JPH09228939A - 燃焼時間測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】イオン電流に基づいて燃焼時間を計測する場
合、ハードウェアのカウンタ等ではコストがアップする
ことがある。 【解決手段】内燃機関の燃焼室内に点火毎にイオン電流
を発生させ、イオン電流の消滅するまでの持続時間から
燃焼時間を測定する燃焼時間測定方法において、内燃機
関の運転状態を検出し、検出した運転状態に基づいて点
火後のイオン電流の測定を終了する終了時間を設定し、
その終了時間までに計測した持続時間により燃焼時間を
決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として自動車用
エンジンにおける燃焼時間を、点火直後に流れるイオン
電流の持続時間に基づいて測定する燃焼時間測定方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃費向上のため、エンジンの空燃
比を理論空燃比よりもリーン側にして運転する必要性が
高まっている。このようなニーズに答えて、この種の内
燃機関では、例えば特開昭６２−１６２７４２号公報に
記載の空燃比制御装置のように、エンジンの負荷を検出
し、エンジンが所定の過渡状態にある場合には理論空燃
比によるフィードバック制御を行い、定常運転の場合に
はその理論空燃比よりリーン側に設定した空燃比にて燃
料の供給量を制御するものが知られている。

【０００３】このようなリーンな空燃比での制御すなわ
ち希薄燃焼（リーンバーン）制御を行うにあたって、燃
焼開始直後にスパークプラグに高電圧を印加し、燃焼室
内に流れたイオン電流の持続している時間（持続時間）
を測定し、その測定結果に基づいてリーンバーン領域の
上限としてトルク変動が発生するリーン限界を検出する
ことが検討されている。具体的には、空燃比の制御方法
の場合、測定した持続時間のバラツキつまり変動状態か
ら燃焼の変動率を計算し、その変動率を空燃比を制御す
る際にパラメータとして反映させるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、イオン電流
の持続時間を測定する方法としては、イオン電流が発生
した時点から消滅する時点まで、イオン電流値を計測す
るためのＡ／Ｄ変換周期に基づいて計時するものが知ら
れている。また、比較値をあらかじめ設定しておき、イ
オン電流値をその比較値と比較し、イオン電流値が比較
値を上回る期間だけ、例えばカウンタ回路により時間を
計時するものも知られている。

【０００５】しかしながら、Ａ／Ｄ変換周期から計時す
るものでは、燃焼が緩慢になりイオン電流波形が長くな
ると、Ａ／Ｄコンバータの占有時間が長くなり、他の信
号処理に影響を及ぼすことがある。また、カウンタ回路
を使用するものでは、このイオン電流の持続時間を計時
することのためだけに専用のカウンタ回路が必要とな
り、コストが高くなることがある。

【０００６】このような観点から、マイクロコンピュー
タの計数機能を利用してイオン電流の持続時間を計時す
ることが検討されている。この場合、コスト的には専用
の回路が必要でなくなるために改善されるが、緩慢な燃
焼、あるいはノイズが発生した場合にイオン電流が所定
のレベルを境界にして断続すると、その都度マイクロコ
ンピュータは持続時間の計時のために使用されるため
に、他のデータ処理に影響が出ることがある。

【０００７】本発明は、このような不具合を解消するこ
とを目的としている。

【０００８】

【発明を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、次のような手段を講じたものであ
る。すなわち、本発明に係る燃焼時間測定方法は、内燃
機関の燃焼室内に点火毎にイオン電流を発生させ、イオ
ン電流の消滅するまでの持続時間から燃焼時間を測定す
る燃焼時間測定方法において、内燃機関の運転状態を検
出し、検出した運転状態に基づいて点火後のイオン電流
の測定を終了する終了時間を設定し、その終了時間まで
に計測した持続時間により燃焼時間を決定することを特
徴とする。

【０００９】このような構成のものであれば、緩慢な燃
焼でイオン電流が長時間にわたって電流値に特に顕著な
変化がない場合であっても、その時の運転状態に基づい
て測定の終了時間を設定して、その終了時間までに計測
された持続時間から燃焼時間を決定するので、燃焼時間
の測定に要する時間が短縮される。つまり、イオン電流
はその特性上、燃焼圧が最大となる時点で略最大値とな
り、その後はなだらかに減衰するか、もしくは顕著な最
大値（ピーク値）を示さないまま減衰しながら次の点火
時期の近傍まで持続する。このようなイオン電流の特性
に対し、その時の内燃機関の運転状態に基づいて設定し
た測定の終了時間で持続時間の測定を終了し、計測した
持続時間を燃焼時間と決定することにより、計測処理に
要する時間を短縮することができる。

