(57)【要約】【課題】この発明は内燃機関の空燃比制御装置に関し、空燃比を、簡単な方法で、かつ高精度に制御することのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】吸気弁閉弁時点の筒内圧Pおよび筒内空気温度Tに基づいて、筒内空気量Mcylを算出する。クランク角ごとの筒内圧Pに基づいて、クランク角ごとの熱発生率dQ／dθを算出する。この熱発生率dQ／dθを燃焼期間中に渡って積分（積算）することにより、熱発生量Qを算出する。この熱発生量Qを、燃料の低位発熱量q_fuelで除することにより、筒内に供給された燃料量q_injを算出する。筒内空気量Mcylを、燃料量q_injで除することにより、筒内の筒内空燃比AFcylを算出する。【選択図】図２
2007120392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
筒内温度を検出または推定する筒内温度取得手段と、
吸気弁閉弁時点の筒内圧および筒内温度の値に基づき、気体の状態方程式に則って筒内空気量を算出する空気量算出手段と、
燃焼期間中の筒内圧の履歴に基づいて、筒内に供給された燃料量を算出する燃料量算出手段と、
前記筒内空気量と前記燃料量とに基づいて、筒内で燃焼した混合気の空燃比を算出する空燃比算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記燃料量算出手段は、
筒内圧値に基づいて、筒内での熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
前記熱発生率を燃焼期間中に渡って積分することにより、筒内での熱発生量を算出する熱発生量算出手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記空燃比算出手段により算出された空燃比に基づいて、燃料噴射量および／または筒内吸入空気量を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記空気量算出手段は、前記気体の状態方程式中の気体定数の値を筒内の残留ガス量に応じて補正する気体定数補正手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
複数の気筒を有し、各気筒の吸入空気量を個別に調整可能な内燃機関の空燃比を制御する装置であって、
各気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
各気筒の筒内圧値に基づいて、各気筒の筒内での熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
吸気弁閉弁時以降の筒内圧および熱発生率を気筒間で比較することにより、筒内空気量および／または筒内燃料量の気筒間ばらつきを検出する気筒間ばらつき検出手段と、
前記気筒間ばらつきがなくなるように、筒内空気量および／または筒内燃料量を補正するばらつき補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記気筒間ばらつき検出手段は、
熱発生率の立ち上がり前における一の気筒の筒内圧が他の気筒に比べて低い場合に、当該一の気筒の筒内空気量が当該他の気筒より少ないと判定する第１の空気量ばらつき判定手段と、
熱発生率の立ち上がり前における一の気筒の筒内圧が他の気筒に比べて高い場合に、当該一の気筒の筒内空気量が当該他の気筒より多いと判定する第２の空気量ばらつき判定手段と、
を含むことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
前記気筒間ばらつき検出手段は、
熱発生率の立ち上がり前における筒内圧に気筒間で有意な差がなく、かつ、一の気筒の熱発生率が他の気筒に比べて低い場合に、当該一の気筒の筒内燃料量が前記他の気筒より少ないと判定する第１の燃料量ばらつき判定手段と、
熱発生率の立ち上がり前における筒内圧に気筒間で有意な差がなく、かつ、一の気筒の熱発生率が他の気筒に比べて高い場合に、当該一の気筒の筒内燃料量が前記他の気筒より多いと判定する第２の燃料量ばらつき判定手段と、
を含むことを特徴とする請求項５または６記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、排気エミッションの低減を図る等の目的を達成するため、空燃比を高精度に制御する必要がある。特開平５−７１４０３号公報には、筒内圧とシリンダ容積変化量との積を所定クランク角範囲に渡って積分し、図示平均有効圧力相当値を算出し、その図示平均有効圧力相当値に応じて燃料噴射量を補正することにより、各気筒の空燃比を等しい値とする方法が開示されている。しかしながら、筒内圧には、空気量、燃料量、温度など、様々な要素が関係している。このため、筒内圧のみに基づいて燃料噴射量を補正したのでは、必ずしも正確な空燃比を実現することはできない。
【０００３】
また、特開平４−３５８７３５号公報には、燃焼行程ごとの筒内圧のピーク値PmaxとそのPmax発生時のクランク角度θPmaxを計測し、予め準備しておいたマップに基づいて理想空燃比となるθPmaxに対する目標のPmaxを導出し、実際のPmaxとの差がなくなるように燃料噴射量を補正する方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平５−４４５４４号公報には、上死点前６０°CAでの筒内圧Pinおよび上死点後６０°CAでの筒内圧Pexをそれぞれ計測し、それらの比Pin／Pexと空燃比との関係を定めた予め準備されたマップに基づいて、筒内空燃比を推定し、燃料噴射量を補正する方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−７１４０３号公報
