WO2006054790A1

WO2006054790A1 - 内燃機関の制御装置および空燃比算出方法

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Publication number: WO2006054790A1
Application number: PCT/JP2005/021626
Authority: WO
Inventors: Hidenori Moriya
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2006-05-26
Also published as: EP1813798A4; CN101061305A; JP2006144643A; US20080195294A1; CN101061305B; EP1813798A1; JP4362826B2; US7549414B2

Abstract

燃料および空気の混合気を各燃焼室（３）内で燃焼させて動力を発生する内燃機関（１）は、燃焼室（３）に設けられて筒内圧力を検出する筒内圧センサ（１５）およびＥＣＵ（２０）を備える。ＥＣＵ（２０）は、筒内圧センサ（１５）によって検出される筒内圧力に基づいて、燃焼室（３）内の空気の熱量Ｑａｉｒと、燃焼室（３）内に供給された燃料の燃焼による発熱量Ｑｆｕｅｌを算出し、空気の熱量Ｑａｉｒと燃料の発熱量Ｑｆｕｅｌとに基づいて燃焼室（３）における空燃比ＡＦを算出する。

Description

明細書内燃機関の制御装置および空燃比算出方法技術分野

本発明は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置および空燃比算出方法に関する。背景技術

従来から、内燃機関の制御装置として、上死点前 6 0 ° となるタイミングで検出される筒内圧力と、上死点後 6 0 ° となるタイミングで検出される筒内圧力との比に基づいて燃焼室における空燃比を推定するものが知られている（例えば、日本国特開平 5— 5 9 9 8 6号公報参照。 ) 。この内燃機関の制御装置には、上述の筒内圧力の比と燃焼室における空燃比との相関を運転条件ごとに規定するテーブルが備えられており、このテーブルから上述の筒内圧力の比に対応した空燃比が読み出される。

しかしながら、所定の 2点間における筒内圧力の比と燃焼室における空燃比との相関を運転条件ごとにきめ細かく規定することは容易ではなく、この点から、従来の制御装置を実際に内燃機関に適用することは困難である。

そこで、本発明は、燃焼室における空燃比を高精度に検出可能とする実用的な内燃機関の制御装置および空燃比算出方法の提供を目的とする。発明の開示

本発明による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、燃焼室における筒内圧カを検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃焼室内の熱量を算出する筒内エネルギ算出手段と、筒内エネルギ算出手段によつて算出された熱量に基づいて燃焼室における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備えることを特徴とする。

この場合、筒内エネルギ算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて上記熱量を算出すると好ましい。

また、筒内エネルギ算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて上記熱量を算出すると好ましい。

そして、筒内エネルギ算出手段は、燃焼室内に吸入された空気の熱量と燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量とを算出し、空燃比導出手段は、筒内ェネルギ算出手段によって算出された空気の熱量と燃料の発熱量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出するとよい。

この場合、筒内エネルギ算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の吸気行程中の所定の 2点間における偏差に基づいて空気の熱量を算出すると好ましく、筒内エネルギ算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の燃焼開始から実質的な燃焼完了までの間における所定の 2点間の偏差に基づいて燃料の発熱量を算出すると好ましい。

また、筒内エネルギ算出手段は、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定される場合、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による熱量を算出し、空燃比導出手段は、筒内エネルギ算出手段によって算出された燃料の発熱量と燃焼室に対して供給された燃料の量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出すると好ましい。

更に、筒内エネルギ算出手段は、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値に設定される場合、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、空燃比導出手段は、筒内エネルギ算出手段によって算出された燃料の発熱量と燃焼室内に吸入された空気の量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出すると好ましい。

また、本発明による内燃機関の制御装置は、空燃比導出手段によって算出される空燃比と予め設定される目標空燃比とがー致するように所定の補正量を算出する補正手段を更に備えると好ましい。

本発明による内燃機関の空燃比算出方法は、燃料室内における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段を有し、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、

( a)筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃焼室内の熱量を算出するステップと、

( b) ステップ（a ) で算出した熱量に基づいて、燃焼室における空燃比を導出するステップとを含むことを特徴とする。

この場合、ステップ（a ) では、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて上記熱量を算出すると好ましい。

また、ステップ（a ) では、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて上記熱量を算出すると好ましい。

そして、ステップ（a ) では、燃焼室内に吸入された空気の熱量と燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量とを算出し、ステップ（b ) では、ステップ ( a )で算出した空気の熱量と燃料の発熱量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出するとよい。

この場合、ステップ（a ) では、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の吸気行程中の所定の 2点間における偏差に基づいて空気の熱量を算出すると好ましく、ステップ（a ) では、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の燃焼開始から実質的な燃焼完了までの間における所定の 2点間の偏差に基づいて燃料の発熱量を算出すると好ましい。

