JP2830011B2

JP2830011B2 - 燃焼制御マップ作成方法

Info

Publication number: JP2830011B2
Application number: JP1041528A
Authority: JP
Inventors: 哲朗石田; 喜朗団野; 一英栂井; 弘光安東; 大介三林
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1998-12-02
Anticipated expiration: 2013-12-02
Also published as: JPH02221662A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、燃焼制御マップの作成方法に関し、その自
動化や作成精度の向上などを図ったものである。

〈従来の技術〉近年、ガソリンエンジンなどの火花点火内燃機関に
は、省燃費や低公害化の要請を受けて、電子制御化され
るものが多くなってきている。制御の形態としては、燃
料噴射制御を中心に、点火時期制御やノッキング制御、
アイドル回転数制御、EGR制御などをECU（Electronic C
ontrol Unit）で集中的に行うものが主流となってお
り、半導体デバイスの進歩と相俟って高い信頼性と低コ
スト化が実現されている。

ところで、上述した各種の制御では、多くの場合、計
測手段からの情報をROMやRAM内の燃焼制御マップ（以
下、マップ）によって処理して制御量を決定する方式が
採られている。マップには、温度補正マップなどのよう
に入力値と出力値が１対１に対応する二次元マップや、
機関回転数と吸気圧から燃料噴射量を求めるマップなど
のように２種のパラメータに対応する三次元マップとが
ある。

これらのマップは一般に、実験を行うことにより得ら
れる。例えば、点火時期マップを作成する場合を例にす
ると、空燃比の他、機関回転数や吸気圧などを固定した
状態で、徐々に点火時期を進角させてゆき、MBT（Minim
um Spark Advance for Best Torque）の近傍で且つノッ
キングに至らない最適点火時期を求める。次に、空燃比
や機関回転数などのパラメータを変更し、その条件にお
ける最適点火時期を求める。以下、この実験を繰り返す
ことにより、種々の運転状態に対応するマップが得られ
るのである。

〈発明が解決しようとする課題〉周知のように、機関から最大のトルクを引き出せる点
火時期たるMBTはノッキングの発生する点火時期の近傍
にある。一方、MBTの検出作業にはシャシダイナモメー
タなどの大型の測定機器を必要とする他、作業自体も微
妙な値の検出となるため困難なものとなっていた。

そのため、点火時期マップを作成する場合には、実際
のMBTを検出するのではなく進角によるノッキングの発
生をまって、そこから所定量ずらした位置を最適点火時
期とみなす方法を採っていた。そして、A/F（空燃比）
マップなど他の燃焼制御マップも、点火時期マップと同
様の方法で作成されていた。

ノッキングとは燃焼途中における未燃部分の混合気が
断熱圧縮などによる温度上昇のために火災の伝搬を待た
ずに自己着火し、一時的に燃焼する現象であり、この際
の燃焼は急激に起こるために燃焼室内では圧力および温
度が急上昇するとともに衝撃波が発生する。したがっ
て、マップ作成時には熟練した計測員が衝撃波による打
音を聴き、ノッキングを判定していた。

ところが、このような聴感に頼る方法を採る場合、一
回毎の測定に時間が掛かるために測定回数を少なくせざ
るを得ず、詳細なマップを作成することができなかっ
た。また、測定員が環境劣悪な動力試験室で作業を行わ
なければならず衛生や安全上の問題がある一方で、測定
員の未熟練などに起因する誤測定も多かった。更に、測
定の度にノッキングを発生させる都合上、試験用機関の
各部に機械的振動や歪みなどが生じたり、点火プラグや
ピストンなども過熱して溶損を起こしたりしやすく、機
関寿命も短かかった。

