JP2014020205A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リーン運転を行なう内燃機関において、燃焼状態の最適化を図ることによりＮＯｘの排出を抑制しつつ燃費性能を向上させる。
【解決手段】ＣＰＳ３４およびクランク角センサ４２を用いて、内燃機関１０のリーン運転中のＭＦＢを算出する算出手段と、ＭＦＢが５０％となるクランク角ＣＡ５０が目標ＣＡ５０となるように、内燃機関１０の燃焼状態を制御する燃焼制御手段と、を備える。燃焼制御手段は、内燃機関１０の運転状態が所定の低回転低負荷領域に属する場合に、ＣＡ５０が目標ＣＡ５０となるように、内燃機関１０の燃料噴射量を学習して全運転領域の燃料噴射量を一律に補正する噴射量補正手段と、噴射量補正手段による補正が行われている状態において、ＣＡ５０が目標ＣＡ５０となるように、内燃機関１０の点火時期を運転領域毎に学習して、それぞれ補正する点火時期補正手段と、を備える。
【選択図】図５

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、筒内圧センサを用いて燃焼状態を制御する内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特開２００４−５３６２５０号公報には、エンジンの筒内の圧力データに基づいて点火時期を制御するエンジン管理システムが開示されている。この技術では、燃焼効率を判断するための指標として、筒内の燃料の５０％が燃焼されるクランク角位置ＣＡθ５０が用いられる。より具体的には、実際のＣＡθ_５０（ＣＡθ_{５０ｒｅａｌ}）が、実現されるトルクが最大となるＣＡθ_５０（ＣＡθ_{５０ｉｄｅａｌ}）となるように点火時期が制御される。

特開２００４−５３６２５０号公報 特開平３−１３０５５７号公報

このように、上記従来の技術では、質量燃焼割合（ＭＦＢ）が５０％となるクランク角ＣＡ５０が目標とする目標ＣＡ５０に近づくように、換言すると、燃焼速度が最適効率に対応する燃焼速度となるように、点火時期が制御される。しかしながら、上記従来の技術のような効率向上を目的とした点火制御をリーンバーンエンジンに適用した場合、ＮＯｘ排出量の増大やトルク変動の増大が生ずるおそれがある。すなわち、実際のＣＡ５０と目標ＣＡ５０との間にズレが生じる要因は、例えば、空燃比ズレの影響による燃焼速度のズレや、筒内渦流（タンブル流）の強弱の影響による燃焼速度のズレ等複数の要因が存在する。この点、上記従来の技術では、例えば、タンブル流が弱いことが原因で燃焼速度が遅れた場合であっても点火時期が進角側に変更されてしまうため、ＮＯｘ排出量が増大してしまうおそれがある。このように、燃焼速度に生じるズレの要因を切り分けることなく燃焼条件の補正を行う上記従来の技術では、燃焼状態の最適化を図ることができず、改善が望まれていた。

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、リーン運転を行なう内燃機関において、燃焼状態の最適化を図ることによりＮＯｘの排出を抑制しつつ燃費性能を向上させることが可能な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、
リーン運転が可能な内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の所定気筒に設けられ、当該所定気筒の筒内圧力に応じた信号を出力する筒内圧センサと、
前記内燃機関のクランク角に応じた信号を出力するクランク角センサと、
前記筒内圧センサおよび前記クランク角センサを用いて、前記内燃機関のリーン運転中に前記所定気筒に吸入されたガスの燃焼状態が反映されたパラメータを算出する算出手段と、
前記パラメータが所定の目標クランク角において所定の目標値となるように、前記内燃機関の燃焼状態を制御する燃焼制御手段と、を備え、
前記燃焼制御手段は、
前記内燃機関の運転状態が所定の低回転低負荷領域に属する場合に、前記パラメータが前記目標クランク角において前記目標値となるように、前記内燃機関の燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、
前記噴射量補正手段による補正が行われている状態において、前記パラメータが前記目標クランク角において前記目標値となるように、前記内燃機関の点火時期を補正する点火時期補正手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記算出手段は、前記内燃機関の燃焼行程において燃焼した燃料の質量総量に対する燃焼した燃料の質量総量の割合をＭＦＢとして算出する手段であり、
前記燃焼制御手段は、前記ＭＦＢが５０％となるクランク角が前記目標クランク角となるように、前記内燃機関の燃焼状態を制御する手段であることを特徴としている。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記噴射量補正手段は、
前記内燃機関の運転状態が所定の低回転低負荷領域に属する場合の前記パラメータが、前記目標クランク角において前記目標値となるための燃料噴射量の補正量を学習する噴射量学習手段と、
前記噴射量学習手段により学習された補正量を用いて、前記内燃機関の全運転領域における燃料噴射量を補正する手段と、
を含むことを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記点火時期補正手段は、
前記噴射量補正手段による補正が行われている状態において、前記パラメータが前記目標クランク角において前記目標値となるための点火時期の補正量を運転領域毎に学習する点火時期学習手段と、
前記点火時期学習手段により学習された補正量を用いて、前記内燃機関の点火時期を運転領域毎に補正する手段と、
を含むことを特徴としている。

