JP5911342B2

JP5911342B2 - 内燃機関の燃焼状態判定装置

Info

Publication number: JP5911342B2
Application number: JP2012059579A
Authority: JP
Inventors: 守人浅野
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: JP2013194527A

Description

本発明は、内燃機関の気筒において異常燃焼が惹起されているか否かを判定する燃焼状態判定装置に関する。

近時、燃費性能の一層の向上を目論み、内燃機関の気筒の圧縮比をより高める方向に研究開発が進んでいる。圧縮比の向上に伴い、気筒の燃焼室内で点火前に混合気に自着火するプレイグニッションや、点火後に通常のノッキングよりも遙かに強いノッキングを引き起こすリスクが増大している。

プレイグニッション等の異常燃焼は、一旦惹起されると連発することがあり、内燃機関の損傷につながるので、早急に感知する必要がある。

異常燃焼を感知する手法として、燃焼室内で燃料が燃焼する際に点火プラグの中心電極と接地電極との間を流れるイオン電流信号を参照することが考えられる。例えば、下記特許文献に開示されているシステムでは、燃焼の過程で発生したイオン電流信号が終熄する時期に基づいて異常燃焼の有無を判断している。異常燃焼時には、燃焼室内で激しい、燃焼速度の速い燃焼が起こり、その燃焼が早期に終了するからである。

しかしながら、点火時期を進角補正している場合等、正常燃焼の範囲内であるが燃焼が比較的早く終了することもあり得る。このため、上述の手法によれば、プレイグニッション等が発生していないにもかかわらずこれが発生したと誤判定するおそれがあった。

特開２００９−０５７９４０号公報

本発明は、イオン電流を参照した異常燃焼の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、当該気筒において異常燃焼が惹起されているか否かを判定するものであって、前記回路を介して計測される燃焼期間のイオン電流信号を圧縮上死点後に設定した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を求め、後者の積分量と前者の積分量との比の多寡に基づいて異常燃焼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。

さらに好ましくは、前者の積分量が所定量よりも小さく、かつその積分量が後者の積分量よりも大きい場合に、異常燃焼が発生したとの判定を下さないものとする。

本発明によれば、イオン電流を参照した異常燃焼の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、異常燃焼を引き起こした場合のイオン電流の推移を示す図。内燃機関の気筒における、異常燃焼を引き起こしていないが異常燃焼と誤判定され得る場合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。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を参照した異常燃焼の判定に関して詳述する。

図４に、気筒１での圧縮行程ないし膨張行程において異常燃焼が惹起された場合の、イオン電流の推移を例示する。プレイグニッションまたは強度のノッキング（ヘビーノック、スーパーノック）等が惹起されるとき、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。

これに対し、プレイグニッションや強度のノッキング等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、本実施形態では、基準タイミング以降のイオン電流信号ｈの積分量Ｂを求め、これに基づいたノッキング判定を行うこととしている。正常燃焼の場合、イオン電流信号ｈの波形は燃焼期間のうちの長い時間に亘って全体に拡がる。異常燃焼の場合には、イオン電流信号ｈの波形が燃焼期間の前半、点火直前または直後の時期に偏って出力される。基準タイミング以降のイオン電流信号ｈの積分量Ｂは、正常燃焼の場合には大きくなり、異常燃焼の場合には小さくなる。

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。

そして、図３ないし図５に示しているように、サンプリング５１したイオン電流信号ｈを基準タイミングＴで二分し、基準タイミングＴ以降のイオン電流信号ｈの積分量Ｂと、基準タイミング以前のイオン電流信号ｈの積分量Ａとの比Ｋ（＝Ｂ／Ａ）を算出５２する。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。

積分量Ａの算出期間の始点となるタイミング（クランク角度（ＣＡ）または時間）は、一意に限定されず、適宜に設定してよい。始点は、点火前の時点であってもよく、点火時点であってもよく、点火後の時点（特に、点火のための放電が終了してイオン電流信号ｈの波形が低落した時点）であってもよい。

積分量Ｂの算出期間の終点となるタイミング（クランク角度（ＣＡ）または時間）もまた、一意には限定されず、適宜に設定してよい。終点は、膨張行程の終期の所定時点とするか、あるいは、イオン電流信号ｈがある閾値以下まで低落した時点とすることができる。

基準タイミングＴ（クランク角度（ＣＡ）または時間）は、正常燃焼時にイオン電流信号ｈのピークが訪れるタイミングよりも前のタイミングに設定する。例えば、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１０°ＣＡないし２０°ＣＡのタイミングに設定する。

基準タイミングＴ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。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。

気筒１の燃焼室内にてプレイグニッションや強度のノッキング等が惹起されるような状況では、混合気の燃焼の速度が比較的速い。よって、積分量Ａが大きく、積分量Ｂが小さくなり、比Ｋが小さくなる。

