(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
始動時に希薄燃焼制御を行う内燃機関において、希薄燃焼制御実行時に検出したイオン電流が閾値を上回り発生している発生期間を設定した計測期間内において計測し、
計測期間内において発生した全てのイオン電流の発生期間を全イオン電流発生期間、点火の後に発生して計測期間内において最初に消滅したイオン電流の発生期間を初期イオン電流発生期間、初期イオン電流発生期間に対応するイオン電流が消滅した後に計測期間内において発生したイオン電流の発生期間を副イオン電流発生期間とし、
今回検出したイオン電流の副イオン電流発生期間が判定値以下である、計測期間内において今回検出したイオン電流が所定回数以上断続を繰り返す、今回検出したイオン電流のあるクランク角度前後における発生期間ではそのクランク角度以降に発生する発生期間が長い、及び今回検出したイオン電流の全イオン電流発生期間が前回検出したイオン電流の全イオン電流発生期間と所定値以上の差を有する、のいずれか一つの条件が成立し、かつ今回検出したイオン電流の初期イオン電流発生期間が設定値以下である場合に過度の希薄燃焼であると判定する内燃機関の希薄燃焼判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火の後に発生するイオン電流の発生時間に基づいて燃焼状態を判定する内燃機関の希薄燃焼判定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、火花点火式の内燃機関において、燃焼の開始直後に、スパークプラグを用いて燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、そのイオン電流の発生している時間を測定して、燃焼状態を判定することが行われている。例えば特許文献１には、イオン電流が設定値より大である期間の時間を合計した時間、あるいは点火からイオン電流が設定値より大である最終時点までの期間のイオン電流が発生している時間から、イオン電流の特性を測定し、燃焼状態を検出するものが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、正常な燃焼において、イオン電流が消滅する位置に基づいて、イオン電流判定タイミングを設定し、そのタイミングまでのイオン電流検出時間に基づいて燃焼時間を測定するものが記載されている。
【特許文献１】特開平６−３４４９１号公報
【特許文献２】特開平１０−１７６５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１及び特許文献２に記載のものはいずれも、点火から燃焼圧が最も高くなる主燃焼により発生するイオン電流にのみ着目したもので、この主燃焼に続く燃焼により発生するイオン電流については、何ら考慮していない。つまり、イオン電流の特性、あるいはイオン電流検出時間を測定するものの、燃焼により発生するイオン電流の一部しか利用しないものである。
【０００５】
このようなイオン電流の利用方法では、必ずしも燃焼状態が良好でない場合にその燃焼状態を判定できない場合がある。すなわち、例えば、上述の主燃焼によるイオン電流が発生して比較的短時間で消滅し、その後、排気行程において再度イオン電流が発生するなど、燃焼状態が良好でなくなりイオン電流の発生状況が変化する場合、再度発生したイオン電流を考慮しないこととなる。
【０００６】
したがって、燃焼状態が良好でなくなった場合、このような主燃焼に対応するイオン電流の特性などから燃焼状態を検出するだけでは、燃焼状態が良好でないことを判定できない場合がある。それゆえに、上記構成のものでは、精度良く燃焼状態を判定することが困難であった。
【０００７】
このような不具合に鑑みて、主燃焼によるイオン電流のイオン電流検出時間（以下、主燃焼時間と称する）とその主燃焼の後に再度発生するイオン電流のイオン電流検出時間（以下、副燃焼時間と称する）とを利用して燃焼状態を判定することが試みられている。そのものでは、副燃焼時間が所定値より小である場合は、主燃焼時間に基づいて燃焼状態を判定し、副燃焼時間が所定値より大である場合は、主燃焼時間副燃焼時間との全てに基づいて燃焼状態を判定する構成にしている。
【０００８】
しかしながら、イオン電流の発生状況、言い換えればイオン電流の波形は、内燃機関の運転状態に対して相関性が低く、空燃比が過度に高いつまりオーバーリーンとなっている運転状態において発生するイオン電流においては、上述した主燃焼時間と副燃焼時間とに基づいて燃焼状態を判定しようとしても、正確に判定し得ない場合が生じた。
【０００９】
