JP7635673B2 - 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。

内燃機関の排気通路には、排気を浄化するために、フィルタなどの排気浄化部が設けられている。フィルタは粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を補集する。ＰＭを酸化させて除去することで、フィルタを再生することができる。例えば、内燃機関の空燃比をリーンとすることで、酸素を多くフィルタに送り込み、ＰＭの除去を行う技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１０－１０６６８７号公報

内燃機関のノッキングを抑制するために、点火時期を遅角させることがある。一方、空燃比がリーンになると、内燃機関における燃焼圧が低下し、ノッキングが発生しにくくなる。したがって、空燃比のリーン制御中は、点火時期が進角しやすい。空燃比のリーン制御の終了後に、ノッキングが悪化する恐れがある。そこで、ノッキングの悪化を抑制することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御部と、ＫＣＳ（Knock control system）学習により前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御部と、を具備し、前記点火時期制御部は、ＫＣＳ学習値とフィードバック値とに基づき前記ＫＣＳ学習値を更新する前記ＫＣＳ学習を行い、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化部を再生するために前記空燃比制御部が前記内燃機関の空燃比を理論空燃比よりもリーンにした場合、前記点火時期制御部は、前記フィードバック値に進角側の上限を定め、かつ前記ＫＣＳ学習値の更新を停止し、前記点火時期制御部は、前記フィードバック値をなまし処理することでフィードバックなまし値を取得し、前記空燃比制御部が前記空燃比をリーンとした場合、前記点火時期制御部は前記フィードバックなまし値を所定の値に定め、かつ前記点火時期制御部は前記ＫＣＳ学習値の更新を停止し、前記空燃比のリーンからの復帰時、前記所定の値に定められたフィードバックなまし値を用いて、前記点火時期制御部は前記ＫＣＳ学習値を更新する内燃機関の制御装置によって達成できる。

前記フィードバック値の上限は－３°ＣＡ（Crank Angle）でもよい。

前記内燃機関は複数の気筒を有し、前記点火時期制御部は、前記ＫＣＳ学習により前記複数の気筒における点火時期を制御し、前記空燃比制御部は前記複数の気筒の空燃比をリーンとし、前記空燃比制御部が前記複数の気筒の空燃比を理論空燃比よりもリーンにした場合、前記点火時期制御部は、前記フィードバック値に進角側の上限を定め、かつ前記複数の気筒に対する前記ＫＣＳ学習値の更新を停止してもよい。

ノッキングの悪化を抑制することが可能な内燃機関の制御装置を提供できる。

図１はエンジンシステムを例示する模式図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は点火時期を例示する模式図である。 図３はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。 図４はタイムチャートを例示する図である。

以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関の制御装置について説明する。図１はエンジンシステム１００を例示する模式図である。エンジンシステム１００は、内燃機関１０およびＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を有する。

内燃機関１０は、例えばガソリンを燃料とするガソリンエンジンであり、例えば４つの気筒１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄを有する４気筒エンジンである。気筒１０ａに点火プラグ１２ａおよび燃料噴射弁１４ａが設けられている。気筒１０ｂに点火プラグ１２ｂおよび燃料噴射弁１４ｂが設けられている。気筒１０ｃに点火プラグ１２ｃおよび燃料噴射弁１４ｃが設けられている。気筒１０ｄに点火プラグ１２ｄおよび燃料噴射弁１４ｄが設けられている。ノックセンサ２６は振動を検出するセンサであり、内燃機関１０のノッキングを検知する。

内燃機関１０には、吸気通路２０および排気通路３０が接続されている。吸気通路２０には、上流側から順にエアフローメータ２２およびスロットルバルブ２４が設けられている。エアフローメータ２２は空気の流量を測定する。スロットルバルブ２４は空気の流量を調節する。

吸気通路２０はスロットルバルブ２４よりも下流側において４つに分岐する。分岐した４つの通路は、内燃機関１０の４つの気筒１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄに接続される。分岐後の４つの吸気通路２０には、燃料噴射弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび１６ｄが設けられている。４つの燃料噴射弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび１６ｄは、内燃機関１０の４つの気筒１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄに対応して配置されている。

排気通路３０は、４つに分岐した通路を有する。これら４つの通路は、内燃機関１０の４つの気筒１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄに接続されており、かつ下流側で１つの通路に合流する。排気通路３０には、上流側から順に空燃比センサ３６、圧力センサ３２、排気浄化部３８、圧力センサ３４が設けられている。空燃比センサ３６は空燃比を検出する。

