JP6960337B2 - 内燃機関の制御装置、内燃機関の制御方法 - Google Patents

内燃機関の制御装置、内燃機関の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、自動車用エンジンシステムの制御に係り、特に、エンジンシステムの高効率化に有効な技術に関する。
自動車のＣＯ２規制およびＲＤＥ規制（Real Driving Emission：実路走行排気）導入の対応のために、エンジンの高効率化が求められている。自動車で幅広く利用されている火花点火エンジンは、低負荷のポンピングロスや、混合気を量論比で燃焼させる必要があることから、圧縮着火エンジンに比べ、効率が低いという課題がある。
火花点火エンジンにて空気や不活性ガスによるリーン燃焼をさせることは、混合気の比熱比が高まり、理論熱効率が向上することや、低負荷においてポンピングロスを低減できることから、大幅な熱効率の向上を実現できる手段である。特に、空気過剰率が２よりも高い超リーン燃焼は、燃焼温度がＮＯＸが排出される最低温度以下になることから、高熱効率と低排気を同時に実現できる燃焼である。
しかしながら、超リーン燃焼は、空気過剰率が所定値よりも大きくなると燃焼が不安定になり、また、空気過剰率が所定値よりも小さくなるとＮＯＸを排出してしまうという課題がある。そのため、失火防止と低ＮＯＸ化に同時に対応するために高精度に空気過剰率を制御し、安定した燃焼を行う必要がある。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「クランク角度を検出するクランク角度検出手段と、燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する第１クランク角度取得手段と、点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値が当該クランク角期間の目標値に近づくように、燃料噴射量を補正するフィードバック制御手段と、を備える内燃機関の制御装置」が開示されている。
特開２０１６−９８７７２号公報
上記特許文献１は、エンジンの燃焼圧力とクランク角度を計測することで、燃焼に伴う熱発生率を算出し、それを積算して、１０％燃焼したタイミングであるＣＡ１０を検出することで、リーン燃焼の失火を抑制する手法である。この手法においては、失火の発生を抑制できるが、ＮＯＸの発生に対しては対応することが難しい。
また、燃焼圧力から熱発生率を算出する必要があるため、ＥＣＵ（Engine Control Unit：エンジン制御装置）への実装負荷が高くなること、燃焼圧力の絶対値の計測誤差による影響が大きくなることから、実現性に課題がある。
そこで、本発明の目的は、ＥＣＵへの実装負荷を必要以上に増やすことなく、燃焼の安定化とＮＯＸ排出量の抑制が可能で、高効率な内燃機関の制御装置とその制御方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室内の燃料と空気の混合気に点火する点火プラグと、前記燃焼室内の燃焼圧を検出する燃焼圧推定センサと、クランク軸のクランク角度を検出するクランク角度センサと、前記燃焼室へ供給される空気量を制御するスロットルと、前記燃焼室へ空気を導入する吸気管内に燃料を噴射するインジェクタと、を備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、前記燃焼圧推定センサの検出値および前記クランク角度センサの検出値から算出した前記点火プラグの点火タイミングから前記燃焼室内での燃焼開始タイミングまでの点火遅れ期間と、前記燃焼開始タイミングから設定量の燃焼が終了する設定量燃焼終了タイミングまでの燃焼期間と、に基づいてＭＢＴ領域および空気過剰率領域が設定され、当該設定されたＭＢＴ領域内に入るように前記点火プラグの点火タイミングを制御し、当該設定された空気過剰率領域内に入るように前記スロットルおよび前記インジェクタを制御することを特徴とする。
