WO2000009876A1

WO2000009876A1 - Dispositif de reglage de la combustion dans un moteur

Info

Publication number: WO2000009876A1
Application number: PCT/JP1999/004317
Authority: WO
Inventors: Masatoshi Hoshino; Nobuo Kurihara; Minoru Osuga; Toshiharu Nogi; Yutaka Takaku
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2000-02-24
Also published as: EP1106805A1; JP3823553B2; JP2000054889A; KR20010072365A; US6502549B1

Description

明細書

エンジン燃焼制御装置技術分野

本発明は、内燃機関において最適な燃焼を得るための制御装置に係り、特に、燃費を向上し、排気中の規制対象成分を抑えるため、気筒内の燃焼圧力を検出し、排気還流率，点火時期および燃料噴射時期あるいは吸気行程の噴射率を制御して、最適な燃焼が得られるようにしたェンジン燃焼制御装置に関する。背景技術

自動車の燃費や排気ガスに対する法規制は，各国で年々厳しさを増してきている。このため、その時々の運転状態に応じて、点火時期や燃料量をマイクロコンビユー夕により制御することが一般化している。

ポート噴射のェンジンでトルクや燃料消費率を最良するには、点火時期を適当に制御して、最大筒内圧を与えるクランク軸の角度が上死点後 1 2度になるようにすればよいことが知られている（藤井，河合ほか、 "火花点火機関における最適点火時期フィードバック制御方式"、自動車技術会学術講演会前刷集 9 5 4 ( 1 9 9 5 ) ) 。（以下、「従来技術 1」という。）

また、特開平 3— 233162号公報には、筒内圧センサの出力に基づいて熱効率を求め、 E G R率，点火時期，燃料供給量を制御することにより、エンジンの効率が大きい領域で運転することについての記載がある。（以下、「従来技術 2

」という。）また、特開平 3— 246352号公報には筒内圧センサの出力に基づきエンジンの熱発生量とピーク位置から仕事量相当値を演算することにより失火等の燃焼状態を高精度に検出することについての記述がある。（以下、「従来技術 3」という。）

しかしながら、従来技術 1に記載の発明は筒内圧力のピーク位置を制御するものであり、また、従来技術 2に記載の発明はエンジンの熱効率、すなわち熱発生量と熱損失量との関係に基づいた方式であり、また、従来技術 3に記載の発明は、燃焼行程での平均仕事量を熱発生量から求めるものである。いずれの従来技術も燃焼状態を表す波形パターンである熱発生率そのものに関するものではない。エンジン性能を大きく左右する燃焼期間を制御するためには、クランク角度に対する熱発生率すなわち燃焼パターンの波形の広がり幅やピーク位置を操作することが重要になるが、上述の従来技術は、いわばこれらを間接的手段により操作することで対処するものである。従って、上述の従来技術では、必ずしも最適な制御が得られるとは限らないという問題があつた。発明の開示

本発明は、上述の従来技術の持つ問題点を解決するためになされたものである。

本発明の目的は、運転中に各気筒の熱発生率を基に、少ない計算量で燃焼状態を改善し、燃費や排気を最適にすることができるエンジン燃焼制御装置を提供することにある。

このため、本発明では、熱発生率の波形パターンを直接的に整形するようにしている。すなわち、本発明は、操作量とパターン整形との関係を明確に関係付け、波形の広がりとピーク位置を別々に制御する。従って、本発明によれば、少ない計算量で、エンジンの燃焼を最適に制御できる。

本発明の 1つの観点によれば、上記目的は、エンジンの燃焼に伴う気筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、前記筒内圧力検出手段よりの出力に基づき気筒のクランク軸の角度に対する熱発生率を算定する手段と、前記熱発生率算定手段とにより求められた気筒内燃焼状態パターンを予め定められた波形パ夕 —ンになるように点火時期、燃料噴射時期、吸気行程における燃料噴射量の割合、気筒内ガス流動制御量、 E G R制御量、吸気バルブタイミング制御量、排気バルブタイミング制御量の少なくともいずれかに関する値を制御する制御手段を有することを特徴とするエンジン燃焼制御装置によって達成できる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明によるェンジン燃焼制御装置の一実施形態を示しているプロック構成図である。

