JP2014105651A - 機関制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関のトルクを大きく低下させることなく、ノッキングの発生を抑制する火花点火・筒内噴射式内燃機関を提供する。
【解決手段】本装置は、燃料を圧縮行程中に噴射する。更に、本装置は、機関の負荷ＫＬが機関回転速度ＮＥが小さいほど小さくなる閾値負荷（ＫＬｔｈ）よりも大きい場合にノッキングが発生したと判定したときには燃料噴射時期θinjを点火時期θigよりも優先して遅角し、機関の負荷が閾値負荷ＫＬｔｈよりも小さい場合にノッキングが発生したと判定したときには点火時期θigを燃料噴射時期θinjに優先して遅角する。
【選択図】図４

Description

本発明は、筒内燃料噴射式火花点火内燃機関に適用される機関制御装置に関する。

従来から、気筒内にガソリンなどの燃料を直接噴射し、気筒内に形成される混合気に点火栓からの火花により点火する内燃機関が広く知られている。このような機関は、「筒内燃料噴射式火花点火内燃機関」、「直噴エンジン」、又は、「筒内噴射式機関」とも称呼される。

ところで、筒内噴射式機関においても、燃料オクタン価及びデポジット堆積量等の種々の要因によりノッキングが発生する。ノッキングは、一般的には点火時期の遅角により回避される。しかし、点火時期を遅角するほど、点火時期がＭＢＴ（最大トルク点火時期：（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）から遠ざかるので、機関のトルクが減少する。

そこで、筒内噴射式機関に適用される従来の制御装置の一つ（以下、「従来装置」とも称呼する。）は、ノッキング発生時に点火時期のみでなく噴射時期も併せて変更することにより、機関発生トルクの低下量を小さくしながらノッキングの発生を回避している（例えば、特許文献１を参照。）。

より具体的には、従来装置は、燃料の気化により吸気温度を低下させて吸気の充填効率を向上することを目的として吸気行程中に燃料を噴射し、ノッキングが発生した場合には点火時期を遅角する。更に、従来装置は、ノッキングが抑制できずに点火時期の遅角量が閾値よりも大きくなった場合、噴射時期を圧縮行程の前半に移行し且つ点火時期を進角し、以って、ノッキングの発生を回避しながらトルク低下が大きくなることを回避している。上記公報には、噴射時期を圧縮行程前半となるように遅角したときに点火時期を進角することができ、それにより機関のトルク低下を回避することができるのは、圧縮行程前半の燃料噴射によって燃料の混合状態が悪化するのでノッキングが発生し難くなるので、点火時期をＭＢＴに近づけることができるからである、と記載されている。なお、ＭＢＴは、機関のトルクを最大にする点火時期でもあるので「最大トルク点火時期」と称呼することもでき、機関の熱効率を最大にする点火時期でもあるので「最大熱効率発生点火時期」と称呼することもできる。

特開２００２−３３９８４８号公報（特に、段落００２４）

ところで、筒内噴射式機関において吸気行程中に燃料噴射を行なうと、燃料の気化潜熱が吸入空気の冷却に用いられる。よって、吸入空気量を増大させることができるので、機関発生トルクの向上を図ることができる。しかし、吸気行程中の燃料噴射は、圧縮行程中の燃料噴射に比べ、熱効率の低下をもたらす。

より具体的に述べると、圧縮行程中に燃料噴射を行なうと、燃料の気化潜熱をノッキング回避のために用いることができる。よって、点火時期をＭＢＴに近い時期に設定することができるので、高い熱効率を確保することができる。そこで、発明者は、燃料噴射を圧縮行程中に行い、その圧縮行程中の燃料噴射時期及び点火時期を適切に調整することにより、ノッキングを回避しながら筒内噴射式機関を高い熱効率にて運転することができる機関制御装置を発明した。

本発明の機関制御装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）は、燃料を気筒内に直接噴射する燃料噴射弁と、前記噴射された燃料により前記気筒内に形成される混合気に点火するための火花を発生する点火栓と、を備える内燃機関に適用される。

更に、本発明装置は、
前記機関にノッキングが発生したか否かを判定する判定部と、
前記燃料噴射弁から前記燃料を噴射する時期である燃料噴射時期を「圧縮行程内の所定の時期」に設定するように制御するとともに、前記点火栓から前記火花を発生させる時期である点火時期を制御する制御部と、
を備える。

