JPH07332149A

JPH07332149A - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JPH07332149A
Application number: JP6150496A
Authority: JP
Inventors: Michitaka Nakano; 道王中野; Shoji Nakahara; 彰治仲原
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】ノッキングの発生を的確に予測することがで
き、あらゆる運転条件において、最も高い効率が得られ
る条件を適正に判断し得る内燃機関の燃焼制御装置を提
供することにある。【構成】内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出
手段１と、前記運転状態検出手段１、気筒内圧力検出手
段３の各出力値を用いて内燃機関の断熱圧縮、均一混合
気を仮定して未燃ガスの自着火反応過程を解析するノッ
キング発生時期予測手段７と、運転状態検出手段１、気
筒内圧力検出手段３の少なくとも一の実則値とノッキン
グ発生時期予測手段７からのノッキング発生時期の予測
値を比較演算する比較手段８と、比較手段８からの出力
値を用いて内燃機関を適正に制御する制御手段９からな
り、内燃機関の燃焼制御を効率良く的確に実奏する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ノッキングの発生を確
実に予測することができ、またＥＧＲ量（残留ガス、外
部ＥＧＲ等）を精度良く把握することができる内燃機関
の燃焼制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の燃焼において生ずるノッキン
グは、金属的打音を発生し乗員に不快感を与えるだけで
なく、放置すればエンジンを損傷に至らせるため、これ
を回避することは極めて重要である。ノッキングは、エ
ンジン性能において高出力・高効率を得ようとするがた
めに気筒内圧力が上昇して発生するものである。このた
め、ノッキングを回避しつつ出力、効率を低下させない
ことが内燃機関の性能上極めて重要となる。しかし、従
来のノックセンサー等によるノッキング回避の制御手法
（特開平1-301945等）は、ノッキングの発生を検知しな
ければ制御を開始できない。また、気筒内圧力情報に基
づきノッキングの発生を予測する手法（特開平1-301946
等）では、燃焼の初期状態からノッキングの発生を予測
することはできるが、そのサイクルではノッキングが発
生するという実用上解決すべき問題がある。

【０００３】そして、これらの従来技術の本質的な問題
は、どの様な制御を行うとノッキングが発生するかを事
前に予測できないことである。そのため、ノッキングの
発生を検知または予測しても、点火時期を遅らせるな
ど、ほとんどの場合で効率低下を招く制御を行わざるを
得ない。これら従来技術では、種々の運転条件におい
て、ノッキングを発生させずに高効率な運転が可能とな
る制御条件を予測し制御することはできなかった。

【０００４】一方、従来の火花点火機関において、ＥＧ
Ｒ量（残留ガス、外部ＥＧＲ等）の計測には気筒内サン
プリングを用いることが多い。しかし、最近では多バル
ブ化によりエンジンヘッドにサンプリング弁を取り付け
る十分なスペースがなかったり、長いパイプを介してガ
ス採取を行わなければならないなど、サンプリングによ
る計測は容易ではない。また、現状としてはサンプリン
グしたガスの成分分析装置を含めると車載は不可能であ
る。近年の低燃費、低エミッション達成のために、ＥＧ
Ｒ量を積極的に制御、利用する必要があり、そのために
も簡便で車載可能なＥＧＲ計測手法の出現が望まれてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、未燃混合気の自
着火反応過程を解くことで、ノッキングの発生時期を予
測しようとする試み（SAEpaper922324等）や、これらを
エンジンサイクルシミュレーションに組み合わせたプロ
グラム（AIMSIM,United Kingdom Atomic EnergyAuthori
ty）が見られるが、これらの検証および予測精度の信頼
性、正確性等の不足により実用的なノッキングの解析手
法の確立並びに応用がなされていないのが現状である。

【０００６】そこで、本発明者等は鋭意研究して独自に
最適化したノッキングの発生時期予測手段と列型エンジ
ンの幾多の実験より、未燃混合気の自着火反応過程を解
析することで、燃料組成・スワール・残留ガス・回転数
等に関わらずノッキング発生時期を予測できることを究
明した。そして、該ノッキング発生時期予測手段を用い
て、ノッキングを発生させずに高効率な運転を行うため
の燃焼制御装置やＥＧＲ量等を判別する本発明の内燃機
関の燃焼制御装置を案出した。

【０００７】詳述すれば、本発明者等は、数次の実験・
解析により、ノッキングの発生時期を支配する物理的・
化学的な主要因を明らかにした。これを基に、種々の内
燃機関における運転条件および気筒内圧力データと、該
運転条件および該気筒内圧力データになんらかの変更を
施した条件に対して、ノッキングの発生とトルクを同時
に計算することでノッキングを発生させずに得られる最
大トルクや高出力化の指針を求め、これを内燃機関のノ
ッキング特性の診断およびエンジンの適正制御に実施で
きることを確認した。

