JP2021113528A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒の膨脹行程中に起こるノッキングの検出精度の一層の向上を図ることができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の制御装置は、内燃機関の気筒を内包するシリンダブロックに生じる振動を検出するノックセンサの出力信号を参照して、気筒内でノッキングが起こったか否かを判定するものであって、気筒の膨張行程中の判定区間内におけるノックセンサの出力信号に基づきノッキングの有無の判定を行う一方、当該判定区間外におけるノックセンサの出力信号をノッキングの有無の判定に用いないこととし、前記判定区間の始期ｔ1、Ｔ1をそのときの点火タイミングまたは内燃機関の運転領域に応じて可変調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

火花点火式内燃機関における、気筒に充填された混合気への点火タイミングは、原則として、そのときの内燃機関の運転領域に応じて設定する。そのベース点火タイミングは、当該運転領域におけるＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）と、当該運転領域においてノッキング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域では、点火タイミングをＭＢＴまで進角させてもノッキングは起こらず、故にベース点火タイミングをＭＢＴのタイミングとする。これに対し、高負荷域では、点火タイミングをＭＢＴまで進角させるとノッキングを起こすリスクがあるので、ベース点火タイミングをＭＢＴのタイミングよりも遅らせる必要がある。

そして、気筒におけるノッキングの有無を確認し、その結果に応じて点火タイミングを調整する（いわゆるノックコントロールシステム）。ノッキングを感知した場合には、以後ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを徐々に遅角させる、即ちベース点火タイミングに加味する遅角補正量を徐々に増大させる。一方で、ノッキングを感知していない場合には、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徐々に進角させて、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（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１９−１３２１８４号公報

気筒内でノッキングが起こったか否かの判定は、気筒を内包する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行うことが通例となっている。

だが、ノックセンサが検出するのは、ノッキングに起因して生じる振動だけではない。内燃機関のクランクシャフトやカムシャフト、ピストンや吸排気バルブ等の構成部材が駆動されることで衝突や摩擦が発生し、それに伴って生ずる振動もまた、シリンダブロックを伝わりノックセンサに入力される。このノイズの振動は、ノッキングに起因する振動と同じ周波数帯にスペクトル成分を有しており、周波数フィルタリングによってノックセンサが得る振動信号から除去することができない。

従って、実際にはノッキングが起こっていないにもかかわらず、ノッキングが起こったと誤判定して、不必要に点火タイミングを遅角補正してしまうおそれがある。点火タイミングの遅角化は、内燃機関の熱機械変換効率の低下、ひいては出力または燃費性能の低下に繋がるため、好ましくない。

付記すると、従来のノックコントロールシステムでは、気筒の圧縮上死点後１０°ＣＡ（クランク角度）クランクシャフトが回転した時点から、ノックセンサの出力信号を参照するノッキング判定を開始している。しかしながら、昨今、高圧縮比化やアトキンソンサイクル（ミラーサイクル）の実行等、様々な技法を駆使して内燃機関の燃費性能を高めようとしている。それにより、ノイズとなる振動が生起するタイミングが従前の内燃機関から変化しており、ノッキング判定の開始後にそのようなノイズが振動信号に重畳されて、これをノッキングであると誤認する可能性が高まっている。

以上の問題に着目してなされた本発明は、気筒の膨脹行程中に起こるノッキングの検出精度の一層の向上を図ることを所期の目的としている。
ことを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の気筒を内包するシリンダブロックに生じる振動を検出するノックセンサの出力信号を参照して、気筒内でノッキングが起こったか否かを判定するものであって、気筒の膨張行程中の判定区間内におけるノックセンサの出力信号に基づきノッキングの有無の判定を行う一方、当該判定区間外におけるノックセンサの出力信号をノッキングの有無の判定に用いないこととし、前記判定区間の始期をそのときの点火タイミングまたは内燃機関の運転領域に応じて可変調整する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、気筒の膨脹行程中に起こるノッキングの検出精度の一層の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態における内燃機関の圧縮行程から膨脹行程にかけての筒内圧の推移、及びノッキング判定区間を例示するタイミング図。

