JP6985676B2 - 圧縮自己着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、圧縮自己着火式エンジンの制御装置に関する。

特許文献１には、自動車のパワートレーンの動的性能をモデルによってシミュレーションする装置が記載されている。このシミュレーション装置は、対象装置を構成する個々のユニットを表現する機能モデルをシステム方程式によって表し、サンプリングクロック毎に機構モデルによるパラメータの更新と離散化を行うことにより、メカニズムによる特性の非線形性を、サンプリングタイム毎に線形化する。

特許第３９８７１９９号公報

ところで、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を目的として、燃焼室の中の希薄混合気を、自己着火によって燃焼させる圧縮自己着火式エンジンが知られている。この燃焼は、酸素と燃料の化学反応による自己着火現象に大きく依存するため、筒内温度や濃度などの状態量に対する感度が高い。エンジンの負荷、又は、燃焼室内の温度が比較的高い場合には急峻な燃焼によって騒音が発生しやすい。逆に、エンジンの負荷、又は、燃焼室内の温度が低い場合には、燃焼効率の低下による燃費の悪化を招く。エンジンの負荷、又は、燃焼室内の温度が低すぎると最悪の場合、燃焼変動が大きくなり過ぎて失火に至る。圧縮自己着火燃焼は安定燃焼が可能となる状態量の範囲が狭いという特徴がある。従って圧縮自己着火式エンジンにおいて、燃費の良い安定燃焼を実現するためには、燃焼室内の状態量を正確に推定しかつ制御する必要がある。

従来のエンジン制御においては、事前に行う定常試験により得られる制御マップと、補正マップとを用いて、目標運転条件に対する、各種のデバイスの操作量を決定する手法をとってきた。圧縮自己着火式エンジンにおいては、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）によって燃焼室の中の状態量を制御する手法が有望視されている。定常運転時と過渡運転時とでは操作量が同じであっても、内部ＥＧＲの組成及び割合が異なる場合がある。定常マップ及び補正マップを用いた従来のマップ制御によって、路上での様々な運転条件に対応するには限界がある。また、圧縮自己着火式エンジンの制御に従来のマップ制御を適用しようとすると、過渡運転も含めた事前実験を行う必要があるが，過渡運転の条件が膨大になってしまうという問題もある。

ここに開示する技術はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮自己着火式エンジンの、新たな制御システムを提供することにある。

具体的に、ここに開示する技術は、圧縮自己着火式エンジンの制御装置に係る。この制御装置は、サイクル毎に、燃焼室の中の混合気を自己着火によって燃焼させるよう構成されたエンジンと、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態にするよう構成された状態量設定デバイスと、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に供給する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中の圧力に関するパラメータを検知すると共に、検知信号を出力するよう構成されたセンサと、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び前記センサのそれぞれが接続されると共に、前記状態量設定デバイス及び前記インジェクタに操作信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラと、前記コントローラの前記操作信号と前記センサの前記検知信号とを受けかつ、前記燃焼室の中の状態量を推定すると共に、前記コントローラに状態推定信号を出力するよう構成された推定器と、を備える。

そして、前記コントローラは、前記センサの前記検知信号と前記推定器の前記状態推定信号とを受けると共に、前記燃焼室の中の燃焼が、前記エンジンの目標出力に対応した燃焼となるように、前記状態量設定デバイスの操作量及び前記インジェクタの操作量をそれぞれ設定し、前記推定器は、式（１）に示す、前記燃焼室の中の状態をモデル化した線形パラメータ変動モデルを用いることによって、前記燃焼室の中の状態量を推定し、前記線形パラメータ変動モデルにおける第１係数Ａ_ＬＰＶ、及び、第２係数Ｂ_ＬＰＶはそれぞれ、前記エンジンのトルク及び前記エンジンの回転数に応じて変化する。

但し、ｘ_ｋは、現サイクルにおける所定タイミングの前記状態量としての、前記燃焼室の中の酸素量と前記燃焼室の中の燃料量とのいずれか一方又は両方、及び、前記燃焼室の中の温度である。ｘ_ｋ＋１は、次サイクルにおける所定タイミングの前記状態量としての、前記燃焼室の中の酸素量及び前記燃焼室の中の燃料量のいずれか一方又は両方、及び、前記燃焼室の中の温度である。ｕ_ｋは、現サイクルにおける前記操作量としての、ＥＧＲ率及び燃料噴射量である。

ここで、「燃焼室」は、シリンダ内のピストンが圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室の中」は「シリンダの中」と言い換えてもよい。

前記の構成によると、コントローラは、センサの検知信号、及び、推定器の状態推定信号に基づいて、燃焼室の中の燃焼が、エンジンの目標出力に対応した圧縮自己着火燃焼となるように、状態量設定デバイスの操作量及びインジェクタの操作量をそれぞれ設定する。コントローラは、状態量設定デバイス及びインジェクタに操作信号を出力する。操作信号を受けた状態量設定デバイスは、燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、燃焼室の中を所望の状態にする。操作信号を受けたインジェクタは、燃焼室の中に供給する燃料を噴射する。燃焼室の中において、混合気が圧縮自己着火によって燃焼し、エンジンが、所望の出力となるように運転する。

推定器は、式（１）に示す線形パラメータ変動モデルを用いることによって、前記燃焼室の中の状態量（正確には、複数の状態量）を推定する。線形パラメータ変動モデルは、燃焼室の中の状態を、複数の離散点によって表現する離散化モデルを構築すると共に、離散化モデルを複数の平衡点について線形化することによって表現してもよい。複数の離散点は、例えば排気弁の再開弁時期、吸気弁の閉弁時期、圧縮上死点前の所定クランク角度時期、着火時期、圧力最大時期、燃焼終了時期、及び、排気弁の開時期の内の、一部又は全部としてもよい。

式（１）の線形パラメータ変動モデルを用いて、燃焼室の中の状態を推定することにより、推定器の演算負荷は、非線形モデルを用いるよりも小さくなる。一方、式（１）の第１係数Ａ_ＬＰＶ及び第２係数Ｂ_ＬＰＶはそれぞれ、エンジンのトルク及びエンジンの回転数に応じて変化するから、単一の線形モデルを用いるよりも推定精度が高まる。よって、推定器の演算負荷の抑制と、推定精度の向上とが両立する。尚、エンジンのトルクは、例えば図示有効平均圧力（Indicated Mean Effective Pressure：ＩＭＥＰ）で表してもよい。

その結果、コントローラは、精度の高い燃焼室の状態推定に基づいて、状態量設定デバイス、及び、インジェクタを操作することができる。圧縮自己着火エンジンは、燃費の良い安定燃焼を実現する。