また、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定される場合に、ステップ（ a )では、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、ステップ（b ) では、ステップ（a ) で算出した燃料の発熱量と燃焼室に対して供給される燃料の量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出すると好ましい。更に、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値に設定される場合に、ステップ（a )では、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、ステップ（b ) では、ステップ（a ) で算出した燃料の発熱量と燃焼室内に吸入された空気の量とに基づいて燃焼室における空燃比を導出すると好ましい。図面の簡単な説明

図 1は、燃焼室に供給された燃料の燃焼による発熱量と、燃焼室内における混合気の空燃比との相関を示すグラフである。

図 2は、燃料の燃焼による発熱量を燃料供給時間によって正規化した値と燃焼室における空燃比とのリーン域における相関をすグラフである。

図 3は、燃料の燃焼による発熱量を吸入空気量によって正規化した値と燃焼室における空燃比とのリツチ域における相関を示すグラフである。

図 4は、本発明において用いられる積値 P V ^Kと、燃焼室内における熱発生量との相関を示すグラフである。

図 5は、本発明による制御装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。図 6は、図 5の内燃機関において実行される空燃比算出ルーチンを説明するためのフローチャートである。図 7は、図 5の内燃機関において実行され得る他の空燃比算出ルーチンを説明するためのフローチャートである。発明を実施するための最良の形態

本発明者は、燃焼室における空燃比を高精度に検出可能とする実用的な装置および方法の実現を図るべく鋭意研究を重ねた。その結果、燃焼室内の熱量、具体的には、燃焼室内に吸入された空気の熱量や、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量に着目するに至った。すなわち、所定期間について算出される燃焼室内の熱量を空気あるいは燃料の低位発熱量で除することにより、燃焼室内に吸入された空気や燃焼室に対して供給された燃料の質量を得ることができる。従って、燃焼室内の熱量を求めれば、当該熱量に基づいて燃焼室における空気と燃料との質量比である空燃比を精度よく導出することが可能となる。

具体的には、燃焼室内に吸入された空気の熱量を Q_{ai I}_とし、燃焼室に対して供給された燃料が燃焼により発生する熱量を Q _iue iとし、空気の低位発熱量を Q _a i ^とし、燃焼室内で気化した燃料の低位発熱量を Q _fue 1とすれば、燃焼室における空燃比 A Fは、空気の熱量 Q_{ai r}と燃料の発熱量 Q_{iue l}とに基づいて、次の（1) 式のように表わされる。

AF= ^{Qair 1 (Iair} ■■■ (1 )

Qfiiel · l fiiel ところで、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量 Q_{iue l}と燃焼室における混合気の空燃比との間には、図 1に示されるような相関が認められる。すなわち、燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比よりも小さい範囲（リッチ域）では、燃料の燃焼による発熱量 Q_{iue l}の変化（率）は微小であり、空燃比が変化しても燃料の発熱量 Q_{iue l}は殆ど変化しない。これに対して、燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比を上回ってリ一ン域に入ると、燃料の発熱量 Q_{iue l}は、いわゆるリーン限界まで空燃比に概ね比例して減少するようになる。そして、図 1に示される燃料の発熱量 Q_{f ue l}と燃焼室における空燃比との相関を利用することにより、燃焼室における空燃比を次のようにして求めることが可能となる。

すなわち、燃料の発熱量 Q_{iue l}が空燃比に概ね比例するリーン域（図 1参照）において、燃料の燃焼による発熱量 Q_{iue l}を燃焼室に対して供給された燃料の量に相当する燃料噴射時間（燃焼供給時間）てで除して正規化すると、値 Q_iuelZ てと燃焼室内の混合気の空燃比との間には、内燃機関の負荷にかかわらず、図 2 に示されるような相関が成立し、値 Q_{iue l}Zては、リーン域において空燃比に概ね比例して減少する。これにより、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値（リーンな値）に設定される場合には、燃焼室に対して供給された燃料の発熱量 Q_{fue l}と、燃焼室に対して供給される燃料の量に相当する燃料噴射時間てとに基づいて、燃焼室における空燃比 AFを次の（2) 式から求めることができる。なお、（2) 式において、およびは実験的に求められる定数であり、 ε は燃料に関して理論的に求められる発熱量変換係数である。

AF= _{= AL} ._s. fa ₊ c_L ... (2)

