JP5924970B2 - 内燃機関の燃焼状態判定装置 - Google Patents

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。

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。ノイズの原因は、電子スロットルバルブや可変ターボのノズルベーン、電動ウェイストゲート等を駆動する直流サーボモータまたはステッピングモータの作動、ＰＷＭ制御における半導体スイッチ素子のスイッチング動作、リレースイッチのＯＮ／ＯＦＦ切換、その他様々である。

イオン電流信号に重畳されるノイズは、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ことがある。その場合、イオン電流信号に上述のフィルタ処理を施しても、ノイズ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。

これに対し、ノイズの周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタを用いてノイズ成分を抽出することにより、イオン電流信号にノイズが混入していることを検知し、ノッキング判定の精度を高めることも考えられている（例えば、下記特許文献を参照）。

しかしながら、現実のバンドパスフィルタは、所望の通過帯域外の周波数成分を完全に除去できるような理想的なものではない。つまり、ノイズのみを抽出するために通過帯域を特定したとしても、その通過帯域に近接している周波数帯の成分は（減衰するものの）通過してしまう。それ故、ノイズだけでなく、ノッキングに起因して発生する信号の一部成分までもがバンドパスフィルタを通過してしまい、ノイズとして誤検出され得る。さすれば、気筒において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ものと誤判定するおそれがある。

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イオン電流信号を、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によってフィルタ処理してノイズ抽出信号を得、当該ノイズ抽出信号が最大値または最小値をとる時点を知得するとともに、前記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が持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタによって処理してノック抽出信号を得、前記時点から一定の範囲について当該ノック抽出信号から前記ノイズ抽出信号を減算したものに基づいて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。

気筒においてノッキングが起こるとき、ノッキングに起因したイオン電流信号の振動が、燃焼行程におけるある程度以上の長さの期間に亘って連続的に発生する。他方、スパイク状のノイズは、ノッキングに起因して発生する信号と比較すればごく短い期間だけ、瞬間的に発生する。

上記に着目し、本発明では、ノイズ抽出信号からノイズが発生していると思しき時点を検出する。そして、当該時点から一定の短い期間をノイズの混入している区間と見なし、その区間に限定してノック抽出信号を減衰させることとし、以てノイズの影響を低減ないし排除するようにした。

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。 本実施形態の燃焼状態判定装置の機能ブロック図。 イオン電流信号をフィルタ処理して得られるノイズ抽出信号を例示する図。 イオン電流信号をフィルタ処理して得られるノック抽出信号を例示する図。 ノック抽出信号における、ノイズが混入していると思しき区間を減衰させた状態を例示する図。

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（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）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での燃焼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る。並びに、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。

図５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、５７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、５７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、燃焼行程中に点火プラグ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、ノイズＮが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ５２、及び、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５３に、それぞれ入力する。因みに、それぞれのフィルタ５２、５３に入力してフィルタ処理した信号に、なまし処理（移動平均をとる、一次のローパスフィルタに入力する、等）を加えてもよいが、必須ではない。

前者のフィルタ５２は、ノイズＮ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４．５ｋＨｚないし７．５ｋＨｚの周波数成分を通過させる。図６は、イオン電流検出用の回路を介して取得５１したイオン電流信号ｈを前者のフィルタ５２に入力して処理した結果得られる信号の例を示している。後者のフィルタ５３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。図７は、イオン電流検出用の回路を介して取得５１したイオン電流信号ｈを後者のフィルタ５３に入力して処理した結果得られる信号の例を示している。以下、前者のフィルタ５２により処理した信号をノイズ抽出信号と呼称し、後者のフィルタ５３により処理した信号をノック抽出信号と呼称する。

各フィルタ５２、５３の通過帯域は、そもそも一部（７ｋＨｚないし７．５ｋＨｚの範囲）が重なり合っている。しかも、両フィルタ５２、５３は、何れも理想的なフィルタではない。従って、前者のフィルタ５２はノッキングに起因した信号Ｓの一部成分を減衰させながらも通過させてしまい、後者のフィルタ５３はノイズＮの一部成分を減衰させながらも通過させてしまう。

