JP2008291719A

JP2008291719A - 燃焼方式の切換え可能な内燃機関

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Publication number: JP2008291719A
Application number: JP2007137247A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kurotani; 忠司黒谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2008-12-04

Abstract

【課題】ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼のように異なる燃焼方式を運転状態に応じて切換え可能な内燃機関において、両燃焼方式の利点を両立させると共に、いずれの燃焼方式においても燃焼時期制御を行うために必要なイオン電流を的確に検出可能にする。
【解決手段】内燃機関は、燃焼室内に供給された燃料と空気との混合気の燃焼方式をＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とのいずれかに選択的に切換え可能であり、混合気の燃焼時期と相関性を有する状態量として、燃焼室での混合気の燃焼によって発生するイオン電流が所定の状態となる時期を検出するために、イオン電流が入力されるプローブ２２と、これに入力したイオン電流の値に対応する信号を生成する信号生成部２３とを備える。信号生成部２３は、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との切換えに対応して変化する特性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、予混合圧縮着火による燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）と火花点火による燃焼（ＳＩ燃焼）のような２種の燃焼方式で運転可能な内燃機関に関する。

近年、高効率で窒素酸化物などの排出が少ない内燃機関として、ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）エンジンと一般に言われる予混合圧縮着火エンジンが注目されている。この予混合圧縮着火エンジンは、気筒の燃焼室内の燃料と空気との混合気を圧縮して高温に昇温し、それによって、混合気の自然着火（いわゆる自己着火）を発生させて混合気を燃焼させるものである。

この種のＨＣＣＩエンジンでは、気筒内の温度状態や、混合気の空燃比、燃料のオクタン価など種々様々な要因によって混合気の化学反応（酸化反応）の進行形態が変化しやすい。また、ＨＣＣＩエンジンの目標トルク（負荷）が比較的大きなものとなる運転状態では、ノッキングや失火を生じることなくＨＣＣＩエンジンの運転を行い得る燃焼時期のタイミング幅が狭い。このため、ＨＣＣＩエンジンでは、混合気の燃焼時期を如何にして適切なタイミングに制御するかが重要な課題となっている。

上記のようなＨＣＣＩエンジンの自己着火による着火時期を適切に制御するために、例えば、下記特許文献１に示されるように、燃焼室内の混合気が自己着火し燃焼ガスのイオンの存在により該イオンを介して流れるイオン電流に基づいて着火時期を検出すると共に、エンジン運転状態に基づいて目標着火時期を設定し、検出した着火時期と目標着火時期との比較結果に応じて、吸気を加熱するための吸気加熱手段を制御し、吸気温度を制御するものが知られている。これは、ＨＣＣＩ燃焼時に発生するイオン電流を測定し、それに基づいて燃焼時期を目標着火時期に制御するというものである。

また、ＨＣＣＩ燃焼では、圧縮時の気筒内状態から化学反応により燃焼時期が決まるので、燃焼時期を制御することが困難であることに加えて、安定燃焼の領域が限られてしまうという問題がある。このため、自動車用などのエンジンとして用いるには、アイドリングから最高加速度運転まで広範囲なエンジン回転数や負荷に対応することが必要である。

そこで、下記特許文献２に示されるように、燃焼室内の混合気を燃焼させる方式である運転方式を切換えてエンジンを運転するという技術を採用し、エンジンの運転状態に応じて上記のＨＣＣＩ燃焼（自己着火方式）とＳＩ燃焼（点火着火方式）とを切換えることが考えられる。
特開平１１−６４３６号公報特開２００６−９７６０３号公報

上記のように、エンジンの燃焼室内の混合気を燃焼させる運転方式を切換える場合には、燃焼時に発生するイオン電流を検出するセンサを用いて、その検出値に基づいて燃焼時期を制御することが考えられる。具体的には、ＨＣＣＩ燃焼時にはイオン電流に基づいて燃焼時期を制御し、ＳＩ燃焼時はプラグ点火時期に基づいて制御する。この場合、ＳＩ燃焼状態もイオン電流で検出するために、点火プラグと一体のイオン電流センサを用いることが望ましい。

