JP2009108760A - 内燃機関の燃焼状態検出装置及び燃焼状態検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】くすぶりが発生した場合でも、プレイグニッションまたはその前兆現象の発生を検出することができる内燃機関の燃焼状態検出装置を得る。
【解決手段】所定の検出区間におけるイオン電流の変化に対応したイオン電流データを抽出するデータ抽出手段２０と、抽出されたイオン電流データに基づき、検出区間内におけるイオン電流の変化形状が上に凸である領域を検出する凸検出手段３０と、上に凸である領域と比較するための比較値を設定する比較設定手段を含み、上に凸である領域が比較値より早いタイミングである場合にプレイグニッションまたはその前兆現象が発生していると判定するプレイグニッション判定手段４０とを備え、凸検出手段３０は、電極間に発生するリーク電流の発生有無を判断するリーク電流判断手段を含み、リーク電流が発生していると判断された場合に、上に凸である領域の検出を有効とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関において、燃焼に伴うイオン電流に基づき、プレイグニッションまたはその前兆現象の発生を検出する内燃機関の燃焼状態検出装置及び燃焼状態検出方法に関するものである。

火花点火式の内燃機関において、正規の点火時期よりも早期に混合気が自己着火し、過早点火（プレイグニッション）が発生することがある。このプレイグニッションが発生することで、内燃機関の耐久性が低下するため、プレイグニッション発生時には直ちにこれを抑制する必要がある。そのため従来から、点火プラグの電極間に流れるイオン電流により、内燃機関の燃焼状態を把握し、点火信号立下り前に燃焼によるイオン電流が発生することでプレイグニッションを判定する技術が特許文献１で提案されている。

また、点火直後に自己着火してしまうプレイグニッションの前兆現象（ポストイグニッション）を点火プラグに流れるイオン電流により、プレイグニッションの前兆現象の発生時期を測定する技術も知られている。

特許第３５５２１４２号公報

しかしながら、点火プラグに「くすぶり」（燃料或いは潤滑油に含まれる添加剤等が炭化して点火プラグにカーボンが付着する現象）が発生した場合にはプレイグニッションを誤検出してしまうといった問題点がある。そのためくすぶりが発生した場合には、プレイグニッションの検出を禁止し、プレイグニッションが発生した時と同様の抑制制御する手法が特許文献１で知られている。
これは点火プラグにくすぶりが発生した場合、点火プラグ電極間の絶縁抵抗の値が低下し、点火信号立下り前（一次電流通電期間中）に点火プラグの電極間にイオン電流と同方向にリーク電流が流れるためである。リーク電流はくすぶりの程度が酷くなるほどリーク電流の発生期間が長くなり、プレイグニッションは強度が強くなるほどイオン電流の発生時期が早くなる傾向がある。このような両者の特性から、リーク電流とプレイグニッションによるイオン電流が重なる場合がある。そのため、単純にイオン電流の有無によりプレイグニッションの発生を判定することができなくなるという問題点があるからである。

また、プレイグニッションの前兆現象においても、くすぶりが発生した場合は、リーク電流に重畳した燃焼によるイオン電流の発生位置を精度良く把握することが困難になるという問題点がある。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、くすぶりが発生した場合でも、プレイグニッションまたはその前兆現象の発生を確実に検出することができる内燃機関の燃焼状態検出装置及び燃焼状態検出方法を得ることを目的とする。

この発明に係る内燃機関の燃焼状態検出装置は、内燃機関の燃焼室内に設置される電極と、前記燃焼室内で混合気が燃焼する際に生じるイオン電流を検出するために前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧の印加時に前記電極間に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、前記検出されたイオン電流からプレイグニッションまたはその前兆現象を検出するための検出区間を設定する検出区間設定手段を含み、前記検出区間における前記イオン電流の変化に対応したイオン電流データを抽出するデータ抽出手段と、前記抽出されたイオン電流データに基づき、前記検出区間内におけるイオン電流の変化形状が上に凸である領域を検出する凸検出手段と、前記上に凸である領域と比較するための比較値を設定する比較設定手段を含み、前記上に凸である領域が前記比較値より早いタイミングである場合にプレイグニッションまたはその前兆現象が発生していると判定するプレイグニッション判定手段とを備え、前記凸検出手段は、前記電極間に発生するリーク電流の発生有無を判断するリーク電流判断手段を含み、前記リーク電流が発生していると判断された場合に、前記上に凸である領域の検出を有効とするものである。

