JP2004301045A - Ignition timing control device for internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately calculate ignition timing of MBT in an engine transient state. <P>SOLUTION: In an ignition timing control device for an internal combustion engine of the present invention, a combustion gas amount burning in a cylinder until a predetermined crank angle, laminar flow combustion rates SL1, SL2 that are combustion rates of combustion gas in a laminar flow state, and turbulence strength U1, U2 that are indices of turbulence in combustion changed depending on the engine transient state, are calculated. Combustion rates FLAME1, FLAME2 in the cylinder are calculated from the laminar flow combustion rates and the turbulence strength, burning periods BURN1, BURN2 are calculated from the combustion rates and the combustion gas amount in the cylinder, and reference ignition timing MBTCAL for calculating the MBT is calculated based on the burning periods. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の点火時期制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の内燃機関の点火時期制御装置として、シリンダ内の圧力を測定することなく、シリンダ内での燃焼時間から最良トルクを得るための最小点火進角値(以下、MBTと示す。)が得られる点火時期を演算するものがある(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
この従来の技術は、MBT演算値を算出するにあたりシリンダ内総ガス質量(MASSC)と未燃ガス密度(ROU)を算出し、その後、MASSC/ROUを演算し未燃ガスの割合が最小となる点火時期からMBTを求めている。未燃ガス密度は、未燃ガス質量を未燃ガス体積で割って得られる値であるため未燃ガスの質量及び体積の変化に依存する。理論的には、これらの値を検出すれば未燃ガス質量を正確に求めることができるが、実際にはシリンダ内にて未燃ガス体積を推定することは困難であるため、上記公報にあっては充填効率ηcに基づいて未燃ガス密度を算出している。
【0004】
【特許文献1】
特開平10−30535号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、質量に相当する充填効率ηcのみの関数では、未燃ガス密度を正確に算出することはできず、運転条件により変化する未燃ガス体積分の補正を行うにしても困難であるという問題が残る。更に、MASSC、ROUともに質量であり、質量同士を除算することで求められる値は無次元となるので、これらの質量の値を個別に演算し、さらに除算することは演算の無駄であり、単に演算負荷の増加を招くことになる。
【0006】
また、過渡運転時など要求点火時期が急激に変化したときに、これに対応してMBTが得られる点火時期に応答良く制御することができない。
【0007】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決し、より正確にMBTの得られる点火時期を算出する内燃機関の点火時期制御装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関の点火時期制御装置であって、内燃機関の過渡状態に応じて変化する燃焼の乱れを示す指標である乱れ強さを算出する乱れ強さと層流燃焼速度とからシリンダ内燃焼速度を算出し、この燃焼速度と前記シリンダ内の燃焼ガス量とから燃焼期間を算出し、この燃焼期間に基づいてMBTの得られる基本点火時期を算出することを特徴とする。
【0009】
【発明の効果】
本発明によれば、内燃機関の運転状態が過渡状態であっても、運転状態に応じて乱れ強さを設定するので、過渡状態においてもMBTを得るための点火時期を精度よく算出することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明のシステムを説明するための概略図であり、内燃機関1には吸気コレクタ2と、インジェクタ3を配置された吸気マニホールド4を介して吸気が導入され、内燃機関1からの排気は三元触媒21を備えた排気マニホールド5からマフラー6を介して大気中に排出される。
【0011】
吸気コレクタ2にはエアクリーナ7によって浄化された空気が吸気ダクト9を通して供給される。吸気コレクタ2上流にはスロットル開度センサとスロットルモータを備えた電子制御スロットル8が備えられる。
【0012】
フューエルタンク10内で蒸発した燃料ガスは、キャニスタ11に導入された後にキャニスタ11に導入された空気とともに吸気コレクタ2に送られる。さらに三元触媒21下流と吸気コレクタ2とを連通するEGR通路12が設置され、排気の一部が吸気中に還流される。
【0013】
内燃機関1にはクランク角の位置を検出するポジションセンサ13と冷却水温を検出する水温センサ14とが設置され、吸気ダクト9には吸気温センサを内蔵した吸入空気量を検出するエアフロメータ16が設けられる。エアフロメータ16に代わって、吸気マニホールド4の温度と圧力を検出するセンサを設け、これらに基づいて吸入空気量を演算するようにしてもよい。
【0014】
排気マニホールド5には排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ17が設けられ、EGR通路12の途中にはEGRコントロールバルブ18が、またキャニスタ11から排出されたパージエアを制御するキャニスタパージエアコントロールバルブ19が設置される。
【0015】
内燃機関1には、更に、吸気バルブの作動角とリフト量とを連続的に変更可能な可変動弁機構22と、吸気バルブの実作動角を検出する作動角センサ15とが備えられ、作動角センサ15の出力信号に基づいて吸気バルブの開時期(IVO)、及び閉時期(IVC)を算出することができる。
【0016】
前記ポジションセンサ13、水温センサ14、作動角センサ15、エアフローメータ16及びそれに内蔵された吸気温センサの出力信号は、コントロールユニット20に入力され、さらに酸素濃度センサ17の出力信号、図示しないバッテリからの電圧信号も入力される。
【0017】
コントロールユニット20はこれら入力データに基づき、点火時期制御信号をイグニッションコイルに出力し、空燃比制御信号を燃料噴射用のインジェクタ3に、吸気バルブ作動角制御信号を可変動弁機構22に、キャニスタ制御信号をキャニスタパージコントロールバルブ19に、さらにEGR制御信号をEGRコントロールバルブ18に出力し、内燃機関1を適正な運転状態に維持する。
【0018】
図2はエンジンコントローラ31内で行われる点火時期制御のブロック図で、大きくは点火時期演算部51と点火時期制御部61とからなる。点火時期演算部51はさらに初期燃焼期間算出部52、主燃焼期間算出部53、燃焼期間算出部54、基本点火時期算出部55、前回燃焼開始時期算出部56、点火時期指令値算出部57からなる。
【0019】
初期燃焼期間算出部52では、混合気が着火してから火炎核が形成されるまでの期間を初期燃焼期間BURN1として算出する。主燃焼期間算出部53では、火炎核が形成されてから燃焼圧力が最大値Pmaxに達するまでの期間を主燃焼期間BURN2として算出する。燃焼期間算出部54では、これら初期燃焼期間BURN1と主燃焼期間BURN2との合計を、点火より最大燃焼圧力Pmaxに至るまでの燃焼期間BURNとして算出する。基本点火時期算出部55では、この燃焼期間BURNに基づいてMBTの得られる点火時期(この点火時期を「基本点火時期」という。)MBTCALを算出する。
【0020】
点火時期制御部61ではこのようにして算出された基本点火時期MBTCALで点火プラグ14が燃焼室5内の混合気に対して着火するように、イグニッションコイル13への通電角と非通電角を制御する。
【0021】
上記のように燃焼期間BURNを初期燃焼期間BURN1と主燃焼期間BURN2に分けて算出し、燃焼期間BURNに応じて基本点火時期MBTCALを求めるようにしたのは、燃焼解析より得られた結果に基づくものである。以下、燃焼解析に基づくこの点火時期制御をさらに説明する。
【0022】
図3に示すようにMBT(最大トルクの得られる最小進角値)で混合気に点火した場合に混合気の燃焼圧力が最大値Pmaxとなるクランク角を基準クランク角θPMAX[degATDC]とする。基準クランク角θPMAXは燃焼方式によらずほぼ一定であり、一般に圧縮上死点後12〜15度、最大で圧縮上死点後10〜20度の範囲にある。
【0023】
図4に火花点火エンジンにおける燃焼室内の燃焼解析により得られた燃焼質量割合Rの変化を示す。燃焼室に供給された燃料に対する燃焼質量の比率を表す燃焼質量割合Rは、点火時に0%であり、完全燃焼によって100%に達する。基準クランク角θPMAXにおける燃焼質量割合Rmaxは一定で約60%である。
【0024】
燃焼質量割合Rが0%から基準クランク角θPMAX相当の約60%に達するまでの燃焼期間は、点火直後で燃焼質量割合にも燃焼圧力にもほとんど変化のない期間である初期燃焼期間と、燃焼質量割合と燃焼圧力が急激に増加する主燃焼期間とに分けられる。初期燃焼期間は、燃焼の開始から火炎核が形成されるまでの段階であり、火炎核が形成されるのは燃焼質量割合で2%〜10%のタイミングである。この期間中は、燃焼圧力や燃焼温度の上昇速度が小さく、燃焼質量割合の変化に対して初期燃焼期間は長い。初期燃焼期間の長さは燃焼室内の温度や圧力の変化の影響を受けやすい。
【0025】
一方、主燃焼期間においては、火炎核から外側へと火炎が伝播し、燃焼速度が急上昇する。そのため、主燃焼期間の燃焼質量割合の変化は初期燃焼期間の燃焼質量割合の変化に比べて大きい。
【0026】
エンジンコントローラ31では、燃焼質量割合が2%に達するまでを初期燃焼期間BURN1[deg]とし、初期燃焼期間BURN1の終了後、基準クランク角θPMAXに至るまでの区間(燃焼室量割合でいえば2%より約60%に達するまでの間)を主燃焼期間BURN2[deg]として区別する。そして、初期燃焼期間BURN1に主燃焼期間BURN2を加えた合計である燃焼期間BURN[deg]を算出し、この燃焼期間BURNから基準クランク角θPMAX[degATDC]を差し引き、さらに後述する点火無駄時間相当クランク角IGNDEAD[deg]を加えたクランク角位置を、MBTの得られる点火時期である基本点火時期MBTCAL[degBTDC]として設定する。
【0027】
火炎核の形成される初期燃焼期間での燃焼室5内の圧力、温度は、点火時の圧力、温度とほぼ等価になるが、これから点火時期を算出しようとしているのに、最初から正確な点火時期を設定することはできない。そこで、図2に示したように前回燃焼開始時期算出部56で基本点火時期の前回値を前回燃焼開始時期MBTCYCL[degBTDC]として算出し、この値を初期燃焼期間算出部52に対して与えるようにし、初期燃焼期間算出部52において初期燃焼期間の算出をサイクリックに繰り返すことで、精度の高い結果を時間遅れなしに出すようにしている。
【0028】
次に、エンジンコントローラ31で実行される点火時期指令値QADVの算出を以下のフローチャートを参照しながら詳述する。
【0029】
図5は点火時期の算出に必要な各種の物理量を算出するためのもので、一定時間毎(例えば10msec毎)に実行する。
【0030】
まずステップ11では、吸気弁閉時期IVC[degBTDC]、温度センサ43により検出されるコレクタ内温度TCOL[K]、温度センサ45により検出される排気温度TEXH[K]、内部不活性ガス率MRESFR[%]、温度センサ37により検出される冷却水温TWK[K]、目標当量比TFBYA、クランク角センサにより検出されるエンジン回転速度NRPM[rpm]、点火無駄時間DEADTIME[μsec]を読み込む。
【0031】
ここで、クランク角センサはクランクシャフト7のポジションを検出するポジションセンサ33と、吸気用カムシャフト25ポジションを検出する作動角センサ34とからなり、これら2つのセンサ33、34からの信号に基づいてエンジン回転速度NRPM[rpm]が算出されている。
【0032】
吸気弁閉時期IVCは吸気VTC機構27に与える指令値から既知である。あるいは作動角センサ34により実際の吸気弁閉時期を検出してもかまわない。
【0033】
内部不活性ガス率MRESFRは燃焼室内に残留する不活性ガス量を燃焼室内の総ガス量で除した値で、その算出については後述する。点火無駄時間DEADTIMEは一定値である。
【0034】
目標当量比TFBYAは図示しない燃料噴射量の算出フローにおいて算出されている。目標当量比TFBYAは無名数であり、理論空燃比を14.7とすると、次式により表される値である。
【0035】
TFBYA=14.7/目標空燃比…(1)
例えば(1)式より目標空燃比が理論空燃比のときTFBYA=1.0となり、目標空燃比が例えば22.0といったリーン側の値であるとき、TFBYAは1.0未満の正の値である。
【0036】
ステップ12では、燃焼室5の吸気弁閉時期IVCにおける容積(つまり圧縮開始時期での容積)VIVC[m3]を算出する。燃焼室5の吸気弁閉時期における容積VIVCは、ピストン6のストローク位置によって決まる。ピストン6のストローク位置はエンジンのクランク角位置によって決まる。
【0037】
図6を参照して、エンジンのクランクシャフト71の回転中心72がシリンダの中心軸73からオフセットしている場合を考える。コネクティングロッド74、コネクティングロッド74とクランクシャフト71との結節点75、コネクティングロッド74とピストンをつなぐピストンピン76が図に示す関係にあるとする。このときの、燃焼室5の吸気弁閉時期における容積VIVCは次式(2)〜(6)で表すことができる。
【0038】

Figure 2004301045
ただし、Vc:隙間容積[m3]、
ε :圧縮比、
D :シリンダボア径[m]、
ST :ピストンの全ストローク[m]、
H :ピストンピン76のTDCからの距離[m]、
CND :コネクティングロッド74の長さ[m]、
CRoff :結節点75のシリンダ中心軸73からのオフセット距離[m]、
PISoff:クランクシャフト回転中心72のシリンダ中心 軸73からのオフセット距離[m]、
θivc :吸気弁閉時期のクランク角[degATDC]、
θoff :ピストンピン76とクランクシャフト回転中心72とを結ぶ線がTDCにおいて垂直線となす角 度[deg]、
X :結節点75とピストンピン76との水平距離[ m ] 、
吸気弁閉時期のクランク角θivcは前述のように、エンジンコントローラ31から吸気VTC機構27への指令信号によって決まるので、既知である。式(2)〜(6)にこのときのクランク角θivc(=IVC)を代入すれば、燃焼室5の吸気弁閉時期における容積VIVCを算出することができる。したがって、実用上は燃焼室5の吸気弁閉時期における容積VIVCは吸気弁閉時期IVCをパラメータとするテーブルで設定したものを用いる。吸気VTC機構27を備えないときには定数で与えることができる。
【0039】
ステップ13では、燃焼室5の吸気弁閉時期IVCにおける温度(つまり圧縮開始時期温度)TINI[K]を算出する。燃焼室5の吸気弁閉時期IVCにおける温度TINIは、燃焼室5に流入する新気と燃焼室5に残留する不活性ガスとが混じったガスの温度であり、燃焼室5に流入する新気の温度は吸気コレクタ2内の新気温度TCOLに等しく、また燃焼室5内に残留する不活性ガスの温度は排気ポート部近傍の排気温度TEXHで近似できるので、吸気コレクタ2内の新気温度TCOL、排気温度TEXH、燃焼室5内に残留する不活性ガスの割合である内部不活性ガス率MRESFRから次式により求めることができる。
【0040】
TINI=TEXH×MRESFR+TCOL×(1−MRESFR)…(7)
ステップ14では、燃焼室5内の混合気の燃えやすさを表す反応確率RPROBA[%]を算出する。反応確率RPROBAは無次元の値であり、残留不活性ガス率MRESFR、冷却水温TWK[K]、目標当量比TFBYAの3つのパラメータに依存するので、次式により表すことができる。
【0041】
RPROBA=f3(MRESFR、TWK、TFBYA)…(8)
具体的に説明すると、MRESFR、TWK、TFBYAの3つのパラメータの組み合わせによって得られる反応確率の最大値を100%とし、これらのパラメータと反応確率RPROBAの関係を実験的に求め、求めた反応確率RPROBAをパラメータに応じたテーブルとしてエンジンコントローラ31のメモリに予め格納しておく。ステップ14ではパラメータに応じてこのテーブルを検索することにより反応確率RPROBAを求める。
