JP2018132052A

JP2018132052A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2018132052A
Application number: JP2017028431A
Authority: JP
Inventors: 幸男吉岡; Yukio Yoshioka
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-08-23

Abstract

【課題】車両の低速走行時のエンジン回転数のハンチングを適切に抑制する。
【解決手段】内燃機関が出力するエンジントルクの一部を補機に伝達しこれを駆動するものにおいて、エンジン回転数または車速が所定以下の低速かつアクセル開度が所定以下の微開の状態で、エンジン回転数の所定以上の大きさの変動を検出した場合に、そうでない場合と比較して点火タイミングを遅角してリザーブトルクを確保し、かつエンジン回転数の変動を収束させるように点火タイミングを操作するフィードバック制御を実施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、車両に搭載される火花点火式内燃機関の運転制御を司る制御装置に関する。

一般に、車両の走行時には、運転者によるアクセルペダルの踏込量に見合ったスロットルバルブ開度（即ち、吸気量及び燃料噴射量）及び点火タイミングにて内燃機関を運転する（例えば、下記特許文献を参照）。

内燃機関の熱機械変換効率を高めるためには、気筒に充填された混合気への点火のタイミングをできる限りＭＢＴ（ＭｉｎｉｍｕｍａｄｖａｎｃｅｆｏｒＢｅｓｔＴｏｒｑｕｅ）に近づけることが望ましい。運転者がアクセルペダルに足を乗せている程度にアクセルペダルを軽く踏んでおり、車両が低速で走行している状況下では、内燃機関の気筒においてノッキングのような異常燃焼を惹起するリスクも小さいことから、点火タイミングをＭＢＴまたはその近傍に制御することが通例である。このときには、エンジン回転数もアイドリング時の回転数に近い低回転数となる。

特開２０１４−１５６８０５号公報

車両の電装系に必要な電力を供給する発電機は、内燃機関からエンジントルクの供給を受けて稼働する。その発電機の回転数は、エンジン回転数に比例する。そして、図５に示すように、発電機の回転数が低い領域では、回転数の変化量に対する発電機の負荷トルク（発電機を駆動するのに必要となるトルク）の変化量が大きくなる。つまり、発電機の回転数が多少上昇または下降するだけで、発電機の負荷トルクが急峻に増大または減少する。

従って、運転者がアクセルペダルを軽く踏み車両が低速で走行している状況下にあっては、エンジン回転数が少しく変化するだけで発電機の負荷トルクが少なからず変動し、その変動によってエンジン回転数がさらに変動することとなる。結果、エンジン回転数が上下するハンチングが起こり、ドライバビリティを低下させる懸念があった。

低速走行時に発電機による発電を停止すれば、エンジン回転数のハンチングを回避可能ではある。しかし、車載の蓄電装置への充電量と同蓄電装置の放電量（蓄電装置から電装系への給電量）との収支を適正に保つ上で、発電を停止することは困難である。

このようなエンジン回転数のハンチングの問題は、内燃機関によりエアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサを稼働させる場合にも起こり得る。

本発明は、以上の点に初めて着目してなされたものであり、低速走行時のエンジン回転数のハンチングを適切に抑制することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、内燃機関が出力するエンジントルクの一部を補機に伝達しこれを駆動するものにおいて、エンジン回転数または車速が所定以下の低速かつアクセル開度が所定以下の微開の状態で、エンジン回転数の所定以上の大きさの変動を検出した場合に、そうでない場合と比較して点火タイミングを遅角してリザーブトルクを確保し、かつエンジン回転数の変動を収束させるように点火タイミングを操作するフィードバック制御を実施する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、低速走行時のエンジン回転数のハンチングを適切に抑制することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。同実施形態における車両の電装系の電気回路の基本構成を示す図。同実施形態の制御装置が実行する処理の内容を示すフロー図。本発明の変形例において制御装置が実行する処理の内容を示すフロー図。発電機の回転数と発電機の負荷トルクとの関係を示す図。

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ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（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を有す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。

排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４を流れる排気の一部を吸気通路３に還流させて吸気に混交する、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。ＥＧＲ装置２は、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、特にサージタンク３３に接続している。