また、本発明は、（ａ）内燃機関内のクランク軸の回転数を計測し、吸入空気量、アクセル開度のいずれかより前記内燃機関のトルクを推定するステップと、（ｂ）前記内燃機関の燃焼室内の燃焼圧を計測し、当該計測した前記燃焼室内の燃焼圧および前記（ａ）ステップにおいて推定した前記内燃機関のトルクに基づき、点火プラグの点火タイミングから燃焼開始タイミングまでの点火遅れ期間と、前記燃焼開始タイミングから設定量の燃焼が終了する設定量燃焼終了タイミングまでの燃焼期間を算出するステップと、（ｃ）前記（ｂ）ステップで算出した点火遅れ期間および燃焼期間に基づき、ＭＢＴ領域を設定するステップと、（ｅ）前記（ｂ）ステップで算出した点火遅れ期間および燃焼期間に基づき、空気過剰率領域を設定するステップと、を有し、前記（ｃ）ステップで設定されたＭＢＴ領域内に入るように前記点火プラグの点火タイミングを制御し、前記（ｅ）ステップで設定された空気過剰率領域内に入るように前記燃焼室へ供給される空気量を制御するスロットルおよび前記燃焼室へ空気を導入する吸気管内に燃料を噴射するインジェクタを制御することを特徴とする。
本発明によれば、ＥＣＵへの実装負荷を必要以上に増やすことなく、燃焼の安定化とＮＯＸ排出量の抑制が可能で、高効率な内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法を実現することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
空気過剰率と理論熱効率の関係を示す図である。 空気過剰率と燃焼温度の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関（エンジン）の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るセンサ出力値の推移を示すタイミングチャートである。 空気過剰率とＭＢＴエリアの関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関（エンジン）の制御方法を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関（エンジン）の制御方法を概念的に示す図である。 リーン燃焼における回転数とトルクの関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関（エンジン）の概略構成図である。 ＥＧＲ率とＭＢＴエリアの関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関（エンジン）の制御方法を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関（エンジン）の制御方法を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るＭＢＴ制御方法を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関（エンジン）の制御方法を示すフローチャートである。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
先ず、図１および図２を参照して、リーン燃焼の内燃機関（リーンバーンエンジン）の特性について説明する。図１，図２は、オットーサイクルを理論サイクルとした時の空気過剰率（以下、「λ」とも表記する）に対する熱効率と燃焼温度の理論値を示している。
図１および図２に示すように、リーンバーンエンジンでは、空気過剰率λが高くなるのに従い、作動流体（空気と燃料の混合気）の比熱比が高まることで、理論熱効率が向上し、燃焼温度が下がることが分かる。通常、燃焼温度が１８００Ｋ以下の場合、理論的にはＮＯＸが排出されないことから、空気過剰率λが１．８以上の場合、高熱効率と低ＮＯＸが両立することがわかる。
一方、空気過剰率λが高くなると、層流燃焼速度が小さくなるため、空気過剰率λを高くするには限界がある。このことから、リーン燃焼は、空気過剰率λの狭いエリアで燃焼させる必要がある。つまり、安定した燃焼で、なおかつ、低ＮＯＸのリーン燃焼を実現するためには、限られた狭いエリアにおいて、空気過剰率λの正確な制御が必要となる。
