JP2016014380A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
燃焼の制御に熱発生率重心位置を利用する内燃機関において、ピストンのトップランド壁面に堆積するデポジットが増加したとき、そのデポジットが圧縮行程においてシリンダボア壁面の潤滑油を掻き上げる結果、燃焼室内に存在する潤滑油の量が増加するので、燃焼行程において気化する潤滑油の量が増加し、以て、潤滑油の減少速度が増加する。
【解決手段】
トップランド壁面に堆積するデポジットが増加したとき、熱発生率重心位置を進角させて燃焼行程における燃焼室内温度の最大値を上昇させることによってデポジットを焼失させ、以て、潤滑油の減少速度の増加を抑制する内燃機関の制御装置を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に供給される燃料（混合気）の燃焼状態を制御する制御装置に関する。

一般に、ディーゼル機関等の内燃機関（以下、単に「機関」とも称呼する。）の運転時、混合気の燃焼によって生じるエネルギーの一部はクランクシャフトを回転させる仕事に変換されるが、残りは損失となる。この損失には、冷却損失、排気損失、吸気及び排気に伴って発生するポンプ損失、並びに、機械抵抗損失等が含まれる。このうち、冷却損失及び排気損失は、損失全体に対して大きな割合を占める。従って、内燃機関の燃費を改善させるためには冷却損失及び排気損失を減少させることが有効である。

しかしながら、一般に、冷却損失と排気損失とはトレードオフの関係にある。即ち、冷却損失を低下させれば排気損失が増加し、排気損失を低下させれば冷却損失が増加する。従って、冷却損失と排気損失との和が最小となる燃焼状態を実現できれば、機関の燃費は大幅に改善される。

ところで、燃焼状態は、燃料噴射時期及び過給圧等の「燃焼状態に影響を及ぼす多くのパラメータ」に応じて変化する。以下、燃焼状態に影響を及ぼすパラメータは、単に「燃焼パラメータ」とも称呼される。ところが、複数の燃焼パラメータが各運転状態に対して適切な値（組み合わせ）となるように、各燃焼パラメータを実験及びシミュレーション等によって予め求めることは容易ではなく、且つ、莫大な適合時間を必要とする。そのため、燃焼パラメータを体系的に決定する手法が提案されてきている。

例えば、従来の制御装置の一つ（以下、「従来装置」とも称呼する。）は、「１回の燃焼行程中に発生する総熱量のうち、その半分の熱量が発生した時点のクランク角度（以下、「燃焼重心角度」と称呼する。）」を算出する。更に、従来装置は、その燃焼重心角度と所定の基準値とが乖離している場合、燃料噴射時期を補正することによって、或いは、ＥＧＲ率を調整して燃焼室（気筒）内の酸素濃度を調節することによって、燃焼重心角度を基準値と一致させている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１１−２０２６２９号公報

例えばディーゼル機関においては、１つのサイクルの燃焼に対して燃料を複数回噴射する多段噴射が行われる場合がある。より具体的に述べると、ディーゼル機関においては、主噴射（メイン噴射）に先立ちパイロット噴射が行なわれ、次いで、主噴射が行なわれる場合がある。更に、主噴射の後にアフター噴射が行われる場合がある。

パイロット噴射と主噴射とが行われる場合のクランク角度と熱発生率との関係は、例えば、図１（Ａ）の曲線Ｃ１により示された波形により表される。熱発生率とは、単位クランク角度（クランクシャフトの回転位置の単位変化量）あたりに混合気の燃焼により発生する熱の量、即ち、単位クランク角度あたりの熱発生量である。この波形は、以下「燃焼波形」とも称呼される。

燃焼重心角度は、燃焼波形の形状に依らず、総熱量のうちの半分の熱量が発生するタイミングによって決まる。そのため、例えば、主噴射が行われるタイミングを変えずにパイロット噴射が行われるタイミングのみが進角した場合、燃焼重心角度は、パイロット噴射が進角しない場合と比較して変化しない場合がある。即ち、パイロット噴射時期が進角側に移動することによって燃焼波形が変化しても、燃焼重心角度が変化しない場合がある。従って、燃焼重心角度は必ずしも各サイクルの燃焼状態を正確に反映する指標値ではない。

実際に、発明者は、「燃焼重心角度と燃費悪化率との関係」を種々の「機関の負荷及び機関回転速度」に対して測定したところ、機関の負荷及び／又は機関回転速度が相違すると、燃費が最良となる燃焼重心角度も相違するとの知見を得た。換言すると、燃焼重心角度が一定の基準値に一致するように燃焼状態が制御されたとしても、機関の負荷及び／又は機関回転速度が相違すれば燃費悪化率が最小にならないことが判明した。

そこで、発明者は、燃焼状態を表す指標値として、従来の燃焼重心角度の代わりに「熱発生率重心位置」に着目した。この熱発生率重心位置は、以下に述べるように定義される。

即ち、熱発生率重心位置は、図１（Ａ）に示したように、「クランク角度を横軸に設定し、且つ、熱発生率（単位クランク角度あたりの熱の発生量）を縦軸に設定した座標系（グラフ）」に描かれる熱発生率の波形（燃焼波形）と、前記横軸と、により囲まれる領域（本例において、領域Ａ１）の幾何学的重心Ｇに対応するクランク角度である。

或いは、熱発生率重心位置は、下記の（１）式を満たすクランク角度Ｇｃであるとも定義され得る。この（１）式において、ＣＡｓは燃料の燃焼が始まるクランク角度（燃焼開始クランク角度）であり、ＣＡｅは前記燃焼が終わるクランク角度（燃焼終了クランク角度）である。更に、θは任意のクランク角度であり、ｄＱ（θ）はクランク角度θにおける熱発生率である。

