JP7431512B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関制御装置に関し、特にノイズなどの外乱にロバストでかつ簡易な構成で燃焼特性を検知してエンジンを制御する技術に係る。
近年、自動車等の車両においては、燃料消費量（燃費）や排気ガス有害成分に関する規制が強化され、このような規制は今後もますます強化される傾向にある。特に、燃費に関する規制は、燃料価格の高騰、地球温暖化への影響、エネルギー資源枯渇等の問題により、極めて関心の高い事項である。
このような状況下において、エンジン燃焼室内の状態を推定し、その推定結果に基づいてエンジンを制御する技術が知られている。現在の燃焼状態に応じて点火時期や燃料噴射時期などを適切に制御することによって、エンジンの熱効率を高めることができる。このような燃焼状態の推定技術の例が、例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１には、「エンジンの回転加速度を算出する手段と、前記回転加速度に基づいて燃焼室内の燃焼状態を推定する手段」が記載されている。また、特許文献１には、「エンジン出力軸の回転加速度が極値となる回転位置を算出し、前記回転位置に基づいて燃焼状態を推定する」ことが記載されている。
特開２０１７－１５０３９３号公報
ところで近年では、エンジンによって発電した電力をモータに供給して車軸を駆動するハイブリッド車が普及している。ハイブリッドシステムにおいて、エンジンは熱効率が低い低負荷、低回転速度での運転を回避でき、システム全体の熱効率を高めることができる。
一方、ハイブリッドシステムにおいては、エンジンが比較的高回転速度の一定負荷条件で運転されることが多く、エンジンサイクル内での回転速度変化が一般的なエンジン車に比べて小さい。
またハイブリッドシステムではエンジン車に比べてシステムが複雑となり部品点数も多くなる。このため、システムの簡素化、コストの低減が課題である。
上記特許文献１に記載された内燃機関制御装置においては、エンジンの回転加速度に基づいてエンジン燃焼室内の状態を推定している。回転加速度は回転速度の微分値であるので、回転速度の変化が小さい場合には回転加速度に対するＳＮ比は低くなり、ノイズなどによって燃焼状態の推定精度が悪化するおそれがある。
また回転速度から回転加速度を演算するための回路やソフトウェアをコントローラに実装する必要があり、システムが複雑になったり、コストが高くなったりするおそれがある。
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、本発明は、エンジンの回転状態に対してロバストに燃焼状態を推定可能であり、かつ簡易・低コストな内燃機関制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関制御装置は内燃機関のクランク回転速度を算出する回転速度算出部と、前記回転速度算出部により算出されたクランク回転速度の極値タイミングを算出する極値タイミング算出部と、前記極値タイミング算出部により算出されたクランク回転速度の極値タイミングに基づいて燃焼状態を推定する燃焼状態推定部と、前記燃焼状態推定部で推定された燃焼状態に基づいて前記内燃機関の燃焼制御を行う機関制御部と、を備え、前記燃焼状態推定部は、予め求められた、クランク回転速度が極大もしくは極小となるタイミングと前記内燃機関の燃焼質量割合が設定値となる燃焼位相との相関特性に基づいて、前記クランク回転速度が極大もしくは極小となるタイミングから前記内燃機関の燃焼質量割合が前記設定値となる燃焼位相を前記燃焼状態として推定し、前記機関制御部は、推定した燃焼位相が設定位相となるように前記内燃機関の燃焼制御を行う。
本発明によれば、ノイズなどの外乱にロバストかつ簡易な構成で燃焼特性を検知してエンジンを制御する内燃機関制御装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施形態に係るハイブリッド車のシステム構成の例を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るエンジンの断面の例を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るクランク角センサによる回転速度検出の原理を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るコントローラの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るコントローラの回転速度算出部の処理手順を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るサイクル平均回転速度の時系列データの求め方を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るコントローラの極値タイミング算出部の処理手順を示す説明図である。 ３気筒４サイクルエンジンの行程シーケンスを示す説明図である。 本発明の実施形態に係る３気筒４サイクルエンジンの気筒ウィンドウの決め方を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るローカルクランク角の定義を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る最大速度タイミングの算出方法を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る最小速度タイミングの算出方法を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る最大速度タイミングから燃焼重心位置の求め方を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る最小速度タイミングから燃焼重心位置の求め方を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る最大速度タイミングから初期燃焼位置の求め方を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る最小速度タイミングから初期燃焼位置の求め方を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る点火時期の制御ブロックを示す説明図である。 