【特許文献２】特開平１−２５３５４３号公報
【特許文献３】特許第２８３００１１号公報
【特許文献４】特許第２８３００１２号公報
【特許文献５】特開平４−３５８７４５号公報
【特許文献６】特開平５−４４５４４号公報
【特許文献７】特開平１−１１４７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特開平４−３５８７３５号公報や特開平５−４４５４４号公報に開示された方法を実際に採用する場合、上記マップの作成に際して、あらゆる運転条件の下で適正な関係を定めるのは実際上は困難である。また、実験的に適合させるとしても、膨大な量の計測作業を必要とし、多大な手間が掛かる。
【０００７】
また、PmaxあるいはPin／Pexの計測値と、マップに定められた理想空燃比での値とのずれが分かったとしても、そのずれに対して燃料噴射量をどれだけ補正すればよいかは分からず、さらに別の情報を必要とする。
【０００８】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、空燃比を、簡単な方法で、かつ高精度に制御することのできる内燃機関の空燃比制御装置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】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比制御装置であって、
気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
筒内温度を検出または推定する筒内温度取得手段と、
吸気弁閉弁時点の筒内圧および筒内温度の値に基づき、気体の状態方程式に則って筒内空気量を算出する空気量算出手段と、
燃焼期間中の筒内圧の履歴に基づいて、筒内に供給された燃料量を算出する燃料量算出手段と、
前記筒内空気量と前記燃料量とに基づいて、筒内で燃焼した混合気の空燃比を算出する空燃比算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料量算出手段は、
筒内圧値に基づいて、筒内での熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
前記熱発生率を燃焼期間中に渡って積分することにより、筒内での熱発生量を算出する熱発生量算出手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記空燃比算出手段により算出された空燃比に基づいて、燃料噴射量および／または筒内吸入空気量を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記空気量算出手段は、前記気体の状態方程式中の気体定数の値を筒内の残留ガス量に応じて補正する気体定数補正手段を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、第５の発明は、上記の目的を達成するため、複数の気筒を有し、各気筒の吸入空気量を個別に調整可能な内燃機関の空燃比を制御する装置であって、
各気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
各気筒の筒内圧値に基づいて、各気筒の筒内での熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
吸気弁閉弁時以降の筒内圧および熱発生率を気筒間で比較することにより、筒内空気量および／または筒内燃料量の気筒間ばらつきを検出する気筒間ばらつき検出手段と、
前記気筒間ばらつきがなくなるように、筒内空気量および／または筒内燃料量を補正するばらつき補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記気筒間ばらつき検出手段は、
熱発生率の立ち上がり前における一の気筒の筒内圧が他の気筒に比べて低い場合に、当該一の気筒の筒内空気量が当該他の気筒より少ないと判定する第１の空気量ばらつき判定手段と、
熱発生率の立ち上がり前における一の気筒の筒内圧が他の気筒に比べて高い場合に、当該一の気筒の筒内空気量が当該他の気筒より多いと判定する第２の空気量ばらつき判定手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、第７の発明は、第５または第６の発明において、
前記気筒間ばらつき検出手段は、
熱発生率の立ち上がり前における筒内圧に気筒間で有意な差がなく、かつ、一の気筒の熱発生率が他の気筒に比べて低い場合に、当該一の気筒の筒内燃料量が前記他の気筒より少ないと判定する第１の燃料量ばらつき判定手段と、
熱発生率の立ち上がり前における筒内圧に気筒間で有意な差がなく、かつ、一の気筒の熱発生率が他の気筒に比べて高い場合に、当該一の気筒の筒内燃料量が前記他の気筒より多いと判定する第２の燃料量ばらつき判定手段と、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、筒内圧検出手段により検出される筒内圧に基づいて、筒内空気量および筒内燃料量を別々に算出することができる。サイクル中の筒内圧には、筒内空気量や筒内燃料量の値が忠実に反映されている。よって、筒内圧の実測値を基礎として筒内空気量および筒内燃料量を算出することにより、今サイクルにおいて筒内に実際に供給された空気量および燃料量をそれぞれ正確に求めることができる。そして、この発明によれば、それらの正確な筒内空気量および筒内燃料量に基づいて空燃比を算出することにより、実際に筒内で燃焼した混合気の空燃比を高い精度で求めることができる。
