JP2007285194A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の状態に応じた制御を行うことで燃費向上と共に、燃焼安定化も図った内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の筒内圧を検出する筒内圧検出手段１５と、前記筒内圧検出手段１５の検出値に基づいて燃焼状態を示す状態パラメータ値を算出し、前記状態パラメータ値に基づいてトルク変動の判定、又は失火割合の判定の少なくともいずれか１つの判定を行い、前記判定結果に基づいて点火時期を変更して内燃機関を制御する制御手段２０とを備えた内燃機関１の制御装置である。内燃機関の状態に応じた細やかな制御を行うことができるので、燃費向上と共に燃焼安定化も図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳細には、点火時期を制御する制御装置に関し、アイドリング運転時などに好適に機能する制御装置に関する。

内燃機関の運転状況により負荷の状態が刻々と変化する。よって、従来から運転状況に応じて内燃機関を制御する制御装置が種々提案されている。例えばアイドリング運転時のように内燃機関が軽負荷状態にあるときにも、適正な制御を行うことで燃費の向上を図ることができる。

例えば特許文献１は、内燃機関の燃焼室内における燃料の燃焼により発生する熱量が予め定められた量よりも多い第１のアイドリング運転領域では第１のタイミングにて吸気弁を開弁し、燃焼室内における燃料の燃焼により発生する熱量が予め定められた量よりも少ない第２のアイドリング運転領域では第１のタイミングよりも遅いタイミングにて吸気弁を開弁するようにした内燃機関の制御装置について開示する。そして、この制御装置はアイドリング運転領域における内燃機関の最低機関回転数を設定し、この設定された最低機関回転数が確保されるように燃焼室に供給する燃料量を制御する。第１のアイドリング運転領域においては第１の回転数を最低機関回転数に設定し、第２のアイドリング運転領域では第１の回転数よりも小さい第２の回転数を最低機関回転数に設定する。このように燃料の燃焼により発生する熱量に基づいてアイドリング回転目標を変化させることで燃費の向上を図る。

特開２００２−３４９３２２号公報

しかしながら、特許文献１の装置はアイドリング目標の限界値をトルク変動や失火などの燃焼状態を考慮して決定していない。そのために、設定した最低機関回転数が不適正である場合にはトルク変動が生じたり、失火する可能性が増して燃焼が不安定になってしまうことが懸念される。

したがって、本発明の目的は、内燃機関の状態に応じた制御を行うことで燃費向上と共に、燃焼安定化も図った内燃機関の制御装置を提供することである。

上記目的は、内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、前記筒内圧検出手段の検出値に基づいて燃焼状態を示す状態パラメータ値を算出し、前記状態パラメータ値に基づいてトルク変動の判定、又は失火割合の判定の少なくともいずれか１つの判定を行い、前記判定結果に基づいて点火時期を変更して内燃機関を制御する制御手段とを備えた内燃機関の制御装置によって達成できる。

本発明によると、制御手段が燃焼状態を示す状態パラメータ値を算出すると共に、この状態パラメータ値に基づいたトルク変動の判定、或いは失火割合の判定の少なくともいずれか１つの判定をして点火時期を変更する。よって、内燃機関の状態に応じた細やかな制御を行うことができるので、燃費向上と共に燃焼安定化も図ることができる。

また、前記制御手段は、前記判定の後に、更に内燃機関の回転数を低減させ、前記状態パラメータ値に基づいて第２の失火割合の判定を行い、前記第２の失火割合の判定結果が適正であるときに点火時期を進角させる制御を行ってもよい。この場合には回転数を低減しながら更に燃費の向上を図ることができる。

また、前記状態パラメータは、筒内で燃料が燃焼したことによって発生する発熱量とすることができる。また、前記発熱量は筒内圧力をＰ、筒内容積をＶ及び比熱比をκとした場合の関係式ＰＶκに基づいて算出することができる。

また、前記制御手段は、前記制御を内燃機関のアイドリング運転時に実行することがより望ましい。

本発明によると、内燃機関の状態に応じた制御を行うことで燃費向上と共に、燃焼安定化も図った内燃機関の制御装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による制御装置を備えた内燃機関について示した概略ブロック図である。内燃機関１は、シリンダブロック２内にピストン３が往復移動可能に配置されている。ピストン３の上部に形成される燃焼室４の内部で燃料（例えばガソリン）および空気の混合気を燃焼させ、ピストン３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形成される。

