JP4615501B2

JP4615501B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4615501B2
Application number: JP2006310903A
Authority: JP
Inventors: 山口　　聡; 衛長谷川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: JP2007309309A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に内燃機関の燃焼状態に応じた燃料噴射制御を行うものに関する。

特許文献１には、内燃機関の燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出し、検出した筒内圧に基づいて算出される熱発生率に基づいて、内燃機関の燃焼制御を行う装置が示されている。より具体的には、所定クランク角度毎に算出される熱発生率の変化パターンが、所定の理想的な変化パターンとなるように、燃料噴射時期、点火時期、及び排気還流量が制御される。

特開２０００−５４８８９号公報

ディーゼル内燃機関の燃焼制御では、機関運転状態によって燃料噴射モードを変更することが行われる。すなわち、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う第１噴射モード、主噴射のみを行う第２噴射モード、または予混合燃焼を行う第３噴射モードが、機関運転状態に応じて選択され、選択された燃料噴射モードにしたがって燃料噴射が実行される。したがって、望ましい熱発生率の変化パターンは１通りではなく、機関運転状態によって大きく異なる。
上記従来の燃焼制御装置は、ガソリン内燃機関の制御を行うものであるため、このような燃料噴射モードの違いが考慮されておらず、改善の余地があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、機関運転状態に応じて燃料噴射モードを決定し、燃料噴射を行う場合に、燃料噴射制御をより適切に実行し、排気特性及び燃焼状態を良好に維持することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、ディーゼル内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段（６）を備えた内燃機関（１）の制御装置において、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段（３）と、前記機関の要求トルク（ＴＲＱ）を検出する要求トルク検出手段（３３）と、検出される機関回転数（ＮＥ）及び要求トルク（ＴＲＱ）に応じて、前記燃料噴射手段による燃料噴射モードを決定する燃料噴射モード決定手段と、前記機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段（２）と、検出される筒内圧（ＰＣＹＬ）に基づいて、前記機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータ（ＲＯＨＲ）を算出する燃焼状態パラメータ算出手段と、検出される機関回転数及び要求トルクに応じて目標変化パターンマップを検索することにより、前記燃焼状態パラメータの目標変化パターン（ＰＡＯＢＪＤＥＴ）を設定する目標変化パターン設定手段と、前記燃焼状態パラメータ算出手段により算出される燃焼状態パラメータの変化パターンと前記目標変化パターン（ＰＡＯＢＪＤＥＴ）との比較結果（ＥＲ）及び前記燃料噴射モードに応じて、前記燃料噴射手段（６）を制御する燃料噴射制御手段とを備え、前記燃料噴射モード決定手段は、主噴射及びパイロット噴射を行う第１噴射モード、主噴射のみ行う第２噴射モード、または予混合燃焼を行う第３噴射モードの何れかを、検出される機関回転数（ＮＥ）及び要求トルク（ＴＲＱ）に応じて選択し、前記目標変化パターン設定手段は、検出される機関回転数（ＮＥ）及び要求トルク（ＴＲＱ）によって決まる検出作動点（ＰＤＥＴ）を囲む、前記目標変化パターンマップ上の４つ格子点（Ｐ１〜Ｐ４）に対応する目標変化パターンを検索し、該４つの目標変化パターンに基づいて前記目標変化パターン（ＰＡＯＢＪＤＥＴ）を算出し、前記目標変化パターンマップは、前記第１、第２、及び第３噴射モードのそれぞれに対応して設定されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関の排気の一部を吸気系に還流する排気還流手段（２６，２７）と、該排気還流手段による排気還流量を制御する排気還流制御手段とを備え、該排気還流制御手段は、前記燃焼状態パラメータ算出手段により算出される燃焼状態パラメータの変化パターンと前記目標変化パターン（ＰＡＯＢＪＤＥＴ）との比較結果（ＥＲ）に応じて前記排気還流量の制御を行うことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、検出される機関回転数及び要求トルクに応じて燃料噴射モードが決定され、検出される筒内圧に基づいて、機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータが算出されるとともに、検出される機関回転数及び要求トルクに応じて目標変化パターンマップを検索することにより、燃焼状態パラメータの目標変化パターンが設定される。そして検出筒内圧に基づく燃焼状態パラメータの変化パターンと目標変化パターンとの比較結果及び燃料噴射モードに応じて、燃料噴射制御が行われる。より具体的には、主噴射及びパイロット噴射を行う第１噴射モード、主噴射のみ行う第２噴射モード、または予混合燃焼を行う第３噴射モードの何れかが、検出される機関回転数及び要求トルクに応じて選択され、検出される機関回転数及び要求トルクによって決まる検出作動点を囲む、目標変化パターンマップ上の４つ格子点に対応する目標変化パターンが検索され、該４つの目標変化パターンに基づいて目標変化パターンが算出され、目標変化パターンマップは、第１、第２、及び第３噴射モードのそれぞれに対応して設定されている。したがって、機関回転数及び要求トルクに応じて選択される燃料噴射モードに対応して目標変化パターンが設定され、実際の燃焼状態パラメータの変化パターンを、各燃料噴射モードに適した目標変化パターンに一致させることができ、排気特性及び燃焼状態を良好に維持することができる。

