JP2006046140A - 内燃機関及び内燃機関の運転制御装置、並びに運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレイグニッションの発生前にこれを抑制すること。
【解決手段】この内燃機関１は、燃焼室１ｂ内の混合気に点火する点火プラグ１０により、燃焼室１ｂ内の燃焼イオン電流を検出する。そして、検出した燃焼イオン電流に基づいて、前記燃焼室１ｂにプレイグニッションの前兆現象であるポストイグニッションが発生しているか否かを判定する。ポストイグニッションが発生している場合、内燃機関１は、燃料増量又は点火時期の遅角その他によって、プレイグニッションを抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、プレイグニッションの発生前にこれを抑制して内燃機関の耐久性低下を抑制できる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置、並びに運転制御方法に関する。

火花点火式の内燃機関では、点火プラグによる点火前に燃焼室の混合気が燃焼する、いわゆるプレイグニッションという現象が発生することがある。プレイグニッションは、内燃機関の耐久性を低下させるため、プレイグニッションが発生した場合には、これを抑制することが必要になる。特許文献１には、燃焼イオン電流を検出し、所定の下限値以上の燃焼イオン電流が発生した場合には、内燃機関の燃焼状態がプレイグニッションであると判定する技術が開示されている

特開平９−２７３４７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、プレイグニッションの発生を検知してからプレイグニッションを抑制する制御に入るため、内燃機関の耐久性低下抑制には改善の余地がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プレイグニッションの発生前にこれを抑制して、内燃機関の耐久性低下を抑制できる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置、並びに運転制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、前記燃焼室に発生するプレイグニッションの前兆現象を検出する燃焼状態検出手段と、を備え、前記燃焼状態検出手段が前記前兆現象を検出した場合には、燃料増量又は点火時期の遅角その他のプレイグニッション抑制動作をすることを特徴とする。

この内燃機関は、プレイグニッションの前兆現象を検出したら、実際にプレイグニッションが発生していなくとも、これを抑制するように内燃機関の運転を制御する。これにより、プレイグニッションが発生する前にこれを抑制できるので、内燃機関の耐久性低下を抑制できる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、点火に起因する現象により、前記燃焼状態検出手段が前記前兆現象を正確に判定できない場合は、前記前兆現象に代えてプレイグニッションを検出し、前記燃焼状態検出手段がプレイグニッションを検出した場合には、前記プレイグニッション抑制動作をすることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、点火に起因するＬＣ共振ノイズの終了する時期が、予め定めた所定のＬＣ共振ノイズ終了基準時期よりも遅れる回数が所定回数以上になった場合に、前記燃焼状態検出手段が前記前兆現象を正確に判定できないと判定することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記前兆現象は、前記燃焼室内に発生するポストイグニッションであることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関の燃焼圧力の最大値が発生する時期が、所定の基準時期以上に進角している場合に、前記前兆現象が発生していると判定することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記燃焼状態検出手段は、前記燃焼室内の燃焼イオン電流を検出する燃焼イオン電流検出手段であり、この燃焼イオン検出手段によって検出された前記燃焼室内の燃焼イオン電流に基づいて、前記燃焼圧力の最大値が発生する時期を判定することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記燃焼イオン電流は、前記点火プラグで検出されることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、点火プラグを備える火花点火式の内燃機関の運転制御に用いるものであり、前記内燃機関の燃焼室に、プレイグニッションの前兆現象が発生しているか否かを判定する燃焼状態判定部と、前記前兆現象が発生していると前記燃焼状態判定部が判定した場合には、燃料増量又は点火時期の遅角その他のプレイグニッション抑制動作を前記内燃機関に実行させる燃焼制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。

この内燃機関の運転制御装置は、燃焼状態判定部がプレイグニッションの前兆現象を検出したら、実際にプレイグニッションが発生していなくとも、燃焼制御部がプレイグニッションを抑制するように、内燃機関の運転を制御する。これにより、プレイグニッションが発生する前にこれを抑制できるので、内燃機関の耐久性低下を抑制できる。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記燃焼状態判定部は、前記前兆現象が発生しているか否かを正確に判定できない場合、前記前兆現象に代えてプレイグニッションが発生しているか否かを判定し、前記燃焼制御部は、前記燃焼状態判定部の判定結果に基づいて、前記プレイグニッション抑制動作を前記内燃機関に実行させることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、点火に起因するＬＣ共振ノイズの終了する時期が、予め定めた所定のＬＣ共振ノイズ終了時期よりも遅れる回数が所定回数以上になった場合に、前記燃焼状態判定部が前記前兆現象を正確に判定できないと判定することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記前兆現象は、前記燃焼室内に発生するポストイグニッションであることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記燃焼状態判定部は、前記内燃機関の燃焼圧力の最大値が発生する時期が、所定の基準時期以上に進角している場合に、前記前兆現象が発生していると判定することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記燃焼状態判定部は、前記燃焼室内の燃焼イオン電流に基づいて、前記燃焼圧力の最大値が発生する時期を判定することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御方法は、点火プラグを備える火花点火式の内燃機関を運転するにあたり、前記内燃機関の燃焼室に、プレイグニッションの前兆現象が発生しているか否かを判定する手順と、前記前兆現象が発生していると判定した場合には、燃料増量又は点火時期の遅角その他のプレイグニッション抑制動作を実行する手順と、を含むことを特徴とする。

