JP4823123B2 - ガソリンエンジンのイオン電流検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）と火花着火（ＳＩ）とを運転状態に応じて実施するガソリンエンジンのイオン電流検出方法に関するものである。

従来、ガソリンエンジンにおいては、点火プラグを用いて、燃焼時に燃焼室内に流れるイオン電流を検出して、燃焼状態を検出することが行われている。このようなイオン電流による燃焼状態の検出は、理論空燃比となる混合気の燃焼にあっては比較的容易であるが、空燃比が高くなるつまり希薄燃焼になるとイオン電流値が小さくなるために難しくなる。ガソリンエンジンにおいて予混合圧縮着火を実施して運転する場合には、空燃比が比較的高いため、イオン電流の検出が難しくなる。

このような状況に鑑みて、予混合圧縮着火においてイオン電流を得るために、点火プラグにイオン電流検出のための電圧を印加するタイミングを最適化することが知られている。例えば特許文献１に記載のものでは、予混合圧縮着火を実施してイオン電流により燃焼状態を検出する場合には、圧縮上死点よりクランク角度に換算して１５°（以下、１５°ＣＡと記す）程度早いタイミングで、点火コイルに通電を開始する構成である。なお、大気の温度や湿度などの影響で、予混合圧縮着火のタイミングが早くなったりあるいは遅くなったりするので、そのような場合は、点火コイルへの通電開始時期を予混合圧縮着火のタイミングに応じて早くしたり遅くしたりすることを、特許文献１は記載している。
特開２００４−７６６７８号公報

ところで、予混合圧縮着火を実施する場合、ピストンが圧縮上死点の近くに存在するタイミングでは、すでに燃料が噴射されている。そして、燃焼室内に燃料つまりは混合気が存在している状態においてイオン電流検出用の電圧を生成するために、点火プラグに通電すると、その通電時点で通電した電圧で点火プラグに温度上昇が起こり、混合気の一部、特には空燃比が部分的にリッチである混合気の部分が着火する場合が起こり得る。このように混合気が点火プラグの点火用ではない通電により着火すると、予混合圧縮着火における着火タイミングではないので過早燃焼となる。この結果、正常な着火タイミングからずれることにより、トルク変動が増大したり、筒内温度が異常に上昇することによりエンジンが損傷したりすることがある。また、運転が継続した場合においても、排気ガス中のエミッションが増加するなど、排気ガスの浄化状態が低下するものである。

一方、吸気管圧や筒内圧が低い場合に点火プラグに通電すると、その時印加した電圧の値によっては放電することがある。つまり、例えば筒内圧が低い場合に、点火プラグに高電圧を印加すると、点火コイルの二次側コイルにおける帯電電圧により点火プラグの電極間で放電が発生する。このため、印加したイオン電流検出用の電圧が追従して放電することになり、イオン電流を検出し得なくなる。また、そのような放電に伴い、混合気が着火し、燃焼が開始する場合が生じる。

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、本発明のガソリンエンジンのイオン電流検出方法は、排気弁、吸気弁及び点火プラグを備えてなり、運転領域に応じて、火花着火と予混合圧縮着火との一方を実施するガソリンエンジンにおいて、予混合圧縮着火を実施する際の燃焼により発生するイオン電流を検出するガソリンエンジンの燃焼状態検出方法であって、予混合圧縮着火を実施する時には、点火プラグの近くに燃料が到達するよりも前にイオン電流検出用電圧を生成するための高電圧を点火プラグに印加することを特徴とする。

このような構成によれば、予混合圧縮着火を実施する場合に、燃焼室内に燃料が存在しない状態で、イオン電流検出用電圧を点火プラグに印加することになる。したがって、イオン電流検出用電圧を印加することで、燃焼が生じることはない。この結果、イオン電流検出用電圧を点火プラグに印加しても、所望でない時期における燃焼を防止することが可能になり、着火時期の制御精度を向上させることが可能になる。しかも、そのような燃焼を防止できることから、トルク変動や損傷、さらには排気ガスの浄化状態の低下を抑制し得るものである。

