JP6381726B1

JP6381726B1 - 内燃機関の異常燃焼検出装置

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Publication number: JP6381726B1
Application number: JP2017080272A
Authority: JP
Inventors: 井上　純一; 純一井上; 裕平松嶋; 敏克齋藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2037-04-14
Also published as: CN108730057A; DE102017222741B4; US10451024B2; JP2018178868A; US20180298871A1; DE102017222741A1; CN108730057B

Abstract

【課題】ノックとプリイグニッションの振動の大きさと発生時期が同じような場合であっても、プリイグニッションを助長させずに、ノックとプリイグニッションを特定する。【解決手段】ノックかプリイグニッションかを特定できない異常燃焼を検出した場合、点火時期を進角させ、その際、異常燃焼強度が増加していけばノックと判定し、点火時期と異常燃焼発生時期との差が拡大していけばプリイグニッションと判定する。【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関で発生するノック、プリイグニッションによる異常燃焼を検出する内燃機関の異常燃焼検出装置に関するものである。

従来から、内燃機関（以下、エンジンとも言う。）にて発生する異常燃焼の一つであるノックをノックセンサにて検出する方法が知られている。エンジンの運転中にノックが発生すると、エンジンやノックの振動モードに応じて固有の周波数帯の振動が発生することが知られており、ノック検出はこの固有周波数の振動強度を測定することにより行われている。

ノックによる異常燃焼は、次のようなものである。
まず、点火プラグによる火花点火後、点火プラグを中心に火炎が広がる。この際、点火プラグから遠い場所にある未燃焼の混合気（エンドガス）が、ピストンやシリンダ壁面に押しつけられて高温・高圧となる。この結果、エンドガスが自己着火した際に衝撃波が発生する。これにより、筒内圧力やエンジンブロックの振動、金属音が発生すると考えられている。

エンジンにて発生する他の異常燃焼として、プリイグニッション（以下、プリイグとも言う。）も知られている。プリイグと呼ばれる異常着火は、例えば、次の２つの場合が考えられる。
まず第１に、点火プラグや筒内のデポジットが高温になり、これが熱源となって着火に至る場合が考えられる。また第２に、圧縮比が高い際に、圧縮行程で混合気が高温・高圧になって自己着火に至る場合が考えられる。このような場合でも、筒内圧力やエンジンブロックの振動、金属音を伴う場合がある。

近年導入が進んでいる低速領域で高出力化した直噴ターボエンジンにおいては、低速領域で発生するプリイグが問題となっており、低速プリイグニッション（LSPI：Low Speed Pre-Ignition）と称されている。

プリイグが発生した場合も、エンジン振動を伴う場合があるため、前述のノック検出方法を応用して、プリイグを検出する方法が提案されている。その方法として、例えば特開２０１３−１６０２００号公報（特許文献１）、特開２０１３−１４２３３３号公報（特許文献２）に開示されているように、異常燃焼の振幅の大きさと発生時期に基づいて、プリイグを検出する方法が知られている。

ノックを抑制する方法としては、一般的には、例えば特開２００２−３５７１５６号公報（特許文献３）に開示されているように、点火時期を遅角する方法が知られている。また、プリイグを抑制する方法としては、例えば特開平０８−３１９９３１号公報（特許文献４）、特開昭６１−１８７５５８号公報（特許文献５）、特開２０１５−０１４２２９号公報（特許文献６）に開示されているように、吸気量を低下させる方法、燃料噴射量を増量させる方法、燃料噴射量の増量と点火時期の進角を組み合わせた方法が知られている。

特開２０１３−１６０２００号公報特開２０１３−１４２３３３号公報特開２００２−３５７１５６号公報特開平０８−３１９９３１号公報特開昭６１−１８７５５８号公報特開２０１５−０１４２２９号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような課題がある。即ち、異常燃焼の振動の大きさと発生時期に基づいてプリイグを検出する従来の方法では、制御上発生し得るノックよりも大きい振動のプリイグを検出するようにしているが、プリイグ発生時の振幅は大小様々であり、振動の大きさと発生時期が、ノックと同じような場合のプリイグは検出できず、プリイグをノックと誤判定してしまう。ノックと誤判定して点火時期を遅角すると燃焼効率低下に伴い排出ガスの温度が上昇し、筒内温度の上昇につながる。筒内温度が上昇すると、次の圧縮行程でプリイグが発生しやすい状態になり、プリイグを助長してしまうという問題があった。更に、ノックと誤判定している間、点火時期を遅角し続けるため大幅にトルクダウンし続けるという問題があった。