次に、図３から図７を参照して、実施例１の内燃機関の制御装置とその制御方法について説明する。図３は、本実施例のエンジンシステム（内燃機関）の概略構成を説明するための図である。図３に示すように、本エンジンシステムは燃焼室９内の燃料と空気の混合気に点火する点火プラグ３を備えた火花点火エンジンである。インジェクタ１により、燃焼室９へ空気を導入する吸気管内に燃料が噴射される。また、スロットル２により、エンジン（燃焼室９）に供給される空気量が調整される。エンジン（燃焼室９）に入る空気の量をセンサにて計測し、コンピュータ（コントローラ１１）が必要な燃料を計算して、インジェクタ１により燃料が吸気管内に高圧噴射される。
燃焼室９には燃焼圧力と相関のある物理量を検出する燃焼圧推定センサ６が設置されている。この燃焼圧推定センサ６には、例えば、燃焼室９内の圧力を検出する圧力センサの他に、燃焼室９の壁面の歪量（ひずみ量）を検出する歪センサ、燃焼に伴う振動を検出する振動センサや加速度センサ、燃焼室９で発生する音を検出する音センサ、燃焼に伴い発生するイオン電流を計測する電流計などを用いる。
エンジン内にはクランク軸８の回転位置（クランク角度）を検出するクランク角度センサ（回転センサ）７が設置されており、このクランク角度センサ（回転センサ）７を用いることで、燃焼圧推定センサ６の出力値とクランクの回転角度を同期することができる。
各気筒の合流後の排気管にはＯ２センサ１０が設置されており、このＯ２センサ１０により、排気中のＯ２濃度を計測し、全体の空気過剰率を推定する。
燃焼室９の吸気側と排気側には、それぞれ吸気バルブ４、排気バルブ５が設置されており、これらのバルブには位相時期（開閉タイミング）およびリフト量（開度）のいずれかを変化できる可変バルブ機構が搭載されている。
コントローラ１１は、燃焼圧推定センサ６およびクランク角度センサ（回転センサ）７の各センサの値を読み込み、これらの値をもとにインジェクタ１の噴射量および噴射時期、スロットル２の開度、点火プラグ３の点火時期、吸気バルブ４の可変量、排気バルブ５の可変量を制御する制御機能およびドライバ機能を有する。
図４は燃焼圧推定センサ６およびクランク角度センサ（回転センサ）７の各出力値から定義したタイミング（Δθ Pmax，Δθ P’’max）について示している。このタイミング（Δθ Pmax，Δθ P’’max）は、燃焼圧推定センサ６の最大値となるクランク角度（Δθ Pmax）、燃焼圧推定センサ６の二回微分の最大値となるクランク角度（Δθ P’’max）をそれぞれ示す。
Δθ P’’maxは点火プラグ３の点火タイミングから燃焼室９内での燃焼開始タイミングまでの点火遅れ期間であり、Δθ Pmaxは燃焼開始タイミングから設定量（所定）の燃焼が終了する設定量燃焼終了タイミングまでの燃焼期間である。
各パラメータの算出式を以下の式（１），（２）と定義する。
Figure 0006960337
Figure 0006960337
ここで、t1、t2はクランク角度センサの立下りのタイミング（時間ベース）を、tm1は燃焼圧推定センサ６の値（Ｐ）の最大値を示すタイミング（時間ベース）、tm2は燃焼圧推定センサ６の二回微分の値（Ｐ”）の最大値を示すタイミング（時間ベース）を示す。また、θ1、θ2はクランク角度センサ７の立下りのタイミング（クランク角度ベース）を示す。
式（１），（２）により、クランク角度センサ７の立ち下がり周期が例えば10deg毎と比較的粗い（周期が長い）場合においても、正確なθ Pmax，θ P’’maxを算出することができる。θ Pmax，θ P’’maxより、Δθ PmaxおよびΔθ P’’maxを算出し、燃焼制御へ活用する。なお、Δθ Pmaxは、点火してから、燃焼圧推定センサ６の値（Ｐ）の最大値までのクランク期間、Δθ P’’maxは、点火してから燃焼圧推定センサ６の二回微分の値（Ｐ”）の最大値までのクランク期間と定義した。
Δθ Pmaxは、点火から燃焼の重心位置までの燃焼期間と相関を示し、Δθ P’’maxは、点火から熱発生が開始するまでの点火遅れ期間と相関を示す。そのため、これらの２つのデータを組み合わせることで、燃焼条件を簡易的に推定することが可能となる。
Δθ Pmax，Δθ P’’maxは、燃焼圧推定センサ６の出力の絶対値の精度を必要としないことから、例えば、圧力センサの出力値の温度ドリフトやセンサの劣化が起こった場合でも、正確に計測することができる。さらに、エンジンの振動やヘッドの熱歪（ひずみ）、燃焼音などを計測するセンサを燃焼圧推定センサとして活用することができる。つまり、定義したタイミング（Δθ Pmax，Δθ P’’max）を活用することで、低コストな燃焼検知による燃焼制御を実現できるといえる。
