JP2016098724A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、点火時期から所定の燃焼質量割合となる時のクランク角度までのクランク角期間をその目標値に近づけるように燃料噴射量を調整する制御をリーンバーン運転に適用する場合に、連続失火の発生を抑制することを目的とする。【解決手段】クランク角センサ３２と筒内圧センサ２６とを用いて取得した筒内圧データを利用して、燃焼質量割合（ＭＦＢ）を算出する。ＭＦＢが１０％となる時のクランク角度（ＣＡ１０）を取得する。点火時期（ＳＡ）からＣＡ１０までのクランク角期間の算出値である算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくように燃料噴射量を調整する。算出ＳＡ−ＣＡ１０が基準ＳＡ−ＣＡ１０以下である場合には、上記調整を中断する。【選択図】図７

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関の燃焼制御装置が開示されている。この燃焼制御装置では、筒内圧センサとクランク角センサとを利用して検出した筒内圧とクランク角とに基づいて筒内の熱発生量が算出される。そして、熱発生量に基づいて実燃焼開始点と燃焼重心位置とが算出されたうえで、実燃焼開始点に対する相対的な燃焼重心位置のクランク角が上限値を超えた場合に、燃焼が悪化したと判断される。燃焼が悪化したと判断された場合には、燃焼の改善のために、燃料噴射量の増量等の対策が行われる。

特開２００８−０６９７１３号公報 特開昭６１−１２８１３３号公報 特開昭５９−１１３２４５号公報 特開平５−２８０４０９号公報 特開平９−３１７５２２号公報

上記特許文献１に記載の手法以外の燃焼制御の１つとして、点火時期から所定の燃焼質量割合となる時のクランク角度までのクランク角期間をその目標値に近づけるように燃料噴射量を調整する制御が考えられる。しかしながら、理論空燃比燃焼運転と比べて不安定となり易いリーンバーン運転に対して上記制御を適用する場合には、連続失火の発生抑制のために十分な対策がなされていることが望ましい。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、点火時期から所定の燃焼質量割合となる時のクランク角度までのクランク角期間をその目標値に近づけるように燃料噴射量を調整する制御をリーンバーン運転に適用する場合に、連続失火の発生を抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、クランク角度検出手段と、燃焼質量割合算出手段と、第１クランク角度取得手段と、調整手段と、を備える。クランク角度検出手段は、クランク角度を検出する。燃焼質量割合算出手段は、燃焼質量割合を算出する。第１クランク角度取得手段は、燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する。調整手段は、点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値が当該クランク角期間の目標値に近づくように、燃料噴射量を調整する。前記調整手段は、前記算出値が所定値以下である場合には前記調整を中断することを特徴とする内燃機関の制御装置。

本発明によれば、点火時期から第１クランク角度までのクランク角期間の算出値が所定値以下である場合には、調整手段による調整が中断される。これにより、失火時に上記クランク角期間の算出値が減少した場合に、調整手段による調整によって燃料噴射量がさらに減少して連続失火が生じることを抑制することができる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 燃焼質量割合の算出手順を説明するための図である。 ＳＡ−ＣＡ１０の定義を説明するための図である。 ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量のフィードバック制御を説明するための図である。 正常燃焼時と失火時とでＭＦＢ波形を比較して示す図である。 本発明の実施の形態１の制御の特徴部分を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 基準ＳＡ−ＣＡ１０の設定手法を説明するための図である。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステムの構成］
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。

吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２０が設けられている。内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内（筒内）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２２、および、混合気に点火するための点火装置（点火プラグのみを図示）２４が、それぞれ設けられている。さらに、各気筒には、筒内圧力を検出するための筒内圧センサ２６が組み込まれている。

さらに、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０の入力部には、上述した筒内圧センサ２６に加え、クランク角度を検出するためのクランク角センサ３２、および、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ３４等のエンジン運転状態を取得するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ３０の出力部には、上述したスロットルバルブ２０、燃料噴射弁２２および点火装置２４等のエンジン運転を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３０は、それらのセンサ出力と所定のプログラムとに基づいて上記各種のアクチュエータを駆動することにより、燃料噴射制御および点火制御等の所定のエンジン制御を行うものである。また、ＥＣＵ３０は、筒内圧センサ２６の出力信号を、クランク角度と同期させてＡＤ変換して取得する機能を有している。これにより、ＡＤ変換の分解能が許す範囲で、任意のクランク角タイミングにおける筒内圧力を検出することができる。さらに、ＥＣＵ３０は、クランク角度の位置によって決まる筒内容積の値を、クランク角度に応じて算出する機能を有している。

