JP2014234751A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、着火始動時であっても筒内圧センサを用いて取得される筒内圧情報を用いて筒内の発熱量を精度良く算出することを目的とする。
【解決手段】着火始動を行う内燃機関１０において、着火始動が行われる場合に筒内圧センサ３０を用いて検出される筒内圧の時系列データを取得する。取得した筒内圧の時系列データを用いて、熱力学の第１法則に基づく筒内圧および筒内体積の関数に従って筒内の発熱量Ｑを算出する。当該発熱量Ｑは、燃焼中の筒内体積の変化量をゼロとしつつ、筒内圧の時系列データの中から抽出した最大筒内圧値と燃焼開始前の筒内圧値とに基づいて算出される。
【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、筒内圧センサの検出値を利用して各種エンジン制御を実行する装置として好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、筒内圧を検出するための筒内圧センサを備える内燃機関のノッキング検出装置が開示されている。この従来のノッキング検出装置では、筒内圧センサを用いて筒内圧情報を取得する際に、エンジン回転数が所定回転数以上である場合にはクランク角度と同期した筒内圧データを取得し、エンジン回転数が所定回転数よりも低い場合には時間と同期した筒内圧の時系列データを取得するようにしている。

特開平１１−１９０２５０号公報 特開２０１０−１５９７７０号公報 特開２０１０−１４４５７３号公報

ところで、アイドリングストップによる自動停止後に内燃機関を再始動する際に、膨張行程で停止している気筒に対して燃料噴射および点火を行うことで当該気筒において燃焼を発生させ、この燃焼の圧力でクランク軸を回転駆動することでスターターモーターを使用せずに内燃機関を始動する態様の始動手法（以下、「着火始動」と称する）を行う内燃機関が知られている。

上記特許文献１に記載の内燃機関のように筒内圧を検出するための筒内圧センサを備える内燃機関では、筒内圧センサを用いてクランク角度と対応付けられた（クランク角度と同期した）筒内圧情報を取得することにより、各サイクルで行われる燃焼に対し、各種エンジン制御（燃料噴射制御および点火制御など）に用いるうえで有益な筒内の発熱量などの燃焼状態量を算出することが可能となる。

しかしながら、上記の着火始動時（特に初爆）においては、燃焼中にクランク角度がほとんど変化しないため、クランク角度と同期した筒内圧データを用いて筒内の発熱量を精度良く算出することができないおそれがある。

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、着火始動時であっても筒内圧センサを用いて取得される筒内圧情報を用いて筒内の発熱量を精度良く算出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、内燃機関の制御装置であって、
筒内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、筒内圧を検出するための筒内圧センサと、クランク角度を検出するためのクランク角センサとを備え、膨張行程で停止している気筒に対して前記燃料噴射弁を用いて燃料噴射を実行し、当該燃料噴射に伴う燃焼の圧力によってクランク軸を回転駆動して内燃機関を始動させる着火始動を行う内燃機関の制御装置であって、
前記着火始動が行われる場合に前記筒内圧センサを用いて検出される筒内圧の時系列データを取得する筒内圧時系列データ取得手段と、
筒内圧の前記時系列データを用いて、熱力学の第１法則に基づく筒内圧および筒内体積の関数に従って筒内の発熱量を算出する発熱量算出手段と、
を備え、
前記発熱量算出手段は、燃焼中の筒内体積の変化量をゼロとしつつ、筒内圧の前記時系列データの中から抽出した最大筒内圧値と燃焼開始前の筒内圧値とに基づいて筒内の発熱量を算出することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記発熱量算出手段は、前記着火始動における初爆サイクルにおける筒内の発熱量を算出することを特徴とする。

第１の発明によれば、着火始動時には、熱力学の第１法則に基づく筒内圧および筒内体積の関数を用いて、燃焼中の筒内体積の変化量をゼロとしつつ、筒内圧の時系列データの中から抽出した最大筒内圧値と燃焼開始前の筒内圧値とに基づいて筒内の発熱量が算出される。これにより、着火始動時であるために燃焼中の筒内体積の変化を無視できる状況において、クランク角度同期での筒内圧データを用いて発熱量を算出する場合と比べ、筒内の発熱量を精度良く算出できるようになる。

第２の発明によれば、燃焼中にクランク角度がほとんど変化しないために燃焼中の筒内体積の変化を無視できる着火始動の初爆サイクルにおいて、時間同期での筒内圧データを用いて筒内の発熱量を精度良く算出できるようになる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 クランク角度と同期した筒内圧データを用いて筒内の発熱量Ｑを算出するための一般的な手法を説明するための図である。 着火始動による初爆時に、クランク角度同期の筒内圧データを用いて筒内の発熱量Ｑを算出した場合の問題点を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行される制御ルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。
図１に示すシステムは、内燃機関（一例として、火花点火式内燃機関）１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の吸気ポートには、当該吸気ポートを開閉する吸気弁２０が設けられており、排気通路１８の排気ポートには、当該排気ポートを開閉する排気弁２２が設けられている。また、吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。

