JP2008121582A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火エネルギー制御と空燃比制御とを適切に使い分けて実行することにより、燃費およびエミッションの改善を両立すること。
【解決手段】空燃比を制御する空燃比制御手段と、点火エネルギーを制御する点火エネルギー制御手段とを備え、リーンバーン運転可能に構成された内燃機関１の制御装置（ＥＣＵ６０）において、リーンバーン運転時には、トルク変動に応じて点火プラグ１６，１８の点火エネルギー制御または空燃比制御を選択して実行し、変動を抑制する。トルク変動が所定値以下の通常時には、点火エネルギー制御により前記変動を抑制し、トルク変動が所定値を超える場合には、空燃比制御によりトルク変動を抑制する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、空燃比を制御する空燃比制御手段と、点火エネルギーを制御する点火エネルギー制御手段とを備えリーンバーン運転可能に構成された内燃機関の制御装置に関し、更に詳しくは、点火エネルギー制御と空燃比制御とを適切に使い分けて実行することにより、燃費およびエミッションの改善を両立することができる内燃機関の制御装置に関する。

近年、内燃機関の燃費を更に改善すべく、内燃機関を制御するアクチュエータに用いるエネルギーを低減するための種々の技術が提案されており、点火エネルギーの低減に着目し、内燃機関の運転状態に応じて点火エネルギーを変更する技術が公知である。

すなわち、たとえば、内燃機関の回転数の変動を検出した場合、その回転数に応じた点火開始時期および点火通電時間（点火エネルギー）を補正する点火補正手段を備えた技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、内燃機関の回転変動が大きい極低回転時に、その回転変動に応じて点火時期や点火コイルの一次電流の通電時間を制御する技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

また、混合気を完全燃焼させるだけの点火エネルギーを与えるために、イオン電流が継続している時間または角度の変動率を演算し、その変動率が内燃機関の運転状態に応じて予め設定した目標変動率となるように多重点火回数（点火エネルギー）を制御する技術が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

また、点火コイルに対する通電量を切替えまたは調節するための電流制御素子等を付加することなく、点火コイルに対する通電時間を制御するために、内燃機関の気筒に配設される点火コイルの温度を推定し、その通電時間を制御する技術が提案されている（たとえば、特許文献４参照）。

特開２００４−３２４４１８号公報 特開２００６−８３７９７号公報 特開２００２−１８０９４８号公報 特許第３５１８５６３号公報

燃費改善を目指したリーンバーン運転可能な内燃機関では、燃焼安定性を確保するために、過大な点火エネルギーを必要としているという課題があった。すなわち、経年変化による電極摩耗や点火コイルのばらつきにより、発生エネルギーが下限レベルである点火プラグ製品が用いられたとしても内燃機関が安定して燃焼できるように、必要以上のエネルギーで点火し運転せざるを得ないのが実情である。

また、燃焼安定性を確保するために、空燃比のリッチ化によりトルク変動を抑制する技術も種々提案され公知であるが、空燃比のリッチ化により燃費およびエミッションが悪化する事態が生じ得る。

したがって、点火エネルギー制御と空燃比制御とを適切に使い分けて実行することにより、燃費およびエミッションの改善を両立することができる内燃機関の制御装置の提供が望まれていた。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、点火エネルギー制御と空燃比制御とを適切に使い分けて実行することにより、燃費およびエミッションの改善を両立する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。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る内燃機関の制御装置は、空燃比を制御する空燃比制御手段と、点火エネルギーを制御する点火エネルギー制御手段とを備えリーンバーン運転可能に構成された内燃機関の制御装置において、前記内燃機関のリーンバーン運転時には、トルクまたは着火時期の変動に応じて前記点火エネルギー制御手段による点火エネルギー制御または前記空燃比制御手段による空燃比制御を選択して実行し、前記変動を抑制するものであり、前記変動が所定範囲内である通常時には、前記点火エネルギー制御により前記変動を抑制し、前記変動が所定値を超える場合には、前記空燃比制御により前記変動を抑制することを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２に係る内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の発明において、前記点火エネルギーを所定の上限値に固定し、前記空燃比制御を実行することを特徴とするものである。

