JP5026499B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に内燃機関のアイドル状態において機関回転数を一定に制御するものに関する。

特許文献１には、内燃機関のアイドル状態において、機関回転数が目標回転数と一致するように供給混合気量をフィードバック制御するとともに、点火時期も同様にフィードバック制御する制御方法が示されている。この制御方法では、点火時期のフィードバック制御を行わないときは、点火時期はエンジン回転速度及び吸気量に応じて算出される基本進角値に設定され、フィードバック制御は、機関回転数と目標回転数との偏差に応じて、正または負の値に設定される補正量を基本進角値に加算することにより行われる。

特公平３−１６５００号公報

点火時期を変化させると機関出力トルクが変化し、最適点火時期（ＭＢＴ：Minimum Advance for Best Torque）において最大となることは、よく知られている。したがって、点火時期は最適点火時期の近傍にあるときは、点火時期の変化に対する機関出力トルクの変化量は小さくなる。ところが、上記特許文献１は、基本進角値を機関回転速度及び吸気量に応じて算出すると記載するのみであり、この点について考慮されていない。よって、フィードバック制御の中心点火時期の設定が不適切であるときは、点火時期の変化に対する機関出力トルクの変化量が小さいために、機関回転数の制御応答性が低下する可能性がある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、機関のアイドル状態における点火時期の制御中心値を適切に設定し、機関回転数をより安定化することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段を備える内燃機関の制御装置において、前記機関の吸気圧（ＰＢＡ）を検出する吸気圧検出手段と、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段と、前記吸気圧（ＰＢＡ）に応じて点火時期余裕量（ＤＩＧＣＮＴ）を算出する余裕量算出手段と、前記回転数（ＮＥ）及び吸気圧（ＰＢＡ）に応じて、前記機関の出力トルクを最大とする最適点火時期（ＭＢＴ）を算出する最適点火時期算出手段と、前記最適点火時期（ＭＢＴ）から前記点火時期余裕量（ＤＩＧＣＮＴ）だけ遅角側の点火時期を最適中心点火時期（ＩＧＣＭＢＴ）として算出し、制御中心点火時期（ＩＧＣＮＴ）を前記最適中心点火時期（ＩＧＣＭＢＴ）に設定する制御中心点火時期設定手段と、前記回転数（ＮＥ）を目標アイドル回転数（ＮＥＯＢＪ）に一致させるように点火時期のフィードバック補正量（ＩＧＦＢ）を算出するフィードバック補正量算出手段と、前記機関においてノッキングが発生する可能性が高くなる点火時期である限界点火時期（ＩＧＫＮＯＣＫ）を、前記回転数（ＮＥ）及び吸気圧（ＰＢＡ）に応じて算出する限界点火時期算出手段とを備え、前記余裕量算出手段は、前記フィードバック補正量（ＩＧＦＢ）の可変範囲を示す制御幅定義量（ＤＩＧＣＴＬ）を算出する制御幅定義量算出手段を有し、前記制御中心点火時期設定手段は、前記限界点火時期（ＩＧＫＮＯＣＫ）から前記制御幅定義量（ＤＩＧＣＴＬ）だけ遅角側の点火時期をノック限界依存点火時期（ＩＧＣＫＮＫ）として算出し、該ノック限界依存点火時期（ＩＧＣＫＮＫ）が前記最適中心点火時期（ＩＧＣＭＢＴ）より遅角側にあるときは、前記制御中心点火時期（ＩＧＣＮＴ）を前記ノック限界依存点火時期（ＩＧＣＫＮＫ）に設定し、前記点火時期制御手段は、前記機関のアイドル状態において、前記制御中心点火時期（ＩＧＣＮＴ）及びフィードバック補正量（ＩＧＦＢ）を用いて前記点火時期を制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関の吸入空気流量を制御する吸入空気流量制御手段と、前記機関の目標吸気圧（ＰＢＡＣＭＤ）を設定する目標吸気圧設定手段とをさらに備え、前記吸入空気流量制御手段は、検出される吸気圧（ＰＢＡ）が前記目標吸気圧（ＰＢＡＣＭＤ）と一致するように前記吸入空気流量を制御し、前記目標吸気圧設定手段は、前記機関のアイドル状態における目標トルク（ＴＲＱＩＤＬ）に応じて仮目標吸入空気流量（ＧＡＣＴＭＰ）を算出する仮目標吸入空気流量算出手段を有し、前記仮目標吸入空気流量（ＧＡＣＴＭＰ）に応じて仮目標吸気圧（ＰＢＣＴＭＰ）を算出する第１ステップ、前記仮目標吸気圧（ＰＢＣＴＭＰ）に応じて仮点火時期余裕量（ＤＩＧＴＭＰ）を算出する第２ステップ、前記仮点火時期余裕量（ＤＩＧＴＭＰ）に応じて前記機関の出力トルクの減少率（ＫＴＲＱＤＮ）を算出する第３ステップ、及び前記仮目標吸入空気流量（ＧＡＣＴＭＰ）を前記減少率（ＫＴＲＱＤＮ）で除算することにより前記仮目標吸入空気流量（ＧＡＣＴＭＰ）を更新する第４ステップを繰り返し実行し、前記目標吸気圧（ＰＢＡＣＭＤ）を、前記減少率（ＫＴＲＱＤＮ）の今回値と前回値との差が所定閾値（ＤＴＲＴＨ）以下となった時点の仮目標吸気圧（ＰＢＣＴＭＰ）に設定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は吸気弁のリフト量（ＬＦＴ）を連続的に変更する弁作動特性可変機構（４１）を備え、前記弁作動特性可変機構を介して前記吸気弁のリフト量（ＬＦＴ）を制御するリフト量制御手段をさらに備え、該リフト量制御手段は、前記機関のアイドル状態では前記リフト量（ＬＦＴ）を所定低リフト量（ＬＦＴＩＤＬ）に保持することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、吸気圧に応じて点火時期余裕量が算出され、最適点火時期から点火時期余裕量だけ遅角側の点火時期が最適中心点火時期として算出され、制御中心点火時期が最適中心点火時期に設定される。そして、機関のアイドル状態において、機関回転数を目標アイドル回転数に一致させるフィードバック制御が、制御中心点火時期を中心としてフィードバック補正量を用いて行われる。したがって、最適点火時期から点火時期余裕量だけ遅角側の点火時期を中心として点火時期が変更されるため、機関出力トルクの十分な制御応答性が確保され、機関回転数を目標回転数に安定的に維持することができる。また、フィードバック補正量の可変範囲を示す制御幅定義量が算出され、ノッキングが発生する可能性が高くなる点火時期である限界点火時期から制御幅定義量だけ遅角側の点火時期がノック限界依存点火時期として算出されるとともに、ノック限界依存点火時期が最適中心点火時期より遅角側にあるときは、制御中心点火時期がノック限界依存点火時期に設定される。機関のアイドル状態においても吸気圧が比較的高くなるように制御されることがあり、そのような状態ではノック限界依存点火時期が最適中心点火時期より遅角側となる。したがって、制御中心点火時期をノック限界依存点火時期に設定することにより、機関出力トルクの制御応答性を確保しつつノッキングを確実に防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、検出される吸気圧が目標吸気圧と一致するように吸入空気流量が制御され、機関のアイドル状態における目標トルクに応じて仮目標吸入空気流量が算出される。さらに仮目標吸入空気流量に応じて仮目標吸気圧を算出する第１ステップ、仮目標吸気圧に応じて仮点火時期余裕量を算出する第２ステップ、仮点火時期余裕量に応じて機関の出力トルクの減少率を算出する第３ステップ、及び仮目標吸入空気流量を減少率で除算することにより仮目標吸入空気流量を更新する第４ステップが繰り返し実行され、目標吸気圧が、減少率の今回値と前回値との差が所定閾値以下となった時点の仮目標吸気圧に設定される。目標吸入空気流量に応じて目標吸気圧を算出し、検出される吸気圧が目標吸気圧と一致するように吸入空気流量を制御する場合には、吸入空気流量の変化によって吸気圧が変化し、点火時期余裕量も変化する。その結果、制御中心点火時期を最適点火時期より遅角側の点火時期に設定する場合の出力トルク減少率が変化し、目標吸入空気流量を変更することが必要となるが、その演算を繰り返すと減少率が一定値に収束する。したがって、減少率が収束した時点の仮目標吸気圧を目標吸気圧として採用することにより、吸入空気流量制御と点火時期制御の相互干渉による制御の不安定化を防止し、アイドル状態における機関回転数をより安定化することができる。

