(57)【要約】  燃焼室にイオン電流検出機能を備えた点火プラグが１つしか設けられていないエンジンに対しても、異常燃焼を精度良く検出することができるようにする。  本発明に係るエンジン制御システムは、燃焼時に発生するイオンを検出するイオン検出装置（４）と、エンジンの点火制御信号（４ｈ）の立ち下がり時点から前記イオン検出装置によって出力されるイオン信号（４ｇ）の立ち上がり時点までの時間（Δｔ）に基づいて、エンジン内の燃焼状態が正常燃焼と異常燃焼との何れの状態であるかを判定する燃焼状態判定部を有する制御装置（２０）と、を備えて構成される。
2014057870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグにより火花放電を行って混合気を着火させる火花点火式内燃機関の制御装置において、
前記火花点火式内燃機関の火花放電開始時点から火花放電終了時点までの時間に基づいて、前記火花点火式内燃機関内の燃焼状態が正常燃焼と異常燃焼との何れの状態であるかを判定する燃焼状態判定部を有する制御装置。
【請求項２】
前記火花点火式内燃機関は、燃焼時に発生するイオンを検出するイオン検出装置を備え、
前記火花放電終了時点は、前記イオン検出装置によって出力されるイオン信号の
立ち上がり時点に基づくことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１の記載において、
前記燃焼状態判定部は、前記時間に基づいて、前記異常燃焼がプレイグニッションの前兆現象であるプレイグニッション前兆燃焼であるか否かを判定することを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項３の記載において、
前記燃焼状態判定部は、前記時間が第１閾値よりも短い場合に、前記異常燃焼が前記プレイグニッション前兆燃焼であると判定することを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項４の記載において、
前記第１閾値は、火花点火式内燃機関トルクおよび火花点火式内燃機関回転数のうち少なくとも一方に基づいて算出されることを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項３の記載において、
前記制御装置は、前記異常燃焼を回避するよう火花点火式内燃機関を制御する異常燃焼回避制御部をさらに有し、前記燃焼状態判定部によって前記異常燃焼が前記プレイグニッション前兆燃焼であると判定された場合に、前記異常燃焼回避制御部は、前記プレイグニッション前兆燃焼を回避するよう火花点火式内燃機関を制御することを特徴とする制御装置。
【請求項７】
請求項６の記載において、
前記異常燃焼回避制御部は、火花点火式内燃機関の点火時期を遅角する、もしくは、火花点火式内燃機関に供給する燃料噴射量を増加することにより前記プレイグニッション前兆燃焼を回避することを特徴とする制御装置。
【請求項８】
請求項４の記載において、
前記制御装置は、前記燃焼状態判定部により火花点火式内燃機関内の燃焼状態が前記正常燃焼と判定されている場合に前記時間を学習すると共に、その学習した時間に基づいて前記第１閾値を補正する機能をさらに備えることを特徴とする制御装置。
【請求項９】
請求項２の記載において、
前記燃焼状態判定部は、前記時間と前記イオン検出装置で検出されたイオンのエネルギ値とに基づいて、前記異常燃焼がプレイグニッションの前兆現象であるプレイグニッション前兆燃焼であるか、それともプレイグニッションであるかを判定することを特徴とする制御装置。
【請求項１０】
請求項９の記載において、
前記燃焼状態判定部は、前記イオンのエネルギ値が第２閾値より大きい場合に、前記異常燃焼が前記プレイグニッションであると判定することを特徴とする制御装置。
【請求項１１】
請求項９の記載において、
前記燃焼状態判定部は、前記時間が第１閾値より短く、かつ、前記イオンのエネルギ値が第２閾値より小さい場合に、前記異常燃焼が前記プレイグニッション前兆燃焼であると判定し、前記イオンのエネルギ値が前記第２閾値より大きい場合に、前記異常燃焼が前記プレイグニッションであると判定することを特徴とする制御装置。
【請求項１２】
請求項１０の記載において、
前記イオンのエネルギ値とは、前記イオン信号の積算値、前記イオン信号が検出された期間、前記イオン信号のピーク値の何れかであることを特徴とする制御装置。
【請求項１３】
請求項１１の記載において、
前記第１閾値および前記第２閾値は、それぞれ火花点火式内燃機関トルクおよび火花点火式内燃機関回転数のうち少なくとも一方に基づいて算出されることを特徴とする制御装置。
【請求項１４】
請求項９の記載において、
前記制御装置は、前記異常燃焼を回避するよう火花点火式内燃機関を制御する異常燃焼回避制御部をさらに有し、前記燃焼状態判定部によって前記異常燃焼が前記プレイグニッション前兆燃焼であると判定された場合には、前記異常燃焼回避制御部は前記プレイグニッション前兆燃焼を回避するよう火花点火式内燃機関を制御し、前記燃焼状態判定部によって前記異常燃焼が前記プレイグニッションであると判定された場合には、前記異常燃焼回避制御部は前記プレイグニッションを回避するよう火花点火式内燃機関を制御することを特徴とする制御装置。
【請求項１５】
請求項１４の記載において、
前記燃焼状態判定部によって前記異常燃焼が前記プレイグニッションであると判定された場合に、前記異常燃焼回避制御部は、火花点火式内燃機関のスロットル開度を減少させる、もしくは、火花点火式内燃機関の吸気弁の閉じる時期を遅角することにより前記プレイグニッションを回避することを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費向上のためエンジンの熱効率を改善する試みがされている。その改善技術の１つが高圧縮比化である。圧縮比を高くすることで内燃機関の理論熱効率が向上する。一方で、エンジンのダウンサイジングも燃費向上策として開発が進んでいる。ダウンサイジングによりポンピングロスの低減、機械損失の低減が可能である。ただし、ダウンサイジングしたエンジンにおいて、トルク（出力）を維持するためには過給圧力を増大させる必要がある。【０００３】
こうした高圧縮比、高過給のエンジンシステムでは、エンジン燃焼室の温度が上昇するため、プレイグニッションと呼ばれる異常燃焼が問題となる。プレイグニッションとは、点火プラグによる火花放電よりも前に混合気の着火が生じてしまう現象である。プレイグニッションが発生すると点火による燃焼制御が行えない状態となるため、エンジンの暴走につながる。また、筒内圧の急激な上昇によりエンジンを損傷する可能性がある。【０００４】
また、プレイグニッションが発生する前には、その前兆となる現象が起こる場合がある。具体的には、点火プラグによる火花放電後であって正常燃焼よりも早く混合気の着火が生じるという現象（以下、この現象のことを本明細書において「プレイグニッション前兆燃焼」と言う）が起こる場合がある。したがって、本格的なプレイグニッションが発生する以前にプレイグニッションの前兆現象、即ちプレイグニッション前兆燃焼の発生を検知して、プレイグニッションを未然に回避することが重要である。【０００５】
プレイグニッションやプレイグニッション前兆燃焼（何れも異常燃焼）を検知する方策として、イオン電流検出装置（イオン検出装置）センサを用いた手法が提案されている。イオン電流センサにより、燃焼時に発生するイオンを検出することで、各サイクルにおける燃焼時期を検知することが可能である。【０００６】
実用的なイオン電流検出装置として、点火プラグをプローブとして利用するシステムが提案されている。このシステムにおいては、原理上、点火プラグの火花放電期間中にイオン電流を検出することができない。そのため、火花放電期間付近での燃焼を捉えることが出来ず、プレイグニッションもしくはプレイグニッション前兆燃焼の検知精度が低いという課題がある。【０００７】
