JP2018059437A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ストイキ運転とリーン運転とを切り換える過渡運転状態において、点火時期制御パラメータの最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化するとともに設計工数を低減することができる制御装置を提供する。【解決手段】 上記過渡運転状態において、燃焼室内の燃焼ガスの層流燃焼速度SLを算出し、その層流燃焼速度SLを用いて点火時期制御パラメータ、すなわちトルク最大点火時期IGMAP、ノック限界点火時期IGKNK、及び遅角限界点火時期IGLGGを算出する。点火時期IGLOGはトルク最大点火時期IGMAPまたは補正ノック限界点火時期IGKNKMに設定され、遅角限界点火時期IGLGGより遅角側に設定しないように制御される。層流燃焼速度SLを用いて点火時期制御パラメータを算出することにより、過渡状態において最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出できる。【選択図】 図6

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転及び理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する制御装置に関する。
NOxの排出量を低減するとともに燃費を改善する(燃焼効率を高める)ことを目的として、機関で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側であって、燃焼室から排出される排気(フィードガス)中のNOx濃度を十分に低下させることが可能なリーン空燃比(例えば「30」)に設定するリーン運転を行うことは、例えば特許文献1に示されるように広く知られている。
また特許文献2に示されるように、機関の出力トルクを最大とするトルク最大点火時期(MBT:Minimum Spark Advance for Best Torque)を、燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を用いて算出する手法が知られている。
特許文献3には、ストイキ運転からリーン運転への切換、またはその逆の切換を行う過渡状態における、吸入空気量及び排気還流量の制御方法が示されている。
特開2005−30305号公報 特許第4066866号公報 特開2016−17459号公報
機関の要求トルクが大きい高負荷運転領域ではリーン運転によって要求トルクを実現することは困難であり、空燃比は理論空燃比(あるいはさらにリッチ側の空燃比)に変更して、ストイキ運転(あるいはリッチ運転)を行う必要がある。ストイキ運転では、フィードガス中のNOx濃度を低下させるために排気還流が実行されるため、ストイキ運転からリーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態では、特許文献3に示されるように、上記排気還流を実行し(排気還流率を変更し)つつ、空燃比を変更する過渡制御が必要となるが、特許文献3には過渡制御における点火時期の制御方法は示されていない。最適な点火時期は、排気還流率及び空燃比に依存して変化するため、これらのパラメータを直接使用して点火時期制御パラメータを算出すると、算出に必要なテーブルやマップが多くなり、設計段階におけるマップ等の設定工数が増加するという課題がある。
そこで特許文献2に示される層流燃焼速度を使用する算出手法を参照すると、この算出手法は、層流燃焼速度とともに燃焼の乱れを示す指標を用いてシリンダ内燃焼速度を算出し、このシリンダ内燃焼速度とシリンダ内の燃焼ガス量とから燃焼期間を算出し、さらにこの燃焼期間に基づいてトルク最大点火時期を算出するものであり、トルク最大点火時期の演算処理が複雑化し、設計段階においてテーブルあるいはマップの設定を行うための工数が増加するという課題を解決することは困難である。さらに特許文献2に示される装置は、機関の過渡運転状態を想定した制御を行うものであるが、空燃比を変更する過渡状態における制御手法は示されていない。
本発明は上述した点に着目してなされたものであり、ストイキ運転とリーン運転とを切り換える過渡運転状態において、点火時期制御に適用する点火時期制御パラメータの最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化するとともに設計工数を低減することができる制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグ(8)と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構(12,13)とを備える内燃機関(1)の制御装置において、前記燃焼室内の混合気の空燃比(AF)を理論空燃比(AFST)に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、前記排気還流機構によって排気還流率(REGR)を制御する排気還流制御手段と、前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度(SL)を、前記空燃比(AF)を示すパラメータ(φ)及び前記排気還流率(REGR)を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度(SL)を用いて、点火時期制御パラメータ(IGMAP,IGKNK,IGLGG)を算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期(IGLOG)を制御する点火時期制御手段とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度が空燃比を示すパラメータ及び排気還流率を用いて算出され、ストイキ運転からリーン運転への移行またはその逆の移行を行う過度状態において、算出された層流燃焼速度を用いて点火時期制御パラメータが算出され、その点火時期制御パラメータを用いて点火時期が制御される。