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CN104254682B - 发动机控制装置 - Google Patents

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CN104254682B CN201380021946.XA CN201380021946A CN104254682B CN 104254682 B CN104254682 B CN 104254682B CN 201380021946 A CN201380021946 A CN 201380021946A CN 104254682 B CN104254682 B CN 104254682B
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Abstract

根据离子信号来检测发动机的异常燃烧(爆震或失火)的内燃机中，在发动机运转状态急剧变化的过渡条件下的异常燃烧判定阈值的设定很困难，会发生误判定，本发明为了解决上述问题而提供一种发动机控制装置，其包括用于检测燃烧时产生的离子的离子信号检测单元，并包括根据由上述检测单元检测出的离子信号来判定爆震或失火的异常燃烧判定单元，上述发动机控制装置的特征在于：包括推测发动机在当前的运转条件下的正常燃烧循环的缸内温度的缸内温度推测单元，基于推测出的缸内温度信息设定离子信号的爆震判定阈值或失火判定阈值，由此在过渡性的运转条件下也能够准确地检测出异常燃烧。

Description

发动机控制装置
技术领域
本发明涉及发动机的控制装置，特别涉及使用离子信号的异常燃烧检测装置。
背景技术
近年来，为了改善汽车的燃耗而尝试改善发动机的燃烧效率。该改善技术之一是提高压缩比。理论上证明了通过提高压缩比，可以提高内燃机的热效率。其在汽油发动机中设定为10左右，在柴油发动机中设定为18左右，所以柴油发动机的热效率更高。在汽油发动机中，随着压缩比的增加，更易于发生被称为爆震的异常燃烧，所以提高压缩比也存在极限。
作为抑制该爆震的技术，提出了使排出气体回流到吸气侧(以下称为EGR气体)，再导入到燃烧室使其燃烧的方法。这是为了通过较多地引入EGR气体中所含的CO2和N2等不活泼成分，使不参与燃烧的工作气体量增多，结果，燃烧反应变得缓慢，降低燃烧速度。在高压缩比的发动机中也能够抑制爆震的发生，能够使压缩比提高至14左右。此外，该方法还能够适用于高增压发动机。
另一方面，关于再次导入该EGR气体使其燃烧的方法，据报告，当过多地导入规定量以上的EGR气体时，因着火性变差、燃烧速度降低等，发生失火或未燃烧等燃烧不良，燃烧不均(バラツキ)增大。
从而，为了利用EGR气体，提高发动机的压缩比，需要检测作为异常燃烧的爆震和作为检测燃烧不均的主要原因的失火。作为用于检测爆震和失火等异常燃烧的方法之一，将燃烧时生成的离子检测作为离子信号的方法是有效的。离子信号的值因发动机运转条件(发动机转矩和发动机转速等)而显著变化，所以需要根据运转条件改变用于判定异常燃烧的离子信号值(判定阈值)。因此，可以采用以过去的几次循环(量)的离子信号的平均值为本底水平(background level)，基于该本底水平运算判定阈值的方法，但是其存在发动机的负载或转速变化的情况下，判定阈值的变化中发生一定的延迟的技术问题。
作为专利文献1记载的技术，已知这样一种方法，即在以发动机负载和转速为轴的发动机运转图(map)上存储正常燃烧时的离子电流值(本底)，基于该值设定爆震判定阈值，并且通过学习对判定阈值按每个运转区域校正、更新。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-130246号公报
发明内容
发明想要解决的技术问题
但是，在转矩急剧变化的状况下，例如驾驶者强力地踩踏加速踏板等时，有时成为过渡性地脱离以发动机负载和转速为轴的稳定运转条件的缸内状态(气体组成和温度)的情况。特别是，在如上所述那样导入大量EGR气体的系统中，EGR率的控制目标值随着转矩变化而急剧变化的情况下，发生EGR率的实际值相对于目标值过冲(overshoot)或下冲(undershoot)的现象，结果，可能成为在稳定条件下不会发生的缸内状态(气体组成和气体温度)。这样的情况下，如果使用基于以发动机负载和转速为轴的稳定条件图而设定的异常燃烧判定阈值，则会发生将正常燃烧误判定为异常燃烧(爆震、失火)，或将异常燃烧(爆震、失火)误判定为正常燃烧的问题。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种包括缸内的状态急剧变化的过渡条件等在内，在任何运转条件下，都能够正确地判定爆震或失火的发动机的控制装置。
解决问题的技术方案
为了实现上述目的，本发明的发动机控制装置包括用于检测燃烧时产生的离子的离子信号检测单元，并包括根据由上述检测单元检测出的离子信号来判定爆震或失火的异常燃烧判定单元，上述发动机控制装置的特征在于：包括推测发动机在当前的运转条件下的正常燃烧循环的缸内温度的缸内温度推测单元，基于推测出的缸内温度信息设定离子信号的爆震判定阈值或失火判定阈值。
根据该结构，通过按每个循环推测与离子信号值相关的缸内温度信息，基于该温度信息设定判定阈值，在任何运转条件下都能够抑制误判定，提高异常燃烧的检测精度。
