JP6268775B2 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火時期を遅角制御する際の空気量補正制御に関する。

内燃機関の点火時期制御として、特許文献１には、冷機始動時に点火時期を遅角側へ補正することによって排気温度を上昇させ、排気浄化触媒を早期に活性化させる技術が開示されている。

特開２００４−１１６３７２号公報

ところで、等空気量のまま点火時期を遅角側へ補正するとエンジントルクが低下するが、上記文献にはエンジントルクの制御に関して記載されていない。しかしながら、始動直後から目標エンジントルクを設定してトルク制御を行なう場合には、遅角補正によるトルク低下を補う必要がある。そこで、本発明では点火時期の遅角補正によって低下するエンジントルクを適切に補うことができる制御装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、冷機始動時に排気浄化触媒を早期に活性化させることを目的として、排気温度を上昇させるために、２種類のアイドル回転速度制御に対応した２種類の通常点火時期から点火時期を遅角側へ補正する内燃機関の制御装置が提供される。制御装置は、等空気量状態における最適点火時期での発生トルクと遅角補正後の点火時期での発生トルクとの比である第１トルクダウン率を算出する手段と、同様に最適点火時期での発生トルクと通常点火時期での発生トルクとの比である第２トルクダウン率を算出する手段とを備える。さらに、制御装置は、点火時期を遅角側へ補正することで低下するエンジントルクを補うために第１トルクダウン率及び第２トルクダウン率に基づいて空気量補正を行なう手段を備える。

上記態様によれば、最適点火時期を基準としたトルクダウン率を用いて空気量補正を行なうので、ＧＯＶ点火時期またはＭＡＰ点火時期のいずれからリタードした場合でも、リタードに伴うトルクダウンを補う適切な空気量補正を行なうことができる。

図１は、本発明の実施形態を適用する車両の概略構成図である。 図２は、内燃機関の概略構成図である。 図３は、通常点火時期からのリタード量に応じたトルクダウン率を示すトルクダウン率テーブルである。 図４は、通常点火時期が２つある場合の問題点を説明するための図である。 図５は、空気量補正の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図６は、通常点火時期がＭＡＰ点火時期である場合のトルクダウン率を説明するためのトルクダウン率テーブルである。 図７は、通常点火時期がＧＯＶ点火時期である場合のトルクダウン率を説明するためのトルクダウン率テーブルである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態を適用する車両の概略構成図である。本車両は、内燃機関１と変速機３との間に駆動源としても機能するモータジェネレータ（以下、ＭＧともいう）２を備えるハイブリッド車両である。内燃機関１のクランク軸１ＡとＭＧ２の回転シャフト４の間には第１クラッチ９が介装され、ＭＧ２の回転シャフト４と変速機３の入力軸５との間には第２クラッチ１０が介装されている。内燃機関１及びＭＧ２の出力は、変速機３及びプロペラシャフト６、差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。

ＭＧ２は例えばリチウムイオンバッテリのようなバッテリ１１からの電力により駆動され、また、ＭＧ２で発電した電力はバッテリ１１へ蓄えられる。

内燃機関１の点火時期制御、燃料噴射量制御、バルブタイミング制御、筒内ガス流動制御等はエンジンコントローラ２０が実行する。第１クラッチ９の締結制御はクラッチコントローラ２１が実行する。ＭＧ２の力行、発電の切り替え等の制御はモータコントローラ２２が実行する。変速機３の変速制御や第２クラッチ１０の締結制御は変速機コントローラ２３が実行する。バッテリ１１の充放電制御はバッテリコントローラ２４が実行する。

各コントローラ２０−２４は、ＣＡＮ通信にてハイブリッドコントローラ２５と連結されており、ハイブリッドコントローラ２５からの指示に応じてそれぞれの制御を実行する。

例えば、ハイブリッドコントローラ２５は、エンジンコントローラ２０、モータコントローラ２２、バッテリコントローラ２４等から受信したエンジン回転速度、ドライバ要求、モータ回転速度、バッテリ残量、バッテリ入出力パワー等に応じて、目標のエンジントルクを決定する。また、一般的なアイドル回転速度フィードバック制御（以下、ＥＮＧアイドル回転速度制御ともいう）と、ＭＧ２を力行させて内燃機関１の回転速度を目標値に一致させる制御（以下、ＭＧアイドル回転速度制御ともいう）とを、バッテリ１１の残充電量等に応じて選択的に切り替える。

なお、各コントローラ２０−２５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。各コントローラ２０−２５を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

