JP5896839B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の回転数を検出することができる制御装置に関する。

従来、内燃機関の始動時においては、始動直後に回転数が急激に上昇し、目標回転数を大きく超えて吹き上がる。その原因を具体的に説明すると、通常始動時には吸気管圧力が大気圧に保持されているため、吸気管圧力が負圧となっている通常のアイドル運転時よりも吸入空気量が多くなってしまうことで出力が増大し、その結果目標回転数に対するオーバーシュートを招来してしまうからである。

そこで近年、完爆から回転数が目標回転数に到達するあまでの始動時点火時期を、最適点火時期から一定量遅角した値に設定することで、始動時に起こる回転数の吹き上がりと呼ばれる目標回転数を超えたオーバーシュートを回避しようとする技術が提案されている(例えば、特許文献１参照)。当該特許文献では、完爆から回転数が目標回転数に到達するまでの間、単に点火時期を遅角側に固定するのではなく、完爆から目標回転数に到達するまでに変化する最適点火時期（ＭＢＴ）を基準として一定量遅角した点火時期を設定することで、回転数の吹き上がりの抑制と始動時の失火の回避とを両立しようとしたものである。

ところで、通常点火時期の制御は検出された回転数を基に決定される。しかしながら回転数の検出は通常、クランクシャフトに設けられた例えば１０°ＣＡ毎に発せられるクランク角センサからのパルス信号が、例えば３０°ＣＡ分得られた後、さらにこれら複数のパルス信号が得られた時間差の値が積分された後に算出される。加えて燃焼による筒内圧力の増大がクランクシャフトに伝達されるまでの機械的伝達、詳細には筒内圧力の増大によりまずピストンを押し下げられ、その押し下げたピストンがコンロッドを動作させ、コンロッドの動作がクランクシャフトを回転させるまでの機械的伝達に掛かる時間も鑑みると、クランク角センサにより回転数が検出されるタイミングとそのタイミングでの内燃機関における燃焼との間には常に一定の時間差が存在することになる。

つまり上記積分による演算や機械的伝達を経て得られる回転数の値をもって点火時期の制御を行ったのでは、常に一定時間の制御遅れが存在し、適切なタイミングでの点火時期の制御が行えていないことになる。

特開２００８−２９８０３２号公報

本発明は、このような不具合に着目したものであり、制御遅れの無い速応性に優れた制御を実現できる内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る内燃機関の制御装置は、気筒内の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、少なくとも回転数を含む運転状態から要求点火時期を決定する点火時期算出手段と、要求点火時期に応じて点火時期を制御する点火時期制御手段とを備えた内燃機関の制御装置であって、点火から燃焼状態の極大がくるまでの極値前時間を検出し、この極値前時間から内燃機関の回転数を推定し、推定された回転数から要求点火時期を決定する。

このようなものであれば、気筒内からクランクシャフトへの機械的伝達やクランク角信号から得られた値の演算を経て現状得られている回転数よりも、気筒内の燃焼状態からその結果となる回転数の如何を燃焼状態から直接推定することにより、燃焼状態の状況に素早く応じた要求点火時期を決定することができる。その結果、従来よりも早い応答による速応性の高い、すなわち信頼性の高い点火時期の制御が可能となり、始動時には制御遅れによる回転数の吹き上がりを抑制でき、不要な振動を有効に低減することができる。

本発明によれば、信頼性の高い制御を実現できる内燃機関の制御装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火及びイオン電流検出に係る回路図。 同実施形態におけるクランクシャフト周辺の構成説明図。 内燃機関の気筒における筒内圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。 気筒内での燃焼時の火炎速度と回転数との関係を示すグラフ。 同火炎速度と吸気圧との関係を示すグラフ。 同火炎速度と空燃比との関係を示すグラフ。 同火炎速度と気筒に充填される前の吸気の温度との関係を示すグラフ。 内燃機関の始動時における回転数と時間との関係を示す図。

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。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２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１２は、点火コイル１４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１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。各気筒１の燃焼室にはピストン１７が嵌挿され、このピストン１７はコンロッド１８を介してクランクシャフト１９に連結されている。

内燃機関の燃焼状態判定装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４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１３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１２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、燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５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１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１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１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２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１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

