JP5911333B2

JP5911333B2 - 内燃機関の燃焼状態判定装置

Info

Publication number: JP5911333B2
Application number: JP2012039555A
Authority: JP
Inventors: 守人浅野
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP2013174193A

Description

本発明は、内燃機関の気筒におけるノッキングの有無を判定する燃焼状態判定装置に関する。

内燃機関の気筒での燃料の燃焼状態を推測する手法の一として、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出することが知られている。イオン電流を基に気筒におけるノッキングを感知するためには、イオン電流検出用の回路を介して計測されるイオン電流信号を、ノッキングに起因して発生する信号の周波数成分のみを通過させるバンドバスフィルタに入力し、当該フィルタから出力される信号を参照することが定石となる（例えば、下記特許文献を参照）。

イオン電流信号には、時としてスパイク状（または、インパルス状）のノイズが重畳される。これは、イオン電流検出用の回路が点火コイルと接続しており、周辺の磁界の変動により点火コイルにノイズが誘起されてしまうことによる。スパイクノイズが、ノッキングに起因して発生する信号と同じ周波数帯に成分を持つ場合、イオン電流信号に上述のフィルタ処理を施しても、これを十分に除去することはできない。信号にノイズが多く残存していると、気筒においてノッキングが起こっていないにもかかわらず、ノッキングがあったものと誤判定するおそれがある。

スパイクノイズ以外にも、イオン電流信号には、ノッキングに起因して発生する信号よりも遅れた時期に、当該信号と同じ周波数帯に成分を持つ擬似ノック信号が出現することがある。擬似ノック信号が発生していても、気筒の燃焼室内では正常な燃焼が行われている。スパイクノイズと同様、擬似ノック信号もまた、ノッキングの誤判定を招く。

特開平０９−２２８９４１号公報

本発明は、イオン電流を参照したノッキング判定の精度をより一層高めることを所期の目的としている。

本発明では、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用し、内燃機関の気筒におけるノッキングの有無を判定するものであって、前記回路を介して計測される点火後の燃焼期間のイオン電流信号を基準タイミングで二分し、基準タイミングまでのイオン電流信号の積分量と、基準タイミングからのイオン電流信号の積分量との比を求め、イオン電流信号をバンドパスフィルタに入力して得たノック抽出信号に前記比を乗算したものを所定のノック判定値と比較することでノッキングの有無を判定することを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置を構成した。

気筒の燃焼室内にてノッキングが惹起されるとき、燃焼室内では燃焼速度の速い、激しい燃焼が生じている。それ故、イオン電流信号は早期にピークを迎え、その後速やかに減衰する。これに対し、ノッキングを伴わない正常燃焼の場合には、燃焼速度が比較的遅く、イオン電流がピークを迎える時期が遅い。また、ピーク後のイオン電流信号は緩やかに減衰する。

上記に着目し、本発明では、点火後の時点から基準タイミングまでのイオン電流信号の積分量と、基準タイミング以降のイオン電流信号の積分量との比を求める。当該比は、正常燃焼の場合には小さくなり、ノッキングを伴う異常燃焼の場合には大きくなる。

その上で、イオン電流検出用の回路を介して検出されたイオン電流信号に当該比を乗ずることにより、正常燃焼の場合のイオン電流信号波形と異常燃焼の場合のイオン電流信号波形との差異を強調し、顕在化させるようにした。仮に、イオン電流信号にスパイクノイズまたは擬似ノック信号が重畳していたとしても、当該比の乗算を通じて強調化を施したイオン電流信号に基づき、ノッキングの有無を精確に判定することが可能となる。

本発明によれば、イオン電流を参照したノッキング判定の精度を一層高めることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。内燃機関の火花点火装置の回路図。内燃機関の気筒におけるイオン電流及び燃焼圧のそれぞれの推移を示す図。内燃機関の気筒における、ノッキングを引き起こしたときのイオン電流の推移を示す図。内燃機関の気筒における、ノッキングを引き起こしていないが擬似ノック信号が混入したときのイオン電流の推移を示す図。本実施形態の燃焼状態判定装置の機能ブロック図。本発明の変形例の一における基準タイミングの設定手法を例示する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

本実施形態の燃焼状態判定装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。しかして、ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

以降、イオン電流信号ｈを参照したノッキング判定に関して詳述する。図４に、気筒１での膨張行程中にノッキングが惹起された場合の、イオン電流の推移を例示する。ノッキングが惹起されるとき、気筒１の燃焼室内では燃焼速度の速い、激しい燃焼が生じている。それ故、図３に示した正常燃焼の場合と比較して、イオン電流が早期にピークを迎え、その後速やかに減衰する。そして、イオン電流信号ｈの波形に、ノッキングに起因して発生する振動Ｓが重畳される。

図４に示しているイオン電流信号ｈの例では、ノッキングに起因した信号Ｓに加えて、スパイク状のノイズＮが重畳されている。ノッキングによる振動Ｓの発生期間と比較して、ノイズＮの発生期間は短い。

