JP7287070B2 - CONTROL DEVICE AND CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE - Google Patents
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Description
ここに開示する技術は、内燃機関の制御装置及び制御方法に関する。 The technology disclosed herein relates to a control device and control method for an internal combustion engine.
特許文献1には、エンジンのクランキングを開始して目標回転速度に到達した後、空燃比フィードバック制御を開始する前の期間において、閾値を超えて燃焼不安定である場合は、燃料噴射量を増やし、空燃比をリッチ側にすることで燃焼安定性を図ることが記載されている。
In
ところで、燃費性能の向上や排出ガスのクリーン化を目的として、混合気を理論空燃比よりもリーンにして燃焼させる内燃機関が知られている。リーン燃焼運転を行う内燃機関においては、混合気をリーンにした方が燃費性能の向上や排出ガスのクリーン化に有利になるが、リーンにし過ぎると、燃焼変動が大きくなって、ドライバビリティが低下してしまうという問題がある。 By the way, there is known an internal combustion engine that burns an air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio for the purpose of improving fuel efficiency and cleaning exhaust gas. In an internal combustion engine that operates lean-burn, making the mixture lean is advantageous for improving fuel efficiency and cleaner exhaust gas, but if it is made too lean, combustion fluctuations will increase and drivability will decrease. There is a problem that
この問題を回避するために、リーン燃焼運転を行う内燃機関においては、内燃機関の運転状態に基づいて燃焼変動の許容値を定め、当該燃焼変動の許容値を満たすように混合気のリーン限界を定めることが考えられる。 In order to avoid this problem, in an internal combustion engine that performs lean burn operation, an allowable value for combustion fluctuation is determined based on the operating state of the internal combustion engine, and the lean limit of the air-fuel mixture is set so as to satisfy the allowable value for combustion fluctuation. It is conceivable to set
ところが、本願発明者等の検討によると、燃焼変動と燃料比との関係は、内燃機関毎に個体差があると共に、経年によって、燃焼変動と燃料比との関係が変化することがわかった。つまり、燃焼変動の許容値と燃料比との関係から定めたリーン限界が、真のリーン限界からずれることで、燃焼変動が許容値を超えてしまう恐れがある。 However, according to the study by the inventors of the present application, it has been found that the relationship between the combustion fluctuation and the fuel ratio varies from one internal combustion engine to another, and that the relationship between the combustion fluctuation and the fuel ratio changes over time. In other words, there is a risk that the lean limit determined from the relationship between the permissible value of combustion fluctuation and the fuel ratio deviates from the true lean limit, causing the combustion fluctuation to exceed the permissible value.
また、混合気を理論空燃比よりもリーンする、いわゆるA/Fリーン運転に限らず、空燃比を理論空燃比にしつつ、EGRガスを筒内に導入する、いわゆるG/Fリーン運転においても同様の問題が生じる。 In addition, not only the so-called A/F lean operation in which the air-fuel mixture is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, but also the so-called G/F lean operation in which EGR gas is introduced into the cylinder while the air-fuel ratio is made the stoichiometric air-fuel ratio. problem arises.
尚、「燃料比」の文言は、ここでは、燃焼室内の空気と燃料との比率(つまりA/F)、及び、燃焼室内のガスと燃料との比率(つまりG/F)の総称として用いている。また、リーン燃焼運転は、A/Fリーン燃焼運転及びG/Fリーン燃焼運転の両方を含む。 The term "fuel ratio" is used here as a generic term for the ratio of air to fuel in the combustion chamber (that is, A/F) and the ratio of gas to fuel in the combustion chamber (that is, G/F). ing. Also, lean-burn operation includes both A/F lean-burn operation and G/F lean-burn operation.
ここに開示する技術は、リーン燃焼運転を行う内燃機関において、リーン限界を適切に設定することにより、燃焼が不安定になることを抑制する。 The technology disclosed herein suppresses unstable combustion by appropriately setting a lean limit in an internal combustion engine that performs lean-burn operation.
ここに開示する技術は、リーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御方法に関する。この制御方法は、
制御部が、前記内燃機関の負荷と回転数とによって定まる運転状態に基づいて、燃焼変動の許容値であって、前記内燃機関の運転状態毎に予め定められた許容値を設定するステップと、
前記制御部が、前記設定した燃焼変動の許容値と、燃焼変動の許容値から混合気の燃料比のリーン限界を設定するモデルとに基づいて、前記内燃機関の前記運転状態におけるリーン限界を設定するステップと、
前記制御部が、前記燃料比が前記リーン限界を超えないようにかつ、前記内燃機関の前記運転状態に対応するように、目標の燃料比を設定し、設定した目標の燃料比を満足するように、状態量調節部及び燃料供給部を通じて前記内燃機関の燃焼室内の、少なくとも空気を含むガス量である筒内状態量及び燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させるステップと、
前記制御部が、燃焼時に筒内圧センサが出力した信号に基づき推定した燃焼変動と前記モデルとから、混合気の燃料比を推定するステップと、
前記制御部が、前記推定した燃料比と、計測した実際の燃料比との比較に基づいて、前記推定した燃料比と前記実際の燃料比との差がなくなるよう前記モデルを修正するステップと、
を備えている。
The technology disclosed herein relates to a control method for an internal combustion engine capable of lean-burn operation. This control method is
a step in which a control unit sets an allowable value of combustion fluctuation , which is an allowable value predetermined for each operating state of the internal combustion engine, based on the operating state determined by the load and the rotational speed of the internal combustion engine;
The control unit determines a lean limit in the operating state of the internal combustion engine based on the set allowable value of combustion fluctuation and a model for setting the lean limit of the fuel ratio of the air-fuel mixture from the allowable value of combustion fluctuation. and setting
The control unit sets a target fuel ratio so that the fuel ratio does not exceed the lean limit and corresponds to the operating state of the internal combustion engine, and satisfies the set target fuel ratio. a step of adjusting the in-cylinder state quantity and the fuel quantity, which are gas quantities containing at least air, in the combustion chamber of the internal combustion engine through the state quantity adjusting unit and the fuel supply unit, and burning the air-fuel mixture;
a step in which the controller estimates the fuel ratio of the air-fuel mixture from the model and the combustion fluctuation estimated based on the signal output by the in-cylinder pressure sensor during combustion;
a step in which the control unit corrects the model so that the difference between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio is eliminated, based on a comparison between the estimated fuel ratio and the measured actual fuel ratio ;
It has
この構成によると、制御部は、筒内圧センサが出力した信号に基づき推定した燃焼変動とモデルとから、混合気の燃料比を推定すると共に、その推定した燃料比と、計測した実際の燃料比との比較に基づいて、モデルを修正する。モデルは、燃焼変動の許容値からリーン限界を設定するために用いるモデルである。燃焼変動と燃料比との関係を定めるモデルを随時修正することによって、制御部はリーン限界を正確に定めることができる。 According to this configuration, the control unit estimates the fuel ratio of the air-fuel mixture from the model and the combustion fluctuation estimated based on the signal output by the in-cylinder pressure sensor, and estimates the estimated fuel ratio and the measured actual fuel ratio. Modify the model based on comparison with The model is a model used to set the lean limit from the permissible value of combustion fluctuation. By continuously modifying the model that defines the relationship between combustion variation and fuel ratio, the controller can accurately define the lean limit.
