JP5930126B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

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Description

この発明は、可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御装置および制御方法に関し、特に、過渡時における圧縮比の補正制御に関する。
内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構は、従来から種々の形式のものが知られている。例えば、複リンク式ピストンクランク機構のリンクジオメトリの変更によってピストン上死点位置を上下に変位させるようにした可変圧縮比機構が本出願人らによって多数提案されている。また、クランクシャフトの中心位置に対しシリンダの位置を上下に変位させることで同様に機械的圧縮比を変化させるようにした可変圧縮比機構も公知である。
このような可変圧縮比機構においては、基本的には、ノッキング等の異常燃焼を生じない範囲でできるだけ高い圧縮比とすることが望ましく、従って、目標圧縮比の一般的な傾向としては、負荷が高いほど低い圧縮比となる。ノッキングの生じやすさは、筒内温度に依存する。特許文献1には、燃焼室内の残留ガス量を考慮して燃焼室内の圧縮時のガス温度を推定し、機関運転条件に代えて、この筒内のガス温度に応じて目標圧縮比を設定することが開示されている。
可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、ノッキングの発生が最も問題となるのは、定常時ではなく、運転条件が変化する過渡時である。また、ノッキングを回避するために過渡時に過度に低い圧縮比となるようにすると、燃費の悪化の問題が発生する。
上記特許文献1の先行技術においては、過渡時に外部排気還流や内部排気還流の変化に起因する筒内温度の影響が考慮されておらず、過渡時に必ずしも適切な圧縮比に制御することができない。つまり、過渡時におけるノッキングの発生や燃費悪化の問題を十分に解決するに至っていない。
特開2004−278334号公報
この発明は、内燃機関の機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備えるとともに、排気系から吸気系へ排気の一部を還流する外部排気還流装置を備えてなる内燃機関の制御装置であって、過渡時に上記外部排気還流装置による外部排気還流量を推定する過渡外部EGR量推定手段と、過渡時に内部排気還流量を推定する過渡内部EGR量推定手段と、これらの外部排気還流量および内部排気還流量に基づいて過渡時の筒内温度を推定する筒内温度推定手段と、推定した過渡時の筒内温度に基づいて、上記可変圧縮比機構による機械的圧縮比を補正する圧縮比補正手段と、を備えている。
このような構成では、過渡時に、外部排気還流量と内部排気還流量とが個々に推定され、これらの排気還流量に基づいて、過渡時に変化していく筒内温度がより正確に推定される。そして、この推定した筒内温度に基づいて圧縮比が補正されるため、過渡時により適切な圧縮比とすることができる。
好ましい一つの態様では、内燃機関の運転条件に基づき、定常状態での目標圧縮比を設定する手段と、内燃機関の運転条件に基づき、定常状態での基準筒内温度を設定する手段と、を備えており、上記圧縮比補正手段は、推定した過渡時の筒内温度と上記基準筒内温度との比較に基づき上記目標圧縮比を補正する。
この発明によれば、過渡時に、外部排気還流量および内部排気還流量を考慮してより適切な圧縮比に制御することができ、過渡時におけるノッキングの発生や過度の低圧縮比化による燃費悪化を回避することができる。
この発明の一実施例に係る制御装置のシステム構成を示す構成説明図。 この実施例における圧縮比制御を示す機能ブロック図。 定常時の圧縮比マップの特性を示す説明図。 過渡内部EGR量推定手段の詳細を示す機能ブロック図。 過渡内部EGR量補正手段の詳細を示す機能ブロック図。 過渡内部EGR量補正テーブルの特性を示す説明図。 過渡外部EGR量推定手段の詳細を示す機能ブロック図。 過渡外部EGR量補正手段の詳細を示す機能ブロック図。 筒内温度推定手段の詳細を示す機能ブロック図。 圧縮比補正手段の詳細を示す機能ブロック図。 圧縮比補正テーブルの特性を示す説明図。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、この発明が適用された自動車用内燃機関1のシステム構成を示している。この内燃機関1は、例えば複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構2を備えた4ストロークサイクルの筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、燃焼室3の天井壁面に、一対の吸気弁4および一対の排気弁5が配置されているとともに、これらの吸気弁4および排気弁5に囲まれた中央部に点火プラグ6が配置されている。
