JP2010084616A - 火花点火式エンジンの異常燃焼予測方法ならびにエンジンの制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異常燃焼の予測精度を向上する。
【解決手段】火花点火式エンジン４において、エンジンが低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより、点火後の正常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する正常燃焼時点を求めてその値を記憶する工程Ｓ１１と、前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して異常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する異常燃焼時点を求めてその値を記憶する工程Ｓ１２と、前記異常燃焼時点を、現在の外部環境因子によって補正する工程１３と、前記補正後の異常燃焼時点が前記正常燃焼時点より以前にあって、両時点間の差が所定値以上のときに、前記燃焼制御パラメータを補正すべき異常燃焼が発生したと予測する工程Ｓ２と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、プリイグニッションなどのエンジンの異常燃焼の発生を予測し抑制する技術に関する。

圧縮比を高くすると燃費が向上することが従来より知られているが、高圧縮比にするとノッキングやプリイグニッションなどの異常燃焼が発生し易くなる。

ここで、プリイグニッション（以下、プリイグ）は、エンジンの運転環境の変化などによってシリンダ内の混合気が点火後の正常燃焼時点（例えば、燃焼質量割合が１０％に到達するクランク角度であるＭＢ１０％ＣＡ）より前に自己着火する現象である。プリイグはエンジンの信頼性に影響を及ぼすため、従来より、このプリイグの発生を精度良く検出し、抑制する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、燃焼イオン電流によってプリイグの前兆現象であるポストプリイグの発生の可否を判定し、発生時は燃料噴射増量又は点火時期をリタードすることが記載されている。

また、特許文献２には、プリイグを検出又は予測し、プリイグの発生時又は予測時は、燃料噴射時期をリタードさせることが記載されている。

さらに、特許文献３には、吸気弁閉時期をプリイグを抑制できるタイミングに補正することが記載されている。
特開２００６−０４６１４０号公報 特開２００２−３３９７８０号公報 特開２００１−１５９３４８号公報

上記プリイグの検出または予測を精度良く行うことは、特許文献２，３のようにプリイグの発生を未然に抑制しエンジンの信頼性を向上させるために非常に重要な課題である。

また、特許文献１は、実際に発生するプリイグを検出するので、プリイグの発生を予測して事前に抑制することはできない。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされ、その目的は、プリイグの予測精度を高めることで、プリイグの抑制制御が実行し易くなり、抑制効果を向上できる技術を実現することである。

上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る第１の形態は、火花点火式エンジンにおいて、エンジンが低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより、点火後の正常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する正常燃焼時点を求めてその値を記憶する工程と、前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して異常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する異常燃焼時点を求めてその値を記憶する工程と、前記異常燃焼時点を、現在の外部環境因子によって補正する工程と、前記補正後の異常燃焼時点が前記正常燃焼時点より以前にあって、両時点間の差が所定値以上のときに、前記燃焼制御パラメータを補正すべき異常燃焼が発生したと予測する工程と、を有する。このように正常燃焼時点と外部環境因子によって補正された異常燃焼時点との差に基づいて異常燃焼を予測するので、異常燃焼の予測精度が向上し、その後の異常燃焼抑制制御が実行し易くなる。

また、第２の形態は、前記正常燃焼時点は、圧縮上死点後の膨張行程までの間に設定される。
このように異常燃焼の影響が少ない時期まで正常燃焼とみなすことでプリイグ抑制制御によるトルク低下を抑えることができる。

また、第３の形態は、前記正常燃焼時点および異常燃焼時点での各所定の燃焼質量割合は、予め実験を行って得られたデータから構成されるマップとして記憶されている。このように正常燃焼時点と異常燃焼時点を予め実験により求めておくことで、所定燃焼質量割合となる燃焼開始時点での異常燃焼の予測精度を向上させることができる。

また、第４の形態は、火花点火式エンジンの制御方法であって、エンジンが所定回転数以下の低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより求められた点火後の正常燃焼における所定の燃焼割合に到達する正常燃焼時点と、前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して求められた所定の燃焼割合に到達する異常燃焼時点との差を求めて、異常燃焼の発生を予測する工程と、前記予測結果に基づいて異常燃焼を抑制する方向に前記燃焼制御パラメータを補正する工程と、を有する。このように正常燃焼時点と異常燃焼時点との差に基づいてプリイグを予測するので、プリイグの予測精度が向上し、その後の異常燃焼抑制制御が実行し易くなる。

また、第５の形態は、前記正常燃焼時点と異常燃焼時点との差が大きいほど、前記燃焼制御パラメータの補正量を拡大する。これにより異常燃焼をその度合に応じて効果的に抑制することができる。

また、第６の形態は、火花点火式エンジンの制御装置において、エンジンが低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより、点火後の正常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する正常燃焼時点を求める第１の演算手段と、前記第１の演算手段により求められた正常燃焼時点でのパラメータ値を記憶する第１の記憶手段と、前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して異常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する異常燃焼時点を求める第２の演算手段と、前記第２の演算手段により求められた異常燃焼時点でのパラメータ値を記憶する第２の記憶手段と、前記異常燃焼時点を、現在の外部環境因子によって補正する第１の補正手段と、前記補正後の異常燃焼時点が、前記正常燃焼時点より以前にあって、両時点の差が所定値以上のときに、前記燃焼制御パラメータを補正すべき異常燃焼が発生すると予測する予測手段と、前記予測手段による予測結果に基づいて、前記燃焼制御パラメータを補正する第２の補正手段と、を有する。このように正常燃焼時点と外部環境因子によって補正された異常燃焼時点との差に基づいて異常燃焼を予測するので、異常燃焼の予測精度が向上し、その後の異常燃焼抑制制御が実行し易くなる。

