JP4592612B2 - 内燃機関のイオン電流による空燃比検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のイオン電流による空燃比検知方法に関するものである。

従来、車両に搭載される内燃機関（以下、エンジンと称する）では、排気ガス中の酸素濃度をＯ₂ センサによって測定し、その測定値に基づいて燃料噴射量を調節することによって空燃比の制御が行われている。

また一方で、燃焼室内に発生するイオン電流を検出して燃焼状態を判定し、当該判定に基づいて燃料噴射量を調節することによって、空燃比制御を行うことも試みられている。具体的には、点火後に燃焼室に発生するイオン電流が、検出のために設定される閾値を上回ることによりイオン電流を検出し、閾値を上回ったイオン電流が発生した発生期間に基づいて燃焼状態が良好であるか否かを判定するものである。具体的には、イオン電流発生期間の変動率を気筒毎に演算し、この気筒毎に演算した発生期間の気筒別変動率が所定値以上となった場合、すなわち発生期間のばらつきが所定以上となった場合、その気筒がリーン限界になっていると判断するものが挙げられる（例えば、特許文献1参照）。
特許第３１５０４２９号明細書

ここで近年、エンジンの燃費向上並びに排気エミッションのさらなる削減を目指すために、従来は燃料噴射が多めに設定されたエンジンの始動直後においても燃料噴射を少なくし余剰燃料の排出を抑制するという、いわゆる始動時リーン制御の実現が望まれている。

しかしながら従来のＯ₂ センサの測定値による空燃比制御では、Ｏ₂ センサの温度が十分に高められ活性化するまでは正確な検出値が得られないため、始動直後においては適用できないものとなっている。

また上述の特許文献のような構成のものであると、エンジンの始動直後はイオン電流の発生期間のサンプル数が少ないため、ある気筒において空燃比が制御目標値から外れた燃焼が悪い状態を継続しイオン電流発生期間が変動していない場合には、気筒別変動率が低く算出されてしまう。そのため、このような場合では燃焼が悪い状態が変動率を通じて現れるのはその後に発生期間が変動した後となるため、燃焼が悪い状態が起こってからその状態が変動率として現れるまでに遅れが生じてしまい、その間的確な制御を行うことができないこととなる。また、サンプル数が少ない状態では個々のサンプルの影響が大きすぎて、発生期間の変動が突発的に現れてしまう事も起こり、その影響も受け易いものとなっている。これらのようなことから、気筒別変動率に基づく制御を始動時に適用しても、的確な空燃比制御に基づく良好な排気エミッションの削減効果並びに燃費向上効果が得られないものとなってしまう。

そこで本発明は、エンジンの始動直後における空燃比の制御を気筒毎に、より的確に行うことを目的としている。

すなわち、本発明に係る内燃機関のイオン電流による空燃比検知方法は、多気筒の内燃機関におけるそれぞれの気筒の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流の発生している発生期間を計測し、当該発生期間を基に演算した各気筒における変動率に基づいて各気筒の空燃比を検知し得るものであって、少なくとも内燃機関の運転が初爆から所定サイクルになるまでの間は、計測した全気筒における発生期間を基に算出された全気筒変動率に基づいて各気筒の空燃比を検知し、前記所定サイクル以後は、気筒別変動率に基づいて空燃比の検知を行う事を特徴としている。

ここで、「所定サイクル」とは、各気筒において変動率の演算のために最小限必要な発生期間のサンプル数を確保するまでのサイクル数、すなわち十分なサンプル数をもって気筒別変動率を演算し得るまでのサイクル数を指すものとする。

このようなものであれば、内燃機関の始動時すなわち初爆から所定サイクルまでの間といった発生期間のサンプル数が少ない段階では、全気筒からの発生期間をサンプリングして演算した全気筒変動率を採用することにより、所定サイクルが経過するまでの間の発生期間の変動を、全気筒から検出されたイオン電流の発生期間を基に判定するため、初爆直後から十分量のサンプル数を得ることができ、始動直後から正確な変動率を得ることができる。加えて、発生期間の変動を早く検知することが可能となる。そうすることにより、始動直後から正確な空燃比制御を行うことができる。さらに、十分量のサンプル量を始動直後から得られるので始動直後に発生期間が突発的に変動してもその影響を過度に受けた空燃比制御を行ってしまうことを有効に回避することができる。そして本発明は、所定サイクルを経た後は、十分なサンプル数が得られる状態となるため、気筒別変動率に切り換えて空燃比の制御を行うものとしている。

