JP2017040236A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的高負荷の運転領域における燃焼室内圧力の過大化を抑制して内燃機関の保護を図る。【解決手段】気筒の燃焼室内圧力の過大化が懸念される特定の運転領域以外の運転領域では、気筒で異常燃焼が発生したことを感知した場合に点火タイミングを遅角させ、異常燃焼の発生を感知しない限りにおいて点火タイミングを進角させる一方、当該特定の運転領域では、ＭＢＴ及び異常燃焼の発生しない限界のタイミングよりも遅く、かつ燃焼室内圧力が許容範囲内に収まるようなタイミングに点火タイミングの限度を設定して、異常燃焼の発生を感知しなかったとしても点火タイミングを当該限度以上に進角しない内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図４

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の運転を制御する制御装置に関する。

混合気の燃焼時に点火プラグの電極を流れるイオン電流を参照して、またはシリンダブロックに設置した振動式のノックセンサを介して、ノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼の発生を感知し、異常燃焼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、異常燃焼が起こらない場合には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）。

特開２０１５−１０１９６２号公報 特開２０１５−１０１９６１号公報

近時、燃費性能の一層の向上を目論み、内燃機関の気筒の圧縮比をより高める方向に研究開発が進んでいる。圧縮比の向上は、当然ながら、気筒の燃焼室内圧力（筒内圧）の増大をもたらす。

従前のノックコントロールシステムでは、異常燃焼を生じない限り点火タイミングを進角させてＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）に近づけてゆく。このような点火タイミングの進角化により、比較的高負荷の運転領域において、燃焼室内圧力が設計上の許容圧力を上回る問題が生起することとなった。

本発明は、以上の点に初めて着目してなされたものであり、比較的高負荷の運転領域における燃焼室内圧力の過大化を抑制して内燃機関の保護を図ることを所期の目的とする。

本発明では、気筒の燃焼室内圧力の過大化が懸念される特定の運転領域以外の運転領域では、気筒で異常燃焼が発生したことを感知した場合に点火タイミングを遅角させ、異常燃焼の発生を感知しない限りにおいて点火タイミングを進角させる一方、前記特定の運転領域では、ＭＢＴ及び異常燃焼の発生しない限界のタイミングよりも遅く、かつ燃焼室内圧力が許容範囲内に収まるようなタイミングに点火タイミングの限度を設定して、異常燃焼の発生を感知しなかったとしても点火タイミングを当該限度以上に進角しない内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、比較的高負荷の運転領域における燃焼室内圧力の過大化を適切に抑制でき、内燃機関の保護を図り得る。

本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 内燃機関の気筒においてノッキングを引き起こしたときのイオン電流の推移を示す図。 あるエンジン回転数の条件下における、エンジン負荷と点火タイミングとの関係を示す図。

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。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４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１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火のタイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

本実施形態のＥＣＵ０は、混合気の着火燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行うことができる。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

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ことで生じる排気を各気筒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。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０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。

ＥＣＵ０の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、大気圧を検出する気圧センサから出力される大気圧信号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、内燃機関の温度を示唆する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、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ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号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（開弁）信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号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、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、要求ＥＧＲ率等といった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。

気筒１における混合気への点火のタイミングを決定するにあたり、本実施形態のＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，エンジン負荷（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）］に応じてベース点火タイミングを設定し、そのベース点火タイミングに、気筒１における異常燃焼の発生の有無に応じた遅角補正量を加える。

ベース点火タイミングは、基本的には、当該運転領域におけるＭＢＴと、当該運転領域においてノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼が惹起されないと通常考えられる限界の点火タイミングの進角量との比較により定まる。低負荷ないし中負荷の運転領域では、点火タイミングをＭＢＴまで進角させても異常燃焼は起こらず、故にベース点火タイミングをＭＢＴに設定する。これに対し、比較的高負荷の運転領域では、点火タイミングをＭＢＴまで進角させると異常燃焼を起こす危険があるため、ベース点火タイミングをＭＢＴよりも遅いタイミングに設定して危険を回避しなければならない。

ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域を示唆するパラメータ［エンジン回転数，エンジン負荷］と、ベース点火タイミングとの関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の運転領域をキーとして当該マップを検索し、設定するべきベース点火タイミングを知得する。

