JP2017145691A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングセンサの削減を可能としつつノッキングの連続発生を抑制し得る装置を提供する。【解決手段】空気量センサ１２は、吸気行程における吸入空気量を測定してＥＣＵ１４に送信する。ＥＣＵ１４は、吸入空気量がメモリに記憶されたマップから想定される基準吸入空気量よりも閾値を超えて減少している場合にノッキングが発生したものとして点火時期を調節する。ＥＣＵ１４は、吸気行程における吸気管圧力の上昇分が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとして点火時期を調節してもよい。【選択図】図１

Description

本発明は火花点火式内燃機関に関し、特にノッキングの連続発生の抑制に関する。

図５は、一般的な火花点火式内燃機関の構成を示す。運転者がアクセルを踏むことにより吸気管に取り付けられたスロットルの開閉がなされ、燃焼室内に吸入される空気量Ａが変化する。この吸入空気量Ａに応じて燃料インジェクタ１０から供給される燃料量Ｙを調節し、適切な濃度の混合気が燃焼室内に流れ込むようになっている。吸入空気量Ａは、吸気管に取り付けられた空気量センサ１２で測定されて電子制御装置ＥＣＵ１４に送信され、ＥＣＵ１４によって吸入空気量Ａに応じて予めマップにより設定された燃料量Ｙが自動的に設定される。また、触媒による排気ガスの浄化のため、高い精度で混合気濃度を調節する必要があるため、Ｏ_２センサ１６が設けられている。このＯ_２センサ１６で空気過剰率λを測定した結果から、ＥＣＵ１４によってλ＝１となるように燃料量Ｙと空気過剰率λとの間でフィードバック制御し、燃料量Ｙを決定する。さらに、ノッキングの発生を検知するノッキングセンサ１８が設けられている。

図６は、一般的なノッキングの連続発生の防止制御のサイクルを示す。ノッキングが発生した場合、ノッキングセンサ（あるいはノックセンサ）１８によって検知され、検知信号をＥＣＵ１４に送信する。ＥＣＵ１４は、点火信号を出力するが、ノッキング発生の検知信号を入力すると、通常の点火時期よりも一定値だけ遅角させる遅角指令を出力する。これによって、更なるノッキングの発生を防止し、ノッキングが検知されなくなると、点火時期を一定値だけ進角させる進角指令を出力する。

特許文献１には、ノッキングセンサ（ノックセンサ）を用いてノッキングの発生を検知し、異常燃焼抑制制御を実行する技術が記載されている。ノッキングセンサは、エンジンが発生する振動の大きさに応じて変化する検知信号をエンジン制御装置に出力する構成である。エンジン制御装置は、ノッキングセンサからの検出信号に基づいてエンジンの耐久性に悪影響を及ぼすおそれのある推定最大燃焼圧力を累積して累積燃焼圧力を算出し、算出した累積燃焼圧力が予め決められた規定値よりも大きくなるときに、異常燃焼抑制処理として点火時期を変更する処理を実行する。

特開２０１５−７５０１９号公報

しかしながら、従来技術ではノッキングセンサによりノッキングの発生を検知する構成であるため、その分だけ部品点数の増大及びコスト増大を招く問題がある。

本発明は、かかる従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノッキングセンサとは別にノッキングの発生を検知し、もってノッキングセンサの削減を可能としつつノッキングの連続発生を抑制し得る装置を提供することにある。

本発明は、ノッキングの発生により生じる気筒内残留ガスの増大に起因する物理量の変化を検知する検知手段と、物理量の変化が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する制御手段とを備えることを特徴とする火花点火式内燃機関である。

本発明の１つの実施形態では、物理量の変化は、吸気行程における吸入空気量の変化である。

本発明の他の実施形態では、制御手段は、検知された吸入空気量の、ノッキングがない場合に予想される吸入空気量からの減少量が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する。

