JP2021194942A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の出力トルクの制御追従性の悪化を抑制できる制御装置を提供する。【解決手段】制御装置100は、点火時期の遅角補正を実行することにより内燃機関10でのノッキングの発生を抑制するノッキング制御と、内燃機関10の推定出力トルクに基づいて内燃機関10の出力トルクを調整する出力制御とを実施する。この制御装置100は、ノッキングの発生が予測される場合には、ノッキングの発生が予測されない場合と比較して、内燃機関10の出力トルクの最大値を制限する上限値を低くする処理を実行する。【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。
内燃機関の点火時期を遅角補正することによりノッキングの発生を抑制する技術が知られている(例えば特許文献1など)。
特開2019−163749号公報
ところで、ノッキングの発生によって点火時期が遅角補正されると、内燃機関の出力トルクが急激に低下するため、実際の出力トルクと出力トルクの推定値との乖離が大きくなる。こうした乖離が大きくなると、出力トルクの推定値に基づいて出力トルクが調整される内燃機関では、出力トルクの制御追従性が悪化するようになるため、例えば機関回転速度の変動や、加速過渡におけるもたつきや、燃費の悪化などが起きるおそれがある。
上記課題を解決するための内燃機関の制御装置は、車両の原動機として内燃機関及び電動機を備えるハイブリッド車両に搭載される内燃機関に適用されて、点火時期の遅角補正を実行することにより内燃機関でのノッキングの発生を抑制するノッキング制御と、内燃機関の推定出力トルクに基づいて内燃機関の出力トルクを調整する出力制御とを実施する制御装置である。この制御装置は、ノッキングの発生が予測される場合には、ノッキングの発生が予測されない場合と比較して、前記内燃機関の出力トルクの最大値を制限する上限値を低くする処理を実行する。
同構成によれば、ノッキングの発生が予測される場合には、ノッキングの発生が予測されない場合と比較して、内燃機関の出力トルクの最大値を制限する上限値が低くなるように設定される。従って、内燃機関の出力トルクの最大値は低くなるものの、こうした出力トルクの低下によってノッキングの発生は未然に抑えられるようになるため、点火時期の遅角補正によって生じるおそれのある実際の出力トルクと推定出力トルクとの乖離が抑えられるようになる。そのため、内燃機関の出力トルクの制御追従性の悪化を抑制することができる。
一実施形態における内燃機関の制御装置を備えるハイブリッド車両の構成を示す模式図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。
以下、内燃機関の制御装置を具体化した一実施形態について、図1及び図2を参照して説明する。
図1に示すように、車両500は、内燃機関10及び電動機を原動機として備えるハイブリッド車両であり、電動機としては、第1電動機である第1モータジェネレータ(以下、第1MGと記載する)71と、第2電動機である第2モータジェネレータ(以下、第2MGと記載する)72とを備えている。
車両500は、遊星ギヤ機構40を備えている。遊星ギヤ機構40は、内燃機関10の出力を第1MG71の出力軸である回転子と駆動輪62に接続された駆動軸60とに分配する機構であり、サンギヤ41と、サンギヤ41と同軸配置されているリングギヤ42とを有している。サンギヤ41とリングギヤ42との間には、サンギヤ41及びリングギヤ42の双方と噛み合う複数のピニオンギヤが配置されており、各ピニオンギヤはキャリア44にて支持されている。
キャリア44には内燃機関10のクランクシャフト34が接続されており、サンギヤ41には、第1MG71の回転子が接続されている。また、リングギヤ42には駆動軸60が接続されており、この駆動軸60はデファレンシャルギヤ61を介して駆動輪62に接続されている。第1MG71は機関出力を利用して発電を行う発電機として機能するとともに、内燃機関10の始動時には始動用スタータ(電動機)として機能する。
第2MG72の回転子は、減速機構50を介して駆動軸60に接続されている。第2MG72は、駆動輪62の駆動力を発生する電動機として機能するとともに、車両500の減速時には回生ブレーキによる発電を行う発電機として機能する。
第1MG71及び第2MG72は、PCU(Power Control Unit)200を介してバッテリ78との間で電力の授受を行う。PCU200は、バッテリ78から入力された直流電圧を昇圧して出力する昇圧コンバータや、昇圧コンバータで昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して各MG71、72に出力するインバータなどを備えている。
