JP2021067183A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料量を制御する燃料制御部と、
前記クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度を検出すると共に、前記クランク角度の時間変化率であるクランク角速度、前記クランク角速度の時間変化率であるクランク角加速度、及び前記クランク角加速度の時間変化率であるクランク角躍度を算出する角度情報算出部と、
前記内燃機関の1回の燃焼行程に対応して設定した判定期間において算出された複数の前記クランク角躍度から最大値を判定する躍度最大値判定部と、
前記内燃機関の始動開始後に、前記判定期間毎に前記最大値を積算して、積算値を算出する躍度最大値積算部と、
前記内燃機関の始動開始後に、前記最大値が超過判定値以上になった前記判定期間の回数である超過回数を算出する最大値超過回数算出部と、
前記積算値及び前記超過回数の一方又は双方に基づいて、前記燃焼室に供給される前記燃料量が基準量よりも低下するリーン異常が発生したか否かを判定するリーン異常判定部と、
を備えたものである。
実施の形態に係る内燃機関の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1及び図2は、本実施の形態に係る内燃機関1及び制御装置50の概略構成図であり、図3は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1及び制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
まず、内燃機関1の構成について説明する。図1に示すように、内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼する燃焼室7を備えている。内燃機関1は、燃焼室7に空気を供給する吸気路23と、燃焼室7で燃焼した排気ガスを排出する排気路17とを備えている。内燃機関1は、ガソリンエンジンとされている。内燃機関1は、吸気路23を開閉するスロットルバルブ4を備えている。スロットルバルブ4は、制御装置50により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ4には、スロットルバルブ4の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ19が設けられている。
次に、制御装置50について説明する。制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図3に示すように、制御装置50は、燃料制御部51、角度情報算出部52、躍度最大値判定部53、躍度最大値積算部54、最大値超過回数算出部55、及びリーン異常判定部56等の機能部を備えている。制御装置50の各機能部51〜56等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図4に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
燃料制御部51は、内燃機関の燃焼室7に供給される燃料量を制御する。燃料制御部51は、吸入空気量及び回転速度等の内燃機関の運転状態に基づいて、目標空燃比を設定し、目標空燃比及び吸入空気量等に基づいて燃焼噴射量を算出し、インジェクタ13を駆動制御する。また、燃料制御部51は、内燃機関の始動時は、水温、始動開始後経過時間、及び内燃機関の回転速度等の内燃機関の運転状態に基づいて、始動時の燃料噴射量(基準量)を算出し、インジェクタ13を駆動制御する。なお、始動時は、空燃比センサ18は活性化しておらず、空燃比のフィードバック制御は行われない。なお、後述するリーン異常判定部56によりリーン異常が発生したと判定された場合は、燃料制御部51は、内燃機関の運転状態に基づいて算出された燃料噴射量(基準量)から増加させる。なお、リーン異常発生時の燃料量の増加処理は、後述する。
角度情報算出部52は、第1クランク角センサ11の出力信号に基づいて、クランク角度θdを検出すると共に、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、及びクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αd、及びクランク角加速度αdの時間変化率であるクランク角躍度δdを算出する。本実施の形態では、角度情報算出部52は、角度情報検出部60、角度情報補正部61、及び補正後角度情報算出部62を備えており、信号板10の歯の製造ばらつき等による角度情報の誤差を補正するように構成されている。
角度情報検出部60は、図5に示すように、クランク角センサ11の出力信号に基づいてクランク角度θdを検出すると共にクランク角度θdを検出した検出時刻Tdを検出する。そして、角度情報検出部60は、検出したクランク角度θdである検出角度θd及び検出時刻Tdに基づいて、検出角度θdの間の角度区間Sdに対応する角度間隔Δθd及び時間間隔ΔTdを算出する。
Δθd(n)=θd(n)−θd(n−1) ・・・(1)
