JP3578597B2 - 直噴火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関の制御装置に関し、特に、機関運転条件に応じて、少なくとも、ストイキ空燃比(理論空燃比)でのストイキ燃焼と、リーン空燃比(理論空燃比より希薄側)でのリーン燃焼とに切換制御するものに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴火花点火式内燃機関が注目されており、このものでは、機関運転条件に応じて、燃焼方式を切換制御、すなわち、ストイキ燃焼(ストイキ均質燃焼)と、リーン燃焼(成層リーン燃焼あるいは均質ストイキ燃焼)とに切換制御している(特開昭59−37236号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直噴火花点火式内燃機関においては、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射することから、リーン燃焼時に、燃料系によるトルク感度が高くなり(燃料噴射量のわずかな変化でトルクが大きく変化するようになり)、燃料系部品の故障等により、瞬時に燃料噴射量が増加したりすると、急激な車両挙動変化による運転性の悪化を招く可能性がある。
【0004】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、燃料系部品の故障等による運転性の悪化を防止できるようにすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明では、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えると共に、機関運転条件に応じ、少なくとも、ストイキ空燃比でのストイキ燃焼とリーン空燃比でのリーン燃焼とに切換制御する燃焼方式切換制御手段を備える直噴火花点火式内燃機関の制御装置において、図1に示すように、機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機関トルクを算出する目標機関トルク算出手段と、実際に機関が発生している実機関トルクを検出する実機関トルク検出手段と、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態を表すズレ状態量を算出するズレ状態量算出手段と、前記ズレ状態量が所定値以上のときにリーン燃焼を禁止するリーン燃焼禁止手段と、を設けたことを特徴とする。
【0006】
請求項2に係る発明では、前記目標機関トルク算出手段は、機関回転数とアクセル開度とに基づいて目標機関トルクを算出するものであることを特徴とする。請求項3に係る発明では、前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼行程での回転角加速度(回転角速度の変化量)に基づいて実機関トルクを算出するものであることを特徴とする。
【0007】
請求項4に係る発明では、前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼圧力に基づいて実機関トルクを算出するものであることを特徴とする。
請求項5に係る発明では、前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクと実機関トルクとの差として、算出するものであることを特徴とする。
【0008】
請求項6に係る発明では、前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差として、算出するものであることを特徴とする。
請求項7に係る発明では、前記燃焼方式切換制御手段は、機関運転条件に応じ、少なくとも、吸気行程で燃料を噴射してストイキ空燃比で行わせる均質ストイキ燃焼と、吸気行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる均質リーン燃焼と、圧縮行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる成層リーン燃焼とに切換制御するものであり、前記リーン燃焼禁止手段は、前記ズレ状態量が所定値以上のときに、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼を禁止するものであることを特徴とする。
【0009】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、機関が発生しようとする目標機関トルクと実際に機関が発生している実機関トルクとを検出し、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態が大のときは、運転性の悪化の恐れがあるとしてリーン燃焼を禁止するので、リーン燃焼による運転性の悪化を未然に防止することができるという効果が得られる。
【0010】
請求項2に係る発明によれば、機関が発生しようとする目標機関トルクを、機関回転数とアクセル開度とから、的確に求めることができる。
請求項3に係る発明によれば、実際に機関が発生している実機関トルクを、機関の燃焼行程での回転角加速度から、的確に推定することができる。
請求項4に係る発明によれば、実際に機関が発生している実機関トルクを、機関の燃焼圧力から、的確に推定することができる。
【0011】
請求項5に係る発明によれば、目標機関トルクと実機関トルクとの差により、ズレ状態を簡単に定量化することができる。
請求項6に係る発明によれば、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差により、ズレ状態を定量化することで、機差、環境条件等の影響をキャンセルすることができ、診断精度を向上させることができる。
【0012】
