(57)【要約】【課題】内燃機関における燃料の着火時期及び燃焼状態を好適に制御可能な着火時期制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関からの排気の一部を燃焼室に還流させる外部ＥＧＲ装置と、バルブタイミングを可変制御することで既燃ガスの一部を燃焼室内に残留させる内部ＥＧＲ装置と、燃料の実際の着火時期を推定又は検出する着火時期取得手段（Ｓ１０３）と、着火時期取得手段によって取得される実着火時期と目標着火時期とが一致するように内部ＥＧＲガス量を補正するとともに、内部ＥＧＲガス量の補正に伴う筒内酸素濃度の変化を相殺するように外部ＥＧＲガス量を補正する補正手段（Ｓ１０６，Ｓ１０７）と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気の一部を内燃機関の気筒に戻すＥＧＲ手段と、
内燃機関の運転状態に応じて燃料の目標着火時期を決定する目標着火時期決定手段と、
燃料の実際の着火時期を推定又は検出することにより取得する着火時期取得手段と、
筒内酸素濃度を推定又は検出することにより取得する酸素濃度取得手段と、
前記目標着火時期と前記着火時期取得手段によって取得される着火時期とが一致し、且つ、前記酸素濃度取得手段により取得される酸素濃度が変化しないように、前記ＥＧＲ手段によって気筒に戻される排気の量を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の着火時期制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ＥＧＲ手段は、
内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を介して排気の一部を気筒に還流させる外部ＥＧＲ手段と、
気筒内に既燃ガスの一部を残留させる内部ＥＧＲ手段と、
を有し、
前記補正手段は、
前記目標着火時期と前記着火時期取得手段によって取得される着火時期とが一致するように、前記内部ＥＧＲ手段によって気筒内に残留する排気の量を補正する内部ＥＧＲ補正手段と、
前記内部ＥＧＲ補正手段による前記気筒内に残留する排気の量の補正に起因する筒内酸素濃度の変化を相殺するように、前記外部ＥＧＲ手段によって還流する排気の量を補正する外部ＥＧＲ補正手段と、
を有することを特徴とする内燃機関の着火時期制御装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記補正手段は、
前記着火時期取得手段により取得される着火時期が前記目標着火時期より進角している場合には、前記内部ＥＧＲ手段によって気筒内に残留する排気の量を減量補正するとともに、前記外部ＥＧＲ手段によって還流する排気の量を増量補正し、
前記着火時期取得手段により取得される着火時期が前記目標着火時期より遅角している場合には、前記内部ＥＧＲ手段によって気筒内に残留する排気の量を増量補正するとともに、前記外部ＥＧＲ手段によって還流する排気の量を減量補正する
ことを特徴とする内燃機関の着火時期制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の着火時期制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関における燃料の着火時期は筒内ガスの状態に強く依存しているため、筒内ガスの状態を最適化することによって燃料の着火時期を制御する技術が従来より提案されている。例えば、特許文献１には、ＥＧＲガス量を調節することで筒内温度を調節し、これによって着火時期を所望の着火時期に一致させることを図る着火時期制御方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−９７３１７号公報
【特許文献２】特開２００５−１３３６０１号公報
【特許文献３】特開２００４−１５０３７６号公報
【特許文献４】特開２００５−８３２８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１の着火時期制御方法は、燃料が目標着火時期において着火するために最適な筒内温度を実現すべくＥＧＲガス量を調節するものであるが、このＥＧＲガス量の調節に伴って筒内酸素濃度が変動し、筒内酸素濃度に対して強い依存性を有する燃焼特性、例えば燃焼騒音や振動、排気エミッション、トルク変動等に影響を与える虞があった。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、内燃機関における燃料の着火時期及び燃焼状態をより好適に制御可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の着火時期制御装置にあっては、内燃機関からの排気の一部を内燃機関の気筒に戻すＥＧＲ手段と、内燃機関の運転状態に応じて燃料の目標着火時期を決定する目標着火時期決定手段と、燃料の実際の着火時期を推定又は検出することにより取得する着火時期取得手段と、筒内酸素濃度を推定又は検出することにより取得する酸素濃度取得手段と、着火時期取得手段によって取得される着火時期（以下「実着火時期」とも言う）と目標着火時期とが一致し、且つ、酸素濃度取得手段により取得される酸素濃度（以下「実酸素濃度」とも言う）が変化しないように、ＥＧＲ手段によって気筒に戻される排気の量（以下「ＥＧＲガス量」とも言う）を補正する補正手段と、を備える構成を採用した。
