JP2006132420A - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火時期を適正に設定し、燃焼の安定性を確保する。
【解決手段】エンジン１０において、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２にはそれぞれ、各バルブ２１，２２のリフト量を可変とする可変動弁装置２５，２６が設けられている。ＥＣＵ４０は、エンジン運転状態に応じて可変動弁装置２５の制御モードを低速リフトモードと高速リフトモードとで切り換える。また、ＥＣＵ４０は、点火時期制御において、可変動弁装置２５の制御モード（すなわち、バルブリフト量）に応じて最遅角点火時期を変更する。
【選択図】 図１

Description

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。

車両等に搭載される内燃機関では、ノックの発生を抑制しつつ出力性能の向上や燃費の低減などを図ることができるよう点火時期が制御される。この場合、ノックセンサ等によりノックの有無が検出され、ノックの非発生時には点火時期を徐々に進角させ、ノック発生時には点火時期を遅角させるようにして点火時期制御が行われる。但し、ノック以外の振動成分の発生などに起因して点火時期が過剰に遅角されるおそれがあり、その過剰な点火遅角を制限すべく、その都度のエンジン運転状態に応じて最遅角点火時期が設定される。つまり、最遅角点火時期により点火時期の遅角化が制限（ガード）され、点火時期の過剰な遅角化による出力の低下等の不具合が抑制されるようになっている。例えば特許文献１では、燃焼室内のガスの流動状態を変更すべく開閉される気流制御弁を備えた内燃機関において、気流制御弁の開閉状態に応じて最遅角点火時期を変更する。そしてこれにより、気流制御弁の開閉状態が変化する場合にも、ノックの発生や機関出力の低下などを抑制するようにしていた。

一方近年では、吸気バルブ又は排気バルブのバルブリフト量を可変とする可変バルブリフト装置を設け、エンジン運転状態に応じてバルブリフト量を可変に制御するようにしたものがある。具体的には、例えば、カムリフト量が比較的小さい低速用カムとカムリフト量が比較的大きい高速用カムとをカムシャフトに設け、これら低速用カムと高速用カムとを選択的に用いて吸気バルブ又は排気バルブを開閉リフトさせるようにしている。

こうした可変バルブリフト装置を備えた内燃機関では、低速用カムと高速用カムとの切換によりバルブリフト量が変更されると、内燃機関の燃焼室内における空気の充填効率等が変化し、燃料の着火性や燃焼速度などに影響が及ぶ。そのため、燃焼状態が安定しないといった問題が生じるおそれがあった。
特開２００４−１１５１９号公報

本発明は、点火時期を適正に設定し、燃焼の安定性を確保することができる内燃機関の点火時期制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明では、吸気バルブ又は排気バルブの少なくとも何れかのバルブリフト量を調整可能なバルブリフト可変手段を備えた内燃機関において、バルブリフト可変手段によるバルブリフト量に応じて最遅角点火時期を変更するようにした。つまり、バルブリフト量が変わると、内燃機関の燃焼室内における空気の充填効率等が変化して燃料の着火性や燃焼速度などに影響が及び、ノック限界なども変わると考えられる。この場合、バルブリフト量に応じて最遅角点火時期を変更することにより、ノック限界の変化に追従して最遅角点火時期を変更でき、ノックの発生や内燃機関の出力性能の低下を抑制することができる。その結果、点火時期を適正に設定し、燃焼の安定性を確保することができる。

ここで、最遅角点火時期は、例えば内燃機関の負荷をパラメータとして高負荷であるほど遅角量＝大として算出されるが、バルブリフト可変手段によるバルブリフト量を小さくすると圧縮比が上昇し（高圧縮となり）、高負荷時と同等の状態となると考えられる。それ故に、バルブリフト可変手段のバルブリフト量を小さくする際に最遅角点火時期を遅角側に変更し、同バルブリフト量を大きくする際に最遅角点火時期を進角側に変更すると良い。又は、バルブリフト可変手段によるバルブリフト量が小さいほど、最遅角点火時期を遅角側に変更すると良い。

また、最遅角点火時期を変更する際、その変化率を制限し徐変させると良い。これにより、急激な機関出力の変化等が抑制できる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載多気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの全体概略構成図を説明する。

