JP4910941B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御方法および制御装置に関する。

特開２００４−５２７６９号公報には、目標値設定変数の関数として駆動ユニットの少なくとも一つの出力変数が設定される車両駆動ユニットの制御方法において、駆動滑り制御や走行動特性制御等の種々の要求発生源から出される要求に予め優先順位を割り当て、この優先順位の順序で各要求を考慮する方法が開示されている。

また、特開平１１−２００９１５号公報には、機関の燃焼が不安定であると判断された場合に、空燃比や点火時期等を変更して燃焼の安定化を図る技術が開示されている。

特開２００４−５２７６９号公報 特開平１１−２００９１５号公報

上述した前者の従来技術においては、各要求発生源から出された要求を単純に優先順位に応じて考慮することによって目標値を決定しているので、機関が燃焼不安定領域に入ってしまう場合がある。

この発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、内燃機関に対して出される要求に基づいて内燃機関を制御する場合に、燃焼状態が燃焼限界外になることを確実に防止することのできる内燃機関の制御方法および制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御方法であって、
点火時期がＭＢＴのときのトルクに対する効率と空燃比のそれぞれについての要求値を取得する要求値取得ステップと、
取得した効率要求値と空燃比要求値によって規定される燃焼状態が所定の燃焼限界線の内側に入る場合、前記空燃比要求値を空燃比目標値として決定するとともに、前記効率要求値を効率目標値として決定する第１の目標値決定ステップと、
前記効率要求値と前記空燃比要求値によって規定される燃焼状態が前記燃焼限界線の内側に入らない場合、前記空燃比要求値を暫定の空燃比目標値として決定するととともに、前記空燃比要求値と前記燃焼限界線とで定まる効率限界値を暫定の効率目標値として決定し、効率目標値が前記効率要求値に戻るまで前記燃焼限界線に沿って空燃比目標値と効率目標値をそれぞれの暫定値から徐々に変化させていく第２の目標値決定ステップと、
前記第１の目標値決定ステップ或いは前記第２の目標値決定ステップで決定された効率目標値及び空燃比目標値に基づいてアクチュエータを制御するアクチュエータ制御ステップと、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関の制御装置であって、
点火時期がＭＢＴのときのトルクに対する効率と空燃比のそれぞれについての要求値を取得する要求値取得手段と、
取得した効率要求値と空燃比要求値によって規定される燃焼状態が所定の燃焼限界線の内側に入る場合、前記空燃比要求値を空燃比目標値として決定するとともに、前記効率要求値を効率目標値として決定する第１の目標値決定手段と、
前記効率要求値と前記空燃比要求値によって規定される燃焼状態が前記燃焼限界線の内側に入らない場合、前記空燃比要求値を暫定の空燃比目標値として決定するととともに、前記空燃比要求値と前記燃焼限界線とで定まる効率限界値を暫定の効率目標値として決定し、効率目標値が前記効率要求値に戻るまで前記燃焼限界線に沿って空燃比目標値と効率目標値をそれぞれの暫定値から徐々に変化させていく第２の目標値決定手段と、
前記第１の目標値決定手段或いは前記第２の目標値決定手段で決定された効率目標値及び空燃比目標値に基づいてアクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、効率要求値と空燃比要求値によって規定される燃焼状態が燃焼限界線の内側に入らない場合は、空燃比要求値を暫定の空燃比目標値として決定するととともに、空燃比要求値と燃焼限界線とで定まる効率限界値を暫定の効率目標値として決定することが行われる。つまり、応答性が高い効率に関する目標値を補正することによって、実際の燃焼状態が燃焼限界内に入るように効率と空燃比との関係が速やかに修正される。さらに、本発明によれば、効率目標値が効率要求値に戻るまで燃焼限界線に沿って空燃比目標値と効率目標値をそれぞれの暫定値から徐々に変化させていくことが行われる。これにより、燃焼状態が燃焼限界外になることを確実に防止しながら、要求どおりの効率を実現させることできる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の気筒数や気筒配置は、特に限定されるものではない。

内燃機関１０の気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２には、吸入空気量GAを検出するエアフローメータ１６が配置されている。エアフローメータ１６の下流には、スロットル弁１８が配置されている。スロットル弁１８は、アクセル開度等に基づいてスロットルモータ２０により駆動される電子制御式のバルブである。スロットル弁１８の近傍には、その開度を検出するためのスロットルポジションセンサ２２が配置されている。アクセル開度は、アクセルペダルの近傍に設けられたアクセルポジションセンサ２４によって検出される。

