JP2010031696A - 自着火燃焼検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】初期段階での自着火燃焼の発生を検出可能にした自着火燃焼検出装置を新規に提供する。
【解決手段】初期段階での自着火燃焼時の筒内圧波形と正常燃焼時の筒内圧波形とを比較するにあたり、燃焼行程のピストン上死点ＴＤＣより後の第１期間Ｇ１での波形を比較すれば違いが認識できることが本発明者の検討により明らかになった。この点を鑑み、点火プラグの火花で着火させる火花点火式内燃機関において、内燃機関の筒内圧ＣＰ検出値のうち前記第１期間Ｇ１でのピークホールド値ＣＰＰＫＨを読み込み（Ｓ３０１）、そのピークホールド値ＣＰＰＫＨが第１閾値ＴＨ１より大きくなった場合に、初期段階の自着火燃焼が発生していると判定する初期自着火判定手段Ｓ３０２を備える。
【選択図】 図８

Description

本発明は、点火プラグの火花で着火させる火花点火式内燃機関を対象とした、自着火燃焼検出装置に関する。

点火プラグの火花で着火させる火花点火式内燃機関において、高圧縮比となるよう設計された近年の内燃機関では、点火プラグにより火花着火する場合よりも早いタイミングで圧縮自着火して燃焼する自着火燃焼の発生が懸念される。この懸念に対し特許文献１では、筒内圧のピーク値が基準値を超えた場合に自着火燃焼が発生していると判定し、このように自着火燃焼の発生を検出した場合には、燃料噴射を禁止する等の制御により自着火燃焼の抑制を図っている。
特開２００８−８２３５号公報

ここで、本発明者による各種試験等により、自着火燃焼が一度発生すると、次回の燃焼では燃焼エネルギが大きな自着火燃焼が発生し、その次の燃焼ではさらに燃焼エネルギの大きな自着火燃焼が発生するといったように、自着火燃焼は徐々に増大成長していくことが明らかになった。この増大成長現象を表したのが図２の筒内圧検出値であり、実線Ｌ１に示す筒内圧波形が火花着火によるものであり、初回の自着火燃焼では実線Ｌ２に示す波形となる。そして、回を増すごとに実線Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７と筒内圧は徐々に変化していくことが分かった。

しかしながら、実線Ｌ７に示される増大現象の後期段階での自着火燃焼では、筒内圧の最大値が正常燃焼時の最大値Ｐ１よりも遥かに大きくなっているものの、実線Ｌ４，Ｌ５に示される初期段階での自着火燃焼では、筒内圧の最大値は正常燃焼時の最大値Ｐ１と殆ど同じである。したがって、特許文献１記載の如く筒内圧の最大値が基準値を超えたか否かに基づき自着火燃焼の発生を検出する従来手法では、初期段階での自着火燃焼を検出することができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、初期段階での自着火燃焼の発生を検出可能にした自着火燃焼検出装置を新規に提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明では、点火プラグの火花で着火させる火花点火式内燃機関に適用され、前記内燃機関の筒内圧又はその筒内圧と相関のある物理量を筒内圧検出値として取得する筒内圧取得手段と、前記筒内圧取得手段により取得した前記筒内圧検出値のうち、燃焼行程のピストン上死点より後に設定された所定の第１期間での値に基づき、初期段階の自着火燃焼が発生しているか否かを判定する初期自着火判定手段と、を備えることを特徴とする。

先述した図２に示す筒内圧波形のうち、初期段階での自着火燃焼時の波形Ｌ４，Ｌ５と正常燃焼時の波形Ｌ１とを比較するにあたり、燃焼行程のピストン上死点ＴＤＣより後の所定の第１期間Ｇ１での波形を比較すれば違いが認識できることが本発明者の検討により明らかになった。したがって、筒内圧検出値のうち、燃焼行程のピストン上死点より後に設定された第１期間での値に基づき、初期段階での自着火燃焼発生有無を判定する上記請求項１記載の発明によれば、初期段階での自着火燃焼の発生を容易に検出することができる。

請求項２記載の発明では、前記初期自着火判定手段は、前記筒内圧検出値のうち前記第１期間での最大値が所定の第１閾値（例えば図２中の符号ＴＨ１に示す値）よりも大きい場合に初期段階の自着火燃焼が発生していると判定することを特徴とする。これによれば、例えばピークホールド回路等を用いることにより、初期段階の自着火燃焼発生有無を容易に判定できる。すなわち、図２の例では波形Ｌ４に示す初期段階の自着火燃焼を容易に検出できる。

請求項３記載の発明では、前記第１閾値は、前記内燃機関の運転状態に応じて可変設定されることを特徴とする。例えば、クランク軸の回転速度（以下、エンジン回転速度と記載）が高回転である場合や内燃機関の負荷（以下、エンジン負荷と記載）が高負荷である場合には、正常燃焼による筒内圧の波形も全体的に高くなるので、このような場合には自着火初期判定に用いる第１閾値を高くするよう可変設定することが望ましい。これによれば、自着火初期判定の判定精度を向上できる。

請求項４記載の発明では、前記第１期間は、前記内燃機関の運転状態に応じて可変設定されることを特徴とする。

筒内圧波形のうち、初期段階での自着火燃焼時の波形Ｌ４，Ｌ５と正常燃焼時の波形Ｌ１との比較で違いが顕著に現れる第１期間は、内燃機関の運転状態（例えば、エンジン回転速度やエンジン負荷等）に応じて変化するので、その運転状態に応じて第１期間を可変設定する上記請求項４記載の発明によれば、初期自着火判定手段による判定の精度を向上できる。