この発明による内燃機関の燃焼状態検出装置及び燃焼状態検出方法によれば、くすぶりが発生し、リーク電流が流れる場合においても、プレイグニッションまたはその前兆現象を精度良く検出することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関の燃焼状態検出装置を示す概略構成図である。
図１において、点火コイル装置１において、点火コイル２は一次コイル３と二次コイル４を有している。一次コイル３の一端はバッテリー等の直流電源ＶＢに接続され、一次コイル３の他端はＥＣＵ１００からの点火信号によってオンオフ制御されるトランジスタ５に接続されている。二次コイル４の一端は、点火プラグ６に接続され、二次コイル４の他端は、イオン電流検出装置７に接続されている。

イオン電流検出装置７は二次コイル４に接続されたバイアス回路８と、バイアス回路８に接続されイオン電流を検出するイオン電流検出回路９とで構成されている。
バイアス回路８は点火コイル２の二次電圧を利用してイオン電流を検出するために、イオン電流の検出プローブとしての点火プラグ６に正のバイアス電圧をチャージする。

上記の構成において、ＥＣＵ１００からの点火制御信号によってトランジスタ５がオンすると、直流電源ＶＢから一次コイル３に一次電流が流れ、その後トランジスタ５がオフされると、一次コイル３の一次電流が遮断され、二次コイル４に電磁誘導により負の高電圧が発生し、点火プラグ６が放電する。
このとき、放電後の点火プラグ６は、バイアス回路８により正のバイアス電圧がかかっているため、イオン電流が流れ、イオン電流検出回路９で検出される。イオン電流検出回路９より出力されたイオン電流信号は、プレイグニッション検出装置１０を含むＥＣＵ１００に入力され、プレイグニッションおよびその前兆現象が検出される。

プレイグニッション検出装置１０は、基本的な構成として、イオン電流検出装置７によって検出されたイオン電流信号からプレイグニッションまたはその前兆現象を検出するための検出区間を設定し、当該検出区間におけるイオン電流信号の変化に対応したイオン電流データを抽出するデータ抽出手段２０と、このデータ抽出手段によって抽出されたイオン電流データに基づき、前記検出区間内におけるイオン電流の変化形状が上に凸である領域を検出する凸検出手段３０と、この凸検出手段によって検出された上に凸である領域が所定の比較値より早いタイミングである場合にプレイグニッションまたはその前兆現象が発生していると判定するプレイグニッション判定手段４０とを備えている。

図２は、図１におけるプレイグニッション検出装置１０のブロック構成図を示すものである。
まず、データ抽出手段２０において、イオン電流検出装置７より出力されたイオン電流信号は、Ａ／Ｄ変換装置２１に送られ、アナログデータからデジタルデータへ変換され、そしてバイアス電圧印加時に発生するノイズをマスク装置２２にてマスクされ、それ以降のデータがイオン電流データとしてデータ抽出装置２３によって抽出される。

次に、凸検出手段３０においては、リーク判定装置３１にてリーク電流が発生していると判断されたとき、しきい値設定装置３２にてボトムホールド（ＢＨ）判定しきい値を設定し、イオン電流データがイオン電流発生判定しきい値を所定回数以上連続、もしくは所定期間内に累積で所定回数以上上回ったかを判定カウンタ装置３３とイオン電流発生検出装置３４で判定する。

前記リーク判定装置３１は、一次電流通電開始以前の所定区間内に、抽出されたイオン電流データが所定のリーク電流判定しきい値を所定時間以上継続して超えた場合に、リーク電流発生と判断する装置である。また前記イオン電流発生判定しきい値は、前記ＢＨ判定しきい値に所定のオフセットを加算することで得られる。

最後に、プレイグニッション判定手段４０であるプレイグニッション判定装置４１にて、イオン電流発生検出装置３４の判定結果に基づきイオン電流発生位置を取得し、イオン電流発生位置が所定値より前のときプレイグニッションが発生していると判定する。

