(57)【要約】【課題】サイクル毎に壁面温度が変動するエンジンにおいてシリンダの壁面への燃料の付着量を抑制することを可能にする技術を提供する。【解決手段】シリンダ内に燃料を噴射し、点火することで燃焼を発生させる内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、前記シリンダの壁面温度を前記シリンダ内の圧力に基づいて算出する壁面温度算出部と、算出された前記壁面温度に基づいて前記内燃機関の燃焼を制御する燃焼制御部と、を有する。【選択図】図４
2018066268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に燃料を噴射し、点火することで燃焼を発生させる内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、
前記シリンダの壁面温度を前記シリンダ内の圧力に基づいて算出する壁面温度算出部と、
算出された前記壁面温度に基づいて前記内燃機関の燃焼を制御する燃焼制御部と、
を有する内燃機関制御装置。
【請求項２】
前記燃焼制御部は、前記壁面温度に基づいて、前記燃焼において噴射または点火の少なくとも一方に用いる燃焼パラメータを補正する、請求項１に記載の内燃機関制御装置。
【請求項３】
前記燃焼制御部は、前記壁面温度をサイクル毎に測定し、前記壁面温度に基づいて次のサイクルにおける前記燃焼パラメータを決定する、請求項２に記載の内燃機関制御装置。
【請求項４】
前記燃焼制御部は、前記壁面温度を所定の基準値と比較した結果に基づいて、次サイクル以降の燃料噴射時期を変更する、
請求項３に記載の内燃機関制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関は１つのサイクル内で複数回に分割して燃料を噴射し、
前記燃焼制御部は、前記壁面温度が所定の基準値と比較した結果に基づいて、１サイクルにおける燃料噴射回数を変更する、
請求項３に記載の内燃機関制御装置。
【請求項６】
前記内燃機関は１つのサイクル内で複数回に分割して燃料を噴射し、
前記燃焼制御部は、前記壁面温度を所定の基準値と比較した結果に基づいて、次サイクル以降のサイクルにおいて、１つのサイクル内の各回の燃料の噴射において噴射される燃料の割合を変更する、
請求項３に記載の内燃機関制御装置。
【請求項７】
前記燃焼制御部は、前記壁面温度を所定の基準値と比較した結果に基づいて、次サイクル以降の点火時期を変更する、
請求項３に記載の内燃機関制御装置。
【請求項８】
前記燃焼制御部は、前記壁面温度が前記基準値より低い場合、前記点火時期を燃費最適点まで進角させる、
請求項７に記載の内燃機関制御装置。
【請求項９】
前記燃焼制御部は、前記壁面温度が前記基準値より高い場合、前記点火時期を、ノッキングが起きない所定の時刻まで遅角する、
請求項７に記載の内燃機関制御装置。
【請求項１０】
前記壁面温度算出部は、膨張行程において、複数のクランク角における筒内圧を測定した結果を用いて算出される仕事量の実測値と、第１の未知パラメータを含む冷却損失と断熱膨張の仮定とに基づき計算される仕事量の計算値との差分に基づき前記第１の未知パラメータを推定し、推定された前記第１の未知パラメータに基づきサイクル毎の壁面温度を算出する、請求項１に記載の内燃機関制御装置。
【請求項１１】
前記壁面温度算出部は、前記仕事量の実測値と前記仕事量の計算値との差分を最小化する計算により前記第１の未知パラメータを推定する、請求項１０に記載の内燃機関制御装置。
【請求項１２】
前記第１の未知パラメータは、膨張開始時のガス温度と、ガス-壁面間の熱伝達率である、請求項１０に記載の内燃機関制御装置。
【請求項１３】
前記壁面温度算出部は、複数のクランク角において測定された筒内圧測定値と、燃焼室形状により定まる筒内体積とに基づいて、前記仕事量の実測値を算出する、請求項１０に記載の内燃機関制御装置。
【請求項１４】
前記壁面算出部は、測定される筒内圧、クランク角、空燃比、および吸気の質量に基づいて算出される燃焼後ガスの比熱比と、断熱膨張を仮定して計算される筒内圧と、燃焼室形状により定まる筒内体積とに基づいて、前記仕事量の計算値を算出する、請求項１１に記載の内燃機関制御装置。
【請求項１５】
前記燃焼制御部は、前記壁面温度の算出に影響する所定の異常状態においては前記壁面温度に基づく前記燃焼パラメータの補正を停止する、請求項２に記載の内燃機関制御装置。
【請求項１６】
シリンダ内に燃料を噴射し、点火することで燃焼を発生させる内燃機関を制御するための内燃機関制御方法であって、
前記シリンダの壁面温度を前記シリンダ内の圧力に基づいて算出し、
算出された前記壁面温度に基づいて前記内燃機関の燃焼を制御する、
内燃機関制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関制御装置に関し、特にシリンダ内に直接、燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリンダ内で燃料と空気の混合気を形成し、点火または自着火により燃焼させるガソリンエンジンが広く知られている。この種のエンジンに特徴的な技術として、シリンダ内に燃料を直接噴射する直噴技術が知られている。シリンダ内に燃料を直接噴射するので、燃料の気化熱で混合気が冷却され、ノッキングが抑制される。ノッキングの抑制により、圧縮比の向上が可能となり、エンジンの熱効率が向上する。
【０００３】
一方、シリンダ内に燃料を直接噴射すると、燃料の一部が壁面やピストンに付着し、局所的に燃料の濃い混合気が形成され、燃焼後の排気ガス中に含まれる未燃炭化水素（未燃ＨＣ）が増加してしまう。特にエンジンが冷機状態にある始動直後は、この影響が出やすい。
【０００４】
このような燃料直接噴射装置を備えた内燃機関における燃料の壁面付着量の制御に関する技術を開示する文献として特許文献１がある。特許文献１に開示された技術によると、内燃機関のシリンダ内に主噴射の後に未燃ＨＣをシリンダ外に排出するためにポスト噴射を実施する内燃機関において、シリンダ内のガス温度と冷却水温とからシリンダの壁体の平衡温度が演算される。そのシリンダの壁体の平衡温度に基づき、系の伝熱時間遅れを考慮して壁面温度が推定される。さらに、推定された壁面温度に基づいて、ポスト噴射量が制御される。これにより、燃料の壁面への付着を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０１９３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シリンダ内に直接噴射された燃料がシリンダ壁面へ付着する量は、シリンダの壁面の温度（以下「シリンダ壁面温度」という）が低いほど多くなる。ここで、エンジンの暖機中や急減速時といった過渡的な運転状態では、シリンダ壁面温度がサイクル毎に上昇または低下する。また、燃焼前の混合気の組成と温度は、排気ポートから排気ガスをシリンダ内に直接引き戻す内部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）の実施などにより、サイクル毎に変動する。それに伴い燃焼後のガスの組成と温度もサイクル毎に変動する。例えば、内部ＥＧＲ率のばらつきにより、あるサイクルの燃焼前の混合気の希釈率が高くなった場合、燃焼で発生する熱量が低下する。そのため燃焼後のガス（以下「燃焼後ガス」という）の温度が低下し、その結果、シリンダ壁面温度は低下する。また、燃焼後ガスと壁面の間の熱伝達率もサイクル毎に変動する。例えば、燃焼後ガスの流速が速く、燃焼後ガスから壁面への熱伝達率が向上した場合は、燃焼後ガスから壁面への伝熱量が増加し、壁面温度は上昇する。
【０００７】
しかしながら、先の特許文献１では、サイクル毎の燃焼後ガスの組成および温度の変動や、燃焼後ガスと壁面の間の伝熱特性の変動が考慮されておらず、燃料噴射量は、吸気温度と冷却水温のみに基づいて、事前に記憶されたマップにより算出される。
【０００８】