請求項５記載の発明では、前記初期自着火判定手段により初期段階の自着火燃焼が発生していると判定された場合に、自着火燃焼を抑制させるよう前記内燃機関の制御内容を変更する初期自着火抑制手段を備えることを特徴とする。

これによれば、自着火燃焼を初期段階で検出してその自着火燃焼が抑制されるので、増大成長現象により燃焼エネルギの大きな自着火燃焼が発生することを、初期段階で未然に防止できる。

前記初期自着火抑制手段の具体例として、前記初期自着火判定手段により初期段階の自着火燃焼が発生していると判定された場合に、燃料噴射量を増大させるよう燃料噴射弁の制御内容を変更すること（請求項６参照）と、吸気バルブの閉弁時期が吸気行程のピストン下死点よりも遅くなるようバルブタイミング調整装置の制御内容を変更すること（請求項７参照）とが挙げられる。

上記請求項６記載の如く燃料噴射量を増大させれば、噴射された液体の燃料が気化することにより、その気化熱分だけ気筒内温度を冷却できるので、自着火を容易に抑制できる。また、上記請求項７記載の如く吸気バルブの閉弁時期を吸気行程のピストン下死点よりも遅くすれば、ピストンが下死点から上昇して圧縮するにあたり実質的な圧縮期間が短くなるので、自着火を容易に抑制できる。

請求項８，９記載の発明では、前記筒内圧取得手段により取得した前記筒内圧検出値のうち、燃焼行程のピストン上死点を少なくとも含む所定の第２期間での最大値が所定の第２閾値（例えば図２中の符号ＴＨ２に示す値）よりも大きい場合に、自着火燃焼の後期状態であると判定する後期自着火判定手段を備えることを特徴とする。

先述したように、初期段階での自着火燃焼時の波形Ｌ４，Ｌ５と正常燃焼時の波形Ｌ１とを比較すると、燃焼行程のピストン上死点ＴＤＣより後の第１期間Ｇ１で顕著に波形の違いが現れる。これに対し、後期段階での自着火燃焼時の波形Ｌ７と正常燃焼時の波形Ｌ１とを比較すると、燃焼行程のピストン上死点を含む所定の第２期間Ｇ２で顕著に波形の違いが現れる。

この点に鑑みた上記請求項８，９記載の発明によれば、自着火燃焼の初期段階については、ピストン上死点より後に設定された第１期間での筒内圧検出値に基づき発生有無を判定し、自着火燃焼の後期段階については、ピストン上死点を含む第２期間での筒内圧検出値に基づき発生有無を判定するので、自着火燃焼の後期段階を精度良く検出できるとともに、初期段階及び後期段階のいずれが発生しているかの判別をも精度良く検出できる。

なお、後期自着火判定手段による判定で用いる第２閾値は、初期自着火判定手段による判定で用いる第１閾値よりも大きい値に設定することが望ましい。

さらに請求項９記載の発明では、前記後期自着火判定手段により後期段階の自着火燃焼が発生していると判定された場合に、自着火燃焼を抑制させるよう前記内燃機関の制御内容を変更する後期自着火抑制手段を備え、前記後期自着火抑制手段では、前記初期自着火抑制手段に比べて大きく抑制させる、或いは前記内燃機関の運転を停止させるよう前記変更を行うことを特徴とする。

先述したように、後期自着火発生時の燃焼エネルギは初期自着火発生時に比べて極めて大きいため、後期自着火発生時には内燃機関の各部位損傷がより一層懸念される。そこで、上記請求項９記載の発明では、後期自着火抑制手段では、初期自着火抑制手段に比べて大きく抑制或いは機関運転停止させるので、上記懸念を好適に解消できる。

前記後期自着火抑制手段の具体例として、請求項１０記載の如く、吸入空気量に制限をかける、機関回転速度及び負荷に制限をかける、燃料噴射を禁止して内燃機関を運転停止させる、等が挙げられる。これによれば、後期自着火を迅速に回避できるので、前述した内燃機関の各部位損傷の懸念を好適に解消できる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態は、車両に搭載される火花点火式の多気筒４サイクルガソリンエンジンを制御対象とし、当該エンジンにおける各種アクチュエータの電子制御を実施するものとしている。まず、図１によりエンジン制御システムの全体概略構成を説明する。

図１に示す火花点火式エンジン（以下、エンジン１０という）において、吸気管１１の上流部には吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１２が設けられている。エアフロメータ１２の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１３によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられており、該スロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）はスロットルアクチュエータ１３に内蔵されたスロットル開度センサにより検出される。

吸気管１１のうちサージタンク部１５の下流側には、電磁駆動式のインジェクタ１６（燃料噴射弁）が設けられており、該インジェクタ１６により吸気管１１内に噴射される。つまり、当該エンジン１０はポート噴射式である。インジェクタ１６に対しては、図示しない高圧ポンプと燃料配管（デリバリパイプ）とを通じて高圧燃料が供給されるようになっている。

また、エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ１７及び排気バルブ１８が設けられており、吸気バルブ１７の開動作により吸入空気が燃焼室２４内に導入され、排気バルブ１８の開動作により燃焼後の排気が排気管に排出される。吸気バルブ１７の開閉時期（バルブタイミング）は可変バルブ装置１９（バルブタイミング調整装置）により調整可能である。具体的には、可変バルブ装置１９はクランク軸２０からカム軸２１への動力伝達経路に配置されており、クランク軸２０の回転角度に対するカム軸２１の回転角度の相対位置（位相）を可変とする構造である。

エンジン１０のシリンダヘッドには各気筒に対して点火プラグ２２が取り付けられており、点火プラグ２２には、点火コイル２３等を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２２の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２４内において燃料が着火されて燃焼に供される。