本発明の発明者の検討によれば、層流燃焼速度と、機関出力トルクが最大となるトルク最大点火時期などの点火時期制御パラメータとの関係は、機関回転速度一定の条件、または機関回転速度及び充填効率が一定の条件の下で一つの曲線で近似可能であることが確認されており、層流燃焼速度を用いて点火時期制御パラメータを算出することにより、過渡状態において変化する空燃比及び排気還流率に対応した最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化することができる。また、例えばトルク最大点火時期は、空燃比及び/または排気還流率が変化しても層流燃焼速度及び機関回転速度に応じて設定された単一のマップで算出可能となるため、設計段階におけるマップ設定工数(設計工数)を低減することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関の制御装置において、前記点火時期制御パラメータは、複数の制御パラメータ(IGMAP,IGKNK,IGLGG)を含むことを特徴とする。
本発明の発明者の検討によれば、トルク最大点火時期だけでなく、遅角限界点火時期やノック限界点火時期の算出についても、層流燃焼速度を用いることが有効であることが確認されており、これらの制御パラメータすべての算出に層流燃焼速度を用いることにより、演算処理を簡略化し設計工数を低減する、顕著な効果を得ることができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置において、前記点火時期制御パラメータは、前記機関の出力トルクを最大とするトルク最大点火時期(IGMAP)を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度(SL)及び前記機関の回転速度(NE)に応じて設定された単一のマップを用いて前記トルク最大点火時期(IGMAP)を算出することを特徴とする。
この構成によれば、層流燃焼速度及び機関回転速度に応じて設定された単一のマップを用いてトルク最大点火時期が算出されるので、過渡状態におけるトルク最大点火時期の演算処理を簡略化できる。
請求項4に記載の発明は、請求項1から3の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置において、前記点火時期制御パラメータは、前記機関においてノッキングが発生する可能性が低い点火時期範囲の最進角値に対応するノック限界点火時期(IGKNK)を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度(SL)、前記機関の回転速度(NE)、及び前記機関の吸入空気量(GAIRCYL)を用いて、前記ノック限界点火時期(IGKNK)を算出することを特徴とする。
この構成によれば、層流燃焼速度、機関回転速度、及び吸入空気量を用いて、ノック限界点火時期が算出されるので、過渡状態におけるノック限界点火時期の演算処理を簡略化できる。
請求項5に記載の発明は、請求項1から4の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置において、前記点火時期制御パラメータは、前記点火時期の遅角限界点火時期(IGLGG)を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度(SL)、前記機関の回転速度(NE)、及び前記機関の吸入空気量(GAIRCYL)を用いて、前記遅角限界点火時期(IGLGG)を算出し、前記点火時期(IGLOG)が前記遅角限界点火時期(IGLGG)より遅角側に設定されないように前記点火時期(IGLOG)を制御することを特徴とする。
この構成によれば、層流燃焼速度、機関回転速度、及び吸入空気量を用いて、点火時期の遅角限界点火時期が算出されるので、過渡状態における遅角限界点火時期の演算処理を簡略化できる。
請求項6に記載の発明は、請求項3または4に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は前記機関の吸気弁の作動位相(CAIN)を変更可能な弁作動位相可変機構(14)を備え、前記点火時期制御手段は、前記トルク最大点火時期(IGMAP)及び/または前記ノック限界点火時期(IGKNK)を、前記作動位相(CAIN)を用いて算出することを特徴とする。
この構成によれば、トルク最大点火時期及び/またはノック限界点火時期が、吸気弁作動位相を用いて算出されるので、吸気弁作動位相の変化に対応して適切な制御値を得ることができる。
請求項7に記載の発明は、請求項1から6の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサを備え、前記層流燃焼速度算出手段は、前記空燃比(AF)、前記混合気に含まれる排気の割合である排気還流率(REGR)、前記燃焼室において前記混合気が燃焼を開始する直前の前記燃焼室内のガス温度である筒内ガス温度(TGAS)、及び前記筒内圧センサによって検出される筒内圧(PCYL)を用いて、前記層流燃焼速度(SL)を算出することを特徴とする。
この構成によれば、空燃比、排気還流率、筒内ガス温度、及び検出される筒内圧を用いて、層流燃焼速度が算出される。筒内ガス温度は、筒内圧センサによって検出される筒内圧を用いることにより、より正確な推定が可能となり、かつ検出される筒内圧を使用することによって、より精度の高い層流燃焼速度が得られる。その結果、点火時期制御パラメータの算出精度を高めることができる。