しかしながら、燃焼室内の燃焼ガスによるイオン電流の特性によれば、ＨＣＣＩ燃焼時のイオン電流値はＳＩ燃焼時に比べて極めて小さい。そのため、各燃焼時のイオン電流を上記のイオン電流センサで検出し、その検出値から燃焼時期を求める電流検出回路の特性を同一にして、イオン電流を測定することは非常に困難である。すなわち、上記電流検出回路の抵抗値や回路定数を、ＨＣＣＩ燃焼時の測定に最適な値に設定して回路を構成した場合には、ＳＩ燃焼時に検出される値が大きすぎて測定ができなくなり、逆に、ＳＩ燃焼時の測定に最適な値に設定した場合には、ＨＣＣＩ燃焼時に検出される値が小さ過ぎて、測定ができないか或いは精度が低くなってしまうという問題がある。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼のように異なる燃焼方式を運転状態に応じて切換え可能な内燃機関において、両燃焼方式の利点を両立させると共に、いずれの燃焼方式においても燃焼時期制御を行うために必要なイオン電流を的確に検出可能にすることを目的とする。

本発明は、燃焼室内に供給された燃料と空気との混合気の燃焼方式を第１の燃焼方式と第２の燃焼方式とのいずれかに選択的に切換え可能であり、前記燃焼室における混合気の燃焼時期と相関性を有する状態量として、該混合気の燃焼によって発生するイオン電流が所定の状態となる時期を検出するために該イオン電流を検出する手段を有する内燃機関であって、前記イオン電流検出手段は、前記イオン電流が入力される電流入力部と、該電流入力部に入力したイオン電流の値に対応する信号を生成する信号生成部とを備え、前記信号生成部は、前記第１の燃焼方式と前記第２の燃焼方式との切換えに対応して変化する特性を有することを特徴とする。

かかる構成によれば、例えば、第１の燃焼方式がＨＣＣＩ燃焼で、第２の燃焼方式がＳＩ燃焼の場合、ＨＣＣＩ燃焼時とＳＩ燃焼時とで検出値が大きく異なるイオン電流でも、これらの燃焼方式の切換えに応じて上記信号生成部の特性を切り換えることにより、同一のイオン電流検出手段を用いて、燃焼時期と相関性のあるイオン電流を的確に検出できる。これにより、イオン電流検出手段を追加することなく、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼の両方において燃焼時期の検出に必要なイオン電流値を的確に検知することができ、過渡運転時の燃焼安定性や高効率化を図ることができる。

上記のように切り換えられる特性は、例えば、上記信号生成部を構成する回路の抵抗値或いは増幅率（ゲイン）である。その抵抗値或いは増幅率は、ＨＣＣＩ燃焼時には大きくし、ＳＩ燃焼時には小さくする。なお、これらの回路特性に合わせて適切な回路定数を有するフィルタ回路を設け、これにイオン電流検出信号を通すことによってノイズを除去することが好ましい。

従って、本発明の具体的な実施形態においては、前記信号生成部は、前記イオン電流検出手段で検出したイオン電流の値に対応する電圧を発生する抵抗回路と、該電圧を増幅する増幅回路とのいずれか一方或いは両方を含み、当該抵抗回路の抵抗値及び／又は増幅回路の増幅率を前記特性として、前記第１の燃焼方式では前記抵抗値及び／又は増幅率を増大し、前記第２の燃焼方式では前記抵抗値及び／又は増幅率を減少させるように構成される。

かかる構成によれば、ＨＣＣＩ燃焼時には、ＨＣＣＩ用の回路特性を利用した燃焼時期検出とフィードバック制御により燃焼時期を最適に制御する。また、ＳＩ燃焼時には、予めＭＢＴ（最適トルクのための最小火花）となるように設定された点火時期にてプラグ点火が行われると共に、燃焼状態の把握や失火判定なども行われる。ここで、ＨＣＣＩ燃焼時とＳＩ燃焼時では、燃焼時に検出されるイオンの数が異なるため、イオン電流検出手段の特性が一方の燃焼時に適合していても、他方の燃焼時にはイオン電流を的確に検出できないこととなる。そこで、ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼に切換えた場合にはイオン電流検出値が大きくなることから、ＳＩ燃焼に切換わったことを判定して回路特性を切換える一方、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼に切換えた場合には、イオン電流検出値が小さくなることから、ＨＣＣＩ燃焼に切換わったことを判定して回路特性を切換えるようにする。

