JP2008248832A - ガソリンエンジンのイオン電流検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】火花着火と予混合圧縮着火とを運転領域に応じて切り替えて実施するガソリンエンジンにおいて、燃焼状態を判断するためのイオン電流を検出する場合、検出のために点火プラグに印加する電圧を例えば火花着火と予混合圧縮着火とによる運転によらず同じにすると、それぞれの運転の空燃比の相違によりイオン電流を検出することが困難であった。
【解決手段】点火プラグを備えてなり、運転領域に応じて、火花着火と予混合圧縮着火との一方を実施するガソリンエンジンにおいて、燃焼状態を検出するために燃焼により発生するイオン電流を検出するガソリンエンジンのイオン電流検出方法であって、火花着火による燃焼の場合に点火プラグに第一検出用電圧を印加し、予混合圧縮着火による燃焼の場合に点火プラグに第一検出用電圧より高い第二検出用電圧を印加し、選択的に印加した第一検出用電圧と第二検出用電圧とにより点火プラグを介して火花着火による燃焼の場合と予混合圧縮着火による燃焼の場合とのイオン電流それぞれを検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）と火花着火（ＳＩ）とを運転状態に応じて実施するガソリンエンジンにおけるイオン電流検出方法に関するものである。

従来、予混合圧縮着火と火花着火とを運転状態に応じて切り替えて実施するガソリンエンジンが知られている。このようなガソリンエンジンにおいて、点火プラグを用いて、燃焼時に燃焼室内に流れるイオン電流を検出して、燃焼状態を検出することが行われている。例えば、特許文献１に記載のものでは、高圧電源と、点火コイルの二次側及び点火プラグの間に、イオン電流検出用抵抗及び逆流防止用ダイオードを直列接続し、さらにイオン電流検出用抵抗に電圧センサを並列に接続してなるイオン電流検出回路を備えている。そしてそのイオン電流検出用回路により、火花点火による燃焼時と予混合圧縮着火による燃焼時との両方においてそれぞれ、イオン電流を検出するようにしている。
特開平１１−６４３６号公報

ところで、予混合圧縮着火時は、空燃比を理論空燃比より相当に高く、つまりリーンにして燃焼させるようにしている。このように、空燃比がリーンな場合は、理論空燃比における燃焼に比較して、発生するイオン電流が少なくなることが確認されている。このため、そのようなイオン電流を検出しようとすると、特許文献１に記載のイオン電流検出回路においては、イオン電流検出用抵抗を大きくする必要がある。しかしながら、イオン電流検出用抵抗を大きくすると、イオン電流による電圧は大きくなる一方で、イオン電流の検出に不要な雑音による電圧も大きくなるため、イオン電流の検出が困難になることがある。

イオン電流を大きくするためには、燃焼時の点火プラグに印加する電圧を高くし、それに併せてイオン電流検出用抵抗の抵抗値を設定することで実現し得ることが知られている。この場合、印加する電圧と抵抗値とを共に予混合圧縮着火時のイオン電流検出のための値に設定すると、火花点火時に過大なイオン電流が流れ、しかもその過大なイオン電流のためにイオン電流による電圧が過度に高くなる。このため、予混合圧縮着火による燃焼時に生じるイオン電流は適切に検出することができ、検出したイオン電流から燃焼状態を検出することはできるが、火花点火による燃焼時にはオーバーレンジとなり、イオン電流が検出できないことがあるとともに、イオン電流検出回路が損傷する可能性も生じた。

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、本発明のガソリンエンジンのイオン電流検出方法は、点火プラグを備えてなり、運転領域に応じて、火花着火と予混合圧縮着火との一方を実施するガソリンエンジンにおいて、燃焼状態を検出するために燃焼により発生するイオン電流を検出するガソリンエンジンのイオン電流検出方法であって、火花着火による燃焼の場合に点火プラグに第一検出用電圧を印加し、予混合圧縮着火による燃焼の場合に点火プラグに第一検出用電圧より高い第二検出用電圧を印加し、選択的に印加した第一検出用電圧と第二検出用電圧とにより点火プラグを介して火花着火による燃焼の場合と予混合圧縮着火による燃焼の場合とのイオン電流それぞれを検出することを特徴とする。

