JP4803100B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内圧力を検出する筒内圧センサを含む内燃機関の制御装置に関する。

従来から、比熱比を機関制御用の各種パラメータの設定に用いるにあたり、この比熱比を筒内圧力に基づいて推定する技術が提案されている。例えば特許文献１は、筒内圧力Ｐ及び筒内容積Ｖに基づいて比熱比κを推定し、この比熱比κからＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation, 排気ガス再循環）率を求めて動弁機構を制御する構成を開示しており、また、推定した比熱比から標準状態での比熱比を減じた値が予め定められた閾値を上回った場合に、燃料の重質度が高いと判断して点火時期を遅角させる構成を開示している。また特許文献２は、筒内圧力及び筒内容積に基づいて、断熱変化を仮定した場合に比熱比κに相当する物理量であるポリトロープ指数ｎを算出し、同指数と空燃比との既知の関係から、空燃比を求める構成を開示している。

特開２００５−３５１１４５号公報 特開平３−２３３４９号公報

しかし、比熱比κは混合気の空燃比Ａ／Ｆと相関があり、空燃比Ａ／Ｆが大（リーン）であるほど、比熱比κは大となる傾向がある。このため、特許文献１のように、推定された比熱比κから固定値である標準状態の比熱比を減じた値が大である場合に、点火時期を遅角させるのでは、空燃比が大きい（リーンの）場合には火炎伝播が遅れて燃焼が不安定になる。また、特許文献２では空燃比を算出するにとどまり、算出された空燃比は点火時期の制御に反映されていない。

そこで、本発明の目的は、比熱比に基づいて機関を制御するにあたり、空燃比の影響を精度よく反映するための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、圧縮行程中の所定の少なくとも２点における筒内圧センサの検出値および前記少なくとも２点における筒内容積に基づいて、筒内に導入されている混合気の比熱比の推定値を算出する比熱比算出手段と、前記比熱比の推定値と、予め定められた基準比熱比との偏差に基づいて、点火時期を補正する点火時期補正手段と、を備えた内燃機関の制御装置であって、前記基準比熱比を、目標空燃比に応じて異なるように設定する基準比熱比設定手段と、前記比熱比の推定値と、前記設定された基準比熱比との偏差に基づいて、燃料噴射弁からの燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、を更に備えたことを特徴とする。

本発明では、基準比熱比設定手段が目標空燃比に応じて異なるように基準比熱比を設定し、点火時期補正手段は、前記比熱比の推定値と、前記設定された基準比熱比との偏差に基づいて、点火時期を補正する。このように本発明では、点火時期の補正量を決定するための基準比熱比が、車両の状態に基づいて設定される目標空燃比に応じて異なるように算出されるので、比熱比に基づいて機関を制御するにあたり、目標空燃比と現実の空燃比とのずれを好適に補正して、空燃比の影響を制御に精度よく反映することが可能になる。そして、本発明の装置は、前記比熱比の推定値と、前記設定された基準比熱比との偏差に基づいて、燃料噴射弁からの燃料噴射量を補正する噴射量補正手段を更に備えるので、比熱比の偏差として表れる目標空燃比と現実の空燃比とのずれを好適に補正することができる。

前記点火時期補正手段は、前記筒内圧センサによる筒内圧力の検出と同サイクルの点火につき前記点火時期を補正するのが好ましい。この場合には、筒内圧力が検出されたサイクルで点火時期が補正されるので、制御を迅速に収束させることができる。

前記点火時期補正手段は、前記比熱比の推定値から、前記設定された基準比熱比を減じた値が大であるほど、点火時期を進角側に補正するのが好ましい。この場合には、比熱比の推定値が基準比熱比からリーン側にかけ離れている場合であっても、火炎伝播の遅れに起因する燃焼の不安定化を抑制できる。

