JP2016217338A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内圧力を精度良く推定する。【解決手段】機関本体１と、機関本体１の振動を検出するための振動センサ２１０と、機関本体１のクランク角を検出するためのクランク角センサ２１８と、を備える内燃機関１００の制御装置２００が、振動センサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生したときは、クランク角が予め設定された異常燃焼判定区間内にあるときの振動センサ２１０の出力波形に基づいて、燃焼が行われた筒内の圧力を推定する筒内圧力推定部を備える。そして筒内圧力推定部が、振動センサ２１０の出力波形の振幅が検出範囲内の所定閾値以上となっている時間と、検出範囲内における振動センサ２１０の出力波形の振幅の傾きと、に基づいて、燃焼が行われた筒内の圧力を推定するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、オイルに起因した異常燃焼が生じ得る低速高負荷領域を制限領域とし、制限領域以外の運転領域で機関本体の運転を行うと共に、異常燃焼が検出されたときには制限領域を拡大するように構成された内燃機関の制御装置が開示されている。

国際公開第２０１４／１９９６６７号 特開２０１４−１５９７４５号公報

前述した特許文献１に記載の内燃機関の制御装置は、筒内の燃焼に伴う振動を検出するノックセンサの検出信号に基づいて異常燃焼が発生したか否かを判定していた。ここで異常燃焼の発生時には、ノックセンサの検出範囲を超える振動が機関本体で発生する場合がある。そのため、異常燃焼が発生したときの筒内圧力を単純にノックセンサの検出信号に基づいて推定しようとすると、ノックセンサの検出範囲を超える振動が機関本体で発生しているときに筒内圧力を精度良く推定できないおそれがある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、振動センサ（ノックセンサ）の検出範囲を超える振動が機関本体で発生した場合の筒内圧力を精度良く推定することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の振動を検出するための振動センサと、機関本体のクランク角を検出するためのクランク角センサと、を備える内燃機関を制御する制御装置が、振動センサの検出範囲を超える振動が機関本体で発生したときは、クランク角が予め設定された異常燃焼判定区間内にあるときの振動センサの出力波形に基づいて燃焼が行われた筒内の圧力を推定する筒内圧力推定部を備える。そして筒内圧力推定部が、振動センサの出力波形の振幅が検出範囲内の所定閾値以上となっている時間と、検出範囲内における振動センサの出力波形の振幅の傾きと、に基づいて、燃焼が行われた筒内の圧力を推定するように構成されている。

本発明のこの態様によれば、振動センサの検出範囲を超える振動が機関本体で発生した場合の筒内圧力を精度良く推定することができる。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 図２は、異常燃焼によってノックセンサの検出範囲を超える振動が機関本体で発生したときの、異常燃焼判定区間におけるノックセンサの出力波形を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態による筒内圧力推定制御について説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の一実施形態による火花点火式の内燃機関１００及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

図１に示すように、内燃機関１００は、機関本体１と、吸気装置２０と、排気装置３０と、を備える。

機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に固定されたシリンダヘッド３と、を備える。

シリンダブロック２には、複数のシリンダ４が形成される。シリンダ４の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ４の内部を往復運動するピストン５が収められる。ピストン５は、コンロッドを介してクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトによってピストン５の往復運動が回転運動に変換される。シリンダヘッド３の内壁面、シリンダ４の内壁面及びピストン冠面によって区画された空間が燃焼室６となる。

またシリンダブロック２には、機関本体１の振動を検出するためのノックセンサ２１０が取り付けられている。ノックセンサ２１０は、圧電素子を備えた振動センサの一種であり、機関本体１の振動に応じた電圧を出力する。

シリンダヘッド３には、シリンダヘッド３の一方の側面に開口すると共に燃焼室６に開口する吸気ポート７と、シリンダヘッド３の他方の側面に開口すると共に燃焼室６に開口する排気ポート８と、が形成される。

またシリンダヘッド３には、燃焼室６と吸気ポート７との開口を開閉するための吸気弁９と、燃焼室６と排気ポート８との開口を開閉するための排気弁１０と、吸気弁９を開閉駆動する吸気カムシャフト１１と、排気弁１０を開閉駆動する排気カムシャフト１２と、が取り付けられる。

さらにシリンダヘッド３には、燃焼室６内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１３と、燃料噴射弁１３から噴射された燃料と空気との混合気を燃焼室６内で点火するための点火プラグ１４と、が取り付けられる。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンを用いているが、他の燃料を用いることもできる。なお、燃料噴射弁１３は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように取り付けてもよい。

吸気装置２０は、吸気ポート７を介してシリンダ４内に空気を導くための装置であって、エアクリーナ２１と、吸気管２２と、吸気マニホールド２３と、電子制御式のスロットル弁２４と、エアフローメータ２１１と、を備える。

