JP2004169634A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の筒内の冷却状態を最適に制御して、機関の運転状態を最適な状態に保つこと。
【解決手段】内燃機関の冷却状態を制御する装置であって、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーＱｆを算出する燃料エネルギー算出手段と、筒内圧ｐ（θ）と筒内容積Ｖ（θ）に基づいて燃焼による発熱量Ｑｈを算出する発熱量算出手段と、筒内での未燃燃料が有するエネルギーＱｆＬを算出する未燃燃料エネルギー算出手段と、燃料エネルギーＱｆ、発熱量Ｑｈ、及び未燃燃料エネルギーＱｆＬに基づいて、筒内での冷却損失Ｑｗを求める冷却損失算出手段と、冷却損失Ｑｗに基づいて内燃機関の冷却状態を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】 図２
【解決手段】内燃機関の冷却状態を制御する装置であって、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーＱｆを算出する燃料エネルギー算出手段と、筒内圧ｐ（θ）と筒内容積Ｖ（θ）に基づいて燃焼による発熱量Ｑｈを算出する発熱量算出手段と、筒内での未燃燃料が有するエネルギーＱｆＬを算出する未燃燃料エネルギー算出手段と、燃料エネルギーＱｆ、発熱量Ｑｈ、及び未燃燃料エネルギーＱｆＬに基づいて、筒内での冷却損失Ｑｗを求める冷却損失算出手段と、冷却損失Ｑｗに基づいて内燃機関の冷却状態を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の制御装置に関し、特に、内燃機関の冷却状態を制御する装置に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの冷却水温の適正な制御を行う方法として、例えば特開平５−２３１１４９号公報には、エンジン冷却水温を検出し、運転状態に応じた最適な冷却水温となるようにフィードバック制御する方法が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２３１１４９号公報
【特許文献２】
特開平３−１６８３１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷却水温は、内燃機関自体の温度をある程度の精度で反映しているに過ぎず、筒内の冷却状態を十分に反映したものではない。従って、冷却水温に基づいて筒内の冷却状態を制御した場合、誤差要因が大きく、最適な制御を行うことは困難である。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、筒内の冷却状態を最適に制御して、機関の運転状態をより適正な状態に保つことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の冷却状態を制御する装置であって、筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、前記筒内圧に基づいて筒内での冷却損失を求める冷却損失算出手段と、前記冷却損失に基づいて内燃機関の冷却状態を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷却損失算出手段は、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーを算出する燃料エネルギー算出手段と、前記筒内圧に基づいて筒内での燃焼による発熱量を算出する発熱量算出手段と、を含み、前記燃料エネルギーと前記発熱量とに基づいて、筒内での冷却損失を求めることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、筒内での未燃燃料が有するエネルギーを算出する未燃燃料エネルギー算出手段を備え、前記冷却損失算出手段は、前記燃料エネルギーと、前記発熱量、前記未燃燃料が有するエネルギー、及び前記冷却損失との間で成立するエネルギー保存則に基づいて前記冷却損失を求めることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第２又は第３の発明において、筒内容積を検出する筒内容積検出手段を備え、前記発熱量算出手段は、前記筒内圧と前記筒内容積に基づいて前記発熱量を算出することを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の冷却状態を制御する装置であって、筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、筒内容積を検出する筒内容積検出手段と、筒内への噴射燃料の燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、前記筒内圧、前記筒内容積及び前記燃焼割合に基づいて、筒内温度を算出する筒内温度算出手段と、前記筒内圧及び前記筒内容積に基づいて、筒内ガス平均速度を求める筒内ガス平均速度算出手段と、前記筒内圧、前記筒内ガス平均速度、及び前記筒内温度に基づいて、ウッシーニの熱伝達係数モデル式から、筒内と燃焼室壁面の間の熱伝達率を求める熱伝達率算出手段と、燃焼室壁面の温度を取得する壁面温度取得手段と、燃焼室壁面積を取得する燃焼室壁面積取得手段と、前記熱伝達率、前記燃焼室壁面積、及び筒内と燃焼室壁面の温度差を用いて筒内での冷却損失を算出する冷却損失算出手段と、前記冷却損失に基づいて内燃機関の冷却状態を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第５の発明において、前記燃焼割合算出手段は、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーを算出する燃料エネルギー算出手段と、前記筒内圧に基づいて筒内での燃焼による発熱量を算出する発熱量算出手段と、を含み、前記燃料エネルギー、前記発熱量、及び筒内での冷却損失に基づいて前記燃焼割合を算出することを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第６の発明において、前記燃焼割合算出手段は、仮設定した冷却損失を用いて前記燃焼割合を算出し、前記冷却損失算出手段は、前記仮設定した冷却損失に基づいて算出された前記燃焼割合、前記筒内温度、及び前記熱伝達率から前記冷却損失を算出し、前記仮設定した冷却損失と算出した冷却損失との差が所定値以上である場合は、前記仮設定した冷却損失を変更する手段と、前記仮設定した冷却損失と算出した冷却損失との差が所定値よりも小さい場合は、算出した冷却損失を最終的な冷却損失とする手段と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
第８の発明は、第１〜第７の発明のいずれかにおいて、内燃機関の運転状態に応じて前記冷却損失の目標値を設定する手段を備え、前記制御手段は、前記冷却損失が前記目標値となるように内燃機関の冷却状態を制御することを特徴とする。
【００１４】
第９の発明は、第１〜第７の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記冷却損失が小さいほど内燃機関の冷却効果を大きくすることを特徴とする。
【００１５】
第１０の発明は、第１〜第９の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記冷却損失に応じて内燃機関の冷却水の流量、冷却水の流路、又は冷却水の温度を可変することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。
【００１８】
エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０は、吸気通路１２を流れる吸入空気量Ｇａを検出するセンサである。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。
【００１９】
スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンク２８の更に下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。