【００１７】
第２の発明によれば、筒内圧値に基づいてその時点での筒内の熱発生率を算出することができる。そして、この熱発生率を燃焼期間中に渡って積分することにより、筒内での熱発生量を正確に算出することができる。筒内での熱発生量が分かれば、燃料の物性値を用いて、筒内の燃料量に換算することができる。よって、この発明によれば、筒内燃料量をより正確に求めることができる。
【００１８】
第３の発明によれば、空燃比算出手段により算出された空燃比に基づいて、燃料噴射量や筒内吸入空気量を制御することができる。空燃比算出手段により算出された空燃比は、前述したとおり、実際に筒内で燃焼した混合気の空燃比に高い精度で一致している。このため、この発明によれば、空燃比算出手段の算出値を基礎として以降の燃料噴射量や筒内吸入空気量を制御することにより、筒内の空燃比を正確に制御することができる。
【００１９】
第４の発明によれば、筒内空気量の算出に用いる気体の状態方程式中の気体定数の値を筒内の残留ガス量に応じて補正することができる。このため、残留ガスが多い状況下でも、それに影響を受けることなく、筒内空気量を正確に算出することができる。
【００２０】
第５の発明によれば、各気筒の筒内圧を実測することができるとともに、各気筒の筒内圧値に基づいて、各気筒の筒内での熱発生率を算出することができる。そして、吸気弁閉弁時以降の筒内圧および熱発生率を気筒間で比較するという簡易な処理により、筒内空気量や筒内燃料量の気筒間ばらつきを精度良く検出することができる。よって、筒内空気量や筒内燃料量の気筒間ばらつきがなくなるように、以降の筒内空気量や筒内燃料量を精度良く補正することができる。このため、この発明によれば、気筒間の空燃比のずれをなるべく少なくし、均一にすることができる。
【００２１】
第６の発明によれば、筒内空気量の気筒間ばらつきを、簡易な処理によって精度良く検出することができる。
【００２２】
第７の発明によれば、筒内燃料量の気筒間ばらつきを、簡易な処理によって精度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、複数の気筒を有する機関であり、図１はそのうちの一つの気筒のみを示した図である。内燃機関１０には、クランク角を検出するクランク角センサ１２が組み込まれている。クランク角センサ１２は、クランク軸が所定回転角だけ回転する毎に、Hi出力とLo出力を反転させるセンサである。クランク角センサ１２の出力によれば、クランク角（クランク軸の回転位置）や、機関回転数NEなどを検知することができる。
【００２４】
更に、内燃機関１０には、冷却水温THWを検出する水温センサ１６と、筒内温度センサ１７と、筒内圧センサ１８とが組み込まれている。筒内温度センサ１７によれば、筒内（燃焼室内）の気体の温度を検出することができる。筒内圧センサ１８によれば、筒内（燃焼室内）に生ずる圧力を検出することができる。
【００２５】
内燃機関１０の吸気通路１９の途中には、サージタンク２０が設けられている。また、吸気通路１９には、その内部を流通する吸入空気量GAを検出するエアフロメータ２２が配置されている。エアフロメータ２２の下流には、スロットル弁２４が配置されている。スロットル弁２４は、図示しないスロットルモータに駆動されて開閉する電子制御スロットル弁である。スロットル弁２４の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットル開度センサ２６が組み付けられている。
【００２６】
また、内燃機関１０には、ガソリン等の燃料を筒内に直接に噴射するための燃料噴射弁２８と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ３０が設置されている。更に、内燃機関１０の排気通路３２には、その内部を流れる排気ガスの空燃比に応じた信号を出力する空燃比センサ３３が設置されている。また、排気通路３２には、排気ガスを浄化するための触媒３４が組み込まれている。
【００２７】
内燃機関１０は、吸気弁３８の開弁特性を変化させる可変動弁機構３６を備えている。可変動弁機構３６によれば、吸気弁３８の開弁位相をずらしたり、作用角およびリフト量を変化させたりすることができる。可変動弁機構３６の近傍には、可変動弁機構３６の作動量を検出するセンサ４０が設けられている。
【００２８】
本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)５０を備えている。ECU５０には、上述した各種のセンサからセンサ信号が供給されている。ECU５０は、それらのセンサ信号に基づいて、スロットル弁２４や、燃料噴射弁２８、点火プラグ３０、可変動弁機構３６などの各種アクチュエータを制御することができる。
【００２９】
［実施の形態１の特徴］
次に、本実施形態における上記システムの動作について説明する。
本実施形態では、サイクルごとに、筒内で燃焼した混合気の空燃比を、筒内圧センサ１８により検出される筒内圧Pに基づいて求めることとした。そして、その求められた空燃比の値に応じて、次サイクルの燃料噴射量を補正することとした。以下、筒内圧Pに基づいて求められる空燃比を「筒内空燃比」と称し、符号AFcylで表す。