エンジン１０のシリンダブロックには、燃焼室２４内の圧力を検出する筒内圧センサ２５、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２６、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ２７等が取り付けられている。そして、エンジン制御を司る電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ４０という）には、これらのセンサ２５，２６，２７や前述したエアフロメータ１２による検出信号が入力される。また、車両ドライバによるアクセル操作量を検出するためのアクセルセンサ等、エンジン１０の運転状態や車両の各種情報が符号２８に示す如くＥＣＵ４０に入力される。

ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ４２（図６参照）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、上記各種センサ１２，２５〜２８等の検出信号に応じてインジェクタ１６の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ２２の点火時期、スロットルバルブ１４の開度等を制御するとともに、可変バルブ装置１９の油圧アクチュエータ２９の作動を制御することで吸気バルブ１７の開閉時期を適宜制御する。

ところで、エンジン１０を高圧縮比となるよう設計している場合には、燃焼室２４の温度が高温になってくると、点火プラグ２２により火花着火する場合よりも早いタイミングで圧縮自着火して燃焼する自着火燃焼の発生が懸念される。そして、図２を用いて先述したように、筒内圧センサ２５にて検出された筒内圧の波形は、自着火燃焼が一度発生すると、Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７と徐々に変化していき、燃焼エネルギが徐々に増大するよう自着火燃焼の態様は増大成長していく。

ＥＣＵ４０は、このような初期段階での自着火燃焼Ｌ４，Ｌ５の発生有無と、後期段階での自着火燃焼Ｌ７の発生有無とを検出する。以下、自着火燃焼の発生有無を判定する手順を説明する。図３は、この判定を実行するＥＣＵ４０のマイコンによるベースルーチン処理の手順を示しており、イグニッションスイッチがオン操作されたことをトリガとして起動した後、所定周期（例えばＣＰＵ４２が行う演算周期）毎又は所定のクランク角度毎に繰り返し実行される。なお、図３の処理を実行する時のＥＣＵ４０は自着火燃焼検出装置に相当する。

先ず、ベースルーチン処理である図３のステップＳ１においてプログラムの初期化が行われ、続くステップＳ２は、初期段階での自己着火を検出するための自己着火検出ゲート（以下、ＣＩゲートと記載）を設定する、自己着火検出ゲートルーチンである。このＣＩゲートは、筒内圧センサ２５の検出値（筒内圧検出値ＣＰ）のうち以下に説明する所定の第１期間Ｇ１で検出された値のみを抽出するためのゲートである。

ここで、初期段階での自着火燃焼時の波形Ｌ４，Ｌ５と正常燃焼時の波形Ｌ１とを比較するにあたり、クランク角のうち、燃焼行程でのピストン３０の上死点ＴＤＣより後の第１期間Ｇ１での波形を比較すれば違いが認識できることは先述した通りである。そして、初期段階での自着火燃焼時の波形Ｌ４，Ｌ５と正常燃焼時の波形Ｌ１との比較で違いが顕著に現れる第１期間Ｇ１は、エンジン１０の運転状態（例えば、エンジン回転速度Ｎｅや吸気量Ｇａ等）に応じて変化する。そこで上記ステップＳ２では、その運転状態に応じて所定期間Ｇ１が可変設定されるよう、ＣＩゲートを設定する。

続くステップＳ３（初期自着火判定手段）は、ステップＳ２にて設定されたＣＩゲートにより抽出された筒内圧検出値ＣＰに基づき、初期段階での自己着火が発生したか否かを判定する為の、自己着火初期段階判定ルーチンである。続くステップＳ４（後期自着火判定手段）は、燃焼行程でのピストン３０の上死点を少なくとも含む所定の第２期間Ｇ２に検出された筒内圧検出値ＣＰに基づき、後期段階での自己着火が発生したか否かを判定する為の、自己着火後期段階判定ルーチンである。

続くステップＳ５（初期自着火抑制手段，後期自着火抑制手段）は、ステップＳ３で自己着火発生と判定された場合に、その自己着火燃焼を抑制するようエンジンの制御内容を変更する為の、自己着火抑制ルーチンである。ステップＳ５によるルーチン処理が終了した後は、ステップＳ１での初期化処理を避け、ステップＳ２以降の処理を繰り返し実行する。

次に、上記ステップＳ２による自己着火検出ゲートルーチンの詳細を、図４を用いて説明する。自己着火検出ゲートルーチンＳ２はＴＤＣ毎（ピストン上死点位置に相当するクランク角毎）に実行するルーチンである。

先ずステップＳ２０１にて、クランク角センサ２７から出力される検出信号に基づき算出された、エンジン回転速度Ｎｅを読み込む。次にステップＳ２０２にて、エアフロメータ１２から出力される検出信号に基づき算出された、吸入空気の質量流量（吸気量Ｇａ）を読み込む。次にステップＳ２０３にて、冷却水温センサ２６から出力される検出信号に基づき算出された、エンジン冷却水温ＴＨｗを読み込む。

続くステップＳ２０４では、ステップＳ２０３で読み込んだエンジン冷却水温ＴＨｗが、所定の水温αより高いか否かを判定する。ここで、ＴＨｗ≦αの場合には、エンジン１０の暖機状態が不充分であるため燃焼も緩慢であり、自己着火が発生する可能性は極めて低い。そこで、ＴＨｗ≦αと判定された場合（Ｓ２０４：ＮＯ）には、続くステップＳ２０５において、自己着火検出ゲート（ＣＩゲート）に対して設定されたＯＮ／ＯＦＦタイミングをイニシャルセットする。そのため、ステップＳ３による自己着火燃焼の発生有無判定は実質的に実行されないこととなる。