請求項３に記載の発明によれば、機関のアイドル状態では吸気弁のリフト量が所定低リフト量に維持されるので、吸気弁のリフト量の制御と、吸入空気流量制御手段による吸入空気流量制御との相互干渉がなくなり、アイドル状態における機関回転数を安定化することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関とその制御装置の構成を示す図であり、図２は弁作動特性可変装置の構成を示す図である。図１において、例えば４気筒を有する内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、吸気弁及び排気弁と、これらを駆動するカムを備えるとともに、吸気弁の弁リフト量及び開角（開弁期間）を連続的に変更する第１弁作動特性可変機構４１と、吸気弁を駆動するカムの、クランク軸回転角度を基準とした作動位相を連続的に変更するカム位相可変機構としての第２弁作動特性可変機構４２とを有する弁作動特性可変装置４０を備えている。第２弁作動特性可変機構４２により吸気弁を駆動するカムの作動位相が変更され、吸気弁の作動位相が変更される。

エンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。また、スロットル弁３にはスロットル弁開度（ＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット（以下（ＥＣＵ）という）５に供給する。スロットル弁３には、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ７が接続されており、アクチュエータ７は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

エンジン１の各気筒の点火プラグ１５は、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５は点火プラグ１５に点火信号を供給し、点火時期制御を行う。
スロットル弁３の下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が取付けられている。またエンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出するエンジン冷却水温センサ１０が取り付けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１及び、エンジン１の吸気弁を駆動するカムが固定されたカム軸の回転角度を検出するカム角度位置センサ１２が接続されており、クランク軸の回転角度及びカム軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、一定クランク角周期毎（例えば３０度周期）に１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）と、クランク軸の所定角度位置を特定するパルスを発生する。また、カム角度位置センサ１２は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）と、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）でパルス（以下「ＴＤＣパルス」という）を発生する。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。なお、カム角度位置センサ１２より出力されるＴＤＣパルスと、クランク角度位置センサ１１より出力されるＣＲＫパルスとの相対関係からカム軸の実際の作動位相ＣＡＩＮが検出される。

