JP5839962B2

JP5839962B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5839962B2
Application number: JP2011257744A
Authority: JP
Inventors: 守人浅野
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP2013113138A

Description

本発明は、車両に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

車両の減速時には、内燃機関のクランクシャフトと車軸との間に介在する変速機の変速比をローギア化（変速比が大きくなる側へのダウンシフト）することが通例である（例えば、下記特許文献を参照）。これは、停車後の再発進を想定したものであるが、燃料カットを伴わない減速中にエンジンブレーキ作用を得るためでもある。

車両の減速中に内燃機関の燃料カット制御を実行するか否かは、そのときのエンジン回転数の減速度（単位時間あたりの減少量、時間微分）や、エアコンディショナのコンプレッサ、発電機（オルタネータ）等の補機負荷の大小その他に応じて決定される。燃料カットによりエンジンストールに陥るおそれがある場合には、燃料カットを行わない。

他方、燃料カットを伴う減速と燃料カットを伴わない減速とで車両の減速度が大きく異なることは、ドライブフィーリング、ドライバビリティの面で問題となる。そこで、燃料カットを伴わない減速時に変速比をローギア化し、エンジンブレーキの効き具合を燃料カット時と同等となるように調整している。

しかし、燃料カットを実行せずに変速比をローギア化すると、負荷の減少によりエンジン回転数が上昇するため、単位時間あたりの燃料消費量が増大してしまう。故に、減速期間が長くなるほど燃費が悪化するという、別の問題を招来することとなっていた。

特開２０１０−１７４９７３号公報特開２００１−３３０１２７号公報

本発明は、燃料カットを伴わない車両の減速中に、変速機の変速比のローギア化によらない方法で所望のエンジンブレーキ作用を得ることを所期の目的とする。

本発明では、車両の減速要求があったときに燃料カットをせず車速を減速させる場合の制御を行うものであって、車両の減速要求がありながら、燃料カットの実行が許されない場合において、減速開始当初から変速比をローギア化させず、その替わりに点火時期を進角化して圧縮行程中に燃料を爆発燃焼させ、気筒における燃焼圧が圧縮上死点の近傍または圧縮上死点以前にピークとなるように制御し、車速が所定以下に低下したときに変速比をローギア化する内燃機関の制御装置を構成した。

つまり、燃料カットを伴わない車両の減速時に、点火時期を極端に進角化させて圧縮行程中に燃料を爆発燃焼させ、圧縮上死点に向かうピストンを押し返すような圧力を燃焼室内で発生させるようにしたのである。

本発明によれば、燃料カットを伴わない車両の減速中に、変速機の変速比のローギア化によらない方法で所望のエンジンブレーキ作用を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す図。同実施形態における火花点火装置の回路図。同実施形態における自動変速機の構成を示す図。内燃機関の各気筒の燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を例示する図。燃料カットを伴わない車両の減速時における、内燃機関の各気筒の燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を例示する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。この火花点火式内燃機関は、筒内直接噴射式のものであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１０と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

気筒１の燃焼室の天井部には、点火プラグ１３を取り付けてある。図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１３は、点火コイル１２にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１２は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１１とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１１が受けると、まずイグナイタ１１が点弧して点火コイル１２の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１１が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１３の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、圧縮行程の後期から膨張行程の後期に至る期間の燃焼室内の燃焼圧力、換言すれば筒内圧を推測する。

図２に示しているように、火花点火用の電気回路には、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１４と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１５とを付設してある。バイアス電源部１４は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１４１と、キャパシタ１４１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１４２と、電流阻止用のダイオード１４３、１４４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１４５とを含む。増幅部１５は、オペアンプに代表される電圧増幅器１５１を含む。

点火プラグ１３の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１４１が充電され、その後キャパシタ１４１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１４５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることに起因して生じる抵抗１４５の両端間の電圧は、増幅部１５により増幅されてイオン電流信号ｄとしてＥＣＵ０に受信される。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパスバルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