【0042】
具体的には、冷却水温TWKに応じて図7に示すような特性を有する水温補正係数のテーブルと、同様に設定された内部不活性ガス率補正係数のテーブル(図示しない)と、目標当量比Tfbyaに応じて図8に示すような特性を有する当量比補正係数のテーブルを予めメモリに格納しておく。各補正係数の最大値はそれぞれ1.0であり、3種類の補正係数の積に反応確率の最大値100%を掛け合わせることで、反応確率RPROBAを算出する。
【0043】
各テーブルを説明すると、図7に示す水温補正係数は冷却水温TWKが高いほど大きく、冷却水温TWKが80℃以上では1.0になる。図8に示す当量比補正係数は目標当量比TFBYAが1.0のとき、つまり理論空燃比のときに最大値の1.0となり、目標当量比が1.0より大きくても小さくても当量比補正係数は減少する。内部不活性ガス率補正係数は図示しないが、内部不活性ガス率MRESFRがゼロの場合に1.0となる。
【0044】
ステップ15では、基準クランク角θPMAX[degATDC]を算出する。前述のように基準クランク角θPMAXはあまり変動しないが、それでもエンジン回転速度NRPMの上昇に応じて進角する傾向があるため、基準クランク角θPMAXはエンジン回転速度NRPMの関数として次式で表すことができる。
【0045】
θPMAX=f4(NRPM)…(9)
具体的にはエンジン回転速度NRPMから、エンジンコントローラ31のメモリに予め格納された図9に示す特性のテーブルを検索することにより基準クランク角θPMAXを求める。算出を容易にするために、基準クランク角θPMAXを一定とみなすことも可能である。
【0046】
最後にステップ16では、点火無駄時間相当クランク角IGNDEAD[deg]を算出する。点火無駄時間相当クランク角IGNDEADは、エンジンコントローラ31から点火指令信号、すなわち点火コイル13の一次電流を遮断する信号を出力したタイミングから点火プラグ14が実際に点火するまでのクランク角区間で、次式により表すことができる。
【0047】
IGNDEAD=f5(DEADTIME、NRPM)…(10)
ここでは、点火無駄時間DEADTIMEを200μsecとする。(10)式は、エンジン回転速度NRPMから点火無駄時間DEADTIMEに相当するクランク角である点火無駄時間相当クランク角IGNDEADを算出するためのものである。
【0048】
図10は初期燃焼期間BURN1[deg]を算出するためのもの、また図12は主燃焼期間BURN2[deg]を算出するためのもので、一定時間毎(例えば10msec毎)に実行する。図10、図12は図5に続けて実行する。
図10、図12はどちらを先に実行してもかまわない。
【0049】
まず図10から説明すると、ステップ21では、前回燃焼開始時期MBTCYCL[degBTDC]、図5のステップ12で算出されている燃焼室5の吸気弁閉時期における容積VIVC[m3]、図5のステップ13で算出されている燃焼室5の吸気弁閉時期における温度TINI[K]、エンジン回転速度NRPM[rpm]、図5のステップ14で算出されている反応確率RPROBA[%]を読み込む。
【0050】
ここで、前回燃焼開始時期MBTCYCLは、基本点火時期MBTCALの[degBTDC]の1サイクル前の値であり、その算出については後述する。
【0051】
ステップ22では燃焼室5の燃焼開始時期における容積V0[m3]を算出する。前述したように、ここでの点火時期(燃焼開始時期)は今回のサイクルで演算する基本点火時期MBTCALではなく基本点火時期の1サイクル前の値である。すなわち、基本点火時期の1サイクル前の値であるMBTCYCLから次式により燃焼室5の燃焼開始時期における容積V0を算出する。
【0052】
V0=f6(MBTCYCL)…(11)
具体的には前回燃焼開始時期MBTCYCLにおけるピストン6のストローク位置と、燃焼室5のボア径から、燃焼室5のMBTCYCLにおける容積V0を算出する。図5のステップ12では、燃焼室5の吸気弁閉時期IVCにおける容積VIVCを、吸気弁閉時期をパラメータとする吸気弁閉時期容積のテーブルを検索することにより求めたが、ここではMBTCYCLをパラメータとする前回燃焼開始時期容積のテーブルを検索することにより、燃焼室5の前回燃焼開始時期MBTCYCLにおける容積V0を求めればよい。
【0053】
ステップ23では燃焼開始時期における有効圧縮比Ecを算出する。有効圧縮比Ecは無次元の値であり、次式に示すように燃焼室5の燃焼開始時期における容積V0を燃焼室5の吸気弁閉時期における容積VIVCで除した値である。
【0054】
Ec=f7(V0、VIVC)=V0/VIVC…(12)
ステップ24では吸気弁閉時期IVCから燃焼開始時期に至る間の燃焼室5内の温度上昇率TCOMPを次式に示すように有効圧縮比Ecに基づいて算出する。
【0055】
TCOMP=f8(Ec)=Ec^(κ−1)…(13)
ただし、κ:比熱比、
(13)式は断熱圧縮されるガスの温度上昇率の式である。なお、(13)式右辺の「^」は累乗計算を表している。
【0056】
κは断熱圧縮されるガスの定圧比熱を定容比熱で除した値で、断熱圧縮されるガスが空気であればκ=1.4であり、簡単にはこの値を用いればよい。ただし、混合気に対してκの値を実験的に求めることで、一層の算出精度の向上が可能である。
【0057】
図11は(13)式を図示したものである。従って、このような特性のテーブルを予めエンジンコントローラ31のメモリに格納しておき、有効圧縮比Ecに基づき当該テーブルを検索することにより温度上昇率TCOMPを求めることも可能である。
【0058】
ステップ25では、燃焼室5の燃焼開始時期における温度T0[K]を、燃焼室5の吸気弁閉時期における温度TINIに温度上昇率TCOMPを乗じることで、つまり
T0=TINI×TCOMP…(14)
の式により算出する。
【0059】
ステップ26では、次式(公知)により層流燃焼速度SL1[m/sec]を算出する。
【0060】
SL1=SLstd×(T0×Tstd)2.18×(P0/Pstd)−0.16…(15)
ただし、Tstd :基準温度[K]、
Pstd :基準圧力[Pa]、
SLstd:基準温度Tstdと基準圧力Pstdにおける基準層流燃焼速 度[m/sec]、
T0 :燃焼室5の燃焼開始時期における温度[K]、
P0 :燃焼室5の燃焼開始時期における圧力[Pa]、
基準温度Tstdと基準圧力Pstdと基準層流燃焼速度SLstdは実験により予め定められる値である。
【0061】
燃焼室5の通常の圧力である2bar以上の圧力下では、(15)式の圧力項(P0/Pstd)−0.16は小さな値となる。従って、圧力項(P0/Pstd)−0.16を一定値として、基準層流燃焼速度SLstdを基準温度Tstdのみで規定することも可能である。
【0062】
従って、基準温度Tstdが550[K]で、基準層流燃焼速度SLstdが1.0[m/sec]で、圧力項が0.7である場合の燃焼開始時期における温度T0と層流燃焼速度SL1との関係は近似的に次式で定義することができる。
【0063】
Figure 2004301045
ステップ27では、初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さU1を算出する。このガス流動の乱れ強さU1は無次元の値であり、燃焼室5に流入する新気の流速と燃料インジェクタ21の噴射燃料のペネトレーションとに依存する。
【0064】
燃焼室5に流入する新気の流速は、吸気通路の形状と、吸気弁15の作動状態と、吸気弁15を設ける吸気ポート4の形状に依存する。噴射燃料のペネトレーションは燃料インジェクタ21の噴射圧力と、燃料噴射期間と、燃焼噴射タイミングに依存する。
【0065】
最終的に、初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さU1は、エンジン回転速度NRPMの関数として次式で表すことができる。
【0066】
U1=f10(NRPM)=C1×NRPM…(17)
ただし、C1:定数、
乱れ強さU1を回転速度NRPMをパラメータとするテーブルから求めることも可能である。
【0067】
ステップ28では層流燃焼速度SL1と乱れ強さU1から、初期燃焼におけるガスの燃焼速度FLAME1[m/sec]を次式により算出する。
【0068】
FLAME1=SL1×U1…(18)
燃焼室5内にガス乱れがあるとガスの燃焼速度が変化する。(18)式はこのガス乱れに伴う燃焼速度への寄与(影響)を考慮したものである。
【0069】
ステップ29では、次式により初期燃焼期間BURN1[deg]を算出する。
【0070】
BURN1={(NRPM×6)×(BR1×V0)}/(PRROBA×AF1×FLAME1)…(19)
ただし、AF1:火炎核の反応面積(固定値)[m2]、
ここで、(19)式右辺のBR1は燃焼開始時期より初期燃焼期間BURN1の終了時期までの燃焼質量割合の変化量であり、ここではBR1=2%に設定している。(19)式右辺の(NRPM×6)は単位をrpmからクランク角(deg)に変換するための措置である。火炎核の反応面積AF1は実験的に設定される。
【0071】
次に図12のフローに移ると、ステップ31では回転速度NRPM、図5のステップ14で算出されている反応確率RPROBAを読み込む。
【0072】
ステップ32では主燃焼におけるガス流動の乱れ強さU2を算出する。このガス流動の乱れ強さU2も初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さU1と同様に、エンジン回転速度NRPMの関数として次式で表すことができる。
【0073】
U2=f11(NRPM)=C2×NRPM…(20)
ただし、C2:定数、
乱れ強さU2を回転速度をパラメータとするテーブルから求めることも可能である。
【0074】
ステップ33では、層流燃焼速度SL2[m/sec]と主燃焼におけるガス流動の乱れ強さU2とから、主燃焼における燃焼速度FLAME2[m/sec]を次式により算出する。
【0075】
FLAME2=SL2×U2…(21)
ただし、SL2:層流燃焼速度[m/sec]、
(21)式は(18)式と同様、ガス乱れに伴う燃焼速度への寄与を考慮したものである。
【0076】
前述のように主燃焼期間BURN2の長さは燃焼室5内の温度や圧力の変化の影響を受けにくい。従って、層流燃焼速度SL2には予め実験的に求めた固定値を適用する。
【0077】
ステップ34では、主燃焼期間BURN2[deg]を(19)式に類似した次式で算出する。
【0078】
BURN2={(NRPM×6)×(BR2×V2)}/(PRROBA×AF2×FLAME2)…(22)
ただし、V2:燃焼室5の主燃焼期間開始時容積[m3]、
AF2:火炎核の反応面積[m2]
ここで、(22)式右辺のBR2は主燃焼期間の開始時期より終了時期までの燃焼質量割合の変化量である。初期燃焼期間の終了時期に燃焼質量割合が2%になり、その後、主燃焼期間が開始し、燃焼質量割合が60%に達して主燃焼期間が終了すると考えているので、BR2=60%−2%=58%を設定している。AF2は火炎核の成長行程における平均の反応面積であり、(19)式のAF1と同様に、予め実験的に定めた固定値とする。燃焼室5の主燃焼期間開始時における容積V2も固定値である。
【0079】
図13は基本点火時期MBTCAL[degBTDC]を算出するためのもので、一定時間毎(例えば10msec毎)に実行する。図10、図12のうち遅く実行されるフローに続けて実行する。
【0080】
ステップ41では、図10のステップ29で算出されている初期燃焼期間BURN1、図12のステップ34で算出されている主燃焼期間BURN2、図5のステップ16で算出されている点火時期無駄時間相当クランク角IGNDEAD、図5のステップ15で算出されている基準クランク角θPMAXを読み込む。
【0081】
ステップ42では、初期燃焼期間BURN1と主燃焼期間BURN2の合計を燃焼期間BURN[deg]として算出する。
【0082】
ステップ43では次式により基本点火時期MBTCAL[degBTDC]を算出する。
【0083】
MBTCAL=BURN−θPMAX+IGNDEAD…(23)
ステップ44では、この基本点火時期MBTCALから点火無駄時間相当クランク角IGNDEADを差し引いた値を前回燃焼開始時期MBTCYCL[degBTDC]として算出する。
【0084】
このようにして算出した基本点火時期MBTCALは点火レジスタに移され、実際のクランク角がこの基本点火時期MBTCALと一致したタイミングでエンジンコントローラ31より一次電流を遮断する点火信号が点火コイル13に出力される。
【0085】
また、今サイクルの点火時期指令値としてステップ43で算出された基本点火時期MBTCALが用いられたとすると、次サイクルの点火時期になるまでの間、ステップ44で算出された前回燃焼開始時期MBTCYCLが図10のステップ22において用いられる。
【0086】
以上のように、本実施形態においては、燃焼室5内の未燃ガス量などの質量計算を行わずにMBTの得られる点火時期である基本点火時期MBTCALを算出するので、計算負荷を小さく抑えることができる。
【0087】
また、上記(19)式に示したように初期燃焼期間BURN1を、燃焼開始時期における燃焼室容積V0と、混合気の燃焼のしやすさを表す反応確率RPROBAと、燃焼速度FLAME1の関数で表している。ここで、燃焼開始時期における燃焼室容積V0が大きいほど、反応確率RPROBAが小さいほど、燃焼速度FLAME1が遅いほど、それぞれ初期燃焼期間BURN1が長くなり、結果として基本点火時期MBTCALが進角する。
【0088】
同様に、上記(22)式に示したように主燃焼期間BURN2を、主燃焼期間の開始時期における燃焼室容積V2と、混合気のしやすさを表す反応確率RPROBAと、燃焼速度FLAME2の関数で表している。ここで、主燃焼期間開始時期における燃焼室容積V2が大きいほど、反応確率RPROBAが小さいほど、燃焼速度FLAME2が遅いほど、それぞれ主燃焼期間BURN2が長くなり、結果として点火時期MBTCALが進角する。
【0089】
このように、燃焼期間BURN1とBURN2を、燃焼期間に影響を与える様々なパラメータの関数として算出することで、燃焼期間BURN1とBURN2を正確に算出することができる。結果として、燃焼期間BURN1とBURN2に基づき算出される基本点火時期MBTCALも高精度に算出することができる。また、燃焼期間BURNを温度や圧力が大きく影響を受けやすい火炎核成長期間に相当する初期燃焼期間BURN1と、温度や圧力の影響の少ない主燃焼期間とに分けて算出しているので、燃焼期間BURNの算出精度が向上する。燃焼期間BURNを3以上にさらに分割することで、算出精度のさらなる向上も可能である。
【0090】
実施形態では、初期燃焼期間BURN1の算出に用いる燃焼速度FLAME1を層流燃焼速度SL1と乱れ強さU1の積として、また主燃焼期間BURN2の算出に用いる燃焼速度FLAME2を層流燃焼速度SL2と乱れ強さU2の積としてそれぞれ算出しているが、特開平10−30535号公報に記載されているように足し算による算出方法で求めても良い。
【0091】
実施形態では、初期燃焼期間を燃焼質量割合でゼロから2%まで(つまりBR1=2%)、主燃焼期間を燃焼質量割合で2〜60%まで(つまりBR2=58%)と規定したが、本発明は必ずしもこの数値に限定されるものでない。
【0092】
次に本発明の特徴である乱れ強さの算出方法について図14と図15に基づき、説明する。
【0093】
図14に基づいて吸気バルブ開(IVO)時に燃焼期間での乱れ強さを推定する方法について説明する。この方法は、インテークマニフォールド圧力(以下、インマニ圧という。)、バルブタイミング、バルブリフト量から乱れ強さを算出する方法で、所定の間隔で算出される。
【0094】
まず、インマニ圧Po(Pa)、吸気バルブの開弁期間θo(deg)、エンジン回転速度N(rpm)からシリンダ内への吸入空気量Qo(mm)を下式で算出する。
【0095】
【数24】
Figure 2004301045
但し、上式中のf1(θo、N)は、予め実験等により算出した結果を図16に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。
【0096】
次に、吸気バルブの開弁期間θo中のバルブリフト量Lo(mm)から平均吸気バルブ開口面積So(mm)を下式で算出する。
【0097】
【数25】
Figure 2004301045
但し、上式中のf2(Lo)は、予め実験等により算出した結果を図17に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。またバルブリフト量Loは、図18に示すように吸気バルブ開弁期間θo中のリフト量を積算して、リフト量の積算値から平均値を求め、この平均値をリフト量Loとしてもよい。
【0098】
算出したシリンダ内への吸入空気量Qo、平均吸気バルブ開口面積So、エンジン回転速度Nから吸気バルブ通過平均速度(吸入空気流速)Vo(m/sec)を下式で算出する。
【0099】
【数26】
Figure 2004301045
そして、吸気バルブ開状態で推定した燃焼期間の乱れ強さはUoは、
【0100】
【数27】
Figure 2004301045
で算出される。
【0101】
ここで、Kc:スワールコントロールバルブ補正係数
Kt:タンブルコントロールバルブ補正係数
Kq:スキッシュ補正係数
であり、予め測定した値を用いる。また、構成にスワールコントロールバルブ、タンブルコントロールバルブ、スキッシュのいずれかの構成がない場合には、ない構成の補正係数を1として演算する。