また、第７の形態は、火花点火式エンジンの制御装置において、エンジンが低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより、点火後の正常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する正常燃焼時点を求める第１の演算手段と、前記第１の演算手段により求められた正常燃焼時点でのパラメータ値を記憶する第１の記憶手段と、前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して異常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する異常燃焼時点を求める第２の演算手段と、前記第２の演算手段により求められた異常燃焼時点でのパラメータ値を記憶する第２の記憶手段と、前記正常燃焼時点と異常燃焼時点との差に基づいて、異常燃焼の発生を予測する予測手段と、前記予測手段による予測結果に基づいて、前記異常燃焼を抑制する方向に前記燃焼制御パラメータを補正する第２の補正手段と、を有する。このように正常燃焼時点と異常燃焼時点との差に基づいて異常燃焼を予測するので、異常燃焼の予測精度が向上し、その後の異常燃焼抑制制御が実行し易くなる。

また、第８の形態は、前記正常燃焼時点および異常燃焼時点での各所定の燃焼質量割合は、予め実験を行って得られたデータから構成されるマップとして記憶されている。このように正常燃焼時点と異常燃焼時点を予め実験により求めておくことで、所定燃焼質量割合となる燃焼開始時点での異常燃焼の予測精度を向上させることができる。

また、第９の形態は、吸気湿度が低いほど、前記第１の補正手段による補正量を拡大する。このように異常燃焼が発生し易い環境において抑制効果を高めて、エンジンの信頼性を向上させることができる。

また、第１０の形態は、吸気温度が高いほど、前記第１の補正手段による補正量を拡大する。このように異常燃焼が発生し易い環境において抑制効果を高めて、エンジンの信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、正常燃焼時点と外部環境因子によって補正された異常燃焼時点との差に基づいて異常燃焼を予測するので、異常燃焼の予測精度が向上し、その後の異常燃焼抑制制御が実行し易くなる。

以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。

［エンジンの制御装置］
図１は、本発明に係る実施形態のエンジン制御系を示す概略構成図である。図２は、本発明に係る実施形態のエンジン制御系のブロック図である。

図１に示すように、エンジン４は火花点火式直噴エンジンであって、４つのシリンダ１１を有し、クランクシャフト１４から自動変速機５に駆動力が伝達される。

エンジン４は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、ブロック１２の内部にシリンダ１１が形成されている。シリンダブロック１２にはクランクシャフト１４が回転自在に軸支されており、このクランクシャフト１４が、コネクティングロッド１６を介してピストン１５に連結されている。

ピストン１５は、各シリンダ１１内に摺動自在に嵌挿されており、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。各シリンダ１１に対して２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれが燃焼室１７に連通している。同様に、各シリンダ１１に対して２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれが燃焼室１７に連通している。

吸気弁２１及び排気弁２２は、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構３０により、排気弁２２は排気弁駆動機構４０により、それぞれ駆動され、それによって所定のタイミングで往復動して、吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉する。

吸気弁駆動機構３０及び排気弁駆動機構４０は、それぞれ吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１を有する。カムシャフト３１，４１は、チェーンやスプロケット等の動力伝達機構を介してクランクシャフト１４に連結されている。

吸気弁駆動機構３０は、吸気カムシャフト３１の位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）３２を含んでいる。ＶＶＴ３２は、動力伝達機構と吸気カムシャフト３１との間に設けられている。このＶＶＴ３２は、クランクシャフト１４により直接駆動され且つ吸気カムシャフト３１と同軸に配置された被駆動軸（不図示）と吸気カムシャフト３１との間に、エンジン制御器１００からの制御信号（バルブ位相角）ＶＶＴＤに応じた位相差を設けるように構成されている。これにより、空気量（有効圧縮比）の調整が行われる。

ＶＶＴ３２は、例えば液圧式や電磁式等の位相可変機構とすることができる。液圧式の場合、被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間に周方向に並ぶ複数の液室を設け、それらの液室間に圧力差を設けることによって、上記位相差を作り出すことができる。電磁式の場合、被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間に電磁石と一方向に位相差を設けるような付勢力を生じるスプリングとを有する構成とし、その電磁石に電力を付与することによって前記位相差を作り出すことができる。

吸気カムシャフト３１の位相角は、カム角センサ３５により検出され、その出力信号ＶＶＴＡがエンジン制御器１００に入力される。

点火プラグ５１は、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火機構５２は、エンジン制御器１００からの制御信号（点火時期）ＳＡを受けて、点火プラグ５１が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。これにより、点火時期の調整が行われる。

燃料噴射弁５３は、周知の構造でシリンダヘッド１３の一側（図では吸気側）に取り付けられている。燃料噴射弁５３の先端は、上下方向については２つの吸気ポート１８の下方に、また、水平方向については２つの吸気ポート１８の中間に位置して、燃焼室１７内に臨んでいる。

燃料供給機構５４は、燃料噴射弁５３に燃料を昇圧して供給する高圧ポンプ（不図示）と、この高圧ポンプに対して燃料タンクからの燃料を送る配管やホース等と、燃料噴射弁５３を駆動する電気回路と、を備えている。この電気回路は、エンジン制御器１００からの制御パルス信号（燃料噴射量ＦＰおよび噴射時期ＦＴ）を受けて燃料噴射弁５３のソレノイドを作動させ、所定量の燃料を所定の噴射タイミングで燃焼室１７内に噴射させる。