例えば、ＨＣＣＩモードで運転しているとき、加速中のエンジン回転数と要求トルクの関係から、ＨＣＣＩの安定燃焼領域を超える場合には、ＳＩ燃焼に切換える指令が出力されるが、ＨＣＣＩ運転モードでは、ＨＣＣＩ用の検出特性にてイオン電流を検出して燃焼時期フィードバック制御を行っている。そのため、切換え中はＨＣＣＩ用の回路特性を使用するが、ＳＩ燃焼に移ると検出電流値が高くなるので、ＳＩ燃焼に切り換えたと判断し、ＳＩ燃焼用の検出回路特性を使用する。ＳＩ燃焼時においては、このイオン電流値を失火判定、ノッキング判定、燃焼割合測定等の情報として燃焼制御に使用する。逆に、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼に切換える場合には、検出電流値が小さくなるため、ＨＣＣＩ燃焼に移ったものと判断して、ＨＣＣＩ燃焼用の検出特性を使用する。

以上のように、本発明によれば、ＨＣＣＩ燃焼による高効率運転とＳＩ燃焼による広範囲運転を両立するため、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼を切換え可能な内燃機関において、一の検出手段でイオン電流を的確に検出し、それに基づいて燃焼時期を制御することができる。また、イオン電流の検出値によりＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼の切換え完了を判定できるため、これを燃焼切換え制御の判定条件としても利用できる。

図１は、本発明の一実施形態の内燃機関１と制御装置２とを含むシステム構成の概略を示す。内燃機関１は、複数の気筒３を有する内燃機関、例えば４気筒エンジンである。なお、図１では、内燃機関１の１気筒分の概略構造だけを代表的に示している。

この内燃機関１は、各気筒３の燃焼室内の混合気を圧縮することによって混合気の燃料を自己着火で燃焼させる予混合圧縮着火燃焼運転（以下、「ＨＣＣＩ運転」という）モードと、燃焼室内の混合気を火花点火によって燃焼させる火花点火燃焼運転（以下、「ＳＩ運転」という）モードとで運転可能なエンジンである。これは、自動車等の車両の推進力発生源として車両に搭載される。

各気筒３は、シリンダブロック及びシリンダヘッドなどから構成される機関基体４内に形成されている。各気筒３には、その内部を該気筒３の軸心方向に往復動自在なピストン５が収容され、このピストン５の上側（シリンダヘッド側）の空間が燃焼室６として形成されている。各ピストン５は、コンロッド７を介して内燃機関１の出力軸であるクランク軸８に連結され、各気筒３のピストン５の往復動に伴いクランク軸８が回転するようになっている。

各気筒３の燃焼室６は、吸気バルブ９により開閉される吸気ポート１０を介して吸気マニホールド１１に連通すると共に、排気バルブ１２により開閉される排気ポート１３を介して排気マニホールド１４に連通している。本実施形態では、吸気バルブ９及び排気バルブ１２は、クランク軸８の回転に連動するカムシャフトを有するバルブ駆動機構（図示省略）を介して開閉駆動される。

各気筒３に対応する吸気マニホールド１１は、全ての気筒３について共通の吸気路１５に合流している。そして、この吸気路１５には、電動式のスロットル弁１６が設けられ、このスロットル弁１６の開度を制御することによって、各気筒３への空気の吸気量が操作される。また、排気マニホールド１４は、全ての気筒３について共通の排気路２４に合流しており、各気筒３で生成される排ガスは、該排気路２４に設けられた浄化触媒を介して排出されるようになっている。

また、内燃機関１は、各気筒３毎に２つの燃料噴射装置１７，１８が備えている。本実施形態では、各気筒３の燃焼室６で燃焼させる燃料は、オクタン価が互いに異なる（ひいては着火性が互いに異なる）２種類の燃料、すなわち低オクタン価燃料及び高オクタン価燃料からなる複合燃料である。そして、燃料噴射装置１７は低オクタン価燃料用の噴射装置、燃料噴射装置１８は高オクタン価燃料用の噴射装置である。この場合、低オクタン価燃料用の噴射装置１７は、ポート噴射型であり、各気筒３に対応する吸気ポート１０に向かって低オクタン価燃料を噴射するように、吸気マニホールド１１に装着されている。また、高オクタン価燃料用の噴射装置１８は、直噴型であり、各気筒３の燃焼室６に直接的に高オクタン価燃料を噴射するように、機関基体４のシリンダヘッドの部分に装着されている。