加えて、前記制御部は、
前記機関の負荷が前記機関の回転速度が小さいほど小さくなる閾値負荷よりも大きい場合に前記ノッキングが発生したと判定されたときには前記燃料噴射時期を前記点火時期よりも優先して遅角し、
前記機関の負荷が前記閾値負荷よりも小さい場合に前記ノッキングが発生したと判定されたときには前記点火時期を前記燃料噴射時期に優先して遅角する、
ように構成されている。

本発明装置によれば、機関の負荷が前記閾値負荷（図２の曲線Ｃbrdを参照。）よりも大きい場合、即ち、機関が低速（低回転）高負荷領域（図２の領域Ａを参照。）にて運転されている場合、ノッキングが発生すると燃料噴射時期が点火時期よりも優先して遅角される。更に、本発明装置によれば、機関の負荷が前記閾値負荷（図２の曲線Ｃｂｒｄを参照。）よりも小さい場合、即ち、機関が高速（高回転）低負荷領域（図２の領域Ｂを参照。）にて運転されている場合、ノッキングが発生すると点火時期が燃料噴射時期よりも優先して遅角される。

なお、「燃料噴射時期が点火時期よりも優先して遅角されること」は、「点火時期は維持されたまま燃料噴射時期のみが遅角されること」、「点火時期は微小な量だけ変更されるが、燃料噴射時期がノッキング抑制を目的とした相当量遅角されること」の両者を含む。即ち、「燃料噴射時期が点火時期よりも優先して遅角されること」は、「点火時期が実質的に維持されたまま燃料噴射時期が遅角されること」を意味する。

同様に、「点火時期が燃料噴射時期よりも優先して遅角されること」は、「燃料噴射時期は維持されたまま点火時期のみが遅角されること」、「燃料噴射時期は微小な量だけ変更されるが、点火時期がノッキング抑制を目的とした相当量遅角されること」の両者を含む。即ち、「点火時期が燃料噴射時期よりも優先して遅角されること」は、「燃料噴射時期が実質的に維持されたまま点火時期が遅角されること」を意味する。

本発明装置の制御部が上述の制御を行なう理由について図３を参照しながら説明する。図３の曲線Ｃ１は機関が低速高負荷領域にて運転されている場合における「点火時期と機関のトルクとの関係」を示す。図３の曲線Ｃ２は機関が高速低負荷領域にて運転されている場合における「点火時期と機関のトルクとの関係」を示す。よく知られているように、機関が高速低負荷領域にて運転されている場合に比べ、機関が低速高負荷領域にて運転されている場合の方が、ノッキングが発生しやすい。従って、通常の運転（ノッキングが発生していない場合）において設定される点火時期（基本点火時期θigb）は、機関が高速低負荷領域にて運転されている場合に比べ、機関が低速高負荷領域にて運転されている場合の方が、ＭＢＴからより大きく遅角側の値に設定される。よって、ノッキングの発生に伴い点火時期を一定量ｄθだけ遅角した場合であっても、機関が高速低負荷領域にて運転されている場合に比べ、機関が低速高負荷領域にて運転されている場合の方が、トルクの低下量が大きくなる（ｄ１＞ｄ２）。

従って、機関が低速高負荷領域にて運転されている場合に点火時期を遅角すると、トルクの低下量が大きくなって熱効率が大きく低下してしまう。そこで、上記制御部は、機関が低速高負荷領域にて運転されている場合にノッキングが発生すると、燃料噴射時期を点火時期よりも優先して遅角する。これにより、トルク（熱効率）の大幅な低下を招くことなく、ノッキングを抑制することができる。

これに対し、機関が高速低負荷領域にて運転されている場合にも、燃料噴射時期が点火時期よりも優先して遅角されると、燃料噴射時期から点火時期までの時間が極めて短くなり、気筒内において燃料が十分に拡散できなくなる。その結果、熱効率が低下する。更に、図３の曲線Ｃ２により示したように、機関が低負荷領域において運転されている場合には基本点火時期θigbがＭＢＴの近傍に設定されるので、点火時期の遅角に対するトルクの低下量は小さい。以上の観点から、上記制御部は、機関が高速低負荷領域にて運転されている場合にノッキングが発生すると、点火時期を燃料噴射時期よりも優先して遅角する。これにより、トルク（熱効率）の大幅な低下を招くことなく、ノッキングを抑制することができる。

本発明の一態様における前記制御部は、（前記機関の負荷が前記閾値負荷よりも大きい場合であって）前記燃料噴射時期を所定量遅角することによって同遅角された燃料噴射時期と前記点火時期との間の時間が所定の閾値時間未満となる場合、（前記燃料噴射時期を（実質的に）遅角することなく）前記点火時期を遅角するように構成される。

