JP6302028B1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ストイキ運転とリーン運転とを切り換える過渡運転状態において、点火時期制御パラメータの最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化するとともに設計工数を低減することができる制御装置を提供する。【解決手段】 上記過渡運転状態において、燃焼室内の燃焼ガスの層流燃焼速度ＳＬを算出し、その層流燃焼速度ＳＬを用いて点火時期制御パラメータ、すなわちトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰ、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫ、及び遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧを算出する。点火時期ＩＧＬＯＧはトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰまたは補正ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫＭに設定され、遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧより遅角側に設定しないように制御される。層流燃焼速度ＳＬを用いて点火時期制御パラメータを算出することにより、過渡状態において最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出できる。【選択図】 図６

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転及び理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する制御装置に関する。
ＮＯｘの排出量を低減するとともに燃費を改善する（燃焼効率を高める）ことを目的として、機関で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側であって、燃焼室から排出される排気（フィードガス）中のＮＯｘ濃度を十分に低下させることが可能なリーン空燃比（例えば「３０」）に設定するリーン運転を行うことは、例えば特許文献１に示されるように広く知られている。
また特許文献２に示されるように、機関の出力トルクを最大とするトルク最大点火時期（ＭＢＴ:Minimum Spark Advance for Best Torque）を、燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を用いて算出する手法が知られている。
特許文献３には、ストイキ運転からリーン運転への切換、またはその逆の切換を行う過渡状態における、吸入空気量及び排気還流量の制御方法が示されている。
特開２００５−３０３０５号公報 特許第４０６６８６６号公報 特開２０１６−１７４５９号公報
機関の要求トルクが大きい高負荷運転領域ではリーン運転によって要求トルクを実現することは困難であり、空燃比は理論空燃比（あるいはさらにリッチ側の空燃比）に変更して、ストイキ運転（あるいはリッチ運転）を行う必要がある。ストイキ運転では、フィードガス中のＮＯｘ濃度を低下させるために排気還流が実行されるため、ストイキ運転からリーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態では、特許文献３に示されるように、上記排気還流を実行し（排気還流率を変更し）つつ、空燃比を変更する過渡制御が必要となるが、特許文献３には過渡制御における点火時期の制御方法は示されていない。最適な点火時期は、排気還流率及び空燃比に依存して変化するため、これらのパラメータを直接使用して点火時期制御パラメータを算出すると、算出に必要なテーブルやマップが多くなり、設計段階におけるマップ等の設定工数が増加するという課題がある。
そこで特許文献２に示される層流燃焼速度を使用する算出手法を参照すると、この算出手法は、層流燃焼速度とともに燃焼の乱れを示す指標を用いてシリンダ内燃焼速度を算出し、このシリンダ内燃焼速度とシリンダ内の燃焼ガス量とから燃焼期間を算出し、さらにこの燃焼期間に基づいてトルク最大点火時期を算出するものであり、トルク最大点火時期の演算処理が複雑化し、設計段階においてテーブルあるいはマップの設定を行うための工数が増加するという課題を解決することは困難である。さらに特許文献２に示される装置は、機関の過渡運転状態を想定した制御を行うものであるが、空燃比を変更する過渡状態における制御手法は示されていない。
本発明は上述した点に着目してなされたものであり、ストイキ運転とリーン運転とを切り換える過渡運転状態において、点火時期制御に適用する点火時期制御パラメータの最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化するとともに設計工数を低減することができる制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグ（８）と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構（１２，１３）とを備える内燃機関（１）の制御装置において、前記燃焼室内の混合気の空燃比（ＡＦ）を理論空燃比（ＡＦＳＴ）に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、前記排気還流機構によって排気還流率（ＲＥＧＲ）を制御する排気還流制御手段と、前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度（ＳＬ）を、前記空燃比（ＡＦ）を示すパラメータ（φ）及び前記排気還流率（ＲＥＧＲ）を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度（ＳＬ）を用いて、点火時期制御パラメータ（ＩＧＭＡＰ，ＩＧＫＮＫ，ＩＧＬＧＧ）を算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期（ＩＧＬＯＧ）を制御する点火時期制御手段とを備え、前記点火時期制御パラメータは、前記機関の出力トルクを最大とするトルク最大点火時期（ＩＧＭＡＰ）を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度（ＳＬ）及び前記機関の回転速度（ＮＥ）に応じて設定された単一のマップを用いて前記トルク最大点火時期（ＩＧＭＡＰ）を算出することを特徴とする。