この熱発生率重心位置Ｇｃは、例えば、図１の（Ａ）に示した例においてはクランク角度θ３である。加えて、図１（Ｂ）に示したように、パイロット噴射の開始時期がクランク角度θ１からΔθｐだけ進角側へ移動されてクランク角度θ０に設定されると、熱発生率重心位置Ｇｃはクランク角度Δθｇだけ進角側へと移動してクランク角度θ３’となる。これらから理解されるように、熱発生率重心位置は、従来の燃焼状態の指標値である燃焼重心角度に比較して、燃焼状態をより正確に反映する指標値であると言える。

更に、発明者は、種々の機関回転速度と機関の負荷（要求トルク）との組合せについて熱発生率重心位置と燃費悪化率との関係を測定した。その結果、機関回転速度及び機関の負荷が相違した場合であっても、燃費悪化率が最小となる熱発生率重心位置は特定のクランク角度（具体的には、圧縮上死点後７°）であった。

これらから、発明者は、熱発生率重心位置は燃焼状態を良好に示す指標値であり、従って、熱発生率重心位置を負荷及び／又は機関回転速度に依らず一定に維持することにより機関の燃焼状態を特定の状態に維持できるとの知見を得た。更に、発明者は、熱発生率重心位置を「燃費悪化率が最小となるような（即ち、冷却損失と排気損失との和が最小となって、燃費が最も良くなるような）一定の目標クランク角度」に維持すれば、機関の運転状態（負荷及び／又は機関回転速度）に依らず、機関の燃費を容易に改善することができるとの知見を得た。冷却損失と排気損失との和が最小となる熱発生率重心位置は「基準クランク角度」とも称呼される。

そのため、本発明に係る内燃機関の制御装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）は、機関の負荷が少なくとも第１閾値Ｐｔｈ１から第２閾値Ｐｔｈ２までの範囲内にあるとき、熱発生率重心位置が負荷に依らず基準クランク角度に等しくなるように燃焼パラメータを制御する（図５の実線ＳＬを参照）。これにより、より少ない適合工数によって機関の燃費を改善することができる。

加えて、機関の負荷が第２閾値Ｐｔｈ２よりも大きいとき、熱発生率重心位置が基準クランク角度に維持されると燃焼行程における最大筒内圧が機関の許容圧力よりも大きくなる場合がある。

そこで、本発明装置は、機関の負荷が第２閾値Ｐｔｈ２よりも大きいとき、負荷が大きくなるほど熱発生率重心位置が基準クランク角度よりも遅角側の範囲においてより遅角側のクランク角度へと変化するように前記燃焼パラメータを制御する。この結果、高負荷運転時における最大筒内圧が低下するので、最大筒内圧が機関の許容圧力を超えないようにすることができる。

しかしながら、機関が長期にわたり運転されると、ピストンのトップランド部（ピストンの冠面とトップリング溝との間の部分であってシリンダボア内周壁面と対向する壁面）にデポジットが堆積する。トップランド部のデポジット堆積量が所定値以上になると、圧縮行程においてシリンダボア内周壁面上の油膜を形成する潤滑油がそのデポジットによって掻き上げられ、以て、燃焼室内に存在する潤滑油の量が増加する。

燃焼室内の潤滑油は燃焼行程において高温に曝されるので、その潤滑油の一部は気化し、排気行程において機関の外へ排出される。その結果、潤滑油の減少速度が上昇する。

そこで、本発明装置は、上述した熱発生率重心位置に基づく燃焼パラメータの制御を行いながらも、トップランド部に堆積したデポジットによって潤滑油の減少速度が高くなることを未然に回避するために、以下に述べるように構成される。

即ち、本発明装置の制御部は、上述した熱発生率重心位置に基づく燃焼パラメータの制御を行うとともに、更に、推定部と、デポジット除去制御部と、を備える。

前記推定部は、
前記機関のピストンのトップランド部に堆積するデポジットの量を推定する。

デポジット除去制御部は、
前記推定部により推定されたデポジットの量が所定値に到達した場合、前記負荷が「前記第１閾値よりも大きく且つ前記第２閾値よりも小さい第３閾値」から「同第２閾値」までの範囲内にあるとき、前記熱発生率重心位置が前記基準クランク角度よりも進角することによって前記ピストンの温度が上昇するように前記燃焼パラメータを制御する。

これによれば、推定されたデポジットの量が所定値に到達して潤滑油の減少速度が著しく高くなる虞がある場合、前記熱発生率重心位置が前記基準クランク角度よりも進角することによって前記ピストンの温度が上昇するように前記燃焼パラメータが制御される。その結果、デポジットが焼失してデポジットの堆積量が減少するので、デポジットによって潤滑油が掻き上げられることが無くなり、以て、潤滑油の減少速度の増加を抑制することができる。

なお、後述するように、前記熱発生率重心位置が前記基準クランク角度よりも進角することによって前記ピストンの温度が上昇するように燃焼パラメータを制御する例としては、主噴射時期（メイン噴射時期）の進角、燃料噴射圧の増加、過給圧の増加及びＥＧＲガスの量の減少、等種々の例を挙げることができる。

熱発生率重心位置を説明するための燃焼波形を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る制御装置（本制御装置）が適用される内燃機関の概略構成図である。 機関の負荷とトップランド温度との関係を熱発生率重心位置ごとに示したグラフである。 本制御装置が適用される内燃機関の気筒の部分断面図である。 本制御装置が実行するデポジット焼失処理によって熱発生率重心位置が進角される様子を示したグラフである。 図２に示したＣＰＵが実行するデポジット量推定処理ルーチンを示したフローチャートである。 図２に示したＣＰＵが実行するデポジット焼失フラグ設定処理ルーチンを示したフローチャートである。 図２に示したＣＰＵが実行する燃焼パラメータ制御処理ルーチンを示したフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、「本制御装置」とも称呼する。）について説明する。

