JPH11241626A - エンジンのノッキング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リーン空燃比での運転中のノッキングを抑制
する。 【解決手段】筒内直噴エンジンにおいて、エンジンの運
転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手
段の出力に応じて目標空燃比を設定する目標空燃比設定
手段と、エンジンのノッキングを検出するノッキング検
出手段と、ノッキング検出手段の出力に応じて、目標空
燃比がリーンであるほど大きな量の燃料を前記エンジン
の圧縮工程および燃焼工程の少なくとも一方で供給する
燃料供給手段とを備える。ノッキングが検出されるとノ
ッキング検出手段の出力に応じて目標空燃比がリーンで
あるほど大きな量の燃料をエンジンの圧縮工程および燃
焼工程の少なくとも一方で燃焼室に直接供給するので、
燃料の気化潜熱とモル数増加により燃焼温度が低下し、
エンジンのトルクを低下させることなくノッキングを抑
制することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃焼室内に直接
燃料を噴射するいわゆる筒内直噴エンジンの制御装置に
関し、より具体的には、ノッキングを抑制するための制
御に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平９−１２６０２８号公報には、筒
内直噴エンジンにおいて、噴射弁から燃料を前段、後段
に分けて噴射し、その際、前段の燃料に点火した後に後
段の燃料を供給して全体として理論空燃比で燃焼させる
ことが記載されている。そして圧縮比１０以上の高圧縮
比筒内直噴エンジンにおいて、他の運転域に比較して相
対的にノッキングの発生しやすい運転域では、燃料の噴
射を前段、後段に分け、ノッキングの発生が抑制される
ように、少なくとも前段の燃料が点火された後に後段の
燃料が供給されるようにし、ノッキング発生運転域以外
では２段の燃料噴射は行わないようにされている。

【０００３】ノッキングは、エンジンの異常燃焼によっ
て生じる現象で、シリンダ内の末端に存在する未燃混合
気が燃焼圧力により圧縮を受けて反応し、点火プラグに
よる点火で発生し伝播する火炎が到達する前に自己点火
を起こす現象である。これによって末端ガスは急激に燃
焼し、不平衡圧力を発生して数KHzの強い圧力波を生
じ、エンジンを加振して戸をたたくような音を発する。
この圧力波は、燃焼室壁面の温度境界層を破壊し高温の
燃焼ガスが直接表面に接触して壁面温度を上昇させ、ま
たシリンダ壁に形成している潤滑油膜の粘性を低下させ
たり蒸発させたりする。その結果、ピストンなどの運動
部品の焼き付きや溶損を招くことがある。また、壁面の
温度上昇によりノッキングが一層助長されることにな
る。

【０００４】ノッキングと点火時期には密接な関係があ
り、点火時期を進めると燃焼最大圧力が高まりノッキン
グを起こす。また、エンジンが最大トルクを出す点火時
期（ＭＢＴ：Minimum spark advance for Best Torqu
e）は、ノッキングが発生する点火時期（ノッキング限
界）の前後の近傍にある。したがって、通常点火時期を
設定する際には、ノッキング限界から余裕をとる必要が
あるためＭＢＴから遅らせた位置に設定するので、その
分トルクが低下する。

【０００５】一般的には、エンジンブロックの適当な位
置にノックセンサを取り付けてノッキングにより加振さ
れた際の圧力波の加速度を検出する方法や、直接シリン
ダ内の圧力波を検出する方法によりノッキングの発生を
検出し、ノッキングが発生したときには直ちに点火時期
を遅延させ、ノッキングが発生していない状態では徐々
に点火時期を進めるフィードバック制御を行い、ノッキ
ング限界ぎりぎりの制御を行っている。

