JP2007132194A - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の点火時期制御装置に関し、燃焼挙動に直接影響する冷却損失を正確に求めることで高精度な点火時期制御を可能にする。
【解決手段】燃焼室内の圧力である筒内圧力Ｐ₁，Ｐ₂に基づきポリトロープ指数ｍを算出する。また、燃焼室内の残留ガス割合Ｆｄを用いて燃焼室内のガスの比熱比κを算出する。そして、ポリトロープ指数ｍ及び比熱比κから冷却損失Ｑｗを算出し、この冷却損失Ｑｗに基づき点火時期を補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の点火時期制御装置に関し、詳しくは、冷間始動時等、冷却水温によっては冷却損失を精度よく代表することのできない状況での点火時期の制御に用いて好適な制御装置に関する。

内燃機関の点火時期制御装置として、特許文献１に記載されるようなものが知られている。ここに記載の従来技術では、冷却損失が冷却水温に対して一義的に決定されるものとし、冷却水温から計算した冷却損失に基づいて点火時期を決定している。冷却損失は燃焼室内での燃料の燃焼挙動に直接影響するので、正確な冷却損失に基づいて点火時期を決定することで、適切な点火時期制御が可能になる。
特開２００４−４４５２７号公報 特開２００５−３６７５４号公報 特開昭６３−９７８７３号公報 特開２００３−３５１６７号公報 特開２００４−４４５４８号公報 特開平１１−２２９９３６号公報

しかしながら、内燃機関の運転状況によっては、冷却水温では必ずしも冷却損失を精度良く代表することができない。例えば、冷間始動時における冷却損失と冷却水温との関係には気温等の影響によるばらつきが生じ、暖機の完了後のように一義的には定まらない。燃焼室の壁面温度が低下している再始動直後についても同様であり、冷却損失と冷却水温との関係にはばらつきが生じる。内燃機関の運転状況に左右されることなく、常に適切な点火時期制御を行うためには、燃焼挙動に直接影響する冷却損失を正確に求めることが求められる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼挙動に直接影響する冷却損失を正確に求めることで高精度な点火時期制御を可能にした内燃機関の点火時期制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の点火時期制御装置であって、
内燃機関の燃焼室内の残留ガス割合を推定する残量ガス割合推定手段と、
前記燃焼室内の圧力である筒内圧力に基づきポリトロープ指数を算出するポリトロープ指数算出手段と、
前記残留ガス割合を用いて前記燃焼室内のガスの比熱比を算出する比熱比算出手段と、
前記ポリトロープ指数及び前記比熱比から冷却損失を算出する冷却損失算出手段と、
前記冷却損失に基づき点火時期を補正する点火時期補正手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の点火時期制御装置であって、
内燃機関の燃焼室内の残留ガス割合を推定する残量ガス割合推定手段と、
前記燃焼室内の圧力である筒内圧力に基づきポリトロープ指数を算出するポリトロープ指数算出手段と、
前記残留ガス割合を用いて前記燃焼室内のガスの比熱比を算出する比熱比算出手段と、
前記ポリトロープ指数及び前記比熱比から冷却損失を算出する冷却損失算出手段と、
前記内燃機関の冷間始動を判定する冷間始動判定手段と、
冷間始動時には前記冷却損失に基づき点火時期を補正する点火時期補正手段と、
を備えることを特徴としている。

また、第３の発明は、上記の第１又は第２の発明において、
前記点火時期補正手段は、前記内燃機関の回転数及び／又は負荷より点火時期補正係数を算出し、前記冷却損失と前記点火時期補正係数との積を点火時期補正量として算出することを特徴としている。

本発明によれば、燃焼挙動に直接影響する冷却損失をポリトロープ指数及び比熱比から正確に算出することができ、その冷却損失に基づき点火時期を補正するので、冷間始動時のように冷却水温によっては冷却損失を精度よく代表することのできない状況であっても、高精度な点火時期制御が可能になる。

以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態としての点火時期制御装置が適用された内燃機関（以下、単にエンジンという）の概略構成を示す図である。本実施形態にかかるエンジンは、内部にピストン８が配置されたシリンダブロック４と、シリンダブロック４に組み付けられたシリンダヘッド６を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド６までの空間は燃焼室１０を形成しており、この燃焼室１０に連通するように吸気ポート１２と排気ポート１４がシリンダヘッド６に形成されている。吸気ポート１２には新気を燃焼室１０内に導入するための吸気通路２２が接続され、排気ポート１４には燃焼ガスを排出するための排気通路２４が接続されている。

シリンダヘッド６において、吸気ポート１２と燃焼室１０との接続部には、吸気バルブ３２が設けられている。吸気バルブ３２には、そのバルブタイミングを可変にするバルブタイミング可変機構４２が取り付けられている。排気ポート１４と燃焼室１０との接続部には、排気バルブ３４が設けられている。排気バルブ３４にも、そのバルブタイミングを可変にするバルブタイミング可変機構４４が取り付けられている。また、燃焼室１０の頂部には、点火プラグ３８と、燃焼室１０内の圧力（筒内圧）に応じた信号を出力する筒内圧センサ５６とが取り付けられている。