内燃機関１０の気筒には、吸気ポート１１内に燃料を噴射するための燃料インジェクタ２６が配置されている。なお、内燃機関１０は、図示のようなポート噴射式のものに限らず、燃料を筒内に直接に噴射する筒内直接噴射式のものや、ポート噴射と筒内噴射とを併用するものであってもよい。内燃機関１０の気筒には、更に、吸気弁２８、点火プラグ３０、および排気弁３２が設けられている。

内燃機関１０のクランク軸３６の近傍には、クランク軸３６の回転角を検出するためのクランク角センサ３８が取り付けられている。クランク角センサ３８の出力によれば、クランク軸３６の回転位置や機関回転数NEなどを検知することができる。

内燃機関１０の排気通路１４の途中には、排気ガスを浄化するための触媒４０が設けられている。触媒４０の種類は特に限定されず、例えば、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒、酸化触媒など、いかなるものでもよい。また、触媒４０の上流側や下流側に他の触媒が配置されていてもよい。

触媒４０の下流側の排気通路１４には、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４２が設置されている。なお、空燃比センサ４２は、触媒４０の上流側に設置されていてもよい。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

図２は、ＥＣＵ５０が内燃機関１０の空燃比A/Fおよび効率ηを制御する場合の機能ブロック図である。なお、本明細書において、効率ηは、点火時期がＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）であるときのトルクを１としたときの発生トルクの割合として定義されるものとする。つまり、点火時期がＭＢＴに設定されている場合には、効率η＝１となる。そして、点火時期がＭＢＴから遅角されるほど、効率ηは低下する。

ＥＣＵ５０は、複数の制御ロジックを有しており、各制御ロジックは、各自の観点（目的）から、空燃比A/Fおよび効率ηに対する要求を発する。その制御ロジックとして、本実施形態では、図２に示すように、エミッション低減を目的として要求を発するエミッション制御ロジック５２と、ドライバビリティの向上を目的として要求を発するドライバビリティ制御ロジック５４と、燃費低減を目的として要求を発する燃費制御ロジック５６とがあるものとする。

各制御ロジックは、空燃比A/Fおよび効率ηのそれぞれについての要求値または要求範囲を上記要求として出力する。なお、本発明では、図示の構成に限らず、各制御ロジックが別々のＥＣＵによって実現されるようになっていてもよい。つまり、複数の要求が別々のＥＣＵから発せられるようになっていてもよい。

上記各制御ロジックから発せられた要求は、調停部５８に集約される。調停部５８は、それらの要求を所定の規則に従って調停することにより、空燃比A/Fおよび効率ηのそれぞれについての要求値（調停後要求値）を出力する。

調停部５８から出力された空燃比要求値および効率要求値は、修正部６０にて、必要に応じて修正される。この修正の内容については後述する。修正部６０は、空燃比要求値および効率要求値を必要に応じて修正した上で、空燃比目標値および効率目標値として出力する。

目標値変換部６２は、修正部６０から出力された空燃比目標値および効率目標値を、それを実現するために必要なアクチュエータへの指示値に変換する。本実施形態の場合には、このアクチュエータ指示値とは、燃料インジェクタ２６からの燃料噴射量、スロットル弁１８の開度および点火時期である。アクチュエータ制御部６４は、目標値変換部６２により算出された燃料噴射量、スロットル開度および点火時期が実現されるように、燃料インジェクタ２６、スロットル弁１８および点火プラグ３０の作動を制御する。

図３は、修正部６０での修正を説明するための図である。図３には、空燃比A/Fおよび効率ηと、燃焼限界との関係を示すマップが示されている。図３中で燃焼限界より下側の領域は、燃焼不可領域である。燃焼不可領域は、トルク変動が許容値を超えたり、あるいは排気温度が高くなり過ぎて触媒４０にダメージを与えるおそれがあるなどの理由により、燃焼を安定して行うことができない領域である。これに対し、図３中で燃焼限界より上側の燃焼可能領域は、そのような不都合がなく、燃焼を安定して行うことができる領域である。

空燃比要求値および効率要求値で規定される燃焼状態が燃焼可能領域にある場合には、それらの要求値をそのまま目標値としても問題ない。しかしながら、空燃比要求値および効率要求値で規定される燃焼状態が燃焼不可領域にある場合には、空燃比要求値および効率要求値をそのまま目標値にすると、内燃機関１０が燃焼不可領域で運転されてしまう。よって、燃焼不可領域に入ることを回避するためには、目標値の修正が必要となる。

