JP4849475B2 - 火花点火式内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents
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Description
上記発明によると、触媒の昇温のために点火時期を遅角補正するときに、遅角補正量を機関温度及び機関回転速度に基づき設定することで、触媒の暖機性能と機関の燃焼安定度の確保を図り、更に、触媒昇温のための遅角補正量が変化すると、これに連動して遅角リミッタを変更することで、昇温のための遅角要求が遅角リミッタによって過剰に制限されることがないようにする。更に、遅角リミッタの変更は、最終限界リミッタで制限され、触媒昇温のための要求があるとしても、最終限界リミッタ(例えば、失火限界)を超える遅角補正は禁止される。
請求項4記載の発明は、請求項3記載の発明において、前記吸気バルブの閉時期を吸気下死点付近とすべく可変動弁機構を制御するようにした。
請求項5記載の発明は、請求項4記載の発明において、吸気バルブの閉時期が下死点から離れているときほど、前記遅角補正量を縮小するようにした。
上記発明によると、吸気バルブの閉時期が下死点から離れるほど、燃焼安定度を維持できる遅角代が小さくなるので、吸気バルブの閉時期が吸気下死点から離れるほど、遅角補正量を縮小する。
請求項6記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1つに記載の発明において、触媒昇温のための点火時期の遅角補正量が減少し、点火時期が進角変化するときに、点火毎の点火時期の進角変化量が変化量リミッタを超えないように制限するようにした。
図1は、実施形態における車両用の火花点火式内燃機関のシステム構成図である。
図1において、内燃機関101の吸気管102には、スロットルモータ103aでスロットルバルブ103bを開閉する電子制御スロットル装置104が介装され、該電子制御スロットル装置104及び下流の吸気バルブ105を介して、燃焼室106内に空気が吸入される。
前記燃料噴射弁131には、所定圧に調整された燃料が供給され、エンジンコントロールモジュール(ECM)114から送られる噴射パルス信号の噴射パルス幅(開弁時間)に比例する量の燃料を噴射する。
前記点火プラグ151には、それぞれパワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル152が直付けされており、前記エンジンコントロールモジュール114から前記パワートランジスタのオン・オフを制御する点火制御信号を出力することで、各気筒の点火時期が制御される。
尚、燃料噴射弁131が燃焼室106内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の燃料噴射装置とすることができる。
尚、排気浄化用触媒として、フロント触媒コンバータ108及びリア触媒コンバータ109の2つを備える構成に限定されず、触媒を1つだけ備える機関であっても良い。
前記排気バルブ107は、排気側カムシャフト110に設けられたカム111によって一定の開特性(最大バルブリフト量,バルブ作動角及びバルブタイミング)を保って開閉駆動される。
前記可変リフト機構112は、吸気バルブ105の最大バルブリフト量をバルブ作動角と共に連続的に可変とする機構であって、最大バルブリフト量を増大(減少)変化させるとこれに伴ってバルブ作動角も同時に増大(減少)変化させる機構である。
マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールモジュール114は、予め記憶されたプログラムに従った演算処理によって、燃料噴射弁131,パワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル152,電子制御スロットル装置104,可変リフト機構112及び可変バルブタイミング機構113に制御信号を出力する。
前記エンジンコントロールモジュール114には、各種センサからの検出信号が入力される。
