KR100743869B1 - 내연 기관의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

내연 기관 (1) 은 연료 및 공기의 혼합기를 각 연소실 (3) 내에서 연소시켜 동력을 발생시킨다. 내연 기관 (1) 은 각 연소실 (3) 에 형성된 실린더내 압력 센서 (15) 및 ECU (20) 를 구비한다. ECU (20) 는 실린더내 압력 센서 (15) 에 의해서 검출된 실린더내 압력과 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적을 소정 지수로 거듭제곱한 값과의 곱인 제어 파라미터를 소정 2점에 대해서 산출함과 함께, 소정 2점 간에 있어서의 당해 제어 파라미터의 차분에 기초하여 연료 분사량의 보정치를 산출한다. 소정 2점 중 하나는 흡기 밸브 (Vi) 의 개방 후 또한 점화 플러그 (7) 에 의한 점화 전에 설정되고, 다른 하나는 당해 점화 후 또한 배기 밸브 (Ve) 의 개방 전에 설정된다.

Description

내연 기관의 제어 장치 및 제어 방법{CONTROL APPARATUS AND CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 연료 및 공기의 혼합기를 실린더내에서 연소시켜 동력을 발생시키는 내연 기관의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
종래부터, 특허문헌 1 은 각 실린더에 형성된 실린더내 압력 센서와, 각 실린더내 압력 센서로부터의 압력 신호에 기초하여 각 실린더에 대하여 단위 크랭크각마다 연소 행정 (combustion stroke) 중의 열발생량을 산출하는 연산 수단을 구비한 내연 기관의 제어 장치를 개시하고 있다. 이 내연 기관의 제어 장치에서는 연산 수단의 연산 결과에 기초하여 각 실린더에 있어서의 열발생량이 동일 레벨이 되도록 각 실린더에 대한 연료 공급량 (각 실린더에 있어서의 공연비 (air-fuel ratio)) 이 보정된다. 또한, 특허문헌 2 및 특허문헌 3 은 실린더내 압력 검출 수단에 의해 샘플링되는 실린더내 압력의 아주 작은 크랭크각 사이에서의 변화량을 열발생률로서 구하고, 구한 열발생률에 기초하여 고부하 운전시의 연료 공급량이나, 흡기 계통으로의 배기 환류량을 보정하는 내연 기관의 제어 장치를 개시하고 있다. 또, 특허문헌 4 는 실린더내 압력을 적산하여 산출한 상사점 후 압력 적산치 (integral value) 로부터 상사점 전 압력 적산치를 뺀 값을 사용하여, 점화 시기, 공연비, 배기 환류량 및 연료 분사 시기를 제어하는 수법을 개시하고 있다.
위에서 기술한 바와 같은 종래의 내연 기관의 제어 장치는 기본적으로, 실린더내 압력 검출 수단에 의해 검출된 실린더내 압력을 아주 작은 단위 크랭크각마다 적분 또는 미분 처리하는 것이다. 이 때문에, 종래의 제어 장치에 있어서의 연산 부하는 매우 크고, 이 점에서, 종래의 제어 장치를 예를 들어 차량용 내연 기관 등에 적용하기는 사실상 어렵게 되어 있었다.
[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 소63-268951호
[특허문헌 2] 일본 공개특허공보 평4-81534호
[특허문헌 3] 일본 공개특허공보 평4-81557호
[특허문헌 4] 일본 공개특허공보 2001-152952호
발명의 개시
본 발명은 높은 정밀도의 기관 제어를 저부하로 간단하게 실행할 수 있게 하는 실용적인 내연 기관의 제어 장치 및 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 내연 기관의 제어 장치는 연료 및 공기의 혼합기 (mixture) 를 실린더내에서 연소시켜 동력을 발생시키는 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 실린더내 압력을 검출하는 실린더내 압력 검출 수단과, 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적에 기초하여 제어 파라미터를 산출하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해서 산출된 제어 파라미터에 기초하여 소정의 제어량을 설정하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제어 파라미터는 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적을 소정 지수로 거듭제곱한 (exponentiating) 값과의 곱이면 바람직하다.
연산 수단은 소정 2점에 대해서 제어 파라미터를 산출하고, 제어 수단은 소정 2점 간에서의 제어 파라미터의 차분 (difference) 에 기초하여 소정 제어량을 설정하면 바람직하다.
소정 2점 중 하나는, 흡기 밸브 개방 후 또한 연소 개시 전에 설정되고, 다른 하나는 연소 개시 후 또한 배기 밸브 개방 전에 설정되면 바람직하다.
제어 수단은 소정 조건 하에서, 전회 산출된 제어 파라미터의 차분과 금회 산출된 제어 파라미터의 차분의 편차를 구하고, 구한 편차에 기초하여 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하면 바람직하다.
제어 수단은 소정 조건 하에서, 제어 파라미터의 차분이 목표치와 일치하도록 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하면 바람직하다.