エンジンの燃焼状態を精度良く把握できるようにした技術として、例えば特許文献１が公知である。この特許文献１は、燃焼室内にイオン電流検出機能を備えた点火プラグを２つ設置し、その２つの点火プラグの火花放電時期をずらすことにより、一方のプラグだけでは検出不可能なイオン電流を、他方のプラグにより検出するという技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−８５１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、イオン電流検出機能を備えた点火プラグを燃焼室に２つ備えることが必須であるため、エンジン燃焼室レイアウトの大規模な変更やコストアップが課題となる。【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、コストアップを抑えつつ、異常燃焼を精度良く検出することができるエンジンの制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係るエンジン制御システムは、燃焼時に発生するイオンを検出するイオン検出装置（４）と、エンジンの点火制御信号の立ち下がり時点から前記イオン検出装置によって出力されるイオン信号の立ち上がり時点までの時間（Δｔ）に基づいて、エンジン内の燃焼状態が正常燃焼と異常燃焼との何れの状態であるかを判定する燃焼状態判定部を有する制御装置（２０）と、を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エンジンレイアウトの多規模な変更やコストアップなしで、異常燃焼の発生を未然に防止することが可能となる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態および実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムを適用したエンジンのシステム構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムを構成する点火システムの詳細を示す図である。
【図３】図１に示すエンジンにおいて、時間の経過に伴う点火制御信号と熱発生率との関係についての代表例を示した図である。
【図４】図１に示すエンジンの試験を行い、その試験データに基づいて、時間の経過に伴う点火制御信号とイオン信号との関係を示した図である。
【図５】図１に示すエンジンの試験を行い、その試験データに基づいて、イオン信号積分値と燃焼開始時期の関係をプロットした図である。
【図６】図１に示すエンジンの試験を行い、その試験データに基づいて、点火制御信号の立ち下がり時点からイオン信号立ち上がり時点までの時間Δｔと燃焼開始時期との関係をプロットした図である。
【図７】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの実施例１におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御ロジックの概要を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの実施例１におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御の手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの実施例１におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御のタイムチャートである。
【図１１】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの実施例２におけるプレイグニッション判定および回避制御ロジックの概要を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの実施例２におけるプレイグニッション判定および回避制御の手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの実施例２におけるプレイグニッション判定および回避制御のタイムチャートである。
【図１４】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムを構成する点火システムの詳細を示す図である。
【図１５】図１に示すエンジンの試験を行い、その試験データに基づいて、時間の経過に伴う点火制御信号と二次電流信号との関係を示した図である。
【図１６】本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図１７】プレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御ロジックの概要を示す図である。
【図１８】プレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御の手順を示すフローチャートである。
【図１９】プレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るエンジン制御システムの実施形態について、図を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係るエンジン制御システムを適用した自動車用筒内噴射式ガソリンエンジンのシステム構成図である。本発明の実施形態に係るエンジン制御システムは、少なくとも点火システム４とエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０とを備えて構成される。図１に示すように、エンジン１００は、火花点火式燃焼を実施する自動車用の４気筒ガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気管６内の圧力を調整する電子制御スロットル２と、吸入空気温度検出器の一態様であって吸入空気の温度を計測する吸気温度センサ１５と、吸気管６内の圧力を計測する吸気圧センサ２１と、が吸気側の適宜位置に備えられている。
【００１６】
また、エンジン１００には、燃焼室１２の中に燃料を噴射する燃料噴射装置（以下、インジェクタ）３と、点火エネルギを供給する点火システム４が気筒ごとに備えられている。ここで、点火システム４は燃焼時のイオン電流を検出するイオン電流検出回路（イオン検出装置）４−２を備えている（図２参照）。また、エンジンの冷却水の温度を計測する冷却水温度センサ１４がシリンダヘッド７の適宜位置に備えられている。
【００１７】
また、筒内に流入する吸入ガスを調整する吸気バルブ可変装置５ａと筒内から排出される排気ガスを調整する排気バルブ可変装置５ｂとから構成される可変バルブ５がシリンダヘッド７の適宜位置に備えられている。可変バルブ５を調整することにより、１番（＃１）から４番（＃４）まで全気筒の吸気量およびＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）量の調整が可能である。また、燃料噴射装置３に高圧燃料を供給するための高圧燃料ポンプ１７が燃料配管によって燃料噴射装置３と接続されている。燃料配管中には、燃料噴射圧力を計測するための燃料圧力センサ１８が備えられている。
【００１８】
さらに、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、排気温度検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の温度を計測する排気温度センサ１１とが排気管８の適宜位置に備えられる。また、図示しないクランク軸には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ１３が備えられている。
【００１９】
エアフローセンサ１、空燃比センサ９、冷却水温度センサ１４、吸気温度センサ１５、排気温度センサ１１、クランク角センサ１３、燃料圧力センサ１８、吸気圧センサ２１、点火システム（イオン信号検出回路）４、および可変動弁（位相角センサ）５のそれぞれから得られる信号は、制御装置としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。また、アクセル開度センサ１６から得られる信号がＥＣＵ２０に送られる。
【００２０】
