JP6489607B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

車両が、定常状態や緩やかな加速状態で走行している間に、内燃機関の燃焼速度のバラツキによって、サージあるいはサージング（以下、「サージ」と称する。）と呼ばれる現象が生じる場合がある。サージとは、動力伝達系を介して車体が前後に周期的に振動する現象である。サージが発生すると、排ガスの状態や燃費、内燃機関の振動及び騒音が不安定になる。そのため、従来、サージの発生を回避し得るように内燃機関を制御することが行われている。

例えば、特許文献１には、サージ発生域に入っていると判定されたときに、吸排気弁のバルブオーバーラップ量を制御して、サージを回避する方向に内部ＥＧＲ量を調整する内部ＥＧＲ量制御手段を備えた内燃機関のＥＧＲ制御装置が開示されている。具体的に、特許文献１のＥＧＲ制御装置は、ノックあるいはノッキング（以下、「ノック」と称する。）が発生しやすい状態になったときに、ノックレベルが適正となるように点火時期を補正する。そのうえで、ＥＧＲ制御装置は、かかる補正によってサージが発生しやすい状態になった場合に、吸排気弁のバルブオーバーラップ量を制御して、内部ＥＧＲ量を調整する。

特開平１１−１２５１２６号公報

ところで、従来の内燃機関の制御装置は、周囲環境の変化や、内燃機関の固体バラツキ等の外乱が生じたときに、燃焼速度を適切に補正するフィードバック機能を有していない。そのため、燃焼速度のバラツキによるサージが生じやすい。燃焼速度を補正する手段としては、点火時期を補正する方法や、燃焼温度を補正する方法がある。例えば、点火時期を補正する方法は、短時間で燃焼速度を補正することができる一方、補正量に対する燃焼速度の変化の度合いが大きい。また、燃焼温度を補正する方法としては、例えば、内燃機関のシリンダヘッドに流通させる冷却水の流量を調節して、シリンダヘッドの温度を調節する方法がある。かかる方法は、燃焼速度を徐々に変化させることができる一方、燃焼速度の補正に時間を要する。

内燃機関は、燃焼速度が遅すぎるとサージ発生領域に入り、筒内の混合気の温度が高く、燃焼速度が速すぎるとノック発生領域に入ることが知られている。したがって、内燃機関の運転状態がサージ発生領域に入ったときに当該領域から退避する際には、燃焼速度を速やかに補正することと併せて、内燃機関の運転状態がノック発生領域に入らないようにすることが必要とされる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、内燃機関の運転状態をサージ発生領域から退避させる際に、ノックの発生のリスクを低減しつつ、早期に燃焼を安定化することが可能な、内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内燃機関のシリンダヘッドに流通させる冷却水の流量を調節する冷却水量制御部と、前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御部と、前記内燃機関でのサージの発生の有無を判定するサージ判定部と、少なくとも筒内ＥＧＲ率に基づいて、前記内燃機関の燃焼状態に相関する所定の指標における前記内燃機関が安定燃焼状態となる範囲の大きさを推定する燃焼安定領域推定部と、前記サージが発生したと判定されたときに、前記範囲の大きさが所定の燃焼判定閾値以下のときには前記冷却水量制御部により前記冷却水の流量を減少させることで前記内燃機関の燃焼速度を速め、前記範囲の大きさが前記所定の燃焼判定閾値を超えるときには前記点火時期制御部により前記点火時期を進角させることで前記内燃機関の燃焼速度を速める燃焼速度制御部と、を備える、内燃機関の制御装置が提供される。

前記燃焼速度制御部は、前記冷却水量制御部により前記燃焼速度を制御する際に、前記シリンダヘッドの温度が低いほど、前記冷却水の流量の減少幅を大きくしてもよい。

前記燃焼速度制御部は、前記点火時期制御部により前記燃焼速度を制御する際に、所定周期ごとの前記内燃機関の回転数の変動幅が大きいほど、前記点火時期の進角量を大きくしてもよい。

前記サージ判定部は、所定周期ごとの前記内燃機関の回転数の変動幅が所定のサージ判定閾値を超えたときに前記サージが発生したと判定してもよい。

本発明にかかる内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の運転状態をサージ発生領域から退避させる際に、ノックの発生のリスクを低減しつつ、早期に燃焼を安定化することができる。

