(57)【要約】【課題】ピストンスラップの影響を排除して、ノックだけを検出して適切な燃焼制御を実現できる燃焼制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の燃焼時に燃焼室に発生するイオン信号を取得する信号取得手段と、内燃機関の運転条件毎に、始期位置及び終期位置が予め規定されている切出区間について、信号取得手段によって取得された取得信号を切出して評価信号とする選択手段と、選択手段によって切出された評価信号における、そのピーク位置以降の信号から所定の周波数帯域の抽出信号を抽出するフィルタ手段と、フィルタ手段によって抽出された抽出信号に基づいて、ノック発生の有無を判定する判定手段と、判定手段による判定に対応して、点火タイミングを進角側又は遅角側に変化させて燃焼制御を実行する制御手段と、を有して構成され、点火タイミングが遅角側に遅れるほど、切出区間が狭くなるよう制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼時に燃焼室に発生するイオン信号又は燃焼室の圧力信号を取得する信号取得手段と、
内燃機関の運転条件毎に、始期位置及び終期位置が予め規定されている切出区間について、信号取得手段によって取得された取得信号を切出して評価信号とする選択手段と、
選択手段によって切出された評価信号における、そのピーク位置以降の信号から所定の周波数帯域の抽出信号を抽出するフィルタ手段と、
フィルタ手段によって抽出された抽出信号に基づいて、ノック発生の有無を判定する判定手段と、
判定手段による判定に対応して、点火タイミングを進角側又は遅角側に変化させて燃焼制御を実行する制御手段と、を有して構成され、
点火タイミングが遅角側に遅れるほど、切出区間が狭くなるよう制御するか、或いは、時間軸方向に降下する補正関数を評価信号又は抽出信号に作用させることで、ピストンスラップの影響を排除するよう構成されたことを特徴とする燃焼制御装置。
【請求項２】
切出区間の終期位置は、内燃機関の回転数、及び／又は、吸気管の圧力に対応して、所定のクランク角度として運転条件毎に規定され、この終期位置は、点火タイミングの変化に拘らず維持される請求項１に記載の燃焼制御装置。
【請求項３】
切出区間の始期位置は、内燃機関の回転数、及び／又は、吸気管の圧力に対応して、点火タイミングからの遅延時間として運転条件毎に規定されている請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
【請求項４】
補正関数を作用させる開始位置は、点火タイミングの変化に拘らず、クランク角度によって固定的に規定されている請求項１に記載の燃焼制御装置。
【請求項５】
判定部は、抽出信号の時間軸上の積算値、又は、抽出信号が閾値を超える時間幅に基づいてノック発生の有無を判定している請求項１〜３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、内燃機関の燃焼室に発生するイオン信号に基づいてノック発生を特異的に検出して、適切な運転を実現する燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノッキング（以下ノックと略す）とは、内燃機関の燃焼室において混合気の異常燃焼によって金属性の打撃音を発する現象を意味する。そして、ほぼ聞き取れない音が数十秒程度の間隔で発生するトレースノック（Trace）と、やや聞き取れる程度の音が１０秒かそれ以下の間隔で発生するライトノック（light）と、明らかな異常音が聞き取れるヘビーノック（heavy）とに大別されている。そして、特にヘビーノックについては、これを放置するとエンジン壁面の疲労劣化が促進されるなど、更なるトラブルに至るので、確実にノックを検出して、適切な燃焼制御を実行する必要がある。
【０００３】
ところで、内燃機関の燃焼室に発生するイオン電流は、点火放電後の放電ノイズの収束後に第一ピークを示し、上死点ＴＤＣの手前で減少した後に再び増加し、燃焼圧が最大となるクランク角の近傍で最大となって第二ピークを示すのが一般的である。図６は、この関係を図示したものであり、筒内圧が最大値Ｐｍａｘとなる位置と、イオン電流の第二ピーク位置とがほぼ一致している。
【０００４】
そして、この第二ピークの位置より後半のイオン電流波形を解析することで、ノッキングの発生を検出できることが知られている。そこで、本出願人は、ノイズ成分を排除してノック信号だけを特異的に抽出する手法について、各種の提案をしている（特許文献１〜特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７０８３０号公報
【特許文献２】特開２００７−２３９６９１号公報
