JP7324384B2 - 筒内圧力検出方法、筒内圧センサ診断方法及び内燃機関制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内圧力検出方法、筒内圧センサ診断方法及び内燃機関制御装置に関する。

近年、車両の燃費向上のため、理論空燃比よりも薄い混合気を燃焼して内燃機関を運転する技術や、燃焼後の排気ガスの一部を取り入れて再度吸気させる技術などを導入した内燃機関の制御装置が開発されている。

この種の内燃機関の制御装置では、燃焼室における燃料や空気の量が理論値から乖離するため、点火プラグによる燃料への着火遅れが生じやすくなる。この着火遅れの期間や頻度は、部品ばらつきや運転条件の変化に応じて異なる。複数の気筒により構成される内燃機関において、全ての気筒で着火遅れを抑制するには、着火遅れの頻度が高い気筒に合わせて、燃料を増量するか、排気ガスの再循環量を減らす必要がある。

しかし、燃料を増量したり、排気ガスの再循環量を減らしたりすることは、燃費向上の抑制となる。そのため、気筒ごとの部品特性に合わせた、気筒別の燃焼制御が求められる。燃料噴射装置や点火コイルの気筒別の制御を行うには、気筒別の筒内圧力から着火遅れを検出する必要がある。したがって、気筒別の筒内圧力を精度良く検知する必要がある。

特許文献１には、点火放電と筒内圧力（ｐ）の関係式が開示されている。この関係式によると、放電電圧（Ｖ）と、放電電流（Ｉ）と、放電路長さ（ｌ）により、筒内圧力（ｐ）を算出可能である。

特開２０１８－１３５７８６号公報

しかし、特許文献１に開示されている関係式では、放電路長さ（ｌ）を計測する必要がある。放電路は、点火プラグ電極間におけるガスの流れの影響を受けて伸長する。そして、放電路長さの計測には、燃焼室内の可視化が必要なため、現実的には困難である。さらに、筒内のガス流動は、燃焼サイクルによるばらつきが大きいため、点火プラグ電極間におけるガスの流れの推定は困難である。このため、特許文献１に開示された関係式では、気筒別の筒内圧力（ｐ）を精度良く検知することができない、という問題がある。

本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、放電路伸長の影響を受けずに、筒内圧力（ｐ）を精度良く検知することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の筒内圧力検出方法は、１次側コイルと、１次側コイルの通電が遮断されると、起電力が生じる２次側コイルと、２次側コイルに接続された点火プラグとを有する内燃機関における２次側コイルの情報を用いて筒内圧力を検出する。この筒内圧力検出方法は、２次側コイルの放電波形から高周波成分を除去し、高周波成分を除去した放電波形から２次電流及び２次電圧の情報を取得し、以下の式（１）から筒内圧力を算出する。

ただし、Ｖ_２は２次電圧、Ｉ_２は２次電流、ｐは筒内圧力、ｐ_０は大気圧、ｌは放電路の長さである。

上記構成の筒内圧力検出方法によれば、放電路伸長の影響されずに筒内圧力（ｐ）を精度良く検知することができる。
なお、上述した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の基本構成例を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る点火プラグを説明する部分拡大図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の運転状態と点火プラグ周囲のガス流速との関係を説明する図である。 Ａ，Ｂ 本発明の一実施形態に係る点火プラグの電極間における放電路と流速の関係を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る点火コイルを含む電気回路を説明する図である。 関係式のみを用いて算出した筒内圧力（ｐ）の精度を評価した例を示す図である。 筒内圧力の周波数成分の例について説明する図である。 本発明の一実施形態に係る筒内圧力検出処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る筒内圧力（ｐ）の検出精度を評価した例を示す図である。

１．実施形態
以下、本発明の一実施形態に係る内燃機関制御装置について説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

［内燃機関システム］
まず、本実施形態による内燃機関システムの構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の基本構成例を示す全体構成図である。

図１に示す内燃機関１００は、単気筒でも複数気筒を有するものでもよいが、実施形態では、４気筒を有する内燃機関１００を例示して説明する。図１に示すように、内燃機関１００では、外部から吸引した空気はエアクリーナ１１０、吸気管１１１、吸気マニホールド１１２を通流する。吸気マニホールド１１２を通った空気は、吸気弁１５１が開いたときに各気筒１５０に流入する。各気筒１５０に流入する空気量は、スロットル弁１１３により調整される。スロットル弁１１３で調整された空気量は、流量センサ１１４により測定される。

スロットル弁１１３には、スロットルの開度を検出するスロットル開度センサ１１３ａが設けられている。スロットル開度センサ１１３ａで検出されたスロットル弁１１３の開度情報は、制御装置（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）１に出力される。

本実施形態では、スロットル弁１１３として、電動機で駆動される電子スロットル弁を適用する。しかし、本発明に係るスロットル弁としては、空気の流量を適切に調整できるものであれば、その他の方式によるものを適用してもよい。