ここに開示する制御装置はまた、サイクル毎に、燃焼室の中の混合気を自己着火によって燃焼させるよう構成されたエンジンと、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態にするよう構成された状態量設定デバイスと、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に供給する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中の圧力に関するパラメータを検知すると共に、検知信号を出力するよう構成されたセンサと、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び前記センサのそれぞれが接続されると共に、前記状態量設定デバイス及び前記インジェクタに操作信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラと、前記コントローラの前記操作信号と前記センサの前記検知信号とを受けかつ、前記燃焼室の中の状態量を推定すると共に、前記コントローラに状態推定信号を出力するよう構成された推定器と、を備える。
そして、前記コントローラは、前記センサの前記検知信号と前記推定器の前記状態推定信号とを受けると共に、前記燃焼室の中の燃焼が、前記エンジンの目標出力に対応した燃焼となるように、前記状態量設定デバイスの操作量及び前記インジェクタの操作量をそれぞれ設定し、前記推定器は、前記式（１）及び式（２）に示す、前記燃焼室の中の状態をモデル化した線形パラメータ変動モデルを用いることによって、前記燃焼室の中の状態量を推定し、前記線形パラメータ変動モデルにおける第１係数Ａ _ＬＰＶ 、第２係数Ｂ _ＬＰＶ 、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、前記エンジンのトルクに応じて変化する。

但し、ｙ_ｋは、現サイクルにおける前記エンジンの出力としての、図示平均有効圧力、及び、最大圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）である。

式（１）（２）を含む線形パラメータ変動モデルを用いることによって、推定器の演算負荷の抑制と、推定精度の向上とが両立し、圧縮自己着火エンジンは、燃費の良い安定燃焼を実現する。

前記推定器は、前記線形パラメータ変動モデルを用いた、式（３）に示すカルマンフィルタによって構成され、前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、サイクル毎に、前記エンジンの目標トルクに応じて設定される、としてもよい。

但し、ｇ_ＬＰＶはカルマンゲインである。

カルマンフィルタ（式（３））は、ノイズが存在する条件のもとでの入出力の値から、エンジンの燃焼室の中の状態量（状態変数）を、リアルタイムで推定することができる。式（１）（２）（３）の、第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶをそれぞれ、サイクル毎に、エンジンの目標トルクに応じて設定することにより、推定器の演算負荷を小さくしながら、燃焼室の中の状態量の推定精度を高めることができる。尚、エンジンの目標トルクは、例えば目標ＩＭＥＰとしてもよい。

これとは異なり、前記推定器は、前記線形パラメータ変動モデルを用いた、式（４）に示すカルマンフィルタによって構成される、としてもよい。

但し、ｆは前記燃焼室の中の状態をモデル化した離散化モデルであり、前記線形パラメータ変動モデルは、前記離散化モデルから得られる。ｇ_ＬＰＶは、前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、前記第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、前記第３係数Ｃ_ＬＰＶから算出されるカルマンゲインであり、ｇ_ＬＰＶは、サイクル毎に、前記エンジンの目標トルクに応じて設定される。ｙ_ｋは、センサの検出信号に基づき得られるエンジンの実出力である。

カルマンフィルタの事前推定に、離散化モデルを利用することによって、推定器の演算負荷を比較的小さく抑えながら、推定精度を高くすることができる。カルマンフィルタの事後推定のカルマンゲインｇ_ＬＰＶを、線形パラメータ変動モデルの第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶから算出することによって、推定精度を高く維持しながら、当該カルマンゲインを離散化モデルの微分から求める場合よりも大幅に、演算負荷を小さくすることができる。この構成は、推定器の演算負荷を小さくすることと、推定精度を高くすることとを、高いレベルで両立することができる。

前記圧縮自己着火式エンジンの制御装置は、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中へ導入するガスを過給するよう構成された過給システムを備え、前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、前記第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、前記第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、前記エンジンのトルクと過給圧とに応じて変化する、としてもよい。

こうすることで、推定器の演算負荷が大きくなることを回避しながら、過給機付きエンジンにおける、燃焼室の中の状態量、特に、燃焼室の中の温度、及び、燃焼室の中の酸素量の推定精度を高めることができる。

前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、前記第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、前記第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、前記エンジンの回転数に応じてさらに変化する、としてもよい。

こうすることで、推定器の演算負荷が大きくなることを回避しながら、エンジンの運転領域の広い範囲に亘って、燃焼室の中の状態量の推定精度を高めることができる。

前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、前記第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、前記第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、一次の関数式、又は、二次の関数式によって表される、としてもよい。

線形パラメータ変動モデルの第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶを、連続的な関数とすることによって、推定器の演算負荷を小さくすることと、推定精度を高くすることとが両立する。

前記コントローラは、フィードバック制御器を有し、前記フィードバック制御器は、前記エンジンの目標出力と前記センサの前記検知信号に基づく前記エンジンの出力との偏差、及び、前記推定器の前記状態推定信号を受けると共に、フィードバック操作量ｕ_ＦＢ，ｋを出力し、前記フィードバック制御器の制御則は、式（５）である、としてもよい。

但し、ｘ_ｉ,ｋは、前記偏差の累積項である。Ｋ_ＬＰＶは、フィードバックゲインである。

エンジンの目標出力とエンジンの実出力との偏差に加えて、推定器が推定をした燃焼室の中の状態量に基づいてフィードバック操作量を決定することにより、コントローラの制御性能を向上させることができる。

前記フィードバックゲインＫ_ＬＰＶは、前記式（１）及び式（２）の線形パラメータ変動モデルに基づいて設定されると共に、前記フィードバックゲインＫ_ＬＰＶは、サイクル毎に、前記エンジンの目標トルクに応じて設定される、としてもよい。

本願発明者等の検討によると、式（１）（２）の線形パラメータ変動モデルから、エンジンの目標出力とエンジンの実出力との偏差を補正するためのフィードバックゲインの最適値、及び、状態量の差を補正するためのフィードバックゲインの最適値を求めることができる。フィードバックゲインは、エンジンの目標トルクに応じて変化する。これにより、コントローラの制御性能が向上する。

前記コントローラはさらに、フィードフォワード制御器を有し、前記フィードフォワード制御器は、前記目標出力と、前記推定器の前記状態推定信号とを受けると共に、フィードフォワード操作量を出力するよう構成されている、としてもよい。

フィードバック制御器とフィードフォワード制御器とを組み合わせることによって、コントローラの制御性能が向上する。

以上説明したように、前記の圧縮自己着火式エンジンの制御装置によると、燃焼室の中の状態量の推定を、比較的小さい演算負荷でかつ、比較的高い精度で行うことができる。コントローラが、精度の高い燃焼室の状態推定に基づいて、状態量設定デバイス、及び、インジェクタを操作することによって、圧縮自己着火エンジンは、燃費の良い安定燃焼を実現する。

