JP2508635B2 - 内燃機関用点火時期制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマイクロコンピュータを用い、気筒内圧力に
応じて点火時期を最適値に制御するための内燃機関用点
火時期制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来この種のものとしては、気筒内のピーク圧力角度
の最適値をあらじめ試験して求めてROMに記憶し、この
記憶した最適値になるように、気筒内圧力を検出して点
火時期を帰還制御している（例えば、特開昭57−203865
号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上述したものでは、圧力ピーク角を判別す
る方法として、マイクロコンピュータの通常のアナログ
入力ポートへ筒内圧力センサの出力を接続するもので
は、高速のAD変換器を使用して微小角毎に圧力値を読み
取り、全読み取りデータから最大値を判別して、その時
の角度をピーク角とする為、多大な記憶容量とプログラ
ムを必要とするという問題があった。一方、割込入力ポ
ートへ筒内圧力センサの出力を位相差回路を介して比較
器による反転信号として接続するものでは、ノッキング
発生時に余剰の反転信号が入力される為、正常なピーク
角度を判別する為のガード及びフェイルセーフの為のプ
ログラムが必要であるという問題があった。

そこで、本発明は上記の問題を解決することを目的と
するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのため本発明は第１図に示すごとく、内燃機関の運
転状態を検出する状態検出手段と、内燃機関の気筒内圧
力のピーク反転をアナログ的に検出するピーク反転検出
回路と、このピーク反転検出回路により検出されたピー
ク反転検出信号が入力されるマスク可能な割込入力端
子、前記状態検出手段により検出された運転状態に応じ
て点火時期を制御する点火時期制御手段、内燃機関の圧
縮行程における所定の角度位置にて前記割込入力端子で
の前記ピーク反転検出信号の割込を許可しその後最初の
前記ピーク反転検出信号が入力されると割込を禁止する
割込制御手段、割込許可時に前記割込入力端子に前記ピ
ーク反転検出信号が入力されることにより開始される割
込処理によって前記ピーク反転検出信号の割込発生時刻
を圧力ピーク点として記憶する記憶手段、および前記点
火時期制御手段により制御された点火時期から前記記憶
手段に記憶された圧力ピーク点までの所要時間が圧縮上
死点後の所定位置となるように前記点火時期制御手段の
点火時期出力に補正をかける圧力帰還手段を含むマイク
ロコンピュータとを備える内燃機関用点火時期制御装置
を提供するものである。

〔作用〕

これにより、ピーク反転検出回路よりのピーク反転検
出信号は、内燃機関の圧縮行程における所定の角度位置
にて割込み制御手段により割込が許可され、その後最初
のピーク反転検出信号が入力されると割込が禁止され
る。このため、割込許可時に割り込み入力端子に圧力ピ
ーク点にて発生するピーク反転検出信号が入力されるこ
とにより割込処理が開始されて、圧力ピーク点での割込
発生時刻が記憶手段に記憶される。そして、点火時期か
ら圧力ピーク点までの所要時間が圧縮上死点後の所定位
置となるように圧力帰還手段により点火時期出力に補正
をかける。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例を示すブロック構成図であ
る。以下この図を基に構成を説明する。

10は制御装置本体で、マイクロコンピュータを構成す
るマイクロプロセッシング・ユニット（MPU）14に演算
部、記憶部、プログラム部を１チップで構成したものに
より、各種アナログ信号をアナログ−ディジタル変換器
（ADC）11を介してスケジュールされたタイミングに同
期して取り込み、必要に応じて２進数もしくは数値の変
換を行なう。また、スイッチ信号の如く２値の電圧レベ
ルを発生する各種信号がバッファ13を介してMPU14の入
力ポートに接続してあり、MPU14のプログラムの周期毎
あるいは一定時間周期毎に電圧レベルを判定する。

更にタイミング精度の必要な信号についてはMPU14の
割込発生ポートに接続して、割込発生の時刻をMPU14の
専用レジスタにラッチする構成としてある。

15はMPU14の出力ポートの信号レベルを増幅して点火
用スイッチ回路20を駆動するバッファである。30は約1:
100の巻数比を有するイグニッション・コイルでその一
次、二次コイル30a,30bの共通端をバッテリ電源線V_Bに
接続すると共に、一次コイル30aの他端は点火用スイッ
チ回路20に接続してある。二次コイル30bの他端は図示
してない高電圧分配器を介して各気筒の点火栓に接続し
てある。