内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内（筒内）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２６、および、混合気に点火するための点火プラグ２８が、それぞれ設けられている。更に、各気筒には、筒内圧を検出するための筒内圧センサ３０がそれぞれ組み込まれている。

更に、本実施形態のシステムは、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３０に加え、クランク角度およびエンジン回転数（クランク角速度）を検出するためのクランク角センサ４２、および吸入空気量を計測するためのエアフローメータ４４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、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２６および点火プラグ２８等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力と所定のプログラムとに基づいて上記各種のアクチュエータを駆動することにより、燃料噴射制御および点火制御等の所定のエンジン制御を行うものである。

以上説明した構成を有する内燃機関１０は、燃費低減および排気エミッション低減等を目的として、アイドリング時に内燃機関１０を自動的に停止させ、その後に運転者が車両を発進させようとする操作を行った際に内燃機関１０の再始動を行うアイドリングストップ機能を有している。より具体的には、内燃機関１０では、アイドリングストップによる自動停止後に内燃機関１０を再始動する際に、膨張行程で停止している気筒に対して燃料噴射および点火を行うことで当該気筒において燃焼を発生させ、この燃焼の圧力でクランク軸４６を回転駆動することでスターターモーターを使用せずに内燃機関１０を始動（再始動）するという態様の始動手法（以下、「着火始動」と称する）を用いるようにしている。これにより、スターターモーターを用いた再始動の実行によって大電力を消費してしまうのを回避することができるため、更なる燃費改善を図ることができる。

また、内燃機関１０を最適な状態で運転するためには、燃焼状態を直接的に取得して制御することが有効である。上述した構成を有する内燃機関１０は、筒内圧センサ３０を備えている。このような筒内圧センサ３０を備える内燃機関１０によれば、筒内圧センサ３０を用いてクランク角度と対応付けられた（クランク角度と同期した）筒内圧情報（筒内圧データ）を取得することにより、各サイクルで行われる燃焼に対し、各種エンジン制御（燃料噴射制御および点火制御など）に用いるうえで有益な発熱量Ｑなどの燃焼状態量を算出することが可能となる。

図２は、クランク角度と同期した筒内圧データを用いて筒内の発熱量Ｑを算出するための一般的な手法を説明するための図である。
筒内圧センサ３０を用いて取得した筒内圧データに基づいて発熱量を算出し、各種エンジン制御を実行するためには、基本的には、クランク角度と同期した筒内圧データが必要とされる。図２（Ａ）中に黒丸印で示された各計測点は、クランク角度と同期して取得された筒内圧データを示している。筒内の発熱量Ｑは、当該筒内圧データを用いて、熱力学の第１法則に基づく理論式である次の（１）式を利用してｄＱを算出し、算出したｄＱを積算することによって図２（Ｂ）に示すように算出することができる。
ｄＱ＝１／（κ−１）×（κＰｄＶ＋ＶｄＰ） ・・・（１）
ただし、上記（１）式において、Ｐは筒内圧であり、Ｖは筒内体積であり、κは比熱比である。

図３は、着火始動による初爆時に、クランク角度同期の筒内圧データを用いて筒内の発熱量Ｑを算出した場合の問題点を説明するための図である。
上記（１）式を用いた上述の手法は、通常時（クランク角度と同期した筒内圧のサンプル点を十分に確保できる状況）であれば、発熱量Ｑを精度良く算出することが可能となる。しかしながら、着火始動時（特に初爆）においては、ピストンが停止した状態で、燃焼がほぼ完了するため、燃焼中にクランク角度がほとんど変化しない。より具体的には、燃焼に伴って上昇した筒内圧による回転トルクがピストン１２と筒内壁面との間の静止摩擦力に打ち勝つまではクランク軸４６は回転しない。尚、静止摩擦力は動摩擦力よりも大きく、また、慣性力が存在するため、燃焼が完了した後であってもクランク軸４６は一度動き始めた後は回転を継続する。

図３（Ｃ）に示すように、時間同期で取得した筒内圧データ（時系列データ）であれば着火始動時であっても燃焼に伴う筒内圧の変化を捉えることが可能である。これに対し、クランク角度同期での筒内圧データの取得では、既述したように着火始動時には極微小なクランク角度だけクランク軸４６が回転する間に燃焼が終了するため、図３（Ａ）に示すように、筒内圧データを満足に取得することができない。このため、着火始動時においてクランク角度と同期した筒内圧データを用いることとすると、図３（Ｂ）に示すように筒内の発熱量Ｑを精度良く算出することができないおそれがある。付け加えると、図３（Ｂ）に示す例では、本来算出したい発熱量Ｑのピーク値を得ることができない。このため、この例では発熱量Ｑを誤判断してしまうことになる。