吸気ポート１８は、吸気マニホルド５５内の吸気通路５５ｂによってサージタンク５５ａに連通している。図示しないエアクリーナからの吸気流は、スロットルボデー５６を通過してサージタンク５５ａに供給される。スロットルボデー５６にはスロットル弁５７が配置されており、このスロットル弁５７は、サージタンク５５ａに向かう吸気流を絞って、その流量を調整する。スロットル・アクチュエータ５８が、エンジン制御器１００からの制御信号（スロットル開度）ＴＶＯを受けて、スロットル弁５７の開度を調整する。これにより、空気量（吸気管圧力）の調整が行われる。

排気ポート１９は、排気マニホルド６０内の排気通路を介して排気管内の通路に連通している。排気マニホルド６０内よりも下流の排気通路には、１つ以上の触媒コンバータ６１を有する排気ガス浄化システムが配置されている。

また、排気ガスの一部を吸気系に循環させる（以下、ＥＧＲ）ために、吸気マニホルド５５（スロットル弁５７よりも下流側）と排気マニホルド６０との間がＥＧＲパイプ６２によって接続されている。排気側の圧力は吸入側よりも高いので、排気ガスの一部は吸気マニホルド５５に流れ込むようになり（ＥＧＲガス）、この吸気マニホルド５５から燃焼室１７に吸入される新気と混ざることになる。ＥＧＲパイプ６２にはＥＧＲバルブ６３が配設され、このバルブ６３によってＥＧＲガスの流量を調整する。ＥＧＲバルブ・アクチュエータ６４は、エンジン制御器１００からの制御信号ＥＧＲを受けて、ＥＧＲバルブ６３の開度を調整する。

図２にも示すように、エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プリイグ予測部１０１ａやプリイグ抑制部１０１ｂとして、後述するエンジン制御手順を記憶したプログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてエンジン制御プログラムおよび燃焼制御パラメータテーブル１０２ａなどのデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バス１０３と、を備えている。

エンジン制御器１００は、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７５からのアクセル開度信号α、自動変速機５の出力軸の回転速度を検出する車速センサ７６からの車速信号ＶＳＰ、吸気温度センサ７７からの吸気温度ＴＡ、吸気湿度センサ７８からの吸気湿度ＴＭ、エンジン水温センサ７９からの冷却水温度ＴＥ、ノックセンサ８０からのノッキング検出信号ＮＫ、燃圧センサ８１からの燃料圧力Ｐ、エアフローセンサ７１からの吸気流量ＡＦ、吸気圧センサ７２からの吸気マニホルド圧ＭＡＰ、クランク角センサ７３からのクランク角パルス信号ＣＡ、酸素濃度センサ７４からの排気ガスの酸素濃度Ｏ2等の種々の入力を受ける。エンジン制御器１００は、クランク角パルス信号ＣＡに基づいて、エンジン回転数ｎｅを演算する。

また、エンジン制御器１００は、上述の種々の入力に基づいて、例えば、所定のスロットル開度ＴＶＯ、燃料噴射量ＦＰおよび噴射時期ＦＴ、点火時期ＳＡ、バルブ位相角ＶＶＴＤ等のエンジン４の制御パラメータを演算し、それらの信号を、スロットル・アクチュエータ５８、燃料供給機構５４、点火機構５２、ＶＶＴ３２等に出力する。

また、エンジン制御器１００は、オルタネータ８２への発電制御信号Ｇｅ、自動変速機５の変速機構６への変速制御信号ＡＴ、ロックアップ機構７へのロックアップ制御信号Ｌ／Ｕを出力する。

［プリイグの予測・抑制方法］
図４は、本実施形態により予測されるプリイグを説明する図である。

図４（ａ）に示すように、本実施形態では、点火（イグニッション）後の正常燃焼におけるＭＢ（Mass Burn：燃焼質量割合）１０％に到達するＣＡ（Crank Angle：クランク角度）より前で発生する初期プリイグ、および点火前に発生する暴走プリイグが予測可能であるが、以下では主に初期プリイグの予測方法について説明する。

また、図４（ｂ）に示すように、初期プリイグは、エンジンが低速回転（７５０〜２０００ｒｐｍ程度）で運転されている領域において、牽引での発進時、坂道発進時、オーバーシフト時などのエンジン負荷が急激に上昇する高負荷時において発生する。これは高圧縮比の下で高負荷がかかることによって空燃比が理論空燃比よりリッチ側にふれて、自己着火し易い環境となることが一因と考えられる。

図３は、本実施形態のエンジン制御器が実行するプリイグ予測・抑制手順を示すフローチャートである。

図３において、先ず、エンジン制御器１００のプリイグ予測部１０１ａは、後で詳述するプリイグ予測ルーチンを実行する（Ｓ１）。その結果、プリイグの発生が予測されると判定されたならば（Ｓ２でＹＥＳ）、プリイグ抑制部１０１ｂは、後で詳述するプリイグ抑制ルーチンを実行する（Ｓ３）。その後、エンジン制御器１００は、メモリ１０２に記憶されたエンジン制御プログラムおよび予め設定された燃焼制御パラメータテーブル１０２ａに基づいてエンジン制御を実行する（Ｓ４）。

また、プリイグの発生が予測されないと判定されたならば（Ｓ２でＮＯ）、プリイグ抑制ルーチンを実行しないで、エンジン制御器１００は、メモリ１０２に記憶されたエンジン制御プログラムおよび燃焼制御パラメータテーブル１０２ａに基づいてエンジン制御を実行する（Ｓ４）。

