JP2013174132A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の制御装置に関し、１サイクル中の筒内圧センサの出力信号とクランク角とに基づいて筒内圧センサのドリフトを補正する。
【解決手段】ドリフト補正量を以下の式１によって算出する。そして、式１によって算出されたドリフト補正量を用いて筒内圧センサの出力信号に応じた筒内圧を補正する。

ここで、

【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、筒内圧センサの出力信号を用いて内燃機関を制御する制御装置に関する。

筒内圧センサは圧力を検出する素子をセンサ筐体内に圧入する構造となっている。これによりダイアフラム（受圧部）に加わった圧力を素子へと伝えることができる。しかし、
センサの温度変化（エンジン暖機、フューエルカット、運転負荷等）により筐体が熱膨張もしくは収縮すると圧入時に加えられた素子内圧が変化し、センサの出力が上昇または下降する現象（以下、ドリフトという。）が発生する。ドリフトを補正しないことには、筒内圧から得られる各種パラメータ（発熱量、筒内温度、図示トルク等）の算出が正確に行われず、エンジンの出力低下やドライバビリティの悪化が生じてしまう。

このようなドリフトを補正する技術として、従来、例えば特許文献１には、吸気行程の筒内圧をサンプルし、基準値となる圧力（吸気管圧力）との差から筒内圧センサのドリフト量を算出し補正する構成が開示されている。尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

特開２００５−３１５２０８号公報 特開２０１０−２３６５３４号公報

しかし、上記従来の構成では、筒内圧センサとは別途に、吸気管圧力を検出する装置が必要であり、吸気管圧力センサを設ければコストが高くなってしまう。吸気圧センサを用いずに基準値となる圧力を推定することも考えられるが、エンジンの運転条件により吸気管圧力は大きく変化し、それに伴って吸気行程の筒内圧も大きく変化するため、ドリフト現象との切り分けが困難であり、ドリフト量の算出精度が低くなってしまうという課題がある。また、サイクル間の吸気行程圧力の変化を捉える必要があることからサイクル毎での瞬時の補正が不可能であり、制御の応答性を高めるのが困難であるという課題もある。

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、１サイクル中の筒内圧センサの出力信号とクランク角とに基づいてドリフトを補正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、
筒内圧センサの出力信号に応じた筒内圧Ｐを取得する筒内圧取得手段と、
前記筒内圧取得手段により取得された筒内圧Ｐを真の筒内圧に補正するドリフト補正量を算出する手段であって、
Ｐ_１、Ｐ_２：燃焼開始前圧縮行程の２つのクランク位置において前記筒内圧取得手段により取得された筒内圧
Ｐ_３：筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置と圧縮上死点を中心に対称となる燃焼終了後膨張行程のクランク位置において、前記筒内圧取得手段により取得された筒内圧
Ｐ_４：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置と圧縮上死点を中心に対称となる燃焼終了後膨張行程のクランク位置において、前記筒内圧取得手段により取得された筒内圧
θ_１：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置までの角度
θ_２：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_３が取得されたクランク位置までの角度
θ_３：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_４が取得されたクランク位置までの角度
θ：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐが取得されたクランク位置までの角度
Ｖ_１：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置における筒内容積
Ｖ_２：筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置における筒内容積
κ：ポリトロープ指数、とした場合に、
前記ドリフト補正量を以下の式１によって算出するドリフト補正量算出手段と、
式１により算出された前記ドリフト補正量を加えて、前記筒内圧センサの出力信号に応じた筒内圧Ｐを補正する筒内圧補正手段と、を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、筒内圧センサの出力信号とクランク角とに基づいてドリフト補正量を算出できるため、他のセンサを要すること無く、低コストにドリフトを補正することができる。また、第１の発明によれば、１サイクル内で各種データ（Ｐ、Ｖ、θ）を取得しａ、ｂを算出できるため、１サイクルで応答性高くドリフトを補正することができる。さらに、第１の発明によれば、ドリフト補正項ａθ＋ｂを用いているため、１サイクル中のドリフトの変化を加味した精度の高い補正が可能である。

