JP2018021456A - 燃焼演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内圧力値に基づいて燃焼演算を行う燃焼演算装置において、内燃機関を制御する際の制御遅れを短縮可能とする。【解決手段】内燃機関の制御に用いる演算値を算出する燃焼演算装置であって、内燃機関の現サイクルの吸入行程、現サイクルの圧縮行程及び現サイクルの燃焼行程で得られた筒内圧力値と、排気行程の筒内圧力推定値とに基づいて、現サイクルの排気行程中に次サイクルの制御に用いる演算値を算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼演算装置に関するものである。

近年においては、燃費の改善や窒素酸化物の低減のために、内燃機関の燃料室における点火タイミングや燃焼室への燃料の供給量等を精度高く調整している。例えば、特許文献１には、内燃機関の気筒ごとに設置された筒内圧センサによって気筒の内部の圧力値（筒内圧力値）を取得し、ＣＰＵにて所定の燃焼演算を行って得られた制御信号をインジェクタの駆動回路に入力する構成が開示されている。

特開２００５−１７１８３２号公報

ところで、周知のように、４ストロークの内燃機関においては、各気筒にて、吸入行程と、圧縮行程と、燃焼行程と、排気行程とを１サイクルとし、当該サイクルを繰り返すことにより動力を生成している。従来においては、吸入行程と、圧縮行程と、燃焼行程と、排気行程との各行程にて筒内圧センサから筒内圧力値を取得し、これらの筒内圧力値に基づいて点火タイミングや燃料供給量を求める燃焼演算を行っている。

しかしながら、燃焼演算を行うためには一定の時間が必要である。このため、あるサイクルで得られた筒内圧力値に基づいて算出された点火タイミングや燃料供給量に基づいて内燃機関が制御されるのは、次々回のサイクルとなる。つまり、従来においては、あるサイクルで得られた筒内圧力値に基づいて次サイクルの間に次々サイクルの点火タイミングや燃料供給量が求められている。このため、筒内圧力値に基づいて求められた点火タイミングや燃料供給量に従った制御を行うのに遅れが生じてしまう。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、筒内圧力値に基づいて燃焼演算を行う燃焼演算装置において、内燃機関を制御する際の制御遅れを短縮可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、内燃機関の制御に用いる演算値を算出する燃焼演算装置であって、
上記内燃機関の現サイクルの吸入行程、現サイクルの圧縮行程及び現サイクルの燃焼行程で得られた筒内圧力値と、排気行程の筒内圧力推定値とに基づいて、現サイクルの排気行程中に次サイクルの制御に用いる上記演算値を算出するという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記筒内圧力推定値として、上記現サイクルよりも前のサイクルにおける排気行程での筒内圧力値を用いるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、少なくとも上記内燃機関の出力変化が所定の閾値を超える過渡期に、既知データに基づいて上記筒内圧力推定値を補正するという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記内燃機関が複数の気筒を有し、上記演算値を求める対象とされた上記気筒の直前に点火処理された先点火気筒の排気行程での上記筒内圧力値と、上記先点火気筒の直前に点火処理された先々点火気筒の排気行程での上記筒内圧力値との比率に基づいて、上記筒内圧力推定値に基づいて算出された演算値を補正するという構成を採用する。

本発明によれば、次サイクルの制御に用いる演算値を算出するために、現サイクルの吸入行程、圧縮行程及び燃焼行程で得られた筒内圧力値を用いるが、現サイクルの排気行程で得られる筒内圧力値は用いず、これに換えて筒内圧力推定値を用いる。つまり、本発明によれば、現サイクルの排気行程で得られる実際の筒内圧力値を待つことなく、排気行程の筒内圧力推定値を用いて次サイクルの制御に用いる演算値を算出することができる。このような発明によれば、現サイクルの排気行程の間に次サイクルの制御に用いる演算値を算出することができ、現サイクルの内燃機関の状況に応じて次サイクルの内燃機関の点火タイミング等を決定することができる。よって、本発明によれば、筒内圧力値に基づいて燃焼演算を行う燃焼演算装置において、内燃機関を制御する際の制御遅れを短縮することができる。