此外，本发明的发动机控制装置的另一个方式的特征在于：上述缸内温度推测单元利用上述发动机的吸气管的内部的压力、控制上述发动机的吸气和排气的吸气阀和排气阀的开闭时机、作为对上述发动机的燃烧室内供给的空气与燃料的质量比的空燃比、和用于控制上述发动机的点火时机的点火信号中的至少一者，推测缸内温度。
根据该结构，在推测缸内温度时，考虑吸排气阀、空燃比、点火时机等直接影响缸内温度的发动机控制参数值，由此能够进行更准确的缸内温度推测。
另外，本发明的发动机控制装置的另一个方式的特征在于：上述异常燃烧判定单元基于燃烧循环中的规定期间的离子信号的积分值、或规定期间内的离子信号的峰值，来判定爆震或失火。
根据该结构，通过对离子信号实施相同处理，能够判定爆震和失火两者，所以能够降低ECU的运算负载。
另外，本发明的发动机控制装置的另一个方式的特征在于：在由上述异常燃烧判定单元判定为爆震或失火的情况下，变更上述发动机的点火时机和吸气阀的闭阀时机中的至少一者。
根据该结构，在判定为异常燃烧后即刻，就能向抑制异常燃烧的方向控制发动机参数，能够使异常燃烧的发生保持在最低限度。
另外，本发明的发动机控制装置的另一个方式的特征在于：还包括判定当前的发动机运转状态是否为稳定运转状态的稳定运转判定单元，在由上述稳定运转判定单元判定为不是稳定运转的情况下，基于上述缸内温度信息设定离子信号的爆震判定阈值或失火判定阈值。
根据该结构，仅在判定为不是稳定条件的条件、即缸内气体的行为显著变化的过渡条件下，实施基于推测出的缸内温度信息的异常燃烧判定，所以能够使缸内温度推测所带来的ECU的运算负载增大抑制在最低限度。
发明效果
根据本发明，在缸内的状态急剧变化的过渡条件下，通过基于推测出的缸内温度信息设定离子电流的异常燃烧判定阈值，仍能够高精度地判定爆震或失火，使异常燃烧抑制在最低限度。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的系统结构图。
图2是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的点火系统结构图。
图3是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的点火信号和离子信号的代表例。
图4是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的异常燃烧判定方法的失火检测原理的说明图。
图5是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的异常燃烧判定方法的爆震检测原理的说明图。
图6是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的离子信号的积分值与缸内的最高温度的关系。
图7是表示本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的结构的系统框图。
图8是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的在ECU内实施的异常燃烧判定和回避控制逻辑的概要图。
图9是表示本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定和回避控制内容的流程图。
图10是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定的时序图。
图11是本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的系统结构图。
图12是本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的点火信号和离子信号的代表例。
图13是表示本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的结构的系统框图。
图14是表示本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的在ECU内实施的异常燃烧判定和回避控制逻辑的概要图。
图15是表示本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定和回避控制内容的流程图。
图16是本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定的时序图。
图17是本发明的第三实施方式的发动机的控制装置的在ECU内实施的异常燃烧判定和回避控制逻辑的概要图。
图18是表示本发明的第三实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定和回避控制内容的流程图。
图19是本发明的第三实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定的时序图。
具体实施方式
以下，用图1～图10，说明本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的结构和动作。
图1是表示将本发明的第一实施方式的发动机的控制装置应用于汽车用缸内喷射式汽油发动机的系统的结构的系统结构图。
