(57)【要約】【課題】燃料性状を精度よく判別する手段を提供する。【解決手段】内燃機関の燃焼室内の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、検出された筒内圧に基づいて燃焼状態を示す熱発生量パラメータを算出する熱発生量パラメータ算出手段と、前記検出された筒内圧に基づいて燃焼遅れを算出する燃焼遅れ算出手段と、前記算出された熱発生量パラメータ及び燃焼遅れと、規範燃料に対応する熱発生量パラメータ及び燃焼遅れとの比較に基づいて、燃料性状を判別する燃料性状判別手段とを備える。熱発生量パラメータと燃焼遅れの両者に基づくので燃料性状を精度よく判別できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
検出された筒内圧に基づいて燃焼状態を示す熱発生量パラメータを算出する熱発生量パラメータ算出手段と、
前記検出された筒内圧に基づいて燃焼遅れを算出する燃焼遅れ算出手段と、
前記算出された熱発生量パラメータ及び燃焼遅れと、規範燃料に対応する熱発生量パラメータ及び燃焼遅れとの比較に基づいて、燃料性状を判別する燃料性状判別手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記熱発生量パラメータ算出手段は、前記検出された筒内圧と、前記筒内圧の検出時点における燃焼室容積を供給される混合気の比熱比近傍の値で累乗した値との積値を、前記熱発生量パラメータとして算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記燃料性状判別手段は、前記熱発生量パラメータのサイクルごとの平均値を、規範燃料に対応する熱発生量パラメータのサイクルごとの平均値と比較することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記燃料性状判別手段は、前記熱発生量パラメータのサイクルごとの積算値を、規範燃料に対応する熱発生量パラメータのサイクルごとの積算値と比較することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
前記熱発生量パラメータ算出手段は、図示熱量を低位発熱量で除した値を、前記熱発生量パラメータとして算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
前記燃焼遅れ算出手段は、燃焼割合の変化量に基づいて前記燃焼遅れを算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
前記燃料性状判別手段の判別結果に基づいて、複数の制御値マップを切替える切替手段を更に備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、燃料性状を判別する機能を有する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料の性状を直接検出する技術として、検査対象燃料の屈折率から粘度および比重を判定する検出装置が提案されているが（特許文献１）、構造が複雑かつ高価であって実用的とは言いがたい。
【０００３】
他方、燃焼室内の圧力と容積とに基づいて、燃焼割合に相関のある熱発生量パラメータを算出し、所定の運転状態における熱発生量パラメータの変化に基づいて燃料のセタン価を測定するもの（特許文献２）、燃料が着火するまでの期間に基づいて燃料のセタン価を測定するもの（特許文献３）、および燃料の低位発熱量を測定して性状を判別するもの（特許文献４）がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９７７５号公報
【特許文献２】特開２００５−３４４５５０号公報
【特許文献３】特開２００５−３４４５５７号公報
【特許文献４】特開昭６４−８８１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの従来技術も測定精度は必ずしも満足できるものではなく、また近年ではバイオ系燃料やＧＴＬ（ガス液化燃料）など、内燃機関の燃料が多様化しており、このような多様な燃料であっても成分を精度よく判別できることが望ましい。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、燃料性状を精度よく判別する手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による内燃機関の制御装置は、内燃機関の燃焼室内の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、検出された筒内圧に基づいて燃焼状態を示す熱発生量パラメータを算出する熱発生量パラメータ算出手段と、前記検出された筒内圧に基づいて燃焼遅れを算出する燃焼遅れ算出手段と、前記算出された熱発生量パラメータ及び燃焼遅れと、規範燃料に対応する熱発生量パラメータ及び燃焼遅れとの比較に基づいて、燃料性状を判別する燃料性状判別手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
例えば、ガソリン・アルコール混合燃料の場合には、図５に示されるように、燃料に対するアルコール含有量が高いほど、熱発生量が小さく、且つ燃焼遅れが小さい傾向にある。したがって、本発明では熱発生量パラメータと燃焼遅れの両者に基づいて燃料性状を判別することにより、燃料性状を精度よく判別することが可能になる。
【０００９】
