JP5985153B2

JP5985153B2 - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP5985153B2
Application number: JP2011021712A
Authority: JP
Inventors: 義之福村
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: JP2012162993A

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関するものである。

従来より、火花点火式の内燃機関において、点火プラグの中心電極の温度の上昇等によってシリンダー内の圧縮行程が終了するまでに自己発火してしまうプレイグニッションやその前兆現象であるポストイグニッションが発生することがある。プレイグニッション及びポストイグニッションが発生すると内燃機関の燃焼効率や耐久性の低下するため、プレイグニッション及びポストイグニッションを発生前に検出及び抑制することを目的としていくつかの構成が提案されている。この代表的な例として、例えば特開２００６−４６１４０号公報（以下「特許文献１」）が知られている。

上記特許文献１において、内燃機関は、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグにより、燃焼室内の燃焼イオン電流を検出する。そして、検出した燃焼イオン電流に基づいて前記燃焼圧力の最大値が発生する時期を判定し、前記燃焼室にプレイグニッションの前兆現象であるポストイグニッションが発生しているか否かを判定する。ポストイグニッションが発生している場合、内燃機関は、燃料増量又は点火時期の遅角その他によって、プレイグニッションを抑制する内燃機関の運転制御装置が提案されている。

特開２００６−４６１４０号公報

しかしながら、上記従来の内燃機関の運転制御装置では次のような問題が生じている。即ち、特許文献１の内燃機関の運転制御装置では、検出した燃焼イオン電流に基づいて燃焼圧力の最大値が発生する時期を判定しているが、シリンダー内への点火プラグからの放電期間は固定であるのに対して、シリンダー内の燃焼期間はエンジンの回転数が高回転になるほど進角するため燃焼圧力の最大値は放電期間へ進角することになる。放電期間中はイオン電流を検出することができないため、燃焼圧力の最大値が燃焼期間内に入ると最大値を検出することができないという問題が生じる。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、内燃機関の運転状態に関係なくプレイグニッション及びその前兆現象であるポストイグニッションを検出及び抑制する内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目標とする。

上記課題を解決するため本発明では次のような内燃機関の燃焼制御装置とする。即ち、内燃機関のシリンダー内へ供給された混合気に点火を行う点火プラグと、当該点火プラグへ高電圧を供給する点火コイルと、当該点火コイルへ点火信号を供給するスイッチング素子と、前記内燃機関の燃焼によって前記点火プラグに発生するイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記シリンダー内へ供給された混合気の燃焼状態を判定する燃焼判定部と、前記内燃機関の情報に基づいて情報処理を行うＥＣＵと、から構成される内燃機関の燃焼制御装置において、
前記イオン電流検出回路によって検出されたイオン電流波形の傾き値（又は、イオン電流波形の傾き値及びイオン電流検出時間）を算出する演算処理と、前記傾き値（又は、イオン電流波形の傾き値及びイオン電流検出時間）の算出結果に基づいてプレイグニッションの発生事実を判定する判定処理と、が機能するものであって、
前記判定処理は、前記イオン電流波形のピーク値以降の傾き値の算出を行い、当該ピーク値以降の傾き値の算出結果に基づいてプレイグニッションの発生事実を判定することとする。

上記構成においては、前記燃焼判定部はイオン電流波形の傾きが基準値以上になることに基づいてプレイグニッションを判定してもよいし、前記燃焼判定部は前記内燃機関の正常時の運転状態における基準傾きを設定してもよい。また、前記燃焼判定部はイオン電流波形の終止時間が基準時間より進角していることに基づいてプレイグニッションを判定してもよいし、前記燃焼判定部はイオン電流波形の累積値が基準値以下になることに基づいてプレイグニッションを判定してもよい。さらに、前記燃焼判定部は前記内燃機関の正常時の運転状態における基準時間又は基準値を設定してもよいし、前記燃焼判定部は前記内燃機関の正常時の運転状態における少なくとも２回以上の燃焼サイクルの算出結果の平均値を基準値と設定してもよいし、前記燃焼判定部は前記内燃機関の前記シリンダー毎にプレイグニッションを判定してもよい。

また、前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける燃料噴射量を増加させてもよいし、前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける前記シリンダー内へ再循環する排ガスの割合を低下させてもよい。また、前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける前記スイッチング素子からの点火信号を遅角させてもよいし、前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける前記内燃機関の圧縮比を低下させてもよい。さらに、前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定されなくなると、その後の燃焼サイクルを正常時の状態へ戻してもよい。

上記の通り、イオン電流検出回路によって検出されたイオン電流の波形の傾き又は／及びイオン電流検出時間を算出する演算部を有し、燃焼判定部はイオン電流波形の傾き又は／及びイオン電流検出時間の算出結果に基づいてプレイグニッション及びポストイグニッションを判定し、燃焼判定部によってプレイグニッション及びポストイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける燃料噴射量を増加することで内燃機関の運転状態に関係なく確実にプレイグニッション及びその前兆現象であるポストイグニッションを検出及び抑制する内燃機関の燃焼制御装置が実現できる。