发动机100是实施火花点火式燃烧的汽车用的四气缸汽油发动机。在吸气管6的各个适当位置具有：计测吸入空气量的空气流量传感器1、调整吸气管压力的电子控制节流阀(throttle)2、作为吸入空气温度检测器的一个方式的计测吸入空气的温度的吸气温度传感器15、以及计测吸气管内的压力的吸气压传感器21。此外，发动机100中，每个气缸具有向各气缸的燃烧室12中喷射燃料的燃料喷射装置(以下称为喷射器(injector)3)、和供给点火能量的点火系统4，在缸头(cylinder head)7的适当位置具有计测发动机的冷却水的温度的冷却水温度传感器14。此外，在缸头7的各个适当位置具有：由对流入缸内的吸入气体进行调整的吸气阀可调装置5a和对从缸内排出的排出气体进行调整的排气阀可调装置5b构成的可调阀5。通过调整可调阀5，调整第一至第四的所有气缸的吸气量和EGR量。此外，用于对喷射器3供给高压燃料的高压燃料泵17通过燃料配管与喷射器3连接。燃料配管中，具有用于计测燃料喷射压力的燃料压力传感器18。
另外，在排气管8的各个适当位置具有对排气进行净化的三效催化剂10、作为空燃比检测器的一个方式的、在三效催化剂10的上游侧检测排气的空燃比的空燃比传感器9、和作为排气温度传感器的一个方式的、在三效催化剂10的上游侧计测排气的温度的排气温度传感器11。此外，在曲柄轴上，具有用于计算旋转角度的曲柄角传感器13。
从空气流量传感器1、空燃比传感器9、冷却水温度传感器14、吸气温度传感器15、排气温度传感器11、曲柄角传感器13、燃料压力传感器18、吸气压传感器21、点火系统(离子信号检测电路)4、和可调阀5(相位角传感器)获得的信号，被发送至发动机控制单元(ECU：engine control unit)20。此外，从加速踏板开度传感器16获得的信号被发送至ECU20。加速踏板开度传感器16检测加速踏板的踩踏量即加速踏板开度。ECU20基于加速踏板开度传感器16的输出信号，运算要求转矩。即，加速踏板开度传感器16被用作检测对发动机的要求转矩的要求转矩检测传感器。此外，ECU20基于曲柄角传感器13的输出信号，运算发动机的转速。ECU20基于从上述各种传感器的输出获得的发动机的运转状态，最佳地运算空气流量、燃料喷射量、点火时机、燃料压力等发动机的主要的运行量(日文：作動量)。
由ECU20运算出的燃料喷射量被转换为开阀脉冲信号，被发送至喷射器3。此外，点火信号4h被发送至点火系统4，使得在由ECU20运算出的点火时机点火。此外，由ECU20运算出的节流阀开度作为节流阀驱动信号被发送至电子控制节流阀2。此外，由ECU20运算出的可调阀的操作量(日文：作動量)作为可调阀驱动信号被发送至可调阀5。此外，由ECU20运算出的燃料压力作为高压燃料泵驱动信号被发送至高压燃料泵17。
对从吸气管6经过吸气阀流入燃烧室12内的空气，喷射燃料，形成混合气体。混合气体在规定的点火时机因火花塞4a产生的火花而爆炸，利用其燃烧压压下活塞成为发动机的驱动力。进而，爆炸后的排出气体经过排气管8，被送入三效催化剂10，排气成分在三效催化剂10内被净化，向外部排出。
图2是表示本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的点火系统4的结构的图。当来自ECU20的点火信号被输入时，经由点火器4i在初级点火线圈4c中流过电流。点火信号成为关闭(OFF)，初级侧的电流停止时，在次级点火线圈4b中产生电动势，对火花塞4a的前端施加高电压，发生火花放电。火花放电时在图中箭头I的方向上流过电流。次级点火线圈4b的电压减少，低于齐纳二极管4e的击穿电压(例如100V)时，电流流入电容器4d，对电容器4d充电。
因火花放电而在火花塞间间隙中产生火焰核，之后火焰向燃烧室内传播。火焰带中存在作为燃烧过程的中间产物的化学离子和热离子等离子。此时，由火花放电时充电了的电容器4d对火花塞4a施加电压(该情况下为100V)，利用该电压捕捉燃烧室内的阳离子(和电子)，由此在电路内流过离子电流(图中II的方向)。该离子电流通过电压转换用电阻4f被电压转换后，作为离子信号4g被发送至ECU20。
图3是表示本发明的第一实施方式的发动机的控制装置中的点火信号和离子信号的代表例的图。关于离子信号，示出了正常燃烧时、爆震时、失火时的例子。离子信号有具有三个峰的特征。第一个峰4g-1是离子信号检测电路被内置在点火系统4中的情况下可看到的波形，在时刻t1输入点火信号4h时，在离子信号检测部中流过电流，并作为离子信号被输出。因为实际上是在燃烧室内不存在燃烧火焰的时刻，所以将其作为噪声处理。第二个峰4g-2是在充电时间Δta后，在时刻t2点火信号4h被切断，火花塞4a的间隙之间出现火花后可看到的波形，虽然在间隙之间出现火花的期间无法检测出离子信号，但在之后，检测出燃烧初期火焰中的离子成分。第三个峰4g-3是燃烧火焰燃烧而扩散至燃烧室整体的过程中检测出的波形，也与燃烧室内的压力波形基本一致，检测出主燃烧部分的火焰中的离子成分。
发生爆震或失火等异常燃烧时，主要在第三个峰出现变化。在爆震时，因为随着爆震发生，燃烧室内的压力/温度上升，所以第三个峰的信号增大，此处叠加有具有爆震频率的振动成分。在失火时，不生成火焰中的离子成分，所以第三个峰的信号显著降低。考虑到以上的特性，本实施例中将第三个峰的信号的积分值用于异常燃烧判定。具体而言，在时刻t2切断点火信号4h，对从切断后经过Δtb后的时刻t3至经过Δtc后的时刻t4之间的离子信号4g进行积分。设其为S(i)。