また、上記プリイグを抑制する従来の方法は、ノックの抑制にも有効な方法ではあるが、点火時期の遅角により出力低下や燃費の悪化を伴うため、通常運転状態で頻発するノックの抑制には積極的に実施できず、プリイグ確定後に実施せざるを得ないという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ノックとプリイグニッションの振動の大きさと発生時期が同じような場合であっても、プリイグニッションを助長させずに、ノックとプリイグニッションを特定することができる内燃機関の異常燃焼検出装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る内燃機関の異常燃焼検出装置は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置と、上記運転状態検出装置からの出力信号に基づいて上記内燃機関を制御する制御装置と、を有し、上記制御装置は、
上記運転状態に応じて点火時期を制御する点火時期制御部と、上記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出部と、上記内燃機関に設けられた燃焼状態検出装置の出力信号に基づいて異常燃焼振動の大きさを求める異常燃焼振動算出部と、上記内燃機関に設けられた燃焼状態検出装置の出力信号に基づいて異常燃焼振動発生時期を求める異常燃焼振動発生時期算出部と、上記点火時期から上記異常燃焼振動発生時期までの異常燃焼相対発生期間を算出する異常燃焼相対発生期間算出部と、上記異常燃焼振動の大きさが予め設定した異常燃焼判定閾値を超えた時に異常燃焼が発生したことを検出する異常燃焼検出部と、上記異常燃焼振動の大きさが上記異常燃焼判定閾値を超えた量をノック強度と算出するノック強度算出部と、上記異常燃焼振動発生時期に基づいて、ノック、プリイグニッション、又は非特定異常燃焼のいずれであるかを判定する異常燃焼種別判定部と、上記異常燃焼種別判定部により、上記非特定異常燃焼と判定された場合に、上記運転状態に応じて設定されている点火時期を進角し、点火時期を進角した際に、ノック強度が増加したときはノックと判定し、上記異常燃焼相対発生期間が拡大したときはプリイグニッションと判定する非特定異常燃焼種別判定部と、を備えたことを特徴とする。

この発明に係る内燃機関の異常燃焼検出装置によれば、上記構成により、ノックかプリイグニッションかを特定できない異常燃焼を検出した場合、プリイグニッションを助長させてしまう点火時期の遅角はせずに進角する。その際、異常燃焼の振動の大きさが増加す
ればノックと判定でき、点火時期と異常燃焼発生時期の期間が拡大していけばプリイグニッションと判定することができる。よって、プリイグニッションを助長させることなくノックとプリイグニッションを特定することができる。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の概略構成図である。この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置のブロック図である。この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置のハードウェア構成図である。この発明の実施の形態１に係るノック発生時の点火時期進角前のノックセンサ信号の変化を説明するタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係るノック発生時の点火時期進角後のノックセンサ信号の変化を説明するタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係るプリイグニッション発生時の点火時期進角前のノックセンサ信号の変化を説明するタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係るプリイグニッション発生時の点火時期進角後のノックセンサ信号の変化を説明するタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置の処理を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る非特定異常燃焼種別判定部の処理を説明するフローチャートである。

以下、この発明に係る内燃機関の異常燃焼検出装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図において同一または相当部分には、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る内燃機関１の概略構成図である。なお、内燃機関１は、複数のシリンダ２及びピストン３を備えているが、図１には便宜上、１つのシリンダ２及び１つのピストン３のみを示している。内燃機関１及び後述する制御装置４は車両に搭載され、内燃機関１は車両（車輪）の駆動力源となる。

１．内燃機関１の構成
まず、内燃機関１の構成について説明する。内燃機関１は、空気と燃料の混合気を燃焼するシリンダ２を有している。内燃機関１は、シリンダ２に空気を供給する吸気路５と、シリンダ２で燃焼した排気ガスを排出する排気路６とを備えている。内燃機関１は、吸気路５を開閉するスロットルバルブ７を備えている。スロットルバルブ７は、制御装置４により制御される電気モータ（図示せず）により開閉駆動される電子制御式スロットルバルブで構成されている。スロットルバルブ７には、スロットルバルブ７の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ８が設けられている。

吸気路５の最上流部には、吸気路５に吸入された空気を浄化するエアクリーナ９が設けられている。スロットルバルブ７の上流側の吸気路５には、吸気路５に吸入される吸入空気流量に応じた電気信号を出力するエアフローセンサ１０が設けられている。スロットルバルブ７の下流側の吸気路５の部分は、吸気マニホールド１１とされており、複数のシリンダ２に連結されている。吸気マニホールド１１の上流側の部分は、吸気脈動を抑制するサージタンクとされている。

吸気マニホールド１１には、吸気マニホールド１１内の気体の圧力であるマニホールド
圧に応じた電気信号を出力するマニホールド圧センサ１２が設けられている。なお、エアフローセンサ１０及びマニホールド圧センサ１２の何れか一方のみが設けられてもよい。吸気マニホールド１１の下流側の部分には、燃料を噴射するインジェクタ１３が設けられている。なお、インジェクタ１３は、シリンダ２内に直接燃料を噴射するように設けられてもよい。

シリンダ２の頂部には、空気と燃料の混合気に点火する点火プラグ１４と、点火プラグ１４に点火エネルギーを供給する点火コイル１５が設けられている。また、シリンダ２の頂部には、吸気路５からシリンダ２内に吸入される吸入空気量を調節する吸気バルブ１６と、シリンダ２内から排気路６に排出される排気ガス量を調節する排気バルブ１７が設けられている。吸気バルブ１６には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする吸気可変バルブタイミング機構が設けられている。吸気可変バルブタイミング機構は、吸気バルブ１６の開閉タイミングを変化させる電動アクチュエータ（図示せず）を有している。

