JP4293939B2 - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両に搭載される内燃機関の燃焼状態を検出して、安定な燃焼を維持するように制御する内燃機関の制御方法に関するものである。

従来、例えば触媒装置の活性化を早めるために、触媒装置が未暖機状態である場合に、排気ガス温度を高めるようにエンジンの燃焼状態を制御することが知られている。例えば特許文献１には、排気ガス温度が高まるように点火時期を遅角して、エンジンの燃焼状態を制御するものである。この例にあっては、点火プラグのプラグギャップ間に流れるイオン電流の変動に基づいて燃焼状態の変動を検出し、触媒装置活性化のために点火時期を遅角するとともに、燃焼状態が燃焼安定限界内に収まるように点火時期を進角制御するものである。

また、特許文献２には、混合気の燃焼時に発生するイオン電流を検出し、イオン電流の発生タイミングを判定し、その発生タイミングに基づいて内燃機関の制御値を内燃機関の安定運転限界付近に制御するものが記載されています。このような燃焼制御において、排気行程においてイオン電流を検出した場合に安定運転限界付近であると判定するもので、このような判定方法を応用して触媒装置を点火時期の遅角により暖機する際に点火時期を遅角し得る限界を判定することが記載されている。
特開平１１−１０７８２２号公報 特開平１１−３２４８８１号公報

ところが、特許文献１のような構成のものであると、点火時期を過大に遅角した場合に生じる燃焼悪化状態は、イオン電流の変動が少ないので判定することが不可能になる。つまり、燃焼が悪化した状態では、イオン電流が明確なピーク（最大値）を示さずに排気行程に移行しても流れ続けるものである。したがって、そのようなイオン電流の変動は、燃焼が悪化していない場合に比較して少なくなる。又、イオン電流の変動を検出するためには、継続して複数回の電流測定が必要となり、そのような測定に長時間を要することになった。

又、イオン電流は、正常な燃焼状態の場合、混合気が着火した直後に瞬時に最大値となり、その後、その最大値より徐々に減少して消滅するものであるが、一旦消滅した後、排気行程の排気弁開弁後に再度イオン電流を検出する場合がある。このイオン電流の再発生は、排気弁が開成することにより燃焼ガスが排出され、燃焼ガスの流速が変化して早くなることに応じて生じるものである。このような現象が生じた場合、特許文献２のような構成のものであると、正常燃焼であるにもかかわらず、排気行程においてイオン電流を検出するために、燃焼が悪化していると誤判定する不具合を生じた。

本発明は、以上のような不具合を解消するためになされたものである。

すなわち、本発明の内燃機関の制御方法は、内燃機関の燃焼状態をイオン電流の状態から検出し、検出したイオン電流の状態に基づいて燃焼状態を制御する燃焼制御パラメータを制御する内燃機関の制御方法であって、内燃機関の膨張行程において正常燃焼時のイオン電流発生期間に基づいて所定期間を設定し、内燃機関の排気行程において所定クランク角位置を設定し、前記所定期間内にイオン電流が消滅する場合を除いて前記所定クランク角位置においてイオン電流が存続している場合には機関トルクを増大させる傾向に燃焼制御パラメータを制御することを特徴とする。

イオン電流の状態とは、イオン電流が発生すること、発生後断続すること、及び消滅することを含むものであってよい。イオン電流の状態の検出は、イオン電流が全く発生していない（流れていない）状態を基準にしてその基準よりイオン電流の値が大きい状態にある場合にイオン電流が発生していることを検出するもの、及び所定の電流値を基準にしてその基準をイオン電流の値が上回っている場合にイオン電流が発生していることを検出するもののいずれであってもよい。具体的には、イオン電流の状態を、イオン電流の発生している時間を計測して検出するものである。

所定期間内にイオン電流が消滅する場合とは、所定期間内においてイオン電流が断続する場合、及び連続している場合のいずれにあっても、所定期間の終了時点においてイオン電流が消滅している場合を指すものである。したがって、所定期間内に一旦イオン電流が消滅するものの、所定期間が終了する時点においてイオン電流が存続している場合は、この消滅する場合には当てはまらない。

このような構成であると、膨張行程において発生したイオン電流が、膨張行程において正常燃焼時のイオン電流発生期間に基づいて設定された所定期間内で消滅せずに、排気行程における所定クランク角位置において存続している場合には、燃焼パラメータを制御することにより機関トルクを増大させるものである。この結果、燃焼状態を正常な状態に改善することが可能になる。しかも、所定期間内にイオン電流が消滅する場合にあっては、燃焼パラメータを制御しないため、正常な燃焼において排気行程において再度イオン電流が発生して、そのイオン電流を検出して燃焼パラメータを制御することにより燃焼が低下すると誤った判定を防止することが可能になる。