次に図３において、クランク角センサ２０について補足する。クランク角センサ２０は、例えば１０°ＣＡ間隔で回転数信号ｂを出力するものである。具体的には、クランクシャフト１９の軸端部に固着した回転体１９ａの外周に外歯１９ｂを突設し、その外歯１９ｂに対面するように電磁ピックアップを設置したもので、その外歯１９ｂが周方向に沿って１０°ＣＡ間隔で間欠的に配置してある。クランクシャフト１９の回転に伴って外歯１９ｂが電磁ピックアップの近傍を通過したとき、電磁ピックアップがパルス信号であるクランク角信号ｂを出力する。このクランク角信号ｂの間隔から、回転数を算出することができる。ちなみに、クランク角センサ２０は、所定のタイミングで無信号出力となるように構成されている。これは、回転体１９ａの外歯１９ｂが一部欠損していることによる。従って、その欠損位置を基準としたクランクシャフト１９の現在の回転角度を検知することも可能である。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒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、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒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及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司る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１９の回転角度及び回転数を検出するクランク角センサ２０から出力されるクランク角信号（Ｎ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３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、燃焼室内での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ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ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、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、それら回転数及び吸気量等に基づき、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、点火時期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、ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

つまり本実施形態におけるＥＣＵ０は、気筒１内の燃焼状態をイオン電流として検出する燃焼状態検出手段と、少なくともクランクシャフト１９の回転数を含む運転状態から要求点火時期を決定する点火時期算出手段と、要求点火時期に応じて点火信号ｉにより点火時期を制御する点火時期制御手段とを備えたものである。

図４に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の筒内圧（図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。なおイオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、筒内圧が極大を迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。本実施形態では、点火から燃焼状態が極大となる時点すなわちイオン電流の電流値が極大となる時点までの時間を極値前時間と設定している。

ここで、上述した極値前時間の値は、気筒１内を燃焼する火炎の速度に依存している。そして図５に示すように、気筒１内で燃焼する火炎の速度と実際の回転数との間には正の相関が有る。すなわち、回転数が高い程、極値前時間は短くなる傾向にあることが分かる。

しかして本実施形態に係る内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、上記の構成のもと、点火から燃焼状態の極大がくるまでの極値前時間を検出し、この極値前時間から内燃機関の回転数を推定し、推定された回転数である推定回転数から要求点火時期を決定するようにしている。

但し、上記のように極値前時間と回転数との間に相関が有るものの、極値前時間は、回転数以外の種々の要因によって変動する。よって本実施形態では、極値前時間と回転数との相関に影響を与えると考えられる要件を基に以下の様な補正を加えることで、実際の回転数に近い推定回転数を算出している。

まず本実施形態では、冷却水温が高い程、極値前時間を長くするよう補正している。それは冷却水温が高い状態、すなわち機関温度が高い状態では、機関温度が低い状態に比べてノッキングが起こり易い状態にある。これにより、極値前時間は回転数が同じでも短い傾向にあるからである。

本実施形態では吸気圧が高い程極値前時間を長くするよう補正している。図６は火炎速度と負荷である吸気圧との相関を示したグラフである。同図に示すように吸気圧が高い状態では火炎速度の上昇する傾向にある。そのため吸気圧が高い程実際の極値前時間は回転数が同じでも短い傾向にあるからである。

本実施形態では空燃比が高い程極値前時間を短くするよう補正している。図７は火炎速度と空燃比との相関を示したグラフである。同図に示すように実際の運転時で設定される空燃比が約１１よりも高い範囲においては、空燃比が高い状態では火炎速度が遅くなる。これに起因して実際の極値前時間は回転数が同じでも長い傾向にあるからである。

本実施形態では気筒１に充填される前の吸気の温度が高い程極値前時間を短くするよう補正している。図８は火炎速度と気筒１に充填される前の吸気の温度との相関を示したグラフである。同図に示すように温度が高い程気体の密度が低くなる。そのため、火炎速度が遅くなることに起因して回転数が同じでも実際の極値前時間が長くなるからである。

本実施形態では上記の補正を実行する一例として冷却水温、負荷（吸気量）、空燃比及び気筒１に至る前の吸気温の値に応じた各補正係数をマップとして記憶させている。そして実際に得られた極値前時間に対し、冷却水温、負荷（吸気量）、空燃比及び気筒１に至る前の吸気温の値に応じた各補正係数をマップから読み出して乗じることにより推定回転数を算出している。

図９は、本実施形態における運転状況の一例として始動時のエンジン回転数を示している。同図はクランク角センサ２０から得られる実際の回転数を基に点火時期の制御を行った一点鎖線で示される回転数の挙動と、推定回転数を基に点火時期の制御を行った実線で示される回転数の挙動とを示している。なお当該始動時の点火時期の制御については、検出または推定された回転数を基に点火時期を最適点火時期よりも適宜遅角側に制御して目標回転数からの回転数の吹き上がりを回避する既存の制御を行っている。斯かる制御についての詳細な説明は省略する。

