JP2007032447A - Combustion condition determining device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関(エンジン)の排気行程で燃焼ガス中のイオンを検出して燃焼状態を判定する内燃機関の燃焼状態判定装置に関する発明である。 The present invention relates to a combustion state determination device for an internal combustion engine that determines the combustion state by detecting ions in the combustion gas during the exhaust stroke of the internal combustion engine (engine).
近年、内燃機関の気筒内で混合気が燃焼する際にイオンが発生する点に着目し、このイオン電流を点火プラグ等を介して検出して、そのイオン電流の検出値に基づいて燃焼状態を判定して、それをエンジン制御に反映させる技術が実用化されている。一般に、気筒内で混合気が燃焼する燃焼行程中にイオン電流を検出するものが多いが、特許文献1(特開平11−324881号公報)に示すように、下記の理由により排気行程中にイオン電流を検出して燃焼状態を判定するものがある。例えば、空燃比を稀薄化したりEGR量を増加するに従って、混合気の燃焼時の火炎伝播速度が遅くなって燃焼期間が長くなり、更に、安定燃焼限界を越えて不安定燃焼領域に入ると、火炎伝播速度不良により未燃焼ガスが排気行程で後燃えする現象が発生する。イオン電流は、混合気の燃焼により発生するため、不安定燃焼領域では、排気行程でも後燃えによりイオン電流が発生する。特許文献1は、このような特性に着目して、排気行程中にイオン電流を検出して燃焼状態が安定燃焼であるか否かを判定するようにしたものである。
最近の本発明者の研究結果によれば、図2に示すように、排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時)から暫くの間は、安定燃焼時でも、イオン電流の検出レベルがかなり高くなることが判明した。これは、排気バルブの開弁により筒内圧力が急激に低下することで筒内に急激なガス流動が生じて、点火プラグの電極周辺でもイオンを含むガス流動が急増し、その結果、点火プラグの電極で集められるイオンが一時的に急増するものと思われる。このため、図3に示すように、排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時)から暫くの間は、安定燃焼時のイオン電流の検出レベルが不安定燃焼時の検出レベルの近くまで大きくなり、両者の差が小さくなるため、排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時)からイオン電流の検出を開始すると、安定燃焼状態を不安定燃焼と誤判定する可能性があり、燃焼状態の判定精度が悪いという問題が判明した。 According to recent research results of the present inventor, as shown in FIG. 2, for a while from the opening timing T1 of the exhaust valve (at the start of the exhaust stroke), the detection level of the ionic current is considerably high even during stable combustion. It turned out to be high. This is because the in-cylinder pressure suddenly decreases due to the opening of the exhaust valve, causing a rapid gas flow in the cylinder, and the gas flow including ions also increases rapidly around the spark plug electrode. It is thought that the ions collected at the electrodes of the current increase rapidly. Therefore, as shown in FIG. 3, for a while from the exhaust valve opening timing T1 (at the start of the exhaust stroke), the detection level of the ionic current at the time of stable combustion is increased to a level close to the detection level at the time of unstable combustion. Therefore, if the detection of ion current is started from the exhaust valve opening timing T1 (at the start of the exhaust stroke), the stable combustion state may be erroneously determined as unstable combustion, and the combustion state The problem that the judgment accuracy of was bad was found.
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、排気行程中のイオン電流によって燃焼状態を精度良く判定することができる内燃機関の燃焼状態判定装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and therefore, an object of the present invention is to provide a combustion state determination device for an internal combustion engine that can accurately determine the combustion state based on the ionic current during the exhaust stroke. It is in.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、内燃機関の排気行程で燃焼ガス中のイオンを検出するイオン電流検出手段と、このイオン電流検出手段の検出値に基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段を備えた内燃機関の燃焼状態判定装置において、イオン検出開始時期設定手段によって、前記排気行程のイオン検出開始時期を内燃機関のピストンの下死点以降に設定するようにしたものである。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is directed to an ion current detection means for detecting ions in combustion gas in an exhaust stroke of an internal combustion engine, and a combustion state based on a detection value of the ion current detection means. In the combustion state determination device for an internal combustion engine having the combustion state determination means for determining, the ion detection start time setting means sets the ion detection start time of the exhaust stroke after the bottom dead center of the piston of the internal combustion engine. Is.
一般に、図2及び図3に示すように、燃焼行程を終了して排気行程を開始する時期(排気バルブの開弁タイミングT1 )は、エンジンのピストンが下降する途中(例えばATDC120℃A〜140℃A)に設定されるため、排気行程開始後もピストンが下死点(ATDC180℃A)に下降するまでは、筒内圧力が急激に低下することで筒内に急激なガス流動が生じてイオン電流の検出レベルがかなり高くなるが、ピストンが下死点を越えて上昇する頃には、筒内の残留ガス量が少なくなるため、安定燃焼時であればイオン電流の検出レベルが低下する。これに対して、不安定燃焼時には、下死点以降でも、未燃焼ガスが後燃えするため、イオン電流の検出レベルが高くなる。従って、本発明のように、排気行程のイオン検出開始時期を下死点以降に設定すれば、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン電流の検出レベルの差が大きくなり、安定燃焼と不安定燃焼とを明確に区別できるため、燃焼状態を精度良く判定することができる。 In general, as shown in FIGS. 2 and 3, when the combustion stroke is finished and the exhaust stroke is started (exhaust valve opening timing T1), the piston of the engine is being lowered (for example, ATDC 120 ° C. A to 140 ° C.). Since A) is set, since the in-cylinder pressure rapidly decreases until the piston moves down to the bottom dead center (ATDC 180 ° C. A) after the exhaust stroke starts, a sudden gas flow occurs in the cylinder and the ions Although the current detection level is considerably high, the amount of residual gas in the cylinder decreases when the piston rises beyond the bottom dead center, so that the ion current detection level decreases during stable combustion. On the other hand, at the time of unstable combustion, since the unburned gas is burned after the bottom dead center, the detection level of the ionic current becomes high. Therefore, if the ion detection start timing of the exhaust stroke is set after the bottom dead center as in the present invention, the difference in the detection level of the ion current between the stable combustion and the unstable combustion becomes large, so Since the stable combustion can be clearly distinguished, the combustion state can be accurately determined.