機関が低速高負荷領域にて運転されている場合においても、燃料噴射時期が大きく遅角されると、燃料噴射時期から点火時期までの時間が極めて短くなり、気筒内において燃料が十分に拡散できなくなる。その結果、熱効率が低下する。そこで、上記のように、燃料噴射時期と点火時期との間の時間が所定の閾値時間以上となるように、燃料噴射時期と点火時期とを制御することによって、燃料拡散時間が不足して熱効率が大きく低下することを回避することができる。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の第１実施形態に係る機関制御装置（第１装置）が適用される内燃機関の概略断面図である。 図２は、操作変数（燃料噴射時期及び点火時期の何れか一方）を選択する際に参照される領域を示すグラフである。 図３は、点火時期と機関が発生するトルクとの関係を示すグラフである。 図４は、第１装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 図５は、本発明の第２実施形態に係る機関制御装置（第２装置）のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る機関制御装置について図面を参照しながら説明する。

＜第１実施形態＞
（概略構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る機関制御装置（以下、「第１装置」とも称呼する。）が適用される内燃機関１０の概略図である。機関１０は、所謂「筒内噴射式−火花点火−ガソリン−多気筒（４気筒）内燃機関」である。なお、図１は、特定の気筒の断面のみを図示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド３０と、シリンダブロック部２０に空気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。

シリンダブロック部２０は、シリンダボア（シリンダ）２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これによりクランク軸２４が回転する。ピストン２２の頂面、シリンダボア２１の壁面及びシリンダヘッド３０の下面は、燃焼室２５を画定している。

シリンダヘッド３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を開閉駆動するインテークカムシャフトを含む吸気弁駆動装置３３、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ（点火栓）３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８及び燃料を燃焼室２５内に直接噴射する燃料噴射弁（筒内噴射弁、フューエルインジェクタ）３９を備えている。

吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３及びスロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａを備えている。

排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、エキゾーストパイプ５２に配設された「上流側の三元触媒５３及び下流側の三元触媒５４」を備えている。

一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、冷却水温センサ６５、ノックセンサ６６及びアクセル開度センサ６７を備えている。

熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量を検出し、質量流量Ｇａを表す信号を出力するようになっている。
スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度ＴＡを表す信号を出力するようになっている。

カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが所定角度から９０度、次いで９０度、更に１８０度回転する毎に一つのパルスを出力するようになっている。
クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０度回転する毎にパルスを出力するようになっている。クランクポジションセンサ６４から出力されるパルスは後述する電気制御装置７０によって機関回転速度ＮＥを表す信号に変換される。更に、電気制御装置７０は、カムポジションセンサ６３及びクランクポジションセンサ６４からの信号に基いて、機関１０のクランク角度（絶対クランク角θ）を求める。

冷却水温センサ６５は、機関１０の冷却水の温度を検出し、その冷却水温度ＴＨＷを表す信号を出力するようになっている。
ノックセンサ（ノッキング検出部）６６は、機関１０に発生するノッキングにより生じる振動を検出し、その振動を表す信号を送出するようになっている。
アクセル開度センサ６７は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。アクセルペダル８１の操作量Accpは機関１０の「負荷」の大きさを表す一つのパラメータである。

電気制御装置７０は、ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３、バックアップＲＡＭ７４、及び、ＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなる周知のマイクロコンピュータである。

インターフェース７５は、上記センサ６１〜６７と接続され、ＣＰＵ７１にこれらのセンサからの信号を供給するようになっている。更に、インターフェース７５は、ＣＰＵ７１の指示に応じて、吸気弁駆動装置３３及びスロットル弁アクチュエータ４３ａ等に駆動信号を送出し、各気筒の燃料噴射弁３９に噴射指示信号を送出し、各気筒のイグナイタ３８に点火信号を送出するようになっている。

なお、電気制御装置７０は、アクセルペダル８１の操作量Accpが大きくなるほどスロットル弁開度ＴＡが大きくなるように、スロットル弁アクチュエータ４３ａを制御するようになっている。更に、電気制御装置７０は、周知の手法に従って、ノックセンサ６６からの信号に基き、機関１０にノッキングが発生しているか否かを判定するようになっている。