【００２０】
内燃機関１０の各気筒はシリンダ３２、ピストン３４を備えている。ピストン３４には、その往復運動によって回転駆動されるクランク軸３６が連結されている。車両駆動系と補機類（エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、トルクコンバータ、パワーステアリングのポンプ等）は、このクランク軸３６の回転トルクによって駆動される。クランク軸３６の近傍には、クランク軸３６の回転角を検出するためのクランク角センサ３８が取り付けられている。また、内燃機関１０には、筒内の圧力（筒内圧）を検出するための筒内圧センサ４４が設けられている。
【００２１】
シリンダ３２、ピストン３４など内燃機関１０を構成する部材は、周囲を流れる冷却水によって冷却されている。内燃機関１０のシリンダブロックには、冷却水温ＴＨＷを検出する水温センサ４２が取り付けられている。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の燃料制御装置はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０などが接続されている。
【００２３】
次に、図１のシステムによる内燃機関１０の制御について説明する。燃料噴射弁３０から噴射された燃料は筒内（燃焼室）で燃焼し、発熱する。以下の（１）式は、筒内へ噴射された燃料が本来的に有するエネルギーと、燃焼による発熱量、冷却損失、及び未燃燃料によるエネルギーとの関係を示す式である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
（１）式において、Ｑｆは燃料のエネルギー［ｋＪ］、Ｑｈは燃焼ガスによる発熱量［ｋＪ］、Ｑｗは冷却損失エネルギー［ｋＪ］、ＱｆＬは未燃排出燃料エネルギー［ｋＪ］をそれぞれ示している。燃料のエネルギーＱｆは、筒内へ流入した燃料が完全燃焼した場合に発生する理論上のエネルギーであって、燃料の物性、及び燃料量から定められる。
【００２６】
理論上Ｑｆのエネルギーを有する燃料は、その殆どが燃焼して燃焼によるエネルギーを発生させる。燃焼ガスによる発熱量Ｑｈは、燃焼によるエネルギーのうち、発熱分によるエネルギーを示している。発熱量Ｑｈは、その殆どがクランク軸３６の回転トルク発生に寄与する。
【００２７】
一方、燃焼によるエネルギーは、その全てが発熱量Ｑｈとなるわけではなく、一部は筒内で冷却されてしまうため発熱量Ｑｈを発生させるに至らない。燃焼によるエネルギーのうち、冷却による損失分が冷却損失エネルギーＱｗとなる。
【００２８】
また、筒内へ流入した燃料の一部は、燃焼することなく次の排気行程で排出される。例えば、理論空燃比で必要な燃料量よりも多くの燃料が筒内へ噴射された場合、余剰分が燃焼することなく排出される。また、理論空燃比で必要な燃料量よりも少ない燃料が筒内へ噴射された場合であっても、ピストンリング近傍などに溜まった燃料は燃焼することなく排出される場合がある。燃料のエネルギーＱｆのうち、このような未燃分が未燃排出燃料エネルギーＱｆＬとなる。
【００２９】
このように、筒内へ噴射された燃料が理論上有するエネルギーＱｆと、燃焼ガスによる発熱量Ｑｈ、冷却損失エネルギーＱｗ及び未燃排出燃料エネルギーＱｆＬとの間には、（１）式に示されるエネルギー保存則が成立している。
【００３０】
そして、（１）式の右辺において、発熱量Ｑｈと冷却損失エネルギーＱｗは、燃焼によるエネルギーから実際に発生する発熱量と、燃焼によるエネルギーのうちの冷却損失分を表しているため、冷却損失エネルギーＱｗが大きくなると発熱量Ｑｈが小さくなり、冷却損失エネルギーＱｗが小さくなると発熱量Ｑｈが大きくなる関係がある。
【００３１】
冷却損失エネルギーＱｗは筒内の冷却状態に応じて変動する。筒内が十分に冷却される状態にある場合、冷却損失エネルギーＱｗが大きくなり、発熱量Ｑｈが小さくなる。一方、筒内の冷却が十分でない場合、冷却損失エネルギーＱｗが小さくなり、発熱量Ｑｈが大きくなる。従って、冷却損失エネルギーＱｗを求めることで、筒内の冷却状態を正確に求めることができる。
【００３２】
機関運転時に筒内が過度に冷却される状態にあると、熱効率が低下し、燃費低下の要因となる。また、過冷却の状態ではドライバビリティが劣化する場合がある。更に、内燃機関１０自体も過度に冷却されているため、室温調整のためのヒータの機能を十分に発揮させることができず、特に冬場の室温調整に支障が生じる。一方、機関運転時に筒内が高温状態にあると、機関回転数が低回転で高負荷がかかった時にノッキングが発生し易くなる。また、筒内が極めて高温状態にある場合は、焼き付き、オーバーヒート等が発生する虞もある。
【００３３】
このため、本実施形態の内燃機関の制御装置では、冷却損失エネルギーＱｗから内燃機関１０の冷却状態を求め、冷却損失エネルギーＱｗを適正な値に保つことで、内燃機関１０の運転状態を制御する。冷却損失エネルギーＱｗは、筒内の冷却状態を直接的に示す特性値であるため、本実施形態の制御によれば、内燃機関１０の運転状態をより適正な状態に保つことが可能となる。
【００３４】
以下、（１）式から冷却損失エネルギーＱｗを求める方法を説明する。（１）式において、燃料のエネルギーＱｆは、筒内へ流入した燃料量と、燃料の物性から定まる単位量あたりの発熱量とから求められ、具体的には、以下の（２）式より算出することができる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
ここで、Ｈｕは燃料の低位発熱量［Ｊ／ｇ］、ｍｆは燃料噴射弁３０から噴射された筒内への燃料噴射量［ｇ］である。
【００３７】
発熱量Ｑｈは、筒内容積、筒内圧との関係から発熱量を定めたエネルギー保存式から求めることができ、以下の（３）式から求める。
【００３８】
【数３】
【００３９】
（３）式において、Ｖ（θ）は筒内容積［ｍ３］、ｐ（θ）は筒内圧［ｋＰａ］、θはクランク角［ｄｅｇ］、κは比熱比をそれぞれ示している。筒内容積、筒内圧はクランクθの関数である。また、κは燃料から定まる値である。θ１は点火時のクランク角を、θ２はＱｈが最大値となるクランク角をそれぞれ示しているが、θ２については燃焼終了時のクランク角としてもよい。（３）式に示されるようにクランク角θ１からクランク角θ２までの積分によって、発熱量Ｑｈが求められる。
【００４０】
未燃排出燃料エネルギーＱｆＬは、未燃の燃料量と、燃料の物性から定まる単位量あたりの発熱量とから求められる。具体的には、以下の（４）式より算出することができる。
【００４１】
【数４】
【００４２】
（４）式において、Ｇａは筒内への吸入空気量［ｇ／ｓ］であって、エアフロメータ２０で検出される。ＡＦｓｔｏｉｃｈは理論空燃比を示している。また、Ｈｕ、ｍｆは、（２）式と同様に低位発熱量、燃料噴射量である。筒内へ噴射された燃料のうち、理論空燃比で必要な燃料量Ｇａ／ＡＦｓｔｏｉｃｈが燃焼するため、（ｍｆ−Ｇａ／ＡＦｓｔｏｉｃｈ）は噴射した燃料量のうちの未燃燃料量となる。従って、未燃燃料量と低位発熱量Ｈｕとを乗算することで未燃排出燃料エネルギーＱｆＬを求めることができる。
【００４３】
このように、（２）〜（４）式からＱｆ、Ｑｈ、ＱｆＬを算出することができ、（１）式に基づいて冷却損失エネルギーＱｗを求めることができる。そして、求めた冷却損失エネルギーＱｗにより、機関の運転状態を最適に制御する。
【００４４】
図２は、本実施形態にかかる制御装置で行われる具体的な処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１１では、クランク角θ、筒内圧ｐ（θ）、吸入空気量Ｇａを計測する。具体的には、クランク角センサ３８からクランク角θを、筒内圧センサ４４から筒内圧ｐ（θ）を、エアフロメータ２０から吸入空気量Ｇａをそれぞれ求める。
【００４５】
次のステップＳ１２では、（２）〜（４）式に基づいて、燃料のエネルギーＱｆ、燃焼ガスによる発熱量Ｑｈ、未燃排出燃料エネルギーＱｆＬをそれぞれ算出する。
【００４６】
次のステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した燃料のエネルギーＱｆ、燃焼ガスによる発熱量Ｑｈ、及び未燃排出燃料エネルギーＱｆＬを（１）式へ代入して、冷却損失エネルギーＱｗを算出する。
