JP2017110508A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実燃焼時期を好適に遅滞なく検出して、応答性に優れた点火時期制御ができる内燃機関の制御装置を提供すること。
【解決手段】エンジン２のクランクシャフト１１の回転角度であるクランク角度を検出するためのパルス信号を出力するクランク角度センサ２６と、点火プラグ１２とシリンダヘッド５との間に設けられた座金センサ３０と、座金センサ３０の出力信号を所定のクランク角度区間において積算し、その積算値に基づいて実燃焼時期を求め、実燃焼時期と目標燃焼時期との差に応じて点火時期を補正するＥＣＵ３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、点火プラグを有する内燃機関の制御装置に関する。

火花点火式の内燃機関において、質量燃焼割合（MBF:Mass Burn Fraction）が５０％となるタイミング（以下、「ＭＢＦ５０％位置」という）を適切な時期、例えば、上死点後（ATDC:After Top Dead Center）8deg（以下、「8deg.ATDC」ともいう）になるように点火時期を制御することで、内燃機関の効率が最もよくなる点火時期（MBT:Minimum advance for Best Torque）となることが知られている。

このため、点火時期がＭＢＴになるように制御するには、質量燃焼割合で示される実燃焼時期を検出することが重要となる。

特許文献１には、振動検出センサであるノックセンサを用いて実燃焼時期を検出し、点火時期がＭＢＴになるように制御する技術が開示されている。しかしながら、ノックセンサでは、低負荷運転状態において燃焼による振動が検出できないために実燃焼時期が検出できない、離散フーリエ変換などの演算負荷の高い信号処理が必要となる、などの問題があった。

特許文献２には、筒内圧力センサ信号から熱発生量波形と相関のあるパラメータ波形を求め、そこから燃焼開始時期を算出して点火時期がＭＢＴとなるように制御する技術が開示されている。しかしながら、高価な筒内圧力センサを用いる必要があることや、筒内圧力センサの取り付けの為にシリンダヘッドの加工が必要となり、内燃機関の構造が複雑になること、熱発生量波形と相関のあるパラメータを求めるために複雑な演算が必要になること、などの問題があった。

特許文献３には、座金センサを用いて、圧縮上死点前後の座金センサ信号積算値の差に基づいて点火時期がＭＢＴとなるように制御する技術が開示されている。しかしながら、圧縮上死点前後の座金センサ信号の積算値の差が最大になるように制御しているだけで、実燃焼時期は不明であり、ＭＢＴへの点火時期制御応答性が悪いという問題があった。

特開２０１４−８４８３５号公報 特開２００５−３６７５４号公報 特開２００１−１５２９５２号公報

そこで、本発明は、実燃焼時期を好適に遅滞なく検出して、応答性に優れた点火時期制御ができる内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置の発明の一態様は、点火プラグを有する内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられた貫通孔に締付け固定された受圧部材の締付け荷重の変化を検出する座金センサと、前記座金センサの出力信号に基づいて前記内燃機関の実燃焼時期を求め、前記実燃焼時期と目標燃焼時期との差に応じて前記点火プラグの点火時期を補正する制御部と、を備えるものである。

このように本発明の一態様によれば、実燃焼時期を好適に遅滞なく検出して、応答性に優れた点火時期制御ができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その概念ブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その座金センサの取り付け位置を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その増幅回路の回路例を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その筒内圧力センサ信号と座金センサ信号の相関を示すグラフである。 図５は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その制御系のブロック図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その積算割合位置のクランク角度の算出方法を示すグラフである。 図７は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その積算割合位置から実燃焼時期を算出するための補正値のエンジン回転数及びエンジン負荷との関係を示すグラフである。 図８は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その積算割合位置と実燃焼位置との相関グラフである。 図９は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その各燃焼サイクルでの積算割合位置と実燃焼位置とを示すグラフである。 図１０は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す図であり、その点火時期制御処理手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置について詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を搭載した車両１は、内燃機関型のエンジン２と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３とを含んで構成される。

