JP2007182845A - イオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン電流を検出して、そのイオン電流の特性から燃焼状態を判定する場合に、点火時期の遅角量を考慮して判定を行わないと、実際の燃焼が良好な場合にあっても燃焼が良好でないと誤って判定することがある。
【解決手段】内燃機関の燃焼室内に発生するイオン電流が設定された所定値を上回って発生している発生期間を計測し、計測した発生期間に基づいて内燃機関の運転状態における空燃比を判定するものであって、計測した発生期間が基準値を下回る場合に空燃比が理論空燃比以外であると判定するものであり、基準値を、実際の空燃比が理論空燃比である場合の点火時期に対応する発生期間に基づいて設定するとともに点火時期の遅角量が大きいほど大きく設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の点火後の燃焼室内に発生するイオン電流を検出して内燃機関の空燃比を判定するイオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法に関するものである。

従来、自動車などの車両に搭載される火花点火式の内燃機関（以下、エンジンと称する）において、スパークプラグを利用して、点火後の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の特性、例えばその電流値が設定された所定値以上となっている期間又は時間を計測し、計測された期間に基づいてエンジンの運転状態における燃焼状態を判定するものが知られている。例えば、特許文献１に記載のものでは、計測されたイオン電流の期間の長さに基づいて、その期間が設定された判定値以上になった場合にトルクなどに変動が生じるリーン限界（希薄燃焼における運転の限界）を検出するものである。
特開平６−３４４９１号公報

ところで近年、このようなイオン電流は、実際の空燃比が理論空燃比近傍になるように制御してエンジンを運転する場合に、燃焼状態を反映して変化するものであるが、このような実際の空燃比の変化に基づく変化以外に、点火時期の影響を受けて変化することが実験により確かめられている。具体的には例えば、ほぼ理論空燃比によりエンジンを運転している場合において、点火時期を遅角させるとイオン電流の発生している期間は、その点火時期の遅角量が多くなるにしたがって長くなるものである。

このように、点火時期を変更することにより、イオン電流の発生している時間が変化すると、上記特許文献１に記載の構成のものでは、リーン限界を誤って検出する場合が発生する。つまり例えば、触媒の温度を早期に活性化温度まで上昇させるような場合に、点火時期を大量に遅角すると、空燃比を理論空燃比近傍に維持してエンジンを運転しているにもかかわらず、イオン電流の発生している期間が正常な燃焼状態で運転している場合に比較して長いことから、リーン限界にあると誤った燃焼状態の判定をする可能性があった。

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、本発明のイオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法は、内燃機関の燃焼室内に発生するイオン電流が設定された所定値を上回って発生している発生期間を計測し、計測した発生期間に基づいて内燃機関の運転状態における空燃比を判定するものであって、計測した発生期間が基準値を下回る場合に空燃比が理論空燃比以外であると判定するものであり、基準値を、実際の空燃比が理論空燃比である場合の点火時期に対応する発生期間に基づいて設定するとともに点火時期の遅角量が大きいほど大きく設定することを特徴とする。

本発明の構成によれば、基準値を、実際の空燃比が理論空燃比である場合の点火時期に対応する発生期間に基づいて設定するとともに点火時期の遅角量が大きいほど大きく設定して、点火時期のイオン電流に対する影響を考慮するものである。すなわち、イオン電流の発生期間は、空燃比が高くて混合気が薄い場合に、特定の点火時期を上回って遅角すると、遅角するにしたがって短くなる傾向にある。

このようなイオン電流の発生期間の点火時期に対する傾向を利用して、理論空燃比における運転状態にて計測した発生期間に基づき基準値を設定することにより、空燃比が理論空燃比でない場合を判定することが可能になる。しかも、基準値は、点火時期の遅角量に関連させて設定しているため、遅角することによりイオン電流の発生期間が短い場合に、空燃比が理論空燃比より高くて混合気が薄いことを判定することが可能になる。

点火時期を遅角させている場合の空燃比を正確に判定するためには、計測した発生期間が基準値より小である場合に、空燃比が理論空燃比よりリーンで混合気が薄い状態にあると判定するものが好適である。

本発明は、以上説明したような構成であり、理論空燃比における運転状態にて計測した発生期間に基づき点火時期の遅角量が大きいほど大きく基準値を設定することにより、空燃比が理論空燃比でない場合を判定することができ、しかも、遅角することによりイオン電流の発生期間が短い場合に、空燃比が理論空燃比よりリーンで混合気が薄いことを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Ｔ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、検出したイオン電流Ｉが所定値を上回っている期間すなわちイオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測し、計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐが空燃比判定のための基準値である基準時間より短い場合に理論空燃比ではないと判定するように、電子制御装置６はプログラミングしてある。