図３に、車両が備える自動変速機の例を示す。この自動変速機は、トルクコンバータ７及びベルト式ＣＶＴ９を具備する無段変速機である。内燃機関が出力する回転トルクは、内燃機関のクランク軸からトルクコンバータ７の入力側のポンプインペラ７１に入力され、出力側のタービンランナ７２に伝達される。タービンランナ７２の回転は、遊星歯車機構を用いた前後進切換装置８を介してＣＶＴ９の駆動軸９４に伝わり、ＣＶＴ９における変速を経て従動軸９５を回転させる。従動軸９５には出力ギヤ１０１を固設してあり、この出力ギヤ１０１はデファレンシャル装置のリングギヤ１０２と噛合して車軸及び駆動輪（図示せず）を回転させる。

トルクコンバータ７は、ロックアップ機構（図示せず）を備える。ロックアップ機構は、この分野では既知のもので、トルクコンバータ７の入力軸と出力軸とを相対回動不能に締結するロックアップクラッチと、ロックアップクラッチを断接切換駆動するための油圧を制御するロックアップソレノイドバルブとを要素とする。通常、ロックアップ機構は、自動変速機による変速比の変更を伴わない状況において、トルクコンバータ７の入力側と出力側とを締結する。

前後進切換装置８は、そのサンギア８１がタービンランナ７２と連絡し、リングギア８２が駆動軸９４と連絡している。プラネタリギア８３１を支持するプラネタリキャリア８３と変速機ケースとの間には、断接切換可能な油圧クラッチたるフォワードブレーキ８４を介設している。また、プラネタリキャリア８３とサンギア８１（または、トルクコンバータ７の出力軸）との間にも、断接切換可能な油圧クラッチたるリバースクラッチ８５を介設している。

走行レンジのうちのＤレンジでは、フォワードブレーキ８４を締結し、リバースクラッチ８５を切断する。これにより、トルクコンバータ７の出力軸の回転が逆転されかつ減速されて駆動軸９４に伝達され、前進走行となる。翻って、Ｒレンジでは、リバースクラッチ８５を締結し、フォワードブレーキ８４を切断する。これにより、サンギア８１とプラネタリキャリア８３とが一体的に回転し、トルクコンバータ７の出力軸と駆動軸９４とが直結して後進走行となる。非走行レンジであるＮレンジ、Ｐレンジでは、リバースクラッチ８４、フォワードブレーキ８５をともに切断する。

ＣＶＴ９は、駆動プーリ９１及び従動プーリ９２と、両プーリ９１、９２に巻き掛けられたベルト９３とを要素とする。駆動プーリ９１は、駆動軸９４に固定した固定シーブ９１１と、駆動軸９１上にローラスプラインを介して軸方向に変位可能に支持させた可動シーブ９１２と、可動シーブ９１２の後背に配設された液圧サーボ９１３とを有しており、液圧サーボ９１３を操作し可動シーブ９１２を変位させることを通じて変速比を無段階に変更できる。並びに、従動プーリ９２は、従動軸９５に固設した固定シーブ９２１と、従動軸９５上にローラスプラインを介して軸方向に変位可能に支持させた可動シーブ９２２と、可動シーブ９２２の後背に配設された液圧サーボ９２３とを有しており、液圧サーボ９２３を操作し可動シーブ９２２を変位させることを通じてトルク伝達に必要なベルト推力を与える。

車両が備えるエアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサ（図示せず）は、既知のそれと全く同様に、内燃機関のクランクシャフトから回転トルクの伝達を受けて回転駆動される。コンプレッサとクランクシャフトとの間には、断接切換可能なマグネットクラッチが介在している。エアコンディショナを稼働するときには、このマグネットクラッチに車載バッテリ及び／または発電機からの電流を通電し、これを締結する。逆に、エアコンディショナを稼働しないときには、マグネットクラッチに通電せず、クラッチを切断する。

ＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３３の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、燃焼室内でのプラズマの生成及び混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温及び吸気圧（または、過給圧）を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、車載バッテリの充電状態を示唆する指標（バッテリ電流、バッテリ電圧、バッテリ温度）を検出するセンサから出力されるバッテリ状態信号ｆ、エアコンディショナが作動しているか否かに関する作動信号ｇ、エアコンディショナの冷媒の圧力を検出する圧力センサから出力される冷媒圧信号ｈ等が入力される。エアコンディショナの作動信号ｇは、運転者がエアコンディショナをＯＮにするべく手動操作したスイッチから発される信号であったり、オートエアコンシステムを司るオートエアコンＥＣＵから発される信号であったりする。

