JP2005098187A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 急激な過渡運転状態において自着火時期を制御して圧縮着火運転を可能とし圧縮着火運転領域を広げて、更なる燃費の向上とＮＯｘの発生量の低減を図ることができる内燃機関の制御装置を供する。
【解決手段】 運転状態から導出される制御パラメータＴＧｃの制御値に基づき燃料の自着火時期を制御する着火時期制御手段を備えた圧縮着火運転が可能な内燃機関において、内燃機関の急激な過渡運転状態を検出する過渡運転検出手段と、過渡運転状態から制御パラメータＴＧｃの過渡運転用制御値ＴＧｐを導出する過渡運転用制御値導出手段と、前記過渡運転検出手段が過渡運転状態を検出したときに前記制御パラメータＴＧｃを前記過渡運転用制御値導出手段が導出した過渡運転用制御値ＴＧｐに変更する制御値変更手段とを備えた内燃機関の制御装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧縮着火運転が可能な内燃機関の過渡運転制御に関する。

内燃機関に供給される混合気を圧縮着火（圧縮自着火）により燃焼させる圧縮着火運転によれば、圧縮比が高いため燃費が良く、空燃比がリーンな状態でも比較的安定した燃焼を実現し、しかも燃焼温度が比較的低いので、ＮＯｘの発生量を低減することができる。

圧縮着火を起こさせるためには、燃焼室内のガス温度を所定温度以上に高める必要があり、運転状態の変動が大きいときは、この条件を満足できず失火を起こしドライバビリティを悪化させるおそれがある。

そこで内燃機関のトルク変動幅が大きいときは、火花点火運転を実行するようにした例がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２２０４５８号公報（段落［００３７］）

内燃機関のトルク変動幅が大きい加速または減速時の急激な過渡運転状態においても火花点火運転を実行することは、圧縮着火運転領域が制限されて燃費の向上やＮＯｘの発生量の低減を大きく期待することができない。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、急激な過渡運転状態において自着火時期を制御して圧縮着火運転を可能とし圧縮着火運転領域を広げて、更なる燃費の向上とＮＯｘの発生量の低減を図ることができる内燃機関の制御装置を供する点にある。

上記目的を達成するために、本請求項１記載の発明は、運転状態から導出される制御パラメータの制御値に基づき燃料の自着火時期を制御する着火時期制御手段を備えた圧縮着火運転が可能な内燃機関において、内燃機関の急激な過渡運転状態を検出する過渡運転検出手段と、過渡運転状態から制御パラメータの過渡運転用制御値を導出する過渡運転用制御値導出手段と、前記過渡運転検出手段が過渡運転状態を検出したときに前記制御パラメータを前記過渡運転用制御値導出手段が導出した過渡運転用制御値に変更する制御値変更手段とを備えた内燃機関の制御装置とした。

急激な過渡運転時に着火時期制御手段の制御パラメータを急激な過渡運転状態から導出された過渡運転用制御値に変更することで、圧縮着火運転を可能とし、圧縮着火運転領域を広げて、更なる燃費の向上とＮＯｘの発生量の低減を図ることができる

請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の制御装置において、前記制御パラメータが、圧縮行程開始時に要求される作動ガスの温度である要求ガス温度であることを特徴とする。

過渡運転時に要求されるトルクから導き出される要求ガス温度を、着火時期制御手段の制御パラメータとすることで、自着火時期を精度良く制御することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の内燃機関の制御装置において、過渡運転時のシリンダ壁温を推定するシリンダ壁温推定手段を備え、前記過渡運転用制御値導出手段は、前記シリンダ壁温推定手段が推定したシリンダ壁温と前記要求ガス温度から過渡要求ガス温度を導出することを特徴とする。

急激な過渡運転時には、要求されるトルクから導き出される要求ガス温度の大きな変動がシリンダ壁温に影響し、このシリンダ壁温と要求ガス温度の差が要求ガス温度に影響して特別な過渡要求ガス温度となるので、この過渡要求ガス温度を過渡運転用制御値導出手段により算出して燃料の自着火時期制御に供することで、実ガス温度を要求ガス温度により近づけるよう制御することができる。