この発明に係る内燃機関の制御装置（請求項１）によれば、内燃機関の運転状態に応じてエミッションおよび燃費への影響を考慮して点火エネルギー制御または空燃比制御を選択して実行することができるので、燃費およびエミッションの改善を両立することができる。すなわち、前記変動が所定値以下の通常時には、空燃比制御（空燃比のリッチ化制御）よりもエミッションおよび燃費への影響の少ない点火エネルギー制御を実行することにより、エミッションおよび燃費の改善を両立しつつ、トルク変動を抑制することができる。また、前記変動が所定値を超える場合には、点火エネルギー制御よりも空燃比制御を優先させることで、燃焼を早期に安定させることができる。

また、この発明に係る内燃機関の制御装置（請求項２）によれば、点火エネルギーを所定の上限値に固定することで、空燃比制御の際に点火エネルギー不足により燃焼が悪化するのを抑制することができる。

以下に、この発明に係る内燃機関の制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例に係る内燃機関の制御装置を適用するシステムを示すブロック図である。内燃機関１は、複数の気筒２を有しているが、説明の便宜上、図１には１気筒のみを示してある。

内燃機関１は、内部にピストン４を有するシリンダブロック６を備えている。シリンダブロック６には、冷却水温を検出する冷却水温センサ７が設けられている。ピストン４は、クランク機構を介してクランクシャフト８と接続され、そのクランクシャフト８の近傍には、クランクシャフト８の回転角度を検出するクランク角センサ９が設けられている。

シリンダブロック６の上部にはシリンダヘッド１０が組み付けられ、ピストン４上面からシリンダヘッド１０までの空間には燃焼室１２が形成されている。シリンダヘッド１０には、燃焼室１２内に直接燃料を噴射するインジェクタ１４が設けられている。

また、シリンダヘッド１０には、燃焼室１２内の混合気に点火する２つの点火プラグ（点火エネルギー制御手段）１６，１８が設けられている。第１の点火プラグ１６は燃焼室１２の上部に配置され、第２の点火プラグ１８は燃焼室１２の側壁に配置されている。

シリンダヘッド１０は、燃焼室１２と連通する吸気ポート２０を備えている。吸気ポート２０と燃焼室１２との接続部には吸気バルブ２２が設けられている。吸気ポート２０には、吸気通路２４が接続されている。吸気通路２４の途中にはサージタンク２６が設けられている。

サージタンク２６の上流にはスロットルバルブ２８が設けられている。このスロットルバルブ２８は、スロットルモータ２９により駆動される電子制御式のバルブであり、アクセル開度センサ３０により検出されるアクセル開度ＡＡに基づいて駆動されるものである。

スロットルバルブ２８の近傍にはスロットル開度ＴＡを検出するスロットル開度センサ３１が設けられている。また、スロットルバルブ２８の上流には吸入空気量Ｇａを検出するエアフロメータ３２が設けられている。このエアフロメータ３２の上流にはエアクリーナ３４が設けられている。

また、シリンダヘッド１０は、燃焼室１２と連通する排気ポート３６を備えている。排気ポート３６と燃焼室１２との接続部には排気バルブ３８が設けられている。排気ポート３６には排気通路４０が接続されている。

また、排気通路４０には、排気ガスを浄化する触媒４２が設けられている。触媒４２の上流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ４４が設けられている。触媒４２には、触媒床温を検出する触媒床温センサ４６が設けられている。

また、本実施例に係るシステムは、電子制御装置であるＥＣＵ６０を備えている。ＥＣＵ６０の出力側には、インジェクタ１４、点火プラグ１６，１８、スロットルモータ２９等が接続されている。

また、ＥＣＵ６０の入力側には、冷却水温センサ７、クランク角センサ９、アクセル開度センサ３０、スロットル開度センサ３１、エアフロメータ３２、空燃比センサ（空燃比制御手段）４４、触媒床温センサ４６等が接続されている。

ＥＣＵ６０は、各センサの出力に基づいて、空燃比フィードバック制御や点火エネルギーフィードバック制御のような内燃機関１全体の制御を実行する。すなわち、ＥＣＵ６０は、空燃比制御手段および点火エネルギー制御手段として機能するものである。また、ＥＣＵ６０は、クランク角センサ９の出力に基づいて機関回転数ＮＥを算出する。

また、ＥＣＵ６０は、運転状態に応じて点火数を制御し、点火プラグ１６，１８に入力される電気信号を制御することで、点火プラグ１６，１８の点火時間とエネルギー密度の少なくとも一方を制御する。これにより、点火プラグ１６，１８の点火エネルギーが制御される。

つぎに制御方法について図２〜図４に基づいて説明する。以下の制御は、上記ＥＣＵ６０によって所定時間毎に実行される。ここで、図２は、本実施例に係る制御方法のメインルーチンを示すフローチャートであり、フィードバック制御を「Ｆ／Ｂ」と略記してある。

