JP3906880B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃費向上、排気浄化率向上等を狙って内燃機関を安定運転限界に制御する内燃機関制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関（エンジン）の気筒内で混合気が燃焼する際にイオンが発生する点に着目し、このイオン電流を点火プラグを介して検出することで、ノッキング、失火等を検出する技術が提案されている。更に、最近では、イオン電流の検出値から燃焼状態を判定して、それをエンジン制御に反映させるために、特開平６−２４９０４８号公報、特開平６−１９３５１４号公報に示すように、イオン電流の検出値から燃焼ラフネス値（燃焼のばらつき度合を表すパラメータ）を算出し、この燃焼ラフネス値が目標燃焼ラフネス値に一致するように燃料噴射量やＥＧＲ量（排気還流量）をフィードバック制御することが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、イオン電流は、エンジン運転条件によって大きく変動するため、イオン電流の検出値から算出した燃焼ラフネス値には、エンジン運転条件によるイオン電流の変動の影響がそのまま含まれてしまい、燃焼ラフネス値の算出精度が悪く、混合気の燃焼状態を精度良く判定できない。従って、イオン電流の検出値から算出した燃焼ラフネス値を用いてエンジン制御を行ったのでは、エンジン制御に実際の燃焼状態を精度良く反映させることができない。
【０００４】
また、特開平６−３４４９１号公報に示すように、イオン電流がしきい値以上になる期間の長さやイオン電流のピーク値のばらつきの度合によってリーン限界を検出し、リーン限界付近で空燃比制御を行うことが提案されている。しかし、イオン電流がしきい値以上になる期間の長さやイオン電流のピーク値のばらつきの度合は、エンジン運転条件によるイオン電流の変動の影響を受けて変動してしまい、リーン限界を精度良く検出することができず、リーン限界付近で空燃比制御を精度良く行うことができない。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、イオン電流の検出情報を用いて内燃機関の制御を精度良く行うことができる内燃機関制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関制御装置によれば、イオン電流検出手段の出力信号からイオン電流の発生タイミングを発生タイミング判定手段により判定し、その判定結果に基づいて内燃機関の制御値（以下「機関制御値」という）を制御手段によって内燃機関の安定運転限界付近に制御する（以下、この制御を「安定運転限界制御」という）。例えば、空燃比を稀薄化したりＥＧＲ量を増加するに従って、混合気の燃焼時の火炎伝播速度が遅くなって燃焼期間が長くなり、更に、安定運転限界領域では、火炎伝播速度不良により未燃混合気が排気行程で燃焼する後燃え発生サイクルが発生する。イオン電流は、混合気の燃焼により発生するため、安定運転限界領域では、後燃え発生サイクルにより排気行程でもイオン電流が発生する。
【０００７】
この特性に着目し、本発明では、イオン電流の発生タイミングから安定運転限界を判定して内燃機関の運転状態を安定運転限界付近に制御するものである。安定運転限界におけるイオン電流の発生タイミングは、エンジン運転条件によるイオン電流の増減変動の影響を受けないため、イオン電流の発生タイミングから安定運転限界を精度良く検出することができ、安定運転限界付近で安定した内燃機関の制御が可能となる。
【０００８】
しかも、請求項１に係る発明では、イオン電流が排気行程中に発生したか否かを判定し、イオン電流が排気行程中に発生する状態を内燃機関の安定運転限界として機関制御値を制御するようにしている。これにより、失火寸前の状態（着火限界）となる、例えばリーン限界、ＥＧＲ限界で安定した制御が可能となり、燃費低減、排気浄化率向上等を実現できる。
【０００９】
