JPH072994Y2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、自動車等内燃機関の燃焼制御装置に係り、特
にアイドル時において各気筒の燃焼変動を検出し、気筒
別に燃焼状態を制御してアイドル安定度を向上させる装
置に関する。

（従来の技術） 近時、自動車等内燃機関に対する要求が高度化してお
り、有害な排出ガスの低減、高出力、低燃費等の互いに
相反する課題について何れも高レベルでその達成が求め
られる傾向にある。また、このような要求はアイドル時
についても同様であり、アイドル安定度、燃費の両立等
が望まれる。

従来のこの種の内燃機関の燃焼制御装置としては、例え
ば特開昭59−37241号公報に記載されたものがある。こ
の装置では、各気筒の燃焼圧力を検出して図示平均有効
圧を求め、これが所定値となるように燃焼状態を制御し
て燃費の向上を図るとともに、負荷の要求出力に対する
エンジン出力の過不足に応じて電動機発電機を電動機又
は発電機に切換制御して燃焼状態を制御している。

（考案が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の内燃機関の燃焼制御装
置にあっては、アイドル状態にあるとき、負荷の要求出
力に対するエンジン出力の過不足に応じて電動機発電機
を電動機又は発電機に切換て回転の安定を図る構成とな
っていたため、燃焼状態の良い気筒ではその燃焼を弱く
し、燃焼状態の悪い気筒ではその燃焼を強くすることと
なり、これではアイドル回転の安定は図れるものの、出
力の出やすい燃焼の良い気筒の出力を有効に利用して補
機類を駆動することができないという問題点があった。

また、アイドル安定度の向上のために、エンジン出力に
匹敵する電動機発電機およびそれに見合うバッテリとい
う大規模な装置が必要で、構成が複雑でコスト高となっ
ていた。

特に、アイドル時は補機類にも大きな割合で出力が消費
されるから、エンジンの燃焼エネルギーの有効利用とい
う点で改善の余地がある。

また、上記従来例とは別に、安定度等の向上の観点から
アイドル時に気筒毎に空燃比を制御するもの（例えば、
特開昭59−201936号公報参照）、あるいは気筒毎に点火
時期を制御するもの（例えば、実開昭62−89331号公報
参照）もあるが、いずれも燃焼の良い気筒の出力を有効
に利用するという構成になっておらず、空燃比をリーン
にしたり、点火時期をリタードしたりしており、上記従
来例と同様に改善の余地ありと考えられる。

さらに、特開昭61−23848号公報に記載の装置のよう
に、エンジンのエミッションや運転性を一定にすること
を目的として、アイドル時において気筒毎の制御量の総
和を零に管理するものもあるが、このものにあっても燃
焼エネルギーの有効利用という点では改善の余地があ
る。

（考案の目的） そこで本考案は、アイドル時の回転変動を抑制しつつ、
簡単な構成で燃焼の良い気筒の出力を補機の駆動に有効
に利用して、燃焼エネルギーの利用効率を高めることを
目的としている。

（課題を解決するための手段） 本考案による内燃機関の燃焼制御装置は上記目的達成の
ため、その基本概念図を第１図に示すように、エンジン
の運転状態を検出する運転状態検出手段ａと、エンジン
のアイドル状態を検出するアイドル検出手段ｂと、燃焼
行程にある気筒の判別が可能な信号および所定の単位ク
ランク角に対応する信号を出力するクランク角検出手段
ｃと、エンジンがアイドル状態にあるとき、燃焼行程に
ある気筒毎に、所定クランク角における区間の回転速度
を計測する計測手段ｄと、エンジンの運転状態に基づい
て補機を制御するパラメータの基本値を設定する基本値
設定手段ｅと、エンジンがアイドル状態に移行すると、
燃焼行程が連続する気筒間の回転速度差に応じて補機の
駆動量を補正する補機補正量を演算する補正量演算手段
ｆと、エンジンがアイドル状態に移行したとき、前記基
本値を気筒毎に補機補正量で補正し、その補正動作を各
気筒の燃焼行程の開始時期から次の気筒の燃焼行程の開
始時期までの180°CAの期間、維持するとともに、全気
筒の補機補正量の総和が零となるように補機を制御する
制御手段ｇと、エンジンにより駆動され、制御手段の出
力に基づいてその駆動負荷が増減する補機ｈと、を備え
ている。

