JP2017141745A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、点火時期の遅角と噴射燃料の増量とによるノック抑制制御の実行に伴う空燃比の変化を速やかに把握しつつ、ノック抑制制御を行えるようにすることを目的とする。【解決手段】筒内圧センサ３０の出力値に基づいて燃焼安定性指標値および燃焼時期指標値を算出する。ノックを抑制する場合に、点火時期を遅角し、かつ、空燃比のリッチ化のために噴射燃料を増量するノック抑制制御を実行する。ノック抑制制御の開始前の燃焼サイクルの燃焼安定性指標値および燃焼時期指標値と、ノック抑制制御を実行した後の燃焼サイクルの燃焼安定性指標値および燃焼時期指標値と、燃焼安定性指標値と燃焼時期指標値と空燃比との関係を規定するマップＭとに基づいて、ノック抑制制御の開始前の空燃比とノック抑制制御を開始した後の空燃比変化量ΔＡ／Ｆ、トルク変化量ΔＴおよびＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘを推定する。【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備える火花点火式の内燃機関が開示されている。この内燃機関では、ノックが発生した場合には、点火時期が遅角されるとともに圧縮行程における燃料噴射量が増やされる。

特開平４−１８７８５１号公報 特開２０１５−１６９１４９号公報

特許文献１に記載のように、ノック抑制のために、点火時期を遅角し、かつ空燃比のリッチ化のために噴射燃料を増量するノック抑制制御が行われる内燃機関が知られている。この噴射燃料の増量に伴う空燃比のリッチ化の度合いに応じて、エンジントルクの変化量が異なるものとなる。したがって、ノック抑制制御を実施した際に空燃比のリッチ化の度合いを速やかに把握できないと、リッチ化に起因するエンジントルクの変化あるいは排気エミッションの変化（ＮＯｘ濃度の増加）を考慮したエンジン制御を適切に行うことが難しくなる可能性がある。

この発明は、上述のような課題に対処するためになされたもので、点火時期の遅角と噴射燃料の増量とによるノック抑制制御の実行に伴う空燃比、エンジントルクおよびＮＯｘ濃度のうちの少なくとも１つの変化を速やかに把握しつつ、ノック抑制制御を行えるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、気筒内の混合気に点火する点火装置と、前記気筒内に燃料を供給する燃料噴射弁と、筒内圧を検出する筒内圧センサとを備える内燃機関を制御する。前記制御装置は、ノック検出手段と、指標値算出手段と、記憶手段と、ノック抑制実行手段と、推定手段とを備える。前記ノック検出手段は、ノックを検出する。前記指標値算出手段は、前記筒内圧センサの出力値に基づいて、燃焼安定性を示す燃焼安定性指標値と、燃焼時期を示す燃焼時期指標値とを算出する。前記記憶手段は、前記燃焼安定性指標値および前記燃焼時期指標値と、空燃比、トルク効率、トルク効率比もしくはＮＯｘ濃度との関係を規定する関係情報を記憶する。前記ノック抑制実行手段は、前記ノック検出手段の検出結果に基づいてノックを抑制する場合に、点火時期を遅角し、かつ、空燃比のリッチ化のために噴射燃料を増量するノック抑制制御を実行する。前記推定手段は、前記ノック抑制制御の開始前の第１の燃焼サイクルの前記燃焼安定性指標値および前記燃焼時期指標値と、前記ノック抑制制御を実行した後の第２の燃焼サイクルの前記燃焼安定性指標値および前記燃焼時期指標値と、前記関係情報とに基づいて、前記第１の燃焼サイクルと前記第２の燃焼サイクルとの間での空燃比、エンジントルクおよびＮＯｘ濃度の少なくとも１つについての変化量もしくは変化率を推定する。

本件発明者らは、燃焼安定性指標値および前記燃焼時期指標値と、空燃比、トルク効率、トルク効率比もしくはＮＯｘ濃度との間には、エンジン負荷の変化に関係なく概ね一定となる関係があることを見出した。本発明によれば、そのような関係にある燃焼安定性指標値および前記燃焼時期指標値と空燃比、トルク効率、トルク効率比もしくはＮＯｘ濃度との関係を規定する関係情報と、筒内圧センサの出力値に基づく燃焼安定性指標値および燃焼時期指標値の算出値を利用して、ノック抑制制御の開始前の第１の燃焼サイクルとノック抑制制御を実行した後の第２の燃焼サイクルとの間での空燃比、エンジントルクおよびＮＯｘ濃度の少なくとも１つについての変化量もしくは変化率を推定することができる。そして、本発明によれば、筒内圧センサの出力値を利用しているので、燃焼サイクル毎に燃焼安定性指標値および燃焼時期指標値の算出が可能である。このため、本発明によれば、点火時期の遅角と噴射燃料の増量とによるノック抑制制御の実行に伴う空燃比、エンジントルクおよびＮＯｘ濃度のうちの少なくとも１つの変化を速やかに把握しつつ、ノック抑制制御を行えるようになる。

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。 本発明の実施の形態１で用いられる空燃比変化量ΔＡ／Ｆの推定手法を説明するための図である。 実施の形態１において実行される制御ルーチンを表したフローチャートである。 トルク変化量ΔＴの推定に用いられる燃焼効率比Ｒｃｏｍｂおよび点火効率比Ｒｒｔｄの算出手法の一例を説明するための図である。 ＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘの推定に用いられる空燃比変化によるＮＯｘ濃度比Ｒ’ａｆおよび点火時期変化によるＮＯｘ濃度比Ｒ’ｒｔｄの算出手法の一例を説明するための図である。

