JP7124640B2

JP7124640B2 - 内燃機関の制御システム

Info

Publication number: JP7124640B2
Application number: JP2018203906A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: JP2020070735A; US20200132006A1; CN111120134B; CN111120134A; US10837381B2

Description

この発明は、火花点火式内燃機関に適用される制御システムに関する。

特開２００７－１４６７７７号公報は、火花点火式内燃機関を制御する制御装置を開示する。この制御装置は、点火装置の第１および第２の放電動作を制御する。第１の放電動作は、筒内の混合気に点火する目的で行われる。第２の放電動作は、オゾンを生成する目的で行われる。第２の放電動作は、吸気行程において行われる。第１の放電動作は、第２の放電動作の直後に行われる。第２の放電動作が行われれば、筒内にオゾンが生成される。したがって、第２の放電動作の直後に第１の放電動作が行われれば、筒内の燃焼状態が改善する。なお、混合気を形成する燃料は、第１の放電動作と第２の放電動作の間に筒内に供給されている。

特開２００７－１４６７７７号公報

第２の放電動作によって筒内の燃焼状態が改善するのは、オゾンが有する高い反応性による。そのため、上述した従来の技術は、筒内の燃焼状態が比較的不安定となる内燃機関の始動制御にも有効と考えられる。すなわち、第２の放電動作の直後に第１の放電動作を行う始動制御を行えば、始動時の筒内の燃焼状態を改善できる。

しかしながら、第２の放電動作と第１の放電動作の間に内燃機関の排気動作が行われると、第２の放電動作によって生成されたオゾンが筒外に排出されてしまう。つまり、混合気の燃焼を促進させるはずのオゾンが、筒外に排出されて無駄になってしまう。また、このような無駄な第２の放電動作が繰り返されれば、点火装置の寿命が縮まることになるので望ましくない。

本発明の１つの目的は、内燃機関の始動前の点火装置の放電動作により生成したオゾンを、筒内の混合気の燃焼のために無駄なく利用するための技術を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の制御システムである。
前記システムは、内燃機関と、点火装置と、制御装置と、を備えている。
前記内燃機関は、複数の気筒を備える。
前記点火装置は、前記気筒のそれぞれに設けられる。
前記制御装置は、前記点火装置の放電動作を気筒ごとに制御するように構成されている。
前記放電動作は、筒内の混合気に点火するための第１の放電動作と、オゾンを生成するための第２の放電動作と、を含む。
前記制御装置は、更に、前記内燃機関の始動制御を行うように構成されている。
前記制御装置は、前記始動制御において、
前記気筒を第１または第２の気筒群に分類し、
前記第１の気筒群に分類された気筒においては前記第１の放電動作の開始前に前記第２の放電動作が行われないように前記点火装置を制御し、
前記第２の気筒群に分類された気筒においては前記第１の放電動作の開始前に前記第２の放電動作が行われるように前記点火装置を制御する。
前記第１の気筒群に属する気筒は、当該気筒内の混合気の初回の燃焼が、当該気筒の排気行程の終点側に設定されたクランク角区間を通過した後に発生する気筒である。
前記第２の気筒群に属する気筒は、当該気筒内の混合気の初回の燃焼が、当該気筒の排気行程の終点側に設定されたクランク角区間を通過する前に発生する気筒である。

第２の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
前記システムは、更に、インジェクタを備える。
前記インジェクタは、前記気筒のそれぞれに設けられる。
前記制御装置は、更に、前記内燃機関の停止制御を行うように構成されている。
前記制御装置は、前記停止制御において、所定気筒のピストンが当該所定気筒の排気行
程の終点側に設定されたクランク角区間で停止するように当該所定気筒の前記点火装置お
よび前記インジェクタを制御する。
前記制御装置は、前記始動制御において、前記所定気筒の排気行程の終点側に設定され
たクランク角区間を通過する前に、前記所定気筒における前記第２の放電動作が開始され
るように前記点火装置を制御する。