（構成）
本制御装置は、図２に示した内燃機関（機関）１０に適用される。機関１０は、多気筒（本例では直列４気筒）・４サイクル・ピストン往復動型・ディーゼル機関である。機関１０は、機関本体部２０、燃料供給システム３０、吸気システム４０、排気システム５０及びＥＧＲシステム６０を含んでいる。

機関本体部２０は、本体２１を含んでいる。本体２１には、４つの気筒２２がシリンダブロック２１ａ、シリンダヘッド２１ｂ及びクランクケース等によって形成されている。各気筒２２内にはピストン２３が収容され、燃焼室２２ａが形成されている（図４を参照。）。

各気筒２２の上部には燃料噴射弁（インジェクタ）２４が配設されている。燃料噴射弁２４は、後述するエンジンＥＣＵ（電子制御ユニット）７０の指示に応答して開弁し、燃焼室２２ａ内に燃料を直接噴射するようになっている。

燃料供給システム３０は、燃料加圧ポンプ（サプライポンプ）３１と、燃料送出管３２と、コモンレール（蓄圧室）３３と、を含む。燃料加圧ポンプ３１の吐出口は燃料送出管３２に接続されている。燃料送出管３２はコモンレール３３に接続されている。コモンレール３３は燃料噴射弁２４に接続されている。

燃料加圧ポンプ３１は、図示しない燃料タンクに貯留されている燃料を汲み上げた後に加圧し、その加圧された高圧燃料を燃料送出管３２を通してコモンレール３３へ供給するようになっている。燃料加圧ポンプ３１は、機関１０のクランクシャフトに連動する駆動軸により作動する。燃料加圧ポンプ３１は、ＥＣＵ７０の指示に応答し、コモンレール３３内の燃料の圧力（即ち、燃料噴射圧、コモンレール圧）を調整できるようになっている。

吸気システム４０は、インテークマニホールド４１、吸気管４２、エアクリーナ４３、過給機４４のコンプレッサ４４ａ、インタークーラー４５、スロットル弁４６及びスロットル弁アクチュエータ４７を含んでいる。

インテークマニホールド４１は各燃焼室２２ａに接続された枝部と、枝部が集合した集合部と、を含む。吸気管４２はインテークマニホールド４１の集合部に接続されている。インテークマニホールド４１及び吸気管４２は吸気通路を構成している。吸気管４２には、吸入空気の流れの上流から下流に向け、エアクリーナ４３、コンプレッサ４４ａ、インタークーラー４５及びスロットル弁４６が順に配設されている。スロットル弁アクチュエータ４７は、ＥＣＵ７０の指示に応じてスロットル弁４６の開度を変更するようになっている。

インタークーラー４５は、吸気温度を低下するようになっている。インタークーラー４５は、図示しないバイパス通路及びそのバイパス通路に介装されたバイパスバルブを備える。更に、インタークーラー４５は図示しない冷却機との間で通流する冷却水（冷媒）量を調整できるようになっている。

排気システム５０は、エキゾーストマニホールド５１、排気管５２、過給機４４のタービン４４ｂ及び排ガス浄化装置（例えば、ディーゼル酸化触媒及びパティキュレートフィルタ等）５３を含んでいる。

エキゾーストマニホールド５１は各燃焼室２２ａに接続された枝部と、枝部が集合した集合部と、を含む。排気管５２はエキゾーストマニホールド５１の集合部に接続されている。エキゾーストマニホールド５１及び排気管５２は排気通路を構成している。排気管５２には、排ガスの流れの上流から下流に向け、タービン４４ｂ及び排ガス浄化装置５３が配設されている。

過給機４４は周知の可変容量型過給機であり、そのタービン４４ｂには図示しない複数のノズルベーン（可変ノズル）が設けられている。このノズルベーンは、ＥＣＵ７０の指示に応じて開度が変更され、その結果、過給圧が変更（制御）されるようになっている。

ＥＧＲシステム６０は、排気還流管６１、ＥＧＲ制御弁６２及びＥＧＲクーラー６３を含んでいる。

排気還流管６１は、排気通路（エキゾーストマニホールド５１）であってタービン４４ｂよりも上流位置と、吸気通路（インテークマニホールド４１）であってスロットル弁４６の下流位置と、を連通している。排気還流管６１はＥＧＲガス通路を構成している。

ＥＧＲ制御弁６２は排気還流管６１に配設されている。ＥＧＲ制御弁６２は、ＥＣＵ７０からの指示に応答してＥＧＲガス通路の通路断面積を変更することにより、排気通路から吸気通路へと再循環される排ガス量（ＥＧＲガス量）を変更し得るようになっている。

ＥＧＲクーラー６３は排気還流管６１に介装され、排気還流管６１を通過するＥＧＲガスの温度を低下するようになっている。ＥＧＲクーラー６３は、図示しないバイパス通路及びそのバイパス通路に介装されたバイパスバルブを備える。更に、ＥＧＲクーラー６３は図示しない冷却機との間で通流する冷却水（冷媒）量を調整できるようになっている。

ＥＣＵ７０は、周知のマイクロコンピュータを含む電子回路であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ及びインターフェース等を含んでいる。ＲＯＭは、ＣＰＵが実行するプログラム及びルックアップテーブル等を記憶している。バックアップＲＡＭは、機関１０が搭載された車両が備える図示しないイグニッション・キー・スイッチがオン状態にあるかオフ状態にあるかに関わらずデータを記憶することができる。

ＥＣＵ７０は、以下に述べるセンサ類と接続されていて、これらのセンサからの信号を受信（入力）するようになっている。更に、ＥＣＵ７０は、各種アクチュエータに指示（駆動）信号を送出することによって後述する「燃焼室２２ａ内に噴射される燃料の燃焼状態に影響を及ぼす燃焼パラメータ」を制御するようになっている。

