JP2012007514A - 内燃機関の燃焼状態検出システム - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、内燃機関のノックが発生した場合に、燃焼室周縁部におけるノック強度の大きさを判定可能な技術の提供を課題とする。
【解決手段】本発明は、燃焼室周縁部において火炎が発生した範囲を時系列に検出する火炎検出装置と、ノック検出装置によりノックの発生が検出されたタイミングの前後一定時間以内に火炎が発生した範囲を特定し、特定された範囲の広さをパラメータにしてノック強度を判定する判定装置と、を備えるようにした。
【選択図】図7
【解決手段】本発明は、燃焼室周縁部において火炎が発生した範囲を時系列に検出する火炎検出装置と、ノック検出装置によりノックの発生が検出されたタイミングの前後一定時間以内に火炎が発生した範囲を特定し、特定された範囲の広さをパラメータにしてノック強度を判定する判定装置と、を備えるようにした。
【選択図】図7
Description
本発明は、内燃機関の燃焼状態を検出する技術に関し、特に火花点火式内燃機関のノックを検出する技術に関する。
内燃機関に取り付けられた振動センサによりノックの発生を検出し、検出されたノックが異常燃焼に因るものか否かを燃焼圧に基づいて判定しようとする技術が提案されている(たとえば、特許文献1を参照)。
ところで、燃焼室の周縁部(エンドガス部)において燃料が自己着火(自然着火)することによって圧力振動(ノック)が発生した場合に、燃焼室周縁部における圧力振動の大きさ(ノック強度)と振動センサや筒内圧センサによって検出される圧力振動の大きさとの間にずれが生じる場合がある。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のノックが発生した場合に、燃焼室周縁部におけるノック強度の大きさを判定可能な技術の提供にある。
本発明は、上記した課題を解決するために、燃焼室周縁部におけるノック強度の大きさが燃焼室周縁部における自己着火発生範囲の広さに相関する事項に着目した。
そこで、本発明に係わる内燃機関の燃焼状態検出システムは、
内燃機関におけるノックの発生を検出するノック検出装置と、
内燃機関の燃焼室周縁部において火炎が発生した範囲を時系列に検出する火炎検出装置と、
前記ノック検出装置によりノックの発生が検出されたタイミングの前後一定時間以内に前記火炎検出装置により検出された火炎発生範囲を特定し、特定された火炎発生範囲の広さをパラメータにしてノック強度を判定する判定装置と、
を備えるようにした。
内燃機関におけるノックの発生を検出するノック検出装置と、
内燃機関の燃焼室周縁部において火炎が発生した範囲を時系列に検出する火炎検出装置と、
前記ノック検出装置によりノックの発生が検出されたタイミングの前後一定時間以内に前記火炎検出装置により検出された火炎発生範囲を特定し、特定された火炎発生範囲の広さをパラメータにしてノック強度を判定する判定装置と、
を備えるようにした。
燃焼室の周縁部において燃料が自己着火(異常燃焼)した際に発生するノックの強度(圧力振動の大きさ)は、同時期に自己着火した燃料の量に相関する。つまり、同時期に自己着火した燃料が多いときは少ないときに比べ、ノック強度が大きくなる。その際、同時期に自己着火した燃料の量は、燃料の自己着火が同時期に発生した範囲の広さに相関する。
なお、燃焼室周縁部において着火及び燃焼する燃料のうち、ノック発生タイミングと略同時期に着火及び燃焼した燃料は自己着火したとみなすことができる。よって、ノック発生タイミングと略同時期に火炎が発生した範囲の広さは、自己着火した燃料の量に相関する。
これに対し、本発明に係わる内燃機関の燃焼状態検出システムによれば、ノック検出装置によりノックの発生が検出されたタイミングの前後一定時間以内に火炎が発生した範囲を特定することができる。その結果、特定された火炎発生範囲の広さをパラメータとしてノック強度の大きさを判定することが可能になる。なお、ここでいう一定時間は、燃焼室中央部におけるノック発生タイミングと燃焼室周縁部における燃料の自己着火タイミングとの時間差に相当する時間であり、予め実験的に求められた値である。
