JP2005105837A

JP2005105837A - 内燃機関の点火時期制御装置

Info

Publication number: JP2005105837A
Application number: JP2003336254A
Authority: JP
Inventors: Naoto Nakamura; 直人中村; Ryota Mino; 良太三野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】排気ガス再循環時における点火時期制御を適切に行う。
【解決手段】エンジン１０には、排気ガス再循環装置１８が設けられている。制御装置２０は、排気ガス再循環装置１８による再循環を行っているときに、基本点火時期を進角側に変更するとともに、遅角側の下限ガードを進角側に補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスの一部を吸入混合気中に再循環させる排気ガス再循環装置を有する内燃機関の点火時期制御装置に関する。

ガソリンエンジンなどの内燃機関の点火時期は、排気ガスの成分や、燃費、ドライバビリティなどに影響を与える内燃機関の運転制御において重要な因子の１つである。このため、従来より、コンピュータを用いてそのときの内燃機関の状況に応じて点火時期を最適なものに制御している。

一方、内燃機関に設けられる装置の１つとして、排気ガス再循環（ＥＧＲ：エキゾースト・ガス・リサーキュレーション）装置がある。このＥＧＲ装置では、内燃機関から排出される排気ガスの一部を吸入混合気中に再循環させる。これによって、不活性な排気ガスが燃焼室に入り、混合気の燃焼温度が下がり、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することができる。

ここで、ＥＧＲ装置により再循環する排気ガス量（以下「ＥＧＲ量」という）が増大することにより、燃焼室内における混合気の燃焼伝播は遅くなる。このため、ＥＧＲ装置を具備した機関では、ＥＧＲ量の増大に伴い点火時期を進角させる必要がある。例えば、特許文献１では、ＥＧＲ装置が排気ガスを再循環させる場合に、ＥＧＲ量に応じて決定される進角値を加算することにより、最終的な点火時期を算出している。

一方、特許文献２には、アイドル運転時にエンジン回転数を目標回転数に収束するように点火時期をフィードバック制御するシステムにおいて、最終点火時期を遅角（リタード）側の下限ガードにより規制して、エンストの発生を防止することが示されている。

特開昭５９−２２１４６７号公報特開２００２−１３０１０２号公報

特許文献１において、ＥＧＲをオンして、排気ガスを燃焼室に再循環させた場合に、点火時期を進角側に変更する。これによって、排気ガスが混入された混合気について、十分な燃焼を確保することができる。一方、従来技術において、遅角側の下限ガードはそのままあるいはさらに遅角側に変更されている。そこで、下限ガード以上であっても、その点火時期が遅角側過ぎ、失火が発生する可能性があった。特に、排気ガスの再循環率（再循環率＝（再循環する排気ガス質量）／（吸入空気質量＋再循環する排気ガス質量））が大きくなった場合には、このような事態が発生しやすい。

本発明は、ＥＧＲのオン時においてより適切な点火時期制御が行える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。

本発明は、排気ガスの一部を吸入混合気中に再循環させる排気ガス再循環装置を有する内燃機関において、燃焼室に吸入される混合気に点火する際の点火時期を制御する内燃機関の点火時期制御装置であって、この排気ガス再循環装置により排気ガスの再循環を行う時に、点火時期を進角側に変更する進角側変更手段と、運転状態に応じて、点火時期を遅角側に変更する遅角側変更手段と、下限ガードを用いて、最終的な点火時期が遅角側にいきすぎるのを防止する下限ガード手段と、を有し、前記排気ガス再循環装置により、排気ガスの再循環を行うときは、前記下限ガード手段における下限ガードを進角側に補正することを特徴とする。

また、前記下限ガードの補正は、前記点火時期の進角側への変更量と同一量とすることが好適である。

以上説明したように、本発明によれば、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）を使用する場合に、点火時期を進角側に変更するとともに遅角側の下限ガードも進角側に補正する。これによって、下限ガードが有効に働き、運転状態に応じた遅角制御（ノッキング発生防止や加速時ショック防止のため遅角制御）による失火の発生を効果的に防止できる。

