JP2016089640A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の気筒におけるプレイグニッションの発生を早急にかつ的確に感知する。
【解決手段】気筒の燃焼室内での燃料の燃焼に起因して生じる気筒の振動の発生タイミングと、燃料の燃焼に起因して点火プラグの電極を流れるイオン電流信号の発生タイミングとの双方に基づいて、気筒におけるプレイグニッションの有無を判定する内燃機関の制御装置を構成した。
【選択図】図７

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関のシリンダブロックに設置した振動式のノックセンサを介して気筒におけるノッキングの発生を感知し、ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを遅角させるとともに、ノッキングが起こらない限りにおいて点火タイミングを進角させるノックコントロールシステムが周知である（例えば、下記特許文献を参照）。

近時、燃費性能の一層の向上を目論み、内燃機関の気筒の圧縮比をより高める方向に研究開発が進んでいる。また、気筒のシリンダボアとピストンとの間の摩擦を低減するべく、ピストンリングも低張力化する傾向にある。

圧縮比の向上は、気筒の燃焼室内で点火前に混合気に自着火するプレイグニッションを引き起こすリスクを高める。ピストンリングの低張力化は、オイルパンに蓄えている潤滑油の消費量の増加ひいてはデポジットの発生量の増加につながり、やはりプレイグニッションのリスクを高める。プレイグニッションのような異常燃焼は、一旦惹起されると連発することがあり、内燃機関に損傷を与えるおそれがある。

プレイグニッションを予防するための手立てとして、熱価（燃焼により受ける熱を発散する度合い）の高い冷え型の点火プラグを採用することも考えられる。しかしながら、冷え型の点火プラグは、高温時のプレイグニッションを予防できる反面、低温時にカーボンが付着するくすぶりが生じやすい。カーボンが点火プラグの電極周辺に堆積すると、両電極間の絶縁抵抗が低下して、混合気への点火に適した火花放電を生成できなくなる。さすれば、内燃機関の始動不良を招くことにもなりかねない。

特開２０００−０７３８４７号公報

本発明は、内燃機関の気筒におけるプレイグニッションの発生を早急にかつ的確に感知することを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の気筒におけるプレイグニッションの発生を感知するものであって、気筒の燃焼室内での燃料の燃焼に起因して生じる気筒の振動の発生タイミングと、燃料の燃焼に起因して点火プラグの電極を流れるイオン電流信号の発生タイミングとの双方に基づき、気筒におけるプレイグニッションの有無を判定する内燃機関の制御装置を構成した。

これに加えて、気筒における点火タイミングから気筒の振動の発生タイミングまでの期間の長さ、及びイオン電流信号の発生タイミングから点火タイミングまでの期間の長さに応じて、気筒で発生したプレイグニッションの強度を推定するものとし、プレイグニッションの強度が比較的弱い場合と比較的強い場合とで、プレイグニッションを防止するために実施する内燃機関の補正制御の内容を変更するようにすることも好ましい。

本発明によれば、内燃機関の気筒におけるプレイグニッションの発生を早急にかつ的確に感知することができる。

本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流信号のそれぞれの推移を例示する図。 プレイグニッションを伴わない燃焼における振動信号及びイオン電流信号の各々の推移を例示する図。 軽度のプレイグニッションを伴う燃焼における振動信号及びイオン電流信号の各々の推移を例示する図。 強度のプレイグニッションを伴う燃焼における振動信号及びイオン電流信号の各々の推移を例示する図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。

各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火のタイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

本実施形態のＥＣＵ０は、混合気の着火燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行うことができる。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサから出力される振動信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射（開弁）信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、ノックセンサが出力する振動信号ｄを参照して、各気筒１の膨張行程でのノッキングの発生の有無を判定し、その判定結果に応じた点火タイミングの調整を行う（いわゆるノックコントロールシステム）。ノッキングの判定にあたり、ＥＣＵ０は予め、統計処理によりノック判定値を算定しておく。具体的には、ノッキングが起こっていないと思しき状況下で、気筒１の膨張行程中のシリンダブロックの振動をノックセンサを介してサンプリングし、振動信号ｄを得る。そして、この振動信号ｄの一定期間内のサンプリング値の時系列から、平均値及び標準偏差、ひいてはノック判定値を算出する。平均値をＸ、標準偏差をσとおくと、ノック判定値Ｊは、
Ｊ＝Ｘ＋Ｕσ
として求められる。上式における係数Ｕは、そのときの運転領域［エンジン回転数，サージタンク３３内吸気圧（または、要求負荷、気筒１に充填される吸気（新気）量若しくは燃料噴射量）］に応じて設定する。係数Ｕを、混合気の空燃比の高低や要求ＥＧＲ率等に応じて変えるようにしてもよい。また、ノック判定値は、各気筒１毎に個別に求めてもよいし、全気筒１で共通のものとしてもよい。

