JP6537317B2

JP6537317B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6537317B2
Application number: JP2015065462A
Authority: JP
Inventors: 真一木下; 涼中田; 昌吾樋口
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: JP2016183659A

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の運転制御を司る制御装置に関する。

内燃機関の冷間始動直後の時期に、混合気への点火のタイミングを遅角させ、排気の温度を高めて排気浄化用の三元触媒を速やかに昇温、活性化させる制御を実施することが知られている（例えば、下記特許文献を参照）。この制御により、冷間始動直後の時期に増加する傾向にあるＨＣの排出量を削減することができる。

だが、気筒の排気ポートから触媒に至る排気通路が比較的長いものにあっては、排気の熱が触媒に至る前に奪われやすく、触媒を早期に活性化させることが容易でない。また、気筒の軸を傾斜させた状態で車体に搭載するスラントエンジンで顕著であるが、冷間始動直後の時期に吸気ポートに噴射された燃料がそのまま気筒内に流れ込むことで、ＨＣの発生量が増すこともある。

そのような内燃機関において、ＨＣの排出量を抑制するためには、冷間始動直後の時期により一層点火タイミングを遅角させなければならなくなる。しかしながら、内燃機関の冷間始動直後は、気筒の温度が低いことから混合気の燃焼が不安定となりやすく、点火タイミングの遅角によって失火を招く懸念がある。

特開２０１４−２１４６６７号公報

本発明は、内燃機関の冷間始動直後における混合気の燃焼の安定化とＨＣの排出量の削減との両立を図ることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、内燃機関の始動直後に気筒での混合気の燃焼が不安定化しない限度で混合気への点火のタイミングを進角させる進角期間を設け、なおかつ当該進角期間の後に混合気への点火のタイミングを遅角させる遅角期間を設けることとし、前記遅角期間における点火タイミングを、前記進角期間における点火タイミングの進角量及び前記進角期間の長さのうちの少なくとも一方に応じて可変調整するものであり、前記進角期間における点火タイミングの進角量が大きいほど前記遅角期間における点火タイミングの遅角量を大きくする、及び／または、前記進角期間が長いほど前記遅角期間における点火タイミングの遅角量を大きくする内燃機関の制御装置を構成した。なお、進角期間における点火タイミングは、ＭＢＴ（ＭｉｎｉｍｕｍａｄｖａｎｃｅｆｏｒＢｅｓｔＴｏｒｑｕｅ）よりも進角させることがある。

本発明によれば、内燃機関の冷間始動直後における混合気の燃焼の安定化とＨＣの排出量の削減との両立を図り得る。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の概略構成を示す図。同実施形態における火花点火装置の回路図。内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。同実施形態の制御装置が実施する点火タイミングの制御の模様を示すタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子１３１を有するイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３の半導体スイッチ１３１が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の火花点火のタイミングで半導体スイッチ１３１が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。二次側の誘導電圧は、１０ｋＶないし３０ｋＶに達する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

点火コイル１４の一次側コイルは、半導体スイッチ１３１を介して車載の電源バッテリ１７に接続する。半導体スイッチ１３１を点弧し、バッテリ１７から供給される直流電圧を一次側コイルに印加して通電を開始すると、一次側コイルを含む一次側（低圧系）の回路を流れる一次電流は逓増する。

イグナイタ１３は、一次電流の過大化を抑制する電流制限機能を有している。この電流制限機能は、今日普及している既製のイグナイタのそれと同様である。具体的には、制御回路１３２が、検出抵抗１３３を介して、一次電流を当該抵抗１３３の両端間電圧の形で恒常的に計測する。そして、その一次電流（抵抗１３３の両端間電圧）の大きさが規定値以下である間は半導体スイッチ１３１を点弧する一方、規定値を超えたときには半導体スイッチ１３１を消弧する。

因みに、イグナイタ１３は、点火コイル１４またはイグナイタ１３自身の温度が上限値を超えるような異常発熱を感知した場合に、一次側コイルへの通電を強制的に遮断する機能をも有している。

本実施形態のＥＣＵ０は、燃料の燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、そのイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行うことができる。

図２に示しているように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧）のそれぞれの推移を例示する。図３中、イオン電流を破線で描画し、燃焼圧力を実線で描画している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。

点火コイル１４への通電やバルブ２３、３２類の開閉駆動、車両に実装された電装系への電力供給源となる発電機（オルタネータまたはＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ））１８は、内燃機関のクランクシャフトからエンジントルクの供給を受けて発電し、その発電した電力を車載のバッテリ１７に充電する。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｄ、車載のバッテリ１７の電流及び／または電圧を検出する電流／電圧センサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｅ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、気筒１の燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力される電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、イグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ）に制御信号ｏを入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の始動直後即ちクランキングの終了直後に混合気への点火のタイミングを進角させる進角期間を設けるとともに、当該進角期間の後に混合気への点火のタイミングを遅角させる遅角期間を設け、以て冷間始動直後における混合気の燃焼の安定化とＨＣの排出量の削減とを両立させるようにしている。

