JP2009127509A - 内燃機関用の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン電流の第二ピーク位置を、特に問題にすることなく、常に適切なＭＢＴ制御が可能な燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】燃焼室の混合気の燃焼時に発生するイオンに対応したイオン電流を検出する信号検出部３と、信号検出部３からの検出信号について、放電ノイズ終了後のデータを抽出するためのウインド区間を特定するウインド特定手段と、ウインド区間の前記検出信号にＢＰＦ処理を施してイオン電流を抽出する抽出手段と、前記イオン電流を時間軸上に積分して得られる面積を二分するクランク角度を算出し、このクランク角度をＭＢＴ制御用の目標値に近づけるよう点火時期をフィードバック制御する点火制御手段と、を有して構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関において、イオン電流のピーク位置が明確に取得できない低負荷状態であっても、正確なＭＢＴ制御を実現することができる燃焼制御装置に関する。

最適点火時期ＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）とは、エンジン回転速度及び空燃比が一定の状態において、最大のトルクが得られる点火時期を言う。このＭＢＴは、運転条件に応じて異なるが、イオン電流の挙動と密接に関係していることが知られている。

すなわち、エンジンが正常に燃焼している場合、イオン電流は第一ピークを示した後、上死点ＴＤＣの手前で減少して再び増加し、燃焼圧が最大となるクランク角の近傍で最大となり、イオン電流の第二ピークを示す（図３（ａ）参照）。

そして、点火時期がＭＢＴに適合している場合には、燃焼圧の最大値となる圧力ピーク位置が、上死点ＴＤＣから特定のクランク角度だけ遅角した点に一致する。燃焼圧のピーク位置は、例えば、上死点から１５°ＣＡ（クランク角）遅角した位置に現れる。

そこで、点火コイルの二次側にイオン電流検出回路を設け、そのイオン電流波形の第二ピーク位置が、目標値に一致するようフィードバック制御（進角／遅角制御）すれば良いことになる（図３（ｂ）参照）。

しかしながら、イオン電流は、もともと非常に微弱であるので、運転状態によっては、その波形の第二ピーク位置を明確に特定できないことがある。特に、低負荷領域では、イオン電流の第二ピーク位置を検出できないこともあり、その結果、適切な燃焼制御ができないことになる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、イオン電流の第二ピーク位置を、特に問題にすることなく、常に適切なＭＢＴ制御が可能な燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る内燃機関の燃焼制御装置は、燃焼室の混合気の燃焼時に発生するイオンに対応したイオン電流を検出する信号検出部と、前記信号検出部からの検出信号について、放電ノイズ終了後のデータを抽出するためのウインド区間を特定するウインド特定手段と、前記ウインド区間の前記検出信号にＢＰＦ処理を施してイオン電流を抽出する抽出手段と、前記イオン電流を時間軸上に積分して得られる面積を二分するクランク角度（イオン電流の面積５０％位置）を算出し、このクランク角度をＭＢＴ制御用の目標値に近づけるよう点火時期をフィードバック制御する点火制御手段と、を有して構成される。

前記ＭＢＴ制御用の目標値は、好ましくは、前記面積を二分する位置のクランク角度と、燃焼質量割合５０％位置との相関関係、及び、燃焼質量割合５０％位置とＭＢＴ点火時期との対応関係から特定される。ここで、燃焼質量割合とは、燃焼した燃料の質量全体を１００％とし（無次元化）、当該クランク角時点までに燃焼した燃料の積算値を意味する。そして、本発明者の研究によれば、図２に示すように、イオン電流の面積５０％位置と、燃焼質量割合５０％位置とが強い相関関係があることが発見された。図２は、種類の異なる多数のエンジンについて、種々の燃焼実験を繰り返した結果を、横軸をイオン電流の面積５０％位置（クランク角）とし、縦軸を燃焼質量割合５０％位置として整理したものである。