【０００６】
このように構成された着火時期制御装置は、ＥＧＲガス量を調節することによって、所望の目標着火時期において確実に燃料が着火するために最適な筒内ガスの状態を実現させることを図るものである。具体的には、着火時期取得手段によって実着火時期を取得し、実着火時期と目標着火時期とが一致していない場合には、実着火時期を目標着火時期に近付けるようにＥＧＲガス量が補正される。例えば、実着火時期が目標着火時期に対して進角している場合には、実着火時期が遅角方向に移動するようにＥＧＲガス量が補正される。要求される実着火時期の変更とＥＧＲガス量の補正方向及び補正量との関係は予め求められる。また、目標着火時期は良好な燃料状態を実現可能な燃料の着火時期であり、予め求められている。
【０００７】
さらに、本発明においては、上記ＥＧＲガス量の補正は、実酸素濃度が変動しないことを拘束条件として実行される。換言すれば、上記ＥＧＲガス量の補正は、実酸素濃度がＥ
ＧＲガス量の補正を行う前の目標酸素濃度から乖離しない、という条件を満たすように実施される。上述の要求される実着火時期の変更とＥＧＲガス量の補正方向及び補正量との関係も、この条件を満足するように定められる。
【０００８】
従って、本発明によれば、燃料が目標着火時期において着火するために最適な筒内ガスの状態（例えば筒内温度）がＥＧＲガス量の補正によって実現されるとともに、このＥＧＲガス量の補正に伴う筒内酸素濃度の変動が抑制される。よって、筒内酸素濃度に依存する種々の燃焼特性（例えば燃焼騒音、振動、排気エミッション、トルク変動等）が悪化することを抑制しつつ、実着火時期を目標着火時期に制御することが可能となる。
【０００９】
なお、目標着火時期は、内燃機関の運転状態毎に定められる一定値であっても良いし、一定の着火時期の範囲であってもよい。前者の場合、目標着火時期と実着火時期とが一致する、とは、実着火時期と目標着火時期との差が所定値未満となることを意味するものとする。また、後者の場合、目標着火時期と実着火時期とが一致する、とは、実着火時期が「一定の着火時期の範囲」に含まれることを意味するものとする。
【００１０】
本発明において、ＥＧＲ手段として、内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を介して排気の一部を気筒に還流させる外部ＥＧＲ手段や、筒内に既燃ガスの一部を残留させる内部ＥＧＲ手段を有する構成とすることができる。
【００１１】
内部ＥＧＲ手段によって気筒内に残留する既燃ガス（以下「内部ＥＧＲガス」とも言う）は、燃焼直後のガスであり、その温度は非常に高く、且つ、内燃機関の運転状態を反映して変動し易い。そのため、筒内温度は内部ＥＧＲガス量の変化に応じて大幅に変化する傾向を有する。
【００１２】
一方、外部ＥＧＲ手段によって気筒に還流する排気（以下「外部ＥＧＲガス」とも言う）は、排気通路及び吸気通路の外部に設けられたＥＧＲ通路を流通し、低温の吸気と混合し、吸気通路を経由して気筒に流入する。この流通過程において外部ＥＧＲガスの温度は低下するため、内部ＥＧＲガスの温度と比較して、外部ＥＧＲガス量の変化が筒内温度に与える影響は小さくなる傾向がある。
【００１３】
このような内部ＥＧＲガス及び外部ＥＧＲガスの特性に鑑みて、本発明のＥＧＲガス量の補正を行うに当たって、着火時期の制御を内部ＥＧＲガス量を補正することによって行うとともに、この内部ＥＧＲガス量の補正に伴う筒内酸素濃度の変化を外部ＥＧＲガス量の補正により相殺するようにすると良い。
【００１４】
燃料の着火時期は筒内温度に強く依存しているため、筒内温度に大きく影響する内部ＥＧＲガス量を適切に調節することで筒内温度を最適化することによって、着火時期をより確実に目標着火時期に制御することができる。この時、内部ＥＧＲガス量の補正により筒内酸素濃度が変化することが考えられるが、この酸素濃度の変化を打ち消すように外部ＥＧＲガス量が補正されるので、筒内酸素濃度が筒内温度の最適化を実施する前の筒内酸素濃度から乖離することをも抑制できる。この時、外部ＥＧＲガス量の変化に起因する筒内温度への影響は小さいため、筒内温度は、燃料が目標着火時期において着火するために最適な筒内温度に好適に維持される。従って、上記構成によれば、筒内酸素濃度の変動を抑制しつつ、より確実に着火時期を目標着火時期に制御することができる。
【００１５】
上記構成とした場合、要求される実着火時期の変更と外部ＥＧＲガス量及び内部ＥＧＲガス量の補正方向との関係としては、実着火時期が目標着火時期より進角している場合には内部ＥＧＲガス量を減量補正するとともに外部ＥＧＲガス量を増量補正し、実着火時期が目標着火時期より遅角している場合には内部ＥＧＲガス量を増量補正するとともに外部
ＥＧＲガス量を減量補正するようにすることができる。
【００１６】