まず従来通りに実際の回転数を基に点火時期の制御を行った場合について説明する。一点鎖線で示すように点火の後、完爆した時点から回転数が急速に上昇する。これに対しＥＣＵ０はクランク角センサ２０によって検出された実際の回転数を基に点火時期を遅角側に補正する制御を行う。しかし実際の回転数が得られた時点では気筒１内では当該回転数の基になった燃焼は既に終わっており、さらに高い回転数を招来するそれ以降の燃焼を行う動作に入っている。それ故にＥＣＵ０は得られた実際の回転数よりも高い回転数を招来する別の燃焼を行う動作に対して点火時期の補正を行っている。つまり、点火時期の制御に遅れが生じている。その結果同図に示す通り、回転数は目標回転数を大きく超えて吹き上がってしまう。

そして本実施形態のように実線で示される推定回転数を基に点火時期の制御を行った場合、まずは上記同様に完爆した時点から回転数が急激に上昇する。ここでＥＣＵ０はその回転数の基になる燃焼の極値前時間が得られた時点で推定回転数を算出し点火時期を補正する。そのため回転数に応じた点火時期の制御が遅れることなく的確に行われる。その結果、回転数は目標回転数を超えても吹き上がらず、速やかに目標回転数に向けて収束する。

また図示しないが、通常運転時では勿論始動時のように目標回転数は設定されていない。通常運転時の点火時期の制御は、ノッキングの検出に応じて点火時期を遅角させるノックコントロールシステムによる制御が主体となり、補助的に回転数に応じた点火時期の制御が行われる。このような場合でも上記の推定回転数を基に点火時期や燃料噴射量、吸気量の制御を行うことができる。

さらに本実施形態では、通常運転時において上記の如く推定された推定回転数とクランク角センサ２０によって検出された実際の回転数とを比較するようにしている。そして推定回転数と実際の回転数との間に所定以上の乖離がある場合はクランク角センサ２０の異常と判断する。また例えば燃焼状態の異常などにより燃焼状態の極大がイオン電流から得られない場合には通常通り、クランク角センサ２０によって検出された実際の回転数を基に点火時期の制御を行うようにしている。

以上のように本実施形態の内燃機関の制御装置であるＥＣＵ０は、気筒１内からクランクシャフト１９への機械的伝達やクランク角信号ｂから得られた値の演算を経て現状得られている回転数よりも、気筒１内の燃焼状態からその結果となる回転数の如何を燃焼状態から直接推定することにより、燃焼状態の状況に素早く応じた要求点火時期を決定することができる。その結果、従来よりも早い応答による速応性の高い点火時期の制御を実現した。そして図９に示すように始動時には制御遅れによる回転数の吹き上がりを抑制でき、しかも当該吹き上がりによる不要な振動を有効に低減している。また回転数の吹き上がりによって目標以上の回転数となる結果消費される不要な燃料も削減でき、燃費の向上にも寄与している。

加えて本実施形態では、推定回転数と実際の回転数とを比較するようにしている。そして推定回転数と実際の回転数との間に所定以上の乖離がある場合はクランク角センサ２０の異常と判断するようにしているので、クランク角センサ２０の異常を的確に検出することができ、信頼性の向上にも資するものとなっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、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。

例えば上記実施形態では極値前時間を得る指標としてイオン電流を適用したが、図４に破線で示すとおり、筒内圧の極大はイオン電流の極大と同じタイミングとなっている。すなわち本実施形態の変形例としては、内燃機関が筒内圧センサを備えるようにして、点火から筒内圧の極大までの時間を極値前時間として、上記同様に推定回転数を算出する態様を挙げることができる。また気筒１内の温度の挙動も図４で波線で示す筒内圧同様の挙動を示す。つまり筒内の温度を検出するセンサを備えている場合は、点火から筒内温の極大までの時間を極値前時間として、上記同様に推定回転数を算出しても良い。

また上記実施形態では推定回転数を基に点火時期の制御を行った態様を開示したが、勿論、燃焼噴射量やスロットルバルブの開度や吸気バルブの開閉タイミングなど、制御し得る他の全ての要件に推定回転数を反映させてもよい。また点火時期の具体的な制御や燃料噴射量の具体的な制御態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本発明は内燃機関の回転数を検出することができる制御装置として利用することができる。

０…ＥＣＵ
１２…点火プラグ
１９…クランクシャフト

Claims (1)

1. 気筒内の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
   運転状態から要求点火時期を決定する点火時期決定手段と、
   要求点火時期に応じて点火時期を制御する点火時期制御手段とを備えた内燃機関の制御装置であって、
   点火から燃焼状態の極大がくるまでの極値前時間を検出し、この極値前時間から内燃機関の回転数を推定し、推定された回転数から要求点火時期を決定する内燃機関の制御装置。

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