内燃機関の燃焼制御装置
【課題】燃焼重心位置に基づいて正確に燃焼状態を判別する。
【解決手段】機関１０の各気筒に筒内圧センサ１１〜１４を設け、検出した気筒内圧力とクランク角とに基づいて筒内熱発生量を算出し、燃焼サイクルにおける総熱発生量の所定割合の熱が発生するクランク角である燃焼重心位置θｇを求める。また、熱発生量に基づいて実際に気筒内で燃焼が開始されたクランク角である実燃焼開始点θｓを算出し、実燃焼開始点θｓに対する相対的な燃焼重心位置θｇのクランク角θｄ＝θｇ−θｓを求め、このθｄが上限値を越えた場合に真に燃焼が悪化したと判断していする。実燃焼開始点θｓに対する相対的な燃焼重心位置θｇを用いて燃焼状態を判定することにより、着火遅れ正常燃焼などを異常燃焼として誤判定することが防止される。
【解決手段】機関１０の各気筒に筒内圧センサ１１〜１４を設け、検出した気筒内圧力とクランク角とに基づいて筒内熱発生量を算出し、燃焼サイクルにおける総熱発生量の所定割合の熱が発生するクランク角である燃焼重心位置θｇを求める。また、熱発生量に基づいて実際に気筒内で燃焼が開始されたクランク角である実燃焼開始点θｓを算出し、実燃焼開始点θｓに対する相対的な燃焼重心位置θｇのクランク角θｄ＝θｇ−θｓを求め、このθｄが上限値を越えた場合に真に燃焼が悪化したと判断していする。実燃焼開始点θｓに対する相対的な燃焼重心位置θｇを用いて燃焼状態を判定することにより、着火遅れ正常燃焼などを異常燃焼として誤判定することが防止される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、詳細には気筒内燃焼圧力に基づいて気筒の燃焼状態を判定する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の各気筒に気筒内圧力を検出可能な筒内圧センサを設け、機関運転中に検出した気筒内圧力（燃焼圧力）に基づいて各気筒の熱発生量を演算するとともに、この熱発生量に基づいて各気筒の燃焼状態を制御する内燃機関の燃焼制御装置が知られている。
【０００３】
この種の燃焼制御装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。
【０００４】
特許文献１の燃焼制御装置は、気筒内燃焼圧力に基づいて、単位クランク角毎の熱発生量（熱発生率）ｄＱを算出する。そして、気筒の１燃焼サイクルにおける熱発生量の総和（総熱発生量）Ｑｔを演算するとともに、上記各クランク角毎の熱発生率から、熱発生量がＱｔの５０パーセントに到達するクランク角（熱発生重心位置）を求めるようにしている。
【０００５】
特許文献１の装置では、上記熱発生重心位置が予め定めた目標位置（クランク角）になるように機関の点火時期を修正することにより、機関の燃焼状態を良好な状態になるように調整する。熱発生重心位置は、気筒内の燃焼パターンを反映しており燃焼状態を最も忠実に表している。このため、熱発生重心位置が予め定めた理想的な燃焼状態に対応する位置になるように点火時期を調整することにより、気筒内の燃焼状態を良好な状態に維持することが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２１６０７３号公報
【特許文献２】特開２００５−１２０８６０号公報
【特許文献３】特開２００５−２２６６３１号公報
【特許文献４】特開昭６３−２６８９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、実際には特許文献１のように気筒内燃焼状態を燃焼重心位置のみで判断していると問題が生じる場合がある。
【０００８】
特許文献１に記載されたように、燃焼重心位置は気筒内燃焼状態と密接な関係にある。例えば、理論空燃比より大幅に高い空燃比（リーン空燃比）で運転を行うリーンバーンエンジンなどでは、理論空燃比混合気の燃焼に較べて燃焼速度が遅くなり、筒内圧力の上昇が遅れるため発生トルクが低下する異常燃焼が生じる場合がある。
【０００９】
この場合には、燃焼速度の遅れに伴って燃焼重心位置も遅角するため、燃焼重心位置の遅角がある程度以上になった場合に異常燃焼が生じた（すなわち、燃焼が悪化した）と判断し、点火時期進角や燃料噴射量増量等の対策をとるようにすることができる。
【００１０】
しかし、実際には異常燃焼が生じておらず発生トルクは低下していないにもかかわらず燃焼重心位置に遅角が生じる場合がある。
【００１１】
例えば、一般的には異常燃焼時には着火（燃焼開始）が遅れ、かつ燃焼速度も遅くなり燃焼行程時に弱い燃焼が遅くまで続くため、発生トルクが低下するとともに燃焼重心が遅角するのであるが、着火が遅れても燃焼速度が低下しなければ実際には発生トルクは低下しない。
【００１２】
この場合には、着火が遅れているだけであり、発生トルクも低下しておらず燃焼が悪化しているわけでもない。ところが、この場合でも混合気の着火（燃焼開始）が遅れれば燃焼速度が低下していなくても燃焼パターン全体が正常な場合に較べて遅角方向にずれるために、燃焼重心位置は遅角するようになる。
【００１３】
一般に、リーンバーンエンジンなどでは混合気空燃比がリーンであるため理論空燃比の混合気に較べて混合気の着火は遅れる傾向があるが、通常リーンバーンエンジンでは点火プラグのスパークの点火エネルギーを強くしているため、着火が遅れても一旦混合気に着火すると燃焼速度は充分に速くなり異常燃焼は生じない場合が多い。また、通常混合気の着火は圧縮上死点前に開始されるが、着火が遅れると全体的に圧縮比の高い状態で行われるようになるため、異常燃焼が生じていない場合には燃焼速度が速くなる。
【００１４】
すなわち、上記のような場合には、混合気の着火（燃焼開始）が遅れるために全体として通常よりも燃焼重心位置は遅角するものの、実際には燃焼開始後の燃焼速度は速く発生トルクも低下しない。
【００１５】
このため、特許文献１の装置のように単に燃焼重心位置のみで燃焼状態を判定していると、上記のように着火が遅れただけの正常燃焼と真の異常燃焼との判別ができず、着火遅れ正常燃焼の場合も異常燃焼が生じたと判定され、点火時期の進角や燃料の増量等の燃焼改善操作が行われてしまい、かえって排気性状の悪化等の問題を生じる場合がある。
【００１６】
本発明は上記問題に鑑み、着火遅れ正常燃焼などのように実際に燃焼が悪化していない見かけ上の異常燃焼と実際に燃焼が悪化する真の異常燃焼とを正確に判別することが可能な手段を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、気筒内燃焼圧力を検出するとともに、検出した燃焼圧力に基づいて気筒内熱発生量を算出する手段を備えた内燃機関の燃焼制御装置において、気筒１燃焼サイクル中における気筒内熱発生量が、当該燃焼サイクルにおける気筒内総熱発生量に対して予め定めた比率に到達するクランク角である燃焼重心位置を算出する手段と、気筒内で実際の燃焼が開始されたクランク角である実燃焼開始点を検出する手段と、前記実燃焼開始点から前記算出した燃焼重心位置までのクランク角度が予め定めた判定値より大きい場合に、前記気筒の燃焼状態が悪化したと判定する判定手段と、を備えた内燃機関の燃焼制御装置が提供される。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、前記実燃焼開始点は、前記総熱発生量に対する熱発生量の比率が前記燃焼重心位置を算出する際の前記予め定めた値より小さい所定の比率に到達した点として定義される、請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項１と請求項２の発明では、特許文献１の発明のように燃焼重心位置そのもので燃焼悪化を判定するのではなく、実際の燃焼開始点に対する相対的な燃焼重心位置（実燃焼開始点から燃焼重心位置までのクランク角度）に基づいて判断される。
【００２０】
なお、特許文献１の燃焼重心位置は、気筒内の熱発生量が気筒内総熱発生量の５０パーセントに到達したときのクランク角位置として定義されているが、本発明の燃焼重心位置は、気筒内熱発生量が、気筒内総熱発生量の所定の割合（厳密に５０パーセントの熱発生量の位置である必要はなく、例えば４０パーセントから６０パーセントの間のいずれかの値）に到達したときのクランク角位置として定義される。
【００２１】
以下、本発明の異常燃焼判定原理について説明する。