上記吸気弁4によって開閉される吸気ポート7の下方には、燃焼室3内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁8が配置されている。上記燃料噴射弁8は、駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、この駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。
上記吸気ポート7に接続された吸気通路18のコレクタ部18a上流側には、エンジンコントローラ9からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ19が介装されており、さらにその上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ10ならびに吸気温度を検出する吸気温度センサ20が配設されている。
上記吸気弁4は、該吸気弁4の開閉時期を可変制御できる吸気側可変動弁機構41を備えており、上記排気弁5は、該排気弁5の開閉時期を可変制御できる排気側可変動弁機構42を備えている。これらの可変動弁機構41,42は、開時期および閉時期を個々に独立して変更できるものであってもよく、開時期および閉時期が同時に遅進する構成のものであってもよい。本実施例では、吸気側カムシャフト43および排気側カムシャフト44のクランクシャフト21に対する位相を遅進させる後者の形式のものが用いられている。これらの可変動弁機構41,42の遅進量によってバルブオーバラップ量を可変制御することが可能である。内部排気還流量は、基本的に、このバルブオーバラップ量によって定まる。なお、吸気弁4および排気弁5のいずれか一方のみに可変動弁機構を備えた構成であってもよい。
また、排気ポート11に接続された排気通路12には、三元触媒からなる触媒装置13が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ14が配置されている。
排気の一部を排気系から吸気系に還流する外部排気還流装置は、上記排気通路12の触媒装置13上流側から上記吸気通路18のコレクタ部18aへ至る排気還流通路46と、この排気還流通路46の途中に介装された排気還流制御弁47と、から構成されている。上記排気還流制御弁47は、例えばステップモータにより弁体の開度が可変制御される構成の弁あるいはソレノイドのデューティ制御によって実質的な開度が可変制御される電磁弁などから構成されている。
上記エンジンコントローラ9には、上記のエアフロメータ10、空燃比センサ14、吸気温度センサ20のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ15、冷却水温を検出する水温センサ16、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ17、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ9は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁8による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ6による点火時期、スロットルバルブ19の開度、吸気弁4および排気弁5の開閉時期、排気還流制御弁47の開度、等を最適に制御している。なお、吸気側可変動弁機構41および排気側可変動弁機構42は、例えば各々のカムシャフト43,44の回転位置を検出するカム角センサ(図示せず)を備えており、これらのカム角センサの検出信号に基づき、クランクシャフト21に対するカムシャフト43,44の実際の位相差ひいては開閉時期の実値を検出することが可能である。
一方、可変圧縮比機構2は、特開2004−116434号公報等に記載の公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、クランクシャフト21のクランクピン21aに回転自在に支持されたロアリンク22と、このロアリンク22の一端部のアッパピン23とピストン24のピストンピン24aとを互いに連結するアッパリンク25と、ロアリンク22の他端部のコントロールピン26に一端が連結されたコントロールリンク27と、このコントロールリンク27の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト28と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト21および上記コントロールシャフト28は、シリンダブロック29下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。上記コントロールシャフト28は、該コントロールシャフト28の回動に伴って位置が変化する偏心軸部28aを有し、上記コントロールリンク27の端部は、詳しくは、この偏心軸部28aに回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構2においては、コントロールシャフト28の回動に伴ってピストン24の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。
