JP2014111902A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルコール含有燃料が使用された場合でも、適切な燃焼動作を実現できる燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】適宜なタイミングで繰り返し機能して、イオン電流検出回路の出力に基づいて燃料判定パラメータを特定して記憶する第１処理（ＳＴ２）と、燃料判定パラメータを、標準的な燃料が示す基準パラメータと対比して、使用されている燃料がアルコール含有燃料であるか否かを判定する第２処理（ＳＴ３）と、判定結果に対応して、その後の動作を実行する第３処理（ＳＴ４、ＳＴ５〜ＳＴ９）と、を有して構成され、燃料判定パラメータは、燃焼開始後の熱発生によるサーマルイオンの挙動を反映する判定区間の検出信号のピーク値などに基づいて算出される。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関の燃焼制御装置に関し、特に、アルコールを含有するアルコール含有燃料が使用された場合でも、適切な燃焼動作を実現できる燃焼制御装置に関する。

内燃機関の燃料として、一般には、ガソリンが使用されるが、石油などの化石燃料の枯渇対策や、地球温暖化対策としてアルコールが注目されている。内燃機関に使用可能なアルコールとして、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノールなどが考えられる。このうち、特に、エタノールは、サトウキビやトウモロコシなどから製造する手法も確立されているので、ガソリンにエタノールを混合したアルコール含有燃料として広く使用されている国もある。

特開２０１０−１５１１４８号公報 特開２０１０−１６４００７号公報 特開２００８−４５５１８号公報 特開２００８−２０２５４０号公報

エタノールなどの低分子アルコールは、酸素含有率が高いので煤が出にくく、しかも、排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘの濃度も減るという利点がある。しかし、アルコールは、同一容積当たりの熱量がガソリンより低いので、ガソリンを前提とした燃料制御をそのまま実行すると、十分な燃料性能を発揮できないだけでなく、故障を引き起こす可能性もある。例えば、燃焼室に発生するイオン電流に基づいて空燃比（Ａ／Ｆ）を推定し、その後の燃焼制御に反映させる発明は知られているが（特許文献１）、アルコール含有燃料に対して、同じ制御を実行したのでは適切な燃料動作が保証されない。

そこで、アルコール含有燃料を考慮した発明も知られているが（特許文献２〜特許文献４）、何れも、その構成が簡易性に欠け、実機に搭載するのは必ずしも適切でないという問題がある。すなわち、新たなセンサを追加することなく、既存のセンサに基づいてアルコール含有の有無を判定して、判定結果に対応した燃焼制御を実現する構成が望まれる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、アルコールが含有された燃料であるか否かを簡易に判定して、その後の燃焼制御に反映させることができる燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明者が種々検討したところ、失火判定、ノック判定、空燃比制御、遅角制御などの各種の燃焼制御のために使用されているイオンセンサを用いれば、所定の燃料判定パラメータとの対比で、アルコール含有の有無、及びアルコール含有率を推定できることを見出して本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、一次コイルと二次コイルとを有する点火コイルと、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、内燃機関の適宜なタイミングで繰り返し機能して、イオン電流検出回路の出力に基づいて燃料判定パラメータを特定して記憶する第１手段と、第１手段によって記憶された燃料判定パラメータを、標準的な燃料が示す基準パラメータと対比して、使用されている燃料がアルコール含有燃料であるか否かの含有度合いを判定する第２手段と、第２手段の判定結果に対応して、その後の動作を実行する第３手段と、を有して構成され、前記燃料判定パラメータは、燃焼開始後の熱発生によるサーマルイオンの挙動を反映する判定区間の検出信号に基づいて抽出され、(1) 判定区間内の検出信号のピーク値、(2) 検出信号がピーク値を示す時間位置、(3) 判定区間内の検出信号の積分値、(4) 前記積分値のＮ％位置（０＜Ｎ＜１００）、(5) 前記ピーク値に向けて増加する検出信号の増加率の最大値、(6) 前記最大値を示す時間位置、の全部又は一部に基づいて算出される。

本発明においてアルコール含有燃料とは、レギュラーガソリンやハイオクガソリンなどに区分される原油由来のガソリンに、その他のアルコール成分を含有させた内燃機関用の燃料を意味する。なお、アルコールは、一般に、炭化水素ＣｎＨｍの水素原子をヒドロキシ基ＯＨで置き換えた物質を意味するが、本発明のアルコールは、典型的には、エタノールを主成分とする。なお、日本では、現在、ガソリンに対するエタノールの混合割合が３％程度であるが、諸外国のように１０％〜８５％程度の混合割合も考えられる。

何れにしても、本発明の第３手段は、第２手段の判定結果に基づいて、その後の失火判定の閾値を変更するか、或いは、第２手段の判定結果に基づいて、その後の空燃比制御の制御パラメータを変更するのが典型的である。

