(57)【要約】【課題】専用センサを用いることなく気流制御弁の状態を把握して、当該気流制御弁による気流の切り替えに伴う燃焼変動の悪化や失火を抑制する。【解決手段】気流制御弁の経年劣化に伴い、気流制御弁の開閉状態が完全に切り替わるまでの時間が長くなり、切り替え開始時点での充填効率＊（正規化充填効率）が切り替え終了時点での充填効率＊に収束するまでに要する時間（切り替え動作時間）も長くなる。本実施の形態では、切り替え動作時間Topenを学習して、待機時間（気流制御弁２８の切り替えの開始後から燃焼パラメータの変更を待機する期間）TopenSTBに反映する。これにより、気流の切り替えが完了した後に空燃比や点火時期を変更できることになるので（図４実線参照）、燃焼変動の悪化や失火の発生を良好に防止することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気系に設けられ、燃焼室内に吸気の旋回流を発生させる気流制御弁と、
気流制御弁の開閉状態を全開状態と全閉状態の間で切り替える場合に当該切り替えの開始後から内燃機関の燃焼状態に影響を及ぼす所定の燃焼パラメータの変更を一時的に待機させる待機時間を、内燃機関の吸気管圧力、排気管圧力および吸入空気量と、少なくとも気流制御弁の開閉状態の切り替えに応じて変化する吸気系の流量係数と、に関連付けた待機時間マップとして記憶する記憶手段と、
前記気流制御弁の開閉状態を全閉状態と全開状態の間で切り替える場合に、当該切り替えの開始後における前記内燃機関の吸気管圧力、排気管圧力および吸入空気量と、吸気系の流量係数と、前記待機時間マップとを用いて算出した待機時間に基づいて、前記内燃機関の燃焼状態に影響を及ぼす所定の燃焼パラメータの変更を待機させる待機手段と、
前記吸気系の流量係数を変化させるアクチュエータの動作条件のうちの前記気流制御弁の開閉状態の切り替えを除いた動作条件を固定しつつ前記気流制御弁の開閉状態を全閉状態と全開状態の間で切り替える間、前記内燃機関の吸気管圧力、排気管圧力および吸入空気量と、吸気系の流量係数とを用いて前記内燃機関の充填効率を算出すると共に算出した充填効率を前記内燃機関の吸気管圧力で正規化した正規化充填効率を算出し、算出した正規化充填効率が当該切り替えの開始後に一定値に収束するまでに要する時間を前記気流制御弁の切り替え動作時間として学習し、前記待機時間マップの待機時間に反映させる学習手段と、
を備えることを特徴とする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】
タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）やスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）といった気流制御弁によって筒内の空気流動を活発にし、燃焼状態を好適にする均質リーンバーンシステムやＥＧＲシステムにおいては、筒内の空気流動によって生成された乱れが燃焼の安定性確保に必要である。一方で、吸気ポートを絞ったままではエンジン出力が要求される運転域での空気量が不足し動力性能が悪化するため、出力要求時には気流制御弁を開状態にして空気量を確保するものが一般的である。エンジンの運転状態の中で、気流制御弁を閉じた際に実現できる燃焼と、開いた際に実現できる燃焼には差がある。例えば、気流制御弁を閉じた状態ではＡ／Ｆ２５の燃焼が可能であるが、開いた状態ではＡ／Ｆ２３までしかリーンバーン運転ができなくなる。そのため、燃焼の切り替えと気流の切り替えは相互に運転状態を確認して実施することが望ましく、そうでない場合には燃焼変動の増大や失火といった不具合が生じることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−０７３８４３号公報
【特許文献２】特開平１１−１７３１８２号公報
【特許文献３】特開２００７−２９１９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特に経年時に気流制御弁の動作速度が低下する場合には、従来一般的には弁動作指示から一定の動作時間を設定し、その後、開閉状態を確認せずに燃焼状態に影響を及ぼす各種パラメータを変化させる制御が行われている。従って、このような制御をそのまま踏襲してしまうと、気流の切り替えが完了する前にパラメータ変更を実施してしまい、燃焼変動の悪化や失火を誘発するという問題がある。
【０００５】
上記の問題に関連し、特開２０００−０７３８４３号公報には、気流制御弁の近傍に設けたセンサで当該気流制御弁の開閉状態を判断する技術が開示されている。しかし、このような専用のセンサを搭載することは、吸気系の構造が複雑化すると共に、エンジンのコストアップを招くので望ましくない。
