JP3567830B2 - 内燃機関の点火制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の点火制御装置、特に、エンジンの運転状態に応じて点火プラグの放電エネルギーを増減して失火を防止すると共にバッテリ消費電力を抑えるようにした内燃機関の点火制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火式の内燃機関は筒内の加圧混合気を適正タイミングで点火プラグが発生する火花で点火し、出力を発生させる。この内燃機関の点火装置は燃焼安定性を確保する上では点火プラグの放電エネルギを高める必要があるが、バッテリ消費電力を抑える観点より燃焼安定性の良い運転域では放電エネルギーを抑えるようにしている。例えば、筒内噴射式エンジンでは、図７に示すように、エンジン運転域を空燃比によって、圧縮リーン域、吸気リーン域、リーン以外のストイキオ及びリッチ域（以後、Ｗ／Ｏリーン域と記す）との３つの燃焼モードに区分し、これら各運転域で最適な燃料供給や点火処理を行うべく燃料噴射装置や点火装置を駆動している。ところで、図７に示す各空燃比領域はそれぞれ燃焼安定する領域が相違し、即ち、圧縮リーン域では筒内の一部に層状の希薄混合気が生成され、安定した燃焼を制御することが難しく、吸気リーン域では筒内に均一に比較的希薄な混合気が生成され、圧縮リーンよりも比較的燃焼を安定して制御しやすく、Ｗ／Ｏリーン域では十分な燃焼安定性を保持できる。このため、圧縮リーン域では燃焼安定性確保のため、高レベルの放電エネルギーのスパークで点火を行う必要があり、点火コイル通電時間をＷ／Ｏリーン域よりも長く設定することが行われる。
【０００３】
例えば、特開平４−１７９８６０号公報には、層状燃焼運転域と均一燃焼運転域とで放電エネルギーを切り換える点火装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開平４−１７９８６０号公報開示の点火装置や図７で説明した点火装置では、層状燃焼運転か均一燃焼運転かで放電エネルギー相当の一次電圧値等の一定値を一義的に決定しており、この値の大きさによっては放電点火エネルギーが高エンジン回転域で不足したり、低エンジン回転域側で過剰となる。
ところが、筒内噴射式エンジン等のように空燃比が圧縮リーン域、吸気リーン域、Ｗ／Ｏリーン域とに切り換えられ、各燃焼モード毎の燃焼安定性が大きく相違する場合は、燃焼モード切換え状況に応じて放電エネルギーの設定値を代えて、燃焼安定性の向上を図ると共に失火の危険性の少ない運転域ではバッテリ消費電力を抑えることが望ましい。しかも、これに加えて、同一燃焼モードであってもその時のエンジン回転速度に応じて、或いは、これに加えてエンジンの暖気状態に応じて放電エネルギーの設定値を代えることが、燃焼安定性や無駄なバッテリ消費電力を抑える上でより好ましいことが推定される。
【０００５】
本発明は上述の課題に基づき、無駄なバッテリ消費電力を抑えながら、燃焼安定性を確保し、ドライバビリティも確保できる内燃機関の点火制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、第１の所定空燃比で運転する第１燃焼モードと該第１の所定空燃比よりも希薄側の空燃比で運転する第２燃焼モードを備えた内燃機関の点火制御装置であって、上記内燃機関に設けられた点火プラグの放電エネルギーをエンジン回転速度に応じて増大させると共に上記第１燃焼モードに比べて第２燃焼モードでの放電エネルギーを増大するよう切換え制御を行う放電エネルギー制御手段を備え、同放電エネルギー制御手段は上記第１燃焼モードでのエンジン回転速度の増大に対する放電エネルギーの増大率と上記第２燃焼モードでのエンジン回転速度の増大に対する放電エネルギーの増大率を各々の燃焼モードで別設定して制御を行っている。