なお、上記の相関図は、イオン電流の第二ピークが、明瞭に把握できる燃焼状態の場合における実験結果であり、第二ピークが検出できないような低負荷領域では、上記したほどの相関は認められない。しかし、第二ピークが検出できない燃焼状態でも、イオン電流の面積５０％位置Ｘｉと、燃焼質量割合５０％位置Ｙｉの相関係数が、０．８以上であることが確認されている。なお、相関係数は、イオン電流の面積５０％位置Ｘｉと、燃焼質量割合５０％位置Ｙｉの共分散を、各々の標準偏差で割った値で定義される。

以上の通り、本発明者の研究によれば、燃焼状態に拘わらず、イオン電流の面積５０％位置Ｘｉと、燃焼質量割合５０％位置Ｙｉとの関係に強い相関が認められる。そこで、エンジン毎に異なる特性に基づいて、予め実験的に、(a)面積５０％位置Ｘｉと、燃焼質量割合５０％位置Ｙｉとの関係や、(b)燃焼質量割合５０％位置Ｙｉと燃焼圧のピーク位置との関係を把握しておけば、ＭＢＴを実現する面積５０％位置Ｘｉの目標値を設定することが可能となり、この目標値に一致するようフィードバック制御（進角／遅角制御）すれば良いことになる。

本発明の制御は、イオン電流の第二ピーク位置が不明瞭となる低負荷状態の場合だけ使用しても良いし、運転状態に拘わらず使用しても良い。但し、制御性能としては、第二ピーク位置による燃焼制御の方が優れているので、第二ピーク位置が検出できない場合だけ、イオン電流の面積５０％位置Ｘｉによる燃焼制御を採る前者の制御方法の方が好ましい。

常に面積５０％位置Ｘｉによって燃焼制御をする後者の制御方向を採ることもでき、この場合には、第二ピーク位置が、放電ノイズ終了タイミングに近づく場合や、放電ノイズ区間に重複するような場合には、本発明のアルゴリズムにより特定された面積５０％位置Ｘｉを、時間軸前方に補正するのが好ましい。これは、運転状態によっては、点火パルスが消滅した後に発生する放電ノイズに、イオン電流の第一ピークや第二ピークが埋没してしまうことがあり、このような特殊状態の場合にまで、イオン電流の面積５０％位置Ｘｉに基づく燃焼制御をするのが不合理だからである。なお、如何なる運転状態において前記した特殊状態となるか、その場合に、時間軸前方にどの程度の補正量（クランク角度）をとれば良いかは、予め実験的に特定される。

以上説明した本発明によれば、イオン電流の第二ピーク位置を、特に問題にすることなく、常に適切なＭＢＴ制御が可能な燃焼制御装置を実現することができる。

以下、本発明を実施形態について詳細に説明する。

図１（ａ）は、内燃機関用の燃焼制御装置ＥＱＵを示す回路図である。この燃焼制御装置ＥＱＵは、１次コイル１Ｐと２次コイル１Ｓとが電磁結合された点火コイル１と、点火コイル１を断続的に駆動するスイッチングトランジスタ２と、点火コイルの２次コイル１Ｓに接続されたイオン電流検出回路３と、スイッチングトランジスタ２をＯＮ／ＯＦＦ制御すると共にイオン電流検出回路３からのアナログ検出信号ＳＧを受けるＥＣＵ（電子制御ユニット：Electronic Control Unit）４とで構成されている。そして、点火コイルの２次コイル１Ｓとグランドラインとの間に点火プラグ５が接続されている。

図示の通り、スイッチングトランジスタ２のベース端子は、ＥＣＵ４に接続され、コレクタ端子は、点火コイルの一次コイル１Ｐに接続され、エミッタ端子は、グランドラインに接続されている。

イオン電流検出回路３は、点火プラグ５の放電電流で充電されるバイアス用のコンデンサＣと、コンデンサＣに並列接続されてコンデンサＣの充電電圧を規制するツェナーダイオードＺＤと、ツェナーダイオードＺＤに直列接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の両端に接続された増幅部ＡＭＰとで構成されている。