排気浄化部３８は例えばＧＰＦ（Gasoline Particle Filter）および触媒を含む。ＧＰＦは例えばハニカム構造のフィルタであり、排気中のＰＭを捕集する。触媒は例えば三元触媒であり、ＧＰＦの壁面にコーティングされており、排気中のＣＯおよびＮＯｘなどを浄化する。

圧力センサ３２は排気浄化部３８よりも上流側に設けられ、排気浄化部３８の上流側における排気通路３０内の圧力を検出する。圧力センサ３４は排気浄化部３８よりも下流側に設けられ、排気浄化部３８の下流側における排気通路３０内の圧力を検出する。内燃機関１０にはＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置などが設けられてもよい。

ＥＣＵ４０はＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、フラッシュメモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置を備える制御装置であり、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。

ＥＣＵ４０はスロットルバルブ２４の開度を制御する。ＥＣＵ４０は、エアフローメータ２２から空気の流量を取得し、空燃比センサ３６から空燃比を取得し、圧力センサ３２から排気浄化部３８よりも上流側の圧力を取得し、圧力センサ３４から排気浄化部３８よりも下流側の圧力を取得する。ＥＣＵ４０は、圧力センサ３２が検出する圧力および圧力センサ３４が検出する圧力の差、すなわち排気浄化部３８の上流側と下流側との差圧を算出する。

ＥＣＵ４０は、ノックセンサ２６が出力する信号を取得し、ノッキングを検知する。例えば気筒ごとの燃焼のタイミングおよびノッキングのタイミングに基づき、ＥＣＵ４０は気筒ごとのノッキングの頻度を取得する。

ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁１４ａから１４ｄそれぞれからの燃料の供給を制御し、燃料噴射弁１６ａから１６ｄそれぞれからの燃料の供給を制御する。ＥＣＵ４０は、燃料の噴射量を調整することで、内燃機関１０の空燃比を制御する空燃比制御部として機能する。ＥＣＵ４０は、理論空燃比の場合よりも燃料噴射量を減少させることで、空燃比を理論空燃比よりもリーンとすることができる（リーン制御）。空燃比をリーンとすることで、燃料供給時に比べて酸素を多く含む排気が排出される。排気浄化部３８に酸素が多く流れることで、ＰＭが酸化され、除去される。

ＥＣＵ４０は、点火プラグ１２ａから１２ｄそれぞれによる点火のオン・オフ、および点火時期を制御する。点火時期の制御は、ＫＣＳ（Knock control system、ノックコントロールシステム）学習に基づいて行われる。ＫＣＳ学習は、点火プラグ１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび１２ｄの点火時期のフィードバック制御である。例えばノッキングが発生すると４つの点火プラグの点火時期を遅角させる。ノッキングが停止すると４つの点火プラグの点火時期を進角させる。ＥＣＵ４０は、ＫＣＳ学習に基づいて４つの気筒１０ａから１０ｄすべての点火時期を制御する点火時期制御部として機能する。点火時期を制御することで、ノッキングを抑制することができる。

図２（ａ）および図２（ｂ）は点火時期を例示する模式図であり、ＫＣＳ学習による点火時期の決定の例を図示している。図中の上側は進角側であり、下側は遅角側である。ＫＣＳ学習ではＫＣＳ学習値およびフィードバック値（Ｆ／Ｂ値）を用いる。図２（ａ）はＦ／Ｂ値がＦ／Ｂ１の例である。図２（ｂ）はＦ／Ｂ値がＦ／Ｂ２の例である。

Ｂｋｃｓはベース点火時期であり、例えば内燃機関１０の運転領域（回転数および負荷など）、燃料噴射のタイミングおよび噴射量、ＥＧＲ量などで決まる。Ｒｍａｘは最遅角点火時期であり、例えば車種などにより決まる。Ａ０、図２（ａ）のＡ１、図２（ｂ）のＡ２はＫＣＳ学習値である。ＫＣＳ学習が行われることで、ＫＣＳ学習値は変化する。図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、ＫＣＳ学習値の初期値がＡ０である。図２（ａ）の例ではＫＣＳ学習値がＡ０からＡ０よりも遅角したＡ１に更新される。図２（ｂ）の例ではＫＣＳ学習値がＡ０からＡ０よりも進角したＡ２に更新される。