このように、第１燃焼モードと第２燃焼モード域とでエンジン回転速度の変化に対する燃焼安定性がそれぞれ異なるものであっても、各々の燃焼モードで放電エネルギーの増加率を異ならせている。このため、放電エネルギーの過度な増加を抑制しながら燃焼安定性を確保し、バッテリ消費電力を低減でき、ドライバビリティを確保できる。
【０００７】
請求項２の発明では、請求項１記載の内燃機関の点火制御装置において、上記放電エネルギー制御手段は機関温度が所定温度以下のエンジン冷態時に上記燃焼モードに係わらず点火プラグの放電エネルギーを増大するよう制御することを特徴とする。
ここで、エンジン冷態時はその時のエンジン回転速度に応じた最大の放電エネルギーを選択することとなり、エンジン冷態時における失火を燃焼モードやエンジン回転速度に影響されずに防止することができる。
【０００８】
請求項３の発明では、請求項１記載の内燃機関の点火制御装置において、上記放電エネルギー制御手段はエンジン回転速度の増大に対する放電エネルギーの増大率が第１燃焼モードよりも第２燃焼モードの方が小さくなるように制御することを特徴とする。
この場合、第２燃焼モードでは既に放電エネルギーが第１燃焼モードよりも増大されており、第２燃焼モードでの放電エネルギーを第１燃焼モードと同様の増大率で増加させると、第２燃焼モードでの高回転側で放電エネルギーが過剰となることより、ここでは第２燃焼モードにおける高回転側での放電エネルギーの増加を抑制しながら、燃焼安走性を確保し、バッテリ消費電力を低滅できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明による内燃機関の点火制御装置としてのエンジンの点火制御装置を示した。ここでのエンジンＥは、４気筒の筒内噴射式エンジンであり、エンジンＥの各シリンダＳの上部には燃焼室Ｃが形成される。また、クランクシャフト７の一端には単位クランク角信号θｃ、基準信号θ及びこれらに基づくエンジン回転速度Ｎｅ情報を検出するクランク角センサ８が対設され、これは後述のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９に検出信号を出力する。
更に、各シリンダＳの上側内壁面のほぼ中央位置には、点火プラグ１３が装着されると共に、燃料噴射用のインジェクタ１４が配備される。
【００１０】
燃焼室Ｃに接続された吸気ポートには、インテークマニホールド１５、サージタンク１６、サージタンク１６に続く延長管１７及びエアクリーナ１８がこの順で接続される。エアクリーナ１８内には、吸気量Ｑａ情報を得るエアフローセンサ１９と、吸気温度Ｔａ情報を出力する大気温センサ２０及び大気圧Ｐａ情報を出力する大気圧センサ２１が装着され、これら各情報はＥＣＵ９に出力される。さらに、延長管１７内にはスロットル弁２２が配備され、同弁のスロットル開度θｓ情報がスロットル開度センサ２３によりＥＣＵ９に出力される。またエンジンＥの水温Ｔｗ情報を検出する水温センサ２４が配備され、その検出信号はＥＣＵ９に出力されている。
【００１１】
排気ポートに連結されたエキゾーストマニホールドには、排気路の排ガス中の酸素濃度、即ち、空燃比Ａ／Ｆ情報をＥＣＵ９に出力するＯ＜ＳＵＢ＞２＜／ＳＵＢ＞センサ２６が配備されている。
なお、各インジェクタ１４は、ＥＣＵ９の噴射信号に応じて燃料噴射を行うように構成される。なお、ＥＣＵ９にはバッテリー電圧ＶＢの検出機構３１及びノック信号ｎ情報を出力するノックセンサ３２が接続されている。点火プラグ１３は点火ユニット３３に接続される。