請求項２に記載の発明によれば、検出筒内圧に基づく燃焼状態パラメータの変化パターンと目標変化パターンとの比較結果に応じて排気還流量の制御が行われるので、過不足のない排気還流量の制御を実行し、排気特性及び燃焼状態を良好に維持することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。以下両図を合わせて参照して説明する。４気筒を有する内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４に電気的に接続されており、燃料噴射弁６の開弁時間及び開弁時期は、ＥＣＵ４により制御される。

エンジン１は、吸気管２２、排気管２４、及び過給機２８を備えている。過給機２８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン３０と、タービン３０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ２９とを備えている。
タービン３０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン３０のベーン開度は、ＥＣＵ４により電磁的に制御される。

吸気管２２内の、コンプレッサ２９の下流には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ２５が設けられている。
排気管２４のタービン３０の上流側と、吸気管２２との間には、排気を吸気管２２に還流する排気還流通路２６が設けられている。排気還流通路２６には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）２７が設けられている。ＥＧＲ弁２７は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ４により制御される。

吸気管２２には吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ３１が設けられており、その検出信号は、ＥＣＵ４に供給される。
エンジン１の各気筒には、筒内圧（燃焼圧力）を検出する筒内圧センサ２が設けられている。本実施形態では、筒内圧センサ２は、各気筒に設けられるグロープラグと一体に構成されている。筒内圧センサ２の検出信号は、ＥＣＵ４に供給される。なお、筒内圧センサ２の検出信号は、実際には、筒内圧ＰＣＹＬのクランク角度（時間）に対する微分信号に相当するものであり、筒内圧ＰＣＹＬは、筒内圧センサ出力を積分することにより得られる。

またエンジン１には、クランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ３が設けられている。クランク角度位置センサ３は、クランク角１度毎にパルスを発生し、そのパルス信号はＥＣＵ４に供給される。クランク角度位置センサ３は、さらに特定気筒の所定クランク角度位置で気筒識別パルスを生成して、ＥＣＵ４に供給する。

ＥＣＵ４には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ３３、エンジン１の冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ３４、エンジン１の吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ３５、過給機２８より下流側における吸気管内圧力（過給圧）ＰＢを検出する過給圧センサ（図示せず）、及び当該車両の車速ＶＰを検出する車速センサ（図示せず）が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ４に供給される。

ＥＣＵ４は、エンジン１の各気筒の燃焼室に設けられた燃料噴射弁６の制御信号を駆動回路５に供給する。駆動回路５は、燃料噴射弁６に接続されており、ＥＣＵ４から供給される制御信号に応じた駆動信号を、燃料噴射弁６に供給する。これにより、ＥＣＵ４から出力される制御信号に応じた燃料噴射時期において、前記制御信号に応じた燃料噴射量だけ燃料が、各気筒の燃焼室内に噴射される。