ところで、排気バルブの開閉タイミングを可変する可変排気バルブ機構を搭載した内燃機関では、運転条件等に応じて排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時期)が変化するが、排気バルブの開弁タイミングT1 からイオン電流の検出レベルが十分に低下するまでの期間の長さは、排気バルブの開弁タイミングT1 が変化しても、それほど変化しない。 By the way, in an internal combustion engine equipped with a variable exhaust valve mechanism that varies the opening / closing timing of the exhaust valve, the exhaust valve opening timing T1 (exhaust stroke start timing) varies depending on the operating conditions and the like. The length of the period from the timing T1 until the detection level of the ionic current sufficiently decreases even if the valve opening timing T1 of the exhaust valve changes.
この点を考慮して、可変排気バルブ機構を搭載した内燃機関に本発明を適用する場合は、請求項2のように、排気行程のイオン検出開始時期を排気バルブの開弁タイミングT1 から所定クランク角度又は所定時間遅らせて設定するようにしても良い。ここで、所定クランク角度又は所定時間は、排気バルブの開弁タイミングT1 からイオン電流の検出レベルが所定レベル以下に低下するまでのクランク角度又は時間を実験又はシミュレーション等によって計測又は算出して設定すれば良い。このようにすれば、運転条件等に応じて排気バルブの開弁タイミングT1 が進角又は遅角されるのに対応して排気行程のイオン検出開始時期を進角又は遅角させることができ、排気バルブの開弁タイミングT1 の変化に排気行程のイオン検出開始時期を対応させることができる。
Considering this point, when the present invention is applied to an internal combustion engine equipped with a variable exhaust valve mechanism, the ion detection start timing of the exhaust stroke is set to a predetermined crank from the opening timing T1 of the exhaust valve as in
また、排気バルブの開弁タイミングT1 からイオン電流の検出レベルが十分に低下するまでの期間は、内燃機関の回転速度、負荷、空燃比等の運転条件に応じて変化する。この点を考慮して、請求項3のように、排気行程のイオン検出開始時期を内燃機関の運転条件に応じて可変設定するようにしても良い。このようにすれば、内燃機関の回転速度、負荷、空燃比等の運転条件に応じて排気行程のイオン検出開始時期を最適な時期に設定することができる。
Further, the period from the opening timing T1 of the exhaust valve until the detection level of the ionic current is sufficiently lowered varies depending on the operating conditions such as the rotational speed, load, air-fuel ratio, etc. In consideration of this point, the ion detection start timing of the exhaust stroke may be variably set according to the operating condition of the internal combustion engine as in
以上説明した請求項1乃至3に係る発明は、いずれも排気行程のイオン検出開始時期を排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時期)よりも遅らせるようにしているが、排気バルブの開弁タイミングT1 と同時にイオン電流の検出を開始する場合は、請求項4のように、イオン電流検出手段の検出値を重みを付けて評価する手段と、前記重みを排気バルブの開弁タイミングからの経過時間又は経過クランク角度に応じて大きくする手段とを備えた構成とすると良い。このようにすれば、排気バルブの開弁タイミングT1 から下死点付近に至るまでの期間は、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン電流検出値の差が小さくなることを考慮して、この期間は、イオン電流検出値を重みを小さくして評価し、その後、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン電流検出値の差が大きくなる時期に、イオン電流検出値を重みを大きくして評価して燃焼状態を判定するという制御が可能となるため、排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時期)と同時にイオン電流の検出を開始しても、燃焼状態を精度良く判定することができる。
In the inventions according to claims 1 to 3 described above, the ion detection start timing of the exhaust stroke is delayed with respect to the valve opening timing T1 (exhaust stroke start timing) of the exhaust valve. In the case where the detection of the ion current is started simultaneously with the timing T1, the means for evaluating the detection value of the ion current detection means with a weight as in
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した3つの実施例1〜3を説明する。 Hereinafter, three Examples 1 to 3 embodying the best mode for carrying out the present invention will be described.