（作用） 本考案では、燃焼行程が連続する気筒間の回転速度差に
応じて、補機の駆動補正量を決定するので、回転速度変
化に対して敏感な補正量を得ることができ、アイドル時
の回転変動を高精度に制御できる。また、補正量を各気
筒の燃焼行程の開始時期から次の気筒の燃焼行程の開始
時期までの180°CAの期間、維持するので、補正量の大
きさ（第８図のDI_f1〜DI_f4の高さ参照）を低く抑えつつ
も、補正量の幅を広げて、補正面積（第８図のDI_f1〜DI
_f4のそれぞれの面積参照）を拡大でき、大量の負荷量を
加減できるようにして、小容量の補機（発電機）でも充
分にアイドル変動を抑えることができる。

したがって、簡単な構成でアイドル時の回転変動を抑制
しつつ、燃焼の良い気筒の出力が補機の駆動に有効に利
用され、燃焼エネルギーの利用効率が高められる。

（実施例） 以下、本考案を図面に基づいて説明する。

第２〜９図は本考案に係る内燃機関の燃焼制御装置の一
実施例を示す図であり、本考案を４気筒エンジンに適用
したものである。

まず、構成を説明する。第２図は燃焼制御装置のブロッ
ク構成図であり、この図において、１はクランク角セン
サである。クランク角センサ（クランク角検出手段）１
は爆発間隔（180°CA）毎に各気筒の圧縮上死点（TDC）
前の所定位置、例えばBTDC70°で〔Ｈ〕レベルのパルス
となる基準信号REFを出力するとともに、クランク角の
単位角度（例えば、１°）毎に〔Ｈ〕レベルのパルスと
なる単位信号POSをコントロールユニット２に出力する
（第３図（ａ）、（ｂ）参照）。また、３は1MHzのカウ
ンタであり、カウンタ３はクランク角センサ１の基準信
号REFがコントロールユニット２に入力されると第３図
（ｃ）に示すように任意の区間θ_１〜θ_２°CA間の時間
T_iを測定する。なお、上記区間θ_１〜θ_２°CAは予め実
験等によって最適な区間が設定されており、その設定値
は後述するコントロールユニット２内のROM12データに
よって任意に変えることができる。

吸入空気量の流量Qaはエアフローメータ４により検出さ
れ、ウォータジャケットを流れる冷却水の温度Twは水温
センサ５により検出される。また、絞弁の開度TVOは絞
弁開度センサ６により検出され、エンジンのアイドル状
態はアイドルスイッチ（アイドル検出手段）７により検
出される。

上記エアフローメータ４およびクランク角センサ１は運
転状態検出手段８を構成しており、運転状態検出手段
８、水温センサ５、絞弁開度センサ６およびアイドルス
イッチ７からの出力はコントロールユニット２に入力さ
れる。コントロールユニット２はこれらの情報に基づい
て燃焼制御を行う。すなわち、コントロールユニット２
は計測手段、基本値設定手段、補正量演算手段および制
御手段としての機能を有し、CPU11、ROM12、RAM13およ
びI/Oポート14により構成される。CPU11はROM12に書き
込まれているプログラムに従ってI/Oポート14より必要
とする外部データを取り込んだり、また、RAM13との間
でデータの授受を行ったりしながら燃焼制御に必要な処
理値等を演算処理し、必要に応じて処理したデータをI/
Oポート14へ出力する。ROM12はCPU11を制御するプログ
ラムやデータを格納しており、RAM13は演算に使用する
データを一時記憶する。I/Oポート14にはセンサ群１、
４、５、６、７からの信号やカウンタ３からの情報が入
力されるとともに、I/Oポート14からは噴射信号Siがイ
ンジェクタ15a〜15dに、点火信号Spがパワートランジス
タ16に、さらに、界磁電流制御信号S_IFがレギュレータ1
7に出力される。

