介してスロットル開度Ｔを制御する（ステップＳ５１２）。
ここでは、オリフィスの流量算出式、およびエアフロセンサ４を用いたスロットル開度フィードバック等の少なくとも一方を用いることにより、目標吸入空気流量Ｑｔを高精度に達成することができる。
このように吸入空気流量を制御することにより、運転者要求出力トルクや他のコントローラからのトルク要求値を高精度に達成することができる。
以上で示したように、実トルク算出手段は、実熱効率ηｉに基づいて実出力トルクＴｒｑを高精度に算出している。ここで、実熱効率ηｉは、実熱効率算出手段によって、着火時期ＩＡおよび燃焼期間ＢＰに基づいて算出される。また、着火時期ＩＡおよび燃焼期間ＢＰは、それぞれ着火時期算出手段および燃焼期間算出手段によって算出される。
さらに、吸入空気流量制御手段により吸入空気流量が高精度に制御できることから、本実施の形態は実現可能である。
さらに、吸入空気流量制御手段により吸入空気流量が高精度に制御できることから、本実施の形態は実現可能である。
この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置によれば、実トルク算出手段は、空燃比ＡＦと、インマニ圧Ｐまたは実吸入空気流量Ｑｒと、実熱効率ηｉとに基づいて、エンジン１の実出力トルクＴｒｑまたは実図示平均有効圧Ｐｉｒを算出する。
そのため、少ない制御マップで、エンジン１の実出力トルクＴｒｑを高精度に算出することができる。
また、吸入空気流量制御手段は、目標トルク算出手段が算出した目標図示平均有効圧Ｐｉｔ（目標出力トルク）に基づいて目標吸入空気流量Ｑｔを算出し、目標吸入空気流量Ｑｔを達成するようにスロットル開度Ｔの目標値を算出して、スロットル開度制御手段を介してスロットル開度Ｔを制御する。
そのため、運転者要求出力トルクや他のコントローラからのトルク要求値を高精度に達成することができる。
そのため、少ない制御マップで、エンジン１の実出力トルクＴｒｑを高精度に算出することができる。
また、吸入空気流量制御手段は、目標トルク算出手段が算出した目標図示平均有効圧Ｐｉｔ（目標出力トルク）に基づいて目標吸入空気流量Ｑｔを算出し、目標吸入空気流量Ｑｔを達成するようにスロットル開度Ｔの目標値を算出して、スロットル開度制御手段を介してスロットル開度Ｔを制御する。
そのため、運転者要求出力トルクや他のコントローラからのトルク要求値を高精度に達成することができる。
なお、ＥＧＲ率Ｒ、空燃比ＡＦおよび点火時期ＩＴについては、エンジン１の回転速度Ｎや充填効率Ｅｃ等の運転状態に対応した最適値があらかじめ制御マップとして記憶されており、目標吸入空気流量Ｑｔが達成された時点で最適な制御値が算出され、その制御値を目標値としてＥＧＲバルブ１１、インジェクタ１２および点火コイル１４を制御することにより、それぞれ最適値に制御される。
１ エンジン（内燃機関）、２ シリンダ、３ 吸気管、４ エアフロセンサ（運転状態検出手段）、５ スロットルバルブ、６ スロットル開度センサ（運転状態検出手段）、８ インマニ圧センサ（運転状態検出手段）、１１ ＥＧＲバルブ、１５ クランク角センサ（運転状態検出手段）、１６ ＥＣＵ（電子制御ユニット）、ＡＦ 空燃比、Ｂｂ 基本燃焼期間、ＢＰ 燃焼期間、Ｄ アクセル開度、Ｅｃ 充填効率、Ｈｔ 発熱量、ＩＡ 着火時期、ＩＴ 点火時期、Ｎ 回転速度（運転状態）、Ｐ インマニ圧（吸気管内圧、運転状態）、Ｐｉｒ 実図示平均有効圧、Ｐｉｔ 目標図示平均有効圧、Ｑｃｒ 実シリンダ内新気量、Ｑｃｔ 目標シリンダ内新気量、Ｑｒ 実吸入空気流量、Ｑｔ 目標吸入空気流量、Ｒ ＥＧＲ率、Ｔ スロットル開度、Ｔｒｑ 実出力トルク、Ｖ 走行速度、ηｂ 基本熱効率、ηｉ 実熱効率、ηｒ 補正後熱効率。
Claims (5)
- 内燃機関の吸気管に設けられたスロットルバルブと、
前記吸気管における前記スロットルバルブの下流側の吸気管内圧、および前記内燃機関に吸入される実吸入空気流量の少なくとも一方と、前記内燃機関の回転速度とを含む運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記吸気管に導入される排気ガスの導入量を調節するＥＧＲバルブと、