前記単位クランク角信号POSは、内燃機関101の気筒間における行程位相差(点火間隔)に相当するクランク角度(4気筒で180°CA)毎に歯抜けを生じるように、シグナルプレート上の前記被検出部が設定されており、前記単位クランク角信号POSの歯抜け位置を、単位クランク角信号POSの出力周期に基づいて検出することで、前記行程位相差毎の基準クランク角位置REFを検出することができるようになっている。
また、内燃機関101の回転速度NEは、前記基準クランク角位置REFの検出間隔時間に基づいて算出される。
本実施形態の内燃機関101は、各気筒に一対の吸気バルブ105がそれぞれ設けられており、これら吸気バルブ105の上方に、前記クランクシャフト120によって回転駆動される吸気バルブ駆動軸3が気筒列方向に沿って回転可能に支持されている。
前記吸気バルブ駆動軸3と揺動カム4との間に、吸気バルブ105の作動角及び最大バルブリフト量を連続的に変更するための可変リフト機構112が設けられている。
尚、図2では、一対の吸気バルブ105について、一方にのみ可変リフト機構112を図示し、他方については図示を省略してある。
前記可変リフト機構112は、図2及び図3に示すように、吸気バルブ駆動軸3に偏心して固定的に設けられる円形の駆動カム11と、この駆動カム11に相対回転可能に外嵌するリング状リンク12と、吸気バルブ駆動軸3と略平行に気筒列方向へ延びる制御軸13と、この制御軸13に偏心して固定的に設けられた円形の制御カム14と、この制御カム14に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク12の先端に連結されたロッカアーム15と、このロッカアーム15の他端と揺動カム4とに連結されたロッド状リンク16と、を有している。
尚、制御軸13を油圧式のアクチュエータで回転駆動させることが可能で、制御軸13を回転させるアクチュエータは、モータ17等の電動アクチュエータに限定されない。
また、前記モータ17を駆動制御して制御軸13の回転角度を変化させることにより、ロッカアーム15の揺動中心となる制御カム14の軸心位置が変化して揺動カム4の姿勢が変化する。
エンジンコントロールモジュール114には、前記制御軸13の角度位置を検出する角度センサ133からの検出信号が入力され、目標バルブリフト量に対応する目標角度位置に前記制御軸13を回動させるべく、前記角度センサ133の検出結果に基づいて前記モータ17の通電操作量をフィードバック制御する。
本実施形態では、可変バルブタイミング機構113として、ベーン式の可変バルブタイミング機構を採用しているが、ベーン式に限定されるものではなく、例えば電磁リターダを用いたものなど公知の種々の機構を採用できる。
図4に示す可変バルブタイミング機構113は、クランクシャフト120によりタイミングチェーンを介して回転駆動されるカムスプロケット51(タイミングスプロケット)と、吸気バルブ駆動軸3の端部に固定されてカムスプロケット51内に回転自在に収容された回転部材53と、該回転部材53をカムスプロケット51に対して相対的に回転させる油圧回路54と、カムスプロケット51と回転部材53との相対回転位置を所定位置で選択的にロックするロック機構60とを備えている。
前記ハウジング56は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面には、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング56の軸方向に沿って設けられる4つの隔壁部63が90°間隔で突設されている。
前記第1〜第4ベーン78a〜78dは、それぞれ断面が略逆台形状を呈し、各隔壁部63間の凹部に配置され、前記凹部を回転方向の前後に隔成し、ベーン78a〜78dの両側と各隔壁部63の両側面との間に、進角側油圧室82と遅角側油圧室83とを構成する。
前記油圧回路54は、進角側油圧室82に対して油圧を給排する第1油圧通路91と、遅角側油圧室83に対して油圧を給排する第2油圧通路92との2系統の油圧通路を有し、この両油圧通路91,92には、供給通路93とドレン通路94a,94bとがそれぞれ通路切り換え用の電磁切換弁95を介して接続されている。
