JP7124516B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関する。

特許文献１には、燃料噴射量に基づいて理想熱発生量を算出し、エンジン筒内に設置している筒内圧センサの実測値に基づいて筒内の実熱発生量を算出して、実熱発生量が理想熱発生量の所定割合より低い場合には点火遅角制御を行ない、高い場合には点火を停止させることが記載されている。

特開２０１１－２０８５４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、燃料噴射量に基づいて理想熱発生量を算出しているため、残存燃料（未燃ガス）が多くなった場合などでは、燃焼時に理想熱発生量よりも高い熱発生量になる可能性があり、比較閾値にマージンを持たせた場合でも誤判定してしまい、燃焼を停止してしまう。

そこで、本発明は、異常燃焼を判別することができ、燃焼を安定させることができる内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明は、内燃機関の気筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、前記筒内圧センサの検出した筒内圧から熱発生率を算出し、前記熱発生率の変化に基づいて前記内燃機関の異常燃焼を判定する制御部と、を備え、点火プラグによるＳＩ燃焼が発生した後にＣＩ燃焼が発生する内燃機関の制御装置であって、前記制御部は、前記熱発生率の傾きの最大値と、傾きが最大値となる時期と、そのときの前記熱発生率の値と、から前記ＣＩ燃焼による前記熱発生率がゼロとなるＣＩ領域の開始点を算出し、該ＣＩ領域の開始点と前記ＳＩ燃焼の点火時期との時間により前記内燃機関の異常燃焼を判定するものである。

このように、本発明によれば、異常燃焼を判別することができ、燃焼を安定させることができる。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置の概略構成図である。 図２は、本発明の一実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置のＣＩ領域の開始点の例を示す図である。 図３は、本発明の一実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置のプレイグニッションが発生した場合の熱発生率の変化を示す図である。 図４は、本発明の一実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置の燃焼安定化処理の手順を示すフローチャートである。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の気筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、筒内圧センサの検出した筒内圧から熱発生率を算出し、熱発生率の変化に基づいて内燃機関の異常燃焼を判定する制御部と、を備えるよう構成されている。

これにより、本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼制御装置は、異常燃焼を判別することができ、燃焼を安定させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置について詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置を搭載した車両１は、内燃機関型のエンジン２と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３とを含んで構成される。

エンジン２には、気筒としてのシリンダ５が形成されている。シリンダ５には、このシリンダ５内を上下に往復動可能なピストン６が収納されている。また、シリンダ５の上部には、燃焼室７が設けられている。

エンジン２は、シリンダ５内でピストン６が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程を１サイクルとして行なう、いわゆる４ストロークのガソリンエンジンである。

また、ピストン６は、不図示のコネクティングロッドを介してクランクシャフトと連結している。コネクティングロッドは、ピストン６の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するようになっている。

また、燃焼室７には、点火プラグ８と、筒内圧センサ３１が設けられている。点火プラグ８は、燃焼室７内に電極を突出させた状態で配設され、ＥＣＵ３によってその点火時期が制御されるようになっている。筒内圧センサ３１は、シリンダ５の内部の圧力である筒内圧力を検出する。

エンジン２には、吸気ポート１１と、排気ポート２１が設けられている。吸気ポート１１は、燃焼室７と後述する吸気通路１４ａとを連通するようになっている。また、吸気ポート１１には、吸気弁１２が設けられている。

吸気弁１２は、吸気通路１４ａと燃焼室７とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。吸気弁１２の開閉は、吸気側可変動弁機構１３によって行なわれるようになっている。

吸気側可変動弁機構１３としては、例えば電磁石とスプリング等から構成された電磁アクチュエータにより吸気弁１２の開閉を行なう電磁式の可変動弁機構を用いることができる。具体的には、吸気側可変動弁機構１３は、吸気弁１２に固定された可動部を電磁石の励磁によって吸引することで、スプリングによって常時閉弁方向に付勢されている吸気弁１２を、開弁方向に移動させるようになっている。

なお、吸気側可変動弁機構１３としては、電磁アクチュエータに替えて油圧アクチュエータを用いた油圧式の可変動弁機構を用いてもよい。また、吸気側可変動弁機構１３として、主カムおよび副カム等のカム部材を用いて吸気弁１２の開閉時期を変更可能な機械式の可変動弁機構を用いても構わない。

さらに、この吸気側可変動弁機構１３は、例えば電磁石に対する励磁電流がＥＣＵ３によって調整されることにより、吸気弁１２の開閉時期とともに吸気弁１２のリフト量を連続的に変化させることが可能な構成であってもよい。

吸気ポート１１には、吸気管１４が接続されている。この吸気管１４の内部には、吸気ポート１１と連通する吸気通路１４ａが形成されている。

吸気ポート１１は、内部を流れる吸気の流れ方向に延びるように設けられた仕切り壁１５によって、燃焼室外側の第１通路１１ａと燃焼室中心側の第２通路１１ｂとからなる一対の通路に区画された部位を有している。