Ｆ／Ｂ０はＦ／Ｂ値の進角側の限界であり、例えば０°ＣＡ（Crank Angle）である。Ｆ／Ｂ値はＦ／Ｂ０からＲｍａｘまでの範囲の値を取り得る。Ｆ／ＢｉはＦ／Ｂ値の初期値であり、Ｆ／Ｂ０より遅角側かつＲｍａｘより進角側の値であり、例えば－３°ＣＡである。

図２（ａ）のＦ／Ｂ１はＦ／Ｂ値の一例であり、Ｆ／Ｂｉよりも遅角側である。Ａｋｃｓは要求点火時期である。ＥＣＵ４０は、次式を用いて要求点火時期Ａｋｃｓを算出する。
Ａｋｃｓ＝Ｂｋｃｓ－Ｒｍａｘ＋Ａ０－Ｆ／Ｂ１

図２（ｂ）におけるＦ／Ｂ値Ｆ／Ｂ２は図２（ａ）のＦ／Ｂ１よりも進角している。ＥＣＵ４０は、次式を用いて要求点火時期Ａｋｃｓを算出する。
Ａｋｃｓ＝Ｂｋｃｓ－Ｒｍａｘ＋Ａ０－Ｆ／Ｂ２
Ｆ／Ｂ２を用いて算出される要求点火時期Ａｋｃｓは、図２（ａ）のＡｋｃｓよりも進角する。

ＫＣＳ学習は、４つの気筒１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄすべてを対象とする。つまり、４つの気筒１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄの点火時期が要求点火時期Ａｋｃｓになる。

ノックセンサ２６がノッキングを検出すると、ＥＣＵ４０はＦ／Ｂ値を例えば図２（ａ）のＦ／Ｂ１などＦ／Ｂｉよりも遅角側にすることで、要求点火時期Ａｋｃｓを遅角させる。ノッキングが検出されない場合、ＥＣＵ４０はＦ／Ｂ値を例えば図２（ｂ）のＦ／Ｂ２などＦ／Ｂｉよりも進角側にすることで、要求点火時期Ａｋｃｓを進角させる。

ＥＣＵ４０は、Ｆ／Ｂ値をなまし処理することでＦ／Ｂなまし値を取得する。ノッキングが発生するとＦ／Ｂ値は遅角され、Ｆ／Ｂなまし値も遅角する。ノッキングが停止するとＦ／Ｂ値は進角され、Ｆ／Ｂなまし値も進角する。ＥＣＵ４０は、Ｆ／Ｂなまし値に基づいて、ＫＣＳ学習値の更新を実施するか否かの判断を行う。

図２（ａ）の例ではＦ／Ｂ１がＦ／Ｂｉ（－３°ＣＡ）よりも遅角している。Ｆ／Ｂ１から得られるＦ／Ｂなまし値が例えば－４°ＣＡよりも遅角している場合、ＥＣＵ４０はＫＣＳ学習値をＡ０からＡ１へと遅角させる。ＥＣＵ４０は、更新後のＫＣＳ学習値Ａ１を用いて点火時期を遅角させる。

図２（ｂ）の例ではＦ／Ｂ２がＦ／Ｂｉ（－３°ＣＡ）よりも進角している。Ｆ／Ｂ２から得られるＦ／Ｂなまし値が例えば－２°ＣＡよりも進角している場合、ＥＣＵ４０はＫＣＳ学習値をＡ０からＡ２へと進角させる。ＥＣＵ４０は、更新後のＫＣＳ学習値Ａ２を用いて点火時期を進角させる。

図１に示すように、排気通路３０には排気浄化部３８が設けられている。排気浄化部３８のフィルタはＰＭを捕集する。排気浄化部３８に堆積するＰＭが多くなることで、差圧が大きくなる。例えば差圧が所定の大きさ以上になった場合、ＥＣＵ４０は空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることで、フィルタを再生する。

リーン制御中、内燃機関１０における燃焼圧は低下するため、ノッキングは発生しにくい。リーン制御中にＫＣＳ学習が行われ、ＫＣＳ学習値が更新されると、ＫＣＳ学習値が進角する。リーン制御中に点火時期が進角することで、リーン制御から燃料供給への復帰時に、ノッキングが悪化する恐れがある。リーン制御が例えば数分以上または１０分以上などにわたって継続すると進角量が大きくなり、ノッキングがさらに悪化する。本実施形態ではリーン制御からの復帰時のノッキングの悪化を抑制する。