【0102】
但し、上式中のf3(Vo、N)は、予め実験等により算出した結果を図19に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。
【0103】
このように吸気バルブ開の状態で求めた燃焼期間の平均乱れ強さはUoは、シリンダ内への吸入空気量Qo、平均吸気バルブ開口面積So、エンジン回転速度Nから算出される吸気バルブ通過平均速度Voに基づき設定されるので、エンジンの過渡運転状態でシリンダ内への吸入空気量Qo、平均吸気バルブ開口面積So、エンジン回転速度Nが変化しても、変化に応じて乱れ強さUoを算出することができる。したがって、エンジンが過渡状態にある場合でも、エンジンの運転状態の変化に応じて乱れ強さを設定し、精度よく点火時期を算出することができる。
【0104】
図15に基づいて吸気バルブ閉(IVC)時の状態で燃焼期間での乱れ強さを推定する方法について説明する。この方法は、吸気バルブ開の状態での算出方法と同様に吸気バルブ閉時のインテークマニフォールド圧力(以下、インマニ圧という。)、バルブタイミング、バルブリフト量から乱れ強さを算出する方法で、所定のタイミングで算出される。
【0105】
まず、インマニ圧Pc(Pa)、吸気バルブの開弁期間θc(deg)、エンジン回転速度N(rpm)からシリンダ内への吸入空気量Qc(mm)を下式で算出する。
【0106】
【数28】
Figure 2004301045
但し、上式中のf1(θc、N)は、予め実験等により算出した結果を図16に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。
【0107】
次に、吸気バルブの開弁期間θc中のバルブリフト量Lc(mm)から平均吸気バルブ開口面積Sc(mm)を下式で算出する。
【0108】
【数29】
Figure 2004301045
但し、上式中のf2(Lc)は、予め実験等により算出した結果を図17に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。またバルブリフト量Lcは、図18に示すように吸気バルブ開弁期間θc中のリフト量を積算して、リフト量の積算値から平均値を求め、この平均値をリフト量Lcとしてもよい。
【0109】
算出したシリンダ内への吸入空気量Qc、平均吸気バルブ開口面積Sc、エンジン回転速度Nから吸気バルブ通過平均速度(吸入空気流速)Vc(m/sec)を下式で算出する。
【0110】
【数30】
Figure 2004301045
そして、吸気バルブ閉時の状態での燃焼期間の平均乱れ強さはUcは、
【0111】
【数31】
Figure 2004301045
で算出される。
【0112】
ここで、Kc:スワールコントロールバルブ補正係数
Kt:タンブルコントロールバルブ補正係数
Kq:スキッシュ補正係数
であり、予め測定した値を用いる。また、構成にスワールコントロールバルブ、タンブルコントロールバルブ、スキッシュのいずれかの構成がない場合には、ない構成の補正係数を1として演算する。
【0113】
但し、上式中のf3(Vc、N)は、予め実験等により算出した結果を図19に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。
【0114】
このように吸気バルブ閉時の燃焼期間の乱れ強さUcは、シリンダ内への吸入空気量Qc、平均吸気バルブ開口面積Sc、エンジン回転速度Nから算出される吸気バルブ通過平均速度Vcに基づき設定されるので、エンジンの過渡運転状態でシリンダ内への吸入空気量Qc、平均吸気バルブ開口面積Sc、エンジン回転速度Nが変化しても、変化に応じて乱れ強さUcを設定することができる。エンジンが過渡状態にある場合でも、エンジンの運転状態の変化に応じて乱れ強さを設定するし、精度よく点火時期を算出することができる。
【0115】
次に算出した平均乱れ強さUo、Ucを用いて初期燃焼期間での乱れ強さを算出する方法について図20を用いて説明する。この演算は一定間隔で実行される。
【0116】
まず、平均乱れ強さUoから初期燃焼期間での乱れ強さUo1を下式で算出する。
【0117】
【数32】
Figure 2004301045
但し、上式中のf4(Uo)は、予め実験等により算出した結果を図21に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。
【0118】
次に、平均乱れ強さUcから初期燃焼期間での乱れ強さUc1を下式で算出する。
【0119】
【数33】
Figure 2004301045
但し、上式中のf4(Uc)は、予め実験等により算出した結果を図21に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。
【0120】
さらに算出した吸気バルブ開状態または閉状態に推定した乱れ強さに基づく初期燃焼期間での乱れ強さUo1、Uc1から、初期燃焼期間の乱れ強さU1を下式から算出する。
【0121】
【数34】
Figure 2004301045
ここで、係数k1は下式で算出される。
【0122】
【数35】
Figure 2004301045
但し、演算を実施する計算機の性能上、後述の演算が不可能な場合にはk1=0.5と設定してもよい。
【0123】
係数kpは、次式で算出される。
【0124】
【数36】
Figure 2004301045
ここで、To:吸気バルブの開き始め時間、Tc:吸気バルブの閉じ時間、Pave:平均インマニ圧(Pa)とする。
【0125】
但し、平均インマニ圧は式(37)で算出できる。
【0126】
【数37】
Figure 2004301045
ここでP(t):インマニ圧力(Pa)である。
【0127】
次に係数kθは、次式で算出される。
【0128】
【数38】
Figure 2004301045
ここで、To:吸気バルブの開き始め時間、Tc:吸気バルブの閉じ時間、θave:平均バルブ開期間(deg)とする。
【0129】
但し、平均バルブ開期間は式(39)で算出できる。
【0130】
【数39】
Figure 2004301045
ここでθ(t):バルブタイミングである。
【0131】
次に係数kは、次式で算出される。
【0132】
【数40】
Figure 2004301045
ここで、To:吸気バルブの開き始め時間、Tc:吸気バルブの閉じ時間、Lave:平均リフト量(mm)とする。
【0133】
但し、平均リフト量は式(41)で算出できる。
【0134】
【数41】
Figure 2004301045
ここでL(t):バルブリフト量(mm)である。
【0135】
次に算出した乱れ強さUo、Ucを用いて主燃焼期間での乱れ強さを算出する方法について図22を用いて説明する。この演算は一定間隔で実行される。
【0136】
まず、乱れ強さUoから主燃焼期間での乱れ強さUo2を下式で算出する。
【0137】
【数42】
Figure 2004301045
但し、上式中のf5(Uo)は、予め実験等により算出した結果を図23に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。
【0138】
次に、乱れ強さUcから主燃焼期間での乱れ強さUc2を下式で算出する。
【0139】
【数43】
Figure 2004301045
但し、上式中のf5(Uc)は、予め実験等により算出した結果を図23に示すようなマップとして記憶し、マップを参照して算出してもよい。
【0140】
さらに算出した吸気バルブ開状態または閉状態に推定した乱れ強さに基づく初期燃焼期間での乱れ強さUo1、Uc1から、主燃焼期間の乱れ強さU2を下式から算出する。
【0141】
【数44】
Figure 2004301045
ここで、係数k1は前述と同様にして算出される。
【0142】
このようにして初期燃焼期間の乱れ強さU1と主燃焼期間の乱れ強さU2が算出され、これら乱れ強さに基づき式(12)あるいは式(16)により燃焼速度FLAME1、FLAME2が算出され、さらに燃焼期間BURN、点火時期MBTCALが算出される。
【0143】
したがって、本発明においては、乱れ強さの算出にあたり、エンジンの過渡状態のときに運転状態の変化に対応する吸気バルブを通過する吸入空気流速を用いることで、内燃機関の過渡特性に応じて乱れ強さを変化するようにしたので、燃焼期間、さらには点火時期を精度よく算出し、MBTの得られる点火時期との差異を抑制することができる。
【0144】
図24は、インマニ圧、シリンダ内吸入ガス量、バルブ通過流速、乱れ強さ等の変化を示すタイミングチャートである。
【0145】
#2気筒を代表して説明すると#2気筒の吸気バルブ開時ではインマニ圧が低い、つまり吸入ガス量が少ない状態であり、この吸気バルブ開状態で推定した吸入ガス量は少なく(図中一点鎖線で示す。)、吸気バルブ閉時にはインマニ圧が上昇し、この吸気バルブ閉状態で推定した吸入ガス量は上昇する(図中、実線で示す。)。吸気バルブ通過流速も吸入ガス量と同様の傾向を示し、また、乱れ強さも同様である。
【0146】
また、乱れ強さが大きくなることで、吸気バルブ閉時の燃焼速度も速くなるが、MBT演算のための乱流燃焼速度は、吸気バルブ開状態で推定した燃焼速度と吸気バルブ閉時に推定した燃焼速度とから求められるため、図中破線で示すような燃焼速度となる。
【0147】
また図25は、エンジンのある気筒での吸気行程中に吸気ポート圧力が上昇した際のシリンダ内圧の一例を示す。
【0148】
図中▲1▼の曲線は、吸気バルブ開時のエンジン状態が、吸気バルブが閉じるまで保持され、かつ、この状態に基づき算出されたMBTで点火した場合のシリンダ内圧の変化を示す。
【0149】
図中▲2▼の曲線は、吸気バルブ閉時のエンジン状態が、吸気バルブ開の状態から吸気バルブが閉じるまで継続され、かつ、この状態に基づき算出されたMBTで点火した場合のシリンダ内圧の変化を示す。
【0150】
なお、これら▲1▼と▲2▼のMBTで点火した場合、基準クランク位置θPmax(上死点後12〜15degクランク角度)で、シリンダ内圧は最大となる。
【0151】
▲4▼の曲線は、▲1▼のMBTで点火した場合のシリンダ内圧の変化を示している。吸気ポート内の圧力が上昇するのに伴って、実際のエンジン状態での乱れ強さは、吸気バルブ開でのエンジン状態で算出した乱れ強さより上昇するため、燃焼速度も上昇する。したがって、吸気バルブ開での状態で算出したMBTで点火した場合には、実際の要求点火時期より早過ぎ、▲4▼の曲線で示すようにノッキングを発生する恐れがある。
【0152】
対して、▲3▼の曲線は、これまで説明した算出方法により吸気バルブ開状態と閉状態とでの乱れ強さを考慮してMBTを算出した場合のシリンダ内圧の変化を示したものである。燃焼速度と最大筒内圧は▲1▼と▲2▼の曲線の間に位置し、基準クランク位置θPmaxで筒内圧最大となるが、ノックは発生しない。
【0153】
図26は、ある気筒の吸気工程中に吸気ポート圧力が上昇した場合の燃焼質量割合の一例を示す図である。
【0154】
図中▲1▼の曲線は、吸気バルブ開のエンジン状態が、吸気バルブが閉じるまで保持され、かつ、この状態に基づき算出されたMBTで点火した場合の燃焼質量割合の変化を示す。図中▲2▼の曲線は、吸気バルブ閉時のエンジン状態が、吸気バルブ開の状態から吸気バルブが閉じるまで継続され、かつ、この状態に基づき算出されたMBTで点火した場合の燃焼質量割合の変化を示す。
【0155】
MBTで点火した場合は、基準クランク位置θPmaxでの燃焼質量割合Rmaxはほぼ一定(60%)であり、曲線▲1▼、▲2▼ともこの点を通過する。
【0156】
吸気ポート圧力が上昇するのに伴い、実際のエンジンの乱れ強さは、吸気バルブ開状態で推定した乱れ強さより上昇するため燃焼速度も上昇する(傾きが大きくなる。)。よって、吸気バルブ開状態で推定した乱れ強さに基づくMBTで点火した場合、▲4▼の曲線のように基準クランク位置θPmaxでの燃焼質量割合Rmaxは所定値より大きくなり、ノッキングを発生する恐れが生じる。
【0157】
一方、本発明で算出した乱れ強さを考慮したMBTで点火した場合には、燃焼質量割合の変化は、▲3▼の曲線となり、基準クランク位置θPmaxでの燃焼質量割合Rmaxは、所定値Rmaxとなる。
【0158】
以上説明した本実施の形態における点火時期制御装置の全体的な作用を説明する。吸気バルブが閉じられた時点のシリンダ内容積VIVCと筒内温度TINIが算出される(ステップS12、S13)。そして燃焼ガスの燃焼のしやすさを所定条件における燃焼状態を1とした場合における比で示した反応確率RPROBAが算出される(ステップS14)。
【0159】
燃焼速度は、筒内における雰囲気温度、燃焼速度の他に残留ガス率EGRREM、水温TWK、当量比に依存し、燃焼速度がこれらの値により変化する状態を実験で予め求めマップ化して保有しておくことができる。勿論、これらの因子に依存した相関関係を関数式でもつことも可能である。
【0160】
次に、MBTで点火した場合、燃焼ガスの圧力のピーク値である基準クランク角θPmaxは略一定であり、エンジン高回転側で進角側にシフトする傾向があるためステップS15の如く算出する。
【0161】
次にシリンダ内容積V、有効圧縮比Ecから吸気バルブが閉じられた時点の筒内温度TINIからの温度上昇率を算出し、燃焼ガスが点火される時点の雰囲気温度T0が算出される(ステップS21〜S25)。算出した雰囲気温度T0に基づいて、層流燃焼速度SL1を算出する(ステップS26)。
【0162】
燃焼速度は層流燃焼速度が早いほど早くなる傾向にあるため、筒内の乱流速度も燃焼速度に大きく依存する。乱流速度は吸気ポート形状等に左右され、一般にエンジン回転数が高くなるほど速くなる。このためこれを乱れ強さU1として算出し(ステップS27)、層流燃焼速度SL1と掛け合わせて燃焼速度FLAME1を算出する(ステップS28)。
【0163】
そして点火してから火炎核が形成されるまでの燃焼期間BURN1を算出する(ステップS29)。火炎核の形成には、燃焼ガス質量の内2%の燃焼によってなされることがわかっているため、燃焼ガス質量の2%を算出して用いる。火炎核形成段階では、点火時点のシリンダ内容積が大きいほど形成に時間が長くなるためこれを分子とし、反応確率RPROBAが大きいぼど時間が短く、燃焼速度が早いほど時間が短くなるため、これらを分母とした演算式を用いて演算することにより、正確且つ容易に火炎核形成段階の燃焼時間を求めることができる。
【0164】
火炎核が形成された後は、燃焼ガスが急速に燃焼される急速燃焼段階となり火炎核は急速に成長する。圧力がピークとなる60%の燃焼ガスが燃焼される期間が演算される(ステップS31〜ステップS34)。ここでも火炎核の成長時点のシリンダ内容積が大きいほど形成に時間が長くなるためこれを分子とし、反応確率RPROBAが大きいほど時間が短く、燃焼速度が早いほど時間が短くなるため、これらを分母とした演算式を用いて演算することにより、正確且つ容易に火炎核成長段階の燃焼時間を求めることができる。
【0165】
以上の如く算出した火炎核形成段階の初期燃焼期間と火炎核成長段階の主燃焼期間とを足すことにより燃焼ガス質量60%の燃焼に必要な期間を算出する事ができる(ステップS42)。そして点火無駄時間とシリンダ内最大圧力となる基準クランク角θPmaxを考慮してMBT点火時期を算出し、イグニッションコイルに出力指令を出すことができる(ステップS43)。
【0166】
本実施の形態によれば、所定のクランク角までにシリンダ内で燃焼する燃焼ガス量を算出する燃焼ガス量算出手段と、燃焼ガスの層流状態での燃焼速度である層流燃焼速度を算出する層流燃焼速度算出手段と、エンジン過渡状態に応じて変化する燃焼の乱れを示す指標である乱れ強さを算出する乱れ強さ算出手段と、前記層流燃焼速度と乱れ強さからシリンダ内燃焼速度を算出し、この燃焼速度と前記シリンダ内の燃焼ガス量とから燃焼期間を算出し、この燃焼期間に基づいてMBTの得られる基本点火時期を算出する点火時期演算手段とを備えたので、内燃機関の運転状態が過渡状態であっても、運転状態に応じて乱れ強さを設定するので、過渡状態においてもMBTを得るための点火時期を精度よく算出することができる。
【0167】
また、燃焼期間を算出する際に、圧力・温度に対する燃焼期間の感度が大きい火炎核形成段階と、圧力・温度に対する燃焼期間の感度が鈍くなる主燃焼期間とに分けて演算することで、燃焼期間をより正確に演算することができる。この際、分子に燃焼ガス質量、シリンダ容積、分母に反応面積、燃焼速度といった演算式を用いており、同一次元の単位が分子、分母に用いられることが無いので無駄な演算をすることなく正確に算出できる。
【0168】
燃焼状態を無次元の反応確率で置き換えて演算に用いており、当該反応確率は実験等で容易に求めることができるため正確な燃焼期間を算出することができる。また、本実施の形態では、吸気バルブの作動角とリフト量を連続的に可変にできる可変動弁機構を備えた内燃機関へ適用した例を示したが、吸気バルブが閉じた時点のシリンダ内容積が変化しても容易にMBTを算出することができるため、例えば、バルブ開閉に電磁石を用い、バルブタイミングを任意に変化させることができるいわゆる電磁駆動吸排気弁等の可変動弁システムへの適用も行える。なお、吸気バルブの作動角とリフト量を連続的に可変にできる可変動弁機構の一例として特開平11−107725号公報、特開2003−41976号公報に記載のものがある。
【0169】
本実施形態では燃焼質量割合から燃焼期間を求めるにあたり、燃焼期間BURNを初期燃焼期間BURN1(燃焼質量割合2%まで)と燃焼主期間BURN2(燃焼質量割合2%から60%まで)とに分けて演算し、点火時期MBTCYCLを求めたが、さらに細分化してもよく、または細分化を行った上で、燃焼期間(燃焼質量割合)をたとえば、初期燃焼期間BURN1と燃焼主期間BURN2とで分けて加算するようにしてもよい。細分化して燃焼期間を求めることによって、燃焼期間の算出精度は向上できる。