初期燃焼期間と燃焼トルクの変動率との関係を示す特性図である。 本発明の実施形態に係るＥＧＲの制御ブロックを示す説明図である。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）の例について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び添付図面において実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
＜１．第１の実施形態＞
［ハイブリッド車のシステム構成］
まず、本発明が適用されるハイブリッド車のシステム構成の例を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッド車のシステム構成の例を示す。図１に示すハイブリッド車において、エンジン１、増速ギア２、及び誘導発電機３がシリーズに接続されている。エンジン１の軸出力は、増速ギア２によって誘導発電機３に適した回転速度に増速され、誘導発電機３を駆動する。誘導発電機３によって発電された三相交流電力は、整流器４によって直流電力に変換された後、インバータ６とバッテリ５に供給される。直流電力はインバータ６で再度三相交流電力に変換された後、誘導モータ７に供給される。誘導モータ７は、トランスアクスル８を介して左右の車輪９を駆動する。
コントローラ１２は、ハイブリッド車５０の各構成要素を制御したり、各種のデータ処理を実行したりするハイブリッド車用制御装置の一例である。例えばコントローラ１２は、アクセル、ブレーキ、車速、及びギアポジションなどの情報から車両の駆動に必要なモータ出力を求め、インバータ６を制御して、誘導モータ７に所定の電力量を供給する制御を行う。また、コントローラ１２は、エンジン１の出力、増速ギア２の増速比、誘導発電機３の界磁電流を制御し、車両の動力系全体をマネージメントする。コントローラ１２には、一例としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）が用いられる。
［エンジン］
図２は、エンジン１の断面の例を示す。エンジン１は、火花点火４サイクルガソリンエンジンの例であり、エンジンヘッドとシリンダ１３、ピストン１４、吸気弁１５、及び排気弁１６によって燃焼室が形成されている。エンジン１では、燃料噴射弁１８がエンジンヘッドに設けられるとともに、燃料噴射弁１８の噴射ノズルが燃焼室内に貫通していることにより、所謂、筒内直接噴射式の内燃機関を構成している。また、エンジンヘッドには点火プラグ１７も併設されている。燃焼用の空気は、エアクリーナ１９、スロットルバルブ２０、及び吸気ポート２１を通って、燃焼室内に取り込まれる。そして、燃焼室から排出される燃焼後のガス（排気ガス）は、排気ポート２４、及び触媒コンバータ２５を通って大気に排出される。
燃焼室に取り込まれる空気の量は、スロットルバルブ２０上流側に設けられたエアフローセンサ２２によって計量される。また、燃焼室から排出されたガス（排気）の空燃比は、触媒コンバータ２５の上流側に設けられた空燃比センサ２７によって検出される。また、シリンダ１３とクランクケースを一体化した構造のシリンダブロック（図示略）にはノックセンサ１０が設けられている。ノックセンサ１０は、燃焼室内のノック状態量に応じた検出信号を出力する。
排気ポート２４と吸気ポート２１はＥＧＲ管２８によって連通しており、排気ポート２４を流れる排気の一部が吸気ポート２１の内部に戻される、所謂、排気再循環システム（ＥＧＲ）が構成されている。ＥＧＲ管２８を流れるガスの量はＥＧＲバルブ２９によって調整される。
さらに、クランクシャフトの軸部には、タイミングロータ２６（シグナルロータ）が設けられている。タイミングロータ２６に配置されたクランク角センサ１１は、タイミングロータ２６の信号を検出することでクランクシャフトの回転と位相、即ちエンジン回転速度を検出する。ノックセンサ１０及びクランク角センサ１１の検出信号は、コントローラ１２へ取り込まれ、コントローラ１２においてエンジン１の状態検知や運転制御に利用される。
コントローラ１２は、スロットルバルブ２０の開度、ＥＧＲバルブ２９の開度、燃料噴射弁１８による燃料噴射タイミング、点火プラグ１７による点火時期などを出力し、エンジン１を所定の運転状態に制御する。
なお、図２にはエンジン１の燃焼室の構成を示すため単一気筒のみを示したが、本発明の実施形態に係るエンジン1は、複数の気筒から構成される多気筒エンジンであってもよい。
［クランク角センサ］
図３は、クランク角センサ１１とタイミングロータ２６を用いてエンジン回転速度を検出する原理を示した図である。エンジンのクランクシャフト３０に取り付けられたタイミングロータ２６の円周上には、一定の角度間隔Δθで信号歯２６ａが設けられている。クランク角センサ１１によって、隣り合った信号歯２６ａがクランク角センサ１１の検出部を通過する時間差Δｔが検出され、エンジン回転速度ω＝Δθ／Δｔ（rad/s）が求められる。クランク角センサではこのような回転速度の検出原理であるため、エンジン回転速度は回転角Δθ毎に検出され、その回転速度は回転角Δθ間における平均速度となる。
［コントローラ］
図４は、コントローラ１２の構成例を示すブロック図である。コントローラ１２は、不図示のシステムバスを介して相互に電気的に接続された入出力部１２１、制御部１２２、及び記憶部１２３を備える。