また、上記可変圧縮比機構2の圧縮比を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト21と平行な回転中心軸を有する電動モータ31がシリンダブロック29下部に配置されており、この電動モータ31と軸方向に直列に並ぶように減速機32が接続されている。この減速機32としては、減速比の大きな例えば波動歯車機構が用いられており、その減速機出力軸32aは、電動モータ31の出力軸(図示せず)と同軸上に位置している。従って、減速機出力軸32aとコントロールシャフト28とは互いに平行に位置しており、両者が連動して回動するように、減速機出力軸32aに固定された第1アーム33とコントロールシャフト28に固定された第2アーム34とが中間リンク35によって互いに連結されている。
すなわち、電動モータ31が回転すると、減速機32により大きく減速された形で減速機出力軸32aの角度が変化する。この減速機出力軸32aの回動は第1アーム33から中間リンク35を介して第2アーム34へ伝達され、コントロールシャフト28が回動する。これにより、上述したように、内燃機関1の機械的な圧縮比が変化する。なお図示例では、第1アーム33および第2アーム34が互いに同方向に延びており、従って、例えば減速機出力軸32aが時計回り方向に回動するとコントロールシャフト28も時計回り方向に回動する関係となっているが、逆方向に回動するようにリンク機構を構成することも可能である。
上記可変圧縮比機構2の目標圧縮比は、エンジンコントローラ9において、後述するように筒内温度を考慮しつつ主に機関運転条件(要求負荷と機関回転速度)に基づいて設定され、この目標圧縮比を実現するように上記電動モータ31が駆動制御される。
図2は、上記エンジンコントローラ9において行われる圧縮比制御の内容を機能ブロック図として示したものである。これらの各機能手段は、マイクロコンピュータシステムからなるエンジンコントローラ9におけるソフトウェアないしハードウェアの一部として実現されるものであり、図示するように、過渡内部EGR量推定手段51、過渡外部EGR量推定手段52、定常筒内基準温度マップ53、定常圧縮比マップ54、筒内温度推定手段55、圧縮比補正手段56、を含んでいる。
上記過渡内部EGR量推定手段51は、オーバラップ(O/L)量偏差と機関回転速度と機関負荷とを入力として、内部EGR量推定値を出力するものである。オーバラップ量偏差とは、その瞬間における機関回転速度および機関負荷に対応した定常オーバラップ量とそのときの実際のオーバラップ量つまり実オーバラップ量との偏差(詳しくは、(定常オーバラップ量)−(実オーバラップ量))である。定常オーバラップ量は、機関の回転速度および負荷に基づいてそれぞれ制御される吸気側可変動弁機構41の制御目標値および排気側可変動弁機構42の制御目標値から(換言すれば吸気弁開時期の目標値と排気弁閉時期の目標値とから)算出される。
上記過渡内部EGR量推定手段51は、図4に示すように、オーバラップ量偏差に基づいて過渡内部EGR補正値を出力する過渡内部EGR量補正手段61と、機関の回転速度および負荷を入力として、これらに対応する定常内部EGR量を出力する定常内部EGR量算出手段62と、上記定常内部EGR量に上記過渡内部EGR補正値を加算して内部EGR量推定値を出力する加算部63と、から構成されている。
上述したように定常オーバラップ量は機関の回転速度および負荷に基づいて求められるので、上記定常内部EGR量算出手段62は、定常状態における内部EGR量(内部排気還流量)を、機関の回転速度および負荷から求めることができる。これは、例えば定常オーバラップ量に基づいて算出するようにしてもよく、あるいは、機関の回転速度および負荷をパラメータとした所定のマップから直接に求めるようにしてもよい。
また、上記過渡内部EGR量補正手段61は、図5に示すように、オーバラップ量偏差に基づいて過渡内部EGR補正基本値を出力する過渡内部EGR補正テーブル65と、オーバラップ量の変化に対する内部EGR量の変化の応答遅れを補償する伝達関数としての内部EGR応答遅れモデル66と、から構成されている。過渡内部EGR補正テーブル65は、図6に示すような特性でもってオーバラップ量偏差に対応した過渡内部EGR補正基本値を出力する。つまり、「(定常オーバラップ量)−(実オーバラップ量)」として定義されるオーバラップ量偏差が正であれば過渡内部EGR補正基本値は負として、オーバラップ量偏差が負であれば過渡内部EGR補正基本値は正として、それぞれ偏差の大きさに応じた大きさの過渡内部EGR補正基本値が出力される。そして、内部EGR応答遅れモデル66を介して過渡内部EGR補正値が出力される。
加算部63において上記過渡内部EGR補正値が定常内部EGR量に加算されることで、過渡時における内部EGR量推定値が求められる。なお、内燃機関1が定常状態(つまりオーバラップ量偏差が0)であれば、過渡内部EGR量補正手段61が出力する過渡内部EGR補正値は0であり、内部EGR量推定値は、定常内部EGR量と等しいものとなる。