（ノッキング抑制制御の概要）
次に、第１装置が実行するノッキング抑制制御の概要について説明する。

第１装置は、点火プラグ３７から火花を発生させてシリンダ内の混合気に点火する時期である点火時期θigを制御する。第１装置は、燃料噴射弁３９から噴射される燃料の量である燃料噴射量Ｆinjを、周知の手法に従い、吸入空気量Ｇａ及び機関回転速度ＮＥに基づいて決定する。更に、第１装置は、燃料噴射弁３９から「決定された燃料噴射量Ｆinjの燃料」を噴射させるとともに、その燃料を噴射する時期（燃料噴射の開始時期）である燃料噴射時期θinjを制御する。但し、第１装置は、燃料噴射時期θinjを圧縮行程中に設定する。即ち、第１装置は、圧縮行程中の気筒に備えられた燃料噴射弁３９から燃料を噴射する。加えて、第１装置は、以下に述べるように、ノッキングが発生したと判定すると、点火時期θig及び燃料噴射時期θinjの少なくとも一方を制御する。この点火時期θig及び燃料噴射時期θinjの制御は、「ノッキング抑制制御」とも称呼される。

第１装置は、機関１０が図２に示した領域Ａにおいて運転されている場合にノッキングが発生したと判定すると、燃料噴射時期θinjを所定量α遅角する。領域Ａは、低速（低回転）高負荷領域であり、噴射遅角領域とも称呼される。
第１装置は、機関１０が図２に示した領域Ｂにおいて運転されている場合にノッキングが発生したと判定すると、点火時期θigを所定量β遅角する。領域Ｂは、高速（高回転）低負荷領域であり、点火遅角領域とも称呼される。

なお、図２の曲線Ｃwotは機関の負荷ＫＬが全負荷である場合の曲線である。図２の曲線Ｃbrdは領域Ａと領域Ｂとの境界を表す曲線であり、機関回転速度ＮＥに対する閾値負荷ＫＬｔｈを表す曲線でもある。図２の曲線Ｃlowは領域Ｃを定める曲線である。領域Ｃは、点火時期θigをＭＢＴに設定してもノッキングが発生しない領域（極低負荷領域）である。

第１装置は、機関１０が図２に示した領域Ｃにおいて運転されている場合、点火時期θigをＭＢＴに設定し、燃料噴射時期を圧縮行程前半の所定時期に設定する。機関１０が図２に示した領域Ｃにおいて運転されている場合、ノッキングは発生しないので、ノッキング抑制制御が実行されることはない。

次に、このように燃料噴射時期θinj及び点火時期θigが制御される理由について説明する。図３の曲線Ｃ１は、機関１０が所定の低速高負荷領域にて運転されている場合における「点火時期と機関１０のトルクとの関係」を示す。図３の曲線Ｃ２は、機関１０が所定の高速低負荷領域にて運転されている場合における「点火時期と機関１０のトルクとの関係」を示す。

よく知られているように、機関１０が高速低負荷領域にて運転されている場合に比べ、機関が低速高負荷領域にて運転されている場合の方が、ノッキングが発生しやすい。従って、通常の運転（ノッキングが発生していない場合）において設定される点火時期（基本点火時期θigb）は、機関１０が高速低負荷領域にて運転されている場合に比べ、機関１０が低速高負荷領域にて運転されている場合の方が、ＭＢＴからより大きく遅角側の値に設定される。

従って、図３から理解されるように、ノッキングの発生に伴い点火時期を一定量ｄθだけ遅角した場合、機関１０が低速高負荷領域にて運転されている場合のトルクの低下量ｄ１は、機関１０が高速低負荷領域にて運転されている場合のトルクの低下量ｄ２よりも相当に量大きい。

このため、機関が低速高負荷領域にて運転されている場合にノッキングが発生したとき、点火時期θigを遅角することによってノッキングを抑制すると、トルクの低下量が大きくなって機関１０の熱効率が比較的大きく低下してしまう。そこで、第１装置は、機関１０が低速高負荷領域にて運転されている場合にノッキングが発生すると、燃料噴射時期θinjを（点火時期θigよりも優先して）遅角する。

このように圧縮行程中の燃料噴射時期θinjが遅角側に変更されると、燃料噴射時期θinjから点火時期θigまでの時間が短くなるから、シリンダ内壁から混合気へと熱が伝えられている時間が短くなる。その結果、噴射された燃料の気化潜熱によって低下した混合気温度が、混合気が点火されるまで低い温度に維持され得る。よって、燃料噴射時期θinjが遅角されない場合と比較してノッキングが起こり難くなる。

更に、燃料噴射時期θinjが遅角側に変更されると、燃料が燃焼を開始するまでに高温高圧の環境に晒されている時間が短くなるので、ノッキング（自着火）が発生する要因の一つである燃料の分解（燃料が分子量の低い物質へと分解すること）が抑えられる。よって、ノッキングが起こり難くなる。

