JP2009092017A

JP2009092017A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2009092017A
Application number: JP2007264632A
Authority: JP
Inventors: Shozo Yoshida; 庄三吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: JP4821753B2

Abstract

【課題】点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期より進角側に制御することにより、内燃機関を最適に制御することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ２０は、エンジンの停止位置が目標停止位置となるように、点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期より進角側に制御する。これによれば、最適点火時期より進角側に制御することにより、回転している内燃機関に対して強力な負のトルクが発生し、エンジン停止位置を制御できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

アイドリング中、補機類（エアーコン、パワーステアリング、オルタネータ等）による負荷トルクが突発的にエンジンにかかるなどしてエンジン回転数が低下することがある。このエンジン回転数が大きい場合には、ＩＳＣ（アイドリング・スピード・コントローラ）によるアイドル状態維持制御が追いつかなくなりストールを起こし、エンジン停止に至ることがある。
エンジン停止した場合には、再指導のために運転者による再起動操作によりクランキングが必要となる。尚、再始動を早期に行うために、例えば、特許文献１は、エンジン停止位置を制御する技術を開示している。

アイドル運転中で、かつ、暖機運転中の際に、従来においては、触媒暖機を促進するために、点火時期の大幅遅角制御を行うが、吸気ポート壁温の暖機は促進されない。吸気ポート壁面の温度が低いと、同じ個所への燃料付着量が増加し、空燃比制御性が低下する場合がある。
特開２００６−１２５３４２号公報

ところで、上記したように、エンジン停止して再始動する場合に、クランキングが必要となるのは、エンジン停止時にクランク角度の制御が行われず、燃焼による再起動に適したエンジン停止クランク角が得られないためである。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期（ＭＢＴ）より進角側に制御することにより、内燃機関を最適に制御す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。

本発明の第１の観点に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の停止位置が目標停止位置となるように、点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期より進角側に制御する進角点火時期制御手段を有する、ことを特徴とする。
この構成によれば、最適点火時期より進角側に制御することにより、回転している内燃機関に対して強力な負のトルクが発生し、エンジン停止位置を制御できる。

上記構成において、前記進角点火時期制御手段は、内燃機関を目標停止位置に停止させる際に、補機負荷を解放するように制御する、構成を採用できる。
この構成によれば、補機負荷を解放することにより、より精度良くエンジン停止位置を制御できる。

本発明の第２の観点に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気ポート部の温度を高めるために、点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期より進角側に制御する進角点火時期制御手段を有する、

本発明によれば、点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期より進角側に制御することにより、内燃機関を最適に制御することができる内燃機関の制御装置が得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の構成を示す概略図である。図示されるように、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。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

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Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部に向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されており、排気管６には三元触媒からなる触媒１１が取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。触媒１１の上流側に排気空燃比を検出するための触媒前センサ１７が設置されている。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等は、制御装置としての電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す）２０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。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７のほか、内燃機関１のクランク角（位相）を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、吸気圧を検出する吸気圧センサ１６、スロットルバルブ１０の開度を検出するスロットル開度センサ１９、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、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等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度、吸気弁開閉タイミング等を制御する。
また、ＥＣＵ２０には、エアーコン、パワーステアリング、オルタネータ等の補機１００が接続されており、これらの起動、停止をすることができるようになっている。

各気筒には、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む筒内圧センサ２２が設けられている。各筒内圧センサ２２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２２は、対応する燃焼室３の筒内圧に比例した電圧信号をＥＣＵ２０に与える。各筒内圧センサ２２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）に所定量ずつ更新記憶される。

次に、ＥＣＵ２０による内燃機関の停止位置制御及びエンスト自動復帰制御の一例について図２に示すフローチャートを参照して説明する。
先ず、イグニションスイッチがオン、すなわち、ＥＣＵ電源がオンしているかを判断し（ステップＳ１）、ＥＣＵ電源がオンしている場合には、アイドリング状態かを判断する（ステップＳ２）。アイドリング状態かの判断は、スロットルバルブ１０が全閉しているかで判断する。
アイドリング状態である場合には、エンジン回転数Ｎｅを取得する（ステップＳ３）。

