WO2011117973A1

WO2011117973A1 - 内燃機関におけるｅｇｒ率の特定方法及び内燃機関の制御装置

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Publication number: WO2011117973A1
Application number: PCT/JP2010/054993
Authority: WO
Inventors: 佐野　健; 宏通安田
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-09-29
Also published as: EP2551508A4; EP2551508B1; US20130133632A1; JP5282847B2; US8991367B2; JPWO2011117973A1; EP2551508A1

Abstract

　筒内圧からＥＧＲ率を精度良く特定できるようにする。　本発明の内燃機関におけるＥＧＲ率の特定方法は、まず、筒内圧センサによる筒内圧の計測データを用いて燃焼期間を算出し、燃焼期間から筒内の火炎速度を算出する。次に、予め用意された機関回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータに基づいて、燃焼期間から算出された火炎速度から機関回転速度の影響分を取り除く。そして、機関回転速度の影響分が取り除かれた火炎速度から現在のＥＧＲ率を特定する。

Description

内燃機関におけるＥＧＲ率の特定方法及び内燃機関の制御装置

　本発明は、内燃機関において筒内圧からＥＧＲ率を特定する方法に関する。また、本発明は、筒内圧から特定したＥＧＲ率に基づいて内燃機関の運転を制御する制御装置、及び、筒内圧から特定したＥＧＲ率に基づいてＥＧＲ率を制御する制御装置に関する。

　自動車用の内燃機関では、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気ガス還流（ＥＧＲ）が広く採用されている。ＥＧＲを行うことで、排気ガス中のＮＯｘを低減できると同時に、燃費を向上させることができる。

　ＥＧＲによる上述の効果は、よりたくさんのＥＧＲガスを筒内に導入することで、すなわち、筒内のＥＧＲ率を高めることでより高めることができる。しかし、その反面、筒内のＥＧＲ率を高めるほど、気筒間のＥＧＲ率にばらつきが生じ易くなり、また、燃焼の悪化も起こりやすくなる。このような事態を防ぐためには、筒内のＥＧＲ率を精度良く特定することが先ず必要である。その上で、ＥＧＲ率に応じた適切なエンジン制御を行ったり、或いは、ＥＧＲ率自体を精密に制御したりすることが求められる。

　しかし、筒内のＥＧＲ率は直接には計測することができず、何らかの情報に基づいて間接的に特定するしかない。その情報として従来用いられているのが、熱発生率や燃焼期間である。筒内のＥＧＲ率は熱発生率や燃焼期間に密接に関係することが知られている。また、熱発生率や燃焼期間は、それ自体は直接計測できないものの、筒内圧センサを備える内燃機関であれば筒内圧の計測データから正確に計算することができる。

　特開平９－１５１８０６号公報、特許第３１５８３３９号公報、或いは特開２００６－３３６６６１号公報には、ＥＧＲに関して熱発生率や燃焼期間に着目した発明が開示されている。特開平９－１５１８０６号公報に開示されている発明では、ＥＧＲがオンのときとオフのときの熱発生率の差に基づいてＥＧＲ量の低下割合を算出することが行なわれている。また、特許第３１５８３３９号公報に開示されている発明では、ＥＧＲがオンのときとオフのときの燃焼期間の差に基づいてＥＧＲ量の低下割合を算出することが行なわれている。そして、特開２００６－３３６６６１号公報に開示されている発明では、筒内圧から燃焼期間に対応する燃焼圧特性値が算出され、それが最適値になるようにＥＧＲ弁の開度をフィードバック制御することが行なわれている。

　しかしながら、熱発生率や燃焼期間からＥＧＲ率を算出する方法は、その精度を担保する上ではあまり現実的とはいえなかった。それは、筒内のＥＧＲ率と熱発生率や燃焼期間との関係は内燃機関の運転状態によって大きく変動するからである。熱発生率や燃焼期間からＥＧＲ率を精度良く求めたいならば、それらの関係を示すマップを運転状態毎に用意しておかなければならない。このため用意すべきマップの量は膨大なものとなり、マップの適合に要する作業負荷が多大になるだけでなく、制御装置に実装するうえでたくさんのメモリ領域を必要とすることになる。

