JP2007262966A

JP2007262966A - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP2007262966A
Application number: JP2006088409A
Authority: JP
Inventors: Sakanori Moriya; 栄記守谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】制御性を向上させることができる内燃機関の燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】燃焼室４内の混合気の燃焼状態を示す状態パラメータを検出する状態検出手段１５と、前記状態パラメータの出力に応じて、当該状態パラメータのサンプル取得条件を変更して燃焼制御を行う制御手段２０とを備えた内燃機関１の燃焼制御装置である。制御手段が混合気の燃焼状態に応じて、サンプル取得条件を変更しながら燃焼制御を行うので、混合気の状態が予め活性が高く安定した燃焼が得られている場合には、サンプル動作及びこれに伴う処理を軽減しながら燃焼制御が行うことができる。よって、内燃機関の制御性を向上することができる。このような燃焼制御装置を備える内燃機関は、燃費及び排気エミッションを改善できる。燃焼室４内の混合気の活性を高める活性化手段１４を更に備えた構造とすることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関する。より詳細には、内燃機関の燃焼時における制御性を向上させる燃焼制御装置に関する。

内燃機関の燃焼室内での燃焼状態が不安定であると、燃焼効率の低下や排気エミッション悪化の原因となる。そこで、燃焼室内で安定的な燃焼を得るための技術に関して、従来から種々の検討がなされている。しかし、ガソリンエンジンのように予混合燃焼を行う内燃機関では、燃焼室内の混合気を均質（均一）に形成することが困難である。その結果、一般に予混合燃焼を行う内燃機関では燃焼が不安的な状態となる。そこで、例えば特許文献１は、予混合圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼（Homogeneous-Charge Compression-Ignition combustion））型の内燃機関に関して、燃焼が安定化するまでの時間を短縮する燃焼制御方法を提案している。この燃焼制御方法は、例えば吸入バルブの開弁時期を変更することにより、燃焼室内の乱流レベルを高めることにより燃焼安定化までの時間短縮を図っている。

特開２００３−１６１１８７号公報

上記特許文献１の方法では、燃焼速度などに関連する燃焼関連特性量を用いて燃焼経過を監視及び解析して燃焼状態を把握し、燃焼関連パラメータを制御して乱流レベルを高めることにより燃焼の安定化を図っている。その際に、不安定な燃焼状態では燃焼関連特性量が変動する（ばらつきを含む）ので、変動による影響を排除するため予め定めたｎ回のサンプル採取を行い、これを平均化処理してから制御を行っている。

ところで、燃焼室内の混合気の状態（ミキシングの度合）が十分である場合には燃焼状態が安定化するのでサンプル回数や期間を短縮しても燃焼状態を把握できる。しかしながら、上記特許文献１は予め定めたｎ回のサンプ採取を実行するように設定されているため、判断に十分なサンプルが得られた後であっても必要のないサンプル採取を行ってしまう。これに伴って、不要なサンプルを含んでのデータ処理を行うことになるので一定以上の処理時間が常に必要となる。よってそのために、特許文献１の方法では燃焼制御の開始が遅れてしまう場合がある。

したがって、本発明の目的は、制御性を向上させることができる内燃機関の燃焼制御装置を提供することである。

上記目的は、内燃機関の燃焼制御装置であって、燃焼室内の混合気の燃焼状態を示す状態パラメータを検出する状態検出手段と、前記状態パラメータの出力に応じて、当該状態パラメータのサンプル取得条件を変更して燃焼制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置により達成できる。

本発明によると、制御手段が混合気の燃焼状態に応じて、サンプル取得条件を変更しながら燃焼制御を行うので、混合気の状態が予め活性が高く安定した燃焼が得られている場合には、サンプル動作及びこれに伴う処理を軽減しながら燃焼制御を行うことができる。よって、内燃機関の制御性を向上することができる。このような燃焼制御装置を備える内燃機関は、燃費及び排気エミッションを改善できる。

また、前記燃焼室内の混合気の活性を高める活性化手段を更に備えた構造とすることが好ましい。活性化手段を備えていれば、必要に応じて混合気の活性化を図ることができるので、内燃機関の燃焼制御性をより確実に改善できる。

また、前記制御手段は、前記状態パラメータの変動量が許容範囲内である場合に、サンプル採取回数及び／又はサンプル期間を減少させることが好ましい。

そして、前記状態パラメータは燃焼時における前記燃焼室内の圧力を含むことができる。混合気の活性を高める手法は特に限定されるものではないが、渦流を発生させることによって活性を高めることができ、渦流発生比率は燃焼室内（筒内）の圧力によって確認することができる。

