JPH0688562A - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高負荷時に理論空燃比よりも僅かにリッチな出
力空燃比に制御する希薄燃焼機関において、高負荷時の
出力向上を図りつつ、希薄燃焼時のＮＯｘ低減を実現
し、希薄燃焼時の空燃比制御範囲を拡大する。 【構成】筒内圧力が最大となるクランク角位置を検出
し、該クランク角位置が目標位置θ_pmaxに近づくように
点火時期を補正する。ここで、目標空燃比が希薄空燃比
であるか出力空燃比であるかを判別させる（Ｓ22）。そ
して、出力空燃比であるときには、熱効率が最大となる
目標位置θ_pmax1 （ＡＴＤＣ15°付近）を設定し（Ｓ2
3）、希薄空燃比であるときには、前記目標位置θ
_pmax1 よりも遅くＮＯｘ低減が図れる目標位置θ_pmax2
を設定する（Ｓ24）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の点火時期制御
装置に関し、詳しくは、筒内圧力がピークとなるクラン
ク角位置を目標のクランク角位置に近づけるように点火
時期を補正する技術の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の燃焼状態を把握する方法とし
て、燃焼室内の圧力（筒内圧力）を検出することが一般
に行われており、筒内圧力の検出方法としては、特公昭
４１−５１５４号公報，ＳＡＥテクニカルペーパー７５
０８８３号等に開示されるように、シリンダヘッドに螺
合する点火栓の取り付け座面に、リング型の圧力センサ
を挟み込み、この圧力センサの出力により筒内圧力を検
出する方法がある。

【０００３】そして、前記筒内圧力センサで検出される
筒内圧力が爆発行程において最大となるクランク角位置
が、熱効率が最も良い圧縮上死点後15°付近に設定され
た目標値に近づくように、筒内圧力のピーク発生時期が
目標よりも早いときには点火時期を遅角し、逆に目標よ
りも遅いときには点火時期を進角するようにした点火時
期制御（以下、ＭＢＴ制御という。）を行うものが知ら
れている（特開平３−１６８３５９号公報等参照）。

【０００４】かかるＭＢＴ制御を行うことで、最大熱効
率が得られ、以て、機関の最大出力を引き出すことがで
きるものである。一方、燃費の向上を目的として、理論
空燃比（14.7）よりも極めて高い空燃比（例えば20〜2
5）で燃焼を行わせるようにした希薄燃焼機関が近年提
案されている。かかる希薄燃焼機関では、例えば低回転
・低負荷時で運転しているときに前記希薄空燃比で燃焼
させることで燃費の向上を図り、加速時や高負荷時には
燃費よりもトルク性能を重視して理論空燃比よりもやや
リッチ側の空燃比（出力空燃比）で燃焼させて、燃費の
向上と出力トルクの確保とを両立させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記ＭＢＴ
制御を実行させる場合、ＭＢＴ制御によって出力向上を
図ると、燃焼温の増大によって排気中のＮＯｘ濃度も増
大する傾向を示す（図６参照）。ここで、前記希薄燃焼
機関でＭＢＴ制御を実行させた場合、高出力を得るため
に出力空燃比で燃焼させているときには、かかる高出力
化の目的に合致してＭＢＴ制御によって出力向上を図る
ことができる。一方、希薄空燃比を目標空燃比とする運
転領域では、サージの発生を回避しつつＮＯｘの排出量
を抑えることが課題となっており、このために、狭い範
囲内に空燃比を制御することが必要とされているが、前
記ＭＢＴ制御を出力空燃比を目標としているときと同様
に実行して最大出力が得られるように制御することは、
前述のようにＮＯｘを増やすことにもなり、より許容さ
れる空燃比範囲を狭めてしまい、希薄空燃比制御に対す
る要求精度が厳しくなってしまうという問題があった。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みなされたものであ
り、筒内圧力のピーク位置を目標位置にフィードバック
制御する点火時期制御によって、出力と共にＮＯｘ濃度
をコントロールできることに着目し、出力空燃比を目標
とするときには、より高い出力が得られ、かつ、希薄空
燃比を目標とするときには、出力特性よりもＮＯｘ排出
量の抑制を重視し、希薄燃焼時に広い空燃比範囲内でＮ
Ｏｘ排出量の抑制とサージ発生の回避とが両立できるよ
うにし、以て、希薄燃焼時における空燃比制御性を改善
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そのため本発明にかかる
内燃機関の点火時期制御装置は、図１に示すように構成
される。図１において、目標空燃比設定手段は、理論空
燃比よりも大きな希薄空燃比域と、理論空燃比以下の出
力空燃比域との間で目標空燃比を機関運転条件に応じて
切り換え設定する。そして、燃料供給制御手段は、目標
空燃比設定手段で設定された目標空燃比の混合気を形成
すべく、機関への燃料供給量を制御する。