このような構成によれば、予混合圧縮点火による燃焼時には第一検出用電圧より高い第二検出用電圧を点火プラグに印加することで、火花点火による燃焼時に検出するイオン電流と同等の電流値を有するイオン電流を検出することが可能になる。また、火花点火による燃焼時には第一検出用電圧を点火プラグに印加することにより、過大なイオン電流になることを抑制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、予混合圧縮点火による燃焼時には第一検出用電圧より高い第二検出用電圧を点火プラグに印加することで、火花点火による燃焼時に検出するイオン電流と同等の電流値を有するイオン電流を検出することができ、予混合圧縮点火における燃焼状態の検出精度を高めることができる。また、火花点火による燃焼時には第一検出用電圧を点火プラグに印加することにより、過大なイオン電流になることを抑制することができる。したがって、イオン電流による燃焼状態の検出精度を改善することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態のガソリンエンジン１００は、可変バルブタイミング機構３０を装備しているエンジンで、予混合圧縮着火を実施するために、圧縮比を通常の火花着火のみを実施するエンジンに比べて高くしてある。そしてこのような圧縮比の設定以外は、可変バルブタイミング機構３０を備える通常の火花着火式のエンジンと同じである。

具体的には、図１に１気筒の構成を概略的に示したガソリンエンジン１００は、自動車用の３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、サージタンク３からの吸入空気は吸気ポート１０及び吸気弁３７を介してシリンダ３８内に吸入される。この吸気系１には、スロットルバルブ２を迂回する迂回路であるバイパス通路１ａが設けてあり、そのバイパス通路１ａにはバイパス通路１ａを通過する空気量を制御するための流量制御バルブ１ｂが設けてある。この流量制御バルブ１ｂは、主としてエンジンのアイドル回転制御を実行する際に制御される。サージタンク３に連通する吸気系１の吸気マニホルド４のシリンダヘッド側の端部近傍には、さらにインジェクタ５が設けてあり、このインジェクタ５を、電子制御装置６により制御するようにしている。また、排気系２０には、燃焼室から排気弁３６を介して排出された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管路に配設された三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。

可変バルブタイミング機構３０は、例えば作動オイルにより作動する機械式のもので、電子制御装置６と協働して、排気弁３６と吸気弁３７とのそれぞれの開閉時期を独立して制御できるものである。すなわち、電子制御装置６が出力する信号により、作動オイルが制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構３０は、排気弁３６及び吸気弁３７を全開にする作動中心を進角及び遅角するとともに、排気弁３６及び吸気弁３７の作動角度を制御するものである。可変バルブタイミング機構３０は、火花着火の際には排気弁３６と吸気弁３７との開成期間が重なり合うように排気弁３６と吸気弁３７とを制御し、予混合圧縮着火の際には、排気行程から吸気行程に移行する間に、ピストン３９が排気上死点近傍に位置する所定期間、排気弁３６と吸気弁３７とを閉じるように制御する。以下の説明において、前述の所定期間を負のオーバーラップ期間と称する。

可変バルブタイミング機構３０とともにガソリンエンジン１００の運転を制御する電子制御装置６は、中央演算装置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。その入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力（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、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、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、ガソリンエンジン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から出力される電圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、インジェクタ５に対して燃料噴射信号ｆたる駆動パルスＩＮＪが、また火花着火の実施に際して点火プラグ１８に対して点火信号である通電信号ｇ（ＩＧＴ）が出力されるようになっている。

点火プラグ１８には、イオン電流を検出するために、イオン電流検出回路６０が接続される。点火プラグ１８は、点火コイル６１ａ、ダイオード６１ｂ、スイッチングトランジスタ６１ｃを備える点火回路６１に接続してあり、したがってイオン電流検出回路６０も点火回路６１に接続される。イオン電流検出回路６０は、第一検出回路６２、第二検出回路６３、及び第一検出回路６２と第二検出回路６３との点火プラグ１８への接続を切り替える切替回路６４を備えて、電子制御装置６に接続される。