各気筒１５０に流入したガスの温度は、吸気温センサ１１５で検出される。

クランクシャフト１２３に取り付けられたリングギア１２０の径方向外側には、クランク角センサ１２１が設けられている。クランク角センサ１２１は、クランクシャフト１２３の回転角度を検出する。本実施形態では、クランク角センサ１２１は、１０°毎及び燃焼周期毎のクランクシャフト１２３の回転角度を検出する。

シリンダヘッドのウォータジャケット（図示せず）には、水温センサ１２２が設けられている。水温センサ１２２は、内燃機関１００の冷却水の温度を検出する。

また、車両には、アクセルペダル１２５の変位量（踏み込み量）を検出するアクセルポジションセンサ（Accelerator Position Sensor：ＡＰＳ）１２６が設けられている。アクセルポジションセンサ１２６は、運転者の要求トルクを検出する。アクセルポジションセンサ１２６で検出された運転者の要求トルクは、後述する制御装置１に出力される。制御装置１は、この要求トルクに基づいて、スロットル弁１１３を制御する。

燃料タンク１３０に貯留された燃料は、燃料ポンプ１３１によって吸引及び加圧される。燃料ポンプ１３１によって吸引及び加圧された燃料は、燃料配管１３３に設けられたプレッシャレギュレータ１３２で所定の圧力に調整される。そして、所定の圧力に調整された燃料は、燃料噴射装置（インジェクタ）１３４から各気筒１５０内に噴射される。プレッシャレギュレータ１３２で圧力調整された後の余分な燃料は、戻り配管（図示せず）を介して燃料タンク１３０に戻される。

燃料噴射装置１３４の制御は、後述する制御装置１の燃料噴射制御部８２の燃料噴射パルス（制御信号）に基づいて行われる。

各気筒１５０には、排気弁１５２と、排気マニホールド１６０が取り付けられている。排気弁１５２が開くと、気筒１５０から排気マニホールド１６０に排気ガスが排出される。排気マニホールド１６０は、燃焼後のガス（排気ガス）を、気筒１５０の外側に排出する。排気マニホールド１６０の排気側には、三元触媒１６１が設けられている。三元触媒１６１は、排気ガスを浄化する。三元触媒１６１により浄化された排気ガスは、大気に排出される。

三元触媒１６１の上流側には、上流側空燃比センサ１６２が設けられている。上流側空燃比センサ１６２は、各気筒１５０から排出された排気ガスの空燃比を連続的に検出する。

また、三元触媒１６１の下流側には、下流側空燃比センサ１６３が設けられている。下流側空燃比センサ１６３は、理論空燃比近傍でスイッチ的な検出信号を出力する。本実施形態の下流側空燃比センサ１６３は、Ｏ２センサである。

各気筒１５０の上部には、点火プラグ２００が各々設けられている。点火プラグ２００は、放電（点火）により火花を発生させ、その火花が、気筒１５０内の空気と燃料との混合気に着火する。これにより、気筒１５０内で爆発が起こり、ピストン１７０が押し下げられる。ピストン１７０が押し下げられることにより、クランクシャフト１２３が回転する。点火プラグ２００には、点火プラグ２００に供給される電気エネルギー（電圧）を生成する点火コイル３００が接続されている。

前述したスロットル開度センサ１１３ａ、流量センサ１１４、クランク角センサ１２１、アクセルポジションセンサ１２６、水温センサ１２２等の各種センサからの出力信号は、制御装置１に出力される。制御装置１は、これら各種センサからの出力信号に基づいて、内燃機関１００の運転状態を検出する。そして、制御装置１は、気筒１５０内に送出する空気量、燃料噴射装置１３４からの燃料噴射量、点火プラグ２００の点火タイミング等の制御を行う。

［点火プラグ］
次に、点火プラグ２００について、図２を参照して説明する。
図２は、点火プラグ２００を説明する部分拡大図である。

図２に示すように、点火プラグ２００は、中心電極２１０と、外側電極２２０とを有している。中心電極２１０は、絶縁体２３０を介してプラグベース（不図示）に支持されている。これにより、中心電極２１０は、絶縁されている。外側電極２２０は接地されている。

点火コイル３００（図１参照）において電圧が発生すると、中心電極２１０に所定の電圧（本実施形態では、例えば２０，０００Ｖ～４０，０００Ｖ）が印加される。中心電極２１０に所定の電圧が印加されると、中心電極２１０と外側電極２２０との間で放電（点火）が生じる。そして、放電により発生した火花が、気筒１５０内の空気と燃料との混合気に着火する。

なお、気筒１５０内におけるガス成分の絶縁破壊を起こして放電（点火）が発生する電圧は、中心電極２１０と外側電極２２０との間に存在する気体（ガス）の状態や気筒１５０の筒内圧に応じて変動する。この放電が発生する電圧を絶縁破壊電圧と言う。