【０００６】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、専用センサを用いることなく気流制御弁の状態を把握して、当該気流制御弁による気流の切り替えに伴う燃焼変動の悪化や失火を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明は、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の吸気系に設けられ、燃焼室内に吸気の旋回流を発生させる気流制御弁と、
気流制御弁の開閉状態を全開状態と全閉状態の間で切り替える場合に当該切り替えの開始後から内燃機関の燃焼状態に影響を及ぼす所定の燃焼パラメータの変更を一時的に待機させる待機時間を、内燃機関の吸気管圧力、排気管圧力および吸入空気量と、少なくとも気流制御弁の開閉状態の切り替えに応じて変化する吸気系の流量係数と、に関連付けた待機時間マップとして記憶する記憶手段と、
前記気流制御弁の開閉状態を全閉状態と全開状態の間で切り替える場合に、当該切り替えの開始後における前記内燃機関の吸気管圧力、排気管圧力および吸入空気量と、吸気系の流量係数と、前記待機時間マップとを用いて算出した待機時間に基づいて、前記内燃機関の燃焼状態に影響を及ぼす所定の燃焼パラメータの変更を待機させる待機手段と、
前記吸気系の流量係数を変化させるアクチュエータの動作条件のうちの前記気流制御弁の開閉状態の切り替えを除いた動作条件を固定しつつ前記気流制御弁の開閉状態を全閉状態と全開状態の間で切り替える間、前記内燃機関の吸気管圧力、排気管圧力および吸入空気量と、吸気系の流量係数とを用いて前記内燃機関の充填効率を算出すると共に算出した充填効率を前記内燃機関の吸気管圧力で正規化した正規化充填効率を算出し、算出した正規化充填効率が当該切り替えの開始後に一定値に収束するまでに要する時間を前記気流制御弁の切り替え動作時間として学習し、前記待機時間マップの待機時間に反映させる学習手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上述したように、気流制御弁の開閉状態を確認せずに燃焼状態に影響を及ぼす各種パラメータを変化させると、燃焼変動の悪化や失火を誘発する。この点、本発明によれば、学習手段で算出した正規化充填効率が当該切り替えの開始後に一定値に収束するまでに要する時間によって、気流制御弁の切り替えの開始後から内燃機関の燃焼状態に影響を及ぼす所定の燃焼パラメータの変更を一時的に待機させる待機時間を更新することができる。従って、気流制御弁の状態を把握して、当該気流制御弁による気流の切り替えに伴う燃焼変動の悪化や失火を抑制することができる。
【０００９】
ここで、学習手段で算出される正規化充填効率は、内燃機関の吸気管圧力、排気管圧力および吸入空気量と、吸気系の流量係数とを用いて算出した充填効率を内燃機関の吸気管圧力で正規化したものであり、この内燃機関の吸気管圧力、排気管圧力および吸入空気量と、吸気系の流量係数は、既存のセンサによって取得し、または、推定できるものである。従って、本発明によれば、専用センサを用いることなく気流制御弁の状態を把握することができる。このように、本発明によれば、専用センサを用いることなく気流制御弁の状態を把握して、当該気流制御弁による気流の切り替えに伴う燃焼変動の悪化や失火を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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図である。
【図２】正規化充填効率の特性を説明するための図である。
【図３】気流制御弁の開閉状態を切り替えた場合の充填効率＊の推移を示す図である。
【図４】切り替え動作時間Topenの待機時間TopenSTBへの反映前後における筒内気流の流動性、空燃比および点火時期の推移を示す図である。
【図５】本実施の形態において、ＥＣＵ３０により実行される気流制御弁２８の動作検知フローのルーチンを示すフローチャートである。
【図６】図５のステップＳ１の判定ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】内燃機関１０の運転領域を示す図である。
【図８】ＥＣＵ３０により実行される気流制御弁２８の動作検知に基づく対応制御フローのルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［システム構成の説明］
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図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両に搭載される火花点火式の内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の各気筒内には、ピストン１２が設けられている。各気筒内には、ピストン１２の頂部側に燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、燃料噴射弁１６と点火プラグ１８が設けられている。また、燃焼室１４には、吸気ポート２０および排気ポート２２が連通している。また、各気筒には、吸気ポート２０および排気ポート２２を開閉するための吸気弁２４および排気弁２６がそれぞれ設置されている。