本実施の形態では、信号板10の歯の角度間隔は、欠歯箇所では異なるため、角度情報検出部60は、計測歯の間隔に応じた角度間隔Δθdを、予め設定された角度(本例では10deg、又は欠歯位置で10degの整数倍)に設定する。
ΔTd(n)=Td(n)−Td(n−1) ・・・(2)
角度情報補正部61は、角度区間Sdのそれぞれの角度間隔Δθd又は時間間隔ΔTdを、角度区間Sdのそれぞれに対応して1つずつ設けた補正値Kcにより補正する。この補正値Kcは、信号板10の歯の角度間隔の微小なばらつきを補正するためのものであり、信号板10を内燃機関1に組み付ける前であれば、例えば、信号板10を単体で一定速度にて回転させた時の、平均時間間隔と角度区間Sdの時間間隔ΔTdの比を用いて、角度区間Sdのそれぞれの補正値Kcを予め算出しておき、それを記憶しておいて用いることができる。また、信号板10を内燃機関1に組み付けた後であれば、内燃機関1が燃料カット中などの一定速度で回転している条件下において、角度区間Sdのそれぞれのクランク角躍度δdがゼロに近づくように、角度区間Sdのそれぞれの補正値Kcを変化させてもよい。より簡単には、補正値Kcで補正する代わりに、角度区間Sdの前後にわたる時間間隔ΔTdの移動平均値又は重み付平均値を、角度区間Sdのそれぞれの補正後の時間間隔ΔTdcとして算出するようにしてもよい。
Δθdc(n)=Kc(n)×Δθd(n)
又は ・・・(3)
ΔTdc(n)=Kc(n)×ΔTd(n)
補正後角度情報算出部62は、角度区間Sdのそれぞれの補正値Kcによる補正後の角度間隔Δθdc及び時間間隔ΔTdcに基づいて、検出角度θd又は角度区間Sdのそれぞれに対応する、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、及びクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αd、及びクランク角加速度αdの時間変化率であるクランク角躍度δdを算出する。
ωd(n)=Δθdc(n)/ΔTdc(n) ・・・(4)
αd(n)={ωd(n+1)−ωd(n)}
/{ΔTdc(n+1)+ΔTdc(n)}×2 ・・・(5)
δd(n)={αd(n+1)−αd(n−1)}
/{ΔTdc(n+1)+ΔTdc(n)} ・・・(6)
リーン異常の判定について、クランク角躍度δdにより、内燃機関1での燃焼状態を判定できる原理について説明する。一般に、回転軸周りの運動方程式は式(7)のように書くことができる。
I×dω/dt=I×α=T ・・・(7)
ここで、Iはイナーシャであり、ωは角速度であり、αは角加速度であり、Tはトルクである。この式は、回転軸周りにトルクがかかると、イナーシャの大きさに反比例した角加速度で回転し、トルクがかからない場合は、一定の角速度で回転すると解釈できる。
Ieng×dωd/dt=Ieng×αd=Tg−Tload ・・・(8)
ここで、Iengは内燃機関のイナーシャであり、ωdはクランク角速度であり、αdはクランク角加速度であり、Tgは燃焼により発生するトルクであり、Tloadは負荷トルクであり、内燃機関及び動力伝達機構の摩擦抵抗、車両の走行抵抗などの全ての負荷の合計である
1回の燃焼行程間の発生トルクの平均値と負荷トルクの平均値が一致している場合、式(8)の右辺はゼロになるので、内燃機関は一定速度で回転していることを示す。これは、例えば内燃機関の回転速度が一定である定常運転状態を示している。また、Tg−Tload>0の場合は、内燃機関は加速している状態であり、Tg−Tload<0の場合は減速している状態である。失火時はTg=0となるので、減速状態となる。しかしながら、内燃機関は間欠的にトルクを発生させる機関であるので、1回の燃焼行程間でのトルクの変化を詳細に見ると、少し様子は変わってくる。
上述のように内燃機関は間欠的にトルクを発生させる機関であるので、1回の燃焼行程間でも、混合気が急速に燃焼している急速燃焼期間と、混合気が急速に燃焼していない非急速燃焼期間が存在している。また、燃焼期間は通常40〜60deg程度の期間であるので、1回の燃焼行程間(3燃焼室エンジンなら240deg、4燃焼室エンジンなら180deg)では燃焼していない非燃焼期間の方が一般に長くなる。
1回の燃焼行程間のトルク変動を検出する方法について説明する。ここで改めて式(7)にて、イナーシャを一定と考えると、トルクと角加速度は比例の関係にあることがわかる。今はトルクの変化が知りたいので、式(7)を更に微分した式(9)を考える。
I×dα/dt=I×δ=dT/dt ・・・(9)
ここでδは角躍度である。式(9)は、トルクの微分値、つまり、トルクの時間変化率と角躍度は比例関係にあることを示しているので、これを内燃機関のクランク軸周りで考えると、トルク変動がクランク角躍度に比例する関係にあると言える。つまり、1回の燃焼行程間のクランク角躍度の変動を捉えることができれば、1回の燃焼行程間のトルク変動を捉えたことになる。
