JP6068156B2

JP6068156B2 - エンジン制御装置

Info

Publication number: JP6068156B2
Application number: JP2013008917A
Authority: JP
Inventors: 塚原　大輔; 大輔塚原
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: JP2014141885A

Description

本発明は、エンジン制御装置に関し、特に冷間始動後に点火時期を遅角させる急速暖機中における燃焼不安定状態を適切に防止可能なものに関する。

自動車等に搭載される火花点火式のエンジンにおいては、コールドスタート直後に排気系に設けられる触媒を早期に活性温度まで昇温し、排ガス浄化性能を向上するため、点火時期を通常時に対して遅角させて排ガス温度を高める急速暖機を行う。
しかし、このような急速暖機中には、例えば燃料性状のばらつき等に起因して、燃焼が不安定になる場合がある。

このような急速暖機中の燃焼不安定状態への対策として、例えば、特許文献１には、排気昇温のために安定度限界制御により点火時期を遅角するエンジンにおいて、エンジンの回転変動から燃料性状を推定する燃料性状検出手段の出力を制御に用いることが記載されている。
また、特許文献２には、急速暖機中のエンジンの回転速度変動（ラフネス）に基づいて点火時期を補正するとともに、Ｏ_２センサの活性化前（Ａ／Ｆフィードバック制御の開始前）には空燃比をリッチ化することが記載されている。
また、特許文献３には、筒内噴射（直噴）エンジンにおいて、点火時期を遅角させた急速暖機中におけるアイドル回転数の制御性を改善するため、燃料噴射時期によって回転数を制御することが記載されている。

特開平９− ８８６８０号公報特開平１１−１０７８２２号公報特許４９４３８７３号

上述したような急速暖機中は、大幅な点火遅角を実施しているため、燃焼が不安定となって振動が増加したり、失火やバックファイアが発生する場合がある。
このような問題に対応するため、燃焼変動が検出された場合、点火遅角量を減少させたり、空燃比を燃料リッチ化することによって、燃焼の安定化を図ることが知られている。
しかし、点火進角（遅角量の減少）のみによっては、十分に燃焼の安定化を図ることができない場合がある。特に直噴エンジンにおいては、遅角量がポート噴射エンジンに対して大きいため、単純に点火時期を進角補正したとしても燃焼安定化が図れるとは限らない。特に、燃料が重質であった場合などは、点火進角に対する効果代が少ない場合も多い。
さらに、直噴エンジンは筒内の平均当量比がリーン雰囲気（成層状態）において触媒暖機を行なうことが一般的であり、このように燃料リーンな状態では点火進角を実施したとしても効果は限定的となってしまう。
また、エンジンの始動直後には、排気系に設けられるＡ／Ｆセンサが活性温度に達しておらず、空燃比のフィードバック制御が困難な場合が多く、このような状態で燃料のリッチ化を行うと、空燃比が過度にリッチとなって燃焼がかえって不安定となったり、排ガス性状が悪化することが懸念される。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、冷間始動後に点火時期を遅角させる急速暖機中における燃焼不安定状態を適切に防止可能なエンジン制御装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、エンジンの点火時期及び燃料噴射量を制御するエンジン制御装置であって、前記エンジンの燃焼不安定状態を検出する燃焼状態検出手段を備え、前記エンジンが所定の冷間状態にあるときに前記点火時期を通常時に対して遅角させる暖機促進制御を行うとともに、前記暖機促進制御の実行中に前記燃焼不安定状態を検出した場合に、前記燃焼不安定状態が解消されるまで前記点火時期を進角させるとともに、所定の遅角量下限値まで前記点火時期を進角させても前記燃焼不安定状態が解消しない場合に、前記燃焼不安定状態が解消されるまで空燃比をリッチ化し、前記燃焼不安定状態の検出閾値を、前記エンジンの冷却水温に応じて変化する基準振動レベルに対して所定の余裕値だけ高く設定された許容振動レベルに基づいて設定するとともに、急速暖機を優先する所定の冷却水温範囲において、前記余裕値を他の温度範囲に対して大きく設定することによって、前記エンジンの冷却水温に応じて変化させることを特徴とするエンジン制御装置である。
これによれば、燃焼不安定状態となった際に、まずは点火時期の遅角量を減少することによって、燃料の過度なリッチ化により燃焼が不安定となったり、排ガス性状を悪化させることなく燃焼の安定化を図ることができる。
また、点火時期のみによる燃焼の安定化が不可能である場合にのみ空燃比のリッチ化を行うことによって、上述したリッチ化の弊害を最低限に抑制しつつ燃焼を安定化させることができる。
さらに、エンジンの暖機状態に応じて燃焼不安定状態の検出閾値を最適化させることが可能となり、上述した効果をより確実に得ることができる。
例えば、燃焼不安定に起因する振動がシビアとなりやすい冷却水温の範囲においては、燃焼不安定と判定されやすい傾向とすることによって、振動の発生を抑制することができる。
また、振動がシビアとなりにくい範囲においては、燃焼不安定と判定されにくい傾向とすることによって、暖機促進を優先することができる。