内燃機関１のクランク軸には、外周に予め定められた角度間隔で複数の歯が設けられた信号プレートが設けられている。クランク角センサ１８は、クランク軸の信号プレートの歯に対向してシリンダブロックに固定されており、歯の通過に同期したパルス信号を出力する。図示は省略するが、内燃機関１のカム軸には、外周に予め定められた角度間隔で複数の歯が設けられた信号プレートが設けられている。カム角センサ１９は、カム軸の信号プレートの歯に対向して固定されており、歯の通過に同期したパルス信号を出力する。

制御装置４は、クランク角センサ１８及びカム角センサ１９の２種類の出力信号に基づいて、クランク角度検出部（図示せず）により各ピストン３の上死点を基準としたクランク角度を検出すると共に、各シリンダ２の行程を判別する。

シリンダブロックには燃焼状態検出装置として機能するノックセンサ２０が固定されている。ノックセンサ２０は圧電素子等により構成されており、内燃機関１の振動に応じた信号（振動波形信号）を出力する。

２．制御装置４の構成
次に、制御装置４について説明する。制御装置４は、内燃機関１を制御対象とする制御装置である。図２のブロック図に示すように、制御装置４は、ノック信号算出部４ａ、異常燃焼検出部であるノック判定閾値算出部４ｂ、ノック強度算出部４ｃ、異常燃焼種別判定部４ｄ、非特定異常燃焼種別判定部４ｅ、プリイグ制御部４ｆ、及びノック制御部４ｇを含む制御部を備えている。制御装置４の各制御部４ａ〜４ｇ等は、制御装置４が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置４は、図３に示すように処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置（コンピュータ）３０、演算処理装置３０とデータのやり取りをする記憶装置３１、演算処理装置３０に外部の信号を入力する入力回路３２、及び演算処理装置３０から外部に信号を出力する出力回路３３を含んで構成されている。

記憶装置３１には、演算処理装置３０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）３１ａや、演算処理装置３０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）３１ｂ等が備えられている。入力回路３２には、各種のセンサやスイッチが接続され、これらセンサやスイッチの出力信号を演算処理装置３０に入力するＡ／Ｄ変換器（図示せず）等を備えている。出力回路３３には、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置３０から制御信号を出力する駆動回路（図示せず）等を備えている。

そして、制御装置４が備える各制御部４ａ〜４ｇ等の各機能は、演算処理装置３０が、
ＲＯＭ３１ｂ等の記憶装置３１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置３１、入力回路３２、出力回路３３等の制御装置４の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部４ａ〜４ｇ等が用いる閾値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ３１ｂ等の記憶装置３１に記憶されている。

本実施の形態では、入力回路３２には、エアフローセンサ１０、スロットル開度センサ８、マニホールド圧センサ１２、クランク角センサ１８、カム角センサ１９、ノックセンサ２０、及びアクセルポジションセンサ３４等の内燃機関１の運転状態を検出する運転状態検出装置が接続されている。出力回路３３には、スロットルバルブ７（電気モータ）、インジェクタ１３、吸気可変バルブタイミング機構で構成された吸気バルブ１６、及び点火コイル１５等が接続されている。なお、制御装置４には図示していない各種のセンサ、スイッチ、及びアクチュエータ等も接続されている。

制御装置４は、エアフローセンサ１０又はマニホールド圧センサ１２の出力信号等に基づいて吸入空気量を検出し、スロットル開度センサ８の出力信号に基づいてスロットル開度を検出し、アクセルポジションセンサ３４の出力信号に基づいてアクセル開度を検出する。制御装置４は、クランク角センサ１８及びカム角センサ１９の出力信号に基づいてクランク軸の角度及び回転速度、並びに吸気バルブ１６の開閉タイミングを検出する。

制御装置４は、基本的な制御として、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、燃料噴射量、点火時期等を算出し、インジェクタ１３及び点火コイル１５等を駆動制御する。制御装置４は、アクセル開度等に基づいて、運転者が要求している内燃機関１の出力トルクを算出し、当該要求出力トルクを実現する吸入空気量となるように、スロットルバルブ７等を制御する。
具体的には、制御装置４は、目標スロットル開度を算出し、スロットル開度が目標スロットル開度に近づくように、スロットルバルブ７の電気モータを駆動制御する。また、制御装置４は、内燃機関１のクランク軸の回転速度及び吸入空気量等に基づいて吸気バルブ１６の目標開閉タイミングを算出し、吸気バルブ１６の開閉タイミングが目標開閉タイミングに近づくように、吸気可変バルブタイミング機構の電動アクチュエータを駆動制御する。このように、制御装置４は、点火時期を制御する点火時期制御部（図示せず）を備えている。

