JP5988721B2

JP5988721B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5988721B2
Application number: JP2012138527A
Authority: JP
Inventors: 無限太古
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: JP2014001705A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。特に、気筒に充填されるガスの空燃比を制御する制御装置に関する。

一般に、自動車等の排気通路には、内燃機関から排出される燃焼ガス中に含まれる有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xを酸化／還元して無害化する三元触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、排出ガスの空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。

そのために、排気通路上、より具体的には触媒の下流及び／または上流に空燃比センサを設置し、当該センサの出力信号を参照した空燃比フィードバック制御を実施することが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。

燃焼ガスが発生する気筒と空燃比センサとの間には、排気マニホルドを含む流通経路が介在している。故に、気筒の燃焼室内にあるガスが空燃比センサの所在箇所に到達してこのガスの空燃比が検出されるまでの間に、ある程度の時間差が発生する。

加えて、触媒の下流側に設けた空燃比センサによりガスの空燃比を検出しようとする場合には、余剰の酸素が触媒に吸蔵され、あるいは触媒に吸蔵していた余剰の酸素が放出されることに伴い、燃焼室内のガスの空燃比の変動からかなり遅れて、空燃比センサの出力信号に変動が現れることとなる。

上記の事象は、空燃比センサの出力信号を参照したフィードバック制御の応答を遅れさせる要因となる。この応答遅れの問題は、目標空燃比が急変化する過渡期において顕在化する。

例えば、燃料カットからの復帰時には、低落したエンジン回転数を回復するべく一時的に燃料噴射量を増量して空燃比をリッチ化した後、空燃比を本来の目標である理論空燃比近傍の値に収束させることが行われる。

だが、環境条件如何によっては、空燃比をリッチから理論空燃比近傍へと変化する目標値に速やかに追従させることが難しく、燃費の低下やエミッションの悪化、機関の出力トルクの不安定化を招くことがあった。

特開２０１０−１３８７９１号公報

本発明は、気筒の燃焼室内に存在するガスの空燃比を実時間で知得することを主たる目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒の膨張行程において実測されたイオン電流信号、筒内圧または筒内温の極大値を、現在のエンジン回転数、点火タイミング及び燃料噴射量の条件の下での気筒に充填されるガスの空燃比と当該気筒の膨張行程中に検出されると予想されるイオン電流信号、筒内圧または筒内温の極大値との関係を規定するマップデータと比較して、気筒の燃焼室内にあるガスの空燃比を推算し、その推算した空燃比と目標空燃比との偏差を縮小するように実空燃比に補正を加える内燃機関の制御装置を構成した。

これにより、排気通路上の空燃比センサの出力信号を参照する場合と比較して、より早く実空燃比を知得することができる。従って、空燃比フィードバック制御の応答遅れが小さくなり、変化する目標値に空燃比を速やかに追従させることが可能となる。

並びに、本発明では、気筒の膨張行程において実測されたイオン電流信号、筒内圧または筒内温を、現在のエンジン回転数、点火タイミング及び燃料噴射量の条件の下での気筒に充填されるガスの空燃比と当該気筒の膨張行程中に検出されると予想されるイオン電流信号、筒内圧または筒内温との関係を規定するマップデータと比較して、気筒の燃焼室内にあるガスの空燃比を推算し、その推算した空燃比と、排気通路に設けられた空燃比センサを介して検出される空燃比との乖離が所定以上である場合に空燃比センサに異常があると判定する内燃機関の制御装置を構成した。

これにより、排気通路上の空燃比センサの正常／異常の判定（ダイアグノーシス）を実時間で行うことが可能となる。

本発明によれば、気筒の燃焼室内に存在するガスの空燃比を実時間で推測することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。同実施形態における火花点火装置の回路図。内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。内燃機関の気筒におけるガスの空燃比と、当該気筒における燃焼状態を示すパラメータの推移との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流（図３中実線で示す）及び気筒１内の筒内圧（燃焼室内圧力。図３中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、排気通路４における触媒４１の下流及び／または上流に設けられた空燃比センサから出力される空燃比信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、燃焼室内での燃料の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。アクセル開度信号ｃは、運転者が要求する機関出力、いわば要求負荷を示唆する。また、空燃比信号ｄを出力する空燃比センサは、気筒１から排出されて排気通路４を流通する排気ガスに接触して反応することにより、当該ガスの酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。この空燃比センサは、ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサである。周知の通り、Ｏ₂センサの出力特性は、ウィンドウの範囲では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。尤も、空燃比センサは、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、内燃機関の気筒１におけるノッキングの発生をイオン電流信号ｈを参照して感知し、ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを遅角させ、ノッキングが起こらない限りは点火タイミングを進角させる。この機能は、ノックコントロールシステムと呼称される。

