JP4376723B2 - 内燃機関の点火時期制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火時期制御方法に関し、より詳しくは、筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと吸気通路または吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備えたいわゆるデュアル噴射型の内燃機関の点火時期制御方法に関する。

一般に、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタと吸気通路または吸気ポート内に向けて燃料を噴射するための吸気ポート噴射用インジェクタとを備え，機関の運転状態に応じてこれらのインジェクタを切替え使用することにより、例えば低負荷運転領域での成層燃焼と高負荷運転領域での均質燃焼を実現させたり、運転状態に応じて所定の分担率で燃料噴射するようにして、燃費特性や出力特性の改善を図った、いわゆるデュアル噴射型の内燃機関が知られている。（特許文献１、２等）。

特開２００１−２０８３７号公報 特開平５−２３１２２１号公報

一般に、燃料噴射式の内燃機関においては、運転状態に応じた適正な燃焼を行なわせるべく、運転状態に対応して予め設定されマップ等に保存されている基本点火時期値に対し、機関の状態に応じた種々の補正進角（ないしは遅角）値を加えて、最終的な点火時期が求められ、これに基づき点火が実行されて運転が行われる。

ところで、上述のデュアル噴射型の内燃機関においては、筒内噴射用インジェクタから燃料が噴射される噴射形態の場合と吸気ポート噴射用インジェクタから燃料が噴射される噴射形態の場合とでは、その噴射形態の相違に起因して燃焼室内の温度が異なる。すなわち、筒内噴射用インジェクタから燃料が噴射される筒内噴射形態では筒内に噴射された燃料の気化潜熱による冷却効果により、ポート噴射形態の場合に比べて、燃焼室内温度が低下する。従って、この筒内噴射形態における定常の運転状態では、かかる燃焼室内温度に適合する適正な基本点火時期値が定められている。

しかしながら、吸気ポート噴射用インジェクタから筒内噴射用インジェクタへの噴射形態の切替えや、あるいはそれらからの噴射比率が増加変更されるような過渡運転時においては、上述の冷却効果が直ぐには発揮されず、燃焼室内温度が定常運転状態に比べより高温となることから、ノッキングが発生し易いという問題がある。

そこで、本発明の目的は、吸気ポート噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとを備える内燃機関において、ポート噴射から筒内噴射への噴射形態の切替えや、噴射比率が増加変更されるときのノッキングの発生を抑制することのできる内燃機関の点火時期制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の点火時期制御方法は、筒内噴射用インジェクタと吸気ポート噴射用インジェクタとを備える内燃機関の点火時期制御方法において、前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射比率が前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射比率が増加するように変更されたときは、その変更後の所定期間、点火時期を遅角補正することを特徴とする。
ここで、前記所定期間は、燃焼室内温度が安定するまでの期間であることが好ましい。

なお本明細書において、「燃料噴射比率の変更」とは、特別に断わらない限り、筒内噴射用インジェクタのみからの噴射（すなわち、筒内噴射比率１００％）の噴射形態と、吸気ポート噴射用インジェクタのみからの噴射（すなわち、筒内噴射比率０％）の噴射形態との間での変更、換言すると、筒内噴射１００％およびポート噴射１００％の相互間での噴射切替え、および両者からの所定の割合での同時噴射時における燃料噴射比率の変更をも含む意味で用いられている。

本発明に係る内燃機関の点火時期制御方法によれば、筒内噴射用インジェクタと吸気ポート噴射用インジェクタとを備える内燃機関の点火時期制御方法において、前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射比率が前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射比率が増加するように変更されたときは、その変更後の所定期間、点火時期が遅角補正されノッキング発生等の異常燃焼を抑制することができる。

特に、前記所定期間が、燃焼室内温度が安定するまでの期間である形態によれば、燃焼室内温度が安定化するまでの変更後の所定期間は点火時期が遅角補正されるので、ノッキング発生等の異常燃焼をより確実に抑制することができる。

