JP2008223529A - 内燃機関の制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、火花点火式の内燃機関の制御システムにおいて、フューエルカット運転からの復帰時に内燃機関から排出される未燃燃料成分を低減可能な技術の提供を課題とする。
【解決手段】本発明は、冷間状態の内燃機関がフューエルカット運転から復帰する時は点火時期をMBTより前へ進角させ、温間状態の内燃機関がフューエルカット運転から復帰する時は点火時期をMBTより遅角させるようにした。かかる発明によれば、フューエルカット運転終了時の排気エミッションの増加やノックの発生を抑制しつつ、トルクショックを低減することが可能となる。
【選択図】図6

Description

本発明は、火花点火式の内燃機関を制御する技術に関する。
火花点火式の内燃機関において、フューエルカット運転終了時(すなわち、内燃機関において混合気の燃焼が再開される時)に、点火時期を通常の点火時期(例えば、MBT:Minimum spark advance for Best Torque)より遅角させることにより、トルクの急激な
増加(トルクショック)を抑制する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開平5−1611号公報 特開平5−302535号公報
ところで、内燃機関が冷間状態にある時に上記した従来の技術が実施されると、内燃機関から排出される未燃燃料成分が増加する可能性がある。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、火花点火式の内燃機関の制御システムにおいて、フューエルカット運転からの復帰時に内燃機関から排出される未燃燃料成分を低減可能な技術の提供にある。
本発明は、上記した課題を解決するために、火花点火式の内燃機関の制御システムにおいて、フューエルカット運転終了時の点火時期を内燃機関の温度条件に応じて切り換えることにより、内燃機関から排出される未燃燃料成分の低減とトルクショックの抑制とを両立するようにした。
フューエルカット運転終了時の点火時期がMBTより遅角されると、混合気の燃焼再開によるトルクの急激な増加を抑制することができる。
ところで、内燃機関が冷間状態にある場合のように気筒内の温度(以下、「筒内温度」と称する)が低い時は、燃料が気筒の内壁面やピストンに付着し易い。気筒の内壁面やピストンに付着した燃料(以下、「筒内付着燃料」と称する)の大部分は、燃焼に供されることなく未燃のまま気筒内から排出される。その際、内燃機関の排気系に配置された触媒が十分に活性していなければ、前記した未燃燃料が触媒で浄化されずに大気中へ放出される。
上記した現象は点火時期がMBTより遅角された場合に顕著となる。よって、冷間状態の内燃機関がフューエルカット運転から復帰する場合に、点火時期がMBTより遅角されると、排気エミッションの増加を招く。
これに対し、本願発明者が鋭意の実験及び検証を行った結果、火花点火式の内燃機関において点火時期がMBTより前に進角されると、内燃機関から排出される未燃燃料成分(例えば、HC)が著しく減少することが見出された。但し、内燃機関が温間状態にある時に点火時期がMBTより前へ進角されると、ノックが発生する可能性がある。
そこで、本発明にかかる内燃機関の制御システムは、フューエルカット運転終了時における内燃機関の温度条件に応じて、点火時期の遅角と進角とを切り換えるようにした。具
体的には、本発明にかかる内燃機関の制御システムは、火花点火式内燃機関の点火時期をMBTより前へ進角させる進角手段と、前記内燃機関の点火時期をMBTより後へ遅角させる遅角手段と、前記内燃機関の温度と相関する物理量を取得する温度取得手段と、前記内燃機関のフューエルカット運転終了時に、前記温度取得手段が取得した物理量に応じて前記進角手段と前記遅角手段の何れか一方を作動させる制御手段と、を備えるようにした。
