JP2013185516A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバビリティやエミッションへの影響を少なくしながら異常燃焼の連発を効果的に防止する。
【解決手段】異常燃焼が検知された場合、異常燃焼の連続した発生を防止するための異常燃焼対応制御を実施する。本発明では、異常燃焼により生じたノックの強度が大きいほど、或いは、異常燃焼が検知されたときの筒内圧力が大きいほど異常燃焼対応制御を実施するサイクル数を多くする。その一方で、現在の運転状態から推定されるスカベンジ量が大きいほど、或いは、内部ＥＧＲ量が小さいほど異常燃焼対応制御を実施するサイクル数を少なくする。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、異常燃焼の連発を防止する機能を備えた内燃機関の制御装置に関する。

ノッキングやプレイグといった異常燃焼は、内燃機関の出力を低下させるだけでなくその耐久性にも悪影響を及ぼす。このため、異常燃焼の発生を防止することは内燃機関の制御上重要な課題であって、例えば以下に列挙した各特許文献１−６にも開示されているように、今日までに様々な解決策が提案されている。

特開２００５−２２６４８１号公報 特開２００８−３０３８３２号公報 特開２００９−０３０５４１号公報 特開２０１１−０８５０９８号公報 特開２０１１−０５２５８８号公報 特開２００７−０６４０３２号公報

ところで、異常燃焼が一回発生すると、その後続けて異常燃焼が発生する場合がある。図９に示すグラフは、異常燃焼が一回発生した後、連続して異常燃焼が発生したときのサイクル間隔を調べた統計データである。このグラフから分かるように、異常燃焼の再発は、異常燃焼が発生した後の５サイクル目までに起きる確率が高い。つまり、異常燃焼は短い間隔で再発する。

異常燃焼の再発が短い間隔で発生する原理は、図１０のイメージ図を用いて説明することができる。異常燃焼が発生すると筒内に付着したデポジットが剥離する。この剥離したデポジットが筒内に浮遊して次サイクル以降も残ることで、それが新たな着火源となって異常燃焼の連発が起きるのである。このため、浮遊デポジットが筒内から抜けきるまでは異常燃焼が発生する可能性は残ったままとなる。

異常燃焼の発生を防ぐ方法としては、燃料噴射量を増量したり燃料カットを実施したりすることが有効である。ただし、そのような異常燃焼対応制御を連続して実施する場合には、ドライバビリティやエミッション性能の低下を招いたり、触媒の床温を上昇させてその劣化を早めたりする等の背反も生じることになる。よって、燃料噴射量の増量や燃料カットといった異常燃焼対応制御によって異常燃焼の連発を防ぐ上では、ドライバビリティやエミッション性能への影響を如何にして少なくするかが課題である。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、ドライバビリティやエミッション性能への影響を少なくしながら異常燃焼の連発を効果的に防止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。

図１は、異常燃焼発生後のサイクル数と異常燃焼が再度発生する確率との関係にノックの強度やスカベンジ量がどのように影響するのかについて調べた結果を示すグラフである。異常燃焼の発生確率は筒内に浮遊するデポジットの量によって決まり、筒内に浮遊するデポジットの量は次に述べるようにノックの強度やスカベンジ量に左右される。

図２は、異常燃焼によって生じたノックの強度と、そのときの筒内圧力とがデポジットの剥がれ易さにどう影響するかを示している。デポジットの剥離に関係する要因としては振動と温度とがある。デポジットに伝わる振動が大きければ、壁面に付着したデポジットは剥がれ易くなる。また、筒内の温度が高くなれば、デポジットは燃焼し易い状況となり、壁面との結合力が弱くなってデポジットは剥がれ易くなる。ノックの強度は振動に関係し、筒内圧力は筒内温度に関係するため、図２に示すように、ノックの強度が大きいほど、また、筒内圧力が高いほどデポジットは剥がれ易くなる。そして、デポジットが剥がれ易い状況であるほど筒内の浮遊デポジット量は多くなり、異常燃焼が再度発生する確率は高くなる。

