JP2909345B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

内燃機関制御装置

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JP2909345B2 JP5064286A JP6428693A JP2909345B2 JP 2909345 B2 JP2909345 B2 JP 2909345B2 JP 5064286 A JP5064286 A JP 5064286A JP 6428693 A JP6428693 A JP 6428693A JP 2909345 B2 JP2909345 B2 JP 2909345B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、燃焼後の気筒から得
られるイオン電流検出値に基づいて内燃機関の燃焼状態
を判定すると共に燃焼状態に応じて制御パラメータを設
定する内燃機関制御装置に関し、特にイオン電流検出値
の判定結果に応じて制御パラメータをフィードバック制
御することにより、コストアップすることなく燃焼状態
を向上させた内燃機関制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、複数の気筒によりクランク軸を
介して回転駆動される内燃機関においては、各気筒の点
火時期及び燃料噴射時期等のタイミング制御時期を決定
するため、内燃機関の回転に同期した基準位置信号及び
各種センサからの運転状態が用いられる。又、基準位置
信号を生成する角度検出手段は、基準位置信号がクラン
ク角(クランク軸の回転角度)に対応した所定の基準位置
を示すように、内燃機関のクランク軸又はカム軸に設け
られている。
【０００３】又、点火サイクルの制御対象気筒が失火し
て爆発が行われない場合には、点火サイクル以降でアフ
タバーンと呼ばれる異常爆発が発生して気筒を損傷した
り、未燃ガスが排気されて排気ガス処理用の触媒を損傷
したりする。従って、各気筒毎の燃焼状態を検出し、例
えば失火を検出したときには、内燃機関を保護するため
に種々の失火回避対策を行う必要がある。
【０００４】更に、近年では、内燃機関の最適な燃焼状
態を維持するために、例えば、運転状態に応じて点火時
期を最適なクランク角位置に設定したり、空燃比が理論
空燃比(14.7)となるように燃料噴射量を制御している。
しかし、通常、最適燃焼のための制御パラメータはオー
プンループ制御で設定されるため、最適な制御状態を確
実に維持することはできない。
【０００５】そこで、従来より、燃焼気筒の筒内圧を検
出する筒内圧センサを設け、燃焼時の筒内圧を制御パラ
メータ設定部にフィードバックして、燃焼状態が最適と
なるように制御パラメータを変更する内燃機関制御装置
も開発されているが、筒内圧センサは高価であるため、
コストアップにつながってしまう。
【０００６】又、従来より、燃焼気筒内に発生するイオ
ンをイオン電流として検出する手段を備えた装置も提案
されているが、イオン電流検出値は、通常、失火状態の
有無や燃焼気筒の識別等に用いられているのみである。
【０００７】図３は例えばイオン電流検出手段及び筒内
圧センサを備えた従来の内燃機関制御装置を示す機能ブ
ロック図である。図において、１は例えば内燃機関のカ
ム軸に設けられた回転板からなる角度検出手段であり、
内燃機関の回転に同期して各気筒の所定クランク角(基
準位置)に対応したパルス状の基準位置信号Ｔθを生成
する。通常、点火時期等の制御パラメータのタイマ制御
の基準となる基準位置は例えばＢ75°(上死点から75°
手前)又はＢ５°等に設定される。
【０００８】２はエンジン負荷を示す流入空気量(スロ
ットル開度)、回転数及び吸気温度等の運転状態Ｄを検
出する各種センサ、20は気筒の燃焼により生じるイオン
を検出するためのイオン電流検出手段、22は各気筒に設
けられて筒内圧Ｐｃを検出する筒内圧センサである。内
