(57)【要約】    【課題】  内燃機関による発電を効率よく行うとともに、環境要因の変化や機関温度の上昇などがあっても良好な機関燃焼状態を維持することができる内燃機関の制御装置を提供する。    【解決手段】  機関のシリンダ側壁に配置されたコイル９，１０と、ピストン４に連結されたコンロッド５に装着された永久磁石７とによってリニア発電機が構成され、リニア発電機の発電指令値ＥＣＭＤを変更することにより、ピストン４の移動速度が制御される。機関の圧縮行程では推定筒内圧Ｐｂｕｒｎが算出され、推定筒内圧Ｐｂｕｒｎが目標筒内圧Ｐｏｂｊと一致するように発電指令値ＥＣＭＤが変更される（Ｓ１２〜Ｓ２１）。膨張行程では、ピストン速度Ｖｐｉｓｔが目標速度Ｖｏｂｊと一致するように発電指令値ＥＣＭＤが変更される（Ｓ２２〜Ｓ２６）。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に燃焼室を形成し、往復運動を行うピストンを有する内燃機関の制御装置において、
前記気筒の側壁に配置されたコイルと、前記ピストンに装着された磁石とを有する発電手段と、
前記発電手段の発電量を変更することにより、前記ピストンの移動速度を制御する発電制御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】
前記機関の筒内圧を推定または検出する筒内圧取得手段と、
前記筒内圧の目標値である目標筒内圧を算出する目標筒内圧算出手段とを備え、
前記発電制御手段は、前記機関の圧縮行程において前記筒内圧取得手段により得られる筒内圧が前記目標筒内圧と一致するように前記発電手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記ピストンの移動速度を検出する速度検出手段と、
前記移動速度の目標値である目標移動速度を算出する目標移動速度算出手段とを備え、
前記発電制御手段は、前記機関の膨張行程において、検出される移動速度が目標移動速度と一致するように前記発電手段を制御することを特徴とする請求項１または２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】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、例えばシリーズ式ハイブリッド車両に適用可能な内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機と、該発電機を駆動する内燃機関と、発電機により得られる電力によって駆動されるモータとを備えるシリーズ式ハイブリッド車両は、広く知られており、特許文献１には、シリーズ式ハイブリッド車両に搭載される発電用内燃機関の制御装置が示されている。この装置によれば、機関回転数が目標回転数と一致するようにスロットル弁開度が制御される。
【０００３】
また特許文献２には、内燃機関のピストンに固定されたコネクティングロッドに永久磁石を装着するとともに、その永久磁石に対向する位置にコイルを配置し、ピストンの往復運動によって発電を行う構成、すなわちリニア発電機を含む内燃機関が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−４０１３３号公報
【特許文献２】特開平６−２８８２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された装置は、内燃機関を発電専用に使用するため、通常の車両駆動用の内燃機関に比べて、狭い運転領域において定点運転に近い運転を行うことができる。そのため、通常の車両駆動用の内燃機関に比べて比較的容易に良好な燃焼状態を維持することができる。また発電専用の内燃機関としては、特許文献２に示されるようにリニア発電機を含む構成を採用することにより、発電の効率を向上させることができる。
【０００６】
しかしながら、外気温や大気圧などの環境要因の変化や長時間運転による機関温度の上昇によって、燃焼状態が変化する場合があるため、上記特許文献に示された技術を単純に組み合わせるのみでは、良好な燃焼状態を常に維持しつつ、高効率の発電を行うことは困難である。
【０００７】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、内燃機関による発電を効率よく行うとともに、環境要因の変化や機関温度の上昇などがあっても良好な機関燃焼状態を維持することが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】
