JP2009235908A - エンジン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料中に水分が混入している場合であっても、安定した機関の燃焼を維持することができるエンジン制御装置を提供することを課題とする。
【解決手段】エンジンン制御装置は、燃料中の水分を検出する水分検出手段と、この水分検出手段による検出値に基づいて、燃焼変動にかかわるパラメータの限界値を変更する制御部と、を備えている。エンジン制御装置は、燃焼変動にかかわるパラメータとして、ＥＧＲの限界値を採用し、燃料中の水分含有量が多くになるに従ってＥＧＲの限界値を低下させる。これにより燃焼変動を抑制し、ドラビリの悪化、エンジンの停止を抑制する。
【選択図】図５

Description

本発明は、エンジン制御装置に関する。

従来、ＮＯＸ、エミッションの低減、燃費の改善等に効果的な手段としてＥＧＲ（排気ガス再循環；Exhaust Gas Recirculation）装置が用いられている。このようなＥＧＲ装置を改良するものとして、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１では、燃焼状態が安定状態を越えた場合に、ＥＧＲ率を速やかに安定サイドに制御する内燃機関の燃焼制御装置の提案がなされている。具体的には、筒内圧力センサからの信号に基づいて筒内圧力最大時期を検出し、目標値との差を算出し、これに応じてＥＧＲ率補正量を増減設定し、これによりＥＧＲ率を補正することを行っている。

特開平５−２１５００４号公報

ところで、燃料中には、種々の原因により水分が混入することがある。特に、アルコールが混入した燃料が用いられる車両（ＦＦＶ；Flexible Fuel Vehicle）では燃料中に水分が混入しやすい。燃料に水分が混入していると、燃焼状態が悪化する。ところが、特許文献１で開示された内燃機関の燃焼制御装置では、燃料中の水分の含有についてはなんら考慮されていない。このため、従来のＥＧＲ制御を継続すると、場合によっては、トルク変動が増大、失火を引き起こす等の問題の発生が想定される。燃料中に水分が混入することに起因するこのような問題は、リーン燃焼を行っている場合にも発生するおそれがある。

そこで、本発明は、燃料中に水分が混入している場合であっても、安定した機関の燃焼を維持することができるエンジン制御装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するための、本発明のエンジンン制御装置は、燃料中の水分を検出する水分検出手段と、当該水分検出手段による検出値に基づいて、燃焼変動にかかわるパラメータの限界値を変更する制御部と、を備えたことを特徴とする。燃料中の水分含有は、エンジンの燃焼変動に影響を与える。そこで、本発明では、燃料中の水分を検出し、この水分量に応じて燃焼変動に影響を与えることがあるパラメータの限界値を変更することとしている。ここで、燃焼変動にかかわるパラメータとして、ＥＧＲ率の限界値、空燃比（Ａ／Ｆ）の限界値（リーン限界値）を採用することができる。エンジンにはドラビリの悪化、エンジン停止回避等の観点から燃焼変動の限界値が設定される。ＥＧＲ率はその数値が上昇すると、燃焼変動の限界値を越える。そのため、ＥＧＲ率はこの燃焼変動の限界値を越えない範囲で決定される。ところが、燃料中に水分が混入していると、燃焼変動の限界値に到達するＥＧＲ率の限界値（上限）が低下する。そこで、本発明では、燃料中の水分量に応じてＥＧＲ率の限界値を変更する構成とすることができる。一方、Ａ／Ｆ値も、その数値が上昇すると、燃焼変動の限界を越える。そのため、リーン限界はこの燃焼変動の限界値を越えない範囲で決定される。ところが、燃料中に水分が混入していると、燃焼変動の限界値に到達するＡ／Ｆの限界値（上限）が低下する。そこで、本発明では、燃料中の水分量に応じてリーン限界値を変更する構成とすることができる。

本発明によれば、燃料中に混入した水分量、水分割合に応じて、燃焼変動に影響を与えることがあるパラメータの限界値を変更するようにしたので、燃焼変動を抑制し、トルク変動の悪化や、失火を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図1は、本発明の実施例１にかかるエンジン制御装置を備えた火花点火式多気筒（４気筒）エンジン１０の概略構成を示した説明図である。エンジン１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、このシリングブロック部２０の上側に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に燃料混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排気ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。また、排気系統５０と吸気系統４０との間にＥＧＲ装置８０が装着されている。

