JP2013113099A - 内燃機関の燃焼状態判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の各気筒における燃料の燃焼状態の適否をより的確に判断できるようにする。
【解決手段】内燃機関のクランクシャフトの回転速度を３０°ＣＡ毎に反復的に検出するとともに、過去に検出したクランクシャフトの回転速度の時系列ｚ_n ^Tを自己回帰モデルに入力して将来のクランクシャフトの回転速度ｘ_nを推算し、クランクシャフトの回転速度の推算値ｘ_nと実測値ｘ_Rとの差異に基づいて気筒１における燃料の燃焼の適否を判断することとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の気筒における燃料の燃焼の状態を判断する燃焼状態判定装置に関する。

例えば、アイドル運転時にエンジン回転数を所望のアイドル回転数に収束させる制御手法として、クランクシャフトの回転速度を所定回転角度毎に反復的に検出し、その実測回転速度がアイドル回転数に対応した目標角速度となるように点火時期を進角／遅角補正するフィードバック制御を実行することが知られている（下記特許文献を参照）。

一般に、車両等に搭載される内燃機関は複数の気筒を有している。各気筒での燃料の燃焼の状態、そしてその燃焼により発生する爆発力は、全気筒において等しいわけではなく、気筒間でばらつきがある。故に、エンジン回転数に爆発一次振動が出現する。

とりわけ、二気筒の４ストローク機関では、爆発燃焼の間隔が３６０°ＣＡ（クランク角度）毎と長く、微視的に見て機関の出力トルクが大きく増減し、クランクシャフトの回転速度もまた速くなったり遅くなったりを繰り返す。そのような内燃機関の各気筒における燃焼状態の適否を判断し、機関の回転変動ひいては機関の振動を抑制することは容易ではない。

上記の問題は、圧縮自己着火方式の内燃機関、即ちディーゼル機関やＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）機関についても当てはまる。

特開平１１−３２４８７７号公報

本発明は、内燃機関の各気筒における燃料の燃焼状態の適否をより的確に判断できるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関のクランクシャフトの回転速度を所定回転角度毎に反復的に検出するとともに、過去に検出したクランクシャフトの回転速度の時系列を自己回帰（ＡｕｔｏＲｅｇｒｅｓｓｉｖｅ）モデルに入力して将来のクランクシャフトの回転速度を推算し、クランクシャフトの回転速度の推算値と実測値との差異に基づき気筒における燃料の燃焼の適否を判断することを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置を構成した。

本発明に係る燃焼状態判定装置は、回転速度の変動が比較的大きい内燃機関、例えば二気筒の機関や、ディーゼル機関またはＨＣＣＩ機関等の運転制御への適用に好適である。

本発明によれば、内燃機関の各気筒における燃料の燃焼状態の適否をより的確に判断することが可能となる。

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。 同実施形態の燃焼状態判定装置を用いて内燃機関の回転速度を制御する例を示す図。

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ストローク機関であり、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１２と第二気筒１のピストン１２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、電子スロットルバルブ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バルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ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バルブであり、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バルブ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バルブ２２を設けてある。

内燃機関の運転制御を司る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バルブ３３の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）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（または、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、１０°ＣＡ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バルブ２２に対して開度操作信号ｊ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納し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量（または、ＥＧＲ率）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。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を出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態の燃焼状態判定装置たるＥＣＵ０は、エンジン回転センサを介して内燃機関のクランクシャフトの回転速度を所定回転角度毎に反復的に検出しており、過去に検出したクランクシャフトの回転速度の時系列を自己回帰モデルに入力して将来のクランクシャフトの回転速度を推算する。その上で、クランクシャフトの回転速度の推算値と実測値との差異に基づき、各気筒１において訪れる膨張行程の機会毎に、燃焼室内での燃料の爆発燃焼の状態が適正であるか否かの判断を下す。

自己回帰モデルは、目的変数である将来のクランクシャフトの回転速度ｘ_nを、説明変数である過去のクランクシャフトの回転速度ｘ_n-1、ｘ_n-2、……によって推定するものである。本実施形態にあって、ｘ_n-1、ｘ_n-2、……は、３０°ＣＡ毎にエンジン回転数（または、クランクシャフトが３０°ＣＡ回転するのに要した時間）を計測することによって得るものとする。無論、計測間隔は３０°ＣＡよりも短くてもよいし、長くてもよい。

