JP2015090129A

JP2015090129A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2015090129A
Application number: JP2013231002A
Authority: JP
Inventors: 啓介佐々木; Keisuke Sasaki; 正勝永井; Masakatsu Nagai; 繁幸浦野; Shigeyuki Urano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2015-05-11

Abstract

【課題】内燃機関の燃料カット後、次回内燃機関の始動時における筒内壁温を推定する。
【解決手段】内燃機関の気筒には筒内圧を検出するための筒内圧センサが備えられる。本発明の内燃機関の制御装置は、燃料カットが実行された場合に生じる筒内圧センサの出力の温度ドリフト量を推定し、推定された温度ドリフト量に応じて、燃料カット実行時の筒内圧センサの温度を推定する。更に、燃料カット実行後に燃料供給を再開する場合、燃料カット実行時から燃料供給の再開までの経過時間と、推定された筒内圧センサの温度とに応じて、燃料供給の再開時における筒内壁温を推定する。
【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。より具体的には、内燃機関の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制御装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、内燃機関の制御において、各気筒に配置された筒内圧センサの出力を用いる内燃機関の制御装置が開示されている。具体的に、特許文献１の内燃機関は、アイドリングストップ技術を適用したいわゆるエコラン車両に搭載される。特許文献１の制御においては、内燃機関の各気筒への燃料カットが実行された後、次回内燃機関を再始動する際、最初の着火気筒の筒内圧が検出される。検出された筒内圧から現在の燃焼状態が検出され、それに応じて他の気筒のトルクが決定される。

特開２００７−０５１５９９号公報特開２００５−２９１１４６号公報特開２００８−２３１９４８号公報特開２０１１−０９４５０８号公報

ところで内燃機関の再始動を安定的に実行するためには、再始動時の燃料噴射量の最適化を図る必要がある。始動時には筒内の燃焼室壁面に付着していた燃料が気化する。従って壁面に付着した燃料の気化分を把握し、これを加味して燃料噴射量を決定する必要がある。しかし気化分を高い精度で推定するためには、始動時に筒内壁面の温度（筒内壁温）を正しく推定又は検出することが必要となる。しかし、筒内壁温の推定は容易ではなく、この点において改良の余地が残る。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃料カット後、次回内燃機関の始動時に、筒内壁温を高い精度で推定するよう改良した内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の筒内圧を検出するための筒内圧センサと、
前記内燃機関への燃料カットが実行された場合に生じる、前記筒内圧センサの出力の温度ドリフト量を推定する手段と、
前記温度ドリフト量に応じて、燃料カット実行時の前記筒内圧センサの温度を推定する手段と、
前記燃料カット実行後に燃料供給を再開する場合、前記燃料カット実行時から前記燃料供給の再開までの経過時間と、前記筒内圧センサの温度とに応じて、前記燃料供給の再開時における筒内壁温を推定する手段と、
を備える。

本発明によれば、燃料カット時の筒内圧センサの温度ドリフト量に応じて、燃料カット時の筒内圧センサが推定され、これに応じて燃料供給再開時の筒内壁温が推定される。ここで筒内圧センサの温度ドリフト量は、筒内圧センサ自体の温度と相関が高い。従って、燃料カット時の温度ドリフト量と筒内圧センサの温度との相関を利用することで、筒内圧センサの燃料カット実行時の温度を推定することができる。燃料カット実行時の筒内圧センサの温度がわかれば、筒内圧センサの熱時定数と経過時間とから、次回燃料供給の再開時の筒内圧センサの温度を推定することができ、これに基づき筒内壁温を把握することができる。

本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。本発明の実施の形態におけるＦ/Ｃ実行前後の、筒内圧センサの出力と、筒内圧センサのダイアフラム温度の変化について説明するための図である。図２における破線ａ部の筒内圧センサの出力変化を拡大して示した図である。本発明の実施の形態において、燃料カット実行後、着火始動が実行される場合の筒内圧センサのダイアフラム温度の変化を示した図である。本発明の実施の形態における、Ｆ/Ｃ実行直前のダイアフラム温度とＦ/Ｃ実行時の筒内圧センサの温度ドリフト量との関係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おいてＥＣＵが実行する制御のルーチンについて説明するための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．
図１は、本発明の実施の形態のシステムの構成を説明するための概略構成図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、例えばハイブリッド車両等の動力源として好ましく使用することができる。内燃機関１０の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。内燃機関１０の各気筒には、吸気バルブ１２と排気バルブ１４と、点火プラグ１６とインジェクタ１８とが設けられている。内燃機関１０の本体には、吸気マニホールドを介して吸気通路２２が接続され、排気マニホールドを介して排気通路２４が接続されている。