この構成によれば、燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度が空燃比を示すパラメータ及び排気還流率を用いて算出され、ストイキ運転からリーン運転への移行またはその逆の移行を行う過度状態において、算出された層流燃焼速度を用いて点火時期制御パラメータが算出され、その点火時期制御パラメータを用いて点火時期が制御される。本発明の発明者の検討によれば、層流燃焼速度と、機関出力トルクが最大となるトルク最大点火時期などの点火時期制御パラメータとの関係は、機関回転速度一定の条件、または機関回転速度及び充填効率が一定の条件の下で一つの曲線で近似可能であることが確認されており、層流燃焼速度を用いて点火時期制御パラメータを算出することにより、過渡状態において変化する空燃比及び排気還流率に対応した最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化することができる。具体的には、層流燃焼速度及び機関回転速度に応じて設定された単一のマップを用いてトルク最大点火時期が算出されるので、設計段階におけるマップ設定工数（設計工数）を低減することができるとともに、過渡状態におけるトルク最大点火時期の演算処理を簡略化できる。
請求項２に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構とを備える内燃機関の制御装置において、前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、前記排気還流機構によって排気還流率を制御する排気還流制御手段と、前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を、前記空燃比を示すパラメータ及び前記排気還流率を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度を用いて、点火時期制御パラメータを算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、前記点火時期制御パラメータは、前記機関においてノッキングが発生する可能性が低い点火時期範囲の最進角値に対応するノック限界点火時期（ＩＧＫＮＫ）を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度（ＳＬ）、前記機関の回転速度（ＮＥ）、及び前記機関の吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬ）を用いて、前記ノック限界点火時期（ＩＧＫＮＫ）を算出することを特徴とする。
この構成によれば、層流燃焼速度、機関回転速度、及び吸入空気量を用いて、ノック限界点火時期が算出されるので、過渡状態におけるノック限界点火時期の演算処理を簡略化できる。
請求項３に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構とを備える内燃機関の制御装置において、前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、前記排気還流機構によって排気還流率を制御する排気還流制御手段と、前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を、前記空燃比を示すパラメータ及び前記排気還流率を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度を用いて、点火時期制御パラメータを算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、前記点火時期制御パラメータは、前記点火時期の遅角限界点火時期（ＩＧＬＧＧ）を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度（ＳＬ）、前記機関の回転速度（ＮＥ）、及び前記機関の吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬ）を用いて、前記遅角限界点火時期（ＩＧＬＧＧ）を算出し、前記点火時期（ＩＧＬＯＧ）が前記遅角限界点火時期（ＩＧＬＧＧ）より遅角側に設定されないように前記点火時期（ＩＧＬＯＧ）を制御することを特徴とする。
この構成によれば、層流燃焼速度、機関回転速度、及び吸入空気量を用いて、点火時期の遅角限界点火時期が算出されるので、過渡状態における遅角限界点火時期の演算処理を簡略化できる。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は前記機関の吸気弁の作動位相（ＣＡＩＮ）を変更可能な弁作動位相可変機構（１４）を備え、前記点火時期制御手段は、前記トルク最大点火時期（ＩＧＭＡＰ）を、前記作動位相（ＣＡＩＮ）を用いて算出することを特徴とする。
この構成によれば、トルク最大点火時期が、吸気弁作動位相を用いて算出されるので、吸気弁作動位相の変化に対応して適切な制御値を得ることができる。
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は前記機関の吸気弁の作動位相（ＣＡＩＮ）を変更可能な弁作動位相可変機構（１４）を備え、前記点火時期制御手段は、前記ノック限界点火時期（ＩＧＫＮＫ）を、前記作動位相（ＣＡＩＮ）を用いて算出することを特徴とする。