＜ノック信号算出部４ａの構成＞
次に、ノック信号算出部４ａについて説明する。ノック信号算出部４ａは、内燃機関１の燃焼状態に応じた信号を出力する燃焼状態検出装置の出力信号に基づいて、ノックの特徴成分を表すノック信号ＫＮＫを算出する。本実施の形態では、燃焼状態検出装置はノックセンサ２０とされている。
ノック信号算出部４ａは、図２に示すように、ノックセンサ２０の出力信号から高周波のノイズ成分を除去するノイズ除去ローパスフィルタ４０ａと、ノイズ除去ローパスフィルタ４０ａの出力値を演算処理装置３０に入力するＡ／Ｄ変換器４０ｂと、演算処理装置３０においてＡ／Ｄ変換値に対してデジタル信号処理を行うデジタル信号処理部４０ｃを備えている。ノイズ除去ローパスフィルタ４０ａ及びＡ／Ｄ変換器４０ｂは、入力回路３２を構成する。

ノイズ除去ローパスフィルタ４０ａは、前述したように、ノックセンサ２０から出力された内燃機関１の振動波形信号を受け、その振動波形信号から高周波ノイズ成分を除去する。ノイズ除去ローパスフィルタ４０ａは、フィルタ前、又は後の信号に対して、２．５［Ｖ］のバイアス電圧を加えるように構成されており、フィルタの出力信号が、２．５［Ｖ］を中心に０［Ｖ］〜５［Ｖ］の範囲で振動し、全振幅がＡ／Ｄ変換器４０ｂにより変換されるようにされている。また、ノイズ除去ローパスフィルタ４０ａには、信号の振幅が小さい場合は、信号を２．５［Ｖ］を中心に増幅し、信号の振幅が大きい場合には、信号を２．５［Ｖ］を中心に減少させるゲイン変換機能も有している。

Ａ／Ｄ変換器４０ｂは、ノイズ除去ローパスフィルタ４０ａから出力されたアナログ信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換する。このＡ／Ｄ変換は、一定の時間間隔、例えば１０［μｓ］又は２０［μｓ］等毎に実行される。

なお、Ａ／Ｄ変換器４０ｂは、常時、Ａ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換後のデータの内、ノックの発生期間に対応したノック検出期間（例えば、ピストンの上死点（ＴＤＣ：Top Death Center）から上死点後（ＡＴＤＣ：After Top Death Center）５０°ＣＡ）のデータのみをデジタル信号処理部４０ｃに伝達する。或いは、Ａ／Ｄ変換器４０ｂは、ノック検出期間のみＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換後のデータをデジタル信号処理部４０ｃに伝達するようにしてもよい。

デジタル信号処理部４０ｃは、Ａ／Ｄ変換器４０ｂから入力されたデジタル信号に対して、時間・周波数解析を行なう。例えば、デジタル信号処理部４０ｃは、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、又は短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）等の処理により、所定時間毎のノック固有周波数成分のスペクトル列を算出する。或いは、デジタル信号処理部４０ｃは、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタ、又は有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ等を用いてノック固有周波数成分を抽出してもよい。デジタル信号処理部４０ｃは、スペクトル列のピーク値をノック信号ＫＮＫとして算出する。なお、デジタル信号処理部４０ｃは、スペクトル列の平均値をノック信号ＫＮＫとして算出してもよい。また、デジタル信号処理部４０ｃは、算出されたノック信号ＫＮＫのクランク角度を異常燃焼発生時期ＰＫＮＫとして算出する。なお、異常燃焼発生時期は、振動位置を表す値として振動の立ち上がり位置等を用いてもよい。このように、デジタル信号処理部４０ｃは、ノックセンサ２０の出力信号に基づいて異常燃焼振動の大きさを求める異常燃焼振動算出部と、異常燃焼振動発生時期を求める異常燃焼振動発生時期算出部と、点火時期と異常燃焼発生時期との相対期間を算出する異常燃焼相対発生期間算出部として機能する。

ノック信号ＫＮＫ及び異常燃焼発生時期ＰＫＮＫを用いるノック判定閾値算出部４ｂ、ノック強度算出部４ｃ、異常燃焼種別判定部４ｄの処理は、予め設定されたクランク角度に同期する割り込み処理（例えば、上死点前（ＢＴＤＣ：Before Top Death）７５°ＣＡの割り込み処理）で実施される。そのため、デジタル信号処理部４０ｃは、ノック判定閾値算出部４ｂ等の割り込み処理の開始までに処理を終了する。

＜ノック判定閾値算出部４ｂの構成＞
次に、ノック判定閾値算出部４ｂについて説明する。ノック判定閾値算出部４ｂは、ノック信号算出部４ａで算出されたノック信号ＫＮＫに対して、次式（１）に示すように、なまし処理を行って平均化したバックグラウンドレベルＢＧＬを算出する。なお、以下に記載されている「（ｎ）」は、今回の割り込み処理で算出される値を示し、「（ｎ−１）」は、前回の割り込み処理で算出された値を示す。
ＢＧＬ（ｎ）＝Ｋ×ＢＧＬ（ｎ−１）＋（１−Ｋ）×ＫＮＫ（ｎ）・・・（１）
続いて、バックグラウンドレベルＢＧＬに基づいてノック判定閾値ＴＨを算出する。本実施の形態では、ノック判定閾値算出部４ｂは、次式（２）に示すように、バックグラウンドレベルＢＧＬに、閾値算出係数Ｋｔｈを乗算した値を、ノック判定閾値ＴＨとして算出する。
ＴＨ（ｎ）＝Ｋｔｈ×ＢＧＬ（ｎ）・・・（２）
閾値算出係数Ｋｔｈは、ノックの発生強度の判定結果が適切になるように適合される値であり、例えば、「３」程度の値が設定される。

