(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、
燃料噴射前のクランキング時に、前記筒内圧センサにより検出される断熱圧縮膨張区間の筒内圧と、その検出時の筒内容積とに基づいて、燃料噴射前の熱発生量を算出する熱発生量算出手段と、
所定熱発生量と、前記熱発生量算出手段により算出される熱発生量との差分に基づき、前記筒内に残留している筒内残留水分量を算出する筒内残留水分量算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関の排気通路に設けられた排気センサと、
前記筒内残留水分量が高いほど、前記排気センサのヒータ通電開始時間を遅延させるヒータ通電開始時間設定手段と、
を更に備え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。
【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係り、特に、排気通路に排気センサを備えた内燃機関の制御を実行するために好適な内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１（特開２００８−１５１００４号公報）に開示されているように、排気通路に排気センサ（Ｏ２センサ、Ａ／Ｆセンサ）を備えた内燃機関が知られている。これらの排気センサには、センサ素子にジルコニア等のセラミックスが用いられ、センサ素子を加熱するためのヒータが組み込まれている。内燃機関の冷間始動時には、排気センサを早期活性化させるためにヒータによる早期加熱が求められる。一方で、センサ素子は熱衝撃に弱く、ヒータ加熱中のセンサ素子に水分が触れれば被水素子割れが生じるおそれがあるため、これを防止することも求められる。
【０００３】
特許文献１には、筒内圧センサの検出値から求まる燃焼中の筒内圧、筒内容積、筒内への燃料供給量から低位発熱量指標を算出し、これと所定含水率における基準指標との割合から、筒内に供給された燃料の含水率を推定することが開示されている。また、筒内に供給された燃料の含有率に基づき、排気通路に配置された排気センサのヒータ通電開始時間を設定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５１００４号公報
【特許文献２】特開２００９−１８５７２１号公報
【特許文献３】特開２００９−９１９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、機関始動前の筒内には、前回の機関運転により生じた残留燃料が存在し、残留燃料中の水分により素子割れが生じる可能性がある。上記従来の内燃機関では、筒内に供給された燃料の含有率を加味するに過ぎず、燃料噴射前のクランキング時における筒内の残留水分量を考慮していないため十分とは言えない。また、上記従来の内燃機関では、燃料を燃焼させて初めて燃料の含水率を推定できるものであり、燃焼後でなければヒータ通電開始時間を設定できない。しかし、より好適に排気センサの活性化と素子割れ防止とを図るためには、燃焼前にヒータ通電開始時間を設定できることが望ましい。
【０００６】
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、燃料噴射前のクランキング時に筒内の残留水分量を算出し、これに応じて、燃焼前に適切にヒータ通電開始時期を設定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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、
内燃機関の筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、
燃料噴射前のクランキング時に、前記筒内圧センサにより検出される断熱圧縮膨張区間の筒内圧と、その検出時の筒内容積とに基づいて、燃料噴射前の熱発生量を算出する熱発生量算出手段と、
所定熱発生量と、前記熱発生量算出手段により算出される熱発生量との差分に基づき、前記筒内に残留している筒内残留水分量を算出する筒内残留水分量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関の排気通路に設けられた排気センサと、
前記筒内残留水分量が高いほど、前記排気センサのヒータ通電開始時間を遅延させるヒータ通電開始時間設定手段と、を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、燃料噴射前のクランキング時に、燃焼を伴うことなく、筒内残留水分量を算出することができる。そのため、本発明によれば、筒内残留水分量に応じた機関制御を、燃焼前に実施することが可能となる。
【００１０】
