JP5133332B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過渡時における吸気温度の挙動に基づいて内燃機関の制御を行う制御装置に関する。

近年の自動車用内燃機関では、吸気バルブや排気バルブにバルブタイミングまたはバルブリフト量を可変とする可変バルブ機構を備えた内燃機関が一般化する傾向にある。上記可変バルブ機構は、制御自由度の増加や動作範囲の拡大、応答性の向上などの観点で技術の向上が図られている。特に、バルブリフト量を連続的に可変制御できる可変バルブ機構が開発されており、上記リフト連続可変バルブ機構によってシリンダへ吸入される空気量を、スロットルバルブを代替して吸気バルブにて制御することで、ポンプ損失の低減やミラーサイクルを実現し、内燃機関の燃費向上が図られている。また、ターボ過給機を搭載することによって平均有効圧を向上させ、内燃機関の行程容積を縮小化することによって燃費向上を図った、ターボダウンサイジング内燃機関が開発されている。

このような可変バルブ機構やターボ過給機を搭載した内燃機関の制御装置においては、吸気管に備えられたエアフローセンサ、または圧力センサによって、吸気管を流れる吸入空気量を検出または推定しており、この値から充填効率を演算し、上記充填効率と回転速度に基づき点火制御量が演算されている。

特許文献１には、機関の運転状態を考慮して加速時の過渡ノック防止のための点火時期遅角補正を行う技術が開示されている。特許文献１に開示されている技術では、アイドル状態であるか否か、水温レベルが暖機状態にあるか否かなど、いくつかの判定基準に基づき加速前の機関の吸気温度レベルを推定し、推定された温度レベルに応じて過渡遅角補正量を変化させている。さらに、低車速または低回転速度のときに過渡遅角補正量を増加させることで、低速時に生じやすい過渡ノックを防止している。

また、特許文献２には、ターボ過給機を搭載した内燃機関の、運転中の吸気温度を時々刻々予測して、予測された吸気温度に応じた点火時期および空燃比の制御を行う内燃機関の制御技術が開示されている。特許文献２に開示されている技術では、機関固有の吸気効率係数および温度補正係数を求め、上記機関固有の係数と、単位サイクルあたりの空気質量と吸気管圧力との比をパラメータとする一次関数によって、吸気温度を一意的に決定する演算手段を備える。上記演算手段にて推定された吸気温度が大きいほど、点火時期をより遅角側に補正するとともに、空燃比をより過濃側に補正している。

特開平７−１８０６４３号公報 特開平６−３３８１９号公報

しかしながら、可変バルブやターボ過給機などのアクチュエータを多数搭載した内燃機関では、過渡時に可変バルブやターボ過給機が遅れをともなって動作するために、無数の加速パターンを生じる。そのため、加速前の暖機状態や車速に応じて過渡ノックを適切に防止できる補正量を、経験的に決定する方法では、アクチュエータを多数搭載した内燃機関において、実機適合工数が膨大化し、開発工数やコストの問題を生じる。

また、吸気管内流れは、作動流体の輸送によって質量やエネルギの流入出をともなう開放系であるために、吸気管内ガスの質量やエネルギに時間的変化をともなう過渡時において、圧力および質量を用いて状態方程式の関係から一意的に吸気管温度を推定することができない。そのため、過渡時には推定される吸気管温度に実際値との大きな乖離を生じ、結果として適切な過渡ノック補正を実施することができないといった課題があった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、可変バルブやターボ過給機を搭載した内燃機関においても、過渡時の吸気管温度の挙動を精度良く推定できる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明の内燃機関の制御装置は、吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、吸気管圧力と、吸気管圧力の時間変化率と、に基づき吸気管温度の過渡挙動を推定する吸気管温度過渡挙動演算手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、吸気管圧力と、前記吸気管圧力の時間変化率に基づき吸気管温度の過渡挙動を推定するので、例えば、その推定された吸気管の過渡挙動に基づいて、内燃機関の過渡時の点火時期を演算することによって、過渡ノックを適切に防止することができる。また、種々の加速パターンを与えても過渡温度挙動をＥＣＵにてオンボードで演算できるので、全ての加速パターンについて過渡ノック補正量を実機適合する必要がない。そのため実機適合工数を削減することができる。

第１実施の形態におけるシステムの構成を説明する図。 吸気バルブの位相を連続的に変化させた場合の、吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間の変化と、吸気バルブ閉時期（ＩＶＣ：Ｉｎｔａｋｅ Ｖａｌｖｅ Ｃｌｏｓｅ）の変化を説明する図。 排気バルブの位相を連続的に変化させた場合の、吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間の変化を説明する図。 バルブの作動角、リフトおよび位相を同時に変化させることができる可変バルブ機構のバルブリフトパターンを説明する図。 内燃機関の吸気流路の構成と各部の物理量を説明する図。 スロットルバルブの開閉操作によってトルクを低負荷から高負荷状態へと急変させた際の、吸気流量、吸気管圧力、吸気管温度および要求点火時期の時間的推移を説明する図。 吸気バルブの作動角およびリフトの変化によってトルクを低負荷から高負荷状態へと急変させた際の、吸気流量、吸気管圧力、吸気管温度および要求点火時期の時間的推移を説明する図。 吸気管温度の過渡挙動に基づき過渡ノック補正を行う制御ブロック図を説明する図。 図８に示した制御ブロック図の詳細な構成を説明する図。 図９に示した充填効率演算手段を構成する多項式を説明する図。 温度センサ検出値を用いて、吸気管過渡温度挙動推定値を補正する温度センサ定常補正部の構成を説明する図。 図８に示した点火時期演算手段の詳細を説明する図。 異なる回転速度および充填効率条件での吸気管温度と点火時期との関係を説明する図。 図１２の基準状態点火時期モデル演算手段と現在の点火時期モデル演算手段を構成する多項式を説明する図。 吸気管温度の過渡挙動に基づき空燃比のリッチ補正制御を行う制御ブロック図を説明する図。 第２実施の形態におけるシステムの構成を説明する図。 ターボ過給内燃機関の吸気管の構成と各部の物理量を説明する図。 ターボ過給内燃機関において、スロットルバルブの開閉操作によってトルクを低負荷から高負荷状態へと急変させた際の、吸気流量、吸気管圧力、吸気管温度および要求点火時期の時間的推移を説明する図。 ターボ過給内燃機関における圧縮機下流圧力および温度演算手段を説明する図。 ターボ過給内燃機関を前提とした場合の、図８に示した吸気管温度過渡挙動演算手段と点火時期演算手段の詳細を説明する図。 図２０に示した充填効率演算手段を構成する多項式を説明する図。 エアフローセンサ部流量とインタークーラ部熱伝導率との関係を説明する図。

＜第１実施の形態＞
以下、本発明の第１実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態におけるシステムの構成を説明する図である。図１に示すように、本実施の形態におけるシステムは、内燃機関１を備えている。内燃機関１には、吸気流路２１および排気流路２２が連通している。吸気流路２１には、吸気管温度センサを内蔵するエアフローセンサ２が組み付けられている。エアフローセンサ２の下流には、スロットルバルブ３が設けられている。スロットルバルブ３は、アクセル踏量とは独立にスロットル開度を制御することができる電子制御式スロットルバルブによって構成されている。

スロットルバルブ３の下流には、吸気管の一部を構成する吸気マニホールド４が組み付けられている。吸気マニホールド４には、吸気管圧力センサ５が取り付けられている。吸気マニホールド４の下流には、吸気に偏流を生じさせることによって、シリンダ内流れの乱れを強化するタンブルコントロールバルブと、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁７が配置されている。