エンジン１０は、燃料として、ガソリンのみ（エタノール濃度Ｒｅｔ＝０％）、エタノールを含むガソリン、及びエタノールのみ（エタノール濃度Ｒｅｔ＝１００0％）を使用可能となっている。ここで、エタノール濃度Ｒｅｔは、Ｖｇａｓを燃料に含まれるガソリンの体積とし、また、Ｖｅｔを燃料に含まれるエタノールの体積として、「Ｖｅｔ／（Ｖｇａｓ十Ｖｅｔ）」で定義されるパーセント濃度である。

シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、及びクランク軸２４を含む。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達される。これによりこのクランク軸２４が回転する。シリンダ２１とピストン２２のヘッド部分は、シリンダヘッド部３０と共に燃焼室２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、この吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともにこのインテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、この可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａを備えている。また、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、この点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８、燃料を吸気ポート３１内に噴射する燃料噴射弁３９を備えている。

吸気系統４０は、吸気ポート３に連通し、この吸気ポート３１と共に吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、この吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３、及びスロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａを備えている。

排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、このエキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ５２、エキゾーストパイプ５２に配設された三元触媒５３を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１、及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。

ＥＧＲ装置８０は、エキゾーストマニホールド５１とインテークマニホールド４１との間を接続するＥＧＲパイプ８１と、このＥＧＲパイプ８１に配設されたＥＧＲバルブ８２を備えている。ＥＧＲバルブ８２にはステップモータが組み込まれており、このステップモータを制御することによってＥＧＲバルブ８２の開度が調節され、ＥＧＲ率が変更される。

また、エンジン制御装置は、エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、空燃比センサ６６、燃焼室圧力センサ６７を備えている。

エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量を検出し、質量流量（吸入空気流量）Ｇａを表す信号を出力する。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の関度を検出し、スロットル弁関度を表す信号を出力する。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが９０°回転する毎に一つのパルスを有する信号（Ｇ２信号）を発生する。この信号は、吸気弁３２の開閉タイミングを表す。

クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともにこのクランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力する。この信号は、運転速度ＮＥを表す。水温センサ６５は、エンジン１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温ＴＨＷを表す信号を出力する。

空燃比センサ６６は、排気通路上の三元触媒５３よりも上流側に配設されている。空燃比センサ６６は、三元触媒５３に流入する排ガスの空燃比を検出し、排ガスの空燃比に応じた電圧を出力する。

燃焼室圧力センサ６７は、燃焼室２５内におけるガスの圧力を検出し、ガス圧力を表す信号を出力する。

ＥＣＵ（Electronic control unit）７０は、本発明における、水分検出手段、制御部の機能を果たすものであり、互いにパスで接続されたＣＰＵ７１、このＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（マップ）、及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、また、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、並びにＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。

インターフェース７５は、上記センサ６１〜６７に接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６７からの信号を供給するとともに、このＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、燃料噴射弁３９、及びスロットル弁アクチュエータ４３ａ、ＥＧＲバルブ８２等へ駆動信号を送出する。

次に、以上のように構成されるエンジン１０において、ＥＣＵ７０が行う制御の概要について説明する。ＥＣＵ７０は、基本的に、空燃比センサ６６の出力値に基づいて混合気の空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を決定する。さらに、ポンプ損失、冷却損失の低減、比熱比の増大により燃料消費率の低減効果を狙ってＥＧＲ率の制御が行われる。ＥＧＲ率の限界値は、燃焼変動の限界値との関係で予め定められている。この予め定められたＥＧＲ率の限界値は、燃料中の水分含有量が０％のときを基準として定められている。図２は、燃料中の水分含有量が、燃焼変動とＥＧＲ率との関係に及ぼす影響を示している。すなわち、燃料中の水分含有量が０％である場合、燃焼変動の限界を越えるのは図２中、Ａで示したＥＧＲ率のときである。従って、燃料中の水分含有量が０％であるときのＥＧＲ率の限界値はＡということになる。これに対し、燃料中に水分が含まれていると、燃焼変動を越えるＥＧＲ率の値は徐々に低下し、例えば、図２中、Ｂで示したＥＧＲ率となる。ＥＧＲ率はこのように定められるＥＧＲ率の限界値を越えない範囲内で制御される。