実施の形態１．
まず、図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

［実施の形態１のシステム構成］
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に示すシステムは、火花点火式の内燃機関（一例として、ガソリンエンジン）１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の吸気ポートには、当該吸気ポートを開閉する吸気弁２０が設けられており、排気通路１８の排気ポートには、当該排気ポートを開閉する排気弁２２が設けられている。また、吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内（筒内）に燃料を供給するための燃料噴射弁（一例として、直接噴射式燃料噴射弁）２６、および、混合気に点火するための点火装置（点火プラグのみを図示）２８が、それぞれ設けられている。さらに、各気筒には、筒内圧を検出するための筒内圧センサ３０が組み込まれている。

さらに、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を制御する制御装置として、電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０とともに、下記の各種アクチュエータを駆動するための駆動回路（図示省略）などを備えている。ＥＣＵ４０が信号を取り込むセンサには、上述した筒内圧センサ３０に加え、クランク軸（図示省略）の近傍に配置されたクランク角センサ４２、吸気通路１６の入口付近に配置されたエアフローセンサ４４、および、ノックを検出するためのノックセンサ４６等のエンジン運転状態を取得するための各種センサが含まれる。ノックセンサ４６としては、一例として、シリンダブロックに伝わる内燃機関１０の振動を圧電素子によって検出する方式のセンサを用いることができる。

ＥＣＵ４０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２６および点火装置２８等のエンジン運転を制御するための各種アクチュエータが含まれる。また、ＥＣＵ４０は、筒内圧センサ３０の出力信号を、クランク角度と同期させてＡＤ変換して取得する機能を有している。これにより、ＡＤ変換の分解能が許す範囲で、任意のクランク角タイミングにおける筒内圧を検出することができる。さらに、ＥＣＵ４０は、クランク角度と筒内容積との関係を定めたマップをメモリ４０ａに記憶しており、そのようなマップを参照して、クランク角度に対応する筒内容積を算出することができる。

［実施の形態１の制御］
（筒内圧センサを利用したＭＦＢの実測データの算出）
筒内圧センサ３０とクランク角センサ４２とを備える本実施形態のシステムによれば、内燃機関１０の各サイクルにおいて、クランク角度同期での筒内圧Ｐの実測データ（より具体的には、所定クランク角度毎の値として算出された筒内圧Ｐの集合）を取得することができる。得られた筒内圧Ｐの実測データと熱力学第１法則とを用いて、任意のクランク角度θでの筒内の熱発生量Ｑを次の（１）、（２）式にしたがって算出することができる。そして、算出された筒内の熱発生量Ｑの実測データ（所定クランク角度毎の値として算出された熱発生量Ｑの集合）を用いて、任意のクランク角度θにおける燃焼質量割合（以下、「ＭＦＢ」と称する）を次の（３）式にしたがって算出することができる。そのうえで、ＭＦＢの算出処理を所定クランク角度毎に実行することで、クランク角度同期でのＭＦＢの実測データ（実測ＭＦＢの集合）を算出することができる。ＭＦＢの実測データは、燃焼期間およびその前後の所定クランク角期間（ここでは、一例として、吸気弁２０の閉じ時期ＩＶＣから排気弁２２の開き時期ＥＶＯまでのクランク角期間）で算出される。

ただし、上記（１）式において、Ｖは筒内容積、κは筒内ガスの比熱比である。また、上記（３）式において、θ_ｍｉｎは燃焼開始点であり、θ_ｍａｘは燃焼終了点である。

上記手法によって算出されたＭＦＢの実測データによれば、ＭＦＢが特定割合α％となる時のクランク角度（以下、「特定割合燃焼点」と称し、「ＣＡα」を付して示す）を算出することができる。次に、代表的な特定割合燃焼点ＣＡαについて説明する。筒内の燃焼は、点火時期ＳＡにて混合気に点火を行った後に着火遅れを伴って開始する。この燃焼の開始点（上記（３）式中のθ_ｍｉｎ）、すなわち、ＭＦＢが立ち上がる時のクランク角度をＣＡ０と称する。ＣＡ０からＭＦＢが１０％となる時のクランク角度ＣＡ１０までのクランク角期間（ＣＡ０−ＣＡ１０）が初期燃焼期間に相当し、ＣＡ１０からＭＦＢが９０％となる時のクランク角度ＣＡ９０までのクランク角期間（ＣＡ１０−ＣＡ９０）が主燃焼期間に相当する。また、本実施形態では、ＭＦＢが５０％となる時のクランク角度ＣＡ５０を燃焼重心点として用いている。ＭＦＢが１００％となる時のクランク角度ＣＡ１００は、熱発生量Ｑが最大値に到達する燃焼終了点（上記（３）式中のθ_ｍａｘ）に相当する。燃焼期間は、ＣＡ０からＣＡ１００までのクランク角期間として特定される。

（基本点火時期）
基本点火時期は、内燃機関１０の運転条件（主に、エンジン負荷率とエンジン回転速度）に応じた値として事前に設定され、メモリ４０ａに記憶されている。基本点火時期の候補となる点火時期は、ＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）点火時期とノック点火時期の２つである。ここでいうノック点火時期とは、所定の目標ノックレベル（例えば、ノック強度とノック頻度とに基づいて規定）が得られる点火時期のことである。ノックは、エンジン負荷が高いほど発生し易くなり、また、エンジン負荷が高いほど、発生するノックの強度が高くなる。低負荷側ではＭＢＴ点火時期の方が遅角側の値となり、高負荷側ではノック点火時期の方が遅角側の値となる。各エンジン負荷における基本点火時期としては、これらのＭＢＴ点火時期およびノック点火時期のうちで遅角側の値が選択される。

