JP3579933B2 - 内燃機関の燃焼状態制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は自動車等の内燃機関の燃焼状態制御装置に関し、とくに燃焼圧力を検出しながら燃焼状態を制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気組成（とくにＮＯｘ）や燃費を改善するために、空燃比のリーン限界近くで機関を運転するリーンバーン方式が知られている。リーン限界付近で機関を運転する場合、理論空燃比付近での運転に比較して、運転状態の変動により安定性が瞬時に損なわれやすく、このため実際の燃焼状態と相関性の強い燃焼圧力を圧力センサで検出しながら、燃焼状態が安定限界よりも悪化したときには、直ちに空燃比をリーン限界からリッチ側に補正することにより、機関の安定性を維持するようにしている。
【０００３】
例えば、特開昭６０−２４９６４４号や特開昭６２−２５８１５０号公報によれば、他の気筒よりもいくらか空燃比の大きい（リーン）特定の気筒に燃焼圧力センサを取付けておき、この気筒の燃焼状態が所定の安定限界に収まるように全気筒の燃料をリーン限界付近にフィードバック制御し、燃費の改善と共にＮＯｘの低減を図ることが開示されている。
【０００４】
この場合、空燃比の最もリーン、換言すると安定性の最も悪化しがちな特定の気筒の燃焼圧力を検出して制御しているため、一つの圧力センサであるにもかかわらず、圧力センサの無い気筒での安定性も損なうことなく、全気筒について安定限界での運転制御を可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リーンバーンであっても、低速高負荷時など運転条件によってはノッキングを発生することがある。しかし、圧力センサを装着している気筒は、空燃比が最もリーンで、他の気筒に比較してノッキングの発生頻度がそれだけ低く、したがってこの圧力センサの出力から他の気筒を含めてノッキングを検出する場合、精度のよい判定ができず、とくに圧力センサの無い気筒でノッキングにより耐久性が損なわれるという問題があった。
【０００６】
また、このリーンバーンエンジンでは、燃焼圧力を検出しながら燃料の供給量を制御することにより、安定限界付近での運転を可能としているが、燃料の制御だけでは運転状態の変動によって燃焼が大幅に不安定化することがある。そこで燃焼が最良となるように、筒内最大圧力が得られるクランク角度が目標値と一致するように点火時期をフィードバック制御し、リーンバーンでの燃焼の安定性を高めることが考えられるが、このように点火時期をぎりぎりまで進角側に制御すると、燃費が良好となる反面、運転状態が変化したときなどたちまちノッキングを起こす可能性も高い。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで第１の発明は、図１に示すように、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段５１と、機関の特定気筒の筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段５２と、前記筒内圧力検出手段５２の出力に基づいて燃焼安定度を判定する燃焼安定度判定手段５３と、前記燃焼安定度判定手段５３の出力に基づいて燃焼安定限界付近に燃焼状態を制御する燃焼状態制御手段５４と、前記筒内圧力検出手段５２の出力に基づいて筒内圧力が最大となるクランク角度を検出する筒内最大圧力クランク角度検出手段５５と、筒内最大圧力クランク角度が所定の目標値と一致するように点火時期を補正する点火時期補正手段５６と、前記運転状態検出手段の出力または筒内圧力検出手段の出力に基づいて所定の運転状態においてノッキングを回避するように前記点火時期補正手段に対して変更を加える手段であって、前記運転状態検出手段５１の出力がノッキングの発生の可能性が高いことを検出しているにもかかわらず、前記筒内圧力検出手段５２の出力が特定気筒のノッキングの発生を検出していないときは、特定気筒以外の点火時期補正値を所定量遅角した値に固定するよう前記点火時期補正手段５６に対して変更を加える点火時期補正変更手段５７とを備える。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において前記筒内圧力検出手段５２が、最も燃焼条件の悪い気筒の筒内圧力を検出する。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において前記筒内圧力検出手段５２が、他の気筒よりも空燃比の大きい気筒の筒内圧力を検出する。
【００１１】
第４の発明は、第２の発明において前記筒内圧力検出手段５２が、他の気筒よりも排気還流量の大きい気筒の筒内圧力を検出する。
【００１２】
第５の発明は、第１の発明において前記燃焼安定度判定手段５３が、前記筒内圧力検出手段５２の出力に基づき、所定のクランク角度範囲における図示平均有効圧力相当量から燃焼安定度を判定する。
【００１３】
第６の発明は、第１の発明において前記燃焼状態制御手段５４が、前記燃焼安定度判定手段５３の出力に基づいて安定限界付近のリーン空燃比となるように燃料供給量を制御する。
【００１４】
第７の発明は、第１の発明において前記燃焼状態制御手段５４が、前記燃焼安定度判定手段５３の出力に基づいて安定限界付近に排気還流量を制御する。
【００１５】
第８の発明は、第１の発明において前記運転状態検出手段５１が、機関の負荷、あるいは冷却水温、あるいは吸気温度、あるいは吸気湿度、もしくはこれらの組み合わせによりノッキング発生の可能性が高い運転条件にあることを検出する。
【００１６】
第９の発明は、第１から第８の発明において前記点火時期補正変更手段５７が、前記筒内圧力検出手段５２の出力から特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、前記点火時期補正手段５６の筒内最大圧力クランク角度の目標値を所定量だけ遅角させる。
【００１７】
第１０の発明は、第１から第８の発明において前記点火時期補正変更手段５７が、前記筒内圧力検出手段５２の出力から特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、前記点火時期補正手段５６の点火時期補正を中止させ、かつ点火時期補正値を所定量遅角した値に固定する。
【００１９】
第１１の発明は、第９から第１０の発明において前記点火時期補正変更手段５７が、点火時期補正手段５６に対して変更を行う条件の終了後も、所定の時間だけ変更を継続する。
【００２０】
【作用】
第１の発明では、筒内圧力検出手段の出力に基づいて燃焼状態の安定度が判定され、燃焼安定度が安定限界付近を維持するように、燃焼状態制御手段により例えば燃料の供給量がリーン空燃比に制御される。これと同時に、筒内圧力が最大となるクランク角度が、機関の燃焼が最も効率よく行われる目標値に一致するように点火時期が補正され、これらにより、機関の安定限界付近での燃焼を最良に保ち、燃費の改善とＮＯｘの低減を図る。
【００２１】
ノッキングの発生の可能性が高い運転状態にもかかわらず、特定気筒でノッキングが検出されないときは、ノッキングを起こしにくい特定気筒だけは点火時期の補正制御を継続し、ノッキングの可能性の高い他の気筒については、点火時期補正値を所定量遅角し、ノッキングを未然に防止する。
【００２２】
第２の発明では、筒内圧力検出手段を最も燃焼条件の悪い気筒に設け、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御することにより、筒内圧力検出手段をもたない気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することを防止できる。
【００２３】
第３の発明では、空燃比の最も大きい（希薄な）気筒の筒内圧力を検出しているので、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御することにより、筒内圧力検出手段をもたない気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することがない。
【００２４】