本発明において、ノック検出装置としては、内燃機関の振動を検出する振動センサ又は気筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、センサの検出波形からノック特有の周波数帯域の信号を検出するフィルタ処理部と、を備えた装置を用いることができる。
また、本発明において、火炎検出装置としては、燃焼室周縁部に間隔を置いて配置された複数の火炎センサと、同時期に火炎を検出したセンサの個数(及びセンサ間の間隔)から火炎発生範囲を演算する演算部と、を備えた装置を用いることができる。
本発明によれば、内燃機関のノックが発生した場合に、燃焼室の周縁部におけるノック強度の大きさを判定することができる。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
<実施例1>
先ず、本発明の第1の実施例について図1乃至図8に基づいて説明する。図1は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。
先ず、本発明の第1の実施例について図1乃至図8に基づいて説明する。図1は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。
図1に示す内燃機関1は、複数の気筒を有する火花点火式の内燃機関(ガソリンエンジ
ン)である。なお、図1においては、複数の気筒のうち1つの気筒のみが図示されている。
ン)である。なお、図1においては、複数の気筒のうち1つの気筒のみが図示されている。
内燃機関1の気筒2にはピストン3が装填されている。ピストン3より上方に位置する気筒内(燃焼室11)には、吸気ポート4と排気ポート5が連通している。内燃機関1は、吸気ポート4の開口端を開閉する吸気バルブ6と、排気ポート5の開口端を開閉する排気バルブ7と、を備えている。吸気バルブ6及び排気バルブ7は、インテークカムシャフト8及びエキゾーストカムシャフト9によりそれぞれ開閉駆動されるようになっている。
内燃機関1は、吸気ポート4の内部へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁10と、燃焼室11の略中央部に火種としての火花を発生させる点火プラグ12と、を備えている。点火プラグ12には、燃焼室11内の圧力(筒内圧)を検出する筒内圧センサ13が内装されている。燃焼室11において、吸気ポート4側の周縁部には火炎センサ14が取り付けられている。火炎センサ14は、図2に示すように、周方向へ等間隔(図2中の一定角度θ)に配置された複数(図2に示す例では5個)の測定部140−144を備えている。
このように構成された内燃機関1には、燃料噴射弁10や点火プラグ12を制御するためのECU15が併設されている。ECU15は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAMなどから構成される電子制御ユニットである。ECU15には、筒内圧センサ13や火炎センサ14などの各種センサの検出信号が入力されるようになっている。ECU15は、各種センサの検出信号に基づいて燃料噴射弁10や点火プラグ12などの各種機器を制御する。
また、本実施例においては、ECU15は、筒内圧センサ13及び火炎センサ14の検出信号に基づいてノック強度を判定するノック強度判定処理を実行する。以下、ノック強度判定処理の実行方法について述べる。
先ず、ECU15は、筒内圧センサ13の検出信号から筒内圧の波形を求める。ECU15は、筒内圧波形の振幅がノック判定値を超えたときにノックが発生したと判定する。
ところで、筒内圧センサ13の検出信号から求められる圧力振動の大きさ(すなわち、燃焼室11の中央部における圧力振動の大きさ)は、燃焼室11の周縁部における圧力振動の大きさ(振幅)と相関しない場合がある。
ここで、図3は、燃焼室周縁部の狭い範囲(たとえば、図4中の斜線で示すように、火炎センサ14の測定部142から測定部143までの範囲)で燃焼の自己着火が発生した場合の圧力振動を示す図である。図3中(a)は燃焼室中央部における圧力振動を示し、図3中(b)は燃焼室周縁部における圧力振動を示している。燃焼室周縁部の狭い範囲において自己着火が発生した場合は、燃焼室周縁部の圧振動の大きさ(振幅)A1は、燃焼室中央部の圧力振動の大きさ(振幅)A0の等倍から2倍程度になる。