図１に示すエンジン１０において、吸気管１１の最上流部にはエアクリーナ１２が設けられ、このエアクリーナ１２の下流側には吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１３が設けられている。エアフロメータ１３の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータ１５に内蔵されたスロットル開度センサにより検出されるようになっている。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。また、サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒の吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１９が取り付けられている。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ２１及び排気バルブ２２が設けられており、吸気バルブ２１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室２３内に導入され、排気バルブ２２の開動作により燃焼後の排ガスが排気管２４に排出される。吸気バルブ２１及び排気バルブ２２にはそれぞれ、各バルブ２１，２２のリフト量を可変とするバルブリフト可変手段としての可変動弁装置２５，２６が設けられている。可変動弁装置２５，２６の詳細な構成例については後述する。

エンジン１０のシリンダヘッドには気筒毎に点火プラグ２７が取り付けられており、点火プラグ２７には、点火コイル等よりなる点火装置２８を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２７の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２３内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。

排気管２４には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒３１が設けられ、この触媒３１の上流側には排ガスを検出対象として混合気の空燃比を検出するための空燃比センサ３２（リニアＡ／Ｆセンサ、Ｏ2センサ等）が設けられている。また、エンジン１０のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ３３や、ノックの発生による振動を検出するノックセンサ３４や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３５が取り付けられている。

上述した各種センサの出力は、エンジン制御を司るＥＣＵ４０に入力される。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、バックアップＲＡＭ４４等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭ４２に記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁１９の燃料噴射量や点火プラグ２７による点火時期を制御する。バックアップＲＡＭ４４は、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作に伴うＥＣＵ４０への電源遮断後もバックアップ電源の供給により記憶内容を保持するバックアップメモリとして機能するものであり、学習値やダイアグデータ（故障診断データ）等の記憶に用いられる。これら学習値やダイアグデータ等を、バックアップメモリとしてのＥＥＰＲＯＭに記憶保持するよう構成することも可能である。

ここで、吸気側の可変動弁装置２５の構成を図２を用いて説明する。可変動弁装置２５の構成については、少なくとも吸気バルブ２１のバルブリフト量を可変とすることができる構成であれば任意のものが適用できるが、本実施の形態ではバルブリフト量を低速用、高速用の２段階に切換可能とする構成を例示して説明する。なお、排気側の可変動弁装置２６は、吸気側の可変動弁装置２５と実質的に同一であるため、説明を省略する。また以下の記載では、吸気側の可変動弁装置２５を制御対象として説明を進めることとする。

図２に示すように、吸気側のカムシャフト５１には、揚程が各々異なる低速用カム５２と高速用カム５３とが一体的に設けられている。低速用カム５２は比較的小さな揚程を有し、エンジンの低速運転時に適合したカムプロフィールに形成されている。高速用カム５３は、低速用カム５２に比べてより広角度にわたる大きな揚程を有し、高速運転時に適合したカムプロフィールに形成されている。カムシャフト５１の下方には、当該カムシャフト５１に平行に延びるロッカシャフト５４が設けられ、ロッカシャフト５４を支軸としてロッカアーム５５が揺動可能に設けられている。ロッカアーム５５の揺動端には吸気バルブ２１の上端部が当接しており、ロッカアーム５５の揺動に伴い吸気バルブ２１が図の上下方向にリフト動作する。

ここで、ロッカアーム５５は、低速用カム５２に摺接して設けられる低速用のロッカアームと、これに隣接され、高速用カム５３に摺接して設けられる高速用のロッカアームとからなり（但し図示は省略）、これら両ロッカアームのうち何れか一方の動きに連動して吸気バルブ２１がリフト動作する。すなわち、低速運転時には、低速用カム５２による低速用ロッカアームの揺動に連動して吸気バルブ２１がリフト動作し、これにより比較的小さなバルブリフトが実現される。これに対し、高速運転時には、高速用カム５３による高速用ロッカアームの揺動に連動して吸気バルブ２１がリフト動作し、これにより比較的大きなバルブリフトが実現される。

また、ロッカアーム５５には油圧駆動式のカム切換機構５６が設けられており、このカム切換機構５６によって、低速用ロッカアームの揺動により吸気バルブ２１がリフト動作する低速バルブリフト状態と、高速用ロッカアームの揺動により吸気バルブ２１がリフト動作する高速バルブリフト状態とが切り換えられるようになっている。かかる場合、低速バルブリフト状態では、図３に点線で示すように、吸気バルブ２１はリフト量が小さく且つ開弁期間が短くなるような態様でリフト動作する。また、高速バルブリフト状態では、図３に実線で示すように、吸気バルブ２１はリフト量が大きく且つ開弁期間が長くなるような態様でリフト動作する。