各燃焼室４の吸気ポートは、吸気マニホールドを介して吸気管５に接続されている。排気側についても同様であり、各燃焼室４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１６と、排気ポートを開閉する排気弁１７とが燃焼室４ごとに配設されている。各吸気弁１６および各排気弁１７は、例えば可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示せず）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、この点火プラグ７は対応する燃焼室４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には、上流側からエアクリーナ９、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及びサージタンク８が配置してある。一方、排気管６には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が配置してある。

また、内燃機関１は複数のインジェクタ１２を有している。各インジェクタ１２は、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配設されており、各吸気ポート内にガソリン等の燃料を噴射する。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆるポート噴射式のガソリンエンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明がいわゆる直噴式内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。また、本発明が、ガソリンエンジンだけではなくディーゼルエンジンにも適用され得ることはいうまでもない。

上記点火プラグ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、図１に示されるように、燃焼室４内の圧力を検出する筒内圧センサ１５を始めとした各種センサが電気的に接続されている。筒内圧センサ１５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んで形成されており、気筒数に応じた数だけ配置されている。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室４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、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５の検出値は、所定時間おきにＥＣＵ２０に順次与えられ、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。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（トルク）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。

上記では内燃機関の状態を検出するためのセンサとして筒内圧センサ１５について説明したが、従来の内燃機関と同様に種々のセンサを配置して状態を検出するようにしてもよい。例えば、クランク角の回転数を検出するクランク角センサ１４を配備することで、クランク角θの検出に基づいて内燃機関の回転数を確認できる。更に、例えば吸入空気量を検出するエアフロメータ、吸入空気圧を検出する吸気圧センサ、吸入空気の温度を検出する吸気温センサなどを吸気管５に配置してもよい。また、排気管６側には排気ガス圧を検出するための排気圧センサや、排気浄化触媒１１ｂの下流側で排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度から内燃機関の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサを配備してもよい。さらに、クランクシャフトの周辺には、循環させている冷却水の温度を検出する水温センサ、循環させている潤滑オイルの温度を検出する油温センサを配置してもよい。

筒内圧センサ１５及び必要に応じて複数箇所に配置した各種センサからの信号はＥＣＵ２０に供給されている。よって、ＥＣＵ２０は各センサから検出信号に基づいて内燃機関の運転状況を正確に確認できる。この内燃機関１には筒内圧からトルク及び失火の可能性を判断し、トルク変動及び失火を抑制するように点火時期を最適に調整する制御装置が組込まれている。この制御装置は筒内圧検出手段となる筒内圧センサ１５の検出値に基づいてトルク変動及び失火状態を確認し、最適な点火時期を設定して内燃機関を制御する制御手段を含んで構成されている。このように内燃機関のトルク変動及び失火に配慮した点火時期を決定することで内燃機関の安定燃焼を図ることができる。このような制御は、アイドリング運転時のような外乱の影響を受け易い軽負荷運転時に好適なものである。制御手段は上記ＥＣＵ２０の一部によって実現される。制御装置用のＥＣＵを独立に設けてもよいが、本実施例のように内燃機関１のＥＣＵ２０を兼用することで構成を簡素化できる。

図２は、内燃機関のアイドリング運転時にＥＣＵ２０が実行するルーチンの一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ２０は、まず各種センサからエンジン条件を読込んで、点火時期ＳＡ１を確認する（Ｓ１１）。さらに、ＥＣＵ２０は筒内圧センサ１５の検出値を確認し（Ｓ１２）、図示トルクＰｔｒｑを算出する（Ｓ１３）。なお、図示トルクとはエンジンの燃焼室の圧力から求められるトルクであり、燃料の燃焼によりなされた仕事とみることができる。

ＥＣＵ２０は、例えば筒内圧センサ１５の検出値から内燃機関の状態を示す状態パラメータとして筒内の発熱量Ｑを算出する。この発熱量Ｑに基づいて図示トルクＰｔｒｑを算出してトルク変動を確認する。

なお、クランク角センサ１４によって検出されるクランク角θ、筒内圧センサ１５よって検出された筒内圧力（検出値）Ｐ及び発熱量Ｑとの間には次のような関係があることを本願発明者は確認している。クランク角がθである際に筒内圧センサ１５によって検出される筒内圧力をＰ（θ）とし、クランク角がθである際の筒内容積をＶ（θ）とし、比熱比をκとした場合に、筒内圧力Ｐ（θ）と、筒内容積Ｖ（θ）を比熱比（所定の指数）κで累乗した値Ｖκ（θ）との積として得られるＰ（θ）・Ｖκ（θ）（以下、単にＰＶκとする）は筒内における熱発生量Ｑの変化パターンと相関がある。そこで、本実施例のＥＣＵ２０は検出した筒内圧力及びクランク角θから発熱量Ｑを求め、この発熱量Ｑに基づいて図示トルクを算出するので筒内状態を反映させることができる。よって、機差のばらつきや燃料性状変化などにも対応して内燃機関を精度良く制御できることになる。