前記燃料噴射弁は燃料を筒内に噴射可能であり、前記噴射量補正手段は、前記筒内圧センサによる筒内圧力の検出と同サイクルの燃料噴射につき前記燃料噴射量を補正するのが好ましい。この場合には、筒内圧力が検出されたサイクルで燃料噴射量が補正されるので、制御を迅速に収束させることができる。

この場合には更に、前記噴射量補正手段による補正分の燃料を前記燃料噴射弁に噴射させる追加噴射手段を更に備えるのが好ましい。この場合には、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。

噴射量補正手段を備える場合には、前記噴射量補正手段は、前記筒内圧センサによる筒内圧力の検出よりも後のサイクルの燃料噴射につき前記燃料噴射量を補正してもよい。この場合には、筒内圧力の検出と同サイクルで噴射量を補正する場合に比べて制御の迅速性は劣るが、ポート噴射式の内燃機関についても適用できる点で有利である。ただし、この構成は筒内噴射式の内燃機関についても適用が可能であることはいうまでもない。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の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第１実施形態の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、ガソリンを燃料とする。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６（排気マニホールド）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、可変バルブタイミング機構を含む動弁機構ＶＭ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、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Ｌ１が接続されており、給気ラインＬ１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Ｌ１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、例えば三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよび例えば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。

更に、内燃機関１は、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、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配置されている。また、内燃機関１の各ピストン４は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面に、凹部４ａを有している。そして、内燃機関１では、各燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ１２から各燃焼室３内のピストン４の凹部４ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。

これにより、内燃機関１では、点火プラグ７の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる直噴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、本発明が吸気管（吸気ポート）噴射式の内燃機関に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ＶＭ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、内燃機関１のクランク角センサ１４及び不図示のアクセルペダルセンサを始めとした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、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ＶＭ等を制御する。

また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子、磁歪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、図示されないＡ／Ｄ変換器等を介してＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、燃焼室３内でその受圧面に加わる圧力（筒内圧力）を大気圧に対する相対値として出力するものであり、その受圧面に加わる圧力（筒内圧力）に応じた電圧信号（検出値を示す信号）をＥＣＵ２０に与える。

更に、内燃機関１は、サージタンク８内の吸入空気の圧力（吸気圧）を絶対圧力として検出する吸気圧センサ１６を有している。吸気圧センサ１６も、図示されないＡ／Ｄ変換器等を介してＥＣＵ２０に電気的に接続されており、検出したサージタンク８内の吸入空気の絶対圧力を示す信号をＥＣＵ２０に与える。なお、クランク角センサ１４、吸気圧センサ１６の検出値は、微小時間おきに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。また、各筒内圧センサ１５の検出値（筒内圧力）は、吸気圧センサ１６の検出値に基づいて絶対圧補正された上で、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。

ＥＣＵ２０のＲＯＭには、図２に示されるように予め作成された目標空燃比‐比熱比マップが格納されている。同マップは、目標空燃比Ａ／Ｆを入力変数とし、その値に対応して比熱比κ０を読み出すことができるように構成されている。図２に明らかなように同マップでは、基準比熱比κ０は目標空燃比Ａ／Ｆに応じて異なるように、且つ、目標空燃比Ａ／Ｆが大であるほど基準比熱比κ０が大となるように設定されている。またＥＣＵ２０のＲＯＭには更に、車両の運転状態（例えばアクセルペダルの踏み込み量及びエンジン回転数）に基づいて目標空燃比を算出するためのプログラム、及びクランク角から対応する筒内容積を算出するためのマップを含む各種の関数およびプログラムが格納されている。

次に、図３を参照しながら、上述の内燃機関１において点火時期と燃料噴射量とを補正する手順について説明する。内燃機関１を始動させるように不図示のイグニッションキーが操作されると、ＥＣＵ２０によって図３に示される点火時期・噴射量補正処理が、各気筒の燃焼サイクルごとに繰返し実行される。

