WO2006104144A1 - イオンセンサ及びこのイオンセンサを用いた内燃機関制御システム並びに内燃機関の制御方法 - Google Patents

イオンセンサ及びこのイオンセンサを用いた内燃機関制御システム並びに内燃機関の制御方法 Download PDF

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    • F02D35/021—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an ionic current sensor

Definitions

  • Ion sensor internal combustion engine control system using this ion sensor, and control method for internal combustion engine
  • the present invention relates to an ion sensor, an internal combustion engine control system using the ion sensor, and a control method for the internal combustion engine.
  • an ion sensor that detects fluctuations of ions generated as a result of combustion as an ion current is used. Ion current waveform shape force The combustion state is estimated.
  • the ion sensor is built in the gasket.
  • the ion sensor is arranged at the edge portion of the opening of the gasket that communicates with the cylinder. It is positioned in the same plane as the inner surface of the combustion chamber, and changes in ions generated in the combustion chamber that do not hinder combustion are detected as ion currents (see, for example, Patent Document 1).
  • the combustion state in the combustion chamber can be indirectly estimated via the ion current waveform, and various settings in the internal combustion engine, that is, settings such as ignition timing and fuel concentration, etc. Attempts have also been made to maintain the combustion state in an appropriate state by changing the ignition timing and air-fuel ratio of the internal combustion engine based on the detected ion current waveform just by determining the validity of the engine! .
  • Patent Document 1 JP 2004-162550 A
  • the above-described ion sensor must be placed at a position that does not interfere with combustion in the combustion chamber, and the sensing part of the ion sensor is necessarily the same as the inner surface of the combustion chamber. Since it is necessary to place it on a flat surface, the ion sensor only detects the state of the outermost edge of the combustion phenomenon. I could't put it out.
  • the present inventor has made research and development to enable detection of a combustion phenomenon in consideration of flame propagation in the direction crossing the combustion chamber, and to enable more accurate control of the internal combustion engine. And the present invention has been made.
  • a metal wire provided with an exposed portion not covered with an insulating material, and a predetermined amount on the metal wire
  • the metal wire is installed in the combustion chamber opening communicating with the combustion chamber of the gasket interposed between the cylinder block and the cylinder head of the internal combustion engine, and the sensing part is a predetermined part of the combustion chamber opening. It is also characterized by being arranged at a position.
  • the state of combustion in the combustion chamber of the internal combustion engine is ionized using an ion sensor for detection provided with a sensing part on the same plane as the inner peripheral surface of the combustion chamber.
  • a control method for an internal combustion engine that detects the current as a current and controls the combustion of the internal combustion engine so that the waveform of the ion current becomes a waveform shown in a normal combustion state, the ion output from the detection ion sensor
  • the waveform of the current is correlated one-to-one with the waveform of the internal ion current detected by force by a plurality of internal ion sensors in which the sensing part is arranged inside the combustion chamber.
  • the combustion control of the internal combustion engine was performed based on the correspondence between the waveform and the combustion state in the combustion chamber.
  • the combustion control is characterized in that the waveform of the ion current detected by the ion sensor for detection is associated with the waveform of the internal ion current by analysis means using a neural network.
  • a detection ion sensor provided with a sensing part on the same plane as the inner peripheral surface of the combustion chamber of the internal combustion engine, and the detection detected by the detection ion sensor.
  • An internal combustion engine control system comprising: a control unit that analyzes the waveform of the internal current and controls the internal combustion engine so that the waveform of the ion current has a waveform shown in a normal combustion state;
  • the waveform of the ion current output from the ion sensor for detection is in one-to-one correspondence with the waveform of the internal ion current that is detected by a plurality of internal ion sensors with the sensing parts arranged inside the combustion chamber.
  • the combustion state in the combustion chamber is controlled based on the correspondence between the waveform of the associated internal ion current and the combustion state in the combustion chamber.
  • control unit is also characterized in that the ion current waveform detected by the detection ion sensor is associated with the internal ion current waveform-analyzing means using a Yural network. It is what has.
  • a metal wire that is covered with an insulating material and provided with an exposed portion, and detection means that detects a current fluctuation of the metal wire by applying a predetermined voltage to the metal wire.
  • a metal wire serving as an ion sensor is installed in the combustion chamber opening communicating with the combustion chamber of the gasket interposed between the cylinder block and the cylinder head of the internal combustion engine, and the sensing part is used as the combustion chamber.
  • the waveform of the internal ion current that is detected by force by a plurality of internal ion sensors having a sensing part disposed inside the combustion chamber By associating one-to-one with the waveform of the ion current detected by the ion sensor for detection provided with a sensing part on the same plane as the inner peripheral surface of the combustion chamber, and identifying the combustion state based on this correspondence Further, the combustion state can be detected more accurately by the ion sensor for detection, and more appropriate control of the internal combustion engine can be realized.
  • a waveform of an ion current detected by a detection ion sensor is represented by a neural network.
  • the decrease in the amount of information in the detection by the detection ion sensor which tends to decrease the information that can be obtained compared to the detection by the internal ion sensor, is detected. This can be compensated for by utilizing changes over time in the waveform of the ion current detected by the ion sensor, thereby enabling more appropriate control of the internal combustion engine.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of an internal combustion engine control system according to the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a detection ion sensor.
  • FIG. 3 is a reference diagram of an ion current waveform detected by a detection ion sensor.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a reference setting ion sensor.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a reference setting ion sensor.
