JP6866660B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
本発明の第1実施形態に係る制御装置を含む制御システムについて説明する。
最初に、制御システムの概略について説明する。図1に示すように、本実施形態に係る制御システムは、HCCIエンジン(以下、単に「エンジン」という)1と、自動車のアクセル操作部として構成されるアクセルペダル2と、エンジン1を制御可能に構成される制御装置3とを備える。エンジン1は複数の気筒11を有し、図1においては、エンジン1における複数の気筒11のうち1つの断面が模式的に示されている。
ここで、図1を参照してエンジン1の詳細について説明する。エンジン1の複数の気筒11はシリンダブロック13によって画定されている。エンジン1は、各気筒11内をその軸線方向に往復運動可能に構成されるピストン14を備える。各気筒11の頂部側にはシリンダヘッド15が配置されている。燃焼室12は、気筒11とピストン14とシリンダヘッド15とによって囲まれている。
次に、制御装置3の詳細について説明する。特に図2に示すように、座金センサ32は、シリンダヘッド15と点火プラグ19との間にて締め付けられている。そのため、燃焼室12内での燃焼に起因して振動が発生すると、かかる振動によって座金センサ32の締付荷重が圧縮方向又は弛緩方向に変化し、締付荷重の変化によって圧電素子の表面電位が変化する。座金センサ32は、圧電素子の表面電位の変化に応じた電荷信号(以下、「圧力信号」という)を出力する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、座金センサは、気筒の燃焼室内の燃焼圧力を検出可能であれば、シリンダヘッドと点火プラグ以外の部材との間に締め付けられてもよい。かかる座金センサ32は、燃焼室12内の燃焼圧力に応じて圧力信号を生成することができる。
図3を参照して制御装置3のECU31の詳細について説明する。座金センサ32から送られる圧力信号は微弱であるので、ECU31は、この圧力信号を受け取り、かつ圧力信号を増幅するように構成される圧力信号増幅部41を有する。圧力信号増幅部41は座金センサ32と電気的に接続されている。
図3を参照してECU31の燃焼状態推定部46の詳細について説明する。燃焼状態推定部46は、角度−圧力信号上で、燃焼室12内の各燃焼サイクルにおいて、クランク角の検出値θの一定区間にて変化する角度−圧力信号の強度Iの割合である複数の変化率C(=dI/dθ)を算出するように構成される変化率算出部51を有する。かかる変化率算出部51は算出した変化率Cを記憶可能になっている。また、変化率Cを定めるクランク角の検出値θの一定区間は、デジタル化された角度−圧力信号の分解能に応じて定められるとよい。例えば、かかる一定区間は、単位角度、すなわち、約1°とすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されず、クランク角の検出値θの一定区間は、約0.05°以上かつ約5°以下の範囲内にて定められてもよい。
図3を参照してECU31の安定性判定部47の詳細について説明する。安定性判定部47は、変動係数算出部63により算出された変動係数Vが所定の安定性判定閾値Tよりも大きい場合に、燃焼室12内の燃焼が不安定であると判定し、かつかかる変動係数Vが安定性判定閾値T以下である場合に、燃焼室12内の燃焼が安定していると判定するようになっている。ここで、安定性判定閾値は次のように予め決定されると好ましい。すなわち、実験、数値シミュレーション等によって、本実施形態のエンジン1と同様の燃焼特性を有するエンジンにて燃焼が安定している状態で変動係数Vを求め、さらに、実験、数値シミュレーション等によって、燃焼室12内の燃焼が安定するように、特に、燃焼室12内の失火又は部分燃焼の発生を確実に回避できるように、求めた変動係数に対して、0%より大きく、かつ40%よりも小さな範囲内にて安定性判定閾値Tを決定するとよい。
図3を参照してECU31の直噴調節部48の詳細について説明する。直噴調節部48は、クランク角センサ33から送られるエンジン1の回転速度の検出値及びスロットル開度センサ34から送られるスロットル開度の検出値に基づいて、それぞれ直噴用インジェクタ25からの燃料の噴射量及び噴射時期の目標値を算出する目標噴射量算出部71及び目標噴射時期算出部72を有する。目標噴射量算出部71及び目標噴射時期算出部72のそれぞれは、クランク角センサ33及びスロットル開度センサ34と電気的に接続されている。