かかる構成によれば、フューエルカット運転終了時における内燃機関の温度条件に応じて、点火時期をMBTより前へ進角させるか、若しくはMBTより後へ遅角させるかを切り換え可能となる。その結果、フューエルカット運転終了時における排気エミッションの増加やノックの発生を防止することができる。更に、点火時期がMBTより前へ進角された場合は、点火時期がMBTより後へ遅角された場合と同様にトルクショックの発生を抑制することもできる。
本発明にかかる制御手段は、温度取得手段により取得された物理量が所定温度未満を示す時は進角手段を作動させ、温度取得手段により取得された物理量が所定温度以上を示す時は遅角手段を作動させてもよい。
かかる構成によれば、温間状態の内燃機関がフューエルカット運転を終了する時は点火時期がMBTより後へ遅角され、冷間状態の内燃機関がフューエルカット運転を終了する時は点火時期がMBTより前へ進角されることになる。
その結果、温間状態の内燃機関がフューエルカット運転から復帰する時はノックの発生とトルクショックの発生が抑制されるとともに、冷間状態の内燃機関がフューエルカット運転から復帰する時は排気エミッションの増加とトルクショックの発生が抑制される。
本発明にかかる内燃機関の制御システムにおいて、前記した所定温度は、筒内付着燃料量が許容量以下となる温度に設定されてもよい。すなわち、前記所定温度は、内燃機関の温度が該所定温度以上の時は筒内付着燃料量が許容量以下となり、内燃機関の温度が該所定温度未満の時は筒内付着燃料量が許容量を超えると予想される温度に設定されてもよい。
本発明にかかる内燃機関の制御システムにおいて、進角手段による点火時期の進角量(例えば、MBTを基準とした進角量)は、筒内付着燃料量が多くなるほど多くされてもよい。
内燃機関から排出される未燃燃料成分量は、筒内付着燃料量が多くなるほど多くなる傾向がある。これに対し、本願発明者が鋭意の実験及び検証を行った結果、点火時期がMBTより前に進角される場合は、その進角量が多くなるほど内燃機関から排出される未燃燃料成分量が少なくなることも解った。
よって、筒内付着燃料量が多くなるほど進角手段による点火時期の進角量が増加されると、フューエルカット運転終了時に内燃機関から排出される未燃燃料成分量を所望量以下に低減させることができる。
本発明にかかる内燃機関の制御システムは、温度取得手段の代わりに筒内付着燃料量を取得する付着量取得手段を備え、制御手段は、筒内付着燃料量が許容量を超える時は進角手段を作動させ、筒内付着燃料量が許容量以下である時は遅角手段を作動させてもよい。
本発明によれば、火花点火式の内燃機関の制御システムにおいて、フューエルカット運転からの復帰時に内燃機関から排出される未燃燃料成分を低減することができる。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。
図1は、本発明にかかる内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、複数の気筒2を有する4ストロークサイクルの火花点火式の内燃機関(ガソリンエンジン)である。
内燃機関1の気筒2は、吸気ポート3を介して吸気通路30に接続されるとともに、排気ポート4を介して排気通路40に接続されている。
吸気ポート3には、気筒2内へ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁5が設けられている。吸気通路30には、該吸気通路30内を流通する空気量を制御するスロットル弁6が設けられている。スロットル弁6より下流の吸気通路30には、該吸気通路30内の圧力(吸気圧)を測定する吸気圧センサ7が設けられている。スロットル弁6より上流の吸気通路30には、該吸気通路30を流れる空気量を測定するエアフローメータ8が設けられている。
一方、排気通路40には、排気浄化装置9が配置されている。排気浄化装置9は、三元触媒や吸蔵還元型NOx触媒等を具備し、所定の活性温度域にある時に排気を浄化可能となる。
また、内燃機関1には、気筒2内に臨む吸気ポート3の開口端を開閉する吸気弁10と、気筒2内に臨む排気ポート4の開口端を開閉する排気弁11が設けられている。これら吸気弁10と排気弁11は、吸気側カムシャフト12と排気側カムシャフト13によりそれぞれ開閉駆動される。
