JP4381253B2 - 内燃機関の燃焼状態検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、点火毎に発生させるイオン電流を利用した内燃機関の燃焼状態検知方法に関する。

内燃機関の燃焼時においては、導電性を有するラジカル成分が火炎内に発生することから、イオン電流として燃焼状態を検出できることが従来知られている。

従来、イオン電流の電流値をサンプリングし記憶すると記憶装置の容量を大量に消費するので、必要とする記憶装置の容量を小さくすべく種々の方法が考えられてきた。例えば、イオン電流を検出する検出期間の長さを、エンジンの回転数に基づいて可変設定し、ノイズが含まれる可能性のある期間におけるイオン電流の検出を無効にすることが考えられている。（例えば、特許文献１を参照。）
また、イオン電流が所定電流値を下回った際に、マイクロコンピュータを利用した制御装置におけるマイクロコンピュータの割り込み処理を利用して点火からの経過時間を記録し、次の点火があった時点で最後に記録された前記経過時間を燃焼の持続時間として判断するとともに、イオン電流が所定電流値を下回る回数を検出し、検出した回数が所定回数以上となった際にはその時点で最後に記録された前記経過時間を燃焼の持続時間として決定し、決定された燃焼の持続時間を利用して燃焼状態を判断する方法も考えられている。（例えば、特許文献２を参照。）
特開平１０−１５９６９９号公報 特開平９−２２８９４０号公報

しかしながら、特許文献１の検出方法を採用した場合、前記検出期間以降に発生するイオン電流は全く検知されない。すなわち、特許文献１の検出方法では、検出期間以降に後燃えが発生しても、後燃えに由来するイオン電流が検出できず、燃焼の持続時間を過小に見積もってしまう不具合が発生し得る。

また、特許文献２の検出方法を採用した場合、特に高回転数域では、隣接する気筒における点火などに伴うノイズが高密度に発生するが、このようなノイズに由来するイオン電流の立ち下がりをすべて検出すると、単位時間あたりのマイクロコンピュータの割り込み処理の回数が増す。しかして、前記割り込み処理の回数が非常に大きくなると、マイクロコンピュータが過負荷状態となり、このようなマイクロコンピュータを利用した制御装置が並行して行う空燃比制御や進角制御等の他の制御も円滑に行えなくなる不具合が発生し得る。

本発明は、前記課題を解決すべく、制御装置のマイクロコンピュータが過負荷状態となることを防ぎつつ、燃焼状態の判断をより正確に行えるようにするための新たな方法を提供するものである。

すなわち本発明に係る内燃機関の燃焼状態検知方法は、内燃機関の燃焼室に点火毎にイオン電流を発生させ、所定の検出期間内においてイオン電流が所定電流値を上回る毎、及び／又はイオン電流が所定電流値を下回る毎にマイクロコンピュータを利用した制御装置が実行中の処理を一時中断する割り込み処理を実行し、その割り込み処理によって測定したイオン電流に基づき燃焼状態を判断する内燃機関の燃焼状態検知方法であって、イオン電流が所定電流値を上回る回数及び／又はイオン電流が所定電流値を下回る回数が予め設定した最大検出回数に達した時点で前記割り込み処理を禁止するとともに、機関回転数が低い運転領域での低回転運転時には前記検出期間内に発生する前記割り込み処理が略全て許可されるように前記最大検出回数を設定し、機関回転数が高い運転領域での高回転運転時には低回転運転時と比較して前記最大検出回数を小さくしていることを特徴とする。

このように制御を行えば、低回転運転時には、ノイズの発生密度及びノイズに由来する単位時間あたりの割り込み処理の発生回数は少ないので、前記検出期間内に発生する前記割り込み処理を略全て許可しても制御装置にかかる負荷は比較的小さく、従って前記割り込み処理を略全て許可することにより後燃えを検出しやすくできる。すなわち、より正確に燃焼状態の判断を行うことができる。一方、高回転運転時において前記最大検出回数を小さくしていることから、高回転運転時において単位時間あたりの割り込み処理の発生回数を少なくでき、従って高回転運転時において制御装置のマイクロコンピュータが過負荷状態になることを防ぎつつ後燃えに由来するイオン電流を検出し燃焼状態の判断を行うことができる。