【0170】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の内燃機関のシステム図である。
【図2】エンジンコントローラで実行される点火時期制御のブロック図である。
【図3】燃焼室の圧力変化図である。
【図4】燃焼質量割合の変化を説明する特性図である。
【図5】物理量の算出を説明するためのフローチャートである。
【図6】エンジンのクランクシャフトとコネクティングロッドの位置関係を説明するダイアグラムである。
【図7】水温補正係数の特性図である。
【図8】当量比補正係数の特性図である。
【図9】基準クランク角の特性図である。
【図10】初期燃焼期間の算出を説明するためのフローチャートである。
【図11】温度上昇率の特性図である。
【図12】主燃焼期間の算出を説明するためのフローチャートである。
【図13】基本点火時期の算出を説明するためのフローチャートである。
【図14】吸気バルブ開状態で推定する平均乱れ強さの算出方法を説明する図である。
【図15】吸気バルブ閉状態で推定する平均乱れ強さの算出方法を説明する図である。
【図16】変数f1を算出するためのマップの一例である。
【図17】変数f2を算出するためのマップの一例である。
【図18】吸気バルブの開弁期間とリフト量を説明するための図である。
【図19】変数f3を算出するためのマップの一例である。
【図20】初期燃焼期間の乱れ強さの算出方法を説明する図である。
【図21】変数f4を算出するためのマップの一例である。
【図22】主燃焼期間の乱れ強さの算出方法を説明する図である。
【図23】変数f5を算出するためのマップの一例である。
【図24】乱れ強さの変化を示すタイミングチャートである。
【図25】シリンダ内圧の変化を説明するための図である。
【図26】燃焼割合の変化を説明するための図である。
【符号の説明】
1 内燃機関
2 吸気コレクタ
3 インジェクタ
4 吸気マニホールド
5 排気マニホールド
6 マフラ
7 エアクリーナ
8 電子制御スロットル
9 吸気ダクト
20 コントロールユニット[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ignition timing control device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
As a conventional ignition timing control device for an internal combustion engine, a minimum ignition advance value (hereinafter referred to as MBT) for obtaining the best torque from the combustion time in the cylinder can be obtained without measuring the pressure in the cylinder. There is one that calculates an ignition timing (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In this conventional technique, when calculating the MBT calculation value, the total gas mass in cylinder (MASSC) and the unburned gas density (ROU) are calculated, and then MASSC / ROU is calculated to minimize the ratio of unburned gas. MBT is determined from the ignition timing. Since the unburned gas density is a value obtained by dividing the unburned gas mass by the unburned gas volume, it depends on changes in the mass and volume of the unburned gas. Theoretically, if these values are detected, the mass of the unburned gas can be accurately obtained. However, it is actually difficult to estimate the volume of the unburned gas in the cylinder. The unburned gas density is calculated based on the charging efficiency ηc.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-10-30535
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the function of only the charging efficiency ηc corresponding to the mass cannot accurately calculate the unburned gas density, and it is difficult to correct the unburned gas volume that changes depending on the operating conditions. Remains. Furthermore, since both MASSC and ROU are masses, and the values obtained by dividing the masses are dimensionless, it is wasteful to calculate these mass values individually and further divide the mass values. This leads to an increase in calculation load.
[0006]
In addition, when the required ignition timing changes rapidly, such as during transient operation, it is not possible to control the ignition timing with which the MBT can be obtained in response to the sudden change.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an ignition timing control device for an internal combustion engine that calculates an ignition timing at which MBT can be obtained more accurately.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an ignition timing control device for an internal combustion engine, which calculates the turbulence intensity, which is an index indicating the turbulence of combustion, which changes according to the transient state of the internal combustion engine, and calculates the turbulence intensity and the laminar combustion velocity in the cylinder A combustion speed is calculated, a combustion period is calculated from the combustion speed and the amount of combustion gas in the cylinder, and a basic ignition timing at which MBT is obtained is calculated based on the combustion period.
[0009]
【The invention's effect】
According to the present invention, even when the operating state of the internal combustion engine is in a transient state, the turbulence intensity is set according to the operating state, so that the ignition timing for obtaining the MBT can be accurately calculated even in the transient state. it can.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the system of the present invention. Intake air is introduced into an internal combustion engine 1 through an intake collector 2 and an intake manifold 4 in which an injector 3 is arranged. The exhaust gas is discharged from the exhaust manifold 5 having the three-way catalyst 21 to the atmosphere via the muffler 6.
[0011]
Air purified by an air cleaner 7 is supplied to the intake collector 2 through an intake duct 9. An electronic control throttle 8 having a throttle opening sensor and a throttle motor is provided upstream of the intake collector 2.
[0012]
The fuel gas evaporated in the fuel tank 10 is sent to the intake collector 2 together with the air introduced into the canister 11 after being introduced into the canister 11. Further, an EGR passage 12 that connects the downstream of the three-way catalyst 21 and the intake collector 2 is provided, and a part of the exhaust gas is recirculated into the intake air.
[0013]
The internal combustion engine 1 is provided with a position sensor 13 for detecting a position of a crank angle and a water temperature sensor 14 for detecting a cooling water temperature. Provided. Instead of the air flow meter 16, a sensor for detecting the temperature and pressure of the intake manifold 4 may be provided, and the intake air amount may be calculated based on these sensors.
[0014]
The exhaust manifold 5 is provided with an oxygen concentration sensor 17 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas, an EGR control valve 18 in the middle of the EGR passage 12, and a canister purge air control valve 19 for controlling the purge air discharged from the canister 11. Is installed.
[0015]
The internal combustion engine 1 further includes a variable valve mechanism 22 capable of continuously changing the operating angle and the lift amount of the intake valve, and an operating angle sensor 15 for detecting the actual operating angle of the intake valve. The opening timing (IVO) and closing timing (IVC) of the intake valve can be calculated based on the output signal of the angle sensor 15.
[0016]
The output signals of the position sensor 13, the water temperature sensor 14, the operating angle sensor 15, the air flow meter 16, and the intake air temperature sensor incorporated therein are input to the control unit 20, and further output signals of the oxygen concentration sensor 17 from a battery (not shown). Is also input.
[0017]
Based on these input data, the control unit 20 outputs an ignition timing control signal to the ignition coil, an air-fuel ratio control signal to the injector 3 for fuel injection, an intake valve operating angle control signal to the variable valve mechanism 22, and a canister control signal. A signal is output to the canister purge control valve 19 and an EGR control signal is output to the EGR control valve 18 to maintain the internal combustion engine 1 in an appropriate operation state.
[0018]
FIG. 2 is a block diagram of the ignition timing control performed in the engine controller 31. The ignition timing control unit 61 includes an ignition timing calculation unit 51 and an ignition timing control unit 61. The ignition timing calculator 51 further includes an initial combustion period calculator 52, a main combustion period calculator 53, a combustion period calculator 54, a basic ignition timing calculator 55, a previous combustion start timing calculator 56, and an ignition timing command value calculator 57. Become.
