JP2010121553A - 内燃機関の燃焼状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常燃焼を高精度に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】運転状態を検出する各種センサ６と、１次電流の遮断により高電圧を発生する点火コイル８と、火花放電を発生する点火プラグ３と、１次電流を断続するトランジスタ９と、点火信号に応じてトランジスタ９を制御するスイッチング制御手段５１と、混合気の燃焼によって発生するイオンをイオン電流として検出するイオン電流検出手段１０と、イオン電流が所定電流値を超過した時点、または所定電流値を超過したイオン電流がピーク値となった時点のクランク角が、異常判定用クランク角よりも進角側である場合に、燃焼室内で異常燃焼が発生したと判断する異常燃焼検出手段５２とを備え、スイッチング制御手段５１は、１次電流を遮断して火花放電を発生させた後、火花放電が継続している状態における所定のタイミングで火花放電を終了させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の燃焼室内で発生した異常燃焼を検出する内燃機関の燃焼状態検出装置に関する。

近年、環境保全や燃料枯渇等の問題が提起されており、例えば自動車業界においても、これらの問題への対応が大きな課題となっている。
これらの問題への対応として、内燃機関の機関効率を最大限に引き出すための技術が多く開発されている。しかしながら、その反面、燃焼室内における異常燃焼の発生頻度が高くなり、内燃機関の損傷、耐久性の低下、商品性の低下等といった新たな問題が発生している。

そこで、上記の問題を解決するために、燃焼室内で発生した異常燃焼を検出し、異常燃焼が検出された場合に、異常燃焼を抑制することが求められている。
従来の内燃機関の燃焼状態検出装置は、検出されたイオン電流から内燃機関の燃焼圧力を推定し、燃焼圧力の最大値の発生した時期が、所定の基準時期よりも進角側である場合に、燃焼室内で異常燃焼が発生したと判断し、燃料の増量または点火時期の遅角化等の異常燃焼抑制処理を実行している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−４６１４０号公報

しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
従来の内燃機関の燃焼状態検出装置では、イオン電流から内燃機関の燃焼圧力を推定しているが、実際の内燃機関において、異常燃焼として発生する燃焼圧力の最大値は、点火の直前および直後に分布する場合が多い。
ここで、点火の直後は、燃焼室内の混合気に着火するための火花放電が継続している状態であり、負側の電圧が点火プラグに印加されているので、イオン電流を検出することができず、燃焼圧力を推定することができない。
そのため、点火の前後にわたってイオン電流を高精度に検出することができず、燃焼室内で発生した異常燃焼を高精度に検出することができないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、燃焼室内で発生した異常燃焼を高精度に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ことにある。

この発明に係る内燃機関の燃焼状態検出装置は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、１次巻線および２次巻線を有し、１次巻線に流れる１次電流が遮断されることにより、２次巻線に高電圧を発生する点火コイルと、２次巻線に接続され、２次巻線に発生した高電圧が印加されることにより、内燃機関の燃焼室内の混合気に着火するための火花放電を発生する点火プラグと、１次巻線に接続され、１次電流を通電および遮断するスイッチング素子と、運転状態に基づいて１次電流の通電および遮断を切り替える点火信号を生成し、点火信号に応じてスイッチング素子の駆動を制御するスイッチング制御手段と、火花放電による混合気の燃焼によって発生するイオンを、イオン電流として検出するイオン電流検出手段と、イオン電流が所定電流値を超過した時点のクランク角、または所定電流値を超過したイオン電流がピーク値となった時点のクランク角が、異常判定用クランク角よりも進角側である場合に、燃焼室内で異常燃焼が発生したと判断する異常燃焼検出手段とを備え、スイッチング制御手段は、１次電流を遮断して火花放電を発生させた後、火花放電が継続している状態における所定のタイミングで火花放電を終了させるものである。

この発明の内燃機関の燃焼状態検出装置によれば、スイッチング制御手段は、１次電流を遮断して点火プラグから火花放電を発生させた後、火花放電が継続している状態における所定のタイミングで火花放電を終了させる。これにより、点火プラグに負側の電圧が印加される期間を短縮して、イオン電流を検出することができない期間を短縮することができる。
そのため、燃焼室内で発生した異常燃焼を高精度に検出することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の実施の形態では、内燃機関の燃焼状態検出装置が自動車に搭載されている場合を例に挙げて説明するが、これに限定されず、内燃機関を利用する二輪車、船外機、他特機等に搭載されてもよい。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置を示す構成図である。
図１において、内燃機関１の気筒２の頂部には、点火プラグ３が設けられている。点火プラグ３は、内燃機関１の燃焼室内の混合気に着火するための火花放電を発生する。また、点火プラグ３は、イオン電流を検出する検出プローブとしての機能も有している。

