JP2006046263A - 内燃機関の回転速度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関アイドル運転時に回転速度が大幅に低下したときに、好適に回転速度を増大させてストールの発生を防止することのできる内燃機関の回転速度制御装置を提供する。
【解決手段】機関アイドル運転時に、内燃機関１の実回転速度が基準回転速度以下になると、機関回転速度が増大するように３つの制御因子、即ち吸入空気量、点火時期、燃料噴射量を実回転速度に基づく値に設定するオープン制御を行う。各制御因子の値は、電子制御装置２１内のＲＯＭに記憶されているマップに基づいて求められる。このマップは、実回転速度に対して、吸入空気量、点火時期、燃料噴射量がそれぞれ個別に対応付けられて作成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機関アイドル運転時の回転速度を制御する内燃機関の回転速度制御装置に関する。

従来の内燃機関では、機関アイドル運転時に回転速度を一定値に保つ制御が行われている。例えば特許文献１には、アイドル運転時に回転速度が目標回転速度以下となると、ＩＳＣ（アイドルスピードコントロール）バルブの開度をフィードバック制御して、吸入空気量を増加させることによって回転速度を増大させる制御装置が開示されている。また特許文献２には、アイドル運転時に回転速度が目標回転速度以下になると、点火装置の点火時期をフィードバック制御して、点火時期を進角側に移動させることによって回転速度を増大させる制御装置が開示されている。
特開平５−４４５３１号公報 特開平２−２５９２７９号公報

従来の回転速度制御装置では、上述したように回転速度に影響を与える吸入空気量や点火時期などの制御因子をフィードバック制御して、回転速度を目標回転速度になるように制御している。このフィードバック制御において、応答性を優先してフィードバックゲインを設定すると収束性が悪くなり、逆に収束性を優先してフィードバックゲインを設定すると応答性が悪くなってしまうので、２つの特性を共に満足できるようなフィードバックゲインを設定する必要がある。

そこで、機関アイドル運転時における回転速度の予測変動量の範囲内で回転速度が変動した場合に、応答性及び収束性を共に満足できる態様で回転速度を目標回転速度に復帰させることのできるフィードバックゲインが設定されている。

しかしながら、予測変動量を想定して設定したフィードバックゲインを用いたフィードバック制御では、予測変動量を超えて回転速度が短時間で大幅に低下したときには、フィードバック制御が間に合わず、ストールの発生を招くことがある。

また、こうした回転速度制御では、制御対象である内燃機関の特性によっては目標回転速度よりも高い値或いは低い値に実回転速度が収束する傾向を持つ場合があるので、このずれを補正するための学習値が設定されていることがある。この場合、この学習値がフィードバック制御による回転速度の上昇を遅らせる要因となり、回転速度の大幅な低下に対応できない場合がある。

本発明の目的は、機関アイドル運転時に回転速度が大幅に低下したときに、好適に回転速度を増大させてストールの発生を防止することのできる内燃機関の回転速度制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、機関アイドル運転時に内燃機関の実回転速度が目標回転速度となるように機関回転速度に影響を及ぼす制御因子をフィードバック制御する内燃機関の回転速度制御装置において、前記実回転速度が予め定める基準回転速度以下であるとき、前記制御因子にかかるフィードバック制御を禁止し、機関回転速度が増大するように前記制御因子を前記実回転速度に基づく値にオープン制御することを特徴としている。