その場合、本実施形態では、空燃比優先モードであるか効率優先モードであるかに応じて、修正方法が変更される。空燃比優先モードでは、空燃比要求値が効率要求値に優先して実現される。一方、効率優先モードでは、効率要求値が空燃比要求値に優先して実現される。空燃比優先モードであるか効率優先モードであるかは、内燃機関１０の運転フェーズがいかなるフェーズにあるか（例えば、触媒暖機フェーズ、燃費優先フェーズ、トルク優先フェーズ等）に応じて設定される。

例えば、空燃比要求値および効率要求値で規定される燃焼状態が図３中の点Ａ（燃焼限界外）であった場合において、空燃比優先モードのときには、空燃比については要求値をそのまま実現する一方、効率要求値を変更することによって、燃焼限界に入るようにする。つまり、点Ｂで内燃機関１０を燃焼させるようにする。

これに対し、同様の場合において、効率優先モードのときには、効率については要求値をそのまま実現する一方、空燃比要求値を変更することによって、燃焼限界に入るようにする。つまり、点Ｃで内燃機関１０を燃焼させるようにする。

前述したように、効率ηは、点火時期によって変更される。点火時期は、次サイクルからすぐに変更することが可能である。このため、効率目標値が変更された場合には、応答遅れをほとんど生ずることなしに実際の効率ηを変更することができる。

これに対し、空燃比A/Fは、燃料噴射量およびスロットル開度によって変更される。燃料インジェクタ２６から噴射された燃料は、吸気ポート１１の内壁や吸気弁２６の裏面などに一旦付着した後に、蒸発して空気と混合する。このため、燃料噴射量を変更してから、筒内に実際に流入する燃料量が変化するまでには、時間的な遅れが生ずる。また、スロットル弁１８と気筒との間には距離があるので、スロットル開度が変化してから筒内に実際に流入する空気量が変化するまでの間にも、時間的な遅れが生ずる。このようなことから、燃料噴射量やスロットル開度を変更しても、筒内の空燃比A/Fを瞬時に変化させることはできない。つまり、空燃比目標値が変更された場合には、実際の空燃比A/Fが変化するまでの間に、応答遅れが生ずる。このため、効率優先モードの場合に、図３中の点Ａから点Ｃへ空燃比要求値を変更するとき、次のような問題がある。

図４は、図３と同様の図であり、燃焼限界を示すマップである。実際の空燃比A/Fには上述したような応答遅れが存在するため、図４中の点Ａから点Ｃへ空燃比目標値を変更したとき、実際の燃焼状態は、点Ａから点Ｃへ瞬時に変化することはなく、徐々に変化する。このため、実際の燃焼状態が燃焼不可領域（図４中の点Ｄや点Ｅ等）に過渡的に入ってしまうという問題が生ずる。

本実施形態では、効率優先モードのときに空燃比要求値を点Ａから点Ｃへ変更する場合の過渡状態において、実際の燃焼状態が燃焼不可領域へ入ることを回避するため、実際の燃焼状態が図４中の点Ａ→点Ｂ→点Ｆ→点Ｇ→点Ｃのような経路を辿って変化するように制御することとした。すなわち、効率ηを一時的に修正し、燃焼限界線に沿って効率ηを変化させることとした。

［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定時間毎に、あるいは内燃機関１０のサイクル毎に、繰り返し実行されるものとする。

図５に示すルーチンによれば、まず、各制御ロジック５２〜５６から発せられた要求が調停部５８によって集約、調停され、効率要求値および空燃比要求値が決定される（ステップ１００）。次いで、上記ステップ１００で決定された効率要求値および空燃比要求値で規定される燃焼状態が燃焼限界を超えるか否かが、図３あるいは図４に示すような燃焼限界マップに従って、判別される（ステップ１０２）。

上記ステップ１０２で、燃焼限界を超えないと判別された場合には、本ルーチンの処理がそのまま終了される。なお、この場合には、上記ステップ１００で決定された効率要求値および空燃比要求値をそのまま実現しても問題ないので、修正部６０は、それらの要求値をそのまま目標値として目標値変換部６２へ出力する。

一方、上記ステップ１０２で、燃焼限界を超えると判別された場合には、次に、効率優先モードであるか否かが判別される（ステップ１０４）。その結果、効率優先モードでない（空燃比優先モードである）と判別された場合には、本ルーチンの処理がそのまま終了される。なお、この場合には、修正部６０は、効率要求値については図３中の点Ａ→点Ｂのように変更して効率目標値として目標値変換部６２へ出力し、空燃比要求値についてはそのまま空燃比目標値として目標値変換部６２へ出力する。

