JP2009299574A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 わずかな構成変更により気筒間の燃焼のばらつきを小さくして、エンジン性能を向上させることができるエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】 ＥＣＵ１Ａは、気筒毎に放電期間検出手段である放電検出抵抗４２を備える点火装置４が設けられた火花点火式多気筒エンジン１Ａにつき、所定のエンジン運転状態において複数サイクル、気筒毎に放電期間Ｔｉの計測および学習をし、学習の結果に基づいて燃焼状態を変化させる制御を気筒別に制御する。学習の結果は具体的には平均放電期間ａｖｅＴｉとして構成され、燃焼状態を変化させる制御は、具体的には平均放電期間ａｖｅＴｉが短い気筒については基準点火時期を遅らせ、平均放電期間ａｖｅＴｉが長い気筒については基準点火時期を早める点火時期制御として構成されている。
【選択図】 図４

Description

本発明はエンジンの制御装置に関し、特に燃焼室内（以下、筒内とも称す）のガス流速を高めて燃焼促進効果を引き出す火花点火式多気筒エンジンに好適なエンジンの制御装置に関する。

近年、エンジンの高効率化、低燃費化を図る有効な手段として、いわゆるリーンバーン、高ＥＧＲといった燃焼形態が知られている。これらの燃焼形態は、燃焼が遅く不安定なため、筒内のガス流速を高めることで燃焼の促進や安定化を図っている。かかる燃焼形態において、火花点火式多気筒エンジンでは点火装置および点火プラグで筒内に火花を発生させて混合気に点火をしている。この点、点火装置および点火プラグで発生させる火花に関連する技術という点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１または２で提案されている。

特開２００８−８８９４７号公報 特開２００７−２８５１６２号公報

上述の燃焼形態ではガス流速を高めることで燃焼促進等を図ることができるが、ガスの流れの僅かなばらつきが燃焼促進効果に大きく影響し、特に気筒間でばらつきがある場合には流れの悪い気筒に制限されて、エンジン全体で高効率化、低燃費化の効果が十分に得られないことが詳細な調査によりわかった。
この点、かかる課題を解決するにあたっては、ばらつきを把握する必要があると考えられ、さらにばらつきを把握するには、例えば筒内のガス流速を計測することが最も直接的で好ましいとも考えられるところ、筒内のガス流速を計測する手段で小型、低コストのものは従来技術の中には特に見当たらない。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、わずかな構成変更により気筒間の燃焼のばらつきを小さくして、エンジン性能を向上させることができるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は気筒毎に放電期間検出手段を備える点火装置が設けられた火花点火式多気筒エンジンにつき、所定のエンジン運転状態において所定の期間、気筒毎に放電期間の計測および学習をし、前記学習の結果に基づいて燃焼状態を変化させる制御を気筒別に制御することを特徴とするエンジンの制御装置である。

また本発明は前記学習の結果が平均放電期間である構成であってもよい。

また本発明は前記燃焼状態を変化させる制御が、前記平均放電期間が短い気筒については基準点火時期を遅らせ、前記平均放電期間が長い気筒については基準点火時期を早める点火時期制御である構成であってもよい。

また本発明は前記燃焼状態を変化させる制御が、前記平均放電期間が短い気筒については基準燃料噴射量を減らし、前記平均放電期間が長い気筒については基準燃料噴射量を増やす燃料噴射量制御である構成であってもよい。

また本発明はＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路の開度を制御するＥＧＲ率制御手段とが前記火花点火式多気筒エンジンの気筒毎にさらに設けられており、前記燃焼状態を変化させる制御が、前記平均放電期間が短い気筒についてはＥＧＲ率の基準値を増やし、前記平均放電期間が長い気筒についてはＥＧＲ率の基準値を減らすＥＧＲ率の制御である構成であってもよい。

また本発明は前記火花点火式多気筒エンジンが、クランク軸線に直交し、且つシリンダ中心軸線を含む面による断面が略部分楕円形状になるくぼみをピストンの頂面に有する構成であってもよい。

