JP5263184B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの気筒に筒内圧センサが取り付けられている内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の圧縮行程を断熱圧縮とみなし、圧縮行程中の筒内圧の変化から筒内の混合ガスの比熱比を算出することが特開２００８−２３１９９５号公報や特開２００８−２７４８１１号公報に開示されている。また、特開２００８−２３１９９５号公報には、混合ガスの比熱比とＥＧＲ濃度との間の関係を予めマップにしておき、そのマップと混合ガスの比熱比とを用いてＥＧＲガス濃度を求めることが開示されている。

特開２００８−２３１９９５号公報 特開２００８−２７４８１１号公報

しかしながら、混合ガスの比熱比とＥＧＲ濃度との間の関係は必ずしも一定ではなく、その関係は空燃比に依存する。空燃比が変化すれば混合ガスの組成が変化し、それに伴って比熱も変化することになる。したがって、特開２００８−２３１９９５号公報に開示された技術において正確なＥＧＲ率やＥＧＲ濃度を算出できるとすれば、それは空燃比が一定に、すなわち目標値に制御されている場合であり、そうでない限りはＥＧＲ率やＥＧＲ濃度を精度良く算出することは難しい。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、筒内圧センサによる測定データを用いてＥＧＲ率を精度良く算出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。

上記目的のために、第１の発明の内燃機関の制御装置は、
少なくとも１つの気筒に筒内圧センサが取り付けられている内燃機関の制御装置であって、
前記筒内圧センサが取り付けられた気筒の燃焼終了時点から当該気筒の排気弁が開くまでの期間において前記筒内圧センサによる測定データを取得し、得られた測定データを用いて筒内の燃焼ガスの比熱比を算出する燃焼ガス比熱比算出手段と、
燃焼ガスの比熱比とＥＧＲ率との間の関係に基づいて、前記燃焼ガス比熱比算出手段によって算出された燃焼ガスの比熱比からＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明の内燃機関の制御装置は、第１の発明の内燃機関の制御装置において、
前記筒内圧センサが取り付けられた気筒の吸気弁が閉じてから当該気筒の燃焼開始時点までの期間において前記筒内圧センサによる測定データを取得し、得られた測定データを用いて筒内の混合ガスの比熱比を算出する混合ガス比熱比算出手段と、
混合ガスの比熱比と空燃比とＥＧＲ率との間の関係に基づいて、前記混合ガス比熱比算出手段によって算出された混合ガスの比熱比と前記ＥＧＲ率算出手段によって算出されたＥＧＲ率とから空燃比を算出する空燃比算出手段と、
をさらに備えることを特徴としている。

第３の発明の内燃機関の制御装置は、第１又は第２の発明の内燃機関の制御装置において、
前記筒内圧センサが取り付けられた気筒の失火を検出する失火検出手段をさらに備え、
前記ＥＧＲ率算出手段は、前記失火検出手段によって失火が検出された場合にはＥＧＲ率の算出を中止することを特徴としている。

燃焼終了時点から排気弁が開くまでの期間の筒内圧を筒内圧センサによって測定すれば、その測定データからは燃焼ガスの比熱比を算出することができる。燃焼ガスの比熱比とＥＧＲ率との間には、空燃比に依存しない一定の関係がある。第１の発明の内燃機関の制御装置はこの関係をＥＧＲ率の計算に利用するので、筒内圧センサによる測定データを用いた精度の高いＥＧＲ率の計算が可能となる。

吸気弁が閉じてから燃焼開始時点までの期間の筒内圧を筒内圧センサによって測定すれば、その測定データからは燃焼前の混合ガスの比熱比を算出することができる。混合ガスの比熱比と空燃比とＥＧＲ率との間には一定の関係がある。第２の発明の内燃機関の制御装置はこの関係を空燃比の計算に利用するので、筒内圧センサによる測定データを用いた精度の高い空燃比の計算が可能となる。

