WO2016139784A1 - 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関の制御装置は、筒内におけるピストンの移動に応じて飛散する燃料とオイルとの混合物量を推定する推定手段と、推定された混合物量に応じて内燃機関の上限トルク（ＵＴ）を制限する制限手段と、を備える。

Description

内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法

　本発明は、内燃機関の制御装置と内燃機関の制御方法に関する。

　ＪＰ２０１１－２３１７４１Ａには、サージタンクから流入するオイル量に応じてトルク制限領域を変化させることが開示されている。そして、筒外オイルに起因する異常燃焼の発生を抑制している。

　内燃機関の筒内でオイルが飛散したとすると、このオイルが着火源となり異常燃焼が発生する。しかしながら、筒内のオイルは筒内壁面で油膜を形成する程度の量にとどまるため、その量も少なく、実際に飛散することは稀であると考えられる。一方、燃料はインジェクタにより噴射されているため、筒内壁面に付着する燃料はオイルに比して多い。筒内壁面に付着する燃料が多ければ、筒内壁面に付着するオイルが少ないにもかかわらず、オイルは燃料との混合物としてピストンリングによって筒内に飛散させられる。

　このように、本来、飛散することの少なかったオイルが、筒内壁面に蓄積した燃料のために燃料との混合物として燃焼室内に飛散する。混合物に含まれるオイルも内燃機関における筒内の異常燃焼の発生源となることから、混合物が飛散させられると異常燃焼が発生しやすくなる。このような状況下において、内燃機関における筒内の異常燃焼の発生を抑制することが望ましい。

　本発明の目的は、内燃機関における筒内の異常燃焼の発生を抑制することである。

　本発明のある態様によれば、内燃機関の制御装置が、筒内におけるピストンの移動に応じて飛散する燃料とオイルとの混合物量を推定する推定手段と、推定された混合物量に応じて内燃機関の上限トルクを制限する制限手段と、を備える。

図１は、低回転高負荷領域を説明する説明図である。 図２は、プレイグニッション発生メカニズムを説明する内燃機関の断面図である。 図３は、プレイグニッション発生メカニズムを説明する内燃機関の一部拡大図である。 図４は、本実施形態における上限トルク制限の概念の説明図である。 図５は、燃料の多段噴射における噴射時期の説明図である。 図６は、第１実施形態における上限トルク設定処理を説明するフローチャートである。 図７は、第１実施形態における噴射段数と上限トルクとの関係の説明図である。 図８は、第１実施形態の変形例における上限トルク設定処理の変形例を説明するフローチャートである。 図９は、第１実施形態の変形例における噴射段数と上限トルクとの関係の説明図である。 図１０は、第２実施形態における上限トルク設定処理を説明するフローチャートである。 図１１は、第２実施形態における蓄積特性の一例の説明図である。 図１２は、蓄積特性に応じて特定される上限トルクの説明図である。 図１３は、蓄積特性に応じて特定される上限トルクの変形例の説明図である。 図１４は、第３実施形態における上限トルク設定処理を説明するフローチャートである。 図１５は、第３実施形態における消費特性を表すマップである。 図１６は、第３実施形態における燃料蓄積量と上限トルクとの関係の説明図である。 図１７は、第３実施形態における時間経過に対する回転数、トルク、及び、燃料蓄積量の説明図である。 図１８は、第４実施形態における内燃機関の説明図である。 図１９は、第４実施形態における上限トルク設定処理を説明するフローチャートである。 図２０は、第４実施形態における輝炎強度と上限トルクとの関係の説明図である。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

　（第１実施形態）
　図１は、低回転高負荷領域を説明する説明図である。図１には、内燃機関の回転数とトルクが示されている。プレイグニッションは、一般的に、内燃機関の回転数が低い領域であって、かつ、高いトルクが要求される領域において発生しやすい。この内燃機関の回転数が低い領域であって、かつ、高いトルクが要求される領域を、以降、「低回転高負荷領域Ｒ１」と呼ぶ。

　プレイグニッションとは、点火プラグによる点火前に、燃焼室において混合気が燃焼（火炎伝播）を開始してしまう現象である。運転状態に応じて設定した点火時期よりも早いタイミングで燃焼が行われると未燃ガスの自己着火が促進されて強度の大きい異常燃焼（スーパーノッキング）が発生する。そのため、プレイグニッションは内燃機関の高出力での運転を妨げる。

　以下、プレイグニッション発生のメカニズムを説明する。

　図２は、プレイグニッション発生メカニズムを説明する内燃機関の断面図である。内燃機関１は、インジェクタ１１（燃料噴射手段に相当）と、点火プラグ１２と、シリンダ１３と、吸気バルブ１４と、及び、排気バルブ１５を備える。また、内燃機関１は、吸気マニホールド１６と、排気マニホールド１７と、スロットル弁１８と、吸気バルブ１４側のカムシャフト１９ａと、排気バルブ１５側のカムシャフト１９ｂを備える。さらに、内燃機関１は、ピストン２０と、ピストンリング２１を備える。