第４の発明では、他の気筒よりも排気還流量の大きい気筒の筒内圧力を検出しているので、上記と同じく、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御することにより、筒内圧力検出手段をもたない気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することがない。
【００２５】
第５の発明では、所定のクランク角度範囲における図示平均有効圧力相当量に基づいて、燃焼の安定度を簡単かつ確実に判定することができる。
【００２６】
第６の発明では、燃焼状態制御手段が燃料の供給量を安定限界付近に制御することにより、リーン燃焼により燃費の改善と共にＮＯｘの低減が図れる。
【００２７】
第７の発明では、燃焼状態制御手段が安定限界付近に排気還流量を制御することにより、運転性を損なうことなく、ＮＯｘの大幅な低減が図れる。
【００２８】
第８の発明では、運転状態検出手段は、機関の負荷、あるいは冷却水温、あるいは吸気温度、あるいは吸気湿度、もしくはこれらの組み合わせにより、ノッキング発生の可能性を確実に予知することができる。
【００２９】
第９の発明では、特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、点火時期補正手段の筒内最大圧クランク角度の目標値を所定量だけ遅角させるので、これに応じて全ての気筒の点火時期が相対的に遅れ、ノッキングを確実に回避できる。
【００３０】
第１０の発明では、特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、点火時期補正手段の点火時期補正を中止させ、かつ点火時期補正値をノッキングを回避する所定量だけ遅角した値に固定するので、確実にノッキングを防止できる。
【００３２】
第１１の発明では、ノッキングを回避するために点火時期の変更を行い、その条件が解除されてからも、しばらくはノッキングが発生しやすい状態にあると仮定し、所定の時間だけ変更を継続するので、ノッキングの再発を回避できる。
【００３３】
【実施例】
図２は本発明の実施例を示すもので、図中１は４サイクル４気筒の希薄燃焼エンジン、２は吸気マニホールド、３は排気マニホールド、４は吸気絞弁を示す。吸気マニホールド２の各吸気ブランチには各気筒＃１〜＃４に燃料を噴射供給するインジェクタ５が設けられ、各インジェクタ５はマイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット６からの噴射パルス信号に応じて燃料噴射量が制御される。また、各気筒＃１〜＃４に装着した点火プラグ７は同じくコントロールユニット６からの点火信号により点火時期が制御される。
【００３４】
各気筒の吸気ブランチにはスワールコントロールバルブ８が設けられ、運転状態に応じて気筒内で吸気スワールを発生させる。この場合、第１気筒＃１では、スワールコントロールバルブ８の切欠８ａが他の気筒よりもわずかに大きく形成され、その気筒の吸気スワールを弱くすると共に、吸入空気量を多くして空燃比をリーンにする。この第１気筒＃１の燃焼状態を検出するため、燃焼圧力（筒内圧力）を測定する筒内圧力センサ１２が点火プラグ７の座金部に装着される。
【００３５】
コントロールユニット６には、運転状態を検出するために、エンジンカム軸の回転を検出するクランク角度センサ１１からの基準クランク角度信号（例えば圧縮上死点前１１０°毎）と単位クランク角度信号が入力し、さらには図示しないが、吸入空気量信号、エンジン冷却水温信号、吸気温度信号さらには吸気湿度信号が入力する。また、前記第１気筒＃１の燃焼圧力を検出する筒内圧力センサ１２からの信号もコントロールユニット６に入力する。
【００３６】
コントロールユニット６はこれらの信号に基づいて、安定度を検出しながら空燃比をリーン限界付近に制御し、かつ点火時期を目標値にフィートバック制御し、安定なリーン燃焼を維持しつつ、燃費の改善とＮＯｘの低減を図ると共に、ノッキングの発生を確実に回避する。
【００３７】
ここで、コントロールユニット６で実行される制御動作について説明する。
【００３８】
まず、図３は、エンジンの燃焼状態を判定するために、圧力センサ１２の出力に基づいて第１気筒＃１の図示平均有効圧力相当量Ｓ−Ｐｉを計算するルーチンで、第１気筒＃１の吸気下死点毎に、クランク角度で３６０°の区間（圧縮、膨張行程区間）実行される。
【００３９】
ステップＳ１でカウンタＣと積分値Ｐをクリアし、ステップＳ２で圧力センサの出力からそのときの筒内圧力Ｐｃｙｌを読み込む。ステップＳ３では、カウンタＣの値から、そのときのクランク角度における容積変化率ｄＶ（Ｃ）をマップから読みだし、ステップＳ４で、前記筒内圧力Ｐｃｙｌと容積変化率ｄＶ（Ｃ）との積ｄＰを、ｄＰ＝Ｐｃｙｌ×ｄＶ（Ｃ）として計算する。
【００４０】
ステップＳ５で前回の積分値ＰにこのｄＰを加えたものを新しい積分値Ｐとして、ステップＳ６でカウンタＣを１だけインクリメントする。
【００４１】
ステップＳ７ではカウンタＣの値がクランク角度３６０°に相当する７２に達したかどうかを判断し、Ｃ＞７２でないときは、ステップＳ８でクランク角度で５［°ＣＡ］進むのを待ち、ステップＳ２へ戻る。
【００４２】
これに対して、ステップＳ７が成立したときには、ステップＳ９に移り、積分値Ｐと行程容積Ｖｓとから、図示平均有効圧力相当量Ｓ−Ｐｉ＝Ｐ／Ｖｓとして計算する。
【００４３】
図４はこのように計算した図示平均有効圧力相当量Ｓ−Ｐｉに基づいて、燃料の噴射量を制御するための燃料制御係数ＬＬＣＤＭＬを計算するルーチンで、一定時間（例えば１０［ｍｓ］）毎に実行される。
【００４４】
ステップＳ１１で、最新のＳ−ＰｉをＦｉｌ−ｉｎに代入し、ステップＳ１２でこのＦｉｌ−ｉｎを入力として所定周波数域のデジタル・バンドパスフィルタ（例えば３〜７［Ｈｚ］）を計算する。ステップＳ１３でバンドパスフィルタの出力を２乗し、ステップＳ１４ではこれを入力として所定の時定数（例えば６［ｓ］）のローパスフィルタを計算し、バンドパスフィルタで抽出した成分の強さをＦｉｌ−ｏｕｔとして計算する。
【００４５】
ステップＳ１５で、このＦｉｌ−ｏｕｔを空燃比の目標スライスレベル（Ｓ／Ｌ）と比較し、燃料制御係数ＬＬＣＤＭＬの補正値ｄＬＬＣを、ｄＬＬＣ＝ｄＬＬＣ＋Ｇ×（Ｆｉｌ−ｏｕｔ−Ｓ／Ｌ）として計算する。ただし、Ｇは積分をする際のゲインである。ステップＳ１６では、このように計算した補正値ｄＬＬＣと、１００［％］を意味する定数ＬＬＣ１００とから、ＬＬＣＤＭＬ＝ＬＬＣ１００＋ｄＬＬＣ［％］として燃料制御係数を計算する。
【００４６】
図５はこのように計算したＬＬＣＤＭＬに基づいて燃料インジェクタ５の燃料噴射パルス幅Ｔｉを計算するルーチンで、一定時間（例えば１０［ｍｓ］）毎に実行される。
【００４７】
すなわち、ステップＳ２１で、そのときのエンジン吸入空気量と回転数から計算した負荷を表すパラメータに補正を行ったＴｅと、ＬＬＣＤＭＬを掛け、これに無効パルス幅Ｔｓを加えたものを、燃料噴射パルス幅Ｔｉ＝Ｔｅ×ＬＬＣＤＭＬ＋Ｔｓとして算出する。
【００４８】
このようにして、燃焼安定限界付近を維持するリーン空燃比となるように燃料噴射パルス幅（噴射量）が演算され、これに基づいて各インジェクタ５から各気筒に燃料が噴射供給される。
【００４９】
次に図６はノッキングを回避しつつ点火時期を最適に制御するために、運転状態を検出したフラグを設定するルーチンで、バックグランドジョブとして実行される。
【００５０】
まず、ステップＳ３１で負荷が所定値Ｔｆよりも大きいかどうかを判定し、ステップＳ３２で冷却水温が所定値Ｔｒよりも高温かどうかを判定し、ステップＳ３３で吸気温が所定値Ｔｋよりも高温かどうかを判定し、ステップＳ３４で吸気湿度が所定値Ｔｓよりも低いかどうかを判定する。
【００５１】
ステップＳ３１〜ステップＳ３４までのいずれも成立しないときは、ノッキングの発生の可能性が少ない運転状態にあるとして、ステップＳ３５でフラグＦＭＢＴ＝０とし、これに対していずれか一つでも成立するときは、ノッキングの可能性が高いものとして、ステップＳ３６に移行し、フラグＦＭＢＴ＝１にして点火時期制御の目標値に変更を加えるものとする。
【００５２】
図７は点火時期を設定するためのルーチンで、回転角のＲｅｆ信号に同期して実行される。
【００５３】
まず、ステップＳ４１でＭＢＴ特性に設定された点火時期のマップ値Ａｄｖｍａｐ（図８参照）を、エンジン負荷（燃料噴射パルス幅Ｔｐ）と回転数Ｎを基に読み込み、ステップＳ４２ではフラグＦＭＢＴ＝１かどうかを判定する。
【００５４】
