JP6165873B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、例えば燃焼時に発生するイオン電流を用いてその燃焼状態を検出する内燃機関の制御装置に関する。
近年、自動車等の車両においては、燃費や排気に関する規制が強化され、そのような規制は今後も益々強くなると考えられている。特に、燃費に関する規制は、近年の燃料価格の高騰、地球温暖化への影響、エネルギー資源枯渇等の問題により、極めて関心の高い事項である。
このような状況下において、例えば自動車産業では、車両の燃費性能や排気性能の向上を目的とした様々な技術開発が進められている。そのような燃費性能の向上を目的とした開発技術の一つとして、例えば、内燃機関の圧縮比を上げる高圧縮比化技術が挙げられる。また、排気性能の向上を目的とした開発技術の一つとして、例えば、吸気行程時に複数回に分けて燃料を噴射し、一回当たりの燃料噴射量を低減してＰＮ（Particulate Number）を低減する多段噴射技術が挙げられる。
ところで、上記した高圧縮比化技術では、内燃機関の圧縮比を上げると熱効率が向上して燃費が改善するものの、燃焼室内の温度が上昇してノッキングが発生し易くなることが知られている。
そのため、従来の内燃機関においては、ノッキング発生時に特定の周波数信号レベルが上昇することを利用して、シリンダーブロックに振動型のノックセンサを取り付け、ノックセンサから出力される所定の期間（ノックウインドウ）の信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析してノッキングの発生を検出している。
しかしながら、上記した従来の内燃機関に取り付けられるノックセンサは、内燃機関の振動を伝える方式であるため、ノックウインドウ中にインジェクタノイズが発生すると、そのノイズをノッキングと誤検出する可能性があり、ノックウインドウ中に燃料噴射時期を設定することができず、例えばＰＮを低減する多段噴射技術のポテンシャルを十分に発揮できないといった問題が生じ得る。
このような問題に対し、特許文献１には、燃焼時に発生するイオン（イオン電流という）を検出し、インジェクタノイズの影響を受けずにノッキングの発生を検出する技術が開示されている。
特許文献１に開示されている内燃機関のノッキング検出装置は、イオン電流信号から抽出されたノッキング周波数成分の信号に基づいてノッキングが発生しているか否かを判定し、イオン電流信号から抽出されたノッキング周波数より低い周波数を有する低負荷時ノイズ周波数成分が所定レベルより高いときはノッキングが発生しているとする誤判定を防止するためにノッキングが発生しているか否かの判定を禁止する装置である。
特開平１０−７７９４１号公報
しかしながら、燃焼時に発生するイオン電流は内燃機関の燃焼状態に依存して変化するため、このイオン電流の検出波形は燃焼サイクル毎に異なる波形となる。すなわち、内燃機関の運転条件が略一定であっても、イオン電流の検出波形は大きく変動する。そのため、イオン電流の信号レベルが大きいほど、抽出されるノッキング周波数成分の信号レベルも高くなり、イオン電流の信号レベルが低いほど、抽出されるノッキング周波数成分の信号レベルも低くなり、ノック発生時にイオン電流に含まれるノック振動成分が微弱である場合には、そのノック振動成分をイオン電流信号から精緻に抽出することが難しくなり、イオン電流信号からノッキングの発生を検出することが難しくなることが本発明者等の実験により確認されている。
このように、イオン電流信号を周波数解析してノッキング周波数成分を抽出する特許文献１に開示されているノッキング検出装置においては、イオン電流信号とノッキングとの相関が低下する可能性があり、ノッキング周波数成分を含むイオン電流信号からノッキングの発生を判定することが困難となるといった問題が生じ得る。
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡便な構成でもって、イオン電流信号から例えばノッキング発生等の内燃機関の燃焼状態を精緻に検出することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
上記する課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、燃焼時におけるイオン電流値を検出するイオン電流値検出部を備えた内燃機関の制御装置であって、前記制御装置は、前記イオン電流値を信号処理するイオン電流信号処理部と、該イオン電流信号処理部による処理結果に基づいて前記内燃機関の燃焼状態を検出する検出部と、を備え、前記イオン電流信号処理部は、前記イオン電流値の微分値を算出する微分部を有することを特徴とする。
以上の説明から理解できるように、本発明によれば、イオン電流値の変化量としての微分値を利用して内燃機関の燃焼状態を検出することにより、例えばノック発生時にイオン電流に含まれるノック振動成分が微弱である場合であっても、イオン電流値の絶対値に関わらずそのイオン電流からノック振動成分を確実に抽出することができるため、例えばノッキング発生等の内燃機関の燃焼状態を精緻に検出することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態１が適用された内燃機関の全体構成を示した全体構成図。 図１に示す点火システムの内部構成を示した内部構成図。 図１に示す制御装置の内部構成を示したブロック図。 図１に示す点火システムへ入力される点火信号と点火システムから出力されるイオン電流信号の一例を示した図。 ノック強度とイオン電流値振動強度の関係の一例を示した図。 ノック強度とイオン微分値振動強度の関係の一例を示した図。 図１に示す点火システムへ入力される点火信号と点火システムから出力されるイオン電流信号のイオン微分値の一例を示した図。 図３に示す制御装置のＣＰＵの内部構成を示したブロック図。 図１に示す制御装置によるノック検出フローとノック回避制御フローを示したフロー図。 イオン電流値の絶対値が大きいときのイオン電流信号の一例を示した図。 イオン電流値の絶対値が小さいときのイオン電流波形の一例を示した図。 ノック強度とイオン微分値振動強度をイオン積分値で除して得られた正規化値との関係の一例を示した図。 イオン積分値の積分範囲の一例を模式的に説明した図。 本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態２の内部構成を示したブロック図。 図１４に示す制御装置によるノック検出フローとノック回避制御フローを示したフロー図。 ノック強度とイオン変化率振動強度の関係の一例を示した図。 イオン変化率振動強度の算出方法を模式的に説明した図。 本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態３の内部構成を示したブロック図。 図１８に示す制御装置によるノック検出フローとノック回避制御フローを示したフロー図。