図 2 Aおよび図 2 Bは、燃焼の評価指標となる熱発生率を、クランク角度毎にみたパターン図である。

図 3は、熱発生率を最適化する手順を説明しているフローチャートである。図 4は、熱発生率のピーク位置を計算する手順を説明しているフローチヤ一トである。

図 5は、筒内圧センサのデ一夕をサンプリングする方法を示している説明図である。

図 6は、熱発生率のパターンを改善する E G R制御の手順を説明しているフ口一チャートである。

図 7は、 E GR率と回転変動との関係を気筒毎に示している説明図である。図 8は、熱発生率のパターンを整形する手順を説明しているフローチャートである。

図 9は、点火時期を気筒毎に定める方法についての説明図である。

図 1 0は、噴射時期を気筒毎に定める方法についての説明図である。

図 1 1は、気筒別点火時期制御の手順を説明しているフローチャートである。図 1 2は、噴射時期と燃焼期間の関係を示している説明図である。

図 1 3は、気筒別噴射時期制御の手順を説明しているフローチャートである。図 1 4は、吸気行程噴射率と燃焼期間の関係を示している説明図である。図 1 5は、気筒別の吸気行程噴射率制御の手順を説明しているフローチヤ一トである。発明を-実施するための最良の形態

以下、本発明によるエンジン制御装置について図を用いて詳細に説明する。図 1は、本発明によるエンジン燃焼制御装置の一実施形態を示している。この図には、筒内噴射の 4気筒エンジンの 1気筒分だけが示されている。このェンジン 1にはピストン 2とシリンダ 3で構成される燃焼室 4があり、この燃焼室 4には吸気弁 5と排気弁 6が装着されている。燃料噴射装置 7は燃焼室 4の内部にあり、主にエンジン 1の圧縮行程で燃料を噴射する。燃焼室内の混合気は点火プラグ 8によって点火される。シリンダ 3には圧力を検出する筒内圧センサ 9が備えられ、多気筒ェンジンでは気筒別の圧力を検出できるようになっている。クランク軸 10にはエンジン回転数を計測する回転センサ 11が装着されている。

燃焼室 4から排気管 12へ流れる排気の一部は環流路 13を通して吸気管 1 4に戻される。これにより燃焼速度と燃焼温度が低下し、 NOx排出量を抑えることができる。スロットル弁 15を通過した空気と環流ガスとの比率は EG R弁 16で調節する。筒内圧センサ 9とクランク軸 10に取り付けた回転センサ 11の信号は演算装置 17に入力され、演算装置 17はこれらの信号を基に、点火装置制御回路 18 , E GR制御回路 19および噴射装置制御回路 20に指令を出す。

点火装置 8と燃料噴射装置 7は気筒別に制御することができるが、 E G Rでは環流ガスを吸気管 14が各気筒へ分岐する上流に戻すので E GR率は全気筒、一律の制御になる。

図 2Aおよび図 2Bに、クランク角度からみた熱発生率の変化を示す。図 2 Aは、理想的なパターンを、図 2Bは、望ましくないパターンを示している。熱発生率は筒内圧センサの信号と行程容積から dQ(6) _ _Λ ά Ρ ( θ ) d θ 一 ^Α " ( ^θ