この際、減速などにより燃料噴射量が減少したサイクルにおいて、実際の混合気のＥＧＲ率が、マップ値を定めた際に想定した範囲よりも高い値になった場合、想定より希釈率の高い混合気による燃焼となる。そのため、壁面温度は、想定した値よりも低くなる。そのため、事前に記憶されたパターンを用いた燃料噴射を行うと壁面への燃料の付着量が増加してしまう。このように、特にエンジンを冷機状態から始動した直後の過渡運転時、燃料のシリンダ壁面への付着量が増加してしまうという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、サイクル毎に壁面温度が変動するエンジンにおいてシリンダの壁面への燃料の付着量を抑制することを可能にする技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様による内燃機関制御装置は、シリンダ内に燃料を噴射し、点火することで燃焼を発生させる内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、前記シリンダの壁面温度を前記シリンダ内の圧力に基づいて算出する壁面温度算出部と、算出された前記壁面温度に基づいて前記内燃機関の燃焼を制御する燃焼制御部と、を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、シリンダ内の圧力に基づいて壁面温度を算出し、その壁面温度を内燃機関の制御に用いるので、冷却水温から壁面温度を求める場合と比べて壁面温度をよりリアルタイムで取得でき、迅速に適正な制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１による内燃機関制御装置を、自動車用筒内噴射式ガソリンエンジンに適用させたシステムのシステム構成図である。
【図２】シリンダ部の拡大図である。
【図３】実施例１による内燃機関制御装置により燃料噴射の時期を補正制御する処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】実施例１による、１サイクル中における燃料の噴射時期を補正する制御の一例を示すフローチャートである。
【図５】実施例１による内燃機関制御装置における、車速、壁面温度、水温、燃料噴射時期目標値の時間変化を示すタイムチャートである。
【図６】実施例２による、１サイクル中における燃料噴射回数を補正制御する処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】実施例２による内燃機関制御装置における、車速、壁面温度、水温、目標燃料噴射回数の時間変化を示すタイムチャートである。
【図８】実施例２による内燃機関制御装置における、１サイクル中の吸排バルブの動作と、燃料の分割噴射パターンの一例を示すタイムチャートである。
【図９】実施例３において１サイクル中における燃料の分割噴射の割合を補正制御する処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】実施例３による内燃機関制御装置における、車速、壁面温度、水温、圧縮行程側の燃料噴射割合目標値の時間変化を示すタイムチャートである。
【図１１】実施例３による内燃機関制御装置における、１サイクル中の吸排バルブの動作と、分割噴射における燃料の割合の一例を示したタイムチャートである。
【図１２】実施例４による、１サイクル中における点火時期を補正制御する処理の一例を示すフローチャートである。
【図１３】実施例４による内燃機関制御装置における、車速、壁面温度、水温、点火時期目標値の時間変化を示すタイムチャートである。
【図１４】実施例５による内燃機関制御装置における、１サイクル内の筒内圧力と燃料噴射時期の目標値のクランク角に対する変化を示すタイムチャートである。
【図１５】実施例５による内燃機関制御装置における、燃焼後ガスの比熱比の算出プロセスを示すフローチャートである。
【図１６】実施例５による内燃機関制御装置における、壁面温度の算出プロセスを示すフローチャートである。
【図１７】各種実施例における制御部の概略の機能構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１４】
以下、図１〜図５を用いて、実施例１による内燃機関制御装置の構成及び動作について説明する。
【００１５】
図１は、実施例１による内燃機関制御装置を、自動車用筒内噴射式ガソリンエンジンに適用させたシステムのシステム構成図である。図２はシリンダ部の拡大図である。
【００１６】
エンジン１００は、火花点火式の自動車用の４気筒ガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気を過給するための過給機のコンプレッサ４ａと、吸気を冷却するためのインタークーラ７と、吸気管６内の圧力を調整する電子制御スロットル２と、吸気管６内の圧力を計測する吸気圧力センサ１４が吸気管６に設けられている。
【００１７】
また、エンジン１００には、各シリンダ１５の中に、燃料を噴射する燃料噴射装置（以下、インジェクタ）１３と、噴射された燃料と空気の混合気を圧縮するためのピストン１８、および点火エネルギーを供給する点火プラグ１７が備えられている。また、図２では、インジェクタ１３には気筒（シリンダ）の内部の圧力を測定する筒内圧力センサ１９が備えられている。筒内圧力センサ１９は、必ずしもインジェクタ１３に取り付けられなくてもよい。例えば、点火プラグ１７等、他の機器と一体となっていてもよい。また、筒内圧力センサ１９は単体でシリンダ１５に取り付けられても良い。
【００１８】
また、シリンダ１５に流入するガスまたはシリンダ１５から排出されるガスをそれぞれ調整する可変バルブタイミング機構５ａ（吸気側）および５ｂ（排気側）が、シリンダ１５のシリンダヘッドに設けられている。可変バルブタイミング５ａ、５ｂにより、１番から４番まで全シリンダの吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の開弁および閉弁の時期を調整することにより、吸気量および内部ＥＧＲ量を調整する。
【００１９】
また、図示していないがインジェクタ１３に高圧燃料を供給するための高圧燃料ポンプが燃料配管によってインジェクタ１３と接続されている。また、燃料配管中には、燃料噴射圧力を計測するための燃料圧力センサが備えられている。
【００２０】
さらに、排気エネルギーによって過給機のコンプレッサ４ａに回転力を与えるためのタービン４ｂと、タービン４ｂに流れる排気の流量を調整するための電子制御ウェイストゲート弁１１と、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、が排気管１６に設けられている。また、図示していないがクランク軸には、回転角度を算出するためのクランク角度センサに設けられている。
【００２１】
さらに、排気管１６の三元触媒１０の下流から、吸気管６のコンプレッサ４ａの上流に、排気を還流させるためのＥＧＲ管４０がある。また、ＥＧＲを冷却するためのＥＧＲクーラ４２、ＥＧＲ管４０を還流する排気の流量を制御するためのＥＧＲ弁４１、ＥＧＲ弁４１の前後の差圧を検出する差圧センサ４３、およびＥＧＲ管４０の温度を検出するＥＧＲ温度センサ４４が、ＥＧＲ管４０の各々の適宜位置に取りつけられている。
【００２２】
エアフローセンサ１と空燃比センサ９と吸気圧力センサ１４と差圧センサ４３とＥＧＲ温度センサ４４の各々からの各センサ値を示す信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。また、アクセル開度センサ１２から得られるアクセル開度を示す出力信号がＥＣＵ２０に送られる。アクセル開度センサ１２は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。
【００２３】
ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１２の出力信号に基づいて、ドライバが要求するトルク（要求トルク）を演算する。すなわち、アクセル開度センサ１２は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。
【００２４】
また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサからのクランク角を示す出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力信号から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量、燃料噴射量、点火時期、および燃料圧力等のエンジンの主要な作動量（燃焼パラメータ）の最適な値を算出する。
【００２５】
ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ１３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火信号が点火プラグ１７に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された可変バルブタイミングの作動量は、可変バルブタイミング駆動信号として、可変バルブタイミング５へ送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたウェイストゲート弁開度は、ウェイストゲート弁駆動信号として、電子制御ウェイストゲート弁１１へ送られる。また、ＥＣＵ２０で常時演算されるＥＧＲ弁開度は、ＥＧＲ弁開度駆動信号として、ＥＧＲ弁４１へ送られる。