ＥＣＵ５には、エンジン１によって駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ３１、当該車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ３２、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ３３が接続されている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

弁作動特性可変装置４０は、図２に示すように、吸気弁のリフト量及び開角（以下単に「リフト量」という）を連続的に変更する第１弁作動特性可変機構４１と、吸気弁の作動位相を連続的に変更する第２弁作動特性可変機構４２と、吸気弁のリフト量ＬＦＴを連続的に変更するためのモータ４３と、吸気弁の作動位相を連続的に変更するために、その開度が連続的に変更可能な電磁弁４４とを備えている。吸気弁の作動位相を示すパラメータとして、上記カム軸の作動位相ＣＡＩＮが用いられる。電磁弁４４には、オイルパン４６の潤滑油がオイルポンプ４５により、加圧されて供給される。なお、第２弁作動特性可変機構４２の具体的な構成は、例えば特開２０００−２２７０１３号公報に示されている。

第１弁作動特性可変機構４１は、図３（ａ）に示すように、カム５２が設けられたカム軸５１と、シリンダヘッドに軸５５ａを中心として揺動可能に支持されるコントロールアーム５５と、コントロールアーム５５を揺動させるコントロールカム５７が設けられたコントロール軸５６と、コントロールアーム５５に支軸５３ｂを介して揺動可能に支持されるとともに、カム５２に従動して揺動するサブカム５３と、サブカム５３に従動し、吸気弁６０を駆動するロッカアーム５４とを備えている。ロッカアーム５４は、コントロールアーム５５内に揺動可能に支持されている。

サブカム５３は、カム５２に当接するローラ５３ａを有し、カム軸５１の回転により、軸５３ｂを中心として揺動する。ロッカアーム５４は、サブカム５３に当接するローラ５４ａを有し、サブカム５３の動きが、ローラ５４ａを介して、ロッカアーム５４に伝達される。

コントロールアーム５５は、コントロールカム５７に当接するローラ５５ｂを有し、コントロール軸５６の回動により軸５５ａを中心として揺動する。図３（ａ）に示す状態では、サブカム５３の動きはロッカアーム５４にほとんど伝達されないため、吸気弁６０はほぼ全閉の状態を維持する。一方同図（ｂ）に示す状態では、サブカム５３の動きがロッカアーム５４を介して吸気弁６０に伝達され、吸気弁６０は最大リフト量ＬＦＴＭＡＸ（例えば１２ｍｍ）まで開弁する。

したがって、モータ４３によりコントロール軸５６を回動させることにより、吸気弁６０のリフト量ＬＦＴを連続的に変更することがきる。本実施形態では、第１弁作動特性可変機構４１に、コントロール軸５６の回転角度（以下「ＣＳ角度」という）ＣＳＡを検出するコントロール軸回転角度センサ（以下「ＣＳ角度センサ」という）１４が設けられており、検出されるＣＳ角度ＣＳＡがリフト量ＬＦＴを示すパラメータとして使用される。

なお、第１弁作動特性可変機構４１の詳細な構成は、特開２００８−２５４１８号公報に示されている。
第１弁作動特性可変機構４１により、図４（ａ）に示すように吸気弁のリフト量ＬＦＴ（及び開角）が変更される。また第２弁作動特性可変機構４２により、吸気弁は、同図（ｂ）に実線Ｌ３及びＬ４で示す特性を中心として、カムの作動位相ＣＡＩＮの変化に伴って破線Ｌ１，Ｌ２で示す最進角位相から、一点鎖線Ｌ５，Ｌ６で示す最遅角位相までの間の位相で駆動される。

ＥＣＵ５は各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路のほか、アクチュエータ７、燃料噴射弁６、点火プラグ１５、モータ４３、電磁弁４４に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、上記センサの検出信号に応じて、スロットル弁３の開度制御、エンジン１に供給する燃料量（燃料噴射弁６の開弁時間）の制御、点火時期制御、並びにモータ４３及び電磁弁４４による弁作動特性（吸入空気流量）の制御を行う。

次に図５を参照して本実施形態における点火時期制御の概要を説明する。
図５（ａ）は、エンジンのアイドル状態における点火時期ＩＧとエンジン出力トルクとの関係を示す図であり、点火時期ＩＧは、最適点火時期ＭＢＴ（Minimum Spark Advance for Best Torque）を「０」とし、進角方向をプラスとして示されている。またエンジン出力トルクは最適点火時期における出力トルクを基準としたトルク比率ηによって示されている。点火時期ＩＧとトルク比率ηとの関係は、吸気弁のリフト量ＬＦＴ、吸入空気流量ＧＡＩＲ、あるいはエンジン回転数ＮＥが変化してもほとんと変化せず、アイドル状態では図５（ａ）の特性で示されることが実験的に確認されている。そこで図５（ａ）に示される特性を考慮し、本実施形態では最適点火時期ＭＢＴから余裕量ＤＩＧＣＮＴだけ遅角側の点火時期を中心として（換言すれば最適点火時期近傍の非線形領域を避けて）アイドル状態における点火時期制御を行うことにより、点火時期ＩＧを変更することによるエンジン出力トルクの良好な制御性を確保し、アイドル回転数の安定化を図るようにしている。