更に、ＥＣＵ１００内におけるプレイグニッション検出装置１０の内部動作を図３のタイミングチャートと図４のフローチャートを用いて説明する。なお、図３のうちで、点火信号の立上りから立下りまでをプレイグニッションの検出ウィンドウとして、この内側のデータの処理方法について説明する。

図４のステップＳ１にてＥＣＵ１００内のプレイグニッション検出装置１０に取込まれたイオン電流データ（図３のイオン電流）はステップＳ２で検出しきい値と比較され、イオン電流データが検出しきい値を上回ったとき、ステップＳ３でタイマーをスタートさせる。ステップＳ４でマスク設定時間が経過すると、ステップＳ５でタイマーをストップし、プレイグニッション検出装置１０に取込まれたデータはステップＳ６でa(1), a(2), ・・・, a(n)のように順次メモリへ格納される。タイマーのスタートからマスク時間が経過するまでにプレイグニッション検出装置１０へ取込まれたイオン電流データは、ステップＳ４でＮＯ判定となりステップＳ５へ進むことができないためメモリに格納されず、無視される。
上記ステップＳ１〜Ｓ６は、データ抽出手段２０に対応するものである。

次にステップＳ７にて、ＢＨ判定しきい値にa(0)を初期値として格納しておく。ステップＳ８でこのしきい値は、順次a(1), a(2), ・・・, a(n)と比較され、比較結果がＹＥＳであればステップＳ９へと進みＢＨ判定しきい値はデータの形状に沿ってより小さな値へと更新され、比較結果がＮＯであれば、ＢＨ判定しきい値は更新されず（ホールドする）、前回の値を維持したままＳ１０へと進む。なお、ステップＳ７は始点設定手段に相当する。

ここで、ステップＳ８での比較結果がＮＯであった場合にＢＨ判定しきい値をホールドせずに、所定の減衰量で減衰させても良く、このようにすることでデータのより小さな変化を捉えることができるようになり、プレイグニッションの検出精度を向上できる。

ステップＳ１０でイオン電流発生判定しきい値と比較してa(n)の方が大きいとき、ステップＳ１１へ進み判定カウンタ装置３３をスタートさせる。またＢＨ判定しきい値が更新されたとき、ステップＳ１２でカウンタがクリアされる。ステップＳ１３で判定用カウンタ値が所定値を経過しているとき、イオン電流発生検出装置３４にてプレイグニッションまたは点火後の燃焼が発生しているとして、イオン電流発生と判定される（Ｓ１４）。
上記ステップＳ７〜Ｓ１４は、凸検出手段３０に対応するものである。

イオン電流発生と判定された場合、ステップＳ１５にてイオン電流の凸部分の領域開始点からイオン電流データを積算して、その積算値が所定のしきい値を超えた位置をイオン電流のイオン電流の発生位置ＩＰとすると共に、イオン電流が発生したと判定された期間におけるピーク位置ＰＫを求め、プレイグニッションまたはその前兆現象の判定に用いる。
なお、イオン電流の発生位置ＩＰはイオン電流の変化形状が上に凸である領域の開始点とすることもできる。
ステップＳ１６でイオン電流の発生位置ＩＰが一次電流の通電期間中であるか判定を行い、ステップＳ１７で一次電流の通電期間中にイオン電流の発生位置ＩＰが検出された場合、プレイグニッションと判定し、点火立下り後にイオン電流の発生位置ＩＰが検出された場合は、ステップＳ１８へ進む。点火立下り後の場合には、プレイグニッションの前兆現象と通常燃焼の判定を行う。

更に、イオン電流のピーク位置ＰＫと内燃機関の筒内圧のピーク位置には相関があることが知られており、筒内圧のピーク位置が進角側の場合は燃焼速度が上がっており、プレイグニッションが発生しやすい状況であることから、ステップＳ１９でイオン電流のピーク位置ＰＫが所定のしきい値よりも早く検出されるとプレイグニッションの前兆現象と判定する。所定のしきい値は運転条件に基づくマップにより取得される。
なお、ステップＳ１３、Ｓ１８にてＮＯと判断された場合は、ステップ２０にてプレイグニッションまたはその前兆現象なしと判定される。
上記ステップＳ１５〜Ｓ２０は、プレイグニッション判定手段４０に対応するものである。

