JP6052325B2 - 内燃機関システム - Google Patents
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Description
そのうえで、前記内燃機関システムは、前記着火遅れ期間算出手段により算出される着火遅れ期間と当該着火遅れ期間の目標値との差が無くなるように、燃料噴射量、吸入空気量および点火エネルギーのうちの少なくとも1つを調整する調整手段をさらに備えることが好ましい。
そのうえで、前記内燃機関システムは、前記燃焼重心位置算出手段により算出される燃焼重心位置と目標燃焼重心位置との差が無くなるように点火時期を調整する点火時期調整手段をさらに備えることが好ましい。
そのうえで、前記内燃機関システムは、前記着火遅れ期間算出手段により算出される着火遅れ期間と当該着火遅れ期間の目標値との差が無くなるように、燃料噴射量、吸入空気量および点火エネルギーのうちの少なくとも1つを調整する調整手段をさらに備えることが好ましい。
そのうえで、前記内燃機関システムは、前記燃焼重心位置算出手段により算出される燃焼重心位置と目標燃焼重心位置との差が無くなるように点火時期を調整する点火時期調整手段をさらに備えることが好ましい。
[実施の形態1のシステム構成]
図1は、本発明の実施の形態1における内燃機関10のシステム構成を説明するための図である。図1に示す内燃機関システムは、火花点火式の内燃機関10を備えている。内燃機関10の筒内には、ピストン12が設けられている。筒内におけるピストン12の頂部側には、燃焼室14が形成されている。燃焼室14には、吸気通路16および排気通路18が連通している。
ただし、上記(1)式において、Pは筒内圧力、Vは筒内容積、κは筒内ガスの比熱比である。また、上記(3)式において、θminは燃焼開始点(0%燃焼点CA0)であり、θmaxは燃焼終了点(100%燃焼点CA100)である。
図2は、筒内圧センサ30の要部の構成の一例を模式的に示す断面図である。図2に示す筒内圧センサ30は、筒状のハウジング301を備えている。ハウジング301の一端(すなわち、筒内圧センサ30の先端)には、筒内圧力を受ける受圧部材であるダイアフラム302が取り付けられている。ハウジング301の途中の部位には、センサ先端側のハウジング301の内部空間を閉塞するように、椀状の歪み部材303が配置されている。また、ハウジング301の内部には、棒状の伝達部材304が配置されている。伝達部材304は、ダイアフラム302と歪み部材303との間に介在している。このような構成によって、筒内圧力に基づく圧縮荷重がダイアフラム302から伝達部材304を介して歪み部材303に伝達されるようになっている。
図3は、筒内圧センサ30と燃焼室14の壁面とのシール部のシール方式を説明するための図である。筒内圧センサ30とこれを取り巻く燃焼室14の壁面(基本的には、シリンダヘッド32の壁面)との間には、筒内のガスが筒内圧センサ30と上記壁面との隙間を通って外部に漏れ出さないように当該隙間をシールするシール部34が備えられている。シール方式としては、主に、テーパーシール方式とガスケット方式とが用いられる。図3は、説明の便宜上、筒内圧センサ30の中心線を境に両方式を1つの図でまとめて表したものである。なお、図2に示す筒内圧センサ30の構成例は、テーパーシール方式のものである。
図2に示す構成がそうであるように、シール部がハウジングの軸方向において圧力検出素子よりも燃焼室側の位置に設けられていると、シール部のシール機能の異常が発生した場合に筒内圧力の検出精度が低下するという問題がある。
本実施形態のシステムは、発熱量Qの勾配kとエンジン回転速度とに基づく割合Xを利用して、実機上でシール部34のシール機能の異常の有無を判定できるようにした点に特徴を有している。
勾配kの大きさを利用して異常判定を精度良く行えるようにするためには、シール機能の正常時と異常時との間で、勾配kの大きさに十分な差が生じるようになっていることが好ましい。勾配kは、上述したように、熱歪み誤差が増加して膨張行程での発熱量Qが大きくアンダーシュートすることで大きくなる。熱歪み誤差は、例えば、次のような手法を用いることで、シール機能の異常発生時に積極的に発生させられるようになる。したがって、シール機能の異常判定を行ううえでは、下記の手法による構成を備えていることが好ましい。
図5は、クランク角度を横軸として、異なるエンジン回転速度での筒内圧力および熱歪み誤差の波形を比較して表した図である。図6は、時間を横軸として、異なるエンジン回転速度での筒内圧力および熱歪み誤差の波形を比較して表した図である。より具体的には、図5および図6は、筒内充填空気量が同じでエンジン回転速度は異なる時の波形を例示している。