本発明の第1実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 機関回転速度(NE)及び要求トルク(TRQCMD)で定義される機関運転領域に応じた目標空燃比(AFCMD)の設定を説明するための図である。 機関回転速度一定の条件下で燃料希釈率(RDL)と、最適点火時期(IGOPT)との関係を示す図である。 層流燃焼速度(SL)と点火時期制御パラメータ(IGMAP,IGKNK,IGLGG)との関係を示す図である。 空燃比(AF)、排気還流率(REGR)、燃焼室内のガス温度(TGAS)、及び筒内圧(PCYL)と、層流燃焼速度(SL)との関係を示す図である。 空燃比を変更する過渡状態において点火時期(IGLOG)を算出する処理のフローチャートである。 図6の処理で実行されるIGKNK算出処理のフローチャートである。 基本ノック限界点火時期(IGKBASE)の算出に使用するマップの設定を説明するための図である。 基本ノック限界点火時期を補正する遅角補正値(DIGRSV)の算出に使用するテーブルを示す図である。 本発明の第2実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 第2実施形態におけるIGKNK算出処理のフローチャートである。
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
図1は、本発明の一実施形態にかかる直噴式内燃機関及びその制御装置の構成を示す図であり、この図に示す内燃機関(以下「エンジン」という)1は、例えば4気筒を有し、各気筒には、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタ6が設けられている。インジェクタ6の作動は電子制御ユニット(以下「ECU」という)5により制御される。またエンジン1の各気筒には点火プラグ8が装着されており、ECU5によって点火プラグ8による点火時期が制御される。エンジン1の吸気通路2にはスロットル弁3が配置されている。
ECU5には、エンジン1の吸入空気量GAIRを検出する吸入空気量センサ21、吸気温TAを検出する吸気温センサ22、スロットル弁開度THを検出するスロットル弁開度センサ23、吸気圧PBAを検出する吸気圧センサ24、エンジン冷却水温TWを検出する冷却水温センサ25、エンジン1のクランク軸(図示せず)の回転角度を検出するクランク角度位置センサ26、エンジン1により駆動される車両のアクセルペダル操作量APを検出するアクセルセンサ27、及び図示しない他のセンサ(例えば、車速センサ、大気圧センサなど)が接続されており、これらのセンサの検出信号がECU5に供給される。クランク角度位置センサ26は、クランク角度位置を示す複数のパルス信号を出力するものであり、このパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、及びエンジン回転数(回転速度)NEの検出に使用される。
排気通路10には排気浄化触媒(例えば三元触媒)11が設けられている。排気浄化触媒11の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、空燃比センサ28が装着されており、排気通路10には排気中の酸素濃度を検出することにより、燃焼室内で燃焼する混合気の空燃比AFを検出する。
エンジン1は排気還流機構を備えており、この排気還流機構は、排気通路10と吸気通路2と接続する排気還流通路12と、排気還流通路12を通過する排気の流量を制御する排気還流制御弁(以下「EGR弁」という)13とを有する。EGR弁13の作動は、ECU5によって制御される。
ECU5は、CPU、メモリ、入出力回路等を備える周知の構成を有するものであり、エンジン運転状態(主としてエンジン回転数NE及び要求トルクTRQCMD)に応じて、インジェクタ6による燃料噴射制御、点火プラグ8による点火時期制御、アクチュエータ3a及びスロットル弁3による吸入空気量制御、EGR弁13による排気還流制御を行う。要求トルクTRQCMDは、主としてアクセルペダル操作量APに応じて算出され、アクセルペダル操作量APが増加するほど増加するように算出される。また目標吸入空気量GAIRCMDは目標空燃比AFCMD及び要求トルクTRQCMDに応じて算出され、目標空燃比AFCMD及び要求トルクTRQCMDにほぼ比例するように算出される。検出される吸入空気量GAIRが目標吸入空気量GAIRCMDと一致するように、アクチュエータ3aによってスロットル弁3を駆動する吸入空気量制御が行われる。
インジェクタ6による燃料噴射量(質量)GINJは、吸入空気量GAIRを用いて算出される基本燃料量GINJBを、目標当量比KCMD及び空燃比センサ28により検出される空燃比AFに応じた空燃比補正係数KAFを用いて補正することによって制御される。空燃比補正係数KAFは、検出される空燃比AF(検出当量比KACT)が目標空燃比AFCMD(目標当量比KCMD)と一致するように算出される。当量比は、空燃比AFの逆数に比例し、空燃比AFが理論空燃比(14.7)と等しいときに「1.0」をとるパラメータである。なお、燃料噴射量GINJは公知の手法を用いて、燃圧PF及び燃料の密度などに応じてインジェクタ6の開弁時間TOUTに変換され、1サイクル当たりに燃焼室内の供給する燃料量が燃料噴射量GINJとなるように制御される。燃料噴射量GINJは下記式(1)を用いて算出される。
GINJ=GINJB×KCMD×KAF×KTOTAL (1)
GINJBは、吸入空気量GAIRに応じて混合気の空燃比が理論空燃比AFST(=14.7)となるように算出される基本燃料量であり、目標当量比KCMDは目標空燃比AFCMDを用いて下記式(2)で示される。KTOTALは、目標当量比KCMD及び空燃比補正係数KAF以外の補正係数(例えばエンジン冷却水温に応じた補正係数など)の積である。
