(57)【要約】【課題】ノッキング発生時に、排気ガス温度や触媒床温の上昇を抑制しつつノッキングを回避する。【解決手段】内燃機関の制御装置は、ノッキングを検出する手段と、点火時期を遅角する手段と、燃料噴射量を減少して空燃比をリーン化する手段とを備える。ノッキングが検出されると、内燃機関の負荷に基づいて、点火時期の遅角量、及び、燃料の減少量が制御される。点火時期を遅角することによりノッキングが回避されるとともに、空燃比をリーン化することにより、内燃機関の排気ガス温度や触媒床温などを下げることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関におけるノッキングを検出するノッキング検出手段と、
前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段と、
前記内燃機関へ供給される燃料を減少させて空燃比をリーン側に変化させる空燃比制御手段と、
ノッキングが検出されたときに、前記内燃機関の負荷に基づいて、前記点火時期制御手段による点火時期の遅角量、及び、前記空燃比制御手段による燃料の減少量を制御するノッキング制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記ノッキング制御手段は、前記内燃機関の負荷を示す値として、前記内燃機関の吸入空気量を使用することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記ノッキング制御手段は、前記吸入空気量が第１の所定量より多い場合には、前記吸入空気量が前記第１の所定量より少ない場合と比較して、前記燃料の減少量を多くするとともに前記点火時期の遅角量を少なくすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記ノッキング制御手段は、前記点火時期制御手段が点火時期の遅角量の減少を開始するときの吸入空気量よりも少ない吸入空気量で、前記空燃比制御手段による前記燃料の減少を開始させることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関における失火の発生を検出する失火検出手段を備え、
前記ノッキング制御手段は、前記吸入空気量が第２の所定量より大きく、かつ、前記失火が検出された場合には、前記空燃比が所定のリッチ空燃比となるように前記空燃比制御手段を制御することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記リッチ空燃比は、前記内燃機関の出力空燃比以上にリッチな空燃比であることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のノッキングを防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においてはノッキングと呼ばれる異常燃焼が発生することが知られている。一般的に、ノッキングが発生した場合には、内燃機関の点火時期を遅角させてノッキングを回避する制御が行われる。このような制御の例が特許文献１に記載されている。
【０００３】
理論空燃比で運転されるガソリン高過給エンジンでは、過給域でのノッキングが検出された際に点火時期を遅角させると、タービン入口の排気ガス温度及び触媒床温が急上昇する。このような温度の急上昇の防止策として、点火時期の遅角制御と連動して、空燃比をリッチ側に制御する手法が提案されている（例えば特許文献２を参照）。
【０００４】
しかし、空燃比が理論空燃比よりリッチになると、トルクが最大となる点火時期（以下、「ＭＢＴ：Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｓｔ  Ｔｏｒｑｕｅ」と呼ぶ。）が圧縮上死点側に移行するため、点火遅角量を増大させる必要が生じ、燃費の悪化やスモークの発生などの問題が生じる。
【０００５】
一方、ノッキング発生時に点火時期を遅角させ、その遅角量が所定値を超えた期間が所定時間以上継続した場合に、空燃比をリーン側に補正する手法が特許文献３に提案されている。
【０００６】
しかし、特許文献３は、基本点火時期をＭＢＴ近傍に設定できる希薄燃焼運転の圧縮天然ガス（ＣＮＧ）エンジンを前提としているため、点火時期遅角量に対する排気ガス温度や触媒床温などの上昇感度が鈍感である。これについて、図７を参照して簡単に述べる。図７は点火時期と排気ガス温又は触媒床温との関係を示すグラフである。特許文献３のようなＣＮＧエンジンのＭＢＴを「ＭＢＴ１」とすると、ガソリン高過給エンジンのＭＢＴは「ＭＢＴ２」の辺りとなる。よって、ＣＮＧエンジンについて点火時期を遅角量Ｘだけ遅角した場合の排気ガス温度又は触媒床温の温度上昇はΔＴ１であるが、ガソリン高過給エンジンについて点火時期を同じ遅角量Ｘだけ遅角した場合の排気ガス温度又は触媒床温の温度上昇はΔＴ２となり、ＣＮＧエンジンの場合より急激な温度上昇が避けられない。よって、特許文献３の手法をガソリン高過給エンジンに対して単純に適用することはできない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１１２２６７号公報