図7は、膨張行程での発熱量Qの勾配kとエンジン回転速度との関係を表した図である。勾配kは上記の性質を有するため、勾配kとエンジン回転速度との間には、エンジン回転速度の増加量に対する勾配kの低下量の割合Xが一定値となるという関係がある。この割合Xは、エンジン回転速度をx座標値とし、勾配kをy座標値とするxy平面上で勾配kを所定エンジン回転速度毎にプロットした場合に、各プロット点に関する1次の近似直線の傾きに相当する。
図9は、本発明の実施の形態1におけるシール部34のシール機能の異常判定を実現するためにECU40が実行するルーチンを示すフローチャートである。なお、内燃機関10が搭載する筒内圧センサ30のそれぞれに対して(すなわち、各気筒において)サイクル毎に繰り返し実行されるものとする。
次に、図10および図11を主に参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
本実施形態のシステムは、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU40に図9に示すルーチンに代えて後述の図11に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。
図10は、本発明の実施の形態2で用いられるシール部34のシール機能の異常判定手法を説明するための図である。上述した実施の形態1においては、エンジン回転速度の増加量に対する勾配kの低下量の割合Xを指標値として利用した異常判定手法について説明した。
図11は、本発明の実施の形態2におけるシール部34のシール機能の異常判定を実現するためにECU40が実行するルーチンを示すフローチャートである。なお、図11において、実施の形態1における図9に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
次に、図12〜図18を主に参照して、本発明の実施の形態3について説明する。
本実施形態のシステムは、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU40に図9に示すルーチンに代えて後述の図17および図18に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。
図12は、シール部34のシール機能の異常発生に伴う着火遅れ期間の誤検出について説明するための図である。図12(A)に示すように、シール機能に異常が生じた場合には、熱歪みの影響により、筒内圧センサ30の検出値を利用した発熱量Qのデータ上での燃焼終了点θmaxの位置が、シール機能が正常であると比べて進角する。その結果、シール機能に異常が生じた場合には、図12(B)に示すように、MFBの波形の立ち上がりがシール正常時と比べて急になる。ここで、着火遅れ期間は、点火時期SAから10%燃焼点CA10までのクランク角度期間(SA−CA10)として、発熱量Qのデータに基づくMFBの算出結果を利用して算出することができる。しかしながら、MFBの波形の上記変化により、シール機能に異常が生じた場合には、CA10の検出値がシール正常時と比べて進角側の値として検出される。それに伴い、シール機能に異常が生じた場合の着火遅れ期間(SA−CA10)は、シール正常時の値に対して短い値として算出されてしまう。すなわち、着火遅れ期間が現実の着火遅れ期間よりも短いものとして誤検出されてしまう。
(割合Xに基づく着火遅れ期間(SA−CA10)の補正)
着火遅れ期間を利用した何らかのエンジン制御、判定処理もしくは推定処理を行っていた場合には、割合Xの増加によって着火遅れ期間(SA−CA10)の検出値に現実値との誤差(以下、単に「着火遅れ誤差」とも称する)が生じると、そのエンジン制御等が影響を受けて精度の良くないものになってしまう。
