JP5022347B2 - 内燃機関の失火判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、点火後に燃焼室内に発生するイオン電流を用いて燃焼状態を判定する内燃機関の失火判定方法に関するものである。

従来、例えば火花点火式の内燃機関において、燃焼の開始直後に点火プラグを用いて燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、イオン電流が発生している時間を測定して燃焼状態を判定することが行われている。例えば特許文献１には、燃焼に対応して発生するイオン電流の発生（持続）している時間（発生時間）と、イオン電流として検出したノイズによる電流の持続している時間（持続時間）とを合計し、発生時間と持続時間との検出回数により合計した時間を除し、商の値により失火の有無を判定するものが記載されています。失火と燃焼との判定は、あらかじめ設定する判定値と商との比較により行われるもので、商が判定値より大なる場合に正常燃焼と判定し、商が判定値より小である場合に失火と判定するものである。
特開２００８‐５１０３１号公報

ところが、このような構成のものであると、ノイズによる電流の持続時間の合計値が大きくなる場合や、イオン電流の発生時間が短い場合に、失火であるにもかかわらず正常燃焼と判定したり、その逆に正常燃焼であるにもかかわらず失火と判定する場合があった。すなわち、ノイズによる電流が、消滅するまでに尾を引くように変化することにより、その持続時間が長くなる。よって、持続時間の合計値が大きくなると、検出回数が同じあるいは少ないと商が大きくなり、判定値を上回ることになる。したがって、失火であるにもかかわらず、正常燃焼と誤って判定するものとなった。

また、これとは反対に、燃焼状態が良好であるがために、イオン電流の発生時間が短くなり、持続時間と合計しても、正常な燃焼状態におけるものよりその合計値は小さくなる。このため、イオン電流の発生時間が短くなることにより、検出回数が同じあるいは少ないと商が小さくなり、判定値を下回ることになる。したがって、正常燃焼であるにもかかわらず、失火と誤って判定するものとなった。

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、本発明の内燃機関の失火判定方法は、内燃機関の燃焼室内において混合気が燃焼することにより生じるイオン電流の検出を、点火実行から始まる第一の検出区間と点火実行から所定期間後に始まる第二の検出区間とにおいて実行し、検出したイオン電流を用いて燃料失火を判定する内燃機関の失火判定方法であって、第一及び第二の検出区間において検出したイオン電流が所定の閾値以上となる期間を判定期間として検出し、検出した判定期間のうち所定値に満たないものをノイズとして検出した判定期間から除外し、第一の検出区間内において検出した判定期間のうちの最長の判定期間を検出し、第一検出区間内における判定期間の発生回数を検出し、第二の検出区間において検出した判定期間を積算し、判定期間を積算した積算値と最長の判定期間の長さとの大なるものを判定期間の発生回数で除した値が判定値以上であること、及び燃焼期間が上記所定期間以上であることが成立する場合に燃焼が正常であると判定し、成立しない場合に燃料失火であると判定することを特徴とする。

このような構成によれば、検出した判定期間のうち所定値に満たないものをノイズとして検出した判定期間から除外することにより、このような判定期間を積算対象として積算した場合に比較して積算値が小さくなる。したがって、ノイズによって積算値が判定値以上となるような運転状況において、燃料失火を燃焼が正常であると誤って判定することを防ぐことが可能になる。

また、判定期間の発生回数を第一の検出区間に限定して計数することにより、複数気筒の内燃機関においては、他の気筒におけるノイズの干渉を抑制することが可能になる。

加えて、正常な燃焼ではあるが、比較的短い間にイオン電流が消滅してしまう場合、積算値のみでは燃料失火と誤検出することがあるが、最長の判定期間との比較により長い方を燃焼判定に採用することで、点火後の所定期間に隠れるような正常な燃焼を検出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、ノイズとみなせる判定期間によって、積算値が判定値以上となるような運転状況において、燃料失火を燃焼が正常であると誤って判定することを防ぐことができる。さらには、燃焼速度が速く、比較的短い間にイオン電流が消滅してしまう場合、判定期間の積算値のみで燃焼状態を判定するものでは燃料失火と誤検出することがある場合でも、最長の判定期間との比較により長い方を燃焼判定に採用することで、第２検出区間が始まるまでの点火後の所定期間に隠れるような正常な燃焼を検出することができる。

