JP2000329046A - 火花点火式エンジンの点火時期制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】バスやトラック等の大型エンジン等の比較的低
回転数のエンジンにおいて、アイドリング運転時には、
エンジン回転数を略一定に維持しながら安定した運転が
可能で、かつ、何らかの原因で極低回転数になってもス
トールし難い火花点火式エンジンの点火時期制御装置を
提供する。 【解決手段】エンジンの点火時期Ｉｔの進角量の設定
を、回転数Ｎｅが制御下限回転数Ｎａよりも低い場合に
は一定にし、制御下限回転数Ｎａと制御上限回転数Ｎｂ
の間は、回転数Ｎｅの増加と共に小さくし、制御上限回
転数Ｎｂと基本特性復帰回転数Ｎｃとの間は、回転数の
増加に伴って基本点火時期進角特性に復帰するように進
角させ、基本特性復帰回転数Ｎｃより大きい場合は、基
本点火時期進角特性に従って進角さるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガソリンエンジン
やＣＮＧ（圧縮天然ガス）およびＬＰＧ（液化石油ガ
ス）エンジン等において、アイドリング運転時に安定し
た回転数でエンジンを運転できる火花点火式エンジンの
点火時期制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常、車両等に搭載されているガソリン
エンジンや公害防止の面から発展してきているＣＮＧ
（圧縮天然ガス）エンジン等の火花点火式のエンジンに
おいては、点火時期が変化すると、同じ燃料量でも圧縮
仕事や排気損失の大きさが変化するため、出力、燃料消
費率が最良となるＭＢＴ（Minimum advance for the Be
stTorque ）と呼ばれる最適点火時期が存在する。

【０００３】この最適点火時期（ＭＢＴ）は、次に説明
するように、低回転高負荷になるほど遅くなり、逆に高
回転低負荷になるほど速くなる。

【０００４】即ち、低負荷の場合には、空気量が少なく
吸気行程で生じた作動ガスの乱れの減衰が速いので燃焼
速度が遅くなり、更に、吸気管内の負圧が高く、残留ガ
スの割合が増大して燃焼速度が遅くなるために、相対的
に点火時期を早め進角量を大きくする必要があり、ＭＢ
Ｔは速くなる。

【０００５】また、回転数の上昇に伴い作動ガスの乱れ
レベルも強くなるため、クランク角度で見た発熱発生期
間は回転数に対してあまり変化せず、点火から熱発生ま
での絶対時間は略一定となる。しかしながら、絶対時間
は同じであっても、クランク角度に換算した場合には、
高回転ほどクランク角度が大きくなり、その結果、回転
数が高い程、点火時期を速くする必要がある。

【０００６】そして、通常は理論空燃比の近傍で空燃比
一定の運転を行うので、ＭＢＴは回転数に比例して進角
する。そのため、エンジンの点火時期は、エンジン回転
数の上昇と共に進角するように設定され、基本点火時期
進角特性Ｃｂは図５に示すように右上がりの直線となっ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アイド
リング運転に関して考えると、乗用車のエンジンにおけ
る比較的高い回転数でのアイドリング運転は安定してア
イドリング運転できるが、バスやトラック等に使用され
る大型エンジンにおいては、アイドリング運転時の回転
数は低く、また、特殊な用途の為にアイドリング運転の
回転数を低くしたエンジンもある。

【０００８】そして、これらの低回転のエンジンでは、
アイドリング運転の回転数は元々低く設定されている
が、燃費低減や騒音低減を図るために、更に低い回転数
でアイドリング運転することが要求されて来ているが、
この低回転のアイドリング運転は、回転数変動が生じ運
転が不安定になり、場合によっては、ストールしてしま
うという問題がある。

【０００９】即ち、これらのエンジンでは、燃料供給シ
ステムの特性のために、著しく低い回転数の運転領域で
は理論空燃比に合わせて運転制御するのが困難となり、
リーン又はリッチのどちらかにシフトしてしまい、回転
数が下がれば下がる程、理論空燃比からはずれるので、
現実に必要な進角量は、図５の一定空燃比の場合の基本
点火時期進角特性Ｃｂとは異なって、図１の実線で示す
ように基本点火時期進角特性Ｃｂから回転低下とともに
進角方向に離れていく。

【００１０】従って、従来技術で行っているように、図
５に示す基本点火時期進角特性Ｃｂに基づいたアイドリ
ング運転制御を行うと、アイドリング運転が不安定にな
り、また、特に最適点火時期（ＭＢＴ）が基本点火時期
進角特性Ｃｂから回転低下とともに進角方向に離れてい
く極低回転部分においては、出力が低下しストールし易
くなり、エンストが生じ易いという問題がある。

