JP2009221890A - 内燃機関の燃焼状態判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内のイオン電流が閾値以上である期間に基づき燃焼状態を判定する内燃機関の燃焼状態判定方法において、トルクに寄与しない後燃えを前記期間の時間に含むことによって、燃焼状態の誤判定を防ぐ。
【解決手段】点火後最初に発生する主燃焼に基づくイオン電流が閾値以上である主燃焼時間と、主燃焼後に発生する後燃えのうち最後のものに基づくイオン電流が閾値以上である全経過時間と、前記測定開始時点から主燃焼後に発生する後燃えの全てに基づくイオン電流が閾値以上である期間を積算したものと前記主燃焼時間とを合算した燃焼持続時間とをそれぞれ計測し、全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率が所定値を上回る場合に、燃焼状態を判定する基準として全経過時間を選択し、全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率が所定値を下回る場合、判定基準として主燃焼時間を選択する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内に点火ごとに発生させるイオン電流を検出し、検出したイオン電流を利用して燃焼状態の判定を行う内燃機関の燃焼状態判定方法に関する。

従来より、内燃機関の始動時には、始動時補正により空燃比が理論空燃比よりリッチ側になるように燃料噴射量を増量することが行われてきているが、排気ガス中の炭化水素の排出量を抑える規制に対応すべく、内燃機関の始動後は直ちに空燃比を排気ガス中の炭化水素濃度が最も低くなる理論空燃比前後に変化させるようにする必要が発生している。しかし、このように設定すると、重質燃料が燃料タンクに入れられた際に、Ｏ₂センサが活性化していない冷間始動時において、燃料が十分気化しないことにより燃焼状態の悪化が発生することがある。そこで、このような燃焼状態の悪化を検知できる方法が求められている。このような方法の一例として、例えば次に述べるようなものが考えられている。すなわち、内燃機関の燃焼室内に点火ごとに発生させるイオン電流を検出し、検出したイオン電流が閾値以上である期間を燃焼状態の持続時間として数回計測し、この持続時間の変動率が所定値以上であった場合に燃焼状態が悪化しているものと判定するものが考えられている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平６−４２３８４号公報

ところで、空燃比が理論空燃比前後であれば、点火後最初に発生する主燃焼の後発生する後燃えは少ない。また、運転に用いられるトルクの大半は点火後最初に発生する主燃焼から得られるものであり、後燃えから得られるトルクは無視できるほど小さい。しかして、特許文献１記載の方法で計測される燃焼状態の持続時間には後燃えの持続時間が含まれる。このような方法を採用すると、考慮すべきでない後燃えまで前記全持続時間に含められることにより持続時間の変動率が大きくなり、燃焼状態が悪化したと誤判定されることがある。

本発明は、このような課題を解決すべく構成するものである。

すなわち本発明に係る内燃機関の燃焼状態判定方法は、内燃機関の燃焼室内に点火ごとに発生させるイオン電流を検出し、検出したイオン電流が閾値以上である期間の時間に基づき燃焼状態を判定する燃焼状態判定方法であって、点火後の上死点を含む所定の測定開始時点から点火後最初に発生する主燃焼に基づくイオン電流が閾値を下回る時点までの主燃焼時間と、前記測定開始時点から主燃焼後に発生する後燃えのうち最後のものに基づくイオン電流が閾値を下回る時点までの全経過時間と、前記測定開始時点から主燃焼後に発生する後燃えの全てに基づくイオン電流が閾値以上である期間を積算したものと前記主燃焼時間とを合算した燃焼持続時間とをそれぞれ計測し、全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率が所定値を上回る場合、燃焼状態を判定する基準として全経過時間を選択し、全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率が所定値を下回る場合、燃焼状態を判定する基準として主燃焼時間を選択することを特徴とする。

このようなものであれば、後燃えの比率が小さく、全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率が所定値を下回る場合には、測定開始点から燃焼終了までの全経過時間でなく主燃焼時間を利用して前記判定を行うことにより、考慮すべきでない後燃えによる影響を除外することによって、燃焼状態が悪化したと誤判定することを防ぐことができる。さらに、検出したイオン電流が閾値以上である期間のクランク角でなく時間に基づき燃焼状態を判定するので、回転数によらず燃焼状態の判定精度を確保できる。加えて、全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率は無次元数であるので、後燃えの比重を判断する際に他のパラメータによる影響を排除してロバスト性を向上できる。

