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内燃機関の制御装置 - トヨタ自動車株式会社
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発明の名称 内燃機関の制御装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−9807(P2007−9807A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−191714(P2005−191714)
出願日 平成17年6月30日(2005.6.30)
代理人 【識別番号】100106150
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 英樹
発明者 早坂 全人 / 木下 剛生 / 古牧 正志
要約 課題
燃焼モードを切り換え可能な内燃機関において、燃焼モードを切り換えた際の空燃比を最適に制御することで、燃焼状態を良好にすること。

解決手段
内燃機関10に燃料を供給する燃料噴射弁30と、筒内の燃焼モードを切り換える燃焼モード切換手段と、燃焼モードに応じて燃料噴射弁30からの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、燃焼モードの切り換え時に、燃焼モードの切り換えに応じて変化する燃料噴射量になまし処理を施すなまし処理手段と、を備える。吸気バルブ等への燃料付着量の変化に応じて燃料噴射量を変化させることができるため、燃焼モードの切り換え時に、筒内の空燃比を最適に制御することが可能となる。
特許請求の範囲
【請求項1】
内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁と、
筒内の燃焼モードを切り換える燃焼モード切換手段と、
前記燃焼モードに応じて前記燃料噴射弁からの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
前記燃焼モードの切り換え時に、前記燃焼モードの切り換えに応じて変化する前記燃料噴射量になまし処理を施すなまし処理手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項2】
前記燃料噴射量制御手段は、基本噴射量と当該基本噴射量の補正値とに基づいて前記燃料噴射量を制御し、
前記なまし処理手段は、前記補正値になまし処理を施すことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の制御装置。
【請求項3】
前記なまし処理手段は、前記補正値が一次遅れで変化するようになまし処理を施すことを特徴とする請求項2記載の内燃機関の制御装置。
【請求項4】
前記燃焼モード切換手段は、希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で前記燃焼モードを切り換えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
この発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、例えば特開2003−120367号公報には、希薄燃焼とストイキ燃料を切り換え可能な内燃機関において、希薄燃焼とストイキ燃焼との切り換えに対応して、算出する燃料付着量を変更する技術が開示されている。
【0003】
【特許文献1】特開2003−120367号公報
【特許文献2】特開平8−177556号公報
【特許文献3】特開2005−9467号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、希薄燃焼とストイキ燃焼に対応して燃料噴射量を切り換えることを想定した場合、燃焼状態の切り換えと同時に燃料噴射量の算出を切り換えると、切り換えと同時に燃料噴射量が変化し、空燃比の制御性が悪化するという問題が発生する。このため、燃費の低下、エミッションの低下、ドライバビリティの悪化などの問題を招来する虞がある。
【0005】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃焼モードを切り換え可能な内燃機関において、燃焼モードを切り換えた際の空燃比を最適に制御することで、燃焼状態を良好にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