　以上述べたように、現実性のある方法によって筒内のＥＧＲ率を精度良く特定できるようにすることは、ＥＧＲの活用による排気ガス性能及び燃費性能の向上を図る上での重要な課題として位置づけられる。

　そこで、本出願に係る発明者らは、ＥＧＲ率が関係する筒内の燃焼状態を表す指標として、新たに筒内の“火炎速度”に着目した。そして、内燃機関の運転条件が筒内の火炎速度に与える影響について実験による調査を行った。

　その実験により得られたデータを分析した結果、次のようなことが新たに判明した。その新たに判明したことの１つが、内燃機関において筒内の“火炎速度”に影響を与える支配的な要因は２つあり、その１つ目の要因が筒内のＥＧＲ率であって、２つ目の要因が機関回転速度であること、である。その他の運転条件、例えば、発熱量を左右する空気充填効率については火炎速度には影響しないことがわかった。また、筒内の火炎速度は、機関回転速度が影響する火炎速度と、筒内のＥＧＲ率が影響する火炎速度とをそれぞれ独立変数とする２変数１次関数で表現できることも新たに判明した。

　本発明は、新たに得られたこれらの知識に基づいてなされたものである。

　本発明によるＥＧＲ率の特定方法では、まず、筒内圧センサによる筒内圧の計測データを用いて燃焼期間が算出され、そして、燃焼期間から筒内の火炎速度が算出される。燃焼期間としては、燃焼質量割合が１０％に達してから９０％に達するまでの期間である主燃焼期間を用いることができる。

　次に、本発明によるＥＧＲ率の特定方法では、予め用意された機関回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータに基づいて、燃焼期間から算出された火炎速度から機関回転速度の影響分が取り除かれ、そして、機関回転速度の影響分が取り除かれた火炎速度から現在のＥＧＲ率が特定される。

　機関回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータは、他の運転条件をパラメータとしない簡易なマップとして用意することができ、或いは、機関回転速度を火炎速度に変換する変換式の定数として用意することもできる。また、機関回転速度の影響分が取り除かれた火炎速度と筒内のＥＧＲ率との関係は、他の運転条件によって左右されない関係である。したがって、本発明によるＥＧＲ率の特定方法によれば、ＥＧＲ率を特定するために膨大な量のマップを用意しておく必要がなく、従来にない現実性のある方法によって筒内のＥＧＲ率を精度良く特定することができる。

　また、本発明は、上述のＥＧＲ率の特定方法を利用した内燃機関の制御装置も提供する。

　その一つの態様によれば、制御装置は、ＥＧＲ率を変化させることが可能なアクチュエータと、筒内圧センサとを備えた内燃機関に用いられる制御装置であって、筒内圧センサによる筒内圧の計測データを用いて燃焼期間を算出する演算要素と、燃焼期間から筒内の火炎速度を算出する演算要素と、予め用意された機関回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータに基づいて、燃焼期間から算出された火炎速度から機関回転速度の影響分を取り除く演算要素とを備え、さらに、機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度を現在のＥＧＲ率の指標として用いながら前記アクチュエータの操作によってＥＧＲ率を制御する制御要素を備える。

　ＥＧＲ率を制御する制御要素の機能として好ましいのは、機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度から現在のＥＧＲ率を特定し、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲ率を制御することである。また、機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度が燃焼限界に対応する下限値を下回らないようにＥＧＲ率を制御することも、その機能として好ましい。

　また、別の態様によれば、制御装置は、筒内圧センサを備えた内燃機関に用いられる制御装置であって、筒内圧センサによる筒内圧の計測データを用いて燃焼期間を算出する演算要素と、燃焼期間から筒内の火炎速度を算出する演算要素と、予め用意された機関回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータに基づいて、燃焼期間から算出された火炎速度から機関回転速度の影響分を取り除く演算要素とを備え、さらに、機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度から現在のＥＧＲ率を特定し、現在のＥＧＲ率に基づいて内燃機関の運転を制御する制御要素を備える。

