JP2007032459A

JP2007032459A - 内燃機関の点火時期制御装置

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Publication number: JP2007032459A
Application number: JP2005218619A
Authority: JP
Inventors: Jun Maemura; 純前村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP4466498B2

Abstract

【課題】エンジン始動時においてエンジンの逆回転を招くことなく点火進角によるトルク増を達成する。
【解決手段】エンジンの始動時に、各気筒がＴＤＣ（圧縮上死点）を迎えるにあたり、ＢＴＤＣ２０°のタイミングでエンジン回転数ｎｅが４００ｒｐｍを超えているとき（ステップST2）、または、ＢＴＤＣ１０°のタイミングでエンジン回転数ｎｅが２００ｒｐｍを超えているとき（ステップST3）には点火進角が可能であると判断して、そのタイミングＢＴＤＣ２０°またはＢＴＤＣ１０°で直ぐに点火を行って点火を進角する。このような点火時期制御により、始動時にエンジン回転数ｎｅが激しく変動する場合であっても、エンジンの逆回転を回避しながら、始動時のトルク増を達成することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は車両等に搭載される内燃機関の点火時期制御装置に関する。

車両等に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）としては、ポート噴射エンジンと筒内直噴エンジンがある。

ポート噴射エンジンは、各気筒の吸気ポートに配置した燃料噴射弁（インジェクタ）から吸気ポートに燃料を噴射し、この噴射燃料と吸入空気とを混合して燃焼室内に導入し、その導入した混合気（燃料＋空気）を点火プラグにて点火する方式のエンジンである。

筒内直噴エンジンは、各気筒に燃料噴射弁を配置し、その燃料噴射弁からガソリン等の燃料を燃焼室内に直接噴射して、吸気ポートから燃焼室内に導入される吸入空気と混合して混合気を形成し、この混合気を点火プラグにより点火する方式のエンジンである。筒内直噴エンジンは、低燃費・低排気エミッション・高出力などの点で優れていることから、需要が急増している。

ポート噴射エンジンや筒内直噴エンジンにおいては、始動時に点火時期を進角する各種の制御が行われている。例えば、点火時期をＭＢＴ（最小点火進角）よりも進角させることで、エンジン開始の暖機性を向上する方法（例えば、特許文献１参照）や、エンジン回転数が所定レベル（例えば６００ｒｐｍ）未満であるスタートモードにおいて、冷却水温等について所定の条件が成立したときにＢＴＤＣ（圧縮上死点前）２０°の点火進角を選択してエミッションを低減させる点火時期制御方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−２４０５４７号公報特開平９−１００７６９号公報

ところで、筒内直噴エンジンの低温始動において、燃料の噴射期間不足によりリーン失火を伴って始動する場合、通常、点火時期を圧縮上死点（以下、ＴＤＣともいう）またはＢＴＤＣ５°に固定したハード点火を行っている。その理由を説明すると、リーン失火を伴う始動ではエンジン回転数が激しく変動しているので（図５参照）、点火時にエンジン回転数が高いときには点火進角は可能であるが、エンジン回転数が低回転数（例えば４００ｒｐｍ以下）である場合、進角の点火による燃焼によってピストンが押し戻されてエンジンが逆回転する可能性があり、これを回避するためにハード点火を行っている。そして、このように低温始動時にハード点火を適用した場合、始動時にトルク増を見込めるエンジン回転数の上昇（例えば４００ｒｐｍを超える状態）があるのにも関わらず、点火進角によるトルク増を行えないという問題がある。

ここで、筒内直噴エンジン等の点火時期制御では、例えばＢＴＤＣ９０°のタイミングでエンジン回転数等の運転状況に基づいて点火時期を演算して点火（ソフト点火）を行っており、このようなソフト点火により低温始動時の点火進角を行うことが考えられるが、この場合、次のような問題が発生する。

すなわち、上記したように筒内直噴エンジンでは、低温始動において低温下でリーン失火を伴って始動する場合、エンジン回転数が激しく変動するため、ＢＴＤＣ９０°のタイミングでエンジン回転数が４００ｒｐｍを超えていても、実際の点火タイミングにおいてエンジン回転数が低下して、エンジン回転数が４００ｒｐｍ以下となる場合があり、このような状況のときに点火の進角を行うとエンジンの逆回転が発生するという問題がある。

