JPH02223676A - 火花点火式内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、エンジンの吸
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、これらのセンサが
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次元マツ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。

ところで、エンジンの加速時にノックが生じる原因の一
つとして、燃料の成分ごとの気化特性が一様でないとい
う点がある。

すなわち、ガソリンは普通異なったオクタン価をもつ複
数の成分からなり、これらの成分の気化特性は通常異な
る。また、燃料噴射式のガソリンエンジンでは、噴射さ
れた燃料の全量が同時に燃焼室に入るわけではなく、一
部は吸気通路に付着し、その抜栓々に気化して燃焼室に
吸入される。

この場合、燃料の成分ごとの気化特性が一様でないため
、燃焼室内での燃焼時のオクタン価はもとの燃料のそれ
と常に一致しているとは限らない。

そのため、特に急加速時など燃料が大量に噴射されたと
きには、オクタン価の低下が起こり、ノックが発生しや
すくなる。

そこで、従来は、かかるノックの発生を防止するために
５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燃焼時のオク
タン価の低下の検出が不可能であるため、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。

本発明は、このような状況下において創案されたもので
、所要の数学モデルを用いて、燃焼室内での燃焼時のオ
クタン価を実時間で推定し、この推定オクタン価に基づ
き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、出力向上と燃費の向上とにとって最適な点火時期
制御を実現できるようにした、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］ 上述の目的を達成するため、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、該内燃機関へ供給する燃料量を計測
する供給燃料量計測手段と、該供給燃料量計測手段で得
られた供給燃料量並びに該燃料についてその成分ごとに
予め設定された気化特性およびオクタン価についての各
情報に基づき燃焼室内での該燃料のオクタン価を推定す
るオクタン価推定手段と、該オクタン価推定手段で推定
されたオクタン価に基づき該点火時期を求める点火時期
算出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、オクタ
ン価推定手段で、供給燃料量計測手段で得られた供給燃
料量並びに燃料についてその成分ごとに予め設定された
気化特性およびオクタン価についての各情報に基づき。

燃焼室内での燃料のオクタン価が推定され、その後点火
時期算出手段で、オクタン価推定手段で推定されたオク
タン価に基づき１点火時期が求められる。

［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図はその燃焼時オクタン価推定モデルを説
明する図、第３図はその点火時期を求めるためのフロー
チャートである。

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１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１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１ｏはバッテリ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１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
して排気道路３へ排出され、触媒コンバータで排ガス中
のＣＯ、ＨＣ、Ｎ　Ｏｘ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（エンジ
ン負荷センサ）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（０８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、バ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、その入力インタフェース回路を通じであるいは直
接に各センサからの信号がＣＰ　Ｕ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を順次スバ・−り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２ 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、供給燃料量計測手段２０、気化特性・オクタン価設
定手段２１．オクタン価推定手段２２１点火時期算出手
段２３２点火信号発生手段２４を有している。

ここで、供給燃料量計測手段２０は、エンジン吸気通路
２ヘインジエクタ８を通じて供給する燃料量を計測する
もので、例えばインジェクタ８へ供給する燃料噴射パル
スの時間幅に基づきあるいはエアフロー・センサ１３で
得られる吸入空気量に基づき燃料量が計測されるように
なっている。

気化特性・オクタン価設定手段２１は、燃料についての
各成分ごとにその成分割合、気化特性およびオクタン価
を予め設定しておくものであるが、かかる割合、気化特
性およびオクタン価は燃料タンク内に燃料を入れる際あ
るいは入れた状態で自動的に計測してもよい。

オクタン価推定手段２２は、供給燃料量計測手段２０で
得られた供給燃料量並びに燃料についての成分ごとに予
め設定された成分割合、気化特性およびオクタン価につ
いての各情報に基づき燃焼室１内での燃料のオクタン価
（等価的オクタン価）を推定するもので、このためにオ
クタン価推定手段２２は、供給燃料量計測手段２０で得
られた供給燃料量並びに燃料についての成分ごとに予め
設定された気化特性およびオクタン価についての各情報
から各成分ごとの気化吸入量を推定する気化・吸入推定
手段２２Ａと、この気化・吸入推定手段２２Ａで推定さ
れた気化・吸入量から等価的オクタン価を計算する等価
的オクタン価計算手段２２Ｂとをそなえている。