ＥＣＵ７０は、エアフローメータ７１、スロットル弁開度センサ７２、吸気管圧力センサ７３、燃料圧力センサ７４、筒内圧センサ７５、クランク角度センサ７６、ＥＧＲ制御弁開度センサ７７、及び、水温センサ７８と接続されている。

エアフローメータ７１は吸気通路内を通過する吸入空気（ＥＧＲガスを含まない新気）の質量流量（吸入空気量）を測定し、その吸入空気量Ｇａを表す信号を出力する。スロットル弁開度センサ７２はスロットル弁開度を検出し、スロットル弁開度ＴＡを表す信号を出力する。吸気管圧力センサ７３は、吸気通路内であってスロットル弁４６よりも下流の吸気管内のガスの圧力（即ち、過給圧Ｔｐ）を表す信号を出力する。

燃料圧力センサ７４は、コモンレール（蓄圧室）３３内の燃料の圧力（燃料圧力、燃料噴射圧、コモンレール圧）を検出し、燃料噴射圧Ｆｐを表す信号を出力する。筒内圧センサ７５は、各気筒２２に対応するように配設されている。筒内圧センサ７５は、対応する燃焼室２２ａ内の圧力を検出し、筒内圧Ｐｃを表す信号を出力する。

ＥＣＵ７０は、筒内圧Ｐｃに基づいてクランク角度θに対する単位クランク角度あたりの発熱量である熱発生率ｄＱ（θ）を周知の手法に基づいて算出する（例えば、特開２００５−５４７５３号公報、及び、特開２００７−２８５１９４号公報等を参照。）。

更に、ＥＣＵ７０は、熱発生率ｄＱ（θ）を上述した(１)式に適用することにより、熱発生率重心位置Ｇｃを取得・推定する。なお、実際には、熱発生率重心位置Ｇｃは、（１）式をデジタル演算式に変換した式に基づいて計算される。

クランク角度センサ７６は、機関１０の図示しないクランクシャフトの回転位置（即ち、クランク角度）に応じた信号を出力する。ＥＣＵ７０は、このクランク角度センサ７６及び図示しないカムポジションセンサからの信号に基づいて、所定の気筒２２の圧縮上死点を基準とした機関１０のクランク角度（絶対クランク角度）θを取得する。更に、ＥＣＵ７０は、クランク角度センサ７６からの信号に基づいて、機関回転速度ＮＥを取得する。

ＥＧＲ制御弁開度センサ７７は、ＥＧＲ制御弁６２の開度を検出し、その開度（ＥＧＲ開弁率）Ｅｒを表す信号を出力する。水温センサ７８は、機関１０の冷却水の温度（冷却水温度）を検出し、冷却水温ＴＨＷを表す信号を出力する。

加えて、ＥＣＵ７０は、アクセル開度センサ８１及び車速センサ８２と接続されている。アクセル開度センサ８１は、図示しないアクセルペダルの開度（アクセルペダル操作量）を検出し、アクセルペダル開度Ａｃｃｐを表す信号を出力する。車速センサ８２は、機関１０が搭載された車両の走行速度を検出し、その走行速度（車速）Ｓｐｄを表す信号を出力する。

（デポジット焼失処理の概要）
ところで、図４に示したように機関１０が長期にわたり運転されるとピストン２３のトップランド（ピストン２３の冠面２３Ｓとトップリング溝２３ａとの間の部分であってシリンダブロック２１ａのボアの内周壁面と対向する壁面）２３Ｔに堆積するデポジットＤｐが増加する。

より具体的に述べると、燃焼行程における燃焼室２２ａ内の温度が上昇し、トップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ１と「温度閾値Ｔｔｈ１よりも高い温度閾値Ｔｔｈ２」との間の温度となるとトップランド２３Ｔに付着する煤及び炭化水素（ＨＣ）等が増加し、その結果、デポジットＤｐの堆積量が増加する。燃焼室２２ａ内の温度（即ち、トップランド温度Ｔｔ）は、機関１０の負荷Ｐｏと正の相関を有する。

図３（Ａ）の曲線Ｌｑ１は、熱発生率重心位置Ｇｃが「冷却損失と排気損失との和が最小となる熱発生率重心位置である基準クランク角度ＣＡｓｔ」である場合の負荷Ｐｏに対するトップランド温度Ｔｔの変化を示している。曲線Ｌｑ１から理解されるように、負荷Ｐｏが増加するほどトップランド温度Ｔｔが上昇している。従って、負荷Ｐｏが所定量よりも高くなるとトップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ１と温度閾値Ｔｔｈ２との間の温度となり、その結果、デポジットＤｐの堆積量が増加する。

他方、負荷Ｐｏが更に増加した結果、トップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ２よりも高くなるとデポジットＤｐが焼失してデポジットＤｐの堆積量が減少する。しかし、負荷Ｐｏが高い状態が継続する頻度は高くないので、総体的にみれば、機関１０の運転時間が長くなるほどデポジットＤｐの堆積量は増加する。

換言すれば、燃焼室２２ａ内の温度（即ち、トップランド温度Ｔｔ）が温度閾値Ｔｔｈ２よりも高い状態に維持できれば、デポジットＤｐの堆積量を減少させることができる。そこで、本制御装置は、熱発生率重心位置Ｇｃを進角させることによって、トップランド温度Ｔｔを上昇させる。なお、燃焼の発生時期を進角させる及び／又は燃焼速度を上昇させることによって、熱発生率重心位置Ｇｃは進角する。

燃焼の発生時期が進角した場合、同発生時期が進角していない場合と比較して圧縮上死点により近いタイミングにて燃焼が発生するので、燃焼時のピストンの降下速度が低下する。即ち、燃焼の等容度が上昇する。その結果、ピストンの降下に伴う燃焼室２２ａの容積増大（即ち、筒内圧Ｐｃの減少）による燃焼時の燃焼室２２ａ内の温度低下が減少するので、燃焼時の燃焼室２２ａ内の最大温度が上昇する。例えば、燃料噴射弁２４による主噴射時期ＣＡｉｎｊを進角させることによって燃焼の発生時期を進角することができる。