図３は、スカベンジ量或いは内部ＥＧＲ量が筒内からの浮遊デポジットの抜け易さにどう影響するかを示している。異常燃焼によって発生した筒内の浮遊デポジットは、サイクル毎のガスの交換によって筒内から次第に抜け出て行く。このとき、スカベンジ量が大きいほど、筒内のガスの交換の促進によって浮遊デポジットは筒内から抜け易くなる。逆に内部ＥＧＲ量が大きいほど、筒内に残存するガスの割合が増えることになって浮遊デポジットは筒内から抜け難くなる。浮遊デポジットが抜け易いほど、筒内に残存する浮遊デポジット量は少なくなって異常燃焼が再度発生する確率は低くなる。

図１のグラフに示す調査結果は、以上の考察の内容と合致している。すなわち、同じスカベンジ量で比較した場合、ノックの強度が大きいときのほうがノックの強度が小さいときと比較してより長いサイクル数にわたって異常燃焼が再発する可能性が続くことになる。最初に発生する浮遊デポジットの量が多いため、筒内から浮遊デポジットが抜けきるまでに時間がかかるからである。また、同じノックの強度で比較した場合は、スカベンジ量が多いときのほうがスカベンジ量が少ないときと比較して異常燃焼が再発する可能性のあるサイクル数は少なくなる。より少ないサイクル数で筒内からの浮遊デポジットの排出が完了するからである。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであって、本発明が提供する制御装置は以下の動作を行うように構成される。

本発明が提供する制御装置は、異常燃焼をサイクル毎に検知し、異常燃焼が検知された場合には異常燃焼対応制御を実施する。異常燃焼対応制御とは、異常燃焼の連続した発生を防止するための燃料噴射制御であって、燃料噴射量の増量や燃料カットといった異常燃焼の防止効果が高い処理が複数サイクル数にわたって実施される。本制御装置は、異常燃焼により生じたノックの強度が大きいほど、また、異常燃焼が検知されたときの筒内圧力が大きいほど、異常燃焼対応制御を実施するサイクル数を多くする。また、現在の運転状態から推定されるスカベンジ量が大きいほど、或いは、内部ＥＧＲ量が小さいほど、異常燃焼対応制御を実施するサイクル数を少なくする。

前述のように、異常燃焼の発生後に異常燃焼が再発する可能性のあるサイクル数は、デポジットの剥がれ易さに応じて、また、筒内からの浮遊デポジットの抜け易さに応じて異なったものとなる。そして、ノックの強度や筒内圧力の大きさはデポジットの剥がれ易さを決定する要素であり、スカベンジ量或いは内部ＥＧＲ量は浮遊デポジットの抜け易さを決定する要素である。よって、本制御装置のように、ノックの強度や筒内圧力の大きさに応じて、また、スカベンジ量或いは内部ＥＧＲ量に応じて異常燃焼対応制御を実施するサイクル数を決定することにより、異常燃焼の連発を効果的に防止しながら、ドライバビリティやエミッション性能への影響を少なくすることができる。

なお、本発明のより好ましい形態として、運転状態の履歴に基づいて筒内に蓄積されたデポジットの量を推定し、異常燃焼が検知されたときの推定デポジット蓄積量に応じて前記サイクル数を補正してもよい。異常燃焼によって剥離するデポジットの量は、蓄積されているデポジットの量が多いほど多くなるからである。推定デポジット蓄積量に応じた補正を行うことで、異常燃焼対応制御を実施するサイクル数をより適切に設定することができる。