また、点火プラグ３には、点火コイル装置４が接続されている。点火コイル装置４は、火花放電を発生させるための高電圧を点火プラグ３に印加する。また、点火コイル装置４は、イオン電流を検出するための電圧を点火プラグ３に印加するとともに、検出されたイオン電流信号（後述する）を出力する機能も有している。

また、点火コイル装置４には、エンジンコントロールユニット５（以下、「ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５」と称する）が接続され、ＥＣＵ５には、各種センサ６（運転状態検出手段）が接続されている。
各種センサ６は、内燃機関１の運転状態（回転数や負荷等）を検出する。
ＥＣＵ５は、点火コイル装置４からのイオン電流信号と各種センサ６からの運転状態とに基づいて、内燃機関１の燃焼状態を検出し、内燃機関１の動作を制御する。

図２は、この発明の実施の形態１に係る点火コイル装置４を周辺機器とともに示す回路構成図である。
図２において、点火コイル装置４には、点火プラグ３と、バッテリ７と、ＥＣＵ５とが接続されている。また、点火コイル装置４は、グランドに接続されている。
点火コイル装置４は、点火コイル８と、トランジスタ９（スイッチング手段）と、イオン電流検出回路１０（イオン電流検出手段）とを含んでいる。

点火コイル８は、１次巻線１１および２次巻線１２を有している。１次巻線１１の一端は、バッテリ７に接続されている。また、１次巻線１１の他端は、トランジスタ９を介してグランドに接続されている。２次巻線１２の一端は、点火プラグ３に接続されている。また、２次巻線１２の他端は、ダイオード、抵抗、ツェナーダイオードおよびコンデンサからなる回路素子部を介してグランドに接続されている。また、１次巻線１１および２次巻線１２は、磁気的に結合してトランスを構成している。

トランジスタ９は、ＥＣＵ５からの点火信号（後述する）に応じて、１次巻線１１に流れる１次電流を通電および遮断する。
ここで、１次巻線１１に流れる１次電流が遮断されると、自己誘導作用により、１次巻線１１のトランジスタ９側には、正極性の電圧が発生し、１次巻線１１のバッテリ７側には、負極性の電圧が発生する。

また、このとき、相互誘導作用により、２次巻線１２には、１次巻線１１と対応した極性で高電圧の２次電圧が発生する。すなわち、２次巻線１２のグランド側には、正極性の高電圧が発生し、２次巻線１２の点火プラグ３側には、負極性の高電圧が発生する。この印加電圧により、点火プラグ３から火花放電が発生する。この火花放電は、開始からしばらくの間継続する。
なお、１次電流の通電が開始されたときには、１次巻線１１および２次巻線１２ともに、１次電流を遮断したときとは逆極性の電圧が発生する。

イオン電流検出回路１０は、火花放電による混合気の燃焼によって発生するイオンを、イオン電流として検出する。また、イオン電流検出回路１０は、検出したイオン電流を、イオン電流信号としてＥＣＵ５に出力する。なお、イオン電流検出回路１０は、火花放電が継続している状態、すなわち点火プラグ３に負側の電圧が印加されている場合には、イオン電流を検出することができない。

ＥＣＵ５は、スイッチング制御手段５１と、異常燃焼検出手段５２とを含んでいる。
ここで、ＥＣＵ５は、ＣＰＵとプログラムを格納した記憶部とを有するマイクロプロセッサ（図示せず）で構成されている。

スイッチング制御手段５１は、各種センサ６からの運転状態に基づいて点火時期等を演算して点火信号を生成し、点火信号に応じてトランジスタ９のオンオフ駆動を制御する。
また、スイッチング制御手段５１は、１次巻線１１に流れる１次電流を遮断して火花放電を発生させた後、火花放電が継続している状態における所定のタイミングで１次電流の再通電を開始して、火花放電を終了させる。ここで、所定のタイミングとは、火花放電を発生させた後、所定時間が経過したときである。
なお、火花放電を終了させる他の方法として、火花放電を発生させた後、火花放電が継続している状態における所定のタイミングで、点火コイル装置４の２次側をグランドに接続してもよい。