本発明のさらに他の実施形態では、制御手段は、スロットル開度に変化がない場合において、検知された吸入空気量の減少量が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する。

本発明のさらに他の実施形態では、物理量の変化は、吸気行程における吸気管圧力の変化である。

本発明のさらに他の実施形態では、制御手段は、検知された吸気管圧力の、ノッキングがない場合に予想される吸気管圧力からの上昇量が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する。

本発明のさらに他の実施形態では、制御手段は、スロットル開度に変化がない場合において、検知された吸気管圧力の上昇量が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する。

ノッキングの連続発生抑制処理としては公知の処理を用いることができ、例えば点火時期を遅らせることで抑制する。

本発明によれば、ノッキングセンサとは別にノッキングの発生を検知することができ、これによりノッキングの連続発生を抑制し得る。本発明によれば、ノッキングセンサとは別にノッキングの発生を検知できるので、従来のようなノッキングセンサを不要化してコストを削減することが可能である。また、本発明を従来のノッキングセンサと併用した場合には、冗長系を構成して検知システムをより安定化し得る。

実施形態の構成図である。 スロットル開度とエンジン回転数と吸入空気量との関係を規定するマップ説明図である。 吸入空気量とエンジン回転数と燃料噴射量との関係を規定するマップ説明図である。 実施形態の処理フローチャートである。 他の実施形態の構成図である。 従来技術の構成図である。 従来技術の制御サイクルを示す説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜基本原理＞
まず、本実施形態の基本原理について説明する。

火花点火式内燃機関では、点火により気筒内の混合気が燃焼し、排気行程で燃焼ガスが排出される。但し、燃焼ガスの全てが完全に排出されることはなく、その一部は残留ガスとして気筒内にとどまる。

他方、本願発明者等は、ノッキングが発生した場合に、ノッキングが発生しない場合と比較して、残留ガスが排気行程において排出され難くなることを実験により見出した。すなわち、ノッキングが発生した場合には、ノッキングが発生しない場合と比較して、排気行程後の気筒内の残留ガスがより多いことを見出した。従って、ノッキングが発生した後の次サイクルでは、残留ガスが気筒内により多くとどまっている分だけ吸入空気量が通常よりも減少することになる。

本実施形態では、この事実に着目し、予めノッキングが発生していない場合の各運転条件での吸入空気量（以下、これを基準吸入空気量という）をマップ等で設定しておき、実際の吸入空気量と基準吸入空気量とを比較し、実際の吸入空気量が閾値を超えて基準吸入空気量よりも減少した場合に、前サイクルにおいてノッキングが発生したものと判定し、それ以降のサイクルにおいてノッキングが連続して発生しないように点火時期の調節を実行するものである。マップで設定される基準吸入空気量とは、言い換えればノッキングが発生していない場合に予想される吸入空気量である。

また、本願発明者等は、アクセル開度が変化していないにもかかわらずノッキングが発生した場合に、ノッキングが発生しない場合と比較して、ノッキングが発生した後の次サイクルでは、吸気管圧力が上昇することを実験により見出した。これは、ノッキングが発生して残留ガスが多いと、その分だけ次サイクルの吸気行程の吸気管圧力が上昇するためと考えられる。

本実施形態では、この事実に着目し、予めノッキングが発生していない場合の各運転条件での吸気管圧力（以下、これを基準吸気管圧力という）をマップ等で設定しておき、実際の吸気管圧力と基準吸気管圧力とを比較し、実際の吸気管圧力が閾値を超えて基準吸気管圧力よりも上昇した場合に、前サイクルにおいてノッキングが発生したものと判定し、それ以降のサイクルにおいてノッキングが連続して発生しないように点火時期の調節を実行するものである。マップで設定される基準吸気管圧力とは、言い換えればノッキングが発生していない場合に予想される吸気管圧力である。