【００４７】
次のステップＳ１４では、環境条件、運転条件を取得する。ここで、環境条件とは、気温、冷却水温などの条件であり、運転条件とは内燃機関１０にかかる負荷、機関回転数、路面状態などの条件である。
【００４８】
次のステップＳ１５では、ステップＳ１４で求めた各条件に基づいて目標冷却損失ＱｗＴを求める。ＥＣＵ４０は、環境条件、運転条件に対応した目標冷却損失ＱｗＴを規定したマップを記憶しており、ステップＳ１４で求めた各条件をマップに当てはめて適正な目標冷却損失ＱｗＴを求める。
【００４９】
ここで、ＥＣＵ４０が記憶しているマップとして代表的なものは２種類あり、１つは機関回転数及び負荷との関係で適正な目標冷却損失ＱｗＴを規定したマップであり、他の１つは冷却水温との関係で適正な目標冷却損失ＱｗＴを規定したマップである。機関回転数及び負荷との関係を規定したマップによれば、特に低回転、高負荷時に最適な目標冷却損失ＱｗＴを求めることができ、ノッキング抑制に好適な目標冷却損失ＱｗＴを求めることができる。また、冷却水温との関係を規定したマップによれば、特に冷却水温が低温の場合に適正な目標冷却損失ＱｗＴを求めることができ、水温低下に起因してヒータの温度調整に支障が生じる場合などに最適な目標冷却損失ＱｗＴを求めることができる。
【００５０】
次のステップＳ１６では、ＱｗＴとＱｗの差分（ＱｗＴ−Ｑｗ）を演算し、所定のしきい値Ｈ１との大小関係を比較する。そして、ＱｗＴ−Ｑｗ＞Ｈ１のときはステップＳ１７へ進み、ＱｗＴ−Ｑｗ＞Ｈ１でないときはステップＳ１８へ進む。
【００５１】
ステップＳ１７へ進んだ場合（ＱｗＴ−Ｑｗ＞Ｈ１のとき）は、目標冷却損失ＱｗＴに比べて実際の冷却損失エネルギーＱｗが過小であり、筒内の冷却が不足していることが想定される。筒内が高温になると、特に低回転、高負荷時にノッキングが発生し易くなる。従って、ステップＳ１７では、冷却水による冷却効果が大きくなるように冷却水の流路を変更する。例えば、流路に設けられたバルブの開度を拡げて、より多くの冷却水が流路を流れるようにして冷却効果を高める。これにより、ノッキングの発生を抑えることができ、また、機関の焼き付き、オーバーヒートなどの発生を抑止できる。
【００５２】
ステップＳ１８へ進んだ場合（ＱｗＴ−Ｑｗ≦Ｈ１のとき）は、目標冷却損失ＱｗＴに比べて実際の冷却損失エネルギーＱｗが過度に小さい状態ではないと判断できる。従って、ステップＳ１８では、目標冷却損失ＱｗＴに比べて実際の冷却損失エネルギーＱｗが過大であるか否かを判別する。ここでは、ＱｗＴ−Ｑｗと所定のしきい値−Ｈ２との大小関係を比較する。そして、ＱｗＴ−Ｑｗ＜−Ｈ２のときはステップＳ１９へ進み、ＱｗＴ−Ｑｗ＜−Ｈ２でないときはステップＳ２０へ進む。
【００５３】
ステップＳ１９へ進んだ場合（ＱｗＴ−Ｑｗ＜−Ｈ２のとき）は、目標冷却損失ＱｗＴに比べて実際の冷却損失エネルギーＱｗが過大であるため、筒内が過度に冷却されている状態にあると判断できる。従って、ステップＳ１９では冷却水の循環を停止し、冷却効果を最小限に抑える。これにより、熱効率の低下を抑えることができ、燃費を向上させることができる。また、冷却効果を抑えることで冷却水温を高めることができ、室温調整のためのヒータの機能を十分に発揮させることができる。
【００５４】
ステップＳ２０へ進んだ場合、ＱｗＴとＱｗの差分（ＱｗＴ−Ｑｗ）が−Ｈ２からＨ１の範囲内であることが判断できる（−Ｈ２≦ＱｗＴ−Ｑｗ≦Ｈ１）。この場合は、内燃機関１０の冷却状態は適正であると判断でき、冷却水の流路を冷却効果が小さい流路（通常の流路）に変更する。
【００５５】
なお、ステップＳ１７，Ｓ２０では、冷却効果の異なる冷却水流路を複数設けて、流路自体を切り換えるなど、他の方法によって冷却水作動量を制御しても良い。更に、ラジエターへの風量を変更する等の方法で冷却水温を可変するようにしても良い。
【００５６】
以上説明したように実施の形態１によれば、冷却損失エネルギーＱｗに基づいて筒内の冷却状態を直接的に求めることができる。そして、冷却損失エネルギーＱｗに基づいて筒内の冷却状態を制御することによって、熱効率の向上とノッキング抑制を高い精度で両立させることができ、内燃機関１０の運転状態を最適に保つことが可能となる。
【００５７】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２は、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式を用いて冷却損失エネルギーＱｗを算出するものである。
【００５８】
実施の形態２にかかる内燃機関の制御装置の構成は、図１に示した実施の形態１の装置と同様である。実施の形態２では、筒内容積Ｖ、筒内温度Ｔを用いてウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式から筒内と筒内内壁（ピストン、シリンダ、シリンダヘッド）の熱伝達率を算出し、熱伝達率と筒内の表面積Ａ、筒内と筒内内壁の温度差から冷却損失エネルギーＱｗを求めるものである。
【００５９】
以下の（５），（６）式は、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式を示しており、（５）式は熱伝達率ｈ（θ）の算出式を、（６）式は筒内ガス平均速度ｗ（θ）の算出式を示している。また、（７），（８）式は筒内温度Ｔ（θ）を算出する際に用いる式を示している。
【００６０】
【数５】
【００６１】
（５）式において、ｄはシリンダボア径［ｍ］、ｐ（θ）は筒内圧［ｋｇ／ｍ２］、ｗ（θ）は筒内ガス平均速度［ｍ／ｓ］、Ｔ（θ）は筒内温度［Ｋ］を示している。また、（６）式において、ｃｍ（θ）はピストン速度［ｍ／ｓ］、Ｖ（θ）は筒内容積［ｍ２］、Ｖ１は点火時の筒内容積［ｍ２］、Ｔ１は点火時の筒内温度［Ｋ］、ｐ１は点火時の筒内圧［ｋｇ／ｍ２］、ｐ０（θ）はモータリング時の筒内圧［ｋｇ／ｍ２］をそれぞれ示している。
【００６２】
（６）式から筒内ガス平均速度ｗ（θ）を、（７），（８）式から筒内温度Ｔ（θ）を算出し、（５）式へ代入することで熱伝達率ｈ（θ）を算出することができる。（７）式において、ｘｂ（θ）は燃焼割合であって、（８）式に示されるようにＱｆと（Ｑｈ（θ）＋Ｑｗ（θ））との比率から求められる。（７）式において、Ｒａ、Ｒｂは未燃ガス気体定数、既燃ガス気体定数をそれぞれ示しており、また、Ｇａは吸入空気量［ｇ／ｓｅｃ］、Ｇｅは残留ガス量［ｇ／ｓｅｃ］、Ｇｆは燃料流量［ｇ／ｓｅｃ］をそれぞれ示している。ここで、Ｇｅは、エンジン回転数、吸気管圧力、バルブタイミングのマップ値として与えられる。なお、簡易的には、筒内ガス平均速度ｗ（θ）をピストン速度ｃｍ（θ）として演算をしてもよい。
【００６３】
このように、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式によれば、シリンダボア径ｄ、筒内圧ｐ（θ）、筒内ガスの平均速度ｗ（θ）、筒内温度Ｔ（θ）から熱伝達率ｈ（θ）を求めることができる。
【００６４】
以下の（９），（１０）式は、熱伝達率ｈ（θ）から冷却損失エネルギーＱｗを求める際に用いる演算式である。（９）式において、Ｓ（θ）は燃焼室壁面積［ｍ２］を、Ｔｗはシリンダーヘッド壁温［Ｋ］を示している。また、θ１は点火時のクランク角を、θ２はＱｈが最大値となるクランク角をそれぞれ示しているが、θ２については燃焼終了時のクランク角としてもよい。ＥＣＵ４０は、機関回転数及び負荷との関係でシリンダーヘッド壁温Ｔｗを規定したマップを記憶しており、Ｔｗはこのマップから求められる。（９）式に示されるように、熱伝達率ｈ（θ）、燃焼室壁面積Ｓ（θ）、筒内ガス温度Ｔ（θ）、及びシリンダーヘッド壁温Ｔｗから冷却損失エネルギーＱｗ［ｋＪ］を求めることができる。
【００６５】
【数６】
【００６６】
（９）式の演算において、筒内ガス温度Ｔ（θ）は（７）式で求めた値を用いる。また、（９）式におけるＳ（θ）は（１０）式に示されるように、筒内ヘッド部面積Ｓｈ［ｍ２］、ピストン頭部面積Ｓｐ［ｍ２］、及び筒内シリンダ部面積Ｓｃ（θ）［ｍ２］の和として求められる。これらの面積のうち、筒内シリンダ部面積Ｓｃ（θ）はピストンの往復運動によって変動するため、クランク角θの関数となる。
【００６７】