（ノック制御の概要）
内燃機関１０における点火時期の制御は、上述した基本点火時期に対して点火時期遅角量（補正量）を加算して得られる点火時期を目標点火時期として実行される。本実施形態で想定する遅角要求は、ノックの抑制を目的とする遅角要求である。基本点火時期は、燃焼に関係する条件が標準的な条件（より具体的には、吸気温度、エンジン冷却水温度、および燃料のオクタン価などが標準値とされている条件）下での値としてメモリ４０ａに記憶されている。この標準的な条件に近い状態で内燃機関１０が運転されている場合であれば、基本点火時期相当の目標点火時期によって目標ノックレベルを実現することができる。一方、例えば、吸気温度が標準値よりも高くなる場合、あるいは、標準値よりも低いオクタン価の燃料が使用される場合には、基本点火時期がそのまま使用されると、目標ノックレベルと比べてノックレベルが高くなる可能性がある。その結果、ノックレベルを目標ノックレベルに下げるために、点火時期の遅角が必要とされる。

ここで、ノック制御の一例を具体的に説明する。このノック制御に利用される点火時期遅角量は、以下の処理により学習されてメモリ４０ａに記憶される。この点火時期遅角量は、ノックの発生状況に応じて増減される。より具体的には、ノックセンサ４６を用いて算出されるノック強度が判定閾値よりも大きい場合には、ノックが発生したと判定され、点火時期遅角量が所定量だけ大きく修正されてメモリ４０ａに記憶される。その結果、本判定後に燃焼が行われる気筒の目標点火時期が現在値に対して遅角される。一方、ノックが不発生であると判定される期間が所定期間継続した場合には、点火時期遅角量が所定量だけ小さく修正されてメモリ４０ａに記憶される。その結果、本判定後に燃焼が行われる気筒の目標点火時期が現在値に対して進角される。なお、点火時期遅角量の最小値はゼロであり、したがって、目標点火時期の進角側の限界値は、基本点火時期となる。

（ノック抑制制御とその課題）
前提として、本実施形態では、理論空燃比よりも大きなリーン空燃比にてリーンバーン運転が行われるようになっている。本実施形態では、リーンバーン運転中にノック制御によって点火時期を遅角した際の燃焼安定性の確保のために、点火時期の遅角とともに、空燃比のリッチ化のための噴射燃料の増量が実行される。本明細書中においては、このように噴射燃料の増量を伴って点火遅角を行う制御を「ノック抑制制御」と称する。ノック抑制制御によれば、噴射燃料の増量によって燃焼安定性の確保を図ることにより、点火遅角の実行に伴うトルク変動の増加を抑制しつつ、ノックを抑制できるようになる。

この噴射燃料の増量に伴う空燃比のリッチ化の度合いに応じて、エンジントルクの変化量が異なるものとなる。したがって、ノック抑制制御を実施した際に空燃比のリッチ化の度合いを速やかに把握できないと、リッチ化に起因するエンジントルクの変化を考慮したエンジン制御を適切に行うことが難しくなる可能性がある。

（ＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０に基づく空燃比変化量ΔＡ／Ｆの推定）
図２は、本発明の実施の形態１で用いられる空燃比変化量ΔＡ／Ｆの推定手法を説明するための図である。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、エンジン回転速度が一定である条件の下で、一例としてＣＡ５０と空燃比とを軸として、ＳＡ−ＣＡ１０とＣＡ５０と空燃比との関係をそれぞれ表した図である。より具体的には、図２（Ａ）は、最も低負荷である時の関係を示し、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）の順でエンジン負荷がより高い時の関係をそれぞれ示している。

図２の横軸であるＳＡ−ＣＡ１０は、燃焼安定性を示す燃焼指標値として本実施形態において用いられるパラメータである。ＳＡ−ＣＡ１０は、点火時期からＣＡ１０までのクランク角期間（より具体的には、ＣＡ１０から点火時期（ＳＡ）を引いて得られる差）である。また、図５の縦軸であるＣＡ５０（燃焼重心点）は、燃焼時期を示す燃焼指標値として本実施形態において用いられるパラメータである。

図２（Ａ）〜図２（Ｄ）の各図には、複数の等ＳＡ−ＣＡ１０ラインと、一本の基本点火時期のライン（目標ノックレベルライン）とが表されている。また、各図中の作動点ｐ１〜ｐ４は、事前に適合された作動点を示しており、したがって、ノックを抑制する必要がない場合には、この作動点ｐ１〜ｐ４が使用されることになる。なお、各作動点ｐ１〜ｐ４のＳＡ−ＣＡ１０は、同じ値とされている。

図２（Ａ）〜図２（Ｄ）中に示すラインＬ１〜Ｌ４は、それぞれ、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）のエンジン負荷状態における作動点ｐ１〜ｐ４が通る等ＳＡ−ＣＡ１０ラインである。図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）の各図にも、図２（Ａ）に示すエンジン負荷状態のラインＬ１が描かれている。図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）より、ラインＬ１が各図中のラインＬ２〜Ｌ４と概ね一致する傾向が得られることが分かる。このことから、ＳＡ−ＣＡ１０とＣＡ５０と空燃比との関係が、エンジン負荷によらずに一定とみなせることが分かる。

