JP3940904B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に係り、詳しくは、ノッキングを防止するノック防止制御技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
火花点火式の内燃機関（エンジン）では、点火プラグによる点火時において、急速燃焼による急激な圧力上昇に伴って自己着火が生じ、当該自己着火によってノッキングが発生することが知られている。
このノッキングは、騒音や振動に繋がることから極力低減することが好ましく、燃料性状（オクタン価）に因るところも大きいが、一般的には、ノッキングの発生状況に応じて点火時期をリタードさせて燃焼を緩慢にするノック防止制御を行うようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ノック防止制御では、点火時期をリタードさせた後、当該リタードを解除するような制御を繰り返し行うようにしているが、リタードの解除時においてリタードを急激に解除するようにするとノッキングが再発する可能性があり、通常はリタードを徐々に解除するようにしている。
【０００４】
しかしながら、このように点火時期のリタードを徐々に解除するようにすると、ノッキングの発生状況を監視しながら確実にノッキングの再発を抑制できることになる一方、点火時期をリタードさせている期間、即ち燃焼を緩慢にしている期間が長引くことになり、却って燃費が悪化するという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ノッキングを確実に抑制し且つ燃費の悪化を防止しながらノック防止制御を実施可能な内燃機関を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、発生するノッキングのノックレベルを検出するノックレベル検出手段と、前記ノックレベル検出手段により検出されたノックレベルに応じてリタード量を設定し点火時期をリタードさせるノックリタード制御手段と、体積効率を検出する体積効率検出手段とを備え、前記ノックリタード制御手段は、前記点火時期のリタードを解除するとき、前記体積効率検出手段により検出された体積効率に基づいて前記リタード量を変更し、該体積効率の減少に応じて点火時期をアドバンス側に変更することを特徴としている。
【０００６】
即ち、ノッキングは急速燃焼による急激な圧力上昇によって発生するものであることから、燃料性状や点火時期以外に燃焼室内の体積効率、混合気温度、燃焼室壁面温度の影響を受けることになるが、混合気温度や燃焼室壁面温度は体積効率（エンジン負荷に相関）と相関があるため、点火時期のリタードを解除する際、体積効率のみを求め、当該体積効率に基づいてリタード量を変更し、該体積効率の減少に応じて点火時期をアドバンス側に変更するようにしている。
【０００７】
これにより、体積効率、混合気温度、燃焼室壁面温度の影響を考慮して点火時期のリタードが解除され、ノッキングの再発が確実に抑制されながら点火時期のリタードが適切に解除されることになり、体積効率、混合気温度、燃焼室壁面温度が低下しているような場合には、点火時期がリタードされている期間、即ち燃焼を緩慢にしている期間が短縮され、燃費の悪化が防止される。
【０００８】
また、請求項２の発明では、前記ノックリタード制御手段は、前記点火時期のリタードを解除するとき、前記体積効率検出手段により検出された体積効率に遅れ要素を加味した指標に基づいて点火時期を変更することを特徴としている。
即ち、エンジンの運転が過渡状態にあるような場合、混合気温度や燃焼室壁面温度は、一般的に体積効率の変化に対して遅れを生じることから、体積効率に当該遅れを加味した指標を求め、この指標に基づいて点火時期を変更するようにしている。
【０００９】
これにより、体積効率、混合気温度、燃焼室壁面温度の影響をより適切に考慮して点火時期のリタードが解除され、ノッキングの再発が確実に抑制されながら点火時期のリタードの解除が燃費の悪化なく最適に制御される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明の内燃機関の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて当該内燃機関の構成を説明する。
機関本体（以下、単にエンジンという）１は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで均一燃焼を行う吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または層状燃焼を行う圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。この筒内噴射型のエンジン１では、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能であり、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能である。
【００１１】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃焼室８内に燃料を直接噴射可能である。
