JP2861043B2 - 火花点火式内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関
（以下、「内燃機関」を単に「エンジン」という場合が
ある）における点火時期制御装置に関する。

［従来の技術］ 従来より、例えばガソリンエンジンの点火時期制御は
次のようにして行なわれている。すなわち、エンジン吸
入空気量を検出する流量センサ（この流量センサの代わ
りに吸気通路圧力を検出する圧力センサを用いてもよ
い）およびエンジン回転数を検出するエンジン回転数セ
ンサからエンジンの運転状態を検出し、これらのセンサ
からの検出結果に基づいて、吸入空気量Ａをエンジン回
転数Ｎで割って得られる体積効率Ev（A/N）あるいは吸
気通路圧力とエンジン回転数Ｎとで決まる進角値（点火
時期情報）をもった２次元マップから基本点火時期情報
を求め、この基本点火時期情報に適宜の補正を行ない、
このようにして得られた点火時期情報に基づき点火装置
（点火プラグや点火コイル等）を作動させることによ
り、エンジンの点火時期を制御している。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の基本点火時期情報に対して行なう適宜の補正に
は、エンジンの冷却水温に基づく補正や吸気温に基づく
補正等があるが、特に、エンジンの加速時に、ノック
（ノッキング）が生じるので、エンジンの加速時にも点
火時期情報に対して何らかの補正を行なう必要がある。

ここで、ノックは自己着火によって誘起される燃焼室
内の振動現象であり、かかるノックにより、不快な音が
発生するだけでなく、エンジンにも悪影響を及ぼすおそ
れがある。

そこで、従来は、かかるノックの発生を防止するため
に、点火時期を遅らせるような制御が一般に行なわれて
いるが、この場合、ノックの発生に結び付くエンジン現
象の検出が困難であるため、点火時期は最悪の条件でも
ノックを発生させないような安全な側に遅らせる制御法
を採用している。

ところで、ノックを生じる点火角は、第４図に示すご
とく、燃焼室壁部の温度（燃焼室壁温）に関係してお
り、また加速時において低負荷から高負荷に変わる際に
は、燃焼室壁温は温度上昇の遅れ（第５図参照）によっ
て定常時より低いため、燃焼室壁温が定常にまで上昇す
る数十サイクル間は、点火角に対して進角してもノック
は生じない。

本発明は、このような知見に基づき創案されたもの
で、燃焼エネルギー量情報から点火時期情報を求めるこ
とができるようにすることにより、点火時期を必要以上
に遅角させないようにしながら、エンジン出力およびエ
ンジン効率の向上をはかるとともに、加速性能を改善で
きるようにした、火花点火式内燃機関の点火時期制御装
置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このため、本発明の火花点火式内燃機関の点火時期制
御装置は、火花点火式内燃機関の運転状態に応じて点火
時期を設定する点火時期設定手段と、該点火時期設定手
段で設定された上記点火時期情報に基づき点火装置を作
動させる点火装置作動手段とをそなえ、該点火時期設定
手段が、燃焼エネルギー量を示す変数についての測定値
に関し該測定値の最新データを該測定値の過去のデータ
で修正する修正手段と、該修正手段で得られた該燃焼エ
ネルギー量に関する修正データに基づいて該点火時期を
進角側に補正する点火時期補正手段とを含んで構成され
ていることを特徴としている。

［作 用］ 上述の本発明の火花点火式内燃機関の点火時期制御装
置では、点火時期設定手段で設定された点火時期情報に
基づき点火装置が作動せしめられるが、このとき点火時
期は次のようにして求められる。すなわち、まず、修正
手段で、燃焼エネルギー量を示す変数についての測定値
に関し該測定値の最新データを該測定値の過去のデータ
で修正し、ついで点火時期補正手段で、修正手段で得ら
れた燃焼エネルギー量に関する修正データに基づいて点
火時期が進角側に補正される。