図２の各図に示す関係によれば、筒内圧センサ３０の出力値を利用して算出されるＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０に基づいて、各燃焼サイクルの空燃比（絶対値）を算出することができる。そこで、ＥＣＵ４０のメモリ４０ａには、図２に示すような傾向でＳＡ−ＣＡ１０とＣＡ５０と空燃比との関係を規定するマップ（以下、「マップＭ」と称する）が記憶されている。

そのうえで、本実施形態では、ノック抑制制御の開始前の燃焼サイクル（本発明における「第１の燃焼サイクル」に相当）ＣＹＣ１のＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０とマップＭとを用いて、燃焼サイクルＣＹＣ１の空燃比Ａ／Ｆ１が算出される。また、ノック抑制制御（すなわち、点火遅角と噴射燃料の増量）を実行した後の燃焼サイクル（本発明における「第２の燃焼サイクル」に相当）ＣＹＣ２のＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０とマップＭとを用いて、燃焼サイクルＣＹＣ２の空燃比Ａ／Ｆ２が算出される。そして、空燃比Ａ／Ｆ１と空燃比Ａ／Ｆ２との空燃比変化量ΔＡ／Ｆ（＝Ａ／Ｆ１−Ａ／Ｆ２）が算出される。このようにして空燃比変化量ΔＡ／Ｆが推定される。

また、本実施形態では、上記のように算出される空燃比Ａ／Ｆ１およびＡ／Ｆ２を用いて、ノック抑制制御の実施前後の燃焼サイクルＣＹＣ１と燃焼サイクルＣＹＣ２との間でのエンジントルクの変化量ΔＴおよびＮＯｘ濃度（気筒内から排出されるＮＯｘの濃度）の変化量ΔＮＯｘのそれぞれの推定値が算出される。

（実施の形態１における具体的な処理）
次に、図３は、実施の形態１において実行される制御ルーチンを表したフローチャートである。なお、本ルーチンは、各気筒において排気弁２２の開き時期を経過したタイミング（すなわち、ＭＦＢの実測データの算出の基礎となる筒内圧Ｐのデータの取得を終えたタイミング）で起動され、かつ、燃焼サイクル毎に繰り返し実行される。

図３に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、まず、リーンバーン運転中であるか否かを判定する（ステップ１００）。内燃機関１０では、所定の運転領域において理論空燃比よりも大きな（リーンな）空燃比でのリーンバーン運転が行われるようになっている。ここでは、現在の運転領域がそのようなリーンバーン運転を行う運転領域に該当するか否かが判定される。ここでいう運転領域は、例えば、エンジン負荷率とエンジン回転速度とに基づいて規定することができる。エンジン負荷率は、例えば、エアフローセンサ４４を用いて取得される吸入空気量と、エンジン回転速度とに基づいて算出することができる。

ＥＣＵ４０は、ステップ１００においてリーンバーン運転中であると判定した場合には、ノック抑制のための点火時期の遅角要求があるか否かを判定する（ステップ１０２）。具体的には、一例として、ノックセンサ４６を用いて算出されるノック強度が判定閾値よりも大きいか否かに基づいてノックの発生の有無が判定され、ノックが発生したと判定された場合には、点火時期の遅角要求が出される。

ＥＣＵ４０は、ステップ１０２において遅角要求があると判定した場合には、所定量だけ点火時期を遅角する点火時期の遅角指令を点火装置２８に対して出力する（ステップ１０４）。その結果、本遅角指令後に行われる各気筒の燃焼サイクルで用いられる点火時期が所定量だけ遅角される。

次に、ＥＣＵ４０は、空燃比のリッチ化のための噴射燃料の増量指令を燃料噴射弁２６に出力する（ステップ１０６）。ここでは、一例として、ステップ１０４の処理による点火時期の遅角量（上記所定量）に応じた量だけ噴射燃料が増量される。その結果、本増量指令後に行われる各気筒の燃焼サイクルで用いられる燃料噴射量が増やされる。このように、ステップ１０４および１０６の処理によって上述のノック抑制制御の実行指令が出される。

次に、ＥＣＵ４０は、今回の燃焼サイクルのＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０を算出する（ステップ１０８）。上述のように、ＣＡ１０およびＣＡ５０は、筒内圧センサ３０の出力値を利用して算出することができる。ＳＡ−ＣＡ１０は、このように算出可能なＣＡ１０と上述の目標点火時期との差として算出することができる。また、ステップ１０８では、ＥＣＵ４０は、算出したＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０をメモリ４０ａに記憶する。メモリ４０ａに記憶されるＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０は、直近の１サイクルでの値であってもよいし、もしくは、例えば、直近の所定の複数サイクルでの値の平均値であってもよい。そして、記憶対象のＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０の値は、燃焼サイクルの経過とともに逐次更新されていく。

次に、ＥＣＵ４０は、今回の燃焼サイクルが、上述のノック抑制制御（点火遅角と噴射燃料の増量）を行った燃焼サイクルであるか否かを判定する（ステップ１１０）。その結果、本ステップ１１０の判定が成立する場合には、ＥＣＵ４０は、空燃比の変化量ΔＡ／Ｆを推定する（ステップ１１２）。