図3を参照して、空燃比調節部49の詳細について説明する。空燃比調節部49は、クランク角センサ33から送られるエンジン1の回転速度の検出値及びスロットル開度センサ34から送られるスロットル開度の検出値に基づいて、燃焼室12内に充填される混合気の空燃比の目標値を算出するように構成される目標空燃比算出部81を有する。目標空燃比算出部81は、クランク角センサ33及びスロットル開度センサ34と電気的に接続されている。目標空燃比算出部81には空燃比マップが格納されていると好ましく、さらに、目標空燃比算出部81は、空燃比マップに基づいて、エンジン1の回転速度及びスロットル開度の検出値から空燃比の目標値を算出すると好ましい。具体的には、空燃比の目標値は、空燃比マップ上でエンジン1の回転速度及びスロットル開度の検出値に対応する補正係数を用いて算出されると好ましい。
図5を参照して、本実施形態に係るエンジン1の制御方法について以下に説明する。圧力信号取得部42が圧力信号を取得し、かつクランク角取得部43がクランク角の検出値θを取得する(ステップS1)。角度−圧力信号算出部44が、圧力信号をクランク角の検出値θに関連付けた角度−圧力信号を算出する(ステップS2)。フィルタ部45が、角度−圧力信号に対して遮断周波数よりも高い周波数の成分を逓減するフィルタ処理を施す(ステップS3)。
本発明の第2実施形態に係る制御装置を含む制御システムについて説明する。本実施形態に係る制御システムは、燃焼室内の燃焼が不安定な場合に燃焼を安定化させるための制御を除いて、第1実施形態に係る制御システムと同様である。
本実施形態における燃焼室内の燃焼の安定化制御について説明する。本実施形態に係る制御システムにおいては、目標噴射時期算出部72が、安定性判定部47が燃焼室12内の燃焼が不安定であると判定した場合、特に、燃焼室内12にて失火又は部分燃焼が発生し得ると判定した場合、各燃焼サイクルにて直噴用インジェクタ25により燃焼室12内に燃料を直接噴射する時期を早めるようになっている。この場合、目標噴射時期算出部72は、噴射時期マップの一部または全体の領域における噴射時期を早めるように噴射時期マップを補正すると好ましい。特に、目標噴射時期算出部72において、噴射時期マップが、このように噴射時期の目標値を増加させように予め補正されたものに書き換えられるとよい。
実施例1について説明する。実施例1では、座金センサ32に加えて、筒内圧力センサをシリンダヘッド15に取り付けた第1実施形態のエンジン1を用いた。さらに、実施例1では、エンジン1において、ATDC(After Top Dead Center)が9°であるときにMBF(Mass Burned Fraction、質量燃焼割合)が50%となるような設定(以下、「第1の設定」という)と、ATDCが15.5°であるときにMBFが50%となるような設定(以下、「第2の設定」という)とのそれぞれにて、最大変化率Mを算出した。具体的には、第1及び第2の設定のそれぞれにおいて、エンジン1の回転速度を3000rpmとし、気筒11の燃焼室12内のBMEP(Break Mean Effective Pressure、正味平均有効圧力)を600kPaとし、かつHCCI燃焼を発生させる条件で、座金センサ32から圧力信号を取得し、かかる圧力信号に基づく角度−圧力信号を算出し、さらに、角度−圧力信号上で、クランク角の検出値θの一定区間を1°とした場合の最大変化率Mを算出した。
比較例1について説明する。比較例1では、実施例1と同様のエンジンを用いた。さらに、比較例1では、実施例1と同様の第1及び第2の設定のそれぞれにおいて実施例1と同条件で、実施例1にて圧力信号を取得することと同時に筒内圧力センサから筒内圧力信号を取得し、かかる筒内圧力信号に基づいて筒内角度−圧力信号を算出し、さらに、筒内角度−圧力信号上で、クランク角の検出値θの一定区間を1°とした場合の筒内最大変化率Nを算出した。
実施例2について説明する。実施例2では、座金センサ32に加えて、筒内圧力センサをシリンダヘッド15に取り付けた第1実施形態のエンジン1を用いた。さらに、実施例2では、かかるエンジン1の回転速度を1000rpmとし、気筒11の燃焼室12内のBMEPを600kPaとし、かつHCCI燃焼を発生させるケース(以下、「第1のケース」という)と、エンジン1の回転速度を3000rpmとし、気筒11の燃焼室12内のBMEPを600kPaとし、かつHCCI燃焼を発生させるケース(以下、「第2のケース」という)とのそれぞれにおいて、最大変化率Mを算出した。具体的には、座金センサ32から圧力信号を取得し、かかる圧力信号に基づく角度−圧力信号を算出し、さらに、角度−圧力信号から複数の変化率C間の最大変化率Mを算出した。かかる最大変化率Mの算出を連続100回の燃焼サイクルにて行った。なお、変化率Cの算出に用いるクランク角の検出値θの一定区間は1°とした。
比較例2について説明する。比較例2では、実施例2と同様のエンジンを用いた。さらに、比較例2では、実施例2と同様の第1及び第2のケースにて、実施例2にて圧力信号を取得することと同時に筒内圧力センサから燃焼圧力の検出値を取得し、さらに、かかる燃焼圧力の検出値を用いてIMEPを算出した。かかるIMEPの算出を連続100回の燃焼サイクルにて行った。