燃料噴射弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（共に図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。
【００１２】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０の他端にはスロットル弁１１が接続されており、該スロットル弁１１にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１１ａが設けられている。
【００１３】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
シリンダブロック３のクランクケース３ａ内には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、当該クランク角センサ２０のクランク角情報に基づきエンジン回転速度Ｎeを検出可能である。
【００１４】
また、シリンダブロック３のシリンダ近傍には、エンジン１の異常振動の大きさを検知することによりノッキングの程度、即ちノックレベルを検出するノックセンサ（ノックレベル検出手段）２４が設けられている。
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知であり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００１５】
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えて構成されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた本発明に係る内燃機関の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１１ａ、クランク角センサ２０、ノックセンサ２４等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００１６】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ４や燃料噴射弁６等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁６等には、各種センサ類からの検出情報に基づき設定された燃焼空燃比に応じ、燃料噴射量や燃料噴射時期、点火時期等の指令信号がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００１７】
以下、このように構成された本発明に係る内燃機関の作用について説明する。
本発明に係る内燃機関では、ノックセンサ２４からの情報に基づいてノック防止制御を行っており（ノックリタード制御手段）、以下本発明に係るノック防止制御について説明する。
図２を参照すると、本発明に係るノック防止制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下当該フローチャートに沿い説明する。
【００１８】
先ず、ステップＳ１０では、ノックセンサ２４からのノックレベル情報に基づき、ノックレベルに応じた点火時期の基準遅角量、即ちベースリタード量を算出し設定する。実際には、ベースリタード量はノックレベルに応じて予めマップ化されており、ノックレベルに応じて当該マップから読み出す。
ステップＳ１２では、ベースリタード量が値０でない（≠０）か否かを判別する。
【００１９】
当該ノック防止制御では、点火時期がノックリタードさせられると、予め設定された所定期間毎に点火時期を所定角度ずつアドバンス側に戻し、再びノッキングが発生したところでノックレベルに応じて点火時期のベースリタード量を再設定してノックリタードを繰り返すようにしている。
従って、点火時期が所定角度ずつ戻されていても点火時期のリタードが行われている限りはベースリタード量は値０ではなく、ステップＳ１２の判別結果は真（Ｙｅｓ）であり、次にステップＳ１４に進む。なお、ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ３２において後述するノックＥv(n)を値０に設定した後、ステップＳ２４以降に進む。
【００２０】
ステップＳ１４では、ノックセンサ２４からのノック情報の有無を判別する。つまり、ノックセンサ２４からノック情報が入力し、ベースリタード量を設定または再設定するような状況であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でノックセンサ２４からノック情報が入力したと判定された場合には、次にステップＳ１６に進む。
【００２１】
ステップＳ１６では、当該ノック発生時における現在の体積効率、即ち現在Ｅvをノック発生時Ｅv(n)として記憶する。なお、体積効率Ｅvは、ＴＰＳ１１ａにより検出されるスロットル開度θth、クランク角センサ２０により検出されるエンジン回転速度Ｎe、吸気管容積（固定値）、吸入空気量センサに基づき容易に求められる（体積効率検出手段）。
【００２２】
