JPWO2010100729A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

ＥＣＵ１３は、吸入空気流量を制御するスロットル開度制御手段１３１と、エンジン１の運転状態やドライバのアクセル操作から目標出力トルクを算出する目標出力トルク算出手段１３２と、エンジン１の運転状態に基づいて目標点火時期を算出する目標点火時期算出手段１３３と、エンジン回転数、充填効率、目標点火時期、空燃比、および、燃料の総発熱量に基づいて、エンジン１の実出力トルクを算出する実出力トルク算出手段１３４と、充填効率と実出力トルクとに基づいて充填効率−トルク変換係数を算出し、目標出力トルクと充填効率−トルク変換係数とから目標充填効率を算出して、それにより目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段１３５とを備え、燃料性状を情報として取り込みながら、エンジンのトルク制御行うようにしたので、目標出力トルクを実現するためのエンジン制御量を精度よく実現できる。

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、出力トルクを制御目標とし、そのひとつの制御要素として、燃料の総発熱量を用いた制御を行う内燃機関の制御装置に関する。

近年、ドライバや各車両システム（自動変速機制御、ブレーキ制御、トラクション制御等）からの駆動力の要求値として車両の制御に直接作用する物理量であるエンジン出力軸トルクを用いる制御が提案されている。すなわち、エンジン出力軸トルクをエンジン出力の目標値として、エンジン制御の制御量である空気量や燃料量や点火時期を決定し、また、実際のエンジンの運転状態から実出力トルクを推定して、各車両システムへ送信することで、協調制御を実現して良好な走行性能を得る技術、所謂トルクベース制御が提案されている。しかしながら、燃料性状の情報はなく、性状値は固定としている。

このような制御においては、エンジンの実出力トルクを精度良く算出し、目標出力トルクを精度良く達成することが重要となる。特許文献１においては、あるエンジン回転数と充填効率とにおけるエンジントルクＴは、点火時期ＩＧの２次関数として近似することで推定している。より詳細には、ＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）点火時期を頂点とする２次関数、
Ｔ＝−Ａ・（ＩＧ−Ｂ）²＋Ｃ (1)
により近似するもので、Ａ，Ｂ，Ｃはエンジン回転速度と充填効率のマップとして予め設定されており、エンジンの運転状態に応じてＡ，Ｂ，Ｃをマップから算出し、上記（１）式によりエンジントルクＴを算出している。そして、自動変速機の変速時に要求トルクを達成するよう、スロットル開度をフィードバック制御し、点火時期にてトルク差を吸収するという形の協調制御となっている。

また、特許文献２においては、ドライバの要求に応じた出力トルクの制御性を、マップ数を増やすことなく向上するための方法が示されている。より詳細には、アクセル開度から算出されるドライバ要求軸トルクにロストルクとＩＳＣトルクとを加算し、点火時期効率補正と目標Ａ／Ｆ効率補正の後、トルク−空気量変換処理が行われる。特許文献２では、この点火時期効率補正における２次関数の係数を、少ないマップ数で算出している。

特許第３２２５０６８号公報 特開２００３−３０１７６６号公報

しかしながら、特許文献１および２に記載の方法では、トルクに影響する燃料の性状は一定とされているが、実際には燃料性状により総発熱量は大幅に変わる。従って、特許文献１および２に記載の方法では、エンジントルクの推定に誤差が生じ、目標出力トルクを実現するためのエンジン制御量を精度よく実現することができないという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、燃料性状、すなわち、燃料の総発熱量を情報として取り込みながら、エンジンのトルク制御行って、目標出力トルクを実現するためのエンジン制御量を精度よく実現する内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

この発明は、スロットル開度を制御して、内燃機関の吸入空気流量を制御するスロットル開度制御手段と、前記内燃機関の運転状態やドライバのアクセル操作から前記内燃機関が発生するべき目標出力トルクを算出する目標出力トルク算出手段と、前記内燃機関の運転状態に基づいて目標点火時期を算出する目標点火時期算出手段と、エンジン回転数、充填効率、目標点火時期、空燃比、および、燃料の総発熱量に基づいて、前記内燃機関の実出力トルクを算出する実出力トルク算出手段と、前記充填効率と前記実出力トルクとに基づいて、充填効率−トルク変換係数を算出し、前記目標出力トルクと前記充填効率−トルク変換係数とに基づいて、目標充填効率を算出し、前記目標充填効率に基づいて、前記内燃機関が吸入するべき目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段とを備え、前記目標吸入空気量算出手段により算出された前記目標吸入空気量を実現するよう前記スロットル開度制御手段により前記スロットル開度を制御する内燃機関の制御装置である。