以下本発明に係る一実施の形態について図１ないし図３に基づき説明する。
本実施の形態に係る内燃機関１は、火花点火（ＳＩ：Spark Ignition）燃焼方式による運転（火花点火運転）と、圧縮着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼方式による運転（圧縮着火運転）の燃焼方式の異なる運転がともに可能である車両搭載の４ストロークサイクルの多気筒内燃機関（単気筒でもよい）である。

図１は、該内燃機関１の概略構成図であり、シリンダ２内をピストン３が往復動し、シリンダ２内を閉塞するシリンダヘッドとピストン３との間に燃焼室４が構成されている。

燃焼室４からポートを介して吸気通路５と排気通路６が延出しており、吸気ポートの燃焼室４に臨む開口には吸気弁７、排気ポートの燃焼室４に臨む開口には排気弁８が配設されており、燃焼室４への吸気を制御する吸気弁７と燃焼室４からの排気を制御する排気弁８はともに電磁バルブである。

その他に燃焼室４には点火プラグ９が取り付けられるとともに、直接燃焼室４内に燃料を噴射する燃料噴射弁10が取り付けられている。

点火プラグ９は、火花点火運転時に駆動され放電により燃焼室４内の混合気に点火する。
燃料噴射弁10は図示されない燃料供給ポンプに接続されて制御されたタイミングで制御された時間燃料を燃焼室４内に噴射する。

吸気通路５には吸気流量を調節するスロットル弁11が介装されており、スロットル弁11はアクチュエータ（図示せず）により駆動され、運転状態に応じてスロットル弁開度が制御される。

排気通路６には排気浄化装置12が介装され、排気浄化装置12にはＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）が用いられている。

概ね以上のような構造の内燃機関１の運転状態を検出する各種センサが各所に設けられている。
内燃機関１のクランク軸の回転数（機関回転数）Ｎｅを検出する回転数センサ21、内燃機関１の冷却水の温度（機関水温）Ｔｗを検出する水温センサ22が、内燃機関１本体に設けられている。

吸気通路５には、スロットル弁11にスロットル弁開度Ｔｈを検出するスロットルセンサ23が設けられるとともに、スロットル弁11の下流側に吸気通路５内の吸気負圧Ｐｂを検出する吸気圧センサ24および吸気通路５内の吸気温度Ｔａを検出する吸気温センサ25が設けられている。

排気通路６には、排気浄化装置12の上流側に排気温度Ｔｅを検出する排気温センサ27が配設されている。
その他アクセルペダルの踏込み量Ａｐを検出するアクセルセンサ28が設けられている。

以上の回転数センサ21，水温センサ22，スロットルセンサ23，吸気圧センサ24，吸気温センサ25，アクセルセンサ28等の各種センサからの検出信号は、電子制御ユニットＥＣＵ30に入力され、コンピュータにより処理されて、運転領域の判定、判定された運転領域での吸気弁７，排気弁８，点火プラグ９，燃料噴射弁10，スロットル弁11等の駆動制御に供される。

圧縮着火を起こさせるためには、燃焼室内のガス温度を所定温度以上に高める必要があり、そのため本実施の形態においては、排気熱を利用する内部ＥＧＲを採用している。
内部ＥＧＲは、排気弁を排気行程の途中で早く閉弁し、吸気弁を吸気行程の途中で遅く開弁する所謂マイナスオーバラップ制御により実現している

すなわち排気弁の早めの閉弁と吸気弁の遅めの開弁により吸気上死点付近で燃焼室内に燃焼ガスの一部を閉じ込め、残留ガス（内部ＥＧＲガス）として次のサイクルの吸気と混合させてガス温度を上昇させて圧縮自着火を起こさせる。

このマイナスオーバラップのバルブタイミイグ制御により残留ガス量を調整することで、燃料の圧縮前温度を調整して断熱圧縮により最適タイミングで自着火するように制御する。