  • FIG. 6 is an explanatory view of a modification of the reference setting ion sensor.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of an ion current waveform detected by a reference setting ion sensor. Explanation of symbols
  • a detection ion sensor provided with a sensing part in the same plane as the inner peripheral surface of the combustion chamber is used for the combustion state of the combustion chamber of the internal combustion engine. Is detected as an ion current, and combustion control of the internal combustion engine is performed so that the waveform of the ion current becomes a waveform shown in a normal combustion state.
  • the combustion state is set based on the internal combustion state.
  • the combustion state inside the combustion chamber is determined by using the ion sensor of the present invention in which the sensing part is disposed inside the combustion chamber as an internal ion sensor.
  • the waveform of this internal ion current is correlated with the waveform of the ion current detected by the detection ion sensor on a one-to-one basis, and the waveform force of the detected ion current is identified based on this correspondence.
  • the internal ion sensor includes a metal wire provided with an exposed portion, which is covered with an insulating material, and detection means for detecting a current fluctuation of the metal wire by applying a predetermined voltage to the metal wire.
  • the exposed part is placed inside the combustion chamber as a sensitive part.
  • an ion sensor serving as an internal ion sensor can be configured extremely simply and a low-cost ion sensor can be provided.
  • the metal wire serving as the ion sensor is also installed in the combustion chamber opening communicating with the combustion chamber of the gasket interposed between the cylinder block and the cylinder head of the internal combustion engine, and the sensing part is combusted.
  • the sensitive part of the ion sensor can be disposed at a predetermined position in the combustion chamber very simply and accurately.
  • FIG. 1 is a system configuration schematic diagram of the internal combustion engine control system of the present embodiment.
  • the internal combustion engine control system includes a detection ion sensor 1 that detects a combustion state in the combustion chamber e of the internal combustion engine E as an ion current signal, and an ion current signal detected by the detection ion sensor 1.
  • the signal amplifier 2 for amplifying the signal
  • the analysis unit 3 for analyzing the waveform of the ion current signal amplified by the signal amplifier 2, and the control of the internal combustion engine based on the analysis result of the analysis unit 3 It consists of a control unit 4 that generates and outputs signals.
  • the analysis unit 3 is connected to a storage unit 5 that stores a reference ion current waveform associated with an ion current waveform for reference setting, as will be described later, and is stored in the storage unit 5. From the reference ion current waveform and the waveform of the ion current signal input from the signal amplifier 2, the storage unit 5 generates a required analysis result signal and inputs it to the control unit 4.
  • the analysis unit 3, the control unit 4 and the storage unit 5 constitute a control means.
  • the detection ion sensor 1 is attached to a gasket E3 interposed between a cylinder block E1 and a cylinder head E2 of the internal combustion engine E.
  • a DC power source V for applying a DC voltage is connected to the detection ion sensor 1, and the DC power source V is connected to a reference current generating resistor R for detecting an ion current. Connect the cylinder block E1 and cylinder head E2 to the ground to form a closed circuit.
  • a predetermined voltage is applied to the detection ion sensor 1 by the DC power source V, and fluctuations in the reference current caused by the ions coming into contact with the sensing part of the detection ion sensor 1 are detected.
  • the signal amplifier 2 amplifies and outputs an ion current signal.
  • the detection ion sensor 1 has an inner edge la facing the opening e3 provided in the gasket E3 so as to communicate with the cylinder of the cylinder block E1. It is made up of donut-shaped metal plates.
  • the inner edge la of the detection ion sensor 1 may be substantially the same as the diameter of the opening e3, or as a small diameter as shown exaggeratedly in FIG. It may be easy to do.
  • the detection ion sensor 1 is as flush as possible with the inner surface of the combustion chamber e. It is desirable to keep it on the top! /.
  • the detection ion sensor 1 is not limited to one. As schematically shown in Fig. 2 (b), a plurality of arc-shaped ion sensors 1 'having an arc-shaped inner edge are provided. In this case, the ion current signals output from each ion sensor 1 'are combined into one Generate a synthesized ion current signal and output it from signal amplifier 2.
  • the ion current signal or the synthesized ion current signal (hereinafter simply referred to as "ion current signal”) output from the signal amplifier 2 is various as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c).
  • the analysis unit 3 analyzes the waveform shape of the input ion current signal, and estimates the combustion state based on the reference ion current waveform stored in the storage unit 5.
  • the analysis unit 3 is inputted with information related to the driving state of the internal combustion engine E such as temperature information, air-fuel ratio information, throttle opening information of the internal combustion engine E, which is obtained only by the ion current signal.
  • information related to the driving state of the internal combustion engine E such as temperature information, air-fuel ratio information, throttle opening information of the internal combustion engine E, which is obtained only by the ion current signal.
  • the information is also used for analysis.
  • the analysis unit 3 incorporates an analysis circuit using a -Ural network so that the analysis is executed in consideration of the usage history of the internal combustion engine E and the like. Therefore, it is possible to further optimize the analysis of the combustion state.
  • the analysis unit 3 detects the difference between each ion current signal detected in the state without changing the control state of the internal combustion engine E, and detects the combustion state using this difference information. By doing so, it is possible to further optimize the analysis of the combustion state.
  • the analysis unit 3 generates an analysis result signal and inputs it to the control unit 4.
  • the control unit 4 adjusts the ignition timing in the internal combustion engine E or adjusts the air-fuel ratio based on the analysis result signal.
  • the control signal is generated and output to control the internal combustion engine E.
  • the reference ion current waveform of the storage unit 5 used by the analysis unit 3 described above is associated with the reference setting ion current waveform in the inner combustion state that is a predetermined dimension from the inner surface of the combustion chamber e.
  • the reference setting ion current waveform is detected by the reference setting internal ion sensor 11 shown in FIG.
