JP6044518B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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クランク角度を検出するクランク角検出手段と、
燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の所定クランク角度を取得するクランク角度取得手段と、
点火時期から前記所定クランク角度までのクランク角期間もしくは当該クランク角期間の相関値と、前記クランク角期間もしくは前記相関値の目標値との第1の差に基づいて、燃料噴射量、吸入空気量および点火エネルギーのうちの少なくとも1つを調整する調整手段と、
燃焼質量割合に基づいて主燃焼期間を取得する主燃焼期間取得手段と、
を備え、
前記目標値は、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間の長さに応じて変更されることを特徴とする。
前記目標値は、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間が長いほど、より小さくされることを特徴とする。
前記目標値は、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間が所定値よりも短い状況下において、点火時期が遅いほど、より大きくされることを特徴とする。
前記目標値は、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間が所定値よりも短い場合に、筒内の混合気の着火限界時の値を超えない範囲内で当該主燃焼期間に基づいて大きくされることを特徴とする。
前記調整手段は、燃料噴射量および吸入空気量の何れか一方もしくは双方を少なくとも調整する手段であって、
燃焼質量割合に基づいて燃焼重心位置を算出する燃焼重心位置算出手段と、
前記燃焼重心位置算出手段により算出される燃焼重心位置と目標燃焼重心位置との第2の差が無くなるように点火時期を調整する点火時期調整手段と、
をさらに備えることを特徴とする。
前記調整手段は、燃料噴射量および吸入空気量の何れか一方もしくは双方を少なくとも調整する手段であって、
燃焼期間中に筒内圧力が最大となる筒内圧最大クランク角度を取得する筒内圧最大クランク角度取得手段と、
前記筒内圧最大クランク角度取得手段により取得される筒内圧最大クランク角度と目標筒内圧最大クランク角度との第2の差が無くなるように点火時期を調整する点火時期調整手段と、
をさらに備えることを特徴とする。
前記目標値は、前記点火時期調整手段による調整によって前記第2の差が所定値以下となっている場合に、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間の長さに応じて変更されることを特徴とする。
前記目標値は、前記調整手段による調整によって前記第1の差が所定値以下となっている場合に、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間の長さに応じて変更されることを特徴とする。
前記所定燃焼質量割合は10%であることを特徴とする。
[実施の形態1のシステム構成]
図1は、本発明の実施の形態1における内燃機関10のシステム構成を説明するための図である。
図1に示すシステムは、火花点火式の内燃機関10を備えている。内燃機関10の筒内には、ピストン12が設けられている。筒内におけるピストン12の頂部側には、燃焼室14が形成されている。燃焼室14には、吸気通路16および排気通路18が連通している。
(点火時期と燃焼質量割合)
図2は、点火時期と燃焼質量割合の波形とを表した図である。
筒内圧センサ30とクランク角センサ42とを備える本実施形態のシステムによれば、内燃機関10の各サイクルにおいて、クランク角度(CA)ベースで筒内圧データ(筒内圧波形)を取得することができる。そして、公知の手法で絶対圧補正を行った後の筒内圧波形を用いて、図2に示すような波形となる燃焼質量割合(以下、「MFB」と称する)を算出することができる。より具体的には、筒内圧データを用いて、任意のクランク角度θでの筒内の発熱量Qを次の(1)式にしたがって算出することができる。そして、算出された筒内の発熱量Qのデータを用いて、任意のクランク角度θにおけるMFBを次の(2)式にしたがって算出することができる。したがって、この(2)式を利用して、MFBが所定割合α(%)となる時のクランク角度(以下、「CAα」と称する)を取得することができる。
図3は、NOx排出量、燃費、トルク変動およびSA−CA10のそれぞれと空燃比(A/F)との関係を表した図である。