この発明によれば、機関アイドル運転時に内燃機関の実回転速度が基準回転速度以下、例えば目標回転速度以下になると、機関回転速度に影響を及ぼす制御因子のフィードバック制御が禁止され、機関回転速度が増大するように前記制御因子を前記実回転速度に基づく値にするオープン制御が行われる。即ち、制御因子は機関回転速度を増大させる値に強制的に設定される。これによって、内燃機関の実回転速度が短時間で大幅に低下したときであっても機関回転速度を速やかに増大させることができるので、ストールの発生を極力抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、前記基準回転速度は前記目標回転速度を基準として同目標回転速度より所定値だけ低い回転速度に設定されることを特徴としている。
この発明によれば、内燃機関の実回転速度が目標回転速度より低く基準回転速度より高いときは制御因子のフィードバック制御が行われ、実回転速度が基準回転速度以下であるときに制御因子のオープン制御が行われる。ここで所定値としては、実回転速度が基準回転速度を上回っているときに、設定されているフィードバックゲインで応答性かつ収束性が共によい態様で制御できる値が選ばれる。このように目標回転速度より所定値だけ低い基準回転速度以下であるときにオープン制御を行うようにしたのは、目標回転速度と基準回転速度との間の範囲内ではフィードバック制御で充分対応できるからである。したがって、内燃機関の実回転速度が低下した場合、基準回転速度より高いときはフィードバック制御が行われるので機関回転速度を安定して制御することができる一方、基準回転速度以下になるとオープン制御が行われて機関回転速度が速やかに増大されるのでストールの発生を極力抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、前記制御因子は少なくとも吸入空気量を含むことを特徴としている。
この発明によれば、機関アイドル運転時に内燃機関の実回転速度が基準回転速度以下になると、機関回転速度が増大するように吸入空気量を前記実回転速度に基づく値にするオープン制御が行われる。機関回転速度を増大させるためには吸入空気量を増加させる必要があるので、実回転速度が小さくなるほど吸入空気量を大きくする。これによって、機関回転速度を速やかに増大させることができ、ストールの発生を極力抑制することができる。ここで吸入空気量を調量するための機構としては、例えばスロットル、ＩＳＣバルブ、バルブリフト量可変機構、可変吸気機構等々、機関アイドル運転時の吸入空気量を適宜調量する機構を挙げることができる。

請求項４に記載の発明は、前記制御因子は少なくとも点火時期を含むことを特徴としている。
この発明によれば、機関アイドル運転時に内燃機関の実回転速度が基準回転速度以下になると、機関回転速度が増大するように点火時期を前記実回転速度に基づく時期にするオープン制御が行われる。機関回転速度を増大させるためには点火時期を基準となる点火タイミングから進角側にずらして設定する必要があるので、実回転速度が小さくなるほど点火時期を基準点火タイミングから進角側にずらす量を大きくする。これによって、機関回転速度を速やかに増大させることができ、ストールの発生を極力抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記点火時期は前記実回転速度が基準回転速度よりも更に低い所定回転速度以下であるときに機関出力が最大になる時期に設定されることを特徴としている。

この発明によれば、機関アイドル運転時に内燃機関の実回転速度が基準回転速度以下になると、機関回転速度が増大するように点火時期を前記実回転速度に基づく時期にするオープン制御が行われ、基準回転速度よりも更に低い所定回転速度以下になると、点火時期は機関出力が最も大きくなる時期、即ちＭＢＴに設定される。したがって、点火時期の設定をフィードバック制御からオープン制御に切り替えても、実回転速度が上昇せずに基準回転速度よりも更に低い所定回転速度以下になると、点火時期がＭＢＴに設定されるので速やかに機関回転速度を増大させることができ、ストールの発生を極力抑制することができる。

請求項６に記載の発明は、前記制御因子は少なくとも燃料噴射量を含むことを特徴としている。
本発明によれば、機関アイドル運転時に内燃機関の実回転速度が基準回転速度以下になると、機関回転速度が増大するように燃料噴射量を前記実回転速度に基づく値にするオープン制御が行われる。機関回転速度を増大させるためには燃料噴射量を多くする必要があるので、実回転速度が小さくなるほど燃料噴射量を大きい値に設定する。これによって、機関回転速度を速やかに増大させることができ、ストールの発生を極力抑制することができる。