燃機関の失火状態等を検出するイオン電流検出手段20
は、必要に応じて全て又は任意の気筒に対応して設けら
れる。
【０００９】３はマイクロコンピュータからなる制御手
段であり、基準位置信号Ｔθ及び運転状態Ｄに基づいて
各気筒毎の制御パラメータ(点火時期等)Ｔａを演算する
制御パラメータ設定部31と、基準位置信号Ｔθ及びイオ
ン電流検出値Ｉに基づいて内燃機関の燃焼状態(失火等)
を判定するイオン電流判定部32とを含んでいる。制御パ
ラメータ設定部31は、筒内圧Ｐｃに応じて制御パラメー
タＴａを変更する手段を含み、又、イオン電流判定部32
は、例えばイオン電流検出値Ｉを運転状態Ｄに応じた基
準レベルと比較して失火を判定する比較手段(図示せず)
を含んでいる。
【００１０】制御パラメータ設定部31は、例えば点火時
期に対応した制御時間等を制御パラメータＴａとして生
成すると共に、判定信号Ｃが失火を示す場合には失火気
筒に対する失火抑制処理(例えば点火電源能力アップ等)
や燃料噴射停止による未燃ガス流出抑制処理等を行う。
又、筒内圧Ｐｃに応じて最適燃焼状態となるように制御
パラメータＴａを変更する。尚、制御パラメータＴａと
しては、点火時期のみならず、燃料噴射タイミングや点
火コイルへの通電時間等、種々の制御要素が含まれる。
【００１１】図４はイオン電流検出手段20の構成を示す
回路図であり、21は一次巻線21ａ及び二次巻線21ｂを有
する点火コイル、22は点火時期に対応した点火パルスＰ
により一次巻線21aの通電電流ｉ1を遮断するパワートラ
ンジスタ、23は二次巻線21ｂに発生する高電圧により放
電される点火プラグである。
【００１２】24は点火プラグ23での放電爆発により発生
するイオンをイオン電流ｉとして放電するための100Ｖ
〜200Ｖの直流電源、25は直流電源24に直列接続されて
イオン電流ｉを電圧信号に変換するための抵抗器、26は
イオン電流ｉの検出値Ｉを電圧信号として出力する出力
端子、27は直流電源24及び抵抗器25に並列接続された逆
流防止ダイオードである。尚、イオン電流検出値Ｉを生
成する出力端子26は、波形整形回路(図示せず)を介して
制御手段３に接続される。
【００１３】図５はイオン電流ｉを示す波形図であり、
点火パルスＰにより一次電流i1が遮断されて点火プラグ
23で放電爆発が起こり燃焼すると、火炎の成長に対応し
てイオン電流ｉが大きくなることを示している。
【００１４】次に、図３〜図５を参照しながら、従来の
内燃機関制御装置の動作について説明する。通常、制御
パラメータ設定部31は、点火時期制御を例にとると、基
準位置信号Ｔθの立ち上がり及び立ち下がりタイミング
を基準位置とすると共に、運転状態Ｄに応じた最適の点
火時期をマップを参照して求め、基準位置から点火時期
までの制御時間を制御パラメータＴａとして演算する。
【００１５】一方、イオン電流判定部32は、角度検出手
段１からの基準位置信号Ｔθ及びイオン電流検出手段20
からのイオン電流検出値Ｉに基づいて、各点火サイクル
における気筒の燃焼状態を確認し、例えば、爆発行程の
イオン電流検出値Ｉが基準レベルより小さい場合には該
当気筒の失火を示す判定信号Ｃを生成する。制御パラメ
ータ設定部31は、失火を示す判定信号Ｃが入力された場
合には、失火気筒に対して失火発生を抑制するように制
御パラメータＴａを補正する。
【００１６】即ち、点火エネルギ(点火コイル21の一次
電流i1の通電時間)を増大させて点火を確実にするか、
燃料噴射時間を増大又は減少させて混合気をリッチ化又
はリーン化し、混合気の空燃比調整により失火回避可能
か否かを確認する。更に、失火抑制側への制御パラメー
タＴａの補正で失火状態が改善されない場合には、失火
気筒への燃料噴射を停止して未燃ガスの排気を防止する
等の処置を行う。
【００１７】一般に、点火サイクルの気筒においては、
点火パルスＰによりパワートランジスタ22が遮断される
と、二次巻線21ｂに接続された点火プラグ23に負極性の
