JP2826592B2

JP2826592B2 - 火花点火内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP2826592B2
Application number: JP1022647A
Authority: JP
Inventors: 哲朗石田; 喜朗団野; 一英栂井; 弘光安東; 大介三林
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 1998-11-18
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: JPH02204662A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、火花点火内燃機関の燃焼状態を最適に保ち
つつ、ノッキング状態となった場合にはこれを速やかに
解消する燃焼制御装置に関する。

＜従来の技術＞火花点火内燃機関（以下、単に機関と称す）における
正常な燃焼は、点火プラグから与えられる火花によって
混合気の一部が着火されて火炎が発生し、更にその火炎
が混合気内を伝搬することにより進行する。ところが、
点火時期の過進角などによって機関がノッキング状態に
なると、燃焼途中における未燃焼部分の混合気が断熱圧
縮などによる温度上昇のために火炎の伝搬を待たず自己
着火し、一時に燃焼する。この燃焼は急激に起こるため
に燃焼室内では圧力および温度が急上昇すると共に衝撃
波が発生し、機関各部の機械的振動や点火プラグ，ピス
トンなどの過熱・溶損を生じる。したがって、ノッキン
グは機関にとって最も有害な現象の一つとして、点火時
期制御（点火時期の遅角）などによる発生防止が図られ
ている。

ところが、一方で機関から最大のトルクを引き出せる
点火時期、いわゆるMBT（Mini−mum Spark Advance for
Best Torque）は、周知のようにノッキングを発生させ
る点火時期の近傍にある。そのため、トルクの増大を図
るべく進角量を多くとるとノッキングの発生頻度が高く
なり、逆にノッキングを抑えるべく小さくとるとトルク
の低下がもたらされる。

そこで、従来の機関ではシリンダブロックなどに振動
加速度検出手段たるノックセンサ（Ｇセンサ）を取り付
け、ノッキングに伴う機関の振動加速度を検出すること
によって、最大トルクを引き出しつつノッキングの発生
を抑えるような点火時期制御（進角および遅角）を行っ
ていた。制御の具体的手順としては、まず点火時期を徐
々に進角させて行って、ノッキングが発生した瞬間に所
定量の遅角を行い、その後ノッキングが再び発生するま
での進角を行うのが一般的であり、これを機関運転中に
常時繰り返すのである。

＜発明が解決しようとする課題＞機関の振動加速度を検出してノッキングの発生を押さ
える従来の方法には以下のような不具合があった。

実際にノッキングが発生しないかぎり常に点火時期を
進角させていくため、瞬間的なノッキングはある間隔で
必ず起こることになり、機関保護の見地から問題となっ
ていた。また、この瞬間的なノッキングの発生頻度を少
なくするためにはノッキング発生時の遅角量を大きくす
る必要があり、性能の面からも改善が望まれていた。

本発明は上記状況に鑑みなされたもので、ノッキング
を未然に防止しながら機関から高トルクを取り出す一
方、実際にノッキングが発生した場合にはこれを速やか
に収束させることのできる燃焼制御装置を提供すること
を目的とする。

＜課題を解決するための手段＞本発明者等は機関から最大トルクを引き出しつつ確実
にノッキングを防止しえる方法について研究し、種々の
実験を行ったところ、ノッキングの発生条件近傍におい
て特異な現象を発見した。すなわち、ノッキング発生条
件近傍においてはノッキングが発生しないにもかかわら
ず燃焼速度が速くなり、第３図（ａ）に示すようにこの
際の熱発生率の変化（一点鎖線で示す）が通常の燃焼時
（破線で示す）に比べて急激になるのである。この原因
は次のように考えられる。

通常の燃焼時における化学反応は、第１の過酸化物反
応、第２の冷炎反応（ホルムアルデヒド反応）、第３の
熱炎反応の各段階を経て行われる。これらの段階のなか
で爆発的反応を示すのは第３段階の熱炎反応であり、過
酸化物反応と冷炎反応は燃料中の炭化水素がまずホルム
アルデヒドやOH,HO₂などの高エネルギーの遊離基に分解
される前駆反応である。

