JP2008297922A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡運転時においても当該気筒に充填される空気量を精度よく予測し、燃焼室における空燃比を目標値に良好に近づけ、燃費及び出力の向上とエミッションの低減を図る内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧センサ１５と、圧縮行程中かつ燃焼開始前の所定のタイミングで筒内圧センサ１５によって検出される筒内圧力に基づいて、燃焼室に充填された空気の量を算出する充填空気量算出手段とを備え、内燃機関の過渡運転時には、当該気筒に点火順序が先行する少なくとも２つの気筒における充填空気量の変化に基づき、当該気筒の充填空気量を予測する充填空気量予測手段と、予測された充填空気量に基づいて、当該気筒における空燃比が目標空燃比と一致するように燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料および空気の混合気を燃焼室の内部で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置に関する。

一般に、燃料噴射方式の内燃機関においては、燃焼室に充填される空気量を予測し、この予測した充填空気量に対して所望の空燃比となるように燃料噴射量が設定されて燃料噴射弁から噴射される。

かかる充填空気量の予測方法として、特許文献１には、エアフローメータにより検出される、吸気行程前の吸気流量と吸気行程中の吸気流量との変化に基づき、吸気行程終了時における最終充填空気量を予測する方法が示されている。また、特許文献２には、所定時間前のスロットル開度から得られる予測空気量と、吸気ＴＤＣ前後の予測空気量に基づいて、当該気筒への充填空気量を予測する方法が示されている。

ところで、かかる上記の方法は、気筒内の空気量を直接に求めるものではなく、その精度が十分でないことから、例えば、特許文献３に示されるように、筒内圧センサを用いて気筒内の充填空気量を直接に求める方法が提案されている。

特開平６−４２３８９号公報 特開２００５−２７３５９１号公報 特開２００６−１４４６４４号公報

しかしながら、かかる筒内圧センサを用いて気筒内の充填空気量を直接に求めるようにした場合であっても、この充填空気量が確定するタイミングは当該気筒の圧縮行程中であるために、その燃料噴射量の設定には間に合わず、気筒毎に供給すべき燃料量を精度よく設定することは困難である。これは、特に、筒内に充填される空気量が点火順序に従って気筒毎に刻々と変化する過渡運転時において顕著であり、燃焼室における混合気の空燃比が目標値から外れ、結果的に燃費の悪化、出力不足あるいはエミッションの悪化などを招くおそれがあった。

そこで、本発明の目的は、過渡運転時においても当該気筒に充填される空気量を精度よく予測し、燃焼室における空燃比を目標値に良好に近づけ、燃費及び出力の向上とエミッションの低減を図ることができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明による内燃機関の制御装置は、燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、圧縮行程中かつ燃焼開始前の所定のタイミングで前記筒内圧力検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて、前記燃焼室に充填された空気の量を算出する充填空気量算出手段と、を備える内燃機関であって、前記内燃機関の過渡運転時には、当該気筒に点火順序が先行する少なくとも２つの気筒における充填空気量の変化に基づき、当該気筒の充填空気量を予測する充填空気量予測手段と、前記充填空気量予測手段により予測された充填空気量に基づいて、当該気筒における空燃比が目標空燃比と一致するように燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、充填空気量算出手段により、圧縮行程中かつ燃焼開始前の所定のタイミングで筒内圧力検出手段によって検出される筒内圧に基づいて、各気筒の燃焼室に充填された空気量が算出される。そして、内燃機関の過渡運転時には、充填空気量予測手段により、当該気筒に点火順序が先行する少なくとも２つの気筒における充填空気量の変化に基づいて、当該気筒の充填空気量が予測される。さらに、燃料噴射量決定手段により、この予測された充填空気量に基づいて、当該気筒における空燃比が目標空燃比と一致するように燃料噴射量が決定される。したがって、過渡運転時においても、当該気筒に充填される空気量が精度よく予測され得るので、当該気筒の燃焼室における空燃比を目標値に良好に近づけることができ、燃費及び出力の向上とエミッションの低減を図ることができる。

ここで、前記充填空気量予測手段は、当該気筒に点火順序が２つ先行する気筒における第１の充填空気量及び直前の気筒における第２の充填空気量の差分と、該直前の第２の充填空気量とに基づき、当該気筒の充填空気量を予測することが好ましい。

このようにすると、当該気筒に点火順序が２つ先行する気筒において充填空気量算出手段により算出された第１の充填空気量と直前の気筒における第２の充填空気量との差分により充填空気量の変化量が求められ、この変化量と直前の第２の充填空気量とにより、当該気筒の充填空気量が予測されるので、その精度を極めて高くすることができる。