以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、内燃機関の燃焼状態のうちノッキング発生を検出する形態について説明するが、例えば内燃機関の燃焼状態に関連するプレイグニッションやデトネーション、失火等を検出することもできる。
［実施形態１］
図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態１が適用された内燃機関の全体構成を示したものであり、例えば、火花点火式燃焼を実施する自動車用４気筒ガソリンエンジンを示したものである。
図示するエンジン（内燃機関）１００は、吸気管６の適宜の位置に、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気管６の圧力を調整する電子制御スロットル２と、吸入空気温度検出器の一態様であって吸入空気温度を計測する吸気温度センサ１５と、吸気管６内の圧力を計測する吸気圧センサ２１と、を備えている。
また、エンジン１００は、各吸気管６と連通する気筒（♯１〜♯４）毎に、各気筒の燃焼室１２の内部に燃料を噴射する燃料噴射装置（筒内直接噴射用インジェクタもしくは単にインジェクタともいう）３と、点火エネルギーを供給する点火システム４と、を備えている。また、エンジン１００は、シリンダヘッド７の適宜の位置に、エンジン１００の冷却水温度を計測する冷却水温度センサ１４を備えると共に、気筒内に流入する吸入ガスを調整する吸気バルブ可変装置５ａと気筒内から排出される排気ガスを調整する排気バルブ可変装置５ｂとから構成される可変バルブ５を備えている。ここで、可変バルブ５は、吸気バルブ可変装置５ａや排気バルブ可変装置５ｂの位相角を検出する位相角センサ（不図示）を有しており、後述するＥＣＵ２０によって可変バルブ５（特に吸気バルブ可変装置５ａや排気バルブ可変装置５ｂの位相角）を調整することにより、♯１から♯４までの全気筒の吸気量およびＥＧＲ量を調整することができる。また、エンジン１００の燃料噴射装置３には、当該燃料噴射装置３に高圧燃料を供給するための高圧燃料ポンプ１７が燃料配管を介して接続され、この燃料配管には、燃料圧力を計測する燃料圧力センサ１８が設けられており、エンジン１００のクランク軸（不図示）には、その回転角度を算出するクランク角度センサ１３が設けられている。
さらに、エンジン１００は、排気管８の適宜の位置に、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって三元触媒１０の上流側で排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、排気温度検出器の一態様あって三元触媒１０の上流側で排気温度を計測する排気温度センサ１１と、を備えている。
エンジン１００は、当該エンジン１００の燃焼状態を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）（制御装置）２０を備えており、上記したエアフローセンサ１と空燃比センサ９と冷却水温度センサ１４と吸気温度センサ１５と排気温度センサ１１とクランク角センサ１３と燃料圧力センサ１８と吸気圧センサ２１と点火システム４と可変バルブ５とから得られる信号が、ＥＣＵ２０に送信される。また、ＥＣＵ２０には、アクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１６から得られる信号も送信される。
ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１６から得られる信号に基づいてエンジン１００への要求トルクを演算する。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサ１３から得られる信号に基づいてエンジン１００の回転速度を演算する。また、ＥＣＵ２０は、上記した各種センサの出力から得られる信号に基づいてエンジン１００の運転状態を演算すると共に、空気流量、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度、可変バルブの作動量、燃料圧力等といったエンジン１００に関する主要な作動量を演算する。
ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は、開弁パルス信号に変換されて燃料噴射装置３に送信される。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように生成された点火信号が、ＥＣＵ２０から点火システム４へ送信される。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送信され、可変バルブの作動量は、可変バルブ駆動信号として可変バルブ５へ送信され、燃料圧力は、高圧燃料ポンプ駆動信号として高圧燃料ポンプ１７へ送信される。
ＥＣＵ２０から燃料噴射装置３へ送信された開弁パルス信号に基づいて、吸気管６から吸気バルブ（不図示）を介して燃焼室１２内に流入した空気に対し燃料噴射装置３から所定量の燃料が噴射されることにより、混合気が形成される。燃焼室１２内に形成された混合気は、点火信号に基づいて所定の点火時期で点火システム４の点火プラグ４ａ（図２参照）から発生される火花により爆発され、その燃焼圧によりピストン（不図示）が押し下げられてエンジン１００の駆動力が発生される。爆発後の排気ガスは、排気管８を介して三元触媒１０に送出され、排気ガスの排気成分が三元触媒１０内で浄化されて外部へ排出される。