［実施の形態１の制御］
（燃焼質量割合の算出）
図２は、燃焼質量割合の算出手順を説明するための図である。筒内圧センサ２６とクランク角センサ３２とを備える本実施形態のシステムによれば、内燃機関１０の各サイクルにおいて、図２（Ａ）に示すようにクランク角度（ＣＡ）同期での筒内圧データ（筒内圧波形）を取得することができる。得られた筒内圧データと熱力学第１法則とを用いて、任意のクランク角度θでの筒内の熱発生量Ｑを次の（１）、（２）式にしたがって算出することができる。図２（Ｂ）は、そのような手法で算出された熱発生量Ｑのデータ（熱発生量波形）の一例を示している。そして、算出された筒内の熱発生量Ｑのデータを用いて、任意のクランク角度θにおける燃焼質量割合（以下、「ＭＦＢ」と称する）を次の（３）式にしたがって算出することができる。図２（Ｃ）は、そのような手法で算出されたＭＦＢの波形の一例を示している。

ただし、上記（１）式において、Ｐは筒内圧、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、θ_ｍｉｎは燃焼開始点（０％燃焼点ＣＡ０）であり、θ_ｍａｘは燃焼終了点（１００％燃焼点ＣＡ１００）である。

（ＳＡ−ＣＡ１０を利用した燃料噴射量のフィードバック制御）
上記手法によって得られたＭＦＢの波形によれば、ＭＦＢが所定割合α（％）となる時のクランク角度（以下、「ＣＡα」と称する）を取得することができる。本実施形態の制御では、１０％燃焼点であるＣＡ１０（本発明における「第１クランク角度」に相当）が以下のように利用される。

図３は、ＳＡ−ＣＡ１０の定義を説明するための図である。本実施形態では、点火時期（ＳＡ）からＣＡ１０までのクランク角期間を、「ＳＡ−ＣＡ１０」と称する。より具体的には、点火時期と図２に示す筒内圧データの解析結果から得られるＣＡ１０とを利用して算出されたＳＡ−ＣＡ１０のことを「算出ＳＡ−ＣＡ１０」と称する。

ＳＡ−ＣＡ１０は、着火遅れを代表するパラメータであり、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との間には一定の相関がある。より具体的には、後述の図８に示すように、空燃比が理論空燃比よりも大きなリーン空燃比領域においては、空燃比がリーンになるほどＳＡ−ＣＡ１０が大きくなるという関係がある。そこで、本実施形態では、理論空燃比よりも大きな空燃比でのリーンバーン運転中には、算出ＳＡ−ＣＡ１０が、狙いとする空燃比と関連付けられた目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくように燃料噴射量のフィードバック制御を実行することとした。

図４は、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量のフィードバック制御を説明するための図である。図４（Ｂ）は、算出ＳＡ−ＣＡ１０が運転条件に応じた目標ＳＡ−ＣＡ１０に制御されているときのＭＦＢ波形を示している。

図４（Ａ）は、図４（Ｂ）に示す目標ＳＡ−ＣＡ１０よりも小さい算出ＳＡ−ＣＡ１０が得られたＭＦＢ波形を示している。このようなＭＦＢ波形が得られた気筒では、空燃比をリーン化して実ＳＡ−ＣＡ１０を大きくするために、次のサイクルで用いる燃料噴射量を減量する補正が実行される。より具体的には、各気筒の吸入空気量に応じた基本噴射量に基づく次サイクル用の燃料噴射量に対して、算出ＳＡ−ＣＡ１０を目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づけるための減量補正量が加えられる。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）とは逆に、図４（Ｂ）に示す目標ＳＡ−ＣＡ１０よりも大きい算出ＳＡ−ＣＡ１０が得られたＭＦＢ波形を示している。このようなＭＦＢ波形が得られた気筒では、空燃比をリッチ化して実ＳＡ−ＣＡ１０を小さくするために、次のサイクルで用いる燃料噴射量を増量する補正が実行される。

ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量のフィードバック制御は、上述した態様で気筒毎に実行される。なお、本実施形態の内燃機関１０は、各気筒に筒内圧センサ２６を備えているが、例えば、１つの代表気筒にのみ筒内圧センサを備えている構成の内燃機関であれば、単一の筒内圧センサから得られる筒内圧に基づく算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくように全気筒の燃料噴射量を補正するものであってもよい。

（ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量のフィードバック制御の課題）
図５は、正常燃焼時と失火時とでＭＦＢ波形を比較して示す図である。図５（Ｂ）に示すように、失火が生じた場合のＭＦＢ波形は、図５（Ａ）に示す正常燃焼時のＭＦＢ波形とは大きく異なったものとなり、算出ＳＡ−ＣＡ１０が明らかに小さくなる。また、失火時には、図５（Ｃ）に示すようなＭＦＢ波形が得られることがあり、この場合には、算出ＳＡ−ＣＡ１０は負の値となる。

