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JP6742266B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関を制御する制御装置に関する。
従来、シリンダ内で燃料と空気の混合気を形成させ、点火または自着火により燃焼させるガソリンエンジンが知られている。この種類のエンジンの熱効率を向上させる技術として、理論空燃比よりも燃料が薄い混合気を燃焼させるリーン燃焼技術が広く知られている。リーン燃焼をすることで、混合気の比熱比増加による理論熱効率の向上や、ポンプ損失の低下により、図示熱効率が向上する。
混合気中の燃料を薄くすること（リーン化）により、熱効率はより向上するが、同時に燃焼速度の低下による燃焼変動が大きくなり、安定燃焼可能な限界空燃比（リーン限界）が存在する。リーン限界は燃焼室形状や点火装置といったエンジン仕様により定まり、動作時は運転条件ごとにリーン限界を事前記憶しておき、その範囲内で燃費が最適となるよう、空燃比や点火時期などのパラメータが制御される。
一方、実際のエンジンでは、混合気の流動の気筒ばらつきが発生し、混合気の均質性が気筒間でばらついてしまう。一般的なエンジンでは、点火時期は全気筒同一に定められているため、燃費最適点火時期（以後、ＭＢＴと称する。）で点火されない気筒が存在してしまう。そのため、制御値のマージンを取り、燃料が濃い側（リッチ側）にシフトさせた空燃比をターゲットとして制御に用いる必要があり、その分燃費が悪化してしまう。
このような内燃機関の、気筒別点火時期制御に関する背景技術として、特開２０１０−１７４５（特許文献１）がある。これによると、気筒毎に点火時期を変えて、トルク検出器により平均トルクを求め、平均トルクが最大となる点火時期を気筒毎に求めている。
また、特開２０１２−１１２２５３（特許文献２）では、点火時期を変化させ、トルク検出器によりトルクを取得し、モータリングのトルクを差し引いた燃焼圧がピークとなるクランク角を、事前記憶した、ＭＢＴで燃焼させた際の燃焼圧のピーククランク角に近づけることで、気筒毎に点火時期を制御している。
特開２０１０−１７４５号公報 特開２０１２−１１２２５３号公報
実際のエンジンでは、混合気の流動の気筒ばらつきが発生し、混合気の均質性が気筒間でばらついてしまう。均質性がばらつくと、点火プラグ周りの空燃比が変動し、混合気の点火や火炎伝播に影響する。例えば、プラグ周りの空燃比がリーンとなると、燃焼速度が低下するため、ＭＢＴより進角側へ変化する。また、均質性の気筒バラつきは、吸気管内壁の状態にも依存するため、燃料デポ付着などの経年変化により混合気の流動が弱まった場合、ＭＢＴは進角側へ変化する。
一般的なエンジンでは、点火時期は全気筒同一に事前記憶されるため、気筒ばらつきにより、燃費最適点火時期で点火されない気筒が存在してしまう。ここで、リーン限界に近い領域で燃焼制御を行う場合、均質性ばらつきにより一部の気筒が失火する恐れがある。例えば、リーン限界ぎりぎりでの運転時に、ある気筒のみプラグ周りの空燃比がリーン化してしまうと、当該気筒における点火進角量では燃焼速度の低下を補うことができなくなり、燃焼不安定化、または失火が発生してしまう。そのため、制御値のマージンを取り、燃焼が安定する、より燃料が濃い側（リッチ側）にシフトさせた空燃比をターゲットとして制御に用いる必要があり、その分燃費が悪化してしまう。
しかしながら、先の特許文献１では、ＭＢＴを判断するのに必要な精度でトルクを検出するには、トルク検出器や筒内圧センサ等の追加センサが必要となってしまう。また平均トルクを求めるためにトルクをクランク角毎に測定する必要があるため、必要なメモリ領域が増大してしまう。また、先の特許文献２では、ＭＢＴ燃焼時における燃焼圧のピーク位置を固定値として事前記憶しているため、エンジンの経時劣化によるＭＢＴ変化に追従できない。
このように、気筒毎のＭＢＴの経時変化を、軽計算負荷かつ高精度に推定することが困難であるという課題があった。
本発明の目的は、各気筒の燃費最適点火時期（ＭＢＴ）の経時変化を検知可能な制御装置を提供することである。
上記課題を解決するために、例えばその手段の一例として、気筒の点火時期に対してトルクがピークとなる位相角（θＴｍａｘ）及び筒内圧力がピークとなる位相角（θＰｍａｘ）の関係から、前記気筒の最適点火時期を推定する。
本発明によれば、全気筒でのＭＢＴ燃焼が可能となり、リーン燃焼時の制御マージン削減による低燃費化の効果が得られる。本発明の上記した以外の構成、作用、効果は以下の実施例において詳細に説明する。
本発明の第１の実施例によるエンジンの制御装置を、自動車用筒内噴射式ガソリンエンジンに適用させたシステム構成図である。 本発明の第１の実施例によるエンジンの制御装置における、シリンダ付近を拡大した構成図である。 本発明の第１の実施例による、１気筒におけるクランク角毎の筒内圧とトルクを示すグラフである。 本発明の第１の実施例による、燃費最適点が発生するメカニズムを示した、筒内圧と筒内容積の関係を示したグラフである。 本発明の第１の実施例による、筒内圧のピークにおけるクランク角と、トルクピークにおけるクランク角の関係を示したグラフである。 本発明の第１の実施例による、点火時期補正制御の一例を示すシステムブロック図である。 本発明の第２の実施例による、アクセルオフ時の学習データに基づいた、燃料噴射時期補正制御の一例を示すシステムブロック図