본 발명에 의한 내연 기관의 제어 방법은 연료 및 공기의 혼합기를 실린더내에서 연소시켜 동력을 발생시키는 내연 기관의 제어 방법에 있어서,
(a) 실린더내 압력을 검출하는 단계와,
(b) 단계 (a) 에서 검출한 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적에 기초하여 제어 파라미터를 산출하는 단계와,
(c) 단계 (b) 에서 산출한 제어 파라미터에 기초하여 소정 제어량을 설정하는 단계를 포함하는 것이다.
제어 파라미터는 단계 (a) 에서 검출한 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적을 소정 지수로 거듭제곱한 값과의 곱이면 바람직하다.
단계 (b) 에서는 소정 2점에 대해서 제어 파라미터를 산출하고, 단계 (c) 에서는 소정 2점 간에서의 제어 파라미터의 차분에 기초하여 소정 제어량을 설정하면 바람직하다.
소정 2점 중 하나는 흡기 밸브 개방 후 또한 연소 개시 전에 설정되고, 다른 하나는 연소 개시 후 또한 배기 밸브 개방 전에 설정되면 바람직하다.
단계 (c) 는 소정 조건 하에서, 전회 산출된 제어 파라미터의 차분과 금회 산출된 제어 파라미터의 차분과의 편차를 구하는 단계와, 구한 편차에 기초하여 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하는 단계를 포함하면 바람직하다.
단계 (c) 는 소정 조건 하에서, 제어 파라미터의 차분이 목표치와 일치하도록 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하는 단계를 포함하고 있어도 된다.
도 1 은 본 발명에 있어서 사용되는 제어 파라미터 (PVκ) 와, 연소실 내에서의 열발생량의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2 는 연소실 내에서의 혼합기의 공연비와, 소정 2점 간에서의 열발생량의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3 은 본 발명에 의한 내연 기관의 개략적인 구성도이다.
도 4 는 도 3 의 내연 기관의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명자들은 연산 부하의 저감화를 꾀하면서 내연 기관을 높은 정밀도로 제어할 수 있게 하기 위해서 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, 본 발명자들은 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적에 기초하여 산출되는 제어 파라미터에 주목하기에 이르렀다. 보다 상세하게는 본 발명자들은 크랭크각이 θ 일 때에 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출되는 실린더내 압력을 P(θ) 로 하고, 크랭크각이 θ 일 때의 실린더내 용적을 V(θ) 로 하고, 비열비를 κ 로 한 경우에, 실린더내 압력 (P(θ)) 과, 실린더내 용적 (V(θ)) 을 비열비 (소정 지수) κ 로 거듭제곱한 값 (Vκ(θ)) 과의 곱으로서 얻어지는 제어 파라미터 (P(θ)·Vκ(θ)) (이하, 적절히 「PVκ」 라고 한다) 에 주목하였다. 그리고, 본 발명자들은 크랭크각에 대한 내연 기관의 실린더내에서의 열발생량 (Q) 의 변화 패턴과, 크랭크각에 대한 제어 파라미터 (PVκ) 의 변화 패턴은, 도 1 에 나타내는 바와 같은 상관 관계를 갖는 것을 발견하였다. 단, 도 1 에 있어서, -360°, 0°및 360°는 상사점 (上死点, top dead center)에, -180°및 180°는 하사점 (下死点, bottom dead center) 에 대응한다.
도 1 에 있어서, 실선은 소정 모델 실린더에 있어서 소정의 아주 작은 크랭크각 간격으로 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적을 소정 비열비 κ 로 거듭제곱한 값과의 곱인 제어 파라미터 (PVκ) 를 플롯 (plot) 한 것이다. 또한, 도 1 에 있어서, 파선은 상기 모델 실린더에 있어서의 열발생량 (Q) 을 다음 (1) 식에 기초하여, Q=∫dQ 로서 산출·플롯한 것이다. 또, 어느 경우에나, 간단하게 하기 위해, κ=1.32 로 하였다.
Figure 112005077711866-pct00001
도 1 에 나타내는 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 크랭크각에 대한 열발생량 (Q) 의 변화 패턴과, 크랭크각에 대한 제어 파라미터 (PVκ) 의 변화 패턴은, 대략 일치 (서로 유사) 하고 있고, 특히, 실린더내의 혼합기의 연소 개시 (가솔린 엔진에서는 불꽃 점화시, 디젤 엔진에서는 압축 착화시) 의 전후 (예를 들어, 도 1 에 있어서의 약 -180°∼약 135°까지의 범위) 에서는 열발생량 (Q) 의 변화 패턴과, 제어 파라미터 (PVκ) 의 변화 패턴은 매우 양호하게 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명자들에 의해서 발견된 실린더내에서의 열발생량 (Q) 과 제어 파라미터 (PVκ) 의 상관 관계를 이용하여, 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적 (volume) 에 기초하여 산출되는 제어 파라미터 (PVκ) 에 기초하여 소정의 제어량을 설정하면, 고부하의 연산 처리를 요하지 않고, 실린더내에서의 열발생량 (Q) 을 반영시킨 정밀도가 높은 또한 응답성이 양호한 기관 제어를 간단하게 실행할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의한 내연 기관의 제어 장치에서는 상기 기술한 바와 같은 새로운 지견에 기초하여, 실린더내 압력을 검출하는 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적에 기초하여 산출되는 제어 파라미터, 즉, 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적을 소정 지수로 거듭제곱한 값과의 곱인 제어 파라미터 (PVκ) 에 기초하여 소정 제어량이 산출되는 것이다. 또, 본 발명에 있어서, 「제어량의 설정」 에는 혼합기의 공연비 등의 제어량 그 자체의 산출과, 혼합기의 공연비 등을 보정하기 위한 제어량의 설정 (산출) 이 포함된다.