本発明によれば、わずかな構成変更により気筒間の燃焼のばらつきを小さくして、エンジン性能を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１はＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａで実現されている本実施例に係るエンジンの制御装置を火花点火式多気筒エンジン（以下、単にエンジンと称す）２Ａや点火装置４など関連する各構成とともに模式的に示す図である。なお、図１ではエンジン２Ａを一気筒につき、断面で模式的に示しているが、他の気筒も同様の構造となっている。
エンジン２Ａはピストン２１と、シリンダヘッド２２と、シリンダブロック２３と、吸気弁２４と、排気弁２５と、点火プラグ３とを有して構成されている。ピストン２１は、クランク軸線（図１において紙面に垂直な方向に延伸）に直交し、且つシリンダ中心軸線を含む面による断面が略部分楕円形状になるくぼみ２１１を頂面に有している。くぼみ２１１により、筒内のガスを好適に案内することができる。

エンジン２Ａの燃焼室２６には吸気通路２７が連通している。吸気通路２７はシリンダヘッド２２に形成された吸気ポート２２１を含んでおり、吸気ポート２２１には吸気弁２４が配設されている。吸気通路２７には吸気量を計測するためのエアフロメータ７と、吸気量を調節するためのスロットル弁８とがそれぞれ配設されている。また燃焼室２６には排気通路２８が連通している。排気通路２８はシリンダヘッド２２に形成された排気ポート２２２を含んでおり、排気ポートには排気弁２５が配設されている。

シリンダヘッド２２には燃焼室２６内に先端側が臨むように点火プラグ３が配設されている。点火プラグ３は、中心電極と接地電極との間のギャップに放電火花を発生させ、混合気に点火する。点火装置４は気筒毎に設けられており、点火プラグ３の中心電極には、点火コイル４１の２次巻線の一端が接続されている。点火コイル４１の２次巻線の他端は放電検出抵抗（請求項記載の放電期間検出手段に相当）４２を介して接地されている。ＥＣＵ１Ａは放電検出抵抗４２よりも点火コイル４１側の部分と放電期間信号端子４３を介して結線されている。点火コイル４１の１次巻線の一端はバッテリ４４に接続されている。点火コイル４１の１次巻線２ａの他端は、パワートランジスタ４５のコレクタ側に接続されている。

エンジン２Ａの運転中は、ＥＣＵ１Ａからパワートランジスタ４５のベース側に出力される点火信号（パルス信号）ＩＧｔに基づきパワートランジスタ４５がオン／オフされることで、バッテリ４４から点火コイル４１の１次巻線側を流れる１次電流が通電及び遮断される。点火信号ＩＧｔが立下がってパワートランジスタ４５がオフされ、点火コイル４１の１次巻線側を流れる１次電流が遮断されると、その１次電流に対応する逆起電力が１次側に発生する。この逆起電力に誘導され、点火コイル４１の２次巻線側に２次電流が流れるようになる。この２次電流により発生される点火コイル４１の１次巻線と２次巻線との巻数比倍である高電圧な２次電圧が点火プラグ３に印加される。これにより、中心電極と接地電極との間に放電火花が発生する。

ＥＣＵ１Ａは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータや入出力回路（ともに図示省略）を有して構成されている。ＥＣＵ１Ａには前述の放電検出抵抗４２のほか、エアフロメータ７やクランク角センサ９を含む各種のセンサ・スイッチ類が電気的に接続されている。ＥＣＵ１Ａは放電期間信号端子４３を介して放電検出抵抗４２から放電信号を検出することにより、放電期間を気筒毎に検出する。またＥＣＵ１Ａはエアフロメータ７の出力信号に基づき吸気量を、クランク角センサ９の出力信号に基づき回転数ＮＥをそれぞれ検出する。