エアクリーナ２１は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。

吸気管２２は、一端がエアクリーナ２１に連結され、他端が吸気マニホールド２３のサージタンク２３ａに連結される。吸気管２２によって、エアクリーナ２１を介して吸気管２２内に流入してきた空気（吸気）が吸気マニホールド２３のサージタンク２３ａに導かれる。

吸気マニホールド２３は、サージタンク２３ａと、サージタンク２３ａから分岐してシリンダヘッド側面に形成されている各吸気ポート７の開口に連結される複数の吸気枝管２３ｂと、を備える。サージタンク２３ａに導かれた空気は、吸気枝管２３ｂを介して各シリンダ４内に均等に分配される。このように、吸気管２２、吸気マニホールド２３及び吸気ポート７が、各シリンダ４内に空気を導くための吸気通路を形成する。

スロットル弁２４は、吸気管２２内に設けられる。スロットル弁２４は、スロットルアクチュエータ２５によって駆動され、吸気管２２の通路断面積を連続的又は段階的に変化させる。スロットルアクチュエータ２５によってスロットル弁２４の開度（以下「スロットル開度」という。）の調整することで、各シリンダ４内に吸入される吸気量が調整される。スロットル開度は、スロットルセンサ２１２によって検出される。

エアフローメータ２１１は、スロットル弁２４よりも上流側の吸気管２２内に設けられる。エアフローメータ２１１は、吸気管２２内を流れる空気の流量（以下「吸気量」という。）を検出する。

なお、エアフローメータ２１１とスロットル弁２４との間の吸気管２２内に、過給機を設けても良い。過給機は、排気のエネルギを利用して駆動される排気タービン駆動式過給機（ターボチャージャ）でも良いし、機関本体の出力を利用して機械的に駆動される機械駆動式過給機（スーパーチャージャ）でも良い。

排気装置３０は、燃焼室６内で生じた燃焼ガス（排気）を浄化して外気に排出するための装置であって、排気マニホールド３１と、触媒コンバータ３２と、排気管３３と、を備える。

排気マニホールド３１は、シリンダヘッド側面に形成されている各排気ポート８の開口と連結される複数の排気枝管３１ａと、排気枝管３１ａを集合させて１本にまとめた集合管３１ｂと、を備える。

触媒コンバータ３２は、一端が排気マニホールド３１の集合管３１ｂに連結され、他端が排気管３３に連結される。触媒コンバータ３２には、排気浄化触媒として、酸素吸蔵能力を有する三元触媒３２ａが内蔵されている。三元触媒３２ａは、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ_２））を担持させたものである。三元触媒３２ａは、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。

排気管３３は、一端が触媒コンバータ３２に連結され、他端が外気に開口している。各シリンダ４から排気ポート８を介して排気マニホールド３１に排出された排気は、排気管３３を流れて外気に排出される。このように、排気ポート８、排気マニホールド３１、触媒コンバータ３２及び排気管３３が、各シリンダ４から排出された排気が流れる排気通路を形成する。なお、排気管３３上に三元触媒３２ａとは別途の排気浄化触媒を内蔵した触媒コンバータを配置させても良い。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述したノックセンサ２１０やエアフローメータ２１１、スロットルセンサ２１２などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、アクセルペダル２２０の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１７の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度などを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１８の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して燃料噴射弁１３や点火プラグ１４、スロットルアクチュエータ２５などの各制御部品が電気的に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。

火花点火式の内燃機関１００では、点火プラグ１４によって燃焼室６内で混合気が着火させられ、火炎が生じる。火炎は、点火プラグ１４の近傍から燃焼室６の周縁へと拡がる。その際、点火プラグ１４から離れた場所に位置する未燃混合気（エンドガス）は、ピストン５やシリンダ壁面に押し付けられ、高温・高圧になる。このエンドガスの温度及び圧力が高くなり過ぎると、エンドガスが自己着火し、ノックが生じることがある。

また、燃焼室６に潤滑油（オイル）が混入した場合や燃焼室６の壁面にデポジットが堆積した場合には、点火プラグ１４によって混合気に着火する前に潤滑油やデポジットを火種として混合気が着火され、プレイグニッションが生じることがある。

