JP2006097588A - 内燃機関の制御装置および空燃比算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の形式や燃料供給タイミングによらず、燃焼室における空燃比を常に精度よく算出可能とする内燃機関の制御装置および空燃比算出方法の提供。
【解決手段】 内燃機関１は、燃料および空気の混合気を燃焼室３内で燃焼させて動力を発生するものであり、燃焼室３における筒内圧力を取得するための筒内圧センサ１５と、ＥＣＵ２０とを備えており、ＥＣＵ２０は、筒内圧センサ１５を用いて取得される筒内圧力に基づいて、燃焼室３内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間Ｔｃを算出すると共に、算出した燃焼時間Ｔｃに基づいて、燃焼室３内における空燃比ＡＦを導出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法および空燃比算出方法に関する。

従来から、内燃機関の圧縮行程がポリトロープ過程に従うこと、およびポリトロープ指数と燃焼室内における空燃比とが互いに相関を有するということが知られている。そして、これらの点を利用した内燃機関の空燃比算出方法として、圧縮行程中の２点において検出された筒内圧力に基づいてＰ・Ｖ^ｎ＝一定という関係を満たすポリトロープ指数ｎを求め、得られたポリトロープ指数ｎに対応した空燃比を求める手法が知られている（例えば、特許文献1参照。）。

特開平３−２３３４９号公報

しかしながら、燃焼室に対する燃料の供給タイミングは、内燃機関の形式や運転条件によって異なるものであり、あるサイクル（４ストロークエンジンの場合、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程）に際して要求される燃料のすべてが圧縮行程の開始前までに燃焼室内に供給されるとは限らない。このため、上記従来の手法のように圧縮行程中の２点で検出された筒内圧力を用いても、燃焼室における空燃比を正確に求めることができない場合が多い。特に、吸気行程後に燃焼室に対して燃料が供給されるディーゼルエンジンやいわゆる直噴エンジンでは、圧縮行程の際に燃焼室内に全く燃料が存在しないこともあり得るので、上記従来の手法を適用することは、実質的に困難である。

そこで、本発明は、内燃機関の形式や燃料供給タイミングによらず、燃焼室における空燃比を常に精度よく算出可能とする内燃機関の制御装置および空燃比算出方法の提供を目的とする。

本発明による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、筒内圧力を取得するための筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段を用いて取得される筒内圧力に基づいて燃焼室内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間を算出する燃焼時間算出手段と、燃焼時間算出手段によって算出される燃焼時間に基づいて、燃焼室内における空燃比を導出する空燃比導出手段とを備えることを特徴とする。

一般に、内燃機関の燃焼室における空燃比と、当該燃焼室における混合気（燃料）の燃焼速度との間には所定の相関が認められることが知られている。また、燃焼室における混合気の燃焼速度は、燃焼室内で燃焼が開始されてから（混合気が火花点火されてから、あるいは、混合気が圧縮着火してから）当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間に密接に関連するものである。従って、燃焼速度と空燃比との相関を利用すれば、上記燃焼時間と燃焼室における空燃比との相関を求めることができる。そして、かかる燃焼時間は、どのような形式の内燃機関であっても、また、燃料供給タイミングがどのように設定されていたとしても、燃焼室内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの間に取得される筒内圧力に基づいて求めることができる。これにより、この内燃機関の制御装置のように、筒内圧力に基づいて燃焼開始から実質的な燃焼完了までの燃焼時間を求めた上で、得られた燃焼時間に基づいて燃焼室内における空燃比を得ることにより、内燃機関の形式や燃料供給タイミングによらず、燃焼室における空燃比を常に精度よく算出することが可能となる。

また、燃焼時間算出手段は、燃焼室に対して供給される燃料の量に基づいて燃焼時間中の理論熱発生量を求めると共に、筒内圧検出手段を用いて取得される筒内圧力に基づいて燃焼時間中に発生すると想定される想定熱発生量を求め、理論熱発生量と想定熱発生量とに基づいて燃焼時間を算出すると好ましい。

このように、燃焼室に対して供給される燃料の量に基づいて理論的に求められる燃焼時間中の理論熱発生量と、筒内圧力に基づいて求められる燃焼時間中の想定熱発生量とを対比することにより、上記燃焼時間を精度よく求めることが可能となる。