その結果、リーン燃焼運転を行っている時に、正確なリーン限界に基づいて燃料比を調節することによって、燃焼が不安定になることが抑制される。自動車のドライバビリティの低下が抑制される。また、正確なリーン限界に基づいて、燃料比をできるだけリーンにすることができるから、自動車の燃費性能の向上に有利になる。 As a result, during lean-burn operation, combustion instability is suppressed by adjusting the fuel ratio based on the correct lean limit. A decrease in drivability of the automobile is suppressed. Also, based on the accurate lean limit, the fuel ratio can be made as lean as possible, which is advantageous for improving the fuel efficiency of automobiles.
前記モデルは、
燃焼変動と筒内平均圧力との関係を定めた第1モデルと、
前記筒内平均圧力と燃料噴射量とに基づき算出される熱効率と、質量燃焼割合が所定値となる特定クランク角度との関係を定めた第2モデルと、
前記特定クランク角度と燃焼期間との関係を定めた第3モデルと、
前記燃焼期間と前記リーン限界との関係を定めた第4モデルとを含む基本モデルブロックと、
前記基本モデルブロックが定めたリーン限界の基本値を補正する補正ブロックと、を含み、
前記制御部は、前記推定した燃料比と前記実際の燃料比との差がなくなるよう前記補正ブロックを修正する、としてもよい。
The model is
a first model that defines the relationship between the combustion fluctuation and the average in-cylinder pressure;
a second model that defines the relationship between the thermal efficiency calculated based on the average in-cylinder pressure and the fuel injection amount and the specific crank angle at which the mass combustion ratio is a predetermined value;
a third model that defines the relationship between the specific crank angle and the combustion period;
a basic model block including a fourth model that defines the relationship between the combustion period and the lean limit;
a correction block that corrects the base value of the lean limit determined by the base model block;
The control unit may modify the correction block so that there is no difference between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio .
こうすることで、燃焼変動の許容値からリーン限界を適切に定めることができる。 By doing so, the lean limit can be appropriately determined from the permissible value of combustion fluctuation.
ここに開示する技術は、リーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御装置に関係する。この制御装置は、
前記内燃機関に取り付けられた燃料供給部と、
前記内燃機関の燃焼室内の、少なくとも空気を含むガス量である筒内状態量を調節する状態量調節部と、
混合気の燃料比が、前記内燃機関の負荷と回転数とによって定まる運転状態に応じて定まるリーン限界を超えないように、前記燃料供給部及び前記状態量調節部に制御信号を出力する制御部と、
前記制御部に接続されると共に、前記筒内の圧力に対応する信号を前記制御部へ出力する筒内圧センサと、
前記制御部に接続されると共に、前記燃料比に関する信号を前記制御部へ出力するセンサと、を備え、
前記制御部は、
前記内燃機関の前記運転状態に基づいて、燃焼変動の許容値であって、前記内燃機関の運転状態毎に予め定められた許容値を設定する許容値設定部と、
前記設定した燃焼変動の許容値と、燃焼変動の許容値から混合気の燃料比のリーン限界を設定するモデルとに基づいて、前記内燃機関の前記運転状態におけるリーン限界を設定するリーン限界設定部と、
前記燃料比が前記リーン限界を超えないようにかつ、前記内燃機関の前記運転状態に対応するように、目標の燃料比を設定し、設定した目標の燃料比を満足するように、前記状態量調節部及び前記燃料供給部を通じて前記内燃機関の前記筒内状態量及び燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させる燃料比調節部と、
燃焼時に前記筒内圧センサが出力した信号に基づき推定した燃焼変動と前記モデルとから、混合気の燃料比を推定する燃料比推定部と、
前記推定した燃料比と、前記センサの信号に基づく実際の燃料比との比較に基づいて、前記推定した燃料比と前記実際の燃料比との差がなくなるよう前記モデルを修正する修正部と、を有している。
The technology disclosed herein relates to a control device for an internal combustion engine capable of lean burn operation. This control device
a fuel supply attached to the internal combustion engine;
a state quantity adjustment unit that adjusts an in-cylinder state quantity, which is an amount of gas containing at least air, in a combustion chamber of the internal combustion engine;
A control unit that outputs a control signal to the fuel supply unit and the state quantity adjustment unit so that the fuel ratio of the air-fuel mixture does not exceed a lean limit that is determined according to the operating state that is determined by the load and rotation speed of the internal combustion engine. and,
an in-cylinder pressure sensor connected to the control unit and outputting a signal corresponding to the pressure in the cylinder to the control unit;
a sensor connected to the control unit and outputting a signal related to the fuel ratio to the control unit;
The control unit
an allowable value setting unit for setting an allowable value of combustion fluctuation , which is an allowable value predetermined for each operating state of the internal combustion engine, based on the operating state of the internal combustion engine ;
A lean limit setting unit for setting a lean limit in the operating state of the internal combustion engine based on the set allowable value of combustion fluctuation and a model for setting the lean limit of the fuel ratio of the air-fuel mixture from the allowable value of combustion fluctuation. and,
A target fuel ratio is set so that the fuel ratio does not exceed the lean limit and corresponds to the operating state of the internal combustion engine, and the state quantity is set so that the set target fuel ratio is satisfied. a fuel ratio adjustment unit that adjusts the in - cylinder state quantity and the fuel amount of the internal combustion engine through the adjustment unit and the fuel supply unit and combusts the air-fuel mixture;
a fuel ratio estimating unit for estimating the fuel ratio of the air-fuel mixture from the combustion fluctuation estimated based on the signal output by the in-cylinder pressure sensor during combustion and the model;
a correction unit that corrects the model so that the difference between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio is eliminated based on a comparison between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio based on the sensor signal; have.
以上説明したように、前記の内燃機関の制御装置及び制御方法は、リーン燃焼運転を行う内燃機関において、リーン限界を適切に設定することにより、燃焼が不安定にならないように燃料比を調節することができる。 As described above, the control device and control method for an internal combustion engine adjusts the fuel ratio so that combustion does not become unstable by appropriately setting the lean limit in an internal combustion engine that performs lean burn operation. be able to.
以下、内燃機関の制御装置に関する実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、内燃機関としてのエンジン、及び、エンジンの制御装置の一例である。 An embodiment of a control device for an internal combustion engine will be described in detail below with reference to the drawings. The following description is an example of an engine as an internal combustion engine and an engine control device.
図1は、エンジンシステムの構成を例示する図である。図2は、エンジンの燃焼室の構成を例示する図である。尚、図1における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図2における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図3は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of an engine system. FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the combustion chamber of the engine. Note that the intake side in FIG. 1 is on the left side of the paper, and the exhaust side is on the right side of the paper. The intake side in FIG. 2 is on the right side of the paper, and the exhaust side is on the left side of the paper. FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of an engine control device.