図5は、燃焼室周縁部の広い範囲(たとえば、図6中の斜線で示すように、火炎センサ14の測定部140から測定部143までの範囲)で燃料が自己着火した場合の圧力振動を示す図である。図5中(a)は燃焼室中央部における圧力振動を示し、図5中(b)は燃焼室周縁部における圧力振動を示している。燃焼室周縁部の広い範囲において燃料が自己着火した場合は、燃焼室中央部における圧力振動の大きさ(振幅)A0は前述した図3に示した振幅A0と略同等になる。これに対し、燃焼室周縁部における圧力振動の大きさ(振幅)A2は、燃焼室中央部の圧力振動の大きさ(振幅)A0の数倍から数十倍の大きさになる。
したがって、燃焼室周縁部における圧力振動の大きさ(振幅)は、図7に示すように、自己着火範囲が広くなるほど大きくなる。なお、燃焼室周縁部において非常に大きな圧力信号が発生した場合は、ピストン3などの部品に与えるダメージが大きくなる可能性がある。そのため、燃焼室周縁部における圧力振動の大きさを正確に求める必要がある。しかしながら、図3,5に示したように、燃焼室中央部における圧力振動の大きさと燃焼室周縁部における圧力振動の大きさとは相関しない可能性があるため、筒内圧センサ13の検出信号に基づいて燃焼室周縁部における圧力振動の大きさ(振幅)を正確に求めることは困難である。
そこで、本実施例のノック強度判定処理では、ECU15は、筒内圧センサ13の検出信号と火炎センサ14の検出信号とに基づいて、燃焼室周縁部における圧力振動の大きさ(ノック強度の大きさ)をより正確に判定(特定)するようにした。
具体的には、ECU15は、筒内圧センサ13の検出信号及び火炎センサ14の検出信号をモニタリングする。その際、ECU15は、筒内圧センサ13の検出信号から燃焼室中央部における圧力振動の大きさ(振幅)を逐次演算し、その演算結果(圧力振動の大きさ)とノック判定値とを比較する。さらに、ECU15は、火炎センサ14の各測定部140−144が火炎を検出したタイミングを記憶する。
燃焼室中央部においてノック判定値より大きな圧力振動が発生した場合に、ECU15は、そのような圧力振動が発生したタイミング(以下、「ノック発生タイミング」と称する)と、火炎センサ14の各測定部140−144が火炎を検出したタイミング(以下、「火炎検出タイミング」と称する)と、を比較する。詳細には、ECU15は、ノック発生タイミングの前後一定時間以内の期間に含まれる火炎検出タイミングの個数を特定する。ここで、「一定時間」は、燃焼室周縁部において燃料が自己着火してから燃焼室中央部においてノック(ノック判定値より大きな圧力振動)が発生するまでに要する時間、又はその時間に所定のマージンを加算した時間に相当する。
続いて、ECU15は、ノック発生タイミングの前後一定時間以内の期間に含まれる火炎検出タイミングの個数と、測定部140−144の間隔θと、をパラメータとして自己着火発生範囲の広さRknockを演算する。ECU15は、自己着火発生範囲の広さRknockと前述した図7に示したようなマップとに基づいて燃焼室周縁部におけるノック強度の大きさを特定する。
このような方法によれば、燃焼室周縁部におけるノック強度の大きさをより正確に判定(特定)することができる。その結果、ノック強度の大きさに応じた対策を施すことも可能となる。たとえば、ECU15は、ノック強度が大きい場合は小さい場合に比べ、点火時期を遅くし、空燃比を低くし、又は過給圧を低くするようにしてもよい。また、ECU15は、ノック強度の大きさが閾値を超えるときは上記したような対策処理を実施し、ノック強度の大きさが閾値以下であるときは上記したような対策処理を実施しないようにしてもよい。ここでいう「閾値」は、たとえば、内燃機関1の構成部品にダメージを与える可能性があると考えられるノック強度の大きさから所定のマージンを差し引いた値である。