[0019]
The initial combustion period calculation unit 52 calculates a period from when the air-fuel mixture is ignited to when a flame kernel is formed as an initial combustion period BURN1. The main combustion period calculation unit 53 calculates a period from when the flame kernel is formed to when the combustion pressure reaches the maximum value Pmax as the main combustion period BURN2. The combustion period calculation unit 54 calculates the sum of the initial combustion period BURN1 and the main combustion period BURN2 as the combustion period BURN from ignition to the maximum combustion pressure Pmax. The basic ignition timing calculation unit 55 calculates an ignition timing at which MBT is obtained (this ignition timing is referred to as “basic ignition timing”) MBTCAL based on the combustion period BURN.
[0020]
The ignition timing control unit 61 controls the energization angle and the non-energization angle to the ignition coil 13 so that the ignition plug 14 ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber 5 at the basic ignition timing MBTCAL calculated in this manner. I do.
[0021]
As described above, the combustion period BURN is calculated by dividing the initial combustion period BURN1 and the main combustion period BURN2, and the basic ignition timing MBTCAL is determined according to the combustion period BURN based on the result obtained from the combustion analysis. Things. Hereinafter, this ignition timing control based on combustion analysis will be further described.
[0022]
As shown in FIG. 3, the crank angle at which the combustion pressure of the air-fuel mixture reaches the maximum value Pmax when the air-fuel mixture is ignited at MBT (the minimum advance value at which the maximum torque is obtained) is defined as a reference crank angle θPMAX [degATDC]. The reference crank angle θPMAX is almost constant irrespective of the combustion method, and is generally in the range of 12 to 15 degrees after the compression top dead center and at most 10 to 20 degrees after the compression top dead center.
[0023]
FIG. 4 shows a change in the combustion mass ratio R obtained by the combustion analysis in the combustion chamber in the spark ignition engine. The combustion mass ratio R representing the ratio of the combustion mass to the fuel supplied to the combustion chamber is 0% at the time of ignition, and reaches 100% by complete combustion. The combustion mass ratio Rmax at the reference crank angle θPMAX is constant and about 60%.
[0024]
The combustion period from when the combustion mass ratio R reaches 0% to approximately 60% corresponding to the reference crank angle θPMAX includes an initial combustion period in which there is almost no change in the combustion mass ratio or the combustion pressure immediately after ignition, and a combustion period. It is divided into a main combustion period in which the mass ratio and the combustion pressure increase rapidly. The initial combustion period is a stage from the start of combustion to the formation of a flame nucleus. The flame nucleus is formed at a timing of 2% to 10% in terms of a combustion mass ratio. During this period, the rising speed of the combustion pressure and the combustion temperature is small, and the initial combustion period is long with respect to the change in the combustion mass ratio. The length of the initial combustion period is susceptible to changes in temperature and pressure in the combustion chamber.
[0025]
On the other hand, during the main combustion period, the flame propagates outward from the flame kernel, and the combustion speed rises sharply. Therefore, the change in the combustion mass ratio during the main combustion period is larger than the change in the combustion mass ratio during the initial combustion period.
[0026]
The engine controller 31 sets an initial combustion period BURN1 [deg] until the combustion mass ratio reaches 2%, and a section from the end of the initial combustion period BURN1 to the reference crank angle θPMAX (in terms of the combustion chamber amount ratio, 2). % Until it reaches about 60%) as the main combustion period BURN2 [deg]. Then, a combustion period BURN [deg], which is a sum of the initial combustion period BURN1 and the main combustion period BURN2, is calculated, the reference crank angle θPMAX [degATDC] is subtracted from the combustion period BURN, and a crank equivalent to an ignition dead time described later is further calculated. The crank angle position to which the angle IGNDEAD [deg] is added is set as a basic ignition timing MBTCAL [degBTDC] which is an ignition timing at which MBT can be obtained.
[0027]
The pressure and temperature in the combustion chamber 5 during the initial combustion period in which the flame nucleus is formed are substantially equivalent to the pressure and temperature at the time of ignition. The time cannot be set. Therefore, as shown in FIG. 2, the previous value of the basic ignition timing is calculated as the previous combustion start timing MBTCYCL [degBTDC] by the previous combustion start timing calculation unit 56, and this value is given to the initial combustion period calculation unit 52. By repeating the calculation of the initial combustion period cyclically in the initial combustion period calculation section 52, a highly accurate result can be obtained without time delay.
[0028]
Next, the calculation of the ignition timing command value QADV executed by the engine controller 31 will be described in detail with reference to the following flowchart.
[0029]
FIG. 5 is for calculating various physical quantities necessary for calculating the ignition timing, and is executed at regular intervals (for example, every 10 msec).
[0030]
First, in step 11, the intake valve closing timing IVC [degBTDC], the collector internal temperature TCOL [K] detected by the temperature sensor 43, the exhaust temperature TEXH [K] detected by the temperature sensor 45, and the internal inert gas rate MRESFR [ %], The coolant temperature TWK [K] detected by the temperature sensor 37, the target equivalent ratio TFBYA, the engine speed NRPM [rpm] detected by the crank angle sensor, and the ignition dead time DEADTIME [μsec].
[0031]
Here, the crank angle sensor includes a position sensor 33 for detecting the position of the crankshaft 7 and an operating angle sensor 34 for detecting the position of the intake camshaft 25. Based on signals from these two sensors 33 and 34, The engine rotation speed NRPM [rpm] is calculated.
[0032]
The intake valve closing timing IVC is known from a command value given to the intake VTC mechanism 27. Alternatively, the actual intake valve closing timing may be detected by the operating angle sensor 34.
[0033]
The internal inert gas ratio MRESFR is a value obtained by dividing the amount of inert gas remaining in the combustion chamber by the total gas amount in the combustion chamber, and its calculation will be described later. The dead ignition time DEADTIME is a constant value.
[0034]
The target equivalence ratio TFBYA is calculated in a fuel injection amount calculation flow (not shown). The target equivalence ratio TFBYA is an anonymous number, and is a value represented by the following equation when the stoichiometric air-fuel ratio is 14.7.
[0035]
TFBYA = 14.7 / target air-fuel ratio ... (1)
For example, from equation (1), when the target air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, TFBYA = 1.0. When the target air-fuel ratio is a lean value such as 22.0, TFBYA is a positive value less than 1.0. is there.
[0036]
In step 12, the volume of the combustion chamber 5 at the intake valve closing timing IVC (that is, the volume at the compression start timing) VIVC [m3] is calculated. The volume VIVC of the combustion chamber 5 when the intake valve is closed is determined by the stroke position of the piston 6. The stroke position of the piston 6 is determined by the crank angle position of the engine.
[0037]
Referring to FIG. 6, consider a case where the rotation center 72 of the crankshaft 71 of the engine is offset from the center axis 73 of the cylinder. Assume that a connecting rod 74, a node 75 between the connecting rod 74 and the crankshaft 71, and a piston pin 76 connecting the connecting rod 74 and the piston are in the relationship shown in the figure. At this time, the volume VIVC of the combustion chamber 5 when the intake valve is closed can be expressed by the following equations (2) to (6).
[0038]
Figure 2004301045
Here, Vc: clearance volume [m3],
ε: compression ratio,
D: Cylinder bore diameter [m]
ST: Full stroke of piston [m],
H: distance [m] of the piston pin 76 from TDC,
CND: length [m] of connecting rod 74,
CRoff: Offset distance [m] of node 75 from cylinder center axis 73,
PISoff: offset distance [m] of the crankshaft rotation center 72 from the cylinder center axis 73,
θivc: crank angle of intake valve closing timing [degATDC],
θoff: angle [deg] that a line connecting the piston pin 76 and the crankshaft rotation center 72 forms a vertical line in TDC,
X: horizontal distance [m] between the node 75 and the piston pin 76,
The crank angle θivc at the intake valve closing timing is known because it is determined by the command signal from the engine controller 31 to the intake VTC mechanism 27 as described above. By substituting the crank angle θivc (= IVC) at this time into the equations (2) to (6), it is possible to calculate the volume VIVC of the combustion chamber 5 when the intake valve is closed. Therefore, in practice, the volume VIVC of the combustion chamber 5 at the intake valve closing timing used is that set in a table using the intake valve closing timing IVC as a parameter. When the intake VTC mechanism 27 is not provided, it can be given as a constant.
[0039]
In step 13, the temperature TINI [K] of the combustion chamber 5 at the intake valve closing timing IVC (that is, the compression start timing temperature) is calculated. The temperature TINI of the combustion chamber 5 at the intake valve closing timing IVC is a temperature of a gas in which fresh air flowing into the combustion chamber 5 and inert gas remaining in the combustion chamber 5 are mixed. Is equal to the fresh air temperature TCOL in the intake collector 2, and the temperature of the inert gas remaining in the combustion chamber 5 can be approximated by the exhaust temperature TEXH near the exhaust port. It can be obtained from TCOL, the exhaust gas temperature TEXH, and the internal inert gas ratio MRESFR, which is the ratio of the inert gas remaining in the combustion chamber 5, by the following equation.
[0040]
TINI = TEXH × MRESFR + TCOL × (1-MRESFR) (7)
In step 14, a reaction probability RPROBA [%] representing the flammability of the air-fuel mixture in the combustion chamber 5 is calculated. The reaction probability RPROBA is a dimensionless value and depends on three parameters of the residual inert gas ratio MRESFR, the cooling water temperature TWK [K], and the target equivalent ratio TFBYA, and can be expressed by the following equation.
[0041]
RPROBA = f3 (MRESFR, TWK, TFBYA) (8)
More specifically, the maximum value of the reaction probability obtained by a combination of the three parameters MRESFR, TWK, and TFBYA is defined as 100%, and the relationship between these parameters and the reaction probability RPROBA is experimentally obtained. Is stored in the memory of the engine controller 31 in advance as a table corresponding to the parameters. In step 14, the reaction probability RPROBA is obtained by searching this table according to the parameters.
[0042]
Specifically, a table of a water temperature correction coefficient having a characteristic as shown in FIG. 7 according to the cooling water temperature TWK, a table of a similarly set internal inert gas rate correction coefficient (not shown), and a target equivalent ratio A table of equivalence ratio correction coefficients having characteristics as shown in FIG. 8 is stored in the memory in advance in accordance with Tfbya. The maximum value of each correction coefficient is 1.0, and the reaction probability RPROBA is calculated by multiplying the product of the three types of correction coefficients by the maximum value 100% of the reaction probability.
[0043]
Explaining each table, the water temperature correction coefficient shown in FIG. 7 increases as the cooling water temperature TWK increases, and becomes 1.0 when the cooling water temperature TWK is 80 ° C. or higher. When the target equivalence ratio TFBYA is 1.0, that is, at the stoichiometric air-fuel ratio, the equivalence ratio correction coefficient shown in FIG. The ratio correction coefficient decreases. The internal inert gas ratio correction coefficient is not shown, but becomes 1.0 when the internal inert gas ratio MRESFR is zero.
[0044]
In step 15, the reference crank angle θPMAX [degATDC] is calculated. As described above, although the reference crank angle θPMAX does not change much, it still tends to advance according to the increase in the engine speed NRPM. Therefore, the reference crank angle θPMAX can be expressed by the following equation as a function of the engine speed NRPM. it can.
[0045]
θPMAX = f4 (NRPM) (9)
Specifically, a reference crank angle θPMAX is obtained by searching a table of characteristics shown in FIG. 9 stored in advance in the memory of the engine controller 31 from the engine rotation speed NRPM. In order to facilitate the calculation, the reference crank angle θPMAX may be considered to be constant.
[0046]
Finally, in step 16, the crank angle IGNDEAD [deg] corresponding to the ignition dead time is calculated. The crank angle IGNDEAD corresponding to the ignition dead time is a crank angle section from the timing at which the engine controller 31 outputs the ignition command signal, that is, the signal for shutting off the primary current of the ignition coil 13 to the time when the spark plug 14 actually ignites. Can be represented by
[0047]
IGNDEAD = f5 (DEADTIME, NRPM) (10)
Here, the dead ignition time DEADTIME is set to 200 μsec. Expression (10) is used to calculate a crank angle IGNDEAD corresponding to an ignition dead time which is a crank angle corresponding to the ignition dead time DEADTIME from the engine rotation speed NRPM.
[0048]
FIG. 10 is for calculating the initial combustion period BURN1 [deg], and FIG. 12 is for calculating the main combustion period BURN2 [deg], and is executed at regular intervals (for example, every 10 msec). 10 and 12 are executed after FIG.
10 and 12 do not matter which one is executed first.
[0049]
First, referring to FIG. 10, in step 21, the previous combustion start timing MBTCCYCL [degBTDC], the volume VIVC [m3] of the combustion chamber 5 at the intake valve closing timing calculated in step 12 in FIG. 5, and step 13 in FIG. The temperature TINI [K] at the intake valve closing timing of the combustion chamber 5, the engine rotation speed NRPM [rpm], and the reaction probability RPROBA [%] calculated in step 14 of FIG.
[0050]
Here, the previous combustion start timing MBTCYCL is a value one cycle before [degBTDC] of the basic ignition timing MBTCAL, and the calculation thereof will be described later.
[0051]
In step 22, the volume V0 [m3] of the combustion chamber 5 at the start of combustion is calculated. As described above, the ignition timing (combustion start timing) here is not the basic ignition timing MBTCAL calculated in this cycle but a value one cycle before the basic ignition timing. That is, the volume V0 of the combustion chamber 5 at the combustion start timing is calculated from MBTCCYCL, which is one cycle before the basic ignition timing, by the following equation.
[0052]
V0 = f6 (MBTCYCL) (11)
Specifically, a volume V0 of the combustion chamber 5 in the MBTCYCL is calculated from the stroke position of the piston 6 at the previous combustion start timing MBTCYCL and the bore diameter of the combustion chamber 5. In step 12 of FIG. 5, the volume VIVC of the combustion chamber 5 at the intake valve closing timing IVC was obtained by searching a table of the intake valve closing timing volume using the intake valve closing timing as a parameter. Here, MBTCYCL is set as a parameter. The volume V0 of the combustion chamber 5 at the previous combustion start timing MBTCYCL may be obtained by searching a table of the previous combustion start timing volume.
[0053]
In step 23, the effective compression ratio Ec at the combustion start timing is calculated. The effective compression ratio Ec is a dimensionless value, and is a value obtained by dividing the volume V0 of the combustion chamber 5 at the combustion start timing by the volume VIVC of the combustion chamber 5 at the intake valve closing timing as shown in the following equation.