第1の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁と、
筒内の燃焼モードを切り換える燃焼モード切換手段と、前記燃焼モードに応じて前記燃料噴射弁からの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、前記燃焼モードの切り換え時に、前記燃焼モードの切り換えに応じて変化する前記燃料噴射量になまし処理を施すなまし処理手段と、を備えたことを特徴とする。
【0007】
第2の発明は、第1の発明において、前記燃料噴射量制御手段は、基本噴射量と当該基本噴射量の補正値とに基づいて前記燃料噴射量を制御し、前記なまし処理手段は、前記補正値になまし処理を施すことを特徴とする。
【0008】
第3の発明は、第2の発明において、前記なまし処理手段は、前記補正値が一次遅れで変化するようになまし処理を施すことを特徴とする。
【0009】
第4の発明は、第1〜第3の発明のいずれかにおいて、前記燃焼モード切換手段は、希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で前記燃焼モードを切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
第1の発明によれば、燃焼モードの切り換えに応じて変化する燃料噴射量になまし処理を施すため、吸気バルブ、吸気ポート、又は筒内壁面等への燃料付着量の変化に対応させて燃料噴射量を変化させることができる。従って、燃焼モードの切り換え時に、筒内の空燃比を最適に制御することが可能となる。
【0011】
第2の発明によれば、基本噴射量とその補正値とに基づいて燃料噴射量を制御し、補正値になまし処理を施すため、燃料噴射量に確実になまし処理を施すことができる。
【0012】
第3の発明によれば、吸気バルブ、吸気ポート、又は筒内壁面等における燃料付着量は一次遅れで変化するため、補正値が一次遅れで変化するようになまし処理を施すことで、燃焼モード切換時の燃料付着量の変化に応じて補正値を可変することができる。従って、燃焼モード切換時における燃料噴射量を燃料付着量の変化に応じた最適な値に制御することが可能となる。
【0013】
第4の発明によれば、希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り換える内燃機関において、切り換え時の燃料噴射量を最適に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図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。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【0015】
図1は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関10には吸気通路12および排気通路14が連通している。吸気通路12は、上流側の端部にエアフィルタ16を備えている。エアフィルタ16には、吸気温THA(すなわち外気温)を検出する吸気温センサ18が組みつけられている。また、排気通路14には排気浄化触媒32が配置されている。
【0016】
エアフィルタ16の下流には、エアフロメータ20が配置されている。エアフロメータ20の下流には、スロットルバルブ22が設けられている。スロットルバルブ22の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルセンサ24と、スロットルバルブ22が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ26とが配置されている。
【0017】
スロットルバルブ22の下流には、サージタンク28が設けられている。また、サージタンク28の更に下流には、内燃機関10の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁30が配置されている。
【0018】
内燃機関10は、吸気バルブ36および排気バルブ38を備えている。吸気バルブ36には、吸気バルブ36のリフト量、及び/又は作用角を可変するための可変動弁機構(VVT; Variable Valve Timing)44が接続されている。また、燃焼室内に噴霧された燃料に点火するため、内燃機関10の筒内には点火プラグが設けられている。更に、筒内には、その内部を往復運動するピストン34が設けられている。また、内燃機関10には、冷却水温を検出する水温センサ42が取り付けられている。
【0019】
