JP2014224492A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、燃焼変動を抑制しつつ、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけられるようにすることを目的とする。【解決手段】混合気に点火するための点火プラグ２８と、筒内圧を検出するための筒内圧センサ３０とを備える。筒内圧センサ３０の出力値に基づいて得られる実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合において点火時期を最適点火時期ＭＢＴよりも進角させるときには、当該点火時期の進角量をエンジン回転数に基づいて設定する。より具体的には、エンジン回転数が高いほど、点火時期の進角量の限界値（限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔ）が小さくされる。【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、筒内圧センサの出力値に基づくエンジン制御を行う装置として好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、筒内圧を検出するための筒内圧センサを備える内燃機関の燃焼状態制御装置が開示されている。この従来の制御装置は、筒内圧センサの検出信号に基づいて算出した実燃焼期間が目標燃焼期間になるように点火時期および燃料噴射量を制御することとしている。

特開平７−０４２６０７号公報 特開２０１０−２３６４０２号公報 特開２００９−０１９５０４号公報

実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合には、点火時期を最適点火時期（ＭＢＴ）よりも進角することで、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけることができる。しかしながら、このような点火時期の制御を行う場合には、エンジン回転数の影響に対する適切な配慮がなされていないと、高回転時において失火による燃焼変動が発生することが懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼変動を抑制しつつ、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけられるようにすることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の制御装置であって、
混合気に点火するための点火プラグと、
筒内圧を検出するための筒内圧センサと、
前記筒内圧センサの出力値に基づいて得られる実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合において点火時期を最適点火時期よりも進角させるときには、当該点火時期の進角量をエンジン回転数に基づいて設定する点火時期制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記点火時期制御手段は、エンジン回転数が高いほど、前記点火時期の進角量の限界値を小さくすることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
内燃機関に燃料を供給するための燃料噴射弁と、
前記実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長く、かつ、前記点火時期の進角量の要求値が当該点火時期の進角量の限界値よりも大きい場合に、燃料噴射を増量する燃料噴射増量手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、筒内圧センサの出力値に基づいて得られる実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合において点火時期を最適点火時期よりも進角させるときには、当該点火時期の進角量をエンジン回転数に基づいて設定することにより、この際の点火時期の進角に対するエンジン回転数の影響を考慮した点火時期の制御を行えるようになる。これにより、失火による燃焼変動を抑制しつつ、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけられるようになる。

第２の発明によれば、最適点火時期に対する点火時期の進角を行う際に、エンジン回転数の高低に関係なく、失火による燃焼変動を確実に抑制しつつ、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけられるようになる。

第３の発明によれば、上述した失火による燃焼変動の確実な抑制だけでなく、気筒間でのトルク変動の発生を抑制しつつ、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけられるようになる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 点火時期の進角に対する各種パラメータの変化に対してエンジン回転数が与える影響を説明するための図である。 ＮＯｘ排出量および燃焼変動と燃焼期間とのそれぞれの関係に対する点火時期および空燃比（Ａ／Ｆ）の影響を説明するための図である。 点火時期と燃焼期間と空燃比との関係を表した図である。 内燃機関のトルクと、点火時期および空燃比との関係を表した図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。
図１に示すシステムは、内燃機関（一例として、火花点火式内燃機関）１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の吸気ポートには、当該吸気ポートを開閉する吸気弁２０が設けられており、排気通路１８の排気ポートには、当該排気ポートを開閉する排気弁２２が設けられている。また、吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。

内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内（筒内）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２６、および、混合気に点火するための点火プラグ２８が、それぞれ設けられている。更に、各気筒には、筒内圧を検出するための筒内圧センサ３０がそれぞれ組み込まれている。

