JP5126034B2 - エンジンの点火時期制御装置及び点火時期制御方法 - Google Patents

エンジンの点火時期制御装置及び点火時期制御方法 Download PDF

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Description

この発明は、エンジンの点火時期を制御する装置及び方法に関する。
特許文献１の発明は、今現在のエンジン運転状態が高負荷状態であるか否か、すなわち排気温度が上昇するエンジン運転状態であるか否かを判定し、排気温度が上昇する場合であって気筒内にＥＧＲガスが導入されているときには点火時期を進角側に制御する。このようにすれば、排気温度が下がるので、ノッキングを抑制することができる。
特開２００７−４６４６６号公報
前述した従来装置では、今現在のエンジン運転状態が高負荷状態であるか否かに応じて点火時期を制御(特に点火時期を進角制御)している。しかしながら、そのように制御しても急加速中は必ずしもノッキングを抑制しきれないことが発明者らによって知見された。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、急加速中においても確実にノッキングを抑制可能なエンジンの点火時期制御装置及び点火時期制御方法を提供することを目的とする。
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
本発明は、エンジンの回転速度及び負荷に基づいて基本点火時期を算出する基本点火時期算出手段(ステップＳ３)と、エンジンの過渡運転中の所定タイミングにおける筒内ガス温度と、そのタイミングにおける回転速度及び負荷で定常運転した場合における筒内ガス温度と、の温度差に応じて筒内ガスの温度の上昇量を算出する筒内ガス温度上昇量算出手段(ステップＳ８)と、前記筒内ガス温度上昇量に基づいて点火時期の補正量を算出する補正量算出手段(ステップＳ１１，Ｓ１２)と、前記補正量を前記基本点火時期から遅角することで過渡運転中の点火時期を算出する点火時期算出手段(ステップＳ１３)と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、エンジンの過渡運転中の所定タイミングにおける筒内ガス温度と、そのタイミングにおける回転速度及び負荷で定常運転した場合における筒内ガス温度と、の温度差に応じて筒内ガスの温度の上昇量を算出し、その上昇量に応じて点火時期を遅角補正するようにしたので、適切なタイミングに適切な量だけ点火時期を遅角することができ、ノッキングを確実に防止することができる。また点火時期を不要に遅角補正してしまうことによる燃費悪化や運転性悪化を回避できる。
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明によるエンジンの点火時期制御装置の一実施形態を示す図である。
点火時期制御装置１は、クランク角センサ２１と、エアフローセンサ１２と、吸気圧センサ１３と、点火プラグ１４と、コントローラ７０と、を備え、クランク角センサ２１、エアフローセンサ１２及び吸気圧センサ１３の信号に基づいて点火プラグ１４の点火時期を制御する。
クランク角センサ２１は、エンジンのクランク軸の回転を検出する。この検出信号によってエンジンの回転速度Ｎｅを算出することができる。
エアフローセンサ１２は、吸気通路１１を流れる空気の流量を検出する。
吸気圧センサ１３は、吸気通路１１における空気の圧力を検出する。
点火プラグ１４は、筒内の混合気に着火する。
コントローラ７０は、クランク角センサ２１、エアフローセンサ１２及び吸気圧センサ１３の信号を入力し、それらの信号に基づいて点火プラグ１４の点火時期などを制御する。コントローラ７０は、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。具体的な動作については後述する。
（基本的な技術思想）
ここで本発明の理解を容易にするために基本的な技術思想について説明する。
従来から定常運転時のノッキングを抑制する手法は種々提案されていたが、その手法を急加速中に適用しても必ずしもノッキングを抑制しきれないことが発明者らによって知見された。これについて図２を参照して説明する。
図２(Ａ)の上側ラインは、アイドルから全開加速した状態(過渡状態)における吸気バルブ閉弁タイミング(ＩＶＣ)での筒内ガス温度変化を示す。図２(Ａ)の下側ラインは、上側ラインに黒丸でプロットしたタイミングにおけるエンジン回転速度及び充填効率で定常運転し、そのときの吸気バルブ閉弁タイミング(ＩＶＣ)での筒内ガス温度をプロットした白丸をつないだラインである。
図２(Ａ)を見ると、エンジン回転速度及び充填効率が同一でも、加速状態(過渡状態)では、定常状態に比べて筒内ガス温度が高くなっていることが分かる。