　インジェクタ１１と、点火プラグ１２と、スロットル弁１８には、エンジン・コントロール・ユニットなどを含むコントローラ５０が接続されている。コントローラ５０は、インジェクタ１１の燃料噴射を制御する。また、コントローラ５０は、点火プラグ１２の点火タイミングを制御する。さらに、コントローラ５０は、スロットル弁１８の開度を制御するとともに、その開度を監視する。

　本実施形態におけるインジェクタ１１は、マルチホールインジェクタである。インジェクタ１１は内燃機関１においてシリンダ１３の上端側に配設され、その噴射孔が斜め下方を向くように配設される。すなわち、インジェクタ１１は、その噴射孔がシリンダ１３の壁面に向く。

　このように構成されたインジェクタ１１から燃料が噴射されると、燃料がシリンダ１３の壁面に到達することがある。シリンダ１３の壁面にはピストン２０との摺動のためにオイルが油膜を形成している。そのため、シリンダ１３の壁面においてオイルと燃料との混合物が生成され、この混合物がピストン２０とともに上昇するピストンリング２１によって燃焼室内に飛散させられる。

　図３は、プレイグニッション発生メカニズムを説明する内燃機関の一部拡大図である。以下、図３を参照しつつ、混合物飛散の過程について説明する。図３には、シリンダ１３と、ピストン２０と、ピストンリング２１が示されている。

　また、図３には、潤滑のためのオイル３２がシリンダ１３の壁面に付着している様子が示されている。さらに、図３には、前述のインジェクタ１１から噴射された燃料３１がオイル３２に重なるように付着する様子が示されている。これら燃料３１とオイル３２とが混合すると混合物３５が生成される。そして、混合物３５がピストンリング２１上周辺に蓄積する。

　一般的に、シリンダ１３の壁面に付着するオイル３２は油膜を形成する程度の量であるので少量であり、また、その粘度も高い。よって、ピストン２０が上昇しても、オイル３２はシリンダ１３の壁面に付着し続け、オイル３２が筒内に飛散させられることは少ない。

　しかしながら、前述のように、シリンダ１３の壁面にはインジェクタ１１から噴射された燃料３１が到達する場合がある。シリンダ１３の壁面に到達した燃料３１は、シリンダ１３の壁面に付着したオイル３２と混合して混合物３５となる。シリンダ１３の壁面に到達する燃料３１は、オイル３２の量と比べると多い。また、オイル３２の粘度は高いものの、燃料３１の粘度は低いため、混合物３５は粘度低下する。

　混合物３５の粘度は低いため、混合物３５の壁面に対する付着力は弱い。そのため、ピストン２０とともに上昇するピストンリング２１によって混合物３５は上方に飛散させられる。そして、その飛散量は、シリンダ１３壁面に到達し蓄積した燃料３１の量が多いほど多くなる。特に、燃料３１の蓄積量が多いと、混合物３５自体の量が増える他、混合物３５の粘度も低下するため、飛散量は劇的に増えるとも考えられる。

　オイル３２には、種々の添加剤が含まれている。そのため、混合物３５が筒内に飛散させられると、飛散させられた混合物３５の液滴はプレイグニッションの着火源となる。燃料３１の蓄積量が多いほど混合物３５の飛散量が増えるため、燃料３１の蓄積量が多いほどプレイグニッションの発生可能性も高まる。また、このプレイグニッションに起因したノッキング（スーパーノッキング）が発生する可能性も高まる。

　前述のように、プレイグニッションは内燃機関１の高出力での運転を妨げるため、混合物飛散によるプレイグニッションを抑制することが望まれる。

　図４は、本実施形態における上限トルク制限の概念の説明図である。図４には、内燃機関１の回転数に対する上限トルクが示されている。前述のように、プレイグニッションは、図４に示される低回転高負荷領域Ｒ１において発生しやすい。

　そこで、本実施形態におけるコントローラ５０（内燃機関の制御装置に相当する）は、シリンダ１３内におけるピストンの移動に応じて飛散する燃料とオイルとの混合物量を推定する（推定手段に相当する）。また、コントローラ５０は、推定された混合物量に応じて内燃機関の上限トルクＵＴ（図４）を制限する（制限手段に相当する）。特に、このとき、コントローラ５０は、推定された混合物量が多いほど内燃機関の上限トルクＵＴを低く（図４の矢印Ａ１に示される方向）制限する。

