JP4684066B2 - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に発生するノッキングの発生状態に応じて、内燃機関の点火時期を制御する内燃機関の点火時期制御装置に関する。

一般に内燃機関のノッキング（以下「ノック」と記す）制御は、エンジンの振動を検出するノックセンサからの電気的信号が、ある定められたレベル（ノック判定レベル）を越えた場合にノックが発生したものと判定し、点火時期を遅角させ、逆に所定期間ノックが検出されない場合には点火時期を進角させることにより、点火時期を常にノック限界付近に制御し、エンジンの燃費、出力特性を最大限に引き出すものである。

この場合、従来においては、ノック振動を検出するノックセンサを内燃機関のシリンダブロックに取り付け、ノックセンサの出力信号からノック周波数成分をバンドパスフィルタで１燃焼（１点火）毎に抽出し、１燃焼毎のノック周波数成分のピーク値をノック判定用閾値と比較することによってノックの発生を検出して、ノックが検出された場合は所定量点火時期を遅角するとともに、ノックが検出されない場合は所定時間毎に遅角量を減衰させる（進角させる）ことによって、点火時期制御を行っていた。

このように１燃焼毎のノック検出結果を用いるため、万が一検出ミスなどによりノックが発生していないのにノックが発生したと誤検出した場合には、点火時期を誤遅角し、エンジンの出力を十分に引き出せなくなる。逆にノックが発生しているにもかかわらず検出されない場合は、点火時期が誤進角し、ノックが多発し、ひいてはエンジンの破損にもつながる恐れがある。

このため、本出願人は、上述した１燃焼毎のノック周波数成分のピーク値をノック判定用閾値と比較してノック判定を行うノックフィードバック制御を用いる手法とは別個のノック発生状態判定手法を用い、各々の手法を独立して作動させると共に、ノック発生状態判定結果に基づき、１燃焼（点火）毎のノック検出に用いる閾値を修正することによって行うことを提案している。

このように２つの手法を独立して作動させる上述の制御方法では、仮に１燃焼毎のノック判定用閾値の初期適合ミスにより誤遅角が発生したとしても、他方のノック発生状態判定手法によりノックが発生していないことが判定される場合には、ノック判定用閾値を適切に修正することが可能であるため、従来のノック発生状態判定手法を使用しない場合と比較してロバスト性が向上する。

しかしながら、微小ノック発生状態に制御させようとした場合、従来のノック検出結果に基づき、ノック発生状態判定手段を作動させる従来の手法では、ノック発生頻度が少ないために十分な遅角補正ができず、微小ノック発生状態に制御するためには、１燃焼毎のノックフィードバック制御におけるフィードバックゲイン（遅角量）を大きくする必要がある。しかしながら、それは、点火時期変動幅を大きくすることにつながる。この点火時期変動は、出力トルクの変動やエミッションの悪化につながるため望ましくない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、微小ノック発生状態となる点火時期近傍まで遅角することができ、ノックフィードバック制御による点火時期変動幅を小さくすることができる内燃機関の点火時期制御装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の請求項に記載の内燃機関の点火時期制御装置を提供する。
請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置は、内燃機関のノック状態に応じた振動波形の信号を出力するノックセンサと、このノックセンサにより出力された１点火毎のノック信号によりノックの発生を判定し、その判定結果に基づいて点火時期遅角量又は進角量（ｅａｋｎｋ）を算出するフィードバック制御手段と、このノックセンサにより得られる複数点火分のノックセンサ出力の統計的性質に基づきノック発生状態を判定し、その判定結果に基づいて点火時期を遅角補正又は進角補正された学習量（ｅａｋｎｋ）を算出する点火時期学習制御手段とを備えていて、フィードバック制御手段と点火時期学習制御手段とに基づいて内燃機関の最終点火時期を算出するようにしたものである。これによって、１点火毎のノック検出に依存しないノック発生状態判定に基づき点火時期を学習することで、微小ノック発生状態となる点火時期近傍まで遅角補正することができ、ノックフィードバック制御による点火時期変動幅を小さくすることができる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態における内燃機関の点火時期制御装置について説明する。
図１に基づいて、本発明に基づく点火時期制御装置を含んだエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流には、吸入空気量を検出するエアフロメータ１４が設けられている。このエアフロメータ１４の下流側には、モータ１０によって開度調節されるスロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