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。 正常時とドリフト発生時とドリフト補正後の筒内圧を比較するための図である。 圧縮上死点（点火ＴＤＣ）近傍のＰＶ^κ波形を示す図である。 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。

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、単にエンジンともいう。）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燃料噴射弁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、クランク位置及びクランク角速度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。）に応じた信号を出力するエアフローメータ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。

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。

また、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む記憶回路を備えた演算処理装置により構成されている。ＥＣＵ５０の入力側には、上述した筒内圧センサ１８、クランク角センサ１９およびエアフローメータ２４等の内燃機関１０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。また、ＥＣＵ５０の出力側には、上述した燃料噴射弁１４、点火プラグ１６およびスロットルバルブ２６等の内燃機関１０の運転を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。

ＥＣＵ５０は、クランク角に応じて変化する各種のデータを、当該クランク角と共に時系列データとして記憶する機能を備えている。この時系列データには、各種センサ出力、及び当該出力に基づいて算出される各種の指標、パラメータ等が含まれる。

ＥＣＵ５０は、各種センサ出力に基づいて、所定のプログラムに従って各種のアクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。例えば、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１９の出力に基づいてクランク角、エンジン回転数（機関回転数）、ピストンの位置によって決まる筒内容積を算出する。エアフローメータ２４の出力に基づいて吸入空気量を算出する。また、吸入空気量、エンジン回転数等に基づいてエンジンの負荷（負荷率）を算出する。吸入空気量、負荷等に基づいて燃料噴射量を算出する。そして、クランク角に基づいて燃料噴射時期や点火時期を決定し、これらの時期が到来したときに、燃料噴射弁１４及び点火プラグ１６を駆動する。これにより、筒内で混合気を燃焼させ、内燃機関１０を運転することができる。

ところで、筒内圧センサ１８は、公知の圧力センサ等により構成されたセンサ素子部を備えている。このセンサ素子部は、例えば筒内の空間に晒される円柱状の受圧部と、受圧部の基端側に固着された圧電素子とを備えている。そして、センサの作動時には、筒内圧が受圧部を介して圧電素子に作用し、圧電素子から筒内圧に応じた出力信号（電圧値）が出力されるように構成されている。ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１８の出力信号から筒内圧Ｐを算出する機能を有している。ただし、筒内圧センサ１８の出力信号を圧力値に変換して得られる筒内圧Ｐは、上述した通り真の筒内圧に対してドリフトが発生する場合がある。

［実施の形態１における特徴的構成］
図２は、正常時とドリフト発生時とドリフト補正後の筒内圧を比較するための図である。図２に示すように、ドリフト発生時の筒内圧（実線６２）は、正常時の筒内圧（実線６０）から大きく乖離している。このため、筒内圧を用いてエンジン制御を精度良く行うためには、筒内圧センサ１８の出力信号から得られる筒内圧Ｐにドリフト補正量を加える必要がある。そこで、本実施形態のシステムでは、ＥＣＵ５０は、次の式１によってドリフト補正量を算出し、このドリフト補正量を用いて筒内圧センサ１８の出力信号から得られる筒内圧を補正する。

ここで、

上記の式１において、Ｐは、筒内圧センサ１８の出力信号を圧力値に変換して得られる筒内圧である。特に、Ｐ_１、Ｐ_２は、燃焼開始前圧縮行程の２つのクランク位置において筒内圧センサ１８の出力信号から得られる筒内圧であり、Ｐ_１はＰ_２よりも進角側のクランク位置における筒内圧である。Ｐ_３は、筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置と圧縮上死点を中心に対称となる燃焼終了後膨張行程のクランク位置において、筒内圧センサ１８の出力信号から得られる筒内圧である。Ｐ_４は、筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置と圧縮上死点を中心に対称となる燃焼終了後膨張行程のクランク位置において、筒内圧センサ１８の出力信号から得られる筒内圧である。