図４に、本実施形態のＥＣＵ０が実施する点火タイミングの制御の模様を示している。クランキングの終了時点ｔ₀以降の進角期間において、ＥＣＵ０は、点火タイミングを気筒１での混合気の燃焼が不安定化しない限度で進角させる。

各気筒１における混合気の燃焼状態の把握は、例えば、以下に述べる手法の何れかを用いて行うことができる。その第一は、イオン電流信号ｈの監視である。図３に示しているように、ＥＣＵ０は、気筒１の燃焼室内での混合気の燃焼に起因して点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流が閾値を上回っている期間Ｔの長さを計測する。その期間Ｔの長さがある閾値未満であるならば、混合気の燃焼状態が不安定化している、即ち燃焼が不完全または失火したと判断する。期間Ｔの長さが閾値以上であるならば、混合気が安定的に燃焼したと判断する。

第二は、エンジン回転数の変動の監視である。ＥＣＵ０は、内燃機関の始動直後、特にアイドリング中において、内燃機関のクランクシャフトが所定角度（例えば、３０°ＣＡ（クランク角度））回転するのに要した時間を反復的に計測する。クランクシャフトが所定角度回転したことは、クランク信号ｂを参照して知得できる。そして、今回計測した所要時間から前回計測した所要時間を減算することにより、クランクシャフトの回転速度の変化量（または、低下量）を求め、この変化量がある閾値を上回ったときに、混合気の燃焼状態が不安定化していると判断する。この変化量が閾値以下であるならば、混合気が安定的に燃焼したと判断する。

進角期間における点火タイミングの進角量の上限は、燃料の質や吸気の温度、湿度等によって変わる。ＥＣＵ０は、進角期間において、気筒１での混合気の燃焼が安定している限りにおいて点火タイミングを進角させる一方、混合気の燃焼が不安定化していることを感知した場合には、点火タイミングの進角量を減らして（即ち、点火タイミングをより遅らせて）混合気の燃焼の安定化を図る。冷間始動直後の進角期間中に点火タイミングをＭＢＴ（ＭｉｎｉｍｕｍａｄｖａｎｃｅｆｏｒＢｅｓｔＴｏｒｑｕｅ）よりも進角させることは、燃焼した混合気の持つ熱により気筒１を昇温させて以後の混合気の燃焼を安定させることにつながる。その上、点火タイミングから圧縮上死点までの時間を稼ぎ、気筒１の燃焼室内で燃料成分Ｃ_mＨ_nの反応を進めてＨＣからＣＯまで変化させることに寄与し、冷間始動直後に増加しやすいＨＣの排出を抑制することができる。

また、ＥＣＵ０は、進角期間におけるアイドリング中、エンジン回転数を所要の目標アイドル回転数に収束させるようにフィードバック制御することが好ましい。即ち、クランク角信号ｂを参照して知得される実測のエンジン回転数と目標アイドル回転数との差分を求め、その差分が正値であるならば、スロットルバルブ３２の開度をより縮小して気筒１に充填される吸気量及びインジェクタ１１からの燃料噴射量を減量するか、またはスロットルバルブ３２を絞らずに燃料噴射量のみを減量して混合気の空燃比をよりリーン化する。空燃比のリーン化は、ＨＣの発生量を減少させることにもつながる。

逆に、差分が負値であれば、スロットルバルブ３２の開度をより拡大させて気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量を増量するか、またはスロットルバルブ３２を開かずに燃料噴射量のみを増量して混合気の空燃比をよりリッチ化する。このような吸気量及び／または燃料噴射量の操作により、進角期間においてエンジン回転数が不必要に上昇して（吹き上がって）燃料を浪費することを回避できる。なお、進角期間における一サイクル毎の（一つの気筒１に充填される）吸気量及び燃料噴射量は、遅角期間における一サイクル毎の吸気量及び燃料噴射量よりも少なくなる。

内燃機関の始動直後の進角期間は、当該進角期間における気筒１に充填された吸気量の積算量（または、時間積分）、燃料噴射量の積算量、気筒１での総燃焼回数またはクランクシャフトの総回転回数が所定値に達するまで継続する。吸気量の積算量等が所定値まで増大したことは、気筒１が十分に暖機されたことを意味する。従って、ＥＣＵ０は、始動直後の時点ｔ₀からの吸気量の積算量、燃料噴射量の積算量、総燃焼回数または総回転回数が所定値に到達した時点ｔ₁の後、点火タイミングを遅角させる遅角期間を開始する。

なお、進角期間中、点火タイミングを所定のタイミングまで遅らせてもなお混合気の燃焼が不安定である場合には、ＥＣＵ０は、たとえ吸気量の積算量等が所定値に到達していなくとも、進角期間を打ち切って遅角期間へと移行する。