さらに、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホルド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホルド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２２には、排出ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒２３が設けられ、この触媒２３の上流側に、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２４が設けられている。また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２５と、ノック振動を検出するノックセンサ２８と、エンジン１１のクランク軸が所定クランク各回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２６が取付られている。このクランク角センサ２６の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。なお、ノックセンサ２８の代わりに、図示しない筒内圧センサを用いるようにしてもよい。

これら各種センサの出力は、エンジン制御ユニット２７（以下、「ＥＣＵ２７」と称する）に入力される。このＥＣＵ２７は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、燃料噴射弁２０の燃料噴射量や点火プラグ２１の点火時期を制御する。また、ＥＣＵ２７に内蔵されたＲＡＭは、各プログラムを実行する際のデータおよび各種の所定値の記憶のために使用される。

このＥＣＵ２７は後述するノック発生状態判定のためのプログラムを実行することにより、ノック発生状態の有無を判定し、その判定結果により、点火時期を制御する点火時期学習制御手段を含んでいる。さらに、このＥＣＵ２７は後述する１燃焼毎にセンサ出力のノック周波数成分のピーク値をノック判定用閾値と比較して１燃焼毎にノックの有無を判定し、その判定結果により、点火時期を制御するフィードバック制御手段を含んでいる。そして、ノック有りと判定した場合には点火時期を遅角補正してノックを抑制すると共に、ノック無しの判定が連続してなされた場合には点火時期を進角補正する。これにより、聴感で許容できるノック音の範囲内で点火時期を進角させてエンジン出力や燃費を向上させるようにしている。

図２は、本発明の内燃機関の点火時期制御装置による点火時期制御全体の流れを示すフローチャートであり、図３は、点火時期制御における最終点火時期を説明する図であり、図４は、点火時期制御全体のタイムテーブルである。
本発明の内燃機関の点火時期制御装置においては、図２に示すようにフィードバック制御手段によるフィードバック制御（ステップＳ１）と点火時期学習制御手段による点火時期学習制御（ステップＳ２）とが並列的に行われて、最終点火時期（ステップＳ３）が決められている。即ち、図３に示すように最終点火時期（ｅａｏｐ）は、ベース点火時期（ｅａｂｓｅ）から、フィードバック制御により算出された遅角量又は進角量及び点火時期学習制御により遅角補正又は進角補正された学習量（ｅａｇｋｎｋ）とを差し引いたもので与えられる。なお、フィードバック制御及び点火時期学習制御については、後に詳細に説明する。

このようにして行った本発明の点火時期全体のタイムテーブルが、図４に示されている。図４において、上から順に燃焼（点火）回数、１燃焼（点火）毎のノック検出、ノックフィードバック制御の遅角量（ｅａｋｎｋ）、ノック状態判定、点火時期学習量（ｅａｋｇ）、最終点火時期（ｅａｏｐ）を示している。即ち、２、４、５回目の燃焼でそれぞれノックが発生したと判定され、ノックフィードバック制御によってそれぞれ遅角処理がされている。右方上りになっている部分は、ノックの発生無しと判定されたため、徐々に進角処理が行われていることを示している。Ｎ回までの燃焼のデータが蓄積された時点で、この期間の燃焼状態がノック状態であるかないかが判定される。図４では、最初のＮ回のノック状態判定がノック発生と判定され、点火時期が学習量（ｅａｋｇ）だけオフセットされている。最初のＮ回の燃焼では６回ノックを検出して点火時期を遅角制御していたものが、これにより、次のＮ回の燃焼では、２回のノックを検出しただけで同程度の遅角量を実現できるため、点火時期の変動を抑えることが可能となる。したがって、エンジンのトルクが安定して得られる。

図５は、ノックフィードバック制御の手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１００でノックセンサ２８によって検出された出力信号から、ノックの判定を行う。このノック判定は、図６に示すノック検出判定のフローチャートに基づいて行われる。即ち、図６に示すように、まずステップＳ１０１でノックセンサ２８の出力信号から得られたノック周波数成分のピーク値Ｐを検出する。次いでステップＳ１０２でこのピーク値Ｐをノック判定閾値（ｋｎｋｊｇ）と比較する。ピーク値Ｐがノック判定閾値より大きい場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１０３でノック有りと判定され、ピーク値Ｐがノック判定閾値より小さい場合（ＮＯ）は、ステップＳ１０４でノック無しと判定される。

