KR20100058589A

KR20100058589A - 내연기관용 제어 장치 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20100058589A
Application number: KR1020107006391A
Authority: KR
Inventors: 히데노리 모리야; 류우스께 오기노
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2010-06-03
Also published as: EP2198139A2; WO2009040632A3; EP2198139B1; JP4893553B2; US20100241333A1; CN101809265A; US8380422B2; JP2009074516A; KR101133290B1; WO2009040632A2; CN101809265B

Abstract

일차 개도 설정 장치는 액셀러레이터 조작량 결정 장치에 의해 결정된 액셀러레이터 페달 개도에 근거하여 일차 스로틀 밸브 개도를 설정한다. 분사량 산출 장치는 일차 스로틀 밸브 개도에 근거하여 연료 분사량을 설정한다. 제1 지표치 결정 장치는 엔진의 실린더 안의 공기-연료 혼합기의 연소 상태를 나타내는 제1 지표치를 결정한다. 이차 개도 설정 장치는, 스로틀 밸브의 개도의 최종 목표치인 이차 스로틀 밸브 개도를, 상기 제1 지표치에 근거해서 설정한다.

Description

내연기관용 제어 장치 및 제어 방법{CONTROL APPARATUS AND CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 엔진의 과도 운전 중에 실린더 내의 공기-연료 혼합기의 공연비를 적절한 범위로 증가시키기 위한 내연기관의 제어 장치 및 제어 방법에 관련된 것이다.

일본 특허 공개 공보 제5-321726호(JP-A-5-321726)에는, 내연기관의 토크 변동량을 결정하여서, 토크 변동량이 목표 토크 변동량과 같아지도록 엔진 실린더 내에 형성된 공기-연료 혼합기의 공연비를 이론 공연비보다 큰 적정치[린 공연비(lean air-fuel ratio)]로 피드백 제어하는 장치에 대하여 설명되어 있다. 그 제어 장치는 흡기량을 결정하고, 그 결정된 흡기량에 근거하여 연료 분사량을 설정하고, 그 설정된 연료 분사량을 변경시킴으로써 공연비를 린 공연비로 변경시킨다. 더 상세하게 설명하자면, 상기 제어 장치는 액셀러레이터 조작량에 기초한 목표 스로틀 밸브 개도(opening amount)를 설정하고, 실제 스로틀 밸브 개도를 목표 스로틀 밸브 개도와 같게 한다. 또한, 상기 제어 장치는 토크 변동량을 감시하면서 연료 분사량을 감소시킴으로써 공연비를 있을 수 있는 최대 린(lean)화 공연비로 변경시키는 제어(이하에서는, "린 제한 제어"라고 칭하기도 함)를 실행한다.

그러나, 상기 제어 장치는 연료 분사량을 감소시킴으로써 공연비를 린 공연비로 변경시키기 때문에, 공연비가 더 린(lean)화한 공연비로 변경된 때에는, 액셀러레이터 조작량이 일정한 경우에조차도, 연소에 기여하는 연료의 양이 감소하게 된다. 그 결과, 엔진에 의해 발생된 토크가 비교적 크게 감소함으로 인해 운전자가 불안감을 느낄 수 있다. 또한, 상기 제어 장치는 결정된 흡기량에 근거하여서 설정한 연료 분사량을 감소시킴으로써 공연비를 린 공연비로 변경시킨다. 따라서, 어떤 상태 하에서는, 엔진의 과도 운전 중에 흡기량을 정확하게 결정할 수 없게 되어서, 공연비가 과도하게 린(lean)화 하게 되고, 그에 따라 점화가 이루어지지 않거나 연소가 불안정해져서, 점화가 이루어지지 않았음에도 불구하고 토크가 크게 변동하게 된다. 따라서, 상기 제어 장치는 엔진 부하가 비교적 낮고 엔진이 정상 작동 상태에 있을 때에만 린 제한 제어를 실행하게 된다. 그 결과, 공연비를 린 공연비로 설정할 수 있게 되는 엔진 운전 상태가 제한된다. 따라서, 연료 경제성을 추가로 향상시키는 것이 어려워진다.

본 발명은, 내연기관이 정상 운전 상태에 있을 때뿐만 아니라 내연기관이 과도 운전 상태에 있을 때에, 내연기관 운전 상태(공기-연료 혼합기의 연소 상태)를 안정화시키면서 공연비를 린(lean)화 시킬 수 있는, 내연기관용 제어 장치 및 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 제1 태양은 내연기관용 제어 장치에 관한 것이다. 이 제어 장치는 액셀러레이터 조작량을 결정하는 액셀러레이터 조작량 결정 장치와, 결정된 액셀러레이터 조작량에 근거하여 연료 분사량을 설정하는 연료 분사량 설정 장치와, 연료를 설정된 연료 분사량으로 분사시키는 연료 분사 장치를 포함한다.

즉, 상기 본 발명의 제어 장치에 의하면, 액셀러레이터 조작량에 상응하는 양의 연료가 분사된다. 여기서 "액셀러레이터 조작량에 상응하는 양의 연료"라는 표현은, 예를 들면, 엔진의 요구 토크(요구 엔진 토크)를 발생시킴에 있어 엔진에서 필요로 하는 연료량으로서, 적어도 액셀러레이터 조작량에 근거하여 정해지는 것을 나타낸다. 대안적으로, 상기 액셀러레이터 조작량에 상응하는 양의 연료는, 액셀러레이터 조작량이 증가함에 따라 스로틀 밸브 개도가 증가한다고 가정할 때, 소정 목표 공연비에 근거하여서 그 소정 목표 공연비(일례로, 이론 공연비)를 달성하도록 설정되는 연료의 양과, 액셀러레이터 조작량에 근거하여 추정된, 엔진 실린더 안으로 흡입된 공기의 양일 수 있다.

본 발명의 제어 장치는, 엔진의 실린더 안의 공기-연료 혼합기의 연소 상태를 나타내는 제1 지표치를 결정하는 제1 지표치 결정 장치와; 스로틀 밸브의 개도의 최종 목표치인 이차 스로틀 밸브 개도를 설정하되 상기 결정된 제1 지표치가 제1 목표 지표치와 동일해지도록 설정하는 이차 개도 설정 장치와; 스로틀 밸브의 개도가 상기 설정된 이차 스로틀 밸브 개도와 동일해지도록 스로틀 밸브를 제어하는 스로틀 밸브 제어 장치도 또한 포함한다.

상기 제1 지표치는 공기-연료 혼합기의 연소 상태, 일례로 연소 질량 분율(MFB: mass fraction burned)과 열량비를 나타낸다. 공연비가 린화되면, 상기 제1 지표치는 변경된다. 따라서, 본 태양에 따른 제어 장치는 제1 지표치를 결정하여서, 그 결정된 제1 지표치가 제1 목표 지표치와 동일해지도록 스로틀 밸브 개도를 제어한다. 즉, 본 태양에 따른 제어 장치는 스로틀 밸브 개도를 증가시켜서 공연비를 린화시킴으로써, 연료 분사량을 액셀러레이터 조작량에 근거하여 변경시키지 않고도 결정된 제1 지표치를 제1 목표 지표치와 동일하게 할 수 있다.

그 결과, 공연비가 더 린화된 공연비로 변경된 때, 연소에 기여하게 되는 연료의 양은 감소하지 않는다. 이에 의하면, 엔진에 의해 발생된 토크가 비교적 크게 감소함에 따라 운전자가 불안감을 느끼게 되는 상황을 피할 수 있게 된다. 또한, 일례로 엔진의 과도 운전 중에 흡입 공기량이 정확히 추정되지 않는 경우, 엔진에 의해 발생된 토크의 변동을 감소시키면서 공연비를 린화시키는 것이 가능한데, 그 이유는 제1 지표치와 제1 목표 지표치가 동일해지도록 스로틀 밸브 개도가 제어되기 때문이다.

제1 태양에 있어서, 상기 주입량 설정 장치는, 결정된 액셀러레이터 조작량이 증가함에 따라 일차 스로틀 밸브 개도가 증가할 수 있도록 상기 일차 스로틀 밸브 개도를 설정하는 일차 개도 설정 장치와; 스로틀 밸브의 개도가 일차 스로틀 밸브 개도와 동일하다고 가정했을 때에 엔진의 실린더 안으로 흡입되는 공기량에 상응하는 값인 공기량 상응치를 추정하는 추정 장치와; 추정된 공기량 상응치에 대응하는 양의 공기가 실린더 안으로 흡입되었다고 가정했을 때에 실린더 안의 공기-연료 혼합기의 공연비가 일차 목표 공연비와 동일해지도록 연료 분사량을 산출하는 연료 분사량 산출 장치를 포함한다.

상기 추정 장치에 의해 추정된 공기량 상응치는 흡입 공기량 그 자체일 수 있거나, 아니면 흡입 공기량에 비례하는 값(일례로, 각 실린더 안으로 흡입된 공기량을 실린더의 최대 체적으로 나누어서 얻어진 값)일 수 있다. 상기 추정 장치는 내연기관의 실린더 안으로 흡입된 공기의 거동을 물리 법칙에 준거해서 기술하는 공지된 "공기 모델"을 사용하여서, 흡입 공기량을 흡입 공기량 상응치로서 추정할 수 있다. 대안으로서, 상기 추정 장치는 스로틀 밸브 개도와 흡입 공기량 사의의 관계를 사전에 한정하는 조견 표(도표)[lookup table(map)], 함수 등을 사용하여서, 흡입 공기량을 흡입 공기량 상응치로서 추정할 수 있다.