また、第１手段は、内燃機関の運転開始後、定常運転を開始するまでに機能する構成、及び／又は、内燃機関の定常運転時に機能する構成を採るのが好適である。

上記した本発明によれば、アルコールが含有された燃料であるか否かを簡易に判定して、その後の適切な燃焼制御を実現することができる。

実施例に係る燃焼制御装置の構成を示す回路図である。 燃焼制御装置の動作を説明するタイムチャートである。 正常燃焼時における典型的なイオン電流波形を示す図面である。 燃焼制御装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、実施例について更に詳細に説明する。図１は、実施例に係る燃焼制御装置ＤＥＴを示す回路図であり、図２は、燃焼制御装置ＤＥＴ各部の概略波形を示すタイムチャートである。

図１に示す通り、この燃焼制御装置ＤＥＴ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ＰＬＳ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、イオン信号検出回路ＩＯＮと、を中心に構成されている。

イオン信号検出回路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、デジタルレベルのイオン電流としてＥＣＵのメモリに記憶される。ここで、イオン信号検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、点火パルスＰＬＳの立下りタイミングからイオン電流が消滅するまでのデータ取得区間において取得される。

そして、全データが取得された後で、運転状態（燃焼条件）毎に決定されているデータ解析区間ＷＩＮにおいて、燃焼状態を特定するための制御パラメータを抽出し、抽出した制御パラメータに基づいて失火判定やノック判定などの異常判定を実行する他、空燃比制御や遅角制御やＥＧＲ制御などの燃焼制御動作を実行している。

本実施例では、このような燃焼制御動作を実現するため、ＥＣＵには、解析開始位置Ａから解析終了位置Ｃに至るデータ解析区間ＷＩＮを、運転状態毎に特定する参照テーブルＴＢＬが設けられている。なお、運転状態は、例えば、エンジンの吸気管圧力と、エンジンの回転数と、ＥＧＲ制御時のＥＧＲ量などで特定され、これらを検索キーとして参照テーブルＴＢＬを検索することで、データ解析区間ＷＩＮが特定される。

一般に、内燃機関に通常燃料（ガソリン）が供給されている場合、正常燃焼状態では、イオン電流が図３に示すような挙動を示すことが知られている。すなわち、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。ここで、第一ピーク付近の波形は、燃焼開始時のケミカルイオンの挙動を示し、第二ピーク付近の波形は、燃焼開始後の熱発生により発生するサーマルイオンの挙動を示していると思われる。

そこで、本実施例では、解析開始位置Ａが、イオン電流の第二ピーク位置の少し手前の位置となるよう、また、解析終了位置Ｃが、燃焼反応が完了した位置となるよう実験的に特定されて、ＥＣＵの参照テーブルＴＢＬに規定されている。

ところで、本発明者は、本発明を完成させるに先立って、アルコール混合比を相違させた複数パターンのアルコール含有燃料を、同一の内燃機関に供給する燃焼実験を繰り返した。なお、アルコール含有燃料の使用時にも、上記の燃焼制御手法をそのまま使用することを前提とした。

但し、正常燃焼を実現するべく、空燃比（Ａ／Ｆ）は、アルコール混合比に対応して変化させた。すなわち、アルコール混合比＝０の場合には、Ａ／Ｆ＝１４．７であるガソリンについて、アルコール混合比（アルコール／燃料全体）を増加させることに対応して（例えば、０．４→０．８５→１．０）、空燃比Ａ／Ｆを減少させた（１２．３→９．８→９．０）。

その結果、アルコール含有燃料を使用すると、良好な燃焼を実現している場合でも、イオン電流が全体に低レベルとなることが明らかとなった。そして、この低レベル傾向は、アルコール混合比が上がるほど顕著であった。なお、この燃焼実験では、アルコールとして、主としてメタノールを使用したが、エタノールその他のアルコールを使用した場合でも同様の傾向が認められた。

そこで、本実施例では、以上の知見に基づき、適宜な燃料判定タイミングにおいて、イオン電流を特定する取得データに基づいて燃料判定パラメータを抽出し、この抽出値を、通常燃料についての基準パラメータと対比して、アルコール含有の有無、及びアルコール含有率を推定している。なお、燃料判定パラメータは、燃焼条件毎に決定されているデータ解析区間ＷＩＮの取得データに基づいて算出されるが、第二ピークが明瞭なサンプルデータだけを選択的に集計して算出するのが好適である。