ここでの点火ユニット３３は、タイミング制御回路と高圧電源回路と点火コイルとで構成される。ここで、高圧電源回路による充電電圧が高いほど点火コイルに高電圧が発生し放電エネルギーが大きくなるよう構成される。
【００１２】
ＥＣＵ９はエンジンＥの燃料噴射量制御、スロットル弁駆動制御等の周知の制御処理に加え、運転域判定処理や点火制御処理を行う。運転域判定処理において、ＥＣＵ９はあらかじめ設定された燃焼モードマップｍ１（図２（ａ）参照）を用いる。ここではエンジンの運転域を、空燃比がストイキオ或いはリッチのＷ／Ｏリーンで、噴射時期が吸入行程側に設定されたモード（以後第１燃焼モードＡ１と記す）と、燃料が最も希薄となる空燃比である圧縮リーンで、噴射時期が圧縮行程に設定されたモード（以後第２燃焼モードＡ２と記す）と、空燃比がリーン域だが、噴射時期が吸入行程側に設定され混合気が筒内に均一に生成されるモード（以後第２’燃焼モードＡ２’と記す）とに区分して設定されている。このためＥＣＵ９は、クランク角センサ８とエアフローセンサ１９よりエンジン回転速度Ｎｅと軸出力Ｐｅ（ここでは、吸入空気量Ｑａをエンジン回転速度Ｎｅで除算した値Ｑａ／Ｎｅ）とを算出し、これより運転域マップｍ１（図２（ａ）参照）を用いて、現在の運転域が第１燃焼モードＡ１か第２燃焼モードＡ２か、或いは、第２’燃焼モードＡ２’かを判定できる。
【００１３】
なお、ＥＣＵ９は基本点火時期算出手段として軸出力Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅに応じた基本点火時期θｂを第１燃焼モードＡ１，第２燃焼モードＡ２及び第２’燃焼モードＡ２’の相違に応じて各々設定された図示しない基本点火時期算出マップに基づき算出する。点火時期算出手段として基本点火時期θｂを内燃機関の運転情報に基づき補正して目標点火時期θａｄｖを算出するという機能を有する。特に、このＥＣＵ９は放電エネルギー制御手段として、点火プラグ１３の放電エネルギーをエンジン回転速度Ｎｅに応じて増大させると共に第１燃焼モードＡ１に比べて第２燃焼モードＡ２（Ａ２’）での放電エネルギーを増大するよう切換え、かつ、第１燃焼モードＡ１でのエンジン回転速度Ｎｅの増大に対する放電エネルギーの増大率（図２（ｂ）のｂ１／ａの比率参照）と第２燃焼モードＡ２でのエンジン回転速度Ｎｅの増大に対する放電エネルギーの増大率（図２（ｂ）のｂ２／ａ，ｂ２’／ａの比率参照）を各々の燃焼モードで別設定して制御するという機能を備える。
【００１４】
ここでは、図２（ｂ）の放電エネルギー設定マップｍ２をあらかじめ設定する。このマップでは点火プラグ１３の放電エネルギーは点火コイルの要求点火コイル通電時間をエンジン回転速度Ｎｅで乗算した値として表示されている。特に、全エンジン回転速度域において、第１燃焼モードＡ１、第２’燃焼モードＡ２’、第２燃焼モードＡ２の順に各放電エネルギーが増大するよう設定される。しかも、第１燃焼モードＡ１のエンジン回転速度Ｎｅの増大に対する放電エネルギーの増大率ｂ１／ａは最も大きく、第２’燃焼モードＡ２’の増大率ｂ２’／ａが中間値で、第２燃焼モードＡ２の増大率ｂ２／ａが最も小さく設定される。
【００１５】
このマップの設定にあたっては、次の点が考慮された。即ち、第２燃焼モードＡ２（Ａ２’）では、既に放電エネルギーが第１燃焼モードＡ１よりも、増大されており、且つ、第２燃焼モードＡ２ではエンジン回転速度Ｎｅの増大に伴って燃焼速度が増加し、燃焼速度の増加が少ない第１燃焼モードＡ１よりも放電エネルギーを増加させる必要がない。これ故、第２燃焼モードＡ２での放電エネルギーを第１燃焼モードＡ１と同様の増大率で増加させると、高回転側で放電エネルギーが過剰となってしまう。このような状況下にあるので、ここでは、第２燃焼モードＡ２における高回転側での放電エネルギーの増加を抑制し、しかも、第１燃焼モードＡ１ではバッテリ消費電力を低滅するようにしている。
