JP5924911B2

JP5924911B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5924911B2
Application number: JP2011257743A
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: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP2013113137A

Description

本発明は、内燃機関のアイドル運転を制御する制御装置に関する。

アイドル運転中の内燃機関の回転速度は、エンジンストールを起こさない限度において低速で安定させることが望ましい。エンジン回転数を所定のアイドル回転数に収束させるフィードバック制御を実施するためには、吸気量及び燃料噴射量を操作する他、気筒における燃焼の点火時期を操作することが考えられる。点火時期の補正は、スロットルバルブまたはアイドルスピードコントロールバルブの開度調整を通じた吸気量の補正と比較して、即応性が高い点で有利である。

図３に示しているように、内燃機関の出力トルクは、点火時期をＭＢＴ（ＭｉｎｉｍｕｍＡｄｖａｎｃｅｆｏｒＢｅｓｔＴｏｒｑｕｅ）点に設定したときに最大化し、点火時期をＭＢＴ点から進角または遅角させるほど低下する。エンジン回転数が所定のアイドル回転数に満たない場合、出力を上昇させる必要があるが、既にＭＢＴ点にて点火を行っているとすると点火時期を補正して出力を上昇させることはできない。

そこで、通常、敢えてＭＢＴ点よりも遅角したタイミングを基準となる点火時期として定め、この基準時期を中心として点火時期を操作するようにしている。ＭＢＴ点における出力トルクと基準時期における出力トルクとの差が、リザーブトルク（下記特許文献を参照）となる。

他方、内燃機関に加わる負荷は、種々の要因により変動する。列挙すると、クランクシャフトから駆動力の伝達を受けて回転するエアコンディショナ（のコンプレッサ）の稼働の有無、オルタネータによる発電量または照明灯（ウィンカーを含む）、ブロワファンその他の電気負荷の軽重、内燃機関自体それや駆動系におけるフリクション、ＡＴ車におけるシフトポジション（Ｄレンジではトルクコンバータと車軸とが切り離されず、Ｎレンジに比して負荷が大きくなる）等は、常に一定ではない。

従来の内燃機関の制御では、上に挙げたような負荷の変動に対処するべく、予めリザーブトルクを大きくとっておき、負荷が増大したときにもエンジンストールに陥らないようにしていた。

しかしながら、リザーブトルクを確保するということは、燃料の燃焼により本来得られるはずの出力トルクの一部を反故にすることと同義である。リザーブトルクを大きくとっておくことは、燃費効率の悪化を招く点で決して好ましくはない。

特開２０１０−０６５５７１号公報

本発明は、上記の問題に初めて着目してなされたものであって、アイドル運転中の気筒の点火時期制御の最適化を図ることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関のアイドル運転を制御するものであって、内燃機関に加わる外部負荷が大きいほどリザーブトルクを大きく設定し、そのリザーブトルクが得られるよう、燃焼圧のピークをＭＢＴを実現する位置からどれくらい遅角させるかを決定し、その遅角量を具現するように点火時期を制御するものであり、前記制御が、点火タイミングをＭＢＴよりも遅角させることで、そのタイミングで燃焼圧がピークとなったときに必要なリザーブトルクが確保されるような目標クランク角度を設定し、なおかつ、クランクシャフトの実測回転速度と所定のアイドル回転速度との偏差に基づき、この偏差を縮小するための進角量または遅角量を加えた目標クランク角度を決定して、気筒における燃焼圧が目標クランク角度近傍においてピークとなるように、各気筒の燃焼機会毎に点火時期を制御するものであることを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関のアイドル運転中の気筒の点火時期制御の最適化を図ることができる。

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装置の回路図。点火時期の進角量と出力トルクとの関係を示す図。内燃機関の各気筒における点火時期及び燃焼圧の推移を示す図。内燃機関の各気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。同実施形態の制御手法を採用した場合における、内燃機関の各気筒における点火時期及び燃焼圧の推移を示す図。

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火花点火式内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、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ｏ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ｈ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。

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、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ｄ、シフトポジション（ギアポジション）スイッチから出力されるシフトポジション信号ｅ、内燃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、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム信号ｇ、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ｈ、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ｉ、車載バッテリの充電状態を示唆する指標を検出するセンサから出力されるバッテリ状態信号ｊ等が入力される。エンジン回転センサは、１０°ＣＡ（クランク角度）毎にパルス信号ｂを発する。カム角センサは、７２０°ＣＡを気筒数で割った角度、三気筒エンジンであれば２４０°ＣＡ毎にパルス信号ｇを発する。エアコンディショナの作動信号ｉ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。バッテリ状態信号ｊは、例えばバッテリ電流、バッテリ電圧及びバッテリ温度を表示する。