この内燃機関の運転制御方法は、プレイグニッションの前兆現象を検出したら、実際にプレイグニッションが発生していなくとも、これを抑制するように内燃機関の運転を制御する。これにより、プレイグニッションが発生する前にこれを抑制できるので、内燃機関の耐久性低下を抑制できる。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御方法は、前記内燃機関の運転制御方法において、前記前兆現象が発生しているか否かを正確に判定できない場合、前記前兆現象に代えてプレイグニッションが発生しているか否かを判定し、この判定の結果に基づいて、前記プレイグニッション抑制動作を実行することを特徴とする。

この発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置、並びに運転制御方法では、プレイグニッションの発生前にこれを抑制して、内燃機関の耐久性低下を抑制することができる。

以下、この発明につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明は、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましく適用できる。

実施例１は、火花点火式の内燃機関において、プレイグニッションの前兆現象を検出し、この前兆現象が発生したと判定した場合には、燃料増量又は点火時期の遅角その他のプレイグニッション抑制動作を実行する点に特徴がある。

図１は、実施例１に係る内燃機関を示す概略断面図である。図２は、実施例１に係る内燃機関を示す全体図である。図１、２を用いて、実施例１に係る内燃機関について簡単に説明する。図２に示すように、実施例１に係る内燃機関１は、直列の４気筒の内燃機関であるが、気筒数及び気筒配置はこれに限定されるものではない。実施例１に係る内燃機関１は、ガソリンを燃料とした内燃機関である。この内燃機関１は、吸気通路の一部である吸気ポート３ｉ内に燃料Ｆを噴射するポート噴射弁４から燃料が供給される。なお、内燃機関１は、気筒１ｓ内の燃焼室１ｂ内へ燃料Ｆを直接噴射する、いわゆる直噴の内燃機関であってもよい。

ポート噴射弁４から噴射された燃料Ｆは、吸気ポート３ｉに導入される空気Ａと混合気を形成し、吸気弁５ｉを通って内燃機関１の燃焼室１ｂ内へ充填される。ピストン７の上昇により圧縮された燃焼室１ｂ内の混合気は、ピストン７が上死点に到達する前に点火プラグ１０により点火されて燃焼する。そして、混合気の燃焼圧力により、ピストン７は往復運動する。この往復運動は、コネクティングロッド９を介してクランク軸８に伝えられ、ここで回転運動に変換されて、内燃機関１の出力として取り出される。燃焼後の混合気は、排気弁５ｅから排気通路である排気ポート３ｅへ排出される。なお、吸気弁５ｉと排気弁５ｅとは、それぞれ吸気カム６ｉと排気カム６ｅとによって開閉される。

内燃機関１には、クランク軸８の回転角度を検出するクランク角センサ５１が取り付けられている。また、カム位置検出センサ５４により吸気カム６ｉの位置が検出され、この検出信号に基づいて、各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄のピストンがどの位置にあるかが判定される。クランク角センサ５１及びカム位置検出センサ５４からの検出信号により、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０は、内燃機関１の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄に対する燃料噴射時期及び点火時期を決定する。また、内燃機関１には、エアフローセンサ５３、アクセル開度センサ５５等の、内燃機関１の運転を制御するために必要な情報を取得するためのセンサ類が取り付けられる。エンジンＥＣＵ２０は、これら各種センサからの信号に基づいて、内燃機関１の運転を制御する。

図３は、実施例１に係る燃焼イオン電流検出装置の一例を示す説明図である。図４は、燃焼イオン電流の波形の一例を示す説明図である。燃焼イオン電流検出装置４０は、ダイレクトイグニッション１１内に組み込まれており、点火プラグ１０を燃焼イオン電流検出センサとして用いることにより、燃焼室１ｂ内の燃焼イオン電流を検出する。実施例１では、燃焼室１ｂ内に発生するプレイグニッションの前兆現象を検出する燃焼状態検出手段は、点火プラグ１０と、燃焼イオン電流検出装置４０とにより構成される。なお、点火プラグ１０とは別個に内燃機関１へイオン電流検出計を設け、これにより前記前兆現象を検出してもよい。また、点火プラグ１０とは別個に内燃機関１に筒内圧力センサを設け、これにより前記前兆現象を検出してもよい。

ダイレクトイグニッション１１は、イグナイター部１２と、イグニッションコイル部１３とで構成される。エンジンＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件や運転状態から、内燃機関１への点火時期を決定する。ダイレクトイグニッション１１は、エンジンＥＣＵ２０からの点火指令を受けて、点火プラグ１０から火花を発生させて、燃焼室１ｂ内の混合気へ点火する。

燃焼イオン電流検出装置４０は、検出回路４１と、反転回路４２と、Ｖ−Ｉ変換回路４３とで構成される。検出回路４１は、イグニッションコイル部１３を構成する２次コイル１３ｓに接続されている。燃焼室１ｂ内の混合気が燃焼すると、燃焼室１ｂ内には燃焼イオンが発生する。この燃焼イオン電流Ｉは、検出回路４１及び点火プラグ１０の中心電極１０ｃと側方電極１０ｓとの間を流れる。検出回路４１は、この燃焼イオン電流Ｉを検出し、検出された燃焼イオン電流Ｉの電気信号は、反転回路４２、Ｖ−Ｉ変換回路４３を経てエンジンＥＣＵ２０に取り込まれる。図４は、燃焼イオン電流検出装置で検出され、エンジンＥＣＵ２０に取り込まれる前における燃焼イオン電流の波形の一例を示している。