そこで、以上で説明した燃焼状態判定の原理に基づいて、燃料系のリーン異常が判定される。すなわち、クランク角躍度δdに基づいて、1回の燃焼行程に対応して設定した判定期間におけるクランク角躍度の変動量が算出され、クランク角躍度の変動量に基づいて、1回の燃焼行程の間における燃焼状態が判定されるように構成されている。本実施の形態では、燃料系のリーン異常の判定のために、制御装置50は、躍度最大値判定部53、躍度最大値積算部54、最大値超過回数算出部55、及びリーン異常判定部56を備えている。
躍度最大値判定部53は、補正後角度情報算出部62により算出されたクランク角躍度δdに基づいて、1回の燃焼行程に対応して設定した判定期間(以下、最大値判定期間と称す)において、角度情報算出部52により算出された複数のクランク角躍度δdから最大値δdmax(以下、クランク角躍度の最大値δdmax)を判定する。判定したクランク角躍度の最大値δdmaxは、躍度最大値積算部54及び最大値超過回数算出部55に出力される。
躍度最大値積算部54は、内燃機関の始動開始後に、最大値判定期間毎にクランク角躍度の最大値δdmaxを積算して、積算値Σδ(以下、躍度最大値の積算値Σδと称す)を算出する。
図9に、燃料供給系のバラツキがなく、燃焼室に供給される燃料量が基準量である場合の始動時の挙動を示す。3回の試行の波形を重ね書きしている。また、始動開始時の水温は、約90℃であり、完全暖機状態となっている。
リーン異常判定部56は、躍度最大値の積算値Σδに基づいて、燃焼室に供給される燃料量が基準量よりも低下するリーン異常が発生したか否かを判定する。例えば、リーン異常判定部56は、内燃機関の始動開始後の最大値判定期間の回数が、判定実行回数になった時点(以下、判定実行時点と称す)の躍度最大値の積算値Σδが、判定積算値よりも小さい場合に、リーン異常が発生したと判定し、躍度最大値の積算値Σδが、判定積算値以上である場合に、リーン異常が発生していないと判定する。また、リーン異常判定部56は、判定実行時点における、躍度最大値の積算値Σδに基づいて、燃料量の基準量からの低下度合いであるリーン度合いを判定してもよい。例えば、判定実行時点の躍度最大値の積算値Σδが小さくなるほど、リーン度合いが大きくなる。判定実行回数は、例えば、始動の完了時点付近に対応する最大値判定期間の回数に予め設定される。判定積算値は、予め設定された固定値であってもよいが、温度条件によって、クランク角躍度の最大値δdmaxの挙動が変化するので、内燃機関の温度(例えば、水温)に応じて変化されてもよい。
図12に、燃料供給系のバラツキがなく、燃焼室に供給される燃料量が基準量である場合の始動時の挙動を示す。4回の試行の波形を重ね書きしている。また、始動開始時の水温は、常温付近(23℃±3℃)であり、冷機状態となっている。
最大値超過回数算出部55は、内燃機関の始動開始後に、クランク角躍度の最大値δdmaxが超過判定値THδ以上になった最大値判定期間の回数である超過回数Novを算出する。
リーン異常判定部56は、超過回数Novに基づいて、燃焼室に供給される燃料量が基準量よりも低下するリーン異常が発生したか否かを判定する。例えば、リーン異常判定部56は、内燃機関の始動開始後の最大値判定期間の回数が、判定実行回数になった時点(判定実行時点)の超過回数Novが、判定超過回数THn以上である場合に、リーン異常が発生したと判定し、超過回数Novが、判定超過回数THnよりも小さい場合に、リーン異常が発生していないと判定する。また、リーン異常判定部56は、判定実行時点における、超過回数Novに基づいて、燃料量の基準量からの低下度合いであるリーン度合いを判定してもよい。超過回数Novが大きくなるほど、リーン度合いが大きくなる。判定超過回数THnは、予め設定された固定値であってもよいが、温度条件によって、クランク角躍度の最大値δdmaxの挙動が変化するので、内燃機関の温度(例えば、水温)に応じて変化されてもよい。
一方、図15に、始動開始時の水温が常温付近(23℃±3℃)であり、冷機状態において、燃料量が基準量である場合、燃料量が基準量の−20%である場合、燃料量が基準量の−30%の場合の、躍度最大値の積算値Σδを示す。各燃料量において、3回の試行の波形を重ね書きしている。冷機状態の場合は、完全暖機状態のように、リーン度合いに応じた躍度最大値の積算値Σδの傾向差が少ない。これは、冷機時は、燃料制御部51により始動時の回転速度の低下を抑制する燃料噴射量の増量補正が行われ、エンジンフリクション等の他の始動に関連する要素の影響が大きくなるためだと考えられる。よって、燃料制御の仕様に依存するが、冷機時は、躍度最大値の積算値Σδの低下により、リーン異常を判定し難くなることがわかる。
燃料制御部51は、リーン異常が発生したと判定された場合に、燃焼室に供給される燃料量を増加させる。例えば、燃料制御部51は、リーン異常が発生したと判定された始動の次回以降の始動時の燃料噴射量を基準量よりも、予め設定された割合(例えば、10%)増加させる。燃料制御部51は、燃料量の増加後も、リーン異常が発生したと再び判定された場合は、燃料量を累積的に増加させてもよい。また、燃料制御部51は、リーン度合いに応じて、燃料量を増加させてもよい。例えば、燃料制御部51は、リーン度合いが10%であると判定された場合は、次回以降の始動時の燃料噴射量を基準量よりも10%増加させ、リーン度合いが20%であると判定された場合は、次回以降の始動時の燃料噴射量を基準量よりも20%増加させる。