図１は、圧縮自己着火式エンジンの構成を例示する図である。 図２は、圧縮自己着火式エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。 図３は、コントローラの構成を例示するブロック図である。 図４は、線形モデルの係数決定手順を例示するフローチャートである。 図５は、モデルの構築に係る定常セット点を例示する図である。 図６は、燃焼室の中の状態量を推定する手順を例示するフローチャートである。 図７は、第１係数の各要素の特性を例示する図である。 図８は、第２係数の各要素の特性を例示する図である。 図９は、第３係数の各要素の特性を例示する図である。 図１０は、フィードバックゲインの各要素の特性を例示する図である。 図１１は、離散化モデルの離散点と、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングとを例示する図である。

以下、圧縮自己着火式エンジンの燃焼制御装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、圧縮自己着火式エンジンの制御装置の一例である。図１は、圧縮自己着火式エンジンの構成を例示する図である。図２は、圧縮自己着火式エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。

エンジン１は、四輪の自動車に搭載される。エンジン１が運転することによって、自動車は走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン１の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。

（エンジンの構成）
エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている。図１では、１つのシリンダ１１のみを示す。エンジン１は、多気筒エンジンである。

各シリンダ１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を形成する。尚、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。詳細な図示は省略するが、ピストン３の上面には、キャビティが形成されている。また、シリンダヘッド１３の下面、つまり、燃焼室１７の天井面は、二つの傾斜面によって構成されている。燃焼室１７は、いわゆるペントルーフ形状である。

エンジン１の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ（Compression Ignition）燃焼の安定化を目的として高く設定されている。具体的に、エンジン１の幾何学的圧縮比は、１７以上である。幾何学的圧縮比は、例えば１８としてもよい。幾何学的圧縮比は、１７以上２０以下の範囲で、適宜設定すればよい。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、２つの吸気ポート１８が形成されている（尚、図１では一つの吸気ポート１８のみ示している）。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間を開閉する。吸気動弁機構は、所定のタイミングで、吸気弁２１を開閉する。吸気動弁機構は、この構成例では、図２に示すように、可変動弁システムとしての吸気Ｓ-ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３１を有している。吸気Ｓ-ＶＴ２３１は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、吸気Ｓ-ＶＴ２３１は、例えば電動式や、液圧式とすればよい。

吸気動弁機構はまた、この構成例では、図２に示すように、可変動弁システムとしての吸気ＣＶＶＬ（Continuously Variable Valve Lift）２３２を有している。吸気ＣＶＶＬ２３２は、吸気弁２１のリフト量を、所定の範囲内で連続的に変更するよう構成されている。尚、吸気ＣＶＶＬ２３２の構成は、公知の構成を適宜採用すればよい。吸気ＣＶＶＬ２３２の構成は、任意である。

シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、２つの排気ポート１９が形成されている（尚、図１では一つの排気ポート１９のみ示している）。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。排気ポート１９には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間を開閉する。排気動弁機構は、所定のタイミングで、排気弁２２を開閉する。排気動弁機構は、この構成例では、図２に示すように、可変動弁システムとしての排気Ｓ-ＶＴ２４１を有している。排気Ｓ-ＶＴ２４１は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。排気弁２２の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、排気Ｓ-ＶＴ２４１は、電動式や、液圧式とすればよい。

排気動弁機構はまた、この構成例では、図２に示すように、可変動弁システムとしてのＩＤＥＶＡ２４２を有している。ＩＤＥＶＡ２４２は、図示は省略するが、排気弁２２を、第１のカム部及び第２のカム部のいずれか一方によって開弁することにより、排気弁２２のリフト量を変更するよう構成されている。第１のカム部のカムプロフィールは、図示は省略するが、クランク角の進行に対して、排気弁２２のリフト量が、ゼロから次第に増えて最大リフト量に至ると共に、その後、リフト量が次第に減ってゼロに至るような、一つのカム山を有している。これに対し、第２のカム部のカムプロフィールは、図１１に例示するように、大リフト部と小リフト部との二つのカム山を有している。大リフト部は、クランク角の進行に対して、排気弁のリフト量がゼロから次第に増えて最大リフト量に至ると共に、その後、リフト量が次第に減る部分である。大リフト部は、排気行程において排気弁２２を開弁する第１のカム山である。小リフト部（排気再開弁）は、大リフト部の後で、排気弁２２のリフト量を再び大きくした後、リフト量が次第に減ってゼロへと至る部分である。小リフト部は、吸気行程において排気弁２２を開弁する第２のカム山である。

このエンジン１は、吸気動弁機構及び排気動弁機構によって、吸気弁２１の開弁時期と排気弁２２の閉弁時期とに係るオーバーラップ期間の長さを調整する。このことによって、エンジン１の運転状態に応じて、燃焼室１７の中の既燃ガスを掃気したり、燃焼室１７の中に熱い既燃ガスを閉じ込めたり（つまり、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入したり）する。また、このエンジン１は、所定の運転状態にあるときに、排気動弁機構によって、排気弁２２を吸気行程において開弁する。このことによって、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入する。吸気動弁機構及び排気動弁機構は、状態量設定デバイスの一例である。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射するよう構成されている。インジェクタ６は、その中心軸が、シリンダ１１の中心軸に沿うように配設されている。インジェクタ６は、キャビティに対向している。尚、インジェクタ６の中心軸は、シリンダ１１の中心軸とずれていてもよい。

インジェクタ６は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ６は、燃料噴霧が、燃焼室１７の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。

尚、インジェクタ６は、多噴口型のインジェクタに限らない。インジェクタ６は、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。

インジェクタ６には、燃料供給システム６１が接続されている。燃料供給システム６１は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク６３と、燃料タンク６３とインジェクタ６とを互いに連結する燃料供給路６２とを備えている。燃料供給路６２には、燃料ポンプ６５とコモンレール６４とが介設している。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を圧送する。燃料ポンプ６５は、この構成例においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール６４は、燃料ポンプ６５から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄えるよう構成されている。インジェクタ６が開弁すると、コモンレール６４に蓄えられていた燃料が、インジェクタ６の噴口から燃焼室１７の中に噴射される。燃料供給システム６１は、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ６に供給することが可能に構成されている。燃料供給システム６１の最高燃料圧力は、例えば１２０ＭＰａ程度にしてもよい。インジェクタ６に供給する燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム６１の構成は、前記の構成に限定されない。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ２５は、この構成例では、シリンダ１１の中心軸を挟んだ吸気側に配設されている。点火プラグ２５は、インジェクタ６に隣接している。点火プラグ２５は、２つの吸気ポート１８の間に位置している。点火プラグ２５は、上方から下方に向かって、燃焼室１７の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド１３に取り付けられている。詳細な図示は省略するが、点火プラグ２５の電極は、燃焼室１７の中に臨んでかつ、燃焼室１７の天井面の付近に位置している。

エンジン１の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に連通している。吸気通路４０は、燃焼室１７に導入するガスが流れる通路である。吸気通路４０の上流端部には、新気を濾過するエアクリーナー４１が配設されている。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ１１の吸気ポート１８に接続されている。

吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットル弁４３が配設されている。スロットル弁４３は、弁の開度を調整することによって、燃焼室１７の中への新気の導入量を調整するよう構成されている。スロットル弁４３は、状態量設定デバイスの一例である。

吸気通路４０にはまた、スロットル弁４３の下流に、過給機４４が配設されている。過給機４４は、燃焼室１７に導入する吸気を過給するよう構成されている。この構成例において、過給機４４は、エンジン１によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機４４は、例えばルーツ式としてもよい。機械式の過給機４４の構成はどのような構成であってもよい。機械式の過給機４４は、リショルム式や遠心式であってもよい。

過給機４４とエンジン１との間には、電磁クラッチ４５が介設している。電磁クラッチ４５は、過給機４４とエンジン１との間で、エンジン１から過給機４４へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ＥＣＵ１０が電磁クラッチ４５の遮断及び接続を切り替えることによって、過給機４４はオンとオフとが切り替わる。つまり、このエンジン１は、過給機４４が、燃焼室１７に導入するガスを過給することと、過給機４４が、燃焼室１７に導入するガスを過給しないこととを切り替えることができるよう構成されている。

尚、機械式の過給機４４に代えて、又は、機械式の過給機４４に加えて、排気エネルギーによって運転するターボ過給機をエンジン１に取り付けてもよい。

吸気通路４０における過給機４４の下流には、インタークーラー４６が配設されている。インタークーラー４６は、過給機４４において圧縮されたガスを冷却するよう構成されている。インタークーラー４６は、例えば水冷式に構成すればよい。

吸気通路４０には、バイパス通路４７が接続されている。バイパス通路４７は、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスするよう、吸気通路４０における過給機４４の上流部とインタークーラー４６の下流部とを互いに接続する。バイパス通路４７には、エアバイパス弁４８が配設されている。エアバイパス弁４８は、バイパス通路４７を流れるガスの流量を調整する。

過給機４４をオフにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を遮断したとき）には、エアバイパス弁４８を全開にする。これにより、吸気通路４０を流れるガスは、過給機４４をバイパスして、エンジン１の燃焼室１７に導入される。エンジン１は、非過給の状態、つまり自然吸気の状態で運転する。

過給機４４をオンにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を接続したとき）には、過給機４４を通過したガスの一部は、バイパス通路４７を通って過給機の上流に逆流する。エアバイパス弁４８の開度を調整することによって、逆流量を調整することができるから、燃焼室１７に導入するガスの過給圧を調整することができる。この構成例においては、過給機４４と電磁クラッチ４５とバイパス通路４７とエアバイパス弁４８とによって、過給システム４９が構成されている。

エンジン１の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各シリンダ１１の排気ポート１９に連通している。排気通路５０は、燃焼室１７から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ１１の排気ポート１９に接続されている。排気通路５０には、１つ以上の触媒コンバーター５１を有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバーター５１は、三元触媒を含んで構成されている。尚、排気ガス浄化システムは、三元触媒のみを含むものに限らない。

吸気通路４０と排気通路５０との間には、外部ＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、既燃ガスの一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における触媒コンバーター５１の上流に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１と過給機４４との間の吸気通路に接続されている。

ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、既燃ガスを冷却するよう構成されている。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲ弁５４が配設されている。ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲ通路５２を流れる既燃ガスの流量を調整するよう構成されている。ＥＧＲ弁５４の開度を調整することによって、冷却した既燃ガス、つまり外部ＥＧＲガスの還流量を調整することができる。

この構成例において、ＥＧＲシステム５５は、ＥＧＲ通路５２及びＥＧＲ弁５４を含んで構成されている外部ＥＧＲシステムと、前述した吸気動弁機構及び排気動弁機構を含んで構成されている内部ＥＧＲシステムとによって構成されている。ＥＧＲシステム５５は、状態量設定デバイスの一例である。

圧縮自己着火式エンジンの制御装置は、図２に示すように、エンジン１を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０を備えている。ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をする入出力バス１０３と、を備えている。ＥＣＵ１０は、コントローラの一例である。

ＥＣＵ１０には、図１及び図２に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６が接続されている。センサＳＷ１〜ＳＷ１６は、検知信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。

すなわち、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる新気の流量を検知するエアフローセンサＳＷ１、及び、新気の温度を検知する第１吸気温度センサＳＷ２、吸気通路４０における過給機４４の上流に配置されかつ、過給機４４に流入するガスの圧力を検知する第１圧力センサＳＷ３、吸気通路４０における過給機４４の下流でかつ、バイパス通路４７の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機４４から流出したガスの温度を検知する第２吸気温度センサＳＷ４、サージタンク４２に取り付けられかつ、過給機４４の下流のガスの圧力を検知する第２圧力センサＳＷ５、各シリンダ１１に対応してシリンダヘッド１３に取り付けられかつ、各燃焼室１７内の圧力を検知する指圧センサＳＷ６、排気通路５０に配置されかつ、燃焼室１７から排出した排気ガスの温度を検知する排気温度センサＳＷ７、排気通路５０における触媒コンバーター５１の上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するリニアＯ_２センサＳＷ８、排気通路５０における触媒コンバーター５１の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するラムダＯ_２センサＳＷ９、エンジン１に取り付けられかつ、冷却水の温度を検知する水温センサＳＷ１０、エンジン１に取り付けられかつ、クランクシャフト１５の回転角を検知するクランク角センサＳＷ１１、アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサＳＷ１２、エンジン１に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を検知する吸気カム角センサＳＷ１３、エンジン１に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を検知する排気カム角センサＳＷ１４、ＥＧＲ通路５２に配置されかつ、ＥＧＲ弁５４の上流及び下流の差圧を検知するＥＧＲ差圧センサＳＷ１５、並びに、燃料供給システム６１のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６に供給する燃料の圧力を検知する燃圧センサＳＷ１６である。

ＥＣＵ１０は、これらの検知信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、各デバイスの操作量を計算する。ＥＣＵ１０は、計算をした操作量に係る制御信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、吸気Ｓ-ＶＴ２３１、吸気ＣＶＶＬ２３２、排気Ｓ-ＶＴ２４１、排気ＩＤＥＶＡ２４２、燃料供給システム６１、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、過給機４４の電磁クラッチ４５、及び、エアバイパス弁４８に出力する。例えば、ＥＣＵ１０は、第１圧力センサＳＷ３及び第２圧力センサＳＷ５の検知信号から得られる過給機４４の前後差圧に基づいてエアバイパス弁４８の開度を調整することにより、過給圧を調整する。また、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５の検知信号から得られるＥＧＲ弁５４の前後差圧に基づいてＥＧＲ弁５４の開度を調整することにより、燃焼室１７の中に導入する外部ＥＧＲガス量を調整する。

このエンジン１は、一部の運転領域において、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、燃焼室１７の中の混合気を、圧縮自己着火により燃焼する。また、エンジン１は、その他の領域において、火花点火（つまり、Spark Ignition：ＳＩ）による燃焼を行う。