これに対し、上記ステップ１０４で効率優先モードであると判別された場合には、修正部６０は、空燃比要求値を図３中の点Ａ→点Ｃのように変更して空燃比目標値として目標値変換部６２へ出力する。続いて、現在の筒内の推定空燃比が算出される（ステップ１０６）。本実施形態において、ＥＣＵ５０は、所定の推定ロジック、あるいは燃料挙動モデルを用いて、筒内に流入する混合気の推定空燃比を算出する機能を有しているものとする。このステップ１０６では、その機能を用いて、現在の筒内の推定空燃比が算出される。なお、上記燃料挙動モデルは、燃料インジェクタ２６から噴射された燃料の壁面への付着率および壁面付着燃料の残留率を用いて燃料の挙動を模擬する公知のモデルであるので、ここでは説明を省略する。

上記ステップ１０６で推定空燃比が算出されると、次に、その推定空燃比に応じた効率限界値ηfが、上記燃焼限界マップに基づいて算出される（ステップ１０８）。ここで、効率限界値ηfとは、その推定空燃比の下で燃焼限界に入るような最小の効率ηを言うものとする。すなわち、このステップ１０８においては、例えば、推定空燃比が図４中の点Ｄに対応する値であった場合には点Ｆに対応する効率ηを効率限界値ηfとして算出し、推定空燃比が点Ｅに対応する値であった場合には点Ｇに対応する効率ηを効率限界値ηfとして算出する。

上記ステップ１０８で効率限界値ηfが算出されると、次に、修正部６０は、目標値変換部６２へ出力する効率目標値を、その効率限界値ηfに修正する（ステップ１１０）。

以上説明したルーチンの処理によれば、効率優先モードのときに空燃比要求値を変更する場合に効率ηを一時的に修正し、燃焼限界線に沿って効率ηを変化させることができる。このため、実際の燃焼状態が過渡的に燃焼不可領域へ入ることを確実に回避することができ、内燃機関１０のトルク変動や触媒４０のダメージなどの発生を確実に防止することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１においてＥＣＵが内燃機関の空燃比A/Fおよび効率ηを制御する場合の機能ブロック図である。 空燃比A/Fおよび効率ηと、燃焼限界との関係を示すマップである。 空燃比A/Fおよび効率ηと、燃焼限界との関係を示すマップである。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１８ スロットル弁
２６ 燃料インジェクタ
３０ 点火プラグ
４０ 触媒
４２ 空燃比センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 点火時期がＭＢＴのときのトルクに対する効率と空燃比のそれぞれについての要求値を取得する要求値取得ステップと、
   取得した効率要求値と空燃比要求値によって規定される燃焼状態が所定の燃焼限界線の内側に入る場合、前記空燃比要求値を空燃比目標値として決定するとともに、前記効率要求値を効率目標値として決定する第１の目標値決定ステップと、
   前記効率要求値と前記空燃比要求値によって規定される燃焼状態が前記燃焼限界線の内側に入らない場合、前記空燃比要求値を暫定の空燃比目標値として決定するととともに、前記空燃比要求値と前記燃焼限界線とで定まる効率限界値を暫定の効率目標値として決定し、効率目標値が前記効率要求値に戻るまで前記燃焼限界線に沿って空燃比目標値と効率目標値をそれぞれの暫定値から徐々に変化させていく第２の目標値決定ステップと、
   前記第１の目標値決定ステップ或いは前記第２の目標値決定ステップで決定された効率目標値及び空燃比目標値に基づいてアクチュエータを制御するアクチュエータ制御ステップと、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 点火時期がＭＢＴのときのトルクに対する効率と空燃比のそれぞれについての要求値を取得する要求値取得手段と、
   取得した効率要求値と空燃比要求値によって規定される燃焼状態が所定の燃焼限界線の内側に入る場合、前記空燃比要求値を空燃比目標値として決定するとともに、前記効率要求値を効率目標値として決定する第１の目標値決定手段と、
   前記効率要求値と前記空燃比要求値によって規定される燃焼状態が前記燃焼限界線の内側に入らない場合、前記空燃比要求値を暫定の空燃比目標値として決定するととともに、前記空燃比要求値と前記燃焼限界線とで定まる効率限界値を暫定の効率目標値として決定し、効率目標値が前記効率要求値に戻るまで前記燃焼限界線に沿って空燃比目標値と効率目標値をそれぞれの暫定値から徐々に変化させていく第２の目標値決定手段と、
   前記第１の目標値決定手段或いは前記第２の目標値決定手段で決定された効率目標値及び空燃比目標値に基づいてアクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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