그리고, 바람직하게는 소정 2점에 대해서 제어 파라미터가 산출되고, 당해 소정 2점 간에서의 제어 파라미터의 차분에 기초하여 소정 제어량이 산출된다.
상기 기술한 바와 같이, 본 발명자들이 주목한 제어 파라미터 (PVκ) 는 내연 기관의 실린더내에서의 열발생량 (Q) 을 반영하는 것으로, 소정 2점 간 (예를 들어 실린더내에서의 연소 개시 (불꽃 점화시 또는 압축 착화시) 의 전후 2점) 에 있어서의 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분은 상기 2점 간에서의 실린더내에서의 열발 생량 (∫dQ) (dQ 의 예를 들면, θ1 에서 θ2 〔단, θ1<θ2〕까지 적분한 값, 이하 동일) 를 나타내고, 극히 저부하로 산출할 수 있는 것이다. 따라서, 소정 2점 간에서의 제어 파라미터의 차분을 이용하면, 연산 부하를 대폭 저감시키면서, 실린더내에서의 열발생량에 따라 소정 제어량을 높은 정밀도로 설정할 수 있게 된다. 이 경우, 상기 소정 2점 중 하나는 흡기 밸브 개방 후 또한 연소 개시 전에 설정되고, 다른 하나는 연소 개시 후 또한 배기 밸브 개방 전에 설정되면 바람직하다.
또한, 바람직하게는 소정 조건 하에서, 전회 산출된 제어 파라미터의 차분과 금회 산출된 제어 파라미터의 차분의 편차가 구해지고, 구해진 차분에 기초하여 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량이 산출된다.
본 발명자들은 또한, 실린더내에서의 열발생량과, 실린더내에서의 혼합기의 공연비의 관계에도 주목하였다. 즉, 도 2 에 나타나는 바와 같이, 혼합기의 공연비가 이상 공연비 (stoichiometric air-fuel ratio) 보다 작은 경우 (농후한 경우), 상기 소정 2점 간에서의 열발생량 (∫dQ) 의 변화(율)은 희박 영역에 비하여 아주 작다. 이에 대하여, 열발생량 (∫dQ) 은 혼합기의 공연비가 이상 공연비를 상회하여 희박 영역에 들어가면, 공연비에 대략 비례하면서 급격히 감소하게 된다. 따라서, 내연 기관의 운전 중에, 열발생량 (∫dQ) 을 나타내는 소정 2점 간에서의 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분을 구함과 함께, 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분의 전회의 산출치와 금회의 산출치의 편차를 구하여, 당해 편차가 소정치 부근 (소정 범위 내) 에 유지되도록 연료 공급량의 보정치와 같은 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하면, 항상 실린더내에서의 혼합기의 공연비를 이상 공연비 부근에 높은 정밀도로 유지시킬 수 있게 된다.
또한, 바람직하게는 소정 조건 하에서, 상기 제어 파라미터의 차분이 목표치와 일치하도록 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량이 산출된다.
도 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 실린더내에서의 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 커지면 (희박해지면), 소정 2점 간에서의 열발생량 (∫dQ) 은 공연비가 증가함에 따라서, 실화 전의 급변점 (희박 한계 (lean limit)) 까지, 공연비에 대략 비례하여 감소된다. 따라서, 열발생량 (∫dQ) 을 나타내는 소정 2점 간에서의 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분을 구한 후에, 당해 차분이 미리 정해진 목표치와 일치하도록 연료 공급량의 보정치와 같은 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하면, 실린더내에서의 혼합기의 공연비를 이상 공연비보다 큰 (희박한) 원하는 목표치 부근에 높은 정밀도로 유지시킬 수 있게 된다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 관해서 구체적으로 설명한다.
도 3 은 본 발명에 의한 내연 기관을 나타내는 개략적인 구성도이다. 동 도면에 나타내는 내연 기관 (1) 은 실린더 블록 (2) 에 형성된 연소실 (3) 의 내부에서 연료 및 공기의 혼합기를 연소시키고, 연소실 (3) 내에서 피스톤 (4) 을 왕복 이동시킴으로써 동력을 발생시키는 것이다. 내연 기관 (1) 은 다실린더 엔진으로서 구성되면 바람직하고, 본 실시형태의 내연 기관 (1) 은 예를 들어 4실린더 엔 진으로서 구성된다.