２は吸気量に関するパラメータを電圧信号に変換する
吸気量センサで、その出力はADC11に接続してある。

３はバッテリ電源端子から分岐した電圧信号を取出す
バッテリ電圧取出し部で、その出力はADC11に接続して
ある。

４はサーミスタの抵抗変化を利用して機関冷却水温度
を検出する水温度センサで、この温度センサ４と5Vの定
電圧電源にプル・アップした抵抗との中点電圧がADC11
に接続してある。

５はスロットル弁の開度を検出するスロットル開度セ
ンサで、スロットル弁の回転軸と一体に回転する抵抗体
と、ボディに固定した刷子とからなる可変抵抗器の一端
を5Vの定電圧電源に接続し、刷子の出力電圧レベルがス
ロットル開度信号としてADC11に接続してある。

６は内燃機関のクランク軸に同期して回転する部位に
固定的に配置した回転角センサで、機関の１回転を整数
で等分割して等角度間隔にてパルスを発生するもので、
その出力は入力バッファ13を介してMPU14の割込入力端
子に接続してある。

７は内燃機関のクランク軸の特定気筒の上死点位置を
検出する電子的な近接スイッチにてなる基準位置センサ
で、その出力は入力バッファ13を介してMPU14の第２の
割込入力端子に接続してある。

８はスタータ端子、スロットル全閉スイッチ、エアー
・コンディショナ作動状態スイッチ、ニュートラル・シ
フト・スイッチ等の各種スイッチ類で、その端子電圧信
号は入力バッファ13を介してMPU14の入力端子に接続し
てある。

１はピエゾ効果を持ったセラミックを積層してケーシ
ングし、内燃機関の燃焼室に開口した圧力ホールに連結
した部位に配設した筒内圧力センサで、その出力端が第
３図に示すごとく増幅器12aと時定数の異なる複数の積
分回路とを介して比較器12bの入力に接続されたアナロ
グ的なピーク反転検出回路をなすピーク反転回路12に接
続してある。ピーク反転回路12の出力はMPU14の第３の
割込入力端子に接続しある。このピーク反転回路12の入
出力波形は第４図（ａ），（ｂ）に示すごとくになる。

上記の構成に於いて、吸気量センサ２の出力と回転角
度センサ６の入力間隔及び各種スイッチ類８の状態から
あらかじめ適合した点火時期及び燃料供給量を演算し、
適切な時期を選択して出力すると燃焼室内で着火が起こ
り、その温度上昇と圧力上昇とにより急激な燃焼が起
る。

第５図および第６図は圧縮〜燃焼行程時の燃焼室内の
圧力を模式的に示したもので上死点（TDC）を中心とし
て右方向への時間変化を示している。第５図（Ａ）に於
いて実線で示すP_nは燃焼が起きない場合の圧力変化であ
り、破線で示すP_fは理想的な燃焼が起きた場合の圧力変
化を示したもので、第６図（Ａ）のＰ−Ｖ線図に示す図
示平均有効圧力P_miは圧力差と面積変化で囲まれた面積
が大きくなる程良い事を示す。

ところで、特開昭57−203865号公報に記載されるごと
き従来のものでは第５図（Ｂ）に於ける燃焼圧力のピー
ク角度θ_Fをあらかじめ実験により求め、目標との差時
間を点火時期出力に帰還制御する構成としていたが、実
験的に適合する範囲が燃料組成の相違、圧縮比の製造公
差や経年変化、気筒間差等の要因をすべて含めて適合す
る事は困難であった。また、回転速度が変化すると燃焼
時間に要するクランク角度が変化する為、θ_Ｆを一定と
すると高回転速度では第５図（Ｂ）および第６図（Ｂ）
のハッチングで示したｂの部分が図示平均有効圧力を減
ずると共に、TDCより前の部分では逆方向の出力となる
ので、回転速度と吸気量の条件毎にピーク圧力となる目
標角度を多数、記憶しておく必要があった。

本実施例では第７図に示した如く、回転角度センサ６
の入力回数をカウントすると共に、TDCにおける基準位
置センサ７の入力時に前記カウント値をリセットしてカ
ウント値により現在の角度範囲を判別するようにすると
共に、点火時期直前の特定の角度位置信号を基準とし
て、所定の角度比率からT_Rを演算して記憶すると共に、
同じくピーク反転回路12の出力が入力されるまでの時間
T_Pを計測して記憶する。これら計測した２つの時間の差
（T_P−T_R）は燃焼室内圧力がピークとなる角度の情報を
示しており、回転角度センサ６の入力間隔所要時間Tiと
の比率にて角度が得られる。

