JP2009293530A

JP2009293530A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2009293530A
Application number: JP2008148555A
Authority: JP
Inventors: Sakanori Moriya; 栄記守谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-05
Also published as: JP4968594B2

Abstract

【課題】燃費の悪化や出力の低下を回避しつつ、排気エミッションを確実に低減させることできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】運転状態に応じて全気筒共通にバルブオーバーラップ量を変更・制御するようにした内燃機関１は、筒内圧力を検出する筒内圧センサ１５と、ＥＣＵ２０とを備える。ＥＣＵ２０は、気筒ごとに燃焼形態を検知し、検知された気筒ごとの燃焼形態の目標燃焼形態との偏差を算出する。そして、気筒ごとの偏差に基づき、当該偏差を解消すべく、当該気筒への燃料噴射形態、燃料噴射割合が変更される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、特に、運転状態に応じて全気筒共通にバルブオーバーラップ量を変更・制御するようにした内燃機関の制御装置に関する。

従来から、運転状態に応じて全気筒共通にバルブオーバーラップ量を変更・制御するようにした内燃機関は周知である。

また、内燃機関の燃焼室における混合気の燃焼開始時期（火花点火時期または圧縮着火時期）を大きなトルクが得られると共にノッキングが発生しない最適なタイミング（ＭＢＴ：Minimum advance for Best Torque）に設定するために、燃焼室における燃焼割合に基づいて燃焼開始時期を進角または遅角させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、内燃機関に要求される要求トルクに対応させて、燃焼室における燃焼割合がそれぞれ目標燃焼割合になるように点火時期やバルブオーバーラップ量を制御する手法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−１８９２８１号公報特開２００７−３２５３１号公報

ところで、上述の運転状態に応じてバルブオーバーラップ量を制御するに際し、気筒ごとに可変バルブタイミング機構を備える内燃機関の場合には、その気筒ごとに目標燃焼形態を満たすべくバルブオーバーラップ量の制御を行えばよい。

しかしながら、全気筒一律にバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を備える内燃機関の場合、ある気筒に合わせてバルブオーバーラップ量の制御を行うと、バルブオーバーラップ量は全気筒共通となってしまう。その結果、気筒間に機差バラツキなどが存するときは、ある気筒については目標燃焼形態を満たさせることが可能であるが、残りの気筒については十分に満たさせることができないことがある。換言すると、全気筒に亘っての燃焼形態を精度よく制御することができず、燃費の悪化、出力の低下ないしは排気エミッションが増加してしまうおそれがある。

そこで、本発明の目的は、燃費の悪化や出力の低下を回避しつつ、排気エミッションを確実に低減させることできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するための、本発明による内燃機関の制御装置の一形態は、運転状態に応じて全気筒共通にバルブオーバーラップ量を変更・制御するようにした内燃機関において、気筒ごとに燃焼形態を検知する燃焼形態検知手段と、当該燃焼形態検知手段により検知された気筒ごとの燃焼形態の目標燃焼形態との偏差を算出する燃焼形態偏差算出手段と、当該燃焼形態偏差算出手段により算出された気筒ごとの偏差に基づき、当該偏差を解消すべく、当該気筒への燃料噴射形態を変更する燃料噴射形態変更手段と、を備えることを特徴とする。

この本発明による内燃機関の制御装置の一形態によれば、運転状態に応じて全気筒共通にバルブオーバーラップ量が変更されると、燃焼形態検知手段によって気筒ごとに燃焼形態が検知される。そして、この検知された気筒ごとの燃焼形態は、燃焼形態偏差算出手段によってその運転状態に対応されて設定されている目標燃焼形態と対比され、目標燃焼形態との偏差が算出される。さらに、燃料噴射形態変更手段によって、この燃焼形態偏差算出手段により算出された気筒ごとの偏差に基づいて、この偏差を解消するように、当該気筒への燃料噴射形態が変更される。この偏差を解消する燃料噴射形態への変更によって、偏差が存在していた気筒においては目標燃焼形態になる結果、気筒間のバラツキが解消され、燃費の悪化や出力の低下を回避しつつ、排気エミッションを確実に低減させることできる。

ここで、前記燃焼形態検知手段は、気筒ごとの筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、を備えることが好ましい。