図２に、車両に実装される電装系の電気回路を示す。発電機（オルタネータ。但し、電動機と一体化したＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ）であることがある）１１０は、ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動機構等を介して内燃機関の出力軸であるクランクシャフトに接続しており、クランクシャフトの回転に従動して回転し、発電した電力を車載の蓄電装置１２０に充電し、または車両に実装された各種の電気負荷に給電する。蓄電装置１２０は、車両用として周知の鉛バッテリや、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ、キャパシタ等である。

電気負荷の具体例としては、エアコンディショナの送風用ブロワ、内燃機関の冷却水を空冷するラジエータのファン、照明灯（ヘッドランプ、テールランプ、フォグランプ、ウィンカ（ターンシグナルランプ）等）、リアガラスの曇りを取るデフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム、電動パワーステアリング装置等が挙げられる。

エアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサは、内燃機関のクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて回転駆動され、冷媒を圧縮する。図２に示すように、コンプレッサとクランクシャフトとの間には、断接切換可能なマグネットクラッチ６１が介在している。エアコンディショナを稼働するときには、マグネットクラッチ６１に車載の蓄電装置１２０及び／または発電機１１０からの電流を通電し、マグネットクラッチ６１を締結する。逆に、エアコンディショナを稼働しないときには、マグネットクラッチ６１に通電せず、クラッチ６１を切断する。マグネットクラッチ６１への通電及びその遮断は、リレースイッチ６２のＯＮ／ＯＦＦによって行う。

送風用ブロワやラジエータファン等を回転駆動するための電動機６３や、ヘッドランプ等の照明灯６５は、蓄電装置１２０及び／または発電機１１０から電力供給を受けて作動する。電動機６３や照明灯６５への通電及びその遮断は、リレースイッチ６４のＯＮ／ＯＦＦ、または半導体スイッチング素子６６の点弧／消弧によって行う。

デフォッガとしてリアガラスに敷設された電熱線ヒータ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステムその他の電気負荷についても、上記と同様である。

電気負荷への電力供給の源である発電機１１０は、内燃機関のクランクシャフトから回転トルクの伝達を受けて回転駆動され、発電を行う。また、発電機１１０は、回生発電を行うことがある。即ち、運転者がアクセルペダルを踏んでおらず、車両の加速を要求していない（減速を容認している）場合において、クランクシャフト及び車軸（駆動輪）の回転のエネルギを電気エネルギに変換して回収しつつ、内燃機関及び車両を減速させる。

発電機１１０に付随するレギュレータ１３０は、発電機１１０が発電して出力する電圧の大きさを制御するＩＣ式のものである。レギュレータ１３０の電圧制御回路は、ＥＣＵ０から発電機１１０の目標電圧を指令する信号ｍを受け付け、蓄電装置１２０の端子電圧、換言すれば電装系のシステム電圧をその指令された目標電圧に追従させるべくＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行う。発電機１１０の出力電圧、即ち発電機１１０のステータコイルに誘起される電圧は、発電機１１０のフィールドコイルを流れる励磁電流のＤＵＴＹ比であるｆＤＵＴＹに比例して大きくなる。発電機１１０による発電量、換言すれば蓄電装置１２０への充電量及び／または電気負荷への給電量は、ｆＤＵＴＹが高いほど増加し、ｆＤＵＴＹが低いほど減少する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０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、内燃機関の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、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ｄ、車載の蓄電装置１２０の端子電圧及び／または端子電流を検出するセンサから出力される電圧／電流信号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、、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ｇ、エアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサが圧縮する冷媒の圧力を検出するセンサから出力される冷媒圧信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタ１３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、発電機１１０の出力電圧を制御する電圧レギュレータ１３０に対して出力電圧指令信号ｍ、マグネットクラッチ６１に通電する電気回路上のスイッチ６２に対してクラッチ締結信号ｏ、電動機６３や照明灯６５その他の電気負荷に通電する電気回路上のスイッチ６４、６６に対してスイッチＯＮ信号ｐ、ｑ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、メモリに格納し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、エンジン回転数や吸気圧等を知得するとともに、気筒１に充填される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、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、エアコンディショナのコンプレッサのＯＮ／ＯＦＦ、発電機１１０の出力電圧即ち発電量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、ｍ、ｏ、ｐ、ｑを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、運転者がアクセルペダルに足を乗せている程度にアクセルペダルを軽く踏んでおり、車両が低速で走行している状況下において、エンジン回転数が上下に振動するハンチングを起こすことを抑止するべく、点火タイミングを操作するフィードバック制御を実施する。