以上のように本実施の形態１による内燃機関の燃焼状態検出装置は、内燃機関の燃焼室内において混合気が燃焼する際に生じる点火プラグ電極間のイオン電流を検出するイオン電流検出手段７と、イオン電流検出手段によって検出されたイオン電流からプレイグニッションまたはその前兆現象を検出するための検出区間を設定する検出区間設定手段を含み、前記検出区間設定手段により設定された検出区間におけるイオン電流の変化に対応したイオン電流データを抽出するデータ抽出手段２０と、データ抽出手段によって抽出されたイオン電流データに基づき、前記検出区間内におけるイオン電流の変化形状が上に凸である領域を検出する凸検出手段３０と、前記上に凸である領域と比較するための比較値を設定する比較設定手段を含み、前記上に凸である領域が前記比較値より早いタイミングである場合にプレイグニッションまたはその前兆現象が発生していると判定するプレイグニッション判定手段４０とを備え、凸検出手段３０は、点火プラグ電極間に発生するリーク電流の発生有無を判断するリーク電流判断手段を含み、リーク電流が発生している判断された場合に、前記上に凸である領域の検出を有効とするものである。

従って本実施の形態１によれば、点火プラグの電極間にリーク電流が発生している場合でもプレイグニッションを確実に検出することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、リーク電流発生の際、ＢＨ判定しきい値とイオン電流データとを比較することで燃焼に伴うイオン電流の発生位置を捉えたが、本実施の形態２においては、イオン電流データの変化量からこれを捉える方法を説明する。

まず、本実施の形態２では、取得したイオン電流データに対し、ノイズの影響等を回避もしくは緩和するために、所定間隔毎のイオン電流データを導関数演算に用いることとする。
図５に実施の形態２に係る内燃機関のプレイグニッション検出装置１０の構成図を示す。リーク判定装置３１でリーク電流の有無を判定するまでの過程は、実施の形態１と同様である。
リーク判定装置３１にてリーク電流が発生していると判断されたとき、導関数装置３５にて個々のデータの変化量が計算され１次導関数が求められる。次にデータ平滑化装置３６により前記導関数装置３５で計算された連続した数個のデータの変化量b(n)の平均値c(n)が計算される。このデータc(n)がイオン電流の傾きの傾向を示すものである。このデータの変化の傾向c(n)に対し、しきい値設定装置３２でピークホールド（ＰＨ）しきい値を設定し、データの変化の傾向c(n)がＰＨしきい値を所定回数以上連続、もしくは所定期間の間に累積で所定回数以上下回ったかを判定カウンタ装置３３とイオン電流発生検出装置３４で判断し、プレイグニッション判定装置４１にてイオン電流発生検出装置３４の判定結果に基づき、イオン電流発生位置ＩＰを取得し、イオン電流発生位置ＩＰが所定値より前のとき、プレイグニッションと判定する。

次に、上記構成のプレイグニッション検出装置１０の内部動作を図６のタイミングチャート、図７のフローチャートを用いて説明する。
図７のステップＳ２１にてＥＣＵ１００内のプレイグニッション検出装置１０に取込まれたイオン電流データ（図６：Ｐ１）はステップＳ２２で検出しきい値と比較され、イオン電流データが検出しきい値を上回ったとき、ステップＳ２３でタイマーをスタートさせる。ステップＳ２４でマスク設定時間が経過すると、ステップＳ２５でタイマーをストップし、プレイグニッション検出装置１０に取込まれたイオン電流データはステップＳ２６でa(1), a(2), ・・・, a(n)のように順次メモリへ格納される（図６：Ｐ２）。タイマーのスタートからマスク時間が経過するまでにプレイグニッション検出装置１０へ取込まれたデータは、ステップＳ２４でＮＯ判定となりステップＳ２５へ進むことができないためメモリに格納されず、無視される。
上記ステップＳ２１〜Ｓ２６は、データ抽出手段２０に対応するものである。