【００１１】また、アイドリング運転の制御において、
点火時期によらず、吸入空気量を変化させて回転数を制
御するアイドル・スピード・コントロール（ＩＳＣ）で
運転制御することも行われているが、この場合には、応
答性が悪く、低回転数で安定したアイドリング運転を行
うには限界がある。

【００１２】本発明は、上述の問題を解決するためにな
されたもので、その目的は、バスやトラック等の大型エ
ンジン等の比較的低回転数のエンジンにおいて、アイド
リング運転時には、エンジン回転数を略一定に維持しな
がら安定した運転が可能で、かつ、何らかの原因で極低
回転数になってもストールし難い火花点火式エンジンの
点火時期制御装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するための火花点火式エンジンの点火時期制御装置は、
エンジンの回転数を検出する回転数検出手段を備え、該
回転数検出手段で検出した回転数を基に火花点火式エン
ジンの点火時期を制御する点火時期制御装置において、
アイドリング時に目標アイドル回転数に安定化するよう
に制御を行う回転数範囲の下限と上限になる制御下限回
転数と制御上限回転数を前記目標アイドル回転数を挟ん
で設定すると共に、基本特性復帰回転数を前記制御上限
回転数よりも高く設定し、検出された前記回転数が前記
制御下限回転数よりも低い第１範囲にある場合には点火
時期の進角量を一定にし、検出された前記回転数が前記
制御下限回転数と前記制御上限回転数の間の第２範囲に
ある場合は、回転数の増加に伴って点火時期の進角量を
小さくし、検出された前記回転数が前記制御上限回転数
と前記基本特性復帰回転数との間の第３範囲にある場合
は、回転数の増加に伴って点火時期の進角量を基本点火
時期進角特性に復帰するように進角させ、更に、検出さ
れた前記回転数が前記基本特性復帰回転数より大きい第
４範囲にある場合は、基本点火時期進角特性に従って進
角量を進角させて、点火時期を制御するように構成され
る。

【００１４】また、この火花点火式エンジンは、ガソリ
ンエンジンにおいても効果があるが、特に、ＣＮＧ（圧
縮天然ガス：Compressed Natural Gas) やＬＰＧ（液化
石油ガス）エンジンの場合に大きな効果を奏することが
できる。

【００１５】この回転数が制御下限回転数よりも低い第
１範囲にある場合の点火時期の進角量の一定ということ
は、唯一の値だけということでなく、数％の変動幅を含
んでいることを意味している。

【００１６】また、制御下限回転数と制御上限回転数の
間の第２範囲は、この回転数の範囲ではアイドル運転を
行っているものと判断し、エンジン回転数が目標アイド
ル回転数になるように制御する範囲のことであり、これ
らの制御下限回転数と制御上限回転数は、目標アイドル
回転数とエンジンの特性から予め設定される。

【００１７】そして、この制御上限回転数と基本特性復
帰回転数との間の第３範囲は狭くして、回転数の上昇に
伴ってできる限り早く基本進角特性に一致するように進
角させることが好ましいが、実際の車の運転特性に違和
感が生じないような進角の増加割合とする。

【００１８】従って、回転数の増加に伴う点火時期の進
角量の増加の割合は、第３範囲の方が、第４範囲の方よ
りも大きくなる。

【００１９】以上の構成の点火時期制御装置は、アイド
リング運転において、目標アイドル回転数よりもやや低
い回転数の領域では点火時期を進角量を増加させ、逆に
目標アイドル回転数よりやや高い回転数の領域では、進
角量を減少させるので、アイドリング運転の回転数は目
標アイドル回転数の近傍に安定化することになる。

【００２０】そして、制御下限回転数以下の回転数領域
においては、進角量を一定の値としているので、極低回
転においてもストールすることなく運転できる。

【００２１】つまり、極低回転においては、空燃比を適
切な値に制御するのは困難であり、特に、回転数が低い
程困難となり、極端にリッチやリーン状態となってしま
う場合が多い。また、ＣＮＧやＬＰＧ等のガスエンジン
においては、空気と燃料の混合が低回転では特に悪化
し、点火プラグ近傍にはリーン混合気やリッチ混合気が
存在する現象が発生し易く、正常な燃焼が行われ難く、
最悪の場合にはストールに至ることになる。

【００２２】例えば、図６に示すように、空燃比によっ
てもＭＢＴは変化し、理論空燃比に基づく基本点火時期
進角特性Ｃｂから離れ、ＭＢＴは進角方向にずれるの
で、このような特性を考慮すると、極低回転においては
回転数が下がる程、基本点火時期進角特性Ｃｂより進角
していく制御が必要となる。