図２は燃焼状態に応じた燃焼行程時の筒内圧の変化を示し、図の縦軸は燃焼圧力、横軸はクランク角を示している。
【００２２】
図２において、カーブＩは正常燃焼の圧力変化を、カーブＩＩＩは異常燃焼の圧力変化を、カーブＩＩは着火遅れ正常燃焼の圧力変化をそれぞれ示している。
【００２３】
図２に示すように、異常燃焼（カーブＩＩＩ）では、圧力上昇開始（着火）が正常燃焼（カーブＩ）より遅れ、かつ圧力上昇速度（燃焼速度）も遅いため筒内最高圧力も大幅に正常燃焼に較べて小さくなっており、気筒の出力トルクも大幅に低下する。
【００２４】
一方、着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の場合には、着火は正常燃焼に較べて遅れるものの、一旦着火が生じると圧力上昇速度（燃焼速度）は正常燃焼の場合と同等であり、筒内最高圧力もほぼ同じになるため、気筒出力トルクも低下しない。
【００２５】
図３は、図２のそれぞれの燃焼状態における熱発生量の変化を示す図である。後述するように、熱発生量は各クランク角における筒内圧力と容積とに基づいて算出される熱発生率（単位クランク角当りの熱発生量）を逐次積算することにより求められる。
【００２６】
図３に示すように、熱発生量についても正常燃焼（カーブＩ）に較べて異常燃焼（カーブＩＩＩ）の場合は増加開始（着火）と増加速度（燃焼速度）とが共に遅れるため、最終的に到達する総熱発生量も小さくなる。
【００２７】
これに対して着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の場合、熱発生量の増加開始（着火）はおくれるものの、一旦着火すると増加速度（燃焼速度）は正常燃焼（カーブＩ）と同等であり、最終的に到達する総熱発生量も正常燃焼と遜色ない。このため、着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の場合には、気筒出力トルクも正常燃焼（カーブＩ）の場合と同様になり出力トルクの低下は生じない。
【００２８】
次に、図３のそれぞれの燃焼状態における燃焼重心位置について説明する。
本発明では、燃焼重心は気筒内の所定期間における総熱発生量の所定割合（図３では５０パーセントとした場合を示すが、４０から６０パーセントの間のいずれかの割合を用いても図３と同様な結果になることが判明している）の熱発生量に到達するクランク角として定義されている。
【００２９】
図３に示すように、異常燃焼（カーブＩＩＩ）の場合には着火が遅く、更に燃焼速度も遅いため、燃焼重心位置（Ｃ）は正常燃焼（カーブＩ）の燃焼重心位置（Ａ）に較べてかなり遅角する。これに対して、着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の場合も着火遅れのため燃焼重心位置（Ｂ）が正常燃焼時に較べて遅角し、異常燃焼時の燃焼重心位置（Ｃ）に近づくようになる。
【００３０】
このため、燃焼重心位置のみで異常燃焼の有無を判定していると、着火遅れ正常燃焼の場合であっても着火遅れが有る程度大きくなった場合には異常燃焼と区別することができなくなり、実際には出力トルクの低下が生じていないにもかかわらず異常燃焼と判定されてしまう場合が生じるのである。
【００３１】
本発明では、着火遅れによる燃焼重心位置の遅角と燃焼速度の低下による燃焼重心位置の遅角との特性の相違に着目し、以下の方法で着火遅れ正常燃焼と異常燃焼とを正確に判別している。
【００３２】
前述したように、着火遅れ正常燃焼は着火時期こそ遅角するものの着火後の燃焼速度は正常燃焼と同等であり、着火後の熱発生パターンもほぼ正常燃焼と同一になる。
【００３３】
このため、着火遅れ正常燃焼における燃焼重心位置の遅角は、そのほとんどが着火自体の遅角によるものである。
【００３４】
従って、着火遅れ正常燃焼の場合には燃焼重心位置を着火遅れによる遅角分だけ補正すれば、燃焼重心位置はほぼ正常燃焼の場合と同じになる。
【００３５】
一方、異常燃焼の場合には着火時期が遅角するのみならず燃焼速度も低下するため燃焼期間も正常燃焼に較べて長くなる。このため、異常燃焼における燃焼重心の遅角は、着火時期の遅角によるものと燃焼期間の長期化によるものとの両方が加わったものになっており、単に着火遅れによる遅角分を補正しただけでは燃焼重心位置はまだ正常燃焼に対して遅角している。
【００３６】
従って、算出した燃焼重心位置を着火遅れによる遅角分（すなわち実燃焼開始時期の遅角分）だけ補正することにより、着火遅れ正常燃焼と異常燃焼とを正確に分離判別することが可能となるのである。
【００３７】
図４は、図３の熱発生量カーブを着火遅れ分だけ、すなわち正常燃焼における燃焼開始時期に対する燃焼開始時期の遅角量（図３にΔＣＡで示す）だけ進角側に移動させた状態を示している。
【００３８】
図４に示すように、上記の補正により着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の燃焼パターン（熱発生パターン）は正常燃焼（カーブＩ）にほぼ一致し、燃焼重心位置（Ａ、Ｂ）もほぼ同じになる。
【００３９】
これに対して、異常燃焼（カーブＩＩＩ）の場合には、着火遅れΔＣＡを補正しても熱発生パターンは正常燃焼（カーブＩ）とは一致せず、このため燃焼重心位置（Ｃ）はまだ正常燃焼に較べて遅角している（図３、ΔＧ）。
【００４０】
従って、上記補正後の燃焼重心の遅角量が予め定めた判定値より大きくなった場合に、異常燃焼が生じたと判定することにより、着火遅れ正常燃焼と異常燃焼とを正確に分離判別することが可能となる。
【００４１】
なお、上記の説明では燃焼重心を、正常燃焼における着火時期に対する各燃焼の着火時期の遅れ分だけ補正するように説明しているが、上記補正の代りに、各熱発生パターンにおいて、実燃焼開始点から燃焼重心位置までのクランク角ＱＤ（図３）を用いて、ＱＤが所定の判定値以上になった場合に異常燃焼が発生したと判定するようにしても、原理的には同一であり、得られる結果も同一となる。
【００４２】
なお、上記気筒内総熱発生量と燃焼重心位置とを算出するための熱発生量計算を行う区間の始点と終点としては、多少の燃焼変動があった場合でも実際の燃焼期間（燃焼開始から燃焼終了まで）を含むような一定の区間を設定し、この区間内で熱発生量計算を行えば良い。
【００４３】
更に、本発明では実燃焼開始点を決定する必要があるが、実際の運転では実際の燃焼開始点を正確に判定することは困難な場合もある。このため、例えば実際の燃焼開始点の代りに気筒内熱発生量が所定値（例えば気筒内総熱発生量の１０〜３０パーセント程度の一定比率）に到達した点を実燃焼開始点として使用しても良い。
【００４４】
また、実燃焼開始点としては、燃焼開始後に気筒内の熱発生量の増加率である熱発生率（単位クランク角度当りの熱発生量）が予め定めた値以上になった点を使用することも可能である。
【００４５】
請求項３に記載の発明によれば、更に、前記判定手段により燃焼が悪化していると判定された気筒の燃焼を改善する手段を備えた、請求項１または２のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置が提供される。
【００４６】
請求項４に記載の発明によれば、前記燃焼を改善する手段は、前記気筒の燃料噴射量の増量、点火時期の進角、燃料噴射時期の進角の少なくとも一つを行うことにより気筒の燃焼を改善する、請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置が提供される。
【００４７】
請求項５に記載の発明によれば、前記判定手段は、前記気筒が予め定めた空燃比より大きいリーン空燃比で運転されているときにのみ前記判定を行う、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【００４８】
すなわち、請求項３から請求項５に記載の発明では、判定手段により燃焼が悪化していると判定される場合には、燃焼を改善する操作を行う。
【００４９】
上記のように、本発明では異常燃焼などの燃焼悪化を正確に判別することが可能となっているため、真に燃焼が悪化している場合にのみ燃焼改善操作が行われ、誤判定による燃焼改善操作が行われて排気性状の悪化や燃費の増大等が生じることが防止される。
【００５０】