燃料噴射装置１７，１８には、それぞれ燃料タンク（図示省略）から低オクタン価燃料、高オクタン価燃料が圧送されるようになっている。そして、これらの燃料噴射装置１７，１８は、それぞれの燃料の噴射時間（噴射弁の開弁時間）を制御可能であり、その噴射時間の制御によって、各気筒３に対する各種類の燃料の供給量（１燃焼サイクル当たりの供給量）を調整することが可能となっている。従って、各気筒３毎の燃料噴射装置１７，１８によって、各気筒３の燃焼室６にオクタン価が異なる２種類の燃料（低オクタン価燃料及び高オクタン価燃料）を、各気筒３毎且つ各種類の燃料毎に供給可能であると共に、それら２種類の燃料の供給量を、各気筒３毎に且つ各種類の燃料毎に調整可能となっている。なお、燃料噴射装置１７，１８は、各種類の燃料の噴射時期も制御可能である。

また、内燃機関１は、各気筒３毎に点火プラグ３０を備えている。この点火プラグ３０は、電極を燃焼室６内に臨ませて、機関基体４のシリンダヘッドの部分に装着されている。

以上のように構成された内燃機関１によれば、ＨＣＣＩ運転モードでは、各気筒３の各燃焼サイクル中の所要のタイミングで、該気筒３に対応する燃料噴射装置１７，１８からそれぞれ低オクタン価燃料及び高オクタン価燃料を噴射することによって、それら２種類の燃料から成る複合燃料と該気筒３の吸気行程で燃焼室６内に充填される空気との混合気が、該気筒３の圧縮行程で圧縮される。この圧縮により、混合気が高温になって複合燃料の自己着火燃焼が行われる。

また、ＳＩ運転モードでは、上記と同様に燃焼室６内の混合気が、該気筒３の圧縮行程で圧縮される。そして、圧縮された混合気の複合燃料は、点火プラグ３０から発せられる点火火花によって着火燃焼する。

この内燃機関１に供給される燃料のうち、低オクタン価燃料は、高オクタン価燃料に比べて着火性が高いので、各気筒３に供給する両燃料の総量に対して、低オクタン価燃料の供給量（噴射量）の割合をより多くすることで、該気筒３における混合気の着火性が高まることとなる。また、高オクタン価燃料は、低オクタン価燃料に比べて着火性が低いので、各気筒３に供給する両燃料の総量に対して、高オクタン価燃料の供給量（噴射量）の割合をより多くすることで、該気筒３における混合気の着火性が低下することとなる。従って、各気筒３の燃焼室６への高オクタン価燃料の供給量と低オクタン価燃料の供給量との割合を調整することによって、該気筒３における混合気の燃焼時期を各気筒３毎に調整することが可能である。

なお、高オクタン価燃料としては、例えばエタノールが使用される。また、低オクタン価燃料としては、例えばガソリン、或いはジエチルエーテルが使用される。

また、内燃機関１は、上記の構成のほか、クランク軸８の回転角度に応じたパルス信号を出力するクランク角センサ１９と、内燃機関１の吸気圧PBA（絶対圧）を検出する吸気圧センサ２０と、各気筒３の燃焼室６内における混合気の燃焼時に流れるイオン電流を検出するイオン電流センサ２１と、各気筒３で燃焼した混合気の空燃比を検出する空燃比センサ３１とを備えている。

空燃比センサ３１は、各気筒３毎の排気マニホールド１４の集合箇所の近傍で前記排気路２４に配置されている。この空燃比センサ３１は、排気中の酸素濃度に感応して、その濃度で表される空燃比（これは、燃焼室６で燃焼した混合気の空燃比に相当する。）に応じた信号を出力する。

クランク角センサ１９は、クランク軸８が所定角度、回転する毎に、パルス信号を制御装置２に出力するセンサである。該パルス信号は、制御装置２において、クランク軸８の回転角度（ある基準位置からの回転角度。以下、クランク角という）や該クランク軸８の回転数（回転速度）を検出するために使用される。

吸気圧センサ２０は、前記スロットル弁１６の下流側（前記吸気マニホールド１１の合流箇所の近傍）で吸気路１５に装着されており、その箇所での吸気路１５内の圧力をＨＣＣＩ内燃機関１の吸気圧として検出し、その検出信号を制御装置２に出力する。なお、吸気圧センサ２０の代わりに、エアフローセンサを使用してもよい。