具体的には、メモリ４０ａに記憶されている上述のマップＭを参照して、ノック抑制制御の開始前の燃焼サイクルＣＹＣ１のＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０に対応する空燃比Ａ／Ｆ１が算出される。この算出に用いられるＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０として、ステップ１０８の処理による記憶値が取得されて利用される。そして、同様にマップＭを参照して、ノック抑制制御を実行した後の燃焼サイクルＣＹＣ２（すなわち、今回の燃焼サイクル）のＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０に対応する空燃比Ａ／Ｆ２が算出される。そのうで、算出された空燃比Ａ／Ｆ１と空燃比Ａ／Ｆ２との空燃比変化量ΔＡ／Ｆの推定値が算出される。ステップ１１２の処理によれば、今回のノック抑制制御の開始前の目標点火時期が基本点火時期（適合値）である場合には、基本点火時期での空燃比に対する変化量に相当する空燃比変化量ΔＡ／Ｆが推定される。

次に、ＥＣＵ４０は、エンジントルク変化量（以下、「単にトルク変化量」と略する）ΔＴを推定する（ステップ１１４）。本ステップ１１４では、まず、遅角および増量後の燃焼サイクルＣＹＣ２のエンジントルクＴｒｔｄが、次の（４）式に従って算出される。

ただし、上記（４）式において、Ｔｂａｓｅは、遅角および増量の開始前の燃焼サイクルＣＹＣ１のエンジントルクであり、「ベーストルク」と称する。Ｒａｆはノック抑制制御の実施前後での燃料の噴射量変化率である。ＲｃｏｍｂおよびＲｒｔｄは、それぞれ、ノック抑制制御の実施前後での燃焼効率比および点火効率比である。

ＥＣＵ４０には、目標点火時期が基本点火時期（適合値）であるときのベーストルクＴｂａｓｅと、エンジン負荷率およびエンジン回転速度との関係を規定するマップ（図示省略）が記憶されている。したがって、トルク変化量ΔＴの算出に用いる燃焼サイクルＣＹＣ１の目標点火時期が基本点火時期（適合値）である場合には、ベーストルクＴｂａｓｅは、このマップを参照して算出される。ノック抑制制御によって遅角と増量とが２回以上行われた場合のベーストルクＴｂａｓｅとしては、前回の遅角および増量を実施した後のエンジントルクＴｒｔｄが用いられる。このような処理を可能とするために、上記（４）式によるエンジントルクＴｒｔｄの算出値はメモリ４０ａに記憶されるものとする。

噴射量変化率Ｒａｆは、燃焼サイクルＣＹＣ２の燃料噴射量ｑｒｔｄを、燃焼サイクルＣＹＣ１の燃料噴射量ｑｂａｓｅで除することにより算出することができる。燃料噴射量ｑｒｔｄおよびｑｂａｓｅは、ＥＣＵ４０が記憶している燃料噴射量の履歴を用いて、燃焼サイクルＣＹＣ２およびＣＹＣ１のそれぞれでの燃料噴射量の指令値（目標燃料噴射量）から取得することができる。

図４は、トルク変化量ΔＴの推定に用いられる燃焼効率比Ｒｃｏｍｂおよび点火効率比Ｒｒｔｄの算出手法の一例を説明するための図である。まず、図４（Ａ）は、燃焼効率と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。図４（Ａ）に示すように、燃焼効率は、リーン空燃比領域においては、空燃比がリーンになるにつれて上昇していく。これは、空燃比がリーンになることで、気筒内の混合気の比熱比が増加し、またポンプロスが低減するためである。ただし、燃焼効率は、図４（Ａ）に示すように、ある空燃比Ａ／Ｆ０において１（ピーク値）を示し、空燃比Ａ／Ｆ０よりも空燃比がリーン化されると燃焼悪化に伴って低下する。ＥＣＵ４０のメモリ４０ａには、図４（Ａ）に示すような傾向で燃焼効率と空燃比との関係を規定したマップ（図示省略）が記憶されている。本ステップ１１４では、そのようなマップを参照して、ステップ１１２で算出された空燃比Ａ／Ｆ１およびＡ／Ｆ２のそれぞれに対応する燃焼効率が算出される。そして、これらの燃焼効率の比（Ａ／Ｆ２での燃焼効率をＡ／Ｆ１での燃焼効率で除した値）である燃焼効率比Ｒｃｏｍｂが算出される。

また、図４（Ｂ）は、点火効率とＣＡ５０との関係を表した図である。図４（Ｂ）に示すように、点火効率は、ＭＢＴ点火時期が得られるときのＣＡ５０において１（ピーク値）となり、このＣＡ５０よりもＣＡ５０が点火時期の調整によって進角または遅角されると低下する。ＥＣＵ４０のメモリ４０ａには、図４（Ｂ）に示すような傾向で点火効率とＣＡ５０との関係を規定したマップが記憶されている。本ステップ１１４では、そのようなマップを参照して、燃焼サイクルＣＹＣ１およびＣＹＣ２のそれぞれのＣＡ５０に対応する点火効率が算出される。そして、これらの点火効率の比（ＣＹＣ２のＣＡ５０での点火効率をＣＹＣ１のＣＡ５０での点火効率で除した値）である点火効率比Ｒｒｔｄが算出される。

上記（４）式の右辺の各パラメータは上述のように算出することができる。したがって、算出された上記各パラメータを（４）式に代入することで、燃焼サイクルＣＹＣ２（遅角および増量後）のエンジントルクＴｒｔｄを算出することができる。そして、算出されたエンジントルクＴｒｔｄとベーストルクＴｂａｓｅとを用いて、トルク変化量ΔＴの推定値を算出することができる。なお、このような処理によって算出可能なトルク変化量ΔＴは、ノック抑制制御の実施の前後の空燃比Ａ／Ｆ１、Ａ／Ｆ２を利用して算出しているので、空燃比変化量ΔＡ／Ｆに基づく推定値であるともいえる。