【０００８】かかるノッキング発生時期予測手段は、図
１、図２に示すように、クランク角に対する気筒内圧力
および演算開始クランク角の気筒内ガス温度（初期温
度）を入力とし、その後、気筒内ガス温度は気筒内圧力
の変化に伴ない断熱圧縮されると仮定し、気筒内ガスの
温度・組成は空間的に均一と仮定し、残留ガスは化学的
に不活性であると仮定したエネルギ方程式（数１）のも
とで、燃料混合気体の自着火反応過程を表現できる自着
火反応モデルを解き、計算される気筒内ガス温度が1200
K以上に達した時点をノッキング発生時期とするもので
ある。

【０００９】

【数１】

【００１０】なお、数１中 γ：比熱比、Ｒ：ガス定
数、Ｑ：反応発熱量、Ｔ：未燃ガス ●：時間微分をそれぞれ表す。

【００１１】そして、該ノッキング発生時期予測手段は
これを列型エンジンに適用し、該ノッキング発生時期予
測手段の予測精度を確認した結果を図３、図４にそれぞ
れ示す。図３、図４に示ように、回転数・燃料組成等に
関わらず、本ノッキング発生時期予測手段による予測す
るノック発生時期は、実測のノック発生時期と極めて良
く一致する。

【００１２】すなわち、ノッキングの発生時期を支配す
る物理的・化学的な主要因は、本ノッキング発生時期予
測手段に用いた仮定し、つまり、ノッキングを発生する
未燃ガスの自着火過程では、気筒内ガス温度は気筒内圧
力の変化にともない断熱圧縮されるとした仮定し、また
気筒内ガスの温度・組成は空間的に均一とした仮定し、
さらには残留ガスは化学的に不活性とした仮定および燃
料混合気体の自着火反応モデルに含まれていることとな
る。そして、本発明者等は、上述のノッキング発生時期
予測手段を用いてノッキングを発生させずに高効率で適
正な運転を実奏し得る条件を算出しエンジンを適正制御
し得る燃焼制御装置を案出した。

【００１３】また、本発明者等は、エンジンを軽いノッ
キング発生条件で運転し、その時のノッキング発生時期
をノッキング発生時期予測計算で的確に再現できるよう
にEGR量を仮定することで、気筒内のEGR量を確実に推定
できることを確認した。すなわち、ノッキング発生時期
予測計算では、吸入空気量、燃料供給量、EGR量を気筒
内ガス量として、気体の状態方程式から計算開始温度を
求めている。計算される予測ノッキング発生時期は計算
開始温度に対する感度が極めて高い。そこで、ノッキン
グの発生条件で吸入空気量、燃料供給量、EGR量を正確
に測定し、実測のノッキング発生時期と予測するノッキ
ング発生時期とが一致するEGR量を繰り返し計算により
探すことで、EGR量を推定する事が可能となる。なお、
残留ガス量（内部EGRとも呼ぶ）を体積効率で表わす
と、残留ガス割合は点火進角にほとんど依存しないこと
は確認済みである。また、吸入空気量、燃料供給量（空
燃比から求めることも可能である）、気筒内圧力、ノッ
キング発生時期の実測は、従来の技術で十分に対応可能
であり、従来の気筒内サンプリングに比べて、極めて容
易で実用的である。

【００１４】本発明の目的は、ノッキングの発生を的確
に予測することができ、あらゆる運転条件において、最
も高い効率が得られる条件を適正に判断し得る内燃機関
の燃焼制御装置を提供することにある。また、本発明の
目的は、ノッキング発生時期の実測と予測の各値より内
燃機関の燃焼室内におけるEGR量（残留ガス、外部EGR
等）を確実に把握することができる内燃機関の燃焼制御
装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１発明の内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の運
転状態を検出する運転状態検出手段と、気筒内圧力を検
出する気筒内圧力検出手段と、前記運転状態検出手段、
気筒内圧力検出手段の各出力値を用いて内燃機関の断熱
圧縮、均一混合気を仮定して未燃ガスの自着火反応過程
を解析するノッキング発生時期予測手段と、前記運転状
態検出手段、気筒内圧力検出手段の少なくとも一の実測
値とノッキング発生時期予測手段からのノッキング発生
時期の予測値を比較演算する比較手段と、該比較手段か
らの出力値を用いて内燃機関を適正運転条件に制御する
制御手段とから構成される。

【００１６】また、上記目的を達成するための第２発明
の内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の運転状態を検
出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の出力
値を基に内燃機関の制御条件を仮定する制御条件仮定手
段と、気筒内圧力を検出する気筒内圧力検出手段と、該
気筒内圧力検出手段からの出力値を基に気筒内圧力を仮
定する気筒内圧力仮定手段と、前記気筒内圧力検出手段
の出力値および前記気筒内圧力仮定手段の出力値からト
ルクを算出するトルク計算手段と、前記運転状態検出手
段、制御条件変更手段、気筒内圧力検出手段、気筒内圧
力仮定手段の各出力値を用いて内燃機関の断熱圧縮、均
一混合気を仮定して未燃ガスの自着火反応過程を解析す
るノッキング発生時期予測手段と、前記運転状態検出手
段、気筒内圧力検出手段からの出力値、ノッキング発生
時期予測手段からのノッキング発生時期の予測値、トル
ク計算手段からの出力値を比較演算する比較手段と、該
比較手段からの出力値を用いて高効率用適正条件を割り
出し内燃機関を制御する割り出し手段と、該割り出し手
段の出力値に従い内燃機関の制御条件を変更する制御手
段とから構成される。