イオン電流センサ２１は、各気筒３の燃焼室６内における混合気の燃焼時期と相関性を有する状態量として、該混合気の燃焼によって発生するイオン電流が所定の状態となる時期を検出するために、イオン電流を検出する手段を構成するものであり、各気筒３毎に備えられる。このイオン電流センサ２１は、機関基体４と電気的に絶縁した状態で各気筒３の燃焼室６に先端部を突出させた導電性のプローブ２２と、このプローブ２２に接続された信号生成部２３とで構成される。

本実施形態では、プローブ２２は、各気筒３の燃焼室６内での混合気の燃焼時に発生するイオンを引き寄せることによってイオン電流が流れる電流入力部として、点火プラグ３０と一体に設けられている。このようなプラグ一体のイオン電流入力部は、ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼時期フィードバックを行うために有用である。なお、イオン電流入力部として、プローブ２２に代えて、点火プラグ３０の電極を用いてもよい。

信号生成部２３は、プローブ２２（或いは点火プラグ３０の電極）に入力されたイオン電流に応じた電圧を生成し、これをイオン電流検出信号として制御装置２に出力するようになっている。

制御装置２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路を含む電子回路ユニット（ＥＣＵ）からなる。この制御装置２には、前記クランク角センサ１９、吸気圧センサ２０、イオン電流センサ２１、及び空燃比センサ３０からの出力信号が入力される他、この内燃機関１を搭載した車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量（踏み込み量）を検出するアクセルセンサ３２からの出力信号が入力される。また、他の種々のセンサ（図示省略）から、内燃機関１の機関温度（冷却水温もしくは油温）、吸気温度（吸気路１５に導入される空気温度）、大気圧などの検出信号が入力されるようになっている。

図２は、上記のようにイオン入力部としてのプローブ２２と共にイオン電流センサ２１を構成する信号生成部２３の構成を示す。この信号生成部２３は、プローブ２２と接地された機関基体４との間に、ダイオード２４、直流電圧源２５及び検出用抵抗回路２６を直列接続し、直流電圧源２５から正極性の直流定電圧を、ダイオード２４を介してプローブ２２に印加するようにしている。そして、各気筒３の燃焼室６内で混合気が燃焼すると、陰イオン（電子）が放出され、プローブ２２に引き寄せられる。これにより、プローブ２２と機関基体４との間で検出用抵抗回路２６を通って電流が流れる。その電流は、燃焼室６内での陰イオンの発生量（単位時間当たりの発生量）に応じたイオン電流であり、検出用抵抗回路２６には、その抵抗値に応じた電圧Ｖionが発生する。この電圧Ｖionは増幅回路２７で増幅され、低域フィルタ２８を通って、イオン電流検出信号として出力される。

検出用抵抗回路２６は、その回路特性としての抵抗値を前記運転モードの切換えに対応して変えるため、図３に示すように、２つの抵抗Ｒ1とＲ2を並列接続すると共に一の抵抗Ｒ2と直列にスイッチ２９を接続して構成されている。ここで、スイッチ２９は、リレー又はトランジスタ等のオン・オフ切換え素子で構成され、ＨＣＣＩ燃焼時にはオフで、ＳＩ燃焼時にオンとなるように、制御装置２からの信号で状態が切り換えられる。

従って、この抵抗回路２６の抵抗値は、ＨＣＣＩ燃焼時には抵抗Ｒ1のみの抵抗値であるが、ＳＩ燃焼時には、並列接続された２つのＲ1とＲ2の合成抵抗の値＝Ｒ1・Ｒ2／（Ｒ1＋Ｒ2）となり、この値は、ＨＣＣＩ燃焼時の抵抗Ｒ1の値より小さい。すなわち、抵抗値は、ＨＣＣＩ燃焼時には大きく、ＳＩ燃焼時には小さくなる。

従って、この抵抗回路２６は、ＨＣＣＩ燃焼時には、ＳＩ燃焼時に比べて極めて小さいイオン電流値でも、抵抗値を大きくすることによって大きな電圧として出力することができる。

