JPWO2011074302A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

吸気通路内に設けられたスロットル弁を備える内燃機関の制御装置が提供される。スロットル弁を全開にした状態に対応する吸入空気量である全開吸入空気量が、機関回転数に応じて算出され、機関の排気が燃焼室に還流されない状態に対応する理論吸入空気量が、全開吸入空気量及び吸気圧に応じて算出される。機関の実吸入空気量が検出または推定され、理論吸入空気量及び実吸入空気量を用いて排気還流率が算出される。算出された排気還流率を用いて機関が制御される。

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に機関の燃焼室に吸入されるガスに含まれる排気（燃焼ガス）の割合を示す排気還流率に基づいて制御を行う内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、燃焼後に燃焼室内に残留する燃焼ガスの残留率である残留ガス率（内部排気還流率）を算出し、残留ガス率に応じて点火時期を制御する内燃機関の制御装置が示されている。この制御装置によれば、機関回転数、バルブオーバラップ量（吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間の重複期間）、吸気圧、排気温度、及び吸入空気量に基づいて残留ガス率が算出される。

また排気還流機構を備えた内燃機関の制御装置では、排気還流制御弁の開度に応じて、排気還流率（外部排気還流率）を算出するためのマップを用いて排気還流率を算出する手法が従来より使用されている。

特開２００３−２６９３０６号公報

特許文献１に示された残留ガス率の算出手法は、算出に適用するパラメータが多く、テーブルやマップの設定工数が多くなるという課題がある。また、外部排気還流率の算出に適用される従来の手法において、種々の機関運転状態に対応して多くのマップが必要となる。そのため、内部排気還流及び外部排気還流をともに考慮して、排気還流率を算出するためには、さらに多くのテーブルやマップを必要とし、設定工数が膨大なものとなる。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、比較的簡便な手法で機関運転状態に対応した正確な排気還流率を算出可能とした内燃機関の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本発明は、吸気通路（２）内に設けられたスロットル弁（３）を備える内燃機関の制御装置を提供する。この制御装置は、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段と、前記機関の吸気圧（ＰＢＡ）を検出する吸気圧検出手段と、前記スロットル弁（３）を全開にした状態に対応する吸入空気量である全開吸入空気量（ＧＡＷＯＴ）を、前記機関回転数（ＮＥ）に応じて算出する全開吸入空気量算出手段と、前記機関の排気が前記機関の燃焼室に還流されない状態に対応する理論吸入空気量（ＧＡＴＨ）を、前記全開吸入空気量（ＧＡＷＯＴ）及び前記吸気圧（ＰＢＡ）に応じて算出する理論吸入空気量算出手段と、前記機関の実吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬ）を検出または推定する吸入空気量取得手段と、前記理論吸入空気量（ＧＡＴＨ）及び実吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬ）を用いて排気還流率（ＲＥＧＲＴ）を算出する排気還流率算出手段とを備え、前記排気還流率（ＲＥＧＲＴ）を用いて前記機関を制御することを特徴とする。

この構成によれば、スロットル弁を全開にした状態に対応する吸入空気量である全開吸入空気量が、機関回転数に応じて算出され、排気還流が全くない状態に対応する理論吸入空気量が、全開吸入空気量及び吸気圧に応じて算出され、検出または推定される実吸入空気量と理論吸入空気量とを用いて排気還流率が算出され、算出された排気還流率を用いて機関の制御が行われる。したがって、排気還流率を算出するために、種々の機関運転状態に対応する多数のマップを予め設定しておく必要がなく、マップ設定工数を大幅に低減することができる。さらに大気圧が変化してもそれに伴う補正演算は不要であり、排気還流率を簡便かつ正確に算出することが可能となる。

前記制御装置は、前記機関の出力を最大とする最適点火時期（ＩＧＭＢＴ）を前記排気還流率（ＲＥＧＲＴ）に応じて算出する最適点火時期算出手段を有し、前記最適点火時期（ＩＧＭＢＴ）を用いて前記機関の点火時期を制御する点火時期制御手段をさらに備えることが望ましい。

この構成によれば、最適点火時期が排気還流率に応じて算出され、算出された最適点火時期を用いて点火時期制御が行われる。排気還流率と最適点火時期との関係は、吸気弁の作動位相や外部排気還流の有無の影響を受けないことが確認されているので、排気還流率に応じて最適点火時期を設定することにより、機関運転状態に適した最適点火時期を簡便に算出することができる。

前記点火時期制御手段は、前記機関におけるノッキングの発生限界に対応するノック限界点火時期（ＩＧＫＮＯＣＫ）を、前記排気還流率（ＲＥＧＲＴ）に応じて算出するノック限界点火時期算出手段を有し、前記最適点火時期（ＩＧＭＢＴ）またはノック限界点火時期（ＩＧＫＮＯＣＫ）の何れか遅角側の点火時期を用いて前記点火時期の制御を行うことが望ましい。

この構成によれば、ノック限界点火時期が排気還流率に応じて算出される。ノック限界点火時期は排気還流率との相関性が高いので、排気還流率に応じてノック限界点火時期を算出することにより、ノッキングを確実に回避可能な範囲で機関出力を最大化する点火時期制御を高精度に行うことができる。