［実 施 例］ 以下、図面により本発明の一実施例としての火花点火
式内燃機関の点火時期制御装置について説明すると、第
１図はその制御系およびエンジン概略システムを示す全
体構成図、第２図はその点火時期を求めるためのフロー
チャート、第３図は燃焼室壁温と燃焼エネルギー量との
関係を説明する図である。

さて、本装置によって制御される車載用ガソリンエン
ジンシステム（火花点火式内燃機関システム）は、第１
図のようになるが、この第１図において、ガソリンエン
ジンＥ（以下、単にエンジンＥという）はその燃焼室１
に通じる吸気通路２および排気通路３を有しており、吸
気通路２と燃焼室１とは吸気弁４によって連通制御され
るとともに、排気通路３と燃焼室１とは排気弁５によっ
て連通制御されるようになっている。

また、吸気通路２には、上流側から順にエアクリーナ
6,スロットル弁７および電磁式燃料噴射弁（インジェク
タ）８が設けられており、排気通路３には、その上流側
から順に図示しないが排ガス浄化用の触媒コンバータ
（三元触媒）およびマフラ（消音器）が設けられてい
る。

なお、インジェクタ８は吸気マニホルド部分に気筒数
だけ設けられている。今、本実施例のエンジンＥが直列
４気筒エンジンであるとすると、インジェクタ８は４個
設けられていることになる。即ちいわゆるマルチポイン
ト燃料噴射（MPI）方式のエンジンであるということが
できる。

また、スロットル弁７はワイヤケーブルを介してアク
セルペダルに連結されており、これによりアクセルペダ
ルの踏込み量に応じて開度が変わるようになっている。

さらに、各気筒には、その燃焼室１へ向けて点火プラ
グ９が設けられており、各点火プラグ９はディストリビ
ュータ（図示せず）を介して点火コイル10に接続されて
いる。そして、点火コイル10付きのパワートランジスタ
11のオフ動作によって点火コイル９に高い電圧が発生し
て、ディストリビュータにつながっている点火プラグ９
のいずれかがスパーク（点火）するようになっている。
なお、パワートランジスタ11のオン動作によって点火コ
イル10はバッテリ12により充電を開始される。そして、
これらの点火プラグ9,ディストリビュータ，点火コイル
10,パワートランジスタ11で、点火装置を構成する。

このような構成により、スロットル弁７の開度に応じ
エアクリーナ６を通じて吸入された空気が吸気マニホル
ド部分でインジェクタ８からの燃料と適宜の空燃比とな
るように混合され、燃焼室１内で点火プラグ９を適宜の
タイミングで点火させることにより、燃焼せしめられ
て、エンジントルクを発生させたのち、混合気は、排ガ
スとして排気通路３へ排出され、触媒コンバータで排ガ
ス中のCO,HC,NO_Xの３つの有害成分を浄化されてから、
マフラで消音されて大気側へ放出されるようになってい
る。

さらに、このエンジンＥを制御するために、種々のセ
ンサが設けられている。まず吸気通路２側には、そのエ
アクリーナ配設部分に、吸入空気量をカルマン渦情報か
ら検出する体積流量計としてのエアフローセンサ13,吸
入空気温度を検出する吸気温センサおよび大気圧を検出
する大気圧センサが設けられており、そのスロットル弁
配設部分に、スロットル弁７の開度を検出するポテンシ
ョメータ式のスロットルセンサ，アイドリング状態を検
出するアイドルスイッチが設けられている。

また、排気通路３側には、触媒コンバータの上流側で
燃焼室１に近い部分に、排ガス中の酸素濃度（O₂濃度）
を検出する酸素濃度センサ（O₂センサ）が設けられてい
る。

さらに、エンジン冷却水温を検出する水温センサが設
けられるほかに、クランク角度を検出するクランク角セ
ンサ14（このクランク角センサ14はエンジン回転数Ｎを
検出するエンジン回転数センサも兼ねているので、以
下、必要に応じ、このクランク角センサ14をエンジン回
転数センサと称することがある）および第１気筒（基準
気筒）の上死点を検出するTDCセンサがそれぞれディス
トリビュータに設けられている。