ここで、本実施例におけるノック強度判定処理の実行手順について図8に沿って説明する。図8は、ノック強度判定処理ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、予めECU15のROMなどに記憶されており、ECU15によって周期的に実行されるルーチンである。
図8のルーチンでは、ECU15は、先ずS101において、筒内圧センサ13及び火
炎センサ14の検出信号をモニタリングし、燃焼室中央部における圧力振動の振幅sknock、燃焼室中央部において振幅sknockの圧力振動が発生したタイミングaknock、及び、火炎センサ14の各測定部140−144が火炎を検出したタイミングajon(1)−ajon(5)を検出する。なお、ECU15がS101の処理を実行することにより、本発明に係わる火炎検出装置が実現される。
炎センサ14の検出信号をモニタリングし、燃焼室中央部における圧力振動の振幅sknock、燃焼室中央部において振幅sknockの圧力振動が発生したタイミングaknock、及び、火炎センサ14の各測定部140−144が火炎を検出したタイミングajon(1)−ajon(5)を検出する。なお、ECU15がS101の処理を実行することにより、本発明に係わる火炎検出装置が実現される。
S102では、ECU15は、前記S101で検出された圧力振動の振幅sknockがノック判定値s0より大きいか否か判別する。S102で否定判定された場合(sknock≦s0)は、ECU15は、本ルーチンの実行を一旦終了し、S101の処理を再度実行する。一方、S102において肯定判定された場合(sknock>s0)は、ECU15は、S103へ進む。なお、ECU15がS101及びS102の処理を実行することにより、本発明に係わるノック検出装置が実現される。
S103では、ECU15は、前記S101で検出された5つの火炎検出タイミングajon(1)−(5)のうち、前記振幅sknockの圧力振動が発生したタイミング(ノック発生タイミング)aknockの前後一定時間t0以内の期間に含まれる火炎検出タイミングajon(n)の個数Nを判定する。すなわち、ECU15は、以下の数式を満たす火炎検出タイミングajon(n)の個数Nを判定する。
|aknock−ajon(n)|<t0 (n:1乃至5の自然数)
|aknock−ajon(n)|<t0 (n:1乃至5の自然数)
たとえば、前述した図4に示したように測定部142から測定部143までの範囲において燃料の自己着火が発生した場合は、図9に示すように、2つの測定部142,143の火炎検出タイミングajon(3),ajon(4)が上記した数式を満たすことになる。その結果、Nの値は2となる。
また、前述した図6に示したように測定部140から測定部143までの範囲において燃料の自己着火が発生した場合は、図10に示すように、4つの測定部140,141,142,143の火炎検出タイミングajon(1),ajon(2),ajon(3),ajon(4)が上記した数式を満たすことになる。その結果、Nの値は4となる。
なお、ECU15がS103及びS104の処理を実行することにより、本発明に係わる判定装置が実現される。なお、前記S103では、ECU15は、前記S101で検出された5つの火炎検出タイミングajon(1)−(5)のうち、前記振幅sknockの圧力振動が発生したタイミング(ノック発生タイミング)aknock以前の一定時間t0以内に含まれる火炎検出タイミングajon(n)の個数Nのみを判定してもよい。
このようにして個数Nが求められると、ECU15は、S104へ進み、個数Nと測定部140−144の間隔θとをパラメータとして、火炎発生範囲の広さRknock(=(N−1)*θ)を演算する。
S105では、ECU15は、前記S104において算出された広さRknockが閾値Rknock0より大きいか否かを判別する。ここでいう閾値Rknock0は、ノック強度の閾値を図7に示したマップに基づいて火炎発生範囲の広さに換算した値である。
前記S105において否定判定された場合(Rknock≦Rknock0)は、ECU15は、本ルーチンの実行を一旦終了し、S101の処理を再度実行する。一方、前記S105において肯定判定された場合(Rknock>Rknock0)は、ECU15は、S106へ進む。