次に燃焼室２６におけるガス流速および燃焼速度と放電期間との関係を図２および図３を用いて説明する。燃焼室２６内には吸気工程で大きな渦ができる。この渦は圧縮工程で押し潰され、細かい渦に分裂する。このときエンジン２Ａでは、燃焼室２６の断面形状が略部分楕円形状となっていることから、点火時期でも細かい渦が残っている。点火プラグ２の放電位置では細かい渦の位置によって図２、図３に示すようにガス流速が異なってくる。
放電位置のガスの流れが速い場合、図２に示すように火花は流れに流されて放電経路が長くなる。放電経路が長くなると点火コイル４１に蓄えられた電力の消費が大きくなるので放電期間は短くなる。逆に放電位置のガスの流れが遅い場合、図３に示すように放電経路は短くなり、放電期間は長くなる。一方、ガスの流れが速いほど、着火や燃焼は速くなる。従って着火や燃焼が速いときには放電期間が短くなる傾向がある。

そして燃焼室２６内の渦の挙動はサイクル毎に様々に変化するが、気筒間ではわずかな形状の違いや点火プラグ３の装着した向きによって渦のでき方の傾向が異なっている。すなわち、ある気筒では放電位置の流れが速く、速い着火や燃焼が多く現れ、他のある気筒では逆に放電位置の流れが遅く、遅い着火や燃焼が多く現れたりする。従って気筒毎に放電期間を検出し、その傾向を把握することで、各気筒の着火や燃焼の傾向を把握でき、同時に気筒間のばらつきを把握できる。

次にＥＣＵ１Ａの動作を図４に示すフローチャートを用いて詳述する。ＥＣＵ１Ａは吸気量と回転数ＮＥとを読み取り（ステップＳ１１）、所定の学習領域であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この所定の学習領域はエンジン運転状態（ここでは吸気量および回転数ＮＥ）に応じて学習をするために設定された領域であり、ＲＯＭに予め格納されている。本ステップで、所定のエンジン運転状態であるか否かが判断され、肯定判定であれば、所定のエンジン運転状態であると判断される。このときＥＣＵ１Ａは放電検出抵抗３０３からの放電信号の放電期間Ｔｉを気筒毎に複数サイクル計測するとともに（ステップＳ１３）、平均化して放電期間平均値ａｖｅＴｉを算出する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１３で複数サイクル計測することで、所定の期間、放電期間Ｔｉを計測することができ、これにより放電期間の傾向を把握できるようになる。またステップＳ１４で放電期間平均値ａｖｅＴｉを算出することで、放電期間の傾向を把握することができる。本実施例では放電期間平均値ａｖｅＴｉの算出が請求項記載の放電期間の学習に相当しており、放電期間平均値ａｖｅＴｉが学習の結果に相当している。なお、放電期間の学習は各気筒の放電期間の傾向を把握することが可能な処理であればよく、例えば検出した複数の放電期間Ｔｉのうちからの中央値の選択を放電期間の学習とすることなどもできる。

ステップＳ１４に続いて、ＥＣＵ１Ａは放電期間平均値ａｖｅＴｉと所定値Ｔｓとの差に基づき、点火基準時期からの点火時期補正量Ａを決定する（ステップＳ１５）。具体的には放電期間平均値ａｖｅＴｉと所定値Ｔｓとの差に係数Ｃ_１を乗じることで点火時期補正量Ａを決定する。点火時期補正量Ａは正の値が進角となり、負の値が遅角となる。また所定値Ｔｓはエンジン運転状態（ここでは吸気量および回転数ＮＥ）に応じて設定された放電期間の基準値であり、予めＲＯＭに格納されている。その後、ステップＳ１２で否定判定であれば、各気筒の基準点火時期をステップＳ１５で決定した点火時期補正量Ａの分、それぞれ補正する（ステップＳ１６）。本ステップで燃焼状態を変化させる制御が、基準点火時期を点火時期補正量Ａで補正する点火時期制御として実現される。続いてＥＣＵ１Ａは補正した点火時期を基準として点火制御を行う（ステップＳ１７）。