Ｑｗを算出する際は、先ず（７），（８）式から筒内温度Ｔ（θ）を求める。この際、（８）式でＱｗの値が必要となるが、最初は仮に設定したＱｗの値を用いる。そして、求めた筒内温度Ｔ（θ）を用いて（９）式からＱｗを求める。ここでは、（９）式から求めたＱｗをＱｗ’とする。そして、Ｑｗ’と仮決めによるＱｗとがほぼ等しくなるまで、仮決めによるＱｗを変更してＱｗ’を繰り返し求める。Ｑｗ’と仮決めによるＱｗがほぼ等しくなった時点で演算を終了し、この時点で得られたＱｗ’を最終的なＱｗの値とする。これにより、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式に基づいて、冷却損失を算出することが可能となる。
【００６８】
図３は、実施の形態２にかかる冷却損失エネルギーＱｗの算出方法を具体的に示すフローチャートである。先ずステップＳ２１では、クランク角θ、筒内圧ｐ（θ）を測定する。次のステップＳ２２では、熱発生量Ｑｈを算出する。熱発生量Ｑｈの算出は、実施の形態１で説明した（３）式に基づいて行う。
【００６９】
次のステップＳ２３では、冷却損失エネルギーＱｗの初期値Ｑｗを仮に与える。次のステップＳ２４では、初期値Ｑｗを用いて燃焼割合ｘｂ（θ）を求め、ｘｂ（θ）から筒内ガス温度Ｔ（θ）を算出する。ここでは、（７），（８）式を用いてｘｂ（θ），Ｔ（θ）を算出する。
【００７０】
次のステップＳ２５では、ステップＳ２４で算出した筒内ガス温度Ｔ（θ）を用いて、（９）式から冷却損失エネルギーＱｗを算出する。ここで、（９）式から算出した冷却損失エネルギーをＱｗ’とする。
【００７１】
次のステップＳ２６では、（９）式から算出した冷却損失エネルギーＱｗ’と、ステップＳ２３で与えた初期値Ｑｗとの差の絶対値が、収束判定値Ｈ以下であるか否かを判別する。すなわち、ここでは｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈであるか否かを判別する。
【００７２】
ステップＳ２６で｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈの場合は処理を終了する（ＥＮＤ）。ステップＳ２６で｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈでない場合は、ステップＳ２３へ戻って初期値Ｑｗの値を再設定し、ステップＳ２４でｘｂ（θ），Ｔ（θ）を再び算出し、ステップＳ２５で冷却損失エネルギーＱｗ’を再び算出する。このように、繰り返しステップＳ２３〜Ｓ２５の処理を行い、Ｑｗ’の収束値を求めることで、最終的な冷却損失エネルギーＱｗを算出する。
【００７３】
冷却損失エネルギーＱｗを求めた後は、実施の形態１の図２で説明したステップＳ１６〜Ｓ２０と同様の処理を行い、冷却損失エネルギーＱｗに応じて内燃機関１０の冷却状態を変更する。
【００７４】
以上説明したように実施の形態２によれば、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式を用いて冷却損失エネルギーＱｗを算出することができる。従って、実施の形態１と同様に、冷却損失エネルギーＱｗに基づいて内燃機関１０を最適な状態に制御することが可能となる。
【００７５】
なお、上述した各実施の形態では、筒内圧、筒内容積、ピストン速度、筒内温度などの特性値をクランク角θの関数としたが、所定のクランク角の区間、例えば点火時のクランク角θ１からＱｈが最大値となるクランク角θ２までの区間における平均値を用いて演算を簡略化しても良い。
【００７６】
なお、上述した各実施の形態では、冷却水の流路を変更することで内燃機関１０の冷却状態を適正な状態に制御したが、他の方法を用いて冷却状態を制御しても良い。例えば、点火時期を遅角側へ変更すると機関の冷却効果を高めることができるため、冷却損失エネルギーＱｗの低下に応じて点火時期を遅角側へ制御しても良い。これにより、冷却損失エネルギーＱｗを増加させることができ、低回転、高負荷時などにノッキングの発生を抑制することが可能となる。
【００７７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００７８】
第１の発明によれば、筒内圧に基づいて筒内での冷却損失を求め、冷却損失に基づいて内燃機関の冷却状態を制御するようにしたため、内燃機関の運転状態を最適な状態に保つことが可能となる。
【００７９】
第２の発明によれば、燃料エネルギーと発熱量とに基づいて筒内での冷却損失を求めることが可能となる。
【００８０】
第３の発明によれば、燃料エネルギーと、発熱量、未燃燃料が有するエネルギー、及び冷却損失との間で成立するエネルギー保存則に基づいて、筒内の冷却損失を求めることが可能となる。
【００８１】
第４の発明によれば、筒内圧と筒内容積に基づいて発熱量を算出することが可能となる。
【００８２】
第５の発明によれば、ウッシーニの熱伝達係数モデル式を用いて筒内と燃焼室壁面との間の熱伝達率を求めるようにしたため、熱伝達率、燃焼室壁面積、及び筒内と燃焼室壁面の温度差を用いて冷却損失を求めることが可能となる。
【００８３】
第６の発明によれば、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギー、燃焼による発熱量、及び冷却損失に基づいて燃焼割合を算出することが可能となる。
【００８４】
第７の発明によれば、仮設定した冷却損失を用いて燃焼割合を算出し、仮設定した冷却損失と算出した冷却損失の差が所定値以下となった時に、算出した冷却損失を最終的な値とするようにしたため、ウッシーニの熱伝達係数モデル式を用いて正確に冷却損失を求めることができる。
【００８５】
第８の発明によれば、冷却損失が運転状態に応じた目標値となるように制御することで、機関の冷却状態を最適に保つことができる。
【００８６】
第９の発明によれば、冷却損失が小さいほど内燃機関の冷却効果を大きくするようにしたため、筒内が高温となることを抑止できる。従って、特に機関回転数が低回転で高負荷がかかる条件下でのノッキング発生を抑止できる。
【００８７】
第１０の発明によれば、冷却損失に応じて内燃機関の冷却水の流量、冷却水の流路、又は冷却水の温度を制御するようにしたため、内燃機関の冷却状態を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を示す模式図である。
【図２】実施の形態１にかかる制御装置での処理を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態２にかかる制御装置での処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
２０ エアフロメータ
３０ 燃料噴射弁
３２ シリンダ
３４ ピストン
３８ クランク角センサ
４０ ＥＣＵ
４４ 筒内圧センサ
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の制御装置に関し、特に、内燃機関の冷却状態を制御する装置に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの冷却水温の適正な制御を行う方法として、例えば特開平５−２３１１４９号公報には、エンジン冷却水温を検出し、運転状態に応じた最適な冷却水温となるようにフィードバック制御する方法が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２３１１４９号公報
【特許文献２】
