JP2007182844A - 内燃機関のイオン電流検出系の判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの燃焼室内に生じるイオン電流を、スパークプラグを介して検出する場合に、スパークプラグがくすぶったりすると、正確なイオン電流の検出ができないことがあるので、このようなスパークプラグの不具合を正確に判断する必要があった。
【解決手段】スパークプラグを備える内燃機関において、スパークプラグを含んで構成されるイオン電流検出系により点火後に燃焼室内に発生するイオン電流を検出するものにおいて、イオン電流が発生しているイオン電流発生期間を計測し、計測したイオン電流発生期間の変動の度合いがその時の運転状態に対して許容される値で設定される許容範囲を逸脱しており、かつ内燃機関が回転変動していない場合にはイオン電流検出系が異常であると判定し、計測したイオン電流 発生期間の変動の度合いが前記許容範囲を逸脱しており、かつ内燃機関が回転変動している場合にはイオン電流検出系は異常ではないと判定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、スパークプラグを利用して、燃焼室内に発生するイオン電流を検出し得る構成の内燃機関のイオン電流検出系の判定方法に関するものである。

従来、車両に搭載される内燃機関の内、スパークプラグを備える火花点火式の内燃機関（以下、エンジンと称する）の電子制御装置では、燃焼室内に発生するイオン電流を検出してその運転状態を判断するように構成したものが知られている。このような電子制御装置は、スパークプラグを含むイオン電流検出系を具備し、点火後にスパークプラグに電圧を印加して、燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいてエンジンの運転状態を判定するように構成している。

このようなイオン電流検出系においては、スパークプラグを利用していることにより、例えばスパークプラグが燃焼状態によりくすぶりを生じていると、正確にイオン電流を検出できないことが生じる。このため、例えば特許文献１に記載のものでは、エンジンの非燃焼期間にイオン電流が検出される場合、スパークプラグがくすぶっていると判定する構成にしている。すなわち、燃焼終了後の所定期間において燃焼がない状態であるにもかかわらず、イオン電流と同様にスパークプラグを介して電流を検出した場合には、スパークプラグにおいてくすぶりが生じていると判定するものである。
特許第３５７７２１７号明細書

ところが、このような構成のものであると、スパークプラグのくすぶりを確実に判定できない場合がある。一般的に、燃焼状態が良好でなくなりエンジンが回転変動を起こしている場合では、イオン電流の発生している期間が長くなったり、あるいはイオン電流が断続的に発生したりすることがよく知られている。このようなイオン電流の挙動は、スパークプラグがくすぶりかけている状態においてスパークプラグで検出する電流と類似している。又、スパークプラグがくすぶりかけている状態では、本来のイオン電流の後に、イオン電流ではないくすぶりに起因する電流が連続して、全体としてイオン電流のように見えることがある。

スパークプラグが完全にくすぶっている状態であると、スパークプラグの中心電極と接地電極との間がほぼ短絡状態になるので、スパークプラグに電圧を印加することにより電流が検出されるものである。これに対して、完全にはくすぶっていない状態、言い換えれば燃料が付着などしてくすぶりかけている状態では、短絡状態と絶縁状態とを繰り返すことになり、くすぶりに起因する電流を検出したり検出しなかったりすることになる。つまり、短絡状態と絶縁状態とで検出される電流が異なり、スパークプラグがそのような状態を繰り返している間は検出される電流が変動するものである。

したがって、燃焼状態が低下して回転変動が生じている場合とスパークプラグがくすぶりかけている場合とでは、検出する毎に異なる、変動している電流を検出することになる。それゆえ、スパークプラグを介してイオン電流を検出するものにおいて、スパークプラグを介して得られる電流（イオン電流及びくすぶりに起因する電流）の挙動からは、回転変動に起因するものなのか、スパークプラグに起因するものなのか判別できない場合があり、スパークプラグのくすぶりを判定できないことがあった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関のイオン電流検出系の状態判定方法は、スパークプラグを備える内燃機関において、スパークプラグを含んで構成されるイオン電流検出系により点火後に燃焼室内に発生するイオン電流を検出するものにおいて、イオン電流が発生しているイオン電流発生期間を計測し、計測したイオン電流発生期間の変動の度合いがその時の運転状態に対して許容される値で設定される許容範囲を逸脱しており、かつ内燃機関が回転変動していない場合にはイオン電流検出系が異常であると判定し、計測したイオン電流発生期間の変動の度合いが前記許容範囲を逸脱しており、かつ内燃機関が回転変動している場合にはイオン電流検出系は異常ではないと判定することを特徴とする。

本発明における許容範囲は、イオン電流発生期間の変動の度合いを検出するために設定するものであって、イオン電流発生期間を計測する時点の内燃機関の運転状態に応じて生じ得る変動の度合いに、許容し得る値を増減して設定するものである。

