JP4830986B2

JP4830986B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4830986B2
Application number: JP2007164197A
Authority: JP
Inventors: 玄加藤; 雅徳黒澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: JP2009002241A

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、ノッキングなどの異常燃焼を検出して、当該異常燃焼の抑制制御を行う内燃機関に用いるうえで好適な制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、筒内圧センサの出力値に基づいて熱発生率を算出し、算出された熱発生率の傾きに応じてノッキングの発生の有無を判定する火花点火内燃機関のノッキング制御装置が開示されている。また、この従来の制御装置では、ノッキングが発生したとみなした場合には、点火遅角などのノッキング抑制手段を実行するようにしている。

特許第２８２６５９１号公報特開２００５−０３０３３２号公報特開２００２−３３２９０８号公報特開２００１−０５５９５５号公報特開２０００−１７０５８９号公報

ところで、内燃機関の筒内に存在するデポジット（燃焼堆積物）は、突発的な異常燃焼（ノッキングや表面着火など）の発生要因となり得るものである。上述した従来の技術は、燃焼１サイクル分の筒内圧力の検出結果に基づいて、現在の内燃機関の状態がノッキングの発生寸前の状態にあるか否かを判定するようにしている。このため、筒内のデポジットの堆積状況によっては、ノッキング抑制手段の補正量が不足することでノッキングが抑制できない場合が考えられる。逆に、内燃機関の経年変化や機差ばらつきを考慮して、ノッキング抑制のために過剰な補正を行ってしまうことで内燃機関の出力性能を必要以上に低下させてしまう可能性もある。

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、筒内のデポジットの堆積状況を考慮して、異常燃焼の発生の有無を未然に検出可能とする内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、筒内圧力を計測する筒内圧力計測手段と、
内燃機関の運転条件に基づいて燃焼時の筒内圧力を推定する筒内圧力推定手段と、
筒内圧力の実測値と当該筒内圧力の予測値との差分に基づいて、未燃ガス量の推定値を取得する未燃ガス量取得手段と、
未燃ガス量の前記推定値の積算値が所定の判定値に達した場合に、異常燃焼が発生すると判定する異常燃焼判定手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関の排気空燃比を計測する空燃比計測手段と、
内燃機関の制御目標空燃比を取得する目標空燃比取得手段と、
前記制御目標空燃比と排気空燃比の実測値との差分に基づいて、未燃燃料量の推定値を取得する未燃燃料量取得手段と、
内燃機関の運転条件を示すパラメータを取得する運転パラメータ取得手段と、
未燃燃料量の前記推定値と前記パラメータとに基づいて、未燃ガス量の推定値を取得する未燃ガス量取得手段と、
未燃ガス量の前記推定値の積算値が所定の判定値に達した場合に、異常燃焼が発生すると判定する異常燃焼判定手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、未燃ガス量の前記積算値が前記判定値に達した場合に、異常燃焼を抑制するためのアクチュエータの補正量を算出する補正量算出手段を更に備え、
前記補正量算出手段は、未燃ガス量の前記積算値が前記判定値に達していない場合であっても、当該積算値の上昇度合いが所定の基準よりも高いと認められる場合には、前記アクチュエータの補正量の算出を行うことを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、前記補正量算出手段は、前記積算値の上昇度合いが高くなるほど、前記補正量をより大きくすることを特徴とする。

第１の発明によれば、筒内圧力の予測値とその実測値との差分に基づいて、未燃ガス量の推定値が取得される。未燃ガス量は、筒内デポジット量と比例関係にある。このため、そのような未燃ガス量の推定値の積算値を所定の判定値と比較することによって、筒内のデポジットの堆積状況を考慮して、突発的な異常燃焼の発生の有無を未然に検出することが可能となる。

第２の発明によれば、制御目標空燃比と排気空燃比の実測値との差分に基づいて、未燃ガス量の推定値が取得される。未燃ガス量は、筒内デポジット量と比例関係にある。このため、そのような未燃ガス量の推定値の積算値を所定の判定値と比較することによって、筒内のデポジットの堆積状況を考慮して、突発的な異常燃焼の発生の有無を未然に検出することが可能となる。