更に、燃焼時間算出手段は、所定のタイミングで前回の燃料供給量に基づいて理論熱発生量を求めると共に、前回の燃焼開始から当該燃焼の実質的な完了までの間に筒内圧検出手段を用いて取得された筒内圧力に基づいて想定熱発生量を算出すると好ましい。

このように、燃焼室内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間は、前回の燃料供給量や前回の燃焼時に取得される筒内圧力に基づいて算出されればよく、これにより、燃焼室における空燃比を実用上良好に得ることが可能となる。

そして、本発明の内燃機関の制御装置は、空燃比導出手段によって導出される空燃比と、予め定められている目標空燃比との偏差に基づいて、空燃比を目標空燃比に近づけるための補正量を算出する補正手段を更に備えると好ましい。

これにより、内燃機関の燃焼室における空燃比を高精度に制御することが可能となり、過渡時等における空燃比の目標値からのズレを良好に抑制することができる。

本発明による内燃機関の空燃比算出方法は、燃料室内における筒内圧力を取得するための筒内圧検出手段を備え、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、
（ａ）筒内圧検出手段を用いて取得される筒内圧力に基づいて、燃焼室内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間を算出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）にて算出した燃焼時間に基づいて、燃焼室内における空燃比を導出するステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の形式や燃料供給タイミングによらず、燃焼室における空燃比を常に精度よく算出可能とする内燃機関の制御装置および空燃比算出方法の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による制御装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールドを介して吸気管５に接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールドを介して排気管６に接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、点火プラグ７は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

吸気管５は、図１に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気管Ｌ１が接続されており、給気管Ｌ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気管Ｌ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）１０が組み込まれている。一方、排気管６には、図１に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。

更に、内燃機関１は、図１に示されるように、複数のインジェクタ１２を有し、インジェクタ１２は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。また、内燃機関１の各ピストン４は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部４ａが形成されている。そして、内燃機関１では、各燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ１２から各燃焼室３内のピストン４の凹部４ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、内燃機関１では、点火プラグ７の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。

上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、吸入空気量を検出するエアフローメータＡＦＭ等の各種センサがＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、動弁機構等を制御する。

図１に示されるように、ＥＣＵ２０に接続されるセンサ類には、クランク角センサ１４が含まれる。クランク角センサ１４は、クランクシャフトに固定されるロータプレート（シグナルプレート）等を含む磁気センサまたは光電式センサ等であり、クランクシャフトの回転角度を示すパルス信号を微小時間ごとにＥＣＵ２０に与える。また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ（筒内圧検出手段）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、それぞれ、図示されないＡ／Ｄ変換器を介してＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、燃焼室３内でその受圧面に加わる圧力（筒内圧力）に応じた電圧信号（検出値を示す信号）を出力する。各筒内圧センサ１５の検出値は、所定時間（所定クランク角）おきにＥＣＵ２０に順次与えられ、絶対圧力に補正された上でＥＣＵ２０の所定の記憶領域（バッファ）に所定量ずつ格納保持される。そして、本発明では、これらの筒内圧センサ１５およびＥＣＵ２０等により、内燃機関１の燃焼室３における空燃比を算出する空燃比算出装置が構成される。

次に、図２〜図４を参照しながら、上述の内燃機関１の各燃焼室３における空燃比を算出する手順について説明する。

内燃機関１が始動され、所定回数のサイクル（吸気、圧縮、膨張、排気の４行程）が完了すると、ＥＣＵ２０は、図２に示される空燃比算出ルーチンの実行を開始し、燃焼室３ごとに空燃比を算出する。本ルーチンを開始すると、ＥＣＵ２０は、まず、燃焼室３ごとに排気弁Ｖｅが開放されたか否か（排気行程が開始されたか否か）判定する（Ｓ１０）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０にてある燃焼室３において排気弁Ｖｅが開放されたと判断すると、当該燃焼室３における排気弁Ｖｅの開放直前の点火時期（前回の点火時期に対応したクランク角）θ_ＳＡ、排気弁Ｖｅの開放直前の燃料噴射時間（前回の燃料噴射時間）τおよび前回の目標空燃比ＡＦ_Ｔを所定の記憶領域から読み出す（Ｓ１２）。