このように、本実施形態では、ノッキングが発生した場合の残留ガスの相対的な増大という事実に着目し、残留ガスの増大に起因して生じる物理量、例えば吸入空気量や吸気管圧力の変化を用いてノッキングの発生を検知するものであり、内燃機関が発生する振動の大きさを検知する別個のノッキングセンサを設けることなくノッキングの発生を検知できる。

以下、本実施形態の具体的構成について説明する。

＜構成＞
図１は、本実施形態の内燃機関の構成を示す。全体構成は、図５に示す従来の内燃機関の構成と略同一であり、運転者がアクセルを踏むことにより吸気管に取り付けられたスロットルの開閉がなされ、燃焼室内の吸入される空気量Ａが変化する。この吸入空気量Ａに応じて燃料インジェクタ１０から供給される燃料噴射量Ｙを調節し、適切な濃度の混合気が燃焼室内に流れ込むようになっている。吸入空気量Ａは、吸気管に取り付けられた空気量センサ１２で測定されて電子制御装置ＥＣＵ１４に送信され、ＥＣＵ１４によって吸入空気量Ａに応じて予めマップにより設定された燃料噴射量Ｙが自動的に設定される。また、触媒による排気ガスの浄化のため、高い精度で混合気濃度を調節する必要があるため、Ｏ_２センサ１６が設けられている。このＯ_２センサ１６で空気過剰率λを測定した結果から、ＥＣＵ１４によってλ＝１となるように燃料噴射量Ｙと空気過剰率λとの間でフィードバック制御し、燃料噴射量Ｙを決定する。

図２Ａは、スロットル開度とエンジン回転数と吸入空気量Ａとの関係を規定するマップの一例を示す。また、図２Ｂは、吸入空気量とエンジン回転数と燃料噴射量との関係を規定するマップの一例を示す。ＥＣＵ１４は、図２Ａ及び図２Ｂに示すマップを予めメモリに記憶しておき、吸入空気量Ａ及びエンジン回転数に対応する燃料噴射量Ｙを決定するとともに、空気過剰率λ＝１となるように燃料噴射量Ｙをフィードバック制御する。

他方、図５と異なるのは、図１においてノッキングセンサ１８が設けられていない点である。図５に示す従来の内燃機関では、ＥＣＵ１４は、ノッキングセンサ１８からの検知信号によってノッキングの発生を検知し、これにより点火時期信号を出力して点火時期を一定値だけ遅角させているが、本実施形態では、ＥＣＵ１４は、空気量センサ１２からの吸入空気量を用いてノッキングの発生を検知し、これにより点火時期信号を出力して点火時期を一定値だけ遅角させて連続サイクルでのノッキングの連続発生を抑制する。

ＥＣＵ１４は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ等のプログラムメモリ、及びＲＡＭ等のワーキングメモリ、及び入出力インタフェースを備え、プログラムメモリに記憶された処理プログラムを実行することでノッキングの発生を検知し、ノッキングの発生を検知した場合に点火時期を調節する点火時期信号を出力する。プログラムには、図２Ａ及び図２Ｂに示されるマップが含まれ、予めメモリに記憶される。なお、マップは、具体的には、図２Ｂを例にとると、吸入空気量とエンジン回転数と燃料噴射量との関係を規定するテーブル形式でメモリに記憶される。

＜処理＞
図３は、本実施形態の処理フローチャートである。

まず、空気量センサ１２で吸気行程中の吸入空気量を測定する（Ｓ１０１）。空気量センサ１２は、測定した吸入空気量をＥＣＵ１４に送信する。

ＥＣＵ１４は、予めメモリに記憶した図２Ｂのマップを参照し、吸入空気量Ａに対応する燃料噴射量Ｙを設定する（Ｓ１０２）。さらに、Ｏ_２センサ１６で空気過剰率λを測定し（Ｓ１０３）、λ＝１となるように燃料噴射量Ｙをフィードバック制御する。以上の処理は、従来と同様である。