【００１７】さらに、上記目的を達成するための第３発
明の内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の運転状態を
検出する運転状態検出手段と、気筒内圧力を検出する気
筒内圧力検出手段と、内燃機関のノッキングを検出する
ノッキング検出手段と、前記運転状態検出手段、気筒内
圧力検出手段の各出力値を用いて内燃機関の断熱圧縮、
均一混合気を仮定して未燃ガスの自着火反応過程を解析
するノッキング発生時期予測手段と、前記ノッキング検
出手段からのノッキング発生時期の実測値と該ノッキン
グ発生時期予測手段からのノッキング発生時期の予測値
を比較演算する比較手段と、前記ノッキング発生時期の
実測値と予測値の不一致に基づき仮定のＥＧＲ量の修正
をノッキング発生時期予測手段に施すＥＧＲ量の仮定手
段と、前記ノッキング発生時期の実測値と予測値の一致
整合に基づきＥＧＲ量を算出するＥＧＲ量推定手段とか
ら構成されている。

【００１８】

【作用効果】上記構成からなる第１発明の内燃機関の燃
焼制御装置は、あらゆる運転条件において、種々のエン
ジン制御の可能性の中から、ノッキングを起こさない運
転条件（燃焼期間、点火進角、空燃比、EGR量、圧縮
比、過給圧力等）を演算できる。これにより、エンジン
の負荷および回転数に対して、常にそのエンジンの適正
運転条件付近で運転実施することができる実用的効果を
実奏する。

【００１９】また、第２発明の内燃機関の燃焼制御装置
は、前記第１発明の内燃機関の燃焼制御装置と同様の作
用効果を実奏すると共に、特に最高効率付近で運転で
き、かつ下記の従来の不都合を解消するものである。す
なわち、従来のマップや簡単な演算式によるエンジン制
御手法では、希薄燃焼やEGRを積極的に利用するエンジ
ンに対しては膨大なマップが必要となったり、常時最高
効率条件に制御できない等の問題点がある。また、ノッ
クセンサー等による制御は、ノッキングの発生を検知し
なければ制御を開始できないため、マップや簡単な演算
式によるエンジン制御と組み合わせても、ノッキングを
起こさずにより高効率な運転が可能となる制御条件を予
測しそれを制御に的確に反映させることはできない。

【００２０】さらに、上記構成からなる第３発明の内燃
機関の燃焼制御装置は、吸入空気量、空燃比、気筒内圧
力、ノッキング発生時期を計測することで、EGR量を推
定することができる。これらの計測は、従来のサンプリ
ング弁の使用に比べてはるかに容易である。また、計測
に必要な装置も極めて小型であるため、車載も実現可能
である。また、第３発明の装置は、EGR量制御装置の一
部として用いることも可能である。

【００２１】また、上記構成からなる第３発明の内燃機
関の燃焼制御装置は、下記の従来の不都合を解消するこ
とができる。すなわち、従来のサンプリング弁によるEG
R量計測手法は、エンジンのサンプリング弁を取り付け
る加工が必要となる。この加工には手間がかかるだけで
なく、サンプリング弁にはデッドボリュームがあるた
め、圧縮比に多大な影響を及ぼすこともある。加えて、
最近の多バルブを採用するエンジンには、サンプリング
弁を取り付けるためのスペースがないものも極めて多
い。

【００２２】

【実施例１】以下、第１発明の内燃機関の燃焼制御装置
の実施例を説明する。実施例１の内燃機関Ｅは、図５に
示すように、内燃機関Ｅの運転状態を検出する運転状態
検出手段１と、運転状態検出手段１の出力値を用いて内
燃機関Ｅの制御条件を変更する制御条件変更手段２と、
気筒内圧力を検出する気筒内圧力検出手段３と、気筒内
圧力検出手段３からの出力値によって燃焼に基づく気筒
内発熱パターンを変更する発熱パターン変更手段４と、
発熱パターン変更手段４から気筒内圧力を再構成する気
筒内圧力再構成手段５と、前記運転状態検出手段１、制
御条件変更手段２、気筒内圧力検出手段３、気筒内圧力
再構成手段５の各出力値を用いて内燃機関Ｅの断熱圧
縮、均一混合気を仮定して未燃ガスの自着火反応過程を
解析するノッキング発生時期予測手段７と、前記運転状
態検出手段１、気筒内圧力検出手段３の少なくとも一の
出力値とノッキング発生時期予測手段７からのノッキン
グ発生時期の予測値を比較演算する比較手段８と、該比
較手段８からの出力値を用いて適正運転条件に従い内燃
機関Ｅを適正な制御条件に変更する制御手段９とから構
成される。