図２は、図１に示す点火システムの内部構成を示したものである。図示する点火システム４は、主に、燃焼室１２内に形成された混合気に着火する火花点火部４１と、燃焼時に発生するイオン電流の電流値（イオン電流値）を検出するイオン電流値検出部４２と、を有している。
点火システム４による混合気の着火とイオン電流の発生について概説すると、ＥＣＵ２０から点火システム４へ点火信号が入力されると、火花点火部４１のイグナイタ４ｉを介して一次点火コイル４ｃに電流が流れる。点火信号が遮断されて一次側の電流が止まると、二次点火コイル４ｂに起電力が発生し、点火プラグ４ａの先端に高電圧が付与されて火花放電が発生する。火花放電時には、イオン電流値検出部４２において矢印Ｘ方向に電流が流れ、二次点火コイル４ｂの電圧が減少し、その電圧がツェナーダイオード４ｅの降伏電圧（例えば100V）よりも低くなると、電流がキャパシタ４ｄに流れ込んで電荷がチャージされる。
火花放電によって点火プラグ４ａのギャップ間に火炎核が発生すると、燃焼室１２内に火炎が伝播していく。この火炎帯には、燃焼過程の中間生成物として、ケミカルイオンやサーマルイオンといったイオンが存在している。この時、点火プラグ４ａには、火花放電時にチャージしたキャパシタ４ｄによって電圧（この場合は100V）が付与されており、その電圧によって燃焼室１２内の陽イオン（および電子）を捕捉することにより、イオン電流値検出部４２内で矢印Ｙ方向にイオン電流が流れる。このイオン電流は、電圧変換用抵抗４ｆによって電圧変換された後、イオン電流信号としてＥＣＵ２０へ送信される。
図３は、図１に示すＥＣＵ（制御装置）の内部構成を示したものである。図示するＥＣＵ２０は、主に、入力回路２０ａと、入力ポートおよび出力ポートからなる入出力ポート２０ｂと、演算処理内容を記述した制御プログラムが格納されるＲＯＭ２０ｄと、前記制御プログラムに従って演算処理するためのＣＰＵ２０ｅと、前記制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値を格納するＲＡＭ２０ｃと、各アクチュエータの作動量を示す値に基づいて各アクチュエータを制御する駆動回路２０ｆ〜２０ｋと、を備えている。
図示するように、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａには、エアフローセンサ１、点火システム４、空燃比センサ９、排気温度センサ１１、クランク角センサ１３、冷却水温度センサ１４、吸気温度センサ１５、アクセル開度センサ１６、燃料圧力センサ１８、吸気圧センサ２１等の出力信号が入力される。なお、入力回路２０ａに入力される入力信号はこれらに限定されない。入力回路２０ａに入力された各センサの入力信号は、入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送信され、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、ＣＰＵ２０ｅでＲＯＭ２０ｄに予め格納された制御プログラムに従って演算処理される。
ＣＰＵ２０ｅで制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送信され、各駆動回路（電子スロットル駆動回路２０ｆ、インジェクタ駆動回路２０ｇ、点火出力回路２０ｈ、可変バルブ駆動回路２０ｊ、高圧燃料ポンプ駆動回路２０ｋ等）を介して各アクチュエータ（電子制御スロットル２、インジェクタ３、点火システム４、可変バルブ５、高圧燃料ポンプ１７等）に送信される。なお、ＥＣＵ２０内の駆動回路は、これらに限定されない。
ここで、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａには、上記したように点火システム４の出力信号であるイオン電流信号が入力されており、ＥＣＵ２０は、その入力信号（イオン電流信号）に基づいて、ＣＰＵ２０ｅでＲＯＭ２０ｄに予め格納された制御プログラムに従ってエンジン１００のノッキングを検出する。ＥＣＵ２０は、エンジン１００のノッキング発生を検出した場合には、点火出力回路２０ｈを介して点火システム４へ制御信号を送信してその点火時期を制御する。
次に、ＥＣＵ２０によるエンジン１００のノッキング検出方法について、図４〜図７を参照して概説する。
図４は、図１に示すＥＣＵから点火システムへ入力される点火信号と点火システムからＥＣＵへ出力されるイオン電流信号の一例を示したものであり、上段から、点火信号、正常燃焼時のイオン電流信号、ノック発生時のイオン電流信号を示したものである。
図示するように、点火システム４から出力されるイオン電流信号は、正常燃焼時やノック発生時において、一般に３つの山ｐ１１〜ｐ１３、ｐ２１〜ｐ２３を有している。最初の山ｐ１１、ｐ２１は、点火システム４にイオン電流値検出部４２が内蔵される場合に検出される波形であり、時刻ｔ１で点火信号が入力された際にイオン電流値検出部４２に流れた電流がイオン電流信号として出力されて検出される波形である。最初の山ｐ１１、ｐ２１が検出されるタイミングは、実際には燃焼室１２内に燃焼火炎が存在しないタイミングであるため、この山ｐ１１、ｐ２１はノイズとして処理される。また、次の山ｐ１２、ｐ２２は、通電時間△ｔａ後の時刻ｔ２で点火信号が遮断され、点火プラグ４ａのギャップ間に火花核が発生した後に検出される波形であり、そのギャップ間に火花核が発生している間はイオン電流信号が検出されないものの、その後の燃焼初期における火炎中のイオン成分が検出されて形成される波形である。また、最後の山ｐ１３、ｐ２３は、放電期間△ｔｂ後の時刻ｔ３から燃焼火炎が燃焼室１２全体に燃え広がる過程で検出される波形であり、燃焼室１２内の圧力波形と略一致し、主要な燃焼部分の火炎中のイオン成分が検出されて形成される波形である。
エンジン１００のノック発生時においては、主に最後の山ｐ２３に変化が現れる。具体的には、ノック発生時において、燃焼室１２内の圧力や温度が上昇し、最後の山ｐ２３が正常燃焼時の最後の山ｐ１３よりも大きくなり、その最後の山ｐ２３にノック周波数（ノックに特有の周波数）を有するノック振動成分（ノック発生に由来する振動成分）が含まれることとなる。
