JP4454433B2 - 内燃機関の点火時期制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両などに搭載される内燃機関において、触媒を早期に活性化させるために行う点火時期制御方法に関するものである。

従来、複数の気筒を有する多気筒エンジンにおいて、気筒別に点火時期を制御するものでは、点火時期を燃焼の安定限界に制御するために、全気筒に対して一律に限界値を設定し、それぞれの気筒において燃焼が安定限界となるように点火時期を制御するものが、例えば特許文献１に記載されている。すなわち、特許文献１に記載のものでは、各気筒の燃焼圧を検出し、検出した燃焼圧に基づいて各気筒の燃焼圧変動を算出し、点火時期を燃焼圧変動に基づいて気筒毎に燃焼安定限界となるように独立にフィードバック制御し、そのフィードバック制御を所定の限界値内に制限する構成である。
特開平９−６８０８０号公報

ところで、上記構成のものでは、点火時期をフィードバック制御するに際して、所定の限界値は、機関全体における出力変動に基づいて各気筒一律に設定している。つまり、特許文献１のものでは、それぞれの気筒における燃焼圧変動に基づいて機関全体における出力変動を検出するものである。

このように、燃焼圧変動が生じてから、その燃焼圧変動が所定の限界値内になるように点火時期をフィードバック制御するものであるので、出力変動を未然に防止することが困難であった。つまり、上記構成のものでは、燃焼圧変動が生じて初めて、後を追うようにして制御しているので、各気筒別に燃焼安定限界付近に点火時期を制御するものの、このような燃焼圧変動により出力変動が生じることを未然に防ぐことは困難で、許容レベルを超える出力変動の発生を防止するにとどまるものである。

本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の点火時期制御方法は、排気系に排気ガスの浄化のための触媒を有する、複数の気筒を備えて気筒毎に独立して点火時期を制御し得る内燃機関において、触媒の温度を早期に上げるべく点火時期を通常の点火時期よりも遅角側に制御させるものであって、点火時期を遅角させることにより許容される燃焼状態よりも燃焼が低下した気筒に対して遅角させた点火時期を進角側に補正し、点火時期を進角させた気筒とその気筒を除く他の気筒との点火時期の差が所定値以下となるように他の気筒の点火時期をその気筒の燃焼の状態にかかわらず補正することを特徴とする。

このような構成によれば、点火時期を遅角させることにより、排気温度が高くなることにより、例えば冷間始動の場合であっても、触媒の温度を早期に上げることが可能になる。また、点火時期を遅角させることにより許容される燃焼状態よりも燃焼状態が低下した気筒に対しては、点火時期を進角側に補正することにより燃焼状態を改善する。なお、許容される燃焼状態とは、失火や回転変動などが生じる可能性のある限界となる燃焼状態を指すものである。

この場合に、点火時期を進角させた気筒と、その気筒を除く他の気筒つまり進角させていない残る気筒との点火時期の差が所定値以下となるように残る気筒の点火時期をその気筒の燃焼の状態にかかわらず補正することにより、残る気筒のトルクを進角させた気筒のトルクに近似するように制御することが可能になる。

これにより、許容される燃焼状態よりも燃焼状態の低下した気筒、つまり点火時期を進角させた気筒に対しては、燃焼を良好にすることを最優先にして制御するとともに、各気筒のトルクのばらつきを平均化して、回転変動の発生を未然に防ぐことが可能になる。

本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。

すなわち、本発明の内燃機関の点火時期制御方法によれば、許容される燃焼状態よりも燃焼状態の低下した気筒に対しては点火時期を進角させることにより燃焼状態を良好な状態に回復させることができ、しかも点火時期を進角させた気筒と進角させずに遅角させた状態を維持している気筒の点火時期との差が所定値を超えないように、つまり差が所定値の範囲内に収まるようにして点火時期を補正することにより、各気筒のトルクのばらつきを平均化して、出力変動（振動）の発生を未然に防止することができる。

以下、本発明の一実施例を、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は自動車用の多気筒例えば３気筒のもので、その吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、この燃料噴射弁５を、電子制御装置６により後述する基本噴射量に基づいて開成制御するようにしている。そして、燃焼室１０の天井部分に対応する位置には、点火プラグ１８が取り付けてある。各気筒の点火プラグ１８にはそれぞれ、イグニッションコイル（図示しない）が接続してあり、電子制御装置６により独立に設定される点火時期により、燃焼室１０内の混合気に着火するように制御される。また排気系２０には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂センサ２１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された触媒２２の上流の位置に取り付けられている。なお、図１にあって、シリンダ部分の構成にあっては１気筒の構成を代表的に示すものである。