点火時期算出手段２３は、オクタン価推定手段２２で推
定された等価的オクタン価に基づき点火時期を求めるも
ので、更にこの点火時期算出手段２３は、エンジンＥの
運転状態（この運転状態はエンジン負荷センサ（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Ｌンジン回転数情翰とから決まる
）に応じて点火角（点火時期）が決まる２次元の点火時
期データ（進角データ）を記憶する点火時期マツプ２３
−１〜２３−ｎを複数（ｎ）の等測的オクタン偏分もっ
ている。この第１図に示す例では、マツプ２３−１が最
小等価的オクタン価についてのもので、マツプ２３−ｎ
が最大等価的オクタン価についてのものである。なお、
２３−１〜２３−１間の番号をもつマツプは、最小等価
的オクタン価と最大等価的オクタン価との中間の等価的
オクタン価についてのもので、サフィックス番号の小さ
いものほど小さい等価的オクタン価についてのものであ
る。

また、点火信号発生手段２４は、点火時期算出手段２３
から算出された点火時期情報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出力するもので
、これにより、この点火信号発生手段２４で、エンジン
の運転状態に応じて求められた点火時期情報に基づきパ
ワー・トランジスタ１１等の点火装置を作動させる点火
装置作動手段を楕成する。

次に、等価的オクタン価を推定する手法区ついて説明す
る。

まず、単一組成の燃料について考える。この場合は、第
２図に示すごとく、１時刻の噴射量をｕｌとすると、そ
のうちｂの割合で直接吸入され、残りが吸気通路２内に
付着すると考えられるとともに、付着燃料ｘｉのうちａ
だけ気化により吸入されると考えられる。

すると、燃焼室１への吸入量ｙｉおよび吸気通路内壁面
への付着量の増加分（Ｘ旬−ＸＩ）について、次式が成
立する。

ｙ、ｔ＝　ａ　Ｘ１＋　ｂ　ｕ、ｔ”（１）Ｘｉ＋１−
ｘ１＝　　（１−ｂ）ｕ、１−ａ　ｘｌ”（２）さらに
整理すると、 ｘ１＝　（１−ａ）ｘｔ−ｔ＋　（１−ｂ）ｕｉ−ｘ”
（３）となる。

つぎに、上記理論を複数組成の燃料に拡張する。

各成分ごとの付着量ベクトルをχ１、各成分ごとの吸入
量ベクトルをｙ工とし、更に各成分ごとの気化係数マト
リクスをＡＡ　（このＡＡは対角成分ａ。＋ａｚｚ＋・
・ｔａｎｎが順次気化係数ａ１ｔ　ａｚｔ・・　ａｎで
、その他の部分はＯであるマトリクス）とし、また、各
成分の重量比Ｘ直接吸入率をベクトルにしてｂとし、各
成分ごとの重量比マトリクスをＷ（このＷは対角成分Ｗ
ｉ、、Ｗ、、、・・Ｗｎｎが順次重量比係数ｗ、、ｗ、
、　　・・、Ｗｙｌで、その他の部分はＯであるマトリ
クス）とすると、多成分燃料については、 ｘｉ＝　（１−ＡＡ）　ｘＬ−ｔ＋　（ｅ−Ｔｏ）ｔＷ
ｕｉ、１”（４）ｙｌ＝ＡＡｘｌ＋ＴｏｔＷｕｌ”（５
）が成立する。

ここで、ｅは単位ベクトル、■は単位行列である。

次に１等価的オクタン価の推定について説明する。

まず、各成分のオクタン価をαＪとするベクトルをαと
する。そして、ある種の燃料については、（重量比×オ
クタン価）の総和で、等価的オクタン価が求まるので、
近似的に次式を使うことができる。

０ＮＬ＝　ｔ　ｔｙｔ／　ｅｔｙｔ゛−（６）ここで、
ＯＮｉはｉ時点の等価的オクタン価、ｔはベクトルの転
置である。

このようにして、複数組成の燃料についての等価的オク
タン価を求めることができる。

なお、（６）式で誤差が大きいときは、事前に各種重量
比ごとのオクタン価を求めたデータテーブルを使用する
。この場合は、 ０Ｎｉ＝ｆ　（ｇｔ　ｙ）・・（７） となる。