Qfael ¹ Ifiel ^τ 一方、燃料の燃焼による発熱量 Q _f u _e ,が空燃比によらず概ね一定となるリッチ域（図 1参照）において、燃料の発熱量 Q_{fue l}を燃焼室への吸入空気量 m_aで除して正規化すると、値 Q_{iue l}Zm_aと燃焼室内の混合気の空燃比との間には、内燃機関の負荷にかかわらず、図 3に示されるような相関が成立し、値 Qfue iZm は、リーン域において空燃比に概ね比例して増加する。これにより、燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値（リッチな値）に設定される場合には、燃焼室に対して供給された燃料の発熱量 Q_{iue l}と、燃焼室内に吸入された空気の量 m_aとに基づいて、燃焼室における空燃比 AFを次の（3) 式から求めることができる。なお、（3) 式において、 A_Rおよび C_Rは実験的に求められる定数であり、 δ は空気に関して理論的に求められる発熱量変換係数である。

このように、燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量 Q _{f u e}！と燃焼室における混合気の空燃比との相関を利用すると共に、リーン域とリッチ域とにおいて燃料の発熱量 Q _{f ue} ,を正規化することにより、リーン域とリツチ域とのそれぞれにおいて、燃料の発熱量 Q_{iue I}を正規化した値と空燃比との負荷に依存しない相関を得ることが可能となり、リ一ン域とリツチ域とのそれぞれにおける相関から空燃比を精度よく求めることができる。また、上記（2) および（3) 式を用いれば、燃料の発熱量 Q_{iue l}のみを求めればよく、空気の熱量 Q_{a i r}を求める必要がなくなることから、空燃比の算出時の演算負荷を低減させることが可能となる。さて、上述のように、上記（1) 式あるいは上記（2) および（3) 式を用いることにより、燃焼室内の熱量に基づいて燃焼室における空燃比を精度よく求めることが可能となるが、本発明者は、燃焼室内の熱量の算出負荷の低減化を図るべく更に研究を行った。その結果、本発明者は、クランク角が Θ である際に筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力を P (Θ) とし、クランク角が 0 である際（当該筒内圧力 P (Θ) の検出時）の筒内容積を V (Θ) とし、比熱比を κ とした場合に、筒内圧力 P (0) と、筒内容積 V (Θ) を比熱比（所定の指数） /c で累乗した値 V^K (Θ) との積値 P (Θ) · V^K (Θ) (以下、適宜「PV^K」と記す）に着目した。

'そして、本発明者は、クランク角に対する内燃機関の燃焼室内における熱発生量 Qの変化パターンと、クランク角に対する積値 PV^Kの変化パターンとが図 4に示されるような相関を有することを見出した。図 4において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比 κ で累乗した値との積値 PV^Kをプロットしたものである。また、図 4において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量 Qを次の（1) 式に基づき、 Q= S dQZd 0 · として算出 ·プロッドしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、 / = l. 32とした。また、図 4において、 — 360 ° ， 0 ° および 360 ° は、上死点に、 — 180° および 180° は、下死点に対応する。

図 4に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量 Qの変化パターンと、クランク角に対する積値 PV^Kの変化パターンとは、概ね一致（相似）しており、特に、筒内の混合気の燃焼開始（ガソリンエンジンでは火花点火時、デイーゼルエンジンでは圧縮着火時）の前後（例えば、図 4における約一 180° から約 135° までの範囲）では、熱発生量 Qの変化パターンと、積値 PV^Kの変化パターンとは極めて良好に一致することがわかる。

ここで、図 4において、所定の 2点間の積値 PV^Kの差分は、当該 2点間における燃焼室内の熱量を示す。従って、吸気行程が開始される吸気弁の開放時、あるいは燃焼室内におけるエネルギのやりとりがゼロになるタイミング（吸気行程中に熱発生率 dQZd 0 = 0となるタイミング）におけるクランク角を 0iとし、吸気行程が終了する吸気弁の閉鎖時におけるクランク角を 0₂とすると、燃焼室内に吸入された空気の熱量 Q_{a i r}は、次の（5) 式から求めることができる。ただし（5) 式において、 Q!_Aは、実験的に求められる定数である。

Qair = l = ―-^ =α_Α K {θ₂ ) - V ^κ (θ₂) - Ρ(θ, ) - V ^¾(¾ )} … (5) 同様に、点火また着火時期におけるクランク角を 0₃とし、燃焼が実質的に完了するタイミング（膨張行程中にエネルギのやりとりがゼロになるタイミング、すなわち、膨張行程中に熱発生率 dQZd 0 = 0となるタイミングを含む）におけるクランク角を 0₄とすると、燃料の燃焼による発熱量 Q_{iue l}は、次の（6) 式から求めることができる。ただし（6) 式において、 Q!_Fは、実験的に求められる定数である。 - C. "_F ' {Ρ(θ₄)-ν"(θ₄)-ρ(θ₃)-ν^(θ₃)} … ( 6 ) このように、本発明者によって見出された燃料室内における熱発生量 Qと積値 P V^Kとの相関を利用すれば、積値 PV^Kに基づいて、燃焼室に吸入される空気の熱量 Q_{ai r}や燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量 Q_{iue l}を極めて低負荷で精度よく算出することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について具体的に説明する。