内燃機関の低燃費技術としては、理論空燃比よりも希薄な空燃比にて行うリーンバーン運転が有効である。図3(A)、(B)に示すように、空燃比がリーンになるほど、燃費が良くなり、NOx排出量が減少する。ただし、空燃比をリーンにし過ぎると、燃焼が悪化することで、燃費が悪化する。その一方で、トルク変動は、図3(C)に示すように、空燃比がリーンになるにつれて徐々に大きくなり、空燃比がある値を超えてリーンになると急激に大きくなる。ここでいうトルク変動とは、時系列のトルク値に対する変動値のことであり、さらに具体的には、時系列のトルク値に対して特定の周波数帯のフィルタ処理を実施し、当該フィルタ処理後の時系列のトルク値の振幅、標準偏差、あるいは絶対値の平均値として得られるものである。以下、混合気の希薄燃焼限界の空燃比、より具体的には、内燃機関10のドライバビリティの観点で限界となる閾値にトルク変動値が達する時の空燃比を、「リーンリミット」と称する。
図4は、リーンリミット付近の空燃比に対する、MBTとMBT制御時の燃焼重心位置(50%燃焼点であるCA50)との関係を表した図である。図5は、リーンリミット時の空燃比と点火時期との関係を表した図である。
図5に示すように、点火時期をMBTに設定するか、或いはMBTよりも進角もしくは遅角した時期に設定するかに応じて、リーンリミット時の空燃比が変化する。そうであるのに、目標点火時期がMBTであるかMBTから離れた点火時期であるかに関係なく目標SA−CA10を一律に設定したのでは、次のような問題が生じ得る。すなわち、例えば、図5中に示すMBTに対応するリーンリミット時の空燃比を想定して目標SA−CA10を設定した状況下において、目標点火時期がMBTよりも遅角側の時期とされた場合には、この目標点火時期の遅角化によりリーンリミット時の空燃比がMBT制御時と比べてリッチとなる。その結果、上記設定の目標SA−CA10のままでは、空燃比がリーン側に振れた時にリーンリミット時の空燃比よりも空燃比がリーンとなってしまい、失火が発生することが懸念される。
図6は、経年変化等の影響によるリーンリミットの変化を説明するために、燃費、トルク変動およびSA−CA10のそれぞれと空燃比(A/F)との関係を表した図である。図7は、トルク変動とCA10−90との関係を表した図である。
図8は、本発明の実施の形態1に係る各種フィードバック制御の概要を説明するためのブロック図である。
先ず、SA−CA10を利用したフィードバック制御では、図8に示すように、エンジン運転状態(具体的には、エンジン回転速度、エンジン負荷率および目標点火効率)に応じた目標SA−CA10が設定される。実SA−CA10は、筒内圧データの解析結果に基づいて、各気筒においてサイクル毎に算出される。
図9は、本発明の実施の形態1に係る特徴的なリーンリミット制御を実現するために、ECU40が実行するメインルーチンを示すフローチャートである。図10は、CA50を利用した点火時期のフィードバック制御に関する処理を規定したサブルーチンを示すフローチャートである。図11は、SA−CA10を利用した燃料噴射量のフィードバック制御に関する処理を規定したサブルーチンを示すフローチャートである。なお、図9に示すルーチンは、各気筒において燃焼終了後の所定タイミングにて、サイクル毎に繰り返し実行されるものとする。
先ず、本リーンリミット制御の中心となる図11に示すサブルーチンの処理によれば、目標SA−CA10と実SA−CA10との差が無くなるように燃料噴射量のフィードバック制御が実行される。既述したように、SA−CA10はリーンリミット付近においても空燃比に対して線形性を有している。本実施形態の手法とは異なり、所定燃焼質量割合が得られる時の所定クランク角度のみを用いて当該所定クランク角度がある目標値となるように燃料噴射量を調整することとした場合には、次のような問題がある。すなわち、点火時期が変化すると、それに伴い、所定燃焼質量割合が得られる時の所定クランク角度が変化する。これに対し、点火時期が変化しても、点火時期から上記所定クランク角度になるまでのクランク角期間はほとんど変化しない。このため、燃料噴射量の調整のための指標として上記クランク角期間(本実施形態では、SA−CA10)を用いることで、上記所定クランク角度のみを用いる場合と比べ、点火時期の影響を排除して空燃比との相関性を好適に把握できるようになる。また、リーンバーン運転時や大量のEGRガスを導入して行うEGR運転時などの緻密な燃焼制御を必要とする運転時においては、現状の空燃比センサによる空燃比制御では、リーンリミット近傍で空燃比を正確に制御することは難しいという問題もある。したがって、本実施形態の手法によって目標SA−CA10と実SA−CA10との差に基づいて燃料噴射量を調整することで、リーンバーン運転時に空燃比をリーンリミット近傍に好適に制御できるようになる。