前記内燃機関に供給する燃料量を変化させて空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記運転状態に応じて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御するＥＧＲバルブ開度制御手段と、
前記運転状態と前記ＥＧＲバルブの開度とに基づいて、ＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出手段と、
前記内燃機関のシリンダ内における燃焼が急激に加速する着火時期を算出する着火時期算出手段と、
前記シリンダ内における燃焼の開始から終了までに要する燃焼期間を算出する燃焼期間算出手段と、
前記空燃比と、前記ＥＧＲ率と、前記着火時期と、前記燃焼期間と、前記吸気管内圧または前記実吸入空気流量から算出される充填効率とに基づいて、前記内燃機関の実熱効率を算出する実熱効率算出手段と、
前記内燃機関の実出力トルクまたは実図示平均有効圧を算出する実トルク算出手段と、を備え、
前記実熱効率算出手段は、前記充填効率に基づいて、熱解離を考慮した基本熱効率を算出し、前記空燃比と前記ＥＧＲ率とから算出される第１熱効率補正係数に基づいて、前記基本熱効率を補正して補正後熱効率を算出し、前記着火時期と前記燃焼期間とから算出される第２熱効率補正係数に基づいて、前記補正後熱効率を補正して前記実熱効率を算出し、
前記実トルク算出手段は、前記空燃比と、前記吸気管内圧または前記実吸入空気流量と、前記実熱効率とに基づいて、前記内燃機関の実出力トルクまたは実図示平均有効圧を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記実トルク算出手段は、
前記吸気管内圧または前記実吸入空気流量に基づいて、一行程あたりの実シリンダ内新気量を算出し、
前記空燃比と前記一行程あたりの実シリンダ内新気量とに基づいて、一行程あたりの燃料量、および発熱量を算出し、
前記実熱効率と前記発熱量とに基づいて、実図示仕事を算出し、
前記実図示仕事に基づいて、前記実出力トルクまたは前記実図示平均有効圧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。 - 前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段を備え、
前記着火時期算出手段は、
前記点火時期と前記着火時期との関係が１次関数で近似された近似式を用いて、前記点火時期から前記着火時期を算出し、
算出された着火時期が前記点火時期よりも早いタイミングとなる場合には、前記着火時期を前記点火時期と同じタイミングに設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記燃焼期間算出手段は、
前記運転状態に基づいて、基本燃焼期間を算出し、
前記着火時期と、前記ＥＧＲ率と、前記空燃比とに基づいて、前記基本燃焼期間を補正して前記燃焼期間を算出することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。 - スロットル開度制御手段を介して前記スロットルバルブのスロットル開度を制御する吸入空気流量制御手段を備え、
前記吸入空気流量制御手段は、
前記スロットル開度を制御することにより、前記吸気管の開口面積を変化させて、前記実吸入空気流量を可変制御する前記スロットル開度制御手段と、
前記運転状態、および前記内燃機関が設けられた車両の走行速度の少なくとも一方と、前記車両に設けられたアクセルのアクセル開度とに基づいて、前記車両の運転者による運転者要求出力トルクを算出する要求トルク算出手段と、
前記運転者要求出力トルクに基づいて、前記内燃機関が発生すべき目標出力トルクまたは目標図示平均有効圧を算出する目標トルク算出手段と、
前記目標出力トルクまたは前記目標図示平均有効圧と、前記実熱効率と、前記空燃比とに基づいて、目標シリンダ内新気量を算出する目標シリンダ内新気量算出手段と、
前記目標シリンダ内新気量に基づいて、前記内燃機関が吸入すべき目標吸入空気流量を算出する目標吸入空気流量算出手段と、を含み、
前記実吸入空気流量が前記目標吸入空気流量と一致するように、前記スロットル開度を制御することを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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