内燃機関の空燃比算出装置
【課題】本発明は、内燃機関の空燃比算出装置に関し、燃料リッチ側における特性変化の影響を考慮して、精度高く空燃比を算出可能な内燃機関の空燃比算出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】筒内へ噴射された燃料の燃焼により生じた発熱量Ｑは、理論空燃比付近で最大となり、その両側では低下する。そのため、図中Ａ，Ｂで示すように、求めた発熱量Ｑの値がＱ１の場合、空燃比が燃料リッチ側の値（Ａ）か燃料リーン側の値（Ｂ）か分からなくなってしまう。そこで、筒内要求燃料量を増加させ、増量前後のΔＱ（＝Ｑafter−Ｑbefore）の傾きによって、空燃比が燃料リーン側であるか燃料リッチ側であるかを判断する。
【解決手段】筒内へ噴射された燃料の燃焼により生じた発熱量Ｑは、理論空燃比付近で最大となり、その両側では低下する。そのため、図中Ａ，Ｂで示すように、求めた発熱量Ｑの値がＱ１の場合、空燃比が燃料リッチ側の値（Ａ）か燃料リーン側の値（Ｂ）か分からなくなってしまう。そこで、筒内要求燃料量を増加させ、増量前後のΔＱ（＝Ｑafter−Ｑbefore）の傾きによって、空燃比が燃料リーン側であるか燃料リッチ側であるかを判断する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の空燃比算出装置に関し、より詳細には、筒内圧を用いて空燃比を算出する内燃機関の空燃比算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、吸気弁閉弁時点における筒内圧と筒内温度とから算出した筒内吸入空気量と、筒内圧を用いて算出した発熱量とを用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比を算出する空燃比算出装置が開示されている。この空燃比算出装置においては、具体的に、筒内圧から筒内での熱発生率を算出し、次いで、この熱発生率を燃焼期間中に亘って積分することにより発熱量を求め、次いで、この発熱量から燃料中に含まれている水分等の蒸発に必要な潜熱を差し引いて筒内供給燃料量を求め、最後に、この筒内供給燃料量を筒内吸入空気量で除算することにより空燃比を算出している。
【０００３】
また、例えば特許文献２には、筒内で燃焼した混合気の空燃比と、発熱量との関係が示されている。具体的には、空燃比が理論空燃比よりも燃料リーン側では、燃料リーンになるほど発熱量が低下し、一方、空燃比が理論空燃比よりも燃料リッチ側では、空燃比が変化しても発熱量の変化は殆ど変化しないとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２０３９２号公報
【特許文献２】特開２００６−１４４６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、空燃比と発熱量との実際の関係は、特許文献２に示された関係とは異なる。即ち、空燃比が理論空燃比よりも燃料リッチ側になるほど発熱量が低下する。この理由は、燃料量が増加すれば燃焼が悪化し、気化潜熱もより多く必要となるからである。そのため、発熱量と空燃比との関係は、ピークを有する特性曲線で表されることになるので、燃料リーン側の発熱量と燃料リッチ側の発熱量とが等しくなる場合がある。従って、このような関係に基づいて、特許文献１の手法に従って発熱量から空燃比を求めようとすると、実際にはリッチ側の空燃比であるにも関わらず、リーン側の空燃比として算出してしまう可能性があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものである。即ち、燃料リッチ側における特性変化の影響を考慮して、精度高く空燃比を算出可能な内燃機関の空燃比算出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比算出装置であって、
内燃機関の筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記筒内圧を用いて、筒内での熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
前記内燃機関の筒内要求燃料量を強制的に変更する燃料量変更手段と、
前記筒内要求燃料量の強制的な変更前後のサイクルにおける前記熱発生率を用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定する空燃比域判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記筒内要求燃料量の非変更時における前記熱発生率から求めた発熱量が、前記筒内要求燃料量を供給した際に前記内燃機関の最大出力を発生させる出力空燃比に対応する発熱量よりも小さい場合には、前記筒内要求燃料量の強制的な変更を禁止することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記燃料量変更手段は、前記筒内要求燃料量の強制的な変更としての燃料増量および燃料減量をサイクル毎に切り替え、
前記空燃比域判定手段は、前記燃料増量時における前記熱発生率から求めた発熱量の履歴と、前記燃料減量時における前記熱発生率から求めた発熱量の履歴とを用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定することを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至第３何れか１つの発明において、
前記内燃機関は複数の気筒を有し、
前記燃料量変更手段は、１サイクルにおける前記筒内要求燃料量の強制的な変更としての燃料増量および燃料減量を、隣り合う気筒間で逆転させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、筒内要求燃料量の強制的な変更前後のサイクルにおける熱発生率を用いて、空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定できる。あるサイクルでの空燃比が理論空燃比よりも燃料リーン側の場合、筒内要求燃料量を強制的に増やせば、次サイクルでは燃料が増えた分だけ熱発生率が増加し、筒内要求燃料量を強制的に減らせば燃料が減った分だけ熱発生率が減少する。一方、あるサイクルでの空燃比が理論空燃比よりも燃料リッチ側の場合、筒内要求燃料量を強制的に増やせば、次サイクルでは燃焼悪化等により熱発生率が減少し、筒内要求燃料量を強制的に減らせば燃料が減った分だけ燃焼悪化等の影響が緩和されるので熱発生率が増加する。従って、筒内要求燃料量の強制的な変更前後のサイクルにおける熱発生率を用いれば、燃料リッチ側における燃焼特性変化の影響を考慮した上で、精度高く空燃比を算出できる。
【００１２】