前記機関は吸気弁の作動位相（ＣＡＩＮ）を変更する吸気弁作動位相可変機構（４２）を備え、前記点火時期制御手段は、前記作動位相（ＣＡＩＮ）に応じて前記ノック限界点火時期（ＩＧＫＮＯＣＫ）を補正する補正手段を有することが望ましい。

この構成によれば、吸気弁の作動位相に応じてノック限界点火時期が補正されるので、吸気弁の作動位相を機関運転状態に応じて変化させる機関においても正確なノック限界点火時期を得ることができる。

前記補正手段は、前記作動位相（ＣＡＩＮ）に応じて前記機関の実効圧縮比（ＣＭＰＲ）を算出し、該実効圧縮比（ＣＭＰＲ）に応じて前記ノック限界点火時期（ＩＧＫＮＯＣＫ）を補正することが望ましい。

この構成によれば、吸気弁作動位相に応じて機関の実効圧縮比が算出され、該実効圧縮比に応じてノック限界点火時期が補正される。ノック限界点火時期は実効圧縮比に依存して変化するので、吸気弁作動位相に応じて実効圧縮比を算出し、その実効圧縮比に応じてノック限界点火時期を補正することにより、より適切な補正を行うことができる。

前記制御装置は、前記スロットル弁の開度（ＴＨ）を検出するスロットル弁開度検出手段と、前記スロットル弁開度（ＴＨ）の増加に対する前記吸気圧（ＰＢＡ）の増加率が所定増加率以下となる前記スロットル弁の有効開度（ＴＨＥＦＣＴ）を、前記機関回転数（ＮＥ）に応じて算出する有効開度算出手段とをさらに備え、前記排気還流率算出手段は、前記スロットル弁開度（ＴＨ）が前記有効開度（ＴＨＥＦＣＴ）以上であるときは、前記排気還流率（ＲＥＧＲＴ）を「０」とすることが望ましい。

この構成によれば、機関回転数に応じてスロットル弁の有効開度が算出され、検出されるスロットル弁開度が有効開度以上であるときは、排気還流率が「０」に設定される。機関の低回転状態でスロットル弁開度が急激に増加する急加速が行われると、実際に気筒に供給される空気量の増加は、吸気圧の増加より遅れる。そのため、実吸入空気量と理論吸入空気量（吸気圧に応じて算出される）とを用いて排気還流率を算出すると、算出誤差が大きくなる。検出されるスロットル弁開度が有効開度以上であるときは、実際の排気還流率はほぼ「０」となるので、排気還流率を「０」に設定することにより、実際の排気還流率をより正確に近似することができる。したがって、このように算出される排気還流率を用いて機関制御（点火時期制御、燃料供給量制御）を行うことにより、急加速過渡運転状態における不適切な制御を防止し、ノッキングの発生あるいは排気特性の悪化を防止することができる。

本発明の一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。 図１に示す弁作動特性可変装置の概略構成を示す図である。 吸気弁の作動位相の変化を示す図である。 全排気還流率（ＲＥＧＲＴ）の算出手法を説明するための図である。 大気圧の変化に対する理論全開空気量（ＧＡＷＯＴ）の変化を説明するための図である。 吸気温補正を説明するための図である。 全排気還流率（ＲＥＧＲＴ）と最適点火時期（ＩＧＭＢＴ）との関係を示す図である。 質量燃焼割合（ＲＣＭＢ）の推移を示す図である。 全排気還流率（ＲＥＧＲＴ）とＥＧＲノッキング補正量（ＤＥＧＲＴ）との関係を示す図である。 全排気還流率を算出する処理（第１の実施形態）のフローチャートである。 点火時期（ＩＧＬＯＧ）を算出する処理のフローチャートである。 図１１の処理で実行されるＩＧＫＮＯＣＫ算出処理のフローチャートである。 図１２の処理で参照されるテーブル及びマップの設定を説明するための図である。 実効圧縮比（ＣＭＰＲ）の算出手法を説明するための図である。 第１の実施形態における課題を説明するためのタイムチャートである。 有効スロットル弁開度（ＴＨＥＦＣＴ）を説明するための図である。 全排気還流率を算出する処理（第２の実施形態）のフローチャートである。 図１７の処理で参照されるテーブルを示す図である。

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の実施形態］
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関とその制御装置の構成を示す図であり、図２は弁作動特性可変装置の構成を示す図である。図１において、例えば４気筒を有する内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、吸気弁及び排気弁と、これらを駆動するカムを備えるとともに、吸気弁を駆動するカムの、クランク軸回転角度を基準とした作動位相を連続的に変更するカム位相可変機構としての弁作動特性可変機構４２を有する弁作動特性可変装置４０を備えている。弁作動特性可変機構４２により吸気弁を駆動するカムの作動位相が変更され、吸気弁の作動位相が変更される。

エンジン１の吸気管２にはスロットル弁３が配されている。また、スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、その検出信号は、電子コントロールユニット（以下（ＥＣＵ）という）５に供給される。スロットル弁３には、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ７が接続されており、アクチュエータ７は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される。

排気管２１と吸気管２の間には、排気還流通路２２が設けられており、排気還流通路２２は、スロットル弁３の下流側において吸気管２と接続されている。排気還流通路２２には、排気還流量を制御する排気還流制御弁２３が設けられており、排気還流制御弁２３はＥＣＵ５によりその作動が制御される。