Ｓ１２の処理の後、ＥＣＵ２０は、取得した前回の燃料噴射時間τに基づいて、前回の点火から実質的な燃焼完了までの間に当該燃焼室３において発生する熱量の理論値である理論熱発生量Ｑ_Ｔを算出する（Ｓ１４）。この場合、理論熱発生量Ｑ_Ｔは、燃料の低位発熱量をｑとし、インジェクタ１２の単位時間あたりの燃料噴射量をｆとすると、次の（１）式のように表される。ただし、（１）式において、αは、損失や未燃燃料等を考慮した係数であり、その値は経験的、実験的に求められる（例えば、７０〜８０％）。

理論熱発生量Ｑ_Ｔを求めると、ＥＣＵ２０は、所定の記憶領域から、前回の点火時期θ_ＳＡから排気弁Ｖｅが開放されるまで（排気弁Ｖｅの開弁時のクランク角をθ_ＥＶＯとする）の間に取得された筒内圧力を示す筒内圧データＰ（θ_ＳＡ），…，Ｐ（θ），…，Ｐ（θ_ＥＶＯ）を読み出す（Ｓ１６）。更に、ＥＣＵ２０は、次の（２）式を用いて、点火時期θ_ＳＡから所定クランク角ｄθごとに各クランク角θについて熱発生率ｄＱ／ｄθを算出する（Ｓ１８）。ただし、（２）式において、κは、比熱比であり、Ｖ（θ）は、クランク角がθとなった際の筒内容積であって、クランク角ごとに予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

Ｓ１８にて、あるクランク角について熱発生率ｄＱ／ｄθを算出すると、ＥＣＵ２０は、算出した熱発生率ｄＱ／ｄθを順次積算することにより、前回の点火以降に当該燃焼室３において発生する想定熱発生量Ｑ_Ａを求め（Ｓ２０）、Ｓ１４にて算出した理論熱発生量Ｑ_Ｔと想定熱発生量Ｑ_Ａとの偏差の絶対値が所定の閾値ε以下となっているか、すなわち、求めた想定熱発生量Ｑ_ＡがＳ１４にて算出した理論熱発生量Ｑ_Ｔと概ね等しくなっているか否か判定する（Ｓ２２）。ＥＣＵ２０は、Ｓ２２にて想定熱発生量Ｑ_Ａが理論熱発生量Ｑ_Ｔと概ね等しくなったと判断するまで、Ｓ１８およびＳ２０の処理を繰り返し、Ｓ２２にて肯定判断を行った段階で、想定熱発生量Ｑ_Ａが理論熱発生量Ｑ_Ｔとが概ね等しくなった時点、すなわち、燃焼が実質的に完了した時点におけるクランク角θ_Ｔを求める（Ｓ２４）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２４にて求めたクランク角θ_Ｔと、Ｓ１２にて取得した前回の点火時期θ_ＳＡとに基づいて、前回の点火から実質的な燃焼完了までの時間である燃焼時間Ｔｃを
Ｔｃ＝θ_Ｔ−θ_ＳＡ
として算出する（Ｓ２６）。

ところで、内燃機関の燃焼室における空燃比と、当該燃焼室における混合気（燃料）の燃焼速度との間には、図３に示されるような相関が認められることが一般に知られている。また、燃焼室における混合気の燃焼速度は、燃焼室内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間Ｔｃに密接に関連するものである。従って、図３の燃焼速度と空燃比との相関を利用すれば、上記燃焼時間Ｔｃと燃焼室における空燃比ＡＦとの相関を実験的に求めることが可能である。このような点を踏まえて、内燃機関１では、図４に示されるような燃焼時間Ｔｃと燃焼室における空燃比ＡＦとの相関を規定する空燃比マップが予め作成されており、ＥＣＵ２０の記憶装置に格納されている。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２４の処理の後、上記空燃比マップからＳ２４にて求めた燃焼時間Ｔｃに対応した空燃比ＡＦを読み出す（Ｓ２８）。

ここで、点火プラグ７の点火によって燃焼室３内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの間の燃焼時間Ｔｃは、上述のように、前回の燃料噴射時間τに基づいて理論的に求められる燃焼時間Ｔｃ中の理論熱発生量Ｑ_Ｔと、前回の点火から実質的な燃焼完了までの間に筒内圧センサ１５を用いて取得された筒内圧力に基づいて算出される想定熱発生量Ｑ_Ａとを対比することにより、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンといった内燃機関の形式や、吸気行程噴射や上死点後噴射といった燃料供給タイミングを問わず、精度よく求めることが可能なものである。従って、Ｓ１２からＳ２６までの処理により、筒内圧力に基づいて燃焼時間Ｔｃを求めた上で、空燃比マップから燃焼時間Ｔｃに対応した空燃比ＡＦを得ることにより、内燃機関の形式や燃料供給タイミングによらず、燃焼室３における空燃比を常に精度よく得ることが可能となる。