第２の発明によれば、筒内要求燃料量の非変更時における熱発生率から求めた発熱量が、出力空燃比に対応する発熱量よりも小さい場合に、筒内要求燃料量の変更を禁止できる。出力空燃比を超える燃料は、発熱量に原理的に寄与しないので、出力空燃比に対応する発熱量よりも小さい場合は、燃料リーン側の発熱量と燃料リッチ側の発熱量が等しくなることはない。従って、空燃比域の判定に要する処理負担を軽減できる。
【００１３】
筒内要求燃料量を強制的に変更するとトルク変動が生じる場合があり、このトルク変動を抑えるために燃料の変更量を少量にすれば、筒内圧取得手段から取得する筒内圧の感度がそれだけ低下する。この点、第３の発明によれば、燃料増量時における熱発生率から求めた発熱量の履歴と、燃料減量時における熱発生率から求めた発熱量の履歴とを用いるので、燃料の変更量を少量とすることによる筒内圧の感度の低下分を補償できる。従って、発熱量の算出精度を担保でき、空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを精度高く判定できる。
【００１４】
上述したように、筒内要求燃料量を強制的に変更するとトルク変動が生じる場合がある。この点、第４の発明によれば、１サイクルにおける筒内要求燃料量の強制的な変更とし燃料増量および燃料減量を、隣り合う気筒間で逆転させるので、１サイクルにおけるトルク変動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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２】圧縮行程および爆発行程における筒内圧Ｐおよび発熱量Ｑの関係を示すグラフである。
【図３】発熱量Ｑと空燃比との相関を示したグラフである。
【図４】実施の形態１における空燃比域判定制御の一例を示した図である。
【図５】実施の形態１において、ＥＣＵ５０により実行される空燃比域判定制御を示すフローチャートである。
【図６】燃焼速度ＦＳと空燃比との相関を示したグラフである。
【図７】燃焼速度ＦＳを説明するための図である。
【図８】実施の形態２における空燃比域判定制御の具体例を示したものである。
【図９】実施の形態２における空燃比域判定制御において、噴射する燃料を変化させる場合の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
以下、図１乃至図７を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。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。本実施の形態のシステムは、内燃機関としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０は、直列４気筒型エンジン（爆発順序は＃１→＃３→＃４→＃２）であるが、図１には、そのうちの１気筒として気筒１２のみを示している。
【００１７】
エンジン１０は、内部にピストン１４を有するシリンダブロック１６を備えている。ピストン１４は、クランク機構を介してクランクシャフト１８と接続されている。クランクシャフト１８の近傍には、クランク角センサ２０が設けられている。クランク角センサ２０は、クランクシャフト１８の回転角（クランク角）を検出するように構成されている。
【００１８】
シリンダブロック１６の上部にはシリンダヘッド２２が組み付けられている。ピストン１４上面からシリンダヘッド２２までの空間は燃焼室２４を形成している。シリンダヘッド２２には、燃焼室２４内の圧力（以下、「筒内圧Ｐ」という。）を検出する筒内圧センサ２６が設けられている。また、シリンダヘッド２２には、燃焼室２４内に直接燃料を噴射する電子制御式のインジェクタ２８が設けられている。また、シリンダヘッド２２には、燃焼室２４内の混合気に点火する点火プラグ３０が設けられている。
【００１９】
シリンダヘッド２２は、燃焼室２４と連通する吸気ポート３２を備えている。吸気ポート３２と燃焼室２４との接続部には吸気バルブ３４が設けられている。吸気バルブ３４は、可変バルブタイミング機構（以下、「ＶＶＴ機構」という。）３６により駆動されるものである。ＶＶＴ機構３６は、吸気バルブ３４の開弁時期を変更可能に構成されている。より詳細には、ＶＶＴ機構３６は、該機構の構造により定まる最進角から最遅角までの範囲で、吸気バルブ３４の開弁位相、作用角やリフト量を変更可能に構成されている。ＶＶＴ機構３６の近傍には、ＶＶＴ機構３６の作動量を検出するセンサ３７が設けられている。吸気ポート３２の上流には、エアフロメータ３８が設けられている。エアフロメータ３８は、吸入空気量を検出するように構成されている。
【００２０】
また、シリンダヘッド２２は、燃焼室２４と連通する排気ポート４０を備えている。排気ポート４０と燃焼室２４との接続部には排気バルブ４２が設けられている。排気バルブ４２は、ＶＶＴ機構４４により駆動されるものである。ＶＶＴ機構４４は、ＶＶＴ機構３６同様、排気バルブ４２の開弁位相、作用角やリフト量を変更可能に構成されている。ＶＶＴ機構４４の近傍には、ＶＶＴ機構４４の作動量を検出するセンサ４５が設けられている。排気ポート４０の下流には、排気ガスを浄化するための触媒４６が配置されている。
【００２１】
また、本実施の形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には、インジェクタ２８、点火プラグ３０、ＶＶＴ機構３６，４４等が接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、クランク角センサ２０、筒内圧センサ２６、エアフロメータ３８、センサ３７，４５等が接続されている。ＥＣＵ５０は、これらのセンサ信号に基づいて、インジェクタ２８、点火プラグ３０、ＶＶＴ機構３６，４４といった各種アクチュエータを制御することができる。
【００２２】
［筒内圧Ｐを用いた空燃比算出］
ところで、本実施の形態においては、サイクル毎に、筒内での発熱量Ｑを筒内圧センサ２６により検出した筒内圧Ｐから算出し、この発熱量Ｑに基づいて、燃焼した混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を算出する。このＡ／Ｆ算出方法について、図２を参照しながら説明する。図２は、圧縮行程および爆発行程における筒内圧Ｐおよび発熱量Ｑの関係を示すグラフである。
【００２３】
図２の上段に示すように、吸気バルブ（Ｉｎバルブ）３６の閉弁後は、ピストン１４の上昇に伴い筒内の気体が圧縮されるので筒内圧Ｐが上昇する。そして、上死点ＴＤＣよりもやや前で筒内の混合気を点火すると、筒内圧Ｐは、燃料の燃焼により急激に増加して最大値に到達し、その後はピストン１４の下降に伴い減少する。発熱量Ｑは、筒内へ噴射された燃料の燃焼により生じるものであるため、図２の下段に示すように、燃焼が継続している間は増大し続け、燃焼が終了すると一定となる。この燃焼終了点において、発熱量Ｑは最大値をとる。
【００２４】
ここで、筒内において成立する熱力学的な関係式から、燃焼期間中のあるクランク角における熱発生率ｄＱと筒内圧Ｐとの間には、下記式（１）が成立する。