また、前記燃焼形態偏差算出手段は、前記燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合に基づく気筒ごとの燃焼期間のうちの最大燃焼期間を選定し、当該最大燃焼期間と目標燃焼期間とが一致するように最小バルブオーバーラップ量に制御する最小バルブオーバーラップ量制御手段と、当該最小バルブオーバーラップ量による運転状態で、前記目標燃焼期間との偏差を気筒ごとに算出する偏差算出手段と、を備えることが好ましい。

さらに、燃料噴射形態変更手段は、気筒ごとに設けられ筒内に直接に燃料を噴射する筒内燃料噴射手段と、前記筒内燃料噴射手段により噴射供給される燃料の初期と後期との噴射割合を気筒ごとに制御する燃料噴射割合制御手段と、を備えることが好ましい。

なお、前記燃焼割合算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて前記燃焼割合を算出することが好ましい。

さらに、前記所定のタイミングは、吸気弁閉弁後かつ燃焼開始前に設定された第１のタイミングと、前記燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定された第２のタイミングとの間に設定されており、前記燃焼割合算出手段は、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間における前記積値の差分と、前記第１のタイミングと前記所定のタイミングとの間における前記積値の差分とに基づいて前記燃焼割合を算出することが好ましい。

本発明によれば、運転状態に応じて全気筒共通にバルブオーバーラップ量を変更・制御するようにした内燃機関において、燃費の悪化や出力の低下を回避しつつ、排気エミッションを確実に低減させることできる内燃機関の制御装置の実現が可能となる。

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。

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２に形成された燃焼室３の内部で燃料及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は多気筒エンジンとして構成されており、本実施形態の内燃機関１は、例えば＃１ないし＃４気筒を有している４気筒エンジンとして構成されている。

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及び排気弁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及び各排気弁Ｖｅは、可変バルブタイミング機構を含む可変動弁機構ＶＭによって開閉させられる。なお、本実施の形態における可変バルブタイミング機構は、例えば、各吸気弁Ｖｉ及び各排気弁Ｖｅを開閉駆動する不図示のカムシャフトの位相を変更することにより、全気筒共通にバルブオーバーラップ量を変更・制御することができる。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。

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、エアフローメータ１３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及び例えば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。

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内に直接に燃料噴射が可能な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。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。

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及び可変動弁機構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、及び、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、エアフローメータ１３やクランク角センサ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、運転状態に応じて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、可変動弁機構ＶＭ等を制御する。

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。

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を有している。吸気圧センサも、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、エアフローメータ１３やクランク角センサ１４、吸気圧センサの検出値は、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。

次に、本実施形態においてＥＣＵ２０で実行される燃焼形態制御の制御手順の一例を説明する。

まず、本実施形態では、図２のフローチャートに示すメインルーチンに従い、先ず、ステップＳ２１０において内燃機関１の運転状態が、吸入空気量や機関回転数等のパラメータを読込むことにより求められる。そして、次のステップＳ２２０において、かかる運転状態に対応した点火時期ＳＡ，総燃料噴射量Ｔ及びバルブオーバーラップ量ＯＬなどの基本制御値が、ＥＣＵ２０に保管されている基本設定マップから読み出されて設定される。そして、ステップＳ２３０においてかかる基本制御値と必要に応じた補正値とに基づいて、各アクチュエータの制御量が決定され、当該制御量に対応して各アクチュエータが作動される。なお、以下においては、理解の容易化及び説明の簡便化のために、この補正はされないものとして説明する。また、このアクチュエータとしては、点火時期ＳＡに関しては点火プラグ７の不図示のイグナイター、総燃料噴射量Ｔに関してはインジェクタ１２、バルブオーバーラップ量ＯＬに関しては可変バルブタイミング機構のカムシャフトの位相位置を変えるための油圧アクチュエータが相当する。

なお、バルブオーバーラップ量ＯＬに関しては、ポンピングロスを軽減し、効率を高めるべく、燃焼悪化によるエミッションの増加を伴わない範囲で、極力大きくなるように基本制御値が設定されている。バルブオーバーラップ量ＯＬの制御は、バルブオーバーラップ量ＯＬが大きくなるように制御する場合には、可変バルブタイミング機構により、各吸気弁Ｖｉを開閉駆動するカムシャフトの位相を基準位置から進角させる、及び／又は、各排気弁Ｖｅを開閉駆動するカムシャフトの位相を基準位置から遅角させることにより行われる。なお、小さくする場合にはその逆にすればよい。