フラグＦＭＢＴ＝１でないとき、つまりノッキングの可能性の低いときは、ステップＳ４３で筒内圧力センサの出力から実際にノッキングが発生しているかどうかを判定し、発生していない場合には、ステップＳ４４で点火時期を設定するための目標値Ｔａｒｇとして、前回の値であるθｔａｒｇｅｔを代入する。なお、この点火時期の目標値は、最良の燃焼状態を得るために、燃焼圧力が最大となるときのクランク角度の目標値に基づいて設定される。
【００５５】
これに対して、フラグＦＭＢＴ＝１のとき、またはノッキングの発生を検出したときにはステップＳ４５に移り、Ｔａｒｇ＝θｔａｒｇｅｔ＋ｄθとして、目標値をｄθだけリタード側に設定する。なお、このｄθは、図９のマップから負荷Ｔｐと回転数Ｎに基づいて算出するか、あるいは、後述するように、図１０に示した筒内圧力波形における全気筒のθｐｍａｘが入るクランク角度の幅（角度範囲）としてもよい。
【００５６】
そして、ステップＳ４６では、第１気筒＃１の検出された実際に筒内圧力が最大となるクランク角度θｐｍａｘと、前記目標値Ｔａｒｇを基にして点火時期の補正値ｄＡｄｖを、ｄＡｄｖ＝ｄＡｄｖ＋Ｋ×（θｐｍａｘ−Ｔａｒｇ）として計算する。ただし、Ｋは積分する際のゲインを表す。
【００５７】
ステップＳ４７ではステップＳ４１で読み込んだマップ値Ａｄｖｍａｐにこの補正値ｄＡｄｖを加えて、点火時期Ａｄｖを求める。
【００５８】
このようにして、運転状態に応じて設定した点火時期を補正し、ノッキングの可能性の高いとき、またはノッキングを検出したときは所定値だけ目標値をリタードさせる。
【００５９】
なお、ステップＳ４３でフラグＦＭＢＴ＝１でないにもかかわらずノッキングの発生が検出されたときは、かなり運転状態が悪いことが予測されるので、フラグＦＭＢＴ＝１のときよりもｄθを大きな値として点火時期を大きくリタードさせてもよい。
【００６０】
次に作用について説明する。
【００６１】
図１３にも示すように、空燃比をリーン化していくと、ＮＯｘは減少していくが、逆にサージトルクが大きくなっていく。ＮＯｘの排出量が所定の上限値以下となり、しかもサージトルクもサージ上限よりも低くなる、矢印で示す運転範囲が、良好な運転が可能なリーン領域となる。しかし、燃費を最良にするには、サージ限界に最も近い図中の斜線領域で運転する必要がある。
【００６２】
サージ限界付近で運転するときは、運転状態の変動によって、たちまちサージトルクが上限を越し、運転性が急激に悪化する。この場合、第１気筒＃１のスワールコントロールバルブ８の切欠８ａを他の気筒よりも大きくし、スワールを弱く、かつ空燃比をリーンにすることにより、図１０にも示すように、相対的に第１気筒＃１の燃焼が他の気筒よりも遅くなる。このときの各気筒の図示平均有効圧力は、図１１のようになり、第１気筒＃１では燃焼変動が他の気筒よりも大きくなる。
【００６３】
この第１気筒＃１の燃焼安定度とエンジンサージトルクとの関係は図１２に示す特性となり、燃焼安定度がよいほどエンジンのサージトルクは小さくなる。
【００６４】
したがって、このエンジンでは、サージトルクは第１気筒＃１の燃焼安定度に大きく依存することになる。そこで、この第１気筒＃１の燃焼状態を筒内圧力センサ１２により監視し、燃焼安定度が所定の範囲に収まるように全部の気筒の燃料噴射量を制御すれば、常にエンジン全体としてのサージトルクを所定値近傍に制御できる。
【００６５】
一方、基本的な点火時期については、マッチングにより求めた、各運転条件においてトルクが最大で燃費が最良となるＭＢＴ（ミニマムアドバンス フォア ベストトルク）特性にマップ値を設定してある。運転環境の変化や経時変化によりＭＢＴを達成する点火時期がマップ値と相違する場合、マップ値どうりの点火時期に設定すると、図１５の点線で示すように、筒内圧力の最大値となるクランク角度が目標値から大きくずれる（遅れる）ことになり、トルクも低下する。
【００６６】
点火時期がＭＢＴでないときは、図１４にも示すように、空燃比をリーン側へ変化させたときのサージトルクの立ち上がりが、ＭＢＴのときに比較して早くなり、リーン限界での空燃比が小さくなる。このときに運転性が良好となる運転範囲は矢印で示すように非常に狭くなり、仮にサージ限界に制御したとしても、ＭＢＴのときに比べると燃費が悪化する。
【００６７】
そこで、図１５に示すように、第１気筒＃１の最大圧力となるクランク角度θｐｍａｘが、目標値θｔａｒｇｅｔとなるように、ＭＢＴ特性に設定した点火時期をフィードバック制御するのである。同一運転条件のときにトルクを最大にできる筒内圧力が最大値となるクランク角度θｔａｒｇｅｔはエンジンに固有で、運転条件ではほとんど変化しないことが分かっている。
【００６８】
しかし、図１２のように、第１気筒＃１の燃焼安定度から全体的なエンジンサージトルクの限界を検出しており、筒内圧力センサ１２はスワールコントロールバルブ８により最も燃焼を悪くした第１気筒＃１に装着していることから、ＭＢＴ点火時期制御を行った場合、筒内圧力センサ１２を装着していない気筒にとっては、図１５のように点火時期が過剰に進角された状態になる。このため、運転条件によってはこれらの気筒でノッキングを発生し、エンジンの耐久性や運転性が悪化する恐れがでる。
【００６９】
一般的にエンジンの運転条件、すなわち負荷、冷却水温、吸気温、吸気湿度とノッキングとの間には、図１６から図１９に示すような関係があり、高負荷、高冷却水温、高吸気温、低吸気湿度の場合にノッキングの発生頻度が高くなる。
【００７０】
しかし、図６、図７のようにして、これらの検出値をそれぞれ所定値と比較し、いずれかでも所定値を越えているノッキングの発生しやすい条件では、点火時期制御の目標とする目標値θｔａｒｇｅｔ（筒内圧力が最大となるクランク角度の目標値）を所定量ｄθだけリタード側に補正するため、ノッキングを確実に回避することができる。また、この条件以外でも、第１気筒＃１の筒内圧力センサ１２の出力からノッキングが検出された場合には、同じように目標値θｔａｒｇｅｔをリタード側に変更し、ノッキングを回避することができる。
【００７１】
次に図２０に示す他の実施例を説明する。この実施例はノッキングの回避にあたり、目標値θｔａｒｇｅｔをリタード側に補正する代わりに、点火時期制御を中止して点火時期補正値を所定のリタード側の値に固定するようにしたものである。
【００７２】
図において、ステップＳ５１〜５７のうち、ステップＳ５５を除くと、図７と同一である。つまり、ステップＳ５２、５３でフラグＦＭＢＴ＝１またはノッキングの発生を検出したら、ステップＳ５５に移り、点火時期補正値Ａｄｖを、Ａｄｖ＝Ａｄｖｍａｐ−Ｒｅｔとして、点火時期を筒内最大圧力が発生するクランク角度の目標値θｔａｒｇｅｔに近づける制御を中止し、点火時期補正値Ａｄｖをマップ値から所定量だけリタードさせて固定する。
【００７３】
このようにして、ノッキングの発生する可能性の高い領域、あるいは実際にノッキングを検出したときに点火時期を所定量だけリタードさせることにより、ノッキングによるエンジンの耐久性の低下等を回避する。
【００７４】
図２１の実施例は、ノッキングの発生の可能性の高い運転領域であっても、筒内圧力センサ１２を装着した気筒でノッキングが検出されないときは、他の気筒の点火時期は所定量だけリタードさせるが、その気筒だけ点火時期制御を継続させるようにしたのものである。
【００７５】
ステップＳ６２でフラグＦＭＢＴ＝１ではなく、またステップＳ６４でノッキングの発生が無いときは、図７と同じように、ステップＳ６５から、ステップＳ６８、ステップＳ７０で、各気筒の点火時期を筒内最大圧力が発生するクランク角度の目標値に制御し、また、フラグＦＭＢＴ＝１かもしくはノッキングの発生を検出したときは、ステップＳ６６で目標値θｔａｒｇｅｔを遅角側に修正し、ノッキングを回避する。
【００７６】
しかし、フラグＦＭＢＴ＝１だが、ノッキングが発生していないときは、ステップＳ６３からステップＳ６７に移り、目標値Ｔａｒｇ＝θｔａｒｇｅｔとしてステップＳ６９で、第１気筒＃１の点火時期は、ｄＡｄｖ（１）＝ｄＡｄｖ（１）＋Ｋ×（θｐｍａｘ−Ｔａｒｇ）として、点火時期を筒内最大圧力となる目標値に一致させる制御を継続するが、他の気筒＃２〜＃４については、ステップＳ７１において、Ａｄｖ（ｉ＝２〜４）＝Ａｄｖｍａｐ−Ｒｅｔとして、点火時期補正値をマップ値から所定量だけリタードした値に固定する。
【００７７】