このエンジン２は、シリンダブロック４と、シリンダブロック４の上部に締結されたシリンダヘッド５と、シリンダブロック４の下部に締結されたオイルパン６とを含んで構成されている。オイルパン６には、図示しないエンジンオイルが貯留されるようになっている。

シリンダブロック４には、気筒としてのシリンダ７が形成されている。シリンダ７には、このシリンダ７内を上下に往復動可能なピストン８が収納されている。また、シリンダ７の上部には、燃焼室９が設けられている。燃焼室９は、シリンダ７とピストン８の頂面とシリンダヘッド５の下面とによって画成された空間から構成されている。

エンジン２は、シリンダ７内でピストン８が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程を行なう、いわゆる４サイクルのガソリンエンジンである。

また、ピストン８は、コネクティングロッド１０を介してクランクシャフト１１と連結している。コネクティングロッド１０は、ピストン８の往復運動をクランクシャフト１１の回転運動に変換するようになっている。なお、クランクシャフト１１は、図示しないクランクジャーナルを介してシリンダブロック４に回転可能に支持されている。

また、シリンダヘッド５には、点火プラグ１２と、インジェクタ１３と、吸気ポート１４と、排気ポート２１が設けられている。点火プラグ１２は、シリンダヘッド５の外側と燃焼室９とを貫通する貫通孔に、燃焼室９内に電極を突出させた状態で締付け固定され、ＥＣＵ３によってその点火時期が調整されるようになっている。

点火プラグ１２とシリンダヘッド５の間には、座金センサ３０が設けられている。座金センサ３０は、図２に示すように、点火プラグ１２とシリンダヘッド５の間に、ワッシャ状に取り付けられる。

座金センサ３０は、圧電素子の両端に電極を配置した構造となっており、燃焼室内で発生した混合気の燃焼によって生じる点火プラグ１２の締付け荷重の変化を検出する。座金センサ３０は、締付け荷重が変化することで、圧縮および弛緩方向の力が加わり、圧電素子の表面電位が変化し、電荷信号を出力する。

座金センサ３０が出力する電荷信号は微小であるため、例えば、図３に示すような信号増幅回路４０で座金センサ３０の出力信号を増幅する。図３において、入力端子４１に入力された座金センサ３０の出力信号は、オペアンプ４２で増幅され、出力端子４３から出力される。

インジェクタ１３は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって供給された燃料を燃焼室９内に噴射する、いわゆる筒内噴射式の燃料噴射弁である。

吸気ポート１４は、燃焼室９と後述する吸気通路１６ａとを連通するようになっている。また、吸気ポート１４には、吸気弁１５が設けられている。

吸気弁１５は、吸気通路１６ａと燃焼室９とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。

また、吸気ポート１４には、吸気管１６が接続されている。この吸気管１６の内部には、吸気ポート１４と連通する吸気通路１６ａが形成されている。吸気通路１６ａには、電子制御式のスロットルバルブ１７が設けられている。スロットルバルブ１７は、ＥＣＵ３に電気的に接続されている。

スロットルバルブ１７は、ＥＣＵ３からの指令信号に応じてスロットル開度が制御されることで、エンジン２の吸入空気量を調整するようになっている。スロットルバルブ１７には、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ１８が設けられている。

一方、排気ポート２１には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、後述する排気通路２４ａと燃焼室９とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。

また、排気ポート２１には、排気管２４が接続されている。この排気管２４の内部には、排気ポート２１と連通する排気通路２４ａが形成されている。排気通路２４ａには、空燃比センサ２５が設けられている。

上述のように構成されたエンジン２は、スロットルバルブ１７により流量調整された吸気とインジェクタ１３により噴射された燃料との混合気を、点火プラグ１２により点火して着火させる点火式のエンジンである。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

このコンピュータユニットのＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ３として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ３として機能する。

ＥＣＵ３の入力ポートには、上述のスロットル開度センサ１８、空燃比センサ２５、座金センサ３０、に加え、クランク角度センサ２６、アクセル開度センサ２８、ノックセンサ２９等の各種センサ類が接続されている。