一方、ＴＨｗ＞αの場合には、自己着火が発生する可能性が高いため、続くステップＳ２０６，Ｓ２０７において、ＣＩゲートのＯＮ／ＯＦＦタイミングを設定することで、ステップＳ３による自己着火燃焼の発生有無判定を実行させる。ＯＮ／ＯＦＦタイミングは、エンジン運転状態（ここではエンジン回転速度Ｎｅ及び吸気量Ｇａ）に基づき設定される。

図４中のマップＭ１は、Ｎｅ及びＧａに対するＣＩゲートの最適ＯＮタイミングが記憶されたマップであり、マップＭ２は、Ｎｅ及びＧａに対するＣＩゲートの最適ＯＦＦタイミングが記憶されたマップである。つまり、初期段階での自着火燃焼時の波形Ｌ４，Ｌ５と正常燃焼時の波形Ｌ１との比較で違いが顕著に現れる第１期間Ｇ１は、Ｎｅ及びＧａに応じて変化するので、そのＮｅ及びＧａに応じて前記違いが顕著に現れる最適な第１期間Ｇ１を予め試験等により取得しておき、その取得した最適値をマップＭ１，Ｍ２に記憶させている。

そして、前記ステップＳ２０６，Ｓ２０７では、ステップＳ２０１，Ｓ２０２で読み込んだＮｅ及びＧａに基づき前記マップＭ１，Ｍ２を参照して、最適ＯＮタイミング(A)と最適ＯＦＦタイミング(B)を算出する。これらの算出が為されると、図４に示す本ルーチンを終了する。

次に、自己着火を検出する為の検出範囲（第１期間Ｇ１）を指定するＣＩゲートの生成プロセスを、図５に示すタイムチャートを用いて説明する。

先ず、ＴＤＣのタイミングｔ１で、前記ステップＳ２０６で算出したＯＮタイミング(A)までの時間を、計時手段であるタイマＡにセットし、タイマＡによる計時を開始する。その後、タイマＡによる計時カウントがＯＮタイミング(A)となった時、ＣＩゲートをＯＮするとともに、前記ステップＳ２０７で算出したＯＦＦタイミング(B)までの時間を、計時手段であるタイマＢにセットし、タイマＢによる計時を開始する。その後、タイマＢによる計時カウントがＯＦＦタイミング(B)となった時、ＣＩゲートをＯＦＦし、ＣＩゲートを生成する。

次に、筒内圧ＣＰを検出して初期段階での自己着火燃焼を検出する為のハード構成を、図６のブロック図を用いて説明する。

ＥＣＵ４０内には、図６に示すＡ／Ｄコンバータ４１、ＣＰＵ４２、ゲート回路４３、ピークホールド回路４４等が備えられている。そして、エンジン回転速度Ｎｅ、吸気量Ｇａ、冷却水温ＴＨｗ等のエンジン１０の運転情報（検出信号）は、各種センサ２７，１２，２６からＡ／Ｄコンバータ４１を介して、或いは直接に、ＣＰＵ４２に入力される。また、筒内圧センサ２５から出力される筒内圧信号ＣＰは、ゲート回路４３を介してピークホールド回路４４に取り込まれ、ピークホールド信号ＣＰＰＫＨがＣＰＵ４２に入力される構成となっている。

ゲート回路４３は、ＣＰＵ４２より指示されたゲートＯＮ時のみ、筒内圧信号ＣＰをピークホールド回路に入力させるよう機能する。ピークホールド回路４４は、ゲート開区間中（つまり第１期間Ｇ１）に入力される筒内圧信号ＣＰの最大値を抽出して、ＣＰＵ４２に出力する。

このゲート開区間におけるピークホールド値ＣＰＰＫＨの状態を、図７のタイムチャートを用いて説明する。ゲート回路４３は、ＣＩゲートのＯＮしている区間をゲート開区間（第１期間Ｇ１）として設定し、ピークホールド回路４４は、ゲート開区間の筒内圧ＣＰよりピーク圧力をホールドし、そのホールド値をピークホールド値ＣＰＰＫＨとしてＣＰＵ４２に出力する。ＣＰＵ４２は、入力されたピークホールド値ＣＰＰＫＨが所定の第１閾値ＴＨ１より大きい場合に、初期段階の自己着火が発生していると判定する。

図７中の１点鎖線は自己着火なしの場合の筒内圧ＣＰ及びピークホールド値ＣＰＰＫＨの変化を示し、図７中の実線は初期段階の自己着火ありの場合における両値ＣＰ，ＣＰＰＫＨの変化を示す。ＣＰＰＫＨ＞ＴＨ１であり初期段階の自己着火が発生していると判定した時には初期自己着火発生フラグＸＣＩを１にセットする。

図７の最上段に示す筒内圧ＣＰの波形のうち、初期段階での自着火燃焼時の実線に示す波形と、１点鎖線に示す正常燃焼時の波形との比較で違いが顕著に現れる期間は、エンジン１０の運転状態（例えば、エンジン回転速度Ｎｅや吸気量Ｇａ）に応じて変化するので、その運転状態に応じてゲート開区間（第１期間Ｇ１）を可変設定する。

また、初期段階での自着火燃焼が発生している場合には、第１期間Ｇ１での筒内圧ＣＰが全体的に高くなるものの、そのピークホールド値ＣＰＰＫＨは、ピストン３０の圧縮によるＴＤＣ時の筒内圧ＣＰよりは低くなっている場合がある。その為、第１閾値ＴＨ１を、燃焼が生じていない場合のＴＤＣ時の筒内圧ＣＰより低い値に設定している。

図８は、前述した初期段階での自己着火の発生有無を判定する、図３のベースルーチンにおけるステップＳ３の処理を示すフローチャートであり、本ルーチンは、ＣＩゲートのＯＦＦタイミング毎に実行されるルーチンである。