図４に示すように、エンジンＥＣＵ２０がイグナイター部１２に点火信号を与えると、この点火信号に応じて点火プラグ１０の中心電極１０ｃと側方電極１０ｓとの間に火花が発生する。そして、この火花が燃焼室１ｂ内の混合気に着火し、これを燃焼させる。混合気の燃焼により、燃焼室１ｂ内に発生する実際の燃焼イオン電流は、図４の破線で示すようになる。しかし、イグニッションコイルを用いる点火装置においては、浮遊容量Ｃｆ（図３参照）とイグニッションコイル部１３とによるＬＣ共振ノイズが発生する。このＬＣ共振ノイズの影響により、燃焼イオン電流検出装置４０で検出される燃焼イオン電流Ｉは、図４の実線で示すようになる。

内燃機関１が中負荷以上で運転されているとき、具体的には内燃機関１の負荷率が４０％程度以上のとき、燃焼イオン電流Ｉの変化は、燃焼室１ｂ内の燃焼圧力変化に同期する。そして、燃焼イオン電流がピーク値Ｉ_maxとなる時期は、燃焼室１ｂにおける最大燃焼圧力Ｐ_maxが発生する時期と同期する。これは、内燃機関１の負荷が高くなる程、顕著である。点火プラグ１０から火花が発生してから着火するまでに遅れがあるため、燃焼室１ｂ内における混合気の燃焼圧力は、点火時期Ｔ_Fからある程度の期間を経て最大燃焼圧力Ｐ_maxとなる。

ここで、内燃機関１の運転時においては、ポストイグニッションが発生することがある。ポストイグニッションは、プレイグニッションの前兆現象となる。すなわち、ポストイグニッションが発生して、プレイグニッションに移行する。ポストイグニッションは、点火プラグ１０により混合気に点火した瞬間に混合気が燃焼するので、着火遅れはほとんどないことが特徴である。このため、ポストイグニッションが発生すると、ポストイグニッションが発生前と比較して、最大燃焼圧力Ｐ_maxの発生時期は進角することになる。すなわち、ポストイグニッションが発生すると、最大燃焼圧力Ｐ_maxの発生時期は圧縮上死点側に移行する。

実施例１においては、プレイグニッションの発生を、その前兆現象であるポストイグニッションの発生により予測して、実際にプレイグニッションが発生していなくとも、プレイグニッションに至る前の段階で、プレイグニッションを抑制するように内燃機関１の運転を制御する。具体的には、内燃機関１の燃焼室１ｂ内における燃焼圧力の最大値（最大燃焼圧力）Ｐ_maxが発生する時期（最大燃焼圧力発生時期）Ｔ_maxが、所定の基準時期以上に進角した場合には、ポストイグニッションが発生したと判定する。例えば、図４に示す例では、前記所定の基準時期が限界時期Ｔ_limであり、前記Ｔ_maxが限界時期Ｔ_lim以上に進角した場合には、ポストイグニッションが発生したと判定する。

ポストイグニッションが発生したと判定された場合、その後プレイグニッションに至るおそれが極めて高いため、プレイグニッションを抑制するように、内燃機関１の運転を制御する。これにより、プレイグニッションが発生する前にこれを回避できるので、内燃機関１の耐久性低下を効果的に抑制できる。特に、高圧縮、あるいは高過給の内燃機関はプレイグニッションが発生しやすいが、このような内燃機関の場合には、実施例１よって効果的にプレイグニッションを抑制できる。なお、実施例１では、前記最大燃焼圧力Ｐ_maxを、燃焼イオン電流のピーク値Ｉ_maxとして取り扱う。

最大燃焼圧力発生時期Ｔ_maxは、点火時期をＭＢＴ（Minimum spark advance for Best Torque）とした場合、ＡＴＤＣ（After Top Dead Center：上死点後）１０度〜１５度である。ここで、上死点とは圧縮上死点である。この場合、例えば、ＡＴＤＣ１０度〜１５度よりも最大燃焼圧力Ｐ_maxの発生時期が進角した場合（例えばＡＴＤＣ５度になった場合）、ポストイグニッションが発生していると判定できる。なお、内燃機関１の負荷が低くなると、燃焼イオン電流Ｉの変化は、燃焼室１ｂ内の燃焼圧力変化に同期するという関係は保たれなくなる。しかし、内燃機関１の負荷が低い場合には、プレイグニッションは発生しないので、実施例１に係る制御を実行しなくとも、特に問題はない。

次に、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置について説明する。図５は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。この実施例に係る運転制御は、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置３０によって実現できる。図５に示すように、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ２０に組み込まれて構成されている。エンジンＥＣＵ２０は、ＣＰＵ２０ｐと、記憶部２０ｍと、入力及び出力ポート２５、２６と、入力及び出力インターフェイス２７、２８とから構成される。

