JP6221948B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給機を備える内燃機関の制御装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、内燃機関の気筒内の圧力を検出する筒内圧センサの出力値に基づき、点火プラグの点火操作に先立って燃焼が生じる異常燃焼（プレイグニッション）を検出する内燃機関の制御装置が記載されている。この装置では、プレイグニッションが連続的に生じる場合に、プレイグニッションを抑制する制御を実行する。これにより、プレイグニッションの発生が抑制されることから、ピストンの温度上昇を抑制し、ひいては内燃機関の信頼性の低下を抑制している。

国際公開第２０１３／００８２９６号

ところで、上記装置では、高価な筒内圧センサを用いているためコスト高を招く。
本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、筒内圧センサを用いることなく異常燃焼の発生を把握し、これに対処することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。
技術的思想１：内燃機関を制御対象とし、ノックセンサの出力信号に基づき、所定のクランク角度よりも前に生じる異常燃焼を検出する検出処理部と、前記検出処理部の検出対象となる異常燃焼が、気筒内の圧力が規定圧力以上となる異常である高圧異常となる確率を示すポイントを前記内燃機関の動作点毎に予め記憶する記憶部と、前記検出処理部が異常燃焼を検出した際の前記内燃機関の動作点に応じた前記ポイントを、それまでのポイントの累積値に加算する累積処理部と、前記累積値が規定値以上となる場合、前記内燃機関の実際の動作点が前記高圧異常が生じやすい動作点となることに制限を加える制限処理部と、を備える内燃機関の制御装置。

気筒内の圧力が過度に高くなる異常燃焼は、異常燃焼の中でも特に発生するタイミングが早くなる傾向がある。このため、所定のクランク角度以前に生じる異常燃焼の中には、気筒内の圧力が過度に高くなる異常燃焼が含まれうる。一方、こうした早期に生じる異常燃焼のうち気筒内の圧力が過度に高くなる異常燃焼の発生割合は、内燃機関の動作点に依存することが発明者によって見出されている。これは、異常燃焼が検出された場合にそれが高圧異常である確率が動作点毎に定まることを意味する。このため、上記装置では、動作点毎に上記高圧異常の確率を示すポイントを予め定めて記憶部に記憶させておく。そして、検出処理部によって異常が検出される都度、累積処理部によって、そのときの動作点に応じたポイントがそれまでの累積値に加算される。ここで、累積値は、高圧異常の発生回数の推定値となる。そして、累積値が規定値以上となることで、高圧異常が生じやすい動作点となることに制限を加えることで、高圧異常が内燃機関の信頼性を低下させるほど多数生じることを好適に抑制することができる。このため、筒内圧センサを用いることなく異常燃焼の発生を把握し、これに対処することができる。

一実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる異常燃焼の推定処理およびフェールセーフ処理の手順を示す流れ図。 異常燃焼の実験データを示す図。 上記実施形態にかかるマップデータを示す図。

図１に示すように、内燃機関１０は、過給機１２を備えている。また、内燃機関１０の吸気通路１４のうち過給機１２の下流には、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁１６が設けられている。燃料噴射弁１６から噴射された燃料と過給機１２を介して吸気通路１４に吸入された空気との混合気は、吸気バルブ１８が開弁することで、シリンダ２０およびピストン２２によって区画される燃焼室２４に流入する。燃焼室２４には、点火プラグ２８が設けられており、点火プラグ２８の点火操作によって混合気が燃焼すると、この燃焼によるエネルギがピストン２２を介してクランク軸３０の回転エネルギに変換される。

燃焼室２４には、さらに、燃焼室２４内に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁２６が設けられている。このため、吸気通路１４に設けられた燃料噴射弁１６から燃料が噴射されない場合であっても、吸気通路１４から燃焼室２４に流入した空気と燃料噴射弁２６によって噴射された燃料とによって混合気が形成される。上記混合気が燃焼すると、燃焼後のガスは、排気バルブ３２の開弁に伴って、排気として排気通路３４に排出される。

ＥＣＵ４０は、内燃機関１０を制御対象とする電子制御装置である。ＥＣＵ４０は、メモリ４２を備えている。ＥＣＵ４０は、内燃機関１０の燃焼室２４において混合気を燃焼させる燃焼制御を実行するに際し、クランク軸３０の回転速度を検出するためのクランク角センサ４４の出力値や、内燃機関１０の振動を検出するノックセンサ４６の出力値を入力とする。そして、入力された信号に基づき、点火プラグ２８や、燃料噴射弁１６，２６、過給機１２等の各種アクチュエータを操作する。