【００１２】
吸気ポート２０には、気流制御弁２８が設けられている。気流制御弁２８は、回転軸（図示しない）を中心に回動することにより、吸気ポート２０の開口面積を可変とするものである。具体的に、気流制御弁２８は、開口面積を最大とする状態（以下、「全開状態」ともいう）と、開口面積を最小とする状態（以下、「全閉状態」ともいう）の間で開閉状態を切り替えるように構成されており、この切り替えは内燃機関１０の運転領域（図７参照）に基づいて行われる。気流制御弁２８の開閉状態を切り替えて吸気ポート２０内の気流を制御することにより、燃焼室１４内に旋回流（タンブル流またはスワール流）が形成される。
【００１３】
また、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０備えている。ＥＣＵ３０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵを有している。入出力インタフェースは、内燃機関１０および車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むと共に、内燃機関１０が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ３０が信号を取り込むセンサには、クランク角度を検出するクランク角センサ、車両の運転者によるアクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ、吸気管圧力を検出する圧力センサ、および、吸入空気量を検出するエアフローメータが少なくとも含まれている。ＥＣＵ３０が操作信号を出すアクチュエータには、上述した点火プラグ１８、気流制御弁２８の他、吸気弁２４や排気弁２６の作用角やカム位相を変更する可変動弁機構、および、車両のインストルメントパネルに配置されたＭＩＬ（Malfunction Indication Lamp）が少なくとも含まれている。
【００１４】
［実施の形態の特徴的制御］
本実施の形態の内燃機関１０は、気流制御弁２８の開閉状態によって燃焼状態の切り替え（例えば全開状態のときはリーン燃焼を行い、全閉状態のときにストイキ燃焼を行う）を行うように構成されている。また、本実施の形態では、ＥＣＵ３０により、気流制御弁２８の動作検知と、動作検知に基づく対応制御の実施とが行われる。
【００１５】
１．気流制御弁２８の動作検知
気流制御弁２８の動作検知は、充填効率を吸気管圧力で正規化した充填効率＊（正規化充填効率）に基づいて行われる（下記式（１）参照）。
充填効率＊＝充填効率×（大気絶対圧力÷吸気管絶対圧力）×（吸気管絶対温度÷大気絶対温度）  ・・・（１）
【００１６】
ここで、上記式（１）の充填効率は、(a)吸気管圧力、(b)排気管圧力や(c)吸入空気量の変化、(d)吸気系の流量係数が変化するアクチュエータの動作条件（具体的には、気流制御弁の開閉状態の切り替え、吸・排気弁のバルブタイミングの変更）によって変化する。一方、上記式（１）の充填効率＊は、吸気管圧力（エンジン負荷）によらずほぼ一定値となる特性を有している。図２は、正規化充填効率の特性を説明するための図である。なお、この図２では、バルブタイミングが同一とされている。図２に示すように、充填効率はエンジン負荷（吸入空気量）や流量係数に比例して大きくなり、排気管圧力が低くなると大きくなる特性を有している。一方、充填効率＊は、流量係数や排気管圧力に対しては充填効率同様の特性を示すものの、エンジン負荷（吸入空気量）に対しては一定となる。
【００１７】
上述の充填効率＊の特性に基づき、本実施の形態では、バルブタイミングを固定とすることでバルブタイミングの変更に基づく吸気系の流量係数の変化を排除し、その上で、(a)吸気管圧力、(b)排気管圧力および(c)吸入空気量を検出または推定することで充填効率を算出する。また、算出した充填効率を上記式（１）に代入することで算出した充填効率＊に基づいて、気流制御弁２８が正常に動作しているか否かを判定する。
【００１８】
ここで、(a)吸気管圧力と(c)吸入空気量は、具体的に、圧力センサとエアフローメータの検出値から算出する。また、(b)排気管圧力は、具体的に、エアフローメータの検出値から算出した吸気流量と、燃料噴射量から算出した燃料流量とを合算した排気流量に基づいて推定する。なお、内燃機関１０が過給機を備える場合には、ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）の開度のデータを取得し、排気流量とＷＧＶの開度と排気管圧力との関係を規定したＥＣＵマップ（別途作成）を探索することで(b)排気管圧力を推定可能である。