特開平３−１６８３１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷却水温は、内燃機関自体の温度をある程度の精度で反映しているに過ぎず、筒内の冷却状態を十分に反映したものではない。従って、冷却水温に基づいて筒内の冷却状態を制御した場合、誤差要因が大きく、最適な制御を行うことは困難である。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、筒内の冷却状態を最適に制御して、機関の運転状態をより適正な状態に保つことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の冷却状態を制御する装置であって、筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、前記筒内圧に基づいて筒内での冷却損失を求める冷却損失算出手段と、前記冷却損失に基づいて内燃機関の冷却状態を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷却損失算出手段は、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーを算出する燃料エネルギー算出手段と、前記筒内圧に基づいて筒内での燃焼による発熱量を算出する発熱量算出手段と、を含み、前記燃料エネルギーと前記発熱量とに基づいて、筒内での冷却損失を求めることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、筒内での未燃燃料が有するエネルギーを算出する未燃燃料エネルギー算出手段を備え、前記冷却損失算出手段は、前記燃料エネルギーと、前記発熱量、前記未燃燃料が有するエネルギー、及び前記冷却損失との間で成立するエネルギー保存則に基づいて前記冷却損失を求めることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第２又は第３の発明において、筒内容積を検出する筒内容積検出手段を備え、前記発熱量算出手段は、前記筒内圧と前記筒内容積に基づいて前記発熱量を算出することを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の冷却状態を制御する装置であって、筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、筒内容積を検出する筒内容積検出手段と、筒内への噴射燃料の燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、前記筒内圧、前記筒内容積及び前記燃焼割合に基づいて、筒内温度を算出する筒内温度算出手段と、前記筒内圧及び前記筒内容積に基づいて、筒内ガス平均速度を求める筒内ガス平均速度算出手段と、前記筒内圧、前記筒内ガス平均速度、及び前記筒内温度に基づいて、ウッシーニの熱伝達係数モデル式から、筒内と燃焼室壁面の間の熱伝達率を求める熱伝達率算出手段と、燃焼室壁面の温度を取得する壁面温度取得手段と、燃焼室壁面積を取得する燃焼室壁面積取得手段と、前記熱伝達率、前記燃焼室壁面積、及び筒内と燃焼室壁面の温度差を用いて筒内での冷却損失を算出する冷却損失算出手段と、前記冷却損失に基づいて内燃機関の冷却状態を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第５の発明において、前記燃焼割合算出手段は、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーを算出する燃料エネルギー算出手段と、前記筒内圧に基づいて筒内での燃焼による発熱量を算出する発熱量算出手段と、を含み、前記燃料エネルギー、前記発熱量、及び筒内での冷却損失に基づいて前記燃焼割合を算出することを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第６の発明において、前記燃焼割合算出手段は、仮設定した冷却損失を用いて前記燃焼割合を算出し、前記冷却損失算出手段は、前記仮設定した冷却損失に基づいて算出された前記燃焼割合、前記筒内温度、及び前記熱伝達率から前記冷却損失を算出し、前記仮設定した冷却損失と算出した冷却損失との差が所定値以上である場合は、前記仮設定した冷却損失を変更する手段と、前記仮設定した冷却損失と算出した冷却損失との差が所定値よりも小さい場合は、算出した冷却損失を最終的な冷却損失とする手段と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
第８の発明は、第１〜第７の発明のいずれかにおいて、内燃機関の運転状態に応じて前記冷却損失の目標値を設定する手段を備え、前記制御手段は、前記冷却損失が前記目標値となるように内燃機関の冷却状態を制御することを特徴とする。
【００１４】
第９の発明は、第１〜第７の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記冷却損失が小さいほど内燃機関の冷却効果を大きくすることを特徴とする。
【００１５】
第１０の発明は、第１〜第９の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記冷却損失に応じて内燃機関の冷却水の流量、冷却水の流路、又は冷却水の温度を可変することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。
【００１８】
エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０は、吸気通路１２を流れる吸入空気量Ｇａを検出するセンサである。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。
【００１９】
スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンク２８の更に下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。
【００２０】
内燃機関１０の各気筒はシリンダ３２、ピストン３４を備えている。ピストン３４には、その往復運動によって回転駆動されるクランク軸３６が連結されている。車両駆動系と補機類（エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、トルクコンバータ、パワーステアリングのポンプ等）は、このクランク軸３６の回転トルクによって駆動される。クランク軸３６の近傍には、クランク軸３６の回転角を検出するためのクランク角センサ３８が取り付けられている。また、内燃機関１０には、筒内の圧力（筒内圧）を検出するための筒内圧センサ４４が設けられている。
【００２１】
シリンダ３２、ピストン３４など内燃機関１０を構成する部材は、周囲を流れる冷却水によって冷却されている。内燃機関１０のシリンダブロックには、冷却水温ＴＨＷを検出する水温センサ４２が取り付けられている。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の燃料制御装置はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０などが接続されている。
【００２３】
次に、図１のシステムによる内燃機関１０の制御について説明する。燃料噴射弁３０から噴射された燃料は筒内（燃焼室）で燃焼し、発熱する。以下の（１）式は、筒内へ噴射された燃料が本来的に有するエネルギーと、燃焼による発熱量、冷却損失、及び未燃燃料によるエネルギーとの関係を示す式である。
【００２４】
【数１】
（１）式において、Ｑｆは燃料のエネルギー［ｋＪ］、Ｑｈは燃焼ガスによる発熱量［ｋＪ］、Ｑｗは冷却損失エネルギー［ｋＪ］、ＱｆＬは未燃排出燃料エネルギー［ｋＪ］をそれぞれ示している。燃料のエネルギーＱｆは、筒内へ流入した燃料が完全燃焼した場合に発生する理論上のエネルギーであって、燃料の物性、及び燃料量から定められる。
【００２６】
理論上Ｑｆのエネルギーを有する燃料は、その殆どが燃焼して燃焼によるエネルギーを発生させる。燃焼ガスによる発熱量Ｑｈは、燃焼によるエネルギーのうち、発熱分によるエネルギーを示している。発熱量Ｑｈは、その殆どがクランク軸３６の回転トルク発生に寄与する。
【００２７】
一方、燃焼によるエネルギーは、その全てが発熱量Ｑｈとなるわけではなく、一部は筒内で冷却されてしまうため発熱量Ｑｈを発生させるに至らない。燃焼によるエネルギーのうち、冷却による損失分が冷却損失エネルギーＱｗとなる。
【００２８】
また、筒内へ流入した燃料の一部は、燃焼することなく次の排気行程で排出される。例えば、理論空燃比で必要な燃料量よりも多くの燃料が筒内へ噴射された場合、余剰分が燃焼することなく排出される。また、理論空燃比で必要な燃料量よりも少ない燃料が筒内へ噴射された場合であっても、ピストンリング近傍などに溜まった燃料は燃焼することなく排出される場合がある。燃料のエネルギーＱｆのうち、このような未燃分が未燃排出燃料エネルギーＱｆＬとなる。