前記第1油圧通路91は、回転部材53の基部77内に略放射状に形成されて各進角側油圧室82に連通する4本の分岐路91dに接続され、第2油圧通路92は、各遅角側油圧室83に開口する4つの油孔92dに接続される。
前記エンジンコントロールモジュール114は、前記電磁切換弁95を駆動する電磁アクチュエータ99に対する通電のオン・オフを、デューティ制御信号に基づいて制御する。
従って、遅角側油圧室83の内圧が高、進角側油圧室82の内圧が低となって、回転部材53は、ベーン78a〜78bを介して最大遅角側に回転し、この結果、吸気バルブ105の開期間(開時期及び閉時期)が遅くなり、バルブオーバーラップが縮小する。
このため、回転部材53は、ベーン78a〜78dを介して進角側へ最大に回転し、これによって、吸気バルブ105の開期間(開時期及び閉時期)が早くなり、バルブオーバーラップが拡大する。
前記エンジンコントロールモジュール114は、冷機始動直後にフロント触媒コンバータ108及びリア触媒コンバータ109(排気浄化用触媒)の温度を早期に上昇させ、活性温度への到達時間を短くすることで、排気エミッションを低下させるべく、点火時期を遅角補正する触媒昇温制御を行う。
尚、本実施形態では、触媒昇温のための点火時期の遅角補正制御を、FIRと表記する場合がある。
まず、制御許可条件判定部A001では、前記遅角補正制御の許可条件が成立しているか否かを判断する。
前記バルブタイミング操作部A002(開特性補正手段)では、許可条件が成立している場合には、吸気バルブ105の閉時期IVCを吸気下死点付近に制御すると共に、そのときの実際の閉時期IVCを前記点火遅角量演算部A003に出力する。
前記点火遅角量演算部A003で演算された遅角補正量FIRTDは、遅角補正部(減算部)A004に出力され、ここで、基本点火時期(基本点火進角値)から前記遅角補正量FIRTDを減算することで、点火時期を遅角補正する(遅角補正手段)。
前記基本点火時期は、機関負荷、機関回転速度、冷却水温度、アイドル・非アイドルの別などの運転条件に応じて設定され、更に、ノッキングの発生時に遅角させるノッキング補正分を含めて前記基本点火時期とすることができる。
本実施形態では、下記条件が全て成立している場合に、遅角補正制御を許可するものとする。
(1)始動時水温≧所定温度
(2)アイドル運転時
(3)スタートスイッチのオンを経験し、かつ、スタートスイッチがオフ
始動時水温≧所定温度
(4)スタートスイッチがオンからオフに切り替わってから所定時間経過
(5)機関回転速度が所定範囲内
(6)可変動弁機構が正常
(7)機関発生総熱量<所定値
前記(1)〜(7)の各条件は、以下のような理由で、遅角補正制御の許可条件に含められる。
また、走行時に点火時期を遅角すると、機関の出力が低下して運転性が低下するので、条件(2)によって、アイドル時(車両停止時、スロットル全閉時)に点火時期を遅角させ、非アイドル時(車両走行時、スロットル開時)に点火時期の遅角を禁止し、触媒昇温のための遅角補正によって運転性能が低下することを回避する。
更に、始動直後(クランキング終了直後)も燃焼安定度が悪く、点火時期を遅角すると失火が発生するので、上記条件(4)によって、始動直後(クランキング終了直後)で燃焼安定度が悪いときには、触媒昇温のための遅角補正を禁止するものであり、前記所定時間は、燃焼安定度が点火時期の遅角補正に耐え得るようになるまでの時間であって、実機検証やシミュレーションによって予め設定される。
尚、遅角補正制御の許可条件を上記の(1)〜(7)に限定するものではなく、上記(1)〜(7)のうちの一部が成立しているときに遅角補正制御を許可させることができ、また、上記(1)〜(7)以外の条件の付加・置換が可能である。
即ち、吸気バルブ105の閉時期IVCを吸気下死点付近に制御すると、実圧縮比が増加して燃焼速度が早くなり、点火時期を遅角しても燃焼安定性を確保できるため、閉時期IVCが吸気下死点からずれている場合に比べて、点火時期をより遅角させることができる。
図6のブロック図は、前記点火遅角量演算部A003の詳細を示す。
まず、基本遅角量演算部B101では、そのときの機関回転速度NE及び冷却水温度TW(機関温度)から、基本遅角補正量FRBASEFを算出する。
