JP2018172995A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒の膨脹行程中に起こるノッキングの検出精度を向上させる。【解決手段】複数の気筒を内包するシリンダブロックに伝わる振動をノックセンサを介して検出し、その振動信号を参照して気筒におけるノッキングの有無を判定するものであって、各気筒の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因して発生するノイズの振動の発生時期及び大きさに関する情報を記憶しており、何れかの気筒においてノッキングが起こる可能性のある時期に、何れかの気筒の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因するノイズの振動が発生する場合において、ノックセンサを介して検出した振動信号と、記憶しているノイズの振動の発生時期及び大きさの情報との比較を通じて、気筒におけるノッキングの有無を判定する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

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。

内燃機関のシリンダブロックに設置した振動式のノックセンサを介してノッキングを感知し、ノッキングが起こっている場合には点火タイミングを遅角させるとともに、ノッキングが起こらない限りにおいて点火タイミングを進角させるノックコントロールシステムが公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１７−０４０２３６号公報

ノックセンサが検出するのは、ノッキングが起こったときに生じる振動だけではない。各気筒の吸気バルブや排気バルブの動作に起因して発生する振動、特にポペットバルブの弁体が弁座に着座する（即ち、バルブが閉じる）際に生じる振動もまた、シリンダブロックを伝わりノックセンサに入力される。この振動は、ノッキングに起因する振動と同じ周波数帯にスペクトル成分を有している。つまり、この振動を、周波数フィルタリングによってノックセンサが得る振動信号から除去することはできない。

従って、振動信号を参照するノックコントロールシステムにおいて、実際にはノッキングが起こっていないにもかかわらず、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因して発生する振動をノッキングによるものと誤認して、不必要に点火タイミングを遅角補正してしまう可能性があった。点火タイミングの遅角化は、内燃機関の熱機械変換効率の低下、ひいては出力または燃費性能の低下に繋がるため、決して好ましくない。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、気筒の膨脹行程中に起こるノッキングの検出精度を向上させ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、複数の気筒を内包するシリンダブロックに伝わる振動をノックセンサを介して検出し、その振動信号を参照して気筒におけるノッキングの有無を判定するものであって、各気筒の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因して発生するノイズの振動の発生時期及び大きさに関する情報を記憶しており、何れかの気筒においてノッキングが起こる可能性のある時期に、何れかの気筒の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因するノイズの振動が発生する場合において、ノックセンサを介して検出した振動信号と、記憶しているノイズの振動の発生時期及び大きさの情報との比較を通じて、気筒におけるノッキング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、気筒の膨脹行程中に起こるノッキングの検出精度を向上させることができる。

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。 同実施形態においてノックセンサを介して検出される、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因して発生する振動を例示する図。

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。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、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）を具備する。各気筒１の吸気ポート１３近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。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１３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１４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、特にサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関には、各気筒１の少なくとも吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構６が付随している。吸気バルブタイミングを調節するためのＶＶＴ機構６は、各気筒１の吸気バルブを駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧（潤滑油圧）によって変化させるベーン式のものや、電動機によって変化させる電動式のもの（モータドライブＶＶＴ）である。周知の通り、カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、回転駆動力を伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構６は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。

同様に、排気バルブタイミングを調節するためのＶＶＴ機構は、各気筒１の排気バルブを駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧や電動機によって変化させるものである。なお、このＶＶＴ機構は存在しないことがあり、その場合、排気バルブの開閉タイミングは不変である。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）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、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、要求されるエンジン負荷率）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、気筒１に連なる吸気通路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、吸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、複数の気筒１を内包しているシリンダブロック１０の振動の大きさを検出する振動式のノックセンサ５から出力される振動信号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、ＶＶＴ機構６に対してバルブタイミングの制御信号ｍ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及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、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）、吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉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、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

ＶＶＴ機構６が具現する吸気バルブの開閉タイミングは、そのときの内燃機関の運転領域［エンジン回転数，要求負荷率（または、サージタンク３３内吸気圧、スロットルバルブ３２の開度、気筒１に充填される吸気（新気）量若しくは燃料噴射量）］に応じて設定する。

また、気筒１に充填された混合気への点火タイミングは、そのときの内燃機関の運転領域に応じた基本タイミングに、ノックコントロールシステムによる補正量を加味して決定する。即ち、ＥＣＵ０は、振動信号ｈを参照して、気筒１におけるノッキングの有無を判定する。そして、気筒１においてノッキングが起こったと判定した場合には、以後ノッキングが起こらなくなるまで当該気筒１の点火タイミングを徐々に遅角させる。他方、ノッキングが起こっていないと判定した場合には、ノッキングが起こらない限りにおいて（また、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）を上限として）当該気筒１の点火タイミングを徐々に進角させる。ノッキングの有無の判定及び点火タイミングの遅角／進角補正は、各気筒１毎に個別に行うことが可能である。

ノックセンサ５を介して得られる振動信号ｈには、各気筒１の吸気バルブや排気バルブの動作に起因して発生する振動、特にポペットバルブの弁体が弁座に着座する際に生じる振動がノイズとして重畳される。それ故に、そのノイズの振動を、ノッキングに起因した振動と誤認しないようにする手立てが必要となる。

図２に示すように、吸気バルブまたは排気バルブが閉じるときに発生する振動は、当該バルブの弁体を押圧するバルブスプリングによる、一自由度振動系の減衰振動に近似した振動となる。この振動の強度即ち振幅の大きさは、エンジン回転数に依存する。また、この振動の発生時期、即ち発生時点及び発生期間の長さ（減衰するのに要する期間の長さ）並びに位相も、エンジン回転数に依存する。さらに、吸気バルブまたは排気バルブの閉じるタイミングがＶＶＴ機構６によって可変である場合には、そのＶＶＴ機構６が具現するバルブタイミングによっても振動の発生時期が変化する。