【００２６】
吸気管６から吸気バルブ２１を経てシリンダ１５内に流入した空気に対し、燃料が噴射され、空気と燃料が混合して混合気が形成される。混合気は所定の点火時期で点火プラグ１７から発生される火花により爆発する。その燃焼により生じる気筒内の圧力によりピストンが押し下げられ、エンジンの駆動力が発生する。更に、爆発後の排気ガスは、排気管１６を経て三元触媒１０に送りこまれ、有害成分が三元触媒１０内で浄化され、外部へと排出される。
【００２７】
図３は、実施例１による内燃機関制御装置により燃料噴射の時期を補正制御する処理の一例を示すフローチャートである。図１に示したＥＣＵ２０は中央処理装置（ＣＰＵ）を有しており、これが制御部として機能する。
【００２８】
制御部はステップＳ３０１で、吸気の温度（吸気温度）と、冷却水の温度（水温）と、混合ガスの空気と燃料の比率（空燃比）と、吸気の質量（吸気質量）を各センサで取得する。ステップＳ３０２では、制御部は、吸気温度と空燃比と吸気質量に基づいて燃焼後ガスの温度を求める。ステップＳ３０３では、制御部は、水温と、事前に見積もられたシリンダ内部の伝熱特性とに基づいて、燃焼後ガスと冷却水が保持されたときのシリンダ１５の壁面の平衡温度を算出する。ここで、シリンダ１５の壁面の温度である壁面温度はただちに平衡温度には達しないため、ステップＳ３０４で、制御部は、壁面温度の変化の時間的な遅れを考慮するために、系の熱容量に応じた、壁面温度の時間応答遅れを求める。シリンダ内部の伝熱特性と熱容量は、数値解析で求めて用いてもよく、解析あるいは実験結果をマップ化したものを用いても良い。
【００２９】
またＥＣＵ２０の制御部は、ステップＳ３０５において、時間応答遅れを考慮して求めた壁面温度を基準値と比較する。この基準値は、その運転条件において排気が最小となる壁面温度を解析的または実験的に求めた温度値である。壁面温度が基準値よりも低い場合は、ステップＳ３０６において、制御部は、燃料噴射時期を進角させる。次に、ステップＳ３０７では、制御部は、壁面温度と基準値を再度比較し、壁面温度が基準値よりも高い場合は、燃料噴射時期を遅角させる。
【００３０】
ここで、エンジンの暖機中あるいは急減速時といった過渡運転状態では、シリンダ１５の壁面温度がサイクル毎に上昇または低下する。また、燃焼前の混合気の組成および温度は、排気ポートから排気ガスを直接筒内に引き戻す内部ＥＧＲの実施などにより、サイクル毎に変動し、それに伴い燃焼後ガスの組成と温度もサイクル毎に変動する。例えば、内部ＥＧＲ率のばらつきにより、あるサイクルの混合気の希釈率が高くなった場合、燃焼で発生する熱量が低下するため燃焼後ガスの温度が低下し、その結果、壁面温度も低下する。また、燃焼後ガスと壁面との熱伝達率もサイクル毎に変動し、例えば燃焼後ガスの流速が速く、壁面への熱伝達率が向上した場合は、燃焼後ガスから壁面への伝熱量が増加し、壁面温度は上昇する。
【００３１】
しかしながら、従来の制御では、サイクル毎の燃焼後ガスの組成および温度の変動も、燃焼後ガスと壁面間の伝熱特性の変動も考慮されておらず、壁面温度は、吸気温度、水温、および空燃比といった、時間分解能の面でサイクル毎の変動を検知することが困難なセンサ値に基づき、予め記憶しておいたマップにより算出される。減速などにより燃料噴射量が減少したサイクルにおいて、実際の混合気のＥＧＲ率が、マップ値を定めたときに想定されていた値よりも高くなった場合、想定よりも高希釈燃焼となるため、壁面温度は推定結果に比べ低くなる。そのため、事前に記憶されたパターンで燃料噴射を行った場合、壁面への燃料の付着量が増加してしまう。このように、特に始動直後等の過渡運転時、シリンダ１５の壁面への燃料の付着量が増加してしまうという問題があった。
【００３２】
図４は、実施例１による、１サイクル中における燃料の噴射時期を補正する制御の一例を示すフローチャートである。
【００３３】
ステップＳ４０１で、吸気バルブが開いて（ＩＶＯ）吸気が行われ、吸気行程中に燃料が筒内に噴射され、吸気バルブが閉じて（ＩＶＣ）圧縮が開始される。燃料噴射時期は、一般的に吸気行程の上死点後６０ｄｅｇ付近に設定される。
【００３４】
ステップＳ４０２では、制御部は、吸気温度、空燃比、および吸気流量を各センサより取得し、また圧縮行程における筒内圧力の測定値を取得する。
【００３５】
ステップＳ４０３では、制御部は、ステップＳ４０２で取得した筒内圧力の測定値に基づき、混合気の温度と組成を推定する。更に、制御部は、混合気の温度と組成の推定結果に基づいて燃焼後ガスの比熱比を推定する。
【００３６】
ステップＳ４０４では、点火プラグ１７による点火が行われ、燃焼が開始して筒内圧力はピークに達する。
【００３７】
ステップＳ４０５では、制御部は、水温を温度センサで取得し、また膨張行程における筒内圧力の測定値を取得する。
【００３８】
ステップＳ４０６では、ステップＳ４０５で取得した値に基づき、制御部は、壁面温度の1サイクル中の平均値を計算する。水温は一般的に１００℃以下であり、また燃焼ガスの1サイクル中の平均温度は４００〜６００℃である。壁面温度の１サイクル中の平均値は、水温と燃焼ガスの温度の間の範囲で変動する。
【００３９】
ステップＳ４０７において、ＥＣＵ２０の制御部は、求めた壁面温度の１サイクル中の平均値を基準値と比較する。この基準値は、所定の運転条件における排気が最小となる壁面温度を解析的、または実験的に求めたものである。壁面温度が基準値よりも低い場合は、ステップＳ４０８において、制御部は、次回のサイクルにおける燃料の噴射時期を進角させる。燃料噴射時期を進角させると、シリンダ１５の中に流入する新気の流速が速い、吸気行程の初期段階に、燃料が噴射される。そのため、シリンダ１５の壁面に沿って下降する新気により、噴射された燃料が壁面に付着するのが抑制される。
【００４０】
また、壁面温度は１サイクル内でも変動しており、吸気行程では、前回のサイクルの燃焼により加熱された壁面が新気および冷却水により冷却されるため、壁面温度はピストンの降下に伴って刻々と低下する。そのため、吸気行程の前半は、後半に比べて相対的に壁面温度が高い。したがって、燃料噴射時期を進角すると、燃料が壁面に衝突する際の壁面温度が上昇することによっても、燃料の壁面付着が抑制される。
【００４１】
燃料噴射時期の進角量としては、壁面温度ごとに燃焼の噴射時期の変化による排気成分（有害成分）の排出量を数値解析または実験により求め、排気成分が最小となる燃料噴射時期の進角量を求める。もしくは、壁面温度と、その壁面温度に適した燃料の噴射時期の進角量との関係を、あらかじめマップ化しておいても良い。
【００４２】
ステップＳ４０９では、制御部は、壁面温度と基準値を比較する。壁面温度が基準値よりも高い場合は、制御部は、ステップＳ４１０で次サイクルにおける燃料の噴射時期を遅角させる。
【００４３】
燃料噴射時期を進角すると燃料の壁面付着は抑制されるが、過剰に進角させた場合には燃料と空気の混合状態が悪化し、混合気に局所的なリーンまたはリッチ領域が形成されてしまう。例えば、上死点後すぐに全燃料を噴射してしまうと、吸気行程の後半に筒内に流入した新気は理論空燃比に対して燃料が不足し、リーン状態となる。シリンダ上部の点火プラグ付近がリーンになった場合、点火後の火炎核の形成が阻害される。その結果、燃焼の安定性が悪化し、燃費が悪化してしまう。
【００４４】
また、逆にシリンダ下部がリーンになった場合、シリンダ下部の混合気が燃料の気化熱により十分に冷却されず、エンドガス部の温度が上昇してノッキングが発生しやすくなってしまう。すると、燃費が最適となる点火時期に点火を行うことができなくなる。
【００４５】
壁面温度が基準値より高い場合、燃料噴射時期を遅角することで、燃焼安定性を向上させることができる。排気を最小にしながら燃費が最適となる点火時期に点火を行うことができ、排気および燃費の低減が可能となる。燃料噴射時期の目標遅角量は、壁面温度ごとに燃焼噴射時期変化による燃費を数値解析または実験により求め、燃費が燃費となる燃料噴射時期進角量を求める。もしくは、事前に壁面温度と燃料噴射時期進角量の関係を、あらかじめマップ化しておいても良い。
【００４６】
その後、ステップＳ４１１において、排気バルブが開いて（ＥＶＯ）燃焼後ガスが排気され、排気バルブが閉じて（ＥＶＣ）、1サイクルが完了する。
【００４７】
このように、壁面温度の推定結果から燃料噴射時期を変更することで、過渡時に刻々と変化する壁面温度に応じて排気および燃費を低減することが可能になる。
【００４８】