翻って、忌避すべきプレイグニッション等が惹起されない正常燃焼では、混合気の燃焼の速度が比較的遅い。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が大きくなる。

ＥＣＵ０は、算出５２した比Ｋに基づいて、異常燃焼の有無を判定する。即ち、比Ｋを判定値Ｋ_pと比較５３し、比Ｋが判定値Ｋ_pを下回った（Ｋ＜Ｋ_p）ならは、当該気筒１にて異常燃焼が発生したか、異常燃焼に陥る危険の高い状況にあるものと判定する。逆に、比Ｋが判定値Ｋ_p以上である（Ｋ≧Ｋ_p）ならば、当該気筒１にて異常燃焼は発生していない、または異常燃焼に陥る危険の低い状況にあるものと判定する。

但し、比Ｋの多寡に基づいた異常燃焼の判定は、常に誤りないというわけではない。例えば、気筒１に充填される吸気量及び燃焼噴射量が少ない軽負荷運転領域において、点火時期を進角補正しているような場合には、燃焼の過程で気筒１の燃焼室内に発生するイオンやプラズマの量が少ない上に、燃焼自体が比較的早く終了する。さすれば、図５に示しているように、正常燃焼であるにもかかわらず、基準タイミングＴ以前のイオン電流信号ｈの積分量Ａとともに基準タイミングＴ以降のイオン電流信号ｈの積分量Ｂが小さくなるために、比Ｋの値も小さくなってしまう。既に述べた通り、Ｋ＜Ｋ_pであれば異常燃焼との判定が下されるが、これは誤謬を犯している。

このような誤謬を回避するべく、ＥＣＵ０は、比較５３の段階で、基準タイミングＴ以前のイオン電流信号ｈの積分量Ａが所定量Ａ₀よりも小さく（Ａ＜Ａ₀）、かつその積分量Ａが基準タイミングＴ以降のイオン電流信号ｈの積分量Ｂよりも大きい（Ａ＞Ｂ）ことを条件として、比Ｋと判定値Ｋ_pとの大小比較の結果如何にかかわらず、異常燃焼が発生しているとの判定を下さないものとする。

しかして、ＥＣＵ０は、気筒１にて異常燃焼が発生した、または気筒１にて異常燃焼に陥る危険が高いと判定したときに、以後の異常燃焼を抑止するための処理を実施する。例えば、当該気筒１における燃焼（燃料噴射及び点火）を休止する等の、燃焼回数の間引き制御を行い、当該気筒１の燃焼室内温度を冷ますとともに、エンジン回転数を低下傾向へと誘導する。

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、当該気筒１において異常燃焼が惹起されているか否か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、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からのイオン電流信号ｈの積分量Ｂとを求め、後者の積分量Ｂと前者の積分量Ａとの比Ｋの多寡に基づいて異常燃焼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０を構成した。

算定５２される比Ｋは、気筒１の燃焼室内で異常燃焼が惹起される、またはその蓋然性が高い場合に小さくなり、異常燃焼が惹起されない正常燃焼の場合には小さくなる。このことは、燃焼の終了が比較的早い時期に訪れたとしても成立する。本実施形態によれば、異常判定の精度をより一層向上させることが可能となる。プレイグニッション等が起こっているにもかかわらずプレイグニッション等がなかったと誤判定してプレイグニッション等を続発させてしまう、あるいは、プレイグニッション等が起こっていないにもかかわらずプレイグニッション等があったと誤判定して気筒１での燃焼回数を過剰に間引いてしまう問題を解消できるため、内燃機関の損傷を予防でき、ドライバビリティの向上にも資する。

さらに、前者の積分量Ａが所定量Ａ₀よりも小さく、かつ前者の積分量Ａが後者の積分量Ｂよりも大きい場合には、異常燃焼が発生しているとの判定を下さないものとしている。これにより、気筒１の燃焼室内で発生するイオンやプラズマの量が少なく、イオン電流信号ｈも小さくなる運転領域において、正常燃焼であるにもかかわらず比Ｋが小さくなって異常燃焼であると誤判定してしまう問題を回避できる。

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。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…積分量Ｂ及び比Ｋの算出
５３…異常燃焼の有無の判定
ｈ…イオン電流信号
Ａ…基準タイミングまでのイオン電流信号の積分値
Ａ₀…所定量
Ｂ…基準タイミングからのイオン電流信号の積分量
Ｋ…積分量ＡとＢとの比
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、当該気筒において異常燃焼が惹起されているか否かを判定するものであって、
前記回路を介して計測される燃焼期間のイオン電流信号を圧縮上死点後に設定した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を求め、
後者の積分量と前者の積分量との比の多寡に基づいて異常燃焼の有無を判定する
ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。
前者の積分量が所定量よりも小さく、かつ前者の積分量が後者の積分量よりも大きい場合には、異常燃焼が発生しているとの判定を下さない請求項１記載の燃焼状態判定装置。