本発明に係る燃焼状態判定方法によれば、後燃えの比率が小さくなることにより、全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率が所定値を下回る場合には、後燃えは無視できるものと見なして、全経過時間でなく主燃焼時間を利用して燃焼状態の判定を行うことにより考慮すべきでない後燃えによる影響を除外することによって、燃焼状態が悪化したと誤判定することを防ぐことができる。さらに、検出したイオン電流が閾値以上である期間のクランク角でなく時間に基づき燃焼状態を判定するので、回転数によらず燃焼状態の判定精度を確保できる。加えて、全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率は無次元数であるので、後燃えの比重を判断する際に他のパラメータによる影響を排除してロバスト性を向上できる。

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に概略的に示した内燃機関たるエンジン１００は自動車用の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に連通する吸気系１の吸気マニホルド４の、シリンダ１０に吸気弁１０ａを介して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、この燃料噴射弁５を、電子制御装置６により各気筒毎に独立して噴射すべく制御するようにしている。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空燃比センサである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三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。このＯ₂センサ２１は通常のＯ₂センサとして周知のものとほぼ同様の構成を有している。

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おり、その入力インターフェース９には、サージタンク３内の吸気圧ＰＭＴＰＢを検出するための吸気圧センサ１３からの吸気圧信号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から出力されるクランク角度基準位置信号Ｇ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からの車速信号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からのＬＬ信号ｄ、エンジンの冷却水温を検出するための水温センサ１７からの水温信号ｅ、上記したＯ₂センサ２１からの電流信号ｈなどが入力される。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に対してイグニッションパルス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。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バイアス電圧を印加するものである。そして、電圧の印加により、スパークプラグ１８の電極間に流れたイオン電流Ｉｉｏｎは、イオン電流測定用回路２５により測定される。また、イオン電流測定用回路２５は、後述する波形整形回路たるコンパレータ２５ａを有し、電子制御装置６の入力インターフェース９に電気的に接続され、電圧の印加により発生したアナログ信号であるイオン電流を、方形波（パルス）状に波形整形して出力する。コンパレータ２５ａは、図２に示すように、あらかじめ設定されたイオン電流Ｉｉｏｎの閾値に対応する強さの所定電流値Ｉｒｅｆとバイアス用電源２４を介して入力されるイオン電流Ｉｉｏｎとを比較し、イオン電流Ｉｉｏｎが前記所定電流値Ｉｒｅｆを上回った場合に出力信号Ｉｏｕｔを出力する。すなわち、出力信号Ｉｏｕｔは、前記所定電流値Ｉｒｅｆを上回った時点で立ち上がり（オンし）、下回った時点で立ち下がる（オフする）方形波となる。このコンパレータ２５ａの出力端は、イオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を計測するために入力インターフェース９を介して中央演算処理装置７に接続される。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、エンジン状況に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間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該燃料噴射弁５から吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵している。

加えて、前記電子制御装置６には、点火から所定時間の間、点火後の上死点を含む所定の測定開始時点から点火後最初に発生する主燃焼に基づくイオン電流Ｉｉｏｎが閾値を下回る時点までの主燃焼時間ａｔｄｃと、前記測定開始時点から主燃焼後に発生する後燃えのうち最後のものに基づくイオン電流Ｉｉｏｎが閾値を下回る時点までの全経過時間ａｔｄｃｍａｘと、前記測定開始時点から主燃焼後に発生する後燃えの全てに基づくイオン電流Ｉｉｏｎが閾値以上である期間を積算したものと前記主燃焼時間ａｔｄｃとを合算した燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔとを計測し、全経過時間ａｔｄｃｍａｘ又は主燃焼時間ａｔｄｃの一方を燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５として選択し、選択された燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５に基づき燃焼状態を判定する燃焼状態判定プログラムも内蔵している。

ここで、主燃焼時間ａｔｄｃ、全経過時間ａｔｄｃｍａｘ、及び燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔの計測は、コンパレータ２５ａからの出力信号Ｉｏｕｔが、イオン電流Ｉｉｏｎが閾値に対応する前記所定電流値Ｉｒｅｆを上回った時点で立ち上がり（オンし）、閾値に対応する前記所定電流値Ｉｒｅｆを下回った時点で立ち下がることを利用して行う。