このような構成において、計測したイオン電流発生期間が前回測定のものよりも大幅に大あるいは小になっていて変動しており、その時の運転状態に対して許容される値で設定される許容範囲を逸脱している場合に、内燃機関に回転変動が生じていれば、イオン電流検出系には異常が生じていないと判定するものである。これは、燃焼状態が良好でなくなることで内燃機関の回転変動が生じるものであるので、このような回転変動を生じる燃焼状態では測定したイオン電流発生期間が大きく変動することに基づいている。この結果、実際に内燃機関の燃焼状態が良好でなくなりイオン電流発生期間が変動する場合と、イオン電流検出系の不具合によりイオン電流発生期間が変動する場合とを判別することができるので、確実にイオン電流検出系の異常を判定することが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、イオン電流発生期間がばらついている場合に、イオン電流検出系が異常であることを確実に判定することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は、自動車用の火花点火式４サイクル４気筒のもので、その吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、その燃料噴射弁５を、電子制御装置６により制御するようにしている。燃焼室３０を形成するシリンダヘッド３１には、吸気弁３２及び排気弁３３が配設されるとともに、火花を発生するとともにイオン電流Ｉを検出するための電極となるスパークプラグ１８が取り付けてある。また排気系２０には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された触媒装置である三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。なお、図１にあっては、エンジン１００の１気筒の構成を代表して図示している。

電子制御装置６は、中央演算処理装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１と、Ａ／Ｄコンバータ１０とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ１４から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ１５から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１６から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電流信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、またスパークプラグ１８に対してイグニションパルスｇが出力されるようになっている。

このスパークプラグ１８には、イオン電流Ｉを測定するためのバイアス用電源２４が接続され、入力インターフェース９とこのバイアス電源２４との間にはイオン電流測定用回路２５が接続されている。スパークプラグ１８、バイアス用電源２４及びイオン電流測定用回路２５によりイオン電流検出系４０が構成される。バイアス用電源２４は、イグニションパルスｇが消滅した時点でスパークプラグ１８にイオン電流測定のための測定用電圧（バイアス電圧）を印加するものである。そして、測定用電圧の印加により、燃焼室３０の内壁とスパークプラグ１８の中心電極との間、及びスパークプラグ１８の電極間に流れたイオン電流Ｉは、イオン電流測定用回路２５により測定される。このようなバイアス用電源２４とイオン電流測定用回路２５とは、当該分野でよく知られている種々のものを適用することができる。

電子制御装置６には、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ１４から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間（基本噴射量）を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。また、このようにエンジン１００の燃料噴射を制御する一方、点火毎に燃焼室３０内に発生するイオン電流Ｉを検出して、そのイオン電流発生期間Ｐを計測し、計測したイオン電流発生期間Ｐの変動の度合いとエンジン１００の回転変動とを考慮して、イオン電流検出系４０の異常を判定するように、電子制御装置６はプログラミングしてある。

エンジン１００を運転している間、カムポジションセンサ１４から出力される回転数信号ｂに基づいて、電子制御装置６はエンジン１００のエンジン回転数を計測している。計測されたエンジン回転数は、吸気管圧力とともに記憶装置８に一時的に保存され、エンジン１００の回転変動を判定すること及び運転状態を検出することに活用される。回転変動は、例えば現時点までの複数のエンジン回転数の移動平均値を算出し、その平均値と今回計測したエンジン回転数との偏差の大きさにより判定するものである。すなわち、エンジン１００の加速及び減速運転時を除いて、それぞれの運転状態例えば低負荷時、中負荷時及び高負荷時と、低回転時、中回転時及び高回転時とをそれぞれ組み合わせた運転状態において計測したエンジン回転数の複数から移動平均値を算出し、移動平均値と今回計測したエンジン回転数との偏差が所定値以上である場合に、エンジン１００に回転変動が生じていると判定するものである。

イオン電流Ｉは、点火後に、スパークプラグ１８に測定用電圧を印加して燃焼室３０内に発生させるものである。正常な燃焼状態においては、図２の（ａ）に示すように、イオン電流Ｉは、その発生直後に急激に流れた後、上死点ＴＤＣ手前で減少した後に時間の経過とともに再度増加し、燃焼圧が最大となるクランク角度近傍でその電流値が最大となり、その後徐々に減少して通常、膨張行程の終了近傍において消滅するものである。