一方、燃焼速度が増加した場合、燃焼速度が増加していない場合と比較して単位時間あたりに燃焼する燃料の量が増加するので、燃焼時の燃焼室内の最大温度が上昇する。例えば、燃料噴射圧Ｆｐ及び／又は過給圧Ｔｐを上昇させることによって燃焼速度を増加させることができる。加えて、燃焼室２２ａ内に導入されるＥＧＲガスの量（即ち、ＥＧＲ開弁率Ｅｒ）を減少させることによって燃焼速度を増加させることができる。

図３（Ａ）の曲線Ｌｑ２は熱発生率重心位置Ｇｃが「基準クランク角度ＣＡｓｔよりも進角側にあるクランク角度ＣＡａｄ」である場合の負荷Ｐｏに対するトップランド温度Ｔｔの変化を示している。曲線Ｌｑ１及び曲線Ｌｑ２から理解されるように、熱発生率重心位置Ｇｃが基準クランク角度ＣＡｓｔからクランク角度ＣＡａｄへ進角した結果、トップランド温度Ｔｔが上昇している。

例えば、負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ１と等しいとき、熱発生率重心位置Ｇｃが基準クランク角度ＣＡｓｔであれば、トップランド温度Ｔｔは温度閾値Ｔｔｈ１と温度閾値Ｔｔｈ２との間にあるのでデポジットＤｐの堆積量が増加する。しかし、負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ１と等しいとき、熱発生率重心位置Ｇｃが進角されてクランク角度ＣＡａｄとなると、トップランド温度Ｔｔは温度閾値Ｔｔｈ２まで上昇するので、デポジットＤｐの堆積量が減少する。

換言すれば、熱発生率重心位置Ｇｃが進角してトップランド温度Ｔｔが上昇するように燃焼パラメータを制御することによって「デポジットＤｐが焼失し、その堆積量が減少する機関１０の運転領域（負荷Ｐｏの範囲）」を拡大することができる。なお、便宜上、負荷閾値Ｐａ１は「第３閾値Ｐｔｈ３」とも称呼される。

係る観点に基づき、本制御装置は、図３（Ａ）の曲線Ｌｑ１に示されるように、負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ１よりも低いとき、熱発生率重心位置Ｇｃを基準クランク角度ＣＡｓｔに維持することによって機関１０の燃費を向上させる。加えて、本制御装置は、図３（Ｂ）の曲線Ｌｓ１及び曲線Ｌｓ２に示されるように、デポジットＤｐの堆積量が所定値以上となった場合、負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ１よりも高いときに熱発生率重心位置Ｇｃをクランク角度ＣＡａｄに維持することによってデポジットＤｐの堆積量を減少させる。

本制御装置が実行する、熱発生率重心位置Ｇｃの進角によってデポジットＤｐの堆積量を減少させる処理は「デポジット焼失処理」とも称呼される。本制御装置は、圧縮行程においてデポジットＤｐが燃焼室２２ａ内の潤滑油を掻き上げることによって潤滑油の減少速度が高くなる虞があるとき、デポジット焼失処理を実行する。

より具体的に述べると、デポジットＤｐの堆積量が増加した結果、「デポジットＤｐの外周面とシリンダブロック２１ａの内壁面との距離」が油膜Ｌｏの厚さよりも短くなると、圧縮行程においてデポジットＤｐが油膜Ｌｏを構成する潤滑油を掻き上げる。

その結果、図４の領域Ｃｒ内に示されるように、燃焼行程において燃焼室２２ａに存在する潤滑油の量が増加するので、燃料の燃焼時に気化する潤滑油の量も増加し、以て、潤滑油の減少速度が増加する。

そこで、本制御装置は、デポジットＤｐの堆積量の増大によって潤滑油の減少速度が増加することを未然に回避するため、デポジット焼失処理を実行する。

デポジット焼失処理によって熱発生率重心位置Ｇｃが進角される様子を図５に示す。負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ１よりも高いとき、ＥＣＵ７０は、熱発生率重心位置Ｇｃをクランク角度ＣＡａｄに一致させる。

ただし、負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ２よりも大きくなると、熱発生率重心位置Ｇｃがクランク角度ＣＡａｄまで進角した場合、燃焼行程における筒内圧Ｐｃの最大値が機関の許容圧力よりも大きくなる可能性がある。そこで、負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ２から第２閾値Ｐｔｈ２までの範囲内にある場合、本制御装置は負荷Ｐｏが大きくなるほど熱発生率重心位置Ｇｃを「クランク角度ＣＡａｄから基準クランク角度ＣＡｓｔまでの範囲内」においてより遅角側のクランク角度へと変化させる。

以上まとめると、本制御装置は、デポジットＤｐの堆積量が所定値よりも少ないとき、熱発生率重心位置Ｇｃを図５の実線ＳＬに示されたクランク角度に一致させる。一方、本制御装置は、デポジットＤｐの堆積量が所定値以上となり且つ負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ１から第２閾値Ｐｔｈ２までの範囲内にあるとき、熱発生率重心位置Ｇｃを図５の破線ＤＬに示されたクランク角度に一致させる。

なお、負荷Ｐｏが第１閾値Ｐｔｈ１より小さいとき、熱発生率重心位置Ｇｃが基準クランク角度ＣＡｓｔ角度に維持されると排ガス浄化装置５３の温度を活性化温度以上に維持できない場合がある。この場合、熱発生率重心位置Ｇｃを遅角させることによって排気損失（即ち、排気伝達熱量）が上昇するように燃焼パラメータが制御される。