図２(Ｂ)は、充填効率と、吸気バルブ開弁タイミング(ＩＶＯ)における筒内ガス温度と、の関係をエンジン回転速度ごとに示した図である。
すなわち図２(Ｂ)のラインは、所定の回転速度及び充填効率(負荷)でエンジンを定常運転し、そのときの吸気バルブ開弁タイミング(ＩＶＯ)における筒内ガス温度をプロットし、エンジン回転速度ごとにつないだラインである。
急加速中であっても微小時間で見れば、エンジン回転速度はほぼ一定であり、充填効率(負荷)が上昇していると考えることができる。そしてエンジン回転速度が一定のまま充填効率(負荷)が上昇すると、図２(Ｂ)に示されているように吸気バルブ開弁タイミング(ＩＶＯ)における筒内ガス温度が低下していることが分かる。すなわち急加速時は、充填効率(負荷)が低くて高温であったガスの残留分があり、この残留分の影響によって筒内ガス温度が高温になる。そのため図２(Ａ)に示されているように、加速状態は、定常状態に比べて筒内ガス温度が高いということが発明者らによって知見された。
筒内ガス温度が高ければノッキングしやすい。そしてエンジンの回転速度及び負荷が同じでも、定常状態よりも加速状態(過渡状態)のほうが、筒内ガス温度が高い。そのため定常状態よりも加速状態(過渡状態)のほうがノッキングしやすいのである。そこで発明者らは、エンジンの運転状態に応じて筒内ガス温度を正確に推定し、その筒内ガス温度に応じて点火時期を補正することでノッキングを防止しようとしたのである。以下ではコントローラ７０の具体的なエンジンの点火時期制御装置ロジックについてフローチャートに沿って説明する。
図３は、本発明によるエンジンの点火時期制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。なおコントローラ７０はこの処理を微少時間サイクル(たとえば１０ミリ秒サイクル又はＲｅｆ信号ごとのサイクル)で繰り返し実行する。
ステップＳ１においてコントローラ７０は、クランク角センサの信号に基づいてエンジン回転速度Neを検出する。
ステップＳ２においてコントローラ７０は、次回点火する＃ｎ気筒のエンジンの負荷(充填効率Itac)を検出する。具体的には、たとえば燃焼室容積に対するエアフローセンサ１２で検出した吸入空気量の割合から算出すればよい。また吸気圧センサ１３で検出した吸気圧と、外気温センサから検出された吸気温度と、から吸入空気量を推定し、その吸入空気量を用いて算出してもよい。
ステップＳ３においてコントローラ７０は、次回点火する＃ｎ気筒の基本点火時期base_adv[degBTDC]を設定する。具体的には、エンジンの回転速度Ne及び充填効率Itacを、あらかじめＲＯＭに格納された例えば図４に示す特性のマップに適用することで、基本点火時期base_adv[degBTDC]を設定する。
ステップＳ４においてコントローラ７０は、充填効率閾値Itac0[%]を設定する。具体的には、エンジンの回転速度Neを、あらかじめＲＯＭに格納された例えば図５(Ａ)に示す特性のマップに適用することで、充填効率閾値Itac0[%]を設定する。なお充填効率閾値Itac0とは、ノッキングが発生するほど充填効率が高いか否かを判定するための基準値である。ノッキングは充填効率が低ければ、そもそも発生しない。そこでこの充填効率閾値Itac0を用いて、ノッキングが発生する可能性の有無を判定するのである。
ステップＳ５においてコントローラ７０は、充填効率Itacが充填効率閾値Itac0よりも大きいか否かを判定する。大きければステップＳ６へ処理を移行し、そうでなければステップＳ１２へ処理を移行する。
ステップＳ６においてコントローラ７０は、吸気バルブ開弁タイミング(ＩＶＯ)における筒内ガス温度temp_ivoを求める。具体的には、エンジンの回転速度Ne及び充填効率Itacを、あらかじめＲＯＭに格納された例えば図６(Ａ)に示す特性のマップに適用することで、筒内ガス温度temp_ivoを求める。
ステップＳ７においてコントローラ７０は、筒内ガスの残ガス率resrを求める。具体的には、エンジンの回転速度Ne及び充填効率Itacを、あらかじめＲＯＭに格納された例えば図６(Ｂ)に示す特性のマップに適用することで、筒内残ガス率resrを求める。
ステップＳ８においてコントローラ７０は、過渡状態における筒内ガス温度上昇量delta_tempを求める。具体的には次式(１)に基づいて求めればよい。
Figure 0005126034
なおtemp_ivo_oldは１サイクル前の吸気バルブ開弁タイミング(ＩＶＯ)における筒内ガス温度である。
ここで式(１)について補足する。過渡状態における筒内ガス温度上昇量delta_tempは、次式(２)に基づいて求めることができる。
Figure 0005126034