本実施形態のＥＣＵ０は、各気筒１の吸気バルブや排気バルブの動作に起因して発生する振動の発生時期及び大きさに関する情報、即ちその振動の発生時点や発生期間の長さ（減衰の速さを表す崩壊定数、平均寿命または指数関数的時定数であることがある）、周波数、位相、振幅の大きさを規定するパラメータを、メモリに記憶保持する。記憶保持する情報は、予め実験的に求められたものであってもよいし、内燃機関の運転中（のノッキングが起こっていないとき）にオンラインで実測して得たものであってもよい。

既に述べた通り、各気筒１の吸気バルブや排気バルブの動作に起因して発生する振動の発生時期及び大きさは、ＶＶＴ機構６が具現するバルブタイミングとともに、内燃機関の運転領域に依存する。よって、ＥＣＵ０は、内燃機関の個々の運転領域毎に、各気筒１の吸気バルブや排気バルブの動作に起因して発生する振動の発生時期及び大きさに関する情報を記憶保持する。

しかして、ＥＣＵ０は、何れかの気筒１においてノッキングが起こる可能性のある時期に、何れかの気筒１の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因するノイズの振動が発生する場合には、ノックセンサ５を介して検出した振動信号ｈと、メモリに記憶しているノイズの振動の発生時期及び大きさの情報との比較を通じて、気筒１におけるノッキングの有無の判定を行う。

具体的には、メモリに記憶保持している情報により定義される、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動の波形、即ちその振動の発生時点、発生期間の長さ、振幅の大きさ及び減衰の速さ、周波数並びに位相を知得する。そして、ノックセンサ５を介して実際に得られた振動信号ｈと、メモリに記憶保持している情報により定義される振動の波形とを比較する。

もしも、気筒１においてノッキングが起こっていなければ、振動信号ｈは、メモリに記憶保持している情報により定義される振動の波形にほぼ等しくなるはずである。だが、ノッキングが起こると、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動に、ノッキングに起因する振動が重畳されてノックセンサ５に入力されるため、振動信号ｈの波形が、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動の波形から乖離することとなる。

図２中、実線は、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動（のみの、ノッキングに起因する振動を含まない振動）を表している。その上で、ノッキングに起因する振動と、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動とが同位相であると、両者の振動が合算される結果、図２中に破線で表しているように、本来の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動よりも大きな振動が振動信号ｈに現れる。翻って、ノッキングに起因する振動と、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動とが逆位相であると、両者の振動が互いに打ち消し合って、図２中に鎖線で表しているように、本来の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動よりも小さな振動が振動信号ｈに現れる。

ＥＣＵ０は、ノックセンサ５を介して得られた振動信号ｈと、メモリに記憶保持している情報により定義される振動との差分の絶対値を求め、その差分の絶対値が判定閾値よりも大きいならば、気筒１においてノッキングが起こったと判定する。さもなくば、気筒１においてノッキングは起こっていないと判定する。判定閾値は、内燃機関の個々の運転領域毎に個別に設定する。これは、ノッキングに起因する振動と、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動との位相差が、内燃機関の運転領域（そして、ＶＶＴ機構６が具現するバルブタイミング）に応じて異なること、並びに、それら振動の各々の振幅の大きさもまた内燃機関の運転領域に応じて異なることによる。

因みに、何れかの気筒１においてノッキングが起こる可能性のある時期と、何れかの気筒１の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因するノイズの振動が発生する時期とが乖離している場合には、振動信号ｈから吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因する振動を除去（マスク）してノッキングに起因する振動のみを抽出することが容易であり、従来通りの手法に則ってノッキングの有無を判定することが可能である。

本実施形態では、複数の気筒１を内包するシリンダブロック１０に伝わる振動をノックセンサ５を介して検出し、その振動信号ｈを参照して気筒１におけるノッキングの有無を判定するものであって、各気筒１の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因して発生するノイズの振動の発生時期及び大きさに関する情報を記憶しており、何れかの気筒１においてノッキングが起こる可能性のある時期に、何れかの気筒１の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因するノイズの振動が発生する場合において、ノックセンサ５を介して検出した振動信号と、記憶しているノイズの振動の発生時期及び大きさの情報との比較を通じて、気筒１におけるノッキングの有無を判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の膨脹行程中に起こるノッキングの検出精度が向上する。実際にはノッキングが起こっていないにもかかわらず、吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因して発生する振動をノッキングによるものと誤認して、不必要に点火タイミングを遅角補正してしまうことを回避できるので、内燃機関の熱機械変換効率を高く維持することができる。

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、ＶＶＴ機構の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を液圧や電動機により進角／遅角させる態様のもの以外にも、吸気バルブ及び／または排気バルブを開閉駆動するカムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動機で変化させるもの、吸気バルブ及び／または排気バルブを電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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内燃機関の制御に利用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
６…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ｉ…点火信号
ｈ…振動信号

Claims (1)

1. 複数の気筒を内包するシリンダブロックに伝わる振動をノックセンサを介して検出し、その振動信号を参照して気筒におけるノッキングの有無を判定するものであって、
   各気筒の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因して発生するノイズの振動の発生時期及び大きさに関する情報を記憶しており、
   何れかの気筒においてノッキングが起こる可能性のある時期に、何れかの気筒の吸気バルブまたは排気バルブの動作に起因するノイズの振動が発生する場合において、ノックセンサを介して検出した振動信号と、記憶しているノイズの振動の発生時期及び大きさの情報との比較を通じて、気筒におけるノッキングの有無を判定する内燃機関の制御装置。

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