吸気管２には、エンジン１の吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ１３が設けられている。吸入空気流量センサ１３の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

エンジン１の各気筒の点火プラグ１５は、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５は点火プラグ１５に点火信号を供給し、点火時期制御を行う。
スロットル弁３の下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が取付けられている。またエンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出するエンジン冷却水温センサ１０が取り付けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、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１１及び、エンジン１の吸気弁を駆動するカムが固定されたカム軸の回転角度を検出するカム角度位置センサ１２が接続されており、クランク軸の回転角度及びカム軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、一定クランク角周期毎（例えば６度周期）に１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）と、クランク軸の所定角度位置を特定するパルスを発生する。また、カム角度位置センサ１２は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）と、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）でパルス（以下「ＴＤＣパルス」という）を発生する。これらのパルスは、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（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。なお、カム角度位置センサ１２より出力されるＴＤＣパルスと、クランク角度位置センサ１１より出力されるＣＲＫパルスとの相対関係からカム軸の実際の作動位相ＣＡＩＮが検出される。

エンジン１の適宜の位置に、高周波振動を検出するノックセンサ１４が装着されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。またＥＣＵ５には、エンジン１によって駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ３１、当該車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ３２、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ３３が接続されている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

弁作動特性可変装置４０は、図２に示すように、吸気弁の作動位相を連続的に変更する弁作動特性可変機構４２と、吸気弁の作動位相を連続的に変更するために、その開度が連続的に変更可能な電磁弁４４とを備えている。吸気弁の作動位相を示すパラメータとして、上記カム軸の作動位相ＣＡＩＮが用いられる（以下「吸気弁作動位相ＣＡＩＮ」という）。電磁弁４４には、オイルパン４６の潤滑油がオイルポンプ４５により、加圧されて供給される。なお、弁作動特性可変機構４２の具体的な構成は、例えば特開２０００−２２７０１３号公報に示されている。

弁作動特性可変機構４２により、吸気弁は、図３に実線Ｌ２で示す特性を中心として、吸気弁作動位相ＣＡＩＮの変化に伴って破線Ｌ１で示す最進角位相から、一点鎖線Ｌ３で示す最遅角位相までの間の位相で駆動される。本実施形態では、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。

ＥＣＵ５は各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路のほか、アクチュエータ７、燃料噴射弁６、点火プラグ１５、排気還流制御弁２３、及び電磁弁４４に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、上記センサの検出信号に応じて、点火時期制御、スロットル弁３の開度制御、エンジン１に供給する燃料量（燃料噴射弁６の開弁時間）の制御、排気還流制御弁２３による排気還流制御、及び電磁弁４４による弁作動特性の制御を行う。

図４は、本実施形態における全排気還流率（以下「全ＥＧＲ率」という）ＲＥＧＲＴの算出手法を説明するための図であり、吸気圧ＰＢＡと、エンジンに吸入されるガス量（空気量＋還流排気量）との関係（エンジン回転数ＮＥ及び吸気弁作動位相ＣＡＩＮは一定）を示す。全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴは、内部排気還流と排気還流通路２２を介した外部排気還流による全還流排気量の、全吸入ガス量（理論吸入空気量ＧＡＴＨ）に対する比率である（下記式（２）参照）。

この図において、動作点ＰＷＯＴは、スロットル弁３を全開とした状態に対応し、外部排気還流が行われず、かつ内部排気還流が無いと仮定した理想的な動作点を示す。動作点ＰＷＯＴでは、吸入空気量はエンジン回転数ＮＥ一定の条件下で最大となる。なお、スロットル弁３を全開とした状態においても実際には残留ガス率（内部排気還流率）が「０」となることはない。ただし、吸気圧ＰＢＡＷＯＴはほぼ大気圧ＰＡと等しくなるので、内部排気還流率は最小となる。動作点ＰＷＯＴと原点を通る直線ＬＴＨは、外部排気還流が行われず、かつ内部排気還流が無いと仮定した理想的な吸入空気量と吸気圧との関係を示す。以下この直線ＬＴＨを、「理論吸入空気量直線ＬＴＨ」という。また線Ｌ１１及びＬ１２は、ぞれぞれ内部排気還流のみを考慮したときの関係、及び内部排気還流及び外部排気還流をともに考慮したときの関係を示す。なお、線Ｌ１１及びＬ１２は、実際には直線とはならないが、説明のために直線で示している。

吸気圧がＰＢＡ１である状態に対応する、理論吸入空気量直線ＬＴＨ上のガス量を「理論吸入空気量ＧＡＴＨ」とすると、理論吸入空気量ＧＡＴＨは、下記式（１）で表される。式（１）のＧＡＩＲＣＹＬは吸入空気量（新気量）であり、ＧＥＧＲＩＮ，ＧＥＧＲＥＸ，及びＧＥＧＲＴは、それぞれ内部還流排気量、外部還流排気量、及び全還流排気量である。
ＧＡＴＨ＝ＧＡＩＲＣＹＬ＋ＧＥＧＲＩＮ＋ＧＥＧＲＥＸ
＝ＧＡＩＲＣＹＬ＋ＧＥＧＲＴ （１）