内燃機関１は、バルブの開閉タイミングとリフト量を含むバルブ動作量を連続的に可変とする可変バルブ機構付き吸気バルブ８を備えている。可変バルブ機構には、バルブタイミングと最大リフトを検知するための吸気バルブセンサ９が組み付けられている。

また、内燃機関１には、排気バルブ１０が備えられている。排気バルブ１０には、排気バルブタイミング（バルブ動作量）を可変とする可変バルブ機構が備えられており、排気バルブ１０の排気バルブタイミングを排気バルブセンサ１１によって検知している。

シリンダヘッド部には、シリンダ内に電極部を露出させた点火プラグ１２が組み付けられている。さらに、シリンダには、ノックの発生を検知するノックセンサ１３が組み付けられている。クランク軸には、クランク角度センサ１４が組み付けられており、クランク角度センサ１４からの出力信号に基づき内燃機関１の回転速度を検出することができる。排気流路２２には、空燃比センサ１５が組み付けられており、空燃比センサ１５の検出結果に基づき燃料噴射弁７より供給される燃料の燃料噴射量を目標空燃比となるようにフィードバックする制御が行われる。

本実施の形態のシステムは、図１に示すようにＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１６を備えている。ＥＣＵ１６には、上述した各種センサが接続されている。スロットルバルブ３、燃料噴射弁７、可変バルブ機構付き吸気バルブ８、可変バルブ機構付き排気バルブ１０などのアクチュエータは、ＥＣＵ１６により制御される。さらに、上述した各種センサから入力された信号に基づき内燃機関１の運転状態を検知し、運転状態に応じてＥＣＵ１６により決定されたタイミングで点火プラグ１２が点火を行う。

図２は、吸気バルブの位相を連続的に変化させた場合の、吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間の変化と、吸気バルブ閉時期（ＩＶＣ：Ｉｎｔａｋｅ Ｖａｌｖｅ Ｃｌｏｓｅ）の変化を説明する図である。吸気バルブ８の位相を進角側に変化させるにしたがって、排気バルブ１０とのオーバーラップ期間が増加する。可変バルブを備えた内燃機関では、部分負荷条件において、上記オーバーラップ期間が生じるように可変バルブが制御され、排気管中の排ガスを一旦、吸気管へ吹き返すことによって内部ＥＧＲを生じさせる。内部ＥＧＲの増加にしたがって、部分負荷条件でのポンプ損失の低減ができ、燃焼ガス温度を低減できるために排気中の窒素酸化物の低減を行うことができる。

図３は、排気バルブの位相を連続的に変化させた場合の、吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ期間の変化を説明する図である。排気バルブ１０の位相を遅角側に変化させるにしたがって、吸気バルブ８とのオーバーラップ期間が増加する。前述のように、排気位相可変型の可変バルブを備えた内燃機関においても、内部ＥＧＲを増加させ、部分負荷条件でのポンプ損失や窒素酸化物を低減することができる。

図４は、バルブの作動角、リフトおよび位相を同時に変化させることができる可変バルブ機構のバルブリフトパターンを説明する図である。従来のスロットルバルブが主体となって充填効率を制御する内燃機関では、吸気バルブの上流圧をスロットルバルブによって絞ることで負圧を生じさせるため、ポンプ損失による燃費悪化が問題となる。吸気バルブの上流圧を絞ることなく、吸気バルブの開閉時期によって吸気量を制御することができれば、上記ポンプ損失を低減でき燃費悪化を抑制することができる。

可変バルブでは、吸気バルブ８にバルブリフトを連続的に可変とするリフト可変機構と、位相を連続的に可変とする位相可変機構とを組み合わせて用いることによって、図４（ａ）に示すように、ＩＶＯ（吸気バルブ開時期）を固定しつつ、ＩＶＣ（吸気バルブ閉時期）を変化させている。このような可変バルブ機構を備えることで、可変バルブが主体となって充填効率を制御する内燃機関を実現することができる。

本リフト可変機構では、バルブ作動角が増加するにしたがって最大リフトが増加する図４（ｂ）に示すような関係を有しており、要求トルクの小さいときにはリフト量を小さくすると同時にＩＶＣを早期化して吸気量を小さくすることができる。このとき、ＩＶＣを早期化することによって、ピストン圧縮量をピストン膨張量と比較して相対的に小さくすることができるので、ポンプ損失の低減に加えてミラーサイクル効果による燃費向上効果も期待できる点が特徴である。

図５は、内燃機関の吸気流路２１の構成と各部の物理量を説明する図である。スロットルバルブ３の上流にエアフローセンサ２が取り付けられており、エアフローセンサ２に内蔵されている温度センサによって、大気温度Ｔｏが検出される。また、スロットルバルブ３の開口部を通過するガスの流量は、エアフローセンサ２にて検出されるエアフローセンサ部流量とほぼ同じとみなすことができる（ｄＧａｆｓ／ｄｔ≒ｄＧｔｈ／ｄｔ）。スロットルバルブ３下流の圧力Ｐｉｎおよび温度Ｔｉｎと、回転速度および可変バルブ動作量に基づき、シリンダへ流入されるガスの流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）を推定することができる。なお、図中で符号Ｐｏは大気圧を示す。

図６は、スロットルバルブの開閉操作によって要求トルクを低負荷から高負荷状態へと急変させた際の、吸気流量、吸気管圧力、吸気管温度および要求点火時期の時間的推移を説明する図である。スロットルバルブ３が開くと、スロットルバルブ３によって絞られ、圧力の低下した吸気管内に直ちにガスが流入するために、エアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）が一旦オーバーシュートするような経過を辿る。

この間、吸気管内の圧力Ｐｉｎが増加するとともに、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）についても吸気管圧力Ｐｉｎの増加にしたがって増加する。このような圧力および流量の推移によって、吸気管内ガスの温度Ｔｉｎは一旦オーバーシュートするような経過を辿る。ここでは、エアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）は、吸気管に流入するガス流量を示し、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）は、吸気管から流出するガスの流量を示す。

吸気管温度Ｔｉｎはノックに与える重要な影響因子であり、上記吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動は、過渡時に生じるノックの影響因子の一つである。また、実用に供される温度センサの応答性能では、上記吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動を検出することができないので、吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動に基づき点火時期を演算するためには、過渡挙動を推定するための手段を別途備える必要がある。

図７は、吸気バルブの作動角およびリフトの変化によってトルクを低負荷から高負荷状態へと急変させた際の、吸気流量、吸気管圧力、吸気管温度および要求点火時期の時間的推移を説明する図である。吸気バルブ８の作動角が増加するにしたがって、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）が増加する。吸気バルブ作動角によって負荷調節を行う内燃機関のシステムでは、部分負荷条件において吸気管圧力Ｐｉｎが大気圧Ｐｏより若干負圧側に保持されるようにスロットルバルブ３によって制御されている。

シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）の増加によって、吸気管の圧力低下を生じると直ちにそれを補正するようにスロットルバルブ３が制御されるために、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）の増加に追随して、エアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）が増加する。吸気バルブ作動角を制御して負荷調節を行う内燃機関のシステムの場合は、上記のような圧力および流量の推移を辿るために、過渡の吸気管温度に大きな変化はみられない。

