JP5251443B2 - 火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給機及びインタークーラを備える火花点火式内燃機関の制御に関する。

特許文献１には、圧縮自己着火式のディーゼルエンジンにおいて、吸気を過給する過給機と、この過給機により過給された吸気を冷却するインタークーラとを備え、インターラの出口温度を推定し、この出口温度に基づいて燃料噴射量を補正することで、排気エミッションと出力の向上を図る技術が記載されている。
特開２００２−１８０８８９号公報

一方、燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグを備えたガソリン機関に代表される火花点火式内燃機関においては、上記ディーゼルエンジンとは異なり、点火時期によっても出力トルクが変動することから、点火時期の影響も考慮しなければならない。すなわち、このような火花点火式内燃機関においては、機関熱負荷の高い高回転域や高負荷域では、ノッキングの発生や排気温度の過度な上昇を回避するために、燃料噴射量の増量，点火時期の遅角や（最大）過給圧の低下が行われる。しかしながら、インタークーラの下流側の出口温度が低いときのように、ノッキングの発生や排気温度の過度な上昇に対して比較的余裕がある状況で、上述したような燃料増量や点火時期の遅角や過給圧の低下を行うと、不必要に燃料増量が行われて燃費の悪化や排気エミッションの悪化を招いたり、不必要な点火時期の遅角や過給圧の低下により機関出力の低下を招くおそれがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、過給機とインタークーラを備えた火花点火式内燃機関において、高回転域や高負荷域のような機関熱負荷が高くノッキングの発生や排気温度の過度な上昇を回避すべき運転域で、不必要な燃料増量，点火時期の遅角や過給圧の低下を抑制し、排気性能や出力性能の向上を図ることを目的としている。

燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグと、吸気を過給する過給機と、この過給機で過給した吸気を冷却するインタークーラと、を有する火花点火式内燃機関の制御装置において、機関運転状態に基づいて、ノッキングの発生又は排気温度の過度な上昇を回避すべき所定の運転域であるかを判定する運転域判定手段と、上記所定の運転域であると判定された場合に、ノッキングの発生又は排気温度の過度な上昇を回避するように、燃料噴射量の増量，点火時期の遅角及び過給圧の低下の少なくとも一つを行う第１の補正手段と、上記インタークーラの出口温度に基づいて、上記第１の補正手段により補正された燃料噴射量，点火時期及び過給圧に対して、燃料噴射量の減量，点火時期の進角及び過給圧の増加の少なくとも一つを行う第２の補正手段と、を有することを特徴としている。

高回転域や高負荷域のような機関熱負荷が高くノッキングの発生や排気温度の過度な上昇を回避すべき運転域では、第１の補正手段による燃料噴射量の増量，点火時期の遅角や過給圧の低下によって、ノッキングの発生や排気温度の過度な上昇を回避することができる。

そして、この第１の補正手段により補正された燃料噴射量，点火時期や過給圧に対し、第２の補正手段によって、インタークーラの出口温度に基づいて、燃料噴射量の減量，点火時期の進角や過給圧の低下、言い換えると、第１の補正手段による燃料増量，点火時期遅角や過給圧低下を抑制することによって、不必要な燃料増量，点火時期の遅角や過給圧の低下を抑制し、排気性能や出力性能の向上を図ることができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る内燃機関のシステム構成の一例を示している。内燃機関１１は、点火プラグ１２を備えた火花点火式のガソリンエンジンであり、火花点火により燃焼室内の混合気を着火・燃焼させることにより回転動力を発生するものである。この内燃機関１１には、排気エネルギーを利用して吸気の過給を行うターボ過給機１３が設けられている。過給機１３は、周知のように、排気通路１４に設けられたタービン１５と、吸気通路１６に設けられたコンプレッサ１７と、両者１５，１７を一体回転するように連結する回転軸１８と、を有しており、排気量（排気エネルギー）に応じてタービン１５が回転すると、回転軸１８を介してコンプレッサ１７が回転駆動されて、吸気の過給を行うものである。また、図示していないが、コンプレッサ１７下流側の過給圧を調整するために、例えばタービン１５の上流側と下流側を接続するバイパス通路にウェイストゲートバルブ２７が設けられる。このウェイストゲートバルブ２７を開閉させることによって、タービン１５を通過する排気の量を調整して、過給圧を調整することができる。なお、タービン１５下流側の吸気管圧力すなわち過給圧として、この実施例ではスロットルバルブ２０よりも下流側の圧力ｐ３を用いている。

