JP2012193628A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費や排ガスをいたずらに悪化させることなくノック発生を抑制できる内燃機関の燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】ノック発生を点火タイミング毎に検出可能な検出手段（ＳＴ５）と、検出手段によってノック発生が検出された場合に機能して、その後の点火タイミングを遅角側に変化させるか、還流排気量を抑制するかを、選択マップに基づいて選択する選択手段（ＳＴ９）と、選択手段が選択した対策に基づいて、その後の点火タイミング及び還流排気量を規定して燃焼動作を実現する制御手段（ＳＴ１０〜ＳＴ１４）と、を有してＥＧＲ制御が実行される。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関において、最適なＥＧＲ制御を可能にした燃焼制御装置に関するものである。

自動車エンジンの燃焼制御において、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）制御が知られており、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲに大別されるが、何れも、燃焼後の排気ガスの一部を、燃焼室に再吸気させる手法を採っている（例えば、特許文献１〜特許文献３）。

このＥＧＲ制御を採ると、大気より酸素濃度が低い状態での燃焼によって燃焼ピーク温度が低下してＮＯｘの発生が抑制されると共に、吸気時のポンピングロスが抑制されることで燃料消費率（燃費）が向上する。但し、ＥＧＲ制御によって排気ガス還流量が増加すると、その分だけ燃焼速度が低下するので、点火時期を進角側に変化させる必要が生じる。そこで、一般には、燃料消費率が最良となるＥＧＲ率と点火時期とを対応させた燃焼制御マップＢＵＲＮを設け、その燃焼制御マップＢＵＲＮに基づいて燃焼制御を実施している。

図３は、燃料消費率を最良化するためのＥＧＲ率と進角量との関係を示す燃焼制御マップＢＵＲＮを一般的に図示したものであり、ＥＧＲ率の増加に対応して、進角量が増加する関係を示している。なお、燃料消費率［ｇ／ｐｓ・ｈ］は、単位時間・単位馬力当りの燃料消費量であり、ＥＧＲ率は、（還流される排気ガス量）／（導入空気量＋排気ガス量）で与えられる。

特開２０１１−０１７２７６号公報 特開２０１１−０１２５６９号公報 特開２０１１−００７１７５号公報 特開２００９−１２７５０８号公報

ところで、ＥＧＲ制御による希薄燃焼時にノッキング（以下、ノックという）が生じた場合に、これに対応する適切な燃焼制御方法は未だ知られていない。すなわち、ノック発生を認識すると、一般にノック発生を抑制するべく点火時期が遅角側に制御されており、この回避制御によってノック発生が抑制されたとしても、燃費や排ガスが必要以上に悪化するおそれがある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、燃費や排ガスをいたずらに悪化させることなくノック発生を抑制できる内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る燃焼制御装置では、内燃機関の燃焼室への吸気通路と燃焼室からの排気通路とを連通させる排気還流通路を設け、吸気通路に還流される還流排気量と、燃焼室に導入される混合気の点火タイミングとが、その時の運転条件に基づいて、互いに対応して制御される燃焼制御装置であって、燃焼室に発生するノックを点火タイミング毎に検出可能な検出手段と、検出手段によってノック発生が検出された場合に機能して、その後の点火タイミングを遅角側に変化させるか、還流排気量を抑制するかを、選択マップに基づいて選択する選択手段と、選択手段が選択した対策に基づいて、その後の点火タイミング及び還流排気量を規定して燃焼動作を実現する制御手段と、を有して構成されている。

選択マップには、その後の点火タイミング、又は、その後の還流排気量について、その変更基準値が合わせて規定されているのが好適である。この場合には、原則として、その後の点火タイミングが変更基準値だけ遅角側に変化されるか、或いは、還流排気量が変更基準値だけ減少される制御動作が実行される。但し、ノック判定が複数回連続する場合や、発生したノックの強度が強い場合など異常レベルが深刻な場合には、変更基準値を適宜に修正した制御動作が実行される。

また、異常レベルが軽微でない場合には、選択手段は、その状況を解消できる更に有効な方策として、点火タイミングを遅角側に変化させるか、還流排気量を抑制するかの何れかを選択するのも好適である。

本発明は、好ましくは、選択マップには、その時の運転条件において何れの対策を採る方が、燃料消費率において優れるかの観点から選択肢が規定されているか、或いは、その時の運転条件において何れの対策を採る方が、排気ガスが低減されるかの観点から選択肢が規定されている。この制御は、燃料消費率（燃費）を優先するか、排ガス量の抑制を優先するかの選択動作である。例えば、排気通路に強力な排ガス対策が施されているような場合には、燃費優先の方策が採用され、そうでない場合には、排ガス低減を優先する方策が採られる。