この構成によれば、ノック限界点火時期が、吸気弁作動位相を用いて算出されるので、吸気弁作動位相の変化に対応して適切な制御値を得ることができる。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサを備え、前記層流燃焼速度算出手段は、前記空燃比（ＡＦ）、前記混合気に含まれる排気の割合である排気還流率（ＲＥＧＲ）、前記燃焼室において前記混合気が燃焼を開始する直前の前記燃焼室内のガス温度である筒内ガス温度（ＴＧＡＳ）、及び前記筒内圧センサによって検出される筒内圧（ＰＣＹＬ）を用いて、前記層流燃焼速度（ＳＬ）を算出することを特徴とする。
この構成によれば、空燃比、排気還流率、筒内ガス温度、及び検出される筒内圧を用いて、層流燃焼速度が算出される。筒内ガス温度は、筒内圧センサによって検出される筒内圧を用いることにより、より正確な推定が可能となり、かつ検出される筒内圧を使用することによって、より精度の高い層流燃焼速度が得られる。その結果、点火時期制御パラメータの算出精度を高めることができる。
本発明の第１実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 機関回転速度（ＮＥ）及び要求トルク（ＴＲＱＣＭＤ）で定義される機関運転領域に応じた目標空燃比（ＡＦＣＭＤ）の設定を説明するための図である。 機関回転速度一定の条件下で燃料希釈率（ＲＤＬ）と、最適点火時期（ＩＧＯＰＴ）との関係を示す図である。 層流燃焼速度（ＳＬ）と点火時期制御パラメータ（ＩＧＭＡＰ，ＩＧＫＮＫ，ＩＧＬＧＧ）との関係を示す図である。 空燃比（ＡＦ）、排気還流率（ＲＥＧＲ）、燃焼室内のガス温度（ＴＧＡＳ）、及び筒内圧（ＰＣＹＬ）と、層流燃焼速度（ＳＬ）との関係を示す図である。 空燃比を変更する過渡状態において点火時期（ＩＧＬＯＧ）を算出する処理のフローチャートである。 図６の処理で実行されるＩＧＫＮＫ算出処理のフローチャートである。 基本ノック限界点火時期（ＩＧＫＢＡＳＥ）の算出に使用するマップの設定を説明するための図である。 基本ノック限界点火時期を補正する遅角補正値（ＤＩＧＲＳＶ）の算出に使用するテーブルを示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 第２実施形態におけるＩＧＫＮＫ算出処理のフローチャートである。
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の一実施形態にかかる直噴式内燃機関及びその制御装置の構成を示す図であり、この図に示す内燃機関（以下「エンジン」という）１は、例えば４気筒を有し、各気筒には、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタ６が設けられている。インジェクタ６の作動は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５により制御される。またエンジン１の各気筒には点火プラグ８が装着されており、ＥＣＵ５によって点火プラグ８による点火時期が制御される。エンジン１の吸気通路２にはスロットル弁３が配置されている。
ＥＣＵ５には、エンジン１の吸入空気量ＧＡＩＲを検出する吸入空気量センサ２１、吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ２２、スロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ２３、吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ２４、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ２５、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２６、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ２７、及び図示しない他のセンサ（例えば、車速センサ、大気圧センサなど）が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ２６は、クランク角度位置を示す複数のパルス信号を出力するものであり、このパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、及びエンジン回転数（回転速度）ＮＥの検出に使用される。
排気通路１０には排気浄化触媒（例えば三元触媒）１１が設けられている。排気浄化触媒１１の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、空燃比センサ２８が装着されており、排気通路１０には排気中の酸素濃度を検出することにより、燃焼室内で燃焼する混合気の空燃比ＡＦを検出する。
エンジン１は排気還流機構を備えており、この排気還流機構は、排気通路１０と吸気通路２と接続する排気還流通路１２と、排気還流通路１２を通過する排気の流量を制御する排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）１３とを有する。ＥＧＲ弁１３の作動は、ＥＣＵ５によって制御される。