したがって、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴは、下記式（２）により算出される。
ＲＥＧＲＴ＝ＧＥＧＲＴ／ＧＡＴＨ
＝（ＧＡＴＨ−ＧＡＩＲＣＹＬ）／ＧＡＴＨ （２）

図５は、大気圧が変化した場合を説明するための図であり、全開動作点ＰＷＯＴ１が基準状態に対応する動作点であり、吸気圧ＰＢＡが基準吸気圧ＰＢＡＳＴＤ（例えば１００ｋＰａ（７５０ｍｍＨｇ））である状態に相当する。当該車両が高地に移動し大気圧が低下するのに伴って、動作点ＰＷＯＴ１は理論吸入空気量直線ＬＴＨ上を、動作点ＰＷＯＴ２，ＰＷＯＴ３のように移動する。各動作点ＰＷＯＴ１〜ＰＷＯＴ３から出発する曲線Ｌ２１〜Ｌ２３は、それぞれ内部排気還流を考慮した（外部排気還流を行わない場合の）吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを示す。

このように本実施形態では、大気圧変化に対して理論吸入空気量直線ＬＴＨを変更する必要がなく、高地においても正確な全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを算出することができる。

ただし、吸気温ＴＡの変化に伴う空気密度補正を行う必要があり、検出される吸気温ＴＡに応じて下記式（３）による補正を行う。式（３）のＴＡＳＴＤは、基準状態の吸気温（例えば２５℃）であり、ＧＡＷＯＴＳＴＤは、基準状態における全開動作点ＰＷＯＴに対応する吸入空気量であり、以下「基準理論全開空気量ＧＡＷＯＴＳＴＤ」という。またＧＡＷＯＴは、検出される吸気温ＴＡの運転状態における全開動作点ＰＷＯＴに対応する吸入空気量であり、「理論全開空気量ＧＡＷＯＴ」という。「ｎ」は、実験により「０」から「１」の間の値に設定される定数であり、例えば「０．５」に設定される。

図６に示す直線ＬＴＨＳＴＤが基準状態における理論吸入空気量直線であり、直線ＬＴＨが検出吸気温ＴＡに対応する理論吸入空気量直線である。なお図６は、検出吸気温ＴＡが基準吸気温ＴＡＳＴＤより高い例に対応する。

図７は、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴと、最適点火時期ＩＧＭＢＴとの関係（エンジン回転数ＮＥは一定）を示す図である。最適点火時期ＩＧＭＢＴは、エンジン出力トルクが最大となる点火時期である。この図において、記号●及び○は、吸気弁作動位相ＣＡＩＮが０度の運転状態に対応し、記号■及び□は、吸気弁作動位相ＣＡＩＮが２０度の運転状態に対応し、記号▲及び△は、吸気弁作動位相ＣＡＩＮが４５度の運転状態に対応する。また記号●，■及び▲は、外部排気還流を行わない場合（内部排気還流のみ）に対応し、記号○，□及び△は、外部排気還流を行った場合（内部排気還流＋外部排気還流）に対応する。

図７から、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴと、最適点火時期ＩＧＭＢＴとの関係が、吸気弁の作動位相ＣＡＩＮ、あるいは外部排気還流の有無に依存せず、曲線Ｌ３１で代表させることが可能であることが確認される。したがって、エンジン回転数ＮＥ及び全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴに応じて設定された最適点火時期算出マップ（ＩＧＭＢＴマップ）を１つ設けておくことにより、すべての運転状態に対応した最適点火時期の設定を行うことが可能となる。よって、マップ設定工数を大幅に低減することができる。

図８は、燃焼室内に吸入された混合気の質量燃焼割合ＲＣＭＢの変化特性（横軸はクランク角度ＣＡ）を示す図である。同図（ａ）は、充填効率ηｃを一定として、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを変化させたときの特性を示しており、曲線Ｌ４１〜Ｌ４３は、それぞれ、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴが６．３％，１６．２％，及び２６．３％である運転状態に対応する。曲線Ｌ４１が最も燃焼速度が速いことを意味する。すなわち、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴは、混合気の燃焼速度を変化させる主要因であることが確認される。

一方図８（ｂ）は、全ＥＧＲ率を一定として充填効率ηｃを変化させたときの特性（実線、破線、及び一点鎖線）を示している。図に示す実線、破線、及び一点鎖線は、ほとんど重なっており、充填効率ηｃを変化させても混合気の燃焼速度はほとんど変化しないことが確認できる。したがって、最適点火時期ＩＧＭＢＴを充填効率ηｃ（吸入新気量）ではなく、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴに応じて設定することが適切であることが確認できる。

図９は、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴと、ＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴとの関係（エンジン回転数ＮＥは一定）を示す図である。ＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴは、ノッキングの発生限界を示すノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫの算出に適用される点火時期補正量であり、還流排気量の変化に対応した補正を行うために適用される。この図に示す記号○，□及び△は、充填効率ηｃが異なる状態に対応するデータを示しており、充填効率ηｃに依存しないことが確認できる。したがって、エンジン回転数ＮＥが一定の状態では、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴと、ＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴとの関係は、曲線Ｌ５１で代表させることができる。よって、ＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴは、エンジン回転数ＮＥ及び全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴに応じて設定されたＤＥＧＲＴマップを用いることにより、適切に設定することができる。なお、曲線Ｌ５１で示される関係は、基本的には吸気弁作動位相ＣＡＩＮに依存しないが、エンジン特性のばらつきなどによって吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じた修正が必要となることも考えられる。そのような場合には、吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じた複数のテーブルを設けるか、あるいは吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じた補正を行うようにしてもよい。