ここで、図３のＳ１でのプリイグ予測ルーチンについて詳細に説明する。

図３において、プリイグ予測部１０１ａは、エンジン負荷（ｃｅ：吸気充填量）および回転数ｎｅごとに予め設定された燃焼制御パラメータテーブル（空燃比（Ａ／Ｆ）、吸気弁閉時期（ＶＶＴＤ）、燃料噴射時期（ＦＴ）、点火時期（ＳＡ）、ＥＧＲ率等からなるテーブル：図７参照）を参照して、先ず、点火後の正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡに到達する時点を演算もしくは実験により求め、そのデータを正常燃焼マップとして記憶する（Ｓ１１、図７（ａ））。

次に、プリイグ予測部１０１ａは、上記燃焼制御パラメータテーブル１０２ａから点火時期ＳＡを除外してプリイグＭＢ１０％ＣＡに到達する時点を演算もしくは実験により求め、そのデータをプリイグマップとして記憶する（Ｓ１２、図７（ｂ））。

次に、プリイグ予測部１０１ａは、上記プリイグマップを、現在のエンジンの運転状態などの外部環境因子によって補正する（Ｓ１３）。

ここでは、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、上記外部環境因子として、燃焼状態に影響を及ぼす吸気温度、吸気湿度、オクタン価、有効圧縮比に応じて補正する。例えば、図６（ａ）に示すように、吸気温度が高いほど高温なほど自己着火し易くなるので補正量を拡大し、２５℃を境に吸気温度が高く、エンジン回転数が高いほど補正量が増加する傾きを大きくし、反対に２５℃より吸気温度が低く、エンジン回転数が低いほど補正量の減少の傾きが小さくなる。また、図６（ｂ）に示すように、吸気湿度（絶対湿度）が高いほど自己着火し難くなるので補正量を減少させ、エンジン回転数が高いほど補正量の減少の傾きが大きくなる。また、図６（ｃ）に示すように、オクタン価が高いほど自己着火し難くなるので補正量を減少させる。なお、このオクタン価は、例えば点火時期のリタード量から判定できる。また、図６（ｄ）に示すように、生産ばらつきやカーボン付着による実圧縮比が高いほど自己着火し易くなるので補正量を拡大させる。なお、実圧縮比は吸気弁閉時期や筒内圧をセンサなどにより検出することで判定できる。

そして、プリイグ予測部１０１ａは、上記補正後のプリイグＭＢ１０％ＣＡが、上記正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡより前側であって、両時期の差が所定値以上のときに、上記燃焼制御パラメータテーブルを補正すべきプリイグが発生することを予測する（Ｓ２）。ここで、所定値は、例えば５°ＣＡ／７５０ｒｐｍとし、正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡの範囲は点火時期が膨張行程にまでリタードされている場合を含むものとする。このようにプリイグの影響が少ない時期まで正常燃焼とみなすことでプリイグ抑制制御によるトルク低下を抑えることができる。

図７〜図９は、図３のプリイグ予測手順の具体例を示している。

ここで、図５に示すように、プリイグの特性として、正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡより前側であるほど燃焼による熱発生量が多くなり、プリイグ強度が大きくなっていく。このプリイグ強度は、正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡに対してどのくらい前でプリイグが発生するかを示す指標を表し、下記式により定義する。

プリイグ強度＝ＭＢ１０％ＣＡ正常燃焼マップ−ＭＢ１０％ＣＡプリイグマップ
また、本実施形態では、後述するように下記Ｌｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕ積分式を用いて点火後の自己着火時間ｔ１を求めてプリイグの発生を予測する。

また、ＭＢ１０％ＣＡは、下記式により定義する。

例えば、図７（ａ）の１０００ｒｐｍ／ｃｅ０．９の条件でのプリイグ強度は、補正前の初期条件ではＸ10（正常燃焼マップ）−Ｘ10（プリイグマップ）＝１５−２５＝−１０となり、プリイグ発生タイミングが正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡより後になるため、プリイグは発生しないと予測できる。

これに対して、エンジンの運転状態が変化した場合（吸気温度ＴＡが２５℃→７０℃、オクタン価ＲＯＮが９６→９１ＲＯＮ、実圧縮比εが１４→１５）、先ず、図８（ａ）のように、上記Ｌｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕ積分式を用いてプリイグ強度を演算すると、Ｘ10（プリイグマップ）＝＋４となる。よって、図８（ｂ）のように、Ｘ10（正常燃焼マップ）−Ｘ10（プリイグマップ）＝１５−４＝＋１１となり、プリイグの発生が予測される。

一方で、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように各補正パラメータを用いてプリイグ強度を演算する方法もある。この場合、Ｘ10（プリイグマップ）＝＋２５（プリイグマップ初期条件）−６．０（吸気温度補正量）−７．５（オクタン価補正量）−７．５（圧縮比ε補正量）＝＋４となる。このように各補正量を加算することでもプリイグ強度が演算できる。