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明の内燃機関の希薄燃焼判定方法は、始動時に希薄燃焼制御を行う内燃機関において、希薄燃焼制御実行時に検出したイオン電流が閾値を上回り発生している発生期間を設定した計測期間内において計測し、計測期間内において発生した全てのイオン電流の発生期間を全イオン電流発生期間、点火の後に発生して計測期間内において最初に消滅したイオン電流の発生期間を初期イオン電流発生期間、初期イオン電流発生期間に対応するイオン電流が消滅した後に計測期間内において発生したイオン電流の発生期間を副イオン電流発生期間とし、今回検出したイオン電流の副イオン電流発生期間が判定値以下である、計測期間内において今回検出したイオン電流が所定回数以上断続を繰り返す、今回検出したイオン電流のあるクランク角度前後における発生期間ではそのクランク角度以降に発生する発生期間が長い、及び今回検出したイオン電流の全イオン電流発生期間が前回検出したイオン電流の全イオン電流発生期間と所定値以上の差を有する、のいずれか一つの条件が成立し、かつ今回検出したイオン電流の初期イオン電流発生期間が設定値以下である場合に過度の希薄燃焼であると判定することを特徴とする。
【００１１】
このような構成において、検出したイオン電流が、次に列記する条件を満たす場合には、内燃機関は空燃比が過度に高いつまりオーバーリーンになっている状態で燃焼していると判定する。
（１）副イオン電流発生期間が判定値以下であり、かつ初期イオン電流発生期間が設定値以下である。
（２）計測期間内において今回検出したイオン電流が所定回数以上断続を繰り返すものであり、かつ初期イオン電流発生期間が設定値以下である。
（３）今回検出したイオン電流のあるクランク角度前後における発生期間ではそのクランク角度以降に発生する発生期間が長い場合であり、かつ初期イオン電流発生期間が設定値以下である。
（４）今回検出したイオン電流の全イオン電流発生期間が前回検出したイオン電流の全イオン電流発生期間と所定値以上の差を有するものであり、かつ初期イオン電流発生期間が設定値以下である。
【００１２】
つまり、イオン電流が、点火後に設定値以下の短時間発生し、その後も判定値以下の短時間しか発生しない、点火後に設定値以下の短時間発生した後に所定回数以上に発生と消滅とを繰り返す、点火後に設定値以下の短時間発生し、その後はあるクランク角度より後に長く発生する、さらには点火後に設定値以下の短時間発生するが、前回検出したイオン電流より所定値以上の差を有して短時間しか発生しないものである場合に、空燃比がオーバーリーンである状態での燃焼と判定するものである。
【００１３】
したがって、検出したイオン電流の挙動（波形）に応じて、空燃比を検出するための例えばＯ2センサが活性化していない内燃機関の始動時であっても、空燃比が過剰に高くつまりオーバーリーンに変化していることを正確に、かつ迅速に判定することが可能になる。この結果、燃料を増量すべき運転状態を早期に検知できるので、内燃機関の運転に不具合が生じる前に対応する制御を行うことを可能にするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以上説明したような構成であり、検出したイオン電流の様々な挙動（波形）に応じて、空燃比を検出するための例えばＯ2センサが活性化していない内燃機関の始動時であっても、空燃比が過剰に高くつまりオーバーリーンに変化していることを正確に、かつ迅速に判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１に概略的に示したエンジン１００は、自動車用の火花点火式４サイクル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、その燃料噴射弁５を、電子制御装置６により制御するようにしている。燃焼室３０を形成するシリンダヘッド３１には、吸気弁３２及び排気弁３３が配設されるとともに、火花を発生するとともにイオン電流Ｉを検出するための電極となるスパークプラグ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るまでの管路に配設された触媒装置である三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。なお、図１にあっては、エンジン１００の１気筒の構成を代表して図示している。
【００１７】
電子制御装置６は、中央演算処理装置７と、記憶装置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、Ａ／Ｄコンバータ１０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いる。入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管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ＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ2 センサ２１から出力される電流信号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に対してイグニションパルスｇが出力されるようになっている。