本実施形態にかかる内燃機関１０は、過給機１２を備え、また燃焼室２４に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２６を備えることなどから、低回転高負荷領域において、プレイグニッションが生じやすい。ここで、プレイグニッションとは、点火プラグ２８による点火操作前に混合気が着火する異常燃焼である。そして、この際の燃焼圧が過度に高くなり、内燃機関１０の信頼性を低下させるおそれがある。ここで、異常燃焼が生じたことは、ノックセンサ４６の出力に基づき検出が可能である。ただし、異常燃焼が過度に燃焼圧が高いものであるか否かについては、ノックセンサ４６の出力値自体からは判別できない。

そこで、本実施形態では、以下の処理によって、上記異常燃焼のうち燃焼圧が過度に高いものの発生を推定し、推定結果に基づきフェールセーフ処理を実行する。
図２は、上記推定処理およびフェールセーフ処理の手順を示す。この処理は、ＥＣＵ４０によって、たとえば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理において、ＥＣＵ４０は、まず、ノックセンサ４６の出力が異常燃焼を示すものであるか否かを判断する（Ｓ１０）。ここで、異常燃焼とは、プレイグニッションなどである。

ＥＣＵ４０は、異常燃焼を示すと判断する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、異常燃焼を検出したタイミングが、所定のクランク角度αよりも進角側であるか否かを判断する（Ｓ１２）。この処理は、今回検出された異常燃焼が、特に燃焼圧の高い異常である可能性があるか否かを判断するためのものである。所定のクランク角度αは、燃焼圧を計測する手段を有した内燃機関を用いて予め実行される実験のデータに基づき設定される。

図３に、実験データを例示する。図３に示すように、異常燃焼のうち燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となるものが生じる領域は、比較的進角側の領域となる。このため、実験データに基づき、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となるものが生じない最進角値以降となるように、所定のクランク角度αを設定する。なお、ステップＳ１０において異常燃焼と判断されるのは、燃焼圧がプレイグニッション判定閾値Ｐｔｈ１以上となるものである。

ＥＣＵ４０は、所定のクランク角度αよりも進角側であると判断する場合（図２のＳ１２：ＹＥＳ）、内燃機関１０の回転速度ＮＥとトルクとを取得する（Ｓ１４）。そして、ＥＣＵ４０は、今回の異常燃焼の検出が、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となるものである確率を示すポイントを、回転速度ＮＥとトルクとに基づきマップ演算する（Ｓ１６）。このマップは、燃焼圧を計測する手段を有した内燃機関を用いて予め実行される実験のデータに基づき作成され、メモリ４２に予め記憶されている。この実験データは、図３に例示したものと同様のデータである。次に、マップの作成手法について説明する。

図３に示すように、所定のクランク角度αよりも進角側における異常燃焼の中には、規定圧力Ｐｔｈ２以上となるもの（領域Ａ内のサンプリング値）と、規定圧力Ｐｔｈ２未満となるもの（領域Ｂ，Ｃ内のサンプリング値）とがある。また、図２のステップＳ１０の処理によって、異常燃焼として検出されるのは、燃焼圧がプレイグニッション判定閾値Ｐｔｈ１以上となるものである。このため、図２のステップＳ１０，Ｓ１２において肯定判断される場合、その異常燃焼は、図３の領域Ａおよび領域Ｂのいずれかに属するものとなる。このため、領域Ａにおける異常燃焼の発生回数を、領域Ａおよび領域Ｂにおける異常燃焼の発生回数で除算したものは、図２のステップＳ１０，Ｓ１２において肯定判断される異常燃焼のうち、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となるものの発生割合を示すこととなる。そして、この発生割合は、異常燃焼が生じたときに、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となるものである確率として用いることができる。

この発生割合は、内燃機関１０の回転速度ＮＥおよび負荷によって定まる動作点に依存することが発明者らによって見出されている。このため、内燃機関１０の動作点の領域を回転速度ＮＥおよび負荷の離散的な値を境界とする複数の領域に分割し、それら領域のそれぞれで内燃機関１０を稼働させ、上記発生割合を計測する。そして、各領域毎に、同領域と、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となる確率を示すポイントとの関係を示したマップデータを作成する。ちなみに、上記所定のクランク角度αは、全領域において燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となるものが生じない最進角値以降となるように設定される。