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ストローク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７を形成するシリンダヘッド８には、吸気弁９及び排気弁１０が配設されるとともに、火花を発生するとともに混合気の燃焼の際に燃焼室７内に発生するイオン電流を検出するための電極となる点火プラグ１１が取り付けてある。また排気系１２には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ１３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１４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１５と、記憶装置１６と、入力インターフェース１７と、出力インターフェース１８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１７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１９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２０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２１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２２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２３から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ１３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１８からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、また点火プラグ１１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。

この点火プラグ１１には、イオン電流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１７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。点火プラグ１１、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２６が構成される。バイアス用電源２４は、点火プラグ１１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７の内壁と点火プラグ１１の中心電極との間、及び点火プラグ１１の電極間に流れたイオン電流は、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。

以上の構成において、電子制御装置６には、吸気圧センサ１９から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ２０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、電子制御装置６は、エンジン１００の燃焼室７内において混合気が燃焼することにより生じるイオン電流を検出して、検出したイオン電流を用いて燃料失火を判定する失火判定プログラムを備えるものである。この失火判定プログラムは、イオン電流の検出を、点火実行から始まる第一の検出区間と点火実行から所定時間後に始まる第二の検出区間とにおいて実行し、検出したイオン電流を用いて燃料失火を判定するもので、第一及び第二の検出区間において検出したイオン電流が所定の閾値以上となる期間を判定期間として検出し、検出した判定期間のうち所定値に満たないものをノイズとして検出した判定期間から除外し、第一の検出区間内において検出した判定期間のうちの最長の判定期間を検出し、第一検出区間内における判定期間の発生回数を検出し、第二の検出区間において検出した判定期間を積算し、判定期間を積算した積算値と最長の判定期間の長さとの大なるものを判定期間の発生回数で除した値が判定値以上であること、及び燃焼期間が上記所定期間以上であることが成立する場合に燃焼が正常であると判定し、成立しない場合に燃料失火であると判定するようにプログラミングしてある。図２及び図３を交えて、失火判定プログラムを説明する。

この失火判定プログラムにおいて、イグニッションパルスが点火プラグ１１に印加され火花放電が消滅するまでの放電期間を含んで、点火実行から所定期間は検出したイオン電流を判定期間の検出には用いないマスク期間を設定している。

点火後に発生するイオン電流は、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、正常な燃焼の場合、燃焼圧力が最大となる上死点近傍において最大電流値となり、その後は漸次減衰する。これに対して、同図の（ｃ）に示すように、燃料失火が生じてコロナノイズなどのノイズを生じている場合、それらのノイズはパルス状に変化するイオン電流として検出される。すなわち、正常な燃焼の場合、イオン電流は点火時に瞬間的に流れ、その後、一旦小さくなり、マスク期間中に再度急激に大きくなり、上死点近傍において最大となるように流れる。良好な燃焼にあっては、イオン電流は、点火後にこのような最大値を取る電流波形を形成することが多く、このような波形の後は、混合気の燃焼の伝播の状態に応じて発生するいわゆる後燃えの状態により、同図の（ａ）又は（ｂ）のような変化を呈するものである。なお、このような正常な燃焼の場合であっても、ノイズが重畳することがあるが、正常なイオン電流の電流値が閾値を上回って発生している部分において重畳するノイズの場合には、この失火判定にあっては問題にはならない。

この失火判定プログラムを実行すると、まず、ステップＳ１では、第一及び第二の検出区間において、検出したイオン電流により判定期間を検出する。判定期間は、閾値を設定しておき、イオン電流がその閾値以上になる期間により検出する。具体的には、閾値を用いてイオン電流を二値化するもので、閾値未満のイオン電流を１とすると、閾値以上のイオン電流は０であり、１から０に変化した時点から０から１に変化する時点までが判定期間である。判定期間は、実際の時間、またはクランク角度により規定するものである。イオン電流は、点火実行直後から燃焼室７内に発生するので、判定期間は点火実行後の所定期間であるマスク期間の間も検出される。例えば燃料失火していない場合には、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、最大電流値を示した後、閾値より大きな電流が断続的に流れることにより、一回の燃焼で判定期間の複数を検出するものとなる。