第３の発明によれば、未燃ガス量の積算値の上昇度合いに応じて、異常燃焼を抑制するための必要最小限の補正が実行されるようになる。つまり、筒内のデポジット量と比例関係にある上記上昇度合いに応じて、異常燃焼抑制のための適切な補正量を算出することが可能となる。

第４の発明によれば、上記上昇度合いに応じて、異常燃焼抑制のための最適な補正量を算出することが可能となる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。本実施形態の内燃機関１０は、例えば直列４気筒型といった複数の気筒を有する内燃機関であるものとする。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復移動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気通路１８および排気通路２０が連通している。吸気通路１８および排気通路２０には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。

吸気通路１８の入口近傍には、吸気通路１８に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２６が設けられている。エアフローメータ２６の下流には、スロットルバルブ２８が設けられている。スロットルバルブ２８は、アクセル開度と独立してスロットル開度ＴＡを制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。

シリンダヘッド１４には、燃焼室１６の頂部から燃焼室１６内に突出するように点火プラグ３０が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４には、燃料を筒内に噴射する燃焼噴射弁３２が設けられている。更に、シリンダヘッド１４には、筒内圧力Ｐを検出するための筒内圧センサ３４が組み込まれている。より具体的には、筒内圧センサ３４は、各気筒に配置されており、気筒別に筒内圧力Ｐを取得可能になっているものとする。

また、内燃機関１０は、クランク軸の近傍に、エンジン回転数ＮＥを検知するためのクランク角センサ３６を備えている。更に、排気通路２０には、その位置で排気空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ３８が配置されている。より具体的には、このようなＡ／Ｆセンサ３８によれば、各気筒の燃焼室１６から排出される排気ガスがＡ／Ｆセンサ３８に到達するタイミングに応じて、そのセンサ出力を取得するようにすることで、それぞれの気筒の排気空燃比情報を気筒別に取得することができる。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサに加え、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４２が接続されており、また、ＥＣＵ４０には、上述した各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

図２は、本発明の実施の形態１における異常燃焼の検出手法の概要を説明するための図である。図２は、圧縮行程と膨張行程における筒内圧力Ｐの波形をクランク角度との関係で表したものである。より具体的には、図２中に実線で表した波形は、内燃機関１０の燃焼が正常に行われた時の筒内圧力（燃焼圧）Ｐの予測値を示している。一方、図２中に破線で表した波形は、筒内圧センサ３４によって測定された実際の燃焼時の筒内圧力Ｐの波形を示している。

図２に示すケースのように、筒内圧力Ｐの予測値よりもその実測値が下回る場合には、燃焼室１６内に供給された燃料が十分に燃焼していないものと判断することができる。燃焼が十分に行われないと、未燃ガス量が増えてしまう。より具体的には、未燃ガス量は、筒内圧力Ｐの予測値とその実測値との差と比例関係にあり、当該差が大きくなるほど多くなる。

また、未燃ガス量が増えると、筒内に堆積されるデポジット量も増えてしまう。このようなデポジット量の存在は、突発的な異常燃焼（ノッキングや表面着火など）の発生原因になり得るものである。そこで、本実施形態においては、筒内圧センサ３４により計測される燃焼圧波形と、内燃機関１０の運転条件（エンジン回転数ＮＥや負荷など）から予測される筒内圧力Ｐの燃焼圧波形とを比較する。そして、予測値が実測値を下回る場合には、供給燃料が十分に燃焼しなかったと判断して、予測値とその実測値との差分から未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigを算出するようにした。

そのうえで、本実施形態では、内燃機関１０の気筒別に燃焼サイクル毎の上記未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigを積算し、その積算値Σ（Ｇａｓ_unig）が所定値を上回った場合に、異常燃焼の発生を予測するようにした。

図３は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ４０が実行するメインルーチンのフローチャートである。図３に示すメインルーチンでは、先ず、燃焼時の筒内圧力Ｐ（図２参照）が筒内圧センサ３４によって取得される（ステップ１００）。次いで、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigの算出が実行される（ステップ１０２）。当該推定値Ｇａｓ_unigの算出は、本ルーチンと同時並行して実行される図４のサブルーチンによって行われる。