また、燃焼改善操作としては、例えば燃料噴射量の増量や点火時期の進角、燃料噴射時期の進角などを行うことが可能である。燃料噴射量増量により、空燃比は低下（リッチ側に移行）するため、着火が促進されるとともに着火後の燃焼速度も増大するようになり燃焼が改善される。また、点火時期の進角によっても着火時期が進角し、燃料噴射時期の進角によっても混合気の気化が良好になり着火時期が進角するとともに燃焼が改善されるようになる。
【００５１】
なお、着火遅れ正常燃焼は混合気の空燃比がリーン空燃比であるほど生じやすくなる。このため、上記による燃焼悪化の判定と燃焼悪化時の燃焼改善操作は、機関が所定空燃比以上のリーン空燃比で運転されている時にのみ行うようにしても良い。
【発明の効果】
【００５２】
各請求項に記載の発明によれば、従来正確な判定が困難であった着火遅れ正常燃焼のような見かけ上の異常燃焼と真の異常燃焼とを正確に判別することができるため、気筒内の燃焼悪化の有無を正確に判定することが可能となる共通の効果を奏する。
【００５３】
また、請求項５から請求項７に記載の発明によれば、上記共通の効果に加えて、真に燃焼が悪化した場合にのみ燃焼改善操作が行われるため、誤判定による燃焼改善操作の実行により、排気性状や燃費の悪化が生じることが防止可能となる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示している。
【００５５】
図１において１０は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１０は＃１〜＃４で示す４つの気筒を有する４気筒火花点火機関とされている。
【００５６】
また、それぞれの気筒＃１〜＃４には、気筒内圧力を検出可能な筒内圧力センサ１１〜１４が設けられている。
【００５７】
本実施形態では、筒内圧力センサ１１〜１４は、ピエゾ素子などを用いた公知の形式の圧力センサとされている。本実施形態の筒内圧センサは、シリンダブロックやシリンダヘッドに配置され、気筒内部に接続孔を介して連通するタイプのものや、各気筒の点火プラグ（図示せず）に取付けられるワッシャ形式のもの、などいずれの形式のものも使用可能である。
【００５８】
図１に３０で示すのは、機関１０の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポートを備えた公知の形式のディジタルコンピュータとされ、機関１０の燃料噴射制御や点火時期制御などの機関の基本制御を行う他、本実施形態では後述するように、筒内圧力センサ１１〜１４で検出した筒内燃焼圧力に基づいて筒内熱発生量と燃焼重心とを算出するとともに、算出した燃焼重心位置に基づいて気筒内の燃焼状態の悪化の有無を判定する燃焼判定操作と、判定結果に基づいて気筒燃焼状態を改善する燃焼改善操作を行う。
【００５９】
これらの制御を実行するため、ＥＣＵ３０の入出力ポートには筒内圧センサ１１〜１４の出力電圧が図示しないＡＤコンバータを介して入力されている他、機関１０のクランク軸近傍に配置されたクランク角センサ３１から機関のクランク軸回転角ＣＡを表すパルス信号と、機関１０の吸気通路に設けられたエアフローメータ３３から機関の吸気流量を表す信号とが、それぞれ入力されている。
【００６０】
また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、点火回路４１及び燃料噴射回路４３に接続され、機関１０の点火時期と燃料噴射とを制御している。
【００６１】
ＥＣＵ３０はクランク角センサ３１から入力するパルス信号の周波数から機関回転速度Ｎ（ｒｐｍ）を、また特定の気筒（例えば＃１気筒）の圧縮行程上死点到達毎に別途発生する基準位置信号入力後のクランク角パルス数から現在のクランク軸回転角（クランク角）を、それぞれ算出する。
【００６２】
また、ＥＣＵ３０は、エアフローメータ３３で検出した機関吸気流量と、機関回転数とに基づいて機関燃料噴射量、機関点火時期を設定する。この燃料噴射量演算及び点火時期の演算は公知のいずれの方法も使用することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００６３】
次に、本実施形態における燃焼判定操作について説明する。
前述したように、本実施形態では燃焼重心位置に基づいて各気筒の燃焼悪化の有無を判別する。
【００６４】
本実施形態では、燃焼重心位置は燃焼開始後、筒内熱発生量が気筒の１行程サイクルの総熱発生量に対して所定の比率に到達したときのクランク角として算出される。
【００６５】
また、ある期間における筒内熱発生量は、単位クランク角当り（例えばクランク角１度当り）の熱発生量、すなわち熱発生率ｄＱをその期間にわたって積算することにより求められる。
【００６６】
ここで、良く知られているように、熱発生率ｄＱはクランク角θの関数となり、以下の式で表される。
【００６７】
ｄＱ（θ）＝（１／（κ−１））・（κ・Ｐ（θ）・ｄＶ（θ）
＋Ｖ（θ）・ｄＰ（θ））
【００６８】
ここで、ｄＱ（θ）はクランク角θにおける熱発生率、κは混合気の比熱比、Ｐ（θ）及びｄＰ（θ）はクランク角θにおける筒内圧力とその変化率、Ｖ（θ）及びｄＶ（θ）はクランク角θにおける燃焼室容積とその変化率である。
【００６９】
ＥＣＵ３０は上記の熱発生率ｄＱ（θ）の式を離散形で表した計算式
ｄＱ（θ）＝（１／（κ−１））・（κ・Ｐ（θ）・（Ｖ（θ）−Ｖ（θi-1））
＋Ｖ（θ）・（Ｐ（θ）−Ｐ（θi-1）））
【００７０】
を用いて、単位クランク角毎（例えば１度毎）に各クランク角θにおける熱発生率を算出する。
ここで、Ｖ（θi-1）、Ｐ（θi-1）は、それぞれθより単位クランク角だけ前のクランク角における燃焼室容積Ｖと圧力Ｐとを表している。
【００７１】
ＥＣＵ３０は、各クランク角θ毎に筒内圧センサ１１〜１４により筒内圧力Ｐ（θ）を検出するとともに、クランク角θから燃焼室容積Ｖ（θ）を算出し、これらを用いて上記の式からクランク角θにおける熱発生率ｄＱ（θ）を算出し、ＥＣＵ３０のＲＡＭの所定の記憶領域に格納する。
【００７２】
ＥＣＵ３０は、上記により算出した各クランク角毎の熱発生率ｄＱ（θ）を、燃焼期間（燃焼開始クランク角θｓから燃焼終了クランク角θｅまで）にわたって積算することにより、気筒内総熱発生量Ｑを算出する。
【００７３】
ＥＣＵ３０は、今回のクランク角において上記により算出した熱発生率ｄＱ（θ）を、前回の積算値Ｑ（θi-1）（すなわち、今回から単位クランク角前のクランク角で算出した積算値）に加えることにより、今回のクランク角までの熱発生量Ｑ（θ）を算出する。
【００７４】
すなわち、Ｑ（θ）＝Ｑ（θi-1）＋ｄＱ（θ）
この操作を、燃焼開始クランク角θｓから燃焼終了クランク角θｅまで繰返すことにより総熱発生量Ｑが算出される。
【００７５】
なお、実際には熱発生率は燃焼が行われていない場合にはゼロになるので、上記積算は実際の燃焼区間が変動した場合でも全部の燃焼区間を含むような一定の区間を一律に設定して、この区間内で各クランク角毎の熱発生率の算出と積算とを行うようにしている。
【００７６】
また、ＥＣＵ３０は各クランク角における上記熱発生量積算値Ｑ（θ）をＲＡＭの所定記憶領域に記憶しておき、上記総熱発生量Ｑを算出後、以下に述べる燃焼重心位置の算出に使用する。
【００７７】
本実施形態では、燃焼重心位置は、燃焼開始後気筒内の熱発生量が総熱発生量の所定の比率に到達した時のクランク角として定義される。また、上記所定の比率は厳密に５０パーセントとする必要はなく、例えば４０から６０パーセントの間の適宜な値αとすることができる。
【００７８】
ＥＣＵ３０は、上記により総熱発生量Ｑを算出後、記憶した各クランク角毎の熱発生量積算値Ｑ（θ）を参照して、Ｑ（θi-1）＜Ｑ・α＜Ｑ（θ）となる２つのクランク角を求める。この２つのクランク角間を補間することにより燃焼重心位置θｇが算出される。
【００７９】
次に、実燃焼開始点θｓの決定について説明する。
本実施形態では、実燃焼開始点として、気筒内熱発生量が総熱発生量の所定の割合βに到達したときのクランク角を用いる。この割合βは、当然上記燃焼重心算出の際の割合αより小さい値であり、例えば１０から３０パーセントの間の適宜な値とされる。
【００８０】
ＥＣＵ３０は上記により記憶した各クランク角毎の熱発生量積算値Ｑ（θ）を用いて、燃焼重心位置算出と同様な方法を用いてＱ（θ）＝Ｑ・βとなる実燃焼開始位置θｓを算出する。
【００８１】