図５は、実機エンジンの燃焼圧推定センサ６から算出したタイミング（Δθ Pmax，Δθ P’’max）を燃焼条件毎に整理した結果である。燃焼条件は、空気過剰率λと点火時期をそれぞれ変化させている。
この結果より、空気過剰率λ毎にΔθ Pmax，Δθ P’’maxは線形の相関を示す。また、各λにおける最大トルク点火時期（ＭＢＴ：Minimum Advance for Best Torque）は、Δθ Pmax，Δθ P’’maxの領域を持つことがわかる。これらのことから、Δθ Pmax，Δθ P’’maxを活用することで、λとＭＢＴの両方を同時に制御することが可能となる。
次に、図６および図７を用いて、本実施例における具体的な内燃機関の制御手順（方法）について説明する。ここでは、目標とする空気過剰率λを２とした場合の制御手順の例を説明する。
図７に示すように、ＭＢＴとなる点Ｅを目標とした場合、燃焼圧推定センサ６の出力から算出したΔθ Pmax，Δθ P’’maxにより、以下の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分類することができる。（図６参照）
領域Ａ：現在λが目標λよりも大きく、現在点火時期がＭＢＴよりも遅角側
領域Ｂ：現在λが目標λよりも大きく、現在点火時期がＭＢＴよりも進角側
領域Ｃ：現在λが目標λよりも小さく、現在点火時期がＭＢＴよりも遅角側
領域Ｄ：現在λが目標λよりも小さく、現在点火時期がＭＢＴよりも進角側
ＭＢＴおよびλ制御を実施する際の各領域における制御方法を以下に示す。
領域Ａ：λを小さくした後に点火時期を進角化する。すなわち、設定されたＭＢＴ領域に対して、点火遅れ期間が大きく、かつ燃焼期間が大きい場合、設定された空気過剰率領域λ内に入るようにインジェクタ１およびスロットル２を制御した後、設定されたＭＢＴ領域内に入るように点火プラグ３の点火タイミングを制御する。
領域Ｂ：点火時期を遅角化した後にλを小さくする。すなわち、設定されたＭＢＴ領域に対して、点火遅れ期間が大きく、かつ燃焼期間が小さい場合、設定されたＭＢＴ領域内に入るように点火プラグ３の点火タイミングを制御した後、設定された空気過剰率領域λ内に入るようにインジェクタ１およびスロットル２を制御する。
領域Ｃ：点火時期を進角化した後にλを大きくする。すなわち、設定されたＭＢＴ領域に対して、点火遅れ期間が重なり、かつ燃焼期間が大きい場合、設定されたＭＢＴ領域内に入るように点火プラグ３の点火タイミングを制御した後、設定された空気過剰率領域λ内に入るようにインジェクタ１およびスロットル２を制御する。
領域Ｄ：点火時期を遅角化した後にλを大きくする。すなわち、設定されたＭＢＴ領域に対して、点火遅れ期間が重なり、かつ燃焼期間が小さい場合、設定されたＭＢＴ領域内に入るように点火プラグ３の点火タイミングを制御した後、設定された空気過剰率領域λ内に入るようにインジェクタ１およびスロットル２を制御する。
領域Ｂ，Ｄのように、現在点火時期がＭＢＴよりも進角側にある場合は、ノッキング等の異常燃焼が起きやすい状態であることから、点火時期の遅角制御を優先して行う。
一方、領域Ａのように、現在λが目標λよりも大きく、かつ現在点火時期がＭＢＴよりも遅角側の場合は、λを小さくする制御を先に実施した後に点火時期を進角化する。λの制御は、燃料と空気の供給量で決定されることから、点火時期に比べ、変動が大きくなる。領域Ａで必要とされるλおよび点火時期制御は、両方ともノッキングが起こりやすくなる制御であることから、変動要因の大きいλを先に制御することで、ノッキングを回避することができる。
また、領域Ｃのように、現在λが目標λより小さく、現在点火時期がＭＢＴよりも遅角側の場合は、まず点火時期を進角化した後、λを大きくする。これは、先にλを大きくした場合、失火の確率が高くなることから、点火時期の進角化を優先する必要があるためである。
以上のような制御手順にすることで、ノッキング、失火を起こさずに、各燃焼領域Ａ〜Ｄにおいて、目標とする空気過剰率λ、最大トルク点火時期ＭＢＴへ制御することが可能となる。