ｄＱ＝Ｗ＋ｄＵ
＝ＰｄＶ＋ｎＣＶｄＴ
＝ＰｄＶ＋（１／κ−１）ｄ（ＰＶ）
＝（１／κ−１）（κＰｄＶ＋ＶｄＰ）
＝｛１／（κ−１）Ｖκ−１｝ｄ（ＰＶκ） ・・・（１）
上記式（１）において、Ｖは筒内容積であり、クランク角に応じて幾何学的に決定される値である。また、κは筒内ガスの比熱比（定数）である。
【００２５】
ここで、発熱量Ｑは、熱発生率ｄＱを吸気バルブ３４の閉弁時から排気バルブ４２の開弁時まで積分した値であり、この区間における熱発生率ｄＱの積算値と近似できる。よって、筒内圧Ｐと発熱量Ｑとの間には、下記式（２）の関係が成立する。
Ｑ＝｛１／（κ−１）｝Σ｛Δ（ＰＶκ）／Ｖκ−１｝ ・・・（２）
従って、クランク角毎の筒内圧Ｐが分かれば、上記式（２）を用いて発熱量Ｑを求めることができる。
【００２６】
ここで、燃料１ｇ当たりの発熱量として低位発熱量Ｑｌｈｖ（定数）と、吸気バルブ３４の閉弁時において筒内に吸入された吸入空気量ｇａとを用いると、空燃比は下記式（３）で表すことができる。
Ａ／Ｆ＝（ｇａ／Ｑ）Ｑｌｈｖ ・・・（３）
従って、上記式（２）を用いて求めた発熱量Ｑに加え、吸気バルブ３４の閉弁時における吸入空気量ｇａが分かれば、上記式（３）を用いて空燃比を求めることができる。
【００２７】
［実施の形態１の特徴］
図３は、上記式（２）を用いて求めた発熱量Ｑと、空燃比との相関を示したグラフである。図３に示すように、発熱量Ｑは、理論空燃比（１４．７）付近で最大となり、その両側では低下する。吸入空気量ｇａが一定であると仮定すると、筒内に噴射する燃料量が少なければ発熱量Ｑが低下するので、燃料リーン側において発熱量Ｑが低下する。一方、燃料リッチ側においても、発熱量Ｑが低下する。これは、筒内に噴射する燃料量が多くなると燃焼が悪化し、気化潜熱もより多く必要となることに因る。従って、図３にＡ，Ｂで示すように、求めた発熱量Ｑの値がＱ１の場合、空燃比が燃料リッチ側の値（Ａ）か燃料リーン側の値（Ｂ）か分からなくなってしまう。
【００２８】
なお、発熱量Ｑは、既述した通り、筒内へ噴射された燃料の燃焼により生じたものであるので、出力空燃比（エンジンが最も大きな出力を発生させることができるような空燃比であり、例えば、１２．５である。）を超える燃料は、発熱量Ｑに原理的に寄与しない。そのため、燃料リッチ側においては、発熱量Ｑの値が図３のＱ２よりも小さければ、上記の様な問題は生じない。以上のことから、本実施の形態においては、発熱量Ｑの値が図３のＱ２以上の場合に、筒内に噴射する燃料量を強制的に変化させて、その際に上記式（２）から求められる発熱量Ｑの変化特性から空燃比がどちらの領域にあるかを判定することとした（空燃比域判定制御）。
【００２９】
この空燃比域判定制御は、別途実行中の燃料噴射制御において、吸入空気量、エンジン回転数、エンジン冷却水の温度等に基づいて算出される燃料量（以下、「筒内要求燃料量」ともいう。）を強制的に増加または減少させることにより実行される。ここで、増加または減少させる燃料量は、筒内要求燃料量の±１０％〜±１００％の範囲内で予め設定されているものとする。
【００３０】
図４は、本実施の形態における空燃比域判定制御の一例を示した図である。本実施の形態においては、図４（Ａ）〜（Ｃ）の各上段に示すように、筒内に噴射する燃料量を強制的に増やす。そうすると、同図（Ａ）〜（Ｃ）の各中段に示すように、燃料の強制増量に伴って、発熱量Ｑは三通りに変化する。これらのうち、図４（Ａ）の下段に示すように、増量前後のΔＱ（＝Ｑafter−Ｑbefore）の傾きが正となった場合には、図３の説明に従って空燃比が燃料リーン側であると判断できる。一方、図４（Ｂ）の下段に示すように、増量前後のΔＱの傾きが負となった場合には、空燃比が燃料リッチ側であると判断できる。また、図４（Ｃ）の下段に示すように、増量前後でΔＱが変化しない場合には、空燃比が出力空燃比であると判断できる。
【００３１】
なお、筒内に噴射する燃料量を強制的に減らした場合には、減量前後のΔＱの傾きは、増量前後のΔＱの傾きと逆の判断になる。即ち、ΔＱが負となった場合には、空燃比が燃料リーン側であると判断でき、ΔＱの傾きが正となった場合には、空燃比が燃料リッチ側であると判断できる。増量前後でΔＱが変化しない場合については、増量前後のΔＱ同様、空燃比が出力空燃比であると判断できる。
【００３２】
［実施の形態１における具体的処理］
次に、図５を参照して、上述した空燃比域判定制御を実現するための具体的な処理について説明する。図５は、本実施の形態において、ＥＣＵ５０により実行される空燃比域判定制御を示すフローチャートである。なお、図５に示すルーチンは、エンジン１０の運転時に定期的に繰り返して実行されるものとする。
【００３３】
図５に示すルーチンでは、先ず、ＥＣＵ５０は、発熱量ＱがＱ２以上であるか否かを判定する（ステップ１００）。本ステップの処理に際し、ＥＣＵ５０は、先ず、発熱量Ｑを算出する。具体的に、ＥＣＵ５０は、エアフロメータ３８の検出値を取得し、この検出値に基づいて、吸気バルブ３４の閉弁時における吸入空気量ｇａを算出する。同時に、ＥＣＵ５０は、吸気バルブ３４の閉弁時から排気バルブ４２の開弁時までの筒内圧Ｐを取得する。本実施の形態においては、吸気バルブ３４の閉弁時から排気バルブ４２の開弁時まで、例えば１°クランク角毎に筒内圧Ｐを取得する。なお、吸気バルブ３４の閉弁時期および排気バルブ４２の開弁時期は、センサ３７，４５によってそれぞれ検出されるＶＶＴ機構３６，４４の作動量に基づいて把握する。そして、ＥＣＵ５０は、算出した吸入空気量ｇａと、取得した筒内圧Ｐと、クランク角毎に決定される筒内容積Ｖと、予めＥＣＵ５０内に記憶されたκ（一定値）とを上記式（２）に代入して発熱量Ｑを算出し、Ｑ２と比較する。ここで、Ｑ２は、図３で説明した閾値に相当し、筒内要求燃料量毎に定められた上で予めＥＣＵ５０内に記憶されているものとする。
【００３４】
ステップ１００において、発熱量ＱがＱ２よりも小さいと判定された場合には、空燃比は燃料リーン側の値であり、これ以上の処理は必要ないと判断できるので、ＥＣＵ５０は本ルーチンを終了する。一方、発熱量ＱがＱ２以上であると判定された場合には、ＥＣＵ５０は、筒内に噴射する燃料量を強制的に増やす（ステップ１１０）。ここで、増量する燃料値は予めＥＣＵ５０内に記憶されている値を用いる。
【００３５】
続いて、ＥＣＵ５０は、噴射量の増量前後の発熱量ＱからΔＱを算出する（ステップ１２０）。本ステップにおいて、噴射量の増量前の発熱量Ｑbeforeは、ステップ１００で算出した値を用いる。また、噴射量の増量後の発熱量Ｑafterは、ステップ１００と同一の処理により算出する。そして、これらの差分を求めることによりΔＱを算出する。
【００３６】
続いて、ＥＣＵ５０は、ステップ１２０で算出したΔＱの絶対値が、閾値以下であるか否かを判定する（ステップ１３０）。本ステップにおいて、閾値は０または０に所定の誤差分を含んだ値として、予めＥＣＵ５０内に記憶されている値を用いる。そして、ΔＱの絶対値が閾値以下であると判定された場合には、空燃比が出力空燃比であると判断できる（ステップ１４０）。