更に、請求項２，３のように、発生タイミング判定手段の判定結果から内燃機関の運転状態が安定運転限界であるか否かを判定する手段と、その判定結果に応じて機関制御値を増減補正する手段とを有し、所定期間の機関制御値の変動幅が所定範囲内に収まる毎に該機関制御値の増減補正量を縮小するようにしても良い。このようにすれば、機関制御値を安定運転限界付近に収束させることができ、安定運転限界制御を更に安定させることができる。
【００１０】
また、請求項４のように、学習手段によって所定期間の機関制御値の平均値やなまし値等を求めて、これを機関制御値の初期値として学習するようにしても良い。このようにすれば、安定運転限界制御を開始又は再開する際に、機関制御値の初期値（学習値）と安定運転限界値とのずれを少なくすることができ、機関制御値を安定運転限界付近に速やかに収束させることができる。
【００１１】
また、請求項５のように、安定運転限界制御を空燃比フィードバック制御中に実行するようにしても良い。つまり、空燃比フィードバック制御が停止されている期間は、内燃機関の運転状態が比較的不安定であるため、この期間に安定運転限界制御を行うと、内燃機関の運転状態が更に不安定になるおそれがある。これを回避するため、安定運転限界制御を空燃比フィードバック制御中に実行するようにすれば、内燃機関の運転状態の安定性を損なうことなく、実効性の高い安定運転限界制御を行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいて点火制御系及びイオン電流検出系の回路構成を説明する。点火コイル１１の一次コイル１２の一端は、バッテリ電圧ＶB が供給される電源供給端子（＋Ｂ）に接続され、該一次コイル１２の他端は、点火制御用のパワートランジスタ１５のコレクタに接続されている。点火コイル１１の二次コイル１６の一端は点火プラグ１７に接続され、該二次コイル１６の他端は、２つのツェナーダイオード１８，１９を介してグランドに接続されている。
【００１３】
２つのツェナーダイオード１８，１９は互いに逆向きに直列接続され、一方のツェナーダイオード１８にコンデンサ２０が並列に接続され、他方のツェナーダイオード１９にイオン電流検出抵抗２１が並列に接続されている。コンデンサ２０とイオン電流検出抵抗２１との間の電位Ｖinが抵抗２２を介して増幅回路２３の−入力端子に入力されて増幅される。イオン電流検出回路２４（イオン電流検出手段）は、ツェナーダイオード１８，１９、コンデンサ２０、イオン電流検出抵抗２１、増幅回路２３等から構成されている。このイオン電流検出回路２４の出力電圧（増幅回路２３の出力電圧）がイオン電流信号として信号処理回路２８に入力される。
【００１４】
エンジン運転中は、エンジン制御回路２７から出力される点火信号ＩＧｔの立ち上がり／立ち下がりでパワートランジスタ１５がオン／オフする。パワートランジスタ１５がオンすると、バッテリ（図示せず）から一次コイル１２に一次電流が流れ、その後、パワートランジスタ１５がオフすると、一次コイル１２の一次電流が遮断されて、二次コイル１６に高電圧が電磁誘導され、この高電圧によって点火プラグ１７の電極３０，２９間に火花放電が発生する。
【００１５】
この際、火花放電電流は点火プラグ１７の接地電極２９から中心電極３０へ流れ、二次コイル１６を経てコンデンサ２０に充電されると共に、ツェナーダイオード１８，１９を経てグランド側に流れる。コンデンサ２０の充電後は、ツェナーダイオード１８のツェナー電圧によって規制されるコンデンサ２０の充電電圧を電源としてイオン電流検出回路２４が駆動され、次のようにしてイオン電流が検出される。
【００１６】
火花放電終了後は、コンデンサ２０の充電電圧によって点火プラグ１７の電極３０，２９間に電圧が印加され、混合気が燃焼する際に発生したイオンがイオン電流として点火プラグ１７の電極３０，２９間に流れる。このイオン電流は、中心電極３０から接地電極２９へ流れ、更に、グランド側からイオン電流検出抵抗２１を通ってコンデンサ２０に流れる。
【００１７】