以上説明したように、本実施例の内燃機関の制御装置とその制御方法によれば、燃焼圧推定センサ６およびクランク角度センサ（回転センサ）７の各出力値から算出したタイミング（Δθ Pmax，Δθ P’’max）に基づいて燃焼状態を分類し、各分類（運転域）に応じて空気過剰率λ、最大トルク点火時期ＭＢＴに対する点火時期を制御することで、ＥＣＵへの実装負荷を必要以上に増やすことなく、燃焼の安定化とＮＯＸ排出量の抑制が可能で、高効率な内燃機関の制御を行うことができる。
図８から図１３を参照して、実施例２の内燃機関の制御装置とその制御方法について説明する。
実施例１のように空気過剰率λが２付近のリーン燃焼においては、過給器等の補機類の搭載性に制約を受けることから、幅広い回転数、トルク域にて実現することが難しい。図８に空気過剰率λが２付近のリーン燃焼の運転域について示す。
低負荷では点火時の混合気温度が低いことでリーン燃焼を実現することが難しく、また高負荷はターボ等の補機が必要となる。そのため、リーン燃焼を実現する上記実施例１は、中負荷での運転に向いているといえる（運転域（領域）Ｈ）。このことから、低負荷および高負荷では空気過剰率λが１でＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気ガス還流）を使った燃焼を実施する必要がある（運転域（領域）Ｇ，Ｉ）。低負荷では、ＥＧＲを使うことでポンピングロスが低減し、高負荷では、ＥＧＲを使うことで燃焼温度低下により冷却損失低減と耐ノッキング性向上により高効率化を実現できる。
図９にＥＧＲを供給する本実施例のエンジンシステム（内燃機関）の概略構成を示す。本実施例のエンジンシステム（内燃機関）は、図９に示すように、エンジンの排ガスの一部がエンジンの吸気管に接続されるＥＧＲシステムを持つ構成である。エンジンの排ガスはＥＧＲクーラ１２およびＥＧＲバルブ１３を通って、エンジンの吸気管に供給される。ＥＧＲクーラ１２には、エンジンの冷却水が供給され、ＥＧＲは約８０℃以下に冷やされる（図示せず）。このような構成とすることで、冷却されたＥＧＲを任意の量でエンジンに供給することができる。
本実施例のシステムは空気過剰率λが１であり、ＥＧＲを任意の量に制御するシステムである。排気管に三元触媒１４を設置していることから、未燃燃料やＮＯＸは三元触媒で浄化され、水蒸気とＣＯ２、Ｎ２へ変換される。ＥＧＲ量は温度や排ガス成分が不安定であることから、流量を直接制御することが難しいが、本実施例の燃焼制御システムを用いることで、正確なＥＧＲ量とＭＢＴを制御が可能となる。また運転域（領域）Ｉ，Ｇは共にトルクが高いほど、ＥＧＲ率（排気ガス還流率）が小さくなる。
運転域（領域）Ｉについては、ポンピングロスを小さくするために、低負荷ほどＥＧＲ率が高くなるように制御する。また、運転域（領域）Ｇについては、高負荷のために、トルクが高くなるほど吸入空気量が増加し、ＥＧＲ率が小さくなる。ＥＧＲ率は、吸入空気温度によっても変化する。以上のことから、運転域（領域）Ｇ，Ｉで高効率に運転するには、ＥＧＲ率を最適に制御し、かつＭＢＴ運転をすることが重要である。
ＥＧＲシステムにおいて、点火時期を変化させた際、図１０に示すΔθ Pmax、Δθ P’’maxにより、整理できる。なおＥＧＲ率は以下の式（３）のように定義する。
Figure 0006960337
図９に示す本実施例の内燃機関（エンジンシステム）では、スロットル２を介して外部から取り込む吸入空気流量（新気流量）とＥＧＲクーラ１２およびＥＧＲバルブ１３を介して排気側から吸気側に戻すＥＧＲ量の和に対するＥＧＲ量の比率がＥＧＲ率となる。
ＥＧＲ率が高くなると、エンジン（燃焼室９）に吸入されるガスの中に不活性であるＣＯ２，水蒸気の割合が多くなり、燃焼は遅くなる傾向になる。そのため、同じ点火時期の場合、ＥＧＲ率が大きくなるに従い、Δθ Pmax，Δθ P’’maxが大きくなる。そして、点火時期を変えた場合は、図１０に示すように各ＥＧＲ率で点火時期を変化させるとΔθ Pmax，Δθ P’’maxは線形の関係を示す。さらに各ＥＧＲ率において、所定のＭＢＴ領域が存在することから、ＥＧＲ率とＭＢＴを同時に制御することが可能となる。
