JP7031028B1 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出部と、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算部と、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算部により演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算部と、
を備えたものである。
クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出ステップと、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算ステップと、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算ステップにおいて演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算ステップと、
を備えたものである。
実施の形態1に係る内燃機関の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1および図2は、本実施の形態に係る内燃機関1および制御装置50の概略構成図であり、図3は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1および制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
まず、内燃機関1の構成について説明する。図1に示すように、内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼する気筒7を備えている。内燃機関1は、気筒7に空気を供給する吸気路23と、気筒7で燃焼した排気ガスを排出する排気路17とを備えている。内燃機関1は、ガソリンエンジンとされている。内燃機関1は、吸気路23を開閉するスロットルバルブ4を備えている。スロットルバルブ4は、制御装置50により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ4には、スロットルバルブ4の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ19が設けられている。
次に、制御装置50について説明する。
制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図3に示すように、制御装置50は、角度情報検出部51、実軸トルク演算部52、ガス圧トルク演算部53、燃焼状態推定部54、燃焼制御部55、及び未燃焼時軸トルク学習部56等の制御部を備えている。制御装置50の各制御部51から56等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図4に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90にバス等の信号線を介して接続された記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、および演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
角度情報検出部51は、第2クランク角センサ6の出力信号に基づいて、クランク角度θd、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、及びクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αdを検出する。
角度情報検出部51は、クランク角加速度αdを算出する際に、高周波の誤差成分を除去するフィルタ処理を行う。角度情報検出部51は、時間間隔ΔTdに対してフィルタ処理を行う。時間間隔ΔTdは、単位角度(本例では、4度)の周期であるクランク角周期ΔTdである。フィルタ処理には、例えば、有限インパルス応答(FIR:Finite Impulse Response)フィルタが用いられる。図6に、フィルタ前後の時間間隔(クランク角周期)の周波数スペクトルを示すように、フィルタ処理により、歯の製造ばらつき等により生じた高周波数の成分が低減される。また、後述するように、クランク角加速度αdに基づいて算出される燃焼時の実軸トルクTcrkd_brnから、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算することによっても、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの高周波数成分を除去できない場合でも、フィルタ処理によりクランク角加速度αdの高周波成分を低減することにより、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの高周波数成分を低減できる。
角度情報検出部51は、角度間隔Δθdおよびフィルタ後の時間間隔ΔTdfに基づいて、検出角度θd又は角度区間Sdのそれぞれに対応する、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、およびクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αdを算出する。
実軸トルク演算部52は、クランク角加速度αd、及びクランク軸系の慣性モーメントIcrkに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクTcrkdを算出する。
1-2-3-1.燃焼時の外部負荷トルクの演算
<外部負荷トルクの算出原理>
図8に示すように、燃焼時の筒内圧は、未燃焼時の筒内圧よりも、燃焼による圧力上昇分だけ上昇する。次式に示すように、燃焼時の軸トルクTcrk_brnは、この燃焼の圧力上昇による軸トルクの増加分ΔTgas_brnだけ、未燃焼時の軸トルクTcrk_motから増加する。この軸トルクの増加分ΔTgas_brnは、未燃焼時の筒内圧(ガス圧)から燃焼時の筒内圧(ガス圧)まで上昇したガス圧上昇により生じた、ガス圧トルクの増加分であるため、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnと称す。未燃焼時の軸トルクTcrk_motには、未燃焼時の各気筒内のガス圧がピストンを押す力によりクランク軸にかかるトルクであるガス圧トルク、及び各気筒のピストンの往復慣性によりクランク軸にかかるトルクである往復慣性トルクが含まれる。また、後述するように、未燃焼時の軸トルクTcrk_motには、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnが含まれていないため、次式に示すように、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを減算する必要がある。外部負荷トルクTloadは、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである。外部負荷トルクTloadには、車輪に連結される動力伝達機構から内燃機関に伝達される車両の走行抵抗及び摩擦抵抗、並びにクランク軸に連結されるオルタネータ等の補機負荷等が含まれる。
ガス圧トルク演算部53は、内燃機関の燃焼状態において、クランク角度θdと未燃焼時の軸トルクTcrk_motとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、上死点近傍のクランク角度θd_tdcに対応する未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcを算出する。
そして、ガス圧トルク演算部53は、算出した上死点近傍の未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcと、上死点近傍のクランク角度θd_tdcにおいて実軸トルク演算部52により演算された燃焼時の実軸トルクTcrkd(以下、上死点近傍の燃焼時の実軸トルクTcrkd_brn_tdcと称す)とに基づいて、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを算出する。
式(7)を変形した次式に示すように、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnは、燃焼時の軸トルクTcrk_brnから、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算し、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを加算することにより算出できる。
ガス圧トルク演算部53は、燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度θdを、演算対象のクランク角度θd_objに順番に設定し、設定した各クランク角度θdにおいて、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する演算処理を行う。