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。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。各気筒１の吸気バルブよりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。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。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４と吸気通路３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における触媒４１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、特にサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たる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。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラがＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

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、内燃機関の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クランク角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、要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク）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に連なる吸気通路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ｄ、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ｅ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｆ、気筒１を内包してい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から出力される振動信号ｇ、排気通路４を流れる排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサから出力される空燃比信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、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、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に吸入される空気（新気）量を推算する。そして、吸入空気量に見合った要求燃料噴射量、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（一度の燃焼に対する点火の回数を含む）、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量、ＥＧＲガス分圧）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、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

各気筒１における充填された混合気への火花点火のタイミングを決定するにあたり、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，エンジン負荷率（または、エンジントルク、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におけるノッキングの発生の有無に応じた遅角補正量を加える。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域を示すパラメータ［エンジン回転数，エンジン負荷率］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、現在の内燃機関の運転領域のパラメータをキーとしてマップデータを検索し、設定するべきベース点火タイミングを得る。

図２に、アクセル開度と、ベース点火タイミング及び筒内圧（気筒１の燃焼室内圧力）の推移との関係を例示している。図２中、破線は、アクセル開度が大きくない部分負荷領域における筒内圧の推移を表す。実線は、アクセル開度が全開または全開に近い全負荷ないし高負荷領域における筒内圧の推移を表す。部分負荷領域における点火タイミングｔ₀は、ＭＢＴまたはＭＢＴに近く、圧縮行程から膨脹行程を迎える気筒１の圧縮上死点ＴＤＣよりも前のタイミングとなる。全負荷ないし高負荷領域における点火タイミングＴ₀は、ＭＢＴよりも遅れ、気筒１の圧縮上死点ＴＤＣよりも後のタイミングとなる。

そして、ＥＣＵ０は、ノックセンサの出力信号ｈを参照して各気筒１におけるノッキングの有無を判定し、その判定結果に応じた点火タイミングの調整を行う、いわゆるノックコントロールシステムを実現する。ＥＣＵ０は、気筒１またはシリンダブロックの振動の強度を示す振動信号ｈをサンプリングし、ノッキングに起因して生じる振動Ｓが持つ周波数成分、例えば７ｋＨｚないし１５ｋＨｚの成分を通過させつつ、この振動Ｓ以外の成分を減衰させるバンドパスフィルタに入力する。しかして、バンドパスフィルタで処理した後の信号ｈの値をノック判定値と比較し、前者が後者を上回ったならば、膨脹行程を迎えた気筒１でノッキングが起こったと判定する。翻って、前者が後者以下であるならば、当該気筒１でノッキングは起こっていないと判定する。

気筒１におけるノッキングの発生を感知した場合には、以後ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを徐々に遅角させる、換言すればベース点火タイミングに加味する遅角補正量を徐々に増大させる。一方で、ノッキングの発生を感知していない場合には、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徐々に進角させて、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性能の向上を図る。ノッキングの有無の判定及び点火タイミングの補正は、各気筒１毎に個別に行うことができる。

ノッキング判定において、ＥＣＵ０は、気筒１の膨張行程中の判定区間内におけるノックセンサの出力信号ｈを参照してノッキングの有無の判定を行う一方、判定区間外におけるノックセンサの出力信号ｈは参照せず、ノッキングの有無の判定に用いない。これは、ノックセンサの出力信号ｈにはノッキングに起因して生じる振動Ｓ以外の振動、例えば内燃機関の構成部材が駆動されることで生ずる振動等がノイズとして混入し得ること、並びに、ノッキングは基本的に膨張行程中の筒内圧がピークを迎えた以後に惹起されることによる。

