JP2009127508A

JP2009127508A - 内燃機関用の燃焼制御装置

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Publication number: JP2009127508A
Application number: JP2007302761A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Izumi; 光宏泉; Yasuteru Kawashima; 康照川島
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP5084467B2

Abstract

【課題】最適量までＥＧＲ量を増加させることができる燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】放電ノイズ終了後のデータを抽出するためのウインド区間を特定するウインド特定手段と、前記ウインド区間の前記検出信号に、ＢＰＦ処理を施してイオン電流を抽出する抽出手段と、検出されたイオン電流について、(1)イオン電流のピーク値、(2)イオン電流の時間積分値、(3)イオン電流がピーク値を示すクランク角、(4)イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角、(5)イオン電流の開始位置を示すクランク角、(6)イオン電流の終了位置を示すクランク角、の何れか一つ以上を組合せて算出した演算値に基づいて制御パラメータを特定する算出手段と、特定された前記制御パラメータを、予め決定されている目標値と比較し、前記目標値に近づくようにＥＧＲ量を変化させるフィードバック制御を実行する点火制御手段とを有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関において、最適なＥＧＲ制御を可能にした燃焼制御装置に関する。

昨今、排気の一部を吸気通路に還流する外部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）量を制御する構成や、吸気バルブの動作特性を変更して内部ＥＧＲ量を制御する構成を採るエンジンが知られている。外部ＥＧＲ量であるか内部ＥＧＲ量であるかに拘わらず、ＥＧＲ量を増加させるとポンピングロス（吸入抵抗損失）の低減などによって燃費が改善される。

しかしながら、ＥＧＲ量が多すぎると燃焼が悪化するため、現状では、エンジン性能その他の特性のバラツキを考慮して、余裕をもって最適量より少な目のＥＧＲ量に設定せざるを得ないという問題がある。

ここで、リアルタイムに変化する運転条件に対応して、常に最適なＥＧＲ量に制御することができれば、燃費向上に有効に貢献することができる。

本発明は、上記の着想に基づいてなされたものであって、最適量までＥＧＲ量を増加させることができる燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、内燃機関の燃焼室への吸気通路と、前記燃焼室からの排気通路と、を連通する排気還流通路を設け、排気還流通路を開閉する開閉弁を制御して、前記排気通路から前記吸気路に還流される排気流量を調整すること、及び／又は、前記吸気通路を開閉する吸気弁と、前記排気通路を開閉する排気弁のいずれも開放させる重複期間を調整することでＥＧＲ制御を実現する燃焼制御装置であって、放電ノイズ終了後のデータを抽出するためのウインド区間を特定するウインド特定手段と、前記ウインド区間の前記検出信号に、ＢＰＦ処理を施してイオン電流を抽出する抽出手段と、検出されたイオン電流について、(1)イオン電流のピーク値、(2)イオン電流の時間積分値、(3)イオン電流がピーク値を示すクランク角、(4)イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角、(5)イオン電流の開始位置を示すクランク角、(6)イオン電流の終了位置を示すクランク角、の何れか一つ以上を組合せて算出した演算値に基づいて制御パラメータを特定する算出手段と、特定された前記制御パラメータを、予め決定されている目標値と比較し、前記目標値に近づくようにＥＧＲ量を変化させるフィードバック制御を実行する点火制御手段と、を有して構成される。

本発明は、イオン電流の挙動に基づいて燃焼状態を把握し、燃焼を悪化させない最適量までＥＧＲ量を増加させる点に特徴がある。そして、そのための制御パラメータは、燃焼サイクル毎に取得される(1)〜(6)の瞬時値に基づいて決定されるか、或いは、直近の複数回に取得された(1）〜(6)の瞬時値の統計データに基づいて決定される。

例えば、(1)［イオン電流のピーク値］や、(2)［イオン電流の時間積分値］の瞬時値を使用する場合、ＥＧＲ量を増加させるほど、ピーク値や時間積分値が低下するので、予め定めた目標値に一致するようＥＧＲ量を変化させる。

また、(3)［イオン電流がピーク値を示すクランク角］や、(4)［イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角］の瞬時値を使用する場合、ＥＧＲ量を増加させるほど、これらのクランク角が遅れるので、予め定めた目標クランク角に一致するようＥＧＲ量を変化させる。

(5)［イオン電流の開始位置を示すクランク角］や、(6)［イオン電流の終了位置を示すクランク角］の瞬時値を使用する場合も同様であり、ＥＧＲ量を増加させるほど、これらのクランク角が遅れるので、予め定めた目標クランク角に一致するようＥＧＲ量を変化させる。

