JP2006312919A - エンジン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造誤差などに由来する個体差や、経年劣化が存在する場合にも、点火時期を適正に制御する。
【解決手段】 ５０％燃焼点ＢＰ５０［°ＡＴＤＣ］と図示トルクＩＴＱとの相関値に応じて、点火時期補正量を決定する。相関係数corが負の値である基準値thr1を下回っていることは、５０％燃焼点ＢＰ５０と図示トルクＩＴＱとが符号ａで示されるような「右下がり」の状態に分布していることを意味するから、現在の点火時期はＭＢＴに対して遅角側にあると推定することができる。したがって、このような場合には点火時期を進角側に補正する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エンジン制御装置に関し、とくに、エンジンの燃焼室における筒内圧に基づいて運転条件を変更する装置に関する。

図３に示されるように、内燃機関の図示トルク（エンジン出力軸から出力される正味トルクに、エンジン内部の摩擦損失を加えたトータルトルク）は点火時期に応じて変化し、点火時期を遅角限界値から進角側に徐々に移動させると、図示トルクは上昇し、次いで下降する。このトルク特性曲線の頂点付近は比較的平坦となっており、点火時期を遅角側から進角側に徐々に移動させた際にこの平坦部分に至る直前の点火時期がＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）と呼ばれる。ＭＢＴは、大きなトルクが得られると共にノッキングが発生しないタイミングであるため、内燃機関の点火時期はＭＢＴ付近とするのが好ましいとされ、機関の状態に応じて点火時期をＭＢＴに近づけるように制御する方法が、ＭＢＴ制御として知られている。

例えば特許文献１は、筒内圧が最大となる時期（クランク角）を検出すると共に、検出した最大となる時期と目標時期（クランク角）との偏差に応じて、点火時期を補正する装置を開示している。また、特許文献２は、筒内圧センサとクランク角センサの検出値に基づいて燃焼割合を求め、また吸気管負圧・回転速度・冷却水温などの運転条件から目標燃焼割合をマップの参照によって求め、両者の偏差に応じて点火時期を補正する装置を開示している。

実公平６−３１９２号公報 特公昭６２−５３７１０号公報

しかしながら、特許文献１には、目標時期（クランク角）を何らかの運転条件に基づいて動的に設定する旨の記載はなく、目標時期は固定値であると考えられる。また、特許文献２は、運転条件から目標燃焼割合をマップの参照によって求めるため、運転条件と目標燃焼割合との関係はやはり固定的である。したがって、いずれの場合も、製造誤差などに由来する個体差や、経年劣化が存在する場合には、設定される目標値が不適切になる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、製造誤差などに由来する個体差や、経年劣化が存在する場合にも、点火時期を適正に制御する新規な手段を提供することにある。

本発明によるエンジン制御装置は、火花点火式のエンジンの点火時期を変更する点火時期変更手段を備えたエンジン制御装置において、前記エンジンの燃焼室における筒内圧の情報を含む第１の物理量と、前記エンジンの出力の情報を含む第２の物理量との相関に基づいて、点火時期補正量を設定する補正量設定手段を更に備え、前記点火時期変更手段は、前記補正量設定手段によって設定された点火時期補正量に従って点火時期を変更することを特徴とする。

本発明では、補正量設定手段は、筒内圧の情報を含む第１の物理量と、エンジンの出力の情報を含む第２の物理量との相関に基づいて、点火時期補正量を設定する。点火時期変更手段は、補正量設定手段によって設定された点火時期補正量に従って点火時期を変更する。したがって本発明によれば、固定的な目標値を用いることなく点火時期を適正に制御することが可能となる。

前記第１の物理量は、燃焼室における燃焼割合が所定の基準燃焼割合にあるときのクランク角とするのが好適である。

前記第２の物理量は、エンジンの図示トルクとするのが好適である。

前記補正量設定手段は、前記第１の物理量と前記第２の物理量との相関値の正負に応じて、所定の正の補正量または所定の負の補正量のいずれかを選択することとしてもよい。この場合には、簡易な構成により本発明に所期の効果を得ることができる。

