JP5207888B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、コロナノイズが連続しても、失火状態を見逃すことのない内燃機関の燃焼制御装置に関する。

内燃機関の燃焼室に導入された混合気が、全点火サイクルで正しく燃焼していることを把握することは極めて重要であり、従来、イオン電流を解析することで、燃焼状態か失火状態かを判定することが行われてきた（例えば、特許文献１）。
特開２００６−７０８９６号公報

特許文献１に記載の燃焼制御装置では、点火プラグの点火放電とは逆向きに流れるイオン電流に比例した出力電圧を生成するイオン電流検出回路を設けて構成されている。そして、イオン電流検出回路の出力電圧を、０．２〜０．４Ｖ程度の比較電圧Ｖｒと比較して、比較電圧Ｖｒを超えるイオン電流検出回路の出力電圧を積分して、その積分値（便宜上、イオン面積という）が、基準レベルを超える場合には燃焼状態であると判定している。

しかしながら、失火状態であっても、例えば、コロナノイズが連続している場合には、イオン電流検出回路の出力電圧が連続的に比較電圧Ｖｒを超えるので、燃焼状態と同様のイオン面積が検出されてしまうことがあった。

かかる場合には、失火状態を見逃すことになるので、適切な燃焼制御を実行することができず、内燃機関の運転に支障が生じることになる。

一方、燃焼状態であるにも拘らず、これを失火状態であると誤認した場合にも、適切な燃焼制御を実現できない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、正確に失火状態を検出することができる内燃機関の燃焼制御装置を提供することが課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、を有して構成され、前記制御装置は、内燃機関が燃焼状態であるはずのウインド区間について取得した前記検出信号が、所定レベルを継続して上回る継続時間が、基準時間を超えるか否かを判定する第１手段と、前記基準時間を超える場合には、前記継続時間について、前記検出信号を積分して、その積分値が基準積分値を超えるか否かを判定する第２手段と、前記基準積分値を超える場合には、前記検出信号の差分信号の挙動に基づいて、燃焼状態か失火状態かを判定する第３手段と、を有し、前記差分信号は、前記検出信号が、所定レベルを継続して上回る区間において、その絶対値が累積され、累積値の時間的な増加率に基づいて失火状態が検出されるよう構成されている。

前記検出信号が、所定レベルを継続して上回る区間において、その絶対値が累積され、累積値の半値を示す、前記ウインド区間内の時間位置に基づいて失火状態が検出されるのも好適である。

最適には、差分信号の絶対値の累積値について、その時間的増加率が第１判定値を超え、且つ、差分信号の絶対値の累積値について、その半値を示すウインド区間内の時間位置が第２判定値を超える場合に失火状態であると判定すべきである。

上記した本発明によれば、コロナノイズなどが連続している場合でも、正確に失火状態を検出することができる。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、実施例に係る燃焼制御装置（失火検出装置）ＩＧＮを示す回路図であり、図２は、燃焼制御装置ＩＧＮ各部の概略波形を示すタイムチャートである。

図示の通り、この燃焼制御装置ＩＧＮは、内燃機関の電子制御ユニットたるＥＣＵ(Engine Control Unit)と、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２からなる点火コイルＣＬと、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流ｉｃ１をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、イオン電流検出回路ＩＯＮと、を中心に構成されている。

そして、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、ＥＣＵのＡ／Ｄコンバータ（不図示）に供給され、デジタルデータとしてＥＣＵのメモリに記憶される。なお、図２（ｄ）の切出しウインドＷＩＮは、点火コイルＣＬの磁路の残留磁気による残留磁気ノイズが収まった後を始期とし、燃焼反応が収束する時期が終期とされ、運転条件を考慮して決定される。

以下、回路構成について詳述すると、スイッチング素子Ｑは、ここではＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使用されている。そして、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＶＢを受けており、エミッタ端子は、グランドに接続されている。

イオン電流検出回路ＩＯＮは、電流検出回路として機能するＯＰアンプＡＭＰを中心に構成され、コンデンサＣ１、ツェナーダイオードＺＤ、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を有して構成されている。コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤの並列回路によって、イオン電流検出時のバイアス電圧が生成される。