本発明の第１の実施例とする内燃機関の燃焼制御装置の断面図である。第１の実施例とする内燃機関の燃焼制御装置の回路図である。第１の実施例とする内燃機関のECUのブロック図である。第１の実施例とする内燃機関の点火信号及びイオン電流波形を示すタイムチャートである。第１の実施例とするイオン電流波形の傾きの算出を示すタイムチャートである。第１の実施例とするイオン電流波形の進角差の算出を示すタイムチャートである。第１の実施例とする内燃機関の燃焼制御装置にて実行される制御を表すフローチャートである。

以下に本発明の実施の形態を示す実施例を図１乃至７に基づいて説明する。

本発明の第１の実施例とする内燃機関の燃焼制御装置の断面図を図１に、内燃機関の燃焼制御装置の回路図を図２に、内燃機関のECUのブロック図を図３に、内燃機関の点火信号及びイオン電流波形を示すタイムチャートを図４に、イオン電流波形の傾きの算出を示すタイムチャートを図５に、イオン電流波形の進角差の算出を示すタイムチャートを図６に、内燃機関の燃焼制御装置にて実行される制御を表すフローチャートを図７にそれぞれ示す。

図１乃至３において、内燃機関90のシリンダー70内に燃料と空気の混合気を供給するインテークマニホールド78を備え、当該インテークマニホールド78内に燃料を噴射するための燃料噴射装置60を備え、当該シリンダー70内から排気ガスを排出するエキゾーストマニホールド80を備えている。また、当該インテークマニホールド78には当該シリンダー70内への吸気量を調整する吸気側バルブ76を備え、当該エキゾーストマニホールド80には当該シリンダー70内からの排気量を調整する排気側バルブ77を備えている。さらに、当該内燃機関90には当該シリンダー70内の混合気を圧縮するためのピストン72と、当該ピストンに伝わる当該シリンダー70の燃焼運動を回転運動に変換するクランク74を備えている。

また、前記内燃機関90には前記シリンダー70内の混合気に点火を行う点火プラグ10と点火コイル12を備え、当該点火コイル12は１次巻線を有した１次コイル14と２次巻線を有した２次コイル16、鉄芯18、当該１次コイルに点火信号を供給するスイッチング素子20で構成されている。さらに、前記内燃機関90には前記内燃機関90.への電気的制御を行うECU40が備えられ、当該ECU40はイオン電流検出回路30及び演算部46、燃焼判定部42、記憶部44、CPU48で構成されている。

また、前記イオン電流検出回路30は前記内燃機関90の燃焼によって前記点火プラグ10に発生するイオン電流を前記２次コイル16を介して検出し、前記燃焼判定部42は前記内燃機関90の燃焼状態がプレイグニッション及びポストイグニッションを判定している。さらに、前記CPU48は前記内燃機関90の運転状況に応じて点火信号を前記スイッチング素子20に供給し、前記ECU40は前記燃料噴射装置60が噴射する燃料の量を制御している。

上記構成より、前記CPU48からの点火信号がオンされると前記スイッチング素子20に電流が流れ、前記１次コイル14に１次電流が流れる。そして、前記CPU48からの点火信号がオフされると前記１次コイル14の１次電流が遮断され、前記２次コイル16に２次電流が発生し、前記点火プラグ10に放電される。

次に、図４において、点火信号波形は図４（A）に示すように、前記内燃機関90の１回の点火に対して前記CPU48からの点火信号のオン・オフを切り替えた波形となる。また、点火信号波形がオンからオフに切り替えられると前記シリンダー70内への放電が始まり、前記シリンダー70内が燃焼期間へと移行する。さらに、イオン電流波形は図４（B）に示すように、前記シリンダー70内の燃焼によってイオン電流が発生するが、燃焼期間中はイオン電流を検出することができないので燃焼期間終了後にイオン電流が検出される波形となる。

また、図５において、正常燃焼時の前記イオン電流検出回路30より検出されるイオン電流波形は実線で示されるような波形となり、異常燃焼時（プレイグニッション及びポストイグニッション）の前記イオン電流検出回路30より検出されるイオン電流波形は破線で示されるような波形となる。また、正常燃焼時のイオン電流波形が最大値から減少方向の傾きを算出する点をC点、異常燃焼時のイオン電流波形が最大値から減少方向の傾きを算出する点をD点とし、点C及び点Dの傾きを算出している。