また、燃焼状態を安定させる傾向に燃焼制御パラメータを制御することにより、希薄燃焼制御におけるリーン限界制御、可変バルブタイミング制御におけるオーバーラップ限界制御、排気ガス還流制御における還流限界制御、点火時期制御における進角遅角限界制御など各種の燃焼制御に、その適用範囲を拡大することが可能になる。

冷間始動時などの触媒装置が未暖機状態である場合に触媒装置の活性化を促進するためには、上記構成に加えて、排気系に触媒装置を備えてなる内燃機関において、触媒装置の温度を上昇させるために点火時期を遅角させる制御が行われているものであって、機関トルクを増大させる傾向に燃焼制御パラメータを制御することが、点火時期を進角側に制御する構成とする。

このような構成であれば、点火時期を遅角させて触媒装置の活性化を促進している場合で、かつ所定期間内にイオン電流が消滅する場合を除いて所定クランク角位置においてイオン電流が存続している場合には点火時期を進角側に制御するので、燃焼状態が低下しない限界状態まで点火時期を遅角させることが可能になる。したがって、触媒装置の温度を上昇させるのに要する時間を最短にすることが可能になる。これにより、例えば冷間始動時にあっても、早期に触媒装置を活性化させることができ、排気ガスの浄化作用を全体として向上させることが可能になる。

本発明において、燃焼制御パラメータは、上述の点火時期以外に、可変バルブタイミング制御の場合では排気弁と吸気弁との少なくとも一方の開弁タイミングであり、排気ガス還流制御の場合では、排気ガスを新気に混合するために設けられる排気ガス還流通路に設けられる制御弁のリフト量あるいは開度などを指すものである。

本発明は、以上説明したように、膨張行程において発生したイオン電流が、所定期間内で消滅せずに、所定クランク角位置において存続している場合には、燃焼パラメータを制御して機関トルクを増大させることにより、燃焼状態の低下に伴う期間においてトルクの減少を改善して、燃焼状態を正常な状態に改善することができる。しかも、所定期間内にイオン電流が消滅する場合にあっては、排気行程開始後において再度イオン電流が発生しても燃焼パラメータを制御しないため、正常な燃焼において燃焼が低下していると誤って判定して無駄な制御を実行することを防止することができる。

加えて、排気系に触媒装置を備える内燃機関では、触媒装置の温度を上昇させるために点火時期を遅角させる制御が行われており、かつ所定期間内にイオン電流が消滅する場合を除いて所定クランク角位置においてイオン電流が存続している場合には点火時期を進角側に制御するので、燃焼状態が低下しない限界状態まで点火時期を遅角させることができる。したがって、例えば冷間始動時にあっても、早期に、つまり触媒装置の温度を上昇させるのに要する時間を最短にして触媒装置を活性化させることができ、排気ガスの浄化作用を全体として向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この図１に概略的に示したエンジン１００は、自動車用の４サイクル４気筒のもので、その吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、その燃料噴射弁５を、電子制御装置６により制御するようにしている。燃焼室３０を形成するシリンダヘッド３１には、吸気弁３２及び排気弁３３が配設されるとともに、火花を発生するとともにイオン電流Ｉを検出するための電極となるスパークプラグ１８が取り付けてある。また排気系２０には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された触媒装置である三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。なお、図１にあっては、エンジン１００の１気筒の構成を代表して図示している。

電子制御装置６は、中央演算処理装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１と、Ａ／Ｄコンバータ１０とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ１４から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ１５から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１６から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電流信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、またスパークプラグ１８に対してイグニションパルスｇが出力されるようになっている。

このスパークプラグ１８には、高圧ダイオード２３を介してイオン電流Ｉを測定するためのバイアス用電源２４が接続され、入力インターフェース９とこのバイアス電源２４との間にはイオン電流測定用回路２５が接続されている。バイアス用電源２４は、イグニションパルスｇが消滅した時点でスパークプラグ１８にイオン電流測定のための高電圧（バイアス電圧）を高圧ダイオード２３を介して印加するものである。そして、高電圧の印加により、スパークプラグ１８の電極間に流れたイオン電流Ｉは、イオン電流測定用回路２５により測定される。このようなバイアス用電源２４とイオン電流測定用回路２５とは、当該分野でよく知られている種々のものを適用することができる。

電子制御装置６には、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ１４から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間（基本噴射量）を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Ｔを決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。