図３に、ＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数が所定値（例えば、アイドル回転数よりは高いが比較的低速な１０００ｒｐｍ）以下または車速が所定値（例えば、１５ｋｍ／ｈ）以下の低速走行時であり（ステップＳ１）、なおかつ、アクセル開度が０ではない微開の状態で大きく変化せず安定しているときに（ステップＳ２）、エンジン回転数の変動が起こっているか否かを判定する（ステップＳ３）。

ステップＳ２について、ＥＣＵ０は、アクセル開度信号ｃを参照してアクセル開度を反復的に計測しており、アクセル開度が０ではないが所定値以下に縮小しており、さらに、今回の計測機会に計測したアクセル開度から前回の計測機会に計測したアクセル開度を減算した差分の絶対値が所定値以下である場合に、アクセル開度が微開の状態で安定していると判断する。

また、ステップＳ３について、ＥＣＵ０は、クランク角信号ｂを参照して内燃機関のクランクシャフトが所定角度（例えば、３０°ＣＡ（クランク角度））回転するのに要した時間の長さを反復的に計測しており、今回の計測機会に計測した所要時間から前回の計測機会に計測した所要時間を減算した差分の絶対値が所定値以上に大きい場合に、エンジン回転数の変動が起こっていると判断する。さもなくば、エンジン回転数の変動は起こっていないと判断する。

しかして、そのようなエンジン回転数の変動が一定期間（例えば、１．５秒）以上継続しており、なおかつ、当該期間内に計測した、内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する際の所要時間の最大値と最小値との差が所定値（例えば、エンジン回転数に換算して±１０ｒｐｍの変動に相当する値）以上に大きいことを条件として（ステップＳ４）、エンジン回転数の変動を沈静化させるためのフィードバック制御の実行を開始する（ステップＳ５及びＳ６）。

既に述べた通り、ＥＣＵ０は、内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する際の所要時間の長さを反復的に計測している。エンジン回転数の変動を沈静化させるためのフィードバック制御において、ＥＣＵ０は、まず、気筒１に充填された混合気への点火タイミングを、エンジン回転数の変動が起こっていない場合の基準点火タイミング（低速走行時であれば、ＭＢＴまたはＭＢＴに近いタイミング）よりも遅角させる（例えば、基準点火タイミングから２０°ＣＡ分遅らせる）ことで、リザーブトルクを確保する（ステップＳ５）。リザーブトルクとは、点火タイミングがＭＢＴから乖離していることによって生じる、出力可能なエンジントルクの余裕分（点火タイミングをＭＢＴに設定すれば得られたはずのエンジントルクと、現在の点火タイミングによるエンジントルクとの差分。リザーブトルクは、点火タイミングがＭＢＴから遅角するほど大きくなる）のことである。ステップＳ５により、点火タイミングは、内燃機関のアイドリング中の点火タイミングと同等かまたはこれに近くなる。

その上で、ＥＣＵは、エンジン回転数の変動を収束させるように点火タイミングを操作する（ステップＳ６）。既に述べた通り、ＥＣＵ０は、内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する際の所要時間を反復的に計測している。ステップＳ５にて、ＥＣＵ０は、今回の計測機会に計測した所要時間から前回の計測機会に計測した所要時間を減算し、その差分が目標値である０に近づくように、点火タイミングを進角または遅角させる補正を加える。今回計測した所要時間から前回計測した所要時間を減算した結果が正値であるならば、エンジン回転数が減速傾向にあることから、点火タイミングを進角補正する。逆に、今回計測した所要時間から前回計測した所要時間を減算した結果が負値であるならば、エンジン回転数が加速傾向にあることから、点火タイミングを遅角補正する。なお、今回計測した所要時間から前回計測した所要時間を減算した結果の絶対値が大きいほど、点火タイミングの進角補正量または遅角補正量を大きくするようにしてもよいし、その絶対値によらず一定量の進角補正または遅角補正を加えるようにしてもよい。