前記基本遅角補正量FRBASEFは、機関回転速度NE及び冷却水温度TWを軸とするマップから検索して設定させることができる他、機関回転速度NE及び冷却水温度TWを変数とする演算式に基づいて算出させることができ、更には、機関回転速度NEと冷却水温度TWとの一方に基づき設定された遅角補正量を、他方に基づいて設定した補正係数で補正し、該補正結果を前記基本遅角補正量FRBASEFとすることができる。
前記吸気バルブ105の閉時期IVCの実際値は、センサで検出されるそのときのバルブリフト量と作動角の中心位相(開期間の中心位置)とから求めることができる。
絶対値演算部B103では、前記減算処理部B102で算出した偏差の絶対値ERRVLTを算出する。
前記補正係数HOSVLは、前記絶対値ERRVLTが0であれば、1に設定され、前記絶対値ERRVLTが大きくなるほど1よりも小さい値に設定され、前記絶対値ERRVLTが閾値以上になると、HOSVL=0に保持される。
即ち、そのときの吸気バルブ105の閉時期IVCが、点火時期の遅角補正時における目標閉時期IVC(吸気下死点付近)に一致している場合には、基本遅角補正量FRBASEF=遅角補正量FIRTD00となるが、そのときの吸気バルブ105の閉時期IVCと、点火時期の遅角補正時における目標閉時期IVC(吸気下死点付近)との偏差の絶対値ERRVLTが大きくなるほど、基本遅角補正量FRBASEFが縮小されて遅角補正量FIRTD00が設定される。
従って、例えば、点火時期の遅角補正時における目標閉時期IVC(吸気下死点付近)に実際の閉時期IVCが近づきつつある過渡応答中に、点火時期が過剰に遅角補正されることを防止できると共に、点火時期の遅角補正時における目標閉時期IVC(吸気下死点付近)に実際の閉時期IVCが一致するようになれば、点火時期を最大限に遅角させることができる。
前記乗算部B105から出力される前記遅角補正量FIRTD00は、切替部B106の2つの入力端子の一方に入力され、切替部B106の他方の入力端子には、固定値である0.0が入力される。
即ち、遅角補正制御が許可される条件であれば、点火時期を遅角補正すべく遅角補正量FIRTD00をそのまま出力し、遅角補正制御が許可されない条件であれば、点火時期の遅角補正を禁止すべく遅角補正量FIRTD00として0.0を出力する。
前記変化量リミッタ部B107(進角変化制限手段)は、点火毎の遅角補正量FIRTDの変化量を基準値以下に制限し、遅角補正量FIRTDの急激な変化による機関出力の急変を回避するものである。
特に、機関(触媒)の暖機が進み、水温が上昇してくると、遅角補正量FIRTDは急激に減少し、結果、点火時期が進角方向に急変し、機関の出力を急増させてしまうことになるので、前記変化量リミッタ部B107によって遅角補正量FIRTDの減少速度を制限し、以って、点火時期の進角方向への変化速度を抑制することで、機関の出力が急増することを防止する。
更に、遅角補正量FIRTDによる減算補正が施された後の点火時期は、遅角リミッタを超えないように制限され、該遅角リミッタによって必要に応じて制限処理が施された後の点火時期に基づいて、実際の点火制御が行われるようになっている。
図7において、遅角リミッタ処理部C201(遅角制限手段)には、前記遅角補正部A004から出力される点火時期(点火進角値)と、遅角リミッタADVRMXFIとが入力され、前記遅角補正部A004から出力される点火時期(点火進角値)が、遅角リミッタADVRMXFIよりも小さい場合には、遅角リミッタADVRMXFIを最終的な点火時期(点火進角値)として出力することで、遅角リミッタADVRMXFIよりも点火時期が遅れることがないようにする。
前記遅角リミッタ値設定部C202では、下式に従って、遅角リミッタADVRMXFIを算出する。
ADVRMXFI=max(ADVRMX#、min(ADVRMX0#−FIRTD,ADVRMXFI(n-1)+ADVLMT#))
上式において、ADVRMX#は、遅角リミッタの最小限界値(最終限界リミッタ)であり、如何なる場合もこれを超えての遅角は許容できない値であり、また、ADVRMX0#は基本遅角リミッタであり、これらの最小限界値ADVRMX#及び基本遅角リミッタADVRMX0#は、固定値であっても良いし、機関負荷・機関回転速度・冷却水温度などの運転条件から可変に設定させることができる。