  • the internal ion sensor 11 will be described in detail below.
  • the internal ion sensor 11 is configured by covering a sensor body 1 la made of a metal wire with 1 lb of insulating material, and by not covering a part of the sensor body 1 la with 1 lb of insulating material.
  • the sensor unit S is exposed and the internal ion sensor 11 is attached to the gasket E3 instead of the detection ion sensor 1 described above, and is interposed between the cylinder block E1 and the cylinder head E2. Yes.
  • the sensor body 11a is a wire-shaped metal body, and in this embodiment, it is desirable to use a metal body having a high melting point by being exposed to a relatively high temperature state, for example, a stainless steel 304 stainless steel. Less, platinum or the like can be used.
  • the insulating material l ib may be any material as long as it can block contact with the outside of the sensor body 11a. However, in this embodiment, the insulating material l ib is exposed to a relatively high temperature state, so that glass coating or the like is used. Desirable to use.
  • the sensing part S is an exposed part of the sensor body 11a, and when the sensor body 11a is covered with the insulating material ib, the insulating material 1 is not provided in the part where the sensing part S is formed.
  • the lb is formed by attaching the sensor body 1 la. Note that the sensing part S may be formed by removing the insulating material ib at a predetermined position of the sensor body 11a covered with the insulating material ib.
  • the internal ion sensor 11 is connected to a power source 12 for applying a predetermined voltage to the internal ion sensor 11, and the power source 12 is connected to a resistor 13 for generating a reference current for detecting an ion current.
  • the cylinder block E1 and the cylinder head E2 are further connected to the ground to form a closed circuit.
  • the electric signal that appears as the current fluctuation in the reference current is amplified by the amplifier 14, and the amplified electric signal is input to the signal processing unit 15 to obtain the reference setting ion current waveform.
  • the reference setting ion current waveform shows a unique waveform pattern according to the combustion state of the combustion chamber e, and the reference setting ion current waveform is correlated with the combustion state, whereby the reference setting ion current is correlated.
  • the internal ion sensor 11 can be disposed across the combustion chamber e, and a spark plug (not shown) It is possible to detect the combustion state at the center of the combustion chamber so that it is directly below (), and to detect the combustion state with higher accuracy.
  • Fig. 5 (a) only one internal ion sensor 11 is provided so as to cross the substantially center of the opening e3 facing the combustion chamber e provided in the gasket E3, and the force is also sensitive. This is not limited to the case where the part S is provided in the substantially central part of the opening e3.
  • a plurality of internal ion sensors 11-1, 11-2, 11-3, 11-4 and 11-5 may be provided substantially in parallel with each other, and the sensing parts S1, S2, S3, S4, and S5 may be provided at desired positions, respectively, as shown in FIG.
  • a first internal ion sensor group composed of a plurality of first internal ion sensors 11 ′ provided parallel to each other along a direction, and provided parallel to each other along a second direction substantially orthogonal to the first direction.
  • a second internal ion sensor group consisting of a plurality of second internal ion sensors 1 ⁇ may be provided, and the sensing parts S ′ and S ′′ may be provided at desired positions, respectively.
  • the internal ion sensor 11 is in the form of a wire, the provision of the internal ion sensor 11 can suppress disturbance of the combustion state as much as possible, and can provide highly accurate combustion state information. Can do.
  • the force gasket E3 has a donut shape gasket E3.
  • a predetermined shape having an opening e3 having a desired size at a predetermined position may be used.
  • the internal ion sensor 11 is configured by a metal wire in the combustion chamber e as shown in FIG. 6 in which the opening e3 facing the combustion chamber e provided in the gasket E3 is simply crossed linearly.
  • the sensor body 11a may be appropriately bent and exposed by not covering with the insulating material ib, and the sensitive part S may be disposed at a required position.
  • the sensor part 11a can be curved and deformed so that the sensing part S can be arranged at a required position in the combustion chamber e. Therefore, for example, the sensing part S is provided at the spatial center of the combustion chamber e.
  • the sensing part S can be arranged in the vicinity of a spark plug (not shown), and data having flame propagation information in the direction that crosses the combustion chamber e can be acquired, so that more detailed combustion is possible. Status information can be acquired.
  • the sensor body 11a constituting the internal ion sensor 11 is a metal wire.
  • the sensing part S can be held at a required position by the sensor body 11a itself.
  • the internal ion sensor 11 was replaced with the detection ion sensor 1 and detected.
  • the reference ion current waveform is identified by associating the ion current waveform with the combustion state.
  • Fig. 7 (a) is the reference setting ion current waveform detected by the sensing unit SI in Fig. 5 (b)
  • Fig. 7 (b) is the reference setting detected by the sensing unit S2 in Fig. 5 (b). Ion current waveform, Fig.
  • FIG. 7 (c) is the reference setting ion current waveform detected by the sensing unit S3 in Fig. 5 (b), and Fig. 7 (d) is detected by the sensing unit S4 in Fig. 5 (b).
  • FIG. 7 (e) shows the reference setting ion current waveform detected by the sensing part S5 in FIG. 5 (b).
  • the ignition position in the combustion chamber e is the center upper portion of the opening e3 facing the combustion chamber e provided in the gasket E3.
  • the reference setting ion current waveform obtained in this way is separately analyzed by the analysis unit 3 at the inner edge of the opening e3 provided in the gasket E3 as shown in Fig. 2 (a) or Fig. 2 (b).
  • the reference ion current waveform detected by the detection ion sensors 1 and 1 ′ facing la is previously associated, and the correspondence is stored in the storage unit 5.