以上から、圧縮行程中の燃料噴射時期θinjが遅角側に変更されることにより、ノッキングの発生が抑制されるので、点火時期θigはＭＢＴに近い点火時期（基本点火時期θigb）に維持され得る。この結果、機関１０のトルク（従って、熱効率）の大きな低下を回避しながら、ノッキングの発生を抑制することができる。

これに対し、機関１０が高速低負荷領域にて運転されている場合にも、燃料噴射時期θinjが（点火時期θigよりも優先して）遅角されると、燃料噴射時期θinjから点火時期θigまでの時間（燃料拡散時間）が極めて短くなり、気筒内において燃料が十分に拡散できなくなる。その結果、熱効率が低下する。

更に、図３の曲線Ｃ２により示したように、機関が低負荷領域において運転されている場合には基本点火時期θigbがＭＢＴの近傍に設定されるので、点火時期θigの遅角に対するトルクの低下量ｄ２は小さい。これらの観点から、第１装置は、機関１０が高速低負荷領域にて運転されている場合にノッキングが発生すると、点火時期θigを燃料噴射時期θinjよりも優先して遅角する。これにより、トルク（熱効率）の大幅な低下を招くことなく、ノッキングを抑制することができる。以上が、第１装置が実行するノッキング抑制制御の概要である。

（実際の作動）
次に、第１装置の実際の作動について説明する。第１装置は、機関１０の負荷ＫＬと機関回転速度ＮＥとに基づいて定まる機関運転状態に対し、ノッキングが発生せず且つ機関１０の熱効率が最大となるように、基本燃料噴射時期θinjb及び基本点火時期θigbを予め実験等によって定め、そのデータをルックアップテーブル（Mapθigb（ＫＬ，ＮＥ）、Mapθinjb（ＫＬ，ＮＥ）)の形式にてＲＯＭ７２に格納している。

なお、負荷（負荷率、充填率）ＫＬは下記の（１）式により求められる。この負荷ＫＬに代え、アクセルペダル操作量Accp又は一気筒が一回の吸気行程において吸入する空気量（筒内吸入空気量Ｍｃ）が負荷ＫＬとして用いられても良い。（１）式において、Ｍｃは筒内吸入空気量であり、ρは空気密度（単位は（ｇ／ｌ））、Ｌは機関１０の排気量（単位は（ｌ））、「４」は機関１０の気筒数である。

ＫＬ＝（Ｍｃ／（ρ・Ｌ／４））・１００％ …（１）

１．点火時期制御
ＣＰＵ７１（以下、単に「ＣＰＵ」と表記する。）は、図示しないルーチンを実行することにより、負荷ＫＬと機関回転速度ＮＥとをテーブルMapθigb（ＫＬ，ＮＥ）に適用して基本点火時期θigbを決定する。

更に、ＣＰＵは、基本点火時期θigbを、後述するルーチンによって別途算出されている点火遅角量（点火時期補正量）ｄθigだけ遅角（補正）し、その遅角した点火時期θigにて点火を行なう。即ち、ＣＰＵは下記（２）式に従って点火時期θigを決定する。なお、点火時期θigの基準は各気筒の圧縮上死点である。点火時期θigの値は点火時期θigが圧縮上死点から進角されるほど大きくなる。

点火時期θig＝基本点火時期θigb−点火遅角量ｄθig …（２）

２．燃料噴射時期制御
ＣＰＵは、図示しないルーチンを実行することにより、負荷ＫＬと機関回転速度ＮＥとをテーブルMapθinjb（ＫＬ，ＮＥ）に適用して基本燃料噴射時期θinjbを決定する。更に、ＣＰＵは、負荷ＫＬ、機関回転速度ＮＥ（又は筒内吸入空気量Ｍｃ）及び目標空燃比（本例において、理論空燃比）から周知の手法により燃料噴射量Ｆinj（＝Ｍｃ／理論空燃比）を決定する。

加えて、ＣＰＵは、基本燃料噴射時期θinjbを、後述するルーチンによって別途算出されている噴射遅角量（噴射時期補正量）ｄθinjだけ遅角（補正）し、その遅角した燃料噴射時期θinjにて燃料噴射を行なう（燃料噴射を開始する）。即ち、ＣＰＵは下記（３）式に従って燃料噴射時期θinjを決定する。なお、燃料噴射時期θinjの基準は各気筒の圧縮上死点である。燃料噴射時期θinjの値も、燃料噴射時期θinjが圧縮上死点から進角されるほど大きくなる。

