JPS5844866B2 - 内燃機関用制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関に発生するトルクを検出し、内燃機関
の点火時期を最適値を目標として自動制御し、内燃機関
の効率の向上、燃費の節減をはからんとする内燃機関用
制御装置に関するものである。

従来、オツト一式内燃機関における点火時期は、主とし
て回転数とブースト負圧を制御・ζラメータとして予め
進角パターンが設定され、このパターンを忠実に実現す
るプログラム制御が用いられてきた。

しかるに、機関効率を最高にする、いいかえると燃費率
を最小にするに最適な点火時期は単に回転数とブースト
負圧の二種の制御パラメータのみでプログラムしきれる
ものではないし、生産性、コスト等の制約により比較的
単純な進角パターンに妥協せざるを得ないのが実情であ
る。

このプログラムパターンの不完全さの問題を別としても
量産した場合の内燃機関、点火装置等、関連要素の特性
のバラツキにもとすく誤差、及び調整誤差、あるいは供
用時間の増加に伴う特性の経時変化等の問題に対して、
従来のプログラム制御方式の点火装置では対応しきれな
いという問題がある。

そこで、本発明は上記の問題を解決するため、機関に発
生するトルクと燃費率との相関性に着目して、点火時期
の最適制御を行わんとするものである。

即ち、機関回転数、スロットル開度及び空燃比を一定と
する定常運転状態において、点火時期を最適値θ。

を中心として若干変化させた場合点火時期の変化に対し
て内燃機関に発生するトルクＴ及び燃費率Ｓｆｃは第１
図に示される特性となり、最大トルクを与える点火時期
と最低燃費率を与える点火時期とは同一の値θ。

をとる。ここで、点火時期が最適値θ。

よりずれた場合では、このずれに応じて機関効率が低下
し、同一回転数、同一空気燃料供給量に対して内燃機関
に発生するトルクが減少する。

そこで、内燃機関に発生するトルクを機関トルク検出器
にて検出し、この検出されたトルク信号の最大値を求め
れば、機関効率を最高とする、いいかえると最小燃費率
とする点火時期θ。

を求めることができる。そこで、本発明では内燃機関に
発生するトルクを機関トルク検出器にて機関もしくはそ
の出力伝達軸のねじれにより直接的に検出すると共に、
点火時期を周期的に変化させ、これに対応したトル＊＊
りの変化を前記トルク検出器にて検出し、点火時期の変
化する位相と、トルク検出信号との位相関係を判別器に
て判別し、点火時期の進み、遅れを制御する制御装置を
提供せんとするものである。

ここで、点火時期を△θだげ進ませる場合を＋△θ、遅
らせる場合を一△θとし、これに対するトルク信号の変
化分を△ＴＥとすると判別器の出力条件として第１図よ
り明らかなごとく、を発生すればよいわけである。

かくして定常状態の運転条件では、上記判別器の出力条
件を満足するように点火時期を制御する事によって、点
火時期を最適点火時期θ０に対して士△θの誤差範囲に
制御可能となる。

なお、第１図図示のθＲは点火時期が遅れ過ぎている場
合の一点火時期を示し、θＡは点火時期が進み過ぎてい
る場合の一点火時期を示すものである。

以下図面に示す実施例に従って本発明の詳細な説明する
。

第２図は本発明の構成を示すブロック図であり、１は内
燃機関、２は機関トルク検出器、３は周期的変化信号発
生器、４は位相判別器、５は点火時期制御装置である。

また、機関トルク検出器２は内燃機関に発生するトルク
を検出するものであり、周期的変化信号発生器３は点火
時期を周期的に変化させるための信号を発生する。

そしてこれに対応して点火時期制御装置５が作動し、点
火時期が一定の繰返し周期で△θだげ変化する。

これに対応して内燃機関１の効率が周期的に変化し、こ
れに応じて機関トルクが周期的に変化する。

この機関トルクの変化は機関トルク検出器２にて検出さ
れ、位相判別器４にて周期的変化信号発生器３の信号位
相と位相比較され、前述した（１）の条件に従って点火
時期の制御方向が定められる。

次に、具体的実施例を第３図に示す電気結線図について
説明する。

第３図に示す例では、内燃機関の点火時期を電子回路的
に制御可能な構成とすると共に、周期的変化信号発生器
３、位相判別器４の一実施例を示し、内燃機関のトルク
をフィードバックする事により点火時期の最適制御が可
能な構成となっている。

