JP6020722B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、火花点火式内燃機関において、機関の低速高負荷域におけるオイルに起因した異常燃焼を抑制するようにした内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

火花点火式内燃機関においては、シリンダ壁温が比較的低い暖機運転中に、燃焼室内に侵入したオイル成分に起因して本来の点火時期よりも早期に着火燃焼を開始する異常燃焼（これはスーパーノックと呼ばれることもある）が発生することがある。この異常燃焼は、低速高負荷域においてのみ発生するので、特許文献１，２には、筒内に侵入するオイルの量などの条件が、異常燃焼が起こりそうな条件となったときに、内燃機関の運転領域を制限し、異常燃焼が問題となる低速高負荷域での実際の機関の運転を回避するようにした技術が開示されている。

しかし、上記のように低速高負荷域を制限領域として、実際の機関運転条件（トルクおよび回転速度）がその領域内に入らないように制限したとしても、種々の条件から稀に異常燃焼が生じることはあり得ることである。このような稀に生ずる異常燃焼までも確実に防止するように制限領域を過度に広く設定すると、車両加速時などにトルクの不足が生じる懸念があり、好ましくない。他方、制限領域が過度に限定されたものであると、異常燃焼が頻繁に発生し、やはり好ましくない。

特開２０１２−９２７１８号公報 特開２０１１−２３１７４１号公報

この発明に係る内燃機関の制御装置は、
オイルに起因した異常燃焼が生じ得る低速高負荷域に対応して予め設定された制限領域を有し、実際の機関運転条件がこの制限領域内に入らないように制限する運転領域制限手段と、
上記制限領域を包含し上記制限領域よりも広い運転領域として低速高負荷側に設定された指定検査領域内で、上記異常燃焼が実際に生じたことを検出する異常燃焼検出手段と、
内燃機関の運転中に、上記異常燃焼検出手段によって異常燃焼が検出されたときに、上記制限領域を拡大する制限領域可変設定手段と、
を備えて構成されている。

上記指定検査領域は、一般には、オイルに起因した異常燃焼が極稀にでも生じ得る機関運転条件を包含するように設定され、その中の低速高負荷側の一部に制限領域が可変的に設定される。制限領域がある範囲に設定されているときには、実際の機関運転条件がこの制限領域内に入らないように、機関トルクの制限や自動変速機の変速線のシフト、などが行われる。従って、内燃機関は、上記の制限領域以外の機関運転条件でもって運転が行われることになるが、万一、指定検査領域内で実際の異常燃焼が検出されたときには、制限領域が拡大される。これにより、以後の異常燃焼の多発が抑制される。

この発明によれば、実際に異常燃焼が発生した場合に制限領域を拡大するので、初期設定の制限領域としては、比較的狭い領域でよく、従って、過大な制限領域の設定によるトルク不足を防止できるとともに、異常燃焼が継続的に生じることを確実に防止できる。

この発明に係る制御装置の一実施例を示す構成説明図。 制限領域および指定検査領域の一例を示す説明図。 制限領域の拡大を示す説明図。 異常燃焼の発生頻度と、異常燃焼発生時の制限領域拡大の拡大代と、の関係を示す特性図。 異常燃焼発生時の一例を示したタイムチャート。 異常燃焼発生時の異なる例を示したタイムチャート。 この実施例の制御の流れを示すフローチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明をターボ過給機付内燃機関１に適用した一実施例のシステム構成を示す構成説明図である。例えば４ストロークサイクルの火花点火式ガソリン機関からなる内燃機関１は、吸気通路２と排気通路３とを有し、吸気通路２にターボ過給機４のコンプレッサ５が配置されているとともに、排気通路３にターボ過給機４の排気タービン６が配置されている。上記排気タービン６は、過給圧制御のための公知のウェストゲートバルブ８を備えている。排気通路３の排気タービン６の下流側には、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ７が配置されている。