本発明によれば、ドライバビリティやエミッション性能への影響を少なくしながら異常燃焼の連発を効果的に防止することができる。

異常燃焼発生後のサイクル数と異常燃焼が再度発生する確率との関係にノックの強度やスカベンジ量がどのように影響するのかについて調べた結果を示すグラフである。 異常燃焼によって生じたノックの強度と、そのときの筒内圧力とがデポジットの剥がれ易さにどう影響するかを示す図である。 スカベンジ量或いは内部ＥＧＲ量が筒内からの浮遊デポジットの抜け易さにどう影響するかを示す図である。 本発明の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態による異常燃焼対応制御について説明するための図である。 本発明の実施の形態による異常燃焼対応制御の手順を説明するためのフローチャートである。 負荷と回転数からデポジットの蓄積量／剥離量を計算するためのマップのイメージを示す図である。 負荷と回転数からデポジットの蓄積量を推定する制御のイメージを示す図である。 異常燃焼が一回発生した後、連続して異常燃焼が発生したときのサイクル間隔を調べた統計データを示すグラフである。 異常燃焼の連発が起きる原理を説明するための図である。

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図４は、本実施の形態において本発明の制御装置が適用される自動車用のエンジンシステムの構成を示す図である。このエンジンシステムに備えられる内燃機関は、ターボ過給機３８付きのガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）１０である。

エンジン１０は、各気筒に吸入される空気が流れる吸気通路１８と、各気筒から排出された排気ガスが流れる排気通路２０とを備えている。吸気通路１８にはターボ過給機３８のコンプレッサ３８ｂが備えられている。吸気通路１８においてコンプレッサ３８ｂの下流にはスロットル弁２２が設けられている。一方、排気通路２０にはターボ過給機３８のタービン３８ａが取り付けられている。排気通路２０においてタービン３８ａの下流には排気ガスを浄化するための触媒装置２４が設けられている。

エンジン１０の各気筒の内部にはピストン１２が配置されている。気筒内壁とピストン１２により燃焼室１４が形成されている。各気筒には、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁２６と、燃焼室１４の混合気に点火する点火プラグ２８と、吸気通路１８と燃焼室１４との間を開閉する吸気バルブ３０と、排気通路２０と燃焼室１４との間を開閉する排気バルブ３２とが設けられている。なお、図１には便宜上１つの気筒のみが図示されているが、実際にはエンジン１０は複数の気筒を備えている。

本エンジンシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０は、エンジンシステム全体を総合制御する制御装置である。ＥＣＵ５０は、本エンジンシステムが備える各種センサの信号を取り込み処理する。センサはエンジンシステムの各所に取り付けられている。例えば、クランク軸１６の近傍にはクランク角センサ４０が取り付けられ、吸気通路１８の入口にはエアフローメータ４２が取り付けられている。また、エンジン１０のシリンダブロックにはノックセンサ４４が取り付けられ、各気筒には筒内圧センサ４６が取り付けられている。ＥＣＵ５０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。ＥＣＵ５０によって操作されるアクチュエータには、スロットル弁２２、燃料噴射弁２６、点火プラグ２８などが含まれている。なお、ＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。

本実施の形態においてＥＣＵ５０により実行されるエンジン制御には、異常燃焼の連続した発生を防止するための異常燃焼対応制御が含まれる。異常燃焼対応制御では、異常燃焼が検知されていない通常運転時とは異なる設定による燃料噴射制御、具体的には燃料噴射量の増量或いは燃料カットが複数サイクル数にわたって実施される。燃料噴射量を異常燃焼が発生していない通常運転時よりも増量すれば、気化潜熱による燃焼室１４内の冷却によって異常燃焼の再度の発生を効果的に防止することができる。また、燃料噴射量をゼロにする燃料カットによれば、そのサイクルにおける異常燃焼の発生を確実に防止することができる。ただし、燃料噴射量の増量を長期間実施する場合はドライバビリティやエミッション性能を損なうことになりかねないし、燃料カットを長期間実施する場合は触媒装置２４を劣化させてしまうおそれがある。その一方で、異常燃焼対応制御の実施期間が不十分であった場合には、異常燃焼対応制御の終了後に異常燃焼が発生してしまうおそれがある。