ＥＣＵ４０は、可変動弁装置２５の制御モードを、低速時のバルブリフト（低速用カム５２によるバルブリフト）を実現する低速リフトモードと、高速時のバルブリフト（高速用カム５３によるバルブリフト）を実現する高速リフトモードとで切り換える。具体的には、図４に示す関係の制御モード切換マップを用い、エンジン運転状態（例えばエンジン回転数やエンジン負荷等）に基づいて可変動弁装置２５の制御モードを低速／高速の各リフトモード間で切り換える構成としている。図４の制御モード切換マップは、可変動弁装置２５を低速リフトモードで制御した状態でのエンジン出力トルクと、同可変動弁装置２５を高速リフトモードで制御した状態でのエンジン出力トルクとが同一になるエンジン回転数を、制御モードを切り換える切換回転数としてエンジン負荷毎（例えば吸気管圧力毎、吸入空気量毎等）に設定したものであり、このエンジン負荷毎の切換回転数を結ぶ線が切換特性線となっている。図４のマップデータは、予め実験データ、設計データ等に基づいて作成され、ＥＣＵ４０のＲＯＭ等の不揮発性メモリに記憶されている。

また、ＥＣＵ４０は、その都度のエンジン運転状態に基づいて点火時期を制御し、特にノックの発生を抑制しつつ最良のエンジン出力が得られるような位置で点火時期を制御することとしている。この場合、ノックの有無に応じて点火時期を進角又は遅角させるようにしており、ノックの非発生時には点火時期を徐々に進角させ、ノック発生時には点火時期を遅角させるようにしてノック制御が行われる。但し、ノックセンサの異常やノック以外の振動成分の発生などに起因して点火時期が過剰に遅角されるおそれがあり、その過剰な点火遅角を制限すべく、その都度のエンジン運転状態に応じて最遅角点火時期が設定される。つまり、最遅角点火時期により点火時期の遅角化が制限（ガード）され、点火時期の過剰な遅角化による出力の低下等の不具合が抑制される。このとき、最遅角点火時期はノック限界（ノックが発生しない進角側の限界点火時期）から所定角度だけ遅角させた点火時期であるとも言える。

ここで、可変動弁装置２５の制御モードが低速リフトモードと高速リフトモードとの間で切り換えられると、吸気の充填効率の違いなどから燃料の着火性や燃焼速度に変化が生じる。そこで本実施の形態では、可変動弁装置２５の制御モードが低速リフトモードか高速リフトモードかに応じて最遅角点火時期を変更することとし、その都度適正な最遅角点火時期を設定することにより燃焼の安定性を確保するようにしている。

図５には、エンジン回転数を一定とした時のエンジン負荷に対する最遅角点火時期の関係を示している。図５によれば、低負荷域では最遅角点火時期が進角側に、高負荷域では最遅角点火時期が遅角側に設定される。また、低速／高速の各リフトモードでの最遅角点火時期を比較すると、低速リフトモードでは高速リフトモードよりも最遅角点火時期が遅角側に設定される。つまり、同一運転条件で比較した場合、低速リフトモードでは圧縮比が上昇し（高圧縮となり）、これは負荷上昇と同様の状態であると考えられる。また、低速リフトモードでは、ノック限界が遅角側にシフトすると考えられる。それ故に、低速リフトモードでは、最遅角点火時期が遅角化されている。なお、エンジン回転数について言えば、同回転数が小さいほど最遅角点火時期が遅角化される。

次に、ＥＣＵ４０により実施される可変バルブリフト制御について説明する。図６は、バルブリフト制御処理を示すフローチャートであり、この処理はＥＣＵ４０内のＣＰＵ４１により例えば所定のクランク角度毎（本実施の形態では３０°ＣＡ毎）に実施される。