なお、燃焼実験の結果、燃料判定パラメータとして、(1) 第二ピークのピーク値、(2) 第二ピークの位置（点火放電時からの経過時間）、(3) データ解析区間ＷＩＮにおける取得データの積分値（累積値）、(4) 前記積分値の所定面積割合（例えば５０％）位置（点火放電時からの経過時間）、(5) 第二ピークに向けて増加する取得データの傾斜最大値、(6) 前記傾斜最大値を示す時間位置（点火放電時からの経過時間）、の統計値が各々使用できることが確認された。前記のパラメータ(1) 〜パラメータ(6) のうち、特に、パラメータ(1) 、パラメータ(2) 、パラメータ(3) 、パラメータ(5) が好適であり、更に、これらの統計値を組み合わせると判定精度を上げることができる。

統計値は、特に限定されないが、同一種の多数の燃料判定パラメータについて、その平均値や中央値が、統計値として好適に使用される。なお、燃料判定パラメータを、複数区画された数値範囲の何れか区分化し、最頻状態となる数値範囲を、統計値としても使用するのも好適である。

以下、念のため、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。

イオン信号検出回路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。

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。

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。

上記した構成の燃焼制御装置ＤＥＴでは、タイミングＴ０において、点火パルスＰＬＳ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。

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、イオン信号検出回路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。

続いて、燃焼制御装置ＤＥＴの動作内容について説明する。通常動作状態では、ＥＣＵは、点火サイクル毎に、点火パルスＰＬＳを立下げて（Ｔ０）、一次コイルＬ１の電流を遮断状態にした後、データ取得区間について、イオン信号検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏを、デジタル変換してイオン電流の検出信号ＳＧ（ｉ）としてメモリに記憶する。

そして、参照テーブルＴＢＬを参照して、その時々の運転状態（燃焼条件）に対応する解析区間ＷＩＮ＝［Ａ，Ｃ］について、解析開始位置Ａと解析終了位置Ｃを特定し、解析区間ＷＩＮについて、適宜な制御パラメータを抽出する。そして、抽出した制御パラメータに基づいて失火判定やノック判定などの異常判定を実行する他、空燃比制御や遅角制御ＥＧＲ制御などの燃焼制御動作を実行する。なお、これらの燃焼制御動作は、これまで内燃機関の場合とほぼ同様である。

但し、本実施例では、このような通常の燃焼制御動作に加えて、アルコール含有燃料か否かの判定処理及び含有率の推定処理を実行している。

図４（ａ）は、内燃機関の運転開始時に、燃料判定用の検査処理を実行する場合の動作を示すフローチャートである。なお、運転開始毎に検査処理を実行するのではなく、燃料タンクに燃料が補給されたことを示すセンサ信号を受けた後の運転開始時に限り一回だけ実行される。そして、この検査処理は、自動車を走行させることなく停車状態で実行される。

以下、図４（ａ）のフローチャートに基づいて検査処理を説明すると、燃料が補給された後の運転開始時には、複数回の点火サイクルにおいて、検査処理用の燃焼条件で点火放電動作を実行する（ＳＴ１）。具体的には、空燃比＝１４．７とするなど、通常燃料についての最良な燃焼状態が実現されるはずの燃料条件とする。また、この燃焼条件に対応したデータ解析区間ＷＩＮを設定する。

次に、各点火サイクルのデータ解析区間ＷＩＮの検出信号ＳＧ（ｉ）に基づいて、燃料判定パラメータを抽出して記憶する（ＳＴ２）。なお、この処理は、取得した検出信号ＳＧ（ｉ）から、イオン電流の二次ピークを特定できることを条件に実行され、燃料判定パラメータは、二次ピーク値、二次ピーク位置、及び、検出信号の積分値ΣＳＧ（ｉ）を含んで算出される。

このような処理（ＳＴ１〜ＳＴ２）を所定回実行した後、燃料判定パラメータの統計値に基づいて、通常燃料が使用されているか否かを判定する（ＳＴ３）。なお、特に限定されないが、統計値として、ステップＳＴ２の処理で記憶した燃料判定パラメータの平均値や中央値を使用するのが簡易的である。

そして、通常燃料であると判定される場合には、その後は、通常の燃焼制御を実行する（ＳＴ４）。一方、通常燃料ではないと判定される場合には、所定のアルコール混合比Ｘを想定し、この混合比に対応する最適燃焼条件を設定して、所定回数の点火放電動作を実行する。また、このアルコール混合比Ｘに対応したデータ解析区間ＷＩＮ’を設定する（ＳＴ５）。

また、ステップＳＴ２の処理と同様に、各点火サイクルのデータ解析区間ＷＩＮ’の検出信号ＳＧ（ｉ）に基づいて、燃料判定パラメータを抽出して記憶する（ＳＴ６）。そして、このような処理（ＳＴ５〜ＳＴ６）を所定回実行した後、ステップＳＴ５の処理で記憶された燃料判定パラメータの統計値に基づいて、想定した混合比Ｘが正しいか否かを判定する（ＳＴ７）。