  • the ion current waveform detected by the detection ion sensors 1 and 1 ' is compared with the reference ion current waveform stored in the storage unit 5, and a neural network is used.
  • the analysis unit 3 determines the combustion state in the combustion chamber e.
  • the pressure sensor, knock sensor, exhaust gas analysis that uses the ion current waveform obtained by the internal ion sensor and detection ion sensors 1, 1 ' Combustion evaluation is performed using the detection results.
  • FIGs. 7 (a) to (e) show the ionic current waveform when the combustion state is normal.
  • Figs. 7 (a) to (e) The internal ion current waveform as shown by the broken line is obtained.
  • a reference ion current waveform is set by associating the internal ion current waveform thus obtained with the ion current waveform detected by the detection ion sensors 1, 1 '. It is determined that slow combustion has occurred.
  • the control unit 4 increases the air-fuel ratio, A control signal, such as accelerating the ignition timing by the plug, is input to the internal combustion engine E.
  • a control signal such as accelerating the ignition timing by the plug.
  • the case of the slow combustion has been described, but in addition to the slow combustion, the same determination is made in the case of a combustion state such as knocking or misfire, and the ignition timing of the internal combustion engine E, the fuel injection timing, Adjust the fuel injection amount, air-fuel ratio, gas flow, etc. to maintain normal combustion.

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Abstract

　燃焼室を横断する方向の火炎伝播も考慮した燃焼現象の検出を可能として、より高精度な内燃機関の制御を可能とするイオンセンサ、及びこのイオンセンサを用いた内燃機関の制御方法及び制御システムを提供する。 　イオンセンサは、絶縁材で被覆していない露出部を設けた金属線と、この金属線に所定の電圧を印加して金属線の電流変動を検出する検出手段とを備え、露出部を受感部として前記燃焼室の内部に配置する。このイオンセンサであらかじめ検出した燃焼室内の燃焼状態のイオン電流の波形と、燃焼室の内周面と同一平面に受感部を設けた検出用イオンセンサで検出したイオン電流の波形とを一対一に対応付けし、対応関係に基づいて検出用イオンセンサで検出したイオン電流の波形から燃焼室内の燃焼状態を特定し、内燃機関の燃焼制御を行う。

Description

明 細 書
イオンセンサ及びこのイオンセンサを用いた内燃機関制御システム並び に内燃機関の制御方法
技術分野
[0001] 本発明は、イオンセンサ、及びこのイオンセンサを用いた内燃機関制御システム、 並びに内燃機関の制御方法に関するものである。
背景技術
[0002] 従来、内燃機関の燃焼室における燃焼現象の状態を検出する方法の一つとして、 燃焼にともなって発生したイオンの変動をイオン電流として検出するイオンセンサを 用い、このイオンセンサ力 出力されたイオン電流の波形形状力 燃焼状態を推察 することが行われている。
[0003] イオンセンサは、具体的にはガスケットに内蔵しており、特に、ガスケットにおけるシ リンダと連通した開口部の端縁部分にイオンセンサの受感部を配置することにより、 受感部を燃焼室の内側面と同一平面に位置させて、燃焼の妨げとなることなぐ燃焼 室内で発生したイオンの変動をイオン電流として検出している（例えば、特許文献 1 参照。）。
[0004] このイオンセンサを用いることによって、燃焼室内での燃焼状態を、イオン電流波形 を介して間接的に推察することができ、内燃機関における各種設定、すなわち、点火 タイミングや燃料濃度などの設定の妥当性を判定するだけでなぐ検出したイオン電 流波形に基づいて内燃機関の点火タイミングや空燃比の変更を行うことにより燃焼状 態を適正状態に維持する制御も試みられて!/、る。