ＥＣＵ５は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路等を備える周知の構成を有するものであり、エンジン運転状態（主としてエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱＣＭＤ）に応じて、インジェクタ６による燃料噴射制御、点火プラグ８による点火時期制御、アクチュエータ３ａ及びスロットル弁３による吸入空気量制御、ＥＧＲ弁１３による排気還流制御を行う。要求トルクＴＲＱＣＭＤは、主としてアクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出され、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど増加するように算出される。また目標吸入空気量ＧＡＩＲＣＭＤは目標空燃比ＡＦＣＭＤ及び要求トルクＴＲＱＣＭＤに応じて算出され、目標空燃比ＡＦＣＭＤ及び要求トルクＴＲＱＣＭＤにほぼ比例するように算出される。検出される吸入空気量ＧＡＩＲが目標吸入空気量ＧＡＩＲＣＭＤと一致するように、アクチュエータ３ａによってスロットル弁３を駆動する吸入空気量制御が行われる。
インジェクタ６による燃料噴射量（質量）ＧＩＮＪは、吸入空気量ＧＡＩＲを用いて算出される基本燃料量ＧＩＮＪＢを、目標当量比ＫＣＭＤ及び空燃比センサ２８により検出される空燃比ＡＦに応じた空燃比補正係数ＫＡＦを用いて補正することによって制御される。空燃比補正係数ＫＡＦは、検出される空燃比ＡＦ（検出当量比ＫＡＣＴ）が目標空燃比ＡＦＣＭＤ（目標当量比ＫＣＭＤ）と一致するように算出される。当量比は、空燃比ＡＦの逆数に比例し、空燃比ＡＦが理論空燃比（１４．７）と等しいときに「１．０」をとるパラメータである。なお、燃料噴射量ＧＩＮＪは公知の手法を用いて、燃圧ＰＦ及び燃料の密度などに応じてインジェクタ６の開弁時間ＴＯＵＴに変換され、１サイクル当たりに燃焼室内の供給する燃料量が燃料噴射量ＧＩＮＪとなるように制御される。燃料噴射量ＧＩＮＪは下記式（１）を用いて算出される。
ＧＩＮＪ＝ＧＩＮＪＢ×ＫＣＭＤ×ＫＡＦ×ＫＴＯＴＡＬ （１）
ＧＩＮＪＢは、吸入空気量ＧＡＩＲに応じて混合気の空燃比が理論空燃比ＡＦＳＴ（＝１４．７）となるように算出される基本燃料量であり、目標当量比ＫＣＭＤは目標空燃比ＡＦＣＭＤを用いて下記式（２）で示される。ＫＴＯＴＡＬは、目標当量比ＫＣＭＤ及び空燃比補正係数ＫＡＦ以外の補正係数（例えばエンジン冷却水温に応じた補正係数など）の積である。
ＫＣＭＤ＝ＡＦＳＴ／ＡＦＣＭＤ （２）
図２は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱＣＭＤで定義されるエンジン１の運転領域に応じた目標空燃比ＡＦＣＭＤの設定を説明するための図である。目標空燃比ＡＦＣＭＤは、低回転低中負荷領域及び中高回転低負荷領域に相当する第１領域ＲＳＴ（ストイキ運転領域）では理論空燃比ＡＦＳＴに設定され、中回転中負荷領域に相当する第２領域（リーン運転領域）ＲＬＥＡＮでは所定リーン空燃比ＡＦＬＮに設定され、第２領域ＲＬＥＡＮの高負荷側及び高回転側の領域に相当する第３領域ＲＳＴＥでは、理論空燃比ＡＦＳＴに設定され、第３領域ＲＳＴＥよりさらに高負荷側の領域に相当する第４領域ＲＲＩＣＨでは、理論空燃比ＡＦＳＴよりリッチ側の空燃比ＡＦＲＣに設定される。第１領域ＲＳＴでは排気還流機構による排気還流は行われず、第３領域ＲＳＴＥでは排気還流機構による排気還流が行われる。所定リーン空燃比ＡＦＬＮは、燃焼室から排出される排気（フィードガス）中のＮＯｘ濃度が許容限度より低くかつ安定燃焼を実現できる値、例えば「３０」に設定される。第２領域ＲＬＥＡＮから、第１領域ＲＳＴまたは第３領域ＲＳＴＥへの移行、またはその逆の移行を行う過渡状態では、空燃比及び排気還流率がともに変更される。
本実施形態では、第２領域ＲＬＥＡＮから、第１領域ＲＳＴまたは第３領域ＲＳＴＥへの移行、またはその逆の移行を行う過渡状態において、エンジン１の燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度ＳＬを算出し、層流燃焼速度ＳＬを用いた点火時期制御パラメータの算出を行う。
次に本実施形態における点火時期制御の詳細について説明する。図３は、エンジン回転数ＮＥ一定の条件下で燃料希釈率ＲＤＬと、最適点火時期ＩＧＯＰＴとの関係を示す図である。燃料希釈率ＲＤＬは下記式（３）で定義され、燃焼室内の燃料の希釈度合を示すパラメータであり、最適点火時期ＩＧＯＰＴは、エンジン１の出力トルクが最大となるトルク最大点火時期（ＭＢＴ）またはノック限界点火時期の何れか遅角側の点火時期に相当する。なお、ノック限界点火時期は、ノッキングが発生する可能性が低い点火時期範囲の最進角値に相当する。
Figure 0006302028
ここで、ＡＦは燃焼室内の空気量（新気量＋還流排気中の空気量）と、燃料噴射量ＧＩＮＪとの比である空燃比であり、ＡＦＳＴは理論空燃比（＝１４．７）であり、ＲＥＧＲＥは排気還流機構を介して燃焼室内に還流される排気量の、全ガス量に対する割合を示す外部排気還流率である。空燃比ＡＦが増加するほど、また外部排気還流率ＲＥＧＲＥが増加するほど、希釈率ＲＤＬは増加する。
図３に示す曲線Ｌ１は、空燃比ＡＦを理論空燃比ＡＦＳＴに維持し、外部排気還流率ＲＥＧＲＥを増加させた場合に対応し、曲線Ｌ２は外部排気還流を行わずに、空燃比ＡＦを理論空燃比ＡＦＳＴから増加させた場合に対応する。このように、希釈率ＲＤＬが同一であっても、空燃比ＡＦが変化した場合と、外部排気還流率ＲＥＧＲＥが変化した場合とで、最適点火時期ＩＧＯＰＴは異なる値をとるため、空燃比ＡＦ及び外部排気還流率ＲＥＧＲＥを統合した希釈率ＲＤＬを用いて、最適点火時期ＩＧＯＰＴを算出する構成を採用すると、空燃比ＡＦ及び外部排気還流率ＲＥＧＲＥのそれぞれに対応してマップの設定を行うことが必要となる。なお、燃焼ガスが燃焼室内に残留することによる内部排気還流によっても外部排気還流と同様に燃料の希釈が行われるため、以下の説明では内部排気還流及び外部排気還流による全体の排気還流率を「排気還流率ＲＥＧＲ」という。
本発明の発明者は、主として空燃比ＡＦ及び排気還流率ＲＥＧＲに依存して変化する燃焼ガスの層流燃焼速度ＳＬを算出し、層流燃焼速度ＳＬを用いてトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰなどの点火時期制御パラメータを算出する制御手法を検討した。この検討の結果が図４に示されている。