【特許文献２】特開平１０−１７６５７０９号公報
【特許文献３】特開２００４−３４６９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ノッキング発生時に、排気ガス温度や触媒床温の上昇を抑制しつつノッキングを回避することが可能な内燃機関の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】
【０００９】
本発明の１つの観点では、内燃機関の制御装置は、前記内燃機関におけるノッキングを検出するノッキング検出手段と、前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段と、前記内燃機関へ供給される燃料を減少させて空燃比をリーン側に変化させる空燃比制御手段と、ノッキングが検出されたときに、前記内燃機関の負荷に基づいて、前記点火時期制御手段による点火時期の遅角量、及び、前記空燃比制御手段による燃料の減少量を制御するノッキング制御手段と、を備える。
【００１０】
上記の内燃機関の制御装置は、ノッキングを検出する手段と、点火時期を遅角する手段と、燃料噴射量を減少して空燃比をリーン化する手段とを備える。ノッキングが検出されると、内燃機関の負荷に基づいて、点火時期の遅角量、及び、燃料の減少量が制御される。点火時期を遅角することによりノッキングが回避されるとともに、空燃比をリーン化することにより、内燃機関の排気ガス温度や触媒床温などを下げることができる。
【００１１】
上記の内燃機関の制御装置の一態様では、前記ノッキング制御手段は、前記内燃機関の負荷を示す値として、前記内燃機関の吸入空気量を使用する。
【００１２】
上記の態様では、前記ノッキング制御手段は、前記吸入空気量が第１の所定量より多い場合には、前記吸入空気量が前記第１の所定量より少ない場合と比較して、前記燃料の減少量を多くするとともに前記点火時期の遅角量を少なくする。この場合、燃料の減少量を多くすることにより空燃比はリーン化され、ＭＢＴが進角側に移行する。よって、その分点火遅角量を減少させてもノック余裕度を確保することができる。
【００１３】
上記の内燃機関の制御装置の他の一態様では、前記ノッキング制御手段は、前記点火時期制御手段が点火時期の遅角量の減少を開始するときの吸入空気量よりも少ない吸入空気量で、前記空燃比制御手段による前記燃料の減少を開始させる。空燃比のリーン化に対して、排気温度は敏感に変化するが、ＭＢＴが進角側に移行する感度は鈍感であるので、吸入空気量が少ない領域から空燃比のリーン化を実行する。
【００１４】
上記の内燃機関の制御装置の他の一態様は、前記内燃機関における失火の発生を検出する失火検出手段を備え、前記ノッキング制御手段は、前記吸入空気量が第２の所定量より大きく、かつ、前記失火が検出された場合には、前記空燃比が所定のリッチ空燃比となるように前記空燃比制御手段を制御する。失火が発生したときには、空燃比のリーン化を中止し、空燃比をリッチ状態に変更する。好適な実施例では、前記リッチ空燃比は、前記内燃機関の出力空燃比以上にリッチな空燃比とされる。空燃比を適度にリッチ化するとノッキングを助長する要因となる可能性があるので、出力空燃比以上のリッチ状態に変更する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１６】
本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の概略構成を図１に示す。図１において、実線の矢印は吸排気の流れを示し、破線の矢印は信号の流れを示す。
【００１７】
内燃機関の制御装置１は、内燃機関（エンジン）５と、エンジン５に接続された吸気通路２及び排気通路６と、ＥＣＵ１０と、アクセル開度センサ１１とを備える。本実施形態では、エンジン５は理論空燃比（以下、「λ１」とも記す。）で運転するガソリン高過給エンジンであるとする。
【００１８】
アクセル開度センサ１１は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量に応じたアクセル開度を検出し、検出信号Ｓ１１をＥＣＵ１０へ供給する。
【００１９】