ところで、上記の各センサからの検出信号は、電子制
御ユニット（ECU）15へ入力されるようになっている。

また、ECU15は、ハードアウェア的にその構成を見る
と、CPU,RAM（バックアップRAMを含む）,ROM,適宜の入
出力インタフェース回路をそなえており、その入力イン
ターフェース回路を通じてあるいは直接に各センサから
の信号がCPUへ入力されるとともに、出力インタフェー
ス回路を通じてCPUからの点火時期制御信号がパワート
ランジスタ11へ出力され、更には点火コイル10からディ
ストリビュータを介して各点火プラグ９を順次スパーク
させてゆくようになっている。

なお、CPUからは出力インタフェース回路を通じ噴射
燃料制御信号がインジェクタ８へ出力されるようになっ
ており、これによりこの噴射燃料制御信号によって決ま
る時間だけインジェクタ８から燃料が噴射されて、所望
の空燃比となるよう制御される。

今、点火時期制御に着目して、ECU15を、かかる点火
時期制御のための機能ブロックを用いて示すと、第１図
に示すようになる。すなわち、この点火時期制御装置
は、基本点火時期設定手段としての基本点火角設定手段
30,点火時期補正量設定手段31,加算手段34,点火信号発
生手段35を有している。

ここで、基本点火角設定手段30は、エンジンＥの運転
状態（この運転状態はエアフローセンサ13からのエンジ
ン負荷情報とエンジン回転数センサ14からのエンジン回
転数情報とから決まる）に応じて基本点火時期を設定す
るもので、例えばA/N,Nとから決まる２次元の基本点火
時期データ（進角データ）Θ_０を記憶する基本点火時期
マツプをもっている。

点火時期補正量設定手段31は、燃焼エネルギー量を示
す変数（例えば吸入空気量Ａや燃料噴射量ｕ）について
移動平均処理または１次フィルタ処理を施して燃焼エネ
ルギー指標CIを算出する燃焼エネルギー指標算出手段32
と、この燃焼エネルギー指標算出手段32で得られた燃焼
エネルギー指標CIから点火時期補正量ΔＡを求める点火
時期補正量演算手段としての点火角補正手段33とをそな
えて構成されている。

ここで、移動平均処理を施して燃焼エネルギー指標CI
を算出する場合は次の（１），（２）式を用いる。

（１−１）燃焼エネルギー量を示す変数として吸入空気
量Ａを用いる場合 （１−２）燃焼エネルギー量を示す変数として供給燃料
量ｕを用いる場合 ここで、ｎは移動平均対象数（２〜３）、A/N_i-kは
（ｉ−ｋ）サイクル目のエンジン回転数当りの吸入空気
量、N_i-kは（ｉ−ｋ）サイクル目のエンジン回転数、u
_i-kは（ｉ−ｋ）サイクル目の供給燃料量である。

また、一次フイルタ処理を施して燃焼エネルギー指標
CIを算出する場合は次の（３），（４）式を用いる。

（２−１）燃焼エネルギー量を示す変数として吸入空気
量Ａを用いる場合 CI＝Ｋ（A/Ni）Ni＋（１−Ｋ）（A/N_i-1）N_i-1 …（３） （２−２）燃焼エネルギー量を示す変数として供給燃料
量ｕを用いる場合 CI＝Kui＋（１−Ｋ）u_i-1 …（４） ここで、Ｋはフイルタ定数（０以上１以下）、A/Niは
ｉサイクル目のエンジン回転数当りの吸入空気量、Niは
ｉサイクル目のエンジン回転数、uiはｉサイクル目の供
給燃料量である。

したがって、燃焼エネルギー指標算出手段32は、燃焼
エネルギー量を示す変数（吸入空気量Ａや燃料噴射量
ｕ）について時々刻々と得られる測定値に関しこの測定
値の最新データを過去の測定データで修正する修正手段
を構成するとともに、点火角補正手段33は、燃焼エネル
ギー指標算出手段32で得られた測定値に関する修正デー
タから点火時期を求める点火時期算出手段を構成する。