更に、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、上述した筒内圧センサ３０に加え、クランク角度およびエンジン回転数（クランク角速度）を検出するためのクランク角センサ４２、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ４４、および、排気通路１８を流れる排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４６等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２６および点火プラグ２８等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力と所定のプログラムとに基づいて上記各種のアクチュエータを駆動することにより、燃料噴射制御および点火制御等の所定のエンジン制御を行うものである。また、ＥＣＵ４０は、筒内圧センサ３０の出力信号を、クランク角度と同期させてＡＤ変換して取得する機能を有している。これにより、ＡＤ変換の分解能が許す範囲で、任意のタイミングにおける筒内圧を検出することができる。更に、ＥＣＵ４０は、クランク角度の位置によって決まる筒内容積の値を、クランク角度に応じて算出する機能を有している。

上述した構成を有する内燃機関１０は、筒内圧センサ３０を備えている。このような筒内圧センサ３０を備える内燃機関１０によれば、筒内圧センサ３０を用いてクランク角度と対応付けられた（クランク角度と同期した）筒内圧データを取得することにより、各サイクルで行われる燃焼に対し、各種エンジン制御（燃料噴射制御および点火制御など）に用いるうえで有益な発熱量などの燃焼状態量を算出することが可能となる。また、筒内圧に基づいて算出される発熱量を利用して、燃焼期間を算出することができる。このように発熱量などを利用して筒内圧センサ３０の出力値から燃焼期間を算出すること自体は公知であるため、算出の具体例についてはここでは説明を省略する。

［実施の形態１における制御］
本実施形態の内燃機関１０は、所定の運転領域において、理論空燃比よりもリーンな空燃比を用いたリーンバーン運転を行う。そのうえで、リーンバーン運転時には、各気筒のＮＯｘ排出量および燃焼変動をそれぞれ所定の制限値以下に抑えることを目的として、各気筒に取り付けられた筒内圧センサ３０の出力値に基づいて得られる実燃焼期間が所定の目標燃焼期間になるように、点火時期および燃料噴射量の制御（補正）が行われる。このような制御を行う際には、以下に図２を参照して説明するような課題がある。

図２は、点火時期の進角に対する各種パラメータの変化に対してエンジン回転数が与える影響を説明するための図である。
図２（Ａ）に示すように、内燃機関１０の燃費は、点火時期が最適点火時期ＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）の近傍にあるときに最も良くなる。したがって、最適点火時期ＭＢＴを基準の点火時期として設定することで、燃費向上を図ることができる。また、燃費は、点火時期との関係においては、エンジン回転数が高い方が良くなることが分かる。

図２（Ｂ）に示すように、燃焼期間は、点火時期が進角されるほど短くなる。したがって、点火時期の進角量を調整することで、燃焼期間を調整することができる。また、エンジン回転数が高い（すなわち、単位時間当たりのクランク角度の変化量が大きい）方が燃焼期間は長くなる。

図２（Ｃ）に示すように、最適点火時期ＭＢＴよりも遅角側の点火時期から最適点火時期ＭＢＴに向けて点火時期が進角されるほど、燃焼変動は小さくなっていく。一方、最適点火時期ＭＢＴよりも進角側においては、点火時期が進角されると、ピストン１２が下がっていることで筒内温度が低いタイミングで点火が行われることになるため、失火が発生し易くなる。特に、高回転時には、筒内の気流（例えば、タンブル流）の速度が高くなるので、気流による火花の吹き消え頻度が高くなる。このため、図２（Ｃ）に示すように、高回転時には、低回転時と比べ、最適点火時期ＭＢＴに対して点火時期を少し進角しただけで失火による燃焼変動が発生してしまう。このように、高回転時には、低回転時と比べ、最適点火時期ＭＢＴから所定の燃焼変動限界点火時期までの幅が短くなる。したがって、実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合には、点火時期を最適点火時期ＭＢＴよりも進角することで、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけることができるが、このような点火時期の制御を行う際にエンジン回転数の影響に対する適切な配慮がなされていないと、高回転時において失火による燃焼変動が発生することが懸念される。

図３は、ＮＯｘ排出量および燃焼変動と燃焼期間とのそれぞれの関係に対する点火時期および空燃比（Ａ／Ｆ）の影響を説明するための図である。尚、図３は、エンジン負荷およびエンジン回転数が同一となるリーンバーン運転条件における計測結果を示している。