イオン電流の検出精度を向上させるべくイオン電流検出用電圧を高くするためには、上述の構成に加えて、高電圧の点火プラグへの印加を、遅くとも排気弁と吸気弁との両者が閉じている期間が終了する前に行うものが好ましい。このような構成によれば、印加する高電圧を高くしても、例えば筒内圧力が高い時期に点火プラグにイオン電流検出用電圧を印加することになるので、放電を抑制することが可能になる。この結果、予混合圧縮着火により燃焼が生じた時点で、印加したイオン電流検出用電圧によりイオン電流を検出することができ、しかも発生したイオン電流の電流値が低い場合でも、検出精度を高く維持す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、イオン電流検出用電圧を印加することで、燃焼が生じることはないので、イオン電流検出用電圧を点火プラグに印加しても、所望でない時期における燃焼を防止することができ、着火時期の制御精度を向上させることができる。しかも、そのような燃焼を防止できることから、トルク変動や損傷、さらには排気ガスの浄化状態の低下を抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態のガソリンエンジン１００は、可変バルブタイミング機構３０を装備しているエンジンで、予混合圧縮着火を実施するために、圧縮比を通常の火花着火のみを実施するエンジンに比べて高くしてある。そしてこのような圧縮比の設定以外は、可変バルブタイミング機構３０を備える通常の火花着火式のエンジンと同じである。

具体的には、図１に１気筒の構成を概略的に示したガソリンエンジン１００は、自動車用の３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、サージタンク３からの吸入空気は吸気ポート１０及び吸気バルブ３７を介してシリンダ３８内に吸入される。この吸気系１には、スロットルバルブ２を迂回する迂回路であるバイパス通路１ａが設けてあり、そのバイパス通路１ａにはバイパス通路１ａを通過する空気量を制御するための流量制御バルブ１ｂが設けてある。この流量制御バルブ１ｂは、主としてエンジンのアイドル回転制御を実行する際に制御される。サージタンク３に連通する吸気系１の吸気マニホルド４のシリンダヘッド側の端部近傍には、さらにインジェクタ５が設けてあり、このインジェクタ５を、電子制御装置６により制御するようにしている。また、排気系２０には、燃焼室から排気弁３６を介して排出された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管路に配設された三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。

可変バルブタイミング機構３０は、例えば作動オイルにより作動する機械式のもので、電子制御装置６と協働して、排気弁３６と吸気弁３７とのそれぞれの開閉時期を独立して制御できるものである。すなわち、電子制御装置６が出力する信号により、作動オイルが制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構３０は、排気弁３６及び吸気弁３７を全開にする作動中心を進角及び遅角するとともに、排気弁３６及び吸気弁３７の作動角度を制御するものである。可変バルブタイミング機構３０は、火花着火の際には排気弁３６と吸気弁３７との開成期間が重なり合うように排気弁３６と吸気弁３７とを制御し、予混合圧縮着火の際には、排気行程から吸気行程に移行する間に、ピストン３９が排気上死点近傍に位置する所定期間、排気弁３６と吸気弁３７とを閉じるように制御する。以下の説明において、前述の所定期間を負のオーバーラップ期間と称する。

可変バルブタイミング機構３０とともにガソリンエンジン１００の運転を制御する電子制御装置６は、中央演算装置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。その入力インターフェース９には、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、スロットルバルブ２の開度（スロットル開度）を検出するためのスロットル開度センサ１６から出力される開度信号ｄ、ガソリンエンジン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から出力される電圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、インジェクタ５に対して燃料噴射信号ｆたる駆動パルスＩＮＪが、また火花着火の実施に際してスパークプラグ１８に対して点火信号たる通電信号ｇが出力されるようになっている。

点火プラグ１８には、イオン電流を検出するために、イオン電流検出回路６０が接続されるとともに、点火コイル６１ａ、ダイオード６１ｂ、スイッチングトランジスタ６１ｃを備える点火回路６１が接続される。イオン電流検出回路６０は、点火回路６１に通電信号ｇが入力されて、その通電信号により点火コイルに逆起電力が発生して点火プラグ１８に点火用の高電圧が印加される場合に、その逆起電力で充電されるコンデンサを備え、その充電されたコンデンサをイオン電流検出用電圧の電源としてイオン電流を検出するための抵抗及び電圧センサを備えるものである。したがって、予混合圧縮着火の場合であっても通電信号ｇが点火回路６１に対して出力されるものであるが、後述するように、通電信号ｇにより点火プラグ１８に高電圧が印加されるタイミングが、燃料噴射タイミングより前であることや、予混合圧縮着火実施時の混合気の空燃比が高いことから、燃焼が始まることはない。