実施例3について説明する。実施例3においては、実施例2と同様の条件で、100回の燃焼サイクルの最大変化率Mに基づいて変動係数Vを算出し、かかる変動係数Vに基づいて燃焼安定性を評価した。このような条件において、燃焼が不安定な状態を50回目以降の燃焼サイクルで再現して、変動係数Vに基づく燃焼安定性判定の確実性を確認した。
11 気筒
12 燃焼室
13 シリンダブロック
17 クランクシャフト
22 吸気バルブ
23 排気バルブ
25 直噴用インジェクタ
3 制御装置
31 ECU
32 座金型の圧力センサ(座金センサ)
43 クランク角取得部
44 角度−圧力信号算出部
45 フィルタ部
46 燃焼状態推定部
47 安定性判定部
48 直噴調節部
49 空燃比調節部
51 変化率算出部
52 変化率選別部
53 燃焼推定パラメータ算出部
61 標準偏差算出部
62 平均値算出部
63 変動係数算出部
θ クランク角の検出値
I 角度−圧力信号の強度
C 変化率
M 複数の変化率の最大値(最大変化率)
σ 標準偏差
μ 平均値
V 変動係数
T 安定性判定閾値
Claims (6)
- 内燃機関における気筒の燃焼室内の燃焼圧力を検出可能とするように前記気筒にその外側から接触し、かつ前記燃焼圧力に応じて圧力信号を出力するように構成される座金型の圧力センサと、
前記内燃機関のクランクシャフトのクランク角を取得するように構成されるクランク角取得部と
を備え、
前記燃焼室内の燃焼の安定性に応じて前記内燃機関を制御可能に構成される内燃機関の制御装置であって、
前記圧力信号を前記クランク角に関連付けた角度−圧力信号を算出するように構成される角度−圧力信号算出部と、
前記角度−圧力信号を用いて、前記燃焼室内の燃焼状態を推定するための燃焼推定パラメータを算出するように構成される燃焼状態推定部と、
前記燃焼推定パラメータを用いて、前記燃焼室内の燃焼の安定性を判定するように構成される安定性判定部と
を備え、
前記燃焼状態推定部が、
前記角度−圧力信号に基づいて、前記燃焼室内の各燃焼サイクルにて、前記クランク角の一定区間にて変化する前記角度−圧力信号の強度の割合である複数の変化率を算出するように構成される変化率算出部と、
前記燃焼室内の各燃焼サイクルにおける前記複数の変化率のうち1つの選別変化率を選別するように構成される変化率選別部と、
複数の前記燃焼サイクルにおける複数の前記選別変化率を用いて前記燃焼推定パラメータを算出するように構成される燃焼推定パラメータ算出部と
を有し、
前記燃焼推定パラメータ算出部が、
それぞれ前記複数の選別変化率の標準偏差及び平均値を算出するように構成される標準偏差算出部及び平均値算出部と、
前記燃焼推定パラメータとして、前記標準偏差を前記平均値により割ることによって得られる変動係数を算出するように構成される変動係数算出部と
を有し、
前記異常判定部は、前記変動係数が所定の安定性判定閾値よりも大きい場合に、前記燃焼室内の燃焼が不安定であると判定し、かつ前記変動係数が前記安定性判定閾値以下である場合に、前記燃焼室内の燃焼が安定していると判定するように構成されている、内燃機関の制御装置。 - 前記角度−圧力信号算出部が、前記内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブの両方を閉じた状態の前記クランク角の範囲内で前記角度−圧力信号を算出するように構成されている、請求項1の内燃機関の制御装置。
- 所定の遮断周波数よりも高い周波数の成分を逓減するフィルタ処理を前記角度−圧力信号に施すように構成されるフィルタ部をさらに備え、
前記燃焼状態推定部は、前記フィルタ部により前記フィルタ処理を施された前記角度−圧力信号を用いて前記燃焼推定パラメータを算出するように構成されている、請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記選別変化率が前記複数の変化率の最大値となっている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記安定性判定部が前記燃焼室内の燃焼が不安定であると判定した場合、前記燃焼室内の燃焼を安定させるように前記燃焼室内の混合気の空燃比をリッチ側に変化させる構成である空燃比調節部をさらに備える請求項1〜4のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記安定性判定部が前記燃焼室内の燃焼が不安定であると判定した場合、前記燃焼室内燃焼を安定させるように、各燃焼サイクルにて直噴用インジェクタにより前記燃焼室内に燃料を直接噴射する時期を早める構成である直噴調節部をさらに備える請求項1〜5のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
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