図５は、実施例１による内燃機関制御装置における、車速、壁面温度、水温、燃料噴射時期目標値の時間変化を示すタイムチャートである。ここでは、車速が速度Ｖ１から速度Ｖ２まで減速するときの制御を例に説明する。
【００４９】
図５（ａ）を参照すると、本実施例による内燃機関制御装置を搭載した車両は平地を一定速度Ｖ１で走っており、ある時刻Ｔ１に減速を開始し、時刻Ｔ２において一定速度Ｖ２まで減速する。このときエンジンでは、回転数や負荷の低下により、内部で発生する熱量が減少する。壁面温度はエンジン内部の発熱量に応じて変化するため、車両が減速するときには壁面温度は低下する。
【００５０】
図５（ｂ）を参照すると、時刻Ｔ１においてＸ１であった壁面温度は、時刻Ｔ３においてＸ２まで低下する。また、水温はエンジン発熱量の減少に伴い徐々に低下する。時刻Ｔ１でＹ１であった水温は、時刻Ｔ４にはＹ２まで低下する。
【００５１】
壁面温度がＸ１の時の排気が最小となる燃料噴射時期はＺ１であり、壁面温度がＸ２のときの排気が最小となる燃料噴射時期はＺ２であるとする。
【００５２】
ここで図５（ｃ）を、本実施例で利用される壁面温度のエンジン発熱量の変化に対する追従遅れ時間（Ｔ３−Ｔ２）と、従来利用されてきた水温の追従遅れ時間（Ｔ４−Ｔ２）を比較する。水温の追従遅れ時間の方は壁面温度の追従遅れ時間に比べて大幅に大きくなっている。これは、冷却水はシリンダ外部を流れるため、エンジン発熱量の変化が水温の変化として反映されるまで時間がかかるためである。そのため、従来は、燃料噴射時期の目標値を変更する制御が完了するのが時刻Ｔ４と遅れ、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までの間、燃料噴射時期を排気が最小となる時期に設定することができない。
【００５３】
それに対して、本実施例の場合、壁面温度は、車速の変化に伴う燃焼変動等による追従遅れは発生するが、壁面温度の追従遅れ時間は水温の追従遅れ時間に比べて小さい。また、本実施例の内燃機関制御装置は、筒内圧を毎サイクル測定することで、サイクルごとに壁面温度を推定でき、図５（ｃ）のタイムチャートに示すような追従遅れの小さい噴射時期制御が可能となる。
【００５４】
なお、ここでは車両が減速する場面を例に説明したが、加速時も同様に、増加するエンジン発熱量に追従して壁面温度を推定することで、追従遅れの小さい燃料噴射時期制御が可能となる。
【００５５】
このように、サイクル毎に変動する壁面温度を推定し、次サイクル以降の燃料噴射時期をサイクル毎に制御することで、燃料が壁面近傍に到達した際の空気流動を調整することができ、過渡時においてもシリンダ１５の壁面へ付着する燃料量を減少させ、排気を低減することが可能となる。
【実施例２】
【００５６】
実施例１では、内燃機関制御における燃焼パラメータとして燃料噴射時期を制御する例について説明したが、実施例２では、燃料噴射回数を制御する例について説明する。図６〜図８を用いて、ＥＣＵ２０の制御部による燃料噴射回数を補正する場合の内燃機関制御装置の構成及び動作の実施例を説明する。実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００５７】
図６は、実施例２による、１サイクル中における燃料噴射回数を補正制御する処理の一例を示すフローチャートである。ステップＳ６０１からステップＳ６０７までは、図４のステップＳ４０１からＳ４０７までと同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００５８】
本実施例において、壁面温度が基準値よりも低い場合は、ステップＳ６０８において、制御部は、次サイクルの燃料噴射回数を増加させる。燃料噴射回数を増加させるとき、１回あたりの燃料噴射量が減少し、燃料の貫徹力が低下することで、噴射された燃料の壁面付着が抑制される。
また、ステップＳ６０９では、制御部は、壁面温度と基準値を比較し、壁面温度が基準値よりも高い場合は、ステップＳ６１０で次サイクルの燃料噴射回数を減少させる。
【００５９】
燃料噴射回数を増加させると燃料の壁面付着は抑制されるが、過剰に多い回数にまで燃料噴射回数を増加させた場合、燃料の貫徹力が低下することで、燃料と空気の混合状態が悪化し、混合気に局所的なリーンまたはリッチ領域が形成されてしまう。その結果、燃焼安定性が悪化し、燃費が悪化する。
【００６０】
壁面温度が基準値より高い場合、燃料噴射回数を減少させれば、燃焼の安定性が向上し、排気を最小にしながら点火時期を燃費が最適となる時期に設定することができ、排気および燃費の低減が可能となる。燃料噴射回数の目標回数は、壁面温度ごとに燃焼噴射回数変化による排気成分の排出量を数値解析または実験により求め、排気が最小となる燃料噴射回数を求めておくことができる。もしくは、事前に壁面温度と燃料噴射回数の関係を、あらかじめマップ化しておいても良い。その後、ステップＳ６１１において排気バルブが開いて燃焼後ガスの排気が行われ、排気バルブが閉じて、１サイクルが完了する。
【００６１】
図７は、実施例２による内燃機関制御装置における、車速、壁面温度、水温、目標燃料噴射回数の時間変化を示すタイムチャートである。
【００６２】
本実施例では、車速がある速度Ｖ１からＶ２まで低下する減速時における制御を例に説明する。車速、壁面温度、水温の時間変化については、図５と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００６３】
壁面温度がＸ１の時の排気が最小となる燃料噴射回数はＡ１であり、壁面温度がＸ２のときの排気が最小となる燃料噴射回数はＡ２であるとする。
【００６４】
従来の制御では、燃料噴射回数が変更されるのが時刻Ｔ４となり、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の間は排気が最小となる燃料噴射回数を選択ことができない。それに対して壁面温度は水温に比べて追従遅れ時間は小さい。本実施例の内燃機関制御装置は、筒内圧を毎サイクル測定することで、サイクルごとに壁面温度を推定でき、図７（ｃ）のタイムチャートに示すような追従遅れ時間の小さい燃料噴射回数制御が可能となる。
【００６５】
図８は、実施例２による内燃機関制御装置における、１サイクル中の吸排バルブの動作と、燃料の分割噴射パターンの一例を示すタイムチャートである。
【００６６】
図８（ａ）は吸気バルブ２１と排気バルブ２２のリフトを示したものである。図８（ｂ）および（ｃ）の燃料噴射信号は、本実施例における燃料噴射パターンを示しており、その値が０でない時に燃料が噴射されることを示している。吸気行程の燃料噴射時期は、進角すると燃料の壁面付着は抑制されるが、過剰に進角させた場合、吸気行程の後半に筒内に流入した新気は理論空燃比に対して燃料が不足し、リーン状態となってしまう。
【００６７】
図８（ｂ）は分割噴射による複数の燃料噴射を吸気行程で行う場合の燃料噴射時期を示したものである。シリンダ上部の点火プラグ付近がリーンになった場合、点火後の火炎核の形成が阻害され、燃焼安定性の悪化により、燃費が悪化してしまう。そこで、従来の燃料噴射に加えて、吸気行程中に追加の燃料噴射を行う。吸気行程の後半に追加燃料噴射を行うことで、吸気行程後半に筒内へ流入する新気に、十分な量の燃料を混合させ、リーン領域が形成されることを抑制することが可能となる。
図８（ｃ）は、分割噴射による複数の燃料噴射を吸気行程と圧縮行程に分けて行う場合の燃料噴射時期を示したものである。シリンダ下部がリーンになった場合、シリンダ下部の混合気が燃料の気化熱により十分に冷却されず、エンドガス部の温度が上昇してノッキングが発生しやすくなってしまう。すると、点火時期を燃費が最適となる時期にすることができなくなり、燃費が悪化してしまう。
【００６８】
そこで、従来の吸気行程中の燃料噴射に加えて、圧縮行程中に追加の燃料噴射を行う。圧縮行程中の筒内に燃料を噴射することで、燃料の気化熱によりガス温度が低下し、ノッキングを抑制する効果が得られる。以上のように、壁面温度の推定結果から、ＩＶＯ側または圧縮行程側に追加の燃料噴射を行うことで、燃焼安定性を向上させることができる。すると、排気を最小にしながら燃費最適点火時期を取ることができ、排気、燃費の低減が可能となる。
【００６９】
ここでは、車両が減速する場面を例に説明したが、加速時も同様に、増加するエンジン発熱量に追従して上昇する壁面温度を推定することで、壁面温度と同期した噴射回数制御が可能となる。また、燃料噴射回数は２回よりも多くしても良い。
【００７０】
このように、壁面温度の推定結果から燃料噴射回数を変更することで、噴射された燃料の貫徹力と混合状態を調整でき、過渡時に刻々と変化する壁面温度に応じた制御により排気および燃費を最小化することが可能になる。