瞬時値を使用する場合、特に効果的な制御方法は、(4)［イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角］を用いたフィードバック制御である。この場合に、制御感度を高めるために、以下のような比率ＲＴＯ１〜ＲＴＯ３を使用するのが好適である。

一方、先に説明した通り、直近の複数回に取得された(1）〜(6)の瞬時値の統計データに基づいて、制御パラメータを決定することもできる。例えば、(1)［イオン電流のピーク値］や、(2)［イオン電流の時間積分値］の相加平均値を使用する場合、ＥＧＲ量を増加させるほど、相加平均値が低下するので、予め定めた目標値に一致するようＥＧＲ量を変化させる。

逆に、(3)［イオン電流がピーク値を示すクランク角］や、(4)［イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角］や、(5)［イオン電流の開始位置を示すクランク角］や、(6)［イオン電流の終了位置を示すクランク角］の相加平均値を使用する場合、ＥＧＲ量を増加させるほど、これらの相加平均値が大きくなるので、予め定めた目標値に一致するようＥＧＲ量を変化させる。特に好適であるのは、(3)［イオン電流がピーク値を示すクランク角］の相加平均値を使用したフィードバック制御である。

また、統計値としては、相加平均値に限定されるものではなく、標準偏差を使用するのも好適である。特に好適であるのは、(3)［イオン電流がピーク値を示すクランク角］の標準偏差値を使用したフィードバック制御である。なお、標準偏差は、例えば下式によって算出される。

また、(5)［イオン電流の開始位置を示すクランク角］の変動率を使用したフィードバック制御も好適である。ここで、変動率とは、［標準偏差値］／［相加平均値］で算出され、ＥＧＲ量を増加させるほど、［イオン電流の開始位置を示すクランク角］の変動率が増加するので、予め定めた変動率の目標値に一致するようＥＧＲ量を変化させる。

更にまた制御感度を高めるためには、［相加平均値］の累乗＊［標準偏差値］で算出される制御パラメータを採るのも効果的である。なお、＊は積算を意味する。(1)［イオン電流のピーク値］や、(2)［イオン電流の時間積分値］について、前記の制御パラメータを使用すると、ＥＧＲ量を増加させるほど、算出値が低下する。一方、(3)［イオン電流がピーク値を示すクランク角］や、(4)［イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角］や、(5)［イオン電流の開始位置を示すクランク角］や、(6)［イオン電流の終了位置を示すクランク角］について、前記の制御パラメータを使用すると、ＥＧＲ量を増加させるほど、算出値が増加する。

以上説明した本発明によれば、最適量までＥＧＲ量を増加させることができる燃焼制御装置を実現できる。

以下、本発明を実施形態について詳細に説明する。

図１（ａ）は、内燃機関用の燃焼制御装置ＥＱＵを示す回路図である。この燃焼制御装置ＥＱＵは、１次コイル１Ｐと２次コイル１Ｓとが電磁結合された点火コイル１と、点火コイル１を断続的に駆動するスイッチングトランジスタ２と、点火コイルの２次コイル１Ｓに接続されたイオン電流検出回路３と、スイッチングトランジスタ２をＯＮ／ＯＦＦ制御すると共にイオン電流検出回路３からのアナログ検出信号ＳＧを受けるＥＣＵ（電子制御ユニット：Electronic Control Unit）４とで構成されている。そして、点火コイルの２次コイル１Ｓとグランドラインとの間に点火プラグ５が接続されている。

図示の通り、スイッチングトランジスタ２のベース端子は、ＥＣＵ４に接続され、コレクタ端子は、点火コイルの一次コイル１Ｐに接続され、エミッタ端子は、グランドラインに接続されている。

イオン電流検出回路３は、点火プラグ５の放電電流で充電されるバイアス用のコンデンサＣと、コンデンサＣに並列接続されてコンデンサＣの充電電圧を規制するツェナーダイオードＺＤと、ツェナーダイオードＺＤに直列接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の両端に接続された増幅部ＡＭＰとで構成されている。

ツェナーダイオードＺＤとダイオードＤ１のアノード端子は、互いに直結され、ダイオードＤ１のカソード端子はグランドラインに接続されている。また、ツェナーダイオードＺＤのカソード端子は、二次コイル１Ｓに接続されている。