出力インタフェースからは、点火プラグのイグナイタ１１に対して点火信号ｉ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｊ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ、インジェクタ１０に対して燃料噴射信号ｍ、エアコンディショナのコンプレッサに通電する電気回路上のリレースイッチに対してクラッチ締結信号ｎ、ロックアップ機構のロックアップソレノイドバルブに対してロックアップ制御信号ｏ、ＣＶＴ９に対して変速比制御信号ｐ、発電機が発電する電圧を制御する電圧レギュレータに対して電圧指示信号ｑ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）、エアコンディショナのコンプレッサのＯＮ／ＯＦＦ、トルクコンバータ７のロックアップを行うか否か、ＣＶＴ９の変速比、発電機による発電電力といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。しかして、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、車両の減速要求があり、エンジン回転数が燃料カット許可回転数以上であるとき、トルクコンバータ７のロックアップとともにインジェクタ１０からの燃料噴射（及び、点火プラグによる点火）を停止する燃料カットを開始する。減速要求とは、典型的には運転者がアクセルペダルの踏み込みを緩め、その踏込量が０または０に近い閾値以下とされたことである。

その後、車両の加速要求があったとき、またはエンジン回転数が所定のアイドル回転数付近まで低下したときに、ロックアップを解除し、インジェクタ１０からの燃料噴射（及び、点火）を再開する。加速要求とは、運転者がアクセルペダルを再び踏み込み、その踏込量が閾値を上回ったことである。

燃料カット許可回転数は、エンジン回転数の減速度や、エアコンディショナのコンプレッサで圧縮する冷媒の圧力、発電機による発電量等の補機負荷の大小その他に応じて上下する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数の減速度及び補機の状況と、そのときの燃料カット許可回転数とを関連付けたマップデータが記憶されている。ＥＣＵ０は、エンジン回転数の減速度及び補機の状況をキーとしてマップを検索し、燃料カット許可回転数を読み出す。そして、読み出した燃料カット許可回転数と現在のエンジン回転数とを比較して、燃料カット制御の可否を判断する。

車両の減速要求がありながら、燃料カットの実行が許されない場合において、本実施形態のＥＣＵ０は、減速開始当初からＣＶＴ９の変速比をローギア化させることはない。その替わりに、ＥＣＵ０は、トルクコンバータ７をロックアップしつつ、点火時期を進角化して圧縮行程中に燃料を爆発燃焼させ、気筒１における燃焼圧が圧縮上死点以前にピークとなるようにフィードバック制御する。

一般に、点火時期はいわゆるＭＢＴ（ＭｉｎｉｍｕｍＡｄｖａｎｃｅｆｏｒＢｅｓｔＴｏｒｑｕｅ）点か、それよりも遅角したタイミングとされ、図４に示すように、気筒１の燃焼圧は圧縮上死点後にピークを迎える。なお、図４及び図５では、燃焼圧を破線で描画し、イオン電流の実測値を実線で描画している。

これに対し、燃料カットを伴わない車両の減速時には、点火時期を極端に進角化させる。結果、図５に示すように、気筒１の燃焼圧が圧縮上死点よりも前にピークを迎え、圧縮行程中に圧縮上死点に向かうピストンを下死点に向けて押し返そうとする。即ち、クランクシャフトひいては車軸を逆回転させるようなトルクが発生し、エンジンブレーキ作用を生む。

因みに、車両の減速中は内燃機関に対する要求負荷（吸気量及び燃料噴射量）がもとより小さいことから、点火時期を進角してもノッキングを引き起こすおそれはない。

上述の点火時期のフィードバック制御において、本実施形態のＥＣＵ０は、イオン電流信号ｄを参照して各気筒１での燃焼圧がピークとなるタイミングを検出し、そのピークが圧縮上死点以前の目標クランク角度近傍に訪れるよう、各気筒１の燃焼機会毎に点火時期を操作する。