【０００８】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、気筒内に燃焼室を形成し、往復運動を行うピストンを有する内燃機関の制御装置において、前記気筒の側壁に配置されたコイルと、前記ピストンに装着された磁石とを有する発電手段と、前記発電手段の発電量を変更することにより、前記ピストンの移動速度を制御する発電制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関の筒内圧を推定または検出する筒内圧取得手段と、前記筒内圧の目標値である目標筒内圧を算出する目標筒内圧算出手段とを備え、前記発電制御手段は、前記機関の圧縮行程において前記筒内圧取得手段により得られる筒内圧が前記目標筒内圧と一致するように前記発電手段を制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、前記ピストンの移動速度を検出する速度検出手段と、前記移動速度の目標値である目標移動速度を算出する目標移動速度算出手段とを備え、前記発電制御手段は、前記機関の膨張行程において、検出される移動速度が目標移動速度と一致するように前記発電手段を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、ピストンに装着された磁石と、気筒側壁に配置されたコイルとによってリニア発電機が構成され、ピストンが往復運動することにより発電が行われるとともに、発電量を変更することにより、ピストンの移動速度が制御される。ピストンの往復運動を回転運動に変換することなく発電が行われるので、発電効率を高めることができる。またピストンの移動速度を変更することにより、燃焼時の筒内圧を所望の範囲に比較的容易に制御し、良好な燃焼状態を維持することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、推定または検出される筒内圧が目標筒内圧と一致するように発電制御が行われるので、燃焼状態を所望の状態に確実に維持することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、機関の膨張行程において、検出されるピストン移動速度が目標移動速度と一致するように発電量の制御が行われるので、膨張行程での適切なピストン移動速度及び筒内圧が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す機関の要部の構成を示す断面図である。
【図３】図２に示す機関の動作を説明するための図である。
【図４】筒内圧制御処理のフローチャートである。
【図５】推定筒内圧（Ｐｂｕｒｎ）の算出を説明するためのタイムチャートである。
【図６】図４の処理を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関とその制御装置の構成を示す図であり、内燃機関（以下単に「エンジン」という）１００は、後述するリニア発電機を内蔵する発電専用のエンジンである。エンジン１００の吸気通路３２の途中にはスロットル弁３３が配されている。また、スロットル弁３３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ３４が連結されており、その検出信号は電子制御ユニット（以下（ＥＣＵ）という）２１に供給される。スロットル弁３３には、スロットル弁３３を駆動するアクチュエータ４２が接続されており、アクチュエータ４２は、ＥＣＵ２１によりその作動が制御される。吸気通路３２のスロットル弁３３の上流側には、吸入空気量Ｇａｉｒを検出する吸入空気量センサ４１が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２１に供給される。
【００１６】
燃料噴射弁３６は吸気弁の少し上流側に設けられており、図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ２１に電気的に接続されて当該ＥＣＵ２１からの信号により燃料噴射弁３６の開弁時間及び開弁時期が制御される。
【００１７】
エンジン１００は、電磁駆動型の吸気弁１１及び排気弁１２と、点火プラグ１３とを備えており、吸気弁１１、排気弁１２、及び点火プラグ１３はＥＣＵ２１によりその作動が制御される。さらにエンジン１００は排気を吸気通路３２に還流する排気還流機構を備えている。
【００１８】