【００１６】
ここで本実施形態のエンジンの点火制御装置を図４乃至図６の制御プログラムに沿って説明する。
ＥＣＵ９は、図示しないメインスイッチのキーオンによりメインルーチンでの制御に入る。まず、ステップｓ１では、現在のエンジン回転速度Ｎｅ毎に設定される全燃焼モード（Ａ１，Ａ２，Ａ２’）の各要求放電エネルギーを放電エネルギー設定マップｍ２より読み取る。この要求放電エネルギーより、現在のエンジン回転速度Ｎｅに応じた要求点火コイル通電時間を各燃焼モードの特性値に沿って求める。
【００１７】
ステップｓ２では、エンジン回転速度Ｎｅと軸出力Ｐｅとより燃焼モードマップｍ１を用い、現在の燃焼モード判定を行う。ステップｓ３では現燃焼モードがストイキオ側のＷ／Ｏリーンの第１燃焼モードＡ１ではステップｓ４に進んでＥＣＵ９内の行程数カウンタ（図示せず）をクリアし、そうでない第２燃焼モードＡ２（或いはＡ２’）ではステップｓ５で同燃焼モードから他のＷ／Ｏリーンへの切換え時のディレータイムαを行程数カウンタ（図示せず）にセットし、ステップｓ６に進む。ステップｓ６では点火時期算出に用いる水温低下に応じて進角させる水温補正値θＴｗ、吸気温低下に応じて進角させる吸気温補正値θＴａ、ノック信号ｎの増加に応じてノックリタード−θｋ値が算出される。更に、図示しないバッテリー電圧ＶＢの低下に応じて放電エネルギーを一定に保つバッテリー補正値ｔｂも算出され、その他の燃料噴射パルス幅補正係数ＫＤＴや、燃料噴射弁のデッドタイムの補正値ＴＤを運転条件に応じて設定し、次いで、ステップｓ７のその他のエンジン制御処理を行って１制御周期を終え、リターンする。
【００１８】
このメインルーチンの途中の所定クランク角（例えば、ＴＤＣ１８０°）位置で、周知のインジェクタの噴射処理や、点火処理が実行されている。
図示しないインジェクタの噴射量算出ルーチンでは、吸入空気量Ａ／Ｎを算出し、同吸入空気量Ａ／Ｎより基本燃料パルス幅Ｔｆを算出し、メインルーチン側より取り込んだ現空燃比Ａ／Ｆ相当の補正係数ＫＡＦ、大気温Ｔａ及び大気圧Ｐａに応じた補正係数ＫＤＴ等により目標インジェクタ駆動時間を算出する。
次にメインルーチンの途中での点火処理を図５、図６に沿って説明する。
【００１９】
図５の放電エネルギー制御ルーチンのステップａ１に達すると、現燃焼モード域が読み込まれ、現燃焼モードがストイキオ側のＷ／Ｏリーンの第１燃焼モードＡ１ではステップａ４にそのまま進み、そうでないリーンではステップａ２で圧縮リーンである第２燃焼モードＡ２か否か判断する。第２燃焼モードＡ２で無いとステップａ５に、圧縮リーンの第２燃焼モードＡ２では、ステップａ３に達する。このステップａ３では、圧縮リーンの第２燃焼モードＡ２であり、読み込み済である要求放電エネルギーにより現在のエンジン回転速度Ｎｅに応じた要求点火コイル通電時間を高圧電源回路にセットし、要求点火コイル通電時間中に確保する一次電圧（例えば２５０Ｖ）を指示すべく高電圧指令を高圧電源回路に出力し、これにより点火駆動回路に一次電圧Ｖ２をセットし、リターンする。これにより放電エネルギーを高レベルに保持した点火コイル１３のスパークを得て、着火性優先の制御をしている。
【００２０】
吸気リーンの第２’燃焼モードＡ２’でステップａ５に達すると、ここでは