次いで図５のフローチャートに戻り、上記のようにしてノック検出判定（Ｓ１００）が行われ、ステップＳ１１０でノック発生とされた場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１１１に進み、最大遅角量より進角側であるか否かが判断される。進角側であると判断される（ＹＥＳ）とステップＳ１１２に進み、所定量Ａｒだけ加えられた遅角量（ｅａｋｎｋ）の遅角処理が行われる。この所定量Ａｒは、例えばピーク値Ｐの大きさに従って決められる。次いで、ステップＳ１１３では、遅角処理後所定時間経過したかが判断される。なお、ステップＳ１１０でノック発生無しと判定された場合（ＮＯ）及びステップＳ１１１で最大遅角量より進角側にないと判断された場合（ＮＯ）は、いずれもステップＳ１１３に進む。

ステップＳ１１３で所定時間経過したと判断された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１１４に進み、ベース点火時期（ｅａｂｓｅ）より遅角側であるかどうかが判断される。遅角側であると判断された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１１５に進み、所定量Ａａだけ引かれた進角量（ｅａｋｎｋ）の進角処理が行われる。進角処理後、ステップＳ１１６に進みタイマがリセットされ、時間の計測が再び始まる。なお、ステップＳ１１３で所定時間が経過していないと判断された場合（ＮＯ）は、フローチャートを終了する。また、ステップＳ１１４でベース点火時期より遅角側でないと判断された場合（ＮＯ）は、ステップＳ１１６に進み、タイマがリセットされる。このようにして、図４に示すような鋸刃状の点火時期のノックフィードバック制御が行われる。

図７は、点火時期学習制御の手順を示すフローチャートである。点火時期学習制御においては、Ｎ回の燃焼データが蓄積され、これに基づいてまずステップＳ２００でノック発生状態の判定が行われる。このノック発生状態判定手法の１つの例が図８に示されている。

続いて、図８を参照しつつ、このノック発生状態判定手法について説明する。このノック発生状態判定手法Ｓ２００においては、燃焼数カウンタによって燃焼数Ｎをカウンタしてこれを記録する処理を行った後（ステップＳ２０１）、ステップＳ２０２およびステップＳ２０３において、予め記録された振動強度Ｍの平均値Ｖａｖおよび分散Ｘｄｉｖの更新を行う。具体的には、これら更新作業は、なまし定数α、β（０＜α、β＜１）を使用して、以下の式（１）および式（２）に基づいて行われる。さらに、ステップＳ２０４において以下の式（３）に基づき標準偏差σが算出される。

Ｖａｖ←α×振動強度＋（１−α）×Ｖａｖ （１）

Ｘｄｉｖ←β×（振動強度−Ｖａｖ）＾２＋（１−β）×Ｘｄｉｖ （２）

σ←（Ｘｄｉｖ）＾０．５ （３）

ところで、図９はノック発生状態判定手法で使用される領域を説明するための図である。図９に示される典型的な振動強度分布においては、平均値Ｖａｖ、標準偏差σに加えて、三つの領域ＺＡ、領域ＺＣ、および領域ＺＤが示されている。図示されるように、領域ＺＡは「Ｖａｖ＋σ」よりも大きい領域であり、領域ＺＤは「Ｖａｖ−σ」よりも小さい領域である。さらに、領域ＺＣは「Ｖａｖ−σ」と「Ｖａｖ」との間に位置する領域である。

このような領域分けを行った理由を図１０（ａ）を参照して説明する。図１０（ａ）はノック発生状態判定手法を説明するための図である。図１０（ａ）においては振動強度分布Ｄ１から振動強度分布Ｄ４にかけてノック強度が増大する状態が示されている。図１０（ａ）から分かるように、振動強度分布Ｄ１から振動強度分布Ｄ４にかけてノック強度が増大すると、右方向、つまりピークが大きくなる方向に振動強度分布が伸びる。これにより、平均値Ｖａｖも大きくなる方向にシフトすると共に、標準偏差σが増加する。その結果、ノック強度が増加すると、例えば振動強度分布Ｄ３に示されるように、振動強度分布の大部分が領域ＺＣに含まれるようになる。