なお、エンジンＥＣＵ２０とは別個に、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置３０を用意し、これをエンジンＥＣＵ２０に接続してもよい。そして、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法を実現するにあたっては、エンジンＥＣＵ２０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の運転制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

内燃機関の運転制御装置３０は、燃焼状態判定部３１と、燃焼制御部３２とを含んで構成される。これらが、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法を実行する部分となる。この実施例において、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ２０を構成するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）２０ｐの一部として構成される。この他に、ＣＰＵ２０ｐには、内燃機関１の運転を制御する制御部２３が含まれている。

ＣＰＵ２０ｐと、記憶部２０ｍとは、バス２４₁〜２４₃、入力ポート２５及び出力ポート２６に接続される。これにより、内燃機関の運転制御装置３０を構成する燃焼状態判定部３１と燃焼制御部３２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を発したりできるように構成される。また、内燃機関の運転制御装置３０は、エンジンＥＣＵ２０が有する内燃機関１の負荷や機関回転数その他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の運転制御装置３０の制御をエンジンＥＣＵ２０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート２５には、入力インターフェイス２７が接続されている。入力インターフェイス２７には、クランク角センサ５１、回転数センサ５２、エアフローセンサ５３、カム位置検出センサ５４、アクセル開度センサ５５、燃焼イオン電流検出装置４０その他の、内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス２７内のＡ／Ｄコンバータ２７ａやディジタル入力バッファ２７ｄにより、ＣＰＵ２０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート２５へ送られる。これにより、ＣＰＵ２０ｐは、運転制御や内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート２６には、出力インターフェイス２８が接続されている。出力インターフェイス２８には、ポート噴射弁４やダイレクトイグニッション１１その他の、内燃機関１の運転制御に必要な制御対象が接続されている。出力インターフェイス２８は、制御回路２８₁、２８₂等を備えており、ＣＰＵ２０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、エンジンＥＣＵ２０のＣＰＵ２０ｐは、前記センサ類からの出力信号に基づいて、内燃機関１の点火時期や燃料噴射時期、あるいは燃料噴射量等を制御して、内燃機関１の運転を制御する。

記憶部２０ｍには、この実施例に係る内燃機関の運転制御に用いるコンピュータプログラムや制御マップ、あるいは内燃機関の運転制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部２０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ２０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムと組み合わせによって、この実施例に係る運転制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この内燃機関の運転制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、燃焼状態判定部３１、燃焼制御部３２の機能を実現するものであってもよい。次に、この実施例に係る運転制御及び内燃機関の運転制御装置等の動作について説明する。この説明においては、適宜図１〜図５を参照されたい。

図６は、実施例１に係る運転制御及び内燃機関の運転制御装置等の動作を説明するフローチャートである。この運転制御では、ある気筒の燃焼イオン電流ピーク時期と、予め定めた所定の限界時期との比較により、プレイグニッションの前兆現象であるポストイグニッションが発生したか否かを判定する。ここで、実施例１において、予め定めた「所定の限界時期」が、「所定の基準時期」に相当する。

実施例１に係る内燃機関の運転制御を実行するにあたり、内燃機関の運転制御装置３０の燃焼状態判定部３１は、アクセル開度及び吸入空気量に基づき、内燃機関１の負荷率ＫＬを求め、これが所定値ＫＬｃ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。内燃機関１が低負荷の場合には、燃焼イオン電流Ｉの変化は、燃焼室１ｂ内の燃焼圧力変化に同期しなくなるからである。

ＫＬ＜ＫＬｃである場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻ってポストイグニッションの監視を継続する。ＫＬ≧ＫＬｃの場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、燃焼状態判定部３１は、内燃機関１の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄から燃焼イオン電流Ｉをサンプリングし、前記燃焼イオン電流がピーク値Ｉ_maxをとる時期（燃焼イオン電流ピーク時期）Ｔｍａｘ（ｉ）を取得する（ステップＳ１０２）。なお、「ｉ」は内燃機関１の気筒番号であり、実施例１では１〜４である。また、「時期」は、内燃機関１のクランク角度で表し、圧縮上死点を０度とする。

燃焼状態判定部３１は、それぞれの気筒１ｓ₁〜１ｓ₄の燃焼イオン電流ピーク時期Ｔｍａｘ（１）〜Ｔｍａｘ（４）を、予め定めた所定の限界時期Ｔ_limと比較する（ステップＳ１０３）。所定の限界時期Ｔ_limは実験や解析等により予め定めておく。所定の限界時期Ｔ_limは、例えば、ＡＴＤＣ１０度程度に定めることができる。Ｔｍａｘ（ｉ）が所定の限界時期Ｔ_limよりも遅角している場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、燃焼状態判定部３１は、ｉ気筒にポストイグニッションは発生していないと判定する。このときにはＳＴＡＲＴに戻り、ポストイグニッションの監視を継続する。

Ｔｍａｘ（ｉ）が所定の限界時期Ｔ_lim以上に進角している場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、燃焼状態判定部３１は、ｉ気筒にポストイグニッションが発生していると判定する（ステップＳ１０４）。燃焼制御部３２は、燃焼状態判定部３１の判定結果を受けて、ｉ気筒に対してプレイグニッションを抑制する制御を実行する（ステップＳ１０５）。これにより、内燃機関１は、プレイグニッション抑制動作をする。