【００３０】
以下、筒内空燃比AFcylを算出する方法について説明する。図２は、圧縮行程および爆発行程における筒内圧P、熱発生率dQ／dθ、および熱発生量Qの関係を示すグラフである。なお、θ［°CA］は、クランク角を表す。
【００３１】
図２の上段に示すように、吸気弁３８が閉じた後は、筒内の気体が圧縮されることにより、筒内圧Pが上昇し始める。その後、筒内の混合気に点火されると、燃焼による熱が筒内に発生する。図２の中段に示されるように、熱発生率dQ／dθの立ち上がり点が、燃焼の開始点に相当する。燃焼が継続している間は、図２中の下段に示されるように、累積の熱発生量Qは、増大を続ける。燃焼が終了すると、燃焼熱の発生がなくなり、熱発生率dQ／dθはゼロになる。この燃焼終了点において、熱発生量Qは最大値をとる。
【００３２】
本実施形態では、筒内圧センサ１８により、図２の上段に示されるような筒内圧Pの履歴を計測することができる。筒内圧Pと、熱発生率dQ／dθとの間には、熱力学的に、図２中の（１）式の関係が成立する。この（１）式中、Vは筒内容積を表し、κは筒内ガスの比熱比を表す。
【００３３】
上記（１）式中のVおよびdV／dθは、クランク角θに応じてそれぞれ幾何学的に決定される値である。また、比熱比κは、一定の値をとると近似することができる。よって、クランク角θごとの筒内圧Pが分かれば、上記（１）式に基づいてクランク角θごとの熱発生率dQ／dθを算出することができる。そして、この熱発生率dQ／dθを積分すれば、この筒内での燃焼による熱発生量Qを算出することができる。
【００３４】
このようにして算出された熱発生量Qは、燃料噴射弁２８から筒内へ噴射された燃料の燃焼によって生じたものである。ここで、単位量の燃料が燃焼したときの低位発熱量q_fuelは、燃料の物性値であり、既知の値である。なお、低位発熱量q_fuelとは、真発熱量とも呼ばれ、燃料中に含まれている水分や燃焼によって生じた水分を蒸発させるのに必要な潜熱を総発熱量から差し引いたものである。
【００３５】
燃料噴射弁２８から筒内に供給された燃料の量をq_injとすると、この燃料量q_injと低位発熱量q_fuelとを乗じた値が、上記熱発生量Qに相当することとなる。すなわち、次式が成立する。
Q＝q_inj×q_fuel      ・・・（２）
従って、低位発熱量q_fuelで、上記熱発生量Qを除することにより、このサイクルにおいて燃料噴射弁２８から実際に噴射された燃料の量q_injを算出することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、気体の状態方程式PV＝MRTを用いて、筒内の空気の質量Mcylを求めることができる。この式中、Mは気体の質量、Rは気体定数、Tは気体の温度をそれぞれ表す。本実施形態では、吸気弁３８が閉弁した時点における気体の状態方程式の成立から、筒内空気量Mcylを算出することができる。そして、算出された筒内空気量Mcylを上記熱発生量Qで除することにより、筒内空燃比AFcylを得ることができる。
【００３７】
［実施の形態１における具体的処理］
図３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、内燃機関１０の一つの気筒を対象とし、クランク角に同期してその気筒のサイクルごとに実行されるものとする。そして、他の気筒に対しても、本ルーチンと同様のルーチンが別個に実行されるものとする。
【００３８】
図３に示すルーチンによれば、まず、吸気弁３８が閉弁した時点の筒内圧Pが、筒内圧センサ１８の出力に基づいて取得される（ステップ１００）。吸気弁３８の閉弁時点は、可変動弁機構３６の状態によって異なる。ECU５０は、センサ４０によって検出される可変動弁機構３６の作動量に基づいて、吸気弁３８の閉弁時点を把握することができる。
【００３９】
更に、ECU５０は、吸気弁３８が閉弁した時点における、筒内に吸入された空気の温度Tを取得する（ステップ１０２）。この筒内温度Tは、筒内温度センサ１７の出力に基づいて取得することができる。
【００４０】
次に、吸気弁３８の閉弁時点で筒内に成立する気体の状態方程式に基づいて、筒内空気量Mcylを算出する（ステップ１０４）。具体的には、Mcyl＝PV／RTなる式に基づいて算出処理を行う。この算出処理において、この式中のPには上記ステップ１００で取得された筒内圧Pが代入され、Vには上記ステップ１０２で取得した筒内温度Tが代入される。また、吸気弁３８の閉弁時点の筒内容積Vは、吸気弁３８の閉弁時点のクランク角θに応じて幾何学的に決定される。この吸気弁３８の閉弁時点の筒内容積Vの値が上記式中のVに代入される。また、上記式中のRには、予め記憶された新気（空気）相当の気体定数Rの値が代入される。
【００４１】
吸気弁３８の閉弁時以降、ECU５０は、筒内圧センサ１８によって検出される筒内圧Pを、所定クランク角間隔で取り込む。この際、筒内圧Pを取得する間隔は数°CA以下程度が好ましく、本実施形態では１°CAごとに筒内圧Pを取得するものとする。この筒内圧Pを前記（１）式に代入することにより、吸気弁３８の閉弁時以降１°CAごとの熱発生率dQ／dθが算出される（ステップ１０６）。この算出処理において、VおよびdV／dθにはクランク角θに応じて幾何学的に決まる値が代入され、比熱比κには予め記憶された一定の値が代入される。
【００４２】