具体的に説明すると、ＥＣＵ２０は上記のように求められる熱量に基づいて図示トルクＰｔｒｑを算出し、このトルク差ｄｔｒｑが所定値αより大きいか否かを判定する（Ｓ１４）。ここでのトルク差ｄｔｒｑは、例えばあるサイクルで算出した図示トルクＰｔｒｑと、その直前のサイクルで算出した図示トルクＰｔｒｑとの差として求めることができる。

ＥＣＵ２０は、上記ステップＳ１４で、トルク差ｄｔｒｑが所定値αより大いきと判断した場合には、先に確認した点火時期ＳＡ１よりも所定時ｄＳＡだけ遅らせた（遅角させた）点火時期ＳＡ２を算出する（Ｓ１５）。そして、ＥＣＵ２０は新たな点火時期を上記点火時期ＳＡ２に補正して（Ｓ１９）、本ルーチンによる処理を終了する。一般に内燃機関のアイドリング運転時では、回転数が低く、点火時期については進角側に設定されていることが多いのでトルク変動が発生し易い傾向にある。また、微小な燃焼変化や燃料の経時劣化や性状変化などによる影響でトルク変動を受け易い。しかし、内燃機関１に適用されている制御装置は、上記のように内燃機関の状態を詳細に確認しながら必要な場合には点火時期を遅角補正してトルク変動を抑制するので、アイドリング運転時において燃焼の安定化を図ることができる。

また、上記ＥＣＵ２０が上記ステップＳ１４でトルク差ｄｔｒｑが所定値α以下であると判断した場合、トルク変動については問題がないことになる。この場合に、ＥＣＵ２０は失火割合Ｒｍｆを算出する（Ｓ１６）。失火割合Ｒｍｆは、（熱発生量／低位発熱量）によって求められる。噴射した燃料の燃焼効率が高く発熱量が多い場合は失火割合Ｒｍｆの値は大きくなり、未燃の燃料が多い場合には発熱量が少なくなり失火割合Ｒｍｆの値が小さくなる。なお、低位発熱量とは、真発熱量とも称されるもので高位発熱量から水蒸気分の蒸発熱を減じた発熱量である。ここではインジェクタ１２から噴射した燃料が完全に燃焼したときに発生する発熱量に相当する。また、熱発生量は筒内圧センサ１５によって検出される筒内圧力及び上記式ＰＶκから求められる前記発熱量Ｑである。

ＥＣＵ２０は、上記ステップＳ１６で算出した失火割合Ｒｍｆの値を所定値βと比較する（Ｓ１７）。この所定値βは点火時期を進角側に補正可能か否かの判定のために設定される閾値である。ＥＣＵ２０は、失火割合Ｒｍｆの値が所定値βより大きいと判断した場合には、先に確認した点火時期ＳＡ１よりも所定時ｄＳＡだけ進ませた（進角させた）点火時期ＳＡ３を算出する（Ｓ１８）。そして、ＥＣＵ２０は新たな点火時期を点火時期ＳＡ３に補正して（Ｓ１９）、本ルーチンによる処理を終了する。前述したように、内燃機関のアイドル運転時は進角側寄りとされているが上記ステップＳ１４でトルク変動の問題が無く、また次のステップＳ１６で失火する可能性が少ないと判断した場合にはトルク変動が生じない範囲内で点火時期を更に進角側に調整している。これによりトルク変動を抑制しつつ限界近くまで点火進角させるので、内燃機関の安定燃焼を図りつつ燃費の向上を図ることができる。

図３は、上記トルク差ｄｔｒｑと所定値α及び失火割合Ｒｍｆと所定値βとの関係をまとめて示した図である。トルク差ｄｔｒｑの値が所定値αを越えると許容できないトルク変動が発生し、失火割合Ｒｍｆの値が所定値βを下回ると失火により未燃燃料が増加して燃焼効率が悪化する。よって、ＥＣＵ２０は筒内圧センサ１５よる筒内圧力から求められる発熱量に基づいて求まるトルク差ｄｔｒｑ及び失火割合Ｒｍｆがそれぞれの閾値内に収まるように点火時期を逐次に制御している。これにより出力、燃焼消費率が最良となる点火時期ＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）に近づけることができる。よって、前述した制御装置を適用した内燃機関１は、外乱に対処しながら安定燃焼を図り、燃費向上も図ることができる信頼性の高い内燃機関となる。