イオン電流検出回路３の増幅部ＡＭＰは、反転端子と非反転端子と出力端子とを有する増幅素子Ｑ１と、増幅素子Ｑ１の反転端子に接続される入力抵抗Ｒ１と、増幅素子Ｑ１の反転端子と出力端子の間に接続される帰還抵抗Ｒ２とで構成されている。なお、増幅素子Ｑ１の反転端子とグランドラインとの間に、増幅素子Ｑ１を保護するためのダイオードＤ２を接続しても良い。

増幅素子Ｑ１として、この実施例では、ＯＰアンプを使用している。ＯＰアンプは、その入力インピーダンスがほぼ無限大で、反転端子と非反転端子との間が、仮想的に短絡状態である。そのため、図１（ｂ）に示す電流Ｉは、入力抵抗Ｒ１と帰還抵抗Ｒ２に共通して流れることになり、増幅部ＡＭＰの出力電圧Ｖｏｕｔは、電流Ｉと帰還抵抗Ｒ２の積となる（Ｖｏｕｔ＝Ｉ×Ｒ２）。つまり、この増幅部ＡＭＰでは、帰還抵抗Ｒ２が入力電流Ｉの検出抵抗として機能している。

図１の回路構成において、二次コイル１Ｓに負の高電圧が発生すると、図１（ａ）に示すように、点火プラグ５が点火放電し、点火電流がコンデンサＣを充電する。この時、コンデンサＣにはツェナーダイオードＺＤが並列接続されているので、コンデンサＣの両端電圧は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧Ｖｚに一致する。なお、この放電時には、ダイオードＤ１が短絡状態（ＯＮ）となるので、入力抵抗Ｒ１やその他の回路素子に流れる電流を無視することができる。

その後、二次コイル１Ｓの高電圧が消滅すると（図１（ｄ）参照）、コンデンサＣに充電されたバイアス電圧は、図１（ｂ）に示す経路で放電する。この放電電流は、イオン電流Ｉに他ならず（図１（ｅ）参照）、イオン電流Ｉは、増幅素子Ｑ１の出力端子→帰還抵抗Ｒ２→入力抵抗Ｒ１→コンデンサＣ→二次コイル１Ｓ→点火プラグ５の経路で流れる。先に説明した通り、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｒ２×Ｉの関係が成立するので、増幅部ＡＭＰからはイオン電流Ｉに比例した電圧が得られる。

ＥＣＵ４は、ＣＰＵ４ａと、Ａ／Ｄコンバータ４ｂと、出力ポート４ｃと、メモリ部４ｄとを有して構成されている。そして、Ａ／Ｄコンバータ４ｂは、イオン電流検出回路３からアナログ検出信号ＳＧを直接的に受けて、これデジタルデータに変換している。また、出力ポート４ｃからは、スイッチングトランジスタ２のベース端子に向けて点火パルスが出力されている。

図２は、本発明が適用される内燃機関の概略構成を図示したものである。ここでは、吸入行程、圧縮行程、爆発行程、及び排気行程の４サイクルを繰り返して出力する典型的な自動車エンジンを例示している。そして、図２には、ピストン２０やコンロッド２１が設けられた燃焼室２２と、燃焼室２２への吸気通路２３と、燃焼室２２からの排気通路２４とが示されている。

また、この実施例では、吸気通路２３と排気通路２４とを連通するＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation）通路２５が設けられており、排気ガスの一部がＥＧＲ通路２５を経由して吸気通路２３に還流されている。このＥＧＲ通路２５には、ＥＣＵ４によって制御されるＥＧＲ弁２６が配置され、還流される排気ガスの流量を調整する外部ＥＧＲ制御を可能にしている。

また、吸気通路２３と燃焼室２２の境界は吸気弁２５によって開閉され、燃焼室２２と排気通路２４との境界は排気弁２６によって開閉される。これら吸気弁２５や排気弁２６は、ＥＣＵ４からの指令に基づき動作する可変機構によって、開閉タイミングが可変制御される。本発明では、吸気弁２５と排気弁２６のいずれも開放させる重複期間（バルブオーバラップ期間）を制御することで内部ＥＧＲ制御も可能にしている。

燃焼室２２の頂部には、点火コイル１に接続されて高電圧を受ける点火プラグ５が配置されている。また、このエンジンには、アクセルの踏込量に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサや、クランクシャフトの回転速度（エンジン回転数）を出力する回転速度センサや、吸気通路２５を通じて燃焼室２２に導入される吸入空気量に応じた信号を出力するエアフロメータや、吸気通路２５内の吸気圧に応じた信号を出力する吸気圧センサや、燃焼室２２内の筒内圧に応じた信号を出力する筒内圧センサなどが設けられ、各センサからの信号は、各々ＥＣＵ４に供給されている。