以上のような問題は、筒内直噴エンジンに限られることなく、ポート噴射エンジンにおいても、低温始動時に失火等によりエンジン回転数が変動することがあるので、同様なことが言える。また、低温始動時に限られることなく、通常始動の際にも、エンジン回転数が変動することがあるので、同様な問題が発生する。

なお、上記した特許文献１、２に記載の技術では、エンジンの低温始動時等においてリーン失火などによりエンジン回転数が変動することについては何ら考慮されおらず、これら特許文献１、２に記載の技術を利用しても、低温始動時等においてエンジンの逆回転を回避しながらトルク増を達成することはできない。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、始動時において内燃機関の逆回転を招くことなく点火進角によるトルク増を達成することができ、良好な始動性を得ることが可能な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。

本発明は、混合気を点火プラグにより点火して燃焼させる内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御装置であって、前記内燃機関の始動時に、各気筒の圧縮上死点前の所定のクランクアングルで機関回転数を検出し、その機関回転数が所定の判定値を超えている気筒については、前記圧縮上死点前の所定のクランクアングルで点火を実施する点火時期制御手段を備えていることを特徴としている。

本発明によれば、内燃機関の始動時に、各気筒が圧縮上死点を迎えるにあたり、圧縮上死点前の所定のクランクアングルで、機関回転数が所定の判定値（具体的には、内燃機関が逆回転しない回転数）を超えているときには、点火進角が可能であると判断して、その圧縮上死点前のクランクアングルで点火を実施して点火を進角するので、始動時に機関回転数が激しく変動する場合であっても、内燃機関の逆回転を回避しながら、機関回転数の上昇を利用してトルク増を達成することができる。

本発明の具体的な構成を以下に説明する。

本発明において、圧縮上死点前の互いに異なる２つのクランクアングルで機関回転数を検出し、それら２つのクランクアングルのうち、進角側にある第１のクランクアングルで検出する機関回転数が第１の判定値を超えているときに点火を実施し、圧縮上死点側にある第２のクランクアングルで検出する機関回転数が前記第１の判定値よりも小さい第２の判定値を超えているときに点火を実施するように構成してもよい。

このように、圧縮上死点前の互いに異なる２つのクランクアングルで点火遅角の可否を判定することにより、より効果的にトルクの増加をはかることができる。

具体的には、例えば、圧縮上死点前２０°のクランクアングルでの機関回転数が４００ｒｐｍを超えているときには点火を実施し、圧縮上死点前１０°のクランクアングルでの機関回転数が２００ｒｐｍを超えているときには点火を実施することで、圧縮上死点前２０°のクランクアングルで点火が実施されていない場合であっても、圧縮上死点前１０°のクランクアングルで点火の進角を実施することが可能になるので、始動時の機関回転数の上昇をより効果的に利用してトルク増を行うことが可能になる。

本発明によれば、内燃機関の始動時に、各気筒の圧縮上死点前の所定のクランクアングルで機関回転数を検出し、その機関回転数が所定の判定値を超えているときには、前記圧縮上死点前の所定のクランクアングルで点火を実施するので、始動時において内燃機関の逆回転を招くことなく、点火進角によるトルク増を達成することができ、始動性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、本発明を適用するエンジン（内燃機関）について説明する。

−エンジン−
図１は本発明を適用するエンジンの概略構成を示す図である。なお、図１にはエンジンの１気筒の構成のみを示している。

エンジン１は、６つの気筒（気筒＃１〜気筒＃６）を有する筒内直噴６気筒ガソリンエンジンであって、燃焼室１ａを形成するピストン１０及び出力軸であるクランクシャフト１５を備えている。ピストン１０はコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５に連結されており、ピストン１０の往復運動がコネクティングロッド１６によってクランクシャフト１５の回転へと変換される。

クランクシャフト１５にはリングギヤ１７が設けられている。リングギヤ１７には、エンジン１の始動時に起動するスタータモータ７のピニオンギヤ１８が噛み合わされており、スタータモータ７の起動に伴うリングギヤ１７の回転によりエンジン１のクランキングが行われる。

クランクシャフト１５には、外周面に複数の突起（歯）１９ａ・・１９ａを有するシグナルロータ１９が取り付けられている。シグナルロータ１９の側方近傍にはクランクポジションセンサ３５が配置されている。クランクポジションセンサ３５は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１９の突起１９ａに対応するパルス状の信号（クランク角信号）を発生する。なお、この例では、クランクシャフト１５が３０°ＣＡ回転する毎にクランク角信号が発生する。

