JP2007297992A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内での燃焼のパターンをより精度良く制御する。
【解決手段】膨張行程中にある燃焼室５内の圧力から該燃焼室内での発熱量の積算値の推移を検出する手段と、所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量が所定の変化量となるように燃焼室内の混合気中に含まれる排気ガスの量を制御する手段とを具備する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の燃焼室内の混合気中の排気ガスの量を推定する装置が記載されている。特許文献１では、燃焼室内での発熱量を燃焼室内の圧力から推定可能であるとの認識の基に、この発熱量を用いて燃焼室内の混合気中の排気ガスの量を推定している。

特開２００４−２２５６５０号公報 特公昭６２−５３７１０号公報

ところで、上述したように、特許文献１では、燃焼室内での発熱量が燃焼室内の圧力に関係しており、また、燃焼室内の混合気中の排気ガスの量が燃焼室内での発熱量に関係しているとの認識はあるが、燃焼室内の混合気中の排気ガスの量が燃焼室内での燃焼のパターンに関係し、ひいては、燃焼から得られるトルクに関係するとの認識はない。

そこで、本発明の目的は、燃焼室内の混合気中の排気ガスの量が燃焼室内での燃焼のパターンに関係し、ひいては、燃焼から得られるトルクに関係するとの認識の基に、燃焼室内での燃焼のパターンをより精度良く制御することにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、膨張行程中にある燃焼室内の圧力から該燃焼室内での発熱量の積算値の推移を検出する手段と、所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量が所定の変化量となるように燃焼室内の混合気中に含まれる排気ガスの量を制御する手段とを具備する。

２番目の発明では、１番目の発明において、内燃機関の運転条件に応じて燃焼室内での燃料の着火時期を制御する手段をさらに具備し、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量が燃焼室内での燃料の着火時期に応じて設定される。

３番目の発明では、２番目の発明において、燃焼室内での発熱量の積算値が所定クランク角度において所定の積算値となるように燃焼室内での燃料の着火時期が制御される。

４番目の発明では、２番目の発明において、燃焼室内での発熱量の積算値が所定クランク角度において所定の積算値となる軌跡を辿ったときに燃料の燃焼率が最も高くなる場合に、燃焼室内での燃料の着火時期が燃焼室内での発熱量の積算値を上記所定クランク角度において上記所定の積算値となる軌跡を辿らせることができる着火時期よりも遅い時期であるときには、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量が小さく設定される。

５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量に上限値と下限値とが設定され、該所定の変化量が内燃機関の運転条件に基づいてこれら上限値と下限値との間の値に設定される。

６番目の発明では、５番目の発明において、内燃機関の運転条件が内燃機関から出力されるトルクを大きくすることを優先させるべき条件にあるときには、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量が上記下限値よりも上記上限値に近い値に設定される。

７番目の発明では、５または６番目の発明において、内燃機関の運転条件が燃焼室から排出される排気ガスのエミッションを低減することを優先させるべき条件にあるときには、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量が上記上限値よりも上記下限値に近い値に設定される。

８番目の発明では、１〜７番目の発明のいずれか１つにおいて、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する所定の変化量が小さく設定されるほど燃焼室内の混合気中に含まれる排気ガスの量が少なくされる。

９番目の発明では、１〜８番目の発明のいずれか１つにおいて、上記所定クランク角度範囲が燃焼室内での燃料の着火時期に応じて設定される。

上記課題を解決するために、１０番目の発明では、内燃機関から出力されるトルクを変化させることができる互いに異なるトルク制御手段を複数具備し、各トルク制御手段がトルクを変化させようとしてから実際にトルクが変化するまでの時間の長短を示すパラメータをトルク応答性とし、各トルク制御手段がトルクを最大限に変化させることができる能力の高低を示すパラメータをトルク感度としたときに、各トルク制御手段のトルク応答性およびトルク感度がトルク制御手段毎に異なり、内燃機関に要求されるトルクが変化したときには、内燃機関の運転条件に応じてトルク応答性とトルク感度とを選択し、これら選択されたトルク応答性とトルク感度とに応じて各トルク制御手段の制御に関する制御量を決定する。

１１番目の発明では、１０番目の発明において、内燃機関の運転条件が燃焼室から排出される排気ガスのエミッションを低減することを優先させるべき条件にあるときには、より高いトルク応答性が選択される。

１２番目の発明では、１０番目の発明において、内燃機関に要求されるトルクがアクセルペダルの踏込量に応じて決定され、内燃機関の運転条件が該アクセルペダルの踏込量または単位時間当たりの該アクセルペダルの踏込量の変化量が所定値よりも大きい条件にあるときには、より高いトルク感度が選択される。

１３番目の発明では、１０番目の発明において、内燃機関の運転条件が内燃機関に要求されるトルクが所定値よりも小さい条件にあるときには、より高いトルク感度が選択される。

上記課題を解決するために、１４番目の発明では、内燃機関に要求されるトルクに応じて目標とすべき燃焼室内での燃焼パターンを設定し、燃焼室内での燃料の着火時期と着火後の燃焼の進行速度と燃料の燃焼により発生するトルクの時間積算値または平均値とを制御することによって燃焼室内での燃焼パターンを上記目標とすべき燃焼室内での燃焼パターンに制御する。

