JP5326031B2 - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火時期制御装置に関し、詳しくは、吸気バルブの上流側に備えられる燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が可変とされる内燃機関における点火時期の制御技術に関する。

従来から、火花点火機関において、機関負荷・機関回転速度に基づく基本点火時期を、ノッキングの検出に基づいて補正する点火時期制御装置が知られている（特許文献１等参照）。

特開２００４−１３８０３２号公報

ところで、燃料噴射弁に対する燃料の供給圧（噴射圧）が高くなると、燃料噴霧の粒径が小さくなることで燃焼性が改善され、燃焼性が改善されることで耐ノック性も向上することになる。
しかし、従来では、燃料供給圧（噴射圧）の変化に対して直接的に点火時期を変更することが行われておらず、燃焼性の改善による耐ノック性の向上に対しては、ノッキングが発生していないことに基づいて徐々に進角側に点火時期が補正されることになっていた。

即ち、燃料供給圧（噴射圧）が高くされることで耐ノック性が向上し、点火時期を進角補正でき得る条件であるにも関わらず、従来では、最大限に進角された状態になるまでに時間を要し、出力向上の効果を十分に得られないという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料供給圧の変化に対する燃焼性の変化に速やかに対応して、ノッキングを発生させることがなく、かつ、最大限に進角された点火時期に制御できる点火時期制御装置を提供することを目的とする。

そのため本願発明は、吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備えると共に、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が可変とされる内燃機関において、前記燃料の供給圧を、機関負荷の増大に応じて高くする一方、点火時期を、前記燃料の供給圧に基づいて供給圧が高いほど進角させ、冷機時には前記燃料の供給圧に基づく点火時期の進角変化を制限するようにした。
上記発明によると、燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が機関負荷の増大に応じて高くされ、燃料噴霧の粒径が小さくなることで燃焼性が改善され、燃焼性が改善されることで耐ノック性が向上すると、これに対応して点火時期が進角されることになる。

上記発明によると、燃料噴射弁に対する燃料の供給圧の変化に対して、最適な点火時期に応答良く切り換えることができる。

実施形態における内燃機関のシステム図。 実施形態における機関負荷・機関回転速度と燃圧との相関を示す線図。 点火時期制御の第１実施形態を示すフローチャート。 点火時期制御の第２実施形態を示すフローチャート。 点火時期制御の第３実施形態を示すフローチャート。 点火時期制御の第４実施形態を示すフローチャート。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関のシステム構成図である。
図１において、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装される。
そして、前記電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

各気筒の吸気バルブ１０５上流の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１がそれぞれ設けられている。
前記燃料噴射弁１３１は、コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
前記燃焼室１０６内に空気と混合して吸引された燃料は、点火プラグ１５１による火花点火によって着火燃焼する。

前記点火プラグ１５１には、それぞれパワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル１５２が直付けされており、前記コントロールユニット１１４から前記パワートランジスタのオン・オフを制御する点火制御信号を出力することで、各気筒の点火時期が制御される。
燃焼室１０６内の燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排気管に排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。

前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１１１，排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動される。
燃料タンク１３５には、電動式の燃料ポンプ１３６が内蔵され、この燃料ポンプ１３６を駆動することで燃料タンク１３５内の燃料（ガソリン）が前記燃料噴射弁１３１に向けて圧送される。

前記燃料ポンプ１３６から吐出された燃料を各燃料噴射弁１３１に分配する分配管１３７には、燃圧センサ１３８が設けられており、該燃圧センサ１３８で検出される燃圧（燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧）が目標燃圧になるように、前記燃料ポンプ１３６の吐出量（駆動電圧）が前記コントロールユニット１１４によってフィードバック制御されるようになっている。

ここで、前記目標燃圧は、例えば、機関１０１の負荷・回転に基づき、図２に示すような特性で設定される。
即ち、機関負荷が機関回転速度毎の閾値以下である低中負荷領域では、目標燃圧は基準燃圧（例えば３５０kpa）に設定され、機関負荷が前記閾値を超える高負荷域では、目標燃圧は前記基準燃圧よりも高い高出力圧（例えば７００kpa）に設定される。

前記コントロールユニット１１４は、マイクロコンピュータを内蔵し、各種センサからの検出信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１０４，燃料噴射弁１３１，燃料ポンプ１３６，パワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル１５２等を制御する。
前記各種センサとしては、前記燃圧センサ１３８の他、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１１６、機関１０１の吸入空気流量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０の回転位置を検出するクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、機関１０１の冷却水温度を検出する水温センサ１１９、前記フロント触媒１０８の上流側での排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサ１２１等が設けられている。

