(57)【要約】【課題】内燃機関の動作状態に拘わらず、イオン電流のピーク位置を正確に抽出できる燃焼制御装置を提供する。【解決手段】一次コイルＬ１の通電を制御するスイッチング素子ＱをＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置ＥＣＵ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Ｖｏを出力するイオン電流検出回路ＩＯＮと、を有して構成される。制御装置ＥＣＵは、スイッチング素子ＱがＯＦＦ状態における検出信号Ｖｏを取得する取得処理（ＳＴ１）と、取得された検出信号Ｖｏの波形を解析して、所定以上の深さを有する谷部を、時間軸の後方から前方に向けて探索する探索処理（ＳＴ４）と、最初に検出された谷部から時間軸後方を検索して、検出信号の波形のピーク位置を特定する特定処理（ＳＴ５）と、特定されたピーク位置に基づいて、異常判定、及び／又は、燃焼制御を実行する処理（ＳＴ６，ＳＴ７）と、を有する。【選択図】図３
2010059937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記スイッチング素子がＯＦＦ状態における検出信号を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された検出信号の波形を解析して、所定以上の深さを有する谷部を、時間軸の後方から前方に向けて探索する探索手段と、
前記探索手段が最初に検出した谷部から時間軸後方を検索して、検出信号の波形のピーク位置を特定する特定手段と、
特定されたピーク位置に基づいて、異常判定、及び／又は、燃焼制御を実行する制御手段と、
を有して構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記検出信号にノイズ成分が重畳している場合には、これを除去した上で前記探索手段を機能させるよう構成した請求項１に記載の燃焼制御装置。
【請求項３】
前記谷部が所定以上の深さか否かは、
特定位置の検出信号のレベルと、特定位置の前後の検出信号のレベルの平均値との偏差によって評価される請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記偏差は、正規化された上で閾値と比較される請求項３に記載の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記点火プラグの放電後に生じる振動ノイズの収束後の前記検出信号について、その時間的な累積値を算出する累積手段を設け、
前記偏差は、前記累積値によって正規化される請求項４に記載の燃焼制御装置。
【請求項６】
ノッキングの発生の有無を異常判定する請求項１〜５の何れかに記載の燃焼制御装置。
【請求項７】
前記特定されたピーク位置に基づいてＭＴＢ制御を実現する請求項１〜６の何れかに記載の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関において、その燃焼を適切に制御できる装置に関し、特に、内燃機関の動作状態に拘わらず、イオン電流のピーク位置を正確に抽出できる燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
出願人は、先に、内燃機関の動作状態の変動に拘わらず、イオン電流のピーク位置及びピーク値を正確に抽出できる燃焼制御装置について提案している（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−２７０８３１号公報
【０００３】
この発明では、一次コイル遮断時のイオン電流信号を微分演算し、その演算結果が所定値を超えるか否かを二値的に判定するデータ判定処理と、データ判定部での判定結果に基づき、微分演算結果が全体的に第１レベルを示す第１領域と、全体的に第２レベルを示す第２領域とを抽出し、第１領域と第２領域との境界をイオン電流の第二ピーク位置であると特定している。
【０００４】
一般に、内燃機関が正常に燃焼している場合には、イオン電流は第一ピークを示した後、上死点ＴＤＣの手前で減少して再び増加し、燃焼圧が最大となるクランク角の近傍で最大となり、イオン電流の第二ピークを示すことが知られている。そして、この第二ピークの位置より後半の波形を解析することで、ノッキングの発生を検出することが可能となる。
【０００５】
