JP4937287B2

JP4937287B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4937287B2
Application number: JP2009022493A
Authority: JP
Inventors: 哲也本田; 秀昭片柴; 輝明川上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: DE102009037489B4; DE102009037489A1; JP2010180715A

Description

この発明は、燃料性状の変化に伴う圧縮自己着火燃焼の不安定化を防止する内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関において可燃性混合気がある温度以上になった場合可燃性混合気の自己発火が発生する。そして、可燃性混合気の自己発火は主に可燃性混合気の温度に支配される現象であるが、ガソリンのように多種類の炭化水素物質が混合された燃料を使用した場合はガソリンの性状の違いにより可燃性混合気が自己発火する温度が異なる。

そこで性状が異なる燃料が補給された場合に発生する圧縮自己着火燃焼の不安定化などの問題を解決するため、筒内圧力、筒内温度、及び限界空燃比に基づいた燃料性状判定と、例えば燃料性状判定でオクタン価が高いと判定した場合には吸入空気温度を上げて、低いと判断した場合には吸入空気温度を下げるなど燃料性状判定結果に基づいた燃焼制御パラメータの変更に関する技術が示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２５７４６７号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術では燃料性状判定を圧縮自己着火燃焼中の筒内圧力と筒内温度及び限界空燃比の測定結果に基づいて実施しており、実際にはガソリン種が異なる程度までオクタン価が大きく変化すると、それまでに実行していた吸入空気温度条件では圧縮自己着火燃焼自体が継続できず、燃料性状判定そのものが実行できない場合がある。

この問題は発明者らが実際の内燃機関で圧縮自己着火燃焼を試みて得た知見から導いたものである。吸入空気温度が低温の場合は内燃機関の出力が不安定化し、吸入空気温度が高温の場合の所謂ノッキングに類似した燃焼振動を伴う異常燃焼が発生する。内燃機関の出力が不安定化すると内燃機関を継続的に運転できなくなり、異常燃焼が発生すると内燃機関を損傷させる可能性がある。よって常に、内燃機関の出力が不安定化する低温領域と、異常燃焼が発生する高温領域を避けた吸入空気温度範囲を保つ必要がある。

しかし、圧縮自己着火燃焼の多くの運転条件ではその温度範囲が２０℃乃至５０℃程度と極めて小さく、例えば燃料補給により油種がレギュラーガソリンからプレミアムガソリンに変わった場合などでは双方の油種で重複する温度範囲が存在しないため油種変更前の何れの温度設定でも油種変更後は圧縮自己着火燃焼が成立しないことを確認した。よって従来の技術では燃料性状判定が実行できず、圧縮自己着火燃焼が継続できない場合がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するものであって、燃料性状が大きく変更された場合でも確実に安定した圧縮自己着火燃焼を継続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。

この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の燃焼空間内に吸入する空気を加熱する吸入空気加熱手段と、吸入空気温度が上記内燃機関の運転状態に応じて設定される吸入空気温度制御目標値となるように上記吸入空気加熱手段を制御する吸入空気温度制御手段と、上記内燃機関での火花点火開始から後の所定の２つの時点での筒内圧力測定値の差を、燃料性状が与える着火の難易と火災伝播の早遅に対応した燃料性状情報として検出する燃料性状情報検出手段と、燃料タンクへの燃料補給を検知する燃料補給検知手段とを備え、上記燃料補給検知手段により上記燃料タンクへの燃料補給が検知された場合には、圧縮自己着火燃焼を中止して火花点火燃焼を許可し、上記燃料性状情報検出手段により上記火花点火燃焼での燃料性状情報を検出し、上記検出した燃料性状情報に基づいて上記吸入空気温度制御目標値の補正を行う。

この発明に係る内燃機関の制御装置によれば、燃料補給検知手段により燃料タンクへの燃料補給が検知された場合には圧縮自己着火燃焼を中止して火花点火燃焼で燃料性状情報検出手段により燃料性状に関する情報を検出した結果に基づいて内燃機関の運転状態に応じて予め設定された吸入空気温度制御目標値を変更するので、燃料性状が大きく変化した場合でも自己圧縮着火燃焼を確実に実施することができる。