失火が発生したときには筒内ガスの多くは未燃ガスになるため、筒内圧センサによる測定データを得たとしても燃焼ガスの比熱比を正しく算出することはできない。第３の発明の内燃機関の制御装置によれば、失火の発生時にはＥＧＲ率の計算は中止され、前回算出値が用いられるので、不正確な比熱比に基づいて誤ったＥＧＲ率が算出されることは防止される。

本発明の実施の形態の制御層装置が適用される内燃機関を示す図である。 燃焼ガスの比熱比とＥＧＲ率との間にある関係を示す図である。 混合ガスの比熱比と空燃比とＥＧＲ率との間にある関係を示す図である。 筒内圧センサによる測定データから空燃比を算出する手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図４の各図を参照して説明する。

図１は、本実施の形態の制御装置が適用される内燃機関（以下、単にエンジンという）を示す図である。図１に示すエンジンは、スパークプラグ６を備えた火花点火式の４ストロークレシプロエンジンである。また、筒内に燃料を直接噴射する燃料直噴インジェクタ７を備えた筒内直噴エンジンでもある。図１では１つの気筒のみが描かれているが、一般的な車両用のエンジンは複数の気筒から構成されている。そのうち少なくとも１つの気筒には筒内圧を測定するための筒内圧センサ５が取り付けられている。また、このエンジンには、クランク軸の回転角に応じて信号を出力するクランク角度センサ８と、ノックの発生を検出するためのノックセンサ９とが取り付けられている。クランク角度センサ８の信号ＣＡからは、エンジン回転数（単位時間当たり回転数）や、ピストンの位置によって決まる筒内容積を計算することができる。気筒に接続された吸気通路の入口にはエアクリーナ１が設けられ、エアクリーナ１の下流にスロットルバルブ２が配置されている。スロットルバルブ２の下流にはサージタンク４が設けられていて、サージタンク４には吸気圧を測定するための吸気圧センサ３が取り付けられている。一方、気筒に接続された排気通路には２つの触媒１０，１１が配置されている。また、このエンジンの排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路にはＥＧＲクーラ１３とＥＧＲバルブ１２とが設けられている。ＥＧＲクーラ１３にはその冷却水温を測定するための水温センサ１４が取り付けられている。また、このエンジンは制御装置としての演算処理装置２０を備えている。演算処理装置２０は各センサ３，５，８，９，１４からの信号を処理し、その処理結果を各アクチュエータ２，６，７，１２の操作に反映させている。

演算処理装置２０は、筒内圧センサ５による測定データからエンジンのＥＧＲ率とＡ／Ｆ（空燃比）とを算出する機能を有している。ただし、ここでいうＥＧＲ率とは、総ＥＧＲ率、すなわち内部ＥＧＲガス、外部ＥＧＲガス及び残留ガスを加えた総ＥＧＲガスの筒内ガスに対する比率を意味する。以下、演算処理装置２０によるＥＧＲ率の計算方法とＡ／Ｆの計算方法とについて説明する。

まず、演算処理装置２０によるＥＧＲ率の計算方法から説明する。特開２００８−２３１９９５号公報に開示されている従来の方法は、混合ガスの比熱比を算出し、それを用いてＥＧＲ濃度（ＥＧＲ率）を計算するものであった。それとは異なり、本実施の形態では、ＥＧＲ率の計算は燃焼前の混合ガスの比熱比ではなく、混合ガスが燃焼して生成された燃焼ガスの比熱比を用いて行われる。

図２は、燃焼ガスの比熱比とＥＧＲ率との間にある関係について調べた実験結果を示す図である。実験では、Ａ／Ｆが１４．５の場合、１６．０の場合、１９．０の場合のそれぞれについて異なる数点のＥＧＲ率のもとで運転を行い、そのそれぞれについて燃焼ガスの比熱比を調べた。