図３において、ＥＣＵ２０は、まず、インジェクタ１２による燃料噴射を実行する（Ｓ１０)。ここでの燃料噴射量は、アクセルペダルセンサによって検出されるアクセルペダルの踏込み量と、クランク角センサ１４によって検出されるエンジン回転数とに基づいて算出される。次にＥＣＵ２０は、動弁機構ＶＭにより吸気弁Ｖｉの閉動作を実行する（Ｓ２０）。なお、ここでの燃料噴射すなわち主噴射は、吸気弁Ｖｉの閉弁後かつ筒内圧Ｐの検出前に行われてもよい（圧縮行程噴射）。

吸気弁Ｖｉが完全に閉じられると、ＥＣＵ２０は気筒ごとに、予め定められた複数のクランク角において、筒内圧センサ１５の検出値である筒内圧Ｐを取得し（Ｓ３０）、所定の記憶領域に格納する。本実施形態では、圧縮行程中の２点であるクランク角θ１，θ２において、筒内圧Ｐ１，Ｐ２が検出される。

次にＥＣＵ２０は、取得した筒内圧Ｐ１，Ｐ２、及びそれらの検出時点における筒内容積Ｖ１，Ｖ２に基づいて、次の数式（１）により比熱比κが算出される。比熱比κは、図４における圧縮行程（点ａ〜点ｂ）におけるｌｏｇＶ‐ｌｏｇＰ曲線の傾きとして算出される。筒内容積Ｖ１，Ｖ２は、筒内圧Ｐ１，Ｐ２の取得時点のクランク角θ１，θ２から、上述したマップによって一義的に算出することができる。

次にＥＣＵ２０は、算出された比熱比κから、目標空燃比に基づいて算出される基準比熱比κ０を減算して、偏差Δκを算出する（Ｓ５０）。目標空燃比は、上述のとおりアクセルペダルの踏み込み量及びエンジン回転数に基づいて算出され、この目標空燃比によって上述の目標空燃比‐比熱比マップ（図２）を検索することにより、基準比熱比κ０が算出される。図２に明らかなように、基準比熱比κ０は目標空燃比に応じて異なるように設定される。また、図２に示されるように、推定される比熱比κは同マップ上の基準比熱比κ０とは多くの場合一致せず、両者は偏差Δκを有することになる。

次に、このようにして算出された偏差Δκが、正の微小な値である所定値αを下回るかが判断され（Ｓ６０）、否定すなわち偏差Δκが正であってある程度の大きさを有する場合には、インジェクタ１２による追加噴射が行われる（Ｓ９０）。この追加噴射は、先にステップＳ１０で行われた燃料噴射（主噴射）に追加して圧縮行程中に筒内で行われる燃料噴射である。追加噴射の燃料噴射量τａは、次の数式（２）によって算出される。ここでＫｆは予め定められた比例ゲインであって、正の値である。したがって追加噴射の燃料噴射量τａは偏差Δκに比例し、偏差Δκが大であるほど燃料噴射量τａは大きい値となる。

次にＥＣＵ２０は、点火時期の補正を行う（Ｓ７０）。この点火時期の補正は、次の数式（３）に従い、車両の運転状態に基づいて定められる点火時期ＳＡ［°ＢＴＤＣ］に、偏差Δκと比例ゲインＫｓとの積を加算することによって行われる。比例ゲインＫｓは予め定められた正の値である。したがって点火時期ＳＡの補正量は偏差Δκに比例し、偏差Δκが大であるほど進角量は大きい値となる。また、この点火時期の補正は、筒内圧センサ１５による筒内圧力の検出と同サイクルの点火タイミングにつき行われる。

このようにして補正された点火時期ＳＡに従って、ＥＣＵ２０の点火指令出力により、点火プラグ７によって点火が行われて（Ｓ８０）本ルーチンを抜ける。以上の処理の結果、本実施形態では、比熱比の推定値κと、目標空燃比に応じて設定された基準比熱比κ０との偏差Δκに基づいて、点火時期ＳＡ及び燃料噴射量がそれぞれ補正される。その結果とくに点火時期ＳＡは、図５に示されるように、空燃比Ａ／Ｆが大きい場合ほど進角されることになる。