パワートランジスタ16のベース側に増幅された点火信号
Spが入力されると、該パワートランジスタ16がOFFとな
り、点火コイル18に供給されているバッテリ19からの一
次電流を遮断して二次側に高圧パルスPiを発生する。そ
して、この高圧パルスPiをディストリビュータ20を介し
て各気筒の点火プラグ21a〜21dに分配、供給する。上記
パワートランジスタ16、点火コイル18、バッテリ19、デ
ィストリビュータ20および点火プラグ21a〜21dは点火手
段22を構成する。

一方、レギュレータ17に界磁電流制御信号S_IFが入力さ
れると、レギュレータ17はその値に基づいてオルターネ
ータの界磁電流I_fを制御する。この部分の制御ブロック
図は第４図のように示される。第４図において、30は４
気筒エンジンを示し、エンジン30は補機としてオルタネ
ータ31をＶベルトで駆動している。オルタネータ31の界
磁電流I_fはレギュレータ17によって制御され、オルタネ
ータ31は界磁電流I_fの値に応じた大きさの出力電流I_Gを
バッテリ19および負荷32へ出力する。負荷32はバッテリ
19と並列に接続され、例えばヘッドライト、カーラジ
オ、ワイパー、その他コントロールユニット２を含む電
装機器により構成され、負荷電流I_Lが供給される。コン
トロールユニット２は各気筒の回転速度の変化（以下、
速度変化という）ΔNeに対応した大きさの前記界磁電流
制御信号S_Ifをレギュレータ17に出力する。

レギュレータ17の詳細は第５図のように示され、この図
において、レギュレータ17は大電流用の演算増幅器33、
D/Aコンバータ34およびボルテージレギュレータ回路35
により構成される。D/Aコンバータ34は界磁電流制御信
号S_IFに基づいて各気筒の速度変化ΔNeに対応した補正
量DI_f（ｋ）をアナログ量として演算増幅器33に出力
し、演算増幅器33にはさらにボルテージレギュレータ回
路35からバッテリ19の充電に必要な基準の界磁電流I_fo
が入力される。演算増幅器33はこれら各入力信号を加え
てオルタネータ31のロータコイル31aに流す電磁電流I_f
（I_f＝I_fo＋DI_f（ｋ））を供給する。ロータコイル31a
の周囲にはステータコイル31bが配設され、ステータコ
イル31bに誘起した交流電流はダイオード31cにより整流
され、出力電流I_Gとしてバッテリ19および負荷32へ供給
される。なお、レギュレータ17の起動はキースイッチ36
のON操作により開始され、バッテリ19の放電状態はチャ
ージランプ37により運転者に視認される。

次に、作用を説明する。

第６図はアイドル時における燃焼制御のプログラムを示
すフローチャートであり、本プログラムは所定時間毎に
一度実行される。まず、P₁でクランク角センサ１のREF
信号入力後のPOS信号に基づいて1MHzのカウンタ３で第
３図（ｃ）に示すようにθ_１〜θ_２°CA間の時間T₁を次
式に従って演算し、P₂で時間T₁と180°CA前の時間T
_i-1から次式に従って各気筒の速度変化（角速度の差
に相当）ΔNeを演算する（第３図（ｄ）参照）。ここ
に、ΔNeは180°CA毎に変化し、その時の燃焼状態を表
す。

T₁＝θ_２〜θ_１ …… 但し、K:定数 次いで、P₃でΔNeを気筒毎に所定のメモリにストアす
る。次いで、P₄で各気筒の速度変化ΔNeに応じてアイド
ル時の回転変動を無くすためのオルタネータ31の界磁電
流I_fの補正量DI_f（ｋ）（k:気筒番号）を演算する。こ
のとき、補正量DI_f（ｋ）の全気筒の総和は零となるよ
うに演算され、オルタネータ31の出力に過不足を生じな
いように考慮される。次いで、P₅でバッテリ19の充電に
必要なオルタネータ31の界磁電流I_foを基準量（請求の
範囲にいう基本値に相当）とし、これに各気筒の速度変
化ΔNeに応じた補正量DI_f（ｋ）を加えて今回の界磁電
流I_fを演算し、P₆でこのI_fに対応する界磁電流制御信号
S_IFをD/Aコンバータ34に出力する。