そのため、吸気バルブ作動角のみを制御して負荷調整を行う内燃機関のシステムでは、吸気管温度の過渡挙動に基づく過渡ノック補正を行う必要は高くないが、スロットルバルブ３との協働により負荷調整を行う内燃機関のシステムでは、過渡の吸気管温度に複雑な変化がみられるため、吸気管温度の過渡挙動に基づく過渡ノック補正を行う必要が高い。

図８は、吸気管温度の過渡挙動に基づき過渡ノック補正を行う制御ブロック図を説明する図である。ブロック８１の吸気管温度過渡挙動演算手段では、回転速度、充填効率、エアフローセンサ検出流量、吸気管圧力およびその時間変化率に基づき、温度センサでは直接検知が困難な吸気管温度の過渡挙動を演算する。

回転速度、充填効率、エアフローセンサ検出流量、吸気管圧力の過渡推移はいずれも、温度センサの応答特性と比較して十分高速に、直接検出あるいはモデル推定が可能であることから、温度センサを代替して過渡温度挙動の演算が可能となる。

ブロック８２の点火時期演算手段では、回転速度と充填効率と上記ブロック８１で推定した吸気管温度の過渡挙動に基づき、点火時期を演算する。このように、過渡ノックの影響因子の一つである過渡温度挙動を演算して推定した後に、吸気管温度の影響を考慮した点火時期演算手段８２へ、これを入力する構成とすることで、過渡温度挙動に基づく過渡ノック補正を適切に実施することが可能となる。

図９は、図８に示したブロック８１および８２の詳細を説明する図である。ブロック９１の充填効率演算手段では、回転速度、吸気管圧力Ｐｉｎおよび可変バルブ動作量に基づき充填効率を演算する。さらに、ブロック９２の質量流量換算手段では、上記充填効率と回転速度に基づきシリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）が算出される。このブロック９１の充填効率演算手段とブロック９２の質量流量換算手段によって、シリンダ部流量演算手段が構成される。

ブロック９３の吸気管圧力時間変化率演算手段では、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）、大気温度Ｔｏ、吸気管温度Ｔｉｎおよびエアフローセンサ検出流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）に基づき、次式（１）に従って吸気管圧力の時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）が演算される。

なお、式（１）でＶｉｎは吸気管容積を示し、Ｔatmは大気温度を示す。ここで、κおよびＲはそれぞれ比熱比およびガス定数であり、作動流体を空気とみなせば、それぞれ１．４および２８７．０３の固定値で与えることができる。式（１）を時間積分することによって吸気管圧力Ｐｉｎを演算することができる。

なお、本実施形態に示したシステムでは、式（１）を用いて吸気管圧力Ｐｉｎおよびその時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）を演算する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、吸気管圧力Ｐｉｎを圧力センサによって直接検知する構成としても同様の効果を奏することができる。また、式（１）では、演算負荷低減の観点から吸気管壁面への熱伝達の影響を無視しているが、熱伝達を考慮することによって予測精度を向上させることも可能である。

ブロック９４の吸気管温度過渡挙動演算手段では、吸気管圧力Ｐｉｎとその時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）およびエアフローセンサ検出流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）に基づき、次式（２）にしたがって吸気管温度の時間変化率（ｄＴｉｎ／ｄｔ）が、さらにこれを時間積分することによって吸気管温度の過渡挙動が演算される。

ブロック９５の点火時期演算手段では、回転速度、充填効率およびブロック９４の吸気管温度過渡挙動演算手段にて演算された吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動に基づき点火時期を演算する。式（２）の構成から明らかなように、吸気管へ流入するガスの流量から、吸気管から流出するガスの流量を差し引いて求まる吸気管内の正味ガス質量時間変化率が大きいほど、かつ前記吸気管圧力Ｐｉｎの時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）が大きいほど、過渡時の温度上昇量が大きくなり、より遅角側に過渡ノック補正を行う必要がある。このような構成とすることで、温度センサの応答性能では検出することが困難な過渡温度挙動を精度良く推定でき、さらに過渡温度挙動に基づく過渡ノック補正を適切に実施することが可能となる。

図１０は、図９のブロック９１に示した充填効率演算手段を構成する多項式を説明する図である。説明変数としてｘ１に回転速度、ｘ２に吸気管圧力、ｘ３にＩＶＯ（吸気バルブ開時期）、さらにｘ４にＥＶＣ（排気バルブ閉時期）を設定する。目的変数に充填効率を設定する。

各項に乗じられている係数Ａは、偏回帰係数と呼ばれ、多項式が対象データを最も良く近似するべく、最小二乗法によって係数値が決定される。偏回帰係数番号２〜５の項によって回転速度が充填効率に与える影響が、偏回帰係数番号６〜９の項によって吸気管圧力が充填効率に与える影響が、偏回帰係数番号１６〜１９の項によってＩＶＯが充填効率に与える影響が、さらに偏回帰係数番号３６〜３９の項によってＥＶＣが充填効率に与える影響が、それぞれ求められる。

さらに、偏回帰係数番号１０〜１５の項によって回転速度と吸気管圧力との交互作用の影響が、偏回帰係数２１〜３５の項によって回転速度と吸気管圧力とＩＶＯとの交互作用の影響が、偏回帰係数４０〜７０の項によって回転速度と吸気管圧力とＩＶＯとＥＶＣとの交互作用の影響が、それぞれ求められる。

このように高次項や交互作用項を多項式中に設定することで、各入力パラメータが充填効率に与える複雑な因果関係を考慮して充填効率を精度良く演算することができる。また、大規模なマップを多項式に置き換えることでメモリ容量の大幅な低減を図ることができる。本実施形態のシステムにおいては、充填効率を演算する手段に４元４次多項式を用いる構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、要求精度と演算負荷の許容値の関係に応じて、次数や次元数を変えることとしてもよい。ステップワイズ法などによって、精度改善に寄与していない高次項や交互作用項を多項式より適切に除外することで、多項式の精度と演算負荷とのトレードオフ関係を改善することができる。

充填効率は、吸気管や排気管流れの脈動効果や慣性効果、気筒間干渉の影響を受けて、回転速度に対して５次以上の次数が要求される場合があるため、回転速度や吸気管圧力に対する充填効率補正値をマップ化し、上記多項式の出力結果をトリミングする構成として精度改善を図ることができる。

ここで、本実施形態のシステムでは回転速度、吸気管圧力および可変バルブ動作状態に基づき充填効率を演算する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、充填効率の影響因子である吸気管温度、大気圧、タンブルコントロールバルブ開度や可変吸気管長システムの設定状態などの影響をさらに考慮することができる。

図１１は、温度センサ検出値を用いて、吸気管過渡温度挙動推定値を補正する手段を説明する図である。ブロック１１１の吸気管温度時間変化率演算手段では、吸気管圧力Ｐｉｎとその時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）およびエアフローセンサ検出流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）に基づき吸気管温度Ｔｉｎの時間変化率（ｄＴｉｎ／ｄｔ）を演算し、さらにこれを時間積分し、吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動を演算する。

温度センサ定常補正部Ａでは、上記吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動と温度センサ検出値との差分にローパスフィルタ１１２を介して演算される定常補正量を、上記吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動の前回値に考慮する構成とする。また、温度センサ定常補正部Ｂに示すように、吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動に温度センサの応答時間相当のローパスフィルタ１１３を介し、温度センサによる検出温度の挙動を推定し、温度センサ検出値の実際値との差分を上記吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動の前回値に加算する構成としてもよい。この様な温度センサ定常補正部Ａ又はＢの構成とすることで、過渡条件においては過渡温度挙動の推定値が出力され、定常条件においては温度センサ値が出力される。そのため、モデル推定値のみを用いる場合と比較して、環境変化や経時劣化、個体ばらつきなどに起因したモデル誤差を低減することができ、ロバストな温度推定が可能となる。