本発明の一実施形態における燃焼演算装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における燃焼演算装置の動作を説明するための工程図である。 本発明の一実施形態における燃焼演算装置の処理系統図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼演算装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の燃焼演算装置１の概略構成を含むブロック図である。この図に示すように、本実施形態の燃焼演算装置１は、電気的に内燃機関１０と内燃機関制御装置２０との間に配置されており、Ａ／Ｄ変換器２と、演算処理部３と、記憶部４と、通信部５とを備えている。

本実施形態において、内燃機関１０は、直列に配列された４つの気筒を有する直列４気筒の内燃機関１０とする。なお、図１に示すように、本実施形態においては、４つの気筒を配列方向の端から順に第１気筒１１、第２気筒１２、第３気筒１３、第４気筒１４と称する。

各々の気筒では、タイミングをずらして、吸入行程、圧縮行程、燃焼行程及び排気行程を１サイクルとする動作が繰り返し行われる。吸入行程は、ピストンが下降することにより、燃焼室の内部に混合気を取り込む行程である。圧縮行程は、ピストンが上昇することによって、吸入行程で燃焼室に取り込まれた混合気を圧縮する行程である。燃焼行程は、圧縮行程で圧縮された混合気に対して、内燃機関制御装置２０の制御の下、着火を行う行程である。この燃焼行程では、混合気に着火されると、燃焼ガスによりピストンが押し下げられる。排気行程は、ピストンが上昇することによって、燃焼行程で発生した燃焼ガスを燃焼室の外部に排出する行程である。

なお、本実施形態では、各々の気筒が１行程分ずれて動作されているものとし、第１気筒１１、第３気筒１３、第４気筒１４、第２気筒１２の順に吸入行程が開始されるものとする。つまり、第１気筒１１の吸入行程が完了するタイミングで第３気筒１３の吸入行程が開始され、第３気筒１３の吸入行程が完了するタイミングで第４気筒１４の吸入行程が開始され、第４気筒１４の吸入行程が完了するタイミングで第２気筒１２の吸入行程が開始され、第２気筒１２の吸入行程が完了するタイミングで第１気筒１１の吸入行程が開始されるものとする。

また、内燃機関１０の各気筒には、筒内圧力を検出するための筒内圧センサ１５が設置されている。これらの筒内圧センサ１５は、設置される気筒の内部の圧力を検出し、その検出値をアナログ信号として出力する。つまり、第１気筒１１に設置された筒内圧センサ１５は第１気筒１１の筒内圧力値をアナログ信号として出力し、第２気筒１２に設置された筒内圧センサ１５は第２気筒１２の筒内圧力値をアナログ信号として出力し、第３気筒１３に設置された筒内圧センサ１５は第３気筒１３の筒内圧力値をアナログ信号として出力し、第４気筒１４に設置された筒内圧センサ１５は第４気筒１４の筒内圧力値をアナログ信号として出力する。

本実施形態の燃焼演算装置１は、各々の筒内圧センサ１５及び内燃機関制御装置２０と電気的に接続されており、Ａ／Ｄ変換器２と、演算処理部３と、記憶部４と、通信部５とを備えている。Ａ／Ｄ変換器２は、各々の筒内圧センサ１５から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。つまり、Ａ／Ｄ変換器２は、筒内圧センサ１５から出力された筒内圧力値を示す信号をデジタル化して出力する。

演算処理部３は、Ａ／Ｄ変換器２と接続されており、Ａ／Ｄ変換器２からデジタル化された筒内圧力値が入力される。また、演算処理部３には、筒内圧センサ１５以外の内燃機関１０に設けられた不図示の各種センサから信号が入力される。演算処理部３は、入力される筒内圧力値等に基づいて、内燃機関１０の点火処理や燃料噴射処理を行うための演算値を燃焼計算により算出する。

例えば、第１気筒１１の点火処理を行うための演算値を燃焼計算により算出する場合、演算処理部３は、第１気筒１１に設けられた筒内圧センサ１５から出力され、Ａ／Ｄ変換器２を通じて入力される筒内圧力値等によって、第１気筒１１の点火処理を行うための演算値を算出する。ここで、本実施形態の演算処理部３は、現に行われている第１気筒１１のサイクル（以下、現サイクルと称する）のうち吸入行程、圧縮行程及び燃焼行程で得られた筒内圧力値と、予め設定された排気行程の筒内圧力推定値とを用いて、現サイクルの排気行程の間に、次回の第１気筒１１のサイクル（以下、次サイクル）の点火処理に用いる演算値を算出する。