高電圧が印加され、点火プラグ23の電極間で放電が発生
して混合気が着火され、この爆発燃焼により、爆発気筒
内には電離作用によるイオンが発生する。このとき、放
電後の点火プラグ23は、直流電源24のバイアス電圧が印
加されているため、イオン電流ｉを検出するための電極
として作用する。
【００１８】気筒内の電離イオンは、直流電源24の正極
性バイアスにより移動を生じさせてイオン電流ｉとなっ
て流れ、このイオン電流ｉは、抵抗器25により検出値Ｉ
に変換されて出力端子26から出力される。従って、イオ
ン電流検出値Ｉのレベル又は所定レベルの持続時間を参
照すれば、点火サイクル気筒が確実に着火されたか否か
を判別することができる。
【００１９】通常、イオン電流検出値Ｉのレベル判定に
は、スレッショルド以上の検出値Ｉを波形整形したパル
ス、又は、イオン電流検出値Ｉのピークホールド値や積
分値等が用いられる。又、イオン電流検出値Ｉのレベル
は運転状態Ｄによって異なるので、失火検出用の比較基
準レベルは、運転状態Ｄに応じて適宜変更され得る。
【００２０】ところで、イオン電流検出値Ｉから燃焼状
態を把握して制御パラメータＴａを設定しようとして
も、例えば、イオン電流検出値Ｉのピーク値のみから正
確な燃焼状態を把握することはできない。以下、図６〜
図８を参照しながら、制御パラメータＴａとイオン電流
検出値Ｉとの関係を具体的に説明する。
【００２１】図６は一般的なイオン電流検出値Ｉのピー
ク値及びパルス幅を示す波形図であり、ＩＰはピーク
値、ＴＨはスレッショルド値、ＩＷはパルス幅である。
又、図７は空燃比に対するパルス幅ＩＷ及びピーク値Ｉ
Ｐの関係を示す特性図である。図７から明らかなよう
に、ピーク値ＩＰは、理論空燃比(14.7)で最大値を示す
が、ノイズ成分の重畳により変動し易く信頼性が低い。
又、パルス幅ＩＷは、理論空燃比で最大値を示すが、リ
ーン側で再上昇する傾向がある。
【００２２】図８は点火時期に対するパルス幅ＩＷの関
係を示す特性図であり、最適点火時期ＭＢＴでパルス幅
ＩＷはほぼ最大値を示すが、ノッキング発生の影響等に
より進角側で再上昇する傾向がある。
【００２３】図７及び図８から明らかなように、空燃比
制御に関しても、又、点火時期制御に関しても、イオン
電流検出値Ｉのピーク値ＩＰ又はパルス幅ＩＷの一方の
みから制御パラメータＴａをクローズドループ制御する
ことは困難である。従って、各気筒に筒内圧センサ22を
設け、筒内圧Ｐｃに応じて制御パラメータＴａをクロー
ズドループ制御により変更している。しかし、前述のよ
うに、筒内圧センサ22はコストアップにつながるため、
図３の構成は一部の高級車のみに適用されている。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】従来の内燃機関制御装
置は以上のように、例えば、イオン電流検出手段20を用
いた場合には、イオン電流検出値Ｉのピーク値ＩＰ又は
パルス幅ＩＷ等のいずれかに基づいて燃焼状態を判定し
ているので、失火状態等を判定することはできても、理
論空燃比状態等の具体的な燃焼状態を把握することがで
きず、制御パラメータＴａをクローズドループ制御する
ことができないという問題点があった。
【００２５】又、空燃比等の内燃機関の具体的な燃焼状
態を検出するために筒内圧センサ22を用いた場合には、
制御パラメータＴａのクローズドループ制御が可能とな
るものの、コストアップにつながるという問題点があっ
た。
【００２６】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、イオン電流検出値の判定結果に
応じて制御パラメータをフィードバック制御することに
より、コストアップすることなく燃焼状態を向上させた
内燃機関制御装置を得ることを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る内燃機関制御装置は、内燃機関を回転駆動するための
