JP6161492B2 - 火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の気筒における混合気への点火タイミングを制御する制御装置に関する。

内燃機関の点火制御において、混合気への点火のタイミングは、そのときの内燃機関の運転領域に応じて定めることが基本である。内燃機関の負荷や温度が比較的低い領域では、点火タイミングをＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）点に設定してもノッキングは起こらない。翻って、内燃機関の負荷や温度が比較的高い領域では、点火タイミングをＭＢＴ点に設定するとノッキングを誘発する可能性があるため、点火タイミングをＭＢＴ点よりも遅角する。

内燃機関の制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、内燃機関の運転領域とベース点火タイミングとの関係を規定したマップデータを記憶保持している。ＥＣＵは、現在の運転領域をキーとして当該マップを検索し、知得したベース点火タイミングを基に目標点火タイミングを設定して、点火制御に用いる。

これに加えて、気筒におけるノッキングの発生を感知し、ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングの遅角補正量を増加させるとともに、ノッキングが起こらない限りにおいてその遅角補正量を減少させる、ノックコントロールシステムを併用することが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０００−０７３８４７号公報

内燃機関の運転領域が遷移すると、ベース点火タイミング及び目標点火タイミングがそれぞれ変動することになる。だが、目標点火タイミングは、常にベース点火タイミングに一致しているわけではない。運転領域の遷移に呼応して、目標点火タイミングを即時に運転領域に対応したベース点火タイミングまで変化させると、エンジントルクの大きさが急変し、エンジン回転数を大きく変動させてしまう懸念があるからである。

そこで、一般に、運転領域の遷移に伴いベース点火タイミングが変動した際には、目標点火タイミングを、そのベース点火タイミングに追従させるように徐変させる。結果として、目標点火タイミングの推移は、ベース点火タイミングの推移に対して遅れる。

内燃機関の負荷が急増するような場合、ベース点火タイミングが遅角側へ変動し、ベース点火タイミングと目標点火タイミングとの間に乖離が発生する。そして、ベース点火タイミングは、気筒においてノッキングが起こらない限界付近まで進角させたタイミングとなっているので、目標点火タイミングがベース点火タイミングよりも進角していると、ノッキングを惹起する危険性が高まる。

ノックコントロールシステムは、ノッキングの発生を感知して初めて点火タイミングの遅角補正量を加増するものであるが故に、ノッキングの予防には寄与し得ない。また、その遅角補正量の増分の大きさによっては、ノッキングを鎮圧するまでに複数回ノッキングが繰り返されるおそれがある。

ノッキングを確実に防止するためには、運転領域に対応したベース点火タイミングを元より遅角させておくことが考えられる。しかし、ノッキングの危険性がさほど高くない状況において、不必要に点火タイミングを遅角化することになり、エンジントルクの低下や燃費性能の悪化を招来してしまう。

本発明は、上述した問題に初めて着目してなされたものであって、火花点火式内燃機関の点火タイミングの制御の最適化を図ることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の運転領域に応じて設定されるベース点火タイミングに、現実の点火タイミングの基準となる目標点火タイミングを追従させるものであって、目標点火タイミングがベース点火タイミングよりも進角しており、かつ両者の乖離が閾値以上に大きいことを必要条件として、現実の点火タイミングに臨時の遅角補正を加える火花点火式内燃機関の制御装置を構成した。

より好ましくは、内燃機関の負荷の変化量が閾値以上である、またはエンジン回転数の変化量が閾値以上である場合に、前記臨時の遅角補正を加えるようにする。

本発明によれば、火花点火式内燃機関の点火タイミングの制御の最適化を図ることができる。

本発明の一実施形態における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。 内燃機関の気筒においてノッキングが発生した場合に検出されるイオン電流信号を例示する図。 点火制御におけるベース点火タイミング及び目標点火タイミングのそれぞれの推移を示す図。