ノッキング発生条件近傍においては、燃焼室内の未燃
焼領域で高圧，高温のために第1,第２段階の前駆反応が
進行しており、通常より高エネルギーの遊離基が多い化
学的に活性化された状態となっている。したがって、そ
こに火炎面が到達すると、前駆反応に要する遅れなしで
直ちに熱炎反応が起こり、火炎速度ひいては熱発生率が
高くなるのである。

これらの事実から、本発明者等には以下のことが解っ
た。すなわち、なんらかの手段によって熱発生率の変化
を知ることができれば、ノッキング寸前の状況を検知す
ることが可能となり、その時点で点火時期の遅角を行え
ば、ノッキングが未然に防止される。そして、その際の
遅角量は、ノッキングが実際には起こっていないため、
従来の方式に比べ少量で済み、点火時期を常にMBTの近
傍に設定することが可能となると言うことである。

ところが、以上述べたようないわゆる予測制御を行っ
ても、急激な負荷が機関に掛かるなど運転状況が激変す
るような場合には、現実にノッキングが発生してしまう
ことがあった。そして、熱発生率の変化からノッキング
寸前の状況を演算する方式の場合には、車載の制御装置
の能力では演算処理に時間が掛かり、この突発的なノッ
キングに素早く対応することができないという欠点があ
った。

本発明は上記知見に基づき完成されたもので、その目
的とするところはノッキングの未然なる防止を図りなが
ら高トルクを得る一方、突発的なノッキングには速やか
な対処を図り、円滑なる運転状態を実現することであ
る。

この課題を解決するために、本発明では筒内圧検出手
段により検出された筒内圧から熱発生率の変化状況を演
算し、これを予め求めておいた値と比較することにより
燃焼状態を判定して最適燃焼状態を得るべく燃焼制御を
行う一方、振動加速度検出手段の検出結果からノッキン
グ状態を判定してこのノッキング状態を回避すべく燃焼
制御を行うことを特徴とする燃焼制御装置を提案するも
のである。

＜作用＞上述のように、ノッキング発生直前の状態と正常燃焼
時とでは熱発生率変化状況に大きな相違があるが、筒内
圧の変化率も燃焼に伴って変化するため、その変化状況
も同様に相違する。

したがって、本発明ではまず筒内圧検出手段によって
検出された筒内圧の変化から熱発生率の変化状況を演算
し、この変化状況を予め試験などにより求めておいたノ
ッキング発生直前の変化状況と比較する。そして、これ
がノッキング発生直前の状態である場合には点火時期の
適宜な遅角などを行うことにより、ノッキングしない範
囲で最適運転状態が得られるような燃焼制御を行う。

その一方、本発明ではこの燃焼制御と並行して振動加
速度検出手段（Ｇセンサ）によるノッキング状態の監視
も行う。そして、現実にノッキングの発生が検知された
場合には、上記燃焼制御を中断して、速やかに点火時期
の所定量の遅角などを行い機関の保護を図る。

＜実施例＞本発明の二つの実施例を図面に基づき具体的に説明す
る。これらの実施例は共に熱発生率あるいは筒内圧変化
率（以下、熱発生率で代表する）の立下がり領域の状況
に基づき燃焼状態を判定するもので、第１実施例は立下
がり領域の状況を熱発生率の移行に要する時間としたも
のであり、第２実施例はそれを立下がりの傾き量とした
ものである。これらの実施例におけるハードウェアの構
成は同一であり、ソフトウェアにも同一部分があるた
め、同一部分は第１実施例で説明する。

第１図には第１および第２実施例に共通のハードウェ
アを模式的に示し、第２図には両実施例の共通部分のフ
ローチャートを示してある。また、第３図（ａ），
（ｂ），（ｃ）にはそれぞれ第１実施例におけるクラン
ク角と熱発生率とのグラフ，ブロック図，フローチャー
トを示し、第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）にはそれぞれ
第２実施例におけるクランク角と熱発生率のグラフ，ク
ランク角と熱発生変化率とのグラフ，ブロック図を示し
てある。そして、第５図（ａ），（ｂ）にはそれぞれ筒
内圧の２階微分値を得るためのブロック図とその手順の
フローチャートを示してある。