図４に、マップデータを示す。図示されるように、マップデータは、回転速度ＮＥとトルクとによって分割された複数の領域のそれぞれと上記確率を示すポイントとの関係情報を有したデータである。図中、低回転且つ高負荷の領域であるハッチングした領域におけるポイントは、「０」よりも大きい値となっている。これに対し、それ以外の領域においては、ポイントは「０」となっている。これは、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼は、低回転且つ高負荷の領域において生じることを反映したものである。

ＥＣＵ４０は、上記マップデータに基づき、図２のステップＳ１４において取得した回転速度ＮＥおよびトルクによって定まる領域のポイントを演算する。そして、ＥＣＵ４０は、これまでのポイントの累積値に、今回のステップＳ１６の処理によって演算されたポイントを累積する（Ｓ１８）。こうして累積されたポイントは、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となる燃焼異常の発生回数の推定値となる。そして、ＥＣＵ４０は、累積値が規定値以上であるか否かを判断する（Ｓ２０）。この処理は、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となる燃焼異常の発生を抑制するフェールセーフ処理を実行するか否かを判断するためのものである。上記規定値は、異常燃焼の発生回数として許容される上限値に基づき設定される。

具体的には、本実施形態では、規定値を、車両のトータルの走行距離が長くなるほど、大きい値に設定する。具体的には、たとえば、走行距離が１万キロに達する毎に、規定値を増加させればよい。なお、ここでは、規定値を走行距離に比例させることができる。このため、上記規定値は、車両のトータルの走行距離に想定される上限値となるときに、内燃機関の信頼性を確保可能な発生回数の上限値に到達するように設定される。ちなみに、走行距離毎に都度設定される規定値は、車両の一般的な使用によって累積値がとりうると想定される上限値よりも大きい値に設定されることが望ましい。

ＥＣＵ４０は、規定値以上であると判断する場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼が生じやすい領域に内燃機関１０の実際の動作点が入ることを制限する（Ｓ２２）。この処理は、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼による内燃機関１０の信頼性の低下を抑制するためのフェールセーフ処理である。ここで、異常燃焼が生じやすい領域とは、低回転高負荷領域である。詳しくは、本実施形態では、図４に示したマップデータにおけるポイントが「０」よりも大きい領域のうちの予め定められた一部の領域または全部の領域とする。上記制限は、たとえば、内燃機関１０の動作点が上記異常燃焼が生じやすい領域に入ることを回避する制御を実行する処理とすればよい。

なお、ＥＣＵ４０は、ステップＳ２２の処理が完了する場合や、ステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ２０において否定判断する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
ここで、この処理の作用を説明する。

ＥＣＵ４０は、ノックセンサ４６の出力値に基づき所定のクランク角度αよりも進角側における異常燃焼を検出すると、規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼である可能性があると判断し、検出時の動作点に基づきポイントをマップ演算する。そして、ＥＣＵ４０は、今回算出されたポイントに、前回までのポイントの累積値を加算することで、累積値を更新する。そして、ＥＣＵ４０は、この累積値が規定値以上となる場合には、規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼が生じやすい領域（異常燃焼領域）に実際の動作点が入ることを制限する。このため、規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼の発生が抑制されため、同異常燃焼の発生回数が規定値を上回ることを好適に抑制することができる。

その後、ＥＣＵ４０は、走行距離が長くなることで規定値を増加させる。規定値が増加することで、累積値が規定値未満となる場合、ＥＣＵ４０は、規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼である可能性があると判断する場合であっても、異常燃焼領域に実際の動作点が入ることを制限する処理を行わない。

以上説明した本実施形態によれば、上記の作用効果に加えてさらに以下に記載する作用効果が得られるようになる。
（１）燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となる確率を示すポイントを、回転速度ＮＥおよびトルクに応じて各別の値に設定可能とした。このため、回転速度ＮＥおよびトルクによらずに単一の値を用いる場合と比較して、今回検出された異常燃焼が、上記規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼である確率をより高精度に定めることができる。このため、累積値を、規定圧力Ｐｔｈ２以上となる異常燃焼の発生回数を表現する高精度の推定値とすることができる。