ＥＣＵ０は、ノックセンサが出力する振動信号ｄの現在のサンプリング値（現在の振動の強度）を、ノック判定値と比較する。気筒１の膨張行程中にノックセンサを介して検出された振動信号ｄのサンプリング値がノック判定値を上回ったならば、当該気筒１にてノッキングが起こったと判定する。逆に、振動信号ｄのサンプリング値がノック判定値以下であるならば、当該気筒１にてノッキングは起こっていないと判定する。

ノックコントロールシステムとしてのＥＣＵ０は、気筒１におけるノッキングの発生を感知した場合、以後ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを徐々に遅角させる。翻って、気筒１におけるノッキングの発生を感知していない場合には、ノッキングが起こらない限りにおいて点火タイミングを徐々に進角させる。

さらに、本実施形態のＥＣＵ０は、ノックセンサが出力する振動信号ｄとともに、イオン電流検出用の回路を介して取得されるイオン電流信号ｈを参照して、各気筒１でのプレイグニッションの発生の有無を判定する。そして、プレイグニッションが発生した暁には、プレイグニッションを鎮圧するために必要な補正制御を実施する。

図４ないし図６に、各気筒１の圧縮行程から膨張行程に至る時期の振動信号ｄ及びイオン電流信号ｈの推移を例示する。図４は、プレイグニッションを起こしていない通常の燃焼における振動信号ｄ及びイオン電流信号ｈの推移を表している。プレイグニッションを伴わない通常の燃焼では、点火タイミングｔ₀よりも前にイオン電流信号ｈが生ずることはない。また、点火タイミングｔ₀後、振動信号ｄに振動の波形が現れるタイミングｔ₁までの期間Ｔ₁が長い。

これに対し、図５は軽度のプレイグニッションが起こったときの両信号ｄ、ｈの推移を表し、図６は重度のプレイグニッションが起こったときの両信号ｄ、ｈの推移を表している。プレイグニッションが発生すると、点火タイミングｔ₀よりも早いタイミングｔ₂からイオン電流信号ｈが生ずることとなる。イオン電流信号ｈが生ずるタイミングｔ₂から点火タイミングｔ₀までの期間Ｔ₂の長さは、プレイグニッションの強度に応じて長くなる。即ち、プレイグニッションが強いほど、イオン電流信号ｈが生ずるタイミングｔ₂が早くなる。

加えて、プレイグニッションを伴わない通常の燃焼（図４）と比較して、点火タイミングｔ₀から振動信号ｄに振動の波形が現れるタイミングｔ₁までの期間Ｔ₁が短くなる。そして、この期間Ｔ₁の長さは、プレイグニッションの強度に応じて短くなる。即ち、プレイグニッションが強いほど、振動信号ｄに振動の波形が現れるタイミングｔ₁が早くなる。

図７に、プレイグニッションの有無の判定に際してＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、各気筒１における、圧縮行程から膨張行程に至る時期に、イオン電流信号ｈのサンプリング値の時系列を参照して期間Ｔ₂の長さを知得する（ステップＳ１）。イオン電流信号ｈが生ずるタイミングｔ₂は、イオン電流信号ｈのサンプリング値（イオン電流の強度）が所要の判定値を上回った時点とする。イオン電流信号ｈと比較されるこの判定値は、０であることがある。

並びに、ＥＣＵ０は、振動信号ｄのサンプリング値の時系列を参照して期間Ｔ₁の長さを知得する（ステップＳ２）。振動信号ｄに振動の波形が現れるタイミングｔ₁は、振動信号ｄのサンプリング値（振動の強度）が所要の判定値を上回った時点とする。振動信号ｄと比較されるこの判定値は、ノッキングの判定に用いるノック判定値と同一の値としてもよいし、異なる値としてもよい。なお、振動信号ｄに判定値を上回るような顕著な振動が現れなかった（タイミングｔ₁を決定できない）場合には、期間Ｔ₁を無限大と見なす。

その上で、ＥＣＵ０は、期間Ｔ₂の長さを強判定閾値と比較する（ステップＳ３）とともに、期間Ｔ₁の長さを強判定閾値と比較する（ステップＳ４）。期間Ｔ₂の長さと比較するべき強判定閾値、期間Ｔ₁の長さと比較するべき強判定閾値はそれぞれ、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，サージタンク３３内吸気圧（または、要求負荷、気筒１に充填される吸気（新気）量若しくは燃料噴射量）］に応じて調整する。