＜ノック強度算出部４ｃの構成＞
次に、ノック強度算出部４ｃについて説明する。ノック強度算出部４ｃは、ノック信号ＫＮＫ及びノック判定閾値ＴＨに基づいてノックの発生強度ＩＫＮＫを判定する。本実施の形態では、ノック強度算出部４ｃは、次式（３）に示すように、ノック信号ＫＮＫからノック判定閾値ＴＨを減算した値を、バックグラウンドレベルＢＧＬで除算した値を、ノックの発生強度ＩＫＮＫとして算出する。このように、減算値がバックグラウンドレベルＢＧＬにより除算され、正規化されている。
ＩＫＮＫ（ｎ）＝（ＫＮＫ−ＴＨ（ｎ））／ＢＧＬ（ｎ）・・・（３）
ノック信号ＫＮＫがノック判定閾値ＴＨを超過し、ノックの発生強度ＩＫＮＫが正の値になるとノックが発生したことを表し、ノック信号ＫＮＫがノック判定閾値ＴＨを超過した超過量に比例してノックの発生強度ＩＫＮＫが大きくなる。

＜異常燃焼種別判定部４ｄの構成＞
次に、異常燃焼種別判定部４ｄについて説明する。異常燃焼種別判定部４ｄは、異常燃焼発生時期ＰＫＮＫに基づいてノック、プリイグ又は非特定異常燃焼のいずれかを判定する。本実施の形態では、ノックは点火火花により発生する異常燃焼であるため、ノックを検出するクランク期間を点火時期以降に設定する。また、プリイグは点火火花よりも前に自着火することによる異常燃焼であるが、異常燃焼時のノックセンサ振動のタイミングは点火時期よりも遅角側で発生する場合も有り得るため、プリイグを検出するクランク期間は点火時期よりも遅角側に設定する。ノックとプリイグの検出期間は重複するため、ノックとプリイグの検出期間が重複しないノック検出期間をノック検出単独期間、プリイグ検出期間をプリイグ検出単独期間、ノックとプリイグの検出期間が重複する期間をノック／プリイグ検出重複期間とする。

異常燃焼発生時期ＰＫＮＫがノック検出単独期間内である場合はノックと判定し、プリイグ検出単独期間内である場合はプリイグと判定する。異常燃焼発生時期ＰＫＮＫがノックとプリイグの検出重複期間にある場合は、ノックかプリイグかを特定できないため、非特定異常燃焼と判定する。なお、プリイグは低回転高負荷で発生しやすいため、予め設定した低回転高負荷域のみ、プリイグを検出する期間を設けてもよい。

＜非特定異常燃焼種別判定部４ｅの構成＞
次に、非特定異常燃焼種別判定部４ｅについて説明する。非特定異常燃焼種別判定部４ｅは、異常燃焼が非特定異常燃焼である場合、点火時期を進角できるかどうかを判定し、点火時期が進角できると判定した場合に点火時期を進角する。本実施の形態では、ノック強度ＩＫＮＫが予め設定した閾値以下かどうかを判定し、ノック強度ＩＫＮＫが閾値以下である場合は、点火時期を進角させる。閾値は例えばノック制御範囲の最大値を設定し、閾値以上の場合はプリイグと判定して後述するプリイグ制御部４ｆに記載の方法でプリイグ制御を実施してもよい。なお、点火時期の進角は例えばＭＢＴまで進角してもいいし、予め設定した進角量までとしてもよい。

ここで、図４Ａ、図４Ｂ及び図５Ａ、図５Ｂを用いて、点火時期を進角させたときのノックおよびプリイグのノックセンサ信号の挙動の変化について説明する。
図４Ａ、図４Ｂは異常燃焼がノックであった場合に点火時期を進角させたときのノック信号の変化を示している。図４Ａは点火時期進角前を示し、図４Ｂは点火時期進角後を示し、ノックは点火火花に起因した異常燃焼であるため、点火時期を進角すると異常燃焼発生時期も進角し、ノック強度ＩＫＮＫも増加していく。

図５Ａ、図５Ｂは異常燃焼がプリイグであった場合に点火時期を進角させたときのノック信号の変化を示している。図５Ａは点火時期進角前を示し、図５Ｂは点火時期進角後を
示し、プリイグの着火源は点火火花でないため点火時期を進角してもノック信号は変化しない。つまり、ノック強度ＩＫＮＫは変化せず、異常燃焼発生時期も変化しないため、点火時期と異常燃焼発生時期の差が拡大していく。
よって、点火時期を進角させたときにノック強度ＩＫＮＫが増加していけばノックと判定することができ、点火時期と異常燃焼発生時期の差が拡大するとプリイグと判定することができる。