スロットル弁３３の下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ４３及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ４４が取付けられている。またエンジン１００の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出するエンジン冷却水温センサ４５が取り付けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２１に供給される。
【００１９】
ＥＣＵ２１には、ピストン位置ＰＹを検出するピストン位置センサ２０が接続されており、その検出信号が供給される。ピストン位置センサ２０については、図２を参照して説明する。
【００２０】
図２はエンジン１００の要部の構成を示す図である。エンジン１００は、燃焼室３を画成するシリンダヘッド１、シリンダ２、及びピストン４を備えており、ピストン４はコンロッド（コネクティングロッド）５と一体に構成されている。シリンダ２の下部には、コンロッド５を上方向に付勢するばね６が設けられている。ばね６の一端は、シリンダ側壁に固定されており、他端はコンロッド５の下端に固定されている。
【００２１】
コンロッド５には、ケース８内に収容された永久磁石７が固定されている。シリンダ側壁には、界磁コイル９及び電力出力コイル１０が設けられている。永久磁石７、界磁コイル９及び電力出力コイル１０によってリニア発電機が構成される。界磁コイル９はＥＣＵ２１に接続されており、ＥＣＵ２１により界磁コイル９に供給する電流が制御される。また電力出力コイル１０は、図示しない電源部に接続されており、電源部により整流及び電圧の安定化が行われる。
【００２２】
シリンダヘッド１には、吸気弁１１、排気弁１２、及び点火プラグ１３が設けられている。
コンロッド５には、位置検出用プレート２０ａが固定されている。シリンダ側壁の、位置検出用プレート２０ａと対応する位置には、プレート２０ａとの距離Ｄを検出する距離センサ２０ｂが装着されており、位置検出用プレート２０ａ及び距離センサ２０ｂにより、ピストン４の位置を検出するピストン位置センサ２０が構成される。距離センサ２０ｂの検出信号は、ＥＣＵ２１に供給される。距離センサ２０ｂは例えば磁界の強さを計測することにより、距離Ｄを検出する。ピストン４が上死点に位置するとき距離Ｄが最大値ＤＭＡＸとなり、下死点に位置するとき距離Ｄが最小値ＤＭＩＮとなるので、ピストン位置ＰＹは、下記式（１）で算出することができる。式（１）のＬＳＴは、ピストン４のストロークである。ピストン４が下死点に位置するとき、ピストン位置ＰＹは「０」をとり、ピストン４が上死点に位置するとき、ピストン位置ＰＹはＬＳＴをとる。
ＰＹ＝ＬＳＴ×（Ｄ−ＤＭＩＮ）／（ＤＭＡＸ−ＤＭＩＮ）      （１）
【００２３】
ＥＣＵ２１は各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、及び吸気弁１１、排気弁１２、点火プラグ１３、界磁コイル９などに駆動信号を供給する出力回路を備えている。
【００２４】
ＥＣＵ２１は、ピストン位置ＰＹに応じて燃料噴射弁３６、吸気弁１１、排気弁１２、及び点火プラグ１３の駆動制御を行うことにより、ピストン４を往復運動させ、リニア発電機を行うとともに、リニア発電機の発電量制御を行う。
【００２５】
図３は、エンジン１００の動作を説明するための図であり、図３（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の終了時点における状態を示している。各行程における吸気弁１１、点火プラグ１３、排気弁１２の動作は、ピストン位置ＰＹに応じて通常の内燃機関と同様に駆動制御される。ピストン４の運動エネルギは膨張行程において与えられ、排気行程〜圧縮行程におけるピストン４の移動は、ばね６の作用によって行われる。
【００２６】
図４は、本実施形態における筒内圧制御のフローチャートである。この処理は、所定時間毎にＥＣＵ２１のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１０では、制御対象気筒の行程が吸気行程または排気行程であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、直ちに処理を終了する。ステップＳ１０の答が否定（ＮＯ）であるときは、制御対象気筒の行程が圧縮行程または膨張行程のどちらであるかを判別する（ステップＳ１１）。圧縮行程であるときは、ステップＳ１２〜Ｓ１７により、推定筒内圧Ｐｂｕｒｎを算出する。