ステップＳ１８では、記憶したノック発生時Ｅv(n)が前回ノッキングが発生したときに前述のように設定したノックＥv(n-1)以上であるか否かを判別する。
つまり、図３（ａ）を参照すると、本制御を実施した場合のノック発生後の体積効率Ｅvの時間変化が示され、併せてノックＥvが一点鎖線で示されているが、最初にノッキングが発生した▲１▼の時点では、ノック発生時Ｅv(n)と▲１▼の時点以前のノックＥv(n-1)とを比較し、再度ノッキングが発生した▲２▼の時点では、ノック発生時Ｅv(n)と▲２▼の時点以前のノックＥv(n-1)とを比較し、ノック発生時Ｅv(n)がノックＥv(n-1)以上であるか否かを判別する。
【００２３】
そして、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ２０に進み、ノックＥv係数を値１．０に設定した後、ステップＳ２２において今回のノックＥv(n)を算出し設定する。一方、ステップＳ１８の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、次にステップＳ２１に進み、ノックＥv係数を例えば値０．５に設定した後、ステップＳ２２において今回のノックＥv(n)を算出し設定する。
【００２４】
ステップＳ２２では、次式(1)に基づいてノックＥv(n)を算出する。

つまり、図３（ａ）及びノックＥv係数（一点鎖線）を示す図３（ｂ）に基づき具体的に述べると、▲１▼の時点以前は上記ステップＳ３２においてノックＥv(n)は値０に設定されているので、ステップＳ１８の判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、▲１▼の時点以降は、ステップＳ２０を経て上記(1)式より、ノックＥv(n)はノック発生時Ｅv(n)にノックＥv係数（＝１．０）を掛けた値、即ちノック発生時Ｅv(n)そのままの値となる。
【００２５】
一方、▲２▼の時点では、ノック発生時Ｅv(n)が低下しており、ノック発生時Ｅv(n)（実線）は上記▲１▼の時点以降の前回のノックＥv(n-1)（一点鎖線）よりも小さいので、ステップＳ１８の判別結果は偽（Ｎｏ）となり、ステップＳ２１においてノックＥv係数が例えば値０．５とされ、上記(1)式より、ノックＥv(n)はノック発生時Ｅv(n)と前回のノックＥv(n-1)との差にノックＥv係数（＝０．５）を掛けた値分だけ前回のノックＥv(n-1)よりも小さい値となる。
換言すれば、ノックＥvは最大リタード量であるベースリタード量が必要なＥvであり、ノックＥv係数はノック再発の危険度を意味する。
【００２６】
ノックＥvが現在のＥv（ノックＥv＝現在のＥv）のとき、後述するように重み係数は１．０となり、リタード量は最大となる。よって、ノックＥvに対し現在のＥvが小さいほどリタード量も小さくなる。ノック発生時のＥvがノックＥvより大きい場合、今回のノックは前回のノックより強いことが予想されるので、確実にノックの発生を防止するために、リタード量を最大のベースリタード量とすべくノックＥv係数を値１．０とする。逆に、ノック発生時のＥvがノックＥvより小さい場合、今回のノックは前回のノックより弱いことが予想されるので、リタード量を最大のベースリタード量とするまでもなく、ノックＥv係数を値１．０より小さい値とする。このように、ノックＥv係数は、ノック再発の危険度を意味するものであり、値１．０が危険度最大、値０が危険度最小を意味する。本実施形態では、中間値をとって危険度を例えば値０．５に設定している。
【００２７】
ノックＥv(n)を算出したら、ステップＳ２４において、体積効率Ｅvに対する重み係数（指標）を算出する。重み係数は、図４にマップで示すように、ノックＥv(n)以上を最大値１．０とし、体積効率Ｅvの減少に伴って値が減少するように予め設定されており（但し、値０〜値１．０の範囲）、実際には当該マップから読み出される。図３（ａ）に示すようにノックＥv(n)が設定された場合には、図３（ｂ）に示すように重み係数（実線）は設定され、時間経過とともに変化する。
【００２８】
そして、重み係数が求められたら、ステップＳ２６において、点火時期の実際のリタード量、即ち実リタード量を次式(2)に基づき算出する。
実リタード量＝（ベースリタード量）×（重み係数） …(2)
このようにして実リタード量が設定されると、図３（ｃ）に示すように、実リタード量（実線）は、ベースリタード量（破線）をそのまま保持したときに比べ、体積効率Ｅvの減少に応じて、速すぎたり遅すぎたりすることなく速やかに解除されることになる。
【００２９】
つまり、上述したように、ノッキングは燃焼室８内の体積効率Ｅv、混合気温度、燃焼室壁面温度の影響を受けるものであるところ、混合気温度や燃焼室壁面温度は体積効率Ｅvと相関があることから、点火時期のリタードを解除する場合、体積効率Ｅvに基づいて点火時期を変更することにより、体積効率Ｅv、混合気温度、燃焼室壁面温度の全ての影響を考慮して、点火時期のリタードがノッキングの再発なく適切に解除される。
【００３０】
従って、体積効率Ｅvが低下し、混合気温度、燃焼室壁面温度が低下しているような場合には、体積効率Ｅvの減少に応じ、点火時期がリタードされている期間、即ち燃焼を緩慢にしている期間が大幅に短縮されることになり、燃費の悪化が防止される。