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。点火プラグ１２は、点火コイル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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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であるイグナイタ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ＥＣＵ０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、その直後の点火のタイミングでイグナイタ１３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。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。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、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（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。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。

内燃機関の運転制御を司る本実施形態の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、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気の圧力を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｄ、吸気通路３内の吸気の温度を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｅ、内燃機関の冷却水温（機関の温度を示唆）を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排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、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イオン電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号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を出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、イオン電流を検出するための回路を介して取得されるイオン電流信号ｈを参照し、気筒１におけるノッキングの有無を判定することができる。

イオン電流信号ｈを参照したノック判定に関して述べる。図４に、気筒１での膨張行程中にノッキングが起こったときの、イオン電流の推移を例示する。ノッキングが起こる際、気筒１の燃焼室内では燃焼速度の速い、激しい燃焼が生じている。それ故、図３に示した正常燃焼の場合と比較して、イオン電流が早期にピークを迎え、その後速やかに減衰する。そして、イオン電流信号ｈのピーク後の波形に、ノッキングに起因して発生する振動Ｓが重畳される。

イオン電流信号ｈには、ノイズが混入することがある。ノイズの典型は、各種補機の稼働／非稼働を切り替えるために操作されるリレースイッチのＯＮ／ＯＦＦ時に、イオン電流検出用回路に誘起されるスパイクノイズＮである。

ノッキングの有無を判定するにあたり、ＥＣＵ０は、点火後の燃焼期間に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を、イオン電流検出用の回路を介してサンプリングする。さらに、サンプリングしたイオン電流信号ｈを、ノッキングに起因して発生する信号Ｓが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタに入力し、当該信号Ｓの成分を抽出する。フィルタは、ノッキングに起因した信号Ｓ以外の成分を低減させるためのフィルタであって、例えば７ｋＨｚないし１１．５ｋＨｚの周波数成分を通過させる。

しかして、フィルタ処理した信号ｈを時間積分、即ちサンプリング値の時系列を積算し、得られた積分値を所定のノック判定値と比較する。積分値がノック判定値を上回ったならは、当該気筒１にてノッキングが起こったものと判定する。逆に、積分値がノック判定値以下であるならば、当該気筒１にてノッキングは起こらなかったものと判定する。ノック判定値は、ＥＣＵ０のメモリに記憶保持している。

イオン電流検出回路は、各気筒１に装着されている各点火プラグ１２に流れるイオン電流をそれぞれ検出可能である。つまり、気筒１毎に個別にイオン電流信号ｈを取得することができ、気筒１毎に個別にノッキングの有無の判定を行うことができる。

本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，負荷（アクセル開度、吸気圧、気筒１に充填される吸気量または燃料噴射量）］に応じたベース点火タイミングから、実際の点火タイミングの基準となる目標点火タイミングを設定する点火制御を実施する。ベース点火タイミングは、各運転領域において、気筒１でノッキングが起こらない限界付近まで進角させたタイミングに定められる。ノッキングの起こりにくい運転領域では、ベース点火タイミングはＭＢＴ点に一致する。ノッキングの起こりやすい運転領域では、ベース点火タイミングはＭＢＴ点よりも遅角したタイミングとなる。

ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域とベース点火タイミングとの関係を規定したマップデータが格納されている。このマップデータは、適合試験等を通じて決定されたものであってもよいし、内燃機関の運転中にオンラインで学習されたものであってもよい。ＥＣＵは、現在の内燃機関の運転領域をキーとして当該マップを検索し、当該運転領域に対応したベース点火タイミングを知得する。

そして、そのベース点火タイミングに、現在の燃焼室内温度や吸気温等に応じた補正を加味する。具体的には、内燃機関の冷却水の温度や吸気通路３を流通する吸気の温度が高いほど、ベース点火タイミングを遅角化する。これは、冷却水温や吸気温が高いほど気筒１においてノッキングが起こりやすいと考えられることによる。但し、ベース点火タイミングに補正を加えることは必須ではない。