吸気通路２には、エアフローメータ３と、スロットル弁４とが設けられている。エアフローメータ３は、吸気通路に流れる吸入空気量Ｑを測定し、吸入空気量Ｑを示す検出信号Ｓ３をＥＣＵ１０に供給する。スロットル弁４は、ＥＣＵ１０から供給される制御信号Ｓ４によりアクセル開度などに応じて開閉され、エンジン５へ供給される吸入空気量Ｑを制御する。
【００２０】
エンジン５にはターボチャージャ１３が設けられている。吸気通路２にはターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ｃが設けられ、コンプレッサ１３ｃの下流にはコンプレッサ１３ｃから出力される吸気を冷却するインタークーラ１６が設けられている。
【００２１】
排気通路６にはターボチャージャ１３のタービン１３ｔが設けられている。また、タービン１３ｔの下流には排気を浄化する触媒１５が設けられている。
【００２２】
エンジン５には、燃料噴射弁７、点火装置８、クランク角センサ９及びノックセンサ１２が設けられている。燃料噴射弁７は、ＥＣＵ１０から供給される制御信号Ｓ７に応じて燃料を噴射し、点火装置８はＥＣＵ１０から供給される制御信号Ｓ８により指示される点火時期で気筒内に封入された混合気に点火する。クランク角センサ９はクランクシャフトの回転を検出することにより、エンジン回転数ＮＥなどを示す検出信号Ｓ９をＥＣＵ１０へ供給する。
【００２３】
ノックセンサ１２は、エンジン５におけるノッキングの発生を検出し、検出信号Ｓ１２をＥＣＵ１０へ供給する。ＥＣＵ１０は、検出信号Ｓ１２に基づいて、ノッキングの有無を判定する。例えばＥＣＵ１０は、ノックセンサ１２から出力される検出信号のレベルを所定レベルと比較し、所定レベル以上となった数が所定数を超えたときにノッキングが発生していると判定する。なお、ノッキングの判定については、上記以外の既知の手法を適用してもかまわない。
【００２４】
ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備え、内燃機関の制御装置１の動作全体を制御する電子制御ユニットである。なお、上記の構成において、本発明におけるノッキング検出手段はノックセンサ１２及びＥＣＵ１０により構成され、点火時期制御手段はＥＣＵ１０により構成される。また、空燃比制御手段はＥＣＵ１０及び燃料噴射弁７により構成され、ノッキング制御手段はＥＣＵ１０により構成される。
【００２５】
次に、本実施形態によるノッキング発生時の制御について説明する。本実施形態では、ノッキング発生時に、点火時期の遅角制御及び空燃比をリーン化する制御を行うことにより、排気ガス温度や触媒床温（以下、まとめて「排気温度」とも呼ぶ。）の上昇を抑制しつつノッキングを回避する。ノッキング回避のためには点火時期の遅角が有効である。これに加えて、本実施形態では、排気温度の上昇を抑制するために、空燃比をリーン化する。この理由について簡単に説明する。
【００２６】
図２は、エンジン５の空燃比と排気温度との関係を示す。エンジン５を理論空燃比で運転している状態を基準として、排気温度を所定温度Ｃだけ低下させるためには、空燃比を変化量Ａだけリッチ側に変化させる方法と、変化量Ｂだけリーン側に変化させる方法とがある。しかし、空燃比をリーン側へ変更する方法は、リッチ側へ変更する方法と比べて、空燃比の変化量が少なくて済む点で有利である。即ち、空燃比をリーン側へ変化させた方が、少ない空燃比変化で排気温度を下げることができる。この理由から、本実施形態では、燃料噴射量を減少させ、空燃比をリーン側に変化させる手法を採用する。
【００２７】
次に、本実施形態によるノッキング制御について説明する。本実施形態では、ノッキング発生時に、エンジン５の負荷を示す吸入空気量に基づいて排気温度を予測し、点火時期を遅角するとともに、燃料噴射量を減少させる。排気温度は、吸入空気量、燃料噴射量、点火遅角量などをパラメータとするマップを利用することにより予測することができる。
【００２８】
図３は、吸入空気量と、点火遅角量及び燃料補正量との関係を示す。ここで、燃料補正量は燃料噴射量の補正量である。具体的に、燃料補正量＝１．０のとき燃料噴射量は補正無しであり、燃料補正量＞１．０のときは燃料噴射量を増加（即ち、空燃比をリッチ化）し、燃料補正量＜１．０のときは燃料噴射量を減少（即ち、空燃比をリーン化）するものとする。また、吸入空気量に基づいてエンジン５の動作領域をＡ域〜Ｃ域に分類する。
【００２９】
まず、吸入空気量が少ないＡ域でノッキングが発生した場合は、図示のように、空燃比のリーン化は行わず（即ち、燃料噴射量の補正なし）、点火遅角量を所定の遅角量Ｄに設定する。Ａ域では吸入空気量が少ないため、排気温度自体が低い。また、基本点火時期は進角側（ＭＢＴ側）にあり、点火遅角に起因する排気温度の上昇により不具合が発生しない。よって、空燃比制御は行わず、点火遅角のみを行う。