図５は、ノック強度とイオン電流値振動強度の関係を示した図である。ここで、ノック強度とは、ノッキングの発生に関連する値であり、ノックウインドウ中の熱発生率を周波数解析、特にＦＦＴ解析して得られる結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算した値である。なお、熱発生率は筒内圧力から求められるものであり、ノックの発生と高い関連性を有している。ノック発生時には気筒内に圧力振動が発生し、熱発生率に同様の振動が現れてノック強度も高くなる。一方で、ノック非発生時には気筒内に圧力振動が発生せず、熱発生率にも振動が出現せずにノック強度は低くなる。また、イオン電流値振動強度とは、ノックウインドウ中のイオン電流信号をＦＦＴ解析して得られる結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算した値である。
図５に示すように、一般に、ノックウインドウ中のイオン電流信号をＦＦＴ解析して得られる結果を用いて算出されるイオン電流値振動強度とノック強度との間の相関は低いことが確認されており（相関係数Ｒ2が略０．０２）、イオン電流値振動強度とノッキング発生との相関が低いことが確認されている。これは、ノック発生時にイオン電流に含まれるノック振動成分が微弱であり、ベースとなるイオン電流信号に対してノック振動成分が小さいことから、イオン電流信号からノック振動成分を正確に抽出することができないためと考えられる。
それに対し、図６は、ノック強度とイオン微分値振動強度の関係を示したものである。ここで、イオン微分値振動強度とは、ノックウインドウ中のイオン電流信号を微分して得られるイオン微分値をＦＦＴ解析して得られる結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算した値である。なお、イオン微分値とは、ある時間幅におけるイオン電流信号の差分を意味している。
上記したように、ノックウインドウ中のイオン電流信号をＦＦＴ解析して得られる結果を用いて算出されるイオン電流値振動強度とノック強度との間の相関は低いものの、図６に示すように、ノックウインドウ中のイオン微分値をＦＦＴ解析して得られる結果を用いて算出させるイオン微分値振動強度とノック強度との間の相関は高いことが確認されており（相関係数Ｒ2が略０．４１）、イオン微分値振動強度とノッキング発生との相関が相対的に高いことが確認されている。これは、イオン電流信号を微分してイオン電流信号の変化量としてのイオン微分値を算出することにより、ノック発生時にイオン電流に含まれるノック振動成分が微弱である場合であっても、イオン電流信号からノック振動成分を確実に抽出することができるためと考えられる。そこで、本実施形態１では、ノックウインドウ中のイオン電流値の時系列信号（イオン電流信号）を微分して得られるイオン微分値に基づいて、エンジン１００のノッキング発生を検出するようにしている。
なお、図４に基づき説明したように、火花放電が終了して燃焼火炎が燃焼室１２全体に燃え広がる時間ｔ３以降は、比較的大きなイオン電流信号が検出され、その時間ｔ３以降でイオン電流信号が立ち上がる瞬間では、図７に示すように、イオン電流信号に大きなノイズが発生することがある。そこで、上記したイオン微分値振動強度の演算にこのノイズを含めないようにするため、イオン微分値振動強度を演算するためのノックウインドウは、このイオン電流信号の立ち上がりノイズ以降で設定される。
図８は、図３に示すＥＣＵ（制御装置）のＣＰＵの内部構成を示したものであり、特に、点火システム４から入力されるイオン電流信号に基づいてエンジン１００のノッキングを検出し、ノッキング発生を検出した場合に点火システム４の点火時期を制御する構成を示したものである。
図示するように、ＥＣＵ２０のＣＰＵ２０ｅは、主に、イオン電流値の微分値（イオン微分値）を算出する微分部２０ｌａとその微分値の周波数解析を行う周波数解析部２０ｌｂとその解析結果からイオン微分値振動強度を算出する演算部２０ｌｃとを有するイオン電流信号処理部２０ｌと、エンジン１００のノッキング発生を検出するノック検出部（検出部）２０ｍと、点火システム４の点火時期を制御して更なるノックを回避するノック回避制御部２０ｎと、を備えている。
点火システム４から出力されるイオン電流信号は、イオン電流値を信号として処理するイオン電流信号処理部２０ｌの微分部２０ｌａに入力される。この微分部２０ｌａは、予め定められた期間（ノックウインドウ）中のイオン電流信号を微分してイオン微分値を算出し、その算出結果を周波数解析部２０ｌｂへ送信する。周波数解析部２０ｌｂは、微分部２０ｌａから送信されたイオン微分値をＦＦＴ解析し、その解析結果を演算部２０ｌｃへ送信する。演算部２０ｌｃは、周波数解析部２０ｌｂから送信された解析結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算してイオン微分値振動強度Ｓ１を算出し、その算出結果をノック検出部２０ｍへ送信する。
ノック検出部２０ｍには、イオン電流信号処理部２０ｌで処理された信号（イオン微分値振動強度Ｓ１）の他、エンジン１００の回転数やトルクが入力されている。ノック検出部２０ｍは、入力された回転数やトルクからノック判定閾値（判定閾値）を演算し、そのノック判定閾値とイオン電流信号処理部２０ｌから入力された信号（イオン微分値振動強度Ｓ１）を比較することで、ノッキングが発生したか否かを判定する。ノック検出部２０ｍは、エンジン１００にノッキングが発生していることを検出した場合には、ノック判定フラグＦｋを１にセットしてノック回避制御部２０ｎへ出力する。
ノック回避制御部２０ｎは、ノック検出部２０ｍから入力されるノック判定フラグＦｋが１である場合、更なるノックを回避するため、点火システム４の点火時期を遅角するように点火出力回路２０ｈに指令値を送信する。点火出力回路２０ｈは、その指令値に基づいて制御信号を作成し、作成した制御信号を点火システム４へ送信してその点火時期を制御する。