二次コイルＬ２の高圧端子は、点火プラグＰＧに接続され、低圧端子は、前記バイアス電圧を生成するコンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路に接続されている。そして、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路は、ダイオードＤ１を通して、グランドに接続されている。図示の通り、ダイオードＤ１のカソード端子がグランドに接続されている。

一方、ダイオードＤ１のアノード端子は、電流制限抵抗Ｒ１を経由してＯＰアンプの反転入力端子（−）に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子（−）と出力端子の間に、電流検出抵抗Ｒ２が接続され、出力端子のグランド間には、負荷抵抗Ｒ３が接続されている。また、ＯＰアンプの非反転端子（＋）は、グランドに接続され、反転端子（−）には、ダイオードＤ２のカソード端子が接続されている。なお、ダイオードＤ２のアノード端子はグランドに接続されている。

上記した構成の燃焼制御装置ＩＧＮでは、タイミングＴ０において、点火パルスＳＧがＨレベルからＬレベルに変化すると、二次コイルＬ２に誘起される高電圧によって点火プラグＰＧが放電する。この放電電流は、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１の経路で流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧により規定される電圧値に充電される。

点火プラグＰＧの放電によって燃焼室の混合気が着火されると、その後、急速に燃焼反応が進行するが、イオン電流ｉは、電流検出抵抗Ｒ２→電流制限抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で流れる。したがって、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２＊ｉとなり、イオン電流iに比例した値となる。

続いて、本実施例の失火判定方法について説明する。図３は、ＥＣＵにおける判定アルゴリズムを説明するフローチャートである。

ＥＣＵは、各点火サイクルにおいて、ＯＰアンプＡＭＰの出力信号Ｖｏを受け、ＡＤ変換してメモリに記憶する（ＳＴ１）。特に限定されるものではないが、この実施例では、サンプリング周波数を、コロナノイズの周波数域の２倍以上である３０ｋＨｚとしている。

図４（ａ）と図５（ａ）は、燃焼状態と失火状態の一例について、点火プラグＰＧが点火放電した後の原データを記載している。図４（ａ）では、イオン電流が低レベルである燃焼状態を例示し、図５（ａ）では、燃焼状態と区別困難なワーストケースの失火状態を例示している。

ステップＳＴ１の処理によって、点火放電後の全ての原データが取得されると、最初に、残留磁気ノイズの収束タイミングをソフトウェア処理によって検出し、残留磁気ノイズの終了直後を切出しウインドＷＩＮの始期に設定する（ＳＴ２）。ここで、切出しウインドＷＩＮの始期は、例えば、特願２００７−２９０６０９号に記載の手法が採用される。一方、ウインドＷＩＮの終期は、運転状態に対応して自動的に決定される。

このようにして切出しウインドＷＩＮが確定されると（ＳＴ２）、ＡＤ変換された原データを、所定レベルの閾値と比較することで、「１」又は「０」の二値化パルスデータに変換する（ＳＴ３）。図４（ｂ）と図５（ｂ）は、燃焼状態と失火状態の一例について、二値化されたパルスデータを例示している。

燃焼反応が認められる場合には、イオン電流検出回路ＩＯＮから有意レベルのイオン電流信号Ｖｏが検出されるが、このイオン電流信号Ｖｏは、所定の周波数帯域であって、且つ、実験的に決定されている閾値レベルを有意に超えている。一方、燃焼反応が認められない失火状態では、一般には、閾値レベルを超えるデータが検出されないか、或いは、閾値レベルを超えても、それが高周波ノイズであるため、繰返し周期が有意に短い。

但し、コロナノイズが連続しているような例外的な場合には、失火状態であるにも拘らず、燃焼反応と区別できない擬似イオン電流信号が取得される場合もある。図５は、このような例外的な失火状態を図示しており、燃焼状態の場合と同程度のパルス幅のパルスデータＰ３，Ｐ４が検出されている。

何れにしても、ステップＳＴ３の処理が終われば、先ず、明白な失火状態を検出するべく、二値化されたパルスデータのパルス幅を判定し、予め実験的に規定されている基準パルス幅より広いパルスデータが存在するか否かが判定される（ＳＴ４）。そして、基準パルス幅より広いパルスデータが存在しない場合には、明らかに失火状態であると判定される（ＳＴ１２）。

