JPH02223675A - 火花点火式内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関（
以下、「内燃機関」を単に「エンジン」という場合があ
る）における点火時期制御装置に関する。

［従来の技術］ 従来より１例えばガソリンエンジンの点火時期制御は次
のようにして行なわれている。すなわち。

エンジンの吸入空気量を検出する流量センサ（この流量
センサの代わりに吸気通路圧力を検出する圧力センサを
用いてもよい）およびエンジン回転数を検出するエンジ
ン回転数センサからエンジンの運転状態を検出し、これ
らのセンサからの検出結果に基づいて、吸入空気量Ａを
エンジン回転数Ｎで割って得られる体積効率Ｅｖ（Ａ／
Ｎ）あるいは吸気通路圧力とエンジン回転数Ｎとで決ま
る進角値（点火時期情報）をもった２次元マツプから基
本点火時期情報を求め、この基本点火時期情報に適宜の
補正を行ない、このようにして得られた点火時期情報に
基づき点火袋！！（点火プラグや点火コイル等）を作動
させることにより、エンジンの点火時期を制御している
。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の基本点火時期情報に対して行なう適宜の補正には
、エンジンの冷却水温に基づく補正や吸気温に基づく補
正等があるが、特に、エンジンの加速時に、ノック（ノ
ッキング）が生じるので、エンジンの加速時にも点火時
期情報に対して何らかの補正を行なう必要がある。

ここで、ノックは自己着火によって誘起される燃焼室内
の振動現象であり、かかるノックにより、不快な音が発
生するだけでなく、エンジンにも悪影響を及ぼすおそれ
がある。

そこで、従来は、かかるノックの発生を防止するために
、点火時期を遅らせるような制御が一般に行なわれてい
るが、この場合、ノックの発生に結び付くエンジン現象
の検出が困難であるため、点火時期は最悪の条件でもノ
ックを発生させないような安全な側に遅らせる制御法を
採用している。

ところで、ノックを生じる点火角は、第４図に示すごと
く、燃焼室壁部の温度（燃焼室壁温）に関係しており、
また加速時において低負荷から高負荷に変わる際には、
燃焼室壁温は温度上昇の遅れ（第５図参照）によって定
常時より低いため。

燃焼室壁温が定常にまで上昇する数十サイクル間は２点
火角に対して進角してもノックは生じない。

本発明は、このような知見に基づき創案されたもので、
燃焼室壁温から点火時期情報を求めることができるよう
にすることにより１点火時期を必要以上に遅角させない
ようにしながら、エンジン出力およびエンジン効率の向
上をはかるとともに、加速性能を改善できるようにした
、火花点火式内燃機関の点火時期制御装置を提供するこ
とを目的とする。

［１題を解決するための手段］ 上述の目的を達成するため、本発明の火花点火式内燃機
関の点火時期制御装置は、火花点火式内燃機関の運転状
態に応じて点火時期を設定する点火時期設定手段と、該
点火時期設定手段で設定された上記点火時期情報に基づ
き点火装置を作動させる点火装置作動手段とをそなえ、
該点火時期設定手段が、燃焼エネルギ量を示す変数から
該内燃機関の燃焼室壁部の温度を推定する燃焼室壁温推
定手段と、該燃焼室壁温推定手段で推定された該燃焼室
壁部の温度から該点火時期を求める点火時期算出手段と
を含んで構成されていることを特徴としている。

［作　用］ 上述の本発明の火花点火式内燃機関の点火時期制御装置
では、点火時期設定手段で設定された点火時期情報に基
づき点火装置が作動せしめられるが、このとき点火時期
は次のようにして求められる。すなわち、まず、燃焼室
壁温推定手段で、燃焼エネルギ量を示す変数から内燃機
関の燃焼室壁温を推定し１点火時期算出手段で、推定燃
焼室壁温から点火時期が求められるのである。

［実施例］ 以下、図面により本発明の一実施例としての火花点火式
内燃機関の点火時期制御装置について説明すると、第１
図はその制御系およびエンジン概略システムを示す全体
構成図、第２図はその燃焼室壁温推定モデルを説明する
図、第３図はその点火時期を求めるためのフローチャー
トである。