Ｓ２８にて燃焼室３における空燃比ＡＦを求めると、ＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて取得した目標空燃比ＡＦ_ＴとＳ２８にて求めた空燃比ＡＦとの偏差の絶対値が所定の許容誤差δ以上となっているか、すなわち、求めた空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦ_Ｔから所定量以上外れているか否か判定する（Ｓ３０）。ＥＣＵ２０は、Ｓ３２にて目標空燃比ＡＦ_Ｔと空燃比ＡＦとの偏差の絶対値が所定の許容誤差δ以上であると判断すると、目標空燃比ＡＦ_Ｔと空燃比ＡＦとの偏差に応じたインジェクタ１２の燃料噴射時間の補正量を設定する（Ｓ３２）。これにより、内燃機関１の燃焼室３における空燃比ＡＦを高精度に制御することが可能となり、過渡時等における空燃比ＡＦの目標空燃比ＡＦ_Ｔからのズレを良好に抑制することができる。なお、Ｓ３２では、燃料噴射時間の補正量と共に、あるいは燃料噴射時間の補正量の代わりに、スロットルバルブ１０の開度の補正量が設定されてもよい。Ｓ３２の処理の実行後、またはＳ３０にて否定判断を行った後、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０以降の処理を繰り返し実行する。

なお、Ｓ２８にて用いられる空燃比マップは、内燃機関１の負荷に応じて複数作成されてもよい。このように、負荷に応じた複数の空燃比マップを用いる場合には、図２のＳ２８の前に、スロットルバルブ１０の開度等に基づいて内燃機関１の負荷を求めた上で、得られた負荷に対応したマップを読み出すようにすればよい。また、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる直噴エンジンとして説明されたが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管（ポート）噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。更に、本発明がディーゼルエンジンに適用され得ることもいうまでもない。

本発明による制御装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。 図１の内燃機関において実行される空燃比算出ルーチンを説明するためのフローチャートである。 燃焼室内の混合気の燃焼速度と、燃焼室内における空燃比との相関を示すグラフである。 燃焼室内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの間の燃焼時間と、燃焼室内における空燃比との相関を示すグラフである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
４ ピストン
７ 点火プラグ
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
２０ ＥＣＵ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (5)

1. 燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、
   筒内圧力を取得するための筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段を用いて取得される筒内圧力に基づいて前記燃焼室内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間を算出する燃焼時間算出手段と、
   前記燃焼時間算出手段によって算出される前記燃焼時間に基づいて、前記燃焼室内における空燃比を導出する空燃比導出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. 前記燃焼時間算出手段は、前記燃焼室に対して供給される燃料の量に基づいて前記燃焼時間中の理論熱発生量を求めると共に、前記筒内圧検出手段を用いて取得される筒内圧力に基づいて前記燃焼時間中に発生すると想定される想定熱発生量を求め、前記理論熱発生量と前記想定熱発生量とに基づいて前記燃焼時間を算出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。
3. 前記燃焼時間算出手段は、所定のタイミングで前回の燃料供給量に基づいて前記理論熱発生量を求めると共に、前回の燃焼開始から当該燃焼の実質的な完了までの間に前記筒内圧検出手段を用いて取得された筒内圧力に基づいて前記想定熱発生量を算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記空燃比導出手段によって導出される空燃比と、予め定められている目標空燃比との偏差に基づいて、前記空燃比を前記目標空燃比に近づけるための補正量を算出する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 燃料室内における筒内圧力を取得するための筒内圧検出手段を備え、燃料および空気の混合気を前記燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の空燃比算出方法において、
   （ａ）前記筒内圧検出手段を用いて取得される筒内圧力に基づいて、前記燃焼室内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間を算出するステップと、
   （ｂ）ステップ（ａ）にて算出した前記燃焼時間に基づいて、前記燃焼室内における空燃比を導出するステップとを含むことを特徴とする内燃機関の空燃比算出方法。
   

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