この実施形態においては、図２に示すように、イオン電流検出回路６０は、火花着火と予混合圧縮着火との場合で、異なる電圧値のイオン電流検出用電圧を発生させる構成である。そして、予混合圧縮着火を実施する場合におけるイオン電流検出用電圧を、火花着火を実施する場合におけるものより高く設定している。このようなイオン電流検出回路６０は、火花着火実施時のための第一検出回路６２、予混合圧縮着火実施時のための第二検出回路６３、及び第一検出回路６２と第二検出回路６３との点火プラグ１８への接続を切り替える切替回路６４を備えて、電子制御装置６に接続される。

第一検出回路６２は、切替回路６４に直列に接続される印加電圧設定用の第一ツェナーダイオード６２ａと、第一ツェナーダイオード６２ａのアノードに直列に接続されるゲイン設定用の第一抵抗６２ｂと、第一抵抗６２ｂに並列に接続されるイオン電流検出用の第一電圧センサ６２ｃと、第一ツェナーダイオード６２ａに並列に接続されて点火コイル６１ａに発生する逆起電力により充電され、第一検出用電圧を発生させる第一コンデンサ６２ｄとを備えている。第一ツェナーダイオード６２ａのツェナー電圧は、火花点火を実施する際のイオン電流検出において点火プラグ１８に印加する第一検出用電圧を規定するものである。

第二検出回路６３は、同様に、切替回路６４に直列に接続される印加電圧設定用の第二ツェナーダイオード６３ａと、第二ツェナーダイオード６３ａのアノードに直列に接続されるゲイン設定用の第二抵抗６３ｂと、第二抵抗６３ｂに並列に接続されるイオン電流検出用の第二電圧センサ６３ｃと、第二ツェナーダイオード６３ａに並列に接続されて点火コイル６１ａに発生する逆起電力により充電され、第二検出用電圧を発生させる第二コンデンサ６３ｄとを備えている。第二ツェナーダイオード６３ａのツェナー電圧は、第一ツェナーダイオード６２ａのツェナー電圧より高く設定してある。すなわちこの第二ツェナーダイオード６３ａのツェナー電圧は、イオン電流を検出するに際して印加する第二検出用電圧を規定するもので、予混合圧縮着火における混合気の空燃比において、イオン電流が検出可能なレベルになるものであれば特に限定されるものではなく、具体的には例えば８００Ｖ〜３ｋＶの範囲に含まれるものであればよい。又、第二抵抗６３ｂは、第一抵抗６２ｂより抵抗値を高くしてあり、イオン電流の検出感度を高くしてある。

切替回路６４は、リレーにより構成されるもので、リレーは、第一検出回路６２を点火プラグ１８に接続する第一ブレーク接点６４ａ、第一電圧センサ６２ｃの出力をイオン電流出力端６５に導く第二ブレーク接点６４ｂ、第二検出回路６３を点火プラグ１８に接続する第一メーク接点６４ｃ、第二電圧センサ６３ｃの出力をイオン電流出力端６５に導く第二メーク接点６４ｄ、及びコイル６４ｅを備えている。そして、この切替回路６４に、電子制御装置６から出力される切替信号が、予混合圧縮着火を実施する場合に入力されると、コイル６４ｅが通電されることによって、第一及び第二メーク接点６４ｃ、６４ｄがオンして第一及び第二ブレーク接点６４ａ、６４ｂがオフする。したがって、第二検出回路６３が点火プラグ１８及び点火回路６１に接続されるものとなる。

イオン電流検出回路６０は、点火回路６１に通電信号ｇが印加され、通電信号ｇが消滅するタイミングで逆起電圧が生じて、その逆起電力がそれぞれのツェナー電圧を超えた時点で、切替回路６４の作動に応じてコンデンサ６２ｄ、６３ｄそれぞれが充電される。充電されたコンデンサ６２ｄ、６３ｄは、イオン電流検出時に電源としてイオン電流検出用電圧を発生させるものである。そして、点火プラグ１８の電極間にイオン電流が流れることによりそれぞれの抵抗６２ｂ、６３ｂに電流が流れ、その電流に応じた電圧が電圧センサ６２ｃ、６３ｃにより検出されることにより、イオン電流が検出される。