運転域（領域）ＩではＥＧＲ率を積極的に制御するために、その具体的な制御方法を図１１および図１２に示す。燃焼圧推定センサ６の出力から算出したΔθ Pmax，Δθ P’’maxにより、以下の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分類することができる。（図１２参照）
領域Ａ：現在ＥＧＲが目標ＥＧＲよりも大きく、現在点火時期がＭＢＴよりも遅角側
領域Ｂ：現在ＥＧＲが目標ＥＧＲよりも大きく、現在点火時期がＭＢＴよりも進角側
領域Ｃ：現在ＥＧＲが目標ＥＧＲよりも小さく、現在点火時期がＭＢＴよりも遅角側
領域Ｄ：現在ＥＧＲが目標ＥＧＲよりも小さく、現在点火時期がＭＢＴよりも進角側
ＭＢＴおよびＥＧＲ制御を実施する際の各領域における制御方法を以下に示す。
領域Ａ：ＥＧＲ率を小さくした後に点火時期を進角化する。
領域Ｂ：点火時期を遅角化した後にＥＧＲ率を小さくする。
領域Ｃ：点火時期を進角化した後にＥＧＲ率を大きくする。
領域Ｄ：点火時期を遅角化した後にＥＧＲ率を大きくする。
領域Ｂ，Ｄのように、現在点火時期がＭＢＴよりも進角側にある場合は、ノッキング等の異常燃焼が起きやすい状態であることから、点火時期の遅角制御を優先して行う。
一方、領域Ａのように、現在ＥＧＲが目標ＥＧＲよりも大きく、かつ現在点火時期がＭＢＴよりも遅角側の場合は、ＥＧＲ率を小さくする制御を先に実施した後に点火時期を進角化する。ＥＧＲ率の制御は、燃料と空気の供給量で決定されることから、点火時期に比べ、変動が大きくなる。領域Ａで必要とされるＥＧＲ率および点火時期制御は、両方ともノッキングが起こりやすくなる制御であることから、変動要因の大きいＥＧＲ率を先に制御することで、ノッキングを回避することができる。
また、領域Ｃのように、現在ＥＧＲが目標ＥＧＲより小さく、現在点火時期がＭＢＴよりも遅角側の場合は、まず点火時期を進角化した後、ＥＧＲ率を大きくする。これは、先にＥＧＲ率を大きくした場合、失火の確率が高くなることから、点火時期の進角化を優先する必要があるためである。
以上のような制御手順にすることで、ノッキング、失火を起こさずに、各燃焼領域Ａ〜Ｄにおいて、目標とするＥＧＲ率（排気ガス還流率）、最大トルク点火時期ＭＢＴへ制御することが可能となる。
なお、図８の運転域（領域）Ｇにおいては、高負荷での運転のため、ＥＧＲ率は吸入空気量に依存して決められることから、制御することが難しい。そのため、図１３に示すように、点火時期を制御し、ＥＧＲ率毎にＭＢＴ領域に制御する。具体的には領域Ｋでは点火時期を遅角化し、領域Ｊでは点火時期を進角化することで、ＭＢＴ領域内となるように制御する。
以上説明したように、本実施例の内燃機関の制御装置とその制御方法によれば、燃焼圧推定センサ６およびクランク角度センサ（回転センサ）７の各出力値から算出したタイミング（Δθ Pmax，Δθ P’’max）に基づいて燃焼状態を分類し、各分類（運転域）に応じてＥＧＲ率（排気ガス還流率）、最大トルク点火時期ＭＢＴに対する点火時期を制御することで、ＥＣＵへの実装負荷を必要以上に増やすことなく、燃焼の安定化とＮＯＸ排出量の抑制が可能で、高効率な内燃機関の制御を行うことができる。
図１４を参照して、実施例３の内燃機関の制御方法について説明する。図１４は、図８に示す燃焼域（領域）毎の制御方法を示すフローチャートである。
先ず、ステップＳ１０１にて、エンジンの回転数を計測し、トルクを推定する。回転数はクランク軸８の回転センサ（クランク角度センサ）７により計測する。トルクは吸入空気量、燃料量、熱効率、アクセル開度のいずれかより推定する。
次に、ステップＳ１０２にて、燃焼圧推定センサ６の計測値をもとにΔθ Pmax，Δθ P’’maxを算出する。
その後、ステップＳ１０３にて、図８に示した燃焼域（領域）判定を実施する。燃焼域（領域）がＧ若しくはＩの時は、空気過剰率λ＝１でＥＧＲ率を制御する燃焼であることから、ステップＳ１０４にて、Δθ Pmax，Δθ P’’maxを軸にしたＥＧＲ率、ＭＢＴのマップを読み込む（図１０参照）。このマップはエンジンの回転数及びトルク毎に決められる。燃焼域（領域）がＧのときはステップＳ１０５にて図１３に示す領域Ｋ，Ｊを判定した後に、ステップＳ１０６にて領域に応じた点火時期制御を実施する。また、燃焼域（領域）がＩの場合は、ステップＳ１０７にて領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのいずれかを判定し（図１１参照）、ステップＳ１０８にて領域に応じて点火時期とＥＧＲ率を制御する（図１２参照）。