次に、図３のＳ３でのプリイグ抑制手順について説明する。

図１０（ａ）〜（ｅ）は、プリイグ抑制制御に用いる補正パラメータを例示している。

ここでは、図１０（ａ）〜（ｅ）に示すように、ＥＧＲ率、吸気弁閉時期、燃料噴射時期、分割噴射比（後期噴射量／全噴射量×１００）、空燃比などの補正パラメータが予め設定されている。例えば、図１０（ａ）のようにＥＧＲ率が高くなるほど空燃比が高くなり自己着火し難くなるので補正量を減少させ、図１０（ｂ）のように吸気弁閉時期が遅いほど（有効圧縮比が低くなるほど）自己着火し難くなるので補正量を減少させ、図１０（ｃ）のように燃料噴射時期がリタードされているほど正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡ近くで着火し易くなるので補正量を増加させ、図１０（ｄ）のように分割噴射比が大きいほど（後期噴射量が多いほど）正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡ近くで着火し易くなるので補正量を減少させる。また、図１０（ｅ）のように最も着火し易い理論空燃比１４．７を境にして空燃比が小さい（リッチ側）、あるいは空燃比が大きい（リーン側）ほど自己着火し難くなるので補正量を減少させる。

なお、補正に係る優先順位としては、制御の応答性を考慮して、燃料噴射時期、分割噴射比、吸気弁閉時期、空燃比、ＥＧＲ率の順にプリイグ抑制制御を実行することが好ましい。

具体的には、プリイグ抑制制御として、例えば図１０（ｃ）の燃料噴射時期を２８０°ＣＡ（Ｘ10＝０）から２０°ＣＡ（Ｘ10＝−１５）に変更するようにプリイグマップを補正すると、Ｘ10（正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡ）−Ｘ10（プリイグＭＢ１０％ＣＡ）＝１５−１５＝±０となる。

このように、図３のＳ４では、プリイグ強度が大きいほど補正量を拡大するように燃焼制御パラメータを補正して、補正後の燃焼制御パラメータに基づいてプリイグの発生を抑制しつつエンジンを制御する。

以上のように、本実施形態によれば、プリイグ強度を求めることでプリイグの予測精度が向上し、その後のプリイグ抑制制御が実行し易くなる。また、点火後の正常燃焼ＭＢ１０％ＣＡおよびプリイグＭＢ１０％ＣＡに到達する時点を予め実験により求めておくことで、ＭＢ１０％ＣＡとなる燃焼開始時点でのプリイグの予測精度を向上させることができる。

＜１．プリイグ強度に応じた空燃比によるプリイグ抑制制御＞
次に、空燃比によるプリイグ抑制制御について説明する。

なお、以下の実施形態では、上述のプリイグを予測する手法に限らず、例えばノックセンサ８０からのノッキング検出信号ＮＫや従来の燃焼イオン電流を用いて実際に発生したプリイグを検出する構成としても良い。

図１１（ａ）は、エンジン回転数および燃料噴射時期ごとのプリイグ限界を空燃比と有効圧縮比との関係で示す図である。

図１１（ａ）から、低速高負荷運転領域（換言すると、プリイグが発生し易い空燃比が均質な状態）において、理論空燃比を境にして空燃比をリッチ側に変更すると、プリイグを抑制できることがわかる。例えば、７５０ｒｐｍ／噴射時期２８０°を例にとると、時点Ａにおいて空燃比１３／有効圧縮率９．５になりプリイグ限界を超えていた場合、時点Ｂのように空燃比をリッチ側に変更することで、プリイグ限界を超えなくなるため、プリイグを抑制することができる。

これは、特に直噴エンジンは燃料を気筒内に直接噴射するので、空燃比をリッチにすると、噴射される燃料が増え、気筒内の温度が低下するため、燃料が燃焼し難くなる状態になるからである。

さらに、図１１（ｂ）にも示すように、エンジンが低速領域で運転されている場合には、変更前の空燃比が理論空燃比に近いほど、リッチ側への変化量を大きくすることで、プリイグ抑制効果を高めることができることがわかる。

また、図１１（ｃ）にも示すように、７５０ｒｐｍ／噴射時期２０°の場合、７５０ｒｐｍ／噴射時期２８０°よりもプリイグ限界が高くなる。これにより、燃料噴射時期をリタードさせることで、プリイグが発生し難くなることがわかる。

よって、本実施形態では、エンジンが低速運転領域においてプリイグが予測または検出された場合、空燃比をリッチ側に変更するとともに、変更前の空燃比が理論空燃比に近いほど、空燃比の変更幅を大きくして、プリイグを抑制する。これにより、トルクが必要な低速高負荷運転領域でトルクを低下させずに、プリイグを抑制することができる。つまり、図１１（ａ）、（ｂ）から空燃比をリーン側に変更することでも、プリイグ抑制効果が得られるものの、これでは燃料が少なくなるのでトルクが低下してしまう。

一方、リッチ側への空燃比の変化量に規制値（すすが発生する可能性が出てくる空燃比＝１０）が設けてあり、空燃比の変更量が規制値を超える場合には燃料噴射時期をリタードするようにしている。ここで、燃料噴射時期をリタードさせるとともに、圧縮行程噴射を伴う分割噴射を行うことで、更なるリッチ化に伴うスモークの増大を抑制しつつプリイグを抑制することができる。また、直噴エンジンの場合、燃料噴射圧力を高くすることでも同様の効果が得られる。ここで、燃料噴射圧力は、燃圧センサ８１によって検出される。

本実施形態によれば、低速高負荷運転領域での有効圧縮比が、低速低負荷運転領域での有効圧縮比に比べて高く設定されたエンジンではプリイグが発生し易くなるところを、プリイグを抑制できる空燃比に設定することで、効果的にプリイグを抑制することができる。ここで、有効圧縮比は吸気閉弁時期の変更によって変化させる。