ステップＳ２６でメモリに格納された配列データa(n)は、ステップＳ２７で導関数装置３５によって、式（１）の計算が行われ、配列データb(n)として格納される。
b(n) = a(n) - a(n-1) ・・・ （１）
このとき得られた配列データb(n)は１次導関数に相当するものであり、イオン電流の傾きを示すものである。さらにステップＳ２８へ進み、配列データb(n)はデータ平滑化装置３６によって、式（２）の計算が行われ、平滑化された結果が配列データc(n)として格納される。
c(n) = {(b(n) + b(n-1) + ・・・ + b(n-k))}／(k+1) ・・・ （２）
このとき得られた配列データc(n)は１次導関数が平滑化されたものであり、イオン電流の傾きの傾向を示すものである（図６：Ｐ３）。

またステップＳ２９では、ＰＨ判定しきい値にc(0)を初期値として格納しておく。ステップＳ３０でこのしきい値は、ステップＳ２８で格納された配列データc(1), c(2), ・・・, c(n)と順次比較され、常に値の大きな方をステップＳ３１でＰＨ判定しきい値として更新する（図６：Ｐ３）。

ステップＳ３２でＰＨ判定しきい値と比較して配列データc(n)の方が小さいとき、ステップＳ３３へ進み判定カウンタ装置３３をスタートさせる。ＰＨ判定しきい値の値が書き換えられたときには、ステップＳ３４に進み判定用カウンタは０にクリアされる。ステップＳ３５で判定用カウンタ値が所定値を経過したとき、イオン電流発生検出装置３４にてプレイグニッションまたは点火後の燃焼が発生しているとして、イオン電流発生と判定される（ステップＳ３６）（図６：Ｐ５）。
上記ステップＳ２７〜Ｓ３６は、凸検出手段３０に対応するものである。

イオン電流発生と判定された場合、プレイグニッション判定装置４１にてイオン電流の凸部分の領域開始点から１次導関数が平滑化された配列データc(n)を積算して、その積算値が所定のしきい値を超えた位置をイオン電流の発生位置ＩＰとすると共に、イオン電流が発生したと判定された期間におけるピーク位置ＰＫを求め（ステップＳ３７）、プレイグニッションまたはその前兆現象の判定に用いる。ステップＳ３８でイオン電流の発生位置ＩＰが一次電流の通電期間中であるか判定を行い、一次電流の通電期間中にイオン電流の発生位置ＰＫが検出された場合、プレイグニッションと判定し（ステップＳ３９）、点火立下り後にイオン電流の発生位置ＰＫが検出された場合は、ステップＳ４０へ進む。点火立下り後ではプレイグニッションの前兆現象と通常燃焼の判別をするため、イオン電流のピーク位置ＰＫが所定のしきい値よりも早く検出されるとプレイグニッションの前兆現象と判定する（ステップＳ４１）。所定のしきい値は運転条件に基づくＭＡＰにより取得される。
なお、ステップＳ３５、Ｓ４０にてＮＯと判断された場合は、ステップ４２にてプレイグニッションまたはその前兆現象なしと判定される。
上記ステップＳ３７〜Ｓ４２は、プレイグニッション判定手段４０に対応するものである。

上記実施の形態では、取り込んだデータ順のデータ変化の傾向に対し、順次ピークホールドしきい値を設定していたが、データ取込み終了位置から、時間をさかのぼってデータ取込み開始位置の方向へ向かってＢＨしきい値を設定しても良い（図６Ｐ６）。

このときの出力は図６のＰ７のようになり、リーク電流が発生した場合においても、プレイグニッションやその前兆現象に伴い発生するイオン電流のみを検出することができ、検出精度を向上させることができる。

従って本実施の形態２によれば、点火プラグの電極間にリーク電流が発生している場合でも更に精度良くプレイグニッションを検出することが可能となる。

なお、上記実施の形態２では、１次導関数を用いてプレイグニッションまたはその前兆現象の判定を実施したが、導関数装置３５、平滑化装置３６で信号処理した後に、もう１度導関数装置、平滑化装置で計算を行い、２次導関数を求めるようにしても良い。
この２次導関数を平滑化した値c(n)が、イオン電流の凹凸の変化傾向を示すものであり、２次導関数値c(n)が負になる領域を導くことで、微細なノイズやデータ離散化に伴う変動に影響されることなく、プレイグニッションやその前兆現象に伴うイオン電流の変動のみを抽出することが可能となる。