次に、ＥＣＵ４０は、ＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘを推定する（ステップ１１６）。本ステップ１１６では、まず、遅角および増量後の燃焼サイクルＣＹＣ２のＮＯｘ濃度ＮＯｘｒｔｄが、次の（５）式に従って算出される。

ただし、上記（５）式において、ＮＯｘｂａｓｅは、遅角および増量の開始前の燃焼サイクルＣＹＣ１のＮＯｘ濃度であり、「ベースＮＯｘ濃度」と称する。Ｒ’ａｆはノック抑制制御の実施前後での空燃比変化によるＮＯｘ濃度比である。Ｒ’ｒｔｄは、ノック抑制制御の実施前後での点火時期変化（ＣＡ５０変化）によるＮＯｘ濃度比である。

ＥＣＵ４０には、目標点火時期が基本点火時期（適合値）であるときのベースＮＯｘ濃度ＮＯｘｂａｓｅと、エンジン負荷率およびエンジン回転速度との関係を規定するマップ（図示省略）が記憶されている。したがって、ＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘの算出に用いる燃焼サイクルＣＹＣ１の目標点火時期が基本点火時期（適合値）である場合には、ベースＮＯｘ濃度ＮＯｘｂａｓｅは、このマップを参照して算出される。ノック抑制制御によって遅角と増量とが２回以上行われた場合のベースＮＯｘ濃度ＮＯｘｂａｓｅとしては、前回の遅角および増量を実施した後のＮＯｘ濃度ＮＯｘｒｔｄが用いられる。このような処理を可能とするために、上記（５）式によるＮＯｘ濃度ＮＯｘｒｔｄの算出値はメモリ４０ａに記憶されるものとする。

図５は、ＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘの推定に用いられる空燃比変化によるＮＯｘ濃度比Ｒ’ａｆおよび点火時期変化によるＮＯｘ濃度比Ｒ’ｒｔｄの算出手法の一例を説明するための図である。まず、図５（Ａ）は、ＮＯｘ濃度と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。より具体的には、図５（Ａ）は、ＮＯｘ濃度がピークを示す理論空燃比近傍の空燃比よりもリーン側のリーン空燃比領域における関係を表している。このリーン空燃比領域では、図５（Ａ）に示すように、ＮＯｘ濃度は、空燃比がリーンになるにつれて低下していくという特性を有している。ＥＣＵ４０のメモリ４０ａには、図５（Ａ）に示すような傾向でＮＯｘ濃度と空燃比との関係を規定したマップ（図示省略）が記憶されている。本ステップ１１６では、そのようなマップを参照して、ステップ１１２で算出された空燃比Ａ／Ｆ１およびＡ／Ｆ２のそれぞれに対応するＮＯｘ濃度が算出される。そして、これらのＮＯｘ濃度の比（Ａ／Ｆ２でのＮＯｘ濃度をＡ／Ｆ１でのＮＯｘ濃度で除した値）であるＮＯｘ濃度比Ｒ’ａｆが算出される。

また、図５（Ｂ）は、ＮＯｘ濃度とＣＡ５０との関係を表した図である。図５（Ｂ）に示すように、ＭＢＴ点火時期が得られるときのＣＡ５０に対して点火時期（ＣＡ５０）が遅角された場合には、ＮＯｘ濃度は、ＣＡ５０の遅角量が大きくなるにつれて低下する。ＥＣＵ４０のメモリ４０ａには、図５（Ｂ）に示すような傾向でＮＯｘ濃度とＣＡ５０との関係を規定したマップ（図示省略）が記憶されている。本ステップ１１６では、そのようなマップを参照して、燃焼サイクルＣＹＣ１およびＣＹＣ２のそれぞれのＣＡ５０に対応するＮＯｘ濃度が算出される。そして、これらのＮＯｘ濃度の比（ＣＹＣ２のＣＡ５０でのＮＯｘ濃度をＣＹＣ１のＣＡ５０でのＮＯｘ濃度で除した値）であるＮＯｘ濃度比Ｒ’ｒｔｄが算出される。

上記（５）式の右辺の各パラメータは上述のように算出することができる。したがって、算出された上記各パラメータを（５）式に代入することで、燃焼サイクルＣＹＣ２（遅角および増量後）のＮＯｘ濃度ＮＯｘｒｔｄを算出することができる。そして、算出されたＮＯｘ濃度ＮＯｘｒｔｄとベースＮＯｘ濃度ＮＯｘｂａｓｅとを用いて、ＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘの推定値を算出することができる。なお、このような処理によって算出可能なＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘは、ノック抑制制御の実施の前後の空燃比Ａ／Ｆ１、Ａ／Ｆ２を利用して算出しているので、空燃比変化量ΔＡ／Ｆに基づく推定値であるともいえる。

図２を参照して既述したように、本件発明者らは、ＳＡ−ＣＡ１０（燃焼安定性指標値）とＣＡ５０（燃焼時期指標値）と空燃比との間には、エンジン負荷の変化に関係なく概ね一定となる関係があることを見出した。以上説明した図３に示すルーチンによれば、そのような関係にあるＳＡ−ＣＡ１０とＣＡ５０と空燃比との関係を規定するマップＭと、筒内圧センサ３０の出力値に基づくＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０の算出値とを利用して、ノック抑制制御（点火遅角と噴射燃料の増量）の実施前後での空燃比変化量ΔＡ／Ｆを推定することができる。そして、本手法によれば、筒内圧センサ３０の出力値を利用しているので、燃焼サイクル毎にＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０の算出が可能である。このため、本手法によれば、ノック抑制制御を実施した後に上記空燃比変化量ΔＡ／Ｆを速やかに把握しつつ、ノック抑制制御を行えるようになる。