[0054]
Ec = f7 (V0, VIVC) = V0 / VIVC (12)
In step 24, the temperature rise rate TCOMP in the combustion chamber 5 from the intake valve closing timing IVC to the combustion start timing is calculated based on the effective compression ratio Ec as shown in the following equation.
[0055]
TCOMP = f8 (Ec) = Ec ^ (κ−1) (13)
Where κ: specific heat ratio,
Equation (13) is an equation for the temperature rise rate of the gas to be adiabatically compressed. Note that “^” on the right side of Expression (13) represents power calculation.
[0056]
κ is a value obtained by dividing the constant pressure specific heat of the gas to be adiabatically compressed by the constant volume specific heat. If the gas to be adiabatically compressed is air, κ is 1.4, and this value may be simply used. However, it is possible to further improve the calculation accuracy by experimentally obtaining the value of κ for the air-fuel mixture.
[0057]
FIG. 11 illustrates equation (13). Therefore, it is also possible to store a table of such characteristics in the memory of the engine controller 31 in advance and search the table based on the effective compression ratio Ec to determine the temperature rise rate TCOMP.
[0058]
In step 25, the temperature T0 [K] at the combustion start timing of the combustion chamber 5 is multiplied by the temperature increase rate TCOMP to the temperature TINI of the combustion chamber 5 at the intake valve closing timing.
T0 = TINI × TCOMP (14)
It is calculated by the following equation.
[0059]
In step 26, the laminar combustion speed SL1 [m / sec] is calculated by the following equation (known).
[0060]
SL1 = SLstd × (T0 × Tstd) 2.18 × (P0 / Pstd) −0.16 (15)
Here, Tstd: reference temperature [K],
Pstd: Reference pressure [Pa],
SLstd: reference laminar combustion speed [m / sec] at reference temperature Tstd and reference pressure Pstd,
T0: temperature [K] at the combustion start timing of the combustion chamber 5,
P0: pressure [Pa] at the combustion start timing of the combustion chamber 5;
The reference temperature Tstd, the reference pressure Pstd, and the reference laminar combustion speed SLstd are values determined in advance by experiments.
[0061]
Under a pressure of 2 bar or more, which is the normal pressure of the combustion chamber 5, the pressure term (P0 / Pstd) -0.16 in Expression (15) becomes a small value. Therefore, it is also possible to define the reference laminar combustion speed SLstd only by the reference temperature Tstd, with the pressure term (P0 / Pstd) -0.16 being a constant value.
[0062]
Therefore, when the reference temperature Tstd is 550 [K], the reference laminar combustion speed SLstd is 1.0 [m / sec], and the pressure term is 0.7, the temperature T0 and the laminar combustion speed at the combustion start timing are obtained. The relationship with SL1 can be approximately defined by the following equation.
[0063]
Figure 2004301045
In step 27, the turbulence strength U1 of the gas flow in the initial combustion is calculated. The turbulence intensity U1 of the gas flow is a dimensionless value and depends on the flow velocity of the fresh air flowing into the combustion chamber 5 and the penetration of the fuel injected by the fuel injector 21.
[0064]
The flow velocity of the fresh air flowing into the combustion chamber 5 depends on the shape of the intake passage, the operating state of the intake valve 15, and the shape of the intake port 4 where the intake valve 15 is provided. The penetration of the injected fuel depends on the injection pressure of the fuel injector 21, the fuel injection period, and the combustion injection timing.
[0065]
Finally, the turbulence intensity U1 of the gas flow in the initial combustion can be expressed by the following equation as a function of the engine speed NRPM.
[0066]
U1 = f10 (NRPM) = C1 × NRPM (17)
Where C1: a constant,
The turbulence intensity U1 can also be obtained from a table using the rotation speed NRPM as a parameter.
[0067]
In step 28, the gas burning speed FLAME1 [m / sec] in the initial combustion is calculated from the laminar burning speed SL1 and the turbulence intensity U1 by the following equation.
[0068]
FLAME1 = SL1 × U1 (18)
If there is gas turbulence in the combustion chamber 5, the combustion speed of the gas changes. Equation (18) takes into account the contribution (effect) of the gas turbulence to the combustion speed.
[0069]
In step 29, the initial combustion period BURN1 [deg] is calculated by the following equation.
[0070]
BURN1 = {(NRPM × 6) × (BR1 × V0)} / (PROROBA × AF1 × FLAME1) (19)
Where, AF1: reaction area of flame nucleus (fixed value) [m2],
Here, BR1 on the right side of the equation (19) is a change amount of the combustion mass ratio from the combustion start timing to the end timing of the initial combustion period BURN1. Here, BR1 is set to 2%. (19) (NRPM × 6) on the right side of the equation is a measure for converting the unit from rpm to crank angle (deg). The reaction area AF1 of the flame kernel is set experimentally.
[0071]
Next, in the flow of FIG. 12, at step 31, the rotational speed NRPM and the reaction probability RPROBA calculated at step 14 of FIG. 5 are read.
[0072]
In step 32, the turbulence strength U2 of the gas flow in the main combustion is calculated. Like the turbulence intensity U1 of the gas flow in the initial combustion, the turbulence intensity U2 of the gas flow can be expressed by the following equation as a function of the engine rotation speed NRPM.
[0073]
U2 = f11 (NRPM) = C2 × NRPM (20)
Where C2: constant,
The turbulence intensity U2 can be obtained from a table using the rotation speed as a parameter.
[0074]
In step 33, the combustion speed FLAME2 [m / sec] in the main combustion is calculated from the following equation from the laminar combustion speed SL2 [m / sec] and the turbulence intensity U2 of the gas flow in the main combustion.
[0075]
FLAME2 = SL2 × U2 (21)
However, SL2: laminar combustion speed [m / sec],
Equation (21) takes into account the contribution to the combustion speed due to gas turbulence, as in equation (18).
[0076]
As described above, the length of the main combustion period BURN2 is not easily affected by changes in the temperature and pressure in the combustion chamber 5. Therefore, a fixed value experimentally obtained in advance is applied to the laminar combustion speed SL2.
[0077]
In step 34, the main combustion period BURN2 [deg] is calculated by the following equation similar to the equation (19).
[0078]
BURN2 = {(NRPM × 6) × (BR2 × V2)} / (PROROBA × AF2 × FLAME2) (22)
Here, V2: volume at the start of the main combustion period of the combustion chamber 5 [m3],
AF2: Reaction area of flame nucleus [m2]
Here, BR2 on the right side of the equation (22) is a change amount of the combustion mass ratio from the start time to the end time of the main combustion period. At the end of the initial combustion period, the combustion mass ratio becomes 2%, and thereafter, the main combustion period starts, and it is considered that the combustion mass ratio reaches 60% and the main combustion period ends, so BR2 = 60% − 2% = 58% is set. AF2 is an average reaction area in the growth process of the flame nucleus, and is a fixed value experimentally determined in advance similarly to AF1 in Expression (19). The volume V2 of the combustion chamber 5 at the start of the main combustion period is also a fixed value.
[0079]
FIG. 13 is for calculating the basic ignition timing MBTCAL [degBTDC], and is executed at regular intervals (for example, every 10 msec). It is executed following the later executed flow of FIGS.
[0080]
In step 41, the initial combustion period BURN1 calculated in step 29 of FIG. 10, the main combustion period BURN2 calculated in step 34 of FIG. 12, and the ignition timing dead time equivalent crank calculated in step 16 of FIG. The angle IGNDEAD and the reference crank angle θPMAX calculated in step 15 of FIG. 5 are read.
[0081]
In step 42, the sum of the initial combustion period BURN1 and the main combustion period BURN2 is calculated as the combustion period BURN [deg].
[0082]
In step 43, the basic ignition timing MBTCAL [degBTDC] is calculated by the following equation.
[0083]
MBTCAL = BURN−θPMAX + IGNDEAD (23)
In step 44, a value obtained by subtracting the crank angle IGNDEAD corresponding to the ignition dead time from the basic ignition timing MBTCAL is calculated as the previous combustion start timing MBTCYCL [degBTDC].
[0084]
The basic ignition timing MBTCAL calculated in this manner is transferred to the ignition register, and an ignition signal for cutting off the primary current is output from the engine controller 31 to the ignition coil 13 at a timing when the actual crank angle matches the basic ignition timing MBTCAL. You.
[0085]
Further, assuming that the basic ignition timing MBTCAL calculated in step 43 is used as the ignition timing command value for the current cycle, the previous combustion start timing MBTCYCL calculated in step 44 is not changed until the ignition timing for the next cycle. Used in ten steps 22.
[0086]
As described above, in the present embodiment, since the basic ignition timing MBTCAL, which is the ignition timing at which MBT can be obtained, is calculated without performing the mass calculation of the unburned gas amount in the combustion chamber 5, the calculation load is reduced. be able to.
[0087]
Further, as shown in the above equation (19), the initial combustion period BURN1 is represented by a function of the combustion chamber volume V0 at the start of combustion, the reaction probability RPROBA indicating the ease of combustion of the air-fuel mixture, and the combustion speed FLAME1. ing. Here, as the combustion chamber volume V0 at the start of combustion is larger, the reaction probability RPROBA is smaller, and the combustion speed FLAME1 is slower, the initial combustion period BURN1 is longer, and as a result, the basic ignition timing MBTCAL is advanced.
[0088]
Similarly, as shown in the above equation (22), the main combustion period BURN2 is a function of the combustion chamber volume V2 at the start time of the main combustion period, the reaction probability RPROBA indicating the ease of mixture, and the combustion speed FLAME2. It is represented by Here, the larger the combustion chamber volume V2 at the start of the main combustion period, the smaller the reaction probability RPROBA, and the lower the combustion speed FLAME2, the longer the main combustion period BURN2, and as a result, the ignition timing MBTCAL is advanced.
[0089]
Thus, by calculating the combustion periods BURN1 and BURN2 as functions of various parameters that affect the combustion period, the combustion periods BURN1 and BURN2 can be accurately calculated. As a result, the basic ignition timing MBTCAL calculated based on the combustion periods BURN1 and BURN2 can also be calculated with high accuracy. Further, the combustion period BURN is calculated by dividing the combustion period BURN1 into an initial combustion period BURN1 corresponding to a flame kernel growth period in which the temperature and pressure are greatly affected, and a main combustion period in which the temperature and pressure are less affected. BURN calculation accuracy is improved. By further dividing the combustion period BURN into three or more, the calculation accuracy can be further improved.
[0090]
In the embodiment, the combustion speed FLAME1 used for calculating the initial combustion period BURN1 is a product of the laminar combustion speed SL1 and the turbulence intensity U1, and the combustion speed FLAME2 used for calculating the main combustion period BURN2 is turbulent with the laminar combustion speed SL2. Although each is calculated as a product of the strengths U2, it may be obtained by a calculation method by addition as described in JP-A-10-30535.
[0091]
In the embodiment, the initial combustion period is defined as a combustion mass ratio from zero to 2% (that is, BR1 = 2%), and the main combustion period is defined as a combustion mass ratio from 2 to 60% (that is, BR2 = 58%). The present invention is not necessarily limited to this numerical value.
[0092]
Next, a method of calculating the turbulence strength, which is a feature of the present invention, will be described with reference to FIGS.
[0093]
A method of estimating the turbulence intensity during the combustion period when the intake valve is open (IVO) will be described with reference to FIG. This method is a method of calculating the turbulence strength from an intake manifold pressure (hereinafter, referred to as an intake manifold pressure), a valve timing, and a valve lift amount, and is calculated at predetermined intervals.
[0094]
First, the intake air amount Qo (mm) into the cylinder is calculated from the intake manifold pressure Po (Pa), the opening period θo (deg) of the intake valve, and the engine speed N (rpm). 3 ) Is calculated by the following equation.
[0095]
(Equation 24)
Figure 2004301045
However, f1 (θo, N) in the above equation may be obtained by storing a result previously calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 16 and referring to the map.
[0096]
Next, the average intake valve opening area So (mm) is calculated from the valve lift Lo (mm) during the opening period θo of the intake valve. 2 ) Is calculated by the following equation.
[0097]
(Equation 25)
Figure 2004301045
However, f2 (Lo) in the above equation may be calculated in advance by storing a result calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 17 and referring to the map. As shown in FIG. 18, the valve lift amount Lo may be obtained by integrating the lift amounts during the intake valve opening period θo, obtaining an average value from the integrated value of the lift amounts, and using the average value as the lift amount Lo.
[0098]
From the calculated intake air amount Qo into the cylinder, the average intake valve opening area So, and the engine rotation speed N, the average intake valve passage speed (intake air flow rate) Vo (m / sec) is calculated by the following equation.
[0099]
(Equation 26)
Figure 2004301045
Then, the turbulence intensity of the combustion period estimated with the intake valve open is Uo,
[0100]
[Equation 27]
Figure 2004301045
Is calculated.
[0101]
Where Kc: swirl control valve correction coefficient
Kt: Tumble control valve correction coefficient
Kq: squish correction coefficient
And a value measured in advance is used. When the configuration does not include any of the swirl control valve, the tumble control valve, and the squish, the calculation is performed with the correction coefficient of the configuration having no configuration as 1.
[0102]
However, f3 (Vo, N) in the above equation may be calculated by previously storing a result calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 19 and referring to the map.
[0103]
As described above, the average turbulence intensity during the combustion period obtained with the intake valve open is Uo is the intake air passage average calculated from the intake air amount Qo into the cylinder, the average intake valve opening area So, and the engine rotation speed N. Even if the intake air amount Qo into the cylinder, the average intake valve opening area So, and the engine speed N change in the transient operation state of the engine, the turbulence intensity Uo is changed according to the change. Can be calculated. Therefore, even when the engine is in the transient state, the turbulence intensity can be set according to the change in the operating state of the engine, and the ignition timing can be accurately calculated.
[0104]
A method for estimating the turbulence intensity during the combustion period in the state when the intake valve is closed (IVC) will be described with reference to FIG. This method calculates a turbulence intensity from an intake manifold pressure (hereinafter, referred to as an intake manifold pressure), a valve timing, and a valve lift amount when the intake valve is closed, similarly to the calculation method when the intake valve is open. It is calculated at the timing.
[0105]
First, the intake air amount Qc (mm) into the cylinder is determined based on the intake manifold pressure Pc (Pa), the opening period θc (deg) of the intake valve, and the engine speed N (rpm). 3 ) Is calculated by the following equation.