図４に示すサブルーチンでは、先ず、内燃機関１０の運転条件（エンジン回転数ＮＥと負荷）に基づいて、正常燃焼時の筒内圧力Ｐの予測値（図２参照）が算出される（ステップ２００）。次いで、上記ステップ２００において算出される筒内圧力Ｐの予測値と、上記ステップ１００において取得された筒内圧力Ｐの実測値との差分に基づいて、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigが算出される（ステップ２０２）。

より具体的には、当該推定値Ｇａｓ_unigは、筒内圧力Ｐの上記差分（予測値−実測値）に、以下の図５に示すマップに従って取得される所定の比例係数Ｋを乗じた値として算出される。当該比例係数Ｋは、図５に示すように、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、また、負荷が高くなるほど、大きくなるように設定されている。このようなマップの設定によれば、吸入空気量が多くなる運転条件下において、未燃ガス量が多くなるように推定することができる。

図３に示すメインルーチンでは、次いで、未燃ガス積算量Σ（Ｇａｓ_unig）の判定が実行される（ステップ１０４）。より具体的には、本ステップ１０４では、気筒別に燃焼サイクル毎に逐次積算された未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigの積算値Σ（Ｇａｓ_unig）が、予め設定された判定値Ｇａｓ_preig以上であるか否かが判別される。尚、当該積算値Σ（Ｇａｓ_unig）は、上記図２における破線部分の面積に上記比例係数Ｋを乗じた値に相当する。

その結果、積算値Σ（Ｇａｓ_unig）≧判定値Ｇａｓ_preigが成立すると判定された場合には、このままでは異常燃焼が発生するものと予測される（ステップ１０６）。次いで、点火遅角や燃料噴射量の減少などの異常燃焼抑制のための補正量Ａが算出される（ステップ１０８）。

以上説明した図３および図４に示すルーチンによれば、筒内圧力Ｐの予測値（推定値）とその実測値との差分に基づいて、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigが算出される。未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigは、筒内デポジット量と比例関係にある。このため、そのような未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigの積算値Σ（Ｇａｓ_unig）を気筒別に上記所定の判定値Ｇａｓ_preigと比較することによって、筒内のデポジットの堆積状況を考慮して、突発的な異常燃焼の発生の有無を未然に検出することが可能となる。

また、以上説明した本実施形態の手法によれば、燃焼１サイクル分の結果から異常燃焼の発生を予測するのではなく、そのような燃焼１サイクル分の結果の積算値であるΣ（Ｇａｓ_unig）を用いて異常燃焼の有無を判断するようにしている。このため、異常燃焼抑制のための補正量Ａを過不足なく適切な値として取得することが可能となる。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧力計測手段」が、上記ステップ２００の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧力推定手段」が、上記ステップ２０２（１０２）の処理を実行することにより前記第１の発明における「未燃ガス量取得手段」が、上記ステップ１０４および１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「異常燃焼判定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図３および図４に示すルーチンに代えて後述する図６および図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

上述した実施の形態１においては、筒内圧力Ｐの予測値（推定値）とその実測値との差分に基づいて、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigを算出するようにしている。これに対し、本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ３８による排気空燃比の実測値と制御目標Ａ／Ｆとの差分から未燃燃料量の推定値を算出するようにしている。そして、その未燃燃料量の推定値に、内燃機関１０の運転条件（エンジン回転数ＮＥや負荷など）を考慮した値を、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigとして算出するようにしている。

図６は、内燃機関１０の突発的な異常燃焼を未然に検出するために、本実施の形態２においてＥＣＵ４０が実行するメインルーチンのフローチャートである。尚、図６において、実施の形態１における図３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図６に示すルーチンでは、先ず、Ａ／Ｆセンサ３８を用いて排気空燃比の実測値が取得される（ステップ３００）。次いで、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigの算出が実行される（ステップ３０２）。本実施形態における当該推定値Ｇａｓ_unigの算出は、本ルーチンと同時並行して実行される図７のサブルーチンによって行われる。