吸気通路２２の上流端にはエアクリーナ２６が設けられ、新気はエアクリーナ２６を通って吸気通路２２内に取り込まれる。エアクリーナ３２の下流には、新気の吸入量に応じた信号を出力するエアフローメータ５４が配置されている。また、吸気通路２２の途中には電子制御式のスロット３６が配置され、吸気ポート１２の近傍にはインジェクタ３０が設けられている。

本実施形態にかかるエンジンは、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には前述のインジェクタ３０，スロットル３６，点火プラグ３８，バルブタイミング可変機構４２，４４等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のエアフローメータ５４や筒内圧センサ５６の他、クランク軸１６の回転角度に応じた信号を出力するクランク角センサ５２等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがって各機器を駆動するようになっている。

図２は、本実施形態においてＥＣＵ５０により実行されるエンジンの点火時期制御の内容をフローチャートで示したものである。図２に示す点火時期制御ルーチンは、各気筒の１サイクル毎に実行される。例えば、本実施形態にかかるエンジンが４気筒エンジンの場合には、本ルーチンは１８０°CA毎に周期的に実行される。

本ルーチンの最初のステップＳ１００では、イグニッションスイッチ（ＩＧ）等のエンジンのスタートスイッチがオンとなっているか否か判定される。イグニッションスイッチが未だオフの場合には次のステップＳ１０２には進まず、イグニッションスイッチがオンになったら次のステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、エンジンの暖機完了後（Ｈｏｔ）か暖機完了前（Ｃｏｌｄ）か判定される。暖機完了後か暖機完了前かは、冷却水温から判断することができる。例えば、冷却水温が９０℃以上であるならば暖機完了後と判断してもよい。暖機完了後の場合には次のステップＳ１０４には進まず、暖機完了前と判断された場合にステップＳ１０４移行の処理が実行される。

ステップＳ１０４でエンジン回転数（単位時間当たりの回転数）ＮＥが取得される。エンジン回転数ＮＥは、クランク角センサ５２からのクランク角信号を処理することによって算出することができる。

ステップＳ１０６では、エアフローメータ５４の信号から吸入空気量ＧＡが取得され、また、エンジン回転数ＮＥやスロットル開度等の情報から充填効率（エンジンの負荷）ＫＬが算出される。スロットル開度は、ＥＣＵ５０からスロットル３６のドライバに供給される指令値から取得される。

ステップＳ１０８では、ＥＣＵ５０からインジェクタ３０のドライバに供給される指令値から燃料噴射量ＧＦが取得される。

ステップＳ１１０では、吸入空気量ＧＡと燃料噴射量ＧＦとから、筒内混合気の空燃比ＡＦが算出される。

ステップＳ１１２では、ＥＣＵ５０から各バルブタイミング機構４２，４４のドライバに供給される指令値から各バルブ３２，３４のバルブタイミングが取得される。具体的には、吸気バルブ３２に関してはバルブタイミング進角量が取得され、排気バルブ３４に関してはバルブタイミング遅角量が取得される。

ステップＳ１１４では、バルブタイミング、吸入空気量ＧＡ、及びエンジン回転数ＮＥを軸とする多次元マップから、筒内混合気における残留ガスの割合Ｆｄが算出される。

ステップＳ１１６では、筒内圧センサ５６の信号から、圧縮行程中の２つの特定点（特定のクランク角度）における筒内圧力が取得される。ここでは、筒内容積がＶ₁の特定点における筒内圧力をＰ₁とし、筒内容積がＶ₂の特定点における筒内圧力をＰ₂とする。

ステップＳ１１８では、上記の２つの特定点間でのポリトロープ指数ｍが次式（１）を用いて算出される。

ステップＳ１２０では、筒内混合気の比熱比κが下記の式（２）乃至式（６）からなる連立方程式を用いて算出される。なお、κ_airは空気の比熱比、κ_fuelは燃料の比熱比、κ_resは残留ガスの比熱比、Ｔは筒内温度、Ｍは筒内ガス質量（式（１）の分子に等しい）、Ｒは気体定数、ｃ₁₁〜ｃ₁₆，ｃ₂₁〜ｃ₂₆，ｃ₃₁〜ｃ₃₆はそれぞれ既知の係数である。

ステップＳ１２２では、ステップＳ１１８，Ｓ１２０で得られたポリトロープ指数ｍ及び比熱比κを用い、次式（７）のエネルギ保存則から冷却損失Ｑｗが算出される。Δｔは上記の２つの特定点間の実時間である。