また、図３に示すルーチンによれば、マップＭを参照して推定される空燃比Ａ／Ｆ１およびＡ／Ｆ２を利用して、ノック抑制制御の実施の前後でのトルク変化量ΔＴが推定される。ここで、噴射燃料の増量を行った場合のトルク変化量ΔＴには、燃料噴射量の増加による変化分だけでなく、燃焼効率の変化分をも考慮することが望ましい。これらのトルク変化分がエンジン制御において加味されていないと、いわゆるトルクデマンド制御等のエンジントルクの制御に影響を及ぼし、内燃機関のドライバビリティの低下を招く可能性があるためである。この点に関し、本手法によれば、噴射量変化率Ｒａｆおよび燃焼効率比Ｒｃｏｍｂが加味されたトルク変化量ΔＴを推定することができる。さらに、本手法によれば、点火効率比Ｒｒｔｄをも加味してトルク変化量ΔＴを推定することができる。

さらに付け加えると、ノック抑制制御を実施した際に空燃比のリッチ化の度合いを適切に把握できていないと、排気エミッション（ＮＯｘの排出）について次のような課題がある。すなわち、リーンバーン運転中のＮＯｘ濃度に応じていわゆるリッチスパイク制御を実行することがあるが、リッチ化の度合いを適切に把握できていないと、このリッチスパイク制御に影響を及ぼしてしまう。このことは、排気エミッションの悪化、もしくは過剰なリッチスパイク制御の実施による燃費悪化に繋がる可能性がある。さらには、いわゆる触媒ＯＢＤの判定に影響を及ぼす可能性もある。この点に関し、図３に示すルーチンによれば、マップＭを参照して推定される空燃比Ａ／Ｆ１およびＡ／Ｆ２を利用して、空燃比変化によるＮＯｘ濃度比Ｒ’ａｆが加味された値として、ノック抑制制御の実施の前後でのＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘを推定することができる。このため、上述のリッチスパイク制御および触媒ＯＢＤ等への適用に関して好ましいＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘの推定手法を提供することができる。また、本手法によれば、点火時期の変化によるＮＯｘ濃度比Ｒ’Ｒｒｔｄをも加味してＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘを推定することができる。

なお、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０がステップ１０８の処理を実行することにより本発明における「指標値算出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０がステップ１０２の判定が成立する場合にステップ１０４および１０６の処理を実行することにより本発明における「ノック抑制実行手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ４０がステップ１１２の処理を実行することにより本発明における「推定手段」が実現されている。また、マップＭを記憶するメモリ４０ａが本発明における「記憶手段」に相当している。

ところで、上述した実施の形態１においては、マップＭを参照して推定される空燃比Ａ／Ｆ１およびＡ／Ｆ２を用いて空燃比変化量ΔＡ／Ｆを推定する例について説明を行った。これに代え、ノック抑制制御の実施前後での空燃比変化率（Ａ／Ｆ２をＡ／Ｆ１で除した値）が推定されるようになっていてもよい。また、同様に、トルク変化量ΔＴに代え、トルク変化率が推定されるようになっていてもよいし、ＮＯｘ濃度変化量ΔＮＯｘに代え、ＮＯｘ濃度変化率が推定されるようになっていてもよい。具体的には、（４）式を利用して２つのトルク値の比（Ｔｒｔｄ／Ｔｂａｓｅ）を算出することで、ノック抑制制御の実施前後でのトルク変化率を算出することができる。また、（５）式を利用して２つのＮＯｘ濃度値の比（ＮＯｘｒｔｄ／ＮＯｘｂａｓｅ）を算出することで、ノック抑制制御の実施前後でのＮＯｘ濃度変化率を算出することができる。

また、上述した実施の形態１においては、燃焼安定性を示す燃焼指標値として、ＳＡ−ＣＡ１０を例示した。しかしながら、本発明における「燃焼安定性指標値」は、燃焼安定性（より具体的には、主燃焼の安定性）を代表するパラメータであればよく、ＳＡ−ＣＡ１０に代え、例えば、点火時期（ＳＡ）からＣＡ１０以外の任意の特定割合燃焼点ＣＡα１までのクランク角期間を用いることができる。また、「燃焼時期指標値」については、燃焼時期を代表する指標値であればよく、例示したＣＡ５０に代え、例えば、筒内圧最大クランク角度θ_Ｐｍａｘであってもよく、あるいは、ＣＡ５０以外の任意の特定割合燃焼点ＣＡα２であってもよい。

また、空燃比変化量ΔＡ／Ｆの推定精度の向上のために、ＳＡ−ＣＡ１０（燃焼安定性指標値）とＣＡ５０（燃焼時期指標値）と空燃比との関係（例えば、マップＭの各マップ値）は、吸気温度およびエンジン冷却水温度に基づいて補正されるようになっていてもよい。

また、実施の形態１においては、本発明に係る「関係情報」の一例としてマップＭを用いる例について説明を行った。しかしながら、本発明に係る「関係情報」は、必ずしもマップという形態で構築されて制御装置内に記憶されているものに限られず、例えば、燃焼安定性指標値と燃焼時期指標値と空燃比との関係を規定する関係式という形態で構築および記憶されていてもよい。