次に、点火時期を進角させたときの具体的な処理について説明する。まず点火時期を進角する前のノック強度ＩＫＮＫを初期ノック強度ＩＫＮＫ０、点火時期θＩＧと異常燃焼発生時期ＰＫＮＫとの差である異常燃焼相対発生期間ＤＰＫＮＫを初期異常燃焼相対発生期間ＤＰＫＮＫ０として記憶する。
ＩＫＮＫ０＝ＩＫＮＫ・・・（４）
ＤＰＫＮＫ０＝ＤＰＫＮＫ・・・（５）
∵ＤＰＫＮＫ＝ＰＫＮＫ−θＩＧ

次に、点火時期を進角させたときのノック強度ＩＫＮＫと初期ノック強度ＩＫＮＫ０との偏差ΔＩＫＮＫと、点火時期を進角させたときの異常燃焼相対発生期間ＤＰＫＮＫと初期異常燃焼相対発生期間ＤＰＫＮＫ０の偏差ΔＤＰＫＮＫを算出する。
ΔＩＫＮＫ＝ＩＫＮＫ−ＩＫＮＫ０・・・（６）
ΔＤＰＫＮＫ＝ＤＰＫＮＫ−ＤＰＫＮＫ０・・・（７）

点火時期を進角させたときの偏差ΔＩＫＮＫが予め設定した閾値以上の場合、ノックであると判定し、非特定異常燃焼の判定が継続している間は点火時期を保持したままとする。点火時期の進角により、プリイグからノックに移り変わっていた場合、ノック判定により点火時期を遅角すると再度プリイグが発生する状態となるため、後述するノック制御部４ｇの点火時期の遅角は実施しない。

次に、点火時期を進角させたときの偏差ΔＤＰＫＮＫが予め設定した所定値以上の場合、プリイグと判定し、非特定異常燃焼制御による点火進角を解除し、例えば後述するプリイグ制御部４ｆに記載の方法でプリイグを抑制する。
以上により、プリイグを助長させることなくノックとプリイグを特定することができ、各異常燃焼に応じた制御を実施することができる。

＜プリイグ制御部４ｆの構成＞
次に、プリイグ制御部４ｆについて説明する。プリイグ制御部４ｆは、プリイグ判定時にプリイグの発生が抑制されるように内燃機関１の制御パラメータを変化させる。本実施の形態では、プリイグ制御部４ｆは、内燃機関１の制御パラメータとして、燃料噴射の増量と有効圧縮比を変化させるように構成されている。プリイグを抑制するには筒内の温度を低下させることが有効であるため、筒内温度を低下させるための方法としては、吸気量の減少や有効圧縮比の低下による圧縮行程時の筒内温度の低減が、燃料の増量や燃料噴射タイミングの遅角による筒内冷却が有効のためである。プリイグ制御部４ｆは、プリイグ回避のための目標噴射量および目標有効圧縮比の算出を行い、制御装置４は、目標噴射量に基づいて、インジェクタ１３の駆動制御を行い、目標有効圧縮比に基づいて、吸気バルブ１６における吸気可変バルブタイミング機構の電動アクチュエータを駆動制御する。

＜ノック制御部４ｇの構成＞
次に、ノック制御部４ｇについて説明する。ノック制御部４ｇは、ノックの発生強度ＩＫＮＫに応じて、ノックの発生が抑制されるように内燃機関１の制御パラメータを変化させる。本実施の形態では、ノック制御部４ｇは、内燃機関１の制御パラメータとして、点火時期を変化させるように構成されている。ノック制御部４ｇは、次式（８）に示すよう
に、ノックの発生強度ＩＫＮＫが正であり、ノックが発生していると判定する場合は、ノックの発生強度ＩＫＮＫに、予め設定された遅角量算出係数Ｋｇ及び−１を乗算した値を、予め設定された最大遅角量ΔθＲｍｉｎで下限制限した値を、遅角更新量ΔθＲとして算出する。遅角更新量ΔθＲは負の値になる。一方、ノック制御部４ｇは、次式（９）に示すように、ノックの発生強度ＩＫＮＫが負であり（本例では０以下）、ノックが発生していないと判定する場合は、遅角更新量ΔθＲに０を設定する。
ここで、ｍａｘ｛Ａ，Ｂ｝は、ＡとＢとの最大値を出力する関数である。
ＩＫＮＫ＞０・・・（８）
ΔθＲ（ｎ）＝ｍａｘ｛−Ｋｇ×ＩＫＮＫ（ｎ），ΔθＲｍｉｎ｝
ＩＫＮＫ≦０・・・（９）
ΔθＲ（ｎ）＝０

そして、ノック制御部４ｇは、次式（１０）に示すように、割り込み処理毎に、遅角更新量ΔθＲを積算して、遅角補正量θＲを算出する。
θＲ（ｎ）＝ｍｉｎ｛θＲ（ｎ−１）＋ΔθＲ（ｎ）＋Ｋａ，θＲｍａｘ｝
・・・（１０）
ここで、Ｋａは、予め設定された進角側の復帰量であり、ノックの発生強度ＩＫＮＫが負であり、ノックが発生していないと判定されている場合（ΔθＲ（ｎ）＝０）に、遅角補正量θＲを進角側に次第に復帰させる。θＲｍａｘは、予め設定された進角側の最大値であり、遅角補正量θＲの上限制限値である。ｍｉｎ｛Ａ，Ｂ｝は、ＡとＢとの最小値を出力する関数である。