その上で、ＥＣＵ０は、イオン電流信号ｈを参照して各気筒１における異常燃焼の発生の有無を判定し、その判定結果に応じた点火タイミングの遅角補正量の調整を行う（いわゆるノックコントロールシステム）。

図３に、燃料の燃焼中に異常燃焼が起こった場合の、イオン電流の推移を例示する。異常燃焼が惹起されるとき、気筒１の燃焼室内では燃焼速度の速い、激しい燃焼が生じている。それ故、正常燃焼の場合と比較してイオン電流が早期にピークを迎える。さらに、イオン電流信号ｈの波形に、異常燃焼に起因して発生する振動Ｓが重畳される。

因みに、図３に示しているように、イオン電流信号ｈに、異常燃焼に起因した信号Ｓに加えて、スパイク状のノイズＮが重畳されることもある。このスパイクノイズＮは瞬間的なものである。スパイクノイズＮの発生期間は、ノッキングによる振動Ｓの発生期間と比較しても短い。スパイクノイズＮの原因は、スロットルバルブ３２やＥＧＲバルブ２３等を駆動するモータの作動、半導体スイッチ素子のスイッチング動作、リレースイッチのＯＮ／ＯＦＦ切換等、様々である。

気筒１における異常燃焼の発生の有無を判定するために、ＥＣＵ０は、気筒１の点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流信号ｈをイオン電流検出用の回路を介してサンプリングし、そのサンプリングしたイオン電流信号ｈを、異常燃焼に起因して生じる信号Ｓが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタに入力する。なお、バンドパスフィルタに入力してフィルタ処理した信号に、さらになまし処理（移動平均をとる、一次のローパスフィルタに入力する、等）を加えてもよいが、必須ではない。

しかして、ＥＣＵ０は、バンドパスフィルタ処理した後の信号を時間積分、即ちサンプリング値の時系列を積算する。時間積分によって得た積算値は、イオン電流信号ｈに重畳した振動Ｓが属する周波数帯の成分の量を示す値となる。

その後、ＥＣＵ０は、上記の積算値を所定の判定値と比較する。前者が後者を下回ったならば、当該気筒１にて異常燃焼は起こらなかったものと判定する。逆に、積算値が判定値以上であるならば、当該気筒１にて異常燃焼が起こったものと判定する。

ＥＣＵ０は、内燃機関の気筒１において異常燃焼が起こらなくなるまで点火タイミングを遅角させる、即ちベース点火タイミングに加味する遅角補正量を増大させる。一方で、異常燃焼が起こらない限りは点火タイミングを進角させて、即ちベース点火タイミングに加味する遅角補正量を減少させて、内燃機関の出力及び燃費の向上を図る。この異常燃焼の有無の判定及び点火タイミングの遅角／進角補正は、各気筒１毎に個別に行うことができる。

なお、ＥＣＵ０は、異常燃焼の発生が収まった段階での点火タイミングまたはその遅角補正量を学習値として、当該運転領域を示すパラメータ［エンジン回転数，エンジン負荷］に関連付けてメモリに記憶する。そして、後に再び同じ運転領域に遷移したときに、メモリに記憶保持した（現在の運転領域に関連付けられている）学習値を読み出し、当該学習値を用いて点火タイミングの決定を行う。このような点火タイミングの学習により、異常燃焼の発生を予防できる上、気筒１の燃焼室内にデポジットが堆積する等の経年劣化に対処することが可能となる。

上述したノックコントロールシステムの点火タイミング制御によれば、気筒１における異常燃焼の発生を可及的に抑止することができる。しかしながら、近時では、内燃機関の気筒１の圧縮比がより高められる傾向にある。圧縮比の向上は、圧縮行程及び膨張行程における気筒１の燃焼室内圧力の増大をもたらす。上述したノックコントロールシステムでは、異常燃焼を生じない限り点火タイミングを進角させてＭＢＴに近づけてゆく。この点火タイミングの進角化により、比較的高負荷の特定の運転領域において、気筒１の燃焼室内圧力が設計上の許容圧力を上回るおそれがある。

そこで、気筒の燃焼室内圧力の過大化が懸念される特定の運転領域においては、点火タイミングの進角量に限度を設定し、ノックコントロールシステムにより異常燃焼の発生を感知しなかったとしても、点火タイミングを当該限度以上に進角しないこととしている。