ここで、前記コントロールユニット１１４は、前記クランク角センサ１１７からの検出信号に基づいて機関回転速度Ｎｅを算出し、該機関回転速度Ｎｅとエアフローメータ１１５で検出された吸入空気流量Ｑとから、基準燃圧（例えば３５０kpa）及び基準空燃比（例えば理論空燃比）に対応する基本噴射パルス幅Ｔｐを演算する。
そして、前記基本噴射パルス幅Ｔｐを、基準空燃比相当のパルス幅をそのときの目標空燃比相当のパルス幅に変換するための空燃比補正係数や、基準燃圧に対応するパルス幅をそのときの目標燃圧で同じ量の燃料を噴射させるパルス幅に変換するための燃圧補正係数や、空燃比センサ１２１の検出結果と目標空燃比との比較に基づいて算出される空燃比フィードバック補正係数などに基づいて補正することで、最終的な噴射パルス幅Ｔｉを算出する。

最終的な噴射パルス幅Ｔｉを算出すると、前記噴射パルス幅Ｔｉの噴射パルス信号を、各気筒の行程に合わせてそれぞれの燃料噴射弁１３１に出力する。
ここで、本願における点火時期制御の第１実施形態を、図３のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１１では、燃圧センサ１３８で検出された燃圧を読み込む。

ステップＳ１２では、前記ステップＳ１１で読み込んだ燃圧が閾値以上であるか否かを判別する。
例えば、図２に示したように、機関負荷と機関回転速度とから、目標燃圧が基準燃圧（３５０kpa）と高出力圧（７００kpa）とに切り換えられる場合には、基準燃圧と高出力圧とのいずれが選択されているかを、前記ステップＳ１２で判断させる。

ステップＳ１２で、燃圧が閾値未満であると判断されたとき、換言すれば、基準燃圧を目標燃圧とする運転条件であるときには、ステップＳ１３へ進み、基準燃圧時に対応する基本点火時期を設定する。
前記基準燃圧時に対応する基本点火時期は、予め機関負荷及び機関回転速度を変数とするマップに記憶されており、前記マップから検索した基本点火時期をそのまま基準燃圧時に対応する基本点火時期とする。

尚、本実施形態において、点火時期は上死点からの進角値を示すものとする。
一方、ステップＳ１２で、燃圧が閾値以上であると判断されたとき、換言すれば、高出力圧を目標燃圧とする運転条件であるときには、ステップＳ１４へ進み、基準燃圧時に対応する基本点火時期に予め記憶した一定の補正値を加算した結果を高出力圧時の基本点火時期とする。

即ち、燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧（噴射圧）が高いときには、低いときに比べてより進角した点火時期を設定する。
燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧が高いと、燃料噴霧の粒径が小さくなることによって燃焼性が改善され、燃焼性が改善されることで耐ノック性も向上するから、より進角してもノッキングの発生を避けることができる。

そこで、目標燃圧を、基準燃圧よりも高い高出力圧とする場合には、基本点火時期をより進角させ、機関出力の向上を図る一方、目標燃圧を、基準燃圧する場合には、高出力圧時と同じ点火時期にすると、ノッキングを発生させる可能性があるので、より遅角した点火時期を設定させる。
従って、燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧の切り換え設定に対して、ノッキングを回避できる最大限に進角された点火時期に応答良く切り換え設定させることができ、機関の出力性能を向上させることができる。

尚、上記の燃圧に応じて補正される基本点火時期を、ノッキング強度の検出結果に基づいて補正する制御を並行して行わせることができる。
上記実施形態では、燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧が、基準燃圧と高出力圧との２種類に切り換え設定される構成としたが、３種類以上に目標燃圧が切り換え設定される場合や、連続的に目標燃圧が変更される場合にも、同様にして、点火時期の進角補正を行わせることができる。

図４のフローチャートは、燃圧が複数段に切り換えられ又は連続的に変更される場合に対応する第２実施形態を示す。
ステップＳ２１では、燃圧センサ１３８で検出された燃圧を読み込む。
ステップＳ２２では、予め燃圧毎に基本点火時期の進角補正値を記憶するテーブルを参照し、ステップＳ２１で読み込んだ燃圧が高いほど大きな進角補正値を、補間演算によって求める。

ステップＳ２３では、前記ステップＳ２２で求めた進角補正値を、基本点火時期に加算した結果を最終的な基本点火時期として設定する。
上記第２実施形態によると、燃圧が複数段階に切り換えられる場合や、連続的に変更される場合であっても、そのときの燃圧でノッキングを回避できる最大限に進角された基本点火時期に設定でき、機関の出力性能を向上させることができる。

また、上記第１，第２実施形態では、燃圧センサ１３８で検出される燃圧に基づいて点火時期が補正設定されるから、燃圧が如何なる条件によって変更される場合であっても、これに対応して点火時期を補正制御させることができる。
尚、燃圧センサ１３８の検出結果に代えて、そのときの目標燃圧に応じて点火時期を設定させることができるが、燃圧センサ１３８の検出結果を用いる構成とすれば、目標燃圧のステップ変化に対する過渡的な燃圧の変化時にも、実際の燃圧に応じて点火時期を補正制御できる。