　前述のように、飛散させられる混合物量が多いほどプレイグニッションが発生しやすい。特に、低回転高負荷領域Ｒ１においてプレイグニッションが発生しやすくなる。しかしながら、本実施形態のコントローラ５０は、ピストンの移動に応じて飛散する混合物量を推定し、この推定された混合物量に応じて内燃機関の上限トルクを制限する。

　コントローラ５０は、内燃機関１の制御において、この上限トルクよりも高いトルクを出力する制御を行うことができない。つまり、上限トルクよりも高いトルクを出力する要求が発生したとしても、コントローラ５０は、例えば、噴射する燃料量を制限するなどして、この要求に応じない。そのため、このように上限トルクを設定することで、コントローラ５０はプレイグニッションが発生しにくい領域でのみ内燃機関１を運転させることとして、異常燃焼の発生を抑制することができる。

　以下、この上限トルクの設定についてより詳細に説明する。

　図５は、燃料の多段噴射における噴射時期の説明図である。図５には、吸入行程の上死点から圧縮行程の上死点までにおける燃料の噴射時期が示されている。なお、膨張行程及び排気行程では燃料の噴射は行われないため、記載を省略している。

　また、図５には、付着特性ＡＴとピストン濡れ特性ＰＮが示されている。付着特性ＡＴは、その値が高いほどシリンダ１３の壁面に燃料が付着しやすいことを表す。また、ピストン濡れ特性ＰＮは、その値が高いほどピストンに燃料が付着しやすいことを表す。

　本実施形態における内燃機関１では、図５に示されるように、１行程において第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２と第３噴射ＩＴ３の３回に分けて燃料が噴射される。燃料の噴射時期は、吸入行程における第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２の２回と、圧縮行程における第３噴射ＩＴ３の１回である。

　燃料噴射を複数段数に分けている理由は、複数に分けた方がシリンダ１３の壁面への燃料の到達量が少ないからである。シリンダ１３の壁面への燃料の到達量は、シリンダ１３の壁面への燃料の到達力に関連する。シリンダ１３の壁面への燃料の到達力が高ければ、シリンダ１３の壁面への燃料の到達量も多い。なお、シリンダ１３の壁面への燃料の到達力は、燃料の貫徹力と言われることもある。

　燃料噴射を多段噴射とすることで、１回の燃料噴射量が少なくなるため、燃料がシリンダ１３の壁面に到達しにくくなる。これに対し、上記３段分の燃料噴射を１段の燃料噴射で行おうとすると、１回あたりの噴射燃料量が多くなるとともに、その燃料は一つの塊のように飛翔する。一つの塊のように飛翔する燃料は霧化されにくいため、燃料がシリンダ１３の壁面に到達しやすくなってしまうのである。

　また、図５に示すような噴射時期とされているのは、次のような理由からである。まず、付着特性ＡＴとピストン濡れ特性ＰＮの値がともに低いときに燃料を噴射したいという要求がある。これは、付着特性ＡＴが高いときはシリンダ１３の壁面に燃料が蓄積しやすくなり、ピストン濡れ特性ＰＮが高いときにはピストン２０に燃料が付着しやすいためである。

　シリンダ１３の壁面に燃料が蓄積すると、前述のように混合物が飛散しやすくなる。また、ピストン２０に燃料が付着すると、燃焼時に煤が発生する。そのため、付着特性ＡＴの値とピストン濡れ特性ＰＮの値が低いときに燃料噴射を行うことが望ましい。

　したがって、付着特性ＡＴとピストン濡れ特性ＰＮとのトレードオフから、第１噴射ＩＴ１の噴射時期は、ＮＧ１で示された時期よりも後に制限される。また、第２噴射ＩＴ２の噴射時期は、第１噴射ＩＴ１にできるだけ近いタイミングであることが望ましいとされる。よって、第２噴射ＩＴ２の噴射時期は、インジェクタの性能に左右されるものの、第１噴射ＩＴ１の噴射直後となる。

　第３噴射ＩＴ３の噴射時期は、ノックウィンドウＫＷを避けなければならない。また、ここでも付着特性ＡＴとピストン濡れ特性ＰＮとのトレードオフから、第３噴射ＩＴ３の噴射時期は、ＮＧ２で示された時期よりも前に制限される。これらのような制限から、本実施形態において３段の噴射段数で燃料噴射が行われる際には、図５に示すような噴射時期で燃料が噴射されるのである。

　ただし、本実施形態における内燃機関１は、条件に応じて噴射段数が減らされる。噴射段数が減らされる場合、実施されなくなる噴射の順番が予め決められている。本実施形態における内燃機関１では、まず第３噴射ＩＴ３が行われなくなる。続いて、第２噴射ＩＴ２が行われなくなる。