【００３７】
一方、ΔＱの絶対値が閾値よりも大きいと判定された場合には、ΔＱが正の値であるか負の値であるかが判定される（ステップ１５０）。そして、ΔＱが正の値であると判定された場合には、空燃比が燃料リーン側の値であり（ステップ１６０）、ΔＱが負の値であると判定された場合には、空燃比が燃料リッチ側の値であるとそれぞれ判断できる（ステップ１７０）。
【００３８】
以上、図５に示したルーチンによれば、算出したΔＱを用いて、燃料リッチ側（出力空燃比を含む）或いは燃料リーン側の何れの空燃比域にあるかを判定することができる。従って、空燃比算出を高精度に行うことが可能となる。また、図５に示したルーチンによれば、発熱量ＱがＱ２以上の場合にΔＱを算出するので、Ｑ２未満の場合のΔＱの算出によるＥＣＵ５０の処理負担を軽減させることができる。
【００３９】
ところで、上述した実施の形態１においては、上記空燃比域判定制御の際に発熱量Ｑを用いたが、発熱量Ｑの代わりに、燃焼速度ＦＳを用いてもよい。燃焼速度ＦＳは空燃比と相関を有し、図６に示すように、空燃比に対する燃焼速度ＦＳの傾向は、空燃比に対する発熱量Ｑと同様の傾向を示す。また、図７に示すように、燃焼速度ＦＳは、燃料点火後から排気バルブ４２の開弁時までの発熱量Ｑの変化量（即ち、熱発生率ｄＱ）として表すことができる。従って、噴射燃料を強制変更した前後における発熱量Ｑの変化量の差を用いれば、本実施の形態と同様に、空燃比域を判定できる。このように、熱発生率ｄＱを用いて空燃比域判定制御を実行する限りにおいて、本実施の形態の変形例として適用が可能である。
【００４０】
なお、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ２６が上記第１の発明における「筒内圧取得手段」に相当する。また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が図５のステップ１００の処理において、発熱量Ｑを算出することにより上記第１の発明における「熱発生率算出手段」が、同図ステップ１１０の処理を実行することにより上記第１の発明における「燃料量変更手段」が、同図ステップ１３０〜１７０の一連の処理を実行することにより上記第１の発明における「空燃比域判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００４１】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。上記実施の形態１で述べたように、上記空燃比域判定制御は、筒内に噴射する燃料量を強制的に変化させるものである。そのため、トルク変動が生じる可能性が高い。しかしながら、トルク変動を低減するために、強制変更時に噴射する燃料の変化量を小さくすれば、筒内圧センサ２６で検出される筒内圧ＰのＳ／Ｎが悪くなり、発熱量Ｑの算出精度が低くなってしまう。
【００４２】
そこで、本実施の形態では、燃料量の強制変更を複数回行い、ΔＱのデータを蓄積してから空燃比域の判定を実行することとした。具体的には図８に示すように、ΔＱのデータを、燃料増加時と燃料減少時とに区別して気筒毎に蓄積しておき（例えば、増減時１０回、減量時１０回の計２０回分のデータ）、それぞれのデータの平均値から空燃比がどちらの領域にあるかを判定する。これにより、噴射する燃料の変化量を小さくすることによる筒内圧ＰのＳ／Ｎの悪化を補填できるので、発熱量Ｑの算出精度を担保できる。
【００４３】
また、本実施の形態では、強制変更時に噴射する燃料量を細かく変動させる。筒内に噴射する燃料量は、インジェクタ２８のソレノイドコイルへの通電時間によって制御する。本実施の形態では、強制変更時に、この通電時間を細分割して筒内に噴射する燃料量を細かく変動させながら噴射する。これにより、運転者がトルク変動を感知し得ない高周波数（例えば３０Ｈｚ程度）での空燃比域判定制御が可能となる。
【００４４】
更に、本実施の形態では、図９に示すように、同一気筒において、サイクル間で燃料の増減を切り替える。同一気筒において同一方向（増量または減量）に燃料量を変化させ続けると、排気空燃比域が一方に偏ることになるので触媒４６の浄化能が低下する場合がある。この点、サイクル間で燃料の増減を切り替えれば、触媒４６の浄化能の低下を抑制できるので、排気エミッションの悪化を防止できる。
【００４５】
加えて、本実施の形態では、同図に示すように、１サイクルにおいて、隣り合う気筒間で燃料の増減を逆転させる。これにより、１サイクルにおけるトルク変動を低減させることができる。また、隣り合う気筒間で燃料の増減を逆転させれば、排気空燃比域が一方に偏ることもないので、触媒４６の浄化能の低下を抑制でき、排気エミッションの悪化を防止できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ エンジン
１２ 気筒
１４ ピストン
１６ シリンダブロック
１８ クランクシャフト
２０ クランク角センサ
２２ シリンダヘッド
２４ 燃焼室
２６ 筒内圧センサ
２８ インジェクタ
３０ 点火プラグ
３２ 吸気ポート
３４ 吸気バルブ
３６，４４ ＶＶＴ機構
３７，４５ センサ
３８ エアフロメータ
４０ 排気ポート
４２ 排気バルブ
４６ 触媒
５０ ＥＣＵ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の空燃比算出装置に関し、より詳細には、筒内圧を用いて空燃比を算出する内燃機関の空燃比算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、吸気弁閉弁時点における筒内圧と筒内温度とから算出した筒内吸入空気量と、筒内圧を用いて算出した発熱量とを用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比を算出する空燃比算出装置が開示されている。この空燃比算出装置においては、具体的に、筒内圧から筒内での熱発生率を算出し、次いで、この熱発生率を燃焼期間中に亘って積分することにより発熱量を求め、次いで、この発熱量から燃料中に含まれている水分等の蒸発に必要な潜熱を差し引いて筒内供給燃料量を求め、最後に、この筒内供給燃料量を筒内吸入空気量で除算することにより空燃比を算出している。
【０００３】
また、例えば特許文献２には、筒内で燃焼した混合気の空燃比と、発熱量との関係が示されている。具体的には、空燃比が理論空燃比よりも燃料リーン側では、燃料リーンになるほど発熱量が低下し、一方、空燃比が理論空燃比よりも燃料リッチ側では、空燃比が変化しても発熱量の変化は殆ど変化しないとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２０３９２号公報