この制御には、例えば、ポストイグニッションを検出したｉ気筒に供給する燃料を増量したり、前記ｉ気筒の点火時期を遅角したりする方法がある。これにより、ｉ気筒の燃焼室１ｂの温度を低下させて、ｉ気筒のプレイグニッションの発生を未然に抑えることができる。このようにすれば、プレイグニッションの発生が予測される気筒のみ燃料増量あるいは遅角されるので、燃料消費の増加を抑制したり、遅角によるトルク低下を最小限に抑えたりすることができる。なお、プレイグニッションを抑制する制御を全気筒に対して実行してもよい。プレイグニッションを抑制する制御を実行したら、ＳＴＡＲＴに戻ってポストイグニッションの監視を継続する。

以上、実施例１によれば、プレイグニッションの前兆現象を検出したら、実際にプレイグニッションが発生していなくとも、これを抑制するように内燃機関の運転を制御する。これにより、プレイグニッションに至る前にこれを回避できるので、内燃機関の耐久性低下を効果的に抑制できる。特に、圧縮比の高い内燃機関や高過給の内燃機関ではプレイグニッションが発生しやすくなるが、実施例１は、このような内燃機関に対しても効果的にプレイグニッションを抑制して、内燃機関１の耐久性低下を効果的に抑制できる。

また、予め定めた所定の限界時期に基づきポストイグニッションを判定するので、他の気筒と比較する必要はない。これにより、単気筒の内燃機関に対しても、プレイグニッションを未然に抑制できる。なお、実施例１で開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例１で開示した構成と同様の構成を備える以上、実施例１と同様の作用、効果を奏する。

実施例２は、実施例１と略同様の構成であるが、次の点で実施例１と異なる。すなわちポストイグニッションの判定に、ある気筒の燃焼イオン電流ピーク時期と、予め定めた所定の限界時期とを比較するのではなく、複数の気筒における燃焼イオン電流ピーク時期の平均値に対する偏差を用いてポストイグニッションを判定する。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略する。なお、次の説明では、適宜図１〜４を参照されたい。

図７は、実施例２に係る運転制御及び内燃機関の運転制御装置等の動作を説明するフローチャートである。一般に、内燃機関が備えるすべての気筒の燃焼状態が、一斉にプレイグニッションへ進行することはほとんどない。したがって、他の気筒との比較により、プレイグニッションの前兆現象であるポストイグニッションの発生を判定する。実施例２に係る内燃機関の運転制御を実行するにあたり、内燃機関の運転制御装置３０の燃焼状態判定部３１は、アクセル開度及び吸入空気量に基づき、内燃機関１の負荷率ＫＬを求め、これが所定値ＫＬｃ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。

ＫＬ＜ＫＬｃである場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻ってポストイグニッションの監視を継続する。ＫＬ≧ＫＬｃの場合（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、燃焼状態判定部３１は、内燃機関１の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄から燃焼イオン電流Ｉをサンプリングし、燃焼イオン電流ピーク時期Ｔｍａｘ（ｉ）を取得する（ステップＳ２０２）。

燃焼状態判定部３１は、すべての気筒１ｓ₁〜１ｓ₄の燃焼イオン電流ピーク時期Ｔｍａｘ（１）〜Ｔｍａｘ（４）の平均値（ピーク時期平均）Ｔｍａｘ＿ａｖを算出する（ステップＳ２０３）。次に、燃焼状態判定部３１は、各気筒の燃焼イオン電流ピーク時期Ｔｍａｘ（ｉ）が、所定の基準時期以上進角しているか否かを判定する（ステップＳ２０４）。

実施例２において、前記所定の基準時期は、ピーク時期平均Ｔｍａｘ＿ａｖと、所定の閾値Ｔ_lとの差（Ｔｍａｘ＿ａｖ−Ｔ_l）とする。前記閾値Ｔ₁は実験や解析等により予め定めてもよいし、また、例えば取得した燃焼イオン電流ピーク時期Ｔｍａｘ（ｉ）（ｉ＝１〜４）の標準偏差σの所定倍（例えば３倍）としてもよい。後者のようにすれば、実験等により予め閾値Ｔ₁を求める必要はないので、閾値を求めるための実験等の手間を省略することができる。

Ｔｍａｘ（ｉ）が前記所定の基準時期（Ｔｍａｘ＿ａｖ−Ｔ_l）よりも遅角している場合（ステップＳ２０４；Ｎｏ）、ｉ気筒の燃焼イオン電流ピーク時期Ｔｍａｘ（ｉ）の進角の程度は、他の気筒と比較して許容できる範囲である。したがって燃焼状態判定部３１は、ｉ気筒にポストイグニッションは発生していないと判定する。このときにはＳＴＡＲＴに戻り、ポストイグニッションの監視を継続する。Ｔｍａｘ（ｉ）が前記所定の基準時期（Ｔｍａｘ＿ａｖ−Ｔ_l）以上に進角している場合（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）、ｉ気筒の燃焼イオン電流ピーク時期Ｔｍａｘ（ｉ）は、許容できない程度に進角している。したがって、燃焼状態判定部３１は、ｉ気筒にポストイグニッションが発生していると判定する（ステップＳ２０５）。燃焼制御部３２は、燃焼状態判定部３１の判定結果を受けて、ｉ気筒に対してプレイグニッションを抑制する制御を実行する（ステップＳ２０６）。なお、この制御は、実施例１と同様である。その後、ＳＴＡＲＴに戻ってポストイグニッションの監視を継続する。