ツェナーダイオードＺＤとダイオードＤ１のアノード端子は、互いに直結され、ダイオードＤ１のカソード端子はグランドラインに接続されている。また、ツェナーダイオードＺＤのカソード端子は、二次コイル１Ｓに接続されている。

イオン電流検出回路３の増幅部ＡＭＰは、反転端子と非反転端子と出力端子とを有する増幅素子Ｑ１と、増幅素子Ｑ１の反転端子に接続される入力抵抗Ｒ１と、増幅素子Ｑ１の反転端子と出力端子の間に接続される帰還抵抗Ｒ２とで構成されている。なお、増幅素子Ｑ１の反転端子とグランドラインとの間に、増幅素子Ｑ１を保護するためのダイオードＤ２を接続しても良い。

増幅素子Ｑ１として、この実施例では、ＯＰアンプを使用している。ＯＰアンプは、その入力インピーダンスがほぼ無限大で、反転端子と非反転端子との間が、仮想的に短絡状態である。そのため、図１（ｂ）に示す電流Ｉは、入力抵抗Ｒ１と帰還抵抗Ｒ２に共通して流れることになり、増幅部ＡＭＰの出力電圧Ｖｏｕｔは、電流Ｉと帰還抵抗Ｒ２の積となる（Ｖｏｕｔ＝Ｉ×Ｒ２）。つまり、この増幅部ＡＭＰでは、帰還抵抗Ｒ２が入力電流Ｉの検出抵抗として機能している。

図１の回路構成において、二次コイル１Ｓに負の高電圧が発生すると、図１（ａ）に示すように、点火プラグ５が点火放電し、点火電流がコンデンサＣを充電する。この時、コンデンサＣにはツェナーダイオードＺＤが並列接続されているので、コンデンサＣの両端電圧は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧Ｖｚに一致する。なお、この放電時には、ダイオードＤ１が短絡状態（ＯＮ）となるので、入力抵抗Ｒ１やその他の回路素子に流れる電流を無視することができる。

その後、二次コイル１Ｓの高電圧が消滅すると（図１（ｄ）参照）、コンデンサＣに充電されたバイアス電圧は、図１（ｂ）に示す経路で放電する。この放電電流は、イオン電流Ｉに他ならず（図１（ｅ）参照）、イオン電流Ｉは、増幅素子Ｑ１の出力端子→帰還抵抗Ｒ２→入力抵抗Ｒ１→コンデンサＣ→二次コイル１Ｓ→点火プラグ５の経路で流れる。先に説明した通り、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｒ２×Ｉの関係が成立するので、増幅部ＡＭＰからはイオン電流Ｉに比例した電圧が得られる。

ＥＣＵ４は、ＣＰＵ４ａと、Ａ／Ｄコンバータ４ｂと、出力ポート４ｃと、メモリ部４ｄとを有して構成されている。そして、Ａ／Ｄコンバータ４ｂは、イオン電流検出回路３からアナログ検出信号ＳＧを直接的に受けて、これデジタルデータに変換している。また、出力ポート４ｃからは、スイッチングトランジスタ２のベース端子に向けて点火パルスが出力されている。

本実施例では、図１（ａ）に示すイオン電流検出回路３によってイオン電流を含んだ検出信号が取得され、これがＡＤ変換されて、ＥＣＵ４のメモリに記憶される。記憶された検出信号は、放電ノイズを含んでいるので、これを排除するべく切出しウインドが設定され、切出しウインド区間内の検出信号についてＢＰＦ処理を施してイオン電流を抽出する。なお、切出しウインド区間内の検出信号についてだけ、ＡＤ変換してメモリに記憶しても良いのは勿論である。

いずれにしても、切出しウインドの開始点は、放電ノイズの終了点とされる。放電ノイズとは、点火プラグの火花放電終了直後に、点火コイルの残留磁気エネルギによって発生するＬＣ共振波であるので、原理的に、時間軸上ほぼ左右対称となる。また、放電ノイズ波形と本来のイオン電流波形とは、その急峻度において有意に異なるので、これらの性質に基づいて放電ノイズの終了点を特定することができる。