図４及び図５に示しているように、正常燃焼の場合のイオン電流は、点火の瞬間にサージ状に急激に流れ（誘導放電）、圧縮上死点の手前で減少した後、再び増加する（容量放電）。そして、燃焼圧がピークを迎えるのと略同時にイオン電流も極大となる。従って、イオン電流の極大値を計測することで、燃焼圧がピークとなるタイミングを検出することが可能である。

ＥＣＵ０は、イオン電流を基に検知した各気筒１毎の燃焼圧のピークのタイミングと、目標クランク角度との偏差を演算し、この偏差を縮小するためのフィードバック補正（進角補正または遅角補正）量を当該気筒１の点火時期に加味して、各気筒１における次回の燃焼の際の点火時期とする。各気筒１別の点火時期制御により、各気筒１における点火時期は互いに相異なる可能性があるが、各気筒１における燃焼圧のピークは目標クランク角度近傍に揃うこととなる。

燃料カットを伴わない車両の減速であっても、車速が所定以下に低下した暁には、ＣＶＴ９の変速比をローギア化して再発進に備える。

また、燃料カットを伴わない車両の減速中に加速要求がなされたときには、点火時期を遅角化し、気筒１における燃焼圧のピークが圧縮上死点以降にピークとなるようにする。これにより、内燃機関の出力トルクを速やかに増大させることができ、再加速性能が高く保たれる。

本実施形態によれば、車両の減速要求があったときに燃料カットをせず車速を減速させる場合の制御を行うものであって、気筒１における燃焼圧が圧縮上死点以前にピークとなるように、気筒１における点火時期を制御する内燃機関の制御装置０を構成したため、変速機９の変速比をローギア化することなく所望のエンジンブレーキ作用即ち車速の減速感を得ることが可能となる。そして、減速中にエンジン回転数が徒に高回転化せず、実用燃費の向上につながる。

加えて、内燃機関やトルクコンバータ７、変速機９、発電機等のハードウェア構成に改変を加える必要はないので、コスト面でも有利である。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、燃料カットを伴わない車両の減速時に、気筒１の燃焼圧が圧縮上死点よりも前にピークを迎えるよう点火時期を設定していたが、燃焼圧が圧縮上死点後であって圧縮上死点の近傍においてピークを迎えるように点火時期を設定してもよい。要するに、燃焼行程において筒内圧力がクランクシャフトを正回転させるようにピストンを押すエネルギよりも、圧縮行程において筒内圧力がクランクシャフトを逆回転させるようにピストンを押すエネルギの方が大きく、両者の総和として負の回転運動エネルギが気筒１からクランクシャフトに与えられるようなタイミングにて、点火を実行すればよい。

上記実施形態における変速機はＣＶＴ９であったが、遊星歯車等を用いた有段自動変速機を実装した車両においても、本発明を適用することは当然に可能である。

上記実施形態では、ＥＣＵ０がイオン電流を参照して気筒１の燃焼室内での燃焼圧のピークを感知していたが、気筒１に筒内圧センサを組み込んである場合には、筒内圧センサを介して直接に燃焼圧を計測し、そのピークを感知することができる。

また、燃料カットを伴わない車両の減速中に、点火時期の進角制御とともに、変速機９の変速機を敢えてハイギア化（変速比が小さくなる側へのアップシフト）し、エンジン回転数を低下させて燃費を稼ぐことも考えられる。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関の制御に利用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１３…点火プラグ
９…変速機（ＣＶＴ）

Claims

車両の減速要求があったときに燃料カットをせず車速を減速させる場合の制御を行うものであって、
車両の減速要求がありながら、燃料カットの実行が許されない場合において、減速開始当初から変速比をローギア化させず、その替わりに点火時期を進角化して圧縮行程中に燃料を爆発燃焼させ、気筒における燃焼圧が圧縮上死点の近傍または圧縮上死点以前にピークとなるように制御し、車速が所定以下に低下したときに変速比をローギア化する内燃機関の制御装置。