このようにして筒内圧力センサ装着気筒でノッキングの発生が無いときは、ノッキングの可能性の高い運転条件（ＦＭＢＴ＝１）でも、その特定気筒については、点火時期のフィードバック制御を持続し、燃費の改善を図ると共に、他の気筒ではノッキングの発生を確実に回避させるのである。
【００７８】
以上の各実施例においては、ノッキングの発生しやすい運転条件またはノッキングを検出したときに限り、点火時期制御の目標値をリタード側に設定したり、点火時期補正値をリタード側に固定したりしたが、これらの条件が解除されても、しばらくはノッキングが発生しやいすい状態が続くものと想定し、解除後も所定の時間は、点火時期を上記リタード側への設定、あるいは固定してもよい。この場合には、ノッキング回避制御の安定性が改善される。
【００７９】
また、空燃比をリーン限界に制御する代わりに、燃費の良い所定の空燃比に設定し、エンジン燃焼安定度が安定限界付近となるように排気還流量を制御し、ＮＯｘの低減を図ることもできる。
【００８０】
第１の発明によれば、筒内圧力検出手段の出力に基づいて特定気筒での燃焼状態の安定度が判定され、この燃焼安定度が常に安定限界付近を維持するように燃料の供給量等が制御され、同時に筒内圧力が最大となるクランク角度が、機関の燃焼が最も効率よく行われる目標値に一致するように点火時期が制御され、これらにより機関の安定限界付近での燃焼を最良に保ちつつ、燃費の改善とＮＯｘの低減を図る一方、ノッキングの発生の可能性が高い運転状態にもかかわらず、特定気筒でノッキングが検出されないときは、ノッキングを起こしにくい特定気筒だけは点火時期の補正制御を継続して燃費を改善し、ノッキングの可能性の高い他の気筒については、点火時期補正値を所定量遅角し、ノッキングが未然に防止され、このため特定気筒でのみ筒内圧力を検出しているにもかかわらず、他の気筒についても確実にノッキングを防ぐことができ、機関の耐久性を向上させられる。
【００８１】
第２の発明によれば、筒内圧力検出手段を最も燃焼条件の悪い気筒に設け、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御するので、他の気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することが確実に防止できる。
【００８２】
第３の発明によれば、空燃比の最も大きい（希薄な）気筒の筒内圧力を検出し、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御するので、他の気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することがない。
【００８３】
第４の発明によれば、他の気筒よりも排気還流量の大きい気筒の筒内圧力を検出しているので、上記と同じく、筒内圧力検出手段をもたない気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することがない。
【００８４】
第５の発明によれば、所定のクランク角度範囲における図示平均有効圧力相当量に基づいて、燃焼の安定度を簡単かつ確実に判定することができる。
【００８５】
第６の発明によれば、燃料の供給量を安定限界付近にリーン制御することで、リーン燃焼により燃費の改善と共にＮＯｘの低減が図れる。
【００８６】
第７の発明によれば、安定限界付近に排気還流量を制御することにより、運転性を損なうことなく、ＮＯｘの大幅な低減が図れる。
【００８７】
第８の発明によれば、機関の負荷、あるいは冷却水温、あるいは吸気温度、あるいは吸気湿度、もしくはこれらの組み合わせにより、ノッキング発生の可能性を確実に予知することができる。
【００８８】
第９の発明によれば、ノッキングの発生の可能性が高い運転状態か、または特定気筒でのノッキングの発生を検出したときに、筒内最大圧クランク角度の目標値を所定量だけ遅角させるので、これに応じて全ての気筒の点火時期が相対的に遅れ、ノッキングを確実に回避できる。
【００８９】
第１０の発明によれば、特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、点火時期補正手段の点火時期補正を中止させ、かつ点火時期補正値をノッキングを回避する所定量だけ遅角した値に固定するので、確実にノッキングを防止できる。
【００９１】
第１１の発明によれば、ノッキングを回避するために点火時期の変更を行い、その条件が解除されてからも、しばらくはノッキングが発生しやすい状態にあると仮定して所定の時間だけ変更を継続するので、ノッキングの再発を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す概略構成図である。
【図３】第１の実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】同じく制御動作を示すフローチャートである。
【図５】同じく制御動作を示すフローチャートである。
【図６】同じく制御動作を示すフローチャートである。
【図７】同じく制御動作を示すフローチャートである。
【図８】点火時期の基本制御特性（ＭＢＴ）を負荷と回転数に応じて示す特性図である。
【図９】点火時期制御の目標値のリタード特性を負荷と回転数に応じて示す特性図である。
【図１０】４気筒エンジンの各気筒の筒内圧力の変化状態を示す説明図である。
【図１１】４気筒エンジンの各気筒の図示平均有効圧力を示す説明図である。
【図１２】エンジンのサージトルクと第１気筒の燃焼安定度との関係を示す特性図である。
【図１３】リーン燃焼エンジンの燃費、排気特性を示す特性図である。
【図１４】点火時期を相違させた場合のリーン燃焼エンジンの燃費、排気特性を示す特性図である。
【図１５】点火時期の制御状態を筒内圧力との関係で示す説明図である。
【図１６】負荷とノッキング発生頻度の関係を示す特性図である。
【図１７】冷却水温とノッキング発生頻度の関係を示す特性図である。
【図１８】吸気温とノッキング発生頻度との関係を示す特性図である。
【図１９】吸気湿度とノッキング発生頻度との関係を示す特性図である。
【図２０】第２の実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【図２１】第３の実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
５ 燃料シンジェクタ
６ コントロールユニット
７ 点火プラグ
１２ 筒内圧力センサ
５１ 運転状態検出手段
５２ 筒内圧力検出手段
５３ 燃焼安定度判定手段
５４ 燃焼状態制御手段
５５ 筒内最大圧力クランク角度検出手段
５６ 点火時期補正手段
５７ 点火時期補正変更手段
【産業上の利用分野】
本発明は自動車等の内燃機関の燃焼状態制御装置に関し、とくに燃焼圧力を検出しながら燃焼状態を制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気組成（とくにＮＯｘ）や燃費を改善するために、空燃比のリーン限界近くで機関を運転するリーンバーン方式が知られている。リーン限界付近で機関を運転する場合、理論空燃比付近での運転に比較して、運転状態の変動により安定性が瞬時に損なわれやすく、このため実際の燃焼状態と相関性の強い燃焼圧力を圧力センサで検出しながら、燃焼状態が安定限界よりも悪化したときには、直ちに空燃比をリーン限界からリッチ側に補正することにより、機関の安定性を維持するようにしている。
【０００３】
例えば、特開昭６０−２４９６４４号や特開昭６２−２５８１５０号公報によれば、他の気筒よりもいくらか空燃比の大きい（リーン）特定の気筒に燃焼圧力センサを取付けておき、この気筒の燃焼状態が所定の安定限界に収まるように全気筒の燃料をリーン限界付近にフィードバック制御し、燃費の改善と共にＮＯｘの低減を図ることが開示されている。
【０００４】
この場合、空燃比の最もリーン、換言すると安定性の最も悪化しがちな特定の気筒の燃焼圧力を検出して制御しているため、一つの圧力センサであるにもかかわらず、圧力センサの無い気筒での安定性も損なうことなく、全気筒について安定限界での運転制御を可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リーンバーンであっても、低速高負荷時など運転条件によってはノッキングを発生することがある。しかし、圧力センサを装着している気筒は、空燃比が最もリーンで、他の気筒に比較してノッキングの発生頻度がそれだけ低く、したがってこの圧力センサの出力から他の気筒を含めてノッキングを検出する場合、精度のよい判定ができず、とくに圧力センサの無い気筒でノッキングにより耐久性が損なわれるという問題があった。
