JP2012219618A

JP2012219618A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2012219618A
Application number: JP2011082414A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Urano; 繁幸浦野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-04
Also published as: JP5594218B2

Abstract

【課題】この発明は、経年変化やデポジット堆積等による最適な点火時期の変化に対応して適切に点火時期を補正し、燃費やドライバビリティの悪化を抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】内燃機関の運転条件に応じた基本点火時期を決定する。前記基本点火時期で点火した場合の排気損失量および冷却損失量の少なくとも一方の損失量を算出する。前記基本点火時期に応じて定めた基本損失値に対する前記損失量の変化量に基づいて前記基本点火時期を補正する。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、内燃機関の点火時期を制御するものに関する。

一般的に、各種運転条件に対応する特定の性能を意図して設定された基本点火時期（例えば、ＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque））は、製品の公差中央品を用いて予め適合を実施し、点火時期マップとしてＥＣＵ（Electronic Control Unit）に記憶される。そして、点火時期マップに従って運転条件に応じた点火時期制御が実施される。

また、例えば特許文献１に開示されるように、筒内圧センサの出力値から算出される熱損失量（熱損失率：ＲＱｗ＝１−Ｑ／Ｑ_ｆｕｅｌ）に基づいて点火時期を制御する内燃機関の制御装置が知られている。熱損失量をパラメータとして用いることによって、基本点火時期の補正の容易化を図るものである。

特開２００８−０２５４０６号公報特開２００５−２３３１１３号公報

ところで、熱損失は、排気損失、冷却損失、未燃損失、ポンプ損失等の各種損失からなり、特に排気損失と冷却損失はそれぞれ点火時期に対する感度が高い。そのため、経年変化やデポジット堆積等によりハードの状態が変化し、最適な点火時期が点火時期マップに記憶された基本点火時期からずれた場合、冷却損失と排気損失にはそれぞれ感度高く変化が生じる。上記従来の内燃機関の制御装置においては、排気損失と冷却損失を区別していないため、これらの変化がそれぞれ点火時期に与える影響について判断できない。そのため、必ずしも適切に点火時期を補正できるとは言えず、燃費やドライバビリティが悪化するおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、経年変化やデポジット堆積等による最適な点火時期の変化に対応して適切に点火時期を補正し、燃費やドライバビリティの悪化を抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の運転条件に応じた基本点火時期を決定する基本点火時期決定手段と、
前記基本点火時期で点火した場合の排気損失量および冷却損失量の少なくとも一方の損失量を算出する損失量算出手段と、
前記基本点火時期に応じて定めた基本損失値に対する前記損失量の変化量に基づいて前記基本点火時期を補正する基本点火時期補正手段と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記損失量算出手段は、少なくとも前記排気損失量を算出し、
前記基本損失値は、前記基本点火時期に応じて定めた基本排気損失値を含み、
前記基本点火時期補正手段は、前記排気損失量が前記基本排気損失値よりも小さくなるほど前記基本点火時期を遅角側に補正し、前記基本排気損失値よりも大きくなるほど前記基本点火時期を進角側に補正すること、を特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記損失量算出手段は、少なくとも前記冷却損失量を算出し、
前記基本損失値は、前記基本点火時期に応じて定めた基本冷却損失値を含み、
前記基本点火時期補正手段は、前記冷却損失量が前記基本冷却損失値よりも大きくなるほど前記基本点火時期を遅角側に補正し、前記基本冷却損失値よりも小さくなるほど前記基本点火時期を進角側に補正すること、を特徴とする。

また、第４の発明は、第１の発明において、
前記損失量算出手段は、前記排気損失量および前記冷却損失量を算出し、
前記基本損失値は、前記基本点火時期に応じて定めた基本冷却損失量に対する基本排気損失量の割合であり、
前記基本点火時期補正手段は、前記冷却損失量に対する前記排気損失量の割合が、前記基本損失値よりも大きくなるほど前記基本点火時期を進角側に補正し、前記基本損失値よりも小さくなるほど前記基本点火時期を遅角側に補正すること、を特徴とする。