この実施形態の空燃比判定プログラムにおいて、上述の基準時間は、実際の空燃比が理論空燃比近傍となるように制御してエンジン１００を運転している状態で点火時期を遅角し、点火時期を遅角する毎にイオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測し、計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐを点火時期の遅角量と対応して保存して基準時間マップに設定するものである。イオン電流Ｉの発生期間Ｐは、イオン電流Ｉの電流値があらかじめ設定した判定値である閾値（スレッショルドレベル）ＳＬを上回って発生している期間（もしくは時間）を計測して得るものである。基準時間は、エンジン１００を運転している場合の実際のイオン電流Ｉの発生期間Ｐをその経過時間により計測する場合には、それに対応して時間により設定し、クランク角度を検出して同発生期間Ｐを計測する場合には、クランク角度を単位とする値により設定するものである。

なお、遅角とは、点火時期をその前の点火時期よりも遅角させること、及び最進角の点火時期から遅角した点火時期にすることを指すものである。また上述の閾値ＳＬは、空燃比判定プログラムにおいて各気筒の燃焼状態を判定するためのパラメータであるイオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測するために設定する閾値ＳＬと同じ値のものである。

このようにして得た点火時期の遅角量に対する発生期間に基づく基準時間は、図２に示すように、点火時期が遅角するにしたがって大きな（長い）値に設定されている。図２は、このような点火時期の遅角量に対する基準時間の変化の傾向を示すものである。この場合に、同じ遅角量において計測した発生期間Ｐは、遅角量が同じであるにもかかわらずばらつくことがある。このため、同一の遅角量により運転している状態で発生期間Ｐを複数回計測し、その平均的な値により各遅角量に対する発生期間Ｐを決定し、その値に基づいて基準時間を設定するものであってよい。基準時間マップに設定される基準時間は、代表的な点火時期の遅角量に対するものが保存してあり、それ以外の遅角量に対するものは補間計算により設定するようにしている。

次に、図３により、空燃比判定プログラムによる空燃比判定の処理手順を説明する。

ステップＳ１において、各気筒の燃焼の良好でないことを検出するためのパラメータとしてのイオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測する。このイオン電流Ｉの発生期間Ｐは、上述のように、イオン電流Ｉの電流値が閾値ＳＬを上回っている期間により計測する。計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐは、その計測を行った時の点火時期の遅角量とともに、記憶装置８に一時的に保存するものである。

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４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、その発生期間Ｐは、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得るものである。この場合、イオン電流Ｉの発生期間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の発生期間Ｐを計測している計測期間は例えば、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Ｉの発生期間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良好な燃焼の場合には上述したような挙動を示すが、空燃比がリーンで混合気が薄くなると最大となる電流値は小さくなりイオン電流Ｉの発生期間Ｐはその燃料量に応じて短くなる傾向にある。加えて、イオン電流Ｉの発生期間Ｐは、空燃比がリッチになるに応じて長くなる傾向にある。さらに、何らかの原因で燃焼状態が良好でなくなると、図４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ＳＬを超える期間（図４の（ｂ）の場合は、Ｐ１，Ｐ２）を合計し、その合計値をイオン電流Ｉの発生期間Ｐとするものである。なお、燃焼が良好な場合には、このように断続的にイオン電流Ｉが発生することがほとんどないので、断続を繰り返す前の点火直後に発生する初期イオン電流（図４の（ａ）に示すイオン電流波形値に相当する）の発生期間を計測することにより、その全体を計測するものの代替としてもよい。

テップＳ２では、ステップＳ１において保存した点火時期の遅角量に基づいて、基準時間マップを検索して点火時期の遅角量に対応する基準時間を設定する。ステップＳ３では、計測したイオン電流Ｉの発生期間ＰがステップＳ２において設定した基準時間を上回っているか否かを判定する。ステップＳ３における判定の結果、上回っている場合はステップＳ４に進み、以下である場合はステップＳ５に進む。

基準時間は、理論空燃比において点火時期を遅角させた場合に計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐに基づいて設定しているので、計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐがこの基準時間を上回る場合は、理論空燃比と同等もしくは良好な燃焼状態が維持できる空燃比であることを検出するものである。したがって、計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐがこの基準時間以下である場合は、理論空燃比の場合とは異なり良好な燃焼状態が維持できないような空燃比であることを検出するものである。

