JPH10331696A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
内燃機関の制御装置Info
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Abstract
定させる。 【解決手段】成層燃焼,均質燃焼の切換が可能な内燃機
関において、成層燃焼から均質燃焼に切り換えた直後の
目標当量比の下限値を定常時より大きい値に設定するこ
とにより、切換直前の外部EGRや内部EGRによる燃
焼への悪影響を回避する。
Description
置に関し、特に成層燃焼と均質燃焼とを運転状態に応じ
て切り換える機関における該燃焼切換時の制御に関す
る。
ば、スロットル開度を電子制御するスロットル弁(以下
電制スロットル弁という) を備え、アクセル操作量と機
関回転速度等から機関の目標トルクを設定し、該目標ト
ルクが得られるようにスロットル開度を制御するように
したものがある(特開昭62−110536号等参
照)。
来装置では、目標スロットル弁開度を機関の目標トルク
と機関回転速度とのみから決定する構成となっており、
空燃比を運転状態に応じて可変に制御する内燃機関には
そのままでは適用できないという問題があった。すなわ
ち、機関回転速度と機関トルクとを同一に維持しつつ空
燃比を変化させるには、スロットル弁開度及び燃料供給
量を共に変更する必要があり、例えば、空燃比がリーン
のときは、理論空燃比のときに比較して必要吸入空気量
は増大し、必要燃料供給量は減少するが、前記従来装置
では、これに対処できるものではなかった。
持しつつ、機関トルクを目標値に制御する技術につい
て、先に提案した(特願平8−36902号) 。上記の
技術において、目標とする当量比(空燃比の逆数に比
例) が変化する場合、該目標当量比の変化に対応して必
要吸入空気量と必要燃料量とが変化するが、スロットル
弁を変化後の目標当量比に応じた目標開度に制御しても
吸入空気量は吸気系容積により遅れを生じるため該吸入
空気量の変化に遅れを生じる。このため、変化後の目標
当量比に合わせて前記吸入空気量に応じた燃料量を供給
すると、切換動作の初期に燃料量が大きく変化してトル
クに段差を発生することとなる。
入空気量の遅れに合わせて遅れて変化させるように位相
遅れ補正を施している(直接目標当量比を位相遅れ補正
する他、実吸入空気量に見合って算出された燃料量を位
相遅れ補正する等の方法も開示してあるが、目標当量比
を位相遅れ補正することと等価である) 。このようにす
れば、トルクを略一定、若しくは滑らかに変化させつつ
当量比を徐々に変化させて目標値に収束させることがで
きる。
関において、燃料を燃焼室内に直接噴射し、低・中負荷
領域では、燃料を圧縮行程で噴射することにより点火プ
ラグ付近のみに可燃混合気を層状に生成して成層燃焼を
行い、これにより、空燃比を大幅にリーンとした燃焼を
可能として燃費,排気浄化性能を大きく改善した技術が
開発されている。
所定以上の高負荷領域では、限られたシリンダ容積で要
求トルクを確保するためには、燃料を吸気行程で噴射し
て(別途吸気ポートに燃料噴射弁を設けるものも提案さ
れている) 均質に混合した混合気を形成し、均質燃焼を
行なう必要があり、したがって、成層燃焼と均質燃焼と
を運転状態に応じて切り換えるようにしている。
機関において、運転状態(負荷) の変化に応じて目標当
量比を変化させる場合も、その間のトルク変化を滑らか
にするには前記同様吸入空気量の遅れに合わせて目標当
量比に遅れ補正を施すことが考えられるが、成層燃焼と
均質燃焼とでは、単に目標当量比が異なるというだけで
なく、それぞれ最適な外部及び内部のEGR率が決まっ
ており、各々のバランスが崩れるとエミッションや運転
安定性に影響を及ぼす。
め外部EGRを実行する必要があるが、成層燃焼と切り
換えられる直後の均質燃焼では空燃比を極限までリーン
化した状態での燃焼であるため、外部EGRを行なうと
燃焼性が悪化するため外部EGRは禁止している。な