実着火時期が目標着火時期より進角している場合、筒内温度は最適な温度より高くなっていると考えられる。従って、高温の内部ＥＧＲガスの量を減少させて筒内温度を低下させれば、実着火時期を遅角方向に補正することができる。この時、内部ＥＧＲガス量の減量補正に起因して筒内酸素濃度が上昇することが考えられるが、外部ＥＧＲガス量を増量させて筒内酸素濃度を低下させるようにすれば、内部ＥＧＲガス量の減量補正に起因する酸素濃度の上昇を相殺することができる。
【００１７】
一方、実着火時期が目標着火時期より遅角している場合、筒内温度は最適な温度より低くなっていると考えられる。従って、高温の内部ＥＧＲガスの量を増加させて筒内温度を上昇させれば、実着火時期を進角方向に補正することができる。この時、内部ＥＧＲガス量の増量補正に起因して筒内酸素濃度が低下することが考えられるが、外部ＥＧＲガス量を減量させて筒内酸素濃度を上昇させるようにすれば、内部ＥＧＲガス量の増量補正に起因する酸素濃度の低下を相殺することができる。
【００１８】
これにより、筒内酸素濃度の変動を抑制しつつ、実着火時期を目標着火時期に制御することが可能になる。
【００１９】
ここで、着火時期取得手段としては、燃料の着火時期を実際の燃焼状態を測定することによって取得する手段であっても良いし、内燃機関の運転状態等に基づいて計算によって着火時期を推定（予測）する手段であっても良い。
【００２０】
例えば、実際に測定によって実着火時期を取得する手段としては、筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段を備え、筒内圧力検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて燃料の実際の着火時期を検出する手段を例示できる。
【００２１】
燃料が着火して爆発及び膨張する過程における筒内圧力の時間変化は、一般に着火時期近傍に鋭いピークを有する波形を示す。このピークの位置に対応する時期に基づいて実着火時期を検出することができる。或いは、筒内圧力の測定結果から、爆発・膨張を伴わないピストンの圧縮による筒内圧力の変化と爆発・膨張に伴う筒内圧力の変化との差を検出し、この差の時間変化率（時間微分）に基づいて実着火時期を検出することもできる。その他、実験的又は理論的に求められた筒内圧力と燃料の着火現象との相関関係を利用することで、筒内圧力の測定値に基づいて実着火時期を検出することができる。
【００２２】
そして、このようにして検出された実着火時期に基づいてＥＧＲガス量をフィードバック制御することで、着火時期を目標着火時期に制御することができる。
【００２３】
一方、内燃機関の運転状態に基づく推定によって実着火時期を取得する手段としては、内燃機関の運転状態に基づいて圧縮行程開始時点での筒内温度（以下「初期温度」とも言う）を推定する初期温度推定手段と、圧縮行程における筒内温度の圧縮による変化（以下「圧縮時温度変化」とも言う）を推定する温度変化推定手段と、を有し、少なくとも初期温度推定手段によって推定される圧縮行程開始時点での筒内温度と、温度変化推定手段によって推定される筒内温度の変化と、酸素濃度取得手段によって取得される筒内酸素濃度と、に基づいて実着火時期を推定する手段を例示できる。
【００２４】
この構成によれば、任意の時点における内燃機関の運転状態に基づいて該時点を含むサイクルにおける圧縮行程開始時点での筒内温度を推定することができ、さらに、圧縮行程中の筒内温度の変化を推定することができるので、これらの推定値に基づいて圧縮行程中の任意の時点（クランク角度）における筒内温度を推定することができる。
【００２５】
筒内温度が所定の条件を満たした時（例えば筒内温度が所定の閾値を超えた時）に予混合気が着火したと判定することができる。従って、上記のようにして算出される圧縮行程中の筒内温度の推定値が該所定の条件を満たす時点（クランク角度）を実着火時期として推定することができる。
【００２６】
このように、上記構成によれば、現時点における内燃機関の運転状態の下で圧縮行程に入った場合に、圧縮行程中の所望の時期（すなわち目標着火時期）において確実に燃料が着火するために最適な筒内環境の条件（筒内温度や筒内酸素濃度等）が実現され得るか否かを、実際に燃料が着火するより以前の段階において計算によって推定することができる。
【００２７】
そして、このようにして推定された着火時期（以下「推定着火時期」とも言う）と目標着火時期とが一致しているか否かを判定することによって、現時点での筒内ガスの状態が最適な状態となっているか否かを判定することができる。
【００２８】
推定着火時期と目標着火時期とが一致していない場合、推定着火時期と目標着火時期とを一致させるようにＥＧＲガス量が補正される。このＥＧＲガス量に対する補正方向及び補正量は、上記のようにして推定着火時期が計算され、目標着火時期との比較が行われた直後に算出され、即座にＥＧＲ手段によるＥＧＲガス量の制御に反映される。すなわち、実際に燃料が着火するより以前の段階でＥＧＲガス量が補正され、筒内ガスの状態が最適化されるため、実着火時期の測定結果に基づくフィードバック制御によってＥＧＲガス量を制御する場合と比較して、より精度良く着火時期を制御できる。
【００２９】
