JP5640970B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、車両に搭載される内燃機関の制御を実行するのに好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、筒内圧センサを備えた内燃機関が知られている。また、本公報には、エンジンの着火前に所定クランク角度における筒内圧力の変化の標準偏差を算出し、標準偏差が標準偏差閾値以上で、かつ、基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧を算出し、差圧をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率で除した負荷率筒内差圧が負荷率筒内差圧閾値以上であるときにプレイグニッションが発生していると判定することが開示されている。
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

特開２００９−１３３２８４号公報 特開２０１０−１０６７４２号公報 特開２０１０−０７１１９７号公報 特開平８−２１８９３３号公報

ところで、プレイグニッション等の異常燃焼時には、通常燃焼時に比べて筒内圧が異常に高くなり、ピストンの温度が上昇する。ピストン強度の保証の観点から、プレイグニッション発生時の最大筒内圧を精度高く計測できることが求められる。一般に筒内圧センサにより計測されるが、筒内圧センサにデポジットが付着すると、センサのゲインが上方又は下方に変化するため、計測値が実際の筒内圧に比べて高くなる場合や低くなる場合が生じる。

上記特許文献１の構成のように筒内圧センサの出力値を用いて計測した筒内圧を用いてプレイグ検知等を行う場合、筒内圧センサにデポジットが付着した場合、センサの出力精度や応答性が低下し、プレイグニッション発生時の最大筒内圧を精度高く計測できなくなるおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、筒内圧センサの劣化前後において共通する関係を用いることで、筒内圧センサが劣化した場合であっても、プレイグニッション発生時の実際の最大筒内圧を精度高く算出することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の筒内圧を計測する筒内圧センサと、
所定運転状態での通常燃焼時において劣化前の前記筒内圧センサにより計測された第１通常最大筒内圧と、劣化後の前記筒内圧センサにより計測された第２通常最大筒内圧とを記憶する記憶手段と、
前記所定運転状態においてプレイグニッションが発生した場合に、劣化後の前記筒内圧センサにより計測された第２プレイグ最大筒内圧と、前記第２通常最大筒内圧との圧力比を算出する圧力比算出手段と、
前記第１通常最大筒内圧と前記圧力比とに基づいて、プレイグニッション発生時の実際の最大筒内圧である第１プレイグ最大筒内圧を算出する第１プレイグ最大筒内圧算出手段と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記第１プレイグ最大筒内圧及び第２プレイグ最大筒内圧は、プレイグなまし最大筒内圧又はノック波形最大ピーク値であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、プレイグニッションの連発許容回数は前記圧力比に応じて定められていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記圧力比は、通常燃焼時の最大筒内圧を単位量としたプレイグニッション発生時の最大筒内圧の大きさであり、
前記連発許容回数は、前記圧力比が大きくなるに従って少なく設定されていることを特徴とする。

また、第５の発明は、第３又は第４の発明において、前記連発許容回数は、前記筒内圧センサの劣化前に比して、劣化後の方が少なく設定されていることを特徴とする。

第１又は第２の発明では、プレイグ最大筒内圧と通常最大筒内圧との圧力比が筒内圧センサの劣化前後において共通する点に着目する。そのため、筒内圧センサが劣化した場合であっても、プレイグニッション発生時の実際の最大筒内圧を精度高く算出することができる。

第３の発明によれば、筒内圧センサの劣化前後において変化しない圧力比に応じて連発許容回数が設定されている。そのため、筒内圧センサの劣化後であっても適切に連発許容回数を設定することができる。

第４の発明によれば、圧力比が大きくなるに従って連発許容回数が少なく設定されているため、ピストンの許容温度を超えない制御が可能となる。

第５の発明によれば、筒内圧センサの劣化による性能悪化分の余裕度を確保することができる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 通常（正常）燃焼時とプレイグニッション発生時の筒内圧波形をそれぞれ表したＰθ線図である。 プレイグニッションが発生する運転領域を表した図である。 ピストン設計温度と内燃機関のトルクとの関係を表した図である。 プレイグ連発回数と最大筒内圧Ｐｍａｘとの関係でピストンの温度上昇の傾向を表した図である。 本発明の実施の形態１においてＥＣＵが実行する制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１においてＥＣＵが実行する制御ルーチンのフローチャートである。