また、実施の形態１においては、ノック抑制制御（点火時期の遅角と噴射燃料の増量）をリーンバーン運転中に行う例について説明を行った。しかしながら、本制御の適用対象は、リーンバーン運転に限られず、例えば、理論空燃比燃焼運転であってもよい。より具体的には、基本的にはリーンバーン運転中と比べて燃焼安定性が高くなるといえる理論空燃比燃焼運転中であっても、例えば、大量のＥＧＲガスが導入される場合には、点火時期の遅角によってトルク変動が大きくなり易い。したがって、本制御は、このような場合においても、好適に適用することができる。

また、実施の形態１においては、シリンダブロックに伝わる振動を検出する方式のノックセンサ４６を用いてノック検出を行う例について説明を行った。しかしながら、本発明の「ノック検出手段」は、上記方式のノックセンサ４６に代え、例えば、筒内圧センサ３０を用いてノックを検出するものであってもよい。具体的には、例えば、ノック検出のための所定クランク角期間における筒内圧センサ３０の出力信号（すなわち、ノック判定用信号）の強度のピーク値がノック強度として算出されてもよく、あるいは、ノック判定用信号の強度の積分値がノック強度として算出されてもよい。

また、実施の形態１においては、各気筒に筒内圧センサ３０を備える構成の内燃機関１０を例に挙げた。しかしながら、本発明における空燃比変化量の推定を行ううえでは、筒内圧センサ３０は少なくとも１つの気筒に備えられていればよい。したがって、例えば、特定の１つの気筒を代表気筒として筒内圧センサ３０を設置し、この筒内圧センサ３０の出力値に基づくＳＡ−ＣＡ１０およびＣＡ５０が算出されるようになっていてもよい。

また、ＳＡ−ＣＡ１０等の燃焼安定性指標値とＣＡ５０等の燃焼時期指標値と「トルク効率」との関係を規定する関係情報を備えておくことで、筒内圧センサの出力値に基づく燃焼安定性指標値と燃焼時期指標値を利用して、ノック抑制制御の実施の前後でのそれぞれのトルク効率を直接的に（空燃比を介さずに）算出することもできる。ここでいうトルク効率とは、上述の燃焼効率と点火効率との積に相当する。したがって、このように算出されるトルク効率の比を算出することで、ノック抑制制御の実施前後でのトルク効率比を推定することができる。また、トルク効率比は、次のような手法によっても算出することができる。すなわち、基本点火時期（適合値）でのベースのトルク効率は事前に把握できる。このため、ベースのトルク効率に対するノック抑制制御の実施後のトルク効率の比に相当するトルク効率比と、燃焼安定性指標値および燃焼時期指標値との関係を規定する関係情報を備えておくことで、燃焼安定性指標値および燃焼時期指標値に基づいてトルク効率比を推定できるようになる。そして、これらの手法により算出されるトルク効率比は、（４）式中の燃焼効率比Ｒｃｏｍｂと点火効率比Ｒｒｔｄとの積に相当する。したがって、トルク効率比を（４）式に代入することによって、空燃比を介さずにトルク変化量ΔＴもしくはエンジントルク変化率を推定できるようになる。

上記のことはＮＯｘ濃度に関しても同様であり、燃焼安定性指標値と燃焼時期指標値とＮＯｘ濃度との関係を規定する関係情報を備えておくことで、筒内圧センサの出力値に基づく燃焼安定性指標値と燃焼時期指標値を利用して、ノック抑制制御の実施の前後でのそれぞれのＮＯｘ濃度を直接的に（空燃比を介さずに）算出することもできる。したがって、このように算出可能な２つのＮＯｘ濃度の差もしくは比を算出することにより、ノック抑制制御の実施前後でのＮＯｘ変化量ΔＮＯｘもしくはＮＯｘ濃度変化率を、空燃比を介さずに推定できるようになる。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ 吸気弁
２２ 排気弁
２４ スロットルバルブ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火装置
３０ 筒内圧センサ
４０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４０ａ メモリ
４２ クランク角センサ
４４ エアフローセンサ
４６ ノックセンサ

Claims (1)

1. 気筒内の混合気に点火する点火装置と、前記気筒内に燃料を供給する燃料噴射弁と、筒内圧を検出する筒内圧センサとを備える内燃機関を制御する制御装置であって、
   ノックを検出するノック検出手段と、
   前記筒内圧センサの出力値に基づいて、燃焼安定性を示す燃焼安定性指標値と、燃焼時期を示す燃焼時期指標値とを算出する指標値算出手段と、
   前記燃焼安定性指標値および前記燃焼時期指標値と、空燃比、トルク効率、トルク効率比もしくはＮＯｘ濃度との関係を規定する関係情報を記憶する記憶手段と、
   前記ノック検出手段の検出結果に基づいてノックを抑制する場合に、点火時期を遅角し、かつ、空燃比のリッチ化のために噴射燃料を増量するノック抑制制御を実行するノック抑制実行手段と、
   前記ノック抑制制御の開始前の第１の燃焼サイクルの前記燃焼安定性指標値および前記燃焼時期指標値と、前記ノック抑制制御を実行した後の第２の燃焼サイクルの前記燃焼安定性指標値および前記燃焼時期指標値と、前記関係情報とに基づいて、前記第１の燃焼サイクルと前記第２の燃焼サイクルとの間での空燃比、エンジントルクおよびＮＯｘ濃度の少なくとも１つについての変化量もしくは変化率を推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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