【００２３】上記構成からなる実施例１の内燃機関Ｅの
燃焼制御装置は、ノック発生時期予測につき、回転数、
スワール等の吸気流制御装置の有無、残留ガス量に係わ
らずノック発生時期の予測が可能となる。その際、自着
火過程を表現するための反応モデルは、燃料の自着火特
性を表現できるものを用いる。また、未燃ガスは、断熱
圧縮、温度・組成は均一として扱い、残留ガスは化学的
に不活性なものとして扱う。

【００２４】すなわち、上記構成からなる実施例１の内
燃機関Ｅの燃焼制御装置は、ノッキング発生時期予測手
段７に与える初期温度Ｔ₀を、下記の状態方程式（数
２）から求める。

【００２５】

【数２】

【００２６】数２中Ｐ：圧力（Ｎ／ｍ²）、Ｖ：体積
（ｍ³）、ｎ：モル数（ｍｏｌ）モル数は燃料＋空気＋残留ガス（ＥＧＲ）、Ｒ：ガス定
数（Ｊ／ｍｏｌ・ｋ）、Ｔ₀：初期温度（ｋ）気筒内圧力を検出する気筒内圧力検出手段３からの出力
値を記憶する記憶素子に記憶された過去１００サイクル
分の気筒内圧力（図６(a)）からクランク角jにおける平
均気筒内圧力Pave（図６(b)）を求めるには数３を用い
る。

【００２７】

【数３】

【００２８】数３中Ｐｉ：ｉサイクルの気筒内圧力、
Ｎ：総サイクル数

【００２９】また、各クランク角における平均気筒内圧
力からクランク角１度あたりの平均発熱量Qave（図６
(c)）を求めるには数４を用いる。

【００３０】

【数４】

【００３１】数４中、γ：比熱比、ｖ：シリンダ容積さらに、発熱パターンを変形させるためには発熱パター
ン変形手段４により平均発熱量Qave（図６(c)）を任意
に変形して新たな発熱量Qnew（図６(d)）を作成する。
そして、新たな発熱量Qnewから仮想の気筒内圧力Pnew
（図６(e)）を求めるには数５を用いる。

【００３２】

【数５】

【００３３】前記仮想気筒内圧力および実測気筒内圧力
に対して、前記トルク計算手段６およびノッキング発生
時期予測手段７の出力値をグラフ化すると図７に示すよ
うになる（実施例１にあっては図中等トルク線は考慮し
ないものとする）。図７から、この運転条件では、発熱
期間を短縮すること、つまり燃焼を促進して燃焼期間を
短縮することで、ノッキングを発生しない領域が広がる
ことが理解できる。燃焼期間を短縮するためには、制御
条件変更手段２を作動させスワールやタンブルと呼ばれ
る渦を気筒内に発生させることが有効である。燃焼期間
短縮の判断は、図７に示したノッキング発生の傾向を前
記の制御条件変更手段２の制御量を検出する出力値、ト
ルク計算手段６、ノッキング発生時期予測手段３からの
出力値を比較演算する比較手段８により行われる。該比
較手段８からの出力値は適正運転条件に従い制御手段９
を作動させる。

【００３４】これにより燃焼期間は短縮されて、ノッキ
ングは全く発生しない。一方、図７の結果をもたらした
回転数より1000rpm高い回転数において、前記仮想気筒
内圧力および実測気筒内圧力に対して、前記トルク計算
手段６およびノッキング発生時期予測手段７の出力値を
グラフ化すると図８に示すようになる（ここで図中の等
トルク線は考慮しないものとする）。図８から、この運
転条件では、発熱期間を短縮してもノッキングングの発
生しない領域が広がる可能性は無く、前記制御手段９は
制御条件変更を指示しないのである。

【００３５】

【実施例２】次に、第２発明の内燃機関の燃焼制御装置
の実施例を説明する。実施例２の内燃機関Ｅ₁の燃焼制
御装置は、吸気流制御バルブを用いて燃焼期間を最適に
制御しようとするものである。実施例２の内燃機関Ｅ₁
の燃焼制御装置は、図９に示すように、運転状態検出手
段１０としての吸気流制御バルブ１１の開度を検出する
エンコーダ１２と、吸気流制御バルブ１１の開度を変化
させる吸気流制御バルブ１１の開度変更アクチュエータ
１３と、スロットル開度を検出するスロットル開度セン
サ１４と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１５
および吸入空気量演算装置１６と、空燃比を検出するた
めに排気管路中に設置されたＯ2センサ１７および空燃
比演算装置１８と、点火時期を制御する点火時期制御装
置１９と、エンジン回転数を検出する回転数検出装置２
０と、各クランク角に対する気筒内容積を記憶したと気
筒内容積記憶素子２１と、気筒内圧力を検出する圧力セ
ンサ２２とを有する。