燃料噴射時期θinj＝基本燃料噴射時期θinjb−噴射遅角量ｄθinj …（３）

３．ノッキング抑制制御
ＣＰＵは、所定時間（所定クランク角）が経過する毎に図４にフローチャートにより示した「ノッキング抑制制御ルーチン」を実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵは図４のステップ４００から処理を開始してステップ４１０に進み、「負荷ＫＬ及び機関回転速度ＮＥにより定まる機関１０の運転状態」が属する運転領域が、本ルーチンを前回実行した時点から変化したか否かを判定する。

このとき、運転領域が変化していれば、ＣＰＵはステップ４１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４２０に進み、噴射遅角量ｄθinjを「０」に設定する。次いで、ＣＰＵはステップ４３０に進み、点火遅角量ｄθigを「０」に設定し、ステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、点火時期θigは基本点火時期θigbに設定され、燃料噴射時期θinjは基本燃料噴射時期θinjbに設定される。

一方、ＣＰＵがステップ４１０の処理を実行する時点において、運転領域が変化していなければ、ＣＰＵはそのステップ４１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４４０に進み、ノッキングが発生しているか否かを判定する。このとき、ノッキングが発生していなければ、ＣＰＵはそのステップ４４０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ４９５に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。従って、噴射遅角量ｄθinj及び点火遅角量ｄθigは変更されない。よって、この場合、噴射遅角量ｄθinj及び点火遅角量ｄθigは共に「０」に維持される。

これに対し、ＣＰＵがステップ４４０の処理を実行する時点において、ノッキングが発生していると、ＣＰＵはそのステップ４４０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４５０に進み、現在の機関１０の運転状態（ＫＬ，ＮＥ）が図２の何れの運転領域（領域Ａ及び領域Ｂの何れか）に属するかを決定する。換言すると、ＣＰＵは、ノッキングの発生を抑制するために操作すべき変数（燃料噴射時期θinj及び点火時期θigの何れか一方である優先操作変数）を決定する。なお、機関１０の運転状態が領域Ｃにある場合、ノッキングは生じないので、ステップ４６０の処理を行うことはない。

より具体的に述べると、ＣＰＵは、図２の領域マップに対応するデータをＲＯＭ７２内に格納していて、その領域マップを参照することにより、優先操作変数を決定する。但し、ＣＰＵは、曲線Ｃbrdに対応する「負荷ＫＬ（閾値負荷ＫＬｔｈ）と機関回転速度ＮＥとの関係を表す関数ｆ１（ＮＥ）＝ＫＬｔｈ」をＲＯＭ７２内に格納していて、その関数に機関回転速度ＮＥを適用して閾値負荷ＫＬｔｈを求め、負荷ＫＬが閾値負荷ＫＬｔｈよりも大きいか否かを判定することにより、優先操作変数を決定してもよい。関数ｆ１（ＮＥ）によれば、閾値負荷ＫＬｔｈは、機関回転速度ＮＥが大きくなるほど大きくなるように求められる。

いま、機関１０の運転状態（ＫＬ，ＮＥ）が領域Ａにあると仮定する。即ち、機関１０が低速高負荷領域に属していると仮定する。この場合、ＣＰＵはステップ４６０からステップ４７０に進み、噴射遅角量ｄθinjを正の所定値αだけ増大する。所定値αは一定値である。但し、所定値αは、運転状態（ＫＬ，ＮＥ）に応じて変化する値であってもよい。例えば、所定値αは、負荷ＫＬが大きいほど大きくなり、機関回転速度ＮＥが小さいほど大きくなる値であってもよい。

その後、ＣＰＵはステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、機関１０の運転状態（ＫＬ，ＮＥ）が領域Ａに属している場合にノッキングが発生すると、燃料噴射時期θinjは噴射遅角量ｄθinj（この場合、値α）だけ遅角される。一方、点火時期θigは基本点火時期θigbに維持される。

運転領域が変化しない状態において、ＣＰＵが再びステップ４００から本ルーチンの処理を開始すると、ＣＰＵはステップ４１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４４０に進む。この段階で、ノッキングが発生していなければ、ＣＰＵはステップ４４０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４９５に直接進む。よって、ノッキングが発生しなくなれば、燃料噴射時期θinjが更に遅角側に変更されることはない。

これに対し、ＣＰＵがステップ４４０の処理を実行する時点において、ノッキングが依然として発生していると、ＣＰＵはステップ４５０乃至ステップ４７０に進む。従って、燃料噴射時期θinjは、所定値αだけ更に遅角される。