[0106]
[Equation 28]
Figure 2004301045
However, f1 (θc, N) in the above equation may be calculated by storing a result previously calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 16 and referring to the map.
[0107]
Next, the average intake valve opening area Sc (mm) is calculated from the valve lift amount Lc (mm) during the opening period θc of the intake valve. 2 ) Is calculated by the following equation.
[0108]
(Equation 29)
Figure 2004301045
However, f2 (Lc) in the above equation may be calculated by storing a result previously calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 17 and referring to the map. Further, as shown in FIG. 18, the valve lift amount Lc may be obtained by integrating the lift amounts during the intake valve opening period θc, obtaining an average value from the integrated value of the lift amounts, and using this average value as the lift amount Lc.
[0109]
From the calculated intake air amount Qc into the cylinder, the average intake valve opening area Sc, and the engine speed N, the average intake valve passage speed (intake air flow rate) Vc (m / sec) is calculated by the following equation.
[0110]
[Equation 30]
Figure 2004301045
The average turbulence intensity during the combustion period when the intake valve is closed is Uc:
[0111]
[Equation 31]
Figure 2004301045
Is calculated.
[0112]
Where Kc: swirl control valve correction coefficient
Kt: Tumble control valve correction coefficient
Kq: squish correction coefficient
And a value measured in advance is used. When the configuration does not include any of the swirl control valve, the tumble control valve, and the squish, the calculation is performed with the correction coefficient of the configuration having no configuration as 1.
[0113]
However, f3 (Vc, N) in the above equation may be calculated by storing a result previously calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 19 and referring to the map.
[0114]
In this way, the turbulence intensity Uc of the combustion period when the intake valve is closed is set based on the intake valve passage average speed Vc calculated from the intake air amount Qc into the cylinder, the average intake valve opening area Sc, and the engine speed N. Therefore, even if the intake air amount Qc into the cylinder, the average intake valve opening area Sc, and the engine speed N change in the transient operation state of the engine, the turbulence intensity Uc can be set according to the change. . Even when the engine is in a transient state, the turbulence intensity can be set according to the change in the operating state of the engine, and the ignition timing can be accurately calculated.
[0115]
Next, a method of calculating the turbulence intensity during the initial combustion period using the calculated average turbulence intensity Uo, Uc will be described with reference to FIG. This calculation is performed at regular intervals.
[0116]
First, the turbulence intensity Uo1 during the initial combustion period is calculated from the average turbulence intensity Uo by the following equation.
[0117]
(Equation 32)
Figure 2004301045
However, f4 (Uo) in the above equation may be calculated in advance by storing a result calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 21 and referring to the map.
[0118]
Next, the turbulence intensity Uc1 in the initial combustion period is calculated from the average turbulence intensity Uc by the following equation.
[0119]
[Equation 33]
Figure 2004301045
However, f4 (Uc) in the above equation may be calculated by previously storing a result calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 21 and referring to the map.
[0120]
Further, the turbulence intensity U1 in the initial combustion period is calculated from the following equation from the turbulence intensity Uo1 and Uc1 in the initial combustion period based on the calculated turbulence intensity estimated in the open state or the closed state of the intake valve.
[0121]
(Equation 34)
Figure 2004301045
Here, the coefficient k1 is calculated by the following equation.
[0122]
(Equation 35)
Figure 2004301045
However, k1 = 0.5 may be set when the calculation described later is not possible due to the performance of the computer that performs the calculation.
[0123]
The coefficient kp is calculated by the following equation.
[0124]
[Equation 36]
Figure 2004301045
Here, To: the opening time of the intake valve, Tc: the closing time of the intake valve, and Pave: the average intake manifold pressure (Pa).
[0125]
However, the average intake manifold pressure can be calculated by equation (37).
[0126]
(37)
Figure 2004301045
Here, P (t) is the intake manifold pressure (Pa).
[0127]
Next, the coefficient kθ is calculated by the following equation.
[0128]
[Equation 38]
Figure 2004301045
Here, To is the opening time of the intake valve, Tc is the closing time of the intake valve, and θave is the average valve opening period (deg).
[0129]
However, the average valve open period can be calculated by equation (39).
[0130]
[Equation 39]
Figure 2004301045
Here, θ (t): valve timing.
[0131]
Then the coefficient k L Is calculated by the following equation.
[0132]
(Equation 40)
Figure 2004301045
Here, To: the opening start time of the intake valve, Tc: the closing time of the intake valve, and Lave: the average lift amount (mm).
[0133]
However, the average lift can be calculated by equation (41).
[0134]
(Equation 41)
Figure 2004301045
Here, L (t) is a valve lift amount (mm).
[0135]
Next, a method of calculating the turbulence strength during the main combustion period using the calculated turbulence strengths Uo and Uc will be described with reference to FIG. This calculation is performed at regular intervals.
[0136]
First, the turbulence intensity Uo2 during the main combustion period is calculated from the turbulence intensity Uo by the following equation.
[0137]
(Equation 42)
Figure 2004301045
However, f5 (Uo) in the above equation may be calculated by storing a result previously calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 23 and referring to the map.
[0138]
Next, the turbulence intensity Uc2 during the main combustion period is calculated from the turbulence intensity Uc by the following equation.
[0139]
[Equation 43]
Figure 2004301045
However, f5 (Uc) in the above equation may be calculated in advance by storing a result calculated by an experiment or the like as a map as shown in FIG. 23 and referring to the map.
[0140]
Further, the turbulence intensity U2 in the main combustion period is calculated from the following expression from the turbulence intensity Uo1 and Uc1 in the initial combustion period based on the turbulence intensity estimated in the calculated intake valve open state or closed state.
[0141]
[Equation 44]
Figure 2004301045
Here, the coefficient k1 is calculated in the same manner as described above.
[0142]
In this way, the turbulence intensity U1 during the initial combustion period and the turbulence intensity U2 during the main combustion period are calculated, and the combustion speeds FLAME1 and FLAME2 are calculated based on the turbulence intensity using Expression (12) or Expression (16). Further, a combustion period BURN and an ignition timing MBTCAL are calculated.
[0143]
Therefore, in the present invention, when calculating the turbulence strength, the turbulence is calculated according to the transient characteristics of the internal combustion engine by using the intake air flow rate passing through the intake valve corresponding to the change in the operating state during the transient state of the engine. Since the intensity is changed, it is possible to accurately calculate the combustion period and further the ignition timing, and to suppress the difference from the ignition timing at which the MBT can be obtained.
[0144]
FIG. 24 is a timing chart showing changes in the intake manifold pressure, the amount of intake gas in the cylinder, the flow rate through the valve, the turbulence intensity, and the like.
[0145]
Explaining as a representative of the # 2 cylinder, when the intake valve of the # 2 cylinder is open, the intake manifold pressure is low, that is, the intake gas amount is small, and the intake gas amount estimated in this intake valve open state is small (one point in the drawing). When the intake valve is closed, the intake manifold pressure increases, and the intake gas amount estimated in the intake valve closed state increases (shown by a solid line in the figure). The intake valve passage velocity also shows the same tendency as the intake gas amount, and the turbulence intensity is also the same.
[0146]
The turbulent combustion speed for the MBT calculation was estimated when the intake valve was open and the turbulent combustion speed for the MBT operation was estimated when the intake valve was closed and when the intake valve was closed. Since it is obtained from the combustion speed, the combustion speed is as shown by the broken line in the figure.
[0147]
FIG. 25 shows an example of the cylinder internal pressure when the intake port pressure increases during the intake stroke in a certain cylinder of the engine.
[0148]
The curve {circle around (1)} in the figure shows the change in the cylinder internal pressure when the engine state when the intake valve is open is maintained until the intake valve closes, and the ignition is performed by the MBT calculated based on this state.
[0149]
The curve (2) in the figure indicates the cylinder pressure of the cylinder when the engine state when the intake valve is closed is continued from the state where the intake valve is open to the time when the intake valve is closed, and when the ignition is performed by the MBT calculated based on this state. Indicates a change.
[0150]
When ignition is performed with the MBTs of (1) and (2), the cylinder internal pressure becomes maximum at the reference crank position θPmax (12 to 15 deg crank angle after top dead center).
[0151]
The curve of (4) shows the change in the cylinder internal pressure when the ignition is performed by the MBT of (1). As the pressure in the intake port increases, the turbulence intensity in the actual engine state increases more than the turbulence intensity calculated in the engine state when the intake valve is open, so that the combustion speed also increases. Therefore, when ignition is performed with the MBT calculated with the intake valve open, knocking may occur as shown by the curve (4), which is too early than the actual required ignition timing.
[0152]
On the other hand, the curve (3) shows the change in the cylinder pressure when the MBT is calculated in consideration of the turbulence strength between the open state and the closed state of the intake valve by the calculation method described above. . The combustion speed and the maximum in-cylinder pressure are located between the curves (1) and (2), and the in-cylinder pressure becomes maximum at the reference crank position θPmax, but no knock occurs.
[0153]
FIG. 26 is a diagram illustrating an example of the combustion mass ratio when the intake port pressure increases during the intake process of a certain cylinder.
[0154]
The curve {circle around (1)} in the figure shows the change in the combustion mass ratio when the engine state in which the intake valve is open is maintained until the intake valve is closed and the ignition is performed based on the MBT calculated based on this state. The curve (2) in the figure indicates the combustion mass ratio when the engine state when the intake valve is closed is continued from the state where the intake valve is open to the time when the intake valve is closed, and the ignition is performed by the MBT calculated based on this state. Shows the change.
[0155]
When ignition is performed by MBT, the combustion mass ratio Rmax at the reference crank position θPmax is substantially constant (60%), and both the curves (1) and (2) pass through this point.
[0156]
As the intake port pressure increases, the actual turbulence intensity of the engine rises more than the turbulence intensity estimated when the intake valve is open, so that the combustion speed also rises (the slope increases). Therefore, when the ignition is performed by the MBT based on the turbulence intensity estimated in the state where the intake valve is open, the combustion mass ratio Rmax at the reference crank position θPmax becomes larger than a predetermined value as indicated by the curve (4), and knocking may occur. Occurs.
[0157]
On the other hand, when the ignition is performed by the MBT taking into account the turbulence strength calculated in the present invention, the change in the combustion mass ratio becomes a curve (3), and the combustion mass ratio Rmax at the reference crank position θPmax is a predetermined value Rmax. It becomes.
[0158]
The overall operation of the ignition timing control device according to the present embodiment described above will be described. The cylinder volume VIVC and the cylinder temperature TINI at the time when the intake valve is closed are calculated (steps S12 and S13). Then, a reaction probability RPROBA expressed by a ratio when the combustion state of the combustion gas under the predetermined condition is set to 1 is calculated (step S14).
[0159]
The combustion speed depends on the residual gas rate EGRREM, the water temperature TWK, and the equivalence ratio in addition to the ambient temperature and the combustion speed in the cylinder, and a state in which the combustion speed changes according to these values is obtained in advance by experiments, and is stored in a map. I can put it. Of course, it is also possible to have a correlation depending on these factors by a functional expression.
[0160]
Next, when ignition is performed by the MBT, the reference crank angle θPmax, which is the peak value of the pressure of the combustion gas, is substantially constant, and tends to shift to the advance side on the high engine speed side, so that it is calculated as in step S15.
[0161]
Next, the cylinder volume V 0 From the effective compression ratio Ec, the temperature rise rate from the in-cylinder temperature TINI at the time when the intake valve is closed is calculated, and the ambient temperature T0 at the time when the combustion gas is ignited is calculated (steps S21 to S25). The laminar combustion speed SL1 is calculated based on the calculated atmosphere temperature T0 (step S26).
[0162]
Since the combustion velocity tends to increase as the laminar combustion velocity increases, the turbulent velocity in the cylinder also greatly depends on the combustion velocity. The turbulence velocity depends on the shape of the intake port and the like, and generally increases as the engine speed increases. Therefore, this is calculated as the turbulence intensity U1 (step S27), and is multiplied by the laminar combustion speed SL1 to calculate the combustion speed FLAME1 (step S28).
[0163]
Then, a combustion period BURN1 from ignition to formation of a flame kernel is calculated (step S29). Since it is known that the flame kernel is formed by burning 2% of the combustion gas mass, 2% of the combustion gas mass is calculated and used. In the flame nucleation stage, the larger the volume in the cylinder at the time of ignition is, the longer the formation time is, so this is used as a numerator. Since the reaction probability RPROBA is large, the time is short, and the faster the combustion speed, the shorter the time. By using an arithmetic expression having the denominator as the denominator, the combustion time in the flame nucleation stage can be accurately and easily obtained.
[0164]
After the formation of the flame nucleus, the flame nucleus grows rapidly in a rapid combustion stage in which the combustion gas is rapidly burned. The period during which 60% of the combustion gas at which the pressure reaches a peak is burned (steps S31 to S34). Here too, the larger the volume in the cylinder at the time of growth of the flame nucleus, the longer the formation time, the longer it takes as the numerator. The larger the reaction probability RPROBA, the shorter the time, and the faster the burning rate, the shorter the time. By using the arithmetic expression described above, the burning time in the flame kernel growth stage can be accurately and easily obtained.
[0165]
By adding the initial combustion period of the flame nucleus formation stage and the main combustion period of the flame nucleus growth stage calculated as described above, it is possible to calculate a period required for burning 60% of the combustion gas mass (step S42). Then, the MBT ignition timing is calculated in consideration of the ignition dead time and the reference crank angle θPmax that is the maximum pressure in the cylinder, and an output command can be issued to the ignition coil (step S43).
[0166]
According to the present embodiment, the combustion gas amount calculation means for calculating the amount of combustion gas burning in the cylinder up to the predetermined crank angle, and the laminar combustion speed which is the combustion speed of the combustion gas in a laminar flow state is calculated. A laminar combustion speed calculating means, a turbulence intensity calculating means for calculating a turbulence intensity which is an index indicating a turbulence of the combustion which changes according to an engine transient state, The ignition timing calculating means calculates a combustion speed, calculates a combustion period from the combustion speed and the amount of combustion gas in the cylinder, and calculates a basic ignition timing for obtaining an MBT based on the combustion period. Even if the operating state of the internal combustion engine is in a transient state, the turbulence intensity is set in accordance with the operating state, so that the ignition timing for obtaining the MBT can be accurately calculated even in the transient state.
