JP6332014B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気通路から排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量を推定する技術に関する。

過給機付きの内燃機関では、過給により吸気側の圧力が排気側よりも上昇するので、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるときに、吸気通路から吸気弁を通過して気筒内に吸入された空気の一部が排気弁を通り排気通路に吹き抜ける吹き抜け現象が発生する。吹き抜け現象が発生すると、吸気弁を通過して気筒内に吸入される吸気弁通過空気量と、気筒内に留まって燃焼に使用される筒内空気量とに差が生じる。

したがって、吸気弁通過空気量のすべてが燃焼に使用されることを前提に、スロットル開度と燃料噴射量と点火タイミング等を制御しても、吸気弁通過空気量と筒内空気量との差のために目標の燃焼状態に制御できない。

特許文献１に開示される技術では、スロットル装置のスロットルモデルによって実スロットル開度からスロットル通過空気量を算出し、吸気管モデルによってスロットル通過空気量から吸気管圧を算出し、吸気弁モデルによって吸気管圧から吸気弁通過空気量と筒内空気量とをそれぞれ算出している。吸気通路から排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量は、吸気弁通過空気量から筒内空気量を減算して算出している。

特開２０１２−１７２５９４号公報

しかしながら、スロットル装置および吸気弁のように可動部を有するもの、ならびに吸気管のように通路を形成するもののモデル化は複雑である。また、機差および経時変化によりモデルから算出した値と実際の値とに差が生じることがある。したがって、特許文献１のように、スロットル装置と吸気弁と吸気管とをモデル化して吹き抜け量を算出すると誤差が生じやすくなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、吸気通路から排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量を容易に算出し、誤差を極力低減する技術を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関制御装置は、排気温推定手段と、排気温検出手段と、吹き抜け量推定手段と、を備える。
排気温推定手段は内燃機関の排気温に関連する物理量に基づいて排気温を推定し、排気温検出手段は排気温センサの出力に基づいて実排気温を検出する。吹き抜け量推定手段は、排気温推定手段が推定する推定排気温と排気温検出手段が検出する実排気温との温度差に基づき、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なっているときに吸気通路から排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量を推定する。

吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間が重なり、吸気通路から排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量が多いほど排気通路の排気温は低下する。したがって、排気通路の排気温を推定した推定排気温と排気温センサの出力に基づいて検出する実排気温との温度差に基づいて、吸気通路から排気通路に吹き抜ける空気量を推定することができる。

そして、排気温の推定に排気温に関連する物理量を使用するので、排気温に関連する物理量に基づいて排気温を容易に推定できる。これにより、推定排気温と実排気温との温度差に基づいて、吹き抜け量を容易に算出できる。

また、排気温に関連する物理量は、センサ等による出力値、あるいは制御装置による制御値から検出できるので、排気温に関連する物理量から推定する排気温の誤差を極力低減できる。これにより、推定排気温と実排気温との温度差から推定する吹き抜け量の誤差を極力低減できる。

尚、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本実施形態の内燃機関制御装置を適用した燃料噴射システムを示すブロック図。 吹き抜け量推定処理を示すフローチャート。 推定排気温と実排気温との偏差と吹き抜け割合との関係を示す特性図。

以下、本発明が適用された実施形態について図を用いて説明する。
［１．構成］
図１に示すエンジン制御システム２は、内燃機関１０と、内燃機関１０を制御する内燃機関制御装置である電子制御装置（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）５０とを中心に構成される。内燃機関１０は、例えば４気筒の直噴式の過給機付きのガソリンエンジンである。以下、内燃機関を単にエンジンとも言う。

吸気管２００の上流部に、図示しないエアクリーナが設置され、このエアクリーナから吸気流れの下流側のエンジン１０に向けて、エアフロメータ１２、吸気温センサ１４、スロットル装置１６、吸気圧センサ１８が設置されている。

吸気管２００によりエンジン１０に空気を導入する吸気通路２０２が形成されている。エアフロメータ１２は、吸気通路２０２を流れる空気量に対応する信号を出力する。吸気温センサ１４はエアフロメータ１２とターボチャージャのコンプレッサ４０との間に設置され、吸気通路２０２を流れる空気の温度である吸気温に対応する信号を出力する。