前記熱発生量パラメータ算出手段は、前記検出された筒内圧Ｐと、前記筒内圧Ｐの検出時点における燃焼室容積Ｖを供給される混合気の比熱比κ近傍の値で累乗した値との積値ＰＶκを、前記熱発生量パラメータとして算出することが好ましい。気体の状態方程式：ＰＶ＝ｎＲＴ（Ｐ：圧力、Ｖ：体積、ｎ：気体のモル数、Ｒ：気体定数（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔ：温度（Ｋ））から、断熱変化においてはＰＶκ＝一定となることがわかっている。そのため、燃焼室内において燃料の燃焼が生じたときのＰＶκの変化量（すなわち２点間の差分）は、該燃焼により生じたエネルギーに依存する。従って、ＰＶκは燃焼室内での熱発生量と相関が高く、このＰＶκを熱発生量パラメータとして燃料性状を判定することによって、より高精度で該燃料の性状を判定することができる。筒内圧Ｐは筒内圧センサによって直接検出することができ、体積（筒内容積）Ｖは所定のマップまたは関数によってクランク角から一義的に求めることができる。定数κは、燃焼室において形成される混合気の比熱比近傍の値であればよく、また予め定められた固定値であっても、吸入空気量や燃料噴射量等に応じて変更するようにしてもよい。
【００１０】
前記燃料性状判別手段は、検出された熱発生量パラメータのサイクルごとの平均値と、規範燃料に対応する熱発生パラメータのサイクルごとの平均値とを比較することが好ましい。また、前記熱発生量パラメータのサイクルごとの積算値を、規範燃料に対応する熱発生量パラメータのサイクルごとの積算値と比較してもよい。これらの場合には、検出値のＳ／Ｎ比を高めることによって検出精度を向上することが可能になる。
【００１１】
前記熱発生量パラメータ算出手段は、図示熱量を低位発熱量で除した値を、前記熱発生量パラメータとして算出することが好ましい。
【００１２】
前記燃焼遅れ算出手段は、燃焼割合の変化量に基づいて前記燃焼遅れを算出することが好ましい。
【００１３】
前記燃料性状判別手段の判別結果に基づいて、複数の制御値マップを切替える切替手段を更に備えるのが好ましい。この場合には、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１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。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック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。内燃機関１は、ガソリンによる運転、およびガソリンとアルコールとの混合燃料による運転が可能である。内燃機関１は多気筒エ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気筒エンジンとして構成される。
【００１６】
各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管（吸気マニホールド）５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気管６（排気マニホールド）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、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉは対応する吸気ポートを開閉し、各排気弁Ｖｅは対応する排気ポートを開閉する。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、可変バルブタイミング機構を含む動弁機構ＶＭ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ヘッドに配設されている。
【００１７】
吸気管５は、図１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Ｌ１が接続されており、給気ラインＬ１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Ｌ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ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）１０が組み込まれている。一方、排気管６には、図１に示されるように、例えば三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよび例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。
【００１８】
更に、内燃機関１は、複数のインジェクタ１２を有し、各インジェクタ１２は、図１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ヘ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、凹部４ａを有している。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１２から各燃焼室３内のピストン４の凹部４ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。
【００１９】
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く、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。
【００２０】
上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構ＶＭ等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図１に示されるように、内燃機関１のクランク角センサ１４を始めとした各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵ２０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１０、インジェクタ１２、動弁機構ＶＭ等を制御する。