先ずステップＳ３０１（筒内圧取得手段）にて、ＣＩゲートの開区間（第１期間Ｇ１）でのピークホールド値ＣＰＰＫＨを読み込む。本実施形態での第１期間Ｇ１は、例えばＡＴＤＣ３０℃Ａ〜９０℃Ａに設定されている。

続くステップＳ３０２（初期自着火判定手段）では、ＣＰＰＫＨ＞ＴＨ１であるか否かを判定する。ＣＰＰＫＨ≦ＴＨ１である場合には初期段階の自己着火が発生していないと判定して、ステップＳ３０３にて初期自己着火発生フラグＸＣＩをゼロにセットする。一方、ＣＰＰＫＨ＞ＴＨ１である場合には初期段階の自己着火が発生していると判定して、ステップＳ３０４にて初期自己着火発生フラグＸＣＩを１にセットする。ステップＳ３０３，Ｓ３０４の処理後、本ルーチンを終了する。

図２を用いて先述したように、自着火燃焼が一度発生すると、自着火燃焼を抑制するようエンジン１０の制御内容を変更しなければ、自着火燃焼は徐々に増大成長していく。図９は、このように増大成長した後期段階での自己着火の発生有無を判定する、図３のベースルーチンにおけるステップＳ４の処理を示すフローチャートであり、本ルーチンは、１燃焼サイクル毎に実行されるルーチンである。

先ずステップＳ４０１にて、燃焼行程のピストン上死点ＴＤＣを含む所定の第２期間Ｇ２（図２参照）での筒内圧ＣＰのピークホールド値ＣＰＰＫＨａを読み込む。本実施形態での第２期間Ｇ２は、例えばＢＴＤＣ３０℃Ａ〜ＡＴＤＣ９０℃Ａに設定されている。

続くステップＳ４０２（後期自着火判定手段）では、ピークホールド値ＣＰＰＫＨａが所定の第２閾値ＴＨ２より大きいか否かを判定する。なお、第２閾値ＴＨ２は第１閾値ＴＨ１よりも高い値に設定されている。また、第２閾値ＴＨ２は燃焼が生じていない場合のＴＤＣ時の筒内圧ＣＰより高い値に設定されている。

ＣＰＰＫＨａ≦ＴＨ２である場合には後期段階の自己着火が発生していないと判定して、ステップＳ４０３にて後期自己着火発生フラグＸＣＩａをゼロにセットする。一方、ＣＰＰＫＨａ＞ＴＨ２である場合には後期段階の自己着火が発生していると判定して、ステップＳ４０４にて後期自己着火発生フラグＸＣＩａを１にセットする。ステップＳ４０３，Ｓ４０４の処理後、本ルーチンを終了する。

次に、図３に示すベースルーチン中、ステップＳ５の自己着火抑制ルーチンの詳細について説明する。

自己着火抑制ルーチンＳ５では、自着火を抑制するようエンジン制御内容を変更するにあたり、初期自着火が検出された場合（ＸＣＩ＝１）と後期自着火が検出された場合（ＸＣＩａ＝１）とで異なる手法で自着火抑制を図っている。つまり、後期自着火発生時には、初期自着火発生時に比べて即座に自着火を抑制することが要求される。そこで、後期自着火発生時における自着火抑制では、クランク軸２０等の損傷を回避すべくエンジン１０をリンプホーム運転（縮退運転）させる、或いはエンジン１０の駆動を停止させる。リンプホーム運転の具体例としてはスロットルバルブ１４の開度を所定開度以下（例えばアイドル運転時の開度）に制限することや、エンジン回転速度Ｎｅや吸気量Ｇａが所定値以下となるように制限することが挙げられる。また、エンジン駆動停止の具体例としては燃料噴射を停止させることが挙げられる。

一方、初期自着火発生時における自着火抑制の手法については、図１０のフローチャートを用いて以下に説明する。なお、図１０に示す本ルーチンは、ＴＤＣ毎に実行されるルーチンである。 先ずステップＳ５０１にてエンジン回転速度Ｎｅを読み込み、続くステップＳ５０２にて吸気量Ｇａを読み込む。次に、可変バルブ装置１９による吸気バルブ１７の開弁期間を制御するにあたり、その開閉期間の目標値（最終ＶＶＴ進角値ＴＶＶＴ）を、以降のステップＳ５０３〜Ｓ５１０により算出する。

先ずステップＳ５０３では、ステップＳ５０１，Ｓ５０２で読み込んだ回転速度Ｎｅ及び吸気量Ｇａに基づき、可変バルブ装置１９による開弁ベース進角値ＴＶＶＴＢを算出する。具体的には、Ｎｅ，Ｇａにて決まる運転領域毎に予め設定した最適開弁タイミングをマップＭ３（図１０参照）に記憶させておき、そのマップＭ３から読み込んだ値(C)を開弁ベース進角値ＴＶＶＴＢとして設定する。

なお、本実施形態にかかるエンジン１０は高圧縮比に設定されている為、吸気の充填効率並びに、自己着火発生回避を考慮して、マップＭ３に記憶された最適開弁タイミングは設定されている。すなわち、ＶＶＴ進角値ＴＶＶＴを進角させるほど吸気充填効率は向上するが、その背反として自己着火が発生しやすくなる。よって、自己着火が発生しない程度の限界までＶＶＴ進角値ＴＶＶＴを進角させるよう、先述の最適開弁タイミングは設定されている。

