JP3969061B2 - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における燃焼期間を算出し、燃焼期間に基づいて最小点火進角値となるように点火時期を制御する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として特開平１０−３０５３５号公報に開示の技術は、シリンダ内の圧力を測定することなく、シリンダ内での燃焼時間から最小点火進角値（以下、ＭＢＴと示す。）の得られる点火時期を演算するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の技術においては、ＭＢＴ演算値を算出するにあたりシリンダ内総ガス質量（ＭＡＳＳＣ）と未燃ガス密度（ＲＯＵ）を算出し、その後、ＭＡＳＳＣ／ＲＯＵを演算している。未燃ガス密度は、未燃ガス質量を未燃ガス体積で割って得られる値であるため未燃ガスの質量及び体積の変化に依存する。理論的には、これらの値を検出すれば未燃ガス質量を正確に求めることができるが、実際にはシリンダ内にて未燃ガス体積を推定することは困難であるため、上記公報にあっては充填効率ηｃに基づいて未燃ガス密度を算出している。しかしながら、質量に相当する充填効率ηｃのみの関数では、未燃ガス密度を正確に算出することはできず、運転条件により変化する未燃ガス体積分の補正を行うにしても困難であるという問題が残る。更に、ＭＡＳＳＣ、ＲＯＵともに質量であり、質量同士を除算することで求められる値は無次元となるので、これらの質量の値を個別に演算し、さらに除算することは演算の無駄であり、単に演算負荷の増加を招くことになる。
【０００４】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決し、より正確に燃焼期間を算出し、ＭＢＴの得られる内燃機関の点火時期制御装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的のため本発明による内燃機関の点火時期制御装置は、請求項１に記載の如く、シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積と、前記シリンダ内燃焼ガスの所定割合の燃焼ガス質量と、所定運転条件の燃焼ガスに対する前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼のしやすさを示した反応確率と、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼速度と、を算出し、これらに算出値に基づいて、シリンダ内容積が大きいほど燃焼期間が長く、所定割合の燃焼ガス質量が大きいほど燃焼期間が長く、反応確率が大きいほど燃焼期間が短く、燃焼ガスの燃焼速度が早いぼど燃焼期間が短くなるよう燃焼ガスの燃焼期間を算出し、当該燃焼期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を算出する。
【０００６】
前記燃焼期間は、請求項２に記載の如く、シリンダ内容積と燃焼ガス質量とを掛けた値を反応確率と火炎核の反応面積と燃焼速度とを掛けた値で除した演算値に基づいて算出してもよい。
【０００７】
前記反応確率は、請求項３に記載の如く、所定の残留ガス率における燃焼のしやすさを１とし、所定の残留ガス率より小さいほど１より大きな値で設定し、所定の残留ガス率より大きいほど１より小さな値で設定しても良い。
【０００８】
前記反応確率は、請求項４に記載の如く、所定の水温における燃焼のしやすさを１とし、所定の水温より高いほど１より大きな値で設定し、所定の水温より低いほど１より小さな値で設定しても良い。
【０００９】
前記反応確率は、請求項５に記載の如く、所定の当量比における燃焼のしやすさを１とし、所定の当量比よりリッチ側、リーン側いずれにおいても１より小さな値で設定しても良い。
【００１０】
前記所定割合の燃焼ガス質量は、請求項６に記載の如く、燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス質量としても良い。
【００１１】
請求項７に記載の如く、前記燃焼ガス質量割合を複数に分割し、それぞれの燃焼ガス質量割合に対応する燃焼期間を算出し、すべての燃焼期間を合計して燃焼期間を求めても良い。
【００１２】
請求項８に記載の如く、前記燃焼ガス質量割合を、燃焼ガスの着火後火炎核形成に費やされる燃焼ガス質量と、該火炎核形成後から燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス質量とに分割しても良い。
【００１３】
請求項９に記載の如く、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時の雰囲気温度と、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時の雰囲気圧力とを算出し、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼速度は、燃焼ガスの所定温度、所定圧力における基本層流火炎速度から、前記雰囲気温度、雰囲気圧力とに基づいて算出しても良い。
【００１４】
請求項１０に記載の如く、吸入弁が閉じられた時の燃焼ガスの温度を算出し、該算出した温度に有効圧縮比に基づいて算出した温度上昇率を掛けることによって前記雰囲気温度を算出しても良い。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１に記載の本発明においては、シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積と、所定割合の燃焼ガス質量と、燃焼ガスの燃焼のしやすさを示した反応確率と、燃焼ガスの燃焼速度とから燃焼期間を算出し、燃焼期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を算出している。シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積が大きいほど火炎核の拡大容積が大きくなるため燃焼期間が長くなり、その分ＭＢＴの得られる点火時期が進角側に移動される。又、燃焼ガス質量が大きくなるほど燃焼に要する時間が長くなり、その分ＭＢＴの得られる点火時期が進角側に移動される。一方、燃焼のしやすさを反応確率で示しているため、所定運転条件の燃焼ガスの燃焼のしやすさに対して比較することで、燃焼しやすいほど燃焼確率を大として、その分燃焼期間が短くなり、ＭＢＴの得られる点火時期が遅角側に移動される。また、燃焼ガスの燃焼速度が早いほど燃焼期間が短くなり、ＭＢＴの得られる点火時期が遅角側に移動される。このように、燃焼期間に影響を与えるシリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積と、所定割合の燃焼ガス質量と、燃焼ガスの燃焼のしやすさを示した反応確率と、燃焼ガスの燃焼速度とから燃焼期間を算出し、燃焼期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を算出することで、正確且つ容易にＭＢＴの得られる点火時期を算出することができる。
【００１６】