さて２本装置によって制御される車載用ガソリンエンジ
ンシステム（火花点火式内燃機関システム）は、第１図
のようになるが、この第１図において、ガソリンエンジ
ンＥ（以下、単にエンジンＥという）はその燃焼室１に
通じる吸気通路２および排気通路３を有しており、吸気
通路２と燃焼室１とは吸気弁４によって連通制御される
とともに、排気通路３と燃焼室１とは排気弁５によって
連通制御されるようになっている。

また、吸気通路２には、上流側から順にエアクリーナ６
、スロットル弁７および電磁式燃料噴射弁（インジェク
タ）８が設けられており、排気通路３には、その上流側
から順に図示しないが排ガス浄化用の触媒コンバータ（
三元触媒）およびマフラ（消音器）が設けられている。

なお、インジェクタ８は吸気マニホルド部分に気筒数だ
け設けられている。今、本実施例のエンジンＥが直列４
気筒エンジンであるとすると、インジェクタ８は４個設
けられていることになる。

即ちいわゆるマルチポイント燃料噴射（ＭＰＩ）方式の
エンジンであるということができる。

また、スロットル弁７はワイヤケーブルを介してアクセ
ルペダルに連結されており、これによりアクセルペダル
の踏込み量に応じて開度が変わるようになっている。

さらに、各気筒には、その燃焼室１へ向けて点火プラグ
９が設けられており、各点火プラグ９はディストリビュ
ータ（図示せず）を介して点火コイル１０に接続されて
いる。そして、点火コイル１０付きのパワートランジス
タ１１のオフ動作によって点火コイル９に高い電圧が発
生して、ディストリビュータにつながっている点火プラ
グ９のいずれかがスパーク（点火）するようになってい
る。なお、パワートランジスタ１１のオン動作によって
点火コイル１０はバッテリ１２により充電を開始される
。そして、これらの点火プラグ９゜ディストリビュータ
、点火コイル１０．パワートランジスタ１１で、点火装
置を構成する。

このような構成により、スロットル弁７の開度に応じエ
アクリーナ６を通じて吸入された空気が吸気マニホルド
部分でインジェクタ８からの燃料と適宜の空燃比となる
ように混合され、燃焼室１内で点火プラグ９を適宜のタ
イミングで点火させることにより、燃焼せしめられて、
エンジントルクを発生させたのち、混合気は、排ガスと
して排気通路３へ排出され、触媒コンバータで排ガス中
のＧｏ、ＨＣ，ＮＯｘの３つの有害成分を浄化されてか
ら、マフラで消音されて大気側へ放出されるようになっ
ている。

さらに、このエンジンＥを制御するために、種々のセン
サが設けられている。まず吸気通路２側には、そのエア
クリーナ配設部分に、吸入空気量をカルマン渦情報から
検出する体積流量計としてのエアフローセンサ１３．吸
入空気温度を検出する吸気温センサおよび大気圧を検出
する大気圧センサが設けられており、そのスロットル弁
配設部分に、スロットル弁７の開度を検出するポテンシ
ョメータ式のスロットルセンサ、アイドリング状態を検
出するアイドルスイッチが設けられている。

また、排気通路３側には、触媒コンバータの上流側で燃
焼室１に近い部分に、排ガス中の酸素濃度（０２濃度）
を検出する酸素濃度センサ（０３センサ）が設けられて
いる。

さらに、エンジン冷却水温を検出する水温センサ１６が
設けられるほかに、クランク角度を検出するクランク角
センサ１４（このクランク角センサ１４はエンジン回転
数Ｎを検出するエンジン回転数センサも兼ねているので
、以下、必要に応じ、このクランク角センサ１４をエン
ジン回転数センサと称することがある）および第１気筒
（基準気筒）の上死点を検出するＴＤＣセンサがそれぞ
れディストリビュータに設けられている。