圧縮自己着火燃焼を可能とする内燃機関の構成図である。燃焼が安定する吸入空気温度条件の一例を示す特性図である。圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼の運転領域を示す図である。圧縮自己着火燃焼の制御の手順を示すフローチャートである。吸入空気温度だけを変化させた場合の軸出力特性を示す図である。吸入空気温度制御目標値の補正制御の手順を示すフローチャートである。燃料補給の有無により吸入空気温度制御目標値を修正する手順を示すフローチャートである。燃料混合に要する推定時間の求め方を説明するための図である。燃料性状毎の火花点火燃焼時の筒内圧力パターンと性状に関する情報の検出方法について説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の構成を示す概略図である。
この発明の実施の形態１に係る内燃機関は、図１に示すように、内燃機関本体１、ピストン２、クランク３、コネクティングロッド４、燃焼空間５、タイミングベルト６、吸気カム７、排気カム８、吸気弁９、排気弁１０、スロットル弁１１、吸気流路１２、エンジンコントローラ１３、燃料噴射弁１４、燃料流路１５、点火コイル１６、点火プラグ１７、吸気開弁時期変更装置１８、排気開弁時期変更装置１９、電気ヒータ２０、温度計２１、加熱電源２２を備える。

先ず図１を用いて圧縮自己着火燃焼の動作を説明する。内燃機関本体１の内部に構成される各気筒それぞれに備えられたピストン２は、クランク３とコネクティングロッド４の作用により燃焼空間５の容積を増減させるように往復運動する。タイミングベルト６によりクランク３の２倍の周期で回転運動する吸気カム７と排気カム８の作用により、ピストン２が２回往復運動する間の１回の燃焼空間５の容積が減少する行程間に排気弁１０が開き、続く燃焼空間５の容積が増加する行程間に吸気弁９が開く、所謂４サイクル内燃機関である。

通常の火花点火燃焼では吸気弁９が開くとスロットル弁１１で流量が調整された空気が吸気流路１２を通って燃焼空間５に吸入され、概ねそれと同じ時期にエンジンコントローラ１３からの制御信号を受けた燃料噴射弁１４が燃料流路１５を通じて供給された燃料（図示せず）を燃焼空間５に噴射する。その後燃焼空間５の内部の燃料（図示せず）と吸入された空気（図示せず）は互いに混ざり合って可燃性混合気（図示せず）を形成しながらピストン２により圧縮される。圧縮の後半にはエンジンコントローラ１３から制御信号を受けた点火コイル１６が点火プラグ１７に火花放電を発生させて圧縮された可燃性混合気（図示せず）を強制的に発火させる。

一方、圧縮自己着火燃焼では火花点火燃焼と同様に可燃性混合気（図示せず）をピストン２で圧縮するが、ピストン２による圧縮が強くなるように予め設定されているため概ね圧縮が完了する時期に可燃性混合気（図示せず）が自ら発火する。この場合は点火プラグ１７の火花放電を発生させない。

このような可燃性混合気の自己発火は主に可燃性混合気がある温度以上になった場合に発生する。そこで圧縮自己着火燃焼の内燃機関には可燃性混合気の温度を上昇させるための手段を有している。
その手段は燃焼空間に予め加熱した空気を吸入して吸入空気の熱で可燃性混合気の温度を上昇させる方法である。例えば電気ヒータ２０を吸気流路１２に設けることで空気を加熱することができ、吸気流路１２の内部に設置した温度計２１で測定した吸入空気温度に応じてエンジンコントローラ１３が加熱電源２２を制御する。