このような電流波形を示すイオン電流Ｉにおいて、そのイオン電流発生期間Ｐは、計測のための判定レベルである閾値（スレッショルドレベル）ＳＬを設定しておき、イオン電流Ｉの電流値あるいはその電流による電圧が閾値ＳＬを超えている期間を計測して求めるものである。この場合、イオン電流発生期間Ｐは、計測開始から計測終了までの実際の時間、あるいはクランク角度のいずれかにより計測するものである。イオン電流Ｉの計測期間は例えば、点火から膨張行程の終了までに設定するもので、その計測期間中においてイオン電流Ｉが閾値ＳＬを超える期間を測定してイオン電流発生期間Ｐとするものである。なお、閾値ＳＬは低い程よいが、イオン電流Ｉを検出する場合の雑音レベルより大きくして、誤ってイオン電流Ｉを検出することがないように設定するものである。

イオン電流Ｉは、燃焼状態により、様々な挙動を示す。例えば、理論空燃比近傍における燃焼の場合には上述したような挙動を示すが、空燃比が理論空燃比より高くなり混合気が薄くなって燃焼が良好でなくなると最大となる電流値は小さくなり、イオン電流発生期間Ｐは長くなる傾向にある。さらに、何らかの原因で燃焼が良好でなくなると、図２の（ｂ）に示すように、イオン電流Ｉは計測期間中に消滅と再発生とを繰り返すことがある。このような場合には、イオン電流Ｉが発生し、かつイオン電流Ｉの電流値が閾値Ｐを超える期間（図２の（ｂ）の場合は、Ｐ１，Ｐ２）を合計し、その合計値をイオン電流発生期間Ｐとするものである。

このように、燃焼状態に対応してイオン電流発生期間Ｐが変化するもの以外に、スパークプラグ１８のくすぶりによりイオン電流発生期間Ｐが変化することがある。すなわち、スパークプラグ１８がくすぶり始めると、スパークプラグ１８の絶縁抵抗値が大幅に変化する。このため、絶縁抵抗値が低下するとイオン電流発生期間Ｐが極端に長くなったりして、エンジン１００の運転状態に対応しないような値となって変動するものである。

計測されたイオン電流発生期間Ｐは、その複数が運転状態と関連付けて記憶装置８に一時的に記憶される。イオン電流発生期間Ｐは、エンジン１００の回転変動の判定の場合と同様に、統計処理されてその変動の度合いが判定される。イオン電流発生期間Ｐの変動の度合いは例えば、その判定のための許容範囲を設定しておき、今回計測したイオン電流発生期間Ｐの変動の度合いがその許容範囲内に収まればつまり許容範囲から逸脱していなければ変動がないと判定し、許容範囲から逸脱していれば変動があると判定する。

許容範囲は、エンジン１００の運転状態毎に設定されるもので、その運転状態において生じ得る変動の度合い、つまりイオン電流発生期間Ｐの平均値とイオン電流発生期間Ｐとの偏差の複数及びイオン電流発生期間Ｐの平均値に基づいて演算された変動率に、所定値を加算して設定されるものである。この場合のエンジン１００の運転状態は、上述したエンジン回転数の回転変動を判定する場合に設定されたものと同じである。

このような構成において、イオン電流検出系４０の異常判定は、次の手順により実行される。図３に、この異常判定の手順を図示する。なお、以下の説明においては、一つの気筒に対するイオン電流検出系４０の異常判定を説明するもので、同一の判定を各気筒において実行することにより、エンジン１００の全体において各スパークプラグ１８を含む異常判定を行うものである。また、このイオン電流検出系４０の異常判定に先立って、今回のこの判定のためのイオン電流発生期間Ｐが計測されているとともに、今回までに計測されたイオン電流発生期間Ｐに基づいてイオン電流発生期間Ｐの平均値、及びその平均値と計測されたイオン電流発生期間Ｐそれぞれとの偏差の平均値（以下、偏差平均と称する）が演算され、イオン電流発生期間Ｐの平均値により偏差平均を除してイオン電流発生期間Ｐの変動率（変動の度合い）が演算されているものとする。

まず、ステップＳ１において、今回計測されたイオン電流発生期間Ｐが変動しているか否かを判定する。判定は、上述したように、今回演算したイオン電流発生期間Ｐの変動率が許容範囲から逸脱しているか否かにより行う。この場合に、許容範囲は今回のイオン電流発生期間Ｐの計測時におけるエンジン１００の運転状態に対応するものを選択するものである。今回演算したイオン電流発生期間Ｐの変動率が許容範囲から逸脱していると判定した場合はステップＳ２に進み、許容範囲から逸脱していないと判定した場合は、イオン電流検出系４０は正常であるとしてこのルーチンの実行を終了する。