【００２３】従って、制御下限回転数以下の回転数領域
においては、進角量を略一定の値としているので、この
極低回転域でのエンジンの回転力が増加する。そのた
め、従来技術の制御ではエンストしたり、目標回転数ま
で戻るの時間がかかっていた点が改善される。

【００２４】また、制御上限回転数以上の回転数領域に
おいては、速やかに基本点火時期進角特性に戻るので、
通常の点火時期制御となり、通常の運転が可能となる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態について説明する。

【００２６】この火花点火式エンジンの点火時期を制御
する点火時期制御装置は、エンジンの回転数を検出する
回転数検出手段で検出した運転時の回転数Ｎｅを所定の
制御用の諸回転数とを比較して、点火時期を制御する装
置であり、図１に示すような点火時期進角特性Ｃａに従
って点火時期を制御する。

【００２７】この点火時期進角特性Ｃａは、目標アイド
ル回転数Ｎｔに安定化するように制御を行う回転数範囲
Ｚ２の下限と上限となる制御下限回転数Ｎａと制御上限
回転数Ｎｂを目標アイドル回転数Ｎｔを挟んで設定され
る。また、基本点火時期進角特性Ｃｂに戻る基本特性復
帰回転数Ｎｃを設定する。

【００２８】この基本特性復帰回転数Ｎｃは、制御上限
回転数Ｎｂよりも高く設定されるので、各回転数は、Ｎ
ａ＜Ｎｔ≦Ｎｂ＜Ｎｃの関係となる。

【００２９】そして、この点火時期進角特性Ｃａは、図
１に示すように、制御下限回転数Ｎａよりも低い第１範
囲Ｚ１にある場合には点火時期の進角量Ｉｔ（°ＢＴＤ
Ｃ：上死点前クランク角度）は一定の値Ｉｔ１で、制御
下限回転数Ｎａと制御上限回転数Ｎｂの間の第２範囲Ｚ
２にある場合は、回転数Ｎｅの増加に伴って点火時期の
進角量Ｉｔは小さくなり、制御上限回転数Ｎｂと基本特
性復帰回転数Ｎｃとの間の第３範囲Ｚ３にある場合は、
回転数Ｎｅの増加に伴って点火時期の進角量Ｉｔは基本
点火時期進角特性Ｃｂに速やかに且つ実際の運転特性に
合わせた違和感のないような比較的大きな進角量で基本
点火時期進角特性Ｃｂに復帰させ、基本特性復帰回転数
Ｎｃより大きい第４範囲Ｚ４にある場合は、基本点火時
期進角特性Ｃｂと一致し、回転数Ｎｅの増加に伴って点
火時期の進角量Ｉｔは穏やかに大きくなる。

【００３０】そして、各第１〜第４範囲において、進角
値Ｉｔは、図１において、傾斜角がそれぞれ、θ１、θ
２、θ３、θ４であり、Ｉｔ＝θ１×Ｎｅ＋Ｉｔ１＝Ｉ
ｔ１、Ｉｔ＝θ２×Ｎｅ＋Ｉｔ２、Ｉｔ＝θ３×Ｎｅ＋
Ｉｔ３、Ｉｔ＝θ４×Ｎｅ＋Ｉｔ４で表した場合に、各
範囲における特性曲線の傾斜θ１〜θ４は、θ１＝０、
θ２＜０、θ３＞θ４＞０となる。

【００３１】これらの制御用の諸データは、エンジンの
燃料供給装置の特性やアイドリング運転時の目標回転数
Ｎｔや応答特性等を勘案して、実験結果、計測結果、計
算結果等を基に予め設定し、エンジンコントローラ（Ｃ
ＰＵ）等に入力し、記憶しておく。

【００３２】次に、この図１の点火時期進角特性Ｃａに
基づく点火制御は図３に示すような点火時期制御用フロ
ーチャートに基づいて行われる。

【００３３】この図３の点火時期制御用フローはエンジ
ンの運転を司るメインの運転制御フローから繰り返し呼
ばれて、点火時期の進角を決定した後、この決定した進
角値を持ってメインの運転制御フローに戻り、この進角
値に基づいて点火する。なお、この進角値に対して必要
に応じて補正を行うこともある。