気筒2の上部には、該気筒2内の混合気に点火する点火プラグ14が配置されている。また、気筒2内にはピストン15が摺動自在に挿入されている。ピストン15はコネクティングロッド16を介してクランクシャフト17と接続されている。
クランクシャフト17の近傍には、該クランクシャフト17の回転角度を検出するクランクポジションセンサ18が配置されている。更に、内燃機関1には、該内燃機関1を循環する冷却水の温度を測定する水温センサ19が取り付けられている。
このように構成された内燃機関1には、ECU20が併設されている。ECU20は、CPU、ROM、RAM等を備えた電子制御ユニットである。このECU20は、前述した吸気圧センサ7、エアフローメータ8、クランクポジションセンサ18、及び水温センサ19等の各種センサと電気的に接続され、各種センサの測定値を入力可能になっている。
ECU20は、前記した各種センサの測定値に基づいて燃料噴射弁5、スロットル弁6、及び点火プラグ14を電気的に制御する。例えば、ECU20は、内燃機関1のフューエルカット運転終了時にトルクの急激な増加を抑制するトルク低下制御を行う。
以下、本実施例におけるトルク低下制御について述べる。
内燃機関1がフューエルカット運転を終了した時は、該内燃機関1の発生トルクが急激
に増加してトルクショックを発生する。このため、従来はフューエルカット運転終了時に点火時期をMBTより遅角させることにより、内燃機関1の発生トルクを低下させていた。
ところで、内燃機関1が冷間状態にある場合のように筒内温度が低い時は、筒内付着燃料が増加し易い。筒内付着燃料の大部分は、燃焼に供されることなく未燃のまま気筒内から排出される。この現象は、点火時期がMBTより後へ遅角された場合に顕著となる。よって、冷間状態の内燃機関1がフューエルカット運転から復帰する時に点火時期がMBTより遅角されると、排気エミッションの増加を招く虞がある。
これに対し、本願発明者が鋭意の実験及び検証を行った結果、点火時期がMBTより前へ進角された場合は、図2に示されるように、その進角量が増加するほど気筒2内から排出される未燃燃料(HC)の量が少なくなることが解った。
このメカニズムについては明確に解明されていないが、凡そ以下のようなメカニズムによると考えられる。
図3は、点火時期がMBTより前に進角(以下、「過進角」と称する)された場合(図3中のST1)と、点火時期がMBTに設定された場合(図3中のST2)と、点火時期が圧縮上死点(TDC)に設定された場合(図3中のST3)との各々において気筒2内の状態を計測した結果を示す図である。図3中の実線は点火時期が過進角された場合、破線は点火時期がMBTに設定された場合、一点破線は点火時期が圧縮上死点(TDC)に設定された場合を各々示している。
図3において、点火時期が過進角された場合は、点火時期がMBTに設定された場合及び点火時期が圧縮上死点(TDC)に設定された場合に比べ、圧縮上死点前に燃焼される混合気の量が多くなる。このため、混合気の燃焼により発生する熱エネルギのピーク(図3中の熱発生率、発生熱量、及び燃焼質量割合を参照)が圧縮上死点前へシフトする。
よって、混合気の燃焼による昇温・昇圧効果と、ピストンの上昇動作(下死点から上死点へ向かう動作)による圧縮効果との相乗効果により、圧縮行程から膨張行程までの期間における筒内圧及び筒内温度のピーク値が大幅に上昇する。その結果、気筒内の壁面に付着した燃料が気化し、および/または燃料が気筒内の壁面に付着する前に気化して燃焼に供されると考えられる。
そこで、本実施例のトルク低下制御では、ECU20は、内燃機関1のフューエルカット運転終了時の点火時期をMBTより前へ進角(過進角)させるようにした。
但し、内燃機関1が冷間状態にある時は筒内温度が低いため点火時期が過進角されてもノックが発生し難くいが(図4を参照)、内燃機関1が温間状態にある時は筒内温度が高くなるため点火時期の過進角によりノックが発生し易い(図5を参照)。
一方、内燃機関1が冷間状態にある時は筒内温度が低いため点火時期の遅角により内燃機関1から排出される炭化水素(HC)が増加し易いが(図4を参照)、内燃機関1が温間状態にある時は筒内温度が高くなるため点火時期が遅角されても内燃機関1から排出される炭化水素(HC)が増加し難い(図5を参照)。