また、このようにエンジン１００の燃料噴射を制御する一方、点火毎に燃焼室内に流れるイオン電流Ｉを検出して、エンジン１００の運転領域の全領域において燃焼状態を判定し得るように、電子制御装置６はプログラミングしてある。すなわち、電子制御装置６には、エンジン１００の燃焼状態をイオン電流Ｉの状態から検出し、検出したイオン電流Ｉの状態に基づいて燃焼状態を制御する燃焼制御パラメータを制御するものであって、エンジン１００の膨張行程において正常燃焼時のイオン電流発生期間に基づいて所定期間を設定し、エンジン１００の排気行程において所定クランク角位置を設定し、前記所定期間内にイオン電流Ｉが消滅する場合を除いて前記所定クランク角位置においてイオン電流Ｉが存続している場合には機関トルクを増大させる傾向に燃焼制御パラメータを制御する制御プログラムが内蔵してある。

この実施形態にあっては、エンジン１００が冷間時に始動され、三元触媒２２
が活性化されていない場合に燃焼状態を制御することを想定している。すなわち、三元触媒２２の温度を上昇させるために点火時期を遅角させる制御の実施中に、検出したイオン電流Ｉが所定期間内にイオン電流Ｉが消滅する場合を除いて所定クランク角位置においてイオン電流Ｉが存続している場合には点火時期を進角側に制御するように、制御プログラムはプログラミングしてある。

この実施形態において、所定期間は、正常な燃焼状態におけるイオン電流Ｉの発生している時間に対応して設定するもので、同一負荷においてはエンジン回転数が低いほど長く、高くなるほど短くなり、同一エンジン回転数では負荷が小さくなるほど長くなるように設定してある。正常な燃焼状態とは、点火時期が進角されている場合に、発生直後に急激に流れた後、上死点ＴＤＣ手前で減少した後再度増加し、燃焼圧が最大となるクランク角近傍でその電流値が最大となるようなイオン電流Ｉが発生する場合である。この場合、発生したイオン電流Ｉは、通常、膨張行程の範囲内で消滅するものである。また、このような正常な燃焼状態において、特異な場合として、排気弁３３が開成した場合に 燃焼ガスの流速が急激に変化して、膨張行程で消滅したイオン電流Ｉが排気行程初期の段階において一時的に再度発生することがあるが、このようなイオン電流Ｉについては、所定期間を設定する場合の標本として採用しない。この所定期間は、エンジン１００により異なるものであるので、適合により設定するものである。

また、所定クランク角位置ＣＣは、図２に示すように、図示平均有効圧Ｐｉが排気行程においてばらつく（同図に点線で示す）か、もしくは低下するクランク角位置に対応して設定するものである。すなわち、図示平均有効圧Ｐｉは、設定されたクランク角度毎に燃焼圧を測定し、測定した燃焼圧を積算して算出するものである。したがって、燃焼が上死点ＴＤＣ近傍から始まる膨張行程から下死点ＢＤＣ近傍から始まる排気行程に至るまで継続した場合に、ピストンが下死点ＢＤＣを通過して、膨張行程における正のトルクに代わって排気行程における負のトルクがエンジン出力に作用し始めるクランク角位置において、図示平均有効圧Ｐｉはばらついたり下死点ＢＤＣに至るまでの値より低くなる（トルクダウンする）挙動を示すものである。

このような所定クランク角位置ＣＣは、総じて排気行程における下死点ＢＤＣの近傍、例えばＡＢＤＣ（下死点後）１０°ＣＡ〜２０°ＣＡ（クランク角度）で、排気弁３３が開成した後の膨張行程から排気行程に移行したクランク角位置にある。なお、所定クランク角位置ＣＣは、エンジン１００の構造（型式）により異なるので、上記数値に限定されるものではなく、エンジン１００の構造に応じた測定された図示平均有効圧を参照して、トルクダウンが発生する所定クランク角位置ＣＣに対応してエンジン毎に設定するものである。

このイオン電流Ｉによるエンジン１００の制御プログラムの概要は、図３に示すようなものである。この制御プログラムは、点火毎に気筒毎に実行されるものである。

まず、ステップＳ１では、点火が終了されたことを検出する。この点火の終了は、イグニションパルスｇを印加して発生する放電が終了する時間を検出することで判定することができる。このようにして、点火の終了を検出することで、イオン電流測定のためのバイアス電圧をスパークプラグ１８に印加して、燃焼ガス中にイオン電流Ｉを発生させる。