一方、放電ノイズの終了点や、イオン電流の終了点は、運転条件に応じて変化するものの、運転条件毎に予め実験的に特定することも可能である。したがって、運転条件を示すセンサ出力を検出キーにする「切出しウインドテーブル」をメモリに記憶しておき、リアルタイムに変化するセンサ出力に基づいて最適な切出しウインドを選択するのも好適である。

上記いずれの場合でも、切出しウインド内の検出信号についてＢＦＰ処理を施すことで、イオン電流が抽出される。そして、ＢＦＰ処理により抽出されたイオン電流の挙動を解析し、もし、イオン電流の第二ピークが明瞭に検出できる場合には、検出した第二ピーク位置が、ＭＢＴ制御用に設定されている目標値に一致するようフィードバック制御する。

一方、第二ピークが検出できない場合には、イオン電流を時間軸上に積分することでイオン電流の面積を算出し、その面積を二分する位置のクランク角度を特定する。この場合、(a)面積５０％位置Ｘｉと、燃焼質量割合５０％位置Ｙｉとの関係や、(b)燃焼質量割合５０％位置Ｙｉと燃焼圧のピーク位置との関係は予め実験的に特定されているので、ＭＢＴ制御用に設定されている面積５０％位置Ｘｉの目標値と、燃焼サイクル毎に算出される面積５０％位置とが一致するようフィードバック制御をすることになる。

もっとも、運転状態によっては、放電ノイズにイオン電流の第一ピークや第二ピークなどの重要部分が埋没してしまうことがある。但し、このような事態が、如何なる運転状態に発生するか、その場合に時間軸前方にどの程度の補正量（クランク角度）をとれば良いかは、ある程度、実験的に把握されている。そこで、イオン電流の重要部分が放電ノイズに埋没してしまう可能性の高い運転状態では、メモリに予め用意されている補正テーブルに基づいて、算出した面積５０％位置を時間軸前方に補正する。

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、具体的な記載内容は、特に本発明を限定するものではない。

実施例に係る燃焼制御装置の回路構成を示す回路図である。 イオン電流の面積５０％位置（クランク角）と、燃焼質量割合５０％位置との相関を示す図面である。 正常燃焼時におけるイオン電流波形と燃焼圧力波形との関係を示す図面である。

符号の説明

ＥＱＵ 燃焼制御装置
３ 信号検出部（イオン電流検出回路）

Claims (5)

1. 燃焼室の混合気の燃焼時に発生するイオンに対応したイオン電流を検出する信号検出部と、
   前記信号検出部からの検出信号について、放電ノイズ終了後のデータを抽出するためのウインド区間を特定するウインド特定手段と、
   前記ウインド区間の前記検出信号にＢＰＦ処理を施してイオン電流を抽出する抽出手段と、
   前記イオン電流を時間軸上に積分して得られる面積を二分するクランク角度を算出し、このクランク角度をＭＢＴ制御用の目標値に近づけるよう点火時期をフィードバック制御する点火制御手段と、
   を有して構成されることを特徴とする燃焼制御装置。
2. 前記ＭＢＴ制御用の目標値は、前記面積を二分する位置のクランク角度と、燃焼質量割合５０％位置との相関関係、及び、燃焼質量割合５０％位置とＭＢＴ点火時期との対応関係から特定される請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 前記検出信号は、デジタルデータに変換された後に前記ＢＰＦ処理が施される請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記抽出手段により抽出されるイオン電流について、その第二ピーク位置を特定するピーク位置検知手段を、更に設け、
   前記ピーク位置検知手段が有効に機能しない場合だけ、前記点火制御手段を機能させる請求項1〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。
5. 前記第二ピーク位置が明確に特定できないと思われる運転状態を予め特定しておき、この運転状態の場合に限り、前記点火制御手段を機能させる請求項1〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。