図４（ａ）〜（ｃ）は、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＧＩＮＪ（要求トルクＴＲＱＣＭＤ）一定の条件下で、層流燃焼速度ＳＬと、３つの点火時期制御パラメータ（トルク最大点火時期ＩＧＭＡＰ、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫ、遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧ）との関係を示す図であり、空燃比ＡＦ及び排気還流率ＲＥＧＲを変更しても、これらの図に示す一つの曲線で最適値を算出可能であることが確認されている。図４（ａ）〜（ｃ）に示す黒丸は、空燃比ＡＦ及び排気還流率ＲＥＧＲを変化させたときの実測データを参考のために示している。実測データは、層流燃焼速度ＳＬが低いほど、空燃比ＡＦ及び／または排気還流率ＲＥＧＲが大きい（希釈率ＲＤＬが大きい）運転状態に対応している。なお、本明細書における点火時期は、圧縮行程終了上死点を基準とした進角量で定義される。
本実施形態では、空燃比ＡＦ及び／または排気還流率ＲＥＧＲを変更する過渡状態では、先ず空燃比ＡＦ及び排気還流率ＲＥＧＲを用いて層流燃焼速度ＳＬを算出し、図４に示す３つの点火時期制御パラメータを層流燃焼速度ＳＬを用いて算出するようにしている。
層流燃焼速度ＳＬの算出手法は、上記特許文献２または３に示されている公知の手法を採用することが可能であるが、本実施形態では下記式（４）を用いて算出する。
Figure 0006302028
式（４）のφは（ＡＦ／ＡＦＳＴ）で定義される空気過剰率、ＰＣＹＬは点火直前の筒内圧（燃焼室内圧力）、ＰＲＥＦは基準圧力（吸気圧ＰＢＡが適用される）、ＴＧＡＳは点火直前の燃焼室内のガス温度、Ａ(φ)，Ｃ(REGR)，α，Ｂ(φ)は、下記式（５）〜（９）を用いて算出される変数である。
Figure 0006302028
上記式（５）〜（９）において、ｍ１〜ｍ５は実験またシミュレーションによって決定される整数、Ａ1〜Ａm1，Ｄ1〜Ｄm3，ＡＬ1〜ＡＬm4，Ｂ1〜Ｂm5は、何れも実験またシミュレーションによって決定される定数である。
筒内圧ＰＣＹＬ及びガス温度ＴＧＡＳは、正確には点火時期に依存して変化するため、本実施形態では、１回前の演算で算出された点火時期（以下「前回点火時期」という）ＩＧＬＯＧＺにおける筒内圧ＰＣＹＬを下記式（１０）によって推定し、さらにその筒内圧ＰＣＹＬを下記式（１１）に適用して、ガス温度ＴＧＡＳを算出する。
ＰＣＹＬ＝ＰＢＡ×（Ｖ０／ＶＩＧ）κ （１０）
ＴＧＡＳ＝ＰＣＹＬ×ＶＩＧ／（Ｒ×ＧＧＡＳ） （１１）
式（１０）のＶ０は、吸気弁閉弁時期における燃焼室容積であり、ＶＩＧは前回点火時期ＩＧＬＯＧＺにおける点火時燃焼室容積であり、κは燃焼室内の混合気の比熱比（予め設定される）である。また式（１１）のＲは気体定数、ＧＧＡＳは燃焼室内のガスの質量であり、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬ，還流排気量ＧＥＧＲ，及び燃料噴射量ＧＩＮＪの合計に相当する。
排気還流率ＲＥＧＲは公知の手法（例えば特許第５２７０００８号公報に示される手法）を用いて算出され、空気過剰率φは、空燃比ＡＦとして目標空燃比ＡＦＣＭＤを使用して下記式（１２）により算出される。すなわち、目標当量比ＫＣＭＤの逆数が使用される。
φ＝ＡＦＣＭＤ／ＡＦＳＴ （１２）
図５（ａ）〜（ｄ）は、空燃比ＡＦ、排気還流率ＲＥＧＲ、ガス温度ＴＧＡＳ、及び筒内圧ＰＣＹＬと、層流燃焼速度ＳＬとの関係を示している。すなわち、空燃比ＡＦが増加するほど層流燃焼速度ＳＬが低下し、排気還流率ＲＥＧＲが増加するほど層流燃焼速度ＳＬが低下し、ガス温度ＴＧＡＳが高くなるほど層流燃焼速度ＳＬが上昇し、筒内圧ＰＣＹＬが高くなるほど層流燃焼速度ＳＬが低下する。
図６は、上述した過渡状態において点火時期ＩＧＬＯＧを算出する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５においてエンジン１の回転に同期して実行される。
ステップＳ１１では、検出される吸入空気量ＧＡＩＲを用いて充填効率ηｃを算出する。具体的には、吸入空気量ＧＡＩＲから１つ気筒の１燃焼サイクルにおける吸入空気量である気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出し、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを基準吸入空気量ＧＡＩＲＢＡＳＥで除算することにより、充填効率ηｃを算出する。基準吸入空気量ＧＡＩＲＢＡＳＥは、標準大気状態（例えば気圧１０１．３ｋＰａ、気温２０℃、湿度６０％）においてピストンが下死点にあるときに燃焼室容積を満たす空気量である。
ステップＳ１２では、上述した演算式を用いて層流燃焼速度ＳＬを算出する。ステップＳ１３では、エンジン回転数ＮＥ及び層流燃焼速度ＳＬに応じて設定されたＩＧＭＡＰマップを検索し、トルク最大点火時期ＩＧＭＡＰを算出する。ＩＧＭＡＰマップは、層流燃焼速度ＳＬが高くなるほどトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰが減少（遅角）するように設定され（図４（ａ）参照）、エンジン回転数ＮＥが比較的低い領域では、エンジン回転数ＮＥが増加するほどトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰが増加するように設定されている。
ステップＳ１４では、図７に示すＩＧＫＮＫ算出処理を実行し、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫを算出する。ステップＳ１５では、環境補正値ＩＧＫＡＮ（遅角方向を正の値とする遅角補正値）を算出する。具体的には、吸気温ＴＡに応じて算出される吸気温補正値ＩＧＴＡと、エンジン冷却水温ＴＷに応じて算出される冷却水温補正値ＩＧＴＷと、大気圧ＰＡに応じて算出される大気圧補正値ＩＧＰＡを加算することにより、環境補正値ＩＧＫＡＮが算出される。