それゆえ、本発明のノック発生状態判定手法においては、領域ＺＣと領域ＺＤとの間の比ＺＤ／ＺＣを振動強度分布Ｄ１から振動強度分布Ｄ４のそれぞれについて算出し、比ＺＤ／ＺＣを通じてノック発生状態の有無を判定するようにしている。この点に関し、この手法２００においては、領域比の代わりに各領域ＺＡ、ＺＣ、ＺＤのそれぞれにおいて検出レベルＬを越えた回数、つまりカウンタ値Ｎａ、Ｎｃ、Ｎｄおよびカウンタ値Ｎｄ、Ｎｃの比Ｎｄ／Ｎｃを使用している。

図１０（ｂ）はノック状態とカウンタ値の比Ｎｄ／Ｎｃおよびカウンタ値Ｎａとの関係を示す図である。図１０（ｂ）に示されるように、比Ｎｄ／Ｎｃはノックが発生していない状態においては比較的大きく、ノックが発生してその強度が大きくなるにつれて次第に低下する。図示されるように、ノック強度がさらに増大して所謂「小ノック」状態になると比Ｎｄ／Ｎｃは一定値（概ね零）をとるようになり、ノック強度が「小ノック」よりも増大して「発散ノック」になったとしても、比Ｎｄ／Ｎｃは変化しない。言い換えれば、比Ｎｄ／Ｎｃは「小ノック」よりもノック強度の小さい領域においてノック発生状態の有無を判定するのに有効である。

一方、図１０（ａ）において領域ＺＡに着目すると、領域ＺＡにおける振動強度分布はノック強度が増大するのに伴って低下する。従って、図１０（ｂ）に示されるように、領域ＺＡにおけるカウンタ値Ｎａもノック強度の増大に伴って低下する。このカウンタ値は「小ノック」状態において一定値をとる。そして、「発散ノック」時の振動強度分布Ｄ４においては振動強度分布が歪んで標準偏差σが増大するものの、振動強度分布の歪みはそれ以上であるので、図１０（ｂ）に示されるようにカウンタ値Ｎａは再び上昇するようになる。従って、カウンタ値Ｎａは「発散ノック」発生状態の有無を判定することができる。

前述した内容をふまえつつ、図８を再び参照して、ノック発生状態判定手法Ｓ２００におけるノック発生状態の判定について説明する。図８のステップＳ２０５からステップＳ２０７においては図１０（ａ）に示される領域ＺＡ、領域ＺＣおよび領域ＺＤへの場合分けが行われる。すなわち、ステップＳ２０５においては振動強度Ｍが「Ｖａｖ−σ」よりも小さいか否かの判定を通じて領域ＺＤにおける振動強度Ｍを選出し、ステップＳ２０６においては振動強度Ｍが「Ｖａｖ−σ」以上でかつ「Ｖａｖ」よりも小さいか否かの判定を通じて領域ＺＣにおける振動強度Ｍを選出する。同様に、ステップＳ２０７においては振動強度Ｍが「Ｖａｖ＋σ」よりも大きいか否かの判定を通じて領域ＺＡにおける振動強度Ｍを選出する。次いで、ステップＳ２０８からステップＳ２１０のそれぞれにおいて、各領域ＺＤ、ＺＣ、ＺＡに関するカウンタ値Ｎｄ、Ｎｃ、Ｎａを記録する処理が行われる。

次いで、ステップＳ２１１においては燃焼数カウンタのカウンタ値が所定の回数を越えたか否かが判定される。そして、所定の回数を越えた場合に、ノック発生状態判定手法によるノック発生状態の判定が行われる。

はじめに、ステップＳ２１２において比Ｎｄ／Ｎｃと、比Ｎｄ／Ｎｃに関する所定値とを比較し、比Ｎｄ／Ｎｃが所定値よりも小さくないと判定された場合にはステップＳ２１４においてノック発生状態無しと判定される（図１０（ｂ）を参照されたい）。一方、比Ｎｄ／Ｎｃが所定値よりも小さいと判定された場合には、ノック発生状態であると判定されて、ステップＳ２１３に進む。