これにより、内燃機関に付随する補機である発電機１１０や冷媒圧縮用コンプレッサの負荷トルク（補機を駆動するのに必要となるトルク）の変動を打ち消すように、内燃機関の出力するエンジントルクを増減させることができる。ひいては、エンジン回転数の変動を鎮圧することが可能となる。

上記のフィードバック制御の結果、エンジン回転数の変動が所定以下に沈静化したならば（ステップＳ７及びＳ８）、フィードバック制御を終了することとし（ステップＳ９）、基準タイミングよりも遅角させていた点火タイミングを基準点火タイミングまで戻す（ステップＳ１０）。ステップＳ７及びＳ８では、内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する際の所要時間を反復的に計測し、今回の計測機会に計測した所要時間から前回の計測機会に計測した所要時間を減算した差分の絶対値が所定値よりも小さくなった状態が一定期間以上継続したときに、エンジン回転数の変動が沈静化したと判断する。

本実施形態では、内燃機関が出力するエンジントルクの一部を補機１１０に伝達しこれを駆動するものにおいて、エンジン回転数または車速が所定以下の低速かつアクセル開度が所定以下の微開の状態で、エンジン回転数の所定以上の大きさの変動を検出した場合に、そうでない場合と比較して点火タイミングを遅角してリザーブトルクを確保し、かつエンジン回転数の変動を収束させるように点火タイミングを操作するフィードバック制御を実施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、内燃機関がアイドリング中ではない低速走行時において、補機１１０の負荷トルクの変動に起因したエンジン回転数のハンチングを適切に抑制でき、低速走行時のドライバビリティを高く保つことができる。低速走行時に補機１１０の稼働を敢えて停止する必要もない。

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、エンジン回転数の変動を沈静化させるためのフィードバック制御を実施するにあたり、点火タイミングを遅角させてリザーブトルクの確保を図っていたが、このときに必ずしもスロットルバルブ３２の開度の拡大補正、即ち気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量の増量補正を行っていなかった。その場合、点火タイミングの遅角化により内燃機関の出力するエンジントルクが平均して低下することとなるが、点火タイミングの遅角化とともにスロットルバルブ３２の開度を拡大補正し、エンジントルクの低下を補うようにしても構わない。

また、フィードバック制御を実施するにあたり確保するリザーブトルクの量を、エンジン回転数の変動の度合いに応じて調整することも考えられる。図４に示すように、エンジン回転数に所定以上の変動が起こっており、その変動が一定期間以上継続している場合において（ステップＳ３及びＳ４）、変動の度合いが大きいならば（ステップＳ１１）、大きなリザーブトルクを確保するべく、点火タイミングを基準タイミングからより大きく遅角させる（例えば、基準点火タイミングから２０°ＣＡ分遅らせる。ステップＳ５ａ）一方、変動の度合いが比較的小さいならば、大きなリザーブトルクを確保する必要はなく、点火タイミングを基準タイミングから遅角させる量をより小さくする（例えば、基準点火タイミングから１０°ＣＡ分遅らせる。ステップＳ５ｂ）。

ステップＳ１１では、直近の過去の一定期間内に計測した、内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する際の所要時間の最大値と最小値との差が所定値（例えば、エンジン回転数に換算して±２０ｒｐｍの変動に相当する値）以上に大きい場合に、エンジン回転数の変動の度合いが大きいと判断する。

その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、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、車両等に搭載される火花点火式内燃機関の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
１１０…補機（発電機）
ａ…車速信号
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｉ…点火信号

Claims

内燃機関が出力するエンジントルクの一部を補機に伝達しこれを駆動するものにおいて、
エンジン回転数または車速が所定以下の低速かつアクセル開度が所定以下の微開の状態で、エンジン回転数の所定以上の大きさの変動を検出した場合に、そうでない場合と比較して点火タイミングを遅角してリザーブトルクを確保し、かつエンジン回転数の変動を収束させるように点火タイミングを操作するフィードバック制御を実施する内燃機関の制御装置。