ステップＳ１６では、下記式（１３）にノック限界点火時期ＩＧＫＮＫ及び環境補正値ＩＧＫＡＮを適用し、補正ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫＭを算出する。
ＩＧＫＮＫＭ＝ＩＧＫＮＫ−ＩＧＫＡＮ （１３）
ステップＳ１７では、ステップＳ１３で算出されたトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰが補正ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫＭより小さいか否かを判別する。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、点火時期ＩＧＬＯＧをトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰに設定する（ステップＳ１９）。一方。ステップＳ１７の答が否定（ＮＯ）、すなわちＩＧＭＡＰ≧ＩＧＫＮＫＭであるときは、点火時期ＩＧＬＯＧを補正ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫＭに設定する（ステップＳ１８）。
ステップＳ２０では、エンジン１の出力トルクＴＲＱＡを要求トルクＴＲＱＣＭＤに一致させるために点火時期の遅角補正（以下「トルク低減補正」という）を行う際に適用されるトルク補正値ＤＩＧＴＲＱを算出し、トルク補正値ＤＩＧＴＲＱを用いて点火時期ＩＧＬＯＧを遅角方向に更新する。トルク低減補正を行わないときは、トルク補正値ＤＩＧＴＲＱは「０」に設定される。
ステップＳ２１では、エンジン回転数ＮＥ、充填効率ηｃ、及び層流燃焼速度ＳＬに応じてＩＧＬＧＧマップを検索し、遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧを算出する。ＩＧＬＧＧマップは、層流燃焼速度ＳＬに応じて図４（ｃ）に示すように遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧが設定されている。すなわち、層流燃焼速度ＳＬが低い領域では層流燃焼速度ＳＬが増加するほど遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧが最小値となるまで減少し、層流燃焼速度ＳＬがさらに増加すると遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧが増加するように設定されている。
ステップＳ２２では、点火時期ＩＧＬＯＧが遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧより小さい（遅角側）か否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、点火時期ＩＧＬＯＧを遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧに設定する（ステップＳ２３）。点火時期ＩＧＬＯＧが遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧより遅角側に設定されると、失火や燃焼の不安定化が発生するからである。ステップＳ２２の答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちに処理を終了する。
図７は、図６のステップＳ１４で実行されるＩＧＫＮＫ算出処理である。ステップＳ３１では、エンジン回転数ＮＥ及び充填効率ηｃに応じてＩＧＫＢＡＳＥマップを検索し、基本ノック点火時期ＩＧＫＢＡＳＥを算出する。ＩＧＫＢＡＳＥマップは、図８（ａ）に示すように充填効率ηｃが増加するほど、基本ノック限界点火時期ＩＧＫＢＡＳＥが減少するように設定され、図８（ｂ）に示すようにエンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＸ（例えば３０００ｒｐｍ）より低い低回転領域では、エンジン回転数ＮＥが増加するほど基本ノック限界点火時期ＩＧＫＢＡＳＥが増加するように設定されている。
ステップＳ３２では、層流燃焼速度ＳＬに応じて図９に示すＤＩＧＲＳＶテーブルを検索し、ノック遅角補正値ＤＩＧＲＳＶ（＞０）を算出する。ＤＩＧＲＳＶテーブルは、層流燃焼速度ＳＬが増加するほどノック遅角補正値ＤＩＧＲＳＶが増加するように設定されている。
ステップＳ３３では、基本ノック限界点火時期ＩＧＫＢＡＳＥからノック遅角補正値ＤＩＧＲＳＶを減算することにより、基本ノック限界点火時期ＩＧＫＢＡＳＥを遅角方向に補正し、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫを算出する。なお、図４（ｂ）に示すノック限界点火時期ＩＧＫＮＫは、ステップＳ３１〜Ｓ３３による演算によって算出されたものに相当する。
