JP4491739B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の回転速度を算出する内燃機関の制御装置に関するものである。
一般に、エンジン（内燃機関）の制御システムでは、エンジン運転状態を把握するために所定周期でエンジン回転速度を算出しており、例えば、特許文献１（特許第３４９０５４１号公報）に記載されているように、エンジンのクランク軸が所定クランク角回転する毎にセンサから出力される各パルス信号の時刻差を演算し、エンジンの１行程分（つまり１８０℃Ａ分）に相当する一定個数の時刻差を総和した総和演算値（つまり１行程に要した時間）に基づいてエンジン回転速度を演算することで、１行程中のパルス信号の発生頻度の疎密（パルス信号発生周期の変動）の影響を平均化したエンジン回転速度を求めるようにしたものがある。
特許第３４９０５４１号公報（第１頁等）
近年、エンジンの燃費、排気エミッション、ドライバビリティ等を更に向上させるために、エンジンの燃焼状態や発生トルクを精度良く制御することが要求されるようになってきており、これを実現するには、実際の燃焼状態や発生トルクを精度良く把握する必要がある。
一般に、エンジンの燃焼状態に応じて発生トルクが変化してエンジン回転速度が変化するため、エンジン回転速度は燃焼状態や発生トルクを評価する情報となる。しかし、上記特許文献１の技術では、１行程中のパルス信号の発生頻度の疎密（燃焼状態や発生トルクの変化によるエンジン回転変動）の影響を平均化したエンジン回転速度を求めるため、燃焼状態や発生トルクとエンジン回転速度との相関性が低くなってしまう。エンジンの燃焼状態や発生トルクを制御する際に、燃焼状態や発生トルクとの相関性が低いエンジン回転速度を燃焼状態や発生トルクの情報として用いたのでは、エンジンの燃焼状態や発生トルクを精度良く制御することができない。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、内燃機関の燃焼状態や発生トルクとの相関性が高い内燃機関の回転速度を算出することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
内燃機関の点火時期に応じて燃焼期間が変化することを考慮して、請求項１に係る発明は、内燃機関の点火時期の直後に所定の回転速度算出区間を設定する手段を備え、該手段で設定した所定の回転速度算出区間におけるクランク軸の角速度情報に基づいて内燃機関の回転速度を算出するようにしたものである。このように点火時期を基準にして回転速度算出区間を設定すれば、点火時期に応じて燃焼期間が変化するのに対応して回転速度算出区間を変化させることができ、点火時期に左右されずに燃焼状態や発生トルクとの相関性が高い内燃機関の回転速度を算出することができる。
一般に、内燃機関の制御システムには、クランク軸が所定クランク角回転する毎にクランク角信号を出力するクランク角センサが設けられているため、請求項２のように、クランク角センサのクランク角信号に基づいて回転速度算出区間におけるクランク軸の角速度情報を算出するようにすると良い。クランク角センサのクランク角信号を用いれば、回転速度算出区間におけるクランク軸の角速度情報（例えば、クランク軸が回転速度算出区間を回転するのに要した時間）を精度良く算出することができる。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。
更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、エンジン１１のクランク軸２７が所定クランク角（例えば６℃Ａ）回転する毎にクランク角信号（パルス信号）を出力するクランク角センサ２８が取り付けられている。ここで、「℃Ａ」はクランク角を表す単位であり、一般的な角度の単位である「°」と同次元の単位である。このクランク角センサ２８のクランク角信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御する。
その際、ＥＣＵ２９は、後述する図３のエンジン回転速度算出プログラムを実行することで、エンジン１１の各気筒の燃焼ＴＤＣ（燃焼行程の上死点）付近に設定された所定の回転速度算出区間（燃焼ＴＤＣの前後に渡って設定された回転速度算出区間又は燃焼ＴＤＣの直後に設定された回転速度算出区間）におけるクランク軸２７の角速度情報（例えば、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した時間）を算出し、その角速度情報に基づいてエンジン回転速度を算出する。
エンジン１１は、燃焼ＴＤＣ付近で混合気の燃焼を発生させ、その燃焼状態に応じてトルクが発生し、その発生トルクに応じてクランク軸２７の角加速度（角速度の変化量）が変化する（図５参照）ため、燃焼ＴＤＣ付近に設定された回転速度算出区間におけるクランク軸２７の角速度情報は、燃焼状態や発生トルクを精度良く反映した情報となり、その角速度情報に基づいてエンジン回転速度を算出することで、エンジン１１の燃焼状態や発生トルクとの相関性が高いエンジン回転速度を算出する。