この際、イオン電流検出抵抗２１に流れるイオン電流の変化に応じて増幅回路２３の入力電位Ｖinが変化し、この増幅回路２３の出力端子からイオン電流に応じた電圧のイオン電流信号が信号処理回路２８に出力される。
【００１８】
この信号処理回路２８には、ノイズマスク２５と比較回路２６とが設けられ、ノイズマスク２５では、入力されるイオン電流信号から火花放電直後のＬＣ共振ノイズを取り除き、比較回路２６では、ノイズマスク２５を通過したイオン電流信号Ｖion を所定のしきい値Ｖthと比較し、Ｖion ≧Ｖthの時にハイレベル信号をエンジン制御回路２７に出力する。そして、エンジン制御回路２７は、比較回路２６の出力Ｖout がローレベルからハイレベルに反転するタイミング（ラッチ時間Ｔup）を検出することで、イオン電流の発生タイミングを判定する。尚、このラッチ時間Ｔupは、エンジン制御回路２７のＲＡＭ（図示せず）に一時的に記憶される。
【００１９】
次に、混合気の燃焼状態とイオン電流の発生タイミングとの関係を説明する。正常燃焼時には、図２に示すように、点火後の燃焼に伴って比較的大きなイオン電流が流れる。正常燃焼時には、膨張行程で燃焼室内の混合気が全て燃焼し終えるため、膨張行程のみにイオン電流が発生し、排気行程では、イオン電流は発生しない。
【００２０】
正常燃焼領域でも、空燃比を稀薄化したりＥＧＲ量（排気還流量）を増加するに従って、混合気の燃焼時の火炎伝播速度が遅くなって燃焼期間が長くなると共に、イオン電流のピーク値が低下する。この傾向が更に進むと、膨張行程で、火炎伝播速度不良により燃焼室内の混合気の一部が燃焼せずに残り、その未燃混合気が排気行程で燃焼する後燃え発生サイクルが発生する。このような運転領域は、失火が発生する寸前の安定運転限界領域であり、空燃比をリーンにできる限界（リーン限界）であると共に、ＥＧＲ量を増加できる限界（ＥＧＲ限界）でもある。従って、空燃比やＥＧＲ量を安定運転限界付近に制御することで、燃費低減や排気浄化率向上が可能となる。
【００２１】
この安定運転限界領域では、図３に示すように、膨張行程でイオン電流が発生すると共に、排気行程でも、後燃え発生サイクルによりイオン電流が発生する。このため、膨張行程と排気行程の双方でイオン電流信号Ｖion がしきい値Ｖthを越え、イオン電流が検出される。
【００２２】
この安定運転限界領域より燃焼性が更に低下すると、膨張行程で火炎伝播不良により火炎が燃え広がる途中で消える“失火”が発生する。失火時には、膨張行程で火炎が途中で消えるまで、イオン電流が僅かに発生するが、イオン電流信号Ｖion がしきい値Ｖth以下であるため、イオン電流は検出されない。尚、完全失火時には、着火不良により混合気に全く着火されないため、イオン電流は全く発生しない。
【００２３】
以上のようなイオン電流の発生タイミングと混合気の燃焼状態、安定運転限界との関係を考慮し、エンジン制御回路２７は、イオン電流の発生タイミングから安定運転限界を判定して、機関制御値（例えば空燃比）を安定運転限界付近（リーン限界付近）に制御する。この安定運転限界制御は、エンジン制御回路２７のＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図５のイオン電流発生タイミング判定プログラムと図６の安定運転限界制御プログラムによって次のように実行される。
【００２４】
図５のイオン電流発生タイミング判定プログラムは、例えば各気筒の排気行程終了毎に実行され、特許請求の範囲でいう発生タイミング判定手段としての役割を果たす。本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、点火後にイオン電流が検出されたか否か（つまり比較回路２６からハイレベル信号Ｖout が出力されたか否か）を判定し、もし、イオン電流が検出されなかった場合（つまり失火が検出された場合）には、念のために空燃比をリッチ側に戻すために、ステップ１０５に進み、燃焼フラグＩexを後述する安定運転限界時と同じく「１」にセットして本プログラムを終了する。
【００２５】