ここでは、モデルの次数を四次とし、エンジン回転数の直近の過去四回分の実測値［ｘ_n-1，ｘ_n-2，ｘ_n-3，ｘ_n-4］をモデルの入力ｚ_n ^Tとする。入力ｚ_n ^T＝［ｘ_n-1，ｘ_n-2，ｘ_n-3，ｘ_n-4］に対し、自己回帰係数即ちモデルのパラメータをａ^T＝［ａ₁，ａ₂，ａ₃，ａ₄］とおくと、次回の計測機会において計測されるであろうエンジン回転数ｘ_nを、下式に則って推測することができる。
ｘ_n＝ａ₁ｘ_n-1＋ａ₂ｘ_n-2＋ａ₃ｘ_n-3＋ａ₄ｘ_n-4
モデルのパラメータａ^Tは、各気筒１毎に個別に同定するものとし、当該気筒１における燃料の燃焼状態が適正、良好である状況の下での値とする。ａ^Tの同定は、オフライン（設計ないし製造段階での適合）で行ってもよく、オンライン（運転の最中に実時間で同定）で行ってもよい。何れにせよ、ａ^Tは、そのときの内燃機関の要求負荷（吸気量及び燃料噴射量）、オルタネータやエアコンディショナのコンプレッサといった補機の負荷、外部環境（大気圧、車両が走行している路面の傾斜、他）等の諸条件により異なる。ＥＣＵ０は、同定された気筒毎１のａ^Tと、その同定されたａ^Tの前提となる条件を規定する情報とを関連付けてメモリに格納する。ａ^Tに関しては、
ａ_N+1＝ａ_N＋ｋ_N+1（ｘ_N+1−ｚ_N+1 ^Tａ_N）
ｋ_N+1＝Ｐ_Nｚ_N+1（１＋ｚ_N+1 ^TＰ_Nｚ_N+1）^-1
Ｐ_N+1＝（Ｉ−ｋ_N+1ｚ_N+1 ^T）Ｐ_N
が成立する。

内燃機関の運転制御において、ＥＣＵ０は、現在の機関の要求負荷、補機負荷及び外部環境等、並びに、間もなく膨張行程を迎えるかまたは最近膨張行程を開始した気筒１に対応するモデルパラメータａ^Tをメモリから読み出し、クランクシャフトの回転速度ｘ_nを推算する。

図２に例示するように、二気筒の４ストローク機関であれば、第一気筒１の圧縮上死点から第一気筒１の膨張行程を経て第二気筒１の圧縮上死点に至るまでの３６０°ＣＡ分の期間について、第一気筒１に関して同定されたモデルパラメータａ^Tを用い、クランクシャフトの回転速度の３０°ＣＡ毎の推算値ｘ_nを得る。翻って、第二気筒１の圧縮上死点から第二気筒１の膨張行程を経て第一気筒１の圧縮上死点に至るまでの３６０°ＣＡ分の期間については、第二気筒１に関して同定されたモデルパラメータａ^Tを用い、クランクシャフトの回転速度の３０°毎の推算値ｘ_nを得る。

そして、ＥＣＵ０は、３０°毎に計測したクランクシャフトの回転速度の実測値ｘ_Rを上記の推算値ｘ_nと比較することにより、各気筒１における燃料の燃焼状態の適否を判断する。図２中、破線は自己回帰モデルに基づく推算値ｘ_nを表し、実線は計測による実測値ｘ_Rを表している。

推算値ｘ_n＞実測値ｘ_Rである場合には、当該気筒１における燃焼の爆発力が想定より低いということである。このような燃焼状態の悪化または機関の回転の悪化を検出した場合には、当該気筒１における次回の燃焼時に機関の出力をより高めるための補正、例えば燃料噴射量の増量補正や、点火時期の進角補正等を加える。

逆に、ｘ_n＜ｘ_Rである場合には、当該気筒１における燃焼の爆発力が想定より高いということである。このような機関の出力トルクの過剰を検出した場合には、当該気筒１における次回の燃焼時に出力トルクをより低く抑えるための補正、例えば燃料噴射量の減量補正や、点火時期の遅角補正等を加える。

本実施形態では、内燃機関のクランクシャフトの回転速度を所定回転角度毎に反復的に検出するとともに、過去に検出したクランクシャフトの回転速度の時系列ｚ_n ^Tを自己回帰モデルに入力して将来のクランクシャフトの回転速度ｘ_nを推算し、クランクシャフトの回転速度の推算値ｘ_nと実測値ｘ_Rとの差異に基づき気筒１における燃料の燃焼の適否を判断することを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置０を構成した。

本実施形態によれば、二気筒機関のような元々回転速度の変動の度合いが大きい機関における、気筒１毎の燃焼状態のばらつきや出力トルクの変動を精度よく検出することができる。そして、機関の不意の回転変動や、機関自体の燃焼一次振動を抑制することが可能となる。

加えて、気筒１の出力トルクが過剰な場合に燃料噴射量を低減したり、気筒１の出力トルクが不足な場合に点火時期を進角したりすることを通じて、燃費効率の一層の向上にも寄与し得る。

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、内燃機関として二気筒の機関を想定していたが、単気筒または三気筒等の少数気筒の機関の制御に本発明を適用しても構わない。

また、内燃機関は火花点火式内燃機関には限定されない。やはり回転速度の変動の度合いが大きい圧縮自己着火方式の内燃機関、即ちディーゼル機関やＨＣＣＩ機関の制御に本発明を適用することも当然に許容される。

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…燃焼状態判定装置（ＥＣＵ）
１…気筒

Claims (2)

1. 内燃機関のクランクシャフトの回転速度を所定回転角度毎に反復的に検出するとともに、
   過去に検出したクランクシャフトの回転速度の時系列を自己回帰モデルに入力して将来のクランクシャフトの回転速度を推算し、
   クランクシャフトの回転速度の推算値と実測値との差異に基づき気筒における燃料の燃焼の適否を判断する
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。
2. 前記内燃機関は、気筒数が二気筒の機関、ディーゼル機関またはＨＣＣＩ機関である請求項１記載の燃焼状態判定装置。

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