일례로, 일차 목표 공연비는 이론 공연비이거나, 아니면 이론 공연비가 아닌 사전에 결정된 공연비일 수 있다. 상기 연료 분사량 산출 장치는 흡입 공기량 상응치에 대응하는 흡입 공기량(즉, 흡입 공기량 상응치로 나타낸 흡입 공기량)을 일차 목표 공연비로 나눔으로써 얻어진 값에 근거하여 연료 분사량을 산출한다. 대안으로서, 상기 연료 분사량 산출 장치는 공기량 상응치와 연료 분사량과의 관계(즉, 일차 목표 공연비에서의 공기량 상응치와 연료 분사량 간의 관계)를 사전에 한정하는 조견 표(도표), 함수 등을 사용하여서, 연료 분사량을 산출할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 실제의 스로틀 밸브 개도가 "액셀러레이터 조작량이 증가함에 따라 증가하는 일차 스로틀 밸브 개도"로 제어된다는 가정 하에서 실린더 내의 공기-연료 혼합기의 공연비와 일차 목표 공연비가 같아지게끔 하는, 연료 분사량이 산출된다. 그 결과, 액셀러레이터 개도의 증가와 더불어 요구 엔진 토크가 증가함에 따라, 대량의 연료가 분사된다.

또한, 본 발명의 제1 태양에 있어서, 상기 이차 개도 설정 장치는, 결정된 제1 지표치를 제1 목표 지표치와 같아지도록 하는 데 사용된 이차 목표 공연비에 상응하는 값인 공연비 상응치를 상기 제1 지표치와 상기 제1 목표 지표치에 의거하여 산출하는 공연비 상응치 산출 장치와; 이차 스로틀 밸브 개도를, 상기 산출된 연료 분사량에 상응하는 값과 상기 결정된 공연비 상응치에 근거하여, 산출하는 이차 개도 산출 장치를 포함한다.

상술한 "공연비 상응치"는 제1 지표치와 제1 목표 지표치가 같아지게 하는 데 사용되는 목표 공연비(이차 목표 공연비)일 수 있다. 대안으로, 상기 "공연비 상응치"는 공연비와 이차 목표 공연비가 같아지게 하는 데 사용되는 공연비 보정치일 수 있다. 상기 "산출된 연료 분사량에 상응하는 값"은, 예를 들면, 연료 분사량 산출 장치에 의해 산출된 연료 분사량일 수 있다. 대안으로, 상기 "산출된 연료 분사량에 상응하는 값"은, 예를 들면, 연료 분사량 산출 장치가 연료 분사량을 산출할 때에 기초로 삼는 흡입 공기량(혹은, 일례로 부하율 등과 같이 흡입 공기량에 비례하는 값인, 흡입 공기량에 상응하는 값과, 상기 공기량 상응치)일 수 있다. 이어서, 상기 "제1 지표치와 제1 목표 지표치가 같아지게 하는 데 사용되는 이차 스로틀 밸브 개도"가, 산출된 연료 분사량에 상응하는 값과 결정된 공연비 상응치에 근거하여, 산출된다.

이와 같은 구성에 의하면, 연료 분사량을 변경시키지 않고도, 스로틀 밸브 개도를 상기한 바와 같이 해서 산출된 이차 스로틀 밸브 개도와 동일하게 함으로써, 공연비를 적절한 린 공연비(연소 상태가 허용 가능한 범위에 있는 가능한 최대로 린화된 공연비, 즉 제1 지표치를 제1 목표 지표치와 일치시키는 데 사용되는 린 공연비)로 쉽게 설정할 수 있다.

제1 지표치는 내연기관의 크랭크 각 θ가 소정의 제1 크랭크 각과 동일(θ = θ1)한 때의 실제 연소 질량 분율(MFB)일 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 연소 상태를 적절하게 나타내는 지표치를 신뢰성 있게 결정할 수 있다. 제1 크랭크 각 θ1은 실제 연소의 중기 내지 후기에서의 크랭크 각이다. 상기 제1 크랭크 각 θ1은, 공연비가 목표 린 공연비와 동일할 때에는 제1 크랭크 각 θ1에서의 연소 질량 분율이 소정치와 동일해질 수 있도록 설정하고, 그리고 공연비가 목표 린 공연비보다 더 리치(rich)해진 때에는 제1 크랭크 각 θ1에서의 연소 질량 분율이 소정치보다 더 클 수 있도록 설정한다. 일례로, 제1 크랭크 각 θ1은 압축 상사점 후 30°CA(30°CAATDC)일 수 있다.

연소 질량 분율(MFB)은 엔진 안의 연소 상태를 나타내는 지표치이다. 연소 질량 분율(MFB)은 열량비와 실질적으로 동일하다. 열량비는 "Qsum/Qtotal, 즉 연소실 내에서 연소된 연료 전체에 의해 발생되고서 피스톤에 가해지는 일로 변환되는 총열량 Qtotal에 대한, 연소실 내에서 소정 시기(timing)(소정의 크랭크 각)까지 연소된 연료에 의해 발생되고서 피스톤에 가해지는 일로 변환되는 열의 누적량인 누적 열량 Qsum의 비"로 정의된다. 연소 질량 분율(MFB)은, "연소실 내에서 연소되어서 피스톤에 가해지는 일에 기여하는 연료 전체의 총량에 대한, 연소실 내에서 소정 시기(소정의 크랭크 각)까지 연소되어서 피스톤에 가해지는 일에 기여하는 연료의 누적량의 비"로 정의된다.

상기 연소 질량 분율(MFB)은 실린더 내의 압력(이하, "실린더 압력"이라고 칭함)에 근거하여서 다음에 기재하는 수학식 1에 따라서 쉽게 결정할 수 있다. 연소 질량 분율(MFB)은 소정의 시기를 나타내는 크랭크 각 θ와 관련하여서 결정된다. 크랭크 각 θ에서의 연소 질량 분율(MFB)을 MFBθ로 나타낸다. 따라서, 제1 지표치는 크랭크 각 θ가 제1 크랭크 각 θ1로 설정되었을 대의 연소 질량 분율이다. 연소 질량 분율(MFB)을 결정하는 상세한 방법은 예를 들면 일본 특허 공개 공보 제2006-144645호(JP-A-2006-144645) 및 일본 특허 공개 공보 제2007-32531호(JP-A-2007-32531)에 설명되어 있다.

[수학식 1]

상기 수학식 1은 누적 열량 Q의 변동 패턴은 실질적으로

와 실질적으로 매칭된다는 지견에 근거하여 정해진 것이다. 누적 열량 Q는, 발생되어서 피스톤에 가해지는 일에 기여하는 열의 누적량이다. Pc(θ)는 크랭크 각 θ에서의 실린더 압력이고, V(θ)는 크랭크 각 θ에서의 연소실(25)의 체적이고, κ는 혼합 가스의 비열의 비(일례로, 1.32)이다. 수학식 1의 분모는 연소 질량 분율(MFB)의 100%에 상당하는 값이다.

상기 수학식 1에서의 크랭크 각 θ는, 압축 상사점에서는 상기 크랭크 각 θ가 0이 되고, 상기 크랭크 각 θ가 압축 상사점으로부터 그 압축 상사점 이전의 지점을 향해 진각(進角)한 때에는 상기 크랭크 각 θ가 음의 값이 되되 그 크랭크 각 θ의 절대치는 증가하고, 상기 크랭크 각 θ가 압축 상사점으로부터 그 압축 상사점 이후의 지점을 향해 지각(遲角)한 때에는 상기 크랭크 각 θ가 양이 값이 되되 그 크랭크 각 θ의 절대치가 증가하도록, 정의된다. 수학식 1에서, 크랭크 각 θs(θs < 0)는 목표 연소 행정(팽창 행정) 이전의 압축 행정에서 흡기 밸브와 배기 밸브 모두가 폐쇄되는 시기로서, 이는 점화 시기에 비해서 충분히 진각된 시기(일례로, θs = -30°, 즉 30°CA BTDC)이다. 크랭크 각 θe(θe > 0)는 목표 연소 행정에서의 연소가 실질적으로 종료되는 최대 지각 시기에 비해서 지각된 소정의 시기로서, 이는 배기 밸브 개방 시기에 비해서 진각된 시기(일례로, θe = 60°, 즉 60°CA ATDC)이다. 수학식 1의 Pc(θe)×Vc(θe)^κ는 크랭크 각 θs에서부터 θe까지의 범위에서는 Pc(θ)×Vc(θ)^κ의 최대치로 치환될 수 있다.

또한, 제1 지표치 결정 장치는, 다음에서 수학식 2로 나타낸 소위 위베(Wiebe) 함수라고 하는 연소 모델을 사용하여서(일례로, 일본 특허 공개 공보 제2006-9720호(JP-A-2006-9720)를 참고할 수 있음), 크랭크 각 θ가 제1 크랭크 각 θ1과 동일(θ = θ1)한 때의 연소 질량 분율(MFB)을 제1 지표치로서 결정한다. 수학식 2에서, 파라미터 c와 d는 소정의 일정치이다. 또한, 수학식 2의 파라미터

는 점화 시기에 따라서 변화할 수 있고, 파라미터

는 흡기 밸브와 배기 밸브 모두가 개방되는 밸브 중첩 기간에 따라서 변화할 수 있다.

[수학식 2]

따라서, 내연기관의 크랭크 각이 소정의 제1 크랭크 각과 동일한 때의 실제 연소 질량 분율을 제1 지표치로서 활용함으로써, 그 내연기관의 연소 상태를 불안정하게 하지 않으면서도 공연비를 소망하는 린 공연비(연소가 안정된 범위에서 가능한 최대 린화 공연비, 즉 한계 린 공연비)로 쉽게 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 내연기관용 제어 장치는, 엔진의 실린더 내의 공기-연료 혼합기의 연소 상태를 나타내는 제2 지표치를 결정하는 제2 지표치 결정 장치와, 상기 제2 지표치가 제2 목표 지표치와 동일해지도록 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 장치도 추가로 포함할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 제2 지표치가 제2 목표 지표치와 동일해지도록 점화 시기가 제어된다. 내연기관들 간에 개별적인 편차가 있을 때에는 제1 지표치와는 다른 제2 지표치가 제2 목표 지표치와 같아지도록 점화 시기가 제어되기 때문에, 그 점화 시기는 각 내연기관에 따라서 적절하게 제어될 수 있게 된다. 그 결과, 연소 효율이 향상되고, 내연기관에서 출력되는 토크가 증가한다. 즉, 상기한 바와 같은 구성에 의하면, 내연기관들 간에 개별적인 편차가 있는 때에도, 안정된 연소 상태를 유지하면서 공기-연료 혼합기의 공연비를 린화시킬 수 있고, 공기-연료 혼합기를 효율적으로 연소시킬 수 있다.