本発明の実施例1を図1乃至図5に基づいて説明する。まず、図1に基づいて点火制御系の回路構成を説明する。点火コイル21の一次コイル22の一端はバッテリ23に接続され、該一次コイル22の他端は、イグナイタ24に内蔵されたパワートランジスタ25のコレクタに接続されている。二次コイル26の一端は点火プラグ27に接続され、該二次コイル26の他端は、2つのツェナーダイオード28,29を介してグランドに接続されている。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the circuit configuration of the ignition control system will be described with reference to FIG. One end of the
2つのツェナーダイオード28,29は互いに逆向きに直列接続され、一方のツェナーダイオード28にコンデンサ30が並列に接続され、他方のツェナーダイオード29にイオン電流検出抵抗31が並列に接続されている。コンデンサ30とイオン電流検出抵抗31との間の電位Vinが抵抗32を介して反転増幅回路33の反転入力端子(−)に入力されて反転増幅され、この反転増幅回路33の出力電圧Vがイオン電流検出信号としてエンジン制御回路34に入力される。イオン電流検出回路35(イオン電流検出手段)は、ツェナーダイオード28,29、コンデンサ30、イオン電流検出抵抗31、反転増幅回路33等から構成されている。
The two Zener
エンジン運転中は、エンジン制御回路34からイグナイタ24に送信される点火指令信号の立ち上がり/立ち下がりでパワートランジスタ25がオン/オフする。パワートランジスタ25がオンすると、バッテリ23から一次コイル22に一次電流が流れ、その後、パワートランジスタ25がオフすると、一次コイル22の一次電流が遮断されて、二次コイル26に高電圧が電磁誘導され、この高電圧によって点火プラグ27の電極36,37間に火花放電が発生する。この火花放電電流は、点火プラグ27の接地電極37から中心電極36へ流れ、二次コイル26を経てコンデンサ30に充電されると共に、ツェナーダイオード28,29を経てグランド側に流れる。コンデンサ30の充電後は、ツェナーダイオード28のツェナー電圧によって規制されるコンデンサ30の充電電圧を電源としてイオン電流検出回路35が駆動され、後述するようにしてイオン電流が検出される。
During engine operation, the
これに対して、イオン電流は、火花放電電流とは反対方向に流れる。つまり、点火終了後は、コンデンサ30の充電電圧によって点火プラグ27の電極36,37間に電圧が印加されるため、気筒内で混合気が燃焼する際に発生するイオンによって電極36,37間にイオン電流が流れるが、このイオン電流は、中心電極36から接地電極37へ流れ、更に、グランド側からイオン電流検出抵抗31を通ってコンデンサ30に流れる。この際、イオン電流検出抵抗31に流れるイオン電流の変化に応じて反転増幅回路33の入力電位Vinが変化し、反転増幅回路33の出力端子からイオン電流に応じた電圧Vがエンジン制御回路34に出力され、イオン電流が検出される。
On the other hand, the ion current flows in the opposite direction to the spark discharge current. In other words, after ignition is finished, a voltage is applied between the
エンジン制御回路34は、ノイズマスク、ピークホールド回路、A/D変換器、CPU、ROM、RAM等により構成され、そのROMに記憶された各種のエンジン制御ルーチンを実行することで、燃料噴射制御と点火時期制御等を実行する。更に、エンジン制御回路34は、後述する図4の燃焼状態判定ルーチンを実行することで、排気行程中に検出したイオン電流に基づいて燃焼状態を判定する。
The
一般に、図2及び図3に示すように、燃焼行程を終了して排気行程を開始する時期(排気バルブの開弁タイミングT1 )は、エンジンのピストンが下降する途中(例えばATDC120℃A〜140℃A)に設定されるため、排気行程開始後もピストンが下死点(ATDC180℃A)に下降するまでは、筒内圧力が急激に低下することで筒内に急激なガス流動が生じてイオン電流の検出レベルがかなり高くなるが、ピストンが下死点を越えて上昇する頃には、筒内の残留ガス量が少なくなるため、安定燃焼時であればイオン電流の検出レベルが低下する。これに対して、不安定燃焼時には、下死点以降でも、未燃焼ガスが後燃えするため、イオン電流の検出レベルが高くなる。 In general, as shown in FIGS. 2 and 3, when the combustion stroke is finished and the exhaust stroke is started (exhaust valve opening timing T1), the piston of the engine is being lowered (for example, ATDC 120 ° C. A to 140 ° C.). Since A) is set, since the in-cylinder pressure rapidly decreases until the piston moves down to the bottom dead center (ATDC 180 ° C. A) after the exhaust stroke starts, a sudden gas flow occurs in the cylinder and the ions Although the current detection level is considerably high, the amount of residual gas in the cylinder decreases when the piston rises beyond the bottom dead center, so that the ion current detection level decreases during stable combustion. On the other hand, at the time of unstable combustion, since the unburned gas is burned after the bottom dead center, the detection level of the ionic current becomes high.
この特性を考慮して、本実施例1では、排気行程のイオン検出開始時期を下死点以降(ATDC180℃A以降)に設定して、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン電流の検出レベルの差が大きくなる期間にイオン電流を検出して燃焼状態を判定するようにしている。この排気行程のイオン検出開始時期は、下死点以降(ATDC180℃A以降)であれば予め決められた一定クランク角に設定して演算処理を簡略化するようにしても良いが、排気行程開始時期(排気バルブの開弁タイミングT1 )からイオン電流の検出レベルが十分に低下するまでの期間は、エンジン回転速度Ne、負荷等のエンジン運転条件に応じて変化することを考慮して、本実施例1では、図5のイオン検出開始時期算出マップを用いて、排気行程のイオン検出開始時期を、負荷率、エンジン回転速度Ne等のエンジン運転条件に応じて可変設定するようにしている。 In consideration of this characteristic, in the first embodiment, the ion detection start timing of the exhaust stroke is set after the bottom dead center (ATDC 180 ° C. and after), and the ion current is detected during stable combustion and unstable combustion. The combustion state is determined by detecting the ionic current during the period in which the level difference becomes large. The ion detection start timing of the exhaust stroke may be set to a predetermined constant crank angle after the bottom dead center (after ATDC 180 ° C. A) to simplify the calculation process, but the exhaust stroke start This period is taken into consideration that the period from the timing (exhaust valve opening timing T1) until the detection level of the ionic current sufficiently decreases depends on the engine operating conditions such as engine speed Ne and load. In Example 1, the ion detection start timing calculation map of FIG. 5 is used to variably set the ion detection start timing of the exhaust stroke according to the engine operating conditions such as the load factor and the engine rotational speed Ne.