図２は、内燃機関１の概略構成図である。

吸気バルブ３２を開閉する吸気カムシャフト３３には、吸気バルブ３２の開閉タイミング（バルブタイミング）を変更し得る可変動弁機構３４が備えられる。なお、排気バルブ３５を開閉する排気カムシャフト３６にも可変動弁機構を備えるようにしてもよい。

吸気通路３０には、吸気流れの上流側から順に、吸入空気量（単に空気量ともいう）を調整するスロットルバルブ４０と、筒内４１にガス流動を生成するためのタンブルコントロールバルブ（以下、ＴＣＶともいう）４２と、吸気通路内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３９と、が備えられる。なお、スロットルバルブ４０よりも上流側には、空気量を検出するためのエアフロメータ（図示せず）が配置されている。

排気通路３１には、例えば三元触媒等の排気浄化触媒３７が介装されている。なお、ＴＣＶ４２に代えてスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶともいう）としてもよい。

エンジンコントローラ２０には、負荷算出等に用いるアクセルペダル開度を検出するアクセルペダル開度センサ５０、エンジン回転速度を検出するクランク角センサ５１、及び冷却水温を検出する水温センサの各検出信号が読み込まれる。その他にも、ＴＣＶ４２の開閉状態、可変動弁機構３４の変換角、及び排気浄化触媒３７の活性状態についての情報も読み込まれる。排気浄化触媒３７の活性状態は、排気浄化触媒３７のベッド温度に基づいて推定する。ベッド温度は、排気浄化触媒３７の入口に温度センサを配置し、入口の温度から推定してもよいし、エンジン回転速度、負荷、運転時間等から公知の方法で推定してもよい。

そして、エンジンコントローラ２０はこれら検出信号及びハイブリッドコントローラ２５から指令された目標エンジントルクに基づいて、燃料噴射弁３９の噴射量、点火プラグ３８の点火時期、及びＴＣＶ４２の開閉制御等を制御する。

また、エンジンコントローラ２０は、冷機始動後であって排気浄化触媒３７が未活性状態の場合には、早期活性化を図るため、点火時期を遅角補正（以下、リタードともいう）して排気温度を上昇させる。その際に、ハイブリッドコントローラ２５から指令された目標エンジントルクを実現する必要があるので、点火時期のリタードによって低下するトルクを補うために空気量を増量する。

図３は、等空気量状態で点火時期をリタードした場合のトルク低下の特性を示す図（トルクダウン率テーブル）であり、縦軸はトルクの低下率（トルクダウン率）、横軸は点火時期である。ここでは、通常点火時期からのリタード量に対するトルクダウン率を示している。なお、通常点火時期とは、暖機状態における当該運転点での点火時期であり、例えば最適点火時期（ＭＢＴ）とする。また、図中の「リタード時の点火時期」とは、排気浄化触媒３７を早期活性化させるためのリタード後の点火時期である（後述する図４においても同様）。

図３に示すように、エンジン回転速度及び吸入空気量に応じて多少のばらつきはあるものの、リタード量が大きくなるほどトルクダウン率βは大きくなるという特性がある。そこで、リタード量とトルクダウン率βとの関係を予め調べておけば、リタード量の大きさからトルクダウン率βを算出し、現在のトルクとトルクダウン率βとから、点火時期リタードにより低下するトルクの大きさを算出することができる。

ところで、上述したようにハイブリッド車両においては、ＥＮＧアイドル回転速度制御とＭＧアイドル回転速度制御とを切り替えて実行している。ＥＮＧアイドル回転速度制御では、いわゆる回転落ちが発生した場合に点火時期を進角することで対応する為に、最適点火時期（ＭＢＴ）よりも遅角側の点火時期（以下、ＧＯＶ点火時期ともいう）を設定している。一方、ＭＧアイドル回転速度制御では、ＭＧ２により回転落ちに対応するので、内燃機関１はＭＢＴ近くの燃費性能のよい点火時期（以下、ＭＡＰ点火時期ともいう）を設定している。すなわち、ハイブリッド車両用の内燃機関１は、通常点火時期として、ＭＡＰ点火時期とＧＯＶ点火時期とを切り替えて使用する。

図４中の破線は、ＭＡＰ点火時期におけるトルクを１としたときの、点火時期リタードによるトルクダウン率βを示している。ＭＡＰ点火時期からのリタード量とトルクダウン率βとの関係を予め調べてリタード量に対するトルクダウン率の感度特性として記憶しておけば、ＭＡＰ点火時期からのリタード量に基づいてトルクダウン率βを算出できる。