소정의 제2 크랭크 각 θ(제2 크랭크 각 θ2)에서의 제2 연소 질량 분율(MFBθ2)을 결정하고, 제2 연소 질량 분율 MFBθ2가 목표치(일례로, 50% 내지 60% 범위의 소정치)와 동일해지도록 점화 시기 SA를 제어함으로써, 연소 효율이 향상되고, 내연기관에서 출력되는 토크가 증가한다. 제2 크랭크 각 θ2는 일반적으로는 압축 상사점 이후의 8°CA(8°CA ATDC)이다. 상술한 제1 크랭크 각 θ1은 연소의 중기에서부터 후기까지의 소정의 크랭크 각이다. 일례로, 제1 크랭크 각 θ1은 압축 상사점 이후의 30°CA(30°CA ATDC)이다.

따라서, 상기 제2 지표치 결정 장치는 내연기관의 크랭크 각이 상기 제1 크랭크 각에 비해 진각인 상기 제2 크랭크 각과 동일한 때의 실제 연소 질량 분율을 제2 지표치로서 결정한다.

이와 같은 구성에 의하면, 제2 지표치를 더 용이하게 결정할 수 있다. 이 경우에서도 연소 질량 분율 MFBθ(θ = θ2)은 상기 수학식 1 또는 수학식 2를 사용하여 쉽게 결정할 수 있다.

본 발명의 제2 태양은 내연기관의 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제어 방법은, 액셀러레이터 조작량을 결정하는 단계와, 결정된 액셀러레이터 조작량에 근거하여 연료 분사량을 설정하는 단계와, 연료를 상기 설정된 연료 분사량으로 분사시키는 단계와, 엔진의 실린더 내의 공기-연료 혼합기의 연소 상태를 나타내는 제1 지표치를 결정하는 단계와, 상기 제1 지표치의 목표치인 제1 목표 지표치를 설정하는 단계와, 상기 결정된 제1 지표치가 상기 제1 목표 지표치와 동일해지게 하는 것이자 스로틀 밸브의 개도의 최종 목표치인 이차 스로틀 밸브 개도를 설정하는 단계와, 스로틀 밸브의 개도가 상기 설정된 이차 스로틀 밸브 개도와 동일해지도록 스로틀 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제2 태양에 따르면, 결정된 제1 지표치가 제1 목표 지표치와 동일해지도록 스로틀 밸브의 개도를 증가시킴으로써, 액셀러레이터 조작량에 근거하여 설정된 연료 분사량을 변경시키지 않고도 공연비를 린화시킬 수 있다. 공연비가 더 린화된 공연비로 변경되면, 연소에 기여하는 연료량은 감소하게 된다. 이로써, 엔진에 의해 발생된 토크가 비교적 크게 감소함으로 인해 운전자가 불안감을 느끼게 되는 상황을 피할 수 있게 된다.

본 발명의 상기한 바와 같은 목적, 특징 및 이점들과 그 외의 또 다른 목적, 특징 및 이점들은 동일 부재에 동일한 도면 부호를 붙인 첨부된 도면을 참조하여 다음에서 설명하는 여러 실시예들로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치가 설치된 내연기관을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 3은 연소 질량 분율이 크랭크 각에 대해서 어떻게 변화하는지를 보이는 타임 챠트이다.
도 4는 공연비가 각 값으로 변경된 때에 연소 질량 분율이 크랭크 각에 대해서 어떻게 변화하는지를 보이는 타임 챠트이다.
도 5는 점화 시기와, 크랭크 각이 소정의 제2 크랭크각과 같을 때의 실제 연소 질량 분율과, 엔진에 의해 발생된 토크와의 관계를 보이는 그래프이다.
도 6은 점화 시기가 각 시기로 변경된 때에 연소 질량 분율이 크랭크 각에 대해 어떻게 변경되는지를 보이는 타임 챠트이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치의 상세한 기능 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치의 상세한 기능 블록도이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 내연기관용 제어 장치의 여러 실시예들에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제어 장치가 피스톤 왕복동형의 불꽃 점화식 다기통(4기통) 4 사이클 내연기관인 엔진(10)에 적용된 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 개략도이다. 도 1은 단지 한 실린더의 단면을 도시하고 있지만, 다른 실린더들도 동일한 구성을 갖는다.

상기 엔진(10)은, 실린더 블록, 실린더 블록 하부 케이스, 및 오일 팬을 구비하는 실린더 블록부(20)와; 상기 실린더 블록부(20)에 고정된 실린더 헤드부(30)와; 공기와 가솔린의 혼합기를 상기 실린더 블록부(20)에 공급하는 흡기 시스템(40)과; 배기 가스를 상기 실린더 블록부(20)로부터 외부로 방출시키는 배기 시스템(50)을 포함한다.

상기 실린더 블록부(20)는 실린더(21), 피스톤(22), 커넥팅 로드(23), 및 크랭크축(24)을 포함한다. 피스톤(22)은 실린더(21) 내에서 왕복한다. 피스톤(22)의 왕복 운동은 상기 커넥팅 로드(23)를 거쳐서 크랭크축(24)으로 전달된다. 그에 따라 크랭크축(24)이 회전한다. 실린더(21)와, 피스톤(22)의 헤드와, 실린더 헤드부(30)는 연소실(25)을 형성한다.

실린더 헤드부(30)는, 연소실(25)에 연통된 흡기 포트(31), 상기 흡입 포트(31)를 개폐하는 흡기 밸브(32), 상기 흡기 밸브(32)를 개폐하는 흡기 밸브 제어 장치(33), 상기 연소실(25)에 연통된 배기 포트(34), 상기 배기 포트(34)를 개폐하는 배기 밸브(35), 상기 배기 밸브(35)를 구동하는 배기 캠축(36), 점화 플러그(37), 상기 점화 플러그(37)에 제공하는 고전압을 발생시키는 점화 코일을 포함한 이그나이터(38), 그리고 연료를 흡기 포트(31) 내로 분사하는 인젝터(연료 분사 수단)(39)를 구비하고 있다.

흡기 밸브 제어 장치(33)는, 흡기 캠축과 흡기 캠(도시되지 않음)과의 상대 회전 각도(위상각)를 유압에 의해 조정하고 제어하는 공지의 구성을 갖는다. 상기 흡기 밸브 제어 장치(33)는 흡기 밸브(32)의 개방 시기(흡기 밸브 개방 시기) VT를 변경할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 흡기 밸브의 개방 기간(밸브 지속 기간)은 일정하다. 따라서, 흡기 밸브 개방 시기가 소정 각도만큼 진각 또는 지각되면, 흡기 밸브 폐쇄 시기도 동일한 소정 각도만큼 진각 또는 지각된다.

흡기 시스템(40)은 흡기관(41), 에어 필터(42), 스로틀 밸브(43), 및 스로틀 밸브 액츄에이터(43a)를 구비한다. 상기 흡기관(41)은, 흡기 포트(31)에 연통되어서 이 흡기 포트(31)와 함께 흡기 통로를 형성하는 흡기 매니폴드를 포함한다. 상기 에어 필터(42)는 흡기관(41)의 단부에 설치된다. 상기 스로틀 밸브(43)는 흡기관(41) 내에 설치되어서 흡기 통로의 개방 단면적을 가변시킨다. 상기 스로틀 밸브 액츄에이터(43a)는 DC 모터를 포함하고, 스로틀 밸브 구동 장치(스로틀 밸브 제어 장치)를 구성한다. 스로틀 밸브 액츄에이터(43a)는, 이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt를 나타내는 구동 신호를 받게 되면, 스로틀 밸브(43)의 실제 개도 TA가 상기 이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt와 일치할 수 있도록 스로틀 밸브(43)를 구동시킨다.

배기 시스템(50)은, 배기 포트(34)에 연통된 배기 매니폴드(51), 상기 배기 매니폴드(51)에 연통된 배기관(52), 상류측 삼원촉매(three-way catalyst)[제1 촉매](53), 및 하류측 삼원촉매[제2 촉매](54)를 구비한다. 상기 상류측 삼원촉매(53)는 배기관(52) 안에 설치된다. 하류측 삼원촉매(54)는 상기 상류측 삼원촉매(53)의 하류측에서 배기관(52) 안에 설치된다. 배기 포트(34)와 배기 매니폴드(51)와 배기관(52)은 배기 통로를 구성한다.

상기 시스템은, 열선식 공기 유량계(61), 스로틀 위치 센서(62), 캠 위치 센서(63), 크랭크 위치 센서(64), 각 실린더 안에 설치된 실린더 압력 센서(65), 냉각수 온도 센서(66), 상기 제1 촉매(53)의 상류측 위치에서 배기 통로 안에 설치된 상류측 공연비 센서(67), 제1 촉매(53)의 하류측이자 제2 촉매(54)의 상류측인 위치에서 배기 통로 안에 설치된 하류측 공연비 센서(68) 및 액셀러레이터 조작량 센서(69)를 구비한다.

열선식 공기 유량계(61)는, 흡기관(41) 내를 유동하는 흡입 공기의 단위 시간당 질량 유량을 검출해서, 그 질량 유량 Ga를 나타내는 신호를 출력한다. 스로틀 위치 센서(62)는, 스로틀 밸브(43)의 개도를 검출해서, 스로틀 밸브 개도 TA를 나타내는 신호를 출력한다. 캠 위치 센서(63)는, 흡기 캠축이 소정 각도로부터 90도 회전한 때와, 그 다음에 90도 더 회전한 때와, 그 다음에 180도 더 회전한 때마다 펄스를 출력한다. 캠 위치 센서(63)의 이와 같은 출력 신호를 "G2 신호"라고 칭하기도 한다. 크랭크 위치 센서(64)는, 크랭크축(24)이 10도 회전할 때마다 펄스를 출력한다. 크랭크 위치 센서(64)로부터 출력되는 펄스는 엔진 회전 속도 NE를 나타내는 신호로 변환된다. 또한, 캠 위치 센서(63)와 크랭크 위치 센서(64)로부터 나온 신호에 의거하여, 엔진(10)의 절대 크랭크각과, 각 실린더의 압축 상사점에 대한 크랭크각 θ를 결정한다. 실린더 압력 센서(65)는, 그 실린더 압력 센서(65)가 장착된 연소실(25) 내의 압력을 검출해서 그 연소실(25)에서 검출된 실린더 압력 Pc를 나타내는 신호를 출력하게 되어 있다.