【００２１】
また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子、磁歪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）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、図示されないＡ／Ｄ変換器等を介してＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、燃焼室３内でその受圧面に加わる圧力（筒内圧力）を大気圧に対する相対値として出力するものであり、その受圧面に加わる圧力（筒内圧力）に応じた電圧信号（検出値を示す信号）をＥＣＵ２０に与える。
【００２２】
更に、内燃機関１は、サージタンク８内の吸入空気の圧力（吸気圧）を絶対圧力として検出する吸気圧センサ１６を有している。吸気圧センサ１６も、図示されないＡ／Ｄ変換器等を介してＥＣＵ２０に電気的に接続されており、検出したサージタンク８内の吸入空気の絶対圧力を示す信号をＥＣＵ２０に与える。なお、クランク角センサ１４、吸気圧センサ１６の検出値は、微小時間おきにＥＣＵ２０に順次与えられ、ＥＣＵ２０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。また、各筒内圧センサ１５の検出値（筒内圧力）は、吸気圧センサ１６の検出値に基づいて絶対圧補正された上で、ＥＣＵ２０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。
【００２３】
ＥＣＵ２０のＲＯＭには、予め作成された２種類の燃料噴射量マップ、２種類の噴射時期マップ、および２種類の点火時期マップが格納されている。各２種類のマップのうちの一方はガソリン燃料に、また他方はガソリン・アルコール混合燃料に対応している。なお、各マップは、例えば吸入空気量およびエンジン回転数を入力変数とし、これらの値に対応して、燃料噴射量、噴射時期および点火時期を読み出すことができるように構成されている。またＥＣＵ２０のＲＯＭには更に、これら各マップから読み出された燃料噴射量、噴射時期および点火時期に対して、吸気温、スロットル開度、およびエンジン水温などの運転状態を示す他の各種パラメータに基づいて補正を行うための関数およびプログラムが格納されている。
【００２４】
次に、図２を参照しながら、上述の内燃機関１において燃料性状を判別する手順について説明する。内燃機関１を始動させるように不図示のイグニッションキーが操作されると、ＥＣＵ２０によって図２に示される燃料性状判別処理が実行される。このルーチンによる処理は始動後の最初のサイクルにおいて実行されるが、始動時点から所定期間内のいずれかの時点で実行されても良い。図２において、ＥＣＵ２０は、まず、エンジン条件を示すパラメータを読み込む（Ｓ１０)。ここで読み込まれるパラメータは、エンジンが暖機済みか否かを示す一または複数種類のもの、例えばエンジン水温である。次にＥＣＵ２０は、読み込まれたパラメータを所定の基準値と比較することにより、エンジンが暖機済みか否かを判定し（Ｓ２０）、暖機済みの場合には処理がリターンされる。
【００２５】
エンジンが暖機済みでない場合には、ＥＣＵ２０は各燃焼室の燃焼状態を検出する（Ｓ３０）。本実施形態では気筒ごとに、予め定められた複数のクランク角における筒内圧センサ１５の検出値が取得され、ＥＣＵ２０の所定の記憶領域に格納される。
【００２６】
次にＥＣＵ２０は、熱発生量パラメータとして、所定の基準クランク角における筒内圧Ｐ、筒内容積Ｖ、および上述のとおり予め定められた比熱比κまたはその近傍の値から、ＰＶκの値を各気筒について算出し（Ｓ４０）、ＥＣＵ２０の所定の記憶領域に格納する。
【００２７】
またＥＣＵ２０は、各気筒について、燃焼遅れｄＣＳの値を所定の関数により算出し（Ｓ５０）、ＥＣＵ２０の所定の記憶領域に格納する。燃焼遅れｄＣＳは、ステップＳ３０で取得された複数のクランク角における筒内圧Ｐおよび筒内容積Ｖから求めることができる。具体的には、複数のクランク角における熱発生量パラメータＰＶκを算出し、これらの値から、ある２点間（例えば、燃焼開始時点よりも十分早いと考えられる−１８０°ＡＴＤＣと、燃焼終了時点より十分遅いと考えられる１３５°ＡＴＤＣとの間）におけるトータルの熱発生量に対する当該２点間の所定のタイミングまでの熱発生量の比である燃焼割合ＭＦＢを求める。そして、図３に示されるように、燃焼割合ＭＦＢの立上がり点ｔ１を、所定の関数によって求める。このような所定の関数は、例えば微小時間Δｔにおける燃焼割合ＭＦＢの変化量であるΔＭＦＢが所定の基準値を上回った時点を立上がり点ｔ１と判断するものである。そして点火時期ｔ０と、立上がり点ｔ１との時間差を、燃焼遅れｄＣＳとして気筒ごとに算出・記憶する。これらステップＳ３０〜Ｓ５０の処理は、全気筒について１サイクルが終了するまで（Ｓ６０）繰返し実行される。
【００２８】
全気筒についての検出および演算が終了すると、ＥＣＵ２０は、熱発生量パラメータのサイクルごとの平均値を、規範燃料における値と比較する（Ｓ７０）。具体的には、ＥＣＵ２０は次の数式（１）により、ステップＳ４０で算出した熱発生量パラメータとしてのＰＶκの吸気下死点からの上昇量ΔＰＶκを、規範燃料の所定単位あたりの低位発熱量Ｑfuel、および燃料噴射量Tauで除して正規化し、これをサイクルごとに積算し、これを気筒数ｎで除して平均値mean(ΔＰＶκ)を算出する。
【００２９】
【数１】
2008215178.tif 000003
【００３０】
