JP2013044260A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の制御装置が決定する運転パラメータの最適化を図る。
【解決手段】車両が所在している路面の傾斜を検出し、検出した路面の傾斜とアクセル開度の変化量とに基づいて、燃料噴射時または点火時におけるエンジン回転数及び気筒に充填される吸気量の推測を反復的に行う。これにより、燃料噴射量その他の運転パラメータの決定の基礎となるエンジン回転数及び吸気量が、実際に当該運転パラメータを用いて制御を行う時点でのエンジン回転数及び吸気量から大きく乖離しなくなり、最適な運転パラメータによる内燃機関の運転制御が可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御装置に関する。

エンジン回転数及び気筒に充填される吸気量を参照して、燃料噴射量、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧、点火タイミング、吸気弁及び／または排気弁のバルブタイミング等の運転パラメータを決定する内燃機関の制御装置が周知である（例えば、下記特許文献を参照）。

複数の気筒を有する内燃機関の制御を司る制御装置では、周期的に訪れる特定のタイミング、例えば何れかの気筒の圧縮上死点を契機として、エンジン回転数及び吸気量を算出し運転パラメータを決定する演算処理の実行を開始する。決定した運転パラメータは、以降の燃料噴射及び点火の制御に用いる。このような内燃機関の制御では、運転パラメータを決定してから実際にその運転パラメータを用いて制御を行うまでのタイムラグが問題となり得る。

とりわけ、二気筒の４サイクルエンジンの制御にあっては、問題が顕著となる。具体的に述べると、第一気筒の圧縮上死点から演算を開始して決定した点火タイミングは、次の第二気筒の点火制御に用いられる。並びに、第二気筒の圧縮上死点から演算を開始して決定した点火タイミングは、次の第一気筒の点火制御に用いられる。つまり、点火タイミングの決定からこれを用いた点火制御までの間には、概ね３６０°ＣＡ（クランク角度）程度のタイムラグが存在する。

翻って、第一気筒の圧縮上死点から演算を開始して決定した燃料噴射量、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧、吸気弁のバルブタイミング等のパラメータは、再び第一気筒に吸気行程が訪れるまで制御に用いられることはない。第二気筒の圧縮上死点から演算を開始して決定した燃料噴射量等も同様であり、再び第二気筒に吸気行程が訪れるまでは制御に用いられない。何故ならば、一方の気筒の圧縮上死点の時点から燃料噴射量等の演算処理を開始したとしても、他方の気筒は既に吸気行程に突入しており、燃料噴射量等の決定が当該他方の気筒における燃料噴射制御には間に合わないからである。従って、燃料噴射量等の決定からこれを用いた燃料噴射制御までの間には、概ね７２０°ＣＡ程度の長いタイムラグが存在する。

このタイムラグにより、燃料噴射量等の決定の基礎となったエンジン回転数及び吸気量と、実際に燃料噴射制御等を行う時点でのエンジン回転数及び吸気量とが大きく乖離してしまい、必ずしも最適な燃料噴射量等とならないおそれがある。さすれば、ドライバビリティや燃費の悪化、あるいは排ガス中の有害物質量の増加を招来しかねない。

特開２０１１−０８５０１６号公報

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであって、内燃機関の制御装置が決定する運転パラメータの最適化を図ることを所期の目的としている。

本発明では、車両が所在している路面の傾斜を検出し、検出した路面の傾斜とアクセル開度の変化量とに基づいて、燃料噴射時または点火時におけるエンジン回転数及び気筒に充填される吸気量の推測を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の制御装置が決定する運転パラメータの最適化を図ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の制御装置が制御する可変バルブタイミング機構を示す図。 同実施形態の制御装置による路面の傾斜の推測方法を説明する図。 同実施形態の制御装置によるエンジン回転数及び吸気量の推測方法を説明する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、筒内直接噴射式のものであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

本実施形態における内燃機関は、二気筒の４サイクルエンジンであり、第一気筒１の行程と第二気筒１の行程との間には３６０°ＣＡの位相差が存在する。つまり、第一気筒１のピストンと第二気筒１のピストンとは同時に上昇し、また同時に下降する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットル弁３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲート弁４４を設けてある。ウェイストゲート弁４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲート弁であり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路の出口は、吸気通路３におけるスロットル弁３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲ弁２２を設けてある。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、可変バルブタイミング機構６を介設している。本実施形態における可変バルブタイミング機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気弁の開閉タイミングを変化させるものである。

