JP2005201163A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内圧センサの出力の適正値からのずれを適切に補償でき、それにより、内燃機関の制御を適切に行うことができる。
【解決手段】 制御装置１はＥＣＵ２を備えており、ＥＣＵ２は、筒内圧を検出する筒内圧センサ１１の出力Ｐに応じて、内燃機関３を制御する（ステップ１〜３）とともに、検出された吸入空気量を表す吸入空気量パラメータＰＢＡおよび混合気の空燃比ＡＦＲに応じて、筒内圧センサ１１の出力Ｐを補正する（ステップ１２，１４〜２２）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、筒内圧を検出する筒内圧センサの出力に応じて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置に関する。

従来、この種の制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この制御装置は、ディーゼルエンジンに適用されたものであり、圧電素子で構成された筒内圧センサと、気筒に燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、この筒内圧センサの出力に応じて燃料噴射ノズルの燃料噴射量を制御する制御ユニットとを備えている。筒内圧センサは、グロープラグに設けられており、このグロープラグに作用する筒内圧を検出する。制御ユニットは、内燃機関に要求される要求トルクを算出するとともに、筒内圧センサの出力に応じて、エンジンの実際のトルクを算出する。また、算出した実際のトルクと要求トルクとを比較し、その比較結果に応じて、実際のトルクが要求トルクに一致するように燃料噴射量を制御する。

しかし、上記の従来の制御装置には、燃料噴射量を適切に制御できないという問題がある。すなわち、上述したように用いられる筒内圧センサには、エンジンの運転中に高い筒内圧が常に作用するので、長期間の使用により、筒内圧センサが経年劣化し、その検出精度が低下することは避けられない。また、圧電素子タイプの筒内圧センサは一般に、作用する圧力が一定であっても、圧電素子の焦電性により、その出力が温度に応じて変化するという特性を有する。一方、上記の筒内圧センサは、グロープラグに設けられており、エンジンの温度の影響を直接的に受けるため、適正な出力が得られない場合がある。さらに、筒内圧センサの量産による個体差などにより、筒内圧センサの出力が実際の筒内圧から若干ずれる場合がある。これに対して、上記の制御装置では、以上のような適正値からのずれを含む筒内圧センサの出力に応じて燃料噴射量を制御するので、これを適切に制御できないおそれがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、筒内圧センサの出力の適正値からのずれを適切に補償でき、それにより、内燃機関の制御を適切に行うことができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

特開平９−６８０８２号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る本発明の内燃機関の制御装置１は、気筒Ｃ内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサ１１と、筒内圧センサ１１の出力Ｐに応じて内燃機関３を制御する制御手段（実施形態における（以下本項において同じ）ＥＣＵ２、図２のステップ１〜３）と、気筒Ｃに吸入される吸入空気量を表す吸入空気量パラメータ（吸気管内絶対圧ＰＢＡ）を検出する吸入空気量パラメータ検出手段（吸気管内絶対圧センサ１２）と、気筒Ｃに供給される混合気の空燃比（検出空燃比ＡＦＲ）を検出する空燃比センサ（ＬＡＦセンサ１３）と、検出された吸入空気量パラメータおよび空燃比に応じて、筒内圧センサ１１の出力Ｐを補正する補正手段（ＥＣＵ２、図３のステップ１２，１４〜２２）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、制御手段により、筒内圧センサの出力に応じて内燃機関が制御される。また、補正手段により、筒内圧センサの出力が、検出された吸入空気量パラメータおよび空燃比に応じて補正される。一般に、吸入空気量が大きいほど、および空燃比が小さいほど、混合気の燃焼によって気筒内で発生する圧力がより大きくなるため、吸入空気量および空燃比は筒内圧と密接な相関関係にある。これに対して、本発明によれば、吸入空気量を表す吸入空気量パラメータ、および空燃比に応じて、すなわち、筒内圧と密接な相関関係にあるパラメータに応じて、筒内圧センサの出力を補正するので、筒内圧センサの出力の適正値からのずれを適切に補償できる。したがって、内燃機関の制御を適切に行うことができる。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置１において、補正手段は、筒内圧センサ１１の出力Ｐを補正するための補正項（補正係数Ｋ_i ）を、吸入空気量パラメータおよび空燃比に応じて設定する補正項設定手段（ＥＣＵ２、図３のステップ１４〜２２）と、空燃比が所定の範囲内にないときに、補正項の更新を禁止する禁止手段（ＥＣＵ２、図３のステップ１３）と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、補正項設定手段により、筒内圧センサの出力を補正するための補正項が、検出された吸入空気量パラメータおよび空燃比に応じて設定される。また、禁止手段により、検出された空燃比が所定の範囲内にないときに、補正項の更新が禁止される。一般に、空燃比を検出するセンサの検出精度は、空燃比がある特定の範囲内にあるときに高い精度が得られ、その範囲外では低下する傾向にある。このため、例えば、上記の所定の範囲をこの特定の範囲に設定することによって、空燃比センサの高い検出精度が得られる状況においてのみ、検出された空燃比を用いて補正項を更新するので、この補正項による補正をより適切に行うことができる。