また、第二ピークの位置に基づいて、適切なＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）制御も可能となる。ここでＭＢＴ制御とは、エンジン回転速度及び空燃比が一定の状態において、最大のトルクが得られよう点火時期を制御することを意味し、点火時期がＭＢＴに適合している場合には、一般に、燃焼圧の最大値となる圧力ピーク位置が、上死点ＴＤＣから所定値（例えば１５°クランク角）だけ遅角した点に一致する。一方、燃焼圧のピーク位置とイオン電流の第二ピーク位置とは、ほぼ一致している。
【０００６】
したがって、イオン電流の第二ピーク位置を正確に把握できれば、第二ピーク位置が上死点ＴＤＣからどれだけ遅角あるいは進角しているかを判定することで、その時の点火時期がＭＢＴに対して、どの程度ずれているかを判定することができることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した通り、イオン電流の第二ピークを正確に検出することは、極めて重要であるところ、例えば、エンジンの負荷が低い運転領域では、イオン電流の第二ピークが小さくなるので、従来の技術では、第一ピークを第二ピークと誤判定してしまうという問題があった。図５は、検出が困難な第二ピークを示すイオン電流波形を例示したものであり、本来の第二ピークではなく、急峻な第一ピークの途中を第二ピークであると誤認してしまう場合を示している。
【０００８】
このような場合、誤認した第二ピークに基づいて、ノッキングを判定したり、或いは、ＭＢＴ制御をすることになり、円滑な燃焼制御を実現することができない。
【０００９】
本発明は、この問題点に着目してなされたものであって、内燃機関の動作状態に拘わらず、イオン電流のピーク位置を正確に抽出できる燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明に係る燃焼制御装置は、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、前記スイッチング素子がＯＦＦ状態における検出信号を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された検出信号の波形を解析して、所定以上の深さを有する谷部を、時間軸の後方から前方に向けて探索する探索手段と、前記探索手段が最初に検出した谷部から時間軸後方を検索して、検出信号の波形のピーク位置を特定する特定手段と、特定されたピーク位置に基づいて、異常判定、及び／又は、燃焼制御を実行する制御手段と、を有して構成される。
【００１１】
典型的には、ノッキングの発生の有無につき異常判定され、燃焼制御としてＭＴＢ制御が採用される。何れにしても、本発明では、探索手段が、所定以上の深さを有する谷部を、時間軸の後方から前方に向けて探索するので、検出信号の波形に係わらず、目的のピーク位置を見落とすことがなく、正確な判定や制御が可能となる。
【００１２】
但し、検出信号にノイズ成分が重畳している場合には、これを除去した上で探索手段を機能させるのが好ましい。除去されるべきノイズ成分としては、典型的にはスパイク状のノイズである、
本発明において、谷部が所定以上の深さか否かは、特定位置の検出信号のレベルと、特定位置の前後の検出信号のレベルの平均値との偏差によって評価されるのが好適である。前後位置は、取得手段のサンプリング周期に基づいて決定されるが、その時間幅は、前後に各々１００〜１５０μＳ程度に設定するのが好適である。
【００１３】
前記偏差は、正規化された上で閾値と比較されるのが好ましい。点火プラグの放電後に生じる振動ノイズの収束後の検出信号について、その時間的な累積値を算出する累積手段を設けるのが好ましく、この場合には、前記偏差は、累積値によって正規化される。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明した本発明によれば、内燃機関の動作状態に拘わらず、イオン電流のピーク位置を正確に抽出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１に示す通り、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。
【００１７】
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。ここで、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、点火パルスＳＧの立下り時から開始されるデータ取得区間において取得され、全データが取得された後で、後述するソフトウェア処理によって、最適なデータ解析区間が確定される（図２参照）。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