そこで、本実施の形態の異常燃焼対応制御では、図５に示すように、ノックの強度や筒内圧力に応じて、また、スカベンジ量或いは内部ＥＧＲ量に応じて異常燃焼対応制御の実施期間を変更する。具体的には、異常燃焼によって生じたノックの強度が大きいほど、また、異常燃焼の発生時の筒内圧力が大きいほど、異常燃焼対応制御の実施期間を長くするとともに、スカベンジ量が多いほど異常燃焼対応制御の実施期間を短くし、内部ＥＧＲ量が多いほど異常燃焼対応制御の実施期間を長くする。ノックの強度はノックセンサ４４によって得られるノック信号から判断することができ、筒内圧力は筒内圧センサ４６によって計測することができる。スカベンジ量や内部ＥＧＲ量は、エンジン１０の運転状態に基づいて、具体的には、バルブタイミングや過給圧に基づいてマップやモデルを用いて計算することができる。なお、異常燃焼対応制御の期間中に実施する処理の内容については特に限定は無い。燃料噴射量の増量でもよいし、燃料カットでも良いし、それらの組み合わせでもよい。

本実施の形態において実施される異常燃焼対応制御の手順をフローチャートで表すと図６のようになる。このフローチャートにおける最初のステップＳ２では、異常燃焼が検知されたかどうか判定される。異常燃焼の発生はノックセンサ４４が捉えるノック信号から検知することもできるし、筒内圧センサ４６によって計測される筒内圧から検知することもできる。異常燃焼が検知されない場合、異常燃焼対応制御は実施されずに通常の燃料噴射制御が実施される。

異常燃焼が検知された場合、ステップＳ４−Ｓ１０の処理が実施される。ステップＳ４では、異常燃焼により生じたノックの強度と異常燃焼の発生時の筒内圧力より、異常燃焼によって発生した筒内の浮遊デポジット量が推定される。ＥＣＵ５０は、浮遊デポジットの発生量をノックの強度と筒内圧力とに関連付けるマップを有し、そのマップを用いて浮遊デポジットの発生量を算出するようになっている。

ステップＳ６では、現在のバルブタイミングと過給圧からスカベンジと内部ＥＧＲのどちらが発生しているか判断され、スカベンジが発生している場合にはスカベンジ量が、内部ＥＧＲが発生しているときには内部ＥＧＲ量が推定される。そして、推定スカベンジ量或いは推定内部ＥＧＲ量より、筒内からの浮遊デポジットの抜け易さが推定される。ＥＣＵ５０は、浮遊デポジットの抜け易さを示す指標値をスカベンジ量或いは内部ＥＧＲ量に関連付けるマップを有し、そのマップを用いて浮遊デポジットの抜け易さの指標値を算出するようになっている。

ステップＳ８では、ステップＳ４で得られた浮遊デポジット量の発生量と、ステップＳ６で得られた浮遊デポジットの抜け易さの指標値とに基づき、異常燃焼対応制御を実施するサイクル数が決定される。ＥＣＵ５０は、異常燃焼対応制御を実施するサイクル数を浮遊デポジットの発生量と浮遊デポジットの抜け易さの指標値とに関連付けるマップを有し、そのマップを用いて異常燃焼対応制御の実施サイクル数を決定するようになっている。そのマップによれば、浮遊デポジット量の発生量が同じであれば浮遊デポジットが抜け難いほど異常燃焼対応制御の実施サイクル数は多くされ、浮遊デポジットの抜け易さの指標値が同じであれば浮遊デポジット量の発生量が多いほど異常燃焼対応制御の実施サイクル数は多くされる。つまり、一定量の浮遊デポジットが筒内に残存しやすい状況ほど、異常燃焼対応制御の実施サイクル数は多くされる。