点火プラグ２００の放電制御（点火制御）は、後述する制御装置１の点火制御部８３により行われる。

［制御装置のハードウェア構成］
次に、制御装置１のハードウェアの全体構成を説明する。

図１に示すように、制御装置１は、アナログ入力部１０と、デジタル入力部２０と、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａ）変換部３０と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４０と、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）５０と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６０と、Ｉ／Ｏ（Input/Output）ポート７０と、出力回路８０と、を有する。

アナログ入力部１０には、スロットル開度センサ１１３ａ、流量センサ１１４、アクセルポジションセンサ１２６、上流側空燃比センサ１６２、下流側空燃比センサ１６３、水温センサ１２２等の各種センサからのアナログ出力信号が入力される。

アナログ入力部１０には、Ａ／Ｄ変換部３０が接続されている。アナログ入力部１０に入力された各種センサからのアナログ出力信号は、ノイズ除去等の信号処理が行われた後、Ａ／Ｄ変換部３０でデジタル信号に変換される。そして、Ａ／Ｄ変換部３０により変換されたデジタル信号は、ＲＡＭ４０に記憶される。

デジタル入力部２０には、クランク角センサ１２１からのデジタル出力信号が入力される。

デジタル入力部２０には、Ｉ／Ｏポート７０が接続されている。デジタル入力部２０に入力されたデジタル出力信号は、Ｉ／Ｏポート７０を介してＲＡＭ４０に記憶される。

ＲＡＭ４０に記憶された各出力信号は、ＭＰＵ５０で演算処理される。

ＭＰＵ５０は、ＲＯＭ６０に記憶された制御プログラム（図示せず）を実行することで、ＲＡＭ４０に記憶された出力信号を、制御プログラムに従って演算処理する。ＭＰＵ５０は、制御プログラムに従って、内燃機関１００を駆動する各アクチュエータ（例えば、スロットル弁１１３、プレッシャレギュレータ１３２、点火プラグ２００等）の作動量を規定する制御値を算出し、その制御値をＲＡＭ４０に一時的に記憶する。

ＲＡＭ４０に記憶されたアクチュエータの作動量を規定する制御値は、Ｉ／Ｏポート７０を介して出力回路８０に出力される。

出力回路８０には、各種センサ（例えば、アクセルポジションセンサ１２６）からの出力信号に基づいて内燃機関の全体制御を行う全体制御部８１（図３参照）と、燃料噴射装置１３４のプランジャロッド（不図示）の駆動を制御する燃料噴射制御部８２（図３参照）と、点火プラグ２００に印加する電圧を制御する点火制御部８３（図３参照）の機能などが設けられている。

［制御装置の機能ブロック］
次に、制御装置１の機能構成を、図３を参照して説明する。

図３は、制御装置１の機能構成を説明する機能ブロック図である。

制御装置１の各機能は、ＭＰＵ５０がＲＯＭ６０記憶された制御プログラムを実行することにより、出力回路８０における各種機能として実現される。出力回路８０における各種機能は、例えば、燃料噴射制御部８２による燃料噴射装置１３４の制御や、点火制御部８３による点火プラグ２００の放電制御がある。

図３に示すように、制御装置１の出力回路８０は、全体制御部８１と、燃料噴射制御部８２と、点火制御部８３とを有する。

［全体制御部］
全体制御部８１は、アクセルポジションセンサ１２６に接続されており、アクセルポジションセンサ１２６からの要求トルク（加速信号Ｓ１）を受け付ける。全体制御部８１は、後述する筒内圧力検出処理により筒内圧力（ｐ）を検出する。

全体制御部８１は、アクセルポジションセンサ１２６からの要求トルク（加速信号Ｓ１）と、検出した筒内圧力（ｐ）とに基づいて、燃料噴射制御部８２と、点火制御部８３の全体的な制御を行う。

［燃料噴射制御部］
燃料噴射制御部８２は、内燃機関１００の各気筒１５０を判別する気筒判別部８４と、クランクシャフト１２３のクランク角を計測する角度情報生成部８５と、エンジン回転数を計測する回転数情報生成部８６と、に接続されている。燃料噴射制御部８２は、気筒判別部８４からの気筒判別情報Ｓ３と、角度情報生成部８５からのクランク角度情報Ｓ４と、回転数情報生成部８６からのエンジン回転数情報Ｓ５と、を受け付ける。

また、燃料噴射制御部８２は、気筒１５０内に吸気される空気の吸気量を計測する吸気量計測部８７と、エンジン負荷を計測する負荷情報生成部８８と、エンジン冷却水の温度を計測する水温計測部８９と、に接続されている。燃料噴射制御部８２は、吸気量計測部８７からの吸気量情報Ｓ６と、負荷情報生成部８８からのエンジン負荷情報Ｓ７と、水温計測部８９からの冷却水温度情報Ｓ８と、を受け付ける。