燃焼ガスの比熱比は、膨張行程、より詳しくは、燃焼終了時点から排気弁が開くまでの期間の筒内圧力の変化から計算することができる。次の式１は、燃焼ガスの比熱比κ_ｅｘｐを筒内圧センサ５の測定値から算出するための式である。燃焼終了時点から排気弁が開くまでの期間は断熱膨張とみなすことができるので、ポリトロープ指数によって燃焼ガスの比熱比κ_ｅｘｐを近似することができる。式１において、Ｐ_１、Ｐ_２は膨張行程中の異なる２点で得られた筒内圧センサ５の測定値であり、Ｖ_１、Ｖ_２は各測定時点での筒内容積である。測定値を得る２点は任意に選定できるが、好ましくは、Ｓ／Ｎ比の良い点（具体例としては、他気筒の燃料噴射によるノイズや点火ノイズ等が重畳しない点）を選択する。なお、ここでは比熱比κ_ｅｘｐを計算するための筒内圧の測定点を２点としているが、３点以上の測定点をとって最小二乗法によって比熱比κ_ｅｘｐを計算してもよい。
κ_ｅｘｐ＝−（ｌｎＰ_２−ｌｎＰ_１）／（ｌｎＶ_２−ｌｎＶ_１） ・・・式１

図２に示す実験結果から先ず確認できることは、ＥＧＲ率を増大させると燃焼ガスの比熱比は低下することである。これは、一般的にガスの比熱比はその構成原子数が多くなるにつれて減少するところ、ＥＧＲが導入されるとＣＯ_２やＨ_２Ｏ等の構成原子数が多い成分が増加するためである。

また、図２に示す実験結果からは、燃焼ガスの比熱比とＥＧＲ率との間の関係はＡ／Ｆに依存しないことが確認できる。これは、比熱比に大きく影響するのはＣＯ_２やＣＯであり、燃焼ガス内でのそれらの濃度はＡ／Ｆによらず略同じになるからである。一方、Ａ／ＦがリーンになるにつれＯ_２濃度は増加するが、Ｏ_２の比熱比に与える影響は小さいために比熱比の変化となっては現れない。

さらに、図２に示す実験結果からは、失火が発生した場合にはＥＧＲ率に対する比熱比の計算精度が大きく低下することも確認できる。これは、失火が発生したときには筒内ガスの多くは未燃ガスになるためである。

以上の考察の結果、燃焼が安定している状況では、燃焼ガスの比熱比とＥＧＲ率との間にはＡ／Ｆに依存しない一定の関係があることが分かった。その関係を利用すれば、筒内圧センサ５による測定データから燃焼ガスの比熱比を算出するだけで、Ａ／Ｆを考慮することなく一意にＥＧＲ率を求めることが可能となる。本実施の形態では、図２のグラフに示すような燃焼ガスの比熱比とＥＧＲ率との間の関係が予めマップにされ、それを演算処理装置２０に記憶させている。演算処理装置２０は、膨張行程で得た筒内圧センサ５の測定値を前述の式１に代入し、燃焼ガスの比熱比κ_ｅｘｐを算出する。そして、記憶しているマップ（以下、ＥＧＲ率マップという）を用いて、燃焼ガスの比熱比κ_ｅｘｐからエンジンのＥＧＲ率を算出する。

次に、演算処理装置２０によるＡ／Ｆの計算方法を説明する。本実施の形態でＡ／Ｆの計算に用いられる情報は、先に算出したＥＧＲ率と燃焼前の混合ガスの比熱比である。

図３は、混合ガスの比熱比とＡ／ＦとＥＧＲ率との間にある関係について調べた実験結果を示す図である。実験では、Ａ／Ｆが１４．５の場合、１６．０の場合、１９．０の場合のそれぞれについて異なる数点のＥＧＲ率のもとで運転を行い、そのそれぞれについて混合ガスの比熱比を調べた。