内燃機関１は、例えば筒内直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する図示せぬ燃料噴射弁が各気筒毎に設けられているとともに、点火プラグ９をそれぞれ備えている。上記燃料噴射弁の噴射時期ならびに噴射量、および上記点火プラグ９の点火時期は、エンジンコントロールユニット１０によって制御される。

吸気通路２のコンプレッサ５よりも下流側に、吸入空気量を制御する電子制御型のスロットル弁１２が配置されている。このスロットル弁１２は、コレクタ部２ａの入口部に位置し、このコレクタ部２ａよりも下流側では、吸気通路２は、吸気マニホルドとして各気筒毎に分岐している。上記吸気通路２の上記コンプレッサ５と上記スロットル弁１２との間には、過給吸気を冷却するインタークーラ１３が設けられている。

一方、上記吸気通路２の最上流部には、エアクリーナ１４が配置されており、このエアクリーナ１４の下流側に、吸入空気量の検出を行うエアフロメータ１５が配置されている。

上記スロットル弁１２は、電動モータ等のアクチュエータを具備したものであり、運転者により操作される図示せぬアクセルペダルの開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２１の検出信号に基づいて、上記エンジンコントロールユニット１０からの制御信号によって、その開度が制御される。一つの好ましい実施例では、アクセルペダル開度ＡＰＯによって示される要求トルクに対しスロットル弁１４の開度ＴＶＯを制限することで、制限領域におけるトルク制限が実現される。

上記エンジンコントロールユニット１０には、上述したセンサ類の検出信号のほか、機関回転速度Ｎｅを示すクランク角センサ２２からの検出信号、内燃機関１の冷却水温Ｔｗを示す水温センサ２３からの検出信号、などが入力されている。また、この実施例では、内燃機関１のオイルに起因した異常燃焼の検出手段として、内燃機関１のノッキングを検出するためのノッキングセンサ２４の検出信号が流用されている。このノッキングセンサ２４は、筒内の燃焼に伴う振動を検出するように、内燃機関１のシリンダブロックに取り付けられている。

さらに、この実施例では、内燃機関１の潤滑用のオイルを交換した際にオイル交換したことを示すために作業員が手入力するオイル交換スイッチ２５が設けられているとともに、運転者等に異常を報知するための警告灯や音声警告などからなる警告手段２６が設けられている。これらのオイル交換スイッチ２５および警告手段２６は、エンジンコントロールユニット１０に接続されている。

図２は、内燃機関１のトルクＴｅと回転速度Ｎｅとをパラメータとして指定検査領域Ａおよび制限領域Ｂを図示した説明図である。図中の線ＷＯＴは、特に制限を加えない場合の内燃機関１全体の全開特性を示している。本発明が対象とする異常燃焼は、暖機が十分に完了していない状態において、吸気系もしくはシリンダ壁面等を介して筒内に侵入したオイルに起因して、低速高負荷時に、本来の点火時期前に着火燃焼が開始する一種のプレイグニッションである。図中の境界線ａでもって示されている指定検査領域Ａは、このようなオイルに起因した異常燃焼が稀にでも生じ得る低速高負荷側の領域に対応して固定的に設定されている。なお、この指定検査領域Ａは、ターボ過給機４による過給圧が正圧となる過給域内にある。

図中の境界線ｂでもって示されている制限領域Ｂは、指定検査領域Ａ内に包含された形で、低速高負荷側の領域に可変的に設定される。この制限領域Ｂは、最小のときは０となり得るものであり、最大時には、指定検査領域Ａの僅かに内側（つまり僅かに高負荷側）となる。換言すれば、制限領域Ｂが最大であっても、指定検査領域Ａは、これよりも僅かに広い運転領域となる。他の実施例としては、制限領域Ｂの最大時に指定検査領域Ａと一致するようにしてもよい。