入出力部１２１は、図示しない入力ポートや出力ポートを備え、車両内の各装置や各センサに対して入力及び出力の処理を行う。例えば、入出力部１２１は、クランク角センサの信号を読み込み、当該信号を制御部１２２へ送る。制御部１２２は演算処理装置であり、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）を用いることができる。また、入出力部１２１は、制御部１２２のコマンドに従い制御信号を各装置へ出力する。
制御部１２２は、車両の動力系を制御する。例えば制御部１２２は、内燃機関で構成されるエンジン１の燃焼位相に応じて点火時期やスロットル開度、ＥＧＲ開度を制御する。制御部１２２は、回転速度算出部１２２ａと、極値タイミング算出部１２２ｂと、燃焼位相算出部１２２ｃ、機関制御部１２２ｄ、とを備える。
回転速度算出部１２２ａは、エンジン回転速度の時系列データの平均化と高調波成分の除去を行い、得られたエンジン回転速度の時系列データを極値タイミング算出部１２２ｂへ出力する。
極値タイミング算出部１２２ｂは、回転速度算出部１２２ａから入力されたエンジン回転速度の時系列データから、回転速度が極大値または極小値となるクランク角タイミングを求め、その結果を燃焼位相算出部１２２ｃへ出力する。
燃焼位相算出部１２２ｃは、極値タイミング算出部１２２ｂで求められたエンジン回転速度の極大値タイミングまたは極小値タイミングに基づいて燃焼位相を求め、その結果を機関制御部１２２ｄへ出力する。
機関制御部１２２ｄは燃焼位相算出部１２２ｃで求められた燃焼位相に基づいてエンジン１を制御する。
記憶部１２３は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性のメモリ、又はＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性のメモリである。記憶部１２３には、コントローラ１２が備える制御部１２２（演算処理装置）により実行される制御プログラムが記録されている。制御部１２２が、記憶部１２３から制御プログラムを読み出して実行することにより、制御部１２２の各ブロックの機能が実現される。なお、コントローラ１２が半導体メモリ等からなる不揮発性の補助記憶装置を有し、上記の制御プログラムが補助記憶装置に格納されていてもよい。
なお、本発明は、エンジンを発電専用とするタイプのハイブリッド車のエンジン制御に適用するのが望ましい。但し、エンジンを発電専用としないタイプのハイブリッド車にも適用できることももちろん可能である。また、本発明は、エンジンのみを車両の駆動源とした非ハイブリッド車にも適用できる。
［回転速度算出部］
図５は、回転速度算出部１２２ａによる処理の手順例を示す。回転速度算出部１２２ａは、クランク角センサ１１によって検出されたエンジン回転速度データから、サイクル平均のエンジン回転速度の時系列データを求める（Ｓ１）。これは、サイクル毎にエンジン回転速度がばらついた場合に燃焼状態の推定結果に悪影響を及ぼさないようにするためである。
サイクル平均のエンジン回転速度の時系列データの具体的な求め方を図６を用いて説明する。回転速度算出部１２２ａでは、クランク角センサ１１によって一定クランク角Δθ毎に得られた回転速度データを、エンジン１サイクル分（クランク角７２０°期間）の時系列データとして取り込む。例えば、Δθ＝１０°の場合には、クランク角１０°から７２０°までの合計７２点から成る回転速度の時系列データが回転速度算出部１２２ａで取り込まれる。図６の左図は、このようにして取り込まれたサイクル毎の回転速度の時系列データの一例を示す。
サイクル毎の回転速度データの取り込みを所定サイクル数Ｎ（例えば１００サイクル）繰り返し、数（１）によりサイクル平均のエンジン回転速度の時系列データを求める。各離散点におけるエンジン回転速度データがそれぞれ所定サイクル数Ｎで平均化されることによって、サイクルばらつきが除去されたエンジン回転速度の時系列データが得られる。
Figure 0007431512000001
図５に戻り、回転速度算出部１２２ａによる処理の手順について引き続き説明する。次に、回転速度算出部１２２ａでは、サイクル平均のエンジン回転速度の時系列データから高調波成分を取り除いたエンジン回転速度の時系列データを求める（Ｓ２）。
この処理はエンジン回転速度から燃焼が関係していない変動成分を取り除くために行われる。燃焼が関係しない回転速度の変動成分としては、例えばエンジン１と発電機３の間に設けられた増速機２の機械的なガタによる回転変動や、クランク角センサ１１の信号に含まれる電気的なノイズなどがある。これらは一般的に燃焼トルクによって発生するエンジン回転変動に比べて短周期の変動であるため、回転速度データから高調波成分を除去することで取り除くことができる。回転速度データから燃焼が無関係な変動成分が除去されることによって、エンジン回転変動に基づいた燃焼状態の推定において、その推定精度を向上することができる。
回転速度データから高調波成分を除去するため、回転速度算出部１２２ａでは数（２）で示されるフーリエ級数展開を用いてエンジン回転速度の時系列データを再構築する。フーリエ級数展開では周波数の異なる正弦関数の足し合わせによって元の関数が再構築される。数（２）においてｋは正弦関数の次数であり、ｋが大きいほど周波数の高い正弦関数となる。従って、フーリエ級数展開を用いてエンジン回転速度の時系列データを再構築する際に、正弦関数の足し合わせを適切な次数で打ち切れば、その次数より高い周波数成分を元のデータから除去することができる。
Figure 0007431512000002
一般的な４気筒の４サイクルガソリンエンジンにおいては、回転速度データから燃焼に関係しない高調波成分を除去するための正弦関数の打ち切り次数ｎは３～５程度が望ましい。ただし、適正な打ち切り次数ｎはエンジンの構成や運転条件によって変化すると考えられる。例えばエンジン気筒数が多くなると燃焼トルクによるエンジン回転変動の周波数は高くなるので、この変動成分を適切に再構築するためには打ち切り次数はより大きくするのが良い。またエンジン回転速度が速くなった場合にも、燃焼トルクによるエンジン回転変動の周波数が高くなるので、打ち切り次数はより大きくするのが良い。従ってエンジン回転速度に基づいて正弦関数の打ち切り次数ｎを変更すると、エンジン回転変動に基づいた燃焼状態の推定において、広い運転範囲に亘ってその推定精度を向上することができる。