ノック制御部４ｇは、次式（１１）に示すように、基本点火時期θＢに遅角補正量θＲを加算した値を、最終点火時期θＩＧに設定する。
θＩＧ（ｎ）＝θＢ（ｎ）＋θＲ（ｎ）・・・（１１）
基本点火時期θＢは、内燃機関１の回転速度、充填効率、及び排気ガス再循環量等の内燃機関１の運転条件に基づいて算出された基本の点火時期であり、通常、トルクが最大になる点火時期とされる。制御装置４は、最終点火時期θＩＧ及びクランク角度に基づいて、点火コイル１５への通電制御を行う。

実施の形態１に係る制御装置４は、上記のように構成されており、次に、その概略的な処理の手順（内燃機関１の制御方法）について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。
図６のフローチャートの処理は、演算処理装置３０が記憶装置３１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行することにより、所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

図６のステップＳ６０１で、ノック信号算出部４ａは、上記のように、内燃機関１の燃焼状態に応じた信号を出力する燃焼状態検出装置（本例では、ノックセンサ２０）の出力信号に基づいてノックの特徴成分を表すノック信号ＫＮＫおよび異常燃焼発生時期ＰＫＮＫを算出するノック信号算出処理（ノック信号算出ステップ）を実行する。

次に、ステップＳ６０２で、ノック強度算出部４ｃは、上記のように、ノック信号ＫＮＫ及びノック判定閾値ＴＨに基づいてノックの発生強度ＩＫＮＫを算出するノック強度算出処理（ノック強度算出ステップ）を実行する。

ステップＳ６０３で異常燃焼種別判定部４ｄは、上記のように、ノック強度ＩＫＮＫが算出された場合（ＩＫＮＫ＞０）、異常燃焼の発生時期ＰＫＮＫに応じて、異常燃焼の種別をノック、プリイグ、又は非特定異常燃焼を判定する処理（異常燃焼種別特定処理ステップ）を実行する。

ステップＳ６０４で、非特定異常燃焼種別判定部４ｅは、上記のように、非特定異常燃焼と判定された場合、点火時期を進角させて、ノック強度ＩＫＮＫの偏差ΔＩＫＮＫと、異常燃焼相対発生期間ＤＰＫＮＫの偏差ΔＤＰＫＮＫに基づいて、ノックかプリイグかを判定する。ノックと判定した場合は点火時期を保持し、プリイグと判定した場合は点火時期の進角を解除する非特定異常燃焼制御処理（非特定異常燃焼制御ステップ）を実行する。

ステップＳ６０５で、ノック制御部４ｇは、上記のように、ノックと判定された場合は、ノックの発生強度ＩＫＮＫに応じて、ノックの発生が抑制されるように内燃機関１の制御パラメータ（本例では、点火時期）を変化させるノック制御処理（ノック制御ステップ）を実行する。

ステップＳ６０６で、プリイグ制御部４ｆは、上記のように、異常燃焼がプリイグと判定された場合は、プリイグの発生が抑制されるように内燃機関１の制御パラメータ（本例では、燃料噴射、吸気バルブ１６の吸気可変バルブタイミング機構）を変化させるプリイグ制御処理（プリイグ制御ステップ）を実行する。

続いて、ステップＳ６０４における非特定異常燃焼制御処理のより詳細な処理を、図７のフローチャートに示す。
図７のステップＳ７０１で非特定異常燃焼かどうかを判定し、非特定異常燃焼である場合はステップＳ７０３に進む。非特定異常燃焼でない場合は、ステップＳ７０２に進み、後述するステップＳ７０６の点火時期の進角をしている場合は、点火時期の進角を解除して非特定異常燃焼制御処理を終了する。

ステップＳ７０３では、後述するステップＳ７０６の点火時期の進角によりプリイグ判定が完了したかどうかを判定する。プリイグ判定が完了している場合は、点火時期以外の方法でプリイグを抑制するプリイグ制御処理を実行するためにステップＳ７０２に進んで点火時期の進角を解除し、非特定異常燃焼制御処理を終了する。プリイグ判定が完了していない場合は、ステップＳ７０４に進む。

ステップＳ７０４では、後述するステップＳ７０６の点火時期の進角によりノック判定が完了したかどうかを判定する。ノック判定が完了している場合は、ステップＳ７０５に進み点火時期の進角を保持して、非特定異常燃焼制御処理を終了する。ノック判定が完了していない場合は、ステップＳ７０６に進む。