【００３６】また、実施例２の装置は、該圧力センサ２
２からの気筒内圧力の出力値の過去１００サイクル分を
記憶するための個別気筒内圧力記憶素子２３と、該個別
気筒内圧力記憶素子２３に記憶された気筒内圧力から平
均気筒内圧力を演算する平均気筒内圧力演算装置２４
と、該平均気筒内圧力演算装置２４の出力値から燃焼に
よる発熱の時間変化、すなわち発熱パターンを算出する
発熱パターン演算装置２５と、該発熱パターン演算装置
２５の出力値を任意に変更する発熱パターン変更演算装
置２６とを有する。

【００３７】さらに、実施例２の装置は、該発熱パター
ン変更演算装置２６からの出力値から仮想の気筒内圧力
を演算する仮想気筒内圧力演算装置２７と、該仮想気筒
内圧力演算装置２７の出力値を記憶する仮想気筒内圧力
記憶素子２８と、検出および仮想の気筒内圧力からトル
クを算出するトルク演算装置２９と、検出および仮想の
気筒内圧力についてノッキングの発生時期を予測するノ
ッキング発生時期演算装置３０と、回転数およびスロッ
トル開度に対する残留ガス割合を記憶させた記憶素子３
１と、前記回転数検出装置２０の出力値とスロットル開
度センサ１４の出力値と前記残留ガス割合記憶素子３１
から現在の運転条件における残留ガス割合を演算する残
留ガス割合演算装置３２とを有する。

【００３８】また、実施例２の装置は、前記吸気流制御
バルブ１１の開度を検出するエンコーダ１２からの出力
値、トルク演算装置２９からの出力値、ノッキング発生
時期演算装置２５からの出力値を比較演算する比較手段
３３と、該比較手段３３からの出力値を用いて高効率用
適正条件を割り出し吸気流制御バルブ１１の開度を決定
する吸気流制御バルブ１１の開度決定演算装置３４と、
該吸気流制御バルブ１１の開度決定演算装置３４の出力
値に従い前記吸気流制御バルブ１１の開度を変化させる
アクチュエータ１３を動作させる制御回路３５から成
る。

【００３９】上記構成からなる実施例２の内燃機関Ｅ₁
の燃焼制御装置は、ノッキング発生時期演算装置３０に
与える初期温度Ｔ₀を前記の状態方程式（数２）から求
める。気筒内圧力を検出する圧力センサ２２からの出力
値を記憶する記憶素子２３に記憶された過去１００サイ
クル分の気筒内圧力（図６(a)）からクランク角jにおけ
る平均気筒内圧力Pave（図６(b)）を求めるには、数３
を用いる。また、各クランク角における平均気筒内圧力
からクランク角１度あたりの平均発熱量Qave（図６
(c)）を求めるには数４を用いる。さらに、発熱パター
ンを変形させるためには平均発熱量Qave（図６(c)）を
任意に変形して新たな発熱量Qnew（図６(d)）を作成す
る。そして、新たな発熱量Qnewから仮想の気筒内圧力Pn
ew（図６(e)）を求めるには数５を用いる。

【００４０】前記仮想気筒内圧力および実測気筒内圧力
に対して、前記トルク演算装置２９およびノッキング発
生時期演算装置３０の出力値をグラフ化すると図７に示
すようになる。図７から、この運転条件では、発熱期間
を短縮すること、つまり燃焼を促進して燃焼期間を短縮
することで、ノッキングを発生させずにより高いトルク
を得ることができる。燃焼期間を短縮するためには、吸
気流制御バルブ１１を作動させスワールやタンブルと呼
ばれる渦を気筒内に発生させることが有効である。燃焼
期間短縮の判断は、図７に示したトルクとノッキング発
生の傾向を前記の吸気流制御バルブ１１の開度を検出す
るエンコーダ１２からの出力値、トルク演算装置２９か
らの出力値、ノッキング発生時期演算装置３０からの出
力値を比較演算する比較手段３３により行われる。

【００４１】該比較手段３３からの出力値は高効率用適
正条件を割り出し吸気流制御バルブ１１の開度を決定す
る吸気流制御バルブ１１の開度決定演算装置３４に入力
され吸気流制御バルブ１１の開度が決定され、該吸気流
制御バルブ１１の開度決定演算装置３４の出力値に従い
前記吸気流制御バルブ１１の開度を変化させるアクチュ
エータ１３を動作させる制御回路３５が該アクチュエー
タ１３を作動させる。これにより燃焼期間は短縮され
て、ノッキングを起こさずより高いトルクを得ることが
できる。一方、図７の結果をもたらした回転数より1000
rpm高い回転数において、前記仮想気筒内圧力および実
測気筒内圧力に対して、前記トルク演算装置２９および
ノッキング発生時期演算装置３０の出力値をグラフ化す
ると図８に示すようになる。図８から、この運転条件で
は、発熱期間を短縮してもノッキングングを発生させず
により高いトルクを得られる可能性は無く、前記吸気流
制御バルブ１１の開度決定演算装置３４は吸気流制御バ
ルブ１１の開度の変更を指示しないこととなる。