本発明は、以上のような構成であるから、低回転運転時においては正確に持続時間の判断を行うことができるようにしつつ、高回転運転時においては前記最大検出回数を小さくすることにより単位時間あたりの割り込み処理の回数を制限でき、制御装置のマイクロコンピュータが過負荷状態になることを防ぎつつ後燃えに由来するイオン電流を検出し燃焼の持続時間の判断を行うことができる。

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、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バイアス電圧を印加するものである。そして、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。また、イオン電流測定用回路２５は、後述する波形整形回路たるコンパレータ２５ａを有し、電子制御装置６の入力インターフェース９に電気的に接続され、電圧の印加により発生したアナログ信号であるイオン電流を、方形波（パルス）状に波形整形して出力する。コンパレータ２５ａは、図２に示すように、あらかじめ設定された所定電流値Ｉｒｅｆとバイアス用電源２４を介して入力されるイオン電流Ｉｉｏｎとを比較し、イオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを上回った場合に出力信号Ｉｏｕｔを出力する。すなわち、出力信号Ｉｏｕｔは、図３に示すように、所定電流値Ｉｒｅｆを上回った時点で立ち上がり（オンし）、下回った時点で立ち下がる（オフする）方形波となる。このコンパレータ２５ａの出力端は、イオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を計時するために入力インターフェース９を介して中央演算処理装置７に接続される。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。なお、本実施形態では、点火タイミングが３６０°ＣＡだけ異なる２つの気筒からのイオン電流Ｉｉｏｎを合成して電子制御装置６に入力するようにしている。なお、前記図３において、（ａ）には低回転時におけるイオン電流Ｉｉｏｎ及び波形整形後の方形波を、また、（ｂ）には高回転時におけるイオン電流Ｉｉｏｎ及び波形整形後の方形波をそれぞれ示している。また、前記図３の（ａ）及び（ｂ）は、時間軸のスケールを共通にしてある。また、前記図３においては、点火タイミングをＴｏｆｆとして示している。

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から出力されるエンジン回転数信号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３０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。具体的には、燃焼室３０内に点火毎にイオン電流Ｉｉｏｎを発生させ、イオン電流Ｉｉｏｎの消滅するまでの持続時間を測定するとともに、所定の検出期間が終了した時点、すなわち本実施形態では点火からクランク角が３６０°ＣＡ進行した時点でその時点までに測定していたイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を燃焼の持続時間として決定するようにプログラムしてある。

本実施形態では、中央演算処理装置７内に、電子制御装置６の内部クロック信号ＣＬＫにより作動するフリーラニングカウンタが設定してあり、このフリーラニングカウンタによりイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を測定するようになっている。すなわち、中央演算処理装置７におけるフリーラニングカウンタは、点火毎にリセットされ、コンパレータ２５ａから出力信号Ｉｏｕｔの立ち上がりが入力される毎にインプットキャプチャー割り込み状態となり、前記出力信号Ｉｏｕｔの立ち下がりにより割り込みがリセットされるまで計時を行い割り込みがリセットされた時点の測定時間を保持し、イオン電流Ｉｉｏｎの持続時間として出力するものである。なお、割り込みがかかっていない状態でフリーラニングカウンタは計時を停止しており、再度割り込みがかかった場合には、前回割り込みがリセットされる時点で保持された測定時間からフリーラニングカウンタの計時を再開するようにしている。すなわち、点火Ｔｏｆｆ以降における割り込み状態にある時間の累計を計時するようにしている。そして、割り込みがリセットされる毎に割り込みがリセットされた時点の測定時間を保持し、イオン電流Ｉｉｏｎの持続時間として出力するようにしている。

また、本実施形態では、イオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを上回る回数である検出回数ＣＯＵＮＴを検出し、イオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを下回った時点で前記検出回数ＣＯＵＮＴが所定の最大検出回数Ｃｍａｘに達していることが判定された場合にはその時点までに測定していたイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を燃焼の持続時間として決定するようにプログラムしてある。