각 연소실 (3) 의 흡기 포트는 흡기관 (5; 흡기 매니폴드) 에 각각 접속되고, 각 연소실 (3) 의 배기 포트는 배기관 (6; 배기 매니폴드) 에 각각 접속되어 있다. 또한, 내연 기관 (1) 의 실린더 헤드에는 흡기 밸브 (Vi) 및 배기 밸브 (Ve) 가 연소실 (3) 마다 배치되어 있다. 각 흡기 밸브 (Vi) 는 대응하는 흡기 포트를 개폐하고, 각 배기 밸브 (Ve) 는 대응하는 배기 포트를 개폐한다. 각 흡기 밸브 (Vi) 및 각 배기 밸브 (Ve) 는 예를 들어, 가변 밸브 타이밍 기능을 갖는 밸브 메커니즘 (도시 생략) 에 의해서 작동된다. 또한, 내연 기관 (1) 은 실린더수에 따른 개수의 점화 플러그 (7) 를 갖고, 점화 플러그 (7) 는 대응하는 연소실 (3) 내에 면하도록 실린더 헤드에 배치되어 있다.
흡기관 (5) 은 도 3 에 나타내는 바와 같이, 서지 탱크 (8) 에 접속되어 있다. 서지 탱크 (serge tank, 8) 에는 급기 라인 (air supply line, L1) 이 접속되어 있고, 급기 라인 (L1) 은 에어 클리너 (9) 를 통해 도시되지 않은 공기 도입구에 접속되어 있다. 그리고, 급기 라인 (L1) 의 중도 (halfway, 서지 탱크 (8) 와 에어 클리너 (9) 사이) 에는 스로틀 밸브 (10; 본 실시형태에서는 전자 제어식 스로틀 밸브) 가 장착되어 있다. 한편, 배기관 (6) 에는 도 3 에 나타나는 바와 같이, 3원 촉매를 함유하는 전단 촉매 장치 (11a) 및 NOx 흡장 환원 촉매 (occlusion reduction catalyst) 를 함유하는 후단 촉매 장치 (11b) 가 접속되어 있다.
또한, 내연 기관 (1) 은 복수의 인젝터 (12) 를 갖고, 각 인젝터 (12) 는 도 3 에 나타내는 바와 같이, 대응하는 연소실 (3) 내에 노출되도록 실린더 헤드에 배치되어 있다. 또한, 내연 기관 (1) 의 각 피스톤 (4) 은 이른바 캐서롤 정면형 (deep-dish top shape) 으로 구성되어 있고, 그 상면에, 오목부 (4a) 를 갖고 있다. 그리고, 내연 기관 (1) 에서는 각 연소실 (3) 내로 공기를 흡입시킨 상태에서, 각 인젝터 (12) 로부터 각 연소실 (3) 내의 피스톤 (4) 의 오목부 (4a) 로 향하여 가솔린 등의 연료가 직접 분사된다. 그럼으로써, 내연 기관 (1) 에서는 점화 플러그 (7) 의 근방에 연료와 공기의 혼합기의 층이 주위의 공기층과 분리된 상태로 형성 (성층화) 되므로, 매우 희박한 혼합기를 사용하여 안정된 성층 연소 (stratified combustion) 를 실행할 수 있게 된다. 또, 본 실시형태의 내연 기관 (1) 은 이른바 직접 분사 엔진으로서 설명되지만, 이에 한정되지 않고, 본 발명이 흡기관 (흡기 포트) 분사식의 내연 기관에 적용될 수 있음은 물론이다.
상기 기술한 각 점화 플러그 (7), 스로틀 밸브 (10), 각 인젝터 (12) 및 밸브 메커니즘 등은 내연 기관 (1) 의 제어 장치로서 기능하는 ECU (20) 에 전기적으로 접속되어 있다. ECU (20) 는 모두 도시되지 않은 CPU, ROM, RAM, 입출력 포트 및 기억 장치 등을 포함하는 것이다. ECU (20) 에는 도 3 에 나타내는 바와 같이, 내연 기관 (1) 의 크랭크각 센서 (14) 를 비롯한 각종 센서가 전기적으로 접속되어 있다. ECU (20) 는 기억 장치에 기억되어 있는 각종 맵 등을 사용함과 함께 각종 센서의 검출치 등에 기초하여, 원하는 출력이 얻어지도록, 점화 플러그 (7), 스로틀 밸브 (10), 인젝터 (12), 밸브 메커니즘 등을 제어한다.
또한, 내연 기관 (1) 은 반도체 소자, 압전 소자 또는 광섬유 검출 소자 등 을 포함하는 실린더내 압력 센서 (15; 실린더내 압력 검출 수단) 를 실린더수에 따른 개수만큼 갖고 있다. 각 실린더내 압력 센서 (15) 는 대응하는 연소실 (3) 내에 수압면이 노출되도록 실린더 헤드에 배치되어 있고, ECU (20) 에 전기적으로 접속되어 있다. 각 실린더내 압력 센서 (15) 는 대응하는 연소실 (3) 에 있어서의 실린더내 압력을 검출하여, 검출치를 나타내는 신호를 ECU (20) 에 부여한다.
다음으로, 도 4 를 참조하면서, 상기 기술한 내연 기관 (1) 의 동작에 관해서 설명한다.