このように、本実施例ではオルタネータ31の界磁電流I_f
が各気筒の速度変化ΔNeに応じて気筒毎に制御され、オ
ルタネータ31の負荷が増減補正される。この場合、オル
タネータ31を駆動するための負荷トルクは出力電流I_Gに
比例し、出力電流I_Gは界磁電流I_fにより変わるので、結
局、界磁電流I_fにより負荷トルクを変えることが可能と
なる。すなわち、第７図にオルタネータ31の原理的回路
図を示すように、ステータコイル31bの内部抵抗をｒと
すると、出力電流I_Gは次式で表される。

但し、N:回転速度 E:バッテリ電圧 k:コイルの巻数などで決まる定数 式から明らかなように、オルタネータ31の負荷トルク
は出力電流I_Gに比例するので、界磁電流I_fにより負荷ト
ルクを変化させることができる。

したがって、本実施例では第８図（ｂ）に気筒毎の制御
特性を示すように、補正量DI_f（ｋ）がI_foに対して正の
とき（例えば、DI_f1,DI_f3）は過剰に発電した電流がバ
ッテリ19に充電され、負のとき（例えば、DI_f2,DI_f4）
は不足する電流がバッテリ19の放電により供給されて負
荷電流I_Lとなり、バッテリ19の電圧Ｅはほぼ一定に保た
れる。なお、負荷電流I_Lが変化してバッテリ19の充・放
電の電流が一致しなくなると、過充電・過放電となって
バッテリ19の電圧が変化し、レギュレータ17の作用によ
りI_foが加減される。その結果、第８図（ａ）に示すよ
うにアイドル時における気筒毎の速度変化ΔNeが均一化
してアイドル安定度が向上するとともに、燃焼の良い気
筒の出力を補機の駆動に有効に利用してバッテリ19の充
電という形で消費することができ、燃焼エネルギーの利
用効率を高めることができる。

また、本実施例では上記効果を得るに際してレギュレー
タ17に界磁電流I_fのための電流制御回路を付加するのみ
で、既設のオルタネータ31とバッテリ19で極めて簡単か
つ低コストに実現できる。なお、第９図（ａ）（ｂ）
は、界磁電流I_fの補正を行わない場合の制御特性参考図
であり、この図によれば、気筒毎に速度変化ΔNeが生じ
てアイドル時の安定度が低下していることが認められ
る。

ここで、本実施例の効果を従来例と対比で詳細に考察す
ると、次のようになる。本実施例では、アイドリング時
のエンジントルクの気筒間のばらつきのみを既設のオル
タネータ31に吸収させている。これに対して、特開昭59
−37241号公報に記載のものでは、負荷トルクを電動機
発電機に肩代わりさせている。したがって、このものに
あっては、エンジン出力に匹敵する電動機発電機とそれ
に見合ったバッテリといった大規模な装置が必要であ
る。また、エンジン出力軸に電動機発電機を結合するこ
とにより、機械的にフライホイールを巨大化した作用が
あり、アイドリングの回転変動が極めて小さくなるのは
明らかであるが、本実施例の制御の対象とはならず、発
明の構成が本質的に相違している。

次に、界磁電流の総和を零にする効果について考察す
る。本考案では、バッテリ19に過充電・過放電の負荷を
かけることなく、各気筒の燃焼のばらつきによるトルク
変動のみを効率良く吸収し、アイドリングの回転変動を
小さくすることができるという効果を得ている。これに
対し、特開昭61−23848号公報に記載の従来装置では、
まず、エンジンのエミッションや運転性を一定にする効
果を目的としており、本考案の目的であるバッテリの過
充電・過放電とならないようにすることとは相違してい
る。この場合、バッテリ過充電・過放電になると電極が
劣化して耐久性が著しく悪化するため、常に一定の充電
状態にしておく必要がある。アイドリングの補正制御を
行った場合、各気筒の補正量の総和が零にならないとき
は、その偏差分はバッテリの放電又は充電によってまか
なわれている。充放電によってバッテリの電圧が変化す
ると、レギュレータによって充電電流を制御してバッテ
リを一定の充電状態に戻す制御が行われるため、特別に
電流の総和を零にする制御を行わなくても長時間的にバ
ッテリは一定の充電状態に保たれる。しかし、バッテリ
電圧は相当の充放電が行われないと変化しない特性をも
っているため、一時的に連続的に充放電状態となること
は避けられず、最大時の負荷電流の放電量に加えてアイ
ドル安定制御の偏差電流分の負荷増加分だけバッテリの
容量を大きくしなければならない。本考案のようにすれ
ば、１燃焼サイクルのうちに元の充電状態に戻されるの
で、バッテリ19の負担を増すことがない。したがって、
本考案における総和を零にする効果は従来装置に比べて
ばらつきの負担を増やさずにアイドル安定度向上等の多
大のものがある。