過渡状態でのＩＶＣにおける筒内ガス温度temp_ivc_tra及び定常状態でのＩＶＣにおける筒内ガス温度temp_ivc_cnstは、次式(3-1)(3-2)で近似できる。
Figure 0005126034
過渡状態における残ガス率resr_traと、定常状態における残ガス率resr_cnstと、は図７に示すように略同じである。そこで次式(4)で近似できる。
Figure 0005126034
したがって式(2)は以下のように変形できる。
Figure 0005126034
これが上式(1)である。
ステップＳ９においてコントローラ７０は、温度上昇閾値delta_temp0[K]を設定する。具体的は、エンジンの回転速度Neを、あらかじめＲＯＭに格納された例えば図５(Ｂ)に示す特性のマップに適用することで、温度上昇閾値delta_temp0[K]を設定する。なお温度上昇閾値delta_temp0とは、ノッキングが発生するほど温度が上昇しているか否かを判定するための基準値である。ノッキングは温度上昇が低ければ、そもそも発生しないので、この温度上昇閾値delta_temp0を用いて、ノッキングが発生する可能性の有無を判定するのである。
ステップＳ１０においてコントローラ７０は、ガス温度上昇量delta_tempが温度上昇閾値delta_temp0よりも大きいか否かを判定する。大きければステップＳ１１へ処理を移行し、そうでなければステップＳ１２へ処理を移行する。
ステップＳ１１においてコントローラ７０は、点火時期補正量adv_ret[degCA]を求める。具体的には、ガス温度上昇量delta_tempを、あらかじめＲＯＭに格納された例えば図８に示す特性のマップに適用することで、点火時期補正量adv_retを求める。
ステップＳ１２においてコントローラ７０は、点火時期補正量adv_retとしてゼロを設定する。
ステップＳ１３においてコントローラ７０は、点火時期adv[degBTDC]を求める。具体的には次式(６)に基づいて求めればよい。
Figure 0005126034
本実施形態によれば図２及び式(2)に示したように、エンジンの過渡運転中の所定タイミングにおける筒内ガス温度と、そのタイミングにおける回転速度及び負荷で定常運転した場合における筒内ガス温度と、の温度差が大きいほど、筒内ガスの温度の上昇量を大きく算出する。そして筒内ガスの温度の上昇量が大きいほどノッキングしやすいと判定して点火時期を大きく遅角するようにした。このようにしたので、適切なタイミングに適切な量だけ点火時期を遅角することができ、ノッキングを確実に防止することができる。また点火時期を不要に遅角補正してしまうことによる燃費悪化や運転性悪化を回避できる。
また筒内ガス温度上昇量やエンジンの負荷(充填効率)が所定の値よりも小さいときは、そもそもノッキングが発生しない。そのようなときには点火時期の遅角補正を実行しないので、このことによっても点火時期を不要に遅角補正してしまうことによる燃費悪化や運転性悪化を回避できる。
そしてその所定値はエンジン回転速度に応じて設定する。過渡運転でのノッキングが発生する運転領域はエンジン回転数が低いほど広くなる。この点を考慮して点火時期を遅角させる領域を定めることで、点火時期を不要に遅角補正してしまうことによる燃費悪化や運転性悪化を回避できるのである。
さらに今サイクルの吸気バルブ開弁タイミングにおける筒内ガス温度と、１サイクル前の吸気バルブ開弁タイミングにおける筒内ガス温度と、今サイクルの残ガス率と、に基づいて、筒内ガスの温度の上昇量を算出するようにした。一般的に温度センサは応答性が悪く、過渡での温度を正確に遅れなく計測することは非常に困難であるが、本実施形態によれば、容易に筒内温度の変化量を推定できる。
さらにまた吸気バルブ開弁タイミングにおける筒内ガス温度を、吸気行程中のエンジン回転速度と、吸気行程中の吸入空気量又は吸気圧力に基づいて算出するようにした。ノック発生の要因は同じ気筒の前後サイクル間での運転状態変化によるものであるので、比較する対象を適切化することで、遅角タイミングの精度を向上できる。
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
本発明によるエンジンの点火時期制御装置の一実施形態を示す図である。 本発明によるエンジンの点火時期制御装置の基本的な技術思想を説明する図である。 本発明によるエンジンの点火時期制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。 基本点火時期を設定するためのマップの一例を示す図である。 充填効率閾値及び温度上昇閾値を設定するためのマップの一例を示す図である。 吸気バルブ開弁タイミング(ＩＶＯ)における筒内ガス温度及び充填効率を求めるためのマップの一例を示す図である。 過渡状態における残ガス率と、定常状態における残ガス率と、が略等しいことを説明する図である。 点火時期補正量を設定するためのマップの一例を示す図である。