　このように、噴射段数が減らされると、前述のように、燃料噴射の段数が減る毎に噴射された燃料はシリンダ１３の壁面に到達しやすくなる。

　本実施形態におけるコントローラ５０は、所定の条件にしたがって、噴射段数を減らしている。例えば、エアフローメータが故障している場合には、吸入空気量の測定が不正確となるため、噴射段数は減らされる。また、インジェクタが故障している場合には、多段噴射を行わせるとインジェクタにさらに負担を与えることになるため、噴射段数は減らされる。

　燃料ポンプが故障している場合には、燃圧を所定範囲の圧力に維持することができなくなるため、噴射パルス幅が長くなってしまう。そのため、多段噴射そのものを行うことができなくなるので、噴射段数は減らされる。また、クランクアングルセンサが故障している場合には、噴射時期を誤るおそれがあるため、噴射段数は減らされる。

　バッテリ電圧が低下している場合には、インジェクタの駆動回路において短時間で複数回の昇圧をすることができないため、噴射段数は減らされる。また、コントローラ５０が発熱している場合において、多段噴射を行うと短時間に多くインジェクタを駆動することになり、さらにコントローラ５０を発熱させることになるため、噴射段数は減らされる。

　以上のように様々な条件により、噴射段数が変化させられつつ本実施形態における内燃機関１は動作させられている。そうすると、前述のように、シリンダ１３の壁面に到達し蓄積する燃料量もこれに応じて変化することになる。

　ピストンの移動により飛散させられる混合物量は、壁面への燃料の到達量が多くピストンリング近傍に蓄積する混合物の蓄積量が多いほど多い。よって、コントローラ５０は、インジェクタ１１によって噴射された燃料のシリンダ１３の壁面への到達量が多いほど、飛散する混合物量が多いと推定し、内燃機関１の上限トルクを低く制限する。このようにすることによって、図４の矢印Ａ１に示されるように、燃料の壁面への到達量に応じて上限トルクＵＴを変化させることができるので、プレイグニッションの発生を抑制することができる。

　図６は、第１実施形態における上限トルク設定処理を説明するフローチャートである。図７は、第１実施形態における噴射段数と上限トルクとの関係の説明図である。図７に示される噴射段数と上限トルクとの関係は、予め、コントローラ５０の記憶領域に記憶されている。以下、これらの図を参照しつつ、第１実施形態における上限トルク設定処理を説明する。なお、第１実施形態において、以下のステップＳ１０２からステップＳ１０８の処理は所定時間毎に繰り返し実行される。

　上限トルク設定処理が開始されると、コントローラ５０は、現在の噴射段数を取得する（Ｓ１０２）。ここで、現在の噴射段数を取得するのは、前述のように所定の条件により、噴射段数がリアルタイムに変化させられているからである。

　次に、コントローラ５０は、現在の噴射段数がベースの噴射段数であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。ここで、ベースの噴射段数とは、内燃機関１において最も多段で燃料噴射を行っているときの噴射段数である。本実施形態において、ベースの噴射段数は３段である。

　そして、ステップＳ１０４において、現在の噴射段数がベースの噴射段数である場合（現在の噴射段数が３段である場合）には、コントローラ５０は、上限トルクを最も高い上限トルク（図７）に戻し（Ｓ１０６）、処理をステップＳ１０２へと戻す。このとき、噴射段数が多いことから壁面への燃料の到達量は少ない。よって、コントローラ５０は、上限トルクを低減することなく内燃機関１の制御を行うのである。

　内燃機関１の１行程内で噴射される燃料量を同じとすれば、噴射段数が多ければ１段あたりの燃料噴射量は減少する。このため、燃料はシリンダ１３の壁面に到達する前に霧化する。よって、シリンダ１３の壁面に蓄積する燃料は少ないと推定できる。シリンダ１３の壁面に蓄積する燃料が少なければ、燃料とオイルを含む混合物はピストンリング２１によって飛散させられにくい。よって、上限トルクを低く制限しなくてもプレイグニッションは発生しにくいのである。

　一方、ステップＳ１０４において、現在の噴射段数がベースの噴射段数でない場合には、コントローラ５０は、上限トルクを低く変更する（Ｓ１０８）。このとき、コントローラ５０は、噴射段数が３段未満のときの上限トルク（図７）へと変更する。このとき、噴射段数が少ないため、壁面への燃料の到達量が多い。よって、コントローラ５０は、上限トルクを低く制限するのである。