なお、図２の例では、指定検査領域Ａおよび制限領域Ｂが、いずれも略三角形状の領域として図示されているが、本発明は、このような形態に限定されるわけではなく、例えば、一定のトルクＴｅあるいは一定の回転速度Ｎｅでもって指定検査領域Ａや制限領域Ｂが区画されるような形態など、任意の形に各領域Ａ，Ｂを設定することが可能である。

上記のように制限領域Ｂが設定されていると、アクセルペダル開度ＡＰＯでもって示される運転者の要求トルクが当該制限領域Ｂ内のものであったとしても、トルク制限が加えられ、実際のトルクは、境界線ｂよりも僅かに低負荷側（実質的に境界線ｂ上）の値となる。そのため、運転領域の制限を加えない場合に比較して、異常燃焼の発生のリスクは遙かに低減する。しかしながら、制限領域Ｂが過度に大きく設定されていると、この制限領域Ｂに入る要求トルクは実現できないことから、車両の加速時などにトルクＴｅの不足が生じ、好ましくない。

そのため、この実施例では、異常燃焼が生じる可能性がある指定検査領域Ａ内で実際に異常燃焼が発生したときに制限領域Ｂを拡大し、逆に、指定検査領域Ａ内での運転にも拘わらず実際に異常燃焼が発生しないときには制限領域Ｂを縮小して、制限領域Ｂを適切な大きさのものとするのである。例えば、ノッキングセンサ２４の検出信号に基づき、指定検査領域Ａ内で本来の点火時期前に着火燃焼が生じた場合には、異常燃焼が発生したと判定することができる。

図３は、制限領域Ｂの拡大の態様の一例を示しており、例えば、境界線ｂ１よりも高負荷側が制限領域Ｂであった状態において、実際に異常燃焼が発生した場合には、境界線ｂ２にて示す範囲まで制限領域Ｂが拡大する。つまり、より低負荷側およびより高速側の領域を含むように制限領域Ｂが拡大していく。

また、上記制限領域Ｂの拡大は、指定検査領域Ａ内での異常燃焼の発生頻度に基づいて可変的に行われる。発生頻度は、一つの実施例では、前回の異常燃焼が発生してから今回の異常燃焼が発生するまでの指定検査領域Ａ内での累積運転時間（Ｔｉ）によって示される。つまり、１回の異常燃焼が発生するまでの累積運転時間が長ければ低頻度であり、累積運転時間が短ければ高頻度である。

そして、図４に示すように、発生頻度が高いほど、１回の異常燃焼発生に伴う制限領域Ｂの拡大代が大きく与えられる。これは、実際の異常燃焼が比較的短い間隔で生じている場合に、速やかに制限領域Ｂを拡大して、実際の異常燃焼を早期に抑制するためである。

また、図４に示すように、発生頻度がある閾値よりも高い場合（具体的には、１回の異常燃焼発生が発生するまでの指定検査領域Ａ内での累積運転時間Ｔｉが閾値Ｔｃより短い場合）には、制限領域Ｂは、異常時用の所定の大きさまで一気に拡大される。例えば、オイルが過度に劣化（粘性が低下）している場合や燃焼室内にデポジットが多量に堆積している場合などは、異常燃焼が生じやすくなるので、高い頻度（つまり短い時間間隔）で異常燃焼を検出した場合は、これらの異常と判定し、制限領域Ｂを実質的に最大限に拡大する。そして、同時に、警告灯や音声警告などからなる警告手段２６を作動させ、運転者へ異常である旨を報知する。

一方、上記のように異常燃焼の検出に基づいて拡大された制限領域Ｂは、次に異常燃焼が発生するまでの間、徐々に縮小される。但し、オイル劣化などの異常と判定して制限領域Ｂを実質的に最大限の大きさに拡大したときは、異常の原因が解消しないまま制限領域Ｂを縮小すると、再び高い頻度で異常燃焼が発生し、好ましくないため、制限領域Ｂの縮小は行わない。