一方、選択マップには、点火タイミングを遅角側に変化させるか、還流排気量を抑制するかが、その時の運転状態に基づいて一義的に規定されているのも好適である。例えば、ノック発生時の制御量（その時の進角量及び還流排気量）から、比較的良好な燃費を実現していると期待される運転状態では、排気ガス低減を優先する方策を採り、そうでない場合には、燃費優先の方策を採るもの好適である。

上記した本発明によれば、燃費や排ガスをいたずらに悪化させることなくノック発生を抑制することができる。

実施例に係る燃焼制御装置を示す回路図である。 実施例の燃焼制御装置の処理内容を説明するフローチャートである。 燃焼制御マップを例示したものである。 進角量とＥＧＲ率との関係で、燃焼消費率が如何に変化するかを例示する三次元図面である。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１（ａ）は、実施例に係る燃焼制御装置ＥＱＵの回路図であり、図１（ｂ）は、その動作内容を示すタイムチャートである。

図１（ａ）に示す通り、この燃焼制御装置ＥＱＵは、イオン信号Ｖｏを出力するイオン電流検出回路ＩＯＮと、イオン信号Ｖｏをデジタル変換するＡＤ変換部１４と、ＡＤ変換部１４の出力データを受けてノック判定をするコンピュータ回路１５と、点火パルスＩＧＮを出力すると共に、コンピュータ回路１５からノック判定結果を受けるＥＣＵ（Engine Control Unit）と、を中心に構成されている。

そして、この回路構成では、イオン電流検出回路ＩＯＮとＡＤ変換部１４とで信号取得手段を構成している。なお、ＡＤ変換部１４は、サンプル＆ホールド機能を有しており、コンピュータ回路１５は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）を構成要素にしている。

イオン電流検出回路ＩＯＮは、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２からなる点火トランスＣＬと、点火パルスＩＧＮに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、信号検出部ＤＥＴと、を中心に構成されている。

スイッチング素子Ｑは、ここではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が使用されている。そして、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＶＢを受けており、エミッタ端子は、グランドに接続されている。

信号検出部ＤＥＴは、電流検出回路として機能するＯＰアンプＡＭＰを中心に構成され、コンデンサＣ１、ツェナーダイオードＺＤ、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を有して構成されている。コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤの並列回路によって、イオン電流検出時のバイアス電圧が生成される。

二次コイルＬ２の高圧端子は、点火プラグＰＧに接続され、低圧端子は、前記バイアス電圧を生成するコンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路に接続されている。そして、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路は、ダイオードＤ１を通して、グランドに接続されている。図示の通り、ダイオードＤ１のカソード端子がグランドに接続されている。

一方、ダイオードＤ１のアノード端子は、電流制限抵抗Ｒ１を経由してＯＰアンプの反転入力端子（−）に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子（−）と出力端子の間に、電流検出抵抗Ｒ２が接続され、出力端子とグランド間には、負荷抵抗Ｒ３が接続されている。また、ＯＰアンプの非反転端子（＋）は、グランドに接続され、反転端子（−）には、ダイオードＤ２のカソード端子が接続されている。なお、ダイオードＤ２のアノード端子はグランドに接続されている。

上記した構成のイオン電流検出回路ＩＯＮでは、点火パルスＩＧＮがＨレベルからＬレベルに変化すると、二次コイルＬ２に誘起される高電圧によって点火プラグＰＧが放電する。この放電電流は、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１の経路で流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧により規定される電圧値に充電される。

点火プラグＰＧの放電によって燃焼室の混合気が着火されると、その後、急速に燃焼反応が進行するが、イオン電流ｉは、電流検出抵抗Ｒ２→電流制限抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で流れる。したがって、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２＊ｉとなり、イオン電流ｉに比例した値となる。

図２は、コンピュータ回路１５において実現されるノック制御のソフトウェア処理を示すフローチャートである。コンピュータ回路１５では、運転条件毎に規定されている切出ウインドＷｉｎの始期と終期とを、点火サイクル毎に、その時の運転条件に基づいて特定する（ＳＴ１）。なお、この運転条件は、例えば、エンジン回転数や吸気管圧力に基づいて特定される。

次に、設定された切出ウインドＷｉｎについて、その点火タイミングの一連のイオン信号Ｄｉを取得して記憶する（ＳＴ２）。特に限定されないが、サンプリング周波数ｆｓは、例えば、３０ｋＨｚ程度とされる。