５は点火時期をＣ点の電圧である制御電圧Ｖｃに対応し
て制御可能な点火時期制御装置である。

３は点火時期を△θだげ周期的に変化させるための周期
的変化信号発生器、２は内燃機関のトルクを検出するた
めの機関トルク検出器、４は周期的変化信号発生器３の
生じる信号と機関トルク検出器２よりの機関トルク信号
との位相関係を比較し、点火時期を進めるか遅らせるか
の判別をし点火時期制御信号Ｖｃを発生する位相判別器
である。

そして、点火時期制御装置５は、タイミング信号発生器
２１．周波数−電圧変換器２２、積分器２３とそのリセ
ント回路２４、比較器２５、単安定マルチバイブレータ
２６．０Ｎ−ＯＦＦ増幅回路２７、点火コイル２８より
構成される。

また、タイミング信号発生器２１は内燃機関のクランク
軸の一定回転角度ごとにタイミング信号を発生するもの
で、本実施例では内燃機関のクランク軸に作動するカム
機構３４′にてコンタクトポイント３４“を開閉する公
知の接点式タイミング信号発生器３４を用いており、本
実施例では４気筒内燃機関の圧縮行程の上死点で常閉接
点３４”が開き、Ａ点に正極性のタイミング信号を発生
する構成となっている。

周波数−電圧変換器２２は内燃機関の回転数に比例した
直流の速度電圧を得るための回路で、差動型演算増幅器
３５を用いた公知の単安定マルチバイブレータを前記タ
イミング信号発生器２１にてトリガーし、一定のパルス
幅τに整形し、差動型演算増幅器３８を用いた公知の積
分器にて積分し、直流の速度電圧Ｖｓに変換している。

第４図ａ、ｂは第３図図示のＡ点及びＢ点の電圧波形を
示し、その左側の図は機関回転数Ｎ＝Ｎ１で、右側の図
は機関回転数Ｎ−Ｎ２、Ｎ２〉Ｎ１の状態を示す。

そして、機関回転数Ｎに対するＳ点の速度電圧ＶＳの特
性は第５図に示され、この速度電圧Ｖｓは機関回転数Ｎ
に比例する。

即ち、となる。

また、積分器２３は差動型演算増幅器４０より構成され
た公知の積分器よりなり、電圧周波数変換器２２０発生
する速度電圧Ｖｓを積分する。

但し、この積分器２３はリセット回路２４を有し、タイ
ミング信号発生器２１より正極性のタイミング信号がり
七ット信号となって、トランジスタ４３が極めて短時間
だけ導通し、積分コンデンサ４１を放電し、リセットさ
れる。

従って、積分器２３は一つのリセット信号にてリセット
されてから次のリセット信号が生じるまでの期間を積分
期間Ｔ１ として速度電圧Ｖｓを積分することになる。

この積分期間Ｔ１ はタイミング信号発生器２１の生じ
るタイミング信号のくり返し周期に等しい。

故に、積分期間Ｔ１は回転数Ｎに反比例する、即ち となる。

従って、１点の積分器２３の出力電圧Ｖｉは回転数Ｎが
一定の定常状態においては、但しくＯ≦ｔ≦Ｔ１、■は
初期値で定数）従って、ｔ ＝Ｔ１ ではリセットされ
１＝００値に復帰するため出力電圧Ｖｉの波形は第４図
ｄに示すごと（鋸歯状波となる。

ここで、上記（３）式に前述した（１）式と（２）式を
代入して出力電圧■ｉの最大値Ｖｉ （ｍａｘ ）と
最小値Ｖｉ（ｍｉｎ）を求めると、 最大値はｔ＝ｏでＶｉ（ｍａｘ）−■ 最小値ｔ＝ＴｉでＶｉ （ｍｉｎ ） ＝ ＶＭ−Ｖｓ
Ｔ１従って、この鋸歯状波ｖｉの最大値と最小値は共に
回転数に無関係に一定値となり、第４図ｄの如き波形と
なる。