次に、上記ステップ１０６で算出された１°CAごとの熱発生率dQ／dθを積分（積算）することにより、熱発生量Qが算出される（ステップ１０８）。なお、この積算処理は、dQ／dθの値がほぼゼロとなるクランク角度まで行えばよい。
【００４３】
次いで、上記ステップ１０８で算出された熱発生量Qと、予め記憶された燃料の低位発熱量q_fuelとに基づき、次式によって燃料量q_injが算出される（ステップ１１０）。
q_inj＝Q／q_fuel      ・・・（３）
【００４４】
上記ステップ１１０で算出されたq_injは、今サイクルで筒内に供給された燃料の量、すなわち燃料噴射弁２８から噴射された燃料の量を表している。上記ステップ１０４で求められた筒内空気量Mcylを、燃料量q_injで除することにより、このサイクルの筒内空燃比AFcylが算出される（ステップ１１２）。すなわち、筒内空燃比AFcylは、次式で表される。
AFcyl＝Mcyl／q_inj      ・・・（４）
【００４５】
次に、算出された筒内空燃比AFcylの値に基づいて、この気筒の次サイクルの燃料噴射量の目標値が補正される（ステップ１１４）。この補正は、具体的には、例えば次のように行うことができる。理論空燃比を目標とした制御を行っている場合には、筒内空燃比AFcylの値が理論空燃比よりもリッチであるかリーンであるかを判断し、理論空燃比となる燃料量からのずれを算出して、そのずれ幅に応じて、次サイクルの燃料噴射量を補正する。
【００４６】
また、上記ステップ１１４においては、各サイクルで算出される筒内空燃比AFcylの目標空燃比からのずれの傾向を学習し、その学習結果に応じて、筒内空燃比AFcylと目標空燃比とのずれがなくなるように、次サイクルの燃料噴射量を補正してもよい。
【００４７】
以上説明したとおり、本実施形態では、筒内空気量Mcylと、筒内燃料量q_injとの双方をそれぞれ求め、それらに基づいて筒内空燃比AFcylを算出する。このような算出処理によれば、筒内で実際に燃焼した混合気の空燃比、すなわち筒内空燃比AFcylを精度良く推定することができる。そして、この正確に求められた筒内空燃比AFcylに基づいて次サイクルの燃料噴射量を補正することにより、目標とする空燃比を正確に実現することができる。
【００４８】
ところで、上述した実施の形態１では、燃料を筒内に直接噴射する内燃機関１０を制御する装置について説明したが、本発明が対象とする内燃機関はこれに限定されるものではない。本発明は、燃料を吸気ポートに噴射する内燃機関や、燃料を筒内と吸気ポートとの両方に噴射する内燃機関を制御する装置にも適用することができる。
【００４９】
また、上述した実施の形態１では、ステップ１０２において、吸気弁閉弁時の筒内空気の温度Tを筒内温度センサ１７によって実測することとしているが、この筒内温度Tを取得する方法はこれに限定されるものではない。圧縮行程や爆発行程においては実際の筒内温度Tはサイクルごとに大きく変化する。これに対し、吸気弁閉弁時の筒内温度Tはサイクルごとの変化が少なく、安定しており、運転条件と高い相関を有している。このため、筒内温度Tと運転条件との関係を予め調べ、その関係をマップあるいは数式の形でECU５０に記憶しておき、そのマップあるいは数式に基づいて筒内温度Tを取得するようにしてもよい。その場合、筒内温度Tとの相関を有する運転条件としては、例えば、機関回転数NE、吸入空気量GA、冷却水温THW、前サイクルの空燃比AF、点火時期SA、吸気弁３８のバルブタイミングが挙げられる。
【００５０】
また、上記ステップ１１０においては、燃焼効率ηを考慮して燃料量q_injを算出するようにしても良い。筒内に供給された燃料のすべてが完全燃焼した場合、燃焼効率ηは１となる。内燃機関１０の運転条件によっては、筒内に供給された燃料のすべてが完全燃焼するとは限らず、その場合にはηが１より小さくなる。燃焼効率ηは、内燃機関１０の運転条件、すなわち機関回転数NE、吸入空気量GA、冷却水温THW、前サイクルの空燃比AF、点火時期SA、吸気弁３８のバルブタイミング等と相関を有する。よって、これらの運転条件と燃焼効率ηとの関係を予め調べ、その関係をマップあるいは数式の形でECU５０に記憶しておけば、そのマップあるいは数式に基づいて燃焼効率ηを取得することができる。燃焼効率ηを考慮した場合には、上記（２）、（３）式に代えて、次式が成立する。
Q＝η×q_inj×q_fuel      ・・・（５）
q_inj＝（１／η）×Q／q_fuel      ・・・（６）
【００５１】
よって、上記ステップ１１０において、燃焼効率ηを考慮して燃料量q_injを算出する場合には、運転条件に基づいて取得した燃焼効率ηを用いて、上記（６）式に基づく算出処理を行えばよい。この場合には、燃料量q_injを更に高い精度で求めることができる。
【００５２】
なお、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ１８が前記第１の発明における「筒内圧検出手段」に、筒内温度センサ１７が前記第１の発明における「筒内温度取得手段」に、それぞれ相当している。また、ECU５０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「空気量算出手段」が、上記ステップ１０６〜１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃料量算出手段」が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「空燃比算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００５３】