KCMD=AFST/AFCMD (2)
図2は、エンジン回転数NE及び要求トルクTRQCMDで定義されるエンジン1の運転領域に応じた目標空燃比AFCMDの設定を説明するための図である。目標空燃比AFCMDは、低回転低中負荷領域及び中高回転低負荷領域に相当する第1領域RST(ストイキ運転領域)では理論空燃比AFSTに設定され、中回転中負荷領域に相当する第2領域(リーン運転領域)RLEANでは所定リーン空燃比AFLNに設定され、第2領域RLEANの高負荷側及び高回転側の領域に相当する第3領域RSTEでは、理論空燃比AFSTに設定され、第3領域RSTEよりさらに高負荷側の領域に相当する第4領域RRICHでは、理論空燃比AFSTよりリッチ側の空燃比AFRCに設定される。第1領域RSTでは排気還流機構による排気還流は行われず、第3領域RSTEでは排気還流機構による排気還流が行われる。所定リーン空燃比AFLNは、燃焼室から排出される排気(フィードガス)中のNOx濃度が許容限度より低くかつ安定燃焼を実現できる値、例えば「30」に設定される。第2領域RLEANから、第1領域RSTまたは第3領域RSTEへの移行、またはその逆の移行を行う過渡状態では、空燃比及び排気還流率がともに変更される。
本実施形態では、第2領域RLEANから、第1領域RSTまたは第3領域RSTEへの移行、またはその逆の移行を行う過渡状態において、エンジン1の燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度SLを算出し、層流燃焼速度SLを用いた点火時期制御パラメータの算出を行う。
次に本実施形態における点火時期制御の詳細について説明する。図3は、エンジン回転数NE一定の条件下で燃料希釈率RDLと、最適点火時期IGOPTとの関係を示す図である。燃料希釈率RDLは下記式(3)で定義され、燃焼室内の燃料の希釈度合を示すパラメータであり、最適点火時期IGOPTは、エンジン1の出力トルクが最大となるトルク最大点火時期(MBT)またはノック限界点火時期の何れか遅角側の点火時期に相当する。なお、ノック限界点火時期は、ノッキングが発生する可能性が低い点火時期範囲の最進角値に相当する。
Figure 2018059437
ここで、AFは燃焼室内の空気量(新気量+還流排気中の空気量)と、燃料噴射量GINJとの比である空燃比であり、AFSTは理論空燃比(=14.7)であり、REGREは排気還流機構を介して燃焼室内に還流される排気量の、全ガス量に対する割合を示す外部排気還流率である。空燃比AFが増加するほど、また外部排気還流率REGREが増加するほど、希釈率RDLは増加する。
図3に示す曲線L1は、空燃比AFを理論空燃比AFSTに維持し、外部排気還流率REGREを増加させた場合に対応し、曲線L2は外部排気還流を行わずに、空燃比AFを理論空燃比AFSTから増加させた場合に対応する。このように、希釈率RDLが同一であっても、空燃比AFが変化した場合と、外部排気還流率REGREが変化した場合とで、最適点火時期IGOPTは異なる値をとるため、空燃比AF及び外部排気還流率REGREを統合した希釈率RDLを用いて、最適点火時期IGOPTを算出する構成を採用すると、空燃比AF及び外部排気還流率REGREのそれぞれに対応してマップの設定を行うことが必要となる。なお、燃焼ガスが燃焼室内に残留することによる内部排気還流によっても外部排気還流と同様に燃料の希釈が行われるため、以下の説明では内部排気還流及び外部排気還流による全体の排気還流率を「排気還流率REGR」という。
本発明の発明者は、主として空燃比AF及び排気還流率REGRに依存して変化する燃焼ガスの層流燃焼速度SLを算出し、層流燃焼速度SLを用いてトルク最大点火時期IGMAPなどの点火時期制御パラメータを算出する制御手法を検討した。この検討の結果が図4に示されている。
図4(a)〜(c)は、エンジン回転数NE及び燃料噴射量GINJ(要求トルクTRQCMD)一定の条件下で、層流燃焼速度SLと、3つの点火時期制御パラメータ(トルク最大点火時期IGMAP、ノック限界点火時期IGKNK、遅角限界点火時期IGLGG)との関係を示す図であり、空燃比AF及び排気還流率REGRを変更しても、これらの図に示す一つの曲線で最適値を算出可能であることが確認されている。図4(a)〜(c)に示す黒丸は、空燃比AF及び排気還流率REGRを変化させたときの実測データを参考のために示している。実測データは、層流燃焼速度SLが低いほど、空燃比AF及び/または排気還流率REGRが大きい(希釈率RDLが大きい)運転状態に対応している。なお、本明細書における点火時期は、圧縮行程終了上死点を基準とした進角量で定義される。
本実施形態では、空燃比AF及び/または排気還流率REGRを変更する過渡状態では、先ず空燃比AF及び排気還流率REGRを用いて層流燃焼速度SLを算出し、図4に示す3つの点火時期制御パラメータを層流燃焼速度SLを用いて算出するようにしている。
層流燃焼速度SLの算出手法は、上記特許文献2または3に示されている公知の手法を採用することが可能であるが、本実施形態では下記式(4)を用いて算出する。
Figure 2018059437
式(4)のφは(AF/AFST)で定義される空気過剰率、PCYLは点火直前の筒内圧(燃焼室内圧力)、PREFは基準圧力(吸気圧PBAが適用される)、TGASは点火直前の燃焼室内のガス温度、A(φ),C(REGR),α,B(φ)は、下記式(5)〜(9)を用いて算出される変数である。
Figure 2018059437
上記式(5)〜(9)において、m1〜m5は実験またシミュレーションによって決定される整数、A1〜Am1,D1〜Dm3,AL1〜ALm4,B1〜Bm5は、何れも実験またシミュレーションによって決定される定数である。