^σ )^/— d θ Α：熱の仕事当量， Κ(θ) :比熱比， V(0) :行程容積， Ρ(θ) :筒内圧によって計算することができる。比熱比は空燃費によって決まり、クランク角度に関してはほぼ一定と考えることができる。また、行程容積やクランク角度についての微分値はエンジンの基本的な仕様から求められる。これらは演算装置 1 7の R O Mにデータとして格納しておけば、筒内圧データから燃焼の指標としての熱発生率は簡単に計算できる。理想的な熱発生率のパターンは、図 2 Aのように点火直後から滑らかに立ち上がりピークが T D C (上死点）からクランク角度で 5〜1 0度遅れ、爆発 '燃焼の終了に伴って低下する。左右がほぼ対称で、燃焼期間を示すパターンの広がりは 2 0〜3 0度程度がよい。しかし、筒内噴射エンジンでは燃焼速度が早く、図 2 Bの aのようにピーク位置が上死点より早くなることがある。そこで燃焼速度を遅らせ図 2 Aのパターンに近づけるため E G Rを使用すると、図 2 Bの cのように燃焼が二回に分かれてしまうことがあり、二回目の燃焼は有効な仕事にはならない。また図 2 Bの b のようにピーク位置が適当であっても燃焼時間が短いと、冷却損失が大きく効率は悪化する。

そこで、図 2 Bのパターンを理想的な図 2 Aのパターンに近づけるための処理の概要を、図 3のフローチャートに示す。この処理は図 1の演算装置 1 7の中の R〇 Mに格納されたプログラムに基づいて実行するものである。基本的な考え方は、始めに熱発生率パターンを E G Rを利用して全気筒一律に大まかに調整したあと、気筒毎に制御可能な点火時期や噴射時期を用いて気筒による差を吸収するというものである。まず、ステップ 3 0 1では E G Rによって各気筒の熱発生率のピーク位置を例えば上死点後 5〜 1 0度に移動させる。この処理の結果、熱発生率が図 2 Bの cのようにピークを 2つ持つパターンになった場合、ステップ 3 0 2で E G Rと噴射時期を調整し、ピークが 1つの左右対称な形に整形する。次に、ステップ 3 0 3では点火時期を気筒別に制御し、各気筒のピーク位置を最適化する。最後に、ステップ 3 0 4では噴射時期と吸気行程噴射率の調整によつて各気筒の燃焼期間を最適化し、図 2 Aのようなパターンを得る。また、熱発生率の理想的なパターンはエンジンの回転数や負荷によつて若'干異なるので理想的なパターンは数種類用意しておき運転状態に応じて切り換える。

図 4は、ある気筒における熱発生率のピーク位置を計算する方法を示すフロ一チャートである。ステップ 4 0 1では筒内圧センサの出力を、点火直後 6 ! g

から爆発が終わって圧力が低下するときまで、クランク角度に同期してサンプリングし、 P ( θ ΐ ) , Ρ (θζ) ， …， Ρ ( θη ) を得る。一例として、 ηは 10， θ_η は点火後 60度に設定する。次に、ステップ 402では、収集したサンプルデータを数 1に当てはめて、各サンプル角度に対する熱発生率 R ， R(0₂), ···, R(S_n)を計算する。ステップ 403では求めた熱発生率の最大値を与えるクランク角度 0』を演算装置 17に記憶する。ェンジンは間欠燃焼であるため、同じ気筒であっても筒内圧は爆発毎に異なる。記憶したクランク角度 0j も雑音が重畳しており、一回の測定では十分な精度が得られないため、例えば 10爆発分の移動平均をピーク位置とする（ステップ 40 4)。また、燃焼期間もピーク位置と同様にクランク角度に同期してサンプリングした筒内圧 P ( ）， Ρ( θ2 ), ···, Ρ (0η) から求める。これらを数 1に当てはめて各サンプル角度に対する熱発生率 R (θι ) , R (θ₂) , ···，