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施例によるエンジンの制御装置の構成及び動作について説明する。
図１は、本発明の第１の実施例によるエンジンの制御装置を、自動車用筒内噴射式ガソリンエンジンに適用させたシステム構成図であり、図２はシリンダ部の拡大図である。エンジン１００は、火花点火式燃焼を実施する自動車用の４気筒ガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気を過給するための過給機のコンプレッサ４ａと、吸気を冷却するためのインタークーラ７と、吸気管６内の圧力を調整する電子制御スロットル２と、吸気管６内の圧力を計測する吸気圧力センサ１４が吸気管６に設けられている。また、エンジン１００には、各気筒のシリンダ１５の中に燃料を噴射する燃料噴射装置（以下、インジェクタ）１３と、噴射された燃料と空気の混合気を圧縮するためのピストン１８、点火エネルギーを供給する点火プラグ１７が気筒ごとに備えられている。
また図２に示すように、本実施例においてインジェクタ１３の先端部には筒内圧力を測定する筒内圧力センサ１９ａが備えられている。なお、筒内圧力センサ１９ａは、必ずしもインジェクタ１３に取り付けられる必要は無く、例えば点火プラグ１７等の他の機器と一体となっていてもよく、単体でシリンダ１５（気筒）に取り付けられても良い。また、筒内に流入、または筒内から排出するガス流量を調整する可変バルブタイミング機構５ａ（吸気側）、５ｂ（排気側）が、シリンダヘッドに設けられている。可変バルブタイミング５ａ、５ｂにより、第１シリンダから第４シリンダまで全気筒の吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の開弁、閉弁時期を調整することにより、吸気量および内部ＥＧＲ量を調整する。また、図示していないがインジェクタ１３に高圧燃料を供給するための高圧燃料ポンプが燃料配管（コモンレール）の上流側に配置され、インジェクタ１３は燃料配管（コモンレール）に取り付けられている。これにより、高圧燃料ポンプによりたとえば２０ＭＰａに加圧された燃料が燃料配管（コモンレール）に蓄圧されることで、インジェクタ１３を介して燃料が各気筒内に直接噴射される。なお、燃料配管（コモンレール）には、内部の燃料圧力（噴射圧力）を計測するための燃料圧力センサが取り付けられている。
また、エンジン１００は、排気エネルギーによって過給機のコンプレッサ４ａに回転力を与えるためのタービン４ｂと、タービンに流れる排気流量を調整するための電子制御ウェイストゲート弁１１とを有する。さらに、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、が排気管１６に設けられている。また、クランク軸４８には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ４９が設けられている。
ＥＧＲ管４０は排気管の触媒１０の下流から、吸気管６のコンプレッサ４ａの上流に排気を還流させるための配管である。また、ＥＧＲを冷却するためのＥＧＲクーラ４２、ＥＧＲ流量を制御するためのＥＧＲ弁４１、ＥＧＲ弁前後の差圧を検出する差圧センサ４３、ＥＧＲ温度を検出するＥＧＲ温度センサ４４が、ＥＧＲ管４０の各々の適切な位置に、取りつけられている。
エアフローセンサ１と空燃比センサ９と吸気圧センサ１４と差圧センサ４３とＥＧＲ温度センサ４４から得られる信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。また、アクセル開度センサ１２から得られる信号がＥＣＵ２０に送られる。アクセル開度センサ１２は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１２の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１２は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサの出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量、燃料噴射量、点火時期、燃料圧力等のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。
ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ１３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火信号が点火プラグ１７に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された可変バルブタイミングの作動量は、可変バルブタイミング駆動信号として、可変バルブタイミング５へ送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたウェイストゲート弁開度は、ウェイストゲート弁駆動信号として、ウェイストゲート弁１１へ送られる。また、ＥＣＵ２０で常時演算されるＥＧＲ弁開度は、ＥＧＲ弁開度駆動信号として、ＥＧＲ弁４１へ送られる。