ステップＳ７０６では、異常燃焼の種別を特定するために点火時期を進角し、ステップＳ７０７に進む。

ステップＳ７０７では、点火時期進角によりノック強度ＩＫＮＫの偏差ΔＩＫＮＫが所定値ＸＫＮＫ以上となったかどうかを判定する。ノック強度ＩＫＮＫの偏差ΔＩＫＮＫが所定値ＸＫＮＫ以上となった場合は、異常燃焼がノックであると判定し、ステップＳ７０８に進みノック判定完了とし、非特定異常燃焼制御処理を終了する。ノック強度ＩＫＮＫの偏差ΔＩＫＮＫが所定値ＸＫＮＫ以上でない場合は、ステップＳ７０９に進む。

ステップＳ７０９では、点火時期を進角することにより異常燃焼相対発生期間偏差ΔＤＰＫＮＫが所定値ＸＰＲＩＧ以上となったかどうかを判定する。異常燃焼相対発生期間偏差ΔＤＰＫＮＫが所定値ＸＰＲＩＧ以上となった場合は、異常燃焼はプリイグであると判定し、ステップＳ７１０に進みプリイグ判定完了とし、非特定異常燃焼制御処理を終了する。異常燃焼相対発生期間偏差ΔＤＰＫＮＫが所定値ＸＰＲＩＧ以上でない場合は、異常燃焼の種別がまだ特定できていないため何もせず、非特定異常燃焼制御処理を終了する。

以上詳述したように、実施の形態１に係る内燃機関の異常燃焼検出装置によれば、ノックかプリイグかを特定できない異常燃焼を検出した場合、プリイグを助長させてしまう点火時期の遅角はせずに進角する。その際、異常燃焼の振動の大きさが増加すればノックと判定でき、点火時期と異常燃焼発生時期の期間が拡大していけばプリイグと判定することができる。よって、プリイグを助長させることなくノックとプリイグを特定することができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１内燃機関、２シリンダ、３ピストン、４制御装置、４ａノック信号算出部、４ｂノック判定閾値算出部、４ｃノック強度算出部、４ｄ異常燃焼種別判定部、４ｅ非特定異常燃焼種別判定部、４ｆプリイグニッション制御部、４ｇノック制御部、５吸気路、６排気路、７スロットルバルブ、８スロットル開度センサ、９エアクリーナ、１０エアフローセンサ、１１吸気マニホールド、１２マニホールド圧センサ、１３インジェクタ、１４点火プラグ、１５点火コイル、１６吸気バルブ、１７排気バルブ、１８クランク角センサ、１９カム角センサ、２０ノックセンサ、３０演算処理装置、３１記憶装置、３１ａＲＡＭ、３１ｂＲＯＭ、３２入力回路、３３出力回路、４０ａノイズ除去ローパスフィル、４０ｂＡ／Ｄ変換器、４０ｃデジタル信号処理部、ＫＮＫノック信号、ＰＫＮＫ異常燃焼発生時期、Ｋ平均化係数、ＢＧＬバックグラウンドレベル、ＴＨノック判定閾値、ＩＫＮＫノックの発生強度、θＢ基本点火時期、θＩＧ最終点火時期、ＤＰＫＮＫ異常燃焼相対発生期間

Claims

内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置と、
上記運転状態検出装置からの出力信号に基づいて上記内燃機関を制御する制御装置と、を有し、
上記制御装置は、
上記運転状態に応じて点火時期を制御する点火時期制御部と、
上記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出部と、
上記内燃機関に設けられた燃焼状態検出装置の出力信号に基づいて異常燃焼振動の大きさを求める異常燃焼振動算出部と、
上記内燃機関に設けられた燃焼状態検出装置の出力信号に基づいて異常燃焼振動発生時期を求める異常燃焼振動発生時期算出部と、
上記点火時期から上記異常燃焼振動発生時期までの異常燃焼相対発生期間を算出する異常燃焼相対発生期間算出部と、
上記異常燃焼振動の大きさが予め設定した異常燃焼判定閾値を超えた時に異常燃焼が発生したことを検出する異常燃焼検出部と、
上記異常燃焼振動の大きさが上記異常燃焼判定閾値を超えた量をノック強度と算出するノック強度算出部と、
上記異常燃焼振動発生時期に基づいて、ノック、プリイグニッション、又は非特定異常燃焼のいずれであるかを判定する異常燃焼種別判定部と、
上記異常燃焼種別判定部により、上記非特定異常燃焼と判定された場合に、上記運転状態に応じて設定されている点火時期を進角し、点火時期を進角した際に、ノック強度が増加したときはノックと判定し、上記異常燃焼相対発生期間が拡大したときはプリイグニッションと判定する非特定異常燃焼種別判定部と、を備えたことを特徴とする内燃機関の異常燃焼検出装置。
上記異常燃焼種別判定部は、上記ノック強度が予め設定した閾値以上のときは、上記非特定異常燃焼と判定しないことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
上記異常燃焼種別判定部は、上記内燃機関の低回転高負荷の運転領域外では上記プリイグニッションの判定をしないことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
上記非特定異常燃焼種別判定部は、ノックと判定されたときに進角状態の点火時期を保持することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
上記非特定異常燃焼種別判定部は、プリイグニッションと判定されたときに点火時期の進角を解除することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。