一方、機関１０の運転状態（ＫＬ，ＮＥ）が領域Ｂに属しているときに、ノッキングが発生すると、ＣＰＵはステップ４６０からステップ４８０に進み、点火遅角量ｄθigを正の所定値βだけ増大する。所定値βは一定値である。但し、所定値βは、運転状態（ＫＬ，ＮＥ）に応じて変化する値であってもよい。例えば、所定値βは、負荷ＫＬが大きいほど大きくなり、機関回転速度ＮＥが小さいほど大きくなる値であってもよい。

その後、ＣＰＵはステップ４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、機関１０の運転状態（ＫＬ，ＮＥ）が領域Ｂに属している場合にノッキングが発生すると、点火時期θigは点火遅角量ｄθig（この場合、値β）だけ遅角される。一方、燃料噴射時期θinjは基本燃料噴射時期θinjbに維持される。

運転領域が変化しない状態において、ＣＰＵが再びステップ４００から本ルーチンの処理を開始すると、ＣＰＵはステップ４１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４４０に進む。この段階で、ノッキングが発生していなければ、ＣＰＵはステップ４４０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４９５に直接進む。よって、ノッキングが発生しなくなれば、点火時期θigが更に遅角側に変更されることはない。

これに対し、ＣＰＵがステップ４４０の処理を実行する時点において、ノッキングが依然として発生していると、ＣＰＵはステップ４５０、ステップ４６０及びステップ４８０に進む。従って、点火時期θigは、所定値βだけ更に遅角される。

以上、説明したように、第１装置は、燃料を圧縮行程中に噴射するように構成されるとともに、機関１０にノッキングが発生したか否かを判定する判定部（ノックセンサ６６及び図４のステップ４４０）と、制御部と、を備える。

前記制御部は、
機関１０の負荷ＫＬが「機関回転速度ＮＥが小さいほど小さくなる閾値負荷（ＫＬｔｈ）」よりも大きい場合にノッキングが発生したと判定されたときには燃料噴射時期θinjを点火時期θigよりも優先して遅角し（図４のステップ４７０）、
機関１０の負荷が閾値負荷ＫＬｔｈよりも小さい場合にノッキングが発生したと判定されたときには点火時期θigを燃料噴射時期θinjに優先して遅角する（図４のステップ４８０）。

従って、第１装置は、機関１０の運転状態が低速高負荷領域にある場合にノッキングが発生すると、燃料噴射時期θinjを遅角するので、「点火時期θigの遅角に伴う大きなトルクダウン」を回避しながらノッキングを抑制することができる。更に、第１装置は、機関１０の運転状態が高速低負荷領域にある場合にノッキングが発生すると、点火時期θigを遅角するので、「燃料拡散時間不足に伴う大きなトルクダウン」を回避しながらノッキングを抑制することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る機関制御装置（以下、「第２装置」とも称呼する。）について説明する。第２装置は、以下に述べる「燃料拡散時間を確保するための制御」を行なう点のみにおいて、第１装置と相違している。即ち、第２装置は、機関１０の運転状態（ＫＬ，ＮＥ）が領域Ａに属している場合に燃料噴射時期θinjの噴射遅角量ｄθinjが大きくなり（換言すると、ノッキングの発生を抑制するために燃料噴射時期θinjが大きく遅角され）、その結果、燃料噴射時期θinjと点火時期θigとの間の時間（即ち、燃料拡散時間）が所定の閾値時間未満となった場合、燃料噴射時期θinjのそれ以上の遅角を停止し、その代わりに点火時期θigを遅角することによってノッキングの発生を抑制する。

燃料噴射時期θinjが遅角され過ぎて燃料拡散時間が閾値時間よりも短くなると、気筒内において燃料が十分に拡散できないまま混合気に点火される。その結果、点火時期θigを遅角するよりも、熱効率が低下する。よって、第２装置は、そのような場合、機関１０の運転状態（ＫＬ，ＮＥ）が領域Ａに属している場合であっても、点火時期θigを遅角させるのである。

（実際の作動）
次に、第２装置の実際の作動について説明する。第２装置のＣＰＵは、図４に代わる図５にフローチャートにより示した「ノッキング抑制制御ルーチン」を所定時間（所定クランク角）が経過する毎に実行するようになっている。図５に示したルーチンは、ステップ５１０及びステップ５２０が追加されている点のみにおいて、図４に示したルーチンと相違している。従って、以下、この相違点を中心として説明する。

第２装置のＣＰＵは、第１装置のＣＰＵと同様、機関１０の運転状態（ＫＬ，ＮＥ）が領域Ａに属している場合にノッキングが発生すると、ステップ４７０に進んで燃料噴射時期θinjの噴射遅角量ｄθinjを所定値α増大する。次いで、ＣＰＵはステップ５１０に進み、燃料噴射時期θinjと点火時期θigとの間の時間（燃料拡散時間）Ｔが閾値時間Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する。