ステップＳ２では、点火終了後、膨張行程においてイオン電流Ｉが発生しているか否かを判定する。イオン電流Ｉは、燃焼ガスが燃焼室３０内に存在する場合はスパークプラグ１８の電極間に流れるものである。イオン電流Ｉが発生していると判定した場合は、ステップＳ３において、イオン電流Ｉ、具体的にはその電流値を計測する。このイオン電流Ｉの計測は、電流値とその電流値を測定した時間、例えば膨張行程における上死点ＴＤＣからのクランク角度で示される時間とを関連づけて、イオン電流Ｉのデータとして一時的に記憶することにより完了する。なお、イオン電流Ｉは、その電流値が０である場合も計測されるものであり、記憶されたイオン電流Ｉのデータは、例えば排気行程が終了した時点でクリアされるものである。

ステップＳ４では、所定期間が終了したか否かを判定する。この所定期間は、上述したように、正常燃焼時のイオン電流Ｉの発生している時間に基づいて設定されるもので、例えばクランク角度により開始点と終了点とを決定することにより設定される。開始点としては、例えば点火後の放電が終了した時点を対応させ、終了点はエンジン１００の運転状態に応じて変化するが、最も遅い場合で膨張行程の終了時点である下死点に対応させるものである。このステップＳ４において、所定期間を終了していない、つまり所定期間内であると判定した場合は、ステップＳ３に戻ってイオン電流Ｉの計測を続行する。

これとは逆に、ステップＳ４において、所定期間が終了したと判定した場合は、ステップＳ５に進み、所定期間の終了までにイオン電流Ｉが消滅したか否かを判定する。すなわち、例えば図４の（ａ）に示すように、正常な燃焼状態であることで、イオン電流Ｉが所定期間内に消滅するものでは、計測されたイオン電流Ｉは、所定期間の終了時点においてその電流値が０となる。したがって、このような場合には、所定期間内に消滅したと判定し、この制御を終了する。なお、同図に示すものでは、所定クランク角位置ＣＣの近傍において、イオン電流Ｉが再度発生しているが、ステップＳ５においてイオン電流Ｉが所定期間内に消滅していると判定することにより、このように所定期間後に発生するイオン電流Ｉの計測は実行しないものである。

一方、イオン電流Ｉが所定期間内に断続するものの、所定期間内に消滅していない、あるいはつまり所定期間の終了時点においてイオン電流Ｉの電流値が０でない場合は、ステップＳ６において、イオン電流Ｉの電流値を計測する。このステップＳ６でのイオン電流Ｉの計測は、所定クランク角位置ＣＣまで継続される。つまり、所定期間の終了後のイオン電流Ｉの状態を検出するものである。このような場合を、図４の（ｂ）及び（ｃ）に図示する。図４の（ｂ）に示すものでは、燃焼が緩慢であるものの、点火終了後にイオン電流が発生し、その後高い最大値（ピーク値）を示すことなく排気弁３３が開成して排気行程に至っても継続して流れるものである。また図４の（ｃ）に示すものでは、所定期間内においてイオン電流Ｉは発生するもののその途中で途切れ（流れなくなり）、その後再度発生した後は消滅することなく排気行程に至っても継続して流れるものである。なお、緩慢な燃焼状態にあっては、上述したような最大電流値が高くならないままに連続する場合以外に、所定期間内に断続してイオン電流Ｉが発生し（流れ）、所定期間を過ぎた後も排気行程において継続して発生する場合も存在するものである。

ステップでＳ７は、所定クランク角位置ＣＣにおいてイオン電流Ｉが存続しているか否かを判定する。つまり、この判定においては、イオン電流Ｉが所定期間内に消滅することなく、その後連続してあるいは断続して発生し続け、所定クランク角位置ＣＣにおいて存続しているか否かを判定するものである。そして、イオン電流Ｉが存続していると判定した場合は、ステップＳ８においてトルクが低下していることを検出する。一方、存続していない場合は、この制御を終了する。

トルクが低下していることを検出した後、ステップＳ１０において、このような低下した燃焼状態が正常燃焼になるように、燃焼状態を安定させるようにエンジントルクを増大させる傾向に燃焼制御パラメータである点火時期を制御、つまり進角側に制御して燃焼状態を回復させるものである。

次に、ステップＳ２においてイオン電流Ｉが発生していないと判定した場合は、ステップＳ１０において、所定期間が終了したか否かを判定し、終了していない場合はステップＳ２に戻り、終了している場合はステップＳ１１に進んで失火を判定する。失火は、燃焼状態が最も低下した状態であるので、失火を判定した場合は、ステップＳ１２において、点火時期を進角する制御を行い、燃焼状態の低下の回復を図るものである。