ここで、同構成を請求項３記載の構成に適用する場合には、例えば吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて決定される空燃比を制御因子とすることもできる。空燃比を制御するようにしたことによって、吸入空気量及び燃料噴射量を個別に或いは一方のみを制御する場合に比べて、より速やかに機関出力を増大させて機関回転速度を増大させることができる。また、ノッキングの発生をできるだけ抑制し、また排気エミッション要求をできるだけ満足させながら、機関回転速度を増大させることが可能となる。

請求項７に記載の発明は、前記制御因子が複数あるとき、それら複数の制御因子に応じて前記基準回転速度を異なる値に設定することを特徴としている。
この発明によれば、制御因子が複数あるときは、オープン制御を開始する基準回転速度は制御因子に応じて異なる値に設定される。例えば回転速度に与える影響が大きい制御因子については高い基準回転速度を設定し、影響が小さい制御因子については低い基準回転速度を設定すれば、内燃機関の実回転速度が低下したときに回転速度に与える影響が大きい制御因子からオープン制御されるので、速やかに機関回転速度を増大させることができる。なお、複数の制御因子についてそれらを全て異なる値に設定する必要はなく、例えば各制御因子のうち選択されたものについて上記基準回転速度を異なる値に設定するようにしてもよい。

以下、本発明の一実施形態である内燃機関の回転速度制御装置を、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、内燃機関の回転速度制御装置の概略構成を示す構成図であり、図２はアイドル運転時の回転速度制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。

内燃機関１は、例えば車両駆動源として車両に搭載されている。内燃機関１は、複数（図１では１つのみ示す）の気筒（シリンダ）２を備え、各気筒２にはピストン３が往復動可能に収容されている。ピストン３は、コネクティングロッド４を介して内燃機関１の出力軸であるクランクシャフト５に連結されている。ピストン３の往復運動は、コネクティングロッド４によって回転運動に変換された後、クランクシャフト５に伝達される。

各気筒２の燃焼室６は、燃焼室６内に空気を送る吸気通路７と、燃焼後の排気ガスを燃焼室６外に排出する排気通路８とに接続されている。気筒２には、吸気通路７側に吸気弁９が、排気通路８側に排気弁１０がそれぞれ配設されている。内燃機関１は、吸気弁９及び排気弁１０をそれぞれ開閉する吸気側カムシャフト１１及び排気側カムシャフト１２を備えている。

吸気側カムシャフト１１及び排気側カムシャフト１２は、プーリ及びベルト（図示省略）を介してクランクシャフト５に連結され、クランクシャフト５に同期して回転することで吸気弁９及び排気弁１０を所定タイミングで開閉操作する。この内燃機関１は、クランクシャフト５が２回転すると吸気側カムシャフト１１及び排気側カムシャフト１２が１回転し、ピストン３の往復運動に対応して所定のタイミングで吸気弁９及び排気弁１０が開閉する。

クランクシャフト５の近傍には、クランクシャフト５の回転角度に応じた検出信号を出力するクランク角センサ１３が配設されている。クランク角センサ１３の検出信号は、クランクシャフト５の位相角（クランク角）や機関回転速度の算出時に使用される。

各気筒２のそれぞれの吸気通路７には、吸気通路７の通路上に燃料を噴射する吸気通路用燃料噴射弁１４が配設されている。内燃機関１は、該内燃機関１の運転状態例えば機関回転速度や機関負荷などに応じて決定される量の燃料を噴射し、吸気通路７から送られる空気に噴射燃料を混合して燃焼用の混合気を生成する。

各気筒２には、燃焼室６内の混合気に点火する点火プラグ１５が取り付けられている。プラグ点火によって燃焼室６内の混合気が爆発・燃焼すると、その燃焼ガスによってピストン３が往復動し、クランクシャフト５が回転して内燃機関１の出力トルクが得られる。また、吸気通路７の途中には、燃焼室６内への吸入空気量を調節するスロットル弁１６が配設されている。スロットル弁１６は、弁開閉の駆動源となるアクチュエータ１７に接続され、図示しないアクセルペダルの踏込量に応じてアクチュエータ１７が駆動されてスロットル開度が調整される。