以下、図表を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、図表において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、過給によるダウンサイジングが図られた内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の入口近傍には、吸気通路１６に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。エアフローメータ２０よりも下流側の吸気通路１６には、過給機２２のコンプレッサ２２ａが配置されている。更に、コンプレッサ２２ａよりも下流側の吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。

内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内（筒内）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２６、および、混合気に点火するための点火プラグ２８がそれぞれ設けられている。更に、排気通路１８には、過給機２２のタービン２２ｂが配置されている。タービン２２ｂよりも下流側の排気通路１８には、排気ガスを浄化するための触媒３０が配置されている。

また、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３２を備えている。ＥＣＵ３２の入力部には、上述したエアフローメータ２０に加え、筒内圧力Ｐを計測するための筒内圧センサ３４、および、エンジン回転数を検出するためのクランク角センサ３６等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ３２の出力部には、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２６および点火プラグ２８等の内燃機関１０の運転を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。

ＥＣＵ３２は、それらのセンサ出力に基づいて、所定のプログラムに従って上記各種のアクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御するものである。例えば、クランク角センサ３６により検出されるエンジン回転数と、エアフローメータ２０により検出される吸入空気量とに基づいて燃料噴射量を算出し、クランク角に基づいて燃料噴射時期、点火時期等を決定した後、燃料噴射弁２６及び点火プラグ２８を駆動する。

［プレイグニッションの発生を考慮したピストン強度の保証］
図２は、通常（正常）燃焼時とプレイグニッション発生時の筒内圧波形を表したＰθ線図である。図２は、圧縮行程から膨張行程にかけての筒内圧Ｐの変化を表した図である。図２に示すように、異常燃焼としてプレイグニッション（以下、単に「プレイグ」と略する）が発生した場合には、通常燃焼時よりも早いタイミングで筒内圧Ｐが急激に高くなる。その結果、プレイグ発生時には、１サイクル中の最大筒内圧が通常燃焼時よりも高い値を示すようになる。

波形４０、４２、４４は、それぞれ劣化前の筒内圧センサ３４により計測された波形である。波形４０は通常燃焼時の筒内圧波形、波形４２はプレイグ発生時のノック波形、波形４４は、プレイグ発生時のなまし筒内圧波形を表している。プレイグ発生時のなまし筒内圧波形は、高周波で大きく振動するノック波形を平滑化処理（なまし処理）した波形である。図２には、プレイグなまし最大筒内圧Ｐｍａｘと、ノック波形最大ピーク値Ｐｓ＿ｍａｘが表されている。

ところで、筒内圧センサ３４には経時変化等によりデポジットが付着する。デポジットが付着すると筒内圧センサ３４による計測値（電圧）が上方又は下方に変化する。図２の波形５０、５２、５４は、それぞれデポジット付着による劣化後の筒内圧センサ３４により計測された波形である。波形５０は通常燃焼時の筒内圧波形、波形５２はプレイグ発生時のノック波形、波形５４はプレイグ発生時のなまし筒内圧波形を表している。波形４０〜４４と、波形５０〜５４とを比較して分かるように、図２に示す例では、デポジット付着後の計測値は、デポジット付着前に比して低下している。

図３は、プレイグニッションが発生する運転領域を表した図である。また、図４は、ピストン設計温度と内燃機関１０のトルクとの関係を表した図である。尚、図４中におけるＡ〜Ｃのトルク値は、図３中のエンジン回転数ＮＥ_１におけるトルク値と対応したものである。

図３に示すように、過給によるダウンサイジングが図られた内燃機関１０の低回転高負荷（トルク）領域は、プレイグが発生し易い運転領域（プレイグ発生域）となる。ピストン１２の温度は、負荷（トルク）が高くなるほど高くなる。このため、図４に示すように、ピストン設計温度（より具体的には、ピストン１２の代表部位（例えば、頂部）の設計温度）は、トルクが高くなるほど、高くなるように設定（想定）されている。また、図４に示すように、所定のピストン強度を保証するためのピストン許容温度Ｔｍａｘは、プレイグの発生をも考慮して、ピストン設計温度に対して余裕をもった値として設定されている。