異常燃焼検出手段５２は、点火コイル装置４からのイオン電流信号に基づいて、イオン電流が所定電流値を超過した時点のクランク軸（図示せず）のクランク角、または所定電流値を超過したイオン電流がピーク値となった時点のクランク角が、異常判定用クランク角よりも進角側である場合に、燃焼室内で異常燃焼が発生したと判断する。
また、異常燃焼検出手段５２は、異常燃焼が発生したと判断した場合には、内燃機関１に対して、混合気中の燃料の増量や、点火時期の遅角化等の異常燃焼抑制処理を実行する。

また、異常燃焼検出手段５２は、イオン電流と比較される所定電流値を、２次巻線１２に印加される２次電圧の変化に応じて設定する。すなわち、２次電圧が急激に上昇した場合には、所定電流値も２次電圧に応じて急激に上昇するように設定される。これにより、誤検出を抑制して、異常燃焼を高精度に検出することができる。
なお、異常判定用クランク角は、例えば内燃機関１の回転数および負荷に応じて設定されるマップ値である。

以下、図３のタイミングチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置において、異常燃焼を検出する処理について説明する。
図３において、横軸はクランク角であり、図の左側が進角側を示し、図の右側が遅角側を示している。

まず、クランク角タイミングｔ１（以下、「タイミングｔ１」と略称する）において、１回目の１次巻線１１への１次電流の通電が開始される。このタイミングｔ１では、２次巻線１２に印加される２次電圧が急激に上昇するので、所定電流値も２次電圧の変化に応じて急激に上昇するように設定される。
また、タイミングｔ１以降、２次電圧は徐々に低下していくので、所定電流値も徐々に低下するように設定される。

続いて、タイミングｔ２において、１次巻線１１に流れる１次電流が遮断される。このとき、２次巻線１２に高電圧の２次電圧が発生し、点火プラグ３から火花放電が発生する。ここで、この１回目の火花放電は、燃焼室内の混合気に着火するための主の火花放電である。なお、上述したように、火花放電が継続している状態では、点火プラグ３に負側の電圧が印加されているので、イオン電流を検出することができない。

そのため、所定電流値は、タイミングｔ１以前と同様に、基準の所定電流値の付近に設定される。ただし、この領域では、イオン電流は検出されないはずなので、実際に所定電流値を設定する意味は小さい。そこで、所定電流値をそのまま単調減少させてもよいし、所定電流値を設定しなくてもよいし、誤検出を避けるために所定電流値を上限の程度、すなわち誤検出を必ず回避できる程度まで上昇させてもよい。

しかしながら、異常燃焼はいつ発生するか分からないので、火花放電が継続している状態においても、イオン電流を検出できるようにすることが望ましい。
そこで、スイッチング制御手段５１は、１次電流が遮断されたタイミングｔ２から所定時間を経過した後、火花放電が継続しているタイミングｔ３において、火花放電を強制的に終了させ、２回目の１次巻線１１への１次電流の通電（再通電）を開始する。

なお、例えばアイドリング状態や負荷の小さい運転状態では、十分な火花放電の継続期間が必要であり、これらの状態において火花放電を強制的に終了させると、本来の燃焼性を損なうおそれがある。
そのため、スイッチング制御手段５１は、運転状態が例えば低回転数かつ高負荷状態（所定運転状態）である場合にのみ、１次電流の再通電を実行する。

また、上述したように、必要な火花放電の継続期間は、運転状態によって異なる。そのため、スイッチング制御手段５１は、１次電流が遮断されたタイミングｔ２から１次電流の再通電が開始されるタイミングｔ３までの所定時間を、運転状態に応じて、例えば高回転数または高負荷になるほど短くなるように設定する。これにより、点火プラグ３に負側の電圧が印加される期間を短縮して、イオン電流を検出することができない期間を短縮することができる。

タイミングｔ３では、１次巻線１１への１次電流の再通電が開始されたので、２次巻線１２に印加される２次電圧が急激に上昇する。しかしながら、火花放電の継続期間が短いので、タイミングｔ３における２次電圧は、タイミングｔ１における２次電圧よりも小さな値となる。そこで、タイミングｔ３における所定電流値も、タイミングｔ１における所定電流値よりも小さな値に設定される。
また、タイミングｔ３以降、２次電圧は徐々に低下していくので、所定電流値も徐々に低下するように設定される。