本発明は上記状況に鑑みなされたもので、ノッキング
を発生させないでマップを作成する方法を提供すること
により試験の自動化や高速化などを可能とし、上記不具
合を解消することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉火花点火内燃機関における通常の燃焼の化学反応は、
第１段階の過酸化物反応、第２段階の冷炎反応（又はホ
ルムアルデヒド反応）、第３段階の熱炎反応の各段階を
経て行われる。この段階の中で爆発的反応を起すのは第
３段階であり、第1,第２段階は燃料中の炭化水素がホル
ムアルデヒドやOH,HO₂等の高エネルギの遊離基に分解さ
れる前駆反応である。MBTすなわちノッキング発生条件
近傍においては、自己着火寸前の圧力及び温度になって
いる燃焼室内の未燃領域で第1,第２段階の前駆反応が進
行しており、高エネルギの遊離基が多く、通常よりも化
学的に活性化された状態になっている。このため、そこ
に火炎面が到達すると、前駆反応に要する遅れなしで直
ちに第３段階の熱炎反応が起こり、火炎速度ひいては熱
発生率が高くなるのである。

一方、熱発生率が高くなる状態では燃焼反応が急激に
進行しているため、当然のことながら、燃焼に関する物
理量すなわち燃焼物理量も通常時に比べて変化する。例
えば、燃焼物理量の一つである燃焼室の内圧（以下、筒
内圧）は燃焼に従い増加するが、その増加率は熱発生率
が高くなるほど大きくなる。従って、この筒内圧の変化
状況から熱発生率の変化状況を演算することが可能とな
り、その変化状況を観察すれば、機関がノッキング発生
条件の近傍にあるか否かを知ることができるのである。

上記知見に基づき、本発明では前述の課題を解決する
ために、火花点火内燃機関の燃焼制御マップを作成する
方法であって、当該火花点火内燃機関の燃焼室内の燃焼
に伴って変化する筒内圧から熱発生率の変化状況を演算
し、この変化状況に基づいてノッキング寸前の状態を検
知し、その際の運転条件を燃焼制御マップのパラメータ
として用いることを特徴とする燃焼制御マップ作成方法
を提案するものである。

〈作用〉運転条件を適宜変化させながら試験用機関を運転さ
せ、同時にセンサなどによって筒内圧を検出する。そし
て、この検出信号を演算装置に送って熱発生率の変化状
況を算出し、その変化状況と予め記憶されていたノッキ
ング寸前の変化状況とを比較し、その比較結果に応じて
運転条件に所定量の補正を加えたものをパラメータとし
て記憶する。この作業を想定される種々の運転条件で行
い、得られた各パラメータを用いて燃焼制御マップを作
成する。

〈実施例〉本発明の一実施例を図面に基づき具体的に説明する。

第１図には、燃焼物理量たる筒内圧を用いて、燃焼制
御マップの一つである点火時期マップを作成する点火時
期マップ作成装置の概略構成を示してある。また、第２
図にはクランク角と熱発生率の関係を示してある。そし
て、第３図には本実施例における制御フローチャート
を、第４図には係る点火時期マップ作成装置により作成
された点火時期マップの一例をそれぞれ示してある。

第１図に示すように、本実施例の点火時期マップ作成
装置は、試験用の４サイクル４気筒火花点火内燃機関
（以下、エンジン）１と、このエンジン１の運転状態を
制御する運転コントローラ２、および運転により得られ
たデータを演算処理してマップを作成する演算装置３と
から主要部が構成されている。

エンジン１の各気筒の燃焼室４には点火プラグ５のほ
か筒内圧検出手段たる筒内圧センサ６が取り付けられて
いる。筒内圧センサ６は圧電素子を組み込んだもので、
気筒内の圧力を電荷に変換して出力する。また、フライ
ホイール７にはクランク角センサ８が隣接して設けら
れ、吸気管９と排気管10にはそれぞれ吸気圧を検出する
ための吸気圧センサ11と排気中の酸素濃度を検出するた
めのO₂センサ12とが取り付けられている。そして、クラ
ンクシャフト13にはエンジン１に負荷を与えたり、出力
や軸トルクなどを計測するためのダイナモメータ14が接
続している。