本実施形態のシステムは、筒内圧センサ30の検出値に基づく着火遅れ期間を利用した上記エンジン制御等の1つとして、SA−CA10を利用した空燃比のフィードバック制御を行う。具体的には、本フィードバック制御は、所望の目標空燃比に対応した目標SA−CA10と検出SA−CA10との差がゼロとなるように燃料噴射量を調整するというものである。ここでいう検出SA−CA10とは、筒内圧センサ30の検出値に基づいて算出されるSA−CA10のことである。なお、上述した空燃比のフィードバック制御は、燃料噴射量に代え、あるいはそれとともに、吸入空気量を調整するものであってもよい。また、点火エネルギーを高めると、着火遅れ期間を短縮することができる場合がある。したがって、SA−CA10のフィードバック制御には、空燃比の変化を伴わないSA−CA10(すなわち、着火遅れ期間)のフィードバック制御、具体的には、点火エネルギーの調整を用いたSA−CA10のフィードバック制御も含まれる。なお、ここでいう吸入空気量の調整は、例えば、各サイクルにおいて筒内に吸入される空気量を高応答に制御可能な公知の吸気可変動弁機構を用いて行うことが好適である。また、点火エネルギーの調整は、例えば、点火プラグ28のために複数の点火コイルを備えるようにしておき、必要に応じて放電に用いる点火コイルの数を変更することなどによって行うことができる。
まず、図17のフローチャートを参照して、上述したSA−CA10を用いた空燃比のフィードバック制御を実現するためにECU40が実行する制御ルーチンについて説明する。なお、本ルーチンは、本フィードバック制御の対象となる運転条件が成立した際に、各気筒において燃焼終了後の所定タイミングにてサイクル毎に繰り返し実行されるものとする。また、本ルーチンは、後述の図18と並行して実行されるものとする。
次に、図19〜図22を主に参照して、本発明の実施の形態4について説明する。
本実施形態のシステムは、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU40に図9に示すルーチンに代えて後述の図21および図22に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。
上記図12(B)に示すように、シール機能に異常が生じた場合には、10%燃焼点CA10だけでなく、燃焼重心位置に相当する50%燃焼点CA50も、シール正常時と比べて進角側にずれてしまう。ずれ量としては、図12(B)から分かるように、CA50の方がCA10よりも大きくなる。
燃焼重心位置(CA50)を利用した何らかのエンジン制御、判定処理もしくは推定処理を行っていた場合には、割合Xの増加によってCA50の検出値に現実値との誤差が生じると、そのエンジン制御等が影響を受けて精度の良くないものになってしまう。
本実施形態のシステムは、筒内圧センサ30の検出値に基づく燃焼重心位置(CA50)を利用した上記エンジン制御等の1つとして、CA50を利用した点火時期のフィードバック制御を行う。具体的には、本フィードバック制御は、所定の目標CA50と検出CA50との差がゼロとなるように点火時期を調整するというものである。ここでいう検出CA50とは、筒内圧センサ30の検出値に基づいて算出されるCA50のことである。
まず、図21のフローチャートを参照して、上述したCA50を用いた点火時期のフィードバック制御を実現するためにECU40が実行する制御ルーチンについて説明する。なお、図21において、実施の形態3における図17に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。また、本ルーチンは、後述の図22と並行して実行されるものとする。
12 ピストン
14 燃焼室
16 吸気通路
18 排気通路
20 吸気弁
22 排気弁
24 スロットルバルブ
26 燃料噴射弁
28 点火プラグ
30 筒内圧センサ
32 シリンダヘッド
32a シリンダヘッドのテーパー部
34 シール部
40 ECU(Electronic Control Unit)
42 クランク角センサ
44 エアフローメータ
46 故障表示灯
301 筒内圧センサのハウジング
301a ハウジングのテーパー部
302 筒内圧センサのダイアフラム
303 筒内圧センサの歪み部材
304 筒内圧センサの伝達部材
305 筒内圧センサのゲージ素子
Claims (12)
- 筒状のハウジングと、前記ハウジングの一端に設けられ、燃焼室内のガスの圧力である筒内圧力を受ける受圧部材と、前記ハウジングの内部に配置され、筒内圧力に基づく圧縮荷重が前記受圧部材から入力され、入力された圧縮荷重に応じた出力を発する圧力検出素子と、を備える筒内圧センサと、
クランク角度を検出するクランク角センサと、
前記ハウジングの軸方向における前記圧力検出素子よりも前記燃焼室側の位置において、前記ハウジングの外面と当該ハウジングを取り巻く前記燃焼室の壁面との間をシールするシール部と、
前記筒内圧センサにより検出された筒内圧力のデータである筒内圧データに基づいて、燃焼による筒内の発熱量を算出する発熱量算出手段と、