本発明の好適な実施形態について、以下に説明する。図１において、本発明の実施形態に係るエンジン１は、いわゆるポート噴射式の４サイクル内燃機関であって、ガソリンを燃料とする。エンジン１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。エンジン１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態のエンジン１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管（吸気マニホールド）５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気管（排気マニホールド）６にそれぞれ接続されている。また、エンジン１のシリンダヘッドには、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉは、対応する吸気ポートを開閉し、各排気弁Ｖｅは、対応する排気ポートを開閉する。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって動作させられる。更に、エンジン１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、点火プラグ７は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

吸気管５は、図１に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインが接続されており、給気ラインは、エアクリーナ９を介して、図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインの中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）１０およびエアフローメータ２１が組み込まれている。一方、排気管６には、図１に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。

更に、エンジン１は、複数のインジェクタ１２を有し、各インジェクタ１２は、図１に示されるように、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配置されている。各インジェクタ１２は、各吸気管５の内部にガソリン等の燃料を噴射する。なお、本実施形態のエンジン１は、いわゆるポート噴射式のガソリンエンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明がいわゆる直噴式内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。

上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構等は、エンジン１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図１に示されるように、クランクシャフトの近傍に設けられたクランク角センサ１４、上述したエアフローメータ２１、排気管６に設けられた空燃比センサ（Ｏ_２センサ）１６、シリンダ６に設けられ冷却水の温度を検出する水温センサ等の各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２、動弁機構等を制御する。

筒内圧センサ１５としては、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子を含んだ各種の公知のものを利用できる。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、且つＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３における筒内圧力（相対圧力）を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ２０に与える。ＥＣＵ２０のＲＯＭには後述の処理ルーチンを含む各種の制御プログラム、および各種のマップならびに設定値が記憶されている。

次に、図２を参照しながら、上述のエンジン１における燃焼開始時期すなわち点火時期の制御手順について説明する。

エンジン１では、図２の点火時期制御ルーチンが、燃焼室３ごとに繰り返し実行される。図２において、まず、ＥＣＵ２０は、後述する補正モードフラグflagが「１」にセットされているかを判別し（Ｓ１０１）、否定の場合には、後述するサイクル数カウンタcycの値を「０」に初期化する（Ｓ１０３）。

ステップＳ１０１で肯定の場合には、ＥＣＵ２０は、現運転状態として、エンジン回転数Ｎｅと、吸入空気量Ｇａの値を計測および保存する（Ｓ１０２）。次にＥＣＵ２０は、前サイクルと現サイクルとの運転状態（エンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｇａ）の比較により、定常運転状態かどうかを判定する（Ｓ１０４）。この判定は、例えば前サイクルと現サイクルとの間のエンジン回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇａの偏差の絶対値がいずれも所定値を下回っていることを条件に肯定されるようにして行われる。定常運転状態でない場合、例えば急加速時などのようにエンジン１が過渡運転状態にある場合にはステップＳ１０４で否定され、処理がリターンされる。

定常運転状態である場合には、補正モードフラグflagを「１」にセットする（Ｓ１０５）。この補正モードフラグflagは、点火時期が補正される運転モードであり、該フラグにはＥＣＵ２０におけるＲＡＭの所定領域が使用される。次に、サイクル数カウンタcycの値をインクリメントする（Ｓ１０６）。

次に、筒内圧の計測を行う（Ｓ１０７）。この筒内圧の計測は、所定のクランク角（例えば５°ＣＡ）ごとに筒内圧センサ１５の検出値を繰り返し記憶することで行われる。ここでの計測範囲は、計算負荷の軽減および時間の短縮のため、圧縮行程および膨張行程に亘る３６０°ＣＡとする。この計測範囲の計測が終了したことを条件に、処理はステップ１０８に移行する。

ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７で得られた計測範囲内の筒内圧の検出値、および各計測点のクランク角に基づいて、５０％燃焼点ＢＰ５０および図示トルクＩＴＱの算出および記憶を行う。５０％燃焼点ＢＰ５０は、燃焼割合ｘｂが５０％となるクランク角［°ＡＴＤＣ］である。燃焼割合ｘｂは、次の式（１）（２）により算出する。図示トルクＩＴＱは、次の式（３）（４）により算出する。