尚、第４図Ｃはリセット回路２４のトランジスタ４３０
ベースにかがる電圧（Ｒｅ点の電圧）の位相関係を示す
ものである。

また、比較器２５は差動型演算増幅器４４にて構成され
、１点の鋸歯状波電圧Ｖｉとｅ点の点火時期制御電圧Ｖ
ｃとを比較する事により、点火時期の制御が可能である
。

そして、演算増幅器４４にはその非反転入力としてＶｉ
が印加され、又反転入力としてＶｃが印加されている。

ここで、制御電圧Ｖｃ＝Ｖｃ１とした場合の入力信号と
出力端Ｐの出力電圧Ｖｐの位相関係は第４図ｄ、ｅに示
すレル。

ここで、出力電圧Ｖｐはタイミング信号に比較して、Ｎ
＝Ｎ、のときはｔｌ、Ｎ−Ｎ２のときはｔｉ′だげ進ん
だ負極性の点火時期を定める。

この図よりＮ＝Ｎ、及びＮ＝Ｎ２に対する点火のくり返
し周期をＴ、及びＴ１／とするとｔ、／Ｔ、＝ｔ １／
／ Ｔ 、／であるため、タイミング信号に対する点火
時期の進角度θは機関回転数Ｎに無関係に制御電圧Ｖｃ
にて一義的に決定しうる事が明らかである。

第６図はこれを示す図で、横軸は制御電圧Ｖｃを、縦軸
は機関の上死点よりの進角度θを示す。

単安定マルチバイブレータ２６は差動型演算増幅器４５
を含み、比較器２５０発生する負極性のパルス電圧の立
上り時期にトリガーされ、一定の時間幅τ。

のパルス電圧を発生し増幅用トランジスタ５０にて増幅
し、点火コイル２８の一次側をスイッチングするトラン
ジスタ５１の遮断時期を決定する。

そして、トランジスタ５１の遮断時期は制御電圧ＶＣ−
Ｖｃ１のときは上死点よりθ１だげ進角し、この分だけ
内燃機関の点火火花の発生時期も進角することになる。

又、トランジスタ５１の遮断時間幅は第４図ｆに示すご
と（τ０どなる。

そして、点火コイル２８の二次側のＱ点に発生する電圧
は火花機関に通常用いられるディストリビュータにて内
燃機関の点火栓に分配される。

周期的変化信号発生器３は内燃機関の点火時期を△θだ
げ周期的に変化させるための信号を発生するもので差動
型演算増幅器６５を含み、一定くり返し周期で矩形電圧
を発生する無安定マルチバイブレータ回路を構成してお
り、Ｎ点に゛Ｈ″レベルと゛Ｌパレベルとが交互に生じ
るバイナリ−出力電圧ＶＮを発生する。

位相判別器４は周期的変化信号と機関トルク信号との位
相関係に対応した位相検波出力ＶＲを発生するための位
相検波回路３１と、その出力電圧ＶＲを積分するための
積分器３２及び、積分器３２の出力電圧ＶＤに周期的変
化信号を重畳させるための加算器３３とを有しており、
加算器３３の出力端Ｃより点火時期制御電圧Ｖｃが得ら
れる。

機関トルク検出器２は内燃機関に発生するトルクに対応
した検出信号を生ずるもので、例えば第８図に示すごと
く、自動車用の内燃機関１がマウンティングゴム１６５
゜１６６を介して車体１１０に支持され、内燃機関１の
トルク変化に応じてマウンティングゴム１６５．１６６
のたわみ量が変化し内燃機関１本体が大略回転軸を中心
とするねじり運動を生じる事を利用してトルク検出する
。

即ち、マウンティングゴム１６５，１６６の一端は内燃
機関１に固定され他端は車体１１０に固定されているた
め、内燃機関１の回転軸の回転方向が図中矢印ａ方向の
場合は内燃機関１０発生するトルクによって機関の回転
軸を中心とするねじり力が発生し、このねじり力は回転
方向と逆向きの偶力となって作用するため、マウンティ
ングゴム１６６は偶力の分だけ荷重が増したわみ量が増
加するのに対してマウンティングゴム１６５は偶力の分
だけ荷重が減りたわみ量が減少する。

従って内燃機関１に固定された変化検出点１６３は車体
１１０に対して相体的に矢印すの方向に変位する。

従ってこの変位量を車体１１０に固定されたポテンショ
メータ１６１にレバー１６２（このレバー１６２と車体
１１０との間には戻りばね１６４が介在させてあって、
この戻りばね１６４によってレバー１６２は常時矢印す
方向に押付けられている）を介して伝える事により機関
トルクに対応した電気的なトルク信号がポテンショメー
タ１６１に得られることになる。