一方、図４中の実線は、通常点火時期がＧＯＶ点火時期であり、このＧＯＶ点火時期から点火時期リタードしたとき、先に説明した感度特性（ＭＡＰ点火時期からのリタード量に対するトルクダウン率βの感度特性）をそのまま用いＧＯＶ点火時期からのリタード量に基づいてトルクダウン率β’を算出した結果を示している。

図４に示すように、トルクダウン率β’は正しいトルクダウン率と合致しない。

すなわち、通常点火時期がＧＯＶ点火時期の場合に、ＭＡＰ点火時期を基準として設定したトルクダウン率βの特性をそのまま用いてＧＯＶ点火時期からのリタード量に応じた空気量補正を行なうと、実際のトルク感度似合わないので、回転落ちや噴け上がりとなるおそれがある。

そこで、本実施形態では点火時期リタードによるエンジントルクの低下を補償するための空気量補正として、以下に説明する制御ルーチンを実行する。

図５は、エンジンコントローラ２０が実行する空気量補正の制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、例えば数ミリ秒程度の間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１０で、エンジンコントローラ２０は、点火時期リタード判定を行ない、リタードしている場合はステップＳ２０の処理を実行し、リタードしていない場合はそのまま本ルーチンを終了する。

ステップＳ２０で、エンジンコントローラ２０は通常点火時期がＭＡＰ点火時期かＧＯＶ点火時期かを判定し、ＭＡＰ点火時期の場合はステップＳ３０の処理を実行し、ＧＯＶ点火時期の場合はステップＳ６０の処理を実行する。ＭＧアイドル回転速度制御中であればＭＡＰ点火時期、ＥＮＧアイドル回転速度制御中であればＧＯＶ点火時期と判定する。

判定の結果、ＭＡＰ点火時期であった場合は、エンジンコントローラ２０はステップＳ３０で、ＭＡＰ点火時期を通常点火時期とする場合の空気量補正率基本値を算出する。

図６は、ステップＳ３０での空気量補正率基本値の算出方法を説明するための図であり、図３、４と同様のトルクダウン率テーブルである。図中の実線は基本となるトルクダウン率の特性線、破線は基本となるトルクダウン率を後述する感度補正係数ｋで補正した特性線である。また、β１はＭＢＴでのエンジントルクを基準とした場合の、リタード時の点火時期におけるトルクダウン率（第１トルクダウン率）、β２はＭＢＴでのエンジントルクを基準とした場合の、ＭＡＰ点火時期におけるトルクダウン率（第２トルクダウン率）をそれぞれ示す。

感度補正係数ｋは、エンジン回転速度と負荷（空気量）とで定まる運転点毎に割り振られた補正係数である。負荷情報としてエアフロメータで検出した実際の空気量を用いることもできるが、実際の空気量に基づいてトルクダウン感度補正係数ｋを算出すると、エアフロメータの検出流量の変動等の影響を受けて空気量補正率が変動するので、アイドル運転が安定しない等の問題が生じる。そこで、負荷情報としてハイブリッドコントローラ２５が設定する目標エンジントルクを使用する。これにより上記問題は生じず、安定した空気量補正を行なうことができる。この感度補正係数ｋによりリタード時の点火時期におけるトルクダウン率β１を補正してｋβ１を算出する。同様にＭＡＰ点火時期におけるトルクダウン率β２を補正したｋβ２を算出する。そして、（１−ｋβ２）/（１-ｋβ１）を空気量補正率基本値とする。

なお、図６のトルクダウン率テーブルの特性線は、ＴＣＶ４２の開閉状態に応じて切り替える。これは、次の理由による。ＴＣＶ４２を閉じると、タンブル流動が生成されて筒内ガス流動が強まることによって燃焼速度が上昇するので、ＴＣＶ４２を開いた場合に比べて、単位時間あたりに取り出せるエネルギが大きくなる。そのため、ＴＣＶ４２を開いた場合と閉じた場合で同じだけ点火時期をリタードすると、エネルギを取り出せない時間が同じであるため、ＴＣＶ４２を閉じている方が取り出せないエネルギが大きくなる。すなわち、ＴＣＶ４２を閉じている方が、点火時期リタードによるトルクダウン率が大きくなる。そこで、ＴＣＶ４２が開いている場合用のトルクダウン率テーブルと、閉じている場合用の、より大きなトルクダウン率が設定されたトルクダウン率テーブルとを用意しておき、これらを切り替えて使用する。