本発明は、以上説明したような構成であり、発生期間のサンプル数が少ない段階である初爆から所定サイクルまでの間は全気筒からデータをサンプリングする全気筒変動率を採用することにより、始動直後において、ある気筒の空燃比が制御目標値から外れるために起因する発生期間の変動を早いタイミングで検知して的確なタイミングで空燃比の制御を行うことができる。

本発明の第一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は、自動車用の火花点火式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が有する第一気筒１００ａ、第二気筒１００ｂ、第三気筒１００ｃ並びに第四気筒１００ｄのうち、第一気筒１００ａ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、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。スパークプラグ１８、バイアス用電源２４、イオン電流測定用回路２５によりイオン電流検出系４０が構成される。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Ｉの測定のための測定用電圧（バイアス電圧）を印加するものである。そして、測定用電圧の印加により、燃焼室３０の内壁とスパークプラグ１８の中心電極との間、及びスパークプラグ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。そしてイオン電流測定用回路２５は、測定したイオン電流Ｉの電流値に対応するイオン電流信号を電子制御装置６に出力する。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。

イオン電流Ｉは、例えば理論空燃比近傍における良好な燃焼状態では、上死点手前で減少した後に時間の経過とともに再度増加し、燃焼圧が最大となるクランク角度近傍でその電流値が最大となり、そして徐々に減少して通常、膨張行程の終了近傍において消滅するといった挙動を示す（図示せず）。しかし、何らかの原因で燃焼状態が良好でなく失火に近い燃焼を示すときは、燃焼圧が十分に上昇しないために、電流値が低くなる傾向にある。

発生期間Ｐは本実施形態において、上述のような挙動を示すイオン電流Ｉに基づいて燃焼状態を判定するため、例えば判定レベルである閾値（スレッショルドレベル）を予め設定することによって、イオン電流Ｉの電流値あるいはその電流による電圧が前記閾値を超えて検出される期間を示す値としている。なお、空燃比を理論空燃比より高くして燃料制御を行う希薄燃焼制御（リーン燃焼制御）においては、燃料の供給量を減少させていくと、安定した燃焼状態を維持し得る限界の燃焼状態に近づくにつれて燃焼状態が緩慢になる。このように燃焼状態が緩慢になると、イオン電流Ｉの発生している発生期間Ｐが長くなったり、逆に短くなったりすることによって、その長さがサイクル毎に且つ気筒毎にばらつくといった挙動を示す。そして、図２（ａ）は、初爆から各気筒より検出される発生期間Ｐを図示したグラフである。なお同図において、４つの気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの燃焼に基づく４つの発生期間Ｐの検出をもってエンジン１００の１サイクルとしている。また同図（ｂ）及び同図（ｃ）は、同図（ａ）に対応する後述する気筒別変動率Ｎ及び全気筒変動率ＮＡの挙動をそれぞれ示している。

電子制御装置６には、エンジン１００の運転が初爆から所定サイクルになるまでの間は計測した発生期間Ｐに基づいて演算した全気筒変動率ＮＡに基づいて空燃比を検知し前記所定サイクル以降では計測した発生期間Ｐに基づいて演算した気筒別変動率Ｎに基づいて空燃比を検知することによって、各気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄに配された４つの燃料噴射弁５から噴射される燃料噴射量をそれぞれ調節するプログラムが内蔵してある。また、本実施形態において具体的には、演算した気筒別変動率Ｎ又は全気筒変動率ＮＡと判定値ＯＶとをそれぞれ比較し、比較の結果、前記気筒別変動率Ｎ又は全気筒変動率ＮＡが判定値ＯＶを超えている場合に空燃比がリーン側に変化したことを検知するようにプログラミングされているものである。

ここで所定サイクルとは、本実施形態において、各気筒において検出される発生期間Ｐを基に本実施形態に係る制御に採用するに足る気筒別変動率Ｎを演算するための最小限のサンプル数を検出するまでのサイクル数として予め定められたものである。例えば同実施形態では、後述する図３に係る基準値を８に設定し、８個の発生期間Ｐをサンプルとして気筒別変動率Ｎを演算している。すなわち、本実施形態に係る所定サイクルを８サイクルに設定している。

判定値ＯＶは、上述のようにして得る発生期間Ｐの気筒別変動率Ｎ或いは全気筒変動率ＮＡに対して、変動の大きさを判定するための基準、すなわち判定値ＯＶを、例えば５０％に設定している。したがって本実施形態では、気筒別変動率Ｎ及び全気筒変動率ＮＡを演算するためのサンプルとして用いる発生期間Ｐのばらつきが判定値ＯＶよりも小さい、すなわち所定のばらつき度合いよりも発生期間Ｐがそろっている際には燃焼状態を良好と判定し、一方、サンプルとして用いる発生期間Ｐのばらつきが所定値よりも大きい、すなわち所定のばらつき度合いを超えて発生期間Ｐがばらついている際には燃焼状態を不良と判定するものである。