　内燃機関１の１行程内で噴射される噴射量を同じとすれば、噴射段数が少なければ１段あたりの燃料噴射量は増加する。このため、１段あたりに噴射される燃料量も多いと燃料は霧化しにくい。よって、シリンダ１３の壁面に蓄積する燃料は多いと推定できる。シリンダ１３の壁面に蓄積する燃料が多ければ、燃料とオイルを含む混合物はピストンリング２１によって飛散させられやすい。よって、上限トルクを低く制限して、プレイグニッションが発生しやすい領域から遠ざけた領域で内燃機関１を運転し、プレイグニッションの発生を抑制するのである。

　このように、第１実施形態では、現在の噴射段数がベースの噴射段数よりも少ないときには、図７に示されるように上限トルクがベースの噴射段数のときよりも低く制限される。このようにすることによって、プレイグニッションが発生しやすい領域に進入しないように内燃機関１の出力が制限されることになる。よって、内燃機関１の筒内における異常燃焼の発生を抑制することができる。

　図８は、第１実施形態の変形例における上限トルク設定処理の変形例を説明するフローチャートである。図９は、第１実施形態の変形例における噴射段数と上限トルクとの関係の説明図である。なお、第１実施形態の変形例においても、以下のステップＳ２０２からステップＳ２０４の処理は所定時間毎に繰り返し実行される。

　前述の実施形態では、現在の噴射段数がベースの噴射段数か否かに基づいて上限トルクの変更を行っていたが、変形例では、現在の噴射段数に応じて段階的に上限トルクの変更が行われる。

　上限トルク設定処理が開始されると、コントローラ５０は、現在の噴射段数を取得する（Ｓ２０２）。そして、コントローラ５０は、現在の噴射段数に基づいて、上限トルクを変更する（Ｓ２０４）。

　上限トルクの変更では、図９に示される噴射段数と上限トルクとの関係のマップが参照される。図９に示されるように、変形例では、噴射段数が少なくなるにしたがって、上限トルクが低く設定される。なお、図９に示される噴射段数と上限トルクとの関係は、コントローラ５０の記憶領域に予め記憶されている。

　図９のマップを参照することにより、コントローラ５０は、噴射段数が多い場合には、壁面への燃料の到達量が少ないことから上限トルクを低減することなく内燃機関１の出力制御を行うことができる。また、コントローラ５０は、噴射段数が少ない場合には、壁面への燃料の到達量が多いことから上限トルクを低減して内燃機関１の出力制御を行うことができる。

　このように、コントローラ５０は、シリンダ１３内に噴射される燃料の噴射段数が少ないほど壁面への燃料の到達量が多いと推定できるので、噴射段数に基づいて上限トルクを設定し、プレイグニッションの発生を抑制することができる。

　（第２実施形態）
　図１０は、第２実施形態における上限トルク設定処理を説明するフローチャートである。図１１は、第２実施形態における蓄積特性の一例の説明図である。図１２は、蓄積特性に応じて特定される上限トルクの説明図である。第２実施形態においても、以下のステップＳ３０２からステップＳ３０６の処理は所定時間毎に繰り返し実行される。

　第２実施形態では、噴射条件に基づいて蓄積特性が求められ、求められた蓄積特性に応じて上限トルクが設定される。燃料のシリンダ１３の壁面への到達しやすさは、少なくとも、噴射段数、噴射時期、及び、燃圧が関係している。そのため、第２実施形態では、噴射段数、噴射時期、及び、燃圧を噴射条件とし、この噴射条件に基づいて求められた蓄積特性によって燃料蓄積量を推定して、上限トルクを変化させる。蓄積特性は、噴射された燃料のシリンダ１３の壁面における蓄積のしやすさを示すので、推定された燃料蓄積量と等価と考えることができる。シリンダ１３の壁面における蓄積のしやすさは、燃料のシリンダ１３の壁面への到達しやすさを示すので、蓄積特性はシリンダ１３の壁面への燃料の到達量と等価と考えることもできる。

　上限トルク設定処理が開始されると、コントローラ５０は、現在の噴射条件を取得する（Ｓ３０２）。本実施形態において、噴射条件は、前述のように噴射段数、噴射時期、及び、燃圧である。

　次に、コントローラ５０は、取得した現在の噴射条件に応じて蓄積特性を求める（Ｓ３０４）。蓄積特性が求められる際、コントローラ５０は、図１１に示されるマップを参照する。図１１は、噴射段数が１段のときの蓄積特性を示すマップである。このようなマップは、コントローラ５０の記憶領域に予め記憶されている。なお、ここでは、噴射段数が１段のときの蓄積特性を示すマップのみが図１１として例示的に示されているが、この他にも、噴射段数が２段のときのマップと噴射段数が３段のときのマップがコントローラ５０の記憶領域に予め記憶されていることになる。