１５番目の発明では、１４番目の発明において、上記着火後の燃焼の進行速度が燃焼室内の混合気中に含まれる排気ガスの量を制御することによって制御される。

本発明によれば、燃焼室内での燃焼のパターンがより精度良く制御される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の制御装置が適用された内燃機関を示している。図１に示されている内燃機関は、火花点火式の４気筒内燃機関である。図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はピストン、４はシリンダヘッド、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓、１１は燃料噴射弁をそれぞれ示す。燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するようにシリンダヘッド４に取り付けられている。

各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結される。サージタンク１４は、吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気ダクト１５内には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結される。排気枝管１９とサージタンク１４とは、再循環排気ガス（以下、ＥＧＲガスという）導管２６を介して互いに連結され、このＥＧＲガス導管２６内には、ＥＧＲ制御弁２７が配置される。

電子制御装置３１は、ディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を有する。エアフロメータ１６は、吸気量（燃焼室５内に吸入される空気の量）に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量、すなわち、内燃機関に要求されたトルク（以下「要求トルク」という）に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。さらに、クランク角センサ４２は、クランク角度を検出し、その出力が入力ポート３６に入力される。

また、図１に示されている吸気弁６には、該吸気弁６が開弁し始めるタイミング（以下「開弁時期」という）と、該吸気弁６が閉弁するタイミング（以下「閉弁時期」という）と、該吸気弁６が最大限にリフトする量（以下「最大リフト量」という）とをリニアに変更することができるいわゆる可変吸気弁動弁機構が接続されている。この可変吸気弁動弁機構によって吸気弁６の開弁特性、すなわち、吸気弁６の開弁時期、または、吸気弁６の閉弁時期、または、吸気弁６の最大リフト量が変更せしめられると、燃焼室５に吸入される空気の量（以下「吸気量」という）が変化する。すなわち、可変吸気弁動弁機構によって吸気弁６の開弁特性を制御することによって、吸気量を制御することができる。また、可変吸気弁動弁機構によって吸気弁６の開弁時期が進角され（すなわち、早められ）て排気弁８の開弁期間と吸気弁６の開弁期間との重なり、すなわち、いわゆるバルブオーバーラップが大きくなると、燃焼室５内の混合気中に残留する排気ガスの量が多くなる。すなわち、可変吸気弁動弁機構によって吸気弁６の開弁時期を制御することによって、燃焼室５内の混合気中に残留する排気ガスの量を制御することができる。

ところで、アクセルペダル４０の踏込量が要求トルクを表していることから、従来、要求トルクが大きければ、その分、吸気量を多くすると共にその吸気量に見合った量の燃料を燃料噴射弁１１から噴射させたり、要求トルクが小さければ、その分、吸気量を少なくすると共にその吸気量に見合った量の燃料を燃料噴射弁１１から噴射させたりすることによって、内燃機関から出力されるトルク（以下「出力トルク」という）を要求トルクに一致させる制御が行われてきた。確かに、要求トルクに応じて吸気量や燃料噴射弁１１から噴射される燃料の量（以下「燃料噴射量」という）を制御すること、すなわち、燃焼室５内での発熱量を制御することによって出力トルクを要求トルクに一致させることはできる。しかしながら、本願発明者の研究によれば、出力トルクが燃焼室５内での燃焼の進行パターンに応じて変化し、この燃焼の進行パターンを制御したほうが、燃焼室５内での発熱量を制御するだけよりも、より正確に、或いは、より素早く、出力トルクを要求トルクに一致させられることが判明した。次に、このことについて図２および図３を参照して説明する。

図２は、横軸にクランク角度をとり、縦軸に燃焼割合（これは、燃焼室５に吸入されたトータルの燃料のうち各クランク角度までに燃焼した燃料の割合であり、各クランク角度までの燃焼室５内での発熱量の積算値に相当し、例えば、燃焼室５内の圧力から推定される）にとったものであり、図２に実線Ｘで示されているパターンでもって燃焼が行われたときの出力トルク曲線は、図３に実線Ｘで示されているものであり、図２に一点鎖線Ｙで示されているパターンでもって燃焼が行われたときの出力トルク曲線は、図３に一点鎖線Ｙで示されているものであり、図２に二点鎖線Ｚで示されているパターンでもって燃焼が行われたときの出力トルク曲線は、図３に二点鎖線Ｚで示されているものである。

ここで、例えば、図２に実線Ｘで示されているパターン（以下「パターンＸ」という）の燃焼と図２に一点鎖線Ｙで示されているパターン（以下「パターンＹ」という）の燃焼とを比較すると、これら２つの燃焼においては、燃焼が始まったタイミングは同じであるが、燃焼が始まった後の燃焼割合の増大速度は、パターンＸの燃焼のものよりもパターンＹの燃焼のもののほうが速く、したがって、燃焼割合が１００％に到達するタイミングは、パターンＸの燃焼よりもパターンＹの燃焼のほうが早い。そして、出力トルクのピークは、パターンＸの燃焼に対応する図３に実線Ｘで示した出力トルク曲線のものよりも、パターンＹの燃焼に対応する図３に一点鎖線Ｙで示した出力トルク曲線のもののほうが高い。こうしたことから、出力トルクは、パターンＸの燃焼によるものよりもパターンＹの燃焼によるもののほうが大きいことが分かる。