さらに、図9に示すメインルーチンの処理によれば、ΔCA10−90が所定値CAth2より小さいかあるいは大きいかに応じて(すなわち、実CA10−90の大きさに応じて)、目標SA−CA10が修正される。より具体的には、ΔCA10−90が小さいほど(実CA10−90が小さいほど)目標SA−CA10がより大きな値(空燃比としてはよりリーン側の値)に変更され、換言すると、ΔCA10−90が大きいほど(実CA10−90が大きいほど)目標SA−CA10がより小さな値(空燃比としてはよりリッチ側の値)に変更される。これにより、経年変化等により主燃焼期間(CA10−90)が変化したことでトルク変動限界が変化した場合であっても、主燃焼期間の変化に応じた適切なリーンリミットを選択できるようになる。特に、従来の手法のように、初期状態からの経年変化によるトルク変動の増加を想定して目標SA−CA10に対して余裕を設ける必要がなくなる。その結果、初期状態から適切にリーンリミットを設定することができ、初期状態において上記の余裕分に起因する燃費ロスおよびNOx排出量の増加を防止することができる。そのうえで、設計通りに着火は行われるが経年変化により主燃焼期間が長くなってしまった場合であっても、CA10−90を利用した目標SA−CA10の修正により、トルク変動を悪化させることなく、適切なリーンリミットを選択できるようになる。
図10に示すサブルーチンの処理によれば、SA−CA10を利用した燃料噴射量のフィードバック制御とともに、CA50を利用した点火時期のフィードバック制御が実行される。この点火時期のフィードバック制御によれば、SA−CA10の制御に伴う空燃比の変化に起因してMBTに変化が生じた場合に、MBTが得られる時の値がリーンリミット付近において空燃比に応じてほとんど変化しないCA50を利用して(つまり、MBTと空燃比との関係を点火時期制御のために考慮する必要なしに)、点火時期を真のMBTに適切に制御できるようになる。換言すると、SA−CA10の制御に伴う空燃比の変化の影響を受けにくいCA50を用いて、SA−CA10の制御に伴う空燃比の変化に起因するMBTのずれを補正できるようになる。このように、燃料噴射量(空燃比)と点火時期の両方のフィードバック制御を協調して実施できるので、常に最適な燃焼を実現することができる。また、目標点火効率に応じて目標CA50を設定しているため、所定の点火効率の下でMBT以外の点火時期が目標点火時期として使われる場合であっても同様に、上記要因でのMBTのずれに起因する目標点火時期からの点火時期のずれを補正できるようになる。
図9に示すメインルーチンによれば、ステップ104および108の判定がともに成立した場合に限って、CA10−90に基づく目標SA−CA10の修正がステップ116もしくは120の判定の成立を条件として実行される。
また、上述した実施の形態1においては、目標CA50と実CA50との差が前記第5の発明における「第2の差」に相当している。また、ECU40が上記ステップ206の処理を実行することにより前記第5の発明における「燃焼重心位置算出手段」が実現されており、そして、ECU40が上記ステップ208〜212の処理を実行することにより前記第8の発明における「点火時期調整手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態1の変形例においては、目標θPmaxと実θPmaxとの差が前記第6の発明における「第2の差」に相当している。また、ECU40が筒内圧センサ30とクランク角センサ42とを利用して取得した筒内圧データを利用してθPmaxを取得することにより前記第6の発明における「筒内圧最大クランク角度取得手段」が実現されており、そして、ECU40がCA50に代えてθPmaxをパラメータとして上記ステップ208〜212と同様の処理を実行することにより前記第6の発明における「点火時期調整手段」が実現されている。
次に、図12および図13を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
本実施形態のシステムは、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU40に図9に示すルーチンに代えて後述の図13に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。
(CA10−90に基づく目標SA−CA10の設定)
上述した実施の形態1では、CA10−90に基づいて目標SA−CA10を変更することとしている。これに対し、本実施形態では、実施の形態1のリーンリミット制御を同様に行うようにしたうえで、CA10−90に基づく目標SA−CA10の変更に関し、さらに着火限界を考慮することとしている。
実施の形態1において既述したように、目標SA−CA10は、リーンリミット(内燃機関10のドライバビリティの観点でトルク変動が限界となる時の空燃比)近傍で空燃比を制御するための指標値として高い意義を有する値である。ある運転条件において、CA50とSA−CA10とが両者のフィードバック制御によってそれぞれの目標値に収束しているとした場合には、図12に示すように、トルク変動が等しい等トルク変動ライン(細い破線)は、CA50が遅角するほど(言い換えれば、点火時期が遅角するほど)目標SA−CA10が小さくなる傾向を有するものとなる。
