JP2008524489A - 内燃エンジンの異常燃焼検出方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、火花点火過給内燃エンジンの少なくとも１つのシリンダの燃焼室内における異常燃焼を検出する方法であって、燃焼室内の燃料混合気の燃焼に関連している物理量を計測するステップと、計測された物理量の振幅に信号の振幅が依存している信号を生成するステップと、生成された信号の振幅をノッキング燃焼中の少なくとも１つの閾値信号の振幅と比較するステップと、生成された信号の振幅が閾値信号の振幅を有意な値だけ超えているときに、燃焼室内に衝撃性の轟音の異常燃焼が存在していると判断するステップとを有する。

Description

本発明は、内燃エンジンの燃焼室内の異常燃焼を検出する方法に関する。

本発明は、特に火花点火過給エンジン、好ましくはガソリンタイプの火花点火過給エンジンに適用される方法に関するが、限定はされない。

そのようなエンジンにおいて、ピストンの上部とシリンダヘッドとによって区切られている燃焼室は、点火プラグなどの火花点火装置の効果の下で燃焼する燃料混合気を収容する。

この燃焼は、エンジンの深刻な損傷の原因となる可能性を有する様々な燃焼騒音のいくつかの源であることがわかっている。

第１の騒音は、振動周波数の振幅が非常に小さくほぼ一定である暗騒音である。この騒音は、点火プラグから火炎前面と共に通常伝播する燃焼の伝播の結果である。この種類の騒音は十分に低いのでエンジンを損傷させる恐れはない。

第２の騒音は、寄生騒音であって、エンジンノックと呼ばれる燃焼室内の好ましくない燃焼の結果である。このエンジンノックは、点火プラグによる燃料混合気の点火による火炎前面の到着前の燃料混合気の一部の突然で局所的な自己点火である。一般に知られているように、このエンジンノックは、暗騒音よりも振幅が大きい、所定の周波数の振動を発生させる。このエンジンノックは、局所的な圧力上昇につながり、反復して発生すると、エンジン特にピストンに破壊的な影響を及ぼす。

最後に第３の騒音は、異常燃焼によって発生する。この異常燃焼は、従来のエンジンと同じ出力および／または同じトルクを維持しながら大きさおよび／またはシリンダ容積が減少しているエンジン、一般に小型化エンジンと呼ばれているエンジンに主に影響する。主にガソリンタイプであるこの種類のエンジンは、大幅に過給され、この異常燃焼は一般に低いエンジン回転速度で発生する。実際に、そのような運転範囲では、燃料混合気の燃焼のタイミングは、最適なものからはほど遠い。より正確には、点火はピストンがその上死点（ＴＤＣ）を一旦越えてから発生する。これによって、「２こぶ曲線」と呼ばれる圧力曲線となり、第１のこぶは圧縮とＴＤＣ後のピストンの下降とによって、それに続く他のこぶは、点火プラグによる燃料混合気の点火と膨張行程の間中の燃焼室内での燃料混合気の燃焼とによる。しかし、燃焼室内で過給によって到達する高圧と高温を考慮すると、異常燃焼は点火プラグによる燃料混合気の点火よりもはるか前に発生する。この燃焼は、ピストンＴＤＣの近傍の燃料混合気の大部分の火炎前面による自己点火の結果であり、この燃焼は点火プラグによる燃料混合気の点火よりもはるかに上流で発生する。この異常燃焼によって、専門家が轟音型燃焼と呼ぶ低い騒音が発生する。

前述の部分は全て図１に示されており、図１は、正常燃焼中のクランク軸角度（単位°）の関数として燃焼室内での圧力（単位バール）の変化を示している曲線Ｎｐと、轟音型燃焼中の同じクランク軸角度の関数としてこの圧力の変化を示している曲線Ｒｐとを有しているグラフである。この変化は、圧縮下死点（１８０°クランク軸でのｃｏｍｐＢＤＣ）から膨張下死点（５４０°クランク軸でのｅｘｐＢＤＣ）までのピストンストロークの行程中と考えられる。