【０００６】
また、このリーンバーンエンジンでは、燃焼圧力を検出しながら燃料の供給量を制御することにより、安定限界付近での運転を可能としているが、燃料の制御だけでは運転状態の変動によって燃焼が大幅に不安定化することがある。そこで燃焼が最良となるように、筒内最大圧力が得られるクランク角度が目標値と一致するように点火時期をフィードバック制御し、リーンバーンでの燃焼の安定性を高めることが考えられるが、このように点火時期をぎりぎりまで進角側に制御すると、燃費が良好となる反面、運転状態が変化したときなどたちまちノッキングを起こす可能性も高い。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで第１の発明は、図１に示すように、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段５１と、機関の特定気筒の筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段５２と、前記筒内圧力検出手段５２の出力に基づいて燃焼安定度を判定する燃焼安定度判定手段５３と、前記燃焼安定度判定手段５３の出力に基づいて燃焼安定限界付近に燃焼状態を制御する燃焼状態制御手段５４と、前記筒内圧力検出手段５２の出力に基づいて筒内圧力が最大となるクランク角度を検出する筒内最大圧力クランク角度検出手段５５と、筒内最大圧力クランク角度が所定の目標値と一致するように点火時期を補正する点火時期補正手段５６と、前記運転状態検出手段の出力または筒内圧力検出手段の出力に基づいて所定の運転状態においてノッキングを回避するように前記点火時期補正手段に対して変更を加える手段であって、前記運転状態検出手段５１の出力がノッキングの発生の可能性が高いことを検出しているにもかかわらず、前記筒内圧力検出手段５２の出力が特定気筒のノッキングの発生を検出していないときは、特定気筒以外の点火時期補正値を所定量遅角した値に固定するよう前記点火時期補正手段５６に対して変更を加える点火時期補正変更手段５７とを備える。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において前記筒内圧力検出手段５２が、最も燃焼条件の悪い気筒の筒内圧力を検出する。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において前記筒内圧力検出手段５２が、他の気筒よりも空燃比の大きい気筒の筒内圧力を検出する。
【００１１】
第４の発明は、第２の発明において前記筒内圧力検出手段５２が、他の気筒よりも排気還流量の大きい気筒の筒内圧力を検出する。
【００１２】
第５の発明は、第１の発明において前記燃焼安定度判定手段５３が、前記筒内圧力検出手段５２の出力に基づき、所定のクランク角度範囲における図示平均有効圧力相当量から燃焼安定度を判定する。
【００１３】
第６の発明は、第１の発明において前記燃焼状態制御手段５４が、前記燃焼安定度判定手段５３の出力に基づいて安定限界付近のリーン空燃比となるように燃料供給量を制御する。
【００１４】
第７の発明は、第１の発明において前記燃焼状態制御手段５４が、前記燃焼安定度判定手段５３の出力に基づいて安定限界付近に排気還流量を制御する。
【００１５】
第８の発明は、第１の発明において前記運転状態検出手段５１が、機関の負荷、あるいは冷却水温、あるいは吸気温度、あるいは吸気湿度、もしくはこれらの組み合わせによりノッキング発生の可能性が高い運転条件にあることを検出する。
【００１６】
第９の発明は、第１から第８の発明において前記点火時期補正変更手段５７が、前記筒内圧力検出手段５２の出力から特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、前記点火時期補正手段５６の筒内最大圧力クランク角度の目標値を所定量だけ遅角させる。
【００１７】
第１０の発明は、第１から第８の発明において前記点火時期補正変更手段５７が、前記筒内圧力検出手段５２の出力から特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、前記点火時期補正手段５６の点火時期補正を中止させ、かつ点火時期補正値を所定量遅角した値に固定する。
【００１９】
第１１の発明は、第９から第１０の発明において前記点火時期補正変更手段５７が、点火時期補正手段５６に対して変更を行う条件の終了後も、所定の時間だけ変更を継続する。
【００２０】
【作用】
第１の発明では、筒内圧力検出手段の出力に基づいて燃焼状態の安定度が判定され、燃焼安定度が安定限界付近を維持するように、燃焼状態制御手段により例えば燃料の供給量がリーン空燃比に制御される。これと同時に、筒内圧力が最大となるクランク角度が、機関の燃焼が最も効率よく行われる目標値に一致するように点火時期が補正され、これらにより、機関の安定限界付近での燃焼を最良に保ち、燃費の改善とＮＯｘの低減を図る。
【００２１】
ノッキングの発生の可能性が高い運転状態にもかかわらず、特定気筒でノッキングが検出されないときは、ノッキングを起こしにくい特定気筒だけは点火時期の補正制御を継続し、ノッキングの可能性の高い他の気筒については、点火時期補正値を所定量遅角し、ノッキングを未然に防止する。
【００２２】
第２の発明では、筒内圧力検出手段を最も燃焼条件の悪い気筒に設け、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御することにより、筒内圧力検出手段をもたない気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することを防止できる。
【００２３】
第３の発明では、空燃比の最も大きい（希薄な）気筒の筒内圧力を検出しているので、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御することにより、筒内圧力検出手段をもたない気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することがない。
【００２４】
第４の発明では、他の気筒よりも排気還流量の大きい気筒の筒内圧力を検出しているので、上記と同じく、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御することにより、筒内圧力検出手段をもたない気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することがない。
【００２５】
第５の発明では、所定のクランク角度範囲における図示平均有効圧力相当量に基づいて、燃焼の安定度を簡単かつ確実に判定することができる。
【００２６】
第６の発明では、燃焼状態制御手段が燃料の供給量を安定限界付近に制御することにより、リーン燃焼により燃費の改善と共にＮＯｘの低減が図れる。
【００２７】
第７の発明では、燃焼状態制御手段が安定限界付近に排気還流量を制御することにより、運転性を損なうことなく、ＮＯｘの大幅な低減が図れる。
【００２８】
第８の発明では、運転状態検出手段は、機関の負荷、あるいは冷却水温、あるいは吸気温度、あるいは吸気湿度、もしくはこれらの組み合わせにより、ノッキング発生の可能性を確実に予知することができる。
【００２９】
第９の発明では、特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、点火時期補正手段の筒内最大圧クランク角度の目標値を所定量だけ遅角させるので、これに応じて全ての気筒の点火時期が相対的に遅れ、ノッキングを確実に回避できる。
【００３０】
第１０の発明では、特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、点火時期補正手段の点火時期補正を中止させ、かつ点火時期補正値をノッキングを回避する所定量だけ遅角した値に固定するので、確実にノッキングを防止できる。
【００３２】
第１１の発明では、ノッキングを回避するために点火時期の変更を行い、その条件が解除されてからも、しばらくはノッキングが発生しやすい状態にあると仮定し、所定の時間だけ変更を継続するので、ノッキングの再発を回避できる。
【００３３】
【実施例】