第２の発明によれば、筒内の残留水分量が高いほど、前記排気センサのヒータ通電開始時間を遅延させることができる。そのため、本発明によれば、筒内の残留水分量に応じて、燃焼前に適切なヒータ通電開始時期を設定することができる。ヒータ通電開始時期を早期に設定することができるため、被水素子割れの防止を図りつつ、冷間時のエミッション向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための概略構成図である。
【図２】燃料噴射前のクランキング中において、筒内残留燃料に水分がない場合と水分がある場合とにおけるＰＶκの違いについて説明するための図である。
【図３】通常燃料使用時と水分あり燃料使用時とにおける熱発生量の違いを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】筒内の残留水分量Ｍｗと水温とヒータ通電遅延時間ΔＴとの関係を定めた関係マップである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面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、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。
【００１３】
実施の形態．
［実施の形態のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、内燃機関（以下、単にエンジンという。）１０を備えている。図１に示すエンジン１０は、点火プラグ１１を備えた火花点火式の４ストロークエンジンである。また、エンジン１０は、ガソリンとアルコールなどを任意の比率で混合した混合燃料を使用可能なＦＦＶ（Flex Fuel Vehicle）対応の内燃機関でもある。図１では１つの気筒のみが描かれているが、車両用のエンジン１０は、一般的に複数の気筒から構成されている。
【００１４】
各気筒には、その内部を往復運動するピストン１２が設けられている。ピストン１２の往復運動は、クランク軸の回転運動に変換される。クランク軸の近傍には、クランク軸の回転角（以下、クランク角度ＣＡという。）を検出するためのクランク角センサ１３が取り付けられている。また、各気筒のピストン１２上面からシリンダヘッドまでの空間は燃焼室１４を形成しており、各気筒には燃焼室１４内の圧力（筒内圧）を検出するための筒内圧センサ（ＣＰＳ：Combustion Pressure Sensor）１６が取り付けられている。各気筒には、気筒内に燃料を直接噴射する直噴噴射弁１８が取り付けられている。
【００１５】
エンジン１０の吸気系には、各気筒に接続された吸気通路２０が設けられている。吸気通路２０の入口には、エアクリーナ２２が設けられている。エアクリーナ２２の下流には、吸気通路２０に吸入される空気の流量（以下、吸入空気量ＧＡという。）を検出するためのエアフローメータ２４が取り付けられている。エアフローメータ２４の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６の近傍には、スロットルバルブ２６の開度（以下、スロットル開度ＴＡという。）を検出するためのスロットル開度センサ２７が取り付けられている。スロットルバルブ２６の下流には、サージタンク２８が設けられている。サージタンク２８の近傍には、吸気圧を測定するための吸気圧センサ３０が取り付けられている。
【００１６】
エンジン１０の排気系には、各気筒に接続された排気通路３２が設けられている。排気通路３２の上流には、排気ガス中の空燃比に対応した信号を出力するＡ／Ｆセンサ３４が取り付けられている。Ａ／Ｆセンサ３４のセンサ素子（ジルコニア素子）は、センサ素子を保護するためのセンサカバーで覆われている。また、Ａ／Ｆセンサ３４には、センサ素子を活性化させるためのヒータ３６が組み込まれている。排気通路３２には触媒３８が設けられている。触媒として、例えば、三元触媒が用いられる。
【００１７】
エンジン１０の制御系には、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０が設けられている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述した筒内圧センサ１６、クランク角センサ１３、エアフローメータ２４、スロットル開度センサ２７、吸気圧センサ３０、Ａ／Ｆセンサ３４の他、エンジン１０の冷却水の温度を検出するための水温センサ５２等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。
【００１８】
ＥＣＵ５０の出力部には、上述した点火プラグ１１、直噴噴射弁１８、スロットルバルブ２６、ヒータ３６の他、エンジンを始動させるためにクランク軸に回転力を加えるスタータ５４等の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、エンジン１０の運転状態を制御する。また、ＥＣＵ５０は、クランク角度ＣＡから、エンジン回転数（単位時間当たり回転数）や、ピストンの位置によって決まる行程容積（筒内容積）Ｖを計算することができる。また、ＥＣＵ５０は、ヒータ３６の通電状態を制御することができる。
【００１９】
［実施の形態における特徴的制御］
