JP3823553B2

JP3823553B2 - エンジン燃焼制御装置

Info

Publication number: JP3823553B2
Application number: JP22783598A
Authority: JP
Inventors: 雅俊星野; 伸夫栗原; 大須賀　　稔; 利治野木; 豊 ▲高▼久
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: EP1106805A1; WO2000009876A1; JP2000054889A; KR20010072365A; US6502549B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃費を向上し、排気中の規制対象成分を抑えるため、気筒内の燃焼圧力を検出し、排気還流率，点火時期および燃料噴射時期あるいは吸気行程の噴射率を制御して最適な燃焼が得られるようにした内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の燃費や排気ガスに対する法規制は，各国で年々厳しさを増してきている。このためその時々の運転状態に応じて点火時期や燃料量をマイクロコンピュータにより制御することが一般化している。
【０００３】
ポート噴射のエンジンでトルクや燃料消費率を最良するには、点火時期を適当に制御して最大筒内圧を与えるクランク軸の角度が上死点後１２度になるようにすればよいことが知られている（藤井，河合ほか、“火花点火機関における最適点火時期フィードバック制御方式”、自動車技術会学術講演会前刷集９５４（１９９５））。（以下、「従来技術１」という。）
また、特開平3−233162 号公報には筒内圧センサの出力に基づき熱効率を求め、ＥＧＲ率，点火時期，燃料供給量を制御することによりエンジンの効率が大きい領域で運転することについての記載がある。(以下、「従来技術２」という。)また、特開平3−246352 号公報には筒内圧センサの出力に基づきエンジンの熱発生量とピーク位置から仕事量相当値を演算することにより失火等の燃焼状態を高精度に検出することについての記述がある。(以下、「従来技術２」という。)
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１に記載の発明は筒内圧力のピーク位置を制御するものであり、また、従来技術２に記載の発明はエンジンの熱効率、すなわち熱発生量と熱損失量との関係に基づいた方式であり、また、従来技術３に記載の発明は燃焼行程での平均仕事量を熱発生量から求めるものである。いずれの従来技術も燃焼状態を表す波形パターンである熱発生率そのものに関するものではない。エンジン性能を大きく左右する燃焼期間を制御するにはクランク角度に対する熱発生率すなわち燃焼パターンの波形の広がり幅やピーク位置を操作することが重要になるが、前記従来技術はいわばこれらを間接的手段により操作することで対応するものであり、必ずしも最適な制御が可能なわけではないという問題があった。
【０００５】
本願発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであって、前記熱発生率の波形パターンを直接的に整形する方式である。したがって、操作量とパターン整形との関係を明確に関係付け、波形の広がりとピーク位置を別々に制御することにより、少ない計算量で最適な燃焼制御が可能となる。
【０００６】
図２（ｂ）のＡに示すように点火直後の燃焼速度が速くいわゆる後燃えのあるものやＢのように燃焼期間が短くピークが高いもの、あるいはＣのように熱発生率のピークが二回以上あるものは熱効率が低下し燃費が悪化する。また、規制対象のＮＯｘやＨＣの排出量も増加する。
【０００７】
この発明の目的は運転中に各気筒の熱発生率をもとに少ない計算量で燃焼状態を改善し、燃費・排気を最適にするエンジン燃焼制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的はエンジンの燃焼に伴う気筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、前記筒内圧力検出手段よりの出力に基づき気筒のクランク軸の角度に対する熱発生率を算定する手段と、前記熱発生率算定手段により求められた気筒内燃焼状態パターンを予め定められた波形パターンになるように点火時期または、燃料噴射時期または、吸気行程における燃料噴射量の割合または、気筒内ガス流動制御量または、ＥＧＲ制御量または、吸気バルブタイミング制御量または、排気バルブタイミング制御量の少なくともいずれかに関する値を制御する制御手段を有するエンジン燃焼制御装置であって、前記筒内燃焼状態波形パターンが予め定める定常運転状態範囲内にあるときに、前記筒内圧力検出手段よりの信号波形を所定回転毎に所定クランク角度ずつずらしてサンプリングすると共に、前記エンジンの点火時期から所定角度分の前記波形パターンを全体として再構成することを特徴とするエンジン燃焼制御装置によって達成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるエンジン制御装置について図を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例で筒内噴射の４気筒エンジンの１気筒分である。