【００１８】
このスパークプラグ１８には、イオン電流Ｉを測定するためのバイアス用電源２４が接続され、入力インターフェース９とこのバイアス電源２４との間にはイオン電流測定用回路２５が接続されている。スパークプラグ１８、バイアス用電源２４及びイオン電流測定用回路２５によりイオン電流検出系４０が構成される。バイアス用電源２４は、イグニションパルスｇが消滅した時点でスパークプラグ１８にイオン電流測定のための測定用電圧（バイアス電圧）を印加するものである。そして、測定用電圧の印加により、燃焼室３０の内壁とスパークプラグ１８の中心電極との間、及びスパークプラグ１８の電極間に流れたイオン電流Ｉは、イオン電流測定用回路２５により測定される。このようなバイアス用電源２４とイオン電流測定用回路２５とは、当該分野でよく知られている種々のものを適用することができる。
【００１９】
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（基本噴射量）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。また、このようにエンジン１００の燃料噴射を制御する一方、点火毎に燃焼室３０内に発生するイオン電流Ｉが閾値を上回って派生している発生期間を設定した計測期間内において計測し、計測したイオン電流の発生期間が所定の条件を満たす場合に、そのイオン電流の発生期間を計測した時の燃焼状態が過度の希薄燃焼状態であると判定するように、電子制御装置６はプログラミングしてある。
【００２０】
この実施形態の希薄燃焼判定プログラムにおける希薄燃焼の判定の概略的な手順を図２に示す。この希薄燃焼判定プログラムでは、イオン電流Ｉを計測する計測期間を点火から点火順序における次の気筒の点火までと設定している。そして、エンジン１００の始動と同時に、点火毎に各気筒において、点火後に燃焼室３０内に発生するイオン電流Ｉの電流値が閾値ＳＬを上回って発生している発生期間を、上述した計測期間の期間内において計測するものである。
【００２１】
発生期間は、その発生時期に応じて次のように分類するものである。
（１）計測期間内において発生した全てのイオン電流の発生期間を全イオン電流発生期間（以下、全発生期間と称する）ＷＰとする。
（２）点火の後に発生して計測期間内において最初に消滅したイオン電流の発生期間を初期イオン電流発生期間（以下、初期発生期間と称する）ＰＰとする。
（３）初期発生期間に対応するイオン電流が消滅した後に計測期間内において発生したイオン電流の発生期間を副イオン電流発生期間ＶＰ（以下、副発生期間と称する）とする。
【００２２】
上記において、全発生期間ＷＰは、初期発生期間ＰＰ及び副発生期間ＶＰの合計と、初期発生期間ＰＰと副発生期間ＶＰとの間のイオン電流が消滅している消滅期間との合計である。副発生期間ＶＰが複数あり、副発生期間ＶＰ間に消滅期間がある場合には、それらの消滅期間をも合算するものである。言い換えれば、全発生期間ＷＰは、点火からイオン電流が最後に消滅するまでの期間である。
【００２３】
なお、イオン電流Ｉが発生するとは、イオン電流Ｉが閾値ＳＬを上回った時点の状態を指し、その状態から閾値ＳＬ以下となる時点までを発生しているとするものである。またイオン電流Ｉの消滅とは、イオン電流Ｉが閾値ＳＬ以下になった場合を指すものである。閾値ＳＬは、０を含んで低い程よいが、イオン電流Ｉを検出する場合の雑音レベルより大きくして、雑音を誤ってイオン電流Ｉを検出することがないように設定するものである。
【００２４】
このようなイオン電流Ｉの発生期間をイオン電流Ｉの電流波形に重ねて図示すると、図３のようになる。同図の（ａ）は、燃焼が良好でなくなっていて、副発生期間ＶＰに対応するイオン電流Ｉが初期発生期間ＰＰに対応するイオン電流Ｉより長く流れている場合を図示したものである。同図の（ｂ）は、空燃比がリーンになり、燃焼が不安定でイオン電流Ｉが計測期間内において発生（ｏｎ）と消滅（ｏｆｆ）とを複数回繰り返す場合、つまり断続的に発生する場合のイオン電流Ｉの電流波形を示すものである。
【００２５】
イオン電流Ｉのそれぞれの発生期間の計測は、イオン電流Ｉの電流値が閾値ＳＬを上回る時点のクランク角度を検出して発生を示す情報を付加して記憶するとともに、電流値が閾値ＳＬ以下になる時点のクランク角度を検出して消滅を示す情報を付加して記憶し、検出したクランク角度に基づいて上述した各発生期間を計測するものである。なお、初期発生期間ＰＰにあっては、点火時期に対応するクランク角度と、イオン電流Ｉを検出した後最初に消滅した時点のクランク角度とに基づいて計測するものである。
