JP2018178868A - 内燃機関の異常燃焼検出装置 - Google Patents
内燃機関の異常燃焼検出装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
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。
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。
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、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、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、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制御部と、を備えたものである。
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。
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。
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。
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。
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、非特定異常燃焼制御部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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
次に、非特定異常燃焼制御部4eについて説明する。非特定異常燃焼制御部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。
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。
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。
IKNK0=IKNK ・・・(4)
DPKNK0=DPKNK ・・・(5)
∵DPKNK=PKNK−θIG
ΔIKNK=IKNK−IKNK0 ・・・(6)
ΔDPKNK=DPKNK−DPKNK0 ・・・(7)
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。
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。
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
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。
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。
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処理を終了する。
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、31a RAM、31b ROM、32 入力回路、33 出力回路、40a ノイズ除去ローパスフィル、40b A/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
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。
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。
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。
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。
Claims (5)
- 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、
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、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、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制御部と、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の制御を実行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、低回転高負荷の運転領域外ではプリイグニッションの検出期間を設けず、上記非特定異常燃焼の制御を実行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制御部は、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制御部は、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。
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