R ( θη ) を計算する。結果が一定値以上になるクランク角度の範囲を燃焼期間とする。この場合も移動平均をとつて爆発毎の差異の影響を除去する。

熱発生率をパターンとして求めるためには筒内圧のデ一夕が 1爆発について少なくても 10回程度は必要になる。 1爆発の燃焼期間は 30度程度であり時間に換算すると 60 Orpmのアイドルでも約 8.3ms 程度である。演算装置 17の性能によっては爆発毎に筒内圧センサの出力を 10個以上サンプリングした上で熱発生率のピーク位置を計算するのは困難なことがある。そこで図 5 に示すように 1爆発について一回だけサンプリングし、サンプリングするタイミングを少しずつ遅くすることによつて等価的に 1つの爆発の筒内圧デ一夕をサンプリングすることができる。図 5で n= 10とすると 10爆発で等価的に 1つの爆発のデ一夕がサンプリングできるので計算の負荷が 1/10に減少する。しかし、エンジンの過渡状態では誤差が大きくなるので、アイドル時や車速が一—定であるときなど、エンジンの回転や負荷の変化が少ないときを選べば、精度低下は少なくなる。また、処理を簡略化するため筒内圧データのサンプリングと熱発生率の最適化はアイドル時や所定の運転状態に限定する方法もある。この場合、最適化したときの運転状態と異なる運転状態では誤差が多少増加する。

以下では、図 3のフローチャートで示した熱発生率を最適化する方法を順に具体的に述べる。

図 6に E G R制御のフローチャートを示す。この処理は、図 2 Bの aの燃焼速度が速すぎるパターンを E G R率を少しずつ大きくすることで燃焼速度を遅らせることが目的である。ここでは 4気筒エンジンを仮定し、 1気筒ずつ筒内圧から回転変動と熱発生率のピーク位置を計算する。ステップ 6 0 1は初期化であり、 1気筒ずつ以下の処理をする。 E G R率を増やし燃焼速度は遅らせることができるが図 7に示すように、気筒によって異なるが筒内圧変動も増加する。変動が最も大きい気筒が、運転性，乗りごこちなどから決めた変動限界を超えない範囲で E G R率を増やす。また、筒内圧の変動はエンジンの回転変動としても測定できるので、クランク軸に取り付けた回転センサから変動を計算してもよい。ステップ 6 0 2で筒内圧変動を評価して、所定値以上であればただちにこの処理を終わる。ステップ 6 0 3では熱発生率パターンのピーク位置を計算する。ピーク位置が上死点後 8度以上であればただちにこの処理を終わる（ステップ 6 0 4 )。

ステップ 6 0 5は次の気筒の評価に移るための処理である。全ての気筒の熱発生率パターンのビーク位置が上死点後、例えば 8 d e g以内であれば（ステップ 6 0 6 )、燃焼速度を遅らせるためにステップ 6 0 7で E G R率を、例えば 2 % 上げ、以上の処理を繰り返す。

上記 E G R制御の結果、図 2 Bの cのようにピークが 2つになった場合、図 8のフローチャートで示す処理により、熱発生率のパターンを整える。ステツプ 8 0 1は初期化であり、 1気筒ずつ以下の処理をする。まず、ステップ 802で熱発生率を各クランク軸角度に対して計算する。ステップ 8 0 3ではこれらのクラン軸角度に関する差分を計算する。ステップ 8 0 4では前記差分の符号の変化を数える。すなわち、クランク軸角度に関して隣り合う差分を乗じ、結果が負であれば差分の符号変化に対応する。符号変化が複数個つまり熱発生率のピークが複数個あればステップ 8 0 5でその気筒番号をメモリに記憶する。ステップ 8 0 6で処理が次の気筒に移る。全ての気筒に対して熱発生率のピークの数を数え（ステップ 8 0 7 ) 、各気筒のビークの数が 1つだけならこの処理を終わる（ステップ 8 0 8 )。ピークが 2つ以上ある気筒が 1つだけなら（ステツプ 8 0 9 ) 、ステップ 8 1 0でその気筒の噴射時期を、例えば 2 d e g遅角させ、燃焼速度を上げることでビークを 1つだけ持つパターンに整える。ピークが 2つ以上ある気筒が 2個以上あるときは気筒毎にパターンを整形するのは困難なので、ステップ 8 1 1において E G R率を、例えば 2 %減らして、全気筒の燃焼速度を一律に速める。これら一連の処理を所定の周期で繰り返す。以上の処理で、各気筒の熱発生率のパターンは概ね図 2 Aのような形に近づいたので、これからは気筒別にピーク位置や燃焼期間を制御してトルクや燃費が最適になるようにする。点火時期と噴射時期をパラメ一夕とすると、各気筒の筒内圧の変動が一定になる等筒内圧変動線は、図 9のように描くことができる。気筒により燃料噴射装置などのばらつきにより、等筒内圧変動線の位置，大きさは異なるが、等筒内圧変動線の中心付近で運転すればェンジンの回転変動が最も少なく、また熱発生率から見てもほぼ理想的なパターンになっている。初期状態では気筒や噴射装置の個体差は不明なので、点火時期，噴射時期ともに全気筒同一の設定であるが、まず図 9では点火時期を調節し、各気筒毎にそれそれの等筒内圧変動線の中心に近づける。次に図 1 0に示すように噴射時期を動かして燃焼期間を調整することにより、それぞれの等筒内圧変動線の中心付近で運転できるようにする。これにより図 2 Aのような熱発生率のパターンを得ることができる。実際には、点火時期や噴射時期をどのようにすれば筒内圧変動が少なくなるのかは明確ではないので、筒内圧変動を参照して点火時期や噴射時期を決めるのは困難である。そこで、気筒別に点火時期や噴射時期を操作して，熱発生率のピーク位置や燃焼期間を所定のパターンに制御することで、燃や排気が改善するとともに筒内圧変動も小さくなる。