筒内圧PCYL及びガス温度TGASは、正確には点火時期に依存して変化するため、本実施形態では、1回前の演算で算出された点火時期(以下「前回点火時期」という)IGLOGZにおける筒内圧PCYLを下記式(10)によって推定し、さらにその筒内圧PCYLを下記式(11)に適用して、ガス温度TGASを算出する。
PCYL=PBA×(V0/VIG)κ (10)
TGAS=PCYL×VIG/(R×GGAS) (11)
式(10)のV0は、吸気弁閉弁時期における燃焼室容積であり、VIGは前回点火時期IGLOGZにおける点火時燃焼室容積であり、κは燃焼室内の混合気の比熱比(予め設定される)である。また式(11)のRは気体定数、GGASは燃焼室内のガスの質量であり、気筒吸入空気量GAIRCYL,還流排気量GEGR,及び燃料噴射量GINJの合計に相当する。
排気還流率REGRは公知の手法(例えば特許第5270008号公報に示される手法)を用いて算出され、空気過剰率φは、空燃比AFとして目標空燃比AFCMDを使用して下記式(12)により算出される。すなわち、目標当量比KCMDの逆数が使用される。
φ=AFCMD/AFST (12)
図5(a)〜(d)は、空燃比AF、排気還流率REGR、ガス温度TGAS、及び筒内圧PCYLと、層流燃焼速度SLとの関係を示している。すなわち、空燃比AFが増加するほど層流燃焼速度SLが低下し、排気還流率REGRが増加するほど層流燃焼速度SLが低下し、ガス温度TGASが高くなるほど層流燃焼速度SLが上昇し、筒内圧PCYLが高くなるほど層流燃焼速度SLが低下する。
図6は、上述した過渡状態において点火時期IGLOGを算出する処理のフローチャートである。この処理は、ECU5においてエンジン1の回転に同期して実行される。
ステップS11では、検出される吸入空気量GAIRを用いて充填効率ηcを算出する。具体的には、吸入空気量GAIRから1つ気筒の1燃焼サイクルにおける吸入空気量である気筒吸入空気量GAIRCYLを算出し、気筒吸入空気量GAIRCYLを基準吸入空気量GAIRBASEで除算することにより、充填効率ηcを算出する。基準吸入空気量GAIRBASEは、標準大気状態(例えば気圧101.3kPa、気温20℃、湿度60%)においてピストンが下死点にあるときに燃焼室容積を満たす空気量である。
ステップS12では、上述した演算式を用いて層流燃焼速度SLを算出する。ステップS13では、エンジン回転数NE及び層流燃焼速度SLに応じて設定されたIGMAPマップを検索し、トルク最大点火時期IGMAPを算出する。IGMAPマップは、層流燃焼速度SLが高くなるほどトルク最大点火時期IGMAPが減少(遅角)するように設定され(図4(a)参照)、エンジン回転数NEが比較的低い領域では、エンジン回転数NEが増加するほどトルク最大点火時期IGMAPが増加するように設定されている。
ステップS14では、図7に示すIGKNK算出処理を実行し、ノック限界点火時期IGKNKを算出する。ステップS15では、環境補正値IGKAN(遅角方向を正の値とする遅角補正値)を算出する。具体的には、吸気温TAに応じて算出される吸気温補正値IGTAと、エンジン冷却水温TWに応じて算出される冷却水温補正値IGTWと、大気圧PAに応じて算出される大気圧補正値IGPAを加算することにより、環境補正値IGKANが算出される。
ステップS16では、下記式(13)にノック限界点火時期IGKNK及び環境補正値IGKANを適用し、補正ノック限界点火時期IGKNKMを算出する。
IGKNKM=IGKNK−IGKAN (13)
ステップS17では、ステップS13で算出されたトルク最大点火時期IGMAPが補正ノック限界点火時期IGKNKMより小さいか否かを判別する。この答が肯定(YES)であるときは、点火時期IGLOGをトルク最大点火時期IGMAPに設定する(ステップS19)。一方。ステップS17の答が否定(NO)、すなわちIGMAP≧IGKNKMであるときは、点火時期IGLOGを補正ノック限界点火時期IGKNKMに設定する(ステップS18)。
ステップS20では、エンジン1の出力トルクTRQAを要求トルクTRQCMDに一致させるために点火時期の遅角補正(以下「トルク低減補正」という)を行う際に適用されるトルク補正値DIGTRQを算出し、トルク補正値DIGTRQを用いて点火時期IGLOGを遅角方向に更新する。トルク低減補正を行わないときは、トルク補正値DIGTRQは「0」に設定される。
ステップS21では、エンジン回転数NE、充填効率ηc、及び層流燃焼速度SLに応じてIGLGGマップを検索し、遅角限界点火時期IGLGGを算出する。IGLGGマップは、層流燃焼速度SLに応じて図4(c)に示すように遅角限界点火時期IGLGGが設定されている。すなわち、層流燃焼速度SLが低い領域では層流燃焼速度SLが増加するほど遅角限界点火時期IGLGGが最小値となるまで減少し、層流燃焼速度SLがさらに増加すると遅角限界点火時期IGLGGが増加するように設定されている。
ステップS22では、点火時期IGLOGが遅角限界点火時期IGLGGより小さい(遅角側)か否かを判別し、その答が肯定(YES)であるときは、点火時期IGLOGを遅角限界点火時期IGLGGに設定する(ステップS23)。点火時期IGLOGが遅角限界点火時期IGLGGより遅角側に設定されると、失火や燃焼の不安定化が発生するからである。ステップS22の答が否定(NO)であるときは、直ちに処理を終了する。
図7は、図6のステップS14で実行されるIGKNK算出処理である。ステップS31では、エンジン回転数NE及び充填効率ηcに応じてIGKBASEマップを検索し、基本ノック点火時期IGKBASEを算出する。IGKBASEマップは、図8(a)に示すように充填効率ηcが増加するほど、基本ノック限界点火時期IGKBASEが減少するように設定され、図8(b)に示すようにエンジン回転数NEが所定回転数NEX(例えば3000rpm)より低い低回転領域では、エンジン回転数NEが増加するほど基本ノック限界点火時期IGKBASEが増加するように設定されている。