図2の過渡外部EGR量推定手段52は、機関回転速度と機関負荷と排気還流制御弁47の開度とを入力として、外部EGR量推定値を出力するものである。この過渡外部EGR量推定手段52は、図7に示すように、排気還流制御弁開度を入力として過渡外部EGR補正値を出力する過渡外部EGR量補正手段71と、機関の回転速度および負荷を入力として、これらに対応する定常外部EGR量を出力する定常外部EGR量算出手段72と、上記定常外部EGR量に上記過渡外部EGR補正値を加算して外部EGR量推定値を出力する加算部73と、から構成されている。
排気還流制御弁47の開度は、図示せぬ排気還流制御のルーチンにより機関の回転速度および負荷に基づいて制御される。定常外部EGR量は、排気還流制御弁47がこのようにある開度にあるときに定常運転した場合の外部排気還流量であるから、結局、機関の回転速度および負荷から定常外部EGR量は一義的に定まる。定常外部EGR量算出手段72は、例えば、機関の回転速度および負荷をパラメータとした所定のマップに基づいて、定常外部EGR量を求める。
過渡外部EGR量補正手段71は、図8に示すように、排気還流制御弁47の開度変化に対する外部EGR量の変化の応答遅れを補償する伝達関数としての外部EGR応答遅れモデル74からなり、排気還流制御弁開度に基づいて過渡外部EGR補正値を出力する。過渡外部EGR補正値は、過渡時の排気還流制御弁開度の増減方向に応じて、正あるいは負の値となり得る。
図7の加算部73において上記過渡外部EGR量補正値が定常外部EGR量に加算されることで、過渡時における外部EGR量推定値が求められる。なお、内燃機関1が定常状態であれば、過渡外部EGR量補正手段71が出力する過渡外部EGR補正値は0であり、外部EGR量推定値は、定常外部EGR量と等しいものとなる。
図2の筒内温度推定手段55は、過渡内部EGR量推定手段51が出力する内部EGR量推定値と、過渡外部EGR量推定手段52が出力する外部EGR量推定値と、吸気温度センサ20による吸気温度と、を入力として、筒内温度推定値を出力する。より詳しくは、図9に示すように、内部EGR量と筒内温度上昇との関係を予め割り付けた内部EGR温度上昇テーブル81を介して、内部EGR量推定値に対応する内部EGR温度上昇量が出力され、同様に、外部EGR量と筒内温度上昇との関係を予め割り付けた外部EGR温度上昇テーブル82を介して、外部EGR量推定値に対応する外部EGR温度上昇量が出力される。そして、加算部83において、吸気温度にこれらの内部EGR温度上昇量および外部EGR温度上昇量を加算することで、筒内温度推定値が求められる。
図2の定常筒内基準温度マップ53は、定常時の定常内部EGR量および定常外部EGR量を前提として、基準となる筒内温度を予め機関回転速度および負荷をパラメータとしたマップとして割り付けたものであり、そのときの回転速度および負荷を入力として、これらに対応する定常筒内基準温度を出力する。つまり、定常時には機関の回転速度および負荷によって定常内部EGR量および定常外部EGR量が定まるので、機関の回転速度および負荷から筒内温度(定常筒内基準温度)を求めることが可能である。
また図2の定常圧縮比マップ54は、定常時の目標圧縮比を機関の回転速度および負荷をパラメータとして予め割り付けたものであり、そのときの回転速度および負荷を入力として、これらに対応する圧縮比目標値を出力する。換言すれば、この定常時の圧縮比目標値は、定常筒内基準温度を前提としたときの最適な圧縮比である。図3は、この定常圧縮比マップ54の特性を図示したものであり、図示したように、基本的に、低負荷域では高圧縮比であり、負荷が高いほど低い圧縮比となる。なお、図3には、外部排気還流装置による外部排気還流を行う領域を併せて図示してある。図示するように、この内燃機関1では、燃費低減のために比較的広い運転領域で外部排気還流が行われる。また図示していないが、図3の外部排気還流領域の一部(例えば低負荷側の一部領域)では、可変動弁機構41,42を介してバルブオーバラップ量を拡大することにより積極的に内部排気還流が行われる。
図2の圧縮比補正手段56は、筒内温度推定値と定常筒内基準温度とを入力とし、両者の比較に基づいて、過渡時に必要な圧縮比補正値を出力する。この圧縮比補正値は、正あるいは負の値となり得るもので、図2の加算部57において定常状態を基準とした圧縮比目標値に加算され、最終的な圧縮比目標値が出力される。
図10は、上記圧縮比補正手段56の詳細を示している。この圧縮比補正手段56は、定常筒内基準温度から筒内温度推定値を減算する減算部91と、この温度偏差を入力として圧縮比補正値を出力する圧縮比補正テーブル92と、を備えている。圧縮比補正テーブル92は、図11に示すような特性でもって温度偏差に対応した圧縮比補正値を出力する。つまり、「(定常筒内基準温度)−(筒内温度推定値)」として定義される温度偏差が正であれば圧縮比補正値は正として、温度偏差が負であれば圧縮比補正値も負として、それぞれ温度偏差の大きさに応じた大きさの圧縮比補正値が出力される。
従って、過渡時に、内部EGR量推定値および外部EGR量推定値に基づく筒内温度推定値が、定常時を基準とした定常筒内基準温度よりも高ければ、最終的な圧縮比目標値は、そのときの回転速度および負荷に対応した定常時の圧縮比目標値よりも低い圧縮比となる。これにより、過渡時のノッキングが抑制される。