次に、１次電流の再通電中のタイミングｔ４において、イオン電流が所定電流値を超過し、タイミングｔ５において、所定電流値を超過したイオン電流がピーク値となったとする。
異常燃焼検出手段５２は、タイミングｔ４におけるクランク角またはタイミングｔ５におけるクランク角と、異常判定用クランク角とを比較し、タイミングｔ４またはタイミングｔ５におけるクランク角のほうが異常判定用クランク角よりも進角側である場合に、燃焼室内で異常燃焼が発生したと判断する。

ここで、１次電流の通電または遮断のタイミングの近傍では、ノイズが発生する可能性が高い。そのため、異常燃焼検出手段５２は、これらのタイミングの近傍の所定期間においては、イオン電流が所定電流値を超過することがあっても、これを無視するような処理を実行している。

なお、イオン電流の検出精度を向上させるためには、十分な２次電圧を点火プラグ３に印加することが必要である。この実施の形態１では、イオン電流の検出精度を確保するために必要な２次電圧として、例えば４００Ｖ程度を想定している。２次電圧が十分でない場合には、イオン電流を検出することができる領域が点火プラグ３の電極近傍のみとなり、イオン電流の検出精度が低下する。

そこで、スイッチング制御手段５１は、２次巻線に印加される２次電圧が４００Ｖ（所定電圧）を下回らないように、１次電流の再通電を複数回繰り返す。これにより、十分な２次電圧を点火プラグ３に印加することができる。
そのため、スイッチング制御手段５１は、タイミングｔ３以降徐々に低下する２次電圧が４００Ｖを割り込む前のタイミングｔ６において、１次巻線１１に流れる１次電流を遮断する。

このとき、タイミングｔ２の場合と同様に、２次巻線１２に高電圧の２次電圧が発生し、点火プラグ３から火花放電が発生する。また、火花放電が継続している状態では、イオン電流を検出することができないので、所定電流値は、タイミングｔ２の場合と同様に、基準の所定電流値の付近に設定される。
続いて、スイッチング制御手段５１は、１次電流が遮断されたタイミングｔ６から所定時間を経過した後、火花放電が継続しているタイミングｔ７において、火花放電を強制的に終了させ、３回目の１次巻線１１への１次電流の通電（再通電）を開始する。
これ以降は、上述した方法と同様にして所定電流値が設定される。

ここで、火花放電の継続期間の短い点火動作を繰り返すと、図３に示すように、１次電流が徐々に増加していく。１次電流には、点火コイル８の保護のために制限値が設定されており、１次電流は、最終的にこの制限値で一定となる。なお、１次電流が一定になると、電磁誘導が発生しなくなるので、イオン電流の検出精度が低下する。
そこで、スイッチング制御手段５１は、１次電流の制限値を設定しないか、または１次巻線１１の最大許容電流値の近傍に１次電流の制限値を設定する。また、スイッチング制御手段５１は、１次電流の制限値を設定した場合には、１次電流が制限値に当たらないように１次電流の通電時間および放電時間を設定する。この実施の形態１では、１次電流の制限値として、例えば１４Ａ程度を想定している。

以下、図４のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１に係る異常燃焼検出手段５２による異常燃焼の検出処理について説明する。
まず、異常燃焼検出手段５２は、イオン電流が所定電流値を超過した時点のクランク角と異常判定用クランク角とを比較し、イオン電流が所定電流値を超過した時点のクランク角が異常判定用クランク角よりも進角側であるか否かを判定する（ステップＳ１）。
なお、このとき、所定電流値を超過したイオン電流がピーク値となった時点のクランク角と異常判定用クランク角とを比較してもよい。

ステップＳ１において、イオン電流が所定電流値を超過した時点のクランク角の方が進角側である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、異常燃焼検出手段５２は、燃焼室内で異常燃焼が発生したと判断して（ステップＳ２）、図４の処理を終了する。
一方、ステップＳ１において、イオン電流が所定電流値を超過した時点のクランク角の方が進角側でない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、異常燃焼検出手段５２は、燃焼状態が正常燃焼であると判断して（ステップＳ３）、図４の処理を終了する。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置によれば、スイッチング制御手段は、１次電流を遮断して点火プラグから火花放電を発生させた後、所定時間が経過した火花放電が継続している状態において、１次電流の再通電を開始して、火花放電を終了させる。これにより、点火プラグに負側の電圧が印加される期間を短縮して、イオン電流を検出することができない期間を短縮することができる。
そのため、燃焼室内で発生した異常燃焼を高精度に検出することができる。また、異常燃焼を高精度に検出することにより、内燃機関の機関効率を最大限に引き出すことができ、環境保全や燃料枯渇等の問題に役立てることができる。