したがって、正常燃焼（曲線Ｎｐ）、つまりエンジンノックまたは轟音のない燃焼については、燃料混合気は、ピストンが圧縮下死点（ｃｏｍｐＢＤＣ）から上死点付近（約３６０°クランク角度のＴＤＣ）まで移動するにつれて、燃焼室内で約５０バールまで圧縮される。ピストンストロークはこのＴＤＣからは反対方向であり、圧力は、３８０°程度のクランク軸角度Ｖａでの約４０バールまで減少する。この角度Ｖａでは、圧縮された燃料混合気の点火は、点火プラグによって達成される。そのため、これによって、燃料混合気の燃焼と約４０５°のクランク角度での約６０バールまでの圧力上昇とが発生する。ピストンは膨張ＢＤＣに達するまで引き続き下降し、圧力は大気圧に近くなるまで減少する。

轟音型燃焼（曲線Ｒｐ）については、燃焼室内の混合気の圧力および温度の条件を考慮すると、この混合気の自己点火は、ピストンがＴＤＣに到達する前に発生する。この自己点火によって燃焼室内に非常に大きい突然の圧力上昇が発生し、その圧力は、燃料混合気の点火プラグによる点火のはるか前に１４０バールを超える。それから、この圧力はＴＤＣからｅｘｐＢＤＣへのピストンストロークの結果、ｅｘｐＢＤＣ付近で大気圧のレベルに達するまで減少する。

したがって、この轟音型燃焼によって燃焼室内が非常に高い圧力レベルになり、これによって、ピストンやコネクティングロッドなどのエンジンの可動要素が部分的または完全に破壊され、その結果エンジンが故障する可能性がある。

したがって、本発明は、以降のエンジンの運転中に異常な轟音型燃焼を防止できる対策を取ることができるように、エンジンに一般的に用いられている装置やシステムを使用してそのような燃焼を識別することを目的とする。

したがって、本発明は、火花点火過給内燃エンジンの少なくとも１つのシリンダの燃焼室内における異常燃焼を検出する方法であって、
燃焼室内の燃料混合気の燃焼に関連している量を計測するステップと、
計測された量の振幅に信号の振幅が依存している信号を生成するステップと、
生成された信号の振幅を少なくとも１つの閾値信号の振幅と比較するステップと、
生成された信号の振幅が閾値信号の振幅を有意な値だけ超えているときに、燃焼室内に轟音型の異常燃焼が存在していると判断するステップと、を有する。

量は、燃焼室内で発生する振動に対応していてもよい。

また、量は、燃焼室内で発生する圧力に対応していてもよい。

さらに、量は、燃焼室内の燃料混合気の燃焼の間、電離電流に対応していてもよい。

閾値信号は、正常燃焼中の信号の振幅に対応していてもよい。

閾値信号は、エンジンノックを伴う燃焼中の信号の振幅に対応していてもよい。

ノック検出手段が、燃焼によって発生した振動の検出に使用されてもよい。

轟音型の異常燃焼が存在していると判断した後、轟音型の異常燃焼現象の再発を防ぐように燃料噴射のパラメータに作用してもよい。

判断の後、少なくとも１サイクルにわたって燃料噴射のタイミングに作用してもよい。

また、判断の後、少なくとも１サイクルにわたって燃料噴射の量に作用してもよい。

本発明のその他の特徴と効果は、添付の図面を参照して、以降の記述を読むことで明らかになろう。

図２において、火花点火過給内燃エンジン１０、特にガソリンタイプの火花点火過給内燃エンジン１０は、過給された空気と燃料との混合気の燃焼が起こる燃焼室１４を備えている少なくとも１つのシリンダ１２を有している。