吸気管６から吸気バルブ２１を経てシリンダ１５内に流入した空気に対し、インジェクタ１３により燃料が噴射され、混合気が形成される。混合気は所定の点火時期で点火プラグ１７から発生される火花により爆発し、その燃焼圧力によりピストンを押し下げてエンジンの駆動力となる。更に、爆発後の排気ガスは排気管１６を経て、三元触媒１０に送りこまれ、排気成分は三元触媒１０内で浄化され、外部へ排出される。
実際のエンジンでは、混合気の流動の気筒ばらつきが発生し、混合気の均質性が気筒間でばらついてしまう。均質性がばらつくと、点火プラグ周りの空燃比が変動し、混合気の点火や火炎伝播に影響する。例えば、プラグ周りの空燃比がリーンとなると、燃焼速度が低下するため、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）はより進角側へ変化する。なお、ＭＢＴは、エンジン回転数や吸気量など同一条件のもとで、点火時期のみを変化させた際、トルクが最大となる点火時期のことでＭＢＴは、エンジンの運転条件によって変化する。また、均質性の気筒バラつきは、吸気管内壁の状態にも依存するため、燃料デポ付着などの経年変化により混合気の流動が弱まった場合、ＭＢＴは進角側へ変化する。
ここで点火時期が全気筒で同一に事前に記憶されるエンジンの場合には、気筒ばらつきにより、燃費最適点火時期（ＭＢＴ）で点火されない気筒が存在してしまう。ここで、リーン限界に近い領域で燃焼制御を行う場合、均質性ばらつきにより一部の気筒が失火する虞がある。例えば、リーン限界ぎりぎりでの運転時に、ある気筒のみプラグ周りの空燃比がリーン化してしまうと、当該気筒における点火進角量では燃焼速度の低下を補うことができなくなり、燃焼不安定化、または失火が発生してしまう。そのため、制御値のマージンを取り、燃焼が安定する、より燃料が濃い側（リッチ側）にシフトさせた空燃比をターゲットとして制御に用いる必要があり、その分、燃費が悪化してしまう。
しかしながら、先の特許文献１では、ＭＢＴを判断するのに必要な精度でトルクを検出するには、トルク検出器や筒内圧センサ等の追加センサが必要となってしまう。また平均トルクを求めるためにトルクをクランク角毎に測定する必要があるため、必要なメモリ領域が増大してしまう。また、先の特許文献２では、ＭＢＴ燃焼時における燃焼圧のピーク位置を固定値として事前記憶しているため、エンジンの経時劣化によるＭＢＴ変化に追従できない。
このように、気筒毎のＭＢＴの経時変化を、軽計算負荷かつ高精度に推定することが困難であるという課題があった。
図３は、本実施例における検出対象パラメータで、１気筒におけるクランク角毎の筒内圧とトルクを示すグラフである。まず、一般的な筒内圧の変化について説明する。筒内圧は、吸気行程では大気圧と同等の値（０．１０１３ＭＰａ）を示し、圧縮行程に入ると、混合気がピストンにより圧縮され、筒内圧が上昇する。上死点近傍で点火プラグ１７より混合気への点火が行われると、燃焼が開始され、筒内圧は急激に上昇する。そして、上死点よりもやや後方で筒内圧のピークとなり、その後、膨張行程では燃焼後のガスが膨張し、筒内圧は低下する。排気行程になり、排気バルブ２２が開くと、筒内圧は大気圧相当まで低下する。次に、トルクの一般的な変化について説明する。トルクは、吸気行程では空気を吸い込むために負の仕事をし、圧縮行程では混合気を圧縮するために、更に負の仕事をする。上死点ではピストン機構的に力の伝達効率がゼロとなるため、トルクは必ずゼロとなる。下死点でも同様に、トルクはゼロになる。その後、筒内圧ピークよりも後の位置、ピストンが最も加速する瞬間、すなわちトルクピークが現れる。膨張行程の間は、燃焼によるトルクが発生する。排気行程では、排気を掃気するために負の仕事をする。ここで、筒内圧がピークとなるクランク角をθＰｍａｘ、トルクがピークとなるクランク角をθＴｍａｘと定義する。
図４は、本実施例による、点火時期をＭＢＴより進角した場合と、ＭＢＴで点火した場合と、点火時期をＭＢＴより遅角した場合の、筒内圧と筒内容積の関係を示す図（Ｐ−Ｖ線図）である。このＰ−Ｖ線図を用いて、点火時期変更に対する、θＰｍａｘおよびθＴｍａｘの変化のメカニズムを説明する。
ガソリンエンジンの理論的な燃焼サイクルでは、図４に示されるような圧力および体積の変化が見られる。この際に曲線で囲まれた部分のうち、上側の領域の面積から下側の領域の面積を差し引いた面積が、内燃機関の仕事となる。実際のサイクルでは、火炎伝播に時間がかかるため、上死点よりも前で点火を行う必要があり、図中の斜線部に示される損失が発生する。図４（ａ）はＭＢＴよりも点火進角した場合を示しており、Ｌ１は、ピストン上昇中に ピストンを下に押す燃焼圧が発生することによる損失を示す。この損失Ｌ１は点火時期を進角すればするほどＬ１は増えていく。Ｌ１領域が増えても、圧縮上死点前のトルクが減少するだけであるので、上死点後のトルクピーク位置θＴｍａｘは変化しない。一方、図４（ｃ）はＭＢＴよりも点火遅角した場合を示しており、Ｌ２は、ピストン下降中にピストンを下方向に押す燃焼圧が発生していないことによる損失を示す。この損失Ｌ２は点火時期を遅角するにつれてＬ２は増えていく。Ｌ２領域が増えると、圧縮上死点以後のトルクが減少し、上死点後のトルクピーク位置θＴｍａｘも遅角していく。図４（ｂ）はＭＢＴで点火した場合を示しており、損失Ｌ１とＬ２の和が最小となる、すなわち一サイクルでの仕事が最大になる場合を示している。この際、一般的にＬ１とＬ２の面積は等しくなり、２種類の損失が上死点前後に均等に振り分けられた状態となる。