逆に、基準パルス幅より広いパルスデータが存在する場合には、失火状態であるか、燃焼状態であるかを断言できない。例えば、図４に示す燃焼状態では、基準パルス幅より広いパルスデータＰ１，Ｐ２が認められるものの、図５に示す失火状態でも、基準パルス幅より広いパルスデータＰ３，Ｐ４が存在するので、ステップＳＴ４の判定だけでは、正確な失火判定ができない。

そこで、次に、基準パルス幅より広いパルスデータの区間について、原データを時間軸上に積分する（ＳＴ５）。この積分処理は、基準パルス幅より広いパルスデータの区間だけに限定されるので、微小レベルのノイズや、コロナノイズなどが排除されることになり、通常は、特異的に抽出されたイオン電流成分だけの累積値が算出されることになる。

このようにして算出された累積値（積分値）は、次に、基準積分値を超えるか否かが判定される（ＳＴ６）。そして、実験的に予め決定されている基準積分値を下回る場合には、失火状態であると判定される（ＳＴ１２）。コロナノイズはスパイク状に現れるので、ステップＳＴ５の処理で算出される累積値は、イオン電流の場合と比較すると特異的に小さい値となる。したがって、仮に、ステップＳＴ４の判定で排除できないノイズであっても、通常は、ステップＳＴ６の判定によって失火状態であることが判明する。

但し、図５（ａ）に示す失火状態のような例外的な場合もあり、この場合には、ステップＳＴ５の処理で算出される累積値が、正規のイオン電流成分の場合と同等又はそれ以上の値となり、ステップＳＴ６の判定では、失火状態を検出することができない。

そこで、この実施例では、基準パルス幅より広いパルスデータの区間について、逐次、原データの偏差を計算すると共に、偏差の絶対値について、その累積値（積分値）を算出する（ＳＴ７）。偏差Ｒ_ｉは、具体的には、隣接する２つの原データＤ_ｉ−１，Ｄ_ｉの差分値として算出され、Ｒ_ｉ←Ｄ_ｉ−Ｄ_ｉ−１の演算が実行される。また、偏差の累積値は、時間軸上の積分演算により算出されるが、具体的には、偏差Ｒ_ｉの絶対値ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］について、Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）の総和演算が使用される。

例えば、図４（ａ）に示す燃焼状態では、パルスＰ１の区間におけるｔ＝１２６６．７μＳのタイミングで切出しウインドＷＩＮが開始されるので、ｔ≧１２６６．７μＳの原データについて、Ｒ_ｉ←Ｄ_ｉ−Ｄ_ｉ−１の演算が実行され、この偏差Ｒ_ｉの絶対値ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］について、累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）が算出される。本来のイオン電流信号の場合には、図４（ａ）に示す通り、大きく振動することがないので、信号成分の微分値たる偏差も微小である。

この実施例では、パルスＰ１のパルス区間において、偏差絶対値の積分区間（累積区間）がＴ１であり、この積分区間Ｔ１における偏差絶対値の累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）は、０．３３程度まで増加する。また、パルスＰ１に続くパルスＰ２の区間でも、累積演算Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）が継続されるので、パルスＰ２の積分区間Ｔ２における、偏差絶対値の累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）は、最終値ＩＮＴＧ（≒０．４）まで増加する。

一方、図５（ａ）に示す失火状態では、切出しウインドＷＩＮが、パルスＰ３の区間の終了タイミング後に開始されるので、ｔ≧１６３３．３μＳの原データについて、Ｒ_ｉ←Ｄ_ｉ−Ｄ_ｉ−１の演算が実行され、この偏差Ｒ_ｉの絶対値ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］について、累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）が算出される。擬似イオン電流信号の場合には、図５（ａ）に示す通り、繰返し大きく振動するので、信号成分の微分値たる偏差も大きい。

この実施例では、パルスＰ４のパルス幅Ｔ３が、偏差絶対値の積分区間（累積区間）であり、この積分区間Ｔ３における偏差絶対値の累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）は、パルスＰ４の終了時に、最終値ＩＮＴＧが６．７付近まで増加している。