【特許文献２】特開２００６−１４４６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、空燃比と発熱量との実際の関係は、特許文献２に示された関係とは異なる。即ち、空燃比が理論空燃比よりも燃料リッチ側になるほど発熱量が低下する。この理由は、燃料量が増加すれば燃焼が悪化し、気化潜熱もより多く必要となるからである。そのため、発熱量と空燃比との関係は、ピークを有する特性曲線で表されることになるので、燃料リーン側の発熱量と燃料リッチ側の発熱量とが等しくなる場合がある。従って、このような関係に基づいて、特許文献１の手法に従って発熱量から空燃比を求めようとすると、実際にはリッチ側の空燃比であるにも関わらず、リーン側の空燃比として算出してしまう可能性があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものである。即ち、燃料リッチ側における特性変化の影響を考慮して、精度高く空燃比を算出可能な内燃機関の空燃比算出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比算出装置であって、
内燃機関の筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記筒内圧を用いて、筒内での熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
前記内燃機関の筒内要求燃料量を強制的に変更する燃料量変更手段と、
前記筒内要求燃料量の強制的な変更前後のサイクルにおける前記熱発生率を用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定する空燃比域判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記筒内要求燃料量の非変更時における前記熱発生率から求めた発熱量が、前記筒内要求燃料量を供給した際に前記内燃機関の最大出力を発生させる出力空燃比に対応する発熱量よりも小さい場合には、前記筒内要求燃料量の強制的な変更を禁止することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記燃料量変更手段は、前記筒内要求燃料量の強制的な変更としての燃料増量および燃料減量をサイクル毎に切り替え、
前記空燃比域判定手段は、前記燃料増量時における前記熱発生率から求めた発熱量の履歴と、前記燃料減量時における前記熱発生率から求めた発熱量の履歴とを用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定することを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至第３何れか１つの発明において、
前記内燃機関は複数の気筒を有し、
前記燃料量変更手段は、１サイクルにおける前記筒内要求燃料量の強制的な変更としての燃料増量および燃料減量を、隣り合う気筒間で逆転させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、筒内要求燃料量の強制的な変更前後のサイクルにおける熱発生率を用いて、空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定できる。あるサイクルでの空燃比が理論空燃比よりも燃料リーン側の場合、筒内要求燃料量を強制的に増やせば、次サイクルでは燃料が増えた分だけ熱発生率が増加し、筒内要求燃料量を強制的に減らせば燃料が減った分だけ熱発生率が減少する。一方、あるサイクルでの空燃比が理論空燃比よりも燃料リッチ側の場合、筒内要求燃料量を強制的に増やせば、次サイクルでは燃焼悪化等により熱発生率が減少し、筒内要求燃料量を強制的に減らせば燃料が減った分だけ燃焼悪化等の影響が緩和されるので熱発生率が増加する。従って、筒内要求燃料量の強制的な変更前後のサイクルにおける熱発生率を用いれば、燃料リッチ側における燃焼特性変化の影響を考慮した上で、精度高く空燃比を算出できる。
【００１２】
第２の発明によれば、筒内要求燃料量の非変更時における熱発生率から求めた発熱量が、出力空燃比に対応する発熱量よりも小さい場合に、筒内要求燃料量の変更を禁止できる。出力空燃比を超える燃料は、発熱量に原理的に寄与しないので、出力空燃比に対応する発熱量よりも小さい場合は、燃料リーン側の発熱量と燃料リッチ側の発熱量が等しくなることはない。従って、空燃比域の判定に要する処理負担を軽減できる。
【００１３】
筒内要求燃料量を強制的に変更するとトルク変動が生じる場合があり、このトルク変動を抑えるために燃料の変更量を少量にすれば、筒内圧取得手段から取得する筒内圧の感度がそれだけ低下する。この点、第３の発明によれば、燃料増量時における熱発生率から求めた発熱量の履歴と、燃料減量時における熱発生率から求めた発熱量の履歴とを用いるので、燃料の変更量を少量とすることによる筒内圧の感度の低下分を補償できる。従って、発熱量の算出精度を担保でき、空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを精度高く判定できる。
【００１４】
上述したように、筒内要求燃料量を強制的に変更するとトルク変動が生じる場合がある。この点、第４の発明によれば、１サイクルにおける筒内要求燃料量の強制的な変更とし燃料増量および燃料減量を、隣り合う気筒間で逆転させるので、１サイクルにおけるトルク変動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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２】圧縮行程および爆発行程における筒内圧Ｐおよび発熱量Ｑの関係を示すグラフである。
【図３】発熱量Ｑと空燃比との相関を示したグラフである。
【図４】実施の形態１における空燃比域判定制御の一例を示した図である。
【図５】実施の形態１において、ＥＣＵ５０により実行される空燃比域判定制御を示すフローチャートである。
【図６】燃焼速度ＦＳと空燃比との相関を示したグラフである。
【図７】燃焼速度ＦＳを説明するための図である。
【図８】実施の形態２における空燃比域判定制御の具体例を示したものである。
【図９】実施の形態２における空燃比域判定制御において、噴射する燃料を変化させる場合の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
以下、図１乃至図７を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。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。本実施の形態のシステムは、内燃機関としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０は、直列４気筒型エンジン（爆発順序は＃１→＃３→＃４→＃２）であるが、図１には、そのうちの１気筒として気筒１２のみを示している。
【００１７】