以上のとおり、本実施形態では、目標空燃比Ａ／Ｆに応じて異なるように基準比熱比κ０を設定（Ｓ５０・図２）すると共に、比熱比の推定値κと、設定された基準比熱比κ０との偏差Δκに基づいて、点火時期ＳＡを補正する（Ｓ７０）。このように本実施形態では、点火時期ＳＡの補正量を決定するための基準比熱比κ０が、目標空燃比Ａ／Ｆに応じて異なるように算出される（図２）ので、比熱比に基づいて機関を制御するにあたり、空燃比の影響を精度よく反映することが可能になる。

また本実施形態では、筒内圧センサ１５による筒内圧力の検出と同サイクルの点火タイミングにつき点火時期ＳＡを補正するので（Ｓ７０）、制御を迅速に収束させることができる。

また本実施形態では、点火時期補正（Ｓ７０）において、比熱比の推定値κから基準比熱比κ０を減じた値が大であるほど、点火時期を進角側に補正するので、比熱比の推定値κが基準比熱比κ０からリーン側にかけ離れている場合であっても、火炎伝播の遅れに起因する燃焼の不安定化を抑制できる。

また本実施形態では、比熱比の推定値κと、設定された基準比熱比κ０との偏差Δκに基づいて、燃料噴射量を補正するので（Ｓ６０）、比熱比の偏差Δκとして表れる目標空燃比と現実の空燃比とのずれ（燃料と空気との混合の不均質に起因するものを含む）を、好適に補正することができる。

また本実施形態では、燃料噴射を行うインジェクタ１２が燃料を筒内に噴射可能であり、且つ噴射量補正（Ｓ６０）が、筒内圧センサ１５による筒内圧力の検出と同サイクルの燃料噴射につき行われるので、制御を迅速に収束させることができる。

また本実施形態では更に、補正分の燃料（噴射量τａ）をインジェクタ１２に噴射させる追加噴射を実行することとしたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図６に示される第２実施形態は、ポート噴射式の内燃機関１０１について本発明を適用したものである。第２実施形態は、噴射量の補正を、筒内圧センサ１５による筒内圧力の検出よりも後のサイクルの燃料噴射につき実行する。第２実施形態におけるインジェクタ１１２は、燃焼室外である吸気ポートに設置されている。なお第２実施形態は、残余の機械的構成が上記第１実施形態と同様であり、制御において異なるのみであるため、同一符号を付して詳細の説明を省略する。

第２実施形態の内燃機関１０１において、点火時期と燃料噴射量とを補正する手順について説明する。図７に示される点火時期・噴射量補正処理は、ＥＣＵ１２０によって各気筒の燃焼サイクルごとに繰返し実行される。

図７の処理ルーチンの初期状態においては、偏差Δκは０に初期化されている。このため、初期状態の最初のサイクルでは、ステップＳ１００の処理は実質的にスキップされ、ここでの噴射量補正処理は行われない。

ステップＳ１１０からＳ１５０までの処理は、上記第１実施形態におけるステップＳ１１０からＳ５０までと同様である。すなわちＥＣＵ１２０は、燃料噴射を行い（Ｓ１１０）、吸気弁Ｖｉが閉じた後に（Ｓ１３０）、２点での筒内圧Ｐを計測し（Ｓ１３０）、比熱比κを算出し（Ｓ１４０）、偏差Δκを算出する（Ｓ１５０）。

そしてＥＣＵ１２０は、算出された偏差ΔκをＥＣＵ１２０の不揮発性メモリに記憶する（Ｓ１５５）。この記憶された偏差Δκは、次の燃焼サイクルにおける燃料噴射量の補正（Ｓ１００）において用いられることになる。