お、NOxについては、元々NOx排出レベルが比較的
低い運転状態であり、空燃比を十分にリーン化して燃費
改善しつつNOxの生成量を押さえることで対処でき
る。
への切換時には、成層燃焼の終了と同時にEGRを停止
する指令を出力しても、吸気系に残留するEGRガスに
より燃焼が悪化してしまい加速性能が悪化することがあ
る。また、加速性を重視して当量比を速やかに切り換え
ようとすると、EGR率の応答よりも当量比の変化の方
が速くなり、燃焼悪化を招くことがある。なお、成層燃
焼で外部EGRを行なわない場合でも成層燃焼中に燃焼
室に残留する内部EGRガスの影響が、均質燃焼切換後
も残って燃焼性を悪化させてしまう可能性がある。
は、目標EGR率の増大に遅れがあっても、吸入空気量
の増大にも遅れがあるため、成層燃焼切換直後の過渡状
態でも十分なEGRを実行することが可能であり、問題
はない。本発明は、このような従来の課題に着目してな
されたもので、成層燃焼から均質燃焼への切換直後の当
量比を適正に制御することにより、安定した燃焼性が確
保され円滑な切換が行なわれるようにした内燃機関の制
御装置を提供することを目的とする。
る発明は、図1に示すように、燃焼室内の混合気を成層
状態と均質状態とに切り換えることにより、燃焼状態を
成層燃焼と均質燃焼とに切換可能な内燃機関の制御装置
において、前記各燃焼状態に応じて目標当量比の採りう
る範囲を上下限値で制限する目標当量比リミッタ手段
と、機関運転の過渡状態を検出する過渡状態検出手段
と、を備え、前記過渡状態検出手段により成層燃焼から
均質燃焼への切換に応じた過渡状態が検出されたとき
に、前記目標当量比リミッタ手段における均質燃焼にお
ける目標当量比の下限値を定常状態での下限値より大き
い値に設定することを特徴とする。
より、成層燃焼から均質燃焼への切換に応じた過渡状態
が検出されたときは、目標当量比リミッタ手段により均
質燃焼の定常状態での下限値より大きい値に設定される
ため、均質燃焼切換直後の過渡時に成層燃焼時における
EGRガスの影響が残っていても、その間は、過渡的に
目標当量比が切り上げられるため、安定した燃焼性が得
られ、加速性能を確保することができる。
を吸気系に還流するEGR装置を備え、成層時にEGR
が実行され、成層燃焼から切換直後の均質燃焼ではEG
Rが禁止されることを特徴とする。本発明は、均質燃焼
切換直後の成層燃焼の内部EGRガスによる影響も回避
できるが、EGR装置を備えたものにおいて、成層燃焼
でEGRを行い、均質燃焼でEGRを禁止するものに適
用した場合、燃焼状態切換直後に吸気系に残留するEG
Rガスによる影響を回避できる効果が大きい。
焼から均質燃焼への切換過渡状態における前記上下限リ
ミッタ処理手段における均質燃焼における目標当量比の
下限値を、切換直前の成層燃焼時における機関運転状態
に基づいて設定することを特徴とする。成層燃焼でも機
関の回転速度や負荷等で定まる運転状態によってEGR
率を変えることが一般的であり、その場合、EGR停止
後に吸気系に残留するEGRガスの影響は切換直前のE
GR率により異なるので、該EGR率に基づいてが設定
することで、目標当量比の下限値を必要かつ十分な当量
比に設定することができる。
焼と均質燃焼との切換に応じて目標当量比を移行する際
に、目標当量比の変化を遅らせ、該遅れ補正された目標
当量比がしきい値以上となったときに、実際の燃焼を成
層燃焼から均質燃焼に切り換えるように構成したことを
特徴とする。
量比の段差は大きいため、既述したように、該目標当量
比の変化に対して遅れ補正を施すことにより、当量比を
徐々に変化させつつトルク変化を滑らかなものとするこ
とができる。また、請求項5に係る発明は、前記過渡状
態検出手段は、機関の運転状態に応じて求められる成層
燃焼から均質燃焼への切換条件判定時に求められる均質
燃焼に応じた目標当量比の基本値と、該目標当量比の基
本値を遅れ補正した値に基づいて実際に成層燃焼から均
質燃焼へ切り換えてから、前記目標当量比の基本値と遅
れ補正した値との偏差が所定値以上である間を、前記成