図１２は、図８のブロック８２に示した点火時期演算手段の詳細を説明する図である。ブロック１２１の基準状態点火時期マップ演算手段では、回転速度および充填効率に基づき基準状態点火時期をマップ演算する。本実施の形態のシステムでは、吸気管温度Ｔｉｎ、空燃比、可変バルブ動作量などの各種パラメータの定常基準動作状態が、燃費性能、出力性能および排気性能などの観点で最適と考えられる点に、あらかじめ回転速度および充填効率を軸とした２次元マップ上に割り付けられている。この基準状態点火時期マップには、上記各パラメータが定常基準動作状態にある場合のＭＢＴ点またはトレースノック点が設定されている。

ブロック１２２の基準状態吸気管温度マップ演算手段では、回転速度および充填効率に基づき定常基準動作状態における吸気管温度をマップ演算する。ブロック１２３の基準状態点火時期モデル演算手段では、回転速度と充填効率と定常基準動作状態における吸気管温度Ｔｉｎに基づき基準状態での点火時期をモデル演算する。さらに、ブロック１２４の現在の点火時期モデル演算手段では、吸気管温度Ｔｉｎの現在値に基づき現在の点火時期をモデル演算する。

そして、それぞれモデル演算された、基準状態での点火時期と現在の点火時期との差分を、基準状態点火時期演算手段１２１のマップ演算結果に加算することで、過渡ノック補正点火時期を演算することができる。ここで、本実施の形態のシステムでは、回転速度および充填効率に基づき定常基準動作状態における吸気管温度Ｔｉｎをマップ演算する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。特に、無過給の内燃機関１では、吸気管温度Ｔｉｎの定常基準動作状態は、運転動作点によらず概ね一定である。基準状態吸気管温度に、上記ＭＢＴ点またはトレースノック点を取得する上で、前提とした周囲温度相当の値を、回転速度や充填効率に対して固定値で与えることができる。

図１３は、異なる回転速度および充填効率条件での吸気管温度と点火時期との関係を説明する図である。点火後、火炎伝ぱによる正常燃焼終了前に未燃部端末ガスが圧縮作用によって自着火することで生じるノックは、低回転高負荷条件ほど生じやすく、高回転低負荷条件ほど生じ難い傾向をもつ。そのため、図１３に示す低回転高負荷条件Ａ、低回転中負荷条件Ｂ、高回転高負荷条件Ｃ、高回転中負荷条件Ｄでは、同一吸気管温度上昇に対して過渡ノック補正量が異なり、低回転高負荷条件ほどリタード要求が大きい。すなわち、過渡ノック補正量と吸気管温度との関係には、回転速度および充填効率との交互作用の影響がみられる。

図１４は、図１２のブロック１２３および１２４に示した点火時期モデル演算手段を構成する多項式を説明する図である。説明変数としてｘ１に回転速度、ｘ２に充填効率、さらにｘ３に吸気管温度Ｔｉｎを設定する。目的変数に点火時期を設定する。偏回帰係数番号２〜５の項によって回転速度が点火時期に与える影響が求められ、偏回帰係数番号６〜９の項によって充填効率が点火時期に与える影響が求められ、偏回帰係数番号１６〜１９の項によって吸気管温度が点火時期に与える影響が求められる。さらに、偏回帰係数番号１０〜１５の項によって回転速度と充填効率との交互作用の影響が求められ、偏回帰係数２１〜３５の項によって回転速度と充填効率と吸気管温度との交互作用の影響が求められる。

このように高次項や交互作用項を多項式中に設定することで、各入力パラメータが点火時期に与える複雑な因果関係を考慮して点火時期を精度良く演算することができる。特に、ノックは低回転高負荷条件ほど顕著に発生するため、過渡ノック補正を適切に実施するためには、回転速度と充填効率と吸気管温度との交互作用項は不可欠である。また、大規模なマップを多項式に置き換えることでメモリ容量の大幅な低減を図ることができる。本実施形態のシステムにおいては、点火時期を演算する手段に３元４次多項式を用いる構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、要求精度と演算負荷の許容値の関係に応じて、次数や次元数を変えることとしてもよい。説明変数として空燃比、ＥＧＲ率や水温などの他のパラメータを用い、これらの交互作用の影響も考慮することができる。ステップワイズ法などによって、精度改善に寄与していない高次項や交互作用項を多項式より適切に除外することで、多項式の精度と演算負荷とのトレードオフ関係を改善することができる。

図１５は、吸気管温度の過渡挙動に基づき空燃比のリッチ補正制御を行う制御ブロック図を説明する図である。過渡時に生じる過渡ノックの対処法としては、一時的に過渡温度上昇に応じて点火時期をリタード補正する他に、空燃比を一時的に目標空燃比よりリッチ側に設定することでも過渡ノックを回避することができる。これは、燃料のリッチ化による燃焼速度の増加と比熱増にともなう温度低下で、ノックを生じにくくなるからである。

点火時期をリタード補正すると出力が低下するのに対して、リッチ補正によるノック回避方法では、燃費性能が悪化する欠点を有する一方で、出力低下を抑えることができるため、加速性能に重点を置いた制御システムを実現することができる。

ブロック１５１の目標空燃比演算手段では、回転速度および充填効率に基づき、目標空燃比を演算する。ブロック１５２の吸気管温度時間変化率演算手段では、吸気管圧力Ｐｉｎとその時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）、およびエアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）に基づき、吸気管温度時間変化率（ｄＴｉｎ／ｄｔ）が演算される。

さらにこれを時間積分することによって、吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動が演算される。上記吸気管温度過渡挙動にローパスフィルタ１５３（フィルタ手段）を介して得られる吸気管温度Ｔｉｎの準定常変化を演算し、これと過渡温度挙動推定値との差分を演算し（過渡温度上昇量演算手段）、過渡温度上昇分δＴとしてブロック１５４の過渡ノック時リッチ補正手段に供給し、過渡ノック時のノック補正量演算に供する。

図１５（ｂ）には、過渡時温度上昇とノック回避に要する空燃比補正量との関係を示す。図１５（ｂ）に示すように、過渡時の温度上昇δＴの値が大きいほど、ノック回避に要するリッチ補正量（空燃比補正量）は増加する傾向をもつ。

しかし、比較的低負荷条件でノックを生じないＭＢＴ領域においては、過渡時の温度上昇によっても顕著なノック発生までは生じないために、過渡時のリッチ補正を行う必要がない。このように、過渡時温度上昇とリッチ補正量との関係には、回転速度と充填効率との相互作用の影響がみられるため、運転動作点に応じて異なるリッチ補正量を設定することによって、適切な過渡ノック補正制御を実現することができる。

なお、上述の実施の形態では、吸気管温度の過渡挙動時に吸気管温度推定値を用いる場合について説明したが、実際の吸気管温度の変化に対して温度センサの応答が間に合う低周波成分については温度センサの検出値をそのまま用い、温度センサの応答が間に合わない高周波成分については吸気管温度推定値を用いる構成としてもよい。

例えば、温度センサにより吸気管温度を検出する手段と、温度センサ検出応答性能より低周波成分の温度挙動に、温度センサによる検出値を設定する手段と、温度センサ検出応答性能より高周波成分の温度挙動に、吸気管へ流入するガス流量と、吸気管から流出するガス流量と、吸気管圧力と、吸気管圧力の時間変化率に基づく吸気管温度推定値を設定する手段とを設けてもよい。