前回が圧縮リーンの第２燃焼モードＡ２で、その切換え時（例えば時点ｔ４）にあると、ステップａ４に、吸気リーンが継続していると、ステップａ６に達する。ステップａ６では、吸気リーンの第２’燃焼モードＡ２’であり、読み込み済である現在のエンジン回転速度Ｎｅに応じた要求点火コイル通電時間（図３の２点鎖線参照）を高圧電源回路にセットし、要求点火コイル通電時間中に確保する一次電圧（例えば２００Ｖ）を指示すべく高電圧指令を高圧電源回路に出力し、これにより点火駆動回路に一次電圧をセットしステップａ１２に進む。
ステップａ１或いはａ５よりステップａ４に達するとする。ここでは、前回と異なる燃焼モードに切り替わり、前回圧縮リーンから吸気リーンの燃焼モードＡ２’への切換え時、或いは前回圧縮リーンや吸気リーンからＷ／Ｏリーンの燃焼モードＡ１への切換え時であると、ステップａ１１に進む。
【００２１】
ステップａ４より噴射時期の変化がないとしてステップａ７に達すると、ここでは、ＥＣＵ９内の行程数カウンタのディレータイムがカウントアップ（α＝０）されるまで（例えば、図３の時点ｔ４からｔ５の間）は、ステップａ８，ａ９に進み、ここでカウント値を「１」づつ減算し、その間はステップａ１１に進む。ステップａ１１では、前回の燃焼モード、例えば圧縮リーンの第２燃焼モードＡ２が継続であり、一次電圧（例えば図３の時点ｔ４からｔ５の間）を保持し、読み込み済である要求放電エネルギーより現在のエンジン回転速度Ｎｅに応じた要求点火コイル通電時間を高圧電源回路にセットし続け、要求点火コイル通電時間中に確保する一次電圧（例えば２５０Ｖ）を指示すべく高電圧指令を高圧電源回路に出力し続け、ステップａ１２に進む。
【００２２】
ＥＣＵ９内の行程数カウンタがカウントアップ（α＝０）すると、ステップａ１０に達し、ここでは現在の燃焼モードが燃焼安定域に入ったことより、即ち、Ｗ／Ｏリーンが継続中で、図３の時点ｔ５以降の運転状態であり、ここでは一次電圧（例えば１５０Ｖ）をセットし、ステップａ１２に進む。
ステップａ１２では、現在の水温Ｔｗがエンジン冷態時の判定値Ｔｗ１を上回ると、そのままリターンする。一方、下回ると、暖気前と判定してステップａ１３に進み、ここでは最も高レベルの放電エネルギーを確保できる一次電圧を設定する最大電圧指令を高圧電源回路に出力する。このエンジン冷態時はその時のエンジン回転速度に応じた最大の放電エネルギーを選択することとなり、エンジン冷態時における失火を燃焼モードやエンジン回転速度に影響されずに防止する制御を行い、メインルーチンに戻る。
【００２３】
メインルーチンの途中で上死点前７５°（７５°ＢＴＤＣ）に達する毎（クランク角１８０°）にオフよりオンに基準信号θｏが変化するのに基づきメインルーチンに割込みをかけ、図６の点火制御ルーチンが実行される。ここでのステップｂ１では所定のデータが取り込まれ、ステップｂ２，ｂ３では最新の目標点火時期θｂ及び最新の要求点火コイル通電時間をタイミング制御回路にセットし、メインルーチンにリターンする。
【００２４】
これにより、点火が点火ユニット３３により実行される。この場合、第１燃焼モードＡ１で点火ユニット３３は比較的低レベルの一次電圧を受け、比較的低レベルの点火パルスを発生し、バッテリ消費電力の無駄を省く。さらに、第２燃焼モードＡ２や第２’燃焼モードＡ２’においては点火ユニット３３は比較的高レベルの一次電圧を受け、比較的高レベルの点火パルスを発生し、燃焼安定性優先の制御を行う。このように、無駄なバッテリ消費電力を抑えながら、確実に失火をなくし、ドライバビリティを確保できる。
図１の内燃機関の点火制御装置に代えて、コンデンサ使用の点火駆動回路等を用いても良い。