図１は、本発明を適用可能な内燃機関の概略構成を示す模式図である。 図２は、同実施形態にかかる内燃機関の制御装置の構成例を示すブロック図である。 図３は、筒内ＥＧＲ率と筒内混合気温度と内燃機関の燃焼状態との関係を示す説明図である。 図４は、同実施形態にかかる内燃機関の制御方法を示す説明図である。 図５は、機関回転数の変動幅と冷却水流量との関係を示す説明図である。 図６は、機関回転数の変動幅と点火時期の進角補正量との関係を示す説明図である。 図７は、同実施形態にかかる内燃機関の制御方法を示すフローチャートである。 図８は、本発明を適用可能な別の内燃機関の概略構成を示す模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜＜１．第１の実施の形態＞＞
＜１−１．内燃機関の構成＞
まず、第１の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置を備えた内燃機関の全体構成の一例について説明する。図１は、内燃機関１０の全体構成例を概略的に示す模式図である。かかる内燃機関１０は、水平対向型、Ｖ型又は列型等のガソリン内燃機関の例である。内燃機関の気筒数は特に限定されない。

内燃機関１０は、シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４を備える。シリンダブロック２４には、シリンダ２４ａが形成されている。シリンダ２４ａ内では、クランクシャフト５２の回転に伴ってピストン３０が進退動する。内燃機関１０は、クランクシャフト５２の回転位相（クランク角）を検出するクランク角センサ５４を備える。クランク角センサ５４の検出信号は、制御装置１００に出力される。シリンダヘッド２２はシリンダ２４ａの軸方向の両端部のうちの一方の端部を閉じる位置に設けられる。シリンダブロック２４のシリンダ２４ａと、ピストン３０と、シリンダヘッド２２とにより燃焼室２８が画成される。

内燃機関１０には図示しない燃料噴射弁が備えられ、燃焼室２８に吸入される吸気に対して燃料が噴射されて、燃焼室２８内に混合気が形成される。また、内燃機関１０は、排気の一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を備える。かかるＥＧＲ装置により、排気の一部が、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を介して吸気通路に戻され、燃焼室２８に吸入される空気と混合される。還流する排気の流量は、ＥＧＲ通路に備えられたＥＧＲ弁によって調節される。ＥＧＲ弁の開度は、制御装置１００により制御される。

シリンダヘッド２２には、燃焼室２８に臨むように点火プラグ２６が設けられる。かかる点火プラグ２６によって、燃焼室２８内に形成された混合気が点火される。点火プラグ２６は、制御装置１００により駆動制御され、混合気への点火時期を調節可能とし得る。

シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４には、それぞれ図示しないウォータジャケット（冷却水の流路）が形成されている。内燃機関１０は、シリンダヘッド２２のウォータジャケット及びシリンダブロック２４のウォータジャケットを通過する冷却水通路を含む冷却水循環経路２０を備える。冷却水は、シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４に分配されながら、冷却水循環経路２０内を循環する。

冷却水循環経路２０は、冷却水を圧送するポンプ１６と、冷却水を冷却するラジエータ１８とを備える。ポンプ１６はモータ等により駆動される電動ウォータポンプとし得る。内燃機関１０のクランクシャフトにギヤを介して連結されたギヤポンプであってもよい。本実施形態では、ポンプ１６として電動ウォータポンプが使用されており、かかるポンプ１６は、制御装置１００により駆動制御され、冷却水の吐出量が調節される。また、ラジエータ１８は、冷却水を放熱させて冷却水の温度を低下させる冷却装置である。かかる冷却水循環経路２０は、従来の内燃機関に備えられた冷却水循環経路と同一の構成とし得る。

ポンプ１６が駆動される間、ポンプ１６により圧送される冷却水は、シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４のウォータジャケットに分配される。冷却水がシリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４を通過する際に、シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４の熱が冷却水に移動し、シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４が冷却される。シリンダヘッド２２を通過した冷却水と、シリンダブロック２４を通過した冷却水とは、それぞれ冷却水通路４２及び冷却水通路４４を流れて合流する。

シリンダヘッド２２とシリンダブロック２４とに分配される冷却水の比は、例えば９：１とすることができる。これにより、燃焼温度への影響が大きいシリンダヘッド２２の冷却が効率的に行われる。冷却水の比は、例えば冷却水通路の流路面積の比を変えることによって調節することができる。なお、シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４への冷却水の分配比は、任意に設定し得る。

シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４を通過した冷却水は、合流した後に、ラジエータ１８へと戻される。ラジエータ１８に戻された冷却水は、放熱されて冷却された後、再びポンプ１６へと還流する。ラジエータ１８の上流側にはサーモスタット弁１４が設けられる。冷却水循環経路２０内を循環する冷却水の温度が低い間、冷却水はラジエータ１８を迂回して循環する。そして、冷却水の温度が所定温度に達したときに、サーモスタット弁１４によって、冷却水がラジエータ１８を介して循環するようになる。