図 5は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関 1は、シリンダブ口ック 2に形成された燃焼室 3の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室 3内でピストン 4を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図 5には 1気筒のみが示されるが、内燃機関 1は多気筒ェンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関 1は、例えば 4気筒ェンジンとして構成される。

各燃焼室 3の吸気ポートは、吸気管（吸気マ二ホールド） 5にそれぞれ接続され、各燃焼室 3の排気ポー卜は、排気管（排気マ二ホールド） 6にそれぞれ接続されている。また、内燃機関 1のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁 V i と、排気ポートを開閉する排気弁 Veとが燃焼室 3ごとに配設されている。各吸気弁 V iおよび各排気弁 V eは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関 1は、気筒数に応じた数の点火プラグ 7を有し、点火プラグ 7は、対応する燃焼室 3内に臨むようにシリンダへッドに配設されている。

吸気管 5は、図 5に示されるように、サージタンク 8に接続されている。サージタンク 8には、給気ライン L 1が接続されており、給気ライン L 1は、エアクリーナ 9を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ライン L 1 の中途（サージタンク 8とエアクリ一ナ 9との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ） 1 0が組み込まれている。一方、排気管 6には、図 5に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置 1 1 aおよび N O X吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置 1 1 bが接続されている。

更に、内燃機関 1は、複数のインジェクタ 1 2を有し、各インジェクタ 1 2は、図 5に示されるように、対応する燃焼室 3内に臨むようにシリンダへッドに配置されている。また、内燃機関 1の各ピストン 4は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部 4 aが形成されている。そして、内燃機関 1では、各燃焼室 3内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ 1 2から各燃焼室 3内のピストン 4の凹部 4 aに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。

これにより、内燃機関 1では、点火プラグ 7の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態の内燃機関 1は、いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなぐ本発明が吸気管（吸気ポート）噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。

上述の各点火プラグ 7、スロットルバルブ 1 0、各インジェクタ 1 2および動弁機構等は、内燃機関 1の制御装置として機能する E C U 2 0に電気的に接続されている。 E C U 2 0は、何れも図示されない C P U、 R OM, R AM, 入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。 E C U 2 0には、図 5に示されるように、ェアフローメ一夕 A F Mやクランク角センサ 1 4といった各種センサ、が電気的に接続されている。 E C U 2 0は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ 7、スロットルバルブ 1 0、インジェクタ 1 2、動弁機構等を制御する。

また、内燃機関 1は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ（筒内圧検出手段） 1 5を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ 1 5は、対応する燃焼室 3内に受圧面が臨むようにシリンダへッドに配設されており、 ECU 20に電気的に接続されている。各筒内圧センサ 15は、対応する燃焼室 3における筒内圧力（相対圧力）を検出し、検出値を示す信号を EC U20に与える。各筒内圧センサ 15の検出値は、所定時間（所定クランク角）おきに ECU 20に順次与えられ、絶対圧力に補正された上で ECU 20の所定の記憶領域（バッファ）に所定量ずつ格納保持される。

次に、図 6を参照しながら、上述の内燃機関 1の各燃焼室 3における空燃比を算出する手順について説明する。

内燃機関 1が始動されると、 E C U 20によって図 6に示される空燃比算出ル一チンが燃焼室 3ごとに繰り返し実行される。すなわち、内燃機関 1が始動された後、アイドル状態からアイドルオフ状態に移行すると、 ECU20は、図示されないァクセル位置センサからの信号等に基づいて内燃機関 1の目標トルクと目標空燃比 A F_Tを定めると共に、予め用意されているマップ等を用いて目標トルクおよび目標空燃比 AF_Tに応じたスロットルバルブ 10の開度（吸入空気量）と、各インジ工ク夕 12の燃料噴射時間て (燃料噴射量）とを設定する（S 10) 。これにより、スロットルバルブ 10が S 10にて定められた開度に設定され、更に、所定のタイミングで各インジェクタ 12が S 10にて定められた時間てだけ開弁されることになる。