以上のように本実施形態では、エンジン１の燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度ＳＬが、空燃比ＡＦを示すパラメータである目標当量比ＫＣＭＤ及び排気還流率ＲＥＧＲを用いて算出され、ストイキ運転からリーン運転への移行またはその逆の移行を行う過度状態において、算出された層流燃焼速度ＳＬを用いて複数の点火時期制御パラメータ、すなわちトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰ、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫ、及び遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧが算出され、それらの点火時期制御パラメータを用いて点火時期ＩＧＬＯＧが制御される。本発明の発明者の検討によれば、層流燃焼速度ＳＬと、機関出力トルクが最大となるトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰなどの点火時期制御パラメータとの関係は、エンジン回転数ＮＥ一定の条件、またはエンジン回転数ＮＥ及び充填効率ηｃが一定の条件の下で一つの曲線で近似可能であることが確認されており、層流燃焼速度ＳＬを用いて点火時期制御パラメータを算出することにより、過渡状態において変化する空燃比ＡＦ及び排気還流率ＲＥＧＲに対応した最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化することができる。また、例えばトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰは、空燃比ＡＦ及び／または排気還流率ＲＥＧＲが変化しても層流燃焼速度ＳＬ及びエンジン回転数ＮＥに応じて設定された単一のマップで算出可能となるため、設計段階におけるマップ設定工数を低減することができる。
さらに本発明の発明者の検討によれば、トルク最大点火時期ＩＧＭＡＰだけでなく、遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧやノック限界点火時期ＩＧＫＮＫの算出についても、層流燃焼速度ＳＬを用いることが有効であることが確認されており、これらの制御パラメータすべての算出に層流燃焼速度ＳＬを用いることにより、演算処理を簡略化するより顕著な効果を得ることができる。
本実施形態では、インジェクタ６及びＥＣＵ５が空燃比制御手段を構成し、ＥＣＵ５が排気還流制御手段、層流燃焼速度算出手段、及び点火時期制御手段を構成する。
［第２実施形態］
本実施形態は、図１０に示すように、第１実施形態におけるエンジン１を、公知の吸気弁作動位相可変機構１４を備えるエンジン１ａに変更したものである。吸気弁作動位相可変機構１４により、エンジン１の吸気弁（図示せず）の作動位相が連続的に変更される。吸気弁作動位相可変機構１４は、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によって吸気弁作動位相ＣＡＩＮが制御される。吸気弁作動位相ＣＡＩＮは、最遅角位相を基準とした進角量として定義される。
本実施形態では、上記過渡状態においてトルク最大点火時期ＩＧＭＡＰは上述したエンジン回転数ＮＥ及び層流燃焼速度ＳＬとともに、吸気弁作動位相ＣＡＩＮを用いて算出され、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫはエンジン回転数ＮＥ、充填効率ηｃ、及び層流燃焼速度ＳＬとともに、吸気弁作動位相ＣＡＩＮを用いて算出される。
具体的には、トルク最大点火時期ＩＧＭＡＰは、下記式（１４）により算出される。
ＩＧＭＡＰ＝ＩＧＭＡＰＢ＋ＤＩＧＭＣＡＩＮ （１４）
ここで、ＩＧＭＡＰＢは、第１実施形態と同様にエンジン回転数ＮＥ及び層流燃焼速度ＳＬに応じて設定されたＩＧＭＡＰマップを検索することにより算出される基本トルク最大点火時期であり、ＤＩＧＭＣＡＩＮは、吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じて公知の手法を用いて算出される第１弁作動位相補正値である。
図１１は、本実施形態におけるＩＧＫＮＫ算出処理のフローチャートである。この処理は、図７に示す処理にステップＳ３４を追加し、ステップＳ３３をステップＳ３３ａに代えたものである。
ステップＳ３４では、吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じて公知の手法を用いて第２弁作動位相補正値ＤＩＧＶＴＣを算出する。
ステップＳ３３ａでは、下記式（１５）によってノック限界点火時期ＩＧＫＮＫを算出する。
ＩＧＫＮＫ＝ＩＧＫＢＡＳＥ−ＤＩＧＲＳＶ＋ＤＩＧＶＴＣ （１５）
以上のように本実施形態では、トルク最大点火時期ＩＧＭＡＰ及びノック限界点火時期ＩＧＫＮＫが、吸気弁作動位相ＣＡＩＮを用いて算出されるので、吸気弁作動位相ＣＡＩＮの変化に対応して適切な制御値を得ることができる。
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では燃焼室内に燃料を噴射する直噴インジェクタを有する内燃機関の制御装置に本発明を適用した例を示したが、本発明は吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射インジェクタを備える内燃機関、あるいは直噴インジェクタ及びポート噴射インジェクタをともに備える内燃機関の制御装置にも適用可能である。
また上述した実施形態では、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＫ及び遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧの算出に充填効率ηｃを使用したが、充填効率ηｃは気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを用いて算出されるものであり、充填効率ηｃに代えて気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬまたは吸入空気量ＧＡＩＲを使用してノック限界点火時期ＩＧＫＮＫ及び遅角限界点火時期ＩＧＬＧＧを算出するようにしてもよい。
また上述した実施形態では、筒内圧ＰＣＹＬは吸気圧ＰＢＡを式（１０）に適用して推定（算出）するようにしたが、例えばインジェクタ６の先端部の装着される筒内圧センサを用いて検出される筒内圧ＰＣＹＬを式（４）に適用するとともに、式（１１）に適用してガス温度ＴＧＡＳを検出筒内圧ＰＣＹＬを用いて算出するようにしてもよい。
またガス温度ＴＧＡＳは、検出される吸気温ＴＡを用いて算出するようにしてもよい。