請求項7に係る発明によれば、均質ストイキ燃焼と均質リーン燃焼と成層リーン燃焼とに切換制御する場合に、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態が大のときに、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼を禁止することで、運転性の悪化を確実に防止することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図2は実施の一形態を示す内燃機関のシステム図である。先ず、これについて説明する。
車両に搭載される内燃機関1の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ2から吸気通路3により、電制スロットル弁4の制御を受けて、空気が吸入される。また、スワール制御弁5が設けられており、ポート断面積を制御して燃焼室に吸入される空気の流動を制御可能である。
【0014】
そして、燃焼室内に燃料(ガソリン)を直接噴射するように、電磁式の燃料噴射弁(インジェクタ)6が設けられている。
燃料噴射弁6は、後述するコントロールユニット20から機関回転に同期して吸気行程又は圧縮行程にて出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。そして、噴射された燃料は、吸気行程噴射の場合は燃焼室内に拡散して均質な混合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火栓7回りに集中的に層状の混合気を形成し、後述するコントロールユニット20からの点火信号に基づき、点火栓7により点火されて、燃焼(均質燃焼又は成層燃焼)する。尚、燃焼方式は、空燃比制御との組合わせで、均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼に分けられる。
【0015】
機関1からの排気は排気通路8より排出され、排気通路8には排気浄化用の触媒9が介装されている。また、排気の一部は電制EGR弁10を介してEGR通路11により吸気通路3のスロットル弁4下流(吸気マニホールド)に還流される。
コントロールユニット20は、CPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、これに基づいて演算処理して、燃料噴射弁6及び点火栓7などの作動を制御する。
【0016】
前記各種センサとしては、機関1のクランク軸又はカム軸回転を検出するクランク角センサ21,22が設けられている。これらのクランク角センサ21,22は、気筒数をnとすると、クランク角720°/n毎に、予め定めたクランク角位置(例えば圧縮上死点前110°)で基準パルス信号REFを出力すると共に、1〜2°毎に単位パルス信号POSを出力するもので、基準パルス信号REFの周期などから機関回転数Neを算出可能である。また特に、カム軸センサ22はクランク角720°毎に予め定めたクランク角位置で特定気筒に対応する気筒判別信号PHASEを出力し、これにより気筒判別が可能となる。
【0017】
この他、吸気通路3のスロットル弁4上流で吸入空気流量Qaを検出するエアフローメータ23、アクセルペダルの踏込み量(アクセル開度)ACCを検出するアクセルセンサ24、スロットル弁4の開度TVOを検出するスロットルセンサ25(スロットル弁4の全閉位置でONとなるアイドルスイッチを含む)、機関1の冷却水温Twを検出する水温センサ26、排気通路8にて排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力するO2 センサ27、車速VSPを検出する車速センサ28などが設けられている。
【0018】
次に、コントロールユニット20により行われる燃焼方式の切換制御について、図3〜図7のフローチャートにより説明する。
図3は燃焼方式切換ルーチンであり、所定時間(例えば10ms)毎に実行される。本ルーチンが燃焼方式切換制御手段に相当する。
ステップ1(図にはS1と記す。以下同様)では、機関回転数Ne、基本燃料噴射量Tp(又は目標機関トルクtTe)、水温Tw等の機関運転条件を読込む。
【0019】
ステップ2では、機関運転条件に基づいて、燃焼方式切換マップを参照する。すなわち、機関回転数Neと基本燃料噴射量Tp(又は目標機関トルクtTe)とをパラメータとして燃焼方式(及び基本目標当量比TFBYA0)を定めたマップを、水温Tw、始動後時間などの条件別に複数備えていて、これらの条件から選択されたマップより、実際の機関運転状態のパラメータに従って、均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼又は成層リーン燃焼のいずれかに燃焼方式(及び基本目標当量比TFBYA0)を設定する。図3中に例示したマップは、暖機完了後(水温Tw高、始動後時間大)のものである。
【0020】
ステップ3では、燃焼方式の判定に従って分岐する。
均質ストイキ燃焼の場合は、ステップ6へ進んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴射量をストイキ空燃比(14.6)相当に設定して、O2 センサ27による空燃比フィードバック制御を行う一方、噴射時期を吸気行程に設定して、均質ストイキ燃焼を行わせる。
【0021】
均質リーン燃焼の場合は、ステップ7へ進んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴射量を空燃比20〜30のリーン空燃比相当に設定して、オープン制御を行う一方、噴射時期を吸気行程に設定して、均質リーン燃焼を行わせる。
成層リーン燃焼の場合は、ステップ8へ進んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴射量を空燃比40程度のリーン空燃比相当に設定して、オープン制御を行う一方、噴射時期を圧縮行程に設定して、成層リーン燃焼を行わせる。
【0022】
但し、ステップ7の均質リーン燃焼制御及びステップ8の成層リーン燃焼制御のそれぞれ直前に、ステップ4及びステップ5が設けられ、ここでリーン燃焼禁止(リーン燃焼禁止フラグ=1)か否かを判定して、リーン燃焼禁止の場合は、均質リーン燃焼制御及び成層リーン燃焼制御を行うことなく、ステップ6へ進んで、均質ストイキ制御を行うようになっている。