第１の発明によれば、始動制御が行われる場合、第１の気筒群に分類された気筒においては第１の放電動作の開始前に第２の放電動作が行われない。そのため、第１の気筒群に分類された気筒においては、第１の放電動作の開始前に当該気筒内にオゾンが存在することはない。ここで、第１の気筒群に属する気筒は、当該気筒内の混合気の初回の燃焼が、当該気筒の排気行程の終点側に設定されたクランク角区間を通過した後に発生する気筒である。つまり、第１の気筒群に属する気筒では、当該気筒内の混合気の初回の燃焼の前に排気動作が行われる。ただし、第１の気筒群に分類された気筒においては、当該気筒内にオゾンが存在しないので、この排気動作によって排出されるオゾンも存在しない。

一方、第２の気筒群に分類された気筒においては第１の放電動作の開始前に第２の放電動作が行われる。そのため、第２の気筒群に分類された気筒においては、第１の放電動作の開始前に筒内にオゾンが存在することになる。ここで、第２の気筒群に属する気筒は、当該気筒内の混合気の初回の燃焼が、当該気筒の排気行程の終点側に設定されたクランク角区間を通過する前に発生する気筒である。つまり、第２の気筒群に属する気筒では、当該気筒内の混合気の初回の燃焼の後に排気動作が行われる。したがって、第２の気筒群に分類された気筒においては、オゾンによって当該気筒内の燃焼状態を改善できる。

以上のことから、第１の発明によれば、第２の気筒群に分類された気筒において第２の放電動作により生成したオゾンを、当該気筒内の混合気の燃焼のために無駄なく利用することができる。また、第２の放電動作を目的として駆動される点火装置の駆動回数を減らすこともできる。したがって、第１の気筒群に分類された気筒の点火装置の寿命が縮まるのを未然に防ぐこともできる。

第２の発明によれば、停止制御が行われる場合、所定気筒のピストンが、この所定気筒の排気行程の終点側に設定されたクランク角区間で停止される。また、始動制御が行われる場合、所定気筒の排気行程の終点側に設定されたクランク角区間を通過する前に、所定気筒において第２の放電動作が開始される。このような停止および始動制御が行われる場合、所定気筒は必ず第２の気筒群に分類される。したがって、所定気筒内の燃焼状態を確実に改善できる。

本発明の実施の形態に係る制御システムの構成例を説明するブロック図である。クランク角区間Ｓ_ＣＡを説明する図である。始動制御の第１の例を説明する図である。始動制御の第２の例を説明する図である。始動制御の比較例を説明する図である。ＥＣＵ２０が停止制御および始動制御を実行するときの処理の流れを説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

１．制御システムの構成
本発明の実施の形態に係る制御システムは、車両に搭載される内燃機関（以下、単に「エンジン」と称す。）に適用される。このエンジンは、複数の気筒を有している。気筒の総数および配列に特に限定はない。図１は、本実施の形態に係る制御システムの構成例を説明するブロック図である。制御システム１００は、エンジン１０と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０と、を備えている。エンジン１０は、点火装置１２と、インジェクタ１４と、スタータモータ１６と、を備えている。

点火装置１２は、エンジン１０の気筒ごとに設けられる。点火装置１２は、点火コイルと、点火プラグと、を有している。点火プラグは、中心電極と、ＧＮＤ電極と、を有している。点火コイルが駆動されると、中心電極に電圧が印加され、中心電極とＧＮＤ電極の間に放電が起こる。

中心電極に印加される電圧は、点火用の高電圧と、オゾン生成用の低電圧と、を含んでいる。点火用の高電圧は、混合気に点火することが可能な電圧に設定される（例えば、２０ｋＶ以上）。一方、オゾン生成用の電圧は、オゾンを生成し、尚且つ、混合気に点火するに至らない程度の電圧に設定される（例えば、５ｋＶ未満）。

点火装置１２同様、インジェクタ１４も、エンジン１０の気筒ごとに設けられる。インジェクタ１４は、筒内に直接噴射する方式のものでもよいし、吸気ポートに噴射する方式のものでもよい。