図６において、先ずステップＳ１０１では、エンジン運転状態を示すエンジン回転数、負荷（例えば吸気管圧力）等の各種パラメータを読み込む。その後、ステップＳ１０２では、前記図４の制御モード切換マップを参照し、現在のエンジン負荷に応じた切換回転数を算出する。そして、続くステップＳ１０３では、可変動弁装置２５の制御モードの切換タイミングであるか否かを、現在のエンジン回転数が切換回転数に達しているか否かにより判別する。その結果、可変動弁装置２５の制御モードの切換タイミングではないと判別されれば、可変動弁装置２５を現在の制御モードに維持したまま、本処理を終了する。

また、可変動弁装置２５の制御モードの切換タイミングであると判別された時点で、ステップＳ１０４に進み、可変動弁装置２５の制御モードを切り換える。このとき、エンジン回転数が低回転側から切換回転数に到達した場合には、可変動弁装置２５の制御モードが低速リフトモードから高速リフトモードに切り換えられる。一方、エンジン回転数が高回転側から切換回転数に到達した場合には、可変動弁装置２５の制御モードが高速リフトモードから低速リフトモードに切り換えられる。

また、図７は、点火時期演算処理を示すフローチャートであり、この処理はＥＣＵ４０内のＣＰＵ４１により例えば各気筒の燃焼毎（例えば１８０°ＣＡ毎）に実施される。

図７において、ステップＳ２０１では、現在のエンジン運転領域がノック制御領域にあるか否かを判別する。例えば、高負荷且つ低・中回転領域である場合にノック制御領域にあると判別される。ノック制御領域でなければステップＳ２０２に進み、実行点火時期θとして基本点火時期ＡＢＳＥを設定して本処理を終了する。ここで、基本点火時期ＡＢＳＥは、基本点火時期マップを参照してその都度のエンジン運転状態を基に設定される点火時期である。

また、ノック制御領域であれば、ステップＳ２０３以降のノック制御を実施する。このノック制御処理では、前述した基本点火時期ＡＢＳＥに対して学習値ＡＫＧｉや補正遅角量ＡＫＣＳによる補正が行われて実行点火時期θが算出される。すなわち、ステップＳ２０３では、ノックセンサ３４の検出信号を基にノックが発生しているか否かを判別する。ノック判定はノック固有の周波数帯域のピーク値と判定レベルとを比較することによって行われるが、その判定手法は任意で良く、ここでは詳細な説明は省略する。

ノックが発生している旨判別されるとステップＳ２０４に進み、補正遅角量ＡＫＣＳを所定値（例えば、１°ＣＡ）大きくする。また、ノックが発生していない旨判別されるとステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、ノック非発生の状態で所定点火回数（例えば、１０点火数）又は所定時間が経過したか否かを判別し、ＹＥＳであることを条件にステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、補正遅角量ＡＫＣＳを所定値（例えば、１°ＣＡ）小さくする。こうして、補正遅角量ＡＫＣＳはノック発生の有無に応じて増減される。

その後、ステップＳ２０７では、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて現在の運転領域が学習領域のどの領域に属しているかを判定する。この学習領域は、エンジン負荷が所定値以上の領域で、エンジン回転数毎に複数に分割されて設けられており、各運転領域毎に学習値ＡＫＧｉ（ｉ＝１〜ｎ）がそれぞれ格納されている。なお、初期時には、各学習値ＡＫＧｉとして最大遅角量に相当する初期値が格納されている。

ステップＳ２０８では、前記ステップＳ２０４，Ｓ２０５にて算出した補正遅角量ＡＫＣＳと学習値ＡＫＧｉとを比較する。ここで、ＡＫＣＳ＞ＡＫＧｉであればステップＳ２０９に進み、その時の補正遅角量ＡＫＣＳを学習値ＡＫＧｉとして更新を行った後ステップＳ２１０に進む。また、ＡＫＣＳ≦ＡＫＧｉであれば学習値の更新を行わずにステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、前述の基本点火時期ＡＢＳＥから遅角補正量ＡＫＣＳを減算することにより実行点火時期θを算出する。

その後、ステップＳ２１１では、エンジン運転状態（エンジン負荷及びエンジン回転数）と可変動弁装置２５の制御モードとに基づいて最遅角点火時期を算出する。このとき、可変動弁装置２５の制御モード毎に用意されたマップ等を参照し、その時のエンジン負荷やエンジン回転数に基づいて最遅角点火時期を算出する。可変動弁装置２５の制御モードと最遅角点火時期との関係は、前記図５で説明したとおりである。