スロットル装置１６は、コンプレッサ４０の下流に設置されている。スロットル装置１６のスロットル開度をモータ等のアクチュエータが制御することにより、吸気通路２０２からエンジン１０に吸入される空気量が調整される。

吸気弁２０と、排気弁２２と、点火プラグ２４と、インジェクタ３０と、水温センサ３２と、エンジン回転数センサ３４とは、エンジン１０に設置されている。
吸気弁２０が開弁することにより吸気通路２０２からエンジン１０の燃焼室１００に空気が吸入され、排気弁２２が開弁することにより燃焼室１００から排気が排出される。吸気弁２０と排気弁２２の開閉タイミングであるバルブタイミングは、図示しないバルブタイミング調整装置によりエンジン運転状態に基づいて調整される。

点火プラグ２４は、エンジン運転状態に基づいて決定される点火タイミングで燃焼室１００の混合気に火花放電により点火する。
水温センサ３２はエンジン１０のシリンダブロックに設置され、エンジン１０を冷却する水温に対応する信号を出力。エンジン回転数センサ３４は、エンジン１０の回転数に対応する信号を出力する。

排気温センサ３６とＡ／Ｆセンサ３８とは、ターボチャージャのタービン４２の下流側に、タービン４２と同様に排気マニホールドで一つに集約された排気管２１０に設置されている。

排気温センサ３６は排気管２１０が形成する排気通路２１２の排気温に対応する信号を出力する。Ａ／Ｆセンサ３８は、排気通路２１２の酸素濃度からエンジン１０に供給された燃料混合気の空燃比に対応する信号を出力する。

ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、通信インタフェース等を有するマイクロコンピュータを搭載している。ＥＣＵ５０は、ＥＣＵ５０のＲＯＭ、フラッシュメモリ等の記憶装置に記憶されている制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、スロットル装置１６に対するスロットル開度制御、インジェクタ３０に対する噴射制御、点火プラグ２４に対する点火制御、吸気弁２０と排気弁２２のバルブタイミング制御等の各種のエンジン制御を実行する。

［２．処理］
ＥＣＵ５０が実行する吹き抜け量推定処理について図２のフローチャートに基づいて説明する。図２において、「Ｓ」はステップを表わしている。図２のフローチャートは、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程からなる各気筒の１燃焼サイクルのいずれかの角度タイミングにおいて１回実行される。例えば、４気筒エンジンであれば、１８０°ＣＡ毎に１回実行される。

図２のＳ４００において、ＥＣＵ５０は、点火タイミングと、吸気弁２０および排気弁２２のバルブタイミングと、空燃比と、エンジン１０の水温と、吸気温と、エンジン回転数と、燃料性状等の排気温に関連する物理量をパラメータとし、これらパラメータに基づいてマップまたは多項式から排気温を推定する。

排気温を推定するマップまたは多項式は、想定される範囲内で実験等により気筒内に吸入された空気がすべて燃焼に使用される状態で各パラメータを変化させたときの排気温を測定して設定される。

パラメータのうち、点火タイミングとバルブタイミングとは、点火タイミングとバルブタイミングとを制御するＥＣＵ５０の処理または別のＥＣＵから取得する。空燃比と水温と吸気温とエンジン回転数とは、それぞれＡ／Ｆセンサ３８、水温センサ３２、吸気温センサ１４、エンジン回転数センサ３４の出力に基づいて検出する。

燃料性状は、燃料の燃焼状態に影響する。したがって、例えば、異常燃焼によりノッキングが発生するときのタイミングに基づいて、燃料性状を推定して検出する。
ＥＣＵ５０は、排気温センサ３６の出力に基づいて実排気温を検出する（Ｓ４０２）。そして、ＥＣＵ５０は、Ｓ４００で推定した推定排気温とＳ４０２で検出した実排気温との温度差（排気温偏差）、ならびに推定排気温とＳ４００で検出した吸気温との温度差に基づいて、次式（１）から吹き抜け割合を算出して推定する（Ｓ４０４）。