ステップＳ４０で、エンジンコントローラ２０は、空気量補正率基本値に現在の運転点での空気量補正率の変化速度制限を加えたものを空気量補正率とする。変化速度制限を加えるのは、次の理由による。点火時期のリタード量が大きくなるほど空気量補正率基本値（１−ｋβ２）/（１-ｋβ１）が大きくなる、つまり後述する空気量補正量が多くなる。このため、回転変動や空気量変動等による点火時期の微小変動によっても空気量補正量が大きく変動してしまい、空気量が大きく変動することでアイドル運転が不安定になってしまう。そこで、点火時期が微小変動（例えば１ｄｅｇ程度の変動）した程度では空気量補正量に影響がでないような制限を加える。

ステップＳ５０で、エンジンコントローラ２０は、ＭＡＰ点火時期での空気量を空気量補正率により補正する。具体的には、リタード後の点火時期で目標エンジントルクを実現するためには、ＭＡＰ点火時期での空気量をベースとして、図示トルクで（１−ｋβ２）/（１-ｋβ１）倍すればよい。そこで、式（１）を用いて空気量補正後の目標エンジントルクを算出し、スロットルバルブ４０を空気量補正後の目標エンジントルクに応じた開度に制御する。

TTEPH=（TTEP+THFRIC）・（1−kβ2）/（1-kβ1）-THFRIC ・・・（１）
TTEPH:空気量補正後の目標エンジントルク、TTEP:目標エンジントルク、TFRIC:フリクション

上記ステップＳ３０−Ｓ５０の処理が、通常点火時期がＭＡＰ点火時期である場合の、点火時期リタードにより低下した分のエンジントルクを補うための空気量補正である。

一方、通常点火時期がＧＯＶ点火時期である場合は、ステップＳ６０で空気量補正率基本値を算出する。

図７は、図６と同様に空気量補正率基本値の算出方法を説明するためのトルクダウン率テーブルである。空気量補正率基本値の算出方法は、基本的にステップＳ３０と同様であり、ＭＢＴでのエンジントルクを基準とした場合の、リタード時の点火時期におけるトルクダウン率（第１トルクダウン率）β１と、ＧＯＶ点火時期におけるトルクダウン率β３（第２トルクダウン率）を用いる。その結果、本ステップで算出される空気量補正率基本値は、（１−ｋβ３）/（１-ｋβ１）となる。

ステップＳ７０で、エンジンコントローラ２０は、ステップＳ４０での処理と同様に空気量補正率基本値に現在の運転点での空気量補正率の変化速度制限を加え、これを空気量補正率とする。

ステップＳ８０で、エンジンコントローラ２０はＧＯＶ点火時期での空気量を空気量補正率により補正する。具体的には、リタード後の点火時期で目標エンジントルクを実現するためには、ＧＯＶ点火時期における空気量をベースとして、図示トルクで（１−ｋβ３）/（１-ｋβ１）倍すればよい。そこで、式（２）を用いて空気量補正後の目標エンジントルクを算出し、スロットルバルブ４０を空気量補正後の目標エンジントルクに応じた開度に制御する。

TCL2H=（TCL2+THFRIC）・（1−kβ3）/（1-kβ1）-THFRIC ・・・（２）
TCL2H:空気量補正後のエンジン負荷トルク、TTEP：エンジン負荷トルク、TFRIC:フリクション

次に、上述した本実施形態による作用効果について説明する。

（１）等空気量状態におけるＭＢＴでの発生トルクとリタード後の点火時期での発生トルクとの比であるβ１（第１トルクダウン率）を算出する手段と、等空気量状態におけるＭＢＴでの発生トルクと通常点火時期での発生トルクとの比であるβ２又はβ３（第２トルクダウン率）を算出する手段と、を備える。さらに、点火時期をリタードすることで低下するエンジントルクを補うために、β１とβ２（又はβ３）とに基づいて空気量補正を行なう手段を備える。このように、ＭＢＴを基準としたトルクダウン率を用いることで、ＧＯＶ点火時期またはＭＡＰ点火時期のいずれからリタードした場合でも、リタードに伴うトルクダウンを補う適切な空気量補正を実行することが可能となる。

（２）トルクダウン率β１−β３を算出する手段は、点火時期に応じて定まるトルクダウン率をエンジン回転速度及び負荷で定まるトルクダウン感度補正係数ｋにより補正したｋβ１−ｋβ３を、空気量補正用のトルクダウン率として用いる。これにより、トルク制御の精度が向上し、噴け上がりや回転落ちを防止するだけでなく、エネルギーマネージメントの適正化を図ることもできる。