具体的には、まず、図２に示すように、クランク軸２７が３０℃Ａ回転する毎に、クランク角センサ２８のクランク角信号に基づいてクランク軸２７が３０℃Ａ回転するのに要した時間Ｔ３０を算出する。ここで、燃焼ＴＤＣ前３０℃Ａから燃焼ＴＤＣまでのクランク角範囲におけるＴ３０をＴ３０(1) とし、燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａまでのクランク角範囲におけるＴ３０をＴ３０(2) とする。更に、燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後６０℃Ａまでのクランク角範囲におけるＴ３０をＴ３０(3) とし、燃焼ＴＤＣ後６０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後９０℃Ａまでのクランク角範囲におけるＴ３０をＴ３０(4) とする。
この後、後述するエンジン１１の気筒数に応じた方法により、エンジン１１の燃焼行程毎に、燃焼ＴＤＣ付近のＴ３０(1) 〜Ｔ３０(4) を用いて、燃焼ＴＤＣ付近に設定された回転速度算出区間におけるクランク軸２７の角速度情報として、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］を算出し、この区間回転時間Ｔx をエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］に変換する。
《８気筒エンジン》
(a) ８気筒エンジン（燃焼間隔が９０℃Ａ）の場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａまでの３０℃Ａのクランク角範囲に設定して、回転速度算出区間を燃焼間隔よりも短くする。
(a) ８気筒エンジン（燃焼間隔が９０℃Ａ）の場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａまでの３０℃Ａのクランク角範囲に設定して、回転速度算出区間を燃焼間隔よりも短くする。
この場合、燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後３０℃ＡまでのＴ３０(2) を、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］とする。
Ｔx ＝Ｔ３０(2)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／３０）
Ｔx ＝Ｔ３０(2)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／３０）
(b) また、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後６０℃Ａまでの３０℃Ａのクランク角範囲に設定しても良い。
この場合、燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後６０℃ＡまでのＴ３０(3) を、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］とする。
Ｔx ＝Ｔ３０(3)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／３０）
Ｔx ＝Ｔ３０(3)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／３０）
《４気筒エンジン又は６気筒エンジン》
(c) ４気筒エンジン（燃焼間隔が１８０℃Ａ）又は６気筒エンジン（燃焼間隔が１２０℃Ａ）の場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後６０℃Ａまでの６０℃Ａのクランク角範囲に設定して、回転速度算出区間を燃焼間隔よりも短くする。
(c) ４気筒エンジン（燃焼間隔が１８０℃Ａ）又は６気筒エンジン（燃焼間隔が１２０℃Ａ）の場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後６０℃Ａまでの６０℃Ａのクランク角範囲に設定して、回転速度算出区間を燃焼間隔よりも短くする。
この場合、燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後３０℃ＡまでのＴ３０(2) と、燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後６０℃ＡまでのＴ３０(3) とを加算して、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］を求める。
Ｔx ＝Ｔ３０(2) ＋Ｔ３０(3)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／６０）
Ｔx ＝Ｔ３０(2) ＋Ｔ３０(3)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／６０）
(d) また、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣ前３０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａまでの６０℃Ａのクランク角範囲に設定しても良い。
この場合、燃焼ＴＤＣ前３０℃Ａから燃焼ＴＤＣまでのＴ３０(1) と、燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後３０℃ＡまでのＴ３０(2) とを加算して、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］を求める。