上記により、燃焼重心位置θｇと実燃焼開始位置θｓを算出後、本実施形態では燃焼重心位置θｇと実燃焼開始点θｓとの差θｄ＝θｇ−θｇ、すなわち気筒内で実際に燃焼が開始されてから燃焼重心位置に到達するまでのクランク角を算出し、このθｄに基づいて気筒内で燃焼悪化が生じているかを判定する。
【００８２】
前述したように、着火遅れ正常燃焼が生じている場合には燃焼重心位置θｇ自体は正常燃焼の場合より遅角するが、燃焼開始点θｓから燃焼重心位置θｇまでの期間（クランク角）は正常燃焼の場合と略同じである。これに対して異常燃焼などの燃焼悪化が生じている場合には正常燃焼に較べて燃焼重心位置θｇが遅角するだけでなく、燃焼開始点θｓから燃焼重心位置θｇまでのクランク角も増大する。
【００８３】
このため、上記θｄが予め定めた判定値より大きい場合には異常燃焼が生じていると判定することができる。なお、この判定値は機関の種類、型式などによっても変るため実際の機関を用いた実験により決定することが好ましい。
【００８４】
本実施形態では、更に上記により燃焼が悪化したと判定された場合には、燃焼改善操作が行われる。
【００８５】
本実施形態の燃焼改善操作では、例えば燃料噴射量の増量、点火時期の進角、燃料噴射時期の進角等のいずれか一つまたはそれ以上が行われる。
【００８６】
燃料噴射量の増量が行われると、空燃比が低下（リッチ側に移行）するため、着火後の燃焼速度が速くなり、燃焼速度の低下による異常燃焼が生じることが防止される。また、同様に点火時期が進角されると、着火時期が早くなるため、燃料噴射量増量とともに燃焼が改善されるようになる。更に、燃料噴射時期を進角すると噴射された燃料が気化するための時間が長くなるため、燃料の着火、燃焼が良好になり燃焼が改善される。
【００８７】
なお、本実施形態では上記により燃焼が正常と判定された場合でも実燃焼開始から燃焼重心までのクランク角θｄが所定の下限値よりも小さい場合には、燃焼状態の調整を行う。θｄが小さい場合は燃焼速度が大きいことを意味している。この場合には、もっと燃焼速度が小さくなっても、言換えればもっと空燃比をリーンにしても正常な運転が可能であることを意味している。また、この場合には空燃比を更にリーンにして運転した方が排気性状と燃費向上との上からは好ましい。
【００８８】
そこで、本実施形態では上記クランク角θｄが所定の下限値より小さい場合には、燃料噴射量を減量して空燃比を更にリーン側に移行させるようにしている。なお、この下限値についても機関の型式毎に異なるため、実際の機関を用いた実験により決定することが好ましい。
【００８９】
また、このリーン側への移行操作においては、燃料噴射量の減量とともに点火時期、燃料噴射時期を変更するようにしても良い。
【００９０】
図５と図６は、上記燃焼判定操作と、その判定結果に基づく燃焼改善操作を示すフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定間隔で実行されるルーチンにより行われる。
【００９１】
図５の操作が開始されると、まずステップ５０１では、現在リーン空燃比での運転（リーンバーン運転）が行われているか否かが判定される、リーンバーン運転が行われていない場合には、本操作はステップ５０３以下を実行することなく直ちに終了する。
【００９２】
すなわち、リーンバーン運転が行われていない場合には燃焼判定操作は実行されない。
前述したように、着火遅れ正常燃焼や燃燃焼重心の遅角などの異常燃焼が生じるのはリーンバーン運転の場合に多く、リーンバーン運転が行われていない場合には判定の必要性が低いからである。
【００９３】
ステップ５０１で現在リーンバーン運転が行われている場合には、次にステップ５０３に進み、各気筒で各クランク角毎に筒内圧センサ１１〜１４で筒内燃焼圧力Ｐ（θ）を検出するとともに、ステップ５０５では検出した筒内燃焼圧力Ｐ（θ）と燃焼室容積Ｖ（θ）とに基づいて、クランク角毎に熱発生率ｄＱ（θ）を算出する。なお、本実施形態では燃焼室容積Ｖ（θ）は予め各クランク毎の値が算出され、クランク角θをパラメータとした数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納されている。
【００９４】
また、ステップ５０７では、ステップ５０５で算出した熱発生率ｄＱ（θ）を積算して、各クランク角における熱発生率積算値Ｑ（θ）が算出され、ＥＣＵ３０のＲＡＭの所定領域に格納される。
【００９５】
ステップ５０９では、総熱発生量の計算が完了したか否か、すなわち予め定めた熱発生量の計算期間（クランク角）が経過したか否かが判定され、総熱発生量の計算が完了した気筒では、ステップ５１１で燃焼重心位置θｇと実燃焼開始点θｓとが前述した方法で算出され、ステップ５１３では燃焼重心位置θｇの実燃焼開始点θｓからの相対的遅角量θｄが、θｄ＝θｇ−θｓとして算出され、次に図６の操作が実行される。
【００９６】
図６は、ステップ５１３で算出した相対的遅角量θｄに基づく燃焼判定操作と燃焼改善操作を示している。
【００９７】
すなわち、図６ステップ５１５では上記相対的遅角量θｄが予め定めた上限値θｍａｘ以上になっているか否かを判定し、θｄ≧θｍａｘであった場合には、ステップ５１７で異常燃焼が生じていると判定する。そして、この場合にはステップ５１９に進み、燃料噴射量の一定量増量、点火時期、燃料噴射時期の一定量進角等の燃焼改善操作が行われる。
【００９８】
すなわち、図５、図６の操作では、ステップ５１５でθｄ≧θｍａｘが成立する毎に燃焼改善操作が実行され、θｄが上限値θｍａｘより小さくなるように燃焼状態が改善される。
【００９９】
一方、ステップ５１５でθｄ＞θｍａｘであった場合には、次にステップ５２１でθｄが下限値θｍｉｎ以下か否かが判定される。前述したように、θｄ≦θｍｉｎであった場合には、更に空燃比をリーン側に移行することが可能であるため、この場合はステップ５２３で燃料噴射量が一定量減量される。これにより、図５、図６の操作が実行される毎にステップ５２１でθｄ≦θｍｉｎが成立する限り燃料噴射量が一定量ずつ減量され、θｄがθｍｉｎより大きくなるように燃焼状態が制御される。
【０１００】
上述のように、本実施形態によれば着火遅れ正常燃焼と真の異常燃焼とを正確に分離判別し、真に異常燃焼が生じている場合にのみ燃焼改善操作が実行されるため、常に良好な燃焼状態が維持されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を説明する図である。
【図２】燃焼状態に応じた燃焼行程時の筒内圧の変化を模式的に示す図である。
【図３】図２のそれぞれの燃焼状態における熱発生量の変化を示す図である。
【図４】本発明の燃焼状態判定原理を説明する図である。
【図５】燃焼状態判定と燃焼改善操作とを説明するフローチャートの一部である。
【図６】燃焼状態判定と燃焼改善操作とを説明するフローチャートの一部である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 機関本体
１１〜１４ 筒内圧センサ
３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ クランク角センサ
３３ エアフローメータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、詳細には気筒内燃焼圧力に基づいて気筒の燃焼状態を判定する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の各気筒に気筒内圧力を検出可能な筒内圧センサを設け、機関運転中に検出した気筒内圧力（燃焼圧力）に基づいて各気筒の熱発生量を演算するとともに、この熱発生量に基づいて各気筒の燃焼状態を制御する内燃機関の燃焼制御装置が知られている。
【０００３】
この種の燃焼制御装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。
【０００４】
特許文献１の燃焼制御装置は、気筒内燃焼圧力に基づいて、単位クランク角毎の熱発生量（熱発生率）ｄＱを算出する。そして、気筒の１燃焼サイクルにおける熱発生量の総和（総熱発生量）Ｑｔを演算するとともに、上記各クランク角毎の熱発生率から、熱発生量がＱｔの５０パーセントに到達するクランク角（熱発生重心位置）を求めるようにしている。
【０００５】
