JP4655980B2 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御に関し、特に、吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量の推定に関する。

特許文献１では、２サイクル多気筒エンジンにおいて、クランク室の圧力に基づいて掃気量を求め、この掃気量とＡ／Ｆ（空燃比）とに基づいて燃料噴射量を設定している。特許文献２では、４サイクル運転と２サイクル運転とを切換可能なエンジンにおいて、バルブタイミングを制御することによって２サイクル運転での掃気量を調整する技術が開示されている。
特開平４−３１１６３６号公報 特開２００４−２０４７４５号公報

図１０は、ターボ過給機を備えた４サイクル内燃機関の加速過渡期の吸気圧と排気圧の変化を示している。加速過渡期には図中破線で示す定常状態での特性（定常性能）に比して排気圧力が高くなるために、吸気弁と排気弁の双方が開いているバルブオーバーラップ期間において、吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量が減少し、吸気通路からの新気により筒内残留ガスが排気通路へ押し出される、いわゆる掃気作用が十分に得られない。そのため、シリンダ内に残留する筒内残留ガス量が多くなり、ノッキングが生じやすくなる等の問題がある。仮に新気吹き抜け量が事前に判れば、上記加速過渡期における掃気作用の低下分に応じて燃料噴射量や点火時期を補正することによりノックの発生等を未然に回避して機関運転性能を向上することが可能である。しかしながら、従来、このような新気吹き抜け量を推定する手法についてはあまり検討されていなかった。

本発明は、新気吹き抜け量を推定する新たな手法を提供するものであって、すなわち、排気通路内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設け、吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間に排気通路に排出された排気の酸素濃度と、排気弁のみが開いている非バルブオーバーラップ期間に排気通路に排出された排気の酸素濃度と、に基づいて、吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量を推定する新気吹き抜け量を推定するものである。

本発明によれば、既存の空燃比センサのような酸素濃度検出手段を利用した簡素な構成で、新気吹き抜け量を精度良く推定することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関のシステム構成図である。この内燃機関１０は、４サイクル火花点火式の多気筒レシプロエンジンであって、各気筒毎に、燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグ７と、燃焼室（又は吸気ポート）へ燃料を噴射する燃料噴射弁６と、が設けられている。吸気通路１１には、上流側より順に、吸入空気量を計測するエアフローメータ２と、ターボ過給機１のコンプレッサ１Ａと、吸入空気（過給）を冷却するインタークーラ３と、吸入空気量を調整するスロットル４と、が配設されている。また、排気通路１２には、ターボ過給機１のタービン１Ｂと、Ａ／Ｆセンサ５と、が設けられている。

スロットル４は、運転者によるアクセルペダルの操作とは独立して開度を調整可能な電制のものである。ターボ過給機１は、周知のように、排気エネルギーで排気タービン１Ｂを回して同軸上に連結されたコンプレッサ１Ａを駆動し、吸入空気を過給するものである。Ａ／Ｆセンサ５は、排気中の酸素濃度にほぼ比例した信号（電流値）を出力する広域型の空燃比センサであって、空燃比がリーンである希薄燃焼時にも空燃比フィードバック制御を可能とするものであり、近年のリーンバーンエンジンには良く用いられている。

制御部（エンジン・コントロール・モジュール：ＥＣＭ）１３は、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有するデジタルコンピュータであり、上記のＡ／Ｆセンサ５やエアフローメータ２の他、クランク角センサ１４やカムポジションセンサ１５等の各種センサ類の検出信号に基づいて、スロットル４、燃料噴射弁６及び点火プラグ７等へ制御信号を出力し、その動作を制御する。

図２は、上記制御部１３による新気吹き抜け量Ｓ２の推定制御の流れを示すフロチャートである。ステップＳ１１では、上記各種センサ類からの検出信号に基づいて、機関回転数Ｎｅ、クランクシャフト（又はカムシャフト）の回転位置でであるクランク角（ＣＡ）及び吸入空気量等を読み込む。ステップＳ１２では、機関回転数Ｎｅと吸入空気量とに基づいて、クランク角ＣＡに対する排気ガス流量を読み込む。例えば、機関回転数Ｎｅと吸入空気量毎に予め設定された図３に示すような制御マップを読み込む。

ステップＳ１３では、機関回転数Ｎｅに基づいて、図４の予め設定された制御マップを参照して、燃焼室から排出された排気ガスがＡ／Ｆセンサ５に到達するまでの遅れ時間Ｔｄ（ｍｓ）を算出する。ステップＳ１４では、この遅れ時間Ｔｄと機関回転数Ｎｅとクランク角ＣＡとに基づいて、排気弁のみが開弁する期間、つまり排気弁開時期ＥＶＯから吸気弁開時期ＩＶＯまでの非オーバーラップ（Ｏ／Ｌ）期間Ｔａのサンプリング時間（ｍｓ）と、吸気弁と排気弁とがともに開弁する期間、つまり吸気弁開時期ＩＶＯから排気弁閉時期ＥＶＣまでのオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）期間Ｔｂ（ＣＡ）のサンプリング時間（ｍｓ）と、を設定する。図５に示すように、機関回転数Ｎｅが高くなるほどサンプリング時間は短くなる。