本発明の一実施形態による制御装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 燃料噴射制御処理のメインルーチンを示すフローチャートである。 図２の図示平均有効圧力算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 図３の処理で用いるＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i テーブルの一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態による内燃機関の制御装置について説明する。図１に示すように、制御装置１はＥＣＵ２を備えており、エンジン３は、４つの気筒Ｃ（１〜４番気筒Ｃ＃１〜Ｃ＃４）（１つのみ図示）を備えた４サイクル直列４気筒型のディーゼルエンジンであり、車両（図示せず）に搭載されている。

エンジン３の各気筒Ｃのシリンダヘッドには、燃焼室に臨むように燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）４（１つのみ図示）が取り付けられている。各インジェクタ４は、コモンレールを介して高圧ポンプ（いずれも図示せず）に接続されている。高圧ポンプは、ＥＣＵ２による制御により、燃料タンク（図示せず）の燃料を、高圧に昇圧した後、コモンレールを介してインジェクタ４に送り、インジェクタ４はこの燃料を燃焼室に噴射する。インジェクタ４の開弁時間である燃料噴射時間ＴＯＵＴは、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される。なお、この燃料噴射は、Ｃ＃１→Ｃ＃３→Ｃ＃４→Ｃ＃２の順で行われる。

また、インジェクタ４には、筒内圧センサ１１が一体に取り付けられている。この筒内圧センサ１１は、圧電素子で構成されており、対応する気筒Ｃ内の圧力（以下「筒内圧」という）を検出し、筒内圧を表す出力ＰをＥＣＵ２に送る。

エンジン３の吸気管５には、吸気管内絶対圧センサ１２（吸入空気量パラメータ検出手段）が設けられている。この吸気管内絶対圧センサ１２は、吸気管５内の吸気管内絶対圧ＰＢＡ（吸入空気量パラメータ）を検出し、その検出信号をＥＣＵ２に送る。

エンジン３の排気管６には、排気マニホルドの集合部付近に、ＬＡＦセンサ１３（空燃比センサ）が設けられている。このＬＡＦセンサ１３は、ジルコニアおよび白金電極などで構成され、排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、検出した酸素濃度を、エンジン３に供給された混合気の空燃比に変換し、この変換によって求めた検出空燃比ＡＦＲ（空燃比）を表す検出信号をＥＣＵ２に送る。また、一般に、実際の空燃比が大きくなるにつれて、この空燃比の混合気の燃焼によって得られる排ガス中の実際の酸素濃度の変化度合は小さくなる傾向にあるため、酸素濃度の変化量に対する空燃比の変化量の比は、空燃比が大きいほどより大きく、特に、所定空燃比（例えば値３０）以上では非常に大きい。このため、上述した手法で空燃比を検出するＬＡＦセンサ１３の検出精度は、空燃比が上記の所定空燃比よりも小さいときには高い精度が得られる一方、空燃比が所定空燃比を上回ると、低下する傾向にある。

エンジン３のクランクシャフト３ａには、マグネットロータ１４ａが取り付けられている。このマグネットロータ１４ａとＭＲＥピックアップ１４ｂによってクランク角センサ１４が構成されている。クランク角センサ１４は、クランクシャフト３ａの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に送る。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを求める。ＴＤＣ信号は、各気筒Ｃのピストン３ｂ（１つのみ図示）が吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。また、エンジン３には、気筒判別センサ（図示せず）が設けられており、この気筒判別センサは、１〜４番気筒Ｃ＃１〜Ｃ＃４を判別するためのパルス信号を気筒判別信号としてＥＣＵ２に送る。ＥＣＵ２は、これらの気筒判別信号、ＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号によって、気筒Ｃごとのクランク角度位置を判別する。