本発明によると、制御性を向上させることができる内燃機関の燃焼制御装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。本発明は混合気の活性を高めることにより混合気の状態を均質化し、このような混合気を燃焼させることにより内燃機関の安定燃焼を図る技術に関連している。そして、本発明は、特に以下のような観点に基づいて成されたものである。前述したように、従来、燃焼室内の燃焼状態を監視、分析するときにサンプルを所定回数採取してデータ処理していた。一方、混合気の活性を高め均質化してから燃焼させると、活性していない混合気を燃焼させた場合と比較して、安定的な燃焼（変動の少ない燃焼）が実現されている。

すなわち、安定燃焼が確保された後にあっては、サンプル採取回数やサンプル期間などを定常の場合より減少させても、燃焼状態を確認できる。サンプル採取回数やサンプル期間を減少させることができれば、その後のデータ処理も軽くなるため、従来より早期に燃焼制御を開始できる。その結果として、内燃機関の制御性（応答迅速性）を高めることができる。本発明は、このような観点に基づいてなされたもので、筒内の燃焼状態に応じてサンプル採取回数やサンプル期間を可変として制御性の向上を図るものである。本発明の理解を容易とするため図を参照して更に概念を説明する。

図１は燃焼状態を頻度とトルクとの関係から示した図であり、（Ａ）は通常の混合気を燃焼させた場合の分布曲線ＰＣ、（Ｂ）は活性化処理した混合気を燃焼させた場合の分布曲線ＰＥを示している。どちらの燃焼状態も正規分布（ガウス分布）となる。なお、図１におけるμａ、μｂはそれぞれの曲線から得られる平均値、σａ、σｂはそれぞれの曲線から得られる標準偏差である。

通常の混合気（活性化処理していない混合気）の燃焼状態を示す（Ａ）の分布曲線ＰＣは山が低く、変動（平均値μａから離れた値が出る確率）が大きい。これは活性が低い混合気を用いた場合、着火時期の不正確さ等のために燃焼が不安定であることを示している。そのために、燃焼室内の燃焼状態を適切に把握する状態パラメータを予め選定して燃焼制御を行うようにしても、変動の影響で最適点ＢＰを特定することが困難となる。なお、ここでの最適点ＢＰとは例えば平均値μａの位置である。最適点ＢＰを特定することにより分布曲線ＰＣを決定して、燃焼制御を開始できる。最適店ＢＰの特定に時間を要すると、制御性が劣ることになる。以上から、明らかなように、混合気の活性状態が低いと燃焼状態の確認（把握）に時間を要するので、燃焼制御における応答性が低いものとなる。

さらに、仮に分布曲線ＰＣｆを決定できた場合であっても、この曲線は広がりが大きい（ばらつきＤ１が大きい）ので、その一部が円ＣＲで示すようにＮＧ領域（失火やノックが発生する領域）に掛ってしまうことがある。この場合には最初に決定した最適点ＢＰ１を採用して燃焼制御を行うことができず、ＮＧ領域に掛らないようにＦＳ分オフセットさせた分布曲線ＰＣ及び最適点ＢＰ２に補正すことが必要となる。このような状態になると処理に時間を要することになるので制御性が更に劣ることになる。

一方、図１（Ｂ）は活性を高めた混合気の燃焼状態を示しており、この分布曲線ＥＣは山が高く、幅が狭い（ばらつきＤ２が小さい）。すなわち、活性を高めた混合気の燃焼状態を示す分布曲線ＥＣの標準偏差σｂは、（Ａ）で示している通常の混合気の燃焼状態を示す分布曲線ＰＣの標準偏差σａより小さい。これは、活性を高めた混合気を用いると燃焼状態が安定しており、変動が少ないことを示している。よって、状態パラメータにより燃焼状態を確認するときに，最適点ＢＰから大きく外れる値が出現する確立が低いので、（Ａ）の場合と比較してサンプル採取回数等を減少させても最適点ＢＰ及び分布曲線ＥＣを短期に決定できる。

そして、燃焼状態が安定した場合には定常のサンプル採取や期間を変更して、少ない数のサンプル数や期間に基づいて燃焼制御を行える。採取するサンプル数、サンプル期間を定常より減少させることができれば所要時間を短縮できる。さらに、採取したサンプルが少なくなれば燃焼制御に用いるデータ作成の処理に要する時間も短縮できる。なお、このように採取したサンプルに基づいて燃焼制御に用いるデータの作成処理を以下では平均化処理と称することとする。（Ｂ）の場合、サンプルに要する時間及び平均化処理に要する時間を短縮できるので、燃焼制御を早期に開始して制御性を高めることができることになる。このような概念に基づく燃焼制御装置を採用する内燃機関は、制御性が向上するので燃費及び排気エミッションの改善を図ることができるのである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について具体的に説明する。図２は、本発明による燃焼制御装置を備えた内燃機関について示した概略ブロック図である。内燃機関１は、シリンダブロック２内にピストン３が往復移動可能に配置されている。ピストン３の上部に形成される燃焼室４の内部で燃料（例えばガソリン）および空気の混合気を燃焼させ、ピストン３を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図２には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして形成される。