請求項２に係る発明は、前記エンジンは、成層燃焼を行う直噴エンジンであるとともに、空燃比を検出する空燃比検出手段、及び、前記空燃比検出手段の出力を用いて空燃比をフィードバック制御する空燃比制御手段を有し、前記暖機促進制御の実行中における前記空燃比のリッチ化は、前記空燃比検出手段が正常に利用可能な状態においてのみ実行されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置である。
これによれば、Ａ／ＦセンサやＯ２センサ等の空燃比検出手段が活性温度に達せずに、空燃比フィードバック制御が正常に行えない状態で燃料リッチ化が行われ、過剰リッチ時に燃焼変動が悪化しやすい成層燃焼の直噴エンジンにおいて燃焼が不安定となったり、排ガスの性状が悪化することを防止できる。

以上説明したように、本発明によれば、冷間始動後に点火時期を遅角させる急速暖機中における燃焼不安定状態を適切に防止可能なエンジン制御装置を提供することができる。
これによって、排ガス悪化レベルを最小限に抑制するとともに、急速暖機中のアイドル品質（回転の滑らかさ）を向上することができる。

本発明を適用したエンジン制御装置の実施例を有するエンジンの構成を示す模式図である。実施例のエンジン制御装置における急速暖機時の燃焼変動抑制制御を示すフローチャートである。実施例のエンジンにおける燃焼変動抑制制御中のエンジン回転数、点火時期、空燃比の推移の一例を示すグラフである。エンジンの冷却水温と燃焼不安定に起因する車体振動レベルとの相関を示すグラフである。

本発明は、冷間始動後に点火時期を遅角させる急速暖機中における燃焼不安定状態を適切に防止可能なエンジン制御装置を提供する課題を、急速暖機中に燃焼が不安定となった場合に、点火時期の遅角量を順次減少させ、所定値まで点火時期を進角させても依然として燃焼が不安定である場合に、空燃比を順次リッチ化することによって解決した。

以下、本発明を適用したエンジン制御装置の実施例について説明する。
実施例のエンジン制御装置は、例えば乗用車等の自動車に搭載され成層燃焼を行うガソリン直噴エンジンの燃料噴射時期、燃料噴射量、点火時期等を統括的に制御するエンジン制御ユニットである。
図１は、実施例のエンジン制御装置を有するエンジンの構成を示す模式図である。
エンジン１は、シリンダ１０、ピストン２０、シリンダヘッド３０、吸気装置４０、排気装置５０、燃料供給装置６０、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１００等を有して構成されている。

シリンダ１０は、ピストン２０が挿入されるスリーブを備えている。
シリンダ１０は、図示しないクランクケースと一体に形成されたシリンダブロックに形成されている。

ピストン２０は、シリンダ１０のスリーブ内部に挿入され往復運動する部材である。
ピストン２０は、コンロッド２１を介して図示しないクランクシャフトに接続されている。
ピストン２０の冠面２２は、シリンダヘッド３０と協働してエンジン１の燃焼室を構成する。