Ｔx ＝Ｔ３０(1) ＋Ｔ３０(2)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／６０）
Ｔx ＝Ｔ３０(1) ＋Ｔ３０(2)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／６０）
(e) 尚、４気筒エンジン又は６気筒エンジンの場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後９０℃Ａまでの９０℃Ａのクランク角範囲に設定して、回転速度算出区間を燃焼間隔よりも短くしても良い。
この場合、燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後３０℃ＡまでのＴ３０(2) と、燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後６０℃ＡまでのＴ３０(3) と、燃焼ＴＤＣ後６０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後９０℃ＡまでのＴ３０(4) とを加算して、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］を求める。
Ｔx ＝Ｔ３０(2) ＋Ｔ３０(3) ＋Ｔ３０(4)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／９０）
Ｔx ＝Ｔ３０(2) ＋Ｔ３０(3) ＋Ｔ３０(4)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／９０）
(f) また、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣ前３０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後６０℃Ａまでの９０℃Ａのクランク角範囲に設定しても良い。
この場合、燃焼ＴＤＣ前３０℃Ａから燃焼ＴＤＣまでのＴ３０(1) と、燃焼ＴＤＣから燃焼ＴＤＣ後３０℃ＡまでのＴ３０(2) と、燃焼ＴＤＣ後３０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後６０℃ＡまでのＴ３０(3) とを加算して、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］を求める。
Ｔx ＝Ｔ３０(1) ＋Ｔ３０(2) ＋Ｔ３０(3)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／９０）
Ｔx ＝Ｔ３０(1) ＋Ｔ３０(2) ＋Ｔ３０(3)
この区間回転時間Ｔx ［ｓ］を用いてエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を次式により算出する。
ＮＥ＝６０／（Ｔx ×３６０／９０）
尚、回転速度算出区間は、適宜変更しても良く、例えば、８気筒エンジンの場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣ前１０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後２０℃Ａまでの３０℃Ａのクランク角範囲に設定しても良い。また、４気筒エンジンや６気筒エンジンの場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣ前１０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後５０℃Ａまでの６０℃Ａのクランク角範囲に設定したり、或は、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣ前１０℃Ａから燃焼ＴＤＣ後８０℃Ａまでの９０℃Ａのクランク角範囲に設定しても良い。
以上説明したエンジン回転速度の算出は、ＥＣＵ２９によって図３のエンジン回転速度算出プログラムに従って実行される。以下、このプログラムの処理内容を説明する。
図３に示すエンジン回転速度算出プログラムは、ＥＣＵ２９の電源オン中に所定周期で実行され、特許請求の範囲でいう回転速度算出手段としての役割を果たす。
図３に示すエンジン回転速度算出プログラムは、ＥＣＵ２９の電源オン中に所定周期で実行され、特許請求の範囲でいう回転速度算出手段としての役割を果たす。
本プログラムが起動されると、まず、ステップ１０１で、クランク軸２７が３０℃Ａ回転する毎に、クランク角センサ２８のクランク角信号に基づいてクランク軸２７が３０℃Ａ回転するのに要した時間Ｔ３０を算出する。
この後、ステップ１０２に進み、エンジン１１の燃焼行程毎に、燃焼ＴＤＣ付近のＴ３０(1) 〜Ｔ３０(4) を用いて、燃焼ＴＤＣ付近に設定された回転速度算出区間におけるクランク軸２７の角速度情報として、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］を算出する。
この後、ステップ１０３に進み、エンジン１１の燃焼行程毎に、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した区間回転時間Ｔx ［ｓ］をエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］に変換する。