以上、実施例２によれば、プレイグニッションの前兆現象を検出したら、実際にプレイグニッションが発生していなくとも、これを抑制するように内燃機関の運転を制御する。これにより、プレイグニッションに至る前にこれを回避できるので、内燃機関の耐久性低下を効果的に抑制できる。なお、実施例２で開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例２で開示した構成と同様の構成を備える以上、実施例２と同様の作用、効果を奏する。

実施例３は、内燃機関の運転条件により、プレイグニッションの前兆現象であるポストイグニッションが判定できない場合には、点火前にプレイグニッションそのものの発生を検出して、これを抑制する制御を実行するものである。なお、ポストイグニッションを判定できる場合には、実施例１又は実施例２によりプレイグニッションの発生を抑制する。次の説明では、適宜図１〜６を参照されたい。

図８は、実施例３に係る内燃機関の運転制御方法の手順を示すフローチャートである。図９は、燃焼イオン電流の変化を示す説明図である。ここで、図９の横軸は、クランク角度である。点火プラグ１０を燃焼イオン電流検出センサとして用いる場合、イグニッションコイルによる点火装置を備える内燃機関では、図９に示すように、ＬＣ共振ノイズの影響により、点火後所定の期間（例えばＴ_LC（ｉ）まで）は燃焼イオン電流から燃焼圧力を推定することはできない。

前記ＬＣ共振ノイズは、内燃機関１の機関回転数ＮＥによらず、発生する時間が略同程度である。このため、内燃機関１の機関回転数ＮＥが高くなると、クランク軸の回転角速度が大きくなる結果、ＬＣ共振ノイズはクランク角度が大きい時期まで継続する。すなわち、ＬＣ共振ノイズは、図９中の横軸右側まで継続する（図９中の点線）。その結果、内燃機関１の機関回転数ＮＥが大きくなると燃焼圧力の最大値を示す燃焼イオン電流のピーク値Ｉ_maxを検出できなくなる。すなわち、点火プラグ１０を燃焼イオン電流検出センサとして用いる場合、内燃機関１の機関回転数ＮＥが大きくなると、ポストイグニッションが発生しているか否かは判定できない。また、ＬＣ共振ノイズのみならず、放電期間と燃焼イオン電流が燃焼圧力と同期する期間とが重なった場合にも、燃焼イオン電流から燃焼圧力を推定することはできない。このように、点火に起因する現象によって、ポストイグニッションが発生しているか否かが判定できない場合がある。

このため、実施例３では、ポストイグニッションが検出できない場合には、点火時期よりも前の時期にプレイグニッションそのものを検出し、この検出結果に基づいて、プレイグニッションを抑制する制御を実行する。実施例３に係る内燃機関の運転制御を実行するにあたり、運転制御装置３０の燃焼状態判定部３１は内燃機関１の負荷率ＫＬを求め、これが所定値ＫＬｃ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０１）。

ＫＬ＜ＫＬｃである場合（ステップＳ３０１；Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻ってポストイグニッションの監視を継続する。ＫＬ≧ＫＬｃの場合（ステップＳ３０１；Ｙｅｓ）、燃焼状態判定部３１は、内燃機関１の各気筒１ｓ₁〜１ｓ₄から燃焼イオン電流Ｉをサンプリングし、前記燃焼イオン電流Ｉから、ＬＣ共振ノイズが終了する時期Ｔ_LC（ｉ）を取得する（ステップＳ３０２）。

燃焼状態判定部３１は、それぞれの気筒１ｓ₁〜１ｓ₄におけるＬＣ共振ノイズの終了する時期Ｔ_LC（１）を〜Ｔ_LC（４）を、予め定めた所定のＬＣ共振ノイズ終了基準時期Ｔ＿ＥＮＤと比較する（ステップＳ３０３）。比較の結果、Ｔ_LC（ｉ）＞Ｔ＿ＥＮＤである場合には、この情報を記憶部２０ｍへ格納する（ステップＳ３０４）。なお、所定のＬＣ共振ノイズ終了基準時期Ｔ＿ＥＮＤは、実験や解析等により予め定めておく。

ｉ気筒において、ある所定の期間中、Ｔ_LC（ｉ）＞Ｔ＿ＥＮＤとなる回数が所定回数Ｎｌ以上となった場合（ステップＳ３０５；Ｙｅｓ）、燃焼状態判定部３１は、ｉ気筒において、プレイグニッションの前兆現象であるポストイグニッションの検出は不可能であると判定する。このときには、燃焼状態判定部３１は、少なくともｉ気筒に対して、内燃機関１の点火時期Ｔ_Fよりも前の時期における燃焼イオン電流に基づいて、プレイグニッションそのものを検出する（ステップＳ３０６）。