尚、請求項２に記載の発明では、シリンダ内容積と燃焼ガス質量とを掛けた値を反応確率と火炎核の反応面積と燃焼速度とを掛けた値で除した算出することで容易に演算することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明では、所定の残留ガス率における燃焼に対する反応確率を１とおき、当該所定の残留ガス率よりも残留ガス率が小さいほど燃焼しやすく燃焼期間も短くなり、当該所定の残留ガス率よりも残留ガス率が大きいほど燃焼しにくく燃焼期間も長くなることから、これらの燃焼期間の差異に基づいて反応確率を設定することで燃焼期間を正確に算出することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、所定の水温における燃焼のしやすさに対する反応確率を１とおき、当該所定の水温よりも高いぼど燃焼しやすく燃焼期間も短くなり、当該所定の水温よりも低いほど燃焼期間も長くなることから、これらの燃焼期間の差異に基づいて反応確率を設定することで燃焼期間を正確に算出することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明では、所定の当量比における燃焼のしやすさに対する反応確率を１とおき、当該所定の当量比よりもリッチ側、リーン側いずれに振れても燃焼期間が長くなることから、これらの燃焼期間の差異に基づいて反応確率を設定することで燃焼期間を正確に算出することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明では、燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス質量を所定割合の燃焼ガス質量とすることで、着火してから燃焼圧が最大となるまでに相当する期間が算出され、燃焼圧が最大となるタイミングを適宜設定することでＭＢＴの得られる基本点火時期を演算することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、燃焼ガス質量割合を複数に分割し、それぞれの燃焼ガス質量割合に対応する燃焼期間を算出することで、着火後からそれぞれの燃焼割合の燃焼状態に対応して燃焼期間を算出することができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明では、火炎核形成に費やされる燃焼ガス質量が燃焼する期間と、その後燃焼の拡大に費やされる燃焼ガス質量が燃焼する期間とを分割して算出することで、温度、圧力に対する感度が高い火炎核形成段階の燃焼期間を個別に算出でき、より正確に燃焼期間を算出することができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、基本層流火炎速度を雰囲気温度、雰囲気圧力に基づいた値で算出することができる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明では、雰囲気温度を吸気弁が閉じられた時の燃焼ガスの温度と有効圧縮比によって算出することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のシステムを説明するための概略図であり、内燃機関１には吸気コレクタ２と、インジェクタ３を配置された吸気マニホールド４を介して吸気が導入され、内燃機関１からの排気は三元触媒２１を備えた排気マニホールド５からマフラー６を介して大気中に排出される。
【００２６】
吸気コレクタ２にはエアクリーナ７によって浄化された空気が吸気ダクト９を通して供給される。吸気コレクタ２上流にはスロットル開度センサとスロットルモータを備えた電子制御スロットル８が備えられる。
【００２７】
フューエルタンク１０内で蒸発した燃料ガスは、キャニスタ１１に導入された後にキャニスタ１１に導入された空気とともに吸気コレクタ２に送られる。さらに三元触媒２１下流と吸気コレクタ２とを連通するＥＧＲ通路１２が設置され、排気の一部が吸気中に還流される。
【００２８】
内燃機関１にはクランク角の位置を検出するポジションセンサ１３と冷却水温を検出する水温センサ１４とカム位置を検出するフェーズセンサ１５とが設置され、吸気ダクト９には吸気温センサを内蔵したエアフロメータ１６が設けられる。エアフロメータ１６に代わって、吸気マニホールド４の温度と圧力を検出するセンサを設け、これらに基づいて吸入空気量を演算するようにしてもよい。
【００２９】
排気マニホールド５には排気中の酸素濃度を検出するＯ２センサ１７が設けられ、ＥＧＲ通路１２の途中にはＥＧＲコントロールバルブ１８が、またキャニスタ１１から排出されたパージエアを制御するキャニスタパージエアコントロールバルブ１９が設置される。
【００３０】
前記ポジションセンサ１３、水温センサ１４、フェーズセンサ１５、エアフローメータ１６及びそれに内蔵された吸気温センサの出力信号は、コントロールユニット２０に入力され、さらにＯ２センサ１７の出力信号、図示しないバッテリからの電圧信号も入力される。
【００３１】
コントロールユニット２０はこれら入力データに基づき、点火時期制御信号をイグニッションコイルに出力し、空燃比制御信号を燃料噴射用のインジェクタ３に、ＣＶＴＣバルブ制御信号をＣＶＴＣバルブ２２に、キャニスタ制御信号をキャニスタパージコントロールバルブ１９に、さらにＥＧＲ制御信号をＥＧＲコントロールバルブ１８に出力し、内燃機関１を適正な運転状態に維持する。なお、ここでＣＶＴＣバルブ２２は吸気バルブの開閉時期を連続的に可変するバルブである。
【００３２】
このように構成されて、次にコントロールユニット２０で行われる燃焼期間ＢＴ（ｄｅｇ）の演算について説明する。
【００３３】
図２に示すブロック図は燃焼期間の演算の概略を示すものである。基本点火時期演算部３０は、前述した各センサ信号に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を演算し、この基本点火時期に応じて筒内ガスに着火するために点火時期制御演算部４０がイングニッションコイルヘの信号を演算し出力する。基本点火時期演算部３０は、着火後燃焼を開始してから火炎核が形成される段階までに相当する期間を演算する火炎核形成段階燃焼期間演算部３１、火炎核の形成段階が終了してから燃焼圧が最大となるＰｍａｘまでに相当する期間を演算する急速燃焼段階燃焼期間演算部３２、火炎核形成段階燃焼期間演算部３１と急速燃焼段階燃焼期間演算部３２とで演算した期間に基づいて点火してから燃焼圧が最大となるＰｍａｘまでに相当する期間を演算する燃焼期間演算部３３、燃焼期間演算部３３で演算した期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を演算する推定点火時期演算部３４とからなる。
【００３４】
ここで火炎核形成段階としての燃焼初期期間ＢＴ１と急速燃焼段階としての燃焼主期間ＢＴ２について図３と図４を用いて説明する。図３に示すようにＭＢＴ時のシリンダ内圧力Ｐが最大圧Ｐｍａｘとなるクランク角を基準クランク角θＰＭＡＸ（ｄｅｇ）とすると、基準クランク角θＰＭＡＸは燃焼方式に拠らずほぼ一定で、基準クランク角θＰＭＡＸとなる燃焼質量割合Ｒｍａｘ（％）もほぼ一定割合となり、６０％前後の燃焼質量割合となる。図４に示す燃焼質量割合Ｒはシリンダ内の燃料が点火時（燃焼質量割合０％）から完全に燃焼するまで（燃焼質量割合１００％）を百分率で示したもので、シリンダ内の燃料の燃焼量の割合を表す指標である。
【００３５】
ここで燃焼質量割合０％から最大圧Ｐｍａｘを発生する略６０％までの燃焼期間は、燃焼ガス点火後、燃焼割合に殆ど変化が無く筒内圧力が余り変化しない期間である燃焼初期期間と、燃焼割合が急激に立上り筒内圧力が高くなる燃焼主期間とに分けて考えることができる。燃焼初期期間は、燃焼開始から火炎核が形成される段階であり、一般に火炎核が形成されるまでの燃焼質量割合は２％〜１０％である。この段階では、圧力・温度上昇が殆ど無いので燃焼速度が遅く、このため燃焼期間が長くなり圧力・温度の感度が大きくなる。したがって、シリンダの圧縮行程における圧力・温度上昇を正確に求めることにより燃焼初期期間ＢＴ１を精度よく算出することができる。
【００３６】
一方、燃焼主期間は、燃焼によって温度が上昇し始めると、層流域に火炎が伝播し、燃焼速度が急速に速くなる。このために燃焼主期間は短く、圧力・温度に対する感度は鈍くなり、点火時期制御に対する影響は小さい。
【００３７】
本実施例では、燃焼質量割合２％までを燃焼初期期間ＢＴ１として、それ以降を燃焼主期間ＢＴ２と区別して演算し、点火から最大圧Ｐｍａｘとなるまでの燃焼期間ＢＴに相当するクランク角を求めて基準クランク角θＰＭＡＸから差し引くことで点火時期ＭＢＴＣＹＣＬを求めることが可能となる。
【００３８】
図５から図８に示すフローチャートは図２に示したブロック図の各構成を算出するためのもので、図５に示すフローチャートでは上述した燃焼期間の算出に必要な各物理量を求める。まずステップＳ１１では、吸気バルブ閉時シリンダ内容積ＶＩＶＣを算出する。シリンダ内容積ＶＩＶＣは、吸気バルブが閉じた時点のピストン上面とシリンダ壁とに囲まれた容積でシリンダ位置を検出するすることで算出でき、次式のようにクランク角ＩＶＣに応じた関数で表わされる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
次にステップＳ１２で、吸気バルブ閉時の筒内温度ＴＩＮＩ［Ｋ］を算出する。筒内温度は、吸気コレクタ２内温度、排気温度ＴＥＸＨ、残留ガス率ＥＧＲＲＥＭ等と相関関係があり、次式のようにこれらの検出値に応じた関数で表わされるが、別途マップ形式で保有していてもよい。
【００４１】
【数２】