また、加算手段34は、基本点火角設定手段30からの基
本点火角Θ_０と点火時期補正量設定手段31からの点火時
期補正量ΔＡとを加算するものである。

したがって、これらの基本点火角設定手段30,点火時
期補正量設定手段31,加算手段34で、エンジンＥの運転
状態に応じて点火時期を設定する点火時期設定手段を構
成する。

さらに、点火信号発生手段35は、加算手段34からの基
本点火角Θ_０に点火時期補正量ΔＡを加えたものに基づ
いてパワートランジスタ11を作動させるための点火信号
を発生するもので、これにより、この点火信号発生手段
35は、エンジンの運転状態に応じて求められた点火時情
報に基づきパワートランジスタ11等の点火装置を作動さ
せる点火装置作動手段を構成する。

次に、燃焼室壁温と燃焼エネルギー量との関係につい
て説明する。今、第３図に示すように、燃焼室壁におい
てこの燃焼室壁に流入出する熱をQi,Qo（Qoは冷却水側
へ伝達される熱量）とし、燃焼室壁の熱容量をＣとし、
冷却水温をθｃとすると、燃焼室壁の温度上昇率（燃焼
室壁温）θｗは θｗ＝（Qi−Qo）/C …（５） となり、更にQoは、αを燃焼室壁と冷却液の熱貫流率と
すると、 Qo＝α（θｗ−θｃ） …（６） で表わされる。

ここで、αは定数、θｃは一定であるから、 Qo∝θｗ …（７） となる。

従って、燃焼室壁温の代わりに、壁面を通過する燃焼
エネルギー量を使っても同様な結果が得られるから、燃
焼室壁温の変化は、燃焼エネルギーについて上述のよう
な移動平均処理あるいは一次フィルタ処理を施したもの
で近似できるのである。

つぎに、燃焼室壁温から点火角補正量（点火時期補正
量）ΔＡを算出する手法について説明する。

すなわち、あらゆる定常運転条件に対してノック点火
時期と燃焼エネルギー指標CIとの関係（例えば、この関
係は、加速時の燃焼エネルギー量が定常より低い間は点
火進角を進み側にするような関係になっている）を実験
により求めておき、これをエンジン制御用マイクロコン
ピュータに設定しておくのである。これにより、ある運
転時の燃焼エネルギー指標CIから点火時期が得られる。

なお、実際の点火角設定は実験で得られた値に多少の
余裕をもたせておく。

つぎに点火時期演算要領について、第２図のフローチ
ャートを用いて説明する。

まず、ステップa1で、ｉサイクルでの燃焼エネルギー
量を示す変数情報（A/N,Nまたはｕ）を取込み、ステッ
プa2で、燃焼エネルギー量について移動平均または一次
フィルタ処理を施して、前述の（１），（２）式または
（３），（４）式から燃焼エネルギー指標CIを算出す
る。

その後は、ステップa3で、求めた燃焼エネルギー指標
CIから予め測定したおいたデータに基づき点火補正量Δ
Ａを決定し、ステップa4で、基本点火角Θ_０を決定して
から、ステップa5で、基本点火時期Θ_０に点火補正量Δ
Ａを加える。

そして、上記のようにして、点火角が求まると、この
情報に基づいて、点火信号発生手段35からパワートラン
ジスタ11へ点火信号が出され、これに応じたタイミング
で点火プラグ９が点火する。

なお、燃焼エネルギー量の測定は連続して行なうが、
点火量の補正は急加速時（過渡時）のみに限定してもよ
い。

このように、燃焼エネルギー指標CIから点火補正量を
求めることが行なわれるので、加速時の低負荷から高負
荷に変わる過渡時における燃焼室壁温が低い間（加速初
期数＋サイクルの間）は、燃焼エネルギー量が定常より
低く、従ってその間は進み側に点火進角を設定し、加速
中期以降、燃焼室壁温が高くなると、それに応じて燃焼
エネルギー量が定常に近付いてくるので、点火進角も遅
れ側へ補正することができ、これにより加速時におい
て、点火時期を必要以上に遅らせることなく、ノックが
発生しない最適な点火角を常に設定できるため、速やか
な加速をできるだけ妨げないようにしながら、加速時の
ノックを確実に防止できる。その結果、エンジン出力を
上げることができ、エンジン効率が上がるとともに、加
速性能を大幅に改善することができる。