MPU14は吸気量センサ２による吸入空気量と、回転角
度センサ６の角度信号入力間隔から求める回転速度と、
各種スイッチ類８の各種スイッチ信号の状態に応じて最
適な点火時期を演算すると共に、その出力を出す最適な
時期であるクランク角度を判定し、この最適な時期に対
応するクランク角度と前記カウンタの値とが一致したと
き該クランク角度から点火時期までの所要角度を信号間
隔角度との比率に所要時間Tiを掛けて時間データtDOFF
に変換して、MPU14内の出力比較レジスタ（OCR）に割込
発生時刻にtDOFFを加えた時刻をセットする。MPU14内の
フリーランニングカウンタの値とOCRの時刻とが一致し
た時、出力ポートが反転する。同様に点火信号の通電開
始点についても制御する事によって点火用スイッチ回路
20を駆動して点火コイルの一次電流を制御する。この様
にしてMPU14は演算結果としてtDOFFを記憶しているの
で、点火出力時刻T_Sと演算によって求める仮想TDC時刻T
_Rとの差時間を求める事が出来る。該差時間（T_R−T_S）
から運転状態によって定まる着火遅れ時間T_Dを差し引い
た時間（T_R−T_S−T_D）に所定係数ｋを乗じた値とTDCか
らピーク角発生位置までの時間（T_P−T_R）の差時間T_fと
を求め、その値を次の点火出力以降に補正する。即ち点
火出力時刻T_Sを求めたのちT_S′→T_S＋T_fとして出力する
事により次の点火時期T_S′を修正する事が出来る。

次に、本発明の要旨に関連する圧力ピーク点での割込
について説明する。内燃機関が始動して所定条件に達し
た後、クランク角度に同期して筒内圧ピーク角の発生信
号の入力ポートの割込を許可する。該クランク角度は筒
内圧が正方向に単調増加し、且つ燃焼開始による圧力変
化がないところが必要であるので本実施例では圧縮行程
において最大進角位置より前に依存する回転角センサの
入力タイミングで制御ステータス・レジスタ（TCSR）の
ビットをセットするようにした。従ってその後で点火時
期での飛火により燃焼が始まり圧力上昇が始まり、膨張
行程による圧力低下と、燃焼による圧力上昇がバランス
した点でコンパレータが反転し、その信号によって割込
を受け付けて、その処理ルーチンを実行する。その時点
では制御ステータス・レジスタ（TCSR）のビットはセッ
トされていないので（TCSRは割込を受け付けるとビット
のセットが自動的に解除されるため）、例えばノッキン
グが発生して筒内圧の信号が高周波の振動を起こした場
合でも最初の反転信号のみを受け付ける事が出来る。

ノッキングは通常燃焼による圧力上昇により混合気が
火炎以外の部分で圧縮による自己着火を起こす事により
急激な燃焼となって音響を発するものでありその最初の
筒内圧のピーク点はノッキングを発生しないときの筒内
圧ピーク点とほぼ同じと考えられる。

以下第８図〜第11図に示したフローチャートによって
CPU14の動作を説明する。

第８図は回転角センサ信号が入力する毎に発生する第
１の割込処理ルーチンで、ステップ1100では先回と今回
の割込発生時刻の差から所要時間を求め、ステップ1101
では今回の割込発生時刻を記憶している。ステップ1102
では回転角センサ信号が入力した時点のクランク軸角度
を現示する相対値に処理している。ステップ1103,1104
に於いては通電開始信号あるいは点火信号を出力する時
期であるか否かを判別し、通電開始の処理時期であれば
ステップ1120へ、点火時期の処理時期であればステップ
1140へ分岐する。いずれでもない場合はステップ1105へ
進んで圧力ピーク角割込許可のタイミングか否かを判別
し、そのタイミングでなければステップ1106へ進んで点
火以外の処理を実行して復帰する。ステップ1105におい
て、圧力ピーク角割込許可のタイミングであると判別す
るとステップ1130へ分岐して始動状態であるか否かを判
別し、始動状態のときには何もしないで復帰し、始動状
態でなければステップ1131へ進んで制御ステータス・レ
ジスタ（TCSR）のビットをセットして圧力ピーク角の割
込を許可状態とした後、復帰する。ステップ1120ではメ
イン・ルーチンで演算される処理時期CDONからのオフセ
ット角に相当する所要時間tDONを加えた時刻を出力比較
レジスタ（OCR）にセットし、ステップ1121で制御ステ
ータス・レジスタ（TCSR）に各ビットのセットを行い復
帰する。