点火時期がＭＢＴより進角した状態では、θＴｍａｘ変化に感度が無いＬ１の割合が高くなり、逆に点火時期がＭＢＴより遅角した状態では、θＴｍａｘ変化に感度があるＬ２の割合が高くなる。すなわち、点火時期がＭＢＴより進角した状態では、損失Ｌ１が支配的であるため、点火時期変更に対するθＴｍａｘの変化は小さく、逆に点火時期がＭＢＴより遅角した状態では、損失Ｌ２が支配的であるため、点火時期変更に対するθＴｍａｘの変化が大きい。したがって、点火時期を進角側から遅角方向に変化させながらθＴｍａｘを観察すると、点火時期がＭＢＴより遅角側にきた際に、点火時期に対するθＴｍａｘの変化率が大きくなり、このθＴｍａｘの変化からＭＢＴを推定することが可能である。また、点火時期を遅角側から進角側に変化させても、同様に変曲点が現れる。
図５は、横軸を筒内圧ピーク位置θＰｍａｘ、縦軸をトルクピーク位置θＴｍａｘとして、点火時期を振った際の両パラメータの変化を４気筒分プロットしたものである。点火時期を変化させた際のθＴｍａｘの傾きは一定ではなく、点火時期を遅角させるにつれて、θＴｍａｘが遅角方向に変化する傾きは二次曲線的に増加する。これは、点火時期を遅角すると、筒内圧上昇が緩やかとなり、筒内圧ピーク位置がより遅角側にずれる。そのため、θＴｍａｘもより遅角方向にずれていくことになり、傾きが増加していく。θＴｍａｘが二次曲線的に変化すると、ＭＢＴ通過時に正確に変曲点を検知することが困難となる。
そこで、図５のように片方の軸を筒内圧ピーク位置θＰｍａｘ、もう片方の軸をトルクピーク位置θＴｍａｘとして二次元プロットを行う。これにより、二次曲線の成分が相殺され、変曲点以外の部分が直線的になるため、変曲点を検知しやすくなる。本メカニズムは、圧縮上死点以後に筒内圧がピークを迎える１山の筒内圧波形の燃焼時に適用可能であり、リーン燃焼やＥＧＲガスを導入した燃焼状態にも適用可能である。
図６は、本実施例による、燃料噴射時期補正制御の一例を示すシステムブロック図である。点火時期が全気筒において同一に事前に記憶されるエンジンの場合には、気筒ばらつきにより、ＭＢＴで点火されない気筒が存在してしまう。また、初期状態では各気筒がＭＢＴ燃焼していても、吸気管等への付着物による、流動状態の経時変化により、各気筒のＭＢＴがずれてしまう場合がある。そこで、エンジン動作中、例えば、エンジン始動後のアイドリング時や、走行中にアクセルオフで惰性走行している際に、点火時期を変更し、気筒別ＭＢＴの推定を行う。つまり、このような期間において、上記したように点火時期を変更することで、筒内圧ピーク位置θＰｍａｘ、もう片方の軸をトルクピーク位置θＴｍａｘとして二次元プロットを行い、このときに現れる変曲点により気筒別にＭＢＴを推定する。
各ステップにおける処理を説明する。Ｓ６０１では、点火時期変更によるＭＢＴ探索が実行可能かを判断する。冷機状態にあるなど、ＭＢＴ制御条件が成立していない場合や、点火時期を変更することによるトルク段差の発生や失火の恐れがある場合は、ＭＢＴ探索は実行しない。ＭＢＴ探索が実行可能な場合、Ｓ６０２において、点火時期を進角方向、遅角方向の少なくとも一方以上の方向に変更する。Ｓ６０３では、クランク角度センサの情報を取得し、Ｓ６０４では前記クランク角度センサの情報に基づいて、トルクピーククランク角θＴｍａｘと筒内圧ピーククランク角θＰｍａｘを取得する。クランク角度センサによりクランク軸角速度ωが得られたとき、燃焼トルクτcombは下記の数（１）で表される。
Figure 0006742266
τfric、τfric、τloadは摩擦トルク、慣性トルク、負荷トルク、Ｊはエンジン回転系の慣性を表す。燃焼トルクを求めるには、角速度の微分ωを計算する必要があるが、クランク角センサにより測定されるωには様々なノイズが含まれ、通常の微分を行うとこのノイズが強調され、正確なトルク波形が再現できない。そこで、微分によるノイズの強調を避けるために、ωに含まれる高周波成分をカットした結果を用いてトルクを推定しても良い。
また、推定トルクには摩擦トルクや負荷トルクによるオフセットが含まれているため、４気筒エンジンのコネクティングロッドの幾何学的な特徴を用いて、このオフセットを打ち消す。エンジンのピストン位置が上死点または下死点である場合は、シリンダ圧力はクランク軸に動力を伝達できないため、トルクはゼロになる。この性質を利用して、推定トルクのオフセットを補正する。上死点あるいは下死店（クランク角がθ１）での推定トルクがτ１、次の上死点あるいは下死店（クランク角がθ１）での推定トルクがτ２である場合は、θ１とθ２の間の補正トルクを数（２）に示す。これが最終的な燃焼トルク推定値である。
Figure 0006742266