ここで、想定した混合比Ｘが正しいと判定される場合には、その後は、混合比Ｘの燃料を前提にして燃焼制御を実行する（ＳＴ９）。具体的には、混合比Ｘに対応して、理論空燃比Ａ／Ｆを減少させた燃焼制御を実行する。

一方、想定した混合比が正しくないと判定される場合には、アルコール混合比Ｘの想定値を適宜に増加させ（Ｘ←Ｘ＋α）、ステップＳＴ５〜ＳＴ６の処理を再実行する（ＳＴ８）。なお、想定されるアルコール種別毎に、ステップＳＴ８の処理を実行しても良いが、市場で容易に入手可能なアルコールを前提にすれば、アルコールの種別を無視してアルコール混合比の違いだけで評価したので、十分実用性があることを確認している。

何れにしても、このようにして想定した混合比を更新しつつ検査動作を繰り返すと、やがて、アルコール混合比を特定することができるので、本実施例によれば、アルコール含有燃料が使用された場合でも、適切な燃焼動作を実現することができる（ＳＴ９参照）。

なお、図４（ａ）では、燃料タンクに燃料が補給された後、一回だけ検査処理を実行する実施例を説明したが、定常運転時に検査処理を実行することが特に禁止されるものではない。図４（ｂ）は、別の実施例を示すフローチャートであり、この実施例は、図４（ａ）の実施例に代えて、或いは、図４（ａ）の実施例に加えて実行される。

何れにしても、図４（ｂ）の実施例では、通常の燃焼制御を繰り返す過程で（ＳＴ１０〜ＳＴ１２）、検査処理に相応しい規定の燃焼条件が成立している場合には、当該点火サイクルにおける燃料判定パラメータを抽出して記憶する（ＳＴ１４）。

そして、所定個数の燃料判定パラメータが蓄積されれば、その統計値に基づいて、アルコール混合比を想定し、その後の燃焼制御を実行する（ＳＴ１６）。なお、図４（ｂ）の実施例では、判定フラグＦＬを使用することで、検査処理（ＳＴ１３〜ＳＴ１７）を一回だけ実行しているが、定常運転中に、アルコール混合比の想定値を繰り返し更新しても良い。想定値を更新することで、アルコール混合比を、より正確に特定することができる。

また、燃料タンクに通常燃料が残存している状態で、アルコール混合燃料を追加した場合や、その逆の場合のように、燃料補給タイミングでは、正確な判定結果が得られない場合でも、定常運転中に、その判定結果を正しく補正することができる。

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、実施例では、イオン信号検出回路として、最も簡易な回路構成を例示したが、より複雑な回路構成と採っても良いのは勿論である。

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
ＰＧ 点火プラグ
ＩＯＮ イオン信号検出回路
ＳＴ２，ＳＴ６，ＳＴ１４ 第１手段
ＳＴ３，ＳＴ７，ＳＴ１５ 第２手段
ＳＴ４，ＳＴ９，ＳＴ１６ 第３手段

Claims (5)

1. 一次コイルと二次コイルとを有する点火コイルと、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、内燃機関の適宜なタイミングで繰り返し機能して、イオン電流検出回路の出力に基づいて燃料判定パラメータを特定して記憶する第１手段と、
   第１手段によって記憶された燃料判定パラメータを、標準的な燃料が示す基準パラメータと対比して、使用されている燃料がアルコール含有燃料であるか否かの含有度合いを判定する第２手段と、
   第２手段の判定結果に対応して、その後の動作を実行する第３手段と、を有して構成され、
   前記燃料判定パラメータは、燃焼開始後の熱発生によるサーマルイオンの挙動を反映する判定区間の検出信号に基づいて抽出され、(1) 判定区間内の検出信号のピーク値、(2) 検出信号がピーク値を示す時間位置、(3) 判定区間内の検出信号の積分値、(4) 前記積分値のＮ％位置（０＜Ｎ＜１００）、(5) 前記ピーク値に向けて増加する検出信号の増加率の最大値、(6) 前記最大値を示す時間位置、の全部又は一部に基づいて算出されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 第３手段は、第２手段の判定結果に基づいて、その後の失火判定の閾値を変更する請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 第３手段は、第２手段の判定結果に基づいて、その後の空燃比制御の制御パラメータを変更する請求項１に記載の燃焼制御装置。
4. 第１手段は、内燃機関の運転開始後、定常運転を開始するまでに機能する請求項１〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。
5. 第１手段は、内燃機関の定常運転時に機能する請求項１〜４の何れかに記載の燃焼制御装置。

Images