第１実施例第１図には実施例に係る制御システムのハードウェア
を簡略に示す。図中、１は自動車用の４サイクル４気筒
ガソリンエンジン（以下、エンジン）であり、各気筒の
燃焼室２には点火プラグ３のほか筒内圧検出手段として
の筒内圧センサ４が取り付けられ、シリンダブロック５
には振動加速度検出手段たるＧセンサ６が取り付けられ
ている。筒内圧センサ４とＧセンサ６はともに圧電素子
を組み込んだものであり、それぞれ気筒内の圧力とシリ
ンダブロック５の振動加速度を電荷に変換して出力す
る。一方、フライホイール７にはクランク角センサ８が
隣接して設けられており、エンジン１のクランク軸が単
位角度（例えば、１゜）回転する毎に信号が出力され
る。

点火プラグ３は点火コイル9,パワートランジスタ10を
介して電子式制御ユニット（以下、ECU）11に接続して
おり、このECU11により駆動制御される。筒内圧センサ
４はアンプ12,マルチプレクサ13,ローパスフィルタ14を
介して、Ｇセンサ６はアンプ15を介して、またクランク
角センサ８は直に、ECU11に接続しており、ECU11に筒内
圧と振動加速度とクランク角の信号をそれぞれ出力す
る。ECU11には、この他に吸気系や排気浄化装置などに
関連する多数の機器が接続し、エンジン１の集中制御を
行うが、煩雑になるため、これらの機器に関する記載は
省略する。

以下、本実施例の作用を第２図と第３図を用いて説明
するが、詳細な説明に先立ち本実施例における制御の概
要を述べる。

第３図（ａ）に示すように、通常燃焼時における熱発
生率（破線で示す）に比べ、ノッキング寸前の状態やノ
ッキング時における熱発生率（それぞれ、一点鎖線と実
線で示す）は、その立下がり方が大きく変化している。
したがって、熱発生率の最大値から燃焼完了までの立下
がり領域における熱発生率の変化割合をある基準で判別
すれば、ノッキング寸前の状態か否かを検知することが
できる。そして、この検知結果を用いれば、点火時期を
負荷状態やガソリンのオクタン価などに応じた最適の値
に保つことができる。

本実施例では熱発生率の立下がり領域すなわち、その
最大値から燃焼完了までのクランク角度を立下がり時間
｜θ₁₀₀−θ₀|として検出して、この検出値を絶対設定
値（エンジンの種類により異なる）と比較することで判
定するようにした。

第３図（ｃ）においてエンジン１が回転するとまず、
クランク角センサ８によりクランク角θが検出され、筒
内圧センサ４により各気筒の筒内圧Ｐが検出される。

次に、ECU11内では、第３図（ｂ）に示すように、熱
発生率演算手段16により下記の手順で熱発生率dQ/dθが
演算される。

次に、下記の通り、熱発生量dQおよび内部エネルギ増
分duを求める各演算式と状態方程式を用いて演算を行
う。

PV＝Ｇ・Ｒ・Ｔ …（３）但し、Ｇは燃焼ガス量、Ａは仕事の熱当量、Ｒは気体定数、 Gvは定容比熱、ｋは比熱の比、Ｔは絶対温度である。

（１），（２），（３）式より従って、熱発生率（dQ/dθ）は以下の通りである。

ところで、燃焼行程（上死点〜上死点後50゜）ではであるから、上式は次のように近似できる。

すなわち、上記クランク角位相間の燃焼行程において
は熱発生率は筒内圧の１階微分値で近似できるのであ
る。熱発生率は単位時間当たりの熱量の変化量であり、
圧縮上死点から圧縮上死点50゜までのクランク角位相で
ある燃焼行程にある場合、筒内圧の１階微分で近似する
ことができる。燃焼行程においては、熱が発生する状態
であり、かつ筒内圧が上昇過程にあるため、筒内圧の１
階微分値も熱発生率もともに正の値となる。また、θ_０
は筒内圧が最大値となるクランク角に相当する。したが
って、熱発生率自体ではなく筒内圧の変化率を演算する
ようにして、リアルタイム制御に要求される演算制御の
迅速性を確保するようにしても良い。