ステップS32では、層流燃焼速度SLに応じて図9に示すDIGRSVテーブルを検索し、ノック遅角補正値DIGRSV(>0)を算出する。DIGRSVテーブルは、層流燃焼速度SLが増加するほどノック遅角補正値DIGRSVが増加するように設定されている。
ステップS33では、基本ノック限界点火時期IGKBASEからノック遅角補正値DIGRSVを減算することにより、基本ノック限界点火時期IGKBASEを遅角方向に補正し、ノック限界点火時期IGKNKを算出する。なお、図4(b)に示すノック限界点火時期IGKNKは、ステップS31〜S33による演算によって算出されたものに相当する。
以上のように本実施形態では、エンジン1の燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度SLが、空燃比AFを示すパラメータである目標当量比KCMD及び排気還流率REGRを用いて算出され、ストイキ運転からリーン運転への移行またはその逆の移行を行う過度状態において、算出された層流燃焼速度SLを用いて複数の点火時期制御パラメータ、すなわちトルク最大点火時期IGMAP、ノック限界点火時期IGKNK、及び遅角限界点火時期IGLGGが算出され、それらの点火時期制御パラメータを用いて点火時期IGLOGが制御される。本発明の発明者の検討によれば、層流燃焼速度SLと、機関出力トルクが最大となるトルク最大点火時期IGMAPなどの点火時期制御パラメータとの関係は、エンジン回転数NE一定の条件、またはエンジン回転数NE及び充填効率ηcが一定の条件の下で一つの曲線で近似可能であることが確認されており、層流燃焼速度SLを用いて点火時期制御パラメータを算出することにより、過渡状態において変化する空燃比AF及び排気還流率REGRに対応した最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化することができる。また、例えばトルク最大点火時期IGMAPは、空燃比AF及び/または排気還流率REGRが変化しても層流燃焼速度SL及びエンジン回転数NEに応じて設定された単一のマップで算出可能となるため、設計段階におけるマップ設定工数を低減することができる。
さらに本発明の発明者の検討によれば、トルク最大点火時期IGMAPだけでなく、遅角限界点火時期IGLGGやノック限界点火時期IGKNKの算出についても、層流燃焼速度SLを用いることが有効であることが確認されており、これらの制御パラメータすべての算出に層流燃焼速度SLを用いることにより、演算処理を簡略化するより顕著な効果を得ることができる。
本実施形態では、インジェクタ6及びECU5が空燃比制御手段を構成し、ECU5が排気還流制御手段、層流燃焼速度算出手段、及び点火時期制御手段を構成する。
[第2実施形態]
本実施形態は、図10に示すように、第1実施形態におけるエンジン1を、公知の吸気弁作動位相可変機構14を備えるエンジン1aに変更したものである。吸気弁作動位相可変機構14により、エンジン1の吸気弁(図示せず)の作動位相が連続的に変更される。吸気弁作動位相可変機構14は、ECU5に接続されており、ECU5によって吸気弁作動位相CAINが制御される。吸気弁作動位相CAINは、最遅角位相を基準とした進角量として定義される。
本実施形態では、上記過渡状態においてトルク最大点火時期IGMAPは上述したエンジン回転数NE及び層流燃焼速度SLとともに、吸気弁作動位相CAINを用いて算出され、ノック限界点火時期IGKNKはエンジン回転数NE、充填効率ηc、及び層流燃焼速度SLとともに、吸気弁作動位相CAINを用いて算出される。
具体的には、トルク最大点火時期IGMAPは、下記式(14)により算出される。
IGMAP=IGMAPB+DIGMCAIN (14)
ここで、IGMAPBは、第1実施形態と同様にエンジン回転数NE及び層流燃焼速度SLに応じて設定されたIGMAPマップを検索することにより算出される基本トルク最大点火時期であり、DIGMCAINは、吸気弁作動位相CAINに応じて公知の手法を用いて算出される第1弁作動位相補正値である。
図11は、本実施形態におけるIGKNK算出処理のフローチャートである。この処理は、図7に示す処理にステップS34を追加し、ステップS33をステップS33aに代えたものである。
ステップS34では、吸気弁作動位相CAINに応じて公知の手法を用いて第2弁作動位相補正値DIGVTCを算出する。
ステップS33aでは、下記式(15)によってノック限界点火時期IGKNKを算出する。
IGKNK=IGKBASE−DIGRSV+DIGVTC (15)
以上のように本実施形態では、トルク最大点火時期IGMAP及びノック限界点火時期IGKNKが、吸気弁作動位相CAINを用いて算出されるので、吸気弁作動位相CAINの変化に対応して適切な制御値を得ることができる。
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では燃焼室内に燃料を噴射する直噴インジェクタを有する内燃機関の制御装置に本発明を適用した例を示したが、本発明は吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射インジェクタを備える内燃機関、あるいは直噴インジェクタ及びポート噴射インジェクタをともに備える内燃機関の制御装置にも適用可能である。
また上述した実施形態では、ノック限界点火時期IGKNK及び遅角限界点火時期IGLGGの算出に充填効率ηcを使用したが、充填効率ηcは気筒吸入空気量GAIRCYLを用いて算出されるものであり、充填効率ηcに代えて気筒吸入空気量GAIRCYLまたは吸入空気量GAIRを使用してノック限界点火時期IGKNK及び遅角限界点火時期IGLGGを算出するようにしてもよい。