これに対し、点火後にイオン電流が検出された場合には、ステップ１０２に進み、比較回路２６の出力Ｖout がローレベルからハイレベルに反転したタイミング（ラッチ時間Ｔup）をエンジン制御回路２７のＲＡＭ（図示せず）から読み込む。尚、点火後にイオン電流が複数回検出された場合には、最も遅い時期のラッチ時間Ｔupを読み込む。
【００２６】
この後、ステップ１０３で、ラッチ時間Ｔupをクランク角に換算して、イオン電流の発生タイミングθupをクランク角で求める。この後、イオン電流の発生タイミングθupが排気行程中であるか否か、つまり、θ1 ＜θup＜θ2 （θ1 は排気行程開始時のクランク角、θ2 は排気行程終了時のクランク角）であるか否かを判定し、イオン電流の発生タイミングθupが排気行程中であれば、ステップ１０５に進み、燃焼フラグＩexを、安定運転限界（失火寸前の状態）を意味する「１」にセットして本プログラムを終了する。
【００２７】
一方、イオン電流の発生タイミングθupが排気行程中でないと判定されれば、ステップ１０６に進み、燃焼フラグＩexを、正常燃焼を意味する「０」にセットして本プログラムを終了する。
【００２８】
図６の安定運転限界制御プログラムは、例えば噴射タイミング毎（所定クランク角毎）に実行され、特許請求の範囲でいう制御手段としての役割を果たす。本プログラムが起動されると、まずステップ２０１で、空燃比フィードバック制御中であるか否かを判定し、空燃比フィードバック制御中でなければ、以降の安定運転限界制御の処理を行わず、後述する補正回数カウンタｉを初期値「１」にリセットして（ステップ２０２）、本プログラムを終了する。空燃比フィードバック制御の停止中は、エンジン運転状態が比較的不安定であるため、この期間に安定運転限界制御を行うと、エンジン運転状態が更に不安定になるおそれがあるためである。
【００２９】
一方、空燃比フィードバック制御中であれば、ステップ２０３に進み、燃焼フラグＩexをが安定運転限界（失火寸前の状態）を意味する「１」であるか否かを判定し、Ｉex＝１（安定運転限界）であれば、ステップ２０４に進み、空燃比補正量ΔＶを−ｖ1 （リッチ側補正量）に設定し、Ｉex＝０（正常燃焼）であれば、ステップ２０５に進み、空燃比補正量ΔＶをｖ2 （リーン側補正量）に設定する。ここで、リッチ側補正量｜−ｖ1 ｜は、リーン側補正量｜ｖ2 ｜よりも大きい値に設定されている。空燃比補正量ΔＶの設定後、ステップ２０６で、前回の空燃比Ｖi に空燃比補正量ΔＶを加算して、空燃比Ｖi をリーン側又はリッチ側に補正する。ここで、空燃比Ｖi の添字のi は空燃比の補正回数を表す。
【００３０】
そして、次のステップ２０７で、補正回数カウンタｉが例えば「５０」であるか否か、つまり、本プログラムによる空燃比Ｖi の補正回数が５０回になったか否かを判定し、５０回未満であれば、ステップ２０８に進み、補正回数カウンタｉを１だけカウントアップして本プログラムを終了する。
【００３１】
以上のようにして、空燃比フィードバック制御中に空燃比Ｖi の補正回数が５０回になるまで、ステップ２０３〜２０６の処理により燃焼フラグＩexの値に応じて空燃比Ｖi の増減補正を繰り返す。その後、空燃比Ｖi の補正回数が５０回になると、ステップ２０７からステップ２０９に進み、過去５０回の空燃比Ｖi の変動幅ΔＶＨ、つまり空燃比Ｖi の最大値 (Ｖi)max と最小値 (Ｖi)min との差を算出する。
【００３２】
この後、ステップ２１０で、空燃比の変動幅ΔＶＨが所定範囲内（Ａ＜ΔＶＨ＜Ｂ）であるか否かを判定し、所定範囲内であれば、空燃比が安定運転限界（リーン限界）の付近で比較的安定していると判断し、ステップ２１１に進み、空燃比補正量ｖ1 ，ｖ2 の縮小割合を決めるための係数ａ，ｂを共に例えば１／２に設定し、空燃比補正量ｖ1 ，ｖ2 を１／２に縮小する（ステップ２１３）。これにより、空燃比Ｖi を安定運転限界（リーン限界）付近に収束させる。尚、係数ａ，ｂは、１／２に限定されず、２／３、３／４等、他の値であっても良い。
【００３３】