以上に構成において、冷間始動時にあって、三元触媒２２を早期に活性化させるために、点火時期を遅角させてエンジン１００を制御しているものとする。このような運転状態において、正常な燃焼状態である場合には、図４の（ａ）に示すように、所定期間内に消滅したイオン電流Ｉが所定クランク角位置ＣＣにおいて再度発生しても、制御はステップＳ１〜ステップＳ５を実行して、点火時期を遅角することなく運転を続行する。したがって、正常な燃焼状態を、緩慢な燃焼状態であると誤って判定することを回避することができ、早期に三元触媒２２を活性化させることができる。またこの場合、正常な燃焼状態でエンジン１００は運転されるので、トルクが低下してドライバビリティが低下することはない。

これに対して、失火が発生した場合では、制御は、ステップＳ１及びステップＳ１０〜ステップＳ１２を実行し、点火時期を進角させて燃焼状態を回復させるものである。

また、図４の（ｂ）あるいは図４の（ｃ）のような、燃焼が緩慢である運転状態の場合には、ステップＳ１〜ステップＳ９を実行し、遅角させていた点火時期を進角させてエンジントルクを増大させることで燃焼状態がその時点以上に低下することから回復させる。したがって、燃焼状態が低下する直前の燃焼状態にて運転を維持することができる。この結果、点火時期を進角させるが、全体としては点火時期を遅角している状態にあるので、排気ガス温度を上昇させて三元触媒２２の活性化を促進させることができ、冷間始動時においても排気ガスの浄化作用を向上させることができる。

また、燃焼状態の低下の判定を、イオン電流Ｉが所定クランク角位置まで継続しているか否かにより判定しているので、単にイオン電流Ｉの発生のみを検出している場合に比較して、判定精度を高くすることができる。

これに加えて、燃焼状態が低下しない限界状態を確実に検出することができるので、そのような限界状態まで点火時期を遅角させることができる。したがって、三元触媒２２が活性化していない場合に、三元触媒２２の温度を上昇させるのに要する時間を最短にすることができ、排気ガスの浄化作用を全体として向上させることができる。

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態においては、燃焼状態が低下していることを、個々の気筒の１回の燃焼行程において検出されたイオン電流に基づいて判定するものを説明したが、各気筒において、燃焼行程毎にイオン電流を検出し、検出されたイオン電流（電流値）の複数からイオン電流の平均値やなまし値などを演算し、演算した数値に基づいて燃焼状態の低下を判定するものであってよい。なお、なまし値は、今回検出したイオン電流の電流値から前回演算したなまし値を減算し、その減算結果（差）を所定値（なまし値が微増減するような値に設定する）で除し、その除算結果（商）を前回のなまし値に加算して演算するものであってよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本発明の活用例として、希薄燃焼制御を行っているエンジンにおいて、空燃比をリーン側に制御し得る限界すなわちリーン限界を検出して希薄燃焼制御を最適化する制御、可変バルブタイミング制御機構を有するエンジンにおいて、吸気弁と排気弁とが同時に開成状態にあるオーバーラップ量の限界を検出してそのオーバーラップ量を最適化する制御、排気ガスを吸気系に還流してＮＯｘの排出量を低減する制御において、新気に対する排気ガス還流量（率）を最適化する制御などに利用することができる。

本発明の実施形態が適用されるエンジンの概略構成説明図。 同実施形態の所定クランク角位置の設定方法を示すための図示平均有効圧のグラフ。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の各燃焼状態におけるイオン電流波形を示すグラフ。

符号の説明

６…電子制御装置
７…中央演算処理装置
８…記憶装置
９…入力インターフェース
１１…出力インターフェース
ＣＣ…所定クランク角位置

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼状態をイオン電流の状態から検出し、検出したイオン電流の状態に基づいて燃焼状態を制御する燃焼制御パラメータを制御する内燃機関の制御方法であって、
   内燃機関の膨張行程において正常燃焼時のイオン電流発生期間に基づいて所定期間を設定し、
   内燃機関の排気行程において所定クランク角位置を設定し、
   前記所定期間内にイオン電流が消滅する場合を除いて前記所定クランク角位置においてイオン電流が存続している場合には機関トルクを増大させる傾向に燃焼制御パラメータを制御する内燃機関の制御方法。
2. 排気系に触媒装置を備えてなる内燃機関において、触媒装置の温度を上昇させるために点火時期を遅角させる制御が行われているものであって、
   機関トルクを増大させる傾向に燃焼制御パラメータを制御することが、点火時期を進角側に制御することである請求項１記載の内燃機関の制御方法。

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