図 1 1は点火時期制御の手順を示すフローチャートである。ステップ 1 1 0 1は 1気筒ずつ処理するための初期化である。ステップ 1 1 0 2では筒内圧変動が所定値より大きいときにはただちに処理を終了する。ステップ 1 1 0 3では熱発生率のピーク位置を計算する。その気筒のビークの位置や燃焼期間が適当な範囲にあれば、その気筒については何もしない（ステップ 1 1 0 4 ) 。ピ —クの位置が遅いとき（ステップ 1 1 0 7 ) は、ステップ 1 1 0 8で点火時期を一定角度（例えば I d e g ) だけ進角し、逆に早すぎるときは、ステップ 1 1 0 6で一定角度（例えば I d e g ) だけ遅角する。この処理を繰り返すことによって、全気筒のビーク位置を適当な範囲に納めることができる。ステップ 1 1 0 9で次の気筒の処理に移る。全ての気筒に関してピーク位置が適当な範囲に入ると、ステップ 1 1 1 0を通過して処理が終了する。

燃焼期間と噴射時期との間には、図 1 2のような単調な関係がある。図 1 3 のフローチャートに示した処理はこのことを利用して燃焼期間を調整するものである。ステップ 1 3 0 1は、 1気筒ずつ処理するための初期化である。ステップ 1 3 0 2では筒内圧変動を評価し、所定値より大きいときには、ただちに処理を終了する。筒内圧変動が前記所定値以下であるとき、ステップ 1 3 0 3 では各気筒の燃焼時間を、熱発生率が一定値以上であるクランク角度の期間として求める。得られた燃焼期間が適当な範囲にあればその気筒については何もしない（ステップ 1 3 0 4 ) 。燃焼期間が短いとき（ステップ 1 3 0 5 )は、ステツプ 1 3 0 6でその気筒の噴射時期を一定角度（例えば I d e g ) だけ遅角し、長いときは（ステップ 1 3 0 7 ) ステップ 1 3 0 8で一定角度（例えば 1 d e g ) だけ進角する。この処理を繰り返すことによって全気筒の燃焼時間を適当な範囲に納めることができる。ステップ 1 3 0 9で次の気筒の処理に移る。全ての気筒の燃焼期間が適当な範囲に入るとステップ 1 3 1 0を通過して処理が終了する。