そこで、本実施形態では、ノイズ抽出信号（なまし処理したものであることがある）が最大値または最小値をとる時点Ｔを、ノイズＮが発生している時点として検出する。そして、当該時点Ｔから一定期間を、ノック抽出信号にノイズＮが混入している区間Ｉであると推断する。ここに言う「一定期間」は、当該時点Ｔから前方（過去）の所定長さの期間であってもよいし、当該時点Ｔから後方（未来）の所定長さの期間であってもよい。あるいは、当該時点Ｔの前後に跨る所定長さの期間であってもよい。その期間の長さ（クランク角度（ＣＡ）または時間）は、ノイズＮが収束するのに必要十分な程度に設定することが望ましい。図６に示している例では、フィルタ５２によって処理した信号が最大値をとる時点Ｔを基点として前後に拡張した一定の範囲を、ノイズＮの混入区間Ｉと見なしている。

その上で、ＥＣＵ０は、ノック抽出信号のうち、ノイズＮの混入区間Ｉ内にある信号を減衰させる処理を加える。本実施形態では、ノイズＮの混入区間Ｉにおけるノック抽出信号（なまし処理したものであることがある）から、同区間Ｉにおけるノイズ抽出信号（なまし処理したものであることがある）を減算５４、５５することで、同区間Ｉ内の信号を減衰させる。図８は、この減衰処理の結果得られる信号の例を示している。

ＥＣＵ０は、減衰処理を加えた信号に基づいて、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、減衰処理を加えた信号を時間積分５６、換言すればサンプリング値の時系列を積算し、その積算値を所定のノック判定値と比較５７して、積算値がノック判定値を上回ったならば、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、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されるイオン電流信号ｈを、ノイズＮが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ５２によってフィルタ処理し、当該フィルタ処理後の信号であるノイズ抽出信号が最大値または最小値をとる時点Ｔを知得するとともに、前記回路を介して計測５１されるイオン電流信号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５３によって処理し、当該フィルタ処理後の信号であるノック抽出信号のうち前記時点Ｔから一定期間Ｉ内にある信号を減算（によって減衰）させる処理５４、５５を加えた上で、その処理を加えた信号に基づいてノッキングの有無を判定５６、５７する燃焼状態判定装置０を構成した。

本実施形態によれば、イオン電流信号ｈに重畳されるノイズＮの影響を適切に低減ないし排除することができ、ノッキング判定の精度がより一層向上する。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、ノック抽出信号にノイズＮが混入していると思しき区間Ｉについて、ノック抽出信号からノイズ抽出信号を減算することにより、当該区間Ｉ内のノック抽出信号を減衰させていた。これ以外に、当該区間Ｉ内に限定してノック抽出信号に１未満のゲインを乗じたり、当該区間Ｉ内のノック抽出信号から所定量を減じたりする等して、ノック抽出信号を減衰させることもできる。ノック抽出信号に乗ずるべき上記のゲインについては、ノイズＮの周波数帯に対するバンドパスフィルタ５２のゲインと、同周波数帯に対するバンドパスフィルタ５３のゲインとの差を考慮した一定比率として求めることが考えられる。

また、上記実施形態では、ノック抽出信号のうちのノイズＮが混入していると思しき区間Ｉを減衰させた後にこれを積分してノック判定値と比較していたが、先に（未だ減衰処理を施していない）ノック抽出信号を積分しておき、その積分値から、ノイズＮが混入していると思しき区間Ｉについてノイズ抽出信号を定積分した値を減算することで、ノック判定値と比較するべき値を算出するようにしてもよい。この場合にも、ノック抽出信号のうちの当該区間Ｉ内にある信号を減衰させたものに基づいてノッキングの有無を判定していることに変わりはない。

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…ノッキングに起因して発生する信号が持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ
ｈ…イオン電流信号
Ｎ…ノイズ
Ｓ…ノッキングに起因して発生する信号
Ｔ…フィルタ処理後のノイズ抽出信号が最大値または最小値をとる時点
Ｉ…前記時点から一定期間（ノイズが混入していると思しき区間）

Claims (1)

1. 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イオン電流信号を、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によってフィルタ処理してノイズ抽出信号を得、当該ノイズ抽出信号が最大値または最小値をとる時点を知得するとともに、
   前記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が持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタによって処理してノック抽出信号を得、前記時点から一定の範囲について当該ノック抽出信号から前記ノイズ抽出信号を減算したものに基づいて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。

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