【００４２】

【実施例３】次に、第２発明の内燃機関の燃焼制御装置
の実施例を説明する。実施例３の装置は、吸気バルブに
可変バルブタイミング機構を適用し、実圧縮比を最適に
制御しようとするものである。実施例３の内燃機関Ｅ₂
の装置は、図１０に示すように運転状態検出手段４０と
しての可変バルブタイミング機構４１のバルブタイミン
グを検出するバルブタイミング検出装置４２と、可変バ
ルブタイミング機構４１のバルブタイミングを変化させ
るバルブタイミング変更アクチュエータ４３と、スロッ
トル開度を検出するスロットル開度センサ４４と、吸入
空気量を検出するエアフローメータ４５および吸入空気
量演算装置４６とを有する。

【００４３】実施例３の内燃機関Ｅ₂の装置は、空燃比
を検出するために排気管路中に設置されたＯ2センサ４
８および空燃比演算装置４９と、点火時期を制御する点
火時期制御装置５０と、エンジン回転数を検出する回転
数検出装置５１と、各クランク角に対する気筒内容積を
記憶した気筒内容積記憶素子５２と、気筒内圧力を検出
する圧力センサ５３と、該圧力センサ５３からの気筒内
圧力の出力値の過去１００サイクル分を記憶するための
個別気筒内圧力記憶素子５４と、該個別気筒内圧力記憶
素子５４に記憶された気筒内圧力から平均気筒内圧力を
演算する平均気筒内圧力演算装置５５と、該平均気筒内
圧力演算装置５５の出力値から燃焼による発熱の時間変
化すなわち発熱パターンを算出する発熱パターン演算装
置５６と、バルブタイミングが変更された場合の吸入空
気量の変化を推定する吸入空気量推定演算装置５７とを
有する。

【００４４】また、実施例３の内燃機関Ｅ₂の装置は、
バルブタイミングが変更された場合の総発熱量の変化を
推定する総発熱量推定演算装置５８と、該総発熱量推定
演算装置５８の出力値および発熱パターン演算装置５６
の出力値からバルブタイミング変更に伴う発熱パターン
の変更を推定する発熱パターン変更推定装置５９と、バ
ルブタイミングが変更された場合の計算開始クランク角
における気筒内圧力を推定する計算開始気筒内圧力推定
演算装置６０と、該仮想非燃焼時気筒内圧力と前記発熱
パターン演算装置５６からの出力値から仮想の気筒内圧
力を演算する仮想気筒内圧力演算装置６１と、該仮想気
筒内圧力演算装置６１からの出力値を記憶する仮想気筒
内圧力記憶素子６２と、検出および仮想の気筒内圧力か
らトルクを算出するトルク演算装置６３と、検出および
仮想の気筒内圧力についてノッキングの発生時期を予測
するノッキング発生時期演算装置６４と、回転数および
スロットル開度に対する残留ガス割合を記憶させた記憶
素子６５とを有する。

【００４５】さらに、実施例３の内燃機関Ｅ₂の装置
は、前記回転数検出装置５１の出力値とスロットル開度
センサ４４の出力値と前記残留ガス割合記憶素子６５か
ら現在の運転条件における残留ガス割合を演算する残留
ガス割合演算装置６６と、前記バルブタイミング検出装
置４２からの出力値、トルク演算装置６３からの出力
値、ノッキング発生時期演算装置６４からの出力値を比
較演算する比較手段６７と、該比較手段６７からの出力
値を用いて高効率用適正条件を割り出しバルブタイミン
グを決定するバルブタイミング決定演算装置６８と、該
バルブタイミング決定演算装置６８の出力値に従い前記
バルブタイミングを変化させるアクチュエータ４３を動
作させる制御回路６９から成る。

【００４６】上記構成からなる実施例３の内燃機関Ｅ₂
の燃焼制御装置は、ノッキング発生時期演算手段６４に
与える初期温度Ｔ₀を、前記の状態方程式（数２）から
求める。そして、バルブタイミングの変更による吸入空
気量の変化は数６より求める。

【００４７】

【数６】

【００４８】数６中、Ｖ₁：バルブタイミング変更
前での吸気バルブ閉時の気筒内容積Ｖ₂：バルブタイミング変更後での吸気バルブ閉時の気
筒内容積ＧＡ₁：バルブタイミング変更前での吸入空気量ＧＡ₂：バルブタイミング変更後での吸入空気量ＧＦ₁：バルブタイミング変更前での燃料量ＧＦ₂：バルブタイミング変更後での燃料量、ＧＲ：残
留ガス量