【００３４】この図３の時期制御用フローによれば、次
のように進角値が求められる。

【００３５】先ず、この時期制御用フローが呼び出され
スタートすると、ステップＳ10で、諸データを入力す
る。この諸データは、計測された回転数Ｎｅ、制御下限
回転数Ｎａ、制御上限回転数Ｎｂ、基本特性復帰回転数
Ｎｃ、及び、θ１、θ２、θ３、θ４、Ｉｔ１、Ｉｔ
２、Ｉｔ３、Ｉｔ４である。

【００３６】そして、先ずステップＳ11で、回転数Ｎｅ
が第１範囲Ｚ１（Ｎｅ≦Ｎａ）にあるか否かを判定し、
回転数Ｎｅが第１範囲Ｚ１にあれば、ステップＳ12で、
Ｉｔ＝θ１×Ｎｅ＋Ｉｔ１＝Ｉｔ１とし、リターンす
る。

【００３７】そして、ステップＳ11で、回転数Ｎｅが第
１範囲Ｚ１になければ、ステップＳ13で、回転数Ｎｅが
第２範囲Ｚ２（Ｎａ＜Ｎｅ≦Ｎｂ）にあるか否かを判定
し、回転数Ｎｅが第２範囲Ｚ２にあれば、ステップＳ14
で、Ｉｔ＝θ２×Ｎｅ＋Ｉｔ２とし、リターンする。

【００３８】ステップＳ13で、回転数Ｎｅが第２範囲に
なければ、ステップＳ15で、回転数Ｎｅが第３範囲Ｚ３
（Ｎｂ＜Ｎｅ≦Ｎｃ）にあるか否かを判定し、回転数Ｎ
ｅが第３範囲Ｚ３にあれば、ステップＳ16で、Ｉｔ＝θ
３×Ｎｅ＋Ｉｔ３とし、リターンする。

【００３９】そして、ステップＳ15で、回転数Ｎｅが第
３範囲Ｚ３になければ、回転数Ｎｅが第４範囲Ｚ４（Ｎ
ｃ＜Ｎｅ）にあると判定し、ステップＳ17で、Ｉｔ＝θ
４×Ｎｅ＋Ｉｔ４とし、リターンする。

【００４０】以上の構成の火花点火式エンジンの点火時
期を制御する点火時期制御装置によって、上記のような
点火時期制御を行うことにより、図１の第２範囲Ｚ２の
間のアイドリング運転において、回転数Ｎｅが上昇し目
標アイドリング回転数Ｎｔより大きくなると点火時期を
遅らせ、回転数Ｎｅを下降させるので、目標アイドリン
グ回転数Ｎｔに戻る。また、回転数Ｎｅが下降し目標ア
イドリング回転数Ｎｔより小さくなると、進角値Ｉｔが
大きくなるので、点火時期が進み、回転数Ｎｅが上が
る。

【００４１】従って、第２範囲Ｚ２の間のアイドリング
運転において、回転数Ｎｅは、目標アイドリング回転数
Ｎｔとなるように点火制御されることになる。

【００４２】この効果を図４の時系列でみると、アイド
リング運転において、回転数ＮｅがＡ点において点線に
示すように目標アイドル回転数Ｎｔより上昇すると即座
に点火時期Ｉｔがアイドル点火時期Ｉｔ０から遅れ回転
数Ｎｅが下降する。

【００４３】また、Ｂ点において点線で示すように回転
数が目標アイドル回転数Ｎｔより下降すると即座に点火
時期Ｉｔがアイドル点火時期Ｉｔ０より進み回転数Ｎｅ
が上昇する。そのため、直線で示すように、目標アイド
ル回転数Ｎｔ近傍内の極僅かな変動でアイドリング運転
できることになる。

【００４４】そして、更に、制御下限回転数Ｎａ以下の
回転数領域Ｚ１においては、進角量Ｉｔを一定の値Ｉｔ
１とし、極低回転における最適な点火時期を提供できる
ので、最低限の出力を維持してストールによるエンスト
を防止できる。

【００４５】つまり、極低回転域Ｚ１においては、ガソ
リンエンジンでは、空燃比を適切な値に制御するのが困
難であり、また、ＣＮＧやＬＰＧ等のガスエンジンにお
いては、空気と燃料の混合が悪化するので、点火プラグ
近傍が極端にリッチやリーン状態となり、正常な燃焼が
行われ難く、最悪の場合にはストールに至ることになる
が、極低回転領域Ｚ１においては回転数Ｎｅが下がる
程、基本点火時期進角特性Ｃｂより進角させて、進角量
Ｉｔを一定の値Ｉｔ１とした制御を行っているので、こ
の極低回転域Ｚ１におけるエンジンの回転力が増加し、
エンスト防止と、目標アイドル回転数Ｎｔまで戻る時間
を短縮できる。