このように可燃性混合気の自己発火は主に可燃性混合気の温度に支配される現象であるが、図２に示すように、吸入空気温度が低温の場合は内燃機関の出力が不安定化し、吸入空気温度が高温の場合の所謂ノッキングに類似した燃焼振動を伴う異常燃焼が発生する。内燃機関の出力が不安定化すると内燃機関を継続的に運転できなくなり、異常燃焼が発生すると内燃機関を損傷させる可能性がある。よって常に、内燃機関の出力が不安定化する低温領域と、異常燃焼が発生する高温領域を避けた吸入空気温度範囲を保つ必要がある。

しかし、圧縮自己着火燃焼の多くの運転条件ではその温度範囲が２０℃乃至５０℃程度と極めて小さく、例えば燃料補給により油種がレギュラーガソリンからプレミアムガソリンに変わった場合などでは双方の油種で重複する温度範囲が存在しないため油種変更前の何れの温度設定でも油種変更後は圧縮自己着火燃焼が成立しない。

図３は圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼の運転領域を示す図であり、圧縮自己着火燃焼は火花点火燃焼と比べて低い軸出力と低い軸回転数の領域で成立することを示している。すなわち、圧縮自己着火燃焼は高い軸出力や高い軸回転数の運転条件では成立しないため、内燃機関を車両の駆動に用いる場合は走行状態に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼を適宜切り替える必要がある。

エンジンコントローラ１３は、吸入空気温度が内燃機関の運転状態に応じて設定される吸入空気温度制御目標値となるように吸入空気加熱手段を制御する吸入空気温度制御手段３１、内燃機関の燃焼状態から燃料性状に関する情報を検出する燃料性状情報検出手段３２、および燃料タンクへの燃料補給を検知する燃料補給検知手段３３を有する。

図４はこの発明に係る内燃機関で火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に切り替えて圧縮自己着火燃焼を継続する場合の吸入空気温度のみの制御の手順を示した図である。
Ｓ１００において、軸出力と軸回転数を直接または間接的に検知して、図３に示す圧縮自己着火燃焼が可能な運転領域に自動車の走行状態が変化したことを認識すると、エンジンコントローラ１３が電気ヒータ２０と加熱電源２２とを含んで構成される吸入空気加熱手段に対する吸入空気温度制御目標値をセットして吸入空気加熱制御を開始する。
この吸入空気温度制御目標値としては、内燃機関の軸回転数と車両走行速度の組み合わせなどから決まる運転状態に応じて予め求められた値またはその値に補正を施した値を用いる。

Ｓ１０１において、温度計２１で検知した吸入空気温度が圧縮自己着火燃焼可能な温度範囲内であるか否かを判断する。吸入空気温度が温度範囲外と判断した場合Ｓ１０２に進み、吸入空気温度が温度範囲内と判断した場合Ｓ１０３に進む。
Ｓ１０２において、点火コイル１６と点火プラグ１７による火花点火燃焼制御を実施してからＳ１０１に戻る。
Ｓ１０３において、火花点火燃焼制御を停止する。

火花点火燃焼制御を停止した状態で安定した圧縮自己着火燃焼が継続されていればＳ１００からの制御を繰り返しても良いが、最良の燃費などを得る目的で以降の制御を実行することが望ましい。
Ｓ１０４において、圧縮自己着火燃焼で吸入空気温度のみを変更した場合、図５に示すようにある吸入空気温度で軸出力は最大となるため、現在の制御状態で軸出力が最大となるように吸入空気温度制御目標値を補正する。