ところで、上記の各センサからの検出信号は、電子制御
ユニット（ＥＣＵ）１５へ入力されるようになっている
。

また、ＥＣＵ１５は、バードアウェア的にその構成を見
ると、ＣＰＵ、ＲＡＭ　（バックアップＲＡＭを含む）
、ＲＯＭ、適宜の入出力インタフェース回路をそなえて
おり、その入力インタフェース回路を通じであるいは直
接に各センサからの信号がＣＰＵへ入力されるとともに
、出力インタフェース回路を通じてＣＰＵからの点火時
期制御信号がパワートランジスタ１１へ出力され、更に
は点火コ・ｒル１ｏからディストリビュータを介して各
点火プラグ９を順次スパークさせてゆくようになってい
る。

なお、ＣＰＵからは出力インタフェース回路を通じ噴射
燃料制御信号がインジェクタ８へ出力されるようになっ
ており、これによりこの噴射燃料制御信号によって決ま
る時間だけインジェクタ８から燃料が噴射・されて、所
望の空燃比となるよう制御される。

今、点火時期制御に着目して、ＥＣＵ１５を、かかる点
火時期制御のための機能ブロックを用いて示すと、第１
図に示すようになる。すなわち、この点火時期制御装置
は、基本点火時期設定手段としての基本点火角設定手段
３０２点火時期補正量設定手段３１．加算手段３４２点
火信号発生手段３５を有している。

ここで、基本点火角設定手段３０は、エンジンＥの運転
状態（この運転状態はエアフローセンサ１３からのエン
ジン負荷情報とエンジン回転数センサ１４からのエンジ
ン回転数情報とから決まる）に応じて基本点火時期を設
定するもので１例えばＡ／Ｎ、Ｎとから決まる２次元の
基本点火時期データ（進角データ）θ。を記憶する基本
点火時期マツプをもっている。

点火時期補正量設定手段３１は、燃焼エネルギ量を示す
変数（例えば吸入空気量や燃料噴射量）からエンジンの
ｍ焼室１における壁部の温度を推定する燃焼室壁温推定
手段３２と、この燃焼室壁温推定手段３２で推定された
燃焼室壁温から点大時期補正量ΔＡを求める点火時期補
正量演算手段としての点火角補正手段３３とをそなえて
構成されている。

また、加算手段３４は、基本点火角設定手段３０からの
基本点火角ｅ、と点火時期補正量設定手段３１からの点
火時期補正量ΔＡとを加算するものである。

したがって、これらの基本点火角設定手段３０゜点火時
期補正量設定手段３１．加算手段３４で。

エンジンＥの運転状態に応じて点火時期を設定する点火
時期設定手段を構成する。

さらに、点火信号発生手段３５は、加算手段３４からの
基本点火角ｅ０に点火時期補正量ΔＡを加えたものに基
づいてパワートランジスタ１１を作動させるための点火
信号を発生するもので、これにより、この点火信号発生
手段３Ｓで、エンジンの運転状態に応じて求められた点
火時情報に基づきパワートランジスタ１１等の点火装置
を作動させる点火装置作動手段を構成する。

次に、燃焼室壁温推定手段３０で燃焼室壁温を推定する
手法と点火角補正手段３３で点火時期補正量ΔＡを求め
る手法とについて説明する。

まず、燃焼室壁温の推定モデルと算出式について説明す
る。燃焼室壁温θＶを推定するモデルは、第２図に示す
ように、燃焼室壁においてこの燃焼室壁に流入出する熱
Ｑ　ｉ　、　Ｑ　ｏと燃焼室壁の熱容量Ｃ２冷却水温θ
Ｃにより推定される非定常無次元モデルとして考えられ
る。したがって、このモデルから燃焼室壁の温度上昇率
θＶは ＃ｖ＝（Ｑｉ−Ｑｏ）／Ｃ・・（１） となり、Ｑｏは、αを燃焼室壁と冷却液の熱貫流率とす
ると。

Ｑｏ＝ｇ　（＃ｖ−＃ｃ）　・・（２）で表わされ、従
って、（１）式にこの（２）式を代入すると、 ＃ｗ＝ニー　（ｇ　（＃ｗ−＃ｃ）／Ｃ）　”　（Ｑｉ
／Ｃ）　・・（３）となる。ここで、９％＋＝＃ｃ＋＃
　（１：燃焼室壁と冷１１の温度差）・・（４）とおく
と、ｉｃ／ｄｔ＝Ｏにより、 ＃＝（−ｗｅ／Ｃ）＋（Ｑｉ／Ｃ）・・（５）となる。