図５は、プレイグ連発回数と最大筒内圧Ｐｍａｘとの関係でピストン１２の温度上昇の傾向を表した図である。プレイグが発生すると、ピストン１２の温度が上昇する。発生したプレイグが単発であったなら、ピストン１２の温度は上昇しても直ぐに元の値に戻る。しかしながら、プレイグが連続的に発生する場合には、ピストン１２の温度が上昇していくことになる。より具体的には、図５に示すように、プレイグ連発回数が増えるにつれ、ピストン１２の温度が上昇していく。また、プレイグ発生時の最大筒内圧が高いほど、ピストン１２の温度上昇率ΔＴが高くなる。尚、ここでいう連続的なプレイグとは、同一気筒において、複数のサイクルに渡って継続的に発生するプレイグのことである。

プレイグ発生域（図３）は高負荷領域である。このため、プレイグ発生域において継続的に運転された場合には、ピストン１２の温度は元々高くなり易い。そのような場合においてプレイグが連発すると、ピストン１２の温度が所定のピストン許容温度Ｔｍａｘ（図４）を超えて上昇し、ピストン強度の保証が難しくなるおそれがある。

［実施の形態１の特徴的処理］
表１は、所定運転状態における実際の筒内圧と、デポジット付着前後の筒内圧センサ３４による計測値との関係を示す表である。表１における数値は本発明の説明の都合上、一例を示したものであり、これに限られるものではない。また、以下、デポジット付着後の計測値がデポジット付着前に比して低くなる例について説明するが、これに限られるものではなく、上述したように計測値が高くなる場合であっても同様である。

表１の例では、ａに示すように、通常燃焼時の実際の最大筒内圧が８ＭＰａである場合、筒内圧センサ３４による計測値は、デポジット付着前は８ＭＰａであるが、デポジット付着後は６ＭＰａに低下している。同様にｂ、ｃに示すプレイグなまし最大筒内圧、ノック波形最大ピーク値についても、デポジット付着後は計測値が低下している。なお、プレイグによる最大筒内圧は、同一運転状態においても予期できない着火時期の違い等により変化する。表１はデポジット付着前後で同様のプレイグが発生した場合の一例である。

ところが、プレイグなまし最大筒内圧と通常最大筒内圧との圧力比（ｂ／ａ）の値は、デポジット付着の前後を問わず一定であるという関係を有する。また、ノック波形最大ピーク値と通常最大筒内圧との圧力比（ｃ／ａ）の値も、デポジット付着の前後を問わず一定であるという関係を有する。そこで、本発明では、この関係に着目し、実際の筒内圧と計測値の誤差を補正することとした。

＜フローチャート＞
図６及び図７は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ３２が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、筒内圧センサ３４のデポジット付着前において、プレイグ発生域内の運転状態毎に通常燃焼時の最大筒内圧（第１通常最大筒内圧）が計測され記憶される。運転状態は、例えばエンジン回転数と負荷率で定まる。なお、これらのセンサ劣化前に計測される第１通常最大筒内圧は、新車時に予めＥＣＵ３２に記憶されていても良い。

ステップＳ１１０において、筒内圧センサ３４のデポジット付着後における通常燃焼時の最大筒内圧（第２通常最大筒内圧）が運転状態毎に計測され記憶される。デポジット付着後であることは、所定期間の経過や計測値の変動履歴に基づいて判断可能である。また、第２通常最大筒内圧は、経時変化を考慮して所定期間経過毎に更新される。

図６に示すルーチンの実行後、図７に示すルーチンが所定サイクル毎に実行される。
まず、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ３２は、プレイグの発生を検知する。例えば、点火時期のクランク角よりも進角した位置で筒内圧が急上昇している場合に、プレイグの発生を検知することができる。その他、筒内圧をＰ、筒内容積をＶ、筒内ガスの比熱比をκとしたときの発熱量相関値ＰＶ^κが所定の閾値を超えた場合に、プレイグの発生を検知するものであっても良い。