しかして本実施形態では、前記最大検出回数Ｃｍａｘを、エンジン回転数が低い運転領域での低回転運転時には前記検出期間内に発生する前記割り込み処理が略全て許可されるような第１の所定値に設定しているとともに、エンジン回転数が高い運転領域での高回転運転時には、前記第１の所定値と比較して小さい第２の所定値に前記最大検出回数Ｃｍａｘを設定するようにしている。具体的には、エンジン回転数が所定の閾値以上である高回転運転時には、ノイズが頻繁に発生することにより前記割り込み処理が頻繁に発生し中央演算処理装置７が過負荷状態になることを防ぐべく、前記第２の所定値を、中央演算処理装置７が過負荷状態とならない範囲で最大限の前記割り込み処理の回数ないしそれ以下となるように設定している。一方、エンジン回転数が所定の閾値以下である低回転運転時には、前記検出期間内に発生する前記割り込み処理が略全て許可される程度に十分大きな値で、かつ前記第２の所定値よりも大きく、中央演算処理装置７が過負荷状態とならない範囲の値に前記第１の所定値を設定している。なお、以下に述べる例では、第１の所定値を１２回、第２の所定値を６回にそれぞれ設定している。

イオン電流Ｉｉｏｎを検出し、燃焼の持続時間を判断するプログラムの概略手順を、フローチャートである図４を参照して説明する。

ステップＳ１では、検出回数ＣＯＵＮＴを０にセットする。

ステップＳ２では、エンジン回転数を検出する。

ステップＳ３では、ステップＳ２で検出したエンジン回転数が前記閾値以下であるか否か、すなわち低回転運転であるかもしくは高回転運転であるかを判定し、エンジン回転数が前記閾値以下であれば、すなわち低回転運転であれば前記第１の所定値、そうでなければ、すなわち高回転運転であれば前記第１の所定値よりも小さな前記第２の所定値に最大検出回数Ｃｍａｘを設定する。

ステップＳ４では、イオン電流Ｉｉｏｎを波形整形して得られた出力信号Ｉｏｕｔのパルス波形の立ち上がりエッジを検出する。前記立ち上がりエッジを検出した場合には、ステップＳ５に進む。一方、前記立ち上がりエッジを検出しなかった場合には、ステップＳ７に進む。

ステップＳ５では、検出回数ＣＯＵＮＴに１を加える。

ステップＳ６では、インプットキャプチャー割り込み状態とし、前記出力信号Ｉｏｕｔの立ち下がりにより割り込みがリセットされるまで前記イオン電流Ｉｉｏｎの持続時間の計時を行い、割り込みがリセットされた時点の前記イオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を記録する。

ステップＳ７では、前記検出回数ＣＯＵＮＴが前記最大検出回数Ｃｍａｘを越えるか又はクランク角度が点火Ｔｏｆｆの時点から３６０°ＣＡ進行しているか否かを判定する。入力回数ＣＯＵＮＴが前記最大検出回数Ｃｍａｘを越えている又はクランク角度が点火Ｔｏｆｆの時点から３６０°ＣＡ進行している場合には、ステップＳ８に進む。一方、前記検出回数ＣＯＵＮＴが前記最大検出回数Ｃｍａｘ以下である場合には、ステップＳ４に戻る。

ステップＳ８では、最後に記録された前記イオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を、燃焼の持続時間として記憶装置８の所定領域に記録し、処理を終了する。

このような構成において、点火毎にスパークプラグ１８にバイアス電圧が印加され、点火Ｔｏｆｆの直後からイオン電流Ｉｉｏｎが燃焼室３０内に発生する。その後、検出回数ＣＯＵＮＴを０にセットし、エンジン回転数を検出し、最大検出回数Ｃｍａｘを設定する。すなわち、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３を順に実行する。