ＥＣＵ２（制御手段、補正手段、補正項設定手段および禁止手段）は、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ１１〜１４の検出信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに基づいて、エンジン３の運転状態を判別し、その判別結果に基づいて、インジェクタ４の燃料噴射時間ＴＯＵＴを気筒Ｃごとに制御するなど、エンジン３の制御処理を実行する。

次に、燃料噴射時間を気筒Ｃごとに制御する燃料噴射制御処理について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２は、この燃料噴射制御処理のメインルーチンを示しており、本処理は、ＴＤＣ信号の入力に同期して気筒ごとに実行される。まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i を気筒Ｃごとに算出する。この算出処理の詳細については後述する。なお、この図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i の「ｉ」は、上述した気筒判別信号などによって判別される気筒番号ｉであり、このことは、後述するパラメータにおいても同様である。

次に、エンジン回転数ＮＥおよびステップ１で算出した図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i に応じ、気筒ごとの燃料噴射時間ＴＯＵＴ_i を算出する（ステップ２）。次いで、算出した燃料噴射時間ＴＯＵＴ_i に基づく駆動信号を、対応する気筒Ｃのインジェクタ４に出力し（ステップ３）、本処理を終了する。なお、このステップ２の燃料噴射時間ＴＯＵＴ_i の算出は、エンジン回転数ＮＥおよび図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i に応じて、マップ（図示せず）を検索することなどにより行われる。また、このマップでは、燃料噴射時間ＴＯＵＴ_i は、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i が大きいほど、より長く設定されている。これは、ＩＭＥＰ_i が大きいほど、エンジン３の負荷がより大きい状態にあるので、その分、燃料噴射量を増量することによってエンジン３の出力を高めるためである。

次いで、上記ステップ１で実行される図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i の算出処理について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ステップ１１では、図示平均有効圧力の暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i を算出する。この暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i は、ｉ番気筒Ｃ＃ｉの前回の燃焼サイクル時に算出された図示平均有効圧力であり、対応する気筒Ｃの筒内圧センサ１１の出力Ｐに基づいて算出される。具体的には、まず、筒内圧センサ１１の出力Ｐを行程容積に関し１燃焼サイクルにわたって積分することによって、１燃焼サイクル当たりに発生したエネルギーを算出する。そして、算出した１燃焼サイクル当たりのエネルギーを行程容積で除算することによって、図示平均有効圧力の暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i を算出する。

次に、算出した暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i に後述する補正係数Ｋ_i （補正項）を乗算することによって、最終的な図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i を算出する（ステップ１２）。この図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i が、前記ステップ２の燃料噴射時間ＴＯＵＴ_i の算出に用いられる。なお、この補正係数Ｋ_i の初期値は値１に設定される。

次いで、ステップ１３以降の処理において、補正係数Ｋ_i を設定する。まず、検出空燃比ＡＦＲが、所定の判定値ＡＦＲ＿ＰＳＣよりも小さいか否かを判別する（ステップ１３）。この判定値ＡＦＲ＿ＰＳＣは、前述した所定空燃比と同じ値３０に設定されている。このため、ステップ１３の答がＹＥＳで、検出空燃比ＡＦＲが判定値ＡＦＲ＿ＰＳＣよりも小さいときには、ＬＡＦセンサ１３の検出精度が高い状態にあるとして、その場合には、ステップ１４〜２２において補正係数Ｋ_i の設定処理を行う。一方、ステップ１３の答がＮＯで、ＡＦＲ≧ＡＦＲ＿ＰＳＣのときには、ＬＡＦセンサ１３の検出精度が低いとして、そのまま本処理を終了する。

上記ステップ１４では、実吸入空気量ＭＡＩＲを算出する。この実吸入空気量ＭＡＩＲは、前回の燃焼サイクルにおいてｉ番気筒Ｃ＃ｉに実際に吸入されたと推定される吸入空気量であり、４ＴＤＣ前に検出された吸気管内絶対圧ＰＢＡおよびエンジン回転数ＮＥに応じて算出される。