以下、図面を参照しながら、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１は、本発明による制御装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４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。内燃機関１は多気筒エンジンとして構成され、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構成されている。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管（吸気マニホールド）５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気管（排気マニホールド）６にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉは対応する吸気ポートを開閉し、各排気弁Ｖｅは対応する排気ポートを開閉する。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、可変バルブタイミング機構を含む動弁機構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、点火プラグ７は、対応する燃焼室３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は、図１に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、吸気通路が接続されており、吸気通路は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、吸気通路の途中（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、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が組み込まれている。一方、排気管６には、図１に示されるように、例えば三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよび例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。

更に、内燃機関１は、複数のインジェクタ１２を有し、各インジェクタ１２は、図１に示されるように、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配置されている。各インジェクタ１２は、各吸気管５の内部にガソリン等の燃料を噴射する。なお、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、本発明はインジェクタが対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配置されているいわゆる直噴式内燃機関やインジェクタがポート噴射及び筒内噴射用に複数設けられているいわゆるデュアル噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。

上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２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１に示されるように、クランク角センサ１４やアクセル開度センサ１６を始めとした各種センサが電気的に接続されている。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、動弁機構等を制御する。

また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子、磁歪素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ（筒内圧力検出手段）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３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、図示されないＡ／Ｄ変換器等を介してＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、燃焼室３内でその受圧面に加わる圧力（筒内圧力）を大気圧に対する相対値として出力するものであり、その受圧面に加わる圧力（筒内圧力）に応じた電圧信号（検出値を示す信号）をＥＣＵ２０に与える。

更に、内燃機関１は、サージタンク８内の充填空気の圧力（吸気圧）を絶対圧力として検出する吸気圧センサを有している。吸気圧センサも、図示されないＡ／Ｄ変換器等を介してＥＣＵ２０に電気的に接続されており、検出したサージタンク８内の充填空気の絶対圧力を示す信号をＥＣＵ２０に与える。なお、クランク角センサ１４、吸気圧センサの検出値は、微小時間おきに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。また、各筒内圧センサ１５の検出値（筒内圧力）は、吸気圧センサの検出値に基づいて絶対圧補正された上で、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。

次に、図２を参照しながら、上述の内燃機関１における燃料噴射量の設定手順について説明する。内燃機関１が始動されると、ＥＣＵ２０によって図２に示される燃料噴射量設定ルーチンが燃焼室３ごとに繰り返し実行される。

そこで、ステップＳ２０１ではまず、各気筒における燃焼室３への充填空気量ＤＪを算出する充填空気量算出ルーチンが実行される。本実施の形態における充填空気量算出ルーチンでは、ＥＣＵ２０は、各気筒の圧縮行程中かつ燃焼開始前の所定のタイミングにおける筒内圧センサ１５の検出値Ｐｃ（θ_x）を求め、そして、予め実験などにより求めて記憶されているマップを参照して、各気筒への充填空気量ＤＪｎ（以下、＃１気筒〜＃４気筒の充填空気量をＤＪ₁〜ＤＪ₄と称す）を求める。なお、この筒内圧センサ１５の検出値Ｐｃ（θ_x）に基づく各気筒への充填空気量ＤＪｎは、バルブオーバーラップに起因する筒内残留ガス量の影響などを考慮して、適宜補正することが好ましく、その方法は上述の特許文献３に記載され公知であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

かくて、上述の充填空気量算出ルーチンＳ２０１が実行されることにより、ＥＣＵ２０の記憶装置には各気筒の圧縮行程毎に求められた充填空気量ＤＪｎ（ＤＪ₁〜ＤＪ₄）が記憶保持される。

そして、ステップＳ２０２では内燃機関１が過渡運転状態にあるか否かが判定される。この過渡運転状態にあるか否かの判定は、例えば、アクセルペダルの踏込量（操作量）を検出するアクセル開度センサ１６からの信号に基づいて制御される電子制御式スロットルバルブ１０の単位時間当りの開度変化量が所定値を超えるか否かにより行うことができる。なお、このステップＳ２０２の判定で、内燃機関１が過渡運転状態にないとされたときには、燃料噴射量設定ルーチンは一旦終了され、上述の充填空気量算出ルーチンにて求められて記憶されている充填空気量ＤＪ₁〜ＤＪ₄のうち、当該気筒に１／Ｎサイクル（ただし、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程を１サイクルとし、Ｎは気筒数を示す）だけ先行して圧縮行程を行う気筒の充填空気量ＤＪｎを用いて、燃料噴射量が設定される。なお、過渡運転状態でない、換言すると、定常運転のときは各気筒毎の充填空気量ＤＪnにはさほど差がないので、上述の充填空気量ＤＪ₁〜ＤＪ₄のいずれを用いてもよい。