そして、ステップＳ１０では、ステップＳ８で決定されたサイクル数だけ異常燃焼対応制御が実施される。ステップＳ８で決定されたサイクル数は、異常燃焼の連発の原因となる浮遊デポジットが筒内に残存している期間、つまり、異常燃焼の連発が起きる可能性のある期間に対応する。よって、この期間に限定して異常燃焼対応制御を実施することにより、ドライバビリティやエミッション性能への影響を少なくしながら異常燃焼の連発を効果的に防止することができる。

また、本実施の形態の異常燃焼対応制御では、異常燃焼対応制御の実施サイクル数を筒内のデポジットの蓄積量に応じて変更することが行われる。筒内にデポジットが多く蓄積されているほど、最初の異常燃焼によって発生する浮遊デポジットの量は多くなり、結果として浮遊デポジットが筒内に残存する期間が長くなるからである。デポジットの蓄積量はエンジン１０の負荷と回転数の履歴から推定することができる。

ＥＣＵ５０は、図７にイメージを示すようなデポジット蓄積マップを備えている。このマップに示すように、負荷と回転数とによって定義されるエンジン１０の運転領域には、デポジットが蓄積される領域とデポジットが剥離する領域とが存在する。デポジット蓄積マップでは、デポジット蓄積領域における単位時間当たり蓄積量が負荷と回転数に関連付けて記憶されるとともに、デポジット剥離領域における単位時間当たり剥離量が負荷と回転数に関連付けて記憶されている。図８は、負荷と回転数からデポジットの蓄積量を推定する制御のイメージを示す図である。この図に示すように、ＥＣＵ５０は、負荷と回転数のそれぞれを一定時間間隔で計測し、計測した負荷と回転数に応じた単位時間当たり蓄積量或いは剥離量をデポジット蓄積マップを用いて算出する。そして、算出した単位時間当たり蓄積量或いは剥離量を積算していくことによって、デポジット蓄積量を常時更新していく。

本実施の形態の異常燃焼対応制御によれば、デポジット蓄積量が所定の基準蓄積量よりも多いときには、デポジット蓄積量と基準蓄積量との差に応じて異常燃焼対応制御の実施サイクル数はより多い値に補正される。逆にデポジット蓄積量が基準蓄積量よりも少ないときには、基準蓄積量とデポジット蓄積量との差に応じて異常燃焼対応制御の実施サイクル数はより少ない値に補正される。

以上、本発明の一つの実施の形態について説明した。ただし、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。例えば、上述の実施の形態ではノックの強度と筒内圧力の２つの要素から浮遊デポジットの発生量を推定しているが、ノックの強度のみ、或いは、筒内圧力のみから浮遊デポジットの発生量を推定するようにしてもよい。つまり、ノックの強度と筒内圧力のどちらか一方のみに基づいて異常燃焼対応制御を実施するサイクル数を決定するようにしてもよい。

また、本発明はガソリンエンジン以外のエンジン、例えばディーゼルエンジンにも適用することができる。また、本発明は過給エンジンではなく自然吸気エンジンにも適用することができる。

１０ ガソリンエンジン
１４ 燃焼室
２６ 燃料噴射弁
４４ ノックセンサ
４６ 筒内圧センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 異常燃焼を検知する検知手段と、
   異常燃焼が検知された場合、異常燃焼の連続した発生を防止するための制御（以下、異常燃焼対応制御）を実施する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、異常燃焼により生じたノックの強度が大きいほど、或いは、異常燃焼が検知されたときの筒内圧力が大きいほど前記異常燃焼対応制御を実施するサイクル数を多くし、現在の運転状態から推定されるスカベンジ量が大きいほど、或いは、内部ＥＧＲ量が小さいほど前記サイクル数を少なくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御手段は、運転状態の履歴に基づいて筒内に蓄積されたデポジットの量を推定し、異常燃焼が検知されたときの推定デポジット蓄積量に応じて前記サイクル数を補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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