このエンジン１にはピストン２とシリンダ３で構成される燃焼室４があり、この燃焼室４には吸気弁５と排気弁６が装着されている。燃料噴射装置７は燃焼室４の内部にあり、主にエンジン１の圧縮行程で燃料を噴射する。燃焼室内の混合気は点火プラグ８によって点火される。シリンダ３には圧力を検出する筒内圧センサ９が備えてあり、多気筒エンジンでは気筒別の圧力を検出できるようになっている。クランク軸１０にはエンジン回転数を計測する回転センサ１１が装着されている。燃焼室４から排気管１２へ流れる排気の一部は環流路１３を通して吸気管１４に戻される。これにより燃焼速度と燃焼温度が低下し、ＮＯｘ排出量を抑えることができる。スロットル弁１５を通過した空気と環流ガスとの比率はＥＧＲ弁１６で調節する。筒内圧センサ９とクランク軸１０に取り付けた回転センサ１１の信号は演算装置１７に入力され、演算装置１７はこれらの信号をもとに、点火装置制御回路１８，ＥＧＲ制御回路１９および噴射装置制御回路２０に指令を出す。点火装置８と燃料噴射装置７は気筒別に制御することができるが、ＥＧＲでは環流ガスを吸気管１４が各気筒へ分岐する上流に戻すのでＥＧＲ率は全気筒、一律の制御になる。
【００１０】
図２にクランク角度からみた熱発生率の変化を示す。熱発生率は筒内圧センサの信号と行程容積から
【００１１】
【数１】

【００１２】
によって計算することができる。比熱比は空燃費によって決まり、クランク角度に関してはほぼ一定と考えることができる。また、行程容積やクランク角度についての微分値はエンジンの基本的な仕様から求められる。これらは演算装置１７のＲＯＭにデータとして格納しておけば、筒内圧データから燃焼の指標としての熱発生率は簡単に計算できる。理想的な熱発生率のパターンは図２の（ａ）のように点火直後から滑らかに立ち上がりピークがＴＤＣ（上死点）からクランク角度で５〜１０度遅れ、爆発・燃焼の終了に伴って低下する。左右がほぼ対称で、燃焼期間を示すパターンの広がりは２０〜３０度程度がよい。しかし、筒内噴射エンジンでは燃焼速度が早く、図２の（ｂ）のＡのようにピーク位置が上死点より早くなることがある。そこで燃焼速度を遅らせ（ａ）のパターンに近づけるためＥＧＲを使用するとＣのように燃焼が二回に分かれてしまうことがあり、二回目の燃焼は有効な仕事にはならない。またＢのようにピーク位置が適当であっても燃焼時間が短いと冷却損失が大きく、効率は悪化する。
【００１３】
そこで、図２（ｂ）のパターンを理想的な（ａ）に近づけるための処理の概要を図３のフローチャートに示す。この処理は図１の演算装置１７の中のＲＯＭに格納されたプログラムに基づいて実行するものである。基本的な考え方は、始めに熱発生率パターンをＥＧＲを利用して全気筒一律に大まかに調整したあと、気筒毎に制御可能な点火時期や噴射時期を用いて気筒による差を吸収するというものである。まず、ステップ３０１ではＥＧＲによって各気筒の熱発生率のピーク位置を例えば上死点後５〜１０度に移動させる。この処理の結果、熱発生率が図２（ｂ）のＣのようにピークを２つ持つパターンになった場合、ステップ３０２でＥＧＲと噴射時期を調整し、ピークが１つの左右対称な形に整形する。次に、ステップ３０３では点火時期を気筒別に制御し、各気筒のピーク位置を最適化する。最後に、ステップ３０４では噴射時期と吸気行程噴射率の調整によって各気筒の燃焼期間を最適化し、図２（ａ）のようなパターンを得る。また、熱発生率の理想的なパターンはエンジンの回転数や負荷によって若干異なるので理想的なパターンは数種類用意しておき運転状態に応じて切り換える。
【００１４】