내연 기관 (1) 이 시동된 후, 아이들 상태 (idle state) 로부터 아이들 오프 상태 (idle off state) 로 이행되면, 도 4 에 나타나는 바와 같이, ECU (20) 는 도시되지 않은 액셀러레이터 위치 센서로부터의 신호 등에 기초하여 내연 기관 (1) 의 목표 토크를 정함과 함께, 미리 준비되어 있는 맵 등을 사용하여 목표 토크에 따른 흡입 공기량 (스로틀 밸브 (10) 의 개방도) 및 각 인젝터 (12) 로부터의 연료 분사량 (연료 분사 시간) 을 설정한다 (S10). 또한, ECU (20) 는 S12 에서, 스로틀 밸브 (10) 의 개방도를 S10 에서 구한 개방도로 설정함과 함께, 각 인젝터 (12) 로부터 예를 들어 흡기 행정 중에 S10 에서 정한 양의 연료를 분사시킨다.
또한, ECU (20) 는 크랭크각 센서 (14) 로부터의 신호에 기초하여 내연 기관 (1) 의 크랭크각을 모니터하고 있다. 그리고, ECU (20) 는 연소실 (3) 마다, 각 흡기 밸브 (Vi) 의 개방 후로서, 또한, 각 점화 플러그 (7) 에 의한 점화 전에 설정된 제 1 타이밍 (크랭크각이 θ1 이 되는 타이밍) 으로 되면, 실린더내 압력 센 서 (15) 로부터의 신호에 기초하여, 크랭크각이 θ1 이 될 때의 실린더내 압력 P(θ1) 을 구한다. 또한, ECU (20) 는 구한 실린더내 압력 P(θ1) 과, 실린더내 압력 P(θ1) 의 검출시, 즉 크랭크각이 θ1 이 될 때의 실린더내 용적 V(θ1) 을 비열비 κ (본 실시형태에서는 κ=1.32) 로 거듭제곱한 값과의 곱인 제어 파라미터 (P(θ1)·Vκ(θ1)) 를 연소실 (3) 마다 산출하여, RAM 의 소정 기억 영역에 기억시킨다 (S14).
제 1 타이밍은 각 연소실 (3) 내에서 연소가 시작되는 시점 (점화시) 보다 충분히 전의 타이밍으로 설정되면 바람직하다. 본 실시형태에 있어서, 제 1 타이밍은 예를 들어, 크랭크각 센서 (14) 로부터의 신호로 나타나는 크랭크각이 -60°가 되는 타이밍 (θ1 = -60°, 즉, 상사점 전 60°) 으로 되어 있다. 또한, Vκ(θ1) 의 값 (본 실시형태에서는 Vκ(-60°) 의 값) 은 미리 산출된 후에 기억 장치에 기억되어 있다.
S14 의 처리 후, ECU (20) 는 연소실 (3) 마다, 각 점화 플러그 (7) 에 의한 점화 후로서, 각 배기 밸브 (Ve) 의 개방 전에 설정된 제 2 타이밍 (크랭크각이 θ2 가 되는 타이밍) 이 되면, 실린더내 압력 센서 (15) 로부터의 신호에 기초하여, 크랭크각이 θ2 가 될 때의 실린더내 압력 P(θ2) 을 구한다. 또한, ECU (20) 는 구한 실린더내 압력 P(θ2) 과, 실린더내 압력 P(θ2) 의 검출시, 즉 크랭크각이 θ 2 가 될 때의 실린더내 용적 V(θ2) 을 비열비 κ (본 실시형태에서는 κ=1.32) 로 거듭제곱한 값과의 곱인 제어 파라미터 P(θ2)·Vκ(θ2) 를 연소실 (3) 마다 산출하여, RAM 의 소정 기억 영역에 기억시킨다 (S16). 제 2 타이밍은 연소실 (3) 내에서의 혼합기의 연소가 대략 완료된 타이밍으로 설정되면 바람직하다. 본 실시형태에서는 제 2 타이밍이, 예를 들어, 크랭크각 센서 (14) 로부터의 신호로 나타나는 크랭크각 (θ) 이 90°가 되는 타이밍 (θ2=90°, 즉 상사점 후 90°) 으로 되어 있다. 또한, Vκ(θ2) 의 값 (본 실시형태에서는 Vκ(90°) 의 값) 은 미리 산출된 후에 기억 장치에 기억되어 있다.