運転コントローラ２は点火ドライバなどを介して点火
プラグ５を駆動する他、図示しない燃料噴射弁やスロッ
トル弁などを駆動して噴射量や吸気量などの制御を行
う。

以上の各センサやダイナモメータ14により計測された
測定値と運転コントローラ２の制御数値はすべて演算装
置３に入力する。演算装置３内では、筒内圧センサ６か
らの信号がクランク角センサ８からの信号と共に熱発生
パターン演算ユニット15に入力し、処理が行われた後RA
M16に入力する。また、クランク角センサ８からの信号
はエンジン回転数演算ユニット17を介して、O₂センサ12
からの信号はアンプ18により増幅されて、それぞれRAM1
6に入力する。そして、その他のセンサや機器からの信
号はそのままRAM16に入力する。尚、演算装置３には上
述の各センサや機器のほか大気圧や大気温などの大気条
件を検出する図示しない検出手段が接続し、その検出手
段からの信号もRAM16に入力する。

演算装置３内には更にデータバンク19と最適点火時期
演算ユニット20およびマップ作成ユニット21が設けられ
ている。熱発生パターン演算ユニット15からRAM16に入
力したデータは最適点火時期演算ユニット20を経由して
データバンク19に入力する。また、RAM16内の他の各種
の信号（データ）も整理されてデータバンク19に入力す
る。マップ作成ユニット21ではデータバンク19内の各デ
ータを用いて点火時期マップが作成される。

以下、第３図のフローチャートに基づき本実施例の作
用を述べる。

運転コントローラ２に起動されて、エンジン１が回転
を始めると、演算装置３では試験に先立ち、試験開始時
のエンジン回転数N_Eを最低回転数（アイドリング）に、
負荷Ｌを無負荷に、空燃比A/Fを最高リッチに、点火時
期Ｓを最大リタード値にそれぞれ設定し、コントローラ
２に入力する。

次いで、クランク角センサ８により実際のエンジン回
転数N_Eが、スロットルポジションセンサ、吸気圧センサ
等の出力により実際の負荷Ｌが、O₂センサ12により実際
の空燃比A/Fが、それぞれ計測され、演算装置内で前記
設定値と比較される。そして、計測値と設定値間に相違
があった場合には、その相違がなくなるように設定値に
対する補正量を算出し、運転コントローラ２に入力す
る。

設定値と計測値とが等しくなったら、ｉ＝１とし、ク
ランク角センサによりクランク角θを、筒内圧センサ６
により各気筒の筒内圧Ｐをそれぞれ検出する。そして、
熱発生パターン演算ユニット15により、クランク角θと
筒内圧Ｐを用いて熱発生率dQ/dθを以下の手順で演算す
る。

まず下記の通り、熱発生量dQおよび内部エネルギ増分
duを求める各演算式と状態方程式とを用いて演算を行
う。

但し、Ｇは燃焼ガス量、Ａは仕事の熱当量、Ｒは気体定数、 Cvは定容比熱、ｋは比熱の比、Ｔは絶対温度である。

（１），（２），（３）式より従って、熱発生率（dQ/dθ）は以下の通りである。

尚、この際、燃焼行程（上死点〜上死点後50°）ではであるから、上式を次のように近似してもよい。

つまり、熱発生率を筒内圧の変化率で近似できるので
ある。

なお、上述したように熱発生率を演算する際には、ノ
ッキング等による高周波振動成分をフィルタでカットす
ることが望ましい。つまり、指圧線図にはいつでも高周
波の振動成分が重畳しており、この振動成分をカットす
ることにより、熱発生率の変化状態が第１図に示したよ
うに単純化されるのである。そのため、本実施例では直
接FFT法やスプライン関数法を用いたローパスフィルタ2
2が用いられている。

次に、熱発生パターン演算ユニット15では、得られた
熱発生率dQ/dθ（あるいは筒内圧の変化率dP/dθ…以
下、熱発生率dQ/dθで代表させる）から、熱発生率dQ/d
θの立下がりに要する時間、すなわちその最大値から燃
焼完了への移行時間を演算する。この移行時間としては
実時間ではなく、最大値におけるクランク角θ₁₀₀と燃
焼完了時におけるクランク角θ₀の差｜θ₁₀₀−θ₀｜を
用いる。

つづいて、エンジンの出力トルクＴを検出する。

そして、その時のエンジン回転数N_E、負荷Ｌ、空燃比
A/F、点火時期Ｓ、移行時間｜θ₁₀₀−θ₀｜、トルクＴ
をRAMに記憶するとともに、ｉ＝100かどうかを判定す
る。