複数の気筒と、各気筒毎の所定クランク角位置を示す基
準位置信号を生成する角度検出手段と、内燃機関の運転
状態を検出する各種センサと、各気筒のイオン電流を検
出するイオン電流検出手段と、イオン電流の検出値に基
づいて内燃機関の燃焼状態を判定するイオン電流判定部
と、基準位置信号及び運転状態に基づいて且つイオン電
流判定部の判定結果に応じて内燃機関の制御パラメータ
を設定する制御パラメータ設定部とを備え、イオン電流
判定部は、イオン電流検出値の波形面積に相当する判定
値を判定結果として生成し、制御パラメータ設定部は、
判定値が最大となるように制御パラメータを変更するも
のである。
【００２８】又、この発明の請求項２に係る内燃機関制
御装置は、請求項１において、イオン電流判定部は、イ
オン電流検出値のピーク値を生成するピークホールド手
段と、イオン電流検出値の所定レベル以上のパルス幅に
相当する積分値を生成する積分手段とを含み、ピーク値
及び積分値をイオン電流検出値の波形面積に相当する判
定値として生成するものである。
【００２９】
【作用】この発明の請求項１においては、イオン電流検
出値Ｉの波形面積に基づいて内燃機関の燃焼状態を正確
に判定し、制御パラメータをクローズドループによるフ
ィードバック制御可能にする。
【００３０】又、この発明の請求項２においては、ピー
ク値及び積分値を波形面積に相当する判定値として生成
する。
【００３１】
【実施例】
実施例１．以下、この発明の実施例１を図について説明
する。図１はこの発明の実施例１を示す機能ブロック図
であり、１、２、20、Ｔθ、Ｄ及びＩは前述と同様のも
のである。又、イオン電流検出手段20の構成は図４に示
した通りであり、3A、31Ａ、32Ａ、Ｃ′及びＴａ′は、
それぞれ、制御手段３、制御パラメータ設定部31、イオ
ン電流判定部32Ａ、判定信号Ｃ及び制御パラメータＴａ
に対応している。
【００３２】この場合、イオン電流判定部32Ａは、イオ
ン電流検出値Ｉの波形面積に相当する判定値Ｃ′を判定
結果として生成し、制御パラメータ設定部31Ａは、判定
値Ｃ′が最大となるように制御パラメータＴａ′を変更
するようになっている。
【００３３】図２は図１内のイオン電流判定部32Ａの構
成例を示す回路図であり、33はイオン電流検出値Ｉのピ
ーク値ＩＰを生成するピークホールド回路、34はピーク
値ＩＰをＡＤ変換して判定値Ｃｐ′とするＡＤ変換器、
35及び36は比較基準となる所定レベル即ちスレッショル
ドＴＨを生成する分圧抵抗器、37はイオン電流検出値Ｉ
をスレッショルドＴＨと比較してスレッショルドＴＨ以
上の波形をパルスとして出力する比較器、38は比較器37
から出力される波形のパルス幅ＩＷに相当する積分値を
生成する積分器、39は積分値即ちパルス幅ＩＷをＡＤ変
換して判定値Ｃｗ′とするＡＤ変換器である。
【００３４】従って、イオン電流判定部32Ａから生成さ
れる判定値Ｃ′は、ピーク値ＩＰ及び積分値ＩＷに対応
した判定値Ｃｐ′及びＣｗ′からなり、イオン電流検出
値Ｉの波形面積に対応している。40は制御パラメータ設
定部31Ａを含むＣＰＵであり、判定値Ｃｐ′及びＣｗ′
を取り込んでいる。
【００３５】次に、図４〜図８を参照しながら、図１及
び図２に示したこの発明の実施例１の動作について説明
する。前述と同様に、制御手段3A内の制御パラメータ設
定部31Ａは、基準位置信号Ｔθ及び運転状態Ｄに基づい
て制御パラメータＴａ′を演算すると共に、判定値Ｃ′
に応答して制御パラメータＴａ′の補正を行う。
【００３６】このとき、イオン電流判定部32Ａは、例え
ばイオン電流検出値Ｉが失火基準レベル以下のときに失
火を示す判定値Ｃ′を生成する。又、イオン電流判定部
32Ａ内のピークホールド回路33はピーク値ＩＰを生成
し、積分器38はパルス幅ＩＷを生成し、それぞれ、ＡＤ
変換器34及び39を介してＣＰＵ40内の制御パラメータ設
定部31Ａに入力する。