【０００６】一方、希薄燃焼方式のエンジンの１つの方
式として燃焼室に燃料噴射弁を配置して直接燃料を燃焼
室に供給する筒内直噴エンジンが注目されている。この
エンジンは、ピストンの頂部に凹部を設けて噴射弁から
噴射される燃料噴霧を点火プラグ付近に集める等の工夫
によりリーン空燃比で運転することができるようになっ
ている。燃焼の形態は、噴霧燃焼であり、拡散燃焼の形
態も含まれる。耐ノッキング性が向上するので高圧縮比
化が可能になるとされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記公報の技術は、エ
ンジンを理論空燃比で運転することを前提として、理論
空燃比で高圧縮比運転中のノッキング抑制を提案してい
るにすぎない。筒内直噴エンジンは、吸気管内噴射のエ
ンジンよりもリーンな空燃比で運転することが可能であ
るから、リーン運転中のノッキング対策が要請されてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に記載される発明は、燃焼室内に直接燃料
を噴射するエンジンにおいて、エンジンの運転状態を検
出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段の出力に
応じて目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、エ
ンジンのノッキングを検出するノッキング検出手段と、
ノッキング検出手段の出力に応じて、目標空燃比がリー
ンであるほど大きな量の燃料を前記エンジンの圧縮工程
および燃焼工程の少なくとも一方で供給する燃料供給手
段とを備える構成をとる。

【０００９】この発明によると、ノッキングが検出され
るとノッキング検出手段の出力に応じて目標空燃比が点
火時期の進角するリーンであるほど、大きな量の燃料を
エンジンの圧縮工程および燃焼工程の少なくとも一方で
燃焼室に直接供給するので、燃料の気化潜熱とモル数増
加により燃焼温度が低下し、エンジンのトルクを低下さ
せることなくノッキングを抑制することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に図面を参照しながら、この発
明の実施の形態を説明する。まずこの発明が適用される
筒内直噴エンジンの構造を説明すると、図１に示すよう
にエンジン１は、ピストン２、燃焼室３、点火プラグ
４、吸気バルブ５、吸気ポート６、排気バルブ７、排気
ポート８、および燃焼室内に直接燃料を噴射（供給）す
る燃料噴射装置すなわちインジェクタ１１を備えてい
る。ピストン２の頂部には、インジェクタ１１から噴射
された燃料の向きを変えて点火プラグ４の周辺に集める
ため、凹部が設けられている。

【００１１】吸気ポート６は、対応するマニホールド９
を介してサージタンク１０に連結されている。サージタ
ンク１０は、吸気ダクト１２を介してエアクリーナ１４
に接続されている。サージタンク１０には吸気管圧力を
測定する圧力センサ１３が接続されている。

【００１２】吸気ダクト１２内にはスロットル・バルブ
１５が配置されており、開度センサ２３がスロットル・
バルブ１５の開度を検知し開度に応じた信号を出力す
る。一方、排気マニホールド１６には、全域空燃比サン
サ２２が接続されており、広い空燃比領域にわたって空
燃比にほぼ比例した電圧出力を生成する。排気管１７に
は触媒コンバータ１８を内蔵したケーシング１９が設け
られている。

【００１３】エンジン１には、ノックセンサ２１が取り
付けられている。この実施形態では圧電素子を用いた圧
電型ノックセンサを使用するが、磁歪型または電磁型の
ノックセンサを使用することもできる。ノックセンサ２
１は、エンジンの振動に応じた信号を出力する。

【００１４】電子制御ユニットＥＣＵ３０は、コンピュ
ータで構成され、コンピュータで実行するプログラムお
よびデータを格納するＲＯＭ（リードオンリメモリ）、
実行時に必要なプログラムおよびデータを取り出して記
憶し、演算の作業領域を提供するＲＡＭ（ランダム・ア
クセス・メモリ）、プログラムを実行するＣＰＵ（プロ
セッサ）、および各種のセンサからの入力信号を処理す
る回路およびエンジン各部に制御信号を送る駆動回路を
備える。図１ではこのようなハードウェア構成をふまえ
てＥＣＵ３０を機能ブロックで示してある。

【００１５】吸気管圧力を検知する圧力センサ１３の出
力およびスロットル・バルブの開度を検知するスロット
ル開度センサ２３の出力は、ＥＣＵ３０の運転状態検出
部３３（運転状態検出手段）に入力される。運転状態検
出部３３は、車速センサ２６からの車速を示す信号およ
び回転数センサ２５からエンジンの回転数Ｎｅを示す信
号を受け取る。