図１０は、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを算出する処理のフローチャートである。この処理はＴＤＣパルスの発生に同期してＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１１では、エンジン回転数ＮＥ及び吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じて設定されたＧＡＷＯＴＳＴＤマップを検索し、基準理論全開空気量ＧＡＷＯＴＳＴＤを算出する。ステップＳ１２では、上記式（３）による吸気温ＴＡに応じた補正を行い、理論全開空気量ＧＡＷＯＴを算出する。

ステップＳ１３では、検出される吸気圧ＰＢＡを下記式（４）に適用し、理論吸入空気量ＧＡＴＨを算出する。
ＧＡＴＨ＝ＧＡＷＯＴ×ＰＢＡ／ＰＢＡＳＴＤ （４）

ステップＳ１４では、検出される吸入空気流量ＧＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］を下記式（５）に適用し、１つの気筒の１吸気行程における吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬに変換する。式（５）のＫＣは、変換係数である。
ＧＡＩＲＣＹＬ＝ＧＡＩＲ×ＫＣ／ＮＥ （５）
ステップＳ１５では、前記式（２）により、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを算出する。

図１１は、圧縮上死点からの進角量で示される点火時期ＩＧＬＯＧを算出する処理のフローチャートである。この処理はＴＤＣパルスの発生に同期してＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。

ステップＳ２１では、エンジン回転数ＮＥ及び全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴに応じてＩＧＭＢＴマップ（図７参照）を検索し、最適点火時期ＩＧＭＢＴを算出する。ステップＳ２２では、図１２に示すＩＧＫＮＯＣＫ算出処理を実行し、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫを算出する。

ステップＳ２３では、最適点火時期ＩＧＭＢＴがノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫ以上であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、基本点火時期ＩＧＢをノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫに設定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２３で最適点火時期ＩＧＭＢＴの方が小さいときは、基本点火時期ＩＧＢを最適点火時期ＩＧＭＢＴに設定する（ステップＳ２５）。

ステップＳ２６では、基本点火時期ＩＧＢに例えばエンジン冷却水温ＴＷに応じて算出される補正値ＩＧＣＲを加算して、点火時期ＩＧＬＯＧを算出する。
ＥＣＵ５のＣＰＵは、算出された点火時期ＩＧＬＯＧに応じて点火プラグ１５による点火を行う。

図１２は、図１１のステップＳ２２で実行されるＩＧＫＮＯＣＫ算出処理のフローチャートである。
ステップＳ３１では、エンジン回転数ＮＥ及び吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬに応じてＩＧＫＮＯＣＫＢマップを検索し、基本ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫＢを算出する。ＩＧＫＮＯＣＫＢマップは、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴが所定基準値に設定され、かつ吸気弁作動位相ＣＡＩＮが「０度」に設定された状態に対応して設定されている。

ステップＳ３２では、吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じて図１３（ａ）に示すＣＭＰＲテーブルを検索し、実効圧縮比ＣＭＰＲを算出する。吸気弁作動位相ＣＡＩＮが変化すると、吸気弁の閉弁時期ＣＡＣＬが変化し、実効圧縮比ＣＭＰＲが変化する。ＣＭＰＲテーブルには、予め算出された吸気弁作動位相ＣＡＩＮと実効圧縮比ＣＭＰＲとの関係が設定されている。

ステップＳ３３では、実効圧縮比ＣＭＰＲ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤＣＭＰＲマップを検索し、圧縮比ノッキング補正量ＤＣＭＰＲを算出する。圧縮比ノッキング補正量ＤＣＭＰＲは、図１３（ｂ）に示すように、「０」以下の値をとり、実効圧縮比ＣＭＰＲが増加するほど減少するように設定されている。

ステップＳ３４では、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴ及びエンジン回転数ＮＥに応じてＤＥＧＲＴマップを検索し、ＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴを算出する。ＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴは、「０」より大きい値をとり、図９に示すように全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴが増加するほど増加するように設定されている。

ステップＳ３５では、下記式（６）に基本ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫＢ、圧縮比ノッキング補正量ＤＣＭＰＲ、及びＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴを適用し、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫを算出する。
ＩＧＫＮＯＣＫ＝ＩＧＫＮＯＣＫＢ＋ＤＣＭＰＲ＋ＤＥＧＲＴ （６）

なお、本実施形態では、燃料噴射弁６の開弁時間、すなわち燃料噴射量ＴＯＵＴも、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを用いて算出される。
またノックセンサ１４によるノッキングの検出結果に応じてノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫの修正が行われるが、図１２においては省略されている。