出力インタフェースからは、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、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｍ、インジェクタ１０に対して燃料噴射信号ｎ、イグナイタ１１に対して点火信号ｏ、クランクシャフトから駆動力の伝達を受けて発電するオルタネータの出力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ｐ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、ｉ、ｊ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）及びＥＧＲバルブ２２の開度、オルタネータ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ので説明を割愛する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐを出力インタフェースを介して印加する。

アクセルペダルが踏み込まれていないアイドル運転の際、ＥＣＵ０は、エンジン回転数を低位のアイドル回転数に安定化させるべく、点火時期の制御を実施する。点火時期は、必要とされるリザーブトルクを確保し、かつ外乱によるエンジン回転数の変動を抑制するように設定する。

図３は、吸気量や燃料噴射量その他の運転パラメータを一定と仮定した場合の、点火時期と内燃機関の出力トルクとの関係を表している。出力トルクは、点火時期をＭＢＴ点に設定したときに最大化し、点火時期をＭＢＴ点から進角または遅角させるほど低下する。

点火時期の進角量または遅角量に対する出力トルクの変化量の比、換言すれば図３に示している曲線の接線の傾きは、ＭＢＴ点近傍においては小さく、ＭＢＴ点から離れるほど大きくなる。つまり、ＭＢＴ点近傍では、点火時期の操作に対する出力トルクの増減の感度が低いということもあり、よって通常、敢えてＭＢＴ点よりも遅角したタイミングを基準となる点火時期として定め、この基準時期を中心として点火時期を操作する。ＭＢＴ点における出力トルクと基準時期における出力トルクとの差が、リザーブトルクとなる。リザーブトルクの確保により、燃費効率は悪化するが、外乱に対して出力トルクを増減調整する余裕が生まれる。

リザーブトルクの大きさは、内燃機関に加わる外部負荷に応じて設定する。外部負荷の例としては、クランクシャフトから駆動力の伝達を受けて回転するエアコンディショナのコンプレッサ、オルタネータまたは照明灯（ウィンカーを含む）、ブロワファンその他の電気負荷、機関自体や駆動系（トランスミッションを含む）のフリクション、ＡＴ車におけるＤレンジ（Ｄレンジではトルクコンバータと車軸とが切り離されず、Ｎレンジに比して負荷が大きくなる）、等を挙げることができる。

基本的に、リザーブトルクは、内燃機関に加わる外部負荷が大きいほど大きくとる。外部負荷が大きいほどエンジン回転数が落ち込みやすく、その落ち込み分を補うように出力トルクを増す必要があるからである。逆に、内燃機関に加わる外部負荷が小さい状況では、リザーブトルクを小さくして燃費の向上を図る。それ故、気筒１における点火時期は、内燃機関に加わる負荷が大きいほどＭＢＴ点から遠ざかり、負荷が小さいほどＭＢＴ点に近づいてゆく。

その上で、エンジン回転数が所定のアイドル回転数に収束して安定するように点火時期を調整する。即ち、クランクシャフトの回転速度を所定回転角度毎、例えば３０°ＣＡ毎にセンシングし、その回転速度と所定のアイドル回転速度との偏差を縮小させる方向に、点火時期を基準時期から進角または遅角させる。

尤も、各気筒１である一定の点火時期にて点火を行ったとしても、各気筒１で得られる出力トルクの大きさが均等になるとは限られない。これは、図４に例示するように、各気筒１毎の燃焼圧力の上昇の推移（図中、第一気筒を実線、第二気筒を破線、第三気筒を鎖線で示す）に差が生じることが一因である。

そこで、本実施形態では、アイドル運転中、各気筒１における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フィードバック制御を実施することとしている。

気筒１内の燃焼圧力は、イオン電流信号ｈを参照して推測する。図５に、燃焼圧（図中破線で示す）及びイオン電流（図中実線で示す）のそれぞれの推移を例示している。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。

目標クランク角度とは、そのタイミングで燃焼圧がピークとなったときに必要なリザーブトルクが確保されるような基準クランク角度に、クランクシャフトの実測回転速度と所定のアイドル回転速度との偏差に基づく進角量または遅角量を加えたものである。

ＥＣＵ０のメモリには予め、エアコンディショナのＯＮ／ＯＦＦ、オルタネータの発電量または電気負荷の大きさ、機関のフリクションロスを示唆する冷却水温、駆動系のフリクションロスを示唆するトランスミッション油温（または、トルクコンバータ油温）、駆動系のシフトポジション等といった外部負荷の条件と、当該条件下における必要なリザーブトルクが確保されるような基準クランク角度との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、センシングしている外部負荷の条件をキーとしてマップを検索し、基準クランク角度を知得する。さらに、エンジン回転信号ｂを参照して実測回転速度とアイドル回転速度との偏差を演算し、この偏差を縮小するための進角量または遅角量を前記基準クランク角度に加えて、目標クランク角度を決定する。