図５（ｂ）は、吸気圧ＰＢＡと、点火時期ＩＧとの関係を示す図であり、実線Ｌ１１は最適点火時期ＭＢＴを示し、破線Ｌ１２はノッキングが発生する可能性が高くなる最小進角量に対応する点火時期（以下「ノック限界点火時期」という）ＩＧＫＮＯＣＫを示し、実線Ｌ１３は点火時期制御の中心となる中心点火時期ＩＧＣＮＴを示す。図５（ｂ）に示す吸気圧ＰＢ１〜ＰＢ３は、例えばそれぞれ４８ｋＰａ，６１ｋＰａ，７５ｋＰａ程度である。

本実施形態では、アイドル状態において、中心点火時期ＩＧＣＮＴを中心として、破線で示す範囲（ＩＧＣＮＴ±ＤＩＧＣＴＬ）で点火時期を変化させることにより、エンジン回転数ＮＥが目標アイドル回転数ＮＥＯＢＪと一致するようにフィードバック制御が行われる。ＤＩＧＣＴＬは、点火時期の制御範囲幅の１／２に相当するパラメータであり、以下「制御幅定義量」という。また図５（ｂ）に示すＤＩＧＮＬは、最適点火時期の遅角側の非線形領域（点火時期の変化に対する出力トルクの変化が非線形な領域）の幅を示すパラメータであり、以下「非線形領域幅」という）。

中心点火時期ＩＧＣＮＴは、基本的には最適点火時期ＭＢＴより余裕量ＤＩＧＣＮＴ（＝ＤＩＧＣＴＬ＋ＤＩＧＮＬ）だけ遅角側に設定されるが、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫより制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬだけ遅角側の点火時期（以下「ノック限界依存点火時期」という）ＩＧＣＫＮＫが、（ＭＢＴ−ＤＩＧＣＮＴ）より遅角側となるときは、中心点火時期ＩＧＣＮＴはノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫに設定される。これにより、エンジン出力トルクの制御性を確保しつつノッキングの発生を確実に防止することができる。

図６は上述したアイドル状態における点火時期制御を行うモジュールの構成を示すブロック図である。図６に示すモジュールの機能は、ＥＣＵ５のＣＰＵにおける演算処理により実現される。

図６に示すモジュールは、最適点火時期算出部７１と、制御幅定義量算出部７２と、ノック限界点火時期算出部７３と、加算部７４，７９と、減算部７５，７６と、選択部７７と、フィードバック制御部７８とを備えている。

最適点火時期算出部７１は、エンジン回転数ＮＥ、吸気圧ＰＢＡ、吸気温ＴＡ、及び冷却水温ＴＷに応じて最適点火時期ＭＢＴを算出する。具体的には、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて設定されたＭＢＴマップを検索してマップ値ＭＢＴＭを算出し、マップ値ＭＢＴＭを吸気温ＴＡ及び冷却水温ＴＷに応じて補正することにより、最適点火時期ＭＢＴが算出される。代表的なマップ値ＭＢＴＭ（例えばＮＥ＝８００ｒｐｍに対応する）は、図７の実線Ｌ２１で示すように、吸気圧ＰＢＡが高くなるほど減少するように設定されている。図７には実線Ｌ２１のみ示すが、ＭＢＴマップには、例えば５５０ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍの範囲では１００〜２５０ｒｐｍ間隔で設定された所定回転数値に対応して実線２１に対応するマップ値が設定されている。図７の縦軸は上死点からの進角量で示されている。

制御幅定義量算出部７２は、吸気圧ＰＢＡに応じて図８に示すＤＩＧＣＴＬテーブルを検索し、制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬを算出する。ＤＩＧＣＴＬテーブルは、吸気圧ＰＢＡが高くなるほど制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬが減少するように設定されている。同一のエンジン出力トルク変化量を得るために必要な点火時期変化量は、吸気圧ＰＢＡが高くなるほど減少することに対応させたものである。

ノック限界点火時期算出部７３は、エンジン回転数ＮＥ、吸気圧ＰＢＡ、吸気温ＴＡ、及び冷却水温ＴＷに応じてノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫを算出する。具体的には、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて設定されたＩＧＫＮＯＣＫマップを検索してマップ値ＩＧＫＮＯＣＫＭを算出し、マップ値ＩＧＫＮＯＣＫＭを吸気温ＴＡ及び冷却水温ＴＷに応じて補正することにより、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫが算出される。代表的なマップ値ＩＧＫＮＯＣＫＭ（例えばＮＥ＝８００ｒｐｍに対応する）は、図７の破線Ｌ２２で示すように、吸気圧ＰＢＡが高くなるほど減少するように設定されている。図７には破線Ｌ２２のみ示すが、ＩＧＫＮＯＣＫマップには、例えば５５０ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍの範囲では１００〜２５０ｒｐｍ間隔で設定された所定回転数値に対応して破線２２に対応するマップ値が設定されている。減算部７６は、ノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫから制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬを減算することにより、ノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫを算出する。

加算部７４は、制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬに非線形領域幅ＤＩＧＮＬ（図５（ｂ）参照）を加算し、余裕量ＤＩＧＣＮＴを算出する。減算部７５は最適点火時期ＭＢＴから余裕量ＤＩＧＣＮＴを減算することにより、最適中心点火時期ＩＧＣＭＢＴを算出する。選択部７７は、最適中心点火時期ＩＧＣＭＢＴとノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫと比較し、小さい方（遅角側の方）を選択し、中心点火時期ＩＧＣＮＴとして出力する。