翻って、図５には、擬似ノック信号Ｅが発生した場合のイオン電流の推移を例示している。擬似ノック信号Ｅは、ノッキングに起因する信号Ｓに類似した信号であり、膨張行程中に忌避すべきノッキングが起こっていないにもかかわらずイオン電流信号に重畳されるものである。この擬似ノック信号Ｅは、ノッキングに起因する信号Ｓよりも遅れた時期に出現する。ノッキングが惹起されるほどの激しい燃焼ではないことから、イオン電流信号ｈは、正常燃焼と同様、ピークを迎えた後に緩やかに減衰してゆく。

図６は、ノッキング判定を行うＥＣＵ０の機能ブロック図である。本実施形態では、各部５１、５２、５３、５４、５５、５６の機能を、ＥＣＵ０が解釈し実行するプログラム、つまりはソフトウェアとして実装している。尤も、各部５１、５２、５３、５４、５５、５６の機能の一部または全部を、アナログ回路や論理回路等のハードウェアとして実装することも可能である。

気筒１におけるノッキングの有無を判定するにあたり、ＥＣＵ０は、点火後の燃焼期間に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を、イオン電流検出用の回路を介してサンプリング５１する。サンプリングレートは、例えば５０ｋＨｚとする。量子化ビット数（電圧分解能）は、例えば１２ビットとする。即ち、増幅部１６にて増幅された検出電圧（最大振幅５Ｖ）を、２¹²段階で数値化する。

ＥＣＵ０は、サンプリング５１したイオン電流信号ｈを、ノッキングに起因して発生する信号Ｓが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ５２に入力し、当該信号Ｓの成分を抽出する。フィルタ５２は、ノッキングに起因した信号Ｓ以外の成分を低減させるためのフィルタであって、例えば７ｋＨｚないし１１．５ｋＨｚの周波数成分を通過させる。

しかしながら、先に述べたノイズＮや擬似ノック信号Ｅは、ノッキングに起因した信号Ｓと同じ周波数帯に成分を持つ。そのため、イオン電流信号ｈにバンドパスフィルタ５２処理を施しても、ノイズＮ及び／または擬似ノック信号Ｅの成分を完全に除去することは困難である。イオン電流信号ｈにノイズＮ及び／または擬似ノック信号Ｅが重畳されている場合、イオン電流信号ｈをフィルタ５２処理して得られるノック抽出信号にも、そのノイズＮ及び／または擬似ノック信号Ｅの成分（の少なくとも一部）が混入してしまう。

そこで、本実施形態では、図４または図５に示すように、サンプリング５１したイオン電流信号（なまし処理したものであることがある）ｈを基準タイミングＴで二分し、点火後の時点（点火のための放電が終了してイオン電流信号ｈの波形が低落した時点が望ましい）から基準タイミングＴまでのイオン電流信号ｈの積分量Ａと、基準タイミングから膨張行程の終期に至るまでのイオン電流信号ｈの積分量Ｂとの比Ｋ（＝Ａ／Ｂ）を算出５３する。そして、この比Ｋを利用し、ノッキングに起因した信号Ｓを強調、顕在化させることとしている。積分量Ａ、Ｂはそれぞれ、該当の期間についてイオン電流信号ｈを時間積分、換言すればサンプリング値の時系列を積算したものである。

気筒１の燃焼室内にてノッキングが惹起されるような異常燃焼では、その燃焼速度が比較的速い。よって、積分量Ａが大きく、積分量Ｂが小さくなり、比Ｋが大きくなる。これに対し、忌避すべきノッキングが惹起されない正常燃焼では、その燃焼速度が比較的遅い。よって、積分量Ａがより小さく、積分量Ｂがより大きくなり、比Ｋが小さくなる。

基準タイミングＴは、気筒１の燃焼室内がトレース状態となる状況下で比Ｋがほぼ１となるような時期に定めることが好ましい。トレース状態とは、微細かつ衝撃の弱い、またはかすかにチリチリ鳴るようなトレースノックが生起する状態を言う。トレース状態では、機関へのダメージはもたらされない。トレースノックは、忌避すべきノッキングとは区別される。忌避すべきノッキングが生起する異常燃焼、即ち機関のオーバーヒートまたは機関へのダメージが懸念されるような状況においては、比Ｋが１を上回る。逆に、トレース状態未満の正常燃焼においては、比Ｋが１を下回ることになる。

また、基準タイミングＴ（クランク角度（ＣＡ）または時間）は、エンジン回転数や要求負荷（気筒１に充填される吸気量や燃料噴射量）の多寡等に応じて変動し得る。よって、基準タイミングＴは、エンジン回転数及び／または要求負荷等に応じて設定することが好ましい。例えば、ＥＣＵ０のメモリには、エンジン回転数及び／または要求負荷等と、これに対応する基準タイミングＴとの関係を規定したマップデータが格納されている。マップデータは、予め実験的に（適合により）求められたものである。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及び／または要求負荷等をキーとして当該マップを検索し、対応した基準タイミングＴを知得する。そして、その基準タイミングＴを用い、比Ｋの演算を行う。