図２は本発明の実施例を示すもので、図中１は４サイクル４気筒の希薄燃焼エンジン、２は吸気マニホールド、３は排気マニホールド、４は吸気絞弁を示す。吸気マニホールド２の各吸気ブランチには各気筒＃１〜＃４に燃料を噴射供給するインジェクタ５が設けられ、各インジェクタ５はマイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット６からの噴射パルス信号に応じて燃料噴射量が制御される。また、各気筒＃１〜＃４に装着した点火プラグ７は同じくコントロールユニット６からの点火信号により点火時期が制御される。
【００３４】
各気筒の吸気ブランチにはスワールコントロールバルブ８が設けられ、運転状態に応じて気筒内で吸気スワールを発生させる。この場合、第１気筒＃１では、スワールコントロールバルブ８の切欠８ａが他の気筒よりもわずかに大きく形成され、その気筒の吸気スワールを弱くすると共に、吸入空気量を多くして空燃比をリーンにする。この第１気筒＃１の燃焼状態を検出するため、燃焼圧力（筒内圧力）を測定する筒内圧力センサ１２が点火プラグ７の座金部に装着される。
【００３５】
コントロールユニット６には、運転状態を検出するために、エンジンカム軸の回転を検出するクランク角度センサ１１からの基準クランク角度信号（例えば圧縮上死点前１１０°毎）と単位クランク角度信号が入力し、さらには図示しないが、吸入空気量信号、エンジン冷却水温信号、吸気温度信号さらには吸気湿度信号が入力する。また、前記第１気筒＃１の燃焼圧力を検出する筒内圧力センサ１２からの信号もコントロールユニット６に入力する。
【００３６】
コントロールユニット６はこれらの信号に基づいて、安定度を検出しながら空燃比をリーン限界付近に制御し、かつ点火時期を目標値にフィートバック制御し、安定なリーン燃焼を維持しつつ、燃費の改善とＮＯｘの低減を図ると共に、ノッキングの発生を確実に回避する。
【００３７】
ここで、コントロールユニット６で実行される制御動作について説明する。
【００３８】
まず、図３は、エンジンの燃焼状態を判定するために、圧力センサ１２の出力に基づいて第１気筒＃１の図示平均有効圧力相当量Ｓ−Ｐｉを計算するルーチンで、第１気筒＃１の吸気下死点毎に、クランク角度で３６０°の区間（圧縮、膨張行程区間）実行される。
【００３９】
ステップＳ１でカウンタＣと積分値Ｐをクリアし、ステップＳ２で圧力センサの出力からそのときの筒内圧力Ｐｃｙｌを読み込む。ステップＳ３では、カウンタＣの値から、そのときのクランク角度における容積変化率ｄＶ（Ｃ）をマップから読みだし、ステップＳ４で、前記筒内圧力Ｐｃｙｌと容積変化率ｄＶ（Ｃ）との積ｄＰを、ｄＰ＝Ｐｃｙｌ×ｄＶ（Ｃ）として計算する。
【００４０】
ステップＳ５で前回の積分値ＰにこのｄＰを加えたものを新しい積分値Ｐとして、ステップＳ６でカウンタＣを１だけインクリメントする。
【００４１】
ステップＳ７ではカウンタＣの値がクランク角度３６０°に相当する７２に達したかどうかを判断し、Ｃ＞７２でないときは、ステップＳ８でクランク角度で５［°ＣＡ］進むのを待ち、ステップＳ２へ戻る。
【００４２】
これに対して、ステップＳ７が成立したときには、ステップＳ９に移り、積分値Ｐと行程容積Ｖｓとから、図示平均有効圧力相当量Ｓ−Ｐｉ＝Ｐ／Ｖｓとして計算する。
【００４３】
図４はこのように計算した図示平均有効圧力相当量Ｓ−Ｐｉに基づいて、燃料の噴射量を制御するための燃料制御係数ＬＬＣＤＭＬを計算するルーチンで、一定時間（例えば１０［ｍｓ］）毎に実行される。
【００４４】
ステップＳ１１で、最新のＳ−ＰｉをＦｉｌ−ｉｎに代入し、ステップＳ１２でこのＦｉｌ−ｉｎを入力として所定周波数域のデジタル・バンドパスフィルタ（例えば３〜７［Ｈｚ］）を計算する。ステップＳ１３でバンドパスフィルタの出力を２乗し、ステップＳ１４ではこれを入力として所定の時定数（例えば６［ｓ］）のローパスフィルタを計算し、バンドパスフィルタで抽出した成分の強さをＦｉｌ−ｏｕｔとして計算する。
【００４５】
ステップＳ１５で、このＦｉｌ−ｏｕｔを空燃比の目標スライスレベル（Ｓ／Ｌ）と比較し、燃料制御係数ＬＬＣＤＭＬの補正値ｄＬＬＣを、ｄＬＬＣ＝ｄＬＬＣ＋Ｇ×（Ｆｉｌ−ｏｕｔ−Ｓ／Ｌ）として計算する。ただし、Ｇは積分をする際のゲインである。ステップＳ１６では、このように計算した補正値ｄＬＬＣと、１００［％］を意味する定数ＬＬＣ１００とから、ＬＬＣＤＭＬ＝ＬＬＣ１００＋ｄＬＬＣ［％］として燃料制御係数を計算する。
【００４６】
図５はこのように計算したＬＬＣＤＭＬに基づいて燃料インジェクタ５の燃料噴射パルス幅Ｔｉを計算するルーチンで、一定時間（例えば１０［ｍｓ］）毎に実行される。
【００４７】
すなわち、ステップＳ２１で、そのときのエンジン吸入空気量と回転数から計算した負荷を表すパラメータに補正を行ったＴｅと、ＬＬＣＤＭＬを掛け、これに無効パルス幅Ｔｓを加えたものを、燃料噴射パルス幅Ｔｉ＝Ｔｅ×ＬＬＣＤＭＬ＋Ｔｓとして算出する。
【００４８】
このようにして、燃焼安定限界付近を維持するリーン空燃比となるように燃料噴射パルス幅（噴射量）が演算され、これに基づいて各インジェクタ５から各気筒に燃料が噴射供給される。
【００４９】
次に図６はノッキングを回避しつつ点火時期を最適に制御するために、運転状態を検出したフラグを設定するルーチンで、バックグランドジョブとして実行される。
【００５０】
まず、ステップＳ３１で負荷が所定値Ｔｆよりも大きいかどうかを判定し、ステップＳ３２で冷却水温が所定値Ｔｒよりも高温かどうかを判定し、ステップＳ３３で吸気温が所定値Ｔｋよりも高温かどうかを判定し、ステップＳ３４で吸気湿度が所定値Ｔｓよりも低いかどうかを判定する。
【００５１】
ステップＳ３１〜ステップＳ３４までのいずれも成立しないときは、ノッキングの発生の可能性が少ない運転状態にあるとして、ステップＳ３５でフラグＦＭＢＴ＝０とし、これに対していずれか一つでも成立するときは、ノッキングの可能性が高いものとして、ステップＳ３６に移行し、フラグＦＭＢＴ＝１にして点火時期制御の目標値に変更を加えるものとする。
【００５２】
図７は点火時期を設定するためのルーチンで、回転角のＲｅｆ信号に同期して実行される。
【００５３】
まず、ステップＳ４１でＭＢＴ特性に設定された点火時期のマップ値Ａｄｖｍａｐ（図８参照）を、エンジン負荷（燃料噴射パルス幅Ｔｐ）と回転数Ｎを基に読み込み、ステップＳ４２ではフラグＦＭＢＴ＝１かどうかを判定する。
【００５４】
フラグＦＭＢＴ＝１でないとき、つまりノッキングの可能性の低いときは、ステップＳ４３で筒内圧力センサの出力から実際にノッキングが発生しているかどうかを判定し、発生していない場合には、ステップＳ４４で点火時期を設定するための目標値Ｔａｒｇとして、前回の値であるθｔａｒｇｅｔを代入する。なお、この点火時期の目標値は、最良の燃焼状態を得るために、燃焼圧力が最大となるときのクランク角度の目標値に基づいて設定される。
【００５５】
これに対して、フラグＦＭＢＴ＝１のとき、またはノッキングの発生を検出したときにはステップＳ４５に移り、Ｔａｒｇ＝θｔａｒｇｅｔ＋ｄθとして、目標値をｄθだけリタード側に設定する。なお、このｄθは、図９のマップから負荷Ｔｐと回転数Ｎに基づいて算出するか、あるいは、後述するように、図１０に示した筒内圧力波形における全気筒のθｐｍａｘが入るクランク角度の幅（角度範囲）としてもよい。
【００５６】
そして、ステップＳ４６では、第１気筒＃１の検出された実際に筒内圧力が最大となるクランク角度θｐｍａｘと、前記目標値Ｔａｒｇを基にして点火時期の補正値ｄＡｄｖを、ｄＡｄｖ＝ｄＡｄｖ＋Ｋ×（θｐｍａｘ−Ｔａｒｇ）として計算する。ただし、Ｋは積分する際のゲインを表す。
【００５７】
ステップＳ４７ではステップＳ４１で読み込んだマップ値Ａｄｖｍａｐにこの補正値ｄＡｄｖを加えて、点火時期Ａｄｖを求める。
【００５８】
このようにして、運転状態に応じて設定した点火時期を補正し、ノッキングの可能性の高いとき、またはノッキングを検出したときは所定値だけ目標値をリタードさせる。
【００５９】
なお、ステップＳ４３でフラグＦＭＢＴ＝１でないにもかかわらずノッキングの発生が検出されたときは、かなり運転状態が悪いことが予測されるので、フラグＦＭＢＴ＝１のときよりもｄθを大きな値として点火時期を大きくリタードさせてもよい。
【００６０】
次に作用について説明する。
【００６１】