吹き抜け割合＝（推定排気温−実排気温）／（推定排気温−吸気温） ・・・（１）
吹き抜け割合は、吸気弁２０を通過して気筒内に吸入された吸気弁通過空気量に対して、吸気弁２０の開弁期間と排気弁２２の開弁期間とが重なったときに、吸気通路２０２から排気通路２１２に吹き抜ける空気の吹き抜け量の割合を表わしている。式（１）から吹き抜け割合を推定することは、空気の吹き抜け量を推定することになる。

尚、本実施形態では、排気温センサ３６は、各気筒の排気が集約された排気管２１０に設置されているので、排気温センサ３６の出力に基づいて検出する実排気温は、各気筒の平均の排気温になる。

気筒内に吸入された空気がすべて排気通路２１２に吹き抜ける場合、実排気温と吸気温とは等しくなるので、式（１）において吹き抜け割合は１になる。気筒内に吸入された空気がすべて燃焼に使用され排気通路２１２に吹き抜けない場合、実排気温と推定排気温とは等しくなるので、式（１）において吹き抜け割合は０になる。

そして、吹き抜け量が増加すると実排気温は低下して吸気温に近づき、推定排気温と実排気温との温度差は大きくなる。したがって、図３に示すように、吹き抜け量が増加して推定排気温と実排気温との温度差が大きくなるにしたがい、吹き抜け割合は大きくなる。

ＥＣＵ５０は、エアフロメータ１２の出力に基づいて検出する吸気量に基づいて、各気筒において吸気弁２０を通って気筒内に吸入される吸気弁通過空気量を算出する（Ｓ４０６）。

ＥＣＵ５０は、エアフロメータ１２から空気が吸気弁２０を通過するまでの遅れ時間と、スロットル装置１６のスロットル開度とに基づいて、エアフロメータ１２の出力に基づいて検出する吸気量から吸気弁通過空気量を算出する。

ここで、Ｓ４０６で算出する吸気弁通過空気量は、吸気弁２０の開弁期間と排気弁２２の開弁期間とが重ならない場合には、そのまま燃焼に使用されると考えられる。一方、吸気弁２０の開弁期間と排気弁２２の開弁期間とが重なる場合には、一部が排気通路２１２に排出されるので、燃焼に使用されない。

ＥＣＵ５０は、Ｓ４０４で算出した吹き抜け割合と、Ｓ４０６で算出した吸気弁通過空気量とから、次式（２）に基づいて気筒内に吸入され、実際に燃焼に使用される筒内空気量を算出する（Ｓ４０８）。

筒内空気量＝吸気弁通過空気量×（１−吹き抜け割合） ・・・（２）
ＥＣＵ５０は、Ｓ４０８で算出した筒内空気量と、Ｓ４０６で算出した吸気弁通過空気量との偏差に基づいて、目標空燃比となるように、さらにエンジン１０の出力トルクが目標トルクになるように、スロットル装置１６のスロットル開度と、点火プラグ２４の点火タイミングと、インジェクタ３０の燃料噴射量との少なくともいずれかを補正する（Ｓ４１０）。

また、ＥＣＵ５０は、筒内空気量と吸気弁通過空気量との偏差に基づいて、最適な空燃比になるようにインジェクタ３０の噴射量を補正する（Ｓ４１０）。
［３．効果］
以上説明した本実施形態によると、以下の効果を得ることができる。

（１）排気温に関連する物理量として、センサの出力に基づいて検出する検出値である空燃比と水温と吸気温とエンジン回転数、ならびにセンサの出力に基づいて検出する検出値から決定される燃料性状、ならびに制御装置による制御値である点火タイミングと吸気弁２０および排気弁２２のバルブタイミングに基づいてマップまたは多項式から排気温を推定するので、排気温を容易に推定できる。

これにより、推定した推定排気温と、排気温センサ３６の出力に基づいて検出する実排気温との温度差に基づいて、吹き抜け量を表わす吹き抜け割合を容易に算出できる。
（２）上記の効果（１）で述べたように、排気温に関連する物理量を、センサの出力に基づいて検出する検出値、あるいは制御装置による制御値から取得できるので、排気温に関連する物理量から推定する排気温の誤差を極力低減できる。これにより、推定排気温と実排気温との温度差から推定する吹き抜け量の誤差を極力低減できる。

