JP2017066903A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒の燃焼室からのガスの漏出を簡便に感知し、その漏出による問題を抑制ないし回避する。
【解決手段】気筒の燃焼室内での燃料の燃焼に起因して点火プラグの電極を流れるイオン電流信号の発生時間の長さが所定範囲内に収まっていた場合に、当該気筒における燃料噴射及び点火の実行を一時中止し、その後当該気筒において燃料噴射を伴わず点火のみを実行する期間を設け、しかる後当該気筒における燃料噴射及び点火の実行を再開する内燃機関の制御装置を構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の運転制御を司る制御装置に関する。

内燃機関の気筒における圧縮行程ないし膨張行程中に、気筒の燃焼室から吸気ポートまたは排気ポートにガスが漏出する「圧縮漏れ」が起こることがある。この圧縮漏れは、典型的には、吸気バルブまたは排気バルブの弁体とバルブシートとの間に異物（デポジット）が噛み込まれた場合に起こる。

圧縮漏れが複数サイクルに亘って繰り返され、その間燃料噴射を平常通りに継続していると、エミッションの悪化を招いたり、吸気ポート内に未燃燃料が蓄積した結果として点火プラグがかぶったり、あるいは燃焼室から吸気ポートへ火炎が逆流するバックファイアを誘発したりする。

下記特許文献には、筒内圧センサを介して検出した筒内圧（燃焼室内圧力）を基に当該気筒で発生した熱量を算出し、その発熱量と空燃比センサを介して検出した混合気の空燃比とに基づき、当該気筒における圧縮漏れの有無を判定するシステムが開示されている。だが、このようなシステムを採用するには、高価な筒内圧センサを各気筒に設置する必要がある、コストの増大を招く。

特開２０１２−１４９５６２号公報

本発明は、気筒の燃焼室からのガスの漏出を簡便に感知し、その漏出による問題を抑制ないし回避することを所期の目的とする。

上述の課題を解決するべく、本発明では、気筒の燃焼室内での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時間の長さが所定範囲内に収まっていた場合に、当該気筒における燃料噴射及び点火の実行を一時中止し、その後当該気筒において燃料噴射を伴わず点火のみを実行する期間を設け、しかる後当該気筒における燃料噴射及び点火の実行を再開する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、気筒の燃焼室からのガスの漏出を簡便に感知してその漏出による問題を抑制ないし回避することができる。

本発明の一実施形態における車両用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のそれぞれの推移を示す図。 同実施形態の制御装置が実施する制御の内容を示すフロー図。

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、当該気筒１に向けて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。

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１３１を有するイグナイタ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の半導体スイッチ１３１が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の火花点火のタイミングで半導体スイッチ１３１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。二次側の誘導電圧は、１０ｋＶないし３０ｋＶに達する。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。

点火コイル１４の一次側コイルは、半導体スイッチ１３１を介して車載の電源バッテリ１７に接続する。半導体スイッチ１３１を点弧し、バッテリ１７から供給される直流電圧を一次側コイルに印加して通電を開始すると、一次側コイルを含む一次側（低圧系）の回路を流れる一次電流は逓増する。

イグナイタ１３は、一次電流の過大化を抑制する電流制限機能を有している。この電流制限機能は、今日普及している既製のイグナイタのそれと同様である。具体的には、制御回路１３２が、検出抵抗１３３を介して、一次電流を当該抵抗１３３の両端間電圧の形で恒常的に計測する。そして、その一次電流（抵抗１３３の両端間電圧）の大きさが規定値以下である間は半導体スイッチ１３１を点弧する一方、規定値を超えたときには半導体スイッチ１３１を消弧する。

本実施形態のＥＣＵ０は、燃料の燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、そのイオン電流を参照して燃焼状態及び圧縮漏れの有無の判定を行うことができる。

図２に示しているように、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、イオン電流及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧）のそれぞれの推移を例示する。図３中、イオン電流を破線で描画し、燃焼圧力を実線で描画している。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結果発生した排気を各気筒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、特にサージタンク３３に接続している。

点火コイル１４への通電やバルブ２３、３２類の開閉駆動、車両に実装された電装系への電力供給源となる発電機（オルタネータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））１８は、内燃機関のクランクシャフトからエンジントルクの供給を受けて発電し、その発電した電力を車載のバッテリ１７に充電する。

本実施形態の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。

ＥＣＵ０の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、要求されるエンジン負荷）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、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ｄ、車載のバッテリ１７の電流及び／または電圧を検出する電流／電圧センサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｅ、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ｆ、吸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、気筒１の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電流信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号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ｌ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、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、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（または、ＥＧＲ量）等といった各種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、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ）に制御信号ｏを入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

本実施形態のＥＣＵ０は、点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流信号ｈを参照して、気筒１の圧縮行程ないし膨張行程中に気筒１の燃焼室からガスが漏出する圧縮漏れが起こっていないかどうかを判定するとともに、圧縮漏れが起こったと判定した場合には、その悪影響を抑制ないし回避するためのフェイルセーフ制御を実施するものとしている。