なお、定常時においては、燃焼エネルギー指標CIに基
づく補正は行なわない。

また、点火時期の制御に際しては、加速時補正のほ
か、水温や吸気温に応じて補正してもよい。

さらに、点火時期算出手段を、基本点火時期設定手段
30と点火時期補正量設定手段31とこれらの手段で得られ
た情報を加算する加算手段34とで構成する代わりに、定
常時用の点火時期マツプと複数の過渡時用の点火時期マ
ツプとを有するようにしてもよい。

さらに、本発明は、エアフローセンサを用いたＬジェ
トロ方式を採用する火花点火式内燃機関のほか、吸気通
路圧力センサを用いたＤジェトロ方式（スピードデンシ
ィティ方式）を採用する火花点火式内燃機関にも適用で
きるものである。

また、本発明は、ガソリンエンジンのほか、アルコー
ル燃料を使用するアルコールエンジン等の火花点火式内
燃機関一般についても、同様にして適用できるものであ
る。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の火花点火式内燃機関の
点火時期制御装置によれば、修正手段で、燃焼エネルギ
ー量を示す変数についての測定値に関し該測定値の最新
データを該測定値の過去のデータで修正し、ついで点火
時期算出手段で、修正手段で得られた該燃焼エネルギー
量に関する修正データに基づいて点火時期を進角側に補
正することが行なわれるので、点火時期を必要以上に遅
角させないようにしながら、エンジン出力およびエンジ
ン効率の向上をはかれるとともに、加速性能を改善でき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の一実施例としての火花点火式内燃
機関の点火制御装置を示すもので、第１図はその制御系
およびエンジン概略システムを示す全体構成図、第２図
はその点火時期を求めるためのフローチャート、第３図
は燃焼室壁温と燃焼エネルギー量との関係を説明する図
であり、第４図はスロットル弁全開時におけるシリンダ
ブロック触火面温度（燃焼室壁温）に対するノック特性
を示す図、第５図はエンジン回転数が急変する場合の燃
焼室壁温の応答状態を説明する特性図である。 １……燃焼室、２……吸気通路、３……排気通路、４…
…吸気弁、５……排気弁、６……エアクリーナ、７……
スロットル弁、８……電磁弁（インジェクタ）、９……
点火装置を構成する点火プラグ、10……点火コイル、11
……パワートランジスタ、12……バッテリ、13……エア
フローセンサ（体積流量計）、14……クランク角センサ
（エンジン回転数センサ）、15……ECU、16……水温セ
ンサ、30……基本点火角設定手段、31……点火時期補正
量設定手段、32……燃焼エネルギー指標算出手段（修正
手段）、33……点火角補正手段（点火時期算出手段）、
34……加算手段、35……点火信号発生手段（点火装置作
動手段）、Ｅ……エンジン。

フロントページの続き (72)発明者 安東 弘光 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 竹村 純 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 神品 英一 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−214270（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−280856（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02P 5/15

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】火花点火式内燃機関の運転状態に応じて点
   火時期を設定する点火時期設定手段と、該点火時期設定
   手段で設定された上記点火時期情報に基づき点火装置を
   作動させる点火装置作動手段とをそなえ、 該点火時期設定手段が、 燃焼エネルギー量を示す変数についての測定値に関し該
   測定値の最新データを該測定値の過去のデータで修正す
   る修正手段と、 該修正手段で得られた該燃焼エネルギー量に関する修正
   データに基づいて該点火時期を進角側に補正する点火時
   期補正手段と を含んで構成されてい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。