燃焼速度が下がると、通常、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０よりも大きくなる。この場合、上記フィードバック制御によれば、燃料噴射量が増やされることになる。しかしながら、失火が発生すると、図５（Ｂ）もしくは図５（Ｃ）に示すようなＭＦＢ波形となり、負の値となることも含めて算出ＳＡ−ＣＡ１０が小さくなる。上記フィードバック制御によれば、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０よりも小さい場合には、燃料噴射量は減らされることになる。すなわち、リーンバーン運転中に失火が生じた場合には、本来であれば燃料噴射量を増やしたいが、算出ＳＡ−ＣＡ１０が小さいために上記フィードバック制御によって減量補正がなされてしまう。

（実施の形態１の特徴部分）
図６は、本発明の実施の形態１の制御の特徴部分を説明するための図である。より具体的には、図６は、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量のフィードバック制御を伴うリーンバーン運転中に、ある気筒においてサイクル毎に算出される算出ＳＡ−ＣＡ１０の変化を表している。

上記フィードバック制御の実行の結果として、図６に示すように、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０を中心として変動する。本実施形態では、失火の発生に伴って算出ＳＡ−ＣＡ１０が所定値以下となった場合には、上記フィードバック制御の実行を中断することとした。その結果、算出ＳＡ−ＣＡ１０が上記所定値以下となったサイクルの次のサイクルでは、上記フィードバック制御による燃料噴射量の補正は行われなくなる。すなわち、上記フィードバック制御は、算出ＳＡ−ＣＡ１０が上記所定値よりも大きい場合にのみ実施されることになる。なお、ここでいう「所定値」には、後述の「基準ＳＡ−ＣＡ１０」が該当する。

（実施の形態１における具体的処理）
図７は、本発明の実施の形態１の制御を実現するためにＥＣＵ３０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、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。

図７に示すルーチンでは、ＥＣＵ３０は、まず、ステップ１００において、リーンバーン運転中であるか否かを判定する。内燃機関１０では、所定の運転領域において理論空燃比よりも大きな空燃比でのリーンバーン運転が行われるようになっている。ここでは、現在の運転領域がそのようなリーンバーン運転を行う運転領域に該当するか否かが判定される。その結果、リーンバーン運転中ではないと判定した場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１１２に進み、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量のフィードバック制御（ＳＡ−ＣＡ１０燃料ＦＢ）を不実行とする。

一方、ステップ１００においてリーンバーン運転中であると判定した場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１０２に進み、目標ＳＡ−ＣＡ１０を算出する。目標ＳＡ−ＣＡ１０は、運転条件に応じて決定されており、ここでいう運転条件には、吸入空気量およびエンジン回転速度などが該当する。

次に、ＥＣＵ３０は、ステップ１０４に進み、ＳＡ−ＣＡ１０燃料ＦＢの実施判定用の基準ＳＡ−ＣＡ１０を算出する。基準ＳＡ−ＣＡ１０は、例えば、以下のような考えに基づいて決定することが好適である。図８は、基準ＳＡ−ＣＡ１０の設定手法を説明するための図であり、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係を表している。この関係は、リーン空燃比領域での関係であり、かつ、ある運転条件（より具体的には、ある吸入空気量およびエンジン回転速度条件）での関係である。

図８に示す目標ＳＡ−ＣＡ１０を利用したＳＡ−ＣＡ１０の燃料ＦＢの実行中において、燃料噴射弁２２などの部品のばらつき等に起因する算出ＳＡ−ＣＡ１０の各種ばらつき要因を考慮したときに最もリッチ側にばらついたときの空燃比がＡ／Ｆ１であり、これに対応するＳＡ−ＣＡ１０がＴ１であるものとする。このような場合には、図８に示す関係が得られる運転条件では、基準ＳＡ−ＣＡ１０としてＴ１を用いることとする。そして、このような考えに基づく基準ＳＡ−ＣＡ１０の設定を運転条件毎に行うようにする。また、リーンバーン運転中には空燃比が理論空燃比にまで変化することはないと考えて、理論空燃比に対応するＳＡ−ＣＡ１０であるＴ２を、基準ＳＡ−ＣＡ１０として用いるようにしてもよい。

基準ＳＡ−ＣＡ１０を決定した後には、ＥＣＵ３０は、ステップ１０６に進み、算出ＳＡ−ＣＡ１０を算出する。本ステップ１０６では、図２および図３を参照して既述した手法に従って、算出ＳＡ−ＣＡ１０を算出する。算出ＳＡ−ＣＡ１０を算出するために用いる点火時期としては、例えば、現在の目標点火時期を用いることができる。