シリンダヘッド３０は、シリンダ１０のクランクシャフト側とは反対側の端部に設けられている。
シリンダヘッド３０は、燃焼室３１、吸気ポート３２、排気ポート３３、吸気バルブ３４、排気バルブ３５、点火栓３６等を備えている。
燃焼室３１は、ピストン２０の冠面２２と対向して形成された凹部であって、例えばペントルーフ型に形成されている。
吸気ポート３２は、燃焼室３１に燃焼用空気（新気）を導入する流路である。
排気ポート３３は、燃焼室３１から既燃ガス（排ガス）を排出する流路である。
吸気ポート３２及び排気ポート３３は、例えば、１気筒あたり２本ずつが形成されている。
吸気バルブ３４、排気バルブ３５は、吸気ポート３２、排気ポート３３を、所定のバルブタイミングでそれぞれ開閉するものである。
吸気バルブ３４、排気バルブ３５は、カムシャフト、ロッカアーム等の動弁駆動系によって駆動される。
点火栓３６は、ＥＣＵ１００が生成する点火信号に応じて、所定の点火時期にスパークを発生し、混合気に点火するものである。
点火栓３６は、燃焼室３１の実質的に中心部（シリンダ１０の中心軸近傍）に配置されている。

吸気装置４０は、エンジン１に燃焼用空気を導入するものである。
吸気装置４０は、インテークダクト４１、エアクリーナ４２、スロットル４３、インテークマニホールド４４等を有して構成されている。
インテークダクト４１は、大気中から空気を導入してエンジン１へ供給する管路である。
エアクリーナ４２は、インテークダクト４１の入口近傍に設けられ、空気中のダスト等を濾過して浄化するものである。
スロットル４３は、インテークダクト４１におけるエアクリーナ４２の下流側に設けられ、吸入空気量を絞ることによってエンジン１の出力調整を行うものである。
スロットル４３は、バタフライバルブ等の弁体、及び、これを駆動する電動アクチュエータを備えて構成されている。
電動アクチュエータは、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて駆動される。
インテークマニホールド４４は、スロットル４３の下流側に設けられ、容器状に形成されたサージタンク、及び、各気筒の吸気ポート３２に接続され新気を導入する分岐管を有して構成されている。

排気装置５０は、エンジン１から排ガスを排出するものである。
排気装置５０は、エキゾーストパイプ５１、触媒コンバータ５２、Ａ／Ｆセンサ５３等を有して構成されている。
エキゾーストパイプ５１は、排気ポート３３から出た排ガスを排出する管路である。
触媒コンバータ５２は、エキゾーストパイプ５１の中間部に設けられている。
触媒コンバータ５２は、ハニカム状のアルミナ担体にプラチナ、ロジウム等の貴金属を担持させて構成され、ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ等を浄化する三元触媒を備えている。
Ａ／Ｆセンサ５３は、エキゾーストパイプ５１における触媒コンバータ５２の上流側に設けられ、排ガス中の酸素濃度に基づいてエンジン１の空燃比を検出する空燃比検出手段である。

燃料供給装置６０は、燃料タンク６１、フィードポンプ６２、燃料搬送管６３、高圧ポンプ６４、燃料配管６５、デリバリーパイプ６６、インジェクタ６７等を備えて構成されている。
燃料タンク６１は、燃料（ガソリン）を貯留する容器であって、例えば車体後部の床下に搭載されている。
フィードポンプ（低圧ポンプ）６２は、燃料タンク６１内の燃料を、燃料搬送管６３を介して高圧ポンプ６４に圧送するものである。
高圧ポンプ６４は、フィードポンプ６２から供給された燃料を高圧に昇圧し、燃料配管６５を経由して蓄圧室を兼ねたデリバリーパイプ６６に供給するものである。
高圧ポンプ６４は、シリンダヘッド３０に設けられ吸気バルブ３４を駆動するカム軸６４ａによって駆動される。
インジェクタ６７は、例えばソレノイドやピエゾ素子を有するアクチュエータによって駆動されるニードルバルブを備え、デリバリーパイプ６６内に蓄圧された高圧燃料を、ＥＣＵ１００が生成する噴射信号に応じて、所定の時期に所定の噴射量だけ噴射するものである。
インジェクタ６７は、１サイクルあたり複数回の燃料噴射を行なう機能を有する。
インジェクタ６７のノズルは、図１等に示すように、燃焼室３１の側方（シリンダボア側）における吸気バルブ３４側から筒内に挿入されている。

エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１００は、エンジン１及びその補機類を統括的に制御する本実施例のエンジン制御装置である。
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ等の情報処理手段、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶手段、入出力インターフェイス、これらを接続するバス等を有して構成されている。
ＥＣＵ１００は、エンジン１の点火時期、燃焼噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を総括的に制御するものである。
また、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数検出手段、筒内圧検出手段、エンジン水温検出手段、吸気管圧検出手段、エンジン負荷検出手段を有し、さらにこれらの出力に基づいて燃焼変動の検出や失火・サージの判定を行なう手段を備えている。