（エンジンの制御）
図３は、エンジン１の制御装置の構成を示している。制御装置は、ＥＣＵ１０によって構成されている。制御装置は、コントローラ１００と、推定器１０４とを備えている。

コントローラ１００は、エンジン１の出力としてのＩＭＥＰ及び最大圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が、目標ＩＭＥＰ及び目標最大ｄＰ／ｄθとなるように、サイクル毎に、状態量設定デバイスの操作量（つまり、ＥＧＲ率）、及び、インジェクタ６の操作量（つまり、燃料噴射量）を設定する。ＥＣＵ１０は、目標ＩＭＥＰ及び目標最大ｄＰ／ｄθを、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６の検知信号に基づいて設定する。

コントローラは１００、フィードフォワード制御器１０５、減算器１０６、フィードバック制御器１０７、及び、加算器１０８を有している。フィードフォワード制御器１０５及びフィードバック制御器１０７は、燃焼室１７の中の状態量（状態変数）を必要とする。推定器１０４は、リアルタイムに測定することのできない状態変数を推定し、状態推定値をコントローラ１００に出力する。

推定器１０４は、カルマンフィルタによって構成されている。推定器１０４は、エンジン１の燃焼室１７の中の状態をモデル化したモデルを備えている。モデルは、燃焼室１７の中の状態を、複数の離散点によって表現する離散化モデルと、離散化モデルを複数の平衡点について線形化することによって表現した線形パラメータ変動モデルと、を含んでいる。複数の離散点は、図１１に示すように、排気弁２２の再開弁時期（EVO2）、吸気弁２１の閉弁時期（IVC）、圧縮上死点前１０度前（-10degATDC）、着火時期、圧力最大時期（Pmax）、燃焼終了時期、及び、排気弁２２の開時期（EVO）の７点である。離散化モデルの構築にあたり、圧縮行程及び膨張行程ではポリトロープ変化を仮定し、各離散点での温度および圧力を求める。また、着火時期の予測にはＲＣＭによる実験で得られた着火遅れ時間のLivengood-Wu積分を考える。着火時期から燃焼終了時期までの間ではエネルギー保存を考慮し、燃焼終了時の状態量を求めることとする。

離散化モデルを線形化した線形パラメータ変動モデルは、式（１）（２）の状態空間方程式によって表される。

ここで、ｘ_ｋは、現サイクルにおける吸気弁２１の閉弁タイミング（IVC）の状態量としての、燃焼室１７の中の酸素量（n_O2_ｋ）、燃焼室１７の中の燃料量（n_ftotal_ｋ）、及び、燃焼室の中の温度（Tivc_ｋ）である。ｘ_ｋ＋１は、次サイクルにおける吸気弁２１の閉弁タイミングの状態量としての、燃焼室１７の中の酸素量（n_O2_ｋ＋１）、燃焼室１７の中の燃料量（n_ftotal_ｋ＋１）、及び、燃焼室の中の温度（Tivc_ｋ＋１）である。ｕ_ｋは、現サイクルにおける操作量としての、ＥＧＲ率（EGR_ｋ）及び燃料噴射量（n_finj_ｋ）である。

また、ｙ_ｋは、現サイクルにおけるエンジン１の出力としての、図示平均有効圧力（IMEP_ｋ）、及び、最大圧力上昇率（dP/dθ_ｋ）である。

尚、添え字ｋは、ｋサイクル目の値であることを示している。

式（１）（２）の線形パラメータ変動モデルは、行列形式により、以下の式（１）’（２）’ように表される。

ここで、線形パラメータ変動モデルの第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、エンジン１のトルクに応じて変化する。エンジン１のトルクは、目標ＩＭＥＰによって表される。

第１係数Ａ_ＬＰＶは係数行列であり、各要素（Ａ_１１、Ａ_１２、Ａ_１３、Ａ_２１、Ａ_２２、Ａ_２３、Ａ_３１、Ａ_３２、Ａ_３３）の特性は、図７に示される。つまり、Ａ_１１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ａ_１２は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ａ_１３は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ａ_２１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ａ_２２は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ａ_２３は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ａ_３１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ａ_３２は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ａ_３３は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い一旦大きくなった後、小さくなる特性を有している。

第２係数Ｂ_ＬＰＶは係数行列であり、各要素（Ｂ_１１、Ｂ_１２、Ｂ_２１、Ｂ_２２、Ｂ_３１、Ｂ_３２）の特性は、図８に示される。つまり、Ｂ_１１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ｂ_１２は、目標ＩＭＥＰの大きさにかかわらずゼロのままである。Ｂ_２１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｂ_２２は、目標ＩＭＥＰの大きさにかかわらずゼロのままである。Ｂ_３１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ｂ_３２は、目標ＩＭＥＰの大きさにかかわらずゼロのままである。

第３係数Ｃ_ＬＰＶは係数行列であり、各要素（Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_１３、Ｃ_２１、Ｃ_２２、Ｃ_２３）の特性は、図９に示される。つまり、Ｃ_１１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ｃ_１２は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ｃ_１３は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｃ_２１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｃ_２２は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｃ_２３は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。

第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、目標ＩＭＥＰに対し、一次の関数式、又は、二次の関数式によって表される。

推定器１０４は、前記の線形パラメータ変動モデルを用いたカルマンフィルタによって構成されている。カルマンフィルタは、式（４）によって表される。

ｆは、前述した離散化モデルである。カルマンゲインｇ_ＬＰＶは、第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶから算出される。カルマンゲインの算出自体は公知であるため、その説明は省略する。前述したように、第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、目標ＩＭＥＰに応じて変化するため、カルマンゲインｇ_ＬＰＶも、サイクル毎に、エンジン１の目標ＩＭＥＰに応じて設定される。ｕ_ｋは、前述の通り現サイクルにおける操作量であり、後述するように、コントローラ１００の出力である。ｙ_ｋは、前述の通りエンジン１の実際の出力であり、指圧センサＳＷ６の検出信号に基づき得られる（図１１の燃焼波形も参照）。尚、添え字の＾（ハット）は、推定器１０４の推定値を表し、添え字の⁻（上付きのマイナス）は、事前推定値を表す。

カルマンフィルタは、離散化モデルｆによって事前推定を行う。推定器１０４の演算負荷を比較的小さく抑えながら、推定精度を高くすることができる。

カルマンゲインｇ_ＬＰＶは、離散化モデル（つまり、非線形モデル）を用いずに、線形パラメータ変動モデルを用いて決定する。カルマンゲインを非線形モデルの微分から求めると、推定精度は高くなるものの、推定器１０４の演算負荷がかなり大きくなる。これに対し、カルマンゲインｇ_ＬＰＶを線形パラメータ変動モデルから求めると、演算負荷が大きくならない一方で、単一の線形モデルからカルマンゲインを求める場合よりも推定精度を高くすることができる。