そして、次のステップＳ２４０において、＃１ないし＃４の気筒ごとに燃焼形態が検知される。なお、この燃焼形態の検知の詳細については後述する。さらに、ステップＳ２５０に進み、この検知された気筒ごとの燃焼形態は、上述の運転状態に対応されて設定されている目標燃焼形態と対比され、目標燃焼形態との偏差が算出される。そして、次のステップＳ２６０においてこの算出された気筒ごとの偏差に基づいて、この偏差を解消するように、当該気筒への燃料噴射形態が変更される。より具体的には、気筒ごとに燃料の初期と後期との噴射割合が偏差の大きさに対応して変更される。

ここで、上述のステップＳ２４０における燃焼形態の検知の方法について説明する。本実施の形態における燃焼形態の検知は、ある燃焼室について所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを算出することにより行われる。

そこで、クランク角がθである際に筒内圧検出手段としての筒内圧センサ１５によって検出される筒内圧力をＰ（θ）とし、クランク角がθである際の筒内容積をＶ（θ）とし、比熱比をκとした場合に、筒内圧力Ｐ（θ）と、筒内容積Ｖ（θ）を比熱比κで累乗した値Ｖ^κ（θ）との積値Ｐ（θ）・Ｖ^κ（θ）（以下、適宜「ＰＶ^κ」と記す）の変化パターンと、クランク角に対する内燃機関の燃焼室内における熱発生量Ｑの変化パターンとは、図３に示されるような相関を有する。この図３において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積値ＰＶ^κをプロットしたものであり、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Ｑを次の（１）式に基づき、Ｑ＝∫ｄＱ／ｄθ・Δθとして算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、比熱比κ＝１．３２としてある。また、図３において、−３６０°，０°及び３６０°は、上死点に、−１８０°及び１８０°は、下死点に対応する。

図３に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する積値ＰＶ^κの変化パターンとは、概ね一致（相似）しており、特に、筒内の混合気の燃焼開始（ガソリンエンジンでは火花点火時、ディーゼルエンジンでは圧縮着火時）の前後（例えば、図３における約−１８０°から約１３５°までの範囲）では、熱発生量Ｑの変化パターンと、積値ＰＶ^κの変化パターンとは極めて良好に一致することがわかる。

本発明の好ましい実施形態においては、燃焼室における熱発生量Ｑと積値ＰＶ^κとの相関を利用して、筒内圧センサ１５によって検出される筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積との積値ＰＶ^κに基づいて、ある２点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が求められる。

ここで、積値ＰＶ^κに基づいて燃焼室における燃焼割合ＭＦＢを算出すれば、高負荷な演算処理を要することなく燃焼室における燃焼割合を精度よく得ることができるからである。すなわち、図４に示されるように、積値ＰＶ^κに基づいて求められる燃焼割合（同図における実線参照）は、熱発生率に基づいて求められる燃焼割合（同図における破線参照）とほぼ一致する。

図４において、実線は、上述のモデル気筒においてクランク角＝θとなるタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを、次の（２）式に従うと共に、検出した筒内圧力Ｐ（θ）に基づいて算出し、プロットしたものである。ただし、簡単のために、比熱比κ＝１．３２とした。また、図４において、破線は、上述のモデル気筒においてクランク角＝θとなるタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを、上記（１）式及び次の（３）式に従うと共に、検出した筒内圧力Ｐ（θ）に基づいて算出し、プロットしたものである。この場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。

更に、上記所定のタイミングは、吸気弁閉弁後かつ燃焼開始前に設定された第１のタイミングと、燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定された第２のタイミングとの間に設定されるとよく、燃焼割合算出手段は、第１のタイミングと第２のタイミングとの間における積値の差分と、第１のタイミングと所定のタイミングとの間における積値の差分とに基づいて燃焼割合ＭＦＢを算出すると好ましい。

この場合、当該所定のタイミングにおけるクランク角をθ_０とすると、クランク角＝θ_０となる当該所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢは、第１のタイミングと上記所定のタイミングとの間における積値ＰＶ^κの差分{Ｐ（θ_０）・Ｖ^κ（θ_０）−Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）}を、第１のタイミングと第２のタイミングとの間における積値ＰＶ^κの差分{Ｐ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）−Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）}で除して１００を乗じることにより得ることができる。これにより、３点において検出した筒内圧力に基づいて精度よく燃焼割合を求めることが可能となり、演算負荷を大幅に低減させることができる。