次いで、取得したエンジン回転数Ｎｅと所定のしきい値Ｎ_ecrとを比較して、エンスト（エンジン・ストール）しているかを判定する（ステップＳ４）。エンジン回転数Ｎｅがしきい値Ｎ_ecrよりも低い場合には、エンストが発生していると判断し、この場合には、内燃機械１の停止位置制御性を向上させるために、補機１００を開放する（ステップＳ５）。

次いで、内燃機関１の再始動に有利な位置でクランクシャフトを停止させるために、圧縮行程にある気筒を判別し（ステップＳ６）、圧縮行程にある気筒のクランク角θ_c（圧縮上死点を基準）を取得する（ステップＳ７）。
次いで、クランク角θ_cが上死点前９０度にあるかを判断し（ステップＳ８）、クランク角θ_cが上死点前９０度に達したところで、エンジン回転数Ｎｅを取得する（ステップＳ９）。

次いで、取得したエンジン回転数Ｎｅに基づいて、エンジン回転エネルギを算出する（ステップＳ１０）。エンジン回転エネルギＥは、次式（１）により算出できる。尚、Ｊはエンジン回転系の慣性モーメントである。
Ｅ＝１８Ｊ（Ｎｅ）²…（１）

次いで、取得したエンジン回転数Ｎｅに基づいて、フリクショントルクＴ_fを求める（ステップＳ１１）。フリクショントルクＴ_fは予め規定したマップから求めることができる。

次いで、図示トルク目標値Ｔ_itを算出する（ステップＳ１２）。具体的には、例えば、４気筒エンジンの場合には、次に燃焼する気筒の点火後、３６０度のクランク角度でエンジン回転を停止させるための図示トルク目標値Ｔ_itを次式（２）により算出する。尚、ｒ_cはクランク半径、πは円周率である。また、４気筒の場合には３６０度回転させればよいが、他の気筒数の場合にはその気筒数に応じた角度となる。
Ｅ＝１８Ｊ（Ｎｅ）²＝２πｒ_c（Ｔ_it＋０．５Ｔ_f）より、
Ｔ_it＝（１８Ｊ（Ｎｅ）²−πｒ_cＴ_f）／２πｒ_c…（２）

次いで、エアーフローメータ５の検出値から充填効率ＫＬを求め（ステップＳ１３）、（２）式により求めた図示トルク目標値Ｔ_itを実現できる点火時期ＳＡを決定すると共に、次に燃焼すべき気筒の点火をカットする（ステップＳ１４）。具体的には、例えば、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すような予め実験から得られた、充填効率ＫＬ及び点火時期ＳＡを引数にもつ図示トルクマップを用いて、点火時期ＳＡを決定する。この点火時期ＳＡは、強力な負のトルクを発生するように、過進角領域にある。

次いで、エンジンが停止したかを判断し（ステップＳ１５）、エンジンが停止している場合には、ステップＳ６で判別した次燃焼気筒（点火されず膨張行程に入っている気筒）のエンジン停止クランク角θ_s、圧力Ｐ_cyl、温度Ｔ_cyl等を取得し、気筒の容積_cylを算出する（ステップＳ１６）。

次いで、得られた圧力Ｐ_cyl、温度Ｔ_cyl、容積_cylから、次燃焼気筒の空気量ｍ_cylを求め、それに見合う燃料を気筒内に噴射するとともに点火して再始動させる（ステップＳ１７）。
次いで、ＥＣＵ電源がオフしているかを判断し（ステップＳ１８）、オフしている場合には処理を終了する。

以上のように、本実施形態では、エンジンストールするのを検出すると、点火時期ＳＡをＭＢＴよりも過進角として、強力な負のトルクを発生させ、所望のクランク角度でエンジンを停止させるとともに、自動的に再始動させることにより、クランキングが不要となる。