以下、図２に示すようなＥＧＲ通路２５を設けた自動車エンジンを、図１に示す燃焼制御装置ＥＱＵを使用してＥＧＲ制御を実施した場合の制御特性について説明する。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、ＥＧＲ弁を制御して外部ＥＧＲ量を増加させた場合における［イオン電流のピーク値］、［イオン電流の５０％面積］、［イオン電流がピーク値を示すクランク角］、及び［イオン電流の５０％面積位置を示すクランク角］の傾向を示す実験結果である。

外部ＥＧＲ量を三段階（小・中・大）に設定し、ＥＧＲ量以外の運転条件を同一にして取得した複数のデータを記載している。なお、全ての図面において、折線は、同一の外部ＥＧＲ量における多数の取得データの平均値について、これを直線で結んだものである。

図３（ａ）において、［イオンピーク値］とは、イオン電流波形における第二ピークの値を意味する。すなわち、エンジンが正常に燃焼している場合には、放電ノイズ区間の終了後のイオン電流は、第一ピークを示した後、上死点ＴＤＣの手前で減少して再び増加し、燃焼圧が最大となるクランク角の近傍で最大となり第二ピークを示すが（図１（ｅ）参照）、図３（ａ）に示す通り、この第二ピークの値が、外部ＥＧＲ量の増加に応じて減少する。

図３（ｂ）において、［イオン５０％面積］とは、放電ノイズ区間の終了後のイオン電流について算出した時間積分値の５０％の値を意味する。この５０％面積値も、外部ＥＧＲ量の増加に応じて減少する。

一方、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示す通り、［イオン電流がピーク値を示すクランク角］や［イオン電流の５０％面積位置を示すクランク角］は、外部ＥＧＲ量の増加に応じて増加する。

図３によれば、外部ＥＧＲ量の変化に応じて、各制御パラメータが有意に変化することが確認されるので、実験的に最適な目標値を特定し、その目標値に一致するように燃焼制御をすれば、燃焼を悪化させない最大の外部ＥＧＲ量で運転できることになる。なお、最も効果的な制御パラメータは、［イオン電流の５０％面積位置を示すクランク角］である。

そして、この［イオン電流の５０％面積位置を示すクランク角］を使用する比率であるＲＴＯ１＝［イオン電流の５０％面積］／［５０％面積位置を示すクランク角］や、ＲＴＯ２＝［イオン電流の５０％面積］／（［５０％面積位置を示すクランク角］＊３）や、ＲＴＯ３＝［イオン電流の５０％面積］／（［５０％面積位置を示すクランク角］＾３）などの制御パラメータを使用すれば、フィードバック制御の制御性能を更に向上させることができる。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、外部ＥＧＲ量の増加に応じて、上記した比率ＲＴＯ１〜ＲＴＯ３が有意に減少することを示している。なお＊は積算、＾は累乗、／は除算を意味する。

以上、図３と図４は瞬時値に基づいて燃焼制御を実現する場合を示しているが、統計的な制御パラメータを使用しても最適なＥＧＲ制御が可能となる。例えば、図５（ａ）は、［イオン電流の５０％面積位置を示すクランク角］の数サイクルの平均値と、外部ＥＧＲ量との関係を示している。また、図５（ｂ）は、［イオン電流の５０％面積位置を示すクランク角］の数サイクルの標準偏差値と、外部ＥＧＲ量との関係を示している。いずれの場合も、内部ＥＧＲ量を二段階（大・小）に変化させている。なお、平均計算や偏差計算における母数は、燃焼状態に応じて異なるが、通常は４〜８程度である。また、標準偏差は下記の式により算出される。

図５（ｃ）は、［イオン電流の開始位置を示すクランク角］の変動率と、外部ＥＧＲ量との関係を図示したものであり、外部ＥＧＲ量を増加させるほど変動率が増加することを示している。なお、変動率は、［標準偏差値］／［相加平均値］で算出される。図５（ｄ）は、［イオン電流の５０％面積］の数値を強調する演算を施した場合であり、ここでは、［標準偏差値］＊［相加平均値］の強調式を使用している。

以上の通り、図５に示す統計値も、外部ＥＧＲ量の増加に対応して有意に増加するので、適当な目標値を実験的に求め、その目標値に一致するよう外部ＥＧＲ量をフィードバック制御すれば良いことが確認される。内部ＥＧＲ量を制御することも可能であるが、制御感度が外部ＥＧＲ量ほど高くないので、内部ＥＧＲ量単独による制御ではなく、外部ＥＧＲ量と内部ＥＧＲ量とを組み合わせた燃焼制御が有効である。特に、図５（ｂ）〜図５（ｃ）の統計パラメータを使用する場合には、小レベルの内部ＥＧＲ制御を併用した方が、外部ＥＧＲ制御の制御感度が向上することが示されている。