エンジン1は、燃焼室17が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する4ストロークエンジンである。エンジン1は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン1が運転することによって、自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であればよい。燃料は、例えばバイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。
The
(エンジンの構成)
エンジン1は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えている。シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ11が形成されている。図1及び図2では、一つのシリンダ11のみを示す。エンジン1は、多気筒エンジンである。
(Engine configuration)
The
各シリンダ11内には、ピストン3が摺動自在に内挿されている。ピストン3は、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されている。ピストン3は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画する。尚、「燃焼室」は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ11及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する場合がある。
A
シリンダヘッド13の下面、つまり、燃焼室17の天井面は、図2の下図に示すように、傾斜面1311と、傾斜面1312とによって構成されている。傾斜面1311は、吸気側から、後述するインジェクタ6の噴射軸心X2に向かって上り勾配となっている。傾斜面1312は、排気側から噴射軸心X2に向かって上り勾配となっている。燃焼室17の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。
The lower surface of the
ピストン3の上面は燃焼室17の天井面に向かって隆起している。ピストン3の上面には、キャビティ31が形成されている。キャビティ31は、ピストン3の上面から凹陥している。キャビティ31は、この構成例では、浅皿形状を有している。キャビティ31の中心は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側にずれている。
The upper surface of the
エンジン1の幾何学的圧縮比は、10以上30以下に設定されている。後述するようにエンジン1は、一部の運転領域において、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。SPCCI燃焼は、SI燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、CI燃焼をコントロールする。エンジン1は、圧縮着火式である。このエンジン1は、ピストン3が圧縮上死点に至った時の燃焼室17の温度(つまり、圧縮端温度)を高くする必要がない。エンジン1は、幾何学的圧縮比を、比較的低く設定することが可能である。幾何学的圧縮比を低くすると、冷却損失の低減、及び、機械損失の低減に有利になる。エンジン1の幾何学的圧縮比は、レギュラー仕様(燃料のオクタン価が91程度の低オクタン価燃料)においては、14~17とし、ハイオク仕様(燃料のオクタン価が96程度の高オクタン価燃料)においては、15~18としてもよい。
The geometric compression ratio of the
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、吸気ポート18が形成されている。吸気ポート18は、図示は省略するが、第1吸気ポート及び第2吸気ポートを有している。吸気ポート18は、燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート18は、燃焼室17の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。
An
吸気ポート18には、吸気弁21が配設されている。吸気弁21は、燃焼室17と吸気ポート18との間を開閉する。吸気弁21は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図3に示すように、可変動弁機構は、吸気電動S-VT(Sequential-Valve Timing)23を有している。吸気電動S-VT23は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。吸気弁21の開弁タイミング及び閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動S-VTに代えて、油圧式のS-VTを有していてもよい。吸気弁21及び吸気電動S-VT23は、状態量調節部の一例である。
An
シリンダヘッド13にはまた、シリンダ11毎に、排気ポート19が形成されている。排気ポート19も、第1排気ポート及び第2排気ポートを有している。排気ポート19は、燃焼室17に連通している。
The
排気ポート19には、排気弁22が配設されている。排気弁22は、燃焼室17と排気ポート19との間を開閉する。排気弁22は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図3に示すように、可変動弁機構は、排気電動S-VT24を有している。排気電動S-VT24は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。排気弁22の開弁タイミング及び閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動S-VTに代えて、油圧式のS-VTを有していてもよい。排気弁22及び排気電動S-VT24は、状態量調節部の一例である。
An
吸気電動S-VT23及び排気電動S-VT24は、吸気弁21と排気弁22との両方が開弁するオーバーラップ期間の長さを調節する。オーバーラップ期間の長さを長くすると、燃焼室17の中の残留ガスを掃気することができる。また、オーバーラップ期間の長さを調節することによって、内部EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスを燃焼室17の中に導入することができる。吸気電動S-VT23及び排気電動S-VT24は、内部EGRシステムを構成している。尚、内部EGRシステムは、S-VTによって構成されるものに限らない。
The electric intake S-
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6が取り付けられている。インジェクタ6は、燃焼室17の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ6は、燃料供給部の一例である。インジェクタ6は、傾斜面1311と傾斜面1312とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。図2に示すように、インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に位置している。インジェクタ6の噴射軸心X2は、中心軸X1に平行である。インジェクタ6の噴射軸心X2とキャビティ31の中心とは一致している。インジェクタ6は、キャビティ31に対向している。尚、インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1と一致していてもよい。その構成の場合に、インジェクタ6の噴射軸心X2と、キャビティ31の中心とは一致していてもよい。
An
インジェクタ6は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ6は、図2に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室17の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。インジェクタ6は、本構成例においては、十個の噴孔を有しており、噴孔は、周方向に等角度に配置されている。
Although detailed illustration is omitted, the
インジェクタ6には、燃料供給システム61が接続されている。燃料供給システム61は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク63と、燃料タンク63とインジェクタ6とを互いに連結する燃料供給路62とを備えている。燃料供給路62には、燃料ポンプ65とコモンレール64とが介設している。燃料ポンプ65は、コモンレール64に燃料を送る。燃料ポンプ65は、この構成例においては、クランクシャフト15によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール64は、燃料ポンプ65から送られた燃料を、高い燃料圧力で蓄える。インジェクタ6が開弁すると、コモンレール64に蓄えられていた燃料が、インジェクタ6の噴口から燃焼室17の中に噴射される。燃料供給システム61は、30MPa以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ6に供給することが可能である。インジェクタ6に供給する燃料の圧力は、エンジン1の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム61の構成は、前記の構成に限定されない。
A
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、この構成例では、シリンダ11の中心軸X1よりも吸気側に配設されている。点火プラグ25は、2つの吸気ポート18の間に位置している。点火プラグ25は、上方から下方に向かって、燃焼室17の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド13に取り付けられている。点火プラグ25の電極は、図2に示すように、燃焼室17の中に臨んでかつ、燃焼室17の天井面の付近に位置している。尚、点火プラグ25を、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ25をシリンダ11の中心軸X1上に配置してもよい。
A
エンジン1の一側面には吸気通路40が接続されている。吸気通路40は、各シリンダ11の吸気ポート18に連通している。燃焼室17に導入するガスは、吸気通路40を流れる。吸気通路40の上流端部には、エアクリーナー41が配設されている。エアクリーナー41は、新気を濾過する。吸気通路40の下流端近傍には、サージタンク42が配設されている。サージタンク42よりも下流の吸気通路40は、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ11の吸気ポート18に接続されている。
An
吸気通路40におけるエアクリーナー41とサージタンク42との間には、スロットル弁43が配設されている。スロットル弁43は、弁の開度を調節することによって、燃焼室17の中への新気の導入量を調節する。スロットル弁43は状態量調節部の一例である。
A
吸気通路40にはまた、スロットル弁43の下流に、過給機44が配設されている。過給機44は、燃焼室17に導入するガスを過給する。この構成例において、過給機44は、エンジン1によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機44は、ルーツ式、リショルム式、ベーン式、又は遠心式であってもよい。
A
過給機44とエンジン1との間には、電磁クラッチ45が介設している。電磁クラッチ45は、過給機44とエンジン1との間で、エンジン1から過給機44へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ECU10が電磁クラッチ45の接続及び遮断を切り替えることによって、過給機44はオンとオフとが切り替わる。