層燃焼から均質燃焼への切換に応じた過渡状態として検
出することを特徴とする。
に求められる均質燃焼に応じた目標当量比の基本値は、
当該運転状態での定常状態に応じた目標当量比であるか
ら、切換に際して前記同様に遅れ補正を施しすことによ
り滑らかに変化させた目標当量比が前記基本値との偏差
が所定値以上である場合を、均質燃焼への切換時の過渡
状態として検出することができる。
づいて説明する。図2は、本発明の一実施形態のシステ
ム構成を示す。アクセル操作量検出手段としてのアクセ
ル操作量センサ1は、ドライバによって踏み込まれたア
クセルペダルの踏込み量を、検出する。
センサ2は、単位クランク角毎のポジション信号及び気
筒行程位相差毎の基準信号を発生し、前記ポジション信
号の単位時間当りの発生数を計測することにより、ある
いは前記基準信号発生周期を計測することにより、機関
回転速度Neを検出できる。エアフローメータ3は、機
関4への単位時間当りの吸入空気量を検出する。
出する。機関4のシリンダ部には、燃焼室12内に燃料を
直接噴射する燃料噴射弁6、燃焼室12内で火花点火を行
う点火栓7が設けられる。そして、低・中負荷領域で
は、燃焼室12内に圧縮行程で燃料噴射することにより、
燃焼室12内の点火栓7周辺に可燃混合気を層状に形成し
て成層燃焼を行い、高負荷領域では燃焼室7内に吸気行
程で燃料噴射することによりシリンダ全体に略均質な混
合比の混合気を形成して均質燃焼を行なうことができる
ようになっている。
ットル弁9が介装され、該スロットル弁9開度を電子制
御可能なスロットル弁制御装置10が備えられている。前
記各種センサ類からの検出信号は、コントロールユニッ
ト11へ入力され、該コントロールユニット11は、前記セ
ンサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じ
て前記スロットル弁制御装置10を介してスロットル弁9
の開度を制御し、前記燃料噴射弁6を駆動して燃料噴射
量 (燃料供給量) を制御し、点火時期を設定して該点火
時期で前記点火栓7を点火させる制御を行う。
に排気の一部を還流するEGR通路14と、該EGR通路
14に介装されたEGR制御弁15からなるEGR装置が設
けられる。該EGR制御は、前記コントロールユニット
11からの制御信号に基づいて行なわれ、前記成層燃焼時
に実行されるが、成層燃焼から切り換えられる均質リー
ン燃焼では、既述した理由で禁止される。なお、理論空
燃比でのフィードバック制御による均質燃焼時にはEG
R制御が実行される。
を示す。基本目標当量比演算部Aは、例えば機関回転速
度NEと目標トルクtTe等の基本的な機関運転状態に
基づいて、基本目標当量比TFBYABをマップからの
検索等により演算する。なお、前記目標トルクtTe
は、例えば前記アクセル操作量APSと、機関回転速度
NEとに基づいて設定される。詳細には、水温や始動後
の経過時間、車速,加速度,アイドル時の補機負荷等に
より、同一の機関運転状態でもリーン空燃比での運転の
可否が異なり、成層燃焼と均質燃焼とが切り換えられる
こともあるため、目標当量比のマップが複数設けられ
る。なお、上記のような運転状態(水温等を含む) の変
化に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り換える場合は、
後述するように各燃焼状態の燃焼効率の相違によって基
本目標当量比TFBYABはステップ的に切り換えられ
ることになる。
演算部Aによって演算された基本目標当量比TFBYA
Bに対して、位相遅れ補正処理を行なう。これは、運転
状態等の変化による基本目標当量比TFBYABの変化
に見合った目標吸入空気量になるように制御を開始して
も、スロットル弁の動作遅れや吸気系の容積により吸入
空気量の変化に遅れを生じるのに対し、燃料噴射量は殆
ど遅れなく目標当量比の変化に追従できるため、実際の
当量比が目標当量比の変化に対して遅れを生じるため、
該遅れに見合うように位相遅れ補正を行なうものであ
る。ここで、燃焼状態の切換に応じて基本目標当量比T