【特許文献３】特開２００７−２３９５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ノックを回避するべく点火時期について遅角制御を実行した場合に、時としてピストンスラップ（piston slap）が発生することがある。ここで、ピストンスラップとは、エンジンのピストンが上死点からの降下時などで首振りを起こし、シリンダー内壁にピストンが接触して発生する音を意味する。
【０００７】
そして、このピストンスラップ時に、ノック信号と区別困難な信号が検出されるので、トレースノック時やライトノック時には、ノックとピストンスラップとを峻別することがほぼ不可能であった。
【０００８】
そのため、特に、遅角制御時にピストンスラップが多発すると、点火時期が長期間にわたって、意味もなく遅角側に制御されつづけて燃焼性能を劣化させるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ノックと同じ周波数域において同様の挙動を示すピストンスラップの影響を排除して、ノックだけを検出して適切な燃焼制御を実現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、本発明者は、各種の実験と検討を繰返した結果、点火タイミングを遅角させればさせるほど、ピストンスラップが生じやすい反面、ノックが生じにくいことに着目して本発明を完成させた。
【００１１】
すなわち、本発明は、内燃機関の燃焼時に燃焼室に発生するイオン信号又は燃焼室の圧力信号を取得する信号取得手段と、内燃機関の運転条件毎に、始期位置及び終期位置が予め規定されている切出区間について、信号取得手段によって取得された取得信号を切出して評価信号とする選択手段と、選択手段によって切出された評価信号における、そのピーク位置以降の信号から所定の周波数帯域の抽出信号を抽出するフィルタ手段と、フィルタ手段によって抽出された抽出信号に基づいて、ノック発生の有無を判定する判定手段と、判定手段による判定に対応して、点火タイミングを進角側又は遅角側に変化させて燃焼制御を実行する制御手段と、を有して構成され、点火タイミングが遅角側に遅れるほど、切出区間が狭くなるよう制御するか、或いは、時間軸方向に降下する補正関数を評価信号又は抽出信号に作用させることで、ピストンスラップの影響を排除するよう構成されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明において、点火タイミングが遅角側に遅れるほど、切出区間が狭くなるよう制御する場合には、点火タイミングの遅角制御量に対応して、評価信号の時間幅が狭くなる。そのため、点火タイミングが遅れるほど、抽出信号が相対的に低評価されることになり、ピストンスラップの影響を回避することができる。なお、点火タイミングが大きく遅れた場合、原理的には、ノック信号を読み落す可能性があるが、このような動作条件では、実際にはノックが生じないことを確認しており、この点は問題にならない。
【００１３】
切出区間を狭くする手法は、特に限定されないが、好ましくは、終期位置を固定して、始期位置だけを変化させるべきである。更に好ましくは、切出区間の終期位置は、内燃機関の回転数、及び／又は、吸気管の圧力に対応して、所定のクランク角度として運転条件毎に規定され、この終期位置は、点火タイミングの変化に拘らず維持されるべきである。
【００１４】
このような実施態様を採ると、内燃機関の回転数や吸気管圧力などで把握される運転条件が同じであれば、切出区間の終期位置だけが、時間軸上を前方向に相対移動することになり、遅角制御量が大きい場合に生じやすいピストンスラップの影響を確実に排除することができる。なお、切出区間の始期位置は、運転条件毎に固定されるので、進角制御時や緩やかな遅角制御時にノック信号を読み落すおそれはない。
【００１５】
ここで、切出区間の始期位置は、好ましくは、内燃機関の回転数、及び／又は、吸気管の圧力に対応して、点火タイミングからの遅延時間として運転条件毎に規定されるべきである。
【００１６】
また、本発明において、時間軸方向に降下する補正関数を評価信号又は抽出信号に作用させる場合には、点火タイミングから離れるほど、抽出信号が相対的に低評価されることになるので、ピストンスラップの影響を回避することができる。
【００１７】
ここで、補正関数を作用させる開始位置は、点火タイミングの変化に拘らず、クランク角度によって固定的に規定されるのが好ましく、内燃機関の回転数、及び／又は、吸気管の圧力に対応して、個々的に固定されると更に好ましい。
【００１８】
判定部は、抽出信号の時間軸上の積算値、又は、抽出信号が閾値を超える時間幅（累積時間幅）に基づいてノック発生の有無を判定するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