なお、オフセットの打消しは４気筒エンジンの機構的特徴を用いて行われているが、３気筒エンジンのように上死点および下死点でトルクがゼロとならない気筒については、本補正は適用できない。しかし、θＴｍａｘはピストン上死点および下死点付近では発生しないため、数（２）のオフセットの補正は実施しなくても、θＴｍａｘの推定精度に与える影響は小さい。そこで、直接式（３）によってθＴｍａｘを定義することも可能である。数（３）により、１サイクル中におけるトルクピーク位置をθＴｍａｘと定義する。
Figure 0006742266
次に、得られたトルクから筒内圧を算出する。トルクと筒内圧Ｐｃｏｍｂの関係は、ピストン機構学的に定まり、以下の数（４）で表される。
Figure 0006742266
Ａｃｙｌはシリンダ断面積、Ｒはクランクアーム長さ、φはクランクアームと中心軸の間の角度である。数（５）によって、筒内圧ピーク位置θＰｍａｘを定義する。
Figure 0006742266
なお、θＴｍａｘとθＰｍａｘを取得するためのセンサは、クランク角度センサに限定されるものではなく、筒内圧センサやトルクセンサの検出値を用いることで算出しても良い。あるいは、その他の検出手段を用いても良い。
Ｓ６０５では、推定したθＴｍａｘとθＰｍａｘを複数プロットし、Ｓ６０６において、変曲点の有無を検知する。変曲点を検知した場合は、Ｓ６０７において、変曲点における点火時期と現在の点火時期ＭＡＰ値を比較して、点火時期補正量を取得する。そしてＳ６０８において、当該気筒の点火時期がＭＢＴとなるよう、点火時期を補正する。例えば、推定したＭＢＴが現在の点火時期ＭＡＰ値に比べて進角方向にある場合、当該気筒の点火時期を、ＭＡＰ値から進角する。変曲点が検知されない場合は、Ｓ６０２に戻り、再び点火時期を変更して、Ｓ６０６で変曲点が検出されるまでＳ６０２からＳ６０６のループを繰り返す。
以上の通り、本実施例の内燃機関の制御装置（ＥＣＵ２０）は、気筒の点火時期に対してトルクがピークとなる位相角（θＴｍａｘ）及び筒内圧力がピークとなる位相角（θＰｍａｘ）の関係から、気筒の最適点火時期（ＭＢＴ）を推定する制御部（ＣＰＵ）を備えたものである。
また、制御装置（ＥＣＵ２０）の制御部（ＣＰＵ）は、エンジン動作時に各点火時期を変化させて、ある気筒の燃焼時において筒内圧がピークとなるクランク角と、燃焼トルクがピークとなるクランク角を二次元マップ上にプロットする。そして、制御部（ＣＰＵ）筒内圧ピーククランク角に対する燃焼トルクピーククランク角の傾きが設定値以上に変化した際の点火時期を最適点火時期（ＭＢＴ）の推定値とすることが望ましい。
また、制御装置（ＥＣＵ２０）の制御部（ＣＰＵ）は、推定した最適点火時期（ＭＢＴ）に基づいて、燃焼パラメータを補正する。なお、ここで補正される燃焼パラメータは補正対象の気筒における点火時期、燃料噴射量、点火エネルギー、可変圧縮比機構の設定パラメータ、ＥＧＲバルブ開度のうち少なくとも一つ以上であることが望ましい。さらに制御装置（ＥＣＵ２０）の制御部（ＣＰＵ）は、気筒毎に最適点火時期を推定することが望ましい。
このように、エンジン始動後のアイドリング時や走行中にアクセルオフで惰性走行している際に、点火時期を変更し、気筒別ＭＢＴの推定と点火時期の補正を行うことで、ＭＢＴの量産ばらつきや、吸気量の経時劣化によるＭＢＴ気筒差を小さくすることができ、制御マージンの削減および低燃費化が可能となる。
本実施例ではアクセルオフ、すなわち車両がエンジントルクを必要としない場合の説明を行ったが、走行中に点火時期を振ってデータを取得してもよく、またアクセルオフ時に取得したデータを記憶して、他の運転条件における燃焼パラメータの補正値を予測しても良い。
以下、図７を用いて、本発明の第２の実施例によるエンジンの制御装置の構成及び動作について説明する。なお、エンジンシステム構成は実施例１の図１、図２と同じであるため、説明は省略する。
図７は、本実施例による、アクセルオフ時の学習データに基づいた、アクセルオン時の燃料噴射時期補正制御の一例を示すシステムブロック図である。
本実施例に基づくＭＢＴ探索では、点火時期を変更することでトルク変動が発生する。点火時期変更によるトルク変動を、スロットル開度の変更などで抑制可能な場合は、アクセルオン時でもＭＢＴ探索が可能であるが、点火時期変更によるトルク変動が抑制できない場合は、ドライバの乗り心地が悪化するため、本推定を実施することが困難となる。そこで、本推定が実施不可能な運転状態においては、アクセルオフ時に学習したデータに基づいて、当該運転状態におけるＭＢＴ気筒差を推定する。
Ｓ７０１では、点火時期変更によるＭＢＴ探索が実行可能かを判定する。実行可能な場合は、Ｓ７０９において、点火時期を変更して気筒別のＭＢＴを推定し、ＭＢＴ気筒差を記憶する。ＭＢＴ探索が実行不可能な場合は、Ｓ７０２において、アクセルオフ時に推定した気筒別のＭＢＴを読み出す。Ｓ７０３では、燃焼シミュレーションや実験結果を用いて、気筒別のＭＢＴ差を与える、吸気圧の気筒差を推定する。これは、運転条件によって変化するＭＢＴの気筒差を、運転条件が変化しても気筒間の相対関係が保たれるパラメータに変換したことに相当する。ここでは、流動の強さを表すパラメータとして、吸気圧を用いたが、他のパラメータを用いて流動の気筒差を代表させても良い。