以上説明した本実施例1の燃焼状態の判定は、エンジン制御回路34によって図4の燃焼状態判定ルーチンに従って次のように実行される。図4の燃焼状態判定ルーチンは、エンジン運転中に所定周期(例えば100μs周期)で起動され、特許請求の範囲でいう燃焼状態判定手段として機能する。
The determination of the combustion state of the first embodiment described above is executed by the
本ルーチンが起動されると、まずステップ101で、負荷率、エンジン回転速度Ne等のエンジン運転条件を読み込み、次のステップ102で、排気行程のイオン検出区間を決めるイオン検出開始時期θ1 とイオン検出終了時期θ2 を算出する。
When this routine is started, first, in
本実施例1では、排気行程開始時期(排気バルブの開弁タイミングT1 )からイオン電流の検出レベルが十分に低下するまでの期間は、エンジン回転速度Ne、負荷等のエンジン運転条件に応じて変化することを考慮して、図5に示す負荷率とエンジン回転速度Neをパラメータとするイオン検出開始時期算出マップを参照して、現在の負荷率とエンジン回転速度Neに応じたイオン検出開始時期θ1 を算出する。図5のイオン検出開始時期算出マップは、イオン検出開始時期θ1 を下死点以降(ATDC180℃A以降)に設定すると共に、エンジン回転速度Neが高くなるほど、イオン検出開始時期θ1 を遅角させ、更に、中・高回転領域では、負荷率が大きくなるほど、イオン検出開始時期θ1 を少しずつ遅角させように設定されている。この機能が特許請求の範囲でいうイオン検出開始時期設定手段に相当する。 In the first embodiment, the period from the exhaust stroke start timing (exhaust valve opening timing T1) until the ion current detection level sufficiently decreases varies according to engine operating conditions such as the engine speed Ne and load. With reference to the ion detection start timing calculation map using the load factor and the engine rotation speed Ne as parameters, the ion detection start timing θ1 corresponding to the current load factor and the engine rotation speed Ne is taken into consideration. Is calculated. The ion detection start time calculation map in FIG. 5 sets the ion detection start time θ1 after the bottom dead center (ATDC 180 ° C. and after), and retards the ion detection start time θ1 as the engine speed Ne increases. Further, in the middle / high rotation region, the ion detection start timing θ1 is set to be gradually retarded as the load factor increases. This function corresponds to the ion detection start time setting means in the claims.
また、イオン検出終了時期θ2 は、図5のイオン検出開始時期算出マップから算出したイオン検出開始時期θ1 に所定クランク角度を加算して求める。或は、イオン検出終了時期θ2 は、予め決められた一定クランク角(例えばATDC360℃A)に設定するようにしても良い。 The ion detection end timing θ2 is obtained by adding a predetermined crank angle to the ion detection start timing θ1 calculated from the ion detection start timing calculation map of FIG. Alternatively, the ion detection end timing θ2 may be set to a predetermined constant crank angle (for example, ATDC 360 ° C. A).
この後、ステップ103に進み、現時点がイオン検出終了時期θ2 であるか否かを判定し、イオン検出終了時期θ2 でなければ、ステップ104に進み、現時点が排気行程のイオン検出区間(θ1 〜θ2 )内であるか否かを判定し、イオン検出区間内でなければ、そのまま何もせずに本ルーチンを終了する。 Thereafter, the process proceeds to step 103, where it is determined whether or not the current time is the ion detection end time θ2, and if it is not the ion detection end time θ2, the process proceeds to step 104, where the current time is the ion detection interval (θ1 to θ2) of the exhaust stroke. If it is not within the ion detection interval, this routine is terminated without doing anything.
一方、イオン検出区間内であれば、ステップ105に進み、今回のサンプル周期(100μs毎)のイオン電流ピーク値Ip を読み込み、次のステップ106で、今回のサンプル周期のイオン電流ピーク値Ip を、イオン検出開始時期θ1 から前回のサンプル周期までのイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i-1) と比較して、大きい方を今回のサンプル周期までのイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) として更新記憶して本ルーチンを終了する。
On the other hand, if it is within the ion detection interval, the process proceeds to step 105 to read the ion current peak value Ip of the current sample period (every 100 μs), and in the
その後、イオン検出終了時期θ2 に到達した時点で、上記ステップ103で「Yes」と判定されて、ステップ107に進み、上記ステップ105〜106の処理により検出したイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) に基づいて燃焼状態判定パラメータを次式により算出する。
Thereafter, when the ion detection end timing θ2 is reached, “Yes” is determined in
燃焼状態判定パラメータ=[イオン電流ピーク値Iph(i) の標準偏差]×[平均値]
尚、燃焼状態判定パラメータの算出方法は、上式に限定されず、適宜変更しても良いことは言うまでもない。
Combustion state determination parameter = [standard deviation of ion current peak value Iph (i)] × [average value]
Needless to say, the calculation method of the combustion state determination parameter is not limited to the above formula, and may be changed as appropriate.
この後、ステップ108に進み、今回のイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) を燃焼状態判定パラメータと比較して、イオン電流ピーク値Iph(i) が燃焼状態判定パラメータ以下であれば、安定燃焼状態と判断して、ステップ109に進み、安定燃焼フラグをONするが、イオン電流ピーク値Iph(i) が燃焼状態判定パラメータよりも大きければ、不安定燃焼状態と判断して、ステップ110に進み、安定燃焼フラグをOFFする。その後、ステップ111に進み、初期化処理してイオン電流ピーク値Iph(i) の記憶値をリセットし[Iph(i) =0]、本ルーチンを終了する。 Thereafter, the process proceeds to step 108 where the ion current peak value Iph (i) in the current ion detection section is compared with the combustion state determination parameter, and if the ion current peak value Iph (i) is equal to or less than the combustion state determination parameter, The stable combustion state is determined and the routine proceeds to step 109 where the stable combustion flag is turned on. If the ion current peak value Iph (i) is larger than the combustion state determination parameter, it is determined that the combustion state is unstable, and step 110 is performed. Then, the stable combustion flag is turned off. After that, the routine proceeds to step 111 where initialization processing is performed to reset the stored value of the ion current peak value Iph (i) [Iph (i) = 0], and this routine is terminated.
