(57)【要約】【課題】ＥＧＲ率を吸入空気量と筒内圧とから算出する従来の方法では、次の燃焼サイクルにて点火時期が補正されるため、その制御精度に問題がある。【解決手段】エンジン１０の運転状態に応じてＥＧＲ量を設定するＥＧＲ量設定部３１と、このＥＧＲ量設定部３１にて設定されたＥＧＲ量に応じて点火時期を設定する点火時期設定部４３と含む本発明による火花点火機関の運転制御装置は、ＥＧＲガスを含む混合気が供給された燃焼室１２内の圧力変化を圧縮行程中に検出するための筒内圧センサ２０と、この筒内圧センサ２０によって検出された圧力変化に基づいて混合気中に含まれるＥＧＲガス濃度を算出するＥＧＲガス濃度算出部３３と、このＥＧＲ濃度算出部にて算出されたＥＧＲガス濃度に基づき、点火時期設定部４３にて設定された点火時期を補正する点火時期補正部５０とを具える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＧＲ装置が組み込まれた火花点火機関の運転制御方法であって、
ＥＧＲガスを含む混合気が供給された燃焼室内の圧力変化を圧縮行程中に検出するステップと、
検出された圧力変化に基づいて混合気中に含まれるＥＧＲガス濃度を算出するステップと、
算出されたＥＧＲガス濃度に基づいて点火時期を補正するステップと
を具えたことを特徴とする火花点火機関の運転制御方法。
【請求項２】
点火時期を補正するステップは、圧力変化を検出した同一サイクル中に行われることを特徴とする請求項１に記載の火花点火機関の運転制御方法。
【請求項３】
ＥＧＲガス濃度を算出するステップは、検出された圧力変化から混合気の比熱比を算出するステップを含み、算出された比熱比に基づいてＥＧＲガス濃度を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の火花点火機関の運転制御方法。
【請求項４】
火花点火機関の運転状態に応じてＥＧＲ量を設定するＥＧＲ量設定部と、このＥＧＲ量設定部にて設定されたＥＧＲ量に応じて点火時期を設定する点火時期設定部と含む火花点火機関の運転制御装置であって、
ＥＧＲガスを含む混合気が供給された燃焼室内の圧力変化を圧縮行程中に検出するための筒内圧センサと、
この筒内圧センサによって検出された圧縮行程中の圧力変化に基づいて混合気中に含まれるＥＧＲガス濃度を算出するＥＧＲガス濃度算出部と、
このＥＧＲ濃度算出部にて算出されたＥＧＲガス濃度に基づき、前記点火時期設定部にて設定された点火時期を補正する点火時期補正部と
を具えたことを特徴とする火花点火機関の運転制御装置。
【請求項５】
ＥＧＲガス濃度算出部は、筒内圧センサによって検出された圧力変化から混合気の比熱比を算出する比熱比算出部を含み、この比熱比算出部にて算出された比熱比に基づいてＥＧＲガス濃度を算出することを特徴とする請求項４に記載の火花点火機関の運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＧＲ装置が組み込まれた火花点火機関の運転制御方法および運転制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気通路内を流れる排気ガスの一部を吸気通路から燃焼室内に戻し、燃焼室内における混合気の燃焼温度を低下させることにより、排気ガス中に占める窒素酸化物の割合を低減させるようにした排気ガス還流（以下、ＥＧＲと記述する）装置が知られている。このＥＧＲ装置においては、両端が吸気通路と排気通路とに連通するＥＧＲ通路の途中にこのＥＧＲ通路を開閉し得るＥＧＲ制御弁を介装し、所定の運転領域にて排気ガスを吸気通路側へ還流させている。ＥＧＲ装置を作動させた場合、排気ガスを吸気通路側に還流させない状態と比較すると、混合気の燃焼条件が変わるため、点火時期を補正する必要が生ずる。吸気通路側に還流される排気ガスの量、つまりＥＧＲ量は、排気通路側に対する吸気通路側の差圧と、ＥＧＲ制御弁の開度とに応じて自ずと決まる。一般的には、ＥＧＲ量が多いほど混合気の燃焼速度が緩慢になるため、点火進角を早めて機関の出力特性を維持する必要が生ずる。
【０００３】
このようなＥＧＲ装置が組み込まれた火花点火機関に関し、特許文献１に開示された運転制御方法が知られている。これによると、吸入空気量センサおよび筒内圧センサからの検出信号に基づいて燃焼室内の吸気充填効率およびＥＧＲ率を算出し、さらにこの算出されたＥＧＲ率に基づいて吸気充填効率を補正し、この補正後の吸気充填効率に基づいて点火時期を設定している。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１５７００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