Ｓ７０４では、各センサを用いて、アクセルオン時におけるエンジン回転数、スロットル開度、および吸気圧を取得する。Ｓ７０５では、Ｓ７０２で推定した各気筒の吸気圧の相対差に基づいて、Ｓ７０４で記憶した吸気圧が各気筒の平均値となるように、各気筒の吸気圧を推定する。Ｓ７０６では、再度燃焼シミュレーションや実験結果を用いて、Ｓ７０３で推定した吸気圧を入力値として各気筒のＭＢＴを算出する。Ｓ７０７において、推定された各気筒のＭＢＴと現在の点火時期ＭＡＰ値を比較して、点火時期補正量を得る。そしてＳ７０８において、気筒別に点火時期の補正を行う。
以上の通り、本実施例において制御装置（ＥＣＵ２０）の制御部（ＣＰＵ）は、アクセルオフ時に気筒の点火時期に対してトルクがピークとなる位相角（θＴｍａｘ）及び筒内圧力がピークとなる位相角（θＰｍａｘ）の関係から、前記気筒の最適点火時期を推定することが望ましい。また制御部（ＣＰＵ）は、アクセルオフ時において、推定した最適点火時期となるように点火時期を補正する。そして制御部（ＣＰＵ）は、推定した最適点火時期に基づいてアクセルオフの後のアクセルオン時においての最適点火時期を推定し、アクセルオン時において当該、推定した最適点火時期となるように点火時期を補正する。
このように、アクセルオフ時に気筒別のＭＢＴを推定し、運転条件によって変化するＭＢＴの気筒差を、運転条件が変化しても気筒間の相対関係が保たれるパラメータに変換した上で、アクセルオン時におけるＭＢＴ気筒差を推定することで、ＭＢＴ推定を常時行うことなく、アクセルオフ時のみのデータで他の運転領域でもＭＢＴ気筒差を小さくすることができ、制御マージンの削減および低燃費化が可能となる。
以下、本発明の第３の実施例によるエンジンの制御装置の構成及び動作について説明する。エンジンシステム構成は実施例１の図１、図２と同じであるため、説明は省略する。本発明により推定した気筒別ＭＢＴに対しては、変更する燃焼パラメータは点火時期に限られるものではない。本実施例では、燃焼パラメータとして点火時期以外のパラメータを変更する場合について説明する。
まず、燃料噴射量を変更する場合について説明する。燃料噴射量については、インジェクタ先端の燃料デポ付着や、駆動回路の内部抵抗増加といった経年劣化によって、同じ噴射信号に対する実際の燃料噴射量が低下する。例えば、ある気筒のインジェクタの燃料噴射量が低下すると、ターゲットの空燃比に対して実際の空燃比がリーンとなり、燃焼速度が低下する。その結果、点火時期を早める必要が出るため当該気筒のＭＢＴは進角方向にずれてしまう。空燃比の気筒差が原因でＭＢＴがばらついている場合、点火時期のみを変更しても各気筒で発生するトルクが異なってしまい、トルク段差発生の要因となる。
そこで、推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して進角している場合、燃料噴射量を増加させて空燃比をリッチ側に補正する。すると、燃焼速度が増加してＭＢＴが遅角側にずれ、点火時期ＭＡＰ値に近づく。逆に、推定されたＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して遅角している場合、燃料噴射量を減少させて空燃比をリーン側に補正する。すると、燃焼速度が低下してＭＢＴが進角側にずれ、点火時期ＭＡＰ値に近づく。
このように、推定したＭＢＴに対して燃料噴射量を変更することで、各気筒の空燃比ばらつきに起因するＭＢＴ気筒差を小さくすることができ、気筒間の燃焼ばらつきの低減による制御マージンの削減および低燃費化が可能となる。
次に、点火エネルギーを変更する場合について説明する。点火エネルギーについては、点火プラグの表面汚れによる表面抵抗増加や、駆動回の内部抵抗増加等による経年劣化によって、同じ点火信号に対する放電エネルギーが低下する。例えば、ある気筒の点火装置の点火エネルギーが低下すると、火炎核形成が妨げられて、初期燃焼速度が低下する。その結果、当該気筒の熱発生時期が遅れ、その分点火時期を早める必要が出るため、ＭＢＴは進角方向にずれてしまう。点火エネルギーの気筒差が原因でＭＢＴがばらついている場合、点火時期のみを変更しても各気筒で発生するトルクが異なってしまい、トルク段差発生の要因となる。
そこで、推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して進角している場合、点火エネルギーを増加させて初期燃焼を高速化する。すると、燃焼速度が増加してＭＢＴが遅角側にずれ、点火時期ＭＡＰ値に近づく。逆に、推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して遅角している場合、点火エネルギーを低下させて初期燃焼を減速させる。すると、燃焼速度が低下してＭＢＴが進角側にずれ、点火時期ＭＡＰ値に近づく。
このように、推定したＭＢＴに対して点火エネルギーを変更することで、各気筒の初期燃焼ばらつきに起因するＭＢＴ気筒差を小さくすることができ、気筒間の燃焼ばらつきの低減による制御マージンの削減および低燃費化が可能となる。

次に、ＥＧＲ弁開度を変更する場合について説明する。ＥＧＲ弁については、その開度が大きいほど多くのＥＧＲガスが筒内へ導入される。ＥＧＲ弁開度については、運転条件ごとに制御値が事前記憶されているが、ＥＧＲ弁のアクチュエータ劣化やシール性能劣化といった経年劣化によって、同じＥＧＲ開弁信号に対する実際のＥＧＲ率が変動する。例えば、ＥＧＲ弁のシール性能劣化により、ターゲットＥＧＲ率に対して実際のＥＧＲ率が大きくなってしまうと、混合気の希釈度が増加するため、燃焼速度が低下する。その結果、各気筒で熱発生時期が遅れ、ＭＢＴは遅角方向にずれてしまう。ＥＧＲ率がターゲット値に比べて大きくなってしまうと、燃焼変動率が大きくなり、各気筒の点火時期をＭＢＴに設定しても燃費低減効果が得られない恐れがある。