【実施例３】
【００７１】
実施例３では図９〜図１１を用いて、ＥＣＵ２０の制御部が燃焼パラメータとして燃料分割噴射における噴射量の割合を制御する場合の内燃機関制御装置の構成及び動作の実施例を説明する。実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００７２】
図９は、実施例３において１サイクル中における燃料の分割噴射の割合を補正制御する処理の一例を示すフローチャートである。燃料の分割噴射においては、１サイクルで噴射すべき燃料を複数の燃料噴射に適正な割合で分配する。本実施例では、その分割噴射の割合を制御する例である。ステップＳ９０１からＳ９０７までは、図４のステップＳ４０１からＳ４０７までと同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００７３】
本実施例において、壁面温度が基準値よりも低い場合は、ステップＳ９０８において、制御部は、次サイクルの燃料分割噴射におけるＩＶＯ側または圧縮行程側すなわち時間的に後側の燃料噴射で噴射する燃料の割合を増加させる。
【００７４】
まず、燃料分割噴射の複数（例えば２回）の燃料噴射が吸気行程中で行われている場合、その複数の燃料噴射のうちＩＶＯ側の燃料噴射の燃料の割合を増加させる。ＩＶＯ側の燃料噴射量を増加させると、シリンダ内に流入する新気の流速が速い吸気行程の初期の段階で噴射される燃料の割合が増加するため、シリンダ壁面に沿って下降する新気により、噴射された燃料のうち壁面に付着する燃料の量が減少する。
【００７５】
また、燃料分割噴射の複数（例えば２回）の燃料噴射が吸気行程と圧縮行程にて行われている場合は、圧縮行程における燃料噴射で噴射される燃料の割合を増加させる。圧縮行程中のシリンダ１５内に燃料を噴射すると燃料の気化熱によりガス温度が低下し、ノッキングを抑制する効果が得られる。そのため、排気を最小にしながら燃費を最適にする点火時期を選択することができ、排気および燃費の低減が可能となる。
また、ステップＳ９０９では、制御部は、壁面温度と基準値を比較し、壁面温度が基準値よりも高い場合は、ステップＳ９１０で次サイクルの燃料分割噴射においてＩＶＯ側または圧縮行程側の燃料噴射において噴射する燃料の割合を減少させる。
【００７６】
ＩＶＯ側または圧縮行程側の燃料噴射の燃料の割合を過剰に増加させると、燃料と空気の混合状態が悪化し、混合気に局所的なリーンまたはリッチ領域が形成されてしまう。その結果、燃焼の安定性が悪化し、燃費が悪化する。そこで、壁面温度が高いときには、ＩＶＯ側または圧縮行程側の燃料噴射で噴射する燃料の割合を減少させることで、燃焼を安定させることができる。すると、排気を最小にしながら燃費を最適にする点火時期を選択することができ、排気および燃費の低減が可能となる。
分割噴射における燃料の分割の割合の目標は、壁面温度ごとに燃焼噴射の割合の変化による排気成分の排出量を数値解析または実験により予め求め、排気が最小となる燃料噴射の割合を求めておくとよい。もしくは、事前に壁面温度と燃料噴射割合の関係を、あらかじめマップ化しておいても良い。その後、ステップＳ１０１１において排気バルブが開いて燃焼後ガスの排気が行われ、排気バルブが閉じて、1サイクルが完了する。
【００７７】
図１０は、実施例３による内燃機関制御装置における、車速、壁面温度、水温、圧縮行程側の燃料噴射割合目標値の時間変化を示すタイムチャートである。図１０（ｂ）および（ｃ）の燃料噴射信号は、その値が０でない時に燃料が噴射され、その横幅が大きいほど、燃料噴射量が多いことを示している。
【００７８】
本実施例では、車速がある速度Ｖ１からＶ２まで低下する減速時における制御を例に説明する。車速、壁面温度、水温の時間変化については、図５と同様であるので、詳しい説明は省略する。壁面温度がＸ１の時の排気が最小となる圧縮行程側の燃料噴射割合はＢ１であり、壁面温度がＸ２のときの排気が最小となる圧縮行程側の燃料噴射割合はＢ２であるとする。
【００７９】
水温に基づく従来の制御では、燃料噴射割合が変更されるのが時刻Ｔ４となり、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の間は、燃料噴射の割合を排気が最小となる割合に設定することができない。それに対して本実施例で用いられる壁面温度は、水温に比べて追従遅れ時間は小さい。本実施例の内燃機関制御装置は、筒内圧を毎サイクル測定することで、サイクルごとに壁面温度を推定できる。そして、図１０（ｃ）のタイムチャートに示すような追従遅延の小さい燃料噴射割合の制御が可能となる。例えば、圧縮行程中の筒内に噴射する燃料の割合を増やすことで、燃料の気化熱によりガス温度が低下し、ノッキング抑制効果が得られる。すると、排気を最小にしながら燃費が最適となる点火時期を取ることができ、排気および燃費の低減が可能となる。
本実施例では、車両が減速する場面を例に説明したが、加速時も同様に、増加するエンジン発熱量に追従して壁面温度を推定することで、追従遅れの小さいの燃料噴射割合の制御が可能となる。
【００８０】
図１１は、実施例３による内燃機関制御装置における、１サイクル中の吸排バルブの動作と、分割噴射における燃料の割合の一例を示したタイムチャートである。図１１（ａ）は吸気バルブ２１と排気バルブ２２のリフトを示したものである。図１１（ｂ）および（ｃ）の燃料噴射信号は、本実施例における燃料噴射パターンを示しており、その値が０でない時に燃料が噴射されることを示している。また、燃料噴射信号の横幅が広いほど、燃料噴射量が増加することを示している。
【００８１】
圧縮行程において噴射する燃料の割合を増加させると、燃料の気化熱によりガス温度が低下し、ノッキング抑制効果が得られる。しかし、圧縮工程の燃料噴射の割合を過剰に増加させた場合、燃料と空気の混合状態が悪化し、混合気に局所的なリーンまたはリッチ領域が形成されてしまい、燃焼安定性が悪化する。すると、排気を最小にしながら燃費を最適にする点火時期を選択することができず、排気および燃費が悪化してしまう。
【００８２】
図１１（ｂ）は、分割噴射の２回の燃料噴射が吸気行程と圧縮行程でそれぞれ行われる場合において、割合を変更する前の燃料噴射時期を示したものである。圧縮行程側で噴射される燃料の割合が高いため、燃料と空気の混合状態が悪化し、燃焼安定性が悪化しているとする。そこで、図１１（ｃ）に示すように２回の燃料噴射の燃料の割合を変更する。具体的には、圧縮行程の燃料噴射における燃料の割合を減少させる。それにより、燃焼安定性が改善され、排気を最小にしながら燃費を最適にする点火時期を選択することができるようになり、排気および燃費の低減が可能となる。
このように、変動するエンジン発熱量に追従して壁面温度を推定し、壁面温度の推定結果に応じて、分割噴射における各燃料噴射で噴射する燃料の割合を変更することで、噴射された燃料の壁面付着量と混合気の冷却量を調整でき、過渡時に刻々と変化する壁面温度に応じて、排気および燃費を小さく抑えることが可能になる。
【実施例４】
【００８３】
実施例４では図１２〜図１３を用いて、ＥＣＵ２０の制御部が燃焼パラメータとして点火時期を制御する場合の内燃機関制御装置の構成及び動作の実施例を説明する。実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００８４】
図１２は、実施例４による、１サイクル中における点火時期を補正制御する処理の一例を示すフローチャートである。内燃機関（エンジン１００）には点火を行う点火プラグ１７に高電圧を供給するための図示しない点火コイルが取り付けられている。ＥＣＵ２０の制御部は、ガスの温度とＥＧＲ率に基づいて燃焼サイクルにおける点火コイルの二次側コイル電流の立ち上がりタイミングを補正する。ステップＳ１２０１からＳ１２０７までは、図４のステップＳ４０１からＳ４０７までと同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００８５】
本実施例において、壁面温度が基準値よりも低い場合は、ステップＳ１２０８において、制御部は、次サイクルの点火時期を進角させる。点火時期を進角させると、燃焼ガスがピストンによって圧縮される期間が長くなり、燃焼ガスの最高温度が上昇する。その結果、シリンダ１５の壁面への伝熱量が増加し、壁面温度が上昇する。壁面温度が上昇することで、次サイクルで噴射された燃料が壁面に付着するのを抑制することができ、排気が低減される。
また、ステップＳ１２０９では、制御部は、壁面温度と基準値を比較し、壁面温度が基準値よりも高い場合は、ステップＳ１２１０で次サイクルの点火時期を遅角させる。点火時期を過剰に進角させると、燃焼ガスの温度と圧力が上昇する。それにより、点火プラグ１７によって点火する前に混合気が自着火するプレイグニッション、あるいはノッキングといった異常燃焼を引き起こし、その結果、排気あるいは燃費が悪化する。