空燃比センサ２５は、エンジン２の排気の酸素濃度から広範囲の連続的な空燃比の変化を検出する。

クランク角度センサ２６は、例えば、エンジン２のクランクシャフト１１が所定角度回転するごとにオンになるクランク角度パルス信号と、エンジン２のクランクシャフト１１が所定の回転角度になるごとにオンになる基準角度パルス信号を出力する。ＥＣＵ３は、クランク角度パルス信号と基準角度パルス信号とに基づいてエンジン回転数及びクランク角度を検出できるようになっている。

アクセル開度センサ２８は、アクセルペダル２７の操作量を表すアクセル開度を検出する。ノックセンサ２９は、シリンダブロック４の外壁面に設置されている。ノックセンサ２９は、エンジン２のノッキング振動を検出し、ノッキング振動の大きさに応じたノック信号を出力する。

一方、ＥＣＵ３の出力ポートには、点火プラグ１２、インジェクタ１３、スロットルバルブ１７等の各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ２８が検出するアクセル開度に基づきエンジン２の要求負荷を算出し、その要求負荷に応じてエンジン２の点火時期や燃料噴射量や吸入空気量を算出する。そして、ＥＣＵ３は、算出した点火時期や燃料噴射量や吸入空気量になるように点火プラグ１２やインジェクタ１３やスロットルバルブ１７を制御してエンジン２の運転状態を制御する。

例えば、ＥＣＵ３は、要求負荷とエンジン回転数で点火時期が決まる点火制御用ベースマップを参照し、点火時期を決定する。点火制御用ベースマップは、初期値がＥＣＵ３のフラッシュメモリに記憶されていて、後述する更新処理により補正されるようになっている。

本件発明者は、本実施形態のエンジン２に、実燃焼時期を算出するための筒内圧力センサを設けて実験を行ない、座金センサ３０の出力信号と筒内圧力センサの出力信号が、図４に示すように相関があることを発見した。この実験結果に基づいて、本実施形態のＥＣＵ３は、座金センサ３０の出力信号の積算値に基づいて実燃焼時期を検出し、ＭＢＴとなるように点火時期を補正する。

本実施形態において、ＥＣＵ３は、図５に示すように、信号波形算出部３１、信号波形積算部３２、燃焼時期検出部３３、実燃焼時期算出部３４、点火時期制御部３５を備えている。

信号波形算出部３１は、座金センサ３０の出力信号を信号増幅回路４０で増幅した座金センサ信号と、クランク角度センサ２６の出力するクランク角度パルス信号及び基準角度パルス信号とから、クランク角度ベースの座金センサ信号を算出する。クランク角度ベースの座金センサ信号とは、例えば、図６の上段に示すように、横軸にクランク角度、縦軸に座金センサ信号値をとるような、クランク角度の変化に応じた座金センサ信号のことである。

信号波形積算部３２は、信号波形算出部３１で算出したクランク角度ベースの座金センサ信号を、所定の区間において、所定クランク角度、例えば、0.1〜5degの分解能で積算して信号積算値を算出する。積算するクランク角度の分解能は、積算値の誤差が少なくなるため小さいほうがよい。積算処理については、台形近似を用いると精度がよい。積算処理として、長方形近似などを用いてもよい。

クランク角度ベースの座金センサ信号を積算する区間は、吸気弁１５、排気弁２２の着座ノイズの影響が出ない吸排気弁閉期間、例えば、上死点前180deg（吸気下死点）から上死点後180deg（排気下死点）の間で任意に選定するとよい。

燃焼時期検出部３３は、クランク角度ベースの座金センサ信号の積算値から予め設定された積算割合位置のクランク角度を求める。

この処理について図６を参照して説明する。図６の下段の値は、演算区間を上死点後10〜60degとし、分解能を0.5degとして、上段の座金センサ信号の値から台形近似により算出した積算値である。燃焼時期検出部３３は、演算区間全体での積算値Ａを１００％として、予め設定された割合の積算値となるクランク角度を求める。本実施形態においては、燃焼時期検出部３３は、積算割合５０％位置（図中、「Ａ／２」で示した位置、以下、「ＧＰＳ５０％位置」ともいう）のクランク角度を求める。

