JP5407070B2 - 内燃機関用の燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関において、その燃焼を適切に制御できる装置に関し、特に、内燃機関の動作状態に拘わらず、イオン電流のピーク位置を正確に特定できる燃焼制御装置に関する。

出願人は、先に、内燃機関の動作状態の変動に拘わらず、イオン電流のピーク位置及びピーク値を正確に抽出できる燃焼制御装置について提案している（特許文献１）。

この発明では、一次コイル遮断時のイオン電流信号を微分演算し、その演算結果が所定値を超えるか否かを二値的に判定するデータ判定処理と、データ判定部での判定結果に基づき、微分演算結果が全体的に第１レベルを示す第１領域と、全体的に第２レベルを示す第２領域とを抽出し、第１領域と第２領域との境界をイオン電流の第二ピーク位置であると特定している。

一般に、内燃機関が正常に燃焼している場合には、イオン電流は第一ピークを示した後、上死点ＴＤＣの手前で減少して再び増加し、燃焼圧が最大となるクランク角の近傍で最大となり、イオン電流の第二ピークを示すことが知られている。ここで、第一ピーク付近の波形は、燃焼開始時のケミカルイオンの挙動を示し、第二ピーク付近の波形は、燃焼開始後の熱発生により発生するサーマルイオンの挙動を示している。そして、この第二ピークの位置より後半の波形を解析することで、ノッキングの発生を検出することが可能となる。

また、第二ピークの位置に基づいて、適切なＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）制御も可能となる。ここでＭＢＴ制御とは、エンジン回転速度及び空燃比が一定の状態において、最大のトルクが得られよう点火時期を制御することを意味し、点火時期がＭＢＴに適合している場合には、一般に、燃焼圧の最大値となる圧力ピーク位置が、上死点ＴＤＣから所定値（例えば１５°クランク角）だけ遅角した点に一致する。一方、燃焼圧のピーク位置とイオン電流の第二ピーク位置とは、ほぼ一致している。

したがって、イオン電流の第二ピーク位置を正確に把握できれば、第二ピーク位置が上死点ＴＤＣからどれだけ遅角あるいは進角しているかを判定することで、その時の点火時期がＭＢＴに対して、どの程度ずれているかを判定することができることになる。

特開２００７−２７０８３１号公報

上記した通り、イオン電流の第二ピーク位置を正確に検出することは、極めて重要であるところ、イオン電流波形は、同一の運転状態であっても、点火サイクル毎に相違するという問題がある。特に、エンジンの運転状態が低負荷になったり、ＥＧＲ量が増加すると、第一ピークの乱れが大きくなる傾向にあり、イオン電流の第二ピーク位置を正確に特定することが困難となる。そのため、不正確な第二ピーク位置に基づいて、ノッキングを判定したり、或いは、ＭＢＴ制御をすることになり、円滑な燃焼制御を実現することができない。

本発明は、この問題点に着目してなされたものであって、内燃機関の運転状態に拘わらず、イオン電流の第二ピーク位置を正確に特定できる燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明者は、各種の運転状態においてイオン電流の挙動を詳細に検討した。その結果、イオン電流波形は、運転状態の相違に拘わらず、複数の典型パターンの何れかに必ず属することを発見した。そして、何れの典型パターンに属するかを正確に特定するには、データ解析区間を、運転状態に対応して設けるのが効果的であることを発見した。

そこで、本発明は、一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、を有して構成され、前記制御装置は、前記スイッチング素子がＯＦＦ状態である時の検出信号を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された検出信号を、運転状態毎に規定されているデータ解析区間について解析して、複数の典型パターンの何れに属するかを判定し、典型パターン毎のアルゴリズムに基づいて検出信号の第二ピーク位置を特定する特定手段と、特定された第二ピーク位置に基づいて、異常判定、及び／又は、燃焼制御を実行する制御手段と、を有して構成され、前記典型パターンには、第二ピークのピーク位置が明瞭で、標準位置にピーク位置が出現するパターンと、第二ピークのピーク位置が明瞭で、標準位置より遅い位置にピーク位置が出現するパターンと、第二ピークのピーク位置が明瞭で、標準位置より早い位置にピーク位置が出現するパターンと、が含まれている。

制御手段は、典型的には、ノッキングの発生の有無につき異常判定をし、燃焼制御としてＭＴＢ制御を実施する。なお、検出信号にノイズ成分が重畳している場合には、これを除去した上で特定手段を機能させるのが好ましい。除去されるべきノイズ成分は、スパイク状のノイズである。