次いで、気筒ごとの検出空燃比ＡＦＲ_i を算出する（ステップ１５）。この気筒ごとの検出空燃比ＡＦＲ_i は、前回の燃焼サイクルにおいてｉ番気筒Ｃ＃ｉに供給された混合気の実際の空燃比を推定したものであり、検出空燃比ＡＦＲに応じて算出される。なお、この算出処理の内容は、図示しないが、特許第２７１７７４４号公報に記載されたものと同様であり、その説明については省略する。

次に、ステップ１６において、上記ステップ１４で算出した実吸入空気量ＭＡＩＲを、上記ステップ１５で算出した気筒ごとの検出空燃比ＡＦＲ_i で除算することによって、燃焼燃料量ＭＦＵＥＬ_i を算出する。この燃焼燃料量ＭＦＵＥＬ_i は、その算出方法から明らかなように、前回の燃焼サイクルにおいてｉ番気筒Ｃ＃ｉで実際に燃焼されたと推定される燃料量である。

次いで、ステップ１７において、算出した燃焼燃料量ＭＦＵＥＬ_i に基づき、図４に示すＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i テーブルを検索することによって、図示平均有効圧力の判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i を求める。この判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i は、燃焼燃料量ＭＦＵＥＬ_i が燃焼したときに得られると推定される図示平均有効圧力に相当するものである。このため、このテーブルでは、判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i は、燃焼燃料量ＭＦＵＥＬ_i に比例した値に設定されている。

次に、ステップ１８において、求めた図示平均有効圧力の判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i から、前記ステップ１１で算出した図示平均有効圧力の暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i を減算することによって、偏差ＥＲＲ_i を算出する。次いで、算出した偏差ＥＲＲ_i が、値０よりも大きいか否かを判別する（ステップ１９）。

この答がＹＥＳで、ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i ＜ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i のとき、すなわち、筒内圧センサ１１の出力Ｐに基づいて求めた暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i が、実吸入空気量ＭＡＩＲおよび気筒ごとの検出空燃比ＡＦＲ_i に応じて求めた判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i よりも小さいときには、筒内圧センサ１１の出力Ｐが低い側にずれているとして、補正係数Ｋ_i を所定量（例えば０．０１）、増量し（ステップ２０）、本処理を終了する。

一方、上記ステップ１９の答がＮＯのときには、偏差ＥＲＲ_i が、値０よりも小さいか否かを判別する（ステップ２１）。この答がＹＥＳで、ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i ＞ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i のときには、筒内圧センサ１１の出力Ｐが高い側にずれているとして、補正係数Ｋ_i を所定量（例えば０．０１）、減量し（ステップ２２）、本処理を終了する。

一方、ステップ２１の答がＮＯ、すなわち、ＥＲＲ_i ＝０で、暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i が判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i と等しいときには、補正係数Ｋ_i を増減せずに維持し、本処理を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、燃料噴射時間ＴＯＵＴ_i を求めるための図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i が、筒内圧センサ１１の出力Ｐに基づいて算出された図示平均有効圧力の暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i に補正係数Ｋ_i を乗算することによって算出される。また、実吸入空気量ＭＡＩＲおよび気筒ごとの検出空燃比ＡＦＲ_i に応じて、図示平均有効圧力の判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i が求められる。そして、ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i ＜ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i の場合には、筒内圧センサ１１の出力Ｐが低い側にずれているとして、補正係数Ｋ_i を増量するとともに、これとは逆の場合（ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i ＞ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i ）には、筒内圧センサ１１の出力Ｐが高い側にずれているとして、補正係数Ｋ_i を減量する。したがって、筒内圧センサ１１の出力Ｐの適正値からのずれを適切に補償しながら、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i を適切に算出することができ、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_i に基づく燃料噴射制御を適切に行うことができる。

また、検出空燃比ＡＦＲが判定値ＡＦＲ＿ＰＳＣよりも大きいときに補正係数Ｋ_i の更新を禁止するとともに、検出空燃比ＡＦＲが判定値ＡＦＲ＿ＰＳＣよりも小さく、ＬＡＦセンサ１３の検出精度が高い状態においてのみ、図示平均有効圧力の判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i を用いて補正係数Ｋ_i を更新する。したがって、補正係数Ｋ_i による図示平均有効圧力の暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i の補正を適切に行うことができる。