ステップＳ２では、検出した判定期間が所定値未満か否かを判定する。所定値は、イオン電流を検出する際にイオン電流に重畳するノイズの発生している時間に基づいて設定する。この所定値は、プログラムのデータとして記憶装置１６に保存してある。この判定により、検出した判定期間の中からノイズを除外するものである。

ステップＳ２において、所定値以上であると判定した場合は、ステップＳ３において、順次検出した判定期間を積算する。積算する判定期間は、第二の検出区間において検出した判定期間であり、マスク期間を含めた第一の検出区間における判定期間ではない。これに対して、ステップＳ２においてノイズと判定した判定期間にあっては、実質的に判定期間ではないので、ステップＳ４においてこのようなノイズと判定した判定期間は積算しない。

ステップＳ５では、第一の検出区間において計数した判定期間の発生回数をインクリメントする。上述したように、一回の燃焼において、時間の長いノイズを原因とするものを含めて複数回にわたってイオン電流が閾値以上となる場合があるので、イオン電流が閾値以上になった回数、つまり判定期間が発生した回数を計数するものである。この後、ステップＳ６において、判定期間のそれぞれの検出区間を経過したか否かを判定する。このそれぞれの検出区間は、燃焼が継続している運転状態に応じて設定するもので、例えば区間の終了時点を下死点前付近に設定する。そして、点火実行後の経過時間がそれぞれの検出区間内であると判定した場合は、ステップＳ１に戻る。

次に、上述の経過時間がそれぞれの検出期間外と判定した場合は、ステップＳ７において、第一の検出区間において検出した判定期間の内の最長の判定期間を検出する。第一の検出区間は、点火実行つまりイグニッションパルスを点火プラグ１１に印加した時点からの区間を規定するもので、マスク期間を含むものである。つまり、判定期間は、実質的にはマスク期間内においても検出しているが、積算するための判定期間は、マスク期間内の判定期間を無効にした第二の検出区間のものである。したがって、第一の検出区間は、マスク期間以降においては第二の検出区間と重複している。最長の判定期間は、第一の検出区間において検出した判定期間と第二の検出区間において検出した判定期間を比較して、そのうちの最長のものを選択するものである。検出した最長の判定期間は、ステップＳ８において積算値と比較するもので、最長の判定期間が積算値より大である場合は、ステップＳ９に進み、以下である場合はステップＳ１０に進む。

ステップＳ９では、最長の判定期間を発生回数で除して得られる商が判定値以上であるか否かを判定する。一方、ステップＳ１０では、積算値を発生回数で除して得られる商が判定値以上であるか否かを判定する。ステップＳ９及びステップＳ１０で、得られた商が判定値以上の場合は、ステップＳ１１においてさらに燃焼期間がマスク期間以上か否かを判定する。燃焼期間は、イグニッションパルスを点火プラグ１１に印加した後に火花放電が始まり終了するまでの放電期間の終了から、イオン電流が最終的に閾値以下になる時点までである。そして、ステップＳ１２では、ステップＳ９あるいはステップＳ１０で得られた商が判定値より大であり、かつ燃焼期間がマスク期間以上であるので、燃焼が正常であると判定する。一方、ステップＳ１２では、ステップＳ９及びステップＳ１０で得られた商が判定値未満である場合は、ステップＳ１３において火炎伝播不良による燃料失火と判定する。

以上の構成において、例えば図４の（ａ）に示すような燃圧が最大となるのに対応して最大電流値となるイオン電流を検出する場合、主となる燃焼以外の燃焼が少ないため、第一の検出区間において検出した判定期間が最長であり、判定期間の積算値より最長の判定期間のほうが長くなる。つまりこのような燃焼が比較的短い場合にあっても、第一の検出区間を設けてその間における判定期間を燃焼状態の判定のために用いることにより、燃料失火と誤って判定することを防いでいる。