スタータモータ１６は、エンジン１０の始動時に、エンジン１０をクランキングさせる始動装置である。スタータモータ１６は、ロータ軸およびインバータを有している。ロータ軸は、ベルト機構などの周知の機構を介してエンジン１０のクランク軸に動力を伝達する。インバータは、バッテリとの間で電力の授受が可能に接続されている。

ＥＣＵ２０は、プロセッサ、メモリ、および、入出力インタフェースを備えるマイクロコンピュータである。ＥＣＵ２０は、制御システム１００の制御装置として機能する。ＥＣＵ２０は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込んで処理する。ＥＣＵ２０は、取り込んだ各種センサの信号に基づいて、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを制御する。

各種センサには、クランク軸の回転角に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ２２が含まれる。ＥＣＵ２０によって操作されるアクチュエータには、点火装置１２、インジェクタ１４およびスタータモータ１６が含まれる。

２．始動制御
２．１始動制御の概要
ＥＣＵ２０が実行するエンジン制御には、エンジン１０を始動させる制御（以下、「始動制御」とも称す。）が含まれる。ここでいう「始動」には、冷間始動だけでなく、自動停止後の再始動も含まれる。始動制御では、スタータモータ１６の駆動によってクランキングが開始される。そして、このクランキングの開始直後、筒内の混合気を燃焼させるために点火装置１２およびインジェクタ１４が駆動される。

より具体的には、インジェクタ１４が駆動されると、筒内に混合気が生じる。そして、この混合気に点火するべく点火装置１２が駆動される。点火装置１２の駆動により中心電極に点火用の高電圧が印加されると、筒内の混合気が燃焼し、エンジン１０が自律回転する。以下、点火用の高電圧を中心電極に１回印加する動作を、第１の放電動作と称す。

始動制御では、第１の放電動作とは別に、第２の放電動作が行われる。第２の放電動作は、オゾン発生用の低電圧を中心電極に複数回印加する動作である。第２の放電動作は、クランキングの開始前に行われる。この第２の放電動作は、第１の気筒群に属する気筒においては行われず、第２の気筒群に属する気筒において行われる。

エンジン１０の気筒は、第１または第２の気筒群に属する。エンジン１０の気筒がどちらの気筒群に属するかは、気筒ごとに設定されるクランク角区間Ｓ_ＣＡに基づいて分類される。図２は、クランク角区間Ｓ_ＣＡを説明する図である。図２に示すように、クランク角区間Ｓ_ＣＡは、排気上死点（ＡＴＤＣ＝０°）を終点とする、この終点よりも進角側のクランク角区間に設定される。排気上死点は、排気行程と吸気行程の境目となるクランク角に相当する。クランク角θ１は、クランク角区間Ｓ_ＣＡの始点である。クランク角θ１は、エンジンの燃焼室の容積のクランク角当たりの変化量が所定値以下となるクランク角（例えば、ＡＴＤＣ＝－２０°）に設定される。

ここで、気筒の分類手法を、エンジン１０の＃ｋ気筒に着目して説明する（ｋは、ｋ≦気筒総数ｎを満たす自然数である。）。先ず、＃ｋ気筒の排気行程が終わるクランク角を終点とするクランク角区間Ｓ_ＣＡが設定される。続いて、＃ｋ気筒内の混合気の初回の燃焼が、クランク角区間Ｓ_ＣＡを通過した後に発生するか否かが判定される。ここで、「初回の燃焼」とは、＃ｋ気筒における第１の放電動作によって、＃ｋ気筒内の混合気の点火が初めて行われることを意味する。

この通過の判定は、クランキング開始前における＃ｋ気筒の停止クランク角と、クランキングの開始後における＃ｋ気筒での第１の放電動作の１回目の開始タイミングと、に基づいて行われる。そして、初回の燃焼がクランク角区間Ｓ_ＣＡを通過した後に発生すると判定された場合、＃ｋ気筒は第１の気筒群に分類される。初回の燃焼がクランク角区間Ｓ_ＣＡを通過する前に発生すると判定された場合、＃ｋ気筒は第２の気筒群に分類される。