以下、ＥＣＵ７０が行うＥＧＲ率の限界値を決定する制御につき、図３に示したフロー図を参照しつつ説明する。まず、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１において、燃料の性状を取得する。具体的には燃料中の水分含有量を検出する。この水分含有量の検出には、燃焼室圧力センサ６７により取得される燃焼室内の圧力変化が参照される。この水分含有量の検出について説明する。図４は、点火時期ＣＡｉｇにて点火が行われた場合における、クランク角度と燃焼室内のガスの圧力との関係を示したグラフである。燃料に混入した水は、燃焼室内での燃焼反応に寄与しない。また、可燃成分の燃焼熱の一部を奪う。このため、空燃比が一定であれば、水分含有量（割合）が大きいほど燃焼室内のガスの温度が低くなる。この結果、水分含有量が大きいほど混合気の燃焼速度が遅くなる。

ＥＣＵ７０は、水分含有量がゼロである場合の燃焼室内の圧力変化を示す基準曲線データを予め記憶している。この基準曲線データは、図４中、実線で示されている。基準曲線データにおいて、燃焼室内のガスの圧力が最大値となるクランク角度が値ＣＡｌとなっている。このときの出力トルクが値ＴＱｌで最大値となる。これに対し、燃料に水が混入している場合、基準曲線データにおける点火時期ＣＡｉｇと同じタイミングで点火を行うと最大圧力が現れるクランク角度は値ＣＡ１よりも遅角側の値ＣＡ２となる。この値ＣＡ１からの値ＣＡ２の遅角側への変移の程度は、混合気の燃焼速度が遅いほど大きくなる。燃焼速度は、水分含有量が多いほど遅くなるため、値ＣＡ１からの値ＣＡ２の遅角側への変移の程度が大きくなる。ＥＣＵ７０は、この値ＣＡ１からの値ＣＡ２の遅角側への変移量に基づいて燃料中の水分含有量を推定し、検出値として出力する。なお、燃料中に水分が混入している場合、例えば、クランク角度ＣＡ１で観測されるトルクの値が基準曲線データと比較して落ち込んでいる。このトルクの落ち込み量から燃料中の水分含有量を推定することもできる。

ＥＣＵ７０は、ステップＳ１で以上のような水分含有量を検出した後、ステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した水分含有量に基づいてＥＧＲ率の限界値を変更すべきか否かの判断を行う。このステップＳ２でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ３へ進む。一方、ステップＳ２でＮｏと判断したときは、処理はリターンとなる。

ＥＣＵ７０は、ステップＳ３では、ＥＧＲ率の限界値を変更するためのマップを参照し、ＥＧＲ率の限界値を求める。図５は、ＥＧＲ率の限界値を変更するためのマップの一例を示している。このマップは、横軸に水分含有量（％）をとり、縦軸にＥＧＲ率の限界値を示しており、水分含有量からＥＧＲ率の限界値を決定するようになっている。マップは、水分含有量が多くなるほどＥＧＲ率の限界値が小さくなるように設定されている。

ＥＣＵ７０は、ステップＳ３の処理を終えると、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、ステップＳ３で求めた値にＥＧＲ率の限界値を書き換える。以上の処理を終了すると、一連の制御はリターンとなる。ＥＧＲ率の限界値を書き換えた後は、書き換えられたＥＧＲ率の限界値を越えない範囲で、ＥＧＲ制御が行われる。

このようにＥＧＲ率の限界を低下させ、その範囲内でＥＧＲ制御を行うことにより、燃焼変動を抑制することができる。この結果、ドラビリの悪化を抑制すると共に、エンジン停止のおそれを低減することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。図６は、本発明の実施例２にかかるエンジン制御装置を備えた火花点火式多気筒（４気筒）エンジン１００の概略構成を示した説明図である。このエンジン１００が実施例１のエンジン１０と異なる点は、エンジン１００が、リーン条件下での燃焼を可能とするリーンバーンエンジンである点である。エンジン１００は種々の条件に応じてリーン運転とストイキ運転との間で運転状態が切り替えられる。その一方で、エンジン１００は、エンジン１０が備えていたＥＧＲ装置８０を備えていない。なお、エンジン１００では、吸気ポート３１の形状等、リーバーンを実現するための変更が施されているが、他の構成は、実施例１のエンジン１０と異なるところはないので、共通する構成要素には図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