燃料噴射制御部８２は、受け付けた各情報に基づいて、燃料噴射装置１３４から噴射される燃料の噴射量と噴射時間を算出する。そして、燃料噴射制御部８２は、算出した燃料の噴射量と噴射時間とに基づいて生成した燃料噴射パルスＳ９を燃料噴射装置１３４に送信する。

［点火制御部］
点火制御部８３は、全体制御部８１のほか、気筒判別部８４と、角度情報生成部８５と、回転数情報生成部８６と、負荷情報生成部８８と、水温計測部８９とに接続されており、これらからの各情報を受け付ける。

点火制御部８３は、受け付けた各情報に基づいて、点火コイル３００の１次側コイル３１０（図８参照）に通電する電流量（通電角）と、通電開始時間と、１次側コイル３１０に通電した電流を遮断する時間（点火時間）を算出する。

点火制御部８３は、算出した通電量と、通電開始時間と、点火時間とに基づいて、点火コイル３００の１次側コイル３１０に通電信号ＳＡを出力することで、点火プラグ２００による放電制御（点火制御）を行う。

［内燃機関の運転状態と点火プラグ周囲のガス流速との関係］
次に、内燃機関１００の運転状態と点火プラグ２００周囲のガス流速との関係を、図４を参照して説明する。
図４は、内燃機関１００の運転状態と点火プラグ２００周囲のガス流速との関係を説明する図である。

図４に示すように、一般的に、エンジン回転数や負荷が高いほど、気筒１５０内のガス流速が高くなり、点火プラグ２００周囲のガスが高流速になる。したがって、エンジン回転数や負荷が高い場合は、点火プラグ２００の中心電極２１０と外側電極２２０との間において、ガスが高速に流れることとなる。

また、排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われる内燃機関１００では、エンジン回転数と負荷の関係に応じて、例えば図４に示すようにＥＧＲ率が設定される。なお、ＥＧＲ率をより高く設定する高ＥＧＲ領域を拡大するほど、低燃費化や低排気化を実現できる。しかし、高ＥＧＲ領域では、火炎核が成長する確率が下がるため、点火プラグ２００において着火不良が生じやすくなる。

［点火プラグの電極間における放電路と流速の関係］
次に、点火プラグの電極間における放電路と流速の関係を、図５Ａ，Ｂを参照して説明する。
図５Ａ，Ｂは、点火プラグの電極間における放電路と流速の関係を説明する図である。

図５Ａ，Ｂに示すように、点火プラグ２００の中心電極２１０と外側電極２２０の間に絶縁破壊が生じると、電極２１０，２２０間に流れる電流が一定値以下になるまでの間、電極２１０，２２０間に放電路２１１が形成される。この放電路２１１に可燃ガスが接触すると、火炎核が成長して燃焼に至る。放電路２１１は、電極２１０，２２０間のガス流れの影響を受けて移動するため、図５Ａに示すように、ガス流速が高いほど短時間で長い放電路２１１を形成する。一方、図５Ｂに示すように、ガス流速が低いほど放電路２１１が短くなる。

内燃機関１００が高ＥＧＲ率で運転される場合は、可燃ガスが放電路２１１と接触しても火炎核が成長する確率が下がる。そのため、可燃ガスが放電路２１１と接触する機会を増やす必要がある。前述したように、放電路２１１は、ガスの絶縁を破壊して生成される。したがって、放電路２１１の維持に必要な電流を一定とすれば、放電路２１１の維持には、放電路２１１の長さに応じた電力の供給が必要となる。

ガス流速が高い場合は、短時間で大きな電力を点火コイル３００から点火プラグ２００へ出力するように点火コイル３００の通電制御を行う。これにより、図５Ａに示すような長い放電路２１１を形成することができる。その結果、放電路２１１は、広範な空間のガスとの接触機会を得ることが可能となる。

一方、ガス流速が低い場合は、点火コイル３００から点火プラグ２００へ小さな電力を長時間出力し続けるように点火コイル３００の通電制御を行う。これにより、図５Ｂに示すような短い放電路２１１の形成を維持することができる。その結果、放電路２１１は、点火プラグ２００の電極付近を通過するガスとの接触機会をより長時間にわたって得ることができる。

［点火コイルの電気回路］
次に、一実施形態に係る点火コイルについて、図６を参照して説明する。
図６は、一実施形態に係る点火コイルを含む電気回路を説明する図である。

図６に示す電気回路４００は、点火コイル３００を有している。点火コイル３００は、所定の巻き数で巻かれた１次側コイル３１０と、１次側コイル３１０よりも多い巻き数で巻かれた２次側コイル３２０と、を含んで構成される。