上記した本発明によれば、ノックと同じ周波数域において同様の挙動を示すピストンスラップの影響を排除して、ノックだけを検出して適切な燃焼制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例に係る燃焼制御装置を示す回路図である。
【図２】第１実施例の処理内容を説明するフローチャートである。
【図３】第１実施例の動作内容を説明するタイムチャートである。
【図４】第２実施例の処理内容を説明するフローチャートである。
【図５】第２実施例の動作内容を説明するタイムチャートである。
【図６】イオン電流の二次ピークを説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、実施例に係る燃焼制御装置ＥＱＵの回路図である。
【００２２】
図１に示す通り、この燃焼制御装置ＥＱＵは、イオン信号Ｖｏを出力するイオン電流検出回路ＩＯＮと、イオン信号Ｖｏをデジタル変換するＡＤ変換部１４と、ＡＤ変換部１４の出力データを受けてノック判定をするコンピュータ回路１５と、点火パルスＩＧＮを出力すると共に、コンピュータ回路１５からノック判定結果を受けるＥＣＵ（Engine Control Unit）と、を中心に構成されている。
【００２３】
そして、この回路構成では、イオン電流検出回路ＩＯＮとＡＤ変換部１４とで信号取得手段を構成している。なお、ＡＤ変換部１４は、サンプル＆ホールド機能を有しており、コンピュータ回路１５は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）を構成要素にしている。
【００２４】
イオン電流検出回路ＩＯＮは、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２からなる点火トランスＣＬと、点火パルスＩＧＮに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流を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、信号検出部ＤＥＴと、を中心に構成されている。
【００２５】
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。
【００２６】
信号検出部ＤＥＴ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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、出力端子とグランド間には、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。
【００２９】
上記した構成のイオン電流検出回路ＩＯＮでは、点火パルスＩＧＮ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。
【００３０】
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。
【００３１】
＜第１実施例＞
図２は、コンピュータ回路１５において実現される第１実施例のソフトウェア処理を示すフローチャートである。コンピュータ回路１５では、運転条件毎に規定されている切出ウインドＷｉｎの始期と終期とを、点火サイクル毎に、その時の運転条件に基づいて特定する（ＳＴ１）。
【００３２】
図３に示す通り、本実施例では、切出ウインドＷｉｎの始期が、点火放電時からの遅延時間Ｔｓで規定され、また、切出ウインドＷｉｎの終期が、クランク角ＡＧｅで規定されている。そのため、ステップＳＴ１の処理では、エンジン回転数や吸気管圧力に基づいて、その点火サイクルの運転条件を特定し、その運転条件で使用すべき切出ウインドＷｉｎを特定するべく、遅延時間Ｔｓとクランク角ＡＧｅとを特定する（ＳＴ１）。
【００３３】
このように、本実施例では、切出ウインドＷｉｎの終期は、内燃機関のクランク角ＡＧｅで規定されるので、運転条件が同じである限り、進角量や遅角量に拘らず、切出ウインドＷｉｎの終期は、常に一定位置ＡＧｅとなる。
【００３４】
一方、切出ウインドＷｉｎの始期は、進角量や遅角量に対応して変化するので、遅角制御時には、遅角量に対応して切出ウインドＷｉｎの始期が遅れ、切出ウインドＷｉｎの幅が狭まることになる。すなわち、遅角制御時（図３（ｂ））には、切出ウインドＷｉｎの始期が終期に近づくことで、進角制御時（図３（ａ））に比べて、切出ウインドＷｉｎのウインド幅が狭小化される。
【００３５】
ところで、ノック信号は、イオン信号Ｄｉのピーク位置ＰＫ以降に生じることが知られている。そして、本実施例では、遅角制御時には、ノック信号の取得幅が狭くなるので、ノック信号を読み落す可能性がある。しかし、本発明者の検討によれば、遅角制御時にはノックが生じないと割切ることができるので、ノック信号の取得幅が狭いことは事実上問題にならない。むしろ、ノック信号の取得幅をあえて狭く設定することで、遅角制御時に発生することがあるピストンスラップの影響を確実に排除することができる。