次に、ステップＳ５０４において、初期自己着火発生フラグＸＣＩに基づき初期段階の自己着火が発生しているか否かを判定する。ＸＣＩ＝１であり初期自己着火発生有りと判定された場合には、続くステップＳ５０５にて、ＶＶＴ遅角ディザ量ＤＣＲＶＴＡを算出する。ＤＣＲＶＴＡは、エンジン１０の運転状態（ここではＮｅ及びＧａ）に応じてＶＶＴ遅角スピードを変更できるよう、Ｎｅ，Ｇａにて決まる運転域毎に予め設定した最適ディザ量をマップＭ４（図１０参照）に記憶させておき、そのマップＭ４から読み込んだ値(D)をＶＶＴ遅角ディザ量ＤＣＲＶＴＡとして設定する。

続くステップＳ５０６ではＶＶＴ補正量ＴＤＣＲＶＶＴを算出する。具体的には、以下の式１に示すように、前回算出したＴＤＣＲＶＶＴに自己着火補正ＤＣＲＶＴＡを加えることで今回のＴＤＣＲＶＶＴを算出する。これにより、ＶＶＴ進角値ＴＶＶＴが遅角側の安全サイドに設定変更され、自己着火が抑制されることとなる。

ＴＤＣＲＶＶＴ＝ＴＤＣＲＶＶＴ（ｉ−１）＋ＤＣＲＶＴＡ…（式１）
次に、ステップＳ５０７にてＶＶＴ補正量ガードの上限値ＧＤＣＲＶＴＭＡＸを求める。具体的には、Ｎｅ，Ｇａにて決まる運転領域毎に予め設定した最適上限値をマップＭ５（図１０参照）に記憶させておき、そのマップＭ５から読み込んだ値(E)を上限値ＧＤＣＲＶＴＭＡＸとして設定する。また、続くステップＳ５０８では、ＶＶＴ補正量ガードの下限値ＧＤＣＲＶＴＭＩＮを求める。ここでは、エンジン運転領域に拘わらずＧＤＣＲＶＴＭＩＮをゼロに設定する。

続くステップＳ５０９では、ステップＳ５０６で算出したＶＶＴ補正量ＴＤＣＲＶＶＴを、ステップＳ５０７，Ｓ５０８で設定した上限値ＧＤＣＲＶＴＭＡＸ及び下限値ＧＤＣＲＶＴＭＩＮでガードする。つまり、ステップＳ５０６で算出したＴＤＣＲＶＶＴがＧＤＣＲＶＴＭＡＸより大きい場合にはＴＤＣＲＶＶＴの値をＧＤＣＲＶＴＭＡＸとし、ステップＳ５０６で算出したＴＤＣＲＶＶＴがＧＤＣＲＶＴＭＩＮより小さい場合にはＴＤＣＲＶＶＴの値をＧＤＣＲＶＴＭＩＮとする。

次に、ステップＳ５１０にて最終ＶＶＴ進角値ＴＶＶＴを算出する。具体的には、以下の式２に示すように、ステップＳ５０３で算出したベース進角値ＴＶＶＴＢから、ステップＳ５０９で設定したＴＤＣＲＶＶＴを減算することで、最終ＶＶＴ進角値であるＴＶＶＴを算出する。つまり、ＴＤＣＲＶＶＴによりベース進角値ＴＶＶＴＢは遅角側に補正される。

ＴＶＶＴ＝ＴＶＶＴＢ−ＴＤＣＲＶＶＴ…（式２）
仮に、ステップＳ５０４にて自己着火の発生が無いと判定されれば（ＸＣＩ＝０）ば、ステップＳ５１１にてＶＶＴ進角ディザ量ＤＣＲＶＴＳを算出する。これはステップＳ５０５にて算出した方法と同様に、運転域毎にマップ算出する。そして、続くステップＳ５１２ではステップＳ５０６と同様にＶＶＴ補正量ＴＤＣＲＶＶＴを算出する。具体的には、以下の式３に示すように、前回算出したＴＤＣＲＶＶＴから進角補正ＤＣＲＶＴＳを減算することで今回のＴＤＣＲＶＶＴを算出する。これにより、ＶＶＴ進角値ＴＶＶＴが進角側に設定変更され、吸気の充填効率向上が促進されることとなる。

ＴＤＣＲＶＶＴ＝ＴＤＣＲＶＶＴ（ｉ−１）＋ＤＣＲＶＴＳ…（式３）
次に、図１０の処理により、最終ＶＶＴ進角値であるＴＶＶＴがどのように変化するかを、図１１のタイムチャートを用いて説明する。

図１１中の最上段は、燃焼行程のピストン上死点ＴＤＣの出現タイミングｔ１〜ｔ８を表しており、燃焼行程毎に取得した筒内圧ＣＰの波形を図１１中の最下段に示す。そして、図中の符号(1)〜(8)は、第１閾値ＴＨ１に基づく初期自着火発生有無の判定が為されるタイミングを表しており、この判定はＴＤＣ毎に実行される。

図１１の例では、判定(1)〜(4)において初期段階での自着火燃焼が発生していると判定されており、したがって、ｔ１〜ｔ４の期間は、自着火発生検出期間として初期自己着火発生フラグＸＣＩをセット（ＸＣＩ＝１）し続ける。そして、ＸＣＩ＝１にセットされた時点から、ＶＶＴ進角値ＴＶＶＴは、ＴＤＣ毎に遅角ディザ量（ＤＣＲＶＴＡ）だけベース値ＴＶＶＴＢより遅角し続ける。そのため、吸気バルブ１７の閉弁時期が吸気行程のピストン下死点よりも遅く設定されている場合において、その閉弁時期を遅角させるほど、ピストンが下死点から上昇して圧縮するにあたり実質的な圧縮期間が短くなるので、筒内圧ＣＰは減少し、自着火燃焼は抑制されていく。