S 10の処理後、 ECU20は、クランク角センサ 14からの信号に基づいて内燃機関 1のクランク角をモニタし、予め定められた第 1のタイミング（クランク角が ^ェとなるタイミング）が到来した燃焼室（対象となる燃焼室） 3について、筒内圧センサ 15からの信号に基づいてクランク角が 0ェとなる時の筒内圧力 P (Θ ,) を取得する。更に、 ECU20は、取得した筒内圧力 P (Θ ,) と、筒内圧力 P (θ,) の検出時、すなわち、クランク角がとなる時の筒内容積 V (0 を比熱比 κ (本実施形態では、 κ = 1. 32) で累乗した値との積である積値 Ρ (Θ ,) ·ν^κ (θ,) を算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 12) 。第 1のタイミングは、吸気行程が開始される吸気弁 V iの開放時、あるいは燃焼室 3 内におけるエネルギのやりとりがゼロになると想定されるタイミング（吸気行程中に熱発生率 dQZd 0 = 0になると想定されるタイミング）とされる。また、 V^K (θ ,) の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

S 12の処理の後、 ECU20は、予め定められた第 2のタイミング（クランク角が 0₂となるタイミング）になると、筒内圧センサ 1 5からの信号に基づいてクランク角が 0₂となる時の筒内圧力 P (Θ ₂) を取得する。更に、 ECU 20は、取得した筒内圧力 P {Θ ₂) と、筒内圧力 P (θ₂) の検出時、すなわち、クランク角が 0₂となる時の筒内容積 V (Θ ₂) を比熱比 κ (=1. 32) で累乗した値との積である積値 Ρ (θ₂) ·ν^κ (θ₂) を算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 14) 。第 2のタイミングは、吸気行程が終了する吸気弁 V iの閉鎖時とされる。また、 V^s (Θ ₂) の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

上述のようにして、積値 P (θ,) ·ν^κ (θ ,) および Ρ (Θ ₂) ·ν^κ (θ₂) を求めると、 ECU20は、上記（5) 式を用いて、対象となる燃焼室 3内に吸入された空気の熱量 Q_{a i r}を、

Qai

(θ _Z) - V^K (θ₂) — Ρ (θ _χ) - Υ^Κ (θ _χ) }

として算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 16) 。このように、 S 12から S 16までの処理により、吸気行程について算出される対象燃焼室 3内の熱量、すなわち、当該燃焼室 3内に吸入された空気の熱量 Q_{ai r}が簡易かつ速やかに算出されることになり、 ECU 20における演算負荷を大幅に低減させることが可能となる。

S 16の処理の後、 ECU20は、予め定められた第 3のタイミング（クランク角が 0₃となるタイミング）になると、筒内圧センサ 1 5からの信号に基づいてクランク角が 0₃となる時の筒内圧力 P (Θ ₃) を取得する。更に、 ECU20は、取得した筒内圧力 P (Θ ₃) と、筒内圧力 P (Θ ₃) の検出時、すなわち、クランク角が 0₃となる時の筒内容積 V (θ₃) を比熱比 κ (κ==1. 32) で累乗した値との積である積値 P (θ₃) · ν^κ (θ ₃) を算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 18) 。第 3のタイミングは、点火プラグ 7による点火時とされるが、吸気弁閉鎖時から点火時までの任意の時点とすることができる。また、 V^K (Θ 3) の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

S 18の処理の後、 ECU20は、予め定められた第 4のタイミング（クランク角が 0₄となるタイミング）になると、筒内圧センサ 1 5からの信号に基づいてクランク角が 0₄となる時の筒内圧力 P (Θ ₄) を取得する。更に、 ECU 20は、取得した筒内圧力 P (θ₄) と、筒内圧力 Ρ (θ₄) の検出時、すなわち、クランク角が θ₄となる時の筒内容積 V (θ₄) を比熱比 κ (=1. 32) で累乗した値との積である積値 Ρ (θ ) · ν^κ (θ ₄) を算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 20)。第 4のタイミングは、燃焼が実質的に完了するタイミング（膨張行程中にエネルギのやりとりがゼロになると想定されるタイミング、すなわち、膨張行程から排気弁オープン時までの間に熱発生率 dQZd θ = 0になると想定されるタイミングを含む）とされる。また、 V^K (θ₄) の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

上述のようにして、積値 Ρ (Θ ₃) · ν^κ (θ₃) および Ρ (Θ ₄) · ν^κ (Θ ₄) を求めると、 ECU20は、上記（6) 式を用いて、対象となる燃焼室 3内に供給された燃料の燃焼による発熱量 Q _iue ,を、

Qfuei = «_PX{P (Θ ₄) - V^K (Θ ₄) -P ( - V^K (Θ ₃) }

として算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 22) 。このように、 S 18から S 22までの処理により、燃焼開始から実質的な燃焼完了までの期間について算出される対象燃焼室 3内の熱量、すなわち、当該燃焼室 3内に供給された燃料の燃焼による発熱量 Q _iue ,が簡易かつ速やかに算出されることになり、 ECU 20における演算負荷を大幅低減させることが可能となる。