更に、ADVRMXFI(n-1)は、遅角リミッタADVRMXFIの前回値(前回点火制御時の値)であり、ADVLMT#は進角変化リミッタである。
従って、基本遅角リミッタADVRMX0#を遅角補正量FIRTDに応じて変更することで、触媒昇温のための遅角補正を要求通りに行わせて、遅角補正による触媒昇温効果を得ることができる一方、触媒昇温のための遅角補正を行わない場合には、前記基本遅角リミッタADVRMX0#を遅角限界とすることで、過剰な遅角による出力の低下などを回避できる。
更に、上式では、最小限界値ADVRMX#と、min(ADVRMX0#−FIRTD,ADVRMXFI(n-1)+ADVLMT#)との大きい方を選択する。
即ち、最小限界値ADVRMX#は、点火時期の進角値の最小限界であり、たとえ触媒昇温のための遅角補正時であっても、前記最小限界値ADVRMX#(最終限界リミッタ)を超えて遅角されることがないようにしてある(遅角リミッタ変更制限手段)。
尚、上記実施形態では、遅角補正量FIRTDで基本遅角リミッタADVRMX0#を修正したが、触媒昇温のための遅角補正を行うときには、触媒昇温時に専用の基本遅角リミッタADVRMX0#に切り換えるようにし、下式に従って遅角リミッタADVRMXFIを算出させるようにすることができる。
前記触媒昇温時に専用の基本遅角リミッタADVRMX0#は、固定値であっても良いし、機関回転速度NE、冷却水温度TWなどの運転条件から可変に設定させることができ、触媒昇温時には、遅角リミッタADVRMXFI=最小限界値ADVRMX#とすることも可能である。
Claims (6)
- 排気系に排気浄化用の触媒を備えた火花点火式内燃機関において、
前記触媒の昇温のために、機関温度及び機関回転速度に基づき設定した遅角補正量に応じて点火時期を遅角補正する遅角補正手段と、
点火時期が遅角リミッタを超えないように制限する遅角制限手段と、
前記遅角補正手段によって前記点火時期が遅角補正されるときに、前記遅角補正手段による点火時期の遅角補正量に応じて前記遅角リミッタをより遅角側に変更する遅角リミッタ変更手段と、
前記遅角リミッタ変更手段による前記遅角補正量に応じた前記遅角リミッタの変更を、最終限界リミッタで制限する遅角リミッタ変更制限手段と、
を含んで構成されることを特徴とする火花点火式内燃機関の点火時期制御装置。 - 前記遅角補正手段が、機関温度が高く、かつ、機関回転速度が高いほど、点火時期をより遅角させるように、前記遅角補正量を設定することを特徴とする請求項1記載の火花点火式内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記火花点火式内燃機関が、吸気バルブの開特性を変更する可変動弁機構を備え、
前記遅角補正手段による点火時期の遅角補正に対応させて、前記吸気バルブの開特性を補正すべく前記可変動弁機構を制御する開特性補正手段と、
該開特性補正手段における目標の開特性と実際の開特性との差異に基づいて、前記遅角補正手段による点火時期の遅角補正量を修正する遅角補正量修正手段と、
を設けたことを特徴とする請求項1又は2記載の火花点火式内燃機関の点火時期制御装置。 - 前記開特性補正手段が、前記吸気バルブの閉時期を吸気下死点付近とすべく前記可変動弁機構を制御することを特徴とする請求項3記載の火花点火式内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記遅角補正量修正手段が、前記吸気バルブの閉時期が下死点から離れているときほど、前記遅角補正量を縮小することを特徴とする請求項4記載の火花点火式内燃機関の点火時期制御装置。
- 前記遅角補正手段による点火時期の遅角補正量が減少し、点火時期が進角変化するときに、点火毎の点火時期の進角変化量が変化量リミッタを超えないように制限する進角変化制限手段を設けたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の火花点火式内燃機関の点火時期制御装置。
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