以上説明した本実施例1では、排気行程のイオン検出開始時期θ1 を下死点以降に設定するようにしたので、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) の差が大きくなり、安定燃焼と不安定燃焼とを明確に区別することができて、燃焼状態を精度良く判定することができる。 In the first embodiment described above, the ion detection start timing θ1 in the exhaust stroke is set after the bottom dead center, so that the ion current peak value Iph ( The difference in i) becomes large, so that stable combustion and unstable combustion can be clearly distinguished, and the combustion state can be accurately determined.
しかも、本実施例1では、排気行程開始時期(排気バルブの開弁タイミングT1 )からイオン電流の検出レベルが十分に低下するまでの期間は、エンジン回転速度Ne、負荷等のエンジン運転条件に応じて変化することを考慮して、図5のイオン検出開始時期算出マップを用いて、現在の負荷率とエンジン回転速度Neに応じてイオン検出開始時期θ1 を可変設定するようにしたので、現在の負荷率とエンジン回転速度Neに応じてイオン検出開始時期θ1 を最適な時期に設定することができ、低回転・低負荷域から高回転・高負荷域までの全領域で燃焼状態を精度良く判定することができる。 Moreover, in the first embodiment, the period from the exhaust stroke start timing (exhaust valve opening timing T1) until the ion current detection level sufficiently decreases depends on the engine operating conditions such as engine speed Ne and load. The ion detection start timing θ1 is variably set according to the current load factor and the engine rotational speed Ne using the ion detection start timing calculation map of FIG. The ion detection start timing θ1 can be set to the optimal time according to the load factor and the engine speed Ne, and the combustion state can be accurately determined in all regions from the low rotation / low load range to the high rotation / high load range. can do.
尚、図5のイオン検出開始時期算出マップは、エンジン運転条件パラメータとして、負荷率とエンジン回転速度Neの両方を用いるようにしたが、負荷率とエンジン回転速度Neのいずれか一方のみをパラメータとしてイオン検出開始時期θ1 を算出するようにしても良く、勿論、上記以外のエンジン運転条件パラメータ(例えば空燃比)を用いるようにしても良い。 In the ion detection start timing calculation map of FIG. 5, both the load factor and the engine speed Ne are used as the engine operating condition parameter, but only one of the load factor and the engine speed Ne is used as a parameter. The ion detection start timing θ1 may be calculated, and of course, an engine operating condition parameter (for example, an air-fuel ratio) other than the above may be used.
また、図5のイオン検出開始時期算出マップは、イオン検出開始時期θ1 をクランク角で設定するようにしたが、これを時間に換算して設定するようにしても良い。
その他、本発明は、排気行程のイオン検出開始時期θ1 を、エンジン運転条件とは関係なく、予め下死点以降に設定された所定クランク角に設定して演算処理を簡略化するようにしても良く、この場合でも、排気行程開始と同時にイオン電流の検出を開始する従来技術と比較して、燃焼状態の判定精度を向上させることができる。
Further, in the ion detection start time calculation map of FIG. 5, the ion detection start time θ1 is set by the crank angle, but it may be set by converting it to time.
In addition, according to the present invention, the calculation process may be simplified by setting the ion detection start timing θ1 of the exhaust stroke to a predetermined crank angle set in advance after bottom dead center regardless of the engine operating conditions. Even in this case, the determination accuracy of the combustion state can be improved as compared with the conventional technique in which the detection of the ion current is started simultaneously with the start of the exhaust stroke.
排気バルブの開閉タイミングを可変する可変排気バルブ機構を搭載したエンジンに本発明を適用する場合は、排気行程のイオン検出開始時期θ1 を排気バルブの開弁タイミングT1 から所定クランク角度又は所定のディレイ時間Δθd だけ遅らせて設定するようにすれば良い。以下、これを具体化した本発明の実施例2を説明する。 When the present invention is applied to an engine equipped with a variable exhaust valve mechanism that varies the opening / closing timing of the exhaust valve, the ion detection start timing θ1 of the exhaust stroke is set to a predetermined crank angle or a predetermined delay time from the opening timing T1 of the exhaust valve. It is only necessary to delay the setting by Δθd. A second embodiment of the present invention that embodies this will be described below.
本実施例2では、前記図4の燃焼状態判定ルーチンにおいて、排気行程のイオン検出区間の算出処理(ステップ102)が異なるだけであり、それ以外の処理は前記実施例1と同じである。 In the second embodiment, only the calculation process (step 102) of the ion detection section of the exhaust stroke is different in the combustion state determination routine of FIG. 4, and the other processes are the same as in the first embodiment.
本実施例2では、排気行程のイオン検出区間の算出処理(ステップ102)において、現在の排気バルブの開弁タイミングT1 を読み込み、現在の排気バルブの開弁タイミングT1 に所定のディレイ時間Δθd を加算してイオン検出開始時期θ1 を求める。
θ1 =T1 +Δθd
In the second embodiment, in the calculation process of the ion detection interval of the exhaust stroke (step 102), the current exhaust valve opening timing T1 is read, and a predetermined delay time Δθd is added to the current exhaust valve opening timing T1. Thus, the ion detection start timing θ1 is obtained.
θ1 = T1 + Δθd
ここで、ディレイ時間Δθd は、排気バルブの開弁タイミングT1 からイオン電流の検出レベルが所定レベル以下に低下するまでのクランク角度又は時間を実験又はシミュレーション等によって計測又は算出して設定すれば良い。 Here, the delay time Δθd may be set by measuring or calculating the crank angle or time from the opening timing T1 of the exhaust valve until the detection level of the ionic current falls below a predetermined level by experiment or simulation.