【００４９】Ａ／Ｆを一定として良いため、

【００５０】

【数７】

【００５１】数６、数７よりＧＡ₂、ＧＦ₂を求める。
同様にバルブタイミングの変更による総発熱量の変化は
数８より求める。

【００５２】

【数８】

【００５３】数８中、Ｑ₁：バルブタイミング
変更前の総発熱量Ｑ₂：バルブタイミング変更後の総発熱量

【００５４】また、バルブタイミングの変更による計算
開始クランク角における気筒内圧力P0newは数９、数１
０より求める。

【００５５】

【数９】

【００５６】

【数１０】

【００５７】数９、数１０中、Ｐ₁：バルブタイミング変更前での計算開始クランク角
における気筒内圧力Ｖ₁：バルブタイミング変更前での計算開始クランク角
における気筒内容積Ｖ₀₁：バルブタイミング変更前での吸気バルブ閉時の気
筒内容積Ｐ₀：吸気バルブ閉直前の気筒内圧力Ｐ₂：バルブタイミング変更後での計算開始クランク角
における気筒内圧力Ｖ₀₂：バルブタイミング変更後での吸気バルブ閉時の気
筒内容積

【００５８】ただし、仮定として計算開始クランク角は
一定とし、また、吸気バルブ閉直前の気筒内圧力は一定
とする。さらに、上記Ｐ₂はP0newである。そして、気
筒内圧力を検出する圧力センサ５３からの出力値を記憶
する記憶素子５４に記憶された過去１００サイクル分の
気筒内圧力（図６(a)）からクランク角jにおける平均気
筒内圧力Pave（図６(b)）を求めるには前記式（数３）
を用いる。また、各クランク角における平均気筒内圧力
からクランク角１度あたりの平均発熱量Qave（図６
(c)）を求めるには前記数４を用いる。ついで、平均発
熱量Qaveから、総発熱量が変化した場合の発熱量Qnewを
数１より求める。

【００５９】

【数１１】

【００６０】P0newと発熱量Qnewから仮想の気筒内圧力P
new（図６(e)）を求めるには最初のステップのみ数１２
を用いる。

【００６１】

【数１２】

【００６２】それ以降は、前記数５を用いる。

【００６３】そして、前記仮想気筒内圧力および実測気
筒内圧力に対して、前記トルク演算装置６３およびノッ
キング発生時期演算装置６４の出力値をグラフ化すると
図７に示すようになる。図７から、この運転条件では、
ノッキングを発生させずにより高いトルクを得ることが
できる。バルブタイミング変更の判断は、図１１に示し
たトルクとノッキング発生の傾向を前記のバルブタイミ
ング検出装置４２からの出力値、トルク演算装置６３か
らの出力値、ノッキング発生時期演算装置６４からの出
力値を比較演算する比較手段６７により行われる。該比
較手段６７からの出力値は高効率用適正条件を割り出し
バルブタイミングを決定するバルブタイミング決定演算
装置６８に入力され、該バルブタイミング決定演算装置
６８の出力値に従い前記バルブタイミングを変化させる
アクチュエータ４３が作動するのである。

【００６４】

【実施例４】次に、第３発明の内燃機関の燃焼制御装置
の実施例を説明する。実施例４の装置は、EGRバルブ開
度を変化させて、EGR供給量を目標値に制御しようとす
るものである。実施例４の内燃機関Ｅ₃の装置は、図１
２に示すように、吸入空気量を検出するエアフローメー
タ７０および吸入空気量演算装置７１と、空燃比を検出
するために排気管路中に設置されたＯ2センサ７２およ
び空燃比演算装置７３と、点火時期を制御する点火時期
制御装置７４と、エンジン回転数を検出する回転数検出
装置７５と、気筒内圧力を検出する圧力センサ７６と、
該圧力センサ７６からの気筒内圧力の出力値を記憶する
ための気筒内圧力記憶素子７７とを有する。

【００６５】また、実施例４の内燃機関Ｅ₃の装置は、
該気筒内圧力記憶素子７７の気筒内圧力データからノッ
キング発生時期を検出するノッキング発生時期検出装置
７８と、前記気筒内圧力記憶素子７８の気筒内圧力につ
いてノッキングの発生時期を予測するノッキング発生時
期演算装置７９と、前記ノッキング発生時期検出装置７
８からの出力値とノッキング発生時期演算装置７９から
の出力値を比較する比較演算手段８０と、前記ノッキン
グ発生時期検出装置７８からの出力値とノッキング発生
時期演算装置７９からの出力値の不一致に基づき仮定の
EGR量の修正を行うEGR量仮定装置８１と、推定されたEG
R量と目標とするEGR量の不一致に基づきEGRバルブ開度
を変更するEGRバルブ開度制御装置８２から成る。

【００６６】上記構成からなる実施例４の内燃機関Ｅ₃
の燃焼制御装置は、目標EGR量が体積割合で２０％であ
り、現在のEGRバルブ開度が５０％に設定されている。
点火時期制御装置７４により点火時期を早め、軽いノッ
キングを発生させる。その時の吸入空気量および空燃比
は吸入空気量演算装置７１と空燃比演算装置７３により
演算される。また、気筒内圧力は気筒内圧力記憶素子７
７に記憶される。そして、ノッキング発生時期演算装置
７９の計算開始クランク角における気筒内ガス温度は気
体の上記状態方程式（数２)により算出する必要があ
る。その際、気筒内のガス量は空気＋燃料+EGRと近似で
きる。EGR量が不明であるため、推定EGR量を目標値であ
る２０％とし、ノッキング発生時期演算装置７９でノッ
キング発生時期を求めると、図１３に示すように、ノッ
キング発生時期検出装置７８の出力値より遅くなる。