第一検出回路６２は、切替回路６４に直列に接続される印加電圧設定用の第一ツェナーダイオード６２ａと、第一ツェナーダイオード６２ａのアノードに直列に接続されるゲイン設定用の第一抵抗６２ｂと、第一抵抗６２ｂに並列に接続されるイオン電流検出用の第一電圧センサ６２ｃと、第一ツェナーダイオード６２ａに並列に接続されて点火コイル６１ａに発生する逆起電力により充電され、第一検出用電圧を発生させる第一コンデンサ６２ｄとを備えている。第一ツェナーダイオード６２ａのツェナー電圧は、火花点火を実施する際のイオン電流検出において点火プラグ１８に印加する第一検出用電圧を規定するものである。

第二検出回路６３は、同様に、切替回路６４に直列に接続される印加電圧設定用の第二ツェナーダイオード６３ａと、第二ツェナーダイオード６３ａのアノードに直列に接続されるゲイン設定用の第二抵抗６３ｂと、第二抵抗６３ｂに並列に接続されるイオン電流検出用の第二電圧センサ６３ｃと、第二ツェナーダイオード６３ａに並列に接続されて点火コイル６１ａに発生する逆起電力により充電され、第二検出用電圧を発生させる第二コンデンサ６３ｄとを備えている。第二ツェナーダイオード６３ａのツェナー電圧は、第一ツェナーダイオード６２ａのツェナー電圧より高く設定してある。すなわちこの第二ツェナーダイオード６３ａのツェナー電圧は、イオン電流を検出するに際して印加する第二検出用電圧を規定するもので、予混合圧縮着火における混合気の空燃比において、イオン電流が検出可能なレベルになるものであれば特に限定されるものではなく、具体的には例えば８００Ｖ〜３ｋＶの範囲に含まれるものであればよい。又、第二抵抗６３ｂは、第一抵抗６２ｂより抵抗値を高くしてあり、イオン電流の検出感度を高くしてある。

切替回路６４は、リレーにより構成されるもので、リレーは、第一検出回路６２を点火プラグ１８に接続する第一ブレーク接点６４ａ、第一電圧センサ６２ｃの出力をイオン電流出力端６５に導く第二ブレーク接点６４ｂ、第二検出回路６３を点火プラグ１８に接続する第一メーク接点６４ｃ、第二電圧センサ６３ｃの出力をイオン電流出力端６５に導く第二メーク接点６４ｄ、及びコイル６４ｅを備えている。

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と回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、ガソリンエンジン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すなわち基本噴射量を補正してインジェクタ開成時間である最終噴射時間すなわち燃料噴射量を決定し、その決定された時間によりインジェクタ５を制御して、ガソリンエンジン１００の運転状態に応じた燃料噴射量をインジェクタ５から吸気系１に噴射するためのプログラムが内蔵してある。また電子制御装置６には、エンジン回転数及び負荷（吸気管圧力）により規定される運転状態（運転領域）により火花着火と予混合圧縮着火とを切り替えて、予混合圧縮着火における排気弁３６と吸気弁３７との開閉時期を制御するように構成され、燃焼毎にイオン電流を検出するプログラムが内蔵してある。

イオン電流検出プログラムは、図３に示すように、イオン電流検出回路６０を制御して、火花着火を実施する場合と予混合圧縮着火を実施する場合とに対応して、イオン電流を検出する構成である。

まず、ステップＳ１では、その時点のガソリンエンジン１００の運転状態が予混合圧縮着火を実施するか否かを判定する。予混合圧縮着火の実施は、例えばエンジン回転数及び負荷により運転状態を判定し、その判定結果に基づいて例えばフラグを設定しておき、そのフラグの状態を確認することにより、決定するものである。