FBYABがステップ的に切り換えられる場合も、該ス
テップ的な変化に対して位相遅れ補正がなされることと
なる。該位相遅れ補正は詳細には、目標当量比の変化量
に見合ったスロットル弁の動作遅れ分と、吸気系容積に
応じた少なくとも一段の一時遅れを与えるための遅れ補
正係数等を用いて処理される。なお、一時遅れ補正とし
て加重平均を用いてもよい。また、簡易的には影響の大
きい吸気系容積に応じた遅れ補正のみを行なってもよ
い。
れた目標当量比TFBYAHをしきい値と比較して成層
燃焼と均質燃焼との実際の切換を判定する。具体的に
は、成層燃焼中に前記目標当量比TFBYAHがしきい
値以上となったときは、燃料噴射時期や点火時期を変更
することにより、成層燃焼から均質燃焼への切換が実行
される。均質燃焼から成層燃焼への切換は均質燃焼中に
位相補正された目標当量比TFBYAHがしきい値を下
回ったときに実行される。この場合、各燃焼状態での燃
焼効率の相違を考慮しても成層燃焼と均質燃焼とで異な
るしきい値を持たせる構成としてもよい。
質燃焼に切り換えられた直後の均質燃焼での過渡状態を
検出する。具体的には、前記燃焼状態切換判定部Cによ
って成層燃焼から均質燃焼への切換が判定されてから、
位相遅れ補正開始直前に算出された均質燃焼に応じた基
本目標当量比TFBYAに対して位相補正された目標当
量比TFBYAHの偏差が所定値以上である間を、該均
質燃焼での過渡状態として検出する。
質過渡状態検出部Dによって、成層燃焼から均質燃焼に
切り換えられた直後の均質燃焼での過渡状態が検出され
たときは、該過渡状態に対応して設定された目標当量比
の上下限値により、前記位相遅れ補正された目標当量比
TFBYAHの採りうる範囲を規制する。ここで、上限
値は、均質燃焼の定常状態の上限値と同一値に設定され
るが、下限値が定常状態の下限値より大きい値に設定さ
れる。具体的には、燃焼状態切換直前の運転状態(機関
の回転速度,負荷等) で定まるEGR率に基づいて、切
換後の吸気系へのEGRガス残留状態を推定し、該EG
Rガス残留状態に応じて均質燃焼で安定した燃焼が確保
できる下限値に設定される。
前記均質過渡状態検出部Dによって、均質燃焼の過渡状
態が終了して定常状態に移行したことが検出された後
に、該定常状態に対応して設定された目標当量比の上下
限値により、前記位相遅れ補正された目標当量比TFB
YAHの採りうる範囲を規制する。ここで、該上下限値
は機関の運転状態(回転速度,負荷等) により予め設定
され、既述したように上限値については前記過渡状態と
同一値に設定されるが、下限値は過渡状態より安定燃焼
可能な目標当量比をより小さくできるため、小さい値に
設定される。
燃焼状態切換判定部Dにより成層燃焼への切換が判定さ
れ成層燃焼に切り換えられたときに、該成層燃焼に対応
して設定された目標当量比の上下限値により、前記位相
遅れ補正された目標当量比TFBYAHの採りうる範囲
を規制する。ここで、該上下限値は機関の運転状態(回
転速度,負荷等) により予め設定される。但し、均質燃
焼から成層燃焼への切換直後の過渡状態における燃焼安
定性をより確実なものとするため、該過渡状態での上限
値を定常状態での上限値より小さく設定してもよい。
常に応じて目標当量比の上下限値を切り換えて処理する
ルーチンのフローチャートを示す。図5のタイムチャー
トも参照しつつ、説明する。ステップ1では、機関の回
転速度や負荷等の運転状態に基づいて基本目標当量比T
FBYABをマップからの検索等により求める。
BYABに対して位相遅れ補正処理を行ない、補正値T
FBYAHを算出する。ステップ3では、現在成層燃
焼,均質燃焼のいずれかをフラグFの値で判定する。そ
して、例えばF=1で現在成層燃焼のときは、ステップ
4へ進んで前記位相遅れ補正された目標当量比TFBY
AHを、当量比しきい値TFACH1と比較する。
定された場合には、ステップ5へ進み、前記フラグFを
0にリセットすると共に、燃料噴射時期,点火時期等を
切り換えて燃焼状態を均質燃焼に切り換える。また、F