各燃焼室４の吸気ポートは、吸気マニホールドを介して吸気管５に接続されている。排気側についても同様であり、各燃焼室４の排気ポートは排気マニホールドを介して排気管６に接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁１６と、排気ポートを開閉する排気弁１７とが燃焼室４ごとに配設されている。各吸気弁１６および各排気弁１７は、例えば可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示せず）によって開閉させられる。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、この点火プラグ７は対応する燃焼室４内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

吸気管５には、上流側からエアクリーナ９、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）１０及びサージタンク８が配置してある。一方、排気管６には三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが配置してある。

また、燃焼室４内の混合気の活性を高める活性化手段１４が配備してある。活性化手段１４は、混合気の分子エネルギーを高めて均質なガスを形成させる装置であればよい。例えば、混合気にレーザ光を照射して光エネルギーにより分子の運動エネルギーレベルを高めるレーザ照射装置や、グロープラブのように混合気に熱を供給して熱エネルギーにより分子の運動エネルギーレベルを高める発熱装置などを採用できる。

ただし、図２で示すように活性化手段１４を燃焼室４に臨むように直接に配備して、混合気の活性を高める形態は一例である。例えば、吸気ポートの途中に吸入空気の流れを調整する仕切板や吸気制御弁などの吸気流制御機構１８を配備して、燃焼室４内に所望のスワール流（横渦流）やタンブル流（縦渦流）を形成するようにしてもよい。スワール流やタンブル流により燃焼室４内の混合気を撹拌されることで分子エネルギーのレベルが高められる。本発明で言うところの活性化手段は、実質的に混合気の分子エネルギーを高めて混合気の状態を均質化できる装置や構造であればよく、配置位置や混合気の分子エネルギーを高めるための手法については特に限定されるものではない。また、混合気の活性を高める装置や構造を組合せて採用してもよい。以下では、吸入空気の流れを制御する吸気流制御機構１８を採用し、燃焼室４内に所望の渦流を形成することによって混合気の活性を高めるものとして説明する。

なお、内燃機関１は複数のインジェクタ１２を有している。各インジェクタ１２は、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配設されており、各吸気ポート内にガソリン等の燃料を噴射する。本実施形態の内燃機関１は、いわゆるポート噴射式のガソリンエンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明がいわゆる直噴式内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。また、本発明が、ガソリンエンジンだけではなくディーゼルエンジンにも適用され得ることはいうまでもない。

上記点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２、吸気流制御機構１８および動弁機構等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図２に示されるように、燃焼室４内の圧力を検出する筒内圧センサ１５を始めとした各種センサが電気的に接続されている。筒内圧センサ１５は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等を含んで形成されており、気筒数に応じた数だけ配置されている。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室４内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５の検出値は、所定時間おきにＥＣＵ２０に順次与えられ、ＥＣＵ２０の所定の記憶領域（バッファ）に所定量ずつ格納保持される。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、吸気流制御機構１８、動弁機構等を制御する。

前述したように本実施例の内燃機関１には、燃焼制御性を向上させる燃焼制御装置が組込まれている。この燃焼制御装置は、前記活性化手段１４、筒内圧センサ（状態検出手段）１５及び状態パラメータのサンプル取得条件を変更しながら燃焼制御を行う制御手段を含んでいる。この制御手段は内燃機関１のＥＣＵ２０の一部により実現される。燃焼制御装置用のＥＣＵを設けてもよいが、本実施例のように内燃機関１のＥＣＵ２０を兼用することで構成を簡素化できる。

ＥＣＵ２０は筒内圧（状態パラメータ）により燃焼室４内の燃焼状態を監視する。ＥＣＵ２０は筒内圧から燃焼状態が安定していることを確認した場合には、定常的な筒内圧のサンプル条件を変更する。具体的には、サンプル採取回数やサンプル期間を減少させる。そして、得られたサンプルを平均化処理して燃焼制御データを決定し、これに基づいて内燃機関１の燃焼制御を実行する。これにより制御周期を短縮できるので、本実施例の内燃機関１は燃焼効率やエミッションを改善できる。