S 22における処理が完了すると、 ECU 20は、上記（1) 式を用いて、 S 1 6にて求めた空気の熱量を Q_{ai r}と、 S 22にて求めた燃料の発熱量 Q_{iue l}とに基づいて、対象となる燃焼室 3における混合気の空燃比 AFを算出する（S 24) 。このように、燃焼室 3内の熱量である空気の熱量 Q _a i _rと燃料の発熱量 Q _{f u e} ,とを求め、これらの熱量 Q_{ai r}および Q_{iue l}に基づいて燃焼室 3における空気と燃料との質量比である空燃比 A Fを算出することにより、実用上良好なレベルまで演算負荷を低減させながら、燃焼室 3ごとに空燃比 A Fを精度よく求めることが可能となる。

S 24にて、対象となる燃焼室 3における空燃比 A Fを求めると、 ECU 20は、 S 10にて定めた目標空燃比八 ₇と324にて求めた空燃比 A Fとの偏差の絶対値が所定の許容誤差ァ以上となっているか、すなわち、求めた空燃比 AFが目標空燃比 A F_Tから所定量以上外れているか否か判定する（S 26)。 ECU20は、 S 26にて目標空燃比 AF_Tと空燃比 AFとの偏差の絶対値が所定の許容誤差ァ以上であると判断すると、対象となる燃焼室 3について、目標空燃比 AF_Tと空燃比 AFとの偏差に応じたインジェク夕 12の燃料噴射時間ての補正量を設定する (S 28) 。

これにより、内燃機関 1では、空燃比 A Fを燃焼室 3ごとに高精度に制御することが可能となり、過渡時等における空燃比 AFの目標空燃比 AF_Tからのズレを良好に抑制することができる。なお、 S 28では、燃料噴射時間 τ の補正量と共に、あるいは燃料噴射時間 r の補正量の代わりに、スロットルバルブ 10の開度の補正量が設定されてもよい。 S 28の処理の実行後、または S 26にて否定判断を行つた後、 ECU20は、 S 10以降の処理を繰り返し実行する。

図 7は、上述の内燃機関 1において実行される他の空燃比算出ルーチンを説明するためのフローチャートである。

図 7の空燃比算出ルーチンも燃焼室 3ごとに繰り返し実行されるものである。図 7のルーチンが採用された場合、 E CU 20は、内燃機関 1の始動後にアイドル状態からアイドルオフ状態に移行すると、図示されないアクセル位置センサからの信号等に基づいて内燃機関 1の目標トルクと目標空燃比 AF_Tを定めると共に、予め用意されているマップ等を用いて目標トルクおよび目標空燃比 A F_Tに応じたスロットルバルブ 10の開度（吸入空気量）と、各インジェク夕 1 2の燃料噴射時間て (燃料噴射量）とを設定する（S 30) 。これにより、スロットルバルブ 1 0が S 30にて定められた開度に設定され、その後、所定のタイミングで各インジェク夕 12が S 30にて定められた時間てだけ開弁されると共に、所定のタイミングで各点火プラグ 7による点火が実行されることになる。

S 30の処理後、 ECU 20は、クランク角センサ 14からの信号に基づいて内燃機関 1のクランク角をモニタし、クランク角が 0₃になった燃焼室（対象となる燃焼室 3) について、.筒内圧センサ 1 5からの信号に基づいてクランク角が 0₃となる時の筒内圧力 P (Θ ₃) を取得する。更に、 ECU20は、取得した筒内圧力

P (Θ ₃) と、筒内圧力 P (Θ ₃) の検出時、すなわち、クランク角が 0₃となる時の筒内容積 V (θ₃) を比熱比 κ 32) で累乗した値との積である積値

Ρ (Θ ₃) · V^K (θ₃)を算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 32)。クランク角が 0₃となるタイミングは、上述のように、点火プラグ 7による点火時であるが、吸気弁閉鎖時から点火時までの任意の時点とすることができる。この場合も、 V^K (θ₃) の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

S 32の処理の後、 ECU20は、クランク角が 0₄になった時点で、筒内圧センサ 1 5からの信号に基づいてクランク角が 0₄となる時の筒内圧力 Ρ (Θ ₄) を取得する。更に、 ECU 20は、取得した筒内圧力 P (Θ ₄) と、筒内圧力 P (Θ ₄) の検出時、すなわち、クランク角が 0₄となる時の筒内容積 V (Θ ₄) を比熱比 κ (= 1. 32)で累乗した値との積である積値 P (0₄) · V^K (θ₄) を算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 34) 。クランク角が 0₄となる夕イミングは、上述のように、燃焼が実質的に完了するタイミング（膨張行程中にエネルギのやりとりがゼロになると想定されるタイミング、すなわち、膨張行程から排気弁オープンまでの間に熱発生率 d Q/d θ = 0になると想定されるタイミングを含む）である。この場合も、 V^K (Θ J の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