상기 상류측 공연비 센서(67)는, 촉매(53)의 상류측 공연비를 검출하여서, 그 촉매(53)의 상류측 공연비를 나타내는 신호를 출력한다. 상기 하류측 공연비 센서(68)는, 촉매(53)의 하류측 공연비를 검출하여서, 그 촉매(53)의 하류측 공연비를 나타내는 신호를 출력한다. 액셀러레이터 조작량 센서(69)는, 운전자에 의해서 조작되는 액셀러레이터 페달(81)의 조작량을 검출해서, 그 액셀러레이터 페달(81)의 조작량 PA를 나타내는 신호를 출력한다.

전기 제어 장치(70)는, CPU(71), ROM(72), RAM(73), 백업 RAM(74), 및 인터페이스(75)를 구비하는 마이크로컴퓨터이다. CPU(71)에 의해 실행되는 루틴(프로그램), 표(조견 표 및 도표), 및 상수 등은 ROM(72)에 미리 저장된다. 필요에 따라서는, CPU(71)가 데이터를 RAM(73)에 일시적으로 저장하기도 한다. 전원이 백업 RAM(74)로 공급되고 있을 때에는 데이터가 상기 백업 RAM(74)에 저장되고, 전원이 공급이 차단되고 있을 때라도 상기 백업 RAM(74)에 저장된 데이터는 유지된다. 상기 인터페이스(75)는 AD 컨버터를 포함한다. 상기 인터페이스(75)는 전기 센서 (61 ~ 69)에 접속되고, 상기 센서(61 ~ 69)로부터 나온 신호를 CPU(71)로 공급한다. 인터페이스(75)는 CPU(71)의 지시에 따라서 흡기 밸브 제어 장치(33), 인젝터(39) 및 스로틀 밸브 액츄에이터(43a)에 구동 신호를 송출하며 이그나이터(38)에 점화 신호를 송출한다.

[제어의 개요 1: 연료 분사량 및 스로틀 밸브 개도의 제어]

이어서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 제어 장치에 의해 행해지는 연료 분사량 및 스로틀 밸브 개도의 제어에 대해 설명한다. 본 발명의 제어 장치는, 액셀러레이터 조작량에 근거해서 연료 분사량을 설정하여서, 그 연료 분사량의 연료에 의해 형성되는 공기-연료 혼합기의 공연비가 린 공연비(한계 린 공연비)가 되도록 스로틀 밸브 개도를 제어한다. 본 발명의 제어 장치는 스로틀 밸브 개도가 이차 스로틀 밸브 개도와 동일해지도록 한다. 상기 이차 스로틀 밸브 개도는, 제1 지표치인 제1 연소 질량 분율 MFBθ1이 제1 목표 지표치인 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt와 동일해지도록 설정된다.

더 구체적으로는, 기능 블록도인 도 2에 개념적으로 나타내 보인 바와 같이, 본 발명의 제어 장치는 액셀러레이터 조작량 결정 장치(B1), 연료 분사량 설정 장치(B2) 및 연료 분사 장치(B3)를 구비한다. 본 명세서에서, 기능 블록도에 나타낸 각 블록의 기능은 CPU(71)가 소정의 프로그램(도시하지 않음)을 실행할 때에 구현된다.

액셀러레이터 조작량 결정 장치(B1)는 액셀러레이터 페달(81)의 조작량 PA를 액셀러레이터 조작량 센서(69)로부터 나온 신호에 근거해서 결정한다.

연료 분사량 설정 장치(B2)는 일차 개도 설정 장치(B21), 공기량 상응치 설정 장치(B22) 및 연료 분사량 산출 장치(B23)를 포함한다. 상기 연료 분사량 설정 장치(B2)는, 상기 일차 개도 설정 장치(B21)와 공기량 상응치 설정 장치(B22)와 연료 분사량 산출 장치(B23)를 이용해서, 액셀러레이터 페달 조작량 PA에 의거하여 연료 분사량 TAU를 설정한다.

상기 일차 개도 설정 장치(B21)는, 결정된 액셀러레이터 페달 조작량 PA와 스로틀 밸브 개도 표(도 2의 MAPTAz(PA)를 참조)에 근거하여, 일차 스로틀 밸브 개도 TAz를 설정하되 액셀러레이터 페달 조작량 PA가 증가하는 만큼 그 일차 스로틀 밸브 개도 TAz가 증가하도록 설정한다.

상기 공기량 상응치 설정 장치(B22)는, 적어도 결정된 일차 스로틀 밸브 개도 TAz에 근거하여서, 공기량 상응치 KLz를 추정한다. 상기 공기량 상응치 KLz는, 실제의 스로틀 밸브 개도가 상기 설정된 일차 스로틀 밸브 개도 TAz이라고 가정했을 경우에 엔진(10)의 실린더[연소실(25)] 내에 흡입되는 공기의 기준량인 일차 흡입 공기량 Mcz에 상응하는 값이다. 본 실시예에서, 상기 공기량 상응치 KLz는, 실제의 스로틀 밸브 개도가 상기 설정된 일차 스로틀 밸브 개도 TAz이라고 가정했을 경우의 기준 흡입 공기량인 일차 흡입 공기량 Mcz를 그 실린더의 최대 체적 k로 나눈 값(즉, KLz = Mcz/k)이다. 이하에서, KLz 치를 "잠정 부하 인자 KLz"라고도 칭한다.

연료 분사량 산출 장치(B23)는, 공기량 상응치 KLz에 상응하는 양의 공기(즉, 일차 흡입 공기량 Mcz)가 실린더 내에 흡입되었다고 가정했을 경우에, 그 실린더 내에 형성되는 공기-연료 혼합기의 공연비가 일차 목표 공연비 ABYFz와 일치하도록, 연료 분사량 TAU를 산출한다. 본 실시예에서, 상기 일차 목표 공연비 ABYFz는 이론 공연비 stoich이다. 따라서, 연료 분사량 산출 장치(B23)는, 공기량 상응치 KLz에 상응하는 양의 공기(즉, 일차 흡입 공기량 Mcz = k × KLz)를 일차 목표 공연비 ABYFz인 이론 공연비 stoich로 나누어서 연료 분사량 TAU를 산출한다(즉, TAU = k × KLz/stoich).

연료 분사 장치(B3)는 인젝터(39)를 포함한다. 연료 분사 장치(B3)는 피스톤의 흡기 행정 중에 인젝터(39)로 하여금 설정된 연료 분사량 TAU의 연료를 실린더로 분사하게 한다.

따라서, 본 발명의 제어 장치는 액셀러레이터 페달 조작량 PA에 근거하여 연료 분사량 TAU를 설정하여서, 그 설정된 연료 분사량 TAU의 연료를 엔진(10)으로 공급하게 구성되어 있다.

또한, 본 발명의 제어 장치는 제1 지표치 결정 장치(B4), 이차 목표 스로틀 밸브 개도 결정 장치(B5) 및 스로틀 밸브 제어 장치(B6)를 구비한다.

상기 제1 지표치 결정 장치(B4)는, 제1 지표치인 제1 연소 질량 분율 MFBθ1을, 적어도 실린더 압력 센서(65)로부터 취득된 실린더 압력 Pc에 근거해서 결정하게 구성되어 있다. 상기 연소 질량 분율 MFBθ는, 피스톤의 연소 행정 중에 실린더의 크랭크각 θ가 변화하는 것에 따라서 도 3에 나타낸 것처럼 변화한다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 연소 질량 분율 MFBθ는 "엔진(10)의 실린더[연소실(25)] 내에 형성된 공기-연료 혼합기의 연소 상태(연소의 진행 정도)를 나타내는 지표치"이다. 따라서, 제1 연소 질량 분율 MFBθ1은, "피스톤이 연소 행정에 있을 때의 실린더의 크랭크각 θ가 제1 크랭크각 θ1과 동일한 경우에, 그 실린더 내에 형성된 공기-연료 혼합기의 연소 상태(연소의 진행 정도)를 나타내는 제1의 지표치"이다.

더 구체적으로는, 상기 제1 지표치 결정 장치(B4)는, 실린더 압력 센서(65)로부터 취득된 실린더 압력 Pc와 캠 위치 센서(63) 및 크랭크 위치 센서(64)로부터 나온 신호에 따라 결정된 크랭크각 θ에 의거하여, 상기 수학식 1을 이용하여서, 제1 연소 질량 분율 MFBθ1을 결정한다. 제1 크랭크각 θ1은 연소의 중기 내지 후기에 있어서의 소정의 크랭크각이다. 본 실시예에 있어서, 상기 제1 크랭크각 θ1은 압축 상사점(ATDC) 후 30° 크랭크각(CA)이다(θ1 = 30°CA ATDC). 이러한 30°CA ATDC에서의 제1 연소 질량 분율 MFBθ1을 "30° 연소 질량 분율 MFB30(또는, 간단히 "연소 질량 분율 MFB30")"라고도 칭한다.

도 4는 공연비를 여러 가지의 값으로 각각 설정한 경우의 연소 질량 분율 MFBθ의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4에서, 실선은 공연비가 이론 공연비보다 더 린(lean)한(더 높은) 값으로서 이를 넘으면 연소가 불안정해지는 공연비 값(이 공연비 값을 "한계 린 공연비(lean limit air-fuel ratio)"라고 칭하기도 한다)으로 설정된 경우의 연소 질량 분율 MFBθ를 나타내는 것이다. 쇄선은 공연비가 한계 린 공연비보다 리치(rich)한(낮은) 값으로 설정된 경우의 연소 질량 분율 MFBθ를 나타내고 있다. 파선은 공연비가 한계 린 공연비보다 린한(높은) 값으로 설정된 경우의 연소 질량 분율 MFBθ를 나타내고 있다.