また、上述した実施の形態１においては、ECU５０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「熱発生率算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第２の発明における「熱発生量算出手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第３の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。
【００５４】
ところで、上述した実施の形態１では、ステップ１０４の算出処理において、気体定数Rとして予め記憶された一定の値を用いているが、残留ガスの多い運転条件下では、気体定数Rの値を補正することとしても良い。EGR(Exhaust Gas Recirculation)を行っているときなど、残留ガスの多いときには、吸気弁３８の閉弁時点における筒内ガスの組成に応じて、気体定数Rの値が変化する。可変動弁機構３６を作動させてバルブオーバーラップ期間を生じさせることによって内部EGRを行う場合には、残留ガスの量はバルブオーバーラップ期間の長さに依存する。よって、センサ４０で検出される吸気弁３８のバルブタイミングから算出されるバルブオーバーラップ期間の長さに基づいて、気体定数Rの値を補正するようにしてもよい。気体定数Rを補正する場合には、残留ガス量が多いときであっても、その影響を受けることなく筒内空気量Mcylを更に正確に算出することができる。この場合、ECU５０が、上記の処理を実行することにより前記第４の発明における「気体定数補正手段」が実現される。
【００５５】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図４〜図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。
【００５６】
本実施形態における内燃機関１０は、各気筒の吸入空気量を個別に調整可能になっているものとする。各気筒の吸入空気量を個別に調整可能とする構成としては、スロットル弁を気筒ごとに個別に設ける構成や、あるいは、吸気弁３８の作用角およびリフト量を気筒ごとに独立して変更可能な可変動弁機構を設ける構成を採用すればよい。これ以外の点については、本実施形態で用いるハードウェアは、図１に示すのと同様である。本実施形態のシステムは、上記のハードウェア構成を用いて、ECU５０に、後述する図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００５７】
本実施形態では、筒内吸入空気量や燃料噴射量の気筒間ばらつきを検知し、その気筒間ばらつきがなくなるように空気量や燃料噴射量を補正する。図４〜図７は、本実施形態における空気量あるいは燃料噴射量の気筒間ばらつきを判定する方法を説明するための図である。
【００５８】
図４〜図７の説明において、筒内空気量あるいは筒内燃料量がばらついている気筒を「ばらつき気筒」と称し、その他の気筒を「標準気筒」と称する。また、ガソリンを燃料とする場合の理論空燃比は１４．５程度であるが、図４〜図７の説明においては、理解を容易にするため、理論空燃比が１０であるものとする。
【００５９】
一つの気筒だけの空気量あるいは燃料量がばらついている状態は、次の４つの類型に分類することができる。すなわち、一つの気筒だけ空気量が少ない場合、一つの気筒だけ空気量が多い場合、一つの気筒だけ燃料量が少ない場合、および、一つの気筒だけ燃料量が多い場合である。図４〜図７は、これら４つの類型をそれぞれ示している。
【００６０】
図４は、一つの気筒だけが他の気筒と比べて空気量が少なくなっている場合を示している。具体的には、標準気筒では、空気量が１００、燃料量が１０の理論空燃比が実現されているのに対し、ばらつき気筒では、燃料量は同じく１０であるものの、空気量が９０になっているものとする。
【００６１】
図４中のグラフに示すように、この場合には、筒内の空気量の違いにより、圧縮行程において、つまり熱発生率が立ち上がる前において、ばらつき気筒の筒内圧が標準気筒の筒内圧よりも低くなる。この特徴を捉えることにより、図４に示す類型のばらつきを検知することができる。すなわち、熱発生率が立ち上がる前において、他の気筒に比して筒内圧が低い気筒があった場合には、その気筒の空気量が他と比べて少なくなっていると判定することができる。そして、次サイクル以降、そのばらつき気筒の空気量を今よりも多くするように補正することにより、全気筒の空気量を均一にすることができる。
【００６２】
なお、図４に示す状況において、ばらつき気筒では、空気量が足りないので、標準気筒よりも少ない量の燃料しか燃焼させることができない。このため、ばらつき気筒では、標準気筒よりも熱発生率が低くなる。
【００６３】
図５は、一つの気筒だけが他の気筒と比べて空気量が多くなっている場合を示している。具体的には、標準気筒では、空気量が１００、燃料量が１０の理論空燃比が実現されているのに対し、ばらつき気筒では、燃料量は同じく１０であるものの、空気量が１１０になっているものとする。
【００６４】
