JP2016205216A - 内燃機関用の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】判定精度が高く、瞬時応答性にも優れたＥＧＲ制御が可能な燃焼制御装置を提供する。【解決手段】各点火サイクルにおいて、イオン電流の検出信号の積分値ＳＵＭを算出する第１処理と共に、積分値ＳＵＭに対する１０％位置の点火タイミングからの判定時間差τを特定する第２処理（ＳＴ２）と、今回の判定時間差τの前回の判定時間差τ’との差分値Δを特定する第３処理（ＳＴ３）と、今回差分値Δと前回差分値Δ’に基づいて判定パラメータΔ／τを特定し（ＳＴ４）、必要時には、次回点火サイクルのＥＧＲ量を決定する第４処理（ＳＴ６）、を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関において、最適なＥＧＲ制御を可能にした燃焼制御装置に関する。

昨今、排気の一部を吸気通路に還流する外部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）量を制御する構成や、吸気バルブの動作特性を変更して内部ＥＧＲ量を制御する構成を採るエンジンが知られている。外部ＥＧＲ量であるか内部ＥＧＲ量であるかに拘わらず、ＥＧＲ量を増加させるとポンピングロス（吸入抵抗損失）の低減などによって燃費が改善される。

このようなＥＧＲ制御の最適化について、出願人は、イオン電流に着目して燃焼状態を把握し、燃焼を悪化させない最適なＥＧＲ量に制御する発明を提案している（特許文献１）。そして、この特許文献１には、イオン電流のピーク値などの判定パラメータに基づいて、燃焼状態の良否を瞬時判定する手法も開示されている。

特開２００９−１２７５０８号公報

しかし、限界的なＥＧＲ量による運転条件下では、緩慢燃焼のために、イオン電流のピーク位置を明確に判定できない場合も多く、誤判定の発生による燃費改善の限界があった。ここで、判定パラメータの統計値を算出して判定精度を上げるとはできるが、これでは、判定パラメータの蓄積や統計値の算出に時間を要し、瞬時応答性に欠けるという問題があった。

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、判定精度が高く、瞬時応答性にも優れたＥＧＲ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、本発明者は、所定頻度で燃焼悪化状態が生じる限界的なＥＧＲ量において燃焼実験を繰り返した。

具体的には、実施例（図５参照）の機器構成において、ＥＧＲ弁２６を開閉制御して還流排気ガスの流量を調整する外部ＥＧＲ制御を実行し、理論空燃比の混合気に、限界量の排気ガスを混入させた状態（以下、限界ＥＧＲ制御状態という）で、筒内圧［ｋＰａ］の時間的推移と、熱発生率［Ｊ／ｄｅｇ］の時間的推移と、燃料質量割合ＭＦＢ（Mass Fraction of Burned fuel）［％］の時間的推移と、イオン電流波形の時間的推移との関係を、各点火サイクルにおいて観測した。

その結果、図１（ｂ）に示す筒内圧［ｋＰａ］のピーク値が高い場合（良好な燃焼状態Ｇ）は、筒内圧のピーク値の低い場合（燃焼悪化状態ＮＧ）と比較して、熱発生率の立上り特性や、燃料質量割合の１００％に向う立上り特性が急であり（図１（ｃ）及び図１（ｄ）参照）、これに対応してイオン電流の発生タイミングも早くなることが確認された（図１（ａ）参照）。したがって、イオン電流の発生タイミングに着目すれば、筒内圧［ｋＰａ］や、熱発生率［Ｊ／ｄｅｇ］について、その立上り特性を把握できると思われる。

但し、イオンピーク位置を判定パラメータにしたのでは、緩慢燃焼状態（燃焼悪化状態）における検出精度が劣るので、本発明者は、イオン面積ＳＵＭに着目した。ここで、イオン面積とは、各点火サイクルにおいて、放電ノイズが収束した後のイオン電流波形の時間積分値ＳＵＭを意味する。そして、イオン面積ＳＵＭから抽出する時間情報τとして、イオン面積ＳＵＭに対する所定％位置を問題にした。なお、経過時間は、例えば、点火タイミングからの経過時間［ｓ］である。

図２（ａ）は、限界ＥＧＲ制御状態において、各点火サイクルにおけるＩＭＥＰ値［ｋＰａ］と、イオン面積１０％位置［ｓ］との関係を図示したものであり、高相関が確認された。なお、限界ＥＧＲ制御状態とは、この実施例では、ＥＧＲ率＝２０％程度を意味し、ＥＧＲ率は、ＥＧＲガス量Ｇｅと新気量Ｇａの総和に対するＥＧＲガス量Ｇｅの比率Ｇｅ／（Ｇｅ＋Ｇａ）×１００を意味する。