ステップ1140では同じくメイン・ルーチンで演算した
処理時期CDOFFからのオフセット角に相当する所要時間t
DOFFを加えた時刻を出力比較レジスタ（OCR）にセット
し、ステップ1141で制御ステータス・レジスタ（TCSR）
に各ビットのセットを行い復帰する。これにより、制御
ステータス・レジスタのビット状態により出力比較レジ
スタ一致時の出力ポートのレベルを指定する事が出来
る。又、次の割込信号の出力をマスクしたり、許可した
りする事が出来る。

第９図はピーク反転回路12の出力信号が入力する毎に
発生する第３の割込処理ルーチンで、ステップ1300では
ピーク角の割込が許可された後において筒内圧が最初に
ピークに達する割込発生時刻CAPT2を記憶する。ステッ
プ1301では直前の回転角センサ信号入力時の割込発生時
刻CAPT1を記憶する。ステップ1302では点火出力のOCRセ
ット時刻COMPを記憶する。ステップ1303では直前の回転
角センサの入力周期所要時間INTVを記憶して復帰する。

第10図は一定時間周期毎に実行されるメイン・ルーチ
ンのブロック毎のフローチャートを示したもので、ステ
ップ2000は電源投入時に実行される初期値の設定を行な
う。ステップ2010は回転角センサの入力周期INTVを使用
して回転速度を演算するルーチンで、ステップ2020は吸
気量センサのADC入力値と前述の回転速度値及び冷却水
温センサのADC入力値等に応じて燃料供給量に相当する
演算値を演算するルーチンである。ステップ2100は同じ
く運転状態に応じて点火時期及び点火処理時期及びオフ
セット時間と筒内圧ピーク角に応じた補正量を演算する
ルーチンである。ステップ2040は回転速度とスイッチの
状態からスロットル弁を迂回するバイパス空気通路の面
積制御量を演算するルーチンである。ステップ2050はCP
Uの各スイッチ信号及びADC入力信号を一定時間周期毎に
レベル判別するルーチンである。ステップ2060は点火信
号以外の出力信号を処理するルーチンであり、その後、
ステップ2010へ戻る構成となっている。

次に第11図は第10図のステップ2100における点火制御
の部分の詳細なフローチャートであり、複数の気筒のう
ち１つの気筒部分のみが表してある。ステップ2101では
アイドル状態、回転速度、吸気量、冷却水温等の運転パ
ラメータに応じあらかじめ定めた点火時期を演算するル
ーチンであり、ステップ2102ではバッテリ電圧と回転速
度に応じて最適なイグニッション・コイルの通電時間を
求めるルーチンである。ステップ2103は筒内圧ピーク角
によるフィード・バックを実行する運転状態であるか否
かを判別するルーチンであり、実行する場合はステップ
2104へ分岐し、実行しない場合（例えば始動時）はステ
ップ2141に進んで補正量をクリアした後、ステップ2150
へ分岐する。ステップ2104では点火時期出力からピーク
角反転入力までのいわゆる燃焼時間を演算するルーチン
である。ステップ2105は上死点位置直前の回転角センサ
の入力時刻CAPT1と同じく入力間隔の所要時間INTVとか
ら機構的に既知であるTDC位置を補間演算により求める
ルーチンである。ステップ2106はピーク角反転入力が上
死点より前のクランク角度で発生しているか判別すると
ころで、上死点以前であればステップ2120へ分岐して異
常時の処理を行なう。上死点以降であればステップ2110
へ分岐しフィードバック処理を行なう。ステップ2110は
上死点以降の燃焼時間を演算するルーチン、ステップ21
11は燃焼時間全体から着火遅れ時間を除き、上死点前後
の燃焼時間を所定比率にする係数処理を行なうルーチン
である。ステップ2112はこの係数処理された上死点前後
の燃焼時間を使って上死点前後の差時間を求めるルーチ
ンである。ステップ2113はこの差時間をもとにして上死
点前後の燃焼時間が所定の比率になる補正量を求めるル
ーチン、ステップ2130は同一気筒における同一速度領域
の前回と今回との補正量を比較し、その差が小さい場合
はステップ2150へ分岐し、補正量の更新は行わない。差
が大きい場合はステップ2140へ分岐し、演算した補正量
を該当領域の実行用RAMに更新するルーチンである。ス
テップ2150はステップ2101の点火時期演算結果と補正量
とから点火時期及び通電開始時期の直前に位置する角度
信号位置を選定し記憶すると共に、該角度から点火時期
及び通電開始時期までのオフセット角度を演算するルー
チンである。ステップ2160は上記オフセット角度を回転
角センサ信号の入力周期INTVを使用して時間に変更する
ルーチンで演算結果を記憶して割込処理実行時に使用す
る。