エンジン１０は、内部にピストン１４を有するシリンダブロック１６を備えている。ピストン１４は、クランク機構を介してクランクシャフト１８と接続されている。クランクシャフト１８の近傍には、クランク角センサ２０が設けられている。クランク角センサ２０は、クランクシャフト１８の回転角（クランク角）を検出するように構成されている。
【００１８】
シリンダブロック１６の上部にはシリンダヘッド２２が組み付けられている。ピストン１４上面からシリンダヘッド２２までの空間は燃焼室２４を形成している。シリンダヘッド２２には、燃焼室２４内の圧力（以下、「筒内圧Ｐ」という。）を検出する筒内圧センサ２６が設けられている。また、シリンダヘッド２２には、燃焼室２４内に直接燃料を噴射する電子制御式のインジェクタ２８が設けられている。また、シリンダヘッド２２には、燃焼室２４内の混合気に点火する点火プラグ３０が設けられている。
【００１９】
シリンダヘッド２２は、燃焼室２４と連通する吸気ポート３２を備えている。吸気ポート３２と燃焼室２４との接続部には吸気バルブ３４が設けられている。吸気バルブ３４は、可変バルブタイミング機構（以下、「ＶＶＴ機構」という。）３６により駆動されるものである。ＶＶＴ機構３６は、吸気バルブ３４の開弁時期を変更可能に構成されている。より詳細には、ＶＶＴ機構３６は、該機構の構造により定まる最進角から最遅角までの範囲で、吸気バルブ３４の開弁位相、作用角やリフト量を変更可能に構成されている。ＶＶＴ機構３６の近傍には、ＶＶＴ機構３６の作動量を検出するセンサ３７が設けられている。吸気ポート３２の上流には、エアフロメータ３８が設けられている。エアフロメータ３８は、吸入空気量を検出するように構成されている。
【００２０】
また、シリンダヘッド２２は、燃焼室２４と連通する排気ポート４０を備えている。排気ポート４０と燃焼室２４との接続部には排気バルブ４２が設けられている。排気バルブ４２は、ＶＶＴ機構４４により駆動されるものである。ＶＶＴ機構４４は、ＶＶＴ機構３６同様、排気バルブ４２の開弁位相、作用角やリフト量を変更可能に構成されている。ＶＶＴ機構４４の近傍には、ＶＶＴ機構４４の作動量を検出するセンサ４５が設けられている。排気ポート４０の下流には、排気ガスを浄化するための触媒４６が配置されている。
【００２１】
また、本実施の形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には、インジェクタ２８、点火プラグ３０、ＶＶＴ機構３６，４４等が接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、クランク角センサ２０、筒内圧センサ２６、エアフロメータ３８、センサ３７，４５等が接続されている。ＥＣＵ５０は、これらのセンサ信号に基づいて、インジェクタ２８、点火プラグ３０、ＶＶＴ機構３６，４４といった各種アクチュエータを制御することができる。
【００２２】
［筒内圧Ｐを用いた空燃比算出］
ところで、本実施の形態においては、サイクル毎に、筒内での発熱量Ｑを筒内圧センサ２６により検出した筒内圧Ｐから算出し、この発熱量Ｑに基づいて、燃焼した混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を算出する。このＡ／Ｆ算出方法について、図２を参照しながら説明する。図２は、圧縮行程および爆発行程における筒内圧Ｐおよび発熱量Ｑの関係を示すグラフである。
【００２３】
図２の上段に示すように、吸気バルブ（Ｉｎバルブ）３６の閉弁後は、ピストン１４の上昇に伴い筒内の気体が圧縮されるので筒内圧Ｐが上昇する。そして、上死点ＴＤＣよりもやや前で筒内の混合気を点火すると、筒内圧Ｐは、燃料の燃焼により急激に増加して最大値に到達し、その後はピストン１４の下降に伴い減少する。発熱量Ｑは、筒内へ噴射された燃料の燃焼により生じるものであるため、図２の下段に示すように、燃焼が継続している間は増大し続け、燃焼が終了すると一定となる。この燃焼終了点において、発熱量Ｑは最大値をとる。
【００２４】
ここで、筒内において成立する熱力学的な関係式から、燃焼期間中のあるクランク角における熱発生率ｄＱと筒内圧Ｐとの間には、下記式（１）が成立する。
ｄＱ＝Ｗ＋ｄＵ
＝ＰｄＶ＋ｎＣＶｄＴ
＝ＰｄＶ＋（１／κ−１）ｄ（ＰＶ）
＝（１／κ−１）（κＰｄＶ＋ＶｄＰ）
＝｛１／（κ−１）Ｖκ−１｝ｄ（ＰＶκ） ・・・（１）
上記式（１）において、Ｖは筒内容積であり、クランク角に応じて幾何学的に決定される値である。また、κは筒内ガスの比熱比（定数）である。
【００２５】
ここで、発熱量Ｑは、熱発生率ｄＱを吸気バルブ３４の閉弁時から排気バルブ４２の開弁時まで積分した値であり、この区間における熱発生率ｄＱの積算値と近似できる。よって、筒内圧Ｐと発熱量Ｑとの間には、下記式（２）の関係が成立する。
Ｑ＝｛１／（κ−１）｝Σ｛Δ（ＰＶκ）／Ｖκ−１｝ ・・・（２）
従って、クランク角毎の筒内圧Ｐが分かれば、上記式（２）を用いて発熱量Ｑを求めることができる。
【００２６】
ここで、燃料１ｇ当たりの発熱量として低位発熱量Ｑｌｈｖ（定数）と、吸気バルブ３４の閉弁時において筒内に吸入された吸入空気量ｇａとを用いると、空燃比は下記式（３）で表すことができる。
Ａ／Ｆ＝（ｇａ／Ｑ）Ｑｌｈｖ ・・・（３）
従って、上記式（２）を用いて求めた発熱量Ｑに加え、吸気バルブ３４の閉弁時における吸入空気量ｇａが分かれば、上記式（３）を用いて空燃比を求めることができる。
【００２７】
［実施の形態１の特徴］
図３は、上記式（２）を用いて求めた発熱量Ｑと、空燃比との相関を示したグラフである。図３に示すように、発熱量Ｑは、理論空燃比（１４．７）付近で最大となり、その両側では低下する。吸入空気量ｇａが一定であると仮定すると、筒内に噴射する燃料量が少なければ発熱量Ｑが低下するので、燃料リーン側において発熱量Ｑが低下する。一方、燃料リッチ側においても、発熱量Ｑが低下する。これは、筒内に噴射する燃料量が多くなると燃焼が悪化し、気化潜熱もより多く必要となることに因る。従って、図３にＡ，Ｂで示すように、求めた発熱量Ｑの値がＱ１の場合、空燃比が燃料リッチ側の値（Ａ）か燃料リーン側の値（Ｂ）か分からなくなってしまう。
【００２８】
なお、発熱量Ｑは、既述した通り、筒内へ噴射された燃料の燃焼により生じたものであるので、出力空燃比（エンジンが最も大きな出力を発生させることができるような空燃比であり、例えば、１２．５である。）を超える燃料は、発熱量Ｑに原理的に寄与しない。そのため、燃料リッチ側においては、発熱量Ｑの値が図３のＱ２よりも小さければ、上記の様な問題は生じない。以上のことから、本実施の形態においては、発熱量Ｑの値が図３のＱ２以上の場合に、筒内に噴射する燃料量を強制的に変化させて、その際に上記式（２）から求められる発熱量Ｑの変化特性から空燃比がどちらの領域にあるかを判定することとした（空燃比域判定制御）。
【００２９】
この空燃比域判定制御は、別途実行中の燃料噴射制御において、吸入空気量、エンジン回転数、エンジン冷却水の温度等に基づいて算出される燃料量（以下、「筒内要求燃料量」ともいう。）を強制的に増加または減少させることにより実行される。ここで、増加または減少させる燃料量は、筒内要求燃料量の±１０％〜±１００％の範囲内で予め設定されているものとする。