【００２９】
このように、筒内へ噴射された燃料が理論上有するエネルギーＱｆと、燃焼ガスによる発熱量Ｑｈ、冷却損失エネルギーＱｗ及び未燃排出燃料エネルギーＱｆＬとの間には、（１）式に示されるエネルギー保存則が成立している。
【００３０】
そして、（１）式の右辺において、発熱量Ｑｈと冷却損失エネルギーＱｗは、燃焼によるエネルギーから実際に発生する発熱量と、燃焼によるエネルギーのうちの冷却損失分を表しているため、冷却損失エネルギーＱｗが大きくなると発熱量Ｑｈが小さくなり、冷却損失エネルギーＱｗが小さくなると発熱量Ｑｈが大きくなる関係がある。
【００３１】
冷却損失エネルギーＱｗは筒内の冷却状態に応じて変動する。筒内が十分に冷却される状態にある場合、冷却損失エネルギーＱｗが大きくなり、発熱量Ｑｈが小さくなる。一方、筒内の冷却が十分でない場合、冷却損失エネルギーＱｗが小さくなり、発熱量Ｑｈが大きくなる。従って、冷却損失エネルギーＱｗを求めることで、筒内の冷却状態を正確に求めることができる。
【００３２】
機関運転時に筒内が過度に冷却される状態にあると、熱効率が低下し、燃費低下の要因となる。また、過冷却の状態ではドライバビリティが劣化する場合がある。更に、内燃機関１０自体も過度に冷却されているため、室温調整のためのヒータの機能を十分に発揮させることができず、特に冬場の室温調整に支障が生じる。一方、機関運転時に筒内が高温状態にあると、機関回転数が低回転で高負荷がかかった時にノッキングが発生し易くなる。また、筒内が極めて高温状態にある場合は、焼き付き、オーバーヒート等が発生する虞もある。
【００３３】
このため、本実施形態の内燃機関の制御装置では、冷却損失エネルギーＱｗから内燃機関１０の冷却状態を求め、冷却損失エネルギーＱｗを適正な値に保つことで、内燃機関１０の運転状態を制御する。冷却損失エネルギーＱｗは、筒内の冷却状態を直接的に示す特性値であるため、本実施形態の制御によれば、内燃機関１０の運転状態をより適正な状態に保つことが可能となる。
【００３４】
以下、（１）式から冷却損失エネルギーＱｗを求める方法を説明する。（１）式において、燃料のエネルギーＱｆは、筒内へ流入した燃料量と、燃料の物性から定まる単位量あたりの発熱量とから求められ、具体的には、以下の（２）式より算出することができる。
【００３５】
【数２】
ここで、Ｈｕは燃料の低位発熱量［Ｊ／ｇ］、ｍｆは燃料噴射弁３０から噴射された筒内への燃料噴射量［ｇ］である。
【００３７】
発熱量Ｑｈは、筒内容積、筒内圧との関係から発熱量を定めたエネルギー保存式から求めることができ、以下の（３）式から求める。
【００３８】
【数３】
（３）式において、Ｖ（θ）は筒内容積［ｍ３］、ｐ（θ）は筒内圧［ｋＰａ］、θはクランク角［ｄｅｇ］、κは比熱比をそれぞれ示している。筒内容積、筒内圧はクランクθの関数である。また、κは燃料から定まる値である。θ１は点火時のクランク角を、θ２はＱｈが最大値となるクランク角をそれぞれ示しているが、θ２については燃焼終了時のクランク角としてもよい。（３）式に示されるようにクランク角θ１からクランク角θ２までの積分によって、発熱量Ｑｈが求められる。
【００４０】
未燃排出燃料エネルギーＱｆＬは、未燃の燃料量と、燃料の物性から定まる単位量あたりの発熱量とから求められる。具体的には、以下の（４）式より算出することができる。
【００４１】
【数４】
（４）式において、Ｇａは筒内への吸入空気量［ｇ／ｓ］であって、エアフロメータ２０で検出される。ＡＦｓｔｏｉｃｈは理論空燃比を示している。また、Ｈｕ、ｍｆは、（２）式と同様に低位発熱量、燃料噴射量である。筒内へ噴射された燃料のうち、理論空燃比で必要な燃料量Ｇａ／ＡＦｓｔｏｉｃｈが燃焼するため、（ｍｆ−Ｇａ／ＡＦｓｔｏｉｃｈ）は噴射した燃料量のうちの未燃燃料量となる。従って、未燃燃料量と低位発熱量Ｈｕとを乗算することで未燃排出燃料エネルギーＱｆＬを求めることができる。
【００４３】
このように、（２）〜（４）式からＱｆ、Ｑｈ、ＱｆＬを算出することができ、（１）式に基づいて冷却損失エネルギーＱｗを求めることができる。そして、求めた冷却損失エネルギーＱｗにより、機関の運転状態を最適に制御する。
【００４４】
図２は、本実施形態にかかる制御装置で行われる具体的な処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１１では、クランク角θ、筒内圧ｐ（θ）、吸入空気量Ｇａを計測する。具体的には、クランク角センサ３８からクランク角θを、筒内圧センサ４４から筒内圧ｐ（θ）を、エアフロメータ２０から吸入空気量Ｇａをそれぞれ求める。
【００４５】
次のステップＳ１２では、（２）〜（４）式に基づいて、燃料のエネルギーＱｆ、燃焼ガスによる発熱量Ｑｈ、未燃排出燃料エネルギーＱｆＬをそれぞれ算出する。
【００４６】
次のステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した燃料のエネルギーＱｆ、燃焼ガスによる発熱量Ｑｈ、及び未燃排出燃料エネルギーＱｆＬを（１）式へ代入して、冷却損失エネルギーＱｗを算出する。
【００４７】
次のステップＳ１４では、環境条件、運転条件を取得する。ここで、環境条件とは、気温、冷却水温などの条件であり、運転条件とは内燃機関１０にかかる負荷、機関回転数、路面状態などの条件である。
【００４８】
次のステップＳ１５では、ステップＳ１４で求めた各条件に基づいて目標冷却損失ＱｗＴを求める。ＥＣＵ４０は、環境条件、運転条件に対応した目標冷却損失ＱｗＴを規定したマップを記憶しており、ステップＳ１４で求めた各条件をマップに当てはめて適正な目標冷却損失ＱｗＴを求める。
【００４９】
ここで、ＥＣＵ４０が記憶しているマップとして代表的なものは２種類あり、１つは機関回転数及び負荷との関係で適正な目標冷却損失ＱｗＴを規定したマップであり、他の１つは冷却水温との関係で適正な目標冷却損失ＱｗＴを規定したマップである。機関回転数及び負荷との関係を規定したマップによれば、特に低回転、高負荷時に最適な目標冷却損失ＱｗＴを求めることができ、ノッキング抑制に好適な目標冷却損失ＱｗＴを求めることができる。また、冷却水温との関係を規定したマップによれば、特に冷却水温が低温の場合に適正な目標冷却損失ＱｗＴを求めることができ、水温低下に起因してヒータの温度調整に支障が生じる場合などに最適な目標冷却損失ＱｗＴを求めることができる。
【００５０】
次のステップＳ１６では、ＱｗＴとＱｗの差分（ＱｗＴ−Ｑｗ）を演算し、所定のしきい値Ｈ１との大小関係を比較する。そして、ＱｗＴ−Ｑｗ＞Ｈ１のときはステップＳ１７へ進み、ＱｗＴ−Ｑｗ＞Ｈ１でないときはステップＳ１８へ進む。
【００５１】
ステップＳ１７へ進んだ場合（ＱｗＴ−Ｑｗ＞Ｈ１のとき）は、目標冷却損失ＱｗＴに比べて実際の冷却損失エネルギーＱｗが過小であり、筒内の冷却が不足していることが想定される。筒内が高温になると、特に低回転、高負荷時にノッキングが発生し易くなる。従って、ステップＳ１７では、冷却水による冷却効果が大きくなるように冷却水の流路を変更する。例えば、流路に設けられたバルブの開度を拡げて、より多くの冷却水が流路を流れるようにして冷却効果を高める。これにより、ノッキングの発生を抑えることができ、また、機関の焼き付き、オーバーヒートなどの発生を抑止できる。
【００５２】
ステップＳ１８へ進んだ場合（ＱｗＴ−Ｑｗ≦Ｈ１のとき）は、目標冷却損失ＱｗＴに比べて実際の冷却損失エネルギーＱｗが過度に小さい状態ではないと判断できる。従って、ステップＳ１８では、目標冷却損失ＱｗＴに比べて実際の冷却損失エネルギーＱｗが過大であるか否かを判別する。ここでは、ＱｗＴ−Ｑｗと所定のしきい値−Ｈ２との大小関係を比較する。そして、ＱｗＴ−Ｑｗ＜−Ｈ２のときはステップＳ１９へ進み、ＱｗＴ−Ｑｗ＜−Ｈ２でないときはステップＳ２０へ進む。
【００５３】
ステップＳ１９へ進んだ場合（ＱｗＴ−Ｑｗ＜−Ｈ２のとき）は、目標冷却損失ＱｗＴに比べて実際の冷却損失エネルギーＱｗが過大であるため、筒内が過度に冷却されている状態にあると判断できる。従って、ステップＳ１９では冷却水の循環を停止し、冷却効果を最小限に抑える。これにより、熱効率の低下を抑えることができ、燃費を向上させることができる。また、冷却効果を抑えることで冷却水温を高めることができ、室温調整のためのヒータの機能を十分に発揮させることができる。