図４に、ＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、各気筒１毎に、混合気への点火後に現れるイオン電流信号ｈの発生時間、即ち図３に示しているように、イオン電流信号ｈの大きさが所定の閾値を上回る期間Ｔの長さを計測する。そして、その発生時間Ｔの長さに基づいて、当該気筒１の直近の圧縮行程ないし膨張行程において圧縮漏れが起こらなかったかどうかを判定する（ステップＳ１）。具体的には、
（Ｉ）イオン電流信号ｈの発生時間Ｔの長さが第一の判定値以上であるならば、当該気筒１において混合気が正常に燃焼したと判断する。
（II）イオン電流信号ｈの発生時間Ｔの長さが、第一の判定値を下回っているが、第一の判定値よりも小さい第二の判定値以上であるならば、当該気筒１において混合気の燃焼状態が悪化していると判断する。
（III）イオン電流信号ｈの発生時間Ｔの長さが、第二の判定値を下回っているが、第二の判定値よりも小さい（当然、第一の判定値よりも小さい）第三の判定値以上であるならば、当該気筒１において圧縮漏れが起こったと判断する。
（IV）イオン電流信号ｈの発生時間Ｔの長さが第三の判定値を下回っているならば、当該気筒１において失火したと判断する。
第一の判定値、第二の判定値及び第三の判定値はそれぞれ、そのときの内燃機関の運転領域［エンジン回転数，エンジン負荷（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）］に応じて設定することが好ましく、また、そのときの混合気の目標空燃比（または、燃料噴射量）に応じて設定することが好ましい。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域及び／または空燃比（燃料噴射量）と、上記の各判定値との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、ステップＳ１にて、現在の内燃機関の運転領域を表すパラメータ及び／または現在の空燃比（燃料噴射量）をキーとして当該マップを検索し、設定するべき各判定値を知得して、圧縮漏れの有無の判定に用いる。

その上で、圧縮漏れが起こったと判定した場合には、圧縮漏れが起こった気筒１において、インジェクタ１１からの燃料噴射及び点火プラグ１２による火花点火の実行を一時中止する期間を設ける（ステップＳ２）。この燃料噴射及び点火の中止期間中も、当該気筒１に付随する吸気バルブ及び排気バルブの開閉は継続する。これにより、吸気バルブまたは排気バルブの弁体とバルブシートとの間に噛み込まれた、圧縮漏れの原因となる異物（デポジット）が粉砕されまたは脱離するのを待つ。燃料噴射及び点火の中止期間の長さは、例えば十サイクル（吸気−圧縮−膨張−排気の一連を一サイクルとする）程度とする。

圧縮漏れが起こった気筒１において燃料噴射及び点火の実行を中止する期間を経た後、ＥＣＵ０は、当該気筒１における燃料噴射を停止したままで、点火プラグ１２による火花点火のみを再開する（ステップＳ３）。これにより、当該気筒１の燃焼室から吸気ポートに漏出した（そして気筒１に再吸引される）未燃燃料成分を含むガスを燃焼させる。燃料噴射を伴わず点火のみを行う期間の長さは、例えば数サイクル程度とする。

しかる後、ＥＣＵ０は、当該気筒１での燃料噴射を再開し、火花点火により燃料を着火燃焼させる（ステップＳ４）。なお、この燃料噴射の再開直後の時期にあっては、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるよう、燃料噴射量を調整することが好ましい。空燃比をリーンに制御するのは、圧縮漏れのガスに含まれる未燃燃料成分（に由来するＨＣやＣＯ等）を触媒４１内で酸化処理するのに必要な酸素を供給する意図である。

しかして、ＥＣＵ０は、当該気筒１における点火後に現れるイオン電流信号ｈの発生時間Ｔの長さを計測し、その発生時間Ｔの長さに基づいて、当該気筒１の直近の圧縮行程ないし膨張行程において圧縮漏れが起こらなかったかどうかを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５の判定処理の内容は、基本的にステップＳ１と同様であるが、判定に用いる第一、第二及び第三の判定値がステップＳ１におけるそれと同値であるとは限らない。特に、空燃比をリーンに制御している場合には、その空燃比に対応した判定値を用いて圧縮漏れの有無を判定することが好ましい。

ステップＳ５における判定の結果、当該気筒１において圧縮漏れが起こっていないと判定したならば、原則として空燃比を理論空燃比またはその近傍に制御する平常の運転制御に復帰する。翻って、当該気筒１において再度の圧縮漏れが起こったならば、再度ステップＳ２ないしステップＳ５のフェイルセーフ制御を実行することになる。他の気筒１において圧縮漏れが起こった場合にも、その圧縮漏れが起こった気筒１について同じフェイルセーフ制御を実行することは言うまでもない。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内での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の発生時間Ｔの長さが所定範囲内（第二の判定値から第三の判定値までの範囲内）に収まっていた場合に、当該気筒１における燃料噴射及び点火の実行を一時中止し、その後当該気筒１において燃料噴射を伴わず点火のみを実行する期間を設け、しかる後当該気筒１における燃料噴射及び点火の実行を再開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、高価な筒内圧センサを各気筒１に実装することなしに、気筒１の燃焼室からのガスの漏出を簡便に感知できる。そして、フェイルセーフ制御を通じて、その漏出による問題を抑制ないし回避することが可能となる。即ち、エミッションの悪化を抑止することができる上、吸気ポート内に未燃燃料が蓄積した結果点火プラグがかぶることを回避でき、混合気への点火が安定し、内燃機関の始動性も改善する。また、燃焼室から吸気ポートへ火炎が逆流するバックファイアを防止することにもつながる。

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、車両等に搭載された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
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
３…吸気通路
４…排気通路
４１…触媒
ｈ…イオン電流信号
ｉ…点火信号
ｊ…燃料噴射信号

Claims (1)

1. 気筒の燃焼室内での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時間の長さが所定範囲内に収まっていた場合に、
   当該気筒における燃料噴射及び点火の実行を一時中止し、
   その後当該気筒において燃料噴射を伴わず点火のみを実行する期間を設け、
   しかる後当該気筒における燃料噴射及び点火の実行を再開する内燃機関の制御装置。

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