排気ガス中には、ＨＣやＣＯなどの未燃炭化物が煤となって含まれる場合があり、これらがＥＧＲ通路内やＥＧＲ制御弁の弁体などに次第に付着堆積してＥＧＲ通路断面積を実質的に狭めてしまう可能性がある。ＥＧＲ通路内やＥＧＲ制御弁の弁体などに排気ガス中に含まれる炭化物などが付着堆積すると、機関の回転数および負荷に応じて予め設定されたＥＧＲ量に対し、実際に燃焼室に導かれるＥＧＲ量が少なくなってしまう。この結果、設定されたＥＧＲ量に対応した点火時期が不適切となり、混合気の好ましい燃焼状態を実現することができない。
【０００６】
先の特許文献１は、吸入空気量センサおよび筒内圧センサからの検出信号に基づいてＥＧＲ率を算出しているため、上述したような不具合を生じないという利点がある。しかしながら、ＥＧＲ装置が組み込まれた多気筒内燃機関においては、各気筒に流入するＥＧＲガスの濃度がサイクル毎に変化するという問題がある。このため、特許文献１のように吸入空気量センサおよび筒内圧センサからの検出信号に基づいてＥＧＲ率を算出し、次の燃焼サイクルにて点火時期を補正する方法では、精度の高い良好な点火時期を実現することが困難である。
【０００７】
本発明の目的は、ＥＧＲ装置が組み込まれた火花点火式多気筒内燃機関において、より適切な点火時期を設定し得る制御方法およびその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の形態は、ＥＧＲ装置が組み込まれた火花点火機関の運転制御方法であって、ＥＧＲガスを含む混合気が供給された燃焼室内の圧力変化を圧縮行程中に検出するステップと、検出された圧力変化に基づいて混合気中に含まれるＥＧＲガス濃度を算出するステップと、算出されたＥＧＲガス濃度に基づいて点火時期を補正するステップとを具えたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第１の形態による火花点火機関の運転制御方法において、点火時期を補正するステップは、圧力変化を検出した同一サイクル中に行われることが好ましい。
【００１０】
ＥＧＲガス濃度を算出するステップは、検出された圧力変化から混合気の比熱比を算出するステップを含み、算出された比熱比に基づいてＥＧＲガス濃度を算出するものであってよい。
【００１１】
本発明の第２の形態は、火花点火機関の運転状態に応じてＥＧＲ量を設定するＥＧＲ量設定部と、このＥＧＲ量設定部にて設定されたＥＧＲ量に応じて点火時期を設定する点火時期設定部と含む火花点火機関の運転制御装置であって、ＥＧＲガスを含む混合気が供給された燃焼室内の圧力変化を圧縮行程中に検出するための筒内圧センサと、この筒内圧センサによって検出された圧縮行程中の圧力変化に基づいて混合気中に含まれるＥＧＲガス濃度を算出するＥＧＲガス濃度算出部と、このＥＧＲ濃度算出部にて算出されたＥＧＲガス濃度に基づき、前記点火時期設定部にて設定された点火時期を補正する点火時期補正部とを具えたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明において、筒内圧センサはＥＧＲガスを含む混合気が供給された燃焼室内における圧縮行程中の圧力変化を検出し、ＥＧＲガス濃度算出部は、検出された圧縮行程中の圧力変化に基づいて混合気中に含まれるＥＧＲガス濃度を算出する。点火時期補正部は、算出されたＥＧＲガス濃度に基づいて点火時期を補正する。この場合、ＥＧＲガス濃度が高いほど、混合気の燃焼伝播速度が遅くなる傾向を持つため、点火時期補正部は、ＥＧＲガス濃度が高いほど点火時期を早めに設定する。
【００１３】
本発明の第２の形態による火花点火機関の運転制御装置において、ＥＧＲガス濃度算出部は、筒内圧センサによって検出された圧力変化から混合気の比熱比を算出する比熱比算出部を含み、この比熱比算出部にて算出された比熱比に基づいてＥＧＲガス濃度を算出するものであってよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、ＥＧＲガスを含む混合気が供給された燃焼室内の圧力変化を圧縮行程中に検出し、これに基づいて混合気中に含まれるＥＧＲガス濃度を算出し、算出されたＥＧＲガス濃度に基づいて点火時期を補正するようにしたので、燃焼室内の圧力変化を検出したサイクルにて点火時期の補正が可能となる。この結果、燃焼室内の混合気の性状に合致した点火時期にて混合気を燃焼させることができ、特にＥＧＲの開始直後における排気ガスの性状を良好に維持することができる。