特許文献１の装置では、上記熱発生重心位置が予め定めた目標位置（クランク角）になるように機関の点火時期を修正することにより、機関の燃焼状態を良好な状態になるように調整する。熱発生重心位置は、気筒内の燃焼パターンを反映しており燃焼状態を最も忠実に表している。このため、熱発生重心位置が予め定めた理想的な燃焼状態に対応する位置になるように点火時期を調整することにより、気筒内の燃焼状態を良好な状態に維持することが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２１６０７３号公報
【特許文献２】特開２００５−１２０８６０号公報
【特許文献３】特開２００５−２２６６３１号公報
【特許文献４】特開昭６３−２６８９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、実際には特許文献１のように気筒内燃焼状態を燃焼重心位置のみで判断していると問題が生じる場合がある。
【０００８】
特許文献１に記載されたように、燃焼重心位置は気筒内燃焼状態と密接な関係にある。例えば、理論空燃比より大幅に高い空燃比（リーン空燃比）で運転を行うリーンバーンエンジンなどでは、理論空燃比混合気の燃焼に較べて燃焼速度が遅くなり、筒内圧力の上昇が遅れるため発生トルクが低下する異常燃焼が生じる場合がある。
【０００９】
この場合には、燃焼速度の遅れに伴って燃焼重心位置も遅角するため、燃焼重心位置の遅角がある程度以上になった場合に異常燃焼が生じた（すなわち、燃焼が悪化した）と判断し、点火時期進角や燃料噴射量増量等の対策をとるようにすることができる。
【００１０】
しかし、実際には異常燃焼が生じておらず発生トルクは低下していないにもかかわらず燃焼重心位置に遅角が生じる場合がある。
【００１１】
例えば、一般的には異常燃焼時には着火（燃焼開始）が遅れ、かつ燃焼速度も遅くなり燃焼行程時に弱い燃焼が遅くまで続くため、発生トルクが低下するとともに燃焼重心が遅角するのであるが、着火が遅れても燃焼速度が低下しなければ実際には発生トルクは低下しない。
【００１２】
この場合には、着火が遅れているだけであり、発生トルクも低下しておらず燃焼が悪化しているわけでもない。ところが、この場合でも混合気の着火（燃焼開始）が遅れれば燃焼速度が低下していなくても燃焼パターン全体が正常な場合に較べて遅角方向にずれるために、燃焼重心位置は遅角するようになる。
【００１３】
一般に、リーンバーンエンジンなどでは混合気空燃比がリーンであるため理論空燃比の混合気に較べて混合気の着火は遅れる傾向があるが、通常リーンバーンエンジンでは点火プラグのスパークの点火エネルギーを強くしているため、着火が遅れても一旦混合気に着火すると燃焼速度は充分に速くなり異常燃焼は生じない場合が多い。また、通常混合気の着火は圧縮上死点前に開始されるが、着火が遅れると全体的に圧縮比の高い状態で行われるようになるため、異常燃焼が生じていない場合には燃焼速度が速くなる。
【００１４】
すなわち、上記のような場合には、混合気の着火（燃焼開始）が遅れるために全体として通常よりも燃焼重心位置は遅角するものの、実際には燃焼開始後の燃焼速度は速く発生トルクも低下しない。
【００１５】
このため、特許文献１の装置のように単に燃焼重心位置のみで燃焼状態を判定していると、上記のように着火が遅れただけの正常燃焼と真の異常燃焼との判別ができず、着火遅れ正常燃焼の場合も異常燃焼が生じたと判定され、点火時期の進角や燃料の増量等の燃焼改善操作が行われてしまい、かえって排気性状の悪化等の問題を生じる場合がある。
【００１６】
本発明は上記問題に鑑み、着火遅れ正常燃焼などのように実際に燃焼が悪化していない見かけ上の異常燃焼と実際に燃焼が悪化する真の異常燃焼とを正確に判別することが可能な手段を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、気筒内燃焼圧力を検出するとともに、検出した燃焼圧力に基づいて気筒内熱発生量を算出する手段を備えた内燃機関の燃焼制御装置において、気筒１燃焼サイクル中における気筒内熱発生量が、当該燃焼サイクルにおける気筒内総熱発生量に対して予め定めた比率に到達するクランク角である燃焼重心位置を算出する手段と、気筒内で実際の燃焼が開始されたクランク角である実燃焼開始点を検出する手段と、前記実燃焼開始点から前記算出した燃焼重心位置までのクランク角度が予め定めた判定値より大きい場合に、前記気筒の燃焼状態が悪化したと判定する判定手段と、を備えた内燃機関の燃焼制御装置が提供される。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、前記実燃焼開始点は、前記総熱発生量に対する熱発生量の比率が前記燃焼重心位置を算出する際の前記予め定めた値より小さい所定の比率に到達した点として定義される、請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項１と請求項２の発明では、特許文献１の発明のように燃焼重心位置そのもので燃焼悪化を判定するのではなく、実際の燃焼開始点に対する相対的な燃焼重心位置（実燃焼開始点から燃焼重心位置までのクランク角度）に基づいて判断される。
【００２０】
なお、特許文献１の燃焼重心位置は、気筒内の熱発生量が気筒内総熱発生量の５０パーセントに到達したときのクランク角位置として定義されているが、本発明の燃焼重心位置は、気筒内熱発生量が、気筒内総熱発生量の所定の割合（厳密に５０パーセントの熱発生量の位置である必要はなく、例えば４０パーセントから６０パーセントの間のいずれかの値）に到達したときのクランク角位置として定義される。
【００２１】
以下、本発明の異常燃焼判定原理について説明する。
図２は燃焼状態に応じた燃焼行程時の筒内圧の変化を示し、図の縦軸は燃焼圧力、横軸はクランク角を示している。
【００２２】
図２において、カーブＩは正常燃焼の圧力変化を、カーブＩＩＩは異常燃焼の圧力変化を、カーブＩＩは着火遅れ正常燃焼の圧力変化をそれぞれ示している。
【００２３】
図２に示すように、異常燃焼（カーブＩＩＩ）では、圧力上昇開始（着火）が正常燃焼（カーブＩ）より遅れ、かつ圧力上昇速度（燃焼速度）も遅いため筒内最高圧力も大幅に正常燃焼に較べて小さくなっており、気筒の出力トルクも大幅に低下する。
【００２４】
一方、着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の場合には、着火は正常燃焼に較べて遅れるものの、一旦着火が生じると圧力上昇速度（燃焼速度）は正常燃焼の場合と同等であり、筒内最高圧力もほぼ同じになるため、気筒出力トルクも低下しない。
【００２５】
図３は、図２のそれぞれの燃焼状態における熱発生量の変化を示す図である。後述するように、熱発生量は各クランク角における筒内圧力と容積とに基づいて算出される熱発生率（単位クランク角当りの熱発生量）を逐次積算することにより求められる。
【００２６】
図３に示すように、熱発生量についても正常燃焼（カーブＩ）に較べて異常燃焼（カーブＩＩＩ）の場合は増加開始（着火）と増加速度（燃焼速度）とが共に遅れるため、最終的に到達する総熱発生量も小さくなる。
【００２７】
これに対して着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の場合、熱発生量の増加開始（着火）はおくれるものの、一旦着火すると増加速度（燃焼速度）は正常燃焼（カーブＩ）と同等であり、最終的に到達する総熱発生量も正常燃焼と遜色ない。このため、着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の場合には、気筒出力トルクも正常燃焼（カーブＩ）の場合と同様になり出力トルクの低下は生じない。
【００２８】
次に、図３のそれぞれの燃焼状態における燃焼重心位置について説明する。
本発明では、燃焼重心は気筒内の所定期間における総熱発生量の所定割合（図３では５０パーセントとした場合を示すが、４０から６０パーセントの間のいずれかの割合を用いても図３と同様な結果になることが判明している）の熱発生量に到達するクランク角として定義されている。
【００２９】
図３に示すように、異常燃焼（カーブＩＩＩ）の場合には着火が遅く、更に燃焼速度も遅いため、燃焼重心位置（Ｃ）は正常燃焼（カーブＩ）の燃焼重心位置（Ａ）に較べてかなり遅角する。これに対して、着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の場合も着火遅れのため燃焼重心位置（Ｂ）が正常燃焼時に較べて遅角し、異常燃焼時の燃焼重心位置（Ｃ）に近づくようになる。
