JP2015007413A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の気筒における混合気への点火タイミングの最適化を図る。
【解決手段】内燃機関の気筒における圧縮上死点での混合気の温度Ｔ２を下式に則り推算し、その推算した圧縮混合気温度Ｔ２の高低に応じて点火タイミングを調整する。Ｔ２＝ＴＨＡ×（ε）κ^-1但し、ＴＨＡは吸気行程で気筒に流入する吸気の温度、εは気筒の圧縮比、κは気筒に充填された吸気の比熱比である。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の気筒における混合気への点火タイミングを制御する制御装置に関する。

気筒におけるノッキングの発生を感知し、ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを遅角させるとともに、ノッキングが起こらない限りにおいて点火タイミングを進角させるノックコントロールシステムが公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

従前のノックコントロールシステムにあって、ノッキングが発生している状況における一サイクル（吸気−圧縮−膨張−排気の一連が、一サイクルである）あたりの点火タイミングの変化（遅角）量は一定である。この変化量が小さすぎると、ノッキングの発生を速やかに鎮圧することができず、ノッキングの続発を招く。

逆に、この変化量が大きすぎると、ノッキングの抑止には不必要なほど点火タイミングを遅角化してしまい、熱機械変換効率が低下してエンジントルクの減少または燃費の悪化につながる。さらには、気筒の燃焼室内にて発生する燃焼ガスの温度が上昇し、ＮＯ_xの排出量が増大する懸念もある。

総じて、ノッキングの有無に基づき点火タイミングを調整するノックコントロールシステムのみでは、点火タイミングを最適化することは難しかった。

特開２０００−０７３８４７号公報

本発明は、内燃機関の気筒における混合気への点火タイミングの最適化を図ることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、内燃機関の気筒における圧縮上死点での混合気の温度Ｔ２を下式に則り推算し、その推算した圧縮混合気温度Ｔ２の高低に応じて点火タイミングを調整することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。
Ｔ２＝ＴＨＡ×（ε）κ^-1
但し、ＴＨＡは吸気行程で気筒に流入する吸気の温度、εは気筒の圧縮比、κは気筒に充填された吸気の比熱比である。

本発明によれば、内燃機関の気筒における混合気への点火タイミングの最適化を図り得る。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関に付帯する可変バルブタイミング機構を示す図。 吸気バルブタイミングと気筒の圧縮比との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関においては、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、可変バルブタイミング機構６を介設している。本実施形態における可変バルブタイミング機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。

可変バルブタイミング機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１２と遅角室６１１とに区画されている。

可変バルブタイミング機構６の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８２と可変バルブタイミング機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１２または遅角室６１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。図４に示すように、ＯＣＶ９は、液圧ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１、ハウジング６１の進角室６１２と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１１と接続するＢポート９３、並びにオイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５を有している。ＯＣＶ９のスプールは、進退動作により内部粒体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図４では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。

スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。

制御信号ｍのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１２に供給される一方、既に遅角室６１１に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１２の容積が拡大、遅角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブのバルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｍのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１１に供給される一方、既に進角室６１２に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１１の容積が拡大、進角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブのバルブタイミングが遅角化する。

総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が中立より大きいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く進角し、デューティ比が中立より小さいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く遅角する。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１を内包するシリンダブロックの振動の大きさを検出するノックセンサから出力されるノック信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、吸気バルブタイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、ノックセンサを介して取得されるノック信号ｄを参照して、各気筒１の膨張行程におけるノッキングの有無を、各気筒１毎に個別に判定する。ノッキングの有無の判定にあたり、ＥＣＵ０は予め、統計処理によりノック判定値を算定しておく。具体的には、ノッキングが起こっていないと思しき状況下で、気筒１の膨張行程中のシリンダブロックの振動をノックセンサを介してサンプリングし、ノック信号ｄを得る。そして、このノック信号ｄのサンプリング値のある期間内の時系列から、平均値及び標準偏差、ひいてはノック判定値を算出する。平均値をＸ、標準偏差をσとおくと、ノック判定値Ｊは、
Ｊ＝Ｘ＋Ｕσ
として求められる。上式における係数Ｕは、そのときの運転領域、即ちエンジン回転数及び要求負荷に応じて設定する。係数Ｕを、空燃比の高低や要求ＥＧＲ率等に応じて変えるようにしてもよい。

ノック判定値Ｊは、各気筒１毎に個別に求めてもよいし、全気筒１で共通のものとしてもよい。ノック判定値Ｊを各気筒１毎に個別のものとする場合、ある気筒１についてノック判定値Ｊを求めるときに、その気筒１の膨張行程中に検出されたノック信号ｄのサンプリング値のみを基に平均値Ｘ及び標準偏差σを算出して、それらＸ及びσを上式に代入する。ＥＣＵ０は、得られた係数Ｕ及びノック判定値Ｊを、メモリに記憶保持する。

ＥＣＵ０は、ノックセンサが出力するノック信号ｄの現在のサンプリング値（現在の振動の強度）を、ノック判定値Ｊと比較する。即ち、気筒１の膨張行程中にノックセンサを介して検出されたノック信号ｄのサンプリング値がノック判定値Ｊを上回ったならば、当該気筒１にてノッキングが起こったと判定する。逆に、ノック信号ｄのサンプリング値がノック判定値Ｊ以下であるならば、当該気筒１にてノッキングは起こっていないと判定する。