そこで、各気筒で推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して進角している場合、ＥＧＲ開度を小さくしてＥＧＲ率を低下させる。すると、燃焼速度の増加によりＭＢＴ位置が遅角し、点火時期ＭＡＰ値に近づく。逆に、各気筒で推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して進角している場合、ＥＧＲ開度を大きくしてＥＧＲ率を増加させる。すると、燃焼速度の低下によりＭＢＴ位置が進角し、点火時期ＭＡＰ値に近づく。
このように、推定したＭＢＴに対してＥＧＲ弁開度を変更することで、ＥＧＲ率のずれによる各気筒の燃焼変動の増加を抑えることができ、各気筒の点火時期補正による燃費低減効果を増加させることが可能となる。

次に、バルブタイミングを変更する場合について説明する。バルブタイミングについては、吸気バルブの開弁時期（ＩＶＯ）を上死点より進角する、または排気バルブの閉弁時期（ＥＶＣ）を上死点より進角すると、ＥＧＲガスが筒内または吸気管内に残留し、次サイクルに筒内へ導入される。バルブタイミングは、運転条件ごとに制御値が事前記憶されているが、吸排気バルブのシール性能劣化などにより、ターゲットＥＧＲ率に対して実際のＥＧＲ率が大きくなってしまうと、混合気の希釈度が増加するため、燃焼速度が低下する。その結果、各気筒で熱発生時期が遅れ、その分点火時期を早める必要が出るため、ＭＢＴは進む方向にずれてしまう。ＥＧＲ率がターゲット値に比べて大きくなってしまうと、燃焼変動率が大きくなり、各気筒の点火時期をＭＢＴに設定しても燃費低減効果が得られない恐れがある。
そこで、各気筒で推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して進角している場合、ＩＶＯを上死点後またはＭＡＰ値より遅角側へ変更する。または、ＥＶＣを上死点後またはＭＡＰ値より遅角側へ変更する。すると、ＥＧＲ率が低下して、燃焼速度の増加によりＭＢＴ位置が遅角し、点火時期ＭＡＰ値に近づく。
逆に、各気筒で推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して遅角している場合、ＩＶＯを上死点前またはＭＡＰ値より進角側へ変更する。または、ＥＶＣを上死点前またはＭＡＰ値より進角側へ変更する。するとＥＧＲ率が増加して、燃焼速度の低下によりＭＢＴ位置が進角し、点火時期ＭＡＰ値に近づく。
このように、推定したＭＢＴに対してバルブタイミングを変更することで、ＥＧＲ率のずれによる各気筒の燃焼変動の増加を抑えることができ、各気筒の点火時期補正による燃費低減効果を増加させることが可能となる。

次に、スロットルバルブ開度を変更する場合について説明する。
一般的な可変バルブタイミングを備えたエンジンの場合、ＩＶＯを変更すると、吸気バルブの閉弁時期（ＩＶＣ）も同時に変更されてしまう。ＩＶＣが下死点から遠ざかると、実圧縮比が低下して、発生するトルクが低下してしまう。そこで、ＩＶＣが下死点から遠ざかってしまう場合は、スロットルバルブ開度を増加させることで、吸気量を増加させ、トルクを確保する。逆にＩＶＣが下死点に近づき、実圧縮比が増加する場合は、スロットルバルブ開度を減少させることで、吸気量を減少させ、トルクが過大となることを防止する。
同様に、ＥＶＣを変更すると、排気バルブの開弁時期（ＥＶＯ）も同時に変更されてしまう。ＥＣＯが下死点から遠ざかると、実膨張比が低下して、発生するトルクが低下してしまう。そこで、ＥＶＯが下死点から遠ざかってしまう場合は、スロットルバルブ開度を増加させることで、吸気量を増加させ、トルクを確保する。逆にＥＶＯが下死点に近づき、実膨張比が増加する場合は、スロットルバルブ開度を減少させることで、吸気量を減少させ、トルクが過大となることを防止する。
このように、推定したＭＢＴに対してスロットルバルブ開度を変更することで、前記のバルブタイミング変更によるトルク増減を抑えることができ、各気筒の点火時期補正による燃費低減効果を増加させることが可能となる。
次に、ガス流動デバイスを作動させる場合について説明する。
ガス流動デバイスとは、気筒別または全気筒一律で空気流動を強化するデバイスであり、吸気ポートの内壁に取り付けられ、吸気の流路を狭めることでタンブル流速を増加させるタンブルコントロールバルブや、スワール流速を増加させるスワールコントロールバルブがその一例である。ガス流動デバイスを用いて空気流速を増加させると、乱れエネルギーの増加により混合気の燃焼速度が増加し、その分点火時期を遅らせることができ、ＭＢＴ位置がより遅角側へ移動する。
各気筒で推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して進角している場合、前記のガス流動デバイスを作動させ、空気流動を強化する。すると、燃焼速度の増加によりＭＢＴ位置が遅角し、点火時期ＭＡＰ値に近づく。