図１３にも示すように、空燃比をリーン化していくと、ＮＯｘは減少していくが、逆にサージトルクが大きくなっていく。ＮＯｘの排出量が所定の上限値以下となり、しかもサージトルクもサージ上限よりも低くなる、矢印で示す運転範囲が、良好な運転が可能なリーン領域となる。しかし、燃費を最良にするには、サージ限界に最も近い図中の斜線領域で運転する必要がある。
【００６２】
サージ限界付近で運転するときは、運転状態の変動によって、たちまちサージトルクが上限を越し、運転性が急激に悪化する。この場合、第１気筒＃１のスワールコントロールバルブ８の切欠８ａを他の気筒よりも大きくし、スワールを弱く、かつ空燃比をリーンにすることにより、図１０にも示すように、相対的に第１気筒＃１の燃焼が他の気筒よりも遅くなる。このときの各気筒の図示平均有効圧力は、図１１のようになり、第１気筒＃１では燃焼変動が他の気筒よりも大きくなる。
【００６３】
この第１気筒＃１の燃焼安定度とエンジンサージトルクとの関係は図１２に示す特性となり、燃焼安定度がよいほどエンジンのサージトルクは小さくなる。
【００６４】
したがって、このエンジンでは、サージトルクは第１気筒＃１の燃焼安定度に大きく依存することになる。そこで、この第１気筒＃１の燃焼状態を筒内圧力センサ１２により監視し、燃焼安定度が所定の範囲に収まるように全部の気筒の燃料噴射量を制御すれば、常にエンジン全体としてのサージトルクを所定値近傍に制御できる。
【００６５】
一方、基本的な点火時期については、マッチングにより求めた、各運転条件においてトルクが最大で燃費が最良となるＭＢＴ（ミニマムアドバンス フォア ベストトルク）特性にマップ値を設定してある。運転環境の変化や経時変化によりＭＢＴを達成する点火時期がマップ値と相違する場合、マップ値どうりの点火時期に設定すると、図１５の点線で示すように、筒内圧力の最大値となるクランク角度が目標値から大きくずれる（遅れる）ことになり、トルクも低下する。
【００６６】
点火時期がＭＢＴでないときは、図１４にも示すように、空燃比をリーン側へ変化させたときのサージトルクの立ち上がりが、ＭＢＴのときに比較して早くなり、リーン限界での空燃比が小さくなる。このときに運転性が良好となる運転範囲は矢印で示すように非常に狭くなり、仮にサージ限界に制御したとしても、ＭＢＴのときに比べると燃費が悪化する。
【００６７】
そこで、図１５に示すように、第１気筒＃１の最大圧力となるクランク角度θｐｍａｘが、目標値θｔａｒｇｅｔとなるように、ＭＢＴ特性に設定した点火時期をフィードバック制御するのである。同一運転条件のときにトルクを最大にできる筒内圧力が最大値となるクランク角度θｔａｒｇｅｔはエンジンに固有で、運転条件ではほとんど変化しないことが分かっている。
【００６８】
しかし、図１２のように、第１気筒＃１の燃焼安定度から全体的なエンジンサージトルクの限界を検出しており、筒内圧力センサ１２はスワールコントロールバルブ８により最も燃焼を悪くした第１気筒＃１に装着していることから、ＭＢＴ点火時期制御を行った場合、筒内圧力センサ１２を装着していない気筒にとっては、図１５のように点火時期が過剰に進角された状態になる。このため、運転条件によってはこれらの気筒でノッキングを発生し、エンジンの耐久性や運転性が悪化する恐れがでる。
【００６９】
一般的にエンジンの運転条件、すなわち負荷、冷却水温、吸気温、吸気湿度とノッキングとの間には、図１６から図１９に示すような関係があり、高負荷、高冷却水温、高吸気温、低吸気湿度の場合にノッキングの発生頻度が高くなる。
【００７０】
しかし、図６、図７のようにして、これらの検出値をそれぞれ所定値と比較し、いずれかでも所定値を越えているノッキングの発生しやすい条件では、点火時期制御の目標とする目標値θｔａｒｇｅｔ（筒内圧力が最大となるクランク角度の目標値）を所定量ｄθだけリタード側に補正するため、ノッキングを確実に回避することができる。また、この条件以外でも、第１気筒＃１の筒内圧力センサ１２の出力からノッキングが検出された場合には、同じように目標値θｔａｒｇｅｔをリタード側に変更し、ノッキングを回避することができる。
【００７１】
次に図２０に示す他の実施例を説明する。この実施例はノッキングの回避にあたり、目標値θｔａｒｇｅｔをリタード側に補正する代わりに、点火時期制御を中止して点火時期補正値を所定のリタード側の値に固定するようにしたものである。
【００７２】
図において、ステップＳ５１〜５７のうち、ステップＳ５５を除くと、図７と同一である。つまり、ステップＳ５２、５３でフラグＦＭＢＴ＝１またはノッキングの発生を検出したら、ステップＳ５５に移り、点火時期補正値Ａｄｖを、Ａｄｖ＝Ａｄｖｍａｐ−Ｒｅｔとして、点火時期を筒内最大圧力が発生するクランク角度の目標値θｔａｒｇｅｔに近づける制御を中止し、点火時期補正値Ａｄｖをマップ値から所定量だけリタードさせて固定する。
【００７３】
このようにして、ノッキングの発生する可能性の高い領域、あるいは実際にノッキングを検出したときに点火時期を所定量だけリタードさせることにより、ノッキングによるエンジンの耐久性の低下等を回避する。
【００７４】
図２１の実施例は、ノッキングの発生の可能性の高い運転領域であっても、筒内圧力センサ１２を装着した気筒でノッキングが検出されないときは、他の気筒の点火時期は所定量だけリタードさせるが、その気筒だけ点火時期制御を継続させるようにしたのものである。
【００７５】
ステップＳ６２でフラグＦＭＢＴ＝１ではなく、またステップＳ６４でノッキングの発生が無いときは、図７と同じように、ステップＳ６５から、ステップＳ６８、ステップＳ７０で、各気筒の点火時期を筒内最大圧力が発生するクランク角度の目標値に制御し、また、フラグＦＭＢＴ＝１かもしくはノッキングの発生を検出したときは、ステップＳ６６で目標値θｔａｒｇｅｔを遅角側に修正し、ノッキングを回避する。
【００７６】
しかし、フラグＦＭＢＴ＝１だが、ノッキングが発生していないときは、ステップＳ６３からステップＳ６７に移り、目標値Ｔａｒｇ＝θｔａｒｇｅｔとしてステップＳ６９で、第１気筒＃１の点火時期は、ｄＡｄｖ（１）＝ｄＡｄｖ（１）＋Ｋ×（θｐｍａｘ−Ｔａｒｇ）として、点火時期を筒内最大圧力となる目標値に一致させる制御を継続するが、他の気筒＃２〜＃４については、ステップＳ７１において、Ａｄｖ（ｉ＝２〜４）＝Ａｄｖｍａｐ−Ｒｅｔとして、点火時期補正値をマップ値から所定量だけリタードした値に固定する。
【００７７】
このようにして筒内圧力センサ装着気筒でノッキングの発生が無いときは、ノッキングの可能性の高い運転条件（ＦＭＢＴ＝１）でも、その特定気筒については、点火時期のフィードバック制御を持続し、燃費の改善を図ると共に、他の気筒ではノッキングの発生を確実に回避させるのである。
【００７８】
以上の各実施例においては、ノッキングの発生しやすい運転条件またはノッキングを検出したときに限り、点火時期制御の目標値をリタード側に設定したり、点火時期補正値をリタード側に固定したりしたが、これらの条件が解除されても、しばらくはノッキングが発生しやいすい状態が続くものと想定し、解除後も所定の時間は、点火時期を上記リタード側への設定、あるいは固定してもよい。この場合には、ノッキング回避制御の安定性が改善される。
【００７９】
また、空燃比をリーン限界に制御する代わりに、燃費の良い所定の空燃比に設定し、エンジン燃焼安定度が安定限界付近となるように排気還流量を制御し、ＮＯｘの低減を図ることもできる。
【００８０】
第１の発明によれば、筒内圧力検出手段の出力に基づいて特定気筒での燃焼状態の安定度が判定され、この燃焼安定度が常に安定限界付近を維持するように燃料の供給量等が制御され、同時に筒内圧力が最大となるクランク角度が、機関の燃焼が最も効率よく行われる目標値に一致するように点火時期が制御され、これらにより機関の安定限界付近での燃焼を最良に保ちつつ、燃費の改善とＮＯｘの低減を図る一方、ノッキングの発生の可能性が高い運転状態にもかかわらず、特定気筒でノッキングが検出されないときは、ノッキングを起こしにくい特定気筒だけは点火時期の補正制御を継続して燃費を改善し、ノッキングの可能性の高い他の気筒については、点火時期補正値を所定量遅角し、ノッキングが未然に防止され、このため特定気筒でのみ筒内圧力を検出しているにもかかわらず、他の気筒についても確実にノッキングを防ぐことができ、機関の耐久性を向上させられる。
【００８１】
第２の発明によれば、筒内圧力検出手段を最も燃焼条件の悪い気筒に設け、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御するので、他の気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することが確実に防止できる。