電子制御装置６は、中央演算処理装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されており、その入力インターフェース９には、吸気管圧力としてサージタンク３内の圧力を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ１４から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ１５から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１６からのＬＬ信号ｄ、エンジンの冷却水温を検出するための水温センサ１７からの水温信号ｅ、上記したＯ₂センサ２１からの電流信号ｈなどが入力される。一方、出力インターフェース１１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、また点火プラグ１８に対してイグニッションパルスｇが出力されるようになっている。

また点火プラグ１８には、イオン電流を測定するためのバイアス用電源２４及びイオン電流測定用回路２５が接続されている。このバイアス用電源２４を含むイオン電流測定用回路２５それ自体は、当該分野で知られている種々のものが使用できる。バイアス用電源２４は、点火後イオン電流を燃焼室１０内に流すべく電圧を点火プラグ１８に印加する。また、イオン電流測定用回路２５は、電気的に電子制御装置６の入力インターフェース９に接続され、電圧の印加により発生したイオン電流をアナログ的に計測し、発生したイオン電流に対応するアナログ信号を電子制御装置６に入力する。

電子制御装置６には、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ１４から出力される回転数信号ｂとをおもな情報とし、エンジン状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間を補正して有効噴射時間を求め、その有効噴射時間に基づいて燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を該燃料噴射弁５から燃焼室１０に向けて噴射させるためのプログラムが格納してある。

また、電子制御装置６には、触媒２２の温度を早期に上げるべく点火時期を通常の点火時期よりも遅角側に制御させるものであって、点火時期を遅角させることにより許容される燃焼状態よりも燃焼が低下した気筒に対して遅角させた点火時期を進角側に補正し、点火時期を進角させた気筒とその気筒を除く他の気筒との点火時期の差が所定値以下となるように他の気筒の点火時期をその気筒の燃焼の状態にかかわらず補正する点火時期制御プログラムが格納してある。

この実施形態にあっては、点火後に各気筒の燃焼室１０に発生するイオン電流を検出して各気筒の燃焼状態を検出するものである。イオン電流は、点火から排気行程が終了するまでの、クランク角度で設定してあるイオン電流検出期間ＴＤＰにおいて、その発生している時間をクランク角度に換算して検出されるものである。

イオン電流は、図２に示すように、点火直後にバイアス用電源２４から点火プラグ１８にバイアス電圧を印加すると、正常燃焼の場合、急激に流れた後、膨張行程における上死点ＴＤＣ近傍で減少した後再び増加し、燃焼圧が最大となるクランク角度近傍でその電流値が最大となるピーク値になるように燃焼室１０内に流れる。このような挙動を示すイオン電流を各気筒において、点火毎にイオン電流の発生している（流れている）時間（以下、発生角度ＧＡと称する）をクランク角度により計測する。

これに対して、燃焼状態が正常燃焼の場合に比べて低下してくると、イオン電流の発生角度ＧＡは大きくなる。つまり、同一エンジン回転数及び同一吸気管圧力である運転状態において、許容される燃焼状態つまり失火や回転変動などが生じる可能性のある限界となる燃焼状態よりも燃焼状態が低下すると、排気行程に移行した後も燃焼が継続している状態となる。これにより、正常燃焼においては上述のように、燃焼圧が最大となるクランク角度近傍でイオン電流が最大となるが、燃焼状態が低下すると、図２に点線で示すように、イオン電流はこのようなピーク値を明確に示さずに消滅するか、あるいは完全に消滅するまでの間に断続的に発生することにより、イオン電流の発生から消滅までの期間が長くなるものである。

イオン電流の検出は、次の通りである。

点火プラグ１８を介してイオン電流測定用回路２５から出力されるイオン電流と、イオン電流を検出し得るように設定する基準レベルＬ１とを比較し、その基準レベルＬ１以上となる電流値のイオン電流が発生している時間つまり発生角度ＧＡを、イオン電流検出期間ＴＤＰ内において計測して、イオン電流を検出するものである。具体的には、イオン電流が基準レベルＬ１以上となった時点からカムポジションセンサ１４から出力されるクランク角度基準位置信号Ｇ２を計数し、イオン電流が基準レベルＬ１未満となった時点でクランク角度基準位置信号Ｇ２の計数を停止し、イオン電流の発生角度ＧＡを計測するものである。計測した発生角度ＧＡは、一時的に記憶装置８に保存される。

なお、イオン電流検出期間ＴＤＰ内において、図２に示したイオン電流のように、イオン電流が発生と消滅とを繰り返す場合は、基準レベルＬ１以上となっている角度（同図中、ＣＡ１、ＣＡ２及びＣＡ３にて示す）をそれぞれ計測し、計測した角度を合計してイオン電流の発生角度ＧＡとするものである。基準レベルＬ１は、燃焼状態が低下している場合に、排気行程において発生している電流値の小さいイオン電流をも検出し得るような小さい値に設定してある。