また逆に、過渡時に、内部EGR量推定値および外部EGR量推定値に基づく筒内温度推定値が、定常時を基準とした定常筒内基準温度よりも低ければ、最終的な圧縮比目標値は、そのときの回転速度および負荷に対応した定常時の圧縮比目標値よりも高い圧縮比となる。これにより、燃焼効率の向上ひいては燃費の向上が図れる。
なお、このような低圧縮比側への補正および高圧縮比側への補正は、内燃機関1の加速・減速に応じて一律に生じるものではなく、過渡前後の各運転条件の下での排気還流(外部および内部)の有無およびその大小に応じて、実際の筒内温度をより適切に考慮した形で、低圧縮比側あるいは高圧縮比側のいずれかに向かって行われる。従って、過渡時に、ノッキングを抑制しつつできるだけ高い圧縮比が得られ、無用な燃費の悪化を伴うことがない。
また、上記実施例では、前述したように定常運転であれば内部EGR量推定値および外部EGR量推定値が定常内部EGR量および定常外部EGR量とそれぞれ等しくなり、吸気温度の影響を除けば筒内温度推定値と定常筒内基準温度とが理論上等しくなる。従って、圧縮比補正手段56が出力する圧縮比補正値は0であり、最終的な圧縮比目標値として定常圧縮比マップ54による圧縮比目標値がそのまま用いられることとなる。このように、上記実施例では、同一の処理でもって定常時と過渡時の双方に対応することが可能であり、例えば、ある閾値でもって「過渡」と判定する必要がない。従って、制御が単純になるとともに、閾値付近での制御の切換に伴う種々の問題(制御の不連続性など)を回避することができる。

Claims (5)

  1. 内燃機関の機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備えるとともに、排気系から吸気系へ排気の一部を還流する外部排気還流装置を備え、かつ吸気弁および排気弁の少なくとも一方に可変動弁機構を備えてなる内燃機関の制御装置であって、
    過渡時に上記外部排気還流装置による外部排気還流量を推定する過渡外部EGR量推定手段と、
    過渡時に内部排気還流量を推定する過渡内部EGR量推定手段と、
    これらの外部排気還流量および内部排気還流量に基づいて過渡時の筒内温度を推定する筒内温度推定手段と、
    推定した過渡時の筒内温度に基づいて、上記可変圧縮比機構による機械的圧縮比を補正する圧縮比補正手段と、
    を備え、
    上記過渡内部EGR量推定手段は、
    機関運転条件から定まる定常オーバラップ量と上記可変動弁機構における実際の開閉時期から求めた実オーバラップ量との偏差を求め、
    上記偏差の大きさおよび方向に応じた正もしくは負の過渡内部EGR補正基本値を求め、この過渡内部EGR補正基本値に、オーバラップ量の変化に対する内部EGR量の変化の応答遅れを補償する遅れを与えて、過渡内部EGR補正値を求め、
    機関運転条件から定まる定常状態での内部排気還流量に上記過渡内部EGR補正値を加算することで、過渡時の内部排気還流量を推定する、内燃機関の制御装置。
  2. 内燃機関の運転条件に基づき、定常状態での目標圧縮比を設定する手段と、
    内燃機関の運転条件に基づき、定常状態での基準筒内温度を設定する手段と、
    をさらに備え、
    上記圧縮比補正手段は、推定した過渡時の筒内温度と上記基準筒内温度との比較に基づき上記目標圧縮比を補正する、請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 上記圧縮比補正手段は、推定した過渡時の筒内温度が上記基準筒内温度よりも高い場合は上記目標圧縮比を低く補正する、請求項2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 上記圧縮比補正手段は、推定した過渡時の筒内温度が上記基準筒内温度よりも低い場合は上記目標圧縮比を高く補正する、請求項2に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備えるとともに、排気系から吸気系へ排気の一部を還流する外部排気還流装置を備え、かつ吸気弁および排気弁の少なくとも一方に可変動弁機構を備えてなる内燃機関において、
    過渡時に、上記外部排気還流装置による外部排気還流量を推定するとともに、
    機関運転条件から定まる定常オーバラップ量と上記可変動弁機構における実際の開閉時期から求めた実オーバラップ量との偏差を求め、
    上記偏差の大きさおよび方向に応じた正もしくは負の過渡内部EGR補正基本値を求め、この過渡内部EGR補正基本値に、オーバラップ量の変化に対する内部EGR量の変化の応答遅れを補償する遅れを与えて、過渡内部EGR補正値を求め、
    機関運転条件から定まる定常状態での内部排気還流量に上記過渡内部EGR補正値を加算することで、過渡時の内部排気還流量を推定し、
    これらの外部排気還流量および内部排気還流量に基づいて過渡時の筒内温度を推定し、
    推定した過渡時の筒内温度に基づいて、上記可変圧縮比機構による機械的圧縮比を補正する、内燃機関の制御方法。
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