次に、ピーク位置ＰＫ（図１（ｂ）参照）以降のイオン信号Ｄｉに対してＢＰＦ（band pass filter）処理を施してノック信号Ｆｉを抽出する（ＳＴ３）。ＢＰＦの通過帯域は、予め実験的に特定されるノック周波数に対応して決定されるが、この実施例では、５．８〜７．６ｋＨｚの通過帯域に設定している。

続いて、ノック信号Ｆｉの総和ＳＵＭ＝ΣＦｉを算出し（ＳＴ４の積分演算）、この総和値（積分値）ＳＵＭと、実験的に最適設定されている閾値ＴＨと対比して、総和値ＳＵＭが閾値ＴＨより大きいか否かに基づいて、その点火サイクルにおいてノックが発生しているか否かを判定する（ＳＴ５）。

そして、ノックが発生していない場合には、ポインタＰＴが指示するリングバッファの記憶領域に正常値（＝０）を格納してポインタを更新する（ＳＴ６）。ここで、リングバッファは、Ｎ個の記憶領域を有して、判定結果を記憶すべき領域がポインタＰＴによって指示されている。そして、ステップＳＴ６の処理が終われば、次回の燃焼制御に移行する。

この実施例では、最適な燃費（燃料消費率）の実現するための還流排気量（ＥＧＲ量）と、進角量との組合せが、運転条件毎に、燃焼制御マップＢＵＲＮ（図３参照）に規定されている。すなわち、吸気通路に還流される還流排気量と、燃焼室に導入される混合気の点火タイミングとが互いに対応して、その時の運転条件に基づいて、燃焼制御マップＢＵＲＮに規定されている。そのため、次回の燃焼制御では、この燃焼制御マップＢＵＲＮに基づいた燃焼制御が実行される。

一方、ステップＳＴ５の判定において、ノックが発生していると判定された場合には、ポインタＰＴが指示するリングバッファの記憶領域に異常値（＝１）を格納してポインタを更新する（ＳＴ７）。次に、リングバッファの全領域のデータを加算して、直近Ｎ回の点火動作におけるノック発生回数を変数ＴＯＴＡＬに特定する（ＳＴ８）。その結果、異常値の総和ＴＯＴＡＬと、記憶領域の個数Ｎとの比率からノック発生頻度を特定することができる。

続いて、燃焼制御マップＢＵＲＮに対応する選択マップＭＰを選択する（ＳＴ９）。この選択マップＭＰには、ノック発生を抑制するための手法が二者択一的に規定され、選択された手法における補正量の基準値ＢＳが規定されている。具体的には、その運転状態においてノックが発生した場合に、次回の点火サイクルにおいて、点火タイミングを遅角側に変化させることでノック発生を防止するか、それとも、還流排気量を抑制することでノック発生を防止するかが基準値ＢＳと共に規定されている。

何れの選択肢を採った場合にも、次回の点火サイクルでノック発生を防止することが可能であるが、本実施例では、特に、何れの方策を採る方が燃費（燃料消費率）に優れるかの観点で規定されている。なお、何れの方策を採る方が燃費に優れるかは、予め実験的に特定されて、基準値ＢＳと共に選択マップＭＰに記憶されている。

この点を図３と図４に基づいて説明すると、今回の動作点（ＥＧＲ量，進角量）においてノック発生が認められた場合（図４参照）に、従来は、点火タイミングを画一的に遅角側に変化させる回避制御を採っており（図４の矢印参照）、これに対応して、ＥＧＲ率が自動的に規定されていた。しかし、この回避制御によってノック発生が抑制されたとしても、燃費が必要以上に悪化するおそれがある。

そこで、本実施例では、点火タイミングを基準値ＢＳａだけ遅角側に変化させる場合と、ＥＧＲ率を基準値ＢＳｆだけ低下させる場合とで、何れが燃費面において有利かを予め実験的に特定して、選択マップＭＰに記憶している。

以上を踏まえて説明を続けると、ステップＳＴ９の処理に続いて、今回の点火サイクルにおける検出値ＳＵＭのレベルを評価して、ノック発生の深刻度合いを特定する（ＳＴ１０）。そして、ノックが深刻レベルであれば、これに対応して選択マップＭＰに規定されている基準値ＢＳを修正（＋δ）した上で、次回の点火サイクルの制御量ＣＴＬを決定する（ＳＴ１１）。なお、制御量は、選択マップＭＰで特定された制御パラメータ（進角量かＥＧＲ率）についてのものであり、今回の制御量ＣＴＬに対して、ＣＴＬ←ＣＴＬ±（ＢＳ＋δ）の演算が実行されて次回の制御量となる。