以上の通り回転速度算出部１２２ａは、回転角センサより得られたクランク回転速度の時系列値を有限次数のフーリエ級数展開することでクランク回転速度を算出する。またフーリエ級数展開の打ち切り次数をクランク回転速度に基づいて変更することが望ましい。また極値タイミング算出部１２２ｂは、クランク角７２０°期間におけるクランク回転速度時系列値の期間を気筒数で分割し、各気筒の圧縮上死点を含む期間のクランク回転速度時系列値を、当該の気筒におけるクランク回転速度時系列値として割り当てる。また極値タイミング算出部１２２ｂは、前記各気筒に割り当てられたクランク回転速度時系列値から気筒毎のクランク回転速度の極値タイミングを算出することが望ましい。また極値タイミング算出部１２２ｂは、クランク回転速度の離散時系列値から、クランク回転速度の時系列値を連続関数を用いて近似し、前記連続関数を用いてクランク回転速度の極値タイミングを算出することが望ましい。
［極値タイミング算出部］
続いてコントローラ１２における極値タイミング算出部１２２ｂの処理について説明する。
図７は、極値タイミング算出部１２２ｂによる処理の手順例を示す。
極値タイミング算出部１２２ｂでは、エンジンサイクル全体（クランク角０～７２０°）のエンジン回転速度の時系列データをエンジン気筒毎のサイクルに同期したローカルクランク角に変換する（Ｓ３）。次に、ローカルクランク角に変換されたエンジン回転速度の時系列データから、エンジン回転速度が最大（もしくは最小）となるクランク角タイミングを算出する（Ｓ４）。
回転速度算出部１２２ａにおけるローカルクランク角の変換処理（Ｓ３）について図８から図１０を用いて説明する。
図８は３気筒４サイクルエンジンの各行程のシーケンスを示す。４サイクルエンジンでは吸気、圧縮、膨張、排気の４つの行程が順番に行われる。３気筒エンジンでは気筒間の行程がクランク角２４０°ずつずれる。エンジンへの点火が第２気筒、第１気筒、第３気筒の順序で行われるとすると、第１気筒の行程は第２気筒に対して２４０°遅れ、更に第３気筒の行程は第１気筒に対して２４０°遅れる。
クランク回転速度に燃焼の状態が強く反映されるのは、筒内圧力が最大となる各気筒の圧縮上死点付近である。そこで処理Ｓ３においては、サイクル全体（クランク角０～７２０°）の回転速度データを各気筒の圧縮上死点を中心としたクランク角２４０°区間で分割する。そして各ウィンドウを、ウィンドウ内に圧縮上死点を含む気筒の回転速度データとして割り当てる。
図９は、エンジン回転速度の時系列データに対して、各気筒の圧縮上死点を中心として幅２４０°のウィンドウを設定した例である。クランク角０～２４０°の区間では第３気筒の圧縮上死点が含まれるので、これを第３気筒ウィンドウとして割り当てる。同様にクランク角２４０～４８０°の区間を第２気筒ウィンドウ、クランク角４８０～７２０°の区間を第１気筒ウィンドウとして割り当てる。
このように各ウィンドウを割り当てると、第３気筒ウィンドウの回転速度データには第３気筒の燃焼状態が他の気筒ウィンドウの回転速度データに比べて強く反映されている。同様に、第２気筒ウィンドウの回転速度データには第２気筒の燃焼状態が他の気筒ウィンドウの回転速度データに比べて強く反映され、第１気筒ウィンドウの回転速度データには第１気筒の燃焼状態が他の気筒ウィンドウの回転速度データに比べて強く反映されている。従って、各ウィンドウの回転速度データを用いることによって気筒毎に燃焼状態の推定が可能となる。
更に処理Ｓ３においては、各ウィンドウの回転速度データを各気筒の圧縮上死点を基準としたローカルクランク角に変換する。図１０は各ウィンドウの回転速度データをローカルクランク角に変換した例を示している。本例では、各気筒の圧縮上死点をゼロとした－１２０～１２０°のローカルクランク角を用いて、回転速度の時系列データを再定義している。処理Ｓ３においては、全気筒ウィンドウについてローカルクランク角に変換した回転速度の時系列データを作成し、処理Ｓ４にそのデータを引き渡す。
引き続いて、処理Ｓ４ではローカルクランク角に変換された回転速度の時系列データから、回転速度が最大となるタイミング、もしくは回転速度が最小となるタイミングを算出する。
図１１には処理Ｓ４による回転速度の最大タイミングの算出方法を示す。
回転速度の時系列データは離散点データであるため、離散点データにおける回転速度の最大タイミングと実際の回転速度（図１１において点線で示された回転速度）の最大タイミングにはずれが生じる。そこで処理Ｓ４では離散点データから回転速度を多項式で近似して、この近似式から回転速度の最大タイミングを求める。
そのために処理Ｓ４では、まず離散点データである回転速度の時系列データから、回転速度が最大となるデータ点ｎを探索する。そしてｎにおけるローカルクランク角θｎと回転速度ωｎ、ｎの１時刻前のデータ点におけるローカルクランク角θｎ－１と回転速度ωｎ－１、ｎの１時刻後のデータ点におけるローカルクランク角θｎ＋１と回転速度ωｎ＋１を抽出する。
更に処理Ｓ４においては、回転速度ωをローカルクランク角θの二次関数である数３で近似する。ここにａ，ｂ，ｃは定数である。処理Ｓ４では数３にθｎ、ωｎ、θｎ－１、ωｎ－１、θｎ＋１、ωｎ＋１を代入して得られる三元連立一次方程式を解くことでａ，ｂ，ｃを求める。
Figure 0007431512000003
回転速度が極値となる点においては数３の微分値がゼロとなるので、処理Ｓ４では数４より回転速度が最大となるローカルクランク角（最大速度タイミング）θｍａｘを求める。各気筒のθｍａｘを同様の手順により求め、それらを燃焼位相算出部１２２ｃに引き渡す。
Figure 0007431512000004