また、パターンＹの燃焼と図２に二点鎖線Ｚで示されているパターン（以下「パターンＺ」という）の燃焼とを比較すると、これら２つの燃焼においては、燃焼が始まった後の燃焼割合の増大速度は同じであるが、燃焼が始まったタイミングは、パターンＹの燃焼よりもパターンＺの燃焼のほうが遅く、したがって、燃焼割合が１００％に到達するタイミングは、パターンＹの燃焼よりもパターンＺの燃焼のほうが早い。そして、出力トルクのピークは、パターンＸの燃焼に対応する図３に一点鎖線Ｙで示した出力トルク曲線のものよりも、パターンＺの燃焼に対応する図３に二点鎖線Ｚで示した出力トルク曲線のもののほうが高い。こうしたことから、出力トルクは、パターンＹの燃焼によるものよりもパターンＺの燃焼によるもののほうが大きいことが分かる。

このように、出力トルクは、燃焼が始まるタイミング（以下「燃焼開始時期」という）と、燃焼が始まった後の燃焼割合の増大速度（以下「燃焼割合増大速度」という）、すなわち、燃焼速度（これは、燃料の着火後の燃焼の進行速度に相当する）と、最大発熱量（以下「トルクピーク値」という）とに応じて異なるのである。すなわち、これら燃焼開始時期と燃焼速度とトルクピーク値とを制御すれば、より正確に、或いは、より素早く、出力トルクを要求トルクに一致させることができるはずである。本発明は、このことに注目し、これら燃焼開始時期と燃焼速度とトルクピーク値とを制御することによって出力トルクを要求トルクに一致させようとするものである。

そして、燃焼開始時期は、点火栓１０による燃料への点火タイミング（以下「点火時期」という）を制御することによって制御可能であり、また、燃焼速度は、燃焼室５内の混合気中に含まれる排気ガスの量を制御することによって制御可能であり、また、トルクピーク値は、吸気量および燃料噴射量を制御すること、すなわち、燃焼室５内の混合気量を制御することによって制御可能であることから、本発明の実施形態では、目標とする燃焼開始時期に応じて点火時期を制御し、目標とする燃焼速度に応じて燃焼室５内の混合気中に含まれる排気ガスの量を制御し、目標とするトルクピーク値に応じて燃焼室５内の混合気量を制御することによって、出力トルクを要求トルクに一致させる。次に、こうした制御について、図４を参照して説明する。

図４に示したように、まず、アクセルペダル４０の踏込特性、特に、アクセルペダル４０の踏込量およびアクセルペダル４０の踏込速度に基づいて目標とすべき出力トルク（以下「目標トルク」という）が決定される。次いで、ノッキングの発生を回避することや排気エミッションを規制レベルに抑制することや燃焼室５におけるポンピングロスをできるだけ小さくする等の制約条件を考慮し、目標トルクを達成するために目標とすべき燃焼パターン（以下「目標燃焼パターン」という）が決定される。次いで、目標燃焼パターンを達成するために目標とすべき燃焼室５内の混合気量（これは、目標とすべきピークトルク値に相当し、以下「目標混合気量」という）と目標とすべき着火時期（これは、目標とすべき燃焼開始時期に相当し、以下「目標着火時期」という）と目標とすべき燃焼速度（以下「目標燃焼速度」という）とを決定する。

次いで、目標混合気量に基づいて目標とすべき吸気量（以下「目標吸気量」という）と目標とすべき燃料噴射量（以下「目標燃料噴射量」という）とが決定され、また、目標着火時期に基づいて目標とすべき点火時期（以下「目標点火時期」という）が決定され、また、目標燃焼速度に基づいてＥＧＲ率（これは、燃焼室５内の混合気中に含まれる排気ガスの量に対応するものであって、燃焼室５に吸入される空気の量に対する排気ガスの量の比であり、以下「目標ＥＧＲ率」という）が決定される。

次いで、こうして決定された目標吸気量、目標燃料噴射量、目標点火時期、および、目標ＥＧＲ率が内燃機関の電子制御装置に送られて、決定された目標吸気量の空気が燃焼室５に吸入されるようにスロットル弁１８および可変吸気弁動弁機構の少なくとも一方が制御されると共に決定された目標燃料噴射量の燃料が噴射されるように燃料噴射弁１１が制御され、決定された目標点火時期に燃料が点火されるように点火栓が制御され、目標ＥＧＲ率が達成されるようにＥＧＲ制御弁２７および可変吸気弁動弁機構の少なくとも一方が制御される。

さらに、本発明の実施形態では、こうして燃料噴射弁１１とスロットル弁１８および可変吸気弁動弁機構の少なくとも一方と点火栓１０とＥＧＲ制御弁２７および可変吸気弁動弁機構の少なくとも一方とを制御しつつ、実際のトルクピーク値、燃焼開始時期、燃焼速度、および、出力トルクを監視し、実際のトルクピーク値と目標混合気量から予定されるトルクピーク値との間の差に基づいて実際のトルクピーク値が目標トルクピーク値となるように目標混合気量をフィードバック補正し、実際の燃焼開始時期と目標着火時期から推定される燃焼開始時期との間の差に基づいて実際の燃焼開始時期が目標燃焼開始時期となるように目標着火時期をフィードバック補正し、実際の燃焼速度と目標燃焼速度との間の差に基づいて実際の燃焼速度が目標燃焼速度となるように目標燃焼速度をフィードバック補正し、実際の出力トルクと目標トルクとの間の差に基づいて実際の出力トルクが目標トルクとなるように目標トルクをフィードバック補正する。