상기 기술한 바와 같이 하여, 제어 파라미터 P(θ1)·Vκ(θ1) 및 P(θ2)·Vκ(θ2) 를 구하면, ECU (20) 는 연소실 (3) 마다, 제 1 및 제 2 타이밍 사이에서의 제어 파라미터 PVκ 의 차분을,
ΔPVκ= P(θ2)·Vκ(θ2) - P(θ1)·Vκ(θ1)
로서 산출하여, RAM 의 소정 기억 영역에 기억시킨다 (S18). 이 차분 (ΔPVκ) 은 상기 기술한 바와 같이, 제 2 타이밍과 제 1 타이밍 사이 (소정 2점 간) 에 있어서의 각 연소실 (3) 에서의 열발생량 (∫dQ), 즉, 제 1 타이밍에서 제 2 타이밍까지의 사이에 연소실 (3) 에서 발생된 열량을 나타내는 것이다. 연소실 (3) 마다 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 를 구하면, ECU (20) 는 모든 연소실 (3) 에 관해서 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 의 평균치 (Qest (= Qestnew)) 를 산출하여, RAM 의 소정 기억 영역에 기억시킨다 (S20). 이와 같이, 전체 연소실 (3) 에 대해서 차분 (ΔPVκ) 의 평균을 취함으로써, 그 후의 처리에 대한 연소실 (3) 사이의 연소 편차에 의한 영향을 완화시킬 수 있다.
상기 기술한 S14 에서 S20 까지의 처리에 의해, 제 1 타이밍과 제 2 타이밍 사이에서의 열발생량을 양호하게 반영한 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 의 평균치 (Qest) 가 간단하고 또한 빠르게 산출되게 된다. 그럼으로써, 실린더내 압력을 아주 작은 단위 크랭크각마다 적분 처리하여 각 연소실 (3) 에 있어서의 열발생량을 산출하는 경우와 비교하여, ECU (20) 에 있어서의 연산 부하를 크게 저감시킬 수 있다.
S20 에 있어서의 처리가 완료되면, ECU (20) 는 이 단계에서 내연 기관 (1) 이 어느 운전 모드에 따라서 운전되어야 하는지를 판정한다 (S22). 본 실시형태의 내연 기관 (1) 은 각 연소실 (3) 에 있어서의 연료 및 공기의 혼합기의 공연비를 이상 공연비 (연료:공기 = 1:14.7) 로 설정하는 이론 공연비 운전 모드와, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비를 이상 공연비보다 큰 원하는 목표 공연비로 설정하는 희박 운전 모드 중 어느 한 모드 하에서 운전될 수 있다. 그리고, ECU (20) 는 S22 에 있어서, 회전수, 부하, 스로틀 개방도, 액셀러레이터 페달 의 밟기 가속도 등의 파라미터에 기초하여, 이론 공연비 운전 모드를 실행하여야 할지의 여부를 판정한다.
S22 에 있어서, 이론 공연비 운전 모드를 실행해야 한다고 판단한 경우, ECU (20) 는 각 연소실 (3) 에 있어서의 금회의 점화에 따라 S20 에서 산출한 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 의 평균치 (Qestnew) 와, 각 연소실 (3) 에 있어서의 전회의 점화에 따라 S20 에서 산출한 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 의 평균치 (Qestold) 의 편차 (ΔQ) 를,
ΔQ = Qestnew - Qestold
로서 산출한다 (S24).
여기서, 도 2 에 관련하여 설명된 바와 같이, 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 작은 경우 (농후한 경우), 소정 2점 간에서의 열발생량 (∫dQ) 의 변화(율)은 희박 영역에 비하여 아주 작다. 이것에 대하여, 열발생량 (∫dQ) 은 연소실 (3) 내의 혼합기의 공연비가 이상 공연비를 상회하여 희박 영역에 들어가면, 공연비에 대략 비례하면서 급격히 감소하게 된다. 따라서, 열발생량 (∫dQ) 을 나타내는 소정 2점 간에서의 제어 파라미터 PVκ 의 차분의 금회의 산출치 (Qestnew) 와 전회의 산출치 (Qestold) 의 편차 ΔQ (도 2 에 있어서의 열발생량의 기울기) 가 소정치 부근 (소정 범위 내) 에 유지되도록 하면, 각 연소실 (3) 에 있어서, 소정 2점 간에서의 열발생량 (∫dQ) 이 1회의 점화 전후에서 거의 일정하게 유지되고, 혼합기의 공연비도 거의 일정하게 유지되게 된다.
이 때문에, ECU (20) 는 S24 에서 편차 (ΔQ) 를 구하면, 편차 (ΔQ) 와 소정 임계치 α (부의 소정치) 를 비교함으로써, 각 연소실 (3) 내에서의 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 큰지 (희박한지) 의 여부를 판정한다 (S26). 그리고, ECU (20) 는 S26 에서 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기가 희박하게 되어 있다 (편차 ΔQ 가 임계치 α 이하이다) 고 판단한 경우, 각 인젝터 (12) 로부터의 연료 분사량을 아주 작게 증가시키도록 연료 분사량의 보정치를 설정한다 (S28). 그럼으로써, 이론 공연비 운전 모드의 실행 중에 각 연소실 (3) 내에서의 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 크게 되어 있었다고 하더라도, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기를 농후화시켜, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비를 이상 공연비에 근접시킬 수 있게 된다.