図５中のグラフに示すように、この場合には、筒内の空気量の違いにより、圧縮行程において、つまり熱発生率が立ち上がる前において、ばらつき気筒の筒内圧が標準気筒の筒内圧よりも高くなる。この特徴を捉えることにより、図５に示す類型のばらつきを検知することができる。すなわち、熱発生率が立ち上がる前において、他の気筒に比して筒内圧が高い気筒があった場合には、その気筒の空気量が他と比べて多くなっていると判定することができる。そして、次サイクル以降、そのばらつき気筒の空気量を今よりも少なくするように補正することにより、全気筒の空気量を均一にすることができる。
【００６５】
図６は、一つの気筒だけが他の気筒と比べて燃料量が少なくなっている場合を示している。具体的には、標準気筒では、空気量が１００、燃料量が１０の理論空燃比が実現されているのに対し、ばらつき気筒では、空気量は同じく１００であるものの、燃料量が９になっているものとする。
【００６６】
図６中のグラフに示すように、この場合には、筒内の空気量は各気筒で同じであるので、熱発生率が立ち上がる前の筒内圧については、ばらつき気筒と標準気筒とで差がない。これに対し、燃料量の違いのため、ばらつき気筒の熱発生率は、標準気筒の熱発生率よりも低くなる。この熱発生率の違いにより、熱発生率が立ち上がった後は、ばらつき気筒の筒内圧は、標準気筒の筒内圧よりも低くなる。このような特徴を捉えることにより、図６に示す類型のばらつきを検知することができる。すなわち、熱発生率が立ち上がる前においては各気筒の筒内圧にばらつきがなく、かつ、熱発生率が立ち上がった後、熱発生率や筒内圧が他の気筒と比べて低い気筒があった場合には、その気筒の燃料量が他と比べて少なくなっていると判定することができる。そして、次サイクル以降、そのばらつき気筒の燃料量を今よりも多くするように補正することにより、全気筒の燃料量を均一にすることができる。
【００６７】
図７は、一つの気筒だけが他の気筒と比べて燃料量が多くなっている場合を示している。具体的には、標準気筒では、空気量が１００、燃料量が１０の理論空燃比が実現されているのに対し、ばらつき気筒では、空気量は同じく１００であるものの、燃料量が１１になっているものとする。
【００６８】
図７中のグラフに示すように、この場合には、筒内の空気量は各気筒で同じであるので、熱発生率が立ち上がる前の筒内圧については、ばらつき気筒と標準気筒とで差がない。これに対し、燃料量の違いのため、ばらつき気筒の熱発生率は、標準気筒の熱発生率よりも高くなる。この熱発生率の違いにより、熱発生率が立ち上がった後は、ばらつき気筒の筒内圧は、標準気筒の筒内圧よりも高くなる。このような特徴を捉えることにより、図７に示す類型のばらつきを検知することができる。すなわち、熱発生率が立ち上がる前においては各気筒の筒内圧にばらつきがなく、かつ、熱発生率が立ち上がった後、熱発生率や筒内圧が他の気筒と比べて高い気筒があった場合には、その気筒の燃料量が他と比べて多くなっていると判定することができる。そして、次サイクル以降、そのばらつき気筒の燃料量を今よりも少なくするように補正することにより、全気筒の燃料量を均一にすることができる。
【００６９】
［実施の形態２における具体的処理］
図８は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、クランク角に同期して、内燃機関１０全体としてのサイクルごとに繰り返し実行されるものとする。
【００７０】
図８に示すルーチンによれば、まず、各気筒の吸気弁３８の閉弁時点以降の筒内圧Pが筒内圧センサ１７の出力に基づいて計測される（ステップ１２０）。具体的には、各気筒ごとに、その気筒の吸気弁３８が閉弁するタイミング以降、所定のクランク角間隔で、その気筒の筒内圧センサ１７の出力が取り込まれる。ここでは、上記「所定のクランク角間隔」は、１°CAごととする。
【００７１】
次いで、各気筒の熱発生率が算出される（ステップ１２２）。具体的には、各気筒ごとに、上記ステップ１２０で取得された１°CAごとの筒内圧Pの値を前記（１）式に代入することにより、１°CAごとの熱発生率が算出される。
【００７２】
上記ステップ１２０および１２２の処理により、図４〜図７中のグラフに示すような、クランク角に対する筒内圧および熱発生率の履歴を、各気筒ごとに取得することができる。
【００７３】
図８に示すルーチンでは、次に、熱発生率が立ち上がる前の筒内圧について、気筒間でばらつきがあるかどうかが判別される（ステップ１２４）。ここでの具体的な判別方法としては、例えば、熱発生率が立ち上がる前の１点または複数点のクランク角において、筒内圧が最も低い気筒の筒内圧値と、それ以外の気筒の筒内圧の平均値とを比較し、それらの差が所定の判定値より大きいか否かで判別することができる。
【００７４】
上記ステップ１２４の判別の結果、一つの気筒が他の気筒と比べて、熱発生率が立ち上がる前の筒内圧が有意に低いと判別された場合は、図４に示すような場合に相当する。よって、この場合には、その気筒が他の気筒と比べて空気量が少ないと判定される（ステップ１２６）。この場合は、この空気量のばらつきを解消するべく、次サイクル以降、その気筒の空気量が増量補正される（ステップ１２８）。空気量の増量補正は、当該気筒専用のスロットル弁の開度を大きくするか、あるいは、当該気筒の吸気弁３８の作用角およびリフト量を大きくすることによって行うことができる。増量補正の幅は、当該気筒の筒内圧のずれ幅に応じて変化させてもよく、あるいは一定の幅としてもよい。
【００７５】