ステップＳ１２４では、エンジン回転数ＮＥと充填効率ＫＬを軸とするマップから、点火時期補正係数ａが算出される。図３及び図４はマップの設定例を示している。図３は、充填効率ＫＬが一定の場合におけるエンジン回転数ＮＥに対する点火時期補正係数ａの設定例を示し、図４は、エンジン回転数ＮＥが一定の場合における充填効率ＫＬに対する点火時期補正係数ａの設定例を示している。

ステップＳ１２６では、冷却損失Ｑｗに点火時期補正係数ａを乗算することにより、点火時期補正量ΔＳＡが算出される。

ＥＣＵ５０は、上記ルーチンによって算出された点火時期補正量ΔＳＡをエンジン回転数ＮＥや充填効率ＫＬから決まる基本点火時期に加算することで点火時期の補正を行う。補正された点火時期は、ＥＣＵ５０から点火プラグ３８のドライバに供給される。

以上のように、本実施形態にかかる点火時期制御によれば、燃焼挙動に直接影響する冷却損失Ｑｗをポリトロープ指数ｍ及び比熱比κから正確に算出し、その冷却損失Ｑｗに基づき点火時期を補正する。したがって、冷間始動時のように冷却水温によっては冷却損失を精度よく代表することのできない状況であっても、高精度な点火時期制御が可能になる。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ５０による上記ステップＳ１１４の処理の実行により、第１及び第２の発明の「残量ガス割合推定手段」が実現され、上記ステップＳ１１８の処理の実行により、第１及び第２の発明の「ポリトロープ指数算出手段」が実現され、上記ステップＳ１２０の処理の実行により、第１及び第２の発明の「比熱比算出手段」が実現されている。また、ＥＣＵ５０による上記ステップＳ１２２の処理の実行により、第１及び第２の発明の「冷却損失算出手段」が実現され、上記ステップＳ１２６の処理の実行により、第１及び第２の発明の「点火時期補正手段」が実現されている。また、ＥＣＵ５０による上記ステップＳ１０２の処理の実行により、第２の発明の「冷間始動判定手段」が実現されている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

残留ガス割合Ｆｄを算出するためのマップには、大気温度や大気圧力の次元を追加することもできる。これによれば、残留ガス割合Ｆｄの算出精度を高めることができる。また、上記エンジンが吸気バルブリフトを変更可能な場合には、残留ガス割合Ｆｄを算出するためのマップにバルブリフトの次元を追加してもよい。

また、上記実施の形態では本発明を冷間始動時における点火時期制御に適用しているが、本発明は冷間始動時のみならず、エンジンの再始動時等、冷却損失と冷却水温との相関にばらつきがあり、冷却水温によっては冷却損失を精度よく代表することのできない状況での点火時期制御にも好適である。暖機完了後の点火時期制御にも適用可能である。

本発明の実施の形態としての点火時期制御装置が適用された内燃機関の概略構成図である。 本発明の実施の形態において実行される点火時期制御ルーチンのフローチャートである。 充填効率ＫＬが一定の場合におけるエンジン回転数ＮＥに対する点火時期補正係数ａの設定例を示す図である。 エンジン回転数ＮＥが一定の場合における充填効率ＫＬに対する点火時期補正係数ａの設定例を示す図である。

符号の説明

１０ 燃焼室
３０ インジェクタ
３２ 吸気バルブ
３４ 排気バルブ
３６ スロットル
３８ 点火プラグ
５０ ＥＣＵ
５２ クランク角センサ
５４ エアフローメータ
５６ 筒内圧センサ

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室内の残留ガス割合を推定する残量ガス割合推定手段と、
   前記燃焼室内の圧力である筒内圧力に基づきポリトロープ指数を算出するポリトロープ指数算出手段と、
   前記残留ガス割合を用いて前記燃焼室内のガスの比熱比を算出する比熱比算出手段と、
   前記ポリトロープ指数及び前記比熱比から冷却損失を算出する冷却損失算出手段と、
   前記冷却損失に基づき点火時期を補正する点火時期補正手段と、
   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。
2. 内燃機関の燃焼室内の残留ガス割合を推定する残量ガス割合推定手段と、
   前記燃焼室内の圧力である筒内圧力に基づきポリトロープ指数を算出するポリトロープ指数算出手段と、
   前記残留ガス割合を用いて前記燃焼室内のガスの比熱比を算出する比熱比算出手段と、
   前記ポリトロープ指数及び前記比熱比から冷却損失を算出する冷却損失算出手段と、
   前記内燃機関の冷間始動を判定する冷間始動判定手段と、
   冷間始動時には前記冷却損失に基づき点火時期を補正する点火時期補正手段と、
   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。
3. 前記点火時期補正手段は、前記内燃機関の回転数及び／又は負荷より点火時期補正係数を算出し、前記冷却損失と前記点火時期補正係数との積を点火時期補正量として算出することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の点火時期制御装置。
   

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