ＥＣＵ１００は、エンジン１のコールドスタート（冷間始動）直後に、排気温度を高めて触媒コンバータ５２を早期に活性温度まで昇温させるため、通常運転時に対して点火時期を遅延させる急速暖機を行う。
このような急速暖機中には、例えば燃料であるガソリンの性状のばらつき等に起因して、燃焼が不安定となる場合がある。
ＥＣＵ１００は、燃焼が不安定状態となった場合に、点火時期及び空燃比を変更して燃焼を安定化させる燃焼変動抑制制御を実行する。

図２は、実施例のエンジン制御装置における急速暖機時の燃焼変動抑制制御を示すフローチャートである。
以下、ステップ毎に順を追って説明する。
また、図３は、実施例のエンジンにおける燃焼変動抑制制御中のエンジン回転数、点火時期、空燃比の推移の一例を示すグラフである。
＜ステップＳ０１：急速暖機中判断＞
ＥＣＵ１００は、エンジン１がコールドスタート直後に点火時期を遅延させて排ガス温度を昇温させる急速暖機（暖機促進）制御中であるか否かを判別する。
急速暖機制御中である場合にはステップＳ０２に進み、その他の場合には一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０２：燃焼変動判断（１）＞
ＥＣＵ１００は、エンジン１における燃焼不安定状態による回転速度の変動が予め設定された許容値以上であるか否かを判別する。
この許容値は、排ガス性状の悪化を招かず、また、ユーザが感じる車体振動レベルが極端に悪化しないレベルを考慮して設定されている。
また、許容値は、エンジンの各温度パラメータ（エンジン冷却水温、エンジン油温、吸入空気温度等）に応じて変化するように設定されている。
図４は、一例として、エンジンの冷却水温と燃焼不安定に起因する車体振動レベルとの相関を示すグラフである。
図４に示すように、基準振動レベル（燃焼が安定した状態での振動レベル）はエンジンの冷却水温に応じて変化しており、許容振動レベルは、この基準振動レベルよりも所定の余裕値だけ高く設定されている。
この余裕値も冷却水温に応じて変化しており、例えば冷却水温が２０〜４０℃の範囲では、振動抑制よりも急速暖機を優先するため、他の温度範囲に対して余裕値が大きく設定されている。
回転速度変動の許容値は、このような許容振動レベルに基づいて設定されている。
回転速度変動が許容値以上（悪）である場合には、改善が必要な燃焼不安定状態が発生しているものと判断してステップＳ０３に進み、その他の場合には一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０３：点火時期判断＞
ＥＣＵ１００は、現在の点火時期が、予め設定された急速暖機時における進角上限点火時期に達しているか否かを判別する。
この進角上限点火時期は、排ガスの昇温という急速暖機制御の目的を得られる範囲内で最も進角した点火時期（触媒昇温性能を著しく悪化させない点火時期）であり、通常運転時（急速暖機時）以外の点火時期に対しては遅角して設定される。
進角上限点火時期に達していない場合にはステップＳ０４に進み、進角上限点火時期に達している場合にはステップＳ０５に進む。

＜ステップＳ０４：点火時期進角＞
ＥＣＵ１００は、エンジン１の点火時期を、ステップ状に所定量だけ進角させる。
その後、ステップＳ０８に進む。

＜ステップＳ０５：空燃比フィードバック制御判断＞
ＥＣＵ１００は、Ａ／Ｆセンサ５３が正常作動温度範囲内まで昇温され、空燃比のフィードバック制御が実行されているか否かを判別する。
空燃比のフィードバック制御が実行されている場合にはステップＳ０６に進み、実行されていない場合には一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０６：空燃比リッチ化上限判断＞
ＥＣＵ１００は、現在の空燃比が、予め設定されたリッチ化上限値に達しているか否かを判別する。
このリッチ化上限値は、本来の目標空燃比（例えば理論空燃比（ストイキ）近傍）に対してリッチでありかつ、リッチ化に起因する燃焼不安定を生じさせないことを考慮して設定される。
空燃比がリッチ化上限値に達していない場合にはステップＳ０７に進み、リッチ化上限値に達している場合には一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０７：空燃比リッチ化＞
ＥＣＵ１００は、エンジン１の空燃比を、ステップ状に所定量だけリッチ化させる。
その後、ステップＳ０８に進む。