また、θは、筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐが取得されたクランク位置までの角度である。特に、θ_１は筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置までの角度、θ_２は筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_３が取得されたクランク位置までの角度、θ_３は筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_４が取得されたクランク位置までの角度である。

また、Ｖは、クランク位置に対応するピストンの位置によって決まる筒内容積である。特に、Ｖ_１は筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置における筒内容積である。Ｖ_２は、筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置における筒内容積である。なお、κは、ポリトロープ指数である。

以下、ドリフト補正量の導き方について詳しく説明する。

図３は、圧縮上死点（点火ＴＤＣ）近傍のＰＶ^κ波形を示す図である。ＰＶ^κは、発熱量に相当する簡易式である。エンジン１０内を断熱圧縮行程、断熱膨張行程と仮定すると、各行程でのＰＶ^κは一定となる。ここで、ドリフト補正後の筒内圧をＰ_ｄとする。特に、ドリフト補正後の筒内圧Ｐ_１をＰ_ｄ１、ドリフト補正後の筒内圧Ｐ_２をＰ_ｄ２、ドリフト補正後の筒内圧Ｐ_３をＰ_ｄ３、ドリフト補正後の筒内圧Ｐ_４をＰ_ｄ４とする。このとき、燃焼開始前圧縮行程の２点（Ｐ_ｄ１、Ｐ_ｄ２）におけるＰ_ｄＶ^κ値が同一となり、燃焼終了後膨張行程の２点（Ｐ_ｄ３、Ｐ_ｄ４）におけるＰ_ｄＶ^κ値が同一となる。よって、次の式４が成立する。

図３に示すように、燃焼開始前圧縮行程において筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から、他の筒内圧Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４が取得されたクランク位置までの角度をそれぞれθ_１、θ_２、θ_３、筒内圧のドリフトによる変化量をａθ＋ｂ（ａ、ｂはドリフト補正項）と表現すると、ドリフト補正後の筒内圧Ｐ_ｄ１〜Ｐ_ｄ４は、次の式５で表される。

また、上述したように、筒内圧Ｐ_１、Ｐ_４が取得されたクランク位置は圧縮上死点を中心に対称であるため、筒内容積Ｖは同一である。同様に、筒内圧Ｐ_２、Ｐ_３が取得されたクランク位置における筒内容積Ｖも同一である。よって、次の式６が成立する。

式４に式５および式６を代入して、ａ、ｂについてそれぞれ解くと、ａは上述した式２で表され、ｂは上述した式３で表される。なお、式３にａを代入すると、ｂは次の式７で表される。

ドリフト補正項ａ、ｂの要素であるＰ、Ｖ、θは同一サイクル中の値が用いられ、ドリフト補正後の筒内圧Ｐ_ｄは、次の式８から算出することができる。

図４は、上述した式を用いて筒内圧Ｐのドリフトを補正するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、まず、ＥＣＵ５０は、筒内圧Ｐを算出するために、所定クランク角ごとに筒内圧センサ１８の出力信号を取得して記憶する（ステップＳ１００）。

ＥＣＵ５０は、燃焼開始前圧縮行程の任意の筒内圧Ｐ_１、Ｐ_２を算出し（ステップＳ１１０）、燃焼終了後膨張行程の任意の筒内圧Ｐ_３、Ｐ_４を算出する（ステップＳ１２０）。さらに、ＥＣＵ５０は、筒内圧Ｐ_１からＰ_２、Ｐ_３、Ｐ_４までの角度θ_１、θ_２、θ_３をそれぞれ算出する（ステップＳ１３０）。

その後、ＥＣＵ５０は、ドリフト補正項ａ、ｂを算出する（ステップＳ１４０）。ドリフト補正項ａは、上述の式２を用いて算出される。ドリフト補正項ｂは、上述の式３又は式７を用いて算出される。そして、ドリフト補正量は式１を用いて算出される。続いて、ＥＣＵ５０は、ドリフト補正後の筒内圧Ｐ_ｄを上述した式８を用いて算出する（ステップＳ１５０）。