他方、ＥＣＵ１４は、次のサイクルにおいて吸気行程中に空気量センサ１２で測定された吸入空気量を入力し、ノッキングが発生していないことを前提としてメモリに記憶されている図２Ａ及び図２Ｂのマップを参照して、現在の運転状況、具体的にはスロットル開度及びエンジン回転数に対応する吸入空気量、すなわち基準吸入空気量を読み出して測定された吸入空気量と基準吸入空気量を比較し、測定された吸入空気量が基準吸入空気量に比べて閾値を超えて減少しているか否かを判定する（Ｓ１０４）。なお、閾値も予めメモリに記憶しておくことができる。

Ｓ１０４にて吸入空気量が基準吸入空気量に比べて閾値を超えて減少していないと判定された場合、ＥＣＵ１４は、ノッキングが発生していないと判定し、点火時期を遅らせる調節は行わない。

Ｓ１０４にて吸入空気量が基準吸入空気量に比べて閾値を超えて減少していると判定された場合、ＥＣＵ１４は、次に、スロットル開度が変化したか否かを判定する（Ｓ１０５）。運転者のアクセル操作によりスロットル開度が変化（減少）した場合、図２Ａに示されるようにノッキングが発生していなくても吸入空気量は閾値を超えて減少し得るから、ノッキングは発生していないと判定する。他方、Ｓ１０５でスロットル開度が変化していないと判定された場合、つまりスロットル開度が変化していないにもかかわらず吸入空気量が基準吸入空気量よりも閾値を超えて減少した場合には、ＥＣＵ１４は、前のサイクルにおいてノッキングが発生したものと判定し、点火時期を一定値だけ遅角させるべく点火時期信号を出力する（Ｓ１０６）。その後、ＥＣＵ１４は、空気量センサ１２で測定された吸入空気量を監視し、吸入空気量と基準吸入空気量との差が閾値内になければ依然としてノッキングが発生していると判定してＳ１０６の処理を繰り返し、吸入空気量と基準吸入空気量との差が閾値内に回復すればノッキングの発生はないものと判定して点火時期を進角する。

本実施形態では、空気量センサ１２で測定された吸入空気量の減少量を用いてノッキングの発生を検知するので、別個のノッキングセンサが不要化される。言い換えれば、吸入空気量を測定するための空気量センサ１２を、ノッキングセンサとして兼用することで部品点数の削減及びコスト削減を図るものといえる。

＜他の実施形態＞
図４は、他の実施形態の内燃機関の構成図である。図１と異なるのは、空気量センサ１２に代えて吸気管圧力センサ２０が取り付けられる点である。吸気管圧力センサ２０は、吸気行程中の吸気管内の圧力を測定してＥＣＵ１４に送信する。

ＥＣＵ１４は、吸気管圧力を、ノッキングが発生していないことを前提として予めメモリに記憶されたマップを参照することで読み出された現在の運転状況に対応する基準吸気管圧力と比較し、スロットル開度が変化していないにもかかわらず閾値を超えて上昇していると判定した場合に前のサイクルにおいてノッキングが発生したものと判定し、点火時期を一定値だけ遅角させるべく点火時期信号を出力する。この場合の処理は、図３に示す処理フローチャートにおいて、吸入空気量を吸気管圧力と読み替えればよく、Ｓ１０４において吸気管圧力が閾値を超えて上昇したか否かを判定すると読み替えればよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、吸入空気量と基準吸入空気量とを比較し、あるいは吸気管圧力と基準吸気管圧力とを比較することでノッキングの発生を検知しているが、吸入空気量と基準吸入空気量とを比較するとともに、吸気管圧力と基準吸気管圧力とを比較することでノッキングの発生を検知してもよい。この場合、信頼性の観点から、吸入空気量が基準吸入空気量よりも閾値を超えて減少し、かつ、吸気管圧力が基準吸気管圧力よりも閾値を超えて上昇した場合にノッキングが発生したと判定してもよい。