続いて、本実施例の異常判定及び燃焼制御方法について説明する。図３は、ＥＣＵの動作内容を説明するフローチャートである。
【００２５】
ＥＣＵは、点火パルスＳＧを立下げて（Ｔ０）、一次コイルＬ１の電流を遮断状態にした後、予め決定されているデータ取得区間について、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏを、デジタル変換してメモリに記憶する（ＳＴ１）。サンプリング周波数は、特に限定されないが、この実施例では、３０ＫＨｚ程度に設定されている。なお、データ取得区間は、燃焼反応が確実に完了するタイミングで終了するが、この終期ＥＮＤは、運転状態に対応して予め実験的に決定されている。
【００２６】
データ取得区間のデータ取得処理が完了すると、次に、取得したデータを解析して、切出しウインドＷＩＮの始期を確定する（ＳＴ２）。具体的には、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時期をソフトウェア処理によって検出し、そのタイミングを切出しウインドＷＩＮの始期に設定する。なお、切出しウインドＷＩＮの終期は、データ取得区間の終期ＥＮＤと同じである。また、残留磁気ノイズの収束時期の検出には、例えば、特願２００７−２９０６０９号の手法が使用される。
【００２７】
次に、切出しウインドＷＩＮの全データについて、そこにノイズ成分が含まれている場合には、これをソフトウェア処理によって除去する（ＳＴ３）。ノイズ成分は、典型的にはコロナノイズであり、これらはスパイク状に現れるので、その特異的に狭いパルス幅に基づいて検出が可能である。
【００２８】
ノイズ成分が除去されると、次に、このノイズ除去後のデータについて、その波形の特徴から、データ解析区間ＤＥＴ〜ＥＮＤを特定する（ＳＴ４）。データ解析区間ＤＥＴ〜ＥＮＤは、イオン電流波形の第二ピーク位置ＰＥＡＫを検出するための区間であり、また、ノッキング判定のための区間である。
【００２９】
次に、特定されたデータ解析区間ＤＥＴ〜ＥＮＤのデータを解析して、第二ピーク位置ＰＥＡＫを特定する（ＳＴ５）。そして、第二ピーク位置ＰＥＡＫ以降のデータに基づいてノッキング判定を行う（ＳＴ６）。また、特定された第二ピーク位置ＰＥＡＫに基づいて、次回の点火タイミングを最適化するべくＭＢＴ制御を実行する（ＳＴ７）。
【００３０】
図４（ａ）は、データ解析区間ＤＥＴ〜ＥＮＤの特定処理（ＳＴ４）からノッキング処理（ＳＴ６）に至るまでの処理内容を、具体的に説明するフローチャートである。
【００３１】
データ解析区間の特定処理（ＳＴ４）では、切出しウインドＷＩＮに含まれる、ノイズ除去後のＮ個のデータが解析対象となる。なお、説明の便宜上、Ｎ個のデータは、配列Ｓ（１）〜Ｓ（Ｎ）に格納されているとするが、ｉは、その配列番号を示す変数であり、ｄは、データ間隔を示している。
【００３２】
データ間隔ｄは、データ解析区間の始期ＤＥＴを決定するためのパラメータであり、イオン電流の周波数と、サンプリング周波数とに基づいて決定される。ここでは、サンプリング周波数が３３ｋＨｚであるので、データ離間距離ｄがｄ＝４に設定されている。したがって、この実施例では、データ離間距離ｄは、時間換算で±１２０μＳ程度である。
【００３３】
以上を踏まえて、図４（ａ）のフローチャートを説明する。先ず、イオン電流信号Ｖｏの積分処理を実行するべく、ウインドＷＩＮＤ内のＮ個のデータＳ（ｉ）について累積演算を実行する（ＳＴ４０）。具体的には、ｉ＝１〜Ｎについて、データＳ（ｉ）の総和ΣＳ（ｉ）を求め、これを累積値ＩＮＴＧとする。
【００３４】
次に、切出しウインドＷＩＮＤの最終のデータＳ（Ｎ）から、最初のデータＳ（１）に向けて、逆向きに波形をチェックして、波形の谷を検出する（ＳＴ４１〜ＳＴ４６）。具体的には、変数ｉを、ｉ＝Ｎ−ｄからｉ＝ｄまで減少させつつ、各データＳ（ｉ）について、その時間軸後方のデータＳ（ｉ＋ｄ）と、時間軸前方のデータＳ（ｉ−ｄ）の平均値を求めて、中間値｛Ｓ（ｉ＋ｄ）＋Ｓ（ｉ−ｄ）｝／２＝ＭＤ（ｉ）とする（ＳＴ４２）。
【００３５】
次に、算出された中間値ＭＤ（ｉ）とデータＳ（ｉ）との偏差Δ（ｉ）＝ＭＤ（ｉ）−Ｓ（ｉ）を求め、この偏差Δ（ｉ）を、イオン電流信号の累積値ＩＮＴＧで正規化する（ＳＴ４３）。正規化処理には、ΔＳ（ｉ）＝Δ（ｉ）／ＩＮＴＧの演算を使用する。