２．２始動制御の具体例
（１）第１の例
図３は、始動制御の第１の例を説明する図である。図３には、＃１～＃４気筒を有するエンジンのサイクルが２サイクルにわたって描かれている。＃１～＃４気筒の吸気行程は、＃１気筒、＃３気筒、＃４気筒、＃２気筒の順に発生する。図３の左側には、エンジンの停止位置が描かれている。つまり、第１の例では、＃１気筒のピストンが吸気行程の終了間際で停止し、＃２気筒のピストンが圧縮行程の終了間際で停止し、＃３気筒のピストンが排気行程の終了間際で停止し、＃４気筒のピストンが膨張行程の終了間際で停止している。

第１の例では、＃１気筒および＃３気筒が第２の気筒群に分類されている。そのため、＃１気筒および＃３気筒では、第１の放電動作(i)の１回目よりも前に、第２の放電動作(ii)が行われる。第１の例では、エンジンの停止位置において、第２の放電動作(ii)が行われている。これは、第２の放電動作(ii)がクランキングの開始前に行われていることを示している。第２の放電動作(ii)が行われた後、クランキングが開始される。クランキングの開始後、第１の放電動作(i)の１回目の直前において燃料の噴射が行われる。そうすると、第２の放電動作(ii)により生成されたオゾン（Ｏ３）が、第１の放電動作(i)の１回目において、混合気と一緒に消費される。

第１の例では、また、＃２気筒および＃４気筒が第１の気筒群に分類されている。そのため、＃２気筒および＃４気筒では、第１の放電動作(i)の１回目よりも前に、第２の放電動作(ii)が行われない。この理由は、＃２気筒および＃４気筒では、エンジンの停止位置と、第１の放電動作(i)の１回目の位置との間にクランク角区間Ｓ_ＣＡが存在しているからである。したがって、＃２気筒および＃４気筒では、第１の放電動作(i)の１回目の直前において燃料の噴射が行われ、この１回目において混合気のみが消費される。

（２）第２の例
図４は、始動制御の第２の例を説明する図である。図３同様、図４には、＃１～＃４気筒を有するエンジンのサイクルが２サイクルにわたって描かれている。図４に描かれる＃１～＃４気筒の吸気行程の発生順は、図３のそれと同じである。図４の左側には、エンジンの停止位置が描かれている。つまり、第２の例では、＃１気筒のピストンが吸気行程の前半で停止し、＃２気筒のピストンが圧縮行程の前半で停止し、＃３気筒のピストンが排気行程の前半で停止し、＃４気筒のピストンが膨張行程の前半で停止している。

第２の例では、＃１気筒のみが第２の気筒群に分類されている。そのため、＃１気筒では、第１の放電動作(i)の１回目よりも前に、第２の放電動作(ii)が行われる。第２の放電動作(ii)が行われた後、クランキングが開始される。クランキングの開始後、第１の放電動作(i)の１回目の直前において燃料の噴射が行われる。そうすると、第２の放電動作(ii)により生成されたオゾンが、第１の放電動作(i)の１回目において、混合気と一緒に消費される。

第２の例が第１の例と異なるのは、＃３気筒が第１の気筒群に分類されている点である。この理由は、＃３気筒のピストンの停止位置にある。第２の例では、＃３気筒のピストンが排気行程の前半で停止している。そのため、＃３気筒では、第１の放電動作(i)の１回目がクランク角区間Ｓ_ＣＡを通過した後に行われることになる。よって、＃３気筒は第１の気筒群に分類され、＃２～＃４気筒では、第１の放電動作(i)の１回目よりも前に第２の放電動作(ii)が行われない。

（３）比較例
図５は、始動制御の比較例を説明する図である。図３同様、図５には、＃１～＃４気筒を有するエンジンのサイクルが２サイクルにわたって描かれている。図５に描かれる＃１～＃４気筒の吸気行程の発生順は、図３のそれと同じである。また、図５の左側に描かれるエンジンの停止位置も、図３のそれと同じである。