　図１１のマップに示される等高線は、蓄積特性を表している。そして、これらの等高線は、図１１に示される矢印Ａ２の方向に向かうにつれて、燃料が蓄積しやすいことを示している。例えば、燃圧が低いほど燃料が燃焼室内で霧化されにくいため、燃料はシリンダ１３の壁面に到達しやすい。そのため、燃圧は低い方が蓄積特性が高いことになる。また、噴射段数が１段のときにおいてその噴射時期が下死点のときが最もシリンダ１３の壁面がインジェクタ１１に対して露出することになる。そのため、燃料の噴射時期がピストン２０の下死点に近いほど蓄積特性が高いことになる。

　マップが参照され蓄積特性が取得されると、コントローラ５０は、蓄積特性に応じて、上限トルクを変更する（Ｓ３０６）。上限トルクの変更では、図１２に示されるようなマップが参照される。図１２に示されるマップは、コントローラ５０の記憶領域に予め記憶されている。

　図１２に示されるマップは、蓄積特性に対する上限トルクを表す。そして、このマップは、蓄積特性が低いほど上限トルクは高く設定されている。これは、シリンダ１３の壁面に燃料が付着していないほど、上記原理によるプレイグニッションが発生しにくいことを表している。換言すると、蓄積特性が高いほど上限トルクは低く設定されている。これは、シリンダ１３の壁面に燃料が付着しているほど、上記原理によるプレイグニッションが発生しやすいことを表している。

　このようにして、上限トルクが変更されると、内燃機関１はこの上限トルクを上回らない出力の範囲内で制御される。

　このように、コントローラ５０は、シリンダ１３内に噴射される燃料の燃圧が低いほど燃料の壁面への到達量が多いと推定し、内燃機関１の上限トルクを低く制限するので、プレイグニッションの発生を抑制することができる。また、コントローラ５０は、シリンダ１３内に噴射された燃料の噴射時期がピストン２０の下死点に近いほど壁面への燃料の到達量が多いと推定し、内燃機関１の上限トルクを低く制限するので、プレイグニッションの発生を抑制することができる。

　また、本実施形態では、噴射段数、噴射時期、及び、燃圧の３つの要素に基づいて蓄積特性を求めているので、より正確に蓄積特性を求めることができる。そして、より正確に求められた蓄積特性に基づいて上限トルクが変更されるので、より正確に上限トルクの制限を行うことができる。そして、必要以上に上限トルクを制限しないこととして、内燃機関１を制御することができる。

　なお、ここでは、噴射段数、噴射時期、及び、燃圧に応じて、燃料蓄積量を積算することとしていたが、噴射段数、噴射時期、及び、燃圧のいずれか１つ、または、２つに応じて蓄積特性を求めることとしてもよい。

　図１３は、蓄積特性に応じて特定される上限トルクの変形例の説明図である。前述の第２実施形態において、蓄積特性と上限トルクとの間の関係は線形の関係となっていた。しかしながら、図１３に示されるように、蓄積特性と上限トルクとの間の関係を非線形としてもよい。なお、蓄積特性と上限トルクとの関係を非線形とする形態は、図１３に示される形態に限られない。

　第２実施形態では、噴射条件に基づいて一旦、蓄積特性を求め、この蓄積特性に基づいて上限トルクを求めていた。このように、蓄積特性を介して上限トルクを求めているのは、例えば、図１２に示すような蓄積特性と上限トルクとの関係と、図１３に示すような蓄積特性と上限トルクとの関係とを、ある条件によって切り換えて使いたい場合があるためである。このようなケースであっても、蓄積特性を介して上限トルクを求めることができるので、容易に切り換えに応じて上限トルクを求めることができる。

　（第３実施形態）
　図１４は、第３実施形態における上限トルク設定処理を説明するフローチャートである。図１５は、第３実施形態における消費特性を表すマップである。図１６は、第３実施形態における燃料蓄積量と上限トルクとの関係の説明図である。なお、第３実施形態においても、以下のステップＳ４０２からステップＳ４１２の処理は所定時間毎に繰り返し実行される。

　これまで説明した第１実施形態では、現在の噴射段数に応じて上限トルクを設定していた。また、第２実施形態では、現在の噴射条件に応じて上限トルクを設定していた。これに対し、第３実施形態では、噴射条件における蓄積特性、及び、運転条件における消費特性を取得し、これらに基づいて燃料蓄積量を継続的に積算及び減算することで現在の燃料蓄積量を推定する。そして、より正確に推定された燃料蓄積量に基づいて上限トルクを変更する。

　上限トルク設定処理が開始されると、コントローラ５０は、現在の噴射条件と運転条件を取得する（Ｓ４０２）。第３実施形態においても、噴射条件は、噴射段数、噴射時期、及び、燃圧である。また、運転条件は、内燃機関１のトルクと回転数である。