ステップＳ２では、エンジン１００の回転変動が発生しているか否かを判定する。すなわち、このルーチンを実行する直前に計測されたエンジン回転数と移動平均値との偏差が、所定値を上回っている（エンジン回転数が変動している）場合にはステップＳ３に進み、偏差が所定値以下である（エンジン回転数が変動していない）場合にはステップＳ４に進む。ステップＳ３では、イオン電流発生期間Ｐの変動率が許容範囲を逸脱して変動し、かつエンジン回転数が変動している状態であるので、エンジン１００の運転状態に問題つまり異常があると判定する。ステップＳ４では、イオン電流発生期間Ｐの変動率が許容範囲を逸脱して変動しているにもかかわらずエンジン回転数が変動していないので、エンジン１００の運転状態に問題があるのではなく、イオン電流検出系４０に問題があると判定する。

このような構成において、今回演算したイオン電流発生期間Ｐの変動率が許容範囲に収まる場合（ステップＳ１において「Ｎｏ」の判定）は、イオン電流検出系４０が正常であることが判別できる。つまり、清掃あるいは交換によりスパークプラグ１８にくすぶりが生じていない状態にある場合には、イオン電流発生期間Ｐが変動しても、その変動の度合いは許容範囲内のものであり、例えば空燃比制御により燃料噴射量を補正することによりそのようなイオン電流発生期間Ｐの変動は解消できるものである。

これに対して、今回演算したイオン電流発生期間Ｐの変動率が許容範囲に収まらず許容範囲を逸脱している場合（ステップＳ１において「Ｙｅｓ」の判定）に、エンジン１００に回転変動が生じていなければ（ステップＳ２において、「Ｎｏ」の判定）、イオン電流検出系４０、特にはスパークプラグ１８の異常を判定する（ステップＳ４）。すなわち、イオン電流発生期間Ｐはエンジン１００の燃焼状態を反映しているので、イオン電流検出系４０が正常であるならイオン電流発生期間Ｐが変動することによりエンジン回転数も変動するものである。にもかかわらず、イオン電流発生期間Ｐの変動率が許容範囲を逸脱する変動を生じるのみで、その変動に対応したエンジン回転数の変動が生じていない場合には、イオン電流検出系４０の異常を判定するものである。

一方、今回演算したイオン電流発生期間Ｐの変動率に許容範囲を逸脱する変動が生じており、かつエンジン回転数の変動も生じている（ステップＳ２において、「Ｙｅｓ」の判定）場合は、イオン電流検出系４０は正常であり、計測したイオン電流発生期間Ｐは実際の燃焼状態を正確に反映したものと判断することができる。したがって、このように判定した場合にはエンジン１００の運転状態が本来の状態でないと判定するものである。

以上のように、イオン電流発生期間Ｐの複数に基づいて演算したイオン電流発生期間Ｐの変動率が許容範囲を逸脱する変動状態にある場合に、エンジン１００に回転変動が生じているか否かを判定するので、イオン電流検出系４０の異常を正確に判定することができる。この実施形態のように、イオン電流発生期間Ｐの変動率を演算する際に、偏差平均を採用することにより、複数点火におけるスパークプラグ１８の状態を反映させることができるので、混合気中の燃料がスパークプラグ１８の電極に付着し、不安定に短絡状態となって、正常な状態と短絡状態とを呈するような異常な状態を確実に判定することができる。

したがって、イオン電流検出系４０の異常を判定した際に例えば、小型ランプあるいは発光ダイオードなどの表示器により異常の発生を表示することにより、常時イオン電流Ｉを正確に検出するように、イオン電流検出系４０を保守することができる。

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えばエンジン回転数は、クランク角センサから出力される信号に基づいて計測されるものであってよい。

又、イオン電流発生期間Ｐの変動は、例えばイオン電流発生期間Ｐの平均値からの偏差の大きさに基づいて判定するものであってもよい。あるいは、統計処理における分散、標準偏差、変動率に基づいて判定するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態が適用されるエンジンの概略構成説明図。 同実施形態の各燃焼状態におけるイオン電流波形を示すグラフ。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

６…電子制御装置
７…中央演算処理装置
８…記憶装置
９…入力インターフェース
１１…出力インターフェース
１８…スパークプラグ
４０…イオン電流検出系
Ｐ…イオン電流発生期間

Claims (1)

1. スパークプラグを備える内燃機関において、スパークプラグを含んで構成されるイオン電流検出系により点火後に燃焼室内に発生するイオン電流を検出するものにおいて、
   イオン電流が発生しているイオン電流発生期間を計測し、
   計測したイオン電流発生期間の変動の度合いがその時の運転状態に対して許容される値で設定される許容範囲を逸脱しており、かつ内燃機関が回転変動していない場合にはイオン電流検出系が異常であると判定し、
   計測したイオン電流発生期間の変動の度合いが前記許容範囲を逸脱しており、かつ内燃機関が回転変動している場合にはイオン電流検出系は異常ではないと判定する内燃機関のイオン電流検出系の状態判定方法。

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