도 4에서 점(P1), 점(P2) 및 점(P3)으로 나타낸 바와 같이, 제1 연소 질량 분율 MFBθ1(= 연소 질량 분율 MFB30)은 공연비가 더 린한 공연비가 될수록(공연비가 커질수록) 작아진다. 실험에 의하면, 제1 연소 질량 분율 MFBθ1이 점(P2)으로 나타낸 값 이하가 되면 공연비가 과도하게 크기 때문에 연소가 불안정해진다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 제어 장치는, 제1 연소 질량 분율 MFBθ1의 목표치인 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt를 점(P2)에 의해 나타내지는 연소 질량 분율 MFBθ의 값으로 설정한다. 본 실시예에서 상기 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt는 90%로 설정된다. 이어서, 본 발명의 제어 장치는 실제의 제1 연소 질량 분율 MFBθ1을 결정해서, 그 결정된 제1 연소 질량 분율 MFBθ1이 한계 린 공연비에 상응하는 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt에 일치하도록 공연비를 피드백 제어한다. 상기 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt는 엔진(10)에 따라서 여러 가지의 값(예를 들면, 85 ~ 97%의 범위 내의 값)으로 설정된다.

더 구체적으로는, 상기 이차 개도 설정 장치(B5)는, 결정된 제1 지표치인 제1 연소 질량 분율 MFBθ1(= 연소 질량 분율 MFB30)이 제1 목표 지표치인 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθtgt(= 연소 질량 분율 MFB30tgt)와 일치하도록, 공연비를 조정한다. 이때, 상기 이차 개도 설정 장치(B5)는 연료 분사량 TAU는 변경하지 않고서, 스로틀 밸브 개도를 변경한다. 즉, 상기 이차 개도 설정 장치(B5)는, 제1 연소 질량 분율 MFBθ1과 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθtgt에 근거하여(실제로는, ΔMFB30 = (MFB30－MFB30tgt)인 차에 근거하여), 그 차(ΔMFB30)를 "영(zero)"이 되게 하는 데 필요한 공연비를 얻기 위한 스로틀 밸브 개도의 최종 목표치(이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt)를 설정한다.

보다 구체적으로는, 상기 이차 개도 설정 장치(B5)는, 공연비 상응치 산출 장치(B51)와 이차 개도 산출 장치(B52)를 포함한다.

상기 공연비 상응치 산출 장치(B51)는, 결정된 제1 지표치인 제1 연소 질량 분율 MFBθ1(연소 질량 분율 MFB30)을 제1 목표 지표치인 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt(목표 연소 질량 분율 MFB30tgt)와 일치시키는 데 사용되는 이차 목표 공연비에 상응하는 값 AFL(이하에서는, 이 값을 "공연비 상응치 AFL"라고도 칭한다)을, 결정된 제1 연소 질량 분율 MFBθ1과 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt에 근거하여 산출한다. 본 실시예에서, 상기 공연비 상응치는 엔진(10)에 공급되는 공기-연료 혼합기의 목표 공연비 AFL이다. 상기 공연비 상응치는, 일례로, 목표 공연비를 나타내기 위한 "이론 공연비에 대한 비율"로 할 수도 있다.

예를 들어, 공연비 상응치 산출 장치(B51)는, 제1 연소 질량 분율 MFBθ1(연소 질량 분율 MFB30)이 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt(목표 연소 질량 분율 MFB30tgt)보다 작은 경우에는, 공연비가 더 리치해지도록 상기 공연비 상응치 AFL을 보정한다(감소시킨다). 제1 연소 질량 분율 MFBθ1이 제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt보다 큰 경우에는, 상기 공연비 상응치 산출 장치(B51)는 공연비가 더욱 린화 되도록 공연비 상응치 AFL을 보정한다(증가시킨다).

이차 개도 산출 장치(B52)는, 연료 분사량 산출 장치(B23)에 의해서 산출되는 연료 분사량 TAU에 상응하는 값인 "잠정 부하 인자 KLz"와 결정된 공연비 상응치인 "목표 공연비 AFL"에 의거하여, 상기 연료 분사량 TAU과 관련하여서 목표 공연비 AFL을 얻는 데 필요한 이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt를 산출한다.

상기 스로틀 밸브 제어 장치(B6)는 스로틀 밸브 액츄에이터(43a)를 포함한다. 이 스로틀 밸브 제어 장치(B6)는, 스로틀 밸브(43)의 실제 개도가 결정된 이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt와 일치하도록, 스로틀 밸브 액츄에이터(43a)를 이용하여 스로틀 밸브(43)를 제어한다.

본 발명의 제어 장치는 상술한 바와 같이 연료 분사량 및 스로틀 밸브 개도의 제어를 실시하므로, 공연비가 보다 린한 공연비로 변경될 때에도, 연소에 기여하는 연료의 양은 감소하지 않는다. 이에 의하면, 엔진에서 발생한 토크가 비교적 크게 감소함으로 인해서 운전자가 불안감을 느끼게 되는 상황을 피할 수 있다. 게다가, 일례로 엔진이 과도 운전 중인 때에 실린더 안으로 흡입된 공기량을 정확하게 추정할 수 없는 경우라도, 제1 지표치(MFBθ1)가 제1 목표 지표치(MFBθ1tgt)와 일치하도록 스로틀 밸브 개도가 제어될 수 있기 때문에, 엔진에서 발생되는 토크의 변동을 줄이면서 공연비를 린화 할 수 있다. 상술한 제어에 있어서는, 액셀러레이터 페달 조작량 PA에 상응한 토크를 엔진에 출력시키는 제어가 공연비 제어보다 우선하게 된다. 따라서, 상술한 바와 같은 제어를 "토크 디맨드 컨트롤"이라고도 칭한다.

[제어의 개요 2：점화 시기 제어]

이어서, 본 발명의 제어 장치에 의해 행해지는 점화 시기 제어에 대해 설명한다. 도 5는, 점화 시기 SA와, 엔진(10)의 크랭크각 θ가 소정의 제2 크랭크각과 동일한(θ = θ2) 때의 실제의 연소 질량 분율 MFBθ2와, 엔진(10)에 의해 발생된 토크 TRQ와의 관계를 나타낸 그래프이다. 연소 질량 분율 MFBθ2(제2 연소 질량 분율 MFBθ2)는 "엔진(10)의 실린더[연소실(25)] 내에 형성된 공기-연료 혼합기의 연소 상태(연소의 진행 정도)를 나타내는 제2 지표치"이다. 제2 크랭크각 θ2는 제1 크랭크각 θ1에 비해 진각된 것이다(즉, 제2 크랭크각 θ2는 연소 초기의 크랭크각이다). 본 실시예에 있어서, 상기 제2 크랭크각 θ2는 압축 상사점 후 8°CA(8°CA ATDC)이다. 상기 8°CA ATDC에서의 연소 질량 분율 MFBθ2를 "8° 연소 질량 분율 MFB8(또는, 간단히 "연소 질량 분율 MFB8")"이라고 칭하기도 한다. 도 5에 보인 바와 같이, 발생 토크 TRQ가 최대치가 되는 8° 연소 질량 분율 MFB8은 약 50%(도 5의 영역 A를 참조)이다. 환언하면, 연소 질량 분율 MFB8이 50%에 일치되도록 점화 시기를 제어함으로써, 엔진(10)에 의해 발생되는 토크를 최대로 할 수 있다.

도 6은 연료 분사량 및 실린더 흡입 공기량을 일정하게(즉, 공연비를 일정하게) 해서 점화 시기 SA를 변경했을 때의 연소 질량 분율 MFBθ의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6에서, 실선은 점화 시기를 소정의 점화 시기에 설정했을 경우의 연소 질량 분율 MFBθ를 나타내는 것이다. 쇄선은 점화 시기를 소정의 점화 시기보다 진각된 점화 시기로 설정했을 경우의 연소 질량 분율 MFBθ를 나타내는 것이다. 파선은 점화 시기를 소정의 점화 시기보다 지각된 점화 시기로 설정했을 경우의 연소 질량 분율 MFBθ를 나타내는 것이다. 도 6에서 점(P4), 점(P5) 및 점(P6)으로 나타낸 바와 같이, 점화 시기 SA가 지각하는 만큼 제2 연소 질량 분율 MFBθ2(=연소 질량 분율 MFB8)가 감소한다. 또한, 점화 시기 SA가 진각하는 만큼 제2 연소 질량 분율 MFBθ2(= 연소 질량 분율 MFB8)는 증가한다.

따라서, 본 발명의 제어 장치는, 제2 지표치로서의 제2 연소 질량 분율 MFBθ2인 "연소 질량 분율 MFB8"가 최대 토크를 얻을 수 있는 제2 목표 지표치로서의 "제2 목표 연소 질량 분율 MFB8tgt(예를 들면, 50% 근방의 값)"과 일치하도록, 점화 시기 SA를 피드백 제어한다.

더 구체적으로는, 본 발명의 제어 장치는 기능 블록도인 도 7에 개념적으로 나타내 보인 것처럼 제2 지표치 결정 장치(C1)와 점화 시기 제어 장치(C2)를 구비한다.

상기 제2 지표치 결정 장치(C1)는, 제2 지표치인 제2 연소 질량 분율 MFBθ2(제2 연소 질량 분율 MFB8)를, 적어도 실린더 압력 센서(65)로부터 취득된 실린더 압력 Pc에 근거해서 결정한다.

더 구체적으로는, 상기 제2 지표치 결정 장치(C1)는, 실린더 압력 센서(65)로부터 취득된 실린더 압력 Pc와, 캠 위치 센서(63) 및 크랭크 위치 센서(64)로부터 나온 신호에 의거하여 결정된 크랭크각 θ에 근거하여, 상술한 수학식 1을 이용하여서, 엔진(10)의 크랭크각 θ가 소정의 제2 크랭크각과 일치할 때의(θ = θ2 = 8°) 실제의 "제2 연소 질량 분율 MFBθ2"를 결정한다.