なお、上記実施の形態１では、スイッチング制御手段５１は、１次巻線１１に流れる１次電流を遮断して火花放電を発生させた後、所定時間が経過したときに１次電流の再通電を開始すると説明した。しかしながら、異常燃焼の発生するクランク角は、内燃機関１の運転状態によって概ね決まっている。

そこで、スイッチング制御手段５１は、１次電流を遮断して火花放電を発生させた後、クランク角が、運転状態に応じて設定される所定クランク角になったときに、火花放電が継続している状態における所定のタイミングで１次電流の再通電を開始する。
所定クランク角は、運転状態が例えば高回転側である場合には遅角側に設定され、運転状態が低回転側である場合には進角側に設定され、燃料のオクタン価が高いと判断された場合には進角側に設定される。

ここで、主の火花放電を発生するクランク角タイミングが遅角側である場合には、所望のタイミングで１次電流の再通電を開始できないおそれがある。このような場合には、点火時期に応じて、または点火時期が遅角側であることが分かっている運転状態では、主の火花放電期間が可能な限り短縮されるように再通電のタイミングを設定するように切り替えることにより、異常燃焼をより高精度に検出することができる。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る点火コイルを周辺機器とともに示す回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置における異常燃焼の検出処理を説明するためのタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１に係る異常燃焼検出手段による異常燃焼の検出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関、３ 点火プラグ、６ 各種センサ（運転状態検出手段）、８ 点火コイル、９ トランジスタ（スイッチング素子）、１０ イオン電流検出回路（イオン電流検出手段）、１１ １次巻線、１２ ２次巻線、５１ スイッチング制御手段、５２ 異常燃焼検出手段。

Claims (9)

1. 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   １次巻線および２次巻線を有し、前記１次巻線に流れる１次電流が遮断されることにより、前記２次巻線に高電圧を発生する点火コイルと、
   前記２次巻線に接続され、前記２次巻線に発生した高電圧が印加されることにより、前記内燃機関の燃焼室内の混合気に着火するための火花放電を発生する点火プラグと、
   前記１次巻線に接続され、前記１次電流を通電および遮断するスイッチング素子と、
   前記運転状態に基づいて前記１次電流の通電および遮断を切り替える点火信号を生成し、前記点火信号に応じて前記スイッチング素子の駆動を制御するスイッチング制御手段と、
   前記火花放電による前記混合気の燃焼によって発生するイオンを、イオン電流として検出するイオン電流検出手段と、
   前記イオン電流が所定電流値を超過した時点のクランク軸のクランク角、または前記所定電流値を超過した前記イオン電流がピーク値となった時点のクランク角が、異常判定用クランク角よりも進角側である場合に、前記燃焼室内で異常燃焼が発生したと判断する異常燃焼検出手段と、を備え、
   前記スイッチング制御手段は、前記１次電流を遮断して前記火花放電を発生させた後、前記火花放電が継続している状態における所定のタイミングで前記火花放電を終了させることを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
2. 前記スイッチング制御手段は、前記１次電流の再通電を開始することにより、前記火花放電を終了させ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。
3. 前記スイッチング制御手段は、前記火花放電を発生させた後、所定時間が経過したときを前記所定のタイミングとして前記１次電流の再通電を開始することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
4. 前記スイッチング制御手段は、前記運転状態に応じて前記所定時間を設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
5. 前記スイッチング制御手段は、前記火花放電を発生させた後、前記クランク角が前記運転状態に応じて設定される所定クランク角になったときを前記所定のタイミングとして前記１次電流の再通電を開始することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
6. 前記異常燃焼検出手段は、前記２次巻線に印加される２次電圧の変化に応じて前記所定電流値を可変設定し、可変設定された前記所定電流値に基づいて異常燃焼を検出することを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
7. 前記スイッチング制御手段は、前記２次巻線に印加される２次電圧が所定電圧を下回らないように、前記１次電流の再通電を複数回繰り返すことを特徴とする請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
8. 前記スイッチング制御手段は、前記１次電流の制限値を設定しないか、または前記１次巻線の最大許容電流値の近傍に前記１次電流の制限値を設定することを特徴とする請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
9. 前記運転状態は、前記内燃機関の回転数および前記内燃機関にかかる負荷の少なくとも何れか一方を含み、
   前記スイッチング制御手段は、前記運転状態が所定運転状態である場合に、前記１次電流の再通電を実行することを特徴とする請求項１から請求項８までの何れか１項に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。

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