一方、ステップＳ１０３にて、燃焼域（領域）Ｈと判定された場合は、空気過剰率λ＝１．８以上のリーン燃焼であるため、ステップＳ１０９にてΔθ Pmax，Δθ P’’maxを軸にした空気過剰率λ、ＭＢＴのマップを読み込む（図7参照）。続いて、ステップＳ１１０にて、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの判定を実施し（図７参照）、ステップＳ１１１にて領域に応じた点火時期、空気過剰率λの制御を実施する。（図６参照）
以上説明したように、本実施例の内燃機関の制御方法によれば、燃焼圧推定センサ６およびクランク角度センサ（回転センサ）７の各出力値から算出したタイミング（Δθ Pmax，Δθ P’’max）に基づいて燃焼状態を分類し、各分類（運転域）に応じて空気過剰率λ及び最大トルク点火時期ＭＢＴに対する点火時期、またはＥＧＲ率（排気ガス還流率）及び最大トルク点火時期ＭＢＴに対する点火時期を制御することで、ＥＣＵへの実装負荷を必要以上に増やすことなく、燃焼の安定化とＮＯＸ排出量の抑制が可能で、高効率な内燃機関の制御を行うことができる。
なお、以上で説明した各実施例による制御の実施の有無は、例えば、内燃機関（エンジン）が搭載される自動車のＥＣＵ（Engine Control Unit）からの出力信号（波形）や燃焼室へのセンサ（燃焼圧推定センサ）の設置の有無等から確認することができる。
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…インジェクタ、２…スロットル、３…点火プラグ、４…吸気バルブ、５…排気バルブ、６…燃焼圧推定センサ、７…回転センサ（クランク角度センサ）、８…クランク軸、９…燃焼室、１０…Ｏ２（濃度）センサ、１１…コントローラ、１２…ＥＧＲクーラ、１３…ＥＧＲバルブ、１４…三元触媒。

Claims (12)

  1. 燃焼室内の燃料と空気の混合気に点火する点火プラグと、
    前記燃焼室内の燃焼圧を検出する燃焼圧推定センサと、
    クランク軸のクランク角度を検出するクランク角度センサと、
    前記燃焼室へ供給される空気量を制御するスロットルと、
    前記燃焼室へ空気を導入する吸気管内に燃料を噴射するインジェクタと、
    を備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
    前記燃焼圧推定センサの検出値および前記クランク角度センサの検出値から算出した前記点火プラグの点火タイミングから前記燃焼室内での燃焼開始タイミングまでの点火遅れ期間と、前記燃焼開始タイミングから設定量の燃焼が終了する設定量燃焼終了タイミングまでの燃焼期間と、に基づいてＭＢＴ領域および空気過剰率領域が設定され、
    当該設定されたＭＢＴ領域内に入るように前記点火プラグの点火タイミングを制御し、
    当該設定された空気過剰率領域内に入るように前記スロットルおよび前記インジェクタを制御する内燃機関の制御装置。
  2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記点火遅れ期間は、前記点火プラグの点火タイミングから前記燃焼圧推定センサの検出値の２回微分値が最大値となるまでのクランク角度から算出される内燃機関の制御装置。
  3. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記燃焼期間は、前記燃焼開始タイミングから前記燃焼圧推定センサの検出値が最大値となるまでのクランク角度から算出される内燃機関の制御装置。
  4. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記設定されたＭＢＴ領域に対して、前記点火遅れ期間が大きく、かつ前記燃焼期間が大きい場合、前記設定された空気過剰率領域内に入るように前記スロットルおよび前記インジェクタを制御した後、前記設定されたＭＢＴ領域内に入るように前記点火プラグの点火タイミングを制御する内燃機関の制御装置。