尚、上述したようにして、熱発生率を演算する際に
は、ノッキング等による高周波振動成分をフィルタでカ
ツトすることが望ましい。つまり、指圧線図にはいつで
も高周波の振動成分が重畳しており、この振動成分をカ
ットすることにより、熱発生率の変化状態が第３図
（ａ）に示したように単純化されるのである。そのた
め、本実施例ではフーリエ級数形のローパスフィルタ14
が用いられている。このタイプのフィルタは実時間性
（応答性）が高いために車載用として適しているが、直
接FFT法やスプライン関数法を用いたタイプを用いても
よい。

引き続き、第３図（ｂ）に示すように、ECU9内の立下
り時間演算手段17により、予め検出された、熱発生率が
最大値を示すクランク角θ₁₀₀と燃焼完了のクランク角
θ_０とに基づいて立下り時間｜θ₁₀₀−θ₀|を演算す
る。

次に、このようにして、算出された立下り時間｜θ
₁₀₀−θ₀|をECU11内の判別手段18が絶対設定値と比較し
てノッキング寸前の状態にあるか否かを判定する。

そして、ノッキング寸前の状態にある場合は、次に余
分に進角している度合（α゜）を算出し、点火時期をα
゜遅角させる。また、ノッキングに対して余裕がある場
合には、最適点火時期に対する遅角の度合（β゜）を算
出し、点火時期をβ゜進角させる。ここで、上記α゜と
β゜を十分小さな一定値として１サイクルごとに徐々に
遅角もしくは進角させていく方法を採ってもよい。

尚、算出された立下り時間｜θ₁₀₀−θ₀|に基づく燃
焼状態の判定方法としては、上述した絶対設定値との比
較の他に、熱発生率の最大値に対する比や燃焼状態の安
定した熱発生率の立上り領域でのあるクランク角θ_N1か
らあるクランク角θ_N2までの時間｜θ_N1−θ_N2|に対す
る比で判定しても良い。また、熱発生率の最大値や燃焼
状態の安定した領域での基準時間｜θ_N1−θ_N2|は、複
数のデータを処理して求めた平均値としても良い。さら
に、上記比率の判定レベルは運転条件によって変る、マ
ップ化された値でも良い。

一方、本実施例では上記点火時期制御と並行して、Ｇ
センサ６によるノッキングの検出を行っている。そし
て、ノッキングが検出された場合には上述の燃焼制御を
一時的に中断し、第２図のフローチャートに示すよう
に、異常判定信号を出力する。

異常判定信号が出力された場合、本実施例では点火時
期を無条件に所定値γ゜遅角させるが、その他の燃焼制
御手段を駆動するようにしてもよい。例えば、EGR装置
が設けられている場合には開弁時間を増大させてEGR量
を増加させてもよいし、排気タービン付き機関の場合に
はウエストゲートを開くなどにより過給圧を逃がすよう
にしてもよい。

第２実施例第２実施例は、熱発生率の立下り領域における負の最
大傾き量を、熱発生率の変化率（d²Q/dθ^２）により検
出して、この検出値を前述したように絶対設定値と比較
するなどして判定するようにしたものである。なお、本
実施例では上記検出値の判定を熱発生率変化率の正の最
大値に対する比でも行うことができる。

具体的には、ECU11内に設けられた熱発生率変化率演
算手段19によって、先ず熱発生率の変化率（d²Q/d
θ^２）を筒内圧の２階微分で近似して求める（第４図
（ｂ）参照）。

即ち、前述した（４）式より熱発生率の変化率は以下
の通りとなる。

ここで、燃焼行程（上死点〜上死点後50゜）ではであるから、上式は次のように近似できる。

つまり、熱発生率の変化率は筒内圧の２階微分で近似
できる。

筒内圧の２階微分を求める装置及び手段は第５図に示
す通りである。

即ち、十分に短いサンプリング周期を用いて筒内圧セ
ンサ４よりｉ回時にサンプリングされた筒内圧Piを検出
すると共にクランク角センサ８によりクランク角θを検
出する。次いで、筒内圧１階微分演算手段21がメモリ20
からｉ回時の１回前のサンプリングの際の筒内圧P_i-1を
読み出し、P_i-1とｉ回時の筒内圧Piの両者から、単位角
度当りの変化率を演算してdPi/dθとする。そして、ｉ
回時の筒内圧Piおよびその変化率dPi/dθをメモリ20に
記憶させる。この後、筒内圧２階微分演算手段22がメモ
リ20から１回前のdP_i-1/dθを読み出し、dP_i-1/dθとｉ
回時のdP_i-1/dθの両者から、単位角度当りの変化率を
演算してd²Pi/dθ^２とする。d²Pi/dθ^２はメモリ20に記
憶される。