本発明の実施の形態の内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態において行われるＥＧＲ率制御のルーチンを示すフローチャートである。火炎速度の計算方法について説明するための図である。実験により得られた火炎速度とＥＧＲ率及び機関回転速度との関係について示す図である。実験により得られた火炎速度と機関回転速度との関係について示す図である。実験により得られた機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度とＥＧＲ率との関係について示す図である。

　まず、本発明の創案過程において行われた実験の内容と、その結果から得られた新たな知識について図を用いて詳しく説明する。

　実験では、内燃機関（以下、エンジン）の運転条件を変えながら、筒内圧センサによる筒内圧の計測が行われた。そして、筒内圧センサによる計測データからクランク角毎の発熱量が計算された。この発熱量の燃焼開始前を０％、燃焼終了後を１００％として正規化したものが燃焼質量割合である。燃焼質量割合のクランク角による変化をグラフで示すと図３のようになる。燃焼質量割合が１０％に達してから９０％になるまでの期間は、特に主燃焼期間と呼ばれている。この主燃焼期間の時間が短いほど、筒内の火炎速度は速いということになる。実験結果の分析では、主燃焼期間中に火炎帯前面がある距離（例えばボア半径）を伝播したものとして、火炎速度の計算を行った。

　図４は、実験で得られたデータを縦軸に火炎速度をとり横軸にＥＧＲ率をとったグラフで表示したものである。実験では、エンジン回転速度（ＮＥ）を多段階に変えてデータ取りが行なわれた。そして、同じエンジン回転速度のもとで得られたデータ間で、火炎速度とＥＧＲ率との間にどのような関係が見られるのかが調べられた。その結果、グラフ中に３つのラインで示すように、同じエンジン回転速度のもとで得られたデータは同一の直線上に並ぶことが判明した。

　実験は、ＥＧＲ率やエンジン回転速度だけでなく、空気充填効率を含む他の運転条件も変えて行われている。しかし、それら他の運転条件の違いに関係なく、エンジン回転速度が同じであれば、火炎速度とＥＧＲ率との間には一定の関係が成立している。これが意味することは、筒内の火炎速度に影響を与える支配的な要因はＥＧＲ率とエンジン回転速度であること、そして、他の運転条件は火炎速度にほとんど影響しないことである。つまり、実験で得られたデータは、筒内の火炎速度は、エンジンの種々の運転条件のうち、ＥＧＲ率とエンジン回転速度とによって決まるという事実を示している。

　また、各エンジン回転速度に対応する直線は互いに並行であって、エンジン回転速度の差によって生じる火炎速度の差はＥＧＲ率によらず一定になっていることも判明した。つまり、ＥＧＲ率が火炎速度に与える影響と、エンジン回転速度が火炎速度に与える影響とは互いに独立な関係になっていた。

　以上の事実から、筒内の火炎速度は、エンジン回転速度が影響する火炎速度と、筒内のＥＧＲ率が影響する火炎速度とに分けて捉えることができる、という新たな知識を得ることができた。より詳しくは、筒内の火炎速度は、エンジン回転速度が影響する火炎速度と、筒内のＥＧＲ率が影響する火炎速度とをそれぞれ独立変数とする２変数１次関数によって表現できる、という新たな知識を得ることができた。

　なお、以上の事実は、理論的には例えば次のように考察することができる。まず、ＥＧＲ率が火炎速度に影響するのは、ＥＧＲ率は筒内ガスの組成を左右し、ＥＧＲ率が変われば筒内ガスの比熱も変わるためである。一方、エンジン回転速度が火炎速度に影響するのは、筒内のガスの流速がエンジン回転速度によって変化するためだと考えられる。エンジン回転速度が高くなるほど、吸気弁の隙間を通るガスの流速は増大し、筒内に生成されるガスの流れ（タンブル流やスワール流等）は速くなる。そして、ガスの流れが速くなるほど、筒内を火炎が進む速度も速くなるものと考えられる。また、逆に空気充填効率が火炎速度に影響しない理由としては、空気充填効率は筒内の初期圧力を左右するが、圧力の火炎速度への影響は小さいためであると考えられる。