このようにしてトルク検出器２は機関トルクの変化分を
電気的な検出信号の変化分として検出する。

そして、この検出信号を差動型演算増幅器５２を含む増
幅器２９にて増幅し、１点にトルク電圧ＶＪを発生する
。

そして、機関トルクが上昇した場合にトルク電圧ＶＪが
低下する極性に構成されている。

このトルク電圧ＶＪの変化分のみをカップリングコンデ
ンサ５３にて次のシュミット回路３０の差動型演算増幅
器５４に印加し、トルクの変化分△Ｔが一定値以下生じ
た場合に応じてＭ点Ｋ”Ｈ”レベル ＩＩ Ｌ ！ｌレ
ベルのいずれかのレベルをとるバイナリ−出力電圧■を
発生する。

即ち、となる。

位相検波回路３１はａ回路５５．５８、否定回路５６．
５７、ＯＲ回路５９より構成され、出力点Ｒの出力電圧
ＶＲはＮ点とＭ点の電圧ＶＮと■が共に゛Ｈ″レベルの
とき、及びＮ点とＭ点の電圧ＶＮとＶＭが共にｊ Ｌ
ｌ”レベルのときはＩＴ Ｈｎレベル、Ｎ点とＭ点の電
圧ＶＮと■のいずれか一方が゛Ｈ″レベルで他方が゛Ｌ
″レベルのときはＬ“ルベルとなる。

位相検波回路３１の出力電圧ＶＲは差動型演算増幅器６
０を含む積分器３２にて積分されて平滑され、その出力
であるＤ点に出力電圧ＶＤを生じる。

この出力電圧ＶＤとＮ点の出力電圧ＶＮを分圧した電圧
とが加算器３３に印加され、出力電圧ＶＤに周期的変化
分が重畳した制御電圧Ｖｃを０点に発生する。

加算器３３は差動型演算増幅器６７より構成され、Ｄ点
とＮ点の電圧ＶＤとＶＮの極性関係よりＤ点の電圧ＶＤ
は反転入力端に印加され、Ｎ点の電圧ＶＮは非反転入力
端に印加されている。

この制御信号により点火時期が制御される。

６８．６９は直流電源であり、その正側出力端＋■と負
側出力端一■は各回路中の＋Ｖ、−Ｖ端子がそれぞれ接
続される。

次に、以上の構成において本発明装置の作動を説明する
。

周期的変化信号発生器１２のくり返し周波数は本装置の
応答性をよくするためには高い方が望ましいが、機関ト
ルク検出器２の検出遅れの問題から数Ｈｚ以下に設定し
なければならない。

ここで、点火装置の点火時期θが第１図に示す内燃機関
の最適点火時期θ。

より遅れている場合（θ＝ＯＲ）と、一致している場合
（θ−θ。

）と、進んでいる場合（θ−θＡ）との三つの場合につ
いて本装置の作動を説明する。

まず、θ−θＲの場合、θＲ＋△θに対する機関トルク
はθＲ−△θに対する機関トルクより高くなるため、第
７図に示す如くＮ点とＭ点との電圧ＶＮとＶＭの位相が
一致し、Ｒ点の電圧ＶＲは＋！ Ｈ１１レベルとなる。

従って、Ｄ点の電圧ＶＤは時間と共に増加し、Ｃ点の電
圧Ｖｃは△の周期的変化を重畳しながら平均値が増加す
るため点火時期θも時間と共に進角する。

次に、θ−θ。

どなると、±△θに対する機関トルクの差は検出不能と
なり、Ｄ点、Ｃ点の電圧ＶＤ、Ｖｃ の平均値は不変と
なり、点火時期も現状の値が維持される。

また、θ＝θＡとなると、θＡ＋△θに対する機関トル
クがθＡ−△θに対する機関トルクより低くなってＮ点
とＭ点との電圧ＶＮとＶＭの位相が逆転するため、Ｒ点
の電圧ＶＲは゛Ｌ′°レベルとなる。

従ってＤ点とＣ点の電圧ＶＤ及びＶｃの平均値は時間と
共に減少するため、点火時期も時間と共に遅角する。

尚、点火時期の制御方法として本実施例ではアナログ回
路的方法について説明したが、デジタル回路的方法は勿
論、サーボモーターを使ってディストリビュータキャッ
プを機械的に回転させる方法等の種々の方法がとりうる
事は言うまでもない。