ＥＣＵ０は、イオン電流信号ｈをバンドパスフィルタ５２に入力して得たノック抽出信号に上記の比Ｋを乗じたものに基づいて、ノッキングの有無を判定する。判定の具体的手法それ自体は、既知のノックコントロールシステムと同様とすることができる。即ち、ノック抽出信号を時間積分５４、換言すればノック抽出信号のサンプリング値の時系列を積算し、その積算値に比Ｋを乗算５５した上で所定のノック判定値と比較５６する。比Ｋを乗じた積算値がノック判定値を上回ったならは、当該気筒１にてノッキングが起こったものと判定する。逆に、比Ｋを乗じた積算値がノック判定値以下であるならば、当該気筒１にてノッキングは起こらなかったものと判定する。

ＥＣＵ０は、内燃機関の気筒１においてノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを遅角させる一方、ノッキングが起こらない限りは点火タイミングを進角させて燃費の向上を図る。

本実施形態では、燃焼の際に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用し、内燃機関の気筒１におけるノッキングの有無を判定するものであって、前記回路を介して計測５１される点火後の燃焼期間のイオン電流信号ｈを基準タイミングＴで二分し、点火後の時点から基準タイミングＴまでのイオン電流信号ｈの積分量Ａと、基準タイミングＴから膨張行程終了までのイオン電流信号ｈの積分量Ｂとの比Ｋを求め５３、前記比Ｋを前記イオン電流信号ｈに乗じ５５たものに基づいてノッキングの有無を判定５６する内燃機関の燃焼状態判定装置０を構成した。

算定５３される比Ｋは、気筒１の燃焼室内でノッキングが惹起される蓋然性が高い場合に大きくなり、逆にノッキングが惹起される蓋然性が低い場合には小さくなる。この比Ｋをイオン電流信号ｈに乗ずることで、イオン電流信号ｈにノイズＮや擬似ノック信号Ｅが重畳されているか否かにかかわらず、ノッキングに起因して発生する信号Ｓを強調することができる。

本実施形態によれば、ノイズＮ及び／または擬似ノック信号Ｅの影響を適切に低減ないし排除して、ノッキング判定の精度をより一層向上させることが可能となる。ノッキングが起こっているにもかかわらずノッキングがなかったと誤判定してノッキングを続発させてしまう、あるいは、ノッキングが起こっていないにもかかわらずノッキングがあったと誤判定して点火時期を過剰に遅角化してしまう問題を解消できるため、燃費の向上に資する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、イオン電流信号ｈをフィルタ５２処理した上で積分５４した後、比Ｋを乗算５５してノック判定値と比較５６していたが、イオン電流信号ｈまたはイオン電流信号ｈをフィルタ５２処理して得られるノック抽出信号に比Ｋを乗じた後、これを積分してノック判定値と比較するようにしてもよい。つまるところ、イオン電流信号ｈの積分５４と比Ｋの乗算５５との先後は任意である。何れにせよ、比Ｋをイオン電流信号ｈに乗じ５５たものに基づいてノッキングの有無を判定５６していることに変わりはない。

また、基準タイミングＴの決め方も、一意には限定されない。例えば、図７に示すように、点火のための放電が終了してイオン電流信号ｈの波形が低落し、再び上昇を開始した後の期間において、イオン電流信号ｈに極小値が現れたときには、その極小値をとるタイミングを基準タイミングＴと定めることが考えられる。

あるいは、点火のための放電が終了してイオン電流信号ｈの波形が低落し、再び上昇を開始した後の期間において、再上昇したイオン電流信号ｈが所定の閾値まで低下したタイミングを基準タイミングＴと定めることも考えられる。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…燃焼状態判定装置（ＥＣＵ）
１…気筒
５２…ノイズが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ
５３…比Ｋの算出
５５…イオン電流信号への比Ｋの乗算
５６…ノッキングの有無の判定
ｈ…イオン電流信号
Ｅ…擬似ノック信号
Ｋ…積分量ＡとＢとの比
Ｎ…ノイズ（スパイク）
Ｓ…ノッキングに起因して発生する信号
Ｔ…基準タイミング

Claims

燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用し、内燃機関の気筒におけるノッキングの有無を判定するものであって、
前記回路を介して計測される点火後の燃焼期間のイオン電流信号を基準タイミングで二分し、基準タイミングまでのイオン電流信号の積分量と、基準タイミングからのイオン電流信号の積分量との比を求め、
イオン電流信号をバンドパスフィルタに入力して得たノック抽出信号に前記比を乗算したものを所定のノック判定値と比較することでノッキングの有無を判定する
ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。