ところで、図２（ａ）はイオン面積１０％位置とＩＭＥＰ値［ｋＰａ］との関係を示しているが、何ら１０％位置に限定されるものではなく、イオン面積の５０％位置、９０％位置、その他の％位置で判定しても所定の制御性能を実現できることを確認している。したがって、以下の説明は、イオン電流１０％位置以外の任意のイオン面積ＤＴ％位置に対しても、基本的に、そのまま妥当する（０≦ＤＴ≦１００）。

また、一連の実験の結果、（ａ）限界ＥＧＲ制御状態では、同レベルのＩＭＥＰ値が連続するのではなく、一般に、低ＩＭＥＰ値の後は、ＩＭＥＰ値が回復傾向を示し、低ＩＭＥＰ値と高ＩＭＥＰ値とが繰り返される傾向にあること、（ｂ）この傾向は、燃焼悪化状態では特に顕著であり、ＩＭＥＰ値の振幅幅も大きいことが判明した。

これは、燃焼悪化状態では燃焼が緩慢となるため、排気工程（断熱膨張行程）での温度低下が緩慢となり、その結果、次回の点火サイクルで還流される排ガス温度が相対的に高まることで、燃焼速度が高まるためであると解される。

図２（ｂ）には、前サイクルの排気温度［℃］と、今サイクルと前サイクルのＩＭＥＰ差［ｋＰａ］との関係を示す実験結果が示されており、前サイクルの排気温度が高いと、今サイクルの燃焼状態が回復傾向になり、逆に、前サイクルの排気温度が低いと、今サイクルの燃焼状態が悪化傾向になることが示されている。

次に、図３（ａ）は、複数回の点火サイクルにおけるＩＭＥＰ値の変化を示す図面である。ここでは、２０回目から６５回目までの点火サイクルを示しており、５８回目〜６０回目の点火サイクルは燃焼悪化状態となっている。なお、図示例では、６１回目以降、燃焼悪化状態が自然回復しているが、自然回復が望めない場合も多く、数サイクルの燃焼悪化状態が、断続的に発生することが確認されている。

何れにしても、５８回目に続く５９回目の点火サイクルでは、ＩＭＥＰ値が回復し、その次の６０回目の点火サイクルでは、再度、低ＩＭＥＰ値となることが確認される。そして、これらの燃焼悪化状態では、ＩＭＥＰ値の振幅幅が大きい。

図３（ｂ）は、ＩＭＥＰ値［ｋＰａ］の変化と、イオン面積１０％位置［ｓ］の変化とを対応させた図面であり、ＩＭＥＰ値の振幅幅が大きいタイミングでは、イオン面積１０％位置［ｓ］の振幅幅が大きいことが確認される。

そこで、本発明者は、この傾向をより顕著に抽出するため、点火サイクルの前後サイクルにおける、イオン面積１０％位置の前後差分値Δを、燃焼悪化の判定パラメータとすることにした。

図３（ｃ）は、イオン面積１０％位置の前後差分値Δの変化を示す図面であり、正常燃焼状態では、ＩＭＥＰ値は、前後の点火サイクルにおいて、必ずしも高低に推移しないので、前後差分値Δが顕著に現れないが、燃焼悪化状態では、前後差分値Δが顕著に現れることが確認される。

したがって、前後差分値Δを所定の閾値と比較すれば、燃焼悪化状態を素早く検出することができ、例えば、前後差分値Δに基づいて、５８回目の点火サイクルの異常を検出して、その後の燃焼悪化を未然防止することもできると解される。

本発明は、以上の知見に基づくものであって、内燃機関の燃焼室への吸気通路と、燃焼室からの排気通路とを連通する排気還流通路を設けると共に、燃焼室の燃焼状態を示すイオン電流に対応した検出信号を出力するイオン電流検出回路を設けてＥＧＲ制御を実現可能な燃焼制御装置であって、各点火サイクルの所定区間において、前記検出信号の積分値（ＳＵＭ）を算出する第１手段と、前記積分値（ＳＵＭ）に対する所定％位置の、所定の基準位置からの経過時間に基づいて判定時間差（τ）を特定する第２手段と、今回点火サイクルで特定された判定時間差（τ）の、前回点火サイクルに特定された判定時間差（τ’）との差分値（Δ）を特定する第３手段と、今回点火サイクルで特定された差分値（Δ）、及び／又は、前回点火サイクルで特定された差分値（Δ’）に基づいて判定パラメータを特定し、必要時には、次回点火サイクルのＥＧＲ量を決定する第４手段と、を有して構成されている。