その後、自着火燃焼の発生が無くなったと判定した時点（判定(5)による判定時点）から、初期自己着火発生フラグＸＣＩをゼロに設定するとともに、ＶＶＴ進角値ＴＶＶＴは、ＴＤＣ毎に進角ディザ量（ＤＣＲＶＴＳ）だけベース値ＴＶＶＴＢより進角し続ける。以上により、初期段階の自着火燃焼の発生有無に応じて、ＶＶＴ進角／遅角を繰返すようフィードバック制御が為されるので、自着火発生の限界までＶＶＴ進角値ＴＶＶＴを進角させて内燃機関１０の実圧縮を高めることができ、自己着火が発生しない程度の限界まで高効率で燃焼させる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）初期段階での自着火燃焼時の筒内圧波形Ｌ４，Ｌ５と正常燃焼時の波形Ｌ１とを比較するにあたり、燃焼行程のピストン上死点ＴＤＣより後の第１期間Ｇ１での波形を比較すれば違いが認識できるとの知見に基づき、その第１期間Ｇ１における筒内圧ＣＰのピークホールド値ＣＰＰＫＨを検出し、ＣＰＰＫＨ＞ＴＨ１である場合に初期段階での自着火燃焼が発生していると判定する。よって、初期段階での自着火燃焼の発生を容易に検出することができる。

（２）初期自着火発生有無の判定に用いる第１閾値ＴＨ１や第１期間Ｇ１の設定を、エンジン１０の運転状態（例えば、エンジン回転速度Ｎｅや吸気量Ｇａ等）に応じて可変させるので、自着火初期判定の判定精度を向上できる。

（３）ここで、後期段階での自着火発生時の筒内圧波形Ｌ７と正常燃焼時の筒内圧波形Ｌ１とを比較すると、第１期間Ｇ１だけを比較すると両波形Ｌ７，Ｌ１には違いが殆ど現れない。よって、第１期間Ｇ１のピークホールド値ＣＰＰＫＨによれば初期自着火は検出できるものの後期自着火の検出は困難である。そこで本実施形態では、ステップＳ３による初期自着火発生有無の判定とは別に、ステップＳ４による後期段階での自着火発生有無を判定している。そして、燃焼行程のピストン上死点ＴＤＣを含む第２期間Ｇ２での波形を比較すれば両波形Ｌ７，Ｌ１の違いが認識できるとの知見に基づき、その第２期間Ｇ２における筒内圧ＣＰのピークホールド値ＣＰＰＫＨａを検出し、ＣＰＰＫＨａ＞ＴＨ２である場合に後期段階での自着火燃焼が発生していると判定する。よって、初期自着火燃焼のみならず後期自着火燃焼の発生をも容易に検出することができる。

（４）初期自着火燃焼を検出した場合には、可変バルブ装置１９による吸気バルブ１７の開弁期間を遅角させることにより圧縮行程における実質的な圧縮期間を短くして筒内圧ＣＰを減少させる。よって、自着火燃焼を容易に抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。また、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・ここで、初期段階での自着火燃焼時の筒内圧波形Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は、ＴＤＣにてピークＰ１が出現した後、再度ピークＰＥ３，ＰＥ４，ＰＥ５が出現する（図２参照）。そして、その再度ピークＰＥ３，ＰＥ４，ＰＥ５の出現時期は、自着火燃焼が増大成長するにつれて早くなり、後期段階では再度ピークＰＥ７はＴＤＣ近傍まで早くなり、ピークＰ１は再度ピークＰＥ７が重畳することにより出現しなくなる、との知見を得た。

したがって、図８に示す上記実施形態では、第１期間Ｇ１における筒内圧ＣＰのピークホールド値ＣＰＰＫＨに基づき初期自着火発生有無を判定しているのに対し、上記知見に鑑みて、第１期間Ｇ１における筒内圧ＣＰのピーク出現時期、つまり再度ピークＰＥ３，ＰＥ４，ＰＥ５の出現時期を検出し、そのピーク出現時期が所定時期より早い場合に初期自着火発生有りと判定するようにしてもよい。

・また、第１期間Ｇ１における筒内圧ＣＰのピークホールド値ＣＰＰＫＨ（最大値）に基づき初期自着火発生有無を判定することに替え、第１期間Ｇ１における筒内圧波形の積算値（面積）、つまり、第１期間Ｇ１における時々の筒内圧ＣＰを積算して得られた値に基づき初期自着火発生有無を判定するようにしてもよい。

・ここで、点火プラグ２２の両電極には、燃焼室２４での燃焼発生に伴いイオン電流が流れる。このイオン電流は、燃焼による火炎が大きいほど多く流れるので、イオン電流は筒内圧と相関があると言える。したがって、図１に示す上記実施形態では、筒内圧センサ２５により検出した筒内圧ＣＰに基づき初期自着火有無を判定しているが、上述したイオン電流を検出するイオン電流検出回路４５（図１参照）を設け、検出したイオン電流に基づき初期自着火有無を判定するようにしてもよい。なお、イオン電流検出値の波形は、図２及び図７に例示される筒内圧ＣＰの波形と同様の波形となる。よって、第１期間Ｇ１での筒内圧波形に基づく初期自着火有無の判定手法と同様の手法により、イオン電流波形に基づき初期自着火有無を判定できる。