シリンダは、加圧されている燃料を供給する、たとえば燃焼室内に開口している弁２０によって制御されている燃料噴射ノズル１８の形態の少なくとも１つの手段１６と、吸気マニフォールド２６に付属している弁２４を備えている少なくとも１つの吸気手段２２と、弁３０と排気マニフォールド３２とを備えている少なくとも１つの燃焼気体排気手段２８と、燃焼室内に存在している燃料混合気に点火することができる１つ以上の火花を発生できる点火プラグなどの少なくとも１つの点火手段３４とを有している。

このエンジンの排気手段２８のマニフォールド３２は、排気ライン３８にそれ自体が接続されている排気管３６に接続されている。例えば、ターボ過給機や容積式圧縮器などの過給装置４０がこの排気ライン上に配置されており、過給装置４０は、排気ライン内を循環している排気ガスによって掃気されるタービンを備えている駆動ステージ４２と、加圧された吸気を吸気マニフォールド２６を通して燃焼室１４に供給できるようにしている圧縮ステージ４４とを有している。

エンジンは、通常、エンジンのシリンダハウジング上に配置されているノック検出手段４６を有している。これらの検出手段は、一般的に燃焼室内のエンジンノックの出現を振動波の形態で示す信号を発生できるようにする加速度計からなる。

エンジンは、エンジンが確実に円滑に運転するように、水温または油温などの検出器から出力される様々な信号を受け取って、計算によってそれらを処理し、それからエンジンの装置を制御するために、エンジンの様々な装置および検出器に導線（そのうちいくつかは双方向）によって接続されているエンジンコンピュータと呼ばれる計算制御装置４８も有している。

したがって、図２に示している例の場合では、燃料混合気の点火の時間を制御するように点火プラグ３４は、導体５０によってエンジンコンピュータ４８に接続されており、加速度計４６は、燃焼室内の振動を示している信号をエンジンコンピュータに送信するようにライン５２によってこのエンジンコンピュータに接続されており、噴射ノズル１８を制御している弁２０は、燃焼室内の燃料噴射を制御するように導体５４によってコンピュータ４８に接続されている。

図３は、正常燃焼（Ｎｂ）、エンジンノックを伴う燃焼（Ｃｂ）および轟音型の異常燃焼（Ｒｂ）について加速度計によって検出された信号のレベル曲線を示している。これらの曲線は、時間の経過（秒単位）に伴って検出された騒音レベルの積分による曲線である。

この図から、正常燃焼の信号レベルの積分曲線Ｎｂ（この図では点線で示している）は、ほぼ一定であり、実質的に０に近い。エンジンノックを伴う燃焼の信号レベル曲線Ｃｂは約２のレベルと約６のレベルとの間で振動しているのに対して、轟音型燃焼の信号レベル曲線Ｒｂはレベル４０をはるかに超えている。

この図から、轟音型燃焼の振動の振幅は、正常燃焼とエンジンノックを伴う燃焼との振動の振幅による信号レベルを有意に超える信号レベルとなることがわかる。

実際、轟音型燃焼は、正常燃焼の信号レベルの約４０倍であって、エンジンノックを伴う燃焼の最大信号レベルの７倍の信号レベルとなる。

エンジンノックを伴う燃焼の場合、信号レベルは１０に近くなることがあり、この場合、轟音型異常燃焼の信号レベルは、エンジンノックを伴うこの燃焼の信号レベルの約４倍となるであろう。