図４に、あるエンジン回転数の条件下における、エンジン負荷と点火タイミングとの関係を例示している。図４中、実線はＭＢＴを表し、破線は（経年劣化等を考慮に入れなければ）異常燃焼を起こさないと通常考えられる限界の点火タイミングの進角量を表す。並びに、鎖線は、気筒１の燃焼室内圧力が許容圧力を上回らないような点火タイミングの進角量の限度を表す。これらの点火タイミングの特性、即ち実線、破線及び鎖線の位置及び形状は、エンジン回転数に応じて異なり、冷却水温や吸気温、大気圧といった環境条件によっても変動し得る。

比較的負荷の低い領域Ａでは、ベース点火タイミングをＭＢＴに設定し、異常燃焼が起こらない限り遅角補正量を増大させず、ＭＢＴのタイミングで混合気に点火することができる。

領域Ａよりも負荷が高い領域Ｂでは、異常燃焼を起こさないと通常考えられる限界の点火タイミングの進角量がＭＢＴを下回るため、この限界の点火タイミングをベース点火タイミングとするとともに、異常燃焼の発生の有無に応じてベース点火タイミングに加味する遅角補正量を増減させることとなる。

そして、領域Ｂよりもさらに負荷が高い領域Ｃでは、燃焼室内圧力が許容圧力を上回らないような点火タイミングの進角量の限度が、異常燃焼を起こさないと考えられる通常の点火タイミングを下回る。即ち、当該領域Ｃにおいて単純にノックコントロールシステムによる点火タイミング制御を実施すると、気筒の燃焼室内圧力が過大化するおそれがある。よって、ＥＣＵ０は、ベース点火タイミングに遅角補正量を加味して決定した点火タイミング（学習値を用いて決定したものであることがある）の進角量が、燃焼室内圧力が許容圧力を上回らないような点火タイミングの進角量の限度を上回ってしまう場合に、前者のタイミングで混合気に点火するのではなく、後者のタイミングで混合気に点火する。換言すれば、たとえ異常燃焼が発生していないとしても、ベース点火タイミングに遅角補正量を加味した点火タイミングが、燃焼室内圧力が許容圧力を上回らないような点火タイミングの限度を超えてしまうならば、遅角補正量を減少させず、ベース点火タイミングに遅角補正量を加味した点火タイミングの進角量を当該限度にクリップする。

総じて言えば、図４に網点を付して示している範囲内で、点火タイミングを調整することになる。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内圧力の過大化が懸念される特定の運転領域Ｃ以外の運転領域Ａ、Ｂでは、気筒１で異常燃焼が発生したことを感知した場合に点火タイミングを遅角させ、異常燃焼の発生を感知しない限りにおいて点火タイミングを進角させる一方、前記特定の運転領域Ｃでは、ＭＢＴ（図４の実線）及び異常燃焼の発生しない限界のタイミング（図４の破線）よりも遅く、かつ燃焼室内圧力が許容範囲内に収まるようなタイミング（図４の鎖線）に点火タイミングの限度を設定して、異常燃焼の発生を感知しなかったとしても点火タイミングを当該限度以上に進角しない内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、比較的高負荷の運転領域における燃焼室内圧力の過大化を適切に抑制でき、内燃機関の出力の適正化とともに内燃機関の保護を図り得る。

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における異常燃焼の発生を感知する手法は、イオン電流信号ｈを参照するものには限定されない。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振動式のノックセンサを設置し、当該ノックセンサから出力される振動信号を参照して、異常燃焼の発生の有無を判定してもよいことは当然である。

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
ｈ…イオン電流信号

Claims (1)

1. 気筒の燃焼室内圧力の過大化が懸念される特定の運転領域以外の運転領域では、気筒で異常燃焼が発生したことを感知した場合に点火タイミングを遅角させ、異常燃焼の発生を感知しない限りにおいて点火タイミングを進角させる一方、
   前記特定の運転領域では、ＭＢＴ及び異常燃焼の発生しない限界のタイミングよりも遅く、かつ燃焼室内圧力が許容範囲内に収まるようなタイミングに点火タイミングの限度を設定して、異常燃焼の発生を感知しなかったとしても点火タイミングを当該限度以上に進角しない内燃機関の制御装置。

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