図３は、空燃比フィードバック制御（空燃比制御）によるトルク変動抑制制御方法を示すフローチャートであり、図２に示したステップＳ１４０に係るサブルーチンである。また、図４は、点火エネルギーフィードバック制御（点火エネルギー制御）によるトルク変動抑制制御方法を示すフローチャートであり、図２に示したステップＳ１７０に係るサブルーチンである。

図２に示すように、先ず、現在、内燃機関１がリーンバーン運転中か否かを判断する（ステップＳ１００）。リーンバーン運転中でないならば（ステップＳ１００否定）、本制御の対象外であるので、制御を終了する。

リーンバーン運転中であるならば（ステップＳ１００肯定）、燃焼変動値としてのトルク変動値を計測する（ステップＳ１１０）。このトルク変動値は、機関回転数ＮＥの変動量を計測したり、あるいは最大筒内圧（燃焼圧）の変動量を計測することによって算出することができる。

つぎに、ステップＳ１１０で計測したトルク変動値が所定値ｔ１を超えているか否かを判断する（ステップＳ１２０）。この所定値ｔ１は、点火エネルギーを最大にしても現在の空燃比ではトルク変動を抑制できない値であり、燃焼が極めて悪くドライバビリティが悪化した状態であることを示す閾値である。この所定値ｔ１は、予め実験等により最適値が求められ、定数としてＥＣＵ６０に記憶されている。

トルク変動値が所定値ｔ１を超えているならば（ステップＳ１２０肯定）、後述する空燃比フィードバック制御を実行せず、点火エネルギーを最大値（設計上可能な上限値）に固定し（ステップＳ１３０）、点火エネルギー不足による燃焼悪化を抑制する。

すなわち、この所定値ｔ１を超えているならば、混合気形成が悪化（燃焼不安定化）していると判断でき、それを改善して目標トルク変動値（所定値ｔ１以下）となるように空燃比をリッチ化する必要がある。

したがって、トルク変動値が目標トルク変動値となるように、後述する空燃比フィードバック制御によるトルク変動抑制制御を実行し（ステップＳ１４０）、制御を終了する。この空燃比フィードバック制御を実行している時には、制御の干渉を回避するために、後述する点火エネルギーフィードバック制御を停止する。

この空燃比フィードバック制御によるトルク変動抑制制御には、公知の制御方法を採用することができるので詳細な説明を省略するが、たとえば図３のサブルーチンに示すように、先ず、目標トルク変動値を上記所定値ｔ１とし、この目標トルク変動値と、上記ステップＳ１１０で計測したトルク変動値との差分を算出する（ステップＳ１４１）。

つぎに、ステップＳ１４１で算出したトルク変動値の差分に所定のゲインを乗じて空燃比制御量を算出する（ステップＳ１４２）。そして、トルク変動のオーバーシュート（急変）を抑制するために、１処理の制御量にガード値を設け（ステップＳ１４３）、メインルーチンに戻る。このガード処理は、たとえば燃料噴射の増加量を１０％以下にすればよい。

以上のように、トルク変動値が所定値ｔ１よりも大きい場合（ステップＳ１２０肯定）には、燃焼安定性を最優先させるために、燃費およびエミッションに配慮しつつ、空燃比のリッチ化制御（ステップＳ１４０）を実施したものである。

一方、ステップＳ１１０で計測したトルク変動値が所定値ｔ１を超えていないならば（ステップＳ１２０否定）、このトルク変動値が、所定値ｔ２を超え、かつ所定値ｔ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。

この所定値ｔ２は、リーンバーン運転しながらも点火エネルギーの増加によりトルク変動を補償できるが、トルク変動により内燃機関１の振動が不快と感じられ当該トルク変動の改善が必要となる閾値である。この所定値ｔ２も予め実験等により最適値が求められ、定数としてＥＣＵ６０に記憶されている。

トルク変動値が所定値ｔ２を超え、かつ所定値ｔ１以下でないならば（ステップＳ１５０否定）、トルク変動値が目標トルク変動値の許容範囲内（所定値ｔ２以下）にあり、トルク変動を抑制する必要がないと判断できるので、制御を終了する。

トルク変動値が所定値ｔ２を超え、かつ所定値ｔ１以下であるならば（ステップＳ１５０肯定）、燃費およびエミッションへの影響が比較的大きい空燃比のリッチ化制御（ステップＳ１４０）は実行せず、これらに影響が少ない、後述する点火エネルギーフィードバック制御によるトルク変動抑制制御を実行するものとし、これに先だって空燃比を現在の値に固定する（ステップＳ１６０）。