図９は、図１に示すＥＣＵ（制御装置）によるノック検出フローとノック回避制御フローを具体的に示したものである。なお、図９に示す制御フローは、ＥＣＵ２０により所定の周期で繰り返し実行される。
まず、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０１において、点火システム４から出力されるイオン電流信号を読み込む。次いで、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０２において、イオン電流信号処理部２０ｌの微分部２０ｌａで、予め定められた期間（ノックウインドウ）中のイオン電流信号を微分してイオン微分値を演算する。次いで、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０３において、周波数解析部２０ｌｂで、微分部２０ｌａから送信されたイオン微分値を周波数（ＦＦＴ）解析する。ここで、Ｓ１０３では、数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの周波数成分を求める必要があるため、Ｓ１０１からＳ１０３までの演算処理は、ＥＣＵ２０で行なう制御周期（例えば２ｍｓ）よりも遥かに高速で行なう必要がある（例えば数１０μｓ程度）。一方、以下のＳ１０４からＳ１０８までの演算処理は、ＥＣＵ２０で行なう制御周期（例えば２ｍｓ）で実施される。
ＥＣＵ２０は、Ｓ１０４において、演算部２０ｌｃで、周波数解析部２０ｌｂから送信された解析結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算してイオン微分値振動強度Ｓ１を演算し、その演算結果をノック検出部２０ｍへ送信する。次いで、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０５において、エンジン１００の回転数ＮｅおよびトルクＴを読み込み、Ｓ１０６において、ノック検出部２０ｍで、運転条件毎に設定されるノック判定閾値Ｓ０１を演算する。次いで、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０７において、演算部２０ｌｃから送信されたイオン微分値振動強度Ｓ１がノック判定閾値Ｓ０１よりも大きいか否かを比較し、Ｓ１≦Ｓ０１である場合はノッキングが発生していないと判定して一連の制御を終了する。一方で、Ｓ１＞Ｓ０１である場合は、ノッキングが発生していると判定し、Ｓ１０８において、ノック回避制御部２０ｎで、点火システム４の点火時期が現在値よりも遅角側となるように当該点火システム４の点火時期を制御する。
このように、本実施形態１によれば、イオン電流信号の変化量としての微分値を利用してエンジン１００のノッキング発生を検出することにより、ノック発生時にイオン電流に含まれるノック振動成分が微弱である場合であっても、イオン電流信号からノック振動成分を確実に抽出することができ、エンジン１００のノッキング発生を精緻に検出することができる。また、その検出結果に基づいて点火時期を制御してノック回避制御を実施することにより、エンジン１００の燃焼状態を精緻に制御することができる。
［実施形態２］
ところで、図６に示すノック強度とイオン微分値振動強度の関係においては、同等のノック強度であってもイオン微分値振動強度が全体の相関から外れる場合がある（例えば、Ａ点）。
その理由について、図１０および図１１を参照して概説すると、図１０に示すように、イオン電流信号の絶対値が大きいときには、イオン電流に含まれるノック振動成分も大きくなる一方で、図１１に示すように、イオン電流信号の絶対値が小さいときには、イオン電流に含まれるノック振動成分も小さくなる。イオン電流は、燃焼圧力と同様に燃焼サイクル毎にその波形が変化するため、ベースとなるノック発生時のイオン電流信号の絶対値次第で、同等のノック強度であってもイオン微分値振動強度に大きな差が発生する。
そこで、ベースとなるイオン電流信号の絶対値の影響を除去し、ノック強度とイオン微分値振動強度との相関を更に高めてエンジン１００のノッキング発生の検出精度を更に高めるため、サイクル中（ノックウインドウ中や１サイクル全体）のイオン電流値の時系列信号（イオン電流信号）を積分して得られるイオン積分値に基づいてイオン微分値振動強度を正規化し、その正規化値に基づいてエンジン１００のノッキング発生を検出することが考えられる。
図１２は、ノック強度とイオン微分値振動強度をイオン積分値で除して得られた正規化値との関係を示したものである。図示するように、ノックウインドウ中のイオン微分値をＦＦＴ解析して得られる結果を用いて算出させるイオン微分値振動強度をイオン積分値で除して得られる正規化値とノック強度との間の相関はより高くなることが確認されている（相関係数Ｒ2が略０．５７）。これは、イオン微分値をそのサイクル中のイオン積分値で除することで、燃焼サイクル毎のイオン電流信号の絶対値の影響を除去することができるためと考えられる。そこで、本実施形態２では、上記イオン積分値に基づいてイオン微分値振動強度を正規化した正規化値に基づいて、エンジンのノッキング発生を検出するようにしている。
なお、図１３に示すように、イオン積分値を算出する際の積分範囲は、燃焼時のイオン電流信号を含むように設定されればよく、例えばノックウインドウ中に限定してもよいし、１サイクル全体としてもよい。
図１４は、本発明に係る内燃機関のＥＣＵ（制御装置）の実施形態２の内部構成を示したものであり、特に、点火システムから入力されるイオン電流信号に基づいてエンジンのノッキングを検出し、ノッキング発生を検出した場合に点火システムの点火時期を制御する構成を示したものである。
なお、図１４に示す実施形態２の制御装置は、上記する実施形態１の制御装置に対して、エンジンのノッキングを検出する方法が相違しており、その他の構成は実施形態１の制御装置と同様である。したがって、実施形態１の制御装置と同様の構成についてその詳細な説明は省略する。
図示するように、ＥＣＵ２０ＡのＣＰＵ２０ｅＡは、主に、イオン電流値を信号として処理するイオン電流信号処理部２０ｌＡと、エンジンのノッキング発生を検出するノック検出部（検出部）２０ｍＡと、点火システムの点火時期を制御して更なるノックを回避するノック回避制御部２０ｎＡと、を備えている。