また上述した実施形態では、筒内圧PCYLは吸気圧PBAを式(10)に適用して推定(算出)するようにしたが、例えばインジェクタ6の先端部の装着される筒内圧センサを用いて検出される筒内圧PCYLを式(4)に適用するとともに、式(11)に適用してガス温度TGASを検出筒内圧PCYLを用いて算出するようにしてもよい。
またガス温度TGASは、検出される吸気温TAを用いて算出するようにしてもよい。
1 内燃機関
5 電子制御ユニット(空燃比制御手段、層流燃焼速度算出手段、点火時期制御手段)
6 インジェクタ(空燃比制御手段)
12 排気還流通路(排気還流機構)
13 排気還流制御弁(排気還流機構)
21 吸入空気量センサ
24 吸気圧センサ
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグ(8)と、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構(12,13)とを備える内燃機関(1)の制御装置において、前記燃焼室内の混合気の空燃比(AF)を理論空燃比(AFST)に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、前記排気還流機構によって排気還流率(REGR)を制御する排気還流制御手段と、前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度(SL)を、前記空燃比(AF)を示すパラメータ(φ)及び前記排気還流率(REGR)を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度(SL)を用いて、点火時期制御パラメータ(IGMAP,IGKNK,IGLGG)を算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期(IGLOG)を制御する点火時期制御手段とを備え、前記点火時期制御パラメータは、前記機関の出力トルクを最大とするトルク最大点火時期(IGMAP)を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度(SL)及び前記機関の回転速度(NE)に応じて設定された単一のマップを用いて前記トルク最大点火時期(IGMAP)を算出することを特徴とする。
この構成によれば、燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度が空燃比を示すパラメータ及び排気還流率を用いて算出され、ストイキ運転からリーン運転への移行またはその逆の移行を行う過度状態において、算出された層流燃焼速度を用いて点火時期制御パラメータが算出され、その点火時期制御パラメータを用いて点火時期が制御される。本発明の発明者の検討によれば、層流燃焼速度と、機関出力トルクが最大となるトルク最大点火時期などの点火時期制御パラメータとの関係は、機関回転速度一定の条件、または機関回転速度及び充填効率が一定の条件の下で一つの曲線で近似可能であることが確認されており、層流燃焼速度を用いて点火時期制御パラメータを算出することにより、過渡状態において変化する空燃比及び排気還流率に対応した最適な制御値を比較的簡単な演算によって算出し、演算処理を簡略化することができる。具体的には、層流燃焼速度及び機関回転速度に応じて設定された単一のマップを用いてトルク最大点火時期が算出されるので、設計段階におけるマップ設定工数(設計工数)を低減することができるとともに、過渡状態におけるトルク最大点火時期の演算処理を簡略化できる。
請求項に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構とを備える内燃機関の制御装置において、前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、前記排気還流機構によって排気還流率を制御する排気還流制御手段と、前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を、前記空燃比を示すパラメータ及び前記排気還流率を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度を用いて、点火時期制御パラメータを算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、前記点火時期制御パラメータは、前記機関においてノッキングが発生する可能性が低い点火時期範囲の最進角値に対応するノック限界点火時期(IGKNK)を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度(SL)、前記機関の回転速度(NE)、及び前記機関の吸入空気量(GAIRCYL)を用いて、前記ノック限界点火時期(IGKNK)を算出することを特徴とする。
請求項に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構とを備える内燃機関の制御装置において、前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、前記排気還流機構によって排気還流率を制御する排気還流制御手段と、前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を、前記空燃比を示すパラメータ及び前記排気還流率を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度を用いて、点火時期制御パラメータを算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、前記点火時期制御パラメータは、前記点火時期の遅角限界点火時期(IGLGG)を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度(SL)、前記機関の回転速度(NE)、及び前記機関の吸入空気量(GAIRCYL)を用いて、前記遅角限界点火時期(IGLGG)を算出し、前記点火時期(IGLOG)が前記遅角限界点火時期(IGLGG)より遅角側に設定されないように前記点火時期(IGLOG)を制御することを特徴とする。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は前記機関の吸気弁の作動位相(CAIN)を変更可能な弁作動位相可変機構(14)を備え、前記点火時期制御手段は、前記トルク最大点火時期(IGMAP)を、前記作動位相(CAIN)を用いて算出することを特徴とする。
