JP2021116721A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火タイミングの遅角量の限界値を適宜修正し、中長期に亘って内燃機関の性能及び車両のドライバビリティを維持する。【解決手段】気筒に充填された混合気に火花点火するタイミングを決定するにあたり、点火タイミングを最も遅角させることのできる限界値を設けるものであり、エンジン回転数の瞬時値の変動の大きさＡ1またはＡ2、あるいはその変動を小さくするために点火タイミングを補正する幅の大きさＢ1またはＢ2に応じて、前記限界値を修正する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図４

Description

本発明は、車両に搭載される火花点火式内燃機関の運転制御を司る制御装置に関する。

内燃機関が搭載された車両にあって、その運転状況に応じて内燃機関の気筒に対する燃料供給を一時中断する燃料カットを行うことが広く知られている。一般的には、運転者によるアクセルペダルの踏込量が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上に高いときに、燃料カット条件が成立したものとしてインジェクタからの燃料噴射を停止する。そして、アクセルペダルの踏込量が閾値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した等の何れかの燃料カット終了条件が成立したときに、燃料カットを終了、燃料噴射を再開する。

但し、燃料カット条件が成立したとしても、即時に燃料カットを実行するわけではない。内燃機関が出力するエンジントルクが比較的大きい段階で、急に燃料供給を遮断すると、エンジン回転数及び車速がステップ的に急落して運転者を含む搭乗者に衝撃を感じさせる。そのようなトルクショックを抑止または軽減するべく、燃料カット条件が成立した後、遅延期間の経過を待ってから、はじめて燃料噴射を停止する。この遅延期間中には、気筒に充填された混合気への火花点火タイミングを遅角化し、エンジントルクを積極的に低減させる（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１９−１３５３８３号公報

現状、燃料カット条件成立から燃料カットの実行開始までの間の遅延期間中の点火タイミングは、そのときの内燃機関の運転領域において具現可能な最も遅いタイミングに設定している。点火タイミングを徒に遅角化すると、気筒の燃焼室内での混合気の着火燃焼が不安定となり、失火によるエンジントルクの低落や有害物質ＨＣの排出増を招くおそれがある。そうでなくとも、気筒から排出される燃焼ガスの温度がより高まるので、マニホルドその他の排気通路の構成部品や排気浄化用の触媒に熱害が生じる可能性もある。そこで、混合気の燃焼が不安定とならない限界の点火タイミングと、部材に熱害を生じない限界の点火タイミングとを比較し、より進角側となる方を点火タイミングの遅角量の限度としている。

だが、従前のシステムでは、点火タイミングの遅角量の限界値を設定する上で、内燃機関の経年劣化（例えば、気筒の燃焼室やピストン、点火プラグ、吸排気バルブへのデポジットの付着、堆積）や個体差により混合気の燃焼の安定性が異なってくることを考慮に入れていなかった。つまり、点火タイミングの遅角量の限界値を一律に設定しており、経年劣化により混合気の燃焼環境が悪化した場合、その限界値まで点火タイミングを遅角したときに燃焼不安定ないし失火が発生し、エンジントルクが低落して車両のドライバビリティを損ねてしまう。

以上の問題に初めて着目してなされた本発明は、点火タイミングの遅角量の限界値を適宜修正し、以て中長期に亘り内燃機関の性能及び車両のドライバビリティを維持することを所期の目的としている。

本発明では、気筒に充填された混合気に火花点火するタイミングを決定するにあたり、点火タイミングを最も遅角させることのできる限界値を設けるものであり、エンジン回転数の瞬時値の変動の大きさ、またはその変動を小さくするために点火タイミングを補正する幅の大きさに応じて、前記限界値を修正する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、点火タイミングの遅角量の限界値を適宜修正でき、中長期に亘って内燃機関の性能及び車両のドライバビリティを維持することが可能となる。

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。 同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 燃料カットから復帰して燃料供給を再開する際のエンジン回転数の推移を例示するタイミング図。 燃料カットから復帰して燃料供給を再開する際のエンジン回転数の瞬時値の変動、及びその変動を小さくするための点火タイミングの補正の模様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を有す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を還流する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、内燃機関に対して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、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、吸気カムシャフト及び／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、ブレーキペダルが踏まれていることを検出するスイッチまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号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１３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、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、エンジン回転数や吸気圧等を知得するとともに、気筒１に充填される吸気量（または、新気量）に見合った要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧、混合気への点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）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。

図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、所定の燃料カット条件が成立したときに（ステップＳ１）、気筒１への燃料供給を中断する燃料カットを実行する。ステップＳ１にて、ＥＣＵ０は、少なくとも、アクセル開度が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あることを以て、燃料カット条件が成立したものと判断する。