점화 시기 제어 장치(C2)는, 결정된 제2 지표치(연소 질량 분율 MFB8)가 제2 목표 지표치(목표 연소 질량 분율 MFB8tgt로서, 본 실시예에서는 50%임)와 일치하도록, 점화 시기 SA를 피드백 제어한다. 즉, 바로 전회의 점화 시기에서 점화를 행한 결과로써 얻어진 연소 질량 분율 MFB8이 목표 연소 질량 분율 MFB8tgt보다 작으면, 점화 시기 제어 장치(C2)는 금번 점화 시기 SA를 바로 전회의 점화 시기에 비해 소정의 진각량만큼 진각시킨다. 바로 전회의 점화 시기에서 점화를 행한 결과로써 얻어진 연소 질량 분율 MFB8이 목표 연소 질량 분율 MFB8tgt보다 크면, 점화 시기 제어 장치(C2)는 금번 점화 시기 SA를 바로 전회의 점화 시기에 비해 소정의 지각량만큼 지각시킨다.

이 결과, 본 발명의 제어 장치에 의하면, 엔진(10)들 간에 제조상의 차이가 있는 경우라도, 점화 시기를 그들 각각의 엔진(10)에 부합되게 적절히 제어할 수 있게 된다. 따라서, 연소 효율이 향상되어 엔진(10)의 출력 토크를 증대시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 제어 장치에 의하면, 엔진(10)들 간의 개별적인 편차가 있어도, 안정된 연소 상태를 유지하면서 공기-연료 혼합기의 공연비를 한계 린 공연비로 제어할 수 있어서, 공기-연료 혼합기를 효율 좋게 연소시킬 수 있다.

[구체적 제어 1: 연료 분사량 및 스로틀 밸브 개도의 제어]

다음에서는, 본 발명의 제어 장치에 의해 실행되는, 연료 분사량 및 스로틀 밸브 개도에 대한 실제 제어에 대해 상세하게 설명한다. 도 8은 본 발명의 제어 장치의 기능 블록도이다. 이하에서는, 그 기능들을 순서대로 설명한다.

본 발명의 제어 장치는 일차 스로틀 밸브 개도 설정부(D1), 흡기관 내부 압력을 산출하는 압력 산출부(D2), 부하 인자 산출부(D3), 및 연료 분사량 산출부(D4)를 구비한다.

상기 일차 스로틀 밸브 개도 설정부(D1)는, 액셀러레이터 조작량 센서(69)로부터 액셀러레이터 페달 조작량 PA를 취득해서, 그 취득된 액셀러레이터 페달 조작량 PA와 블록(D1) 내에 기재한 스로틀 밸브 개도 표(도 2의 표 MAPTAz(PA) 참조)에 근거하여 일차 스로틀 밸브 개도 TAz를 설정한다. 상기 스로틀 밸브 개도 표 MAPTAz(PA)에 의하면, 일차 스로틀 밸브 개도 TAz는 액셀러레이터 페달 조작량 PA가 증가하는 만큼 증가하게 설정된다.

압력 산출부(D2)에는, 일차 스로틀 밸브 개도 TAz와 엔진 회전 속도 NE와 흡기 밸브 개방 시기 VT가 입력된다. 상기 엔진 회전 속도 NE는 크랭크 위치 센서(64)로부터 출력된 펄스에 근거하여 별도로 결정된다. 또한, 상기 압력 산출부(D2)는, 일차 스로틀 밸브 개도 TAz, 엔진 회전 속도 NE, 및 흡기 밸브 개방 시기 VT와 스로틀 밸브(43) 하류측의 흡기관 내부의 압력(흡기관 압력) Pim과의 관계를 규정하는 흡기관 압력 표를 구비하고 있다. 상기 흡기관 압력 표는 미리 실험에 의해 정해진 것이다. 이어서, 흡기관 압력 산출부(D2)는, 흡기관 압력 표를 사용하여서, 입력된 일차 스로틀 밸브 개도 TAz, 입력된 엔진 회전 속도 NE, 및 입력된 흡기 밸브 개방 시기 VT에 근거해서 흡기관 압력 Pim을 산출한다.

상기 부하 인자 산출부(D3)에는, 흡기관 압력 산출부(D2)에 의해 산출된 흡기관 압력 Pim과 엔진 회전 속도 NE와 흡기 밸브 개방 시기 VT가 입력된다. 상기 부하 인자 산출부(D3)는 "엔진 회전 속도 NE와 흡기 밸브 개방 시기 VT와 상수값 a와의 관계"를 규정하는 제1 표를 구비하고 있다. 또한, 상기 부하 인자 산출부 D3는 "엔진 회전 속도 NE와 흡기 밸브 개방 시기 VT와 상수값 b와의 관계"를 규정하는 제2 표를 구비하고 있다.

상기 부하 인자 산출부(D3)는, 입력된 엔진 회전 속도 NE와 입력된 흡기 밸브 개방 시기 VT에 근거해서 제1 표를 사용하여 상수값 a를 결정한다. 마찬가지로, 상기 부하 인자 산출부(D3)는, 입력된 엔진 회전 속도 NE와 입력된 흡기 밸브 개방 시기 VT에 근거해서 제2 표를 사용하여 상수값 b를 결정한다. 마지막으로, 상기 부하 인자 산출부(D3)는, 결정된 상수값 a, 결정된 상수값 b, 및 입력된 흡기관 압력 Pim를 아래의 수학식 3에 대입함으로써, 잠정 부하 인자(잠정 부하, 또는 잠정 충전율) KLz를 산출한다. 상기 잠정 부하 인자 KLz는 잠정 흡입 공기량 Mcz를 나타내는 것이므로, "공기량 상응치"라고도 칭한다.

[수학식 3]

KLz = (a×Pim－b)/k

상기 수학식 3은, "흡기 행정에서의 실린더 내의 압력은 흡기 밸브(32)의 상류의 압력, 즉 흡기관 압력 Pim과 같은 것으로 간주할 수 있으므로 실린더 내의 흡입 공기량 Mc는 흡기 밸브 폐쇄시의 흡기관 압력 Pim에 비례하는 것으로 생각할 수 있다"고 하는 생각에 근거한 경험식(실험적으로 정해진 식)이다. 수학식 3에 있어서, 상수값 b는 "실린더 내에 잔존하는 이미 연소된 가스의 양"에 따라서 변화하는 양의 값이다. k는 소정의 상수값(예를 들면, 각 실린더의 최대 용적을 나타내는 값)이다. 수학식 3은, 편의상, 대기 온도(흡기 온도)와 흡기관 안의 공기의 온도가 같다는 가정에서 정해진 것이다.

상기 압력 산출부(D2) 및 부하 인자 산출부(D3)는, 공기의 거동을 물리 법칙에 준거해서 기술하는 공지의 공기 모델(스로틀 밸브 모델 및 흡기관 모델 등)을 사용해서, 흡기관 압력 Pim 및 부하 인자 KLz를 각각 산출하도록 구성될 수 있다. 이러한 공기 모델은, 예를 들면, 일본 특허 제3901068호, 일본 특허 공개 공보 제2001-41095호(JP-A-2001-41095), 일본 특허 공개 공보 제2003-184613호(JP-A-2003-184613), 일본 특허 공개 공보 제2007-016660호(JP-A-2007-016660), 및 일본 특허공개 공보 제2004－176638호(JP-A-2004-176638) 등에 상세하게 설명되어 있다.

상기 연료 분사량 산출부(D4)는, 상기 부하 인자 산출부(D3)에 의해 산출된 잠정 부하 인자 KLz와 일차 목표 공연비 ABYFz(이 실시예에서는, 일차 목표 공연비 ABYFz = 이론 공연비 stoich)를 아래 수학식 4에 대입해서 연료 분사량 TAU를 산출한다.

[수학식 4]

TAU = k×KLz/stoich

상기 수학식 4에 의해 결정된 연료 분사량 TAU는, 부하 인자(공기량 상응치) KLz에 상응하는 양의 공기(즉, 일차 흡입 공기량 Mcz)가 실린더 내에 흡입되었다고 가정한 경우에, 그 실린더 내에 형성되는 공기-연료 혼합기의 공연비가 일차 목표 공연비 ABYFz와 일치되게 하는 연료량이다.

이어서, 연료 분사량 TAU의 연료가, 연료 분사 장치로서의 기능을 하는 인젝터(39)로부터 흡기 행정 중에 있는 실린더로 분사된다.

또한, 본 발명의 제어 장치는, 30° 연소 질량 분율 MFB30을 결정하는 결정부(E1), 피드백부(E2), 목표 부하 인자 산출부(E3), 목표 흡기관 압력을 산출하는 목표 압력 산출부(E4), 및 이차 개도 산출부(E5)도 또한 구비한다.

상기 결정부(E1)는, 제1 지표치인 30° 연소 질량 분율 MFB30을, 상기 수학식 1에 근거하여 정해진 아래의 수학식 5에 따라서 결정한다. 이때, 상기 결정부(E1)는, 캠 위치 센서(63) 및 크랭크 위치 센서(64)로부터 나온 신호에 의거하여 별도로 산출되는 "기정 실린더의 크랭크각 θ"가 30°CA ATDC가 되었을 때에 그 기정 실린더에 있어서의 실린더 압력 센서(65)로부터 취득된 실린더 압력 Pc를, 수학식 5에서의 Pc(30°)로서 사용한다. 수학식 5의 V(30°)는 미리 ROM(72)에 저장된다.

마찬가지로, 상기 결정부(E1)는, 별도로 산출되는 "기정 실린더의 크랭크각 θ"가 θs(30°CA BTDC)가 되었을 때에 그 기정 실린더에 있어서의 실린더 압력 센서(65)로부터 취득된 실린더 압력 Pc를, 수학식 5에서의 Pc(θs)로서 사용한다. 수학식 5의 V(θs)는 미리 ROM(72)에 저장된다. 또한, 상기 결정부(E1)는, 별도로 산출되는 "기정 실린더의 크랭크각 θ"가 θe(60°CA ATDC)가 되었을 때에 그 기정 실린더에 있어서의 실린더 압력 센서(65)로부터 취득된 실린더 압력 Pc를, 수학식 5에서의 Pc(θe)로서 사용한다. 수학식 5의 V(θe)는 미리 ROM(72)에 저장된다.