【００３０】
図４は、本実施の形態における空燃比域判定制御の一例を示した図である。本実施の形態においては、図４（Ａ）〜（Ｃ）の各上段に示すように、筒内に噴射する燃料量を強制的に増やす。そうすると、同図（Ａ）〜（Ｃ）の各中段に示すように、燃料の強制増量に伴って、発熱量Ｑは三通りに変化する。これらのうち、図４（Ａ）の下段に示すように、増量前後のΔＱ（＝Ｑafter−Ｑbefore）の傾きが正となった場合には、図３の説明に従って空燃比が燃料リーン側であると判断できる。一方、図４（Ｂ）の下段に示すように、増量前後のΔＱの傾きが負となった場合には、空燃比が燃料リッチ側であると判断できる。また、図４（Ｃ）の下段に示すように、増量前後でΔＱが変化しない場合には、空燃比が出力空燃比であると判断できる。
【００３１】
なお、筒内に噴射する燃料量を強制的に減らした場合には、減量前後のΔＱの傾きは、増量前後のΔＱの傾きと逆の判断になる。即ち、ΔＱが負となった場合には、空燃比が燃料リーン側であると判断でき、ΔＱの傾きが正となった場合には、空燃比が燃料リッチ側であると判断できる。増量前後でΔＱが変化しない場合については、増量前後のΔＱ同様、空燃比が出力空燃比であると判断できる。
【００３２】
［実施の形態１における具体的処理］
次に、図５を参照して、上述した空燃比域判定制御を実現するための具体的な処理について説明する。図５は、本実施の形態において、ＥＣＵ５０により実行される空燃比域判定制御を示すフローチャートである。なお、図５に示すルーチンは、エンジン１０の運転時に定期的に繰り返して実行されるものとする。
【００３３】
図５に示すルーチンでは、先ず、ＥＣＵ５０は、発熱量ＱがＱ２以上であるか否かを判定する（ステップ１００）。本ステップの処理に際し、ＥＣＵ５０は、先ず、発熱量Ｑを算出する。具体的に、ＥＣＵ５０は、エアフロメータ３８の検出値を取得し、この検出値に基づいて、吸気バルブ３４の閉弁時における吸入空気量ｇａを算出する。同時に、ＥＣＵ５０は、吸気バルブ３４の閉弁時から排気バルブ４２の開弁時までの筒内圧Ｐを取得する。本実施の形態においては、吸気バルブ３４の閉弁時から排気バルブ４２の開弁時まで、例えば１°クランク角毎に筒内圧Ｐを取得する。なお、吸気バルブ３４の閉弁時期および排気バルブ４２の開弁時期は、センサ３７，４５によってそれぞれ検出されるＶＶＴ機構３６，４４の作動量に基づいて把握する。そして、ＥＣＵ５０は、算出した吸入空気量ｇａと、取得した筒内圧Ｐと、クランク角毎に決定される筒内容積Ｖと、予めＥＣＵ５０内に記憶されたκ（一定値）とを上記式（２）に代入して発熱量Ｑを算出し、Ｑ２と比較する。ここで、Ｑ２は、図３で説明した閾値に相当し、筒内要求燃料量毎に定められた上で予めＥＣＵ５０内に記憶されているものとする。
【００３４】
ステップ１００において、発熱量ＱがＱ２よりも小さいと判定された場合には、空燃比は燃料リーン側の値であり、これ以上の処理は必要ないと判断できるので、ＥＣＵ５０は本ルーチンを終了する。一方、発熱量ＱがＱ２以上であると判定された場合には、ＥＣＵ５０は、筒内に噴射する燃料量を強制的に増やす（ステップ１１０）。ここで、増量する燃料値は予めＥＣＵ５０内に記憶されている値を用いる。
【００３５】
続いて、ＥＣＵ５０は、噴射量の増量前後の発熱量ＱからΔＱを算出する（ステップ１２０）。本ステップにおいて、噴射量の増量前の発熱量Ｑbeforeは、ステップ１００で算出した値を用いる。また、噴射量の増量後の発熱量Ｑafterは、ステップ１００と同一の処理により算出する。そして、これらの差分を求めることによりΔＱを算出する。
【００３６】
続いて、ＥＣＵ５０は、ステップ１２０で算出したΔＱの絶対値が、閾値以下であるか否かを判定する（ステップ１３０）。本ステップにおいて、閾値は０または０に所定の誤差分を含んだ値として、予めＥＣＵ５０内に記憶されている値を用いる。そして、ΔＱの絶対値が閾値以下であると判定された場合には、空燃比が出力空燃比であると判断できる（ステップ１４０）。
【００３７】
一方、ΔＱの絶対値が閾値よりも大きいと判定された場合には、ΔＱが正の値であるか負の値であるかが判定される（ステップ１５０）。そして、ΔＱが正の値であると判定された場合には、空燃比が燃料リーン側の値であり（ステップ１６０）、ΔＱが負の値であると判定された場合には、空燃比が燃料リッチ側の値であるとそれぞれ判断できる（ステップ１７０）。
【００３８】
以上、図５に示したルーチンによれば、算出したΔＱを用いて、燃料リッチ側（出力空燃比を含む）或いは燃料リーン側の何れの空燃比域にあるかを判定することができる。従って、空燃比算出を高精度に行うことが可能となる。また、図５に示したルーチンによれば、発熱量ＱがＱ２以上の場合にΔＱを算出するので、Ｑ２未満の場合のΔＱの算出によるＥＣＵ５０の処理負担を軽減させることができる。
【００３９】
ところで、上述した実施の形態１においては、上記空燃比域判定制御の際に発熱量Ｑを用いたが、発熱量Ｑの代わりに、燃焼速度ＦＳを用いてもよい。燃焼速度ＦＳは空燃比と相関を有し、図６に示すように、空燃比に対する燃焼速度ＦＳの傾向は、空燃比に対する発熱量Ｑと同様の傾向を示す。また、図７に示すように、燃焼速度ＦＳは、燃料点火後から排気バルブ４２の開弁時までの発熱量Ｑの変化量（即ち、熱発生率ｄＱ）として表すことができる。従って、噴射燃料を強制変更した前後における発熱量Ｑの変化量の差を用いれば、本実施の形態と同様に、空燃比域を判定できる。このように、熱発生率ｄＱを用いて空燃比域判定制御を実行する限りにおいて、本実施の形態の変形例として適用が可能である。
【００４０】
なお、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ２６が上記第１の発明における「筒内圧取得手段」に相当する。また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が図５のステップ１００の処理において、発熱量Ｑを算出することにより上記第１の発明における「熱発生率算出手段」が、同図ステップ１１０の処理を実行することにより上記第１の発明における「燃料量変更手段」が、同図ステップ１３０〜１７０の一連の処理を実行することにより上記第１の発明における「空燃比域判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００４１】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。上記実施の形態１で述べたように、上記空燃比域判定制御は、筒内に噴射する燃料量を強制的に変化させるものである。そのため、トルク変動が生じる可能性が高い。しかしながら、トルク変動を低減するために、強制変更時に噴射する燃料の変化量を小さくすれば、筒内圧センサ２６で検出される筒内圧ＰのＳ／Ｎが悪くなり、発熱量Ｑの算出精度が低くなってしまう。