图4是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置中的异常燃烧判定方法的失火检测原理的说明图。曲线图的横轴表示图示平均有效压力即与发动机转矩对应的值，纵轴是离子信号积分值。燃烧状态稳定时落在图中的正常燃烧范围内。在这样的状态下发生不完全燃烧或失火时，因不存在燃烧火焰，离子信号积分值S(i)减小，成为已设定的失火判定阈值以下的情况下能够判定为失火。图中涂黑的点是判定为失火的条件。如上所述，因为正常燃烧时的离子信号根据发动机转速等运转条件而变化，所以也需要根据运转条件来改变失火判定阈值。
图5是本发明的第一实施方式的发动机的控制装置中的异常燃烧判定方法的爆震检测原理的说明图。曲线图的横轴是爆震强度、例如是根据爆震传感器的输出信号运算爆震频率成分的振动强度的值，纵轴是离子信号积分值。处于越向左方去爆震强度越大的状态，最左部为重度爆震(heavy knock)的状态。未发生爆震时，落在图中的正常燃烧范围内。发生爆震时，燃烧室内的压力/温度上升，离子信号积分值S(i)增大。成为已设定的爆震判定阈值以上的情况下能够判定为爆震。图中涂黑的点是判定为爆震的条件。如上所述，因为正常燃烧时的离子信号根据发动机转速等运转条件而变化，所以也需要根据运转条件来改变爆震判定阈值。
图6是表示离子信号的积分值与缸内的最高温度的关系的图。对改变发动机负载、发动机转速、空燃比、EGR率等各种参数而取得的结果进行描绘。根据该图可知，离子信号与缸内最高温度密切相关，缸内最高温度越高，离子信号越大。例如，在发动机负载较大的条件下缸内最高温度上升，所以离子信号积分值也增加。此外，在EGR率较大的条件下缸内气体的热容量增加，所以缸内最高温度降低，离子信号积分值降低。图4、图5所示的失火和爆震的检测原理也利用了该缸内最高温度与离子信号的关系。如上所述，根据离子信号来判定异常燃烧时，需要根据此时的运转状态来设定适当的判定阈值。于是，本实施例的发动机控制装置对对象循环的正常燃烧时的缸内最高温度进行预测，用图6的关系计算出正常燃烧时的离子信号。之后，根据正常燃烧时的离子信号计算出异常燃烧的判定阈值。例如，将正常燃烧时的信号乘以常数后的值作为异常燃烧判定阈值。
图7是表示本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的结构的系统框图。空气流量传感器1、离子信号4g、空燃比传感器9、排气温度传感器11、曲柄角传感器13、冷却水温度传感器14、吸气温度传感器15、加速踏板开度传感器16、燃料压力传感器18、吸气压力传感器21的输出信号输入到ECU20的输入电路20a。但是，输入信号并不仅限于这些。所输入的各传感器的输入信号被发送至输入输出端口20b内的输入端口。被发送至输入输出端口20b的值被保存在RAM20c中，在CPU20e进行运算处理。描述了运算处理内容的控制程序被预先写入ROM20d。
按照控制程序运算出的表示各致动器(actuator)的操作量的值被保存至RAM20c后，被发送至输入输出端口20b内的输出端口，经过各驱动电路被发送至各致动器。本实施方式的情况下，驱动电路有电子控制节流阀驱动电路20f、喷射器驱动电路20g、点火输出电路20h、可调阀驱动电路20j、高压燃料泵驱动电路20k。各电路分别对电子控制节流阀2、喷射器3、点火系统4、可调阀5、高压燃料泵17进行控制。本实施方式中，是在ECU20内具有上述驱动电路的装置，但不限于此，也可以是在ECU20内具有上述驱动电路中的任一个的装置。
ECU20基于输入信号判定异常燃烧，在判定为异常燃烧的情况下，对点火时机和可调阀进行控制。
图8是表示本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的在ECU20内实施的异常燃烧判定和回避控制逻辑的概要的图。由离子信号处理部、爆震/失火判定部、爆震/失火回避控制部构成。离子信号4g被输入到离子信号处理部，执行如图3所示预先设定的区间的积分处理。除了离子信号的积分值之外，当前的阀相位(特别是吸气阀关闭时机、排气阀关闭时机)、空燃比、吸气管压力、点火信号(点火时机)也从可调阀5输入到爆震/失火判定部。此处，基于吸气阀关闭时机、排气阀关闭时机、空燃比、吸气管压力、点火时机，推测正常燃烧时的最高缸内温度。具体而言，根据排气阀关闭时机和吸气管压力，求取缸内空气量和内部EGR量。根据根据吸气阀关闭时机求出的有效压缩比、和缸内空气量及内部EGR量，求取压缩膨胀冲程中的空气循环的缸内温度历史。基于该空气循环的缸内温度历史、和根据空燃比求取的燃烧时产生的热量、和能够根据点火时机来推测的燃烧结束时机，能够推测正常燃烧时的最高缸内温度。根据推测出的正常燃烧时的最高缸内温度，利用图6的关系运算正常燃烧时的离子信号积分值，通过将其乘以常数计算出爆震和失火的判定阈值。通过对爆震和失火的判定阈值与输入的离子积分值进行比较，判定爆震和失火。如果判定为爆震则将爆震判定标志(flag)Fk设置为1，如果判定为失火则将失火判定标志Fm设定为1，并向爆震/失火回避控制部输出。
爆震判定标志Fk、失火判定标志Fm被输入到爆震/失火回避控制部，如果Fk＝1，则为了避免爆震，对点火输出电路20h和可调阀驱动电路20j赋予指令值，以使点火时机延滞(retard，日文：遅角)、使吸气阀关闭时机延滞(使有效压缩比降低)。此外，如果Fm＝1，则为了避免失火，对点火输出电路20h和可调阀驱动电路20j赋予指令值，以使点火时机超前(advance，日文：進角)、使吸气阀关闭时机超前(使有效压缩比上升)。
图9是表示本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定和回避控制内容的流程图。图9所示的控制内容由ECU20以规定的周期反复执行。