図６は、吸入空気温度制御目標値の補正の詳細な手順を示すフローチャートである。
Ｓ１０４において実施される吸入空気温度制御目標値の補正の詳細な手順を図６を参照して説明する。
Ｓ２００において、現在まで実行していた吸入空気温度制御目標値に対する吸入空気加熱制御を中断する。
Ｓ２０１において、吸入空気温度を低下させる制御を開始する。
Ｓ２０２において、吸入空気温度の低下に伴って軸回転数が増加したか否かを判断する。軸回転数が減少する場合Ｓ２０３に進み、軸回転数が増加する場合Ｓ２０４に進む。
Ｓ２０３において、吸入空気温度を上昇させる制御に切り替えてＳ２０４に進む。
Ｓ２０４において、吸入空気温度の低下または上昇制御を維持しながら軸回転数を監視し、軸回転数の最大を検出した場合Ｓ２０５に進み、軸回転数の最大を検出していない場合Ｓ２０６に進む。
Ｓ２０５において、軸回転数が最大時の吸入空気温度を吸入空気温度制御目標値に設定してＳ２０８に進む。
Ｓ２０６において、異常燃焼が発生していないか否かを判断し、異常燃焼が発生していない場合Ｓ２０４に戻り、異常燃焼が発生している場合Ｓ２０７に進む。
Ｓ２０７において、異常燃焼が発生する直前の吸入空気温度を吸入空気温度制御目標値に設定する。
Ｓ２０８において、吸入空気温度制御目標値に対する吸入空気加熱制御を再開してこの制御を終了する。

図６に示す吸入空気温度制御目標値の補正制御は圧縮自己着火燃焼において吸入空気温度のみが変化する環境で実施する必要がある。従って車両の駆動に用いる内燃機関ではアイドリング状態など車両走行の影響が及ばない運転条件以外での実行が困難な場合がある。そのような場合はアイドリング状態などで得た補正値または補正値に各運転状態に対応して予め求めておいた割合を乗じた値を加算した値を吸入空気温度制御目標値として補正制御する。

図４に示すフローチャートに戻り、Ｓ１０５において、現在も圧縮自己着火燃焼が可能な運転状態か否かを判断し、可能な運転状態であればＳ１００からの制御を繰り返し、不可能な運転状態であれば火花点火燃焼制御に変更する。

上述の圧縮自己着火燃焼のための制御に含まれる吸入空気温度制御目標値の補正制御は、例えばガソリンの低沸点成分の経時的な蒸発や内燃機関の冷却水温度などの影響による比較的小規模な燃料性状変化や燃焼特性変化にのみ対応できる。

主に燃料補給の際に発生する原産地や季節による燃料性状の変化やガソリン種による性状の違いなどに起因する大規模な燃焼特性変化にはこの発明にかかわる制御の下での燃料性状に関する情報の検出結果に基づいた吸入空気温度制御目標値の補正が必要である。
次に図７を用いてその制御の手順を説明する。

Ｓ３００において、燃料補給を検知したか否かを判断し、燃料補給を検知した場合Ｓ３０１に進み、燃料補給を検知しない場合Ｓ３００を繰り返す。
燃料補給を検知する方法としては、燃料補給口や燃料タンクまでの流路に設けた燃料の流入を検知する検知素子の出力に基づくものが考えられる。燃料を補給するときは内燃機関を停止させており、エンジンキーを抜いている場合も想定されるため燃料補給の監視は常に実施する必要がある。

燃料タンク内の残留燃料量の測定または推定が可能なシステムでは別の方法で燃料補給の有無を検知することができる。すなわち、燃料補給に伴う燃料タンク内の残留燃料の増加を検知する。この場合、内燃機関を停止させた時点の残留燃料量をメモリに記憶させておき、次に内燃機関を始動した時点の残留燃料量とメモリされていた残留燃料量との差から判断が可能である。燃料補給の有無は内燃機関の停止前と始動直後の残留燃料量情報が得られると判断できるので、内燃機関の停止中は燃料補給の有無を監視しなくても良い。

次にＳ３０１において吸入空気加熱と圧縮自己着火燃焼制御との実行を共に禁止し、内燃機関の軸出力や軸回転数によらず火花点火燃焼制御の実行を許可する。すなわち、燃料補給を検知した場合は燃料性状に関する情報を検出する制御に移行する。

次にＳ３０２において残留燃料と補給燃料が十分混合するまでの時間を推定する。すなわち、燃料の補給前に残留した燃料と新たに補給した燃料との性状に差がある場合、性状の変化は２種類の燃料が十分混合して性状が均質になってから性状に関する情報を検出する必要がある。