ところで、燃料の発熱エネルギはエンジン１回転当りの
シリンダに吸入される空気流量Ａ／Ｎとエンジン回転数
Ｎとの積に比例し、燃焼室壁に流入する熱Ｑｉは発熱エ
ネルギの一部でその割合が一定であるとすると、Ｑｉは
（Ａ／Ｎ）ＸＮと線形である。そこで、 ＱＣＩＪ（Ａ／Ｎ）Ｎ　　　ｐ：定数・・（６）とおき
、α／Ｃをγ（定数）に書き直せば、（５）式は ０＝ゴー十β（Ａ／Ｎ）Ｎ・・（７） となる。これを時刻ｔからも＋６丁まで積分し。

添字（１）は時刻ｔにおける値を表ねすとすると、ｆ（
ｔ＋ΔＴ）＝ｌ（ｔ）＋（−γ−リ（Ａ／Ｎ）Ｎ）ｄｔ
・・（８）となる。これをΔＴを一定閏隔とするオイラ
ー（ＥＥｕｉｅｒ）法により近似すると、９（ｔ＋ムｒ
）＝ｓ（ｔ）＋［−ｙｌ（ｔ）＋β（Ａ／Ｎ（ｔ））Ｎ
（ｔ）ｌａ７＝（１−ｙＡＴ）＃（ｔ）十β（Ａ／Ｎ（
ｔ））Ｎ（ｔ）ａｒまたは １（ｔ＋ΔＴ）＝（１−ｙＡＴ）＃（ｔ）す（Ａ／Ｎ（
ｔ＋Δ丁）３Ｎ（ｔ＋ＡＴ）ＡＴ・・（９） であり、演算周期Δτごとの計算式に直すと、＃ｊ＝（
１−ｙＡＴ）１ｊ−＋＋βΔＴ（Ａ／Ｎｊ）Ｎｊ・・（
１０）ΔＴ：濱１ｊ［ｍ　　　添字ｊ：ｌＷｊでの筐と
なる。これは漸化式のためエンジン制御用マイクロコン
ピュータで演算可能であり、γ、βを予め計測しておけ
ば、（４）、（１０）式から燃焼室壁温が求まるのであ
る。

つぎに、燃焼室壁温から点火角補正量（点火時期補正量
）ΔＡを算出する手法について説明する。

すなわち、エンジン回転数Ｎ、エンジン回転数当りの吸
入空気量Ａ／Ｎ、冷却水温に対する燃焼室壁温とに１ノ
ック点火時期の関係を実験により求めておき、これをエ
ンジン制御用マイクロコンピュータに設定しておけば、
燃焼室壁温から点火時期が得られるのである。

まず、異なるエンジン回転数Ｎ、冷却水温において、Ｗ
ＯＴ　（スロットル全開時）のに１ノック点火時期ＡＫ
ユはθＶに対して、１次式によって表わせるとすれば、
次式が成立する。

Ａ１（、＝−ｔ＃ｖ＋ｐ・１ｔｉ） λ−−エンジンＨ転数と冷却水敲によって決まる定数従
って、このときのＷＯＴ定常時の燃焼室壁温θｖｓから
補正進角量ΔＡ（’　ＢＴ［）Ｃ）は。

ΔＡ＝Ｌ（＃ｗｓ−＃ｖ）”（１２） と表わせる。（４）式から（１２）式はΔＡ＝Ｌ（Ｉｓ
−ｅ）”（１３） Ｉｓ：ＷＯＴ室雷時の１室壁ｌと１本の霞度差どなる。

ここで、このエンジン回転数Ｎにおける全開定常時のエ
ンジン回転数当りの吸入空気ｔＡ／Ｎｓから、こ−のと
きにおけるＯ９は（８）式において、　ｆ（ｔ＋ΔＴ）
＝Ｉ（ｔ）と置くことにより求まり。