特に、エンジン１の運転が過渡状態にあるような場合には、混合気温度や燃焼室壁面温度は一般的に体積効率Ｅvの変化に対して遅れを生じるのであるが、ベースリタード量に重み係数を掛けることにより、当該遅れ要素を加味して実リタード量が設定されることになり、ノッキングの再発を確実に抑制しながら点火時期のリタードの解除が燃費の悪化なく最適に制御される。
【００３１】
そして、実リタード量が求められたら、ステップＳ２８において、実リタード量が値０である（＝０）か否かを判別する。つまり、点火時期のリタードの解除が完了したか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で実リタード量が値０であると判定された場合には、ステップＳ３０に進み、ベースリタード量を値０とし（＝０）、点火時期のリタードを終了する。
【００３２】
一方、ステップＳ２８の判別結果が偽（Ｎｏ）で、実リタード量が値０でない場合には、当該ルーチンの実行を繰り返す。この場合、ノッキングが発生しない限りステップＳ１４の判別結果は偽（Ｎｏ）となり、ステップＳ２４を経てステップＳ２６において、実リタード量が体積効率Ｅvに応じて繰り返し設定され、点火時期のリタードの解除が継続される。
【００３３】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態は上記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、体積効率Ｅvに対する指標として重み係数を用いるようにしたが、体積効率Ｅvに対し１次フィルタ処理や２次フィルタ処理を行ってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、エンジン１として筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンを用いるようにしたが、エンジン１は火花点火式であれば吸気管噴射型ガソリンエンジンであってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関によれば、ノッキングは燃料性状や点火時期以外に燃焼室内の体積効率、混合気温度、燃焼室壁面温度の影響を受けることになるが、混合気温度や燃焼室壁面温度は体積効率と相関があることから、点火時期のリタードを解除する際、体積効率のみを求め、当該体積効率に基づいてリタード量を変更し、該体積効率の減少に応じて点火時期をアドバンス側に変更することにより、体積効率、混合気温度、燃焼室壁面温度の影響を考慮して点火時期のリタードを解除でき、ノッキングの再発を確実に抑制しながら点火時期のリタードを適切に解除することができる。
【００３６】
これにより、体積効率、混合気温度、燃焼室壁面温度が低下しているような場合において、点火時期がリタードされている期間、即ち燃焼を緩慢にしている期間を短縮でき、ノッキングの再発の抑制とともに燃費の悪化を防止できる。
また、請求項２の内燃機関によれば、エンジンの運転が過渡状態にあるような場合、混合気温度や燃焼室壁面温度は、一般的に体積効率の変化に対して遅れを生じることから、体積効率に係る遅れを加味した指標を求め、この指標に基づいて点火時期を変更することにより、体積効率、混合気温度、燃焼室壁面温度の影響をより適切に考慮して点火時期のリタードを解除でき、ノッキングの再発を確実に抑制しながら点火時期のリタードの解除を燃費の悪化なく最適に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係るノック防止制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】ノック防止制御を実施した場合のノック発生後における体積効率Ｅv（ａ）、係数（ｂ）、リタード量（ｃ）の時間変化を示すタイムチャートである。
【図４】体積効率Ｅvに対する重み係数を求めるマップである。
【符号の説明】
１ エンジン
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
２４ ノックセンサ
４０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims (2)

1. 発生するノッキングのノックレベルを検出するノックレベル検出手段と、
   前記ノックレベル検出手段により検出されたノックレベルに応じてリタード量を設定し点火時期をリタードさせるノックリタード制御手段と、
   体積効率を検出する体積効率検出手段とを備え、
   前記ノックリタード制御手段は、前記点火時期のリタードを解除するとき、前記体積効率検出手段により検出された体積効率に基づいて前記リタード量を変更し、該体積効率の減少に応じて点火時期をアドバンス側に変更することを特徴とする内燃機関。
2. 前記ノックリタード制御手段は、前記点火時期のリタードを解除するとき、前記体積効率検出手段により検出された体積効率に遅れ要素を加味した指標に基づいて点火時期を変更することを特徴とする、請求項１記載の内燃機関。

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