なお、上述の実施形態において、放電エネルギー設定マップにより点火コイル通電時間を算出していたが、放電エネルギーが各々の燃焼モードで異なる増大率となるように点火コイル通電時間をマップ化しても良い。つまり結果的に放電エネルギーの増大率が各々の燃焼モードで異なっておれば、どのような方法を用いても良い。なお、上述の点火コイル通電時間をクランク角度等で設定しても良いことは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明では、各々の燃焼モードで放電エネルギーの増加率を異ならせているため、放電エネルギーの過度な増加を抑制しながら燃焼安定性を確保し、バッテリ消費電力を低減でき、ドライバビリティを確保できる。
【００２６】
請求項２の発明では、エンジン冷態時はその時のエンジン回転速度に応じた最大の放電エネルギーを選択することとなり、エンジン冷態時における失火を燃焼モードやエンジン回転速度に影響されずに防止することができる。
【００２７】
請求項３の発明では、第２燃焼モードでの高回転側で放電エネルギーが過剰となることが無いように、ここでは第２燃焼モードにおける高回転側での放電エネルギーの増加を抑制しながら、燃焼安走性を確保し、バッテリ消費電力を低滅できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例としての内燃機関の点火制御装置の適用されたエンジンの概略構成図である。
【図２】図１の内燃機関の点火制御装置で用いるマップの特性線図であり、（ａ）は運転域設定用のマップを、（ｂ）は放電エネルギー設定マップを示す。
【図３】図１の内燃機関の点火制御装置における燃焼モード切換え作動説明のための波形線図である。
【図４】図１の内燃機関の点火制御装置が用いるメインルーチンのフローチャートである。
【図５】図１の内燃機関の点火制御装置が用いる放電エネルギー制御ルーチンのフローチャートである。
【図６】図１の内燃機関の点火制御装置が用いる点火制御ルーチンのフローチャートである。
【図７】従来の点火制御装置の制御特性線図であり、運転域設定マップを示す。
【符号の説明】
１ 内燃機関の点火制御装置
９ ＥＣＵ
１３ 点火プラグ
３３ 点火ユニット
ｔ４ 燃焼モード切換え時点
ｔ５ 運転域切換え判定時
ｂ１／ａ， ｂ２／ａ，ｂ２’／ａ
放電エネルギーの増大率
Ａ１ 第１燃焼モード
Ａ２ 第２燃焼モード
Ａ２’ 第２’燃焼モード
Ｅ エンジン

Claims (3)

1. 第１の所定空燃比で運転する第１燃焼モードと該第１の所定空燃比よりも希薄側の空燃比で運転する第２燃焼モードを備えた内燃機関の点火制御装置において、
   上記内燃機関に設けられた点火プラグの放電エネルギーをエンジン回転速度に応じて増大させると共に上記第１燃焼モードに比べて第２燃焼モードでの放電エネルギーを増大するよう切換え、かつ、上記第１燃焼モードでのエンジン回転速度の増大に対する放電エネルギーの増大率と上記第２燃焼モードでのエンジン回転速度の増大に対する放電エネルギーの増大率を各々の燃焼モードで別設定して制御を行う放電エネルギー制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の点火制御装置において、
   上記放電エネルギー制御手段は機関温度が所定温度以下のエンジン冷態時に上記燃焼モードに係わらず点火プラグの放電エネルギーを増大するよう制御することを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
3. 請求項１記載の内燃機関の点火制御装置において、
   上記放電エネルギー制御手段はエンジン回転速度の増大に対する放電エネルギーの増大率が第１燃焼モードよりも第２燃焼モードの方が小さくなるように制御することを特徴とする内燃機関の点火制御装置。

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