以下、本発明にかかる内燃機関の点火時期制御方法を具体化した実施形態について、添付図面を参照して説明する。

まず、本発明に係る点火時期制御方法が実施される内燃機関の概略構成が示されている図１を参照するに、エンジン１は複数、例えば４つの気筒１ａを備えているガソリンエンジンである。各気筒１ａはそれぞれ対応する吸気マニホルドを介して吸気ダクト３に接続され、吸気ダクト３はエアフローメータ４を介在させてエアクリーナ５に接続されている。吸気ダクト３内には直流モータ等のスロットルモータ６によって駆動されるスロットル弁７が配置されている。一方、各気筒１ａは共通の排気マニホルドに連結され、この排気マニホルドは例えば三元触媒コンバータ９に連結されている。

各気筒１ａには、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ１１と吸気通路ないしは吸気ポート内に向けて燃料を噴射するための吸気ポート噴射用インジェクタ１２とがそれぞれ取り付けられている。これらインジェクタ１１および１２は後述のように電子制御ユニット３０の出力信号に基づいてそれぞれ制御される。また、各筒内噴射用インジェクタ１１は不図示の共通の燃料分配管に接続されており、この燃料分配管は高圧ポンプに接続されている。一方、各吸気ポート噴射用インジェクタ１２も同様に不図示の共通の燃料分配管に接続されており、この燃料分配管は低圧ポンプに接続されている。

さらに、１３はシリンダブロック、１４は頂面上に凹部１４ａが形成されたピストン、１５はシリンダブロック１３上に固締されたシリンダヘッド、１６はピストン１４とシリンダヘッド１５間に形成された燃焼室、１７は吸気バルブ、１８は排気バルブ、１９は吸気ポート、２０は排気ポート、２１は不図示のイグナイタを介して通電される点火プラグをそれぞれ示している。吸気ポート１９は燃焼室１６内に流入した空気がシリンダ軸線周りの旋回流を発生するように形成されている。ピストン１４頂面の凹部１４ａは筒内噴射用インジェクタ１１側に位置するピストン１４の周縁部から中央部に向かって延び、また点火プラグ２１の下方において上方に延びるように形成されている。

また、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵとも称す）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入出力ポート等を具備している。エアフローメータ４は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、このエアフローメータ４の出力電圧はＡＤ変換器を介してＥＣＵ３０の入力ポートに入力される。また、スロットル弁７の開度に比例した出力電圧を発生するスロットル開度センサ８、冷却水温度に比例した出力電圧を発生する水温センサ３１、機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ３２およびアクセルペダルの踏込み量（以下、アクセル開度と称する）に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサ３３、シリンダブロック１３に配設され各気筒の燃焼室１６内からシリンダブロック１３に伝達される振動に応じた出力電圧を発生するノックセンサ３４等が設けられ、これらの出力電圧は同様にＥＣＵ３０に入力される。

なお、ＥＣＵ３０のＲＯＭには、上述のエアフローメータ４やアクセル開度センサ３３により得られる機関負荷率および回転数センサ３２より得られる機関回転数に基づき、運転状態に対応させて設定されている燃料噴射比率および燃料噴射量、さらにはそれらに対しての機関冷却水温に基づく補正値等が予めマップ化されて記憶されている。また、点火時期およびスロットル開度については、アクセル開度センサ３３および回転数センサ３２により得られるアクセル開度および機関回転数に基づき、運転領域に対応させて設定されている最適な点火時期およびスロットル開度の値が予めマップ化されて記憶されている。さらに、ＥＣＵ３０の出力ポートは対応する駆動回路を介して、スロットルモータ６、各筒内噴射用インジェクタ１１、各吸気ポート噴射用インジェクタ１２および点火プラグ２１のイグナイタに接続されている。そして、ＥＣＵ３０は、そうした各種センサの検出信号によって把握されるエンジン１の運転状況に応じて、燃料噴射制御や点火時期制御を始めとする各種機関制御を実施する。