ピストン34には、その往復運動によって回転駆動されるクランク軸36が連結されている。車両駆動系と補機類(エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、トルクコンバータ、パワーステアリングのポンプ等)は、このクランク軸36の回転トルクによって駆動される。クランク軸36の近傍には、クランク軸36の回転角を検出するためのクランク角センサ38が取り付けられている。
【0020】
図1に示すように、本実施形態の制御装置はECU(Electronic Control Unit)40を備えている。ECU40には、上述した各種センサに加え、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、車速、機関回転数、排気温度、潤滑油温度、触媒床温度などを検出するための各種センサ(不図示)が接続されている。また、ECU40には、上述した燃料噴射弁30、可変動弁機構44などの各アクチュエータが接続されている。
【0021】
このように構成された本実施形態のシステムでは、内燃機関10の運転状態に応じて、筒内の燃焼モードを可変するようにしている。すなわち、内燃機関10に要求される出力が比較的小さい場合は、筒内の空燃比がストイキよりもリーンになるように燃料噴射弁30からの燃料噴射量が抑えられ、筒内で希薄燃焼が行われる。また、内燃機関10に高出力が要求される場合は、筒内の空燃比がストイキに制御され、筒内でストイキ燃焼が行われる。希薄燃焼とストイキ燃焼との切り換えは、機関回転数Ne、負荷率KL、冷却水温Twなどの運転状態を表すパラメータに基づいて行われる。このような2つの燃焼モードによる制御によれば、高出力が要求される運転時以外は、希薄燃焼により燃料噴射弁30からの燃料噴射量が抑制されるため、燃費を向上することができ、排気ガスのエミッションを向上することが可能となる。
【0022】
また、本実施形態のシステムにおいて、燃料噴射弁30からの燃料噴射量は内燃機関10の運転状態に応じて可変される。より詳細には、燃料噴射量は、基本噴射量とその補正値とから決定される。基本噴射量は、吸入空気量Gaに応じて決定され、ストイキ燃焼の場合は吸入空気量Gaに対して空燃比がストイキとなるように設定され、希薄燃焼の場合は吸入空気量Gaに対して空燃比がリーンになるように設定される値である。また、補正値は、基本噴射量に対して乗算される値であって、機関回転数Ne、負荷率KL、バルブタイミングVT、冷却水温Twなどの運転状態を表す各種パラメータに基づいてマップから算出される値である。
【0023】
内燃機関10の運転中は、燃料噴射弁30によって吸気通路12の吸気ポートに燃料が噴射される。吸気ポートに噴射された燃料は、その一部が吸気バルブ36に付着する。内燃機関10の暖機が十分に進んでおり、吸気バルブ36が高温となっている状況下では、付着した燃料が短時間で気化するため、その付着の影響が筒内に吸入される燃料量に大きく及ぶことはない。すなわち、吸気バルブ36が高温の場合、燃料噴射弁30からの燃料噴射量は筒内への燃料供給量とほぼ一致する。
【0024】
しかしながら、吸気バルブ36の温度が十分に上昇していない状況下では、そこに付着した燃料が吸気バルブ36の開弁期間中に完全には気化しない事態が生ずる。この場合、燃料噴射弁30からの燃料噴射量に対して、筒内への燃料供給量は付着の分だけ減少する。従って、筒内に流入する燃料量を正確に把握するためには、吸気バルブ36に付着した燃料のうち、気化する燃料の割合を精度良く推定することが必要である。上述した補正値は、このような燃料付着による影響を考慮して基本噴射量を補正するものである。従って、本実施形態のシステムによれば、吸気バルブ36、または吸気ポートの壁面等に燃料が付着する条件下においても、筒内に送られる燃料量を最適に制御することができる。
【0025】
ところで、本実施形態のように希薄燃焼とストイキ燃焼による2つの燃焼モードを切り換えて内燃機関10を運転する場合、各燃焼モードで吸気バルブ36等への燃料付着量が相違する事態が発生する。これは、希薄燃焼とストイキ燃焼の燃焼エネルギーの相違によって、双方のモードで吸気バルブ36の温度が異なることに起因している。
【0026】
ストイキ燃焼の場合、希薄燃焼に比べて燃焼エネルギーが大きくなるため、希薄燃焼の場合に比べて吸気バルブ36の温度が高くなる。このため、ストイキ燃焼時は吸気バルブ36に付着した燃料が気化し易い状態となり、希薄燃焼の場合に比べて吸気バルブ36への燃料付着量は少なくなる。従って、希薄燃焼の場合は、ストイキ燃焼の場合に比べて、付着の影響を考慮して上述した補正値の値を増加する必要がある。