この圧縮着火制御は、圧縮行程開始時に要求される作動ガスの温度である要求ガス温度ＴＧを制御パラメータとして制御され、その制御手順を図２のフローチャートに従って説明する。

まずステップ１でアクセルセンサ28の検出したアクセル開度Ａｐと回転数センサ28が検出した機関回転数Ｎｅから要求トルクＰＭｃを次の(1)式によって算出する。
ＰＭｃ＝Ｃ・ＰＳＣ／Ｎｅ ……(1)
Ｃは定数であり、ＰＳＣは内燃機関１の要求出力であり、アクセル開度Ａｐと機関回転数Ｎｅからテーブル検索により求められる。

そして次のステップ２で、機関回転数Ｎｅおよび前記要求トルクＰＭｃに応じてマップ検索することによって要求ガス温度ＴＧｃを求める。
要求ガス温度ＴＧｃは、圧縮行程の開始時における作動ガスの温度を自着火しやすいような温度に制御するための制御パラメータであり、機関回転数Ｎｅが低いほどおよび要求トルクＰＭｃが小さいほどより大きな値に設定される。

すなわち機関回転数Ｎｅが低いと燃焼サイクル間の時間間隔が長いことで自着火が生じにくく、また要求トルクＰＭｃが小さいと噴射する燃料量が少ないことで自着火が生じにくいので、これを生じやすくするために要求ガス温度ＴＧｃを高める。

次のステップ３では、前記要求トルクＰＭｃの変化量ΔＰＭｃが所定値ｄＰＭより大きいか否かを判別する。
要求トルク変化量ΔＰＭｃが所定値ｄＰＭより大きい（ΔＰＭｃ＞ｄＰＭ）ときは、急激な加減速による過渡運転状態にあることを示し、そのときは、ステップ10に飛び、 ΔＰＭｃ≦ｄＰＭならばステップ４に進む。

なお、要求トルクＰＭｃの変化量ΔＰＭｃのほかに、アクセル開度Ａｐの変化量あるいは発生トルクの変化量によって急激な過渡運転状態を判定してもよい。

まず急激な過渡運転状態でなくステップ４，５に進んだ場合について説明する。
ステップ４では後記するタイマーｔが０であるか否かを判別し、０ならばステップ５に進み、０でなければステップ10に飛ぶ。
急激な過渡運転状態と判別されてステップ10に飛びタイマーがセットされていなければ、タイマーｔは０である。

ステップ５では、前記要求ガス温度ＴＧｃに基づきテーブル検索することにより目標充填効率ＥＴを抽出する。
目標充填効率ＥＴは、作動ガスの充填効率（燃焼室４の容積と行程容積との和に対する作動ガスの充填量の比）の目標値であり、要求ガス温度ＴＧｃが大きいほど、作動ガスの温度を高めるためより大きい値に設定されている。

次のステップ６では、推定作動ガス温度ＴＧｓを次の(2)式により算出する。
ＴＧｓ＝（ＴＥＸＧｚ−Ｔａ）・ＮＥＧＲｓ／ＥＴ・ＮＴmax＋Ｔａ ……(2)
ここにＴＥＸＧｚは後記する推定燃焼ガス温度ＴＥＸＧの前回値であり、Ｔａは吸気温であり、ＮＥＧＲｓは排気弁の実際の開弁タイミングと要求トルクＰＭｃからマップ検索して求めた推定ＥＧＲ量であり、ＥＴは前記目標充填効率であり、ＮＴmaxは燃焼室の容積と行程容積との和（最大充填量）である。

(2)式右辺のＴＥＸＧｚ−Ｔａは、燃焼ガスと新気との温度差を示し、ＮＥＧＲｓ／ＥＴ・ＮＴmaxは、作動ガス中に占めるＥＧＲガスの割合を示す。
よって(2)式の第１項は、ＥＧＲガスによる作動ガスの温度上昇を表し、これに吸気温Ｔａを加算することにより、圧縮行程の開始時における実際の作動ガスの温度である推定作動ガス温度ＴＧｓを適切に算出することができる。