【００３０】
このため、燃焼重心位置のみで異常燃焼の有無を判定していると、着火遅れ正常燃焼の場合であっても着火遅れが有る程度大きくなった場合には異常燃焼と区別することができなくなり、実際には出力トルクの低下が生じていないにもかかわらず異常燃焼と判定されてしまう場合が生じるのである。
【００３１】
本発明では、着火遅れによる燃焼重心位置の遅角と燃焼速度の低下による燃焼重心位置の遅角との特性の相違に着目し、以下の方法で着火遅れ正常燃焼と異常燃焼とを正確に判別している。
【００３２】
前述したように、着火遅れ正常燃焼は着火時期こそ遅角するものの着火後の燃焼速度は正常燃焼と同等であり、着火後の熱発生パターンもほぼ正常燃焼と同一になる。
【００３３】
このため、着火遅れ正常燃焼における燃焼重心位置の遅角は、そのほとんどが着火自体の遅角によるものである。
【００３４】
従って、着火遅れ正常燃焼の場合には燃焼重心位置を着火遅れによる遅角分だけ補正すれば、燃焼重心位置はほぼ正常燃焼の場合と同じになる。
【００３５】
一方、異常燃焼の場合には着火時期が遅角するのみならず燃焼速度も低下するため燃焼期間も正常燃焼に較べて長くなる。このため、異常燃焼における燃焼重心の遅角は、着火時期の遅角によるものと燃焼期間の長期化によるものとの両方が加わったものになっており、単に着火遅れによる遅角分を補正しただけでは燃焼重心位置はまだ正常燃焼に対して遅角している。
【００３６】
従って、算出した燃焼重心位置を着火遅れによる遅角分（すなわち実燃焼開始時期の遅角分）だけ補正することにより、着火遅れ正常燃焼と異常燃焼とを正確に分離判別することが可能となるのである。
【００３７】
図４は、図３の熱発生量カーブを着火遅れ分だけ、すなわち正常燃焼における燃焼開始時期に対する燃焼開始時期の遅角量（図３にΔＣＡで示す）だけ進角側に移動させた状態を示している。
【００３８】
図４に示すように、上記の補正により着火遅れ正常燃焼（カーブＩＩ）の燃焼パターン（熱発生パターン）は正常燃焼（カーブＩ）にほぼ一致し、燃焼重心位置（Ａ、Ｂ）もほぼ同じになる。
【００３９】
これに対して、異常燃焼（カーブＩＩＩ）の場合には、着火遅れΔＣＡを補正しても熱発生パターンは正常燃焼（カーブＩ）とは一致せず、このため燃焼重心位置（Ｃ）はまだ正常燃焼に較べて遅角している（図３、ΔＧ）。
【００４０】
従って、上記補正後の燃焼重心の遅角量が予め定めた判定値より大きくなった場合に、異常燃焼が生じたと判定することにより、着火遅れ正常燃焼と異常燃焼とを正確に分離判別することが可能となる。
【００４１】
なお、上記の説明では燃焼重心を、正常燃焼における着火時期に対する各燃焼の着火時期の遅れ分だけ補正するように説明しているが、上記補正の代りに、各熱発生パターンにおいて、実燃焼開始点から燃焼重心位置までのクランク角ＱＤ（図３）を用いて、ＱＤが所定の判定値以上になった場合に異常燃焼が発生したと判定するようにしても、原理的には同一であり、得られる結果も同一となる。
【００４２】
なお、上記気筒内総熱発生量と燃焼重心位置とを算出するための熱発生量計算を行う区間の始点と終点としては、多少の燃焼変動があった場合でも実際の燃焼期間（燃焼開始から燃焼終了まで）を含むような一定の区間を設定し、この区間内で熱発生量計算を行えば良い。
【００４３】
更に、本発明では実燃焼開始点を決定する必要があるが、実際の運転では実際の燃焼開始点を正確に判定することは困難な場合もある。このため、例えば実際の燃焼開始点の代りに気筒内熱発生量が所定値（例えば気筒内総熱発生量の１０〜３０パーセント程度の一定比率）に到達した点を実燃焼開始点として使用しても良い。
【００４４】
また、実燃焼開始点としては、燃焼開始後に気筒内の熱発生量の増加率である熱発生率（単位クランク角度当りの熱発生量）が予め定めた値以上になった点を使用することも可能である。
【００４５】
請求項３に記載の発明によれば、更に、前記判定手段により燃焼が悪化していると判定された気筒の燃焼を改善する手段を備えた、請求項１または２のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置が提供される。
【００４６】
請求項４に記載の発明によれば、前記燃焼を改善する手段は、前記気筒の燃料噴射量の増量、点火時期の進角、燃料噴射時期の進角の少なくとも一つを行うことにより気筒の燃焼を改善する、請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置が提供される。
【００４７】
請求項５に記載の発明によれば、前記判定手段は、前記気筒が予め定めた空燃比より大きいリーン空燃比で運転されているときにのみ前記判定を行う、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【００４８】
すなわち、請求項３から請求項５に記載の発明では、判定手段により燃焼が悪化していると判定される場合には、燃焼を改善する操作を行う。
【００４９】
上記のように、本発明では異常燃焼などの燃焼悪化を正確に判別することが可能となっているため、真に燃焼が悪化している場合にのみ燃焼改善操作が行われ、誤判定による燃焼改善操作が行われて排気性状の悪化や燃費の増大等が生じることが防止される。
【００５０】
また、燃焼改善操作としては、例えば燃料噴射量の増量や点火時期の進角、燃料噴射時期の進角などを行うことが可能である。燃料噴射量増量により、空燃比は低下（リッチ側に移行）するため、着火が促進されるとともに着火後の燃焼速度も増大するようになり燃焼が改善される。また、点火時期の進角によっても着火時期が進角し、燃料噴射時期の進角によっても混合気の気化が良好になり着火時期が進角するとともに燃焼が改善されるようになる。
【００５１】
なお、着火遅れ正常燃焼は混合気の空燃比がリーン空燃比であるほど生じやすくなる。このため、上記による燃焼悪化の判定と燃焼悪化時の燃焼改善操作は、機関が所定空燃比以上のリーン空燃比で運転されている時にのみ行うようにしても良い。
【発明の効果】
【００５２】
各請求項に記載の発明によれば、従来正確な判定が困難であった着火遅れ正常燃焼のような見かけ上の異常燃焼と真の異常燃焼とを正確に判別することができるため、気筒内の燃焼悪化の有無を正確に判定することが可能となる共通の効果を奏する。
【００５３】
また、請求項５から請求項７に記載の発明によれば、上記共通の効果に加えて、真に燃焼が悪化した場合にのみ燃焼改善操作が行われるため、誤判定による燃焼改善操作の実行により、排気性状や燃費の悪化が生じることが防止可能となる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示している。
【００５５】
図１において１０は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１０は＃１〜＃４で示す４つの気筒を有する４気筒火花点火機関とされている。
【００５６】
また、それぞれの気筒＃１〜＃４には、気筒内圧力を検出可能な筒内圧力センサ１１〜１４が設けられている。
【００５７】
本実施形態では、筒内圧力センサ１１〜１４は、ピエゾ素子などを用いた公知の形式の圧力センサとされている。本実施形態の筒内圧センサは、シリンダブロックやシリンダヘッドに配置され、気筒内部に接続孔を介して連通するタイプのものや、各気筒の点火プラグ（図示せず）に取付けられるワッシャ形式のもの、などいずれの形式のものも使用可能である。
【００５８】
図１に３０で示すのは、機関１０の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポートを備えた公知の形式のディジタルコンピュータとされ、機関１０の燃料噴射制御や点火時期制御などの機関の基本制御を行う他、本実施形態では後述するように、筒内圧力センサ１１〜１４で検出した筒内燃焼圧力に基づいて筒内熱発生量と燃焼重心とを算出するとともに、算出した燃焼重心位置に基づいて気筒内の燃焼状態の悪化の有無を判定する燃焼判定操作と、判定結果に基づいて気筒燃焼状態を改善する燃焼改善操作を行う。
【００５９】