フィードバック制御部７８は、エンジン回転数ＮＥが目標アイドル回転数ＮＥＯＢＪと一致するように、例えば比例制御によりフィードバック補正量ＩＧＦＢを算出する。加算部７９は、中心点火時期ＩＧＣＮＴにフィードバック補正量ＩＧＦＢを加算することにより、点火時期ＩＧＬＯＧを算出する。点火時期ＩＧＬＯＧは、圧縮上死点からの進角量で示される。

図６に示す点火時期制御モジュールによれば、エンジン回転数ＮＥを目標アイドル回転数ＮＥＯＢＪにフィードバック制御する際に、中心点火時期ＩＧＣＮＴは、必要な出力トルク変化量が確保でき、しかも点火時期の変化に対してほぼ線形な出力トルク変化を得ることができるように設定されるので、エンジン出力トルクの十分な制御応答性が確保され、エンジン回転数ＮＥを目標アイドル回転数ＮＥＯＢＪに安定的に維持することができる。また、中心点火時期ＩＧＣＮＴは、エンジン出力トルク変化の線形性が確保できる範囲のうち、最適点火時期ＭＢＴに近い部分が使用されるように設定されるので、燃費の悪化を抑制することができる。

さらに、アイドル状態においても吸気圧ＰＢＡが比較的高くなるように制御される場合があり、そのような状態ではノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫが最適中心点火時期ＩＧＣＭＢＴより遅角側となることがある。そのような場合には、中心点火時期ＩＧＣＮＴをノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫに設定することにより、エンジン出力トルクの制御性を確保しつつノッキングを確実に防止することができる。

次に本実施形態における吸気弁のリフト量制御及びスロットル弁開度制御を説明する。

図９は、吸気弁のリフト量指令値ＬＦＴＣＭＤに対応するＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤ、及びスロットル弁開度ＴＨの指令値である目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤを算出するモジュールの構成を示すブロック図である。図９に示すモジュールの機能は、ＥＣＵ５のＣＰＵにおける演算処理により実現される。検出されるＣＳ角度ＣＳＡがＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤに一致するようにモータ４３が制御されるとともに、検出されるスロットル弁開度ＴＨが目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤと一致するようにアクチュエータ７が制御される。

図９に示すモジュールは、目標トルク算出部８１と、目標吸入空気流量算出部８２と、目標リフト量算出部８３と、角度指令値算出部８４と、目標吸気圧算出部８５と、目標スロットル弁開度算出部８６とを備えている。

目標トルク算出部８１は、アクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じてエンジン１の目標トルクＴＲＱを算出する。目標トルクＴＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど増加するように設定される。目標吸入空気流量算出部８２は、目標トルクＴＲＱに応じて目標吸入空気流量ＧＡＩＲＣＭＤを算出する。

目標リフト量算出部８３は、目標吸入空気流量ＧＡＩＲＣＭＤ及びエンジン回転数ＮＥに応じて目標リフト量ＬＦＴＣＭＤを算出する。角度指令値算出部８４は、目標リフト量ＬＦＴＣＭＤに応じてＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤを算出する。

目標吸気圧算出部８５は、目標トルクＴＲＱに応じて目標吸気圧ＰＢＡを算出する。目標スロットル弁開度算出部８６は、検出される吸気圧ＰＢＡが目標吸気圧ＰＢＡＣＭＤと一致するように目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤを算出する。

図１０は、エンジン１のアイドル運転状態における目標トルク算出部８１及び目標吸気圧算出部８５の機能を実現する処理のフローチャートである。この処理は、所定時間毎にＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。本実施形態では、アイドル状態では目標リフト量ＬＦＴＣＭＤが所定アイドルリフト量ＬＦＴＩＤＬに設定される。

ステップＳ１１では、アイドル運転における要求トルク（以下「アイドル要求トルク」という）ＴＲＱＩＤＬを算出する。具体的には、下記式（１）により算出される。
ＴＲＱＩＤＬ＝ＴＲＱＬＯＡＤ＋ＴＲＱＥＮＧＦＲＱ （１）
式（１）により算出されたアイドル要求トルクＴＲＱＩＤＬが前回値と異なるとき（エンジン始動直後に最初に算出された場合を含む）は、初期化フラグＦＩＮＩが「０」に設定される。

ＴＲＱＬＯＡＤは、空調装置、発電機、パワーステアリング、及び自動変速機といった補機負荷に対応した補機負荷トルクＴＲＱＬＯＡＤであり、ＴＲＱＥＮＧＦＲＱは、エンジン回転による摩擦損失、及び吸排気によるポンピングロストルクの合計としての機械損失トルクである。補機負荷トルクＴＲＱＬＯＡＤは、対応する補機のオンオフ、エンジン回転数ＮＥなどに応じて算出され、機械損失トルクＴＲＱＥＮＧＦＲＱは、エンジン回転数ＮＥ、冷却水温ＴＷ、吸気圧ＰＢＡなどに応じて算出される。