　さらに、エンジン回転速度が火炎速度に影響する理由として、筒内のガスの流れが速くなるほど大きな乱流が発生し、それが火炎速度を増大させているとの推測も成り立つ。例えばミクロレベルでは、乱流燃焼速度は層流燃焼速度に乱れの速度を足しあわせたものとして定義することができる。火炎帯前面の速度が乱流燃焼速度であると仮定すれば、エンジン回転速度が高いほど乱れが大きくなり、その効果によって火炎速度が増大すると説明することができる。また、この推測に立つ場合には、ＥＧＲ率は層流燃焼速度に影響しているものと考えられる。

　次の分析では、エンジン回転速度が火炎速度にどのように影響しているのかが調べられた。図５は、同一のＥＧＲ率のもとでの実験で得られたデータを縦軸に火炎速度をとり横軸にエンジン回転速度をとったグラフで表示したものである。その結果、このグラフ中に示すように、全てのデータは同一の直線上に並ぶことが判明した。

　ここで、エンジン回転速度がゼロのときの火炎速度、すなわち、データから得られる近似直線を延ばした時のグラフのｙ切片に当たる火炎速度に着目する。エンジン回転速度がゼロであれば、火炎速度へのエンジン回転速度の影響は全くない。したがって、グラフのｙ切片に当たる火炎速度は、火炎速度に占めるＥＧＲ率の影響分に相当している。そして、前述の通り、ＥＧＲ率が火炎速度に与える影響と、エンジン回転速度が火炎速度に与える影響とは互いに独立であることから、火炎速度に占めるＥＧＲ率の影響分はエンジン回転速度によっては左右されない。したがって、各エンジン回転速度における火炎速度からｙ切片に当たる火炎速度を引いた残りが、火炎速度に占めるエンジン回転速度の影響分となる。

　図５のグラフから分かるように、火炎速度に占めるエンジン回転速度の影響分（エンジン回転速度のみが影響する火炎速度）とエンジン回転速度との間には正比例の関係がある。そして、実験で得られたデータからは、その比例定数は同一スペックのエンジンであれば一定であって、ＥＧＲ率を含む他の運転条件によって変わることのないことが確認された。実験で確認された前記の比例定数は、“エンジン回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータ”として取得され、後述するエンジン制御装置において用いられることになった。

　ここまでの分析で、筒内の火炎速度は、ＥＧＲ率が影響する火炎速度にエンジン回転速度が影響する火炎速度が足し合わされたものであることが分かった。また、火炎速度に占めるエンジン回転速度の影響分（エンジン回転速度が影響する火炎速度）は、エンジン回転速度から一意に決まることも分かった。次の分析では、これらの新たな知識に基づいて実験データが加工され、エンジン回転速度の影響分を除去した火炎速度、すなわち、ＥＧＲ率のみが影響する火炎速度が計算された。図６は、エンジン回転速度の影響分を除去した火炎速度とＥＧＲ率との関係を示すグラフである。

　図６のグラフから分かるように、エンジン回転速度の影響分を除去した火炎速度（ＥＧＲ率のみが影響する火炎速度）とＥＧＲ率との間には線形関係がある。実験で得られたデータからは、その線形関係を示す各定数は同一スペックのエンジンであれば一定であって、エンジン回転速度を含む他の運転条件によって変わることのないことが確認された。実験で確認された前記の各定数は、エンジン回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度からＥＧＲ率を特定するためのデータとして取得され、後述するエンジン制御装置において用いられることになった。