【００８６】
壁面温度が基準値よりも高い場合には点火時期を遅角させることで、シリンダ内のガス温度を低下させ、異常燃焼を抑制し、排気および燃費の向上を図ることができる。点火時期の目標値は、壁面温度ごとに、点火時期による排気成分の排出量を数値解析または実験により求め、排気が最小となる点火時期を求めることにしてもよい。もしくは、事前に壁面温度と点火時期の関係を予めマップ化しておいても良い。その後、ステップＳ１２１１において排気バルブが開いて燃焼後ガスの排気が行われ、排気バルブが閉じて、1サイクルが完了する。
【００８７】
なお、ＥＧＲ率がおおむね３０％を超えると燃焼安定性が悪化するため、点火時期を進角しても安定した燃焼が得られなくなる。そこで、ＥＧＲ率が設定値（たとえば３０％）以上となった場合には、壁面温度によらず点火時期を進角しないように、壁面温度の基準値を設定しておくとよい。
【００８８】
ＥＧＲでは、図１における排気管の三元触媒１０の下流から、排気をＥＧＲ管４０へ取り出し、ＥＧＲクーラ４２で所定の温度まで冷却した後に、吸気管６上のコンプレッサ４ａの上流に還流させる。この方式によるＥＧＲを、後述する内部ＥＧＲと区別するために外部ＥＧＲと呼ぶことにする。
【００８９】
外部ＥＧＲにより再循環させる排気の量は、ＥＧＲ弁４１により一定に制御される。ここで、排気ガスの組成は、前燃焼サイクルの空燃比や吸気量ばらつき等により変動するため、ＥＧＲ率は燃焼サイクルごとに変動する。
【００９０】
壁面温度が同じでもＥＧＲ率が増加すると、ノッキングが抑制され、点火時期を進角させる限界が拡大し、最適な点火時期も進角側に移動する。逆にＥＧＲ率が減少した場合、ノッキング抑制効果が減少し、点火時期の進角限界は縮小する。また最適な点火時期は遅角側に移動する。本実施例による内燃機関制御装置では、例えばＥＧＲ率が増加した場合は、壁面温度と比較する基準値を上げる補正により点火時期目標値を進角させる。また、ＥＧＲ率が減少した場合は、壁面温度の基準値を下げる補正により点火時期目標値を遅角させる。
【００９１】
図１３は、実施例４による内燃機関制御装置における、車速、壁面温度、水温、点火時期目標値の時間変化を示すタイムチャートである。本実施例では、車速がある速度Ｖ１からＶ２まで低下する減速時における制御を例に説明する。車速、壁面温度、水温の時間変化については、図５と同様であるので、詳しい説明は省略する。壁面温度がＸ１の時の排気が最小となる点火時期はＣ１であり、壁面温度がＸ２のときの排気が最小となる点火時期はＣ２であるとする。
【００９２】
図１３（ｃ）はＥＣＵが記憶している点火時期の目標値であり、制御部は、時刻Ｔ３において、補正値に基づいて点火時期目標値を書き換える。水温に基づく従来の制御では、点火時期が変更されるのが時刻Ｔ４となり、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の間は排気が最小となる点火時期を取ることができない。それに対して壁面温度は、水温に比べて追従遅れ時間は小さい。
【００９３】
このように、本実施例の内燃機関制御装置では、筒内圧を毎サイクル測定することで、サイクルごとに壁面温度を推定し、図１３（ｃ）のタイムチャートに示すような、壁面温度と同期した、追従遅れの小さい点火時期の制御が可能となる。その結果、排気を最小にしながら燃費を最適にする点火時期を選択することができ、排気および燃費の低減が可能となる。
【実施例５】
【００９４】
実施例５には、燃焼後ガスの比熱比を算出し、その比熱比を用いて壁面温度を算出する例を示す。図１４〜図１６を用いて、実施例５における燃焼後ガスの比熱比の算出プロセスと壁面温度の算出プロセスを説明する。また、本実施例では図４に示した実施例１のように燃料噴射時期を制御する例を示す。
【００９５】
図１４は、実施例５による内燃機関制御装置における、１サイクル内の筒内圧力と燃料噴射時期の目標値のクランク角に対する変化を示すタイムチャートである。
【００９６】
図１４（ａ）は吸気バルブ２１と排気バルブ２２のリフトを示したものである。クランク角θ１で吸気バルブ２１が閉じ吸気行程が完了する。クランク角θ１において筒内圧Ｐ１が測定される。吸気行程に続いて圧縮行程が始まると、図１４（ｂ）に示すように、クランク角θ１において筒内圧力がＰ１から上昇し始める。圧縮行程が進んだクランク角θ２において筒内圧Ｐ２が測定される。ここで２点における圧力変化（Ｐ２−Ｐ１）を算出することができる。また、クランク角度の検出値θ１およびθ２から筒内体積Ｖ１およびＶ２も得ることができる。これらの測定値、空燃比、および吸気質量の少なくとも１つ以上の値から、ガス温度およびＥＧＲ率を推定することができる。
【００９７】
ステップＳ４０３では、制御部は、燃焼後ガスの比熱比を求める。燃焼後ガスの比熱比の算出方法については後述する。
【００９８】
次に、筒内圧がピークを超えると膨張行程が始まり、図１４（ｂ）に示されるように、クランク角θ３において、筒内圧がＰ３から下降し始める。クランク角θ３における筒内圧Ｐ４が測定される。また、膨張行程が進んだクランク角θ４において筒内圧Ｐ４が測定される。それにより、２点における圧力変化（Ｐ４−Ｐ３）を得ることができる。また、クランク角度の検出値θ３およびθ４から筒内体積Ｖ３およびＶ４も得ることができる。
【００９９】
これらの測定値と、燃焼後ガスの比熱比と、水温の少なくとも１つ以上の値から、ステップＳ４０６では、制御部は、壁面温度を推定する。壁面温度の推定方法については後述する。
【０１００】
制御部は、ステップＳ４０７において推定された壁面温度と基準値を比較し、ステップＳ４０８により、クランク角θ５において図１４（ｃ）に示されるように、燃料噴射時期を変更する。また、制御部は、ステップＳ４０９において推定された壁面温度と基準値を比較し、ステップＳ４１０により、クランク角θ５において図１４（ｃ）に示されるように、燃料噴射時期を変更する。
【０１０１】
次に、図１５を用いて、ステップＳ４０３における、燃焼後ガスの比熱比の推定方法を説明する。
【０１０２】
図１５は、実施例５による内燃機関制御装置における、燃焼後ガスの比熱比の算出プロセスを示すフローチャートである。
【０１０３】
まず、制御部は各種センサにより筒内の各種状態量を取得する。ステップＳ１５０１では、制御部は、筒内圧センサで測定された値から筒内圧Ｐを取得する。ステップＳ１５０２では、制御部は、クランク角センサより現状のクランク角θを取得し、クランク角θとシリンダ１５の形状情報とから定まる筒内体積Ｖを取得する。ステップＳ１５０３では、制御部は、排気管に取り付けられた空燃比センサにより、空燃比ＣＡＦを取得する。ステップＳ１５０４では、制御部は、吸気エアフローセンサにより、吸気の質量ｍを取得する。
【０１０４】
次に、ステップＳ１５０５において、制御部は、圧縮行程を断熱圧縮と仮定して比熱比の実測値を算出する。圧縮開始クランク角θ１から、行程途中のクランク角θ２までの間に、筒内圧Ｐ１およびＰ２、筒内体積Ｖ１およびＶ２を取得し、以下の式（１）により混合気体の比熱比の実測値γ１を算出する。
【数１】
2018066268.tif 000003
【０１０５】
次に、ステップＳ１５０６からステップＳ１５０８では、制御部は、ＩＶＣ時のガス温度と、ＥＧＲ率を道のパラメータとし、気体の状態方程式を用いて比熱比の計算値を算出する。
【０１０６】
ステップＳ１５０６では、制御部は、ＩＶＣ時のガスの温度Ｔ１、およびガスのＥＧＲ率ＹＥＧＲを仮の値に設定する。ステップＳ１５０７では、制御部は、事前に測定して記憶しておいた、空気の比熱比γＡｉｒ（Ｔ）、気化燃料γｆｕｅｌ（Ｔ）、理論空燃比で燃焼した際の排気ガスの比熱比γＥＧＲ（Ｔ）を、温度依存データとして取得する。
【０１０７】
ステップＳ１５０８では、空気、燃料、排気ガスが混ざった混合気体の比熱比γ２は、ステップＳ１５０３で取得した空燃比ＣＡＦを用いて、以下の式（２）で表すことができる。
【数２】
2018066268.tif 000004
【０１０８】
ここで、ＣＡＦ（１−ＹＥＧＲ）／（ＣＡＦ＋１）は混合気体における空気の質量割合を表し、（１−ＹＥＧＲ）／（ＣＡＦ＋１）は混合気体における燃料の質量割合を表す。
【０１０９】
次に、ステップＳ１５０４で取得した吸気質量ｍも用いて、ＩＶＣ時における筒内ガスの状態方程式を式（３）に表す。
【数３】
2018066268.tif 000005
【０１１０】
ここで、筒内ガスの質量Ｍ１は式（３１）に示され、一般気体定数Ｒｕは式（３２）に示される。
【数４】
2018066268.tif 000006
【数５】