内燃機関10は、吸気バルブ15によって開閉される吸気ポート12と、排気バルブ25によって開閉される排気ポート22とを備えている。吸気ポート12には、サージタンク13を備える吸気通路11が接続されており、この吸気通路11においてサージタンク13よりも上流の部位には、吸入空気量を調整するスロットルバルブ14が設けられている。このスロットルバルブ14の開度は、電動モータによって調整される。排気ポート22には、排気通路21が接続されている。
内燃機関10の燃焼室30には、吸気通路11と吸気ポート12とを通じて空気が吸入されるとともに、燃料噴射弁31から吸気ポート12内に噴射された燃料が燃焼室30に供給される。こうして燃焼室30に供給された空気及び燃料で構成される混合気に対して点火プラグ32による点火が行われると、混合気が燃焼してピストン33が往復移動し、内燃機関10の出力軸であるクランクシャフト34が回転する。燃焼後の混合気は排気として燃焼室30から排気ポート22を介して排気通路21に排出される。
内燃機関10の制御や、PCU200を介した第1MG71及び第2MG72の各制御などは、車両500に搭載された制御装置100によって実行される。
制御装置100は、中央処理装置(以下、CPUという)110や、制御用のプログラムやデータが記憶されたメモリ120を備えている。そして、メモリ120に記憶されたプログラムをCPU110が実行することにより各種制御を実行する。なお、図示はしないが、制御装置100は、内燃機関10の制御ユニットやPCU200の制御ユニットなど、複数の制御ユニットで構成されている。
制御装置100には、クランクシャフト34の回転角を検出するクランク角センサ80、内燃機関10の吸入空気量GAを検出する空気量センサであって上記スロットルバルブ14よりも上流の吸気通路11に設けられたエアフロメータ81、上記水温センサ82が接続されている。また、制御装置100には、燃焼室30に吸入される吸気の温度である吸気温THAを検出する吸気温センサ83、燃焼室30でのノッキングの発生を検出するノッキングセンサ84、車両500の車速SPを検出する車速センサ85、アクセルペダルの操作量であるアクセル操作量ACCPを検出するアクセルポジジョンセンサ86も接続されている。そして、それら各種センサからの出力信号が制御装置100に入力される。なお、制御装置100は、クランク角センサ80の出力信号Scrに基づいて機関回転速度NEを算出するとともに、機関回転速度NE及び吸入空気量GAに基づいて機関負荷率KLを算出する。また、制御装置100は、ノッキングセンサ84の出力信号KNに基づいてノッキング発生の有無を判定する。また、制御装置100は、バッテリ78の充電率(以下、SOCという)を算出する。
制御装置100は、上記各種センサの検出信号に基づいて機関運転状態などを把握し、その把握した機関運転状態に応じて燃料噴射弁31の燃料噴射制御、点火プラグ32の点火時期制御、スロットルバルブ14の開度制御等といった各種の機関制御を実施する。
制御装置100は、アクセル操作量ACCP及び車速SPなどに基づいて車両500の駆動力の要求値である車両要求トルクDTを算出する。さらに、制御装置100は、車両要求出力やSOC等に基づき、内燃機関10の出力トルクの要求値である機関要求トルクTEと、第1MG71の力行トルクまたは回生トルクの要求値である第1MG要求トルクTM1と、第2MG72の力行トルクまたは回生トルクの要求値である第2MG要求トルクTM2とをそれぞれ演算する。そして、制御装置100は、機関要求トルクTEが得られるように内燃機関10の出力制御を行うとともに、第1MG要求トルクTM1及び第2MG要求トルクTM2に応じて第1MG71及び第2MG72のトルク制御を行うことにより、車両500の走行に必要なトルク制御を行う。
また、制御装置100は、内燃機関10の出力トルクの最大値を制限する制限処理を実行する。この制限処理では、内燃機関10の出力トルクの最大値を制限する上限値TELが予め設定されており、上記機関要求トルクTEが上限値TELを超える場合には、機関要求トルクTEの値として上限値TELの値が設定される。この上限値TELの値は、後述の上限値設定処理によって設定される。
また、制御装置100は、吸入空気量GAや機関回転速度NEなどの機関運転状態に基づいて内燃機関10の推定出力トルクを算出する。そして、内燃機関10の実際の出力トルクがこの推定出力トルクに一致しているものとして、上記機関要求トルクTEと推定出力トルクとが一致するように内燃機関10の出力トルクを調整する上記出力制御を実行する。なお、そうした出力制御としては例えば周知のトルクデマンド制御などが挙げられる。