点火制御において、目標点火タイミングは、常にベース点火タイミングに合致させるわけではない。内燃機関の運転領域が大きく遷移すると、ベース点火タイミングも大きく変動することになるが、これに呼応して目標点火タイミングを即時にベース点火タイミングまで変化させると、エンジントルクの大きさが急変するトルクショックが発生し、エンジン回転数を大きく変動させてしまう懸念がある。

よって、図５に示すように、ＥＣＵ０は、ベース点火タイミングが変動したときに、目標点火タイミングを、そのベース点火タイミングに追従させるように徐変させる。図５中、細い実線がベース点火タイミングを表し、太い破線が目標点火タイミングを表している。目標点火タイミングは、例えば、過去複数回の演算機会のそれぞれにおけるベース点火タイミング（の時系列）の移動平均値とする。目標点火タイミングの推移は、ベース点火タイミングの推移をなまし処理したものとなるため、ベース点火タイミングの推移に対して遅れる。

並びに、ＥＣＵ０は、イオン電流信号ｈを参照して各気筒１毎にノッキングの発生を感知するとともに、ノッキングの有無に基づいて、各気筒１毎に個別に点火タイミングの遅角補正を行う。即ち、各気筒１毎に、ノッキングが起こらなくなるまで当該気筒１についての遅角補正量を（当該気筒１の膨張行程が訪れる都度、所定の増分ずつ）増加させるとともに、ノッキングが起こらない限りにおいてその遅角補正量を（当該気筒１の膨張行程が訪れる都度、所定の減分ずつ）減少させる。

その上で、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の気筒１においてノッキングが惹起される危険性が高いと考えられる状況において、点火タイミングを臨時に遅角補正する。ノッキングが惹起される危険性が高い状況の例を、以下に列挙する。
・目標点火タイミングがベース点火タイミングよりも進角しており、かつ両者の乖離ΔＴが大きい；ベース点火タイミングは、気筒１においてノッキングが起こらない限界付近まで進角させたタイミングとなっている。従って、目標点火タイミングがこのベース点火タイミングよりも進角していると、ノッキングを惹起する危険性が高まる。目標点火タイミングがベース点火タイミングよりも進角する、即ちベース点火タイミングが遅角方向に変動するのは、内燃機関の負荷が増大した場合や、エンジン回転数が低下した場合等である。
・内燃機関の負荷の単位時間あたりの変化量（増加量）が大きい；内燃機関の高負荷化は、気筒１内の高温高圧化を意味し、ノッキングを発生させやすくする。
・エンジン回転数の単位時間あたりの変化量（低下量）が大きい；内燃機関の低回転化は、気筒１の膨張行程における燃焼室容積の拡張の遅延化を意味し、やはりノッキングを発生させやすくする。
・何れかの気筒１において現にノッキングが発生している；ある気筒１でノッキングが発生しているときには、他の気筒１においてもノッキングが発生する蓋然性が高い。

上に述べた条件をまとめると、
（Ｉ）目標点火タイミングがベース点火タイミングよりも進角し、かつ両者の乖離ΔＴが閾値以上である
（II）内燃機関の負荷の変化量（増加量）が閾値以上である
（III）エンジン回転数の変化量（低下量）が閾値以上である
（IV）何れかの気筒１においてノッキングの発生を感知した
である。本実施形態のＥＣＵ０は、少なくとも（Ｉ）の成立を必要条件とし、これに加えて（II）、（III）または（IV）の何れかが成立した場合に、ノッキングの危険性が高いとして、点火タイミングに臨時の遅角補正を加える。この遅角補正は、全ての気筒１の点火タイミングについて行う。臨時の遅角補正量は、目標点火タイミングとベース点火タイミングとの乖離ΔＴが大きいほど、内燃機関の負荷の変化量（増加量）が大きいほど、及び／または、エンジン回転数の変化量（低下量）が大きいほど、増大させることが好ましい。