ステップＳ１において、予混合圧縮着火を実施すると判定した場合は、ステップＳ２において電子制御装置６はイオン電流検出回路６０に対して切替信号を出力する。この切替信号により、切替回路６４のリレーが作動し、それぞれの接点が切り替わり、第一及び第二メーク接点６４ｃ、６４ｄがオンする。第一及び第二メーク接点６４ｃ、６４ｄをオンさせた状態で、ステップＳ３において、通電信号が点火回路６１に印加されその後切断されたタイミングで、点火コイル６１ａ、ダイオード６１ｂ、第一メーク接点６４ｃ、第二ツェナーダイオード６３ａ及び第二抵抗６３ｂを介して、第二コンデンサ６３ｄが充電される。なお、通電信号が切断されたタイミングで、点火プラグ１８には火花が発生するが、予混合圧縮着火を実施する場合は、混合気の空燃比が高いこと及び圧縮の状態により、混合気は着火することはない。

この後、予混合圧縮着火により燃焼室３５に燃焼が生じると、第二コンデンサ６３ｄの電圧が点火プラグ１８に印加されているので、イオン電流が発生する。このイオン電流は、ステップＳ４において、第二抵抗６３ｂの両端に現れた電圧を第二電圧センサ６３ｃが検出し、検出した電圧は第二メーク接点６４ｃを介して電子制御装置６に入力されて、イオン電流が検出される。

一方、ステップＳ１において予混合圧縮着火を実施していないと判定した場合は、ステップＳ３を実行する。ステップＳ３により通電信号が印加されて切断されたタイミングで点火プラグ１８において火花が飛び、燃焼室３５内の圧縮された混合気を着火させるとともに、第一ブレーク接点６４ａ、第一ツェナーダイオード６２ａ及び第一抵抗６２ｂを介して第一コンデンサ６２ｄが充電される。そして、火花着火により燃焼室３５に燃焼が生じると、第一コンデンサ６２ｄの電圧が点火プラグ１８に印加されているので、イオン電流が発生する。このイオン電流は、ステップＳ４において、第一抵抗６２ｂの両端に現れた電圧を第一電圧センサ６２ｃが検出し、検出した電圧は第二ブレーク接点６４ｂを介して電子制御装置６に入力されて、イオン電流が検出される。

このような構成において、ガソリンエンジン１００を運転している間は、イオン電流を燃焼室３５内に流すことにより、燃焼状態を検出するものである。そして、低負荷低回転での運転状態において火花着火を実施している場合は、電子制御装置６はイオン電流検出回路６０の切替回路６４に対して切替信号を出力せずに、点火時期のタイミングで通電信号を点火回路６１に印加する（ステップＳ１、ステップＳ３）。これにより燃焼室３５に燃焼が生じると第一コンデンサ６２ｄに充電された電荷により点火プラグ１８に第一検出用電圧が印加されてイオン電流を検出する（ステップＳ４）。

これに対して、ガソリンエンジン１００が予混合圧縮着火を実施する運転状態になった場合に、電子制御装置６はイオン電流検出回路６０の切替回路６４に対して切替信号を出力し（ステップＳ２）、リレーを切り替えた後に通電信号を点火回路６１に印加する（ステップＳ３）。そして予混合圧縮着火により燃焼が開始されると、点火プラグ１８に印加された第二検出用電圧により、イオン電流が第二検出回路６３に流れて、第二電圧センサ６３ｃが電圧を出力することによりイオン電流を検出する（ステップＳ４）。この場合に、点火プラグ１８に印加される第二検出用電圧は、第一検出用電圧より高く、しかも第二抵抗６３ｂは第一抵抗６２ｂより高い抵抗値にしてあるので、第二電圧センサ６３ｃが出力する電圧は高くなる。

このように、火花着火の場合と予混合圧縮着火の場合とを、切替信号を用いて点火プラグ１８の印加電圧とイオン電流検出用の抵抗６２ｂ、６３ｂの抵抗値言い換えれば検出ゲインとを切り替えているので、検出に十分な大きさを有するイオン電流を、その電流値に適切なゲインにより検出するので、誤ってイオン電流を検出することなく、検出精度を高くすることができる。しかも、ゲインは、点火プラグ１８への印加電圧を調整して適切な大きさで検出できるようにしたイオン電流に対応しているので、イオン電流が重畳するノイズにより検出不能となることを防止することができる。