　次に、コントローラ５０は、取得した噴射条件と運転条件に基づいて、蓄積特性と消費特性を取得する（Ｓ４０４）。蓄積特性は、燃料蓄積量を増加させる要素となる。一方、燃料消費量は、積算された燃料蓄積量を減少させる要素となる。

　蓄積特性は、前述の第２実施形態における手法と同様の手法で取得することができる。具体的には、コントローラ５０は、図１１に示される蓄積特性のマップに噴射条件を適用して蓄積特性を求める。

　一方、消費特性が求められる際には、図１５に示されるようなマップが参照される。図１５には、回転数とトルクに対応する消費特性が示されている。そして、トルク曲線の内側に消費特性の等高線が示されている。そして、矢印Ａ３に向かうにしたがって、消費特性が高くされている。図１５に示されるようなマップは、コントローラ５０の記憶領域に予め記憶されている。

　次に、コントローラ５０は、得られた蓄積特性と消費特性とに基づいて、燃料蓄積量を求める（Ｓ４０６）。燃料蓄積量は、前回求めた燃料蓄積量に蓄積特性を積算し、さらに消費特性を減算することにより求められる。時間要素をｔとして表すと、この関係は下記の式のようになる。

　　燃料蓄積量（ｔ）＝燃料蓄積量（ｔ－１）＋蓄積特性（ｔ）－消費特性（ｔ）

　次に、コントローラ５０は、求められた燃料蓄積量に基づいて上限トルクを変更する（Ｓ４０８）。上限トルクの変更は、図１６に示されるマップが参照されることによって行われる。図１６には、燃料蓄積量に対応する上限トルクが示されている。そして、図１６において、燃料蓄積量と上限トルクとの関係は、燃料蓄積量が高くなると上限トルクは低くなるようにされている。図１６に示されるようなマップは、コントローラ５０の記憶領域に予め記憶されている。

　次に、コントローラ５０は、リセット条件を満たすか否かについて判定する（Ｓ４１０）。ここで、リセット条件とは、例えば、イグニッションキーが切られてから所定時間が経過したか否かである。

　そして、リセット条件を満たす場合には、コントローラ５０は、燃料蓄積量をリセットする（Ｓ４１２）。燃料蓄積量のリセットとは、例えば燃料蓄積量を「０」とすることである。ただし、燃料蓄積量のリセットはこれに限られず、例えば、所定時間を経過した後、さらに経過した時間に応じてリセットの値を変化させてもよい。

　このように、リセット条件を満たす場合に燃料蓄積量をリセットするのは、イグニッションキーが切られてから所定時間が経過すると、蓄積した燃料が気化し消滅すると考えられるためである。

　ステップＳ４１０においてリセット条件を満たさなかった場合、又は、ステップＳ４１２を行った後、コントローラ５０はステップＳ４０２を実行する。そして、上記ステップＳ４０２からステップＳ４１２のプロセスが繰り返される。

　このようにして、上限トルクが変更されると、内燃機関１はこの上限トルクを上回らない出力の範囲内で制御される。

　図１７は、第３実施形態における時間経過に対する回転数、トルク、及び、燃料蓄積量の説明図である。これらの図は、図１５における矢印Ａ４のように内燃機関出力が変化した場合に、時間経過とともに回転数とトルクと燃料蓄積量がどのように推移するかを示すものである。図１７において、時間幅Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が示されているが、これらは、それぞれ図１５において示されたＴ１，Ｔ２，Ｔ３に対応する。

　図１５の矢印Ａ４を参照すると、最初に時間経過とともに回転数が徐々に上昇し、かつ、トルクも上昇する（図１５及び図１７のＴ１）。そうすると、矢印Ａ４は徐々に燃料を消費しにくい領域に進入していく。

　その後、回転数が増加していくとトルクが上限トルクに達する（図１５及び図１７のＴ２）。そのため、回転数は上昇するが、トルクは上昇トルクを超えることができない。このとき、矢印Ａ４は燃料を消費しにくい消費特性の領域に侵入しているため、燃料蓄積量も増加していく（図１５及び図１７のＴ２）。

　さらに回転数が増加していくと、矢印Ａ４は燃料を消費しやすい消費特性の領域に侵入していく（図１５及び図１７のＴ３）。そのため、燃料蓄積量も徐々に減少していくことになる。

　このように、第３実施形態では、コントローラ５０が時々刻々と燃料蓄積量に対し蓄積特性を積算し消費特性を減算することにより現在の燃料蓄積量を推定する。これにより、燃料蓄積量をより正確に推定することができる。よって、より正確な燃料蓄積量に基づいて、上限トルクを求め、上限トルク制限を行うことができることになる。

　このとき、コントローラ５０は、内燃機関１の回転数が高いほど、燃料蓄積量を減少させる。このようにすることで、内燃機関１の回転数に応じて燃料蓄積量を減少させ、時々刻々と燃料蓄積量を変化させることができる。