尤も、燃料カット条件が成立したとしても、即時にインジェクタ１１からの燃料噴射を停止するわけではない。燃料カットに起因するトルクショックを抑止または軽減するべく、ＥＣＵ０は、燃料カット条件が成立した後、遅延期間の経過またはエンジントルクの低下を待ってから（ステップＳ３）、はじめて燃料噴射を停止する（ステップＳ４）。遅延期間中には、気筒１に充填された混合気に対する火花点火タイミングを、最も遅角させることのできる限界値まで遅角させる（ステップＳ２）。燃料カット条件が成立する直前の点火タイミングは、通常、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）またはこれに近いタイミングである。点火タイミングをそのタイミングから遅角させることは、内燃機関の熱機械変換効率を意図的に低下させ、エンジントルクを積極的に低減させることを意味する。

燃料カット条件の成立後、所定の燃料カット終了条件が成立したときには（ステップＳ５）、燃料カットを終了することとし、インジェクタ１１からの燃料噴射を再開する（ステップＳ６）とともに、遅角していた混合気への火花点火タイミングを本来のタイミングまで進角させる（ステップＳ７）。ステップＳ５にて、ＥＣＵ０は、アクセル開度が閾値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数を下回るまで低下した等のうちの何れかを以て、燃料カット終了条件が成立したものと判断する。燃料カット復帰回転数は、燃料カット許可回転数よりも低位の値である。なお、燃料カット条件成立後の遅延期間中に燃料カット終了条件が成立した場合には、燃料カットを開始しない。

ステップＳ２における、燃料カット条件成立後の遅延期間中の点火タイミング、即ち点火タイミングを最も遅角させることのできる限界値は、そのときの内燃機関の運転領域に応じて定まる。点火タイミングの遅角化は、気筒１の燃焼室内での混合気の着火燃焼の不安定化に繋がる。そうでなくとも、点火タイミングの遅角化は、気筒１から排出される燃焼ガスの温度を上昇させ、排気通路４の構成部材や触媒４１に熱害を生じさせるリスクを高める。そこで、混合気の燃焼が不安定とならない限界（燃焼限界）の点火タイミングと、部材に熱害を生じない限界の点火タイミングとを比較し、より進角側となる方を点火タイミングの遅角量の限度とする。

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（または、アクセル開度、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量（または、新気量）若しくは燃料噴射量）］と、混合気の燃焼が不安定とならない限界の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。並びに、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と、部材に熱害を生じない限界の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。ステップＳ２にて、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関のパラメータをキーとしてこれらマップを検索し、混合気の燃焼が不安定とならない限界の点火タイミング、及び部材に熱害を生じない限界の点火タイミングをそれぞれ知得する。そして、遅延期間中の点火タイミングを、それら両者のうちより進角側にあるタイミングに制御する。

ステップＳ７における、燃料カットからの復帰直後の点火タイミングもまた、そのときの内燃機関の運転領域に応じて定まる。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と、本来の基本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。ステップＳ７にて、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関のパラメータをキーとして当該マップを検索し、基本点火タイミングを知得する。そして、燃料カットからの復帰直後の点火タイミングを、その基本点火タイミングに制御する。

ところで、混合気の燃焼が不安定とならない限界の点火タイミングは、恒常的に一定ではなく、内燃機関の経年劣化や個体差により変化し得る。例えば、気筒１の燃焼室やピストン、点火プラグ、吸排気バルブにはデポジットが付着し堆積してゆくと、混合気の燃焼環境が悪化する。さすれば、混合気の燃焼が不安定とならない限界の点火タイミングは、より進角してゆくことになる。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、燃料カットからの復帰後のエンジン回転数の瞬時値の変動の大きさ、またはその変動を小さくするために点火タイミングを補正する幅の大きさに応じて、メモリに記憶保持している、混合気の燃焼が不安定とならない限界の点火タイミングの値を修正する（ステップＳ８、Ｓ９）こととしている。

図３に示すように、運転者がアクセルペダルを踏み直す等して燃料カット終了条件が成立し、気筒１に対する燃料供給及び点火燃焼を再開すると、燃料カットに伴い低下していたエンジン回転数が再び上昇してゆく。図３及び図４に示しているように、その過渡期（時点ｔ₁から時点ｔ₂まで）には、エンジン回転数の瞬時値が上下に振動するような変動が起こる。その変動の大きさは、内燃機関の経年劣化が進行するほど拡大してゆく。図４中、破線は経年劣化していない内燃機関における変動の模様を表し、実線は経年劣化が進行した内燃機関における変動の模様を表している。

ＥＣＵ０は、クランク角信号ｂを参照し、内燃機関のクランクシャフトが所定角度（例えば、３０°ＣＡ（クランク角度））回転する都度、その角度分回転するのに要した時間を計測して、これを基にしてエンジン回転数の瞬時値を把握している。さらに、過渡期にエンジン回転数の瞬時値が上下に振動するのに対応して、その振動を鎮圧するように、各気筒１における混合気への火花点火のタイミングを補正している。より具体的には、ＥＣＵ０が、前回計測した所要時間と、今回計測した所要時間との差分ΔＮｅを反復的に求める。そして、ステップＳ８にて、差分ΔＮｅの時系列からエンジン回転数の瞬時値の落ち込みが見られるならば点火タイミングを基本タイミングから進角させる補正を加え、逆にエンジン回転数の瞬時値の跳ね上がりが見られるならば点火タイミングを基本タイミングから遅角させる補正を加える。前者の進角補正量は、エンジン回転数の瞬時値の落ち込みが大きいほど大きくなり、後者の遅角補正量は、エンジン回転数の瞬時値の跳ね上がりが大きいほど大きくなる。