また、現時点での内燃機関の運転状態に基づく計算によって最新の運転状態をリアルタイムに反映させながら着火時期の予測及びＥＧＲガス量の補正が行われるので、例えば過渡運転状態のように内燃機関の運転状態が刻々と変化する状況においても、より精度良く着火時期を制御することができる。特に、着火時期の調節を内部ＥＧＲガス量の補正によって行う場合、内部ＥＧＲガスの温度は内燃機関の運転状態を反映して変動し易いため、過渡運転時に精度良く筒内温度を最適化することは難しいが、上記構成によればこのような場合にも精度良く筒内温度を最適化できる。
【００３０】
このような推定計算によって取得される実着火時期に基づいて着火時期のフィードバック制御を行う場合、着火時期取得手段による推定着火時期の計算精度を向上させることによって着火時期の制御精度を向上させることができる。上記構成においては、例えば以下の構成を採用することで、着火時期取得手段による推定着火時期の計算精度を向上させることができる。
【００３１】
すなわち、気筒に吸入される吸気の温度を検出する吸気温度検出手段と、吸気が吸気行程において気筒に吸入される際に機関部材との間で行う熱授受に伴う熱伝達量を推定する熱伝達量推定手段と、内部ＥＧＲガスの有する熱量を検出する内部ＥＧＲ熱量検出手段と、を備え、初期温度推定手段は、少なくとも吸気温度検出手段によって検出される吸気の温度と、熱伝達量推定手段によって推定される熱伝達量と、内部ＥＧＲ熱量検出手段によって検出される内部ＥＧＲガスの熱量と、に基づいて圧縮行程開始時点での筒内温度を推定するようにすると良い。
【００３２】
一般に、吸気通路を流通する吸気（新気又は新気と外部ＥＧＲガスとの混合気）が吸気行程において気筒内に吸入される際に、吸気と各種の機関部材（吸気通路、吸気マニホールド、吸気ポート、吸気バルブ、気筒、ピストン等）との間で熱授受が行われる。内燃機関の運転状態によってはこれらの機関部材の温度は非常に高温になるため、吸気とこれら
の機関部材との間で行われる熱授受に起因する筒内温度の上昇が無視できない場合がある。
【００３３】
上記構成によれば、吸気が機関部材との間で行う熱授受に伴う熱伝達量を推定し、これを考慮してして圧縮行程開始時点での筒内温度が推定されるので、より正確に圧縮開始時点での筒内温度を推定することができる。従って、着火時期取得手段は、より正確に推定された初期温度に基づいて実着火時期を予測することができるので、推定着火時期の計算精度が向上させることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明により、内燃機関における燃料の着火時期及び燃焼状態をより好適に制御することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例１】
【００３６】
図１は本実施例に係る着火時期制御装置を適用する内燃機関とその吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は水冷式の４サイクルディーゼルエンジンである。内燃機関１の気筒５の内部にはピストン３の上面と気筒５の内壁とによって燃焼室２が区画・形成されている。燃焼室２の上部には、燃焼室２の内部に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６が設けられている。
【００３７】
燃焼室２は吸気ポート２０を介して吸気マニホールド２１及びその上流の吸気管２２に連通している。また、燃焼室２は排気ポート３０を介して排気マニホールド３１及びその下流の排気管３２に連通している。
【００３８】
気筒５には、燃焼室２と吸気ポート２０との接続箇所を開閉する吸気弁２３と、燃焼室２と排気ポート３０との接続箇所を開閉する排気弁３３とが設けられている。吸気弁２３及び排気弁３３の開閉時期は可変動弁機構９によって可変制御される。
【００３９】
内燃機関１には排気の一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置４０が設けられている。ＥＧＲ装置４０はＥＧＲ通路４１及びＥＧＲ弁４２を備えて構成されている。ＥＧＲ通路４１は排気マニホールド３１と吸気マニホールド２１とを接続する通路であり、ＥＧＲ通路４１を通って排気の一部が吸気マニホールド２１に流入し、燃焼室２に還流する。本実施例では、ＥＧＲ通路４１を通って燃焼室２に還流する排気を外部ＥＧＲガスと称している。
【００４０】
ＥＧＲ弁４２は、ＥＧＲ通路４１の流路断面積を変更することにより、ＥＧＲ通路４１を流れる外部ＥＧＲガスの量を変更可能な流量調節弁である。外部ＥＧＲガス量の調量はＥＧＲ弁４２の開度を調節することによって行われる。本実施例の場合、ＥＧＲ装置４０が本発明の外部ＥＧＲ手段に相当する。
【００４１】
なお、外部ＥＧＲガス量の調量はＥＧＲ弁４２の開度制御以外の方法によって行っても良い。例えば、可変容量型のターボチャージャを備えた内燃機関の場合、タービンの流量特性を変更するノズルベーンの開度を調節しても良い。また、排気管３２に排気絞り弁が設けられている場合や、吸気管２２に吸気絞り弁が設けられている場合には、排気絞り弁
や吸気絞り弁の開度を調節しても良い。
【００４２】