ノックやプレイグニッション等の異常燃焼が発生すると、機関出力が低下したり、機関本体１が劣化したりするおそれがある。

そこで本実施形態による電子制御ユニット２００は、クランク角が、機関本体１の各シリンダ４の内部で行われた燃焼が異常燃焼か否か判定するために設定された異常燃焼判定区間（例えば圧縮行程の終盤から膨張行程の序盤までのクランク角範囲）にあるときのノックセンサ２１０の出力値に基づいて、ノックやプレイグニッション等の異常燃焼が発生したか否かを判定している。そして電子制御ユニット２００は、異常燃焼が発生していると判定した場合には、異常燃焼の規模に応じて点火時期を通常の点火時期である最適点火時期（ＭＢＴ；Minimum advance for the Best Torque）から遅角させる制御、又は、シリンダ４内の温度を下げるために燃料噴射量を通常時よりも増量させる制御の少なくとも一方を実施している。

このとき、異常燃焼の規模を把握するために、異常燃焼判定区間におけるノックセンサ２１０の出力値や、異常燃焼判定区間内のノックセンサ２１０の出力値の積分値に基づいて燃焼が行われたシリンダ４の内部圧力（以下「筒内圧力」という。）を推定しようとすると、以下の問題が生じることがわかった。

すなわち異常燃焼の発生時には、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生する場合がある。そのため、異常燃焼によってノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生したときには、ノックセンサ２１０の出力値や、ノックセンサ２１０の出力値の積分値に基づいて推定された筒内圧力が、実際の筒内圧力よりも低い値となるおそれがある。

そこで本実施形態では、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生したときは、異常燃焼判定区間におけるノックセンサ２１０の出力値の波形（以下「出力波形」という。）の振幅が検出範囲内の所定の筒内圧力推定用閾値以上となっている時間（以下「閾値越え時間」という。）と、異常燃焼判定区間における検出範囲内のノックセンサ２１０の出力波形の振幅の傾きと、に基づいて筒内圧力を推定することとした。以下、図２を参照して、この本実施形態による筒内圧力の推定方法について説明する。

図２は、異常燃焼によってノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生したときの、異常燃焼判定区間におけるノックセンサ２１０の出力波形を示す図である。なお図２では、説明のためノックセンサ２１０の検出範囲を超える部分の出力波形も図示している。

図２に示すように、異常燃焼が発生したときのノックセンサ２１０の出力波形は、クランク角が大きくなるにつれて振幅（ノックセンサ２１０の出力値）が徐々に大きくなり、最大振幅となった後（ノックセンサ２１０の出力値が最大値となった後）は、クランク角が大きくなるにつれて振幅が徐々に小さくなる波形となり、ノックセンサ２１０の出力値が最大値となるクランク角を基準として所定の傾きで左右に振幅が減少していく山型の形状となる。

そのため、機関本体１の振動がノックセンサ２１０の検出範囲を超えている期間、ひいては閾値超え時間が長くなるほど、基本的にノックセンサ２１０の出力波形の最大振幅も大きくなる傾向にある。また、検出範囲内の出力波形の振幅の傾きが大きくなるほど、基本的にノックセンサ２１０の出力波形の最大振幅も大きくなる傾向にある。

すなわち、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生した場合、閾値超え時間と燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力との間には相関関係があると言うことができ、基本的に閾値超え時間が大きくなると燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力も大きくなる傾向にある。また、検出範囲内の出力波形の振幅の傾きと燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力との間にも相関関係があると言うことができ、基本的に検出範囲内の出力波形の振幅の傾きが大きくなると燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力も大きくなる傾向にある。

そこで本実施形態では、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力との間で相関関係があるパラメータ、すなわち閾値超え時間と検出範囲内の出力波形の振幅の傾きとに基づいて、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を推定することとしたのである。これにより、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生した場合であっても、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を精度良く推定することができる。

図３は、電子制御ユニット２００が実施する本実施形態による筒内圧力推定制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、クランク角が異常燃焼判定区間にあるときのノックセンサ２１０の出力値に基づいて、異常燃焼が発生しているか否かを判定する。具体的には、電子制御ユニット２００は、クランク角が異常燃焼判定区間にあるときのノックセンサ２１０の出力値が予め設定された異常燃焼判定用の所定閾値以上になれば、異常燃焼が発生していると判定する。なお異常燃焼が発生しているか否かの判定方法はこのような方法に限られるものではなく、例えばクランク角が異常燃焼判定区間にあるときのノックセンサ２１０の出力値の積分値が予め設定された異常燃焼判定用の所定閾値以上になったときに、異常燃焼が発生していると判定しても良い。