在步骤S901中，ECU20读取离子信号4g。接着，在步骤S902中，设定对离子信号进行积分的期间。基本上将从点火时机起经过一定时间(例如2ms)后至燃烧结束的时机(例如90deg.ATDC)的期间设定为积分期间。该积分期间按每个运转条件作为用映射图(map)预先已被存储。接着，前进至步骤S903，计算出离子信号积分值S(i)。符号i表示第i个循环。接着，前进至步骤S904，读取吸气管压力Pin、空燃比A/F、吸气阀关闭时机θIVC、排气阀关闭时机θEVC、点火时机θspk。接着，在步骤S905中，根据读取的参数，计算出正常燃烧时最高缸内温度Tmax。具体而言，首先根据排气阀关闭时机和吸气管压力，求出缸内空气量和内部EGR量。根据根据吸气阀关闭时机求出的有效压缩比、和缸内空气量及内部EGR量，求出压缩膨胀冲程中的空气循环的缸内温度历史。基于该空气循环的缸内温度历史、和根据空燃比求出的燃烧时产生的热量、和能够根据点火时机推测的燃烧结束时机，计算出正常燃烧时的最高缸内温度Tmax。接着，在步骤S906中，根据正常燃烧时的最高缸内温度Tmax运算正常燃烧时离子信号积分值Sb(i)。具体而言，预先在ECU20中存储公式(近似式)化的图6所示的最高缸内温度与离子信号的关系，用该式子进行运算。
接着，在步骤S907中，根据正常燃烧时离子信号积分值Sb(i)运算爆震判定阈值Sk(i)和失火判定阈值Sm(i)。例如，将正常燃烧时离子信号积分值Sb(i)乘以常数A得到的值作为爆震判定阈值Sk(i)，将正常燃烧时离子信号积分值Sb(i)乘以常数B得到的值作为失火判定阈值Sm(i)。此处，将A设定为1.2～2.0、B设定为0.1～0.5左右。
接着，在步骤S908中，通过对离子信号积分值S(i)与爆震判定阈值Sk(i)进行比较，判定是否为爆震。S(i)>Sk(i)的情况下，判定为爆震，前进至步骤S909。S(i)≤Sk(i)的情况下，判定为不是爆震，前进至步骤S911。在步骤S909中，为了避免爆震而实施点火时机的延滞控制，进而在步骤S910中，为了避免爆震而实施吸气阀关闭时机的延滞控制(有效压缩比的降低)，结束一系列控制。在步骤S908中判定为不是爆震的情况下，前进至步骤S911，通过对离子信号积分值S(i)与失火判定阈值Sm(i)进行比较，判定是否为失火。S(i)≥Sm(i)的情况下，判定为不是失火，结束一系列控制。S(i)<Sm(i)的情况下，判定为失火，前进至步骤S912。在步骤S912中，为了避免失火而实施点火时机的超前控制，进而在步骤S913中，为了避免失火而实施吸气阀关闭时机的超前控制(有效压缩比的上升)，结束一系列控制。
图10表示本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定的时序图。图中从上方起表示加速踏板开度α、吸气管压力Pin、空燃比A/F、吸气阀闭阀时机θivc、正常燃烧时的最高缸内温度(推测值)Tmax、离子信号积分值S的时间变化。离子信号积分值S的图(时序图)中同时记载了正常燃烧时离子信号积分值Sb、爆震判定阈值Sk、失火判定阈值Sm。该例中设想了未发生爆震或失火等的状况。时刻ts以前，进行加速踏板开度恒定的运转，发动机的运转状态(吸气管压力、空燃比等)和所推测的正常燃烧时最高缸内温度是稳定的。在时刻ts，驾驶者踩踏加速踏板时，受此影响，首先节流阀被打开，吸气管压力开始上升。吸气管压力相对于加速踏板开度延迟(滞后)一定的时间地上升。控制燃料喷射量，使得按照缸内的空气量成为期望的空燃比(例如化学计量比)，但是在缸内的空气量变化时，也会有如图所示那样空燃比暂时加浓(rich)的情况。此外，吸气阀打开时机由可调阀控制，控制性随可调阀的经时变化等而变化，存在如图所示相对于控制目标值过冲(overshoot)的情况。结果，从时刻ts至时刻te，发动机缸内为过渡的状态。本实施例中，根据这些过渡性地改变的参数计算出各循环中正常燃烧时的最高缸内温度。从而，能够将伴随吸气管压力上升(空气量增加)而产生的缸内温度的上升、伴随空燃比的加浓而产生的缸内温度降低、伴随吸气阀打开时机的过冲而产生的温度上升均反映出来。
根据正常燃烧时的最高缸内温度Tmax计算出正常燃烧时离子信号积分值Sb，之后计算出爆震/失火判定阈值Sk、Sm。在图示的范围内，计测得到的离子信号积分值S落在Sk≥S≥Sm的范围内，所以判定为无爆震/失火。通过本控制，能够设定跟随过渡性的发动机状态的变化而变化的离子信号的异常燃烧判定阈值，所以能够抑制过渡运转时的异常燃烧的误判定。
以下，利用图11～图16说明本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的结构和动作。
图11是表示将本发明的第二实施方式的发动机的控制装置应用于汽车用缸内喷射式汽油发动机的系统的结构的系统结构图。本实施方式中，除了图1所示的第一实施方式的系统结构以外，还设置有排气管与吸气管的旁通通路，在该通路中具有用于控制流入吸气管的排气量的EGR阀19。
图12是表示本发明的第二实施方式的发动机的控制装置中的点火信号和离子信号的代表例的图。正常燃烧时、爆震时、失火时的离子信号，如图3所示。在爆震时，因为伴随爆震发生，燃烧室内的压力/温度上升，所以第三个峰的信号增大，此处叠加有具有爆震频率的振动成分。在失火时，不生成火焰中的离子成分，所以第三个峰的信号显著降低。考虑到以上的特性，本实施例中将第三个峰的信号的峰值用于异常燃烧判定。具体而言，在时刻t2切断点火信号4h，运算从切断后经过Δtb后的时刻t3至经过Δtc后的时刻t4之间的离子信号4g的峰值。设其为C(i)。