また、低速高負荷運転領域での混合気の均質性を高めてスモークの発生を低減しつつトルクを確保し、この領域で効果的にプリイグを抑制することができる。

＜２．プリイグ強度に応じた燃料噴射時期によるプリイグ抑制制御＞
次に、燃料噴射時期によるプリイグ抑制制御について説明する。

なお、以下の実施形態では、上述のプリイグを予測する手法に限らず、例えばノックセンサ８０からのノッキング検出信号ＮＫや従来の燃焼イオン電流を用いて実際に発生したプリイグを検出する構成としても良い。

図１１（ａ）から、７５０ｒｐｍ／噴射時期２０°（リタード側）と７５０ｒｐｍ／噴射時期２８０°とを比較すると、噴射時期をリタードさせた方がプリイグ限界が高くなることがわかる。また、図１２から燃料噴射時期をリタードさせる前の燃料噴射時期が遅いほど（圧縮上死点に近いほど）、プリイグ限界は高くなっている。

そこで、本実施形態では、エンジンの低速高負荷運転領域では、空燃比が均質な状態となりスモークの発生を抑える吸気行程から圧縮行程前半にかけての期間内で燃料噴射（一括噴射または分割噴射）を実行することを前提として、プリイグが予測または検出されたときには、燃料噴射時期をリタードさせるとともに、リタード制御前の燃料噴射時期が早いほど、燃料噴射時期のリタード量を大きくする。

なお、一括噴射時期のリタード限界は、図１３に示すように、噴射終了時期で圧縮上死点前１６０°ＣＡであり、これ以上のリタードは燃焼安定性が著しく悪化する。即ち、一括噴射の噴射終了時期をリタードしていくと、急激に燃焼変動率が大きくなる（燃焼安定性が悪化）タイミング（圧縮上死点前１６０°ＣＡ）が現れ、このタイミングよりリタードさせることは燃焼面から不可能となる。このため、一括噴射の場合のリタード許容時期は圧縮行程前半に設定することが好ましい。なお、圧縮上死点前１６０°ＣＡよりリタードさせると、燃焼性が悪化するため、当然ながらプリイグも発生し難くなる。

また、前述したように、噴射時期をリタードさせるとともに、空燃比を理論空燃比以下のリッチ側へ変化させることで、有効圧縮比の低下を抑制しつつ応答性良くプリイグを抑制することができる。

本実施形態によれば、低速高負荷運転領域での有効圧縮比が、低速低負荷運転領域での有効圧縮比に比べて高く設定されたエンジンではプリイグが発生し易くなるところを、プリイグを抑制できる空燃比に設定することで、効果的にプリイグを抑制することができる。ここで、有効圧縮比は吸気閉弁時期の変更によって変化させる。

＜３．プリイグ強度に応じたエンジン回転数によるプリイグ抑制制御＞
次に、エンジン回転数によるプリイグ抑制制御について説明する。

なお、以下の実施形態では、上述のプリイグを予測する手法に限らず、例えばノックセンサ８０からのノッキング検出信号ＮＫや従来の燃焼イオン電流を用いて実際に発生したプリイグを検出する構成としても良い。

図１４は、有効圧縮比の異なるエンジンごとのプリイグ限界をエンジン回転数と有効圧縮比との関係で示す図である。

図１４から、低速高負荷運転領域（換言すると、プリイグが発生し易い空燃比が均質な状態）において、エンジンの固有の有効圧縮比にかかわらず、エンジン回転数を上昇すると、プリイグ限界が高くなることがわかる。また、エンジン回転数が高いほど、回転数の上昇量を大きくすることで、プリイグ限界を高くすることができる。

そこで、本実施形態では、エンジンの低速高負荷運転領域において、プリイグが予測または検出されたときには、エンジンの回転数を上昇させるとともに、プリイグの予測または検出に伴うエンジン回転数制御前の回転数が高いほど、回転数の上昇量を大きくする。

具体的には、エンジン回転数は、図１５に示すプリイグ予測領域において、図２で説明した自動変速機５のロックアップ機構７がロックアップオンであった場合、ロックアップを解除（完全解除または半分解除（半クラッチ状態））するようにロックアップ制御信号Ｌ／Ｕを出力することによって上昇させる。図１６は、ロックアップ時からロックアップが解除されたときのエンジン回転数の変化を示す図である。図１６のＩ〜ＩＩＩに示すように、ロックアップが解除されるとエンジン回転数が瞬間的に上昇することがわかる。

また、エンジン回転数は、エンジンで駆動されるオルタネータなどの補機の抵抗を低下させる、つまり図２で説明したオルタネータ８２に発電量を低下させるように発電制御信号Ｇｅを出力することによっても瞬間的に上昇させることができる。

また、前述したように、エンジン回転数を上昇させるとともに、空燃比を理論空燃比以下のリッチ側へ変化させることで、有効圧縮比の低下を抑制しつつ応答性良くプリイグを抑制することができる。

本実施形態によれば、低速高負荷運転領域での有効圧縮比が、低速低負荷運転領域での有効圧縮比に比べて高く設定されたエンジンではプリイグが発生し易くなるところを、プリイグを抑制できる空燃比に設定することで、効果的にプリイグを抑制することができる。ここで、有効圧縮比は吸気閉弁時期の変更によって変化させる。

＜燃料噴射、エンジン回転数、有効圧縮比を組み合わせたプリイグ抑制制御＞
次に、上記燃料噴射、エンジン回転数、有効圧縮比を各制御を組み合わせたプリイグ抑制制御について説明する。

なお、以下の実施形態では、上述のプリイグを予測する手法に限らず、例えばノックセンサ８０からのノッキング検出信号ＮＫや従来の燃焼イオン電流を用いて実際に発生したプリイグを検出する構成としても良い。