上述したシステム構成において、エンジン１０の冷間始動時には、Ａ／Ｆセンサ３４を早期に活性化させるため、ヒータ３６によりセンサ素子を加熱することが求められる。一方で、エンジン１０の冷間始動時には、排気通路３２に残留した排気ガスの凝縮水や、センサカバー内の結露水などが存在している。センサ素子は熱衝撃に弱いため、ヒータ３６に加熱され高温となったセンサ素子に水分が触れれば、被水素子割れが生じるおそれがある。そのため、センサカバーの昇温時間等を考慮して、ヒータ３６への通電開始時間を設定することが求められる。
【００２０】
センサカバーの昇温時間等は、排気ガスの温度と水分量に依存する。排気ガス中の水分量は、アルコール燃料を使用した場合に増えるため、センサカバーの昇温時間等も長くなる。そのため、アルコール濃度に応じてヒータ３６への通電開始時間を設定する必要がある。従来、アルコール濃度に相関する燃料中の含水率を推定する技術（特許文献１）が知られているが、燃料を燃焼させて燃料中の含水率を推定する必要があるため、燃焼後でなければヒータ３６の通電開始時間を設定できない。Ａ／Ｆセンサ３４の活性化と被水素子割れの防止との両立をより好適に実現するためには、燃焼前に早期にヒータ３６の通電開始時間を設定できることが望ましい。
【００２１】
そこで、本実施形態のシステムでは、燃料噴射前のクランキング時に、筒内には前回の機関運転により生じた残留燃料が存在していることに着目し、筒内残留燃料の水分量を燃料噴射前に算出し、この水分量に応じて、燃焼前にヒータ３６の通電開始時間を設定することとした。
【００２２】
より具体的な制御の内容について図２、図３を用いて説明する。図２は、燃料噴射前のクランキング中において、筒内残留燃料中に水分がない場合と水分がある場合とにおける、ＰＶκの違いについて説明するための図である。図２の実線に示すように、通常燃料使用時（筒内残留燃料中に水分がない場合）には、燃料噴射前のクランキング時における筒内圧Ｐ、行程容積Ｖ、比熱比κとの関係はＰＶκ＝一定となる。
【００２３】
一方、筒内に水分がある場合には、断熱圧縮行程で空気に与えられた空気の内部エネルギーの一部を使い水分は気化する。そのため、筒内圧力の変化は図２（ａ）の破線に示すように変化する。このとき、行程容積Ｖに違いは無いため、ＰＶκは筒内圧Ｐにのみ依存し、通常燃料使用時と比較して小さくなる（図２（ｃ））。すなわち、筒内に水分がある場合には、断熱圧縮の仕事は気体の内部エネルギーに変換され、その一部が水の気化潜熱として失われるため、ＰＶκ≠一定となる。
【００２４】
図３は、通常燃料使用時と水分あり燃料使用時とにおける熱発生量の違いを示す図である。燃料噴射前のクランキング中における熱発生量Ｑは、圧縮・膨張行程におけるクランク角範囲を積分区間としてＰＶκを積分することにより算出することができる。そして、式（１）に示すように、通常燃料使用時の熱発生量Ｑ１［Ｊ］と、水分あり燃料使用時の熱発生量Ｑ２［Ｊ］との差分（図３のＡ部分の面積）から水の気化潜熱ΔＱ［Ｊ］を求めることができる。
ΔＱ＝Ｑ１−Ｑ２                                                  …（１）
【００２５】
さらに、式（２）に示すように、水の気化潜熱ΔＱ［Ｊ］を水の蒸発潜熱ｑｗ［J／ｇ］で除算することにより筒内の残留水分量Ｍｗ［ｇ］を算出することができる。
Ｍｗ＝ΔＱ／ｑｗ                                                  …（２）
【００２６】
筒内の残留水分量Ｍｗと、排気ガス中の水分濃度と、燃料の含水率には正の相関関係がある。そのため、筒内の残留水分量が多いほど燃料の含水率は高くなり、燃料の含水率が高いほど被水量は増加する。そのため、本実施形態のシステムでは、筒内の残留水分量Ｍｗが多いほど、ヒータ３６の通電開始時間が遅くなるように制御することとする。
【００２７】
（制御ルーチン）
図４は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、スタータ５４によりクランキングが開始される。ここでいうクランキングは、スタータ５４の始動から燃料噴射前までの間をいう。次に、ステップＳ１１０において、水温が設定温度より低いか否かが判定される。水温は水温センサ５２により検出される。設定温度は、冷間始動を判定するための温度であり、例えば約５４℃に設定される。水温が設定温度以上である場合には、本ルーチンの処理が終了される。
【００２８】
水温が設定温度よりも低い場合には、冷間始動であると判断され、次に、ステップＳ１２０において、燃料噴射前のクランキング中における熱発生量指標ＰＶκが算出される。筒内圧Ｐは筒内圧センサ１６の検出値に基づいて算出され、行程容積Ｖはクランク角度ＣＡに基づいて算出される。比熱比κは、例えば空気の比熱比１．４であり、ＥＣＵ５０に予め記憶されている。
【００２９】