図１４は、実効圧縮比ＣＭＰＲを算出する手法を説明するための図であり、同図（ａ）は吸気弁のリフトカーブを示し、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部、すなわちリフトカーブの閉弁時期近傍を拡大して示す。これらの図に示す各リフトカーブＬ６１，Ｌ６２，Ｌ６３のそれぞれに対応して、リフト量ＬＦＴが所定リフト量閾値ＬＦＴＣＭＰ（「０」より若干大きいリフト量に設定される）と等しくなるクランク角度ＣＡ１，ＣＡ２，ＣＡ３を求め、図１４（ｃ）に示すように各クランク角度ＣＡ１〜ＣＡ３におけるピストン位置に対応する気筒容積ＶＣＣ１，ＶＣＣ２，ＶＣＣ３を求める。各リフトカーブＬ６１〜Ｌ６３に対応する実効圧縮比ＣＭＰＲ１，ＣＭＰＲ２，ＣＭＰＲ３は、下記式（７）〜（９）により算出される。ＶＣＣＴＤＣは、ピストンが上死点位置するときの気筒容積である。
ＣＭＰＲ１＝ＶＣＣ１／ＶＣＣＴＤＣ （７）
ＣＭＰＲ２＝ＶＣＣ２／ＶＣＣＴＤＣ （８）
ＣＭＰＲ３＝ＶＣＣ３／ＶＣＣＴＤＣ （９）

以上のように本実施形態では、スロットル弁３を全開にした状態に対応する吸入空気量である理論全開空気量ＧＡＷＯＴが、吸気弁作動位相ＣＡＩＮ及びエンジン回転数ＮＥに応じて算出され、還流排気量が「０」である仮想的な状態に対応する理論吸入空気量ＧＡＴＨが、理論全開空気量ＧＡＷＯＴ及び吸気圧ＰＢＡに応じて算出され、検出される吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬと理論吸入空気量ＧＡＴＨとを用いて全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴが算出される。したがって、排気還流率を算出するために、種々のエンジン運転状態に対応する多数のマップを予め設定しておく必要がなく、マップ設定工数を大幅に低減することができる。さらに大気圧が変化してもそれに伴う補正演算は不要であり、排気還流率を簡便かつ正確に算出することが可能となる。

また最適点火時期ＩＧＭＢＴが全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴに応じて算出されるので、内部排気還流まで考慮された高精度の最適点火時期ＩＧＭＢＴを得ることができる。また全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴと最適点火時期ＩＧＭＢＴとの関係は、吸気弁作動位相ＣＡＩＮや外部排気還流の有無の影響を受けないことが確認されているので（図７）、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴに応じて最適点火時期ＩＧＭＢＴを設定することにより、エンジン運転状態に適した最適点火時期ＩＧＭＢＴを簡便に算出することができる。そして、算出された最適点火時期ＩＧＭＢＴを用いて点火時期制御を行うことにより、エンジンの出力性能を十分に発揮させることができる。

また全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴに応じてＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴが算出され、基本ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫＢを、ＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴにより補正することによりノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫが算出される。ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫは全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴとの相関性が高いので（図９参照）、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴに応じて算出されるＥＧＲノッキング補正量ＤＥＧＲＴによる補正を行うことにより、ノッキングを確実に回避可能な範囲でエンジン出力を最大化する点火時期制御を高精度に行うことができる。

また吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じて圧縮比ノッキング補正量ＤＣＭＰＲが算出され、基本ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫＢが圧縮比ノッキング補正量ＤＣＭＰＲにより補正されるので、吸気弁作動位相ＣＡＩＮをエンジン運転状態に応じて変化させる場合においても正確なノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫを得ることができる。

より具体的には、吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じてエンジンの実効圧縮比ＣＭＰＲが算出され、該実効圧縮比ＣＭＰＲに応じて圧縮比ノッキング補正量ＤＣＭＰＲが算出される。ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫは実効圧縮比ＣＭＰＲに依存して変化するので、吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じて実効圧縮比ＣＭＰＲを算出し、その実効圧縮比ＣＭＰＲに応じて基本ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫＢを補正することにより、より適切な補正を行うことができる。

本実施形態では、クランク角度位置センサ１１及び吸気圧センサ８が、回転数検出手段及び吸気圧検出手段に相当し、弁作動特性可変機構４２が吸気弁作動位相可変機構に相当し、吸入空気流量センサ１３が吸入空気量取得手段に相当し、ＥＣＵ５が、全開吸入空気量算出手段、理論吸入空気量算出手段、排気還流率算出手段、最適点火時期算出手段、ノック限界点火時期算出手段、及び補正手段を構成する。具体的には、図１０のステップＳ１１及びＳ１２が全開吸入空気量算出手段に相当し、ステップＳ１３が理論吸入空気量算出手段に相当し、ステップＳ１５が排気還流率算出手段に相当し、図１１のステップＳ２１が最適点火時期算出手段に相当し、図１２の処理がノック限界点火時期算出手段に相当し、ステップＳ３２，Ｓ３３，及びＳ３５が補正手段に相当する。

［第２の実施形態］
上述した図１０に示す処理により算出される全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴは、スロットル弁開度ＴＨの変化速度が比較的低いときは、実際の全排気還流率とを精度よく一致する。しかし、スロットル弁開度増加速度が高い過渡運転状態（以下「急加速運転状態」という）においては、実際に気筒に吸入される空気量ＧＡＩＲＡＣＴの変化遅れのために、算出精度が低下するという課題がある。図１５は、この課題を説明するためのタイムチャートであり、エンジン回転数ＮＥが低回転の状態（例えば７００ｒｐｍ程度）から急加速運転状態に移行したときにおけるスロットル弁開度ＴＨ、吸気圧ＰＢＡ、実吸入空気量ＧＡＩＲＡＣＴ、及び算出される全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴの推移を示す。