[수학식 5]

피드백부(E2)는 공지의 비례 적분 제어(PI 제어)에 따른 피드백 제어를 실시해서, 연소 질량 분율 MFB30이 목표 연소 질량 분율 MFB30tgt와 일치시키는 데 사용되는 공연비 상응치 AFL을 산출한다. 본 실시예에 있어서의 공연비 상응치 AFL은 목표 공연비이다. 도 4를 참조하면서 설명한 것처럼, 목표 연소 질량 분율 MFB30tgt는 본 실시예에서는 90%로 설정된다. 목표 연소 질량 분율 MFB30tgt가 90% 이하이면, 공연비가 과도하게 커지기 때문에(공연비가 한계 린 공연비보다 더 린화 되기 때문에), 연소가 불안정해진다. 반면에, 연소 질량 분율 MFB30이 90%보다 큰 경우에는, 연소를 불안정하게 하지 않으면서 공연비를 더욱 린화 할 수 있다(즉, 공연비를 더욱 증가시킬 수 있다).

따라서, 연소 질량 분율 MFB30이 90%보다 작은 경우, 피드백부(E2)는 공연비가 더 리치해지도록 공연비 상응치 AFL을 보정한다. 즉, 피드백부(E2)는 목표 공연비인 공연비 상응치 AFL을 감소시킨다. 한편, 연소 질량 분율 MFB30이 90%보다 큰 경우, 피드백부(E2)는 공연비가 더 린화 되도록 공연비 상응치 AFL을 보정한다. 즉, 피드백부(E2)는 목표 공연비인 공연비 상응치 AFL을 증가시킨다.

목표 부하 인자 산출부(E3)에는, 부하 인자 산출부(D3)에 의해 산출된 잠정 부하 인자 KLz와 피드백부(E2)에 의해 산출된 목표 공연비 AFL이 입력된다. 목표 부하 인자 산출부(E3)는 입력된 잠정 부하 인자 KLz 및 목표 공연비 AFL을 아래 수학식 6에 대입하여서 목표 부하 인자 KLtgt를 산출한다.

[수학식 6]

KLtgt = KLz×AFL/stoich

수학식 6에 대해서는 이하에서 설명된다. 실린더 흡입 공기량 Mctgt가, 공연비 상응치 AFL인 목표 공연비 AFL을 얻기 위해서 필요한 실린더 흡입 공기량을 나타낼 때에, 다음의 수학식 7이 성립한다.

[수학식 7]

AFL = Mctgt/TAU

목표 부하 인자 KLtgt와 실린더 흡입 공기량 Mctgt와의 관계는, 상기 수학식 4(TAU = k×KLz/stoich)로부터 분명한 바와 같이, 다음의 수학식 8로 나타내진다.

[수학식 8]

Mctgt = k×KLtgt

수학식 7 및 수학식 8에 의거해서 다음의 수학식 9를 얻을 수 있다.

[수학식 9]

KLtgt = AFL×TAU/k

한편, 연료 분사량 TAU는 연료 분사량 산출부(D4)에 의해서 상기 수학식 4에 따라서 구할 수 있다. 따라서, 수학식 9 및 수학식 4에 의거하여, 상기 수학식 6이 얻어진다.

부하 인자 산출부(D3)뿐만 아니라, 목표 압력 산출부(E4)도, "엔진 회전 속도 NE 및 흡기 밸브 개방 시기 VT와 상수값 a와의 관계"를 규정하는 제1 표와, "엔진 회전 속도 NE 및 흡기 밸브 개방 시기 VT와 상수값 b와의 관계"를 규정하는 제2 표를 구비하고 있다. 상기 목표 압력 산출부(E4)에는, 엔진 회전 속도 NE와, 흡기 밸브 개방 시기 VT와, 목표 부하 인자 산출부(E3)에 의해 산출된 목표 부하 인자 KLtgt가 입력된다.

이어서, 목표 압력 산출부(E4)는, 입력된 엔진 회전 속도 NE 및 입력된 흡기 밸브 개방 시기 VT과 제1 표에 의거하여 상수값 a를 결정한다. 마찬가지로, 상기 목표 압력 산출부(E4)는, 입력된 엔진 회전 속도 NE 및 입력된 흡기 밸브 개방 시기 VT와 제2 표에 의거하여 상수값 b를 결정한다. 마지막으로, 목표 압력 산출부(E4)는, 결정된 정수 a와 결정된 정수 b와 입력된 목표 부하 인자 KLtgt를, 상기 수학식 3과 등가식인 아래의 수학식 10에 대입하여서 목표 흡기관 압력 Pimtgt를 산출한다.

[수학식 10]

Pimtgt = (k×KLtgt＋b)/a

이차 개도 산출부(E5)에는, 엔진 회전 속도 NE와, 흡기 밸브 개방 시기 VT와, 목표 압력 산출부(E4)에 의해 산출된 목표 흡기관 압력 Pimtgt가 입력된다. 상기 이차 개도 산출부(E5)는, "목표 흡기관 압력 Pimtgt, 엔진 회전 속도 NE, 및 흡기 밸브 개방 시기 VT"와 "이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt"와의 관계를 규정하는 "이차 개도 산출 표"를 구비하고 있다. 상기 이차 개도 산출 표는 실험적으로 정해진다.

이어서, 이차 스로틀 밸브 개도 산출부(E5)는, 입력된 엔진 회전 속도 NE, 입력된 흡기 밸브 개방 시기 VT, 및 입력된 목표 흡기관 압력 Pimtgt를, 이차 개도 산출 표에 적용하여서, 이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt를 산출한다. 이에 의해, 상기 연료 분사량 TAU의 연료가 공급되고 있는 경우에, 상기 공연비 상응치 AFL(목표 공연비 AFL)을 얻는 데 필요한 실린더 흡입 공기량 Mctgt를 얻기 위한 이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt가 산출된다.

이어서, 본 발명의 제어 장치는 스로틀 밸브(43)의 개도가 이차 스로틀 밸브 개도 TAtgt와 일치하도록 스로틀 밸브 액츄에이터(43a)를 제어한다.

상기 일차 개도 설정부(D1)는 일차 개도 설정 장치(B21) 역할을 한다. 압력 산출부(D2) 및 부하 인자 산출부(D3)는 공기량 상응치 설정 장치(B22) 역할을 한다. 연료 분사량 산출부(D4)는 연료 분사량 산출 장치(B23) 역할을 한다. 또한, 일차 개도 설정부(D1), 압력 산출부(D2), 부하 인자 산출부(D3), 및 연료 분사량 산출부(D4)에 의해 연료 분사량 설정 장치(B2)가 구성된다.

결정부(E1)는 제1 지표치 결정 장치(B4) 역할을 한다. 피드백부(E2)는 공연비 상응치 산출 장치(B51) 역할을 한다. 목표 부하 인자 산출부(E3), 목표 압력 산출부(E4) 및 이차 개도 산출부(E5)는, 이차 개도 산출 장치(B52)를 구성한다. 또한, 피드백부(E2), 목표 부하 인자 산출부(E3), 목표 압력 산출부(E4) 및 이차 개도 산출부(E5)는 이차 개도 설정 장치(B5)를 구성한다.

또한, 목표 부하 인자 산출부(E3), 목표 압력 산출부(E4) 및 이차 개도 산출부(E5)는 상술한 공지의 공기 모델에 대해 역관계를 갖는 역모델을 이용해서 이차 밸브 개도 TAtgt를 산출할 수도 있다.

[구체적인 제어 2: 점화 시기 제어]

이어서, 본 발명의 제어 장치에 의해 실행되는 실제의 점화 시기 제어에 대해 상세하게 설명한다. 도 9는 본 발명의 제어 장치에 의해 실행되는 점화 시기 제어와 관련되는 기능 블록도이다. 이하에서는, 그 기능들을 순서대로 설명한다.

본 발명의 제어 장치는 8° 연소 질량 분율 MFB8을 결정하는 결정부(F1) 및 점화 시기 피드백부(F2)를 구비하고, 이들은 점화 시기 SA를 설정하는 데 사용된다.

상기 결정부(F1)는 제2 지표치인 8° 연소 질량 분율 MFB8을 상기 수학식 1에 의거하여 정해진 아래의 수학식 11에 따라서 구한다. 이때, 결정부(F1)는, 캠 위치 센서(63) 및 크랭크 위치 센서(64)로부터 나온 신호에 따라 별도로 산출되는 "기정 실린더의 크랭크각 θ"가 8°CA ATDC로 되었을 때에 그 기정 실린더에서의 실린더 압력 센서(65)로부터 취득되는 실린더 압력 Pc를, 수학식 11에서의 Pc(8°)(즉, Pc(θ2))로서 사용한다. 식 (11)의 V(8°)는 미리 ROM(72)에 저장된다.

마찬가지로, 결정부(F1)는, 별도로 산출되는 "기정 실린더의 크랭크각 θ"가 θs(30°CA BTDC)와 일치할 때에 그 기정 실린더에 있어서의 실린더 압력 센서(65)로부터 취득되는 실린더 압력 Pc를, 수학식 11에서의 Pc(θs)로서 사용한다. 수학식 11의 V(θs)는 미리 ROM(72)에 저장된다. 또한, 결정부(F1)는, 별도로 산출되는 "기정 실린더의 크랭크각 θ"가 θe(60°CA ATDC)와 일치할 때에 그 기정 실린더에 있어서의 실린더 압력 센서(65)로부터 취득되는 실린더 압력 Pc를, 수학식 11에서의 Pc(θe)로서 사용한다. 수학식 11의 V(θe)는 미리 ROM(72)에 저장된다.

[수학식 11]

점화 시기 피드백부(F2)는, 공지의 비례 적분 제어(PI 제어)에 따른 피드백 제어를 실시해서, 연소 질량 분율 MFB8이 목표 연소 질량 분율 MFB8tgt와 일치시키기는 데 사용되는 점화 시기 SA를 산출한다. 목표 연소 질량 분율 MFB8tgt는 본 실시예에서는 50%로 설정된다. 상기 목표 연소 질량 분율 MFB8tgt는 운전 상태량에 따라 변경될 수도 있다. 목표 연소 질량 분율 MFB8tgt는, 엔진의 연소 효율이 좋으며 HC나 CO 등의 배출량이 낮으며 노킹 등에 의한 토크 변동 등이 발생하지 않는 값으로 설정된다.