【００１５】
ＥＧＲガス濃度を算出する際に、検出された圧力変化から混合気の比熱比を算出し、算出された比熱比に基づいてＥＧＲガス濃度を算出するようにした場合、ＥＧＲガスの性状、つまりＨＣやＣＯなどの未燃成分に関する情報が反映されるため、より高精度な点火時期制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を火花点火式多気筒内燃機関が搭載された車両の運転制御に応用した一実施形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこのような実施形態のみに限らず、例えばブローバイガス還流や、燃料キャニスタ内のガスパージの際の燃焼制御など、本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも応用することが可能である。
【００１７】
本実施形態におけるエンジンシステムの概念を図１に示し、このエンジンシステムにおける燃焼制御に関するブロックを図２に示す。本実施形態におけるエンジン１０は、燃料であるガソリンを燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に直接噴射し、点火プラグ１３によって着火させる火花点火式の多気筒内燃機関であるが、本発明の特性上、単気筒の火花点火式内燃機関であってもよい。また、燃料としてガソリン以外にアルコールやＬＰＧ(液化天然ガス)などを単独またはこれらを混合したものを使用することも可能である。
【００１８】
燃焼室１２にそれぞれ臨む吸気ポート１４および排気ポート１５が形成されたシリンダヘッド１６には、吸気ポート１４を開閉する吸気弁１７および排気ポート１５を開閉する排気弁１８を含む動弁機構が組み込まれている。先の燃料噴射弁１１や、燃焼室１２内の混合気を着火させる点火プラグ１３およびこの点火プラグ１３に火花を発生させるイグニッションコイル１９の他に、燃焼室１２内の圧力を検出するための筒内圧センサ２０もシリンダヘッド１６に搭載されている。
【００１９】
また、このエンジン１０には、排気通路２１内を流れる排気ガスの一部を吸気通路２２内に導くＥＧＲ装置２３が組み込まれている。ＥＧＲ装置２３は、排気通路２１の主要部を画成する排気管２４に一端が連通すると共に他端が吸気通路２２の主要部を画成する吸気管２５内に連通し、かつＥＧＲ通路２６を画成するＥＧＲ管２７を具えている。また、このＥＧＲ装置２３は、ＥＧＲ管２７に設けられてＥＧＲ通路２６内を流れる排気ガスの流量を制御するＥＧＲ弁２８も具えている。本実施形態では、エンジン１０を搭載した車両が予め設定されたＥＧＲ運転領域にあることをＥＣＵ２９のＥＧＲ判定部３０が判定した場合、車両の運転状態に応じてＥＧＲ弁２８の開度がＥＣＵ２９のＥＧＲ量設定部３１にて設定される。ＥＣＵ２９のＥＧＲ弁駆動制御部３２は、ＥＧＲ弁２８をＥＧＲ量設定部３１にて設定された開度に制御し、それ以外の場合は基本的にＥＧＲ通路２６を塞ぐように閉じた状態に保持する。なお、ＥＧＲ判定部３０での判定結果は、ＥＣＵ２９のＥＧＲガス濃度算出部３３にも出力される。
【００２０】
吸気ポート１４に連通するようにシリンダヘッド１６に連結されて吸気ポート１４と共に吸気通路２２を画成する吸気管２５の上流端側には、大気中に含まれる塵埃などを除去して吸気通路２２に導くためのエアクリーナ３４が設けられている。このエアクリーナ３４と、吸気管２５の途中に形成されたサージタンク３５との間の吸気管２５の部分には、運転者によって操作されるアクセルペダル３６の踏み込み量に基づき、吸気通路２２の開度が調整されるスロットル弁３７が組み込まれている。また、このスロットル弁３７と先のエアクリーナ３４との間の吸気管２５の途中には、ここを流れる吸気の流量を検出してこれをＥＣＵ２９に出力するエアフローメータ３８が組み付けられている。吸気管２５におけるエアフローメータ３８の取り付け位置は、スロットル弁３７の取り付け位置よりも上流側であればよく、図１の如き位置に限定されるものではない。
【００２１】
排気ポート１５に連通するようにシリンダヘッド１６に連結されて排気ポート１５と共に排気通路２１を画成する排気管２４の途中には、燃焼室１２内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化する三元触媒３９が組み込まれている。なお、この三元触媒３９を排気通路２１に沿って直列に複数個組み込むことも有効である。
【００２２】