吸気通路１６には、吸気通路１６を開閉する電子制御式のスロットルバルブ２０がコンプレッサ１７よりも下流側に設けられているとともに、コンプレッサ１７とスロットルバルブ２０との間に、過給機１３により過給された吸気を冷却するインタークーラ２１が設けられ、かつ、コンプレッサ１７よりも上流側に吸気量（吸入空気量）Ｑを検出するエアフロメータ２２が設けれている。

機関運転状態を検出する各種センサ類として、吸気通路１６には、コンプレッサ１７の下流側の出口圧力（インタークーラ２１の上流側の圧力）ｐ１を検出する第１圧力センサ２３と、スロットルバルブ２０よりも下流側の圧力ｐ３を検出する第２圧力センサ２４と、が設けられ、排気通路１４には、排気の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出する空燃比センサ２６が設けられる。このほか、各種センサにより車速Ｖや水温Ｔｗ，アクセル開度ＡＰＯ等が機関制御部３０に入力される。

機関制御部（エンジンコントロールユニット）３０は、上記の各種センサ類からの検出信号に基づいて、燃料噴射制御，点火プラグ１２による点火時期制御，スロットルバルブ２０の開度制御，及びウェイストゲートバルブ２７による過給圧制御などの各種機関制御処理を記憶及び実行するものである。

図２は、本実施例に係る制御の流れを示すフローチャートであり、本ルーチンは上記機関制御部３０により所定期間（例えば１０ｍｓ）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１１では、機関回転数及び機関負荷等に基づいて、ノッキングの発生又は排気温度の過度な上昇を回避すべき所定の運転域、具体的には機関熱負荷の高い高回転又は高負荷側の運転域であるかを判定する。上記高回転又は高負荷側の運転域であると判定されると、ステップＳ１２へ進み、燃料噴射量に対応する目標空燃比Ａ／Ｆ，点火時期ＡＤＶ，最大過給圧ｐｍａｘの補正を行う。つまり、ノッキングの発生や排気温度の過度な上昇を抑制するために、燃料噴射量を増量し、点火時期ＡＤＶを遅角し、最大過給圧ｐｍａｘを低下する（第１の補正手段）。

ステップＳ１３では、所定の基準温度ｔｋに対するインタークーラ２１の出口温度ｔ２の偏差Δｔ２（ｔｋ−ｔ２）が０（ゼロ）を超えているかを判定する。上記の偏差Δｔ２はノッキングや排気温度に対する余裕代に相当する。上記の基準温度ｔｋは予め設定される固定値であっても良く、あるいは制御マップ等を用いて機関回転数や機関負荷に応じて設定しても良い。

偏差Δｔ２が０を超えている、つまりノッキングや排気温度に対する余裕代があると判定されると、ステップＳ１３からステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、アクセル開度ＡＰＯの変化速度ΔＡＰＯが所定のしきい値を超えているかを判定する。この変化速度ΔＡＰＯは、例えば一演算前のアクセル開度と今回のアクセル開度との差により求められる。

変化速度ΔＡＰＯがしきい値を超えていれば、出力重視モードと判定し、ステップＳ１５〜Ｓ１８の処理が行われる。ステップＳ１５では、ノッキングや排気温度に対する余裕代に相当する上記の偏差Δｔ２に基づいて、点火時期ＡＤＶを進角側に補正する。具体的には、偏差Δｔ２が大きくなるほどこれに比例して点火時期の進角補正値ΔＡＤＶが大きくなるように、偏差Δｔ２と所定の補正係数Ｂとを乗算して進角補正値ΔＡＤＶを求める。この点火時期補正値ΔＡＤＶを用いて点火時期ＡＤＶが進角側に補正されることとなる。

ステップＳ１６では、上記偏差Δｔ２に基づいて、過給圧の補正、すなわち最大過給圧の設定値ｐｍａｘを補正する。過給圧は例えば上記ウエイストゲートバルブ２７の開度により調整される。具体的には、偏差Δｔ２と所定の補正係数Ｄとを乗算した過給圧補正値Δｐｍａｘ（Δｔ２×Ｄ）の分、最大過給圧の設定値ｐｍａｘを増加側へ補正する。