S106では、ECU15は、ノック対策処理を実行する。ノック対策処理では、EC
U15は、たとえば、点火時期を遅角させる処理と、混合気の空燃比を低下させる処理(燃料噴射量を減少させる処理)と、過給圧を低下させる処理と、の少なくとも1つを実行する。その際、点火時期の遅角量、空燃比の低下量、又は過給圧の低下量は、前記S104で算出された広さRknockと閾値Rknock0との差(=Rknock−Rknock0)が小さいときより大きいときの方が多くされてもよい。
U15は、たとえば、点火時期を遅角させる処理と、混合気の空燃比を低下させる処理(燃料噴射量を減少させる処理)と、過給圧を低下させる処理と、の少なくとも1つを実行する。その際、点火時期の遅角量、空燃比の低下量、又は過給圧の低下量は、前記S104で算出された広さRknockと閾値Rknock0との差(=Rknock−Rknock0)が小さいときより大きいときの方が多くされてもよい。
以上述べたようにECU15がノック強度判定処理を実行することにより、内燃機関1のノックが発生した場合において燃焼室周縁部のノック強度の大きさをより正確に判定することができる。その結果、ノック強度の大きさに適した対策処理を実行することも可能になる。
なお、本実施例では、燃焼室11の吸気ポート4側のみに測定部140−144が配置される例について述べたが、排気ポート5側のみに配置されてもよく、又は吸気ポート4側と排気ポート5側の双方に配置されてもよい。また、本実施例では、火炎センサ14が5つの測定部140−144を有する例について述べたが、測定部140−144の個数は6つ以上であってもよく、又は4つ以下であってもよい。要するに、燃料の自己着火が発生しやすい部位に測定部が設けられていれば、配置場所や個数は如何なる場所や個数であってもよい。
<実施例2>
次に、本発明の第2の実施例について図11,12に基づいて説明する。ここでは、前述した第1の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
次に、本発明の第2の実施例について図11,12に基づいて説明する。ここでは、前述した第1の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
前述した第1の実施例では筒内圧センサを利用してノックの発生を検出する例について述べたが、本実施例では振動センサを利用してノックの発生を検出する例について述べる。
図11は、本実施例において本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図11において、前述した第1の実施例(図1を参照)と同様の構成要素には同一の符号を付している。図11に示す内燃機関1は、前述した第1の実施例における筒内圧センサの代わりに振動センサ16を備えている。振動センサ16は、内燃機関1のシリンダヘッド又はシリンダブロックに取り付けられ、該内燃機関1の振動を検出する加速度センサである。
このように構成された内燃機関1に対し、ECU15は、振動センサ16の検出信号をモニタリングし、振動波形の振幅を逐次演算する。また、ECU15は、火炎センサ14の検出信号をモニタリングし、火炎センサ14の各測定部140−144が火炎を検出したタイミング(火炎検出タイミング)ajon(1)−(5)を取得する。
ECU15は、振動波形の振幅がノック判定値を超えたときにノックが発生したと判定する。その場合、ECU15は、ノック判定値を超える振幅の振動が発生したタイミング(ノック発生タイミング)の前後一定時間t0以内の期間に含まれる火炎検出タイミングの個数Nを求める。
続いて、ECU15は、ノック発生タイミングの前後一定時間以内の期間に含まれる火炎検出タイミングの個数と、測定部140−144の間隔θと、をパラメータとして自己着火発生範囲の広さRknockを演算する。ECU15は、自己着火発生範囲の広さRknockと前述した図7に示したようなマップとに基づいて燃焼室周縁部におけるノック強度の大きさを特定する。
このような方法によれば、前述した第1の実施例と同様に、燃焼室周縁部におけるノック強度の大きさをより正確に判定(特定)することができる。