この発明は、スロットル開度を制御して、内燃機関の吸入空気流量を制御するスロットル開度制御手段と、前記内燃機関の運転状態やドライバのアクセル操作から前記内燃機関が発生するべき目標出力トルクを算出する目標出力トルク算出手段と、前記内燃機関の運転状態に基づいて目標点火時期を算出する目標点火時期算出手段と、エンジン回転数、充填効率、目標点火時期、空燃比、および、燃料の総発熱量に基づいて、前記内燃機関の実出力トルクを算出する実出力トルク算出手段と、前記充填効率と前記実出力トルクとに基づいて、充填効率−トルク変換係数を算出し、前記目標出力トルクと前記充填効率−トルク変換係数とに基づいて、目標充填効率を算出し、前記目標充填効率に基づいて、前記内燃機関が吸入するべき目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段とを備え、前記目標吸入空気量算出手段により算出された前記目標吸入空気量を実現するよう前記スロットル開度制御手段により前記スロットル開度を制御する内燃機関の制御装置であるので、燃料性状、すなわち、燃料の総発熱量を情報として取り込みながら、エンジンのトルク制御を行って、目標出力トルクを実現するためのエンジン制御量を精度よく実現することができる。

この発明の実施の形態１による内燃機関の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による燃料性状を示すデータを表で示した図である。 この発明の実施の形態１による屈折率と単位体積あたりの総発熱量との関係をグラフで示した図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に設けられた燃料性状センサの構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態１による屈折率と出力電圧との関係をグラフで示した図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１および図２は、この発明の実施の形態１に係る、内燃機関と、内燃機関の制御装置とを概略的に示す構成図である。

図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンと称す）１の吸気系の上流に、吸入空気流量を調整するために電子的に制御される電子制御式スロットルバルブ２が設けられている。また、電子制御式スロットルバルブ２の開度を測定するために、スロットル開度センサ３が設けられている。さらに、吸気系における電子制御式スロットルバルブ２の上流には、吸入空気流量を測定するエアフロセンサ４が設けられている。

また、吸気系における電子制御式スロットルバルブ２の下流にはサージタンク５が設けられている。さらに、サージタンク５には、サージタンク５内の圧力を測定するインテークマニホールド圧力センサ（以下、インマニ圧センサと称す）６が設けられている。なお、エアフロセンサ４とインマニ圧センサ６に関しては、両方とも設けてもよいし、いずれか一方のみが設けられていてもよい。また、サージタンク５には、電子制御式ＥＧＲバルブ７が接続されている。

また、サージタンク５の下流の吸気通路には、燃料を噴射するインジェクタ８が設けられている。なお、インジェクタ８は、エンジン１のシリンダに直接噴射できるように設けられてもよい。さらに、エンジン１には、エンジン１のシリンダ内の混合気に点火するための点火コイル９及び点火プラグ１０が設けられている。また、エンジン１には、エンジンの回転速度やクランク角度を検出するために、クランク軸に設けられたプレートのエッジを検出するためのクランク角センサ１１に設けられている。また、図示しない燃料ポンプとインジェクタ８とをつなぐ配管８１が設けられており、その配管８１の途中には、インジェクタ８の極力近傍に、燃料の性状を測定するための燃料性状センサ８２が設けられている。

図２に示すように、内燃機関の制御装置としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）１３が設けられている。図２において、１２は、アクセル開度センサである。

ＥＣＵ１３には、エアフロセンサ４で測定された吸入空気流量と、インマニ圧センサ６で測定されたインマニ圧と、スロットル開度センサ３で測定された電子制御式スロットルバルブ２の開度と、クランク角センサ１１より出力されるクランク軸に設けられたプレートのエッジに同期したパルスと、燃料性状センサ８２からの燃料中の重軽質やアルコール濃度などの燃料の性状情報とが、入力される。また、前記以外にも、アクセル開度センサ１２やその他の各種センサからもＥＣＵ１３に測定値が入力され、さらに、他のコントローラ（例えば、自動変速機制御、ブレーキ制御、トラクション制御等の制御システム）からのトルク要求値も入力される。