次に、増幅回路２７は、その回路特性としての増幅率を前記運転モードの切換えに対応して変えるものである。そのため、図４に示すように、上記抵抗回路２６の出力電圧が加えられる２つの入力端子の一方に、入力側抵抗Ｒiを介して差動増幅器４０の−側入力端を接続し、２つの入力端子の他方を接地してこれに差動増幅器４０の＋側入力端を接続し、更に差動増幅器４０の−側入力端と出力端との間に、前記抵抗回路２６と同様に２つの抵抗Ｒf1とＲf2を並列接続すると共に一の抵抗Ｒf2と直列にスイッチ４１を接続して構成したフィードバック抵抗回路を接続することで、増幅回路２７を構成している。ここで、スイッチ４１は、前記抵抗回路２６のスイッチ２９と同様にリレー又はトランジスタ等のオン・オフ切換素子で構成され、ＨＣＣＩ燃焼時にはオフ、ＳＩ燃焼時にはオンとなるように、制御装置２からの信号で状態が切り換えられる。

従って、上記フィードバック抵抗回路の抵抗値は、ＨＣＣＩ燃焼時には抵抗Ｒf1のみであるが、ＳＩ燃焼時には、並列接続された２つのＲf1とＲf2の合成抵抗の値＝Ｒf1・Ｒf2／（Ｒf1＋Ｒf2）となり、この値は、ＨＣＣＩ燃焼時の抵抗Ｒf1の値より小さい。従って、増幅回路２７の回路特性としての増幅率は、ＨＣＣＩ燃焼時には−Ｒf1／Ｒi で、ＳＩ燃焼時には、−Ｒf1・Ｒf2／（Ｒf1＋Ｒf2）Ｒiとなる。すなわち、増幅率は、ＨＣＣＩ燃焼時には大きく、ＳＩ燃焼時には小さくなる。

従って、増幅回路２７は、ＨＣＣＩ燃焼時には、ＳＩ燃焼時に比べて極めて小さいイオン電流値でも、増幅率を大きくすることによって大きな電圧として出力することができる。

なお、図の例では、差動増幅器４０を反転増幅器としているが、増幅器はこれに限られるものではない。

フィルタ回路２８は、上記の抵抗回路２６及び増幅回路２７の回路特性の変更に対応して、最適なフィルタ特性となるように、フィルタ回路の定数を選択することが必要である。また、各設定値は内燃機関の仕様や運転範囲等により最適な値をもつので、設計時に最適な値を設定することが必要である。

ここで、各気筒３に対応するイオン電流センサ２１で検出されるイオン電流と該気筒３での混合気の燃焼時期との関係について説明する。

各気筒３における混合気の燃焼時に、熱発生率（単位クランク角あたりの発生熱量）が最大となるクランク角をCA_dQmaxとすると、そのクランク角CA_dQmaxは、該気筒３における混合気の燃焼時期の代表値としての意味を持つ。そして、その混合気の燃焼時においてイオン電流センサ２１で検出されるイオン電流は、一般に、図５に例示するように、クランク角がある値CA_ionmaxでピーク値（最大値）を持つようなパターン（波形）で増減する。この場合、イオン電流が最大値となるクランク角CA_ionmaxは、熱発生率が最大となる上記クランク角CA_dQmaxと強い相関性を有し、CA_dQmaxとの差がほぼ一定に保たれる。従って、CA_ionmaxと、CA_dQmaxとの間には、図６に示すように線形関係が成立する。ひいては、各気筒３に関するCA_ionmaxは、該気筒３における混合気の燃焼時期と強い相関性を有することとなる。

そこで、本実施形態では、イオン電流センサ２１で検出されるイオン電流が最大値となるクランク角CA_ionmax（以下、イオン電流ピーククランク角CA_ionmaxという）を、燃焼時期と一定の相関性を有する状態量として用いる。そして、イオン電流センサ２１の出力は、制御装置２において、イオン電流ピーククランク角CA_ionmaxを検出するために使用される。

なお、燃焼時期に対応する状態量として使用し得る状態量は、イオン電流ピーククランク角CA_ionmaxに限られない。例えば、イオン電流がある所定値を超えるクランク角又は時刻、気筒３内の圧力（筒内圧）がピーク値となるようなクランク角又は時刻、或いは筒内圧が所定値を越えるクランク角又は時刻を、燃焼時期対応状態量として使用してもよい。また、燃焼時期を、例えばレーザを使用して推定することも可能であり、その推定値を燃焼時期対応状態量として使用するようにしてもよい。