【００１０】この結果、例えばマイクロコンピュータを
使用して割り込みをかけて持続時間を測定する構成であ
っても、この燃焼時間の測定でマイクロコンピュータを
専有する時間は制限することができるため、マイクロコ
ンピュータを他の制御処理に使用する際の時間の制約を
大幅に緩和することができる。また、例えば負荷が軽い
場合に、排気行程で発生したイオン電流の持続時間の測
定を無視することが可能になり、計測処理に要する時間
を短縮することができるとともに、測定精度を高くする
ことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、イオン電流を利用して
燃焼時間を計測する際に、内燃機関の運転状態に基づい
て測定の終了時間を設定して、その終了時間までに測定
されたイオン電流の持続時間から燃焼時間を決定するも
のである。本発明の燃焼時間測定方法におけるイオン電
流の持続時間の測定方法自体は、従来当該分野で公知の
各種の方法を適用するものであってよい。また、マイク
ロコンピュータを使用する場合、そのクロック周波数を
利用して計時するいわゆるフリーラニングカウンタを用
いて、パルス波状に波形整形したイオン電流を直接的に
マイクロコンピュータに入力して計測するものが好まし
い。

【００１２】また、内燃機関の運転状態は、例えば回転
数及び吸気管圧力、あるいは回転数及び負荷を検出して
特定するものであってもよい。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、図面を参照して
説明する。図１に概略的に示したエンジン１００は、自
動車用の４気筒のもので、その吸気系１には図示しない
アクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２
が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられ
ている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍に
は、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、この燃料噴射弁
５を、電子制御装置６により後述する基本噴射時間ＴＰ
に基づいて開閉制御するようにしている。そして、燃焼
室１０の天井部分に対応する位置には、スパークプラグ
１８が取り付けてある。また排気系２０には、排気ガス
中の酸素濃度を測定するためのＯ₂センサ２１が、図示
しないマフラに至までの管路に配設された三元触媒２２
に上流の位置に取り付けられている。エンジン１００
は、この実施例のように４気筒に限定されるものではな
く、６気筒や１２気筒のものであってもよい。

【００１４】電子制御装置６は、中央演算処理装置（マ
イクロコンピュータ）と、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）
８と、入力インターフェース９と、出力インターフェー
ス１１とを具備してなるマイクロコンピュータシステム
を主体に構成されており、その入力インターフェース９
には、サージタク３内の圧力を検出するための吸気圧セ
ンサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００
の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ１４
から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位
置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するた
めの車速センサ１５から出力される車速信号ｃ、スロッ
トルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイ
ッチ１６から出力されるＬＬ信号ｄ、エンジン１００の
冷却水温を検出するため水温センサ１７から出力される
水温信号ｅ、上記したＯ₂センサ２１から出力される電
圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース
１１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、
またスパークプラグ１８に対してイグニッションパルス
ｇが出力されるようになっている。なお、図示しない
が、電子制御装置６には、水温信号等のアナログ信号を
デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器が内蔵されてい
る。

【００１５】またスパークプラグ１８には、高圧ダイオ
ード２３を介してイオン電流を測定するためのバイアス
用電源２４及びイオン電流測定用回路２５が接続されて
いる。このバイアス用電源２４及びイオン電流測定用回
路２５それ自体は、当該分野で知られている種々のもの
が使用できる。バイアス用電源２４は高圧ダイオード２
３を介して、点火後にイオン電流を燃焼室１０内に発生
させるべく高電圧をスパークプラグ１８に印加する。ま
た、イオン電流測定用回路２５は、後述する波形整形回
路たるコンパレータ２５ａを有し、電子制御装置６の入
力インターフェース９に電気的に接続され、高電圧の印
加により発生したアナログ信号であるイオン電流を、方
形波（パルス）状に波形整形して出力する。