従来のエンジン回転速度の算出方法では、図４に点線で示すように、エンジン１１の燃焼状態や発生トルクの変化によるエンジン回転変動の影響を平均化したエンジン回転速度を算出するため、エンジン１１の燃焼状態や発生トルクとエンジン回転速度との相関性が低くなってしまう。
これに対して、本実施例では、図４に実線で示すように、エンジン１１の各気筒の燃焼ＴＤＣ付近に設定された回転速度算出区間（燃焼ＴＤＣの前後に渡って設定された回転速度算出区間又は燃焼ＴＤＣの直後に設定された回転速度算出区間）におけるクランク軸２７の角速度情報（例えば、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した時間）を算出し、その角速度情報に基づいてエンジン回転速度を算出するようにしたので、エンジン１１の燃焼状態や発生トルクとの相関性が高いエンジン回転速度を算出することができる。これにより、エンジン１１の燃焼状態や発生トルクを制御する際に、燃焼状態や発生トルクとの相関性が高いエンジン回転速度を燃焼状態や発生トルクの情報として用いることができ、エンジン始動時や過渡運転時等の発生トルクが急変する状況下においても、エンジン１１の発生トルクを精度良く制御することができる。
また、本実施例では、８気筒エンジン（燃焼間隔が９０℃Ａ）の場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣの直後の３０℃Ａのクランク角範囲や燃焼ＴＤＣの前後に渡る３０℃Ａのクランク角範囲に設定するようにしたので、燃焼間隔が比較的短い８気筒エンジンの場合でも、回転速度算出区間を燃焼間隔よりも短くして、前後の燃焼行程の影響を受けずに、今回の燃焼行程の燃焼状態や発生トルクとの相関性が高いエンジン回転速度を算出することができる。
更に、本実施例では、４気筒エンジン（燃焼間隔が１８０℃Ａ）や６気筒エンジン（燃焼間隔が１２０℃Ａ）の場合には、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣの直後の６０℃Ａ又は９０℃Ａのクランク角範囲や、燃焼ＴＤＣの前後に渡る６０℃Ａ又は９０℃Ａのクランク角範囲に設定するようにしたので、回転速度算出区間を燃焼間隔よりも短くして、前後の燃焼行程の影響を受けずに、今回の燃焼行程の燃焼状態や発生トルクとの相関性が高いエンジン回転速度を算出しながら、回転速度算出区間を適度に長くして、エンジン回転速度の算出精度を向上させることができる。
尚、４気筒エンジンや６気筒エンジンの場合に、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣの直後の３０℃Ａのクランク角範囲や燃焼ＴＤＣの前後に渡る３０℃Ａのクランク角範囲に設定したり、或は、８気筒エンジンの場合に、回転速度算出区間を燃焼ＴＤＣの直後の６０℃Ａのクランク角範囲や燃焼ＴＤＣの前後に渡る６０℃Ａのクランク角範囲に設定しても良い等、回転速度算出区間は、上記実施例で説明したクランク角範囲に限定されず、適宜変更しても良い。
また、上記実施例では、燃焼ＴＤＣを基準にしたクランク角範囲で回転速度算出区間を設定するようにしたが、点火時期を基準にして点火時期の直後のクランク角範囲（例えば、点火時期から点火時期後３０℃Ａまでのクランク角範囲や、点火時期後３０℃Ａから点火時期後６０℃Ａまでのクランク角範囲等）で回転速度算出区間を設定するようにしても良い。このようにすれば、点火時期に応じて燃焼期間が変化するのに対応して回転速度算出区間を変化させることができ、点火時期に左右されずに燃焼状態や発生トルクとの相関性が高いエンジン回転速度を算出することができる。
また、上記実施例では、回転速度算出区間におけるクランク軸２７の角速度情報として、クランク軸２７が回転速度算出区間を回転するのに要した時間を用いてエンジン回転速度ＮＥを算出するようにしたが、回転速度算出区間におけるクランク軸２７の角速度や角加速度を用いてエンジン回転速度ＮＥを算出するようにしても良い。
また、本発明の適用範囲は、４気筒エンジンと６気筒エンジンと８気筒エンジンに限定されず、他の気筒数のエンジン（例えば、３気筒エンジン、５気筒エンジン、１０気筒エンジン、１２気筒エンジン等）に本発明を適用しても良い。
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、２７…クランク軸、２８…クランク角センサ、２９…ＥＣＵ（回転速度算出手段）
Claims (2)
- 内燃機関の点火時期の直後に所定の回転速度算出区間を設定する手段を備え、該手段で設定した所定の回転速度算出区間におけるクランク軸の角速度又はそれに相関する情報に基づいて内燃機関の回転速度を算出する回転速度算出手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
- 前記クランク軸が所定クランク角回転する毎にクランク角信号を出力するクランク角センサを備え、
前記回転速度算出手段は、前記クランク角信号に基づいて前記回転速度算出区間におけるクランク軸の角速度又はそれに相関する情報を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
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