なお、以下の説明では、吸入行程にて筒内圧センサ１５で取得された筒内圧力値を吸入筒内圧力値と称し、圧縮行程にて筒内圧センサ１５で取得された筒内圧力値を圧縮筒内圧力値と称し、燃焼行程にて筒内圧センサ１５で取得された筒内圧力値を燃焼筒内圧力値と称し、排気行程にて筒内圧センサ１５で取得された筒内圧力値を排気筒内圧力値と称する。

排気行程の筒内圧力推定値は、現サイクルの排気行程よりも前に設定される値である。本実施形態の燃焼演算装置１では、筒内圧力推定値として、現サイクルの直前の第１気筒１１のサイクル（以下、前サイクル）の排気筒内圧力値を用いる。なお、筒内圧力推定値としては、これに限られるものではなく、前サイクルよりも前のサイクルにおける排気筒内圧力値や、予め設定された固定値、前サイクル以前における排気筒内圧力値の平均値、他の気筒の排気筒内圧力値等を用いることも可能である。

このように、本実施形態において演算処理部３は、第１気筒１１の現サイクルの吸入筒内圧力値と、第１気筒１１の現サイクルの圧縮筒内圧力値と、第１気筒１１の現サイクルの燃焼筒内圧力値と、現サイクルの排気行程よりも前に設定された第１気筒１１の筒内力推定値とを用いて、第１気筒１１の点火処理に用いる演算値を算出する。具体的には、演算処理部３は、第１気筒１１の現サイクルの吸入筒内圧力値と、第１気筒１１の現サイクルの圧縮筒内圧力値と、第１気筒１１の現サイクルの燃焼筒内圧力値とに基づいて、第１気筒１１の正味平均有効圧力値を算出する。また、第１気筒１１の排気行程の筒内力推定値に基づいて摩擦損失平均有効圧力値を算出する。

さらに、本実施形態において演算処理部３は、第１気筒１１の直前に点火処理された他の気筒（先点火気筒）の排気筒内圧力値と、先点火気筒の直前に点火処理された気筒（先々点火気筒）の排気筒内圧力値との比率に基づいて、筒内圧力推定値に基づいて算出された演算値を補正する。本実施形態においては、上述のように、第１気筒１１、第３気筒１３、第４気筒１４、第２気筒１２の順に吸入行程が開始され、これが繰り返される。このため、第１気筒１１を点火処理のための演算値を求める対象とした場合には、先点火気筒は第２気筒１２となり、先々点火気筒は第４気筒１４となる。また、演算処理部３は、先点火気筒（第２気筒１２）の排気筒内圧力値を、先々点火気筒（第４気筒）の排気筒内圧力値で割った値を上記比率として求め、この比率を補正係数として摩擦損失平均有効圧力値に乗じて摩擦損失平均有効圧力値を補正する。

なお、演算処理部３は、第２気筒１２の点火処理に用いる演算値、第３気筒１３の点火処理に用いる演算値、及び、第４気筒１４の点火処理に用いる演算値を求める場合にも、上述した第１気筒１１の点火処理に用いる演算値を求めるのと同様の演算を行う。

記憶部４は、演算処理部３によって実行される制御プログラムや各種設定データを予め記憶している不揮発性メモリや、演算処理部３が制御プログラムに従って各種処理を実行する際に、データの一時保存先に用いられる揮発性のワーキングメモリを有している。この記憶部４は、全ての気筒の吸入筒内圧力値、圧縮筒内圧力値、燃焼筒内圧力値及び排気筒内圧力値を一時的に記憶する。また、記憶部４は、全ての気筒の排気行程の筒内圧力推定値を少なくとも一時的に記憶する。