一方、ステップＳＴ１０の判定において、ノック発生の深刻度合いが特別ではない場合には、ノックの発生頻度を変数ＴＯＴＡＬの値に基づいて特定する（ＳＴ１２）。そして、発生頻度が高い場合には、選択マップＭＰに規定されている基準値ＢＳを修正（＋β）した上で、次回の点火サイクルの制御量ＣＴＬを決定する（ＳＴ１３）。なお、今回の制御量ＣＴＬに対して、ＣＴＬ←ＣＴＬ±（ＢＳ＋β）の演算が実行されて次回の制御量となる。

但し、ステップＳＴ１０の判定において、ノック発生頻度が特別ではない場合には、択マップＭＰに規定されている基準値ＢＳに基づいて、次回の点火サイクルの制御量ＣＴＬを決定する（ＳＴ１４）。具体的には、ＣＴＬ←ＣＴＬ±ＢＳの演算結果が次回の制御量ＣＴＬとなる。

以上のように本実施例では、ノック発生時に画一的な回避制御を採るのではなく、燃費に優れる回避制御を採るので、燃費に優れる運転を継続することができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、上記の実施例では、燃焼制御マップと選択マップとを設けるよう説明をしたが、両者を一体化しても良いのは勿論である。

また、上記の実施例では、ノック発生時に、ＥＧＲ量と進角量の何れの制御量を変化させるかを、何れの対策が燃費面に優れるかの観点から規定しているが、これに代えて、排ガス抑制に優れるかの観点から規定するのも好適である。

また、燃費改善を重視するか、排ガス抑制を重視するかを画一化するのではなく、燃費改善用の選択マップと、排ガス抑制用の選択マップとを用意しておき、その時の運転条件に応じて、何れの選択マップを使用するかを決定するのも好適である。

また、上記の実施例では、ノックの発生頻度や発生強度に基づいて、制御量を補正したが、発生頻度や発生強度が深刻な場合には、この深刻な事態を有効に回避するには、ＥＧＲ量と進角量の何れの制御量を変化させるべきかの観点で動作するのも好適である。

なお、ノック発生を把握する手法は適宜に変更可能であり、図１に示す回路構成に代えて、或いは、これに加えて、燃焼室の圧力を検知する圧力センサ、燃焼室の異常振動を検知するノックセンサの何れか一以上の出力を利用するもの好適である。

ＳＴ５ 検出手段
ＳＴ９ 選択手段
ＳＴ１０〜ＳＴ１４ 制御手段

Claims (8)

1. 内燃機関の燃焼室への吸気通路と燃焼室からの排気通路とを連通させる排気還流通路を設け、吸気通路に還流される還流排気量と、燃焼室に導入される混合気の点火タイミングとが、その時の運転条件に基づいて、互いに対応して制御される燃焼制御装置であって、
   燃焼室に発生するノックを点火タイミング毎に検出可能な検出手段と、
   検出手段によってノック発生が検出された場合に機能して、その後の点火タイミングを遅角側に変化させるか、還流排気量を抑制するかを、選択マップに基づいて選択する選択手段と、
   選択手段が選択した対策に基づいて、その後の点火タイミング及び還流排気量を規定して燃焼動作を実現する制御手段と、
   を有して構成されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記選択マップには、その後の点火タイミング、又は、その後の還流排気量について、その変更基準値が合わせて規定されている請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 前記選択マップには、その時の運転条件において何れの対策を採る方が、燃費において優れるかの観点から選択肢が規定されている請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記選択マップには、その時の運転条件において何れの対策を採る方が、排気ガスが低減されるかの観点から選択肢が規定されている請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
5. 前記選択マップには、点火タイミングを遅角側に変化させるか、還流排気量を抑制するかが、その時の運転状態に基づいて一義的に規定されている請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
6. 選択手段は、ノック発生の頻度、及び／又は、発生したノックの強度に基づいて、変更基準値を補正して使用する請求項２に記載の燃焼制御装置。
7. 選択手段は、ノック発生の頻度、及び／又は、発生したノックの強度に基づいて、何れかの選択肢を選択する請求項１〜４の何れかに記載の燃焼制御装置。
8. 前記検出手段は、燃焼室に発生するイオンを検知するイオンセンサ、燃焼室の圧力を検知する圧力センサ、燃焼室の異常振動を検知するノックセンサの何れか一以上の出力に基づいて機能している請求項１〜７の何れかに記載の燃焼制御装置。

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