可変バルブタイミング機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１１と遅角室６１２とに区画されている。

可変バルブタイミング機構６の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８２と可変バルブタイミング機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１１または遅角室６１２に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気弁の開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。図２に示すように、ＯＣＶ９は、液圧ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１、ハウジング６１の進角室６１１と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１２と接続するＢポート９３、並びにオイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５を有している。ＯＣＶ９のスプールは、進退動作により内部粒体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図２では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。

スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。例えば、制御信号ｍのデューティ比が０％で全体的にＯＦＦのとき、スプール９６は最も一端側（図２中左方）に位置して、流路断面積が最大の状態でＢポート９３を供給ポート９１に連通させ、かつＡポート９２をドレインポート９４に連通させるように内部流体経路を設定する。

制御信号ｍのデューティ比が増大するにつれて、ソレノイド９７に吸引されるスプール９６が他端側（図２中右方）に向かって移動する。デューティ比が５０％付近に増大するまでは、ＯＣＶ９の内部流体経路は切り換わらず、デューティ比の増大とともに流路断面積が減少してゆく。

デューティが略５０％となると、スプール９６は中立位置をとり、ＯＣＶ９の内部流体経路を完全に遮断する。因みに、中立位置を実現するデューティ比は、内燃機関や補機の運転状況、環境変化、個体差等により上下するので、常に一定ではない。

制御信号ｍのデューティ比をさらに増大させると、ＯＣＶ９の内部流体経路が切り換わる。つまり、スプール９６が中立位置よりも他端側に変位して、Ａポート９２を供給ポート９１に連通させ、かつＢポート９３をドレインポート９５に連通させるように内部流体経路を設定する。デューティ比の増大とともに流路断面積も増大してゆき、制御信号ｍのデューティ比が１００％で全体的にＯＮとなったとき、スプール９６は最も他端側に位置して、流路断面積が最大の状態となる。

制御信号ｍのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１１に供給される一方、既に遅角室６１２に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１１の容積が拡大、遅角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気弁のバルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｍのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１２に供給される一方、既に進角室６１１に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１２の容積が拡大、進角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気弁のバルブタイミングが遅角化する。

総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が大きいほど吸気弁のバルブタイミングが進角し、デューティ比が小さいほど吸気弁のバルブタイミングが遅角する。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットル弁３３の開度をアクセル開度として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｄ、吸気通路３内の吸気圧（過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力される排気カム信号ｇ等が入力される。エンジン回転センサは、例えば１０°ＣＡ（クランク角度）毎にパルス信号ｂを発する。カム角センサは、７２０°ＣＡを気筒数で割った角度、二気筒エンジンであれば３６０°ＣＡ毎にパルス信号ｇを発する。

出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｈ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｉ、ＥＧＲ弁２２に対して開度操作信号ｊ、スロットル弁３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲート弁４４に対して開度操作信号ｌ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）及びＥＧＲ弁２２の開度、吸気弁のバルブタイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能であるので説明を割愛する。運転パラメータの演算処理は、周期的に訪れる特定のタイミング、例えば第一気筒１及び第二気筒１の圧縮上死点を契機として実行開始する。しかして、運転パラメータに対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

その上で、本実施形態では、車両が所在している路面の傾斜を検出するとともに、検出した路面の傾斜とアクセル開度の変化量とに基づいてエンジン回転数及び気筒１に充填される吸気量の推測を行い、運転パラメータを当該運転パラメータを用いた制御が実施される直前まで反復的に補正し続けることとしている。

本実施形態にあって、ＥＣＵ０は、車速及びアクセル開度を短周期で実測した過去数秒間の時系列を得、現在車両が所在している路面の傾き、換言すればアクセル開度の変化量に対する加速または減速のし易さの度合いを推定する。

ＥＣＵ０は、車速の単位時間当たりの変化量とアクセル開度とをキーとしてメモリに記憶保持しているマップデータを検索し、現在の路面の傾斜の推測値を知得する。図３に、マップデータの概要を示す。基本的に、車速の変化量が正の方向に大きい、即ち車速の高速化傾向が大きいほど路面は下り方向に傾斜が大きい（または、上り方向の傾斜が小さい）と判断し、車速の変化量が負の方向に大きい、即ち車速の低速化傾向が大きいほど路面は上り方向に傾斜が大きい（または、下り方向の傾斜が小さい）と判断する。