特許文献 1 :特開 2004— 162550号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力しながら、上記したイオンセンサは、燃焼室内での燃焼の障害とならな 、位置 に配置する必要があり、必然的にイオンセンサの受感部を燃焼室の内側面と同一平 面に配置する必要があるので、イオンセンサでは、燃焼現象の最外縁の状態しか検 出することができな力つた。
[0006] したがって、従来のイオンセンサを用いた燃焼状態の検出に基づく内燃機関制御 では、イオンセンサで燃焼室を横断する方向に伝播する火炎の状態を検出すること ができないことによって燃焼現象の評価を適正に行えない場合があり、燃焼現象の 異常の検出精度を高めることが困難であって、適正な制御がなされないおそれがあ るという問題があった。
[0007] 本発明者は、このような現状に鑑み、燃焼室を横断する方向の火炎伝播も考慮した 燃焼現象の検出を可能として、より高精度な内燃機関制御を可能とすべく研究開発 を行い、本発明をなすに至ったものである。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明のイオンセンサでは、内燃機関の燃焼室内での燃焼で生じたイオンを検出 するイオンセンサにおいて、絶縁材で被覆していない露出部を設けた金属線と、この 金属線に所定の電圧を印加して金属線の電流変動を検出する検出手段とを備え、 露出部を受感部として燃焼室の内部に配置した。
[0009] さらに、金属線は、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介設したガ スケットの燃焼室と連通する燃焼室用開口に架設し、受感部を燃焼室用開口の所定 位置に配置したことにも特徴を有するものである。
[0010] また、本発明の内燃機関の制御方法では、内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を、燃 焼室の内周面と同一平面に受感部を設けた検出用イオンセンサを用いてイオン電流 として検出し、このイオン電流の波形が正常な燃焼状態の場合に示される波形となる ように内燃機関の燃焼制御を行う内燃機関の制御方法であって、検出用イオンセン サから出力されたイオン電流の波形を、燃焼室の内部に受感部を配置した複数の内 部イオンセンサであら力じめ検出した内部イオン電流の波形と一対一に対応付けし、 対応付けされた内部イオン電流の波形と燃焼室内の燃焼状態との対応関係に基づ いて内燃機関の燃焼制御を行うこととした。
[0011] さらに、燃焼制御では、検出用イオンセンサで検出したイオン電流の波形を、ニュ 一ラルネットワークを利用した解析手段で内部イオン電流の波形に対応付けすること にも特徴を有するものである。 [0012] また、本発明の内燃機関制御システムでは、内燃機関の燃焼室の内周面と同一平 面に受感部を設けた検出用イオンセンサと、この検出用イオンセンサで検出したィォ ン電流の波形を解析して、イオン電流の波形が正常な燃焼状態の場合に示される波 形となるように内燃機関を制御する制御部とを備えた内燃機関制御システムであって 、制御部では、検出用イオンセンサから出力されたイオン電流の波形を、燃焼室の内 部に受感部を配置した複数の内部イオンセンサであら力じめ検出した内部イオン電 流の波形と一対一に対応付けし、対応付けされた内部イオン電流の波形と燃焼室内 の燃焼状態との対応関係に基づいて燃焼室の燃焼状態の制御を行うこととした。
[0013] さらに、制御部は、検出用イオンセンサで検出したイオン電流の波形を、内部ィォ ン電流の波形に対応付けする-ユーラルネットワークを利用した解析手段を備えてい ることにも特徴を有するものである。
発明の効果
[0014] 本発明のイオンセンサでは、絶縁材で被覆して ヽな 、露出部を設けた金属線と、こ の金属線に所定の電圧を印加して金属線の電流変動を検出する検出手段とを備え 、露出部を受感部として燃焼室の内部に配置したことにより、露出部を燃焼室内の所 定位置に容易に配置できるので、燃焼室を横断する方向の火炎伝播を検出可能と することができ、燃焼状態のより正確な状態を検出できる。
[0015] 特に、イオンセンサとなる金属線を、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドと の間に介設したガスケットの燃焼室と連通する燃焼室用開口に架設し、受感部を燃 焼室用開口の所定位置に配置したことによって、極めて容易かつ確実に受感部を所 定位置に配置できる。
[0016] また、本発明の内燃機関の制御方法及び内燃機関制御システムでは、燃焼室の 内部に受感部を配置した複数の内部イオンセンサであら力じめ検出した内部イオン 電流の波形を、燃焼室の内周面と同一平面に受感部を設けた検出用イオンセンサ で検出したイオン電流の波形と一対一に対応付けして、この対応関係に基づいて燃 焼状態を特定することによって、検出用イオンセンサによって燃焼状態のより正確に 検出することができ、内燃機関のより適正な制御を可能とすることができる。
[0017] 特に、検出用イオンセンサで検出したイオン電流の波形を、ニューラルネットワーク を利用した解析手段で内部イオン電流の波形に対応付けすることによって、内部ィ オンセンサによる検出と比較して取得可能な情報が低下しやすい検出用イオンセン サによる検出における情報量の低下を、検出用イオンセンサで検出したイオン電流 の波形の経時変化などを利用して補うことができ、内燃機関のより適正な制御を可能 とすることができる。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]図 1は本発明に係る内燃機関制御システムの概略説明図である。
[図 2]図 2は検出用イオンセンサの説明図である。
[図 3]図 3は検出用イオンセンサで検出されたイオン電流波形の参考図である。
[図 4]図 4は基準設定用イオンセンサの説明図である。
[図 5]図 5は基準設定用イオンセンサの説明図である。
[図 6]図 6は基準設定用イオンセンサの変容例の説明図である。
[図 7]図 7は基準設定用イオンセンサで検出されるイオン電流波形の説明図である。 符号の説明
[0019] E 内燃機関
E1 シリンダブロック
E2 シリンダヘッド