ここで、本実施例では、制限領域Ｂの縮小時の縮小速度は、やはり、異常燃焼の発生頻度に基づいて可変的に設定される。これは、異常燃焼の発生頻度が低い場合は、トルク制限を早期に解消するために制限領域Ｂの縮小速度を大きくすることが好ましく、逆に、発生頻度が高い場合は、制限領域Ｂを縮小したときに再び異常燃焼が発生する可能性が大であるので、徐々に制限領域Ｂを縮小していくことが好ましい、という考えに基づくものである。

図５および図６は、上記の縮小速度の相違を説明するものである。図５は、発生頻度が高い場合の例を示している。図の（ａ）は、前回の異常燃焼検出からの指定検査領域Ａ内での累積運転時間Ｔｉを示す。時間ｔ０において、機関運転条件が再び指定検査領域Ａ内に入っており、それまでの累積運転時間Ｔｉに上乗せする形で累積運転時間Ｔｉが増加していくのであるが、この図５の例では、累積運転時間Ｔｉが比較的短い段階で、（ｂ）に示すように、次の異常燃焼が検出されている。この異常燃焼の検出に応答して、制限領域Ｂは拡大し、かつ累積運転時間Ｔｉは０にリセットされる。（ｃ）は、制限領域Ｂの大きさの変化を制限領域Ｂの下限トルク（図２の境界線ｂ参照）の値でもって表したものであり、図示するように、異常燃焼検出時に制限領域Ｂは拡大（このときの拡大代は比較的大きい）し、その後、次に異常燃焼が発生するまでの間、徐々に縮小する。このときの縮小速度は、比較的小さく、下限トルクの上昇は緩慢である。

これに対し、図６は、発生頻度が低い場合の例を示している。図の（ａ）は、前回の異常燃焼検出からの指定検査領域Ａ内での累積運転時間Ｔｉを示しており、やはり時間ｔ０において、機関運転条件が再び指定検査領域Ａ内に入っているが、それまでの累積運転時間Ｔｉが長いことから、（ｂ）に示す次の異常燃焼が検出されたときの累積運転時間Ｔｉが図５の例よりも長くなっている。この異常燃焼の検出に応答して、制限領域Ｂは拡大し、かつ累積運転時間Ｔｉは０にリセットされる。（ｃ）の下限トルクに示すように、制限領域Ｂは異常燃焼検出時に拡大（このときの拡大代は比較的小さい）し、その後、次に異常燃焼が発生するまでの間、徐々に縮小するが、このときの縮小速度は、比較的大きく設定される。従って、下限トルクは速やかに上昇する。

上記のようにして、制限領域Ｂは、指定検査領域Ａ内での実際の異常燃焼の有無に応じて拡大・縮小を繰り返すことになる。なお、オイルに起因する異常燃焼は、シリンダ壁温が比較的低いときに生じ、シリンダ壁温が高くなっている暖機完了後は基本的に生じないので、基本的な制限領域Ｂの大きさは、内燃機関１の温度条件、例えば水温センサ２３が検出する冷却水温Ｔｗに基づいて設定される。従って、実際は、この冷却水温Ｔｗに基づいた基本的な制限領域Ｂの大きさが、異常燃焼の有無に応じて、さらに拡大・縮小されるのである。

一方、所定の閾値よりも高い頻度で異常燃焼が検出されて制限領域Ｂが実質的に最大限に拡大されたときは、オイル交換の検出もしくは燃焼室内のデポジットが消失したなどのエンジン状態改善判定がない限りは、制限領域Ｂは縮小されない。一つの実施例では、オイル交換時に手入力されるオイル交換スイッチ２５の信号に基づいて制限領域Ｂが初期の大きさ（冷却水温Ｔｗに応じた基本的な制限領域Ｂ）に復帰する。なお、例えば、同一運転条件の下での油圧の変化、あるいはオイルパン内でオイルレベルの変化、などからオイル交換を検出することも可能である。また、例えば、燃焼室内にデポジットが堆積していると、通常では発生しない低中負荷域でノッキングが発生する。従って、低中負荷域でのノッキングがある時点で急激に減少したような場合には、デポジットが消失したと判定することができる。筒内圧センサを具備する場合には、燃焼時の圧縮端温度がある時点で通常レベルに低下したらデポジットが消失したと判定することができる。