推定器１０４は、燃焼室１７の中の状態量推定値（ｘ＾_ｋ：n_O2_ｋ、n_ftotal_ｋ、Tivc_ｋ）を出力する。

フィードフォワード制御器１０５は、目標ＩＭＥＰ及び目標最大ｄＰ／ｄθ、並びに、推定器１０４の状態量推定値ｘ＾_ｋを受ける。状態量推定値ｘ＾_ｋは、前述の通り、吸気弁２１の閉弁タイミングの、燃焼室１７の中の酸素量（n_O2_ｋ）、燃焼室１７の中の燃料量（n_ftotal_ｋ）、及び、燃焼室１７の中の温度（Tivc_ｋ）である。フィードフォワード制御器１０５は、これら目標ＩＭＥＰ及び目標最大ｄＰ／ｄθ、並びに、状態量推定値ｘ＾_ｋに基づいて、フィードフォワード制御量ｕ_ＦＦ，ｋを設定し、出力する。

減算器１０６は、目標ＩＭＥＰ及び目標最大ｄＰ／ｄθと、実際のエンジン出力としての、ＩＭＥＰ及び最大ｄＰ／ｄθとの偏差（つまり、エンジン出力偏差）を演算する。実際のＩＭＥＰ及び実際の最大ｄＰ／ｄθは、前述したように、指圧センサＳＷ６が検知した燃焼室１７内の圧力履歴に基づいて演算される。

フィードバック制御器１０７は、フィードバック操作量を決定するＬＱＧ（Linear Quadratic Gaussian）サーボ器である。フィードバック制御器１０７は、減算器１０６からのエンジン出力偏差を累積する累積部１０９と、フィードバック操作量を演算する演算部１１０とを有している。

演算部１１０は、エンジン出力偏差の累積項と、推定器１０４の状態量推定値ｘ＾_ｋとに基づいて、フィードバック制御量ｕ_ＦＢ，ｋを設定する。具体的に、フィードバック制御器の制御則は、式（５）によって表される。

但し、ｘ_ｉ,ｋは、エンジン出力偏差の累積項である。Ｋは、フィードバックゲインである。ｘ＾_ｋは、前述の通り、推定器１０４の状態量推定値である。

式（５）を、行列形式で表すと、以下の式（５）’になる。

フィードバック制御器１０７は、エンジン１の目標出力とエンジン１の実出力との偏差に加えて、推定器１０４が推定をした燃焼室１７の中の推定状態量に基づいてフィードバック操作量ｕ_ＦＢ，ｋを設定することにより、コントローラ１００の制御性能を向上させることができる。

また、エンジン出力の偏差を補正するフィードバックゲインと、燃焼室１７の中の状態量の差を補正するフィードバックゲインとの最適値は、前述した線形パラメータ変動モデルから求められる（式（１）（２）参照）。従って、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶは、エンジン１の目標ＩＭＥＰに応じて変化する。

図１０は、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶの各要素（Ｋ_１１、Ｋ_１２、Ｋ_１３、Ｋ_１４、Ｋ_１５、Ｋ_２１、Ｋ_２２、Ｋ_２３、Ｋ_２４、Ｋ_２５）の特性を例示している。Ｋ_１１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｋ_１２は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ｋ_１３は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｋ_１４は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｋ_１５は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｋ_２１は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｋ_２２は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｋ_２３は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い大きくなる特性を有している。Ｋ_２４は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。Ｋ_２５は、目標ＩＭＥＰが高くなるに従い小さくなる特性を有している。フィードバックゲインＫも、目標ＩＭＥＰに対し、一次の関数式、又は、二次の関数式によって表される。

加算器１０８は、フィードフォワード制御器１０５の操作量ｕ_ＦＦ，ｋと、フィードバック制御器１０７の操作量ｕ_ＦＢ，ｋとを加算することにより、状態量設定デバイスの操作量としてのＥＧＲ率、及び、インジェクタ６の操作量としての燃料噴射量を決定する。コントローラ１００は、操作信号を各デバイスに出力する。状態量設定デバイスの操作量、及び、インジェクタ６の操作量はまた、前述したように、推定器１０４にも出力される。

エンジン１においては、燃焼室１７の中の混合気が、圧縮自己着火によって燃焼する。指圧センサＳＷ６は、燃焼室１７の中の圧力履歴を計測する。指圧センサＳＷ６が計測した圧力履歴に基づいて、エンジン１の実際のＩＭＥＰ及び実際の最大ｄＰ／ｄθが演算される。演算された実際のＩＭＥＰ及び実際の最大ｄＰ／ｄθは、コントローラ１００の減算器１０６、及び、推定器１０４に出力される。

推定器１０４は、前述したように、状態量設定デバイスの操作量、及び、インジェクタ６の操作量、並びに、実際のＩＭＥＰ及び実際の最大ｄＰ／ｄθに基づいて、エンジン１の燃焼室１７の中の状態量を、サイクル毎に推定する。

（線形パラメータ変動モデルの係数の設定、及び、フィードバックゲインの設定）
図４は、前述した線形パラメータ変動モデルの第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶの設定、並びに、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶの設定手順を示すフローチャートである。このフローは、制御装置が車載される前に行われる。

スタート後のステップＳ４１において、実機又はシミュレーションにより、定常セット点における燃焼波形を計測する。図５は、定常セット点を例示している。図５の横軸はグロスＩＭＥＰであり、縦軸は吸気弁２１の閉弁タイミングの燃焼室１７の中の温度である。「安定性限界」の線は、圧縮自己着火による燃焼が不安定になる限界を示している。この線よりも下側は、燃焼室１７の中の温度が低すぎて、圧縮自己着火による燃焼が不安定になる。「燃焼音限界」の線は、圧縮自己着火による燃焼音が許容値を超える限界を示している。この線よりも上側は、燃焼室の中の温度が高すぎて、圧縮自己着火による燃焼が急峻になって燃焼音が大きくなる。定常セット点は、これらの制限を回避しながら、燃費がベストになるエンジン１の運転状態である。

図４のフローに戻り、ステップＳ４１に続くステップＳ４２では、計測した各定常セット点（平衡点）周りにおいて、構築した離散化モデルをテーラー展開によって線形化し、前述した線形パラメータ変動モデル、及び、フィードバックゲインを作成する（式（１）（２）（５）参照）。

ステップＳ４３では、作成した線形パラメータ変動モデルの各係数Ａ_ＬＰＶ、Ｂ_ＬＰＶ、Ｃ_ＬＰＶの行列、及び、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶの行列の要素毎に、目標ＩＭＥＰの関数を作成する。つまり、図７、８、９、１０の各要素の特性を、目標ＩＭＥＰの関数式によって表す。

