JP4721907B2 - イオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両などに搭載される内燃機関の空燃比を、点火毎に燃焼室内に発生するイオン電流を用いて判定するイオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法に関するものである。

従来、自動車などの車両に搭載される内燃機関つまりエンジンでは、燃費の向上や排気ガスの浄化のために空燃比が高いリーンな状態（混合気が薄い状態）で運転する傾向にある。このような空燃比をリーンにして運転するエンジンでは、可能な限り空燃比をリーンにするために、イオン電流を用いて燃焼状態を判定するようにしたものが知られている。例えば特許文献１のものでは、点火の後にエンジンの燃焼室内に発生するイオン電流が所定値を上回っている間のイオン電流の持続時間を測定し、測定した持続時間の変動を示すパラメータが判定値を超えている場合に、トルク変動が生じる限界の空燃比となっていることに対応するリーン限界を検出する構成である。
特許第３１５０４２９号明細書

ところで、近年の研究において、上述のようなイオン電流の持続時間の変動を示すパラメータ例えば変動率は、従来より知られていた空燃比がリーンである場合に高くなることと同様に、空燃比が低いリッチな燃焼状態である場合においても高くなることが確認された。すなわち、イオン電流は、燃焼状態に対応して発生するものであり、燃焼状態が良好な場合には、その持続時間の変動が少ないが、燃焼状態が正常なつまり良好な場合に比較して良好でなくなるためにその持続時間の変動が高くなる。

空燃比がリッチな場合、空燃比がリーンな場合とは反対に、燃焼における燃料量が過剰であることにより燃焼状態が良好でなくなることが生じるものである。このため、イオン電流の持続時間は、燃料が過剰であることにより長くなったり、逆に極端に短くなるものである。したがって、イオン電流の持続時間の変動率は高くなるものである。

このように、イオン電流の持続時間の変動率が、空燃比がリーンである場合以外にリッチである場合にも高くなるため、特許文献１のもののように、変動を示すパラメータが判定値を超えることにより空燃比を判定する構成では、空燃比がリーンの場合のみを判定することが困難になる。つまり、イオン電流の持続時間の変動率が、リーンの場合とリッチの場合とで同じ値が存在すれば、空燃比がリーンである場合を判定することが困難になる。一方、リッチな空燃比の場合のイオン電流の持続時間の変動率は、リーンな場合に比較して低いので、そのようなリッチの場合を判定しないように判定値の設定を高くすると、変動率が低い場合の空燃比がリーンな状態を判定することが困難になった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のイオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法は、内燃機関の燃焼室内に点火毎に発生するイオン電流を検出するものにおいて、イオン電流が発生している間に設定された判定値を上回っている発生期間を計測し、イオン電流の発生期間の変動率を演算するための除数を計測した複数の発生期間の平均値又は合計値に基づいて演算し、演算した除数をｎ乗して重み付けをし、重み付けした除数により、今回計測したイオン電流の発生期間と発生期間の平均値との偏差又は発生期間の標準偏差を除してイオン電流の発生期間の変動率を演算し、算出した変動率が、実際の空燃比がオーバーリーンであると定めた内燃機関の運転において求めた変動率から設定する所定値以上の場合に空燃比がオーバーリーンであると判定することを特徴とする。

本発明は、イオン電流が発生している時間は、空燃比が高く混合気が薄いほど短くなり、したがってその平均値が、空燃比がリーンになるほど小さくなる傾向を利用するものである。イオン電流の発生期間の変動率は、計測した発生期間とその平均値との偏差を複数の発生期間に基づいて演算した除数により除して演算するものであり、この演算の際に除数が増加する方向に重み付けをする数値処理を行うものである。

このように発生期間の変動率を演算する際の除数を数値処理することにより、変動率は、除数に対する発生期間のばらつきの影響を強調することが可能になる。つまりこのような数値処理を行うことにより、空燃比がリーンの場合の除数より大きなリッチな空燃比の場合の除数により演算した変動率は強調されない。これにより、所定値以上となる変動率は、空燃比が過剰にリーンである場合のものとすることが可能になり、空燃比のリーン判定の精度を向上させることが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、除数に対する発生期間のばらつきの影響を強調して空燃比のリーン判定の精度を向上させることができる。そしてこのような判定結果を用いることにより、燃料を増量すべき内燃機関の運転状態を早期に検出することができるので、内燃機関の運転制御性を向上させることに寄与することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