　また、コントローラ５０は、内燃機関１の停止から所定時間経過後に燃料蓄積量を所定値にリセットする。このようにすることで、内燃機関停止時に気化して減少した実際の燃料蓄積量と、推定された燃料蓄積量とを合致させることができる。

　なお、ここでは、燃圧、噴射段数、及び、噴射時期の３つの噴射条件に応じて、燃料蓄積量を積算することとしていたが、燃圧、噴射段数、及び、噴射時期のいずれか１つ、または、２つに応じて燃料噴射量を積算することとしてもよい。

　（第４実施形態）
　図１８は、第４実施形態における内燃機関の説明図である。図１９は、第４実施形態における上限トルク設定処理を説明するフローチャートである。図２０は、第４実施形態における輝炎強度と上限トルクとの関係の説明図である。第４実施形態では、燃焼室内において検出される輝炎強度に応じて、上限トルクを制限する。なお、第４実施形態においても、以下のステップＳ５０２からステップＳ５０４の処理は所定時間毎に繰り返し実行される。

　第４実施形態を実施するにあたり、内燃機関１には、図１８に示されるように、イオンセンサ９０が設けられる。イオンセンサ９０は、コントローラ５０に電気的に接続される。イオンセンサ９０は、図１８に示されるようにシリンダヘッドに設けることができる。なお、イオンセンサ９０は、点火プラグと一体型のものを採用してもよい。

　上限トルク設定処理が開始されると、コントローラ５０は、イオンセンサ９０から送られた輝炎強度を取得する（Ｓ５０２）。仮に、すでに筒内のピストンリング近傍において燃料の蓄積が生じている場合には、混合物の飛散も発生しているはずである。そして、混合物を着火源としたプレイグニッションの発生可能性が高まっていることになる。そこで、イオンセンサ９０は、混合物飛散に起因する輝炎強度を検出する。そして、コントローラ５０は、イオンセンサ９０によって検出された輝炎強度取得する。

　コントローラ５０は、イオンセンサ９０によって検出された輝炎強度に応じて上限トルクを制限する（Ｓ５０４）。その際、図２０に示されるマップが参照される。図２０に示されるマップは、コントローラ５０の記憶領域に記憶されている。

　図２０に示されるマップによれば、輝炎強度が弱いほど上限トルクが低く制限されることになる。輝炎強度が強いほど混合物の飛散量が多いと推定されることから、プレイグニッションが発生する可能性が高いと判断することができる。よって、プレイグニッションの発生を抑制するために、上限トルクを制限するのである。

　このように、第４実施形態における内燃機関１は、筒内の輝炎を検知するイオンセンサ９０を備え、コントローラ５０はイオンセンサからの出力に基づいて飛散する混合物量を推定し、飛散する混合物量が多いほど内燃機関１の上限トルクを低く制限するので、内燃機関１における筒内の異常燃焼の発生を抑制することができる。

　なお、上記の実施形態では、燃料がシリンダ１３の壁面に比較的付着しやすい形態を説明したが、このようにインジェクタ１１の噴射孔がシリンダ１３の壁面を向くように内燃機関１に取り付けられる形態に限られない。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　上述した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。

Claims (7)

1. 　筒内におけるピストンの移動に応じて飛散する燃料とオイルとの混合物量を推定する推定手段と、
   　推定された前記混合物量に応じて内燃機関の上限トルクを制限する制限手段と、
   を備え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、
   　前記制限手段は、推定された前記混合物量が多いほど前記内燃機関の上限トルクを低く制限する、
   内燃機関の制御装置。
3. 　請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   　前記推定手段は、燃料噴射手段によって噴射された燃料の前記筒内の壁面への到達量が多いほど、飛散する前記混合物量が多いと推定する、
   内燃機関の制御装置。
4. 　請求項３に記載の内燃機関の制御装置であって、
   　前記推定手段は、前記筒内に噴射される燃料の噴射段数が少ないほど前記到達量が多いと推定する、
   内燃機関の制御装置。
5. 　請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置であって、
   　前記推定手段は、前記筒内に噴射される燃料の燃圧が低いほど前記到達量が多いと推定する、
   内燃機関の制御装置。
6. 　請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置であって、
   　前記推定手段は、前記筒内に噴射された燃料の噴射時期が前記ピストンの下死点に近いほど前記到達量が多いと推定する、
   内燃機関の制御装置。
7. 　筒内におけるピストンの移動に応じて飛散する燃料とオイルとの混合物量を推定することと、
   　推定された前記混合物量に応じて内燃機関の上限トルクを制限することと、
   を含む内燃機関の制御方法。

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