＃５＝（ｊ／ｙ）（Ａ／Ｎ５）Ｎ・・（１４）となるた
め、（１３）式は。

＾Ａ＝１［（（＃／ｙ）（Ａ／Ｎ５）Ｎ）−＃ｉ”（１
５）である、よって、演算ｊでは次式となる。

ＡＡＪ＝！［（（＃＃）（Ａ／Ｎ５）ＮＪ）−＃Ｊ］・
・（１６）従って、λとＡ／Ｎｓと冷却水温のマツプを
エンジン制御用マイクロコンピュータにもたせることに
より、ある演算周期でのλ、　Ａ　／　Ｎｌｌ、　Ｎお
よび（１０）式より求まるθからその時点でのΔＡを算
出できるのである。なお、実際の点火角設定はこれに多
少の余裕をもたせる。

さらに、ＷＯＴではなく、異なるＡ／Ｈに対しても（１
１）式が成り立てば、 Δ＾ｊ＝λｎｅ（１−ｙＡＴ）（−９ｊ−ｔ＋（−／ｙ
）　（Ａ／ＮＪ）Ｎｊ）・・（１７） となる。

つぎに点火時期演算要領について、第３図のフローチャ
ートを用いて説明する。

まず、ステップａ１で、冷却水温θＣが設定値Ｘ、　Ｄ
　Ｃより小さいかどうかを判定する。もし小さければ、
Ｎｏルートをとって、ステップａ２で。

フラグＦ　Ｌ　Ｇが０かどうかが判断され、最初は０で
あるとすると、このステップａ２でＹＥＳルートをとっ
て、ステップａ３で、スロットル開度変化率ΔＴＰＳが
設定値ＸＤＴＰＳより小さいかどうかが判定される。も
し、大きければ、即ち加速時であれば、ステップａ３で
Ｎｏルートをとって。

ステップａ４で、スロットル開度ＴＰＳが設定値ＸＴＰ
Ｓ（この設定値は全開近傍値が選ばれる）より小さいか
どうかが判定される。もし、そうでなければ、即ぢ全開
あるいは全開近傍であれば、ステップａ４で、Ｎｏルー
トをとって、ステップａ５で、燃焼室壁温変化率θ菫、
１−０ｗ　ｊ−ｔを求める。

そして、次のステップａ６で、燃焼室壁温変化率θＶｊ
−θＪｊ−１が設定値Ｘθより小さいかどうかを判定す
る。燃焼室壁温変化率θ町−θＶ　ｊ−１が設定値１０
以上て・あれば、ステップａ７で、ＦＬＧ、ゴとしＣか
ら、ステラ゛’、、、、’　ａ　８で、、エンジン回転
数よりλ又はλｎｅを探し出し、ステップａ９で、点火
補正量ΔＡを求める。

その後は、ステップａｌｏで、次回の燃焼室壁温情報を
求めたあと、ステップａｌＬで、基本点火時期θ。にΔ
Ａを加える。

また、ステップａ６で、燃焼室壁温変化率θＷｊ−θｗ
ｊ−１が設定値Ｘθより小さいと、即ち、定常状態へ移
行すると、ステップａ６でＹＥＳルートをとって、ステ
ップａ　１．２で、ＦＬＧ＝Ｏとしてから、ステップａ
１３で、定常時燃焼室壁温θＳを求め、その後は、ステ
ップａ１４で、次回の燃焼室壁温情報をθＳとしたあと
、ステップａ１５で、点火補正量ΔＡを０としてがら、
ステップａ１１で、基本点火時期にΔＡ　（＝Ｏ）を加
える。

なお、冷却水温が低かったり、加速時でない場合、ある
いはスロットル開度が全開近傍でない場合は、すべてス
テップａ１２ヘジャンプし、定常状態時の制御（ステッ
プａ１３〜ａ１５）を行なう。

そして、上記のようにして、点火角が求まると、この情
報に基づいて１点火角号発生手段２１からパワートラン
ジスタ１１へ点火信号が出され、これに応じたタイミン
グで点火プラグ９が点火する。