ｉが100に満たない場合ｉ−ｉ＋１として再びエンジ
ン回転数N_E、負荷Ｌ、空燃比A/F、点火時期S,移行時期
｜θ₁₀₀−θ₀｜、トルクＴを算出もしくは検出し、RAM
に記憶する。

そして、ｉ＝100となったら、RAMに記憶された100回
のデータのうち許容変動範囲外のものを削除する。具体
的には100回のデータのうち、回転数N_E、負荷Ｌ、空燃
比A/F、点火時期Ｓのいずれかの値が設定値と極端に差
のあるデータを削除するようにする。

次に、前述の移行時間｜θ₁₀₀−θ₀｜と後述する絶対
設定値とを比較し、以下に示す方法でノッキング状態か
否かの判定を行う。

即ち、第２図に示すように、ノッキング寸前の状態で
の熱発生率（実線で示す）は、それ以前の状態（破線で
示す）に比べ立下り方が大きく変化し、移行時間｜θ
₁₀₀−θ₀｜が短くなっている。したがって、ノッキング
寸前の移行時間｜θ₁₀₀−θ₀｜を絶対設定値とすれば、
ノッキング状態か否かの判定ができるのである。

なお、第２図にて、クランク角θ₀は燃焼完了時点で
あり、燃焼が完了しているために新たな熱の発生はな
く、熱発生率dQ/dθは当然０となり、前述したように、
筒内圧の変化率もこれに近似できる。

次に、移行時間｜θ₁₀₀−θ₀｜が絶対設定値よりも小
さくなる確立A₁を算出し、これを許容値A₀と比較する。
ここで、A₀はノック余裕度の判定基準値で、A₁＜A₀であ
れば十分ノックしない状態であると判定し、A₁＞A₀の場
合はノックに対する余裕がないと判定するものである。

A₁＜A₀の場合は、MBTの判定を行う。

即ち、前回のデータ取り込み時のトルクＴの平均値T
_n-1と、今回のデータ取り込み時のトルクＴの平均値T_n
とを比較し、比較結果がT_n≧T_n-1からT_n＜T_n-1に変わっ
たときの前回の点火時期をMBTとする。

T_n≧T_n-1となった場合は、今回の移行時間｜θ₁₀₀−
θ₀｜の平均値B₁と基準値B₀の偏差を求める。ここで、
基準値B₀は点火時期Ｓをさらに進角可能か否かを判定す
るものであり、前述の移行時間｜θ₁₀₀−θ₀｜が絶対設
定値よりも小さくなる確立A₁によるノック余裕度の判定
に比べ、より精度の高い進角限界を判定するものであ
る。そして、B₁とB₀の偏差b₁が許容値b₀以上であれば点
火時期ＳをdX°進角し、再び前述の100回のデータ取り
込みを行う。

一方、B₁とB₀の偏差b₁が許容値b₀以下であれば、その
時の運転パラメータが最適値であると判断し、それぞれ
の値をMAPデータとしてRAMに記憶する。即ち、MBTより
も先に進角限界がきた場合は、その時点で進角を中断す
る。

また、前述の最大トルクの判定でT_n＜T_n-1となった場
合は、MBTを過ぎてなお進行角してしまたものと判断
し、点火時期ＳをdX°遅角して、各運転パラメータをMA
PデータとしてRAMに記憶する。

以上のようにして、エンジン回転数N_Eが最低回転数
（アイドリング）、負荷Ｌが無負荷、空燃比A/Fが最高
リッチであるときの最適点火時間Ｓが求められたら、つ
づいて、エンジン回転数N_Eを最低回転数（アイドリン
グ）に、負荷Ｌを無負荷にそれぞれ固定したまま、空燃
比A/Fを最高リッチよりdYずつリーン化して、それぞれA
/F値における最適点火時期Ｓを求める。