ところで、イオン電流の抽出手法は特に限定されないが、例えば、イオン電流検出回路の出力電圧（検出信号）を取得してＡＤ変換してメモリに記憶し（ＳＴ１）、メモリに記憶した検出信号について、切出しウインド内のデータにＢＰＦ処理を施すこと（ＳＴ２）によって、イオン電流信号が抽出される。

なお、切出しウインドの開始点は、放電ノイズの終了点とすれば良い。ここで、放電ノイズとは、点火プラグの火花放電終了直後に、点火コイルの残留磁気エネルギによって発生するＬＣ共振波を意味する。この放電ノイズは、原理的にＬＣ共振波であるため、ほぼ左右対称であり、且つ、放電ノイズ波形と本来のイオン電流波形とは、その急峻度において区別可能であるので、この点を利用して放電ノイズの終了点を特定することができる。

一方、この放電ノイズの終了点や、イオン電流の終了点は、運転条件に応じて変化するものの、運転条件毎に予め実験的に特定することも可能である。したがって、運転条件を示すセンサ出力を検出キーにする「切出しウインドテーブル」をメモリに記憶しておき、リアルタイムに変化するセンサ出力に基づいて最適な切出しウインドを選択するのも好適である。

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、具体的な記載内容は、特に本発明を限定するものではない。

実施例に係る燃焼制御装置の回路構成を示す回路図である。実施例に係る内燃機関の概略構成を図示したものである。実験結果を示す図面である。実験結果を示す図面である。実験結果を示す図面である。

符号の説明

ＥＱＵ燃焼制御装置
２３吸気通路
２４排気通路
２５排気還流通路
２７吸気弁
２８排気弁

Claims

内燃機関の燃焼室への吸気通路と、前記燃焼室からの排気通路と、を連通する排気還流通路を設け、排気還流通路を開閉する開閉弁を制御して、前記排気通路から前記吸気路に還流される排気流量を調整すること、及び／又は、前記吸気通路を開閉する吸気弁と、前記排気通路を開閉する排気弁のいずれも開放させる重複期間を調整することでＥＧＲ制御を実現する燃焼制御装置であって、
放電ノイズ終了後のデータを抽出するためのウインド区間を特定するウインド特定手段と、
前記ウインド区間の前記検出信号に、ＢＰＦ処理を施してイオン電流を抽出する抽出手段と、
検出されたイオン電流について、(1)イオン電流のピーク値、(2)イオン電流の時間積分値、(3)イオン電流がピーク値を示すクランク角、(4)イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角、(5)イオン電流の開始位置を示すクランク角、(6)イオン電流の終了位置を示すクランク角、の何れか一つ以上を組合せて算出した演算値に基づいて制御パラメータを特定する算出手段と、
特定された前記制御パラメータを、予め決定されている目標値と比較し、前記目標値に近づくようにＥＧＲ量を変化させるフィードバック制御を実行する点火制御手段と、
を有して構成されることを特徴とする燃焼制御装置。
前記制御パラメータは、
(1)イオン電流のピーク値、又は(2)イオン電流の時間積分値の何れかである第１パラメータと、
(3)イオン電流がピーク値を示すクランク角、(4)イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角、(5)イオン電流の開始位置を示すクランク角、又は(6)イオン電流の終了位置を示すクランク角の何れかである第２パラメータと、
の比率ＲＴＯに基づいて算出される請求項１に記載の燃焼制御装置。
前記制御パラメータは、前記比率ＲＴＯに、所定の係数を積算して算出される請求項２に記載の燃焼制御装置。
前記制御パラメータは、前記比率ＲＴＯの分子又は分母に、前記第１パラメータ又は第２パラメータの累乗値を、乗算して算出される請求項２に記載の燃焼制御装置。
前記制御パラメータは、
(1)イオン電流のピーク値、(2)イオン電流の時間積分値、(3)イオン電流がピーク値を示すクランク角、(4)イオン電流の時間積分値の５０％位置を示すクランク角、(5)イオン電流の開始位置を示すクランク角、又は(6)イオン電流の終了位置を示すクランク角の何れかに基づいて統計的に算出される平均値又は偏差である請求項１に記載の燃焼制御装置。