=0で現在均質燃焼のときは、S6へ進んで前記位相遅
れ補正された目標当量比TFBYAHを、当量比しきい
値TFACH2(<TFACH1) と比較し、TFBY
AH≦TFACH2と判定された場合には、ステップ7
へ進み、前記フラグFを1にセットすると共に、燃料噴
射時期,点火時期等を切り換えて燃焼状態を成層燃焼に
切り換える。
られたとき及び均質燃焼が継続しているときは、ステッ
プ8へ進み、前記ステップ1で求めた基本目標当量比T
FBYABに対する位相遅れ補正された目標当量比TF
BYAの偏差DLTTFA(=TFBYAB−TFBY
AH) を算出する。さらに、ステップ9では前記偏差D
LTTFAが所定値以上あるか否かを判定し、所定値以
上の場合は均質燃焼への切換直後の過渡状態であると判
定し、ステップ10へ進んで、均質燃焼過渡状態用の目標
当量比の下限値HTFMN1及び上限値HTFMXを機
関の回転速度と負荷に応じてマップから検索等により算
出する。偏差DLTTFAが所定値未満の場合は均質燃
焼の定常状態に移行したと判定し、ステップ11へ進ん
で、均質燃焼定常状態用の下限値HTFMN2及び上限
値HTFMXを機関の回転速度と負荷に応じてマップか
ら検索等により算出する。ここで、上限値については、
過渡時と定常時とで同一の値に設定してあるが、下限値
については、過渡状態用の下限値HTFMN1を定常状
態用の下限値HTFMN2より大きい値に設定してあ
り、具体的には、成層燃焼から均質燃焼に切り換えると
きに直前の成層燃焼時の機関の回転速度と負荷とで定ま
るEGR率及び内部EGRガス量に基づいて、均質燃焼
に切り換えた直後の過渡状態で燃焼に悪影響が出ない大
きさに設定してある。
れたとき及び成層燃焼が継続しているときは、ステップ
12へ進み、成層燃焼用の目標当量比の上限値STFMX
T及び下限値STFMNTを機関の回転速度と負荷に応
じてマップから検索等により算出する。ステップ13で
は、前記位相遅れ補正した目標当量比TFBYHを前記
各状態における目標当量比の上下限値と比較し、該上下
限値の範囲内の値を採るようにリミッタ処理を行なう。
層燃焼から均質燃焼への切換直後の過渡状態では、目標
当量比の下限値を定常後の値より大きい値に設定し、成
層燃焼時に実行されていたEGRにより吸気系に残留す
るEGRガスや、成層燃焼時の内部EGRガスによる均
質燃焼への悪影響を当量比を増大することで回避するこ
とができ、安定した燃焼性を得て良好な加速性能を確保
できる。
当量比を用いた吸入空気量と燃料噴射量の制御につい
て、図3を参照して説明する。基準目標吸入空気量演算
部Hには、前記アクセル操作量APSと機関回転速度N
e、又はこれらによって演算される機関の目標トルクt
Teと機関回転速度Neが入力され、基準当量比として
理論空燃比で得られる吸入空気量に相当する値として基
準目標吸入空気量tTPを、マップからの検索等により
演算する。該基準目標吸入空気量tTPとしては、1吸
気行程毎の吸入空気量に対応する基本燃料噴射量 (パル
ス幅) の他、1吸気行程毎の吸入空気量そのもの、前記
エアフローメータ3で検出される単位時間当りの吸入空
気量のいずれを用いてもよい。
当量比TFBYABに対応する目標吸入空気量tTP’
を算出する。簡易的には前記基準目標吸入空気量tTP
を基本目標当量比TFBYABで除算することにより求
められるが、実際には基準当量比に対して基本目標当量
比TFBYABが異なることにより燃焼効率が異なり、
必要燃料量が異なってくるので、これに応じて予め燃焼
効率に応じた補正を施すことで、目標トルクと目標当量
比とを同時に満たす目標吸入空気量tTP’を求めるこ
とができる。具体的には、基準目標吸入空気量tTPを
基本目標当量比TFBYABで除算し、更に、基本目標
当量比TFBYABに対応する燃焼効率ITAFで除算
することで算出される。
目標吸入空気量tTP’と内燃機関回転速度Neとが入
力され、目標スロットル弁開度tTPSが演算される。
該目標スロットル弁開度tTPSは、目標吸入空気量t
TP’が得られるスロットル開度である。前記目標スロ