＜技術的思想と実施形態との対応＞
以下、上記「課題を解決するための手段」に記載された技術的思想と、実施形態との代表的な対応関係を記載する。

所定のクランク角度…α、検出処理部…Ｓ１０，Ｓ１２、規定圧力…Ｐｔｈ２、記憶部…４２、累積処理部…Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１８、制限処理部…Ｓ２２
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・「運転制限の実行条件（規定値）の設定手法について」
図２のステップＳ２０においては、規定値を走行距離が大きくなるほど大きい値に設定したがこれに限らない。内燃機関１０の累積稼働時間や基準時刻に対する累積経過時間が長くなるほど規定値を大きい値に設定してもよい。また、たとえば、規定値を固定値としてもよい。ここで固定値は、図２のステップＳ２０において設定される規定値の最大値とすればよい。

・「制限処理について」
上記実施形態では、燃焼圧が規定圧力Ｐｔｈ２以上となる燃焼異常のトータルの推定発生回数（累積値）が規定値以上となることで、ポイントが「０」よりも大きい領域のうちの予め定められた一部の領域または全部の領域に実際の動作点が入ることを制限したがこれに限らない。たとえば、ＥＣＵ４０が累積値を更新する都度、そのときの実際の動作点を記憶することで、累積値を更新することに寄与した動作点によって定まる領域を異常燃焼が生じやすい領域とし、その領域に実際の動作点が入ることを制限してもよい。

・「ポイントの記憶手法について」
上記実施形態では、回転速度ＮＥおよびトルクを複数に分割した領域毎に、ポイントを記憶したがこれに限らない。たとえば、特定の回転速度ＮＥおよびトルクにおけるポイントを記憶してもよい。この場合、所定のクランク角度αよりも進角側における異常燃焼が検出されるときの動作点が、記憶されている動作点のいずれとも一致しない場合には、隣接するいくつかの動作点におけるポイントの補間演算によって今回のポイントを算出すればよい。

動作点を定めるパラメータとしては、回転速度ＮＥおよびトルクに限らない。たとえば、内燃機関の負荷を定めるパラメータとして、トルクに代えて、負荷率や、過給圧、吸入空気量、噴射量等を用いてもよい。なお、負荷率とは、回転速度ＮＥと吸入新気量とが与えられることで定まる量であり、与えられた回転速度ＮＥにおいて吸気絞り弁や過給機１２の状態を基準状態として定常運転しているときの吸入新気量に対する上記与えられた吸入新気量の割合のことである。ちなみに、基準状態としては、たとえば吸気絞り弁を全開状態とした状態を採用すればよい。

・「そのほか」
内燃機関としては、吸気通路１４に燃料を噴射する燃料噴射弁１６を備えるものに限らない。また、過給機１２を備えるものに限らない。過給機１２を備えないものであっても、燃焼圧が規定圧力以上となる確率を示すポイントを記憶しておくことで、ノックセンサ４６の出力値に基づき異常燃焼を検出した際にそのうちの燃焼圧が規定圧力以上となるものの発生回数を推定することができる。

１０…内燃機関、１２…過給機、１４…吸気通路、１６…燃料噴射弁、１８…吸気バルブ、２０…シリンダ、２２…ピストン、２４…燃焼室、２６…燃料噴射弁、２８…点火プラグ、３０…クランク軸、３２…排気バルブ、３４…排気通路、４０…ＥＣＵ、４２…メモリ、４４…クランク角センサ、４６…ノックセンサ。

Claims (1)

1. 内燃機関を制御対象とし、
   ノックセンサの出力信号に基づき、所定のクランク角度よりも前に生じる異常燃焼を検出する検出処理部と、
   前記検出処理部の検出対象となる異常燃焼が、気筒内の圧力が規定圧力以上となる異常である高圧異常となる確率を示すポイントを前記内燃機関の動作点毎に予め記憶する記憶部と、
   前記検出処理部が異常燃焼を検出した際の前記内燃機関の動作点に応じた前記ポイントを、それまでのポイントの累積値に加算する累積処理部と、
   前記累積値が規定値以上となる場合、前記内燃機関の実際の動作点が前記高圧異常が生じやすい動作点となることに制限を加える制限処理部と、を備える内燃機関の制御装置。