【００４２】
次にステップＳ１３で、燃焼ガスの燃えやすさを無次元の値で示した反応確率ＲＰＲＯＢＡを算出する。筒内での燃焼ガスの燃えやすさは、残留ガス率ＥＧＲＲＥＭ、水温ＴＷＫ［Ｋ］、当量比ＴＦＢＹＡ等に依存し以下の関数で表わすことができる。
【００４３】
【数３】
【００４４】
燃焼ガスは、残留ガス率ＥＧＲＲＥＭで言うと残留ガス率ＥＧＲＲＥＭが小さいほど燃えやすく、大きいほど燃え難くなる。水温ＴＷＫは、水温ＴＷＫ［Ｋ］が高くなるほど燃えやすく、低い時には燃え難い。当量比ＴＦＢＹＡで言うと本実施例では、等量比ＴＦＢＹＡが１．０の時が最も燃えやすく、それよりリッチ側、リーン側どちらに振れても燃え難くなる。エンジンによっては、最も燃えやすい等量比がリーン側に振れているものもあるが、これらの特性は実験によって予め定めておける。これらの特性を考慮して、所定の残留ガス率、水温、当量比における反応確率ＲＰＲＯＢＡを１００％として、これらの物理量の変化によ対応して、例えば７０〜１００％の範囲で設定した反応確率をマップ上に持つように、実験で予め求めておくことができる。
【００４５】
次にステップＳ１４で、基準クランク角θＰＭＡＸを算出する。前述したようにＭＢＴ時の基準クランク角θＰＭＡＸは一定と見倣してもよいが、エンジン回転数が高くなる進角側にシフトする傾向があるため、本実施例では次式のようにエンジン回転数に応じた関数で演算する。
【００４６】
【数４】
【００４７】
ステップＳ１５で、点火無駄時間ＩＧＮＤＥＡＤを算出する。この点火無駄時間ＩＧＮＤＥＡＤは、コントローラで指令値を出力してから点火されるまでの時間で、エンジン回転数が大きくなる程無駄時間が大きくなるためこれを考慮するようにしたもので、下記関数で表わされる。
【００４８】
【数５】
【００４９】
次に燃焼初期期間ＢＴ１の算出フローチャートを図６に示す。
【００５０】
まずステップＳ２１で燃焼開始時のシリンダ内容積Ｖ0を求める。燃焼開始時のシリンダ内容積Ｖ0は前行程時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬ（ｄｅｇＢＴＤＣ）から求めることができ、前記シリンダ内容積ＶＩＶＣと同様、クランク角に応じた関数で表わされる。
【００５１】
【数６】
【００５２】
具体的には前行程時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬ（ｄｅｇＢＴＤＣ）からピストン位置を算出し、ピストン位置とシリンダのボア径からピストン上面とシリンダ壁に囲まれた容積を算出し、これと燃焼室容積から燃焼開始時シリンダ内容積Ｖ0を求める。続いてステップＳ２２では燃焼開始時の有効圧縮比Ｅｃを算出する。有効圧縮比Ｅｃは燃焼開始時シリンダ内容積Ｖ０を吸気バルブ閉時（圧縮開始時）のシリンダ内容積ＶＩＶＣ（ｍｍ3）で除して求められ、下記式で表わされる。
【００５３】
【数７】
【００５４】
ステップＳ２３では吸気バルブ閉時から燃焼開始時までのシリンダ内の温度上昇率Ｔｃを燃焼開始時の有効圧縮比Ｅｃから算出する。吸気バルブ閉時から燃焼開始時までのシリンダ内は断熱圧縮であると考えることができ、温度上昇率Ｔｃは、燃焼ガスの定圧比熱／定容比熱をｋとして、下記式の様に表わすことができる。
【００５５】
【数８】
【００５６】
係数ｋは、空気の場合ｋ＝１．４であり、燃焼ガスも空気同様ｋ＝１．４で近似できるが、実験等で適宜最適な値を設定してもよい。
【００５７】
そしてステップＳ２４では、燃焼開始時のシリンダ内の雰囲気温度Ｔｓ（Ｋ）がシリンダ内の温度上昇率Ｔｃに前記ステップＳ１２で算出した吸気バルブ閉時シリンダ内雰囲気温度ＴＩＮＩ（Ｋ）を乗じて算出される。
【００５８】
次にステップＳ２５で、層流燃焼速度ＳＬ１（ｍ／ｓｅｃ）を算出する。層流火炎速度ＳＬ（ｍ／ｓｅｃ）は一般に以下の式によって表わされることが分かっている。
【００５９】
【数９】
【００６０】
ＳＬ0（ｍ／ｓｅｃ）：温度Ｔ0［Ｋ］、圧力Ｐ0［Ｐａ］時の層流火炎速度
Ｔ0［Ｋ］：基準温度Ｐ0［Ｐａ］：基準圧力
Ｔｓ［Ｋ］：雰囲気温度
Ｐ0［Ｐａ］：雰囲気圧力
ここで常用域である２ｂａｒ以上では上記式の圧力の項の値は小さくなるので、圧力感度を一定値として基準温度に対する層流火炎速度ＳＬ0（ｍ／ｓｅｃ）を算出しても良く、基準温度等は実験で予め算出しておく。例えば基準温度５５０（Ｋ）の時、層流火炎速度が１．０（ｍ／ｓｅｃ）であった場合、前記ステップＳ２４で算出した雰囲気温度Ｔｓ（Ｋ）を用いて近似的に下記式で求めることができる。
【００６１】
【数１０】
【００６２】
続くステップＳ２６では内燃機関１の回転速度Ｎ（ｄｅｇ）からシリンダ内の乱流域での乱れ強さＳＴ１が算出される。
【００６３】
乱れ強さＳＴ１の具体的な算出方法は、回転速度Ｎからシリンダ内の圧縮速度（ｍ／ｓｅｃ）を求め、さらに吸気流路の形状と吸気バルブの作動状態と吸気ポートの圧力から決まる燃焼室内への吸気流速（ｍ／ｓｅｃ）と、燃料の圧力と燃料噴射時間と燃料噴射タイミングから定まるペネトレーション強さ（ｍ／ｓｅｃ）とから決定され、エンジン回転数に応じた関数で下記のように表わすことができる。
【００６４】
【数１１】
【００６５】
尚、テーブルデータで持ってもよい。。
【００６６】
ステップＳ２７で層流燃焼速度Ｓ１と乱れ強さＳＴ１とから燃焼速度Ｆ１（ｍ／ｓｅｃ）が、下記演算式によって演算される。
【００６７】
【数１２】
【００６８】
ステップＳ２８では、シリンダ内燃焼ガスの２％の燃焼ガス質量を下記演算式で算出する。
【００６９】
【数１３】
【００７０】
すなわち、燃圧ｆｕｅｌとパルス幅ｔから筒内に噴射される燃焼ガス質量を算出し、その２％をＢＲ１として演算する。
【００７１】
ステップＳ２９で燃焼初期期間ＢＴ１が、機関回転速度Ｎ（単位をｒｐｍからｄｅｇに変換するために３６０／６０＝６を掛ける）と燃焼質量割合Ｒ１とシリンダ内容積Ｖ0とを乗じたものを、反応確率Ｐと反応面積Ａ１と燃焼速度Ｆ１とを乗じたもので除した下記演算式で演算される。
【００７２】
【数１４】
【００７３】
なお、ＡＦ１は火炎核の反応面積で火炎核はほぼ同じ大きさとみなすことができるため、固定値としている。
【００７４】
図７は燃焼主期間ＢＴ２を算出するためのフローチャートを示す。
【００７５】
まずステップＳ３１で乱れ強さＳＴ２を算出する。前記乱れ強さＳＴ１と同様にエンジン回転数に応じた関数で下記のように表すことができる。
【００７６】
【数１５】
【００７７】
なお、ＳＴ１と同様にテーブルデータで持ってもよい。続くステップＳ３２で燃焼速度Ｆ２を層流燃焼速度ＳＬ２と前述の乱れ強さＳＴ２から下記演算式により演算される。
【００７８】
【数１６】
【００７９】
ここで前述したように層流域に火炎が伝播し、燃焼速度が急速に速くなった後は、圧力、温度に対する感度は鈍くなるため層流燃焼速度ＳＬ２は予め実験によって求めた固定値として定めることができる。
【００８０】
ステップＳ３３では、ステップＳ２８同様シリンダ内燃焼ガスの２〜６０％の燃焼ガス質量を下記演算式で算出する。
【００８１】
【数１８】
【００８２】
ステップＳ３４で燃焼主期間ＢＴ２（ｄｅｇ）は機関回転速度Ｎ（ｄｅｇ）と燃焼質量割合Ｒ２（例えば、燃焼質量割合６０％時、つまりシリンダ内最大圧力時の燃焼質量割合）とその時のシリンダ内容積Ｖ２とを乗じたものを、反応確率Ｐと反応面積Ａ２と燃焼速度Ｆ２とを乗じたもので除した下記演算式で演算される。
【００８３】
【数１７】
【００８４】
ここで ＡＦ２は、火炎核の成長過程における平均の反応面積で、ＡＦ１同様、実験により固定値として置ける。また、Ｖ2は火炎核形成後のシリンダ容積でＢＴ２の期間の振れ幅が小さいため、一定値とみなして固定値としている。ＢＴ１を基にＶ0からの変化量を算出してＶ2を求めてもよい。ここで反応面積Ａ２は固定値で、燃焼時の火炎表面積であり、実験等によりあらかじめ計測しておくものである。またシリンダ内容積Ｖ2も固定値である。
【００８５】
図８は、燃焼初期期間ＢＴ１と燃焼主期間ＢＴ２からＭＢＴ時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬを求めるフローチャートである。
【００８６】
ステップＳ４１で、燃焼初期期間ＢＴ１と燃焼主期間ＢＴ２とを加算し、この値に点火無駄時間ＩＧＮＤＥＡＤをさらに加算した上で、シリンダ内最大圧力Ｐｍａｘ時の基準クランク角θｐｍａｘを減算することでＭＢＴ時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬ（ｄｅｇ）を算出する。ここで点火無駄時間ＩＧＮＤＥＡＤ（ｄｅｇ）は目標点火時間に対する実点火時間の遅れであり、機関回転速度Ｎによって１００μｍ〜５００μｍの範囲で変化する。