本発明において、典型パターンの個数は特に限定されないが、好ましくは、図１〜図５に示す５パターンに類型化される。図１〜図５は、同一の運転状態において、点火サイクル毎に各種形状で出現するイオン電流波形について、これを５パターンに類型化したものである。図１は、第一パターンの代表波形（１）であり、第二ピークのピーク位置が明瞭で、比較的遅い位置にピーク位置が出現する波形を示している。図２は、第二パターンの代表波形（２）であり、第二ピークのピーク位置がやや不明瞭で、ほぼ第一ピークに埋もれてしまう波形を示している。

図３は、標準パターンである第三パターンの代表波形（３）であり、第二ピークのピーク位置が明瞭で、標準位置にピーク位置が出現する波形を示している。図４は、第四パターンの代表波形（４）であり、第一ピークが大きく、第二ピークがフラットで不明瞭な波形を示している。図５は、第五パターンの代表波形（５）であり、第二ピークのピーク位置が明瞭で、比較的早い位置にピーク位置が出現する波形を示している。

本発明では、運転状態毎にデータ解析区間を特定するが、運転状態は、例えば、エンジンの吸気管圧力と、エンジンの回転数とを加味して特定される。そして、データ解析区間は、第二ピーク位置を検出するための解析開始位置Ａと、第二ピーク位置を検出するための解析終了位置Ｃとで特定される。

ここで、解析開始位置Ａは、例えば、第五パターンの波形に基づき、第一ピークから第二ピークに至る最深箇所に設定される。図１〜図５に示す実施例では、点火パルスＳＧの立下がりから０．００２５秒後が解析開始位置Ａとなっている。

一方、解析終了位置Ｃは、イオン電流波形の相違に拘わらず、第二ピークが必ず収束し、且つ、その後のピーク位置に至らない箇所に設定される。図１〜図５に示す実施例の運転条件では、点火パルスＳＧの立下がりから０．００６秒後が解析終了位置Ｃとなっている。

本発明は、好ましくは、第二ピークが平均的に出現する位置である基準位置Ｂを、運転状態毎に予め特定しておくべきである。この場合、基準位置Ｂは、第三パターンの波形に基づき特定するのが効果的である。図１〜図５に示す実施例では、点火パルスＳＧの立下がりから０．００４秒後が基準位置Ｂとなっている。

以上説明した本発明によれば、内燃機関の動作状態に拘わらず、イオン電流のピーク位置を正確に特定することができる。

第一パターンのイオン電流波形である。 第二パターンのイオン電流波形である。 第三パターンのイオン電流波形である。 第四パターンのイオン電流波形である。 第五パターンのイオン電流波形である。 実施例に係る燃焼制御装置の構成を示す回路図である。 燃焼制御装置の動作を説明するタイムチャートである。 燃焼制御装置の動作を説明するフローチャートとタイムチャートである。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図６は、実施例に係る燃焼制御装置ＩＧＮを示す回路図であり、図７は、燃焼制御装置ＩＧＮ各部の概略波形を示すタイムチャートである。

図６に示す通り、この燃焼制御装置ＩＧＮは、内燃機関の電子制御ユニットたるＥＣＵ(Engine Control Unit)と、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２からなる点火コイルＣＬと、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流ｉｃ１をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、イオン電流検出回路ＩＯＮと、を中心に構成されている。

そして、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、ＥＣＵのＡ／Ｄコンバータ（不図示）に供給され、デジタレベルの検出信号としてＥＣＵのメモリに記憶される。ここで、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、点火パルスＳＧの立下りタイミングからイオン電流が消滅するまでのデータ取得区間において取得される。そして、全データが取得された後で、運転状態毎に決定されているデータ解析区間［Ａ−Ｃ］において、イオン電流信号の第二ピーク位置が特定される（図７参照）。そのため、ＥＣＵには、解析開始位置Ａから解析終了位置Ｃに至るデータ解析区間と、第二ピークの基準位置Ｂとを、運転状態毎に特定する参照テーブルＴＢＬが設けられている。

以下、回路構成について詳述すると、スイッチング素子Ｑは、ここではＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使用されている。そして、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＶＢを受けており、エミッタ端子は、グランドに接続されている。

イオン電流検出回路ＩＯＮは、電流検出回路として機能するＯＰアンプＡＭＰを中心に構成され、コンデンサＣ１、ツェナーダイオードＺＤ、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を有して構成されている。コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤの並列回路によって、イオン電流検出時のバイアス電圧が生成される。