こうしたフィードバック補正を行うことによって、燃焼パターンがより正確に目標燃焼パターンに制御されることになり、結果、発生トルクを適切に制御することができる。

尚、本発明の実施形態では、ノッキングの発生の有無や筒内温度（これは、排気エミッションに影響する要素である）やポンピングロスをも監視し、これらノッキングの発生の有無や筒内温度やポンピングロスを目標燃焼パターンの決定にフィードバックし、目標燃焼パターンの決定の際に考慮する。

ところで、本発明の実施形態では、各気筒の燃焼が順次行われるのであるが、これら連続して行われる各気筒の燃焼から出力される出力トルクの軌跡がアクセルペダル４０の踏込特性から定まる要求トルクの軌跡に一致するように各気筒の目標燃焼パターンが決定される。すなわち、図５に示されているように、時間の経過と共に要求トルクが軌跡Ｔを辿るときには、各気筒から出力される出力トルク（図５では、縦に延びる帯それぞれが各気筒から出力される出力トルクに相当する）が軌跡Ｔに一致するように各気筒の目標燃焼パターンが決定される。そして、斯くして決定された目標燃焼パターンに基づいて、各気筒に対する目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度が決定される。

このように各気筒に対して目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度を決定することによって、従来から行われているシーケンス制御に比べて、適合工数を大幅に削減することができる。

なお、各気筒の燃焼におけるトルクピーク値が所定値以上に大きかったり、燃焼が連続する気筒から出力される出力トルク間の差（いわゆるトルク変動）が所定値以上に大きかったりすると、ノッキングやトルクショックが発生する可能性があることから、各気筒の燃焼におけるトルクピーク値が所定値以上に大きかったり、燃焼が連続する気筒から出力される出力トルク間の差が所定値以上に大きいときに、目標着火時期を遅角する（すなわち、遅くする）方向へ補正するようにしてもよい。

ところで、上述したように、出力トルクの軌跡が要求トルクの軌跡に一致するように各気筒毎に目標燃焼パターンを決定し、燃焼パターンが目標燃焼パターンとなるように各気筒毎に目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度を制御する場合において、各気筒毎の目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度に以下のような補正を加えてもよい。

すなわち、出力トルクの軌跡が要求トルクの軌跡に一致するように各気筒毎に目標燃焼パターンを決定し、燃焼パターンが目標燃焼パターンとなるように各気筒毎に目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度を制御しているときに、各気筒から実際に出力された出力トルクが要求トルクに一致しているか否かを監視する。そして、或る気筒から実際に出力された出力トルクが要求トルクに一致しておらず、要求トルクよりも小さい場合には、要求トルクに対して小さかった分だけ、順序的に次に燃焼が行われる気筒（以下「次気筒」という）における燃焼によって出力されるトルクが大きくなるように次気筒に対する目標燃焼パターンを補正し、したがって、次気筒に対する目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度を補正するようにしてもよい。また、或る気筒から実際に出力された出力トルクが要求トルクに一致しておらず、要求トルクよりも大きい場合には、要求トルクに対して大きかった分だけ、次気筒における燃焼によって出力される出力トルクが小さくなるように次気筒に対する目標燃焼パターンを補正し、したがって、次気筒に対する目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度を補正するようにしてもよい。これによれば、実際に出力されるトルクの軌跡を要求トルクの軌跡にできるだけ近づけることができる。

なお、要求トルクに対して小さかった分だけ、次気筒における燃焼によって出力されるトルクが大きくなるように、或いは、要求トルクに対して大きかった分だけ、次気筒における燃焼によって出力されるトルクが小さくなるように次気筒に対する目標燃焼パターンを補正し、したがって、次気筒に対する目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度を補正した場合に、出力トルクの変動量が所定量よりも大きくなるとき（いわゆるトルクショックが発生するとき）には、出力トルクの変動量が所定量よりも小さくなる範囲で次気筒に対する目標混合気量、目標着火時期、および、目標燃焼速度を補正するようにしてもよい。

ところで、上述したように、各気筒から出力されるトルクは、燃焼室５内の混合気量、すなわち、吸気量および燃料噴射量や着火時期を制御することによって制御可能である。ここで、吸気量は、スロットル弁１８の開度を制御するか、或いは、吸気弁６のリフト特性を制御することによって制御可能である。また、着火時期は、点火時期を制御することによって制御可能である。（なお、内燃機関が圧縮自着火式のいわゆるディーゼル内燃機関である場合には、吸気量の代わりに燃料噴射量を制御したり着火時期を制御したりすることによって各気筒から出力されるトルクを制御することができ、ここで、着火時期は、燃料噴射弁から気筒内に燃料を噴射するタイミングを制御することによって制御可能である。）