図３で説明した第１の例とは異なり、この比較例では、＃１～＃４気筒の全てにおいて、第１の放電動作(i)の１回目よりも前に第２の放電動作(ii)が行われる。そうすると、＃１気筒および＃３気筒では第１の放電動作(i)の１回目においてオゾンが消費されるのに対し、＃２気筒および＃４気筒では第１の放電動作(i)の１回目よりも前においてオゾンが筒外に排出されてしまう。

３．停止制御
ＥＣＵ２０が実行するエンジン制御には、エンジン１０の停止時における制御（以下、「停止制御」とも称す。）が含まれる。ここでいう「停止」には、手動停止と自動停止の両方が含まれる。停止制御は、単独で実行される制御ではなく、将来的な始動制御の実行を前提として実行される制御である。停止制御では、点火装置１２およびインジェクタ１４の駆動が停止される前に、これらの駆動が一時的に継続される。

停止制御では、所定気筒のピストンが、当該所定気筒に設定されるクランク角区間Ｓ_ＣＡで停止するように、当該所定気筒の点火装置１２およびインジェクタ１４が駆動される。所定気筒は、任意に選択されてもよいし、事前に準備した評価関数に基づいて選択されてもよい。評価関数としては、第２の放電動作の累積回数を変数とし、この回数が少ない気筒が優先的に選択されるように設計したものが例示される。別の評価関数としては、燃焼状態に応じて変動するパラメータ（例えば、回転変動率）を変数とし、このパラメータの評価が相対的に低い気筒が優先的に選択されるように設計したものが例示される。

４．具体的処理
図６は、ＥＣＵ２０が停止制御および始動制御を実行するときの処理の流れを説明するフローチャートである。なお、ＥＣＵ２０が始動制御のみを実行するときの処理は、ステップＳ１４～Ｓ２４の処理の説明を参照されたい。図６に示すルーチンは、所定の制御周期で繰り返し実行される。

図６に示すルーチンでは、先ず、エンジン１０に対する停止要求があるか否かが判定され（ステップＳ１０）。イグニッションスイッチがオンからオフに切り替えられた場合、停止要求（手動停止要求）があると判断される。イグニッションスイッチがオンの場合であっても、例えば下記条件(i)～(iii)が成立する場合、停止要求（自動停止要求）があると判断される。
(i) 車速が所定車速（＞０）以下である
(ii) アクセルペダルが踏み込まれていない
(iii) ブレーキペダルの踏込量が閾値以上である

ステップＳ１０の判定結果が肯定的な場合、所定気筒のピストンを所定気筒に設定されるクランク角区間Ｓ_ＣＡで停止させる（ステップＳ１２）。所定気筒のピストンの位置の検出は、例えば、クランクポジションセンサから取得した７２０°ＣＡ系におけるクランク角に基づいて行われる。

ステップＳ１２に続いて、エンジン１０に対する始動要求があるか否かが判定される（ステップＳ１４）。イグニッションスイッチがオフからオンに切り替えられた場合、始動要求があると判断される。または、イグニッションスイッチがオンの場合において、上記条件(i)～(iii)の何れかが成立しなくなった場合、始動要求があると判断される。

ステップＳ１４の判定結果が肯定的な場合、第１および第２の気筒群が特定される（ステップＳ１６）。第１および第２の気筒群の特定は、例えば、７２０°ＣＡ系におけるクランク角を上記の分類手法に適用することにより行われる。なお、初回の燃焼が発生するタイミングは、初爆気筒において第１の放電動作を開始するタイミング（例えば、クランク軸が停止位置から９０°回転したタイミング）を基準として算出される。ここで、「初爆」とは、クランキングの開始直後に行われる第１の放電動作によって、全ての気筒を通じて混合気の点火が最初に行われることを意味する。

第１および第２の気筒群の特定後、規定時間が経過したか否かが判定される（ステップＳ１８）。規定時間は、第２の放電動作が少なくとも１度行われるために十分な時間である。規定時間は、一定時間でもよい。上述した評価関数に基づいて所定気筒を選択した場合は、評価結果に応じて規定時間が変更されてもよい。ステップＳ１８の判定結果が否定的な場合、第２の気筒群に分類された気筒において第２の放電動作が行われる（ステップＳ２０）。ステップＳ１８およびＳ２０の処理は、ステップＳ１８において肯定的な判定結果が得られるまで、繰り返し行われる。