電子制御ユニット２００は、異常燃焼が発生していると判定したときは、ステップＳ２の処理に進み、異常燃焼が発生していないと判定したときは、今回の処理を終了する。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、異常燃焼が発生したときの機関運転状態（機関回転速度及びアクセル踏込量（機関負荷））を読み込む。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生しているか否かを判定する。例えば電子制御ユニット２００は、ノックセンサ２１０の出力値がノックセンサ２１０の検出限界値のまま固定されている期間があれば、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生していると判定する。電子制御ユニット２００は、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生していると判定したときは、ステップＳ４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生していないと判定したときは、ステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、異常燃焼判定区間のノックセンサ２１０の出力波形に基づいて、閾値越え時間と、検出範囲内における出力波形の振幅の傾きと、を算出する。本実施形態では、ノックセンサ２１０の出力値が検出限界値以上となる直前の任意のクランク角範囲における出力波形の振幅の傾きを、検出範囲内における出力波形の振幅の傾きとして算出している。

なお、検出範囲内における出力波形の振幅の傾きは、検出範囲内の任意のクランク角範囲における出力波形の振幅の傾きであれば良く、ノックセンサ２１０の出力値が検出限界値以上となる前の出力波形の振幅の傾きでも良いし、ノックセンサ２１０の出力値が検出限界値以下となった後の出力波形の振幅の傾きでも良い。したがって、検出範囲内における出力波形の振幅の傾きとして、例えばノックセンサ２１０の出力値が検出限界値以上となる前の出力波形の振幅の傾きを用いる場合であれば、異常燃焼判定区間の最初からノックセンサ２１０の出力値が検出限界値となるまでの任意のクランク角範囲における出力波形の振幅の傾きを、検出範囲内における出力波形の振幅の傾きとすることができる。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、異常燃焼が発生したときの機関運転状態に対応した筒内圧力推定マップを参照し、閾値超え時間と検出範囲内の出力波形の振幅の傾きとに基づいて、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を推定する。この筒内圧力推定マップは、閾値超え時間及び検出範囲内の出力波形の振幅の傾きと、シリンダ４の筒内圧力と、を関連付けたマップであり、機関運転状態ごとに予め実験等によって作成されてＲＯＭ２０２に記憶されている。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、ノックセンサ２１０の出力値に基づいて、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を推定する。例えば電子制御ユニット２００は、異常燃焼が発生したときの機関運転状態に対応した筒内圧力推定テーブルを参照し、異常燃焼判定区間内のノックセンサ２１０の出力値の最大値に基づいて、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を推定する。この筒内圧力推定テーブルは、ノックセンサ２１０の出力値の最大値と、シリンダ４の筒内圧力と、を関連付けたテーブルであり、機関運転状態ごとに予め実験等によって作成されてＲＯＭ２０２に記憶されている。このような方法以外にも、例えば異常燃焼判定区間内のノックセンサ２１０の出力値の積分値と筒内圧力とを関連付けたテーブルを作成しておき、当該テーブルを参照して異常燃焼判定区間内のノックセンサ２１０の出力値の積分値に基づいて燃焼が行われた筒内圧力を推定することもできる。

以上説明した本実施形態によれば、機関本体１と、機関本体１の振動を検出するためのノックセンサ（振動センサ）２１０と、機関本体１のクランク角を検出するためのクランク角センサ２１８と、を備える内燃機関１００を制御する電子制御ユニット（制御装置）２００が、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生したときに、クランク角が予め設定された異常燃焼判定区間内にあるときのノックセンサ２１０の出力波形に基づいて燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を推定する筒内圧力推定部を備える。

そして筒内圧力推定部が、ノックセンサ２１０の出力波形の振幅が検出範囲内の所定閾値以上となっている時間と、検出範囲内におけるノックセンサ２１０の出力波形の振幅の傾きと、に基づいて、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を推定するように構成されている。

このように本実施形態によれば、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生したときは、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力との間で相関関係があるパラメータ、すなわち閾値超え時間と検出範囲内の出力波形の振幅の傾きとに基づいて、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を推定するので、ノックセンサ２１０の検出範囲を超える振動が機関本体１で発生した場合であっても、燃焼が行われたシリンダ４の筒内圧力を精度良く推定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１ 機関本体
１００ 内燃機関
２００ 電子制御ユニット（制御装置）
２１０ ノックセンサ（振動センサ）
２１８ クランク角センサ

Claims (1)

1. 機関本体と、
   前記機関本体の振動を検出するための振動センサと、
   前記機関本体のクランク角を検出するためのクランク角センサと、
   を備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記振動センサの検出範囲を超える振動が前記機関本体で発生したときは、前記クランク角が予め設定された異常燃焼判定区間内にあるときの前記振動センサの出力波形に基づいて、燃焼が行われた筒内の圧力を推定する筒内圧力推定部を備え、
   前記筒内圧力推定部が、
   前記振動センサの出力波形の振幅が前記検出範囲内の所定閾値以上となっている時間と、前記検出範囲内における前記振動センサの出力波形の振幅の傾きと、に基づいて、燃焼が行われた筒内の圧力を推定するように構成されている、
   内燃機関の制御装置。

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