ステップＳ４では、計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐが基準時間を上回っているので、燃焼が良好であると判定する。ここで、燃焼が良好であるとは、イオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測した気筒における実際の空燃比が、理論空燃比近傍で、かつ点火時期の遅角により燃焼が不安定になるようなリーン側に偏っていない状態を指すものである。

ステップＳ５では、計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐが基準時間以下であるので燃焼が良好でないと判定する。燃焼が良好でないとは、イオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測した気筒における実際の空燃比が、理論空燃比よりリーンな状態になっており例えば、トルク変動、回転変動、あるいは失火の可能性があるような状態を指すものである。

ステップＳ６では、ステップＳ４及びステップＳ５における判定に対応して、エンジン１００の燃焼制御（空燃比制御）を実行するものである。具体的には、ステップＳ４において燃焼が良好であると判定した場合では、実際の空燃比が燃焼の良好でない状態を引き起こさない範囲でリーンになるように、燃料噴射量を減量するように補正するものである。一方、ステップＳ５において燃焼が良好でないと判定した場合では、実際の空燃比が良好な燃焼となるように、言い換えれば実際の空燃比がリーンな状態から理論空燃比に近似するように、燃料噴射量を増量するように補正するものである。

このような構成において、例えば冷間始動時には一般的には燃料噴射量を増量し、実際の空燃比を一時的にリッチにするが、近年においては、エミッションの低下に配慮して、可能な限り空燃比をリーンにして混合気を薄くする制御が主流になりつつ場合がある。しかしながら、通常、Ｏ₂センサ２１が活性化温度に達していないために、実際の空燃比を検出することができない。このような場合においても、この実施形態であれば燃焼状態つまり実際の空燃比の状態を把握することができる。

すなわち、エンジン１００を始動すると、その直後から各気筒においてイオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測する（ステップＳ１）。この後、制御が進行して、基準時間マップにより、各気筒の燃焼における点火時期の遅角量に基づいて基準時間を設定し（ステップＳ２）、設定した基準時間により燃焼状態を判定し（ステップＳ３、ステップＳ４、ステップＳ５）、その判定結果に対応して燃焼制御を実行するものである。このため、この実施形態においては、Ｏ₂センサ２１の状態の如何にかかわらず実際の空燃比が理論空燃比近傍であるのか、あるいは理論空燃比ではない燃焼の良好でない状態を招くリーンな空燃比の状態であるのかを確実に判定できるものである。

そして、実際の空燃比がリーンであると判定した場合には、その判定結果に基づいて燃焼制御を実行するので、Ｏ₂センサ２１による実際の空燃比の検出が不可能な運転状態においても燃焼を良好でない状態にすることなく、またエミッションの低下を抑制して良好な燃焼状態にてエンジン１００を運転することができるものである。このことは、冷間始動時において、三元触媒２２を早期に活性化させるために、点火時期を大量に遅角させている場合に特に効果を期待することができるものである。

このような冷間始動時に限らず、暖機運転完了後のエンジン１００の運転において、燃費向上などの目的で実際の空燃比をリーン側に制御している場合に、点火時期を遅角させることにより燃焼が不安定になるような運転状態を確実に判定することができる。そしてそのような運転状態において適切な点火時期制御や燃料噴射制御などを行うことにより、エンジン１００の運転状態が良好でなくなることを確実に防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

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。

本発明の実施形態のエンジンの概略構成を示す構成説明図。 同実施形態における基準時間の点火時期の遅角量に対する傾向を示すグラフ。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の燃焼状態の異なる場合のイオン電流波形を示すグラフ。

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
Ｉ…イオン電流
Ｐ…発生期間

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室内に発生するイオン電流が設定された所定値を上回って発生している発生期間を計測し、計測した発生期間に基づいて内燃機関の運転状態における空燃比を判定するものであって、
   計測した発生期間が基準値を下回る場合に空燃比が理論空燃比以外であると判定するものであり、
   基準値を、実際の空燃比が理論空燃比である場合の点火時期に対応する発生期間に基づいて設定するとともに点火時期の遅角量が大きいほど大きく設定するイオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法。
2. 計測した発生期間が基準値より小である場合に、空燃比が理論空燃比よりリーンな状態にあると判定する請求項１記載のイオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法。

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