この構成によれば、トルク最大点火時期が、吸気弁作動位相を用いて算出されるので、吸気弁作動位相の変化に対応して適切な制御値を得ることができる。
請求項5に記載の発明は、請求項2に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は前記機関の吸気弁の作動位相(CAIN)を変更可能な弁作動位相可変機構(14)を備え、前記点火時期制御手段は、前記ノック限界点火時期(IGKNK)を、前記作動位相(CAIN)を用いて算出することを特徴とする。
この構成によれば、ノック限界点火時期が、吸気弁作動位相を用いて算出されるので、吸気弁作動位相の変化に対応して適切な制御値を得ることができる。
請求項に記載の発明は、請求項1からの何れか1項に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサを備え、前記層流燃焼速度算出手段は、前記空燃比(AF)、前記混合気に含まれる排気の割合である排気還流率(REGR)、前記燃焼室において前記混合気が燃焼を開始する直前の前記燃焼室内のガス温度である筒内ガス温度(TGAS)、及び前記筒内圧センサによって検出される筒内圧(PCYL)を用いて、前記層流燃焼速度(SL)を算出することを特徴とする。

Claims (7)

  1. 内燃機関の燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記機関の排気を吸気系に還流する排気還流機構とを備える内燃機関の制御装置において、
    前記燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転、及び前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する空燃比制御手段と、
    前記排気還流機構によって排気還流率を制御する排気還流制御手段と、
    前記燃焼室内における燃焼ガスの層流燃焼速度を、前記空燃比を示すパラメータ及び前記排気還流率を用いて算出する層流燃焼速度算出手段と、
    前記ストイキ運転から前記リーン運転への移行またはその逆の移行を行う過渡状態において、前記層流燃焼速度算出手段によって算出される前記層流燃焼速度を用いて、点火時期制御パラメータを算出し、該算出した点火時期制御パラメータを用いて前記点火プラグによる点火時期を制御する点火時期制御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. 前記点火時期制御パラメータは、複数の制御パラメータを含む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。
  3. 前記点火時期制御パラメータは、前記機関の出力トルクを最大とするトルク最大点火時期を含み、前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度及び前記機関の回転速度に応じて設定された単一のマップを用いて前記トルク最大点火時期を算出することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記点火時期制御パラメータは、前記機関においてノッキングが発生する可能性が低い点火時期範囲の最進角値に対応するノック限界点火時期を含み、
    前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度、前記機関の回転速度、及び前記機関の吸入空気量を用いて、前記ノック限界点火時期を算出することを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記点火時期制御パラメータは、前記点火時期の遅角限界点火時期を含み、
    前記点火時期制御手段は、前記層流燃焼速度、前記機関の回転速度、及び前記機関の吸入空気量を用いて、前記遅角限界点火時期を算出し、前記点火時期が前記遅角限界点火時期より遅角側に設定されないように前記点火時期を制御することを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記機関は前記機関の吸気弁の作動位相を変更可能な弁作動位相可変機構を備え、
    前記点火時期制御手段は、前記トルク最大点火時期及び/または前記ノック限界点火時期を、前記作動位相を用いて算出することを特徴とする請求項3または4に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサを備え、
    前記層流燃焼速度算出手段は、前記空燃比、前記混合気に含まれる排気の割合である排気還流率、前記燃焼室において前記混合気が燃焼を開始する直前の前記燃焼室内のガス温度である筒内ガス温度、及び前記筒内圧センサによって検出される筒内圧を用いて、前記層流燃焼速度を算出することを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
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