内燃機関１０の各気筒には筒内圧センサ２８（筒内圧検出手段）が設置されている。筒内圧センサ２８はダイアフラムを有し、フロントシール方式のものである。但し、本発明において筒内圧センサはフロントシール方式に限られるものではない。筒内圧センサ２８は気筒内の圧力に応じた出力を発するセンサであり、これにより筒内圧を検知することができる。尚、本実施の形態においては、説明の簡略化のため、筒内圧センサ２８は筒内圧の値を出力するものとする。但し、本発明における筒内圧センサの出力は、筒内圧の値と相関を有する値（例えば、電流値、電圧値等）であってもよい。

本実施の形態のシステムは制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述した筒内圧センサ２８等の各種センサと、点火プラグ１６、インジェクタ１８等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムに従って各アクチュエータを駆動することにより、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

ところで、筒内圧センサ２８の温度変化等に起因して、筒内圧センサ２８の出力に基づく筒内圧と実際の筒内圧との間にずれが生じる場合がある。このような温度変化に起因する出力のずれは温度ドリフトとも称される。例えば、内燃機関１０の燃料カット（以下、「Ｆ/Ｃ」とも称する）を行う場合など、内燃機関１０の過渡運転時などには特に筒内圧センサ２８周辺の温度が急変するため、筒内圧センサ２８の温度ドリフトも大きくなる。

ところで、内燃機関１０が搭載されたハイブリッド車両は、燃費低減及び排気エミッション低減等を図るため、エンジン自動停止機能を有している。車両走行中に車両駆動トルクを発生させたり、バッテリーを充電したりする要求がない場合には、このエンジン自動停止機能によって、車両の走行中もしくは一時停止中に、燃料カット（Ｆ／Ｃ）が実行され、その後、内燃機関１０は自動的に停止する。その後、再始動要求が認められる場合に、内燃機関１０は再始動される。

上記の内燃機関１０の自動停止後に内燃機関１０を再始動する場合、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が行われる。その結果、当該気筒において燃焼が発生し、燃焼の圧力でクランク軸が回転駆動する。これにより内燃機関１０を始動（再始動）する。このような態様の始動手法を、以下、「着火始動」とも称する。この着火始動により、スターターモーターとして機能する電動機を用いた場合の再始動と比べて、消費電力を抑制し燃費改善を図ることができる。

ここで、内燃機関１０の着火始動を確実に実行するためには、着火始動時の燃料噴射量の適正化を図る必要がある。始動時の燃料噴射量は、始動時に筒内壁面に付着した燃料の気化分を考慮して決定する必要がある。そのためには、着火始動時の燃焼室の壁面温度（以下「筒内壁温」とも称する）を把握する必要がある。以下、本実施の形態における筒内壁温の推定について説明する。

図２は、本発明の実施の形態におけるＦ/Ｃ実行前後の、筒内圧センサ２８の出力と、筒内圧センサ２８のダイアフラム温度の変化について説明するための図である。図２において（Ａ）はＦ/Ｃ実行フラグを示し、（Ｂ）は筒内圧センサ２８の出力（即ち、筒内圧の検出値）を示し、（Ｃ）はダイアフラム温度を示す。Ｆ/Ｃ実行フラグは、Ｆ/Ｃ実行時にＯＮとされるフラグである。図２に示されるように、Ｆ/Ｃが実行された時点ｔ０の前後で筒内圧センサ２８の出力は大きく変化する。また、筒内圧センサ２８のダイアフラム温度は、Ｆ/Ｃ開始後、次第に低下していく。