（具体的作動）
次に、本制御装置の具体的作動について説明する。ＥＣＵ７０のＣＰＵ（以下、単に「ＣＰＵ」とも称呼される）は、上述したデポジット焼失処理を行うか否かの判定を行うためにカウンタＤｃｎｔの値を用いる。カウンタＤｃｎｔの値は、デポジットＤｐの堆積量に相関を有する。ＣＰＵは、所定時間が経過する毎に図６にフローチャートにより示した「デポジット量推定処理ルーチン」を実行することにより、カウンタＤｃｎｔの値を変更する。なお、ＥＣＵ７０は、カウンタＤｃｎｔをバックアップＲＡＭ上に記憶している。ＥＣＵ７０は、デポジットＤｐが付着していないとき（例えば、機関１０が新品であるとき、或いは、ピストン２３が清掃されたとき）、図示しないルーチンによってカウンタＤｃｎｔの値を「０」に設定する。

適当なタイミングになると、ＣＰＵは、図６のステップ６００から処理を開始してステップ６０５に進み、トップランド温度Ｔｔを推定する。より具体的には、ＣＰＵは、後述する処理によって決定・取得される燃料噴射量Ｑｉｎｊ及び熱発生率重心位置Ｇｃに基づいてトップランド温度Ｔｔを推定する。トップランド温度Ｔｔは、燃料噴射量Ｑｉｎｊが大きくなるほど上昇し、熱発生率重心位置Ｇｃが進角するほど上昇する。

次いで、ＣＰＵはステップ６１０に進み、トップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ１よりも低いか否かを判定する。トップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ１よりも低い場合、ＣＰＵはステップ６１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ６９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。即ち、この場合、カウンタＤｃｎｔの値は変更されない。

一方、トップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ１以上である場合、ＣＰＵはステップ６１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ６１５に進み、トップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ２よりも低いか否かを判定する。

トップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ２よりも低い場合（即ち、Ｔｔｈ１＜Ｔｔ＜Ｔｔｈ２である場合）、ＣＰＵは、ステップ６１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ６２０に進み、カウンタＤｃｎｔの値を正の定数Ｃｐだけ増加させる。次いで、ＣＰＵはステップ６９５に進む。

一方、トップランド温度Ｔｔが温度閾値Ｔｔｈ２以上である場合、ＣＰＵはステップ６１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ６２５に進み、カウンタＤｃｎｔの値を正の定数Ｃｍだけ減少させる。次いで、ＣＰＵはステップ６９５に進む。

次に、ＣＰＵが実行する「デポジット焼失処理を実行すべきか否かを表すフラグであるデポジット焼失フラグＸｔｄ」の設定処理について図７を参照しながら説明する。ＥＣＵ７０はデポジット焼失フラグＸｔｄをＲＡＭ上に記憶している。ＣＰＵは、所定時間が経過する毎に図７にフローチャートにより示した「デポジット焼失フラグＸｔｄ設定処理ルーチン」を実行することにより、デポジット焼失フラグＸｔｄの値を変更する。ＣＰＵは、デポジット焼失処理を実行すべき状態であるとき、デポジット焼失フラグＸｔｄの値を「１」に設定する。一方、ＣＰＵは、デポジット焼失処理を実行する必要が無いとき、デポジット焼失フラグＸｔｄの値を「０」に設定する。

デポジット焼失フラグＸｔｄの値は、ＣＰＵが実行する図示しないイニシャルルーチンにおいて「０」に設定される。イニシャルルーチンは、機関１０が搭載された車両が備えるイグニッション・キー・スイッチの位置がオフ位置からオン位置へと変更されたときに実行される。

適当なタイミングになると、ＣＰＵは、図７のステップ７００から処理を開始してステップ７０５に進み、デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「０」であるか否かを判定する。

（Ａ−１）デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「０」であり且つカウンタＤｃｎｔの値が閾値Ｄｔｈ１以下である場合。
この場合、ＣＰＵは、ステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７１０に進み、カウンタＤｃｎｔの値が閾値Ｄｔｈ１よりも大きいか否かを判定する。閾値Ｄｔｈ１は、デポジットＤｐ量の所定値（デポジットＤｐが油膜Ｌｏに接触する可能性のあるデポジットＤｐの堆積量）に対応するカウンタＤｃｎｔの値である。この場合、カウンタＤｃｎｔの値は閾値Ｄｔｈ１以下であるので、ＣＰＵは、ステップ７１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ７９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。従って、この場合、デポジット焼失フラグＸｔｄの値は「０」のまま維持される。

（Ａ−２）デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「０」であり且つカウンタＤｃｎｔの値が閾値Ｄｔｈ１より大きい場合。
次に、カウンタＤｃｎｔの値が増加して閾値Ｄｔｈ１よりも大きくなったと仮定する。この場合、ＣＰＵは、ステップ７１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７１５に進み、デポジット焼失フラグＸｔｄの値を「１」に設定する。次いで、ＣＰＵはステップ７９５に進む。

（Ａ−３）デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「１」であり且つカウンタＤｃｎｔの値が閾値Ｄｔｈ２以上である場合。
次に、デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「１」となった後であってカウンタＤｃｎｔの値が「閾値Ｄｔｈ１よりも小さい閾値Ｄｔｈ２（即ち、Ｄｔｈ２＜Ｄｔｈ１）」よりも大きい状態であると仮定する。この場合、ＣＰＵは、ステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ７２０に進み、カウンタＤｃｎｔの値が閾値Ｄｔｈ２よりも小さいか否かを判定する。カウンタＤｃｎｔの値が閾値Ｄｔｈ２であるとき、デポジットＤｐの堆積量は略「０」又は極めて小さい所定値であるので、ＣＰＵはこれ以上デポジット焼失処理を実行する必要が無い。

前述の仮定に依れば、カウンタＤｃｎｔの値は閾値Ｄｔｈ２以上であるので、ＣＰＵは、ステップ７２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ７９５に進む。従って、この場合、デポジット焼失フラグＸｔｄの値は「１」のまま維持される。