【００２６】
このような構成において、ステップＳ１では、今回検出したイオン電流Ｉの副発生期間ＶＰの計測を行う。副発生期間ＶＰは、初期発生期間ＰＰの後に発生するイオン電流であるので、イオン電流が断続して発生した場合には、図３の（ｂ）のように複数のものが形成されるので、それぞれの副発生期間ＶＰを合計したものを副発生期間ＶＰとするものである。
【００２７】
ステップＳ２では、計測した副発生期間ＶＰが判定値以下であるか否かを判定する。この判定により、短期間つまり判定値を上回らないような期間の内に消滅するような良好ではない燃焼であるか否かを判定することが可能になる。このステップＳ２において、副発生期間ＶＰが判定値以下であると判定した場合は、ステップＳ１０に進み、上回っていると判定した場合はステップＳ３に進む。
【００２８】
ステップＳ３では、今回検出したイオン電流Ｉの発生（ｏｎ）回数もしくは消滅（ｏｆｆ）回数つまりイオン電流Ｉが発生と消滅とを繰り返した場合の断続回数を計数する。この断続回数は、検出したクランク角度に付加される発生又は消滅を示す情報の数を計数して求めるものである。
【００２９】
ステップＳ４では、計数した断続回数が、所定回数以上であるか否かを判定する。断続回数が所定回数以上である場合はステップＳ１０に進み、そうでない場合はステップＳ５に進む。この判定により、所定回数以上イオン電流Ｉが断続するような燃焼が不安定な状態であることを判定することが可能になる。ステップＳ５では、正常燃焼における所定クランク角度前後の発生期間の計測を行う。正常燃焼における所定クランク角度とは例えば、下死点におけるクランク角度である。
【００３０】
ステップＳ６では、今回検出したイオン電流Ｉにおける、所定クランク角度の前側における発生期間（初期発生期間ＰＰもしくは副発生期間ＶＰ）が所定クランク角度の後側における発生期間（副発生期間ＶＰ）以下か否かを判定する。この判定は、所定クランク角度の前後におけるイオン電流Ｉの発生状態を判定することにより、イオン電流の偏り言い換えれば燃焼が良好でなくなり所定クランク角度より後側において継続している燃焼の偏りの状態を判定するものである。そして、前側における発生期間が後側における発生期間以下であると判定した場合は、ステップＳ１０に進み、上回っていると判定した場合にはステップＳ７に進む。
【００３１】
ステップＳ７では、今回検出したイオン電流Ｉの全発生期間ＷＰを計測し、前回計測した全発生期間ＷＰと今回計測した全発生期間ＷＰとの差の絶対値を計算する。ステップＳ８では、算出した差の絶対値が所定値以上か否かを判定する。この判定は、今回検出したイオン電流Ｉの前回からの変化の度合い（ばらつき度合い）から燃焼状態の変化を判定するものである。差の絶対値を計算するのは、前回の全発生期間ＷＰに対して今回の全発生期間ＷＰが増減している両方を判定するためである。差の絶対値が所定値以上であると判定した場合にはステップＳ１０に進み、そうでない場合はステップＳ９に進む。ステップＳ９では、燃焼が良好であると判定する。
【００３２】
ステップＳ１０では、初期発生期間ＰＰを計測する。初期発生期間ＰＰは、点火時期のクランク角度と、検出したイオン電流Ｉが点火後の計測期間内において最初に消滅したクランク角度とにより計測するものである。通常、例えば理論空燃比近傍における空燃比でエンジン１００を運転している正常な燃焼状態の場合においては、活発につまり良好に燃焼が進行するために、イオン電流Ｉは上死点近傍で最大となる波形を示してほぼ所定クランク角度前までに消滅するものが一般的である。これに対して、空燃比が高くなるつまりエンジン１００の運転が希薄燃焼での運転となっている場合、混合気の拡散状態や燃焼の伝播状態により理論空燃比近傍における空燃比での燃焼よりイオン電流Ｉが発生している初期発生期間ＰＰは短くなる傾向にある。
【００３３】
ステップＳ１１では、計測した初期発生期間ＰＰが設定値を上回っているか否かを判定するもので、設定値を上回っている場合はステップＳ９に進み、そうでない場合はステップＳ１２に進む。設定値は、上述したように、エンジン１００が高い空燃比において運転される希薄燃焼状態にある場合には、点火に引き続いて発生するイオン電流Ｉが短期間（時間）の内に消滅するものであるので、このような期間長にあわせて設定するものである。この判定は、点火後に最初に発生するイオン電流Ｉは、燃焼が正常である場合には消滅することなく設定値を上回る期間発生しているものであることに基づいている。
【００３４】
ステップＳ１２では、ステップＳ１１において初期発生期間ＰＰが設定値以下であると判定した結果を受けて、燃焼は良好でないと判定する。ステップＳ１３では、ステップＳ９及びステップＳ１２における判定結果に基づいて、噴射燃料量の増減や点火時期の進角など燃焼制御を実施する。
【００３５】