逆に、上記ステップ１２４の判別の結果、一つの気筒が他の気筒と比べて、熱発生率が立ち上がる前の筒内圧が有意に高いと判別された場合は、図５に示すような場合に相当する。よって、この場合には、その気筒が他の気筒と比べて空気量が多いと判定される（ステップ１３０）。この場合は、この空気量のばらつきを解消するべく、次サイクル以降、その気筒の空気量が減量補正される（ステップ１３２）。具体的には、次サイクル以降、当該気筒専用のスロットル弁の開度、あるいは、当該気筒の吸気弁３８の作用角およびリフト量が小さく補正される。
【００７６】
一方、上記ステップ１２４の判別の結果、熱発生率が立ち上がる前の筒内圧について気筒間に有意なばらつきはないと判別された場合には、次に、熱発生率について、気筒間でばらつきがあるかどうかが判別される（ステップ１３４）。ここでの具体的な判別方法としては、例えば、熱発生率が最も低い気筒の熱発生率ピーク値と、それ以外の気筒の熱発生率ピークの平均値とを比較し、それらの差が所定の判定値より大きいか否かで判別することができる。
【００７７】
上記ステップ１３４の判別の結果、一つの気筒が他の気筒と比べて、熱発生率が有意に低いと判別された場合は、図６に示すような場合に相当する。よって、この場合には、その気筒が他の気筒と比べて燃料量が少ないと判定される（ステップ１３６）。この場合は、この燃料量のばらつきを解消するべく、次サイクル以降、その気筒の燃料量が増量補正される（ステップ１３８）。この増量補正の幅は、当該気筒の熱発生率のずれ幅に応じて変化させてもよく、あるいは一定の幅としてもよい。
【００７８】
一方、上記ステップ１３４の判別の結果、熱発生率について気筒間に有意なばらつきはないと判別された場合には、各気筒の燃料量にばらつきはないと判断することができる。この場合には、各気筒の燃料量の補正を行う必要はなく、また、各気筒の空気量にばらつきがないことも確認されているので、各気筒の空気量も補正の必要はない。すなわち、この場合には、空気量も燃料量も気筒間ばらつきがないと判断できる。そこで、この場合には、そのまま今回の処理サイクルを終了する。
【００７９】
以上述べたように、本実施形態では、空気量や燃料量の気筒間のばらつきを、簡単な処理方法で、かつ精度良く検知することができる。そして、検知された気筒間ばらつきに基づいて空気量や燃料量を気筒別に補正することにより、空燃比や燃焼圧の気筒間ばらつきをなるべく小さくし、全気筒を均一にすることができる。このため、空燃比や燃焼圧が気筒間でばらつくことによる弊害、例えばトルク変動、燃費悪化、排気エミッション増大などの弊害が生じるのを有効に防止することができる。
【００８０】
なお、上述した実施の形態２においては、筒内圧センサ１８が前記第５の発明における「筒内圧検出手段」に相当している。また、ECU５０が、上記ステップ１２０および１２２の処理を実行することにより前記第５の発明における「熱発生率算出手段」が、上記ステップ１２４，１２６，１３０，１３４，１３６および１４０の処理を実行することにより前記第５の発明における「気筒間ばらつき検出手段」が、上記ステップ１２８，１３２，１３８および１４２の処理を実行することにより前記第５の発明における「ばらつき補正手段」が、それぞれ実現されている。
【００８１】
また、上述した実施の形態２においては、ECU５０が、上記ステップ１２６の処理を実行することにより前記第６の発明における「第１の空気量ばらつき判定手段」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第６の発明における「第２の空気量ばらつき判定手段」が、上記ステップ１３６の処理を実行することにより前記第７の発明における「第１の燃料量ばらつき判定手段」が、上記ステップ１４０の処理を実行することにより前記第７の発明における「第２の燃料量ばらつき判定手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】圧縮行程および爆発行程における筒内圧P、熱発生率dQ／dθ、および熱発生量Qの関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２において、空気量の気筒間ばらつきを判定する方法を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２において、空気量の気筒間ばらつきを判定する方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態２において、燃料量の気筒間ばらつきを判定する方法を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２において、燃料量の気筒間ばらつきを判定する方法を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８３】
１０  内燃機関
１２  クランク角センサ
１７  筒内温度センサ
１８  筒内圧センサ
２８  燃料噴射弁
３０  点火プラグ
３３  空燃比センサ
３４  触媒
３６  可変動弁機構
４０  センサ
５０  ECU(Electronic Control Unit)
【図１】
2007120392.tif 000003
【図２】
2007120392.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007120392.tif 000007
【図６】
2007120392.tif 000008
【図７】
2007120392.tif 000009
【図８】
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