【００１６】運転状態検出部３３は、これらの入力信号
を処理して、吸気管圧力ＰＢ、スロットル・バルブの開
度θ、車速Ｖおよびエンジンの回転数Ｎｅを検出する。
さらに運転状態検出部３３は、以上のパラメータととも
に、排気ガス温、エンジン冷却水温、吸入空気温、大気
圧などのパラメータ（以後、総合的にエンジン運転パラ
メータと呼ぶ。）を図示しないセンサの出力から検出
し、燃料噴射制御部３５および点火時期制御部３６に送
る。

【００１７】目標空燃比設定部３４（目標空燃比設定手
段）は、運転状態検出部３３からのエンジンパラメータ
により、例えば、空燃比で１３から４０の範囲で目標空
燃比を定める。

【００１８】燃料噴射制御部３５（燃料供給手段）は、
運転状態検出部３３から送られてくる吸気管圧力ＰＢお
よびエンジン回転数Ｎｅに基づいて燃料の基本噴射時間
Ｔｐを求める。インジェクタ１１には燃料が一定の圧力
で供給されており、エンジンへの燃料の供給量はインジ
ェクタ１１の弁が開かれる時間で決まる。この時間、す
なわち燃料噴射時間Ｔｒは、Ｔｒ＝Ｔｐ x Ｋｍ で表さ
れる。Ｋｍは、目標空燃比に応じて定まる補正係数、各
センサからの信号により冷間時や加速時など、そのとき
のエンジン状態において適切な空燃比にするための補正
係数、後述する空燃比フィードバック補正係数等を示
す。

【００１９】また、燃料噴射制御部３５は、目標空燃比
設定部３４で設定された目標空燃比に応じて燃料噴射方
式（大別して、吸気工程噴射、圧縮工程噴射）を決定す
る。

【００２０】全域空燃比センサ２２からの検知出力がＥ
ＣＵ３０の空燃比フィードバック部３２に入力され、エ
ンジンの実際の空燃比が検出される。検出された空燃比
は燃料噴射制御部３５に送られ、目標空燃比との偏差を
補正するフィードバック補正係数を算出する。

【００２１】一方、エンジン本体に取り付けられたノッ
クセンサ２１からのエンジンの振動を示す信号は、ＥＣ
Ｕ３０のノッキング検出部３１（ノッキング検出手段）
に送られ、ノッキングの発生が検出される。図２は、ノ
ッキング検出部３１の構成の一例を示すブロック図で、
エンジンに取り付けられたノックセンサ２１からのエン
ジンの振動に応じた信号は、バンドパスフィルタ３１１
に入力されて、ノッキング時に固有の振動成分が含まれ
る周波数領域の信号成分を取り出し、ピーク検出回路３
１２でピーク値を検出する。一方、基準レベル計算回路
３１３は、一定期間にわたってフィルタ３１１の出力信
号をモニタし、その平均レベルに基づいてノッキングの
判定に用いる基準値を計算する。この基準値は予め設定
した固定値であってもよい。ノッキング判定回路３１４
は、ピーク検出回路３１２で得られたピーク値を基準レ
ベル計算回路３１３で得られた基準レベルと比較して、
ピーク値が基準レベルを超えるときノッキングの発生を
示すノック信号を出力する。ノック信号は、燃料噴射制
御部３５および点火時期制御部３６に送られる。

【００２２】燃料噴射制御部３５は、ノック信号に応答
して、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンであるほど
燃料の噴射量を増やすよう燃料噴射時間Ｔｒを補正して
もよいが、燃料噴射時間Ｔｒ（主噴射）により燃料を供
給した後に、圧縮工程または燃焼工程で２回目の噴射
（副噴射）として、目標空燃比がリーンであるほど大き
な燃料量を供給することが好ましい。