E3 ガスケット
e 燃焼室
e3 開口
V 直流電源
R 抵抗器
1 検出用イオンセンサ
2 信号増幅器
3 解析部
4 制御部
し' I思 ρ'[5
11 基準設定用イオンセンサ 11aセンサ体
lib絶縁材
S 受感部
発明を実施するための最良の形態
[0020] 本発明の内燃機関の制御方法及び内燃機関制御システムでは、内燃機関の燃焼 室内の燃焼状態を、燃焼室の内周面と同一平面に受感部を設けた検出用イオンセ ンサを用いてイオン電流として検出し、このイオン電流の波形が正常な燃焼状態の 場合に示す波形となるように内燃機関の燃焼制御を行うものであって、燃焼制御の 基準となる燃焼状態は、燃焼室の内部の燃焼状態に基づいて設定した燃焼状態とし ているものである。
[0021] 燃焼室の内部の燃焼状態は、受感部を燃焼室の内部に配置した本発明のイオン センサを内部イオンセンサとして用いて、この内部イオンセンサであら力じめ内部ィォ ン電流の波形を検出しておき、この内部イオン電流の波形と検出用イオンセンサで 検出したイオン電流の波形と一対一に対応付けして、この対応関係に基づいて検出 したイオン電流の波形力 特定して 、る。
[0022] 内部イオンセンサは、絶縁材で被覆して ヽな 、露出部を設けた金属線と、この金属 線に所定の電圧を印加して金属線の電流変動を検出する検出手段とを備え、露出 部を受感部として燃焼室の内部に配置している。
[0023] したがって、内部イオンセンサとなるイオンセンサを極めて簡便に構成でき、低コス トのイオンセンサを提供できる。
[0024] し力も、イオンセンサとなる金属線は、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドと の間に介設したガスケットの燃焼室と連通する燃焼室用開口に架設し、受感部を燃 焼室用開口の所定位置に配置することによって、極めて簡便かつ正確に、イオンセ ンサの受感部を燃焼室内の所定位置に配置できる。
[0025] 以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。
[0026] 図 1は、本実施形態の内燃機関制御システムのシステム構成概略図である。内燃 機関制御システムは、内燃機関 Eの燃焼室 e内の燃焼状態をイオン電流信号として 検出する検出用イオンセンサ 1と、この検出用イオンセンサ 1で検出したイオン電流信 号を増幅する信号増幅器 2と、この信号増幅器 2で増幅されたイオン電流信号の波 形形状を解析する解析部 3と、この解析部 3での解析結果に基づ 、て内燃機関の制 御信号を生成して出力する制御部 4とから構成している。
[0027] 特に、解析部 3には、後述するように基準設定用のイオン電流波形と対応づけられ た基準イオン電流波形を記憶した記憶部 5を接続しており、この記憶部 5に記憶され た基準イオン電流波形と、信号増幅器 2から入力されたイオン電流信号の波形とから 、記憶部 5は所要の解析結果信号を生成して制御部 4に入力するようにしている。解 析部 3と制御部 4と記憶部 5とで制御手段を構成している。
[0028] 検出用イオンセンサ 1は、内燃機関 Eのシリンダブロック E1とシリンダヘッド E2との間 に介設するガスケット E3に装着している。
[0029] そして、検出用イオンセンサ 1には直流電圧を印加する直流電源 Vを接続するとと もに、この直流電源 Vを、イオン電流を検出するための基準電流生成用の抵抗器 Rを 介してグランドに接続し、さらに、シリンダブロック E1及びシリンダヘッド E2をグランドに 接続して閉回路を構成して!/、る。
[0030] このように、検出用イオンセンサ 1には直流電源 Vによって所定の電圧が印加され ており、検出用イオンセンサ 1の受感部にイオンが接触することによって生じる基準電 流の変動を信号増幅器 2によってイオン電流信号として増幅して出力している。
[0031] ここで、検出用イオンセンサ 1は、図 2 (a)に模式的に示すように、シリンダブロック E 1のシリンダと連通させるようにガスケット E3に設けた開口 e3に内側縁 laを臨ませたド 一ナツ状の金属板で構成している。検出用イオンセンサ 1の内側縁 laは、開口 e3の 径寸法と略同一としてもよいし、図 2 (a)に誇張して示すように小径として、検出用ィォ ンセンサ 1にイオンを接虫しやすくしてもよい。なお、検出用イオンセンサ 1によって燃 焼の阻害、及び燃焼にともなう検出用イオンセンサ 1の破損が生じることを防止する ために、検出用イオンセンサ 1は、できるだけ燃焼室 eの内側面と同一平面上に位置 するようにしておくことが望まし!/、。
[0032] また、検出用イオンセンサ 1は 1つに限定するものではなぐ図 2 (b)に模式的に示 すように、円弧形状の内側縁を有する円弧状イオンセンサ 1'を複数設けてもよぐこ の場合、それぞれのイオンセンサ 1'から出力されたイオン電流信号を合成して 1つの 合成イオン電流信号を生成し、信号増幅器 2から出力するようにしてもょ ヽ。
[0033] 信号増幅器 2から出力されたイオン電流信号または合成イオン電流信号 (以下、単 に「イオン電流信号」と 、う）は、図 3 (a)〜（c)に例示すように様々な波形を示してお り、解析部 3では入力されたイオン電流信号の波形形状を解析して、記憶部 5に記憶 された基準イオン電流波形に基づ 、て燃焼状態を推定して 、る。
[0034] ここで、解析部 3には、イオン電流信号だけでなぐ内燃機関 Eの温度情報、空燃比 情報、スロットル開度情報などの内燃機関 Eの駆動状態に関する情報を入力して、こ れらの情報も利用して解析するようにして 、る。
[0035] 特に本実施形態では、解析部 3には-ユーラルネットワークを利用した解析回路を 内蔵し、内燃機関 Eの使用履歴なども勘案しながら解析を実行するようにしている。し たがって、燃焼状態の解析のさらなる適正化を図ることができる。
[0036] し力も、解析部 3では、内燃機関 Eの制御状態を変えな 、状態で検出された各ィォ ン電流信号間の差分を検出し、この差分情報も利用して燃焼状態を検出することに より、燃焼状態の解析のさらなる適正化を図ることができる。