第１の発明によれば、運転条件が所定の低負荷低回転の領域に属する場合において、リーン運転中の燃焼状態が反映されたパラメータが所定の目標クランク角において所定の目標値となるように燃料噴射量が補正される。そして、燃料噴射量の補正が行われている状態での上記パラメータが上記目標クランク角において上記目標値となるように点火時期が補正される。このため、本発明によれば、タンブル流等の気流の乱れによる影響が小さい領域において燃料噴射量を補正することにより、空燃比ズレの影響による燃焼状態のズレを有効に補正することができる。また、燃料噴射量の補正が行われている状態で生じる燃焼状態のズレは、タンブル流等の気流の乱れの影響による燃焼状態のズレと判断することができる。このため、係るズレを点火時期により補正することにより、タンブル流等の気流の乱れの影響による燃焼状態のズレを有効に補正することができる。このように、本発明によれば、空燃比ズレの影響による燃焼状態のズレと、タンブル流等の気流の乱れの影響による燃焼状態のズレとを切り分けてそれぞれに適した補正を施すことができるので、不適切な補正によるＮＯｘ排出量の増大やトルク変動の悪化を有効に抑制して燃費性能の向上を図ることができる。

第２の発明によれば、燃焼状態が反映されたパラメータとして、質量燃焼割合（ＭＦＢ）が算出され、ＭＦＢが５０％となるクランク角（ＣＡ５０）が目標クランク角となるように内燃機関の燃焼状態が制御される。このため、本発明によれば、算出されたＣＡ５０（燃焼重心位置）を用いて燃焼状態の最適化を図ることができる。

第３の発明によれば、内燃機関の運転条件が所定の低負荷低回転領域に属する場合に、上記パラメータが上記目標クランク角において上記目標値となるための燃料噴射量の補正量が学習され、当該補正量が内燃機関の全運転領域における燃料噴射量に反映される。低負荷低回転領域では、気流の乱れ（タンブル流）による燃焼状態のズレが生じ難い。このため、本発明によれば、空燃比ズレの影響による燃焼状態のズレを有効に学習して補正することができる。

第４の発明によれば、燃料噴射量の補正が施されている状態において、上記パラメータが上記目標クランク角において上記目標値となるための点火時期の補正量が運転領域毎に学習され、当該補正量が内燃機関の運転領域毎の点火時期に反映される。このため、本発明によれば、タンブル流の影響による燃焼状態のズレを有効に学習して補正することができる。

本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。 ＭＦＢを利用した燃焼制御の一例を説明するための図である。 Ａ／Ｆに対するＮＯｘ排出量およびトルク変動の関係を示す図である。 点火時期とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行するルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。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。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１として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に示すとおり、本実施の形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、ガソリンを燃料とする火花点火式の多気筒エンジンであり、リーン空燃比（空燃比Ａ／Ｆ＝２３〜２５程度）での運転が可能なエンジンとして構成されている。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復運動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気通路１８および排気通路２０の一端がそれぞれ連通している。吸気通路１８および排気通路２０と燃焼室１６との連通部には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。

吸気通路１８の入口には、エアクリーナ２６が取り付けられている。エアクリーナ２６の下流には、スロットルバルブ２８が配置されている。スロットルバルブ２８は、アクセル開度に基づいてスロットルモータにより駆動される電子制御式のバルブである。