そして、トルク変動値が上記目標トルク変動値（所定値ｔ２以下）となるように、後述する点火エネルギーフィードバック制御によるトルク変動抑制制御を実行し（ステップＳ１７０）、制御を終了する。

このように、トルク変動値が所定値ｔ１以下で所定範囲内の場合に、点火エネルギーフィードバック制御を空燃比フィードバック制御よりも先に実行することにより、エミッションおよび燃費への悪影響を少なくすることができる。

また、上記点火エネルギーフィードバック制御によるトルク変動抑制制御には、公知の制御方法を採用することができるので詳細な説明を省略するが、たとえば図４のサブルーチンに示すように、先ず、目標トルク変動値を上記所定値ｔ２とし、この目標トルク変動値と、上記ステップＳ１１０で計測したトルク変動値との差分を算出する（ステップＳ１７１）。

つぎに、ステップＳ１７１で算出したトルク変動値の差分に所定のゲインを乗じて点火エネルギー制御量を算出する（ステップＳ１７２）。そして、トルク変動のオーバーシュート（急変）を抑制するために、１処理の制御量にガード値を設け（ステップＳ１７３）、メインルーチンに戻る。このガード処理は、たとえば点火エネルギーの増加量を１０％以下にすればよい。

以上のように、トルク変動値が所定値ｔ２を超え、かつ所定値ｔ１以下であるならば（ステップＳ１５０肯定）、空燃比のリッチ化制御よりもエミッションおよび燃費への影響の少ない点火エネルギーフィードバック制御を実行することによりトルク変動を抑制することができ、エミッションおよび燃費の改善を両立することができる。

以上のように、この実施例に係る内燃機関の制御装置によれば、点火エネルギー制御と空燃比制御とをトルク変動状態に応じて適切に使い分けて実行することにより、燃費およびエミッションの改善を両立することができる。

なお、上記実施例においては、空燃比フィードバック制御によるトルク変動抑制制御と点火エネルギーフィードバック制御によるトルク変動抑制制御とをトルク変動値に基づいて選択的に用いるものとして説明したが、これに限定されず、着火時期変動値に基づいて上記制御を選択的に用いることもできる。この場合も、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施例においては、気筒毎に２つの点火プラグ１６，１８を備えた内燃機関１について説明したが、これに限定されず、たとえば気筒毎に３つ以上の点火プラグを備えた内燃機関に対しても本発明を適用することができる。この場合も、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

以上のように、この発明に係る内燃機関の制御装置は、空燃比を制御する空燃比制御手段と、点火エネルギーを制御する点火エネルギー制御手段とを備えリーンバーン運転可能に構成された内燃機関に有用であり、特に、点火エネルギー制御と空燃比制御とを適切に使い分けて実行することにより、燃費およびエミッションの改善を両立することを目指す内燃機関に適している。

この発明の実施例に係る内燃機関の制御装置を適用するシステムを示すブロック図である。 本実施例に係る制御方法のメインルーチンを示すフローチャートである。 空燃比フィードバック制御によるトルク変動抑制制御方法を示すフローチャートである。 点火エネルギーフィードバック制御によるトルク変動抑制制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
９ クランク角センサ
１２ 燃焼室
１４ インジェクタ
１６ 第１の点火プラグ（点火エネルギー制御手段）
１８ 第２の点火プラグ（点火エネルギー制御手段）
４４ 空燃比センサ（空燃比制御手段）
６０ ＥＣＵ（空燃比制御手段、点火エネルギー制御手段、制御装置）
ｔ１ 所定値
ｔ２ 所定値

Claims (2)

1. 空燃比を制御する空燃比制御手段と、点火エネルギーを制御する点火エネルギー制御手段とを備えリーンバーン運転可能に構成された内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関のリーンバーン運転時には、トルクまたは着火時期の変動に応じて前記点火エネルギー制御手段による点火エネルギー制御または前記空燃比制御手段による空燃比制御を選択して実行し、前記変動を抑制するものであり、
   前記変動が所定値以下の通常時には、前記点火エネルギー制御により前記変動を抑制し、
   前記変動が所定値を超える場合には、前記空燃比制御により前記変動を抑制することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記点火エネルギーを所定の上限値に固定し、前記空燃比制御を実行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。

Images