また、実施の形態１及び２のイオン電流発生検出装置３４で検出したプレイグニッションまたはその前兆現象によるイオン電流の所定期間内におけるイオン電流の面積値を算出することで、プレイグニッションまたはその前兆現象の強度を求めることが可能となる。プレイグニッションやその前兆現象は強度が強くなると面積値が大きくなるためであり、プレイグニッションまたはその前兆現象の検出、強度を精度良く求めることができる。

更に、実施の形態１及び２において、リーク電流が発生した場合には、プレイグニッションまたはその前兆現象の検出結果によらず、プレイグニッションの抑制制御を実施してもよい。プレイグニッションは局所的に生じた過熱箇所、例えば点火プラグ６の発火部周辺や燃焼室内に付着した煤が原因で発生することが知られている。リーク電流は点火プラグ６に煤が付着している場合に発生するため、プレイグニッションが発生しやすい状態であると言える。そのためリーク電流が発生した場合、プレイグニッション抑制制御を行うことで、事前にプレイグニッションの発生を抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び２では、１つの燃焼室に１本の点火プラグ６でプレイグニッションまたはその前兆現象の検出を行ったが、１つの燃焼室に複数本の点火プラグを備えてプレイグニッションまたはその前兆現象の検出を行っても良い。
イオン電流検出装置７は、点火放電中にイオン電流を検出するための電荷を蓄え、その後燃焼に伴うイオン電流を検出するため、点火放電中はイオン電流を検出することが不可能である。プレイグニッションやその前兆現象は混合気の燃焼速度が速いため、図６のように点火放電中に大半のイオン電流が発生してしまう場合があるため、１点点火方式では正確な燃焼状態を検出することが困難となってしまう。そのため、１つの燃焼室に複数本の点火プラグを備えて検出を行っても良い。
ここでは、１つの燃焼室に２本の点火プラグを備えた場合について説明する。但し、点火プラグ２本の場合のみに限定されるものではなく、１つの燃焼室に２本以上の点火プラグを備えた内燃機関に適用してもよい。

具体的には以下のような手法で行う。第１の点火コイルに対して第２の点火コイルの点火時期を遅角させれば、確実に点火プラグの着火による火炎伝播時間が点火プラグにより測定できる。例えば、図８のように第２の点火コイルにおける一次コイルの通電開始時期を第１の点火コイルの放電開始時期（点火時期）に設定する。第１の点火コイルではリーク電流に重畳するプレイグニッションに伴うイオン電流情報の欠落が発生することがあるが、上記手法のように第２の点火コイルを第１の点火コイルより遅角させることで、第２の点火コイルでは燃焼イオン電流の発生位置により、火炎伝播速度を測定することが可能となる。また、第２の点火コイルの一次コイルの通電開始時期をさらに遅角させることで、より多くのイオン電流情報を取得することができる。

本実施の形態３により、プレイグニッションまたはその前兆現象が発生する場合のイオン電流情報をより多く取得でき、精度良く検出できるようになるため、プレイグニッションまたはその前兆現象の検出精度が向上する。

実施の形態４．
実施の形態１〜３においては、各燃焼室のイオン電流検出信号をそれぞれＥＣＵ１００へ入力したが、各燃焼室のイオン電流検出信号の和を取って１つにまとめ、ＥＣＵ１００へ入力しても良い。

図９に本実施の形態４の概略構成図を示す。ここでは４気筒の内燃機関について説明する。従来の構成では、４つの燃焼室で検出されたイオン電流検出信号が、それぞれＥＣＵ１００に入力されることで、ＥＣＵ１００の入力インターフェースも４つ必要であった。しかし、図９のように各燃焼室に対応して同一の点火コイル装置１Ａ〜１Ｄを設け、各燃焼室のイオン電流検出信号の和を取って１つにまとめ、ＥＣＵ１００へ入力することで、ＥＣＵ１００に入力されるイオン電流検出信号のライン数が１本だけになり、回路規模を小さくすることができる。特に、６気筒や８気筒といった気筒数が多い内燃機関においてはメリットが大きい。また、点火順序で１気筒間隔の空いた気筒の組み合わせで、イオン電流検出信号の和を取っても良い。