本実施形態では、シリンダヘッド２２の出口側に設けられた冷却水通路４２に、流量制御弁４０が備えられる。流量制御弁４０は制御装置１００によって駆動制御され、シリンダヘッド２２を流通する冷却水の流量が調節される。一方、シリンダブロック２４の出口側に設けられた冷却水通路４４には流量制御弁は備えられない。流量制御弁４０は、例えば、冷却水の流路面積を調節可能な弁とし得る。

すなわち、本実施形態にかかる内燃機関１０は、流量制御弁４０によって冷却水通路４２の流路面積が絞られない状態において、ポンプ１６によって圧送される冷却水のうちの約９割がシリンダヘッド２２側を流れ、残りの約１割がシリンダブロック２４側を流れる。また、流量制御弁４０により冷却水通路４２の流路面積が絞られると、シリンダヘッド２２を流れる冷却水の流量が減少する一方、シリンダブロック２４を流れる冷却水の流量が増加する。

シリンダヘッド２２には、シリンダヘッド２２を流れる冷却水の温度（以下、「ヘッド水温」ともいう。）を検出するための第１の温度センサ３２が備えられる。また、シリンダブロック２４には、シリンダブロック２４を流れる冷却水の温度（以下、「エンジン水温」ともいう。）を検出するための第２の温度センサ３４が備えられる。第１の温度センサ３２及び第２の温度センサ３４のセンサ信号は、制御装置１００に出力される。

＜１−２．内燃機関の制御装置の構成＞
図２は、本実施形態にかかる内燃機関の制御装置１００の構成を機能的なブロックで示した図である。図２は、制御装置１００の構成のうち、内燃機関１０の運転状態をサージ発生領域から退避させるための制御に関連する部分を示している。制御装置１００は、主として公知のマイクロコンピュータにより構成される。制御装置１００は、サージ判定部１０２と、ＥＧＲ率算出部１０４と、燃焼安定領域推定部１０６と、燃焼速度制御部１０８と、冷却水量制御部１１０と、点火時期制御部１１２とを備える。具体的に、これらの各部の機能は、マイクロコンピュータによるソフトウェアプログラムの実行により実現される。

制御装置１００は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の図示しない記憶素子等を備える。また、制御装置１００は、ポンプ１６や点火プラグ２６、流量制御弁４０、燃料噴射弁、ＥＧＲ弁等を駆動するための駆動回路を備える。かかる制御装置１００には、クランク角センサ５４やエアフローメータ、第１の温度センサ３２及び第２の温度センサ３４等の各種センサの検出信号が入力される。制御装置１００は、これらの検出信号に基づいて、内燃機関１０の回転数（以下、「機関回転数」ともいう。）Ｎｅや内燃機関１０の負荷（以下、「機関負荷」ともいう。）、シリンダヘッド２２の温度（以下、「ヘッド温度」ともいう。）Ｔｈ、吸入空気量Ｖａ等を算出可能になっている。

（１−２−１．冷却水量制御部）
冷却水量制御部１１０は、シリンダヘッド２２に流す冷却水の流量の制御を行う。具体的に、冷却水量制御部１１０は、冷却水通路４２に設けられた流量制御弁４０を駆動するための駆動回路に対して制御指令を送る。これに応じて、流量制御弁４０の駆動回路は、流量制御弁４０に対する通電を行い、流量制御弁４０の開弁度合いを調節する。本実施形態において、流量制御弁４０は、非通電状態で開弁度合いが最大となる弁である。冷却水量制御部１１０は、燃焼速度を補正する場合に、燃焼速度制御部１０８の演算結果に応じて流量制御弁４０への通電制御を行い、冷却水通路４２に流す冷却水の流量を絞ることによりシリンダヘッド２２の温度を上昇させる。

（１−２−２．点火時期制御部）
点火時期制御部１１２は、点火プラグ２６によって混合気に点火する時期の制御を行う。具体的に、点火時期制御部１１２は、機関回転数Ｎｅや機関負荷等に基づいて点火時期（以下、この点火時期を「基本点火時期」ともいう。）を算出し、点火プラグ２６を駆動するための駆動回路に対して制御指令を送る。これに応じて、点火プラグ２６の駆動回路は、点火プラグ２６に対する通電を行い、点火プラグ２６の先端に火花を発生させる。本実施形態では、燃焼速度を補正する場合に、上述のように算出される基本点火時期を、燃焼速度制御部１０８の演算結果に応じて、進角方向へ補正する。

（１−２−３．サージ判定部）
サージ判定部１０２は、内燃機関の運転状態が、サージ発生領域に在るか否かを判定する。本実施形態では、サージ判定部１０２は、内燃機関１０の燃焼変動要素を示すパラメータとして、所定周期ごとの機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅに基づき、サージの発生の有無を判定する。具体的に、サージ判定部１０２は、クランク角センサ５４の検出信号を用いて算出される、所定周期ごとの機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅを、あらかじめ設定したサージ判定閾値ΔＮｅ＿ｔｈｒｅと比較する。そして、変動幅ΔＮｅがサージ判定閾値ΔＮｅ＿ｔｈｒｅを超えたときに、サージ判定部１０２はサージが発生したと判定する。