【００８７】
ステップＳ４２でＭＢＴ時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬをイグニッションコイルに出力し、点火を制御する。
【００８８】
以上説明したように本実施の形態における点火時期制御装置においては、ＣＶＴＣバルブ２２の吸気バルブが閉じられた時点のシリンダ内容積ＶＩＶＣと筒内温度ＴＩＮｌがステップＳ１１、Ｓ１２で算出される。そして燃焼ガスの燃焼のしやすさを所定条件における燃焼状態を１とした場合における比で示した反応確率ＲＰＲＯＢＡがステップＳ１３で算出される。
【００８９】
燃焼速度は、筒内における雰囲気温度、燃焼速度の他に残留ガス率ＥＧＲＲＥＭ、水温ＴＷＫ、当量比に依存し、燃焼速度がこれらの値により変化する状態を実験で予め求めマップ化して保有しておくことができる。勿論、これらの因子に依存した相関関係を関数式でもつことも可能である。
【００９０】
次に、ＭＢＴで点火した場合、燃焼ガスの圧力のピーク値である規準クランク角θＰＭＡＸは略一定であり、エンジン高回転側で進角側にシフトする傾向があるためステップＳ１４の如く算出する。
【００９１】
ステップＳ２１〜Ｓ２４によって、シリンダ内容積Ｖ0、有効圧縮比Ｅｃから吸気バルブが閉じられた時点の筒内温度ＴＩＮｌからの温度上昇率を算出し、燃焼ガスが点火される時点の雰囲気温度Ｔｓが算出される。算出した雰囲気温度Ｔｓに基づいて、層流燃焼速度ＳＬ１をステップＳ２５で算出する。
【００９２】
燃焼速度は層流燃焼速度が早いほど早くなる傾向にあるため、筒内の乱流速度も燃焼速度に大きく依存する。乱流速度は吸気ポート形状等に左右され、一般にエンジン回転数が高くなるほど速くなる。このためこれを乱れ強さＳＴ１としてステップＳ２６で算出し、ステップＳ２７で層流燃焼速度と掛け合わせて燃焼速度Ｆ１を算出する。
【００９３】
本実施の形態では、層流燃焼速度ＳＬ１と乱れ強さを掛け合わせているが、実施形態によっては特開平１０−３０５３５号公報に記載されいてるように足し算によって求めるようにしてもよい。
【００９４】
そして点火してから火炎核が形成されるまでの燃焼期間ＢＴ１をステップＳ２８で算出する。火炎核の形成には、燃焼ガス質量の内２％の燃焼によってなされることがわかっているため、ステップＳ２７で燃焼ガス質量の２％を算出して用いる。火炎核形成段階では、点火時点のシリンダ内容積が大きいほど形成に時間が長くなるためこれを分子とし、反応確率ＲＰＲＯＢＡが大きいぼど時間が短く、燃焼速度が早いほど時間が短くなるため、これらを分母とした演算式を用いて演算することにより、正確且つ容易に火炎核形成段階の燃焼時間を求めることができる。
【００９５】
火炎核が形成された後は、燃焼ガスが急速に燃焼される急速燃焼段階となり火炎核は急速に成長する。圧力がピークとなる６０％の燃焼ガスが燃焼される期間がステップＳ３１〜ステップＳ３４で演算される。ここでも火炎核の成長時点のシリンダ内容積が大きいほど形成に時間が長くなるためこれを分子とし、反応確率ＲＰＲＯＢＡが大きいほど時間が短く、燃焼速度が早いほど時間が短くなるため、これらを分母とした演算式を用いて演算することにより、正確且つ容易に火炎核成長段階の燃焼時間を求めることができる。
【００９６】
以上の如く算出した火炎核形成段階の燃焼初期期間と火炎核成長段階の燃焼主期間とをステップＳ４１で足すことにより燃焼ガス質量６０％の燃焼に必要な期間を算出する事ができる。そして点火無駄時間とシリンダ内最大圧力となる基準クランク角θＰＭＡＸを考慮してＭＢＴ点火時期を算出し、ステップＳ４２でイグニッションコイルに出力指令を出すことができる。
【００９７】
本実施の形態によれば、燃焼期間を算出する際に、圧力・温度に対する燃焼期間の感度が大きい火炎核形成段階と、圧力・温度に対する燃焼期間の感度が鈍くなる主燃焼期間とに分けて演算することで、燃焼期間をより正確に演算することができる。この際、分子に燃焼ガス質量、シリンダ容積、分母に反応面積、燃焼速度といった演算式を用いており、同一次元の単位が分子、分母に用いられることが無いので無駄な演算をすることなく正確に算出できる。
【００９８】
又、燃焼状態を無次元の反応確率で置き換えて演算に用いており、当該反応確率は実験等で容易に求めることができるため正確な燃焼期間を算出することができる。又、本実施の形態では、吸入バルブのタイミングを適宜可変にできるＣＶＴＣバルブ制御システムへ適用した例を示したが、吸入バルブが閉じた時点のシリンダ内容積が変化しても容易にＭＢＴを算出することができるため、バルブ開閉に電磁石を用い、バルブタイミングを任意に変化させることができるいわゆるＥＭＶへの適用も行える。
【００９９】
本実施形態では図９に示すように燃焼質量割合から燃焼期間を求めるにあたり、燃焼期間ＢＴを燃焼初期期間ＢＴ１（燃焼質量割合２％まで）と燃焼主期間ＢＴ２（燃焼質量割合２％から６０％まで）とに分けて演算し、点火時期ＭＢＴＣＹＣＬを求めたが（図１０）、さらに細分化してもよく（図１１）、または細分化を行った上で、燃焼期間（燃焼質量割合）をたとえば、燃焼初期期間ＢＴ１と燃焼主期間ＢＴ２とで分けて加算するようにしてもよい（図１２）。細分化して燃焼期間を求めることによって、燃焼期間の算出精度は向上できる。
【０１００】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関のシステム図である。
【図２】同じく燃焼期間の算出方法を説明するブロック図である。
【図３】同じく燃焼期間のシリンダ内圧力の変化を説明する図である。
【図４】同じく燃焼質量割合の変化を説明する図である。
【図５】同じく燃焼期間の算出に用いる物理量の算出を説明するフローチャートである。
【図６】同じく燃焼初期期間の算出を説明するフローチャートである。
【図７】同じく燃焼主期間の算出を説明するフローチャートである。
【図８】同じく点火時期ＭＢＴＣＹＣＬの算出を説明するフローチャートである。
【図９】同じく燃焼期間の算出方法の概念を説明する図である。
【図１０】他の燃焼期間の算出方法の概念を説明する図である。
【図１１】他の燃焼期間の算出方法の概念を説明する図である。
【図１２】他の燃焼期間の算出方法の概念を説明する図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 吸気コレクタ
３ インジェクタ
４ 吸気マニホールド
５ 排気マニホールド
６ マフラ
７ エアクリーナ
８ 電子制御スロットル
９ 吸気ダクト
２０ コントロールユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における燃焼期間を算出し、燃焼期間に基づいて最小点火進角値となるように点火時期を制御する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として特開平１０−３０５３５号公報に開示の技術は、シリンダ内の圧力を測定することなく、シリンダ内での燃焼時間から最小点火進角値（以下、ＭＢＴと示す。）の得られる点火時期を演算するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の技術においては、ＭＢＴ演算値を算出するにあたりシリンダ内総ガス質量（ＭＡＳＳＣ）と未燃ガス密度（ＲＯＵ）を算出し、その後、ＭＡＳＳＣ／ＲＯＵを演算している。未燃ガス密度は、未燃ガス質量を未燃ガス体積で割って得られる値であるため未燃ガスの質量及び体積の変化に依存する。理論的には、これらの値を検出すれば未燃ガス質量を正確に求めることができるが、実際にはシリンダ内にて未燃ガス体積を推定することは困難であるため、上記公報にあっては充填効率ηｃに基づいて未燃ガス密度を算出している。しかしながら、質量に相当する充填効率ηｃのみの関数では、未燃ガス密度を正確に算出することはできず、運転条件により変化する未燃ガス体積分の補正を行うにしても困難であるという問題が残る。更に、ＭＡＳＳＣ、ＲＯＵともに質量であり、質量同士を除算することで求められる値は無次元となるので、これらの質量の値を個別に演算し、さらに除算することは演算の無駄であり、単に演算負荷の増加を招くことになる。