なお、本実施の形態におけるエンジン１では、例えば、図２に示すような運転領域ないしは条件マップに対応して、燃焼形態ないしは噴射形態が設定されると共に、筒内噴射用インジェクタ１１と吸気ポート噴射用インジェクタ１２とによる噴射比率αおよびβが定められている。ここで、筒内噴射比率αとは、全燃料噴射量に対する筒内噴射用インジェクタ１１から噴射される燃料量の割合、ポート噴射比率βとは、全燃料噴射量に対する吸気ポート噴射用インジェクタ１２から噴射される燃料量の割合の意味で用い、α＋β＝１００％となる。そして、図２において、筒内噴射１００％とは、筒内噴射用インジェクタ１１のみから噴射が行なわれる比率α＝１００％、すなわちβ＝０％領域であることを意味し、筒内噴射０％とは、吸気ポート噴射用インジェクタ１２のみからの噴射が行なわれる比率β＝１００％、すなわちα＝０％領域であることを意味している。さらに、蛇足ながら筒内噴射４０〜８０％とは、α＝４０〜８０％、β＝６０〜２０％であることを意味しているが、これらの比率αおよびβの値は、用いられるエンジン１に要求される運転条件に応じて、適度に変えられるものである。

このように本実施形態のエンジン１では、機関運転状態に応じて噴射形態を変更することにより、混合気の均質性確保と高負荷領域でのエンジン１の出力向上とを図っている。すなわち、吸気ポート噴射用インジェクタ１２を用いると筒内噴射用インジェクタ１１を用いる場合と比較して混合気の均質性を促進しやすい。このため、低負荷から中負荷の運転領域においては、筒内噴射用インジェクタ１１と吸気ポート噴射用インジェクタ１２とを燃料噴射比率を変えて用いることで、混合気の均質性を確保しつつ燃焼を改善することができる。一方、筒内噴射用インジェクタ１１を用いて燃料噴射を行う場合には吸気ポート噴射用インジェクタ１２を用いて燃料噴射を行う場合と比較して、気化潜熱により混合気の温度、延いては燃焼室内温度を低下させ易い。このため、高負荷運転領域においては、筒内噴射用インジェクタ１１を用いることで吸気の充填効率が増大され、機関出力の向上が図られている。

まず、本実施形態にかかるエンジン１の点火時期制御について説明する。ＥＣＵ３０は上記のノックセンサ３４の検出結果に基づいて、各気筒でのノッキング発生の有無を判定するノッキング判定を行い、その結果に応じて点火時期を調整するノック制御や冷却水温に応じて適切な進角または遅角を行なわせる暖機特性制御や過渡時の調整制御を実行している。

ノック制御では、ノッキング判定においてノッキングの発生有りとの判定がなされると、最終点火時期を所定量遅角させ、ノッキングの発生無しとの判定がなされると、最終点火時期を徐々に進角させる。最終点火時期は、各気筒で点火を実施させる時期を、各気筒の圧縮上死点を基準としたクランク角（ＢＴＤＣ）で表したものであり、基本的には、次式に基づいて算出される。
最終点火時期＝基本点火時期±各種補正量

なお、基本点火時期は、ノッキング等が発生しない定常運転状態といった前提条件のもとで、例えば、ポート噴射、筒内噴射およびそれらの同時噴射と云った各噴射形態毎に定められ、最大機関出力が得られる点火時期である。これらの基本点火時期は、機関回転数および機関負荷率等といったパラメータで表される機関運転状態に基づいて二次元マップとして設定されている。ＥＣＵ３０は、こうして算出される最終点火時期により示される時期にオンとなる点火信号を各気筒の、点火プラグ２１のイグナイタに出力し、点火を実行する。