これに対し、上記ステップ２１０で、空燃比の変動幅ΔＶＨが所定範囲外（ΔＶＨ≦Ａ又はΔＶＨ≧Ｂ）と判定された場合、つまり、空燃比の変動が大きすぎる場合、又は、空燃比の変動が十分に小さい場合は、空燃比補正量ｖ1 ，ｖ2 を縮小する必要がないので、ステップ２１２に進み、空燃比補正量ｖ1 ，ｖ2 を決めるための係数ａ，ｂを共に１に設定し、空燃比補正量ｖ1 ，ｖ2 を縮小しない（ステップ２１３）。
【００３４】
この後、ステップ２１４で、過去５０回の空燃比Ｖi の平均値を算出して、これを空燃比の初期値Ｖ0 として学習する。この空燃比の初期値Ｖ0 の学習値は、安定運転限界制御を開始又は再開する際の空燃比の初期値Ｖ0 として用いられる。このステップ２１４の処理が特許請求の範囲でいう学習手段として機能する。尚、空燃比の初期値Ｖ0 の学習値は、過去５０回の空燃比Ｖi をなまし処理して求めても良い。学習終了後、ステップ２１５で、補正回数カウンタｉを初期値「１」にリセットして、本プログラムを終了する。
【００３５】
以上説明した安定運転限界制御の一例を図７に示すタイムチャートに従って説明する。空燃比フィードバック制御の停止中は、エンジン運転状態が比較的不安定であるため、安定運転限界制御は行われない。その後、空燃比フィードバック制御が開始されると同時に、安定運転限界制御が開始される。安定運転限界制御開始時の空燃比の初期値Ｖ0 は、図６のステップ２１４で学習した過去５０回の空燃比Ｖi の平均値が用いられる。
【００３６】
安定運転限界制御中（空燃比フィードバック制御中）は、Ｉex＝０（正常燃焼）であれば、空燃比Ｖi を噴射タイミング毎にリーン側に小刻みに補正して（リーン側補正量＝ｖ2 ）、空燃比Ｖi をリーン限界（安定運転限界）に近付ける。これにより、空燃比Ｖi がリーン限界まで補正されると、排気行程で後燃え発生サイクルによりイオン電流が発生し始めるため、燃焼フラグＩexがリーン限界（失火寸前の状態）を意味する「１」にセットされる。
【００３７】
Ｉex＝１になると、空燃比Ｖi がリッチ側に補正される。この時のリッチ側補正量｜−ｖ1 ｜は、空燃比Ｖi がリーン限界内に確実に戻されるように、ある程度大きな値に設定されている。従って、空燃比Ｖi がリッチ側に補正されると、再び、Ｉex＝０（正常燃焼）となり、以後、リーン限界付近で、上述した空燃比Ｖi のリーン側補正又はリッチ側補正が繰り返される。
【００３８】
その後、空燃比Ｖi の補正回数が例えば５０回になると、過去５０回の空燃比Ｖi の変動幅ΔＶＨ、つまり空燃比の最大値 (Ｖi)max と最小値 (Ｖi)min との差を算出し、空燃比の変動幅ΔＶＨが所定範囲内（Ａ＜ΔＶＨ＜Ｂ）であれば、空燃比がリーン限界付近で比較的安定していると判断し、空燃比のリーン側／リッチ側補正量を例えば１／２に縮小する（空燃比Ｖi の変動幅ΔＶＨが所定範囲外の場合にはリーン側／リッチ側補正量を縮小しない）。以後、このリーン側／リッチ側補正量を用いて、リーン限界付近で、上述した空燃比Ｖi のリーン側補正又はリッチ側補正を繰り返し、空燃比Ｖi をリーン限界付近に収束させる。
【００３９】
以上説明した実施形態（１）では、イオン電流の発生タイミングからリーン限界を判定するようにしたので、エンジン運転条件によるイオン電流の増減変動の影響を受けずに、イオン電流の発生タイミングからリーン限界を精度良く検出することができ、リーン限界付近で安定した空燃比の制御が可能となる。しかも、所定期間の空燃比の変動幅が所定範囲内に収まる毎に空燃比補正量を縮小するようにしたので、空燃比をリーン限界付近に収束させることができ、空燃比制御の安定性を高めることができる。更に、所定期間の空燃比から空燃比の初期値を学習するようにしたので、安定運転限界制御を開始又は再開する際に、空燃比の初期値（学習値）とリーン限界値とのずれを少なくすることができ、空燃比をリーン限界付近に速やかに収束させることができる。
【００４０】