【0023】
燃料噴射量の計算式は次の通りである。
TI=Tp×TFBYA×α+Ts
ここで、Tpはストイキ空燃比相当の基本燃料噴射量であり、Tp=K0×Qa/Ne(K0は定数)により求める。
TFBYAは目標当量比であり、マップから求められた基本目標当量比TFBYA0を燃焼効率等により補正すると共に、1次遅れを与えて得る。尚、目標当量比TFBYAは、目標燃空比補正係数ともいい、目標空燃比をtAFとすると、14.6/tAFで表される。
【0024】
αはO2 センサ信号に基づく空燃比フィードバック補正係数であり、リーン燃焼時は=1にクランプされる。
Tsはバッテリ電圧に依存する無効噴射時間補正分である。
図4はリーン燃焼禁止判定ルーチンであり、所定時間(例えば10ms)毎に実行される。
【0025】
ステップ11では、機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機関トルクtTeを算出する。この部分が目標機関トルク算出手段に相当する。但し、実際の算出は別ルーチン、すなわち、図5のサブルーチンにより行う。
図5のサブルーチンについて説明すれば、ステップ101で機関回転数Neを検出し、ステップ102でアクセル開度ACCを検出する。そして、ステップ103で、機関回転数Neとアクセル開度ACCとをパラメータとして機関が発生しようとする目標機関トルクtTeを予め定めて記憶させたマップを参照し、実際のNe,ACCから、目標機関トルクtTeを検索により求める。
【0026】
ステップ12では、実際に機関が発生している実機関トルクTeを検出する。この部分が実機関トルク検出手段に相当する。但し、実際の検出は別ルーチン、すなわち、図6のサブルーチン、又は図7のサブルーチンにより行う。
図6のサブルーチンについて説明すれば、クランク角センサ21,22からの信号に基づいてクランク角を監視しつつ、先ず、ステップ201で上死点TDCの前後30°の第1区間での機関の回転角速度ω1を計測する。次に、ステップ202で上死点TDCから所定クランク角ANG後の前後30°の第2区間での機関の回転角速度ω2を計測する。尚、回転角速度は、各区間の開始点から終了点までの時間を計測して求める。
【0027】
そして、ステップ203で、これらの回転角速度ω1,ω2に基づいて、燃焼行程での回転角加速度Δω=(ω2−ω1)/dtを算出する。dtは所定クランク角ANGの開始点から終了点までの時間(計測値)である。
そして、ステップ204で、次式のごとく、燃焼行程での回転角加速度Δωに基づいて、実機関トルクTeを算出する。
【0028】
Te=Δω×K+OFFSET
但し、Kは変換係数、OFFSETはオフセット値(いずれも定数)である。図7のサブルーチンについて説明すれば、点火栓7又は燃料噴射弁6のねじ込み式の取付部に、取付座金状に、圧電素子からなる燃焼圧力センサ(図2では図示を省略)を設けておき、ステップ211で、クランク角センサ21,22からの信号に基づいてクランク角を監視しつつ、予め定めた積分開始クランク角から積分終了クランク角までの間、所定のサンプリングタイミング毎に、燃焼圧力センサからの信号をA/D変換して、燃焼圧力Pを読込むと同時に、その積算値ΣP=ΣP+Pを算出する。そして、ステップ212で、積分開始クランク角から積分終了クランク角までの積算値ΣPを図示平均有効圧力Piとして検出する。
【0029】
そして、ステップ213で、次式のごとく、図示平均有効圧力Piに基づいて、実機関トルクTeを算出する。
Te=Pi×K+OFFSET
但し、Kは変換係数、OFFSETはオフセット値(いずれも定数)である。
ステップ13では、目標機関トルクtTeと実機関トルクTeとのズレ状態を表すズレ状態量として、実機関トルクTeと目標機関トルクtTeとのトルク差ΔTQ=Te−tTe(又は、ΔTQ=|Te−tTe|)を算出する。この部分がズレ状態量算出手段に相当する。
【0030】
ステップ14では、ズレ状態量としてのトルク差ΔTQと、所定値(異常判定用の閾値)SLとを比較して、ΔTQ≧SLか否かを判定する。
ズレ状態量大、すなわち、ΔTQ≧SLのときは、運転性の悪化の恐れがあるとして、ステップ15で、NG判定を行い、ステップ16でリーン燃焼禁止(リーン燃焼禁止フラグ=1)とする。
【0031】
これにより、以降、図3の燃焼方式切換ルーチン(ステップ4,5)において、均質リーン燃焼制御及び成層リーン燃焼制御が禁止され、均質ストイキ制御(ステップ6)がなされる。
従って、図4のステップ14,16と図3のステップ4,5とがリーン燃焼禁止手段に相当する。
【0032】
一方、ズレ状態量小、すなわち、ΔTQ<SLのときは、正常であるので、そのまま本ルーチンを終了する。
次に他の実施例について説明する。
図8はリーン燃焼禁止判定ルーチンであり、図4に代わって実行される。
ステップ21では、機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機関トルクtTeを算出する。この部分が目標機関トルク算出手段に相当する。但し、実際の算出は別ルーチン、すなわち、図5のサブルーチンにより行う。
【0033】
ステップ22では、目標機関トルクの変化量ΔtTe=tTe−tTeold (tTeold は前回の算出値)を算出する。
ステップ23では、実際に機関が発生している実機関トルクTeを検出する。この部分が実機関トルク検出手段に相当する。但し、実際の検出は別ルーチン、すなわち、図6のサブルーチン、又は図7のサブルーチンにより行う。
【0034】
ステップ24では、実機関トルクの変化量ΔTe=Te−Teold (Teold は前回の検出値)を算出する。
ステップ25では、目標機関トルクtTeと実機関トルクTeとのズレ状態を表すズレ状態量として、実機関トルクの変化量ΔTeと目標機関トルクの変化量ΔtTeとのトルク変化量差ΔΔTQ=ΔTe−ΔtTe(又は、ΔΔTQ=|ΔTe−ΔtTe|)を算出する。この部分がズレ状態量算出手段に相当する。