ステップＳ１５では、上記のＡ／Ｆセンサ５により、上記の応答遅れ時間Ｔｄを加味して、非Ｏ／Ｌ期間Ｔａの酸素濃度Ｃａと、Ｏ／Ｌ期間Ｔｂの酸素濃度Ｃｂと、を検出する。Ｃａは非Ｏ／Ｌ期間Ｔａで逐次検出される単位時間当たりの酸素濃度であり、ＣｂはＯ／Ｌ期間Ｔｂの区間平均の酸素濃度である。吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける未燃の新気には酸素が多く残っているために、図６にも示すように、排気ガス中に新気が含まれるＯ／Ｌ期間Ｔｂでは、非Ｏ／Ｌ期間Ｔａに比して酸素濃度が一時的に高くなり、酸素濃度に比例したＡ／Ｆセンサ５からの出力信号が局所的に高くなる。本発明はこの点に着目してなされたもので、既存のＡ／Ｆセンサ５を利用した簡素な構成で、後述するようにＯ／Ｌ期間Ｔｂと非Ｏ／Ｌ期間Ｔａの酸素濃度に基づいて、吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける新気吹き抜け量Ｓ２を正確に推定するものである。

ステップＳ１６では、下式（１）により、Ｏ／Ｌ期間Ｔｂでの希釈濃度Ｃｋを算出する。希釈濃度Ｃｋは、燃焼室から排気通路１２へ排出される排気ガス量（流量）に対し、Ｏ／Ｌ期間Ｔｂ中に吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける新気吹き抜け量の割合に相当する。
Ｃｋ＝（Ｃｂ／Ｃａ）−１ …（１）
ステップＳ１７では、上記の希釈濃度ＣｋとステップＳ１２で設定された排気ガス量とに基づいて、Ｏ／Ｌ期間Ｔｂに吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける新気吹き抜け量Ｓ２を算出する。具体的には、極短い演算間隔（例えば所定のクランク角）毎に、単位時間当たりの新気吹き抜け量を逐次算出し（Ｃｋ×排気ガス流量）、これらを積算することによって、１気筒１サイクルでの新気吹き抜け量Ｓ２を求めることができる（図７参照）。

図８は、上記の新気吹き抜け量Ｓ２を利用した目標空燃比（燃料噴射量）と目標点火時期の補正制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ２１では、機関回転数Ｎｅ，クランク角（又はカム角）及び吸入空気量等の機関運転条件を読み込む。ステップＳ２２では、機関回転数Ｎｅと吸入空気量とに基づいて、予め設定された制御マップ（図示省略）を参照して、定常状態での基準新気吹き抜け量Ｓ１を求める。

ステップＳ２３では、図２のルーチンにより求められる実新気吹き抜け量Ｓ２を読み込む。ステップＳ２４では、基準新気吹き抜け量Ｓ１と実新気吹き抜け量Ｓ２との偏差（Ｓ１−Ｓ２）が所定の判定値Ｓｈを超えているかを判定する。判定値Ｓｈは０（ゼロ）又は０近傍の小さな値に設定される。

偏差（Ｓ１−Ｓ２）が判定値Ｓｈを超えていれば、ステップＳ２５へ進み、上記の偏差（Ｓ１−Ｓ２）に基づいて、ノック低下代αを演算する。図９に示すように、偏差（Ｓ１−Ｓ２）が大きくなるほど、つまり新気吹き抜け量Ｓ２が少なくなるほど、Ｏ／Ｌ期間における筒内掃気作用が低下して、筒内残留ガスが増大し、ノック低下代αが増加する関係にある。ステップＳ２６では、現在の目標空燃比ＡＦ０と目標点火時期とを読み込む。ステップＳ２７では、上記ノック低下代αに基づいて、目標空燃比ＡＦ０をリッチ側へ補正する（ＡＦ１）。ステップＳ２８では、リッチ側へ補正された目標空燃比ＡＦ１が、予め定められた目標空燃比の設定限界つまり上限値ＡＦｍａｘ未満であるかを判定する。ＡＦ１がＡＦｍａｘ以上であれば、ステップＳ２９へ進み、目標空燃比を上限値ＡＦｍａｘに設定する。続くステップＳ３０では、所期の補正空燃比ＡＦ１と上限値ＡＦｍａｘとの剥離分（ＡＦ１−ＡＦｍａｘ）に基づいて、目標点火時期をリタード側へ補正する。

本ルーチンで設定・補正された目標点火時期に応じて点火プラグ７が駆動制御され、また目標空燃比へ向けて燃料噴射量がフィードバック制御されることとなる。なお、空燃比フィードバック制御を行わない運転領域では、上記のステップＳ２７，Ｓ２９において、空燃比に代えて燃料噴射量を増量側へ補正するようにしても良い。