これによれば、吸気管の過渡温度の挙動に対するロバスト性を向上させることができ、かかる吸気管の過渡挙動に基づいて内燃機関の過渡時の点火時期を演算した場合に、過渡ノックを適切に防止することができる。

＜第２実施の形態＞
次に、本発明の第２実施の形態について説明する。
図１６は、本実施の形態における内燃機関のシステムの構成を説明する図である。

本実施の形態のシステムは、吸気流路２１および排気流路２２に、ターボ過給機１７およびインタークーラ２０が新たに接続されている点を除けば、上述の第１実施の形態のシステムと同じである。

ターボ過給機１７は、排ガスの有するエネルギをタービン翼の回転運動に変換するための排気タービン１７Ａと、タービン翼に連結されたコンプレッサー翼の回転によって吸気ガスを圧縮するためのコンプレッサー（圧縮機）１７Ｂとで構成されている。コンプレッサー１７Ｂが吸気流路２１に、タービン１７Ａが排気流路２２にそれぞれ接続されている。

ターボ過給機１７には、エアバイパスバルブ１８およびウェストゲートバルブ１９が備えられている。エアバイパスバルブ１８は、コンプレッサーの下流部からスロットルバルブ３の上流部における圧力が過剰に上昇するのを防ぐために備えられている。過給状態においてスロットルバルブ３を急閉止した場合に、エアバイパスバルブ１８を開くことでコンプレッサー１７Ｂ下流部のガスをコンプレッサー１７Ｂ上流部へ逆流させ、過給圧を下げることができる。

一方、ウェストゲートバルブ１９は、内燃機関１が過剰な過給レベルとなるのを防ぐために設けられている。吸気圧センサ５により検知された過給圧が所定の値に達した場合に、ウェストゲートバルブ１９を開くことで、排ガスが排気タービン１７Ａを迂回するように誘導され、過給を抑制あるいは保持することができる。ターボ過給機２のコンプレッサー側の下流には、断熱圧縮されて上昇した吸気管温度を強制冷却するためのインタークーラ２０が備えられている。インタークーラ２０の下流には、過給によって上昇し、インタークーラ２０によって強制冷却された温度を計測するための過給温度センサ２３が組付けられている。

図１７は、ターボ過給内燃機関１の吸気管の構成と各部の物理量を説明する図である。コンプレッサー１７Ｂの上流にエアフローセンサ２が取付けられており、エアフローセンサ２に内蔵されている温度センサによって、大気温度を検出することができる。ターボ過給内燃機関１では、コンプレッサー１７Ｂを通過するガスの流量は、エアフローセンサ２にて検出されるエアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）と同じとみなすことができるが、スロットルバルブ３の開口部を通過するガスの流量は、スロットルバルブ開閉時には、エアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）との間に大きな差異を生じる場合がある。そのため、少なくともスロットルバルブ３前後の二領域における状態を検知または推定する必要がある。ターボ過給内燃機関１では、スロットルバルブ３下流の圧力および温度、回転速度および可変バルブ動作量に基づきシリンダへ流入されるガスの流量を推定することができる。

図１８は、ターボ過給内燃機関において、スロットルバルブの開閉操作によってトルクを低負荷から高負荷状態へと急変させた際の、吸気流量、吸気管圧力、吸気管温度および要求点火時期の時間的推移を説明する図である。

スロットルバルブ３が開くと、スロットルバルブ３によって絞られて圧力の低下していた吸気管内に直ちにガスが流入するために、エアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）が一旦オーバーシュートするような経過を辿る。この間、吸気管内の圧力Ｐｉｎが大気圧Ｐｏまで増加するとともに、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）についても吸気管圧力Ｐｉｎの増加にしたがって徐々に増加する。

その後、ターボ過給機１７の過給効果によって吸気管圧力Ｐｉｎが緩やかに増加を開始する。このような圧力および流量の推移によって、吸気管内ガスの温度Ｔｉｎは一旦オーバーシュートするような経過を辿った後、過給圧力の増加とともに温度上昇を生じる。吸気管温度Ｔｉｎはノックに与える重要な影響因子であり、上記吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動は過渡時に生じるノックの影響因子の一つである。本実施形態に示した過給温度センサ２３の応答性能では、上記過給による上昇を捉えることはできても、吸気管圧力Ｐｉｎが大気圧Ｐｏに達するまでの吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動を検出することはできない。

また、既に述べたように、吸気管内流れは、作動流体の輸送によって質量やエネルギの流入出をともなう開放系であるために、吸気管内ガスの質量やエネルギに時間的変化をともなう過渡時において、吸気管圧力センサのみによっても上記吸気管温度の過渡挙動を検出することはできない。そのため、ターボ過給内燃機関１においても、吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動を推定する手段を備える必要がある。

図１９は、ターボ過給内燃機関における圧縮機下流圧力および温度演算手段を説明する図である。ブロック１９１のスロットル弁通過流量演算手段では、スロットルバルブ３の弁開度、吸気管圧力Ｐｉｎ（スロットル弁下流部圧力）、圧縮機下流圧力Ｐｃ（スロットル弁上流部圧力）および圧縮機下流温度Ｔｃ（スロットル弁上流部温度）に基づきスロットル弁通過流量（ｄＧｔｈ／ｄｔ）が次式にしたがって演算される。

ここで、Ｃ_ＤおよびＡ_ｔｈは、それぞれバルブ流量係数およびバルブ開口面積である。バルブ開口面積Ａ_ｔｈは、スロットルバルブ開度やバルブ径などの幾何学形状に基づき求めることができる。また、Ψはバルブ前後圧力比の関数であり、κ＝１．４のとき次式で与えられる。

ブロック１９２の圧縮機下流圧力時間変化率演算手段では、スロットル弁通過流量（ｄＧｔｈ／ｄｔ）、大気温度Ｔｏ、大気圧Ｐｏ、圧縮機下流温度Ｔｃ、エアフローセンサ流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）およびインタークーラ部熱伝達量（ｄＱｃ／ｄｔ）に基づき次式にしたがって圧縮機下流圧力時間変化率（ｄＰｃ／ｄｔ）が演算される。

さらに、圧縮機下流圧力時間変化率（ｄＰｃ／ｄｔ）を時間積分することによって圧縮機下流圧力Ｐｃを演算することができる。なお、本実施形態に示したシステムでは、式（５）を用いて圧縮機下流圧力Ｐｃおよびその時間変化率（ｄＰｃ／ｄｔ）を演算する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、圧縮機下流圧力Ｐｃを圧力センサによって直接検知する構成としても同様の効果を奏する。

ブロック１９３の圧縮機下流温度演算手段では、圧縮機下流圧力Ｐｃおよびその時間変化率（ｄＰｃ／ｄｔ）、スロットル弁通過流量（ｄＧｔｈ／ｄｔ）およびエアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）に基づき、次式（６）にしたがって圧縮機下流温度時間変化率（ｄＴｃ／ｄｔ）が演算され、これを時間積分することによって圧縮機下流温度Ｔｃが演算される。

式（３）、（４）、（５）の演算には、指数関数演算が含まれるために、この演算をＥＣＵ１６にてオンボードで実行するには演算負荷が過大となる。そのため、指数関数部のみテーブルあるいはマップ演算に適宜置換えることで演算負荷の低減を行うことができる。