閾値ΔＮｅ＿ｔｈｒｅは、あらかじめ実機を用いたシミュレーション等によって、サージが発生し得る範囲を求めることによって設定することができる。本実施形態では、燃焼変動の大きさを示すパラメータとしての平均有効圧変動率（以下、「Ｃｐｉ」ともいう。）が２．０％に相当する機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅが、閾値ΔＮｅ＿ｔｈｒｅとして設定されている。平均有効圧変動率とは、機関回転数Ｎｅと機関負荷とに応じて生じ得る燃焼室２８内の平均有効圧力の変動率を意味し、所定サイクル分の平均有効圧力の平均値及び標準偏差を用いて下記式（１）により表すことができる。

機関回転数Ｎｅと機関負荷と平均有効圧変動率との関係は、あらかじめ実機を用いたシミュレーション等により求めることができる。ただし、サージの発生の有無は、燃焼圧変動等、サージに起因して発生する他の変動要素に基づいて判定してもよい。

（１−２−４．ＥＧＲ率算出部）
ＥＧＲ率算出部１０４は、燃焼室２８に吸入される吸気中に含まれる排気の割合を算出する。例えば、ＥＧＲ率算出部１０４は、排気圧力、吸気圧力及びＥＧＲ弁の開度に基づき筒内ＥＧＲ流量Ｖｅｇｒを算出し、燃焼室２８に吸入される吸気の流量に対する筒内ＥＧＲ流量Ｖｅｇｒの割合を筒内ＥＧＲ率として求めることができる。排気圧力は、機関回転数Ｎｅと機関負荷とに基づき、あらかじめ実機を用いて作成され記憶された、機関回転数Ｎｅと内燃機関１０の負荷と排気圧力との関係を示す排気圧力マップを参照して、求めることができる。吸気圧力は、例えば、吸気通路に圧力センサを設けることにより検出することができる。ＥＧＲ弁の開度は、図示しないＥＧＲ弁の制御部の演算結果を利用することができる。

また、燃焼室２８に吸入される吸気の流量は、吸入空気量Ｖａ、筒内ＥＧＲ流量Ｖｅｇｒ、及びチャコールキャニスタからのパージ流量Ｖｐの総和として求められる。吸入空気量Ｖａは、エアフローメータから出力された検出信号に基づき求めることができる。また、パージ流量Ｖｐは、パージコントロールバルブの操作量と、燃料タンク及び吸気通路の圧力差とに基づき求めることができる。ただし、筒内ＥＧＲ率の算出方法は、上記の例に限られない。

（１−２−５．燃焼安定領域推定部）
燃焼安定領域推定部１０６は、少なくとも筒内ＥＧＲ率に基づいて、内燃機関１０の燃焼状態が安定し、サージやノックが生じない燃焼安定領域を推定する。燃焼安定領域は、燃焼速度に依存する。かかる燃焼速度は、ヘッド温度Ｔｈあるいは点火時期に依存する。具体的に、ヘッド温度Ｔｈが高いほど筒内混合気温度が高く、燃焼速度は速くなる。一方、ヘッド温度Ｔｈが低いほど筒内混合気温度が低く、燃焼速度は遅くなる。また、点火時期が進角方向にずれるほど燃焼速度は速くなり、点火時期が遅角方向にずれるほど燃焼速度は遅くなる。

本実施形態では、燃焼安定領域は、燃焼状態が安定する筒内混合気温度の範囲を表す。図３は、筒内ＥＧＲ率と筒内混合気温度と内燃機関の燃焼状態との関係を示す模式図である。内燃機関１０は、筒内混合気温度が低く、筒内ＥＧＲ率が高いほど、サージが発生しやすい一方、筒内混合気温度が高く、筒内ＥＧＲ率が低いほど、ノックが発生しやすい。また、筒内ＥＧＲ率が低い場合、燃焼状態が安定する筒内混合気温度の範囲は広くなる一方、筒内ＥＧＲ率が高い場合、燃焼状態が安定する筒内混合気温度の範囲は狭くなる。

内燃機関１０の燃焼状態は、図３に示したような特性を有することから、燃焼安定領域推定部１０６は、筒内ＥＧＲ率に基づいて、燃焼状態が安定する筒内混合気温度の範囲を算出する。図３に例示されるような燃焼安定温度範囲の特性は、あらかじめ実機を用いたシミュレーション等により求めることができることから、燃焼安定領域推定部１０６は、マップ等を参照することにより、燃焼安定温度範囲を求めるようにしてもよい。ただし、燃焼安定領域は、燃焼状態が安定する筒内混合気温度の範囲に限られず、燃焼速度の範囲等、燃焼状態に関連する指標の範囲であってもよい。