【００３０】
次に、吸入空気量が中程度であるＢ域でノッキングが発生した場合は、排気温度の上昇を抑えるために燃料補正量をマイナス側にし（即ち、燃料補正量＜１．０、燃料噴射量を減少）、空燃比のリーン化を開始する。なお、点火遅角量はＡ域と同様に所定遅角量Ｄとする。
【００３１】
次に、吸入空気量が多いＣ域でノッキングが発生した場合は、マイナス側への燃料補正量を多くして空燃比のリーン化を促進する。同時に、点火遅角量を減少させる。図２を参照して説明したように、空燃比をリーン化することにより、排気温度を下げることができる。また、空燃比をリーン化することにより、点火遅角量を減少させることが可能となる。これについて図４を参照して説明する。
【００３２】
図４は、理論空燃比状態とリーン状態とにおけるＭＢＴ及びノック余裕度を模式的に示す。図４において、横軸は点火時期を示す。理論空燃比状態におけるＭＢＴを「ＭＢＴ３」とし、リーン状態におけるＭＢＴを「ＭＢＴ４」とする。また、ノッキングが発生する点火時期をＣＡｋとする。理論空燃比状態においては、点火時期ＣＡｋでノッキングが発生するので、点火時期をＲ３だけ遅角してＣＡ３とする。この場合のノック余裕度ＭはＭＢＴ３と点火時期ＣＡ３とにより規定される。
【００３３】
一方、リーン状態では、空燃比がリーン化することにより、理論空燃比状態と比較してＭＢＴがΔＭＢＴだけ進角側へ移行し、ＭＢＴ４の位置となる。この場合、理論空燃比状態と同じノック余裕度Ｍを確保することとすると、ノッキングが発生する点火時期ＣＡｋからの遅角量はＲ４（＜Ｒ３）となり、点火遅角量を減少させることができる。言い換えると、空燃比のリーン化によりＭＢＴが進角側へ移行した分だけ、ノッキング発生時の点火遅角量を減少させてもノック余裕度を確保することができる。従って、高吸入空気量（高負荷）であるＣ域においては、燃料補正量をマイナス側に増加させて空燃比のリーン化を促進するとともに、点火遅角量を減少させる。これにより、ノッキングを確実に回避しつつ、排気温度の上昇を抑制することができる。なお、この制御により、以下のような利点も得られる。まず、点火遅角量を減少させることができるため、点火要求電圧が上昇するなどの２次的な問題の発生を防止することもできる。また、ノッキング回避のために燃料噴射量の増量を行わないため、燃費の悪化やスモークの発生などの不具合が発生することもない。
【００３４】
本実施形態では、図３から理解されるように、空燃比リーン化のための燃料補正は、点火遅角量を減少させる制御よりも、より少吸入空気量（軽負荷）側の領域で開始する。具体的には、点火遅角量を所定の遅角量から減少させる制御はＣ域から開始するのに対し、空燃比リーン化のための燃料補正は、より低吸入空気量側であるＢ域から開始している。排気温度は空燃比に敏感に反応するため、排気温度の上昇を抑制する目的だけであれば、空燃比のリーン化制御はある程度高吸入空気量の領域になってから行うこととしてもよい。しかし、空燃比のリーン化によるＭＢＴの移行は排気温度の変化に比べて鈍感であるため、より低吸入空気量側の領域からリーン化を行ってＭＢＴを確実に進角側へ移行させないと、前述のように点火遅角量を減少させることができない。この理由から、空燃比リーン化のための燃料補正は、点火遅角量を減少させる制御よりも、より少吸入空気量（軽負荷）側の領域で開始することとしている。
【００３５】
次に、上記の制御中にエンジン５の失火が発生した場合の制御について説明する。なお、失火の検出は、例えば排気ガス中のＨＣ濃度に基づいて、又は、燃焼圧センサの出力に基づいて行うことができるが、本発明は失火の判定方法については特に制限はない。
【００３６】
失火が発生した場合には、基本的に上記の制御を中止する。その場合の制御の様子を図５に示す。図５では、失火が発生する可能性が高い高吸入空気量域、即ちＣ域で制御を中止する例を示す。図３に示す制御と比較すると理解されるように、エンジンがＣ域で動作中に失火が検出されると、前述の空燃比をリーン化する制御と点火時期遅角量を減少させる制御をともに中止する。これにより、点火遅角量は所定の遅角量Ｄに戻される。
【００３７】
一方、燃料補正量はリッチ側に変更され、空燃比は所定のリッチ空燃比に変更される。ここで、所定のリッチ空燃比とは、ＭＢＴ位置が、エンジン５が理論空燃比状態で運転されているときのＭＢＴと同等又はそれより進角する空燃比であり、好ましくはエンジン５の出力空燃比とされる。ここで、空燃比を出力空燃比までリッチ状態とする理由は以下の通りである。空燃比が出力空燃比に満たない適度なリッチ状態となると、排気エネルギーが増加するために過給圧が高まり、ノッキングを増長する可能性が生じる。また、ＭＢＴが圧縮上死点側に移行するため、ノッキングの回避が不十分となる可能性がある。そこで、理論空燃比状態で運転されているときのＭＢＴと同等又はそれより進角する出力空燃比程度まで空燃比がリッチ化される。図５の例では、理論空燃比を１４．５、出力空燃比を１２．５とし、燃料補正量を１．０から１．１６（＝１４．５／１２．５）とした例を示している。