ステップ2120は直前の回転角センサ信号の割込発生時
刻と入力周期INTVを使用して上死点までの所要時間を演
算すると共に、ステップ2121でピーク角反転入力時刻か
ら上死点までの所要時間と燃焼時間の1/2の和を求めて
補正量を演算するルーチンである。

以上の点火制御量の演算が角気筒ごとに順次行われ
て、各気筒の点火制御が独立に行われる 以上説明した如くクランク軸の基準位置センサと燃焼
室内圧力ピーク角の発生信号と等角度間隔の回転角セン
サを持ち、各信号間の時間差を演算する手段と上死点よ
り前の燃焼時間と上死点より後の燃焼時間を求める手段
により上死点前後の燃焼時間が所定の比率となるよう点
火時期をフィードバック制御することができるので、あ
らかじめ目標とするピーク角を記憶する事なく普遍性の
ある制御が出来る。

なお、上述した実施例においては、上死点位置直前の
回転角センサの入力時刻と回転角センサの入力間隔の所
要時間INTVとからTDC位置を補間演算により求めたが
（第11図のステップ2105）、TDCにオフセット角度を持
たせ、このオフセット角を角度位置信号の入力間隔から
演算によって求め、その位置を、上死点前後の燃焼時間
の差時間に補正する事により、オフセット角前後の設定
燃焼時間を1:1にして比率係数ｋの演算を省略して、こ
のオフセット角前後の燃焼時間の引き算のみを行って補
正値を求める構成とすることもできる。

また、上述した実施例においては、点火時期出力から
着火遅れ時間を考慮して燃焼時間を計算するようにした
が、公知の着火時期センサにより混合気の着火を直接検
出して燃焼時間を計算するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、高速のA/D変換器
を必要とせず、１点火毎に１回のみ圧力ピーク各情報が
得られるので、多大な記憶容量と膨大なプログラムを必
要としないのみならず、ノッキングによる影響を受ける
ことなく正確にマイクロコンピュータに圧力ピーク角度
情報を記憶するための割込をかけることができるという
優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクレーム対応図、第２図は本発明装置
の一実施例を示すブロック図、第３図は第２図図示装置
におけるピーク反転回路の詳細電気回路図、第４図は第
３図図示のピーク反転回路の入出力波形図、第５図
（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ内燃機関のクランク角−燃焼
圧特性図、第６図は（Ａ），（Ｂ）は第５図（Ａ），
（Ｂ）にそれぞれ対応する内燃機関のＰ−Ｖ線図、第７
図は第２図図示装置の作動説明に供するタイムチャー
ト、第８図〜第11図は第２図図示装置におけるMPUの回
転角割込処理、ピーク角割込処理、メイン・ルーチンお
よび点火制御量の演算の各処理ルーチンをそれぞれ示す
フローチャートである。 １…筒内圧センサ、２…吸気量センサ、６…回転角度セ
ンサ、７…基準位置センサ、12…ピーク圧力検出手段を
なすピーク反転回路、14…マイクロコンピュータを構成
するMPU。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の運転状態を検出する状態検出手
   段と、 内燃機関の気筒内圧力のピーク反転をアナログ的に検出
   するピーク反転検出回路と、 このピーク反転検出回路により検出されたピーク反転検
   出信号が入力されるマスク可能な割込入力端子、前記状
   態検出手段により検出された運転状態に応じて点火時期
   を制御する点火時期制御手段、内燃機関の圧縮行程にお
   ける所定の角度位置にて前記割込入力端子での前記ピー
   ク反転検出信号の割込を許可しその後最初の前記ピーク
   反転検出信号が入力されると割込を禁止する割込制御手
   段、割込許可時に前記割込入力端子に前記ピーク反転検
   出信号が入力されることにより開始される割込処理によ
   って前記ピーク反転検出信号の割込発生時刻を圧力ピー
   ク点として記憶する記憶手段、および前記点火時期制御
   手段により制御された点火時期から前記記憶手段に記憶
   された圧力ピーク点までの所要時間が圧縮上死点後の所
   定位置となるように前記点火時期制御手段の点火時期出
   力に補正をかける圧力帰還手段を含むマイクロコンピュ
   ータとを備える内燃機関用点火時期制御装置。
2. 【請求項２】前記割込制御手段により割込を許可する所
   定の角度位置は最大点火進角位置付近である特許請求の
   範囲第１項記載の内燃機関用点火時期制御装置。
3. 【請求項３】前記圧力帰還手段は、着火時期から上死点
   までの時間と、上死点から圧力ピーク点までの時間と所
   定比率となるように制御するものである特許請求の範囲
   第１項記載の内燃機関用点火時期制御装置。