[0037] 解析部 3では解析結果信号を生成して制御部 4に入力し、制御部 4では解析結果 信号に基づいて、内燃機関 Eにおける点火タイミングを調整したり、空燃比を調整し たりするなどの制御信号を生成して出力し、内燃機関 Eの制御を行っている。
[0038] 上記した解析部 3が利用する記憶部 5の基準イオン電流波形は、燃焼室 eの内側 面から所定寸法だけ内側の内側燃焼状態における基準設定用イオン電流波形と対 応づけたものであって、基準設定用イオン電流波形は、図 4に示す基準設定用の内 部イオンセンサ 11で検出している。以下において、内部イオンセンサ 11について詳説 する。
[0039] 内部イオンセンサ 11は、金属線で構成したセンサ体 1 laを絶縁材 1 lbで被覆して構 成しており、センサ体 1 laの一部を絶縁材 1 lbで被覆しないことにより露出させて受感 部 Sを設けており、上記した検出用イオンセンサ 1の代わりに内部イオンセンサ 11をガ スケット E3に装着して、シリンダブロック E1とシリンダヘッド E2との間に介設している。
[0040] センサ体 11aは、ワイヤ状の金属体であって、本実施形態では比較的高温状態に 晒されることにより高融点の金属体を用いることが望ましぐたとえば SUS-304のステン レスや白金やなどを用いることができる。
[0041] 絶縁材 l ibは、センサ体 11aの外部との接触を遮断できる材料であれば何であって もよいが、本実施形態では比較的高温状態に晒されることになるのでガラスコーティ ングなどを用いることが望まし 、。
[0042] 受感部 Sはセンサ体 11aの露出部分であって、絶縁材 l ibによるセンサ体 11aの被覆 時に、受感部 Sの形成部分には絶縁材 1 lbを設けずに絶縁材 1 lbをセンサ体 1 la着設 させて形成しているものである。なお、絶縁材 l ibで被覆されたセンサ体 11aの所定位 置の絶縁材 l ibを除去することによって受感部 Sを形成してもよい。
[0043] 内部イオンセンサ 11には、この内部イオンセンサ 11に所定の電圧を印加する電源 1 2を接続するとともに、この電源 12を、イオン電流を検出するための基準電流生成用 の抵抗器 13を介してグランドに接続し、さらに、シリンダブロック E1及びシリンダヘッド E2をグランドに接続して閉回路を構成している。
[0044] 基準電流における電流変動として表れた電気信号は増幅器 14で増幅し、増幅され た電気信号を信号処理部 15に入力して基準設定用イオン電流波形を取得している。
[0045] この基準設定用イオン電流波形は、燃焼室 eの燃焼状態に応じてそれぞれ特異な 波形パターンを示し、基準設定用イオン電流波形と燃焼状態との関連づけを行うこと により、基準設定用イオン電流波形から燃焼室 eにおける燃焼状態、すなわち正常な 燃焼状態である力 ノッキングが発生しかかっている燃焼状態である力、あるいは失 火して 、る力などのように燃焼状態を精度よく推定することができる。
[0046] 特に、上記したワイヤ状の内部イオンセンサ 11を用いることによって、図 4に示すよう に、燃焼室 eを横断させて内部イオンセンサ 11を配置することができ、点火プラグ（図 示せず)の直下方となるような燃焼室中央部分の燃焼状態を検出することができ、よ り高精度に燃焼状態を検知できる。
[0047] 内部イオンセンサ 11は、図 5 (a)に示すように、ガスケット E3に設けた燃焼室 eに臨 む開口 e3の略中央を横断するように 1つだけ設け、し力も、受感部 Sを開口 e3の略中 央部分に設ける場合に限定するものではなぐ必要に応じて図 5 (b)に示すように複 数の内部イオンセンサ 11-1, 11-2, 11-3, 11-4, 11-5を互いに略平行に設け、それぞれ 所望の位置に受感部 S1,S2,S3,S4,S5を設けてもよいし、図 5 (c)に示すように、第 1の 方向に沿って互いに平行に設けた複数の第 1内部イオンセンサ 11'からなる第 1内部 イオンセンサ群と、この第 1の方向と略直交となる第 2の方向に沿って互いに平行に 設けた複数の第 2内部イオンセンサ 1Γからなる第 2内部イオンセンサ群とを設け、そ れぞれ所望の位置に受感部 S',S"を設けてもよい。
[0048] このように複数の内部イオンセンサ 11を設けることによって、燃焼状態の二次元デ ータ、特に燃焼室 eを横断する方向の火炎伝播情報を有するデータを取得すること ができ、より詳細な燃焼状態情報を取得することができる。
[0049] 特に、内部イオンセンサ 11はワイヤ状となっているので、この内部イオンセンサ 11を 設けたことによって燃焼状態が攪乱されることをできるだけ抑制でき、精度の高い燃 焼状態情報とすることができる。
[0050] 図 5では、説明の便宜上、ガスケット E3をドーナツ形状としている力 ガスケット E3は
、所定位置に所望の大きさの開口 e3を設けた所定の形状としてよい。
[0051] また、内部イオンセンサ 11は、ガスケット E3に設けた燃焼室 eに臨む開口 e3を直線 状に横断させて設けるだけでなぐ図 6に示すように、燃焼室 e内において金属線で 構成したセンサ体 11aを適宜湾曲させて、絶縁材 l ibで被覆しないことにより露出させ て 、る受感部 Sを所要の位置に配置してもよ 、。
[0052] このように、センサ体 11aを湾曲変形させることにより受感部 Sを燃焼室 e内の所要の 位置に配置できるので、例えば燃焼室 eの空間的な中央部に受感部 Sを配置したり、 あるいは図示しない点火プラグの近傍に受感部 Sを配置したりすることができ、燃焼 室 eを縦断する方向の火炎伝播情報を有するデータを取得することができ、より詳細 な燃焼状態情報を取得することができる。
[0053] 特に、内部イオンセンサ 11を構成するセンサ体 11aは金属線としていることによって
、センサ体 11a自体によって受感部 Sを所要の位置に保持可能とすることができる。