An electromagnetic clutch 45 is interposed between the
吸気通路40における過給機44の下流には、インタークーラー46が配設されている。インタークーラー46は、過給機44において圧縮されたガスを冷却する。インタークーラー46は、例えば水冷式又は油冷式に構成してもよい。
An
吸気通路40には、バイパス通路47が接続されている。バイパス通路47は、過給機44及びインタークーラー46をバイパスするよう、吸気通路40における過給機44の上流部とインタークーラー46の下流部とを互いに接続する。バイパス通路47には、エアバイパス弁48が配設されている。エアバイパス弁48は、バイパス通路47を流れるガスの流量を調節する。
A
ECU10は、過給機44をオフにしたとき(つまり、電磁クラッチ45を遮断したとき)に、エアバイパス弁48を全開にする。吸気通路40を流れるガスは、過給機44をバイパスして、エンジン1の燃焼室17に導入される。エンジン1は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
The
過給機44をオンにすると、エンジン1は過給状態で運転する。ECU10は、過給機44をオンにしたとき(つまり、電磁クラッチ45を接続したとき)に、エアバイパス弁48の開度を調節する。過給機44を通過したガスの一部は、バイパス通路47を通って過給機44の上流に逆流する。ECU10がエアバイパス弁48の開度を調節すると、燃焼室17に導入するガスの過給圧が変わる。尚、過給時とは、サージタンク42内の圧力が大気圧を超える時をいい、非過給時とは、サージタンク42内の圧力が大気圧以下になる時をいう、と定義してもよい。
When the
この構成例においては、過給機44とバイパス通路47とエアバイパス弁48とによって、過給システム49が構成されている。過給システム49は状態量調節部の一例である。
In this configuration example, a supercharging
エンジン1は、燃焼室17内に、スワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール流は、図2に白抜きの矢印で示すように流れる。スワール発生部は、吸気通路40に取り付けられたスワールコントロール弁56を有している。スワールコントロール弁56は、詳細な図示は省略するが、二つの吸気ポート18のうちの一方の吸気ポート18につながるプライマリ通路と、他方の吸気ポート18につながるセカンダリ通路との内の、セカンダリ通路に配設されている。スワールコントロール弁56は、セカンダリ通路の断面を絞ることができる開度調節弁である。スワールコントロール弁56の開度が小さいと、一方の吸気ポート18から燃焼室17に入る吸気流量が相対的に多くかつ、他方の吸気ポート18から燃焼室17に入る吸気流量が相対的に少ないから、燃焼室17内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁56の開度が大きいと、二つの吸気ポート18のそれぞれから燃焼室17に入る吸気流量が略均等になるから、燃焼室17内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁56を全開にすると、スワール流が発生しない。
The
エンジン1の他側面には、排気通路50が接続されている。排気通路50は、各シリンダ11の排気ポート19に連通している。排気通路50は、燃焼室17から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ11の排気ポート19に接続されている。
An
排気通路50には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒511と、GPF(Gasoline Particulate Filter)512とを有している。下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配設されている。下流の触媒コンバーターは、三元触媒513を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、GPFは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びGPFの並び順は、適宜変更してもよい。
An exhaust gas purification system having a plurality of catalytic converters is arranged in the
吸気通路40と排気通路50との間には、外部EGRシステムを構成するEGR通路52が接続されている。EGR通路52は、排気ガスの一部を吸気通路40に還流させるための通路である。EGR通路52の上流端は、排気通路50における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。EGR通路52の下流端は、吸気通路40における過給機44の上流部に接続されている。EGR通路52を流れるEGRガスは、バイパス通路47のエアバイパス弁48を通らずに、吸気通路40における過給機44の上流部に入る。
An
EGR通路52には、水冷式のEGRクーラー53が配設されている。EGRクーラー53は、排気ガスを冷却する。EGR通路52にはまた、EGR弁54が配設されている。EGR弁54は、EGR通路52を流れる排気ガスの流量を調節する。EGR弁54の開度を調節することによって、冷却した排気ガス、つまり外部EGRガスの還流量を調節することができる。
A water-cooled
この構成例において、EGRシステム55は、外部EGRシステムと、内部EGRシステムとによって構成されている。外部EGRシステムは、内部EGRシステムよりも低温の排気ガスを、燃焼室17に供給することができる。EGRシステム55は、状態量調節部の一例である。
In this configuration example, the
図1及び図3において、符号57は、クランクシャフト15に連結されたオルタネータ57である。オルタネータ57は、エンジン1によって駆動される。
1 and 3,
内燃機関の制御装置は、エンジン1を運転するためのECU(Engine Control Unit)10を備えている。ECU10は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図3に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)101と、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ102と、電気信号の入出力をする入出力バス103と、を備えている。ECU10は、制御部の一例である。
The control device for the internal combustion engine includes an ECU (Engine Control Unit) 10 for operating the
ECU10には、図1及び図3に示すように、各種のセンサSW1~SW17が接続されている。センサSW1~SW17は、信号をECU10に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
Various sensors SW1 to SW17 are connected to the
エアフローセンサSW1:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる新気の流量を計測する
第1吸気温度センサSW2:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる新気の温度を計測する
第1圧力センサSW3:吸気通路40におけるEGR通路52の接続位置よりも下流でかつ、過給機44の上流に配置されかつ、過給機44に流入するガスの圧力を計測する
第2吸気温度センサSW4:吸気通路40における過給機44の下流でかつ、バイパス通路47の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機44から流出したガスの温度を計測する
第2圧力センサSW5:サージタンク42に取り付けられかつ、過給機44の下流のガスの圧力を計測する
筒内圧センサSW6:各シリンダ11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられかつ、各燃焼室17内の圧力を計測する
NOxセンサSW7:排気通路50における三元触媒513の下流に配置されかつ、三元触媒513を通過した排気ガス中のNOx濃度を計測する
リニアO2センサSW8:排気通路50における上流の触媒コンバーターよりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する
ラムダO2センサSW9:上流の触媒コンバーターにおける三元触媒511の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する
水温センサSW10:エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を計測する
クランク角センサSW11:エンジン1に取り付けられかつ、クランクシャフト15の回転角を計測する
アクセル開度センサSW12:アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する
吸気カム角センサSW13:エンジン1に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を計測する
排気カム角センサSW14:エンジン1に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を計測する
EGR差圧センサSW15:EGR通路52に配置されかつ、EGR弁54の上流及び下流の差圧を計測する
燃圧センサSW16:燃料供給システム61のコモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ6に供給する燃料の圧力を計測する
第3吸気温度センサSW17:サージタンク42に取り付けられかつ、サージタンク42内のガスの温度、換言すると燃焼室17に導入される吸気の温度を計測する。
Airflow sensor SW1: arranged downstream of the
ECU10は、これらのセンサSW1~SW17の信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ102に記憶されている。制御ロジックは、メモリ102に記憶しているマップを用いて、目標量及び/又は制御量を演算することを含む。
The
ECU100は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気電動S-VT23、排気電動S-VT24、燃料供給システム61、スロットル弁43、EGR弁54、過給機44の電磁クラッチ45、エアバイパス弁48、スワールコントロール弁56、及び、オルタネータ57に出力する。
The
例えば、ECU10は、アクセル開度センサSW12の信号とマップとに基づいて、エンジン1の目標トルクを設定すると共に、目標過給圧を決定する。そして、ECU10は、目標過給圧と、第1圧力センサSW3及び第2圧力センサSW5の信号から得られる過給機44の前後差圧とに基づいて、エアバイパス弁48の開度を調節するフィードバック制御を行うことにより、過給圧が目標過給圧となるようにする。
For example, the
また、ECU10は、エンジン1の運転状態とマップとに基づいて目標EGR率を設定する。EGR率は、燃焼室17の中の全ガスに対するEGRガスの比である。ECU10は、目標EGR率とアクセル開度センサSW12の信号に基づく吸入空気量とに基づき目標EGRガス量を決定すると共に、EGR差圧センサSW15の信号から得られるEGR弁54の前後差圧に基づいてEGR弁54の開度を調節するフィードバック制御を行うことにより、燃焼室17の中に導入する外部EGRガス量が目標EGRガス量となるようにする。