しかして、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、決定した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。結果、図６に示すように、各気筒１における点火時期は互いに相異するが、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り、各気筒１の出力トルク及び回転速度のばらつきが抑制される。

因みに、アイドル運転中のＥＣＵ０は、点火時期だけでなく吸気量及び燃料噴射量をも増減調整することがある。その場合、クランクシャフトの実測回転速度と所定のアイドル回転速度との偏差を縮小させる方向に、スロットルバルブ３３の開度及びインジェクタ１０の開弁時間を増加または減少させる。

本実施形態では、内燃機関のアイドル運転を制御するものであって、機関に加わる負荷に応じて点火時期のＭＢＴ点からの遅角量即ちリザーブトルクを決定し、点火時期を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。本実施形態によれば、必要最小限のリザーブトルクを得られる点火時期を設定して、不必要に点火時期が遅角化することを回避し、アイドル運転中の燃費を向上させることが可能となる。

加えて、機関に加わる負荷に応じたリザーブトルクを基に目標クランク角度を定め、気筒１における燃焼圧がこの目標クランク角度近傍においてピークとなるよう、各気筒１毎に点火時期を制御することとしており、各気筒１の燃焼状態等に差異が存在していたとしても、全気筒１において本来実現したい燃焼タイミングで爆発燃焼させることができ、回転変動を抑制することができる。

従来は、各気筒１毎の出力トルクがばらつくことを考慮に入れた上で各気筒１共通の比較的大きなリザーブトルクを設定していたが、本実施形態の制御手法を採用することにより、リザーブトルクに大きな余裕をもたせる必要がなくなる、即ちリザーブトルクをより小さくすることが可能となるため、燃費の一層の向上に寄与し得る。

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。

特に、アイドル運転中の各気筒１の点火時期を学習制御することが考えられる。学習制御にあたり、ＥＣＵ０は、気筒１毎に、燃焼圧のピークまたはイオン電流のピークが目標クランク角度近傍となったときの点火時期を、そのときの内燃機関の運転状態、例えば冷却水温、吸気温や内燃機関に加わる外部負荷の状況等を示す情報と関連付けて、学習値としてメモリに格納、記憶保持する。そして、以後の制御において、過去に学習値を学習した運転状態と同様の運転状態が再現されたときに、メモリに格納されている気筒１毎の学習値の中から当該運転状態に関連付けられているものを読み出し、その学習値を以て対応する気筒１の点火時期とするのである。

制御装置たるＥＣＵ０が、各気筒１の燃焼圧のピークが目標クランク角度近傍となる各気筒毎の点火時期を、そのときの内燃機関の運転状態に関連付けて学習値として記憶し、以後に同様の運転状態となった際、各気筒１の点火時期を記憶している学習値に則って設定するものとすれば、点火時期を速やかに最適化でき、アイドル回転制御の精度がより一層高まる。

また、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。

上記実施形態では、アイドル運転中の吸気量の増減補正のために電子スロットルバルブ３３の開度を操作していたが、アイドルスピードコントロールバルブを実装している内燃機関においては、このアイドルスピードコントロールバルブを操作することとしてもよい。周知の通り、アイドルスピードコントロールバルブは、吸気通路におけるスロットルバルブの上流側と下流側とを連通するバイパス通路を開閉する流量制御弁である。

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、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１３…点火プラグ
１４…バイアス電源部
１５…増幅部

Claims

内燃機関のアイドル運転を制御するものであって、
内燃機関に加わる外部負荷が大きいほどリザーブトルクを大きく設定し、そのリザーブトルクが得られるよう、燃焼圧のピークをＭＢＴを実現する位置からどれくらい遅角させるかを決定し、その遅角量を具現するように点火時期を制御するものであり、
前記制御が、点火タイミングをＭＢＴよりも遅角させることで、そのタイミングで燃焼圧がピークとなったときに必要なリザーブトルクが確保されるような目標クランク角度を設定し、なおかつ、クランクシャフトの実測回転速度と所定のアイドル回転速度との偏差に基づき、この偏差を縮小するための進角量または遅角量を加えた目標クランク角度を決定して、気筒における燃焼圧が目標クランク角度近傍においてピークとなるように、各気筒の燃焼機会毎に点火時期を制御するものであることを特徴とする内燃機関の制御装置。