【００１６】コンパレータ２５ａは、図２に示すよう
に、あらかじめ設定された所定電流値Ｉｒｅｆとバイア
ス用電源２４を介して入力されるイオン電流Ｉｉｏｎと
を比較し、イオン電流Ｉｉｏｎが所定電流値Ｉｒｅｆを
上回った場合に出力信号Ｉｏｕｔを出力する。すなわ
ち、出力信号Ｉｏｕｔは、図３に示すように、所定電流
値Ｉｒｅｆを上回った時点で立ち上がり（オンし）、下
回った時点で立ち下がる（オフする）方形波となる。こ
のコンパレータ２５ａの出力端は、イオン電流Ｉｉｏｎ
の持続時間を計時するために入力インターフェース９を
介して中央演算処理装置７に接続される。

【００１７】電子制御装置６には、吸気圧センサ１３か
ら出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ１４
から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジ
ン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基
本噴射時間ＴＰを補正して燃料噴射弁開成時間すなわち
インジェクタ最終通電時間Ｔを決定し、その決定された
通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷
に応じた燃料をその燃料噴射弁５から吸気系１に噴射さ
せるためのプログラムが内蔵してある。

【００１８】また、加速等をしている過渡状態ではない
定常運転状態では、空燃比を理論空燃比より高くした希
薄燃焼状態（リーンバーン状態）で、Ｏ₂センサ２１か
ら出力される電圧信号に基づいてフィードバック制御を
行うようにプログラムするとともに、燃焼室１０内に点
火毎にイオン電流Ｉｉｏｎを発生させ、イオン電流Ｉｉ
ｏｎの消滅するまでの持続時間から燃焼時間を測定する
もので、エンジン１００の運転状態を検出し、検出した
運転状態に基づいて点火後のイオン電流Ｉｉｏｎの測定
を終了する終了時間を設定し、その終了時間までに計測
した持続時間により燃焼時間を決定するようにプログラ
ムしてある。このプログラムに対応して、終了時間たる
計算終了タイミングＴＣＡＬＥＮＤがエンジン回転数Ｎ
Ｅと吸気圧ＰＭとにより２次元マップに規定してある。
図４に示すように、計算終了タイミングＴＣＡＬＥＮＤ
は、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＭが高くなる程終
了までの時間が長くなるように、クランク角度に換算し
て設定できるように構成してある。この場合、クランク
角度は、上死点ＴＤＣを基準として、その後の角度すな
わち上死点後ＡＴＤＣの角度で示してある。

【００１９】この実施例では、中央演算処理装置７内
に、電子制御装置６の内部クロック信号ＣＬＫにより作
動するフリーラニングカウンタが設定してあり、このフ
リーラニングカウンタによりイオン電流Ｉｉｏｎの持続
時間を計測するようになっている。すなわち、中央演算
処理装置７におけるフリーラニングカウンタは、点火毎
に作動し、コンパレータ２５ａから出力信号Ｉｏｕｔが
入力される毎にインプットキャプチャー割り込み状態と
なり、その割り込み状態の間の時間を計測し、割り込み
がリセットされる時点の計測時間を保持して出力するも
のである。なお、割り込みがかかっていない状態でフリ
ーラニングカウンタは内部クロック信号ＣＬＫで計時を
継続しており、再度割り込みがかかった場合には、今回
の割り込みがかかった時刻に基づいて点火からの持続時
間を検出し、その持続時間に加算するようにして今回の
割り込みのリセットまで持続時間の計測を行ない、リセ
ット時には点火から今回の割り込みのリセットまでの持
続時間を保持して計測を終了する。

【００２０】この燃焼時間計測方法を実行するプログラ
ムの概要は、図５に示すようなものである。このプログ
ラムは、点火から次の点火までの間に、所定の周期で繰
り返し実行されるものである。通常、イオン電流Ｉｉｏ
ｎは、点火直後にバイアス用電源２４からスパークプラ
グ１８にバイアス電圧を印加すると、正常な燃焼の場
合、ステップ的に急激に大きく流れた後、上死点ＴＤＣ
手前で減少した後再び増加し、燃焼圧が最大となるクラ
ンク角近傍でその電流値が最大となるピーク値になるよ
うに燃焼室１０内に流れる。このような挙動を示すイオ
ン電流Ｉｉｏｎを所定の気筒もしくはそれぞれの気筒に
おいて点火毎にイオン電流Ｉｉｏｎの流れている時間
を、点火からそのイオン電流Ｉｉｏｎが消滅するまでの
間に計測する。このイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間は、
その気筒の燃焼時間に略等しいあるいは略比例するもの
である。