従って、冷間状態の内燃機関1がフューエルカット運転を終了する時は点火時期をMBTより前へ進角させることによりトルクショックを低減させるとともに、温間状態の内燃機関1がフューエルカット運転を終了する時は点火時期をMBTより遅角させることによ
りトルクショックを低減させることが好ましい。
かかる方法によれば、内燃機関1のフューエルカット運転終了時において、排気エミッションの増加やノックの発生を抑えつつ、トルクショックを低減させることができる。
次に、本実施例におけるトルク低下制御の実行手順について図6のフローチャートに沿って説明する。図6は、トルク低下制御ルーチンを示すフローチャートである。トルク低下制御ルーチンは、予めECU20のROMに記憶されており、ECU20によって周期的に実行される。
トルク低下制御ルーチンでは、ECU20は、先ずS101において内燃機関1がフューエルカット運転状態にあるか否かを判別する。S101において否定判定された場合は、ECU20は、本ルーチンの実行を終了する。一方、S101において肯定判定された場合は、ECU20は、S102へ進む。
S102では、ECU20は、内燃機関1の温度と相関する物理量を取得する。ここでいう内燃機関1の温度は気筒2内の温度(例えば、気筒2の内壁面やピストン15の頂面等の温度)である。このような温度に相関する物理量としては、冷却水の温度や潤滑油の温度等を例示することができるが、ここでは水温センサ19の測定値(冷却水温度thw)を利用する。
S103では、ECU20は、フューエルカット運転の終了条件が成立したか否かを判別する。S103において否定判定された場合は、ECU20は、S102へ戻る。S103において肯定判定された場合は、ECU20は、S104へ進む。
S104では、ECU20は、前記S102で取得された冷却水温度thwが所定温度以上であるか否かを判別する。この所定温度は、冷却水温度thwが該所定温度以上の時は筒内付着燃料量が許容量以下となり、冷却水温度thwが該所定温度未満の時は筒内付着燃料量が許容量を超える温度であり、予め実験的に求められている。尚、前記した所定温度は、冷却水温度thwが該所定温度以上の時に過進角が行われるとノックが発生し得る温度であってもよい。
前記S104において肯定判定された場合(thw≧所定温度)は、ECU20は、S105へ進む。S105では、ECU20は、MBTに所定量αを加算して目標点火時期Igttrgを決定する。所定量αは、固定量であってもよく、或いはフューエルカット運転終了条件成立時の機関運転状態に応じて変更される可変量であってもよい。
前記S104において否定判定された場合(thw<所定温度)は、ECU20は、S106へ進む。S106では、ECU20は、MBTから所定量βを減算して目標点火時期Igttrgを決定する。所定量βは、固定量であってもよいが、筒内付着燃料量に応じて変更される可変量であってもよい。例えば、所定量βは、筒内付着燃料量が多くなるほど多くされるとともに、筒内付着燃料量が少なくなるほど少なくされてもよい。
筒内付着燃料量の取得方法としては、光学的に液膜の厚さを計測するセンサを気筒2内に配置して実測する方法、導電率を計測するセンサを気筒2内に配置し該センサの計測値を筒内付着燃料量に換算する方法、若しくは機関運転状態から筒内付着燃料量を推定する方法等を例示することができる。
機関運転状態から筒内付着燃料量を推定する場合は、ECU20は、水温センサ19の測定値(冷却水温度thw)と、吸気圧センサ7の測定値(吸気圧pm)と、内燃機関1
の始動時から現時点までの積算吸入空気量(ΣGa)と、内燃機関1の始動時から現時点までの積算燃料噴射量(ΣQinj)と、燃料噴射量(Qinj)と、混合気の空燃比(A/F)との少なくとも一つをパラメータとして筒内付着燃料量を推定するようにしてもよい。
例えば、内燃機関1の始動時(以下、「機関始動時」と略称する)においては、冷却水温度thwが気筒2内の壁面温度と略同等であると考えることができる。そして、筒内付着燃料量は、気筒2内の壁面温度が低くなるほど多くなる。よって、ECU20は、機関始動時の冷却水温度thwと図7に示すマップとから筒内付着燃料量を推定することができる。