【０００８】一方、筒内圧検出手段は、機関の筒内圧力
を検出し、筒内圧力ピーク位置検出手段は、筒内圧検出
手段で検出される筒内圧力が最大となるクランク角位置
を検出する。また、目標ピーク位置設定手段は、筒内圧
力が最大となるクランク角位置の目標値を前記目標空燃
比に応じて切り換え設定し、点火時期補正手段は、筒内
圧力ピーク位置検出手段で検出されるクランク角位置
を、目標ピーク位置設定手段で設定される目標値に近づ
けるように点火装置における点火時期を補正する。

【０００９】

【作用】かかる構成によると、筒内圧力がピークとなる
クランク角位置が検出され、これが目標値に近づくよう
に点火時期が補正される。ここで、燃料供給制御におい
て、理論空燃比よりも大きな希薄空燃比域と、理論空燃
比以下の出力空燃比域との間で目標空燃比が機関運転条
件に応じて切り換え設定されるようになっており、かか
る目標空燃比の切り換え設定に応じて前記筒内圧力がピ
ークとなる位置の目標が切り換え設定される。

【００１０】即ち、燃料供給制御における目標空燃比
が、希薄空燃比域であるか、出力空燃比域であるかによ
って、筒内圧力の目標ピーク位置を切り換えるものであ
って、これによって、出力空燃比域においては出力向上
を、また、希薄空燃比域ではＮＯｘ低減を図る点火時期
制御を行わせることが可能となる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。一実施例の構成を示す図２において、機関１に
は、エアクリーナ２から吸気ダクト３，スロットル弁４
及び吸気マニホールド５を介して空気が吸入される。吸
気マニホールド５のブランチ部には、各気筒毎に燃料噴
射弁６が設けられている。前記燃料噴射弁６は、ソレノ
イドに通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁
式燃料噴射弁であって後述するコントロールユニット12
からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、図示し
ない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータ
により所定の圧力に調整された燃料を噴射供給する。

【００１２】機関１の各燃焼室には、点火栓７が設けら
れており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼さ
せる。尚、前記点火栓７、及び、図示しない点火コイ
ル，パワートランジスタ等によって本実施例における点
火装置が構成される。機関１からは、排気マニホールド
８，排気ダクト９，三元触媒10及びマフラー11を介して
排気が排出される。

【００１３】コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェース
を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種
のセンサからの入力信号を受け、該入力信号に基づいて
燃料噴射量を演算処理して、燃料噴射弁６の作動を制御
すると共に、点火時期ＡＤＶ（点火進角値）を設定制御
して点火栓７による点火時期を制御する。

【００１４】前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３
中に熱線式或いはフラップ式等のエアフローメータ13が
設けられていて、機関１の吸入空気流量Ｑに応じた信号
を出力する。また、クランク軸又はクランク軸に同期し
て回転する軸（例えばカム軸）にクランク角センサ14が
設けられており、基準クランク角位置毎（本実施例の４
気筒機関ではＢＴＤＣ70°毎の180 °ＣＡ間隔）の基準
角度信号ＲＥＦと、単位クランク角毎（例えば１°ＣＡ
毎）の単位角度信号ＰＯＳとを出力する。ここで、前記
基準角度信号ＲＥＦの周期又は単位角度信号ＰＯＳの所
定時間内における発生数を計測することで機関回転速度
Ｎｅを算出できるようになっている。

【００１５】更に、機関１のウォータジャケットの冷却
水温度Ｔｗを検出する水温センサ15が設けられている。
排気マニホールド８の集合部には、排気中の酸素濃度を
検出することによって機関吸入混合気の空燃比を検出す
る酸素センサ16が設けられている。また、前記点火栓７
の座金として形成された筒内圧検出手段としての筒内圧
力センサ17が各点火栓７にそれぞれ介装されており、圧
電素子によって各気筒の筒内圧力Ｐを検出するようにな
っている。尚、前記筒内圧力センサ17は、実開昭６２−
１４６９４１号公報等に開示される公知のものである。