エンジン１の燃焼室１ａには点火プラグ３が各気筒＃１〜＃６ごとに配置されている。点火プラグ３の点火タイミングはイグナイタ４によって調整される。エンジン１には、ウォータジャケット１ｂを循環する冷却水の温度（冷却水温）を検出する水温センサ３１が配置されている。

エンジン１の燃焼室１ａには吸気通路１１と排気通路１２が接続されている。吸気通路１１と燃焼室１ａとの間に吸気バルブ１３が設けられており、この吸気バルブ１３を開閉駆動することにより、吸気通路１１と燃焼室１ａとが連通または遮断される。また、排気通路１２と燃焼室１ａとの間に排気バルブ１４が設けられており、この排気バルブ１４を開閉駆動することにより、排気通路１２と燃焼室１ａとが連通または遮断される。これら吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉駆動は、クランクシャフト１５の回転が伝達される吸気カムシャフト２１及び排気カムシャフト２２の各回転によって行われる。

吸気カムシャフト２１の近傍には、気筒判別用のカムポジションセンサ３６が配置されている。カムポジションセンサ３６は、例えば電磁ピックアップであって、吸気カムシャフト２１に一体的に設けられたロータ外周面の１個の突起（歯）に対向するように配置されており、吸気カムシャフト２１が回転する際にパルス状の信号を出力する。なお、吸気カムシャフト２１は、クランクシャフト１５の１／２の回転速度で回転するので、クランクシャフト１５が７２０°回転するごとにカムポジションセンサ３６が１つのパルス状の信号（気筒判別信号）を発生する。

吸気通路１１の上流部分にはエンジン１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ５が配置されている。スロットルバルブ５はスロットルモータ６によって駆動される。スロットルバルブ５の開度はスロットルポジションセンサ３４によって検出される。また、吸気通路１１には、スロットルバルブ５の下流側に吸気通路１１内の圧力（吸気圧）を検出するバキュームセンサ３２が配置されている。エンジン１の排気通路１２には三元触媒８が配置されている。

そして、エンジン１には、燃焼室１ａ内に燃料を直接噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）２が各気筒＃１〜＃６ごとに設けられている。各気筒のインジェクタ２には高圧燃料が供給され、その各インジェクタ２から燃料を燃焼室１ａ内に直接噴射することにより、燃焼室１ａ内で空気と燃料とが混合された混合気が形成され、その混合気が点火プラグ３にて点火され燃焼室１ａ内で燃焼される。この混合気の燃焼室１ａ内での燃焼によりピストン１０が往復運動してクランクシャフト１５が回転する。

以上のエンジン１の運転状態は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１００によって制御される。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図２に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、バックアップＲＡＭ１０４、及び、クランクカウンタ（以下、ＣＡカウンタという）１０５を備えている。

ＲＯＭ１０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４は、エンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。これらＲＯＭ１０２、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０３、バックアップＲＡＭ１０４、及び、ＣＡカウンタ１０５はバス１０８を介して互いに接続されるとともに、外部入力回路１０６及び外部出力回路１０７と接続されている。

外部入力回路１０６には、水温センサ３１、バキュームセンサ３２、アクセルポジションセンサ３３、スロットルポジションセンサ３４、クランクポジションセンサ３５、カムポジションセンサ３６、及び、イグニッションスイッチ３７などが接続されている。外部出力回路１０７には、インジェクタ２、点火プラグ３のイグナイタ４、スロットルバルブ５のスロットルモータ６、及び、スタータモータ７などが接続されている。

そして、ＥＣＵ１００は、水温センサ３１、バキュームセンサ３２、アクセルポジションセンサ３３、スロットルポジションセンサ３４、クランクポジションセンサ３５、及び、カムポジションセンサ３６などの各種センサの出力に基づいて、点火プラグ３の点火時期制御制御（イグナイタ４への点火指示）を含むエンジン１の各種制御を実行する。さらに、ＥＣＵ１００は下記の始動時点火時期制御を実行する。

ここで、ＥＣＵ１００は、図４に示すように、クランクポジションセンサ３５からクランク角信号が入力される毎（つまりクランクシャフト１５が３０°ＣＡ回転する毎）にＣＡカウンタ１０５を１つだけインクリメントし、カムポジションセンサ３６からの気筒判別信号の入力があったときにＣＡカウンタ１０５を「０」にリセットする。また、ＥＣＵ１００は、１０°ＣＡのクランク角割込みに計算を実行する。