＜ステップＳ０８：燃焼変動判断（２）＞
ＥＣＵ１００は、エンジン１における燃焼不安定状態による回転速度の変動が予め設定された許容値以下であるか否かを判別する。
回転速度変動が許容値以下（良）である場合には一連の処理を終了し、その他の場合にはステップＳ０３に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。
なお、上述した急速暖機が終了した場合には、ＥＣＵ１００は、点火進角補正量及び空燃比リッチ化補正量の学習を行い、次回以降の急速暖機時では学習によって得られた点火進角補正量、空燃比リッチ化補正量を利用して制御を行なう。

以上説明したように、本実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）燃焼不安定状態となり回転速度変動が許容値以上となった際に、まずは点火時期を進角させることによって、燃料の過度なリッチ化により燃焼が不安定となったり、排ガス性状を悪化させることなく燃焼の安定化を図ることができる。
また、点火時期のみによる燃焼の安定化が不可能である場合にのみ空燃比のリッチ化を行うことによって、上述したリッチ化の弊害を最低限に抑制しつつ燃焼を安定化させることができる。
（２）空燃比フィードバック制御の実行中にのみ空燃比のリッチ化を行うことによって、Ａ／Ｆセンサが活性温度に達せずに空燃比フィードバック制御が行えない状態で燃料リッチ化が行われ、過剰リッチ時に燃焼変動が悪化しやすい成層燃焼の直噴エンジンにおいて燃焼が不安定となったり、排ガスの性状が悪化することを防止できる。
（３）燃焼不安定状態を検出する閾値を、エンジンの冷却水温に応じて変化するように設定したことによって、エンジンの暖機状態の変化に適合した最適な燃焼状態制御を行なうことができ、ユーザーが体感するアイドリング品質を向上することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば実施例のエンジンは成層燃焼を行う直噴（筒内噴射）エンジンであるが、本発明はこれに限らず、例えばポート噴射式のエンジンにも適用することができる。
また、ガソリンエンジンに限らず、他の燃料を用いる火花点火式のエンジンにも適用することが可能である。

１エンジン１０シリンダ
２０ピストン２１コンロッド
２２冠面３０シリンダヘッド
３１燃焼室３２吸気ポート
３３排気ポート３４吸気バルブ
３５排気バルブ３６点火栓
４０吸気装置４１インテークダクト
４２エアクリーナ４３スロットル
４４インテークマニホールド５０排気装置
５１エキゾーストマニホールド５２触媒コンバータ
５３Ａ／Ｆセンサ
６０燃料供給装置６１燃料タンク
６２フィードポンプ６３燃料搬送管
６４高圧ポンプ６４ａカム軸
６５燃料配管６６デリバリーパイプ
６７インジェクタ１００エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

エンジンの点火時期及び燃料噴射量を制御するエンジン制御装置であって、
前記エンジンの燃焼不安定状態を検出する燃焼状態検出手段を備え、
前記エンジンが所定の冷間状態にあるときに前記点火時期を通常時に対して遅角させる暖機促進制御を行うとともに、
前記暖機促進制御の実行中に前記燃焼不安定状態を検出した場合に、前記燃焼不安定状態が解消されるまで前記点火時期を進角させるとともに、所定の遅角量下限値まで前記点火時期を進角させても前記燃焼不安定状態が解消しない場合に、前記燃焼不安定状態が解消されるまで空燃比をリッチ化し、
前記燃焼不安定状態の検出閾値を、前記エンジンの冷却水温に応じて変化する基準振動レベルに対して所定の余裕値だけ高く設定された許容振動レベルに基づいて設定するとともに、急速暖機を優先する所定の冷却水温範囲において、前記余裕値を他の温度範囲に対して大きく設定することによって、前記エンジンの冷却水温に応じて変化させること
を特徴とするエンジン制御装置。
前記エンジンは、成層燃焼を行う直噴エンジンであるとともに、空燃比を検出する空燃比検出手段、及び、前記空燃比検出手段の出力を用いて空燃比をフィードバック制御する空燃比制御手段を有し、
前記暖機促進制御の実行中における前記空燃比のリッチ化は、前記空燃比検出手段が正常に利用可能な状態においてのみ実行されること
を特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。