イオン電流信号処理部２０ｌＡは、イオン電流値の微分値（イオン微分値）を算出する微分部２０ｌａＡと、その微分値の周波数解析を行う周波数解析部２０ｌｂＡと、その解析結果からイオン微分値振動強度を算出する演算部２０ｌｃＡと、イオン電流値の積分値（イオン積分値）を算出する積分部２０ｌｄＡと、演算部２０ｌｃＡのイオン微分値振動強度と積分部２０ｌｄＡの積分値とから正規化値を算出する正規化部２０ｌｅＡと、を有している。
点火システムから出力されるイオン電流信号は、イオン電流信号処理部２０ｌＡの微分部２０ｌａＡおよび積分部２０ｌｄＡに入力される。微分部２０ｌａＡは、予め定められた期間（ノックウインドウ）中のイオン電流信号を微分してイオン微分値を算出し、その算出結果を周波数解析部２０ｌｂＡへ送信する。周波数解析部２０ｌｂＡは、微分部２０ｌａＡから送信されたイオン微分値をＦＦＴ解析し、その解析結果を演算部２０ｌｃＡへ送信する。演算部２０ｌｃＡは、周波数解析部２０ｌｂＡから送信された解析結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算してイオン微分値振動強度Ｓ１を算出し、その算出結果を正規化部２０ｌｅＡへ送信する。また、積分部２０ｌｄＡは、サイクル中（ノックウインドウ中や１サイクル全体）のイオン電流信号を積分してイオン積分値Ｓ２を算出し、その算出結果を正規化部２０ｌｅＡへ送信する。正規化部２０ｌｅＡは、演算部２０ｌｃＡから送信されたイオン微分値振動強度Ｓ１を積分部２０ｌｄＡから送信されたイオン積分値Ｓ２で除して正規化値Ｓ３を算出し、その算出結果をノック検出部２０ｍＡへ送信する。
ノック検出部２０ｍＡには、イオン電流信号処理部２０ｌＡで処理された信号（正規化値Ｓ３）の他、エンジンの回転数やトルクが入力されている。ノック検出部２０ｍＡは、入力された回転数やトルクからノック判定閾値（判定閾値）を演算し、そのノック判定閾値とイオン電流信号処理部２０ｌＡから入力された信号（正規化値Ｓ３）を比較することで、ノッキングが発生したか否かを判定する。ノック検出部２０ｍＡは、エンジンにノッキングが発生していることを検出した場合には、ノック判定フラグＦｋを１にセットしてノック回避制御部２０ｎＡへ出力する。
ノック回避制御部２０ｎＡは、ノック検出部２０ｍＡから入力されるノック判定フラグＦｋが１である場合、更なるノックを回避するため、点火システムの点火時期を遅角するように点火出力回路２０ｈＡに指令値を送信する。点火出力回路２０ｈＡは、その指令値に基づいて制御信号を作成し、作成した制御信号を点火システムへ送信してその点火時期を制御する。
図１５は、図１４に示すＥＣＵ（制御装置）によるノック検出フローとノック回避制御フローを具体的に示したものである。なお、図１５に示す制御フローは、ＥＣＵ２０Ａにより所定の周期で繰り返し実行される。
まず、ＥＣＵ２０Ａは、Ｓ２０１において、点火システムから出力されるイオン電流信号を読み込む。次いで、ＥＣＵ２０Ａは、Ｓ２０２において、イオン電流信号処理部２０ｌＡの微分部２０ｌａＡで、予め定められた期間（ノックウインドウ）中のイオン電流信号を微分してイオン微分値を演算する。次いで、ＥＣＵ２０Ａは、Ｓ２０３において、周波数解析部２０ｌｂＡで、微分部２０ｌａＡから送信されたイオン微分値を周波数（ＦＦＴ）解析する。ここで、Ｓ２０３では、数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの周波数成分を求める必要があるため、Ｓ２０１からＳ２０３までの演算処理は、ＥＣＵ２０Ａで行なう制御周期（例えば２ｍｓ）よりも遥かに高速で行なう必要がある（例えば数１０μｓ程度）。一方、以下のＳ２０４からＳ２１０までの演算処理は、ＥＣＵ２０Ａで行なう制御周期（例えば２ｍｓ）で実施される。
ＥＣＵ２０Ａは、Ｓ２０４において、演算部２０ｌｃＡで、周波数解析部２０ｌｂＡから送信された解析結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算してイオン微分値振動強度Ｓ１を演算する。また、Ｓ２０５において、積分部２０ｌｄＡで、サイクル中のイオン電流信号を積分してイオン積分値Ｓ２を演算する。なお、イオン積分値を算出するためにイオン電流信号を積分する範囲は、ノックウインドウ中でもあってもよく、１サイクル全体であってもよく、その範囲は予めＥＣＵ２０Ａ内に記憶されている。次いで、ＥＣＵ２０Ａは、Ｓ２０６において、正規化部２０ｌｅＡで、イオン微分値振動強度Ｓ１をイオン積分値Ｓ２で除することでイオン微分値振動強度Ｓ１を正規化した正規化値Ｓ３を演算し、その演算結果をノック検出部２０ｍＡへ送信する。
次いで、ＥＣＵ２０Ａは、Ｓ２０７において、エンジンの回転数ＮｅおよびトルクＴを読み込み、Ｓ２０８において、ノック検出部２０ｍＡで、運転条件毎に設定されるノック判定閾値Ｓ０３を演算する。次いで、ＥＣＵ２０Ａは、Ｓ２０９において、正規化部２０ｌｃＡから送信された正規化値Ｓ３がノック判定閾値Ｓ０３よりも大きいか否かを比較し、Ｓ３≦Ｓ０３である場合はノッキングが発生していないと判定して一連の制御を終了する。一方で、Ｓ３＞Ｓ０３である場合は、ノッキングが発生していると判定し、Ｓ２１０において、ノック回避制御部２０ｎＡで、点火システムの点火時期が現在値よりも遅角側となるように当該点火システムの点火時期を制御する。
このように、本実施形態２によれば、イオン電流信号の変化量としての微分値を周波数解析して得られる解析結果をイオン電流信号の積分値で除して得られる正規化値を利用してエンジンのノッキング発生を検出することにより、ノック発生時のイオン電流信号の絶対値に関わらず、イオン電流信号の絶対値の影響を除去しながらそのイオン電流信号からノック振動成分を確実に且つ精緻に抽出することができ、エンジンのノッキング発生をより精緻に検出することができる。また、その検出結果に基づいて点火時期を制御してノック回避制御を実施することにより、エンジンの燃焼状態をより一層精緻に制御することができる。
［実施形態３］