なお、実施形態では、偏差ＥＲＲ_i が値０よりも大きいときおよび小さいときに、補正係数Ｋ_i を一定量、増減したが、これに限らず、この補正係数Ｋ_i の増加量および減少量をそれぞれ、偏差ＥＲＲ_i の絶対値が大きいほど、より大きな値に設定してもよい。また、実施形態は、図示平均有効圧力判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i を、燃焼燃料量ＭＦＵＥＬ_i に応じて求めた例であるが、これに代えて、燃焼燃料量ＭＦＵＥＬ_i を介さずに、実吸入空気量ＭＡＩＲおよび気筒ごとの検出空燃比ＡＦＲ_i から直接求めてもよい。例えば、実吸入空気量ＭＡＩＲと気筒ごとの検出空燃比ＡＦＲ_i と図示平均有効圧力との関係を実験により予め求め、この関係を表すマップを作成し、このマップを検索することによって求めた図示平均有効圧力を、図示平均有効圧力判定値ＩＭＥＰ＿ＡＦＲ_i として設定してもよい。

さらに、実施形態は、実吸入空気量ＭＡＩＲを、吸気管内絶対圧ＰＢＡおよびエンジン回転数ＮＥに応じて算出した例であるが、これに代えて、吸気管にエアフローセンサを設け、これにより直接、検出してもよい。なお、吸気管にスロットル弁が設けられている場合、吸気管のスロットル弁の上流側および下流側に、エアフローセンサおよび吸気管内絶対圧センサをそれぞれ設け、これらの検出結果に応じて実吸入空気量ＭＡＩＲを求めてもよい。

また、実施形態は、各気筒Ｃの空燃比を、排気マニホルドの集合部に設けた単一のＬＡＦセンサ１３で検出された検出空燃比ＡＦＲに応じて算出した例であるが、これに代えて、排気マニホルドの分岐部にそれぞれ設けたＬＡＦセンサによって直接、検出してもよい。さらに、実施形態では、空燃比センサとして、ＬＡＦセンサ１３を用いたが、これに代えて、燃焼室に設けられ、気筒に供給された混合気の空燃比を直接、検出するタイプのセンサを用いてもよい。

また、実施形態では、補正係数Ｋ_i によって、筒内圧センサ１１の出力Ｐに基づいて算出した図示平均有効圧力の暫定値ＩＭＥＰ＿ＰＳ_i を補正したが、これに代えて、筒内圧センサ１１の出力Ｐを直接、補正してもよい。さらに、実施形態では、筒内圧センサ１１の出力Ｐに応じて燃料噴射量を制御したが、制御対象は、他のエンジン制御パラメータでもよいことはもちろんであり、例えば点火時期でもよい。また、本発明の制御装置１は、クランク軸を鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用のエンジンに適用することが可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

符号の説明

１ 制御装置
２ ＥＣＵ（制御手段、補正手段、補正項設定手段、禁止手段）
３ エンジン
Ｃ 気筒
１１ 筒内圧センサ
１２ 吸気管内絶対圧センサ（吸入空気量パラメータ検出手段）
１３ ＬＡＦセンサ（空燃比センサ）
Ｐ 筒内圧センサの出力
ＰＢＡ 吸気管内絶対圧（吸入空気量パラメータ）
ＡＦＲ 検出空燃比（空燃比）
Ｋ_i 補正係数（補正項）

Claims (2)

1. 気筒内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサと、
   当該筒内圧センサの出力に応じて内燃機関を制御する制御手段と、
   前記気筒に吸入される吸入空気量を表す吸入空気量パラメータを検出する吸入空気量パラメータ検出手段と、
   前記気筒に供給される混合気の空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記検出された吸入空気量パラメータおよび空燃比に応じて、前記筒内圧センサの出力を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記補正手段は、
   前記筒内圧センサの出力を補正するための補正項を、前記吸入空気量パラメータおよび前記空燃比に応じて設定する補正項設定手段と、
   前記空燃比が所定の範囲内にないときに、前記補正項の更新を禁止する禁止手段と、を有することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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