図３はＥＣＵ４０が実行する処理を例示するフローチャートである。ＥＣＵ４０はノックセンサ２６から入力される信号などに基づき、ノッキングが発生しているか否か判定する（ステップＳ１０）。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ４０はＦ／Ｂ値を遅角側に補正する（ステップＳ１２）。否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ４０はＦ／Ｂ値を進角側に補正する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４の後、ＥＣＵ４０はリーン制御中であるか否か判定する（ステップＳ１６）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０はＦ／Ｂ値に進角側の上限を定める（ステップＳ１８）。上限は例えば－３°ＣＡである。Ｆ／Ｂ値は－３°ＣＡでガードされ、－３°ＣＡより遅角側になる。

ステップＳ１６で否定判定、ステップＳ１２またはステップＳ１８の後、ＥＣＵ４０はステップＳ２０を行う。ＥＣＵ４０は、リーン制御中であるか否か判定する（ステップＳ２０）。否定判定の場合、ＥＣＵ４０はＦ／Ｂ値をなまし処理することで、Ｆ／Ｂなまし値を算出する（ステップＳ２２）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０はＦ／Ｂなまし値を初期化し、初期値の－３°ＣＡに定める（ステップＳ２４）。

ＥＣＵ４０は、ステップＳ２２またはＳ２４で取得したＦ／Ｂなまし値が－４°ＣＡ未満（遅角側）である、またはＦ／Ｂなまし値が－２°ＣＡより大きい（進角側）か否か判定する（ステップＳ２６）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０はＫＣＳ学習を行う（ステップＳ２８）。否定判定の場合、ＥＣＵ４０はＫＣＳ学習を停止する（ステップＳ３０）。ＫＣＳ学習値は更新されない。ステップＳ２８またはＳ３０の後、処理は終了する。

図４はタイムチャートを例示する図である。上から順に、リーン制御フラグ、およびＫＣＳ学習フラグを示す。図４の時間ｔ１以前において、リーン制御フラグはオフである。ＫＣＳ学習フラグはオンである。例えば排気浄化部３８の上流側と下流側との間の差圧が閾値以上である場合、ＥＣＵ４０はリーン制御フラグをオンにし（図４の時間ｔ１）、空燃比をリーンにする。この場合、ＥＣＵ４０はＫＣＳ学習フラグをオフにする。ＫＣＳ学習は停止する（図３のステップＳ３０）。

本実施形態によれば、ＥＣＵ４０は、ノッキング抑制のために、ＫＣＳ学習によって点火時期を制御する。また、ＥＣＵ４０は、排気浄化部３８の再生のために空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。リーン制御中、ＥＣＵ４０はＦ／Ｂ値に進角側の上限を定める（図３のステップＳ１８）。Ｆ／Ｂ値は上限でガードされ、上限よりも遅角側の値となる。さらに、ＥＣＵ４０はＫＣＳ学習を停止し、ＫＣＳ学習値を更新しない（ステップＳ３０）。

リーン制御中にＫＣＳ学習値の更新が停止することで、ＫＣＳ学習値は例えばＡ０など、リーン制御前の値を維持する。ＫＣＳ学習値が進角されないため、点火時期の進角が抑制される。このため、リーン制御からの復帰時におけるノッキングの悪化が抑制される。

リーン制御中にも、Ｆ／Ｂ値が進角または遅角されることがある（図３のステップＳ１２およびＳ１４）。Ｆ／Ｂ値に上限が設定されることで、Ｆ／Ｂ値は上限よりも遅角側の値になる。Ｆ／Ｂ値の上限は例えば－３°ＣＡである。Ｆ／Ｂ値は上限でガードされ、例えば図２（ａ）のＦ／Ｂ１などのように－３°ＣＡよりも遅角側となる。これにより点火時期の進角が抑制される。一方、Ｆ／Ｂ値の遅角は許容される。ノッキングの悪化を抑制することができる。

Ｆ／Ｂ値の上限は、例えば－３°ＣＡであり、初期値Ｆ／Ｂｉに等しい。上限は－３°ＣＡ以外でもよく、初期値Ｆ／Ｂｉと異なる値でもよい。Ｆ／Ｂ値は上限に比べて、例えば－０．５°ＣＡ以上、－１°ＣＡ以上、－２°ＣＡ以上、－３°ＣＡ以上遅角してもよい。