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、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及び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。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３０内に発生するイオン電流Ｉを検出して、検出したイオン電流が所定値を上回っている期間すなわちイオン電流の発生期間を計測し、計測したイオン電流の発生期間の変動率に基づいて空燃比が過剰に高いつまりリーン（オーバーリーン）であることを判定するように、電子制御装置６はプログラミングしてある。

このような構成において、空燃比判定プログラムは、次の手順により実行される。図２に、この空燃比判定の手順を図示する。なお、この空燃比判定プログラムにあっては、検出したイオン電流Ｉが発生している発生期間Ｐを計測するための判定値である閾値（スレッショルドレベル）ＳＬが設定してあるとともに、変動率から空燃比の状態を判定するための所定値が設定してある。なお、この空燃比判定プログラムは、特定の１気筒からイオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測して実行するもの、各気筒に対して実行するもの、及び４気筒を総合して実行するもののいずれであってもよい。

まず、ステップＳ１において、点火毎のイオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測する。イオン電流Ｉの発生時間Ｐは、イオン電流Ｉが閾値ＳＬを上回っている間の時間又はクランク角度により計測するものである。計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐは、記憶装置８に一時的に記憶される。記憶されるイオン電流Ｉの発生期間Ｐは、その平均値（移動平均）を演算するために所定個（複数）である。

イオン電流Ｉは、点火後に、スパークプラグ１８に測定用電圧を印加して燃焼室３０内に発生させるものである。正常な燃焼状態においては、図３の（ａ）に示すように、イオン電流Ｉは、その発生直後に急激に流れた後、上死点ＴＤＣ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、その後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ものである。

このような電流波形を示すイオン電流Ｉにおいて、その発生期間Ｐは、イオン電流Ｉの電流値あるいはその電流による電圧が閾値ＳＬを超えている期間を計測して得るものである。この場合、イオン電流Ｉの発生期間Ｐは、計測開始から計測終了までの実際の時間、あるいはクランク角度のいずれかにより計測するものである。イオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測している計測期間は例えば、点火から膨張行程の終了までに設定するもので、その計測期間中においてイオン電流Ｉが閾値ＳＬを超える期間を測定してイオン電流Ｉの発生期間Ｐとするものである。なお、閾値ＳＬは低い程よいが、イオン電流Ｉを検出する場合の雑音レベルより大きくして、誤ってイオン電流Ｉを検出することがないように設定するものである。

イオン電流Ｉは、燃焼状態により、様々な挙動を示す。例えば、理論空燃比近傍における燃焼の場合には上述したような挙動を示すが、空燃比が高くなるつまり空燃比がリーンになると最大となる電流値は小さくなりイオン電流Ｉの発生期間Ｐはその燃料量に応じて短くなる傾向にある。加えて、イオン電流Ｉの発生期間Ｐは、空燃比がリッチになるに応じて長くなる傾向にある。さらに、何らかの原因で燃焼状態が良好でなくなると、図３の（ｂ）に示すように、イオン電流Ｉは計測期間中に消滅と再発生とを繰り返すことがある。このような場合には、イオン電流Ｉが発生し、かつイオン電流Ｉの電流値が閾値ＳＬを超える期間（図３の（ｂ）の場合は、Ｐ１，Ｐ２）を合計し、その合計値をイオン電流の発生期間Ｐとするものである。

次に、ステップＳ２では、記憶装置８に一時的に記憶された今回計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐを含む所定個のイオン電流Ｉの発生期間Ｐの移動平均による平均値を演算する。平均値は、イオン電流の発生期間Ｐが上述のように空燃比により変化するので、空燃比に対して図４に示すような関係となるものである。平均値は、イオン電流Ｉの発生期間Ｐによりばらつくもので、図４に一点鎖線で示す直線にはならないが、この図４においてはそのばらつきを示すのではなく、空燃比の変化に対してどのように変化するかを一点鎖線により示したものである。ステップＳ３では、今回計測したイオン電流Ｉの発生期間Ｐと演算して得られた平均値との偏差を演算し、得られた偏差の平均（以下、偏差平均と称する）を演算する。

ステップＳ４では、ステップＳ２において演算した平均値をｎ乗する。この実施形態では、平均値をｎ乗することにより除数を増加させる方向に重み付けするものである。なお、このように、変動率を演算する演算式における除数である平均値を重み付けするに際して、空燃比がリーンである運転状態において計測されたイオン電流Ｉの発生期間Ｐの平均値が１以上の正の整数となる場合はこのように平均値をｎ乗するものであるが、その平均値が１未満の数値となるものにあっては、平均値をｎ倍することにより重み付けをするものである。