図４は、ある気筒における熱発生率のピーク位置を計算する方法を示すフローチャートである。ステップ４０１では筒内圧センサの出力を、点火直後θ₁から爆発が終わって圧力が低下するときθ_nまで、クランク角度に同期してサンプリングし、Ｐ（θ₁），Ｐ（θ₂），・・・，Ｐ（θ_n）を得る。一例として、ｎは１０，θ_nは点火後６０度に設定する。次に、ステップ４０２では収集したサンプルデータを数１に当てはめて各サンプル角度に対する熱発生率Ｒ（θ₁），Ｒ(θ₂)，・・・，Ｒ(θ_n)を計算する。ステップ４０３では求めた熱発生率の最大値を与えるクランク角度θ_jを演算装置１７に記憶する。エンジンは間欠燃焼であるため、同じ気筒であっても筒内圧は爆発毎に異なる。記憶したクランク角度θ_jも雑音が重畳しており、一回の測定では十分な精度が得られないため、例えば１０爆発分の移動平均をピーク位置とする(ステップ４０４)。また、燃焼期間もピーク位置と同様にクランク角度に同期してサンプリングした筒内圧Ｐ(θ₁)，Ｐ(θ₂)，・・・，Ｐ（θ_n）から求める。これらを数１に当てはめて各サンプル角度に対する熱発生率Ｒ（θ₁），Ｒ（θ₂），・・・，Ｒ（θ_n）を計算する。結果が一定値以上になるクランク角度の範囲を燃焼期間とする。この場合も移動平均をとって爆発毎の差異の影響を除去する。
【００１５】
熱発生率をパターンとして求めるためには筒内圧のデータが１爆発について少なくても１０回程度は必要になる。１爆発の燃焼期間は３０度程度であり時間に換算すると６００rpm のアイドルでも約８.３ｍｓ程度である。演算装置１７の性能によっては爆発毎に筒内圧センサの出力を１０個以上サンプリングした上で熱発生率のピーク位置を計算するのは困難なことがある。そこで図５に示すように１爆発について一回だけサンプリングし、サンプリングするタイミングを少しずつ遅くすることによって等価的に１つの爆発の筒内圧データをサンプリングすることができる。図５でｎ＝１０とすると１０爆発で等価的に１つの爆発のデータがサンプリングできるので計算の負荷が１／１０に減少する。しかし、エンジンの過渡状態では誤差が大きくなるので、アイドル時や車速が一定であるときなど、エンジンの回転や負荷の変化が少ないときを選べば、精度低下は少なくなる。また、処理を簡略化するため筒内圧データのサンプリングと熱発生率の最適化はアイドル時や所定の運転状態に限定する方法もある。この場合、最適化したときの運転状態と異なる運転状態では誤差が多少増加する。
【００１６】
以下では図３のフローチャートで示した熱発生率を最適化する方法を順に具体的に述べる。
【００１７】
図６にＥＧＲ制御のフローチャートを示す。この処理は、図２（ｂ）のＡの燃焼速度が速すぎるパターンをＥＧＲ率を少しずつ大きくすることで燃焼速度を遅らせることが目的である。ここでは４気筒エンジンを仮定し、１気筒ずつ筒内圧から回転変動と熱発生率のピーク位置を計算する。ステップ６０１は初期化であり、１気筒ずつ以下の処理をする。ＥＧＲ率を増やし燃焼速度は遅らせることができるが図７に示すように、気筒によって異なるが筒内圧変動も増加する。変動が最も大きい気筒が、運転性，乗りごこちなどから決めた変動限界を超えない範囲でＥＧＲ率を増やす。また、筒内圧の変動はエンジンの回転変動としても測定できるので、クランク軸に取り付けた回転センサから変動を計算してもよい。ステップ６０２で筒内圧変動を評価して、所定値以上であればただちにこの処理を終わる。ステップ６０３では熱発生率パターンのピーク位置を計算する。ピーク位置が上死点後８度以上であればただちにこの処理を終わる(ステップ６０４)。ステップ６０５は次の気筒の評価に移るための処理である。全ての気筒の熱発生率パターンのピーク位置が上死点後例えば８ｄｅｇ以内であれば(ステップ６０６)、燃焼速度を遅らせるためにステップ６０７でＥＧＲ率を、例えば２％上げ、以上の処理を繰り返す。
【００１８】
上記ＥＧＲ制御の結果、図２（ｂ）のＣのようにピークが２つになった場合、図８のフローチャートで示す処理により、熱発生率のパターンを整える。ステップ８０１は初期化であり、１気筒ずつ以下の処理をする。まず、ステップ802で熱発生率を各クランク軸角度に対して計算する。ステップ８０３ではこれらのクランク軸角度に関する差分を計算する。ステップ８０４では前記差分の符号の変化を数える。すなわち、クランク軸角度に関して隣り合う差分を乗じ、結果が負であれば差分の符号変化に対応する。符号変化が複数個つまり熱発生率のピークが複数個あればステップ８０５でその気筒番号をメモリに記憶する。ステップ８０６で処理が次の気筒に移る。全ての気筒に対して熱発生率のピークの数を数え（ステップ８０７）、各気筒のピークの数が１つだけならこの処理を終わる(ステップ８０８)。ピークが２つ以上ある気筒が１つだけなら(ステップ８０９)、ステップ８１０でその気筒の噴射時期を、例えば２ｄｅｇ遅角させ、燃焼速度を上げることでピークを１つだけ持つパターンに整える。ピークが２つ以上ある気筒が２個以上あるときは気筒毎にパターンを整形するのは困難なので、ステップ８１１においてＥＧＲ率を、例えば２％減らして、全気筒の燃焼速度を一律に速める。これら一連の処理を所定の周期で繰り返す。