アクセル開度センサ１６は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１６の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１６は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサ１３の出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量、燃料噴射量、点火時期、燃料圧力等のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。
【００２１】
ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火信号４ｈが点火システム４に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された可変バルブの作動量は、可変バルブ駆動信号として、可変バルブ５へ送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された燃料圧力は、高圧燃料ポンプ駆動信号として、高圧燃料ポンプ１７へ送られる。
【００２２】
吸気管６から吸気バルブ３０を経て燃焼室１２内に流入した空気に対し、燃料が噴射され、混合気が形成される。混合気は所定の点火時期で点火プラグ４から発生される火花により爆発し、その燃焼圧によりピストンを押し下げてエンジンの駆動力となる。更に、爆発後の排気ガスは排気バルブ３１を経て排気管８を流れた後、三元触媒１０に送りこまれ、排気成分は三元触媒１０内で浄化され、外部へと排出される。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態に係るエンジン制御システムを構成する点火システム４の詳細を示した図である。点火システム４は、火花点火部４−１とイオン電流検出回路（イオン検出装置）４−２とで構成される。ＥＣＵ２０からの点火制御信号４ｈが入力されるとイグナイタ４ｉを介して、一次点火コイル４ｃに電流が流れる。点火信号がＯＦＦになり一次側の電流が止まると二次点火コイル４ｂに起電力が発生し、点火プラグ４ａの先端に高電圧がかかることで火花放電が生じる。火花放電時は図２の矢印Ｉの方向に電流が流れる。二次点火コイル４ｂの電圧が減少し、ツェナーダイオード４ｅの降伏電圧（例えば１００Ｖ）よりも低くなると、電流はキャパシタ４ｄに流れ込み、キャパシタ４ｄに電荷がチャージされる。
【００２４】
火花放電により点火プラグ間ギャップ（中心電極と接地電極との間のギャップ）に火炎核が生まれ、その後燃焼室１２内に火炎が伝播していく。火炎帯には燃焼過程の中間生成物として、ケミカルイオンやサーマルイオンといったイオンが存在している。この時、点火プラグ４ａには、火花放電時にチャージしたキャパシタ４ｄによって電圧（この場合は１００Ｖ）がかかっており、その電圧により燃焼室内の陽イオン（および電子）を捕捉することによって回路内にイオン電流が流れる（図中のＩＩの方向）。このイオン電流は電圧変換用抵抗４ｆによって電圧変換された後、イオン信号４ｇとしてＥＣＵ２０に送られる。
【００２５】
次に、本発明の実施形態に係るエンジン制御システムにおけるプレイグニッションおよびプレイグニッション前兆燃焼の検出手法原理について、図３から図６を用いて説明する。図３は、図１に示すエンジンにおいて、時間の経過に伴う点火制御信号と熱発生率との関係についての代表例を示した図である。熱発生率に関しては、正常燃焼時、プレイグニッション前兆燃焼時、プレイグニッション時の各例を示している。なお、熱発生率の単位は、「ジュール／秒」である。
【００２６】
図３に示すように、時刻ｔ1において、点火制御信号４ｈが立ち上がり、点火コイルにエネルギがチャージされる。時刻ｔ2において点火制御信号４ｈが立ち下がり、二次点火コイルに高電圧が発生して火花放電が開始する。その後時刻ｔ3まで火花放電が継続する。
【００２７】
（ａ）正常燃焼時においては、火花放電をトリガとして燃焼が発生するため、火花放電が終了した時刻ｔ3以降、時刻ｔcombに燃焼が開始する。一方で、（ｃ）プレイグニッション時においては、燃焼室内の高温化に起因する混合気の自己着火により燃焼が発生するため、火花放電が開始する時刻ｔ2以前に燃焼が開始する。ここで（ａ）正常燃焼から（ｃ）プレイグニッションへ移行する際に、その間に存在する（ｂ）プレイグニッション前兆燃焼に着目する。このプレイグニッション前兆燃焼時においては、火花放電が開始する時刻ｔ2以降に燃焼が開始する（つまり、火花放電をトリガとして燃焼が発生する）が、（ａ）正常燃焼と比較して燃焼開始時期が早く、火花放電終了時刻ｔ3よりも前に燃焼が開始する場合がある。
【００２８】
図４は、図１に示すエンジンの試験を行い、その試験データに基づいて、時間の経過に伴う点火制御信号とイオン信号との関係を示した図である。イオン信号４ｇに関しては、図３の熱発生率と同様に、正常燃焼時、プレイグニッション前兆燃焼時、プレイグニッション時の各例を示している。なお、図４は、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ、スロットル開度が全開、有効圧縮比が１０．３の試験条件でエンジンの試験を行った結果を示している。
【００２９】
まず、（ａ）正常燃焼時の燃焼に伴い発生するイオン信号４ｇの特徴を説明する。イオン信号４ｇには３つの山が出る特徴がある。イオン信号４ｇの１つ目の山４ｇ−１はイオン電流検出回路４−２（図２参照）が点火システム４に内蔵されている場合に見られる波形である。この１つ目の山４ｇ−１は、時刻ｔ1で点火制御信号４ｈが入力された際にイオン電流検出回路４−２に電流が流れ、イオン信号４ｇとして出力されたことにより形成されたものである。実際には燃焼室１２内には燃焼火炎は存在しないタイミングなので、ＥＣＵ２０は、イオン信号の１つ目の山４ｇ−１をノイズとして処理する。
【００３０】
イオン信号４ｇの２つ目の山４ｇ−２は、時刻ｔ2で点火制御信号４ｈが遮断され点火プラグ４ａのギャップ間に火花が飛び、火花放電時間Δｔを経過した後に見られる信号である。この２つ目の山４ｇ−２は、燃焼初期火炎中のイオン成分と放電に伴うノイズ成分とが同時に検出されたことにより形成されたものである。ここで、ギャップ間に火花放電している間（火花放電期間：ｔ2〜ｔ2+Δｔ）は、イオン電流検出回路４−２によってイオン信号を検出できない。
【００３１】
イオン信号４ｇの３つ目の山４ｇ−３は、燃焼火炎が燃焼室１２全体に燃え広がる過程で検出される波形であり、燃焼室１２内の圧力波形や熱発生波形ともよく一致するものである。この３つ目の山４ｇ−３は、主燃焼部分の火炎中のイオン成分が検出されたことにより形成されたものである。
【００３２】
プレイグニッション発生時は、まず３つ目の山４ｇ−３に変化が現れる。（ａ）正常燃焼から（ｂ）プレイグニッション前兆燃焼、（ｃ）プレイグニッションと移行する際の熱発生時期の早期化（図３参照）に伴って、３つ目の山４ｇ−３の発生時期が早期化し、そのピーク値が大きくなっていく傾向が見られる。したがって、圧縮行程の所定の時刻ｔ1（例えば９０[deg.BTDC]）から膨張行程の所定の時刻ｔ4（例えば９０[deg.ATDC]）までイオン信号を積分（積算）した値Ｓ（図中の黒塗り部分の面積に相当）は、正常燃焼、プレイグニッション前兆燃焼、プレイグニッションの順に大きくなる傾向にある（Ｓa＜Ｓb＜Ｓc）。
【００３３】
これは、燃焼時期の早期化に伴いイオン信号の発生も早期化したことと、燃焼時期の早期化により燃焼室１２内の温度が上昇したことでイオン（主にサーマルイオン）の発生が促進されイオン信号エネルギが増大したことに起因する。
【００３４】
また、もう一つの変化として、点火制御信号の立ち下がり時刻ｔ2からイオン信号の立ち上り時刻ｔ3（ｔ3a，ｔ3b，ｔ3c）までの時間Δｔが、正常燃焼、プレイグニッション前兆燃焼、プレイグニッションの順に短くなる傾向が見られる（Δｔa＞Δｔb＞Δｔc）。ここで、Δｔは火花放電時間そのものを意味していることに着目する。プレイグニッション前兆燃焼時には、正常燃焼と比較して燃焼時期が早期化し、火花放電中に燃焼が開始するようになる。
【００３５】
火花放電中に燃焼が開始すると、点火プラグギャップ間の圧力および温度が急激に上昇するため、高い放電電圧が要求され、放電電圧が高くなる。したがって、火花点火時間が短縮される。同様にプレイグニッション時には、火花放電時には既に大半の混合気が燃焼しているため点火プラグギャップ間の圧力および温度が高く、結果として火花点火時間が短縮される。以上が、正常燃焼、プレイグニッション前兆燃焼、プレイグニッションの順にΔｔが短くなるメカニズムである。