ブロック１９４のインタークーラ部熱伝達量演算部では、大気温度Ｔｏ、エアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）、圧縮機下流温度Ｔｃに基づき、インタークーラ部熱伝達量（ｄＱｃ／ｄｔ）が演算される。以上のような構成とすることで、ターボ過給内燃機関１のスロットルバルブ開閉時においても、圧縮機下流圧力Ｐｃおよび圧縮機下流温度Ｔｃの過渡的挙動を精度良く推定することができる。

図２０は、ターボ過給内燃機関を前提とした場合の、図８に示したブロック８１および８２の詳細を説明する図である。ブロック２０１では、回転速度、吸気管圧力Ｐｉｎおよび可変バルブ動作量に基づき充填効率を演算する。さらにブロック２０２の質量流量換算手段では、上記充填効率と回転速度に基づきシリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）に換算される。ブロック２０３の吸気管圧力時間変化率演算手段では、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）、圧縮機下流温度Ｔｃ、吸気管温度Ｔｉｎおよびスロットル弁通過流量（ｄＧｔｈ／ｄｔ）に基づき、次式（７）に従って吸気管圧力Ｐｉｎの時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）が演算される。

式（７）を時間積分することによって吸気管圧力Ｐｉｎを演算することができる。なお、本実施形態に示したシステムでは、式（７）を用いて吸気管圧力Ｐｉｎおよびその時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）を演算する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、吸気管圧力Ｐｉｎを圧力センサによって直接検知する構成としても同様の効果を奏する。ブロック２０４の吸気管温度過渡挙動演算手段では、吸気管圧力Ｐｉｎとその時間変化率（ｄＰｉｎ／ｄｔ）、シリンダ部流量（ｄＧｃｙｌ／ｄｔ）およびスロットル弁通過流量（ｄＧｔｈ／ｄｔ）に基づき、次式（８）にしたがって吸気管温度Ｔｉｎの時間変化率（ｄＴｉｎ／ｄｔ）が、さらにこれを時間積分することによって吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動が演算される。

ブロック２０５の点火時期演算手段では、回転速度、充填効率およびブロック２０４の吸気管温度過渡挙動演算手段にて演算された吸気管温度Ｔｉｎの過渡挙動に基づき点火時期を演算する。このような構成とすることで、ターボ過給内燃機関１においても、温度センサの応答性能では検出することが困難な過渡温度挙動を精度良く推定でき、さらに過渡温度挙動に基づく過渡ノック補正を適切に実施することが可能となる。

図２１は、図２０のブロック２０１に示した充填効率演算手段を構成する多項式を説明する図である。説明変数としてｘ１に回転速度、ｘ２に吸気相対圧、ｘ３にＩＶＯ、ｘ４にＥＶＣ、さらにｘ５に吸気管温度を設定する。目的変数に充填効率を設定する。

偏回帰係数番号２〜５の項によって回転速度が充填効率に与える影響が求められ、偏回帰係数番号６〜９の項によって吸気管圧力Ｐｉｎが充填効率に与える影響が求められ、偏回帰係数番号１６〜１９の項によってＩＶＯが充填効率に与える影響が求められ、偏回帰係数番号３６〜３９の項によってＥＶＣが充填効率に与える影響が求められ、さらに偏回帰係数番号７１〜７４の項によって吸気管温度が充填効率に与える影響が求められる。

さらに、偏回帰係数番号１０〜１５の項によって回転速度と吸気管圧力Ｐｉｎとの交互作用の影響が求められ、偏回帰係数２１〜３５の項によって回転速度と吸気管圧力ＰｉｎとＩＶＯとの交互作用の影響が求められ、偏回帰係数４０〜７０の項によって回転速度と吸気管圧力ＰｉｎとＩＶＯとＥＶＣとの交互作用の影響が求められ、偏回帰係数７５〜１２６の項によって回転速度と吸気管圧力ＰｉｎとＩＶＯとＥＶＣと吸気管温度との交互作用の影響が求められる。

このように高次項や交互作用項を多項式中に設定することで、各入力パラメータが充填効率に与える複雑な因果関係を考慮して充填効率を精度良く演算することができる。また、大規模なマップを多項式に置き換えることでメモリ容量の大幅な低減を図ることができる。

本実施形態のシステムにおいては、充填効率を演算する手段に５元４次多項式を用いる構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、要求精度と演算負荷の許容値の関係に応じて、次数や次元数を変えることとしてもよい。ステップワイズ法などによって、精度改善に寄与していない高次項や交互作用項を多項式より適切に除外することで、多項式の精度と演算負荷とのトレードオフ関係を改善することができる。

充填効率は、吸気管や排気管流れの脈動効果や慣性効果、気筒間干渉の影響を受けて、回転速度に対して５次以上の次数が要求される場合があるため、回転速度や吸気管圧力Ｐｉｎに対する充填効率補正値をマップ化し、上記多項式の出力結果をトリミングする構成として精度改善を図ることができる。この他、充填効率の影響因子である大気圧Ｐｏ、タンブルコントロールバルブ開度などの影響をさらに考慮することができる。

図２２は、エアフローセンサ部流量とインタークーラ部熱伝達率との関係を説明する図である。エアフローセンサ部流量（ｄＧａｆｓ／ｄｔ）が増加するにしたがってインタークーラ部熱伝達率（ｄＱｃ／ｄｔ）が増加する。図１９に示すブロック１９４のインタークーラ部熱伝達量演算部では、上記インタークーラ部熱伝達率（ｄＱｃ／ｄｔ）とインタークーラ冷却部面積との積に、大気温度Ｔｏと圧縮機下流温度Ｔｃとの差異を乗じ、さらに図２２に示した熱伝達率の関係を用いて熱伝達量が演算される。このような構成とすることで、過給によって上昇したガスがインタークーラ２０によって強制冷却され後の温度挙動を精度良く推定することができる。また、過給機下流部またはスロットル弁下流部に温度センサを取り付け、上記温度センサ検出値に図１１で示した温度センサ定常補正部Ａ、又はＢとを併用することで、ターボ過給内燃機関１においても、環境変化や経時劣化、個体ばらつきなどにロバストな温度推定が可能となる。

本発明の内燃機関の制御装置は、吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、吸気管圧力と、前記吸気管圧力の時間変化率に基づき吸気管温度の過渡挙動を推定する吸気管温度過渡挙動演算手段を有するので、例えば、その推定された吸気管の過渡挙動に基づいて、内燃機関の過渡時の点火時期を演算することによって、過渡ノックを適切に防止することができる。また、種々の加速パターンを与えても過渡温度挙動をＥＣＵにてオンボードで演算できるので、全ての加速パターンについて過渡ノック補正量を実機適合する必要がない。そのため実機適合工数を削減することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、吸気管の上流を流れるガスの流量を調整するスロットルバルブを内燃機関が備えている場合に、吸気管温度過渡挙動演算手段が、スロットルバルブを通過するガスのスロットル弁通過流量を吸気管に流入するガスの流量として設定するので、吸気管の過渡温度挙動を精度良く推定することができる。したがって、かかる吸気管の過渡挙動に基づいて、内燃機関の過渡時の点火時期を演算した場合に、過渡ノックを適切に防止することができる。