イオン電流値の大きなピークが上死点ＴＤＣ近傍で発生し、その後はなだらかに減衰する。この場合、立ち上がりエッジが検出されるまでは、ステップＳ４→Ｓ７を順に実行し、ステップＳ７を実行した後ステップＳ４に戻る。最初の立ち上がりエッジが検出されると、割り込み処理が実行されて検出回数ＣＯＵＮＴが１となり、その回数は最大検出回数Ｃｍａｘ以下であるので、ステップＳＳ４→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７を順に実行してイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を記録し、ステップＳ７を実行した後ステップＳ４に戻る。その後、立ち上がりエッジが検出される毎に割り込み処理を実行し、イオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を測定して割り込みがリセットされた時点のイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を記録する。

低回転数域においては、クランク角度が３６０°ＣＡ進行するのに要する時間が長いので、隣接する気筒の点火等に伴うノイズの発生間隔も長く、従って単位時間あたりのパルス波形の立ち上がりエッジの発生回数が少ないので、最大検出回数Ｃｍａｘを大きくしてより正確に燃焼の持続時間を測定できるようにしている。例えば、図３の（ａ）に示す例においては、最大検出回数Ｃｍａｘを１２回に設定している。これに対して、点火Ｔｏｆｆの時点から次の点火Ｔｏｆｆの時点までの間における立ち上がりエッジの発生回数は８回であるので、最大検出回数Ｃｍａｘに至らない。したがって、立ち上がりエッジを検出しない場合は、ステップＳ４→Ｓ７を順に実行し、ステップＳ７を実行した後ステップＳ４に戻るようにしているとともに、立ち上がりエッジが検出された際には、割り込み処理を行いステップＳ４→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７を順に実行してイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を測定して記録し、ステップＳ７を実行した後ステップＳ４に戻る。そして、クランク角度が点火Ｔｏｆｆの時点から３６０°ＣＡ進行した時点でステップＳ８を実行し、最後、すなわち８回目に記録されたイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を燃焼の持続時間として記録する。

一方、高回転数域においては、クランク角度が３６０°ＣＡ進行するのに要する時間が短いので、隣接する気筒の点火等に伴うノイズの発生間隔も短く、従って単位時間あたりのパルス波形の立ち上がりエッジの発生回数が多くなるので、最大検出回数Ｃｍａｘを小さくして単位時間あたりの割り込み処理の回数を制限している。例えば、図３の（ｂ）に示す例においては、最大検出回数Ｃｍａｘを６回に設定している。これに対して、点火Ｔｏｆｆの時点から次の点火Ｔｏｆｆの時点までの間における立ち上がりエッジの発生回数は８回であり、最大検出回数Ｃｍａｘを越える。このような場合では、立ち上がりエッジの検出回数が最大検出回数Ｃｍａｘに達するまでは、上記した低回転数域の場合と同様の制御を行う。つまり、立ち上がりエッジが検出されないときは、ステップＳ４→Ｓ７を順に実行し、ステップＳ７を実行した後ステップＳ４に戻る手順により立ち上がりエッジを検出するまで待機し、立ち上がりエッジを検出する毎に、ステップＳ４→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７を順に実行してイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を測定して記録し、ステップＳ７を実行した後ステップＳ４に戻る。この後、立ち上がりエッジの検出回数ＣＯＵＮＴが最大検出回数Ｃｍａｘに達した場合、すなわちこの例では６回目の立ち上がりエッジを検出した場合は、ステップＳ７を実行した後ステップＳ８を実行して以後の割り込み処理を禁止し、最後、すなわち６回目に記録されたイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を燃焼の持続時間として記録する。

そして、電子制御装置６には、前記燃焼の持続時間をパラメータとして点火時期、空燃比等の各種パラメータを算出するプログラムも内蔵してあり、上述した制御により燃焼の持続時間が記録された後、前記プログラムに基づき前記各種パラメータを算出してエンジン１００の燃焼状態の制御を行うようにしている。また、記録された燃焼の持続時間が所定の閾値よりも大きい場合には後燃えが発生しているものと判断してこれを解消すべく点火時期や空燃比の制御を行うようにしている。