スロットル弁１６の近傍には、スロットル弁１６のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１８が取り付けられている。また、各気筒２には、内燃機関１の冷却水温を検出する温度検出手段である水温センサ１９が取り付けられている。

吸気側カムシャフト１１には、可変動弁機構２０が配設されている。可変動弁機構２０は、吸気弁９のリフト量及び作用角を連続的に切り替えるバルブ作用角調節機構と、吸気弁９のバルブタイミングを連続的に切り替えるバルブタイミング調節機構（以下、ＶＶＴ機構と記す）とを備えて構成されている。バルブ作用角調節機構は、電気制御によって吸気弁９のリフト量と開期間を示す作用角とを同期させて変更させる機構であり、吸気弁９のリフト量及び作用角を共に連続的に増大或いは減少させることが可能である。ＶＶＴ機構は、油圧制御によって吸気側カムシャフト１１のクランクシャフト５に対する相対位相を変更させる機構であり、吸気弁９のバルブタイミングを進角側或いは遅角側へ連続的に変更させることが可能である。

内燃機関１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＳＩＣ及びＩ／Ｆ等の各種デバイスからなる電子制御装置２１によって制御される。電子制御装置２１のＲＯＭには、内燃機関１を制御するプログラムとして、本発明の特徴的内容であるアイドル運転時の回転速度制御プログラムを含んだ各種プログラムが記憶されている。また、上記ＲＯＭには、制御因子をフィードバック制御する際に用いるフィードバックゲインが記憶されている。

さらに、上記ＲＯＭには、内燃機関１の機関回転速度に影響を与える制御因子をオープン制御する際に用いるマップが記憶されている。このマップは、内燃機関１の実回転速度と制御因子の値とを対応付けたものである。本実施形態では制御因子として、吸入空気量、点火時期、燃料噴射量が用いられる。よって、上記マップは、実回転速度に対して、吸入空気量、点火時期、燃料噴射量がそれぞれ個別に対応付けられて作成されている。

機関回転速度を増大させるためには吸入空気量を増加させる必要があるので、実回転速度の値が小さくなるにつれて吸入空気量の値が大きくなるようなマップが作成されている。また、機関回転速度を増大させるためには点火時期を基準となる点火タイミングから進角側にずらして設定する必要があるので、実回転速度の値が小さくなるにつれて点火時期を基準点火タイミングから進角側にずらす量が大きくなるようなマップが作成される。また、機関回転速度を増大させるためには燃料噴射量を多くする必要があるので、実回転速度の値が小さくなるにつれて燃料噴射量の値が大きくなるようなマップが作成される。

続いて図２を参照しながら、アイドル運転時の回転速度制御の処理手順を説明する。内燃機関１に対してアイドル運転が指示されると処理が開始される。
ステップＳ１では、水温センサ１９によって検出された内燃機関１の冷却水温に基づいて、アイドル運転時の目標回転速度ＮＥＴ及び基準回転速度ＮＥｔｈを設定する。目標回転速度ＮＥＴは、冷却水温が低いとき即ち低温下でのアイドル運転時には比較的高い回転速度、例えば１０００〜１２００ｒｐｍの範囲内に設定される。一方、冷却水温が高いとき即ち高温下でのアイドル運転時には比較的低い回転速度、例えば５００〜８００ｒｐｍの範囲内に設定される。また、基準回転速度ＮＥｔｈは、目標回転速度ＮＥＴより所定値だけ低い回転速度に設定される。所定値としては、後述する制御因子のフィードバック制御によって機関回転速度を目標回転速度ＮＥＴに制御できるような値、例えば１００ｒｐｍが選択される。したがって、例えば目標回転速度ＮＥＴを５００ｒｐｍに設定したときは、基準回転速度ＮＥｔｈを５００−１００＝４００ｒｐｍに設定する。