なお、燃焼安定温度範囲の求め方は上述の例に限られない。例えば、機関回転数Ｎｅが高いと、混合気の筒内流動が盛んになり、燃焼が促進されやすくなることから、燃焼安定温度範囲は広がり得る。したがって、燃焼安定領域推定部１０６は、筒内ＥＧＲ率と併せて機関回転数Ｎｅを考慮して燃焼安定温度範囲を求めてもよい。この他、燃焼安定性に関連し得る情報を適宜用いることができる。

（１−２−６．燃焼速度制御部）
燃焼速度制御部１０８は、サージが発生したと判定されたときに、燃焼速度を速めることによって、サージの発生を回避して燃焼を安定化させる制御を行う。このとき、燃焼速度制御部１０８は、ノックの発生のリスクを低減しつつ、早期に燃焼を安定化させるために、燃焼安定領域の幅Ｒに応じて、燃焼速度を速める手段を選択する。本実施形態では、燃焼速度制御部１０８は、燃焼速度を速める手段として、冷却水量の制御又は点火時期の制御のいずれかを選択する。冷却水量の制御が選択された場合、燃焼速度制御部１０８は、冷却水量制御部１１０に対して、流量制御弁４０への通電量を指示する。また、点火時期の制御が選択された場合、燃焼速度制御部１０８は、点火時期制御部１１２に対して点火時期の補正量を指示する。

燃焼速度制御部１０８は、燃焼安定領域の幅Ｒを、あらかじめ設定された閾値αと比較し、Ｒ＞αの場合に点火時期の制御を選択し、Ｒ≦αの場合に冷却水量の制御を選択する。閾値αは、点火時期の補正幅と燃焼速度のずれ幅とを考慮して、点火時期の補正によりノックが発生し得る範囲が閾値α以下の範囲に含まれるように設定することができる。かかる閾値αは、あらかじめ実機を用いたシミュレーション等によって設定することができる。本実施形態では、燃焼変動の大きさを示すパラメータとしての平均有効圧変動率Ｃｐｉが１．５％に相当する燃焼安定領域の幅Ｒが、閾値αとして設定されている。

図４は、燃焼安定領域の幅Ｒに応じた、燃焼速度を速める手段の選択の仕方について説明するための図である。図４の縦軸は、燃焼速度、ヘッド温度、点火時期を表している。すなわち、ヘッド温度Ｔｈが高いほど、また、点火時期が進角方向にずれているほど、燃焼速度が速くなる。燃焼安定領域の幅が閾値αよりも大きい領域（Ｒ＞α）は、点火時期制御領域とされている。また、燃焼安定領域の幅が閾値α以下の領域（Ｒ≦α）は、ヘッド温度制御領域とされている。

燃焼安定領域の幅がＲ１の場合、燃焼安定領域の幅が大きく、サージを回避する際にノックが発生するリスクが低い。したがって、燃焼安定領域の幅Ｒ１が閾値αより大きい場合（Ｒ１＞α）には、燃焼速度を速める手段として点火時期の制御が選択される。一方、燃焼安定領域の幅がＲ２の場合、燃焼安定領域の幅が小さく、サージを回避する際にノックが発生するリスク高くなる。したがって、燃焼安定領域の幅Ｒ２が閾値α以下の場合（Ｒ２≦α）には、燃焼速度を速める手段として冷却水量の制御が選択される。なお、図４中のＰ１、Ｐ２は、図３中に記載したＰ１、Ｐ２の位置を例示したものである。

図５は、ヘッド温度を制御することにより燃焼速度を速める場合のヘッド温度の調節の仕方について説明するために示す図である。この図５は、図４における燃焼安定領域の幅がＲ２（≦α）の場合に行われるヘッド温度制御においてシリンダヘッド２２に流す冷却水の流量を示す。図５は、横軸に機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅを示し、縦軸にシリンダヘッド２２に流す冷却水の流量を示している。機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅが大きいほど、より大きなサージが発生していることを意味しており、図５の右側方向は、図４の下方向に相当する。

本実施形態では、シリンダヘッド２２に流す冷却水の流量を絞ることにより燃焼速度が速められるようになっている。機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅが大きいほど、早期にサージの発生が回避されるように、流量の絞り度合いが大きく、すなわち、冷却水の流量は少なくされる。冷却水の流量を絞る場合、ヘッド温度Ｔｈは比較的緩やかに上昇し、燃焼速度も比較的緩やかに速められるためにノックが発生するリスクは低い。機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅに対する補正量の具体的な値は、あらかじめ実機を用いたシミュレーション等により、ノックが発生しない範囲で設定される。