また、本実施形態では、図３に示すように、吸入空気量が基準吸入空気量よりも閾値を超えて減少している場合にスロットル開度が変化したか否かを判定しているが、まず、スロットル開度が変化したか否かを判定し、スロットル開度が変化していない場合に吸入空気量と基準吸入空気量を比較してノッキングが発生したか否かを判定してもよいのは言うまでもなく、吸気管圧力を用いる場合も同様である。

また、本実施形態では、別個のノッキングセンサを不要化して部品点数の削減及びコスト削減を図ることが可能であるが、ノッキングセンサを取り付けるとともに、これと並行して本実施形態のように吸入空気量あるいは吸気管圧力の変化からノッキングの発生を検知してもよい。この場合、本実施形態は、ノッキング検知システムを冗長化し、ノッキングセンサが故障した場合の代替手段として機能することになる。

さらに、本実施形態では、スロットル開度が変化していない場合における、吸入空気量あるいは吸気管圧力の変化を用いてノッキングの発生を検知しているが、「スロットル開度が変化していない」とは、必ずしも厳密にスロットル開度が同一値を維持することを要求するものではなく、実質的に変化していないとみなし得る程度の僅かな変化は含む趣旨である。

なお、図２Ａに示すように、ノッキングが発生していないことを前提としてスロットル開度の変化に伴う吸入空気量の変化は予めマップを参照することで予想し得るから、ＥＣＵ１４は、スロットル開度が実質的に変化したとみなせる場合であっても、そのスロットル開度の変化から予想される吸入空気量の減少分と、実際の吸入空気量の減少分を比較し、予想される減少分よりも実際の減少分が多い場合にはノッキングが発生したと判定してもよい。

本実施形態では、ノッキングの発生により生じる気筒内残留ガスの増大に起因する物理量の変化として、吸気行程における吸入空気量と、吸気行程における吸気管圧力を例示したが、気筒内残留ガスの増大により影響を受け得る計量可能な他の物理量を用いてもよく、本発明の技術的思想の範囲内である。

本実施形態では、ノッキングの連続発生抑制処理として点火時期の遅角を例示したが、これ以外にも、公知の処理、例えば、空燃比を濃い（リッチな）状態にして燃焼室の温度を下げる、給器付きエンジンの場合は過給圧を下げる、圧縮比を下げる、吸入空気温度を下げる、燃料温度を下げる等の処理を実行してもよい。

１０ インジェクタ、１２ 空気量センサ、１４ ＥＣＵ（電子制御装置）、１６ Ｏ_２センサ、１８ ノッキングセンサ、２０ 吸気管圧力センサ。

Claims (8)

1. ノッキングの発生により生じる気筒内残留ガスの増大に起因する物理量の変化を検知する検知手段と、
   物理量の変化が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、
   物理量の変化は、吸気行程における吸入空気量の変化である
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
3. 請求項２に記載の火花点火式内燃機関において、
   制御手段は、検知された吸入空気量の、ノッキングがない場合に予想される吸入空気量からの減少量が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
4. 請求項３に記載の火花点火式内燃機関において、
   制御手段は、スロットル開度に変化がない場合において、検知された吸入空気量の減少量が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
5. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、
   物理量の変化は、吸気行程における吸気管圧力の変化である
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
6. 請求項５に記載の火花点火式内燃機関において、
   制御手段は、検知された吸気管圧力の、ノッキングがない場合に予想される吸気管圧力からの上昇量が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
7. 請求項６に記載の火花点火式内燃機関において、
   制御手段は、スロットル開度に変化がない場合において、検知された吸気管圧力の上昇量が閾値を超えている場合にノッキングが発生したものとしてノッキングの連続発生抑制処理を実行する
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の火花点火式内燃機関において、
   ノッキングの連続発生抑制処理は、点火時期を遅らせる処理である
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。