【0027】
このため、本実施形態では、上述した補正値を算出するためのマップとして、ストイキ燃焼時に補正値を算出するマップと、希薄燃焼時に補正値を算出するマップの2つを用いている。そして、ストイキ燃焼と希薄燃焼との間で燃焼モードを切り換えた場合は、補正値を算出するマップを同時に切り換えるようにしている。これにより、燃焼モードに応じて燃料噴射量を最適値に制御することができ、筒内の空燃比を所望の値に制御することができる。
【0028】
そして、本実施形態のシステムでは、ストイキ燃焼と希薄燃焼との間でマップを切り換えた際に、補正値が急激に切り換わることを回避するため、補正値に所定のなまし処理を行うようにしている。これにより、燃焼モードを切り換えた際に燃料噴射量が急激に変化してしまうことを抑制でき、空燃比の制御性が低下することを抑止できる。
【0029】
図2は、燃焼モードの切換時に行われるなまし処理を説明するための特性図である。図2において、横軸は時間を、縦軸は燃料噴射量の補正値を示している。図2の例では、時刻t0においてストイキ燃焼から希薄燃焼への切り換えが行われるものとする。図2の縦軸において、Mbは燃焼モードを切り換える前の補正値であって、ストイキ燃焼における補正値を示している。また、Maは燃焼モードを切り換えた後の補正値であって、希薄燃焼における補正値を示している。補正値Mbはストイキ燃焼時に補正値を算出するためのマップから、補正値Maは希薄燃焼時に補正値を算出するためのマップからそれぞれ求められる。
【0030】
時刻t0の時点で燃焼モードがストイキ燃焼から希薄燃焼へ切り換わると、補正値をMbからMaに切り換える制御が行われる。このとき、時刻t0の時点で補正値Mbから補正値Maへの切り換えを瞬時に行うと、補正値が急激に切り換わるため、空燃比の制御性が低下してしまう場合がある。
【0031】
燃焼モードを切り換えた場合、吸気バルブ36の温度は各燃焼モードの熱発生量に応じて変化するが、この温度変化は瞬時に行われるものではなく、吸気バルブ36の熱容量などに応じて時系列的に変化する。このような状況下において、燃料噴射量の補正値を燃焼モード切換の時点で瞬時に切り換えることとすると、補正値の切り換えに対して吸気バルブ36の温度の追従が遅れるため、吸気バルブ36の温度変化、すなわち吸気バルブ36における燃料付着量の変化に応じて補正値を制御することが困難となる。このため、燃焼モードの切換時に筒内への燃料供給量を最適に制御することができなくなる事態が生じる。
【0032】
このため本実施形態では、図2に示すように、補正値になまし処理を施して、時刻t0からt1の間で緩やかに補正値が切り換わるように制御を行う。このなまし処理は、燃焼モード切換時の吸気バルブ36の温度変化に合わせて行われる。これにより、燃焼モードの切換時に、吸気バルブ36における燃料付着量の変化に合わせて燃料噴射量を最適に制御することが可能となる。
【0033】
より詳細には、時刻t0からT1時間が経過した後の補正値Mは、以下の(1)式から算出される。
M=(Mb−Ma)・exp(−T1/T)+Ma ・・・(1)
【0034】
(1)式は、燃焼モード切換時の吸気バルブ36の温度変化に合わせて、補正値に一次遅れのなまし処理を施すものである。吸気バルブ36の温度変化は一次遅れで表すことができ、(1)式から求まる補正値の変化も一次遅れで表される。(1)式において、Tは時定数であり、吸気バルブ36の温度が変化する際の時定数が用いられる。時定数Tは、吸気バルブ36の熱容量などの特性値から定められる。従って、(1)式によれば、補正値の変化を吸気バルブ36の温度変化と一致させることができる。そして、吸気バルブ36の温度は吸気バルブ36における燃料付着量を表すパラメータであるため、吸気バルブ36の温度変化に合わせて補正値を可変することで、燃料付着量の変化に対応させて補正値を可変することが可能となる。これにより、燃焼モード切換時における燃料付着量の変化を考慮して燃料噴射量を決定することができ、燃焼モード切換時における空燃比の制御性を大幅に向上することが可能となる。
【0035】
図3は、図2と同様に燃焼モードの切換時に行われるなまし処理を説明するための特性図であって、時刻t0において希薄燃焼からストイキ燃焼への切り換えを行った場合を示している。図3において、Mbは燃焼モードを切り換える前の補正値であって、希薄燃焼における補正値を示している。また、Maは燃焼モードを切り換えた後の補正値であって、ストイキ燃焼における補正値を示している。図3の場合においても、時刻t0からT1時間が経過した後の補正値Mは、上述した(1)式から算出することができる。従って、図3に示すように燃焼モードの切換時に補正値を緩やかに可変することができ、燃料付着量の変化に合わせて燃料噴射量を変化させることができるため、空燃比の制御性を向上することができる。