また、前記燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５の選択は、全経過時間ａｔｄｃｍａｘの燃焼時間ａｔｄｃに対する比率、及び燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔの主燃焼時間ａｔｄｃに対する比率の積、すなわち全経過時間ａｔｄｃｍａｘと燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔとの積の主燃焼時間ａｔｄｃの２乗に対する比率Ｒ４に基づいて行う。すなわち、この比率Ｒ４が所定値Ｌｂを上回らない場合は後燃えは無視できるとして主燃焼時間ａｔｄｃを燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５として選択し、前記比率Ｒ４が所定値Ｌｂを上回る場合は全経過時間ａｔｄｃｍａｘを燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５として選択し、する。そして、選択された燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５が燃焼状態悪化判定閾値Ｌより長いか否かを判定することにより燃焼状態が悪化しているか否かを判定するようにしている。なお、前記燃焼状態悪化判定閾値Ｌは、空燃比が理論空燃比近傍である際の平均的な主燃焼時間ａｔｄｃよりも十分長い値に設定している。また、前記所定値Ｌｂは、後燃えのトルクへの寄与が無視できるほど小さいと判定できる程度に全経過時間ａｔｄｃｍａｘ及び燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔが主燃焼時間ａｔｄｃと比較して長くないと判定できる限度の値として、予め実験的に求められる。

次いで、燃焼状態判定プログラムによる制御の流れをフローチャートである図３を参照しつつ以下に述べる。

ステップＳ１では、主燃焼時間ａｔｄｃ、全経過時間ａｔｄｃｍａｘ、及び燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔを計測する。それから、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、全経過時間ａｔｄｃｍａｘと燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔとの積の主燃焼時間ａｔｄｃの２乗に対する比率Ｒ４を求め、その後ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、前記比率Ｒ４が所定値Ｌｂを上回るか否かを判定する。前記比率Ｒ４が所定値Ｌｂを上回る場合は、ステップＳ４に進む。そうでない場合は、ステップＳ５に進む。

ステップＳ４では、全経過時間ａｔｄｃｍａｘを燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５とし、ステップＳ６に進む。

ステップＳ５では、主燃焼時間ａｔｄｃを燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５とし、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５が燃焼状態悪化判定閾値Ｌを上回るか否かを判定する。燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５が燃焼状態悪化判定閾値Ｌを上回る場合は、ステップＳ７に進む。そうでない場合は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ７では、燃焼状態は悪化していると判定する。

ステップＳ８では、燃焼状態は良好であるものと判定する。

すなわち、このような構成においては、後燃えが発生しにくいので、図４の（ａ）に示すように、全経過時間ａｔｄｃｍａｘと燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔとの積の主燃焼時間ａｔｄｃの２乗に対する比率Ｒ４は小さくなる。すなわち、ステップＳ３で前記比率Ｒ４が所定値Ｌｂを上回らないと判定されるので、ステップＳ５で主燃焼時間ａｔｄｃを燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５として選択し、その後ステップＳ６の処理を行う。そして、上述したように主燃焼時間ａｔｄｃは前記燃焼状態悪化判定閾値Ｌより十分短いため、ステップＳ８で燃焼状態は良好であると判定する処理を行い、燃焼状態判定プログラムを終了する。すなわち、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ８の処理を順次行う。その際、上述したように主燃焼時間ａｔｄｃは前記燃焼状態悪化判定閾値Ｌより十分短いため、燃料噴射量を増加させずに燃焼状態判定プログラムを終了する。一方、空燃比が理論空燃比よりリーン側である場合は後燃えが発生しやすく、図４の（ｂ）に示すように、全経過時間ａｔｄｃｍａｘと燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔとの積の主燃焼時間ａｔｄｃの２乗に対する比率Ｒ４が所定値Ｌｂを上回ることがある。このような場合、ステップＳ３での判定の後はステップＳ４に進んで全経過時間ａｔｄｃｍａｘを燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５として選択し、その後ステップＳ６の処理を行う。そして、全経過時間ａｔｄｃｍａｘが前記燃焼状態悪化判定閾値Ｌを上回る場合は、ステップＳ７で燃焼状態は悪化したものと判定する処理を行う。すなわち、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７の処理を順次行う。