１次側コイル３１０の一端は、直流電源３３０に接続されている。これにより、１次側コイル３１０には、所定の電圧（例えば１２Ｖ）が印加される。１次側コイル３１０の他端は、イグナイタ（通電制御回路）３４０のコレクタ（Ｃ）端子に接続されており、イグナイタ３４０を介して接地されている。イグナイタ３４０には、トランジスタや電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：FET）などが用いられる。

イグナイタ３４０のベース（Ｂ）端子は、点火制御部８３に接続されている。点火制御部８３から出力された通電信号ＳＡは、イグナイタ３４０のベース（Ｂ）端子に入力される。イグナイタ３４０のベース（Ｂ）端子に通電信号ＳＡが入力されると、イグナイタ３４０のコレクタ（Ｃ）端子とエミッタ（Ｅ）端子間が通電状態となり、コレクタ（Ｃ）端子とエミッタ（Ｅ）端子間に電流が流れる。これにより、点火制御部８３からイグナイタ３４０を介して点火コイル３００の１次側コイル３１０に通電信号ＳＡが出力される。その結果、１次側コイル３１０に電流が流れて電力（電気エネルギー）が蓄積される。

点火制御部８３からの通電信号ＳＡの出力が停止すると、１次側コイル３１０に流れる電流が遮断される。その結果、１次側コイル３１０に対するコイルの巻き数比に応じた高電圧が２次側コイル３２０に発生する。なお、点火プラグ２００と２次側コイル３２０との間には、２次電圧を検出する電圧検出部と、２次電流を検出する電流検出部が設けられている。

２次側コイル３２０に発生する高電圧は、点火プラグ２００の中心電極２１０（図５Ａ，Ｂ参照）に印加される。これにより、点火プラグ２００の中心電極２１０と、外側電極２２０との間に電位差が発生する。この中心電極２１０と外側電極２２０との間に発生した電位差が、ガス（気筒１５０内の混合気）の絶縁破壊電圧Ｖｍ以上になると、ガス成分が絶縁破壊されて中心電極２１０と外側電極２２０との間に放電が生じる。その結果、燃料（混合気）への点火（着火）が行われる。点火制御部８３は、通電信号ＳＡを用いて電気回路４００を上述しように動作させ、点火コイル３００の通電を制御する。

［点火放電と筒内圧力の関係式］
次に、点火放電と筒内圧力の関係式について説明する。

点火放電と筒内圧力の関係式の一例としては、キムアンダーソン氏らが導き出した関係式、通称ＫＩＭの関係式がある。ＫＩＭの関係式を式（２）に示す。

ＫＩＭの関係式は、誘導放電またはグロー放電時に成立するとされている。この関係式において、Ｖ_２は２次電圧、Ｉ_２は２次電流、ｐは筒内圧力、ｐ_０は大気圧、ｌは放電路の長さを表す。したがって、Ｖ_２、Ｉ_２、ｐ、ｌは変数であり、ｐ_０は固定値である。

上述の式（２）では、ｌ、Ｉ_２、ｐ、ｐ_０からＶ_２を算出する。式（２）を式（３）～式（５）のように変換することで、ｌ、Ｉ_２、Ｖ_２、ｐ_０からｐを算出することが可能となる。なお、式（５）は、上述の式（１）と同じである。

［関係式のみを用いた筒内圧力の算出］
次に、上述の式（５）のみを用いて算出した筒内圧力（ｐ）について、図７を参照して説明する。
図７は、上述の式（５）のみを用いて算出した筒内圧力（ｐ）の精度を評価した例を示す図である。

図７に示す各グラフの横軸は、放電開始後の時間［ｍｓｅｃ］を表す。図７に示す各グラフの縦軸は、２次電流（Ｉ_２）［Ａ］、２次電圧（Ｖ_２）［ｋＶ］、筒内圧力（ｐ）［ｋＰａ］を表す。

図７において、２次電流（Ｉ_２）、２次電圧（Ｖ_２）及び筒内圧力（ｐ）を示す実線は、実測値である。実測値は、２個の点火コイルを用いて時間差で連続放電することにより、放電期間を延長して測定している。これにより、測定可能期間を長くすることができ、より多くの情報から燃焼指標を算出できる。

また、筒内圧力（ｐ）を示す破線は、上述の式（５）を用いて算出した算出値である。具体的には、放電路の長さ（ｌ）を電極間距離とし、２次電流（Ｉ_２）と２次電圧（Ｖ_２）の測定値を、関係式へ代入した結果が、破線で示す筒内圧力（ｐ）である。筒内圧力（ｐ）を示す実線は、燃焼圧センサを用いて筒内圧力（ｐ）を測定した実測値である。