ステップＳ４４では、ステップＳ４３で作成をした関数式を、ＥＣＵのメモリ１０２に記憶し、フローが終了する。

（推定器の推定手順）
図６は、エンジン１の運転中における、推定器１０４の推定手順を示すフローチャートである。スタート後のステップＳ６１では、前サイクルの、吸気弁２１の閉弁時における状態量推定値ｘ＾_ｋ−１を読み込む。具体的に、状態量推定値ｘ＾_ｋ−１は、吸気弁２１の閉弁タイミングにおける燃焼室１７の中の酸素量（n_O2_ｋ−１）、燃焼室１７の中の燃料量（n_ftotal_ｋ−１）、燃焼室１７の中の温度（Tivc_ｋ−１）である。

続くステップＳ６２では、前サイクルの状態量推定値ｘ＾_ｋ−１と、前サイクルの操作量ｕ_ｋ−１（つまり、ＥＧＲ率（EGR_ｋ−１）及び燃料噴射量（n_finj_ｋ−１））とから、離散化モデルｆによって、現サイクルの吸気弁２１の閉弁タイミングにおける状態量推定値ｘ＾_ｋ ⁻を推定する。つまり、式（４）の事前推定を行う。

続くステップＳ６３では、状態量推定値ｘ＾_ｋ ⁻と離散化モデルｆとから、現サイクルの推定出力ｆ（ｘ＾_ｋ ⁻）を演算する。

また、ステップＳ６４では、指圧センサＳＷ６によって計測した現サイクルの筒内圧力を処理することによって、エンジン１の実出力ｙ_ｋ（ＩＭＥＰ（IMEP_ｋ）及び最大圧力上昇率（dP/dθ_ｋ））を求める。

さらに、ステップＳ６５では、現サイクルの目標ＩＭＥＰ（IMEP_{ｒｅｆ ｋ}）を読み込み、続くステップＳ６６において、目標ＩＭＥＰと、第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶとからカルマンゲインｇ_{ＬＰＶ ｋ}を演算する。尚、カルマンゲインを、実際のＩＭＥＰと、第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶとから演算してもよい。

ステップＳ６３、Ｓ６４、Ｓ６６の後のステップＳ６７において、エンジンの実出力ｙ_ｋと推定出力ｆ（ｘ＾_ｋ）との差分に、カルマンゲインｇ_{ＬＰＶ ｋ}をかけた値を、事前推定値ｘ＾_ｋ ⁻に加えることにより、現サイクルの状態量ｘ＾_ｋを更新する。つまり、式（４）の事後推定を行う。

以上説明したように、推定器１０４が、式（１）（２）の線形パラメータ変動モデルを用いて、燃焼室１７の中の状態を推定することにより、推定器１０４の演算負荷は、非線形モデルを用いるよりも小さくなる。一方、式（１）（２）の第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、エンジン１の目標ＩＭＥＰ（つまり、エンジン１のトルク）に応じて変化するから、線形モデルを用いるよりも推定精度が高まる。よって、推定器１０４の演算負荷の抑制と、推定精度の向上とが両立する。

燃焼室１７の状態量の推定精度が向上するため、圧縮自己着火式のエンジン１は、燃費の良い安定燃焼を実現することができる。

また、推定器１０４が、式（４）のカルマンフィルタによって構成されていることにより、推定器１０４の演算負荷を抑制しながら、推定精度がさらに向上する。具体的に、推定器１０４は、事前推定を、離散化モデルによって行うことにより、推定器１０４の演算負荷を大きくすることなく、推定精度を高めることができる。また、カルマンゲインｇ_ＬＰＶを、第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶから算出することによって、推定精度を高く維持しながら、当該カルマンゲインを離散化モデルの微分から求める場合よりも大幅に演算負荷を小さくすることができる。

尚、前記の構成において、推定器１０４は、吸気弁２１の閉弁タイミングの状態量を推定している。推定器１０４は、例えば排気弁２２の再開弁タイミングの状態量を推定するようにしてもよい。

また、前記の構成では、線形パラメータ変動モデルの第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶ、並びに、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶを、目標ＩＭＥＰの関数として表している。線形パラメータ変動モデルの第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶ、並びに、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶは、目標ＩＭＥＰと過給圧との関数としてもよい。例えば式（６）は、第１係数Ａ_ＬＰＶの要素Ａ_１１の関数式を例示している。

ここで、Pivcは、吸気弁２１の閉弁タイミングにおける燃焼室の中の過給圧である。α、β、γ、δはそれぞれ係数である。第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶ、並びに、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶを、目標ＩＭＥＰと過給圧との関数にすることによって、燃焼室１７の中の温度Tivcの推定、及び、燃焼室の中の酸素量n_O2の推定精度を高めることができる。

さらに、線形パラメータ変動モデルの第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶ、並びに、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶは、目標ＩＭＥＰと過給圧とエンジン回転数との関数にしてもよい。例えば式（７）は、第１係数Ａ_ＬＰＶの要素Ａ_１１の関数式を例示している。

ここで、rpmは、エンジン回転数である。α、β、γ、δ、ε、ξはそれぞれ係数である。第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶ、並びに、フィードバックゲインＫ_ＬＰＶを、目標ＩＭＥＰと過給圧とエンジン回転数との関数にすることによって、エンジン１の運転領域の広い範囲に亘って、燃焼室１７の中の状態量の推定精度を高めることができる。

また、推定器１０４は、以下の式（３）に示すカルマンフィルタによって構成してもよい。

ここで、ｇ_ＬＰＶはカルマンゲインである。式（３）は、線形カルマンフィルタであり、推定器１０４の演算負荷はさらに小さくなる。一方、線形パラメータ変動モデルの第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、前記と同様に、目標ＩＭＥＰの関数であるから、燃焼室１７の中の状態量の推定精度を、単一の線形モデルの場合よりも高めることができる。

尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン１に適用することに限定されない。エンジン１の構成は、様々な構成を採用することが可能である。

１ エンジン
１０ ＥＣＵ
１００ コントローラ
１０４ 推定器
１０５ フィードフォワード制御器
１０７ フィードバック制御器
１７ 燃焼室
２３１ 吸気Ｓ-ＶＴ（状態量設定デバイス）
２３２ 吸気ＣＶＶＬ（状態量設定デバイス）
２４１ 排気Ｓ-ＶＴ（状態量設定デバイス）
２４２ ＩＤＥＶＡ（状態量設定デバイス）
４３ スロットル弁（状態量設定デバイス）
４９ 過給システム
５５ ＥＧＲシステム（状態量設定デバイス）
６ インジェクタ
ＳＷ１ エアフローセンサ
ＳＷ２ 第１吸気温度センサ
ＳＷ３ 第１圧力センサ
ＳＷ４ 第２吸気温度センサ
ＳＷ５ 第２圧力センサ
ＳＷ６ 指圧センサ
ＳＷ７ 排気温度センサ
ＳＷ８ リニアＯ_２センサ
ＳＷ９ ラムダＯ_２センサ
ＳＷ１０ 水温センサ
ＳＷ１１ クランク角センサ
ＳＷ１２ アクセル開度センサ
ＳＷ１３ 吸気カム角センサ
ＳＷ１４ 排気カム角センサ
ＳＷ１５ ＥＧＲ差圧センサ
ＳＷ１６ 燃圧センサ

