JP2008025406A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱損失の影響を考慮して内燃機関の点火時期を制御できるような新規な手段を提供する。
【解決手段】内燃機関の熱損失量を算出し、熱損失量に基づいて点火時期を制御する。熱損失率ＲＱ_ｗが０％のときに、ＭＢＴ時の５０％燃焼点は概ねＴＤＣ（圧縮上死点）であり、熱損失率ＲＱ_ｗとＭＢＴ時の５０％燃焼点のクランク角とは、概ね比例関係にある。したがって、熱損失率を考慮した点火時期補正または点火時期設定を行うために、熱損失率ＲＱ_ｗとＭＢＴ時の５０％燃焼点を求めるために最低１回の予備実験を行う。熱損失量をパラメータとして用いることによって、点火時期の補正または設定を容易に行うことが可能になる。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、とくに、内燃機関の運転状態に基づいて点火時期を変更するものに関する。

内燃機関を制御するために、燃焼室における燃焼割合を実際値として検出する方法として種々のものが提案されている。検出された燃焼室内の燃焼割合を利用して、内燃機関を制御する方法としては、例えば、所定の基準クランク角での燃焼割合が所定の基準燃焼割合と一致するように、点火時期を変更する方法が存在する（例えば、特許文献１参照）。

特公昭６２‐５３７１０号公報

ところで、図５に示されるように、内燃機関の図示トルク（エンジン出力軸から出力される正味トルクに、エンジン内部の摩擦損失を加えたトータルトルク）は点火時期に応じて変化し、点火時期を遅角限界値から進角側に移動させると、図示トルクは上昇し、次いで下降する。このトルク特性曲線の頂点付近は比較的平坦となっており、点火時期を進角側に移動させた際にこの平坦部分に至る直前の点火時期がＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）と呼ばれる。ＭＢＴは、大きなトルクが得られると共にノッキングが発生しないタイミングである。したがって、ＭＢＴを目標として点火時期を制御することで、ノッキングを発生させることなく大きなトルクを得ることができる。

しかしながら、上記特許文献１に代表される従来の方法は、いずれも熱損失を考慮しておらず、熱損失率は運転条件、たとえばエンジン回転数および負荷によって変化する。したがって従来の方法では、特定の性能を意図して設定された基準点火時期（例えば、大きなトルクが得られる上記ＭＢＴ）で点火を行っても、熱損失の影響によって、意図した性能が得られない場合が生じうる。

そこで、本発明の目的は、熱損失の影響を考慮して内燃機関の点火時期を制御できるような新規な手段を提供することにある。

本発明による内燃機関の制御装置は、内燃機関の点火時期を制御する制御手段を備えた内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の熱損失量を算出する熱損失量算出手段を更に備え、前記制御手段は前記熱損失量に基づいて前記点火時期を制御することを特徴とする。

本発明者らは、熱損失量と点火時期との関係を調べるために、燃料の燃焼によるエネルギに対して伝熱と熱解離による損失の占める比率である熱損失率ＲＱｗ［％］と、ＭＢＴ時の５０％燃焼点［degＡＴＤＣ］との関係について、鋭意研究を行った。５０％燃焼点は、燃焼割合が５０％となるクランク角であり（図６参照）、この点を基準点として選択した理由は、この近傍の領域では燃焼割合の傾きが大きく、クランク角の検出に適しているためである。この研究の結果、図７に示されるように、熱損失率ＲＱ_ｗが０％のときに、ＭＢＴ時の５０％燃焼点が概ねＴＤＣ（圧縮上死点）であること、および熱損失率ＲＱ_ｗとＭＢＴ時の５０％燃焼点のクランク角とが、概ね比例関係にあることが判明した。すなわち、図７の熱損失率‐５０％燃焼点グラフの傾きは、実用的な運転領域においてほぼ一定であった。したがって、熱損失率を考慮した点火時期補正または点火時期設定を行うには、熱損失率ＲＱ_ｗとＭＢＴ時の５０％燃焼点を求めるために最低１回の予備実験を行いさえすればよいことになる。

本発明はこのような熱損失量と点火時期との関係に着目したものであり、熱損失量をパラメータとして用いることによって、点火時期の補正または設定を容易に行うことが可能になる。

前記制御手段は、前記内燃機関の燃焼室における燃焼割合が所定の基準燃焼割合にあるときのクランク角が、所定の基準点火時期に対応して定められた前記基準燃焼割合にあるときの基準クランク角と一致するように、前記内燃機関の点火時期を制御するのが好適である。