ＥＣＵ４０は、Ｆ／Ｂ値をなまし処理することでＦ／Ｂなまし値を取得する。リーン制御を行う場合、Ｆ／Ｂなまし値を所定の値（例えば－３°ＣＡ）とする。Ｆ／Ｂなまし値が－３°ＣＡである場合、図３のステップＳ２６で否定判定となる。ＥＣＵ４０は、ＫＣＳ学習を停止する（ステップＳ３０）。これによりノッキングの悪化を抑制することができる。

リーン制御中、Ｆ／Ｂ値が進角または遅角されることがある。当該Ｆ／Ｂ値からＦ／Ｂなまし値を算出すると、Ｆ／Ｂなまし値も進角または遅角する。リーン制御からの復帰後、Ｆ／Ｂなまし値に基づいてＫＣＳ学習値を更新すると、ＫＣＳ学習値が大きく変化してしまう。例えばＦ／Ｂなまし値が進角すると、ＫＣＳ学習開始後にＫＣＳ学習値が進角してしまう。本実施形態によれば、リーン制御中のＦ／Ｂなまし値を所定の値（例えば－３°ＣＡ）に定める。リーン制御からの復帰後、ＫＣＳ学習の開始時に、Ｆ／Ｂなまし値は例えば－３°ＣＡである。ＫＣＳ学習値の誤学習を抑制することができる。ＫＣＳ学習値の進角を抑制し、ノッキングの悪化を抑制することができる。

内燃機関１０は４つの気筒１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄを有する。ＥＣＵ４０は、ＫＣＳ学習によってすべての気筒の点火時期を制御する。ＥＣＵ４０はすべての気筒における空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。酸素を多く含む排気を排気浄化部３８に供給することで、ＰＭを酸化し、除去することができる。リーン制御中、ＥＣＵ４０は、すべての気筒に対するＫＣＳ学習を停止する。４つの気筒における点火時期の進角を抑制することで、ノッキングの悪化を抑制することができる。内燃機関１０の気筒の数は４つ以下でもよいし、４つ以上でもよい。燃料噴射弁の数は気筒の数に対応して変更する。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 内燃機関
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 気筒
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 点火プラグ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 燃料噴射弁
２０ 吸気通路
２２ エアフローメータ
２４ スロットルバルブ
３０ 排気通路
３２、３４ 圧力センサ
３６ 空燃比センサ
３８ 排気浄化部
４０ ＥＣＵ
１００ エンジンシステム

Claims (3)

1. 内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御部と、
   ＫＣＳ（Knock control system）学習により前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御部と、を具備し、
   前記点火時期制御部は、ＫＣＳ学習値とフィードバック値とに基づき前記ＫＣＳ学習値を更新する前記ＫＣＳ学習を行い、
   前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化部を再生するために前記空燃比制御部が前記内燃機関の空燃比を理論空燃比よりもリーンにした場合、前記点火時期制御部は、前記フィードバック値に進角側の上限を定め、かつ前記ＫＣＳ学習値の更新を停止し、
   前記点火時期制御部は、前記フィードバック値をなまし処理することでフィードバックなまし値を取得し、
   前記空燃比制御部が前記空燃比をリーンとした場合、前記点火時期制御部は前記フィードバックなまし値を所定の値に定め、かつ前記点火時期制御部は前記ＫＣＳ学習値の更新を停止し、
   前記空燃比のリーンからの復帰時、前記所定の値に定められたフィードバックなまし値を用いて、前記点火時期制御部は前記ＫＣＳ学習値を更新する内燃機関の制御装置。
2. 前記フィードバック値の上限は－３°ＣＡ（Crank Angle）である請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関は複数の気筒を有し、
   前記点火時期制御部は、前記ＫＣＳ学習により前記複数の気筒における点火時期を制御し、
   前記空燃比制御部は前記複数の気筒の空燃比をリーンとし、
   前記空燃比制御部が前記複数の気筒の空燃比を理論空燃比よりもリーンにした場合、前記点火時期制御部は、前記フィードバック値に進角側の上限を定め、かつ前記複数の気筒に対する前記ＫＣＳ学習値の更新を停止する請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
   

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