JP2017008796A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒に充填される吸気量を適切に増減調整して内燃機関の回転を好適に維持する。【解決手段】内燃機関の出力軸が第一の所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測し、当該出力軸が第一の所定角度回転する際の回転速度の変化量を求めるとともに、内燃機関の出力軸が前記第一の所定角度よりも大きい第二の所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測し、当該出力軸が第二の所定角度回転する際の回転速度の変化量を求め、前者の変化量と後者の変化量とのうちより小さい方を参照して、気筒に充填するべき吸気の増減量を決定する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関の出力軸であるクランクシャフトが所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測して回転速度の変化量（低下量）を求め、この変化量が判定閾値を上回った場合に、気筒内で失火が発生したと判定する失火判定方法が公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

クランクシャフトの回転速度は、クランク角センサ（エンジン回転センサ）を介して検出することが通例である。クランク角センサは、クランクシャフトの軸端部に固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには予め、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎、典型的には１０°毎に、歯または突起が形成されている。クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号としてパルス信号を発信する。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、クランク角センサから発される１０°ＣＡ（クランク角度）毎のパルスを、クランク角信号として受信する。そして、クランク角信号を基に、クランクシャフトが３０°ＣＡ回転するのに要した時間を計測し、以てクランクシャフトが３０°ＣＡ回転する際の回転速度を知得する。

失火、不安定燃焼その他の要因によりクランクシャフトの回転が減速するとき、３０°ＣＡ毎に計測する回転速度の変化量、即ち今回計測した３０°ＣＡ単位の回転速度から前回計測した３０°ＣＡ単位の回転速度を減算した結果の値が負値となる。ＥＣＵはこれを受けて、スロットルバルブの開度を拡大させる等の操作を行い、気筒に充填される吸気量及び燃料噴射量を増加させる。これにより、エンジン回転が維持され、また失火の再発防止が図られる。吸気量の増加量は、回転速度の変化量（低下量）の絶対値が大きいほど多くする。

逆に、クランクシャフトの回転が加速するときには、３０°ＣＡ毎に計測する回転速度の変化量が正値となる。ＥＣＵはこれを受けて、スロットルバルブの開度を縮小させる等の操作を行い、気筒に充填される吸気量及び燃料噴射量を削減する。吸気量の削減量は、回転速度の変化量（上昇量）の絶対値が大きいほど多くする。

特開２０１４−１６３３５０号公報

ある気筒で失火または不安定燃焼が起こり、クランクシャフトの回転速度が低落すると、吸気量が増量補正されて回転速度の上昇が促される。だが、その後に膨張行程が訪れる他の気筒で燃料が正常に燃焼すると、クランクシャフトが加速して３０°ＣＡ単位の回転速度の変化量が正値となり、一旦増量された吸気量が即座に削減されてしまう。

気筒に充填される吸気量の減少は、ポンピングロスの増大とともに、燃料の着火燃焼の安定性の低下をもたらす。そのため、気筒で再び失火または不安定燃焼が起こり、内燃機関の回転速度が必要最小限度を下回ってエンジンストールに陥る懸念がある。このような問題は、爆発燃焼を伴う膨張行程の間隔が長い、気筒数の少ない内燃機関において顕著となる。

エンジンストールを阻止するべく、内燃機関の回転速度の上昇期における吸気量の削減量を、回転速度の変化量如何を問わず一定以下に抑制することも考えられる。しかしながら、エンジントルクが要求トルクを上回って内燃機関の回転の加速傾向が強まり、運転者に空走感を与えるという別の問題を招来する可能性がある。

本発明は、吸気量を適切に増減調整して内燃機関の回転を好適に維持することを所期の目的とする。

本発明では、内燃機関のクランクシャフトに付設されたクランク角センサを介して内燃機関の回転速度を検出するとともに、内燃機関の所定回転角度あたりの回転速度の変化量が判定閾値を上回るか否かに基づいて内燃機関の各気筒における失火の発生の有無を判定するものであって、クランク角センサを介して検出される回転速度の変化量に各気筒毎に異なる補正量を加味した上で判定閾値と比較することで各気筒の失火の有無を判定する、または、判定閾値に各気筒毎に異なる補正量を加味した上でクランク角センサを介して検出される回転速度の変化量と比較することで各気筒の失火の有無を判定する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、気筒に充填される吸気量を適切に増減調整して内燃機関の回転を好適に維持することが可能となる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関に付帯するクランク角センサの態様を模式的に示す図。 同実施形態の制御装置が実施する吸気量の補正制御の模様を示すタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサ７０から出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、内燃機関に対する要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、排気通路４を流れる排気ガスの酸素濃度または空燃比を検出する空燃比センサから出力される空燃比信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。

図２に示すように、クランク角センサ７０は、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトの軸端部に固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータ７１の回転角度をセンシングするものである。そのロータ７１には、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起７２が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°回転する都度、歯または突起７２が配置される。