本実施形態における燃料噴射弁１１は、燃料であるガソリンをピストン４０の圧縮行程中に燃焼室１２内に噴射する単噴射型式のものである。しかしながら、この圧縮行程での燃料噴射に加え、より均一な混合気を形成するために吸気行程などにおいても噴射する多噴射型式のものを採用することが可能である。各気筒毎の燃料噴射弁１１における燃料の噴射量および噴射時期は、車両の運転状態や、運転者によって操作されるアクセルペダル３６の踏み込み量などに基づき、スロットル弁３７の開度に応じた吸気量に対して所定の割合となるように、ＥＣＵ２９の燃料噴射量設定部４１にて設定される。ＥＣＵ２９の燃料噴射弁駆動制御部４２は、この燃料噴射量設定部４１にて設定された噴射量の燃料が設定された噴射時期に噴射されるよう、燃料噴射弁１１の作動を制御する。
【００２３】
点火プラグ１３の点火時期は、車両の運転状態に応じてＥＣＵ２９の点火時期設定部４３にて各気筒毎に設定される。ＥＣＵ２９のイグニッションコイル駆動制御部４４は、この点火時期設定部４３にて設定された点火時期に点火プラグ１３に火花が発生するよう、イグニッションコイル１９の作動をそれぞれ制御する。
【００２４】
筒内圧センサ２０によって検出された信号は、ＥＣＵ２９のＥＧＲガス濃度算出部３３に出力される。この筒内圧センサ２０を全ての気筒に対してそれぞれ設けることも可能であるが、少なくとも１つの気筒に配することでも本発明を実施することができる。但し、全ての気筒に対して筒内圧センサ２０を配した場合には、各気筒毎のＥＧＲガス濃度のばらつきを正確に把握してそれぞれ最適な点火時期を設定することが可能となる。
【００２５】
ピストン４０が往復動するシリンダブロック４５には、連接棒４６を介してピストン４０が連結されるクランク軸４７の回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ２９に出力するクランク角センサ４８が取り付けられている。
【００２６】
アクセルペダル３６にはその踏み込み量を検出するためのアクセル開度センサ４９が付設され、その検出情報がＥＣＵ２９に出力されるようになっている。このアクセル開度センサ４９に代えてスロットル弁３７の開度を検出するスロットル開度センサを利用することも可能である。本実施形態では、アクセルペダル３６とスロットル弁３７とを機械的に連結しているが、アクセルペダル３６の踏み込み動作と、スロットル弁３７の開閉動作とを切り離すことも可能である。この場合、アクチュエータを用いてスロットル弁３７の開閉動作を電気的に制御すればよい。
【００２７】
上述した筒内圧センサ２０，エアフローメータ３８，アクセル開度センサ４９，クランク角センサ４８などからの検出信号が入力するＥＣＵ２９は、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１，イグニッションコイル１９，ＥＧＲ弁２８などの作動を制御するようになっている。また、車両がＥＧＲ運転領域にある場合、ＥＧＲ装置２３のＥＧＲ弁２８を開いて排気通路２１内を流れる排気ガスの一部を吸気通路２２側に戻すため、点火時期を補正する必要が生ずる。このため、本実施形態におけるＥＣＵ２９は、ＥＧＲ判定部３０からの判定結果と筒内圧センサ２０からの検出信号とに基づき、ＥＧＲガス濃度算出部３３にて、ＥＧＲガス濃度を算出する。算出されたＥＧＲガス濃度は、点火時期設定部４３の点火時期補正部５０に出力され、点火時期補正部５０は、ＥＧＲガス濃度に応じて点火時期を補正し、これをイグニッションコイル駆動制御部４４に出力する。これにより、ＥＧＲガス濃度に応じた点火時期の補正が行われる。この一連の作業はピストン４０の圧縮行程中に完了するため、同一燃焼サイクル中に点火時期の制御が行われる結果、応答性の高い高精度な点火時期の制御が可能である。
【００２８】
ピストン４０の圧縮行程においては、燃焼室１２が密閉された空間となっている。このため、第１のクランク各位相における燃焼室１２の圧力Ｐ１およびその時の容積Ｖ１と、第２のクランク角位相における燃焼室１２の圧力Ｐ２およびその時の容積Ｖ２とは、
Ｐ１・Ｖ１κ＝Ｐ２・Ｖ２κ            ・・・(１)
で表されるような関係を持つ。ここでκは比熱比（ポリトロープ指数）と呼称されるものであり、この比熱比κとＥＧＲガス濃度との関係を図３に模式的に示す。上記(１)式を変形すると、
κ＝log(Ｐ１/Ｐ２)/log(Ｖ２/Ｖ１)  ・・・(２)
となる。
【００２９】