【００６７】これは、計算開始クランク角における気筒
内ガス温度が低いためで、推定EGR量が実際より多いこ
とを示す。そこで推定EGR量を１５％として、再びノッ
キング発生時期演算装置７９でノッキング発生時期を求
めると、図１３に示すようにノッキング発生時期検出装
置７８の出力値より早くなる。これは、計算開始クラン
ク角における気筒内ガス温度が高いためで、推定EGR量
が実際より少ないことを示す。先の演算結果とあわせる
と実際のEGR量は１５％以上２０％以下であることが理
解できる。そこで、推定EGR量を１８％として、再びノ
ッキング発生時期演算装置７９でノッキング発生時期を
求めると、図１３に示すようにノッキング発生時期検出
装置７８の出力値とよく一致する。すなわち、実際のEG
R量は１８％と推定できる。これは、目標値である２０
％より少ないので、EGRバルブをより開くようにEGRバル
ブ開度制御装置８２で効率良く正確に制御することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のノッキング発生時期予測手段を示す概
要図

【図２】本発明のノッキング発生時期予測態様を示す線
図

【図３】本発明のノッキング発生時期の予測結果を示す
線図

【図４】本発明のノッキング発生時期のその他の予測結
果を示す線図

【図５】実施例１の装置を示す概要図

【図６】実施例１の仮想筒内圧力履歴の作成手法を示す
線図

【図７】実施例１の発熱パターンを示す線図

【図８】実施例１の発熱期間の変化状況を示す線図

【図９】実施例２の装置を示す概要図

【図１０】実施例３の装置を示す概要図

【図１１】実施例３における圧縮比変化状況を示す線図

【図１２】実施例４の装置を示す概要図

【図１３】実施例４におけるＥＧＲ量変化状況を示す線
図

【符号の説明】

１運転状態検出手段２制御条件変更手段３気筒内圧力検出手段４発熱パターン変更手段６トルク計算手段７ノッキング発生予測手段８比較手段９制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関において、内燃機関の運転状態
を検出する運転状態検出手段と、気筒内圧力を検出する
気筒内圧力検出手段と、前記運転状態検出手段、気筒内
圧力検出手段の各出力値を用いて内燃機関の断熱圧縮、
均一混合気を仮定して未燃ガスの自着火反応過程を解析
するノッキング発生時期予測手段と、前記運転状態検出
手段、気筒内圧力検出手段の少なくとも一の実測値とノ
ッキング発生時期予測手段からのノッキング発生時期の
予測値を比較演算する比較手段と、該比較手段からの出
力値を用いて内燃機関を適正に制御する制御手段とから
成ることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】内燃機関において、内燃機関の運転状態
を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の
出力値を基に内燃機関の制御条件を仮定する制御条件仮
定手段と、気筒内圧力を検出する気筒内圧力検出手段
と、該気筒内圧力検出手段からの出力値を基に気筒内圧
力を仮定する気筒内圧力仮定手段と、前記気筒内圧力検
出手段の出力値および前記気筒内圧力仮定手段の出力値
からトルクを算出するトルク計算手段と、前記運転状態
検出手段、制御条件変更手段、気筒内圧力検出手段、気
筒内圧力仮定手段の各出力値を用いて内燃機関の断熱圧
縮、均一混合気を仮定して未燃ガスの自着火反応過程を
解析するノッキング発生時期予測手段と、前記運転状態
検出手段、気筒内圧力検出手段からの出力値、ノッキン
グ発生時期予測手段からのノッキング発生時期の予測
値、トルク計算手段からの出力値を比較演算する比較手
段と、該比較手段からの出力値を用いて高効率用適正条
件を割り出し内燃機関を制御する割り出し手段と、該割
り出し手段の出力値に従い内燃機関の制御条件を変更す
る制御手段とから成ることを特徴とする内燃機関の燃焼
制御装置。
【請求項３】内燃機関において、内燃機関の運転状態
を検出する運転状態検出手段と、気筒内圧力を検出する
気筒内圧力検出手段と、内燃機関のノッキングを検出す
るノッキング検出手段と、前記運転状態検出手段、気筒
内圧力検出手段の各出力値を用いて内燃機関の断熱圧
縮、均一混合気を仮定して未燃ガスの自着火反応過程を
解析するノッキング発生時期予測手段と、前記ノッキン
グ検出手段からのノッキング発生時期の実測値と該ノッ
キング発生時期予測手段からのノッキング発生時期の予
測値を比較演算する比較手段と、前記ノッキング発生時
期の実測値と予測値の不一致に基づき仮定のＥＧＲ量の
修正をノッキング発生時期予測手段に施すＥＧＲ量の仮
定手段とから成り前記ノッキング発生時期の実測値と予
測値の一致整合に基づきＥＧＲ量を算出するＥＧＲ量推
定手段とから成ることを特徴とする内燃機関の燃焼制御
装置。