但し、Ｑは筒内のガスに供給される熱量、Ｑmaxはその最大値、κは比熱比、Ｐは筒内圧、θはクランク角、Ｖは筒内容積、Ｗは仕事、Ｎｃはシリンダ数である。筒内のガスに供給される熱量Ｑは、燃焼により発生した熱量から、壁面への熱損失相当分を減じた値に相当する。比熱比κは、簡単のためにκ＝１．３２とする。

次に、サイクル数が十分であるかを判定する（Ｓ１０９）。この判定は、単にサイクル数カウンタcycのカウント値と所定の基準値との比較に基づいて行ってもよいし、所定のクランク角範囲内で得られた５０％燃焼点ＢＰ５０および図示トルクＩＴＱの複数のサンプルの分布ないしばらつきが、点火時期補正に用いるのに相応しい程度に達しているか否か（たとえば各最大値と最小値の偏差が所定値を上回っているか否か）に基づいて行ってもよく、またこれらの基準の組合せ（例えば、論理積）によってもよい。ステップＳ１０１ないしＳ１０８の処理は、サイクル数が十分になるまでの間、繰り返し実行される。

サイクル数が十分である場合には、次に、５０％燃焼点ＢＰ５０と図示トルクＩＴＱとの相関係数corを算出する（Ｓ１１０）。相関係数corは、次の式（５）により算出する。

算出した相関係数corを、次に所定の負の値である基準値thr1と比較する（Ｓ１１１）。また、相関係数corが基準値thr1以上である場合には、この相関係数corを所定の正の値である基準値thr2と比較する（Ｓ１１２）。一般に、２変数の一方が増大すると他方も増大するような分布を示す場合に相関値は正の値をとり（正の相関）、一方が増大すると他方が減少するような分布を示す場合には相関値は負の値をとる（負の相関）ため、本実施形態ではこの性質を利用して、相関係数corの値自体から、現在の点火時期がＭＢＴに対して進角側にあるのか遅角側にあるのかを決定することとしている。

すなわち、ステップＳ１１１で肯定、つまり相関係数corが負の値である基準値thr1を下回っていることは、５０％燃焼点ＢＰ５０と図示トルクＩＴＱとが、図３において符号ａで示されるような「右下がり」の状態に分布していることを意味するから、現在の点火時期はＭＢＴに対して遅角側にあると推定することができる。したがって、このような場合にはステップＳ１１２において、点火時期を進角側に補正する。この補正は、現在の点火時期[°ＡＴＤＣ]に対する所定の進角量（固定値）の減算によって行われる。

他方、ステップＳ１１３で肯定、つまり相関係数corが正の値である基準値thr2を上回っていることは、５０％燃焼点ＢＰ５０と図示トルクＩＴＱとが、図３において符号ｂで示されるような「右上がり」の状態に分布していることを意味するから、現在の点火時期はＭＢＴに対して進角側にあると推定することができる。したがって、このような場合にはステップＳ１１４において、点火時期を遅角側に補正する。この補正は、現在の点火時期[°ＡＴＤＣ]に対する所定の遅角量（固定値）の加算によって行われる。

thr1≦cor≦thr2である場合には、５０％燃焼点ＢＰ５０と図示トルクＩＴＱとが、図３において符号ｃで示されるように「ほぼ水平」に分布していることを意味するから、現在の点火時期がＭＢＴから所定範囲内にあると推定することができる。したがって、このような場合には点火時期の補正は行われない。

以上のようにして進角処理（Ｓ１１２）または遅角処理（Ｓ１１４）が行われた後、ＥＣＵ２０は補正された点火時期によって、点火プラグ７を駆動する。また、上記進角処理（Ｓ１１２）、遅角処理（Ｓ１１４）または点火時期補正不実行判定（Ｓ１１３）の後、ＥＣＵ２０は補正モードフラグflagを「０」にリセットして（Ｓ１１５）、本ルーチンを抜ける。