このように、燃焼室壁温から点火補正量を求めることが
行なわれるので、加速時における燃焼室壁温が低い間（
加速初期数十サイクルの間）は進み側に点火進角を設定
し、加速中期以降、燃焼室壁温が高くなると、それに応
じて点火進角を遅れ側へ補正することができ、これによ
り加速時において１点火時期を必要以上に遅らせること
なく、燃焼室壁温で決まるノックが発生しない最適な点
火角を常に設定できるため、速やかな加速をできるだけ
妨げないようにしながら、加速時のノックを確実に防止
できる。これにより、エンジン出力を上げることができ
、エンジン効率が上がるとともに、加速性能を大幅に改
善することができる。

なお、定常時においては、燃焼室壁温に基づく補正は行
なわない。

また、点火時期の制御に際しては、加速時補正のほか、
水温や吸気温に応じて補正してもよい。

さらに１点火時期算出手段を、基本点火時期設定手段３
０と点火時期補正量設定手段３１とこれらの手段で得ら
れた情報を加算する加算手段３４とで構成する代わりに
、エンジンＥの運転状態に応じて点火角（点火時期）が
決まる２次元の点火時期データ（進角データ）を記憶す
る点火時期マツプを複数の燃焼室壁部分だけ有するよう
にしてもよい。

また、燃焼室壁温を推定する際に使用する燃焼エネルギ
量を示す変数として、吸入空気量のほか、燃料噴射量を
使用することもできる。

さらに、本発明は、エアフローセンサを用いたＬジェト
ロ方式を採用する火花点火式内燃機関のほか、吸気通路
圧力センサを用いたＤジェトロ方式（スピードデンシイ
テイ方式）を採用する火花点火式内燃機関にも適用でき
るものである。

また、本発明は、ガソリンエンジンのほか、アルコール
燃料を使用するアルコールエンジン等の火花点火式内燃
機関一般についても、同様にして適用できるものである
。

［発明の効果］ 以上詳述したように１本発明の火花点火式内燃機関の点
火時期制御装置によれば、燃焼室壁温を推定して、この
燃焼室壁温から点火時期を求めることが行なわれるので
、点火時期を必要以上に遅角させないようにしながら、
エンジン出力およびエンジン効率の向上をはかれるとと
もに、加速性能を改善できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の一実施例としての火花点火式内燃
機関の点火時期制御装置を示すもので。 第１図はその制御系およびエンジン概略システムを示す
全体構成図、第２図はその燃焼室壁温推定モデルを説明
する図、第３図はその点火時期を求めるため゛ゐフロー
チャートであり、第４図はスロットル弁全開時における
シリンダブロック触火面温度（燃焼室壁温）に対するノ
ック特性を示す図。 第５図はエンジン回転数が急変する場合の燃焼室壁温の
応答状態を説明する特性図である。 １−燃焼室、２−吸気通路、３−排気通路、４−吸気弁
、５−排気弁、６−エアクリーナ、７・−スロットル弁
、８−電磁弁（インジェクタ）、９−点火装置を構成す
る点火プラグ、１０−点火コイル、１１−パワートラン
ジスタ、１２−バッテリ、１３−エアフローセンサ（体
積流量計）、１４−クランク角センサ（エンジン回転数
センサ）、１５−ＥＣＵ、１６−水温センサ、３０・−
基本点火角設定手段、３１−点火時期補正量設定手段、
３２−燃焼室壁温推定手段、３３・−点火角補正手段（
点火時期補正量演算手段）、３１−・−加算手段、３５
−点火信号発生手段（点火装置作動手段）。 Ｅ−エンジン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　火花点火式内燃機関の運転状態に応じて点火時期を設
   定する点火時期設定手段と、該点火時期設定手段で設定
   された上記点火時期情報に基づき点火装置を作動させる
   点火装置作動手段とをそなえ、該点火時期設定手段が、
   燃焼エネルギ量を示す変数から該内燃機関の燃焼室壁部
   の温度を推定する燃焼室壁温推定手段と、該燃焼室壁温
   推定手段で推定された該燃焼室壁部の温度から該点火時
   期を求める点火時期算出手段とを含んで構成されている
   ことを特徴とする、火花点火式内燃機関の点火時期制御
   装置。