【００３６】
以上の通り、切出ウインドＷｉｎは、遅角制御量に対応して狭く設定されるが、次に、設定された切出ウインドＷｉｎについて、その点火タイミングの一連のイオン信号（評価信号）Ｄｉを取得して記憶する（ＳＴ２）。特に限定されないが、この実施例では、サンプリング周波数ｆｓを３０ｋＨｚとしている。
【００３７】
次に、ピーク位置ＰＫ以降のイオン信号（評価信号）Ｄｉに対してＢＰＦ（band pass filter）処理を施してノック信号（抽出信号）Ｆｉを抽出する（ＳＴ３）。なお、ＢＰＦの通過帯域は、予め実験的に特定されるノック周波数に対応して決定されるが、この実施例では、５．８〜７．６ｋＨｚの通過帯域に設定している。
【００３８】
次に、抽出信号Ｆｉの総和ＳＵＭ＝ΣＦｉを算出し（ＳＴ４の積分演算）、この総和値（積分値）ＳＵＭと、実験的に最適設定されている閾値ＴＨと対比して、総和値ＳＵＭが閾値ＴＨより大きい場合には、その点火サイクルにおいてノックが発生していると判定する（ＳＴ５）。
【００３９】
先に説明した通り、切出ウインドＷｉｎの始期は、点火放電時からの遅延時間Ｔｓによって固定的に規定されるので、遅角制御時には、ノック周波数域の評価信号の抽出区間が狭くなる（図３（ｂ）参照）。そのため、ピストンスラップによってノック周波数域の信号が発生しても、その影響を排除することができ、ノック発生を誤認することが回避される。
【００４０】
＜第２実施例＞
図４は、第２実施例のソフトウェア処理を示すフローチャートである。この実施例では、エンジン回転数や吸気管圧力などで特定される運転条件毎に、クランク角で規定された切出ウインド区間について、その点火タイミングの一連のイオン信号（評価信号）Ｄｉを取得して記憶する（ＳＴ１０）。なお、切出ウインドの始期は、ＴＤＣ（上死点Top Dead Center）とされ、サンプリング周波数ｆｓは、例えば３０ｋＨｚ程度である。
【００４１】
次に、ピーク位置ＰＫ以降のイオン信号Ｄｉに対してＢＰＦ（band pass filter）処理を施してノック信号（抽出信号）Ｆｉを抽出する（ＳＴ１１）。この実施例でもＢＰＦの通過帯域は、予め実験的に特定されるノック周波数に対応して決定され、例えば、５．８〜７．６ｋＨｚとされる。
【００４２】
続いて、ＢＰＦ処理を経た抽出信号Ｆｉに、重み関数として機能する傾斜波ＳＬを作用させる（ＳＴ１２）。傾斜波ＳＬは特に限定されないが、本実施例では、ＴＤＣを開始点として、正レベル（＝Ｂ）から０レベルに向けて、時間軸ｔ方向に直線降下する傾斜波ＳＬ（＝−Ａｔ＋Ｂ）が使用される。
【００４３】
ここで、傾斜波の傾き（−Ａ）や、０レベルに達するＴＤＣからの経過時間Ｔ（＝Ｂ／Ａ）は、エンジン回転数などで特定される当該点火サイクルの運転条件が同じなら、遅角制御量や進角制御量に拘らず一定値である。
【００４４】
そのため、遅角制御時には、補正関数に対して、抽出信号Ｆｉの位相が遅れることになり、その分だけ抽出信号Ｆｉの強度が抑制されることになる。
【００４５】
ステップＳＴ１２の補正演算が終われば、補正演算後の判定信号Ｇｉの総和ＳＵＭ＝ΣＧｉを算出し（ＳＴ１３の積分演算）、この総和値（積分値）ＳＵＭと、実験的に最適設定されている閾値ＴＨと対比して、総和値ＳＵＭが閾値ＴＨより大きい場合には、その点火サイクルにおいてノックが発生していると判定する（ＳＴ１４）。
【００４６】
本実施例では、抽出信号Ｆｉに重み関数ＳＬを作用させて判定信号Ｇｉを生成するので、図５（ｂ）に示す通り、遅角制御時には、総和値ＳＵＭが大幅に抑制されることで、ピストンスラップによってノック周波数域の信号が発生しても、その影響を排除することができ、ノック発生を誤認することが回避される。
【００４７】
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く、適宜な改変が可能である。例えば、第１実施例と第２実施例を組み合わせた構成も好適に使用される。すなわち、遅角制御量が深くなるに応じて切出ウインドＷｉｎを狭く設定されると共に、抽出信号を適宜に抑制すれば、より効果的にピストンスラップの影響を排除できる。
【００４８】
また、上記の実施例では、もっぱらイオン信号を使用したが、シリンダーの内圧を示す圧力信号に基づいてノック判定をする場合にも、実施例１や実施例２の手法を、そのまま使用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１      信号取得部
Ｄｉ  評価信号
Ｆｉ  抽出信号
【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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