次に、図７は、上記エンジンコントロールユニット１０において実行される制御の流れを示すフローチャートであり、以下、これを説明する。この図７に示すルーチンは、内燃機関１の運転中に繰り返し実行されるものであって、最初のステップ１で、制限領域Ｂの初期設定を行う。具体的には、そのときの内燃機関１の温度条件例えば冷却水温Ｔｗに応じて、低温時ほど大となるように制限領域Ｂを設定する。ここで、前回のトリップにおいてオイル劣化などの異常判定に基づき制限領域Ｂが実質的に最大限に拡大されていた場合には、その状態が今回のトリップにおいても継続される。

ステップ２では、内燃機関１の運転条件（トルクＴｅおよび回転速度Ｎｅ）が指定検査領域Ａ内であるか否かを判定する。なお、このトルクＴｅは要求トルクではなく、制限領域Ｂによるトルク制限後のトルクである。指定検査領域Ａ内であれば、ステップ３へ進んで、それまでの累積運転時間Ｔｉｚに本ルーチンの実行時間間隔ΔＴを加算して、累積運転時間Ｔｉを求める。指定検査領域Ａ以外であれば、それまでの累積運転時間Ｔｉを保持する。

ステップ４では、異常燃焼が発生したか否かを判定する。前述したように、ノッキングセンサ２４を用いて異常燃焼を検出することができる。このほか、筒内圧センサやイオン電流センサなどを用いて異常燃焼を検出することも可能である。

異常燃焼が発生していた場合には、ステップ５へ進み、累積運転時間Ｔｉが閾値Ｔｃより大きいか否か判定する。つまり、ここでは、異常燃焼の頻度を判定する。累積運転時間Ｔｉが閾値Ｔｃよりも大であれば、低頻度であることを意味するので、ステップ６へ進み、累積運転時間Ｔｉに基づいて制限領域Ｂの拡大度合い（図４参照）および制限領域Ｂの縮小速度（図５，図６参照）を決定した上で、ステップ７において、制限領域Ｂの拡大を実行する。このときの制限領域Ｂの拡大は、その後の縮小が許容される通常時用のものである。そして、ステップ８において、累積運転時間Ｔｉを０にリセットする。なお、制限領域Ｂの初期値は機関温度に応じてステップ１で設定されるが、この通常時用の制限領域Ｂの拡大・縮小は、次のルーチンにおけるステップ１での設定にも反映する。

一方、ステップ５で累積運転時間Ｔｉが閾値Ｔｃ以下であれば、異常に高い頻度であるので、ステップ９へ進み、異常時用の所定の大きさ（実質的に最大限の大きさ）まで制限領域Ｂを一気に拡大する（図４参照）。同時に、警告灯等の警告手段２６を作動させる。

ステップ４で異常燃焼を検出しなかった場合は、ステップ１０へ進み、制限領域Ｂが拡大しているか否か（換言すれば、制限領域Ｂがステップ１で設定した初期状態のままであるか否か）判定する。初期状態のままであれば、ルーチンを終了する。制限領域Ｂが初期状態よりも拡大していれば、さらにステップ１１において、制限領域Ｂの拡大が通常時用のものであるか異常時用のものであるかを判別する。制限領域Ｂの拡大がステップ７における通常時用のものであれば、ステップ１２へ進み、ステップ６で定めた縮小速度を用いて制限領域Ｂの縮小を実行する。従って、異常燃焼を検出しない状態が継続すれば、制限領域Ｂは徐々に縮小していき、最終的には、機関温度に応じた初期値に戻る。