また、図６において、正常燃焼時の前記イオン電流検出回路30より検出されるイオン電流波形は実線で示されるような波形となり、異常燃焼時（プレイグニッション及びポストイグニッション）の前記イオン電流検出回路30より検出されるイオン電流波形は破線で示されるような波形となる。また、前記シリンダー70内の燃焼開始時間を示す破線をE線、正常時のイオン電流波形の終止時間を示す破線をF線、異常時のイオン電流波形の終止時間を示す破線をG線とし、E線からF線までの時間T１、E線からG線までの時間T2を算出している。

次に、内燃機関の燃焼制御装置の動作を図７に基づいて説明する。図７において、内燃機関の燃焼開始もしくは前回の燃焼行程から１サイクルを経過しているかの判定を行い（S1）、前記イオン電流検出回路30は前記内燃機関90の燃焼によって前記点火プラグ10に発生するイオン電流を検出し（S２）、前記内燃機関90の回転数における基準となる正常燃焼時のイオン電流波形の傾き値及びイオン電流波形の終止時間の基準時間を決定し（S３）、前記演算部46は前記イオン電流検出回路30で検出したイオン電流波形の傾きを算出し（S４）、前記演算部46は前記シリンダー70内の燃焼開始時間から前記イオン電流検出回路30で検出したイオン電流波形の終止時間までの時間差を算出し（S５）、前記演算部46は算出したイオン電流波形の傾き及びイオン電流波形の時間差から算出値（傾き／時間）を算出し（S６）、前記燃焼判定部42は前記内燃機関90の回転数における正常燃焼時の基準となるイオン電流波形に基づいた基準値（傾き／時間）を前記演算部46で算出した算出値（傾き／時間）が上回るかの判定を行い（S７）、前記演算部46で算出した算出値（傾き／時間）が基準値（傾き／時間）を上回る場合は燃焼状態を異常状態（プレイグニッション及びポストイグニッション）と判定し（S８）、その後の前記内燃機関90の燃焼サイクルにおける前記燃料噴射装置60の燃料噴射量を増加させ（S９）、前記演算部46で算出した算出値（傾き／時間）が基準値を下回る場合は燃焼状態を正常燃焼と判定し、前記演算部46で算出した算出値（傾き／時間）をその後の燃焼サイクルにおける基準値（傾き／時間）として前記記憶部44に記憶させ（S１１）、前記燃焼判定部42は前回の燃焼状態を異常状態（プレイグニッション及びポストイグニッション）と判定したかを判定し（S１２）、前回の燃焼状態を異常時（プレイグニッション及びポストイグニッション）と判定した場合はその後の前記内燃機関90の燃焼サイクルにおける前記燃料噴射装置60の燃料噴射量を初期状態に戻す（S１３）。

上記の制御により、前記演算部46により算出された算出値（傾き／時間）が大きくなり、前記内燃機関90の正常燃焼時の基準となる基準値（傾き／時間）との差が大きくなるほど前記内燃機関90の燃焼は進角していることとなり、プレイグニッション及びポストイグニッションが発生している可能性が高くなる。

なお上記実施例１の変形例として、前記燃焼判定部42は前記イオン電流検出回路30によって検出されたイオン電流波形の傾きの値又は前記シリンダー内の燃焼開始時間からイオン電流波形の終止時間までの時間差のどちらか一方のみを算出し、燃焼状態を判定してもよい。また、前記内燃機関90の回転数が高回転時においてはイオン電流波形の傾きのみで燃焼状態を判定し、それ以外の回転時においてはイオン電流波形の傾き及びイオン電流波形の終止時間の両方で燃焼状態を判定する構成としてもよい。さらに、前記燃焼判定部42は算出したイオン電流波形の傾き及びイオン電流波形の終止時間から個別に燃焼状態を判定する構成としてもよい。

また、前記演算部46は前記燃焼判定部42で検出されたイオン電流波形の終止時間と前記シリンダー70内の燃焼開始時間の時間差以外にも、前記燃焼判定部42で検出されたイオン電流波形の終止時間のみ算出してもよいし、イオン電流波形の電流値を累積した値を算出してもよい。さらに、基準となるイオン電流波形の傾きの値は前記内燃機関90の特性等によって変更してもよい。

また、前記記憶部44は前記内燃機関90の正常時の燃焼サイクルが複数回行われた後に、前記演算部46から算出された複数回の燃焼サイクルにおける算出値の平均値を基準値として記憶してもよい。

また、前記ECU40の構成要件は設計事情によって任意の構成に変更してもよいし、前記イオン電流検出回路30は前記点火プラグ10に発生するイオン電流を検出できるのであればどのような回路構成としてもよい。さらに、前記内燃機関90は前記シリンダー70内に直接燃料を噴射する直噴型の内燃機関でもよいし、前記ECU40は多気筒型の前記内燃機関90において前記シリンダー70毎に配置される構成とし、前記シリンダー70毎に個別の前記燃焼判定部42によって燃焼状態を判定する構成としてもよい。