上記する実施形態２では、サイクル中のイオン電流値の時系列信号を積分して得られるイオン積分値に基づいてイオン微分値振動強度を正規化したが、イオン微分値をそれに対応する時間のイオン電流値で除して予め正規化することで、ベースとなるイオン電流信号の絶対値の影響を除去し、ノック強度とイオン微分値振動強度との相関を更に高め、エンジンのノッキング発生の検出精度を更に高めることができると考えられる。
図１６は、ノック強度とイオン変化率振動強度の関係を示したものである。ここで、イオン変化率振動強度とは、イオン微分値をそれに対応する時間のイオン電流値（イオン電流瞬時値）で除して正規化値（イオン変化率ともいう）を算出し（図１７参照）、そのイオン変化率をＦＦＴ解析して得られる結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算した値である。図１６に示すように、イオン変化率をＦＦＴ解析して得られる結果を用いて算出させるイオン変化率振動強度とノック強度との間の相関は更に高くなることが確認されている（相関係数Ｒ2が略０．６０）。これは、イオン電流信号の変化量としてのイオン微分値をそれに対応する時間のイオン電流値で除することで、燃焼サイクル毎のイオン電流信号の絶対値の影響を時間毎で除去することができるためと考えられる。そこで、本実施形態３では、イオン微分値をイオン電流値で正規化した正規化値に基づいて、エンジンのノッキング発生を検出するようにしている。
図１８は、本発明に係る内燃機関のＥＣＵ（制御装置）の実施形態３の内部構成を示したものであり、特に、点火システムから入力されるイオン電流信号に基づいてエンジンのノッキングを検出し、ノッキング発生を検出した場合に点火システムの点火時期を制御する構成を示したものである。
なお、図１８に示す実施形態３の制御装置は、上記する実施形態１、２の制御装置に対して、エンジンのノッキングを検出する方法が相違しており、その他の構成は実施形態１、２の制御装置と同様である。したがって、実施形態１、２の制御装置と同様の構成についてその詳細な説明は省略する。
図示するように、ＥＣＵ２０ＢのＣＰＵ２０ｅＢは、主に、イオン電流値を信号として処理するイオン電流信号処理部２０ｌＢと、エンジンのノッキング発生を検出するノック検出部（検出部）２０ｍＢと、点火システムの点火時期を制御して更なるノックを回避するノック回避制御部２０ｎＢと、を備えている。
イオン電流信号処理部２０ｌＢは、イオン電流値の微分値（イオン微分値）を算出する微分部２０ｌａＢと、その微分値を正規化して正規化値（イオン変化率ともいう）を算出する正規化部２０ｌｅＢと、そのイオン変化率の周波数解析を行う周波数解析部２０ｌｂＢと、その解析結果からイオン変化率振動強度を算出する演算部２０ｌｃＢと、を有している。
点火システムから出力されるイオン電流信号は、イオン電流信号処理部２０ｌＢの微分部２０ｌａＢおよび正規化部２０ｌｄＢに入力される。微分部２０ｌａＢは、予め定められた期間（ノックウインドウ）中のイオン電流信号を微分してイオン微分値を算出し、その算出結果を正規化部２０ｌｅＢへ送信する。正規化部２０ｌｅＢは、微分部２０ｌａＢから送信されたイオン微分値をそれに対応する時間のイオン電流値で除してイオン変化率を算出し、その算出結果を周波数解析部２０ｌｂＢへ送信する。周波数解析部２０ｌｂＢは、正規化部２０ｌｅＢから送信されたイオン変化率をＦＦＴ解析し、その解析結果を演算部２０ｌｃＢへ送信する。演算部２０ｌｃＢは、周波数解析部２０ｌｂＢから送信された解析結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算してイオン変化率振動強度Ｓ４を算出し、その算出結果をノック検出部２０ｍＢへ送信する。
ノック検出部２０ｍＢには、イオン電流信号処理部２０ｌＢで処理された信号（イオン変化率振動強度Ｓ４）の他、エンジンの回転数やトルクが入力されている。ノック検出部２０ｍＢは、入力された回転数やトルクからノック判定閾値（判定閾値）を演算し、そのノック判定閾値とイオン電流信号処理部２０ｌＢから入力された信号（イオン変化率振動強度Ｓ４）を比較することで、ノッキングが発生したか否かを判定する。ノック検出部２０ｍＢは、エンジンにノッキングが発生していることを検出した場合には、ノック判定フラグＦｋを１にセットしてノック回避制御部２０ｎＢへ出力する。
ノック回避制御部２０ｎＢは、ノック検出部２０ｍＢから入力されるノック判定フラグＦｋが１である場合、更なるノックを回避するため、点火システムの点火時期を遅角するように点火出力回路２０ｈＢに指令値を送信する。点火出力回路２０ｈＢは、その指令値に基づいて制御信号を作成し、作成した制御信号を点火システムへ送信してその点火時期を制御する。
図１９は、図１８に示すＥＣＵ（制御装置）によるノック検出フローとノック回避制御フローを具体的に示したものである。なお、図１９に示す制御フローは、ＥＣＵ２０Ｂにより所定の周期で繰り返し実行される。
まず、ＥＣＵ２０Ｂは、Ｓ３０１において、点火システムから出力されるイオン電流信号を読み込む。次いで、ＥＣＵ２０Ｂは、Ｓ３０２において、イオン電流信号処理部２０ｌＢの微分部２０ｌａＢで、予め定められた期間（ノックウインドウ）中のイオン電流信号を微分してイオン微分値を演算する。次いで、ＥＣＵ２０Ｂは、Ｓ３０３において、正規化部２０ｌｅＢで、微分部２０ｌａＢから送信されたイオン微分値をそれに対応する時間のイオン電流値で除してイオン変化率を演算する。次いで、ＥＣＵ２０Ｂは、Ｓ３０４において、周波数解析部２０ｌｂＢで、正規化部２０ｌｅＢから送信されたイオン変化率を周波数（ＦＦＴ）解析する。ここで、Ｓ３０４では、数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの周波数成分を求める必要があるため、Ｓ３０１からＳ３０４までの演算処理は、ＥＣＵ２０Ｂで行なう制御周期（例えば２ｍｓ）よりも遥かに高速で行なう必要がある（例えば数１０μｓ程度）。一方、以下のＳ３０５からＳ３０９までの演算処理は、ＥＣＵ２０Ｂで行なう制御周期（例えば２ｍｓ）で実施される。