筒内噴射エンジンでは、燃費、排気および着火性の向上のため燃料の噴射を二回に分け、通常の圧縮行程に加えて吸気行程でも噴射することがある。 1サィクルで噴射する燃料量のうち、吸気行程で噴射する燃料量の割合を吸気行程噴射率ということにすると、燃焼期間と吸気行程噴射率には、図 1 4に示すような単調な関係がある。この関係に基づいて図 1 5に示すような処理をする。ステップ 1501は 1気筒ずつ処理するための初期化である。ステップ 1 5 0 2では筒内圧変動を評価し、所定値より大きいときにはただちに処理を終了する。筒内圧変動が前記所定値以下であるとき、ステップ 1 5 0 3では各気筒の燃焼時間を熱発生率が一定値以上であるクランク角度の期間として求める。得られた燃焼期間が適当な範囲にあればその気筒については何もしない（ステップ 1 5 0 4 ) 。燃焼期間が短いとき（ステップ 1 5 0 5 ) はステップ 1 5 0 6でその気筒の吸気行程噴射率を一定値（例えば 5 %) だけ増加し、長いときは（ステツプ 1 5 0 7 ) 、ステップ 1 5 0 8で一定角値（例えば 5 %) だけ減少する。この処理を繰り返すことによって、全気筒の燃焼期間を適当な範囲に納めることができる。ステップ 1 5 0 9で次の気筒の処理に移る。全ての気筒に関して燃焼期間が適当な範囲に入るとステップ 1 5 1 0を通過して処理が終了する。本発明によれば、クランク角度に対する熱発生率、すなわち燃焼パターンの波形の広がり幅やピーク位置を操作して、ェンジン性能を大きく左右する燃焼期間を気筒毎に直接制御することができる。これにより、燃費や排気を改善し、またェンジンや気筒の個体差や経年変化等に対しても燃費や排気特性の悪化を防ぐことができ、最適な燃焼制御が実現できる。

Claims

請求の範囲

1 . エンジンの燃焼に伴う気筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、前記筒内圧力検出手段よりの出力に基づき気筒のクランク軸の角度に対する熱発生率を算定する手段と、前記熱発生率算定手段とにより求められた気筒内燃焼状態パターンを予め定められた波形パターンになるように、点火時期、燃料噴射時期、吸気行程における燃料噴射量の割合、気筒内ガス流動制御量、 E G R制御量、吸気バルブタイミング制御量、排気バルブタイミング制御量の少なくともいずれかに関する値を制御する制御手段を有することを特徴とするエンジン燃焼制御装置。

2 . 請求項 1に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記制御手段による燃焼状態制御は、前記エンジンの燃焼安定性に関する指標値が予め定められた所定値よりも良好な値を示す指標値範囲にある間、実施されることを特徴とするエンジン燃焼制御装置。

3 . 請求項 1に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記筒内燃焼状態波形パターンが予め定める定常運転状態範囲内にあるときに、前記筒内圧力検出手段よりの信号波形を所定回転毎に所定クランク角度ずつずらしてサンプリングすると共に、前記エンジンの点火時期から所定角度分の前記波形パターンを全体として再構成することを特徴とするェンジン燃焼制御装置。

4 . 請求項 3に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記筒内燃焼状態波形パターンは、前記エンジンがアイドル状態にあるときにサンプリングすることを特徴とするェンジン燃焼制御装置。

5 . 請求項 3に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記筒内燃焼状態波形パ夕一ンは、前記アイドル状態にあるときのサンプリングに基づき予め定常運転状態相当とすることを特徴とするェンジン燃焼制御装置。

6 . 請求項 1に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記予め定められた波形パターンは、アイドル状態にあるときと予め定めた定常運転範囲内にあるときとではそれぞれ別に有することを特徴とするエンジン燃焼制御装置。

7 . 請求項 1に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記予め定められた波形パターンは、ピーク位置に対して左右対称であることを特徴とするェンジン燃焼制御装置。

8 . 請求項 7に記載のエンジン燃焼制御装置において、前記予め定められた波形パターンは、ピーク位置がクランク軸の角度で上死点後 3度から 1 5度であり、前記パターンが所定値以上である幅がクランク軸の角度で上死点後 2 0 度から 4 0度であることを特徴とするエンジン燃焼制御装置。