このような本実施例によれば、一般的な空燃比フィードバック制御に用いられる既存のＡ／Ｆセンサ５を利用した簡素な構造でありながら、新気吹き抜け量を精度良く推定することができる。そして、この新気吹き抜け量に基づいて、燃料噴射量や点火時期を補正することによって機関運転性能を向上することができる。

例えば、ターボ過給機１を備える内燃機関では、図１０に示すように、特に低速域からの加速過渡期に、排気圧力が定常状態よりも一時的に高くなって、バルブオーバーラップ期間における掃気作用が低下し、シリンダ内に残留する筒内残留ガス量が増大して、ノッキングを招き易くなるという問題がある。上記のバルブオーバーラップ期間における掃気作用、つまりは筒内残留ガスの量は、吸気通路１１から排気通路１２へ吹き抜ける新気吹き抜け量と密接な関係がある。つまり新気吹き抜け量が低下するほど掃気作用が低下して筒内残留ガス量が増大する。本実施例では、このような低速からの加速過渡期においても、新気吹き抜け量に基づいて燃料噴射量や点火時期を精度良く補正することにより、不用意なノッキングの発生を未然に回避して、機関運転性を向上することができる。しかも、１サイクル毎に新気吹き抜け量を推定できるので、上記のような加速過渡期においても応答性良く正確に制御を行うことができる。

より具体的には、新気吹き抜け量の減少分、つまり掃気作用の低下分に応じて、空燃比のリッチ化（燃料噴射量の増量）を行うことによって、掃気作用の低下に伴うノッキングの発生を未然に防ぐことができる。更に、新気吹き抜け量の減少分が空燃比のリッチ分（燃料噴射量の増量）の上限値を超えるような場合には、その剥離分に応じて点火時期をリタード（遅角）することによって、ノックの発生を防ぐようにしている。このように、新気吹き抜け量が減少している場合に、先ず燃料噴射量の増量を優先的に行うことによって、点火時期の遅角化に伴うトルク低下をできる限り回避することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型の内燃機関に本発明を適用しているが、これに限らず、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射型の内燃機関に本発明を適用することも可能である。この場合、吸気通路から排気通路へ吹き抜ける新気が混合気となる。この場合であっても、上記実施例と同様、空燃比センサにより検出される酸素濃度に基づいて、新気吹き抜け量を推定することが可能である。

また、上記実施例では、排気タービン１Ｂによる影響を排除して新気吹き抜け量の推定精度を高めるために、空燃比センサ５を排気タービン１Ｂよりも上流側（燃焼室寄り）に配置しているが、空燃比センサの設置位置はこれに限られるものではなく、例えば新気吹き抜け量の推定精度を確保できる場合には排気タービン１Ｂの下流側に配置するようにしても良い。

本発明の一実施例が適用された内燃機関のシステム構成図。 本実施例の新気吹き抜け量の推定制御の流れを示すフローチャート。 クランク角に対する排気ガス流量を示す制御マップの一例を示す特性図。 機関回転数と応答遅れ時間との関係を示す制御マップの一例を示す特性図。 機関回転数とサンプリング時間との関係を示す制御マップの一例を示す特性図。 バルブオーバーラップ期間でのＡ／Ｆセンサの出力変化を示す説明図。 Ａ／Ｆセンサの出力と排気ガス流量とを示す説明図。 新気吹き抜け量を利用した目標空燃比と目標点火時期の補正制御の流れを示すフローチャート。 ノック低下代の設定に用いられる制御マップ。 ターボ過給機を備える内燃機関での加速過渡期の排気圧力の変化を示す説明図。

符号の説明

１…ターボ過給機
５…空燃比センサ（酸素濃度検出手段）
６…燃料噴射弁
７…点火プラグ
１１…吸気通路
１２…排気通路
１３…制御部

Claims (5)

1. 排気通路内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
   吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間に排気通路に排出された排気の酸素濃度と、排気弁のみが開いている非バルブオーバーラップ期間に排気通路に排出された排気の酸素濃度と、に基づいて、吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量を推定する新気吹き抜け量推定手段と、
   を有することを特徴とする４サイクル内燃機関の制御装置。
2. 上記酸素濃度検出手段が、排気中の酸素濃度に略比例した信号を出力する広域型の空燃比センサであ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。
3. 上記新気抜き抜け量に基づいて、燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段を有することを特徴とする請求項１ 〜 ２ のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記新気吹き抜け量に基づいて、点火時期を補正する点火時期補正手段を有することを特徴とする請求項１ 〜 ３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 排気通路に配設される酸素濃度検出手段により排気通路内の酸素濃度を検出し、
   吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間に排気通路に排出された排気の酸素濃度と、排気弁のみが開いている非バルブオーバーラップ期間に排気通路に排出された排気の酸素濃度と、に基づいて、吸気通路から排気通路への新気吹き抜け量を推定することを特徴とする内燃機関の制御方法。

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