【００３６】
図５は、図１に示すエンジンの試験を上記した試験条件下（即ち、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ、スロットル開度が全開、有効圧縮比が１０．３）で行い、その試験データに基づいて、イオン信号積分値と燃焼開始時期の関係をプロットした図である。グラフの横軸は燃焼開始時期、つまりプレイグニッションの指標値であり、縦軸はイオン信号積分値Ｓである。正常燃焼時は点火時期（＝点火制御信号立ち下がり時期）から一定の遅れ時間の後に燃焼が開始する。前述のようにプレイグニッション前兆燃焼になると点火時期から燃焼開始時期までの時間が短縮化し、プレイグニッションになると点火時期よりも前に燃焼が開始している。
【００３７】
イオン信号積分値Ｓを見ると、正常燃焼からプレイグニッション前兆燃焼、プレイグニッションと移行するにつれて、その値が大きくなる傾向が見られる。ただし、正常燃焼とプレイグニッション前兆燃焼の境界近傍において、図示したように、イオン信号積分値Ｓの値だけでは正常燃焼とプレイグニッション前兆燃焼の何れであるかの判断が困難な領域（低感度の領域）が存在する。そのため、イオン信号積分値Ｓだけでは、正常燃焼とプレイグニッション前兆燃焼とを、高精度に判別することが困難である。
【００３８】
これは、プレイグニッション前兆燃焼時には火花放電期間中に燃焼が開始すること、および火花放電期間中にはイオン信号が検出できないことによって、発生したイオンの一部分しか信号として検出できていないことに起因するものと考えられる。なお、プレイグニッション前兆燃焼と正常燃焼との区別は、後述する判定しきい値Δｔkを用いることによって可能である。
【００３９】
一方、イオン信号積分値Ｓを用いれば、エンジンの燃焼状態がプレイグニッションの状態であるか、それとも正常燃焼とプレイグニッション前兆燃焼のどちらかの状態であるかを選択することはできる。例えば、判定しきい値をＳk（第２閾値）に設定することで、プレイグニッションとそれ以外とを区別して判定（識別）することができる。具体的に説明すると、イオン信号積分値Ｓが判定しきい値Ｓkより大きい場合には、プレイグニッションを識別でき、イオン信号積分値Ｓが判定しきい値Ｓkより小さい場合には、プレイグニッション前兆燃焼か正常燃焼のどちらかであることを識別できる。
【００４０】
なお、イオンのエネルギ値として、イオン信号の積分値を用いたが、これ以外にもイオン信号４ｇが検出された期間、イオン信号４ｇのピーク値を用いることもできる。何れの値を用いるかは、エンジンの特性や運転条件等に応じて適宜決定すれば良い。何れのイオンのエネルギ値を用いても、その値に基づいてエンジンの燃焼状態がプレイグニッションの状態であるか、それとも正常燃焼とプレイグニッション前兆燃焼のどちらかの状態であるかを選択することができる。
【００４１】
図６は、図１に示すエンジンの試験を上記した試験条件下（即ち、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ、スロットル開度が全開、有効圧縮比が１０．３）で行い、その試験データに基づいて、点火制御信号の立ち下がり時点からイオン信号立ち上がり時点までの時間Δｔと燃焼開始時期との関係をプロットした図である。グラフの横軸は燃焼開始時期、つまりプレイグニッションの指標値であり、縦軸はΔｔである。横軸に関しては図５と同様である。
【００４２】
Δｔを見ると、正常燃焼からプレイグニッション前兆燃焼へと移行するにつれて、短くなる傾向が有る。この傾向は図５のイオン信号積分値Ｓと比較してより顕著であることから、Δｔに基づいて正常燃焼とプレイグニッション前兆燃焼とを区別することは容易（高感度）である。例えば、判定しきい値をΔｔk（第１閾値）に設定することで、プレイグニッション前兆燃焼と正常燃焼とを識別することが可能である。また、図６からプレイグニッションの領域では、燃焼開始時期が早期化する（プレイグニッションの開始時期が早まる）につれて、逆にΔｔが長期化していく傾向が有ることが分かる。これは、燃焼開始時期が過剰に進角することで燃焼室壁面からの熱損失が増大し、火花放電期間における筒内圧力や温度が減少することに起因するものと考えられる。
【００４３】
以上のことから、本発明の実施形態に係るエンジン制御システムによれば、Δｔが判定しきい値Δｔkより長い場合には正常燃焼を識別でき、Δｔが判定しきい値Δｔkより短い場合には異常燃焼を識別できる。また、プレイグニッションが発生する前にその前兆現象としてプレイグニッション前兆燃焼が発生することが通常の異常燃焼のメカニズムであることから考えると、Δｔが判定しきい値Δｔkより短い場合には、異常燃焼がプレイグニッション前兆燃焼であることを推定することも可能である。イオン信号積分値Ｓを用いることで、突発的なプレイグニッションの発生を識別することもできる。
【００４４】
また、より正確にエンジンの燃焼状態を識別するためには、ΔｔとＳを用いれば良い。即ち、正常燃焼と異常燃焼の識別をΔｔに基づいて行い、異常燃焼がプレイグニッション前兆燃焼であるか、それともプレイグニッションであるかの識別をＳに基づいて行えば、正常燃焼、プレイグニッション前兆燃焼、またはプレイグニッションを正確に識別することができる。
【００４５】
図７は、本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの電気的構成を示すブロック図である。エアフローセンサ１、イオン信号４ｇ、空燃比センサ９、排気温度センサ１１、クランク角センサ１３、冷却水温度センサ１４、吸気温度センサ１５、アクセル開度センサ１６、燃料圧力センサ１８、吸気圧センサ２１の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力する。但し、入力信号はこれらだけに限られない。入力された各センサの入力信号は入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入力ポート２０ｂに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。
【００４６】
制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施形態の場合は、駆動回路として、電子スロットル駆動回路２０ｆ、インジェクタ駆動回路２０ｇ、点火出力回路２０ｈ、可変バルブ駆動回路２０ｊ、高圧燃料ポンプ駆動回路２０ｋがある。各回路は、それぞれ、電子制御スロットル２、インジェクタ３、点火システム４、可変バルブ５、高圧燃料ポンプ１７を制御する。本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。
【００４７】
ＥＣＵ２０は、入力信号に基づいて異常燃焼（プレイグニッションまたはプレイグニッション前兆燃焼）を判定し，異常燃焼であると判定された場合に、点火時期、インジェクタ（燃料噴射量）、可変バルブ、スロットル開度を制御する。
【００４８】
続いて、上記の実施形態に係るエンジン制御システムを用いて行うエンジン制御の代表的な実施例について説明する。
【００４９】
＜実施例１＞
実施例１は、点火制御信号の立ち下がり時点からイオン信号立ち上がり時点までの時間Δｔに基づいてプレイグニッション前兆燃焼を判定し、その判定に基づいてプレイグニッション前兆燃焼を回避するようエンジンを制御する構成を例示している。以下、実施例１について、図８〜図１０を用いて詳しく説明する。
【００５０】
図８は、実施例１におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御ロジックの概要を示す図である。ＥＣＵ２０は、プレイグニッション前兆燃焼判定およびプレイグニッション前兆燃焼の回避制御を行うために、イオン信号処理部１０１、プレイグニッション前兆燃焼判定部（燃焼状態判定部）１０２、プレイグニッション前兆燃焼回避制御部（異常燃焼回避制御部）１０３を備えている。イオン信号４ｇおよび点火制御信号２０ｈはイオン信号処理部１０１に入力され、図４で示したように、点火制御信号立ち下がり時点からイオン信号立ち上がり時点までの時間Δｔの演算が実行される。