また、前記下限ガードの補正は、前記点火時期の進角側への変更量と同一量とすることで、適切な補正が行えるとともにその処理が容易になる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る点火時期制御装置の構成を説明するためのブロック図である。エンジン１０は、シリンダ内にクランクによって支持されたピストンを有し、シリンダ内のピストンの上方空間（燃焼室）における混合気の燃焼によって、ピストンが上下して、クランク軸が回転される。また、シリンダの頂部には、点火装置１６の点火プラグの下部が露出されており、この点火プラグの発火タイミングで混合気に点火される。

エンジン１０は複数気筒からなり、吸気弁はインテークポートおよびインテークマニホルド１２を介し吸気管に接続され、排気弁は、エキゾーストポートおよびエキゾーストマニホルド１４を介し排気管に接続されている。そして、シリンダ内をピストンが下降する際に、吸気弁が開き、吸気管からガソリンが混合された混合気が燃焼室に導入される。また、爆発燃焼後においてピストンがシリンダ内を上昇する際に排気弁が開き排気ガスが排気管に排出される。

また、本実施形態においては、エキゾーストマニホルド１４中の排気ガスをインテークマニホルド１２に循環するための排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）１８を有している。このＥＧＲ装置は、エキゾーストマニホルド１４とインテークマニホルド１２を結ぶ循環パイプ１８ａと、この循環パイプの途中に設けられ排気ガスの循環量を制御するＥＧＲ弁１８ｂと、再循環する排気ガスの冷却するＥＧＲクーラ１８ｃとからなっている。なお、再循環する排気ガスの混入位置は、スロットルバルブの下流側が好適である。

さらに、本実施形態では、コンピュータで構成される制御装置２０を有している。この制御装置２０は、ここに入力されてくるエンジン回転数、エンジン負荷など運転状況に応じて、点火装置１６の点火時期を制御するとともに、ＥＧＲ弁１８ｂによる排気ガス再循環量を制御する。このために、制御装置２０は、基本点火時期マップ２０ａと、下限ガードマップ２０ｂと、補正値マップ２０ｃの３つのマップを有している。なお、基本点火時期マップ２０ａと、下限ガードマップ２０ｂを補正値を反映したものとして、補正値マップ２０ｃを省略することも可能である。

本実施形態の装置は、大量の再循環排気ガス（ＥＧＲ）の導入により、高い燃費効率におけるエンジン１０の運転制御を目指している。このために、再循環排気ガスの冷却装置としてＥＧＲクーラ１８ｃを採用するとともに、高タンブル比（タンブル比＝（タンブル回転数）／（エンジン回転数））のインテークポートを利用している。すなわち、ＥＧＲクーラ１８ｃにより循環する排気ガスを冷却し、さらにインテークポートにより燃費に最適なタンブル流を吸入空気流量を犠牲にせずに燃焼室内に発生させている。

そして、本実施形態では、上述のようにＥＧＲ装置１８を有しており、これによって、排気ガスを吸気側に再循環する。この排気ガスの再循環により、燃焼後の不活性ガスが吸気側に供給され、これによって燃焼室内の温度上昇が抑制され、ＮＯｘの生成量を減少することができ、また効率（燃費）の向上も期待できる。なお、排気ガスは吸気ガスに比べ、比熱が大きいため、その面でも温度上昇の低下に効果がある。

また、出力性能、ドライバビリティとの両立を図りながら、燃費の向上を図るために、ＥＧＲ率を、従来のＥＧＲ率に比べて高い率である、最大２４％に設定している。

このように、本実施形態の場合には、ＥＧＲ装置１８を有しており、そのＥＧＲ率が高い。このようなＥＧＲ率の高いエンジン１０においての点火時期タイミングの制御は特に重要となる。すなわち、加速時などの出力急変時においては、走行におけるショックまたはノッキングの発生を抑制するために、点火時期を遅角側に変更する。この際に、下限ガードによって、失火の発生を防止するが、ＥＧＲ装置１８の動作における下限ガードの設定が適切でないと失火が発生する可能性がある。