無論、路面の傾斜方向及び傾斜度合いの判断は、そのときのアクセル開度によって左右される。車速の変化量が等しい場合、アクセル開度が大きいほど路面は上り方向に傾斜が大きく（または、上り方向の傾斜が小さい）、アクセル開度が小さいほど路面は下り方向に傾斜が大きい（または、上り方向の傾斜が小さい）と判断する。

さらに、ＥＣＵ０は、検出した路面の傾斜、並びにアクセル開度の単位時間当たりの変化量を参酌して、エンジン回転数及び気筒１に充填される吸気量の最新の予測値を得る。

ＥＣＵ０は、路面の傾斜とアクセル開度の変化量とをキーとしてメモリに記憶保持しているマップデータを検索し、エンジン回転数の補正量及び吸気量の補正量を知得する。図４に、マップデータの概要を示す。路面が下りでありかつアクセル開度が拡大傾向にある場合には、エンジン回転数及び吸気量の両方の推測値を増加させる。その増加補正量は、路面の下り傾斜の度合いが大きいほど大きく、またアクセル開度の単位時間当たり拡大量が大きいほど大きい。路面が上りでありかつアクセル開度が縮小傾向にある場合には、エンジン回転数及び吸気量の両方の推測値を減少させる。その減少補正量は、路面の上り傾斜の度合いが大きいほど大きく、またアクセル開度の単位時間当たり減少量が大きいほど大きい。

路面が下りであるがアクセル開度が縮小傾向にある場合には、吸気量は減るのでその推測値を減少させる一方、エンジン回転数は下がりにくいのでその推測値を補正しないか推測値に加える補正量を小さくする。また、路面が上りであるがアクセル開度が拡大傾向にある場合には、吸気量は増えるのでその推測値を増加させる一方、エンジン回転数は上がりにくいのでその推測値を補正しないか推測値に加える補正量を小さくする。

このようにして、ＥＣＵ０は、圧縮上死点以後、エンジン回転数及び吸気量の推測値を反復的に更新した上、それらエンジン回転数及び吸気量の推測値を基に運転パラメータを再計算する。エンジン回転数及び吸気量の推測値の更新、ひいては運転パラメータの再計算は、当該運転パラメータを用いた制御を行う直前まで可能な限り続行する。第一気筒１（または、第二気筒１）の圧縮上死点を契機に演算を開始した点火タイミングの反復的な再計算は、次の第二気筒１（または、第一気筒１）における点火前まで行う。第一気筒１（または、第二気筒１）の圧縮上死点を契機に演算を開始した燃料噴射量、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧、吸気弁タイミング等の反復的な再計算は、次の第一気筒１（または、第二気筒１）における吸気行程前まで行う。

但し、上記の運転パラメータの再計算は、演算の契機となる圧縮上死点の前後の所定期間内において加速要求または減速要求がなされていない、即ち一度もアクセル開度の単位時間当たり変化量の絶対値が所定閾値を超えていないときには、実施する必要がない（図４にも、その旨を表している）。

本実施形態では、車両が所在している路面の傾斜を検出し、検出した路面の傾斜とアクセル開度の変化量とに基づいて、燃料噴射時または点火時におけるエンジン回転数及び気筒１に充填される吸気量の推測を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、燃料噴射量その他の運転パラメータの決定の基礎となるエンジン回転数及び吸気量が、実際に当該運転パラメータを用いて制御を行う時点でのエンジン回転数及び吸気量から大きく乖離しないため、最適な運転パラメータによる内燃機関の運転制御が可能となる。そして、ドライバビリティや燃費の向上、排ガス中の有害物質量の削減に資する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、現在の路面の傾斜を車速の変化量及びアクセル開度から推測していたが、車両または内燃機関に傾斜センサ、加速度センサ等を実装している場合には、路面の傾斜を実測することができる。

上記実施形態における内燃機関では、吸気弁にのみ可変バルブタイミング機構を設けていたが、排気弁に可変バルブタイミング機構を設けることも当然に想定される。その場合、排気弁のバルブタイミングを運転パラメータの一つとして、本発明を適用することができる。

内燃機関の気筒数は、必ずしも二気筒には限定されない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. 車両が所在している路面の傾斜を検出し、
   検出した路面の傾斜とアクセル開度の変化量とに基づいて、燃料噴射時または点火時におけるエンジン回転数及び気筒に充填される吸気量の推測を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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