［４．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、以下の種々の形態を取り得る。

（１）上記実施形態の直噴式の過給機付ガソリンエンジンだけでなく、過給機付きであれば、ポート噴射式のガソリンエンジン、ディーゼルエンジンについても、本発明を適用して吹き抜け量を推定できる。ディーゼルエンジンの場合、吹き抜け量に基づいて噴射時期および噴射量を調整できる。

（２）上記実施形態では複数の気筒に対して共通の１個の排気温センサ３６を設置した。これに対し、気筒毎にそれぞれ１個の排気温センサ３６を設置してもよい。これにより、気筒毎に吹き抜け量、言い換えれば筒内空気量を高精度に推定することができる。

（３）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。尚、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（４）上述した内燃機関制御装置の他、当該内燃機関制御装置を構成要素とする燃料噴射システム、当該内燃機関制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した記録媒体、燃料噴射制御方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

２：燃料噴射システム、１０：エンジン（内燃機関）、１６：スロットル弁、２０：吸気弁、２２：排気弁、２４：点火プラグ、３０：インジェクタ、３６：排気温センサ、５０：ＥＣＵ（内燃機関制御装置）、２０２：吸気通路、２１２：排気通路

Claims (6)

1. 気筒内に吸入された空気がすべて燃焼に使用される状態で、内燃機関（１０）の排気温に関連する物理量に基づいて前記排気温を推定する排気温推定手段（Ｓ４００）と、
   排気温センサ（３６）の出力に基づいて実排気温を検出する排気温検出手段（Ｓ４０２）と、
   前記排気温推定手段が推定する推定排気温と前記排気温検出手段が検出する前記実排気温との温度差に基づき、吸気弁（２０）の開弁期間と排気弁（２２）の開弁期間とが重なるときに吸気通路（２０２）から排気通路（２１２）に吹き抜ける空気の吹き抜け量を推定する吹き抜け量推定手段（Ｓ４０４）と、
   を備えることを内燃機関制御装置（５０）。
2. 請求項１に記載の内燃機関制御装置であって、
   前記排気温検出手段は、前記内燃機関の各気筒に設置された前記排気温センサの出力に基づいて各気筒の排気温を検出する、
   ことを特徴とする内燃機関制御装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関制御装置であって、
   前記排気温推定手段は、前記物理量として、点火タイミングと、前記吸気弁および前記排気弁のバルブタイミングと、空燃比と、エンジン水温と、吸気温と、エンジン回転数と、燃料性状とのうち、少なくともいずれかに基づいて前記排気温を推定する、
   ことを特徴とする内燃機関制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関制御装置であって、
   前記吹き抜け量推定手段が推定する推定吹き抜け量に基づいて、気筒内に吸入され実際に燃焼に使用される筒内空気量を算出する筒内空気量算出手段（Ｓ４０８）と、
   前記筒内空気量算出手段が算出する前記筒内空気量に基づいて点火タイミングを補正する点火補正手段（Ｓ４１０）と、
   を備えることを特徴とする内燃機関制御装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関制御装置であって、
   前記吹き抜け量推定手段が推定する推定吹き抜け量に基づいて、気筒内に吸入され実際に燃焼に使用される筒内空気量を算出する筒内空気量算出手段と、
   前記筒内空気量算出手段が算出する前記筒内空気量に基づいて燃料噴射量を補正する噴射補正手段（Ｓ４１０）と、
   を備えることを特徴とする内燃機関制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関制御装置であって、
   前記吹き抜け量推定手段が推定する前記推定吹き抜け量に基づいて、気筒内に吸入され実際に燃焼に使用される筒内空気量を算出する筒内空気量算出手段と、
   前記筒内空気量算出手段が算出する前記筒内空気量に基づいてスロットル開度を補正する補正手段（Ｓ４１０）と、
   を備えることを特徴とする内燃機関制御装置。