이어서, 본 발명의 제어 장치는, 점화 시기 피드백부(F2)에 의해 산출된 점화 시기 SA에서 점화 플러그(37)가 불꽃을 발생시키도록, 이그나이터(38)에 점화 신호(점화 지시 신호)를 송출한다. 이 결과, 본 발명의 제어 장치는, 엔진(10)들 간에 제조상의 편차가 있는 경우에도, 그 각각의 엔진(10)이 최대 토크를 발생시키는 점화 시기 SA에서 점화가 실행될 수 있게 하는 제어를 실행할 수 있다. 즉, 본 발명의 제어 장치에 의하면, 엔진(10)들 간의 개별적인 편차가 존재하고 있어도, 안정된 연소 상태를 유지하면서 공기-연료 혼합기의 공연비를 한계 린 공연비로 제어해서, 그 공기-연료 혼합기를 효율 좋게 연소시킬 수 있다.

상기 결정부(F1)는 제2 지표치 결정 장치(C1) 역할을 한다. 점화 시기 피드백부(F2)는 점화 시기 제어 장치(C2) 역할을 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제어 장치에 의하면, 공연비가 보다 더 린화한 공연비로 변경될 때에도, 연소에 기여하는 연료의 양인 연료 분사량 TAU가 감소하지 않는다, 이에 의해, 엔진에 의해 발생한 토크가 비교적 크게 감소함으로 인해서 운전자가 불쾌감을 느끼게 되는 상황을 피할 수 있다. 게다가, 일례로 엔진의 과도 운전 중에 실린더 안으로 흡입되는 공기량을 정확하게 추정할 수 없는 경우에도, 제1 지표치(제1 연소 질량 분율 MFBθ1)가 제1 목표 지표치(제1 목표 연소 질량 분율 MFBθ1tgt)와 일치하도록 스로틀 밸브 개도가 제어되기 때문에, 엔진에 의해 발생되는 토크의 변동을 작게 하면서 공연비를 린화 할 수 있다.

본 발명은 이상에서 설명한 실시예로 한정되지 않는다, 본 발명의 범위 내에서 상기 실시예들을 여러 가지로 변형할 수 있다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 연소 질량 분율 MFB(따라서, 열량비 Qsum/Qtotal)이 실린더 내의 압력에 따라 결정되었지만, 상기 연소 질량 분율 MFB은 상기 수학식 2에 나타낸 소위 위베(Wiebe) 함수라고 하는 연소 모델(예를 들면, 일본 특허 공개 공보 제2006-9720호(JP-A-2006-9720) 참조)을 이용하여 결정할 수도 있다. 또한, 상기 실시예에서는 연소 질량 분율 MFB8에 의거한 점화 시기 피드백 제어를 실행하고 있었지만, 그러한 점화 시기 피드백 제어는 실행하지 않아도 된다.

또한, 흡기 밸브 개방 시기 VT는, 엔진(10)의 운전 상태(예를 들면, 목표 부하 인자 KLtgt 및 엔진 회전 속도 NE 등)에 근거해서 변경될 수도 있고, 아니면 일정할 수도 있다. 흡기 밸브 개방 시기 VT가 일정한 경우, 압력 산출부(D2), 부하 인자 산출부(D3), 목표 압력 산출부(E4) 및 이차 개도 산출부(E5) 등으로 흡기 밸브 개방 시기 VT를 입력하지 않아도 된다. 이 경우, 각 산출부들은, 흡기 밸브 개방 시기 VT를 이용하지 않고서도, 결정되어야 할 값들을 산출한다. 또한, 상기 제1 크랭크각 θ1은 30°CA ATDC로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 상기 제2 크랭크각 θ2는 8°CA ATDC로 제한되지 않는다.

또한, 상기 연료 분사량 설정 장치(B2)는, 적어도 결정된 액셀러레이터 조작량 PA(바람직하기로는, 결정된 액셀러레이터 페달 조작량 PA 및 엔진 회전 속도 NE)에 의거해서, 엔진에서 요구되는 토크(요구 엔진 토크)를 소정의 표 등에 의해 산출해서, 연료 분사량 TAU를, 엔진(10)이 상기 요구 엔진 토크를 발생시키는 데 필요한 연료량으로 설정하도록 구성할 수도 있다.

Claims

내연기관용 제어 장치에 있어서,
액셀러레이터 조작량을 결정하는 액셀러레이터 조작량 결정 장치와,
결정된 액셀러레이터 조작량에 근거하여 연료 분사량을 설정하는 분사량 설정 장치와,
연료를 설정된 연료 분사량으로 분사시키는 연료 분사 장치와,
엔진의 실린더 안의 공기-연료 혼합기의 연소 상태를 나타내는 제1 지표치를 결정하는 제1 지표치 결정 장치와,
스로틀 밸브의 개도의 최종 목표치인 이차 스로틀 밸브 개도를 설정하되 상기 결정된 제1 지표치가 제1 목표 지표치와 동일해지도록 설정하는 이차 개도 설정 장치와,
스로틀 밸브의 개도가 상기 설정된 이차 스로틀 밸브 개도와 동일해지도록 스로틀 밸브를 제어하는 스로틀 밸브 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 분사량 설정 장치는,
일차 스로틀 밸브 개도를 설정하되 결정된 액셀러레이터 페달 조작량이 증가하는 만큼 그 일차 스로틀 밸브 개도가 증가하도록 설정하는 일차 개도 설정 장치와,
스로틀 밸브 개도가 상기 일차 스로틀 밸브 개도와 동일하다고 가정했을 경우에 엔진의 실린더 내에 흡입되는 공기량에 상응하는 값인 공기량 상응치를 추정하는 추정 장치와,
상기 추정된 공기량 상응치에 상응하는 양의 공기가 실린더 내에 흡입되었다고 가정했을 경우에 그 실린더 내의 공기-연료 혼합기의 공연비가 일차 목표 공연비와 일치하도록, 연료 분사량을 산출하는 분사량 산출 장치를 포함하고,
상기 이차 개도 설정 장치는,
상기 결정된 제1 지표치를 제1 목표 지표치와 일치시키는 데 사용되는 이차 목표 공연비에 상응하는 값인 공연비 상응치를 산출하는 공연비 상응치 산출 장치와,
상기 산출된 연료 분사량에 상응하는 값과 상기 결정된 공연비 상응치에 근거하여서, 이차 스로틀 밸브 개도를 산출하는 이차 개도 산출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 지표치는 내연기관의 크랭크각이 소정의 제1 크랭크각과 일치할 때의 실제의 연소 질량 분율인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 목표 지표치는 내연기관의 크랭크각이 소정의 제1 크랭크각과 일치할 때의 원하는 린 공연비에 상응하는 연소 질량 분율인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 크랭크각은 실린더의 연소 행정의 압축 상사점 후의 크랭크각인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진의 실린더 안의 공기-연료 혼합기의 연소 상태를 나타내는 제2 지표치를 결정하는 제2 지표치 결정 장치와,
상기 제2 지표치가 제2 목표 지표치와 일치하도록 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제6항에 있어서, 상기 제2 지표치는 내연기관의 크랭크각이 상기 제1 크랭크각에 비해 진각된 제2 크랭크각과 일치할 때의 실제 연소 질량 분율인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제2 목표 지표치는 내연기관에 의해 최대 토크가 발생한 때의 연소 질량 분율인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더 내의 압력을 검출하는 실린더 압력 센서를 더 포함하고,
상기 제1 지표치와 제2 지표치는 상기 실린더 내의 압력에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 제어 장치.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 지표치와 제2 지표치는 위베(Wiebe) 함수에 의거하여 산출되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사량 설정 장치는 엔진이 요구 토크를 발생시키는 데 필요한 연료 분사량을 액셀러레이터 조작량에 근거하여 설정하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기량 상응치는 실린더 안에 흡입된 공기량을 실린더의 최대 체적으로 나누어서 얻어진 값인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공연비 상응치는, 이차 목표 공연비에 근거하여 산출되거나, 상기 공연비를 상기 이차 목표 공연비와 일치시키는 데 사용되는 공연비 보정치에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 장치.
내연기관용 제어 방법에 있어서,
액셀러레이터 조작량을 결정하는 단계와,
상기 결정된 액셀러레이터 조작량에 근거하여 연료 분사량을 설정하는 단계와,
연료를 상기 설정된 연료 분사량으로 분사시키는 단계와,
엔진의 실린더 안의 공기-연료 혼합기의 연소 상태를 나타내는 제1 지표치를 결정하는 단계와,
상기 제1 지표치의 목표치인 제1 목표 지표치를 설정하는 단계와,
상기 결정된 제1 지표치를 상기 제1 목표 지표치와 일치시키는 것이기도 하면서 스로틀 밸브의 개도의 최종 목표치이기도 한, 이차 스로틀 밸브 개도를 설정하는 단계와,
스로틀 밸브의 개도가 상기 설정된 이차 스로틀 밸브 개도와 동일해지도록 스로틀 밸브를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 방법.
제14항에 있어서, 액셀러레이터 개도에 기초해서 일차 스로틀 밸브 개도를 설정하는 단계와,
스로틀 밸브의 개도가 상기 일차 스로틀 밸브 개도와 일치할 때에 엔진의 실린더 안으로 흡입된 공기량에 상응하는 값인 공기량 상응치를 추정하는 단계와,
상기 추정된 공기량 상응치에 상응하는 양의 공기가 실린더 안으로 흡입된 때에 공기-연료 혼합기의 공연비가 일차 목표 공연비와 일치하도록 연료 분사량을 산출하는 단계와,
상기 결정된 제1 지표치를 제1 목표 지표치와 일치시키는 데 사용되는 이차 목표 공연비에 상응하는 값인 공연비 상응치를 산출하는 단계와,
상기 산출된 연료 분사량과 상기 결정된 공연비 상응치에 근거하여 이차 스로틀 밸브 개도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 제어 방법.
제15항에 있어서, 상기 일차 스로틀 밸브 개도와 엔진 속도에 근거하여 흡기 밸브의 하류측 위치에서의 흡기관 내의 압력을 산출하는 단계와,
상기 산출된 흡기관 내의 압력과 엔진 속도에 근거하여 공기량 상응치를 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 제어 방법.