図７に示すように、２次電流（Ｉ_２）と２次電圧（Ｖ_２）の波形には、放電路の伸長や再放電に伴う変動が見られる。そして、筒内圧力（ｐ）の算出値（破線）は、実測値（実線）に対して乖離と一致を繰り返している。これは、再放電開始時に放電路が電極間の最短距離で形成されているときに、上述の式（５）、すなわちＫＩＭの関係式が成立していると考えられる。そして、放電後は、筒内のガス流れの影響により放電路が伸長するため、上述の式（５）により算出した筒内圧力が、実測した筒内圧力に対して乖離すると考えられる。したがって、単に上述の式（５）を用いて筒内圧力（ｐ）を算出する場合は、精度が低下するという問題がある。

［筒内圧力の周波数成分］
次に、筒内圧力（ｐ）の周波数成分について、図８を参照して説明する。
図８は、筒内圧力（ｐ）の周波数成分の例について説明する図である。

図８は、図７に示す筒内圧力（ｐ）の波形について、ＦＦＴ（Fast Fourier transform）処理した結果を示している。図８に示すグラフの横軸は次数を表し、縦軸はフーリエ係数（振幅）を表す。図８において、実線は、実測値の波形をＦＦＴ処理したものであり、破線は、上述の式（５）を用いた算出値の波形をＦＦＴ処理したものである。

図８に示すように、算出値に係る破線には、３つの極大部が確認できる。各極大部を含むそれぞれの帯域を、次数が小さい方から低周波帯Ａ、中周波帯Ｂ、高周波帯Ｃとする。低周波帯Ａにおける破線は、低周波帯Ａにおける実線と略一致している。実線は、筒内圧力の成分のみであるため、この周波数帯域（低周波帯Ａ）における破線は、筒内圧力の成分であると考える。

一方、中周波帯Ｂ及び高周波帯Ｃにおいて、破線は、実線から乖離している。この乖離の要因としては、放電路の伸長による２次電流（Ｉ_２）と２次電圧（Ｖ_２）の緩やかな変動と、再放電による２次電流（Ｉ_２）と２次電圧（Ｖ_２）の急激な変動が挙げられる。つまり、中周波帯Ｂにおける破線には、放電路伸長の周波数成分が含まれ、高周波帯Ｃにおける破線には、再放電の周波数成分が含まれていると考えられる。

また、再放電に伴う絶縁破壊は、容量放電(アーク放電)が生じる。上述したように、ＫＩＭの関係式は、誘導放電またはグロー放電時に成立するとされている。したがって、高周波帯Ｃでは、ＫＩＭの関係式を適用できない。

そこで、本実施形態では、２次電流（Ｉ_２）と２次電圧（Ｖ_２）の波形から中周波帯Ｂ及び高周波帯Ｃ（すなわち、高周波成分）を除去し、その後、上述の式（５）を用いて筒内圧力（ｐ）を算出する。これにより、放電路伸長と再放電の周波数成分の影響を無くした算出値（筒内圧力（ｐ））を得ることができる。放電路伸長の周波数成分を除去すると、仮想的な無風状態となり、放電路の長さが電極間（電極２１０，２２０間）の最短距離に固定される。なお、本発明に係る高周波成分は、放電路伸長の周波数成分と再放電の周波数成分を含むものである。

中周波帯Ｂ及び高周波帯Ｃの除去を行う際に、一般的なアナログローパスフィルタ回路を用いると、応答遅れや位相ずれが生じる。その結果、算出した筒内圧力の精度が低下する。そのため、低周波帯Ａと中周波帯Ｂの間にカットオフ次数を設け、カットオフ次数以上の破線の値をゼロにして逆ＦＦＴ処理を行う。これにより、応答遅れや位相ずれを低減することができる。

［筒内圧力検出処理］
次に、本実施形態に係る全体制御部８１により行われる筒内圧力検出処理について、図９を参照して説明する。
図９は、本実施形態に係る筒内圧力検出処理の手順を示すフローチャートである。

まず、全体制御部８１は、２次電流（Ｉ_２）及び２次電圧（Ｖ_２）を検出する（Ｓ１）。Ｓ１の処理では、２次電流（Ｉ_２）及び２次電圧（Ｖ_２）の放電波形（放電期間の波形）を検出する。

次に、全体制御部８１は、放電波形から高周波成分を除去し、除去した波形から２次電流（Ｉ_２）及び２次電圧（Ｖ_２）の値を取得する（Ｓ２）。Ｓ２の処理では、予め定められたカットオフ次数以上（次数範囲）をゼロとするようにＦＦＴ処理を行い、その後、逆ＦＦＴ処理を行うことのより、高周波成分を除去する。なお、カットオフ次数は、燃焼圧センサ（実測値を得るために用意した基準センサ）を用いて取得した筒内圧力の波形における周波数成分に基づいて定める。

次に、全体制御部８１は、ＫＩＭの関係式を変換して得た上述の式（５）を用いて筒内圧力（ｐ）を算出する（Ｓ３）。Ｓ３の処理後、全体制御部８１は、筒内圧力検出処理を終了する。このように、２次電流（Ｉ_２）及び２次電圧（Ｖ_２）の放電波形から高周波成分を除去することにより、仮想的な無風状態にすることができ、放電路伸長の影響を取り除くことができる。すなわち、放電路の長さを電極間の最短距離に固定することができる。その結果、筒内圧力（ｐ）を精度良く検知（算出）することができる。