以下、本実施例におけるノック強度判定処理の実行手順について図12に沿って説明する。図12は、ノック強度判定処理ルーチンを示すフローチャートである。図12において、前述した第1の実施例におけるノック強度判定処理ルーチンと同様の処理には同一の符号を付している。
前述した第1の実施例におけるノック強度判定処理ルーチンと図12のノック強度判定処理ルーチンとの差違は、S101−S103の代わりにS201−S203の処理が実行される点にある。
先ずS201では、ECU15は、振動センサ16及び火炎センサ14の検出信号をモニタリングし、内燃機関1の振動波形の振幅sknockg、振幅sknockgの振動が発生したタイミングaknockg、及び、火炎センサ14の各測定部140−144が火炎を検出したタイミングajon(1)−ajon(5)を検出する。
S202では、ECU15は、前記S201で検出された振幅sknockgがノック判定値s0gより大きいか否か判別する。S202で否定判定された場合(sknockg≦s0g)は、ECU15は、本ルーチンの実行を一旦終了し、S201の処理を再度実行する。一方、S202において肯定判定された場合(sknockg>s0g)は、ECU15は、S203へ進む。
S203では、ECU15は、前記S201で検出された5つの火炎検出タイミングajon(1)−(5)のうち、前記振幅sknockgの振動が発生したタイミング(ノック発生タイミング)aknockgの前後一定時間t0以内の期間に含まれる火炎検出タイミングajon(n)の個数Nを判定する。すなわち、ECU15は、以下の数式を満たす火炎検出タイミングajon(n)の個数Nを判定する。
|aknockg−ajon(n)|<t0 (n:1乃至5の自然数)
|aknockg−ajon(n)|<t0 (n:1乃至5の自然数)
なお、S203では、ECU15は、前記S201で検出された5つの火炎検出タイミングajon(1)−(5)のうち、前記振幅sknockgの振動が発生したタイミング(ノック発生タイミング)aknockg以前の一定時間t0以内に含まれる火炎検出タイミングajon(n)の個数Nを判定してもよい。
このようにして個数Nが求められると、ECU15は、S104以降の処理を実行する。その結果、筒内圧センサの代わりに振動センサを備えた内燃機関においても、前述した第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
1 内燃機関
2 気筒
3 ピストン
4 吸気ポート
5 排気ポート
6 吸気バルブ
7 排気バルブ
8 インテークカムシャフト
9 エキゾーストカムシャフト
10 燃料噴射弁
11 燃焼室
12 点火プラグ
13 筒内圧センサ
14 火炎センサ
15 ECU
16 振動センサ
140 測定部
141 測定部
142 測定部
143 測定部
144 測定部
2 気筒
3 ピストン
4 吸気ポート
5 排気ポート
6 吸気バルブ
7 排気バルブ
8 インテークカムシャフト
9 エキゾーストカムシャフト
10 燃料噴射弁
11 燃焼室
12 点火プラグ
13 筒内圧センサ
14 火炎センサ
15 ECU
16 振動センサ
140 測定部
141 測定部
142 測定部
143 測定部
144 測定部
Claims (2)
- 内燃機関におけるノックの発生を検出するノック検出装置と、
内燃機関の燃焼室周縁部において火炎が発生した範囲を時系列に検出する火炎検出装置と、
前記ノック検出装置によりノックの発生が検出されたタイミングの前後一定時間以内に前記火炎検出装置により検出された火炎発生範囲を特定し、特定された火炎発生範囲の広さをパラメータにしてノック強度を判定する判定装置と、
を備える内燃機関の燃焼状態検出システム。 - 請求項1において、前記火炎検出装置は、燃焼室周縁部の周方向に配置された複数の火炎センサと、同時期に火炎を検出した火炎センサの個数から火炎発範囲を演算する演算部と、を備える内燃機関の燃焼状態検出システム。
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