【0035】
ステップ26では、ズレ状態量としてのトルク変化量差ΔΔTQと、所定値(異常判定用の閾値)SLとを比較して、ΔΔTQ≧SLか否かを判定する。尚、ここでの所定値SLは本ルーチンの実行時間隔に依存して設定する必要があり、実行時間隔が短い機種ほど、大きな値に設定する。
ズレ状態量大、すなわち、ΔΔTQ≧SLのときは、運転性の悪化の恐れがあるとして、ステップ27で、NG判定を行い、ステップ28でリーン燃焼禁止(リーン燃焼禁止フラグ=1)とする。
【0036】
これにより、以降、図3の燃焼方式切換ルーチン(ステップ4,5)において、均質リーン燃焼制御及び成層リーン燃焼制御が禁止され、均質ストイキ制御(ステップ6)がなされる。
従って、図8のステップ26,28と図3のステップ4,5とがリーン燃焼禁止手段に相当する。
【0037】
一方、ズレ状態量小、すなわち、ΔΔTQ<SLのときは、正常であるので、そのまま本ルーチンを終了する。
この実施例では、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差により、ズレ状態を定量化することで、機差、環境条件等の影響をキャンセルすることができ、診断精度を向上させることができる。
【0038】
尚、ズレ状態量を、Te−tTe又はΔTe−ΔtTeとして、これをプラス側の所定値と比較した場合は、目標機関トルクに比べて実機関トルクが大き過ぎる場合に運転性の悪化の恐れがあるとしてリーン燃焼を禁止できるが、ズレ状態量を|Te−tTe|又は|ΔTe−ΔtTe|として、これをプラス側の所定値と比較した場合は、目標機関トルクに比べて実機関トルクが小さ過ぎる場合も運転性の悪化の恐れがあるとしてリーン燃焼を禁止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を示す機能ブロック図
【図2】本発明の実施の一形態を示す内燃機関のシステム図
【図3】燃焼方式切換ルーチンのフローチャート
【図4】リーン燃焼禁止判定ルーチンのフローチャート
【図5】目標機関トルク算出用サブルーチンのフローチャート
【図6】実機関トルク検出用サブルーチンのフローチャート
【図7】実機関トルク検出用サブルーチンの他の例のフローチャート
【図8】他の実施例を示すリーン燃焼禁止判定ルーチンのフローチャート
【符号の説明】
1 内燃機関
3 吸気通路
4 電制スロットル弁
6 燃料噴射弁
7 点火栓
8 排気通路
20 コントロールユニット
21,22 クランク角センサ
23 エアフローメータ
24 アクセルセンサ
Claims (7)
- 機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えると共に、機関運転条件に応じ、少なくとも、ストイキ空燃比でのストイキ燃焼とリーン空燃比でのリーン燃焼とに切換制御する燃焼方式切換制御手段を備える直噴火花点火式内燃機関において、
機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機関トルクを算出する目標機関トルク算出手段と、
実際に機関が発生している実機関トルクを検出する実機関トルク検出手段と、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態を表すズレ状態量を算出するズレ状態量算出手段と、
前記ズレ状態量が所定値以上のときにリーン燃焼を禁止するリーン燃焼禁止手段と、
を設けたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の制御装置。 - 前記目標機関トルク算出手段は、機関回転数とアクセル開度とに基づいて目標機関トルクを算出するものであることを特徴とする請求項1記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
- 前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼行程での回転角加速度に基づいて実機関トルクを算出するものであることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
- 前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼圧力に基づいて実機関トルクを算出するものであることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
- 前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクと実機関トルクとの差として、算出するものであることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
- 前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差として、算出するものであることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
- 前記燃焼方式切換制御手段は、機関運転条件に応じ、少なくとも、吸気行程で燃料を噴射してストイキ空燃比で行わせる均質ストイキ燃焼と、吸気行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる均質リーン燃焼と、圧縮行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる成層リーン燃焼とに切換制御するものであり、
前記リーン燃焼禁止手段は、前記ズレ状態量が所定値以上のときに、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼を禁止するものであることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
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