電子制御装置６には、スロットル開度センサ１６から出力される開度信号ｄと回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、ガソリンエンジン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すなわち基本噴射量を補正してインジェクタ開成時間である最終噴射時間すなわち燃料噴射量を決定し、その決定された時間によりインジェクタ５を制御して、ガソリンエンジン１００の運転状態に応じた燃料噴射量をインジェクタ５から吸気系１に噴射するためのプログラムが内蔵してある。また電子制御装置６は、エンジン回転数及び負荷（スロットル開度）により規定される運転状態により火花着火と予混合圧縮着火とを切り替えて、予混合圧縮着火における排気弁３６と吸気弁３７との開閉時期を制御するもので、予混合圧縮着火を実施する時には、点火プラグの近くに燃料が到達するよりも前にイオン電流検出用電圧を生成するための高電圧を点火プラグ１８に印加するプログラムが内蔵してある。

また、電子制御装置６は、火花着火及び予混合圧縮着火を個別に実施する場合にイオン電流を検出するイオン電流検出プログラムが格納してある。図３を交えて、この実施形態におけるイオン電流を検出する場合の制御手順を説明する。

まず、ステップＳ１において、エンジン回転数ＮＥを回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂに基づいて検出する。次に、ステップＳ２において、スロットル開度センサ１６から出力される開度信号ｄに基づいてスロットル開度ＴＡを検出し、検出したスロットル開度ＴＡに基づいて要求負荷を算出する。

ステップＳ３では、火花着火か否かを判定する。この判定は、例えばエンジン回転数及び負荷により運転状態を判定し、その判定結果に基づいて例えばフラグを設定しておき、そのフラグの状態を確認することにより、火花着火の実施か予混合圧縮着火の実施かを判定するものである。

ステップＳ３において、火花着火を実施すると判定した場合は、ステップＳ４にて、検出したエンジン回転数ＮＥ、要求負荷、水温、吸気温に基づいて、適合マップにより、燃料噴射量、燃料噴射時期、カム作用角と位相（吸排気弁の開閉タイミング）及び点火時期θｉｇを算出する。

ステップＳ３において、予混合圧縮着火を実施すると判定した場合は、ステップＳ５において、ステップＳ４と同様に、検出したエンジン回転数ＮＥ、要求負荷、水温、吸気温に基づいて、適合マップにより、燃料噴射量、燃料噴射時期、及びカム作用角と位相（吸排気弁の開閉タイミング）を算出する。予混合圧縮着火の実施の場合は、ステップＳ６において、ステップＳ５にて算出した燃料噴射時期に基づいて、燃料噴射時期θｉｎｊより前で、かつ、負のオーバーラップ期間内の可能な限り上死点に近いタイミングに、点火時期θｉｇを決定する。これは、放電が始まる電圧が、筒内圧が高くなるにしたがって高くなる、言い換えれば筒内圧が高くなるほど電圧を高くしても放電がしにくくなるためで、負のオーバーラップ期間内にあっては、上死点において筒内圧が最高になる。したがって、イオン電流検出用電圧を高くするためには、上死点に近いタイミングが好ましいものとなる。

ステップＳ７では、イオン電流を検出する。イオン電流が点火プラグ１８に流れると、その時の電流値に応じて、電圧センサ６２ｃ、６３ｃが電圧を出力するので、その電圧値によりイオン電流を検出するものである。なお、このイオン電流の検出に先立って、火花着火の実施時においてはステップＳ４、予混合圧縮着火の実施時においてはステップＳ５において算出した燃料噴射時期に算出した燃料噴射量の燃料を噴射して、混合気の燃焼を生じさせるものである。