【０００４】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決し、より正確に燃焼期間を算出し、ＭＢＴの得られる内燃機関の点火時期制御装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的のため本発明による内燃機関の点火時期制御装置は、請求項１に記載の如く、シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積と、前記シリンダ内燃焼ガスの所定割合の燃焼ガス質量と、所定運転条件の燃焼ガスに対する前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼のしやすさを示した反応確率と、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼速度と、を算出し、これらに算出値に基づいて、シリンダ内容積が大きいほど燃焼期間が長く、所定割合の燃焼ガス質量が大きいほど燃焼期間が長く、反応確率が大きいほど燃焼期間が短く、燃焼ガスの燃焼速度が早いぼど燃焼期間が短くなるよう燃焼ガスの燃焼期間を算出し、当該燃焼期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を算出する。
【０００６】
前記燃焼期間は、請求項２に記載の如く、シリンダ内容積と燃焼ガス質量とを掛けた値を反応確率と火炎核の反応面積と燃焼速度とを掛けた値で除した演算値に基づいて算出してもよい。
【０００７】
前記反応確率は、請求項３に記載の如く、所定の残留ガス率における燃焼のしやすさを１とし、所定の残留ガス率より小さいほど１より大きな値で設定し、所定の残留ガス率より大きいほど１より小さな値で設定しても良い。
【０００８】
前記反応確率は、請求項４に記載の如く、所定の水温における燃焼のしやすさを１とし、所定の水温より高いほど１より大きな値で設定し、所定の水温より低いほど１より小さな値で設定しても良い。
【０００９】
前記反応確率は、請求項５に記載の如く、所定の当量比における燃焼のしやすさを１とし、所定の当量比よりリッチ側、リーン側いずれにおいても１より小さな値で設定しても良い。
【００１０】
前記所定割合の燃焼ガス質量は、請求項６に記載の如く、燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス質量としても良い。
【００１１】
請求項７に記載の如く、前記燃焼ガス質量割合を複数に分割し、それぞれの燃焼ガス質量割合に対応する燃焼期間を算出し、すべての燃焼期間を合計して燃焼期間を求めても良い。
【００１２】
請求項８に記載の如く、前記燃焼ガス質量割合を、燃焼ガスの着火後火炎核形成に費やされる燃焼ガス質量と、該火炎核形成後から燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス質量とに分割しても良い。
【００１３】
請求項９に記載の如く、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時の雰囲気温度と、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時の雰囲気圧力とを算出し、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼速度は、燃焼ガスの所定温度、所定圧力における基本層流火炎速度から、前記雰囲気温度、雰囲気圧力とに基づいて算出しても良い。
【００１４】
請求項１０に記載の如く、吸入弁が閉じられた時の燃焼ガスの温度を算出し、該算出した温度に有効圧縮比に基づいて算出した温度上昇率を掛けることによって前記雰囲気温度を算出しても良い。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１に記載の本発明においては、シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積と、所定割合の燃焼ガス質量と、燃焼ガスの燃焼のしやすさを示した反応確率と、燃焼ガスの燃焼速度とから燃焼期間を算出し、燃焼期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を算出している。シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積が大きいほど火炎核の拡大容積が大きくなるため燃焼期間が長くなり、その分ＭＢＴの得られる点火時期が進角側に移動される。又、燃焼ガス質量が大きくなるほど燃焼に要する時間が長くなり、その分ＭＢＴの得られる点火時期が進角側に移動される。一方、燃焼のしやすさを反応確率で示しているため、所定運転条件の燃焼ガスの燃焼のしやすさに対して比較することで、燃焼しやすいほど燃焼確率を大として、その分燃焼期間が短くなり、ＭＢＴの得られる点火時期が遅角側に移動される。また、燃焼ガスの燃焼速度が早いほど燃焼期間が短くなり、ＭＢＴの得られる点火時期が遅角側に移動される。このように、燃焼期間に影響を与えるシリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積と、所定割合の燃焼ガス質量と、燃焼ガスの燃焼のしやすさを示した反応確率と、燃焼ガスの燃焼速度とから燃焼期間を算出し、燃焼期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を算出することで、正確且つ容易にＭＢＴの得られる点火時期を算出することができる。
【００１６】
尚、請求項２に記載の発明では、シリンダ内容積と燃焼ガス質量とを掛けた値を反応確率と火炎核の反応面積と燃焼速度とを掛けた値で除した算出することで容易に演算することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明では、所定の残留ガス率における燃焼に対する反応確率を１とおき、当該所定の残留ガス率よりも残留ガス率が小さいほど燃焼しやすく燃焼期間も短くなり、当該所定の残留ガス率よりも残留ガス率が大きいほど燃焼しにくく燃焼期間も長くなることから、これらの燃焼期間の差異に基づいて反応確率を設定することで燃焼期間を正確に算出することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、所定の水温における燃焼のしやすさに対する反応確率を１とおき、当該所定の水温よりも高いぼど燃焼しやすく燃焼期間も短くなり、当該所定の水温よりも低いほど燃焼期間も長くなることから、これらの燃焼期間の差異に基づいて反応確率を設定することで燃焼期間を正確に算出することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明では、所定の当量比における燃焼のしやすさに対する反応確率を１とおき、当該所定の当量比よりもリッチ側、リーン側いずれに振れても燃焼期間が長くなることから、これらの燃焼期間の差異に基づいて反応確率を設定することで燃焼期間を正確に算出することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明では、燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス質量を所定割合の燃焼ガス質量とすることで、着火してから燃焼圧が最大となるまでに相当する期間が算出され、燃焼圧が最大となるタイミングを適宜設定することでＭＢＴの得られる基本点火時期を演算することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、燃焼ガス質量割合を複数に分割し、それぞれの燃焼ガス質量割合に対応する燃焼期間を算出することで、着火後からそれぞれの燃焼割合の燃焼状態に対応して燃焼期間を算出することができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明では、火炎核形成に費やされる燃焼ガス質量が燃焼する期間と、その後燃焼の拡大に費やされる燃焼ガス質量が燃焼する期間とを分割して算出することで、温度、圧力に対する感度が高い火炎核形成段階の燃焼期間を個別に算出でき、より正確に燃焼期間を算出することができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、基本層流火炎速度を雰囲気温度、雰囲気圧力に基づいた値で算出することができる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明では、雰囲気温度を吸気弁が閉じられた時の燃焼ガスの温度と有効圧縮比によって算出することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のシステムを説明するための概略図であり、内燃機関１には吸気コレクタ２と、インジェクタ３を配置された吸気マニホールド４を介して吸気が導入され、内燃機関１からの排気は三元触媒２１を備えた排気マニホールド５からマフラー６を介して大気中に排出される。