図１７は、本実施形態のプリイグ抑制制御を模式的に示す図である。

本実施形態では、エンジンの低速運転領域においてプリイグが予測又は検出されたときは、先ず、第１のプリイグ抑制制御として（図１７（ａ））、エンジン回転数を上昇させ、その後もプリイグニッションが予測又は検出されたときは、第２のプリイグ抑制制御として（図１７（ｃ））、吸気弁閉時期により強制的に有効圧縮比を低下させる制御を実行する。

ここで、エンジン回転数がプリイグ抑制回転数に到達するまでは、第３のプリイグ抑制制御として（図１７（ｂ））、上述した燃料噴射（空燃比や噴射時期）をプリイグ抑制方向に制御し、エンジンの回転数を上昇させた後もプリイグが予測または検出されたときには、第２のプリイグ抑制制御として（図１７（ｃ））、吸気弁閉時期により強制的に有効圧縮比を低下させる制御を実行する。

上記第３のプリイグ抑制制御（図１７（ｂ））は、プリイグが予測又は検出されてから、エンジン回転数を上昇させる前に実行し、エンジン回転数がプリイグ抑制回転数に到達した後もプリイグが抑制されるまで維持される（図１７（ｄ））。

ここで、エンジン回転数は、上述したように自動変速機や補機を制御することによって上昇させる。

また、上記第３の抑制制御では、燃料噴射時期（一括または分割噴射）をリタードさせたり、空燃比を理論空燃比以下のリッチ側へ変化させることで、有効圧縮比の低下を抑制しつつプリイグを抑制することができる。

この実施形態によれば、エンジンが低速高負荷運転領域での有効圧縮比を、低速低負荷運転領域での有効圧縮比に比べて高く設定しながら、プリイグを抑制することができる。ここで、有効圧縮比は吸気閉弁時期の変更によって変化させる。

図１８は、本実施形態のエンジン制御器が実行するプリイグ抑制制御を示すフローチャートである。

図１８において、先ず、Ｓ２１では、上述したプリイグ予測手順を実行し、プリイグの発生が予測されるか判定する。Ｓ２１でプリイグの発生が予測される場合、Ｓ２２に移行する。

Ｓ２２では、上述した１．および２．プリイグ強度に応じた燃料噴射（空燃比（図１０（ｅ））、噴射時期（図１０（ｃ））、分割噴射比（図１０（ｄ）））によるプリイグ抑制制御を実行する。

Ｓ２３では、Ｓ２２でのプリイグ抑制制御によりプリイグの発生を抑制できたか判定する。Ｓ２３でプリイグの発生を抑制できないならば、Ｓ２４に移行する。また、プリイグの発生を抑制できたならば、Ｓ２４をスキップしてＳ２５に移行する。

Ｓ２４では、上述した３．プリイグ強度に応じたエンジン回転数によるプリイグ抑制制御を実行する。

Ｓ２５では、Ｓ２４によりエンジン回転数がプリイグを抑制するための回転数に到達したか判定する。Ｓ２５でプリイグ抑制回転数に到達したならば、Ｓ２６に移行する。また、プリイグ抑制回転数に到達していないならば、Ｓ２２にリターンして燃料噴射によるプリイグ抑制制御を継続する。

Ｓ２６では、Ｓ２４でのプリイグ抑制制御によりプリイグの発生を抑制できたか判定する。Ｓ２６でプリイグの発生を抑制できないならば、Ｓ２７に移行する。また、プリイグの発生を抑制できたならば、Ｓ２１にリターンしプリイグ予測手順を実行する。

Ｓ２７では、上述したプリイグ強度に応じた有効圧縮比（吸気弁閉時期（図１０（ｂ）））によるプリイグ抑制制御を実行する。

Ｓ２８では、Ｓ２７でのプリイグ抑制制御によりプリイグの発生を抑制できたか判定する。Ｓ２８でプリイグの発生を抑制できないならば、Ｓ２２にリターンして燃料噴射によるプリイグ抑制制御を継続する。また、プリイグの発生を抑制できたならば、Ｓ２９に移行する。

Ｓ２９では、プリイグが抑制できたので、正常燃焼時の燃焼制御マップに応じた通常のエンジン制御に移行する。

以上のように、本実施形態によれば、プリイグが発生し易い低速高負荷運転領域での有効圧縮比が低速低負荷運転領域での有効圧縮比に比べて高く設定されたエンジンにおいてプリイグの発生が予測される場合、先ず、燃料噴射およびエンジン回転数によるプリイグ抑制制御を実行して、エンジントルクを低下させずかつ制御の応答性を良くできる。