　また、図６のグラフに示す傾向によれば、エンジン回転速度の影響分を除去した火炎速度は、ＥＧＲ率が高くなるほどゼロに近づいていく。前述の考察の通り、ＥＧＲ率が影響する火炎速度は層流燃焼に関係する火炎速度であるため、この火炎速度がゼロに近づくほど筒内の燃焼は不安定になって失火の可能性は高くなる。グラフ中に示す燃焼限界クライテリアは安定した燃焼を担保できる火炎速度の下限である。この燃焼限界クライテリアに対応するＥＧＲ率が、安定した燃焼を担保できる上限ＥＧＲ率となる。この上限ＥＧＲ率もまた、後述するエンジン制御装置において用いられている。

　本発明は、上述の実験結果から得られた新たな知識に基づいてなされたものであり、以下に説明する実施の形態は、本発明によるＥＧＲ率の特定方法をエンジンの制御装置に適用したものである。

　本発明の実施の形態において制御対象とされるエンジンは、ＥＧＲシステムと筒内圧センサとを備えた４サイクルレシプロエンジンである。ＥＧＲシステムは、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ管で接続し、ＥＧＲ管に設けたＥＧＲ弁によってＥＧＲガスの量を調整することができる。ＥＧＲ管にはＥＧＲクーラが設けられていることが好ましいが、本発明を実施する上で必ずしも必要ではない。筒内圧センサは全ての気筒に備えられていることが好ましいが、本発明を実施する上では少なくとも１つの気筒に備えられていればよい。その他のエンジンの形式には限定はなく、ガソリンエンジンに代表される火花点火式エンジンでもよく、圧縮着火式のディーゼルエンジンでもよい。また、自然吸気式のエンジンでもよく、過給式のエンジンでもよい。火花点火式エンジンの場合には、その燃料の噴射方式はポート噴射式でもよく筒内直噴式でもよい。

　図１は、本発明の実施の形態のエンジン制御装置２の構成を示すブロック図である。以下、図１を参照してエンジン制御装置２の構成とその機能について説明する。

　エンジン制御装置２は、エンジンに備えられるアクチュエータを操作することでエンジンの運転を制御する。エンジン制御装置２が操作可能なアクチュエータには、点火装置、スロットル、燃料噴射装置、ＥＧＲシステム等が含まれる。ただし、本実施の形態においてエンジン制御装置２が操作するのはＥＧＲシステムのＥＧＲ弁３０であり、エンジン制御装置２はＥＧＲ弁３０を操作してエンジン筒内のＥＧＲ率を制御する。エンジン制御装置２は、ＥＧＲ弁３０への信号が出力される出力ポート２４を備えている。

　また、エンジン制御装置２には、エンジン内外に取り付けられた多数のセンサから種々の信号が入力される。ただし、本実施の形態においてエンジン制御装置２が使用するのは筒内圧センサ３２から入力される筒内圧信号と、クランク角センサ３４から入力されるクランク角信号の２つの信号である。エンジン制御装置２は、筒内圧センサ３２からの信号が入力される入力ポート２０と、クランク角センサ３４からの信号が入力される入力ポート２２とを備えている。

　エンジン制御装置２は、それが有する機能別に、主燃焼期間算出部４、Ｖ_{ｆｌａｍｅ}算出部６、Ｖ_ＮＥ算出部８、Ｖ_ＥＧＲ算出部１０、ＥＧＲ率算出部１２、ＥＧＲ率制御部１４及び目標ＥＧＲ率設定部１６に分けることができる。これらの要素４，６，８，１０，１２，１４，１６は、エンジン制御装置２が有する種々の機能的な要素のうち、ＥＧＲ率制御のためのＥＧＲ弁３０の操作に関係する要素のみを特別に図で表現したものである。したがって、図１は、エンジン制御装置２がこれらの要素４，６，８，１０，１２，１４，１６のみで構成されていることを意味するものではない。なお、各要素４，６，８，１０，１２，１４，１６は、それぞれが専用のハードウェアで構成されていてもよいし、ハードウェアは共有してソフトウェアによって仮想的に構成されるものでもよい。