【００１６】また、スロットル弁４には、該スロットル
弁４のアイドル位置を検出するアイドルスイッチ18が付
設されている。ここで、コントロールユニット12には、
機関負荷と機関回転速度とに対応して目標空燃比を記憶
した空燃比マップが設定されており、前記空燃比マップ
において、低負荷・低回転領域には、理論空燃比よりも
極めて高い空燃比（例えば20〜25程度であり、以下、希
薄空燃比と称する。）が目標として設定され、高負荷・
高回転時にはトルク性能を重視して理論空燃比よりもや
やリッチ側の空燃比（例えば13程度であり、以下、出力
空燃比と称する。）が設定されており、機関運転条件に
応じて希薄空燃比と出力空燃比とのいずれかを目標空燃
比として設定するようになっている。

【００１７】そして、吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎ
ｅとに基づいて求められる１吸気行程当たりの吸入空気
量と前記目標空燃比とに基づいて基本燃料噴射量Ｔｐを
演算し、これに種々の補正を施して最終的な燃料噴射量
Ｔｉを演算する。次いで、前記燃料噴射量Ｔｉに相当す
るパルス幅の駆動パルス信号を所定タイミングで燃料噴
射弁６に出力して、燃料噴射弁６から燃料噴射量Ｔｉに
相当する量の燃料を噴射供給させることで、前記目標空
燃比の混合気を形成させる。

【００１８】即ち、本実施例において、目標空燃比設定
手段及び燃料供給制御手段としての機能は、上記のよう
にコントロールユニット12が備えている。一方、コント
ロールユニット12は、後述する図３〜図５のフローチャ
ートに示すように、筒内圧力センサ17で検出される筒内
圧力が最大となるクランク角位置が目標に近づくよう
に、点火栓７による点火時期を補正する機能を有してい
る。

【００１９】図３のフローチャートに示すプログラム
は、単位角度信号ＰＯＳが発生する毎、即ち、クランク
角１°毎に実行されるようにしたプログラムであり、こ
のプログラムによって筒内圧力Ｐが順次サンプリングさ
れる。まず、ステップ（図中ではＳと記す）１では、サ
ンプリングした筒内圧力の順番管理を行うためのカウン
タｃｎｔを１アップさせる。尚、前記カウンタｃｎｔ
は、後述するように基準角度信号ＲＥＦが出力されたと
きにゼロリセットされるようになっているため、基準角
度信号ＲＥＦからの筒内圧力Ｐのサンプリング数を示
す。

【００２０】ステップ２では、筒内圧力センサ17から筒
内圧力Ｐ信号を入力し、次のステップ３では、入力した
筒内圧力Ｐを前記カウンタｃｎｔで順番管理されるＰ
（ｃｎｔ）にセットする。上記図３のフローチャートに
示すプログラムによって、筒内圧力Ｐが基準角度信号Ｒ
ＥＦからの順次記憶されるようになっている。

【００２１】図４のフローチャートに示すプログラム
は、クランク角センサ14から基準角度信号ＲＥＦ（ＢＴ
ＤＣ70°）が出力される毎に実行されるものである。ま
ず、ステップ11では、前記カウンタｃｎｔをゼロリセッ
トすると共に、前回の基準角度ＲＥＦから今回までにサ
ンプリングされた筒内圧力Ｐを古いデータから順に読み
出して比較するためのカウンタｉをゼロリセットし、更
に、筒内圧力Ｐの最大値Ｐｍをゼロリセットする。

【００２２】次のステップ12では、後述するように筒内
圧力Ｐを順番に最大値Ｐｍと比較する毎に１アップされ
る前記カウンタｉと、筒内圧力Ｐの基準角度信号ＲＥＦ
間における最大サンプル数である180 (180°/1°）とを
比較して、カウンタｉが180以下であるときにはステッ
プ13へ進む。ステップ13では、カウンタｉで順番指示さ
れる筒内圧力Ｐ（ｉ）と最大値Ｐ_mとを比較し、今回の
筒内圧力Ｐ（ｉ) が最大値Ｐｍより大きいときには、ス
テップ14へ進んで最大値Ｐｍに今回の筒内圧力Ｐ（ｉ）
をセットすると共に、次のステップ15で今回のカウンタ
ｉをＩにセットしてＩによって筒内圧力Ｐが最大となっ
た時期（クランク角位置）が基準角度信号ＲＥＦからの
順番として判別できるようにした後、ステップ16へ進
む。