【００２３】ノッキング抑制の効果を高めるためには、
ノッキング抑制用の噴射は、筒内圧が最大になる近傍で
行うのがよい。図３は、クランク角度と燃焼圧力（曲線
ａ、左目盛り）との関係を示す図で、曲線ｂは熱発生率
を示す（右目盛り）。曲線ｂの立ち上がりの位置が点火
時期である。一般的に筒内圧は燃焼工程に入ってから最
大になるから、ノッキング抑制用の噴射は、主噴射と分
離して燃焼工程において副噴射の方式で実行するのが好
ましい。

【００２４】燃料噴射制御部３５は、図３に示す関係に
基づいて、点火時期から燃焼圧力が最大になる時期を推
定し、この時期にノッキング抑制用の燃料噴射が行われ
るよう燃料噴射装置１１を制御する。この場合、目標空
燃比がリーンであるほどノッキング抑制用の副噴射量を
大きくするようにする。これは、空燃比がリーンである
ほど点火時期が進角しているので、ノッキングの抑制に
より多くの燃料噴射を必要とするからである。

【００２５】上述の実施形態では、ノッキングの発生が
検出されたとき、点火時期を遅らせることなく燃料噴射
の制御によりノッキングを抑制したが、ノッキング抑制
のための燃料噴射とともに点火時期を遅らせてもよい。
また、ノッキングは気筒毎に抑制するようにしてもよ
い。さらに、ノッキングの強度に応じて燃料噴射量を決
定するようにしてもよい。つまり、ノッキングの強度が
大きい程燃料噴射量を多くしてもよい。

【００２６】図４は、上述のノッキング抑制プロセスを
流れ図で表現したもので、図１の運転状態検出部３３が
エンジン運転パラメータを計測し（S101）、目標空燃比
設定部３４がこれらのパラメータに基づいて目標空燃比
を算出する（S102）。ノッキング検出部３１でノックセ
ンサ２１からの信号を処理し（S103）、ノッキングの発
生を判断する（S104）。ノッキングが発生したと判断さ
れると、燃料噴射制御部３５が上述したノッキング抑制
のための燃料噴射を行うよう燃料噴射装置１１に信号を
送る。ノッキングの発生を再び点検し（S106）、依然と
してノッキングが生じていれば、ノッキング抑制のため
の燃料噴射を継続する（S105）。この時、ノッキング抑
制のため燃料噴射時間をさらに延ばしてもよく、あるい
は点火時期を遅らせるよう制御してもよい。ステップS1
04およびS106でノッキングが発生していないときは、ノ
ッキング抑制のためのプロセスは終了し、一定時間後、
またはノッキング検出部３１からノック信号が送られて
きたときにプロセスを再開する。

【００２７】

【発明の効果】この発明によると、ノッキングが検出さ
れるとノッキング検出手段の出力に応じて目標空燃比が
リーンであるほど大きな量の燃料をエンジンの圧縮工程
および燃焼工程の少なくとも一方で燃焼室に直接供給す
るので、燃料の気化潜熱とモル数増加により燃焼温度が
低下し、エンジンのトルクを低下させることなくノッキ
ングを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態のシステムの構成を示す
ブロック図。

【図２】ノッキング判定回路の一例を示すブロック図。

【図３】燃焼圧力と点火時期との関係を示す図。

【図４】ノッキング抑制のための処理の流れを示す流れ
図。

【符号の説明】

１ エンジン １１ 燃料噴射装置（燃料供給手段） ２１ ノックセンサ（ノッキング検出手段） ３１ ノッキング検出部（ノッキング検出手
段） ３３ 運転状態検出部（運転状態検出手段） ３４ 目標空燃比設定部（目標空燃比設定手
段） ３５ 燃料噴射制御部（燃料供給手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清宮 孝 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 福地 博直 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内に直接燃料を噴射するエンジン
   において、 前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段
   と、 前記運転状態検出手段の出力に応じて目標空燃比を設定
   する目標空燃比設定手段と、 前記エンジンのノッキングを検出するノッキング検出手
   段と、 前記ノッキング検出手段の出力に応じて、前記目標空燃
   比がリーンであるほど大きな量の燃料を前記エンジンの
   圧縮工程および燃焼工程の少なくとも一方で供給する燃
   料供給手段と、 を有することを特徴とするエンジンのノッキング制御装
   置。