図３（Ａ）に示すように、燃焼期間が短くなると、ＮＯｘ排出量が増加する。また、図３（Ｂ）に示すように、燃焼期間が長くなると、燃焼変動が大きくなる。したがって、ＮＯｘ排出量を所定の限界値（ＮＯｘ限界）以下に抑え、かつ、燃焼変動を所定の限界値（燃焼変動限界）以下に抑えるためには、図３中に帯状の範囲で示すような適切な目標燃焼期間となるように実燃焼期間を制御することが必要となる。

また、図３に示すように、ＮＯｘ排出量と燃焼期間との関係、および、燃焼変動と燃焼期間との関係は、点火時期および空燃比の変化に伴って変化する。より具体的には、図３（Ａ）中において同一印の点を比較すると分かるように、点火時期が進角すると、基本的に、燃焼期間が短くなるとともにＮＯｘ排出量が増加する。また、図３（Ａ）中において異なる印の点を比較すると分かるように、空燃比がリーンになると、基本的に、燃焼期間が長くなるとともにＮＯｘ排出量が減少する。一方、図３（Ｂ）中において同一印の点を比較すると分かるように、点火時期が進角すると、基本的に、燃焼期間が短くなるとともに燃焼変動が減少する。また、図３（Ｂ）中において異なる印の点を比較すると分かるように、空燃比がリーンになると、基本的に、燃焼期間が長くなるとともに燃焼変動が増加する。

以上のように、点火時期や空燃比（燃料噴射量）を調整することにより、燃焼期間を調整することができる。図４は、点火時期と燃焼期間と空燃比との関係を表した図である。尚、図４も、エンジン負荷およびエンジン回転数が同一となるリーンバーン運転条件における計測結果を示している。図４における点火時期もしくは空燃比の変化に対する燃焼期間の変化の傾向は図３を参照して既述した通りである。図４に示すエンジン負荷およびエンジン回転数条件では、一例として、空燃比が２５であれば、点火時期を２°だけ進角することによって、燃焼期間を１°短縮させることができ、空燃比を１だけリッチ化すると、燃焼期間が約２°短縮するものとする。

ここで、一例として目標燃焼期間が２０°であって実燃焼期間が２１°であった場合において、点火時期の補正によって実燃焼期間を目標燃焼期間に一致させるためには（すなわち、燃焼期間を１°短縮するためには）、図４に示す運転条件では、点火時期であれば２°だけ進角させることが必要となり、空燃比であれば０．５だけリッチ化することが必要となる。

図５は、内燃機関１０のトルクと、点火時期および空燃比との関係を表した図である。尚、図５は、エンジン負荷およびエンジン回転数が同一であり、かつ、燃料噴射量も同一となる運転条件における計測結果を示している。
図５に示すように、基準となる最適点火時期ＭＢＴの近傍では、点火時期に対するトルクの感度が低いため、点火時期を２°だけ進角したとしても、トルクはほとんど変わらない。これに対し、空燃比を０．５だけリッチ化したとした場合には、仮に変更前の空燃比が２５であった場合であれば、空燃比は２４．５となるので、燃料噴射量としては２％増加することとなり、その結果、トルクも２％増加してしまう。このように、燃料噴射の増量を利用した場合には、上記の例では、気筒間でトルク変動が生じてしまう。

（実施の形態１における特徴的な制御）
そこで、本実施形態では、筒内圧センサ３０の出力値に基づいて得られる実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合（すなわち、燃焼が遅い場合）には、点火時期の進角を燃料噴射の増量（空燃比のリッチ化）に対して優先して利用して、実燃焼期間が目標燃焼期間と一致するように燃焼期間を制御するようにした。そして、この場合には、図２を参照して既述した課題を考慮し、点火時期を最適点火時期ＭＢＴよりも進角させるときには、点火時期の進角量（後述の最終点火時期補正量ΔＳＡｆがこれに相当）をエンジン回転数に基づいて設定することとした。より具体的には、エンジン回転数が高いほど、この際の点火時期の進角量の限界値（限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔがこれに相当）をより小さくすることとした。