【００２３】一方、ステップ13で、筒内圧力Ｐ（ｉ）が
最大値Ｐｍ以下であると判別されたときには、最大値Ｐ
ｍの更新設定（ステップ14）及び更新時のクランク角位
置を示すＩのセット（ステップ15）を行うことなくステ
ップ16へ進む。ステップ16では、カウンタｉを１アップ
し、今回の筒内圧力Ｐ（ｉ）の次にサンプリングされた
筒内圧力Ｐ（ｉ＋１）が次回に最大値Ｐｍと比較される
ようにする。

【００２４】カウンタｉの値が180 になるまでは、ステ
ップ16からステップ12に戻されて前述の動作が繰り返さ
れることにより、前回の基準信号ＲＥＦから順番に（１
°ＣＡ毎に）サンプリングされた筒内圧力Ｐ（ｉ) が古
い順に最大値Ｐｍと比較され、最新の基準角度信号ＲＥ
Ｆ間で筒内圧力Ｐが最大となったクランク角位置がＩに
記憶されることとなる。

【００２５】このように、クランク角センサ14からの信
号と前記図３のフローチャートに示すプログラムと図４
のフローチャートのステップ11〜ステップ16までのソフ
トウエア機能とで筒内圧力が最大となるクランク角位置
が検出されるから、クランク角センサ14と前記ソフトウ
エア機能とで筒内圧力ピーク位置検出手段が構成され
る。

【００２６】そして、ステップ12でカウンタｉの値が18
0 を超えたことが判別されると、ステップ17以降へ進み
点火時期制御が実行される。ここで、前記点火時期制御
に際して使用される基本進角値ａｄｖと、筒内圧力が最
大となるクランク角位置の目標値θ_Pmax（目標ピーク位
置）とを設定するプログラムを図５のフローチャートに
従って説明する。

【００２７】この図５のフローチャートに示されるプロ
グラムは、ＢＧＪ（バックグラウンドジョブ）として実
行される。ステップ21では、機関回転速度Ｎｅと機関負
荷（吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎｅとから求められ
るシリンダ吸入空気量で代表させる）とに基づいて、Ｒ
ＯＭに記憶された３次元マップから点火時期の基本進角
値（圧縮上死点からの進角値）ａｄｖを求める。

【００２８】ステップ22では、燃料供給制御における目
標空燃比として、理論空燃比よりも極めて高い希薄空燃
比が選択されているか、又は、出力を重視する理論空燃
比以下の出力空燃比が選択されているかを判別する。そ
して、出力空燃比を目標としているときには、ステップ
23へ進み、最大熱効率が得られるように予め設定された
クランク角位置θ_Pmax1 （圧縮上死点後15°付近）を目
標値θ_Pmaxにセットし、希薄空燃比を目標としていると
きには、ステップ24へ進み、燃焼が不良（バックファイ
ヤー，排温上昇，出力の大幅な低下）とならない範囲で
前記θ_Pmax1 よりも遅れたクランク角位置θ_Pmax2 を目
標値θ _Pmaxにセットする（図６参照）。

【００２９】即ち、出力空燃比で燃焼させているときに
は、元々高出力が要求される運転領域であるから、筒内
圧力のピーク発生時期の目標を、熱効率が最大となるク
ランク角位置とする一方、希薄空燃比で燃焼させている
ときには、出力よりもＮＯｘ濃度の低減を優先すべく、
筒内圧力のピーク発生時期を遅らせるようにするもので
ある。

【００３０】希薄燃焼時に、筒内圧力のピーク発生時期
を目標に近づける点火時期補正によって、ＮＯｘ濃度を
抑えることができれば、希薄燃焼時にサージ発生を回避
しつつＮＯｘ濃度を所定レベル内に抑えることができる
空燃比範囲が拡大し、希薄空燃比を目標とする空燃比制
御の安定性が向上する。尚、上記のステップ22〜24の部
分の機能が、目標ピーク位置設定手段に相当する。

【００３１】このようにして設定された筒内圧力の目標
ピーク位置θ_Pmaxを使用した前記図４のフローチャート
のステップ17以降の点火時期制御について説明する。ス
テップ17では、前記検出された筒内圧力最大時のクラン
ク角位置Ｉと、前記図５のフローチャートのステップ23
若しくはステップ24で設定された目標値θ_{Pm ax}との偏差
（Ｉ−θ_Pmax）に定数Ｋを乗じて点火時期の進・遅角補
正量ΔＡを求める。