この平均値mean(ΔＰＶκ)の値は、図４に示されるように、燃料の性状に応じて異なり、アルコール混合燃料の場合には、ガソリン燃料の場合よりも大きい値となる。そして、平均値mean(ΔＰＶκ)を、規範燃料（ガソリン）に対応する熱発生量パラメータＰＶκの吸気下死点からの上昇量ΔＰＶκのサイクルごとの平均値である基準値αと比較する。
【００３１】
平均値mean(ΔＰＶκ)が規範燃料（ガソリン）に対応する基準値αよりも小さい場合には、次にＥＣＵ２０は、燃焼遅れｄＣＳのサイクルごとの平均値を、規範燃料（ガソリン）における値と比較する（Ｓ８０）。具体的には、ＥＣＵ２０は次の数式（２）により、ステップＳ５０で算出した燃焼遅れｄＣＳの値を、サイクルごとに積算し、これを気筒数ｎで除して平均値mean(ｄＣＳ)を算出する。
【００３２】
【数２】
2008215178.tif 000004
【００３３】
そして、平均値mean(ｄＣＳ)を、規範燃料に対応する燃焼遅れｄＣＳの基準値βと比較する。
【００３４】
平均値mean(ｄＣＳ)が規範燃料に対応する値βよりも小さい場合には、アルコール混合燃料が使用されていると考えられるため、ＥＣＵ２０は燃料着火性判断として、ＥＣＵ２０のＲＡＭにおける所定のアルコール混合燃料使用フラグを１にセットする（Ｓ９０）。このアルコール混合燃料使用フラグは、次の対応制御および他の制御において適宜参照される。
【００３５】
また、ステップＳ７０で平均値mean(ΔＰＶκ)が基準値α以上である場合、またはステップＳ８０で平均値mean(ｄＣＳ)が基準値β以上である場合には、ガソリン燃料が使用されていると考えられるため、ＥＣＵ２０は上記アルコール混合燃料使用フラグを０にリセットする（Ｓ１１０）。
【００３６】
そしてこれらの燃料着火性判断（Ｓ９０，Ｓ１００）に応答して、ＥＣＵ２０は運転マップの切替を行う（Ｓ１００）。具体的には、上記アルコール混合燃料使用フラグの参照に応じて、各２種類の燃料噴射量マップ、燃料噴射時期マップおよび点火時期マップのうち、アルコール混合燃料が使用されている場合にはアルコール混合燃料用のものが選択され、ガソリン燃料が使用されている場合にはガソリン燃料用のものが選択されて、燃料噴射量・噴射時期および点火時期の制御にそれぞれ使用される。
【００３７】
以上の処理の結果、熱発生量パラメータの平均値が基準値αよりも小さく、且つ燃焼遅れの平均値が基準値βよりも小さい場合に、アルコール混合燃料用の制御マップが選択され、エンジンの制御に使用されることになる。
【００３８】
以上のとおり、本実施形態では、熱発生量パラメータと燃焼遅れの両者に基づいて燃料性状を判別することにより、燃料性状を精度よく判別することが可能になる。また、本実施形態では始動初期において燃料性状を判別できるので、対応した制御の切替を迅速に行うことができる。
【００３９】
また本実施形態では、検出された熱発生量パラメータのサイクルごとの平均値と、規範燃料に対応する熱発生パラメータのサイクルごとの平均値とを比較するので、検出値のＳ／Ｎ比を高めることによって検出精度を向上することが可能になる。
【００４０】
また本実施形態では、図示熱量である熱発生量ΔＰＶκを低位発熱量Ｑfuelで除した値（熱発生率）を、熱発生量パラメータとして用いるので、燃料噴射量Tauの影響を正しく反映することが可能となり、検出精度を向上することができる。
【００４１】
また本実施形態では、燃焼割合の変化量に基づいて燃焼遅れｄＣＳを算出するので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
【００４２】
また本実施形態では、燃料性状の判別結果に基づいて、燃料性状ごとに予め作成された複数の制御値マップを切替えることとしたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
【００４３】
なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記実施形態では熱発生量パラメータのサイクルごとの平均値を基準値と比較したが、このような構成に代えて、熱発生量パラメータのサイクルごとの積算値を、規範燃料に対応する熱発生量パラメータのサイクルごとの積算値と比較してもよく、この場合にも同様の利点がある。また本実施形態では燃料性状の判別結果を用いた対応制御を、複数のマップの切替えによって実現したが、本発明における対応制御は燃料性状の判別結果に応じた複数の関数の切替えや制御変数・定数の補正によって実現してもよい。
【００４４】
また、上記実施形態ではガソリン・アルコール混合燃料を使用可能な車両の内燃機関に本発明を適用した例について説明したが、本発明は他の種類の燃料を用いる内燃機関、あるいは各種内燃機関を駆動源として含むハイブリッド車についても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】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２】図１の内燃機関における燃料性状判別処理を示すフローチャートである。
【図３】燃焼割合と燃焼遅れとの関係を示すグラフである。
【図４】アルコール混合燃料の場合とガソリン燃料の場合の熱発生量パラメータの推移を示すグラフである。
【図５】燃料中のアルコール含有量と、熱発生量パラメータおよび燃焼遅れとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１  内燃機関
３  燃焼室
１４  クランク角センサ
１５  筒内圧センサ
１６  吸気圧センサ
２０  ＥＣＵ
Ｖｅ  排気弁
Ｖｉ  吸気弁
ＶＭ  動弁機構
【図１】
2008215178.tif 000005
【図２】
2008215178.tif 000006
【図３】
2008215178.tif 000007
【図４】
2008215178.tif 000008
【図５】
2008215178.tif 000009