【００１９】
また、気流制御弁２８が正常に動作しているか否かの判定（故障判定）は、具体的に、気流制御弁２８の開閉状態の切り替え開始時点で算出される充填効率＊が、切り替え終了時点で算出される充填効率＊に収束するまでに要する時間（以下「切り替え動作時間」ともいう）と、上限時間とを比較することにより行われる。
【００２０】
図３は、気流制御弁の開閉状態を切り替えた場合の充填効率＊の推移を示す図である。図３に示すように、気流制御弁の開度を切り替えると充填効率＊が変化する。この理由は、(d)吸気系の流量係数が変化するためであることは既に述べたとおりである。気流制御弁が経年劣化するとその動作が鈍くなるので、気流制御弁の開閉状態が完全に切り替わるまでの時間が長くなり、切り替え開始時点での充填効率＊が切り替え終了時点での充填効率＊に収束するまでに要する時間も長くなる。ここで、図３に示すTopenは、気流制御弁を全開状態から全閉状態に切り替えるときに、切り替え開始時点で算出した充填効率＊が、切り替え終了時点で算出した充填効率＊に収束するまでに要する時間である。なお、本実施の形態では、気流制御弁２８が全閉状態と全開状態の間で切り替えられるので、全閉状態から全開状態に切り替えるときは切り替え動作時間Topenではなく、切り替え動作時間Tcloseとなる。
【００２１】
気流制御弁２８の故障判定においては、切り替え動作時間Topenが上限時間TopenMAXと比較され、切り替え動作時間Tcloseが上限時間TcloseMAXと比較される。ここで、上限時間TopenMAX，TcloseMAXは、この値以上は気流制御弁が故障していると判断できる値であり、上述した(a),(c)と、上述した(d)のうちのバルブタイミングとに関連付けたＥＣＵマップ（上限時間マップ）として別途作成されているものとする。これらの比較の結果、切り替え動作時間Topenが上限時間TopenMAXを上回る場合、または、切り替え動作時間Tcloseが上限時間TcloseMAXを上回る場合は、気流制御弁２８が故障していると判定される。そして、ＭＩＬが点灯され、気流制御弁２８の動作が禁止されると共に、所定の待避モードに移行する。
【００２２】
２．動作検知に基づく対応制御
気流制御弁２８の動作検知に基づく対応制御は、上述した故障判定において、切り替え動作時間Topenが上限時間TopenMAX以下の場合、または、切り替え動作時間Tcloseが上限時間TcloseMAX以下の場合に、切り替え動作時間Topen，Tcloseを学習し、待機時間TopenSTB，TcloseSTBに反映させることにより行われる。待機時間TopenSTB，TcloseSTBは、気流制御弁２８の開閉状態の切り替えがあった場合に、切り替えの開始後から燃焼状態に影響を及ぼすパラメータ（燃焼パラメータ）の変更を待機する期間であり、上限時間TopenMAX，TcloseMAX同様、上述した(a),(c)と、上述した(d)のうちのバルブタイミングとに関連付けたＥＣＵマップ（待機時間マップ）として別途作成されているものとする。
【００２３】
図４は、切り替え動作時間Topenの待機時間TopenSTBへの反映前後における筒内気流の流動性、空燃比（Ａ／Ｆ）および点火時期の推移を示す図である。この図４においては、図３同様、気流制御弁の経年劣化に伴い、気流制御弁の開閉状態が完全に切り替わるまでの時間が長く、筒内気流の流動性（≒充填効率＊）が変化し切るまでの動作時間も長くなる。図４に示すように、切り替え動作時間Topenを待機時間TopenSTBに反映せずに初期時の待機時間TopenSTBで空燃比や点火時期といった燃焼パラメータを変更すると、燃焼変動の悪化や失火を誘発してしまう（破線参照）。これに対し、切り替え動作時間Topenを学習して反映すれば、気流の切り替えが完了した後に空燃比や点火時期を変更できることになるので（実線参照）、上記の不具合の発生を良好に防止することができる。
【００２４】
［具体的処理］
次に、図５乃至図８を参照しながら、上述した気流制御弁２８の動作検知と、動作検知に基づく対応制御における具体的処理について説明する。図５は、本実施の形態において、ＥＣＵ３０により実行される気流制御弁２８の動作検知フローのルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、内燃機関１０の運転中、定期的に実行されるものとする。
【００２５】
図５に示すルーチンでは、先ず、ステップＳ１において学習条件の成否が判定される。ステップＳ１の処理に際しては、図６に示すルーチンが実行される。図６に示すルーチンでは、先ず、ステップＳ１１において内燃機関１０の運転状態が図７に示すヒステリシス領域内にあるか否かが判定される。気流制御弁２８の開閉状態は、このヒステリシス領域において全開状態と全閉状態の中間となる。そのため、このヒステリシス領域で学習を行えば、どちらの燃焼状態においても燃焼安定性が確保できるというメリットがある。