そこで、ステップＳ２４０における燃焼形態としての燃焼割合ＭＦＢの算出に際して、ＥＣＵ２０は、まず、対象となる気筒の燃焼室３について所定の記憶領域から、吸気弁Ｖｉの閉弁後かつ点火前の第１のタイミング（クランク角がθ_１となるタイミング）における筒内圧力Ｐ（θ_１）と、点火の後かつ排気弁開弁前の第２タイミング（クランク角がθ_２となるタイミング）における筒内圧力Ｐ（θ_２）と、第１のタイミングと第２のタイミングとの間に予め定められており、クランク角＝θ_０（ただし、θ_１＜θ_０＜θ_２）となる所定のタイミングにおける筒内圧力Ｐ（θ_０）とを読み出す。

クランク角θ_１は、燃焼室３内において燃焼が開始される時点（点火時）よりも十分に前のタイミングに設定されると好ましく、例えば−６０°とされる。また、クランク角θ_２は、燃焼室３内における混合気の燃焼が概ね完了したタイミングに設定されると好ましく、例えば９０°とされる。更に、第１のタイミングと第２のタイミングとの間の所定のタイミングは、燃焼割合ＭＦＢがほぼ５０％になることが実験的、経験的に知られているクランク角がθ_０＝８°（上死点後８°）となるタイミングに設定されている。

なお、燃焼割合ＭＦＢがおよそ５０％となるクランク角は、内燃機関の冷却損失によって変化するものであり、機種によって上死点後８°から多少前後する。

ＥＣＵ２０は、筒内圧力Ｐ（θ_１）、筒内圧力Ｐ（θ_０）及び筒内圧力Ｐ（θ_２）を読み出すと、クランク角がθ_１，θ_０及びθ_２となる時の積値Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１），Ｐ（θ_０）・Ｖ^κ（θ_０）及びＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を算出する。すなわち、ＥＣＵ２０は、筒内圧力Ｐ（θ_１）と、筒内圧力Ｐ（θ_１）の検出時、すなわち、クランク角がθ_１となる時の筒内容積Ｖ（θ_１）を比熱比κ（本実施形態では、κ＝１．３２）で累乗した値との積である積値Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）を算出する。同様に、ＥＣＵ２０は、筒内圧力Ｐ（θ_０）と、クランク角がθ_０となる時の筒内容積Ｖ（θ_０）を比熱比κで累乗した値との積である積値Ｐ（θ_０）・Ｖ^κ（θ_０）、及び、筒内圧力Ｐ（θ_２）と、クランク角がθ_２となる時の筒内容積Ｖ（θ_２）を比熱比κで累乗した値との積である積値Ｐ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を算出する。
なお、Ｖ^κ（θ_１），Ｖ^κ（θ_０）及びＶ^κ（θ_２）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

そして、ＥＣＵ２０は、クランク角がθ_１，θ_０及びθ_２となる時の積値Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１），Ｐ（θ_０）・Ｖ^κ（θ_０）及びＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を用いて、次の（４）式からクランク角がθ_０となるタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを算出する。これにより、３点において検出された筒内圧力Ｐ（θ_１），Ｐ（θ_０），Ｐ（θ_２）に基づいて精度よく燃焼割合ＭＦＢが求められる。

次に、燃焼形態としての上述の燃焼割合ＭＦＢと、燃焼期間Θ及びバルブオーバーラップ量ＯＬとの関係について、図５のグラフを参照して説明する。

図５は、縦軸に燃焼割合ＭＦＢ、横軸にクランク角ＣＡを取って、バルブオーバーラップ量ＯＬの変化に応じて燃焼割合ＭＦＢが変化する様子を示したグラフであり、バルブオーバーラップ量ＯＬが小さいとき（曲線aで示す）は燃焼割合ＭＦＢの上昇勾配が大きく、バルブオーバーラップ量ＯＬが大いとき（曲線bで示す）は燃焼割合ＭＦＢの上昇勾配が小さいことを示している。なお、ＳＡは点火時期、すなわち燃焼開始時期、ＴＤＣは上死点である。