また、制御装置100は、内燃機関10の点火時期を遅角補正してノッキングの発生を抑制するノッキング制御を実施する。なお、本実施形態では点火時期を、点火対象となる気筒の圧縮上死点に対するクランク角の進角量として表すようにしている。また、このノッキング制御は、機関回転速度NEが規定の範囲内の速度であって、且つ冷却水温THWが規定の温度以上であることを条件に実行される。
以下、本実施形態で実施されるノッキング制御についてその一例を説明する。
このノッキング制御において制御装置100は、次式(1)〜次式(3)に基づき、最終点火時期AFINを算出して、その算出された最終点火時期AFINを実際の点火時期として設定する。この最終点火時期AFINは、ノッキングの発生を抑えつつ可能な限り進角側の点火時期となるように算出される値である。
AFIN=ABASE−AKNK …(1)
AFIN:最終点火時期
AKNK:遅角量
式(1)において、ベース点火時期ABASEは、MBT点火時期AMBT及び第1ノック限界点火時期AKNOK1に基づき算出される。具体的には、MBT点火時期AMBT及び第1ノック限界点火時期AKNOK1のうちでより遅角側の値がベース点火時期ABASEとして設定される。MBT点火時期AMBTは、現状の機関運転条件において最大トルクを得ることのできる点火時期である最大トルク点火時期のことである。第1ノック限界点火時期AKNOK1は、ノック限界の高い高オクタン価燃料の使用時に、想定される最良の条件下でノッキングを許容できるレベル以内に収めることのできる点火時期の進角限界時期である。MBT点火時期AMBT及び第1ノック限界点火時期AKNOK1は、現状の機関回転速度NEや機関負荷率KLなどに基づいて算出設定される。
式(1)における遅角量AKNKは、次式(2)から求められる値であり、この遅角量AKNKの値が大きくなるほど、最終点火時期AFINは遅角側の時期となり、ノッキングは発生しにくくなる。
AKNK=AKMAX−AGKNK+AKCS …(2)
AKNK:遅角量
AKMAX:最大遅角量
AGKNK:ノッキング学習値
AKCS:フィードバック補正値
式(2)において、フィードバック補正値AKCSは、ノッキングの発生の有無に応じて最終点火時期AFINを速やかに補正するための値であり、上記ノッキングセンサ84により検出されるノッキングの発生状況に応じてその値が設定される。具体的には、検出されたノッキングのレベルが所定の判定値未満で、ノッキングが十分許容できるレベル以下に収まっていると判断されたときには、フィードバック補正値AKCSの値は徐々に減少される。また、検出されたノッキングのレベルが上記判定値以上であるときには、フィードバック補正値AKCSの値は所定値だけ増大される。なお、フィードバック補正値AKCSの値が負の場合には遅角量AKNKの値が小さくなることにより、上記式(1)から求められる最終点火時期AFINは進角側の時期へと補正される。一方、フィードバック補正値AKCSの値が正の場合には、遅角量AKNKの値が大きくなることにより、上記式(1)から求められる最終点火時期AFINは遅角側の時期へと補正される。
また、式(2)において、ノッキング学習値AGKNKは、上記フィードバック補正値AKCSの絶対値がある程度大きくなると更新される値であって、フィードバック補正値AKCSの絶対値が過度に大きくなることを抑えるための値である。すなわち、このノッキング学習値AGKNKは、フィードバック補正値AKCSの絶対値が所定値Aよりも大きい状態(|AKCS|>A)が所定時間以上継続したときに、そのフィードバック補正値AKCSの絶対値を縮小するように更新される。
より詳細には、フィードバック補正値AKCSが正の値であって絶対値が所定値Aよりも大きい状態(AKCS>A)が継続したとき、つまりノッキングが発生しやすい状態のときには、正の値である所定値Bがノッキング学習値AGKNKの値から減算されるとともにフィードバック補正値AKCSの値からも同じく所定値Bが減算される。これにより減算後のフィードバック補正値AKCSの絶対値は所定値A以下の値になる。また、ノッキング学習値AGKNK及びフィードバック補正値AKCSは共に同じ値(所定値B)で更新されるため、フィードバック補正値AKCSから所定値Bを減算しても、最終点火時期AFINの値は減算前の値から変化することなく同じ値に維持される。
一方、フィードバック補正値AKCSが負の値であって絶対値が所定値Aよりも大きい状態(AKCS<−A)が継続したとき、つまりノッキングが発生しにくい状態のときには、ノッキング学習値AGKNKの値及びフィードバック補正値AKCSの値にはそれぞれ上記所定値Bが加算される。これにより加算後のフィードバック補正値AKCSの絶対値は所定値A以下の値になる。また、ノッキング学習値AGKNK及びフィードバック補正値AKCSは共に同じ値(所定値B)で更新されるため、フィードバック補正値AKCSに所定値Bを加算しても、最終点火時期AFINの値は加算前の値から変化することなく同じ値に維持される。