ステップＳ２１３においては、ノック発生状態が「小ノック」であるのか「発散ノック」であるのかの判定が行われる。カウンタ値Ｎａが、カウンタ値Ｎａに関する所定値よりも小さくない場合には、ステップＳ２１５においてノック発生状態が「小ノック」であると判定される。一方、カウンタ値Ｎａが所定値よりも小さい場合には、ステップＳ２１６においてノック発生状態が「発散ノック」であると判定される。その後、ステップＳ２１７において各カウンタ値Ｎ、Ｎａ、Ｎｃ、Ｎｄがリセットされて、ノック発生状態判定手法Ｓ２００の処理は終了される。このようにノック発生状態判定手法Ｓ２００においては、比Ｎｄ／Ｎｃおよびカウンタ値Ｎａを用いることにより、ノック無し状態、小ノック状態および発散ノック状態を区別して判定可能になっている。

再び図７のフローチャートに戻って、上述のようにしてノック発生状態判定手法Ｓ２００によって、ステップＳ２２０でノック発生状態がノック発生と判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２２１に進み、最大遅角量より進角側にあるかどうかが判断される。進角側にあると判断された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２２２に進み、ベース学習値（ｅａｋｇｋｎｋ）に所定量Ｂを加えた学習値（ｅａｇｋｎｋ）に遅角補正する。即ち、図４に示すようにＮ回目の燃焼において点火時期を学習量（ｅａｋｇ）だけオフセットさせる。なお、ステップＳ２２１で最大遅角量より進角側にない場合（ＮＯ）は、そのままフローチャートを終了する。

ステップＳ２２０でノック発生状態がノック発生なしと判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ２２３に進み、ベース点火時期（ｅａｂｓｅ）より遅角側にあるかどうかが判断される。遅角側にある場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２２４に進み、ベース学習値（ｅａｋｇｋｎｋ）から所定量Ｂを差し引いた学習値（Ｅａｇｋｎｋ）に進角補正する。なお、ステップＳ２２３でベース点火時期より遅角側にないと判断された場合（ＮＯ）は、そのままフローチャートを終了する。

以上説明したように、本発明では、ノックフィードバック制御に用いるノック検出ロジックとノック発生状態判定ロジックとを独立して作動させるとともに、ノック発生状態判定結果を点火時期学習制御に用いている。このように１点火毎のノック検出に依存しないノック発生状態判定に基づき点火時期を学習することで、微小ノック発生状態となる点火時期近傍まで遅角補正することができ、ノックフィードバック制御による点火時期変動幅を小さくすることができる。

本発明に基づく点火時期制御装置を含むエンジン制御システム全体の概略構成図である。 本発明の実施の形態の内燃機関の点火時期制御装置が行っている点火時期制御全体の流れを説明するフローチャートである。 本発明における点火時期制御の最終点火時期を説明する図である。 本発明の点火時期制御全体のタイムテーブルである。 ノックフィードバック制御の手順を示すフローチャートである。 ノック検出判定の手順を示すフローチャートである。 点火時期学習制御の流れを説明するフローチャートである。 ノック発生状態判定手法の手順を示すフローチャートである。 図８Ａから続く手順を示している。 ノック発生状態判定手法で使用される領域を説明するための図である。 （ａ）ノック発生状態判定手法を説明するための図である。（ｂ）ノック状態とカウンタ値の比Ｎｄ／Ｎｃおよびカウンタ値Ｎａとの関係を示す図である。

符号の説明

１１ エンジン
２０ 燃料噴射弁
２１ 点火プラグ
２４ 空燃比センサ
２５ 冷却水温センサ
２６ クランク角センサ
２７ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
２８ ノックセンサ

Claims (1)

1. 内燃機関に発生するノッキングを検出し、この検出結果に基づいて内燃機関の点火時期を制御する内燃機関の点火時期制御装置において、
   内燃機関のノッキング状態に応じた振動波形の信号を出力するノックセンサと、
   前記ノックセンサにより出力された１点火毎のノック信号により、ノッキングの発生を判定し、その判定結果に基づいて点火時期遅角量又は進角量（ｅａｋｎｋ）を算出するフィードバック制御手段と、
   前記ノックセンサにより得られる複数点火分のノックセンサ出力の統計的性質に基づきノッキング発生状態を判定し、その判定結果に基づいて点火時期を遅角補正又は進角補正された学習量（ｅａｇｋｎｋ）を算出する点火時期学習制御手段と、
   を具備していて、内燃機関の最終点火時期（ｅａｏｐ）を、ベース点火時期（ｅａｂｓｅ）から、前記フィードバック制御手段により算出された遅角量又は進角量及び前記点火時期学習制御手段により算出された学習量とを差し引くことにより算出していることを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。

Images