Further, the
さらに、ECU10は、所定の制御条件が成立している場合に空燃比フィードバック制御を実行する。具体的にECU10は、リニアO2センサSW8、及び、ラムダO2センサSW9が計測した排気中の酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比が所望の値となるように、インジェクタ6の燃料噴射量を調節する。
Furthermore, the
尚、その他のECU10によるエンジン1の制御の詳細は、後述する。
Other details of the control of the
(SPCCI燃焼のコンセプト)
エンジン1は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、所定の運転状態にある場合に圧縮自己着火による燃焼を行う。自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン1は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。
(SPCCI combustion concept)
The main purpose of the
SPCCI燃焼は、点火プラグ25が、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりSI燃焼をすると共に、SI燃焼の発熱により燃焼室17の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室17の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるCI燃焼をする形態である。
In the SPCCI combustion, the
SI燃焼の発熱量を調節することによって、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度のばらつきを吸収することができる。ECU10が点火時期を調節することによって、混合気を目標のタイミングで自己着火させることができる。
By adjusting the calorific value of SI combustion, it is possible to absorb temperature variations in the
SPCCI燃焼において、SI燃焼時の熱発生は、CI燃焼時の熱発生よりも穏やかである。図4は、SPCCI燃焼における熱発生率の波形801を例示している。SPCCI燃焼における熱発生率の波形801は、立ち上がりの傾きが、CI燃焼の波形における立ち上がりの傾きよりも小さくなる。また、燃焼室17の中における圧力変動(dp/dθ)も、SI燃焼時は、CI燃焼時よりも穏やかになる。
In SPCCI combustion, the heat release during SI combustion is milder than that during CI combustion. FIG. 4 illustrates a heat
SI燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火すると、自己着火のタイミングで、熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化する場合がある。熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングθciで、変曲点Xを有する場合がある。 When the unburned air-fuel mixture self-ignites after the start of SI combustion, the slope of the heat release rate waveform may change from small to large at the timing of self-ignition. The heat release rate waveform may have an inflection point X at the timing θci at which CI combustion starts.
CI燃焼の開始後は、SI燃焼とCI燃焼とが並行して行われる。CI燃焼は、SI燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。しかし、CI燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。CI燃焼時の圧力変動(dp/dθ)も、比較的穏やかになる。 After the start of CI combustion, SI combustion and CI combustion are performed in parallel. Since CI combustion generates more heat than SI combustion, the heat release rate is relatively high. However, since the CI combustion is performed after the top dead center of the compression stroke, the slope of the heat release rate waveform is prevented from becoming too large. The pressure fluctuation (dp/dθ) during CI combustion also becomes relatively mild.
圧力変動(dp/dθ)は、燃焼騒音を表す指標として用いることができる。前述の通りSPCCI燃焼は、圧力変動(dp/dθ)を小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなりすぎることを回避することが可能になる。エンジン1の燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えられる。
Pressure fluctuation (dp/dθ) can be used as an index representing combustion noise. As described above, SPCCI combustion can reduce the pressure fluctuation (dp/dθ), so it is possible to avoid excessive combustion noise. Combustion noise of the
CI燃焼が終了することによって、SPCCI燃焼が終了する。CI燃焼は、SI燃焼に比べて、燃焼期間が短い。SPCCI燃焼は、SI燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。 The SPCCI combustion ends when the CI combustion ends. CI combustion has a shorter combustion period than SI combustion. The SPCCI combustion has an earlier combustion end timing than the SI combustion.
SPCCI燃焼の熱発生率波形は、SI燃焼によって形成された第1熱発生率部QSIと、CI燃焼によって形成された第2熱発生部QCIと、が、この順番に連続するように形成されている。 The heat release rate waveform of SPCCI combustion is formed such that the first heat release rate portion QSI formed by SI combustion and the second heat release portion QCI formed by CI combustion are continuous in this order. It is
(エンジンの運転領域)
図5は、エンジン1の制御に係る運転マップを例示している。運転マップは、ECU10のメモリ102に記憶されている。図5に例示する運転マップ501は、エンジン1の半暖機時の運転マップであり、502は、エンジン1の温間時の運転マップである。ECU10は、燃焼室17の壁温及び吸気の温度それぞれの高低に応じて運転マップ501又は運転マップ502を選択する。ECU10は、選択した運転マップを用いてエンジン1を制御する。
(engine operating range)
FIG. 5 exemplifies a driving map related to control of the
各運転マップ501、502は、エンジン1の負荷及び回転数によって規定されている。運転マップ501は、回転数の高低に対し二つの領域に分かれる。具体的に運転マップ501は、回転数N3以上である高回転の領域A1と、低回転及び中回転の領域に広がる領域A2とに分かれる。運転マップ502は、三つの領域に分かれる。具体的に運転マップ502は、前述した高回転の領域A1と、低回転及び中回転の領域A2と、領域A2内における、N1からN2の所定回転数範囲でかつ、L1からL2の所定負荷範囲の領域A3とに分かれる。
Each operation map 501 , 502 is defined by the load and rotation speed of the
ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にした場合の、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域としてもよい。
Here, the low speed region, the middle speed region, and the high speed region are obtained by dividing the entire operating region of the
図5の運転マップ501、502は、各領域における混合気の状態及び燃焼形態を示している。エンジン1は、領域A1においてSI燃焼を行う。エンジン1はまた、領域A2及びA3においてSPCCI燃焼を行う。以下、図5の運転マップ501、502の各領域におけるエンジン1の運転について詳細に説明をする。
Operation maps 501 and 502 in FIG. 5 show the state of the air-fuel mixture and the combustion mode in each region. The
(領域A3におけるエンジンの運転)
エンジン1が領域A3において運転している場合に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
(Engine operation in region A3)
When the
エンジン1の燃費性能を向上させるために、EGRシステム55は、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。具体的に、吸気電動S-VT23及び排気電動S-VT24は、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。
The
混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比よりもリーンである(つまり、空気過剰率λ>1)。より詳細に、燃焼室17の全体において混合気のA/Fは25以上31以下である。こうすることで、RawNOxの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。スロットル弁43は、全開である。
The air-fuel ratio (A/F) of the air-fuel mixture is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio throughout the combustion chamber 17 (that is, excess air ratio λ>1). More specifically, the A/F of the air-fuel mixture in the