さらに、ステップＳ２０２の判定で、内燃機関１が過渡運転状態であるとされたときには、ステップＳ２０３に進む。なお、以下の説明では、内燃機関１が＃１、＃３、＃４、＃２気筒の点火順序で燃焼される場合に、＃１気筒に対する燃料噴射量設定を行う手順を例として説明する。

そこで、ステップＳ２０３では、当該＃１気筒の直前の点火順序である＃２気筒における充填空気量ＤＪ₂が、第２の充填空気量として、上述のＥＣＵ２０の記憶装置から読み出される。そして、次のステップＳ２０４では、当該＃１気筒に点火順序が２つ先行する＃４気筒における充填空気量ＤＪ₄が、第１の充填空気量として、上述のＥＣＵ２０の記憶装置から読み出され、かつ、当該＃１気筒に点火順序が先行する少なくとも２つの＃４気筒及び＃２気筒における充填空気量の変化として、充填空気量の差分ΔＤＪ_4→2が算出される。

ここで、内燃機関１における筒内充填空気量の時間に対する変化の様子の一例を図３のタイムチャートに示す。今、点火順序に従い、＃１、＃３、＃４、＃２気筒における筒内充填空気量ＤＪ（ＤＪ₁、ＤＪ₃、ＤＪ₄、ＤＪ₂）を、それぞれ、「□」、「△」、「×」、「○」でプロットすると、内燃機関１の定常運転時においては、＃１、＃３、＃４、＃２気筒における筒内充填空気量ＤＪは時間の経過にかかわらずほぼ等しい。ところが、内燃機関１の過渡運転状態においては、時間の経過と共に各気筒間においても筒内充填空気量ＤＪに差ΔＤＪ_4→2、ΔＤＪ_3→4などが生じていることが分かる。

そこで、次のステップＳ２０５では、＃１気筒の筒内充填空気量予測値ＫＬ₁が、ステップＳ２０３で求めた直前の＃２気筒における筒内充填空気量ＤＪ₂に、ステップＳ２０４で算出された充填空気量の差分ΔＤＪ_4→2を加算すること（ＫＬ₁＝ＤＪ₂＋ΔＤＪ_4→2）により求められる。

そして、次のステップＳ２０６に進み、この＃１気筒における空燃比が運転状態に応じて定められる目標空燃比、例えば、理論空燃比となるように、この筒内充填空気量予測値ＫＬ₁に対する燃料噴射量がマップから決定される。

このようにして決定された＃１気筒への燃料噴射量は、各インジェクタ１２が、図１に示されるように、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配置されているポート噴射式の場合には、＃１気筒の吸入行程の後期に＃１気筒に対応するインジェクタ１２から噴射される。また、インジェクタが対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配置されているいわゆる直噴式内燃機関の場合には、＃１気筒の吸入行程の後期及び／又はその圧縮行程に噴射されてもよい。さらに、インジェクタがポート噴射及び筒内噴射用に複数設けられているいわゆるデュアル噴射式の内燃機関の場合には、ポート噴射のインジェクタから＃１気筒の吸入行程の後期及び筒内噴射用のインジェクタから＃１気筒の吸入行程の後期及び／又はその圧縮行程に噴射されてもよい。

このように、本実施の形態によれば、当該気筒（＃１）に点火順序が２つ先行する気筒（＃４）において充填空気量算出手段により算出された第１の充填空気量（ＤＪ₄）と直前の気筒（＃２）における第２の充填空気量（ＤＪ₂）との差分により充填空気量の変化量（ΔＤＪ_4→2）が求められ、この変化量と直前の第２の充填空気量（ＤＪ₂）とにより、当該気筒（＃１）の充填空気量が予測（ＫＬ₁）されるので、その精度を極めて高くすることができる。

本発明による制御装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。 図１の内燃機関における燃料噴射量設定ルーチンを説明するためのフローチャートである。 内燃機関における筒内充填空気量の時間に対する変化の様子の一例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
１０ スロットルバルブ
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
１６ アクセル開度センサ
２０ ＥＣＵ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (2)

1. 燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
   圧縮行程中かつ燃焼開始前の所定のタイミングで前記筒内圧力検出手段によって検出される筒内圧力に基づいて、前記燃焼室に充填された空気の量を算出する充填空気量算出手段と、を備える内燃機関であって、
   前記内燃機関の過渡運転時には、当該気筒に点火順序が先行する少なくとも２つの気筒における充填空気量の変化に基づき、当該気筒の充填空気量を予測する充填空気量予測手段と、
   前記充填空気量予測手段により予測された充填空気量に基づいて、当該気筒における空燃比が目標空燃比と一致するように燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記充填空気量予測手段は、当該気筒に点火順序が２つ先行する気筒における第１の充填空気量及び直前の気筒における第２の充填空気量の差分と、該直前の第２の充填空気量とに基づき、当該気筒の充填空気量を予測することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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