未燃焼時データは、少なくとも燃焼行程を含むクランク角度区間の各クランク角度θdについて設定されている。未燃焼時データは、実験データに基づいて、予め設定され、ROM、EEPROM等の記憶装置91に記憶されている。本実施の形態では、未燃焼時データには、後述する未燃焼時軸トルク学習部56により未燃焼時の実軸トルクTcrkdに基づいて更新されたものが用いられる。
次式に示すように、未燃焼時の軸トルクTcrk_motに、未燃焼時の外部負荷トルクTload_motが含まれると、式(9)により算出される燃焼時の外部負荷トルクTload_brnに、未燃焼時の外部負荷トルクTload_motによる誤差が含まれる。
燃焼状態推定部54は、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する。
<未燃焼時の筒内圧の算出>
筒内圧演算部541は、内燃機関の燃焼状態において、現在の吸気管内のガス圧Pin、及び演算対象のクランク角度θd_objに基づいて、燃焼していないと仮定した場合の演算対象のクランク角度θd_objにおける未燃焼時の筒内圧Pcyl_motを算出する。
そして、筒内圧演算部541は、算出した演算対象のクランク角度θd_objの未燃焼時の筒内圧Pcyl_motと、演算対象のクランク角度θd_objの燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnとに基づいて、演算対象のクランク角度θd_objにおける燃焼時の筒内圧Pcyl_brnを算出する。
燃焼パラメータ演算部542は、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnに基づいて、燃焼状態を表す燃焼パラメータを算出する。例えば、燃焼パラメータとして、熱発生率、質量燃焼割合MFB、及び図示平均有効圧力IMEPの少なくとも1つ以上が算出される。なお、他の種類の燃焼パラメータが算出されてもよい。
燃焼制御部55は、燃焼パラメータに基づいて、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる燃焼制御を行う。本実施の形態では、燃焼制御部55は、質量燃焼割合MFBが0.5(50%)になるクランク角度θd(燃焼中心角度と称す)を判定し、燃焼中心角度が予め設定された目標角度に近づくように、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる。例えば、燃焼制御部55は、燃焼中心角度が目標角度よりも遅角側である場合は、点火時期を進角側に変化させる、又はEGRバルブ22の開度を増加させてEGR量を増加させる。なお、EGR量を増加させれば、燃焼速度が緩やかになり、燃焼中心角度が進角側に変化する。一方、燃焼制御部55は、燃焼中心角度が目標角度よりも進角側である場合は、点火時期を遅角側に変化させる、又はEGRバルブ22の開度を減少させてEGR量を減少させる。
未燃焼時軸トルク学習部56は、内燃機関の未燃焼状態において、各クランク角度θdにおいて演算された未燃焼時の実軸トルクTcrkdにより、未燃焼時データを更新する。
本実施の形態に係る制御装置50の概略的な処理の手順(内燃機関の制御方法)について、図10に示すフローチャートに基づいて説明する。図10のフローチャートの処理は、演算処理装置90が記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、例えば、クランク角度θdを検出する毎、又は所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (13)
- クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出部と、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算部と、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算部により演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算部と、
を備えた内燃機関の制御装置。 - 前記ガス圧トルク演算部は、燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度を、前記演算対象のクランク角度に順番に設定し、設定した各クランク角度において、前記燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出する演算処理を行う請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記燃焼によるガス圧トルクの増加分に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する燃焼状態推定部を備えた請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関の燃焼状態において、現在の吸気管内のガス圧、及び前記演算対象のクランク角度に基づいて、燃焼していないと仮定した場合の前記演算対象のクランク角度における未燃焼時の筒内圧を算出し、
算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の筒内圧と、前記演算対象のクランク角度の前記燃焼によるガス圧トルクの増加分とに基づいて、前記演算対象のクランク角度における燃焼時の筒内圧を算出する筒内圧演算部を備えた請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記燃焼時の筒内圧に基づいて、燃焼状態を表す燃焼パラメータを算出する燃焼パラメータ演算部と、
前記燃焼パラメータに基づいて、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる燃焼制御部と、を備えた請求項4に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記未燃焼時データは、少なくとも、内燃機関の回転速度、気筒内の吸入気体量、内燃機関の温度、並びに吸気バルブ及び排気バルブの一方又は双方の開閉タイミングのいずれか1つ以上を含む運転状態ごとに設定され、
前記ガス圧トルク演算部は、現在の前記運転状態に対応する前記未燃焼時データを参照し、前記未燃焼時の軸トルクを算出する請求項1から5のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記角度情報検出部は、前記クランク角加速度を算出する際に、高周波成分を除去するフィルタ処理を行う請求項1から6のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記角度情報検出部は、未燃焼状態と燃焼状態との間で、同じフィルタ特性の前記フィルタ処理を行う請求項7に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関の未燃焼状態において、各クランク角度において演算された未燃焼時の前記実軸トルクにより、前記未燃焼時データを更新する未燃焼時軸トルク学習部を備えた請求項1から8のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記未燃焼時データを更新する前記未燃焼状態は、燃料カットが実施されている状態である請求項9に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記未燃焼時軸トルク学習部は、前記未燃焼状態の複数回の燃焼行程において各クランク角度で演算された複数回の未燃焼時の前記実軸トルクに対して統計処理を行った値により、前記未燃焼時データに設定されている各クランク角度の前記未燃焼時の軸トルクを更新する請求項9又は10に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記未燃焼時軸トルク学習部は、前記未燃焼状態の各クランク角度で演算された未燃焼時の前記実軸トルクに対して、クランク角度ごとにローパスフィルタ処理を行った値により、前記未燃焼時データに設定されている各クランク角度の前記未燃焼時の軸トルクを更新する請求項9又は10に記載の内燃機関の制御装置。
- クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出ステップと、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算ステップと、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算ステップにおいて演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算ステップと、
を備えた内燃機関の制御方法。
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