続いて、ステップＳ１３０において、ＰＶκ＝一定であるか否かが判定される。具体的には、圧縮・膨張行程においてＰＶκが変動するか否かが判定される。ＰＶκ＝一定である場合には、実験等により定めたヒータ通電開始時間の初期設定値に従ってヒータ３６の通電制御がなされる（ステップＳ１４０）。初期設定値は、ＥＣＵ５０に予め記憶されている。
【００３０】
一方、ステップＳ１３０において、ＰＶκ＝一定でないと判定される場合には、次に、ステップＳ１５０において、燃料噴射前のクランキング中における熱発生量Ｑ２が算出される。具体的には、熱発生量Ｑ２は、圧縮・膨張行程におけるクランク角範囲を積分区間としてＰＶκを積分することにより算出される（図３）。
【００３１】
続いて、ステップＳ１６０において、通常燃料使用時の熱発生量Ｑ１と、水分あり燃料使用時の熱発生量Ｑ２との差分（図３のＡ部分の面積）から水の気化潜熱ΔＱが算出される（式（１））。ＥＣＵ５０には、始動条件（吸入空気量ＧＡ、エンジン回転数等）ごとに通常燃料使用時のクランキング中の熱発生量Ｑ１が記憶されており、熱発生量Ｑ２算出時の始動条件に応じた熱発生量Ｑ１が選択される。また、積分区間は熱発生量Ｑ２の算出条件と同一である。
【００３２】
ステップＳ１７０において、筒内に供給される燃料の含水率に相関する筒内の残留水分量が算出される。具体的には、式（２）に示すように、ステップＳ１６０で算出された水の気化潜熱ΔＱを水の蒸発潜熱ｑｗで除算することにより、筒内の残留水分量Ｍｗが算出される。
【００３３】
ステップＳ１８０において、ヒータ通電遅延時間ΔＴが算出される。図５は、筒内の残留水分量Ｍｗと水温とヒータ通電遅延時間ΔＴとの関係を定めた関係マップである。図５に示すように、ヒータ通電遅延時間ΔＴは、筒内の残留水分量Ｍｗが多いほど長く設定されている。また、水温が低いほど長く設定されている。ＥＣＵ５０は、関係マップから筒内の残留水分量Ｍｗ及び水温に応じたヒータ通電遅延時間ΔＴを取得する。
【００３４】
ステップＳ１９０において、上記初期設定値にヒータ通電遅延時間ΔＴを加味した時間を新たなヒータ通電開始時間Ｔとして設定する。エンジン始動後、ヒータ通電開始時間Ｔ経過後にヒータ３６への通電が開始される。
【００３５】
以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、燃料供給前のクランキング時に、筒内における水の気化潜熱ΔＱを算出し、この気化潜熱ΔＱに基づいて、筒内の残留水分量Ｍｗを算出することができる。筒内の残留水分量Ｍｗと、排気ガス中の水分濃度と、燃料の含水率には正の相関関係があるため、筒内の残留水分量Ｍｗに応じて、ヒータ３６の通電開始時間を遅らせることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、冷間始動時において、燃焼を伴うことなく、燃焼前に適切にヒータ通電開始時期を設定することができる。このようにヒータ通電開始時期を早期に設定することができるため、被水素子割れの防止を図りつつ、冷間時のエミッション向上を図ることができる。
【００３６】
ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、排気通路３２に配置する排気センサをＡ／Ｆセンサ３４としているが、この排気センサは、Ａ／Ｆセンサ３４に限定されるものではない。例えば、Ｏ２センサを用いることとしても良い。
【００３７】
尚、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ１６が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に、Ａ／Ｆセンサ３４が、前記第２の発明における「排気センサ」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１５０の処理を実行することにより前記第１の発明における「熱発生量算出手段」が、上記ステップ１６０〜ステップ１７０の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内残留水分量算出手段」が、上記ステップ１８０の処理を実行することにより前記第２の発明における「ヒータ通電開始時間設定手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００３８】
１０  エンジン
１３  クランク角センサ
１４  燃焼室
１６  筒内圧センサ
１８  直噴噴射弁
２４  エアフローメータ
２７  スロットル開度センサ
３０  吸気圧センサ
３２  排気通路
３４  Ａ／Ｆセンサ
３６  ヒータ
３８  触媒
５２  水温センサ
５４  スタータ
Ｍｗ  残留水分量
Ｐ  筒内圧
Ｖ  行程容積
κ  比熱比
ＰＶκ  熱発生量指標
Ｑ１  通常燃料使用時の熱発生量
Ｑ２  水分あり燃料使用時の熱発生量
ΔＴ  ヒータ通電遅延時間
【図１】
0005510371.tif 000002
【図２】
0005510371.tif 000003
【図３】
0005510371.tif 000004
【図４】
0005510371.tif 000005
【図５】
0005510371.tif 000006