关于本实施例的使用离子信号的爆震和失火的判定原理，与图4至图6说明的内容相同(将离子信号积分值置换为离子信号峰值即可)。
图13是表示本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的结构的系统框图。本实施方式中的特征在于，除了图7所示的本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的结构以外，还具有作为输入信号的EGR阀19的开度、EGR阀驱动电路201。
图14是表示本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的在ECU20内实施的异常燃烧判定和回避控制逻辑的概要的图。其特征在于，除了本发明的第一实施方式的发动机的控制装置的异常燃烧判定和回避控制逻辑的结构以外，还在爆震/失火判定部具有EGR阀作为输入信号。此外，离子信号处理部中的运算内容与第一实施方式不同。
离子信号4g被输入到离子信号处理部，如图12所示预先规定的区间的离子信号的峰值被输出。除了离子信号的峰值以外，还有当前的阀相位(特别是吸气阀关闭时机、排气阀关闭时机)、空燃比、吸气管压力、点火信号(点火时机)、EGR阀开度从可调阀5输入到爆震/失火判定部。此处，基于吸气阀关闭时机、排气阀关闭时机、空燃比、吸气管压力、点火时机、EGR阀开度，推测正常燃烧时的最高缸内温度。具体而言，根据排气阀关闭时机、吸气管压力和EGR阀开度，求出缸内空气量和内部EGR量。根据根据吸气阀关闭时机求出的有效压缩比、和缸内空气量及内部EGR量，求出压缩膨胀冲程中的空气循环的缸内温度历史。基于该空气循环的缸内温度历史、根据空燃比求出的燃烧时产生的热量、和能够根据点火时机推测的燃烧结束时机，能够推测正常燃烧时的最高缸内温度。根据推测出的正常燃烧时的最高缸内温度，利用图6的关系运算正常燃烧时的离子信号积分值，通过将其乘以常数计算出爆震和失火的判定阈值。通过对爆震和失火的判定阈值与所输入的离子积分值进行比较，判定爆震和失火。如果判定为爆震则将爆震判定标志Fk设置为1，如果判定为失火则将失火判定标志Fm设置为1，向爆震/失火回避控制部输出。
爆震/失火回避控制部与第一实施方式相同。
图15是表示本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定和回避控制内容的流程图。图15所示的控制内容由ECU20以规定的周期反复执行。
在步骤S1501中，ECU20读取离子信号4g。接着，在步骤S1502中，设定离子信号的运算期间。基本上将从点火时机经过一定时间(例如2ms)后至燃烧结束的时机(例如90deg.ATDC)的期间设定为运算期间。该运算期间按每个运转条件作为映射图(map)预先已存储。接着，前进至步骤S1503，计算出离子信号峰值C(i)。符号i表示第i个循环。接着，前进至步骤S1504，读取吸气管压力Pin、空燃比A/F、吸气阀关闭时机θIVC、排气阀关闭时机θEVC、点火时机θspk、EGR阀开度β。接着，在步骤S1505中，根据读取的参数，计算出正常燃烧时最高缸内温度Tmax。具体而言，首先根据排气阀关闭时机、吸气管压力和EGR阀开度，求出缸内空气量和内部EGR量。根据根据吸气阀关闭时机求出的有效压缩比、和缸内空气量及内部EGR量，求出压缩膨胀冲程中的空气循环的缸内温度历史。基于该空气循环的缸内温度历史、根据空燃比求出的燃烧时产生的热量、和能够根据点火时机推测的燃烧结束时机，计算出正常燃烧时的最高缸内温度Tmax。接着，在步骤S1506中，根据正常燃烧时的最高缸内温度Tmax运算正常燃烧时离子信号峰值Cb(i)。具体而言，预先在ECU20中存储公式(近似式)化的图6所示的最高缸内温度与离子信号的关系，用该式子进行运算。
接着，在步骤S1507中，根据正常燃烧时离子信号峰值Cb(i)运算爆震判定阈值Ck(i)和失火判定阈值Cm(i)。例如，将正常燃烧时离子信号积分值Cb(i)乘以常数A得到的值作为爆震判定阈值Ck(i)，将正常燃烧时离子信号积分值Cb(i)乘以常数B得到的值作为失火判定阈值Cm(i)。此处，将A设定为1.2～2.0、B设定为0.1～0.5左右。
接着，在步骤S1508中，通过对离子信号峰值C(i)与爆震判定阈值Ck(i)进行比较，判定是否为爆震。C(i)>Ck(i)的情况下，判定为爆震，前进至步骤S1509。C(i)≤Ck(i)的情况下，判定为不是爆震，前进至步骤S1511。在步骤S1509中，为了避免爆震而实施点火时机的延滞控制，进而在步骤S1510中，为了避免爆震而实施吸气阀关闭时机的延滞控制(有效压缩比的降低)，结束一系列控制。在步骤S1508中判定为非爆震的情况下，前进至步骤S1511，通过对离子信号峰值C(i)与失火判定阈值Cm(i)进行比较，判定是否为失火。C(i)≥Cm(i)的情况下，判定为不是失火，结束一系列控制。C(i)<Cm(i)的情况下，判定为失火，前进至步骤S1512。在步骤S1512中，为了避免失火而实施点火时机的超前控制，进而在步骤S1513中，为了避免失火而实施吸气阀关闭时机的超前控制(有效压缩比的上升)，结束一系列控制。