ＥＣＵ２０Ｂは、Ｓ３０５において、演算部２０ｌｃＢで、周波数解析部２０ｌｂＢから送信された解析結果のうちノック周波数帯の信号レベルを積算してイオン変化率振動強度Ｓ４を演算し、その演算結果をノック検出部２０ｍＢへ送信する。次いで、ＥＣＵ２０Ｂは、Ｓ３０６において、エンジンの回転数ＮｅおよびトルクＴを読み込み、Ｓ３０７において、ノック検出部２０ｍＢで、運転条件毎に設定されるノック判定閾値Ｓ０４を演算する。次いで、ＥＣＵ２０Ｂは、Ｓ３０８において、演算部２０ｌｃＢから送信されたイオン変化率振動強度Ｓ４がノック判定閾値Ｓ０４よりも大きいか否かを比較し、Ｓ４≦Ｓ０４である場合はノッキングが発生していないと判定して一連の制御を終了する。一方で、Ｓ４＞Ｓ０４である場合は、ノッキングが発生していると判定し、Ｓ３０９において、ノック回避制御部２０ｎＢで、点火システムの点火時期が現在値よりも遅角側となるように当該点火システムの点火時期を制御する。
このように、本実施形態３によれば、イオン電流信号の変化量としての微分値をイオン電流値で予め正規化した正規化値としてのイオン変化率を利用してエンジンのノッキング発生を検出することにより、ノック発生時のイオン電流信号の絶対値に関わらず、イオン電流信号の絶対値の影響を除去しながらそのイオン電流信号からノック振動成分を確実に且つ精緻に抽出することができ、エンジンのノッキング発生をより一層精緻に検出することができる。また、その検出結果に基づいて点火時期を制御してノック回避制御を実施することにより、エンジンの燃焼状態を更に精緻に制御することができる。
なお、上記する実施形態１〜３では、燃焼時に発生するイオン電流を検出するイオン電流値検出部が点火システムに設けられる形態について説明したが、イオン電流値検出部の配置位置は適宜変更することができる。
また、上記する実施形態１〜３では、周波数解析として主にＦＦＴ解析を行う形態について説明したが、内燃機関の燃焼状態を検出できれば適宜の解析方法を適用することができる。
また、上記する実施形態１〜３では、内燃機関の燃焼状態を判定基準として主にイオン微分値振動強度や、イオン微分値振動強度をイオン積分値で除して得た値、イオン変化率振動強度を用いる形態について説明したが、内燃機関の燃焼状態を判定できればそれらに代えて適宜の判定基準を適用することができる。
なお、本発明は上記した実施形態１〜３に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態１〜３は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１…エアフローセンサ
２…電子制御スロットル
３…燃料噴射装置
４…点火システム
４ａ…点火プラグ
４ｂ…二次点火コイル
４ｃ…一次点火コイル
４ｄ…キャパシタ
４ｅ…ツェナーダイオード
４ｆ…電圧変換用抵抗
４ｉ…イグナイタ
５…可変バルブ
５ａ…吸気バルブ可変装置
５ｂ…排気バルブ可変装置
６…吸気管
７…シリンダヘッド
８…排気管
９…空燃比センサ
１０…三元触媒
１１…排気温度センサ
１２…燃焼室
１３…クランク角度センサ
１４…冷却水温度センサ
１５…吸気温度センサ
１６…アクセル開度センサ
１７…高圧燃料ポンプ
１８…燃料圧力センサ
２０…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）（制御装置）
２０ａ…入力回路
２０ｂ…入出力ポート
２０ｃ…ＲＡＭ
２０ｄ…ＲＯＭ
２０ｅ…ＣＰＵ
２０ｆ…電子制御スロットル駆動回路
２０ｇ…インジェクタ駆動回路
２０ｈ…点火出力回路
２０ｊ…可変バルブ駆動回路
２０ｋ…高圧燃料ポンプ駆動回路
２０ｌ…イオン電流信号処理部
２０ｌａ…微分部
２０ｌｂ…周波数解析部
２０ｌｃ…演算部
２０ｌｄＡ…積分部
２０ｌｅＡ…正規化部
２０ｍ…ノック検出部（検出部）
２０ｎ…ノック回避制御部
２１…吸気圧センサ
４１…火花点火部
４２…イオン電流値検出部
１００…エンジン（内燃機関）

Claims (6)

  1. 燃焼時におけるイオン電流値を検出するイオン電流値検出部を備えた内燃機関の制御装置であって、
    前記制御装置は、前記イオン電流値を信号処理するイオン電流信号処理部と、該イオン電流信号処理部による処理結果に基づいて前記内燃機関の燃焼状態を検出する検出部と、を備え、
    前記イオン電流信号処理部は、前記イオン電流値の微分値を算出する微分部と、前記微分値の周波数解析を行う周波数解析部とを有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記イオン電流信号処理部は、前記イオン電流値の積分値を算出する積分部と、前記周波数解析部による解析結果と前記積分値とを用いて正規化値を算出する正規化部と、を更に有することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記正規化部は、前記周波数解析部による解析結果を前記積分値で除して前記正規化値を算出することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 燃焼時におけるイオン電流値を検出するイオン電流値検出部を備えた内燃機関の制御装置であって、
    前記制御装置は、前記イオン電流値を信号処理するイオン電流信号処理部と、該イオン電流信号処理部による処理結果に基づいて前記内燃機関の燃焼状態を検出する検出部と、を備え、
    前記イオン電流信号処理部は、前記イオン電流値の微分値を算出する微分部と、前記イオン電流値と前記微分値とから正規化値を算出する正規化部と、前記正規化値の周波数解析を行う周波数解析部と、を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  5. 前記正規化部は、前記微分値を該微分値に対応する時間の前記イオン電流値で除して前記正規化値を算出することを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記検出部は、前記内燃機関の回転数及びトルクから得られる判定閾値を用いて前記内燃機関の燃焼状態を検出することを特徴とする、請求項１又は４に記載の内燃機関の制御装置。
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