JP2009174401A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時におけるドライバビリティ及びエミッション性能を高いレベルで両立できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の機関回転数と目標回転数との偏差から図示トルク目標値を算出し（ステップＳ２〜Ｓ５）、始動時における排気中のエミッションの量が最小化されるように、前記図示トルク目標値を実現する燃料噴射量及び点火時期を最適化し（ステップＳ６，Ｓ７）、最適化実行後における内燃機関の機関回転数と目標回転数との偏差が所定の範囲から外れる場合には、偏差に応じて燃料噴射量と図示トルク目標値とを個別に補正する（Ｓ１１〜Ｓ２２）。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関では、始動時、特に、冷間始動時においては、空燃比センサが活性化していないのでＨＣの排出量が増大する可能性がある。このため、特許文献１は、フリクショントルク及び機関回転数の変化速度に基いて始動時の発生トルクを推定し、推定した発生トルクに基いて空燃比を算出し、始動時から排気性能の向上を図る技術を開示している。
特許文献２は、内燃機関の始動直後から空燃比を精度良く制御すべく、始動時トルクから空燃比と点火時期を算出する技術を開示している。

特開２００５−３０２５２号公報 特開２００５−１２０８８６号公報

従来において、内燃機関における始動時燃料噴射量、及び点火時期は、適合時（工場出荷時）に最適化された値であり、又、雰囲気条件（大気圧，気温）、機差等のばらつきに対する補正は行われていない。
このため、供給燃料の揮発性や、経年変化、機差に起因するフリクショントルクのばらつきが冷間始動時におけるドライバビリティ（回転数挙動）及びエミッション性能に影響するという問題があった。

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、冷間始動時におけるドライバビリティ及びエミッション性能を高いレベルで両立できる内燃機関の制御装置を提供する。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の機関回転数と目標回転数との偏差から図示トルク目標値を算出するトルク算出手段と、始動時における排気中のエミッションの量が最小化されるように、前記図示トルク目標値を実現する燃料噴射量及び点火時期を最適化する最適化手段と、前記最適化手段の実行後における内燃機関の機関回転数と目標回転数との偏差が所定の範囲から外れる場合には、前記偏差に応じて前記燃料噴射量と前記図示トルク目標値とを個別に補正する補正手段と、を有することを特徴とする。

上記構成において、前記補正手段は、内燃機関の圧縮行程気筒内ガスのポリトロープ指数を算出し、このポリトロープ指数から空燃比を算出し、得られた空燃比に応じて前記燃料噴射量を補正する空燃比ずれ補正手段を含む、構成を採用できる。また、前記補正手段は、前記空燃比補正手段の実行後の内燃機関の機関回転数と目標回転数との偏差が所定の範囲から外れる場合には、前記偏差に応じて前記図示トルク目標値を補正するフリクションずれ補正手段をさらに含む、構成を採用できる。

本発明によれば、冷間始動時におけるドライバビリティ及びエミッション性能を高いレベルで両立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、本発明に係る制御装置が適用される内燃機関の一例を示す構成図である。
エンジン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。

エンジン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。また、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。

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。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

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、三元触媒からなる上流触媒１１と下流触媒１９とが直列に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。上流触媒１１は、排気熱を利用して早期に活性化できるよう、燃焼室３から比較的近い位置に取り付けられている。他方、下流触媒１９は、例えば車両の床下等、燃焼室３から比較的遠い位置に取り付けられている。尚、上流触媒１１の上流側には空燃比センサ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及びインジェクタ１２等は、制御手段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、エンジン１のクランク角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、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、スロットル開度等を制御する。

次に、始動時におけるＥＣＵ２０によるエンジン１の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されたかを判断する（ステップＳ１）。すなわち、エンジン１が始動されたかを判断し、エンジン１が始動された場合には、エンジン回転数ＮＥを取得する（ステップＳ２）。

次いで、取得したエンジン回転数ＮＥが所定の回転数、例えば６００ｒｐｍを越えているかを判断し(ステップＳ３)、越えていない場合には未だ始動されていないと判断し、越えている場合には充填効率ＫＬを算出する(ステップＳ４)。充填効率ＫＬとは、指定された大気状態におけるエンジン１の吸気効率を示す指標である。

次いで、図示トルク目標値Ｔitを算出する(ステップＳ５)。図示トルク目標値Ｔitは、現在のエンジン回転数ＮＥと目標回転数ＮＥｔ（冷間始動時には、例えば、１０００ｒｐｍ前後）との偏差に基いて周知の手法で計算される。

次いで、算出した図示トルク目標値Ｔitを実現できる基本燃料噴射量及び基本点火時期の組み合わせを求める(ステップＳ６)。具体的には、たとえば、図３に示すように、予め実験的に求められたトルクマップから図示トルク目標値Ｔitを実現できる基本燃料噴射量及び基本点火時期の組み合わせをｎ点求める。図３に示すトルクマップは、エンジン回転数、充填効率、燃料噴射量、点火時期を関係付ける４次元マップである。

次いで、燃料噴射量、点火時期の最適値を算出する(ステップＳ７)。具体的には、ステップＳ６で求めたｎ点の基本燃料噴射量及び基本点火時期の組み合わせから、ＨＣ(炭化水素)の排出量、すなわち、始動時における排気中のエミッションの量を最小化できる基本燃料噴射量及び基本点火時期の組み合わせを決定する。ＨＣ(炭化水素)の排出量を最小化できる基本燃料噴射量及び基本点火時期の組み合わせを決定するには、以下に示す事前に求めておいた排出ＨＣエミッションのモデル式（１）を使用する。尚、（１）式において、ＨＣ（ｋ）は排出量であり、Ｅｔａｕは燃料噴射量であり、ＳＡは点火時期であり、a00-a18はモデル定数であり、ｋは時間ステップ（制御周期）である。また、ステップＳ６，Ｓ７は、始動時における排気中のエミッションの量が最小化されるように、図示トルク目標値Ｔｉｔを実現する燃料噴射量及び点火時期を最適化する最適化手段を構成している。