燃焼前の混合ガスの比熱比は、圧縮行程、より詳しくは、吸気弁が閉じてから燃焼開始時点までの期間の筒内圧力の変化から計算することができる。次の式２は、混合ガスの比熱比κ_ｃｏｍｐを筒内圧センサ５の測定値から算出するための式である。吸気弁が閉じてから燃焼開始時点までの期間は断熱圧縮とみなすことができるので、ポリトロープ指数によって混合ガスの比熱比κ_ｃｏｍｐを近似することができる。式２において、Ｐ_１、Ｐ_２は圧縮行程中の異なる２点で得られた筒内圧センサ５の測定値であり、Ｖ_１、Ｖ_２は各測定時点での筒内容積である。測定値を得る２点は任意に選定できるが、好ましくは、Ｓ／Ｎ比の良い点（具体例としては、他気筒の燃料噴射によるノイズや点火ノイズ等が重畳しない点）を選択する。なお、ここでは比熱比κ_ｃｏｍｐを計算するための筒内圧の測定点を２点としているが、３点以上の測定点をとって最小二乗法によって比熱比κ_ｃｏｍｐを計算してもよい。
κ_ｃｏｍｐ＝−（ｌｎＰ_４−ｌｎＰ_３）／（ｌｎＶ_４−ｌｎＶ_３） ・・・式２

図３に示す実験結果から先ず確認できることは、ＥＧＲ率を増大させると混合ガスの比熱比は低下することである。これは、一般的にガスの比熱比はその構成原子数が多くなるにつれて減少するところ、ＥＧＲが導入されるとＣＯ_２やＨ_２Ｏ等の構成原子数が多い成分が増加するためである。

また、図３に示す実験結果からは、混合ガスの比熱比とＥＧＲ率との間の関係はＡ／Ｆに依存することが確認できる。Ａ／Ｆがリーンになるにつれ混合ガスの比熱比は空気の比熱比（約１．４）に漸近するようになる。

以上のように、混合ガスの比熱比とＡ／ＦとＥＧＲ率との間には一定の関係がある。その関係を利用すれば、前述の方法でＥＧＲ率を算出し、さらに、筒内圧センサ５による測定データから混合ガスの比熱比を算出することによって一意にＡ／Ｆを求めることが可能となる。本実施の形態では、図３のグラフに示すような混合ガスの比熱比とＡ／ＦとＥＧＲ率との間の関係が予めマップにされ、それを演算処理装置２０に記憶させている。演算処理装置２０は、前述の方法でＥＧＲ率を算出し、さらに、圧縮行程で得た筒内圧センサ５の測定値を前述の式２に代入して混合ガスの比熱比κ_ｃｏｍｐを算出する。そして、記憶しているマップ（以下、Ａ／Ｆマップという）を用いて、ＥＧＲ率と混合ガスの比熱比κ_ｃｏｍｐとからエンジンのＡ／Ｆを算出する。

以下、演算処理装置２０が筒内圧センサ５による測定データからエンジンのＥＧＲ率とＡ／Ｆとを算出する際の一連の処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。なお、以下に説明する一連の処理は、筒内圧センサ５が取り付けられている気筒毎に行われる処理である。したがって、筒内圧センサ５が全気筒に取り付けられている場合には、演算処理装置２０は気筒毎に以下の処理を実施する。

最初のステップＳ２では、演算処理装置２０は、筒内圧センサ５が取り付けられている気筒、すなわち、対象気筒において失火が発生していないかどうか判定する。失火の判定方法には限定はない。失火の発生が検出された場合には、演算処理装置２０は以降のステップの計算をスキップして前回算出値を用いる。失火が発生したときには筒内圧センサ５による測定データを得たとしても燃焼ガスの比熱比を正しく算出することはできないからである。以降のステップの計算を中止することで、不正確な比熱比に基づいて誤ったＥＧＲ率及びＡ／Ｆが算出されることは防止される。

失火が発生していない場合、演算処理装置２０は、ステップＳ４以降の処理を実行する。まず、ステップＳ４では、演算処理装置２０は燃焼終了時点から排気弁が開くまでの期間における筒内圧を筒内圧センサ５によって測定し、その測定データから前述の式１によって燃焼ガスの比熱比κ_ｅｘｐを算出する。

次のステップＳ６では、演算処理装置２０はステップＳ４で得た燃焼ガスの比熱比κ_ｅｘｐをキーにしてＥＧＲ率マップを検索し、燃焼ガスの比熱比κ_ｅｘｐに対応するＥＧＲ率を得る。