つぎに点火時期演算要領について、第３図のフローチャ
ートを用いて説明する６ まず、ステップａ１で、燃料の各成分ごとの気化特性、
オクタン価を読み込み、ステップａ２で、噴射燃料量を
計測し、ステップａ３で、これらの情報から上記したよ
うな気化・吸入モデルの演算を行なうことにより、各成
分ごとの付着量ベクトルχ１．各成分ごとの吸入量Ｖｉ
を求める。

ついで、ステップａ４で、等価的オクタン価の計算を行
ない、更にステップａ５で、エンジン回転数や負荷パラ
メータを取り込み、ステップａ６で、点火角を等価的オ
クタン価、エンジン回転数。

エンジン負荷により決定する。

そして、上記のようにして、点火角が求まる（この点火
角は点火時期ごとに計算される）と、この情報に基づい
て１点火角号発生手段２４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。

このように、所要の数学モデルを用いて、燃焼室１内で
の燃焼時の等価的オクタン価を実時間で推定し、この等
価的オクタン価に基づき点火時期情報を求めることがで
きるので、必要以上に点火角を遅らせることなく、出力
向上と燃費の向上とにとって最適な点火時期制御を実現
できる。特に、加速時において、ノックが発生しない最
適な点火角を常に設定できるので、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
に防止できるやこれにより、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、点火時期算出手段２３中に、公称オクタン価につ
いての点火時期マツプをそなえておき、推定したオクタ
ン価が公称のオクタン価からあまりずれていない場合は
、この公称オクタン価についての点火時期マツプを使用
し、推定したオクタン価が公称のオクタン価より大きく
ずれていた場合にのみ、点火時期補正を行なうようにす
ることもできる。

また、点火時期の制御に際しては、水温や吸気温に応じ
た補正を追加してもよい。

さらに、点火時期算出手段２３を、基本点火時期設定手
段と点火時期補正量設定手段とこれらの手段で得られた
情報を加算する加算手段とで構成して、エンジン運転状
態に応じて得られる基本点火時期を、等価的オクタン価
に応じて得られる点火時期補正量で補正したものを点火
時期情報として使用してもよい。

また５本発明は、異なったオクタン価の複数の燃料を使
用しうるエンジン、例えばガソリン燃料でもアルコール
ブレンド燃料でも使用できるエンジンについても、同一
の装置で対応が可能である。

さらに、本発明は、エアフローセンサを用いたしジェト
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（スピードデンシイ
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。

［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、所要の数学モデルを用いて、
燃焼室内での燃焼時のオクタン価を実時間で推定し、こ
の推定オクタン価に基づき点火時期情報を求めることが
できるので、必要以上に点火角を遅らせることなく、出
力向上と燃費の向上とにとって最適な点火時期制御を実
現でき、特に、加速時において、オクタン価の低下が起
こった場合でも、適切な点火時期情報が取り出され。

これによりノックが発生しない最適な点火角を常に設定
できるので、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、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
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
機関の点火時期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図はその燃焼時オクタン価推定モデルを説明する図、
第３図はその点火時期を求めるためのフローチャートで
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、１３−エンジン負荷センサとしてのエアフロー
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、２〇−供給燃料量
計測手段、２１・−気化特性・オクタン価設定手段、２
２−オクタン価推定手段、２２Ａ−気化・吸入推定手段
、２２Ｂ−等価的オクタン価計算手段、２３−点火時期
算出手段、　２３−１．２３−ｎ　−点火時期マツプ、
２４−点火信号発生手段、（点火装置作動手段）、Ｅ−
エンジン。 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、該内燃
   機関へ供給する燃料量を計測する供給燃料量計測手段と
   、該供給燃料量計測手段で得られた供給燃料量並びに該
   燃料についてその成分ごとに予め設定された気化特性お
   よびオクタン価についての各情報に基づき燃焼室内での
   該燃料のオクタン価を推定するオクタン価推定手段と、
   該オクタン価推定手段で推定されたオクタン価に基づき
   該点火時期を求める点火時期算出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。