なお、本明細書において、燃料噴射比率の変更とは、噴射形態の変更、換言すると、筒内噴射およびポート噴射の相互間での噴射切替え、および両者からの同時噴射時における燃料噴射比率の変更をも含む意味で用いられているが、燃料噴射比率に関しては、筒内噴射比率α＋ポート噴射比率β＝１００％であり、β＝１００−αとなること上述の通りであるから、以下においては筒内噴射用インジェクタ１１からの燃料噴射割合である筒内噴射比率αのみを用いて説明することにする。

（第１の実施形態）
まず、本発明に係る内燃機関の点火時期制御方法の第１の実施形態による点火時期制御手順を図３のフローチャートを参照して説明する。このルーチンは、例えばクランク角度が所定角度進む毎に実行される。

まず、制御が開始されると、ステップＳ３０１において燃料噴射比率のうちの筒内噴射比率αが求められる。より詳しくは、運転状態を示す各種パラメータとしてのエアフローメータ４やアクセル開度センサ３３により得られる機関負荷率および回転数センサ３２からの算出値である回転数に基づき、現在の運転状態に対応した筒内噴射比率α（図３には「ekdi」と表されている）がマップから、または演算により算出される。

そして、次のステップＳ３０２において、この筒内噴射比率αに基づき噴射インジェクタの切替えがあったか否かが判定される。すなわち、吸気ポート噴射用インジェクタ１２のみからの噴射（すなわち、筒内噴射比率α＝０％）の噴射形態から筒内噴射用インジェクタ１１のみからの噴射（すなわち、筒内噴射比率α＝１００％）の噴射形態への変更、換言すると、ポート噴射から筒内噴射への噴射切替えがあったか否かが、前回の噴射形態がポート噴射か否かおよび今回の噴射形態が筒内噴射か否かでもって判定される。

そこで、噴射形態が変更されたとき、すなわちポート噴射から筒内噴射への噴射切替えがあったときの最初のルーチンサイクルでは、ステップＳ３０３に進み、点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオン操作される。そして、次のステップＳ３０４において、燃焼室内温度安定カウンタのカウント値「ecartdinj」が０にリセットされる。

一方、上述のステップＳ３０２において、噴射形態が変更されていないと判定されると、ステップＳ３０５に進み、燃焼室内温度安定カウンタのカウント値「ecartdinj」が１ずつカウントアップされる。そして、次のステップＳ３０６において、このカウント値「ecartdinj」が所定値を超えたか否かが判定される。この所定値としては、例えば一つの気筒につき約１０点火回数程度である。カウント値「ecartdinj」が所定値を超えていないときは、後述するステップＳ３０８に進む。従って、噴射形態が変更された直後の所定期間（上述の所定値により決められる）は、ステップＳ３０３でオン操作された点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオン状態で維持され、後述する点火遅角制御が実行されることになる。

なお、ステップＳ３０６における、このカウント値「ecartdinj」が所定値を超えたか否かの判定の結果、所定値を超えたときにはステップＳ３０７に進み。点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオフ操作され、後述のようにルーチンが終了される。

上述のステップＳ３０４、ステップＳ３０６で所定値を超えていないと判定されたとき、またはステップＳ３０７の後は、ステップＳ３０８に進み点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオンかオフかが判定される。そこで、点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオンであるときはステップＳ３０９に進み、噴射形態切替え補正量「eartdinj」が算出される。この噴射形態切替え補正量「eartdinj」は運転状態を示す各種パラメータとしてのアクセル開度センサ３３により得られる機関負荷率および回転数センサ３２からの算出値である回転数に基づき、噴射形態の切替えないしは変更後の運転状態に対応した値として、予め実験等により求められメモリに保存されているマップから求められる。そして、次のステップＳ３１０において、この噴射形態切替え補正量「eartdinj」が基本点火時期値に反映される。すなわち、噴射形態の切替え後の筒内噴射形態における定常運転状態に対応して予め設定されマップ等に保存されている基本点火時期値「eabsef」に対し噴射形態切替え補正量「eartdinj」が減ぜられた、新たな点火時期値「eabsef」が設定される。かくて、上述の点火時期制御手順に従って設定された新たな点火時期値「eabsef」でもって、点火が実行され運転されることになる。