また、着火始動時に発熱量Ｑを誤判断してしまう理由としては、次のようなものも挙げられる。すなわち、内燃機関１０が停止している状態では、筒内圧センサ３０の表面温度はエンジン冷却水温度相当であるが、初爆時には、筒内圧センサ３０が燃焼ガスに長時間曝されるため筒内圧センサ３０に温度勾配が最も生じ易くなる。その結果、燃焼後半の筒内圧データは熱歪誤差の影響を非常に強く受けるようになる。したがって、仮にコストアップを問題とせずに非常に分解能の高いクランク角同期計測を実施したとしても、通常の算出式（上記（１）式）では、熱歪の影響を受けて発熱量Ｑを誤算出し易くなってしまう。

そこで、本実施形態では、着火始動時（特に初爆）においては、次のような手法を用いて筒内の発熱量Ｑを算出するようにした。すなわち、着火始動時には、クランク角度と同期した筒内圧情報ではなく、時間同期で得られる筒内圧情報（時系列データ）を用いて発熱量Ｑを算出するようにした。時間同期での筒内圧の計測によれば、図３（Ｃ）に示すように、クランク軸４６の回転の状況に関係なく十分なサンプル点を取得できるようになる。ここでは、着火始動時における発熱量Ｑの具体的な算出は、次の（２）式を用いて行われる。
ｄＱ＝（１／κ−１）×Ｖｓｔａ×（Ｐｍａｘ−Ｐｓｔａ） ・・・（２）
ただし、上記（２）式において、Ｖｓｔａは燃焼開始前（内燃機関１０の自動停止中の）筒内体積であり、Ｐｍａｘは燃焼時の最大筒内圧値（図３（Ｃ）参照）であり、Ｐｓｔａは筒内圧の初期値、すなわち、燃焼開始前（自動停止中の）筒内圧（図３（Ｃ）参照）である。

着火始動時（特に初爆）においては、図３（Ａ）を参照して既述したように、燃焼中にクランク角度がほとんど変化しないため、燃焼中の筒内体積の変化が十分に小さい。その結果、発熱量Ｑの算出においては圧力の変化が支配的となる。そこで、本実施形態では、着火始動時には、上記（１）式中における筒内体積の変化量ｄＶをゼロとしつつ、上記（１）式中の圧力変化量ｄＰとして最大筒内圧値Ｐｍａｘと燃焼開始前の筒内圧値Ｐｓｔａとの差を代入し、かつ、上記（１）式中の筒内体積Ｖとして燃焼開始前の筒内体積Ｖｓｔａを代入することによって、上記（２）式を得るようにした。そして、当該（２）式を用いて得られる発熱量の変化量ｄＱを、着火始動時における燃焼による発熱量Ｑとして用いるようにした。このような（２）式を用いた近似計算を行うことによって、時間同期の筒内圧データを用いて着火始動時の筒内の発熱量Ｑを算出できるようになる。

図４は、本発明の実施の形態１においてＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、本ルーチンは、各気筒において燃焼サイクル毎に繰り返し実行されるものとする。
図４に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の停止（自動停止）中に、着火始動要求があるか否かが判定される（ステップ１００）。具体的には、着火始動の所定の実行条件が成立するか否かが判定される。

上記ステップ１００において着火始動要求があると判定された場合には、着火始動時の筒内圧データの取得が実行される（ステップ１０２）。具体的には、時間同期での筒内圧データ（時系列データ）およびクランク角度同期での筒内圧データの双方が取得される。尚、内燃機関１０の自動停止中は、時間同期での筒内圧データの取得のみが実施されており、クランク角度同期での筒内圧データの取得はイベント待ち状態となっている。

次に、通常の燃焼状態量算出（クランク角度同期での筒内圧データを用いた発熱量Ｑなどの算出）に信頼性があるか否かが判定される（ステップ１０４）。具体的には、本ステップ１０４の処理は、例えば、燃焼状態量を正しく算出できるクランク角度の分解能に達しているか否かを、燃焼期間中に存在する燃焼状態量の算出データの数が所定数以上かどうかに基づいて判断することによって行うことができる。