  5. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記設定されたＭＢＴ領域に対して、前記点火遅れ期間が大きく、かつ前記燃焼期間が小さい場合、前記設定されたＭＢＴ領域内に入るように前記点火プラグの点火タイミングを制御した後、前記設定された空気過剰率領域内に入るように前記スロットルおよび前記インジェクタを制御する内燃機関の制御装置。
  6. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記設定されたＭＢＴ領域に対して、前記点火遅れ期間が重なり、かつ前記燃焼期間が大きい場合、前記設定されたＭＢＴ領域内に入るように前記点火プラグの点火タイミングを制御した後、前記設定された空気過剰率領域内に入るように前記スロットルおよび前記インジェクタを制御する内燃機関の制御装置。
  7. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記設定されたＭＢＴ領域に対して、前記点火遅れ期間が重なり、かつ前記燃焼期間が小さい場合、前記設定されたＭＢＴ領域内に入るように前記点火プラグの点火タイミングを制御した後、前記設定された空気過剰率領域内に入るように前記スロットルおよび前記インジェクタを制御する内燃機関の制御装置。
  8. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関は、前記燃焼室から排出される排気ガスの一部を前記吸気管内に戻すＥＧＲシステムをさらに備え、
    前記点火遅れ期間および前記燃焼期間に基づいてＥＧＲ率領域が設定され、
    当該設定されたＥＧＲ率領域内に入るように前記スロットルおよび前記インジェクタを制御する内燃機関の制御装置。
  9. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記燃焼圧推定センサは、前記燃焼室内の圧力を検出する圧力センサ、前記燃焼室の振動を検出する振動センサ、前記燃焼室の振動を検出する加速度センサ、前記燃焼室で発生する音を検出する音センサ、前記燃焼室の壁面に発生する歪を検出する歪センサ、燃焼に伴い発生するイオン電流を計測する電流計のいずれかである内燃機関の制御装置。
  10. （ａ）内燃機関内のクランク軸の回転数を計測し、吸入空気量、アクセル開度のいずれかより前記内燃機関のトルクを推定するステップと、
    （ｂ）前記内燃機関の燃焼室内の燃焼圧を計測し、当該計測した前記燃焼室内の燃焼圧および前記（ａ）ステップにおいて推定した前記内燃機関のトルクに基づき、点火プラグの点火タイミングから燃焼開始タイミングまでの点火遅れ期間と、前記燃焼開始タイミングから設定量の燃焼が終了する設定量燃焼終了タイミングまでの燃焼期間を算出するステップと、
    （ｃ）前記（ｂ）ステップで算出した点火遅れ期間および燃焼期間に基づき、ＭＢＴ領域を設定するステップと、
    （ｅ）前記（ｂ）ステップで算出した点火遅れ期間および燃焼期間に基づき、空気過剰率領域を設定するステップと、
    を有し、
    前記（ｃ）ステップで設定されたＭＢＴ領域内に入るように前記点火プラグの点火タイミングを制御し、
    前記（ｅ）ステップで設定された空気過剰率領域内に入るように前記燃焼室へ供給される空気量を制御するスロットルおよび前記燃焼室へ空気を導入する吸気管内に燃料を噴射するインジェクタを制御する内燃機関の制御方法。
  11. 請求項１０に記載の内燃機関の制御方法であって、
    （ｄ）前記（ａ）ステップにおいて計測したクランク軸の回転数および推定したトルクに基づき、燃焼域を判定するステップと、をさらに有し、
    前記（ｄ）ステップにおいて判定した燃焼域に応じて、前記点火プラグの点火タイミングを制御する内燃機関の制御方法。
  12. 請求項１１に記載の内燃機関の制御方法であって、
    前記（ｄ）ステップにおいて判定した燃焼域に応じて、前記内燃機関のＥＧＲシステム、または前記内燃機関のスロットルおよびインジェクタを制御する内燃機関の制御方法。
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