尚、機関始動時の気筒2内の壁面温度は大気の温度と略等しくなるため、内燃機関1が吸気温度センサを備えている場合には機関始動時の冷却水温度thwの代わりに吸気温度センサの測定値が利用されてもよい。
ところで、内燃機関1の始動後は、運転時間の経過とともに気筒2内の壁面温度が上昇する。その際の温度上昇量は、気筒2内で燃焼に供された燃料の積算量ΣQinj、言い換えれば気筒2内で燃焼に供された空気の積算量ΣGaに相関する。よって、ECU20は、機関始動時から現時点までの積算吸入空気量ΣGa(又は積算燃料噴射量ΣQinj)と図8に示すマップとから筒内付着燃料量を推定することもできる。
また、筒内付着燃料量は、筒内圧が低くなるほど(言い換えれば、気筒2内の負圧度合いが高くなるほど)少なくなる。筒内圧は、スロットル弁6より下流の吸気圧pm(例えば、吸気行程時の吸気圧pm)と相関する。よって、ECU20は、吸気圧pmと図9に示すマップとから筒内付着燃料量を推定することもできる。
また、筒内付着燃料量は、燃料噴射弁5から噴射される燃料量(燃料噴射量Qinj)が多くなるほど多くなる傾向もある。このため、ECU20は、燃料噴射量Qinjと図10に示すマップとから筒内付着燃料量を推定することもできる。
更に、筒内付着燃料量は、混合気の空燃比A/Fが低くなるほど多くなる傾向もある。このため、ECU20は、混合気の空燃比A/Fと図11に示すマップとから筒内付着燃料量を推定してもよい。
尚、ECU20は、図7〜図11のマップを可能な限り組み合わせることにより、筒内付着燃料量の推定精度を高めることもできる。但し、混合気の空燃比A/Fは、燃料噴射量Qinjと相関するため、機関始動時の冷却水温度thw、吸気圧pm、積算吸入空気量ΣGa、及び燃料噴射量Qinjから筒内付着燃料量が演算されてもよい。
ここで図6のトルク低下制御ルーチンに戻り、ECU20は、S105又はS106の処理を実行し終えた後にS107へ進む。S107では、ECU20は、前記S105又は前記S106で決定された目標点火時期Igttrgに従ってフューエルカット運転を終了させる。すなわち、ECU20は、燃料噴射弁5から燃料噴射を再開させるとともに、前記目標点火時期Igttrgに従って点火プラグ14を作動させる。
このようにECU20が図6のトルク低下制御ルーチンを実行することにより、本発明にかかる進角手段、遅角手段、温度取得手段、付着量取得手段、及び制御手段が実現される。
その結果、内燃機関1がフューエルカット運転を終了した際に、排気エミッションの増
加やノックの発生を防止しつつトルクショックの発生を抑えることが可能となる。
尚、本実施例では、フューエルカット運転終了時の冷却水温度thwに応じて目標点火時期IgttrgをMBTより前へ進角させるか若しくはMBTより遅角させるかを切り換える例について述べたが、フューエルカット運転終了時の筒内付着燃料量に応じて目標点火時期IgttrgをMBTより前へ進角させるか若しくはMBTより遅角させるかを切り換えてもよい。
この場合、ECU20は、図7に示すようなトルク低下制御ルーチンに従ってトルク低下制御を行うようにしてもよい。図7において、前述した図6と同様の処理には同一の符号が付されている。
図7のトルク低下制御ルーチンにおいて、ECU20は、S101において肯定判定された場合にS201へ進み、筒内付着燃料量Dpfuelを取得する。
続いて、ECU20は、S103において肯定判定された場合にS202へ進む。S202では、ECU20は、S201で取得された筒内付着燃料量Dpfuelが許容量未満であるか否かを判別する。
S202において肯定判定された場合(Dpfuel<許容量)は、ECU20は、S105へ進む。一方、S202において否定判定された場合(Dpfuel≧許容量)は、ECU20は、S106へ進む。
このようにECU20が図7のトルク低下制御ルーチンを実行すると、筒内付着燃料量Dpfuelが多くなる場合はフューエルカット運転終了時の排気エミッションの増加を抑制しつつトルクショックを低減することができるとともに、筒内付着燃料量Dpfuelが少なくなる場合はフューエルカット運転終了時のノックの発生を抑制しつつトルクショックを低減することができる。