次のステップ７では、推定作動ガス温度ＴＧｓおよび要求トルクＰＭｃに応じて燃焼ガスの温度を推定した推定燃焼ガス温度ＴＥＧｓを次の(3)式により算出する。
ＴＥＧｓ＝ＴＥＧα・［１−ｋ・（Ｔｔ−Ｔｔα）］＋ＴＷａ・ｋ・（Ｔｔ−Ｔｔα）
……(3)

ここにＴＥＧαは、推定作動ガス温度ＴＧｓおよび要求トルクＰＭｃに応じ、圧縮着火用の燃焼ガス温度マップを検索して抽出した燃焼ガス温度中間値であり、燃焼により直接得られる（外部からの影響を受けないと仮定したときの）燃焼ガスの温度である。

ｋは、１未満の所定なまし係数であり、Ｔｔは現在のＴＤＣ信号の周期であり、Ｔｔαは、機関回転数Ｎｅが高速時フューエルカットが実行される限界回転数にあるときのＴＤＣ信号の周期であり、ＴＷａはフューエルカットにより燃焼が行われない場合において、それまでの燃焼によって加熱されたシリンダブロックの温度に相当する所定値である。

したがって推定燃焼ガス温度ＴＥＧｓの(3)式の右辺第１項は、燃焼によって直接的に得られる燃焼ガスの温度に相当し、第２項は燃焼ガスの温度に対するシリンダブロックの温度の影響分に相当する。

そして次のステップ８では、目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃが次の(4)式により算出される。
ＮＥＧＲｃ＝ＥＴ・ＮＴmax・（ＴＧｃ−Ｔａ）／（ＴＥＧｓ−Ｔａ） ……(4)
ここにＥＴは前記目標充填効率、ＮＴmaxは前記最大充填量、ＴＧｃは要求ガス温度、ＴＥＧｓは推定燃焼ガス温度、Ｔａは吸気温である。

ＴＧｃ−Ｔａは、要求ガス温度と新気の温度差を示し、ＴＥＧｓ−Ｔａは、燃焼ガスと新気との温度差を示す。
したがって、両者の比（ＴＧｃ−Ｔａ）／（ＴＥＧｓ−Ｔａ）は、ＥＧＲガスによって可能な温度上昇分に対するＥＧＲガスによって上昇させるべき温度の割合を表しており、この比にＥＴ・ＮＴmaxを乗算することによって目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃを算出している。

こうして求めた目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃをもとにステップ９で目標バルブタイミングがマップ検索される。
すなわち目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃを実現する排気弁８および吸気弁７のバルブタイミングが抽出される。
この目標バルブタイミングにしたがって排気弁８および吸気弁７の開閉制御が実行される。

急激な過渡運転状態でないとしてステップ３からステップ４，５，６，７，８，９と流れたときの制御手順は、以上のようである。
ステップ３で急激な過渡運転状態である（ΔＰＭｃ＞ｄＰＭ）と判別されたときは、ステップ10に飛び、タイマーｔに所定時間Ｔをセットしてスタートさせ、ステップ11に進み、シリンダ壁温ＴＣＹを次の(5)式より算出し推定する。
ＴＣＹ＝ＴＧｃ・α＋ＴＣＹｚ・（１−α） ……(5)

ＴＧｃは前記要求ガス温度であり、ＴＣＹｚはシリンダ壁温の前回値であり、αは１未満の定数である。
すなわち過渡運転状態では、要求ガス温度が大きく変動しシリンダ壁温に影響するので、要求ガス温度の影響の度合αを一定の適切な値に設定して今回のシリンダ壁温を推定したものである。

そして次のステップ12で次の(6)式より過渡要求ガス温度ＴＧｐを算出する。
ＴＧｐ＝ＴＧｃ＋β・（ＴＧｃ−ＴＣＹ） ……(6)
急激な過渡運転状態における過渡要求ガス温度ＴＧｐは、通常の要求ガス温度ＴＧｃに加えて要求ガス温度とシリンダ壁温との差ＴＧｃ−ＴＣＹの影響を所定の適切な割合βで受けるとしたものである。