图16是本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定的时序图。图中从上方起表示加速踏板开度α、吸气管压力Pin、空燃比A/F、吸气阀闭阀时机θivc、EGR阀开度β、正常燃烧时的最高缸内温度(推测值)Tmax、离子信号峰值C的时间变化。离子信号峰值C的图(时序图)中，同时记载了正常燃烧时离子信号积分值Cb、爆震判定阈值Ck、失火判定阈值Cm。该例中设想了未发生爆震或失火等的状况。在时刻ts以前，进行加速踏板开度恒定的运转，发动机的运转状态(吸气管压力、空燃比等)和所推测的正常燃烧时最高缸内温度是稳定的。在时刻ts，驾驶者踩踏加速踏板时，受此影响，首先节流阀被打开，吸气管压力开始上升。吸气管压力和吸气阀关闭时机相对于加速踏板开度延迟(滞后)一定的时间地上升。控制燃料喷射量，使得按照缸内的空气量成为期望的空燃比(例如化学计量比)。EGR阀开度虽然相对于加速踏板开度延迟(滞后)一定的时间地增加，但是同时记载的实际EGR率在增加前发生暂时性的减少。这是因依赖于吸排气的旁通管的长度等的EGR的到达发生延迟而发生的现象。结果，从时刻ts至时刻te，发动机缸内为过渡性的状态。本实施例中，根据这些过渡性地改变的参数计算出各循环中的正常燃烧时的最高缸内温度。从而，能够反映伴随EGR率的暂时减少而产生的温度上升。
根据正常燃烧时的最高缸内温度Tmax计算出正常燃烧时离子信号积分值Cb，之后计算出爆震/失火判定阈值Ck、Cm。在图示的期间内，计测出的离子信号积分值C落在Ck≥C≥Cm的范围内，所以判定为无爆震/失火。根据本控制，能够设定跟随过渡性的发动机状态的变化、特别是具有外部EGR的发动机系统中的EGR率行为而变化的离子信号的异常燃烧判定阈值，因此能够抑制过渡运转时的异常燃烧的误判定。
以下，利用图17～图19说明本发明的第三实施方式的发动机的控制装置的结构和动作。
本发明的第三实施方式的将发动机的控制装置应用于汽车用缸内喷射式汽油发动机的系统的结构与图11相同。表示本发明的第三实施方式的发动机的控制装置的结构的系统框图与图13相同。关于本实施例中的使用离子信号的爆震和失火的判定原理，与图4～图6说明的内容相同(将离子信号积分值置换为离子信号峰值即可)。
图17是表示本发明的第三实施方式的发动机的控制装置的ECU20内实施的异常燃烧判定和回避控制逻辑的概要的图。其特征在于，除了图14所示的本发明的第二实施方式的发动机的控制装置的异常燃烧判定和回避控制逻辑的结构以外，还在爆震/失火判定部中具有加速踏板开度传感器16作为输入信号。爆震/失火判定部基于加速踏板开度传感器16，判定当前的运转状态是否为稳定状态，根据其结果，变更爆震/失火的判定阈值的设定方法。
图18是表示本发明的第三实施方式的发动机的控制装置中的用离子信号进行的异常燃烧判定和回避控制内容的流程图。图18所示的控制内容由ECU20以规定的周期反复执行。
在步骤S1801中，ECU20读取离子信号4g。接着，在步骤S1802中，设定离子信号的运算期间。基本上将从点火时机经过一定时间(例如2ms)后至燃烧结束的时机(例如90deg.ATDC)的期间设定为运算期间。该运算期间按每个运转条件作为映射图(map)预先已被存储。接着，前进至步骤S1803，计算出离子信号峰值C(i)。符号i表示第i个循环。接着，前进至步骤S1804，读取加速踏板开度α。接着，前进至步骤S1805，通过对加速踏板开度的变化量dα/dt与规定值X进行比较，判定当前是否为稳定状态。判定为dα/dt≥X、即不是稳定状态的情况下，前进至步骤S1806，读取吸气管压力Pin、空燃比A/F、吸气阀关闭时机θIVC、排气阀关闭时机θEVC、点火时机θspk、EGR阀开度β。接着，在步骤S1807中，根据读取的参数，计算出正常燃烧时最高缸内温度Tmax。具体而言，首先根据排气阀关闭时机、吸气管压力和EGR阀开度，求出缸内空气量和内部EGR量。根据根据吸气阀关闭时机求出的有效压缩比、和缸内空气量及内部EGR量，求出压缩膨胀冲程中的空气循环的缸内温度历史。基于该空气循环的缸内温度历史、根据空燃比求出的燃烧时产生的热量、和能够根据点火时机推测的燃烧结束时机，计算出正常燃烧时的最高缸内温度Tmax。接着，在步骤S1808中，根据正常燃烧时的最高缸内温度Tmax运算正常燃烧时离子信号峰值Cb(i)。具体而言，预先在ECU20中存储公式(近似式)化的图6所示的最高缸内温度与离子信号的关系，用该式子进行运算。接着，在步骤S1809中，根据正常燃烧时离子信号峰值Cb(i)运算爆震判定阈值Ck(i)和失火判定阈值Cm(i)。例如，将正常燃烧时离子信号积分值Cb(i)乘以常数A得到的值作为爆震判定阈值Ck(i)，将正常燃烧时离子信号积分值Cb(i)乘以常数B得到的值作为失火判定阈值Cm(i)。此处，将A设定为1.2～2.0、B设定为0.1～0.5左右。
在步骤S1805中，判定为dα/dt<X、即为稳定状态的情况下，前进至步骤S1810。在步骤S1810中，运算离子信号峰值的本底水平。本底水平指的是当前循环以前的n个循环(量)的离子信号峰值的平均值。在稳定条件下，缸内状态是稳定的，所以能够将过去n个循环(量)的平均值即本底水平视为正常燃烧时的离子电流峰值。将n设定为5～30左右。接着，在步骤S1811中，根据本底水平Cbg(i)运算爆震判定阈值Ck(i)和失火判定阈值Cm(i)。例如，将本底水平Cbg(i)乘以常数A得到的值作为爆震判定阈值Ck(i)，将本底水平Cbg(i)乘以常数B得到的值作为失火判定阈值Cm(i)。此处，也将A设定为1.2～2.0、B设定为0.1～0.5左右。