ステップＳ１７では、実過給圧に相当するスロットルバルブ下流の圧力ｐ３が上記補正後の最大過給圧ｐｍａｘ未満であるかを判定する。圧力ｐ３が最大過給圧ｐｍａｘ未満であれば、ステップＳ１８へ進み、過給圧を増加する。

上記ステップＳ１４において、アクセル開度の変化速度ΔＡＰＯがしきい値以下であれば、燃費重視モードと判定し、ステップＳ１９，Ｓ２０の処理を行う。ステップＳ１９では、燃料噴射量に対応する目標空燃比Ａ／Ｆを補正する。具体的には、上記偏差Δｔ２に所定の補正係数Ａを乗算して空燃比補正値ΔＡ／Ｆを算出する。このΔＡ／Ｆの分、目標空燃比Ａ／Ｆがリーン側に補正され、燃料噴射量が減量される。つまり燃料噴射量の増量分が抑制される。

ステップＳ２０では、点火時期ＡＤＶの補正を行う。具体的には、ステップＳ１５と同様、所定のΔｔ２×Ｂの分、点火時期を進角側に補正した上で、上記ΔＡ／Ｆに所定の補正係数Ｃを乗算した値の分、つまり燃料噴射量の減量に応じた分、点火時期を遅角側に補正する。

図３は、上記インタークーラ出口温度ｔ２の推定方法の一例を示すフローチャートである。ステップＳ２１では、エアフロメータ２２や第１圧力センサ２３等の各種センサ類からの信号に基づいて、吸気量Ｑ，吸気温ｔ０，コンプレッサ１７の下流側の出口圧力ｐ１，車速Ｖ，機関水温Ｔｗ等を読み込む。

ステップＳ２２〜Ｓ２５では、コンプレッサ１７の出口温度ｔ１を算出・推定する。つまり、ステップＳ２２では、上記吸気量Ｑに、コンプレッサ１７までの吸気系の圧力損失分に対応する所定の圧力損失係数を乗じて吸気圧力ｐ０を推定する。ステップＳ２３では、下式（１）により理論ｔ１’を算出する。なお、式（１）中のｎは比熱比である。

理論ｔ１’＝ｔ０×（（ｐ１／ｐ０）＾（（ｎ−１）／ｎ）−１）＋ｔ０ …（１）
ステップＳ２４では、圧力比ｐ１／ｐ０と吸気量Ｑとに基づいて図３（Ａ）に示すような効率線マップを参照してコンプレッサ効率ηｃｏｍｐを算出する。そして、ステップＳ２５では、下式（２）に示すように、コンプレッサ効率ηｃｏｍｐと理論ｔ１’とに基づいてｃｏｍｐ効率分ηｖ（＝ηｃｏｍｐ）を補正して、コンプレッサ１７の出口温度ｔ１を算出・推定する。

ｔ１＝（理論ｔ１’＋ｔ０）／ηｖ−ｔ０ …（２）
続くステップＳ２６〜Ｓ２８では、インタークーラ放熱量Ｑｈ’を算出する。つまり、ステップＳ２６では、車速Ｖに所定の定数Ｅを乗じてインタークーラ通過風速Ｖａを算出する。ステップＳ２７では、吸気量Ｑとインタークーラ通過風速Ｖａとに基づいて、図３（Ｂ）に示すような放熱量設定マップを参照して、基本インタークーラ放熱量Ｑｈを求める。同マップに示すように、基本インタークーラ放熱量Ｑｈは、吸気量Ｑが大きくなるほど大きくなり、また、インタークーラ通過風速Ｖａが大きくなるほど大きくなる。ステップＳ２８では、上記の基本インタークーラ放熱量Ｑｈと水温Ｔｗと所定の定数Ｆとを乗算することにより基本インタークーラ放熱量Ｑｈを補正し、最終的なインタークーラ放熱量Ｑｈを’を算出する。

そして、ステップＳ２９では、下式（３）によりインタークーラ出口温度ｔ２を推定する。なお、Ｇは所定の定数である。

ｔ２＝Ｑｈ’／Ｑ×Ｇ …（３）
図４は、上記コンプレッサ出口圧力ｐ１の推定手法の一例を示す。ステップＳ３１では、スロットルバルブ２０下流側の圧力ｐ３，スロットル開度ＴＶＯ及び吸気量Ｑ等を読み込む。ステップＳ３２では、スロットル開度ＴＶＯから図４（Ａ）に示す制御マップを参照して圧力変化率を求め、この圧力変化率と上記スロットルバルブ２０下流側の圧力ｐ３とを用いて、つまり圧力変化率を用いて圧力ｐ３の低減分を補正して、インタークーラ出口圧力ｐ２を算出する。図４（Ａ）に示すように、スロットル開度ＴＶＯが大きくなるほど圧力変化率は増加する。