したがって、図１に関連して記述したように、ノック検出手段４６は、シリンダ１２の燃焼室１４内の燃焼によって発生する振動を検出する。この情報は信号の形態でライン５２を通してエンジンコンピュータ４８に送られる。このコンピュータは検出された信号の振幅に対応している信号の振幅を生成し、それから、この信号は、正常燃焼とエンジンノックを伴う燃焼との両騒音レベル閾値信号と比較される。加速度計から受け取った信号と両閾値レベルとの比較によって、エンジンコンピュータは燃焼室内の轟音型異常燃焼の存在を判断することができる。例として図３に示すように、轟音型の異常燃焼は、正常燃焼の閾値の約４０倍で、エンジンノックを伴う燃焼の閾値の約４倍の信号が生成された場合に検出される。その後、このエンジンコンピュータは、噴射パラメータを修正してこの轟音型の異常燃焼が次のサイクルで再発しないように、加圧された燃料を送る手段１６に導体５４を通して制御指令を送る。エンジンコンピュータは、燃料噴射のタイミングまたは燃料噴射の量のいずれか、またはその両方に作用することが好ましく、これらの作用は異常燃焼検出後、少なくとも１サイクルにわたって実現されている。

もちろん、本発明の範囲を逸脱することなく、轟音型燃焼の検出に燃焼室１４内の燃焼の経過に関連した任意の他の量を使用することができる。したがって、燃焼によって発生する振動を表す信号レベルについてこれまで説明したが、シリンダ圧力検出器によって燃焼室の内圧に関連した量も使用することができる。例としてだけ挙げている図１に示す場合では、この圧力は点火プラグによって点火が開始された時の燃焼による内圧を示す閾値の圧力の約４倍である。点火プラグの電極で検出可能な電流である、燃焼中の燃料混合気の電離電流を示す信号を用いることもできる。

もちろん、本発明は前述の実施例には限定されず、任意の変形例および均等物を含んでいる。

従来の燃焼と異常燃焼との両圧力曲線の図である。 本発明の検出方法を用いるエンジンの図である。 従来の燃焼、エンジンノックを伴う燃焼および轟音型の異常燃焼から得られる３つの信号レベル曲線の図である。

Claims (10)

1. 火花点火過給内燃エンジンの少なくとも１つのシリンダ（１２）の燃焼室（１４）内における異常燃焼を検出する方法であって、
   前記燃焼室（１４）内の燃料混合気の燃焼に関連している量を計測するステップと、
   計測された前記量の振幅に信号の振幅が依存している該信号を生成するステップと、
   生成された前記信号の振幅を少なくとも１つの閾値信号の振幅と比較するステップと、
   生成された前記信号の振幅が前記閾値信号の前記振幅を有意な値だけ超えているときに、前記燃焼室内に轟音型の異常燃焼が存在していると判断するステップと、
   を有することを特徴とする、
   異常燃焼検出方法。
2. 前記量は、前記燃焼室内で発生する振動に対応していることを特徴とする、請求項１に記載の異常燃焼検出方法。
3. 前記量は、前記燃焼室内で発生する圧力に対応していることを特徴とする、請求項１に記載の異常燃焼検出方法。
4. 前記量は、前記燃焼室内の前記燃料混合気の燃焼の間、電離電流に対応していることを特徴とする、請求項１に記載の異常燃焼検出方法。
5. 前記閾値信号は、正常燃焼中の前記信号の前記振幅に対応していることを特徴とする、請求項１に記載の異常燃焼検出方法。
6. 前記閾値信号は、エンジンノックを伴う燃焼中の前記信号の前記振幅に対応していることを特徴とする、請求項１に記載の異常燃焼検出方法。
7. ノック検出手段（４６）が、燃焼によって発生した前記振動の検出に使用されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の異常燃焼検出方法。
8. 前記轟音型の異常燃焼が存在していると判断した後、該轟音型の異常燃焼現象の再発を防ぐように燃料噴射のパラメータに作用することを特徴とする、請求項１に記載の異常燃焼検出方法。
9. 前記判断の後、少なくとも１サイクルにわたって前記燃料噴射のタイミングに作用することを特徴とする、請求項８に記載の異常燃焼検出方法。
10. 前記判断の後、少なくとも１サイクルにわたって前記燃料噴射の量に作用することを特徴とする、請求項８に記載の異常燃焼検出方法。