ＥＣＵ４は、増幅器１０と、Ａ／Ｄ変換部１１と、パルス生成部１３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４と、ＣＰＵ１４で実行されるプログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）１５と、ＣＰＵ１４が演算結果などを格納するＲＡＭ（Random Access Memory）１６と、入力回路１７と、出力回路１８とを備えている。筒内圧センサ２の検出信号は、増幅器１０に入力される。増幅器１０は、入力される信号を増幅する。増幅器１０により増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換部１１に入力される。また、クランク角度位置センサ３から出力されるパルス信号は、パルス生成部１３に入力される。

Ａ／Ｄ変換部１１は、バッファ１２を備えており、増幅器１０から入力される筒内圧センサ出力をディジタル値（以下「圧力変化率」という）ｄｐ／ｄθに変換し、バッファ１２に格納する。より具体的には、Ａ／Ｄ変換部１１には、パルス生成部１３から、クランク角１度周期のパルス信号（以下「１度パルス」という）ＰＬＳ１が供給されており、この１度パルスＰＬＳ１の周期で筒内圧センサ出力をサンプリングし、ディジタル値に変換してバッファ１２に格納する。

一方、ＣＰＵ１４には、パルス生成部１３から、クランク角６度周期のパルス信号ＰＬＳ６が供給されており、ＣＰＵ１４はこの６度パルスＰＬＳ６の周期でバッファ１２に格納されたディジタル値を読み出す処理を行う。すなわち、本実施形態では、Ａ／Ｄ変換部１１からＣＰＵ１４に対して割り込み要求を行うのではなく、ＣＰＵ１４が６度パルスＰＬＳ６の周期で読出処理を行う。

入力回路１７は、各種センサの検出信号をディジタル値に変換し、ＣＰＵ１４に供給する。なお、エンジン回転数ＮＥは、６度パルスＰＬＳの周期から算出される。またエンジン１の要求トルクＴＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出される。

ＣＰＵ１４は、エンジン運転状態に応じて、目標排気還流量ＧＥＧＲを算出し、実際の排気還流量が目標排気還流量ＧＥＧＲと一致するようにＥＧＲ弁２７の開度を制御するデューティ制御信号を、出力回路１８を介してＥＧＲ弁２７に供給する。

図３は、燃料噴射制御及び排気還流制御を行う制御モジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は、実際にはＣＰＵ１４で実行される処理により実現される。

図３に示す制御モジュールは、基本制御量算出部５１と、目標変化パターン設定部５２と、熱発生率算出部５３と、比較部５４と、補正部５５とを備えている。
基本制御量算出部５１は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてマップを検索することにより、燃料噴射モードを決定するとともに、基本燃料噴射時期ＣＡＩＢ、基本燃料噴射量ＱＩＢ、及び基本排気還流量ＧＥＢを算出する。

図４は、燃料噴射モードの決定を行うためのマップを示す図であり、領域Ｒ１では主噴射に先立ってパイロット噴射を行う第１噴射モードが選択され、領域Ｒ２では主噴射のみを行う第２噴射モードが選択され、領域Ｒ３では予混合燃焼を行う第３噴射モードが選択される。

第１噴射モードが選択されたときは、基本燃料噴射時期として基本パイロット噴射時期ＣＡＩＰＢ及び基本主噴射時期ＣＡＩＭＢが算出され、基本燃料噴射量として基本パイロット噴射量ＱＩＰＢ及び基本主噴射量ＱＩＭＢが算出される。