クランク角センサ７０は、ロータ７１の外周に臨み、個々の歯または突起７２が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号ｂとしてパルス信号を発信する。ＥＣＵ０は、このパルスをクランク角信号ｂとして受信する。

尤も、クランク角センサ７０は、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。クランクシャフトのロータ７１の歯または突起７２は、その一部が欠けている。図２に示す例では、十七番目、十八番目及び二十番目、二十一番目の欠歯部分７２１、並びに、三十五番目、三十六番目の欠歯部分７２２という、大きく分けて二つの欠歯部分７２１、７２２が存在する。欠歯部分７２１、７２２はそれぞれ、クランクシャフトの特定の回転位相角に対応する。即ち、連続する欠歯部分７２１は１８０°ＣＡ及び５４０°ＣＡに対応しており、単独の欠歯部分７２２は０°及び３６０°ＣＡに対応している。

そして、上記の欠歯部分７２１、７２２に起因して、クランク角信号ｂのパルス列もまた一部が欠損する。この欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度、即ち各気筒１のピストンの現在位置を知ることが可能である。欠損した三十六番目のパルスの次の一番目のパルスのタイミングを０°ＣＡ（または、３６０°ＣＡ）とおくと、欠損した十八番目のパルスに続く十九番目のパルスのタイミングが１８０°ＣＡ（または、５４０°ＣＡ）ということになる。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数及びアクセル開度を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数、アクセル開度及び吸気量等に基づき、吸気量に見合った要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、点火タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

アクセル開度が０または０に近い所定値以下である、アイドル運転領域またはアイドル運転に近い低負荷低回転の運転領域（要求ＥＧＲ率は０であり、ＥＧＲバルブ２３は全閉している）にあって、本実施形態のＥＣＵ０は、エンジン回転数を望ましい目標回転数に収束させるべく、気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量を制御する。

そのために、ＥＣＵ０は、クランク角センサからもたらされるクランク角信号ｂを基に、クランクシャフトが第一の所定角度、例えば３０°ＣＡ回転するのに要した時間を反復的に計測し、クランクシャフトが３０°ＣＡ回転する際の回転速度を反復的に求め、今回求めた回転速度から前回求めた回転速度を減算することにより、クランクシャフトの回転速度の変化量を算出する。回転速度の変化量は、クランクシャフトがある一定の角度、例えば３０°ＣＡ回転する都度算出する。

並びに、ＥＣＵ０は、クランク角信号ｂを基に、クランクシャフトが上記の第一の所定角度よりも大きい第二の所定角度、例えば１８０°ＣＡ回転するのに要した時間を反復的に計測し、クランクシャフトが１８０°ＣＡ回転する際の回転速度を反復的に求め、今回求めた回転速度から前回求めた回転速度を減算することにより、クランクシャフトの回転速度の変化量を算出する。この回転速度の変化量もまた、クランクシャフトが一定の角度、例えば３０°ＣＡ回転する都度算出する。

その上で、ＥＣＵ０は、クランクシャフトが３０°ＣＡ回転する間の回転速度の変化量と、クランクシャフトが１８０°ＣＡ回転する間の回転速度の変化量とを比較し、より小さい方の変化量を参照して、気筒１に充填するべき吸気の増減量を決定する。

図３に、クランクシャフトの回転速度の変化量、吸気量の増減補正量及びエンジン回転数の推移を例示する。回転速度の変化量に関して、破線はクランクシャフトが第一の所定角度である３０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量を表し、実線はクランクシャフトが第二の所定角度である１８０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量を表す。後者の変化量は、前者の変化量に比して、その変動が遅く、変動の周期が長くなるようになまされる。また、吸気量の増減補正量及びエンジン回転数に関して、鎖線は前者の変化量のみを参照した従来のアイドル回転数制御の結果を表し、実線は前者の変化量と後者の変化量とを適宜選択して参照する本実施形態のアイドル回転数制御の結果を表している。

気筒１に充填される吸気量は、スロットルバルブ３２の開度の操作を通じて増減させることができる。エンジン回転数が低落傾向、即ちクランクシャフトの回転が減速する傾向にあるとき、回転速度の変化量は負値となる。ＥＣＵ０は、クランクシャフトの回転速度の変化量が負値である場合、スロットルバルブ３２の開度を拡大させることで、気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量の増量を図る。このときの吸気量の増加量、即ちスロットルバルブ３２の開度の拡大量は、回転速度の変化量（低下量）の絶対値が大きいほど多くする。

逆に、エンジン回転数が上昇傾向、即ちクランクシャフトの回転が加速する傾向にあるときには、回転速度の変化量が正値となる。ＥＣＵ０は、クランクシャフトの回転速度の変化量が正値である場合、スロットルバルブ３２の開度を縮小させることで、気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量の削減を図る。このときの吸気量の削減量、即ちスロットルバルブ３２の開度の縮小量は、回転速度の変化量（上昇量）の絶対値が大きいほど多くする。