【００２６】
ステップＳ１１の判定の結果、内燃機関１０の運転状態がヒステリシス領域内あると判定された場合には、ステップＳ１２に進み、定常判定が行われる。この定常判定は、具体的に、ヒステリシス領域内の滞在時間が判定時間以上か否かを判定するものである。定常判定を行うことで、運転状態の変動による影響を排除し、学習の精度を向上できるというメリットがある。ステップＳ１２の判定の結果、ヒステリシス領域に滞在する時間が判定時間以上であると判定された場合、学習条件が成立していると判断できるので、図５のステップＳ２以降の処理に進む。
【００２７】
ステップＳ２では、気流制御弁２８の開閉状態が変更される。この変更は、全閉状態から全開状態へ、または、全開状態から全閉状態への何れかである。また、ステップＳ２に続き、ステップＳ３では、気流制御弁２８の移動方向に対応する切り替え動作時間Topen（または切り替え動作時間Tclose）が学習される。この切り替え動作時間Topen（または切り替え動作時間Tclose）は、待機時間TopenSTB（または待機時間TcloseSTB）に反映される。
【００２８】
ステップＳ３に続き、ステップＳ４では、故障判定が行われる。故障判定は、具体的に、ステップＳ３で学習した切り替え動作時間Topen（または切り替え動作時間Tclose）と、対応する上限時間TcloseMAX（または上限時間TcloseMAX）とを比較するものである。比較の結果、切り替え動作時間Topenが上限時間TopenMAXを上回る場合（または、切り替え動作時間Tcloseが上限時間TcloseMAXを上回る場合）は、気流制御弁２８が故障していると判定され、ステップＳ５においてＭＩＬが点灯され、気流制御弁２８の動作が禁止されると共に、所定の待避モードに移行するよう可変動弁機構等の各種アクチュエータに指令が出される。
【００２９】
図８は、本実施の形態において、ＥＣＵ３０により実行される気流制御弁２８の動作検知に基づく対応制御フローのルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、内燃機関１０の運転中、定期的に実行されるものとする。
【００３０】
図８に示すルーチンでは、先ず、ステップＳ６において気流制御弁２８の切り替え条件の成否が判定される。この切り替え条件は、図７に示す気流制御弁閉領域と気流制御弁開領域の境界を跨ぐように内燃機関１０の運転状態が遷移した場合に成立する。切り替え条件が成立していると判定された場合は、ステップＳ７に進み、気流制御弁２８へ切り替え指令が出される。この切り替え指令は、全閉状態から全開状態への指令、または、全開状態から全閉状態への指令の何れかである。
【００３１】
ステップＳ７に続き、ステップＳ８では、切り替え後の経過時間が判定される。経過時間の判定は、具体的に、ステップＳ７の処理後の経過時間Tと、待機時間TopenSTB（または待機時間TcloseSTB）とを比較するものである。比較の結果、経過時間Tが待機時間TopenSTB（または待機時間TcloseSTB）を上回る場合は、ステップＳ９に進み、気流制御弁２８の開度以外の燃焼パラメータの変更を許可する。一方、経過時間Tが待機時間TopenSTB（または待機時間TcloseSTB）以下の場合は、ステップＳ８の処理を再度繰り返す。つまり、経過時間Tが待機時間TopenSTB（または待機時間TcloseSTB）を上回るまで、ステップＳ８の処理が繰り返される。
【００３２】
以上、図５乃至図６のルーチンによれば、気流制御弁２８の動作検知に基づきその故障判定を行うことができる。また、図８のルーチンによれば、気流制御弁２８が経年劣化した場合においても、その開閉状態の切り替えの際に燃焼状態が悪化するのを抑制できる。
【００３３】
なお、上記実施の形態では、ＥＣＵ３０のメモリが本発明の「記憶手段」に相当している。また、ＥＣＵ３０が図８に示した一連の処理を実行することにより本発明の「待機手段」が、図５のステップＳ３の処理を実行することにより本発明の「学習手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００３４】
１０  内燃機関
１４  燃焼室
２８  気流制御弁
３０  ＥＣＵ
【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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【図７】
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【図８】
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