ステップＳ１２では、初期化フラグＦＩＮＩが「１」であるか否かを判別する。初期化フラグＦＩＮＩが「０」であるときは、ステップＳ１３に進み、アイドル要求トルクＴＲＱＩＤＬに応じて仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰを算出する。仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰは、アイドル要求トルクＴＲＱＩＤＬに比例するようにテーブル検索または下記式（２）により算出される。式（２）の「ＫＴＡＣ」は所定値に設定される変換係数であり、点火時期が最適点火時期に設定されている状態に対応する値に設定される。なお、変換係数ＫＴＡＣは、エンジン回転数ＮＥに応じて変更するようにしてもよい。
ＧＡＣＴＭＰ＝ＫＴＡＣ×ＴＲＱＩＤＬ （２）

ステップＳ１４では、トルク減少率ＫＴＲＱＤＮを「１．０」に設定する。ステップＳ１５では、初期化フラグＦＩＮＩを「１」に設定するとともに、演算カウンタＣＲＰの値を「０」に設定する。初期化フラグＦＩＮＩが「１」に設定されると、以後はステップＳ１２から直ちにステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、下記式（３）にトルク減少率ＫＴＲＱＤＮを適用し、仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰを更新する。
ＧＡＣＴＭＰ＝ＧＡＣＴＭＰ／ＫＴＲＱＤＮ （３）

ステップＳ１７では、下記式（４）に仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰを適用し、仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰを算出する。本実施形態では、アイドル状態では吸気弁のリフト量ＬＦＴを所定アイドルリフト量ＬＦＴＩＤＬ（例えば１ｍｍ）に固定するようにしているので、吸気圧ＰＢＡは吸入空気流量にほぼ比例する。よって、式（４）により仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰに対応する吸気圧としての仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰが算出される。式（４）のＫＧＰは、所定値に設定される変換係数である。ただし、式（４）により算出される仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰが上限値ＰＢＬＨ（例えば大気圧ＰＡより１３．３ｋＰａ程度低い圧力）を超えたときは上限値ＰＢＬＨに設定される。
ＰＢＣＴＭＰ＝ＫＧＰ×ＧＡＣＴＭＰ （４）

ステップＳ１８では、仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰに応じて仮余裕量ＤＩＧＴＭＰを算出する。具体的には、仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰに応じて図８に示すテーブルを検索して制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬを算出し、制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬに非線形領幅ＤＩＧＮＬを加算することにより、仮余裕量ＤＩＧＴＭＰが算出される。

ステップＳ１９では、仮余裕量ＤＩＧＴＭＰに応じてトルク減少率ＫＴＲＱＤＮを算出する。具体的には、トルク減少率ＫＴＲＱＤＮは図５（ａ）の縦軸に示すトルク比率ηに相当するので、この図の特性を用いて、最適点火時期ＭＢＴから仮余裕量ＤＩＧＴＭＰだけ遅角側の点火時期に対するトルク比率ηがトルク減少率ＫＴＲＱＤＮとして算出される。

ステップＳ２０では、演算カウンタＣＲＰの値が所定値ＣＲＰＨ（例えば１０）と等しいか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）であるので、トルク減少率の前回値ＫＴＲＱＤＮ(n-1)と今回値ＫＴＲＱＤＮ(n)との差が所定閾値ＤＴＲＴＨ（「０」に近い所定値）以下であるか否かを判別する（ステップＳ２１）。最初はこの答は否定（ＮＯ）となるので、ステップＳ２２に進み、演算カウンタＣＲＰの値を「１」だけインクリメントし、本処理を終了する。

その後はアイドル要求トルクＴＲＱＩＤＬが変更されない限り、ステップＳ１６〜Ｓ２１が繰り返し実行される。これにより、トルク減少率ＫＴＲＱＤＮが徐々に減少してある値に収束し、仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰもある値に収束する。したがって、ステップＳ２１の答が肯定（ＹＥＳ）となり、目標吸気圧ＰＢＡＣＭＤはその時点の仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰに設定される（ステップＳ２３）。また、ステップＳ２１の答が肯定（ＹＥＳ）となる前にステップＳ２０の答が肯定（ＹＥＳ）となった場合も同様にステップＳ２３が実行される。

図１１は、図１０の処理を説明するための図であり、破線Ｌ３１が点火時期を最適点火時期ＭＢＴに設定したときの出力トルクと吸気圧ＰＢＡとの関係を示す。最初に算出される仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰは点Ｐ０１に対応し、点Ｐ１は点火時期の中心値を最適点火時期ＭＢＴから仮余裕量ＤＩＧＴＭＰだけ遅角させた状態に対応する。この状態に対応するトルク減少率ＫＴＱＤＮを式（３）に適用することにより、仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰは点Ｐ０２に対応する値に更新される。その状態で再度仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰ１、及び仮余裕量ＤＩＧＴＭＰを算出し、最適点火時期ＭＢＴから仮余裕量ＤＩＧＴＭＰだけ遅角させることによるトルク減少率ＫＴＱＤＮ（点Ｐ２に対応する値）を算出し、算出されたトルク減少率ＫＴＱＤＮを式（３）に適用することにより、点Ｐ０３に対応する仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰが得られる。以後同じ処理が繰り返される。図１１には、演算カウンタＣＲＰの値が「４」にときに、ステップＳ２１の答が肯定（ＹＥＳ）となってそのときの仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰ（点Ｐ４に対応する吸気圧）が目標吸気圧ＰＢＡＣＭＤとして採用される。