ＥＧＲガス濃度算出部３３は、燃焼室１２に供給された混合気の比熱比κを算出するための比熱比算出部５１を有する。この比熱比算出部５１は、クランク角センサ４８からの検出信号に基づき、ピストン４０の圧縮行程中の所定のクランク角位相における燃焼室１２内の圧力Ｐ１，Ｐ２を筒内圧センサ２０から算出する。一方、このクランク角位相に対応した燃焼室１２の容積Ｖ１，Ｖ２は一義的に決まっており、予め比熱比算出部５１に記憶されている。従って、上述した(２)式を用いて比熱比κを算出することができる。比熱比算出部５１はまた、図３に示すようなグラフをマップとして記憶している。つまり、ＥＧＲガス濃度算出部３３は、比熱比算出部５１にて算出された比熱比κからＥＧＲガス濃度を推定し、これを点火時期設定部４３の点火時期補正部５０に出力する。
【００３０】
ＥＧＲガス濃度と点火進角量との関係を図４に模式的に示す。この図４から明らかなように、ＥＧＲガス濃度が高くなるほど、点火時期がより進角側にずれるように補正する必要が生ずることを理解できよう。点火時期補正部５０は、図４に示すようなグラフをマップとして記憶しており、ＥＧＲガス濃度算出部３３にて算出されたＥＧＲガス濃度に対応する点火進角量を設定し、これをイグニッションコイル駆動制御部４４に出力する。
【００３１】
イグニッションコイル駆動制御部４４は、点火時期補正部５０にて補正された点火時期となるように、クランク角センサ４８からの検出信号に基づいてイグニッションコイル１９の駆動時期を制御する。
【００３２】
従って、エアクリーナ３４を通って吸気管２５から燃焼室１２内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に噴射される燃料と混合気を形成し、点火プラグ１３の火花により着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが三元触媒３９を通って排気管２４から大気中に排出される。車両がＥＧＲ運転領域にある場合、ＥＧＲ弁２８がＥＧＲ量設定部３１にて設定されたＥＧＲ量となるように、その開度がＥＧＲ弁駆動制御部３２にて制御され、排気通路２１内を流れる排気ガスの一部がＥＧＲ通路２６を通って吸気通路２２内に還流され、再び燃焼室１２内へと供給される。この場合、ピストン４０の圧縮行程中において筒内圧センサ２０によって検出される筒内圧の変化に基づき、ＥＧＲガス濃度算出部３３の比熱比算出部５１が混合気の比熱比κを算出してＥＧＲガス濃度を求める。算出されたＥＧＲガス濃度に基づき、点火時期補正部５０が点火進角量を補正してイグニッションコイル１９の駆動タイミングが補正される。上述したように、この一連の処理は筒内圧の変化を検出したサイクル中に行われるため、応答性の良い点火時期の補正が可能となる。特に、ＥＧＲ運転領域の切り替わりの際に、従来のものに対して良好な制御特性を得ることが可能となる。
【００３３】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態における火花点火式多気筒内燃機関を模式的に表す概念図である。
【図２】図１に示した実施形態における制御ブロック図である。
【図３】比熱比とＥＧＲガス濃度との関係を模式的に表すグラフである。
【図４】ＥＧＲガス濃度と点火進角補正量との関係を模式的に表すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０  エンジン
１１  燃料噴射弁
１２  燃焼室
１３  点火プラグ
１４  吸気ポート
１５  排気ポート
１６  シリンダヘッド
１７  吸気弁
１８  排気弁
１９  イグニッションコイル
２０  筒内圧センサ
２１  排気通路
２２  吸気通路
２３  ＥＧＲ装置
２４  排気管
２５  吸気管
２６  ＥＧＲ通路
２７  ＥＧＲ管
２８  ＥＧＲ弁
２９  ＥＣＵ
３０  ＥＧＲ判定部
３１  ＥＧＲ量設定部
３２  ＥＧＲ弁駆動制御部
３３  ＥＧＲガス濃度算出部
３４  エアクリーナ
３５  サージタンク
３６  アクセルペダル
３７  スロットル弁
３８  エアフローメータ
３９  三元触媒
４０  ピストン
４１  燃料噴射量設定部
４２  燃料噴射弁駆動制御部
４３  点火時期設定部
４４  イグニッションコイル駆動制御部
４５  シリンダブロック
４６  連接棒
４７  クランク軸
４８  クランク角センサ
４９  アクセル開度センサ
５０  点火時期補正部
５１  比熱比算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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