【００３６】
次に正規化された偏差ΔＳ（ｉ）を、予め決定されている閾値ＴＨと比較して（ＳＴ４４）、もし、正規化偏差ΔＳ（ｉ）≦閾値ＴＨであれば、変数ｉを減少させつつ（ＳＴ４５）、同じ処理を繰り返す。
【００３７】
このような処理を繰り返していると、やがて、正規化偏差ΔＳ（ｉ）＞閾値ＴＨとなるデータＳ（ｉ）が検出されるので（ＳＴ４４）、そのデータ位置ｉを、変数ＤＥＴに格納して処理を終える（ＳＴ４７）。以上の処理によってデータ解析区間がＤＥＴ〜ＥＮＤであることが特定される。本実施例では、イオン電流信号Ｖｏの傾きが、時間軸方向において、負方向に大きい状態から、正方向に小さい状態に急変するポイントを、データの後方から前方に向けて検出し、検出されたポイントをデータ解析区間の始点ＤＥＴとしている。なお、検出されたデータ開始区間の始点ＤＥＴは、イオン電流の第一ピークの終了タイミングに他ならない。
【００３８】
次に、データ解析区間の始点ＤＥＴから、やや後方位置を探索して、ピーク位置ＰＥＡＫを特定する（ＳＴ５）。図４（ｂ）には、検出されたデータ解析区間の始点ＤＥＴと、特定されたピーク位置ＰＥＡＫとが模式的に図示されている。以上の処理によって、データ解析区間ＤＥＴ〜ＥＮＤと、イオン電流の第二ピーク位置ＰＥＡＫとが決まったので、次に、ノッキング処理を実行する。
【００３９】
ノッキング処理では、先ず、ピーク位置ＰＥＡＫにおけるデータの段差を解消するべく、ピーク位置ＰＥＡＫより前方のデータを、直線的に補正する（ＳＴ６１）。図３（ｂ）（１）は、補正状態も含めてイオン電流波形が図示されており、第二ピーク位置ＰＥＡＫ前後で円滑に連続する補正直線が示されている。
【００４０】
次に、ピーク位置ＰＥＡＫ以後のデータについて、ＢＰＦ(band pas filter)処理を実行する（ＳＴ６２）。このＢＰＦ処理は、ノッキングの発生を示すノック信号を抽出する処理であり、内燃機関の構造から予め特定されるノック信号の周波数に対応した周波数帯域の信号だけが抽出される。
【００４１】
そして、抽出された信号に基づいてノッキングの発生の有無が判定される（ＳＴ６３）。図３（ｂ）（２）は、第二ピークＰＥＡＫ以降のデータから抽出されたノック信号が示されており、ノッキングが発生していることを示している。
【００４２】
以上説明した通り、この実施例では、前後の波形データから求めた中間値ＭＤ（ｉ）と、データ値Ｓ（ｉ）とを比較し、中間値ＭＤ（ｉ）の方が遥かに大きい位置を第一ピークの終了ポイントとしている。この第一ピークの終了ポイントは、偏差の変化量が大きいポイントであり、要するに、偏差大から偏差小に急変する位置である。本実施例では、最終データから逆向きに偏差が急変する位置を探索するので、第一ピークを第二ピークであると誤判定することがない。
【００４３】
また、本実施例では、中間値ＭＤ（ｉ）とデータ値Ｓ（ｉ）との偏差が正規化されて閾値ＴＨと対比されるので、低負荷などのように第二ピークが小さい運転領域においても、正確に第二ピークを検出することができる。
【００４４】
また、第一ピークから第二ピークに至るデータを実質的に除去してＢＰＦ処理を実行するので、目的のノック信号だけを特異的に抽出することができる。
【００４５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】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２】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。
【図３】図１の燃焼制御装置の動作を説明するフローチャートとタイムチャートである。
【図４】図３の一部を詳細に示すフローチャートである。
【図５】従来技術の問題点を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
ＥＱＵ  燃焼制御装置
Ｌ１    一次コイル
Ｌ２    二次コイル
ＣＬ    点火コイル
Ｑ      スイッチング素子
ＥＣＵ  制御装置
Ｖｏ    検出信号
ＩＯＮ  イオン電流検出回路
ＳＴ１  取得手段
ＳＴ４  探索手段
ＳＴ５  特定手段
ＳＴ６  制御手段
ＳＴ７  制御手段
【図１】
2010059937.tif 000003
【図２】
2010059937.tif 000004
【図４】
2010059937.tif 000005
【図５】
2010059937.tif 000006
【図３】
2010059937.tif 000007