【００５１】
プレイグニッション前兆燃焼判定部１０２には、イオン信号処理部１０１により演算されたΔｔの他、クランク角センサ１３、アクセル開度センサ１６の出力信号が入力される。ここで、クランク角センサ１３の出力信号から演算したエンジン回転数Ｎｅと、アクセル開度センサ１６の出力信号から推定したエンジントルクＴ（負荷）に基づいて、プレイグニッション前兆燃焼の判定しきい値Δｔkが演算される。
【００５２】
そして、現在のΔｔと判定しきい値Δｔkを比較することでプレイグニッション前兆燃焼が発生しているか否かを判定し、その結果をプレイグニッション前兆燃焼回避制御部１０３へ出力する。ここではアクセル開度センサ１３の出力からエンジントルクを推定したが、それに限らず、スロットル開度２や吸気圧力センサ２１の出力等に基づいてエンジントルクを推定してもよい。また、ここでは演算されたエンジン回転数とエンジントルク双方を用いて判定しきい値Δｔkを演算したが、エンジン回転数とエンジントルクのうちどちらか一方を用いて判定しきい値を演算してもよい。
【００５３】
プレイグニッション前兆燃焼回避制御部１０３には、プレイグニッション前兆燃焼の判定結果が入力され、プレイグニッション前兆燃焼が発生していれば，プレイグニッション前兆燃焼回避のために現在の設定よりも点火時期を遅角するべく、点火出力回路２０ｈに指令値を与える。また、プレイグニッション前兆燃焼が発生していなければ、現在の設定を継続する。
【００５４】
図９は、実施例１におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御の手順を示すフローチャートである。図９に示す制御手順は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。
【００５５】
ステップＳ９０１において、ＥＣＵ２０は、イオン信号４ｇを読み込む。次に、ステップＳ９０２において、イオン信号の立ち上がり時点（図４におけるｔ3）を検出する。具体的には、点火時期後に初めてイオン信号が所定値を超える時刻を検出する。所定値は予めＲＯＭ２０ｄに記憶されている。次に、ステップＳ９０３に進み、点火制御信号立ち下がり時点ｔ2からイオン信号の立ち上がり時点ｔ3までの時間Δｔを演算する。ここまでの処理はイオン信号処理部１０１により実行される。
【００５６】
次に、ステップＳ９０４に進み、エンジン回転数ＮｅおよびエンジントルクＴを演算する。エンジン回転数Ｎｅはクランク角センサ１３の出力から演算される。エンジントルクＴはアクセル開度センサ１６の出力から推定される。次に、ステップＳ９０５にて、エンジン回転数ＮｅおよびエンジントルクＴから、判定しきい値Δｔkを演算する。判定しきい値Δｔkはエンジン回転数ＮｅとエンジントルクＴを軸としたマップとして予めＲＯＭ２０ｄに記憶しておいてもよい。
【００５７】
また、Δｔは点火プラグや点火コイルの劣化状態などの経年変化に影響されるため、正常燃焼時のΔｔを用いて判定しきい値Δｔkを補正する学習制御を実施するとさらによい。ここで、正常燃焼時であるか否かの判断は、例えば、エンジンの吸気温度またはエンジンの冷却水温度に基づいて行うことができる。具体的には、エンジンの吸気温度が所定温度以下である場合、あるいはエンジンの冷却水温度が所定温度以下の場合には、正常燃焼であると判断する。また、エンジンの吸気湿度が所定の湿度以下である場合に、正常燃焼であると判断しても良い。
【００５８】
次に、ステップＳ９０６にて、イオン信号処理部１０１により演算されたΔｔと判定しきい値Δｔkの値を比較する。Δｔ＞Δｔkである場合には、プレイグニッション前兆燃焼が生じていない（つまり正常燃焼である）と判定して、一連の制御を終了する。Δｔ＜Δｔkである場合には、プレイグニッション前兆燃焼が生じていると判定してステップＳ９０７に進む。ここまでの処理はプレイグニッション前兆燃焼判定部１０２により実行される。
【００５９】
次に、ステップＳ９０７において、プレイグニッション前兆燃焼を回避するべく、点火時期を遅角して、一連の制御を終了する。この処理はプレイグニッション前兆燃焼回避制御部１０３により実行される。実施例１では、プレイグニッション前兆燃焼回避制御として、点火時期を遅角することにより燃焼室内温度を低下させているが、あるいは、燃料噴射量を増量することにより混合気温度を下げてもよい。点火時期を遅角すると、トルクは下がる（パワーが下がる）ものの、排気に影響を及ぼすことはないという利点がある。一方、燃焼噴射量を増加すると排気への影響は懸念されるものの、トルクは下がらない（パワーは下がらない）という利点がある。また、点火時期の遅角と燃料噴射量の増量を併用してもよい。
【００６０】
図１０は、実施例１におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御のタイムチャートを示している。図中上から、プレイグニッション前兆燃焼の判定フラグＦ1、アクセル開度α、スロットル開度β、点火時期ｔ2および燃焼開始時期ｔcomb、点火制御信号立ち下がり時点からイオン信号立ち上がり時点までの時間Δｔについて、それぞれ時刻（サイクル）の経過に伴う変化を示している。Δｔのチャートには、プレイグニッション前兆燃焼の判定しきい値Δｔkを併記している。ここではアクセル開度α一定の高トルク条件下の定常運転を想定している。また、燃焼開始時期ｔcombは、ＥＣＵ２０でオンボードに検出することができないパラメータであり、ここでは参考情報として記載している。
【００６１】
時刻（サイクル）Ａ以前は、正常に燃焼しており、点火時期ｔ2から一定の期間をおいて燃焼が開始している。その場合、Δｔは一定値を示している。時刻（サイクル）Ａの時点で、エンジン壁温の上昇や吸気温の上昇等何らかの原因により燃焼室が高温化すると、時刻（サイクル）Ａ以降に燃焼開始時期ｔcombが徐々に早期化し、燃焼開始時期ｔcombが点火時期ｔ2に近づいていく。この時、燃焼開始時期ｔcombの早期化に伴い、Δｔが短期化していく。時刻（サイクル）Ｂの時点でΔｔが判定しきい値Δｔkよりも小さくなると、プレイグニッション前兆燃焼であると判定され、プレイグニッション前兆燃焼の判定フラグＦ1が立ち上がる。プレイグニッション前兆燃焼の判定フラグＦ1が立ち上がると、直ちに点火時期ｔ2の遅角制御が実施される。点火時期の遅角制御が実施された後は、燃焼開始時期ｔcombの早期化が回避され再び安定した正常燃焼状態に復帰する。
【００６２】
以上説明したように、実施例１に記載した検知および制御方法によって、プレイグニッションの前兆現象であるプレイグニッション前兆燃焼を確実に検出し、その段階で回避制御を実施することで、運転性の悪化やエンジンへのダメージを発生させることなく、プレイグニッションを回避することが可能となる。この際、イオン電流検出回路４−２を備えた点火システム４を１つの燃焼室１２に２つ以上設ける必要がないため、コストを抑えられるうえ、エンジン燃焼室のレイアウトを変更する必要もない。
【００６３】
＜実施例２＞
実施例２は、点火制御信号の立ち下がり時点からイオン信号立ち上がり時点までの時間Δｔとイオン信号の積分値Ｓとに基づいて、プレイグニッション前兆燃焼とプレイグニッションを区別して判定し、その判定に基づいてプレイグニッション前兆燃焼またはプレイグニッションを回避するようエンジンを制御する構成を例示している。以下、実施例２について、図１１〜図１３を用いて詳しく説明する。
【００６４】
図１１は、実施例２におけるプレイグニッション判定および回避制御ロジックの概要を示す図である。プレイグニッション前兆燃焼とプレイグニッションとを区別して判定し、その判定に基づいてプレイグニッション前兆燃焼またはプレイグニッションの回避制御を行うために、実施例２では、実施例１のプレイグニッション前兆燃焼判定部１０２およびプレイグニッション前兆燃焼回避制御部１０３（図８参照）に代えて、プレイグニッション判定部（燃焼状態判定部）２０２およびプレイグニッション回避制御部（異常燃焼回避制御部）２０３を備えていることが特徴である。
【００６５】
イオン信号４ｇおよび点火制御信号２０ｈはイオン信号処理部１０１に入力され、図４で示したように、点火制御信号立ち下がり時点からイオン信号立ち上がり時点までの時間Δｔの演算が実行される。さらに、イオン信号の所定期間（例えば−９０〜９０[deg.ATDC]）の積分値Ｓの演算が実行される。