図１０は、本実施形態に係る筒内圧力（ｐ）の検出精度を評価した例を示す図である。図１０に示す各グラフの横軸は、放電開始後の時間［ｍｓｅｃ］を表す。図７に示す各グラフの縦軸は、２次電流（Ｉ_２）［Ａ］、２次電圧（Ｖ_２）［ｋＶ］、筒内圧力（ｐ）［ｋＰａ］を表す。

図１０において、２次電流（Ｉ_２）及び２次電圧（Ｖ_２）を示す実線は、上述したＦＦＴ処理及び逆ＦＦＴ処理を行って高周波成分を除去したものである。また、筒内圧力（ｐ）を示す実線は、燃焼圧センサを用いて筒内圧力（ｐ）を測定した実測値である。筒内圧力（ｐ）を示す破線は、上述の式（５）を用いて算出した算出値である。具体的には、放電路の長さ（ｌ）を電極間距離とし、高周波成分を除去した２次電流（Ｉ_２）と２次電圧（Ｖ_２）を、関係式へ代入した結果が、破線で示す筒内圧力（ｐ）である。

上述の式（５）を用いて算出した算出値である破線は、燃焼圧センサを用いた実測値である実線との乖離が小さくなる。これにより、筒内圧力（ｐ）の検知精度（算出精度）が向上していることが確認できる。その結果、気筒別の燃焼制御を高精度に行うことができ、車両の燃費を向上することができる。

２.まとめ
以上説明したように、上述した実施形態に係る筒内圧力検出方法は、２次側コイル（２次側コイル３２０）の情報を用いて筒内圧力（ｐ）を検出する。この筒内圧力検出方法では、２次側コイルの放電波形から高周波成分を除去し、高周波成分を除去した放電波形から２次電流（Ｉ_２）及び２次電圧（Ｖ_２）の情報を取得する。そして、上述の式（１）（式（５））から筒内圧力（ｐ）を算出する。これにより、点火プラグ（点火プラグ２００）の電極間（中心電極２１０と外側電極２２０との間）を仮想的な無風状態にして、放電路伸長や再放電の影響を取り除いて筒内圧力（ｐ）を検出することができる。その結果、精度の良い筒内圧力（ｐ）の検出を行うことができ、気筒の部品特性に合わせた燃焼制御を実現することができる。したがって、燃費の向上を図ることができる。また、燃焼圧センサを用いて筒内圧力（ｐ）を検出する必要がないため、部品点数を削減して内燃機関システムの低コスト化を実現することができる。

また、上述した実施形態に係る筒内圧力検出方法において、式（１）における放電路の長さ（ｌ）は、点火プラグ（点火プラグ２００）における電極間の最短距離である。これにより、再現性の高い電極間距離を放電路の長さとして用いることができる。また、放電路の長さの検知を不要にすることができる。

また、上述した実施形態に係る筒内圧力検出方法において、高周波成分の除去は、２次電流と２次電圧の波形データについて予め定めた次数範囲をゼロとするようにＦＦＴ処理を行い、その後逆ＦＦＴ処理を行うことにより達成される。これにより、高周波成分を除去すると共に、応答遅れや位相ずれを低減することができる。

また、上述した実施形態に係る筒内圧力検出方法において、予め定めた次数範囲は、燃焼圧センサを用いて取得した実測値の圧力波形における周波数成分から定める。これにより、除去する高周波成分を正確に定めることができ、放電路伸長の周波数成分や再放電の周波数成分をより確実に除去することができる。

また、上述した実施形態に係る内燃機関制御装置（制御装置１）は、１次側コイル（１次側コイル３１０）と、１次側コイルの通電が遮断されると、起電力が生じる２次側コイルと、２次側コイルに接続された点火プラグ（点火プラグ２００）とを有する。そして、２次側コイルの放電波形から高周波成分を除去し、高周波成分を除去した放電波形から２次電流及び２次電圧の情報を取得し、上述の式（１）（式（５））から筒内圧力を算出する制御部（全体制御部８１）を備える。これにより、放電路伸長や再放電の影響を取り除いて筒内圧力（ｐ）を検出することができる。その結果、精度の良い筒内圧力（ｐ）の検出を行うことができ、気筒の部品特性に合わせた燃焼制御を実現することができる。したがって、燃費の向上を図ることができる。また、燃焼圧センサを用いて筒内圧力（ｐ）を検出する必要がないため、部品点数を削減して内燃機関システムの低コスト化を実現することができる。