ステップＳ１８の判定結果が肯定的な場合、クランキングが開始される（ステップＳ２２）。続いて、全ての気筒において第１の放電動作が行われ、尚且つ、全ての気筒に対する燃料供給が行われる（ステップＳ２４）。

５．始動制御による効果
以上説明した始動制御によれば、第２の気筒群に分類された気筒においては、クランキングの開始前に生成したオゾンを利用して当該気筒内の燃焼状態を改善できる。また、第１の気筒群に分類された気筒においては、無駄なオゾンを生成しないので、オゾンの生成を目的とした点火装置の駆動回数を減らすことができる。したがって、第１の気筒群に分類された気筒の点火装置１２の寿命が縮まるのを回避することもできる。

また、停止制御によれば、所定気筒のピストンが、この所定気筒に設定されるクランク角区間Ｓ_ＣＡで停止される。したがって、この停止制御と始動制御が組み合わされて実行されることで、所定気筒内の燃焼状態を改善することが可能となる。

６．その他の実施の形態
上述した始動制御では、クランキングの開始前に第２の放電動作が行われた。しかしながら、第２の放電動作は、第２の気筒群に分類された気筒において、クランキングが開始されるクランク角から、当該気筒での燃料噴射が始まるクランク角までのクランク角区間において行われてもよい。つまり、第２の放電動作は、クランキングの開始後、尚且つ、第２の気筒群に分類された気筒での燃料噴射前に行われてもよい。このような時期に第２の放電動作が行われれば、オゾンを含むガス利用して、第２の気筒群に分類された気筒内の燃焼状態を改善することができる。

上述した始動制御では、第２の放電動作がクランキングの開始前においてのみ行われた。しかし、第１の放電動作の２回目以降は、全ての気筒において第２の放電動作が行われてもよい。この場合は、第２の放電動作の２回目に先駆けて第１の放電動作を行うよう点火装置１２を駆動すればよい。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０エンジン
１２点火装置
１４インジェクタ
１６スタータモータ
２０電子制御ユニット
２２クランクポジションセンサ
１００制御システム

Claims

複数の気筒を備える内燃機関と、
前記気筒のそれぞれに設けられた点火装置と、
前記点火装置の放電動作を気筒ごとに制御するように構成された制御装置と、
を備え、
前記放電動作は、筒内の混合気に点火するための第１の放電動作と、オゾンを生成するための第２の放電動作と、を含み、
前記制御装置は、更に、前記内燃機関の始動制御を行うように構成され、
前記制御装置は、前記始動制御において、
前記気筒を第１または第２の気筒群に分類し、
前記第１の気筒群に分類された気筒においては前記第１の放電動作の開始前に前記第２の放電動作が行われないように前記点火装置を制御し、
前記第２の気筒群に分類された気筒においては前記第１の放電動作の開始前に前記第２の放電動作が行われるように前記点火装置を制御し、
前記第１の気筒群に属する気筒は、当該気筒内の混合気の初回の燃焼が、当該気筒の排気行程の終点側に設定されたクランク角区間を通過した後に発生する気筒であり、
前記第２の気筒群に属する気筒は、当該気筒内の混合気の初回の燃焼が、当該気筒の排気行程の終点側に設定されたクランク角区間を通過する前に発生する気筒である
ことを特徴とする内燃機関の制御システム。
前記気筒のそれぞれに燃料を供給するインジェクタを更に備え、
前記制御装置は、更に、前記内燃機関の停止制御を行うように構成され、
前記制御装置は、前記停止制御において、所定気筒のピストンが当該所定気筒の排気行
程の終点側に設定されたクランク角区間で停止するように前記所定気筒の前記点火装置お
よび前記インジェクタを制御し、
前記制御装置は、前記始動制御において、前記所定気筒の排気行程の終点側に設定され
たクランク角区間を通過する前に、前記所定気筒において前記第２の放電動作が開始され
るように前記点火装置を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御システム。