ステップ１１で異常時用の領域拡大であると判定した場合は、ステップ１３へ進み、解除条件が成立したか否か判定する。解除条件が成立していれば、ステップ１４において、制限領域Ｂを初期状態に戻す。解除条件が成立していなければ、制限領域Ｂの拡大を継続する。この解除条件は、前述したように、オイル交換あるいはデポジットの消失などのエンジン状態改善である。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例では、アクセルペダル開度ＡＰＯに対しスロットル弁開度ＴＶＯを制限することで、内燃機関１の運転条件が制限領域Ｂ内に入らないように制限しているが、自動変速機（ＣＶＴを含む）を具備する場合には、運転点が制限領域Ｂ内に入らないように変速線を変更するようにしてもよい。あるいは過給圧の制限によって、制限領域Ｂ内での運転を制限することも可能である。

また、上記実施例では、前回の異常燃焼の発生から今回の異常燃焼の発生までの時間間隔で頻度を表しているが、複数回の異常燃焼の時間間隔の平均値などから、頻度が高いか否かを判定するようにしてもよい。

Claims (12)

1. オイルに起因した異常燃焼が生じ得る低速高負荷域に対応して予め設定された制限領域を有し、実際の機関運転条件がこの制限領域内に入らないように制限する運転領域制限手段と、
   上記制限領域を包含し上記制限領域よりも広い運転領域として低速高負荷側に設定された指定検査領域内で、上記異常燃焼が実際に生じたことを検出する異常燃焼検出手段と、
   内燃機関の運転中に、上記異常燃焼検出手段によって異常燃焼が検出されたときに、上記制限領域を拡大する制限領域可変設定手段と、
   を備えてなる内燃機関の制御装置。
2. 上記制限領域可変設定手段は、異常燃焼検出までの上記指定検査領域内での累積運転時間が短いほど上記制限領域をより大きく拡大する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記制限領域可変設定手段は、異常燃焼が検出されない間、上記制限領域を徐々に縮小していく、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記制限領域可変設定手段は、上記指定検査領域内での運転時間に対する異常燃焼検出の頻度が高いほど、制限領域縮小時の縮小速度を低くする、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 上記制限領域可変設定手段は、異常燃焼検出までの上記指定検査領域内での累積運転時間が所定の閾値以下である場合に、異常時用の所定の大きさまで上記制限領域を拡大する、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
6. 異常燃焼検出までの上記指定検査領域内での累積運転時間が所定の閾値以下である場合に異常を報知する警報手段、をさらに備えている、請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 上記制限領域可変設定手段は、オイル交換判定もしくはエンジン状態改善判定の少なくとも一方を条件として、上記制限領域を初期状態に戻す、請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
8. 内燃機関の油圧の計測、オイルレベルの計測、もしくはオイル交換後の手動入力、に基づいて、上記オイル交換判定を行う、請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
9. 内燃機関の筒内圧の計測、もしくは低中負荷におけるノッキング計測、に基づいて、上記エンジン状態改善判定を行う、請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
10. 上記運転領域制限手段は、運転者の要求に対する機関トルクの制限、もしくは自動変速機の変速線のシフト、によって機関運転条件の制限を行う、請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
11. 上記異常燃焼検出手段は、ノッキングセンサの信号、もしくは筒内圧センサの信号から、オイルに起因した異常燃焼の発生を検出する、請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
12. オイルに起因した異常燃焼が生じ得る低速高負荷域に対応して予め制限領域を設定し、実際の機関運転条件がこの制限領域内に入らないように制限するとともに、
    上記制限領域を包含し上記制限領域よりも広い運転領域として低速高負荷側に設定された指定検査領域内で、上記異常燃焼が実際に生じたことを検出し、
    内燃機関の運転中に、上記異常燃焼が検出されたときに、上記制限領域を拡大する、内燃機関の制御方法。

Images