【００６６】
プレイグニッション前兆燃焼判定部２０２には、イオン信号処理部１０１により演算されたΔｔおよびＳの他、クランク角センサ１３、アクセル開度センサ１６の出力信号が入力される。ここで、クランク角センサ１３の出力信号から演算したエンジン回転数Ｎｅと、アクセル開度センサ１６の出力信号から推定したエンジントルクＴ（負荷）に基づいて、プレイグニッション前兆燃焼の判定しきい値Δｔkおよびプレイグニッションの判定しきい値Ｓkが演算される。
【００６７】
そして、現在のΔｔと判定しきい値Δｔkとの比較、現在のＳと判定しきい値Ｓkとの比較によって、プレイグニッションもしくはプレイグニッション前兆燃焼が発生しているか否かを区別して判定し、その結果をプレイグニッション回避制御部２０２へ出力する。ここではアクセル開度センサ１３の出力からエンジントルクを推定したが、それに限らず、スロットル開度２や吸気圧力センサ２１の出力等に基づいてエンジントルクを推定してもよい。また、ここでは演算されたエンジン回転数とエンジントルク双方を用いて判定しきい値ΔｔkおよびＳkを演算したが、エンジン回転数とエンジントルクのうちどちらか一方を用いて判定しきい値を演算してもよい。
【００６８】
プレイグニッション回避制御部２０３には、プレイグニッション判定結果が入力される。プレイグニッションが発生していれば、プレイグニッションを回避するために現在の設定よりもスロットル開度を低下するべく、電子制御スロットル駆動回路２０ｆに指令値を与える。プレイグニッション前兆燃焼が発生していれば、プレイグニッション前兆燃焼を回避するために現在の設定よりも点火時期を遅角するべく、点火出力回路２０ｈに指令値を与える。また、プレイグニッションもプレイグニッション前兆燃焼も発生していなければ、正常燃焼であると判定し、現在の設定を継続する。
【００６９】
図１２は、実施例２におけるプレイグニッション判定および回避制御の手順を示すフローチャートである。図１２に示す制御手順は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。
【００７０】
ステップＳ１２０１において、ＥＣＵ２０は、イオン信号４ｇを読み込む。次に、ステップＳ１２０２において、イオン信号の立ち上がり時点（図４におけるｔ3）を検出する。具体的には点火時期後に初めてイオン信号が所定値を超える時刻を検出する。所定値は予めＲＯＭ２０ｄに記憶されている。次に、ステップＳ１２０３に進み、点火制御信号立ち下がり時点ｔ２からイオン信号の立ち上がり時点ｔ3までの時間Δｔを演算する。次にステップＳ１２０４に進み、イオン信号の積分値Ｓを演算する。具体的には予め設定された所定期間（例えば−９０〜９０[deg.ATDC]）でのイオン信号値を積算する。ここまでの処理はイオン信号処理部１０１により実行される。
【００７１】
次に、ステップＳ１２０５に進み、エンジン回転数ＮｅおよびエンジントルクＴを演算する。エンジン回転数Ｎｅはクランク角センサ１３の出力から演算される。エンジントルクＴはアクセル開度センサ１６の出力から推定される。次に、ステップＳ１２０６にて、エンジン回転数ＮｅおよびエンジントルクＴから、判定しきい値Δｔkを演算する。判定しきい値Δｔkはエンジン回転数ＮｅとエンジントルクＴを軸としたマップとして予めＲＯＭ２０ｄに記憶しておいてもよい。
【００７２】
また、Δｔは点火プラグや点火コイルの劣化状態などの経年変化に影響されるため、正常燃焼時のΔｔを用いて判定しきい値Δｔkを補正する学習制御を実施するとさらによい。ここで、正常燃焼時であるか否かの判断は、実施例１と同様の手法で行えば良い。
【００７３】
次に、ステップＳ１２０７にて、エンジン回転数ＮｅおよびエンジントルクＴから、判定しきい値Ｓkを演算する。判定しきい値Ｓkはエンジン回転数ＮｅとエンジントルクＴを軸としたマップとして予めＲＯＭ２０ｄに記憶しておいてもよい。また、Ｓは点火プラグやイオン電流検出回路４−２の劣化状態などの経年変化に影響されるため、正常燃焼時の積分値Ｓを用いて判定しきい値Ｓkを補正する学習制御を実施するとさらによい。ここで、正常燃焼時であるか否かの判断は、実施例１と同様の手法で行えば良い。
【００７４】
次に、ステップＳ１２０８にて、イオン信号処理部１０１により演算されたＳと判定しきい値Ｓkの値を比較する。Ｓ＞Ｓkである場合には、プレイグニッションが発生していると判定して、ステップＳ１２１０へ進む。Ｓ＜Ｓkである場合には、プレイグニッションが発生していないと判定して、ステップＳ１２０９へ進む。ステップＳ１２０９では、イオン信号処理部１０１により演算されたΔｔと判定しきい値Δｔkの値を比較する。Δｔ＞Δｔkである場合には、プレイグニッション前兆燃焼が生じていない（つまり正常燃焼である）と判定して、一連の制御を終了する。Δｔ＜Δｔkである場合には、プレイグニッション前兆燃焼が生じていると判定してステップＳ１２１１に進む。ここまでの処理はプレイグニッション判定部２０２により実行される。
【００７５】
ステップＳ１２０８にて、プレイグニッションと判定された場合には、ステップＳ１２０７で、プレイグニッションを回避するべく、スロットル開度を減少し、一連の制御を終了する。また、ステップＳ１２０９にて、プレイグニッション前兆燃焼であると判定された場合には、ステップＳ１２１１で、プレイグニッション前兆燃焼を回避するべく、点火時期を遅角して、一連の制御を終了する。この処理はプレイグニッション回避制御部２０３により実行される。
【００７６】
なお、ステップＳ１２０８とステップＳ１２０９の処理の順番を逆にしても良い。即ち、まず、Δｔの値に基づいて正常燃焼と異常燃焼の判別を行う。異常燃焼であると判別された場合には、次のステップとして、Ｓの値に基づいて異常燃焼がプレイグニッション前兆燃焼であるのか、それともプレイグニッションであるのかの判別を行うようにしても良い。
【００７７】
実施例２では、プレイグニッション回避制御として、スロットル開度を減少して燃焼室内の混合気量を減少しているが、この回避制御以外に、エンジンの吸気弁が閉じる時期を遅角化して有効圧縮比を減少させて燃焼室内温度を低下させてもよいし、スロットル開度減少と吸気弁閉時期遅角を併用してもよい。
【００７８】
また、プレイグニッション前兆燃焼回避制御として、点火時期を遅角することにより燃焼室内温度を低下させているが、この回避制御以外に、燃料噴射量を増量することにより混合気温度を下げてもよいし、点火時期の遅角と燃料噴射量の増量を併用してもよい。
【００７９】
図１３は、実施例２におけるプレイグニッション判定および回避制御のタイムチャートを示している。図中上から、異常燃焼の判定フラグＦ2、アクセル開度α、スロットル開度β、点火時期ｔ2および燃焼開始時期ｔcomb、点火制御信号立ち下がり時点からイオン信号立ち上がり時点までの時間Δｔ、所定期間のイオン信号の積分値Ｓについて、それぞれ時刻（サイクル）の経過に伴う変化を示している。ΔｔおよびＳのチャートには、プレイグニッション前兆燃焼の判定しきい値Δｔkおよびプレイグニッションの判定しきい値Ｓkを併記している。
【００８０】
ここでは時刻（サイクル）Ｅの時点で、ドライバが加速するためにアクセルを踏み込んだ状況を想定している。また、燃焼開始時期ｔcombは、エンジン制御装置でオンボードに検出することができないパラメータであり、ここでは参考情報として記載している。
【００８１】
時刻（サイクル）Ｃ以前は、正常に燃焼しており、点火時期ｔ2から一定の期間をおいて燃焼が開始している。その場合、ΔｔおよびＳは一定値を示している。時刻（サイクル）Ｃの時点で、エンジン壁温の上昇や吸気温の上昇等何らかの原因により燃焼室が高温化すると、時刻（サイクル）Ｃ以降に燃焼開始時期ｔcombが徐々に早期化し、燃焼開始時期ｔcombが点火時期ｔ2に近づいていく。この時、燃焼開始時期ｔcombの早期化に伴い、Δｔが短期化していく。この時、Ｓの変化は小さい。
【００８２】
時刻（サイクル）Ｄの時点でΔｔが判定しきい値Δｔkよりも小さくなると、プレイグニッション前兆燃焼であると判定され、プレイグニッション前兆燃焼の判定フラグＦ2aが立ち上がる。プレイグニッション前兆燃焼の判定フラグＦ2aが立ち上がると、直ちに点火時期ｔ2の遅角制御が実施される。点火時期の遅角制御が実施された後は、燃焼開始時期ｔcombの早期化が回避され再び安定した正常燃焼状態に復帰する。