以上が本発明に関連してＥＣＵ１Ａが行う動作であるが、ステップＳ１３で計測される放電期間Ｔｉは、放電位置のガスの流れが速い傾向にある気筒では放電期間Ｔｉが短くなる傾向があるため、小さくなる。そしてこれに応じて放電期間平均値ａｖｅＴｉが所定値Ｔｓよりも小さくなる場合には、ステップＳ１５で決定される点火時期補正量Ａは負の値になる。この結果、ステップＳ１６で基準点火時期が遅れることになり、ステップＳ１７に示す点火制御もこの遅れた点火時期を基準にしてなされる。逆に、放電位置のガスの流れが遅い傾向にある気筒では点火基準時期を進めて点火制御をすることになる。すなわち、着火が速い傾向のある気筒では点火時期を遅らせ、着火が遅い傾向のある気筒では点火時期を早めることとなるため、気筒間の燃焼のばらつきが小さくなる。
このようにＥＣＵ１Ａは、点火装置４に放電検出抵抗４２を設けて放電期間Ｔｉを検出するとともに、制御プログラムを変更するといったわずかな構成変更により気筒間の燃焼のばらつきを小さくして、十分な燃焼促進効果を得ることができ、これによりエンジン性能を向上させることができる。

図５はＥＣＵ１Ｂで実現されたエンジンの制御装置をエンジン２Ｂや点火装置４など関連する各構成とともに模式的に示す図である。エンジン２Ｂは、吸気ポート２２１内に燃料を噴射するインジェクタ５をさらに備え、リーン条件下での燃焼を可能とするリーンバーンエンジンとして構成されている点以外、エンジン２Ａと実質的に同一のものとなっている。なお、エンジン２Ａではインジェクタの配置は適宜の配置（例えば筒内に燃料を直接噴射可能な配置）であってよいため図示省略した。またＥＣＵ１Ｂは、燃焼状態を変化させる制御として前述した点火時期制御の代わりに、以下に示す燃料噴射量制御をするように構成されている点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一のものとなっている。

図６はＥＣＵ１Ｂの動作を示すフローチャートである。本フローチャートはステップＳ１５、Ｓ１６およびＳ１７の代わりに、ステップＳ２５、Ｓ２６、Ｓ２７およびＳ２８が追加されている点以外、図４に示すフローチャートと同一のものとなっている。このため本実施例ではこれらのステップについて特に詳述する。ステップＳ１４に続いてＥＣＵ１Ｂは、放電期間平均値ａｖｅＴｉと所定値Ｔｓとの差に基づき、噴射補正量Ｂを決定する（ステップＳ２５）。具体的には放電期間平均値ａｖｅＴｉと所定値Ｔｓとの差に係数Ｃ_２を乗じることで噴射補正量Ｂを決定する。噴射補正量Ｂは正の値が増量となり、負の値が減量となる。

その後、ステップＳ１２で否定判定であれば、ＥＣＵ１Ｂはリーンバーン運転領域であるか否かを判定する（ステップＳ２６）。リーンバーン運転領域は、エンジン運転状態（ここでは吸気量および回転数ＮＥ）に応じてリーンバーン運転を行うために設定された領域であり、予めＲＯＭに格納されている。否定判定であればステップＳ１１に戻る。一方、肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ｂは各気筒の基準燃料噴射量をステップＳ２５で決定した噴射補正量Ｂの分、それぞれ補正する（ステップＳ２７）。本ステップで燃焼状態を変化させる制御が、基準燃料噴射量を噴射補正量Ｂで補正する燃料噴射量制御として実現される。続いてＥＣＵ１Ｂは補正した燃料噴射量を基準として燃料噴射制御を行う（ステップＳ２８）。