燃料補給前の燃料タンク内の残留燃料量が少ない場合は、新たに補給されてきた燃料の強い流れの作用により残留燃料は燃料タンク内を比較的激しく移動するため、燃料補給完了時にはほぼ十分混合した状態になる。しかし、燃料補給前の燃料タンク内の残留燃料量が多い場合は、新たに補給されてきた燃料の流れによる残留燃料の燃料タンク内での移動が緩やかとなり、燃料補給完了時においても十分混合した状態にはならない。よって、燃料が十分混合するに必要な時間を次のように見積もる。

燃料タンク内の燃料混合の速度は燃料タンクの構造や補給燃料の燃料タンク内への流入速度などでも変化するが、概ね補給燃料量が燃料補給前の燃料タンク内の残留燃料量の２倍以上であれば燃料補給終了時の燃料タンク内の燃料性状は均質であると判断し、燃料タンク内の燃料が十分混合するに必要な時間は零とする。

ただし、燃料供給管には燃料補給前の性状の燃料が残留しているので、燃料供給管内部に残留量を燃料消費量で除した時間値を２種類の燃料が十分混合するために必要な推定時間とする。

補給燃料量が燃料補給前の燃料タンク内の残留燃料量の概ね２倍未満の場合、補給燃料の燃料タンク内への流入で発生した燃料タンク内の燃料の移動が燃料補給終了後も継続して混合が進むことや、車両の振動などにより混合か促進される効果などを見積もって燃料タンク内の燃料性状が均質になるまでに要する時間を推定する。推定例を次に示す。

混合の進行は補給燃料の流入構造や燃料タンクの形状で様々であるため、予め基準となる推定時間を実験的に求めておく。例えば、種々のパターンで燃料補給を実施した後、車両が停車した状態で燃料供給量やスロットル開度などのエンジン制御パラメータを固定した運転を継続させて、図８に示すような軸出力や軸回転数や筒内最大圧力が安定化するまでの時間を計測することで推定時間を得ることができる。

このようにして得られる基準となる推定時間が燃料タンク内の残留燃料に対する補給燃料の割合が少なく燃料補給後も車両が停止を維持したことで燃料タンク内の燃料性状が均質になるまで最も長い時間を要する場合は、この推定時間に燃料タンク内の残留燃料に対する補給燃料の割合が大きいほど小さい値となる係数を乗ずる。
また、この推定時間に車両の走行速度やスロットル開度が大きいほど小さい値となる係数を乗ずる。それぞれの係数は上記種々のパターンで燃料補給を行った場合の各推定時間や車両の走行速度やスロットル開度に応じた燃料消費量の大小や振動の強弱を参考に設定する。

次にＳ３０３において火花点火燃焼制御の継続時間がＳ３０２で決定した推定時間を経過したか否かを判断し、継続時間が推定時間を経過した場合Ｓ３０４に進み、継続時間が経過時間を経過していない場合Ｓ３０３を繰り返す。
次にＳ３０４において燃料性状に関する情報を検出して内燃機関の軸出力と軸回転数の関係に応じて設定された吸入空気温度制御目標値を修正する。
次にＳ３０５において吸入空気加熱と圧縮自己着火燃焼制御との実行を許可してＳ３００に戻る。

なお、Ｓ３０４で実行する吸入空気温度制御目標値の修正は必ずしも図５に示す軸出力が最大となる温度とする必要は無く、圧縮自己着火燃焼が可能な温度範囲に設定されるだけでも不都合は無い。すなわち、圧縮自己着火燃焼が可能であれば図６に示す吸入空気温度制御目標値の補正制御により吸入空気温度は軸出力が最大となる温度で制御される。