二次コイルＬ２の高圧端子は、点火プラグＰＧに接続され、低圧端子は、前記バイアス電圧を生成するコンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路に接続されている。そして、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路は、ダイオードＤ１を通して、グランドに接続されている。図示の通り、ダイオードＤ１のカソード端子がグランドに接続されている。

一方、ダイオードＤ１のアノード端子は、電流制限抵抗Ｒ１を経由してＯＰアンプの反転入力端子（−）に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子（−）と出力端子の間に、電流検出抵抗Ｒ２が接続され、出力端子のグランド間には、負荷抵抗Ｒ３が接続されている。また、ＯＰアンプの非反転端子（＋）は、グランドに接続され、反転端子（−）には、ダイオードＤ２のカソード端子が接続されている。なお、ダイオードＤ２のアノード端子はグランドに接続されている。

上記した構成の燃焼制御装置ＩＧＮでは、タイミングＴ０において、点火パルスＳＧがＨレベルからＬレベルに変化すると、二次コイルＬ２に誘起される高電圧によって点火プラグＰＧが放電する。この放電電流は、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１の経路で流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧により規定される電圧値に充電される。

点火プラグＰＧの放電によって燃焼室の混合気が着火されると、その後、急速に燃焼反応が進行するが、イオン電流ｉは、電流検出抵抗Ｒ２→電流制限抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で流れる。したがって、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２＊ｉとなり、イオン電流ｉに比例した値となる。

続いて、本実施例の第二ピーク検出方法について説明する。図８は、ＥＣＵの動作内容を説明するフローチャートである。

ＥＣＵは、点火パルスＳＧを立下げて（Ｔ０）、一次コイルＬ１の電流を遮断状態にした後、予め決定されているデータ取得区間［Ａ−Ｃ］について、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏを、デジタル変換して検出信号としてメモリに記憶する（ＳＴ１）。サンプリング周波数は、特に限定されないが、この実施例では、３０ＫＨｚ程度に設定されている。なお、データ取得区間は、燃焼反応が確実に完了するタイミングで終了するが、この終期は、運転状態に対応して予め実験的に決定されている。

データ取得区間のデータ取得処理が完了すると、次に、参照テーブルＴＢＬを参照して、その時々の運転状態に対応する解析開始位置Ａと、解析終了位置Ｃと、第二ピークの基準位置Ｂとを特定する（ＳＴ２）。

次に、基準位置Ｂから解析終了位置Ｃまでの間に、検出信号のピーク位置が存在するか否かを判定する（ＳＴ３）。そして、ピーク位置が検出された場合には、そのピーク位置を第二ピーク位置であると判定する（ＳＴ４）。このステップＳＴ４に至るまでのアルゴリズムは、図１に示す第一パターンの波形（１）を検出するための処理であり、波形（１）では、第二ピークのピーク位置が明瞭で、遅い位置にピーク位置が出現する。

ステップＳＴ３の判定において、ピーク位置が検出されない場合には、次に、基準位置Ｂから解析開始位置Ａまでの間に、ピーク位置が存在するかを判定する（ＳＴ５）。そして、ピーク位置が検出されない場合には、基準位置Ｂを第二ピーク位置であると判定する（ＳＴ６）。このステップＳＴ６に至るアルゴリズムは、図３に示す第三パターンの波形（３）を検出するための処理であり、波形（３）では、第二ピークのピーク位置が明瞭で、平均的な位置にピーク位置が出現する。

一方、ステップＳＴ５の判定において、検出信号のピーク位置が検出された場合には、基準位置Ｂにおいて接線を引く。具体的には、基準位置Ｂに接する接線式（Ｖ＝ａ×ｔ＋ｂ）を特定する。なお、接線式は、検出信号Ｖと経過時間ｔとに関する一次式である。

続いて、基準位置Ｂから解析開始位置Ａまでの間に、接線式より低レベルの箇所が存在するか否かを判定する（ＳＴ８）。図２、図４、図５に接線を示す通り、図２の波形（２）や、図５の波形（５）では、接線式より低レベルの箇所が存在するものの、図４の波形（４）では、接線式より低レベルの箇所が存在しない。

そこで、波形（４）のように、基準位置Ｂから解析開始位置Ａまでの間に、接線式より低レベルの箇所が存在しない場合には、基準位置Ｂから解析終了位置Ｃに向けて検索して、検出信号のレベルが減少し始める位置を第二ピークであると判定する（ＳＴ９）。接線式より低レベルの箇所が存在しない場合は、要するに、基準位置Ｂ付近の検出信号の波形がフラットな場合であり、言い換えると、ピーク位置が存在しないことを意味する。そこで、このような場合には、便宜上、基準位置Ｂ以降で波形が立下り始めるポイントをピーク位置とする。