【0036】
次に、図4に基づいて本実施形態のシステムにおける処理の手順について説明する。図4の処理は、燃焼モードの切り換えが行われた場合に、なまし処理が行われた補正値Mを1サイクル毎に算出する処理を示している。
【0037】
先ず、ステップS1では、燃焼モードの切り換えが行われたか否かを判定する。すなわち、ここでは、希薄燃焼からストイキ燃焼への切り換えが行われたか否か、またはストイキ燃焼から希薄燃焼への切り換えが行われたか否かを判定する。燃焼モードの切り換えが行われた場合はステップS2へ進み、切り換えが行われていない場合は処理を終了する(RETURN)。
【0038】
次のステップS2では、燃焼モードを切り換える前の補正値Mbをマップから取得する。次のステップS3では、燃焼モードを切り換えた後の補正値Maをマップから取得する。
【0039】
次のステップS4では、燃焼モードの切り換えが行われてからの経過時間T1を取得する。次のステップS5では、(1)式に基づいて、燃焼モードの切り換えが行われた後、経過時間T1の時点における補正値Mを算出する。
【0040】
次のステップ6では、経過時間T1に時間T0を加算し、T1の値を更新する。ここで、時間T0は、現在のサイクルから次サイクルまでの所要時間である。次のステップS7では、ステップS5で算出された補正値Mが切り換え後の補正値Maに到達しているか否かを判定し、補正値Mが補正値Maに到達している場合は処理を終了する(RETURN)。一方、補正値Mが補正値Maに到達していない場合は、ステップS4へ戻り、ステップS6で更新したT1の値に基づいて補正値Mの算出を引き続き行う。
【0041】
図4の処理によれば、燃焼モードの切換時に燃料噴射量の補正値になまし処理を施すことで、補正値を緩やかに可変することができる。従って、燃焼モードの切換時に燃料噴射量が急激に変化してしまうことを抑えることができ、切換時の空燃比を最適に制御することが可能となる。
【0042】
以上説明したように本実施形態によれば、燃焼モードの切換時に燃料噴射量の補正値になまし処理を施すため、切換時に燃料噴射量が急激に変化してしまうことを抑えることが可能となる。これにより、燃焼モード切換時に空燃比を正確に制御することが可能となる。従って、燃焼モード切換時に燃費、ドライバビリティを向上することが可能となり、またエミッションの低下を抑止することができる。
【0043】
なお、上述の説明では、燃料噴射量の補正値になまし処理を施す態様を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸気バルブ36等に付着する燃料量に起因して変化する全ての制御量に対する処理に適用することが可能である。すなわち、本発明の処理は、燃料付着量に応じて制御される制御量に広く適用することができる。
【0044】
また、上述の説明では、吸気通路12に燃料を噴射する内燃機関10に本発明を適用した例を示しているが、本発明は、筒内に直接燃料を噴射する内燃機関10、または吸気通路12と筒内の双方に燃料を噴射する内燃機関10に適用することも可能である。筒内に直接燃料を噴射する内燃機関10の場合、筒内における燃料付着量は、ピストン34の温度変化に応じて変化するため、(1)式における時定数をピストン34の熱容量等から定まる時定数に変更することで、補正値のなまし処理を最適に行うことができる。また、吸気通路12と筒内の双方に燃料を噴射する内燃機関10の場合は、吸気通路12への燃料噴射量と筒内への燃料噴射量のそれぞれをマップで規定し、吸気バルブ36の温度変化の時定数とピストン34の温度変化の時定数を用いて、それぞれのマップにおける補正値になまし処理を行うことが好適である。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。
【図2】燃焼モードの切換時に行われるなまし処理を説明するための特性図である。
【図3】燃焼モードの切換時に行われるなまし処理を説明するための特性図である。
【図4】本発明の一実施形態に係る具体的な処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【0046】
10 内燃機関
30 燃料噴射弁
40 ECU




 

 


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