第１の発明によれば、現運転条件に応じた基本点火時期で点火した場合の損失量を算出し、現運転条件に応じた基本点火時期における基本損失値と当該損失量の変化量に基づいて基本点火時期を補正することができる。そのため、本発明によれば、経年変化やデポジット堆積等による最適な点火時期の変化に対応して、適切に基本点火時期を補正し、燃費やドライバビリティの悪化を抑制することができる。

第２の発明によれば、排気損失量が基本排気損失値よりも小さくなるほど基本点火時期を遅角側に補正し、基本排気損失値よりも大きくなるほど基本点火時期を進角側に補正することができる。このため、本発明によれば、点火時期に対する感度の高い排気損失を用いて、最適な点火時期に近づけるように基本点火時期を補正することができる。

第３の発明によれば、冷却損失量が基本冷却損失値よりも大きくなるほど基本点火時期を遅角側に補正し、基本冷却損失値よりも小さくなるほど基本点火時期を進角側に補正することができる。このため、本発明によれば、点火時期に対する感度の高い冷却損失を用いて、最適な点火時期に近づけるように基本点火時期を補正することができる。

第４の発明によれば、点火時期に対する感度が高い排気損失および冷却損失を用いて、最適な点火時期に近づけるように基本点火時期を補正することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。所定の運転条件における排気損失と冷却損失との関係を示す図である。本発明の実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。供給全燃料の熱量の内訳とクランク角θ毎の熱発生量との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、内燃機関（以下、単にエンジンという。）１０を備えている。エンジン１０は、火花点火式の４ストロークエンジンである。

図１には１つの気筒のみが描かれているが、車両用のエンジン１０は、一般的に複数の気筒から構成されている。各気筒には、その内部を往復運動するピストンが設けられている。各気筒のピストン上面からシリンダヘッドまでの空間は燃焼室１２を形成している。各気筒には、燃焼室１２内に燃料を直接噴射する直噴噴射弁１４が取り付けられている。各気筒には点火プラグ１６が取り付けられている。各気筒には、燃焼室１２内の筒内圧（燃焼圧）を検出するための筒内圧センサ（ＣＰＳ：Combustion Pressure Sensor）１８が取り付けられている。また、ピストンの往復運動は、クランク軸の回転運動に変換される。クランク軸の近傍には、クランク軸の回転角（以下、クランク角θという。）を検出するためのクランク角センサ１９が取り付けられている。

エンジン１０の吸気系には、各気筒に接続された吸気通路２０が設けられている。吸気通路２０の入口には、エアクリーナ２２が設けられている。エアクリーナ２２の下流には、吸気通路２０に吸入される空気の流量（以下、吸入空気量という。）を検出するためのエアフローメータ２４が取り付けられている。エアフローメータ２４の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６の近傍には、スロットルバルブ２６の開度（以下、スロットル開度という。）を検出するためのスロットル開度センサ２７が取り付けられている。スロットルバルブ２６の下流には、サージタンク２８が設けられている。サージタンク２８の近傍には、吸気圧を測定するための吸気圧センサ３０が取り付けられている。

エンジン１０の排気系には、各気筒に接続された排気通路３２が設けられている。排気通路３２には触媒３４が設けられている。触媒として、例えば三元触媒が用いられる。

エンジン１０の制御系には、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０が設けられている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述した筒内圧センサ１８、クランク角センサ１９、エアフローメータ２４、スロットル開度センサ２７、吸気圧センサ３０の他、エンジン１０の冷却水の水温を検出するための水温センサ５２等の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。ＥＣＵ５０の出力部には、上述した直噴噴射弁１４、点火プラグ１６、スロットルバルブ２６等の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。

ＥＣＵ５０は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、エンジン１０の運転状態（点火時期、燃料噴射量、スロットル開度等）を制御する。また、ＥＣＵ５０は、クランク角θから、エンジン回転数や、ピストンの位置によって決まる筒内容積を計算することができる。