そして、最高リッチからリーン限界値までのそれぞれ
のA/F値に対する最適点火時期Ｓが求められたら、次
に、負荷Ｌの値を変更してデータの取り込みを行う。即
ち、エンジン回転数N_Eを最低回転数（アイドリング）
に、負荷Ｌを無負荷よりdLだけ増大させた値にそれぞれ
固定し、全てのA/F値に対する最適点火時期Ｓを求め
る。

その後は負荷Ｌを最大負荷までdLずつ増大していき、
それぞれの負荷値について、A/F値を最高リッチからリ
ーン限界値まで変化させて、最適点火時期Ｓを求めて行
く。そして、エンジン回転数N_Eの最低回転数について、
負荷ＬとA/F値の全ての組み合わせに対する最適点火時
期Ｓが得られたら、今度はエンジン回転数を変更してデ
ータの取り込みを行う。即ち、エンジン回転数を最低回
転数から最大回転数までdN_Eずつ増大させていき、それ
ぞれの回転数について負荷ＬとA/F値を変化させ、全て
の設定値に対する最適点火時期を求める。

以上のようにして、エンジン回転数N_E、負荷Ｌ、空燃
比A/Fについて、それぞれの初期値から限界値までの全
ての組み合わせに対する最適点火時期Ｓが求まり、得ら
れたデータはRAM16からデータバンク19に入力される。

次に、データバンク19内のデータは第５図及び第６図
に示す測定データ群に編集される。そして、最後にマッ
プ作成ユニット21によりエンジンを搭載する車両の種類
（燃費重視か出力重視か等）に応じて最適点火時期及び
空燃比の組合せが抽出・整理され、これらの最適点火時
期データから第４図に示すような点火時期マップが作成
される。

以上で実施例の説明を終えるが、本発明はこの実施例
に限るものではなく、例えば、ノッキング発生条件近傍
にあるか否かの判定において、熱発生率の最大値に対し
て50％の熱発生率を示すクランク角θ₅₀から10％の熱発
生率を示すクランク角θ₁₀までの範囲など他の領域を用
いても良い。また、本発明は点火時期や空燃比マップの
作成のみに用いられるものではなく、第７図，第８図に
それぞれ示すEGR率，過給圧などの測定データ群から、
それぞれのマップを作成する燃焼制御マップ作成装置に
適用しても良い。

〈発明の効果〉本発明の燃焼制御マップ作成方法によれば、筒内圧の
変化からノッキング寸前の状態を検知し、その際の運転
条件を燃焼制御マップのパラメータとして用いるように
したため、従来は作業員の聴感に頼っていた燃焼制御マ
ップの作成が自動化され、詳細かつ正確な燃焼制御マッ
プが短時間で作成可能となる。また、燃焼制御マップの
作成においてノッキングを発生させる必要がなくなるた
め、試験用機関の寿命が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の燃焼制御マップ作成方法の一実施例
に係る点火時期マップ作成装置を示す概略構成図であ
る。また、第２図はクランク角と熱発生率の関係を示す
グラフである。そして、第３図は本実施例の点火時期マ
ップ作成装置の制御フローチャートであり、第４図は本
実施例に係る点火時期マップ作成装置により作成された
点火時期マップである。更に、第５図〜第８図は点火時
期マップ，空燃比マップ,EGR率マップ，過給圧マップを
作成するためのそれぞれデータ群である。図中、１はエンジン、２は運転コントローラ、３は演算装置、
６は筒内圧センサ、８はクランク角センサ、11は吸気圧
センサ、12はO₂センサ、14はダイナモメータ、15は熱発
生パターン演算装置、16はRAM、17はエンジン回転数演
算ユニット、19はデータバンク、20は最適点火時期演算
ユニット、21はマップ作成ユニットである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安東弘光東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者三林大介東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (56)参考文献特開昭62−130330（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−112（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−136544（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−19174（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−136543（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 45/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】火花点火内燃機関の燃焼制御マップを作成
する方法であって、当該火花点火内燃機関の燃焼室内の
燃焼に伴って変化する筒内圧から熱発生率の変化状況を
演算し、この熱発生率の変化状況に基づいてノッキング
寸前の状態を検知し、その際の運転条件を燃焼制御マッ
プのパラメータとして用いることを特徴とする燃焼制御
マップ作成方法。