2018066268.tif 000007
【０１１１】
式（２）および式（３）の中で、未知であるパラメータはＩＶＣ時のガスの温度Ｔ１、およびガスのＥＧＲ率ＹＥＧＲのみであり、２つの式による連立方程式を解くことで、未知パラメータを求めることができる。
【０１１２】
しかし、２つの式はそれぞれ非線形項を含むため、直接解くことが困難である。そこで、ステップＳ１５０９において式（１）で求めた比熱比の実測値γ１と、式（２）、式（３）で定まる比熱比の計算値γ２との残差を計算し、ステップＳ１５１０においてそれを最小化するよう収束計算を行い、未知パラメータＴ１およびＹＥＧＲを同定する。
【０１１３】
収束計算においては、探索による計算負荷の増大を抑制するために、ガスの温度Ｔ１とＥＧＲ率ＹＥＧＲの取りうる範囲をあらかじめ規定したうえで、その範囲内の複数の値、例えば３０通りずつ値を仮定して、並列計算を行う。同定結果から、ステップＳ１５１１でガス温度Ｔ１が得られ、ステップＳ１５１２でＥＧＲ率ＹＥＧＲが得られる。
【０１１４】
未知であったＩＶＣ時の温度Ｔ１が定まることで、以下の式（４）により、圧縮上死点での温度を含む、圧縮中の任意の点におけるガスの温度を算出できる。
【数６】
2018066268.tif 000008
【０１１５】
本実施例による内燃機関制御装置では、圧縮行程における筒内圧の変化の履歴に基づいて比熱比を同定する。ここでは、同定されるパラメータの定性的な傾向を述べる。
【０１１６】
ガスの温度が高いときは、空気、燃料、排気ガスの比熱比は温度上昇とともに低下し、筒内圧の上昇がなだらかになる。同様に、ＥＧＲ率が高いときにも、比熱比が１．２５前後と、常温空気の比熱比１．４０前後と比べても小さい排気ガスの割合が増えるため、ガスの比熱比は低下し、筒内圧の上昇はなだらかになる。逆に、ガスの温度が低いとき、またはＥＧＲ率が高いときは、筒内圧の上昇は急になる。これらの筒内圧変化の特徴に基づいて、ガスの温度とＥＧＲ率を同定する。
【０１１７】
以上のようにＥＣＵ２０の制御部は、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の双方が閉じている状態における筒内のガスの筒内圧および筒内体積から、気体の比熱比を同定し、ガス温度とＥＧＲ率を仮定して計算した混合気の比熱比の残差を最小をとし、かつ混合気の状態方程式を満足する、ガス温度およびＥＧＲ率を同定することでガスの温度とＥＧＲ率とを求める。このように、比熱比の実測値と計算値の収束計算によりガスの温度とＥＧＲ率を同定することで、従来の吸気温度センサでは測定できなかった、ＩＶＣ時の筒内ガスの温度を予測することができる。
【０１１８】
ここで、ステップＳ１５０３で取得する空燃比や、ステップＳ１５０４で取得する吸気質量も、一般的に吸気管６の上流で測定されるため、その値は気筒ごと、燃焼サイクルごとに変動する。そのため、空燃比ＣＡＦや吸気質量ｍについても仮定値を与えて、センサ値を参照値として探索範囲を設定し、未知パラメータとして同定しても良い。
【０１１９】
なお、探索による計算負荷の増大を更に抑制するために、温度に対して非線形に変化する比熱比γＡｉｒ（Ｔ）、γｆｕｅｌ（Ｔ）、γＥＧＲ（Ｔ）を区間ごとに直線で近似し、仮定した温度に対して直線の方程式を定めることで、式（３）と式（４）を連立方程式として解析的に解くことができ、収束計算を不要としても良い。
【０１２０】
次に、図１６を用いて、ステップＳ４０６における、壁面温度の推定方法を説明する。
【０１２１】
図１６は、実施例５による内燃機関制御装置における、壁面温度の算出プロセスを示すフローチャートである。
【０１２２】
まず、制御部は各種センサにより筒内の状態量を取得する。ステップＳ１６０１では、制御部は筒内圧センサから筒内圧Ｐを取得する。ステップＳ１６０２では、制御部はクランク角センサより現状のクランク角θを取得し、クランク角θとシリンダの形状情報から定まる筒内体積Ｖを取得する。ステップＳ１６０３では、制御部は、冷却水配管に取り付けられた水温センサにより、水温Ｔｗを取得する。ステップＳ１６０４では、制御部は、ステップＳ１５１２で推定した燃焼後ガスの比熱比γ'を取得する。
【０１２３】
次に、ステップＳ１６０５において、制御部は、ステップＳ１６０１で取得した筒内圧と、ステップＳ１６０２で取得したクランク角に基づく筒内体積とから、膨張仕事の実測値を算出する。膨張開始クランク角θ３から行程途中のクランク角θ４までの間に、筒内圧Ｐ３およびＰ４と筒内体積Ｖ３およびＶ４を得て、以下の式（５）により混合気体の膨張仕事の実測値を算出する。
【数７】
2018066268.tif 000009
【０１２４】
次に、ステップＳ１６０６では、制御部は、未知パラメータとして、膨張開始時のガス温度Ｔ２、ガスと壁面間の熱伝達率ｈ１を仮定する。ステップＳ１６０７では、制御部は、仮定した未知パラメータを用いて、あるクランク角θでの筒内圧力Ｐ（θ）、あるクランク角θでの燃焼後ガス温度Ｔ２、ガス−壁面間の熱伝達率ｈを、以下の式（６）、式（７）、および式（８）を用いて算出する。
【数８】
2018066268.tif 000010
【０１２５】
ここで、ｈ２は壁面と冷却水間の平均熱伝達率である。ｈ２はエンジン形状や冷却水の流速により定まり、燃焼ガス温度の変化の影響を受けにくいため、事前に実験または数値解析により定めた値を用いる。
【０１２６】
ステップＳ１６０８では、制御部は、式（６）と式（７）を用いて、断熱変化を仮定した、理想膨張仕事Ｗを式（９）により算出する。
【数９】
2018066268.tif 000011
【０１２７】
ステップＳ１６０８で計算される理想膨張仕事には、壁面へ逃げる熱量、すなわち冷却損失が考慮されていない。膨張行程では、圧縮行程に比べてガス温度が高くなるため、冷却水との温度差が大きくなり、冷却損失が大きくなる。そこで、ステップＳ１６０９では、制御部は、式（１０）で示される冷却損失Ｑを定義する。式（１０）の中には、ステップＳ１６０６で仮定した未知パラメータである膨張開始時のガス温度Ｔ２とガスと壁面間の熱伝達率ｈ１とが含まれる。また、Ａ（θ）は、燃焼後ガスに接触するシリンダ内壁の面積であり、クランク角θにより変化する。
【数１０】
2018066268.tif 000012
【０１２８】
ステップＳ１６１０では、制御部は、式（１１）により、ステップＳ１６０８で計算される理想膨張仕事Ｗから、ステップＳ１６０９で計算される冷却損失Ｑを差し引くことで、膨張仕事の計算値を算出する。
【数１１】
2018066268.tif 000013
【０１２９】
式（１１）の中で、未知パラメータは膨張開始時のガス温度Ｔ２、およびガスと壁面間の熱伝達率ｈ１のみである。式（５）と式（１１）が等しいという式を解くことで、未知パラメータを求めることができる。しかし、式（９）と式（１０）という２つの式はそれぞれ非線形項を含むため、直接解くことが困難である。
【０１３０】
そこで、ステップＳ１６１１では、制御部は、ステップＳ１６０５で求めた膨張仕事の実測値と、ステップＳ１６１０で求めた膨張仕事の計算値の残差を最小化する収束計算を行い、未知パラメータＴ２およびｈ１を同定する。収束計算においては、探索による計算負荷の増大を抑制するために、膨張開始時のガス温度Ｔ２、およびガスと壁面間の熱伝達率ｈ１の取りうる範囲をあらかじめ規定したうえで、その範囲内に複数の値、例えば３０通りずつの値を仮定して、並列計算を行う。ステップＳ１６１２において、制御部は、ステップＳ１６１１で算出した残差が許容値ε以下となった場合に、同定結果としてＴ２とｈ１の値を出力する。
【０１３１】
ステップＳ１６１３では、制御部は、同定結果から、式（１２）により壁面温度Ｔｗａｌｌ（θ）を計算する。
【数１２】
2018066268.tif 000014
【０１３２】
ステップＳ１６１４では、制御部は、壁面温度Ｔｗａｌｌ（θ）の１サイクル平均値を算出し、出力する。
【０１３３】
本実施例による内燃機関制御装置では、膨張行程における筒内圧の変化の履歴に基づいて壁面温度を同定する。ここでは、同定されるパラメータの定性的な傾向を述べる。
【０１３４】
壁面温度が低いときは、冷却損失により失われる熱量が増加するため、筒内圧の下降が急になる。逆に、壁面温度が高いときは、筒内圧の下降はなだらかになる。これらの筒内圧変化の特徴に基づいて、壁面温度を同定する。
【０１３５】
以上のように、ＥＣＵ２０の制御部は、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の双方が閉じている状態における筒内のガスの圧力および筒内体積から、燃焼後ガスの比熱比を推定する。さらに、制御部は、膨張開始時ガス温度とガス-壁面間の熱伝達率を仮定して計算した燃焼ガスの膨張仕事の計算値と実測値の残差を最小とする膨張開始時ガス温度とガス−壁面間の熱伝達率とを同定し、それらの値を用いて壁面温度の推定値を算出する。