仕切り壁１５における吸気の流れの上流側の端部には、タンブルコントロールバルブ１６が配置されており、第１通路１１ａを開閉する。

タンブルコントロールバルブ１６の開度により燃焼室７のタンブル流の流速が変化する。タンブルコントロールバルブ１６の開度は、ＥＣＵ３により制御される。ＥＣＵ３は、タンブルコントロールバルブ１６の開度を制御することで、タンブル流の流速を制御することができる。

吸気ポート１１の第２通路１１ｂには、インジェクタ９が設けられている。インジェクタ９は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって供給された燃料を吸気ポート１１内に噴射する。

一方、排気ポート２１には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、後述する排気通路２４ａと燃焼室７とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。排気弁２２の開閉は、排気側可変動弁機構２３によって行なわれるようになっている。

排気側可変動弁機構２３は、上述した吸気側可変動弁機構１３と同様の構成であるため、詳細な説明を省略するが、電磁石の励磁、非励磁がＥＣＵ３によって制御されることで、排気弁２２の開閉時期が任意に変更される。なお、排気側可変動弁機構２３として、電磁アクチュエータに替えて油圧アクチュエータを用いた油圧式の可変動弁機構を用いてもよい。また、排気側可変動弁機構２３として、主カムおよび副カム等のカム部材を用いて排気弁２２の開閉時期を変更可能な機械式の可変動弁機構を用いても構わない。したがって、ＥＣＵ３は、排気弁２２の開弁期間を容易に調整することができる。

また、排気ポート２１には、排気管２４が接続されている。この排気管２４の内部には、排気ポート２１と連通する排気通路２４ａが形成されている。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

このコンピュータユニットのＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ３として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ３として機能する。

ＥＣＵ３の入力ポートには、前述した筒内圧センサ３１等の各種センサ類が接続されている。

一方、ＥＣＵ３の出力ポートには、前述した点火プラグ８、インジェクタ９、吸気側可変動弁機構１３、排気側可変動弁機構２３等の各種制御対象類が接続されている。

エンジン２は、図２に示すように、点火プラグ８による火花点火燃焼（ＳＩ（Speak Ignition）燃焼ともいう）が発生した後に、圧縮着火燃焼（ＣＩ（Compression Ignition）燃焼ともいう）が発生するようになっている。ＣＩ燃焼が異常燃焼になると、ノッキングが発生する。

正常なＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼のときよりも熱発生率が急激に変化するため、熱発生率の傾き（変化量）が最大となるのはＣＩ燃焼による熱発生率の変化の前半部分になる。

ＥＣＵ３は、筒内圧センサ３１の検出した筒内圧から熱発生率を算出し、この熱発生率の変化に基づいてエンジン２の異常燃焼を判定する。

ＥＣＵ３は、数１に示す熱力学第一法則と比熱比の関係式から導き出した、数２に示す式により熱発生率ｄＱを所定時間間隔に算出する。

ここで、Ｑは熱量、Ｕは内部エネルギー、ｐは圧力、Ｖはシリンダ容積、Ｔは温度、Ｃ_pは定圧比熱、Ｃ_vは定容比熱、Ｒはガス定数、ｍはシリンダ内の混合気の質量である。

ＥＣＵ３は、算出した熱発生率ｄＱの傾き（前回の値との差分）を算出し、例えば、圧縮行程から膨張行程までの中で熱発生率ｄＱの傾きの最大値を算出する。

ＥＣＵ３は、例えば、図２に示すような、クランクアングル毎の熱発生率のグラフにおいて、熱発生率の傾きが最大値となった点を通る傾き最大値の直線（図中点線の直線）が、クランクアングルの軸と交わった点（熱発生率がゼロとなるクランクアングル）をＣＩ領域の開始点とする。

ＣＩ領域の開始点は、例えば、熱発生率の傾きの最大値と、傾きが最大値となったときのクランクアングルと、傾きが最大値となったときの熱発生率の値から求めることができる。

ＥＣＵ３は、点火時期からＣＩ領域の開始点までの時間が所定の閾値以上であれば、安定したＣＩ燃焼であると判定する。

ＥＣＵ３は、点火時期からＣＩ領域の開始点までの時間が所定の閾値未満であれば、ノッキングと判定して、点火遅角制御を実施し、燃焼を安定させる。所定の閾値は、エンジン回転数、負荷を変えて計測した実験値により算出する。

ＥＣＵ３は、図３に示すように、点火時期以前のタイミングで熱発生率の傾きが規定値を超えている場合、プレイグニッションが発生していると判定し、バルブタイミングを制御して、エンジン燃焼室温度が下がる制御を実施する。このプレイグニッションを判定する規定値は、計測した実験値により算出する。

以上のように構成された本実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置による燃焼安定化処理について、図４を参照して説明する。なお、以下に説明する燃焼安定化処理は、各気筒の燃焼サイクルごとに、例えば、膨張行程後に実行される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３は、筒内圧センサ３１により筒内燃焼圧の計測を行なう。