次に、偏差絶対値の累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）と、その積分期間Ｔとの比率から、時間当りの絶対値偏差量ΔＤを算出する（ＳＴ８）。具体的には、ΔＤ＝Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）／Ｔの演算を実行する。そして、算出した時間当りの絶対値偏差量ΔＤを、予め実験的に求めた判定値ＴＨ１と比較して（ＳＴ９）、算出値ΔＤが判定値ＴＨ１を超える場合には失火状態であると判定する（ＳＴ１２）。逆に、算出値ΔＤが判定値ＴＨ１を超えない場合には、燃焼状態であると判定する（ＳＴ１３）。

図４（ｃ）の縦軸と、図５（ｃ）縦軸を比較すれば明らか通り、本来のイオン電流成分と、擬似イオン電流成分とでは、偏差絶対値の累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）が顕著に相違する。また、図４（ｃ）と図５（ｃ）の積分区間Ｔ１〜Ｔ３に示す通り、失火状態では、コロナノイズが連続しているような例外的な場合でも、一般に、積分区間Ｔは、それほど長くない。したがって、時間当りの絶対値偏差量ΔＤ（＝Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）／Ｔ）に基づいて、失火状態を特異的に検出することができる。

図３（ｂ）は、燃焼状態と失火状態について、複数回の実験を繰返し、その実験結果をプロットしたものである。図示の通り、判定値ＴＨ１を境界として、燃焼状態と失火状態とに区分することができる。

ところで、失火判定は、必ずしも、ステップＳＴ８〜ＳＴ９の判定を経る必要はない。例えば、図３（ａ）の破線に示すように、ステップＳＴ７の演算に続いて、５０％偏差位置を算出して（ＳＴ１０）、この算出値に基づいて失火判定をすることもできる（ＳＴ１１）。具体的には、５０％偏差位置が判定値ＴＨ２を超える場合には失火状態であると判定され（ＳＴ１２）、５０％偏差位置が判定値ＴＨ２を超えない場合には、燃焼状態であると判定される（ＳＴ１３）。

ここで、５０％偏差位置とは、ステップＳＴ７の処理によって算出された偏差絶対値の累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）について、その値の５０％に達する時間を意味する。なお、この５０％偏差位置は、原データの始期（点火プラグＰＧの点火放電時）からの経過時間である。

図４（ｃ）によれば、偏差絶対値の累積値は、最終値ＩＮＴＧが約０．４であり、これがＩＮＴＧ／２＝約０．２に達するのは、約１５００μＳの位置となる。図４では、例外的な燃焼状態を示しているが、一般に、燃焼状態であると、偏差絶対値の累積値は小さく、且つ、５０％偏差位置が、ウインドＷＩＮの始期に近づく傾向となる。

一方、図５（ｃ）によれば、偏差絶対値の累積値は、最終値ＩＮＴＧが約６．７であり、これが約３．３５に達するのは、約２１００μＳの位置となる。図５では、例外的な失火状態を示しているが、失火状態では、仮に、ステップＳＴ６の判定で失火を検出できない場合でも、一般に、偏差絶対値の累積値は大きく、且つ、５０％偏差位置が、ウインドＷＩＮの終期に近づく傾向となる。

したがって、５０％偏差位置に基づいて失火判定をすることもできる。燃焼実験の結果を示す図３（ｂ）によれば、判定値ＴＨ２を境界として、燃焼状態と失火状態とに、ほぼ明確に区分できることが示されている。

但し、判定値ＴＨ１，ＴＨ２に近い実験サンプルも多少は認められるので、この点にやや問題を残している。図７は、図３（ｂ）を拡大して図示したものであり、燃焼状態（Ａ）や燃焼状態（Ｂ）、及び、失火状態（Ｃ）に着目すると、判定値ＴＨ１や判定値ＴＨ２を必ずしも明確に確定できない。

ここで、燃焼状態（Ａ）は、５０％偏差位置が、点火プラグＰＧの点火放電タイミングから遠い例外的な燃焼状態であり、その原データは、図８に示されている。この場合には、イオン電流波形がきわめて緩慢に減少するため、偏差が小さく、且つ、５０％偏差位置が、点火プラグＰＧの点火放電タイミングから大きく遠ざかっている。