또한, ECU (20) 는 S26 에서 각 연소실 (3) 내에서의 혼합기가 희박하게 되어 있지 않다고 판단한 경우에는 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 작게 (농후하게) 되어 있다고 간주하고, 필요에 따라 각 인젝터 (12) 로부터의 연료 분사량을 아주 작게 감소시키도록 연료 분사량의 보정치를 설정한다 (S30). 그럼으로써, 이론 공연비 운전 모드의 실행 중에 각 연소실 (3) 내에서의 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 작게 되어 있었다고 하더라도, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기를 희박화시켜, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비를 이상 공연비에 근접시킬 수 있다. 또, 본 실시형태에 있어서, S28 및 S30 에서 설정되는 연료 분사량의 보정치는 미리 정해진 일정한 양으로 되지만, 당해 보정치는 편차 (ΔQ) 와 임계치의 차분에 따라 산출되어도 된다.
한편, S22 에 있어서, 이론 공연비 운전 모드를 실행해서는 안되는, 즉, 희박 운전 모드를 실행해야 하는 것으로 판단한 경우, ECU (20) 는 희박 운전 모드에 있어서의 목표 공연비에 대응한 열발생량의 목표치 Qt 를 기억 장치로부터 판독 출력함과 함께, S20 에서 구한 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 의 평균치 (Qest) 와 목표치 Qt 의 편차 e 를,
e = Qest- Qt
로서 산출한다 (S32). 그리고, ECU (20) 는 미리 준비된 맵 또는 소정 함수식을 사용하여 S32 에서 구한 편차 e 를 제로로 하도록 연료 분사량의 보정치를 산출 (설정) 한다 (S34).
여기서, 도 2 에 관련하여 설명된 바와 같이, 각 연소실 (3) 내에서의 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 커지면 (희박하게 되면), 소정 2점 간에서의 열발생량 (∫dQ) 은 공연비가 증가함에 따라서, 실화 전의 급변점 (희박 한계) 까지, 공연비에 대략 비례하여 감소된다. 따라서, 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 큰 영역 (희박 영역) 에서는 S20 에서 구한 소정 2점 간에서의 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 의 평균치 (Qest) 와 목표치 (Qt) 의 편차 (e) 가 0이 되도록 함으로써, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비를 이상 공연비보다 큰 ( 희박한) 원하는 목표 공연비로 유지시킬 수 있게 된다. 즉, 내연 기관 (1) 에서는 희박 운전 모드시에, 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 의 평균치 (Qest) 를 목표치 (Qt) 에 근접시키는 피드백 제어가 행해진다. 그럼으로써, 내연 기관 (1) 에서는 열발생량의 목표치 (Qt) 를 적절히 설정함으로써, 각 연소실 (3) 내의 혼합기를 도 2 에 있어서의 희박 한계 부근까지 될 수 있는 한 희박화시키는, 이른바 린 리미트 운전 (lean limit operation) 을 실행할 수도 있게 된다.
상기 기술한 바와 같이 하여, ECU (20) 는 이론 공연비 운전 모드의 경우, S28 또는 S30 에서 연료 분사량의 보정치를 설정하고, 희박 운전 모드의 경우, S34 에서 연료 분사량의 보정치를 설정한다. 그리고, ECU (20) 는 S10 으로 되돌아가, S28, S30 또는 S34 에서 설정한 연료 분사량의 보정치를 근거로 하여 (가감산하면서) 각 인젝터 (12) 로부터의 연료 분사량 (연료 분사 시간) 을 설정함과 함께, 스로틀 밸브 (10) 의 개방도를 설정하여, 다시 S12 이후의 처리를 실행한다. 이러한 일련의 처리는 아이들 오프 상태가 계속되는 동안, ECU (20) 에 의해서 반복된다.
이상 설명된 바와 같이, 내연 기관 (1) 에서는 이론 공연비 운전 모드시에, 소정 2점 간에서의 열발생량을 양호하게 반영한 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 을 사용하여, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비가 높은 정밀도로 이상 공연비 부근으로 설정되므로, 공급 공기량과 이론 공기량의 비 λ 가 λ=1 이 되는 영역을 확대시킬 수 있다. 또한, 내연 기관 (1) 에서는 희박 운전 모드시에도, 소정 2점 간에서의 열발생량을 양호하게 반영한 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 을 사용하여, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비가 이상 공연비보다 큰 소정 목표 공연비로 높은 정밀도로 설정된다.
이와 같이, 소정 2점 간에서의 열발생량을 반영한 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 을 사용하여 내연 기관 (1) 의 공연비 제어를 실행함으로써, 내연 기관의 배기 계통에 있어서 취득된 배기 공연비 등에 기초하여 실린더내 공연비를 제어 (피드백 제어) 하는 경우에 관찰되는, 이른바 검출 지연이나 수송 지연의 문제를 해소할 수 있게 되어, 공연비 제어의 응답성 및 정밀도를 대폭 향상시킬 수 있다. 그리고, 상기 기술한 바와 같이 제어 파라미터 (PVκ) 의 차분 (ΔPVκ) 을 사용함으로써 고정밀도의 공연비 제어를 실행할 수 있으므로, 종래의 공연비 제어에 있어서 불가결하였던 배기 공연비 검출용의 O2 센서 (공연비 센서) 나, 흡입 공기량 검출용의 에어 플로우미터 등을 생략할 수 있게 되어, 내연 기관 (1) 을 저비용으로 구성할 수 있게 된다. 또한, 고정밀도의 공연비 제어의 실현에 의해, 촉매의 정화 부담을 저감시킬 수 있으므로, 촉매 장치를 컴팩트화할 수도 있게 된다.