なお、ポルテージレギュレータ17はバッテリ19が過充電
・過放電にならないようにバッテリ電圧を一定に保つよ
うオルタネータ31の出力電圧を調整する装置で従来から
良く知られているものであるから、リレー式でも無接点
式でもよい。

また、上記実施例は補機としてオルタネータを用いた例
であるが、これに限らず、例えばオイルポンプを用いて
その吐出圧を変えてもよく、あるいはエアコンプレッサ
を用いてその容量を可変としてもよく、さらに他の補機
の制御を行うようにしてもよい。

（効果） 本考案によれば、燃焼行程が連続する気筒間の回転速度
差に応じて、補機の駆動補正量を決定するので、回転速
度変化に対して敏感な補正量を得ることができ、アイド
ル時の回転変動を高精度に制御できる。また、補正量を
各気筒の燃焼行程の開始時期から次の気筒の燃焼行程の
開始時期までの180°CAの期間、維持するので、補正量
の大きさ（第８図のDI_f1〜DI_f4の高さ参照）を低く抑え
つつも、補正量の幅を広げて、補正面積（第８図のDI_f1
〜DI_f4のそれぞれの面積参照）を拡大でき、大量の負荷
量を加減できるようにして、小容量の補機（発電機）で
も充分にアイドル変動を抑えることができる。

したがって、アイドル時の回転変動を簡単な構成で低コ
ストに抑制することができるとともに、燃焼の良い気筒
の出力を補機の駆動に有効に利用することができ、燃焼
エネルギーの利用効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本考案の基本概念図、第２〜９図は本考案に係
る内燃機関の燃焼制御装置の一実施例を示す図であり、
第２図はその全体構成図、第３図はその各部信号波形を
示す波形図、第４図はそのオルタネータの制御系統を示
す図、第５図はそのレギュレータの回路を示す図、第６
図はそのアイドル時の燃焼制御を示す図、第７図はその
オルタネータの原理的回路を示す図、第８図はその気筒
別補正を行った場合の作用の特性を示す図、第９図はそ
の気筒別補正を停止した場合の作用の特性を示す図であ
る。 １……クランク角センサ（クランク角検出手段）、２…
…コントロールユニット（計測手段、基本値設定手段、
補正量演算手段、制御手段）、７……アイドルスイッチ
（アイドル検出手段）、８……運転状態検出手段、31…
…オルタネータ（補機）。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−35926（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−211542（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−23848（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−60958（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−157627（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）エンジンの運転状態を検出する運転状
   態検出手段と、 ｂ）エンジンのアイドル状態を検出するアイドル検出手
   段と、 ｃ）燃焼行程にある気筒の判別が可能な信号および所定
   の単位クランク角に対応する信号を出力するクランク角
   検出手段と、 ｄ）エンジンがアイドル状態にあるとき、燃焼行程にあ
   る気筒毎に、所定クランク角における区間の回転速度を
   計測する計測手段と、 ｅ）エンジンの運転状態に基づいて補機を制御するパラ
   メータの基本値を設定する基本値設定手段と、 ｆ）エンジンがアイドル状態に移行すると、燃焼行程が
   連続する気筒間の回転速度差に応じて補機の駆動量を補
   正する補機補正量を演算する補正量演算手段と、 ｇ）エンジンがアイドル状態に移行したとき、前記基本
   値を気筒毎に補機補正量で補正し、その補正動作を各気
   筒の燃焼行程の開始時期から次の気筒の燃焼行程の開始
   時期までの180°CAの期間、維持するとともに、全気筒
   の補機補正量の総和が零となるように補機を制御する制
   御手段と、 ｈ）エンジンにより駆動され、制御手段の出力に基づい
   てその駆動負荷が増減する補機と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。