また、燃焼状態（Ｂ）は、時間当りの絶対値偏差量ΔＤ（＝Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）／Ｔ）が大きい例外的な燃焼状態であり、その原データは、図９に示されている。この場合には、イオン電流波形の偏差が大きいので、時間当りの絶対値偏差量ΔＤだけでは、失火状態と明確には区別できない。

一方、失火状態（Ｃ）の原データは、図１０に示されている。ここでは、偏差絶対値の累積値Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）が大きく、且つ、偏差絶対値の積分区間Ｔが、図８や図９に示す燃焼状態（Ａ）や（Ｂ）に比べて短い。また、５０％偏差位置が、点火プラグＰＧの点火放電タイミングから遠ざかっている。

したがって、より確実に失火判定をするには、図６に示すアルゴリズムを採用するのが好ましい。この場合には、時間当りの絶対値偏差量ΔＤ（＝Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）／Ｔ）が判定値ＴＨ１を超える場合には、更に、５０％偏差位置を判定するようにしている。

この実施例では、時間当りの絶対値偏差量ΔＤ（＝Σ（ＡＢＳ［Ｒ_ｉ］）／Ｔ）が判定値ＴＨ１を超え、且つ、５０％偏差位置が判定値ＴＨ２を超える場合だけ失火状態であると判定されるので、判定値ＴＨ１，ＴＨ２に設定マージンがあり、図７の状態より多少下方に設定しても誤判定のおそれがない。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、イオン電流検出回路は、最も簡易な回路構成を例示したに過ぎず、より複雑な回路構成と採っても良いのは勿論である。また、実施例の説明では、原データを全て取得した上で、ステップＳＴ２以下の失火判定アルゴリズムを開始したが、原データを取得しつつリアルタイムに失火判定をしても良い。

実施例に係る燃焼制御装置の構成を示す回路図である。 図１の燃焼制御装置の動作を説明するタイムチャートである。 ＥＣＵの動作内容を説明するフローチャートである。 燃焼状態を検出する動作内容を説明するタイムチャートである。 失火状態を検出する動作内容を説明するタイムチャートである。 ＥＣＵの別の動作内容を説明するフローチャートである。 燃焼実験の結果を示す図面である。 例外的な燃焼状態（Ａ）を説明する図面である。 例外的な燃焼状態（Ｂ）を説明する図面である。 例外的な失火状態（Ｃ）を説明する図面である。

符号の説明

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＣＬ 点火コイル
ＥＣＵ 制御装置
ＳＧ 点火信号
Ｑ スイッチング素子
ＰＧ 点火プラグ
ＩＯＮ イオン電流検出回路
Ｖｏ 検出信号
ＳＴ３ 第１手段
ＳＴ５ 第２手段
ＳＴ７〜ＳＴ１２ 第３手段

Claims (4)

1. 一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、を有して構成され、
   前記制御装置は、
   内燃機関が燃焼状態であるはずのウインド区間について取得した前記検出信号が、所定レベルを継続して上回る継続時間が、基準時間を超えるか否かを判定する第１手段と、
   前記基準時間を超える場合には、前記継続時間について、前記検出信号を積分して、その積分値が基準積分値を超えるか否かを判定する第２手段と、
   前記基準積分値を超える場合には、前記検出信号の差分信号の挙動に基づいて、燃焼状態か失火状態かを判定する第３手段と、を有し、
   前記差分信号は、前記検出信号が、所定レベルを継続して上回る区間において、その絶対値が累積され、累積値の時間的な増加率に基づいて失火状態が検出されるよう構成されている内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記増加率が、予め設定されている判定値を超える場合には、失火状態であると判定される請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 前記差分信号は、前記検出信号が、所定レベルを継続して上回る区間において、その絶対値が累積され、累積値の半値を示す、前記ウインド区間内の時間位置に基づいて失火状態が検出される請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記時間位置が、予め設定されている判定値を超える場合には、失火状態であると判定される請求項３に記載の燃焼制御装置。