次に、本発明の他の実施形態について図４に示すフローチャートを参照して説明する。図４に示すフローチャートは、アイドル運転時に、内燃機関の吸気ポート部の温度を高めるために、点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期より進角側に制御する進角点火時期制御を含むＥＣＵ２０の処理手順の一例を示している。
先ず、ＥＣＵ電源がオンしているかを判断し（ステップＳ２１）、ＥＣＵ電源がオンしている場合には、アイドリング状態かを判断し（ステップＳ２２）、アイドリング状態である場合には、触媒１１の触媒床温Ｔ_cを取得する（ステップＳ２３）。

ここで、触媒床温Ｔ_cと触媒１１の活性温度Ｔ_ccとを比較し（ステップＳ２４）、触媒床温Ｔ_cが触媒１１の活性温度Ｔ_cc以下である場合には、エミッションを低減する観点から、触媒暖機モードで運転する（ステップＳ２９）。この触媒暖機モードは、点火時期としてＭＢＴよりも大遅角領域を使用する。

ステップＳ２４において、触媒床温Ｔ_cが触媒１１の活性温度Ｔ_ccよりも高い場合には、吸気ポート部温度Ｔ_pを取得する（ステップＳ２５）。吸気ポート部温度Ｔ_pは、例えば、吸気ポート付近の冷却水の温度等、吸気ポート壁面に近い位置での温度を測定するのが望ましい。

次いで、吸気ポート部温度Ｔ_pと所定のしきい値Ｔ_pcとを比較し（ステップＳ２６）、吸気ポート部温度Ｔ_pが所定のしきい値Ｔ_pcよりも高い場合には、通常アイドルモードで運転する（ステップＳ２８）。すなわち、触媒床温Ｔ_c、吸気ポート部温度Ｔ_pが共にしきい値よりも高い場合には、通常のアイドル点火時期で運転する。

ステップＳ２６において、吸気ポート部温度Ｔ_pが所定のしきい値Ｔ_pc以下の場合には、吸気ポート暖機モードで運転する（ステップＳ２７）。吸気ポート部温度Ｔ_pが所定のしきい値Ｔ_pc（例えば、６０℃）よりも低い場合、吸気ポートの残留燃料が多く、Ａ／Ｆ制御性が悪化していると予想されるため、吸気ポート付近の暖機を促進するために、通常アイドル制御（点火時期は遅角域）と同等のトルクを発生しうるＭＢＴよりも過進角側の点火時期で運転する。
尚、図５に示すように、ＭＢＴを間に挟んで、遅角方向と進角方向とでトルクの点火時期感度は概ね対称（等しい）となる。このため、通常モードの点火時期をＳＡ_ret、過進角モードの点火時期をＳＡ_advとすると、ＭＢＴ−ＳＡ_ret＜１５のとき、次式（３）が成立する。
ＳＡ_adv＝２ＭＢＴ−ＳＡ_ret…（３）

上記実施形態において、吸気ポート壁面への燃料付着量を推定するモデルをさらに備え、燃料付着量を運転モード選択のパラメータに加えてもよい。この場合、アイドル運転中のエミッション性能と空燃比制御性のさらなる向上が期待できる。

本発明が適用される内燃機関の構成の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る制御装置の処理手順を示すフローチャートである。（Ａ）は点火時期と図示トルクとの関係を示すマップ、（Ｂ）は充填効率と図示トルクとの関係を示すマップである。本発明の他の実施形態に係る制御装置の処理手順を示すフローチャートである。点火時期とトルクとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１…内燃機関
５…エアフローメータ
７…点火プラグ
１０…スロットルバルブ
１２…インジェクタ
１５…アクセル開度センサ
１７…触媒前センサ
１９…スロットル開度センサ
２０…ＥＣＵ（制御装置）
２２…筒内圧センサ
１００…補機

Claims

内燃機関の停止位置が目標停止位置となるように、点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期より進角側に制御する進角点火時期制御手段を有する、
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記進角点火時期制御手段は、内燃機関を目標停止位置に停止させる際に、補機負荷を解放するように制御する、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。
内燃機関の吸気ポート部の温度を高めるために、点火時期を最大トルクが得られる最適点火時期より進角側に制御する進角点火時期制御手段を有する、
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。