【００４２】
そこで、本実施の形態では、燃料量の強制変更を複数回行い、ΔＱのデータを蓄積してから空燃比域の判定を実行することとした。具体的には図８に示すように、ΔＱのデータを、燃料増加時と燃料減少時とに区別して気筒毎に蓄積しておき（例えば、増減時１０回、減量時１０回の計２０回分のデータ）、それぞれのデータの平均値から空燃比がどちらの領域にあるかを判定する。これにより、噴射する燃料の変化量を小さくすることによる筒内圧ＰのＳ／Ｎの悪化を補填できるので、発熱量Ｑの算出精度を担保できる。
【００４３】
また、本実施の形態では、強制変更時に噴射する燃料量を細かく変動させる。筒内に噴射する燃料量は、インジェクタ２８のソレノイドコイルへの通電時間によって制御する。本実施の形態では、強制変更時に、この通電時間を細分割して筒内に噴射する燃料量を細かく変動させながら噴射する。これにより、運転者がトルク変動を感知し得ない高周波数（例えば３０Ｈｚ程度）での空燃比域判定制御が可能となる。
【００４４】
更に、本実施の形態では、図９に示すように、同一気筒において、サイクル間で燃料の増減を切り替える。同一気筒において同一方向（増量または減量）に燃料量を変化させ続けると、排気空燃比域が一方に偏ることになるので触媒４６の浄化能が低下する場合がある。この点、サイクル間で燃料の増減を切り替えれば、触媒４６の浄化能の低下を抑制できるので、排気エミッションの悪化を防止できる。
【００４５】
加えて、本実施の形態では、同図に示すように、１サイクルにおいて、隣り合う気筒間で燃料の増減を逆転させる。これにより、１サイクルにおけるトルク変動を低減させることができる。また、隣り合う気筒間で燃料の増減を逆転させれば、排気空燃比域が一方に偏ることもないので、触媒４６の浄化能の低下を抑制でき、排気エミッションの悪化を防止できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ エンジン
１２ 気筒
１４ ピストン
１６ シリンダブロック
１８ クランクシャフト
２０ クランク角センサ
２２ シリンダヘッド
２４ 燃焼室
２６ 筒内圧センサ
２８ インジェクタ
３０ 点火プラグ
３２ 吸気ポート
３４ 吸気バルブ
３６，４４ ＶＶＴ機構
３７，４５ センサ
３８ エアフロメータ
４０ 排気ポート
４２ 排気バルブ
４６ 触媒
５０ ＥＣＵ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記筒内圧を用いて、筒内での熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
前記内燃機関の筒内要求燃料量を強制的に変更する燃料量変更手段と、
前記筒内要求燃料量の強制的な変更前後のサイクルにおける前記熱発生率を用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定する空燃比域判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比算出装置。
【請求項２】
前記筒内要求燃料量の非変更時における前記熱発生率から求めた発熱量が、前記筒内要求燃料量を供給した際に前記内燃機関の最大出力を発生させる出力空燃比に対応する発熱量よりも小さい場合には、前記筒内要求燃料量の強制的な変更を禁止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比算出装置。
【請求項３】
前記燃料量変更手段は、前記筒内要求燃料量の強制的な変更としての燃料増量および燃料減量をサイクル毎に切り替え、
前記空燃比域判定手段は、前記燃料増量時における前記熱発生率から求めた発熱量の履歴と、前記燃料減量時における前記熱発生率から求めた発熱量の履歴とを用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比算出装置。
【請求項４】
前記内燃機関は複数の気筒を有し、
前記燃料量変更手段は、１サイクルにおける前記筒内要求燃料量の強制的な変更としての燃料増量および燃料減量を、隣り合う気筒間で逆転させることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の空燃比算出装置。
【請求項１】
内燃機関の筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記筒内圧を用いて、筒内での熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
前記内燃機関の筒内要求燃料量を強制的に変更する燃料量変更手段と、
前記筒内要求燃料量の強制的な変更前後のサイクルにおける前記熱発生率を用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定する空燃比域判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比算出装置。
【請求項２】
前記筒内要求燃料量の非変更時における前記熱発生率から求めた発熱量が、前記筒内要求燃料量を供給した際に前記内燃機関の最大出力を発生させる出力空燃比に対応する発熱量よりも小さい場合には、前記筒内要求燃料量の強制的な変更を禁止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比算出装置。
【請求項３】
前記燃料量変更手段は、前記筒内要求燃料量の強制的な変更としての燃料増量および燃料減量をサイクル毎に切り替え、
前記空燃比域判定手段は、前記燃料増量時における前記熱発生率から求めた発熱量の履歴と、前記燃料減量時における前記熱発生率から求めた発熱量の履歴とを用いて、筒内で燃焼した混合気の空燃比が理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを判定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比算出装置。
【請求項４】
前記内燃機関は複数の気筒を有し、
前記燃料量変更手段は、１サイクルにおける前記筒内要求燃料量の強制的な変更としての燃料増量および燃料減量を、隣り合う気筒間で逆転させることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の空燃比算出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１８０８１７（Ｐ２０１２−１８０８１７Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５９４５（Ｐ２０１１−４５９４５）
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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