ＥＣＵ１３の内部には、スロットル開度制御手段１３１と、目標出力トルク算出手段１３２と、目標点火時期算出手段１３３と、実出力トルク算出手段１３４と、目標吸入空気量算出手段１３５とが設けられている。

スロットル開度制御手段１３１は、目標吸入空気量算出手段１３５から出力される目標吸入空気量が入力され、当該目標吸入空気量を達成するように、電子制御式スロットルバルブ２のスロットル開度を制御することにより、内燃機関の吸入空気流量を可変制御する。

目標出力トルク算出手段１３２は、内燃機関の運転状態を示す信号（データ）や、ドライバのアクセル操作を示すアクセル開度センサ１２による測定値が入力されて、それらの値から内燃機関が発生するべき目標出力トルクを算出する。算出された目標出力トルクは、目標吸入空気量算出手段１３５に入力される。

目標点火時期算出手段１３３は、クランク角センサ１１によるエンジン回転数やエアフロセンサ４による吸入空気流量等の内燃機関の運転状態を示すデータが入力され、それらに基づいて目標点火時期を算出する。算出された目標点火時期は、実出力トルク算出手段１３４と点火コイル９とに入力される。これにより、点火コイル９では、当該目標点火時期を達成するように通電が制御される。

実出力トルク算出手段１３４は、クランク角センサ１１からのエンジン回転数、エアフロセンサ４からの充填効率、目標点火時期算出手段１３３からの目標点火時期、空燃比、および、燃料性状センサ８２からの燃料の総発熱量が入力され、それらの値に基づいて、内燃機関の実出力トルクを算出する。実出力トルクの演算方法については後述する。算出された実出力トルクは、目標吸入空気量算出手段１３５に入力される。なお、空燃比は、エンジン１の排気マニホルドに取り付けられた図示しないＯ₂センサにより検出される。

目標吸入空気量算出手段１３５は、エアフロセンサ４からの充填効率と実出力トルク算出手段１３４からの実出力トルクとが入力されて、それらの値から充填効率−トルク変換係数を算出する。目標吸入空気量算出手段１３５は、さらに目標出力トルク算出手段１３２から目標出力トルクが入力されて、目標出力トルクと算出した充填効率−トルク変換係数とに基づいて、目標充填効率を算出し、当該目標充填効率に基づいて内燃機関が吸入するべき目標吸入空気量を算出する。算出された目標吸入空気量は、スロットル開度制御手段１３１に入力される。

ＥＣＵ１３は、上記のような構成を備え、目標吸入空気量算出手段１３５により算出された目標吸入空気量を実現するよう、スロットル開度制御手段１３１によりスロットル開度を制御する。すなわち、ＥＣＵ１３においては、入力された各種データより実トルクが算出され、また、アクセル開度やエンジンの運転状態、さらに、他のコントローラからのトルク要求値などを基にして目標トルクが設定される。また、設定された目標トルクを達成するよう目標吸入空気流量及び目標点火時期が算出され、目標吸入空気流量を達成するように電子制御式スロットルバルブ２は制御され、目標点火時期を達成するように点火コイル９への通電が行われる。また、運転状態に応じて電子制御式ＥＧＲバルブ７の開度は制御され、目標空燃比を達成するようにインジェクタ８は駆動される。さらに、前記以外の各種アクチュエータへの指示値も算出される。

次に、実出力トルク算出手段１３４での実出力トルク演算方法について説明する。具体的には、上記（１）式におけるＣを燃料性状で補正する。ここで、（１）式のＡは点火時期がＭＢＴから離れた場合にトルクがどの程度落ちるかの係数であり、ＢはＭＢＴ点火時期、ＣはＭＢＴでの出力トルクである。ＡおよびＢについてはアルコール混合燃料の場合でもガソリンと比べ大きな変化はないため共通の値を用いる。また、Ｃは次式で表される。