従来は１つの気筒でくすぶりが発生した場合、イオン電流検出信号の和を取っていると全気筒でその影響を受けてしまう。そのため、従来の検出手法ではプレイグニッションの検出を誤判定してしまうが、実施の形態１または２を適用することで、くすぶりが発生した場合においても、精度良くプレイグニッションの検出ができる。

実施の形態３のような多点点火式の内燃機関においては、第１の点火コイルで検出されるイオン電流検出信号の和を取り、第２の点火コイルで検出されるイオン電流検出信号の和を取って、それぞれＥＣＵ１００に入力することで、同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態１〜４では、イオン電流検出装置７のバイアス回路８を点火コイル装置１内に配置し、点火コイル２から点火源としての点火プラグ６にバイアス電圧を供給することでイオン電流を検出したが、バイアス電圧源を独立した電源モジュールとし、このモジュールから、点火源としての点火プラグ６にバイアス電圧を供給することでイオン電流を検出する場合や、バイアス電圧源を独立した電源モジュールとし、このモジュールからイオン電流検出用のプローブとして燃焼室内に設置される独立した電極にバイアス電圧を供給することでイオン電流を検出する場合、バイアス回路８を点火コイル装置１内に配置し、点火コイル２からイオン電流検出用のプローブとして燃焼室内に設置される独立した電極にバイアス電圧を供給することでイオン電流を検出する場合のいずれであっても、同様の処理によりリーク電流発生時でもプレイグニッションを検出することが可能である。

また、バイアス電圧源を独立した電源モジュールとし、このモジュールからイオン電流検出用のプローブとして燃焼室内に設置される独立した電極にバイアス電圧を供給することでイオン電流を検出する場合では、プレイグニッションを検出するための検出区間を点火コイルの通電区間に限定する必要なく、例えばＢＴＤＣの９０ＣＡ（上死点手前９０度クランク角度位置）から燃焼行程の終わり、もしくは排気バルブが開くまでをプレイグニッション検出区間として設定することでより精度よくプレイグニッションもしくはその前兆現象を検出することが可能となる。

更に、上記実施の形態１〜４ではプレイグニッション検出装置１０をＥＣＵ１００内としたが、別のＭＰＵ搭載モジュール、デジタルシグナルプロセッサ、もしくはゲートアレイ回路によるロジックＩＣで演算し、その出力をＥＣＵ１００へ入力しても良い。

本発明の実施の形態１に係わる内燃機関の燃焼状態検出装置を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１におけるプレイグニッション検出装置を示すブロック構成図である。 本発明の実施の形態１におけるプレイグニッション検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１におけるプレイグニッション検出装置の処理フローチャートである。 本発明の実施の形態２におけるプレイグニッション検出装置を示すブロック構成図である。 本発明の実施の形態２におけるプレイグニッション検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２におけるプレイグニッション検出装置の処理フローチャートである。 本発明の実施の形態３におけるプレイグニッション検出装置の動作を説明するための波形図である。 本発明の実施の形態４に係わる内燃機関の燃焼状態検出装置装置の概略構成図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｄ 点火コイル装置
２ 点火コイル
３ 一次コイル
４ 二次コイル
５ トランジスタ
６ 点火プラグ
７ イオン電流検出装置
８ バイアス回路
９ イオン電流検出回路
１０ プレイグニッション検出装置
２０ データ抽出手段
２１ Ａ／Ｄ変換装置
２２ マスク装置
２３ データ抽出装置
３０ 凸検出手段
３１ リーク判定装置
３２ しきい値設定手段
３３ 判定カウンタ装置
３４ イオン電流発生検出装置
３５ 導関数装置
３６ データ平滑化装置
４０ プレイグニッション判定手段
４１ プレイグニッション判定装置
１００ ＥＣＵ

Claims (13)