また、ＥＣＵ５０には、各種運転条件に応じた最適な燃焼を実現する点火時期（ＭＢＴとなる点火時期）を定めたマップ（以下、点火時期マップという。）が記憶されている。点火時期マップは、製品の公差中央品を用いて適合を実施し予め定められる。この点火時期マップに従って運転条件に応じた点火時期制御が実施される。以下の説明では、この点火時期マップに定められた点火時期を基本点火時期という。

しかし、経年変化や、デポジット堆積、または製品のバラツキが大きい場合等によりハードの条件が適合された条件と異なる場合には、最適な燃焼を実現する点火時期（ＭＢＴとなる点火時期）が点火時期マップに定められた基本点火時期から乖離することとなる。最適な燃焼が実現されなければ、燃費やドライバビリティの悪化が懸念される。

［実施の形態１における特徴的制御］
（特徴的制御の概要）
このような課題を解決する本実施形態の特徴的制御について概要を説明する。直噴噴射弁１４により供給される供給全燃料の熱量と図示仕事及び主な損失との間には（１）式に示す関係がある。
供給全燃料の熱量＝図示仕事＋排気損失＋冷却損失＋未燃損失＋ポンプ損失
・・・（１）

（１）式において、図示仕事が最大となる点火時期、即ち各種損失の和が最小となる点火時期が最も効率のよい点火時期（ＭＢＴ）である。また（１）式の各種損失の中で、点火時期に対して感度が大きい変数は排気損失と冷却損失であり、排気損失と冷却損失との和が最小となる点火時期が最も効率の良い点火時期であると考えられる。

図２は、所定の運転条件における排気損失と冷却損失との関係を示す図である。破線６０ａ、６２ａ、６４ａは、それぞれ適合時の冷却損失、排気損失及びこれらの和（以下、単に初期値ともいう）を表している。実線６０ｂ、６２ｂ、６４ｂは、それぞれ経年変化等により変化した冷却損失、排気損失及びこれらの和を表している。図２には、冷却損失が破線６０ａから実線６０ｂのように変化し、排気損失は破線６２ａから実線６２ｂのように変化し、排気損失と冷却損失との和が、破線６４ａから実線６４ｂのように変化し、ＭＢＴとなる点火時期が点火時期マップに定められた基本点火時期αから点火時期βに進角している例が表されている。

このように、冷却損失が小さくなるほど（排気損失が大きくなるほど）ＭＢＴとなる点火時期は進角側に変化している傾向がある。これは、点火時期がＭＢＴとなる点火時期から遅角しているほど、最高燃焼温度が低下し、また熱伝達時間が短くなるため冷却損失が小さくなること、及び、燃焼した熱が仕事に使われず排出されるため排気損失が大きくなることによる。同様に、排気損失が小さくなるほど（冷却損失が大きくなるほど）ＭＢＴとなる点火時期は遅角側に変化している傾向がある。

そこで、本実施形態のシステムでは、基本点火時期で点火した場合の排気損失、冷却損失を算出し、冷却損失が基本冷却損失値よりも小さくなっている場合、又は排気損失が基本排気損失値よりも大きくなっている場合には基本点火時期を進角側に補正することとした。一方、排気損失が基本排気損失値より小さくなっている場合、又は冷却損失が基本冷却損失値よりも大きくなっている場合には基本点火時期を遅角側に補正することとした。なお、上述した基本冷却損失値および基本排気損失値は、基本点火時期がＭＢＴとなる点火時期である場合（適合時と同一のハード条件である場合）における冷却損失および排気損失をいう。

（制御ルーチン）
図３は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンの開始状態において、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数および負荷等の運転条件に応じた基本点火時期を上述の点火時期マップから取得し、これに基づいて点火プラグ１６を制御しているものとする。図３に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、排気損失と冷却損失を算出する。排気損失と冷却損失の具体的な算出手法について図４を用いて説明する。