その後、燃焼状態判定部３１は、少なくともｉ気筒に対してプレイグニッションが発生しているか否かを判定する。そして、プレイグニッションが発生している場合には、燃焼制御部３２が、ｉ気筒に対してプレイグニッションを抑制する制御を実行する。なお、点火時期Ｔ_Fよりも前の時期に、燃焼イオン電流が所定値以上になった場合には、プレイグニッションが発生していると判定する。

ｉ気筒において、ある所定の期間中、Ｔ_LC（ｉ）＞Ｔ＿ＥＮＤとなる回数が所定回数Ｎｌよりも少ない場合（ステップＳ３０５；Ｎｏ）、燃焼状態判定部３１は、ｉ気筒においては、ポストイグニッションの検出は可能であると判定する。このときには、燃焼状態判定部３１は、ｉ気筒に対して、内燃機関１の点火時期Ｔ_Fよりも後の時期における燃焼イオン電流に基づいてポストイグニッションを検出し、これによりプレイグニッションの発生を判定する（ステップＳ３０７）。すなわち、実施例１又は２に係る内燃機関の運転制御方法で説明したポストイグニッションの判定、及びこの判定結果に基づくプレイグニッションの抑制制御を実行する。ここで、「所定の期間」は、例えば内燃機関１の運転が、予め定めたサイクル数（例えば２０サイクル）を経過するまでの期間とすることができる。

なお、実施例３においては、ｉ気筒でポストイグニッションの検出が不可能である場合、当該気筒のみ、点火時期Ｔ_Fよりも前の燃焼イオン電流に基づくプレイグニッションの判定としてもよい。また、ｉ気筒でポストイグニッションの検出が不可能である場合、内燃機関１のすべての気筒で、点火時期Ｔ_Fよりも前の燃焼イオン電流を用いてプレイグニッションを判定してもよい。また、ｉ気筒において、１サイクルでＴ_LC（ｉ）＞Ｔ＿ＥＮＤとなった場合には、ｉ気筒では、ポストイグニッションの検出は不可能であると判定し、点火時期Ｔ_Fよりも前の時期における燃焼イオン電流によるプレイグニッションの判定に切り替えてもよい。

（変形例）
図１０は、実施例３の変形例に係る内燃機関の運転制御方法の手順を示すフローチャートである。実施例３の変形例は、実施例３と略同様の構成であるが、内燃機関の機関回転数が予め定めた制限値以上になった場合には、点火前の燃焼イオン電流によるプレイグニッションの判定に切り替える点が異なる。他の構成は実施例３と同様なのでその説明を省略する。

実施例３の変形例に係る内燃機関の運転制御を実行するにあたり、内燃機関の運転制御装置３０の燃焼状態判定部３１は、内燃機関１の負荷率ＫＬを求め、これが所定値ＫＬｃ以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０１）。ＫＬ＜ＫＬｃである場合（ステップＳ３０１；Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻ってポストイグニッションの監視を継続する。ＫＬ≧ＫＬｃの場合（ステップＳ４０１；Ｙｅｓ）、燃焼状態判定部３１は、回転数センサ５２から内燃機関１の機関回転数ＮＥを取得する（ステップＳ４０２）。そして、燃焼状態判定部３１は、取得した機関回転数ＮＥと、予め定めた制限回転数ＮＥｌとを比較する（ステップＳ４０３）。

上述したように、点火プラグ１０を燃焼イオン電流検出センサとして用いる場合、内燃機関１の機関回転数ＮＥが大きくなると、ポストイグニッションが発生しているか否かは判定できない。このため、ポストイグニッションが発生しているか否かが判定できなくなる機関回転数を制限回転数ＮＥｌとして、機関回転数ＮＥがこれ以上になった場合に、プレイグニッションそのものを検出する。制限回転数ＮＥｌは、実験やシミュレーション等により予め定めておく。

ＮＥ≧ＮＥｌである場合（ステップＳ４０３；Ｙｅｓ）、燃焼状態判定部３１は、プレイグニッションの前兆現象であるポストイグニッションの検出は不可能であると判定する。このときには、燃焼状態判定部３１は、内燃機関１の点火時期Ｔ_Fよりも前の時期における燃焼イオン電流に基づいて、プレイグニッションそのものを検出する（ステップＳ４０４）。

ＮＥ＜ＮＥｌである場合（ステップＳ４０３；Ｎｏ）、燃焼状態判定部３１は、ポストイグニッションの検出は可能であると判定する。このときには、燃焼状態判定部３１は、内燃機関１の点火時期Ｔ_Fよりも後の時期における燃焼イオン電流によりポストイグニッションを検出し、プレイグニッションの発生を判定する（ステップＳ４０５）。すなわち、実施例１又は２に係る内燃機関の運転制御方法で説明したポストイグニッションの判定、及びこの判定結果に基づくプレイグニッションの抑制制御を実行する。

以上、実施例３及びその変形例によれば、プレイグニッションの前兆現象が検出できない場合には、点火前の燃焼イオン電流を用いてプレイグニッションそのものを検出して、これを抑制するように制御する。これにより、プレイグニッションの前兆現象が検出できない場合であっても、発生したプレイグニッションを抑制し、内燃機関の耐久性低下を抑制できる。