期間Ｔ₂の長さが強判定閾値よりも長く、かつ期間Ｔ₁の長さが強判定閾値よりも短いならば、当該気筒１において強度のプレイグニッションが発生したと判断し、プレイグニッションを可及的速やかに鎮圧するための補正制御を実施する（ステップＳ５）。ステップＳ５では、例えば、スロットルバルブ３２の開度を急速に縮小または閉止する操作を行い、気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量を低減せしめて、プレイグニッションの続発を抑止する。

期間Ｔ₂の長さが強判定閾値以下、または期間Ｔ₁の長さが強判定閾値以上であるならば、次に、期間Ｔ₂の長さを弱判定閾値と比較する（ステップＳ６）とともに、期間Ｔ₁の長さを弱判定閾値と比較する（ステップＳ７）。期間Ｔ₂の長さと比較される弱判定閾値は、期間Ｔ₂の長さと比較される強判定閾値よりも小さい値とする。この弱判定閾値は、０であることがある。また、期間Ｔ₁の長さと比較される弱判定閾値は、期間Ｔ₁の長さと比較される強判定閾値よりも大きい値とする。これら弱判定閾値もやはり、強判定閾値と同様、現在の内燃機関の運転領域に応じて調整する。

期間Ｔ₂の長さが弱判定閾値よりも長く、かつ期間Ｔ₁の長さが弱判定閾値よりも短いならば、カウンタを１増加させる（ステップＳ８）。そして、当該カウンタが所定値に到達したならば（ステップＳ９）、当該気筒１において比較的軽度のプレイグニッションが発生したと判断し、プレイグニッションを沈静化させるための補正制御を実施する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０の補正制御の内容は、ステップＳ５の補正制御の内容とは異なるものとする。ステップＳ１０では、例えば、点火タイミングを遅角補正し、及び／または、燃料噴射量を増量補正して混合気の空燃比をよりリッチ化する。燃料噴射量の増量は、燃料の気化熱（潜熱）による気筒１の燃焼室内温度の降下をもたらす。ステップＳ１０における点火タイミングの遅角補正量、及び／または、燃料噴射量の増量補正量は、そのときの内燃機関の運転領域及びステップＳ８で計数しているカウンタの数値に応じて調整してよい。

しかして、期間Ｔ₂の長さが弱判定閾値以下、または期間Ｔ₁の長さが弱判定閾値以上であるならば、当該気筒１においてプレイグニッションは発生しなかったと判断することができる。

本実施形態では、内燃機関の気筒１におけるプレイグニッションの発生を感知するものであって、気筒１の燃焼室内での燃料の燃焼に起因して生じる気筒１の振動の発生タイミングと、燃料の燃焼に起因して点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流信号ｈの発生タイミングとの双方に基づき、気筒１におけるプレイグニッションの有無を判定する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、プレイグニッションを早急にかつ的確に感知することができる。振動信号ｄ及びイオン電流信号ｈをともに参照することは、プレイグニッションの発生の見逃し、またはプレイグニッションが起こっていないにもかかわらず起こったと誤判定する可能性を十分に低減せしめることに寄与する。

加えて、本実施形態では、気筒１における点火タイミングｔ₀から気筒１の振動の発生タイミングｔ₁までの期間Ｔ₁の長さ、及びイオン電流信号ｈの発生タイミングｔ₂から点火タイミングｔ₀までの期間Ｔ₂の長さに応じて、気筒１で発生したプレイグニッションの強度を推定するものとし、プレイグニッションの強度が比較的弱い場合と比較的強い場合とで、プレイグニッションを防止するために実施する内燃機関の補正制御の内容を変更するようにしている。このため、プレイグニッションの強度に応じた補正制御の実施が可能となり、内燃機関の損傷の防止とドライバビリティの維持とを両立させることができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成や具体的な処理の手順等は、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。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
ｄ…振動信号
ｈ…イオン電流信号

Claims (2)

1. 内燃機関の気筒におけるプレイグニッションの発生を感知するものであって、
   気筒の燃焼室内での燃料の燃焼に起因して生じる気筒の振動の発生タイミングと、燃料の燃焼に起因して点火プラグの電極を流れるイオン電流信号の発生タイミングとの双方に基づき、気筒におけるプレイグニッションの有無を判定する内燃機関の制御装置。
2. 気筒における点火タイミングから気筒の振動の発生タイミングまでの期間の長さ、及びイオン電流信号の発生タイミングから点火タイミングまでの期間の長さに応じて、気筒で発生したプレイグニッションの強度を推定するものとし、
   プレイグニッションの強度が比較的弱い場合と比較的強い場合とで、プレイグニッションを防止するために実施する内燃機関の補正制御の内容を変更する請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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