続くステップＳ１７０及びＳ１８０の処理は、上記第１実施形態におけるステップＳ７０及びＳ８０の処理と同様である。

次の燃焼サイクルにおいては、まずＥＣＵ１２０は、前サイクルで記憶されている偏差Δκを用いて、次の数式（４）に従い、燃料噴射量の補正を実行する（Ｓ１００）。ここでＫｆは予め定められた比例ゲインであって、正の値である。

このようにして補正された燃料噴射量τに従って、ステップＳ１１０の燃料噴射が実行される。

以上の処理の結果、本実施形態では、比熱比の推定値κと、目標空燃比に応じて設定された基準比熱比κ０との偏差Δκに基づいて、点火時期ＳＡ及び燃料噴射量がそれぞれ補正されることになる。

以上のとおり、本実施形態では、筒内圧センサ１５による筒内圧Ｐの検出よりも後のサイクルの燃料噴射につき、燃料噴射量τを補正するので、筒内圧Ｐの検出と同サイクルで噴射量を補正する場合に比べて制御の迅速性は劣るが、ポート噴射式の内燃機関１０１について本発明を適用できる点で有利である。なお、本実施形態のように筒内圧Ｐの検出よりも後のサイクルの燃料噴射につき、燃料噴射量τを補正する構成は、図１に示されるような筒内噴射式の内燃機関についても適用が可能であることはいうまでもない。

なお、上記各実施形態では、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、上記各実施形態では比例ゲインＫｆ，Ｋｓを固定値としたが、これらの値を車両の運転状態や燃料の性状に応じて、マップや関数等の手段により可変してもい。

また、上記実施形態ではガソリン燃料を使用する車両の内燃機関に本発明を適用した例について説明したが、本発明は他の種類の燃料を用いる内燃機関、ガソリンとアルコールとの混合燃料など複数種類の燃料を使用可能な内燃機関、あるいは各種内燃機関を駆動源として含むハイブリッド車についても適用可能である。

本発明の第１実施形態の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。 目標空燃比‐比熱比マップの構成例を示すグラフである。 第１実施形態における点火時期・噴射量補正処理を示すフローチャートである。 燃焼サイクルにおける筒内圧Ｐと筒内容積Ｖとの関係を示すｌｏｇＰ‐ｌｏｇＶグラフである。 第１実施形態によって補正された点火時期ＳＡと空燃比Ａ／Ｆの関係を示すグラフである。 第２実施形態の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。 第２実施形態における点火時期・噴射量補正処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
１６ 吸気圧センサ
２０ ＥＣＵ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁
ＶＭ 動弁機構

Claims (6)

1. 圧縮行程中の所定の少なくとも２点における筒内圧センサの検出値および前記少なくとも２点における筒内容積に基づいて、筒内に導入されている混合気の比熱比の推定値を算出する比熱比算出手段と、
   前記比熱比の推定値と、予め定められた基準比熱比との偏差に基づいて、点火時期を補正する点火時期補正手段と、
   を備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記基準比熱比を、目標空燃比に応じて異なるように設定する基準比熱比設定手段と、
   前記比熱比の推定値と、前記設定された基準比熱比との偏差に基づいて、燃料噴射弁からの燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、
   を更に備えた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、
   前記点火時期補正手段は、前記筒内圧センサによる筒内圧力の検出と同サイクルの点火につき前記点火時期を補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記点火時期補正手段は、前記比熱比の推定値から、前記設定された基準比熱比を減じた値が大であるほど、点火時期を進角側に補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記燃料噴射弁は燃料を筒内に噴射可能であり、
   前記噴射量補正手段は、前記筒内圧センサによる筒内圧力の検出と同サイクルの燃料噴射につき前記燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記噴射量補正手段による補正分の燃料を前記燃料噴射弁に噴射させる追加噴射手段を更に備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記噴射量補正手段は、前記筒内圧センサによる筒内圧力の検出よりも後のサイクルの燃料噴射につき前記燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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