このように、推定したＭＢＴに対してガス流動デバイスを作動させることで、各気筒の流動不足よる燃焼変動増加を抑制することができ、各気筒の点火時期補正による燃費低減効果を増加させることが可能となる。
この他にも、吸気バルブが１気筒あたり複数取り付けられている気筒における片側バルブ停止や、既存インジェクタまたは追加インジェクタによる筒内へのガス噴射等を用いて、気筒別に流動を強化しても良い。
次に、圧縮比を変更する場合について説明する。
圧縮比が大きいほど、理論熱効率が向上するが、ノッキングが発生する確率が高まる。そこで一般的に、運転状態により圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構が用いられる。しかし、可変圧縮比機構の機械的誤差や、実圧縮比のセンシング誤差などにより、ターゲット圧縮比に対して実圧縮比がばらつく恐れがある。ターゲット圧縮比に比べて実圧縮比が高い場合、ノッキング発生によるエンジン破壊の恐れがあるため、圧縮比のＭＡＰ値は、ノッキング限界から安全代を取り、低圧縮比側に設定される。一方で、ターゲット圧縮比に比べて実圧縮比が低い場合、理論熱効率の低下により、燃費が悪化してしまう。
ここで、実圧縮比とＭＢＴ位置の関係を整理すると、実圧縮比がターゲット圧縮比に比べ高い場合、圧縮上死点付近における混合気の温度が上昇し、燃焼速度が増加するため、その分点火時期を遅らせることができ、ＭＢＴが遅角方向にずれる。また、実圧縮比がターゲット圧縮比に比べ低い場合、燃焼速度が低下するため、ＭＢＴが進角方向に移動する。
そこで、各気筒で推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して進角している場合は、実圧縮比がターゲット圧縮比に比べて低い方向にずれていると判断し、ターゲット圧縮比を増加させる。すると、燃焼速度の増加によりＭＢＴ位置が遅角し、点火時期ＭＡＰ値に近づく。逆に、各気筒で推定したＭＢＴが、点火時期ＭＡＰ値に対して遅角している場合、ターゲット圧縮比を低下させる。すると、燃焼速度の低下によりＭＢＴ位置が進角し、点火時期ＭＡＰ値に近づく。
このように、推定したＭＢＴに対して圧縮比を変更することで、各気筒においてターゲット圧縮比に近い実圧縮比での燃焼が可能となり、圧縮比の制御誤差による理論熱効率の低下が抑えられ、燃費低減が可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…エアフローセンサ
２…電子制御スロットル
４…過給機
４ａ…コンプレッサ
４ｂ…タービン
５ａ…吸気側可変バルブタイミング機構
５ｂ…排気側可変バルブタイミング機構
６…吸気管
７…インタークーラ
９…空燃比センサ
１０…三元触媒
１１…ウェイストゲート弁
１２…アクセル開度センサ
１３…筒内直接燃料噴射用インジェクタ
１４…吸気圧力センサ
１５…シリンダ
１６…排気管
１７…点火プラグ
１８…ピストン
１９ａ、１９ｂ…筒内圧力センサ
２０…ＥＣＵ
２１…吸気バルブ
２２…排気バルブ
４０…ＥＧＲ管
４１…ＥＧＲ弁
４２…ＥＧＲクーラ
４３…差圧センサ
４４…ＥＧＲ温度センサ
４５…インタークーラパイパス弁Ａ
４６…インタークーラパイパス弁Ｂ
４７…インタークーラパイパス流路
４８…クランク軸
４９…クランク角度センサ
１００…エンジン

Claims (8)

  1. 内燃機関の制御装置において、
    気筒の点火時期に対してトルクがピークとなる位相角（θＴｍａｘ）及び筒内圧力がピークとなる位相角（θＰｍａｘ）の関係から、前記気筒の最適点火時期を推定する制御部（ＣＰＵ）を備えた内燃機関の制御装置。
  2. 請求項１において、前記制御部は、エンジン動作時に各点火時期を変化させて、ある気筒の燃焼時において筒内圧がピークとなるクランク角と、燃焼トルクがピークとなるクランク角を二次元マップ上にプロットし、筒内圧ピーククランク角に対する燃焼トルクピーククランク角の傾きが変化した際の点火時期を最適点火時期の推定値とする内燃機関の制御装置。
  3. 請求項１において、前記制御部は、推定した最適点火時期に基づいて、燃焼パラメータを補正する内燃機関の制御装置。
  4. 請求項３において、補正される燃焼パラメータは補正対象の気筒における点火時期、燃料噴射量、点火エネルギー，可変圧縮比機構の設定パラメータ、EGRバルブ開度のうち少なくとも一つ以上である内燃機関の制御装置。
  5. 請求項４において、前記制御部は、気筒毎に最適点火時期を推定する内燃機関の制御装置。
  6. 請求項１において、
    前記制御部は、アクセルオフ時に気筒の点火時期に対してトルクがピークとなる位相角（θTmax）及び筒内圧力がピークとなる位相角（θPmax）の関係から、前記気筒の最適点火時期を推定する内燃機関の制御装置。
  7. 請求項６において、
    前記制御部は、当該アクセルオフ時において、推定した最適点火時期となるように点火時期を補正する内燃機関の制御装置。
  8. 請求項６において、
    前記制御部は、推定した最適点火時期に基づいて当該アクセルオフの後のアクセルオン時においての最適点火時期を推定し、
    当該アクセルオン時において当該、推定した最適点火時期となるように点火時期を補正する内燃機関の制御装置。
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