[0167]
Further, when calculating the combustion period, the combustion period is divided into a flame nucleation stage in which the sensitivity of the combustion period to pressure and temperature is large, and the main combustion period in which the sensitivity of the combustion period to pressure and temperature becomes weak. The period can be calculated more accurately. At this time, calculation formulas such as combustion gas mass and cylinder volume are used for the numerator, and reaction area and combustion speed are used for the denominator. Since units of the same dimension are not used for the numerator and denominator, accurate calculation is performed without useless calculation. Can be calculated.
[0168]
The combustion state is replaced with a dimensionless reaction probability and used in the calculation, and the reaction probability can be easily obtained by an experiment or the like, so that an accurate combustion period can be calculated. Further, in the present embodiment, an example is shown in which the present invention is applied to an internal combustion engine having a variable valve mechanism capable of continuously varying the operating angle and the lift amount of the intake valve. Since the MBT can be easily calculated even if the product changes, for example, a variable valve operating system such as a so-called electromagnetically driven intake / exhaust valve that can change the valve timing arbitrarily by using an electromagnet for opening and closing the valve. Can be applied. Note that as an example of a variable valve mechanism capable of continuously changing the operating angle and the lift amount of an intake valve, those described in JP-A-11-107725 and JP-A-2003-41976 are known.
[0169]
In the present embodiment, when obtaining the combustion period from the combustion mass ratio, the combustion period BURN is divided into an initial combustion period BURN1 (up to a combustion mass ratio of 2%) and a main combustion period BURN2 (from a combustion mass ratio of 2% to 60%). Although the ignition timing MBTCYCL was calculated by calculation, the ignition timing MBTCYCL may be further divided, or the combustion period (combustion mass ratio) may be divided into, for example, an initial combustion period BURN1 and a main combustion period BURN2 after the division. You may make it add. By calculating the combustion period by subdivision, the calculation accuracy of the combustion period can be improved.
[0170]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is apparent that various changes can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram of an internal combustion engine of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of ignition timing control executed by an engine controller.
FIG. 3 is a pressure change diagram of a combustion chamber.
FIG. 4 is a characteristic diagram illustrating a change in a combustion mass ratio.
FIG. 5 is a flowchart for explaining calculation of a physical quantity.
FIG. 6 is a diagram illustrating a positional relationship between a crankshaft and a connecting rod of an engine.
FIG. 7 is a characteristic diagram of a water temperature correction coefficient.
FIG. 8 is a characteristic diagram of an equivalence ratio correction coefficient.
FIG. 9 is a characteristic diagram of a reference crank angle.
FIG. 10 is a flowchart for explaining calculation of an initial combustion period.
FIG. 11 is a characteristic diagram of a temperature rise rate.
FIG. 12 is a flowchart for explaining calculation of a main combustion period.
FIG. 13 is a flowchart for explaining calculation of a basic ignition timing.
FIG. 14 is a diagram illustrating a method of calculating an average turbulence intensity estimated in an intake valve open state.
FIG. 15 is a diagram illustrating a method of calculating an average turbulence strength estimated in an intake valve closed state.
FIG. 16 is an example of a map for calculating a variable f1.
FIG. 17 is an example of a map for calculating a variable f2.
FIG. 18 is a diagram for explaining a valve opening period and a lift amount of an intake valve.
FIG. 19 is an example of a map for calculating a variable f3.
FIG. 20 is a diagram illustrating a method for calculating the turbulence intensity during the initial combustion period.
FIG. 21 is an example of a map for calculating a variable f4.
FIG. 22 is a diagram illustrating a method of calculating the turbulence intensity during the main combustion period.
FIG. 23 is an example of a map for calculating a variable f5.
FIG. 24 is a timing chart showing a change in disturbance intensity.
FIG. 25 is a view for explaining a change in a cylinder internal pressure.
FIG. 26 is a diagram for explaining a change in a combustion ratio.
[Explanation of symbols]
1 Internal combustion engine
2 Intake collector
3 Injector
4 Intake manifold
5 Exhaust manifold
6 Muffler
7 Air cleaner
8 Electronic throttle
9 Intake duct
20 control unit

Claims (15)

所定のクランク角までにシリンダ内で燃焼する燃焼ガス量を算出する燃焼ガス量算出手段と、
燃焼ガスの層流状態での燃焼速度である層流燃焼速度を算出する層流燃焼速度算出手段と、
エンジン過渡状態に応じて変化する燃焼の乱れを示す指標である乱れ強さを算出する乱れ強さ算出手段と、
前記層流燃焼速度と乱れ強さからシリンダ内燃焼速度を算出し、この燃焼速度と前記シリンダ内の燃焼ガス量とから燃焼期間を算出し、この燃焼期間に基づいてMBTの得られる基本点火時期を算出する基本点火時期演算手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。
Combustion gas amount calculation means for calculating the amount of combustion gas burning in the cylinder up to a predetermined crank angle,
A laminar burning velocity calculating means for calculating a laminar burning velocity which is a burning velocity of the combustion gas in a laminar flow state,
Turbulence strength calculation means for calculating turbulence strength, which is an index indicating combustion turbulence that changes according to the engine transient state,
The combustion speed in the cylinder is calculated from the laminar combustion speed and the turbulence intensity, the combustion period is calculated from the combustion speed and the amount of combustion gas in the cylinder, and the basic ignition timing at which MBT is obtained based on the combustion period. Basic ignition timing calculation means for calculating
An ignition timing control device for an internal combustion engine, comprising:
燃焼ガスの層流状態での燃焼速度である層流燃焼速度を算出する層流燃焼速度算出手段と、
エンジン過渡状態に応じて変化する燃焼の乱れを示す指標である乱れ強さを算出する乱れ強さ算出手段と、
算出した層流燃焼速度と乱れ強さとからシリンダ内の燃焼ガスの燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
燃焼ガス燃焼開始時のシリンダ内容積を算出するシリンダ内容積算出手段と、
所定のクランク角までにシリンダ内で燃焼する燃焼ガス量を算出する燃焼ガス量算出手段と、
所定運転条件での燃焼ガスの燃焼しやすさに対する前記シリンダ内での燃焼ガスの燃焼のしやすさのを示す反応確率を算出する反応確率算出手段と、
前記燃焼速度と前記シリンダ内容積と前記燃焼ガス量と前記反応確率とに基づき燃焼期間を算出し、この燃焼期間に基づきMBTの得られる基本点火時期を算出する基本点火時期算出手段を備えることを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。
A laminar burning velocity calculating means for calculating a laminar burning velocity which is a burning velocity of the combustion gas in a laminar flow state,
Turbulence strength calculation means for calculating turbulence strength, which is an index indicating combustion turbulence that changes according to the engine transient state,
Combustion speed calculation means for calculating the combustion speed of the combustion gas in the cylinder from the calculated laminar combustion speed and the turbulence intensity,
Cylinder internal volume calculating means for calculating the internal cylinder volume at the start of combustion gas combustion,
Combustion gas amount calculation means for calculating the amount of combustion gas burning in the cylinder up to a predetermined crank angle,
Reaction probability calculating means for calculating a reaction probability indicating the ease of combustion of the combustion gas in the cylinder with respect to the ease of combustion of the combustion gas under predetermined operating conditions,
A basic ignition timing calculating means for calculating a combustion period based on the combustion speed, the cylinder internal volume, the combustion gas amount, and the reaction probability, and calculating a basic ignition timing for obtaining MBT based on the combustion period. An ignition timing control device for an internal combustion engine.
前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼圧力が最大になるクランク角を算出する基準クランク角算出手段と、
前記シリンダ内の燃焼ガスに着火する点火プラグの点火指令信号を出力したタイミングから点火プラグが点火するまでのクランク角区間を算出する点火無駄時間相当クランク角算出手段とを備え、
前記MBTの得られる基本点火時期は、前記燃焼期間と前記算出した基準クランク角と点火無駄時間相当クランク角とから算出され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点火時期制御装置。
Reference crank angle calculation means for calculating a crank angle at which the combustion pressure of the combustion gas in the cylinder is maximized,
An ignition dead time equivalent crank angle calculating means for calculating a crank angle section from a timing at which an ignition command signal of an ignition plug for igniting the combustion gas in the cylinder to an ignition of the ignition plug is provided,
3. The ignition timing of an internal combustion engine according to claim 1, wherein the basic ignition timing at which the MBT is obtained is calculated from the combustion period, the calculated reference crank angle, and a crank angle corresponding to a dead ignition time. Control device.
前記乱れ強さは、内燃機関の運転状態が過渡状態の時に内燃機関の吸気バルブを通過してシリンダ内に流入する吸気流速に基づき算出され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点火時期制御装置。3. The turbulence intensity according to claim 1, wherein the turbulence intensity is calculated based on an intake flow velocity flowing through an intake valve of the internal combustion engine and flowing into the cylinder when the operation state of the internal combustion engine is in a transient state. An ignition timing control device for an internal combustion engine. 前記吸気流速は、吸気バルブ開弁時及び閉弁時におけるシリンダ内への吸入空気量、吸気バルブの平均開口面積、内燃機関の回転速度に基づき算出されることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の点火時期制御装置。5. The intake flow rate according to claim 4, wherein the intake flow rate is calculated based on an intake air amount into the cylinder when the intake valve is opened and closed, an average opening area of the intake valve, and a rotation speed of the internal combustion engine. Ignition timing control device for an internal combustion engine. 前記吸気流速は、吸気バルブを開いたときの吸気流速と、閉じるときの吸気流速とに基づいて算出されることを特徴とする請求項4または5に記載の内燃機関の点火時期制御装置。6. The ignition timing control device for an internal combustion engine according to claim 4, wherein the intake flow rate is calculated based on an intake flow rate when the intake valve is opened and an intake flow rate when the intake valve is closed. 前記燃焼期間は、シリンダ内容積と燃焼ガス質量とを掛けた値を反応確率と燃焼ガス質量とを掛けた値で除した演算値に基づいて算出することを特徴とする請求項2に記載の点火時期制御装置。3. The combustion period according to claim 2, wherein the combustion period is calculated based on a calculated value obtained by dividing a value obtained by multiplying the cylinder internal volume by the combustion gas mass by a value obtained by multiplying the reaction probability by the combustion gas mass. Ignition timing control device. 前記反応確率は、所定の残留ガス率における燃焼のしやすさを1とし、所定の残留ガス率より小さいほど1より大きな値で設定し、所定の残留ガス率より大きいほど1より小さな値で設定することを特徴とする請求項2または7記載の内燃機関の点火時期制御装置。The reaction probability is set such that the easiness of combustion at a predetermined residual gas rate is 1, and is set to a value larger than 1 as the predetermined residual gas rate is smaller, and set to a value smaller than 1 as the predetermined residual gas rate is larger. The ignition timing control device for an internal combustion engine according to claim 2 or 7, wherein: 前記反応確率は、所定の水温における燃焼のしやすさを1とし、所定の水温より高いほど1より大きな値で設定し、所定の水温より低いほど1より小さな値で設定することを特徴とする請求項2または7記載の内燃機関の点火時期制御装置。The reaction probability is characterized in that easiness of combustion at a predetermined water temperature is set to 1, set to a value larger than 1 as the temperature is higher than the predetermined water temperature, and set to a value smaller than 1 as the temperature is lower than the predetermined water temperature. An ignition timing control device for an internal combustion engine according to claim 2 or 7. 前記反応確率は、所定の当量比における燃焼のしやすさを1とし、所定の当量比よりリッチ側、リーン側いずれにおいても1より小さな値で設定することを特徴とする請求項2または7記載の内燃機関の点火時期制御装置。8. The reaction probability is set to a value smaller than 1 on both the rich side and the lean side of the predetermined equivalence ratio, assuming that easiness of combustion at a predetermined equivalence ratio is 1. Ignition timing control device for an internal combustion engine. 前記所定クランク角までに燃焼する燃焼ガス量は、燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス量としたことを特徴とする請求項2または10記載の内燃機関の点火時期制御装置。11. The ignition of an internal combustion engine according to claim 2, wherein the amount of combustion gas burned up to the predetermined crank angle is an amount of combustion gas burned until the combustion pressure after ignition of the combustion gas becomes maximum. Timing control device. 前記所定クランク角までに燃焼する燃焼ガス量を複数に分割し、それぞれの燃焼ガス量に対応する燃焼期間を算出し、すべての燃焼期間を合計して燃焼期間を求めることを特徴とする請求項11に記載の内燃機関の点火時期制御装置。The combustion gas amount burned up to the predetermined crank angle is divided into a plurality, a combustion period corresponding to each combustion gas amount is calculated, and all the combustion periods are summed to obtain a combustion period. 12. The ignition timing control device for an internal combustion engine according to claim 11. 前記所定クランク角までに燃焼する燃焼ガス量を、燃焼ガスの着火後火炎核形成に費やされる燃焼ガス量と、火炎核形成後から燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス量とに分割したことを特徴とする請求項12記載の内燃機関の点火時期制御装置。The combustion gas amount burned up to the predetermined crank angle is burned until the combustion gas amount consumed for the formation of the flame nucleus after ignition of the combustion gas and the combustion pressure after the ignition of the combustion gas becomes maximum after the flame nucleus formation. 13. The ignition timing control device for an internal combustion engine according to claim 12, wherein the ignition timing control device is divided into a combustion gas amount and a combustion gas amount. 前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時の雰囲気温度と、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時の雰囲気圧力とを算出し、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼速度は、燃焼ガスの所定温度、所定圧力における基本層流燃焼速度から、前記雰囲気温度、雰囲気圧力とに基づいて算出することを特徴とする請求項2または13記載の内燃機関の点火時期制御装置。The ambient temperature at the start of combustion of the combustion gas in the cylinder and the ambient pressure at the start of combustion of the combustion gas in the cylinder are calculated, and the combustion speed of the combustion gas in the cylinder is a predetermined temperature of the combustion gas. 14. The ignition timing control device for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the ignition timing is calculated based on the ambient temperature and the ambient pressure from a basic laminar flow combustion speed at a predetermined pressure. 吸入弁が閉じられた時の燃焼ガスの温度を算出し、この算出した温度に有効圧縮比に基づいて算出した温度上昇率を掛けることによって前記雰囲気温度を算出することを特徴とする請求項14記載の内燃機関の点火時期制御装置。15. The atmosphere temperature is calculated by calculating a temperature of the combustion gas when the intake valve is closed, and multiplying the calculated temperature by a temperature rise rate calculated based on the effective compression ratio. An ignition timing control device for an internal combustion engine according to claim 1.
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