上述のようにして、積値 P (Θ ₃) · ν^κ (Θ ₃) および Ρ (Θ ₄) · V^K (θ₄) を求めると、 ECU 20は、上記（6) 式を用いて、対象となる燃焼室 3内に供給された燃料の燃焼による発熱量 Q_{iue l}を _FX{P (θ₄) · V^K (0₄)— P (0₃) · Υ^κ (θ ₃) }として算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる（S 36) 。このように、 S 32から S 36までの処理により、燃焼開始から実質的な燃焼完了までの期間について算出される対象燃焼室 3内の熱量、すなわち、当該燃焼室 3内に供給された燃料の燃焼による発熱量 Q_{iue l}が簡易かつ速やかに算出されることになり、 ECU20における演算負荷を大幅に低減させることが可能となる。

S 36における処理が完了すると、 E CU 30は、内燃機関 1が何れの運転モ一ドに従って運転されるべきかを判定する（S 38) 。本実施形態の内燃機関 1は、各燃焼室 3における燃料および空気の混合気の空燃比を理論空燃比（燃料：空気 = 1 : 14. 7) に設定するストィキ運転モード、各燃焼室 3における混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きい所望の目標空燃比に設定するリーン運転モード、および、各燃焼室 3における混合気の空燃比を理論空燃比よりも小さい所望の目標空燃比に設定するリッチ運転モードの何れかのもとで運転され得る。そして、 ECU 2 0は、 S 38において、回転数、負荷、スロットル開度、アクセルペダルの踏込加速度等のパラメ一夕に基づいて、ストイキ運転モードあるいはリ一ン運転モ一ドを実行すべきか否か判定する。

S 38において、ストィキ運転モードあるいはリーン運転モードの何れかを実行すべきであると判断した場合、 ECU20は、 S 30にて設定した燃料噴射時間てを読み出した上で（S 40) 、上記（2) 式を用いて、当該燃料噴射時間てと S 36にて求めた燃料の発熱量 Q_{iue l}とに基づいて、対象となる燃焼室 3内の混合気の空燃比 AFを算出する（S 42) 。これに対して、 S 38において、リッチ運転モードを実行すべきであると判断した場合、 ECU20は、ェアフロ一メータ AFMの検出値に基づいて算出される吸気弁 V iの開弁から閉弁までの間における対象燃焼室 3への吸入空気量 m_aを取得すると共に（S44) 、上記（3) 式を用いて、当該吸入空気量 m_aと S 36にて求めた燃料の発熱量 Q_{fue l}とに基づいて当該燃焼室 3内の混合気の空燃比 A Fを算出する（S 46) 。

このように、燃焼室 3に対して供給された燃料の燃焼による発熱量 Q_{iue l}と燃焼室 3における混合気の空燃比との相関（図 1参照）を利用すると共に、リーン域とリツチ域とにおいて燃料の発熱量 Q_iue iを正規化して得られるリーン域用の (2) 式とリッチ域用の（3) 式とを用いることにより、実用上良好なレベルまで演算負荷を低減させながら、リーン域とリツチ域とのそれぞれにおいて燃焼室 3ごとに空燃比 AFを精度よく求めることが可能となる。また、上記（2)および（3) 式を用いれば、燃料の発熱量 Q_{iue l}のみを求めればよく、空気の熱量 Q_a ^を求める必要がなくなることから、空燃比 A Fの算出時の演算負荷をより一層低減させることが可能となる。なお、ストィキ運転モードが実行される際の空燃比 AFは、上記（3) 式を用いる S 46にて求められてもよい。

S42または S 46にて、対象となる燃焼室 3における空燃比 AFを求めると、 ECU 2りは、 S 30にて定めた目標空燃比八？丁と 42または S 46にて求めた空燃比 A Fとの偏差の絶対値が所定の許容誤差ァ以上となっているか、すなわち、求めた空燃比 AFが目標空燃比 AF_Tから所定量以上外れているか否か判定する（S48) 。 ECU20は、 S 48にて目標空燃比 A F_Tと空燃比 A Fとの偏差の絶対値が所定の許容誤差 Ύ以上であると判断すると、対象となる燃焼室 3について、目標空燃比 AF_Tと空燃比 AFとの偏差に応じたインジェクタ 12の燃料噴射時間 τの補正量を設定する（S 50) 。