次いで、最適化された燃料噴射量Ｔａｕopt、点火時期ＳＡoptで制御されたエンジン１のエンジン回転数ＮＥを取得する(ステップＳ８)。

次いで、回転数偏差ΔＮＥを算出する(ステップＳ９)。回転数偏差ΔＮＥは、目標回転数ＮＥｔとステップＳ８で求めたエンジン回転数ＮＥとの差である。

次いで、算出した回転数偏差ΔＮＥの絶対値が所定の範囲Ｃに収まっているかを判断する(ステップＳ１０)。

ステップ１０において、回転数偏差ΔＮＥの絶対値が所定の範囲Ｃに収まっている場合には処理を終了する。尚、ステップＳ１〜Ｓ１０は、エミッションの低減優先で燃料噴射量及び点火時期を同時に最適化する処理である。

ステップ１０において、回転数偏差ΔＮＥの絶対値が所定の範囲Ｃに収まっていない場合には、ステップＳ１１〜Ｓ１７において、燃料噴射量を補正する。具体的には、先ず、クランク角が上死点前９０度であるかを判断し(ステップＳ１１)、クランク角が上死点前９０度に到達したところで、圧縮行程気筒内圧Ｐ₉₀を取得する(ステップＳ１２)。

次いで、クランク角が上死点前４５度であるかを判断し(ステップＳ１３)、クランク角が上死点前４５度に到達したところで、圧縮行程気筒内圧Ｐ₄₅を取得する(ステップＳ１４)。

次いで、圧縮行程気筒内ガスのポリトロープ指数ｍを次式（２）により算出する（ステップＳ１５）。尚、Ｖ₄₅はクランク角が上死点前４５度のときの筒内容積であり、Ｖ₉₀はクランク角あｇ上死点前９０度のときの筒内容積である。

次いで、ステップＳ１５で求めたポリトロープ指数ｍを用いて、例えば、図４に示すようなマップから空燃比ＡＦＲを算出する (ステップＳ１６)。

次いで、ステップＳ１６で求めた空燃比ＡＦＲを用いて燃料噴射量補正係数Ｋ_tauを次式（３）により算出する(ステップＳ１７)。尚、ステップＳ１１〜Ｓ１７までの処理により、空燃比ずれ補正手段が構成される。

次いで、燃料噴射量補正係数Ｋ_tauを用いて補正された燃料噴射量により得られるエンジン回転数ＮＥを取得する(ステップＳ１８)。
次いで、回転数偏差ΔＮＥを算出する(ステップＳ１９)。回転数偏差ΔＮＥは、目標回転数ＮＥｔとステップＳ１８で求めたエンジン回転数ＮＥとの差である。

次いで、算出した回転数偏差ΔＮＥの絶対値が所定の範囲Ｃに収まっているかを判断する(ステップＳ２０)。
算出した回転数偏差ΔＮＥの絶対値が所定の範囲Ｃに収まっている場合には処理を終了する。

算出した回転数偏差ΔＮＥの絶対値が所定の範囲Ｃに収まっていない場合には、図示トルク目標値Ｔitを補正するための補正係数Ｋtqを算出する
(ステップＳ２１)。補正係数Ｋtqは、例えば、図５に示すような予め求めておいた回転数偏差ΔＮＥと関係付けられたマップを用いて決定する。

次いで、補正係数Ｋtqを用いて、次式（４）により図示トルク目標値Ｔitを補正する(ステップＳ２２)。尚、ステップＳ２１，Ｓ２２はフリクションずれ補正手段を構成する。

図示トルク目標値Ｔitが再計算された後には、ステップＳ６，Ｓ７において、再度、燃料噴射量及び点火時期の最適化処理が行われる。

本発明に係る制御装置が適用される内燃機関の一例を示す構成図である。 ＥＣＵにより制御処理の一例を示すフローチャートである。 図示トルク目標値を実現できる燃料噴射量と点火時期との組み合わせを示すマップの一例である。 ポリトロープ指数と空燃比とを関係付けるマップの一例である。 機関回転数と目標回転数との偏差と図示トルク目標値補正係数とを関係付けるマップの一例である。

符号の説明

１…エンジン（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
１４…クランク角センサ
１５…アクセル開度センサ
１７…空燃比センサ
２０…ＥＣＵ(制御装置、トルク算出手段、最適化手段、補正手段)

Claims (3)

1. 内燃機関の機関回転数と目標回転数との偏差から図示トルク目標値を算出するトルク算出手段と、
   始動時における排気中のエミッションの量が最小化されるように、前記図示トルク目標値を実現する燃料噴射量及び点火時期を最適化する最適化手段と、
   前記最適化手段の実行後における内燃機関の機関回転数と目標回転数との偏差が所定の範囲から外れる場合には、前記偏差に応じて前記燃料噴射量と前記図示トルク目標値とを個別に補正する補正手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記補正手段は、内燃機関の圧縮行程気筒内ガスのポリトロープ指数を算出し、このポリトロープ指数から空燃比を算出し、得られた空燃比に応じて前記燃料噴射量を補正する空燃比ずれ補正手段を含む、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。
3. 前記補正手段は、前記空燃比補正手段の実行後の内燃機関の機関回転数と目標回転数との偏差が所定の範囲から外れる場合には、前記偏差に応じて前記図示トルク目標値を補正するフリクションずれ補正手段をさらに含む、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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