Ｃ＝（ＭＢＴでの熱効率）×（吸入空気量）×
（空燃比の逆数（燃空比））×（燃料の総発熱量）

ここで、燃料の総発熱量は以下で説明する方法にて算出できる。

図３は、ベース燃料とアルコールとを含有する種々の混合燃料に対する単位重量（ｇ）あたりの総発熱量と屈折率の関係を実測した値である。図３において、各種混合燃料に対し、屈折率、密度、および、単位重量あたりの総発熱量（Ｊ／ｇ）は、実測値である。また、単位体積あたりの総発熱量（Ｊ／ｃｃ）は、単位重量あたりの総発熱量（Ｊ／ｇ）に密度を乗算した計算値である。

図４は、図３に示した各混合燃料に関し、屈折率と単位体積あたりの総発熱量（Ｊ／ｃｃ）との関係をプロットしたものである。図４のグラフは、横軸が屈折率、縦軸が単位体積あたりの総発熱量（Ｊ／ｃｃ）となっている。図４より明らかにように、屈折率に対し単位体積あたりの総発熱量（Ｊ／ｃｃ）は、ほぼ直線に乗っている。このことは、燃料の屈折率は、ベース燃料密度およびアルコール濃度のそれぞれに対して比例関係にあり、ベース燃料密度およびアルコール濃度が異なる種々の混合燃料に対して、燃料の屈折率測定値から、単位体積あたりの総発熱量（Ｊ／ｃｃ）の推定値を計算できることを示している。

なお、燃料性状センサ８２からの信号は、常時読み込むようにしてもよいが、それ以外にも、たとえば、エンジンが始動したときや、図示しない燃料が補給されたことを検知するセンサからの信号があるとき、あるいは、同じく図示しない燃料レベルセンサの値が急変したときなどの条件で読み込んでもいい。

図５は、図１および図２に示した燃料性状センサ８２の構成の一例を示した図である。図５において、５０は管、５１は、管５０の側面に設けられた燃料の入口、５２は同じく管５０の側面に設けられた燃料の出口、５３は、管５０の中に張られた光ファイバー、５４は、光ファイバー５０に施されたファイバグレーティング、５５は、管５０の一端に設けられた光源、５６は、管５０の他端に設けられた受光素子である。なお、光源５５は、例えば、ＬＥＤから構成される。

燃料性状センサ８２においては、燃料が入口５１から出口５２に流れるとき、当該燃料は、管５０の中に張られた光ファイバー５３と接する。光ファイバー５３は中心部のコアと円周部のクラッドとから成り立っており、この光ファイバー５３のコアにはファイバグレーティング５４が施されている。光源５５から光ファイバー５３に向けて発射された光は、光ファイバー５３に入射してファイバグレーティング５４を透過する。ファイバグレーティング５４を透過した光の総光強度は、光ファイバー５３のクラッドの外側に接している燃料の性状（屈折率）により変化する。従って、受光素子５６の受光量により、燃料の性状（屈折率）を検知することができる。なお、燃料性状センサ８２は、受光素子５６により検出された受光量を電圧に変換して出力する。

図６は、燃料の性状（屈折率）と燃料性状センサ８２からの出力電圧（Ｖ）との関係を示したグラフである。図６において、横軸は、燃料の性状(屈折率)であり、縦軸は、燃料性状センサ８２からの出力電圧（Ｖ）である。図６のグラフから、燃料性状センサ８２からの出力電圧（Ｖ）は、屈折率に対し、略比例関係にあることがわかる。従って、燃料性状センサ８２からの出力電圧（Ｖ）の値から屈折率の推定値を計算することができる。

以上のように、この発明によれば、実施の形態１で説明したように、燃料性状によって大幅に変化する燃料の総発熱量を情報として取り込みながら、エンジンのトルク制御を行うようにした。これにより、燃料性状が、走行中、給油時あるいは長期保管後に変わった場合においても、燃料性状に基づいてエンジントルクＴを求める演算式である（１）式における燃料の総発熱量を補正することで、精度良くエンジントルクを推定することができる。これにより、目標トルクを実現することができ、精度のよいエンジンのトルク制御を行うことができるという優れた効果が得られる。