シリンダヘッド１４には、燃焼室１６の頂部から燃焼室１６内に突出するように点火プラグ３０が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４には、燃料を筒内に噴射するための燃料噴射弁３２が設けられている。更に、シリンダヘッド１４には、各気筒の筒内圧力を検出するための筒内圧センサ（ＣＰＳ）３４がそれぞれ組み込まれている。

本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、上述した筒内圧センサ３４の他、クランク軸の回転位置を検知するためのクランク角センサ４２等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ２８、点火プラグ３０、燃料噴射弁３２等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、入力された各種の情報に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［実施の形態１の動作］
筒内圧センサ（ＣＰＳ）３４は、筒内の燃焼状態を直接検出することができる点で、非常に有効なセンサである。このため、該ＣＰＳ３４の出力は、内燃機関の各種制御の制御パラメータとして利用される。

本実施の形態１のシステムでは、ＣＰＳ３４およびクランク角センサ４２の出力をＭＦＢ（質量燃焼割合）の演算に利用する。ＭＦＢは筒内に吸入された燃料の質量総量に対する燃焼に供された燃料の質量総量の割合を示す値であって、燃焼室１６内での燃焼速度を示すパラメータとして種々の制御に利用される。図２は、ＭＦＢを利用した燃焼制御の一例を説明するための図である。この図に示す例では、ＭＦＢが５０％となる位置を燃焼重心位置ＣＡ５０として、当該ＣＡ５０が所定位置となるように点火時期を制御することとしている。これにより、燃焼速度のズレ分を有効に補正することができるので、燃焼効率の最適化を図ることができる。

しかしながら、燃焼速度にズレが生じる要因は、空燃比の大小や筒内渦流（タンブル流）の強弱など種々の要因が存在する。このため、内燃機関１０のリーン運転時に上述した点火時期の制御を実行することとすると、ＮＯｘ排出量の増大やトルク変動の悪化等の問題が生じるおそれがある。以下、この理由について例を挙げて説明する。

図３は、Ａ／Ｆに対するＮＯｘ排出量およびトルク変動の関係を示す図である。また、図４は、点火時期とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。第１の例として、例えばタンブル流の弱化とＡ／Ｆのリッチズレとが生じている場合において、タンブル流の弱化が燃焼に与える影響がＡ／Ｆのリッチズレが燃焼に与える影響よりも大きい場合には、燃焼速度が低下していると判断することができる。この場合に、燃焼重心位置ＣＡ５０が所定位置となるように点火時期を進角側に補正することとすると、図３および図４に示すように、Ａ／Ｆのリッチズレおよび点火時期の進角化によりＮＯｘ排出量が増加してしまう。

ここで、燃焼速度のズレを補正するための制御には、上述した点火時期の制御の他に、例えば燃焼噴射量の制御がある。具体的には、燃料噴射量を増量補正すると燃焼速度を増加させることができ、また、逆に減量補正すると燃焼速度を低下させることができる。そこで、上記第１の例においては、燃焼重心位置ＣＡ５０が所定位置となるように燃料噴射量を増量補正することもできる。しかしながら、この場合、リッチズレが生じているＡ／Ｆが更にリッチ側に補正されることとなるので、図３に示す関係からも分かるとおり、ＮＯｘ排出量が増大してしまう。

また、第２の例として、例えばタンブル流の弱化とＡ／Ｆのリーンズレとが生じている場合には、燃焼速度が低下していると判断することができる。この場合に、燃焼重心位置ＣＡ５０が所定位置となるように燃料噴射量を増量することとすると、タンブル流の弱化による燃焼速度低下分も燃料噴射量を増量により補正されることとなるため、図３に示すように、過リッチによりＮＯｘ排出量が増加してしまう。

また、第３の例として、例えばタンブル流の強化とＡ／Ｆのリッチズレとが生じている場合には、燃焼速度が増加していると判断することができる。この場合に、燃焼重心位置ＣＡ５０が所定位置となるように点火時期を遅角することとすると、Ａ／Ｆのリッチズレによる燃焼速度増加分もＡ／Ｆで補正されることとなるため、図４に示すように、ＮＯｘ排出量が増加してしまう。