そこで、本実施形態においては、ＥＧＲ装置１８がオンしているときには、基本点火時期マップ２０ａ、下限ガードマップ２０ｂ、および補正値マップ２０ｃに基づき点火タイミングを所定量進角側に変更するとともに、遅角側の下限ガードを進角側に変更する。この制御について、図２のフローチャートに基づいて説明する。

まず、エンジン１０の負荷など運転状態についてのデータを取得する（Ｓ１１）。そして、取得したデータに基づき、点火時期および下限ガード値を計算する（Ｓ１２）。通常の場合、運転状態についてのデータは、エンジン１０の回転数、負荷からなっており、点火時期はこれらを因子として決定されるため、入力データに対する点火時期の関係を基本点火時期マップ２０ａに２次元マップの形で予め用意してあり、この基本点火時期マップ２０ａを利用して点火時期（基本点火時期）を決定する。また、下限ガード値は、下限ガードマップ２０ｂを利用して決定する。

次に、ＥＧＲ装置１８がオンか否かを判定する（Ｓ１３）。ＥＧＲ装置１８は、中負荷運転時のみオンする。これは、低負荷時には、吸入空気量が少なく、排気ガスを混入すると安定した燃焼が行えず、高負荷時には排気ガスを混入すると十分な出力が得られないからである。ここで、ＥＧＲ装置１８がオンか否かは、ＥＧＲ装置１８が稼働しているか否かではなく、負荷が所定範囲内にあるか否かで判定してもよい。また、エンジンの冷間時にも、ＥＧＲ装置１８をオフした方がよく、温度を考慮することも好適である。

Ｓ１３の判定でＹＥＳ（ＥＧＲ装置１８がオン）の場合には、点火時期補正量を計算する（Ｓ１４）。すなわち、ＥＧＲ装置１８がオンの場合には、通常の手法で求めた点火時期（基本点火時期）に比べ、点火時期を進角側に変更（補正）する。この変更量は、エンジン回転数および負荷によって異なるが、これについては補正値マップ２０ｃに予めその関係を持っている。

さらに、リタード（遅角）側の下限ガードについても補正する（Ｓ１５）。この補正も、Ｓ１４と同様に補正値マップ２０ｃに基づき、点火時期の下限ガードを進角側に変更することによって行う。

このようなＳ１４およびＳ１５の補正処理が終了した場合およびＳ１３の判定でＮＯ（ＥＧＲ装置１８がオフ）であった場合には、ノッキングの発生を防止するための遅角補正量や、加速時のショックを防止するための点火時期の遅角補正量を算出する（Ｓ１６）。そして、これら補正を行った点火時期について、下限ガードを用いて、最終点火時期が下限ガードよりリタード（遅角）側にならないように処理する（Ｓ１７）。このようにして、Ｓ１２において算出して基本点火時期について、進角側、遅角側の補正を行うとともに、下限ガードによる処理を行って最終点火時期を決定する（Ｓ１８）。そして、決定された最終点火時期に応じて、制御装置２０が点火装置１６の点火時期を制御する（Ｓ１９）。

これによって、加速時などの過渡期において、点火時期の遅角側への変更制御が行われた場合にも、下限ガードによって遅角量が大きくなりすぎることを防止するため、失火の発生を効果的に防止することができる。