そのうえで、実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合において、点火時期の進角量の要求値（後述の要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑがこれに相当）が点火時期の進角量の限界値よりも大きい場合には、実燃焼期間を目標燃焼期間と一致させるために燃料噴射を増量することとした。

図６は、本発明の実施の形態１における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、本ルーチンは、各気筒においてサイクル毎に繰り返し実行されるものとする。

図６に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、先ず、基準点火時期ＳＡｂａｓｅ（＝最適点火時期ＭＢＴ）および基準空燃比ＡＦｂａｓｅ（理論空燃比よりもリーンな値）を算出する（ステップ１００）。ＥＣＵ４０は、エンジン回転数および吸入空気量ＫＬとの関係で、基準点火時期ＳＡｂａｓｅおよび基準空燃比ＡＦｂａｓｅを予め定めた回転数・ＫＬマップを記憶している。本ステップ１００では、そのような回転数・ＫＬマップを参照して、基準点火時期ＳＡｂａｓｅおよび基準空燃比ＡＦｂａｓｅがそれぞれ算出される。

次に、ＥＣＵ４０は、今回のサイクルにおいて筒内圧センサ３０を用いて取得した筒内圧データを読み込む（ステップ１０２）。次いで、ＥＣＵ４０は、読み込んだ筒内圧データを利用して実燃焼期間を算出する（ステップ１０４）。

次に、ＥＣＵ４０は、現在の運転条件に応じた目標燃焼期間と、実燃焼期間とを比較する（ステップ１０６）。その結果、実燃焼期間と目標燃焼期間とが等しいと判定した場合には、ＥＣＵ４０は、次いで、最終点火時期補正量ΔＳＡｆ（上記の基準点火時期ＳＡｂａｓｅに対する補正量）をゼロとし（ステップ１０８）、かつ、要求空燃比補正量ΔＡＦｒｅｑ（上記の基準空燃比ＡＦｂａｓｅに対する補正量）をゼロとする（ステップ１１０）。

一方、上記ステップ１０６において実燃焼期間が目標燃焼期間よりも短いと判定した場合には、ＥＣＵ４０は、次いで、要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑを算出する（ステップ１１２）。ＥＣＵ４０は、燃焼期間および空燃比との関係で要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑを予め定めた点火時期−燃焼期間−Ａ／Ｆマップを所定の運転条件（エンジン負荷およびエンジン回転数など）毎に記憶している。本ステップ１１２では、現在の運転条件に対応した点火時期−燃焼期間−Ａ／Ｆマップを参照して、要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑ（ここでは、実燃焼期間を長くするために点火時期を遅角する場合であるため、マイナスの値となる）が算出される。この場合には、ＥＣＵ４０は、要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑを最終点火時期補正量ΔＳＡｆとし（ステップ１１４）、かつ、要求空燃比補正量ΔＡＦｒｅｑをゼロとする（ステップ１１６）。

一方、上記ステップ１０６において実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長いと判定した場合には、ＥＣＵ４０は、次いで、要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑを算出する（ステップ１１８）。本ステップ１１８では、現在の運転条件に対応した点火時期−燃焼期間−Ａ／Ｆマップを参照して、要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑ（ここでは、実燃焼期間を短くするために点火時期を進角する場合であるため、プラスの値となる）が算出される。次いで、ＥＣＵ４０は、最適点火時期ＭＢＴに対する進角量の（燃焼変動抑制のための）限界値である限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔを算出する（ステップ１２０）。ＥＣＵ４０は、エンジン回転数との関係で限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔを予め定めた回転数−限界点火進角量テーブルを記憶している。より具体的には、このテーブルでは、エンジン回転数が高いほど、限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔが小さくなるように設定されている。本ステップ１２０では、そのようなテーブルを参照して、限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔが算出される。