【００２１】図５に示すフローチャートにおいて、まず
ステップＳ１では、整形波形オフのタイミングか否かを
判定する。すなわち、イオン電流Ｉｉｏｎを波形整形し
て得られた出力信号Ｉｏｕｔのパルス波形の立ち下がり
エッジのタイミングを検出する。この整形後のパルス波
形オフのタイミングである場合は、回数を１とする。ス
テップＳ２では、点火Ｔｏｆｆから計数したオフタイミ
ング回数が、所定回数ｎを上回ったか否かを判定する。
この実施例の場合、所定回数ｎは４回と設定する。ステ
ップＳ３では、持続時間の更新、すなわち２回目以降の
割り込みではそれまでに計測した持続時間があるので、
新たに測定した持続時間により前回測定した持続時間を
更新する。ステップＳ４では、この時の運転状態に基づ
いて設定された計算終了タイミングＴＣＡＬＥＮＤであ
るか否かを判定する。すなわち、この点火時点における
エンジン回転数ＮＥと吸気圧ＭＰとから上記した２次元
マップにより、今回の計算終了タイミングＴＣＡＬＥＮ
Ｄを設定し、今回の持続時間の測定タイミングが計算終
了タイミングＴＣＡＬＥＮＤに達しているか否かを判定
する。ステップＳ５では、燃焼時間をこの時点までに計
測された持続時間で決定する。

【００２２】このような構成において、点火毎にスパー
クプラグ１８にバイアス電圧が印加され、点火直後から
イオン電流Ｉｉｏｎが燃焼室１０内に発生する。正常な
燃焼の場合、イオン電流値の大きなピークが上死点ＴＤ
Ｃ近傍で発生し、その後はなだらかに減衰するので、出
力信号Ｉｏｕｔは例えば２回しかオフしないものとな
る。この場合、点火の後に、オン状態の最初の出力信号
Ｉｏｕｔが入力されると、中央演算処理装置７は割り込
み状態となり、出力信号Ｉｏｕｔがオフするまで持続時
間を計測し、ステップＳ１を実行後、他のルーチンに移
行する。最初の出力信号Ｉｏｕｔが立ち下がると、その
オフのタイミングが割り込みのリセットとなり、オフタ
イミングの回数が１となり、その回数が所定回数以下で
あるので、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４を実行して
計測し保持している持続時間で燃焼時間を更新する。

【００２３】そして、時間の経過とともに出力信号Ｉｏ
ｕｔのオンオフによりその都度割り込み状態になり、燃
焼時間が割り込みがリセットされる毎にそのリセットの
タイミングまでに計測された持続時間で更新されて一時
記憶される。このような正常燃焼の場合では、割り込み
が２回しかかからないので、所定回数に至らない。した
がって、２回のオフタイミングの後、ステップＳ１→Ｓ
２→Ｓ３→Ｓ４を実行して、計算終了タイミングＴＣＡ
ＬＥＮＤまで回転が進んでいた場合はその時点で測定を
終了して、ステップＳ５を実行して前回の割り込みによ
り更新した持続時間を最終的に燃焼時間と決定する。

【００２４】一方、図３に示すように、燃焼が緩慢で、
顕著なピークが発生せずに、イオン電流が所定電流値Ｉ
ｒｅｆを上回る状態が次の点火までに例えば４回発生す
ることがある。このような場合では、オフタイミングを
３回まで計数するまでの手順は、上記した正常燃焼時の
場合と同じである。つまり、出力信号Ｉｏｕｔがオンし
た時点から割り込み状態となって点火からの持続時間が
計測され、割り込みがリセットされる時点で計測された
持続時間が保持される。この後、オフタイミングが４回
となると、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ５を実行して、３回
目のオフタイミングにおいて計測された持続時間を燃焼
時間と決定する。