これらの制御を実行するため、ＥＣＵ３０の入出力ポートには筒内圧センサ１１〜１４の出力電圧が図示しないＡＤコンバータを介して入力されている他、機関１０のクランク軸近傍に配置されたクランク角センサ３１から機関のクランク軸回転角ＣＡを表すパルス信号と、機関１０の吸気通路に設けられたエアフローメータ３３から機関の吸気流量を表す信号とが、それぞれ入力されている。
【００６０】
また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、点火回路４１及び燃料噴射回路４３に接続され、機関１０の点火時期と燃料噴射とを制御している。
【００６１】
ＥＣＵ３０はクランク角センサ３１から入力するパルス信号の周波数から機関回転速度Ｎ（ｒｐｍ）を、また特定の気筒（例えば＃１気筒）の圧縮行程上死点到達毎に別途発生する基準位置信号入力後のクランク角パルス数から現在のクランク軸回転角（クランク角）を、それぞれ算出する。
【００６２】
また、ＥＣＵ３０は、エアフローメータ３３で検出した機関吸気流量と、機関回転数とに基づいて機関燃料噴射量、機関点火時期を設定する。この燃料噴射量演算及び点火時期の演算は公知のいずれの方法も使用することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００６３】
次に、本実施形態における燃焼判定操作について説明する。
前述したように、本実施形態では燃焼重心位置に基づいて各気筒の燃焼悪化の有無を判別する。
【００６４】
本実施形態では、燃焼重心位置は燃焼開始後、筒内熱発生量が気筒の１行程サイクルの総熱発生量に対して所定の比率に到達したときのクランク角として算出される。
【００６５】
また、ある期間における筒内熱発生量は、単位クランク角当り（例えばクランク角１度当り）の熱発生量、すなわち熱発生率ｄＱをその期間にわたって積算することにより求められる。
【００６６】
ここで、良く知られているように、熱発生率ｄＱはクランク角θの関数となり、以下の式で表される。
【００６７】
ｄＱ（θ）＝（１／（κ−１））・（κ・Ｐ（θ）・ｄＶ（θ）
＋Ｖ（θ）・ｄＰ（θ））
【００６８】
ここで、ｄＱ（θ）はクランク角θにおける熱発生率、κは混合気の比熱比、Ｐ（θ）及びｄＰ（θ）はクランク角θにおける筒内圧力とその変化率、Ｖ（θ）及びｄＶ（θ）はクランク角θにおける燃焼室容積とその変化率である。
【００６９】
ＥＣＵ３０は上記の熱発生率ｄＱ（θ）の式を離散形で表した計算式
ｄＱ（θ）＝（１／（κ−１））・（κ・Ｐ（θ）・（Ｖ（θ）−Ｖ（θi-1））
＋Ｖ（θ）・（Ｐ（θ）−Ｐ（θi-1）））
【００７０】
を用いて、単位クランク角毎（例えば１度毎）に各クランク角θにおける熱発生率を算出する。
ここで、Ｖ（θi-1）、Ｐ（θi-1）は、それぞれθより単位クランク角だけ前のクランク角における燃焼室容積Ｖと圧力Ｐとを表している。
【００７１】
ＥＣＵ３０は、各クランク角θ毎に筒内圧センサ１１〜１４により筒内圧力Ｐ（θ）を検出するとともに、クランク角θから燃焼室容積Ｖ（θ）を算出し、これらを用いて上記の式からクランク角θにおける熱発生率ｄＱ（θ）を算出し、ＥＣＵ３０のＲＡＭの所定の記憶領域に格納する。
【００７２】
ＥＣＵ３０は、上記により算出した各クランク角毎の熱発生率ｄＱ（θ）を、燃焼期間（燃焼開始クランク角θｓから燃焼終了クランク角θｅまで）にわたって積算することにより、気筒内総熱発生量Ｑを算出する。
【００７３】
ＥＣＵ３０は、今回のクランク角において上記により算出した熱発生率ｄＱ（θ）を、前回の積算値Ｑ（θi-1）（すなわち、今回から単位クランク角前のクランク角で算出した積算値）に加えることにより、今回のクランク角までの熱発生量Ｑ（θ）を算出する。
【００７４】
すなわち、Ｑ（θ）＝Ｑ（θi-1）＋ｄＱ（θ）
この操作を、燃焼開始クランク角θｓから燃焼終了クランク角θｅまで繰返すことにより総熱発生量Ｑが算出される。
【００７５】
なお、実際には熱発生率は燃焼が行われていない場合にはゼロになるので、上記積算は実際の燃焼区間が変動した場合でも全部の燃焼区間を含むような一定の区間を一律に設定して、この区間内で各クランク角毎の熱発生率の算出と積算とを行うようにしている。
【００７６】
また、ＥＣＵ３０は各クランク角における上記熱発生量積算値Ｑ（θ）をＲＡＭの所定記憶領域に記憶しておき、上記総熱発生量Ｑを算出後、以下に述べる燃焼重心位置の算出に使用する。
【００７７】
本実施形態では、燃焼重心位置は、燃焼開始後気筒内の熱発生量が総熱発生量の所定の比率に到達した時のクランク角として定義される。また、上記所定の比率は厳密に５０パーセントとする必要はなく、例えば４０から６０パーセントの間の適宜な値αとすることができる。
【００７８】
ＥＣＵ３０は、上記により総熱発生量Ｑを算出後、記憶した各クランク角毎の熱発生量積算値Ｑ（θ）を参照して、Ｑ（θi-1）＜Ｑ・α＜Ｑ（θ）となる２つのクランク角を求める。この２つのクランク角間を補間することにより燃焼重心位置θｇが算出される。
【００７９】
次に、実燃焼開始点θｓの決定について説明する。
本実施形態では、実燃焼開始点として、気筒内熱発生量が総熱発生量の所定の割合βに到達したときのクランク角を用いる。この割合βは、当然上記燃焼重心算出の際の割合αより小さい値であり、例えば１０から３０パーセントの間の適宜な値とされる。
【００８０】
ＥＣＵ３０は上記により記憶した各クランク角毎の熱発生量積算値Ｑ（θ）を用いて、燃焼重心位置算出と同様な方法を用いてＱ（θ）＝Ｑ・βとなる実燃焼開始位置θｓを算出する。
【００８１】
上記により、燃焼重心位置θｇと実燃焼開始位置θｓを算出後、本実施形態では燃焼重心位置θｇと実燃焼開始点θｓとの差θｄ＝θｇ−θｇ、すなわち気筒内で実際に燃焼が開始されてから燃焼重心位置に到達するまでのクランク角を算出し、このθｄに基づいて気筒内で燃焼悪化が生じているかを判定する。
【００８２】
前述したように、着火遅れ正常燃焼が生じている場合には燃焼重心位置θｇ自体は正常燃焼の場合より遅角するが、燃焼開始点θｓから燃焼重心位置θｇまでの期間（クランク角）は正常燃焼の場合と略同じである。これに対して異常燃焼などの燃焼悪化が生じている場合には正常燃焼に較べて燃焼重心位置θｇが遅角するだけでなく、燃焼開始点θｓから燃焼重心位置θｇまでのクランク角も増大する。
【００８３】
このため、上記θｄが予め定めた判定値より大きい場合には異常燃焼が生じていると判定することができる。なお、この判定値は機関の種類、型式などによっても変るため実際の機関を用いた実験により決定することが好ましい。
【００８４】
本実施形態では、更に上記により燃焼が悪化したと判定された場合には、燃焼改善操作が行われる。
【００８５】
本実施形態の燃焼改善操作では、例えば燃料噴射量の増量、点火時期の進角、燃料噴射時期の進角等のいずれか一つまたはそれ以上が行われる。
【００８６】
燃料噴射量の増量が行われると、空燃比が低下（リッチ側に移行）するため、着火後の燃焼速度が速くなり、燃焼速度の低下による異常燃焼が生じることが防止される。また、同様に点火時期が進角されると、着火時期が早くなるため、燃料噴射量増量とともに燃焼が改善されるようになる。更に、燃料噴射時期を進角すると噴射された燃料が気化するための時間が長くなるため、燃料の着火、燃焼が良好になり燃焼が改善される。
【００８７】
なお、本実施形態では上記により燃焼が正常と判定された場合でも実燃焼開始から燃焼重心までのクランク角θｄが所定の下限値よりも小さい場合には、燃焼状態の調整を行う。θｄが小さい場合は燃焼速度が大きいことを意味している。この場合には、もっと燃焼速度が小さくなっても、言換えればもっと空燃比をリーンにしても正常な運転が可能であることを意味している。また、この場合には空燃比を更にリーンにして運転した方が排気性状と燃費向上との上からは好ましい。
【００８８】
そこで、本実施形態では上記クランク角θｄが所定の下限値より小さい場合には、燃料噴射量を減量して空燃比を更にリーン側に移行させるようにしている。なお、この下限値についても機関の型式毎に異なるため、実際の機関を用いた実験により決定することが好ましい。
【００８９】
また、このリーン側への移行操作においては、燃料噴射量の減量とともに点火時期、燃料噴射時期を変更するようにしても良い。
【００９０】
図５と図６は、上記燃焼判定操作と、その判定結果に基づく燃焼改善操作を示すフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定間隔で実行されるルーチンにより行われる。