この場合、ディレイ時間Δθd は、エンジン運転条件とは関係なく、予め決められた所定時間に設定して演算処理を簡略化するようにしても良いが、図6のディレイ時間算出マップを用いて、エンジン回転速度Ne等のエンジン運転条件に応じてディレイ時間Δθd を変化させるようにしても良い。 In this case, the delay time Δθd may be set to a predetermined time regardless of the engine operating condition to simplify the calculation process. However, using the delay time calculation map of FIG. The delay time Δθd may be changed according to the engine operating conditions such as the engine speed Ne.
図6は、エンジン回転速度Neをパラメータとしてディレイ時間Δθd を算出するマップの一例を示す図である。エンジン回転速度Ne以外のエンジン運転条件を考慮してディレイ時間Δθd を算出するようにしても良い。また、図6のディレイ時間算出マップは、ディレイ時間Δθd を時間(ms)で設定するようにしたが、クランク角で設定するようにしても良い。
本実施例2でも、イオン検出終了時期θ2 は、前記実施例1と同様の方法で設定すれば良い。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a map for calculating the delay time Δθd using the engine speed Ne as a parameter. The delay time Δθd may be calculated in consideration of engine operating conditions other than the engine speed Ne. In the delay time calculation map of FIG. 6, the delay time Δθd is set in terms of time (ms), but may be set in terms of the crank angle.
Also in the second embodiment, the ion detection end timing θ2 may be set by the same method as in the first embodiment.
以上説明した本実施例2では、可変排気バルブ機構付きのエンジンにおいて、エンジン運転条件等に応じて排気バルブの開弁タイミングT1 が進角又は遅角されるのに対応して排気行程のイオン検出開始時期θ1 を進角又は遅角させることができ、排気バルブの開弁タイミングT1 の変化に排気行程のイオン検出開始時期θ1 を対応させることができる。これにより、可変排気バルブ機構付きのエンジンにおいても、排気行程のイオン電流から燃焼状態を精度良く判定することができる。 In the second embodiment described above, in an engine with a variable exhaust valve mechanism, the exhaust stroke ion detection is performed in response to the opening timing T1 of the exhaust valve being advanced or retarded according to the engine operating conditions or the like. The start timing θ1 can be advanced or retarded, and the ion detection start timing θ1 of the exhaust stroke can correspond to the change in the exhaust valve opening timing T1. Thereby, even in an engine with a variable exhaust valve mechanism, the combustion state can be accurately determined from the ion current in the exhaust stroke.
上記実施例1,2は、いずれも排気行程のイオン検出開始時期θ1 を排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時期)よりも遅らせるようにしているが、排気バルブの開弁タイミングT1 と同時にイオン電流の検出を開始する場合は、イオン電流検出値を重みを付けて評価する手段と、前記重みを排気バルブの開弁タイミングからの経過時間又は経過クランク角度に応じて大きくする手段とを備えた構成とすると良い。このようにすれば、排気バルブの開弁タイミングT1 から下死点付近に至るまでの期間は、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) の差が小さくなることを考慮して、この期間は、イオン電流ピーク値Iph(i) を重みを小さくして評価し、その後、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン電流ピーク値Iph(i) の差が大きくなる時期に、イオン電流ピーク値Iph(i) を重みを大きくして評価して燃焼状態を判定するという制御が可能となる。 In the first and second embodiments, the ion detection start timing θ1 of the exhaust stroke is delayed from the exhaust valve opening timing T1 (exhaust stroke start timing), but at the same time as the exhaust valve opening timing T1. In the case of starting the detection of the ion current, there are provided means for weighting and evaluating the ion current detection value, and means for increasing the weight according to the elapsed time or the elapsed crank angle from the opening timing of the exhaust valve. It is good to have a configuration. In this way, during the period from the opening timing T1 of the exhaust valve to the vicinity of the bottom dead center, the difference in the ion current peak value Iph (i) in the ion detection interval between stable combustion and unstable combustion is In consideration of the decrease, the ion current peak value Iph (i) is evaluated with a small weight during this period, and thereafter, the ion current peak value Iph (i) is evaluated during stable combustion and unstable combustion. At the time when the difference becomes large, it is possible to perform control such that the ionic current peak value Iph (i) is evaluated by increasing the weight to determine the combustion state.
以下、これを具体化した本発明の実施例3を説明する。本実施例3では、図7の燃焼状態判定ルーチンをエンジン運転中に所定周期(例えば100μs周期)で実行する。本ルーチンが起動されると、まずステップ201で、負荷率、エンジン回転速度Ne等のエンジン運転条件を読み込み、次のステップ202で、排気行程のイオン検出区間を決めるイオン検出開始時期θ1 とイオン検出終了時期θ2 を算出する。本実施例1では、イオン検出開始時期θ1 を排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時期)に設定し、イオン検出終了時期θ2 は、イオン検出開始時期θ1 に所定クランク角度を加算して求める。或は、イオン検出終了時期θ2 は、予め設定した一定クランク角(例えばATDC360℃A)に設定するようにしても良い。
A third embodiment of the present invention that embodies this will be described below. In the third embodiment, the combustion state determination routine of FIG. 7 is executed at a predetermined cycle (for example, 100 μs cycle) during engine operation. When this routine is started, first, in
この後、ステップ203に進み、図8のなまし係数算出マップを参照して、現在のエンジン回転速度Ne等のエンジン運転条件に応じたなまし係数Nを算出する。このなまし係数Nは、後述するステップ208で、サンプル周期(100μs毎)のイオン電流ピーク値Ip をなまし処理するのに用いられる。
Thereafter, the process proceeds to step 203, and the smoothing coefficient N corresponding to the engine operating conditions such as the current engine speed Ne is calculated with reference to the smoothing coefficient calculation map of FIG. This annealing coefficient N is used to smooth the ion current peak value Ip of the sample period (every 100 μs) in
なまし係数Nの算出後、ステップ204に進み、現時点がイオン検出終了時期θ2 であるか否かを判定し、イオン検出終了時期θ2 でなければ、ステップ205に進み、現時点が排気行程のイオン検出区間(θ1 〜θ2 )内であるか否かを判定し、イオン検出区間内でなければ、そのまま何もせずに本ルーチンを終了する。 After calculating the annealing coefficient N, the process proceeds to step 204 to determine whether or not the current time is the ion detection end time θ2, and if not the ion detection end time θ2, the process proceeds to step 205 and the current time is the ion detection of the exhaust stroke. It is determined whether or not it is within the section (θ1 to θ2). If it is not within the ion detection section, this routine is terminated without doing anything.