なお、点火に起因するＬＣ共振ノイズ等の影響を回避できる場合には、プレイグニッションの前兆現象（例えばポストイグニッション）に基づいてプレイグニッションを回避する制御を実行してもよい。例えば、点火プラグとは別個にイオン電流検出計を設けたり、筒内圧センサにより燃焼圧力を直接検出したりして、その検出結果に基づいてプレイグニッションの前兆現象の発生を判定することにより、点火に起因するＬＣ共振ノイズ等の現象の影響を回避できる。

以上のように、本発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置、並びに運転制御方法は、火花点火式の内燃機関に有用であり、特に、プレイグニッションの発生前にこれを抑制して内燃機関の耐久性低下を抑制することに適している。

実施例１に係る内燃機関の一例を示す概略断面図である。 実施例１に係る内燃機関の一例を示す全体図である。 実施例１に係る燃焼イオン電流検出装置の一例を示す説明図である。 燃焼イオン電流の波形の一例を示す説明図である。 実施例１に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。 実施例１に係る運転制御及び内燃機関の運転制御装置等の動作を説明するフローチャートである。 実施例２に係る運転制御及び内燃機関の運転制御装置等の動作を説明するフローチャートである。 実施例３に係る内燃機関の運転制御方法の手順を示すフローチャートである。 燃焼イオン電流の変化を示す説明図である。 実施例３の変形例に係る内燃機関の運転制御方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
１ｓ 気筒
１ｂ 燃焼室
１０ 点火プラグ
１１ ダイレクトイグニッション
２０ エンジンＥＣＵ
３０ 内燃機関の運転制御装置
３１ 燃焼状態判定部
３２ 燃焼制御部
４０ 燃焼イオン電流検出装置

Claims (15)

1. 燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、
   前記燃焼室に発生するプレイグニッションの前兆現象を検出する燃焼状態検出手段と、を備え、
   前記燃焼状態検出手段が前記前兆現象を検出した場合には、燃料増量又は点火時期の遅角その他のプレイグニッション抑制動作をすることを特徴とする内燃機関。
2. 点火に起因する現象により、前記燃焼状態検出手段が前記前兆現象を正確に判定できない場合は、前記前兆現象に代えてプレイグニッションを検出し、
   前記燃焼状態検出手段がプレイグニッションを検出した場合には、前記プレイグニッション抑制動作をすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 点火に起因するＬＣ共振ノイズの終了する時期が、予め定めた所定のＬＣ共振ノイズ終了基準時期よりも遅れる回数が所定回数以上になった場合に、前記燃焼状態検出手段が前記前兆現象を正確に判定できないと判定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記前兆現象は、前記燃焼室内に発生するポストイグニッションであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記内燃機関の燃焼圧力の最大値が発生する時期が、所定の基準時期以上に進角している場合に、前記前兆現象が発生していると判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記燃焼状態検出手段は、前記燃焼室内の燃焼イオン電流を検出する燃焼イオン電流検出手段であり、
   この燃焼イオン検出手段によって検出された前記燃焼室内の燃焼イオン電流に基づいて、前記燃焼圧力の最大値が発生する時期を判定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記燃焼イオン電流は、前記点火プラグで検出されることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
8. 点火プラグを備える火花点火式の内燃機関の運転制御に用いるものであり、
   前記内燃機関の燃焼室に、プレイグニッションの前兆現象が発生しているか否かを判定する燃焼状態判定部と、
   前記前兆現象が発生していると前記燃焼状態判定部が判定した場合には、燃料増量又は点火時期の遅角その他のプレイグニッション抑制動作を前記内燃機関に実行させる燃焼制御部と、
   を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。
9. 前記燃焼状態判定部は、前記前兆現象が発生しているか否かを正確に判定できない場合、前記前兆現象に代えてプレイグニッションが発生しているか否かを判定し、
   前記燃焼制御部は、前記燃焼状態判定部の判定結果に基づいて、前記プレイグニッション抑制動作を前記内燃機関に実行させることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の運転制御装置。
10. 点火に起因するＬＣ共振ノイズの終了する時期が、予め定めた所定のＬＣ共振ノイズ終了時期よりも遅れる回数が所定回数以上になった場合に、前記燃焼状態判定部が前記前兆現象を正確に判定できないと判定することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の運転制御装置。
11. 前記前兆現象は、前記燃焼室内に発生するポストイグニッションであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の運転制御装置。
12. 前記燃焼状態判定部は、前記内燃機関の燃焼圧力の最大値が発生する時期が、所定の基準時期以上に進角している場合に、前記前兆現象が発生していると判定することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関の運転制御装置。
13. 前記燃焼状態判定部は、前記燃焼室内の燃焼イオン電流に基づいて、前記燃焼圧力の最大値が発生する時期を判定することを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関の運転制御装置。
14. 点火プラグを備える火花点火式の内燃機関を運転するにあたり、
    前記内燃機関の燃焼室に、プレイグニッションの前兆現象が発生しているか否かを判定する手順と、
    前記前兆現象が発生していると判定した場合には、燃料増量又は点火時期の遅角その他のプレイグニッション抑制動作を実行する手順と、
    を含むことを特徴とする内燃機関の運転制御方法。
15. 前記前兆現象が発生しているか否かを正確に判定できない場合、前記前兆現象に代えてプレイグニッションが発生しているか否かを判定し、この判定の結果に基づいて、前記プレイグニッション抑制動作を実行することを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関の運転制御方法。
    

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