通信部５は、内燃機関制御装置２０との間で通信を行うものであり、演算処理部３によって算出された演算値を内燃機関制御装置２０に送信する。なお、本実施形態においては、演算処理部３において、正味平均有効圧力値と補正された摩擦損失平均有効圧力値に基づいて、ＥＧＲ率推定値やトルク推定値が求められる。また、演算処理部３において、失火検知、ノック検知、図示平均有効圧力の変動率、ＭＦＢ５０（燃焼室の燃料が半分燃焼したタイミング）等を求めても良い。これらは通信部５を介して内燃機関制御装置２０に送信される。この通信部５は、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信によって内燃機関制御装置２０と通信を行う。

内燃機関制御装置２０は、ＥＧＲ率推定値、トルク推定値、失火検知、ノック検知、図示平均有効圧力の変動率、ＭＦＢ５０等に基づいて算出された結果から点火処理の制御信号を生成すると共に、制御信号を内燃機関１０に向けて出力する。例えば、内燃機関制御装置２０は、通信部５から受信したデータから最大トルク発生角度と、最大熱発生角度（ＭＦＢ５０）を得る進角量と、ノック検知による遅角量とを求め、これらから次回の点火タイミングを求め、求めた点火タイミングを示す制御信号を生成する。

続いて、図２及び図３を参照して、本実施形態の燃焼演算装置１を用いて次サイクルの第１気筒１１の点火処理を行うまでの動作について説明する。図２は、本実施形態の燃焼演算装置１の動作を説明するための工程図である。また、図３は、本実施形態の燃焼演算装置１の処理系統図である。

図２に示すように、本実施形態の燃焼演算装置１において演算処理部３は、第１気筒１１の前サイクルの排気行程において、排気筒内圧力値を取得して記憶部４に記憶させる。続いて、演算処理部３は、第１気筒１１の現サイクルの吸入行程にて吸入筒内圧力値を取得して記憶部４に記憶させ、第１気筒１１の現サイクルの圧縮行程にて圧縮筒内圧力値を取得し記憶部４に記憶させ、第１気筒１１の現サイクルの燃焼行程にて燃焼筒内圧力値を取得し記憶部４に記憶させる。なお、演算処理部３は、第１気筒１１の筒内圧力値を取得するのと並行して、第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４の筒内圧力値も取得して記憶部４に記憶させる。

続いて演算処理部３は、図２に示すように、第１気筒１１の現サイクルの排気行程において、第１気筒１１の点火処理のための燃焼演算を行う。また、演算処理部３は、燃焼演算と並行して、第１気筒１１の現サイクルの排気筒内圧力値を次々サイクルの点火処理のために記憶部４に記憶させる。

演算処理部３は、燃焼演算において、図３に示すように、第１気筒１１の現サイクルの吸入筒内圧力値と、第１気筒１１の現サイクルの圧縮筒内圧力値と、第１気筒１１の現サイクルの燃焼筒内圧力値とに基づいて、正味平均有効圧力値を算出する。また、演算処理部３は、燃焼演算において、図３に示すように、筒内圧力推定値から摩擦損失平均有効圧力値を算出する。ここで、本実施形態において演算処理部３は、前サイクルの排気行程で取得した排気筒内圧力値を筒内圧力推定値として用いる。さらに、演算処理部３は、直前の先点火気筒（第２気筒１２）の排気筒内圧力値と、先々点火気筒（第４気筒）の排気筒内圧力値で割った値を補正係数として求め、この補正係数を摩擦損失平均有効圧力値に乗じて摩擦損失平均有効圧力値を補正する。

演算処理部３は、上述のようにして求めた正味平均有効圧力値と、補正後の摩擦損失平均有効圧力値とに基づいてＥＧＲ率推定値やトルク推定値を求め、当該ＥＧＲ率推定値やトルク推定値を通信部５に内燃機関制御装置２０に向けて送信させる。内燃機関制御装置２０では、通信部５から受信したＥＧＲ率推定値やトルク推定値に基づいて点火処理に関する制御信号を生成し、次サイクルの吸入行程にて、制御信号を内燃機関１０に入力する。なお、内燃機関制御装置２０は、点火処理後に必要なデータを、通信部５を通じて演算処理部３に送信する。

なお、演算処理部３は、第２気筒１２の点火処理に用いる演算値、第３気筒１３の点火処理に用いる演算値、及び、第４気筒１４の点火処理に用いる演算値を求める場合にも、上述した第１気筒１１の点火処理に用いる演算値を求めるのと同様の演算を行う。