【００３８】
なお、図５の例では、Ｃ域において失火が発生した場合の例を示しているが、Ｂ域で失火が発生した場合も同様に空燃比のリーン化制御を中止し、空燃比を所定のリッチ空燃比に変更すればよい。
【００３９】
次に、本実施形態によるノッキング制御について、図６のフローチャートを参照して説明する。なお、この制御は、主としてノッキング制御手段として機能するＥＣＵ１０により定期的に実行される。
【００４０】
まず、ＥＣＵ１０は、ノックセンサ１２の出力に基づいてノッキングが発生したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ノッキングが検出された場合、ＥＣＵ１０はまず点火時期を所定の遅角量Ｄだけ遅角させる（ステップＳ１０２）。
【００４１】
次に、ＥＣＵ１０は、エアフローメータ３の出力などに基づいて吸入空気量を取得し、吸入空気量がどの領域にあるかを判定する（ステップＳ１０３）。吸入空気量が低い領域、例えば図３におけるＡ域にある場合（ステップＳ１０３；低）、処理は終了する。この場合、図３にも示すように、点火時期の遅角制御のみが実行されることになる。
【００４２】
吸入空気量が高い領域、例えば図３におけるＣ域にある場合（ステップＳ１０３；高）、ＥＣＵ１０は図３に示すように点火遅角量を減少させる制御を行う（ステップＳ１０４）とともに、燃料補正量をマイナス側に設定して空燃比のリーン化制御を行う（ステップＳ１０５）。
【００４３】
吸入空気量が中程度の領域、例えば図３におけるＢ域にある場合（ステップＳ１０３；中）、処理はステップＳ１０５へ進む。この場合には、点火遅角量の減少制御は行われず、空燃比のリーン化制御のみが行われる。
【００４４】
こうして、点火遅角量の減少制御及び空燃比リーン化制御の両方、又は、空燃比リーン化制御のみが行われている状態で、ＥＣＵ１０は、排気中のＨＣ濃度や燃焼圧などに基づいて、失火が発生したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。失火が発生したと判定された場合（ステップＳ１０６；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０は、図５を参照して説明したように点火遅角量の減少制御を中止して点火遅角量を所定遅角量Ｄに戻す（ステップＳ１０７）とともに、空燃比リーン化制御を中止し、空燃比を前述した所定のリッチ空燃比に変更する（ステップＳ１０８）。
【００４５】
なお、ステップＳ１０１でノッキングが発生していないと判定された場合、及び、ステップＳ１０６で失火が発生していないと判定された場合は、いずれも処理は終了する。
【００４６】
上記の実施形態では、内燃機関の負荷を示す値として吸入空気量を用いて制御を行っているが、その代わりに燃料噴射量を用いてもよい。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態では、ノッキングが発生したときに、内燃機関の負荷、具体的には吸入空気量などに基づいて、点火時期遅角制御と空燃比のリーンか制御を実行するので、排気温度の上昇を抑制しつつノッキングを回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を示す。
【図２】ガソリン高過給エンジンの空燃比と排気温度との関係を示すグラフである。
【図３】実施形態のノッキング制御による吸入空気量と、燃料補正量及び点火遅角量との関係を示す。
【図４】空燃比リーン制御によるＭＢＴ位置及び点火遅角量の関係を示す。
【図５】実施形態のノッキング制御における失火発生時の制御方法を示す。
【図６】実施形態によるノッキング制御のフローチャートである。
【図７】ガソリン高過給エンジンとＣＮＧエンジンにおけるＭＢＴ位置及び排気温度上昇度合いの相違を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
３  エアフローメータ
４  スロットル弁
５  エンジン（内燃機関）
７  燃料噴射弁
８  点火装置
９  クランク角センサ
１０  ＥＣＵ
１２  ノックセンサ
１３  ターボチャージャ
１５  触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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