インジェクタ6が燃料噴射を終了した後、点火プラグ25は、燃焼室17の混合気に点火をする。領域A3でエンジン1は、A/Fリーン燃焼運転を行う。
After the
(領域A2におけるエンジンの運転)
エンジン1が領域A2において運転している場合に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
(Engine operation in area A2)
When the
EGRシステム55は、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。具体的に、吸気電動S-VT23及び排気電動S-VT24は、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。内部EGRガスが、燃焼室17の中に導入される。また、EGRシステム55は、領域A2の少なくとも一部の領域において、EGRクーラー53によって冷却した排気ガスを、EGR通路52を通じて燃焼室17の中に導入する。つまり、内部EGRガスに比べて温度が低い外部EGRガスが、燃焼室17の中に導入される。外部EGRガスは、燃焼室17の中の温度を、適切な温度に調節する。EGRシステム55は、エンジン1の負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。EGRシステム55は、全開負荷において、内部EGRガス及び外部EGRガスを含むEGRガスを、ゼロにしてもよい。
混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。三元触媒511、513が、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン1の排出ガス性能は良好になる。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2としてもよい。尚、エンジン1が、全開負荷(つまり、最高負荷)において運転している場合には、混合気のA/Fは、燃焼室17の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにしてもよい(つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦1)。スロットル弁43は、全開又は中間開度に調節される。
The air-fuel ratio (A/F) of the air-fuel mixture in the
燃焼室17内にEGRガスを導入しているため、燃焼室17の中の全ガスと燃料との重量比であるG/Fは理論空燃比よりもリーンになる。混合気のG/Fは18以上にしてもよい。こうすることで、いわゆるノッキングの発生を抑制することができる。G/Fは18以上30以下において設定してもよい。また、G/Fは18以上50以下において設定してもよい。
Since the EGR gas is introduced into the
点火プラグ25は、インジェクタ6が燃料の噴射を行った後、圧縮上死点付近の所定のタイミングで混合気に点火をする。領域A2においてエンジン1は、ストイキ燃焼運転を行う。エンジン1は、領域A2において、G/Fリーン燃焼運転を行うと言うこともできる。
The
(領域A1におけるエンジンの運転)
エンジン1の回転数が高いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が短くなる。エンジン1の回転数が高くなると、SPCCI燃焼を行うことが困難になる。
(Engine operation in area A1)
When the rotation speed of the
そこで、エンジン1が領域A1において運転している場合に、エンジン1は、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。
Therefore, when the
EGRシステム55は、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。EGRシステム55は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。EGRシステム55は、全開負荷では、EGRガスをゼロにしてもよい。
混合気の空燃比(A/F)は、基本的には、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。尚、エンジン1が全開負荷の付近において運転している場合には、混合気の空気過剰率λは1未満であってもよい。スロットル弁43は、全開又は中間開度に調節される。
The air-fuel ratio (A/F) of the air-fuel mixture is basically the stoichiometric air-fuel ratio (A/F≈14.7) in the
点火プラグ25は、インジェクタ6が燃料の噴射を終了した後、圧縮上死点付近の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う。
The
(エンジンの燃料比制御)
前述した領域A3においてリーン燃焼運転を行っている場合、燃料比(つまり、A/F)はできるだけリーンにした方が、燃費性能の向上や排出ガスのクリーン化に有利になる。しかしながら、燃料比をリーンにし過ぎると、燃焼変動(SDI(Standard Deviation of IMEP(Indicated Mean Effective Pressure)))が大きくなって、ドライバビリティが低下してしまうという問題がある。また、領域A2においてストイキ燃焼運転を行っている場合も、燃料比(つまり、G/F)はできるだけリーンにした方が、燃費性能の向上や排出ガスのクリーン化に有利になるが、前記と同様に、リーンにし過ぎると、燃焼変動が大きくなって、ドライバビリティが低下してしまう。
(engine fuel ratio control)
When the lean combustion operation is performed in the region A3 described above, making the fuel ratio (that is, A/F) as lean as possible is advantageous for improving the fuel consumption performance and cleaning the exhaust gas. However, if the fuel ratio is made too lean, there is a problem that combustion variation (SDI (Standard Deviation of IMEP (Indicated Mean Effective Pressure))) increases and drivability deteriorates. Further, even when the stoichiometric combustion operation is performed in the region A2, making the fuel ratio (that is, G/F) as lean as possible is advantageous for improving the fuel efficiency and cleaning the exhaust gas. Similarly, if the engine is made too lean, the combustion fluctuation will increase and the drivability will deteriorate.
そこで、エンジン1の運転点毎に、燃焼変動の許容値を予め定めておき、ECU10は、燃焼変動の許容値に基づいて、燃料比のリーン限界を設定する。そうして、設定したリーン限界を超えないように、燃料比を調節することにより、このエンジン1は、ドライバビリティの向上と燃費性能の向上とを両立させる。
Therefore, a permissible value of combustion fluctuation is determined in advance for each operating point of the
図6は、燃料比の調節に関する制御を実行するECU10の機能ブロックを例示している。図7は、ECU10が実行する燃料比の調節に関する制御手順を例示している。
FIG. 6 exemplifies functional blocks of the
ECU10は、許容値設定部104と、リーン限界設定部105と、燃料比調節部106と、燃料比推定部107と、修正部108とを有している。許容値設定部104、リーン限界設定部105、及び燃料比調節部106は、燃料比の調節に関係する。燃料比推定部107、及び修正部108は、リーン限界の設定に関係するモデルの修正に関係する。
The
許容値設定部104は、エンジン1の運転状態に基づいて、当該運転状態に対応する燃焼変動の許容値(つまり、許容SDI)を設定する。燃焼変動の許容値は、エンジン1の運転点毎に予め設定されていると共に、メモリ102に記憶されている。
Based on the operating state of the
リーン限界設定部105は、許容値設定部104が設定した燃焼変動の許容値と、メモリ102に記憶されているモデル109とに基づいて、リーン限界を設定する。モデル109は、図7に示すように、基本モデルブロック110と補正ブロック111とによって構成されている。基本モデルブロック110は、許容SDIからリーン限界の基本値を定める。補正ブロック111は、基本モデルブロック110が定めたリーン限界の基本値を補正する。
Lean
基本モデルブロック110は、図8に示すように、第1モデル81、第2モデル82、第3モデル83及び第4モデル84を含んで構成されている。
The
第1モデル81は、燃焼変動(SDI)と1サイクルにおける筒内平均圧力Pmiとの関係を定めている。リーン限界設定部105は、許容SDIと第1モデル81とに基づいて、筒内平均圧力Pmiを設定する。
The
第2モデル82は、筒内平均圧力Pmiと燃料噴射量Qinとに基づき算出される熱効率と、mfb50との関係を定めている。mfb50は、総噴射量の50%の燃料が燃焼するクランク角度を意味する。つまり、mfb50は、質量燃焼割合が所定値となる特定クランク角度に相当する。リーン限界設定部105は、筒内平均圧力Pmiと燃料噴射量Qinと第2モデル82とに基づいて、mfb50を設定する。
The
第3モデル83は、mfb50と燃焼期間との関係を定めている。ここでの燃焼期間は、mfb10からmfb50までのクランク角期間を意味している。リーン限界設定部105は、mfb50と第3モデル83とに基づいて、燃焼期間を設定する。
A
第4モデル84は、燃焼期間と燃料比との関係を定めている。リーン限界設定部105は、燃焼期間と第4モデル84とに基づいて、燃料比、つまり、燃焼変動の許容値に対応するリーン限界を設定する。
A
こうして、第1モデル81~第4モデル84によってリーン限界の基本値を設定すれば、リーン限界設定部105は、その基本値を補正する。補正ブロック111に関しては、後述する。
In this way, when the basic value of the lean limit is set by the
燃料比調節部106は、エンジン1の運転状態と、設定されたリーン限界に基づいて、設定されたリーン限界を超えないようにかつ、エンジン1の運転状態に対応するように、目標の燃料比を設定する。燃料比調節部106はまた、設定した目標の燃料比を満足するように、筒内状態量を調節すると共に、燃料の噴射量を調節し、混合気を燃焼させる。具体的に、燃料比調節部106は、インジェクタ6に燃料の噴射に関する信号を出力すると共に、吸気電動S-VT23、排気電動S-VT24、スロットル弁43、EGR弁54及びエアバイパス弁48に、筒内状態量の調節に関する信号を出力する。
Based on the operating state of the