更に、第４の例として、例えばタンブル流の強化とＡ／Ｆのリーンズレとが生じている場合において、タンブル流の強化が燃焼に与える影響がＡ／Ｆのリーンズレが燃焼に与える影響よりも大きい場合には、燃焼速度が増加していると判断することができる。この場合に、燃焼重心位置ＣＡ５０が所定位置となるように燃料噴射量を減量することとすると、リーンズレが生じているＡ／Ｆが更にリーン側に補正されることとなるので、図３に示すように、トルク変動が悪化してしまう。

このように、燃焼速度変化の要因を考慮せずに燃焼状態の制御を行うと、ＮＯｘの増大やトルク変動の悪化を引き起こしてしまう。そこで、本実施の形態１のシステムでは、燃焼速度に生じるズレの要因に応じて、内燃機関１０の燃焼制御の方法を使い分けることとする。具体的には、Ａ／Ｆズレの影響により燃焼速度に生じるズレは、機差や噴孔の詰まり等、運転領域等によらず一律に生じ易いのに対して、タンブル流の強弱等の気流の変化に伴う燃焼速度のズレは運転領域に応じて変化し易い。

そこで、ＥＣＵ４０は、先ず、Ａ／Ｆズレの影響による燃焼速度のズレを特定し、当該燃焼速度のズレを燃料噴射量の増減により補正する。リーン運転中は低燃費・低ＮＯｘとなる領域での燃焼耐性を確保する必要があることから一般的に高タンブル流が発生するように設定されている。このため、Ａ／Ｆズレの影響による燃焼速度のズレを算出する際には、タンブル流のバラツキが燃焼に与える影響を排除するために、例えば、内燃機関１０の運転状態が所定の低回転低負荷となる範囲で算出したＣＡ５０を用いることが好ましい。

Ａ／Ｆズレの影響による燃焼速度のズレ分は、燃料噴射量の増減によって補正される。ＥＣＵ４０は、当該ズレ分を補正するための燃料噴射量の増減量を学習し、運転領域全域に渡り当該学習値を反映させる。これにより、機差等に起因する燃焼速度の定常的なズレが学習され、当該ズレが燃料噴射量により補正される。

学習後の燃焼速度に生じるズレは、主としてタンブル流の強弱等により生じるズレと判断することができる。そこで、次に、ＥＣＵ４０は、学習後の燃焼速度に生じるズレを点火時期制御により補正する。具体的には、ＥＣＵ４０は、学習後の燃焼速度に生じるズレを補正するための点火時期を運転領域毎に学習し、各運転領域において当該学習値を反映させる。これにより、リーン運転中の燃焼制御において、ＮＯｘの増大やトルク変動の悪化を抑制することが可能となる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、フローチャートを参照して、本実施の形態のシステムにおいて実行される燃焼制御の具体的処理について説明する。図５は、本発明の実施の形態１のルーチンを示すフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の回転数ＮＥおよび負荷率が所定範囲内か否かが判定される（ステップ１００）。所定範囲は、タンブル流の影響が小さい運転状態として、予め設定された低回転低負荷の範囲が読み込まれる。

上記ステップ１００の処理の結果、現在の内燃機関１０の運転状態が所定範囲内であると判定された場合には、タンブル流による燃焼速度のズレの影響が重畳していないと判断されて、次のステップに移行し、現在の燃焼重心位置である実ＣＡ５０が目標値である目標ＣＡ５０となるように燃料噴射量が補正される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、先ずＣＰＳ３４およびクランク角センサ４２を用いて実ＣＡ５０が算出される。そして、算出された実ＣＡ５０が、燃焼効率が最大となる燃焼重心位置としての目標ＣＡ５０となるように、燃料噴射量が補正される。

次に、燃料噴射量の補正値が学習される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２における燃料噴射量の補正値が学習値として記憶される。そして、内燃機関１０の全運転領域に当該燃焼噴射量の学習値が反映される。

上記ステップ１０４の処理の後または上記ステップ１００において現在の内燃機関１０の運転状態が所定範囲内であると判定された場合には、次のステップに移行し、上記ステップ１０４における燃料噴射量の学習が完了したか否かが判定される（ステップ１０６）。その結果、学習処理が未だ完了していないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１０６において、学習処理が完了したと判定された場合には、次のステップに移行し、現在の燃焼重心位置である実ＣＡ５０が目標値である目標ＣＡ５０となるように点火時期が補正される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、先ずＣＰＳ３４およびクランク角センサ４２を用いて実ＣＡ５０が算出される。そして、算出された実ＣＡ５０が目標ＣＡ５０となるように、点火時期が補正される。