【００１９】
以上の処理で、各気筒の熱発生率のパターンは概ね図２（ａ）のような形に近づいたので、これからは気筒別にピーク位置や燃焼期間を制御してトルクや燃費が最適になるようにする。点火時期と噴射時期をパラメータとすると、各気筒の筒内圧の変動が一定になる等筒内圧変動線は図９のように描くことができる。気筒により燃料噴射装置などのばらつきにより、等筒内圧変動線の位置，大きさは異なるが、等筒内圧変動線の中心付近で運転すればエンジンの回転変動が最も少なく、また熱発生率から見てもほぼ理想的なパターンになっている。初期状態では気筒や噴射装置の個体差は不明なので点火時期，噴射時期ともに全気筒同一の設定であるが、まず図９では点火時期を調節し、各気筒毎にそれぞれの等筒内圧変動線の中心に近づける。次に図１０に示すように噴射時期を動かして燃焼期間を調整することにより、それぞれの等筒内圧変動線の中心付近で運転できるようにする。これにより図２（ａ）のような熱発生率のパターンを得ることができる。実際には点火時期や噴射時期をどのようにすれば筒内圧変動が少なくなるのかは明確ではないので、筒内圧変動を参照して点火時期や噴射時期を決めるのは困難である。そこで、気筒別に点火時期や噴射時期を操作して熱発生率のピーク位置や燃焼期間を所定のパターンに制御することで、燃費・排気が改善するとともに筒内圧変動も小さくなる。
【００２０】
図１１は点火時期制御の手順を示すフローチャートである。ステップ１１０１は１気筒ずつ処理するための初期化である。ステップ１１０２では筒内圧変動が所定値より大きいときにはただちに処理を終了する。ステップ１１０３では熱発生率のピーク位置を計算する。その気筒のピークの位置が燃焼期間が適当な範囲にあればその気筒については何もしない（ステップ１１０４）。ピークの位置が遅いとき（ステップ１１０７）は、ステップ１１０８で点火時期を一定角度（例えば１ｄｅｇ）だけ進角し、逆に早すぎるときはステップ１１０６で一定角度（例えば１ｄｅｇ）だけ遅角する。この処理を繰り返すことによって、全気筒のピーク位置を適当な範囲に納めることができる。ステップ１１０９で次の気筒の処理に移る。全ての気筒に関してピーク位置が適当な範囲に入ると、ステップ１１１０を通過して処理が終了する。
【００２１】
燃焼期間と噴射時期との間には、図１２のような単調な関係がある。図１３のフローチャートに示した処理はこのことを利用して燃焼期間を調整するものである。ステップ１３０１は、１気筒ずつ処理するための初期化である。ステップ１３０２では筒内圧変動を評価し、所定値より大きいときには、ただちに処理を終了する。筒内圧変動が前記所定値以下であるとき、ステップ１３０３では各気筒の燃焼時間を、熱発生率が一定値以上であるクランク角度の期間として求める。得られた燃焼期間が適当な範囲にあればその気筒については何もしない（ステップ１３０４）。燃焼期間が短いとき(ステップ１３０５)は、ステップ１３０６でその気筒の噴射時期を一定角度（例えば１ｄｅｇ）だけ遅角し、長いときは（ステップ１３０７）ステップ１３０８で一定角度（例えば１ｄｅｇ）だけ進角する。この処理を繰り返すことによって全気筒の燃焼時間を適当な範囲に納めることができる。ステップ１３０９で次の気筒の処理に移る。全ての気筒の燃焼期間が適当な範囲に入るとステップ１３１０を通過して処理が終了する。
【００２２】
筒内噴射エンジンでは、燃費・排気や着火性の向上のため燃料の噴射を二回に分け、通常の圧縮行程に加えて吸気行程でも噴射することがある。１サイクルで噴射する燃料量のうち、吸気行程で噴射する燃料量の割合を吸気行程噴射率ということにすると、燃焼期間と吸気行程噴射率には、図１４に示すような単調な関係がある。この関係に基づいて図１５に示すような処理をする。ステップ1501は１気筒ずつ処理するための初期化である。ステップ１５０２では筒内圧変動を評価し、所定値より大きいときにはただちに処理を終了する。筒内圧変動が前記所定値以下であるとき、ステップ１５０３では各気筒の燃焼時間を熱発生率が一定値以上であるクランク角度の期間として求める。得られた燃焼期間が適当な範囲にあればその気筒については何もしない（ステップ１５０４）。燃焼期間が短いとき（ステップ１５０５）はステップ１５０６でその気筒の吸気行程噴射率を一定値（例えば５％）だけ増加し、長いときは（ステップ１５０７）、ステップ１５０８で一定角値（例えば５％）だけ減少する。この処理を繰り返すことによって、全気筒の燃焼期間を適当な範囲に納めることができる。ステップ１５０９で次の気筒の処理に移る。全ての気筒に関して燃焼期間が適当な範囲に入るとステップ１５１０を通過して処理が終了する。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、クランク角度に対する熱発生率、すなわち燃焼パターンの波形の広がり幅やピーク位置を操作して、エンジン性能を大きく左右する燃焼期間を気筒毎に直接制御することができる。これにより、燃費や排気を改善し、またエンジンや気筒の個体差や経年変化等に対しても燃費や排気の悪化を防ぐことができ、最適な燃焼制御が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエンジン燃焼制御装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】燃焼の評価指標となる熱発生率をクランク角度毎にみたパターンである。