【００２５】このように、正常な燃焼の場合には、出力
信号Ｉｏｕｔがオンオフする回数が少なくなるので、中
央演算処理装置７において燃焼時間を計測するための割
り込みがかかる回数が減少する。したがって、中央演算
処理装置７が燃焼時間の計測に占有される時間が短縮さ
れ、空燃比制御をはじめとする中央演算処理装置７の他
の制御処理に及ぼす影響を防止でき、円滑な制御処理と
燃焼時間計測とを両立させることができる。また、リー
ンバーン制御の限界領域において、空燃比がリーンであ
るために燃焼が緩慢になり、正常な燃焼時のイオン電流
波形とは異なるつまり次の点火の直近まで顕著なピーク
が現れない状態で燃焼が継続した場合では、発生したイ
オン電流Ｉｉｏｎが頻繁に所定電流値Ｉｒｅｆを下回る
ことがあるが、その下回った際の回数が４回を数えたつ
まり所定回数を上回った際に燃焼時間を決定するので、
中央演算処理装置７の割り込みはそのような不安定な燃
焼状態の場合であっても４回に制限されることになり、
正常燃焼時と同様に他の制御処理に影響を与えることが
ない。

【００２６】しかも、計算終了タイミングＴＣＡＬＥＮ
Ｄは、エンジン回転数ＮＥが高く、かつ吸気圧ＰＭが高
い運転状態では長く設定しているので、十分な燃焼時間
の計測ができるとともに、燃焼異常の場合に排気行程で
現れる偽のイオン電流の測定を回避することができる。
したがって、正常な燃焼でない場合においても、燃焼時
間を測定するためのイオン電流Ｉｉｏｎの持続時間を、
短時間で正確に測定することができる。

【００２７】また、正常な場合と異常な場合とで出力信
号Ｉｏｕｔが異なり、割り込みの回数が異なってくるこ
とを利用して、この実施例における燃焼時間測定方法を
燃焼の正常と異常とを判定することに応用することもで
きる。この場合、例えばイオン電流Ｉｉｏｔにノイズが
重畳して、点火から比較的早い時期に割り込み回数が所
定回数を上回るようになった場合では、正常な燃焼とも
緩慢な燃焼とも異なる燃焼時間が計測されることになる
ので、ノイズによる異常なイオン電流Ｉｉｏｎと判定す
ることもできる。

【００２８】なお、本発明は以上説明した実施例に限定
されるものではない。例えば、上記実施例では中央演算
処理装置７をカウンタとして用いたが、電子回路で構成
されるカウンタを用いるものであってもよく、さらに
は、出力信号Ｉｏｕｔが入力されることによりアナログ
信号による計時信号を出力するフリーラニングカウンタ
とＡ／Ｄ変換器とを組み合わせ、出力信号Ｉｏｕｔがオ
ンしている間に計測されフリーラニングカウンタに保持
して出力される計時信号をＡ／Ｄ変換してイオン電流Ｉ
ｉｏｎの持続時間を計測して一時記憶し、出力信号Ｉｏ
ｕｔが所定電流値Ｉｒｅｆを下回る回数を計数し、その
回数が所定回数を上回った例えば４回を計数した時点で
その時点で一時記憶されている持続時間から燃焼時間を
決定するものであってもよい。

【００２９】その他、各部の構成は図示例に限定される
ものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形が可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、燃焼時
間を測定する際に、その測定を終了する終了時間をその
時の内燃機関の運転状態に基づいて設定しているので、
短時間で精度のよい測定を行うことができる。このた
め、この測定をマイクロコンピュータの割り込み機能を
利用して実現しても、割り込みがかかっている状態を最
小限にすることができ、それゆえにマイクロコンピュー
タ本来の制御処理機能に影響を及ぼすことを防止するこ
とができる。このようにマイクロコンピュータを利用す
ることで、ハードウェアによるカウンタが不要になり、
結果として製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略構成説明図。

【図２】同実施例の波形整形を行う電気回路のブロック
図。

【図３】同実施例の作用説明図。

【図４】同実施例の計算終了タイミングのマップの内容
を模式的に示すグラフ。

【図５】同実施例の制御手順を示すフローチャート。

【符号の説明】

５…燃料噴射弁 ６…電子制御装置 ７…中央演算処理装置 ８…記憶装置 ９…入力インターフェース １０…燃焼室 １１…出力インターフェース ２４…バイアス用電源 ２５…イオン電流測定用回路 ２５ａ…コンパレータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の燃焼室内に点火毎にイオン電流
   を発生させ、イオン電流の消滅するまでの持続時間から
   燃焼時間を測定する燃焼時間測定方法において、 内燃機関の運転状態を検出し、 検出した運転状態に基づいて点火後のイオン電流の測定
   を終了する終了時間を設定し、 その終了時間までに計測した持続時間により燃焼時間を
   決定することを特徴とする燃焼時間測定方法。