ステップＳ１３０において、ＥＣＵ３２は、デポジット付着後の筒内圧センサ３４によりプレイグ最大筒内圧（第２プレイグ最大筒内圧）を計測する。プレイグ最大筒内圧としてプレイグなまし最大筒内圧又はノック波形最大ピーク値を用いる。上述したように筒内圧センサ３４にデポジットが付着すると、実際の筒内圧より計測値が低くなる場合や、高くなる場合が生じる。例えば、表１のｂに示すように、プレイグなまし最大筒内圧の実際値１６ＭＰａに対して、計測値１２ＭＰａが計測される。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ３２は、プレイグの発生が検知された運転状態と同一の運転状態に応じた第２通常最大筒内圧を読み込む。そして、ＥＣＵ３２は、第２通常最大筒内圧と第２プレイグ最大筒内圧との圧力比を算出する。プレイグなまし最大筒内圧を用いる場合には、圧力比（プレイグなまし最大筒内圧／通常最大筒内圧）を算出する。ノック波形最大ピーク値を用いる場合には、圧力比（ノック波形最大ピーク値／通常最大筒内圧）を算出する。

ステップＳ１５０において、ＥＣＵ３２は、上述のプレイグの発生が検知された運転状態と同一の運転状態に応じた第１通常最大筒内圧を読み込む。そして、ＥＣＵ３２は、第１通常最大筒内圧にステップＳ１４０で算出した圧力比を乗じる。この計算結果が、実際のプレイグなまし最大筒内圧又はノック波形最大ピーク値（第１プレイグ最大筒内圧）とされる。このように、本ルーチンによれば、実際の筒内圧と計測値との誤差を補正することができ、筒内圧センサが劣化した場合であっても、プレイグニッション発生時の実際の最大筒内圧を精度高く算出することができる。

尚、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ３４が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に、ＥＣＵ３２が前記第１の発明における「記憶手段」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ３２が、上記ステップＳ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「圧力比算出手段」が、上記ステップＳ１５０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１プレイグ最大筒内圧算出手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、表２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を有する。

図５について述べたように、プレイグ連発回数が増えるにつれ、ピストン１２の温度が上昇していく。また、プレイグ発生時の最大筒内圧が高いほど、ピストン１２の温度上昇率ΔＴが高くなる。ピストン１２の設計温度を超えないためには、プレイグ発生時の最大筒内圧が高いほど、プレイグ連発許容回数を低く設定する必要がある。ところが、上述したように筒内圧センサ３４にデポジットが付着すると計測値は実際の筒内圧から上方又は下方に変化した値になるため、この計測値をそのまま用いたのでは、プレイグ連発許容回数が実際の筒内圧に応じた値よりも小さく又は大きく設定されてしまい、大きく設定された場合には、ピストンの許容温度を超えてしまう可能性がある。

［実施の形態２の特徴的処理］
そこで、本実施の形態では、上述した実施の形態１により、筒内圧センサ３４にデポジットが付着した後であっても実際の最大筒内圧を精度高く算出し、この実際の最大筒内圧に応じたプレイグ連発許容回数を設定できるようにした。特に、本発明では、実施の形態１で述べた、筒内圧センサ３４の劣化前後で変化しない圧力比（プレイグ最大筒内圧／通常最大筒内圧）に着目する。この圧力比に応じてプレイグ連発許容回数を設定することで、センサ劣化前後によらずにプレイグ連発許容回数を適切に設定することが可能となる。

表２は、筒内圧センサ３４のデポジット付着前後におけるプレイグ連発許容回数の修正手法について説明するための表である。表２における数値は本発明の説明の都合上、一例を示したものであり、これに限られるものではない。また、以下、デポジット付着後の計測値がデポジット付着前に比して低くなる例について説明するが、これに限られるものではなく、上述したように計測値が高くなる場合であっても同様である。