図13は、本発明の実施の形態2に係る特徴的なリーンリミット制御を実現するために、ECU40が実行するメインルーチンを示すフローチャートである。なお、図13において、実施の形態1における図9に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
12 ピストン
14 燃焼室
16 吸気通路
18 排気通路
20 吸気弁
22 排気弁
24 スロットルバルブ
26 燃料噴射弁
28 点火プラグ
30 筒内圧センサ
40 ECU(Electronic Control Unit)
42 クランク角センサ
44 エアフローメータ
Claims (9)
- クランク角度を検出するクランク角検出手段と、
燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時の所定クランク角度を取得するクランク角度取得手段と、
点火時期から前記所定クランク角度までのクランク角期間もしくは当該クランク角期間の相関値と、前記クランク角期間もしくは前記相関値の目標値との第1の差に基づいて、燃料噴射量、吸入空気量および点火エネルギーのうちの少なくとも1つを調整する調整手段と、
燃焼質量割合に基づいて主燃焼期間を取得する主燃焼期間取得手段と、
を備え、
前記目標値は、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間の長さに応じて変更されることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記目標値は、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間が長いほど、より小さくされることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記目標値は、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間が所定値よりも短い状況下において、点火時期が遅いほど、より大きくされることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記目標値は、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間が所定値よりも短い場合に、筒内の混合気の着火限界時の値を超えない範囲内で当該主燃焼期間に基づいて大きくされることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記調整手段は、燃料噴射量および吸入空気量の何れか一方もしくは双方を少なくとも調整する手段であって、
燃焼質量割合に基づいて燃焼重心位置を算出する燃焼重心位置算出手段と、
前記燃焼重心位置算出手段により算出される燃焼重心位置と目標燃焼重心位置との第2の差が無くなるように点火時期を調整する点火時期調整手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1〜4の何れか1つに記載の内燃機関の制御装置。 - 前記調整手段は、燃料噴射量および吸入空気量の何れか一方もしくは双方を少なくとも調整する手段であって、
燃焼期間中に筒内圧力が最大となる筒内圧最大クランク角度を取得する筒内圧最大クランク角度取得手段と、
前記筒内圧最大クランク角度取得手段により取得される筒内圧最大クランク角度と目標筒内圧最大クランク角度との第2の差が無くなるように点火時期を調整する点火時期調整手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1〜4の何れか1つに記載の内燃機関の制御装置。 - 前記目標値は、前記点火時期調整手段による調整によって前記第2の差が所定値以下となっている場合に、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間の長さに応じて変更されることを特徴とする請求項5または6に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記目標値は、前記調整手段による調整によって前記第1の差が所定値以下となっている場合に、前記主燃焼期間取得手段により取得される主燃焼期間の長さに応じて変更されることを特徴とする請求項1〜7の何れか1つに記載の内燃機関の制御装置。
- 前記所定燃焼質量割合は10%であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1つに記載の内燃機関の制御装置。
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