[0054] 上記した内部イオンセンサ 11を用いて取得した基準設定用イオン電流波形と燃焼 室 eの燃焼状態との関連づけに基づいて、内部イオンセンサ 11を検出用イオンセン サ 1に交換して検出したイオン電流波形と燃焼状態との関連づけを行って、基準ィォ ン電流波形を特定して 、る。
[0055] 具体的には、図 5 (b)に示すように、ガスケット E3に設けた燃焼室 eに臨む開口 e3部 分に 5つの受感部 S1,S2,S3,S4,S5を設け、それぞれでイオン電流を検出すると、図 7 ( a)〜(e)の実線で示すように、 5つの基準設定用イオン電流波形が得られる。図 7 (a) は図 5 (b)の受感部 SIで検出された基準設定用イオン電流波形、図 7 (b)は図 5 (b) の受感部 S2で検出された基準設定用イオン電流波形、図 7 (c)は図 5 (b)の受感部 S 3で検出された基準設定用イオン電流波形、図 7 (d)は図 5 (b)の受感部 S4で検出さ れた基準設定用イオン電流波形、図 7 (e)は図 5 (b)の受感部 S5で検出された基準 設定用イオン電流波形である。ここで、燃焼室 e内での点火位置は、ガスケット E3に 設けた燃焼室 eに臨む開口 e3の中央の上部である。
[0056] このようにして得られた基準設定用イオン電流波形は、解析部 3において、別途、 図 2 (a)または図 2 (b)に示すようにガスケット E3に設けた開口 e3に内側縁 laを臨ませ た検出用イオンセンサ 1,1'で検出された基準イオン電流波形とあらかじめ対応付け がなされ、対応関係が記憶部 5に記憶されている。
[0057] そして、通常の使用時に、検出用イオンセンサ 1 ,1'で検出されたイオン電流波形と 、記憶部 5に記憶されている基準イオン電流波形とを比較して、ニューラルネットヮー クによる解析を行うことにより、解析部 3は燃焼室 e内での燃焼状態を判定している。 なお、ニューラルネットワークによって燃焼判定の解析を行う場合には、内部イオンセ ンサ及び検出用イオンセンサ 1 , 1 'で得られたイオン電流波形を用 、るだけでなぐ圧 力センサ、ノックセンサ、排気分析などの検出結果も用いて燃焼評価を行っている。
[0058] 図 7 (a)〜（e)の実線は、燃焼状態が正常である場合のイオン電流波形を示して ヽ る力 燃焼状態が悪い場合には、図 7 (a)〜（e)の破線で示すような内部イオン電流 波形が得られる。
[0059] このようにして得られた内部イオン電流波形と、検出用イオンセンサ 1,1'で検出され たイオン電流波形とを対応づけて基準イオン電流波形を設定するとともに、たとえば この場合には緩慢燃焼が生じて 、ると判定して 、る。
[0060] そして、通常の使用時に、緩慢燃焼が生じていると判定される基準イオン電流波形 と一致するイオン電流波形が検出された場合には、制御部 4は、空燃比を高めたり、 点火プラグによる点火タイミングを早めたりするなどの制御信号を内燃機関 Eに入力 している。 ここでは、緩慢燃焼の場合について説明したが、緩慢燃焼以外にも、ノッキングや 失火などの燃焼状態の場合にも同様に判定され、制御部 4から内燃機関 Eの点火タ イミング、燃料噴射タイミング、燃料噴射量、空燃比、ガス流動などの調整を行って、 正常な燃焼状態が維持されるようにして 、る。

Claims

請求の範囲
[1] 内燃機関の燃焼室内での燃焼で生じたイオンを検出するイオンセンサにおいて、 絶縁材で被覆して ヽな ヽ露出部を設けた金属線と、
この金属線に所定の電圧を印加して前記金属線の電流変動を検出する検出手段 と
を備え、
前記露出部を受感部として前記燃焼室の内部に配置したことを特徴とするイオンセ ンサ。
[2] 前記金属線は、前記内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介設した ガスケットの前記燃焼室と連通する燃焼室用開口に架設し、前記受感部を前記燃焼 室用開口の所定位置に配置したことを特徴とする請求項 1記載のイオンセンサ。
[3] 内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を、前記燃焼室の内周面と同一平面に受感部を 設けた検出用イオンセンサを用いてイオン電流として検出し、このイオン電流の波形 が正常な燃焼状態の場合に示される波形となるように前記内燃機関の燃焼制御を行 う内燃機関の制御方法であって、
前記検出用イオンセンサから出力された前記イオン電流の波形を、前記燃焼室の 内部に受感部を配置した複数の内部イオンセンサであら力じめ検出した内部イオン 電流の波形と一対一に対応付けし、対応付けされた内部イオン電流の波形と前記燃 焼室内の燃焼状態との対応関係に基づいて前記内燃機関の燃焼制御を行う内燃機 関の制御方法。
[4] 前記燃焼制御では、前記検出用イオンセンサで検出したイオン電流の波形を、ニュ 一ラルネットワークを利用した解析手段で前記内部イオン電流の波形に対応付けす ることを特徴とする請求項 3記載の内燃機関の制御方法。
[5] 内燃機関の燃焼室の内周面と同一平面に受感部を設けた検出用イオンセンサと、 この検出用イオンセンサで検出したイオン電流の波形を解析して、前記イオン電流 の波形が正常な燃焼状態の場合に示される波形となるように前記内燃機関を制御す る制御部と
を備えた内燃機関制御システムであって、 前記制御部では、
前記検出用イオンセンサから出力された前記イオン電流の波形を、前記燃焼室の 内部に受感部を配置した複数の内部イオンセンサであら力じめ検出した内部イオン 電流の波形と一対一に対応付けし、対応付けされた内部イオン電流の波形と前記燃 焼室内の燃焼状態との対応関係に基づいて前記燃焼室の燃焼状態の制御を行う内 燃機関制御システム。
前記制御部は、前記検出用イオンセンサで検出したイオン電流の波形を、前記内 部イオン電流の波形に対応付けする-ユーラルネットワークを利用した解析手段を備 えて ヽることを特徴とする請求項 5記載の内燃機関制御システム。
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