−始動時点火時期制御−
ＥＣＵ１００が実行する始動時点火時期制御について説明する。

まず、筒内直噴エンジンの始動時に発生する問題について説明する。

筒内直噴エンジンでは、上述したように低温始動の際に燃料噴射期間の不足によりリーン失火を伴って始動する場合が多い。具体的には、例えば、図５に示すように、初爆後、エンジン回転数ｎｅが急激に上昇すると、その上昇過程（Ａの区間）においてクランク角加速度が大きくなる。これにより、燃料噴射期間が短くなってＡの区間で燃料噴射していた気筒は着火せずに失火してしまう。このように筒内直噴エンジンの低温始動の際には、［エンジン回転数ｎｅの上昇］→［リーン失火によるエンジン回転数ｎｅの低下］を繰り返してエンジンが始動する。

そして、以上のようなリーン失火を伴う始動において、トルク増を目的として点火の進角を行うと、エンジン回転数ｎｅが低いときに点火進角が行われる場合ができてしまい、その進角の点火による燃焼によってピストンが押し戻されて、エンジンが逆回転する可能性がある。そこで、この実施形態では、低温始動時等においてエンジン１の逆回転を回避しながら、トルク増を達成できるように始動時の点火時期を制御する。

その具体的な始動時点火時期制御の一例を図３のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、ステップＳＴ１において、エンジン１が始動時であるか否か（つまりエンジン１のクランキングが行われているか否か）を判定し、エンジン始動時であるときはステップＳＴ２に進む。ステップＳＴ１の判定結果が否定判定であるときには、このルーチンを終了する。

ステップＳＴ２では、クランクポジションセンサ３５及びカムポジションセンサ３６の出力に基づいて各気筒＃１〜＃６のうちのＴＤＣに近づく気筒を判別し、その判別した気筒について、図４に示すように、ＢＴＤＣ２０°の割込みタイミングでエンジン回転数ｎｅをクランクポジションセンサ３５の出力から読み込み（機関回転数の検出）、この割込みタイミングでのエンジン回転数ｎｅが４００ｒｐｍを超えているか否かを判定する（図５参照）。その判定結果が肯定判定である場合つまりエンジン回転数ｎｅが［ｎｅ＞４００ｒｐｍ］であるときには、点火の進角が可能である（つまり点火進角を行ってもエンジン１が逆回転することがない）と判断し、ＢＴＤＣ２０°の割込みタイミングで点火指示を出して直ぐに点火を実施する（ステップＳＴ７）。

一方、ステップＳＴ２の判定結果が否定判定であるときにはステップＳＴ３に進む。ステップＳＴ３では、図４に示すように、ＢＴＤＣ２０°を通過した気筒について、ＢＴＤＣ１０°の割込みタイミングでエンジン回転数ｎｅをクランクポジションセンサ３５の出力から読み込み（機関回転数の検出）、このＢＴＤＣ１０°の割込みタイミングでのエンジン回転数ｎｅが２００ｒｐｍを超えており（図５参照）、かつ、現時点で気筒が未点火であるか否かを判定する。その判定結果が肯定判定である場合、つまり、エンジン回転数ｎｅが［ｎｅ＞２００ｒｐｍ］であり、かつ［未点火］であるときには、点火の進角が可能である（つまり点火進角を行ってもエンジン１が逆回転することがない）と判断し、ＢＴＤＣ１０°の割込みタイミングで点火指示を出して直ぐに点火を実施する（ステップＳＴ７）。

一方、ステップＳＴ３の判定結果が否定判定である場合、点火進角が不可能であると判断してステップＳＴ４に進み、気筒が未点火であるか否かを判定し、未点火である場合、ステップＳＴ５において、通常点火（例えばＢＴＤＣ０°またはＢＴＤＣ５°のハード点火）で点火を実施する。

以後、エンジン回転数ｎｅが上昇してエンジン１が自立運転が可能な状態（例えばエンジン回転数ｎｅが６００ｒｐｍ以上になる状態）になった時点（ステップＳＴ６の判定結果が否定判定である場合）、このルーチンを終了する。