また本発明では、前記所定の基準点火時期はＭＢＴとするのが好適である。

また本発明では、筒内発熱量を検出する筒内発熱量検出手段を更に備え、前記熱損失量算出手段は、筒内発熱量を燃料噴射量と単位量あたりの発熱量との積値で除算して前記熱損失量を算出するのが好適である。単位量あたりの発熱量と燃料噴射量との積値は、燃料の燃焼によって発生されたエネルギとみなすことができるから、この積値によって筒内発熱量を除算することによって熱損失率に関連する情報である熱効率が得られ、熱損失量を簡易に推定することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について具体的に説明する。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。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、吸気管（吸気マニホールド）５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気管（排気マニホールド）６にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉは、対応する吸気ポートを開閉し、各排気弁Ｖｅは、対応する排気ポートを開閉する。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって動作させられる。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、給気ラインが接続されており、給気ラインは、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、給気ラインの中途（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およびエアフローメータ２１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。

内燃機関１は更に、複数のインジェクタ１２を有し、各インジェクタ１２は、図１に示されるように、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配置されている。各インジェクタ１２は、各吸気管５の内部に燃料としてガソリンを噴射する。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、本発明はいわゆる直噴式内燃機関にも適用され得る。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、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器、ならびに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、クランク角センサ１４、エアフローメータ２１や排気管６に設けられた空燃比センサ（Ｏ_２センサ）１６等の各種センサが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、各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２、動弁機構等を制御する。

ＥＣＵ２０の記憶装置には、図３に示される熱損失率‐５０％燃焼点マップが予め作成され格納されている。この熱損失率‐５０％燃焼点マップは、熱損失率ＲＱ_ｗと、ＭＢＴとなる５０％燃焼点ＢＰ５０との関係を示すものである。熱損失率‐５０％燃焼点マップは、後述するステップＳ１１０と同様の予備試験を車両出荷時に１回行って熱損失率ＲＱ_ｗおよびＭＢＴとなる５０％燃焼点ＢＰ５０を取得し、両者の比を求めることで作成されている。なお、該マップは関数として作成してもよく、また、車両出荷時に作成したものを学習処理によって適時に更新してもよい。

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、且つＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３における筒内圧力（相対圧力）を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ２０に与える。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。

次に、上述の内燃機関１における燃焼開始時期すなわち点火時期の制御手順について説明する。

内燃機関１では、図２の点火時期制御ルーチンが、燃焼室３ごとに、かつ所定期間おきに繰り返し実行される。図２において、まず、ＥＣＵ２０は点火時期補正実行中フラグflagを参照する（Ｓ１０１）。この点火時期補正実行中フラグは、点火時期補正が実行中であることを示し、初期状態では該補正が実行中でないためオフ（０）にリセットされている。ステップＳ１０１において同フラグがオフの場合には、ＥＣＵ２０は計測数カウンタcycを０にリセット（初期化）する（Ｓ１０３）。同フラグがオンの場合にはステップＳ１０３はスキップされる。次にＥＣＵ２０は、現在の運転状態を計測・保存する（Ｓ１０２）。ここにいう現在の運転状態には、例えばクランク角センサ１４の検出値から得られるクランク角ならびにエンジン回転数、エアフローメータ２１の検出値から得られる負荷としての吸入空気量、および筒内圧センサ１５の検出値から得られる筒内圧が含まれる。

次にＥＣＵ２０は、エンジンの運転が定常状態にあるかを判断する（Ｓ１０４）。この判断は、前サイクルと現サイクルの運転状態の比較により行われる。運転状態としては、例えばエンジン回転数および負荷が用いられ、両者の変化量すなわち前サイクルと現サイクルとの偏差がいずれも所定値以下である場合に肯定され、そうでない場合に否定される。定常状態にある旨を判断するための条件として、偏差が所定値以下である状態が所定時間以上継続していることを更に含んでもよい。運転が定常状態にない場合、例えば加速中の場には否定判断され、処理がリターンされる。

運転が定常状態にある場合には、ＥＣＵ２０は点火時期補正実行中フラグflagを１にセットし（Ｓ１０５）、計測数カウンタcycをインクリメントする（Ｓ１０６）。そしてＥＣＵ２０は、筒内圧センサ１５の検出値を読み込み、現在の筒内圧を測定（算出）および保存する（Ｓ１０７）。ここでの測定範囲は、計算負荷を軽減するため、圧縮および膨張行程の３６０°分とする。以上の処理は、計測数カウンタcycのカウント値が５０を上回るまでの間繰返し実行される（Ｓ１０８）。