このような構成において、エンジン１００は、始動時に希薄燃焼制御を実施するものである。エンジン１００を始動すると、電子制御装置６はその直後からそれぞれの気筒において点火の毎にイオン電流Ｉを検出するものである。イオン電流Ｉを検出すると、この希薄燃焼判定プログラムにより、検出したイオン電流Ｉがどのような状態で発生しているのかを初期発生期間ＰＰ、副発生期間ＶＰ、全発生期間ＷＰ及び所定クランク角度前後の発生期間の状態に基づいて判定し、その判定結果により燃焼制御を実施するものである。
【００３６】
同プラグラムにおいては、ステップＳ２、ステップＳ４、ステップＳ６及びステップＳ８の条件（燃焼判定基準）の全てを満たさない場合、及びステップＳ１１の条件を満たす場合は、燃焼が良好であると判定して、その判定結果に対応する燃焼制御を実施する。つまり、検出したイオン電流Ｉが、
（Ｊ１）副発生期間ＶＰが判定値以下である。
（Ｊ２）イオン電流Ｉの発生と消滅との断続回数が所定回数以上である。
（Ｊ３）所定クランク角度前後の発生期間にあってはその前側における発生期間が後側における発生期間以下である。
（Ｊ４）前回の点火におけるイオン電流Ｉの全発生期間ＷＰと今回の点火におけるイオン電流Ｉの全発生期間ＷＰとの差の絶対値が所定値以上である。
の全条件が成立しない場合は、燃焼が良好であると判定する。さらに、検出したイオン電流Ｉが、
（Ｊ５）初期発生期間ＰＰが設定値を上回っている。
の条件を満たす場合に、燃焼が良好であることを判定する。
【００３７】
これに加えて、上記条件（Ｊ１）〜（Ｊ４）のいずれか一つが成立する場合で、かつ条件（Ｊ５）が成立する場合には、燃焼が良好であると判定する。すなわち、例えば条件（Ｊ１）が成立する場合、副発生期間ＶＰが判定値以下でしかないイオン電流Ｉではあるが、条件（Ｊ５）が成立するつまり初期発生期間ＰＰが設定値を上回っておれば、副発生期間ＶＰが判定値を下回る状態であっても燃焼は良好であると判定するものである。このように、初期発生期間ＰＰが設定値を上回る場合は、それ以外の条件、つまり初期発生期間ＰＰに対応するイオン電流Ｉの発生状態以外の条件が成立するようにイオン電流Ｉが発生していたとしても、初期発生期間ＰＰによる条件が最優先されて燃焼は良好であると判定するものである。
【００３８】
次に、上記（Ｊ１）から（Ｊ４）の条件のいずれか一つが満たされる場合、すなわち例えば、条件（Ｊ２）が成立する場合、所定回数以上にわたって発生と消滅とを繰り返してイオン電流Ｉが断続的に発生するものである場合で、かつ条件（Ｊ５）が成立しないつまり初期発生期間ＰＰが設定値以下であれば、燃焼は良好でないと判定するものである。このように、初期発生期間ＰＰに対応するイオン電流Ｉの発生状態以外のいずれか一つの条件が成立するようにイオン電流Ｉが発生している場合において、初期発生期間ＰＰによる条件が成立しない場合には燃焼は良好でないと判定するものである。
【００３９】
このように、燃焼状態に応じて種々の発生形態を示すイオン電流Ｉの特徴を特定するために設定された条件を組み合わせることにより、希薄燃焼制御により運転されるエンジン１００における燃焼が良好でなくなっていること、つまり実際の空燃比が過度に高く（リーン）になっていることを確実に、かつ正確に判定することができるものである。しかも、エンジン１００の運転を開始した時点からイオン電流Ｉは検出することができるので、Ｏ2センサが活性していない始動時においても確実に希薄燃焼制御を実行することができる。それにより、排気ガスのエミッションが低下することを防止することができる。
【００４０】
このように、燃料を増量すべき運転状態を早期に判定することができるので、失火などの不具合を防止して効果的に燃料制御を行うことができる。また、ステップＳ１、ステップＳ４、ステップＳ６、ステップＳ８を実行した後にステップＳ１１を実行するので、燃焼の良否判定を速くすることができる。
【００４１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４２】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態のエンジンの概略構成を示す構成説明図。
【図２】同実施形態の制御手順を示すフローチャート。
【図３】同実施形態のイオン電流波形を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４４】
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
１１…出力インターフェース
Ｉ…イオン電流
ＰＰ…初期イオン電流発生期間
ＶＰ…副イオン電流発生期間
ＷＰ…全イオン電流発生期間
【図１】
0004443522.tif 000002
【図２】
0004443522.tif 000003
【図３】
0004443522.tif 000004