本実施の形態に係る制御装置50の概略的な処理の手順(内燃機関1の制御方法)について、図16に示すフローチャートに基づいて説明する。図16のフローチャートの処理は、演算処理装置90が記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、例えば所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (9)
- クランク軸と一体回転する回転部材に、予め定められた複数のクランク角度に設けられた複数の被検出部と、非回転部材に固定され、前記被検出部を検出するクランク角センサと、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料量を制御する燃料制御部と、
前記クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度を検出すると共に、前記クランク角度の時間変化率であるクランク角速度、前記クランク角速度の時間変化率であるクランク角加速度、及び前記クランク角加速度の時間変化率であるクランク角躍度を算出する角度情報算出部と、
前記内燃機関の1回の燃焼行程に対応して設定した判定期間において算出された複数の前記クランク角躍度から最大値を判定する躍度最大値判定部と、
前記内燃機関の始動開始後に、前記判定期間毎に前記最大値を積算して、積算値を算出する躍度最大値積算部と、
前記内燃機関の始動開始後に、前記最大値が超過判定値以上になった前記判定期間の回数である超過回数を算出する最大値超過回数算出部と、
前記積算値及び前記超過回数の一方又は双方に基づいて、前記燃焼室に供給される前記燃料量が基準量よりも低下するリーン異常が発生したか否かを判定するリーン異常判定部と、
を備えた内燃機関の制御装置。 - 前記リーン異常判定部は、前記内燃機関の始動開始後の前記判定期間の回数が、判定実行回数になった時点の前記積算値が、判定積算値よりも小さい場合に、前記リーン異常が発生したと判定し、それ以外の場合に、前記リーン異常が発生していないと判定する請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記リーン異常判定部は、前記内燃機関の始動開始後の前記判定期間の回数が、判定実行回数になった時点の前記積算値に基づいて、前記燃焼室に供給される前記燃料量の基準量からの低下度合いであるリーン度合いを判定する請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記リーン異常判定部は、前記内燃機関の始動開始後の前記判定期間の回数が、判定実行回数になった時点の前記超過回数が、判定超過回数以上である場合に、前記リーン異常が発生したと判定し、それ以外の場合に、前記リーン異常が発生していないと判定する請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記リーン異常判定部は、前記内燃機関の始動開始後の前記判定期間の回数が、判定実行回数になった時点の前記超過回数に基づいて、前記燃焼室に供給される前記燃料量の基準量からの低下度合いであるリーン度合いを判定する請求項1から4のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記最大値超過回数算出部は、前記内燃機関の始動開始後に最初に燃焼した前記燃焼行程に対応する前記判定期間において算出された前記最大値、又は複数設けられた前記燃焼室のそれぞれについて前記内燃機関の始動開始後に最初に燃焼した前記燃焼行程に対応する前記判定期間において算出された前記最大値を全ての前記燃焼室について平均化した平均値を、前記超過判定値に設定する請求項1から5のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記リーン異常判定部は、前記内燃機関の温度が、高温判定値以上である場合は、前記積算値に基づいて、前記リーン異常が発生したか否かを判定し、前記内燃機関の温度が、前記高温判定値よりも低い温度に設定された低温判定値以下である場合は、前記超過回数に基づいて、前記リーン異常が発生したか否かを判定し、前記内燃機関の温度が、前記高温判定値よりも小さく且つ前記低温判定値よりも大きい場合は、前記積算値及び前記超過回数の一方又は双方に基づいて、前記リーン異常が発生したか否かを判定する請求項1から6のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記燃料制御部は、前記リーン異常が発生したと判定された場合に、前記燃焼室に供給される前記燃料量を増加させる請求項1から7のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記燃料制御部は、前記リーン度合いに応じて、前記燃焼室に供給される前記燃料量を増加させる請求項3又は5に記載の内燃機関の制御装置。
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