１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（空燃比制御手段、層流燃焼速度算出手段、点火時期制御手段）
６ インジェクタ（空燃比制御手段）
１２ 排気還流通路（排気還流機構）
１３ 排気還流制御弁（排気還流機構）
２１ 吸入空気量センサ
２４ 吸気圧センサ

Claims (6)

  1. 内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構とを備える内燃機関の制御装置において、
    前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、
    前記排気還流機構によって排気還流率を制御する排気還流制御手段と、
    前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を、前記空燃比を示すパラメータ及び前記排気還流率を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、
    前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度を用いて、点火時期制御パラメータを算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、
    前記点火時期制御パラメータは、前記機関の出力トルクを最大とするトルク最大点火時期を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度及び前記機関の回転速度に応じて設定された単一のマップを用いて前記トルク最大点火時期を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構とを備える内燃機関の制御装置において、
    前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、
    前記排気還流機構によって排気還流率を制御する排気還流制御手段と、
    前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を、前記空燃比を示すパラメータ及び前記排気還流率を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、
    前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度を用いて、点火時期制御パラメータを算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、
    前記点火時期制御パラメータは、前記機関においてノッキングが発生する可能性が低い点火時期範囲の最進角値に対応するノック限界点火時期を含み、
    前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度、前記機関の回転速度、及び前記機関の吸入空気量を用いて、前記ノック限界点火時期を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  3. 内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構とを備える内燃機関の制御装置において、
    前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、
    前記排気還流機構によって排気還流率を制御する排気還流制御手段と、
    前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を、前記空燃比を示すパラメータ及び前記排気還流率を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、
    前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度を用いて、点火時期制御パラメータを算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、
    前記点火時期制御パラメータは、前記点火時期の遅角限界点火時期を含み、
    前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度、前記機関の回転速度、及び前記機関の吸入空気量を用いて、前記遅角限界点火時期を算出し、前記点火時期が前記遅角限界点火時期より遅角側に設定されないように前記点火時期を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  4. 前記機関は前記機関の吸気弁の作動位相を変更可能な弁作動位相可変機構を備え、
    前記点火時期制御手段は、前記トルク最大点火時期を、前記作動位相を用いて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。
  5. 前記機関は前記機関の吸気弁の作動位相を変更可能な弁作動位相可変機構を備え、
    前記点火時期制御手段は、前記ノック限界点火時期を、前記作動位相を用いて算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサを備え、
    前記層流燃焼速度算出手段は、前記空燃比、前記混合気に含まれる排気の割合である排気還流率、前記燃焼室において前記混合気が燃焼を開始する直前の前記燃焼室内のガス温度である筒内ガス温度、及び前記筒内圧センサによって検出される筒内圧を用いて、前記層流燃焼速度を算出することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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