【００３７】制御パラメータ設定部31Ａは、まず、ピー
ク値ＩＰに相当する判定値Ｃｐ′を所定値αと比較し、
又、パルス幅ＩＷに相当する判定値Ｃｗ′を所定値βと
比較し、以下の条件を満たすか否かにより、現在の燃焼
状態が所定燃焼領域にあるか否かを判定する。
【００３８】Ｃｐ′＞α Ｃｗ′＞β
【００３９】もし、上記の条件を同時に満たし、所定燃
焼領域と判定されれば、この領域内でピーク値ＩＰ及び
パルス幅ＩＷが最大となるように制御パラメータＴａ′
を所定値ずつ変更する。
【００４０】例えば、制御パラメータＴａ′が燃料噴射
量（空燃比）の場合、空燃比の変更は、図７のようにパ
ルス幅ＩＷ及びピーク値ＩＰに反映するので、インジェ
クタ(図示せず)の燃料噴射量を、マップ値よりも微少量
ずつ増減させながらフィードバック制御し、パルス幅Ｉ
Ｗ及びピーク値ＩＰが最大となる値に設定する。
【００４１】同様に、制御パラメータＴａ′が点火コイ
ル21の点火時期の場合、点火時期の変更は、例えば図８
のようにパルス幅ＩＷに反映するので、点火時期を、マ
ップ値よりも微少量ずつ進角又は遅角させながらフィー
ドバック制御し、パルス幅ＩＷが最大となる値に設定す
る。
【００４２】これにより、内燃機関は、空燃比が最適な
空燃比となるように、又、点火時期が最適クランク角位
置となるように制御され、クローズドループ制御により
燃焼状態を最適に維持することができる。このとき、各
制御パラメータＴａ′（燃料噴射量及び点火時期等）の
変更及び判定値Ｃ′のフィードバックは、個々の制御パ
ラメータＴａ′毎に独立に行われることは言うまでもな
い。
【００４３】又、ノイズ信号の重畳等により所定値αの
ピーク値ＩＰが検出されたとしても、同時に、所定値β
以上のパルス幅ＩＷを判定しているので、燃焼状態を誤
判定することはなく、信頼性の高い判定が可能になる。
又、通常設置されているイオン電流検出手段20を用いて
制御パラメータＴａ′をクローズドループ制御するた
め、センサ類追加等の構造的負担もないうえ、制御手段
3A側の負担もなく、特にコストアップにつながることも
ない。
【００４４】又、イオン電流判定部32Ａをピークホール
ド回路33及び積分器38で構成し、イオン電流判定部32Ａ
からピーク値ＩＰ及びパルス幅ＩＷに相当する判定値Ｃ
ｐ′及びＣｗ′を生成するようにしたので、イオン電流
判定部32Ａの構成及び燃焼状態の判定基準等を簡略化す
ることができる。
【００４５】実施例２．尚、上記実施例１では、ピーク
ホールド回路33及び積分器38でイオン電流判定部32Ａを
構成し、判定値Ｃ′としてピーク値ＩＰ及びパルス幅Ｉ
Ｗに相当する判定値Ｃｐ′及びＣｗ′を用いたが、イオ
ン電流判定部32Ａを演算手段で構成し、イオン電流検出
値Ｉの波形の所定クランク角θ１〜θ２の範囲内の積分
値を、以下のように積分演算により直接求め、判定値
Ｃ′としてもよい。
【００４６】Ｃ′＝∫Ｉ・ｄθ
【００４７】ここで、積分範囲となる所定クランク角θ
１〜θ２は、ＴＤＣ（上死点）〜Ａ60°（ＴＤＣからク
ランク角60°だけ遅角側）程度に設定される。
【００４８】実施例３．又、制御パラメータ設定部31Ａ
は、イオン電流検出値Ｉの判定値Ｃ′を無条件に取り込
み、制御パラメータＴａ′に反映させたが、内燃機関の
数10点火サイクルに相当する所定期間（数秒〜数10秒
間）における判定値Ｃ′の安定性を確認したうえでフィ
ードバック制御してもよい。
【００４９】例えば、数秒〜数10秒間におけるピーク値
ＩＰ（又は、パルス幅ＩＷの少なくとも一方）の判定値
Ｃｐ′のバラツキを演算し、偏差量ΔＣｐ′が所定値γ
以下であれば、その時点の判定値Ｃ′に基づくフィード
バック制御を行う。これにより、ピーク値ＩＰが異常変
動した場合の誤制御を防止することができる。
【００５０】
【発明の効果】以上のようにこの発明の請求項１によれ
ば、内燃機関を回転駆動するための複数の気筒と、各気
筒毎の所定クランク角位置を示す基準位置信号を生成す
る角度検出手段と、内燃機関の運転状態を検出する各種