その上で、ステップＳ９にて、ＥＣＵ０は、エンジン回転数の瞬時値の変動が大きいほど、またはその変動を小さくするために点火タイミングを補正する幅が大きいほど、メモリに記憶保持している、混合気の燃焼が不安定とならない限界の点火タイミングをより進角した値に更新する。エンジン回転数の瞬時値の変動の大きさとしては、図４に示すΔＮｅの極大値と極小値との差分Ａ₁を用いてもよいし、ΔＮｅの平均値または中央値等と極小値との差分Ａ₂を用いてもよい。点火タイミングの補正幅の大きさとしては、図４に示す進角補正量の極値と遅角補正量の極値との差分Ｂ₁を用いてもよいし、進角補正量の極値と補正量０との差分Ｂ₂を用いてもよい。

混合気の燃焼が不安定とならない限界の点火タイミングの値の修正ステップＳ９は、必ずしも高頻度で実施する必要はなく、車両が一定距離走行する度に実施してもよいし、内燃機関が所定回数回転する（または、気筒１において燃料を所定回数燃焼させる）度に実施してもよい。また、メモリに記憶している限界値の修正量（進角量）にガードを設け、差分Ａ₁、Ａ₂、Ｂ₁またはＢ₂が如何に大きくとも、一度の修正機会ではそのガード量を超えて限界値を修正しないようにしてもよい。

本実施形態では、気筒１に充填された混合気に火花点火するタイミングを決定するにあたり、点火タイミングを最も遅角させることのできる限界値を設けるものであり、エンジン回転数の瞬時値の変動の大きさＡ₁またはＡ₂、あるいはその変動を小さくするために点火タイミングを補正する幅の大きさＢ₁またはＢ₂に応じて、前記限界値を修正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、内燃機関の経年劣化や個体差により混合気の燃焼の安定性が変化することを考慮に入れて点火タイミングの遅角量の限界値を設定でき、燃料カット条件成立後の遅延期間中に点火タイミングを遅角することで燃焼不安定ないし失火が発生することを防止できる。そして、中長期に亘り内燃機関の性能及び車両のドライバビリティを高く保つことが可能となる。

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、上記実施形態では、燃料カット終了条件が成立し気筒１に対する燃料供給及び点火燃焼を再開した直後のエンジン回転数の立ち上がりの過渡期に、エンジン回転数の瞬時値の変動の大きさＡ₁またはＡ₂、あるいはその変動を小さくするために点火タイミングを補正する幅の大きさＢ₁またはＢ₂を求め、それに応じて点火タイミングの遅角量の限界値を修正していた。これに代えて、またはこれとともに、内燃機関のアイドル運転を契機として、点火タイミングの遅角量の限界値を修正することも考えられる。

運転者によるアクセルペダルの踏込量が０または０に近い閾値以下となり、車速が低下しまたは０となって内燃機関をアイドル運転する際には、エンジン回転数を内燃機関の自律回転を維持できる最低限のアイドル回転数に収束させるフィードバック制御を実施する。アイドル回転のフィードバック制御では、実測のエンジン回転数と目標アイドル回転数との偏差を算出し、その偏差を縮小する方向に火花点火タイミングを調整する。即ち、実測のエンジン回転数が目標アイドル回転数よりも低い場合には点火タイミングを進角補正し、高い場合には点火タイミングを遅角補正する。このときにも、図４に示したように、エンジン回転数の瞬時値が上下に振動するように変動し、呼応して点火タイミングの進角補正量または遅角補正量も変動する。これらの変動の大きさは、内燃機関の経年劣化が進行するほど拡大してゆく。

従って、内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０が、アイドル回転のフィードバック制御中に、エンジン回転数の瞬時値の変動の大きさＡ₁またはＡ₂、あるいはその変動を小さくするために点火タイミングを補正する幅の大きさＢ₁またはＢ₂を求め、それに応じて点火タイミングの遅角量の限界値を修正することができる。

また、上記実施形態では、メモリに記憶保持している点火タイミングの遅角量の限界値を、燃料カット条件成立後の遅延期間中の点火タイミングの制御に用いていたが、その限界値を他の用途、例えばアイドル回転のフィードバック制御中の点火タイミングの遅角補正量の限界値として用いることも考えられる。

その他、各部の具体的な構成や処理の内容等は、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、車両に搭載される火花点火式内燃機関の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
ｂ…クランク角信号
ｉ…点火信号

Claims (1)

1. 気筒に充填された混合気に火花点火するタイミングを決定するにあたり、点火タイミングを最も遅角させることのできる限界値を設けるものであり、
   エンジン回転数の瞬時値の変動の大きさ、またはその変動を小さくするために点火タイミングを補正する幅の大きさに応じて、前記限界値を修正する内燃機関の制御装置。

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