ここで、要求トルクが変化したときに、スロットル弁１８の開度を変更して吸気量を変更することによって出力トルクを要求トルクに一致させようとした場合と、吸気弁６のリフト特性を変更して吸気量を変更することによって出力トルクを要求トルクに一致させようとした場合と、着火時期、すなわち、点火時期を変更することによって出力トルクを要求トルクに一致させようとした場合とを比較すると、出力トルクを最大限に変化させることができる能力の高低を示す出力トルクに対する感度は、スロットル弁１８の開度を変更した場合が最も大きく、吸気弁６のリフト特性を変更した場合が次に大きく、点火時期を変更した場合が最も小さい。一方、出力トルクを変化させようとしてから実際に出力トルクが変化するまでの時間の長短を示す出力トルクに対する応答性は、点火時期を変更した場合が最も高く、吸気弁６のリフト特性を変更した場合が次に高く、スロットル弁１８の開度を変更した場合が最も低い。

こうしたことから、要求トルクが変化したときに出力トルクの軌跡を要求トルクの軌跡に一致させようとして、例えば、スロットル弁１８の開度を変更したとしても、要求トルクの変化が速いと、出力トルクを要求トルクの変化に追従させることができないし、例えば、点火時期を変更したとしても、要求トルクの変化量が大きいと、やはり、出力トルクを要求トルクの変化に追従させることができない。

そこで、上述した実施形態において、スロットル弁１８の開度を変更したとき、吸気弁６のリフト特性を変更したとき、そして、点火時期を変更したときの出力トルクに対する感度および応答性を考慮して、出力トルクの軌跡が要求トルクの軌跡にできるだけ近くなる目標燃焼パターンを選択するようにしてもよい。すなわち、上述した実施形態において、こうした出力トルクに対する感度や応答性を考慮しなかった場合において出力トルクを要求トルクに一致させることができる複数の燃焼パターンのうち、こうした出力トルクに対する感度および応答性を考慮した場合に出力トルクが要求トルクに最も近くなる燃焼パターンを目標燃焼パターンとして選択するようにしてもよい。

また、上述した実施形態において、内燃機関に要求されるトルクが変化したときに、内燃機関の運転条件に応じてトルク応答性とトルク感度とを選択し、これら選択されたトルク応答性とトルク感度とに応じて各トルク制御手段、すなわち、スロットル弁１８、可変吸気弁動弁機構、および、点火栓１０の制御に関する制御量を決定するようにしてもよい。この場合において、具体的な例を挙げると、例えば、内燃機関の運転条件が燃焼室５から排出される排気ガスのエミッションを低減することを優先させるべき条件にあるときには、より高いトルク応答性が選択される。また、内燃機関の運転条件がアクセルペダル４０の踏込量または単位時間当たりのアクセルペダル４０の踏込量の変化量が所定値よりも大きい条件にあるときには、より高いトルク感度が選択される。また、内燃機関の運転条件が要求トルクが所定値よりも小さい条件にあるときには、より高いトルク感度が選択される。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、燃焼を着火時期と燃焼速度と混合気量とを制御することによって出力トルクを制御することを前提として、以下のような制御を行う。すなわち、圧縮上死点後の或る特定のクランク角度における燃焼割合が或る特定の割合となるように着火時期（すなわち、点火時期）を制御すると、燃焼効率を高く維持することができることが判明している。特に、圧縮上死点後のクランク角度８°における燃焼割合（以下「８°燃焼割合」という）が５０％となるように（或いは、圧縮上死点後のクランク角度１０°における燃焼割合が５３％となるように）着火時期（すなわち、点火時期）を制御すると、燃焼効率を最も高く維持することができることが実験により判明している（この点につき、特願２００４−３３４８６５号を参照されたい）。そこで、第２実施形態では、８°燃焼割合が５０％となるように着火時期（すなわち、点火時期）を制御する着火時期制御を行う。

さらに、本願発明者の研究により、或る特定のクランク角度範囲における燃焼割合の変動量が或る特定の変動量となるように燃焼速度を制御すると、燃焼室５から排出されるＨＣ量を少ない量に維持することができると共に出力トルクを大きくすることができることが判明した。特に、圧縮上死点（すなわち、クランク角度０°）から圧縮上死点後のクランク角度１５°までの燃焼割合の変動量（以下「１５°燃焼割合変動量」という）が６８％となるように燃焼速度を制御すると、燃焼室５から排出されるＨＣ量を少ない量に維持することができると共に出力トルクを大きくすることができることが判明した。

すなわち、上述したように、吸気弁６の開弁時期を進角すると、排気弁８の開弁期間と吸気弁６の開弁期間とが重なる期間、いわゆるバルブオーバーラップが大きくなり、燃焼室５内の混合気中に含まれる排気ガスの量が多くなり、したがって、燃焼速度が遅くなる。ここで、図６に示したように、吸気弁６の開弁時期を進角してゆくと、燃焼速度が遅くなることによって燃料が燃焼しやすくなることから、燃焼率（これは、燃焼室５内の混合気中の燃料のうち膨張行程中に燃焼する燃料の割合である）が徐々に大きくなり、或る特定の開弁時期においてピークに達する。そして、さらに吸気弁６の開弁時期を進角してゆくと、今度は、燃焼室５内の混合気中の排気ガスの量が多くなって燃料の燃焼が不安定となることから、燃焼率が徐々に小さくなる。ここで、燃焼率がピークにあるときには、燃焼室５内の混合気中の燃料が最も多く燃焼するのであるから、このとき、燃焼室５から排出される燃料（ＨＣ）の量が最も少なくなる。一方、吸気弁６の開弁時期を進角してゆき、いわゆるバルブオーバーラップが大きくなると、図７に示したように、吸気行程におけるポンピングロスが徐々に小さくなる。ここで、燃焼率が最もピークに近く（すなわち、燃焼室５から排出されるＨＣ量が少なく）且つ吸気行程におけるポンピングロスが最も小さく（すなわち、出力トルクが大きく）なるのが、１５°燃焼割合変動量を約６８％（機種によって異なる）に制御したときであることが判明した。