（Ａ−４）デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「１」であり且つカウンタＤｃｎｔの値が閾値Ｄｔｈ２より小さい場合。
この場合、カウンタＤｃｎｔの値が閾値Ｄｔｈ２より小さいので、ＣＰＵは、ステップ７２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７２５に進み、デポジット焼失フラグＸｔｄの値を「０」に設定する。次いで、ＣＰＵはステップ７９５に進む。

次に、ＣＰＵが実行する燃焼パラメータの制御について図８を参照しながら説明する。ＣＰＵは、所定の時間が経過する毎に図８にフローチャートにより示した燃焼パラメータ制御処理ルーチンを実行する。

従って、適当なタイミングになると、ＣＰＵは、図８のステップ８００から処理を開始してステップ８０５に進み、アクセルペダル開度Ａｃｃｐ、車速Ｓｐｄ及び機関回転速度ＮＥを取得する。

次いで、ＣＰＵは、ステップ８１０に進み、アクセルペダル開度Ａｃｃｐ及び車速Ｓｐｄに基づいて周知の方法により燃料噴射量Ｑｉｎｊを決定する。次いで、ＣＰＵは、ステップ８１５に進み、機関回転速度ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｉｎｊに基づいて機関１０の負荷Ｐｏを算出する。

次いで、ＣＰＵは、ステップ８２０に進み、デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「１」であるか否かを判定する。

（Ｂ−１）デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「０」である場合。
この場合、ＣＰＵは、ステップ８２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ８４０に進み、負荷Ｐｏに基づいて目標重心位置Ｇｔｇｔを決定する。より具体的に述べると、ＥＣＵ７０は、図５及び図８のステップ８４０の枠内に実線ＳＬによって表される「デポジット焼失処理が実行されない場合の負荷Ｐｏと目標重心位置Ｇｔｇｔとの関係」をＲＯＭにルックアップテーブルの形式にて記憶している。ＣＰＵは、このテーブルに負荷Ｐｏを適用することによって目標重心位置Ｇｔｇｔを決定する。

次いで、ＣＰＵは、ステップ８３５に進み、実際の熱発生率重心位置Ｇｃが目標重心位置Ｇｔｇｔと等しくなるように燃焼パラメータを制御する。より具体的に述べると、ＣＰＵは、周知の方法により燃料噴射圧Ｆｐ、過給圧Ｔｐ、ＥＧＲ開弁率Ｅｒ及びパイロット噴射と主燃料噴射との間隔であるパイロットインターバルＰｉｎｔ等を決定する。

上述した燃焼パラメータ（燃料噴射量Ｑｉｎｊ及び燃料噴射圧Ｆｐ等）に対応する主噴射時期ＣＡｉｎｊは、目標重心位置Ｇｔｇｔ毎に実験等により予め定められ、ルックアップテーブルの形式にてＲＯＭに保存されている。ＣＰＵは、このテーブルにこれらの燃焼パラメータ及び目標重心位置Ｇｔｇｔを適用することによって主噴射時期ＣＡｉｎｊを決定する。次いで、ＣＰＵはステップ８９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

なお、実際の燃料噴射弁２４による燃料噴射は、図示しないルーチンにより実行される。それにより、各気筒２２のクランク角度θが主噴射時期ＣＡｉｎｊよりも、パイロットインターバルＰｉｎｔと所定量Ｐｂ（固定値）とを加えた値だけ進角側（即ち、θ＝ＣＡｉｎｊ−Ｐｉｎｔ−Ｐｂ）となったとき第１パイロット噴射が開始される。その後、クランク角度θが所定量Ｐｂだけ遅角側（即ち、θ＝ＣＡｉｎｊ−Ｐｉｎｔ）となったとき第２パイロット噴射が開始され、次いで、クランク角度θが主噴射時期ＣＡｉｎｊとなったとき（即ち、θ＝ＣＡｉｎｊ）主噴射が開始される。

（Ｂ−２）デポジット焼失フラグＸｔｄの値が「１」である場合。
この場合、ＣＰＵは、ステップ８２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８２５に進み、負荷Ｐｏが負荷閾値Ｐａ１から第２閾値Ｐｔｈ２までの範囲内に含まれているか否かを判定する。負荷Ｐｏがこの範囲に含まれていなければ、ＣＰＵは、ステップ８２５にて「Ｎｏ」と判定してステップ８４０に進む。

一方、負荷Ｐｏがこの範囲に含まれていれば（即ち、Ｐａ１＜Ｐｏ＜Ｐｔｈ２であれば）、ＣＰＵは、ステップ８２５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８３０に進み、負荷Ｐｏに基づいて目標重心位置Ｇｔｇｔを決定する。

より具体的に述べると、ＥＣＵ７０は、図５及び図８のステップ８３０の枠内に破線ＤＬによって表される「デポジット焼失処理が実行される場合の負荷Ｐｏと目標重心位置Ｇｔｇｔとの関係」をＲＯＭにルックアップテーブルの形式にて記憶している。ＣＰＵは、このテーブルに負荷Ｐｏを適用することによって目標重心位置Ｇｔｇｔを決定する。即ち、ＣＰＵは、デポジット焼失処理を実行する。

次いで、ＣＰＵはステップ８３５に進む。この場合（即ち、ステップ８３０にて目標重心位置Ｇｔｇｔが決定された場合）、ステップ８４０にて目標重心位置Ｇｔｇｔが決定された場合（即ち、デポジット焼失処理が実行されない場合）と比較して目標重心位置Ｇｔｇｔが進角されている。その結果、ステップ８３５において決定される主噴射時期ＣＡｉｎｊは、デポジット焼失処理が実行されない場合と比較して進角されている。