【００３２】次いで、ステップ18では、同じく前記図５
のフローチャートのステップ21で設定された点火時期の
基本進角量ａｄｖに前記進・遅角補正量ΔＡを加算して
最終的な点火時期（上死点からの進角値）ＡＤＶを設定
する。以上のようにして設定された点火時期にコントロ
ールユニット12から出力される点火信号（図示しない点
火コイルへの通電を遮断する信号）に応じて対応する気
筒の点火栓７が火花点火され、混合気の着火・燃焼が行
われる。上記のステップ17，18の機能が点火時期補正手
段に相当する。

【００３３】かかる点火時期制御によれば、ステップ23
又はステップ24で設定された目標値θ_Pmaxに対して、検
出された筒内圧力が最大となるクランク角位置Ｉの方が
大である時、即ち、目標値θ_Pmaxより遅れて最大となる
時には点火時期を早め、逆の場合は点火時期を遅らす補
正を行って、筒内圧力が最大となるクランク角位置Ｉを
目標値θ_Pmaxに近づける制御が行われる。

【００３４】この結果、ステップ23で求めた目標値θ
_Pmaxを使用して点火時期ＡＤＶを補正設定する出力空燃
比で燃焼させるときには、高出力（トルク）を得ること
ができ、また、ステップ24で求めた目標値θ_Pmaxを使用
して点火時期ＡＤＶを補正設定する希薄空燃比で燃焼さ
せるときには、出力よりもＮＯｘ濃度の低減が優先さ
れ、サージ発生を回避しつつＮＯｘ排出量を抑えられる
空燃比範囲が拡大し、希薄空燃比への制御性が向上す
る。

【００３５】尚、本実施例では各点火栓７毎に筒内圧力
センサ17を設け、各気筒別に筒内圧力を検出するので、
上記のような点火時期の補正を各気筒別に行わせるが、
代表気筒でのみ筒内圧力を検出し、かかる代表気筒にお
ける筒内圧力のピーク位置から全気筒に共通の点火時期
補正量を設定させるようにしても良い。また、目標値θ
_Pmaxに相当するクランク角位置で筒内圧力が最大となる
ように制御された点火時期（又は補正量ΔＡ）を学習
し、機関運転条件毎に前記学習値を記憶させ、該学習値
を用いて点火を制御する構成とすると良い。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、筒
内圧力が最大となるクランク角位置が目標値に近づくよ
うに点火時期を補正する点火時期制御において、前記目
標値を、希薄空燃比域と出力空燃比域との間の目標空燃
比の切り換えに応じて切り換え設定するようにしたの
で、出力空燃比を目標とするときには、高い出力が得ら
れ、かつ、希薄空燃比を目標とするときには、広い制御
範囲内でＮＯｘ排出量の抑制とサージ発生の回避とが両
立できるようになり、希薄燃焼時における空燃比制御性
を安定させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の一実施例を示すシステム概略図。

【図３】筒内圧力のサンプリング制御を示すフローチャ
ート。

【図４】筒内圧力のピーク位置を目標に近づけるための
点火時期制御を示すフローチャート。

【図５】筒内圧力の目標ピーク位置θ_pmaxの設定を示す
フローチャート。

【図６】筒内圧力のピーク位置とＮＯｘ濃度，燃焼温と
の関係を示す線図。

【符号の説明】

１ 機関 ４ スロットル弁 ６ 燃料噴射弁 ７ 点火栓 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 17 筒内圧力センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 45/00 ３６８ Ｔ 7536−3Ｇ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】理論空燃比よりも大きな希薄空燃比域と、
   理論空燃比以下の出力空燃比域との間で目標空燃比を機
   関運転条件に応じて切り換え設定する目標空燃比設定手
   段と、 該目標空燃比設定手段で設定された目標空燃比の混合気
   を形成すべく、機関への燃料供給量を制御する燃料供給
   制御手段と、 を備えた内燃機関の点火時期制御装置であって、 機関の筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、 該筒内圧検出手段で検出される筒内圧力が最大となるク
   ランク角位置を検出する筒内圧力ピーク位置検出手段
   と、 筒内圧力が最大となるクランク角位置の目標値を前記目
   標空燃比に応じて切り換え設定する目標ピーク位置設定
   手段と、 前記筒内圧力ピーク位置検出手段で検出されるクランク
   角位置を、前記目標ピーク位置設定手段で設定される目
   標値に近づけるように点火装置における点火時期を補正
   する点火時期補正手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の点火時
   期制御装置。