ここで、燃焼期間Θとは、燃焼割合ＭＦＢが０％の燃焼開始時期から燃焼割合ＭＦＢが１００％の燃焼終了時期までのクランク角期間と云うこともできるが、本明細書では、一般的に用いられている、燃焼割合ＭＦＢが０％の燃焼開始時期から燃焼割合ＭＦＢが９０％を超える燃焼終了時期までのクランク角期間としている。したがって、図５に示す例では、曲線aで示されるバルブオーバーラップ量ＯＬが小さいときの燃焼期間はΘ_Ｓであり、曲線bで示されるバルブオーバーラップ量ＯＬが大きいときの燃焼期間はΘ_Ｌである。このことから、バルブオーバーラップ量ＯＬが大きくなるにつれて、燃焼期間Θは長くなることが分かる。

このように、上述のステップＳ２４０において実行される気筒ごとの燃焼形態の検知は、本実施の形態においては、所定のタイミングを含む３点において筒内圧センサ１５により検出した筒内圧力に基づいて燃焼割合ＭＦＢが求められ、且つ、燃焼期間Θが＃１ないし＃４の気筒ごとに、Θi(Θ_＃１、Θ_＃２、Θ_＃３、Θ_＃４)として求められる。

そして、上述のステップＳ２５０において実行される、気筒ごとの燃焼形態の目標燃焼形態との偏差の算出は、本実施の形態においては、図６のフローチャートに示すサブルーチンに従い実行される。まず、ステップＳ２５０１において、＃１ないし＃４の気筒ごとの燃焼期間Θi(Θ_＃１、Θ_＃２、Θ_＃３、Θ_＃４)のうちの最大燃焼期間Θmaxが選定される。そして、次のステップＳ２５０２において、当該最大燃焼期間ΘmaxとステップＳ２１０で読込まれた運転状態に対応して設定されている目標燃焼形態としての目標燃焼期間Θｔとが一致するように、バルブオーバーラップ量ＯＬがフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、バルブオーバーラップ量は最小バルブオーバーラップ量ＯＬminとなる。

そこで、次のステップＳ２５０３において、この最小バルブオーバーラップ量ＯＬminによる次のサイクルの運転状態で、再度、＃１ないし＃４の気筒ごとの燃焼期間Θiが求められる。そして、ステップＳ２５０４において、目標燃焼期間Θｔとこの燃焼期間Θiとの気筒偏差αiが、αi＝Θｔ−Θiにより気筒ごとに算出される。

ここで、目標燃焼期間Θｔと気筒偏差αiとの関係を、図７のグラフを参照してさらに説明する。図７は、縦軸に燃焼期間Θ、横軸にバルブオーバーラップ量ＯＬを取って、気筒間のバラツキ、すなわち、差が存する場合に、その差に起因してバルブオーバーラップ量ＯＬが所定の値のときに燃焼期間Θが異なることになる様子を示したグラフである。但し、図７においては、上述の最大燃焼期間Θmaxと目標燃焼期間Θｔとが一致するように、バルブオーバーラップ量ＯＬが最小バルブオーバーラップ量ＯＬminにフィードバック制御された結果、例としての＃３気筒の燃焼期間Θ_＃３が目標燃焼期間Θｔに一致する、α_＃３＝０の場合が示されている。なお、図７のグラフは、あくまでも説明のためのものであって、気筒間の差に起因する目標燃焼期間Θｔとの気筒偏差αiなどは誇張して示されている。また、図７のグラフには、＃２気筒における気筒偏差がα_＃２＝Θｔ−Θ_＃２として特に例示されているが、他の＃１及び＃４の気筒についても同様である。

そして、前述のステップＳ２６０において実行される燃料噴射形態の変更処理では、上述の算出された気筒ごとの気筒偏差αiに基づいて、この偏差を解消するように、燃料噴射形態が変更される。なお、上述した偏差α_＃３＝０である＃３気筒については変更の必要がないことは云うまでもない。

本実施の形態において、この燃料噴射形態の変更は気筒ごとにインジェクタ１２から噴射される燃料の初期と後期との噴射割合、換言すると、噴き分け割合が偏差αiの大きさに対応して変更される。そこで、βを噴射割合変換係数として定めると、ステップＳ２１０で読込まれた運転状態に対応して設定されている総燃料噴射量Ｔが、次式（５）に示すように、初期と後期に噴き分けられてインジェクタ１２から噴射されることになる。
総燃料噴射量Ｔ＝（1−αi×β）×Ｔ＋αi×β×Ｔ…（５）