燃料性状に関する情報の検出とその検出結果に基づいた吸入空気温度制御目標値の変更は以下のように行う。

内燃機関の燃焼に燃料性状が与える影響として着火の難易と火炎伝播の早遅がある。図９は同じ軸回転数と同じ燃焼負荷での２種類の性状の燃料による筒内圧力パターンを示した例である。点火プラグによる火花点火時期を同じとしても燃料性状ａでは早期に筒内圧力が上昇している。これは燃料性状ａでは着火が容易で火炎伝播が早いことを示している。このような性状の燃料での圧縮自己着火燃焼では自己着火時期が進角化すると共に燃焼期間が短縮化され異常燃焼を発生しやすい。そこで異常燃焼を避けるため吸入空気温度を下げる必要がある。

逆に燃料性状ｂでは自己着火時期が遅角化すると共に燃焼期間が長期化して燃焼の不安定性の拡大や自己着火自体が不安定または発生しなくなる。そこでそれらの異常を避けるため吸入空気温度を上げる必要がある。

吸入空気温度の上げ下げの制御は図９に示す燃焼初期の筒内圧力変化の特徴を示すΔＰａやΔＰｂの情報を検出できれば容易に行える。ΔＰａやΔＰｂは火花点火時期から一定期間遅角したΘ１とΘ２での筒内圧力測定値の差である。

このΔＰａやΔＰｂを燃料性状に関する情報として、内燃機関の特性に応じて運転条件ごとに予め作成したΔＰａやΔＰｂと吸入空気温度制御目標値の関係のデータベースから燃料補給後の燃料性状に合致した吸入空気温度制御目標値を新たな目標値としてセットする。

以上のようにこの発明に関する機能および動作を燃焼空間に燃料を直接供給する内燃機関について説明したが、吸気管内に燃料を供給する内燃機関においてもこの発明に関する機能および動作により同様の効果を得ることができる。

また、この発明に関する機能および動作の説明において吸入空気の加熱には電気ヒータを用いたが、吸入空気の加熱には内燃機関の排気ガスなどの熱を用いることもでき、その場合は吸入空気温度制御目標値に応じて排気ガスなどと吸入空気との熱交換量を制御すればよい。

１内燃機関本体、２ピストン、３クランク、４コネクティングロッド、５燃焼空間、６タイミングベルト、７吸気カム、８排気カム、９吸気弁、１０排気弁、１１スロットル弁、１２吸気流路、１３エンジンコントローラ、１４燃料噴射弁、１５燃料流路、１６点火コイル、１７点火プラグ、１８吸気開弁時期変更装置、１９排気開弁時期変更装置、２０電気ヒータ、２１温度計、２２加熱電源、３１吸入空気温度制御手段、３２燃料性状情報検出手段、３３燃料補給検知手段。

Claims

内燃機関の燃焼空間内に吸入する空気を加熱する吸入空気加熱手段と、
吸入空気温度が上記内燃機関の運転状態に応じて設定される吸入空気温度制御目標値となるように上記吸入空気加熱手段を制御する吸入空気温度制御手段と、
上記内燃機関での火花点火開始から後の所定の２つの時点での筒内圧力測定値の差を、燃料性状が与える着火の難易と火災伝播の早遅に対応した燃料性状情報として検出する燃料性状情報検出手段と、
燃料タンクへの燃料補給を検知する燃料補給検知手段とを備え、
上記燃料補給検知手段により上記燃料タンクへの燃料補給が検知された場合には、圧縮自己着火燃焼を中止して火花点火燃焼を許可し、上記燃料性状情報検出手段により上記火花点火燃焼での燃料性状情報を検出し、上記検出した燃料性状情報に基づいて上記吸入空気温度制御目標値の補正を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
上記燃料性状情報検出手段により上記燃料性状情報を検出している期間は上記内燃機関のシリンダ内への吸入空気の加熱を中断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。
火花点火制御時期から一定量遅角した２点の筒内圧力の差に基づいて上記燃料性状情報を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
上記燃料補給検知手段により燃料タンクへの燃料補給が検知された場合は燃料の均質化に要する時間を残留燃料量と補給燃料量の割合に基づいて判定し、判定した燃料の均質化に要する時間内は燃料性状に関する情報を検出しないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。