次のステップＳ８では、演算処理装置２０は吸気弁が開いてから燃焼開始時点までの期間における筒内圧を筒内圧センサ５によって測定し、その測定データから前述の式２によって混合ガスの比熱比κ_ｃｏｍｐを算出する。

そして、ステップＳ１０では、演算処理装置２０はステップＳ６で得たＥＧＲ率とステップＳ８で得た混合ガスの比熱比κ_ｃｏｍｐとをキーにしてＡ／Ｆマップを検索し、ＥＧＲ率と混合ガスの比熱比κ_ｃｏｍｐとに対応するＡ／Ｆを得る。

以上説明した本実施の形態の方法によれば、筒内圧センサ５による測定データを用いた精度の高いＥＧＲ率の計算が可能であり、さらに、その計算結果を用いて精度の高いＡ／Ｆの計算を行うことができる。また、本実施の形態の方法によれば、ＥＧＲ率及びＡ／Ｆをサイクル毎に求めることができ、さらに筒内圧センサ５が全ての気筒に設けられている場合には、気筒毎にＥＧＲ率及びＡ／Ｆを求めることもできる。

したがって、本実施の形態によれば、目標Ａ／Ｆとなるよう燃料直噴インジェクタ７による燃料噴射量を増減する制御や、目標ＥＧＲ率になるようＥＧＲバルブ１２を開閉する制御を高い精度で計算されたＥＧＲ率及びＡ／Ｆに基づいて緻密に行うことができる。つまり、本実施の形態によれば、緻密な燃焼制御を行うことができる。

さらに、本実施の形態によれば、筒内圧センサ５による測定データからＡ／Ｆを算出することができるので、排気通路からＡ／Ｆセンサを省略することもできる。また、Ａ／Ｆを得るために使用する筒内圧センサ５はＡ／Ｆセンサのような活性時間を必要としないので、本実施の形態によれば、冷間始動時も含めた全ての運転条件においてＡ／Ｆ制御を行うことが可能であり、排気ガス性能の向上が期待できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

また、本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明の適用は可能である。また、火花点火式のエンジンに限らず、圧縮自着火式のエンジンにも本発明を適用することができる。

１ エアクリーナ
２ スロットルバルブ
３ 吸気圧センサ
４ サージタンク
５ 筒内圧センサ
６ スパークプラグ
７ 燃料直噴インジェクタ
８ クランク角センサ
９ ノックセンサ
１０，１１ 触媒
１２ ＥＧＲバルブ
１３ ＥＧＲクーラ
１４ 水温センサ
２０ 演算処理装置

Claims (3)

1. 少なくとも１つの気筒に筒内圧センサが取り付けられている内燃機関の制御装置であって、
   前記筒内圧センサが取り付けられた気筒の燃焼終了時点から当該気筒の排気弁が開くまでの期間において前記筒内圧センサによる測定データを取得し、得られた測定データを用いて筒内の燃焼ガスの比熱比を算出する燃焼ガス比熱比算出手段と、
   燃焼ガスの比熱比とＥＧＲ率との間の関係に基づいて、前記燃焼ガス比熱比算出手段によって算出された燃焼ガスの比熱比からＥＧＲ率を算出するＥＧＲ率算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記筒内圧センサが取り付けられた気筒の吸気弁が閉じてから当該気筒の燃焼開始時点までの期間において前記筒内圧センサによる測定データを取得し、得られた測定データを用いて筒内の混合ガスの比熱比を算出する混合ガス比熱比算出手段と、
   混合ガスの比熱比と空燃比とＥＧＲ率との間の関係に基づいて、前記混合ガス比熱比算出手段によって算出された混合ガスの比熱比と前記ＥＧＲ率算出手段によって算出されたＥＧＲ率とから空燃比を算出する空燃比算出手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記筒内圧センサが取り付けられた気筒の失火を検出する失火検出手段をさらに備え、
   前記ＥＧＲ率算出手段は、前記失火検出手段によって失火が検出された場合にはＥＧＲ率の算出を中止することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。

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