【００２７】
ステップＳ１２では、気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌを算出する。気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌは、吸入空気量Ｇａｉｒと排気還流機構により還流される排気量Ｇｅｇｒの和として算出される。
【００２８】
ステップＳ１３では、吸気温ＴＡを計測し、ステップＳ１４では、下記式（２）におり圧縮筒内ガス温度Ｔｃｏｍｐを算出する。
Ｔｃｏｍｐ＝Ｔｃｏｍｐ(k-1)×εκ                                  （２）
ε＝Ｖｂｄｃ／Ｖ                                                    （３）
【００２９】
式（２）のεは、実効圧縮比であり、式（３）で与えられる。式（２）のκは、燃焼室内のガスの比熱比であり、所定値に設定される。式（３）のＶｂｄｃは、ピストン４が下死点に位置するときにシリンダ容積であり、Ｖは、検出されるピストン位置ＰＹから算出されるシリンダ容積である。また式（２）のＴｃｏｍｐ(k-1)は、圧縮筒内ガス温度の前回値であり、圧縮筒内ガス温度の初期値として、ステップＳ１３で計測した吸気温ＴＡが適用される。
【００３０】
ステップＳ１５では、下記式（４）により、燃焼ガス温度Ｔｂｕｒｎを算出する。
Ｔｂｕｒｎ＝Ｊｔｏｔａｌ／Ｒ／Ｍｔｏｔａｌ                          （４）
式（４）のＪｔｏｔａｌは、１サイクルにおける発熱量であり、１サイクルにおける燃料噴射量Ｇｆｕｅｌに応じて算出される。Ｒは気体定数である。Ｍｔｏｔａｌは、気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌと燃料噴射量Ｇｆｕｅｌの和である。
【００３１】
ステップＳ１６では、圧縮筒内ガス温度Ｔｃｏｍｐ及び燃焼ガス温度Ｔｂｕｒｎを下記式（５）に適用し、筒内温度Ｔｆｌａｍｅを算出する。
Ｔｆｌａｍｅ＝Ｔｃｏｍｐ＋Ｔｂｕｒｎ                            （５）
【００３２】
ステップＳ１７では、筒内温度Ｔｆｌａｍｅ及びシリンダ容積Ｖを下記式（６）に適用し、推定筒内圧Ｐｂｕｒｎを算出する。
Ｐｂｕｒｎ＝ｎ×Ｒ×Ｔｆｌａｍｅ／Ｖ                              （６）
式（６）のｎは、モル数で示される、気筒に吸入される混合気の物質量であり、スロットル弁開度、排気還流制御弁の開度、スロットル弁の前後圧、排気還流制御弁の前後圧、及び各弁温度より算出される。
【００３３】
ステップＳ１８では、エンジン運転状態（例えばエンジン回転数、燃料噴射量（要求トルク相当）、吸気温）に応じて目標筒内圧Ｐｏｂｊを算出し、次いで推定筒内圧Ｐｂｕｒｎが目標筒内圧Ｐｏｂｊより高いか否かを判別する（ステップＳ１９）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、発電指示値ＥＣＭＤを標準値ＥＣＭより大きい上側指示値ＥＣＨに設定し（界磁コイル９に供給する界磁電流を増加させ）、リニア発電機による発電量を増加させる（ステップＳ２０）。これにより、ピストン４の移動速度が減少し、筒内圧が低下する方向に制御される。
【００３４】
ステップＳ１９の答が否定（ＮＯ）であって、推定筒内圧Ｐｂｕｒｎが目標筒内圧Ｐｏｂｊ以下であるときは、発電指示値ＥＣＭＤを標準値ＥＣＭより小さい下側指示値ＥＣＬに設定し（界磁コイル９に供給する界磁電流を減少させ）、リニア発電機による発電量を減少させる（ステップＳ２１）。これにより、ピストン４の移動速度が増加し、筒内圧が増加する方向に制御される。
【００３５】
制御対象気筒の行程が膨張行程であるときは、ステップＳ１１からステップＳ２２に進み、エンジン運転状態（例えばエンジン回転数、燃料噴射量（要求トルク相当））に応じてピストン４の目標速度Ｖｏｂｊを算出する。ステップＳ２３では、ピストン位置ＰＹに応じてピストン速度Ｖｐｉｓｔを算出し、ピストン速度Ｖｐｉｓｔが目標速度Ｖｏｂｊより高いか否かを判別する（ステップＳ２４）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、発電指示値ＥＣＭＤを標準値ＥＣＭより大きい上側指示値ＥＣＨに設定し、リニア発電機による発電量を増加させる（ステップＳ２５）。これにより、ピストン４の移動速度は減少方向に制御される。