尚、上記実施形態は、本発明を空燃比（燃料噴射量）のリーン限界制御に適用したものであるが、ＥＧＲ量をＥＧＲ限界に制御するＥＧＲ限界制御に適用しても良く、その他、排気浄化用の触媒を点火時期の遅角により暖機する際に点火時期を遅角限界に制御する触媒暖機制御等に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における点火制御系及びイオン電流検出系の回路構成を示す図
【図２】正常燃焼時のイオン電流信号Ｖion と比較回路出力Ｖout の信号波形を示すタイムチャート
【図３】安定運転限界時のイオン電流信号Ｖion と比較回路出力Ｖout の信号波形を示すタイムチャート
【図４】失火時のイオン電流信号Ｖion と比較回路出力Ｖout の信号波形を示すタイムチャート
【図５】イオン電流発生タイミング判定プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図６】安定運転限界制御プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図７】安定運転限界制御の一例を示すタイムチャート
【符号の説明】
１１…点火コイル、１７…点火プラグ、２１…イオン電流検出抵抗、２４…イオン電流検出回路（イオン電流検出手段）、２５…ノイズマスク、２６…比較回路、２７…エンジン制御回路（制御手段，発生タイミング判定手段，学習手段）、２８…信号処理回路。

Claims (5)

1. 混合気の燃焼時に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
   前記イオン電流検出手段の出力信号から前記イオン電流の発生タイミングを判定する発生タイミング判定手段と、
   前記発生タイミング判定手段の判定結果に基づいて内燃機関の制御値（以下「機関制御値」という）を該内燃機関の安定運転限界付近に制御する制御手段とを備えた内燃機関制御装置において、
   前記発生タイミング判定手段は、前記イオン電流が排気行程中に発生したか否かを判定し、
   前記制御手段は、前記イオン電流が排気行程中に発生する状態を内燃機関の安定運転限界として前記機関制御値を制御することを特徴とする内燃機関制御装置。
2. 前記制御手段は、前記発生タイミング判定手段の判定結果から内燃機関の運転状態が安定運転限界であるか否かを判定する手段と、その判定結果に応じて前記機関制御値を増減補正する手段とを有し、所定期間の機関制御値の変動幅が所定範囲内に収まる毎に該機関制御値の増減補正量を縮小することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関制御装置。
3. 混合気の燃焼時に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
   前記イオン電流検出手段の出力信号から前記イオン電流の発生タイミングを判定する発生タイミング判定手段と、
   前記発生タイミング判定手段の判定結果に基づいて内燃機関の制御値（以下「機関制御値」という）を該内燃機関の安定運転限界付近に制御する制御手段とを備えた内燃機関制御装置において、
   前記制御手段は、前記発生タイミング判定手段の判定結果から内燃機関の運転状態が安定運転限界であるか否かを判定する手段と、その判定結果に応じて前記機関制御値を増減補正する手段とを有し、所定期間の機関制御値の変動幅が所定範囲内に収まる毎に該機関制御値の増減補正量を縮小することを特徴とする内燃機関制御装置。
4. 所定期間の前記機関制御値から前記機関制御値の初期値を学習する学習手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関制御装置。
5. 前記制御手段は、前記機関制御値を内燃機関の安定運転限界に制御する安定運転限界制御を空燃比フィードバック制御中に実行することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関制御装置。

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