本発明に係る実施形態のエンジン制御系を示す概略構成図である。 本発明に係る実施形態のエンジン制御系のブロック図である。 本実施形態のエンジン制御器が実行するプリイグ予測・抑制手順を示すフローチャートである。 本実施形態により予測されるプリイグを説明する図（ａ）およびプリイグが発生し易い運転状態を示す図（ｂ）である。 ＭＢ１０％ＣＡと熱発生量とプリイグ強度との関係を示す図である。 ＭＢ１０％ＣＡプリイグマップを補正するための各補正パラメータを例示する図である。 図３のプリイグ予測手順の具体例を示している。 図３のプリイグ予測手順の具体例を示している。 図３のプリイグ予測手順の具体例を示している。 プリイグ抑制制御に用いる補正パラメータを例示する図である。 プリイグ限界を空燃比と有効圧縮比との関係で示す図（ａ）、（ａ）において空燃比の変化量を示す図（ｂ）および（ａ）において噴射時期リタード量を示す図（ｃ）である。 プリイグ限界を燃料噴射時期と有効圧縮比との関係で示す図である。 プリイグ限界を燃料噴射時期と燃焼変動率との関係で示す図である。 有効圧縮比の異なるエンジンごとのプリイグ限界をエンジン回転数と有効圧縮比との関係で示す図である。 プリイグ予測領域におけるロックアップのオン／オフマップをエンジン回転数とエンジン負荷との関係で示す図である。 ロックアップが解除されたときのエンジン回転数の変化を示す図である。 本実施形態のプリイグ抑制制御を模式的に示す図である。 本実施形態のエンジン制御器が実行するプリイグ抑制制御を示すフローチャートである。

符号の説明

４ エンジン
５ 自動変速機
６ 変速機構
７ ロックアップ機構
１１ シリンダ
３２ ＶＶＴ
５１ 点火プラグ
５２ 点火機構
５３ 燃料噴射弁
５４ 燃料供給機構
７１ エアフローセンサ
７２ 吸気圧センサ
７３ クランク角センサ
７４ 酸素濃度センサ
７５ アクセル開度センサ
７６ 車速センサ
７７ 吸気温度センサ
７８ 吸気湿度センサ
７９ 水温センサ
８０ ノックセンサ
８１ 燃圧センサ
８２ オルタネータ
１００ エンジン制御器

Claims (10)

1. 火花点火式エンジンにおいて、
   エンジンが低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより、点火後の正常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する正常燃焼時点を求めてその値を記憶する工程と、
   前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して異常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する異常燃焼時点を求めてその値を記憶する工程と、
   前記異常燃焼時点を、現在の外部環境因子によって補正する工程と、
   前記補正後の異常燃焼時点が前記正常燃焼時点より以前にあって、両時点間の差が所定値以上のときに、前記燃焼制御パラメータを補正すべき異常燃焼が発生したと予測する工程と、を有することを特徴とする異常燃焼予測方法。
2. 前記正常燃焼時点は、圧縮上死点後の膨張行程までの間に設定されることを特徴とする請求項１に記載の異常燃焼予測方法。
3. 前記正常燃焼時点および異常燃焼時点での各所定の燃焼質量割合は、予め実験を行って得られたデータから構成されるマップとして記憶されていることを特徴とする請求項１に記載の異常燃焼予測方法。
4. 火花点火式エンジンの制御方法であって、
   エンジンが所定回転数以下の低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより求められた点火後の正常燃焼における所定の燃焼割合に到達する正常燃焼時点と、前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して求められた所定の燃焼割合に到達する異常燃焼時点との差を求めて、異常燃焼の発生を予測する工程と、
   前記予測結果に基づいて異常燃焼を抑制する方向に前記燃焼制御パラメータを補正する工程と、を有することを特徴とするエンジンの制御方法。
5. 前記正常燃焼時点と異常燃焼時点との差が大きいほど、前記燃焼制御パラメータの補正量を拡大することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの制御方法。
6. 火花点火式エンジンの制御装置において、
   エンジンが低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより、点火後の正常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する正常燃焼時点を求める第１の演算手段と、
   前記第１の演算手段により求められた正常燃焼時点でのパラメータ値を記憶する第１の記憶手段と、
   前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して異常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する異常燃焼時点を求める第２の演算手段と、
   前記第２の演算手段により求められた異常燃焼時点でのパラメータ値を記憶する第２の記憶手段と、
   前記異常燃焼時点を、現在の外部環境因子によって補正する第１の補正手段と、
   前記補正後の異常燃焼時点が、前記正常燃焼時点より以前にあって、両時点の差が所定値以上のときに、前記燃焼制御パラメータを補正すべき異常燃焼が発生すると予測する予測手段と、
   前記予測手段による予測結果に基づいて、前記燃焼制御パラメータを補正する第２の補正手段と、を有することを特徴とするエンジンの制御装置。
7. 火花点火式エンジンの制御装置において、
   エンジンが低速運転領域において、エンジンの負荷および速度ごとに予め設定された燃焼制御パラメータにより、点火後の正常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する正常燃焼時点を求める第１の演算手段と、
   前記第１の演算手段により求められた正常燃焼時点でのパラメータ値を記憶する第１の記憶手段と、
   前記燃焼制御パラメータから点火時期を除外して異常燃焼において所定の燃焼質量割合に到達する異常燃焼時点を求める第２の演算手段と、
   前記第２の演算手段により求められた異常燃焼時点でのパラメータ値を記憶する第２の記憶手段と、
   前記正常燃焼時点と異常燃焼時点との差に基づいて、異常燃焼の発生を予測する予測手段と、
   前記予測手段による予測結果に基づいて、前記異常燃焼を抑制する方向に前記燃焼制御パラメータを補正する第２の補正手段と、を有することを特徴とするエンジンの制御装置。
8. 前記正常燃焼時点および異常燃焼時点での各所定の燃焼質量割合は、予め実験を行って得られたデータから構成されるマップとして記憶されていることを特徴とする請求項６または７に記載のエンジンの制御装置。
9. 吸気湿度が低いほど、前記第１の補正手段による補正量を拡大することを特徴とする請求項６に記載のエンジンの制御装置。
10. 吸気温度が高いほど、前記第１の補正手段による補正量を拡大することを特徴とする請求項６に記載のエンジンの制御装置。

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