【００２６】
吸気コレクタ２にはエアクリーナ７によって浄化された空気が吸気ダクト９を通して供給される。吸気コレクタ２上流にはスロットル開度センサとスロットルモータを備えた電子制御スロットル８が備えられる。
【００２７】
フューエルタンク１０内で蒸発した燃料ガスは、キャニスタ１１に導入された後にキャニスタ１１に導入された空気とともに吸気コレクタ２に送られる。さらに三元触媒２１下流と吸気コレクタ２とを連通するＥＧＲ通路１２が設置され、排気の一部が吸気中に還流される。
【００２８】
内燃機関１にはクランク角の位置を検出するポジションセンサ１３と冷却水温を検出する水温センサ１４とカム位置を検出するフェーズセンサ１５とが設置され、吸気ダクト９には吸気温センサを内蔵したエアフロメータ１６が設けられる。エアフロメータ１６に代わって、吸気マニホールド４の温度と圧力を検出するセンサを設け、これらに基づいて吸入空気量を演算するようにしてもよい。
【００２９】
排気マニホールド５には排気中の酸素濃度を検出するＯ２センサ１７が設けられ、ＥＧＲ通路１２の途中にはＥＧＲコントロールバルブ１８が、またキャニスタ１１から排出されたパージエアを制御するキャニスタパージエアコントロールバルブ１９が設置される。
【００３０】
前記ポジションセンサ１３、水温センサ１４、フェーズセンサ１５、エアフローメータ１６及びそれに内蔵された吸気温センサの出力信号は、コントロールユニット２０に入力され、さらにＯ２センサ１７の出力信号、図示しないバッテリからの電圧信号も入力される。
【００３１】
コントロールユニット２０はこれら入力データに基づき、点火時期制御信号をイグニッションコイルに出力し、空燃比制御信号を燃料噴射用のインジェクタ３に、ＣＶＴＣバルブ制御信号をＣＶＴＣバルブ２２に、キャニスタ制御信号をキャニスタパージコントロールバルブ１９に、さらにＥＧＲ制御信号をＥＧＲコントロールバルブ１８に出力し、内燃機関１を適正な運転状態に維持する。なお、ここでＣＶＴＣバルブ２２は吸気バルブの開閉時期を連続的に可変するバルブである。
【００３２】
このように構成されて、次にコントロールユニット２０で行われる燃焼期間ＢＴ（ｄｅｇ）の演算について説明する。
【００３３】
図２に示すブロック図は燃焼期間の演算の概略を示すものである。基本点火時期演算部３０は、前述した各センサ信号に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を演算し、この基本点火時期に応じて筒内ガスに着火するために点火時期制御演算部４０がイングニッションコイルヘの信号を演算し出力する。基本点火時期演算部３０は、着火後燃焼を開始してから火炎核が形成される段階までに相当する期間を演算する火炎核形成段階燃焼期間演算部３１、火炎核の形成段階が終了してから燃焼圧が最大となるＰｍａｘまでに相当する期間を演算する急速燃焼段階燃焼期間演算部３２、火炎核形成段階燃焼期間演算部３１と急速燃焼段階燃焼期間演算部３２とで演算した期間に基づいて点火してから燃焼圧が最大となるＰｍａｘまでに相当する期間を演算する燃焼期間演算部３３、燃焼期間演算部３３で演算した期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を演算する推定点火時期演算部３４とからなる。
【００３４】
ここで火炎核形成段階としての燃焼初期期間ＢＴ１と急速燃焼段階としての燃焼主期間ＢＴ２について図３と図４を用いて説明する。図３に示すようにＭＢＴ時のシリンダ内圧力Ｐが最大圧Ｐｍａｘとなるクランク角を基準クランク角θＰＭＡＸ（ｄｅｇ）とすると、基準クランク角θＰＭＡＸは燃焼方式に拠らずほぼ一定で、基準クランク角θＰＭＡＸとなる燃焼質量割合Ｒｍａｘ（％）もほぼ一定割合となり、６０％前後の燃焼質量割合となる。図４に示す燃焼質量割合Ｒはシリンダ内の燃料が点火時（燃焼質量割合０％）から完全に燃焼するまで（燃焼質量割合１００％）を百分率で示したもので、シリンダ内の燃料の燃焼量の割合を表す指標である。
【００３５】
ここで燃焼質量割合０％から最大圧Ｐｍａｘを発生する略６０％までの燃焼期間は、燃焼ガス点火後、燃焼割合に殆ど変化が無く筒内圧力が余り変化しない期間である燃焼初期期間と、燃焼割合が急激に立上り筒内圧力が高くなる燃焼主期間とに分けて考えることができる。燃焼初期期間は、燃焼開始から火炎核が形成される段階であり、一般に火炎核が形成されるまでの燃焼質量割合は２％〜１０％である。この段階では、圧力・温度上昇が殆ど無いので燃焼速度が遅く、このため燃焼期間が長くなり圧力・温度の感度が大きくなる。したがって、シリンダの圧縮行程における圧力・温度上昇を正確に求めることにより燃焼初期期間ＢＴ１を精度よく算出することができる。
【００３６】
一方、燃焼主期間は、燃焼によって温度が上昇し始めると、層流域に火炎が伝播し、燃焼速度が急速に速くなる。このために燃焼主期間は短く、圧力・温度に対する感度は鈍くなり、点火時期制御に対する影響は小さい。
【００３７】
本実施例では、燃焼質量割合２％までを燃焼初期期間ＢＴ１として、それ以降を燃焼主期間ＢＴ２と区別して演算し、点火から最大圧Ｐｍａｘとなるまでの燃焼期間ＢＴに相当するクランク角を求めて基準クランク角θＰＭＡＸから差し引くことで点火時期ＭＢＴＣＹＣＬを求めることが可能となる。
【００３８】
図５から図８に示すフローチャートは図２に示したブロック図の各構成を算出するためのもので、図５に示すフローチャートでは上述した燃焼期間の算出に必要な各物理量を求める。まずステップＳ１１では、吸気バルブ閉時シリンダ内容積ＶＩＶＣを算出する。シリンダ内容積ＶＩＶＣは、吸気バルブが閉じた時点のピストン上面とシリンダ壁とに囲まれた容積でシリンダ位置を検出するすることで算出でき、次式のようにクランク角ＩＶＣに応じた関数で表わされる。
【００３９】
【数１】
次にステップＳ１２で、吸気バルブ閉時の筒内温度ＴＩＮＩ［Ｋ］を算出する。筒内温度は、吸気コレクタ２内温度、排気温度ＴＥＸＨ、残留ガス率ＥＧＲＲＥＭ等と相関関係があり、次式のようにこれらの検出値に応じた関数で表わされるが、別途マップ形式で保有していてもよい。
【００４１】
【数２】
次にステップＳ１３で、燃焼ガスの燃えやすさを無次元の値で示した反応確率ＲＰＲＯＢＡを算出する。筒内での燃焼ガスの燃えやすさは、残留ガス率ＥＧＲＲＥＭ、水温ＴＷＫ［Ｋ］、当量比ＴＦＢＹＡ等に依存し以下の関数で表わすことができる。
【００４３】
【数３】
燃焼ガスは、残留ガス率ＥＧＲＲＥＭで言うと残留ガス率ＥＧＲＲＥＭが小さいほど燃えやすく、大きいほど燃え難くなる。水温ＴＷＫは、水温ＴＷＫ［Ｋ］が高くなるほど燃えやすく、低い時には燃え難い。当量比ＴＦＢＹＡで言うと本実施例では、等量比ＴＦＢＹＡが１．０の時が最も燃えやすく、それよりリッチ側、リーン側どちらに振れても燃え難くなる。エンジンによっては、最も燃えやすい等量比がリーン側に振れているものもあるが、これらの特性は実験によって予め定めておける。これらの特性を考慮して、所定の残留ガス率、水温、当量比における反応確率ＲＰＲＯＢＡを１００％として、これらの物理量の変化によ対応して、例えば７０〜１００％の範囲で設定した反応確率をマップ上に持つように、実験で予め求めておくことができる。
【００４５】
次にステップＳ１４で、基準クランク角θＰＭＡＸを算出する。前述したようにＭＢＴ時の基準クランク角θＰＭＡＸは一定と見倣してもよいが、エンジン回転数が高くなる進角側にシフトする傾向があるため、本実施例では次式のようにエンジン回転数に応じた関数で演算する。
【００４６】
【数４】
ステップＳ１５で、点火無駄時間ＩＧＮＤＥＡＤを算出する。この点火無駄時間ＩＧＮＤＥＡＤは、コントローラで指令値を出力してから点火されるまでの時間で、エンジン回転数が大きくなる程無駄時間が大きくなるためこれを考慮するようにしたもので、下記関数で表わされる。
【００４８】
【数５】
次に燃焼初期期間ＢＴ１の算出フローチャートを図６に示す。
【００５０】