まず、１サイクルで生じる熱発生量Ｑを算出する。図４にはクランク角θ毎の熱発生量（実線７０）が表されている。熱発生量Ｑは、筒内圧センサ１８により検出される筒内圧（燃焼圧）Ｐ、クランク角θ毎のピストン位置によって決まる筒内容積Ｖ、比熱比κ、及び、圧縮行程での吸気バルブ閉弁時から排気行程での排気バルブ開弁時までのクランク角範囲を積分区間として（２）式に基づいて算出することができる。熱発生量Ｑの算出手法については、例えば、特許文献１（特開２００８−０２５４０６号公報）等に記載されているためその詳細な説明は省略する。

・・・（２）

次に、供給全燃料の熱量を算出する。供給全燃料の熱量は、例えば、燃料の低位発熱量と燃料噴射量の積から算出することができる。

続いて、排気損失と冷却損失を算出する（ステップＳ１００）。図４及び（１）式に示すように、供給全燃料の熱量は、ポンプ損失、図示仕事、排気損失、冷却損失、未燃損失の和で表される。このうち、ポンプ損失と図示仕事は、筒内圧（燃焼圧）Ｐと筒内容積Ｖとの関係を表すＰＶ線図上に描かれる袋状のループの面積から算出することができる。これらの算出手法については公知であるためその説明は省略する。また、ＥＣＵ５０には、運転条件（エンジン回転数、負荷、吸気温度等）に応じて未燃損失を定めたマップが記憶されている。未燃損失はこのマップから運転条件に応じて取得される。

ステップＳ１００において、排気損失は、１サイクルで生じる熱発生量Ｑからポンプ損失と図示仕事を差し引くことにより算出することができる。また、冷却損失は、供給全燃料の熱量から１サイクルで生じる熱発生量Ｑと未燃損失とを差し引くことにより算出することができる。

次に、ステップＳ１１０において、（排気損失／冷却損失）−初期値を算出し、閾値Ａ、閾値Ｂと大小比較する。この初期値は、点火時期マップの適合時と同一のハード条件において、現運転条件に応じた基本点火時期で点火させた場合の基本冷却損失と基本排気損失の割合である。ＥＣＵ５０には、運転条件及び基本点火時期毎に初期値（基本排気損失／基本冷却損失）を定めたマップが予め記憶されている。ＥＣＵ５０は、現運転条件と同一運転条件に応じた初期値をマップから取得する。また、閾値Ａは閾値Ｂ以上の値であり、例えば、閾値Ａは正値、閾値Ｂは負値である。なお、共に０であってもよい。

ステップＳ１１０において、（排気損失／冷却損失）−初期値が閾値Ａより小さく、かつ閾値Ｂより大きい場合には、条件不成立と判定され本ルーチンの処理が終了される。一方、ステップＳ１１０おいて、（排気損失／冷却損失）−初期値が閾値Ａ以上、又は閾値Ｂ以下である場合には、条件成立と判定され、ステップＳ１２０において点火時期マップが一律に補正される。

具体的には、（排気損失／冷却損失）−初期値が閾値Ａ以上である場合には、点火時期マップが進角側へ一律に補正される。この進角側への補正は閾値Ａとの差が大きいほど大きな値とする。また、（排気損失／冷却損失）−初期値が閾値Ｂ以下である場合には、点火時期マップが遅角側へ一律に補正される。この遅角側への補正は閾値Ｂとの差が大きいほど大きな値とする。なお、これらの補正は、ＭＢＴとなる点火時期を超えないように実験等で定められている。