ステップＳ３３では、吸気量Ｑから図４（Ｂ）に示す制御マップを参照して、コンプレッサ１７による圧力損失ΔＰを算出する。図４（Ｂ）に示すように、吸気量が大きくなるほど圧力損失ΔＰは大きくなる。ステップＳ３４では、インタークーラ出口圧力ｐ２から圧力損失ΔＰを除算してコンプレッサ出口圧力ｐ１を算出する。

このような本実施例の特徴的な構成及びその作用効果について、以下に列記する。

［１］燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグ１２と、吸気を過給するターボ式の過給機１３と、この過給機１３で過給した吸気を冷却するインタークーラ２１と、を有する火花点火式内燃機関の制御装置において、
機関運転状態に基づいて、ノッキングの発生又は排気温度の過度な上昇を回避すべき所定の運転域であるか、つまり機関熱負荷の高い高回転又は高負荷側の運転域であるかを判定する運転域判定手段（ステップＳ１１）と、
上記所定の運転域であると判定された場合に、ノッキングの発生又は排気温度の過度な上昇を回避するように、燃料噴射量の増量，点火時期の遅角及び過給圧の低下の少なくとも一つを行う第１の補正手段（ステップＳ１２）と、
上記インタークーラ２１の出口温度ｔ２に基づいて、上記第１の補正手段により補正された燃料噴射量，点火時期及び過給圧に対して、燃料噴射量の減量（ステップＳ１９），点火時期の進角（ステップＳ１５，Ｓ２０）及び過給圧の増加（ステップＳ１６）の少なくとも一つを行う第２の補正手段と、
を有している。

機関熱負荷の高い高回転域や高負荷域のようなノッキングの発生や排気温度の過度な上昇を回避すべき所定の運転域では、先ず、燃料噴射量の増量，点火時期の遅角や過給圧の低下を行うことにより（ステップＳ１２）、ノッキングの発生や排気温度の過度な上昇を回避することができる。

そして、このように補正された燃料噴射量，点火時期や過給圧に対し、インタークーラの出口温度ｔ２に基づいて、燃料噴射量の減量（ステップＳ１９），点火時期の進角（ステップＳ１５，Ｓ２０）や過給圧の低下（ステップＳ１６）、つまり燃料増量分，点火時期遅角分や過給圧低下分を抑制することで、インタークーラ出口温度ｔ２が低くノッキングや排気温度に対して余裕があるような場合における不必要な燃料増量，点火時期遅角や過給圧低下を抑制し、排気性能や出力性能の向上を図ることができる。

［２］上記第２の補正手段は、アクセル開度ＡＰＯの変化速度ΔＡＰＯに基づいて、点火時期を進角するとともに最大過給圧を増加する出力重視モード（ステップＳ１５〜Ｓ１８）と、燃料噴射量を減量する燃費重視モード（ステップＳ１９）と、を切り換える（ステップＳ１４）。

これにより、運転者の加速要求に応じたアクセル開度の変化速度ΔＡＰＯに応じた形で、燃費性能の向上と出力・加速性能の向上とを高いレベルで両立することができる。

［３］上記燃費重視モードでは、上記出力重視モードに比して、上記燃料噴射量の減量に応じて、点火時期を遅角する。つまり進角量を抑制する（ステップＳ２０）。これにより、燃料噴射量の増量を抑制しつつ、点火時期の遅角により安定した燃焼を実現できる。

［４］図３に示すように、吸気温ｔ０，吸気量Ｑ及び吸気通路１６に設けられた上記過給機１３のコンプレッサ１７の出口圧力ｐ１に基づいて、上記コンプレッサ１７の出口温度ｔ１を推定する手段（ステップＳ２２〜Ｓ２５）と、車速Ｖ，吸気量Ｑ及び水温Ｔｗに基づいて、インタークーラ２１の放熱量Ｑｈ’を推定する手段（ステップＳ２６〜Ｓ２８）と、上記コンプレッサの出口温度ｔ１とインタークーラの放熱量Ｑｈ’に基づいて、上記インタークーラの出口温度ｔ２を推定する手段（ステップＳ２９）と、を有している。