まずステップＳ２１で燃焼開始時のシリンダ内容積Ｖ0を求める。燃焼開始時のシリンダ内容積Ｖ0は前行程時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬ（ｄｅｇＢＴＤＣ）から求めることができ、前記シリンダ内容積ＶＩＶＣと同様、クランク角に応じた関数で表わされる。
【００５１】
【数６】
具体的には前行程時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬ（ｄｅｇＢＴＤＣ）からピストン位置を算出し、ピストン位置とシリンダのボア径からピストン上面とシリンダ壁に囲まれた容積を算出し、これと燃焼室容積から燃焼開始時シリンダ内容積Ｖ0を求める。続いてステップＳ２２では燃焼開始時の有効圧縮比Ｅｃを算出する。有効圧縮比Ｅｃは燃焼開始時シリンダ内容積Ｖ０を吸気バルブ閉時（圧縮開始時）のシリンダ内容積ＶＩＶＣ（ｍｍ3）で除して求められ、下記式で表わされる。
【００５３】
【数７】
ステップＳ２３では吸気バルブ閉時から燃焼開始時までのシリンダ内の温度上昇率Ｔｃを燃焼開始時の有効圧縮比Ｅｃから算出する。吸気バルブ閉時から燃焼開始時までのシリンダ内は断熱圧縮であると考えることができ、温度上昇率Ｔｃは、燃焼ガスの定圧比熱／定容比熱をｋとして、下記式の様に表わすことができる。
【００５５】
【数８】
係数ｋは、空気の場合ｋ＝１．４であり、燃焼ガスも空気同様ｋ＝１．４で近似できるが、実験等で適宜最適な値を設定してもよい。
【００５７】
そしてステップＳ２４では、燃焼開始時のシリンダ内の雰囲気温度Ｔｓ（Ｋ）がシリンダ内の温度上昇率Ｔｃに前記ステップＳ１２で算出した吸気バルブ閉時シリンダ内雰囲気温度ＴＩＮＩ（Ｋ）を乗じて算出される。
【００５８】
次にステップＳ２５で、層流燃焼速度ＳＬ１（ｍ／ｓｅｃ）を算出する。層流火炎速度ＳＬ（ｍ／ｓｅｃ）は一般に以下の式によって表わされることが分かっている。
【００５９】
【数９】
ＳＬ0（ｍ／ｓｅｃ）：温度Ｔ0［Ｋ］、圧力Ｐ0［Ｐａ］時の層流火炎速度
Ｔ0［Ｋ］：基準温度Ｐ0［Ｐａ］：基準圧力
Ｔｓ［Ｋ］：雰囲気温度
Ｐ0［Ｐａ］：雰囲気圧力
ここで常用域である２ｂａｒ以上では上記式の圧力の項の値は小さくなるので、圧力感度を一定値として基準温度に対する層流火炎速度ＳＬ0（ｍ／ｓｅｃ）を算出しても良く、基準温度等は実験で予め算出しておく。例えば基準温度５５０（Ｋ）の時、層流火炎速度が１．０（ｍ／ｓｅｃ）であった場合、前記ステップＳ２４で算出した雰囲気温度Ｔｓ（Ｋ）を用いて近似的に下記式で求めることができる。
【００６１】
【数１０】
続くステップＳ２６では内燃機関１の回転速度Ｎ（ｄｅｇ）からシリンダ内の乱流域での乱れ強さＳＴ１が算出される。
【００６３】
乱れ強さＳＴ１の具体的な算出方法は、回転速度Ｎからシリンダ内の圧縮速度（ｍ／ｓｅｃ）を求め、さらに吸気流路の形状と吸気バルブの作動状態と吸気ポートの圧力から決まる燃焼室内への吸気流速（ｍ／ｓｅｃ）と、燃料の圧力と燃料噴射時間と燃料噴射タイミングから定まるペネトレーション強さ（ｍ／ｓｅｃ）とから決定され、エンジン回転数に応じた関数で下記のように表わすことができる。
【００６４】
【数１１】
尚、テーブルデータで持ってもよい。。
【００６６】
ステップＳ２７で層流燃焼速度Ｓ１と乱れ強さＳＴ１とから燃焼速度Ｆ１（ｍ／ｓｅｃ）が、下記演算式によって演算される。
【００６７】
【数１２】
ステップＳ２８では、シリンダ内燃焼ガスの２％の燃焼ガス質量を下記演算式で算出する。
【００６９】
【数１３】
すなわち、燃圧ｆｕｅｌとパルス幅ｔから筒内に噴射される燃焼ガス質量を算出し、その２％をＢＲ１として演算する。
【００７１】
ステップＳ２９で燃焼初期期間ＢＴ１が、機関回転速度Ｎ（単位をｒｐｍからｄｅｇに変換するために３６０／６０＝６を掛ける）と燃焼質量割合Ｒ１とシリンダ内容積Ｖ0とを乗じたものを、反応確率Ｐと反応面積Ａ１と燃焼速度Ｆ１とを乗じたもので除した下記演算式で演算される。
【００７２】
【数１４】
なお、ＡＦ１は火炎核の反応面積で火炎核はほぼ同じ大きさとみなすことができるため、固定値としている。
【００７４】
図７は燃焼主期間ＢＴ２を算出するためのフローチャートを示す。
【００７５】
まずステップＳ３１で乱れ強さＳＴ２を算出する。前記乱れ強さＳＴ１と同様にエンジン回転数に応じた関数で下記のように表すことができる。
【００７６】
【数１５】
なお、ＳＴ１と同様にテーブルデータで持ってもよい。続くステップＳ３２で燃焼速度Ｆ２を層流燃焼速度ＳＬ２と前述の乱れ強さＳＴ２から下記演算式により演算される。
【００７８】
【数１６】
ここで前述したように層流域に火炎が伝播し、燃焼速度が急速に速くなった後は、圧力、温度に対する感度は鈍くなるため層流燃焼速度ＳＬ２は予め実験によって求めた固定値として定めることができる。
【００８０】
ステップＳ３３では、ステップＳ２８同様シリンダ内燃焼ガスの２〜６０％の燃焼ガス質量を下記演算式で算出する。
【００８１】
【数１８】
ステップＳ３４で燃焼主期間ＢＴ２（ｄｅｇ）は機関回転速度Ｎ（ｄｅｇ）と燃焼質量割合Ｒ２（例えば、燃焼質量割合６０％時、つまりシリンダ内最大圧力時の燃焼質量割合）とその時のシリンダ内容積Ｖ２とを乗じたものを、反応確率Ｐと反応面積Ａ２と燃焼速度Ｆ２とを乗じたもので除した下記演算式で演算される。
【００８３】
【数１７】
ここで ＡＦ２は、火炎核の成長過程における平均の反応面積で、ＡＦ１同様、実験により固定値として置ける。また、Ｖ2は火炎核形成後のシリンダ容積でＢＴ２の期間の振れ幅が小さいため、一定値とみなして固定値としている。ＢＴ１を基にＶ0からの変化量を算出してＶ2を求めてもよい。ここで反応面積Ａ２は固定値で、燃焼時の火炎表面積であり、実験等によりあらかじめ計測しておくものである。またシリンダ内容積Ｖ2も固定値である。
【００８５】
図８は、燃焼初期期間ＢＴ１と燃焼主期間ＢＴ２からＭＢＴ時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬを求めるフローチャートである。
【００８６】
ステップＳ４１で、燃焼初期期間ＢＴ１と燃焼主期間ＢＴ２とを加算し、この値に点火無駄時間ＩＧＮＤＥＡＤをさらに加算した上で、シリンダ内最大圧力Ｐｍａｘ時の基準クランク角θｐｍａｘを減算することでＭＢＴ時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬ（ｄｅｇ）を算出する。ここで点火無駄時間ＩＧＮＤＥＡＤ（ｄｅｇ）は目標点火時間に対する実点火時間の遅れであり、機関回転速度Ｎによって１００μｍ〜５００μｍの範囲で変化する。
【００８７】
ステップＳ４２でＭＢＴ時の点火時期ＭＢＴＣＹＣＬをイグニッションコイルに出力し、点火を制御する。
【００８８】
以上説明したように本実施の形態における点火時期制御装置においては、ＣＶＴＣバルブ２２の吸気バルブが閉じられた時点のシリンダ内容積ＶＩＶＣと筒内温度ＴＩＮｌがステップＳ１１、Ｓ１２で算出される。そして燃焼ガスの燃焼のしやすさを所定条件における燃焼状態を１とした場合における比で示した反応確率ＲＰＲＯＢＡがステップＳ１３で算出される。
【００８９】
燃焼速度は、筒内における雰囲気温度、燃焼速度の他に残留ガス率ＥＧＲＲＥＭ、水温ＴＷＫ、当量比に依存し、燃焼速度がこれらの値により変化する状態を実験で予め求めマップ化して保有しておくことができる。勿論、これらの因子に依存した相関関係を関数式でもつことも可能である。
【００９０】
次に、ＭＢＴで点火した場合、燃焼ガスの圧力のピーク値である規準クランク角θＰＭＡＸは略一定であり、エンジン高回転側で進角側にシフトする傾向があるためステップＳ１４の如く算出する。
【００９１】
ステップＳ２１〜Ｓ２４によって、シリンダ内容積Ｖ0、有効圧縮比Ｅｃから吸気バルブが閉じられた時点の筒内温度ＴＩＮｌからの温度上昇率を算出し、燃焼ガスが点火される時点の雰囲気温度Ｔｓが算出される。算出した雰囲気温度Ｔｓに基づいて、層流燃焼速度ＳＬ１をステップＳ２５で算出する。
【００９２】
燃焼速度は層流燃焼速度が早いほど早くなる傾向にあるため、筒内の乱流速度も燃焼速度に大きく依存する。乱流速度は吸気ポート形状等に左右され、一般にエンジン回転数が高くなるほど速くなる。このためこれを乱れ強さＳＴ１としてステップＳ２６で算出し、ステップＳ２７で層流燃焼速度と掛け合わせて燃焼速度Ｆ１を算出する。
【００９３】
本実施の形態では、層流燃焼速度ＳＬ１と乱れ強さを掛け合わせているが、実施形態によっては特開平１０−３０５３５号公報に記載されいてるように足し算によって求めるようにしてもよい。
【００９４】