　主燃焼期間算出部４には、クランク角センサ３４からのクランク角信号が入力されている。主燃焼期間算出部４は、このクランク角信号を用いて一定のクランク角間隔毎に筒内圧センサ３２からの筒内圧信号を取り込んでいる。主燃焼期間算出部４は、取り込んだ筒内圧信号を筒内圧の計測データとして用い、公知の計算方法にて発熱量を算出する。そして、燃焼開始前（例えば、点火時期とする）の発熱量を０％、燃焼終了時（例えば、発熱量のクランク角あたりの変化量がゼロになった時点とする）の発熱量を１００％として、これも公知の計算方法にて燃焼質量割合を算出する。そして、主燃焼期間算出部４は、燃焼質量割合が１０％に達してから９０％になるまでの期間を主燃焼期間ＭＣＰとして算出する。

　Ｖ_{ｆｌａｍｅ}算出部６は、主燃焼期間ＭＣＰから筒内の火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}を算出する。筒内の火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}は、次の計算式に示すように、主燃焼期間ＭＣＰの逆数に比例定数ａをかけることで得ることができる。比例定数ａは、エンジンのスペックから決まる一定値である。

　Ｖ_{ｆｌａｍｅ}＝ａ×１／ＭＣＰ

　Ｖ_ＮＥ算出部８には、クランク角センサ３４からのクランク角信号が入力されている。Ｖ_ＮＥ算出部８は、クランク角信号からエンジン回転速度ＮＥを計算し、エンジン回転速度ＮＥが影響する火炎速度（火炎速度に占めるエンジン回転速度ＮＥの影響分）Ｖ_ＮＥを計算する。Ｖ_ＮＥ算出部８のブロック内にグラフで示すように、エンジン回転速度ＮＥと火炎速度Ｖ_ＮＥとの間には次の式に示す比例関係が成り立つ。

　Ｖ_ＮＥ＝ｂ×ＮＥ

　上記計算式の比例定数ｂには、前述の実験結果の分析から得られた値が用いられる。比例定数ｂは、ＥＧＲ率を含む他の運転条件にはよらない一定値であり、“エンジン回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータ”としての意味を有する。Ｖ_ＮＥ算出部８は、エンジン回転速度ＮＥに比例定数ｂをかけて得られる値を火炎速度Ｖ_ＮＥとして算出する。

　なお、本実施の形態では火炎速度Ｖ_ＮＥの計算に計算式を用いているが、エンジン回転速度ＮＥに火炎速度Ｖ_ＮＥを関連付けるマップを用いることもできる。その場合のマップは、他の運転条件をパラメータとしない簡易なマップとすることができる。

　Ｖ_{ｆｌａｍｅ}算出部６で算出された火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}と、Ｖ_ＮＥ算出部８で算出された火炎速度Ｖ_ＮＥとは、ともにＶ_ＥＧＲ算出部１０に入力される。Ｖ_ＥＧＲ算出部１０は、火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}から火炎速度Ｖ_ＮＥを差し引く。これは、火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}からエンジン回転速度の影響分を取り除き、火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}に占めるＥＧＲ率の影響分のみを残すための処理である。Ｖ_ＥＧＲ算出部１０は、火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}から火炎速度Ｖ_ＮＥを差し引いた値を、ＥＧＲ率が影響する火炎速度（火炎速度に占めるＥＧＲ率の影響分）Ｖ_ＥＧＲとして算出する。

　ＥＧＲ率算出部１２は、火炎速度Ｖ_ＥＧＲからＥＧＲ率を計算する。ＥＧＲ率算出部１２のブロック内にグラフで示すように、火炎速度Ｖ_ＥＧＲとＥＧＲ率との間には次の式に示す線形関係が成り立つ。

　Ｖ_ＥＧＲ＝ｃ×ＥＧＲ率＋ｄ

　上記計算式の各定数ｃ，ｄは、前述の実験結果の分析に基づいて決定され、火炎速度Ｖ_ＥＧＲからＥＧＲ率を特定するためのデータとしてＥＧＲ率算出部１２に記憶されている。ＥＧＲ率算出部１２は、これらの定数ｃ，ｄを用いて火炎速度Ｖ_ＥＧＲをＥＧＲ率に変換し、現時点における実ＥＧＲ率として算出する。