なお、積算値Ａは、実際に算出した値を使わなくても、実験等により予め算出した値を使うようにしてもよい。こうすることで、早期に積算割合５０％位置のクランク角度を求めることができる。

実燃焼時期算出部３４は、燃焼時期検出部３３が算出した積算割合位置のクランク角度に、エンジン回転数に応じた補正を行なって実燃焼時期を算出する。

本件発明者は、上述した実験において、筒内圧センサの出力信号から算出したＭＢＦ５０％位置のクランク角度と、上死点後10〜60degを演算区間として積算した座金センサ信号のＧＰＳ５０％位置のクランク角度との１００燃焼サイクルでの平均値を算出し、この平均値の差を補正値とした。

この補正値をエンジン回転数、エンジン負荷を変えて算出し、グラフにしたものが図７のグラフである。図７に示すように、補正値は、エンジン回転数に依存して比例的に増大し、エンジン負荷には依存しないことが分かる。

このような実験に基づいて、エンジン回転数により補正値が決まる補正マップを作成し、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶させておく。実燃焼時期算出部３４は、エンジン回転数から補正マップにより補正値を求め、この補正値により燃焼時期検出部３３が求めたクランク角度を補正する。

図８、図９は、上述した実験において、エンジン回転数2000rpm、ＢＭＥＰ（Brake Mean Effective Pressure）が200kPaの条件で、補正後のＧＰＳ５０％位置とＭＢＦ５０％位置とを求めた結果を示している。

図８は、補正後のＧＰＳ５０％位置とＭＢＦ５０％位置との相関グラフである。図９は、各燃焼サイクルでの補正後のＧＰＳ５０％位置とＭＢＦ５０％位置とを示すグラフである。

このように、ＧＰＳ５０％位置にエンジン回転数に応じた補正を行なうことで、ＭＢＦ５０％位置と燃焼サイクル毎に高い相関があることが分かる。このことは、筒内圧力センサを用いなくても、座金センサ３０の出力信号を用いて実燃焼時期を算出できることを示している。

点火時期制御部３５は、実燃焼時期算出部３４で求めた補正後のＧＰＳ５０％位置（ＭＢＦ５０％位置）と、目標燃焼時期（上死点後8deg）との差（目標燃焼時期−補正後のＧＰＳ５０％位置）に応じて、補正後のＧＰＳ５０％位置が目標燃焼時期に一致するように点火時期の補正量（進角量または遅角量）を決定する。点火時期制御部３５は、決定した点火時期の補正量をもとに、点火制御用ベースマップを更新することで、最も燃焼効率の良い点火時期でエンジン２を運転することができる。

なお、点火制御用ベースマップの更新は、ノックセンサ２９によりエンジン２のノッキングが検出されているときは行なわないようにするとよい。このようにすることで、過進角によるノッキングの発生を抑制することができる。

以上のように制御することで、高価な筒内圧力センサを用いることなく、点火時期制御の応答性を向上させることができる。

また、座金センサ３０は、燃焼室９の直上に配置されるため、低負荷運転での燃焼時期の検出も可能である。さらに、離散フーリエ変換処理などの演算負荷の高い処理を行なわないため、演算負荷を低減させることができる。

また、点火制御用ベースマップが比較的ラフに適合されたものであっても、最も燃焼効率の良い点火時期に補正されるため、適合工数や適合コストを低減させることができる。

以上のように構成された本実施形態に係る内燃機関の制御装置による点火時期制御処理について、図１０を参照して説明する。なお、以下に説明する点火時期制御処理は、ＥＣＵ３が動作を開始すると開始され、予め設定された時間間隔で実行される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３は、エンジン回転数の情報とスロットル開度の情報を取得する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ３は、取得したエンジン回転数とスロットル開度から点火制御用ベースマップにより点火時期を求め、その点火時期で点火プラグ１２に点火させる。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３は、座金センサ３０から座金センサ信号を取り込み、座金センサ信号の積算値を算出する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３は、座金センサ信号の積算値から予め設定された積算割合位置のクランク角度を算出する。