また、吸気管の上流を流れるガスの流量を検出するエアフローセンサを内燃機関が備えている場合に、吸気管温度過渡挙動演算手段は、エアフローセンサによって検出したガスのエアフロー部流量をスロットル弁通過流量とみなして、吸気管に流入するガスの流量として設定することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、吸気管を流れるガスの流量を調整するスロットルバルブを内燃機関が備えている場合に、スロットルバルブの弁開度と、スロットルバルブの上流の圧力と、スロットルバルブの下流の圧力と、スロットルバルブの上流の温度に基づいてスロットルバルブを通過するガスのスロットル弁通過流量を演算するスロットル弁通過流量演算手段を有し、吸気管温度過渡挙動演算手段は、スロットル弁通過流量演算手段によって演算されたガスのスロットル弁通過流量を、吸気管に流入するガスの流量として設定する。したがって、スロットルバルブの上流部にエアフローセンサを備えていない内燃機関においても、吸気管の過渡温度挙動を精度良く推定することができ、かかる吸気管の過渡挙動に基づいて内燃機関の過渡時の点火時期を演算した場合に、過渡ノックを適切に防止することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、バルブの開閉タイミング又はリフト量を予め設定された動作量に基づいて変更可能な可変バルブ機構を前記内燃機関が備えている場合に、少なくとも前記内燃機関の回転速度と、吸気管圧力と、可変バルブの動作量と、吸気管温度とを入力パラメータとした多項式に基づき、内燃機関のシリンダに流入するガスのシリンダ部流量を演算するシリンダ部流量演算手段を有し、吸気管温度過渡挙動演算手段は、シリンダ部流量演算手段によって演算されたガスのシリンダ部流量を、吸気管から流出するガスの流量として設定する。したがって、各入力パラメータが充填効率に与える複雑な因果関係を考慮して充填効率を精度良く演算することができる。また、大規模なマップを多項式に置き換えることでメモリ容量の大幅な低減ができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、シリンダ部流量演算手段は、回転速度と、吸気管圧力と、可変バルブの動作量に基づき充填効率を演算する充填効率演算手段と、充填効率演算手段により演算した充填効率と回転速度に基づきシリンダ部流量に換算する質量流量換算手段とを有する構成としてもよい。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、吸気管の上流を流れるガスの流量を調整するスロットルバルブを内燃機関が備えている場合に、吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、スロットルバルブの上流部の温度と、吸気管温度とに基づき吸気管圧力の時間変化率を演算する吸気管圧力時間変化率演算手段と、吸気管圧力時間変化率演算手段により演算された吸気管圧力の時間変化率に基づき吸気管圧力を演算する吸気管圧力演算手段とを有する。したがって、吸気管圧力を検出する圧力センサを備えていない内燃機関においても、吸気管の過渡温度挙動を精度良く推定することができ、かかる吸気管の過渡挙動に基づいて内燃機関の過渡時の点火時期を演算した場合に、過渡ノックを適切に防止することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、ターボ過給機と、ターボ過給機の圧縮機を通過するガスの流量を検出するエアフローセンサと、圧縮機下流のガスの流量を調整するスロットルバルブとを内燃機関が備えている場合に、吸気管温度過渡挙動演算手段が、圧縮機を通過するガスの圧縮機通過流量を、圧縮機下流のスロットルバルブ上流部に流入するガスのスロットルバルブ上流部流入ガス流量として設定し、吸気管のスロットルバルブを通過するガスのスロットル弁通過流量を、圧縮機下流のスロットルバルブ上流部から流出するガスのスロットルバルブ上流部流出ガス流量として設定し、スロットルバルブ上流部流入ガス流量と、スロットルバルブ上流部流出ガス流量と、スロットルバルブ上流部の吸気管圧力と、スロットルバルブ上流部の吸気管圧力の時間変化率とに基づき、圧縮機下流のスロットルバルブ上流部吸気管温度の過渡挙動を推定する。したがって、ターボ過給機を備えた内燃機関であっても、吸気管の過渡温度挙動を精度良く推定することができ、かかる吸気管の過渡挙動に基づいて内燃機関の過渡時の点火時期を演算した場合に、過渡ノックを適切に防止することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、温度センサにより吸気管温度を検出する手段と、温度センサ検出応答性能より低周波成分の温度挙動に、温度センサによる検出値を設定する手段と、温度センサ検出応答性能より高周波成分の温度挙動に、吸気管へ流入するガス流量と、吸気管から流出するガス流量と、吸気管圧力と、吸気管圧力の時間変化率に基づく吸気管温度推定値を設定する手段とを有するので、実際の吸気管温度の変化に対して温度センサの応答が間に合う低周波成分については温度センサの検出値をそのまま用い、温度センサの応答が間に合わない高周波成分については吸気管温度推定値を用いることができる。したがって、吸気管の過渡温度の挙動に対するロバスト性を向上することができ、かかる吸気管の過渡挙動に基づいて内燃機関の過渡時の点火時期を演算した場合に、過渡ノックを適切に防止することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、吸気管温度過渡挙動演算手段によって推定された吸気管の過渡挙動に基づき内燃機関の過渡時の点火時期を演算する点火時期演算手段を有するので、推定された吸気管の過渡挙動に基づいて、内燃機関の過渡時の点火時期を制御でき、過渡ノックを適切に防止することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、点火時期演算手段は、少なくとも回転速度と充填効率を軸とする点火時期マップによって点火時期の基準量を演算し、少なくとも回転速度と充填効率と吸気管温度を入力パラメータとした多項式に基づき点火時期基準量を補正するので、過渡ノックを適切に防止することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、点火時期演算手段は、同一の吸気管温度上昇量では、低回転速度かつ高充填効率ほど点火時期をより遅角側に補正するので、過渡ノックを適切に防止することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、回転速度と充填効率に基づき目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段と、推定された吸気管温度過渡挙動に所定のフィルタ幅でフィルタ処理を施すフィルタ手段と、吸気管温度過渡挙動からフィルタ処理後の吸気管温度過渡挙動を差し引いて過渡温度上昇量を演算する過渡温度上昇量演算手段と、過渡温度上昇量演算手段によって演算された過渡温度上昇量が大きいほど空燃比をより過濃側に補正する過渡ノック時リッチ補正手段とを有する。点火時期をリタード補正すると出力が低下するのに対して、本発明のリッチ補正によるノック回避方法では、燃費性能が悪化するおそれがある一方で、出力低下を抑えることができるので、加速性能に重点を置いた制御システムを実現することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、点火時期演算手段は、内燃機関の過渡時において、吸気管へ流入するガスの流量から、吸気管から流出するガスの流量を差し引いて求まる吸気管内の正味ガス質量時間変化率が大きいほど、かつ吸気管圧力の時間変化率が大きいほど、回転速度および充填効率に基づく点火時期基準量を、より遅角側に過渡ノック補正する過渡ノック点火時期補正手段を有するので、過渡ノックを適切に防止することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の過渡時において、吸気管へ流入するガスの流量から、吸気管から流出するガスの流量を差し引いて求まる吸気管内の正味ガス質量時間変化率が大きいほど、かつ吸気管圧力の時間変化率が大きいほど、回転速度および充填効率に基づく空燃比基準量を、より過濃側に補正する過渡ノック時リッチ補正手段を有する。点火時期をリタード補正すると出力が低下するのに対して、リッチ補正によるノック回避方法では、燃費性能が悪化するおそれがある一方で、出力低下を抑えることができるので、加速性能に重点を置いた制御システムを実現することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、吸気管圧力と、吸気管圧力の時間変化率に基づき吸気管温度の過渡挙動を推定する過渡温度挙動演算手段と、推定された吸気管の過渡挙動に基づき充填効率を演算する充填効率演算手段を有するので、過渡時の充填効率の推定精度を向上させることができる。したがって、充填効率と目標空燃比に基づき燃料噴射量を演算する場合に、空燃比制御の精度を向上させることができる。