そこで、第２実施形態では、８°燃焼割合が５０％となるように着火時期、すなわち、点火時期を制御する上記着火時期制御を行うと同時に、１５°燃焼割合変動量が６８％となるように燃焼速度、すなわち、吸気弁６の開弁時期を制御する吸気弁開弁時期制御を行う。これによれば、燃焼室５から排出されるＨＣ量が少ない量に維持されると共に出力トルクが大きくなる。

なお、第２実施形態おいて、混合気量（すなわち、吸気量と燃料噴射量）は、第１実施形態と同様に、目標とすべきピークトルク値に基づいて制御される。

ところで、機関運転状態が内燃機関の要求負荷が非常に大きい状態にあるときには、８°燃焼割合が５０％となるように着火時期（すなわち、点火時期）を制御しようとすると、ノッキングが発生してしまうことがあり、これを回避しようとすると、８°燃焼割合が５０％となるように着火時期を制御することができないことがある。そこで、第２実施形態において、機関運転状態が内燃機関の要求負荷が所定値よりも大きい状態にあるとき（すなわち、８°燃焼割合が５０％となるように着火時期を制御することができないとき）には、ノッキングが発生しない範囲で５０％にできるだけ近い燃焼割合を目標８°燃焼割合として設定し、８°燃焼割合がこの目標８°燃焼割合となるように着火時期を制御するようにしてもよい。

また、この場合、１５°燃焼割合変動量が６８％となるように燃焼速度（すなわち、吸気弁６の開弁時期）を制御しようとしても、１５°燃焼割合変動量を６８％とすることができないことがある。そこで、第２実施形態において、内燃機関の運転条件が内燃機関の要求負荷が所定値よりも大きい条件にあり、ノッキングが発生しない範囲で５０％にできるだけ近い燃焼割合を目標８°燃焼割合として設定し、８°燃焼割合がこの目標８°燃焼割合となるように着火時期を制御している場合に、設定された目標８°燃焼割合に応じて、例えば、図８に示した関係から目標１５°燃焼割合変動量を設定し、１５°燃焼割合変動量がこの目標１５°燃焼割合変動量となるように燃焼速度（すなわち、吸気弁６の開弁時期）を制御するようにしてもよい。なお、図８に示したように、目標１５°燃焼割合変動量は、８°燃焼割合が小さくなるほど小さくなる。

また、この場合、８°燃焼割合、すなわち、着火時期に応じて目標１５°燃焼割合変動量が設定されるのであるが、このとき、燃焼室５から排出される排気ガスのエミッションと吸気行程におけるポンピングロス（すなわち、出力トルク）とを考慮し、目標１５°燃焼割合変化量（すなわち、吸気弁６の開弁時期）に上限値および下限値を設定してもよい。

また、この場合、具体的な例を挙げると、内燃機関の運転条件が出力トルクの向上を燃焼室５から排出される排気ガスのエミッションの低減よりも優先させるべき条件にあるときには、目標１５°燃焼割合変動量は、下限値よりも上限値に近い値に設定される。一方、内燃機関の運転条件が燃焼室５から排出される排気ガスのエミッションの低減を出力トルクの向上よりも優先させるべき条件にあるときには、目標１５°燃焼割合変化量は、上限値よりも下限値に近い値に設定される。

ところで、上述したように、吸気弁６の開弁時期を進角すると、いわゆるバルブオーバーラップが大きくなり、燃焼室５内の混合気中の排気ガスの量が多くなり、燃焼速度が遅くなることから、図９に示したように、吸気弁６の開弁時期を進角すると、各燃焼における１５°燃焼割合変動量の平均値が徐々に小さくなる。一方、燃焼室５内の混合気中の排気ガスの量が多くなると、燃焼が不安定となることから、図１０に示したように、吸気弁６の開弁時期を進角すると、各燃焼間の１５°燃焼割合変動量のバラツキが大きくなる。すなわち、１５°燃焼割合変動量を小さくしようとして吸気弁６の開弁時期を進角してゆくと、各燃焼における１５°燃焼割合変動量間のバラツキが大きくなってしまう。

そこで、第２実施形態において、１５°燃焼割合変動量が６８％となるように吸気弁６の開弁時期を制御するのと同時に、各燃焼間の１５°燃焼割合変動量の差を監視しておき、この差が一定値よりも小さい間は、吸気弁６の開弁時期を進角することを許可し、或いは、吸気弁６の開弁時期を進角させ、各燃焼間の１５°燃焼割合変動量の差が一定値よりも大きくなったときには、吸気弁６の開弁時期を進角することを禁止し、或いは、吸気弁６の開弁時期を遅角させ、或いは、吸気弁６の開弁時期を進角することを禁止すると共に吸気弁６の開弁時期を遅角するようにしてもよい。