ステップＳ５では、下記の式（１）により変動率を演算する。
変動率＝偏差平均／（平均値）ⁿ （１）
演算された変動率は、図４に示すように、空燃比がリーンになるに応じて大きくなり、したがって空燃比がリッチなるに応じて小さくなる。これは、式（１）による変動率の演算において、平均値をｎ乗していることにより例えば、空燃比がリッチな場合とリーンな場合とで同じ値の偏差平均となっても、除数は空燃比がリッチな場合の方がリーンな場合に比較して大きいために、変動率を演算するに際しての数値処理により、空燃比がリッチな場合の変動率はより小さくなり、空燃比がリーンな場合の変動率が強調された状態で表されるものとなる。

なお、図４において点線で示す曲線は、式（１）による変動率ではなく、偏差平均を平均値で除した場合の変動率を示すものである。このように、偏差平均を上述のような数値処理を行わない平均値により除して得られた変動率にあっては、空燃比がリッチになるほど大きくなる傾向が見られるとともに、空燃比がリーンになっても、この実施形態において演算して得られ変動率よりも低い値にしかならないものである。

ステップＳ６では、ステップＳ５において得られた変動率が所定値ＤＬ以上である場合に、空燃比が過剰にリーンであると判定する。所定値ＤＬは、実際の空燃比がオーバーリーンであると定めたエンジン１００の運転において実験により求めた変動率から設定すればよい。

このような構成であれば、エンジン１００を始動した直後から、失火が発生しない限り各気筒において点火毎に検出したイオン電流Ｉの発生期間Ｐを計測し、その平均値、偏差及び偏差平均を演算し、演算したそれらより式（１）によって変動率を演算し、演算した変動率により空燃比を判定するので、Ｏ₂センサ２１の状態の如何にかかわらず空燃比のオーバーリーンを判定することができるものである。つまり、エンジン１００の運転を開始すると、例えば冷間始動などのＯ₂センサ２１が未だ活性していない状態にあっても、空燃比がオーバーリーンになっていることを判定することができるものである。したがって、空燃比が過剰にリーンになっている状態を判定した場合に、その判定結果に基づいて燃料量を増量制御することができ、空燃比をリーンに制御する場合に回転変動やトルク変動などが生じるまでに、適正な運転状態を維持することができる。

また、空燃比を適正なものに制御することにより、排気ガスに含まれる環境汚染物質の量を低減することができる。したがって、Ｏ₂センサ２１と同様に、触媒が未だ活性していない始動時などの運転状態にあっても、排気ガスのエミッションを低下させることなく空燃比がリーンの状態でエンジン１００を運転することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

イオン電流Ｉの発生期間Ｐの変動率は、統計学における変動係数（標準偏差を平均値により除して得られる商）の演算において、その演算における除数を、増加させる方向に重み付けして演算するものであってもよい。この場合においても、重み付けは除数をｎ乗するもの、及びｎ倍するものが適用できるものである。また、上記実施形態においては、除数として移動平均による平均値を採用したが、イオン電流Ｉの発生期間Ｐの複数を合計したものであってもよい。

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。

本発明の実施形態のエンジンの概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の燃焼状態の異なる場合のイオン電流波形を示すグラフ。 同実施形態の空燃比に対する平均値及び変動率の傾向を示すグラフ。

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
Ｉ…イオン電流
Ｐ…発生期間
ＳＬ…閾値
ＤＬ…所定値

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室内に点火毎に発生するイオン電流を検出するものにおいて、
   イオン電流が発生している間に設定された判定値を上回っている発生期間を計測し、
   イオン電流の発生期間の変動率を演算するための除数を計測した複数の発生期間の平均値又は合計値に基づいて演算し、
   演算した除数をｎ乗して重み付けをし、
   重み付けした除数により、今回計測したイオン電流の発生期間と発生期間の平均値との偏差又は発生期間の標準偏差を除してイオン電流の発生期間の変動率を演算し、
   算出した変動率が、実際の空燃比がオーバーリーンであると定めた内燃機関の運転において求めた変動率から設定する所定値以上の場合に空燃比がオーバーリーンであると判定するイオン電流に基づく内燃機関の空燃比判定方法。

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