【００５４】
ステップＳ２０へ進んだ場合、ＱｗＴとＱｗの差分（ＱｗＴ−Ｑｗ）が−Ｈ２からＨ１の範囲内であることが判断できる（−Ｈ２≦ＱｗＴ−Ｑｗ≦Ｈ１）。この場合は、内燃機関１０の冷却状態は適正であると判断でき、冷却水の流路を冷却効果が小さい流路（通常の流路）に変更する。
【００５５】
なお、ステップＳ１７，Ｓ２０では、冷却効果の異なる冷却水流路を複数設けて、流路自体を切り換えるなど、他の方法によって冷却水作動量を制御しても良い。更に、ラジエターへの風量を変更する等の方法で冷却水温を可変するようにしても良い。
【００５６】
以上説明したように実施の形態１によれば、冷却損失エネルギーＱｗに基づいて筒内の冷却状態を直接的に求めることができる。そして、冷却損失エネルギーＱｗに基づいて筒内の冷却状態を制御することによって、熱効率の向上とノッキング抑制を高い精度で両立させることができ、内燃機関１０の運転状態を最適に保つことが可能となる。
【００５７】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２は、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式を用いて冷却損失エネルギーＱｗを算出するものである。
【００５８】
実施の形態２にかかる内燃機関の制御装置の構成は、図１に示した実施の形態１の装置と同様である。実施の形態２では、筒内容積Ｖ、筒内温度Ｔを用いてウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式から筒内と筒内内壁（ピストン、シリンダ、シリンダヘッド）の熱伝達率を算出し、熱伝達率と筒内の表面積Ａ、筒内と筒内内壁の温度差から冷却損失エネルギーＱｗを求めるものである。
【００５９】
以下の（５），（６）式は、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式を示しており、（５）式は熱伝達率ｈ（θ）の算出式を、（６）式は筒内ガス平均速度ｗ（θ）の算出式を示している。また、（７），（８）式は筒内温度Ｔ（θ）を算出する際に用いる式を示している。
【００６０】
【数５】
（５）式において、ｄはシリンダボア径［ｍ］、ｐ（θ）は筒内圧［ｋｇ／ｍ２］、ｗ（θ）は筒内ガス平均速度［ｍ／ｓ］、Ｔ（θ）は筒内温度［Ｋ］を示している。また、（６）式において、ｃｍ（θ）はピストン速度［ｍ／ｓ］、Ｖ（θ）は筒内容積［ｍ２］、Ｖ１は点火時の筒内容積［ｍ２］、Ｔ１は点火時の筒内温度［Ｋ］、ｐ１は点火時の筒内圧［ｋｇ／ｍ２］、ｐ０（θ）はモータリング時の筒内圧［ｋｇ／ｍ２］をそれぞれ示している。
【００６２】
（６）式から筒内ガス平均速度ｗ（θ）を、（７），（８）式から筒内温度Ｔ（θ）を算出し、（５）式へ代入することで熱伝達率ｈ（θ）を算出することができる。（７）式において、ｘｂ（θ）は燃焼割合であって、（８）式に示されるようにＱｆと（Ｑｈ（θ）＋Ｑｗ（θ））との比率から求められる。（７）式において、Ｒａ、Ｒｂは未燃ガス気体定数、既燃ガス気体定数をそれぞれ示しており、また、Ｇａは吸入空気量［ｇ／ｓｅｃ］、Ｇｅは残留ガス量［ｇ／ｓｅｃ］、Ｇｆは燃料流量［ｇ／ｓｅｃ］をそれぞれ示している。ここで、Ｇｅは、エンジン回転数、吸気管圧力、バルブタイミングのマップ値として与えられる。なお、簡易的には、筒内ガス平均速度ｗ（θ）をピストン速度ｃｍ（θ）として演算をしてもよい。
【００６３】
このように、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式によれば、シリンダボア径ｄ、筒内圧ｐ（θ）、筒内ガスの平均速度ｗ（θ）、筒内温度Ｔ（θ）から熱伝達率ｈ（θ）を求めることができる。
【００６４】
以下の（９），（１０）式は、熱伝達率ｈ（θ）から冷却損失エネルギーＱｗを求める際に用いる演算式である。（９）式において、Ｓ（θ）は燃焼室壁面積［ｍ２］を、Ｔｗはシリンダーヘッド壁温［Ｋ］を示している。また、θ１は点火時のクランク角を、θ２はＱｈが最大値となるクランク角をそれぞれ示しているが、θ２については燃焼終了時のクランク角としてもよい。ＥＣＵ４０は、機関回転数及び負荷との関係でシリンダーヘッド壁温Ｔｗを規定したマップを記憶しており、Ｔｗはこのマップから求められる。（９）式に示されるように、熱伝達率ｈ（θ）、燃焼室壁面積Ｓ（θ）、筒内ガス温度Ｔ（θ）、及びシリンダーヘッド壁温Ｔｗから冷却損失エネルギーＱｗ［ｋＪ］を求めることができる。
【００６５】
【数６】
（９）式の演算において、筒内ガス温度Ｔ（θ）は（７）式で求めた値を用いる。また、（９）式におけるＳ（θ）は（１０）式に示されるように、筒内ヘッド部面積Ｓｈ［ｍ２］、ピストン頭部面積Ｓｐ［ｍ２］、及び筒内シリンダ部面積Ｓｃ（θ）［ｍ２］の和として求められる。これらの面積のうち、筒内シリンダ部面積Ｓｃ（θ）はピストンの往復運動によって変動するため、クランク角θの関数となる。
【００６７】
Ｑｗを算出する際は、先ず（７），（８）式から筒内温度Ｔ（θ）を求める。この際、（８）式でＱｗの値が必要となるが、最初は仮に設定したＱｗの値を用いる。そして、求めた筒内温度Ｔ（θ）を用いて（９）式からＱｗを求める。ここでは、（９）式から求めたＱｗをＱｗ’とする。そして、Ｑｗ’と仮決めによるＱｗとがほぼ等しくなるまで、仮決めによるＱｗを変更してＱｗ’を繰り返し求める。Ｑｗ’と仮決めによるＱｗがほぼ等しくなった時点で演算を終了し、この時点で得られたＱｗ’を最終的なＱｗの値とする。これにより、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式に基づいて、冷却損失を算出することが可能となる。
【００６８】
図３は、実施の形態２にかかる冷却損失エネルギーＱｗの算出方法を具体的に示すフローチャートである。先ずステップＳ２１では、クランク角θ、筒内圧ｐ（θ）を測定する。次のステップＳ２２では、熱発生量Ｑｈを算出する。熱発生量Ｑｈの算出は、実施の形態１で説明した（３）式に基づいて行う。
【００６９】
次のステップＳ２３では、冷却損失エネルギーＱｗの初期値Ｑｗを仮に与える。次のステップＳ２４では、初期値Ｑｗを用いて燃焼割合ｘｂ（θ）を求め、ｘｂ（θ）から筒内ガス温度Ｔ（θ）を算出する。ここでは、（７），（８）式を用いてｘｂ（θ），Ｔ（θ）を算出する。
【００７０】
次のステップＳ２５では、ステップＳ２４で算出した筒内ガス温度Ｔ（θ）を用いて、（９）式から冷却損失エネルギーＱｗを算出する。ここで、（９）式から算出した冷却損失エネルギーをＱｗ’とする。
【００７１】
次のステップＳ２６では、（９）式から算出した冷却損失エネルギーＱｗ’と、ステップＳ２３で与えた初期値Ｑｗとの差の絶対値が、収束判定値Ｈ以下であるか否かを判別する。すなわち、ここでは｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈであるか否かを判別する。
【００７２】
ステップＳ２６で｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈの場合は処理を終了する（ＥＮＤ）。ステップＳ２６で｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈでない場合は、ステップＳ２３へ戻って初期値Ｑｗの値を再設定し、ステップＳ２４でｘｂ（θ），Ｔ（θ）を再び算出し、ステップＳ２５で冷却損失エネルギーＱｗ’を再び算出する。このように、繰り返しステップＳ２３〜Ｓ２５の処理を行い、Ｑｗ’の収束値を求めることで、最終的な冷却損失エネルギーＱｗを算出する。
【００７３】
冷却損失エネルギーＱｗを求めた後は、実施の形態１の図２で説明したステップＳ１６〜Ｓ２０と同様の処理を行い、冷却損失エネルギーＱｗに応じて内燃機関１０の冷却状態を変更する。
【００７４】
以上説明したように実施の形態２によれば、ウッシーニ（Ｗｏｓｃｈｎｉ）の熱伝達率モデル式を用いて冷却損失エネルギーＱｗを算出することができる。従って、実施の形態１と同様に、冷却損失エネルギーＱｗに基づいて内燃機関１０を最適な状態に制御することが可能となる。
【００７５】