ここで、上の（５）式の右辺における前の項が初期燃料噴射量、同じく後の項が後期燃料噴射量となる。この初期燃料噴射の時期は、吸気行程あるいは点火時期ＳＡより前の圧縮行程であり、後期燃料噴射の時期は燃焼開始後の適宜時期であってよく、上死点後が好ましい。なお、この噴射割合変換係数βは気筒偏差αiの大きさに対応させて燃焼期間Θを適切に延長すべく設定されるものである。但し、図８に示すように、燃焼期間Θを長くすべく、後期燃料噴射の割合が多くなるようにし過ぎる（例えば、２０％超）と、初期燃料噴射量が少なくなり過ぎて点火プラグ７による点火によっても燃焼が開始しない、いわゆる失火が生ずる可能性がある（図８に失火領域をハッチングで示す）ので、予め実験により適正値が求められて、ＥＣＵ２０のＲＯＭにマップとして保管されている。

なお、上述の実施形態においては、ステップＳ２１０で吸入空気量を読込み運転状態を把握するようにしたが、この吸入空気量はエアフローメータ１３によらずに、筒内圧センサ１５を用いて圧縮行程中かつ燃焼開始前の所定のタイミングで検出される筒内圧力に基づいて、燃焼室に吸入された空気の量を算出することによってもよい。

本発明の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。本発明の制御装置による燃料噴射形態変更の制御手順を説明するためのフローチャートである。本発明において用いられる積値ＰＶ^κと、燃焼室内における熱発生量との相関を示すグラフである。積値ＰＶ^κに基づいて求められる燃焼割合と、熱発生率に基づいて求められる燃焼割合との相関を示すグラフである。燃焼形態としての燃焼割合ＭＦＢと、燃焼期間Θ及びバルブオーバーラップ量ＯＬとの関係を説明するためのグラフである。本発明の制御装置による目標燃焼形態との偏差を算出する制御手順を説明するためのフローチャートである。気筒間のバラツキに起因してバルブオーバーラップ量ＯＬが所定の値のときに燃焼期間Θが異なる様子を示すグラフである。後期燃料噴射の割合と失火領域との関係を示すグラフである。

符号の説明

１内燃機関
３燃焼室
７点火プラグ
１２インジェクタ
１４クランク角センサ
１５筒内圧センサ
２０ＥＣＵ
Ｖｅ排気弁
Ｖｉ吸気弁
ＶＭ可変動弁機構

Claims

運転状態に応じて全気筒共通にバルブオーバーラップ量を変更・制御するようにした内燃機関において、
気筒ごとに燃焼形態を検知する燃焼形態検知手段と、
当該燃焼形態検知手段により検知された気筒ごとの燃焼形態の目標燃焼形態との偏差を算出する燃焼形態偏差算出手段と、
当該燃焼形態偏差算出手段により算出された気筒ごとの偏差に基づき、当該偏差を解消すべく、当該気筒への燃料噴射形態を変更する燃料噴射形態変更手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記燃焼形態検知手段は、気筒ごとの筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、を備え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。
前記燃焼形態偏差算出手段は、前記燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合に基づく気筒ごとの燃焼期間のうちの最大燃焼期間を選定し、当該最大燃焼期間と目標燃焼期間とが一致するように最小バルブオーバーラップ量に制御する最小バルブオーバーラップ量制御手段と、当該最小バルブオーバーラップ量による運転状態で、前記目標燃焼期間との偏差を気筒ごとに算出する偏差算出手段と、を備え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。
燃料噴射形態変更手段は、気筒ごとに設けられ筒内に直接に燃料を噴射する筒内燃料噴射手段と、前記筒内燃料噴射手段により噴射供給される燃料の初期と後期との噴射割合を気筒ごとに制御する燃料噴射割合制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記燃焼割合算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて前記燃焼割合を算出することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
前記所定のタイミングは、吸気弁閉弁後かつ燃焼開始前に設定された第１のタイミングと、前記燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定された第２のタイミングとの間に設定されており、前記燃焼割合算出手段は、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間における前記積値の差分と、前記第１のタイミングと前記所定のタイミングとの間における前記積値の差分とに基づいて前記燃焼割合を算出す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。