前記判定パラメータは、前記差分値（Δ）の変動率に基づいて特定されるのが好適であり、前記判定パラメータとして、前回差分値（Δ’）の変動率、又は、今回差分値（Δ）の変動率の何れか一方が選択されるのが好適である。また、前記変動率は、前記差分値（Δ）と前記判定時間差（τ）の比で特定されるのが好ましい。

なお、本発明は、燃焼室に還流される排気ガスの流量を制御する外部ＥＧＲ制御に限らず、吸気弁と排気弁の双方を開放する重複開放期間を制御する内部ＥＧＲ制御にも適用可能である。

以上説明した通り、本発明は、判定精度が高く応答性にも優れたＥＧＲ制御を実現できる燃焼制御装置を実現することができ、限界量までＥＧＲ量を増加させても正常燃焼を継続させることができる。

実験結果を示す図面である。 実験結果を示す図面である。 実験結果を示す図面である。 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。 実施例に係る内燃機関の概略構成を図示したものである。 燃焼制御装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、実施例について説明するが、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。図４（ａ）は、実施例に係る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１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、２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４（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４の回路構成において、２次コイル１Ｓに負の高電圧が発生すると、図４（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、２次コイル１Ｓの高電圧が消滅すると（図４（ｄ）参照）、コンデンサＣに充電されたバイアス電圧は、図４（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４（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→１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。

なお、図４（ｅ）は、放電ノイズ終了後のイオン電流波形を図示しており、正常燃焼時における理想的なイオン電流波形を示している。この図面では、イオンピークが鮮明に現れているが、限界ＥＧＲ制御状態では、イオンピーク位置が不鮮明な場合も多い。

図５は、本発明が適用される内燃機関の概略構成を図示したものである。ここでは、吸入行程、圧縮行程、爆発行程、及び排気行程の４サイクルを繰り返して出力する典型的な自動車エンジンを例示している。そして、図５には、ピストン２０やコンロッド２１が設けられた燃焼室２２と、燃焼室２２への吸気通路２３と、燃焼室２２からの排気通路２４とが示されている。

また、この実施例では、吸気通路２３と排気通路２４とを連通するＥＧＲ通路２５が設けられており、排気ガスの一部がＥＧＲ通路２５を経由して吸気通路２３に還流されている。このＥＧＲ通路２５には、ＥＣＵ４によって制御されるＥＧＲ弁２６が配置され、還流される排気ガスの流量を調整する外部ＥＧＲ制御を可能にしている。

また、吸気通路２３と燃焼室２２の境界は吸気弁２５によって開閉され、燃焼室２２と排気通路２４との境界は排気弁２６によって開閉される。これら吸気弁２５や排気弁２６は、ＥＣＵ４からの指令に基づき動作する可変機構によって、開閉タイミングが可変制御される。なお、本実施例では、吸気弁２５と排気弁２６のいずれも開放させる重複期間（バルブオーバラップ期間）を制御することで内部ＥＧＲ制御も可能にしている。

燃焼室２２の頂部には、点火コイル１に接続されて高電圧を受ける点火プラグ５が配置されている。また、このエンジンには、アクセルの踏込量に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサや、クランクシャフトの回転速度（エンジン回転数）を出力する回転速度センサや、吸気通路２５を通じて燃焼室２２に導入される吸入空気量に応じた信号を出力するエアフロメータや、吸気通路２５内の吸気圧に応じた信号を出力する吸気圧センサや、燃焼室２２内の筒内圧に応じた信号を出力する筒内圧センサなどが設けられ、各センサからの信号は、各々ＥＣＵ４に供給されている。

以下、ＥＧＲ通路２５を設けた自動車エンジンをＥＧＲ制御する制御方法を、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。

ＥＧＲ制御時には、先ず、所定のＥＧＲ制御条件で点火動作を実行し、点火動作後のイオン電流を取得して、ＢＰＦ処理などの必要処理を施した上で記憶する（ＳＴ１）。

次に、放電ノイズ終了後のイオン電流波形を解析する。具体的には、放電ノイズ終了後のイオン電流の時間積分値ＳＵＭを算出すると共に、その１０％位置（τ）を特定して燃焼パラメータ（τ）とする（ＳＴ２）。なお、１０％位置は、点火タイミングからの経過時間を意味するが、必ずしも１０％位置でなくても良いことは先に説明した通りである。

そして、今サイクルの燃焼パラメータ（τ）と、前サイクルの燃焼パラメータ（τ’）との差分値Δ（＝τ−τ’）に基づいて、差分値Δの変動率Δ／τを算出する（ＳＴ３）。また、今サイクルの燃焼パラメータ（τ）を所定の記憶領域Ｍ１に記憶する。ここで、記憶領域Ｍ１は、一回分の燃焼パラメータを記憶可能な記憶容量であり、統計処理を施す場合のような記憶容量は不要である。