なお、本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１ 内燃機関
２ エアフローセンサおよび吸気温センサ
３ スロットルバルブ
４ 吸気マニホールド
５ 吸気管圧力センサ
６ タンブルコントロールバルブ
７ 燃料噴射弁
８ 吸気可変バルブ機構
９ バルブリフトセンサおよびバルブタイミングセンサ
１０ 排気可変バルブ機構
１１ バルブタイミングセンサ
１２ 点火プラグ
１３ ノックセンサ
１４ クランク角度センサ
１５ 空燃比センサ
１６ ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
１７ ターボ過給機
１８ エアバイパスバルブ
１９ ウェストゲートバルブ
２０ インタークーラ
２１ 吸気流路
２２ 排気流路
２３ 過給温度センサ

Claims (13)

1. 内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は、吸気管を流れるガスの流量を調整するスロットルバルブを備え、
   前記制御装置は、
   前記吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、吸気管圧力と、前記吸気管圧力の時間変化率と、に基づき吸気管温度の過渡挙動を推定する吸気管温度過渡挙動演算手段と、
   前記スロットルバルブの弁開度と、前記スロットルバルブの上流の圧力と、前記スロットルバルブの下流の圧力と、前記スロットルバルブの上流の温度に基づいて前記スロットルバルブを通過するガスのスロットル弁通過流量を演算するスロットル弁通過流量演算手段と、を有し、
   前記吸気管温度過渡挙動演算手段は、前記スロットル弁通過流量演算手段によって演算されたガスのスロットル弁通過流量を、前記吸気管に流入するガスの流量として設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は、バルブの開閉タイミング又はリフト量を予め設定された動作量に基づいて変更可能な可変バルブ機構を備え、
   前記制御装置は、
   吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、吸気管圧力と、前記吸気管圧力の時間変化率と、に基づき吸気管温度の過渡挙動を推定する吸気管温度過渡挙動演算手段と、
   少なくとも前記内燃機関の回転速度と、前記吸気管圧力と、前記可変バルブの動作量と、前記吸気管温度とを入力パラメータとした多項式に基づき、前記内燃機関のシリンダに流入するガスのシリンダ部流量を演算するシリンダ部流量演算手段と、を有し、
   前記吸気管温度過渡挙動演算手段は、前記シリンダ部流量演算手段によって演算されたガスのシリンダ部流量を、前記吸気管から流出するガスの流量として設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は、吸気管の上流を流れるガスの流量を調整するスロットルバルブを備え、
   前記制御装置は、
   前期吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、吸気管圧力と
   、前記吸気管圧力の時間変化率と、に基づき吸気管温度の過渡挙動を推定する吸気管温度過渡挙動演算手段と、
   前記吸気管へ流入するガスの流量と、前記吸気管から流出するガスの流量と、前記スロットルバルブの上流部の温度と、前記吸気管温度とに基づき吸気管圧力の時間変化率を演算する吸気管圧力時間変化率演算手段と、
   該吸気管圧力時間変化率演算手段により演算された前記吸気管圧力の時間変化率に基づき前記吸気管圧力を演算する吸気管圧力演算手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は、ターボ過給機と、該ターボ過給機の圧縮機を通過するガスの流量を検出するエアフローセンサと、前記圧縮機下流のガスの流量を調整するスロットルバルブとを備え、
   前記制御装置は、吸気管へ流入するガスの流量と、吸気管から流出するガスの流量と、吸気管圧力と、前記吸気管圧力の時間変化率と、に基づき吸気管温度の過渡挙動を推定する吸気管温度過渡挙動演算手段を有し、
   前記吸気管温度過渡挙動演算手段は、前記圧縮機を通過するガスの圧縮機通過流量を、前記圧縮機下流のスロットルバルブ上流部に流入するガスのスロットルバルブ上流部流入ガス流量として設定し、
   前記吸気管の前記スロットルバルブを通過するガスのスロットル弁通過流量を、前記圧縮機下流のスロットルバルブ上流部から流出するガスのスロットルバルブ上流部流出ガス流量として設定し、
   前記スロットルバルブ上流部流入ガス流量と、前記スロットルバルブ上流部流出ガス流量と、前記スロットルバルブ上流部の吸気管圧力と、前記スロットルバルブ上流部の吸気管圧力の時間変化率とに基づき、前記圧縮機下流のスロットルバルブ上流部吸気管温度の過渡挙動を推定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 前記シリンダ部流量演算手段は、
   前記回転速度と、前記吸気管圧力と、前記可変バルブの動作量に基づき充填効率を演算する充填効率演算手段と、
   該充填効率演算手段により演算した充填効率と前記回転速度に基づき前記シリンダ部流量に換算する質量流量換算手段とを有す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。
6. 温度センサにより吸気管温度を検出する手段と、
   前記温度センサ検出応答性能より低周波成分の温度挙動に、温度センサによる検出値を設定する手段と、
   前記温度センサ検出応答性能より高周波成分の温度挙動に、吸気管へ流入するガス流量と、吸気管から流出するガス流量と、吸気管圧力と、前記吸気管圧力の時間変化率に基づく吸気管温度推定値を設定する手段と、
   を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記吸気管温度過渡挙動演算手段によって推定された吸気管温度の過渡挙動に基づき前記内燃機関の過渡時の点火時期を演算する点火時期演算手段を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記点火時期演算手段は、少なくとも回転速度と充填効率を軸とする点火時期マップによって点火時期の基準量を演算し、
   少なくとも回転速度と充填効率と吸気管温度を入力パラメータとした多項式に基づき前記点火時期基準量を補正することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記点火時期演算手段は、同一の吸気管温度上昇量では、低回転速度かつ高充填効率ほど点火時期をより遅角側に補正することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の制御装置。
10. 回転速度と充填効率に基づき目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段と、
    前記推定された吸気管温度の過渡挙動に所定のフィルタ幅でフィルタ処理を施すフィルタ手段と、
    前記吸気管温度の過渡挙動からフィルタ処理後の吸気管温度の過渡挙動を差し引いて過渡温度上昇量を演算する過渡温度上昇量演算手段と、
    該過渡温度上昇量演算手段によって演算された過渡温度上昇量が大きいほど空燃比をより過濃側に補正する過渡ノック時リッチ補正手段と、
    を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
11. 前記点火時期演算手段は、
    前記内燃機関の過渡時において、前記吸気管へ流入するガスの流量から、前記吸気管から流出するガスの流量を差し引いて求まる吸気管内の正味ガス質量時間変化率が大きいほど、かつ前記吸気管圧力の時間変化率が大きいほど、回転速度および充填効率に基づく点火時期基準量を、より遅角側に過渡ノック補正する過渡ノック点火時期補正手段を有することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
12. 内燃機関の過渡時において、吸気管へ流入するガスの流量から、吸気管から流出するガスの流量を差し引いて求まる吸気管内の正味ガス質量時間変化率が大きいほど、かつ前記吸気管圧力の時間変化率が大きいほど、回転速度および充填効率に基づく空燃比基準量を、より過濃側に補正する過渡ノック時リッチ補正手段を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
13. 前記吸気管温度過渡挙動演算手段により推定された吸気管温度の過渡挙動に基づき充填効率を演算する充填効率演算手段を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。

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