또, 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비를 보정하기 위해서 제어량은 연료 분사량의 보정치에 한정되지 않고, 스로틀 개방도의 보정치나, 배기 환류 시스템을 구비한 내연 기관에 있어서의 배기 환류량의 보정치 등이어도 되고, 이들이 적절히 조합되어도 된다. 즉, S28, S30 및 S34 의 처리에서는 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비를 보정하기 위해서, 연료 분사량, 스로틀 개방도, 배기 환류량 등의 적어도 어느 하나의 보정치가 설정되면 된다. 또한, 본 발명은 가솔린 엔진뿐만 아니라, 디젤 엔진에도 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 희박 영역에 있어서 연소실 (3) 내의 혼합기의 공연비가 열발생량 (Q) 에 대략 비례하는 것을 근거로 하여 (도 2 참조), 실열발생량을 나타내는 값 (Qest) 과 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비 (실공연비) 의 관계를 규정하는 맵 등을 미리 준비해 두면, 당해 맵 등으로부터 값 (Qest) 에 대응한 실공연비를 산출할 수 있다. 따라서, 도 4 의 S32 및 S34 에서는 실열발생량을 나타내는 값 Qest 에 따른 실공연비를 산출함과 함께, 구한 실공연비와 기관 회전수나 기관 부하에 따라 정해지는 목표 공연비의 편차를 구하여, 당해 편차에 따라 각 연소실 (3) 에 있어서의 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량 (예를 들어 연료 분사량의 보정치) 을 설정해도 된다. 이와 같이, 제어 파라미터 (PVκ) 를 사용하면, 내연 기관 (1) 의 공연비를 높은 정밀도로 검출할 수도 있게 된다.
본 발명은 고정밀도의 기관 제어를 저부하로 간단하게 실행가능하게 하는 실용적인 내연 기관의 제어 장치 및 제어 방법에 유용하다.

Claims (12)

  1. 연료 및 공기의 혼합기를 실린더내에서 연소시켜 동력을 발생시키는 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
    실린더내 압력 검출 수단과,
    상기 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적에 기초하여 제어 파라미터를 산출하는 연산 수단과,
    상기 연산 수단에 의해서 산출된 상기 제어 파라미터에 기초하여 소정 제어량을 설정하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 제어 파라미터는 상기 실린더내 압력 검출 수단에 의해서 검출된 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적을 소정 지수로 거듭제곱한 값과의 곱이며,
    상기 연산 수단은 소정 2점에 대해서 상기 제어 파라미터를 산출하고, 상기 제어 수단은 상기 소정 2점 간에서의 상기 제어 파라미터의 차분에 기초하여 상기 소정 제어량을 설정하고,
    상기 소정 2점 중 하나는 흡기 밸브 개방 후 또한 연소 개시 전에 설정되고, 다른 하나는 상기 연소 개시 후 또한 배기 밸브 개방 전에 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단은 소정 조건 하에서, 전회 산출된 상기 제어 파라미터의 차분과 금회 산출된 상기 제어 파라미터의 차분의 편차를 구하고, 구한 편차에 기초하여 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단은 소정 조건 하에서, 상기 제어 파라미터의 차분이 목표치와 일치하도록 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  7. 연료 및 공기의 혼합기를 실린더내에서 연소시켜 동력을 발생시키는 내연 기관의 제어 방법에 있어서,
    (a) 실린더내 압력을 검출하는 단계와,
    (b) 단계 (a) 에서 검출한 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적에 기초하여 제어 파라미터를 산출하는 단계와,
    (c) 단계 (b) 에서 산출한 상기 제어 파라미터에 기초하여 소정 제어량을 설정하는 단계를 포함하고,
    상기 제어 파라미터는 단계 (a) 에서 검출한 실린더내 압력과, 당해 실린더내 압력의 검출시의 실린더내 용적을 소정 지수로 거듭제곱한 값과의 곱이며,
    단계 (b) 에서는 소정 2점에 대해서 상기 제어 파라미터를 산출하고, 단계 (c) 에서는 상기 소정 2점 간에서의 상기 제어 파라미터의 차분에 기초하여 상기 소정 제어량을 설정하고,
    상기 소정 2점 중 하나는 흡기 밸브 개방 후 또한 연소 개시 전에 설정되고, 다른 하나는 상기 연소 개시 후 또한 배기 밸브 개방 전에 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 단계 (c) 는 소정 조건 하에서, 전회 산출된 상기 제어 파라미터의 차분과 금회 산출된 상기 제어 파라미터의 차분의 편차를 구하는 단계와, 구한 편차에 기초하여 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 단계 (c) 는 소정 조건 하에서, 상기 제어 파라미터의 차분이 목표치와 일치하도록 혼합기의 공연비를 보정하기 위한 제어량을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
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