目標変化パターン設定部５２は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて目標変化パターンマップを検索して、熱発生率ＲＯＨＲの目標変化パターンＰＡＯＢＪを設定する。具体的には、図５に示すように、検出されたエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱによって決まる検出作動点ＰＤＥＴを囲む４つの格子点Ｐ１〜Ｐ４に対応して設定された目標変化パターンＰＡＯＢＪ１〜ＰＡＯＢＪ４に基づいて、検出作動点ＰＤＥＴに対応する目標変化パターンＰＡＯＢＪＤＥＴを算出する。各格子点Ｐ１〜Ｐ４に対応して、図６（ａ）及び（ｃ）に実線で示すような目標変化パターンＰＡＯＢＪ１〜ＰＡＯＢＪ４が、クランク角７２０度の期間に対応したものが予めＲＯＭ１５に格納されている。なお、目標変化パターンのクランク角度期間は、圧縮上死点を含む３０度程度の期間まで短くしてもよい。また目標変化パターンＰＡＯＢＪは、第１〜第３噴射モードのそれぞれに対応して設定されている。検出作動点ＰＤＥＴが、図４に示す領域Ｒ１〜Ｒ３の境界線の近傍にあるときは、４つの格子点Ｐ１〜Ｐ４が１つの領域内に含まれず、いずれか２つ、あるいは３つに領域にまたがる場合がある。その場合には、４つの格子点に対応するデータを平均化したり、重み付けを行うなどの処理を行って、検出作動点ＰＤＥＴにおける目標変化パターンＰＡＯＢＪＤＥＴを設定する。

熱発生率算出部５３は、検出される筒内圧ＰＣＹＬを下記式（１）に適用し、熱発生率ＲＯＨＲを算出する。
ＲＯＨＲ＝κ／（κ−１）×ＰＣＹＬ×ｄＶ
＋１／（κ−１）×ＶＣＹＬ×ｄＰ（１）
ここで、κは混合気の比熱比、ＰＣＹＬは検出筒内圧、ｄＶは筒内容積増加率［ｍ³／ｄｅｇ］、ＶＣＹＬは気筒容積、ｄＰは筒内圧上昇率［ｋＰａ／ｄｅｇ］である。

比較部５４は、目標変化パターン設定部５２で設定された目標変化パターンＰＡＯＢＪＤＥＴと、式（１）により算出される熱発生率ＲＯＨＲの変化パターンとを比較し、その比較結果を示す偏差ＥＲを下記式（２）により算出する。
ＥＲ＝ＲＯＨＲ（ＣＡ）−ＲＯＨＲＯＢＪ（ＣＡ）（２）

ここでＲＯＨＲＯＢＪ（ＣＡ）は、目標変化パターンＰＡＯＢＪＤＥＴに対応する熱発生率であり、（ＣＡ）はクランク角度ＣＡの関数であることを示すために付されている。すなわち偏差ＥＲは、所定クランク角度毎に算出される。

図６（ａ）（ｃ）の破線は、熱発生率ＲＯＨＲの推移を示し、同図（ｂ）（ｄ）には、対応する偏差ＥＲの推移が示されている。なお、図６にはパイロット噴射を行う第１噴射モードによる燃料噴射が行われる例が示されている。
補正部５５は、例えば以下のような補正を行う。図６（ｂ）に示す偏差ＥＲ１とＥＲ２の比率ＲＥＲＰ（＝ＥＲ１／ＥＲ２）が所定比率ＲＥＲＰＴＨを超えたときは、パイロット噴射された燃料が着火しなかった（パイロット失火）と判定し、基本パイロット噴射量ＱＩＰＢを増加方向に補正して、パイロット噴射量ＱＩＮＪＰを算出する。

また偏差ＥＲ３とＥＲ４の比率ＲＥＲＭ（＝ＥＲ３／ＥＲ４）が所定比率ＲＥＲＭＴＨを超えたときは、燃焼状態が不安定となっていると判定し、基本排気還流量ＧＥＢを減少方向に補正して、目標排気還流量ＧＥＧＲを算出する。