センサと、各気筒のイオン電流を検出するイオン電流検
出手段と、イオン電流の検出値に基づいて内燃機関の燃
焼状態を判定するイオン電流判定部と、基準位置信号及
び運転状態に基づいて且つイオン電流判定部の判定結果
に応じて内燃機関の制御パラメータを設定する制御パラ
メータ設定部とを備え、イオン電流検出値の波形面積に
相当する判定値が最大となるように制御パラメータを変
更し、内燃機関の燃焼状態を正確に判定して制御パラメ
ータをフィードバック制御可能にしたので、コストアッ
プすることなく燃焼状態を向上させた内燃機関制御装置
が得られる効果がある。
【００５１】又、この発明の請求項２によれば、請求項
１において、イオン電流判定部が、イオン電流検出値の
ピーク値を生成するピークホールド手段と、イオン電流
検出値の所定レベル以上のパルス幅に相当する積分値を
生成する積分手段とを含み、ピーク値及び積分値をイオ
ン電流検出値の波形面積に相当する判定値として生成す
るようにしたので、簡単な回路でイオン電流判定部を構
成することができ、コストアップすることなく燃焼状態
を向上させた内燃機関制御装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１を示す機能ブロック図であ
る。
【図２】この発明の実施例１によるイオン電流判定部の
構成例を一部ブロック図で示す回路図である。
【図３】従来の内燃機関制御装置を示す機能ブロック図
である。
【図４】一般的なイオン電流検出手段を示す回路図であ
る。
【図５】一般的なイオン電流を示す波形図である。
【図６】一般的なイオン電流検出値のパルス幅を示す説
明図である。
【図７】一般的な空燃比に対するイオン電流検出値のパ
ルス幅及びピーク値の関係を示す特性図である。
【図８】一般的な点火時期に対するイオン電流検出値の
パルス幅の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 角度検出手段 ２ 各種センサ ２０ イオン電流検出手段 ３１Ａ 制御パラメータ設定部 ３２Ａ イオン電流判定部 ３３ ピークホールド回路 ３８ 積分器 Ｃ′、Ｃｐ′、Ｃｗ′ 判定値 Ｄ 運転状態 ｉ イオン電流 Ｉ イオン電流検出値 ＩＰ ピーク値 ＩＷ パルス幅（積分値） Ｔａ′ 制御パラメータ ＴＨ 所定レベル Ｔθ 基準位置信号

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関を回転駆動するための複数の気
    筒と、 前記各気筒毎の所定クランク角位置を示す基準位置信号
    を生成する角度検出手段と、 前記内燃機関の運転状態を検出する各種センサと、 前記各気筒のイオン電流を検出するイオン電流検出手段
    と、 前記イオン電流の検出値に基づいて前記内燃機関の燃焼
    状態を判定するイオン電流判定部と、 前記基準位置信号及び前記運転状態に基づいて且つ前記
    イオン電流判定部の判定結果に応じて前記内燃機関の制
    御パラメータを設定する制御パラメータ設定部とを備
    え、 前記イオン電流判定部は、前記イオン電流検出値の波形
    面積に相当する判定値を前記判定結果として生成し、 前記制御パラメータ設定部は、前記判定値が最大となる
    ように前記制御パラメータを変更することを特徴とする
    内燃機関制御装置。
  2. 【請求項２】 前記イオン電流判定部は、前記イオン電
    流検出値のピーク値を生成するピークホールド手段と、
    前記イオン電流検出値の所定レベル以上のパルス幅に相
    当する積分値を生成する積分手段とを含み、前記ピーク
    値及び前記積分値を前記イオン電流検出値の波形面積に
    相当する判定値として生成することを特徴とする請求項
    １の内燃機関制御装置。
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