そして、ステップＳ２１２では、実行点火時期θが最遅角点火時期まで遅角されているか否かを判別する。ＹＥＳの場合、ステップＳ２１３で実行点火時期θを最遅角点火時期でガードし、本処理を終了する。すなわちこの場合、最遅角点火時期でガードされた実行点火時期θにより点火時期制御が実行される。また、ステップＳ２１２がＮＯの場合、そのまま本処理を終了する。すなわちこの場合、前記ステップ２１３で算出した実行点火時期θにより点火時期制御が実行される。

以上詳述した本実施の形態によれば、可変動弁装置２５の制御モード（すなわち、バルブリフト量）に応じて最遅角点火時期を変更するようにしたため、ノック限界の変化に追従して最遅角点火時期を変更でき、ノックの発生やエンジン出力性能の低下を抑制することができる。その結果、点火時期を適正に設定し、燃焼の安定性を確保することができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

最遅角点火時期を可変動弁装置２５の制御モード間（低速／高速リフトモード）で切り換える際、切換前の制御モードに対応する最遅角点火時期から切換後の制御モードに対応する最遅角点火時期に、複数段階に分けて最遅角点火時期を変更するようにしても良い。つまり、最遅角点火時期の変化率を制限し徐変させる。これにより、急激なエンジン出力の変化等が抑制できる。

吸気側及び排気側の各可変動弁装置２５，２６で各々バルブリフト量を低速用、高速用の２段階に切換可能とする構成においては、低速・中速・高速の３つのエンジン運転領域を設定しておき、各々で各可変動弁装置２５，２６の制御モードを切り換える構成が考えられる。すなわち、
（１）低速域では、吸気側＝低速リフトモード、排気側＝低速リフトモード、
（２）中速域では、吸気側＝高速リフトモード、排気側＝低速リフトモード、
（３）高速域では、吸気側＝高速リフトモード、排気側＝高速リフトモード、
とする。かかる場合、上記（１）〜（３）のそれぞれで最遅角点火時期を個別に設定すると良い。例えば上記（１）〜（３）の各々で最遅角点火時期マップを用意しておき、（３）→（２）→（１）の順で最遅角点火時期をより遅角側に設定する。これにより、何れの運転領域でも適正な点火時期制御が実現できる。

上記実施の形態では、バルブリフト可変手段として、バルブリフト量を低速用、高速用の２段階に切換可能とする可変動弁装置２５，２６を採用したが、これを他の構成の可変動弁装置に変更しても良い。例えば、バルブリフト量を連続的に調整可能な構成を有する可変動弁装置を採用しても良い。この場合、バルブリフト量の全制御範囲内で１又は複数のしきい値を設定しておき、バルブリフト量の変更に伴い該バルブリフト量がしきい値に達する都度、最遅角点火時期を変更すると良い。また、バルブリフト量を可変調整する機能に加え、バルブタイミング（開閉タイミング）を可変調整する機能を持つ可変動弁装置を採用する構成であっても良い。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 可変動弁装置を説明するための構成図である。 排気バルブ及び吸気バルブのバルブリフト動作を示すタイムチャートである。 制御モード切換マップの一例を概念的に示す図である。 エンジン負荷と最遅角点火時期との関係を示す図である。 バルブリフト制御処理を示すフローチャートである。 点火時期演算処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン、２１…吸気バルブ、２２…排気バルブ、２５，２６…可変動弁装置、２７…点火プラグ、４０…ＥＣＵ、４１…ＣＰＵ。

Claims (4)

1. 吸気バルブ又は排気バルブの少なくとも何れかのバルブリフト量を調整可能なバルブリフト可変手段を備えた内燃機関に適用され、前記内燃機関の運転状態に応じて設定される最遅角点火時期を遅角側のガードとして点火時期を制御する点火時期制御装置において、
   前記バルブリフト可変手段によるバルブリフト量に応じて前記最遅角点火時期を変更することを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。
2. 前記バルブリフト可変手段のバルブリフト量を小さくする際に最遅角点火時期を遅角側に変更し、同バルブリフト量を大きくする際に最遅角点火時期を進角側に変更する請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
3. 前記バルブリフト可変手段によるバルブリフト量が小さいほど、前記最遅角点火時期を遅角側に変更する請求項１又は２に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
4. 前記最遅角点火時期を変更する際、その変化率を制限し徐変させる請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の点火時期制御装置。

Images