また、式(2)における最大遅角量AKMAXは、次式(3)から求められる。
AKMAX=ABASE−AKMF …(3)
AKMAX:最大遅角量
ABASE:ベース点火時期
AKMF:最遅角点火時期
式(3)において、最遅角点火時期AKMFは、ノック限界の低い低オクタン価燃料の使用時に、想定される最悪の条件下でもノッキングを許容できるレベル以内に収めることのできる点火時期の進角限界時期である。この最遅角点火時期AKMFは、現状の機関回転速度NEや機関負荷率KLなどに基づいて設定される。
ところで、ノッキングの発生によって点火時期が遅角補正されると、内燃機関10の出力トルクが急激に低下するため、実際の出力トルクと推定出力トルクとの乖離が大きくなる。こうした乖離が大きくなると、推定出力トルクに基づいて出力トルクが調整される内燃機関10では、出力トルクの制御追従性が悪化するようになるため、例えば機関回転速度の変動や、加速過渡におけるもたつきや、燃費の悪化などが起きるおそれがある。
そこで、本実施形態では、ノッキングの発生が予測される場合には、ノッキングの発生が予測されない場合と比較して、機関要求トルクTEの最大値を制限する上記上限値TELを低くする処理を実行する。
図2に、内燃機関10の運転中に実行される上限値設定処理の手順を示す。なお、同図に示す一連の処理は、制御装置100のメモリ120に記憶されたプログラムをCPU110が所定周期毎に繰り返し実行することにより実現される。また、以下では、先頭に「S」が付与された数字によって、ステップ番号を表現する。
図2に示す処理を開始すると、制御装置100は、上述したノッキング制御の実行条件が成立しているか否かを判定する(S100)。そして、ノッキング制御の実行条件が成立していないと判定する場合(S100:NO)、制御装置100は、上限値TELとして、規定の第1上限値TEL1を設定して(S140)、本処理を一旦終了する。
一方、ノッキング制御の実行条件が成立していると判定する場合(S100:YES)、制御装置100は、ノッキングの発生が予測されるか否かを判定する(S110)。このS110では、以下のようにしてノッキングの発生が予測される。
すなわち、ノッキングは機関負荷率KLが規定の閾値KLref以上であって、且つ機関負荷率KLの単位時間当たりの変化量である負荷率変化速度KLHが規定の閾値KLH以上になると発生する可能性が高くなり、これによりノッキング制御による点火時期の遅角補正が行われやすくなる。
そこで、以下の条件(A)及び条件(B)が共に満たされる場合に、制御装置100は、ノッキングが発生する可能性があると予測する。
条件(A):現在の負荷率変化速度KLH×判定マージン時間+現在の機関負荷率KL≧閾値KLref。
なお、「現在の負荷率変化速度KLH×判定マージン時間+現在の機関負荷率KL」の値は、現時点から判定マージン時間が経過した時点での機関負荷率KLの予測値である。また、閾値KLrefとしては、ノッキングの発生を予測するうえで適切な値が予め設定されている。
条件(B):現在の負荷率変化速度KLHの微分値×判定マージン時間+現在の負荷率変化速度KLH≧閾値KLHref。
なお、「現在の負荷率変化速度KLHの微分値×判定マージン時間+現在の負荷率変化速度KLH」の値は、現時点から判定マージン時間が経過した時点での負荷率変化速度KLHの予測値である。また、閾値KLHrefとしては、ノッキングの発生を予測するうえで適切な値が予め設定されている。
なお、内燃機関10の吸気系の応答遅れを考慮して上記判定マージン時間を設定することにより、ノッキングの発生を予測する際の判定遅れを抑えるとともに、点火時期の遅角補正が実施される直前に、機関要求トルクTEを制限することができる。
S110にて、ノッキングが発生する可能性がないと予測する場合(S110:NO)、制御装置100は、上限値TELとして第1上限値TEL1を設定して(S140)、本処理を一旦終了する。
一方、S110にて、ノッキングが発生する可能性があると予測する場合(S110:YES)、制御装置100は、次の条件(C)が成立するか否かを判定する(S120)。
条件(C):第2MG出力可能トルクTM2P≧車両要求トルクDTー第2上限値TEL2。
第2MG出力可能トルクTM2Pは、現在の状態において第2MG72が出力可能なトルクの最大値であり、制御装置100は、第2MG72の出力トルクに関係する各種値(例えばSOC等)に基づいて当該第2MG出力可能トルクTM2Pを算出する。また、第2上限値TEL2は、上記第1上限値TEL1よりも低い値であって予め設定されている。