【００３６】
ステップＳ２４の答が否定（ＮＯ）であってピストン速度Ｖｐｉｓｔが目標速度Ｖｏｂｊ以下であるときは、発電指示値ＥＣＭＤを標準値ＥＣＭより小さい下側指示値ＥＣＬに設定し、リニア発電機による発電量を減少させる（ステップＳ２６）。これにより、ピストン４の移動速度は増加方向に制御される。
【００３７】
図５は、ピストン位置ＰＹ、実効圧縮比ε、筒内温度Ｔｆｌａｍｅ（及び圧縮筒内ガス温度Ｔｃｏｍｐ，燃焼ガス温度Ｔｂｕｒｎ）、及び推定筒内圧Ｐｂｕｒｎの推移を示すタイムチャートである。図５（ｄ）に示すＰｃｏｍｐは、筒内ガスの圧縮・膨張による圧力成分を示す。
【００３８】
図５に示す例では、ピストンが圧縮上死点に達する少し前に点火が行われ、燃焼ガス温度Ｔｂｕｒｎが増加し、筒内温度Ｔｆｌａｍｅが増加する。その結果、推定筒内圧Ｐｂｕｒｎは、圧縮・膨張による圧力成分Ｐｃｏｍｐより高くなる。
【００３９】
図６は、図４の処理を説明するためのタイムチャートである。この例では、時刻ｔ１において推定筒内圧Ｐｂｕｒｎが目標筒内圧Ｐｏｂｊを超え、時刻ｔ２において目標筒内圧Ｐｏｂｊ以下となって例が示されており、時刻ｔ１において発電指示値ＥＣＭＤが増加し、時刻ｔ２において発電指示値ＥＣＭＤが減少する。この発電量の制御を行わないときには、図６（ａ）に破線で示すように筒内圧Ｐｃｙｌが変化し、上限値ＰＨＬＭＴを超えるような場合において、本実施形態の発電量制御を行うことにより、実線で示す圧力変化特性に変化し、筒内圧Ｐｃｙｌが上限値ＰＨＬＭＴを超えないように制御することができる。また本実施形態の発電量制御により、図６（ｄ）に示すように、制御を行わない場合に比べて圧縮行程の期間が長くなる。
【００４０】
以上のように本実施形態によれば、コンロッド５に固定された永久磁石７と、シリンダ側壁に設けられた界磁コイル９及び電力出力コイル１０とによってリニア発電機が構成さ、ピストン４が往復運動することによりリニア発電機による発電が行われる。リニア発電機の発電指示値ＥＣＭＤを変更することにより、ピストン４に作用する電磁力が変化し、ピストン４の移動速度が制御される。ピストン４の往復運動を回転運動に変換することなく発電が行われるので、発電効率を高めることができるとともに、ピストン４の移動速度を変更することにより、燃焼時の筒内圧を所望の範囲に比較的容易に制御し、良好な燃焼状態を維持することができる。
【００４１】
また推定筒内圧Ｐｂｕｒｎが目標筒内圧Ｐｏｂｊと一致するように発電指示値が変更されるので、燃焼状態を所望の状態に確実に維持することができる。
また膨張行程においては、ピストン速度Ｖｐｉｓｔが目標速度Ｖｏｂｊと一致するように発電指示値ＥＣＭＤの制御が行われるので、膨張行程での適切なピストン移動速度及び筒内圧が得られる。
【００４２】
本実施形態では、永久磁石７、界磁コイル９、及び電力出力コイル１０が発電手段に相当し、ピストン位置センサ２０が速度検出手段の一部に相当し、ＥＣＵ２１が、発電制御手段、筒内圧取得手段、目標筒内圧算出手段、速度検出手段の一部、及び目標移動速度算出手段を構成する。
【００４３】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、推定筒内圧Ｐｂｕｒｎに応じてリニア発電機の発電量制御を行うようにしたが、筒内圧を検出する筒内圧センサを設け、検出される筒内圧に応じて発電量制御を行うようにしてもよい。また、上述した実施形態では、筒内圧に基づいて制御を行っているが、筒内圧、すなわち燃焼状態と相関のあるパラメータで代用してもよく、例えば筒内圧と相関のあるパラメータとして筒内温度を用いてもよい。
【００４４】
また上述した実施形態では、本発明をガソリン火花点火機関に適用した例を示したが、本発明は、例えば圧縮着火内燃機関（ディーゼルエンジン）にも容易に適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
４  ピストン
５  コンロッド
６  ばね
７  永久磁石（発電手段）
９  界磁コイル（発電手段）
１０  電力出力コイル（発電手段）
２０  ピストン位置センサ（速度検出手段）
２１  電子制御ユニット（発電制御手段、筒内圧取得手段、目標筒内圧算出手段、速度検出手段、目標移動速度算出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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