一方、イオン検出区間内であれば、ステップ206に進み、今回のサンプル周期(100μs)のイオン電流ピーク値Ip(i)を読み込み、次のステップ207で、イオン検出開始時期θ1 以後のイオン電流ピーク値Ip(i)のサンプル回数が所定回数(例えばなまし係数N)未満であるか否かを判定し、サンプル回数が所定回数未満であれば、ステップ208に進み、上記ステップ203で算出したなまし係数Nを用いて、イオン電流ピーク値Ip(i)を次式によりなまし処理する。
Ip(i)=Ip(i-1)×(N−1)/N+Ip(i)/N
On the other hand, if it is within the ion detection interval, the process proceeds to step 206, where the ion current peak value Ip (i) of the current sample period (100 μs) is read. It is determined whether or not the number of samples of the value Ip (i) is less than a predetermined number (for example, the smoothing coefficient N). Using the smoothing coefficient N, the ion current peak value Ip (i) is annealed by the following equation.
Ip (i) = Ip (i-1) * (N-1) / N + Ip (i) / N
ここで、Ip(i-1)は前回のイオン電流ピーク値である。
このように、イオン検出開始時期θ1 からイオン電流ピーク値Ip(i)のサンプル回数が所定回数に達するまでの期間は、イオン電流ピーク値Ip(i)をなまし処理することで、イオン電流ピーク値Ip(i)を重みを小さくして評価する。
Here, Ip (i-1) is the previous ion current peak value.
As described above, during the period from the ion detection start time θ1 until the number of samples of the ion current peak value Ip (i) reaches a predetermined number, the ion current peak value Ip (i) is smoothed, The value Ip (i) is evaluated with a reduced weight.
その後、イオン検出開始時期θ1 からイオン電流ピーク値Ip(i)のサンプル回数が所定回数に達した時点で、ステップ207で「No」と判定されて、ステップ209に進み、上記ステップ206で読み込んだ今回のサンプル周期(100μs毎)のイオン電流ピーク値Ip(i)をそのまま用いる。これにより、イオン検出開始時期θ1 からイオン電流ピーク値Ip(i)のサンプル回数が所定回数に達した後は、イオン電流ピーク値Ip(i)を重みを大きくして評価する。
After that, when the number of samples of the ion current peak value Ip (i) reaches a predetermined number from the ion detection start timing θ1, “No” is determined in
以上のようにして、ステップ208又は209で、今回のサンプル周期のイオン電流ピーク値Ip(i)を重みを付けて評価した後、ステップ210に進み、今回のサンプル周期のイオン電流ピーク値Ip(i)を、イオン検出開始時期θ1 から前回のサンプル周期までのイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i-1) と比較して、大きい方を今回のサンプル周期までのイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) として更新記憶して本ルーチンを終了する。
As described above, in
その後、イオン検出終了時期θ2 に到達した時点で、上記ステップ204で「Yes」と判定されて、ステップ211に進み、上記ステップ206〜210の処理により検出したイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) に基づいて燃焼状態判定パラメータを前記実施例1と同様の方法で算出する。
Thereafter, when the ion detection end timing θ2 is reached, “Yes” is determined in
この後、ステップ212に進み、今回のイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) を燃焼状態判定パラメータと比較して、イオン電流ピーク値Iph(i) が燃焼状態判定パラメータ以下であれば、安定燃焼状態と判断して、ステップ213に進み、安定燃焼フラグをONするが、イオン電流ピーク値Iph(i) が燃焼状態判定パラメータよりも大きければ、不安定燃焼状態と判断して、ステップ214に進み、安定燃焼フラグをOFFする。その後、ステップ215に進み、初期化処理してイオン電流ピーク値Iph(i) 、Iph(i-1) 、Ip(i)、Ip(i-1)の記憶値をリセットして本ルーチンを終了する。 Thereafter, the process proceeds to step 212, where the ion current peak value Iph (i) in the current ion detection section is compared with the combustion state determination parameter, and if the ion current peak value Iph (i) is equal to or less than the combustion state determination parameter, The stable combustion state is determined and the process proceeds to step 213, where the stable combustion flag is turned on. If the ion current peak value Iph (i) is larger than the combustion state determination parameter, it is determined that the state is an unstable combustion state, and step 214 Then, the stable combustion flag is turned off. Thereafter, the process proceeds to step 215, initialization is performed, the stored values of the ion current peak values Iph (i), Iph (i-1), Ip (i), Ip (i-1) are reset, and this routine is terminated. To do.