表２に示すように、プレイグは、同一運転状態においても、着火時期等により最大筒内圧が変化する。図２には、実際の最大筒内圧が１０、１２、１４、１６ＭＰａである場合の一例が示されている。例えば、デポジット付着前にプレイグなまし最大筒内圧１２ＭＰａが計測された場合の連発許容回数は７回であるが、デポジット付着後に１２ＭＰａが計測された場合の連発許容回数は５回であり、単に計測値を用いたのでは、適切な連発許容回数が設定できない。そこで、本発明では、上記圧力比に着目して、実施の形態１の手法により精度高く実際の最大筒内圧（デポジット付着前に計測されたプレイグなまし最大筒内圧）を算出する。これにより、センサ劣化後であっても実際の最大筒内圧に応じた連発許容回数を適切に設定することが可能となる。

また、本発明では、筒内圧センサ３４の劣化前後でプレイグなまし最大筒内圧と通常最大筒内圧と圧力比が変化しない関係に着目し、この圧力比に応じて連発許容回数を設定することで、センサの劣化前後によらず好適なプレイグ連発許容回数を設定することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態２のシステムにおいては、圧力比を、プレイグなまし最大筒内圧と通常最大筒内圧との比としているが、ノック波形最大ピーク値と通常最大筒内圧との比としても良い。なお、この点は実施の形態３でも同様である。

実施の形態３．
次に、表３を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を有する。

上述した実施の形態２では、実際の最大筒内圧を算出することで、筒内圧センサ３４の劣化後であっても、劣化前と同じ連発許容回数を設定することができる。しかしながら、筒内圧センサ３４が劣化すれば応答性等が悪化する場合もあるため、デポジット付着によりセンサ性能悪化分の余裕を確保することが望ましい。そこで、本実施形態のシステムでは、デポジット付着後はデポジット付着前に比してプレイグ連発許容回数を少なく設定することとした。

表３は、筒内圧センサ３４のデポジット付着前後におけるプレイグ連発許容回数の修正手法について説明するための表である。表３における数値は本発明の説明の都合上、一例を示したものであり、これに限られるものではない。また、以下、デポジット付着後の計測値がデポジット付着前に比して低くなる例について説明するが、これに限られるものではなく、計測値が高くなる場合であっても同様である。

表３の各要素は、デポジット付着後の連発許容回数が異なる点を除き表２と同様である。本実施形態のシステムでは、実施の形態１及び２の処理に加え、表３に示すように実際の最大筒内圧が同一であっても、デポジット付着後の連発許容回数がデポジット付着前よりも少なく設定されている。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１６ 吸気通路
２０ エアフローメータ
２２、２２ａ、２２ｂ 過給機、コンプレッサ、タービン
２４ スロットルバルブ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
３２ ＥＣＵ
３４ 筒内圧センサ
３６ クランク角センサ

Claims (5)

1. 内燃機関の筒内圧を計測する筒内圧センサと、
   所定運転状態での通常燃焼時において劣化前の前記筒内圧センサにより計測された第１通常最大筒内圧と、劣化後の前記筒内圧センサにより計測された第２通常最大筒内圧とを記憶する記憶手段と、
   前記所定運転状態においてプレイグニッションが発生した場合に、劣化後の前記筒内圧センサにより計測された第２プレイグ最大筒内圧と、前記第２通常最大筒内圧との圧力比を算出する圧力比算出手段と、
   前記第１通常最大筒内圧と前記圧力比とに基づいて、プレイグニッション発生時の実際の最大筒内圧である第１プレイグ最大筒内圧を算出する第１プレイグ最大筒内圧算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第１プレイグ最大筒内圧及び第２プレイグ最大筒内圧は、プレイグなまし最大筒内圧又はノック波形最大ピーク値であること、を特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. プレイグニッションの連発許容回数は前記圧力比に応じて定められていること、を特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記圧力比は、通常燃焼時の最大筒内圧を単位量としたプレイグニッション発生時の最大筒内圧の大きさであり、
   前記連発許容回数は、前記圧力比が大きくなるに従って少なく設定されていること、
   を特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記連発許容回数は、前記筒内圧センサの劣化前に比して、劣化後の方が少なく設定されていること、を特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関の制御装置。

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