燃料比推定部107は、燃焼時に筒内圧センサSW6が出力した信号に基づき推定した燃焼変動とモデル109とから、混合気の燃料比を推定する。モデル109は、メモリ102に記憶されているモデルであり、図7に示すように、リーン限界設定部105がリーン限界を設定する際に用いるモデル109と同じである。
The fuel
ここで、燃料比推定部107は、燃焼変動の推定の際にベイズ推定を利用してもよい。エンジン1の運転状態は刻一刻と変化し、同じ運転状態が継続することは少ないが、ベイズ推定を利用すれば、少ないサンプル数から燃焼変動を精度良く推定することができる。
Here, the
修正部108は、ECU10が、エンジン1の運転状態に応じて設定した燃料噴射量と、エアフローセンサSW1の信号とに基づいて、混合気の実際の燃料比を計測する。修正部108はまた、計測した実際の燃料比と、燃料比推定部107が推定した燃料比とを比較し、その比較に基づいて、モデル109の補正ブロック111を修正する。修正された補正ブロック111は、メモリ102に記憶される。
The
尚、補正ブロック111を修正する代わりに、基本モデルブロック110を修正するようにしてもよい。その場合、補正ブロック111は省略してもよい。
Instead of correcting the
燃焼変動と燃料比との関係は、エンジン1毎に個体差があったり、経年によって変化したりする。修正部108が、計測した燃料比と、モデル109を使って推定した燃料比とを比較することによって、モデル109を随時修正することができる。
The relationship between the combustion fluctuation and the fuel ratio has individual differences for each
その結果、リーン限界設定部105は、正確なモデル109に基づいてリーン限界を正確に定めることができる。ECU10は、エンジン1がA/Fリーン燃焼運転を行っている時に、又は、G/Fリーン燃焼運転(つまり、ストイキ燃焼運転)を行っている時に、正確なリーン限界に基づいて燃料比を調節することができるから、燃焼が不安定になることが抑制される。自動車のドライバビリティが低下してしまうことが抑制される。また、正確なリーン限界に基づいて、A/F又はG/Fをできるだけリーンにすることができるから、自動車の燃費性能の向上に有利になる。
As a result, the lean
次に、図9のフローチャートを参照しながら、ECU10が実行するエンジン1の制御について説明する。図9のフローチャートは、エンジン1の燃料比の調節制御に係る。尚、図9のフローチャートにおける各ステップの順番は入れ替えることも可能である。
Next, the control of the
ステップS1において、ECU10は、各センサSW1~SW17の信号を読み込む。続くステップS2において、ECU10の燃料比推定部107は、前述したように、筒内圧センサSW6の信号と、メモリ102に記憶しているモデル109とによって、燃料比を推定する。次のステップS3において、ECU10の修正部108は、燃料噴射量とエアフローセンサSW1の信号とに基づいて実際の燃料比を計測する。
In step S1, the
ステップS4において、修正部108は、ステップS2で推定した燃料比と、ステップS3で計測した燃料比とに基づいて、両者にズレがあるか否かを判断する。ズレがない場合、プロセスはステップS6に進み、ズレがある場合、プロセスはステップS7に進む。ステップS6において修正部108は、モデル109の修正は行わない。ステップS7において修正部108は、モデル109の補正ブロック111を、ズレに応じて修正し、メモリ102に記憶させる。
In step S4,
ステップS8においてリーン限界設定部105は、許容値設定部104がエンジン1の運転点に基づいて設定した燃焼変動の許容値(つまり、許容SDI)とメモリ102に記憶されているモデル109とから、リーン限界を設定する。
In step S8, the lean
ステップS9において、燃料比調節部106は、ステップS8で設定されたリーン限界を超えないように目標燃料比を設定すると共に、ステップS10において燃料比調節部106は、目標燃料比を満足するように、各デバイスへ制御信号を出力する。
In step S9, the fuel
尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン1に適用することに限定されない。エンジン1の構成は、様々な構成を採用することが可能である。
Note that the technology disclosed herein is not limited to application to the
1 エンジン(内燃機関)
10 ECU(制御部)
104 許容値設定部
105 リーン限界設定部
106 燃料比調節部
107 燃料比推定部
108 修正部
109 モデル
21 吸気弁(状態量調節部)
22 排気弁(状態量調節部)
23 吸気電動S-VT(状態量調節部)
24 排気電動S-VT(状態量調節部)
43 スロットル弁(状態量調節部)
44 過給機(状態量調節部)
49 過給システム(状態量調節部)
54 EGR弁(状態量調節部)
55 EGRシステム(状態量調節部)
6 インジェクタ(燃料供給部)
81 第1モデル
82 第2モデル
83 第3モデル
84 第4モデル
SW1 エアフローセンサ
SW6 筒内圧センサ
1 engine (internal combustion engine)
10 ECU (control unit)
104 allowable
22 Exhaust valve (state quantity control unit)
23 Electric intake S-VT (state quantity adjustment unit)
24 exhaust electric S-VT (state quantity control unit)
43 Throttle valve (state quantity control unit)
44 turbocharger (state quantity control unit)
49 supercharging system (state quantity control part)
54 EGR valve (state quantity control unit)
55 EGR system (state quantity control unit)
6 injector (fuel supply unit)
81
Claims (4)
制御部が、前記内燃機関の負荷と回転数とによって定まる運転状態に基づいて、燃焼変動の許容値であって、前記内燃機関の運転状態毎に予め定められた許容値を設定するステップと、
前記制御部が、前記設定した燃焼変動の許容値と、燃焼変動の許容値から混合気の燃料比のリーン限界を設定するモデルとに基づいて、前記内燃機関の前記運転状態におけるリーン限界を設定するステップと、
前記制御部が、前記燃料比が前記リーン限界を超えないようにかつ、前記内燃機関の前記運転状態に対応するように、目標の燃料比を設定し、設定した目標の燃料比を満足するように、状態量調節部及び燃料供給部を通じて前記内燃機関の燃焼室内の、少なくとも空気を含むガス量である筒内状態量及び燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させるステップと、
前記制御部が、燃焼時に筒内圧センサが出力した信号に基づき推定した燃焼変動と前記モデルとから、混合気の燃料比を推定するステップと、
前記制御部が、前記推定した燃料比と、計測した実際の燃料比との比較に基づいて、前記推定した燃料比と前記実際の燃料比との差がなくなるよう前記モデルを修正するステップと、
を備えている内燃機関の制御方法。 A control method for an internal combustion engine capable of lean-burn operation, comprising:
a step in which a control unit sets an allowable value of combustion fluctuation , which is an allowable value predetermined for each operating state of the internal combustion engine, based on the operating state determined by the load and the rotational speed of the internal combustion engine;
The control unit determines a lean limit in the operating state of the internal combustion engine based on the set allowable value of combustion fluctuation and a model for setting the lean limit of the fuel ratio of the air-fuel mixture from the allowable value of combustion fluctuation. and setting
The control unit sets a target fuel ratio so that the fuel ratio does not exceed the lean limit and corresponds to the operating state of the internal combustion engine, and satisfies the set target fuel ratio. a step of adjusting the in-cylinder state quantity and the fuel quantity, which are gas quantities containing at least air, in the combustion chamber of the internal combustion engine through the state quantity adjusting unit and the fuel supply unit, and burning the air-fuel mixture;
a step in which the controller estimates the fuel ratio of the air-fuel mixture from the model and the combustion fluctuation estimated based on the signal output by the in-cylinder pressure sensor during combustion;
a step in which the control unit corrects the model so that the difference between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio is eliminated, based on a comparison between the estimated fuel ratio and the measured actual fuel ratio ;
A control method for an internal combustion engine comprising
前記モデルは、
燃焼変動と筒内平均圧力との関係を定めた第1モデルと、
前記筒内平均圧力と燃料噴射量とに基づき算出される熱効率と、質量燃焼割合が所定値となる特定クランク角度との関係を定めた第2モデルと、
前記特定クランク角度と燃焼期間との関係を定めた第3モデルと、
前記燃焼期間と前記リーン限界との関係を定めた第4モデルとを含む基本モデルブロックと、
前記基本モデルブロックが定めたリーン限界の基本値を補正する補正ブロックと、を含み、
前記制御部は、前記推定した燃料比と前記実際の燃料比との差がなくなるよう前記補正ブロックを修正する、内燃機関の制御方法。 In the method for controlling an internal combustion engine according to claim 1,