点火時期制御プログラムの概要は、図３に示すようなものである。この点火時期制御プログラムは各気筒の点火毎に実行されるものである。

この点火時期の制御に先立って、触媒２２の温度を早期に上昇させるべく、各気筒の点火時期は、例えばアイドル運転状態における点火時期を基準とした場合に、その点火時期よりも一律に同一の遅角量により大きく遅角してある。このように、点火時期を遅角することにより、燃焼が排気行程の開始時期の近くまで続き、触媒２２に到達する排気ガスの温度が、点火時期を進角している場合に比べて低下しない。したがって、エンジン１００を冷間始動する場合においても、触媒２２を迅速に早期に活性化に必要な温度にまで昇温することができる。

この点火時期制御プログラムの実行に先立って、各気筒の点火毎に実行するイオン電流の検出、したがってイオン電流の発生角度ＧＡの計測を行い、その計測結果から各気筒における燃焼状態の良否を判定する。

燃焼状態の良否の判定は、気筒毎に実行する。上述のように、イオン電流の発生角度ＧＡを測定し、測定した発生角度ＧＡが燃焼判定値ＢＪを上回っているか否かを判定する。燃焼判定値ＢＪは例えば、正常燃焼状態における発生角度ＧＡを平均した値つまり平均値に数パーセント上乗せした値に設定するものである。測定した発生角度ＧＡが燃焼判定値ＢＪ以上である場合には、そのイオン電流を検出した燃焼は、正常な燃焼状態に比べて低下していると判定し、未満の場合には燃焼状態は良好と判定する。

燃焼状態が許容される燃焼状態よりも低下していると判定した気筒に対しては、燃焼状態が良好になるまで点火時期を進角する。この場合、進角は、一律に遅角させた点火時期から進角側に点火時期を制御すること、言い換えれば、燃焼が低下していない他の気筒の点火時期より進角側に点火時期を設定することを意味し、通常の点火時期、つまりアイドル運転状態における点火時期より進角されていることを意味するものではない。

このような運転状態において、ステップＳ１では、気筒毎の点火時期補正量を計算する。この点火時期補正量とは、触媒２２の温度を上げるために許容し得る遅角量で遅角された点火時期から、運転状態を安定化させるための点火時期とするのに要する進角量に対応する。この実施形態では、図４に示すように、第３気筒の燃焼が低下し、第３気筒以外の気筒、すなわち第１気筒及び第２気筒は正常に燃焼しているものとする。したがって、第３気筒の点火時期は他の２気筒に比べて進角してある。なお、同図においては、第１気筒と第２気筒との点火時期はほぼ同じであるが、第１気筒の点火時期と第２気筒の点火時期とを、間隔をあけた線分により図示している。

次に、ステップＳ２では、点火時期の遅角制御において遅角された点火時期と現在の点火時期とに基づいて計算した点火時期補正量において、その量が大、つまり進角側に点火時期を補正するための点火時期補正量が大である気筒の値を選択する。具体的には、計算された各気筒の点火時期補正量Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を比較し、進角量の最も大なるものの気筒の点火時期補正量を選択するものである。この実施形態の場合、上述のように、第３気筒の点火時期が進角してあるので、点火時期補正量が大である気筒は第３気筒になる。したがって、このステップＳ２においては、第３気筒の点火時期補正量Ｈ３が選択される。

ステップＳ３では、第３気筒の点火時期補正量Ｈ３から第１気筒の点火時期補正量Ｈ１を減算した点火時期補正量の差が、ガード値を下回るか否かを判定する。ガード値は、進角させた気筒の点火時期と、遅角させている気筒の点火時期との差を一定以下に維持するための値に設定するものである。つまり、遅角させている気筒の点火時期を、この所定の値分だけ進角させて、それぞれの気筒における点火時期が異なることによりトルクがばらつくことを修正することが可能な値に、このガード値は設定するものである。そして、点火時期補正量の差がガード値を下回る場合には、ステップＳ４に進み、この時点の第１気筒の点火時期補正量Ｈ１を点火時期補正量として、第１気筒の点火時期を補正する。この場合には、第１気筒の点火時期は、実質的に変化しない。

一方、ステップＳ３において、第３気筒の点火時期補正量Ｈ３と第１気筒の点火時期補正量Ｈ１との差がガード値以上であると判定すると、ステップＳ５において、第１気筒の点火時期補正量Ｈ１を、第３気筒の点火時期補正量Ｈ３からガード値を減算した値に変更する。これにより、第１気筒は、この時点の点火時期よりもガード値だけ進角した点火時期に変更される。