図６（ｄ）に示す例では、偏差ＥＲ１２の絶対値が所定値ＥＲＴＨを超えているので、パイロット噴射した燃料が異常燃焼したと判定し、基本パイロット噴射量ＱＩＰＢを減少方向に補正して、パイロット噴射量ＱＩＮＪＰを算出するか、若しくは基本パイロット噴射時期ＣＡＩＰＢをリタード補正して、パイロット噴射時期ＣＡＩＮＪＰを算出する。

さらに偏差ＥＲと、偏差ＥＲ＝０の線とで囲まれる領域の面積、及び面積の比率に応じて、基本排気還流量ＧＥＢ、基本燃料噴射時期ＣＡＩＢ、及び基本燃料噴射量ＱＩＢを補正することにより、目標排気還流量ＧＥＧＲ、燃料噴射時期ＣＡＩＮＪ、及び燃料噴射量ＱＩＮＪを算出するようにしてもよい。

本実施形態では、クランク角度位置センサ３及びアクセルセンサ３３がそれぞれ回転数検出手段及び要求トルク検出手段に相当し、燃料噴射弁６及び筒内圧センサ２がそれぞれ燃料噴射手段及び筒内圧検出手段に相当し、排気還流通路２６及び排気還流制御弁２７が排気還流手段に相当し、ＥＣＵ４が燃料噴射モード決定手段、燃焼状態パラメータ算出手段、目標変化パターン設定手段、燃料噴射制御手段、及び排気還流制御手段を構成する。

なお本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。図１に示す制御装置の一部の構成をより具体的に示す図である。燃料噴射制御及び排気還流制御を行うモジュールの構成を示すブロック図である。機関運転領域に応じた燃料噴射モードの設定を説明するための図である。燃焼状態パラメータの目標変化パターンの算出方法を説明するための図である。燃焼状態パラメータ（ＲＯＨＲ）及び目標変化パターンとの比較結果を示すタイムチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
３クランク角度位置センサ（回転数検出手段）
４電子制御ユニット（燃料噴射モード決定手段、燃焼状態パラメータ算出手段、目標変化パターン設定手段、燃料噴射制御手段、排気還流制御手段）
６燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２６排気還流通路（排気還流手段）
２７排気還流制御弁（排気還流手段）
３３アクセルセンサ（要求トルク検出手段）

Claims

ディーゼル内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えた内燃機関の制御装置において、
前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記機関の要求トルクを検出する要求トルク検出手段と、
検出される機関回転数及び要求トルクに応じて、前記燃料噴射手段による燃料噴射モードを決定する燃料噴射モード決定手段と、
前記機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
検出される筒内圧に基づいて、前記機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータを算出する燃焼状態パラメータ算出手段と、
検出される機関回転数及び要求トルクに応じて目標変化パターンマップを検索することにより、前記燃焼状態パラメータの目標変化パターンを設定する目標変化パターン設定手段と、
前記燃焼状態パラメータ算出手段により算出される燃焼状態パラメータの変化パターンと前記目標変化パターンとの比較結果及び前記燃料噴射モードに応じて、前記燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段とを備え、
前記燃料噴射モード決定手段は、主噴射及びパイロット噴射を行う第１噴射モード、主噴射のみ行う第２噴射モード、または予混合燃焼を行う第３噴射モードの何れかを、検出される機関回転数及び要求トルクに応じて選択し、
前記目標変化パターン設定手段は、検出される機関回転数及び要求トルクによって決まる検出作動点を囲む、前記目標変化パターンマップ上の４つ格子点に対応する目標変化パターンを検索し、該４つの目標変化パターンに基づいて前記目標変化パターンを算出し、
前記目標変化パターンマップは、前記第１、第２、及び第３噴射モードのそれぞれに対応して設定されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記機関の排気の一部を吸気系に還流する排気還流手段と、該排気還流手段による排気還流量を制御する排気還流制御手段とを備え、該排気還流制御手段は、前記燃焼状態パラメータ算出手段により算出される燃焼状態パラメータの変化パターンと前記目標変化パターンとの比較結果に応じて前記排気還流量の制御を行う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。