内燃機関が備える気筒１のうち、第一気筒１で失火を生じ、第二気筒１及び第三気筒１では燃料が正常に燃焼する状況を想定する。図３に示すように、クランクシャフトが３０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量は、第一気筒１における失火により負値となるが、第二気筒１及び第三気筒１における正常燃焼により速やかに正値となる。従って、クランクシャフトが３０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量のみを参照して吸気量の補正を実行すると、先の第一気筒１の失火により一旦は吸気量が増量補正されるものの、その後の第二気筒１及び第三気筒１の正常燃焼により吸気量がすぐさま削減されることとなってしまう。

第二気筒１及び第三気筒１での正常燃焼により、スロットルバルブ３２の開度が縮小し、第一気筒１に連なる吸気マニホルド３４及びサージタンク３３内に待機する空気の量が減少する。すると、第一気筒１の吸気行程にて当該第一気筒１に吸引される吸気の量も減少する。これは、ポンピングロスの増大とともに、燃料の着火燃焼の安定性の低下をもたらす。結果として、第一気筒１において再度の失火を生じ、その失火後の時点ｔ_sに現れているように、エンジン回転数が必要最小限度の回転数を下回るまで落ち込み、エンジンストールに至る危険を招きかねない。

一方、クランクシャフトが１８０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量は、第一気筒１の失火により負値となった後、続く第二気筒１及び第三気筒１の正常燃焼によっても、±０を明らかに超える正値とはならない。クランクシャフトが３０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量と、クランクシャフトが１８０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量とを比較すると、クランクシャフトの回転速度が低下する時期に前者が後者を下回り、クランクシャフトの回転速度が上昇する時期に後者が前者を下回る。

本実施形態のＥＣＵ０は、前者の変化量が後者の変化量を下回る時期Ｔ₁、Ｔ₃においては前者の変化量を参照して吸気量の補正を実行し、後者の変化量が前者の変化量を下回る時期Ｔ₂、Ｔ₄においては後者の変化量を参照して吸気量の補正を実行する。これにより、第一気筒１の失火に起因してクランクシャフトの回転が減速するときに吸気量を速やかに増量しながら、第二気筒１及び第三気筒１の正常燃焼によりクランクシャフトの回転が加速するときには吸気量を緩やかに減少させることが可能となる。よって、気筒１に連なる吸気マニホルド３４及びサージタンク３３内に待機する空気の量をある程度以上に確保でき、失火または不安定燃焼の再発に伴うエンジン回転数の大きな落ち込みを回避できるようになる。つまり、耐ストール性が向上する。

上述した吸気量及び燃料噴射量の補正制御に加えて、本実施形態のＥＣＵ０は、アイドル運転領域またはアイドル運転に近い低負荷低回転の運転領域において、クランク角信号ｂを基に知得される現在のエンジン回転数と目標回転数との偏差を求め、その偏差を縮小するように点火タイミングを調整するフィードバック制御を実施することができる。具体的には、実測エンジン回転数が目標回転数を上回る場合に点火タイミングを遅角補正してエンジントルクを減少させ、実測エンジン回転数が目標回転数を下回る場合には点火タイミングを進角補正してエンジントルクを増大させる。

本実施形態では、内燃機関の出力軸が第一の所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測し、当該出力軸が第一の所定角度回転する際の回転速度の変化量を求めるとともに、内燃機関の出力軸が前記第一の所定角度よりも大きい第二の所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測し、当該出力軸が第二の所定角度回転する際の回転速度の変化量を求め、前者の変化量と後者の変化量とのうちより小さい方を参照して、気筒１に充填するべき吸気の増減量を決定する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量を適切に増減調整して内燃機関の回転を好適に維持することが可能である。即ち、エンジンストールの危険を回避でき、しかもエンジントルクが要求トルクを上回ってエンジン回転数が吹き上がり運転者に空走感を与える問題も解消できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、クランクシャフトが３０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量、またはクランクシャフトが１８０°ＣＡ回転する際の回転速度の変化量を参照して、スロットルバルブ３２の開度を拡縮させていたが、これとともに、またはこれに代えて、気筒１に付随する吸気バルブ及び／または排気バルブの開弁及び／または閉弁のタイミングを操作し、以て気筒１に充填するべき吸気量を増減させるようにしてもよい。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載された内燃機関の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
７０…内燃機関の出力軸に付設されたセンサ（クランク角センサ）
ｂ…クランク角信号

Claims (1)

1. 内燃機関の出力軸が第一の所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測し、当該出力軸が第一の所定角度回転する際の回転速度の変化量を求めるとともに、
   内燃機関の出力軸が前記第一の所定角度よりも大きい第二の所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測し、当該出力軸が第二の所定角度回転する際の回転速度の変化量を求め、
   前者の変化量と後者の変化量とのうちより小さい方を参照して、気筒に充填するべき吸気の増減量を決定する内燃機関の制御装置。

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