また、本実施例では、吸気弁２３及び／又は排気弁３３の開閉時期を可変動弁機構９によって可変制御することによって、燃焼室２内の既燃ガスの一部を排気ポート３０又は吸気ポート２０に一旦流入させ、その後吸気行程において該既燃ガスを燃焼室２内に逆流させることができる。
【００４３】
例えば、燃焼室２内又は吸気ポート２０の圧力が排気ポート３０の圧力より低い時に吸気弁２３の開弁時期を進角させて吸気弁２３と排気弁３３とが同時に開弁しているバルブオーバーラップ期間を設定することによって燃焼室２内の既燃ガスを吸気ポート２０側に流入させ、次の吸気行程において再度燃焼室２内に導入することができる。
【００４４】
或いは、排気弁３３の閉弁時期を排気上死点よりも進角させることによって、燃焼室２内の既燃ガスを吸気ポート２０側に流入させ、次の吸気行程において再度燃焼室２内に導入するようにしても良い。
【００４５】
また、排気弁３３の閉弁時期を排気上死点よりも遅角させることによって、排気ポート３０側に一旦排出された既燃ガスを次の吸気行程において燃焼室２内に逆流させても良い。
【００４６】
本実施例では、このようにして燃焼室２内に残留する既燃ガスを内部ＥＧＲガスと称している。内部ＥＧＲガス量の調量は、例えばバルブオーバーラップ期間を調節したり、吸気弁２３又は排気弁３３の遅角又は進角の度合いを調節することによって行われる。本実施例の場合、可変動弁機構９が本発明の内部ＥＧＲ手段に相当する。
【００４７】
内燃機関１には、内燃機関１を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ７０、クランク角度を検出するとともに内燃機関１の機関回転数を検出するクランクポジションセンサ７１、運転者がアクセルペダル７を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し内燃機関１の機関負荷を検出するアクセル開度センサ７２、吸気管２２に流入する新気の温度を検出する吸気温度センサ７３、吸気管２２に流入する新気の流量を検出するエアフローメータ７５が設けられている。その他、特に図示及び説明を省略するが、ディーゼルエンジンとして一般的に備えているセンサ類が設けられている。
【００４８】
以上説明したように構成された内燃機関１には、内燃機関１を制御する電子制御コンピュータであるＥＣＵ８が併設されている。ＥＣＵ８には、上記各センサが電気配線を介して接続され、各センサからの出力信号がＥＣＵ８に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ８には、燃料噴射弁６、可変動弁機構９、ＥＧＲ弁４２が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ８から出力される指令信号に従ってこれらの機器が制御されるようになっている。ＥＣＵ８はこれらの各種センサによる検出値に基づいて内燃機関１の運転状態や運転者の要求を読み込み、それらに基づいて燃料噴射等の既知の内燃機関１の制御を行うとともに、燃料の着火時期制御を行う。
【００４９】
燃焼室２における燃料の着火時期は一般に燃焼室２内のガス（以下「筒内ガス」とも言う）の状態に依存する。特に燃焼室２内のガスの温度（以下「筒内温度」とも言う）に強く依存する傾向がある。従って、従来より、燃料が所望の着火時期において着火するように筒内温度を最適化する着火時期の制御方法が提案されている。
【００５０】
筒内温度を調節する手段としては、ＥＧＲガス量を操作する方法がある。例えば、内部ＥＧＲガスの温度は高温であり、内部ＥＧＲガス量を調節することによって筒内温度を操作することができる。しかし、内部ＥＧＲガス量を調節して筒内温度を最適化した場合、
内部ＥＧＲガス量の変化に伴って筒内ガスの酸素濃度（以下「筒内酸素濃度」とも言う）が変化し、筒内酸素濃度に依存する燃焼特性に不具合が生じる場合があった。
【００５１】
それに対し、本実施例では、内部ＥＧＲガス量を調節することによって筒内温度を最適化するとともに、内部ＥＧＲガス量の調節に伴う筒内酸素濃度の変化を相殺するように外部ＥＧＲガス量を調節するようにしている。こうすることで、筒内温度が最適化されて燃料の着火時期が所望の目標着火時期に制御されるとともに、筒内酸素濃度の変化が相殺されて筒内酸素濃度に依存する燃焼特性も良好に維持されるようになる。
【００５２】
以下、ＥＣＵ８によって行われる着火時期制御について説明する。図２は本実施例における着火時期制御の概要を示すブロック図である。
【００５３】
図２において、破線で描かれた領域はＥＣＵ８を表し、破線領域内部のブロックＢ１〜ブロックＢ１６はＥＣＵ８によって実行される各種演算処理を表している。ＥＣＵ８の外部に描かれた各種センサ及び各種制御対象機器は、上述のようにＥＣＵ８に電気配線を介して接続され、ＥＣＵ８との間で検出信号や制御信号を相互に通信する。詳細には、吸気温センサ７３による検出信号はＥＣＵ８に入力されて吸気温度として各種演算処理に用いられる。同様に、ＥＧＲ弁４２への制御信号はＥＧＲ弁開度として、アクセル開度センサ７２による検出信号はアクセル開度として、エアフローメータ７５による検出信号は吸入空気量として、燃料噴射弁６への制御信号は燃料噴射量や燃料噴射時期等の燃料噴射パラメータとして、水温センサ７０による検出信号は冷却水温として、クランクポジションセンサ７１による検出信号はクランク角度及び機関回転数として、可変動弁機構９への制御信号は吸気弁２３及び排気弁３３のバルブタイミングとして、各種演算処理に用いられる。