図１５（ａ）〜図１５（ｃ）を比較すると明らかなように、吸気圧ＰＢＡの増加はスロットル弁開度ＴＨの増加より遅れ、実吸入空気量ＧＡＩＲＡＣＴの増加は、吸気圧ＰＢＡの増加よりさらに遅れる。そのため、急加速運転状態における実際の全ＥＧＲ率は、加速開始前より減少するにもかかわらず、吸気圧ＰＢＡ及び検出吸気流量ＧＡＩＲを用いて算出される全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴは、６０％程度まで増加する（図１５（ｄ））。その結果、この全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを用いて算出される点火時期ＩＧＬＯＧは、所望値より大幅に進角されて、ノッキングを発生させることになる。

そこで本実施形態では、スロットル弁開度ＴＨが有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴ以上であるときは、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを「０」に設定するようにしている。有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴは、スロットル弁開度ＴＨの増加に対して吸気圧ＰＢＡがほとんど増加しなくなるスロットル弁開度、より具体的には、エンジン回転数が一定であるという条件の下で、スロットル弁開度ＴＨの増加に対する吸気圧ＰＢＡの増加率（ｄＰＢＡ／ｄＴＨ）が所定増加率以下となるスロットル弁開度である。例えば、エンジン回転数が７００ｒｐｍであるときのスロットル弁開度ＴＨと吸気圧ＰＢＡとの関係は、図１６に示すようになり、同図に示すＴＨＥＦＣＴが有効スロットル弁開度であり、ＴＨＦＯが全開開度である。エンジン回転数が低いときは比較的低開度で吸気圧ＰＢＡが飽和するため、有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴは比較的小さな開度（例えば全開開度ＴＨＦＯの１５％〜２０％程度の開度）となる。

スロットル弁開度ＴＨが有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴ以上であるときは、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを「０」に設定することにより、図１５の時刻ｔ１近傍で全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴが「０」に設定されるので、上記課題を解決することができる。

図１７は、本実施形態における全ＥＧＲ率算出処理のフローチャートである。この処理は、図１０に示す処理にステップＳ２１〜Ｓ２３を追加したものである。

ステップＳ２１では、エンジン回転数ＮＥに応じて図１８に示すＴＨＥＦＣＴテーブルを検索し、有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴを算出する。ＴＨＥＦＣＴテーブルは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴが増加するように設定されている。

ステップＳ２２では、スロットル弁開度ＴＨが有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴ以上であるか否かを判別する。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、エンジン１が上述した急加速過転状態にあると判定し、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを「０」に設定する（ステップＳ２３）。ステップＳ２２の答が否定（ＮＯ）、すなわちスロットル弁開度ＴＨが有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴより小さいときは、ステップＳ１５に進み、式（２）を用いて全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを算出する。

以上のように本実施形態では、エンジン回転数ＮＥに応じて有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴが算出され、検出されるスロットル弁開度ＴＨが有効開度ＴＨＥＦＣＴ以上であるときは、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴが「０」に設定される。エンジンの低回転状態でスロットル弁開度ＴＨが急激に増加する急加速運転状態では、実際に気筒に供給される空気量の増加は、吸気圧ＰＢＡの増加より遅れるため（図１５参照）、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬと、吸気圧ＰＢＡに応じて算出される理論吸入空気量ＧＡＴＨとを用いて全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを算出すると、算出誤差が大きくなる。検出されるスロットル弁開度ＴＨが有効スロットル弁開度ＴＨＥＦＣＴ以上であるときは、実際の排気還流率はほぼ「０」となるので、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを「０」に設定することにより、実際の排気還流率を正確に近似することができる。その結果、全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを用いて点火時期ＩＧＬＯＧ及び燃料噴射量ＴＯＵＴの制御を行うことにより、急加速過渡運転状態における不適切な制御を防止し、ノッキングの発生や排気特性の悪化を防止することができる。

本実施形態では、スロットル弁開度センサ４がスロットル弁開度検出手段に相当し、図１７のステップＳ２１が有効開度算出手段に相当し、ステップＳ１５，Ｓ２２，及びＳ２３が排気還流率算出手段に相当する。

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、吸入空気量センサ１３により検出される吸入空気流量ＧＡＩＲを用いて全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴを算出するようにしたが、スロットル弁開度ＴＨ，大気圧ＰＡ，及び吸気圧ＰＢＡに応じて推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを算出し、推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを用いて全ＥＧＲ率ＲＥＧＲＴ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、排気還流通路２２による外部排気還流が行われる内燃機関の制御に本発明を適用した例を示したが、外部排気還流が行われない（内部排気還流のみが行われる）内燃機関の制御にも本発明は適用可能である。

また上述した実施形態では、吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じて実効圧縮比ＣＭＰＲを算出し、実効圧縮比ＣＭＰＲに応じて圧縮比ノッキング補正量ＤＣＭＰＲを算出するようにしたが、吸気弁作動位相ＣＡＩＮに応じて直接、圧縮比ノッキング補正量ＤＣＭＰＲを算出するようにしてもよい。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