ットル弁開度tTPSの信号は、前記スロットル弁制御
装置10に入力され、これによって該スロットル弁制御装
置10は、前記スロットル弁9を前記目標スロットル弁開
度tTPSになるように駆動する。
算部K2とによって燃料供給量が演算される。基本燃料
供給量演算部K1には、前記エアフローメータ3で検出
された単位時間当りの吸入空気量Qと、内燃機関回転速
度Neとが入力され、それによって理論空燃比 (基準当
量比) 時における1吸気行程当りの吸入空気量に対応す
る基本燃料噴射パルス幅TPが演算される。
ス幅TPに、前記目標当量比TFBYAを乗じて実効燃
料噴射パルス幅TEを演算し、該実効燃料噴射パルス幅
TEにバッテリ電圧に応じた無効パルス幅TSを加えて
最終的な燃料噴射パルス幅TIを演算する。前記燃料噴
射パルス幅TIを持つ噴射パルス信号が、前記燃料噴射
弁6に出力され、該燃料噴射弁6が駆動されて目標空燃
比に対応した燃料量が噴射供給される。
の制御による吸入空気量と、燃料供給量とが、それぞれ
の目標値に制御されることにより、目標当量比を維持し
て排気浄化性能等を満たしつつ、必要な目標トルクを得
て良好な運転性能を確保することができ、また、成層燃
焼から均質燃焼燃焼に切り換えられた直後の過渡状態に
おける目標当量比の下限値を定常時より大きい値に設定
したことにより、成層燃焼時の外部EGRや内部EGR
による均質燃焼への悪影響を回避でき、安定した燃焼性
が得られ、良好な加速性能を確保できる。
図。
図。
示すフローチャート。
化を示すタイムチャート。
Claims (5)
- 【請求項1】燃焼室内の混合気を成層状態と均質状態と
に切り換えることにより、燃焼状態を成層燃焼と均質燃
焼とに切換可能な内燃機関の制御装置において、 前記各燃焼状態に応じて目標当量比の採りうる範囲を上
下限値で制限する目標当量比リミッタ手段と、 機関運転の過渡状態を検出する過渡状態検出手段と、 を備え、 前記過渡状態検出手段により成層燃焼から均質燃焼への
切換に応じた過渡状態が検出されたときに、前記目標当
量比リミッタ手段における均質燃焼における目標当量比
の下限値を定常状態での下限値より大きい値に設定する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 【請求項2】排気の一部を吸気系に還流するEGR装置
を備え、成層時にEGRが実行され、成層燃焼から切換
直後の均質燃焼ではEGRが禁止されることを特徴とす
る請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 【請求項3】前記成層燃焼から均質燃焼への切換過渡状
態における前記目標当量比リミッタ手段における均質燃
焼における目標当量比の下限値を、切換直前の成層燃焼
時における機関運転状態に基づいて設定することを特徴
とする請求項2に記載の内燃機関の制御装置。 - 【請求項4】前記成層燃焼と均質燃焼との切換に応じて
目標当量比を移行する際に、目標当量比の変化を遅ら
せ、該遅れ補正された目標当量比がしきい値以上となっ
たときに、実際の燃焼を成層燃焼から均質燃焼に切り換
えるように構成したことを特徴とする請求項1〜請求項
3のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。 - 【請求項5】前記過渡状態検出手段は、機関の運転状態
に応じて求められる成層燃焼から均質燃焼への切換条件
判定時に求められる均質燃焼に応じた目標当量比の基本
値と、前記目標当量比を遅れ補正した値に基づいて実際
に成層燃焼から均質燃焼へ切り換えてから、前記目標当
量比の基本値と遅れ補正した値との偏差が所定値以上で
ある間を、前記成層燃焼から均質燃焼への切換に応じた
過渡状態として検出することを特徴とする請求項1〜請
求項4のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
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