【００４６】また、制御上限回転数Ｎｂ以上の回転数領
域Ｚ３，Ｚ４においては、速やかに基本点火時期進角特
性Ｃｂに戻るので、通常の点火時期制御となり、通常の
運転が可能となる。

【００４７】なお、図１におけるＮａ〜Ｎｔ，Ｎｔ〜Ｎ
ｂの間の点火時期は、図２に示すように傾斜θ２がθ2
1，θ22と異なっていてもよく、また、Ｎｔ＝Ｎｂで
も、安定運転の効果を奏することができる。

【００４８】更には、この点火時期進角特性は、直線の
結合のみで表現できる特性だけでなく、一部を曲線で表
現する特性であってもよく、この場合には、曲線上の値
をを関数表示から演算しても、あるいは、回転数をベー
スとする点火時期（進角量）のデータ、例えば、点火時
期データを回転数ごとに入力したマップデータ等との照
合から算出してもよい。

【００４９】また、第１範囲Ｚ１にある場合の点火時期
の進角量Ｉｔを一定の値Ｉｔ１にするということは、実
際の場合には、制御の関係で唯一の値Ｉｔ１だけにする
ということでなく、数％の変動幅を含む場合もある。

【００５０】

【発明の効果】上述したように、本発明のアイドリング
時の点火時期制御装置によれば、アイドリング運転の目
標アイドリング回転数近傍においては、この目標アイド
リング回転数に収斂するように制御できるので、高度な
アイドリング安定性を得ることができ、また、目標アイ
ドリング回転数よりも低い制御下限回転数以下の回転数
領域においては、点火時期を略一定として、ストールを
防止するので、耐ストール性を向上させることができ
る。

【００５１】つまり、極低回転域においては、点火プラ
グ近傍が極端にリッチやリーン状態となり、正常な燃焼
が行われ難くなるが、極低回転領域においては回転数が
下がる程、基本点火時期進角特性より進角させて、進角
量を一定の値とした制御を行っているので、この極低回
転域におけるエンジンの回転力が増加し、エンスト防止
と、目標アイドル回転数まで戻る時間を短縮できる。

【００５２】また、制御上限回転数以上の回転数領域に
おいては、速やかに基本点火時期進角特性に戻るので、
通常の点火時期制御となり、通常の運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の点火時期の制御に使用する回転数と点
火時期の関係を示す点火時期進角特性の図である。

【図２】本発明の点火時期の制御に使用する回転数と点
火時期の関係を示す他の点火時期進角特性の図である。

【図３】本発明の点火時期制御を示す点火時期制御用フ
ローチャート図である。

【図４】本発明の制御効果を示すアイドリング運転時の
点火時期の進角量と回転数の時系列図である。

【図５】従来技術の点火時期の制御に使用する回転数と
点火時期の関係を示す基本点火時期進角特性の図であ
る。

【図６】最適点火時期と空燃比との関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

Ｉｔ 点火時期（進角量） Ｎａ 制御下限回転数 Ｎｂ 制御上限回転数 Ｎｃ 基本特性復帰回転数 Ｎｅ 回転数（検出値） Ｎｔ アイドル目標回転数

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの回転数を検出する回転数検出
   手段を備え、該回転数検出手段で検出した回転数を基に
   火花点火式エンジンの点火時期を制御する点火時期制御
   装置において、 アイドリング時に目標アイドル回転数に安定化するよう
   に制御を行う回転数範囲の下限と上限になる制御下限回
   転数と制御上限回転数を前記目標アイドル回転数を挟ん
   で設定すると共に、基本特性復帰回転数を前記制御上限
   回転数よりも高く設定し、 検出された前記回転数が前記制御下限回転数よりも低い
   第１範囲にある場合には点火時期の進角量を一定にし、 検出された前記回転数が前記制御下限回転数と前記制御
   上限回転数の間の第２範囲にある場合は、回転数の増加
   に伴って点火時期の進角量を小さくし、 検出された前記回転数が前記制御上限回転数と前記基本
   特性復帰回転数との間の第３範囲にある場合は、回転数
   の増加に伴って点火時期の進角量を基本点火時期進角特
   性に復帰するように進角させ、 更に、検出された前記回転数が前記基本特性復帰回転数
   より大きい第４範囲にある場合は、基本点火時期進角特
   性に従って進角量を進角させて、点火時期を制御する火
   花点火式エンジンの点火時期制御装置。
2. 【請求項２】 前記火花点火式エンジンが、ＣＮＧエン
   ジンである請求項１記載の火花点火式エンジンの点火時
   期制御装置。