図７（Ａ）は、上記信号生成部２３の回路特性を変更する処理を示すフローチャートであり、この処理は制御装置２のＥＣＵによって実行される。ここで、回路特性は、ＥＣＵで決定した燃焼指令と現在の燃焼方式の状況によって選択される。

初めに、燃焼方式を決める条件により、燃焼指令がＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼のいずれかを判定する。すなわち、燃焼指令がＨＣＣＩ燃焼か否かを判定する（ＳＴ１）。その結果“Ｙｅｓ”であれば、現在の燃焼がＨＣＣＩか否かを判定する（ＳＴ２）。これも“Ｙｅｓ”であれば、ＨＣＣＩ燃焼用の回路特性を選択し（ＳＴ３）、前述のスイッチ２９及び／又は４１をオフとする（ＳＴ４）。

上記ＳＴ２の判定で“Ｎｏ”、すなわち現在の燃焼がＳＩ燃焼で、燃焼指令がＨＣＣＩ燃焼の場合には、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換えであるから、イオン電流のピーク値（Ion_max）が閾値（Limit_SI）より小さいか否かを判定し（ＳＴ５）、“Ｙｅｓ”のとき、ＨＣＣＩ燃焼に切り替わったと判定して（ＳＴ６）、ＨＣＣＩ燃焼用の回路特性を選択し（ＳＴ３）、前述のスイッチ２９及び／又は４１をオフとする（ＳＴ４）。

一方、ＳＴ１の判定で“Ｎｏ”、すなわち燃焼指令がＳＩ燃焼の場合には、現在の燃焼がＨＣＣＩか否かを判定する（ＳＴ７）。これも“Ｎｏ”であれば、ＳＩ燃焼用の回路特性を選択し（ＳＴ８）、前述のスイッチ２９及び／又は４１をオンとする（ＳＴ９）。また、上記ＳＴ５の判定で“Ｎｏ”、すなわちイオン電流のピーク値（Ion_max）が閾値（Limit_SI）以上の場合も、ＳＩ燃焼用の回路特性を選択し（ＳＴ８）、前述のスイッチ２９及び／又は４１をオンとする（ＳＴ９）。

上記ＳＴ７の判定で“Ｙｅｓ”、すなわち現在の燃焼がＨＣＣＩ燃焼で、燃焼指令がＳＩ燃焼の場合には、ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換えであるから、イオン電流のピーク値（Ion_max）が閾値（Limit_HCCI）より大きいか否かを判定し（ＳＴ１０）、“Ｙｅｓ”のとき、ＳＩ燃焼に切り替わったと判定して（ＳＴ１１）、ＳＩ燃焼用の回路特性を選択し（ＳＴ８）、前述のスイッチ２９及び／又は４１をオフとする（ＳＴ９）。上記ＳＴ１０の判定で“Ｎｏ”、すなわちイオン電流のピーク値（Ion_max）が閾値（Limit_HCCI）以下の場合には、ＨＣＣＩ燃焼用の回路特性を選択し（ＳＴ３）、前述のスイッチ２９及び／又は４１をオフとする（ＳＴ４）。

上記の処理において、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換え完了を判定するための閾値（Limit_SI）と、ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換え完了を判定するための閾値（Limit_HCCI）は、それぞれ図７（Ｂ）に示すように、要求トルクに比例して増加するように設定される。

本実施態様の回路特性を変更する処理は、上記のように燃焼指令と現在の燃焼方式とに応じて回路特性を選択する。すなわち、燃焼指令がＨＣＣＩで、現在の燃焼もＨＣＣＩの場合には、そのままＨＣＣＩ用の回路特性を選択し、特性切換え用のス上記イッチをオフの状態とする。また、燃焼指令がＳＩで現在の燃焼もＳＩの場合には、ＳＩ用回路特性を選択し、上記スイッチをオンの状態とする。これに対し、燃焼指令がＨＣＣＩで、現在の燃焼がＳＩの場合は、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切換え途中であるから、前記のように検出されるイオン電流のピーク値Ion_maxが閾値（Limit_SI）よりも小さくなったときにＨＣＣＩ燃焼への切換え完了と判定し、ＨＣＣＩ用の回路特性を選択して、上記スイッチをオフにする。逆に、燃焼指令がＳＩで現在の燃焼がＨＣＣＩの場合は、ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換え途中であるから、イオン電流のピーク値Ion_maxが閾値（Limit_HCCI）を超えたときにＳＩ燃焼への切換え完了と判定し、ＳＩ用の回路特性を選択して、上記スイッチをオンにするものである。