総じて言えば、点火制御において、
（各気筒１の現実の点火タイミング）＝（目標点火タイミング）＋（ノッキングの有無の判定結果に基づく各気筒１毎に個別の遅角補正）＋（全気筒１について一斉に行われる臨時の遅角補正）
となる。

本実施形態では、内燃機関の運転領域に応じて設定されるベース点火タイミングに、現実の点火タイミングの基準となる目標点火タイミングを追従させるものであって、目標点火タイミングがベース点火タイミングよりも進角しており、かつ両者の乖離ΔＴが閾値以上に大きいことを必要条件として、現実の点火タイミングに臨時の遅角補正を加える火花点火式内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、気筒１においてノッキングが発生する危険がある状況に限って点火タイミングを遅角補正することができるので、より確実にノッキングの発生を防止できるようになる上、不必要に点火タイミングを遅角化せずに済み、エンジントルクの徒な低下を招来せず、燃費性能の良化にも奏効する。

さらに、内燃機関の負荷の変化量が閾値以上である、またはエンジン回転数の変化量が閾値以上である場合に、前記臨時の遅角補正を加えるようにしているので、点火タイミングを遅角補正する機会をノッキングの発生の危険度が高い状況に絞ることが可能で、より一層の燃費性能の向上に資する。

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。特に、上述した条件（Ｉ）、（II）及び（III）について、目標点火タイミングとベース点火タイミングとの乖離ΔＴや内燃機関の負荷の変化量、エンジン回転数の変化量と比較するべき閾値は、そのときの内燃機関の温度（冷却水温）やエンジン回転数等に応じて上下させてよい。

具体的には、内燃機関の冷却水温が高いほど、上記の閾値を引き下げて点火タイミングの遅角補正を発生させやすくする。

及び／または、エンジン回転数が低いほど、上記の閾値を引き下げる。低回転域では、点火タイミングの決定時点と、実際に対象の気筒１にて火花点火を実行する時点との時間差が大きい。そのため、先に決定した点火タイミングが、火花点火の実行時点における当該気筒１の燃焼室内の状況にそぐわない可能性が高くなる。故に、上記の閾値を引き下げて点火タイミングの遅角補正を発生させやすくし、ノッキングを確実に抑止する。

各気筒１におけるノッキングの有無を判定する手法は、イオン電流信号ｈを参照したものには限定されない。例えば、各気筒１毎の筒内圧を検出する圧力センサが実装された内燃機関にあっては、イオン電流信号ｈに代えて、筒内圧センサを介して計測される筒内圧の推移（特に、膨張行程における筒内圧の極大値やその極大値の出現する時期）を参照してノック判定を実行することができる。

あるいは、気筒１の筒内温度（燃焼温度）を検出する筒内温度センサが実装された内燃機関にあっては、イオン電流信号ｈに代えて、筒内温度センサを介して計測される筒内温度の推移（特に、膨張行程における筒内温度の極大値やその極大値の出現する時期）を参照してノック判定を実行することができる。

複数の気筒１を包有するシリンダブロックに取り付けられ、各気筒１の膨張行程中の燃焼やノッキングに起因して発生するシリンダブロックの信号を検出する振動式のノックセンサが実装された内燃機関にあっては、そのノックセンサが出力する振動の信号を参照してノック判定を実行することができる。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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、車両等に搭載される火花点火式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
１２…点火プラグ
ｈ…イオン電流信号

Claims (2)

1. 内燃機関の運転領域に応じて設定されるベース点火タイミングに、現実の点火タイミングの基準となる目標点火タイミングを追従させるものであって、
   目標点火タイミングがベース点火タイミングよりも進角しており、かつ両者の乖離が閾値以上に大きいことを必要条件として、現実の点火タイミングに臨時の遅角補正を加える火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の負荷の変化量が閾値以上である、またはエンジン回転数の変化量が閾値以上である場合に、前記臨時の遅角補正を加える請求項１記載の火花点火式内燃機関の制御装置。

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