図６は、点火時期をずらすことにより燃焼速度を速める場合の点火時期の補正の仕方について説明するために示す図である。この図６は、図４における燃焼安定領域の幅がＲ１（＞α）の場合に行われる点火時期制御での補正量を示す。図６は、横軸に機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅを示し、縦軸に点火時期の進角補正量を示している。機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅが大きいほど、より大きなサージが発生していることを意味しており、図６の右側方向は、図４の下方向に相当する。

本実施形態では、点火時期を進角方向へずらすことにより燃焼速度が速められるようになっている。機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅが大きいほど、早期にサージの発生が回避されるように、点火時期の進角補正量は大きくされる。点火時期を進角方向へずらす場合、燃焼速度は短期間で速められるが、燃焼安定領域の幅が大きいためにノックが発生するリスクは低い。機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅに対する補正量の具体的な値は、あらかじめ実機を用いたシミュレーション等により、ノックが発生しない範囲で設定される。

＜１−３．内燃機関の制御方法＞
次に、本実施形態にかかる内燃機関１０の制御装置１００により実行される制御方法の例について説明する。図７は、内燃機関１０の燃焼速度の制御方法の一例を示すフローチャートである。以下の制御は、例えば、内燃機関１０の運転中において常時実行される。

まず、制御装置１００は、ステップＳ１０において、内燃機関１０でのサージの発生の有無を判別する。例えば、制御装置１００は、クランク角センサ５４の検出信号を用いて算出される、所定周期ごとの機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅが、あらかじめ設定されたサージ判定閾値ΔＮｅ＿ｔｈｒｅを超えたか否かによって、サージの発生の有無を判定し得る。このとき用いる閾値ΔＮｅ＿ｔｈｒｅは、例えば、平均有効圧変動率Ｃｐｉが２．０％に相当する機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅとし得る。サージの発生の有無は、他の方法により判定されてもよい。

次いで、制御装置１００は、ステップＳ１２において、内燃機関１０の筒内ＥＧＲ率に基づいて、燃焼安定領域を推定する。筒内ＥＧＲ率は、燃焼室２８に吸入される吸気の流量に対する筒内ＥＧＲ流量の割合として算出される。本実施形態では、あらかじめ作成したマップを用いて、筒内ＥＧＲ率から、内燃機関１０の燃焼状態が安定する筒内混合気温度の幅Ｒが算出される。

次いで、制御装置１００は、ステップＳ１４において、燃焼安定領域の幅Ｒが、あらかじめ設定した閾値αを超えているか否かを判別する。このとき用いる閾値αは、例えば、平均有効圧変動率Ｃｐｉが１．５％に相当する燃焼安定領域の幅Ｒとし得る。燃焼安定領域の幅Ｒが閾値αを超えている場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）にはステップＳ１６に進み、燃焼安定領域の幅Ｒが閾値α以下の場合（Ｓ１４：Ｎｏ）にはステップＳ１８に進む。

ステップＳ１６に進んだ場合、制御装置１００は、点火時期を進角方向に補正する制御を行う。具体的に、制御装置１００は、図６に示したような機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅと点火時期の進角補正量との関係を示す特性線に対応するマップ等を参照して、現在の機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅに対応する進角補正量を算出する。そして、制御装置１００は、機関回転数Ｎｅや機関負荷等に応じて算出される基本点火時期に進角補正量を反映して点火時期を決定し、点火プラグ２６の駆動回路に対して駆動指令を出力する。

これにより、点火時期が進角方向に補正され、内燃機関１０の燃焼速度が速められ、サージの発生が回避される。点火時期を補正する場合、燃焼速度が短時間で速められるが、燃焼安定領域の幅Ｒが比較的大きい場合に、点火時期が補正されるようになっていることから、ノックが発生するリスクは低くなる。

一方、ステップＳ１８に進んだ場合、制御装置１００は、シリンダヘッド２２を通過する冷却水の流量を絞る制御を行う。具体的に、制御装置１００は、図５に示したような機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅと冷却水の流量との関係を示す特性線に対応するマップ等を参照して、現在の機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅに対応する流量制御弁４０の通電量を算出する。そして、制御装置１００は、流量制御弁４０の駆動回路に対して駆動指令を出力する。

これにより、シリンダヘッド２２を通過する冷却水の流量が絞られ、ヘッド温度Ｔｈが上昇する。その結果、筒内混合気温度が高くなって、サージの発生が回避される。冷却水の流量を絞る場合、燃焼安定領域の幅Ｒは比較的小さいが、燃焼速度が比較的緩やかに速められることから、ノックが発生するリスクは低くなる。