従って、本実施形態によれば、低回転運転時には点火Ｔｏｆｆの時点からクランク角度が３６０°ＣＡ進行するまで前記立ち上がりエッジを検出し続け、その都度割り込み処理を行い割り込み状態にある状態の時間すなわちイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間の累計を燃焼の持続時間として記録することにより燃焼の持続時間を正確に測定することができる。その一方で、高回転運転時にはイオン電流Ｉｉｏｎにノイズが頻繁に発生するので、前記立ち上がりエッジの検出回数ＣＯＵＮＴのカウントを最大検出回数Ｃｍａｘまでで打ち切り、割り込み制御の回数を抑えることにより、中央演算処理装置７が過負荷状態となることを防ぎ、他の制御の妨げにならないように燃焼の持続時間を測定できるようになる。しかも、高回転運転時には、低回転運転時と比較して最大検出回数Ｃｍａｘを減少させているので、短時間に多数回の割り込み制御が発生して中央演算処理装置７が過負荷状態となり他の制御の妨げになる不具合の発生を抑えつつ、燃焼の持続時間を正確に測定できる効果をより好適に実現できる。そして、燃焼の持続時間を正確に測定できるようになるので、これに基づき、後燃えに代表される不正な燃焼状態の検知をより正確に行うことができるようになる。

なお、本発明は以上に述べた実施の形態に限られない。

例えば、イオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを下回る毎にイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間の測定値を記録するようにし、検出期間が終了した時点又はイオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを下回った回数がエンジン回転数に対応する最大検出回数に達した時点で前記測定値を燃焼の持続時間として記録するようにしてもよい。また、イオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを上回った回数と下回った回数との合計がエンジン回転数に対応する最大検出回数に達した時点で前記測定値を燃焼の持続時間として記録するようにしてもよい。さらに、出力信号Ｉｏｕｔの立ち上がりから出力信号Ｉｏｕｔの立ち下がりまでの時間の累計でなく、点火Ｔｏｆｆの時点から出力信号Ｉｏｕｔの立ち下がりまでの経過時間を燃焼の持続時間として記録するようにしてもよい。

また、最大検出回数Ｃｍａｘは、上述した例に限らず、中央演算処理装置７が過負荷状態とならない範囲で任意に設定してよい。なお、イオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを上回る回数とイオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを下回る回数との合計を検出する場合は、最大検出回数Ｃｍａｘはイオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを上回る回数のみを検出する場合、又はイオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを下回る回数のみを検出する場合の２倍となる。

そして、エンジン回転数と最大検出回数との対応を示す最大検出回数マップを記憶装置の所定領域に記憶し、点火が行われる毎に、エンジン回転数をパラメータとして前記検出回数マップを参照し最大検出回数を求めるようにしてもよい。この場合、前記最大検出回数は、高回転数になるほど小さく、具体的にはエンジン回転数に略反比例させて単位時間あたりの割り込み回数が略一定になるようにするとよい。

その他、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

本発明の一実施形態に係るエンジンの概略図。 同実施形態に係る波形整形を行う電気回路のブロック図。 同実施形態に係る作用説明図。 同実施形態に係る制御装置が行う処理を示すフローチャート。

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
２４…バイアス用電源
２５…イオン電流測定用回路

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室に点火毎にイオン電流を発生させ、所定の検出期間内においてイオン電流が所定電流値を上回る毎、及び／又はイオン電流が所定電流値を下回る毎にマイクロコンピュータを利用した制御装置が実行中の処理を一時中断する割り込み処理を実行し、その割り込み処理によって測定したイオン電流に基づき燃焼状態を判断する内燃機関の燃焼状態検知方法であって、
   イオン電流が所定電流値を上回る回数及び／又はイオン電流が所定電流値を下回る回数が予め設定した最大検出回数に達した時点で前記割り込み処理を禁止するとともに、
   機関回転数が低い運転領域での低回転運転時には前記検出期間内に発生する前記割り込み処理が略全て許可されるように前記最大検出回数を設定し、機関回転数が高い運転領域での高回転運転時には低回転運転時と比較して前記最大検出回数を小さくしていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態検知方法。

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