そして点火してから火炎核が形成されるまでの燃焼期間ＢＴ１をステップＳ２８で算出する。火炎核の形成には、燃焼ガス質量の内２％の燃焼によってなされることがわかっているため、ステップＳ２７で燃焼ガス質量の２％を算出して用いる。火炎核形成段階では、点火時点のシリンダ内容積が大きいほど形成に時間が長くなるためこれを分子とし、反応確率ＲＰＲＯＢＡが大きいぼど時間が短く、燃焼速度が早いほど時間が短くなるため、これらを分母とした演算式を用いて演算することにより、正確且つ容易に火炎核形成段階の燃焼時間を求めることができる。
【００９５】
火炎核が形成された後は、燃焼ガスが急速に燃焼される急速燃焼段階となり火炎核は急速に成長する。圧力がピークとなる６０％の燃焼ガスが燃焼される期間がステップＳ３１〜ステップＳ３４で演算される。ここでも火炎核の成長時点のシリンダ内容積が大きいほど形成に時間が長くなるためこれを分子とし、反応確率ＲＰＲＯＢＡが大きいほど時間が短く、燃焼速度が早いほど時間が短くなるため、これらを分母とした演算式を用いて演算することにより、正確且つ容易に火炎核成長段階の燃焼時間を求めることができる。
【００９６】
以上の如く算出した火炎核形成段階の燃焼初期期間と火炎核成長段階の燃焼主期間とをステップＳ４１で足すことにより燃焼ガス質量６０％の燃焼に必要な期間を算出する事ができる。そして点火無駄時間とシリンダ内最大圧力となる基準クランク角θＰＭＡＸを考慮してＭＢＴ点火時期を算出し、ステップＳ４２でイグニッションコイルに出力指令を出すことができる。
【００９７】
本実施の形態によれば、燃焼期間を算出する際に、圧力・温度に対する燃焼期間の感度が大きい火炎核形成段階と、圧力・温度に対する燃焼期間の感度が鈍くなる主燃焼期間とに分けて演算することで、燃焼期間をより正確に演算することができる。この際、分子に燃焼ガス質量、シリンダ容積、分母に反応面積、燃焼速度といった演算式を用いており、同一次元の単位が分子、分母に用いられることが無いので無駄な演算をすることなく正確に算出できる。
【００９８】
又、燃焼状態を無次元の反応確率で置き換えて演算に用いており、当該反応確率は実験等で容易に求めることができるため正確な燃焼期間を算出することができる。又、本実施の形態では、吸入バルブのタイミングを適宜可変にできるＣＶＴＣバルブ制御システムへ適用した例を示したが、吸入バルブが閉じた時点のシリンダ内容積が変化しても容易にＭＢＴを算出することができるため、バルブ開閉に電磁石を用い、バルブタイミングを任意に変化させることができるいわゆるＥＭＶへの適用も行える。
【００９９】
本実施形態では図９に示すように燃焼質量割合から燃焼期間を求めるにあたり、燃焼期間ＢＴを燃焼初期期間ＢＴ１（燃焼質量割合２％まで）と燃焼主期間ＢＴ２（燃焼質量割合２％から６０％まで）とに分けて演算し、点火時期ＭＢＴＣＹＣＬを求めたが（図１０）、さらに細分化してもよく（図１１）、または細分化を行った上で、燃焼期間（燃焼質量割合）をたとえば、燃焼初期期間ＢＴ１と燃焼主期間ＢＴ２とで分けて加算するようにしてもよい（図１２）。細分化して燃焼期間を求めることによって、燃焼期間の算出精度は向上できる。
【０１００】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関のシステム図である。
【図２】同じく燃焼期間の算出方法を説明するブロック図である。
【図３】同じく燃焼期間のシリンダ内圧力の変化を説明する図である。
【図４】同じく燃焼質量割合の変化を説明する図である。
【図５】同じく燃焼期間の算出に用いる物理量の算出を説明するフローチャートである。
【図６】同じく燃焼初期期間の算出を説明するフローチャートである。
【図７】同じく燃焼主期間の算出を説明するフローチャートである。
【図８】同じく点火時期ＭＢＴＣＹＣＬの算出を説明するフローチャートである。
【図９】同じく燃焼期間の算出方法の概念を説明する図である。
【図１０】他の燃焼期間の算出方法の概念を説明する図である。
【図１１】他の燃焼期間の算出方法の概念を説明する図である。
【図１２】他の燃焼期間の算出方法の概念を説明する図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 吸気コレクタ
３ インジェクタ
４ 吸気マニホールド
５ 排気マニホールド
６ マフラ
７ エアクリーナ
８ 電子制御スロットル
９ 吸気ダクト
２０ コントロールユニット
Claims (10)
- シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時のシリンダ内容積と、
前記シリンダ内燃焼ガスの所定割合の燃焼ガス質量と、
所定運転条件の燃焼ガスに対する前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼のしやすさを示した反応確率と、
前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼速度と、を算出し、
これらに算出値に基づいて、シリンダ内容積が大きいほど燃焼期間が長く、所定割合の燃焼ガス質量が大きいほど燃焼期間が長く、反応確率が大きいほど燃焼期間が短く、燃焼ガスの燃焼速度が早いほど燃焼期間が短くなるよう燃焼ガスの燃焼期間を算出し、当該燃焼期間に基づいてＭＢＴの得られる基本点火時期を算出することを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。 - 前記燃焼期間は、シリンダ内容積と燃焼ガス質量とを掛けた値を反応確率と火炎核の反応面積と燃焼速度とを掛けた値で除した演算値に基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載の点火時期制御装置。
- 前記反応確率は、所定の残留ガス率における燃焼のしやすさを１とし、所定の残留ガス率より小さいほど１より大きな値で設定し、所定の残留ガス率より大きいほど１より小さな値で設定することを特徴とする請求項１乃至２記載の内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記反応確率は、所定の水温における燃焼のしやすさを１とし、所定の水温より高いほど１より大きな値で設定し、所定の水温より低いほど１より小さな値で設定することを特徴とする請求項１乃至２記載の内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記反応確率は、所定の当量比における燃焼のしやすさを１とし、所定の当量比よりリッチ側、リーン側いずれにおいても１より小さな値で設定することを特徴とする請求項１乃至２記載の内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記所定割合の燃焼ガス質量は、燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス質量としたことを特徴とする請求項１乃至５記載の内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記燃焼ガス質量割合を複数に分割し、それぞれの燃焼ガス質量割合に対応する燃焼期間を算出し、すべての燃焼期間を合計して燃焼期間を求めることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記燃焼ガス質量割合を、燃焼ガスの着火後火炎核形成に費やされる燃焼ガス質量と、該火炎核形成後から燃焼ガスの着火後燃焼圧力が最大となるまでに燃焼される燃焼ガス質量とに分割したことを特徴とする請求項７記載の内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時の雰囲気温度と、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼開始時の雰囲気圧力とを算出し、前記シリンダ内の燃焼ガスの燃焼速度は、燃焼ガスの所定温度、所定圧力における基本層流火炎速度から、前記雰囲気温度、雰囲気圧力とに基づいて算出することを特徴とする請求項１乃至８記載の内燃機関の点火時期制御装置。
- 吸入弁が閉じられた時の燃焼ガスの温度を算出し、該算出した温度に有効圧縮比に基づいて算出した温度上昇率を掛けることによって前記雰囲気温度を算出することを特徴とする請求項９記載の内燃機関の点火時期制御装置。
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