以上が本発明に関連してＥＣＵ１Ｂが行う動作であるが、ステップＳ１３で計測される放電期間Ｔｉは、放電位置のガスの流れが速い傾向にある気筒では前述の通り小さくなる。そしてこれに応じて放電期間平均値ａａｖｅＴｉが所定値Ｔｓよりも小さくなる場合には、ステップＳ２５で決定される噴射補正量Ｂは負の値になる。この結果、ステップＳ２６で基準燃料噴射量が減量されることになり、ステップＳ２８に示す燃料噴射制御もこの減量された燃料噴射量を基準にしてなされる。逆に、放電位置のガスの流れが遅い傾向にある気筒では燃料噴射量を増量して燃料噴射制御をすることになる。すなわちエンジン２Ｂでは、リーンバーン運転時に放電期間Ｔｉの長い（ガスの流れが遅く燃焼が遅い）気筒では燃料噴射量が増量され、放電期間Ｔｉの短い（ガスの流れが速く燃焼が速い）気筒では燃料噴射量が減量されるため、気筒間の燃焼のばらつきが小さくなる。
このようにＥＣＵ１Ｂは、わずかな構成変更により気筒間の燃焼のばらつきを小さくして、十分な燃焼促進効果を得ることができ、これによりエンジン性能を向上させることができる。

図７はＥＣＵ１Ｃで実現されたエンジンの制御装置をエンジン２Ｃや点火装置４など関連する各構成とともに模式的に示す図である。エンジン２ＣはＥＧＲバルブ（請求項記載のＥＧＲ率制御手段に相当）６およびＥＧＲ通路６１が気筒毎にさらに設けられている点以外、エンジン２Ａと実質的に同一のものとなっている。またＥＣＵ１Ｃは、燃焼状態を変化させる制御として前述した点火時期制御の代わりに、以下に示すＥＧＲ率の制御をするように構成されている点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一のものとなっている。
気筒毎に設けられたＥＧＲ通路６１各々は吸気通路２７と排気通路２８とを連通しており、各ＥＧＲ通路６１を介して排気が気筒毎に還流する。各ＥＧＲ通路６１にはＥＧＲバルブ６が１個ずつ設けられている。ＥＧＲバルブ６は流量調節弁であり、ＥＣＵ１Ｃに電気的に接続されている。ＥＧＲバルブ６はＥＣＵ１Ｃの制御のもと、ＥＧＲ通路６１の開度を制御することによりＥＧＲ率を制御する。

図８はＥＣＵ１Ｃの動作を示すフローチャートである。本フローチャートはステップＳ１５、Ｓ１６およびＳ１７の代わりに、ステップＳ３５、Ｓ３６、Ｓ３７およびＳ３８が追加されている点以外、図４に示すフローチャートと同一のものとなっている。このため本実施例ではこれらのステップについて特に詳述する。ステップＳ１４に続いてＥＣＵ１Ｃは、放電期間平均値ａｖｅＴｉと所定値Ｔｓとの差に基づき、ＥＧＲ補正係数Ｄを決定する（ステップＳ３５）。具体的には放電期間平均値ａｖｅＴｉと所定値Ｔｓとの差に係数Ｃ_３を乗じ、さらに対数をとることでＥＧＲ補正係数Ｄを決定する。

その後、ステップＳ１２で否定判定であれば、ＥＣＵ１ＣはＥＧＲ運転領域であるか否かを判定する（ステップＳ３６）。ＥＧＲ運転領域は、エンジン運転状態（ここでは吸気量および回転数ＮＥ）に応じてＥＧＲ運転を行うために設定された領域であり、予めＲＯＭに格納されている。否定判定であればステップＳ１１に戻る。一方、肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ｃは気筒毎にＥＧＲ率の基準値をＥＧＲ補正係数Ｄで補正した上で（ステップＳ３７）、補正したＥＧＲ率を基準としてＥＧＲバルブ６を制御する（ステップＳ３８）。ステップＳ３７で燃焼状態を変化させる制御が、ＥＧＲ率の基準値をＥＧＲ補正係数Ｄで補正するＥＧＲ率の制御として実現される。