以上詳述したように本実施形態では、検出された吸気圧ＰＢＡに応じて点火時期の余裕量ＤＩＧＣＮＴが算出され、最適点火時期ＭＢＴから余裕量ＤＩＧＣＮＴだけ遅角側の点火時期が最適中心点火時期ＩＧＣＭＢＴとして算出され、制御中心点火時期ＩＧＣＮＴが最適中心点火時期ＩＧＣＭＢＴに設定される。そして、エンジン１のアイドル状態において、エンジン回転数ＮＥを目標アイドル回転数ＮＥＯＢＪに一致させるようにフィードバック補正量ＩＧＦＢが算出され、制御中心点火時期ＩＧＣＮＴを中心としてフィードバック補正量ＩＧＦＢを用いたフィードバックが行われる。したがって、最適点火時期ＭＢＴから余裕量ＤＩＧＣＮＴだけ遅角側の点火時期を中心として点火時期の変更が行われるため、エンジン出力トルクの十分な制御応答性が確保され、エンジン回転数ＮＥを目標回転数ＮＥＯＢＪに安定的に維持することができる。

またフィードバック補正量ＩＧＦＢの可変範囲を示す制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬが算出され、ノッキングが発生する可能性が高くなる点火時期である限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫから制御幅定義量ＤＩＧＣＴＬだけ遅角側の点火時期がノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫとして算出されるとともに、ノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫが最適中心点火時期ＩＧＣＭＢＴより遅角側にあるときは、制御中心点火時期ＩＧＣＮＴがノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫに設定される。エンジンのアイドル状態においても吸気圧ＰＢＡが比較的高くなるように制御されることがあり、そのような状態ではノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫが最適中心点火時期ＩＧＣＭＢＴより遅角側となる。したがって、制御中心点火時期ＩＧＣＮＴをノック限界依存点火時期ＩＧＣＫＮＫに設定することにより、エンジン出力トルクの制御応答性を確保しつつノッキングを確実に防止することができる。

また検出される吸気圧ＰＢＡが目標吸気圧ＰＢＡＣＭＤと一致するようにスロットル弁の目標開度ＴＨＣＭＤが算出され、エンジンのアイドル状態における目標トルクＴＲＱＩＤＬに応じて仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰが算出される。さらに仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰに応じて仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰを算出するステップＳ１７、仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰに応じて仮余裕量ＤＩＧＴＭＰを算出するステップＳ１８、仮余裕量ＤＩＧＴＭＰに応じてトルク減少率ＫＴＲＱＤＮを算出するステップＳ１９、及び仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰをトルク減少率ＫＴＲＱＤＮで除算することにより仮目標吸入空気流量ＧＡＣＴＭＰを更新するステップＳ１６が繰り返し実行され、目標吸気圧ＰＢＡＣＭＤが、減少率ＫＴＲＱＤＮの今回値と前回値との差が所定閾値ＤＴＲＴＨ以下となった時点の仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰに設定される。目標吸入空気流量に応じて目標吸気圧を算出し、検出される吸気圧が目標吸気圧と一致するように吸入空気流量を制御する場合には、吸入空気流量の変化によって吸気圧が変化し、余裕量ＤＩＧＣＮＴも変化する。その結果、制御中心点火時期ＩＧＣＮＴを最適点火時期ＭＢＴより遅角側の点火時期に設定する場合のトルク減少率ＫＴＲＱＤＮが変化し、目標吸入空気流量を変更することが必要となるが、その演算を繰り返すとトルク減少率ＫＴＲＱＤＮが一定値に収束する。したがって、トルク減少率ＫＴＲＱＤＮが収束した時点の仮目標吸気圧ＰＢＣＴＭＰを目標吸気圧ＰＢＡＣＭＤとして採用することにより、吸入空気流量制御と点火時期制御の相互干渉による制御の不安定化を防止し、アイドル状態におけるエンジン回転数ＮＥをより安定化することができる。

またエンジンのアイドル状態では吸気弁のリフト量ＬＦＴが所定アイドルリフト量ＬＦＴＩＤＬに維持されるので、吸気弁のリフト量の制御と、スロットル弁開度制御による吸入空気流量制御との相互干渉がなくなり、アイドル状態におけるエンジン回転数ＮＥを安定化することができる。

本実施形態では、吸気圧センサ８及びクランク角度位置センサ１１がそれぞれ吸気圧検出手段及び回転数検出手段に相当し、スロットル弁３、アクチュエータ７及びＥＣＵ５が吸入空気流量制御手段を構成し、第１弁作動特性可変機構４１、モータ４３、及びＥＣＵ５がリフト量制御手段を構成する。またＥＣＵ５が、点火時期制御手段、余裕量算出手段、最適点火時期算出手段、制御中心点火時期設定手段、フィードバック補正量算出手段、限界点火時期算出手段、制御幅定義量算出手段、及び目標吸気圧設定手段を構成する。具体的には、図６に示すモジュールが点火時期制御手段に相当し、図６の制御幅定義量算出部７２が制御幅定義量算出手段に相当し、制御幅定義量算出部７２及び加算部７４が余裕量算出手段に相当し、最適点火時期算出部７１が最適点火時期算出手段に相当し、減算部７５，７６，及び選択部７７が制御中心点火時期設定手段に相当し、フィードバック制御部７８がフィードバック補正量算出手段に相当し、ノック限界点火時期算出部７３が限界点火時期算出手段に相当する。また図１０の処理が目標吸気圧設定手段に相当し、図９の目標吸入空流量算出部８２、目標リフト量算出部８３、角度指令値算出部８４がリフト量制御手段に相当し、目標スロットル弁開度算出部８６が吸入空気流量制御手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では吸気弁のリフト量を連続的に変更する第１弁作動特性可変機構を備えるエンジンの制御装置を示したが、本発明は一般的な固定のカムによる吸気弁の開閉駆動を行うエンジンにも適用が可能である。