図３は、図２における破線ａ部の筒内圧センサ２８の出力変化を拡大して示した図である。図３に示されるように、Ｆ/Ｃ開始前後で最低筒内圧の値がΔＰ増加している。これは、筒内圧センサ２８の出力に、Ｆ/Ｃ開始による急激な筒内温度の低下に起因する温度ドリフトが生じている結果であると考えられる。本実施の形態では、Ｆ/Ｃ開始後に生じた筒内圧センサ２８の最低筒内圧の変化量を温度ドリフト量ΔＰとして推定し、これを筒内圧センサ２８の温度ドリフトの大きさを示す指標として用いる。

なお、本実施の形態において温度ドリフト量ΔＰの値は、Ｆ/Ｃ開始直前の最低筒内圧と、Ｆ/Ｃ開始後、所定のサイクル後の最低筒内圧、及び現在の運転条件とＦ/Ｃに移行する際の過渡条件に基づき推定される。ここで所定のサイクル数は、Ｆ/Ｃ実行後最低筒内圧の値がある程度安定するまでのサイクル数に設定される。また、これら温度ドリフト量ΔＰ算出に用いる最低筒内圧として、Ｆ/Ｃ開始直前の複数サイクル中の平均的な値や、所定サイクル後の複数サイクル中の平均的な値を用いても良い。

また具体的な運転条件及び過渡条件と温度ドリフト量ΔＰとの関係は予め実験やシミュレーション等により求められる。求められた運転条件及び過渡条件と温度ドリフト量ΔＰとの相関関係は、予めマップ等として定め、ＥＣＵ３０に記憶しておく。

図４は、本発明の実施の形態において、Ｆ/Ｃ実行後、着火始動が実行される場合の筒内圧センサ２８のダイアフラム温度の変化を示した図である。図４に示されるように、筒内圧センサ２８のダイアフラム温度は、Ｆ/Ｃが実行された時点ｔ０から低下を開始し、次第に外気温に近づき、内燃機関１０が始動されなければ、やがて外気温Ｔ２に収束する。

Ｆ/Ｃ実行後のある時点ｔ１における筒内圧センサ２８のダイアフラム温度Ｔｓは、Ｆ/Ｃ直前のダイアフラムの温度（以下、「Ｆ/Ｃ直前温度Ｔ１」とも称する）と、外気温Ｔ２と、Ｆ/Ｃ実行時点ｔ０からある時点ｔ１までの経過時間ｔとにより、次式（１）により算出することができる。
Ｔｓ＝（Ｔ２−Ｔ１）｛１−ｅｘｐ（−ｔ/τ）｝＋Ｔ１・・（１）
式（１）において「τ」は熱時定数であり、筒内圧センサ２８の構造や搭載環境によって決定される値である。

上記式（１）におけるダイアフラム温度Ｔｓは、Ｆ/Ｃ実行後から経過時間ｔが経過した時点ｔ１におけるダイアフラム温度である。即ち、Ｆ/Ｃ直前温度Ｔ１がわかれば、式（１）により時点ｔ１において着火始動した場合の、始動時のダイアフラム温度Ｔｓ（以下「始動時温度Ｔｓ」とも称する）を算出することができる。

図５は、本発明の実施の形態における、Ｆ/Ｃ直前温度Ｔ１とＦ/Ｃカット実行時の筒内圧センサの温度ドリフト量ΔＰとの関係について説明するための図である。図５に示されるように、Ｆ/Ｃ直前温度Ｔ１と温度ドリフト量ΔＰとは一定の相関を有し、温度ドリフト量ΔＰが大きくなるにつれてＦ/Ｃ直前温度Ｔ１も大きくなる。温度ドリフトは本来、過渡運転前後の温度変化に起因するものである。そしてＦ/Ｃ時には、どの運転条件であっても、原則的に燃焼温度から吸気温（つまり外気温）への変化となる。従って、温度ドリフト量ΔＰはＦ/Ｃ直前温度Ｔ１のみで表現することができる。

このような関係から、温度ドリフト量ΔＰに応じてＦ/Ｃ直前温度Ｔ１を算出することができる。算出されたＦ/Ｃ直前温度Ｔ１と、外気温センサ等により検出された外気温Ｔ２により、式（１）に従って、始動時温度Ｔｓを算出することができる。ここで始動時温度Ｔｓは、筒内壁温と概ね一致するものと考えられる。従って、始動時温度Ｔｓを筒内壁温の近似値として用いることができる。