図１１は、第２実施形態の制御を実行するフローチャートの一例を示している。図１１のフローチャートでは、始めに、ステップ１０において、機関運転状態が読み込まれる。次いで、ステップ１１において、８°燃焼割合が５０％となるように着火時期（すなわち、点火時期）を制御する上記着火時期制御（ＭＢＴ制御）が実行される。次いで、ルーチンは、ステップ１２とステップ２２とに進む。ステップ１２では、８°燃焼割合ＭＦＢ８が５０％となっている（ＭＦＢ８＝５０％）か否かが判別される。ここで、ＭＦＢ８＝５０％であると判別されたときには、ルーチンは、ステップ１３に進む。一方、ＭＦＢ８＝５０％ではないと判別されたときには、ルーチンは、ステップ１７に進む。

ステップ１３では、１５°燃焼割合変動量ΔＭＦＢ１５が算出される。次いで、ステップ１４において、ステップ１３で算出された１５°燃焼割合変動量ΔＭＦＢ１５が６８％よりも大きい（ΔＭＦＢ１５＞６８％）か否かが判別される。ここで、ΔＭＦＢ１５＞６８％であると判別されたときには、ステップ１５に進んで、１５°燃焼割合変動量を小さくするために、吸気弁６の開弁時期が遅角される。一方、ΔＭＦＢ１５≦６８％であると判別されたときには、ステップ１６に進んで、１５°燃焼割合変動量を大きくするために、吸気弁６の開弁時期が進角される。

一方、ステップ１２において、ＭＦＢ８＝５０％ではないと判別されたときには、目標８°燃焼割合が５０％よりも小さい値に設定されており、次のステップ１７では、この５０％よりも小さい値に設定されている目標８°燃焼割合ＴＭＦＢ８に基づいて目標１５°燃焼割合変動量ΔＭＦＢｔｒｇが、例えば、図８に示した関係から算出される。次いで、ステップ１８において、１５°燃焼割合変動量ΔＭＦＢ１５が算出される。次いで、ステップ１９において、ステップ１８で算出された１５°燃焼割合変動量ΔＭＦＢ１５がステップ１７で算出された目標１５°燃焼割合変動量ΔＭＦＢｔｒｇよりも大きい（ΔＭＦＢ１５＞ΔＭＦＢｔｒｇ）か否かが判別される。ここで、ΔＭＦＢ１５＞ΔＭＦＢｔｒｇであると判別されたときには、ステップ２０に進んで、１５°燃焼割合変動量を小さくするために、吸気弁６の開弁時期が遅角される。一方、ΔＭＦＢ１５≦ΔＭＦＢｔｒｇであると判別されたときには、ステップ２１に進んで、１５°燃焼割合変動量を大きくするために、吸気弁６の開弁時期が進角される。

一方、ステップ２２では、各燃焼間の１５°燃焼割合変動量の差σが算出される。次いで、ステップ２３において、この差σが一定値βよりも大きい（σ＞β）か否かが判別される。ここで、σ＞βであると判別されたときには、ステップ２４に進んで、吸気弁６の開弁時期を遅角する。一方、σ≦βであると判別されたときには、ステップ２５に進んで、吸気弁６の開弁時期を進角する。

ところで、上述した第２実施形態では、機関運転状態が内燃機関の要求負荷が所定値よりも大きい状態にあるとき（すなわち、８°燃焼割合が５０％となるように着火時期を制御することができないとき）には、ノッキングが発生しない範囲で５０％にできるだけ近い値に設定された目標８°燃焼割合に基づいて図８に示した関係から目標１５°燃焼割合変動量を設定し、１５°燃焼割合変動量がこの目標１５°燃焼割合変動量となるように燃焼速度（すなわち、吸気弁６の開弁時期）を制御している。しかしながら、第２実施形態において、ノッキングが発生しない範囲で５０％にできるだけ近い値に設定された目標８°燃焼割合に８°燃焼割合がなるように着火時期（すなわち、点火時期）を制御しているときの実際の８°燃焼割合に基づいて図８に示した関係から目標１５°燃焼割合変動量を設定し、１５°燃焼割合変動量がこの目標１５°燃焼割合変動量となるように燃焼速度を制御してもよい。これによれば、制御応答性が向上する。

また、上述した第２実施形態では、目標８°燃焼割合に係わらず、すなわち、目標着火時期に係わらず、１５°燃焼割合変動量として、圧縮上死点から圧縮上死点後のクランク角度１５°までの燃焼割合の変動量を採用している。しかしながら、第２実施形態において、目標８°燃焼割合が所定値（例えば、２０％）よりも小さく、したがって、目標着火時期が遅角されているときには、１５°燃焼割合変動量として、圧縮上死点から圧縮上死点後のクランク角度１５°までの範囲よりも進角側の範囲、例えば、圧縮上死点前のクランク角度５°から圧縮上死点後のクランク角度１０°までの燃焼割合の変動量を採用してもよい。これによれば、制御性が向上する。