【００８２】
第３の発明によれば、空燃比の最も大きい（希薄な）気筒の筒内圧力を検出し、これを基準にして他の気筒の燃焼を制御するので、他の気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することがない。
【００８３】
第４の発明によれば、他の気筒よりも排気還流量の大きい気筒の筒内圧力を検出しているので、上記と同じく、筒内圧力検出手段をもたない気筒の燃焼が安定限界を越えて悪化することがない。
【００８４】
第５の発明によれば、所定のクランク角度範囲における図示平均有効圧力相当量に基づいて、燃焼の安定度を簡単かつ確実に判定することができる。
【００８５】
第６の発明によれば、燃料の供給量を安定限界付近にリーン制御することで、リーン燃焼により燃費の改善と共にＮＯｘの低減が図れる。
【００８６】
第７の発明によれば、安定限界付近に排気還流量を制御することにより、運転性を損なうことなく、ＮＯｘの大幅な低減が図れる。
【００８７】
第８の発明によれば、機関の負荷、あるいは冷却水温、あるいは吸気温度、あるいは吸気湿度、もしくはこれらの組み合わせにより、ノッキング発生の可能性を確実に予知することができる。
【００８８】
第９の発明によれば、ノッキングの発生の可能性が高い運転状態か、または特定気筒でのノッキングの発生を検出したときに、筒内最大圧クランク角度の目標値を所定量だけ遅角させるので、これに応じて全ての気筒の点火時期が相対的に遅れ、ノッキングを確実に回避できる。
【００８９】
第１０の発明によれば、特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、点火時期補正手段の点火時期補正を中止させ、かつ点火時期補正値をノッキングを回避する所定量だけ遅角した値に固定するので、確実にノッキングを防止できる。
【００９１】
第１１の発明によれば、ノッキングを回避するために点火時期の変更を行い、その条件が解除されてからも、しばらくはノッキングが発生しやすい状態にあると仮定して所定の時間だけ変更を継続するので、ノッキングの再発を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す概略構成図である。
【図３】第１の実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】同じく制御動作を示すフローチャートである。
【図５】同じく制御動作を示すフローチャートである。
【図６】同じく制御動作を示すフローチャートである。
【図７】同じく制御動作を示すフローチャートである。
【図８】点火時期の基本制御特性（ＭＢＴ）を負荷と回転数に応じて示す特性図である。
【図９】点火時期制御の目標値のリタード特性を負荷と回転数に応じて示す特性図である。
【図１０】４気筒エンジンの各気筒の筒内圧力の変化状態を示す説明図である。
【図１１】４気筒エンジンの各気筒の図示平均有効圧力を示す説明図である。
【図１２】エンジンのサージトルクと第１気筒の燃焼安定度との関係を示す特性図である。
【図１３】リーン燃焼エンジンの燃費、排気特性を示す特性図である。
【図１４】点火時期を相違させた場合のリーン燃焼エンジンの燃費、排気特性を示す特性図である。
【図１５】点火時期の制御状態を筒内圧力との関係で示す説明図である。
【図１６】負荷とノッキング発生頻度の関係を示す特性図である。
【図１７】冷却水温とノッキング発生頻度の関係を示す特性図である。
【図１８】吸気温とノッキング発生頻度との関係を示す特性図である。
【図１９】吸気湿度とノッキング発生頻度との関係を示す特性図である。
【図２０】第２の実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【図２１】第３の実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
５ 燃料シンジェクタ
６ コントロールユニット
７ 点火プラグ
１２ 筒内圧力センサ
５１ 運転状態検出手段
５２ 筒内圧力検出手段
５３ 燃焼安定度判定手段
５４ 燃焼状態制御手段
５５ 筒内最大圧力クランク角度検出手段
５６ 点火時期補正手段
５７ 点火時期補正変更手段
Claims (11)
- 機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
機関の特定気筒の筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
前記筒内圧力検出手段の出力に基づいて燃焼安定度を判定する燃焼安定度判定手段と、
前記燃焼安定度判定手段の出力に基づいて燃焼安定限界付近に燃焼状態を制御する燃焼状態制御手段と、
前記筒内圧力検出手段の出力に基づいて筒内圧力が最大となるクランク角度を検出する筒内最大圧力クランク角度検出手段と、
筒内最大圧力クランク角度が所定の目標値と一致するように点火時期を補正する点火時期補正手段と、
前記運転状態検出手段の出力または筒内圧力検出手段の出力に基づいて所定の運転状態においてノッキングを回避するように前記点火時期補正手段に対して変更を加える手段であって、前記運転状態検出手段の出力がノッキングの発生の可能性が高いことを検出しているにもかかわらず、前記筒内圧力検出手段の出力が特定気筒のノッキングの発生を検出していないときは、特定気筒以外の点火時期補正値を所定量遅角した値に固定する点火時期補正変更手段とを備えることを特徴とする内燃機関の燃焼状態制御装置。 - 前記筒内圧力検出手段が、最も燃焼条件の悪い気筒の筒内圧力を検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記筒内圧力検出手段が、他の気筒よりも空燃比の大きい気筒の筒内圧力を検出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記筒内圧力検出手段が、他の気筒よりも排気還流量の大きい気筒の筒内圧力を検出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記燃焼安定度判定手段が、前記筒内圧力検出手段の出力に基づき、所定のクランク角度範囲における図示平均有効圧力相当量から燃焼安定度を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段が、前記燃焼安定度判定手段の出力に基づいて安定限界付近のリーン空燃比となるように燃料供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記燃焼状態制御手段が、前記燃焼安定度判定手段の出力に基づいて安定限界付近に排気還流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記運転状態検出手段が、機関の負荷、あるいは冷却水温、あるいは吸気温度、あるいは吸気湿度、もしくはこれらの組み合わせによりノッキング発生の可能性が高い運転条件にあることを検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記点火時期補正変更手段が、前記筒内圧力検出手段の出力から特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、前記点火時期補正手段の筒内最大圧力クランク角度の目標値を所定量だけ遅角させることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記点火時期補正変更手段が、前記筒内圧力検出手段の出力から特定気筒のノッキングの発生を検出したときに、前記点火時期補正手段の点火時期補正を中止させ、かつ点火時期補正値を所定量遅角した値に固定することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
- 前記点火時期補正変更手段が、点火時期補正手段に対して変更を行う条件の終了後も、所定の時間だけ変更を継続することを特徴とする請求項９から１０のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼状態制御装置。
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