最後に、本実施形態において、上記のようにイオン電流センサ２１の回路特性を切換えることによる効果について説明する。

図８は、燃焼切換えパターン１を示す。これは、ＨＣＣＩ燃焼中の燃焼時期を推定するため、ＨＣＣＩ燃焼用の回路特性でイオン電流を計測する場合である。上記の回路特性の切換えが無いときは、（Ａ）に示すように、ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼に切換わると検出値が大きすぎて測定範囲を超えてしまうため、計測できないが、上記のようにＳＩ燃焼用の回路特性に切換えると、（Ｂ）に示すように、燃焼切換え後もイオン電流の計測が可能となり、燃焼時期を推定することができる。

図９は、燃焼切換えパターン２を示す。これは、ＳＩ燃焼中の燃焼時期を推定するため、ＳＩ燃焼用の回路特性でイオン電流を計測する場合である。上記の回路特性の切換えが無いときは、（Ａ）に示すように、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼に切換わると検出値が小さ過ぎてノイズ等に埋もれてしまい、正確な燃焼時期を把握できないが、上記のようにＨＣＣＩ燃焼用の回路特性に切換えると、（Ｂ）に示すように、燃焼切換え後もイオン電流の計測が可能となる。

本発明の一実施形態の内燃機関を含むシステム構成を示す図。イオン電流センサを構成する信号生成部の回路構成を示す図。信号生成部の抵抗回路の構成を示す図。信号生成部の増幅回路の構成を示す図。イオン電流センサで検出されるイオン電流の波形の一例を示すグラフ。イオン電流に関する特性を示すグラフ。信号生成部の回路特性を変更する処理を示すフローチャート。燃焼切換えパターン１として、ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼に切換える場合を示すグラフ。燃焼切換えパターン２として、ＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼に切換える場合を示すグラフ。

符号の説明

１…内燃機関、２…制御装置、３…気筒、６…燃焼室、１７，１８…燃料噴射装置、２１…イオン電流センサ、２２…プローブ、２３…信号生成部、３０…点火プラグ。

Claims

燃焼室内に供給された燃料と空気との混合気の燃焼方式を第１の燃焼方式と第２の燃焼方式とのいずれかに選択的に切換え可能であり、前記燃焼室における混合気の燃焼時期と相関性を有する状態量として、該混合気の燃焼によって発生するイオン電流が所定の状態となる時期を検出するために該イオン電流を検出する手段を有する内燃機関であって、
前記イオン電流検出手段は、前記イオン電流が入力される電流入力部と、該電流入力部に入力したイオン電流の値に対応する信号を生成する信号生成部とを備え、
前記信号生成部は、前記第１の燃焼方式と前記第２の燃焼方式との切換えに対応して変化する特性を有することを特徴とする内燃機関。
請求項１記載の内燃機関において、
前記信号生成部は、前記イオン電流検出手段で検出したイオン電流の値に対応する電圧を発生する抵抗回路を含み、該抵抗回路の抵抗値を前記特性として、該抵抗値が前記第１の燃焼方式では増大し、前記第２の燃焼方式では減少するように構成されることを特徴とする内燃機関。
請求項１記載の内燃機関において、
前記信号生成部は、前記イオン電流検出手段で検出したイオン電流の値に対応する電圧を増幅する増幅回路を含み、該増幅回路の増幅率を前記特性として、該増幅率が前記第１の燃焼方式では増大し、前記第２の燃焼方式では減少するように構成されることを特徴とする内燃機関。
請求項１記載の内燃機関において、
前記信号生成部は、前記イオン電流検出手段で検出したイオン電流の値に対応する電圧を発生する抵抗回路と、該電圧を増幅する増幅回路とを含み、前記抵抗回路の抵抗値及び前記増幅回路の増幅率を前記特性として、前記第１の燃焼方式では前記抵抗値及び前記増幅率を増大し、前記第２の燃焼方式では前記抵抗値及び前記増幅率を減少させることを特徴とする内燃機関。
請求項１乃至４のいずれか記載の内燃機関において、
前記第１の燃焼方式は、予混合圧縮着火により前記混合気を燃焼させる方式、前記第２の燃焼方式は、火花点火により前記混合気を燃焼させる方式であることを特徴とする内燃機関。