JPWO2015053204A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

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。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(42)を備えた内燃機関(100)の制御装置(20)であって、イオン電流値を信号処理するイオン電流信号処理部(20l)と、このイオン電流信号処理部(20l)による処理結果に基づいて内燃機関(100)の燃焼状態を検出する検出部(20m)と、を備え、イオン電流信号処理部(20l)は、イオン電流値の微分値を算出する微分部(20la)を有している。

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 (7)

  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、前記微分値の周波数解析を行う周波数解析部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. 前記イオン電流信号処理部は、前記微分値の周波数解析を行う周波数解析部と、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。
  4. 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3に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記イオン電流信号処理部は、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。
  6. 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5に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 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に記載の内燃機関の制御装置。
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