図４は、内燃機関のアイドリング運転時にＥＣＵ２０によって実行されるルーチンの他の例を示したフローチャートである。このフローチャートは図２と同様の処理を実行してから内燃機関の目標回転数を低下させる制御が付加されている。すなわち、図４の左側に示すフローチャートは図２と同様であり、ＥＣＵ２０は図２と同様の処理を実行してから右側に示すフローチャートに基づいて処理を行う。左側の処理が完了したものとして右側の処理について説明する。

ＥＣＵ２０は、エアコンやクーリングファンなどがオフ状態にあり、負荷率ＫＬが増加するような条件ではないことを確認して（Ｓ２１）、直前の負荷率ＫＬ１から所定負荷率ｄＫＬを低減した負荷率ＫＬ２を算出する（Ｓ２２）。負荷率ＫＬも筒内圧センサ１５の出力から算出される。なお、負荷率ＫＬとは、内燃機関の負荷状態を数値で表したものであり、内燃機関１の吸入空気量が排気量と等しいときの負荷率を１００％としたときにおける相対的な負荷の大きさである。負荷率ＫＬは無負荷のときに０％となり全負荷のときに１００％となる。特に、負荷率ＫＬは筒内への吸入空気の充填率（吸入空気量）と相関があり、負荷率ＫＬが大きくなると筒内への吸入空気の充填率が高くなる。ステップＳ２２で上記のように負荷率ＫＬを低下させることは、吸入空気量を低下させて内燃機関の目標回転数を低下させることになる。

ここで、ＥＣＵ２０は失火割合Ｒｍｆを算出し（Ｓ２３）、算出した失火割合Ｒｍｆの値が所定値βより大きいか否かを確認する（Ｓ２４）。ここでの失火割合Ｒｍｆの判定は前述したものと同様であり、ＥＣＵ２０は失火割合Ｒｍｆの値が所定値βより大きいと判断した場合には、左側の処理で設定した点火時期ＳＡ（ＳＡ１からＳＡ３のいずれか）よりも所定時ｄＳＡだけ進角させた点火時期ＳＡ４を算出する（Ｓ２５）。そして、ＥＣＵ２０は新たな点火時期を点火時期ＳＡ４に補正して本ルーチンによる処理を終了する（Ｓ２７）。

一方、ＥＣＵ２０は上記ステップＳ２４で算出した失火割合Ｒｍｆの値が所定値β以下であることを確認した場合、上記ステップＳ２２で負荷率ＫＬを変更したことが原因で失火割合Ｒｍｆの値が悪化したと想定できる。そこで、負荷率ＫＬを当初のＫＬ１に戻して（Ｓ２６）、本ルーチンによる処理を終了する。ＥＣＵ２０が図４で示す制御を実行すると、トルク変動が生じない範囲で内燃機関の回転数を下げ点火時期を進角側に寄せることになる。よって、安定燃焼を図りつつ更に燃費の向上を図ることができる。なお、上記実施例ではより好ましい実施形態としてＥＣＵ２０がトルク変動の判定及び失火割合の判定を行う場合について説明したが、前記トルク変動の判定又は失火割合の判定のいずれかを行うことによっても内燃機関の燃焼の安定化を図ることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明による制御装置を備えた内燃機関について示した概略ブロック図である。 内燃機関のアイドリング運転時にＥＣＵ２０が実行するルーチンの一例を示したフローチャートである。 トルク差と所定値α及び失火割合と所定値βとの関係をまとめて示した図である。 内燃機関のアイドリング運転時にＥＣＵ２０によって実行されるルーチンの他の例を示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
５ 吸気管
６ 排気官
１５ 筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
２０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段の検出値に基づいて燃焼状態を示す状態パラメータ値を算出し、前記状態パラメータ値に基づいてトルク変動の判定、又は失火割合の判定の少なくともいずれか１つの判定を行い、前記判定結果に基づいて点火時期を変更して内燃機関を制御する制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記判定の後に、更に内燃機関の回転数を低減させ、前記状態パラメータ値に基づいて第２の失火割合の判定を行い、前記第２の失火割合の判定結果が適正であるときに点火時期を進角させる、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. 前記状態パラメータは、筒内で燃料が燃焼したことによって発生する発熱量である、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制御装置。
4. 前記発熱量は筒内圧力をＰ、筒内容積をＶ及び比熱比をκとした場合の関係式ＰＶκに基づいて算出される、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記制御手段は、前記制御を内燃機関のアイドリング運転時に実行する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
   

Images