The model is
a first model that defines the relationship between the combustion fluctuation and the average in-cylinder pressure;
a second model that defines the relationship between the thermal efficiency calculated based on the average in-cylinder pressure and the fuel injection amount and the specific crank angle at which the mass combustion ratio is a predetermined value;
a third model that defines the relationship between the specific crank angle and the combustion period;
a basic model block including a fourth model that defines the relationship between the combustion period and the lean limit;
a correction block that corrects the base value of the lean limit determined by the base model block;
The method of controlling an internal combustion engine, wherein the control unit corrects the correction block so that there is no difference between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio .
前記内燃機関に取り付けられた燃料供給部と、
前記内燃機関の燃焼室内の、少なくとも空気を含むガス量である筒内状態量を調節する状態量調節部と、
混合気の燃料比が、前記内燃機関の負荷と回転数とによって定まる運転状態に応じて定まるリーン限界を超えないように、前記燃料供給部及び前記状態量調節部に制御信号を出力する制御部と、
前記制御部に接続されると共に、筒内の圧力に対応する信号を前記制御部へ出力する筒内圧センサと、
前記制御部に接続されると共に、前記燃料比に関する信号を前記制御部へ出力するセンサと、を備え、
前記制御部は、
前記内燃機関の前記運転状態に基づいて、燃焼変動の許容値であって、前記内燃機関の運転状態毎に予め定められた許容値を設定する許容値設定部と、
前記設定した燃焼変動の許容値と、燃焼変動の許容値から混合気の燃料比のリーン限界を設定するモデルとに基づいて、前記内燃機関の前記運転状態におけるリーン限界を設定するリーン限界設定部と、
前記燃料比が前記リーン限界を超えないようにかつ、前記内燃機関の前記運転状態に対応するように、目標の燃料比を設定し、設定した目標の燃料比を満足するように、前記状態量調節部及び前記燃料供給部を通じて前記内燃機関の前記筒内状態量及び燃料量を調節しかつ、混合気を燃焼させる燃料比調節部と、
燃焼時に前記筒内圧センサが出力した信号に基づき推定した燃焼変動と前記モデルとから、混合気の燃料比を推定する燃料比推定部と、
前記推定した燃料比と、前記センサの信号に基づく実際の燃料比との比較に基づいて、前記推定した燃料比と前記実際の燃料比との差がなくなるよう前記モデルを修正する修正部と、を有している内燃機関の制御装置。 A control device for an internal combustion engine capable of lean-burn operation,
a fuel supply attached to the internal combustion engine;
a state quantity adjustment unit that adjusts an in-cylinder state quantity, which is an amount of gas containing at least air, in a combustion chamber of the internal combustion engine;
A control unit that outputs a control signal to the fuel supply unit and the state quantity adjustment unit so that the fuel ratio of the air-fuel mixture does not exceed a lean limit that is determined according to the operating state that is determined by the load and rotation speed of the internal combustion engine. and,
an in-cylinder pressure sensor connected to the control unit and outputting a signal corresponding to the pressure in the cylinder to the control unit;
a sensor connected to the control unit and outputting a signal related to the fuel ratio to the control unit;
The control unit
an allowable value setting unit for setting an allowable value of combustion fluctuation , which is an allowable value predetermined for each operating state of the internal combustion engine, based on the operating state of the internal combustion engine ;
A lean limit setting unit for setting a lean limit in the operating state of the internal combustion engine based on the set allowable value of combustion fluctuation and a model for setting the lean limit of the fuel ratio of the air-fuel mixture from the allowable value of combustion fluctuation. and,
A target fuel ratio is set so that the fuel ratio does not exceed the lean limit and corresponds to the operating state of the internal combustion engine, and the state quantity is set so that the set target fuel ratio is satisfied. a fuel ratio adjustment unit that adjusts the in - cylinder state quantity and the fuel amount of the internal combustion engine through the adjustment unit and the fuel supply unit and combusts the air-fuel mixture;
a fuel ratio estimating unit for estimating the fuel ratio of the air-fuel mixture from the combustion fluctuation estimated based on the signal output by the in-cylinder pressure sensor during combustion and the model;
a correction unit that corrects the model so that the difference between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio is eliminated based on a comparison between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio based on the sensor signal; A control device for an internal combustion engine having
前記モデルは、
燃焼変動と筒内平均圧力との関係を定めた第1モデルと、
前記筒内平均圧力と燃料噴射量とに基づき算出される熱効率と、質量燃焼割合が所定
値となる特定クランク角度との関係を定めた第2モデルと、
前記特定クランク角度と燃焼期間との関係を定めた第3モデルと、
前記燃焼期間と前記リーン限界との関係を定めた第4モデルとを含む基本モデルブロックと、
前記基本モデルブロックが定めたリーン限界の基本値を補正する補正ブロックと、を含み、
前記修正部は、前記推定した燃料比と前記実際の燃料比との差がなくなるよう前記補正ブロックを修正する内燃機関の制御装置 In the control device for an internal combustion engine according to claim 3,
The model is
a first model that defines the relationship between the combustion fluctuation and the average in-cylinder pressure;
a second model that defines the relationship between the thermal efficiency calculated based on the average in-cylinder pressure and the fuel injection amount and the specific crank angle at which the mass combustion ratio is a predetermined value;
a third model that defines the relationship between the specific crank angle and the combustion period;
a basic model block including a fourth model that defines the relationship between the combustion period and the lean limit;
a correction block that corrects the base value of the lean limit determined by the base model block;
A control device for an internal combustion engine, wherein the correction unit corrects the correction block so as to eliminate a difference between the estimated fuel ratio and the actual fuel ratio.
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