このような構成において、予混合圧縮着火を実施する場合は、ステップＳ１〜ステップＳ３、及びステップＳ５〜ステップＳ７を実行して、イオン電流を検出する。この場合に、イオン電流検出用電圧を生成するための高電圧を点火プラグ１８に印加するための点火時期θｉｇは、図４に示すように、負のオーバーラップ期間内にあって、燃料が噴射される前のタイミングに設定される。すなわち、点火時期θｉｇを燃料噴射期間θｉｎｊより前に決定して、そのタイミングで点火回路６１の点火コイル６１ａに通電信号１８を印加すると、通常の点火の場合と同様に、点火プラグ１８に高電圧が印加される。ところが、この点火時期θｉｇにおいては燃料が点火プラグ１８の近傍に達していない。したがって、点火プラグ１８に点火時期θｉｇにおいて通電信号ｇに基づいて点火コイル６１ａに通電しても、通電による点火プラグ１８周辺に熱が発生しても、燃焼が始まることがない。

加えて、負のオーバーラップ期間内は、排気弁３６及び吸気弁３７が閉じているので、筒内圧が上昇している。このように、筒内圧が高い状態であると、点火プラグ１８に高電圧を印加しても、筒内圧が低い場合のような放電が生じない。したがって、着火することはなく、よって燃焼が始まることがない。

このため、イオン電流を検出するために、イオン電流検出用電圧を生成するための高電圧を点火プラグ１８に印加しても、燃焼は起こらないため、イオン電流検出用電圧を高くすることができる。その結果、混合気の空燃比が高くとも、イオン電流の電流値を大きくすることができ、イオン電流の検出精度を高くすることができる。しかも、望まないタイミングでの、本来の燃焼でない燃焼を防止することができるので、予混合圧縮着火を実施する場合の、着火時期の制御の精度を向上させることができ、予混合圧縮着火の着火タイミングで開始される燃焼の際に、確実にイオン電流を検出することができる。加えて、イオン電流を確実に検出できるので、検出したイオン電流から、燃焼状態を精度よく判断することができる。その結果、トルク変動や、燃焼異常に起因するエンジンの損傷を未然に防止でき、エミッションの低下を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態においては、負のオーバーラップ期間内に点火時期θｉｇを設定するものを説明したが、吸気ポートに燃料を噴射するガソリンエンジンにおいては、吸気弁３７が開く直前もしくはほぼ同時であってもよい。つまり、ポート噴射式のガソリンエンジンにおいては、燃料が噴射されるタイミングと、噴射された燃料が点火プラグ１８に達するタイミングとの間に、時間差が生じるので、最も遅くは、吸気弁３７の開弁タイミングとほぼ同時であってもよい。

また上記実施形態においては、燃料を吸気ポートに噴射するものを説明したが、シリンダ３８内に直接噴射する筒内燃料噴射式のガソリンエンジンであってもよい。この場合においても、燃料噴射時期θｉｎｊより前に点火時期θｉｇを設定しているので、噴射された燃料が点火プラグ１８の近傍に達する前に点火プラグ１８に高電圧が印加されることになる。しかも、点火プラグ１８に高電圧が印加されるタイミングは、点火時期θｉｇが負のオーバーラップ期間内であるので、シリンダ３８の内部圧力が高くなっている時である。

したがって、筒内燃料噴射式のガソリンエンジンであっても、予混合圧縮着火を実施する場合に、確実にイオン電流を検出することができる。

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。

本発明の実施形態におけるガソリンエンジンの概略構成を示す構成説明図。 同実施形態のイオン電流検出回路の回路図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の作用を説明するタイミングチャート。

符号の説明

６…電子制御装置
１８…点火プラグ
３６…排気弁
３７…吸気弁
６０…イオン電流検出回路

Claims (2)

1. 排気弁、吸気弁及び点火プラグを備えてなり、運転領域に応じて、火花着火と予混合圧縮着火との一方を実施するガソリンエンジンにおいて、予混合圧縮着火を実施する際の燃焼により発生するイオン電流を検出するガソリンエンジンのイオン電流検出方法であって、
   予混合圧縮着火を実施する時には、点火プラグの近くに燃料が到達するよりも前にイオン電流検出用電圧を生成するための高電圧を点火プラグに印加するガソリンエンジンのイオン電流検出方法。
2. 高電圧の点火プラグへの印加を、遅くとも排気弁と吸気弁との両者が閉じている期間が終了する前に行う請求項１記載のガソリンエンジンのイオン電流検出方法。

Images