・図１に示す上記実施形態では、可変バルブ装置１９による吸気バルブ１７の開弁期間を遅角させることにより自着火燃焼の抑制を図っているが、本発明はこのような初期自着火抑制手段に限定されるものではなく、例えば、インジェクタ１６からの燃料噴射量を増量させることで、噴射された液体の燃料が気化することによる気筒内温度の低下を図り、自着火燃焼の抑制を図るようにしてもよい。或いは、排気の一部を吸気に循環させるＥＧＲシステムが搭載されたエンジンにおいて、そのＥＧＲ量を増大させることで燃焼温度低下を図り、自着火燃焼の抑制を図るようにしてもよい。或いは、燃料を燃焼室２４へ直接噴射する直噴エンジンの場合において、圧縮行程中での燃料噴射時期を遅角させることで燃焼温度低下を図り、自着火燃焼の抑制を図るようにしてもよい。

本発明の一実施形態にかかる、エンジン制御システムの全体概略構成を示す図。 筒内圧変化を示す図であり、自着火燃焼が徐々に増大成長していく様子を説明する図。 初期自着火燃焼の発生有無を判定するベースルーチン処理の手順を示すフローチャート。 図３のステップＳ２における自己着火検出ゲートルーチンの詳細を示すフローチャート。 自着火を検出する為の検出範囲（第１期間Ｇ１）を指定するＣＩゲートの生成プロセスを説明するタイムチャート。 筒内圧ＣＰを検出して初期段階での自己着火燃焼を検出する為のハード構成を示すブロック図。 ゲート開区間（第１期間Ｇ１）におけるピークホールド値ＣＰＰＫＨの状態変化を示すタイムチャート。 図３のステップＳ３における初期自着火判定ルーチンの詳細を示すフローチャート。 図３のステップＳ４における後期自着火判定ルーチンの詳細を示すフローチャート。 図３のステップＳ５における自己着火抑制ルーチンの詳細を示すフローチャート。 可変バルブ装置による吸気バルブ開弁期間の進角値ＴＶＶＴの補正による変化の状態を示すタイムチャート。

符号の説明

１９…可変バルブ装置（バルブタイミング調整装置）、４０…ＥＣＵ（自着火燃焼検出装置）、Ｇ１…第１期間、Ｇ２…第２期間、Ｓ３，Ｓ３０２…初期自着火判定手段、Ｓ３０１…筒内圧取得手段、Ｓ４，Ｓ４０２…後期自着火判定手段、Ｓ５…初期自着火抑制手段，後期自着火抑制手段、ＴＨ１…第１閾値、ＴＨ２…第２閾値。

Claims (10)

1. 点火プラグの火花で着火させる火花点火式内燃機関に適用され、
   前記内燃機関の筒内圧又はその筒内圧と相関のある物理量を筒内圧検出値として取得する筒内圧取得手段と、
   前記筒内圧取得手段により取得した前記筒内圧検出値のうち、燃焼行程のピストン上死点より後に設定された所定の第１期間での値に基づき、初期段階の自着火燃焼が発生しているか否かを判定する初期自着火判定手段と、
   を備えることを特徴とする自着火燃焼検出装置。
2. 前記初期自着火判定手段は、前記筒内圧検出値のうち前記第１期間での最大値が所定の第１閾値よりも大きい場合に初期段階の自着火燃焼が発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載の自着火燃焼検出装置。
3. 前記第１閾値は、前記内燃機関の運転状態に応じて可変設定されることを特徴とする請求項２に記載の自着火燃焼検出装置。
4. 前記第１期間は、前記内燃機関の運転状態に応じて可変設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の自着火燃焼検出装置。
5. 前記初期自着火判定手段により初期段階の自着火燃焼が発生していると判定された場合に、自着火燃焼を抑制させるよう前記内燃機関の制御内容を変更する初期自着火抑制手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の自着火燃焼検出装置。
6. 前記初期自着火抑制手段は、前記初期自着火判定手段により初期段階の自着火燃焼が発生していると判定された場合に、燃料噴射量を増大させるよう燃料噴射弁の制御内容を変更することを特徴とする請求項５に記載の自着火燃焼検出装置。
7. 前記内燃機関には、吸気バルブの閉弁時期を変更可能なバルブタイミング調整装置が搭載されており、
   前記初期自着火抑制手段は、前記初期自着火判定手段により初期段階の自着火燃焼が発生していると判定された場合に、前記吸気バルブの閉弁時期が吸気行程のピストン下死点よりも遅くなるよう前記バルブタイミング調整装置の制御内容を変更することを特徴とする請求項５又は６に記載の自着火燃焼検出装置。
8. 前記筒内圧取得手段により取得した前記筒内圧検出値のうち、燃焼行程のピストン上死点を少なくとも含む所定の第２期間での最大値が所定の第２閾値よりも大きい場合に、自着火燃焼の後期状態であると判定する後期自着火判定手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の自着火燃焼検出装置。
9. 前記筒内圧取得手段により取得した前記筒内圧検出値のうち、燃焼行程のピストン上死点を少なくとも含む所定の第２期間での最大値が所定の第２閾値よりも大きい場合に、自着火燃焼の後期状態であると判定する後期自着火判定手段と、
   前記後期自着火判定手段により後期段階の自着火燃焼が発生していると判定された場合に、自着火燃焼を抑制させるよう前記内燃機関の制御内容を変更する後期自着火抑制手段と、
   を備え、
   前記後期自着火抑制手段では、前記初期自着火抑制手段に比べて大きく抑制させる、或いは前記内燃機関の運転を停止させるよう前記変更を行うことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の自着火燃焼検出装置。
10. 前記後期自着火抑制手段は、前記内燃機関の燃焼室への吸入空気量に制限をかけるよう制御内容を変更、又は前記内燃機関の機関回転速度及び負荷に制限をかけるよう制御内容を変更、又は燃料噴射を禁止して前記内燃機関を運転停止させるよう制御内容を変更することを特徴とする請求項９に記載の自着火燃焼検出装置。

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