図６は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ３０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図６のルーチンは、内燃機関１０の運転中、一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図６のルーチンでは、まず、ステップＳ１００においてＦ/Ｃの要求があったか否か検出される。Ｆ/Ｃ要求が認められない場合には、今回のルーチンはこのまま終了する。

一方、ステップＳ１００においてＦ/Ｃ要求が認められると、次にステップＳ１０２に進み筒内圧のサンプリングが開始される。その後、ステップＳ１０４においてサンプリングされた筒内圧に基づき、温度ドリフト量ΔＰが算出される。

次に、ステップＳ１０６において、Ｆ/Ｃ直前温度Ｔ１が算出される。Ｆ/Ｃ直前温度Ｔ１は、ＥＣＵ３０に予め記憶されたマップに基づき、ステップＳ１０４で算出された温度ドリフト量ΔＰに応じた値として算出される。

次に、ステップＳ１０８において、内燃機関１０の着火始動要求があったか否かが判別される。着火始動要求が認められない場合、着火始動要求が認められるまで、ステップＳ１０８の処理が一定時間ごとに繰り返し実行される。

一方、ステップＳ１０８において着火始動要求が認められた場合、次に、ステップＳ１１０において、Ｆ/Ｃ開始後、着火始動開始までの経過時間ｔが算出される。次に、始動時温度Ｔｓが算出される。始動時温度Ｔｓは、式（１）に従い、外気温Ｔ２、ステップＳ１０６で算出されたＦ/Ｃ直前温度Ｔ１、及びステップＳ１１０で算出された経過時間ｔに応じて、算出される。

次に、ステップＳ１１４において壁面付着燃料の気化分が推定される。ＥＣＵ３０には燃料気化量と、始動時温度Ｔｓとの関係が予めマップ等として記憶されている。このマップに従い、壁面付着燃料気化分は、ステップＳ１１２で算出された始動時温度Ｔｓに応じて算出される。続くステップＳ１１６において、ステップＳ１１４で算出された壁面付着燃料の気化分を踏まえ、着火始動時の筒内噴射量が算出される。その後、ステップＳ１１８において着火始動が開始され、このルーチンは一旦終了する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、着火始動時の筒内圧センサ２８のダイアフラム温度の推定値に基づき、壁面付着燃料の気化分を推定して燃料噴射量を決定することができる。従って、安定した着火始動を実行することができ、燃費改善及びエミッション改善を図ることができる。

なお、本実施の形態では、ハイブリッド車両の着火始動時における筒内温度推定および燃料噴射量の決定を行う場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではない。例えば、本発明における筒内壁温の推定値は、アイドリング走行時において、Ｆ/Ｃ実行後内燃機関１０が自動停止した後、次回始動時に燃料を噴射する場合の燃料噴射量の決定や、Ｆ/Ｃ実行中に燃料供給を再開してＦ/Ｃから復帰する際の燃料噴射量の決定にも用いることができる。

本発明の実施の形態において、温度ドリフト量ΔＰは、本発明の「温度ドリフト量」に相当し、Ｆ/Ｃ直前温度Ｔ１は「筒内圧センサの温度」に相当する。また、燃料カットの実行時点ｔ０は、本発明における「燃料カット実行時」に相当し、着火始動時ｔ１は本発明の「燃料供給の再開時」に相当し、経過時間ｔは「経過時間」に相当する。また、始動時温度Ｔｓは「筒内壁温」に相当する。

以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０内燃機関
１２吸気バルブ
１４排気バルブ
１６点火プラグ
１８インジェクタ
２２吸気通路
２４排気通路
２８筒内圧センサ

Claims

内燃機関の筒内圧を検出するための筒内圧センサと、
前記内燃機関への燃料カットが実行された場合に生じる、前記筒内圧センサの出力の温度ドリフト量を推定する手段と、
前記温度ドリフト量に応じて、前記燃料カット実行時の前記筒内圧センサの温度を推定する手段と、
前記燃料カット実行後に燃料供給を再開する場合、前記燃料カット実行時から前記燃料供給の再開までの経過時間と、前記筒内圧センサの温度とに応じて、前記燃料供給の再開時における筒内壁温を推定する手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。