1. 内燃機関の燃焼室内に設置される電極と、
   前記燃焼室内で混合気が燃焼する際に生じるイオン電流を検出するために前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記電圧の印加時に前記電極間に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
   前記検出されたイオン電流からプレイグニッションまたはその前兆現象を検出するための検出区間を設定する検出区間設定手段を含み、前記検出区間における前記イオン電流の変化に対応したイオン電流データを抽出するデータ抽出手段と、
   前記抽出されたイオン電流データに基づき、前記検出区間内におけるイオン電流の変化形状が上に凸である領域を検出する凸検出手段と、
   前記上に凸である領域と比較するための比較値を設定する比較設定手段を含み、前記前記上に凸である領域が前記比較値より早いタイミングである場合にプレイグニッションまたはその前兆現象が発生していると判定するプレイグニッション判定手段とを備え、
   前記凸検出手段は、前記電極間に発生するリーク電流の発生有無を判断するリーク電流判断手段を含み、前記リーク電流が発生していると判断された場合に、前記上に凸である領域の検出を有効とする
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
2. 前記凸検出手段は、凸検出のためのしきい値の始点を指示する始点設定手段と、前記始点から前記イオン電流の変化形状のボトムに沿ってボトムしきい値を設定するボトムしきい値手段とを備え、前記ボトムしきい値を前記イオン電流データが超過する領域を上に凸である領域とすることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
3. 前記凸検出手段は、前記検出区間内のイオン電流の１次導関数または２次導関数を含む２次変動量を算出する２次変動量算出手段を備え、前記２次変動量値が所定のレベル以下となる領域を凸である領域とすることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
4. 前記プレイグニッション判定手段は、イオン電流の変化形状が上に凸である領域の積算値が所定のレベルを超える位置を上に凸となる領域とすることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
5. 前記プレイグニッション判定手段は、イオン電流の変化形状が上に凸である領域の開始点をイオン電流の発生位置とすることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
6. 前記検出区間設定手段は、上死点手前９０度クランク角度位置から、燃焼行程が終了するまでの任意の区間を検出区間として設定することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
7. 前記電極は、内燃機関に燃焼を引起こすために燃焼室内に火花放電を発生する点火プラグであって、前記電圧印加手段は、前記点火プラグに火花放電を発生するための高電圧を生成する点火コイルを介して前記イオン電流を検出するための電圧を前記点火プラグの電極へ印加することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
8. 前記検出区間設定手段は、前記点火コイルの一次コイルへの通電の開始のタイミングから、前記点火プラグが火花放電を開始するまでの任意の区間を検出区間として設定することを特徴とする、請求項７記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
9. 前記検出区間設定手段は、前記点火コイルの一次巻線への通電の開始のタイミングから所定のマスク区間を設定するマスク設定手段を備え、前記マスク設定手段により設定されるマスク区間内に検出されるイオン電流を前記プレイグニッションまたはその前兆現象を検出するための信号として扱わないことを特徴とする、請求項７記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
10. 前記始点設定手段は、前記マスク設定手段により設定されるマスク区間終了位置に始点を設定することを特徴とする、請求項９記載の内燃機関の燃焼状態検出装置
11. 前記比較設定手段は、前記上に凸である領域の平均的なレベル、もしくは運転条件毎に設定されるマップ値のいずれか、もしくは双方より比較値を設定することを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
12. 前記イオン電流検出手段は、複数の燃焼室もしくは同一の燃焼室から得られる複数のイオン電流の和を検出することを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
13. 内燃機関の燃焼室内の混合気が燃焼する際に、前記燃焼室内に設置された電極間に生じるイオン電流からプレイグニッションまたはその前兆現象を検出するための検出区間を設定し、当該検出区間におけるイオン電流の変化に対応したイオン電流データを抽出する第１のステップと、
    前記抽出されたイオン電流データに基づき、前記検出区間内におけるイオン電流の変化形状が上に凸である領域を検出する第２のステップと、
    前記上に凸である領域が所定の比較値より早いタイミングである場合にプレイグニッションまたはその前兆現象が発生していると判定する第３のステップとを含み、
    前記第２のステップは、前記電極間に発生するリーク電流の発生有無を判断するステップを含み、前記リーク電流が発生していると判断された場合に、前記上に凸である領域の検出を有効とする
    ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出方法。

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