また処理Ｓ４において回転速度の最小タイミングを求める場合も、前記回転速度の最大タイミングを求める場合と同様の方法で求める。
図１２には処理Ｓ４による回転速度の最小タイミングの算出方法を示す。
処理Ｓ４では、まず離散点データである回転速度の時系列データから、回転速度が最小となるデータ点ｎを探索する。そしてｎにおけるローカルクランク角θｎと回転速度ωｎ、ｎの１時刻前のデータ点におけるローカルクランク角θｎ－１と回転速度ωｎ－１、ｎの１時刻後のデータ点におけるローカルクランク角θｎ＋１と回転速度ωｎ＋１を抽出する。そして処理Ｓ４では、これらの値を用いて数３から二次関数の定数ａ，ｂ，ｃを求め、更に数４から回転速度が最小となるローカルクランク角（最小速度タイミング）θｍｉｎを求める。各気筒のθｍｉｎを同様を手順により求め、それらを燃焼位相算出部１２２ｃに引き渡す。
なお、上記実施例においては回転速度ωをローカルクランク角θの二次関数で近似したが本発明はこれに限られたものではない。例えば回転速度ωをローカルクランク角θの三次関数や正弦関数など、種々の連続関数を用いて近似することができる。
［燃焼位相算出部］
次にコントローラ１２における燃焼位相算出部１２２ｃによる燃焼位相の算出方法について図１３を用いて説明する。
図１３はエンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘと燃焼重心位置ＭＦＢ５０との相関を示した図である。ここで質量燃焼割合 (MFB: Mass Fraction Burned)は、混合気全体の質量に対する燃焼した部分の質量の割合のことで、燃焼重心位置ＭＦＢ５０とは燃焼質量割合が５０％となる時のクランク角を示す。エンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘと燃焼重心位置ＭＦＢ５０の間には強い相関があり、図１３に示されるように両者の関係はほぼ線形となる。この理由について以下で説明する。
エンジン回転速度の時間変化は数５で示す回転体の運動方程式で表される。ここにＴｃは燃焼トルク、ＴＬは負荷トルクである。数５から明らかなように、回転加速度ｄω／ｄｔと燃焼トルクＴｃとは比例関係にあり燃焼トルクが変化するとそれに伴って回転加速度が変化する。例えば、燃焼重心位置が遅角化すると燃焼トルクの発生タイミングが遅角化し、これに同期して回転加速度が最大となるタイミングが遅くなる。従って回転加速度の最大タイミングと燃焼重心位置には強い相関が現れる。
Figure 0007431512000005
一方、負荷トルクＴＬの変化が小さい場合には燃焼トルクの時間変化はほぼ正弦波状となる。これは燃焼トルクの大きさを決めるクランクの腕長さが、クランク軸の回転に伴い正弦波状に変化するためである。回転加速度が正弦波状となる場合、回転加速度の積分で求められる回転速度もまた正弦波状となり、回転加速度の時間変化波形と回転速度の時間変化波形とは一定の位相差を保つ。従って回転加速度の最大タイミングと回転速度の最大タイミングの位相差も一定であり、燃焼重心位置は回転加速度の最大タイミングのみならず、回転速度の最大タイミングにも強い相関を持つのである。つまり、本実施例では横軸のクランク角度に対する縦軸のクランク回転速度を示す波形が正弦波状となるように構成されることが望ましい。
エンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘと燃焼重心位置ＭＦＢ５０の相関線は予めキャリブレーション等で求め、相関式または参照テーブルの形でコントローラ１２のＲＯＭに記憶されている。燃焼位相算出部１２２ｃでは、極値タイミング算出部１２２ｂより引き渡された現在のエンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘ_ｃｕｒｒｅｎｔから図１３で示されるエンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘと燃焼重心位置ＭＦＢ５０の相関線を用いて現在の燃焼重心位置ＭＦＢ５０ｃｕｒｒｅｎｔを求める。各気筒について同様の手順で現在の燃焼重心位置ＭＦＢ５０ｃｕｒｒｅｎｔを求め、それらをコントローラ１２の機関制御部１２２ｄに引き渡す。
また、エンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎを用いても、エンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘの場合と同様に燃焼重心位置を求めることができる。
図１４はエンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎと燃焼重心位置ＭＦＢ５０との相関を示した図である。エンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎと燃焼重心位置ＭＦＢ５０の間には強い相関があり、図１４に示されるように両者の関係はほぼ線形となる。この理由について以下で説明する。
前述したように、負荷トルクＴＬの変化が小さい場合にはエンジン回転速度の時間変化は正弦波状となる。従って回転速度の最大タイミングと回転速度の最小タイミングとはほぼ一定の位相差となる。従って、燃焼重心位置は回転速度の最大タイミングのみならず、回転速度の最小タイミングにも強い相関を持つのである。
エンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎと燃焼重心位置ＭＦＢ５０の相関線は予めキャリブレーション等で求め、相関式または参照テーブルの形でコントローラ１２のＲＯＭに記憶されている。燃焼位相算出部１２２ｃでは、極値タイミング算出部１２２ｂより引き渡された現在のエンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎ_ｃｕｒｒｅｎｔから図１４で示されるエンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎと燃焼重心位置ＭＦＢ５０の相関線を用いて現在の燃焼重心位置ＭＦＢ５０ｃｕｒｒｅｎｔを求める。各気筒について同様の手順で現在の燃焼重心位置ＭＦＢ５０ｃｕｒｒｅｎｔを求め、それらをコントローラ１２の機関制御部１２２ｄに引き渡す。