気筒別変動率Ｎは、図２（ｂ）に示すように、エンジン１００のそれぞれの気筒毎にそれぞれ発生するイオン電流Ｉの発生期間Ｐを基に演算するものとしている。例えば本実施形態では、今回検出した発生期間Ｐとそれ以前に検出された例えば７個の発生期間Ｐとの計８個の発生期間Ｐから平均と標準偏差とを演算し、当該偏差を前記平均値で除した値を変動率として演算している。また同図において、エンジン１００の初爆からの発生期間Ｐの検出数が８に満たない場合をも図示しているが、検出された８よりも少ない個数を基に上記同様の変動率を演算して図示している。なお前記標準偏差に代えて、統計における分散を採用しても良い。また同図において、例えば第一気筒１００ａにおける気筒別変動率Ｎの挙動は、最初の３回までの発生期間Ｐはそれぞれ略同様の値を検出しているため、判定値ＯＶよりも低い値を示している。その後、第一気筒１００ａの発生期間Ｐが他の３つの気筒と略同様の値を検出するようになると、前記３回までの発生期間Ｐを含んで演算される気筒別変動率Ｎは上昇し判定値ＯＶを超える挙動を示すようになる。

全気筒変動率ＮＡは、図２（ｃ）に示すように、エンジン１００のうち全ての気筒すなわち第一気筒１００ａ、第二気筒１００ｂ、第三気筒１００ｃ及び第四気筒１００ｄにおいてそれぞれ発生するイオン電流Ｉの発生期間Ｐから演算するものとしている。例えば本実施形態では、検出した発生期間Ｐとそれ以前に検出された例えば７個の発生期間Ｐとの計８個の発生期間Ｐから平均と標準偏差とを演算し、当該偏差を前記平均値で除した値を変動率として演算している。また同図において、エンジン１００の初爆からの全気筒の発生期間Ｐの合計検出数が８に満たない場合は、検出された８よりも少ない個数を基に演算したものとして図示している。なお全気筒変動率ＮＡにおいても前記標準偏差に代えて、統計における分散を用いても良い。また同図において、全気筒変動率ＮＡの挙動は、第一気筒１００ａにおける最初の３回までの発生期間Ｐが第二気筒１００ｂ、第三気筒１００ｃ及び第四気筒１００ｄとは異なる値を検出しているため、最初の３回の発生期間Ｐを検出した際に、全気筒変動率ＮＡは、判定値ＯＶを超える挙動を示している。

しかしてこのイオン電流Ｉによるプログラムの概要は、図３に示すようなものである。

すなわち、イオン電流Ｉを検出した後、当該イオン電流Ｉを基に発生期間Ｐを計算するステップＳ１が完了した後、ステップＳ２において、エンジン１００の初爆後のサイクル数が予め決められた基準値である８よりも少ないか否かを判定する。そして、判定したサイクル数が基準値たる所定サイクル以上であった場合にはステップＳ３へ進む。また判定したサイクル数が基準値たる所定サイクルよりも少なかった場合には、ステップＳ４へと進む。

ステップＳ３では、それぞれの気筒の発生期間Ｐにより気筒別変動率Ｎを演算する。すなわち、本実施形態では第一気筒１００ａ、第二気筒１００ｂ、第三気筒１００ｃ及び第四気筒１００ｄから検出された発生期間Ｐによって、それぞれ４つの気筒別変動率Ｎが算出される。

一方ステップＳ４では、全ての気筒の発生期間Ｐを基に、全気筒変動率ＮＡを演算する。

ステップＳ５では、算出された気筒別変動率Ｎ或いは全気筒変動率ＮＡを基に空燃比の判定を実施する。本実施形態では、気筒別変動率Ｎ及び全気筒変動率ＮＡが判定値ＯＶよりも小さい際には燃焼状態を良好すなわち制御範囲内にある空燃比を検知したと判定する。一方、判定値ＯＶよりも大きくなる際には燃焼状態を不良すなわち制御目標値から外れた空燃比を検知したと判定する。

以上の構成において、エンジン１００を始動すると、その初爆から基準値を上回るまで基準値である所定サイクルよりも少ない７サイクルまでの間はステップＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５を繰り返し実行する。従って、この間は全気筒変動率ＮＡに基づいて空燃比の検知が行われる。そしてこの後時間が経過し、初爆から基準値すなわち所定サイクルである８サイクルよりも後は、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５を実行する。すなわち、所定サイクル以後は、継続的に気筒別変動率Ｎに基づいて空燃比の検知が行われる。