このとき、燃料噴射時期θinjと点火時期θigとの間の時間（燃料拡散時間）Ｔが閾値時間Ｔｔｈ以上であれば、ＣＰＵはステップ５１０にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ５９５に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。

これに対し、ＣＰＵがステップ５１０の処理を実行する時点において、燃料拡散時間Ｔが閾値時間Ｔｔｈ未満であると、ＣＰＵはそのステップ５１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ５２０に進む。そして、ＣＰＵはステップ５２０にて、噴射遅角量ｄθinjを所定値αだけ小さくする。即ち、ＣＰＵは噴射遅角量ｄθinjを増大することを停止（換言すると、燃料噴射時期θinjのそれ以上の遅角を防止）する。更に、ＣＰＵはステップ５２０にて、点火時期θigを所定値βだけ増大する。この結果、点火時期θigが所定値βだけ遅角される。従って、燃料拡散時間Ｔが閾値時間Ｔｔｈよりも大きくなるように、燃料噴射時期θinj及び点火時期θigが制御される。

以上、説明したように、第２装置は、第１装置と同様な作動を行なう制御部を備えるとともに、更に、燃料噴射時期θinjを所定量（噴射遅角量ｄθinj）遅角することによって遅角された燃料噴射時期θinjと点火時期θigとの間の時間Ｔが所定の閾値時間Ｔｔｈ未満となる場合、燃料噴射時期θinjを遅角することなく（燃料噴射時期θinjを所定値α進角させ）点火時期θigを所定値β遅角する（図５のステップ５１０及びステップ５２０を参照。）。

従って、第２装置は、機関１０の運転状態が低速高負荷領域にある場合、「燃料噴射時期θinjが遅角され過ぎ、燃料拡散時間が不足して大きなトルクダウンが生じること」を回避しながらノッキングを抑制することができる。

本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、ノッキングが生じているか否かは、ノッキングセンサ６６に代わる筒内圧センサからの信号に基づいて判定されてもよい。また、ＣＰＵは、図４及び図５のステップ４７０にて、噴射遅角量ｄθinjを値α増大させるのみでなく点火遅角量ｄθigを「絶対値が値βより小さい微小量γ１」だけ増減させてもよい。同様に、ＣＰＵは、図４及び図５のステップ４８０にて、点火遅角量ｄθigを値β増大させるのみでなく燃料噴射時期θinjを「絶対値が値αより小さい微小量γ２」だけ増減させてもよい。

更に、第２装置は、図５のステップ５２０にて、噴射遅角量ｄθinjを「絶対値が値αよりも小さい正の値αａ」だけ減少し（即ち、燃料噴射時期θinjを値αａだけ進角し）、点火遅角量ｄθigを「絶対値が値βよりも小さい正の値βａ」だけ増大し（即ち、点火時期θigを値βａだけ遅角し）、それにより、燃料拡散時間Ｔを閾値時間Ｔｔｈよりも長く設定してもよい。

１０…内燃機関、２５…燃焼室、３１…吸気ポート、３２…吸気弁、３４…排気ポート、３５…排気弁、３７…点火栓、３９…燃料噴射弁、６６…ノックセンサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ。

Claims (2)

1. 燃料を気筒内に直接噴射する燃料噴射弁と、前記噴射された燃料により前記気筒内に形成される混合気に点火するための火花を発生する点火栓と、を備える内燃機関に適用され、
   前記機関にノッキングが発生したか否かを判定する判定部と、
   前記燃料噴射弁から前記燃料を噴射する時期である燃料噴射時期を圧縮行程内の所定の時期に設定するように制御するとともに前記点火栓から前記火花を発生させる時期である点火時期を制御する制御部と、
   を備える機関制御装置において、
   前記制御部は、
   前記機関の負荷が前記機関の回転速度が小さいほど小さくなる閾値負荷よりも大きい場合に前記ノッキングが発生したと判定されたときには前記燃料噴射時期を前記点火時期よりも優先して遅角し、
   前記機関の負荷が前記閾値負荷よりも小さい場合に前記ノッキングが発生したと判定されたときには前記点火時期を前記燃料噴射時期に優先して遅角する、
   ように構成された機関制御装置。
2. 請求項１に記載の機関制御装置において、
   前記制御部は、
   前記燃料噴射時期を所定量遅角することによって同遅角された燃料噴射時期と前記点火時期との間の時間が所定の閾値時間未満となる場合、前記点火時期を遅角する、
   ように構成された機関制御装置。

Images