ステップＳ２において、ＥＣＵ３は、筒内燃焼圧から上述の数２の式により、熱発生率を算出する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３は、算出した熱発生率から熱発生率の傾きの最大値を算出する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３は、点火タイミング以前の段階で熱発生率の傾きが規定値以下か否かを判定する。

点火タイミング以前の段階で熱発生率の傾きが規定値以下であると判定した場合、ステップＳ５において、ＥＣＵ３は、熱発生率の傾きの最大値からＣＩ領域の開始点を算出し、点火時期からＣＩ領域の開始点までの時間をＣＩ領域までの時間として算出する。

ステップＳ６において、ＥＣＵ３は、算出したＣＩ領域までの時間が所定の閾値以上か否かを判定する。

ＣＩ領域までの時間が所定の閾値以上であると判定した場合、ステップＳ７において、ＥＣＵ３は、安定したＣＩ燃焼であると判定して、処理を終了する。

ステップＳ６においてＣＩ領域までの時間が所定の閾値以上でないと判定した場合、ステップＳ８において、ＥＣＵ３は、ノッキングと判定し、点火遅角を実施し、処理を終了する。

ステップＳ４において点火タイミング以前の段階で熱発生率の傾きが規定値以下でないと判定した場合、ステップＳ９において、ＥＣＵ３は、プレイグニッションと判定し、バルブタイミングを制御してエンジン燃焼室温度が下がる制御を実施し、処理を終了する。

このように、上述の実施例では、筒内圧センサ３１により筒内の燃焼圧を計測し、その値から筒内の熱発生率を算出し、熱発生率の変化に基づいてエンジン２の異常燃焼を判定する。

これにより、エンジン２の異常燃焼を判定することができ、燃焼を安定させることができる。

また、熱発生率の傾きの最大値と、傾きが最大値となったときのクランクアングルと、傾きが最大値となったときの熱発生率の値からＣＩ領域の開始点を算出し、ＣＩ領域の開始点と点火時期との時間によりエンジン２の異常燃焼を判定する。

これにより、熱発生率の傾きの最大値と、傾きが最大値となったときのクランクアングルと、傾きが最大値となったときの熱発生率の値から異常燃焼を判定するため、正確に異常燃焼を判定することができる。

また、ＣＩ領域の開始点と点火時期との時間が、所定の閾値未満の場合、異常燃焼が発生していると判定するため、異常燃焼を演算により、リアルタイムに正確に判定することができる。

また、点火時期の前に熱発生率の傾きが規定値を超えた場合に、プレイグニッションが発生していると判定するため、プレイグニッションを正確に判定することができ、燃焼を安定させることができる。

また、エンジン２において異常燃焼が発生していると判定すると、点火時期を遅角させる制御を行なっているため、点火時期を遅角制御することにより、異常燃焼を正常化できる。

また、筒内の圧力を常に検知しているため、適切なＣＩ燃焼制御を行なうことができ、かつノック振動が発生する前に、ノッキングを抑制させることが可能となる。

また、筒内に微小振動が生じている場合でも、ＣＩ燃焼が安定していると判定されている場合は、そのまま継続して運転することができるため、より広域においてＣＩ燃焼を行なうことが可能となり、燃費向上及び排ガス抑制を行なうことができる。

本実施例では、各種センサ情報に基づきＥＣＵ３が各種の判定や算出を行なう例について説明したが、これに限らず、車両１が外部サーバ等の車外装置と通信可能な通信部を備え、該通信部から送信された各種センサの検出情報に基づき車外装置によって各種の判定や算出が行なわれ、その判定結果や算出結果を通信部で受信して、その受信した判定結果や算出結果を用いて各種制御を行なってもよい。

本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ 車両
２ エンジン（内燃機関）
３ ＥＣＵ（制御部）
８ 点火プラグ
３１ 筒内圧センサ

Claims (4)

1. 内燃機関の気筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、
   前記筒内圧センサの検出した筒内圧から熱発生率を算出し、前記熱発生率の変化に基づいて前記内燃機関の異常燃焼を判定する制御部と、を備え、点火プラグによるＳＩ燃焼が発生した後にＣＩ燃焼が発生する内燃機関の制御装置であって、
   前記制御部は、前記熱発生率の傾きの最大値と、傾きが最大値となる時期と、そのときの前記熱発生率の値と、から前記ＣＩ燃焼による前記熱発生率がゼロとなるＣＩ領域の開始点を算出し、該ＣＩ領域の開始点と前記ＳＩ燃焼の点火時期との時間により前記内燃機関の異常燃焼を判定する内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記制御部は、前記ＣＩ領域の開始点と点火時期との時間が、所定の閾値未満の場合、異常燃焼が発生していると判定する請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記制御部は、点火時期の前に前記熱発生率の傾きが規定値を超えた場合に、プレイグニッションが発生していると判定する請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記制御部は、前記内燃機関において異常燃焼が発生していると判定すると、点火時期を遅角させる制御を行なう請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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