図７に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の現在の制御目標Ａ／Ｆが取得される（ステップ４００）。次いで、上記ステップ４００において取得された制御目標Ａ／Ｆと、上記ステップ３００において取得された排気空燃比の実測値との差分に基づいて、未燃燃料量の推定値が算出される（ステップ４０２）。

次に、上記ステップ４０２において算出された未燃燃料量の推定値に、上記図５に示すマップと同様の関係で定められたマップ（図示省略）に従って取得される所定の比例係数Ｋ’を乗じた値として、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigが算出される（ステップ４０４）。本ステップの処理によれば、吸入空気量が多くなる運転条件下において、未燃ガス量が多くなるように推定することができる。

図６に示すルーチンでは、次いで、上記図３に示すルーチンと同様に、未燃ガス積算量Σ（Ｇａｓ_unig）の判定（ステップ１０４）、異常燃焼の発生の予測（ステップ１０６）、および異常燃焼抑制のための補正量Ａの算出（ステップ１０８）といった一連の処理が実行されることになる。

以上説明した図６および図７に示すルーチンによれば、制御目標Ａ／Ｆと排気空燃比の実測値との差分に基づいて、未燃燃料量の推定値が算出されたうえで、内燃機関１０の運転条件が考慮された形で、筒内デポジット量と比例関係にある未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigが算出される。このため、本実施形態の手法によっても、そのような未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigの積算値Σ（Ｇａｓ_unig）を気筒別に上記所定の判定値Ｇａｓ_preigと比較することによって、筒内のデポジットの堆積状況を考慮して、突発的な異常燃焼の発生の有無を未然に検出することが可能となる。

また、実施の形態１と同様に、燃焼１サイクル分の結果の積算値であるΣＧａｓ_unigを用いて異常燃焼の有無を判断するようにしているので、異常燃焼抑制のための補正量Ａを過不足なく適切な値として取得することが可能となる。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ３００の処理を実行することにより前記第２の発明における「空燃比計測手段」が、上記ステップ４００の処理を実行することにより前記第２の発明における「目標空燃比取得手段」が、上記ステップ４０２の処理を実行することにより前記第２の発明における「未燃燃料量取得手段」が、上記ステップ４０４（３０２）の処理を実行することにより前記第２の発明における「運転パラメータ取得手段」および「未燃ガス量取得手段」が、上記ステップ１０４および１０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「異常燃焼判定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図３および図４に示すルーチンに代えて後述する図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

上述した実施の形態１においては、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigの積算値Σ（Ｇａｓ_unig）が上記所定の判定値Ｇａｓ_preigに達していない場合には、異常燃焼を抑制するために何らの制御も行わないようにしている。これに対し、本実施形態では、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigの積算値Σ（Ｇａｓ_unig）が上記所定の判定値Ｇａｓ_preigに達していなくても、未燃ガス積算量の傾き（上昇度合い）Δ（Σ（Ｇａｓ_unig））が、すなわち、今回の積算値Σ（Ｇａｓ_unig）と前回の積算値Σ（Ｇａｓ_unig）との差Δ（Σ（Ｇａｓ_unig））が、所定の判定値（所定の基準）ΔＧａｓ_preig以上である場合には、点火遅角などの異常燃焼の抑制制御を行うようにしている。

図８は、上記の機能を実現するために、本実施の形態３においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図８において、実施の形態１における図３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図８に示すルーチンでは、ステップ１０４において、積算値Σ（Ｇａｓ_unig）≧判定値Ｇａｓ_preigが不成立であると判定された場合には、次いで、未燃ガス積算量の傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））が所定の判定値ΔＧａｓ_preig以上であるか否かが判別される（ステップ５００）。

その結果、未燃ガス積算量の傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））が、すなわち、今回の積算値Σ（Ｇａｓ_unig）と前回の積算値Σ（Ｇａｓ_unig）との差Δ（Σ（Ｇａｓ_unig））が、上記判定値ΔＧａｓ_preig以上であると判定された場合には、点火遅角などの異常燃焼の抑制制御のための補正量Ｂが算出される（ステップ５０２）。本ステップ５０２での補正量Ｂは、基本的には、上記補正量Ａよりも小さな補正量とされる。