以上のような本実施形態の燃焼演算装置１によれば、次サイクルの点火処理や燃料噴射処理に用いる演算値を算出するために、現サイクルの吸入行程、圧縮行程及び燃焼行程で得られた筒内圧力値を用いるが、現サイクルの排気行程で得られる筒内圧力値は用いず、これに換えて筒内圧力推定値を用いる。つまり、本実施形態の燃焼演算装置１によれば、現サイクルの排気行程で得られる実際の筒内圧力値を待つことなく、排気行程の筒内圧力推定値を用いて次サイクルの制御に用いる演算値を算出することができる。このような本実施形態の燃焼演算装置１によれば、現サイクルの排気行程の間に次サイクルの制御に用いる演算値を算出することができ、現サイクルの内燃機関１０の状況に応じて次サイクルの内燃機関１０の点火タイミング等を決定することができる。よって、本実施形態の燃焼演算装置１によれば、内燃機関１０を制御する際の制御遅れを短縮することができる。

また、本実施形態の燃焼演算装置１においては、筒内圧力推定値として、現サイクルよりも前のサイクルにおける排気行程での筒内圧力値を用いている。このため、現サイクルの排気行程での筒内圧力と極めて近い排気筒内圧力値を筒内圧力推定値として用いることができ、より正確な点火処理や燃料噴射処理を行うことが可能となる。

また、本実施形態の燃焼演算装置１においては、燃焼演算を行う段階で既知データである先点火気筒（第２気筒１２）の排気筒内圧力値と、先々点火気筒（第４気筒）の排気筒内圧力値とに基づいて、摩擦損失平均有効圧力値の補正を行っている。このため、内燃機関１０の出力変化が所定の閾値を超えるような内燃機関１０の過渡期であっても、より正確に点火処理や燃料噴射処理を行うことが可能となる。なお、このような摩擦損失平均有効圧力値の補正は、内燃機関１０の出力変化が所定の閾値を超えるような過渡期（例えば車両の加速時）には少なくとも実施することが望ましい。ただし、内燃機関１０の出力変化が所定の閾値を超えない場合には、必ずしも摩擦損失平均有効圧力値の補正を行う必要はない。

また、本実施形態の燃焼演算装置１においは、先点火気筒（第２気筒１２）の排気筒内圧力値と、先々点火気筒（第４気筒）の排気筒内圧力値で割った値を補正係数として求めている。このため、最も直近における点火処理を摩擦損失平均有効圧力値に反映させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、気筒が４つの内燃機関１０を制御するのに用いる演算値を求める構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、気筒の数は任意に変更可能である。

１……燃焼演算装置、２……Ａ／Ｄ変換器、３……演算処理部、４……記憶部、５……通信部、１０……内燃機関、１１……第１気筒、１２……第２気筒、１３……第３気筒、１４……第４気筒、１５……筒内圧センサ、２０……内燃機関制御装置

Claims (4)

1. 内燃機関の制御に用いる演算値を算出する燃焼演算装置であって、
   前記内燃機関の現サイクルの吸入行程、現サイクルの圧縮行程及び現サイクルの燃焼行程で得られた筒内圧力値と、排気行程の筒内圧力推定値とに基づいて、現サイクルの排気行程中に次サイクルの制御に用いる前記演算値を算出することを特徴とする燃焼演算装置。
2. 前記筒内圧力推定値として、前記現サイクルよりも前のサイクルにおける排気行程での筒内圧力値を用いることを特徴とする請求項１記載の燃焼演算装置。
3. 少なくとも前記内燃機関の出力変化が所定の閾値を超える過渡期に、既知データに基づいて前記筒内圧力推定値に基づいて算出された演算値を補正することを特徴とする請求項１または２記載の燃焼演算装置。
4. 前記内燃機関が複数の気筒を有し、
   前記演算値を求める対象とされた前記気筒の直前に点火処理された先点火気筒の排気行程での前記筒内圧力値と、前記先点火気筒の直前に点火処理された先々点火気筒の排気行程での前記筒内圧力値との比率に基づいて、前記筒内圧力推定値に基づいて算出された演算値を補正する
   ことを特徴とする請求項３記載の燃焼演算装置。

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