（３）トルクダウン感度補正係数ｋを算出するにあたり、負荷情報として目標エンジントルクを用いる。負荷情報としては空気量を用いることもできるが、実際の空気量に基づいてトルクダウン感度補正係数ｋを算出すると、エアフロメータの検出流量の変動等の影響を受けて空気量補正率が変動する。これにより、アイドル運転が安定しない等の問題が生じる。その点、目標エンジントルクを用いれば、上記問題は生じないので、安定した空気量補正を行なうことができる。

（４）筒内ガス流動が強いほど大きなトルクダウン率が算出される。すなわち、ＴＣＶ４２（またはＳＣＶ）の開閉に応じてトルクダウン率テーブルを切り替え、筒内ガス流動が強められた場合には、より大きなトルクダウン率が算出されるテーブルを用いる。これにより、筒内ガス流動の強弱によって同一点火時期でもトルクダウン率が異なることに対応することができる。

（５）エンジンコントローラ２０は、第１トルクダウン率及び第２トルクダウン率に基づいて基本空気量補正率を算出したら、基本空気量補正率に変化速度制限を加えて空気量補正率とし、これを用いて空気量補正を行なう。これにより、回転変動や空気量変動等によって点火時期が微小変動した場合に、空気量補正量が大きく変動することを防止し、安定したアイドル運転を実現できる。

なお、本実施形態では、通常点火時期としてＭＡＰ点火時期とＧＯＶ点火時期とを切り替え、冷機始動直後の点火時期リタード中も目標エンジントルクが設定される内燃機関１の例としてハイブリッド車両用の内燃機関１を用いて説明したが、これに限られるわけではない。ハイブリッド車両以外の内燃機関１であっても、複数の通常点火時期を運転状態等に応じて切り替え、点火時期リタード中も目標エンジントルクに基づいてエンジントルク制御を行なう内燃機関であれば、本実施形態を同様に適用することができる。

また、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 内燃機関
２ モータジェネレータ
３ 変速機
９ 第１クラッチ
１０ 第２クラッチ
２０ エンジンコントローラ（第１トルクダウン率算出手段、第２トルクダウン率算出手段、空気量補正手段）
２５ ハイブリッドコントローラ
３４ 可変動弁機構
３７ 排気浄化触媒
４０ スロットルバルブ
４２ タンブルコントロールバルブ

Claims (6)

1. 冷機始動時に排気浄化触媒を早期に活性化させることを目的として、排気温度を上昇させるために、２種類のアイドル回転速度制御に対応した２種類の通常点火時期から点火時期を遅角側へ補正する内燃機関の制御装置において、
   等空気量状態における最適点火時期での発生トルクと遅角補正後の点火時期での発生トルクとの比である第１トルクダウン率を算出する第１トルクダウン率算出手段と、
   等空気量状態における最適点火時期での発生トルクと暖機後の当該運転点での点火時期である通常点火時期での発生トルクとの比である第２トルクダウン率を算出する第２トルクダウン率算出手段と、
   点火時期を遅角側へ補正することで低下するエンジントルクを補うために、前記第１トルクダウン率及び前記第２トルクダウン率に基づいて空気量補正を行なう空気量補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記第１トルクダウン率算出手段及び前記第２トルクダウン率算出手段は、点火時期に応じて定まるトルクダウン率をエンジン回転速度及び負荷で定まるトルクダウン感度補正係数により補正したものを、前記第１トルクダウン率及び前記第２トルクダウン率とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記負荷は、点火時期を遅角側へ補正している間の目標エンジントルクであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記第１トルクダウン率算出手段及び前記第２トルクダウン率算出手段は、筒内ガス流動が強いほど大きな前記トルクダウン率を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記空気量補正手段は、前記第１トルクダウン率及び前記第２トルクダウン率に基づいて基本空気量補正率を算出し、前記基本空気量補正率に変化速度制限を加えた空気量補正率を用いて空気量補正を行なうことを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 冷機始動時に排気浄化触媒を早期に活性化させることを目的として、排気温度を上昇させるために、２種類のアイドル回転速度制御に対応した２種類の通常点火時期から点火時期を遅角側へ補正する内燃機関の制御方法において、
   等空気量状態における最適点火時期での発生トルクと現在の点火時期での発生トルクとの比である第１トルクダウン率を算出し、
   等空気量状態における最適点火時期での発生トルクと暖機後の当該運転点での点火時期である通常点火時期での発生トルクとの比である第２トルクダウン率を算出し、
   点火時期を遅角側へ補正したことで低下したエンジントルクを補うために、前記第１トルクダウン率及び前記第２トルクダウン率に基づいて空気量補正を行なうことを特徴とする内燃機関の制御方法。

Images