ステップＳ５において、ＥＣＵ３は、現在のエンジン回転数から上述の補正マップにより補正値を取得する。

ステップＳ６において、ＥＣＵ３は、取得した補正値により座金センサ信号の積算割合位置のクランク角度を補正したクランク角度を実燃焼時期とする。

ステップＳ７において、ＥＣＵ３は、求めた実燃焼時期とＭＢＦ５０％位置が8deg.ATDCとなる目標燃焼時期との差を演算して点火時期補正量を決定する。

ステップＳ８において、ＥＣＵ３は、ノックセンサ２９によりエンジン２のノッキングが検出されていないか否かにより点火制御用ベースマップの更新が可能か否かを判定する。ノックセンサ２９によりノッキングが検出されていると判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

ノックセンサ２９によりノッキングが検出されていないと判定した場合、ステップＳ９において、ＥＣＵ３は、決定した点火時期補正量で点火制御用ベースマップを更新し、処理を終了する。

このように、上述の実施形態では、座金センサ３０の出力信号に基づいて実燃焼時期としてＭＢＦ５０％位置（補正後のＧＰＳ５０％位置）を求め、目標燃焼時期（上死点後8deg）との差（目標燃焼時期−ＭＢＦ５０％位置）に応じて点火時期を補正するＥＣＵ３を備える。

これにより、座金センサ３０の出力信号に基づいて実燃焼時期が算出され、実燃焼時期が目標燃焼時期になるように点火時期が補正される。このため、ＭＢＴへの点火時期制御応答性を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、クランク角度の所定の区間における座金センサ３０の積算値に基づいて実燃焼時期（ＭＢＦ５０％位置）を求める。

これにより、台形近似などの積算処理により実燃焼時期が算出される。このため、演算負荷を低減させることができる。

また、座金センサ３０は、点火プラグ１２とシリンダヘッド５との間に設けられる。これにより、筒内圧力を検出するための座金センサ３０の取り付けの為にシリンダヘッドの加工が不要となる。

なお、本実施形態においては、燃料直噴方式のエンジンについて示したが、ポート噴射方式のエンジンにおいても同様に点火時期を制御することができる。また、ディーゼルエンジンや予混合圧縮自着火燃焼（ＨＣＣＩ）エンジンの実燃焼時期の検出に適用することもできる。

また、座金センサ信号の積算割合位置間のクランク角度を求めることで、初期燃焼期間や主燃焼期間を推定することもできる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ 車両
２ エンジン（内燃機関）
３ ＥＣＵ（制御部）
５ シリンダヘッド
９ 燃焼室
１２ 点火プラグ（受圧部材）
１８ スロットル開度センサ
２６ クランク角度センサ
２９ ノックセンサ
３０ 座金センサ
３１ 信号波形算出部
３２ 信号波形積算部
３３ 燃焼時期検出部
３４ 実燃焼時期算出部
３５ 点火時期制御部
４０ 信号増幅回路
４１ 入力端子
４２ オペアンプ
４３ 出力端子

Claims (3)

1. 点火プラグを有する内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられた貫通孔に締付け固定された受圧部材の締付け荷重の変化を検出する座金センサと、
   前記座金センサの出力信号に基づいて前記内燃機関の実燃焼時期を求め、前記実燃焼時期と目標燃焼時期との差に応じて前記点火プラグの点火時期を補正する制御部と、を備える内燃機関の制御装置。
2. 前記制御部は、クランク角度の所定の区間における前記座金センサの出力信号の積算値に基づいて前記実燃焼時期を求める請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記受圧部材は、前記点火プラグであり、前記座金センサは、前記点火プラグと前記シリンダヘッドとの間に設けられる請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。