さらに、予混合圧縮着火を実施する場合に、火花着火を実施する場合より点火プラグ１８に印加する第二検出用電圧を第一検出用電圧より高くすることにより、イオンの捕集効果を高くすることができる。このため、予混合圧縮着火において空燃比が高い混合気であっても、検出に十分な大きさのイオン電流にすることができる。

なお、イオン電流検出回路は、図４に示すように、ツェナー電圧の異なる二個のツェナーダイオード２６２ａ，２６３ａにより、点火プラグ１８に印加する異なる検出用電圧を設定し、イオン電流検出のためのゲインは一種類にする構成のものであってもよい。この例においても、ツェナーダイオード２６３ａは、ツェナーダイオード２６２ａのツェナー電圧より高いツェナー電圧を有するものである。同図において、２６５はイオン電流検出用の抵抗、２６６は電圧センサ、２６７ａ、２６７ｂはコンデンサ、２６８は切替回路である。したがって、切替信号が入力されない場合は、切替回路２６８が切り替わらず、充電されたコンデンサ２６７ａを電源として火花着火に対応する検出用電圧でイオン電流を検出するものである。そして切替信号が入力される場合、つまり予混合圧縮着火を実施する場合にあっては、切替回路２６８が切り替わり、コンデンサ２６７ｂが充電され、充電されたコンデンサ２６７ｂを電源として予混合圧縮着火に応じて設定される検出用電圧によりイオン電流を検出するものである
また、図５に示すように、イオン電流検出回路は、上述の実施形態とは異なり、点火コイル６１ａを介さずに第一検出用電圧と第二検出用電圧とを切り替えて出力する電源を別に設ける構成のものである。すなわち、第一検出用電圧と第二検出用電圧とを出力する昇圧電源７０は、逆流防止用のダイオード７１を介してバッテリから電力が供給されるものである。昇圧電源７０は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを内蔵し、バッテリの電圧を第一検出用電圧と第二検出用電圧とにまで昇圧し、抵抗７２及びダイオード７３を介してコンデンサ７４を充電する。そして、コンデンサ７４の電荷により点火プラグ１８には第一検出用電圧と第二検出用電圧とが切り替えられて選択的に印加される。イオン電流は、燃焼が開始されることにより流れ、ダイオード７３に並列に接続されたイオン電流検出回路８０により検出される。

このように、点火コイル６１ａを利用することなく検出用電圧を発生させる昇圧電源７０を採用することにより、イオン電流を検出する際に、通電信号を省略することができる。したがって、予混合圧縮着火において、誤って点火プラグ１８により着火することを防止することができる。

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。

本発明の実施形態におけるガソリンエンジンの概略構成を示す構成説明図。 同実施形態のイオン電流検出回路の回路図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態におけるイオン電流検出回路の変形例を示す回路図。 同実施形態におけるイオン電流検出回路の変形例を示す回路図。

符号の説明

６…電子制御装置
１８…点火プラグ
６０…イオン電流検出回路
６１…第一検出回路
６２…第二検出回路
６４…切替回路

Claims (1)

1. 点火プラグを備えてなり、運転領域に応じて、火花着火と予混合圧縮着火との一方を実施するガソリンエンジンにおいて、燃焼状態を検出するために燃焼により発生するイオン電流を検出するガソリンエンジンのイオン電流検出方法であって、
   火花着火による燃焼の場合に点火プラグに第一検出用電圧を印加し、予混合圧縮着火による燃焼の場合に点火プラグに第一検出用電圧より高い第二検出用電圧を印加し、
   選択的に印加した第一検出用電圧と第二検出用電圧とにより点火プラグを介して火花着火による燃焼の場合と予混合圧縮着火による燃焼の場合とのイオン電流それぞれを検出するガソリンエンジンのイオン電流検出方法。

Images