すなわち本実施形態に係る燃焼状態判定方法を採用すれば、後燃えが無視できるほど小さい場合、全経過時間ａｔｄｃｍａｘは主燃焼時間ａｔｄｃと比較してあまり長くならず、さらに燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔも主燃焼時間ａｔｄｃと比較してあまり長くならず、従って全経過時間ａｔｄｃｍａｘと燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔとの積の主燃焼時間ａｔｄｃの２乗に対する比率Ｒ４が所定値Ｌｂを上回らない場合には、主燃焼時間ａｔｄｃを燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５として選択し、この燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５に基づき燃焼状態の判定を行うことにより、考慮すべきでない後燃えによる影響を除外し、燃焼状態が悪化したと誤判定することを防ぐことができる。さらに、検出したイオン電流Ｉｉｏｎが閾値以上である期間のクランク角でなく時間に基づき燃焼状態を判定するので、回転数によらず燃焼状態の判定精度を確保できる。加えて、全経過時間ａｔｄｃｍａｘと燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔとの積の主燃焼時間ａｔｄｃの２乗に対する比率Ｒ４は無次元数であるので、後燃えの比重を判断する際に他のパラメータによる影響を排除してロバスト性を向上できる。

なお、本発明は以上に述べたような実施形態に限らない。

例えば、上述した実施形態の燃焼状態判定プログラムにおいて、ステップＳ１において主燃焼時間ａｔｄｃ、全経過時間ａｔｄｃｍａｘ、及び燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔを計測した後、ステップＳ３において全経過時間ａｔｄｃｍａｘと燃焼持続時間ａｔｄｃｉｎｔとの積の主燃焼時間ａｔｄｃの２乗に対する比率Ｒ４が所定値を上回るか否か判定するより前に、主燃焼時間ａｔｄｃが０であるか否かの判定、及び、イオン電流Ｉｉｏｎにノイズが多く含まれるか否かの判定を行うとともに、主燃焼時間ａｔｄｃが所定値を下回る、又はイオン電流Ｉｉｏｎにノイズが多く含まれると判定された場合、以下の燃焼状態判定プログラムには移らず、燃焼状態が悪化したものと判定して燃料噴射量を所定量だけ増加させる制御を行うようにするか、全経過時間ａｔｄｃｍａｘを燃焼判定時間ａｔｃｏｍｂｌ５として選択するとなおよい。ここで、イオン電流Ｉｉｏｎにノイズが多く含まれるか否かの判定は、例えば、前記コンパレータ２５ａから出力信号Ｉｏｕｔの立ち上がり又は立ち下がりが入力された回数に基づき、この回数が所定値を上回る場合にイオン電流Ｉｉｏｎにノイズが多く含まれると判定する態様等を用いるとよい。

また、上述した実施形態における燃焼時間測定プログラムにおいて、全経過時間ａｔｄｃｍａｘ及び主燃焼時間ａｔｄｃの測定開始時点は、上死点ではなく、上死点近傍の他の時点に設定するようにしてもよい。

加えて、本発明に係る燃焼状態判定方法は、冷間始動時に限らず、Ｏ₂センサが故障し空燃比のフィードバック制御が不可能な場合にも利用してよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

本発明の一実施形態に係るエンジンを示す概略図。 同実施形態に係る燃焼時間測定プログラムにおける制御の流れを示すフローチャート。 同実施形態に係る燃焼状態判定プログラムにおける制御の流れを示すフローチャート。 同実施形態に係る作用説明図。

符号の説明

１００…エンジン
６…制御装置
１８…スパークプラグ

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室内に点火ごとに発生させるイオン電流を検出し、検出したイオン電流が閾値以上である期間の時間に基づき燃焼状態を判定する燃焼状態判定方法であって、
   点火後の上死点を含む所定の測定開始時点から点火後最初に発生する主燃焼に基づくイオン電流が閾値を下回る時点までの主燃焼時間と、前記測定開始時点から主燃焼後に発生する後燃えのうち最後のものに基づくイオン電流が閾値を下回る時点までの全経過時間と、前記測定開始時点から主燃焼後に発生する後燃えの全てに基づくイオン電流が閾値以上である期間を積算したものと前記主燃焼時間とを合算した燃焼持続時間とをそれぞれ計測し、
   全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率が所定値を上回る場合、燃焼状態を判定する基準として全経過時間を選択し、
   全経過時間と燃焼持続時間との積の主燃焼時間の２乗に対する比率が所定値を下回る場合、燃焼状態を判定する基準として主燃焼時間を選択することを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定方法。

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