ステップＳ２では、クランク角センサ１３の出力信号に基づいて内燃機関１の実回転速度ＮＥＡが検出される。続くステップＳ３では、実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈ以下であるか否かが判断される。

実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈ以下である場合は、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、制御因子のオープン制御が行われる。即ち、電子制御装置２１のＲＯＭに予め記憶されているマップを参照して実回転速度ＮＥＡに対応する制御因子の値が読み出されて設定される。本実施形態では上述したように制御因子として、吸入空気量、点火時期、燃料噴射量が使用されるので、前記マップを参照して各制御因子の値が設定され、設定値に従って制御因子が変更される。

即ち、吸入空気量は、電子制御装置２１がスロットル弁１６の開度を調整することによって変更される。点火時期は、電子制御装置２１が点火プラグ１５の点火タイミングを調整することによって変更される。燃料噴射量は、電子制御装置２１が吸気通路用燃料噴射弁１４による燃料噴射時間を調整することによって変更される。各制御因子の値が設定値に変更されると、ステップＳ２に戻る。

一方、ステップＳ３において実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈより大きい場合は、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、制御因子のフィードバック制御が行われる。即ち、実回転速度ＮＥＡと目標回転速度ＮＥＴとの差に基づいて、電子制御装置２１のＲＯＭに記憶されているフィードバックゲインに従うフィードバック制御を行い、上記の３つの制御因子、即ち吸入空気量、点火時期、燃料噴射量の値が設定される。各制御因子の値が設定されると、設定値に従って制御因子が変更され、ステップＳ２に戻る。

このように実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈより大きいときは制御因子のフィードバック制御が行われ、実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈ以下のときは制御因子のオープン制御が行われる。

以上のように本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、機関アイドル運転時に内燃機関１の実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈ以下になると、吸入空気量、点火時期、燃料噴射量の３つの制御因子は、オープン制御によってそれぞれ機関回転速度を増大させる値に強制的に設定される。これによって、内燃機関１の実回転速度ＮＥＡが大幅に低下したときであっても機関回転速度を速やかに増大させることができるので、ストールの発生を極力抑制することができる。

（２）本実施形態によれば、内燃機関１の実回転速度ＮＥＡが低下した場合、基準回転速度ＮＥｔｈより高いときはフィードバック制御が行われるので機関回転速度を安定して制御することができ、基準回転速度ＮＥｔｈ以下になるとオープン制御が行われて機関回転速度が速やかに増大されるのでストールの発生を極力抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、３つの制御因子を制御するようにしたけれども、２つの制御因子或いは４つ以上の制御因子を制御してもよいことはもちろんである。また、１つの制御因子、例えば機関回転速度に最も影響を及ぼす制御因子だけを制御するようにしてもよい。

・上記実施形態では、吸入空気量を調量するための機構としてスロットル弁１６を用いたけれども、これ以外に、ＩＳＣバルブ、可変動弁機構２０、可変吸気機構などのように吸入空気量を適宜調量することができる機構を用いることができる。

・上記実施形態では、燃料噴射量を機関回転速度のみに基づいて設定するようにしたが、同機関回転速度と併せてスロットル開度に基づいてこれを設定するようにしてもよい。
・上記実施形態では、実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈ以下になると点火時期を基準点火タイミングから進角側にずらして設定するようにしたけれども、実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈよりも更に低い所定回転速度以下になると、点火時期を機関出力が最大になる時期に設定するようにしてもよい。機関出力が最大になる点火時期とは、ＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque：最小点火進角）であり、所定回転速度とは、ストール直前の回転速度、例えば１００〜２００ｒｐｍの範囲内の値が選択される。したがって、機関アイドル運転時に、実回転速度ＮＥＡが基準回転速度ＮＥｔｈ以下になると、機関回転速度が増大するように点火時期を実回転速度ＮＥＡに基づく時期にするオープン制御が行われ、基準回転速度ＮＥｔｈよりも更に低い所定回転速度以下になると、点火時期はＭＢＴに設定される。これによって、点火時期の設定をフィードバック制御からオープン制御に切り替えても実回転速度ＮＥＡが増大せずに更に低下して所定回転速度以下になると、点火時期がＭＢＴに設定されるので、速やかに機関回転速度を増大させることができ、ストールの発生を極力抑制することができる。