冷間始動後の遅角期間中に点火タイミングをＭＢＴよりも遅角させるのは、気筒１の燃焼室から排出されて触媒４１に流入する排気の温度を上昇させ、触媒４１の早期の昇温、活性化を促すためである。遅角期間において、点火タイミングを気筒１の圧縮上死点よりも遅くすることもあり得る。本実施形態では、内燃機関の冷間始動後、遅角期間の前に、気筒１の暖機を促進して混合気の燃焼を安定させるための進角期間を設けていることから、遅角期間において点火タイミングを大きく遅角させて、速やかに触媒４１の温度を高めることが可能となっている。

とは言え、点火タイミングを顕著に遅角化することは、点火タイミングを顕著に進角化することと同様、やはり気筒１における混合気の燃焼を不安定化させる要因となる。そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、遅角期間の前の進角期間における点火タイミングの進角量及び／または進角期間の長さに応じて、遅角期間における点火タイミングの遅角量を可変調整することとしている。

具体的には、進角期間における点火タイミングの進角量（特に、進角期間中の進角量の最大値、平均値または中央値等）が大きいほど、遅角期間における点火タイミングの遅角量を大きくする。及び／または、進角期間の継続時間が長いほど、遅角期間における点火タイミングの遅角量を大きくする。進角期間中の点火タイミングの進角量が大きいほど、また進角期間が長いほど、内燃機関の気筒１の燃焼室の温度が高まっており、混合気を安定的に燃焼させやすいと考えられるからである。進角期間が途中で打ち切られた場合には、混合気の燃焼が不安定となる条件下にあると考えられるので、点火タイミングの遅角量も小さくなる。あるいは、進角期間における点火タイミングの進角量の積算量（または、時間積分）が多いほど、遅角期間における点火タイミングの遅角量を大きくとるようにしても構わない。

遅角期間においても、内燃機関のアイドリング中に、エンジン回転数を所要の目標アイドル回転数に収束させるようにフィードバック制御してもよいことは言うまでもない。点火タイミングの遅角化により、内燃機関の出力するエンジントルクが低下することから、一サイクル毎の吸気量及び燃料噴射量は進角期間におけるそれよりも多くなる。

また、進角期間から遅角期間へと移行する際には、点火タイミング並びに気筒１に充填される吸気量（スロットルバルブ３２の開度）及び燃料噴射量を、それぞれステップ的に急変させるのではなく徐変させることが好ましい。図４に示す例でも、進角期間の終期ｔ₁と遅角期間の始期ｔ₂との間に、点火タイミング及び吸気量を徐々に変化させる過渡期間を設けている。

触媒４１の温度が十分に高まり、触媒４１が活性化したと考えられる時点ｔ₃以降は、点火タイミングを平常の内燃機関の運転におけるタイミング、即ち進角期間におけるタイミングよりも遅く遅角期間におけるタイミングよりも早いタイミングに設定する。

本実施形態では、内燃機関の始動直後に気筒１での混合気の燃焼が不安定化しない限度で混合気への点火のタイミングを進角させる進角期間を設け、なおかつ当該進角期間の後に混合気への点火のタイミングを遅角させる遅角期間を設けることとし、前記遅角期間における点火タイミングを、前記進角期間における点火タイミングの進角量及び前記進角期間の長さのうちの少なくとも一方に応じて可変調整する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の冷間始動直後における混合気の燃焼の安定化とＨＣの排出量の削減との両立を図ることが可能である。即ち、進角期間において、気筒１の燃焼室内の温度を高めて混合気が安定して燃焼できる環境を整えるとともに、ＨＣをＣＯまで反応させてＨＣの排出を抑制する。そして、遅角期間において、従来の内燃機関の始動直後の制御よりも大きく点火タイミングを遅角させることで、速やかに触媒４１の温度を高めて触媒４１を活性化させ、触媒４１によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの浄化能率を向上させるのである。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、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。

本発明は、車両等に搭載された内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
４…排気通路
４１…触媒
ｂ…クランク角信号
ｈ…イオン電流信号
ｉ…点火信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…開度操作信号

Claims

内燃機関の始動直後に気筒での混合気の燃焼が不安定化しない限度で混合気への点火のタイミングを進角させる進角期間を設け、なおかつ当該進角期間の後に混合気への点火のタイミングを遅角させる遅角期間を設けることとし、
前記遅角期間における点火タイミングを、前記進角期間における点火タイミングの進角量及び前記進角期間の長さのうちの少なくとも一方に応じて可変調整するものであり、
前記進角期間における点火タイミングの進角量が大きいほど前記遅角期間における点火タイミングの遅角量を大きくする、または、前記進角期間が長いほど前記遅角期間における点火タイミングの遅角量を大きくする内燃機関の制御装置。