そして、検知された空燃比に基づいて、各気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄに配された４つの燃料噴射弁５から噴射される燃料噴射量をそれぞれ調節することによって、各気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ毎に空燃比の制御が行われる。

従って、本実施形態に係る内燃機関たるエンジン１００のイオン電流Ｉによる空燃比検知方法は、エンジン１００の運転が初爆から所定サイクルになるまでの間は全気筒変動率ＮＡに基づいて各気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの空燃比を検知し、所定サイクル以降の内燃機関の運転では気筒別変動率Ｎに基づいて各気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ毎に空燃比を検知するものである。つまり、エンジン１００の始動時すなわち初爆から所定サイクルに至るまでの間といった発生期間Ｐのサンプル数が少ない段階では全気筒からの発生期間Ｐをサンプリングして全気筒変動率ＮＡを算出し、この算出した全気筒変動率ＮＡを採用することにより、初爆直後から変動率の演算に要する十分量のサンプル数を得ることができるので、始動直後から正確な変動率を全気筒変動率ＮＡとして得ることができ、発生期間Ｐの変動を早いタイミングで検知して早いタイミングで空燃比の制御を行うことができる。具体的には、図２（ａ）において第一気筒１００ａの発生期間Ｐが初爆時から他の気筒よりも長いことを、直後に検出される他の気筒の発生期間Ｐをサンプリングすることにより、いち早く全気筒変動率ＮＡを通じて検出することによって制御範囲から空燃比が外れていることを検知することができる。さらに、始動直後から変動率の演算に十分な発生期間Ｐのサンプル数を得られるので、始動直後に発生期間Ｐが突発的に変動してもその影響を過度に受けてしまうことによる、誤った空燃比の検知に基づく空燃比制御を有効に回避することができる。また本実施形態では、所定サイクル以後、すなわち変動率の演算に十分なサンプル数が得られる状態となれば、気筒別変動率Ｎに切り換えて空燃比の制御を行うので、各気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの状態に応じた制御をそれぞれ的確に行うことができるものとなっている。

なお、エンジン１００を低回転で運転している場合や負荷が低い場合など、別途設定した条件に合致した場合には、所定サイクル以後であっても全気筒変動率ＮＡを採用するようにしてもよい。気筒間のばらつきが大きい場合には、全気筒変動率ＮＡを採用する方が、的確な空燃比の制御を早く行い得る場合もあるからである。

さらに、上記実施形態では、エンジン１００の４つの気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄが初爆から順次燃焼をしていく毎に全気筒変動率ＮＡの値は随時更新されるものとなっている。そこで全気筒変動率ＮＡを基に各気筒１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの噴射燃料の調節を行う際に、当該全気筒変動率ＮＡの算出時に最も新しく発生期間Ｐをサンプリングした気筒に対して制御を行うようにしてもよい。言い換えれば全気筒変動率ＮＡに基づく空燃比の制御を、発生期間Ｐを最後にサンプリングした気筒に対して順次行うようにしてもよい。そうすることにより全気筒変動率ＮＡを、気筒毎の燃焼状態に対して迅速且つ有効に反映させた値として適用することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、同実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではイオン電流による空燃比制御について説明したが、Ｏ₂センサの測定値による空燃比制御を併用することも勿論可能である。また上記実施形態において気筒別変動率並びに全気筒変動率を、標準偏差や分散を採用して演算する態様を例示したが、その他種々の統計的手法を採用することが可能である。また、基準値すなわち所定サイクル及び判定値は上記実施形態で例示した値に限定されることはなく、他の所要の値を採用することができる。その他、各部の具体的構成についても、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。

本発明の第一実施形態おけるエンジン及び電子制御装置の概略構成を示す概略構成説明図。 同実施形態の発生期間、気筒別変動率及び全気筒変動率を示すグラフ。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

１００…内燃機関（エンジン）
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ…気筒
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
Ｉ…イオン電流
Ｐ…発生期間
Ｎ…気筒別変動率
ＮＡ…全気筒変動率
ＯＶ…判定値

Claims (1)

1. 多気筒の内燃機関におけるそれぞれの気筒の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流の発生している発生期間を計測し、当該発生期間を基に演算した各気筒における変動率に基づいて各気筒の空燃比を検知し得るものであって、
   内燃機関の運転が初爆から所定サイクルになるまでの間は、計測した全気筒における発生期間を基に算出された全気筒変動率に基づいて各気筒の空燃比を検知し、前記所定サイクル以後は、気筒別変動率に基づいて空燃比の検知を行う内燃機関のイオン電流による空燃比検知方法。

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