以上の低温始動時の点火時期制御によれば、エンジン１の低温始動時等において、各気筒＃１〜＃６がＴＤＣを迎えるにあたり、ＢＴＤＣ２０°のタイミングでエンジン回転数ｎｅが４００ｒｐｍを超えているとき、または、ＢＴＤＣ１０°のタイミングでエンジン回転数ｎｅが２００ｒｐｍを超えているときには点火進角が可能であると判断して、その各タイミングＢＴＤＣ２０°またはＢＴＤＣ１０°で直ぐに点火を実施して点火を進角するので、エンジン１の逆回転を回避しながら、エンジン回転数ｎｅの上昇を利用してトルク増を得ることができる。これによって、エンジン回転数ｎｅに応じた各気筒毎のトルク発生に最適な状態でエンジン１を始動することが可能になる。

さらに、点火進角が可能であるか否かを判定する判定値（回転数）を、ＢＴＤＣ２０°では４００ｒｐｍとし、ＢＴＤＣ１０°では２００ｒｐｍとして、進角の度合に応じて異なる判定値を設定しているので、始動時のエンジン回転数ｎｅの上昇をより効果的に利用することができる。すなわち、ＢＴＤＣ２０°のクランクアングルでエンジン回転数ｎｅが４００ｒｐｍ以下で点火が実施されていない場合であっても、ＢＴＤＣ１０°のクランクアングルでエンジン回転数ｎｅが２００ｒｐｍを超えているときには点火進角を行うことができるので、始動時のエンジン回転数ｎｅの上昇をより効果的に利用してトルク増を行うことが可能になる。
−その他の実施形態−
以上の例では、ＢＴＤＣ２０°の割込みタイミングで点火進角が可能であるか否かの判定値を４００ｒｐｍとし、ＢＴＤＣ１０°の割込みタイミングで点火進角が可能であるか否かの判定値を２００ｒｐｍとしているが、その各判定値は、各割込みタイミングでの点火の進角によりエンジン１が逆回転しない回転数であれば、特に限定されず、本発明を適用するエンジンの特性に合わせて適宜に選定すればよい。

以上の例では、ＢＴＤＣ２０°とＢＴＤＣ１０°の２つの割込みタイミングで、点火の進角が可能であるか否かを判断しているが、本発明はこれに限られることなく、例えば、ＢＴＤＣ１０°とＢＴＤＣ１５°、ＢＴＤＣ２０°、ＢＴＤＣ２５°など、任意の複数の割込みタイミングで点火進角の可否を判断するようにしてもよい。また、圧縮上死点前の１つのクランクアングル（例えばＢＴＤＣ２０°）で点火進角の可否を判定するようにしてもよい。

以上の例では、筒内直噴６気筒ガソリンエンジンに本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、例えば筒内直噴４気筒ガソリンエンジンなど、他の任意の気筒数の筒内直噴ガソリンエンジンにも適用可能である。また、筒内直噴エンジンに限られることなく、ポート噴射多気筒ガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。

本発明を適用するエンジンの一例を示す概略構成図である。ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。ＥＣＵが実行する始動時点火時期制御の処理内容の一例を示すフローチャートである。図３の始動時点火時期制御においてＴＤＣ前のクランク角割込みのタイミング示す図である。エンジン始動時のエンジン回転数とクランク角加速度の挙動を示すグラフである。

符号の説明

１エンジン
１ａ燃焼室
１５クランクシャフト
１７リングギヤ
１８ピニオンギヤ
１９シグナルロータ
２インジェクタ（燃料噴射弁）
３点火プラグ
４イグナイタ
７スタータモータ
３１水温センサ
３５クランクポジションセンサ
３７イグニッションスイッチ
１００ＥＣＵ

Claims

混合気を点火プラグにより点火して燃焼させる内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御装置であって、
前記内燃機関の始動時に、各気筒の圧縮上死点前の所定のクランクアングルで機関回転数を検出し、その機関回転数が所定の判定値を超えている気筒については、前記圧縮上死点前の所定のクランクアングルで点火を実施する点火時期制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。
請求項１記載の内燃機関の点火時期制御装置において、
前記判定値は、前記圧縮上死点前の所定のクランクアングルでに点火を実施しても、内燃機関が逆回転しない機関回転数であることを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。
請求項１または２記載の内燃機関の点火時期制御装置において、
前記点火時期制御手段は、圧縮上死点前の互いに異なる２つのクランクアングルで機関回転数を検出し、それら２つのクランクアングルのうち、進角側にある第１のクランクアングルで検出する機関回転数が第１の判定値を超えているときに点火を実施し、圧縮上死点側にある第２のクランクアングルで検出する機関回転数が、前記第１の判定値よりも小さい第２の判定値を超えているときに点火を実施することを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。