ここで、上述の噴射形態が切替えられたときに、その切替え後の所定期間は点火遅角制御が実行される態様を、図４のタイムチャートを参照してさらに説明する。ここで、図４には、噴射形態が切替えられる一例として、時刻ｔ０においてポート噴射から筒内噴射に切替えられた例が示されている。

図４から明らかなように、時刻ｔ０においてポート噴射から筒内噴射に切替えられると、燃焼室内の温度が低下し始め、所定期間（ｔ０からｔ１）の経過後に、筒内噴射に対応した温度に安定するようになる。それらの温度差はΔＴ１である。そして、点火時期に関しては、ポート噴射時においては「Ｉｇｎｐ」であったのが筒内噴射に切替えられると、その要求点火時期は「Ｉｇｎｄ」（上述の基本点火時期値「eabsef」に対応する）となるが、本実施の形態においては、燃焼室内温度が安定するまでの所定期間（ｔ０からｔ１）において、この要求点火時期「Ｉｇｎｄ」から上述の噴射形態切替え補正量「eartdinj」が減ぜられて遅角された点火時期とされるのである。従って、燃焼室内温度が安定化するまでの切替え後の所定期間（ｔ０からｔ１）は点火時期が遅角補正されるので、ノッキング発生等の異常燃焼が抑制される。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る内燃機関の点火時期制御方法の第２の実施形態による点火時期制御手順を図５のフローチャートを参照して説明する。このルーチンも、同じくクランク角度が所定角度進む毎に実行される。この第２の実施形態が上述の第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態においては噴射形態間の変更、換言すると、ポート噴射から筒内噴射への噴射切替えがあったのに基づいて、点火時期の遅角制御を行なわせたのに対し、第２の実施形態では燃料噴射比率が変更されたか否か、そしてその差が所定値を超えているか否かに依らしめていることである。

そこで、この第２の実施形態では、制御が開始されると、ステップＳ５０１において第１の実施形態と同様に、燃料噴射比率のうちの筒内噴射比率（図５には「ekdi」と表されている）が運転状態を示すパラメータとしての機関負荷率および回転数に基づき、マップから、または演算により算出される。そして、次のステップＳ５０２において、この筒内噴射比率の変化量「edlkdi」が算出される。これは、ステップＳ５０１で求められた筒内噴射比率「ekdi」と前回の筒内噴射比率との差として求められる。次に、ステップＳ５０３において、この求められた変化量「edlkdi」が所定値「Ａ」を超えるか否かが判定される。すなわち、筒内噴射比率に所定値「Ａ」（例えば、５０％）を超える大きな変更があったか否かが判定される。

そこで、変化量「edlkdi」が所定値「Ａ」を超えるときは、ステップＳ５０４に進み、点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオン操作される。そして、次のステップＳ５０５において、燃焼室内温度安定カウンタのカウント値「ecartdinj」が０にリセットされる。

一方、上述のステップＳ５０３において、最初または次のルーチンサイクルで、変化量「edlkdi」が所定値を超えていないと判定されると、ステップＳ５０６に進み、燃焼室内温度安定カウンタのカウント値「ecartdinj」が１づつカウントアップされる。そして、次のステップＳ５０７において、このカウント値「ecartdinj」が所定値を超えたか否かが判定される。この所定値としては、前実施形態と同様に、例えば一つの気筒につき約１０点火回数程度である。カウント値「ecartdinj」が所定値を超えていないときは、後述のステップＳ５０９に進む。従って、燃料噴射比率が変更された直後の所定期間（上記所定値により決められる）は、ステップＳ５０４でオン操作された点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオン状態で維持され、後述する点火遅角制御が行なわれることになる。

なお、ステップＳ５０７における、このカウント値「ecartdinj」が所定値を超えたか否かの判定の結果、所定値を超えたときにはステップＳ５０８に進み。点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオフ操作され、後述のようにルーチンが終了される。