以上説明したように、第１の実施の形態にかかる内燃機関１０の制御装置１００によれば、サージの発生が検出された場合に、燃焼安定領域を推定し、燃焼安定領域の幅Ｒに応じて、燃焼速度を速める手段を決定する。燃焼安定領域の幅Ｒが比較的大きい場合、制御装置１００は、点火時期を進角補正することによって燃焼速度を速めて、サージの発生を回避する。また、燃焼安定領域の幅Ｒが比較的小さい場合、制御装置１００は、シリンダヘッド２２を通過する冷却水の流量を絞ることによって燃焼速度を速めて、サージの発生を回避する。したがって、本実施形態にかかる内燃機関１０の制御装置１００によれば、ノックの発生のリスクを回避しつつ、早期にサージの発生を回避することができる。

＜＜２．第２の実施の形態＞＞
次に、第２の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置を備えた内燃機関について説明する。図８は、本実施形態にかかる内燃機関１０Ａの全体構成例を概略的に示す模式図である。かかる内燃機関１０Ａは、シリンダヘッド２２を通過する冷却水の流量を制御する手段の構成が、第１の実施の形態にかかる内燃機関１０の構成とは異なっている。

本実施形態にかかる内燃機関１０は、シリンダヘッド２２のウォータジャケット及びシリンダブロック２４のウォータジャケットを通過する冷却水通路を含む第１の冷却水循環経路２０ａと第２の冷却水循環経路２０ｂとを備える。第１の冷却水循環経路２０ａ及び第２の冷却水循環経路２０ｂにおいて、シリンダヘッド２２のウォータジャケット及び冷却水通路４２と、シリンダブロック２４のウォータジャケット及び冷却水通路４４は、共用される。すなわち、それぞれの循環経路において、シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４に対して分配して供給された冷却水は、シリンダヘッド２２及びシリンダブロック２４の出口側で合流し、それぞれの循環経路に還流する。

第１の冷却水循環経路２０ａは、第１のポンプ１６、第１のサーモスタット弁１４及び高温ラジエータ１８ａを備える。第１のポンプ１６、第１のサーモスタット弁１４及び高温ラジエータ１８ａは、それぞれ第１の実施の形態にかかる内燃機関１０のポンプ、サーモスタット弁及びラジエータと同一の機能を有する。

第２の冷却水循環経路２０ｂは、第２のポンプ８６、第２のサーモスタット弁８４、低温ラジエータ８８及び流量制御弁８２を備える。第２のポンプ８６、第２のサーモスタット弁８４及び低温ラジエータ８８は、それぞれ第１の実施の形態にかかる内燃機関１０のポンプ、サーモスタット弁及びラジエータと同一の機能を有する。また、流量制御弁８２は、第２のポンプ８６により圧送されてシリンダヘッド２２側に分配される冷却水の流量を絞る機能を有する。

ただし、低温ラジエータ８８の放熱効率は、高温ラジエータ１８ａの放熱効率よりも高くなっており、第２の冷却水循環経路２０ｂを循環する冷却水の温度は、第１の冷却水循環経路２０ａを循環する冷却水の温度に比べて、相対的に低くなっている。ここまでに説明した点以外の構成は、第１の実施の形態にかかる内燃機関１０と同一の構成とすることができる。第１のポンプ１６、第２のポンプ８６、点火プラグ２６及び流量制御弁８２は、制御装置１００Ａにより制御される。

かかる構成を有する内燃機関１０Ａの場合、第２の冷却水循環経路２０ｂからシリンダヘッド２２に流される、比較的低温の冷却水の流量が、流量制御弁８２によって絞られる。これにより、ヘッド温度Ｔｈが上昇し、筒内混合気温度が高くなって、燃焼速度が速められる。したがって、本実施形態にかかる内燃機関１０Ａでは、サージが発生したときに、燃焼安定領域の幅Ｒが比較的大きい場合には、点火時期を進角方向に補正することにより燃焼速度を速める。かかる点火時期制御は、第１の実施の形態にかかる内燃機関１０の制御装置１００と同様に行われる。

一方、本実施形態にかかる内燃機関１０Ａでは、サージが発生したときに、燃焼安定領域の幅Ｒが比較的小さい場合には、シリンダヘッド２２に流す低温の冷却水の流量を絞ることによりヘッド温度Ｔｈを上昇させて、筒内混合気温度を高くし、燃焼速度を速める。このとき、機関回転数Ｎｅの変動幅ΔＮｅが大きいほど、低温の冷却水の流量が大きく絞られるように、変動幅ΔＮｅに応じて流量制御弁８２への通電量を設定することができる。

かかる内燃機関１０Ａにおいて、サージの発生を回避する制御方法は、図７に示したフローチャートに沿って実行することができる。ただし、シリンダヘッド２２に流す冷却水の流量を減少させるステップＳ１８においては、流量制御弁８２への通電量が制御され、低温の冷却水の流量が絞られる。