また上述した実施形態では、最適点火時期ＭＢＴのマップ値ＭＢＴＭ及びノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫのマップ値ＩＧＫＮＯＣＫＭを吸気温ＴＡ及び冷却水温ＴＷに応じて補正して、最適点火時期ＭＢＴ及びノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫを算出するようにしたが、マップ値ＭＢＴＭ及びＩＧＫＮＯＣＫＭを補正することなく、そのまま最適点火時期ＭＢＴ及びノック限界点火時期ＩＧＫＮＯＣＫとしても用いてもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示す弁作動特性可変装置の構成を示す図である。 図２に示す第１弁作動特性可変機構の概略構成を説明するための図である。 吸気弁の弁作動特性を示す図である。 点火時期制御手法を説明するための図である。 点火時期制御を行うモジュールのブロック図である。 最適点火時期（ＭＢＴ）及びノック限界点火時期（ＩＧＫＮＯＣＫ）の算出に適用されるマップの設定例を示す図である。 図６に示す制御幅定義量算出部での演算に使用されるテーブルを示す図である。 吸入空気流量の制御を行うモジュールのブロック図である。 アイドル状態における目標吸気圧（ＰＢＡＣＭＤ）を算出する処理のフローチャートである。 図１０の処理を説明するための図である。

１ 内燃機関
３ スロットル弁（吸入空気流量制御手段）
５ 電子制御ユニット（点火時期制御手段、余裕量算出手段、最適点火時期算出手段、制御中心点火時期設定手段、フィードバック補正量算出手段、限界点火時期算出手段、制御幅定義量算出手段、目標吸気圧設定手段、吸入空気流量制御手段、リフト量制御手段）
７ アクチュエータ（吸入空気流量制御手段）
１５ 点火プラグ
４１ 第１弁作動特性可変機構（リフト量制御手段）
４３ モータ（リフト量制御手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段を備える内燃機関の制御装置において、
   前記機関の吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
   前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記吸気圧に応じて点火時期余裕量を算出する余裕量算出手段と、
   前記回転数及び吸気圧に応じて、前記機関の出力トルクを最大とする最適点火時期を算出する最適点火時期算出手段と、
   前記最適点火時期から前記点火時期余裕量だけ遅角側の点火時期を最適中心点火時期として算出し、制御中心点火時期を前記最適中心点火時期に設定する制御中心点火時期設定手段と、
   前記回転数をアイドル目標回転数に一致させるように点火時期のフィードバック補正量を算出するフィードバック補正量算出手段と、
   前記機関においてノッキングが発生する可能性が高くなる点火時期である限界点火時期を、前記回転数及び吸気圧に応じて算出する限界点火時期算出手段とを備え、
   前記余裕量算出手段は、前記フィードバック補正量の可変範囲を示す制御幅定義量を算出する制御幅定義量算出手段を有し、
   前記制御中心点火時期設定手段は、前記限界点火時期から前記制御幅定義量だけ遅角側の点火時期をノック限界依存点火時期として算出し、該ノック限界依存点火時期が前記最適中心点火時期より遅角側にあるときは、前記制御中心点火時期を前記ノック限界依存点火時期に設定し、
   前記点火時期制御手段は、前記機関のアイドル状態において、前記制御中心点火時期及びフィードバック補正量を用いて前記点火時期を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記機関の吸入空気流量を制御する吸入空気流量制御手段と、
   前記機関の目標吸気圧を設定する目標吸気圧設定手段とをさらに備え、
   前記吸入空気流量制御手段は、検出される吸気圧が前記目標吸気圧と一致するように前記吸入空気流量を制御し、
   前記目標吸気圧設定手段は、前記機関のアイドル状態における目標トルクに応じて仮目標吸入空気流量を算出する仮目標吸入空気流量算出手段を有し、
   前記仮目標吸入空気流量に応じて仮目標吸気圧を算出する第１ステップ、
   前記仮目標吸気圧に応じて仮点火時期余裕量を算出する第２ステップ、
   前記仮点火時期余裕量に応じて前記機関の出力トルクの減少率を算出する第３ステップ、及び
   前記仮目標吸入空気流量を前記減少率で除算することにより前記仮目標吸入空気流量を更新する第４ステップを繰り返し実行し、前記目標吸気圧を、前記減少率の今回値と前回値との差が所定閾値以下となった時点の仮目標吸気圧に設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記機関は吸気弁のリフト量を連続的に変更する弁作動特性可変機構を備え、
   前記弁作動特性可変機構を介して前記吸気弁のリフト量を制御するリフト量制御手段をさらに備え、該リフト量制御手段は、前記機関のアイドル状態では前記リフト量を所定低リフト量に保持することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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