また、前記燃焼判定部42によってプレイグニッション及びポストイグニッションと判定された場合に、前記演算部46で算出された傾き又は終止時間、算出値（傾き／時間）に基づいて前記燃料噴射装置60の燃料噴射量の増加量を決定してもよい。さらに、前記燃焼判定部42によってプレイグニッション及びポストイグニッションと判定された場合には、その後の前記内燃機関90の燃焼サイクルにおける前記燃料噴射装置60の燃料噴射量を増加させる制御に限られたものでなく、判定後の燃焼サイクルにおける前記シリンダー70内へ再循環する排気ガスの割合を可変バルブタイミング等を用いた前記排気側バルブ77の開閉制御によって低下させてもよい。

また、判定後の燃焼サイクルにおける前記スイッチング素子20から前記1次コイル14に供給される点火信号を前記ECU40等によって前記内燃機関90の点火タイミングを遅角させてもよい。さらに、判定後の燃焼サイクルにおける前記内燃機関90の圧縮比を前記可変バルブタイミング等を用いて前記排気側バルブ77の開閉制御によって低下させてもよい。

また、前記燃焼判定部42によってプレイグニッション及びポストイグニッションと判定されて上記の制御を行い、次回の燃焼サイクル時に再びプレイグニッション及びポストイグニッションと判定された場合は、上記の制御を繰り返し行う又は上記の制御を組み合わせて行ってもよい。

10：点火プラグ
12：点火コイル
14：１次コイル
16：２次コイル
18：鉄芯
20：スイッチング素子
30：イオン電流検出回路
40：ECU
42：燃焼判定部
44：記憶部
46：演算部
48：CPU
50：バッテリ
60：燃料噴射装置
70：シリンダー
72：ピストン
74：クランク
76：吸気側バルブ
77：排気側バルブ
78：インテークマニホールド
80：エキゾーストマニホールド
90：内燃機関

Claims

内燃機関のシリンダー内へ供給された混合気に点火を行う点火プラグと、当該点火プラグへ高電圧を供給する点火コイルと、当該点火コイルへ点火信号を供給するスイッチング素子と、前記内燃機関の燃焼によって前記点火プラグに発生するイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記シリンダー内へ供給された混合気の燃焼状態を判定する燃焼判定部と、前記内燃機関の情報に基づいて情報処理を行うＥＣＵと、から構成される内燃機関の燃焼制御装置において、
前記イオン電流検出回路によって検出されたイオン電流波形の傾き値を算出する演算処理と、前記傾き値の算出結果に基づいてプレイグニッションの発生事実を判定する判定処理と、が機能するものであって、
前記判定処理は、前記イオン電流波形のピーク値以降の傾き値の算出を行い、当該ピーク値以降の傾き値の算出結果に基づいてプレイグニッションの発生事実を判定する、ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
内燃機関のシリンダー内へ供給された混合気に点火を行う点火プラグと、当該点火プラグへ高電圧を供給する点火コイルと、当該点火コイルへ点火信号を供給するスイッチング素子と、前記内燃機関の燃焼によって前記点火プラグに発生するイオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記シリンダー内へ供給された混合気の燃焼状態を判定する燃焼判定部と、前記内燃機関の情報に基づいて情報処理を行うＥＣＵと、から構成される内燃機関の燃焼制御装置において、
前記イオン電流検出回路によって検出されたイオン電流波形の傾き値及びイオン電流検出時間を算出する演算処理と、前記傾き値及びイオン電流検出時間の算出結果に基づいてプレイグニッションの発生事実を判定する判定処理と、が機能するものであって、
前記判定処理は、イオン電流波形のピーク値以降の傾き値の算出を行い、当該ピーク値以降の傾き値の算出結果に基づいてプレイグニッションの発生事実を判定する、ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部は、イオン電流波形の傾きが基準値以上になることに基づいてプレイグニッションを判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部は、前記内燃機関の正常時の運転状態における基準傾きを設定していることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部は、イオン電流波形の終止時間が基準時間より進角していることに基づいてプレイグニッションを判定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部は、イオン電流波形の累積値が基準値以下になることに基づいてプレイグニッションを判定していることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部は、前記内燃機関の正常時の運転状態における基準時間又は基準値を設定していることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部は、前記内燃機関の正常時の運転状態における少なくとも２回以上の燃焼サイクルの算出結果の平均値を基準値と設定していることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部は、前記内燃機関の前記シリンダー毎にプレイグニッションを判定することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける燃料噴射量を増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける前記シリンダー内へ再循環する排ガスの割合を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける前記スイッチング素子からの点火信号を遅角させることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部によってプレイグニッションと判定された場合には、その後の燃焼サイクルにおける前記内燃機関の圧縮比を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。