また、エンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘを用いて、初期燃焼位置ＭＦＢ１０（質量燃焼割合１０％位置）を求めることもできる。
図１５はエンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘと初期燃焼位置ＭＦＢ１０との相関を示した図である。エンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘと初期燃焼位置ＭＦＢ１０の間には強い相関があり、図１５に示されるように両者の関係はほぼ線形となる。これは初期燃焼位置が変化するとこれに伴って燃焼トルクの発生タイミングが変化するためである。従って、エンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘと初期燃焼位置ＭＦＢ１０の相関線を予めキャリブレーション等で求めておけば、現在のエンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘ_ｃｕｒｒｅｎｔから図１５で示されるエンジン回転速度の最大タイミングθｍａｘと初期燃焼位置ＭＦＢ１０の相関線を用いて、現在の初期燃焼位置ＭＦＢ１０ｃｕｒｒｅｎｔを求めることができる。またＭＦＢ１０ｃｕｒｒｅｎｔから現在の点火タイミングθｉｇ_ｃｕｒｒｅｎｔを減算することで現在の初期燃焼期間Δθｉｇ１０_ｃｕｒｒｅｎｔも求めることができる。
燃焼位相算出部１２２ｃでは、各気筒について同様の手順で現在の燃焼重心位置ＭＦＢ１０ｃｕｒｒｅｎｔ、初期燃焼期間Δθｉｇ１０_ｃｕｒｒｅｎｔを求め、それらをコントローラ１２の機関制御部１２２ｄに引き渡す。
さらに、エンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎを用いて、初期燃焼位置ＭＦＢ１０を求めることもできる。
図１６はエンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎと初期燃焼位置ＭＦＢ１０との相関を示した図である。エンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎと初期燃焼位置ＭＦＢ１０の間には強い相関があり、図１６に示されるように両者の関係はほぼ線形となる。従って、エンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎと初期燃焼位置ＭＦＢ１０の相関線を予めキャリブレーション等で求めておけば、現在のエンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎ_ｃｕｒｒｅｎｔから図１６で示されるエンジン回転速度の最小タイミングθｍｉｎと初期燃焼位置ＭＦＢ１０の相関線を用いて、現在の初期燃焼位置ＭＦＢ１０ｃｕｒｒｅｎｔを求めることができる。またＭＦＢ１０ｃｕｒｒｅｎｔから現在の点火タイミングθｉｇ_ｃｕｒｒｅｎｔを減算することで現在の初期燃焼期間Δθｉｇ１０_ｃｕｒｒｅｎｔも求めることができる。
燃焼位相算出部１２２ｃでは、各気筒について同様の手順で現在の燃焼重心位置ＭＦＢ１０ｃｕｒｒｅｎｔ、初期燃焼期間Δθｉｇ１０_ｃｕｒｒｅｎｔを求め、それらをコントローラ１２の機関制御部１２２ｄに引き渡す。以上の通り、本実施例の内燃機関制御装置（ＥＣＵ１２）は、内燃機関（エンジン１）のクランク回転速度を算出する回転速度算出部１２２ａと、回転速度算出部１２２ａにより算出されたクランク回転速度の極値タイミングを算出する極値タイミング算出部１２２ｂと、極値タイミング算出部１２２ｂにより算出されたクランク速度の極値タイミングに基づいて燃焼状態を推定する燃焼状態推定部（燃焼位相算出部１２２ｃ）と、を備えた。
［機関制御部］
次に機関制御部１２２ｄによるエンジンの制御について説明する。
エンジンの熱効率を高めるには、燃焼位相を適切に制御する必要がある。燃焼位相が早過ぎると圧縮行程でガスを圧縮する仕事が増えるため損失が増える。また燃焼位相が遅すぎると排気温度が上昇し、排気による熱損失が増大する。熱効率が最大となる燃焼位相は燃焼重心位置ＭＦＢ５０によって規定されるので、燃焼重心位置ＭＦＢ５０が規定値となるように点火時期を制御することでエンジンの熱効率を高くすることができる。そこで機関制御部１２２ｄでは燃焼重心位置ＭＦＢ５０に基づいたエンジン制御を実施する。
図１７はコントローラ１２における点火時期の制御ブロック図である。コントローラ１２における点火時期の制御では、燃焼位相算出部１２２ｃによって算出された現在のＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔと目標ＭＦＢ５０との偏差に基づいて、機関制御部１２２ｄによって点火時期を算出し、算出された点火時期においてエンジン１に点火信号を送出する。機関制御部１２２ｄはＰＩＤコントローラにより構成されており、ＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔと目標ＭＦＢ５０の偏差が小さくなるように点火タイミングを調整する。より具体的には、ＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔが目標ＭＦＢ５０よりも遅角している場合には燃焼位相を進めるために点火時期を早くする。またＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔが目標ＭＦＢ５０よりも進角している場合には燃焼位相を遅らせるために点火時期を遅くする。