【００５４】
ブロックＢ１では、吸入空気量の過去一定サイクル（例えば１０００サイクル）の履歴が保存される。
【００５５】
ブロックＢ２では、燃料噴射パラメータの過去一定サイクル（例えば１０００サイクル）の履歴が保存される。
【００５６】
ブロックＢ３では、ＥＧＲ弁開度、吸入空気量、アクセル開度等に基づいて、外部ＥＧＲガス量及び外部ＥＧＲガスの熱量が計算される。
【００５７】
ブロックＢ４では、ブロックＢ３で計算された外部ＥＧＲガス量及び外部ＥＧＲガスの熱量、吸入空気量、吸気温度に基づいて、吸気マニホールド２１における吸入空気（新気）と外部ＥＧＲガスとの混合気の温度が計算される。
【００５８】
ブロックＢ５では、吸気系を構成する各種機関部材の壁面温度が計算される。ここでは、吸気マニホールド２１、吸気ポート２０、吸気弁２３の壁面温度が計算される。詳細には、吸気マニホールド２１及び吸気ポート２０の壁面温度は冷却水温で近似される。また、吸気弁２３の温度は冷却水温、機関回転数、過去一定サイクルの吸入空気量及び燃料噴射量の履歴に基づいて、ある時定数を持つ一時遅れ系として計算される。
【００５９】
ブロックＢ６では、これら吸気系機関部材の壁面温度、吸気マニホールド２１における混合気の温度に基づいて、さらに、吸気系機関部材から混合気への熱伝達量を考慮して、吸気弁２３を通過した直後の混合気の温度が計算される。
【００６０】
詳細には、下記の数１に示される熱伝達量ｄＱの算出式と、数２に示される熱伝達率αの算出式に基づいて、吸気系機関部材から混合気への熱伝達に起因する温度上昇後の混合
気の温度Ｔｇｏｕｔが算出される。
【数１】
2008025374.tif 000003
【数２】
2008025374.tif 000004
【００６１】
ここで、数２に示される熱伝達率αの計算式は、混合気の流速及び密度の関数として、吸気系機関部材と混合気との間の熱伝達率を計算するものであり、予め実験により求められる。混合気の流速は機関回転数に基づいて計算される。また、混合気の密度は吸入空気量及び外部ＥＧＲガス量に基づいて計算される。
【００６２】
ブロックＢ７では、吸入空気量、燃料噴射量、機関回転数、バルブタイミング等に基づいて、内部ＥＧＲガス量と内部ＥＧＲガスの熱量が計算される。
【００６３】
ブロックＢ８では、ブロックＢ７で計算された内部ＥＧＲガス量及び内部ＥＧＲガスの熱量、ブロックＢ６で計算された吸気弁２３通過直後の混合気の温度に基づいて、内部ＥＧＲガスと吸気弁２３通過直後の混合気とが混合したガス（以下「筒内ガス」とも言う）の温度（以下「筒内温度」とも言う）が計算される。これにより、吸気弁２３通過直後の混合気が燃焼室２内に残留する内部ＥＧＲガスと混合することによる温度上昇が計算される。
【００６４】
ブロックＢ９では、気筒を構成する機関部材の壁面温度が計算される。ここでは、ピストン３の表面、気筒５の内壁の温度が計算される。詳細には、ピストン３の表面温度及び気筒５の内壁面温度は、冷却水温、過去一定サイクルの燃料噴射量の履歴等に基づいて計算される。
【００６５】
ブロックＢ１０では、ブロックＢ９で計算された気筒構成機関部材の壁面温度、ブロックＢ８で計算された燃焼室２に流入直後の筒内ガスの温度に基づいて、さらに、吸気行程が終了するまでの期間における気筒構成機関部材から筒内ガスへの熱伝達量を考慮して、圧縮行程開始時点における筒内ガスの温度が計算される。ここで、気筒構成機関部材と筒
内ガスとの間の熱伝達量は、ブロックＢ６と同様に数１及び数２を用いて計算される。
【００６６】
ブロックＢ１１では、圧縮行程中の各クランク角度における燃焼室２の容積（以下「筒内容積」とも言う）が計算される。これは気筒５の幾何学的な設計に基づいて計算しても良いし、あるいはクランク角度毎に基づいて筒内容積を求めるマップを予め作成しておき、これを参照しても良い。
【００６７】
ブロックＢ１２では、ブロックＢ１０で計算された圧縮開始時点での筒内ガスの温度と、ブロックＢ１１で計算されたクランク角度毎の筒内容積に基づいて、圧縮行程中の各クランク角度毎の筒内ガスの温度が計算される。ここで、クランク角度毎の筒内ガスの温度は、ブロックＢ１０で計算された圧縮開始時点での筒内ガスの温度を初期温度として、当該クランク角度に対応する筒内容積まで筒内ガスを圧縮するポリトロープ変化による温度変化で近似的に算出することができる。
【００６８】
なお、近似の方法はこれに限られない。例えば、クランク角度が微小角度変化する際のピストンの行う仕事や気筒構成機関部材との熱授受等を適当な物理モデルに従って計算して、クランク角度毎の筒内ガスの温度を計算することもできる。
【００６９】
なお、ここで「クランク角度毎」といった場合のクランク角度間隔は、後述する着火時期制御を行うために必要な間隔とする。
【００７０】
以上のようにして、実際の圧縮行程が開始されるより以前の任意の時点において、該時点における内燃機関の運転状態に基づいて、その運転状態のまま圧縮行程に入った場合の筒内温度の変化をＥＣＵ８による推定計算によってリアルタイムに予測することができる。