計測数カウンタcycのカウント値が５０を上回ると、ＥＣＵ２０は記憶装置に保存されている筒内圧の測定値から、サイクル平均筒内圧を算出する（Ｓ１０９）。ここにいうサイクル平均筒内圧とは、燃焼中の各クランク角における複数の測定値（本実施形態では、５０回分の測定値）の平均の筒内圧からなる仮想的な１サイクル分のデータセットである。

次にＥＣＵ２０は、サイクル平均筒内圧における５０％燃焼点ＢＰ５０および熱損失率ＲＱ_ｗを算出する（Ｓ１１０）。ここにいう５０％燃焼点ＢＰ５０とは、サイクル平均筒内圧から算出される燃焼割合Ｘｂが５０％となるクランク角［degＡＴＤＣ］である（図６）。

サイクル平均筒内圧から燃焼割合Ｘｂを求めるために、ＥＣＵ２０は次の数式（１）から累積加熱率Ｑ^＊を算出し、この累積加熱率Ｑ^＊に数式（２）を適用する。

ただし、Ｐは筒内圧、Ｖは筒内容積、κは比熱比、θはクランク角である。なお、簡単のために、κ＝１．３２とする。

ただし、ＥＶＯはクランク角、Ｑ_maxはサイクル平均筒内圧から求められる累積加熱率Ｑ^＊における１サイクル中の最大値である。

ステップＳ１１０で算出される熱損失率ＲＱ_ｗは、まず次の数式（３）から燃料のエネルギＱ_fuelを算出し、これに次の数式（４）を適用することによって算出される。

ただし、Ｑ_fuelは燃料のエネルギ、Ｈ_ｕは燃料の低位発熱量、Ｇ_ｆは燃料噴射量である。

なお、熱損失率ＲＱ_ｗ＝１−（Ｑ^＊／Ｑ_fuel）は、伝熱と熱解離による損失が、燃料の燃焼によるエネルギに対して占める割合であるが、熱解離による損失は伝熱による損失に比べてずっと小さいため無視でき、１−（Ｑ^＊／Ｑ_fuel）を熱損失率ＲＱ_ｗとして扱って差し支えない。

このようにして熱損失率ＲＱ_ｗを算出すると、次にＥＣＵ２０は、熱損失率ＲＱ_ｗとＭＢＴ時の５０％燃焼点との関係（図３に示される熱損失率‐５０％燃焼点マップ）から、現運転条件における目標５０％燃焼点ＢＰ５０_ｍを算出する（Ｓ１１１）。

次にＥＣＵ２０は、次の数式（５）によって、目標５０％燃焼点ＢＰ５０ｍと、現在の５０％燃焼点ＢＰ５０との差分を、熱損失を考慮せずに定められている初期点火時期ＳＡに加算して、目標点火時期ＳＡｍ［degＡＴＤＣ］を算出する（ｓ１１２）。

最後にＥＣＵ２０は、点火時期補正実行中フラグflagを０にリセットし（Ｓ１１３）、処理をリターンする。

以上の処理の結果、点火時期は、熱損失を考慮せずに定められている初期点火時期ＳＡから、熱損失率に応じた時間遅延されて、目標点火時期ＳＡｍ［degＡＴＤＣ］へと補正されることになる（図４）。次に、ＥＣＵ２０は、補正された目標点火時期ＳＡｍに、対象となる燃焼室３における点火プラグ７に対する点火指示出力を行い、これによって点火が実行される。

以上のとおり、本実施形態では、内燃機関の熱損失量を算出する熱損失量算出手段を備え、ＥＣＵ２０は熱損失量に基づいて点火時期を制御するので、制御精度を改善することが可能になる。

また本実施形態では、熱損失量を内燃機関の運転条件に応じて算出するので、実際の運転条件を点火時期に反映することができる。

また本実施形態では、燃焼割合が所定の基準燃焼割合にあるときのクランク角が、所定の基準点火時期に対応して定められた前記基準燃焼割合にあるときの基準クランク角と一致するように、ＥＣＵ２０が点火時期を制御するので、簡易な構成で本発明に所期の効果を得ることができる。