また、ＥＣＵ０は、運転状況に応じてインジェクタ１１からの燃料噴射（及び、点火プラグ１２による点火）を一時的に停止する燃料カットを実行する。通常、アクセルペダルの踏込量が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あるときに、燃料カット条件が成立したものとして燃料カットを開始する。

燃料カットの開始後、アクセルペダルの踏込量が閾値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した等の何れかの燃料カット終了条件が成立した暁には、燃料カットを終了し、燃料噴射（及び、点火）を再開する。燃料カットからの復帰時には、低落したエンジン回転数を回復するべく、ある期間燃料噴射量を増量して空燃比をリッチ化した後、空燃比を本来の目標である理論空燃比近傍の値に収束させる空燃比フィードバック制御を実施する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数、点火タイミング及び目標空燃比から予想される、気筒１の燃焼室内における燃料の燃焼状態の推移を示すパラメータと、実測の燃焼状態の推移を示すパラメータとを比較し、両者の差異を縮小するように実空燃比に補正を加える。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内における燃料の燃焼状態を示唆するパラメータとして、イオン電流信号ｈの値を用いる。気筒１の膨張行程におけるイオン電流信号ｈの推移は、当該気筒１の燃焼室内に存在するガス即ち混合気の空燃比の影響を受ける。故に、イオン電流信号ｈの推移を参照することで、当該ガスの空燃比を推測することができる。

図４に、あるエンジン回転数、ある点火タイミング及びある燃料噴射量の条件の下での、膨張行程におけるイオン電流信号ｈの推移を示している。図４に示すように、イオン電流信号ｈの推移は、気筒１の燃焼室内に存在するガスの空燃比に応じて相異する（それぞれ、図４中実線で示す）。一般に、ガスの空燃比が高いほど、気筒１の燃焼室内に発生するイオンの量が増し、イオン電流信号ｈの波形が高くなる。

ＥＣＵ０のメモリには予め、様々なエンジン回転数、点火タイミング及び燃料噴射量の条件毎に、気筒１に充填されるガスの空燃比と当該気筒１の膨張行程中に検出されると予想されるイオン電流信号ｈの推移（少なくとも、その波形の極大値）との関係を規定したマップデータが格納されている。マップデータは、適合等により予め実験的に求められ、作成されているものである。

その上で、ＥＣＵ０は、気筒１の膨張行程における実測のイオン電流信号ｈと、メモリに格納しているマップデータとを比較して、当該気筒１の燃焼室内のガスの実空燃比を推測する。実測のイオン電流信号ｈと比較するべきマップデータは、当該気筒１の膨張行程の際のエンジン回転数、点火タイミング及び燃料噴射量に対応しているものである。ＥＣＵ０は、例えば、実測のイオン電流信号ｈ（図４中破線で示す）の極大値と、これに最も近い推移をもつマップデータの極大値との差分Δα及び／またはΔβを演算する。そして、実測のイオン電流信号ｈに最も近い推移をもつマップデータの空燃比と、当該差分Δα及び／またはΔβとを基に、実測のイオン電流信号ｈに対応した実空燃比を（複数の空燃比に係るマップデータからの補間等により）推算する。

ＥＣＵ０は、算出した実空燃比と、そのときの目標空燃比との偏差を縮小するように実空燃比に補正を加えることで、実空燃比を目標空燃比に追従させる。典型的には、以降に膨張行程を迎える気筒１に供給する燃料の量（燃料噴射量）を、偏差に応じて増減補正する。

また、ＥＣＵ０は、排気通路４に設けられた空燃比センサの出力する空燃比信号ｄを参照して、排気通路４を流通するガスの空燃比を知ることができる。イオン電流信号ｈの推移から算出した実空燃比と、空燃比信号ｄから知得した実空燃比とを比較して、両者の差分が所定以上である場合には、空燃比センサに異常があると判定する。

空燃比センサに異常があると判定した場合、ＥＣＵ０は、その旨を示す情報をメモリに書き込み、記憶保持して事後の修理作業における原因究明の助けとする。加えて、異常の旨をユーザの視覚または聴覚に訴えかける態様にて報知する。例えば、コックピット内に設置されたエンジンチェックランプ（警告灯）を点灯させたり、ディスプレイに警告を表示させたり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力させたりする。