上述のステップＳ５０５、ステップＳ５０７で所定値を超えていないと判定されたとき、またはステップＳ５０８の後は、ステップＳ５０９に進み点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオンかオフかが判定される。そこで、点火遅角制御要求フラグ「exartdinj」がオンであるときはステップＳ５１０に進み、噴射比率変更補正量「ceartdinj」が算出される。この噴射比率変更補正量「ceartdinj」は運転状態を示す各種パラメータとしてのアクセル開度センサ３３により得られる機関負荷率および回転数センサ３２からの算出値である回転数に基づき、筒内噴射比率変更後の運転状態に対応した値として、予め実験等により求められメモリに保存されているマップから求められる。そして、次のステップＳ５１１において、この噴射比率変更補正量「ceartdinj」が基本点火時期値に反映される。すなわち、噴射比率変更後の筒内噴射形態における定常運転状態に対応して予め設定されマップ等に保存されている基本点火時期値「eabsef」に対し噴射比率変更補正量「ceartdinj」が減ぜられた、新たな点火時期値「eabsef」が設定される。かくて、上述の点火時期制御手順に従って設定された新たな点火時期値「eabsef」でもって、点火が実行され運転されることになる。

ここで、上述の噴射比率が変更されたときに、その変更後の所定期間は点火遅角制御が実行される態様を、図６のタイムチャートを参照してさらに説明する。ここで、図６には、噴射比率が変更される一例として、時刻ｔ０において筒内噴射比率α１からα２（α２＞α１、α２−α１＞Ａ）に切替えられた例が示されている。

図６から明らかなように、時刻ｔ０において筒内噴射比率が大きな噴射比率α２に変更されると、燃焼室内に直接に噴射される燃料割合も増大し、燃焼室内の温度が低下し始める。そして、所定期間（ｔ０からｔ２）の経過後に、筒内噴射比率に対応した温度に安定するようになる。それらの温度差はΔＴ２である。そして、点火時期に関しては、筒内噴射比率α１時においては「Ｉｇｎα１」であったのが筒内噴射比率α１に変更されると、その要求点火時期は「Ｉｇｎα２」（上述の基本点火時期値「eabsef」に対応する）となるが、本実施の形態においては、燃焼室内温度が安定するまでの所定期間（ｔ０からｔ２）において、この要求点火時期「Ｉｇｎα２」から上述の噴射比率変更補正量「ceartdinj」が減ぜられて遅角された点火時期とされるのである。従って、燃焼室内温度が安定化するまでの変更後の所定期間（ｔ０からｔ２）は点火時期が遅角補正されるので、ノッキング発生等の異常燃焼が抑制されるのである。

本発明に係る点火時期制御方法が実施される内燃機関の概略構成図を示す模式図である。 同内燃機関の運転状態とそのときの燃料噴射比率との関係の一例を示すグラフである。 本発明に係る点火時期制御方法の処理手順の第１の実施形態を示すフローチャートである。 同点火時期の遅角制御の様子を示すタイムチャートである。 本発明に係る点火時期制御方法の処理手順の第２の実施形態を示すフローチャートである。 同点火時期の遅角制御の様子を示すタイムチャートである。

符号の説明

１１ 筒内噴射用インジェクタ
１２ 吸気ポート噴射用インジェクタ
２１ 点火プラグ
３０ 電子制御ユニット
３２ 回転数センサ
３３ アクセル開度センサ
３４ ノックセンサ

Claims (2)

1. 筒内噴射用インジェクタと吸気ポート噴射用インジェクタとを備える内燃機関の点火時期制御方法において、
   前記筒内噴射用インジェクタおよび前記吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射が前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射比率が増加するように変更されたときは、その変更後の所定期間、点火時期を前記変更後の筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射比率に対応した点火時期より遅角補正することを特徴とする内燃機関の点火時期制御方法。
2. 前記所定期間は、燃焼室内温度が安定するまでの期間であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御方法。

Images