また本実施形態では、基準点火時期をＭＢＴとしたので、熱損失量に基づく補正と相まって、ＭＢＴとなる点火時期の近傍で運転することができる。

また本実施形態では、筒内発熱量を検出する筒内発熱量検出手段を更に備え、筒内発熱量を燃料噴射量と単位量あたりの発熱量との積値で除算して熱損失量を算出するので、熱損失量を簡易に推定することができる。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記実施形態では、燃焼割合が基準燃焼割合（５０％）にあるときのクランク角が、ＭＢＴに対応して定められた（すなわち、ＭＢＴとなる点火時期に点火した場合の）５０％燃焼点と一致するように点火時期を制御したが、本発明における基準燃焼割合は５０％でなく別の値であってもよい。

また、基準燃焼割合に代えて、筒内圧を指標としてもよく、とくに、筒内圧が最大となるクランク角を指標としてもよい。すなわち、筒内圧が最大となる点のクランク角が、ＭＢＴに対応して定められた（すなわち、ＭＢＴとなる点火時期に点火した場合の）筒内圧が最大となる点のクランク角と一致するように、点火時期を制御してもよく、この場合には演算負荷を軽減できる可能性がある。

また、上記実施形態では、内燃機関の熱損失量ＲＱｗを、比熱比κ、筒内圧Ｐ、筒内容積Ｖおよびクランク角θに基づいて数式（１）によって算出したが、熱損失量は他の手段によって算出してもよい。例えば、熱損失量の算出は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて実行してもよい。本発明者らの研究によれば、クランク角がθである際に筒内圧検出手段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（当該筒内圧力Ｐ（θ）の検出時）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Ｖ^κ（θ）との積値Ｐ（θ）・Ｖ^κ（θ）（以下、適宜「ＰＶ^κ」と記す）と、クランク角に対する内燃機関の燃焼室内における熱発生量Ｑの変化パターンとが、図８に示されるような相関を有する。図８において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積値ＰＶ^κをプロットしたものである。また、図８において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Ｑを上記（１）式に基づき算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。また、図８において、−３６０°，０°および３６０°は、上死点に、−１８０°および１８０°は、下死点に対応する。図８に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する積値ＰＶ^κの変化パターンとは、概ね一致（相似）しており、特に、筒内の混合気の燃焼開始（ガソリンエンジンでは火花点火時、ディーゼルエンジンでは圧縮着火時）の前後（例えば、図８における約−１８０°から約１３５°までの範囲）では、熱発生量Ｑの変化パターンと、積値ＰＶ^κの変化パターンとは極めて良好に一致することがわかる。このような熱発生量Ｑと積値ＰＶ^κとの相関を利用して、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積との積値ＰＶ^κに基づいて、数式（１）に代えて積値ＰＶ^κによって熱発生量Ｑ^＊を求めてもよい。この場合には、演算負荷を軽減できる可能性がある。

また、上記実施形態では、基準点火時期をＭＢＴとしたが、本発明における基準点火時期はトルクを評価基準とするＭＢＴでなくても良く、例えばＮＯｘ排出量の最も少ない点火タイミングなど、他の評価基準に基づく最適な点火時期を選択することができ、また複数の評価基準の組み合わせにより決定される点火時期としても良い。また、上記実施形態では熱損失量に基づいて、すなわち熱損失量に関連するパラメータによって点火時期を制御したが、本発明における点火時期の制御は他のパラメータや他の補正方法との組み合わせによって実行してもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。

本発明の実施形態の内燃機関を示す概略構成図である。 点火時期制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。 熱損失率‐５０％燃焼点マップの設定例を示すグラフである。 点火時期の補正行程を概略的に示すグラフである。 充填効率およびエンジン回転数を一定とした場合の点火時期と内燃機関のトルクとの相関を示すグラフである。 燃焼割合の変遷と５０％燃焼点の概念を示すグラフである。 熱損失率ＲＱ_ｗとＭＢＴ時の５０％燃焼点との比例関係を示すグラフである。 積値ＰＶ^κと燃焼室内における熱発生量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
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
１６ 空燃比センサ
２０ ＥＣＵ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (4)

1. 内燃機関の点火時期を制御する制御手段を備えた内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の熱損失量を算出する熱損失量算出手段を更に備え、
   前記制御手段は前記熱損失量に基づいて前記点火時期を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記制御手段は、前記内燃機関の燃焼室における燃焼割合が所定の基準燃焼割合にあるときのクランク角が、所定の基準点火時期に対応して定められた前記基準燃焼割合にあるときの基準クランク角と一致するように、前記内燃機関の点火時期を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記所定の基準点火時期はＭＢＴであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置であって、
   筒内発熱量を検出する筒内発熱量検出手段を更に備え、
   前記熱損失量算出手段は、筒内発熱量を燃料噴射量と単位量あたりの発熱量との積値で除算して前記熱損失量を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
   

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