【００８３】
その後、時刻Ｅの時点で、ドライバが加速するためにアクセルを踏み込む。それを受けて、ＥＣＵ２０はスロットル開度を増大させる。このようなエンジントルクの増加に伴い急激な燃焼室１２内の高温化が発生すると、燃焼開始時期ｔcombが急峻に早期化し、プレイグニッション前兆燃焼の段階を経ずに、プレイグニッションが発生する場合がある。この時、イオン信号積分値Ｓが増大し、時刻（サイクル）Ｆの時点でプレイグニッション判定しきい値Ｓkよりも大きくなると、プレイグニッションであると判定され、プレイグニッション判定フラグＦ2bが立ち上がる。プレイグニッション判定フラグＦ2bが立ち上がると、直ちにスロットル開度βの減少が実施される。スロットル開度減少制御が実施された後は、エンジントルクの低下に伴い、燃焼開始時期ｔcombの早期化が回避され再び安定した正常燃焼状態に復帰する。
【００８４】
以上説明したように、実施例２に記載した検知および制御方法によって、プレイグニッション前兆燃焼とプレイグニッションとを段階的に検出して、それぞれに適した回避制御を実施することで、車両の運転性の悪化やエンジンへのダメージを最小限に抑えながら、確実にプレイグニッションを回避することが可能となる。また、実施例２においても、イオン電流検出回路４−２を備えた点火システム４を１つの燃焼室１２に２つ以上設ける必要がないため、コストを抑えられるうえ、エンジン燃焼室のレイアウトを変更する必要もない。
＜実施例３＞
実施例３は、実施例１および実施例２のようにイオン電流検出回路を用いずに、点火コイルに流れる二次電流信号から火花放電時間Δｔを検出してプレイグニッション前兆燃焼を判定し、その判定に基づいてプレイグニッション前兆燃焼を回避するようエンジンを制御する構成を例示している。以下、実施例３について、図１４〜図１９を用いて詳しく説明する。
【００８５】
図１４は、本発明の実施形態に係るエンジン制御システムを構成する点火システム４の詳細を示した図である。点火システム４は、火花点火部４−１と二次電流検出回路４−３とで構成される。ＥＣＵ２０からの点火制御信号４ｈが入力されるとイグナイタ４ｉを介して、一次点火コイル４ｃに電流が流れる。点火信号がＯＦＦになり一次側の電流が止まると二次点火コイル４ｂに起電力が発生し、点火プラグ４ａの先端に高電圧がかかることで火花放電が生じる。火花放電時は図１４の矢印Ｉの方向に電流（二次電流）が流れる。この二次電流は二次電流検出用抵抗４ｊによって電圧変換された後，二次電流信号４ｍとしてＥＣＵ２０に送られる。
【００８６】
図１５は、図１に示すエンジンの試験を行い、その試験データに基づいて、時間の経過に伴う点火制御信号と二次電流信号との関係を示した図である。二次電流信号４ｍに関しては、図３の熱発生率と同様に、正常燃焼時、プレイグニッション前兆燃焼時、プレイグニッション時の各例を示している。なお、図１５は、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ、スロットル開度が全開、有効圧縮比が１０．３の試験条件でエンジンの試験を行った結果を示している。
【００８７】
まず、（ａ）正常燃焼時の燃焼に伴い発生する二次電流信号４ｍの特徴を説明する。点火制御信号が立ち下がる時刻ｔ2（火花放電開始時刻）に二次電流信号４ｍは急峻に立ち上がって最大値をとり，その後火花放電が発生する中で減少していく。時刻ｔ3aになると二次電流信号は０となり，火花放電が終了したことを意味する。つまり，点火信号が立ち下がる時刻ｔ2から二次電流信号が立ち下がる時刻ｔ3aまでの時間（Δｔa）が火花放電時間である。
【００８８】
点火制御信号の立ち下がり時刻ｔ2から二次電流信号の立ち下がり時刻ｔ3（ｔ3a，ｔ3b，ｔ3c）までの時間Δｔは、正常燃焼、プレイグニッション前兆燃焼、プレイグニッションの順に短くなる傾向が見られる（Δｔa＞Δｔb＞Δｔc）。これは、前述の通り、プレイグニッション前兆燃焼やプレイグニッションでは、火花放電中の点火プラグギャップ間の圧力および温度が上昇し、火花点火時間が短縮したことに起因する。
【００８９】
図１６は、本発明の実施形態に係るエンジン制御システムの電気的構成を示すブロック図である。エアフローセンサ１、二次電流信号４ｍ、空燃比センサ９、排気温度センサ１１、クランク角センサ１３、冷却水温度センサ１４、吸気温度センサ１５、アクセル開度センサ１６、燃料圧力センサ１８、吸気圧センサ２１の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力する。但し、入力信号はこれらだけに限られない。入力された各センサの入力信号は入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入力ポート２０ｂに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。
【００９０】
制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施形態の場合は、駆動回路として、電子スロットル駆動回路２０ｆ、インジェクタ駆動回路２０ｇ、点火出力回路２０ｈ、可変バルブ駆動回路２０ｊ、高圧燃料ポンプ駆動回路２０ｋがある。各回路は、それぞれ、電子制御スロットル２、インジェクタ３、点火システム４、可変バルブ５、高圧燃料ポンプ１７を制御する。本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。
【００９１】
ＥＣＵ２０は、入力信号に基づいて異常燃焼（プレイグニッションまたはプレイグニッション前兆燃焼）を判定し，異常燃焼であると判定された場合に、点火時期、インジェクタ（燃料噴射量）、可変バルブ、スロットル開度を制御する。
【００９２】
図１７は、実施例３におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御ロジックの概要を示す図である。ＥＣＵ２０は、プレイグニッション前兆燃焼判定およびプレイグニッション前兆燃焼の回避制御を行うために、二次電流信号処理部３０１、プレイグニッション前兆燃焼判定部（燃焼状態判定部）１０２、プレイグニッション前兆燃焼回避制御部（異常燃焼回避制御部）１０３を備えている。二次電流信号４ｍおよび点火制御信号２０ｈは二次電流信号処理部３０１に入力され、図１５で示したように、点火制御信号立ち下がり時点から二次電流信号立ち下がり時点までの時間Δｔの演算が実行される。
【００９３】
プレイグニッション前兆燃焼判定部１０２には、二次電流信号処理部３０１により演算されたΔｔの他、クランク角センサ１３、アクセル開度センサ１６の出力信号が入力される。ここで、クランク角センサ１３の出力信号から演算したエンジン回転数Ｎｅと、アクセル開度センサ１６の出力信号から推定したエンジントルクＴ（負荷）に基づいて、プレイグニッション前兆燃焼の判定しきい値Δｔkが演算される。
【００９４】
そして、現在のΔｔと判定しきい値Δｔkを比較することでプレイグニッション前兆燃焼が発生しているか否かを判定し、その結果をプレイグニッション前兆燃焼回避制御部１０３へ出力する。ここではアクセル開度センサ１３の出力からエンジントルクを推定したが、それに限らず、スロットル開度２や吸気圧力センサ２１の出力等に基づいてエンジントルクを推定してもよい。また、ここでは演算されたエンジン回転数とエンジントルク双方を用いて判定しきい値Δｔkを演算したが、エンジン回転数とエンジントルクのうちどちらか一方を用いて判定しきい値を演算してもよい。
【００９５】
プレイグニッション前兆燃焼回避制御部１０３には、プレイグニッション前兆燃焼の判定結果が入力され、プレイグニッション前兆燃焼が発生していれば，プレイグニッション前兆燃焼回避のために現在の設定よりも点火時期を遅角するべく、点火出力回路２０ｈに指令値を与える。また、プレイグニッション前兆燃焼が発生していなければ、現在の設定を継続する。
【００９６】
図１８は、実施例３におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御の手順を示すフローチャートである。図１８に示す制御手順は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。
【００９７】