【００９１】
図５の操作が開始されると、まずステップ５０１では、現在リーン空燃比での運転（リーンバーン運転）が行われているか否かが判定される、リーンバーン運転が行われていない場合には、本操作はステップ５０３以下を実行することなく直ちに終了する。
【００９２】
すなわち、リーンバーン運転が行われていない場合には燃焼判定操作は実行されない。
前述したように、着火遅れ正常燃焼や燃燃焼重心の遅角などの異常燃焼が生じるのはリーンバーン運転の場合に多く、リーンバーン運転が行われていない場合には判定の必要性が低いからである。
【００９３】
ステップ５０１で現在リーンバーン運転が行われている場合には、次にステップ５０３に進み、各気筒で各クランク角毎に筒内圧センサ１１〜１４で筒内燃焼圧力Ｐ（θ）を検出するとともに、ステップ５０５では検出した筒内燃焼圧力Ｐ（θ）と燃焼室容積Ｖ（θ）とに基づいて、クランク角毎に熱発生率ｄＱ（θ）を算出する。なお、本実施形態では燃焼室容積Ｖ（θ）は予め各クランク毎の値が算出され、クランク角θをパラメータとした数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納されている。
【００９４】
また、ステップ５０７では、ステップ５０５で算出した熱発生率ｄＱ（θ）を積算して、各クランク角における熱発生率積算値Ｑ（θ）が算出され、ＥＣＵ３０のＲＡＭの所定領域に格納される。
【００９５】
ステップ５０９では、総熱発生量の計算が完了したか否か、すなわち予め定めた熱発生量の計算期間（クランク角）が経過したか否かが判定され、総熱発生量の計算が完了した気筒では、ステップ５１１で燃焼重心位置θｇと実燃焼開始点θｓとが前述した方法で算出され、ステップ５１３では燃焼重心位置θｇの実燃焼開始点θｓからの相対的遅角量θｄが、θｄ＝θｇ−θｓとして算出され、次に図６の操作が実行される。
【００９６】
図６は、ステップ５１３で算出した相対的遅角量θｄに基づく燃焼判定操作と燃焼改善操作を示している。
【００９７】
すなわち、図６ステップ５１５では上記相対的遅角量θｄが予め定めた上限値θｍａｘ以上になっているか否かを判定し、θｄ≧θｍａｘであった場合には、ステップ５１７で異常燃焼が生じていると判定する。そして、この場合にはステップ５１９に進み、燃料噴射量の一定量増量、点火時期、燃料噴射時期の一定量進角等の燃焼改善操作が行われる。
【００９８】
すなわち、図５、図６の操作では、ステップ５１５でθｄ≧θｍａｘが成立する毎に燃焼改善操作が実行され、θｄが上限値θｍａｘより小さくなるように燃焼状態が改善される。
【００９９】
一方、ステップ５１５でθｄ＞θｍａｘであった場合には、次にステップ５２１でθｄが下限値θｍｉｎ以下か否かが判定される。前述したように、θｄ≦θｍｉｎであった場合には、更に空燃比をリーン側に移行することが可能であるため、この場合はステップ５２３で燃料噴射量が一定量減量される。これにより、図５、図６の操作が実行される毎にステップ５２１でθｄ≦θｍｉｎが成立する限り燃料噴射量が一定量ずつ減量され、θｄがθｍｉｎより大きくなるように燃焼状態が制御される。
【０１００】
上述のように、本実施形態によれば着火遅れ正常燃焼と真の異常燃焼とを正確に分離判別し、真に異常燃焼が生じている場合にのみ燃焼改善操作が実行されるため、常に良好な燃焼状態が維持されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を説明する図である。
【図２】燃焼状態に応じた燃焼行程時の筒内圧の変化を模式的に示す図である。
【図３】図２のそれぞれの燃焼状態における熱発生量の変化を示す図である。
【図４】本発明の燃焼状態判定原理を説明する図である。
【図５】燃焼状態判定と燃焼改善操作とを説明するフローチャートの一部である。
【図６】燃焼状態判定と燃焼改善操作とを説明するフローチャートの一部である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 機関本体
１１〜１４ 筒内圧センサ
３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ クランク角センサ
３３ エアフローメータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内燃焼圧力を検出するとともに、検出した燃焼圧力に基づいて気筒内熱発生量を算出する手段を備えた内燃機関の燃焼制御装置において、
気筒１燃焼サイクル中における気筒内熱発生量が、当該燃焼サイクルにおける気筒内総熱発生量に対して予め定めた比率に到達するクランク角である燃焼重心位置を算出する手段と、
気筒内で実際の燃焼が開始されたクランク角である実燃焼開始点を検出する手段と、
前記実燃焼開始点から前記算出した燃焼重心位置までのクランク角度が予め定めた判定値より大きい場合に、前記気筒の燃焼状態が悪化したと判定する判定手段と、
を備えた内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記実燃焼開始点は、前記総熱発生量に対する熱発生量の比率が前記燃焼重心位置を算出する際の前記予め定めた値より小さい所定の比率に到達した点として定義される、請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
更に、前記判定手段により燃焼が悪化していると判定された気筒の燃焼を改善する手段を備えた、請求項１または２のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記燃焼を改善する手段は、前記気筒の燃料噴射量の増量、点火時期の進角、燃料噴射時期の進角の少なくとも一つを行うことにより気筒の燃焼を改善する、請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記気筒が予め定めた空燃比より大きいリーン空燃比で運転されているときにのみ前記判定を行う、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１】
気筒内燃焼圧力を検出するとともに、検出した燃焼圧力に基づいて気筒内熱発生量を算出する手段を備えた内燃機関の燃焼制御装置において、
気筒１燃焼サイクル中における気筒内熱発生量が、当該燃焼サイクルにおける気筒内総熱発生量に対して予め定めた比率に到達するクランク角である燃焼重心位置を算出する手段と、
気筒内で実際の燃焼が開始されたクランク角である実燃焼開始点を検出する手段と、
前記実燃焼開始点から前記算出した燃焼重心位置までのクランク角度が予め定めた判定値より大きい場合に、前記気筒の燃焼状態が悪化したと判定する判定手段と、
を備えた内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記実燃焼開始点は、前記総熱発生量に対する熱発生量の比率が前記燃焼重心位置を算出する際の前記予め定めた値より小さい所定の比率に到達した点として定義される、請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
更に、前記判定手段により燃焼が悪化していると判定された気筒の燃焼を改善する手段を備えた、請求項１または２のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記燃焼を改善する手段は、前記気筒の燃料噴射量の増量、点火時期の進角、燃料噴射時期の進角の少なくとも一つを行うことにより気筒の燃焼を改善する、請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記気筒が予め定めた空燃比より大きいリーン空燃比で運転されているときにのみ前記判定を行う、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−６９７１３（Ｐ２００８−６９７１３Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４９３６８（Ｐ２００６−２４９３６８）
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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