なお、上述した各実施の形態では、筒内圧、筒内容積、ピストン速度、筒内温度などの特性値をクランク角θの関数としたが、所定のクランク角の区間、例えば点火時のクランク角θ１からＱｈが最大値となるクランク角θ２までの区間における平均値を用いて演算を簡略化しても良い。
【００７６】
なお、上述した各実施の形態では、冷却水の流路を変更することで内燃機関１０の冷却状態を適正な状態に制御したが、他の方法を用いて冷却状態を制御しても良い。例えば、点火時期を遅角側へ変更すると機関の冷却効果を高めることができるため、冷却損失エネルギーＱｗの低下に応じて点火時期を遅角側へ制御しても良い。これにより、冷却損失エネルギーＱｗを増加させることができ、低回転、高負荷時などにノッキングの発生を抑制することが可能となる。
【００７７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００７８】
第１の発明によれば、筒内圧に基づいて筒内での冷却損失を求め、冷却損失に基づいて内燃機関の冷却状態を制御するようにしたため、内燃機関の運転状態を最適な状態に保つことが可能となる。
【００７９】
第２の発明によれば、燃料エネルギーと発熱量とに基づいて筒内での冷却損失を求めることが可能となる。
【００８０】
第３の発明によれば、燃料エネルギーと、発熱量、未燃燃料が有するエネルギー、及び冷却損失との間で成立するエネルギー保存則に基づいて、筒内の冷却損失を求めることが可能となる。
【００８１】
第４の発明によれば、筒内圧と筒内容積に基づいて発熱量を算出することが可能となる。
【００８２】
第５の発明によれば、ウッシーニの熱伝達係数モデル式を用いて筒内と燃焼室壁面との間の熱伝達率を求めるようにしたため、熱伝達率、燃焼室壁面積、及び筒内と燃焼室壁面の温度差を用いて冷却損失を求めることが可能となる。
【００８３】
第６の発明によれば、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギー、燃焼による発熱量、及び冷却損失に基づいて燃焼割合を算出することが可能となる。
【００８４】
第７の発明によれば、仮設定した冷却損失を用いて燃焼割合を算出し、仮設定した冷却損失と算出した冷却損失の差が所定値以下となった時に、算出した冷却損失を最終的な値とするようにしたため、ウッシーニの熱伝達係数モデル式を用いて正確に冷却損失を求めることができる。
【００８５】
第８の発明によれば、冷却損失が運転状態に応じた目標値となるように制御することで、機関の冷却状態を最適に保つことができる。
【００８６】
第９の発明によれば、冷却損失が小さいほど内燃機関の冷却効果を大きくするようにしたため、筒内が高温となることを抑止できる。従って、特に機関回転数が低回転で高負荷がかかる条件下でのノッキング発生を抑止できる。
【００８７】
第１０の発明によれば、冷却損失に応じて内燃機関の冷却水の流量、冷却水の流路、又は冷却水の温度を制御するようにしたため、内燃機関の冷却状態を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を示す模式図である。
【図２】実施の形態１にかかる制御装置での処理を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態２にかかる制御装置での処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
２０ エアフロメータ
３０ 燃料噴射弁
３２ シリンダ
３４ ピストン
３８ クランク角センサ
４０ ＥＣＵ
４４ 筒内圧センサ
Claims (10)
- 内燃機関の冷却状態を制御する装置であって、
筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記筒内圧に基づいて筒内での冷却損失を求める冷却損失算出手段と、
前記冷却損失に基づいて内燃機関の冷却状態を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記冷却損失算出手段は、
筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーを算出する燃料エネルギー算出手段と、
前記筒内圧に基づいて筒内での燃焼による発熱量を算出する発熱量算出手段と、を含み、
前記燃料エネルギーと前記発熱量とに基づいて、筒内での冷却損失を求めることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。 - 筒内での未燃燃料が有するエネルギーを算出する未燃燃料エネルギー算出手段を備え、
前記冷却損失算出手段は、前記燃料エネルギーと、前記発熱量、前記未燃燃料が有するエネルギー、及び前記冷却損失との間で成立するエネルギー保存則に基づいて前記冷却損失を求めることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。 - 筒内容積を検出する筒内容積検出手段を備え、
前記発熱量算出手段は、前記筒内圧と前記筒内容積に基づいて前記発熱量を算出することを特徴とする請求項２又は３記載の内燃機関の制御装置。 - 内燃機関の冷却状態を制御する装置であって、
筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
筒内容積を検出する筒内容積検出手段と、
筒内への噴射燃料の燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、
前記筒内圧、前記筒内容積及び前記燃焼割合に基づいて、筒内温度を算出する筒内温度算出手段と、
前記筒内圧及び前記筒内容積に基づいて、筒内ガス平均速度を求める筒内ガス平均速度算出手段と、
前記筒内圧、前記筒内ガス平均速度、及び前記筒内温度に基づいて、ウッシーニの熱伝達係数モデル式から、筒内と燃焼室壁面の間の熱伝達率を求める熱伝達率算出手段と、
燃焼室壁面の温度を取得する壁面温度取得手段と、
燃焼室壁面積を取得する燃焼室壁面積取得手段と、
前記熱伝達率、前記燃焼室壁面積、及び筒内と燃焼室壁面の温度差を用いて筒内での冷却損失を算出する冷却損失算出手段と、
前記冷却損失に基づいて内燃機関の冷却状態を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記燃焼割合算出手段は、
筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーを算出する燃料エネルギー算出手段と、
前記筒内圧に基づいて筒内での燃焼による発熱量を算出する発熱量算出手段と、を含み、
前記燃料エネルギー、前記発熱量、及び筒内での冷却損失に基づいて前記燃焼割合を算出することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の制御装置。 - 前記燃焼割合算出手段は、仮設定した冷却損失を用いて前記燃焼割合を算出し、
前記冷却損失算出手段は、
前記仮設定した冷却損失に基づいて算出された前記燃焼割合、前記筒内温度、及び前記熱伝達率から前記冷却損失を算出し、
前記仮設定した冷却損失と算出した冷却損失との差が所定値以上である場合は、前記仮設定した冷却損失を変更する手段と、
前記仮設定した冷却損失と算出した冷却損失との差が所定値よりも小さい場合は、算出した冷却損失を最終的な冷却損失とする手段と、を含むことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の制御装置。 - 内燃機関の運転状態に応じて前記冷却損失の目標値を設定する手段を備え、
前記制御手段は、前記冷却損失が前記目標値となるように内燃機関の冷却状態を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。 - 前記制御手段は、前記冷却損失が小さいほど内燃機関の冷却効果を大きくすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
- 前記制御手段は、前記冷却損失に応じて内燃機関の冷却水の流量、冷却水の流路、又は冷却水の温度を可変することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
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