以上、説明したように、本制御装置（ＥＣＵ７０）は、
内燃機関（１０）の負荷（Ｐｏ）が少なくとも第１閾値（Ｐｔｈ１）から同第１閾値よりも大きい第２閾値（Ｐｔｈ２）までの範囲内にある場合には熱発生率重心位置（Ｇｃ）が前記負荷に依らず基準クランク角度（ＣＡｓｔ）に等しくなるように前記機関の気筒（２２）に供給される燃料の燃焼状態を変化させる燃焼パラメータを制御し（図５の実線ＳＬの負荷Ｐｏが第１閾値Ｐｔｈ１から第２閾値Ｐｔｈ２までの部分、及び、図８のステップ８３５及びステップ８４０）、
前記機関の負荷が前記第２閾値よりも大きい場合には前記負荷が大きくなるほど前記熱発生率重心位置が前記基準クランク角度よりも遅角側の範囲においてより遅角側のクランク角度へと変化するように前記燃焼パラメータを制御する（図５の実線ＳＬの負荷Ｐｏが第２閾値Ｐｔｈ２より大きい部分、及び、図８のステップ８３５及びステップ８４０）。

加えて、本制御装置は、
前記機関のピストン（２４）のトップランド部（２３Ｔ）に堆積するデポジット（Ｄｐ）の量を推定する推定部（ＥＣＵ７０及び図６のルーチン）と、
前記推定部により推定されたデポジットの量が所定値に到達した場合（図７のステップ７１０）、前記負荷が前記第１閾値よりも大きく且つ前記第２閾値よりも小さい第３閾値（Ｐｔｈ３（Ｐａ１））から同第２閾値までの範囲内にあるとき、前記熱発生率重心位置が前記基準クランク角度よりも進角することによって前記ピストンの温度が上昇するように前記燃焼パラメータを制御する（図５の破線ＤＬ、及び、図８のステップ８３０及びステップ８３５）デポジット除去制御部（ＥＣＵ７０）と、
を備えている。

本制御装置によれば、デポジットＤｐの堆積量が増加したとき、熱発生率重心位置Ｇｃを進角させることによって燃焼行程における燃焼室２２ａ内温度の最大値を上昇させてデポジットを焼失させ、以て、デポジットＤｐの堆積量を減少させることができる。その結果、圧縮行程において油膜Ｌｏを構成する潤滑油がデポジットＤｐによって掻き上げられることが無くなるので、潤滑油の減少速度の増加を防ぐことが可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、本実施形態において、ＥＣＵ７０は、デポジット焼失処理を実行するとき、熱発生率重心位置Ｇｃを進角させるために主噴射時期ＣＡｉｎｊを進角していた。しかし、ＥＣＵ７０は、熱発生率重心位置Ｇｃを進角させるために燃焼速度を増加させても良い。そのため、例えば、ＥＣＵ７０は、燃料噴射圧Ｆｐ及び／又は過給圧Ｔｐを上昇させても良い。或いは、ＥＣＵ７０は、ＥＧＲ開弁率Ｅｒを減少させても良い。

加えて、ＥＣＵ７０は、ルックアップテーブルを参照することによって目標重心位置Ｇｔｇｔを実現する主噴射時期ＣＡｉｎｊを決定していた。しかし、ＥＣＵ７０は、この処理に加えて、ＥＣＵ７０が筒内圧Ｐｃに基づいて取得する実際の熱発生率重心位置Ｇｃと目標重心位置Ｇｔｇｔとの差分に基づいて主噴射時期ＣＡｉｎｊを変更する処理（即ち、フィードバック処理）を実行しても良い。

加えて、ＥＣＵ７０は、トップランド温度Ｔｔを燃料噴射量Ｑｉｎｊ及び熱発生率重心位置Ｇｃに基づいて推定していた。しかし、ＥＣＵ７０は、トップランド温度Ｔｔを別のパラメータに基づいて推定しても良い。例えば、ＥＣＵ７０は、トップランド温度Ｔｔを燃料噴射量Ｑｉｎｊ及び主噴射時期ＣＡｉｎｊに基づいて推定しても良い。或いは、ＥＣＵ７０は、トップランド温度Ｔｔを推定するためのパラメータとして更に機関回転速度ＮＥ、吸入空気量Ｇａ及び冷却水温ＴＨＷ等を採用しても良い。

加えて、本実施形態における第１閾値Ｐｔｈ１、第２閾値Ｐｔｈ２、負荷閾値Ｐａ１及び負荷閾値Ｐａ２のそれぞれは定数であった。しかし、これらの閾値は変数であっても良い。例えば、これらの閾値は機関回転速度ＮＥに応じて変化しても良い。

内燃機関…１０、シリンダブロック…２１ａ、シリンダヘッド…２１ｂ、燃焼室…２２ａ、ピストン…２４、トップリング溝…２４ａ、潤滑油膜…Ｌｏ、デポジット…Ｄｐ。

Claims (1)

1. 内燃機関の負荷が少なくとも第１閾値から同第１閾値よりも大きい第２閾値までの範囲内にある場合には熱発生率重心位置が前記負荷に依らず基準クランク角度に等しくなるように前記機関の気筒に供給される燃料の燃焼状態を変化させる燃焼パラメータを制御し、
   前記機関の負荷が前記第２閾値よりも大きい場合には前記負荷が大きくなるほど前記熱発生率重心位置が前記基準クランク角度よりも遅角側の範囲においてより遅角側のクランク角度へと変化するように前記燃焼パラメータを制御する、
   制御部を有する内燃機関の制御装置において、
   前記制御部は、
   前記機関のピストンのトップランド部に堆積するデポジットの量を推定する推定部と、
   前記推定部により推定されたデポジットの量が所定値に到達した場合、前記負荷が前記第１閾値よりも大きく且つ前記第２閾値よりも小さい第３閾値から同第２閾値までの範囲内にあるとき、前記熱発生率重心位置が前記基準クランク角度よりも進角することによって前記ピストンの温度が上昇するように前記燃焼パラメータを制御するデポジット除去制御部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
   

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