ステップ13では、このように(5)式および(6)式により算出された過渡要求ガス温度ＴＧｐの値を、要求ガス温度ＴＧｃとして設定し、前記ステップ５に進む。
以後のステップ６，７，８，９において要求ガス温度ＴＧｃとして変更された過渡要求ガス温度ＴＧｐが使用されて目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃが算出され（ステップ８）、同目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃに従って目標バルブタイミングが決められ制御されることになる。

実際の急激な過渡運転状態における各値の変動を図３のタイムチャートに従って説明する。
いま急激な加速による過渡運転状態が生じたとすると、要求トルクＰＭｃは急激に増加する。

これに対してステップ２でマップ検索される通常の要求ガス温度ＴＧｃは、燃料量の増加で着火しやすい状態にあるので、低減されているが、適切に着火するために過渡要求ガス温度ＴＧｐは、さらに低減された温度とされる。

この過渡要求ガス温度ＴＧｐに基づき(4)式により算出された目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃは、通常の要求ガス温度ＴＧｃに基づき算出された目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃ（図３で破線で示す）よりさらに少ない量とされる（図３で実線で示す）。

バルブタイミングのマイナスオーバラップ量は、目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃに追随して同じ変化を示し、このマイナスオーバラップ量に従ってバルブタイミング制御されたときの実ガス温度の変化は、より低温となる過渡要求ガス温度ＴＧｐに略等しくなるよう制御されている。

通常の要求ガス温度ＴＧｃに基づいてバルブタイミング制御されたときは、これほど実ガス温度は下がらずノッキングのおそれがあり、逆に減速時には失火のおそれがあり、結局火花点火運転とされるところである。

このように本実施の形態では、急激な過渡運転時に着火時期制御手段の制御パラメータである要求ガス温度ＴＧｃを急激な過渡運転状態から導出された過渡運転用の過渡要求ガス温度ＴＧｐに変更することで、圧縮着火運転を可能とし、圧縮着火運転領域を広げて、更なる燃費の向上とＮＯｘの発生量の低減を図ることができる

本実施の形態では、要求ガス温度ＴＧｃに基づき目標ＥＧＲ量ＮＥＧＲｃを求め、マイナスオーバラップ量に従ってバルブタイミング制御していたが、要求ガス温度ＴＧｃに基づき燃料噴射時期を算出して燃料噴射弁をタイミング制御するものについても適用可能である。

本発明は、圧縮着火運転が可能な内燃機関に適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関および制御装置の概略構成図である。 圧縮着火制御の制御手順を示すフローチャートである。 急激な過渡運転状態（加速時）における各値の変動を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…内燃機関、２…シリンダ、３…ピストン、４…燃焼室、５…吸気通路、６…排気通路、７…吸気弁、８…排気弁、９…点火プラグ、10…燃料噴射弁、11…スロットル弁、12…排気浄化装置、
21…回転数センサ、22…水温センサ、23…スロットルセンサ、24…吸気圧センサ、25…吸気温センサ、27…排気温センサ、28…アクセルセンサ、
30…ＥＣＵ。

Claims (3)

1. 運転状態から導出される制御パラメータの制御値に基づき燃料の自着火時期を制御する着火時期制御手段を備えた圧縮着火運転が可能な内燃機関において、
   内燃機関の急激な過渡運転状態を検出する過渡運転検出手段と、
   過渡運転状態から制御パラメータの過渡運転用制御値を導出する過渡運転用制御値導出手段と、
   前記過渡運転検出手段が過渡運転状態を検出したときに前記制御パラメータを前記過渡運転用制御値導出手段が導出した過渡運転用制御値に変更する制御値変更手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御パラメータは、圧縮行程開始時に要求される作動ガスの温度である要求ガス温度であ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。
3. 過渡運転時のシリンダ壁温を推定するシリンダ壁温推定手段を備え、
   前記過渡運転用制御値導出手段は、前記シリンダ壁温推定手段が推定したシリンダ壁温と前記要求ガス温度から過渡要求ガス温度を導出す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。
   
   

Images