【００７１】
ブロックＢ１３では、ブロックＢ３で計算された外部ＥＧＲガス量、ブロックＢ７で計算された内部ＥＧＲガス量、吸入空気量に基づいて、筒内ガスの酸素濃度（以下「筒内酸素濃度」とも言う）が計算される。
【００７２】
ブロックＢ１４では、ブロックＢ１２で計算された筒内温度、ブロックＢ１３で計算された筒内酸素濃度、燃料噴射量に基づいて、燃料の着火時期が計算される。
【００７３】
ブロックＢ１５では、内燃機関の運転状態に基づいて、目標着火時期が決定される。目標着火時期は、内燃機関１において良好な燃焼状態を実現可能な着火時期であり、予め実験により求められ、内燃機関１の運転状態に応じて目標着火時期を定めるマップとしてＥＣＵ８のＲＯＭに記憶されている。
【００７４】
ブロックＢ１６では、ブロックＢ１４で計算された着火時期（以下「推定着火時期」とも言う）とブロックＢ１５で決定された目標着火時期とが比較評価される。
【００７５】
ここで、推定着火時期が目標着火時期と一致している場合には、現時点での内燃機関の運転状態が維持されて圧縮行程に入れば、所望の目標着火時期において燃料が着火すると予測されるため、現時点での機関制御状態（ＥＧＲ弁開度、バルブタイミング）が維持される。
【００７６】
一方、推定着火時期が目標着火時期より進角している場合には、着火時期を遅角側に移動させるために、内部ＥＧＲガス量を減少させて筒内温度を低下させる。内部ＥＧＲガス量を減少させるには、例えば、吸気弁２３と排気弁３３とが双方とも閉弁している期間（以下「負のオーバーラップ期間」とも言う）を短縮するように可変動弁機構９を操作する
。この場合、内部ＥＧＲガス量の減少に伴って筒内酸素濃度が若干高くなるので、この筒内酸素濃度の上昇分を相殺するように、外部ＥＧＲガス量を増加させる。外部ＥＧＲガス量を増加させるには、例えば、ＥＧＲ弁４２の開度を開弁方向に操作する。
【００７７】
他方、推定着火時期が目標着火時期より遅角している場合には、着火時期を進角側に移動させるために、内部ＥＧＲガス量を増加させて筒内温度を上昇させる。内部ＥＧＲガス量を増加させるには、例えば、負のオーバーラップ期間を延長するように可変動弁機構９を操作する。この場合、内部ＥＧＲガス量の増加に伴って筒内酸素濃度が若干低くなるので、この筒内酸素濃度の低下分を相殺するように、外部ＥＧＲガス量を減少させる。外部ＥＧＲガス量を減少させるには、例えば、ＥＧＲ弁４２の開度を閉弁方向に操作する。
【００７８】
このように、本実施例の着火時期制御方法では、内部ＥＧＲガス量を補正することによって筒内温度を最適化し、これによって着火時期を目標着火時期に制御するとともに、この内部ＥＧＲガス量の補正に伴う筒内酸素濃度の変動を外部ＥＧＲガス量を補正することによって相殺し、これによって筒内酸素濃度が変動することによる燃焼状態の悪化を抑制することができる。
【００７９】
また、本実施例では、計算によって推定された着火時期と目標着火時期との比較に基づくフィードバック制御によって内部ＥＧＲガス量及び外部ＥＧＲガス量を操作しているので、最新の内燃機関の運転状態を着火時期制御に反映させることができる。そのため、実際の着火時期の測定結果に基づいてフィードバック制御を行う場合と比較して、より精度良く着火時期を制御することができる。特に過渡運転状態等のように内燃機関の運転状態が刻々と変化する状況においても、より精度良く着火時期を制御できる。
【００８０】
また、推定着火時期の計算に当たって、吸気系機関部材や気筒構成機関部材と吸気や筒内ガスとの間で行われる熱授受を考慮して筒内温度を計算しているので、機関部材の温度が高温になるような運転状態においても、より精度良く筒内温度を計算することができ、従ってより精度良く推定着火時期を計算することができる。
【００８１】
次に、上記説明した着火時期制御を実施するための具体的な手順について、図３のフローチャートを参照して説明する。図３のフローチャートは本実施例の着火時期制御を行うためのルーチンを示すフローチャートであり、このルーチンはＥＣＵ８によって所定期間毎に繰り返し実行される。
【００８２】
まず、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ８は、内燃機関１の運転状態を把握する。具体的には、各種センサの検出値やＥＧＲ弁４２、燃料噴射弁６、可変動弁機構９等への制御指令値を読み込む。
【００８３】
次に、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１において把握した内燃機関１の運転状態に基づいて目標着火時期を決定する。具体的には、前記ブロック図におけるブロックＢ１５の処理を実行する。本実施例の場合、本ステップＳ１０２を実行するＥＣＵ８が本発明の目標着火時期決定手段に相当する。
【００８４】
次に、ステップＳ１０３において、ステップＳ１０１において把握した内燃機関１の運転状態に基づいて推定着火時期を計算する。具体的には、前記ブロック図におけるブロックＢ１４の処理を実行する。本実施例の場合、本ステップＳ１０３を実行するＥＣＵ８が本発明の着火時期取得手段に相当する。また、本ステップＳ１０３においてブロックＢ１４の処理を実行する際に参照されるブロックＢ１３の計算を実行するＥＣＵ８が本発明の酸素濃度取得手段に相当する。