このようにして求めた筒内圧の２階微分値により熱発
生率の変化率を近似すると簡便となるが、前述した
（５）式により厳密に求めるようにしても良い。

そして、熱発生率の最大値とその時のクランク角θ
₁₀₀とを検出するとともに燃焼完了のクランク角θ_０を
検出した後、熱発生率の立下り領域内で熱発生率変化率
の最小値を検出する。その他の構成及び作用は第１実施
例と同様である。

尚、上記実施例にて、熱発生率変化率演算手段19にお
いて、上述した熱発生率の立下り領域内の熱発生率変化
率のみを演算すれば、演算時間を短縮できて好適であ
る。この場合、熱発生率変化率の最小値を検出領域から
外れている熱発生率変化率の最大値と比較できないこと
は言う迄もない。

以上で実施例の説明を終えるが、本考案はこれらの実
施例に限るものではなく、第１実施例や第２実施例にお
いて、熱発生率の変化が比較的少ない部分をカットオフ
して、例えば熱発生率の最大値に対して50％の熱発生率
を示すクランク角θ₅₀から10％の熱発生率を示すクラン
ク角θ₁₀までを検出領域とするようにしてもよい。

また、これまで時間をクランクの回転に要した期間
（｜θ_ａ−θ_b|）として論じてきたが絶対時間（ms,et
c）を用いて判定してもよい。いずれの場合も判定値は
回転数等条件ごとに変えることが望ましい。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明の火花点火内燃機関の燃
焼制御装置によれば、筒内圧に基づいて演算される熱発
生率のような燃焼の直接の現象から燃焼状態を判定して
点火時期制御を行うようにしたため、ノッキングを未然
に防止しつつ動力性能や燃費を良好に保つ制御が行え
る。そして、その一方、突発的にノッキングが発生して
しまった場合には、これを振動加速度検出手段（Ｇセン
サ）により検出し、速やかに解消すべく燃焼制御を行う
ため、機関の保護も高いレベルで図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１および第２実施例のハードウェアを示す模
式図であり、第２図は両実施例の共通部分のフローチャ
ートである。また、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそ
れぞれ第１実施例におけるクランク角と熱発生変化率と
のグラフ，ブロック図，フローチャートであり、第４図
（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ第２実施例における
クランク角と熱発生率のグラフ，フランク角と熱発生率
とのグラフ，ブロック図である。そして、第５図
（ａ），（ｂ）はそれぞれ筒内圧の２階微分値を得るた
めのブロック図とその手順を示すフローチャートであ
る。図中、１はエンジン、４は筒内圧センサ、６はＧセンサ、８はクランク角センサ、 11はECU、 16は熱発生率演算手段、 17は立下がり時間演算手段、 18は判別手段、 19は熱発生率変化率演算手段、 20はメモリ、 21は筒内圧１階微分演算手段、 22は筒内圧２階微分演算手段である。

フロントページの続き (72)発明者安東弘光東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者三林大介東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (56)参考文献特開昭56−54965（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−150056（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−60053（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−148937（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−107826（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−136543（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−182278（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−66451（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 45/00 F02P 5/15

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】火花点火内燃機関の燃焼室内の燃焼に伴っ
て変化する筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、この筒内圧検出手段からの検出信号に基づいて熱発生率
の変化状況を演算する演算手段と、当該火花点火内燃機関における熱発生率の変化状況を記
憶した記憶手段と、当該火花点火内燃機関の気筒部の振動加速度を検出する
振動加速度検出手段と、前記記憶手段に記憶された熱発生率の変化状況と前記演
算手段によって求められた熱発生率の変化状況とを比較
することにより当該火花点火内燃機関の燃焼状態を判定
して最適燃焼状態を得るべく燃焼制御を行う一方、前記
振動加速度検出手段の検出結果からノッキング状態を判
定してこのノッキング状態を回避すべく燃焼制御を行う
燃焼制御手段と、を具えたことを特徴とする火花点火内燃機関の燃焼制御
装置。