Claims (10)

1. サイクル毎に、燃焼室の中の混合気を自己着火によって燃焼させるよう構成されたエンジンと、
   前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態にするよう構成された状態量設定デバイスと、
   前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に供給する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
   前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中の圧力に関するパラメータを検知すると共に、検知信号を出力するよう構成されたセンサと、
   前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び前記センサのそれぞれが接続されると共に、前記状態量設定デバイス及び前記インジェクタに操作信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラと、
   前記コントローラの前記操作信号と前記センサの前記検知信号とを受けかつ、前記燃焼室の中の状態量を推定すると共に、前記コントローラに状態推定信号を出力するよう構成された推定器と、を備え、
   前記コントローラは、前記センサの前記検知信号と前記推定器の前記状態推定信号とを受けると共に、前記燃焼室の中の燃焼が、前記エンジンの目標出力に対応した燃焼となるように、前記状態量設定デバイスの操作量及び前記インジェクタの操作量をそれぞれ設定し、
   前記推定器は、式（１）に示す、前記燃焼室の中の状態をモデル化した線形パラメータ変動モデルを用いることによって、前記燃焼室の中の状態量を推定し、
   前記線形パラメータ変動モデルにおける第１係数Ａ_ＬＰＶ、及び、第２係数Ｂ_ＬＰＶはそれぞれ、前記エンジンのトルク及び前記エンジンの回転数に応じて変化する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
   

   

   但し、ｘ_ｋは、現サイクルにおける所定タイミングの前記状態量としての、前記燃焼室の中の酸素量と前記燃焼室の中の燃料量とのいずれか一方又は両方、及び、前記燃焼室の中の温度である。ｘ_ｋ＋１は、次サイクルにおける所定タイミングの前記状態量としての、前記燃焼室の中の酸素量及び前記燃焼室の中の燃料量のいずれか一方又は両方、及び、前記燃焼室の中の温度である。ｕ_ｋは、現サイクルにおける前記操作量としての、ＥＧＲ率及び燃料噴射量である。
2. サイクル毎に、燃焼室の中の混合気を自己着火によって燃焼させるよう構成されたエンジンと、
   前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態にするよう構成された状態量設定デバイスと、
   前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に供給する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
   前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中の圧力に関するパラメータを検知すると共に、検知信号を出力するよう構成されたセンサと、
   前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び前記センサのそれぞれが接続されると共に、前記状態量設定デバイス及び前記インジェクタに操作信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラと、
   前記コントローラの前記操作信号と前記センサの前記検知信号とを受けかつ、前記燃焼室の中の状態量を推定すると共に、前記コントローラに状態推定信号を出力するよう構成された推定器と、を備え、
   前記コントローラは、前記センサの前記検知信号と前記推定器の前記状態推定信号とを受けると共に、前記燃焼室の中の燃焼が、前記エンジンの目標出力に対応した燃焼となるように、前記状態量設定デバイスの操作量及び前記インジェクタの操作量をそれぞれ設定し、
   前記推定器は、式（１）及び式（２）に示す、前記燃焼室の中の状態をモデル化した線形パラメータ変動モデルを用いることによって、前記燃焼室の中の状態量を推定し、
   前記線形パラメータ変動モデルにおける第１係数Ａ _ＬＰＶ 、第２係数Ｂ _ＬＰＶ 、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、前記エンジンのトルクに応じて変化する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
   

   

   

   但し、ｘ _ｋ は、現サイクルにおける所定タイミングの前記状態量としての、前記燃焼室の中の酸素量と前記燃焼室の中の燃料量とのいずれか一方又は両方、及び、前記燃焼室の中の温度である。ｘ _ｋ＋１ は、次サイクルにおける所定タイミングの前記状態量としての、前記燃焼室の中の酸素量及び前記燃焼室の中の燃料量のいずれか一方又は両方、及び、前記燃焼室の中の温度である。ｕ _ｋ は、現サイクルにおける前記操作量としての、ＥＧＲ率及び燃料噴射量である。ｙ_ｋは、現サイクルにおける前記エンジンの出力としての、図示平均有効圧力、及び、最大圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）である。
3. 請求項２に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
   前記推定器は、前記線形パラメータ変動モデルを用いた、式（３）に示すカルマンフィルタによって構成され、
   前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、サイクル毎に、前記エンジンの目標トルクに応じて設定される圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
   

   

   但し、ｇ_ＬＰＶはカルマンゲインである。
4. 請求項２に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
   前記推定器は、前記線形パラメータ変動モデルを用いた、式（４）に示すカルマンフィルタによって構成される圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
   

   

   但し、ｆは前記燃焼室の中の状態をモデル化した離散化モデルであり、前記線形パラメータ変動モデルは、前記離散化モデルから得られる。ｇ_ＬＰＶは、前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、前記第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、前記第３係数Ｃ_ＬＰＶから算出されるカルマンゲインであり、ｇ_ＬＰＶは、サイクル毎に、前記エンジンの目標トルクに応じて設定される。ｙ_ｋは、センサの検出信号に基づき得られるエンジンの実出力である。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中へ導入するガスを過給するよう構成された過給システムを備え、
   前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、前記第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、前記第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、前記エンジンのトルクと過給圧とに応じて変化する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
   前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、前記第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、前記第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、前記エンジンの回転数に応じてさらに変化する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
   前記第１係数Ａ_ＬＰＶ、前記第２係数Ｂ_ＬＰＶ、及び、前記第３係数Ｃ_ＬＰＶはそれぞれ、一次の関数式、又は、二次の関数式によって表される圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
8. 請求項２〜７のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
   前記コントローラは、フィードバック制御器を有し、
   前記フィードバック制御器は、前記エンジンの目標出力と前記センサの前記検知信号に基づく前記エンジンの出力との偏差、及び、前記推定器の前記状態推定信号を受けると共に、フィードバック操作量ｕ_ＦＢ，ｋを出力し、
   前記フィードバック制御器の制御則は、式（５）である圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
   

   

   但し、ｘ_ｉ,ｋは、前記偏差の累積項である。Ｋ_ＬＰＶは、フィードバックゲインである。
9. 請求項８に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
   前記フィードバックゲインＫ_ＬＰＶは、前記式（１）及び式（２）の線形パラメータ変動モデルに基づいて設定されると共に、前記フィードバックゲインＫ_ＬＰＶは、サイクル毎に、前記エンジンの目標トルクに応じて設定される圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
10. 請求項８又は９に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
    前記コントローラはさらに、フィードフォワード制御器を有し、
    前記フィードフォワード制御器は、前記目標出力と、前記推定器の前記状態推定信号とを受けると共に、フィードフォワード操作量を出力するよう構成されている圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
    

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