ＥＣＵ５０は、算出したドリフト補正後の筒内圧Ｐ_ｄを用いて各種燃焼パラメータ（発熱量、筒内温度、図示トルク等）を算出し（ステップＳ１６０）、また、燃焼室量割合（ＭＦＢ）を算出する（ステップＳ１７０）。

以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、１サイクル中のデータからドリフト補正項ａ、ｂを算出し、式８を用いてドリフト補正後の筒内圧Ｐ_ｄを算出することができる。これにより、図２の実線６０（真の筒内圧）から乖離した実線６２（筒内圧Ｐ）が、実線６４（筒内圧Ｐ_ｄ）まで補正される。

このように、本実施形態のシステムによれば、筒内圧とクランク角とからドリフト補正量を算出できるため、他のセンサを要すること無く、低コストにドリフトを補正することができる。また、本実施形態のシステムによれば、１サイクル内で各種データ（Ｐ、Ｖ、θ）を取得しａ、ｂを算出できるため、１サイクルで応答性高くドリフトを補正することができる。さらに、ドリフトはサイクル内において時々刻々と変化しているものであり、オフセットつまり一定の値で完全に補正することは困難である。特に強いドリフトが発生した場合、その影響は顕著である。これに対し、本実施形態のシステムによれば、ドリフト補正項ａθ＋ｂを用いているため、ドリフトの変化に応じた精度の高い補正が可能である。

すなわち、本実施形態のシステムによれば、センサ単体でサイクル毎にドリフトの変化に応じた補正が可能となる。その結果、筒内圧から得られる各種パラメータ（発熱量、筒内温度、図示トルク等）を応答性・精度高く算出でき、好適なエンジン制御を実現することができる。

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。また、火花点火式のエンジンに限らず、圧縮自着火式のエンジンにも本発明を適用することができる。

尚、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ１８が前記第１の発明における「筒内圧センサ」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「筒内圧取得手段」が、上記ステップＳ１１０〜ステップＳ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ドリフト補正量算出手段」が、上記ステップＳ１５０の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧補正手段」が、それぞれ実現されている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１０ 内燃機関（エンジン）
１２ 燃焼室
１４ 燃料噴射弁
１６ 点火プラグ
１８ 筒内圧センサ
１９ クランク角センサ
２０ 吸気通路
２４ エアフローメータ
２６ スロットルバルブ
３２ 排気通路
５０ ＥＣＵ
ａ、ｂ ドリフト補正項
Ｐ 筒内圧
Ｐ_ｄ ドリフト補正後の筒内圧
Ｖ 筒内容積
θ 角度

Claims (1)

1. 筒内圧センサの出力信号に応じた筒内圧Ｐを取得する筒内圧取得手段と、
   前記筒内圧取得手段により取得された筒内圧Ｐを真の筒内圧に補正するドリフト補正量を算出する手段であって、
   Ｐ_１、Ｐ_２：燃焼開始前圧縮行程の２つのクランク位置において前記筒内圧取得手段により取得された筒内圧
   Ｐ_３：筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置と圧縮上死点を中心に対称となる燃焼終了後膨張行程のクランク位置において、前記筒内圧取得手段により取得された筒内圧
   Ｐ_４：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置と圧縮上死点を中心に対称となる燃焼終了後膨張行程のクランク位置において、前記筒内圧取得手段により取得された筒内圧
   θ_１：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置までの角度
   θ_２：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_３が取得されたクランク位置までの角度
   θ_３：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐ_４が取得されたクランク位置までの角度
   θ：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置から筒内圧Ｐが取得されたクランク位置までの角度
   Ｖ_１：筒内圧Ｐ_１が取得されたクランク位置における筒内容積
   Ｖ_２：筒内圧Ｐ_２が取得されたクランク位置における筒内容積
   κ：ポリトロープ指数、とした場合に、
   前記ドリフト補正量を以下の式１によって算出するドリフト補正量算出手段と、
   式１により算出された前記ドリフト補正量を加えて、前記筒内圧センサの出力信号に応じた筒内圧Ｐを補正する筒内圧補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
   

   

   ここで、
   

   

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