ステップＳ１８０１において、ＥＣＵ２０は、二次電流信号４ｍを読み込む。次に、ステップＳ１８０２において、二次電流信号の立ち下がり時点（図１５におけるｔ3）を検出する。具体的には、点火時期後に初めて二次電流信号が所定値を下回る時刻を検出する。所定値は予めＲＯＭ２０ｄに記憶されている。次に、ステップＳ１８０３に進み、点火制御信号立ち下がり時点ｔ2から二次電流信号の立ち下がり時点ｔ3までの時間Δｔを演算する。ここまでの処理は二次電流信号処理部３０１により実行される。
【００９８】
ステップＳ１８０４からステップＳ１８０７まで（プレイグニッション前兆燃焼判定部およびプレイグニッション前兆燃焼回避制御部）の演算処理内容は、図９（実施例１）に示したものと同様である。
【００９９】
図１９は、実施例３におけるプレイグニッション前兆燃焼判定および回避制御のタイムチャートを示している。図中上から、プレイグニッション前兆燃焼の判定フラグＦ1、アクセル開度α、スロットル開度β、点火時期ｔ2および燃焼開始時期ｔcomb、点火制御信号立ち下がり時点から二次電流信号立ち下がり時点までの時間Δｔについて、それぞれ時刻（サイクル）の経過に伴う変化を示している。Δｔのチャートには、プレイグニッション前兆燃焼の判定しきい値Δｔkを併記している。ここではアクセル開度α一定の高トルク条件下の定常運転を想定している。また、燃焼開始時期ｔcombは、ＥＣＵ２０でオンボードに検出することができないパラメータであり、ここでは参考情報として記載している。
【０１００】
時刻（サイクル）Ａ以前は、正常に燃焼しており、点火時期ｔ2から一定の期間をおいて燃焼が開始している。その場合、Δｔは一定値を示している。時刻（サイクル）Ａの時点で、エンジン壁温の上昇や吸気温の上昇等何らかの原因により燃焼室が高温化すると、時刻（サイクル）Ａ以降に燃焼開始時期ｔcombが徐々に早期化し、燃焼開始時期ｔcombが点火時期ｔ2に近づいていく。この時、燃焼開始時期ｔcombの早期化に伴い、Δｔが短期化していく。時刻（サイクル）Ｂの時点でΔｔが判定しきい値Δｔkよりも小さくなると、プレイグニッション前兆燃焼であると判定され、プレイグニッション前兆燃焼の判定フラグＦ1が立ち上がる。プレイグニッション前兆燃焼の判定フラグＦ1が立ち上がると、直ちに点火時期ｔ2の遅角制御が実施される。点火時期の遅角制御が実施された後は、燃焼開始時期ｔcombの早期化が回避され再び安定した正常燃焼状態に復帰する。
【０１０１】
以上説明したように、実施例３に記載した検知および制御方法によって、プレイグニッションの前兆現象であるプレイグニッション前兆燃焼を確実に検出し、その段階で回避制御を実施することで、運転性の悪化やエンジンへのダメージを発生させることなく、プレイグニッションを回避することが可能となる。この際、従来の点火システムに二次電流検出回路（二次電流検出用抵抗）を追加するのみでプレイグニッション前兆燃焼の判定が可能であるため、大幅にコストを抑えられるうえ、エンジン燃焼室のレイアウトを変更する必要もない。
【０１０２】
本実施例３では、点火制御信号立ち下がり時点から二次電流信号立ち下がり時点までの時間によって火花放電時間Δｔを演算したが、或いは、二次電流信号立ち上がり時点から二次電流信号立ち下がり時点までの時間を火花放電時間Δｔとしても，同様な結果が得られる。
【０１０３】
また、本実施例３では、二次電流信号から火花放電時間Δｔを演算したが、二次電圧など点火システムに関わる他のパラメータから火花放電時間Δｔを演算しても、同様な結果が得られる。
【０１０４】
なお、上述した実施形態および実施例１，２，３は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施の形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
４…点火システム
４−１…火花点火部
４−２…イオン電流検出回路（イオン検出装置）  
４−３…二次電流検出回路（二次電流検出装置）
４ｇ…イオン信号
４ｈ…点火制御信号
４ｍ…二次電流信号
２０…ＥＣＵ（制御装置）
１００…エンジン
１０１…イオン信号処理部
１０２…プレイグニッション前兆燃焼判定部（燃焼状態判定部）
１０３…プレイグニッション前兆燃焼回避制御部（異常燃焼回避制御部）
２０２…プレイグニッション判定部（燃焼状態判定部）
２０３…プレイグニッション回避制御部（異常燃焼回避制御部）
３０１…二次電流信号処理部
Δｔk…プレイグニッション前兆燃焼の判定しきい値（第１閾値）
ΔＳk…プレイグニッションの判定しきい値（第２閾値）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年4月26日(2016.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグにより火花放電を行って混合気を着火させる火花点火式内燃機関の制御装置において、
前記火花点火式内燃機関の火花放電開始時点から火花放電終了時点までの時間に基づいて、前記火花点火式内燃機関内の燃焼状態が正常燃焼と異常燃焼との何れの状態であるかを判定する燃焼状態判定部を有すると共に、
前記火花点火式内燃機関は、燃焼時に発生するイオンを検出するイオン検出装置を備え、前記火花放電終了時点は、前記イオン検出装置によって出力されるイオン信号の立ち上がり時点に基づき求められ、
前記燃焼状態判定部は、前記時間と前記イオン検出装置で検出された前記イオンのエネルギ値とに基づいて、前記異常燃焼がプレイグニッションの前兆現象であるプレイグニッション前兆燃焼であるか、それともプレイグニッションであるかを判定し、
更に、前記燃焼状態判定部は、前記時間が第１閾値より短く、かつ、前記イオンのエネルギ値が第２閾値より小さい場合に、前記異常燃焼が前記プレイグニッション前兆燃焼であると判定し、前記イオンのエネルギ値が前記第２閾値より大きい場合に、前記異常燃焼が前記プレイグニッションであると判定することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１の記載において、
前記イオンのエネルギ値とは、前記イオン信号の積算値、前記イオン信号が検出された期間、前記イオン信号のピーク値の何れかであることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１の記載において、
前記第１閾値および前記第２閾値は、それぞれ前記火花点火式内燃機関のトルクおよび前記火花点火式内燃機関の回転数のうち少なくとも一方に基づいて算出されることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１の記載において、
前記制御装置は、前記異常燃焼を回避するように前記火花点火式内燃機関を制御する異常燃焼回避制御部をさらに有し、前記燃焼状態判定部によって前記異常燃焼が前記プレイグニッション前兆燃焼であると判定された場合には、前記異常燃焼回避制御部は前記プレイグニッション前兆燃焼を回避するよう前記火花点火式内燃機関を制御し、前記燃焼状態判定部によって前記異常燃焼が前記プレイグニッションであると判定された場合には、前記異常燃焼回避制御部は前記プレイグニッションを回避するように前記火花点火式内燃機関を制御することを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項４の記載において、
前記燃焼状態判定部によって前記異常燃焼が前記プレイグニッションであると判定された場合に、前記異常燃焼回避制御部は、前記火花点火式内燃機関のスロットル開度を減少させる、もしくは、前記火花点火式内燃機関の吸気弁の閉じる時期を遅角することにより前記プレイグニッションを回避することを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項４の記載において、
前記燃焼状態判定部によって前記異常燃焼が前記プレイグニッション前兆燃焼であると判定された場合に、前記異常燃焼回避制御部は、前記火花点火式内燃機関の点火時期を遅角する、もしくは、前記火花点火式内燃機関に供給する燃料噴射量を増加することにより前記プレイグニッション前兆燃焼を回避することを特徴とする制御装置。
【国際調査報告】
2014057870.tif 000022
2014057870.tif 000023