以上説明した本実施例3では、イオン検出開始時期θ1 からイオン電流ピーク値Ip(i)のサンプル回数が所定回数に達するまでの期間は、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン検出区間のイオン電流ピーク値Iph(i) の差が小さくなることを考慮して、この期間は、イオン電流ピーク値Iph(i) を重みを小さくして評価し、その後は、安定燃焼時と不安定燃焼時とでイオン電流ピーク値Iph(i) の差が大きくなることを考慮して、イオン電流ピーク値Iph(i) を重みを大きくして評価して燃焼状態を判定するようにしたので、排気バルブの開弁タイミングT1 (排気行程開始時期)と同時にイオン電流の検出を開始しても、燃焼状態を精度良く判定することができる。 In the third embodiment described above, the period from the ion detection start time θ1 to the time when the number of samples of the ion current peak value Ip (i) reaches a predetermined number of times during the stable combustion and during the unstable combustion. Considering that the difference in ion current peak value Iph (i) is small, during this period, the ion current peak value Iph (i) is evaluated with a small weight. After that, stable combustion and unstable combustion are performed. Considering that the difference in ion current peak value Iph (i) increases with time, the ion current peak value Iph (i) is evaluated with a greater weight to determine the combustion state. Even if the detection of the ionic current is started simultaneously with the valve opening timing T1 (exhaust stroke start timing), the combustion state can be accurately determined.
尚、本実施例3では、イオン電流ピーク値Iph(i) に対する重みを変更する時期をサンプル周期(100μs毎)のイオン電流ピーク値Ip(i)のサンプル回数に基づいて判定するようにしたが、前記実施例1,2で算出したイオン検出開始時期θ1 を重み変更時期に設定し、この重み変更時期の前後で重みを変更するようにしても良い。 In the third embodiment, the timing for changing the weight for the ion current peak value Iph (i) is determined based on the number of samples of the ion current peak value Ip (i) in the sample period (every 100 μs). The ion detection start time θ1 calculated in the first and second embodiments may be set as the weight change time, and the weight may be changed before and after the weight change time.
また、本実施例3では、イオン電流ピーク値Iph(i) を重みを小さくして評価する手法としてなまし処理を用いたが、例えば、イオン電流ピーク値Iph(i) に所定の重み係数K(0<K<1)を乗算することで、イオン電流ピーク値Iph(i) を重みを小さくして評価するようにしても良い。 In the third embodiment, the annealing process is used as a method for evaluating the ion current peak value Iph (i) with a reduced weight. For example, the ion current peak value Iph (i) is given a predetermined weighting factor K. By multiplying (0 <K <1), the ion current peak value Iph (i) may be evaluated with a reduced weight.
また、本実施例3では、イオン電流ピーク値Iph(i) に対する重みを2段階に切り替えるようにしたが、排気バルブの開弁タイミングT1 からの経過時間又は経過クランク角度に応じて重みを3段階以上又は連続的に切り替えるようにしても良い。 In the third embodiment, the weight for the ionic current peak value Iph (i) is switched to two levels. However, the weight is set to three levels according to the elapsed time or the elapsed crank angle from the opening timing T1 of the exhaust valve. You may make it switch more or more continuously.
21…点火コイル、22…一次コイル、23…バッテリ、24…イグナイタ、25…パワートランジスタ、26…二次コイル、27…点火プラグ、31…イオン電流検出抵抗、33…反転増幅回路、34…エンジン制御回路(燃焼状態判定手段,イオン検出開始時期設定手段)、35…イオン電流検出回路(イオン電流検出手段)、36…中心電極、37…接地電極
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記イオン電流検出手段による前記排気行程のイオン検出開始時期を内燃機関のピストンの下死点以降に設定するイオン検出開始時期設定手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。 Combustion state determination device for an internal combustion engine comprising ion current detection means for detecting ions in combustion gas in the exhaust stroke of the internal combustion engine, and combustion state determination means for determining the combustion state based on the detection value of the ion current detection means In
A combustion state determination device for an internal combustion engine, comprising: ion detection start timing setting means for setting an ion detection start timing of the exhaust stroke by the ion current detection means after a bottom dead center of a piston of the internal combustion engine.
前記イオン電流検出手段による前記排気行程のイオン検出開始時期を前記排気バルブの開弁タイミングから所定クランク角度又は所定時間遅らせて設定するイオン検出開始時期設定手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。 Ion current detection means that detects ions in the combustion gas during the exhaust stroke of an internal combustion engine equipped with a variable exhaust valve mechanism that varies the opening and closing timing of the exhaust valve, and determines the combustion state based on the detection value of the ion current detection means In a combustion state determination device for an internal combustion engine provided with combustion state determination means for
An internal combustion engine comprising ion detection start timing setting means for setting an ion detection start timing of the exhaust stroke by the ion current detection means by delaying a predetermined crank angle or a predetermined time from a valve opening timing of the exhaust valve. Combustion state determination device.
前記燃焼状態判定手段は、前記イオン電流検出手段の検出値を重みを付けて評価する手段と、前記重みを前記排気バルブの開弁タイミングからの経過時間又は経過クランク角度に応じて大きくする手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。 Combustion state determination device for an internal combustion engine comprising ion current detection means for detecting ions in combustion gas in the exhaust stroke of the internal combustion engine, and combustion state determination means for determining the combustion state based on the detection value of the ion current detection means In
The combustion state determination means includes means for weighting and evaluating the detection value of the ion current detection means, and means for increasing the weight according to an elapsed time or an elapsed crank angle from the opening timing of the exhaust valve; A combustion state determination apparatus for an internal combustion engine, comprising:
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JP2014218907A (en) * | 2013-05-06 | 2014-11-20 | ダイヤモンド電機株式会社 | Air-fuel ratio control device for internal combustion engine using ion current |
-
2005
- 2005-07-27 JP JP2005218055A patent/JP2007032447A/en active Pending
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