一方、図２の波形（２）や、図５の波形（５）のように、接線式より低レベルの箇所が存在する場合には、接線式との離間距離が最も遠い、最遠位置Ｄを特定する（ＳＴ１０）。最遠位置Ｄより前半は第２ピークの傾きより急峻に左肩上がりとなっている筈であり、要するに、第一ピークの立下り波形であると考えることができる。したがって、基準位置Ｂから最遠位置Ｄの間にピーク位置が存在すること考えることができる。

そこで、基準位置Ｂから最遠位置Ｄに向けて検出信号のレベルを判定して最大値を検索し、傾きが０以下となった箇所か、若しくは最遠位置Ｄで検索処理を終了する（ＳＴ１１）。

そして、最大値を検出した後に、基準位置Ｂから最遠位置Ｄの方向に見た傾きがゼロ又は負になった場合には、最大値の位置が第二ピーク位置であると判定する（ＳＴ１２）。このような処理によって、図５に示す第五パターンの波形（５）や、図２に示す第二パターンの波形（２）について、第二ピークのピーク位置が検出される。

なお、図２の下方に図示したように、ピーク位置が存在するにも拘わらず、最遠位置Ｄをピーク位置と誤認識しないように、傾きが０になった時点で検索処理を終了し、その終了位置を第二ピーク位置であると判定している（ＳＴ１２）。

以上の通り、この実施例では、点火サイクル毎に多様な形状を示すイオン電流信号を、類型化された第一パターン〜第五パターンの何れかに当て嵌めることで、第二ピーク位置を正確に特定することができる。そして、正確に特定された第二ピーク位置に基づいて、第二ピーク位置以降の波形を解析して、ノッキングの発生の有無を判定することができる。また、正確に特定された第二ピーク位置に基づいて、ＭＴＢ制御を実施する。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は、特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、ステップＳＴ１の処理で取得した検出信号をそのまま使用したが、好ましくは、検出信号に重畳しているノイズ成分を除去するべきである。除去されるべきノイズ成分としては、典型的には、コロナノイズである。

また、実施例では、イオン電流検出回路として、最も簡易な回路構成を例示したが、より複雑な回路構成と採っても良いのは勿論である。

ＥＱＵ 燃焼制御装置
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＣＬ 点火コイル
Ｑ スイッチング素子
ＥＣＵ 制御装置
Ｖｏ 検出信号
ＩＯＮ イオン電流検出回路
ＳＴ１ 取得手段
ＳＴ２〜ＳＴ１２ 特定手段

Claims (8)

1. 一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、を有して構成され、
   前記制御装置は、
   前記スイッチング素子がＯＦＦ状態である時の検出信号を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得された検出信号を、運転状態毎に規定されているデータ解析区間について解析して、複数の典型パターンの何れに属するかを判定し、典型パターン毎のアルゴリズムに基づいて検出信号の第二ピーク位置を特定する特定手段と、
   特定された第二ピーク位置に基づいて、異常判定、及び／又は、燃焼制御を実行する制御手段と、を有して構成され、
   前記典型パターンには、
   第二ピークのピーク位置が明瞭で、標準位置にピーク位置が出現するパターンと、
   第二ピークのピーク位置が明瞭で、標準位置より遅い位置にピーク位置が出現するパターンと、
   第二ピークのピーク位置が明瞭で、標準位置より早い位置にピーク位置が出現するパターンと、が含まれている内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記典型パターンには、
   第二ピークのピーク位置がやや不明瞭で、ほぼ第一ピークに埋もれてしまうパターンが含まれている請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 前記典型パターンには、
   第一ピークが大きく、第二ピークがフラットで不明瞭なパターンが含まれている請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
4. 第二ピーク位置を検出するための解析開始位置と、第二ピーク位置を検出するための解析終了位置と、第二ピークが平均的に出現する基準位置とが、運転状態毎に予め特定されている請求項１〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。
5. 前記運転状態は、内燃機関の吸気管圧力と、内燃機関の回転数とを加味して特定される請求項１〜４の何れかに記載の燃焼制御装置。
6. 前記検出信号にノイズ成分が重畳している場合には、これを除去した上で前記特定手段を機能させるよう構成した請求項１〜５の何れかに記載の燃焼制御装置。
7. ノッキングの発生の有無を異常判定する請求項１〜６の何れかに記載の燃焼制御装置。
8. 前記特定された第二ピーク位置に基づいてＭＴＢ制御を実現する請求項１〜６の何れかに記載の燃焼制御装置。

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