本実施例の内燃機関制御装置（ＥＣＵ１２）は、燃焼状態推定部（燃焼位相算出部１２２ｃ）で推定された燃焼状態に基づいて内燃機関（エンジン１）の燃焼制御を行う機関制御部１２２ｄを備えた。また内燃機関（エンジン１）がシリーズハイブリッドシステムの発電機３を駆動するように構成されることが望ましい。
また内燃機関制御装置（ＥＣＵ１２）の燃焼状態推定部（燃焼位相算出部１２２ｃ）は、クランク回転速度が極大もしくは極小となるタイミングに基づいて内燃機関（エンジン１）の燃焼質量割合が設定値となる燃焼位相を推定し、機関制御部１２２ｄは、推定した燃焼位相が設定位相となるように内燃機関（エンジン１）の燃焼制御を行う。機関制御部１２２ｄは、推定した燃焼位相が設定位相となるように内燃機関（エンジン１）の点火時期を制御する。具体的には、燃焼状態推定部（燃焼位相算出部１２２ｃ）は、燃焼質量割合が５０％となる燃焼位相（燃焼重心位置ＭＦＢ５０）や燃焼質量割合が１０％となる燃焼位相（初期燃焼位置ＭＦＢ１０）を算出する。そして、機関制御部１２２ｄは、推定した燃焼位相（燃焼重心位置ＭＦＢ５０）がたとえば上死点後８°～１５°となるように点火時期を制御することが望ましい。また機関制御部１２２ｄは、推定した燃焼位相（初期燃焼位置ＭＦＢ１０）がたとえば点火後、１５°以内となるように点火時期を制御することが望ましい。
つまり機関制御部１２２ｄは、推定した燃焼位相（初期燃焼位置ＭＦＢ１０）が設定位相（たとえば点火後、１５°以内）となるように内燃機関（エンジン１）のＥＧＲバルブ開度を制御する。機関制御部１２２ｄは、推定した燃焼位相（初期燃焼位置ＭＦＢ１０）が設定位相（たとえば点火後、１５°以内）よりも遅れている場合、内燃機関（エンジン１）のＥＧＲバルブ開度を閉じ方向に制御する。
機関制御部１２２ｄは、推定した燃焼位相（燃焼重心位置ＭＦＢ５０、初期燃焼位置ＭＦＢ１０）が上記した設定位相よりも遅れている場合、内燃機関（エンジン１）の点火時期を進角するように制御する。逆に、推定した燃焼位相（燃焼重心位置ＭＦＢ５０、初期燃焼位置ＭＦＢ１０）が上記した設定位相よりも進んでいる場合、機関制御部１２２ｄは内燃機関（エンジン１）の点火時期を遅角するように制御する。
なお、燃焼位相算出部１２２ｃでは気筒毎に現在の燃焼重心位置ＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔを求めているので、ＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔに基づいた点火時期の制御は気筒毎に実施するのが好ましい。多気筒エンジンでは吸入空気量のばらつきなどによって気筒間で燃焼位相が異なるおそれがある。しかし各気筒のＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔに基づいて、気筒毎に点火時期を制御することで、各気筒の燃焼位相を最適にすることができ熱効率やエミッション性能を向上することができる。また、各気筒のＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔから気筒平均のＭＦＢ５０_ｃｕｒｒｅｎｔを求め、これに基づいて点火時期を制御してもよい。この場合には全ての気筒の点火時期が同一となり、気筒毎に点火時期を制御した場合に比べ熱効率やエミッション性能が低くなる恐れがあるが、制御が簡素化されるメリットがある。
次に機関制御部１２２ｄによる別のエンジン制御について説明する。
エンジンの熱効率を高めるためにエンジンの吸入空気に排ガスを混ぜる排ガス再循環（ＥＧＲ）制御が広く行われている。ＥＧＲを導入すると、筒内への吸入ガス量が増えるので部分負荷におけるポンピング損失を低減できる。また不活性ガスによって燃焼温度が下がるので冷却損失を低減できる。またＥＧＲは高負荷におけるノッキングの抑制にも効果がある。これらのＥＧＲによる効果は一般に、吸入ガスに占めるＥＧＲの割合（ＥＧＲ率）が大きいほど高くなる。一方、ＥＧＲ率が大きくなると燃焼が不安定になり、失火やエミッションの増加などの懸念が高まる。
図１８には、初期燃焼期間Δθig10と燃焼トルクのサイクル変動率との関係の一例を示す。初期燃焼期間Δθig10は混合気への着火のしやすさを表し、Δθig10が大きいのは混合気への着火性が低いことを示す。従ってΔθig10が大きくなると失火が起こり易くなり、燃焼トルクのサイクル変動が増大する。特にΔθig10が所定値よりも大きくなると急速に失火サイクルが増えトルク変動の増大が加速する。
このようにＥＧＲによる燃焼の不安定性は初期燃焼期間Δθig10によって規定されるので初期燃焼期間Δθig10が規定値となるようにＥＧＲ率を制御することで、失火やエミッションの悪化を防ぎながらエンジンの熱効率を高くすることができる。そこで機関制御部１２２ｄでは初期燃焼期間Δθig10に基づいたエンジン制御を実施する。
制御部１２２の燃焼状態推定部は、クランク回転速度が極大もしくは極小となるタイミングに基づいて内燃機関（エンジン１）の初期燃焼期間Δθig10を推定し、機関制御部１２２ｄは、推定した初期燃焼期間Δθig10が設定初期燃焼期間となるように内燃機関（エンジン１）の燃焼制御を行う。具体的には機関制御部１２２ｄは、推定した初期燃焼期間Δθig10が設定初期燃焼期間よりも長い場合に内燃機関（エンジン１）のＥＧＲバルブ開度を閉じ方向に制御する。また推定した初期燃焼期間Δθig10が設定初期燃焼期間よりも短い場合に機関制御部１２２ｄは、内燃機関（エンジン１）のＥＧＲバルブ開度を閉じ方向に制御する。