次に、点火時期の補正値が学習される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８における点火時期の補正値が運転領域と対応付けられた学習値として記憶される。そして、内燃機関１０の各運転領域において当該点火時期の学習値がそれぞれ反映される。

以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、燃焼重心位置ＣＡ５０を目標ＣＡ５０に補正する燃焼制御を行う際に、空燃比ズレの影響による燃焼速度のズレとタンブル流の強弱等の影響による燃焼速度のズレとをそれぞれ個別に特定した上で、それぞれに適した補正が施される。これにより、燃料噴射量や点火時期が必要以上に補正されることを抑制することができるので、ＮＯｘ排出量の増大やトルク変動の悪化等を有効に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、空燃比ズレによる燃焼速度のズレを特定するために、タンブル流の小さい所定の低回転低負荷範囲における実ＣＡ５０を算出することとしているが、この際、燃料以外の燃焼影響を極力排除するために、筒内の流量や流速に関連するアクチュエータの動作を制限（例えばＥＧＲバルブであれば全閉、タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）であれば全開）することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、燃焼状態を判断するためのパラメータとして、燃焼重心位置ＣＡ５０を用いることとしているが、利用可能なパラメータはこれに限らず、燃焼状態が反映された他のパラメータを用いることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＭＦＢが前記第１の発明の「パラメータ」に、目標ＣＡ５０が前記第１の発明の「目標クランク角」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０２および１０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射量補正手段」が、上記ステップ１０８および１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「点火時期補正手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第３の発明における「噴射量学習手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第４の発明における「点火時期学習手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ シリンダヘッド
１６ 燃焼室
１８ 吸気通路
２０ 排気通路
２２ 吸気弁
２４ 排気弁
２６ エアクリーナ
２８ スロットルバルブ
３０ 点火プラグ
３２ 燃料噴射弁
３４ 筒内圧センサ（ＣＰＳ）
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ

Claims (4)

1. リーン運転が可能な内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の所定気筒に設けられ、当該所定気筒の筒内圧力に応じた信号を出力する筒内圧センサと、
   前記内燃機関のクランク角に応じた信号を出力するクランク角センサと、
   前記筒内圧センサおよび前記クランク角センサを用いて、前記内燃機関のリーン運転中に前記所定気筒に吸入されたガスの燃焼状態が反映されたパラメータを算出する算出手段と、
   前記パラメータが所定の目標クランク角において所定の目標値となるように、前記内燃機関の燃焼状態を制御する燃焼制御手段と、を備え、
   前記燃焼制御手段は、
   前記内燃機関の運転状態が所定の低回転低負荷領域に属する場合に、前記パラメータが前記目標クランク角において前記目標値となるように、前記内燃機関の燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、
   前記噴射量補正手段による補正が行われている状態において、前記パラメータが前記目標クランク角において前記目標値となるように、前記内燃機関の点火時期を補正する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。
2. 前記算出手段は、前記内燃機関の燃焼行程において燃焼した燃料の質量総量に対する燃焼した燃料の質量総量の割合をＭＦＢとして算出する手段であり、
   前記燃焼制御手段は、前記ＭＦＢが５０％となるクランク角が前記目標クランク角となるように、前記内燃機関の燃焼状態を制御する手段であ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。
3. 前記噴射量補正手段は、
   前記内燃機関の運転状態が所定の低回転低負荷領域に属する場合の前記パラメータが、前記目標クランク角において前記目標値となるための燃料噴射量の補正量を学習する噴射量学習手段と、
   前記噴射量学習手段により学習された補正量を用いて、前記内燃機関の全運転領域における燃料噴射量を補正する手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記点火時期補正手段は、
   前記噴射量補正手段による補正が行われている状態において、前記パラメータが前記目標クランク角において前記目標値となるための点火時期の補正量を運転領域毎に学習する点火時期学習手段と、
   前記点火時期学習手段により学習された補正量を用いて、前記内燃機関の点火時期を運転領域毎に補正する手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

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