【００８５】
次に、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０２において決定された目標着火時期と、ステップＳ１０３において計算された推定着火時期とが一致しているか否かを判定する。ここで、「推定着火時期と目標着火時期とが一致する」とは、推定着火時期と目標着火時期との差の絶対値が所定値未満であることを意味するものとする。
【００８６】
ステップＳ１０４で肯定判定された場合には、ＥＣＵ８は本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、ステップＳ１０４で否定判定された場合には、ＥＣＵ８はステップＳ１０５に進む。
【００８７】
ステップＳ１０５では、推定着火時期が目標着火時期に対して進角しているか否かを判定する。ステップＳ１０５で肯定判定された場合には、ステップＳ１０６に進む。一方、ステップＳ１０５で否定判定された場合には、ステップＳ１０７に進む。
【００８８】
ステップＳ１０６では、内部ＥＧＲガス量を減量補正するとともに、この内部ＥＧＲガス量の減量補正に起因する筒内酸素濃度の低下を相殺するように外部ＥＧＲガス量を増量補正する。具体的には、吸気弁２３及び排気弁３３の負のバルブオーバーラップ期間を短縮するように可変動弁機構９を操作するとともに、ＥＧＲ弁４２の開度を開弁方向に操作する。これにより筒内温度が低下して着火時期が遅角側に補正される。
【００８９】
ステップＳ１０７では、内部ＥＧＲガス量を増量補正するとともに、この内部ＥＧＲガス量の増量補正に起因する筒内酸素濃度の上昇を相殺するように外部ＥＧＲガス量を減量補正する。具体的には、吸気弁２３及び排気弁３３の負のバルブオーバーラップ期間を延長するように可変動弁機構９を操作するとともに、ＥＧＲ弁４２の開度を閉弁方向に操作する。これにより筒内温度が上昇して着火時期が進角側に補正される。
【００９０】
ステップＳ１０６又はステップＳ１０７を実行後、ＥＣＵ８は本ルーチンの実行を一旦終了する。本実施例の場合、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７を実行するＥＣＵ８が本発明の補正手段に相当する。
【００９１】
以上のルーチンを実行することにより、筒内酸素濃度に依存する燃焼特性が悪化することを抑制しつつ、燃料の着火時期を目標着火時期に制御することができる。
【００９２】
なお、以上述べた実施例は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施例には種々の変更を加え得る。例えば、上記の実施例では推定着火時期と目標着火時期との比較に基づくフィードバック制御によって着火時期を制御しているが、実際の着火時期を測定して、その測定結果と目標着火時期との比較に基づいて着火時期の制御を行っても良い。実際の着火時期を測定する方法としては、例えば、筒内圧力を検出するセンサを設け、該センサの検出値に基づいて実際の着火時期を検出する方法を例示できる。この場合、上記フローチャートのステップＳ１０３において実行される処理が「筒内圧検出センサによる実着火時期の測定」に変わるだけで、他の処理は上記実施例と同様に実行することができる。
【００９３】
また、上記実施例のように実着火時期を推定計算によって予測する構成においても、筒内圧検出センサ等の着火時期を検出する装置を取り付けて、実測された着火時期を推定着火時期の演算処理にフィードバックするようにしても良い。こうすることで、例えば燃料のセタン価が大きく変化した場合の実際の着火時期と推定着火時期とのずれを修正することができる。この補正は常時行う必要はないため、上述したような推定計算によって実着火時期を予測する構成により享受できるメリットを損なうことなく、より着火時期の制御精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の実施例１の着火時期制御装置を適用する内燃機関の吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１の着火時期制御の概要を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の着火時期制御を行うルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９５】
１   内燃機関
２   燃焼室
３   ピストン
５   気筒
６   燃料噴射弁
７   アクセルペダル
８   ＥＣＵ
９   可変動弁機構
２０ 吸気ポート
２１ 吸気マニホールド
２２ 吸気管
２３ 吸気弁
３０ 排気ポート
３１ 排気マニホールド
３２ 排気管
３３ 排気弁
４０ ＥＧＲ装置
４１ ＥＧＲ通路
４２ ＥＧＲ弁
７０ 水温センサ
７１ クランクポジションセンサ
７２ アクセル開度センサ
７３ 吸気温度センサ
７５ エアフローメータ
【図１】
2008025374.tif 000005
【図２】
2008025374.tif 000006
【図３】
2008025374.tif 000007