図３には、点火時期のマップの例が示してある。横軸が負荷であり、縦軸が点火タイミング（ピストンの上死点（ＴＤＣ）に対する進角または遅角：単位［°ＣＡ：クランクアングル］）であり、０がＴＤＣであり、進角側がＢＴＤＣ（Before ＴＤＣ）である。この図において、進角側に示した破線および△がＥＧＲ装置１８のオフ時における補正を考慮しない、エンジン回転数および負荷から計算される基本点火時期、実線および◆がＥＧＲ装置１８のオン時における補正を考慮した点火時期である。このように、低負荷側では、ＥＧＲ装置１８はオンせず、両者は一致している。中負荷では、補正値は徐々に大きくなり所定値を超えた場合には徐々に低下する。そして、高負荷では、また補正値は０となり、点火時期についての補正は行われない。一方、遅角側に示した破線および□がＥＧＲ装置１８のオフ時における補正を考慮しない、エンジン回転数および負荷から計算される下限ガード、実線および●がＥＧＲ装置１８のオン時における補正を考慮した点火時期である。このように、ＥＧＲがオンする中負荷時において、ＥＧＲ装置１８のオンを負荷しない場合には、遅角側に制御されるようになっている。しかし、本例では、その際に点火時期の進角側への補正量と同一の補正量が下限ガードに加算され、点火時期の遅角側へのシフトが防止されている。

このように、ＥＧＲ装置１８がオンしているときに、点火時期を進角側にシフトする。これによって、ＥＧＲ装置１８による排気ガスの再循環によって、燃焼室内の燃焼の伝搬が遅くなり、燃焼がうまくいかなくなることを防止することができる。一方、点火時期の下限ガードは、上述の基本点火時期の設定とは独立して行われている。ＥＧＲ装置１８による排気ガスの再循環が行われない場合には、中負荷において燃焼伝搬がよいため、遅角側に制御することが可能である。そこで、遅角側の下限ガードについても、低めに設定する。ところが、ＥＧＲ装置１８がオンして、基本点火時期が進角側に変更されているような状況においては、遅角側の下限ガードが低めに設定されていると、ガードの機能が十分発揮できずに、失火する可能性もある。特に、本実施形態にように、ＥＧＲ率の高いエンジン１０では、ＥＧＲ装置１８がオンしているときの点火時期の進角側の補正量が大きい状況においては、失火の可能性が高い。本実施形態によれば、遅角量の下限ガードについても進角側に変更することで失火の発生を効果的に防止することができる。

特に、ＥＧＲ装置１８のオン時における点火時期の進角側への変更量と同一の変更量とすることで、計算のための補正値マップ２０ｃを１つ持つだけで良く、かつ適切な下限ガードの補正を行うことができる。

実施形態に係る点火時期制御装置の構成を説明するためのブロック図である。実施形態の動作を説明するフローチャートである。点火時期のマップの例を示す図である。

符号の説明

１０エンジン、１２インテークマニホルド、１４エキゾーストマニホルド、１６点火装置、１８排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置、１８ａ循環パイプ、１８ｂＥＧＲ弁、１８ｃＥＧＲクーラ、２０制御装置、２０ａ基本点火時期マップ、２０ａ基本的点火時期マップ、２０ｂ下限ガードマップ、２０ｃ補正値マップ。

Claims

排気ガスの一部を吸入混合気中に再循環させる排気ガス再循環装置を有する内燃機関において、燃焼室に吸入される混合気に点火する際の点火時期を制御する内燃機関の点火時期制御装置であって、
この排気ガス再循環装置により排気ガスの再循環を行う時に、点火時期を進角側に変更する進角側変更手段と、
運転状態に応じて、点火時期を遅角側に変更する遅角側変更手段と、
下限ガードを用いて、最終的な点火時期が遅角側にいきすぎるのを防止する下限ガード手段と、
を有し、
前記排気ガス再循環装置により、排気ガスの再循環を行うときは、前記下限ガード手段における下限ガードを進角側に補正することを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。
請求項１に記載の装置において、
前記下限ガードの補正は、前記点火時期の進角側への変更量と同一量とすることを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。