内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。 気筒内から排出される炭化水素(HC)と点火時期との関係を示す図である。 点火時期と気筒内の状態との関係を示す図である。 内燃機関が冷間状態にある時の点火時期とトルクとの関係を示す図である。 内燃機関が温間状態にある時の点火時期とトルクとの関係を示す図である。 トルク低下制御ルーチンを示すフローチャートである。 機関始動時の冷却水温度と付着燃料量との関係を示す図である。 筒内圧と付着燃料量との関係を示す図である。 機関始動時からの積算吸入空気量と付着燃料量との関係を示す図である。 燃料噴射量と付着燃料量との関係を示す図である。 気筒内で燃焼に供される混合気の空燃比と付着燃料量との関係を示す図である。 トルク低下制御ルーチンの他の例を示すフローチャートである。
符号の説明
1・・・・・内燃機関
2・・・・・気筒
3・・・・・吸気ポート
4・・・・・排気ポート
5・・・・・燃料噴射弁
6・・・・・スロットル弁
7・・・・・吸気圧センサ
8・・・・・エアフローメータ
9・・・・・排気浄化装置
14・・・・点火プラグ
15・・・・ピストン
16・・・・コネクティングロッド
17・・・・クランクシャフト
18・・・・クランクポジションセンサ
19・・・・水温センサ
20・・・・ECU
30・・・・吸気通路
40・・・・排気通路

Claims (6)

  1. 火花点火式内燃機関の点火時期をMBTより前へ進角させる進角手段と、
    前記内燃機関の点火時期をMBTより後へ遅角させる遅角手段と、
    前記内燃機関の温度と相関する物理量を取得する温度取得手段と、
    前記内燃機関のフューエルカット運転終了時に、前記温度取得手段が取得した物理量に応じて前記進角手段と前記遅角手段の何れか一方を作動させる制御手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御システム。
  2. 請求項1において、前記制御手段は、前記温度取得手段により取得された物理量が所定温度未満を示す時は前記進角手段を作動させ、前記温度取得手段により取得された物理量が前記所定温度以上を示す時は前記遅角手段を作動させることを特徴とする内燃機関の制御システム。
  3. 請求項1又は2において、前記内燃機関の気筒内に付着する燃料の量である筒内付着燃料量を取得する付着量取得手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記進角手段を作動させる時に、前記付着量取得手段により取得された筒内付着燃料量が多くなるほど点火時期の進角量を増加させることを特徴とする内燃機関の制御システム。
  4. 火花点火式内燃機関の点火時期をMBTより前へ進角させる進角手段と、
    前記内燃機関の点火時期をMBTより後へ遅角させる遅角手段と、
    前記内燃機関の気筒内に付着する燃料量である筒内付着燃料量を取得する付着量取得手段と、
    前記内燃機関のフューエルカット運転終了時に、前記付着量取得手段が取得した筒内付着燃料量に応じて前記進角手段と前記遅角手段の何れか一方を作動させる制御手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御システム。
  5. 請求項4において、前記制御手段は、前記付着量取得手段により取得された筒内付着燃料量が許容量を超える時は前記進角手段を作動させ、前記付着量取得手段により取得された筒内付着燃料量が前記許容量以下である時は前記遅角手段を作動させることを特徴とする内燃機関の制御システム。
  6. 請求項4又は5において、前記制御手段は、前記進角手段を作動させる時に、前記付着量取得手段により取得された筒内付着燃料量が多くなるほど点火時期の進角量を増加させることを特徴とする内燃機関の制御システム。
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