図１９はコントローラ１２におけるＥＧＲの制御ブロック図である。コントローラ１２におけるＥＧＲの制御では、燃焼位相算出部１２２ｃによって算出された現在の初期燃焼期間Δθig10_ｃｕｒｒｅｎｔと目標Δθig10との偏差に基づいて、機関制御部１２２ｄによってＥＧＲバルブ開度を算出し、算出されたＥＧＲバルブ開度でエンジン１を運転する。ここで初期燃焼期間Δθig10_ｃｕｒｒｅｎｔは各気筒の初期燃焼期間Δθig10_ｃｕｒｒｅｎｔから最も大きなΔθig10_ｃｕｒｒｅｎｔを選択し、これに基づいてＥＧＲ制御を行なう。ここで最も大きなΔθig10_ｃｕｒｒｅｎｔを選択するのは、前述したように燃焼安定性は初期燃焼期間Δθig10の増加に対して急速に悪化する傾向があり、最もΔθig10_ｃｕｒｒｅｎｔが大きな気筒の安定性改善が優先されるためである。機関制御部１２２ｄは、推定した燃焼位相が各気筒の初期燃焼期間であり、各気筒の初期燃焼期間の中で最も大きな初期燃焼期間が設定位相となるように内燃機関（エンジン１）のＥＧＲバルブ開度を制御する。
機関制御部１２２ｄはＰＩＤコントローラにより構成されており、Δθig10_ｃｕｒｒｅｎｔと目標Δθig10の偏差が小さくなるようにＥＧＲバルブ開度を調整する。より具体的には、Δθig10_ｃｕｒｒｅｎｔが目標Δθig10より大きい場合には、ＥＧＲ率を減らすためにＥＧＲバルブ開度を小さくする。Δθig10_ｃｕｒｒｅｎｔが目標Δθig10より小さい場合には、ＥＧＲ率を増やすためＥＧＲバルブ開度を大きくする。
このように現在の初期燃焼期間Δθig10_ｃｕｒｒｅｎｔに基づいてＥＧＲを制御することで、燃焼安定性を損なうことなくＥＧＲ率を最大化することができ、エンジンの効率を高めることができる。
また本発明ではエンジン回転速度の極大タイミングに基づいて燃焼位相を求める。従って、従来技術のようにエンジン回転加速度を求めるための微分処理が不要となるため、ノイズなどの外乱影響を受けにくいメリットがある。また微分処理が不要であるため、コントローラの構成がよりシンプルとなり、ソフトウェアの作成工数や回路コストが低減するメリットもある。
本発明は上述した各実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得る。
例えば上述した実施例においてはシリーズハイブリッド車両への本発明の適用事例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、パラレルハイブリッド車両や、エンジン専用車両において本発明を適用することが可能である。
また、上記のコントローラ１２の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい
１…エンジン、 ３…誘導発電機、 ５…バッテリ、 ７…誘導モータ、 １０…ノックセンサ、 １１…クランク角センサ、 １２…コントローラ、 １７…点火プラグ、 ２０…スロットルバルブ、２６…タイミングロータ、２８…ＥＧＲ管、２９…ＥＧＲバルブ、１２２…制御部、 １２１…入出力部、 １２２ａ…回転速度算出部、 １２２ｂ…極値タイミング算出部、 １２２ｃ…燃焼位相算出部、 １２２ｄ…機関制御部、 １２３…記憶部。

Claims (11)

  1. 内燃機関のクランク回転速度を算出する回転速度算出部と、
    前記回転速度算出部により算出されたクランク回転速度の極値タイミングを算出する極値タイミング算出部と、
    前記極値タイミング算出部により算出されたクランク回転速度の極値タイミングに基づいて燃焼状態を推定する燃焼状態推定部と、
    前記燃焼状態推定部で推定された燃焼状態に基づいて前記内燃機関の燃焼制御を行う機関制御部と、を備え、
    前記燃焼状態推定部は、予め求められた、クランク回転速度が極大もしくは極小となるタイミングと前記内燃機関の燃焼質量割合が設定値となる燃焼位相との相関特性に基づいて、前記クランク回転速度が極大もしくは極小となるタイミングから前記内燃機関の燃焼質量割合が前記設定値となる燃焼位相を前記燃焼状態として推定し、
    前記機関制御部は、推定した燃焼位相が設定位相となるように前記内燃機関の燃焼制御を行う
    内燃機関制御装置。
  2. 請求項１において、前記内燃機関がシリーズハイブリッドシステムの発電機を駆動するように構成される内燃機関制御装置。
  3. 請求項１において、前記内燃機関のクランク角度の変化に対する前記クランク回転速度の変化態様は正弦波状となる内燃機関制御装置。
  4. 請求項１において、前記機関制御部は、推定した前記燃焼位相が前記設定位相となるように前記内燃機関の点火時期を制御する内燃機関制御装置。
  5. 請求項１において、前記機関制御部は、推定した前記燃焼位相が前記設定位相よりも遅れている場合、前記内燃機関の点火時期を進角するように制御する内燃機関制御装置。
  6. 請求項１において、前記機関制御部は、推定した前記燃焼位相が前記設定位相となるように前記内燃機関のＥＧＲバルブ開度を制御する内燃機関制御装置。
  7. 請求項１において、前記機関制御部は、推定した前記燃焼位相が前記設定位相よりも遅れている場合、前記内燃機関のＥＧＲバルブ開度を閉じ方向に制御する内燃機関制御装置。
  8. 請求項１において、前記回転速度算出部は、回転角センサより得られたクランク回転速度の時系列値を有限次数のフーリエ級数展開することでクランク回転速度を算出する内燃機関制御装置。
  9. 請求項８において、前記フーリエ級数展開の打ち切り次数を、クランク回転速度が速くなった場合には大きくする内燃機関制御装置。
  10. 請求項１において、前記極値タイミング算出部は、クランク角７２０°期間におけるクランク回転速度時系列値の期間を気筒数で分割し、各気筒の圧縮上死点を含む前記分割して得られた各期間のクランク回転速度時系列値を、前記分割して得られた各期間に対応する各気筒におけるクランク回転速度時系列値として割り当て、前記各気筒に割り当てられたクランク回転速度時系列値から気筒毎のクランク回転速度の極値タイミングを算出する内燃機関制御装置。
  11. 請求項１において、前記極値タイミング算出部は、クランク回転速度の離散時系列値から、クランク回転速度の時系列値を連続関数を用いて近似し、前記連続関数を用いてクランク回転速度の極値タイミングを算出する内燃機関制御装置。
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