以上の処理の結果、本実施形態では、点火時期がＭＢＴよりも所定角度以上遅角側にある場合には進角処理が、またＭＢＴよりも所定角度以上進角側にある場合には遅角処理が、それぞれ行われることになる。

以上のとおり、本実施形態では、筒内圧の情報を含む第１の物理量である燃焼割合と、エンジンの出力の情報を含む第２の物理量である図示トルクとの相関に基づいて、点火時期補正量を設定し、設定された点火時期補正量に従って点火時期を変更する。したがって本実施形態によれば、いずれもエンジン１の現実の運転状態である筒内圧および図示トルクの情報を利用することで、固定的な目標値を用いることなく点火時期を適正に制御することができ、製造誤差などに由来する個体差や、経年劣化が存在する場合にも、補正を適正に実行できる。

なお、本実施形態では、筒内圧の情報を含む第１の物理量として、燃焼室における燃焼割合が所定の基準燃焼割合にあるときのクランク角（５０％燃焼点ＢＰ５０［°ＡＴＤＣ］）を用いることとしたが、本発明における筒内圧の情報を含む第１の物理量としては、例えば燃焼期間、すなわち、燃焼割合が所定範囲内（例えば１０％と９０％との間）にある期間）など、他の各種のパラメータを任意に採用できる。

また、本実施形態では、エンジンの出力の情報を含む第２の物理量として、エンジンの図示トルクを用いることとしたが、本発明におけるエンジンの出力の情報を含む第２の物理量としては、例えばクランク軸トルクやクランクシャフトの角速度など、エンジンの出力の情報を含む他の各種のパラメータ、とりわけ燃焼サイクル毎の出力の変化が反映されうるような各種のパラメータを任意に採用できる。

また、本実施形態では、第１の物理量と第２の物理量との相関値の正負に応じて、所定の正の補正量または所定の負の補正量のいずれかを選択することとしたので、簡易な構成により本発明に所期の効果を得ることができる。しかしながら、このような構成に代えて、第１の物理量と第２の物理量との相関値と、点火時期の補正量とを関連付けたマップまたは関数を予め作成しておき、このマップまたは関数に相関値を入力して演算することにより、相関値の大小に応じて異なる補正量を連続的または離散的に設定することとしても良い。この場合には、相関値の絶対値が漸増するほど補正量の絶対値が漸増するように補正量を設定するのが特に好適である。

また、本実施形態における較正は、オンボードで、すなわちエンジンの通常の使用中（車両の場合には、車載状態且つユーザによる車両の通常の使用中）に実行することとしたので、内燃機関の出荷後の経時変化による性能低下を抑制できる。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

本発明による制御装置が適用されたエンジンを示す概略構成図である。 図１の内燃機関において実行される点火時期補正ルーチンを説明するためのフローチャートである。 点火時期、５０％燃焼点および図示トルクの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
７ 点火プラグ
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
２０ ＥＣＵ
２１ エアフローメータ

Claims (4)

1. 火花点火式のエンジンの点火時期を変更する点火時期変更手段を備えたエンジン制御装置において、
   前記エンジンの燃焼室における筒内圧の情報を含む第１の物理量と、前記エンジンの出力の情報を含む第２の物理量との相関に基づいて、点火時期補正量を設定する補正量設定手段を更に備え、
   前記点火時期変更手段は、前記補正量設定手段によって設定された点火時期補正量に従って点火時期を変更することを特徴とするエンジン制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジン制御装置であって、
   前記第１の物理量は、前記燃焼室における燃焼割合が所定の基準燃焼割合にあるときのクランク角であることを特徴とするエンジン制御装置。
3. 請求項１または２に記載のエンジン制御装置であって、
   前記第２の物理量は、前記エンジンの図示トルクであることを特徴とするエンジン制御装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のエンジン制御装置であって、
   前記補正量設定手段は、前記第１の物理量と前記第２の物理量との相関値の正負に応じて、所定の正の補正量または所定の負の補正量のいずれかを選択することを特徴とするエンジン制御装置。
   

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