上記ステップ１０４における判定が成立する場合には、クランク角度と同期した筒内圧データを用いて、上記（１）式を利用して発熱量Ｑが算出される（ステップ１０６）。一方、上記ステップ１０４における判定が不成立となる場合には、時間と同期した筒内圧データ（時系列データ）を用いて、上記（２）式を利用して発熱量Ｑが算出される（ステップ１０８）。尚、ＥＣＵ４０には、クランク角度に応じた筒内体積のデータが所定クランク角度毎にマップ値として記憶されている。このため、直近の自動停止時に取得しておいた自動停止状態でのクランク角度に基づいて、上記（２）式中の燃焼開始前の筒内体積Ｖｓｔａを取得することができる。燃焼開始前の筒内圧Ｐｓｔａは、自動停止中に時間同期で取得した筒内圧データの中から燃焼開始前（燃料噴射および点火の開始前）のデータを抽出することによって取得することができる。また、最大筒内圧値Ｐｍａｘは、着火始動の開始後に時間同期で取得した筒内圧データの中から燃焼時の筒内圧の最大値を抽出することによって取得することができる。

次に、燃料噴射量に関する発熱量学習が実行される（ステップ１１０）。具体的には、上記ステップ１０６または１０８の処理により算出された発熱量Ｑに応じた燃料噴射量の補正値（後述の噴射補正倍率）を算出する処理が実行される。先ず、算出された発熱量Ｑを燃料の理論発熱量（噴射燃料が完全燃焼した場合の発生熱量）で割ることによって、今回の燃焼における燃焼率が算出される。そのうえで、所定の目標燃焼率（エンジン冷却水温度などの運転条件に応じて変化するよう予め設定された値）を今回の燃焼率で割ることによって、噴射補正倍率が算出される。

次に、上記ステップ１１０において算出された噴射補正倍率を用いて、次回以降に燃焼が行われる気筒で使用される燃料噴射量を変更する処理が実行される（ステップ１１２）。内燃機関１０が備える気筒数によって爆発間隔が異なるものとなる。そこで、本ステップ１１２の処理による噴射補正倍率は、次回以降に燃焼が行われる気筒の中で補正が間に合う最初の気筒の燃料噴射量に反映されることになる。

以上説明した図４に示すルーチンによれば、着火始動時に、クランク角度同期での筒内圧データを用いた発熱量Ｑの算出に信頼性があるか否かが判定される。必ずしも着火始動における初爆サイクルに限られるわけではないが、基本的には、初爆サイクルのみが上記信頼性のないケースに該当する。そして、上記信頼性がないと判定された場合には、時間同期で取得した筒内圧データ（時系列データ）を用いて発熱量Ｑが算出される。これにより、クランク角度同期での筒内圧データを用いて精度良く発熱量Ｑを算出することが難しいサイクル（特に、初爆サイクル）であっても、筒内圧の時系列データを用いて上記（２）式を利用して発熱量Ｑを算出することにより、クランク角度同期での筒内圧データを用いる場合よりも精度良く発熱量Ｑを算出できるようになる。

その結果、着火始動における初爆に対しても適切な燃焼判定を行えるようになるので、初爆の燃焼状態を次回以降の燃焼の制御（上記ルーチンでは、例えば、燃料噴射量制御）に反映させられるようになる。更には、着火始動における２回目以降の燃焼状態をその次以降のサイクルでの燃焼の制御に反映させられるようになる。これにより、着火始動の利用によって燃費および排気エミッション（ＴＨＣ）の低減を行う内燃機関１０において、始動性を高めることができる。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧時系列データ取得手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「発熱量算出手段」が実現されている。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ 吸気弁
２２ 排気弁
２４ スロットルバルブ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
３０ 筒内圧センサ
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ
４４ エアフローメータ
４６ クランク軸

Claims (2)

1. 筒内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、筒内圧を検出するための筒内圧センサと、クランク角度を検出するためのクランク角センサとを備え、膨張行程で停止している気筒に対して前記燃料噴射弁を用いて燃料噴射を実行し、当該燃料噴射に伴う燃焼の圧力によってクランク軸を回転駆動して内燃機関を始動させる着火始動を行う内燃機関の制御装置であって、
   前記着火始動が行われる場合に前記筒内圧センサを用いて検出される筒内圧の時系列データを取得する筒内圧時系列データ取得手段と、
   筒内圧の前記時系列データを用いて、熱力学の第１法則に基づく筒内圧および筒内体積の関数に従って筒内の発熱量を算出する発熱量算出手段と、
   を備え、
   前記発熱量算出手段は、燃焼中の筒内体積の変化量をゼロとしつつ、筒内圧の前記時系列データの中から抽出した最大筒内圧値と燃焼開始前の筒内圧値とに基づいて筒内の発熱量を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記発熱量算出手段は、前記着火始動における初爆サイクルにおける筒内の発熱量を算出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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