このように、ステップＳ３とステップＳ４とを実行することにより、第３気筒の点火時期補正量Ｈ３と第１気筒の点火時期補正量Ｈ１との差を、ガード値以下になるように制御するものである。したがって、第１気筒の点火時期は、第３気筒の点火時期に対して、ガード値分の差を維持して、第３気筒の点火時期の変化に追従して変更させるものである。

同様にして、残る第２気筒に対しても、ステップＳ３〜Ｓ５の処理を行う。すなわち、ステップＳ６では、第３気筒の点火時期補正量Ｈ３から第２気筒の点火時期補正量Ｈ２を減算した点火時期補正量の差が、ガード値を下回るか否かを判定する。点火時期補正量の差がガード値を下回る場合には、ステップＳ７に進み、この時点の第２気筒の点火時期補正量Ｈ２を点火時期補正量として、第２気筒の点火時期を補正し、点火時期補正量の差がガード値以上であると判定すると、ステップＳ８において、第２気筒の点火時期補正量Ｈ２を、第３気筒の点火時期補正量Ｈ３からガード値を減算した値に変更する。

このように、許容される燃焼状態よりも燃焼が低下して遅角していた点火時期を進角側に変更している気筒における点火時期は、その進角した点火時期を維持しておき、燃焼の状態を良好に保っておき、その他の残る気筒の点火時期を、ガード値の範囲内において補正するものである。

例えば、冷間時の始動において、排気ガス中の大気汚染物質の排気量を減らすために、触媒２２は早期にその温度を活性化のための温度以上にすることが必要である。そのため、各気筒の点火時期は通常の点火時期より大きく遅角させるものである。このように遅角させることにより、許容される燃焼状態よりも燃焼が低下する気筒については、イオン電流の発生角度ＧＡに基づいて燃焼状態の低下を判定し、その気筒の点火時期を他の残りの気筒の点火時期とは独立に進角させる。

このような運転状態において、各気筒の点火毎に点火時期制御プログラムを実行し、各気筒のその時点の点火時期補正量（遅角量及び進角量）を計算し（ステップＳ１）、計算により得られた点火時期補正量のうち、点火時期補正量が進角側に補正するものを大であるとして選択し（ステップＳ２）、その点火時期補正量に対応する気筒と、その気筒を除いた他の気筒との点火時期補正量の差とガード値との大小関係において、他の気筒の点火時期の補正量を決定する（ステップＳ３〜Ｓ８）。

したがって、許容される燃焼状態よりも燃焼状態が低下して点火時期を進角した気筒（上記においては第３気筒）は、進角により燃焼状態が良好になるような状態のまま、他の残る気筒（上記においては第１及び第２気筒）の点火時期を点火時期補正量により補正することにより、燃焼の低下した気筒の燃焼状態の回復を最優先させることができる。それゆえ、その気筒の燃焼状態がさらに低下して、エンジン１００の回転に悪い影響を与えることを防止することができる。

これに加えて、燃焼の低下していない他の残る気筒については、点火時期を進角させた気筒に対して、ガード値による一定量の差を保って点火時期を進角するので、各気筒間のトルクのばらつきを最小限にすることができる。このため、そのようなトルクのばらつきによる出力変動ひいては振動の発生を未然に防止することができる。しかも、これらの他の残る気筒については、ガード値分の進角であるので、通常の点火時期より遅角させた状態に保っており、触媒２２の温度を上げるのに寄与させることができ、早期に触媒２２を活性化させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

点火時期補正量は、膨張行程における上死点を基準として、進角及び遅角する量としてもよい。

上記実施形態においては、３気筒のものについて説明したが、気筒数についても３気筒に限定されるものではなく、４気筒や６気筒のものにおいても、好ましく適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態におけるエンジン及び電子制御装置の概略構成を示す概略構成説明図。 同実施形態のイオン電流と基準値との関係を示すグラフ。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の作用説明図。

符号の説明

６…電子制御装置
７…中央演算処理装置
８…記憶装置
９…入力インターフェース
１０…燃焼室
１８…点火プラグ
２０…排気系
２２…触媒

Claims (1)

1. 排気系に排気ガスの浄化のための触媒を有する、複数の気筒を備えて気筒毎に独立して点火時期を制御し得る内燃機関において、触媒の温度を早期に上げるべく点火時期を通常の点火時期よりも遅角側に制御させるものであって、
   点火時期を遅角させることにより許容される燃焼状態よりも燃焼が低下した気筒に対して遅角させた点火時期を進角側に補正し、
   点火時期を進角させた気筒とその気筒を除く他の気筒との点火時期の差が所定値以下となるように他の気筒の点火時期をその気筒の燃焼の状態にかかわらず補正する内燃機関の点火時期制御方法。

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