図３は、ＥＣＵ２０が燃焼室内の燃焼状態に応じてサンプル条件を変更するルーチン例を示したフローチャートである。ＥＣＵ２０は吸気流制御機構１８を制御して燃焼室４内に渦流（例えばスワール流）を形成することにより混合気の活性化を図り（Ｓ１１）、内燃機関１が運転されたときに定常の燃焼制御を実行する（Ｓ１２）。そして、ＥＣＵ２０は筒内圧センサ１５が検出する筒内圧の値（状態パラメータの出力）Ｘから燃焼室４内の燃焼状態を確認する（Ｓ１３）。

ここでＥＣＵ２０は筒内圧センサ１５の圧力値Ｘが所定値α以上であるか否かを確認する（Ｓ１４）。圧力値Ｘが所定値αより小さい場合には、燃焼室内の混合気が十分に活性化されていないので定常の処理（定常のサンプル取得及び平均化処理）を行って（Ｓ１５）、さらに筒内の活性化を図る（Ｓ１１）。

一方、上記ステップＳ１４で圧力値Ｘが所定値α以上であった場合には、燃焼の変動量が許容範囲内であり、燃焼室内の混合気が予め十分に活性化されていると推定できる。この場合には、ＥＣＵ２０はサンプル条件を変更して（Ｓ１６）、通常よりも少ないサンプル採取回数及び／またはサンプル期間を設定して平均化処理を行う（Ｓ１７）。ここでは、減少させるサンプル採取回数やサンプル期間を定めたテーブルを予め準備しておき、ＥＣＵ２０が読出しできるようにしてもよい。また、筒内圧センサ１５の圧力値から燃焼室内のスワール発生比率(以下、単にスワール比という)を確認できるので、スワール比に応じてサンプル取得条件を変更するようにしてもよい。この場合には、例えば図４で示すようなＳＣ比とサンプル採取回数Ｎとの関係を規定した判定マップを予めＲＯＭなどに準備しておく。そして、ＥＣＵ２０は、筒内圧センサ１５の出力値に基づいて算出したスワール比（ＳＣ比）から最適なサンプル採取回数Ｎ（定常よりも少ない回数）を決定するようにすればよい。なお、図４はＳＣ比とサンプル採取回数との場合を例示しているが、ＳＣ比とサンプル期間とに関するものでもよい。また、ここではスワール流について説明したが、タンブル流について同様に判断してもよい。

上記のようにＥＣＵ２０はサンプル採取回数などを減少させ、取得したサンプルデータに基づいて平均化処理を行い、制御周期を早めた燃焼制御を実行して（Ｓ１８）、本ルーチンによる処理を完了する。よって、内燃機関１は燃焼制御を行う際の応答性を高めることができる。

図５は、内燃機関１の燃焼制御の様子をまとめて示したタイミングチャートである。実線は実施例の内燃機関１に係る燃焼制御についての曲線であり、破線は活性化させた混合気を用いない比較例の内燃機関に係る燃焼制御についての曲線である。実施例の場合は図示のように制御開始から短時間で燃焼制御の動作が開始されているが、比較例の場合は処理期間ＴＭを待ってから制御に入る。よって、この図５からも内燃機関１は制御周期を短縮して制御性が向上していることが分かる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施例では燃焼室内の燃焼状態を示す状態パラメータとして筒内圧を採用しているがこれに限らず、筒内温度、吸入空気量、排気ガス量、空燃比などを採用してもよい。

燃焼状態を頻度とトルクとの関係から示した図であり、（Ａ）は通常の混合気を燃焼させた場合の分布曲線、（Ｂ）は活性化処理した混合気を燃焼させた場合の分布曲線について示した図である。本発明による燃焼制御装置を備えた内燃機関について示した概略ブロック図である。ＥＣＵが燃焼室内の燃焼状態に応じてサンプル条件を変更するルーチン例を示したフローチャートである。スワール比（ＳＣ比）とサンプル採取回数Ｎとの関係を規定した判定マップ例を示した図である。内燃機関の燃焼制御の様子をまとめて示したタイミングチャートである。

符号の説明

１内燃機関
４燃焼室
５吸気通路
６排気通路
１４活性化手段
１５筒内圧センサ（状態検出手段）
２０ＥＣＵ（制御手段）

Claims

内燃機関の燃焼制御装置であって、
燃焼室内の混合気の燃焼状態を示す状態パラメータを検出する状態検出手段と、
前記状態パラメータの出力に応じて、当該状態パラメータのサンプル取得条件を変更して燃焼制御を行う制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼室内の混合気の活性を高める活性化手段を更に備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記制御手段は、前記状態パラメータの変動量が許容範囲内である場合に、サンプル採取回数及び／又はサンプル期間を減少させる、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記状態パラメータは燃焼時における前記燃焼室内の圧力を含む、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。