これにより、図 7のルーチンが実行された場合も、空燃比 A Fを燃焼室 3ごとに高精度に制御することが可能となり、過渡時等における空燃比 A Fの目標空燃比 A F_Tからのズレを良好に抑制することができる。なお、 S 50では、燃料噴射時間 τの補正量と共に、あるいは燃料噴射時間 τの補正量の代わりに、スロットルバルブ 10の開度の補正量が設定されてもよい。. S 50の処理の実行後、または S 4 8にて否定判断を行った後、 ECU 20は、 S 30以降の処理を繰り返し実行する。産業上の利用可能性

本発明は燃焼室における空燃比を高精度に検出するために利用できる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、 ·

前記燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、

前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の熱量を算出する筒内エネルギ算出手段と、

前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記熱量に基づいて前記燃焼室における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

2 . 前記筒内エネルギ算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて前記熱量を算出することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃機関の制御装置。

3 . 前記筒内エネルギ算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて前記熱量を算出することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃機関の制御装置。

4 . 前記筒内エネルギ算出手段は、前記燃焼室内に吸入された空気の熱量と前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量とを算出し、前記空燃比導出手段は、前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記空気の前記熱量と前記燃料の前記発熱量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃機関の制御装置。

5 . 前記筒内エネルギ算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の吸気行程中の所定の 2点間における偏差に基づいて前記空気の前記熱量を算出することを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の内燃機関の制御装置。

6 . 前記筒内エネルギ算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の燃焼開始から実質的な燃焼完了までの間における所定の 2点間の偏差に基づいて前記燃料の前記発熱量を算出することを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の内燃機関の制御装置。

7 . 前記筒内エネルギ算出手段は、前記燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定される場合、前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、前記空燃比導出手段は、前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記燃料の前記発熱量と前記燃焼室に対して供給された燃料の量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃機関の制御装置。

8 . 前記筒内エネルギ算出手段は、前記燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値に設定される場合、前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、前記空燃比導出手段は、前記筒内エネルギ算出手段によって算出された前記燃料の前記発熱量と前記燃焼室内に吸入された空気の量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃機関の制御装置。

9 . 前記空燃比導出手段によって算出される空燃比と予め設定される目標空燃比とが一致するように所定の補正量を算出する補正手段を更に備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃機関の制御装置。

1 0 . 燃料室内における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段を有し、燃料および空気の混合気を前記燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、

( a )前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の熱量を算出するステップと、

( b ) ステップ（a ) で算出した前記熱量に基づいて、前記燃焼室における空燃比を導出するステップとを含むことを特徴とする内燃機関の空燃比算出方法。

1 1 . ステップ（a ) では、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて前記熱量を算出することを特徴とする請求の範囲第 1 0項に記載の内燃機関の空燃比算出方法。

1 2 . ステップ（a ) では、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて前記熱量を算出することを特徴とする請求の範囲第 1 0項に記載の内燃機関の空燃比算出方法。

1 3 . ステップ（a ) では、前記燃焼室内に吸入された空気の熱量と前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量とを算出し、ステップ（b ) では、ステツプ（_a )で算出した前記空気の前記熱量と前記燃料の前記発熱量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする請求の範囲第 1 0項に記載の内燃機関の空燃比算出方法。

1 4. ステップ（a ) では、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の吸気行程中の所定の 2点間における偏差に基づいて前記空気の前記熱量を算出することを特徴とする請求の範囲第 1 3項に記載の内燃機関の空燃比算出方法。

1 5 . ステップ（a ) では、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値の燃焼開始から実質的な燃焼完了までの間における所定の 2点間の偏差に基づいて前記燃料の前記発熱量を算出することを特徴とする請求の範囲第 1 3項に記載の内燃機関の空燃比算出方法。

1 6 . 前記燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも大きな値に設定される場合に、ステップ（a ) では、前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、ステップ（b ) では、ステップ（a ) で算出した前記燃料の前記発熱量と前記燃焼室に対して供給される燃料の量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする請求の範囲第 1 0項に記載の内燃機関の空燃比算出方法。

1 7 . 前記燃焼室における空燃比が理論空燃比よりも小さな値に設定される場合に、ステップ（a ) では、前記燃焼室に対して供給された燃料の燃焼による発熱量を算出し、ステップ（b ) では、ステップ（a ) で算出した前記燃料の前記発熱量と前記燃焼室内に吸入された空気の量とに基づいて前記燃焼室における空燃比を導出することを特徴とする請求の範囲第 1 0項に記載の内燃機関の空燃比算出方法。