従来のノックコントロールシステムでは、ノッキング判定区間の始期を、内燃機関の機種（型式）や現在の運転領域等によらず一律に、気筒の圧縮上死点ＴＤＣ後１０°ＣＡのタイミングｔ₁に設定していた。ところが、図２に示しているように、特に全負荷ないし高負荷の運転領域では、点火タイミングＴ₀を遅角化することから、気筒１の膨脹行程中に筒内圧がピークを迎えるタイミング、さらにはノッキングが発生する場合にそれが起こるタイミングも遅くなる。つまり、ノッキング判定区間の始期ｔ₁とノッキングが起こり得るタイミングとが乖離しており、その間にも不必要なノッキング判定を行っていた。この間にノックセンサの出力信号ｈにノイズが混入すると、実際にはノッキングが起こっていないにもかかわらずノッキングが起こったと誤判定し、点火タイミングを遅角補正してしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、ノックセンサの出力信号ｈを参照して行うノッキング判定の区間の始期を、そのときの点火タイミングまたは内燃機関の運転領域に応じて可変調整することとした。膨脹行程を迎えた気筒１の筒内圧のピークは、混合気の状態にもよるが、点火タイミングｔ₀、Ｔ₀から１０°ＣＡないし２０°ＣＡ程度遅れて訪れる。本実施形態のＥＣＵ０は、ノッキング判定区間の始期を、筒内圧がピークを迎えるタイミングの近傍に設定する。従って、図２に示すように、全負荷ないし高負荷の運転領域におけるノッキング判定区間の始期Ｔ₁は、部分負荷運転領域におけるノッキング判定区間の始期ｔ₁よりも遅いタイミングとなる。ＥＣＵ０のメモリには予め、点火タイミングまたは内燃機関の運転領域を示すパラメータ［エンジン回転数，エンジン負荷率］と、判定区間の始期ｔ₁、Ｔ₁のクランク角度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、現在の点火タイミングまたは内燃機関の運転領域のパラメータをキーとしてマップデータを検索して、設定するべき判定区間の始期ｔ₁、Ｔ₁を得る。

加えて、ノッキング判定区間の始期ｔ₁、Ｔ₁を、現在の内燃機関の冷却水温や、気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量、ＥＧＲガス分圧）等に応じて調整することも考えられる。

ノッキング判定区間の終期ｔ₂、Ｔ₂は、内燃機関の機種毎に設定してもよいし、現在の点火タイミングまたは内燃機関の運転領域等に応じて可変調整してもよい。

本実施形態では、内燃機関の気筒１を内包するシリンダブロックに生じる振動を検出するノックセンサの出力信号ｈを参照して、気筒１内でノッキングが起こったか否かを判定するものであって、気筒１の膨張行程中の判定区間内におけるノックセンサの出力信号ｈに基づきノッキングの有無の判定を行う一方、当該判定区間外におけるノックセンサの出力信号ｈをノッキングの有無の判定に用いないこととし、前記判定区間の始期ｔ₁、Ｔ₁をそのときの点火タイミングまたは内燃機関の運転領域に応じて可変調整する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、ノッキングが起こり難い、筒内圧がピークを迎える前の時期に、ノックセンサの出力信号ｈを参照したノッキング判定を行うことを回避できる。従って、ノックセンサの出力信号ｈに混入したノイズをノッキングに起因した振動であると誤認する可能性が減少し、ノッキングの検出精度がより一層することとなる。ひいては、点火タイミングを無駄に遅角補正せずに済み、内燃機関の熱機械変換効率の低下を抑制できる。

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。各部の具体的構成や処理の手順等は、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
ｂ…クランク角信号
ｆ…アクセル開度信号
ｈ…ノックセンサの出力信号
ｉ…点火信号

Claims (1)

1. 内燃機関の気筒を内包するシリンダブロックに生じる振動を検出するノックセンサの出力信号を参照して、気筒内でノッキングが起こったか否かを判定するものであって、
   気筒の膨張行程中の判定区間内におけるノックセンサの出力信号に基づきノッキングの有無の判定を行う一方、当該判定区間外におけるノックセンサの出力信号をノッキングの有無の判定に用いないこととし、
   前記判定区間の始期をそのときの点火タイミングまたは内燃機関の運転領域に応じて可変調整する内燃機関の制御装置。

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