【図３】熱発生率を最適化する手順を説明するフローチャートである。
【図４】熱発生率のピーク位置を計算する手順を説明するフローチャートである。
【図５】筒内圧センサのデータをサンプリングする方法を示す説明図である。
【図６】熱発生率のパターンを改善するＥＧＲ制御の手順を説明するフローチャートである。
【図７】ＥＧＲ率と回転変動との関係を気筒毎に示す説明図である。
【図８】熱発生率のパターンを整形する手順を説明するフローチャートである。
【図９】点火時期を気筒毎に定める方法についての説明図である。
【図１０】噴射時期を気筒毎に定める方法についての説明図である。
【図１１】気筒別点火時期制御の手順を説明するフローチャートである。
【図１２】噴射時期と燃焼期間の関係を示す説明図である。
【図１３】気筒別噴射時期制御の手順を説明するフローチャートである。
【図１４】吸気行程噴射率と燃焼期間の関係を示す説明図である。
【図１５】気筒別の吸気行程噴射率制御の手順を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…ピストン、３…シリンダ、４…燃焼室、５…吸気弁、６…排気弁、７…燃料噴射装置、８…点火装置、９…筒内圧センサ、１０…クランク軸、１１…回転センサ、１２…排気管、１３…環流路、１４…吸気管、１５…スロットル弁、１６…ＥＧＲ弁、１７…演算装置、１８…点火装置制御回路、１９…ＥＧＲ制御回路、２０…噴射装置制御回路。

Claims

エンジンの燃焼に伴う気筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、前記筒内圧力検出手段よりの出力に基づき気筒のクランク軸の角度に対する熱発生率を算定する手段と、前記熱発生率算定手段により求められた気筒内燃焼状態パターンを予め定められた波形パターンになるように点火時期または、燃料噴射時期または、吸気行程における燃料噴射量の割合または、気筒内ガス流動制御量または、ＥＧＲ制御量または、吸気バルブタイミング制御量または、排気バルブタイミング制御量の少なくてもいずれかに関する値を制御する制御手段を有するエンジン燃焼制御装置であって、
前記筒内燃焼状態波形パターンが予め定める定常運転状態範囲内にあるときに、
前記筒内圧力検出手段よりの信号波形を所定回転毎に所定クランク角度ずつずらしてサンプリングすると共に、前記エンジンの点火時期から所定角度分の前記波形パターンを全体として再構成することを特徴とするエンジン燃焼制御装置。
請求項１に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記筒内燃焼状態波形パターンは、前記エンジンがアイドル状態にあるときにサンプリングすることを特徴とするエンジン燃焼制御装置。
請求項１に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記筒内燃焼状態波形パターンは、前記アイドル状態にあるときのサンプリングに基づき予め定常運転状態相当とすることを特徴とするエンジン燃焼制御装置。
請求項１に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記予め定められた波形パターンは、アイドル状態にあるときと予め定めた定常運転範囲内にあるときとではそれぞれ別に有することを特徴とするエンジン燃焼制御装置。
請求項１に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記予め定められた波形パターンはピーク位置に対して左右対称であることを特徴とするエンジン燃焼制御装置。
請求項５に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記予め定められた波形パターンは、ピーク位置がクランク軸の角度で上死点後３度から１５度であり、前記パターンが所定値以上である幅がクランク軸の角度で上死点後２０度から４０度であることを特徴とするエンジン燃焼制御装置。