１ 内燃機関
２ 吸気管
３ スロットル弁
４ スロットル弁開度センサ（スロットル弁開度検出手段）
５ 電子制御ユニット（全開吸入空気量算出手段、理論吸入空気量算出手段、排気還流率算出手段、最適点火時期算出手段、ノック限界点火時期算出手段、補正手段、有効開度算出手段）
８ 吸気圧センサ（吸気圧検出手段）
１１ クランク角度位置センサ（回転数検出手段）
１３ 吸入空気量センサ（吸入空気量取得手段）
４２ 弁作動特性可変機構（吸気弁作動位相可変機構）

Claims (12)

1. 吸気通路内に設けられたスロットル弁を備える内燃機関の制御装置において、
   前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記機関の吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
   前記スロットル弁を全開にした状態に対応する吸入空気量である全開吸入空気量を、前記機関回転数に応じて算出する全開吸入空気量算出手段と、
   前記機関の排気が前記機関の燃焼室に還流されない状態に対応する理論吸入空気量を、前記全開吸入空気量及び前記吸気圧に応じて算出する理論吸入空気量算出手段と、
   前記機関の実吸入空気量を検出または推定する吸入空気量取得手段と、
   前記理論吸入空気量及び実吸入空気量を用いて排気還流率を算出する排気還流率算出手段とを備え、
   前記排気還流率を用いて前記機関を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記機関の出力を最大とする最適点火時期を前記排気還流率に応じて算出する最適点火時期算出手段を有し、前記最適点火時期を用いて前記機関の点火時期を制御する点火時期制御手段をさらに備える請求項１の制御装置。
3. 前記点火時期制御手段は、前記機関におけるノッキングの発生限界に対応するノック限界点火時期を、前記排気還流率に応じて算出するノック限界点火時期算出手段を有し、前記最適点火時期またはノック限界点火時期の何れか遅角側の点火時期を用いて前記点火時期の制御を行う請求項２の制御装置。
4. 前記機関は吸気弁の作動位相を変更する吸気弁作動位相可変機構を備え、
   前記点火時期制御手段は、前記作動位相に応じて前記ノック限界点火時期を補正する補正手段を有する請求項３の制御装置。
5. 前記補正手段は、前記作動位相に応じて前記機関の実効圧縮比を算出し、該実効圧縮比に応じて前記ノック限界点火時期を補正する請求項４の制御装置。
6. 前記スロットル弁の開度を検出するスロットル弁開度検出手段と、
   前記スロットル弁開度の増加に対する前記吸気圧の増加率が所定増加率以下となる前記スロットル弁の有効開度を、前記機関回転数に応じて算出する有効開度算出手段とをさらに備え、
   前記排気還流率算出手段は、前記スロットル弁開度が前記有効開度以上であるときは、前記排気還流率を「０」とする請求項１からの５の何れか１項の制御装置。
7. 吸気通路内に設けられたスロットル弁を備える内燃機関の制御方法において、
   ａ）前記機関の回転数を検出し、
   ｂ）前記機関の吸気圧を検出し、
   ｃ）前記スロットル弁を全開にした状態に対応する吸入空気量である全開吸入空気量を、前記機関回転数に応じて算出し、
   ｄ）前記機関の排気が前記機関の燃焼室に還流されない状態に対応する理論吸入空気量を、前記全開吸入空気量及び前記吸気圧に応じて算出し、
   ｅ）前記機関の実吸入空気量を検出または推定し、
   ｆ）前記理論吸入空気量及び実吸入空気量を用いて排気還流率を算出し、
   ｇ）前記排気還流率を用いて前記機関を制御するステップを備えることを特徴とする内燃機関の制御方法。
8. 前記ステップｇ）は、
   ｈ）前記機関の出力を最大とする最適点火時期を前記排気還流率に応じて算出し、
   ｉ）前記最適点火時期を用いて前記機関の点火時期を制御するステップを含む請求項７の制御方法。
9. 前記ステップｉ）は、
   ｊ）前記機関におけるノッキングの発生限界に対応するノック限界点火時期を、前記排気還流率に応じて算出するステップを含み、
   前記最適点火時期またはノック限界点火時期の何れか遅角側の点火時期を用いて前記点火時期が制御される請求項８の制御方法。
10. 前記機関は吸気弁の作動位相を変更する吸気弁作動位相可変機構を備え、
    前記ステップｉ）は、
    ｋ）前記作動位相に応じて前記ノック限界点火時期を補正するステップをさらに含む請求項９の制御方法。
11. 前記ステップｋ）は、
    ｌ）前記作動位相に応じて前記機関の実効圧縮比を算出し、
    ｍ）該実効圧縮比に応じて前記ノック限界点火時期を補正するステップを含む請求項１０の制御方法。
12. ｎ）前記スロットル弁の開度を検出し、
    ｏ）前記スロットル弁開度の増加に対する前記吸気圧の増加率が所定増加率以下となる前記スロットル弁の有効開度を、前記機関回転数に応じて算出するステップをさらに備え、
    前記ステップｆ）において、前記スロットル弁開度が前記有効開度以上であるときは、前記排気還流率が「０」とされる請求項７からの１１の何れか１項の制御方法。

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