以上の処理が終われば、前サイクルの変動率Δ’／τ’と今サイクルの変動率Δ／τを、絶対値レベルで比較して、何れか大きい方を判定パラメータＪＵＤＧとして選択する（ＳＴ４）。なお、今サイクルのΔ／τを所定の記憶領域Ｍ２に記憶するが、この記憶領域Ｍ２も、一回分の変動率Δ／τを記憶可能な記憶容量である。

次に、選択された何れか一方の判定パラメータＪＵＤＧを閾値と比較して、閾値を超える場合には、次回の点火サイクルにおけるＥＧＲ量を緩和方向に制御する（ＳＴ６）。例えば、図３の動作例では、５８回目の点火サイクルにおいて、差分値Δ（＝τ−τ’）が閾値を超えるので、５８回目以降の点火サイクルにおけるＥＧＲ量を緩和させることができ、運転性能の悪化を未然防止することができる。

なお、判定パラメータＪＵＤＧが閾値を超える場合でも、差分値Δの正負に基づいて、ＥＧＲ量を緩和するか否かを決定しても良い。すなわち、限界ＥＧＲ制御状態では、低ＩＭＥＰ値と高ＩＭＥＰ値とが繰り返される傾向にあり、これに対応して、差分値Δも正負に振動するので、差分値Δが正であることを条件に、ＥＧＲ量を緩和しても良い。

このような制御手法を採ると、やや瞬時応答性には欠けることになり、例えば、図３の５８回目以降の点火サイクルが非緩和状態（限界ＥＧＲ制御状態）になるが、５９回目以降の緩和制御によって６０回目の運転性能の悪化を未然防止することができる。

また、上記の説明では、前サイクルの変動率Δ’／τ’と今サイクルの変動率Δ／τを比較して、絶対値において何れか大きい方を選択したが、逆に、何れか小さい方（絶対値）を判定パラメータＪＵＤＧとして選択しても良い。

この場合も、やや瞬時応答性には欠け、例えば、図３の５８回目以降の点火サイクルが非緩和状態（限界ＥＧＲ制御状態）になるが、５９回目以降の緩和制御によって６０回目の運転性能の悪化を未然防止することができる。また、この制御手法によれば、燃焼が改善したことを直ちに検出できるので、無駄な燃料の消費を未然防止できる。例えば、図３の６２回目以降は、限界ＥＧＲ制御状態に戻すことができる。

なお、上記の説明では、前サイクル時の記憶値（τ’やΔ’／τ’）を参照したが、何ら限定されず、前サイクルと今サイクルの差分値Δや、その変動率Δ／τに基づいてＥＧＲ燃焼状態を変更しても良い。また、変動率Δ／τに代わる別の判定パラメータを採用しても良い。

何れにしても、具体的な制御手法は、何ら本発明を限定するものではなく、他の構成も含め、適宜に変更可能である。

ＥＱＵ 燃焼制御装置
２３ 吸気通路
２４ 排気通路
２５ 排気還流通路
２７ 吸気弁
２８ 排気弁
ＳＴ１ 第１手段
ＳＴ２ 第２手段
ＳＴ３ 第３手段
ＳＴ６ 第４手段
Δ 差分値
Δ／τ 判定パラメータ
ＳＵＭ 積分値

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼室への吸気通路と、燃焼室からの排気通路とを連通する排気還流通路を設けると共に、燃焼室の燃焼状態を示すイオン電流に対応した検出信号を出力するイオン電流検出回路を設けてＥＧＲ制御を実現可能な燃焼制御装置であって、
   各点火サイクルの所定区間において、前記検出信号の積分値（ＳＵＭ）を算出する第１手段と、
   前記積分値（ＳＵＭ）に対する所定％位置の、所定の基準位置からの経過時間に基づいて判定時間差（τ）を特定する第２手段と、
   今回点火サイクルで特定された判定時間差（τ）の、前回点火サイクルに特定された判定時間差（τ’）との差分値（Δ）を特定する第３手段と、
   今回点火サイクルで特定された差分値（Δ）、及び／又は、前回点火サイクルで特定された差分値（Δ’）に基づいて判定パラメータを特定し、必要時には、次回点火サイクルのＥＧＲ量を決定する第４手段と、
   を有して構成される燃焼制御装置。
2. 前記判定パラメータは、前記差分値（Δ）の変動率に基づいて特定される請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 前記判定パラメータとして、前回差分値（Δ’）の変動率、又は、今回差分値（Δ）の変動率の何れか一方が選択される請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記変動率は、前記差分値（Δ）と前記判定時間差（τ）の比で特定される請求項２又は３に記載の燃焼制御装置。