本実施形態では、現在のエンジン回転数、点火タイミング及び目標空燃比から予想される、気筒１の燃焼室内における燃料の燃焼状態の推移を示すパラメータ（イオン電流信号ｈ）と、実測の燃焼状態の推移を示すパラメータとを比較し、両者の差異を縮小するように実空燃比に補正を加える内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、排気通路４上の空燃比センサの出力信号を参照する場合と比較して、より早く実空燃比を知得することができる。従って、空燃比フィードバック制御の応答遅れが小さくなり、変化する目標値に空燃比を速やかに追従させることが可能となる。

並びに、本実施形態では、現在のエンジン回転数、点火タイミング及び目標空燃比から予想される、気筒１の燃焼室内における燃料の燃焼状態の推移を示すパラメータと、実測の燃焼状態の推移を示すパラメータとを比較し、両者の差異に基づいて気筒１の燃焼室内にあるガスの空燃比を推算し、その推算した空燃比と、排気通路４に設けられた空燃比センサを介して検出される空燃比との乖離が所定以上である場合に空燃比センサに異常があると判定する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、排気通路４上の空燃比センサの正常／異常の判定を実時間で行うことが可能となる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、実測のイオン電流信号ｈの極大値と、予想される（マップデータとして記憶保持している）イオン電流信号ｈの極大値とを比較して実空燃比を推測していたが、イオン電流信号ｈの波形における極大点以外の点（例えば、点火タイミングや圧縮上死点等の所定タイミングを基準とし、そこから所定クランク角度だけ経過した時点におけるイオン電流信号ｈの値）を比較して実空燃比を推測してもよい。

上記実施形態では、空燃比フィードバック制御において、実空燃比と目標値との偏差に応じて燃料噴射量を補正することとしていたが、燃料噴射量補正に代えて、または燃料噴射量補正とともに、気筒１に充填される吸気量を補正するものとしてもよい。吸気量を補正するためには、電子スロットルバルブ３２の開度を操作することの他、アイドリング中の吸気量を補正するアイドルスピードコントロールバルブの開度を操作したり、排気ターボ過給機のノズルベーンやウェイストゲートの開度を操作したりすることが考えられる。

上記実施形態では、気筒１の燃焼室内における燃料の燃焼状態を示すものとして、イオン電流信号ｈの推移を参照した。これ以外に、気筒１の筒内圧を検出する筒内圧センサが実装された内燃機関にあっては、イオン電流信号ｈに代えて、筒内圧センサを介して計測される筒内圧の推移（特に、膨張行程における筒内圧の極大値）を参照することができる。あるいは、気筒１の筒内温度（燃焼温度、燃焼室内温度）を検出する筒内温度センサが実装された内燃機関にあっては、イオン電流信号ｈに代えて、筒内温度センサを介して計測される筒内温度の推移（特に、膨張行程における筒内温度の極大値）を参照することができる。

空燃比フィードバック制御における目標空燃比は、ガソリンエンジンの場合、理論空燃比近傍にあることが多いが、アクセル開度の単位時間あたり変化量が大きい過渡期においては、目標空燃比が一時的にリッチ化またはリーン化することがある。また、アクセル開度が大きい高要求負荷時にも、目標空燃比はリッチ化する。本発明に係る制御装置は、このような場合の空燃比フィードバック制御にも好適な応答性を発揮し得る。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
ｄ…空燃比信号
ｈ…イオン電流信号

Claims

気筒の膨張行程において実測されたイオン電流信号、筒内圧または筒内温の極大値を、現在のエンジン回転数、点火タイミング及び燃料噴射量の条件の下での気筒に充填されるガスの空燃比と当該気筒の膨張行程中に検出されると予想されるイオン電流信号、筒内圧または筒内温の極大値との関係を規定するマップデータと比較して、気筒の燃焼室内にあるガスの空燃比を推算し、
その推算した空燃比と目標空燃比との偏差を縮小するように実空燃比に補正を加える内燃機関の制御装置。
気筒の膨張行程において実測されたイオン電流信号、筒内圧または筒内温を、現在のエンジン回転数、点火タイミング及び燃料噴射量の条件の下での気筒に充填されるガスの空燃比と当該気筒の膨張行程中に検出されると予想されるイオン電流信号、筒内圧または筒内温との関係を規定するマップデータと比較して、気筒の燃焼室内にあるガスの空燃比を推算し、
その推算した空燃比と、排気通路に設けられた空燃比センサを介して検出される空燃比との乖離が所定以上である場合に空燃比センサに異常があると判定する内燃機関の制御装置。