この場合、電子制御装置６は、ステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ５及びステップＳ６を複数回例えば２回実行した後、ステップＳ７を実行して最長の判定期間を検出する。図４の（ａ）の例の場合、最長の判定期間の方が積算値よりも大であるので、ステップＳ８、ステップＳ９と制御を実行し、最長の判定期間を発生回数で除した商が判定値を上回っている場合で、かつ燃焼期間がマスク期間以上（ステップＳ１１）である場合、ステップＳ１２で正常な燃焼と判定するものである。

これに対して、例えば図４の（ｂ）に示すように、主となる燃焼に対応するイオン電流の波形に対して、それ以降に複数回、閾値を超える波形を呈した場合は、最長となる判定期間より積算値の方が大になる。したがって、ステップＳ１０を実行し、ステップＳ１１の条件が成立する場合に正常な燃焼状態と判定する。

一方、例えば図４の（ｃ）に示すように、判定期間が所定値に満たないものがある場合は、そのような判定期間をノイズとして扱い、積算しないので、ステップＳ９あるいはステップＳ１０において、商が判定値以下になることから、ステップＳ１３において燃料失火を判定するものとなる。

このように、検出した判定期間の内、所定値に満たないものをノイズとして積算する対象から除外することで、実際の燃焼に対応したイオン電流を検出し得ることになる。このため、積算して得られた積算値を、ノイズまでも積算している場合に比較して小さくすることができる。したがって、燃料失火しているにもかかわらず、積算値が大きな値を呈することで正常燃焼と誤って判定することを抑制することができる。

この実施形態にあっては、エンジン１００が４気筒を有する多気筒エンジンであるが、判定期間の発生回数を第一の検出区間に限定することにより、他の気筒において生じるノイズの影響を排除することが可能になる。そのため、最長の判定期間あるいは判定期間の積算値を発生回数で除した場合に、その商が不当に小さくなることを抑制でき、よって燃料失火を精度よく判定することができる。

加えて、最長の判定期間と判定期間の積算値の大なる方に基づいて燃焼状態を判定しているので、燃焼時間が比較的短く、その結果、イオン電流が早期に消滅するような場合であっても、精度よく正常な燃焼を判定することができる。つまり、燃焼状態が良好で、マスク期間の終了後に主となる燃焼に対するイオン電流が消滅するような場合には、第二の検出区間において検出する判定期間も少ない。したがって、判定期間の積算値のみで燃焼状態を判定すると、このような燃焼状態の場合にあっては燃料失火と誤って判定することになるが、積算値と最長の判定期間とのいずれか大である方を判定に採用することで、このような誤判定を抑制することができるものである。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

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。

本発明は、車両特には自動車に搭載される内燃機関において活用することができる。

本発明の実施形態の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。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態のイオン電流の電流波形を示すグラフ。

符号の説明

６…電子制御装置
１１…点火プラグ
１５…中央演算処理装置
１６…記憶装置
１７…入力インターフェース
１８…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. 内燃機関の燃焼室内において混合気が燃焼することにより生じるイオン電流の検出を、点火実行から始まる第一の検出区間と点火実行から所定期間後に始まる第二の検出区間とにおいて実行し、検出したイオン電流を用いて燃料失火を判定する内燃機関の失火判定方法であって、
   第一及び第二の検出区間において検出したイオン電流が所定の閾値以上となる期間を判定期間として検出し、
   検出した判定期間のうち所定値に満たないものをノイズとして検出した判定期間から除外し、
   第一の検出区間内において検出した判定期間のうちの最長の判定期間を検出し、
   第一検出区間内における判定期間の発生回数を検出し、
   第二の検出区間において検出した判定期間を積算し、
   判定期間を積算した積算値と最長の判定期間の長さとの大なるものを判定期間の発生回数で除した値が判定値以上であること、及び燃焼期間が上記所定期間以上であることが成立する場合に燃焼が正常であると判定し、成立しない場合に燃料失火であると判定する内燃機関の失火判定方法。