次に、機関の運転条件に応じて目標燃圧及び点火時期を設定する第３実施形態を、図５のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ３１では、機関負荷を代表する基本噴射パルス幅Ｔｐを読み込む。
ステップＳ３２では、前記基本噴射パルス幅Ｔｐが予め記憶された閾値以上であるか否かを判断する。

尚、ステップＳ３２では、機関回転速度毎に設定される閾値と前記基本噴射パルス幅Ｔｐとを比較させることができる。
ステップＳ３２で前記基本噴射パルス幅Ｔｐが前記閾値未満であると判断されたときには、ステップＳ３３へ進み、目標燃圧に基準燃圧（３５０kpa）を設定すると共に、基準燃圧時に対応する基本点火時期を設定する。

一方、ステップＳ３２で前記基本噴射パルス幅Ｔｐが前記閾値以上である高負荷運転状態であると判断されたときには、ステップＳ３４へ進む。
ステップＳ３４では、目標燃圧に高出力圧（７００kpa）を設定すると共に、基準燃圧時に対応する基本点火時期に予め記憶した一定の補正値を加算することで、基準燃圧に設定される低中負荷時の点火時期に比べて、高負荷時の点火時期を進角させる。

従って、機関出力が要求される高負荷運転時に、燃圧を高くして燃焼性を改善した上で点火時期を進角させるので、ノッキングを発生させることなく、機関の出力性能を向上させることができる。
ここで、前記機関負荷が前記閾値以上である高負荷領域において、目標燃圧を、前記基準燃圧（３５０kpa）を超える領域で複数に変化させ、かつ、目標燃圧の設定に応じて点火時期を進角補正することができ、係る構成とした第４実施形態を図６のフローチャートに従って説明する。

ステップＳ４１では、機関負荷を代表する基本噴射パルス幅Ｔｐを読み込む。
ステップＳ４２では、前記基本噴射パルス幅Ｔｐが予め記憶された閾値以上であるか否かを判断する。
尚、ステップＳ４２では、機関回転速度毎に設定される閾値と前記基本噴射パルス幅Ｔｐとを比較させることができる。

ステップＳ４２で前記基本噴射パルス幅Ｔｐが前記閾値未満であると判断されたときには、ステップＳ４３へ進み、目標燃圧に基準燃圧（３５０kpa）を設定すると共に、基準燃圧時に対応する基本点火時期を設定する。
一方、ステップＳ４３で前記基本噴射パルス幅Ｔｐが前記閾値以上である高負荷運転状態であると判断されたときには、ステップＳ４４へ進む。

ステップＳ４４では、基準燃圧（３５０kpa）を超える燃圧領域で、そのときの機関負荷が大きいほど大きな目標燃圧を設定すると共に、予め燃圧毎に基本点火時期の進角補正値を記憶するテーブルを参照し、前記目標燃圧が高いほど大きな進角補正値を補間演算によって求め、前記基準燃圧時に対応する基本点火時期を前記進角補正値で補正する。
この第４実施形態によると、前記基本噴射パルス幅Ｔｐが前記閾値以上である高負荷運転領域において、機関負荷の大きさに応じて適正な目標燃圧に設定しつつ、係る目標燃圧でノッキングを発生させることのない範囲内で極力進角された基本点火時期を設定させることができ、機関の出力性能の改善に寄与できる。

尚、燃圧を可変とするシステムを燃料ポンプの吐出量を制御するシステムに限定するものではなく、例えば、燃料タンクへのリターン流量を調整することで、燃圧を目標値に制御するシステムであっても良い。
また、機関負荷を代表する状態量としては、基本噴射パルス幅Ｔｐの他、スロットル開度や吸気負圧やシリンダ吸入空気量を用いることができる。

更に、点火時期の設定において、機関温度（冷却水温度）を判断し、燃料噴霧の気化性能が低下する冷機時に点火時期の進角補正を制限する（進角量のリミット処理及び進角補正の禁止を含む）ことができる。

１０１…エンジン、１０４…電子制御スロットル、１１４…コントロールユニット、１１８…スロットルセンサ、１２１…空燃比センサ、１３１…燃料噴射弁、１３５…燃料タンク、１３６…燃料ポンプ、１３８…燃圧センサ、１５１…点火プラグ、１５２…パワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル

Claims (1)

1. 吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備えると共に、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が可変とされる内燃機関において、
   前記燃料の供給圧を、機関負荷の増大に応じて高くする一方、点火時期を、前記燃料の供給圧に基づいて供給圧が高いほど進角させ、冷機時には前記燃料の供給圧に基づく点火時期の進角変化を制限する、内燃機関の点火時期制御装置。

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