【０１３６】
このように、膨張仕事の実測値と計算値の収束計算により壁面温度を同定することで、従来の水温センサでは測定できなかったサイクル毎の壁面温度の予測が可能となり、過渡運転における排気を低減することが可能となる。
実施例５による内燃機関制御装置における、壁面温度の算出プロセスでは、筒内圧センサ、クランク角センサ、水温センサ、空燃比センサ、エアフローセンサを含む各種センサ値が用いられている。そのため、ノッキング等の異常燃焼がセンサにノイズを与え、壁面温度の推定値の誤差を増大させてしまうことがある。そこで、ノッキングなどの異常燃焼が発生したら本推定結果のフィードバックを中止することにしてもよい。すなわち、制御部は、異常燃焼の発生の有無を監視しており、異常燃焼を検知すると、壁面温度の推定値に基づく燃料噴射時期の制御において燃料噴射時期の補正を停止する。
【０１３７】
その際、異常燃焼の検知には、筒内圧センサあるいはエンジン振動を検知するノックセンサを用いても良い。また、凸凹のある路面、あるいは凍結した路面等、悪路を走行しているときにも、筒内圧センサ、クランク角センサ、エアフローセンサ等の出力値に誤差が発生し、壁面温度の推定値の誤差が増大してしまう場合がある。そこで、本実施例では、制御部は、悪路を走行していると検知した場合、本推定結果のフィードバックを中止することにしてもよい。悪路の検知には、例えば、車両に搭載された加速度センサ、両輪の回転数差、車載カメラで撮影される画像または映像、のいずれか１つあるいは複数を用いても良い。
【０１３８】
このように、燃焼の状態および外界の状況に応じて、壁面温度の推定結果に基づく制御を停止することで、壁面温度推定の精度の低下による悪影響を抑制することが可能となる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。
【０１３９】
上述した本発明の実施例を以下に示すように整理することができる。
【０１４０】
図１７は、上述した実施例における制御部の概略の機能構成を示すブロック図である。図１７を参照すると、制御部は、壁面温度算出部２０１と燃焼制御部２０２を有している。
【０１４１】
（態様１）
シリンダ内に燃料を噴射し、点火することで燃焼を発生させる内燃機関を制御する内燃機関制御装置は、シリンダの壁面温度をシリンダ内の圧力に基づいて算出する壁面温度算出部と、算出された壁面温度に基づいて内燃機関の燃焼を制御する燃焼制御部と、を有する。シリンダ内の圧力に基づいて壁面温度を算出し、その壁面温度を内燃機関の制御に用いるので、冷却水温から壁面温度を求める場合と比べて壁面温度をよりリアルタイムで取得でき、迅速に適正な制御を行うことができる。
【０１４２】
（態様２）
態様１の内燃機関制御装置において、燃焼制御部は、壁面温度に基づいて、燃焼において噴射または点火の少なくとも一方に用いる燃焼パラメータを補正する。燃焼パラメータを迅速に適正な値に制御できるため、良好な燃焼を維持し、シリンダの壁面への燃料の付着量を低減することができる。
【０１４３】
（態様３）
態様２の内燃機関制御装置において、燃焼制御部は、壁面温度をサイクル毎に測定し、壁面温度に基づいて次のサイクルにおける燃焼パラメータを決定する。最新の壁面温度に基づいてサイクル毎に燃焼パラメータを制御できるため、燃焼パラメータを常に適正な値に維持し、良好な燃焼を維持することができる。
【０１４４】
（態様４）
態様３の内燃機関制御装置において、燃焼制御部は、壁面温度を所定の基準値と比較した結果に基づいて、次サイクル以降の燃料噴射時期を変更する。
【０１４５】
（態様５）
態様３の内燃機関制御装置において、内燃機関は１つのサイクル内で複数回に分割して燃料を噴射し、燃焼制御部は、壁面温度が所定の基準値と比較した結果に基づいて、１サイクルにおける燃料噴射回数を変更する。
【０１４６】
（態様６）
態様３の内燃機関制御装置において、内燃機関は１つのサイクル内で複数回に分割して燃料を噴射し、燃焼制御部は、壁面温度を所定の基準値と比較した結果に基づいて、次サイクル以降のサイクルにおいて、１つのサイクル内の各回の燃料の噴射において噴射される燃料の割合を変更する。
【０１４７】
（態様７）
態様３の内燃機関制御装置において、燃焼制御部は、壁面温度を所定の基準値と比較した結果に基づいて、次サイクル以降の点火時期を変更する。
【０１４８】
（態様８）
態様７の内燃機関制御装置において、燃焼制御部は、壁面温度が基準値より低い場合、点火時期を燃費最適点まで進角させる。
【０１４９】
（態様９）
態様７の内燃機関制御装置において、燃焼制御部は、壁面温度が基準値より高い場合、点火時期を、ノッキングが起きない所定の時刻まで遅角する。
【０１５０】
（態様１０）
態様１の内燃機関制御装置において、壁面温度算出部は、膨張行程において、複数のクランク角における筒内圧を測定した結果を用いて算出される仕事量の実測値と、第１の未知パラメータを含む冷却損失と断熱膨張の仮定とに基づき計算される仕事量の計算値との差分に基づき前記第１の未知パラメータを推定し、推定された第１の未知パラメータに基づきサイクル毎の壁面温度を算出する。仕事量の実測値と計算値の差分から求まる冷却損失に基づいて壁面温度を算出するので、壁面温度を迅速に算出することができる。
【０１５１】
（態様１１）
態様１０の内燃機関制御装置において、壁面温度算出部は、仕事量の実測値と仕事量の計算値との差分を最小化する計算により第１の未知パラメータを推定する。
【０１５２】
（態様１２）
態様１０の内燃機関制御装置において、第１の未知パラメータは、膨張開始時のガス温度と、ガス-壁面間の熱伝達率である。
【０１５３】
（態様１３）
態様１０の内燃機関制御装置において、壁面温度算出部は、複数のクランク角において測定された筒内圧測定値と、燃焼室形状により定まる筒内体積とに基づいて、仕事量の実測値を算出する。複数のクランク角における筒内圧の測定値を用いて仕事量の実測値を算出するので高い精度で仕事量の実測値を得ることができる。
【０１５４】
（態様１４）
態様１１の内燃機関制御装置において、壁面算出部は、測定される筒内圧、クランク角、空燃比、および吸気の質量に基づいて算出される燃焼後ガスの比熱比と、断熱膨張を仮定して計算される筒内圧と、燃焼室形状により定まる筒内体積とに基づいて、仕事量の計算値を算出する。燃焼後のガスの比熱比に基づいて仕事量の計算値を算出するので、仕事量の計算値を算出することができる。
【０１５５】
（態様１５）
態様２の内燃機関制御装置において、燃焼制御部は、壁面温度の算出に影響する所定の異常状態においては壁面温度に基づく燃焼パラメータの補正を停止する。異常状態により壁面温度の誤差が大きくなると、内燃機関を適正に制御できなくなるので、そのような場合には燃焼パラメータの補正を停止して制御を安定させることができる。
【符号の説明】
【０１５６】
１…エアフローセンサ、１０…三元触媒、１００…エンジン、１１…電子制御ウェイストゲート弁、１２…アクセル開度センサ、１３…インジェクタ、１４…吸気圧力センサ、１５…シリンダ、１６…排気管、１７…点火プラグ、１８…ピストン、１９…筒内圧力センサ、２…電子制御スロットル、２０…ＥＣＵ、２０１…壁面温度算出部、２０２…燃焼制御部、２１…吸気バルブ、２２…排気バルブ、４０…ＥＧＲ管、４１…ＥＧＲ弁、４２…ＥＧＲクーラ、４３…差圧センサ、４４…ＥＧＲ温度センサ、４ａ…コンプレッサ、４ｂ…タービン、５…可変バルブタイミング、５ａ…可変バルブタイミング機構、６…吸気管、７…インタークーラ、９…空燃比センサ
【図１】
2018066268.tif 000015
【図２】
2018066268.tif 000016
【図３】
2018066268.tif 000017
【図４】
2018066268.tif 000018
【図５】
2018066268.tif 000019
【図６】
2018066268.tif 000020
【図７】
2018066268.tif 000021
【図８】
2018066268.tif 000022
【図９】
2018066268.tif 000023
【図１０】
2018066268.tif 000024
【図１１】
2018066268.tif 000025
【図１２】
2018066268.tif 000026
【図１３】
2018066268.tif 000027
【図１４】
2018066268.tif 000028
【図１５】
2018066268.tif 000029
【図１６】
2018066268.tif 000030
【図１７】
2018066268.tif 000031