前記発熱量算出手段により算出される発熱量が最大値を示すクランク角度から排気弁の開き時期までの膨張行程中の期間において、クランク角度の増加量に対する発熱量の低下量の割合である第1割合を算出する第1割合算出手段と、
前記第1割合とエンジン回転速度とに基づいて、前記シール部のシール機能の異常の有無を判定するシール異常判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関システム。 - 前記シール異常判定手段は、エンジン回転速度の増加量に対する前記第1割合の低下量の割合である第2割合が第1閾値よりも大きい場合に、前記シール部のシール機能が異常であると判定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関システム。
- 前記シール異常判定手段は、前記第1割合が、当該第1割合の算出の基礎となる筒内圧データを取得したサイクルでのエンジン回転速度に対応する第2閾値よりも大きい場合に、前記シール部のシール機能が異常であると判定し、
前記第2閾値は、エンジン回転速度が高い場合には、エンジン回転速度が低い場合と比べて小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関システム。 - 燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
点火時期と燃焼質量割合とを用いて着火遅れ期間を算出する着火遅れ期間算出手段と、
をさらに備え、
前記着火遅れ期間算出手段は、算出した着火遅れ期間を前記第2割合の大きさに応じて補正することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関システム。 - 前記着火遅れ期間算出手段により算出される着火遅れ期間と当該着火遅れ期間の目標値との差が無くなるように、燃料噴射量、吸入空気量および点火エネルギーのうちの少なくとも1つを調整する調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関システム。
- 燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合に基づいて燃焼重心位置を算出する燃焼重心位置算出手段と、
をさらに備え、
前記燃焼重心位置算出手段は、算出した燃焼重心位置を前記第2割合の大きさに応じて補正することを特徴とする請求項2、4または5に記載の内燃機関システム。 - 前記燃焼重心位置算出手段により算出される燃焼重心位置と目標燃焼重心位置との差が無くなるように点火時期を調整する点火時期調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の内燃機関システム。
- 燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
点火時期と燃焼質量割合とを用いて着火遅れ期間を算出する着火遅れ期間算出手段と、
をさらに備え、
前記着火遅れ期間算出手段は、算出した着火遅れ期間を前記第1割合の大きさに応じて補正することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関システム。 - 前記着火遅れ期間算出手段により算出される着火遅れ期間と当該着火遅れ期間の目標値との差が無くなるように、燃料噴射量、吸入空気量および点火エネルギーのうちの少なくとも1つを調整する調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の内燃機関システム。
- 燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合に基づいて燃焼重心位置を算出する燃焼重心位置算出手段と、
をさらに備え、
前記燃焼重心位置算出手段は、算出した燃焼重心位置を前記第1割合の大きさに応じて補正することを特徴とする請求項3、8または9に記載の内燃機関システム。 - 前記燃焼重心位置算出手段により算出される燃焼重心位置と目標燃焼重心位置との差が無くなるように点火時期を調整する点火時期調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項10に記載の内燃機関システム。
- 前記シール異常判定手段は、理論空燃比の下で内燃機関が運転されている時に前記シール部のシール機能の異常を判定することを特徴とする請求項1〜11の何れか1つに記載の内燃機関システム。
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