次に、ＥＣＵ３０は、ステップ１０８に進み、算出ＳＡ−ＣＡ１０が基準ＳＡ−ＣＡ１０（所定値）よりも大きいか否かを判定する。その結果、算出ＳＡ−ＣＡ１０が基準ＳＡ−ＣＡ１０よりも大きい場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１１０に進む。ステップ１１０では、図４を参照して既述した手法に従って、ＳＡ−ＣＡ１０燃料ＦＢによる燃料噴射量の補正量が算出される。すなわち、この場合には、上記フィードバック制御が実施される。

一方、ステップ１０８の判定が不成立となる場合、すなわち、算出ＳＡ−ＣＡ１０が基準ＳＡ−ＣＡ１０以下である場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１１２に進み、ＳＡ−ＣＡ１０燃料ＦＢを不実行とする。すなわち、この場合には、ＳＡ−ＣＡ１０燃料ＦＢが中断されることになる。

以上説明した図７に示すルーチンによれば、リーンバーン運転中に算出ＳＡ−ＣＡ１０が基準ＳＡ−ＣＡ１０以下となった場合には、ＳＡ−ＣＡ１０に基づく燃料噴射量のフィードバック制御が中断される。これにより、失火が生じた状況下において、上記フィードバック制御によって噴射燃料がさらに減少して連続失火が発生することを抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、点火時期との間でクランク角期間を規定する「第１クランク角度」として１０％燃焼点であるＣＡ１０を用いることとしている。しかしながら、本発明における第１クランク角度の対象となる燃焼点は、ＣＡ１０に限らず、任意の燃焼質量割合（α％）が得られる時のクランク角度であるＣＡαであってもよい。そのうえで、ＣＡ１０の利用は、以下のような理由により、他の燃焼点の利用と比べて好ましいといえる。すなわち、ＣＡ１０よりも後の主燃焼期間（ＣＡ１０−ＣＡ９０）内の燃焼点を利用した場合には、得られるクランク角期間は、火炎が燃え広がる時に燃焼に影響するパラメータ（ＥＧＲ率、吸気温度およびタンブル比など）の影響を大きく受けてしまう。つまり、この場合に得られるクランク角期間は、純粋に空燃比に着目したものではなく、外乱に弱くなる。このような外乱の影響を排除するために、クランク角期間を上記パラメータに応じて補正する構成とすることは、適合工数の増加となる。これに対し、初期燃焼期間（ＣＡ０−ＣＡ１０）内の燃焼点を利用した場合には、得られるクランク角期間は、上記パラメータの影響を受けにくく、着火に影響する因子の影響が良く表れたものとなる。その結果、制御性が良くなる。その一方で、燃焼開始点（ＣＡ０）や燃焼終了点（ＣＡ１００）は、ＥＣＵ３０が取得する筒内圧センサ２６からの出力信号に重畳するノイズの影響によって誤差が生じ易い。このノイズの影響は、燃焼開始点（ＣＡ０）や燃焼終了点（ＣＡ１００）から離れるにつれて小さくなる。したがって、耐ノイズ性と適合工数の削減とを考慮すると、本実施形態で用いるように、上記第１クランク角度としてはＣＡ１０が最も優れているといえる。

また、上述した実施の形態１においては、燃焼質量割合（ＭＦＢ）を算出するために、筒内圧センサ２６とクランク角センサ３２とを用いて取得した筒内圧データの解析結果を利用している。しかしながら、本発明における燃焼質量割合の算出は、筒内圧データを利用して行われるものに必ずしも限定されるものではない。すなわち、燃料質量割合は、例えば、燃焼に伴って発生するイオン電流をイオンセンサによって検出し、検出したイオン電流を利用して算出されるものであってもよいし、或いは、筒内温度を計測できる場合には、筒内温度の履歴を利用して算出されるものであってもよい。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ スロットルバルブ
２２ 燃料噴射弁
２４ 点火装置
２６ 筒内圧センサ
３０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
３２ クランク角センサ
３４ エアフローメータ

Claims (1)

1. クランク角度を検出するクランク角度検出手段と、
   燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
   燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の第１クランク角度を取得する第１クランク角度取得手段と、
   点火時期から前記第１クランク角度までのクランク角期間の算出値が当該クランク角期間の目標値に近づくように、燃料噴射量を調整する調整手段と、
   を備え、
   前記調整手段は、前記算出値が所定値以下である場合には前記調整を中断することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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