次に、以上のように構成されるエンジン１００において、ＥＣＵ７０が行う制御の概要について説明する。ＥＣＵ７０は、走行状態に応じたリーンバーン制御を行う。このとき、リーン限界値は、燃焼変動の限界値との関係で予め定められている。この予め定められたリーン限界値は、燃料中の水分含有量が０％のときを基準として定められている。図７は、燃料中の水分含有量が燃焼変動と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係に及ぼす影響を示している。すなわち、燃料中の水分含有量が０％である場合、燃焼変動の限界を越えるのは図中、Ｃで示したＡ／Ｆのときである。従って、燃料中の水分含有量が０％であるときのＡ／Ｆのリーン側の限界値（リーン限界値）はＣということになる。これに対し、燃料中に水分が含まれていると、燃焼変動を越えるＡ／Ｆの値は徐々に低下し、例えば、図中、Ｄで示したＡ／Ｆとなる。Ａ／Ｆはこのように定められるリーン限界値を越えない範囲内で制御される。

以下、ＥＣＵ７０が行うリーンの限界値を決定する制御につき、図８に示したフロー図を参照しつつ説明する。まず、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１１において、燃料の性状を取得する。具体的には燃料中の水分含有量を検出する。この水分含有量の検出には、燃焼室内の圧力変化が参照される。この水分検出のプロセスは、実施例１におけるステップＳ１の場合と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

ＥＣＵ７０は、ステップＳ１１で以上のような水分含有量を検出した後、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得した水分含有量に基づいてリーン限界値を変更すべきか否かの判断を行う。このステップＳ１２でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ１３へ進む。一方、ステップＳ１２でＮｏと判断したときは、処理はリターンとなる。

ＥＣＵ７０は、ステップＳ１３では、リーン限界値を変更するためのマップを参照し、リーン限界値を求める。図９は、リーン限界値を変更するためのマップの一例を示している。このマップは、横軸に水分含有量（％）をとり、縦軸にリーン限界値を示しており、水分含有量からリーン限界値を決定するようになっている。マップは、水分含有量が多くなるほどリーン限界値が小さくなるように設定されている。すなわち、水分含有量が多くなるほどＡ／Ｆがリッチ側になるように設定されている。

ＥＣＵ７０は、ステップＳ１３の処理を終えると、ステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、ステップＳ１３で求めた値にリーン限界値を書き換える。以上の処理を終了すると、一連の制御はリターンとなる。リーン限界値を書き換えた後は、書き換えられたリーン限界値を越えない範囲で、Ａ／Ｆの制御が行われる。

このようにＡ／Ｆのリーン側の限界を低下させ、その範囲内でＡ／Ｆ制御を行うことにより、燃焼変動を抑制することができる。この結果、ドラビリの悪化を抑制すると共に、エンジン停止のおそれを低減することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

実施例1にかかるエンジン制御装置を備えた火花点火式多気筒（４気筒）エンジンの概略構成を示した説明図である。 燃料中の水分含有量が燃焼変動とＥＧＲ率との関係に及ぼす影響を示すグラフである。 実施例１のエンジン制御装置が行うＥＧＲ率の限界値を決定する制御の一例を示したフロー図である。 点火時期ＣＡｉｇにて点火が行われた場合における、クランク角度と燃焼室内のガスの圧力との関係を示したグラフである。 ＥＧＲ率の限界値を変更するためのマップの一例を示す図である。 実施例２にかかるエンジン制御装置を備えた火花点火式多気筒（４気筒）エンジンの概略構成を示した説明図である。 燃料中の水分含有量が燃焼変動と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係に及ぼす影響を示すグラフである。 実施例２のエンジン制御装置が行うリーン限界値を決定する制御の一例を示したフロー図である。 リーン限界値を変更するためのマップの一例を示す図である。

符号の説明

１０、１００ エンジン
４０ 吸気系統
５０ 排気系統
６７ 筒内圧センサ
７０ ＥＣＵ
８０ ＥＧＲ装置

Claims (3)

1. 燃料中の水分を検出する水分検出手段と、
   当該水分検出手段による検出値に基づいて、燃焼変動にかかわるパラメータの限界値を変更する制御部と、
   を備えたことを特徴とするエンジン制御装置。
2. 請求項１記載のエンジン制御装置において、
   前記制御部は、前記水分検出手段による検出値に基づいて、ＥＧＲ率の限界値を変更することを特徴としたエンジン制御装置。
3. 請求項１記載のエンジン制御装置において、
   前記制御部は、前記水分検出手段による検出値に基づいて、リーン限界値を変更することを特徴としたエンジン制御装置。

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