以上説明したように、第２の実施の形態にかかる内燃機関１０Ａの制御装置１００Ａによれば、サージの発生が検出された場合に、燃焼安定領域を推定し、燃焼安定領域の幅Ｒに応じて、燃焼速度を速める手段を決定する。例えば、燃焼安定領域の幅Ｒが比較的大きい場合、制御装置１００Ａは、点火時期を進角補正することによって燃焼速度を速めて、サージの発生を回避する。また、燃焼安定領域の幅Ｒが比較的小さい場合、制御装置１００Ａは、シリンダヘッド２２を通過する低温の冷却水の流量を絞ることによって燃焼速度を速めて、サージの発生を回避する。したがって、本実施形態にかかる内燃機関１０Ａの制御装置１００Ａによれば、ノックの発生のリスクを回避しつつ、早期にサージの発生を回避することができる。

なお、第２の実施の形態にかかる内燃機関１０Ａの一部の構成に代えて、あるいは、第２の実施の形態にかかる内燃機関１０Ａの構成に加えて、第１の実施の形態にかかる内燃機関１０の構成を備えてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記の実施形態においては、流量制御弁４０，８２を制御することによりシリンダヘッド２２に流す冷却水の流量を制御していたが、本技術はかかる例に限定されない。例えば、冷却水を圧送するポンプの吐出量を制御することにより、シリンダヘッド２２に流す冷却水の流量を制御してもよい。あるいは、燃焼室２８の壁面温度を上昇し得る態様であれば、流量を絞る冷却水は、シリンダヘッド２２に流す冷却水に限られない。また、内燃機関における冷却システムの構成についても、上記実施形態に例示した構成に限られない。

また、上記の実施形態においては、燃焼安定領域として燃焼状態が安定する温度の範囲を求めていたが、本技術はかかる例に限定されない。上述のとおり、燃焼速度と、燃焼温度と、点火時期とは相関関係を有することから、燃焼状態が安定する筒内混合気温度の範囲の代わりに、燃焼状態が安定する燃焼速度あるいは点火時期の範囲を求めるようにしてもよい。

１０，１０Ａ 内燃機関
１４ サーモスタット弁（第１のサーモスタット弁）
１６ ポンプ（第１のポンプ）
１８ ラジエータ
１８ａ 高温ラジエータ
２０ 冷却水循環経路
２０ａ 第１の冷却水循環経路
２０ｂ 第２の冷却水循環経路
２２ シリンダヘッド
２４ シリンダブロック
２４ａ シリンダ
２６ 点火プラグ
２８ 燃焼室
３０ ピストン
３２ 第１の温度センサ
３４ 第２の温度センサ
４０ 流量制御弁
４２，４４ 冷却水通路
５２ クランクシャフト
５４ クランク角センサ
８２ 流量制御弁
８４ 第２のサーモスタット弁
８６ 第２のポンプ
８８ 低温ラジエータ
１００，１００Ａ 制御装置
１０２ サージ判定部
１０４ ＥＧＲ率算出部
１０６ 燃焼安定領域推定部
１０８ 燃焼速度制御部
１１０ 冷却水量制御部
１１２ 点火時期制御部

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダヘッドに流通させる冷却水の流量を調節する冷却水量制御部と、
   前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御部と、
   前記内燃機関でのサージの発生の有無を判定するサージ判定部と、
   少なくとも筒内ＥＧＲ率に基づいて、前記内燃機関の燃焼状態に相関する所定の指標における前記内燃機関が安定燃焼状態となる範囲の大きさを推定する燃焼安定領域推定部と、
   前記サージが発生したと判定されたときに、前記範囲の大きさが所定の燃焼判定閾値以下のときには前記冷却水量制御部により前記冷却水の流量を減少させることで前記内燃機関の燃焼速度を速め、前記範囲の大きさが前記所定の燃焼判定閾値を超えるときには前記点火時期制御部により前記点火時期を進角させることで前記内燃機関の燃焼速度を速める燃焼速度制御部と、
   を備える、内燃機関の制御装置。
2. 前記燃焼速度制御部は、前記冷却水の流量を減少させることにより前記燃焼速度を速める際に、前記シリンダヘッドの温度が低いほど、前記冷却水の流量の減少幅を大きくする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記燃焼速度制御部は、前記点火時期を進角させることにより前記燃焼速度を速める際に、所定周期ごとの前記内燃機関の回転数の変動幅が大きいほど、前記点火時期の進角量を大きくする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記サージ判定部は、所定周期ごとの前記内燃機関の回転数の変動幅が所定のサージ判定閾値を超えたときに前記サージが発生したと判定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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