そして、条件(C)が成立する場合には、機関要求トルクTEの最大値が第2上限値TEL2によって制限されることにより内燃機関10の出力トルクが低下しても、その低下分を第2MG72の出力トルクで補うことにより、車両要求トルクDTを得ることができる状態になっている。そこで、S120にて条件(C)が成立すると判定する場合(S120:YES)、制御装置100は、上限値TELとして、第2上限値TEL2を設定して(S130)、本処理を一旦終了する。
一方、S120にて条件(C)が成立しないと判定する場合(S120:NO)、制御装置100は、上限値TELとして第1上限値TEL1を設定して(S140)、本処理を一旦終了する。
本実施形態の作用及び効果を説明する。
(1)ノッキングの発生が予測されない場合には(S110:NO)、機関要求トルクTEの最大値を制限する上限値TELとして第1上限値TEL1が設定される(S140)。一方、ノッキングの発生が予測される場合には(S110:YES)、機関要求トルクTEの最大値を制限する上限値TELとして、第1上限値TEL1よりも値の低い第2上限値TEL2が設定される(S130)。このようにノッキングの発生が予測される場合には、上限値TELの値が低くなるように設定される。従って、内燃機関10の出力トルクの最大値は低くなるものの、こうした出力トルクの低下によってノッキングの発生は未然に抑えられるようになるため、点火時期の遅角補正によって生じるおそれのある実際の出力トルクと推定出力トルクとの乖離が抑えられるようになる。そのため、内燃機関10の出力トルクの制御追従性の悪化を抑制することができる。
(2)上述したように、S120にて条件(C)が成立すると判定される場合に、上限値TELとして第2上限値TEL2が設定される(S130)。従って、機関要求トルクTEが第2上限値TEL2によって制限される場合でも、車両要求トルクDTを得ることができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・図2に示したS120の処理を省略してもよい。この場合でも、上記(2)以外の作用効果を得ることができる。
・S110において、ノッキングの発生を予測する条件は適宜変更してもよい。
・ノッキング制御の実行条件は適宜変更してもよい。
・燃料噴射弁31は、内燃機関10の気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式の燃料噴射弁でもよい。
・ハイブリッド車両500の駆動系は、適宜変更してもよい。
・制御装置100はCPU110とメモリ120とを備えており、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。例えば、上記各実施形態において実行されるソフトウェア処理の少なくとも一部を処理する専用のハードウェア回路(たとえばASIC等)を備えてもよい。すなわち、制御装置100は、以下の(a)〜(c)のいずれかの構成であればよい。(a)上記処理の全てをプログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するメモリ等のプログラム格納装置とを備える。(b)上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置及びプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。(c)上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。ここで、処理装置及びプログラム格納装置を備えたソフトウェア処理回路や、専用のハードウェア回路は複数であってもよい。すなわち、上記処理は、1または複数のソフトウェア処理回路及び1または複数の専用のハードウェア回路の少なくとも一方を備えた処理回路によって実行されればよい。
10…内燃機関
40…遊星ギヤ機構
71…第1モータジェネレータ
72…第2モータジェネレータ
100…制御装置
200…PCU
500…車両

Claims (1)

  1. 車両の原動機として内燃機関及び電動機を備えるハイブリッド車両に搭載される前記内燃機関に適用されて、点火時期の遅角補正を実行することにより内燃機関でのノッキングの発生を抑制するノッキング制御と、内燃機関の推定出力トルクに基づいて内燃機関の出力トルクを調整する出力制御とを実施する制御装置であって、
    ノッキングの発生が予測される場合には、ノッキングの発生が予測されない場合と比較して、前記内燃機関の出力トルクの最大値を制限する上限値を低くする処理を実行する
    内燃機関の制御装置。
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