これにより、インタークーラ２１の出口圧力を直接的に検出する圧力センサを省略した簡素な構成で、精度良くインタークーラ出口温度ｔ２を推定することができる。

［５］また図４に示すように、吸気通路を開閉するスロットルバルブ２０の下流側の圧力ｐ３とスロットル開度ＴＶＯとに基づいて、インタークーラの出口圧力ｐ２を推定する手段（ステップＳ３２）と、吸気量Ｑに基づいてインタークーラの圧力損失ΔＰを算出する手段（ステップＳ３３）と、上記インタークーラの出口圧力ｐ２と圧力損失ΔＰとに基づいて上記コンプレッサの出口圧力ｐ１を推定する手段（ステップＳ３４）と、を有している。

この構成によれば、コンプレッサ出口圧力ｐ１を直接的に検出する圧力センサを用いることのない簡素な構成で、精度良くコンプレッサ出口圧力ｐ１を推定することができる。

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、インタークーラ出口温度ｔ２やコンプレッサ出口圧力ｐ１を温度センサや圧力センサにより直接的に検出するようにしても良い。また、上記実施例ではステップＳ１２において、燃料噴射量の増量，点火時期の遅角と過給圧の低下の３つの補正を全て行っているが、これに限らず、ノッキングの発生や排気温度の過度な上昇を回避できる範囲で、いずれか１つ又は２つの補正を行うものであっても良い。

本発明の一実施例に係る火花点火式内燃機関の制御装置を示すシステム構成図。 本実施例に係る燃料噴射量，点火時期及び過給圧の補正制御を示すフローチャート。 図２のインタークーラの出口温度の推定制御を示すフローチャート。 図３のコンプレッサの出口圧力の推定制御を示すフローチャート。

符号の説明

１１…内燃機関
１２…点火プラグ
１３…過給機
１４…排気通路
１５…タービン
１６…吸気通路
１７…コンプレッサ
２０…スロットルバルブ
２１…インタークーラ

Claims (4)

1. 燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグと、吸気を過給する過給機と、この過給機で過給した吸気を冷却するインタークーラと、を有する火花点火式内燃機関の制御装置において、
   機関運転状態に基づいて、ノッキングの発生又は排気温度の過度な上昇を回避すべき所定の運転域であるかを判定する運転域判定手段と、
   上記所定の運転域であると判定された場合に、ノッキングの発生又は排気温度の過度な上昇を回避するように、燃料噴射量の増量，点火時期の遅角及び過給圧の低下の全てを行う第１の補正手段と、
   上記インタークーラの出口温度が所定の基準温度よりも低い場合、上記第１の補正手段により補正された燃料噴射量，点火時期及び過給圧に対して、燃料噴射量の減量，点火時期の進角及び過給圧の増加の少なくとも一つを行う第２の補正手段と、
   を有し、
   上記第２の補正手段は、アクセル開度の変化速度が所定のしきい値を超えていれば、出力重視モードと判定して、点火時期遅角分及び過給圧低下分を抑制するように、点火時期を進角するとともに過給圧を増加する一方、アクセル開度の変化速度がしきい値以下であれば、燃費重視モードと判定して、燃料増量分を抑制するように、燃料噴射量を減量することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 上記燃費重視モードでは、上記出力重視モードに比して、上記燃料噴射量の減量分に応じて、点火時期を遅角することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
3. 吸気温，吸気量及び吸気通路に設けられた上記過給機のコンプレッサの出口圧力に基づいて、上記コンプレッサの出口温度を推定する手段と、
   車速，吸気量及び水温に基づいて、上記インタークーラの放熱量を推定する手段と、
   上記コンプレッサの出口温度とインタークーラの放熱量に基づいて、上記インタークーラの出口温度を推定する手段と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
4. 吸気通路を開閉するスロットルバルブの下流側の圧力とスロットル開度とに基づいて、インタークーラの出口圧力を推定する手段と、
   吸気量に基づいてインタークーラの圧力損失を算出する手段と、
   上記インタークーラの出口圧力と圧力損失とに基づいて上記コンプレッサの出口圧力を推定する手段と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。

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