以上が本発明に関連してＥＣＵ１Ｃが行う動作であるが、ステップＳ１３で計測される放電期間Ｔｉは、放電位置のガスの流れが速い傾向にある気筒では前述の通り小さくなる。そしてこれに応じて放電期間平均値ａｖｅＴｉが所定値Ｔｓよりも小さくなる場合には、ステップＳ３５で決定されるＥＧＲ補正係数ＤはＥＧＲ率の基準値を減らす値になる。この結果、ステップＳ３７でＥＧＲ率の基準値が減少されることになるとともに、ＥＧＲバルブ６の制御もこの減少されたＥＧＲ率を基準にしてなされる。逆に、放電位置のガスの流れが遅い傾向にある気筒ではＥＧＲ率の基準値を増やしてＥＧＲバルブ６を制御することになる。すなわちエンジン２Ｃでは、ＥＧＲ運転時に放電期間Ｔｉの長い（ガスの流れが遅く燃焼が遅い）気筒ではＥＧＲ率が増加され、放電期間Ｔｉの短い（ガスの流れが速く燃焼が速い）気筒ではＥＧＲ率が減少されるため、気筒間の燃焼のばらつきが小さくなる。
このようにＥＣＵ１Ｃは、わずかな構成変更により気筒間の燃焼のばらつきを小さくして、十分な燃焼促進効果を得ることができ、これによりエンジン性能を向上させることができる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

ＥＣＵ１Ａを関連する各構成とともに模式的に示す図である。 燃焼室２６内のガスの流れと放電の様子をガス流速が速い場合につき、模式的に示す図である。 燃焼室２６内のガスの流れと放電の様子をガス流速が遅い場合につき、模式的に示す図である。 ＥＣＵ１Ａの動作をフローチャートで示す図である。 ＥＣＵ１Ｂを関連する各構成とともに模式的に示す図である。 ＥＣＵ１Ｂの動作をフローチャートで示す図である。 ＥＣＵ１Ｃを関連する各構成とともに模式的に示す図である。 ＥＣＵ１Ｃの動作をフローチャートで示す図である。

符号の説明

１ ＥＣＵ
２ エンジン
２１ ピストン
２１１ くぼみ
３ 点火プラグ
４ 点火装置
４２ 放電検出抵抗
５ インジェクタ
６ ＥＧＲバルブ
６１ ＥＧＲ通路
７ エアフロメータ
８ スロットル弁
９ クランク角センサ

Claims (6)

1. 気筒毎に放電期間検出手段を備える点火装置が設けられた火花点火式多気筒エンジンにつき、所定のエンジン運転状態において所定の期間、気筒毎に放電期間の計測および学習をし、前記学習の結果に基づいて燃焼状態を変化させる制御を気筒別に制御することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記学習の結果が平均放電期間であることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御装置。
3. 前記燃焼状態を変化させる制御が、前記平均放電期間が短い気筒については基準点火時期を遅らせ、前記平均放電期間が長い気筒については基準点火時期を早める点火時期制御であることを特徴とする請求項２記載のエンジンの制御装置。
4. 前記燃焼状態を変化させる制御が、前記平均放電期間が短い気筒については基準燃料噴射量を減らし、前記平均放電期間が長い気筒については基準燃料噴射量を増やす燃料噴射量制御であることを特徴とする請求項２記載のエンジンの制御装置。
5. ＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路の開度を制御するＥＧＲ率制御手段とが前記火花点火式多気筒エンジンの気筒毎にさらに設けられており、
   前記燃焼状態を変化させる制御が、前記平均放電期間が短い気筒についてはＥＧＲ率の基準値を増やし、前記平均放電期間が長い気筒についてはＥＧＲ率の基準値を減らすＥＧＲ率の制御であることを特徴とする請求項２記載のエンジンの制御装置。
6. 前記火花点火式多気筒エンジンが、クランク軸線に直交し、且つシリンダ中心軸線を含む面による断面が略部分楕円形状になるくぼみをピストンの頂面に有することを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載のエンジンの制御装置。
   
   

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