なお、本発明に係る筒内圧力検出方法並びに内燃機関制御装置は、筒内圧センサ（燃焼圧センサ）を備えた内燃機関にも適用可能である。その場合は、筒内圧センサの出力と筒内圧力検出方法を用いて検出した筒内圧力（ｐ）とを比較することで筒内圧センサの診断を実施することも可能である。また、筒内圧センサが故障した場合には、本発明に係る筒内圧検出方法を用いて筒内圧力を検出して、内燃機関を制御することでフェールオペレーショナルな制御を実現可能となる。

以上、本発明の筒内圧力検出方法、筒内圧センサ診断方法及び内燃機関制御装置の実施形態について、その作用効果も含めて説明した。しかしながら、本発明の筒内圧力検出方法、筒内圧センサ診断方法及び内燃機関制御装置は、上述の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

また、上述した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、上述した実施形態では、全体制御部８１が筒内圧力検出処理を行う構成にした。しかし、本発明に係る筒内圧力検出処理は、制御装置１とは別に設けた制御部、例えば、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＮＰ）としてもよい。この場合は、２次側コイルのノイズが制御装置１に混入することを防止することができる。また、制御装置１とは別に筒内圧力検出処理を行う制御部を設けた場合は、その制御部と制御装置１によって内燃機関制御装置が構成される。

１…制御装置、 １０…アナログ入力部、 ２０…デジタル入力部、 ３０…Ａ／Ｄ変換部、 ４０…ＲＡＭ、 ５０…ＭＰＵ、 ６０…ＲＯＭ、 ７０…Ｉ／Ｏポート、 ８０…出力回路、 ８１…全体制御部、 ８２…燃料噴射制御部、 ８３…点火制御部、 ８４…気筒判別部、 ８５…角度情報生成部、 ８６…回転数情報生成部、 ８７…吸気量計測部、 ８８…負荷情報生成部、 ８９…水温計測部、 １００…内燃機関、 １１０…エアクリーナ、 １１１…吸気管、 １１２…吸気マニホールド、 １１３…スロットル弁、 １１５…吸気温センサ、 １２０…リングギア、 １２３…クランクシャフト、 １２５…アクセルペダル、 １３０…燃料タンク、 １３１…燃料ポンプ、 １３２…プレッシャレギュレータ、 １３３…燃料配管、 １３４…燃料噴射装置、 １５０…気筒、 １５１…吸気弁、 １５２…排気弁、 １６０…排気マニホールド、 １６１…三元触媒、 １７０…ピストン、 ２００…点火プラグ、 ２１０…中心電極、 ２１１…放電路、 ２２０…外側電極、 ２３０…絶縁体、 ３００…点火コイル、 ３１０…１次側コイル、 ３２０…２次側コイル、 ３３０…直流電源、 ３４０…イグナイタ（通電制御回路）、 ４００…電気回路

Claims (6)

1. １次側コイルと、前記１次側コイルの通電が遮断されると、起電力が生じる２次側コイルと、前記２次側コイルに接続された点火プラグとを有する内燃機関における前記２次側コイルの情報を用いて筒内圧力を検出する筒内圧力検出方法であって、
   前記２次側コイルの放電波形から高周波成分を除去し、
   高周波成分を除去した前記放電波形から２次電流及び２次電圧の情報を取得し、以下の式（１）から筒内圧力を算出する
   筒内圧力検出方法。
   （数１）
   

   

   ただし、Ｖ_２は２次電圧、Ｉ_２は２次電流、ｐは筒内圧力、ｐ_０は大気圧、ｌは放電路の長さである。
2. 前記放電路の長さは、前記点火プラグにおける電極間の最短距離である
   請求項１に記載の筒内圧力検出方法。
3. 前記高周波成分の除去は、２次電流と２次電圧の波形データについて予め定めた次数範囲をゼロとするようにＦＦＴ処理を行い、その後逆ＦＦＴ処理を行うことにより達成される
   請求項１又は２に記載の筒内圧力検出方法。
4. 前記予め定めた次数範囲は、燃焼圧センサを用いて取得した実測値の圧力波形における周波数成分から定める
   請求項３に記載の筒内圧力検出方法。
5. 請求項１に記載の筒内圧検出方法で検出した筒内圧力と、筒内圧センサの出力とを用いて、該筒内圧センサの診断を実施する筒内圧センサ診断方法。
6. １次側コイルと、前記１次側コイルの通電が遮断されると、起電力が生じる２次側コイルと、前記２次側コイルに接続された点火プラグとを有する内燃機関を制御する内燃機関制御装置において、
   前記２次側コイルの放電波形から高周波成分を除去し、高周波成分を除去した前記放電波形から２次電流及び２次電圧の情報を取得し、以下の式（１）から筒内圧力を算出する制御部を備える
   内燃機関制御装置。
   （数１）
   

   

   ただし、Ｖ_２は２次電圧、Ｉ_２は２次電流、ｐは筒内圧力、ｐ_０は大気圧、ｌは放電路の長さである。

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