本実施形態のＥＣＵ０は、気筒１に充填された混合気を燃焼させる際の点火タイミングを、基本点火タイミングＲに、気筒１におけるノッキングの有無の判定結果に基づいて増減させる遅角補正量を加味することによって決定する。

各気筒１の基本点火タイミングＲは、各気筒１における圧縮上死点での混合気の温度Ｔ２の高低に応じて調整する。本実施形態のＥＣＵ０は、圧縮混合気温度Ｔ２を、下式に則り推算する。
Ｔ２＝ＴＨＡ×（ε）κ^-1
ＴＨＡは、吸気行程にて当該気筒１に流入する吸気の温度であり、吸気温センサが出力する吸気温信号ｅを参照して知得できる。κは、当該気筒１に充填された吸気の比熱比であり、１．３ないし１．６の間の定数値とする。

εは、当該気筒１の実圧縮比である。この圧縮比εは、可変バルブタイミング機構６を介して操作される吸気バルブタイミングに応じて変動する。図３に、吸気バルブの開閉タイミングの進角量（°ＣＡ（クランク角度））と、気筒１の圧縮比εとの関係を示している。圧縮比εは、吸気バルブタイミングの進角量が０°ＣＡのときに規定値５ε₀／６をとる。そして、吸気バルブタイミングの進角量が増すのに比例して増大し、吸気バルブが気筒１の吸気下死点のタイミングで閉じるときにε₀となる。さらに、吸気バルブタイミングの進角量が増してゆくと、圧縮比εはこれに比例して減少する。圧縮比εの最小値は、２ε₀／３である。

基本点火タイミングＲは、吸気バルブの開閉タイミングの進角量が０°ＣＡ、吸気温度ＴＨＡが３２３Ｋ（５０℃）、そして圧縮混合気温度Ｔ２が１５００Ｋとなるときに規定値Ｒ₀をとる。規定値Ｒ₀は、各気筒１毎に個別の値としてもよいし、全気筒１で共通のものとしてもよい。既定値Ｒ₀は、気筒１におけるノッキングの起こりやすさを適合評価により求めた上、その評価結果に基づいて予め定めておき、ＥＣＵ０のメモリに記憶保持しておく。なお、ノッキングを引き起こすおそれの乏しい運転領域においては、既定値Ｒ₀を、内燃機関の出力トルクが最大化するＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）点近傍に設定することが許される。

本実施形態のＥＣＵ０は、現在の吸気温度ＴＨＡ及び圧縮比εを上式に代入して圧縮混合気温度Ｔ２を算出し、その圧縮混合気温度Ｔ２を用いて、基本点火タイミングＲを下式に算定する。
Ｒ＝（Ｔ２／Ｔ２₀）Ｒ₀
基本点火タイミングＲは、ＭＢＴ点からの遅角量を表している。つまり、Ｒの値が大きいほど、換言すれば圧縮混合気温度Ｔ２が高いほど、基本点火タイミングＲは遅いタイミングになる。

基本点火タイミングＲに加味する遅角補正量は、各気筒１毎に個別とする。ＥＣＵ０は、各気筒１毎のノック判定の結果、当該気筒１にてノッキングが起こっているのであれば、当該気筒１における次回以降の混合気の燃焼の際の遅角補正量を、ノッキングが起こらなくなるまで所定量ずつ増してゆく。逆に、ノッキングが起こっていないのであれば、当該気筒１における次回以降の混合気の燃焼の際の遅角補正量を、ノッキングが起こる直前まで所定量ずつ減じてゆく。

ＥＣＵ０は、基本点火タイミングＲに遅角補正量を加えたタイミングにて、点火プラグ１２による火花放電を惹起し、混合気に着火する。

本実施形態によれば、内燃機関の気筒１における混合気への点火タイミングの最適化を図り得る。即ち、ノッキングを起こすおそれが比較的高い運転状況では基本点火タイミングＲを遅角させ、ノッキングを起こすおそれが比較的低い運転状況では基本点火タイミングＲを進角させて、ノッキングをより確実に防止しながら、不必要な点火タイミングの遅角化を回避することができる。従って、エンジントルクが犠牲とならず、効率及び燃費の良化に奏効する。燃焼ガスの温度上昇に起因したＮＯ_xの排出量の増大も抑制される。

加えて、各気筒１の圧縮上死点での混合気の温度Ｔ２を推算するようにしていることから、各気筒１に燃焼室内の混合気の温度を検出するための温度センサを設置する必要はなく、低コストにて実現が可能であるという利点もある。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、各気筒１におけるノッキングの有無の検知手段は、振動式のノックセンサに限定されない。混合気の燃焼の際に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流の信号波形を参照する手法や、気筒１の燃焼室内圧力（筒内圧）を参照する手法を採用することも可能である。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の点火制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ

Claims (1)

1. 内燃機関の気筒における圧縮上死点での混合気の温度Ｔ２を下式に則り推算し、その推算した圧縮混合気温度Ｔ２の高低に応じて点火タイミングを調整することを特徴とする内燃機関の制御装置。
   Ｔ２＝ＴＨＡ×（ε）κ^-1
   但し、ＴＨＡは吸気行程で気筒に流入する吸気の温度、εは気筒の圧縮比、κは気筒に充填された吸気の比熱比

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