・上記実施形態では、制御因子として吸入空気量と燃料噴射量とを個別に制御したけれども、吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて決定される空燃比を制御因子として制御してもよい。空燃比を制御することによって、吸入空気量及び燃料噴射量を個別に或いは一方のみを制御する場合に比べて、より速やかに機関出力を増大させて機関回転速度を増大させることができる。また、空燃比を制御することによって、ノッキングの発生をできるだけ抑制し、また排気エミッション要求をできるだけ満足させながら、機関回転速度を増大させることが可能となる。

・上記実施形態では、フィードバック制御からオープン制御に切り替える基準回転速度ＮＥｔｈを複数（３つ）の制御因子に対して共通の値に設定したけれども、複数の制御因子に応じて基準回転速度を異なる値に設定してもよい。例えば、機関回転速度に与える影響が大きい制御因子については高い基準回転速度を設定し、影響が小さい制御因子については低い基準回転速度に設定する。このように設定することによって、実回転速度ＮＥＡが低下したときに回転速度に与える影響が大きい制御因子からオープン制御されるので、速やかに機関回転速度を増大させることできる。なお、複数の制御因子についてそれらを全て異なる値に設定する必要はなく、例えば各制御因子のうち選択されたものについて、基準回転速度を異なる値に設定するようにしてもよい。

・上記実施形態では、吸気通路用燃料噴射弁１４を備えた内燃機関１を例にとり説明したけれども、燃焼室６内に燃料を直接噴射する筒内噴射用燃料噴射弁を備えた内燃機関に対して本発明を実施してもよい。

本発明の一実施形態である内燃機関の回転速度制御装置の概略構成を示す構成図。 機関アイドル運転時の回転速度制御の処理手順を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１…内燃機関、２…シリンダ、３…ピストン、６…燃焼室、７…吸気通路、８…排気通路、９…吸気弁、１０…排気弁、１３…クランク角センサ、１４…吸気通路用燃料噴射弁、１５…点火プラグ、１６…スロットル弁、１７…アクチュエータ、１８…スロットル開度センサ、１９…水温センサ、２０…可変動弁機構、２１…電子制御装置、ＮＥＡ…実回転速度、ＮＥＴ…目標回転速度、ＮＥｔｈ…基準回転速度。

Claims (7)

1. 機関アイドル運転時に内燃機関の実回転速度が目標回転速度となるように機関回転速度に影響を及ぼす制御因子をフィードバック制御する内燃機関の回転速度制御装置において、
   前記実回転速度が予め定める基準回転速度以下であるとき、前記制御因子にかかるフィードバック制御を禁止し、機関回転速度が増大するように前記制御因子を前記実回転速度に基づく値にオープン制御する
   ことを特徴とする内燃機関の回転速度制御装置。
2. 前記基準回転速度は前記目標回転速度を基準として同目標回転速度より所定値だけ低い回転速度に設定される
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の回転速度制御装置。
3. 前記制御因子は少なくとも吸入空気量を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の回転速度制御装置。
4. 前記制御因子は少なくとも点火時期を含む
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の回転速度制御装置。
5. 前記点火時期は前記実回転速度が基準回転速度よりも更に低い所定回転速度以下であるときに機関出力が最大になる時期に設定される
   ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の回転速度制御装置。
6. 前記制御因子は少なくとも燃料噴射量を含む
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の回転速度制御装置。
7. 前記制御因子が複数あるとき、それら複数の制御因子に応じて前記基準回転速度を異なる値に設定する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の回転速度制御装置。

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