次に、ＥＣＵ４０は、要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑが限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔよりも大きいか否かを判定する（ステップ１２２）。その結果、要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑが限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔ以下であると判定した場合には、要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑを最終点火時期補正量ΔＳＡｆとし（ステップ１２４）、かつ、要求空燃比補正量ΔＡＦｒｅｑをゼロとする（ステップ１２６）。

一方、上記ステップ１２２において要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑが限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔよりも大きいと判定した場合には、限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔを最終点火時期補正量ΔＳＡｆとする（ステップ１２８）。この場合には、ＥＣＵ４０は、更に、進角量不足分（＝ΔＳＡｒｅｑ−ΔＳＡｌｉｍｉｔ）と、現在の運転条件に対応した点火時期−燃焼期間−Ａ／Ｆマップとを用いて、要求空燃比補正量ΔＡＦｒｅｑを算出する（ステップ１３０）。より具体的には、本ステップ１３０では、実燃焼期間を目標燃焼期間とするために必要な燃焼期間の調整量のうちで、点火時期の進角だけでは不足する分の調整量を担うための空燃比の補正量（リッチ補正量）として、要求空燃比補正量ΔＡＦｒｅｑが算出される。

ＥＣＵ４０は、基準点火時期ＳＡｂａｓｅ（最適点火時期ＭＢＴ）と、上記ステップ１０８、１１４もしくは１２４の処理によって設定された最終点火時期補正量ΔＳＡｆとの和である最終点火時期に従って点火を実施し、かつ、基準空燃比ＡＦｂａｓｅと、上記ステップ１１０、１１６もしくは１２６の処理によって設定された要求空燃比補正量ΔＡＦｒｅｑとの和である最終空燃比に従って燃料噴射を実施する（ステップ１３２）。

以上説明した図６に示すルーチンによれば、筒内圧センサ３０に基づいて得られる実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合（すなわち、燃焼が遅い場合）には、基準点火時期ＳＡｂａｓｅ（最適点火時期ＭＢＴ）に対する点火時期の進角が実行されるとともに、この場合の点火時期の進角量がエンジン回転数に応じた限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔを用いて制限される。より具体的には、エンジン回転数が高いほど、この場合の点火時期の進角量の限界値（限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔ）が小さくされる。これにより、最適点火時期ＭＢＴに対する点火時期の進角を行う際に、エンジン回転数の高低に関係なく、失火による燃焼変動を確実に抑制しつつ、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけられるようになる。

更に、上記ルーチンによれば、実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合（燃焼が遅い場合）において限界点火進角量ΔＳＡｌｉｍｉｔよりも大きい要求点火進角量ΔＳＡｒｅｑが必要とされたときに限って、点火時期の進角だけでは調整しきれない燃焼期間の調整を可能とするために、燃料噴射の増量（空燃比のリッチ化）が実行される。これにより、上述した失火による燃焼変動の確実な抑制だけでなく、気筒間でのトルク変動の発生を抑制しつつ、実燃焼期間を目標燃焼期間に近づけられるようになる。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が上記図６に示すルーチンの処理に従った点火時期の制御を実行することにより前記第１の発明における「点火時期制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が上記図６に示すルーチンの処理に従った燃料噴射制御を実行することにより前記第３の発明における「燃料噴射増量手段」が実現されている。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ 吸気弁
２２ 排気弁
２４ スロットルバルブ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
３０ 筒内圧センサ
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ
４４ エアフローメータ
４６ 空燃比センサ

Claims (3)

1. 混合気に点火するための点火プラグと、
   筒内圧を検出するための筒内圧センサと、
   前記筒内圧センサの出力値に基づいて得られる実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長い場合において点火時期を最適点火時期よりも進角させるときには、当該点火時期の進角量をエンジン回転数に基づいて設定する点火時期制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記点火時期制御手段は、エンジン回転数が高いほど、前記点火時期の進角量の限界値を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関に燃料を供給するための燃料噴射弁と、
   前記実燃焼期間が目標燃焼期間よりも長く、かつ、前記点火時期の進角量の要求値が当該点火時期の進角量の限界値よりも大きい場合に、燃料噴射を増量する燃料噴射増量手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。

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