在是稳定状态的情况下和不是稳定状态的情况下，分别用不同的方法设定爆震、失火判定阈值后，在步骤S1812中，通过对离子信号峰值C(i)与爆震判定阈值Ck(i)进行比较，判定是否为爆震。C(i)>Ck(i)的情况下，判定为爆震，前进至步骤S1813。C(i)≤Ck(i)的情况下，判定为不是爆震，前进至步骤S1815。在步骤S1813中，为了避免爆震而实施点火时机的延滞控制，进而在步骤S1814中，为了避免爆震而实施吸气阀关闭时机的延滞控制(有效压缩比的降低)，结束一系列控制。在步骤S1812中判定为不是爆震的情况下，前进至步骤S1815，通过对离子信号峰值C(i)与失火判定阈值Cm(i)进行比较，判定是否为失火。C(i)≥Cm(i)的情况下，判定为不是失火，结束一系列控制。C(i)<Cm(i)的情况下，判定为失火，前进至步骤S1816。在步骤S1816中，为了避免失火而实施点火时机的超前控制，进而在步骤S1817中，为了避免失火而实施吸气阀关闭时机的超前控制(有效压缩比的上升)，结束一系列控制。
图19表示本发明的第三实施方式的发动机的控制装置的用离子信号进行的异常燃烧判定的时序图。图中从上方起表示加速踏板开度α、EGR阀开度β、正常燃烧时的最高缸内温度(推测值)Tmax、离子信号峰值C的时间变化。在离子信号峰值C的图(时序图)中，同时记载了正常燃烧时离子信号积分值Cb、本底水平Cbk、爆震判定阈值Ck、失火判定阈值Cm。该例中设想了未发生爆震或失火等的情况。时刻ts以前，进行加速踏板开度恒定的运转，由ECU20判定为稳定状态。从而，根据离子信号的本底水平Cbk计算出爆震和失火的判定阈值Ck、Cm。在时刻ts，驾驶者踩踏加速踏板时，ECU20判定为不是稳定状态、即处于过渡状态。从而，根据正常燃烧时的离子峰值Cb计算出爆震和失火的判定阈值Ck、Cm。根据基于EGR阀开度等的正常燃烧时最高缸内温度求出正常燃烧时的离子峰值Cb。在图示的范围内，计测得到的离子信号积分值S落在Sk≥S≥Sm的范围内，所以判定为无爆震/失火。
本实施例中，在缸内状态稳定的稳定状态下，根据本底水平计算出爆震/失火判定阈值，在缸内状态显著变化的过渡状态下根据基于缸内温度推测的正常燃烧时的离子信号计算出爆震/失火判定阈值，由此能够使伴随缸内温度推测而产生的ECU20的运算负载增大抑制在最低限度，并且能抑制异常燃烧的误判定。
以上示出了作为稳定状态判定用的参数，仅使用加速踏板开度的时机变化量的例子，但是不限于此，也可以使用吸气管压力或吸气阀关闭时机的时间变化量。或者，也可以将从加速踏板开度发生变化的时间点起的一定期间(例如100ms)判定为过渡状态。
附图标记说明
1 空气流量传感器
2 电子控制节流阀
3 喷射器
4 点火系统
4a 火花塞
4b 次级点火线圈
4c 初级点火线圈
4d 电容器
4e 齐纳二极管
4f 电压转换用电阻
4g 离子信号
4h 点火信号
4i 点火器
5 可调阀
5a 吸气阀可调装置
5b 排气阀可调装置
6 吸气管
7 缸头
8 排气管
9 空燃比传感器
10 三效催化剂
11 排气温度传感器
12 燃烧室
13 曲柄角传感器
14 冷却水温度传感器
15 吸气温度传感器
16 加速踏板开度传感器
17 高压燃料泵
18 燃料压力传感器
19 EGR阀
20 ECU
20a 输入电路
20b 输入输出端口
20c RAM
20d ROM
20e CPU
20f 电子控制节流阀驱动电路
20g 喷射器驱动电路
20h 点火输出电路
20j 可调阀驱动电路
20k 高压燃料泵驱动电路
20l EGR阀驱动电路
21 吸气压力传感器
100 发动机

Claims (6)

1.一种发动机控制装置，其包括用于检测燃烧时产生的离子的离子信号检测单元，并包括根据由所述检测单元检测出的离子信号来判定爆震或失火的异常燃烧判定单元，所述发动机控制装置的特征在于：
包括推测发动机在当前的运转条件下的正常燃烧循环的缸内温度的缸内温度推测单元，基于推测出的缸内温度信息设定离子信号的爆震判定阈值或失火判定阈值，
所述缸内温度推测单元推测正常燃烧循环中的最高缸内温度作为所述缸内温度信息。
2.如权利要求1所述的发动机控制装置，其特征在于：
包括基于由所述缸内温度推测单元推测出的缸内温度信息来运算正常燃烧循环的离子信号值的正常燃烧时离子信号运算单元，基于运算得到的所述正常燃烧时离子信号值，设定所述离子信号的爆震判定阈值或失火判定阈值。
3.如权利要求1或2所述的发动机控制装置，其特征在于：
所述缸内温度推测单元利用所述发动机的吸气管的内部的压力、控制所述发动机的吸气和排气的吸气阀和排气阀的开闭时机、作为对所述发动机的燃烧室内供给的空气与燃料的质量比的空燃比、和用于控制所述发动机的点火时机的点火信号中的至少一者，推测缸内温度。
4.如权利要求3所述的发动机控制装置，其特征在于：
还包括用于使排气在吸气管与排气管之间再循环的EGR管，在所述EGR管内设有用于控制排气再循环量的EGR阀，基于所述EGR阀的开度，推测所述缸内温度。
5.如权利要求1所述的发动机控制装置，其特征在于：
所述异常燃烧判定单元基于燃烧循环中的规定期间的离子信号的积分值、或规定期间内的离子信号的峰值，来判定爆震或失火。
6.如权利要求1所述的发动机控制装置，其特征在于：
在由所述异常燃烧判定单元判定为爆震或失火的情况下，变更所述发动机的点火时机和吸气阀的闭阀时机中的至少一者。
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