また、点火時期の制御方法として本実施例では、タイミ
ング信号発生器２１にて内燃機関のクランク軸に対する
タイミング信号の発生位置を圧縮行程の上死点に設定し
た場合について説明したが、このタイミング信号発生器
２１の接点の開閉を行うためのカム軸に発生する遠心力
を利用した公知のいわゆるガバナ進角装置並びに内燃機
関のブースト負圧を利用した公知のいわゆるバキューム
進角装置を適用し、内燃機関のクランク軸に対するタイ
ミング信号の位相関係をあらかじめ大略プログラム制御
しておく方法を採用することもできる。

この方法では、点火時期を最適値に対して±５゜程度の
精度であらかじめ制御させうるため、そのうちの誤差分
だけを本発明装置にてさらに精密に修正すればよくなる
ため、装置の応答性がよくなり、最適点火時期を得るた
めに要する時間が短縮される。

また、機関トルク検出器２は第８図に示すものに限定さ
れるものではなく、機関トルクを車輪に伝達するための
プロペラシャフトのねじれ量を検出するようにした機関
トルク検出器２を用いることもできる。

この一実施例を第９図において説明すると、２００は前
述したプロペラシャフト、２１１．２１２はプロペラシ
ャツ１２０００Å力側と出力側との２位置に固定した反
射板、２２１２２２は光源、２３１．２３２は光源２２
１゜２２２よりの光を反射板２１１．２１２に導くため
のスリット、２４１．２４２は反射板２１１゜２１２に
より反射された光を受けて出力を発生するフ第１・トラ
ンジスタである。

そして、機関トルクの大きさに応じてプロペラシャフト
２００のねじれ量が変化することにより、反射板２１１
よりフォトトランジスタ２４１が光を受ける時期と反射
板２１２よりフォトトランジスタ２４２が光を受ける時
期との位相が変化するため、この位相差を位相差検出器
によって検出することにより、機関トルクに応じた出力
を得ることができる。

また、プロペラシャフト２００に歪ゲージを貼り付け、
この歪ゲージによりプロペラシャフト２００のねじれ量
を検出して機関トルクに応じた出力を得ることもできる
。

以上の如く本発明では、点火時期を周期的に変化させる
と共に、内燃機関のトルクの変化を機関もしくはその出
力伝達軸のねじれにより直接的に検出し、両者の位相関
係を位相判別器にて判別し、この判別出力に応じてトル
クが上昇する方向に点火時期を制御しているから、きわ
めて応答性良く、種々の条件変化に対して最適点火時期
を目標値とする自動制御を行なうことができ、これによ
って内燃機関の効率の向上による省資源が可能となると
いう優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は一搬の内燃機関において点火時期を変えた場合
の機関トルクと燃費率との関係を示す特性図、第２図は
本発明装置の構成を示すブロック図、第３図は本発明装
置の一実施例を示す電気結線図、第４図は第３図図示の
本発明装置における点火時期制御装置部分の作動説明に
供する各部電圧波形図、第５図は第３図図示の本発明装
置における周波数−電圧変換器の特性図、第６図は第３
図図示の本発明装置における点火時期制御装置の制御電
圧に対する進角度特性図、第１図は第３図図示の本発明
装置における位相判別器部分の作動説明に供する各部電
圧波形図、第８図は第３図図示の本発明装置に適用する
機関トルク検出器を模式的に示す構成図、第９図は第３
図図示の本発明装置に適用する機関トルク検出器の他の
例を模式的に示す構成図である。 １・・・・・・内燃機関、２・・・・・・機関トルク検
出器、３・・・・・・周期的変化信号発生器、４・・・
・・・位相判別器、５・・・・・・点火時期制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関に発生するトルクを機関もしくはその出力
   伝達軸のねじれにより直接的に検出するための機関トル
   ク検出器と、内燃機関の点火時期を周期的に変化させる
   ための周期的変化信号発生器と、この周期的変化信号発
   生器の信号と前記機関トルク検出器より機関トルク信号
   との位相関係を判別する位相判別器と、この位相判別器
   の判別出力に応じて点火時期をトルクが上昇する方向に
   制御する点火時期制御装置とを備えることを特徴とする
   内燃機関用制御装置。