　なお、本実施の形態ではＥＧＲ率の計算に計算式を用いているが、火炎速度Ｖ_ＥＧＲにＥＧＲ率を関連付けるマップを用いることもできる。その場合のマップは、他の運転条件をパラメータとしない簡易なマップとすることができる。

　ＥＧＲ率算出部１２で算出された現時点における実ＥＧＲ率は、ＥＧＲ率制御部１４に入力される。ＥＧＲ率制御部１４には、目標ＥＧＲ率設定部１６で設定された目標ＥＧＲ率もまた入力されている。ＥＧＲ率制御部１４は、現時点における実ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に近づけるようにＥＧＲ弁３０の操作量を決定する。具体的には、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率よりも低ければ、ＥＧＲ弁３０を開き側に操作するように操作量を決定する。逆に、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率よりも高ければ、ＥＧＲ弁３０を閉じ側に操作するように操作量を決定する。ＥＧＲ率制御部１４で算出されたＥＧＲ弁３０の操作量は、出力ポート２４を介してＥＧＲ弁３０に出力される。

　なお、目標ＥＧＲ率設定部１６は、前述の実験結果の分析から得られた上限ＥＧＲ率を超えない範囲内で目標ＥＧＲ率の設定を行う。実ＥＧＲ率が上限ＥＧＲ率を超えると、層流燃焼に関係する火炎速度がゼロに近づき、失火の可能性が高まるためである。

　以上の各要素４，６，８，１０，１２，１４，１６に関する説明から分かるように、本実施の形態のエンジン制御装置２は、従来と同様に筒内圧センサによる筒内圧の計測データを用いながらも、その計測データを用いてＥＧＲ率を特定する過程において膨大な量のマップを必要としない。したがって、設計段階での適合作業の負荷を軽減することができ、また、エンジン制御装置２のメモリ領域を節約することもできる。

　図２は、エンジン制御装置２によって行われるＥＧＲ制御の流れをフローチャートで表した図である。このフローチャートに示すＥＧＲ率を特定するための手順は、本発明のＥＧＲ率の特定方法に対応している。

　図２のフローチャートにおける最初のステップＳ２では、筒内圧センサ３２による筒内圧の計測データを用いて主燃焼期間が算出される。そして、次のステップＳ４では、主燃焼期間から筒内の火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}が算出される。また、ステップＳ６では、予め用意されたエンジン回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータに基づいて、現在のエンジン回転速度ＮＥから火炎速度に占めるエンジン回転速度ＮＥの影響分Ｖ_ＮＥが算出される。

　次のステップＳ８では、筒内の火炎速度Ｖ_{ｆｌａｍｅ}から火炎速度に占めるエンジン回転速度ＮＥの影響分Ｖ_ＮＥを取り除くことにより、火炎速度に占めるＥＧＲ率の影響分Ｖ_ＥＧＲが算出される。そして、次のステップＳ１０では、ステップＳ８で得られた火炎速度Ｖ_ＥＧＲから現在のＥＧＲ率が算出される。

　ステップＳ１２では、ステップＳ１０で算出された現在のＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率とが比較される。その比較の結果、現在のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率よりも低い場合には、ステップＳ１４においてＥＧＲ弁３０が開き側に操作される。逆に現在のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率以上になっている場合には、ステップＳ１６においてＥＧＲ弁３０が閉じ側に操作される。

　本実施の形態のエンジン制御装置２は、以上のような流れでＥＧＲ制御を実施する。その中で行われるＥＧＲ率の特定の方法は、前述の実験結果の分析により判明した事実に基づいているので、現在のＥＧＲ率を正確に特定することができる。そして、正確に特定した現在のＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率との比較により、筒内のＥＧＲ率を高い精度で制御することができる。

　さらに、本実施の形態のエンジン制御装置２によれば、燃焼限界に対応する上限ＥＧＲ率が予め記憶され、それを基準にしてＥＧＲ率制御が行われる。このため、失火を生じさせない範囲内で筒内のＥＧＲ率を最大限に高めることができる。また、燃焼変動やトルク変動を検出しながらＥＧＲ率制御を行う場合に比較して、演算負荷が少なく応答性に優れるという利点もある。