この発明は、スロットル開度を制御して、内燃機関の吸入空気流量を制御するスロットル開度制御手段と、前記内燃機関の運転状態やドライバのアクセル操作から前記内燃機関が発生するべき目標出力トルクを算出する目標出力トルク算出手段と、前記内燃機関の運転状態に基づいて目標点火時期を算出する目標点火時期算出手段と、エンジン回転数、充填効率、目標点火時期、空燃比、および、燃料の総発熱量に基づいて、前記内燃機関の実出力トルクを算出する実出力トルク算出手段と、前記充填効率と前記実出力トルクとに基づいて、充填効率−トルク変換係数を算出し、前記目標出力トルクと前記充填効率−トルク変換係数とに基づいて、目標充填効率を算出し、前記目標充填効率に基づいて前記内燃機関が吸入するべき目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段とを備え、前記目標吸入空気量算出手段により算出された前記目標吸入空気量を実現するよう前記スロットル開度制御手段により前記スロットル開度が制御され、前記燃料の総発熱量は、前記燃料の屈折率の測定値から推定される内燃機関の制御装置である。

この発明は、スロットル開度を制御して、内燃機関の吸入空気流量を制御するスロットル開度制御手段と、前記内燃機関の運転状態やドライバのアクセル操作から前記内燃機関が発生するべき目標出力トルクを算出する目標出力トルク算出手段と、前記内燃機関の運転状態に基づいて目標点火時期を算出する目標点火時期算出手段と、エンジン回転数、充填効率、目標点火時期、空燃比、および、燃料の総発熱量に基づいて、前記内燃機関の実出力トルクを算出する実出力トルク算出手段と、前記充填効率と前記実出力トルクとに基づいて、充填効率−トルク変換係数を算出し、前記目標出力トルクと前記充填効率−トルク変換係数とに基づいて、目標充填効率を算出し、前記目標充填効率に基づいて前記内燃機関が吸入するべき目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段とを備え、前記目標吸入空気量算出手段により算出された前記目標吸入空気量を実現するよう前記スロットル開度制御手段により前記スロットル開度が制御され、前記燃料の総発熱量は、前記燃料の屈折率の測定値から推定される内燃機関の制御装置であるので、燃料性状、すなわち、燃料の総発熱量を情報として取り込みながら、エンジンのトルク制御を行って、目標出力トルクを実現するためのエンジン制御量を精度よく実現することができる。

Claims (6)

1. スロットル開度を制御して、内燃機関の吸入空気流量を制御するスロットル開度制御手段と、
   前記内燃機関の運転状態やドライバのアクセル操作から前記内燃機関が発生するべき目標出力トルクを算出する目標出力トルク算出手段と、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて目標点火時期を算出する目標点火時期算出手段と、
   エンジン回転数、充填効率、目標点火時期、空燃比、および、燃料の総発熱量に基づいて、前記内燃機関の実出力トルクを算出する実出力トルク算出手段と、
   前記充填効率と前記実出力トルクとに基づいて、充填効率−トルク変換係数を算出し、前記目標出力トルクと前記充填効率−トルク変換係数とに基づいて、目標充填効率を算出し、前記目標充填効率に基づいて前記内燃機関が吸入するべき目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段と
   を備え、
   前記目標吸入空気量算出手段により算出された前記目標吸入空気量を実現するよう前記スロットル開度制御手段により前記スロットル開度を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料の総発熱量は、前記燃料の屈折率の測定値から推定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。
3. 前記燃料は、アルコールを含有することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記アルコールはエタノールとし、前記燃料中に含有される量は体積比で０〜１００％までの範囲であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 上記燃料の屈折率は、前記燃料を構成するベース燃料密度およびアルコール濃度のそれぞれに対して比例関係にあって、
   ベース燃料密度およびアルコール濃度の異なる燃料に関し、前記燃料の総発熱量は、前記燃料の屈折率の測定値から推定されることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記燃料の屈折率の測定は燃料性状センサにより行うものであって、
   前記燃料性状センサは、
   グレーティングを形成したコアとクラッドとを備えた光ファイバーと、
   前記光ファイバーに光を入射する光源と、
   前記光源から前記光ファイバーに入射して前記グレーティングを透過した光の総光強度を検出する受光素子と
   を備えたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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