符号の説明
１ 点火時期制御装置
１２ エアフローセンサ
１３ 吸気圧センサ
１４ 点火プラグ
２１ クランク角センサ
７０ コントローラ
ステップＳ３ 基本点火時期算出手段／基本点火時期算出工程
ステップＳ８ 筒内ガス温度上昇量算出手段／筒内ガス温度上昇量算出工程
ステップＳ１１，Ｓ１２ 補正量算出手段／補正量算出工程
ステップＳ１３ 点火時期算出手段／点火時期算出工程

Claims (12)

  1. エンジンの回転速度及び負荷に基づいて基本点火時期を算出する基本点火時期算出手段と、
    エンジンの過渡運転中の所定タイミングにおける筒内ガス温度と、そのタイミングにおける回転速度及び負荷で定常運転した場合における筒内ガス温度と、の温度差に応じて筒内ガスの温度の上昇量を算出する筒内ガス温度上昇量算出手段と、
    前記筒内ガス温度上昇量に基づいて点火時期の補正量を算出する補正量算出手段と、
    前記補正量を前記基本点火時期から遅角することで過渡運転中の点火時期を算出する点火時期算出手段と、
    を有するエンジンの点火時期制御装置。
  2. 前記ガス温度上昇量算出手段は、エンジンの過渡運転中の所定タイミングにおける筒内ガス温度と、そのタイミングにおける回転速度及び負荷で定常運転した場合における筒内ガス温度と、の温度差が大きいほど、筒内ガスの温度の上昇量を大きく算出する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  3. 前記ガス温度上昇量算出手段は、エンジンの過渡運転中における充填効率の変化に基づいて筒内ガスの温度の上昇量を算出する、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  4. 前記ガス温度上昇量算出手段は、エンジンの充填効率が低いときの筒内ガスの温度が高温であると算出する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  5. 前記補正量算出手段は、前記筒内ガス温度上昇量が大きいほど、点火時期の補正量を大きく算出する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  6. 前記補正量算出手段は、前記筒内ガス温度上昇量が上昇量閾値よりも小さいときには、点火時期の補正量をゼロと算出する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  7. 前記上昇量閾値は、エンジン回転速度に基づいて設定される、
    ことを特徴とする請求項６に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  8. 前記補正量算出手段は、エンジン負荷が負荷閾値よりも小さいときには、点火時期の補正量をゼロと算出する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  9. 前記負荷閾値は、エンジン回転速度に基づいて設定される、
    ことを特徴とする請求項８に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  10. 前記ガス温度上昇量算出手段は、今サイクルの吸気バルブ開弁タイミングにおける筒内ガス温度と、１サイクル前の吸気バルブ開弁タイミングにおける筒内ガス温度と、今サイクルの残ガス率と、に基づいて、筒内ガスの温度の上昇量を算出する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  11. 前記吸気バルブ開弁タイミングにおける筒内ガス温度は、吸気行程中のエンジン回転速度と、吸気行程中の吸入空気量又は吸気圧力に基づいて算出される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のエンジンの点火時期制御装置。
  12. エンジンの回転速度及び負荷に基づいて基本点火時期を算出する基本点火時期算出工程と、
    エンジンの過渡運転中の所定タイミングにおける筒内ガス温度と、そのタイミングにおける回転速度及び負荷で定常運転した場合における筒内ガス温度と、の温度差に応じて筒内ガスの温度の上昇量を算出する筒内ガス温度上昇量算出工程と、
    前記筒内ガス温度上昇量に基づいて点火時期の補正量を算出する補正量算出工程と、
    前記補正量を前記基本点火時期から遅角することで過渡運転中の点火時期を算出する点火時期算出工程と、
    を有するエンジンの点火時期制御方法。
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