より具体的には、本ステップ５０２の補正量Ｂは、次の図９に示すマップの関係に従って取得される。図９は、異常燃焼の抑制のための補正量Ｂと、未燃ガス積算量の傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））との関係を定めたマップの特性を表した図である。図９に示すマップでは、未燃ガス積算量の傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））が大きくなるほど、補正量Ｂが大きくなるように設定されている。このようなマップの設定によれば、未燃ガス積算量の傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））の大きさに応じて、異常燃焼を防止するための補正量Ｂを適切に設定することができる。

以上説明した図８に示すルーチンによれば、未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigの積算値Σ（Ｇａｓ_unig）が上記所定の判定値Ｇａｓ_preigに達していなくても、未燃ガス積算量の傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））が所定の判定値ΔＧａｓ_preig以上である場合には、当該傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））の大きさに応じて、異常燃焼を抑制するための必要最小限の補正が実行されるようになる。つまり、筒内のデポジット量と比例関係にある上記傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））の大きさに応じて、異常燃焼抑制のための最適な補正量Ｂを算出することが可能となる。このように、本実施形態の処理によれば、内燃機関１０の経年変化の影響を良好に学習することができる。

ところで、上述した実施の形態３においては、筒内圧力Ｐの予測値とその実測値との差分に基づいて未燃ガス量の推定値Ｇａｓ_unigを算出する手法を用いているが、当該推定値Ｇａｓ_unigの算出手法として、上述した実施の形態２における空燃比の差分を利用する手法を組み合わせるようにしてもよい。

尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０８、５００、および５０２の処理を実行することにより前記第３の発明における「補正量算出手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１における異常燃焼の検出手法の概要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メインルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態１において実行されるサブルーチンのフローチャートである。図４に示すサブルーチンにおいて参照される比例係数Ｋのマップの一例を示す図である。本発明の実施の形態２において実行されるメインルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態２において実行されるサブルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態３において実行されるメインルーチンのフローチャートである。異常燃焼の抑制のための補正量Ｂと、未燃ガス積算量の傾きΔ（Σ（Ｇａｓ_unig））との関係を定めたマップの特性を表した図である。

符号の説明

１０内燃機関
１６燃焼室
２６エアフローメータ
２８スロットルバルブ
３０点火プラグ
３２燃焼噴射弁
３４筒内圧センサ
３６クランク角センサ
３８Ａ／Ｆセンサ
４０ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２アクセル開度センサ

Claims

筒内圧力を計測する筒内圧力計測手段と、
内燃機関の運転条件に基づいて燃焼時の筒内圧力を推定する筒内圧力推定手段と、
筒内圧力の実測値と当該筒内圧力の予測値との差分に基づいて、未燃ガス量の推定値を取得する未燃ガス量取得手段と、
未燃ガス量の前記推定値の積算値が所定の判定値に達した場合に、異常燃焼が発生すると判定する異常燃焼判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
内燃機関の排気空燃比を計測する空燃比計測手段と、
内燃機関の制御目標空燃比を取得する目標空燃比取得手段と、
前記制御目標空燃比と排気空燃比の実測値との差分に基づいて、未燃燃料量の推定値を取得する未燃燃料量取得手段と、
内燃機関の運転条件を示すパラメータを取得する運転パラメータ取得手段と、
未燃燃料量の前記推定値と前記パラメータとに基づいて、未燃ガス量の推定値を取得する未燃ガス量取得手段と、
未燃ガス量の前記推定値の積算値が所定の判定値に達した場合に、異常燃焼が発生すると判定する異常燃焼判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
未燃ガス量の前記積算値が前記判定値に達した場合に、異常燃焼を抑制するためのアクチュエータの補正量を算出する補正量算出手段を更に備え、
前記補正量算出手段は、未燃ガス量の前記積算値が前記判定値に達していない場合であっても、当該積算値の上昇度合いが所定の基準よりも高いと認められる場合には、前記アクチュエータの補正量の算出を行うことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
前記補正量算出手段は、前記積算値の上昇度合いが高くなるほど、前記補正量をより大きくすることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。