以上、本発明の実施形態によれば、燃焼室内での燃焼パターン自体、或いは、それを構成する８°燃焼割合（着火時期）や１５°燃焼割合変化量（燃焼速度）やトルクピーク値を目標値として点火時期や吸気弁の開弁時期（燃焼室内の混合気中の排気ガスの量）や混合気量を制御するので、点火時期や吸気弁の開弁時期や混合気量の制御に関し、機差バラツキの影響を排除することができ、したがって、予め目標値を求めておく工程を排除することができ、また、内燃機関の経年変化の影響をも排除することができる。

本発明の制御装置が適用される内燃機関を示す図である。 クランク角度と燃焼割合との関係を示した図である。 クランク角度と出力トルクとの関係を示した図である。 本発明の第１実施形態における内燃機関の制御を説明するための図である。 要求トルクの軌跡と各気筒から出力されるトルクとの関係を示す図である。 吸気弁の開弁時期と燃焼率との関係を示す図である。 吸気弁の開弁時期と吸気行程におけるポンピングロスとの関係を示す図である。 ８°燃焼割合と目標１５°燃焼割合変化量との関係を示す図である。 吸気弁の開弁時期と平均１５°燃焼割合変化量との関係を示す図である。 吸気弁の開弁時期と各燃焼間の１５°燃焼割合変動量のバラツキとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の内燃機関の制御を実行するフローチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関の本体
５ 燃焼室
６ 吸気弁
１０ 点火栓
１８ スロットル弁
２７ ＥＧＲ制御弁
４０ アクセルペダル

Claims (15)

1. 膨張行程中にある燃焼室内の圧力から該燃焼室内での発熱量の積算値の推移を検出する手段と、所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量が所定の変化量となるように燃焼室内の混合気中に含まれる排気ガスの量を制御する手段とを具備することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の運転条件に応じて燃焼室内での燃料の着火時期を制御する手段をさらに具備し、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量が燃焼室内での燃料の着火時期に応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 燃焼室内での発熱量の積算値が所定クランク角度において所定の積算値となるように燃焼室内での燃料の着火時期が制御されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 燃焼室内での発熱量の積算値が所定クランク角度において所定の積算値となる軌跡を辿ったときに燃料の燃焼率が最も高くなる場合に、燃焼室内での燃料の着火時期が燃焼室内での発熱量の積算値を上記所定クランク角度において上記所定の積算値となる軌跡を辿らせることができる着火時期よりも遅い時期であるときには、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量が小さく設定されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
5. 上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量に上限値と下限値とが設定され、該所定の変化量が内燃機関の運転条件に基づいてこれら上限値と下限値との間の値に設定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 内燃機関の運転条件が内燃機関から出力されるトルクを大きくすることを優先させるべき条件にあるときには、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量が上記下限値よりも上記上限値に近い値に設定されることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 内燃機関の運転条件が燃焼室から排出される排気ガスのエミッションを低減することを優先させるべき条件にあるときには、上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する上記所定の変化量が上記上限値よりも上記下限値に近い値に設定されることを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 上記所定クランク角度範囲における燃焼室内での発熱量の積算値の変化量に関する所定の変化量が小さく設定されるほど燃焼室内の混合気中に含まれる排気ガスの量が少なくされることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
9. 上記所定クランク角度範囲が燃焼室内での燃料の着火時期に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
10. 内燃機関から出力されるトルクを変化させることができる互いに異なるトルク制御手段を複数具備し、各トルク制御手段がトルクを変化させようとしてから実際にトルクが変化するまでの時間の長短を示すパラメータをトルク応答性とし、各トルク制御手段がトルクを最大限に変化させることができる能力の高低を示すパラメータをトルク感度としたときに、各トルク制御手段のトルク応答性およびトルク感度がトルク制御手段毎に異なり、内燃機関に要求されるトルクが変化したときには、内燃機関の運転条件に応じてトルク応答性とトルク感度とを選択し、これら選択されたトルク応答性とトルク感度とに応じて各トルク制御手段の制御に関する制御量を決定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
11. 内燃機関の運転条件が燃焼室から排出される排気ガスのエミッションを低減することを優先させるべき条件にあるときには、より高いトルク応答性が選択されることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の制御装置。
12. 内燃機関に要求されるトルクがアクセルペダルの踏込量に応じて決定され、内燃機関の運転条件が該アクセルペダルの踏込量または単位時間当たりの該アクセルペダルの踏込量の変化量が所定値よりも大きい条件にあるときには、より高いトルク感度が選択されることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の制御装置。
13. 内燃機関の運転条件が内燃機関に要求されるトルクが所定値よりも小さい条件にあるときには、より高いトルク感度が選択されることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の制御装置。
14. 内燃機関に要求されるトルクに応じて目標とすべき燃焼室内での燃焼パターンを設定し、燃焼室内での燃料の着火時期と着火後の燃焼の進行速度と燃料の燃焼により発生するトルクの時間積算値または平均値とを制御することによって燃焼室内での燃焼パターンを上記目標とすべき燃焼室内での燃焼パターンに制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
15. 上記着火後の燃焼の進行速度が燃焼室内の混合気中に含まれる排気ガスの量を制御することによって制御されることを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関の制御装置。

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