以上説明したように、図３に示すルーチンによれば、排気損失が減少又は冷却損失が増大するほど点火時期マップを遅角側に一律補正することができる。また、排気損失が増大又は冷却損失が減少するほど点火時期マップを進角側に一律補正することができる。よって、基本点火時期を補正して、経年変化等により変化したＭＢＴとなる点火時期に近づけることができる。本実施形態のシステムによれば、次サイクル以降において、ＭＢＴとなる点火時期を実現することが可能となる。そのため、燃費やドライバビリティの悪化を抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、排気損失及び冷却損失を算出し、これらの割合に基づいて基本点火時期を補正することとしているが、基本点火時期の補正手法はこれに限定されるものではない。具体的には次のように補正することとしても良い。まず、ＥＣＵ５０は、点火時期マップから現運転条件に応じた基本点火時期を決定する。次に、この基本点火時期で点火した場合の排気損失及び冷却損失の少なくとも一方を算出する。また、ＥＣＵ５０は、運転条件応じた基本排気損失値と基本冷却損失値をマップにより予め記憶しており、このマップから現運転条件に応じた基本排気損失値、基本冷却損失値を取得する。基本冷却損失値および基本排気損失値は、基本点火時期がＭＢＴとなる点火時期である場合（適合時と同一のハード条件である場合）における冷却損失及び排気損失をいう。そして、排気損失が基本排気損失値よりも小さくなっているほど、又は冷却損失が基本冷却損失値よりも大きくなっているほど点火時期マップを遅角側へ一律補正する。一方、排気損失が基本排気損失値よりも大きくなっているほど、又は冷却損失が基本冷却損失値よりも小さくなっているほど点火時期マップを進角側に一律補正する。このような手法によれば、排気損失及び冷却損失の両方又は一方に基づいて基本点火時期を補正し、経年変化等により変化したＭＢＴとなる点火時期に近づけることができる。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、熱発生率Ｑを（２）式に基づいて算出することとしている（ステップＳ１００）が、熱発生率Ｑの算出手法はこれに限定されるものではない。クランク角度に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角度に対する積値ＰＶ^κの変化とは相関を有するため、これに基づいて熱発生量Ｑを算出することとしてもよい。このような熱発生量Ｑの算出手法については、例えば、特許文献１（特開２００８−０２５４０６号公報）等に記載されているためその説明は省略する。

また、本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明の適用は可能である。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０及び点火時期マップが前記第１の発明における「基本点火時期決定手段」に相当している。また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「損失量算出手段」が、上記ステップＳ１１０〜ステップＳ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「基本点火時期補正手段」が、それぞれ実現されている。

１０エンジン
１２燃焼室
１４直噴噴射弁
１６点火プラグ
１８筒内圧センサ
１９クランク角センサ
２４エアフローメータ
２６スロットルバルブ
２７スロットル開度センサ
３０吸気圧センサ
３４触媒
５２水温センサ

Claims

内燃機関の運転条件に応じた基本点火時期を決定する基本点火時期決定手段と、
前記基本点火時期で点火した場合の排気損失量および冷却損失量の少なくとも一方の損失量を算出する損失量算出手段と、
前記基本点火時期に応じて定めた基本損失値に対する前記損失量の変化量に基づいて前記基本点火時期を補正する基本点火時期補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記損失量算出手段は、少なくとも前記排気損失量を算出し、
前記基本損失値は、前記基本点火時期に応じて定めた基本排気損失値を含み、
前記基本点火時期補正手段は、前記排気損失量が前記基本排気損失値よりも小さくなるほど前記基本点火時期を遅角側に補正し、前記基本排気損失値よりも大きくなるほど前記基本点火時期を進角側に補正すること、
を特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
前記損失量算出手段は、少なくとも前記冷却損失量を算出し、
前記基本損失値は、前記基本点火時期に応じて定めた基本冷却損失値を含み、
前記基本点火時期補正手段は、前記冷却損失量が前記基本冷却損失値よりも大きくなるほど前記基本点火時期を遅角側に補正し、前記基本冷却損失値よりも小さくなるほど前記基本点火時期を進角側に補正すること、
を特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。
前記損失量算出手段は、前記排気損失量および前記冷却損失量を算出し、
前記基本損失値は、前記基本点火時期に応じて定めた基本冷却損失量に対する基本排気損失量の割合であり、
前記基本点火時期補正手段は、前記冷却損失量に対する前記排気損失量の割合が、前記基本損失値よりも大きくなるほど前記基本点火時期を進角側に補正し、前記基本損失値よりも小さくなるほど前記基本点火時期を遅角側に補正すること、
を特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。