　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、火炎速度を計算するための燃焼期間として燃焼質量割合が１０％に達してから９０％になるまでの期間を採用しているが、より長い期間或いはより短い期間を採用してもよい。

　また、上述の実施の形態のエンジンはＥＧＲシステムを備えているが、本発明の制御装置は、吸気弁或いは排気弁のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を備えたエンジンにも適用することができる。可変バルブタイミング機構の操作によっていわゆる内部ＥＧＲを変化させ、それにより筒内のＥＧＲ率を制御することができる。

　また、上述の実施の形態では、エンジン制御装置２は、特定した現在のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲ率制御を行っているが、現在のＥＧＲ率に応じてエンジンの運転を制御するようにしてもよい。例えば、現在のＥＧＲ率のもとでの燃費性能や排気ガス性能が最大になるように、点火時期、燃料噴射量、吸入空気量、バルブタイミング等を調整するようにしてもよい。

２　エンジン制御装置
４　主燃焼期間算出部
６　Ｖ_{ｆｌａｍｅ}算出部
８　Ｖ_ＮＥ算出部
１０　Ｖ_ＥＧＲ算出部
１２　ＥＧＲ率算出部
１４　ＥＧＲ率制御部
１６　目標ＥＧＲ率設定部
２０，２２　入力ポート
２４　出力ポート
３０　ＥＧＲ弁
３２　筒内圧センサ
３４　クランク角センサ

Claims

　筒内圧センサによる筒内圧の計測データを用いて燃焼期間を算出するステップと、
　燃焼期間から筒内の火炎速度を算出するステップと、
　予め用意された機関回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータに基づいて、燃焼期間から算出された火炎速度から機関回転速度の影響分を取り除くステップと、
　機関回転速度の影響分が取り除かれた火炎速度から現在のＥＧＲ率を特定するステップと、
を含むことを特徴とする内燃機関におけるＥＧＲ率の特定方法。
　前記燃焼期間を算出するステップでは、燃焼質量割合が１０％に達してから９０％に達するまでの期間を燃焼期間として算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関におけるＥＧＲ率の特定方法。
　ＥＧＲ率を変化させることが可能なアクチュエータと、筒内圧センサとを備えた内燃機関の制御装置において、
　前記筒内圧センサによる筒内圧の計測データを用いて燃焼期間を算出する手段と、
　燃焼期間から筒内の火炎速度を算出する手段と、
　予め用意された機関回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータに基づいて、燃焼期間から算出された火炎速度から機関回転速度の影響分を取り除く手段と、
　機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度を現在のＥＧＲ率の指標として用いながら、前記アクチュエータの操作によってＥＧＲ率を制御する手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　前記の燃焼期間を算出する手段は、燃焼質量割合が１０％に達してから９０％に達するまでの期間を燃焼期間として算出することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
　前記のＥＧＲ率を制御する手段は、機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度から現在のＥＧＲ率を特定し、目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲ率を制御することを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関の制御装置。
　前記のＥＧＲ率を制御する手段は、機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度が燃焼限界に対応する下限値を下回らないようにＥＧＲ率を制御することを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関の制御装置。
　筒内圧センサを備えた内燃機関の制御装置において、
　前記筒内圧センサによる筒内圧の計測データを用いて燃焼期間を算出する手段と、
　燃焼期間から筒内の火炎速度を算出する手段と、
　予め用意された機関回転速度が火炎速度に与える影響を示すデータに基づいて、燃焼期間から算出された火炎速度から機関回転速度の影響分を取り除く手段と、
　機関回転速度の影響分を取り除かれた火炎速度から現在のＥＧＲ率を特定し、現在のＥＧＲ率に基づいて内燃機関の運転を制御する手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　前記の燃焼期間を算出する手段は、燃焼質量割合が１０％に達してから９０％に達するまでの期間を燃焼期間として算出することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の制御装置。