JP2536292B2 - 火炎検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は火炎検出装置に関し、詳しくは燃焼室内の火
炎の伝播を精度よく検出する火炎検出装置に関する。

［従来の技術］ 内燃機関の燃焼室内における火炎の伝播速度や分布
は、混合気の燃焼状態を表す好適なパラメータであっ
て、燃焼解析のみならず、点火時期制御やノッキング制
御、あるいは空燃比制御等に応用されている。

このためには、燃焼室内の火炎を検出する装置が必要
であり、従来、種々の火炎検出装置が提案されている
（例えば、特開昭59−83026号公報の「内燃機関の燃焼
室内における圧力変動を検出するための装置」、若しく
は実開昭57−79741号公報の「火花点火式エンジンのノ
ッキング検出装置」）。こうした火炎検出装置は、火炎
中のイオンを介して流れるイオン電流を検出することに
よって火炎の存在を検出するものであり、燃焼室中にイ
オン電流検出用の電極を備える。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来の火炎検出装置は、以下のような
問題点を有している。即ち、上記特開昭59−83026号公
報の火炎検出装置は、イオン電流を計測する際に、点火
に起因するノイズの影響を受けてしまう。これは、イオ
ン電流を計測するための電極（以下、イオンプローブと
言う）が、点火プラグのアース電極を兼ねているためで
ある。一方、実開昭57−79741号公報の火炎検出装置に
おいて、イオンプローブは、２組のイオン検出素子を火
炎伝播方向に沿って略直列させたものである。そして検
出回路は、これら各イオン検出素子から出力される信号
の時間差を所定の基準値と比較してノッキングを判定す
る。しかしこの火炎検出装置では、燃焼室内を、点火プ
ラグ（当該公報では「点火栓」と記載）からイオンプロ
ーブに向かって略一方向に伝播する火炎殻について、そ
の伝播速度を検出しているに過ぎないことから、検出さ
れる火炎伝播速度のデータに大きなバラツキを生じると
いう問題があった。即ち、内燃機関の運転条件が一定で
あっても、混合気の燃焼状態は一定とはならないので、
火炎の生成・伝播・分布はある程度確率的なものとなら
ざるを得ず、同一の方向に進む火炎の伝播速度が常に一
定であるとは限らないからである。

この結果、火炎の伝播速度のデータは大きくバラつい
てしまい、そのままでは内燃機関の各種制御には用いる
ことができない。そこで従来は内燃機関の所定サイクル
に亘るデータの平均値を算出して制御に供しているが、
平均値を算出するために時間を要し、制御の応答性が低
下するという問題を招致する。従って、高い応答性が要
求される内燃機関の点火時期や空燃比制御に用いること
は、現実には極めて困難であった。

本発明は上記問題点を解決し、燃焼室内の火炎をバラ
ツキなく検出することを目的としてなされた。

発明の構成 かかる目的を達成する本発明の構成について以下説明
する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の火炎検出装置は、 燃焼室に設けられた点火プラグによって混合気への点
火を行なう内燃機関の上記燃焼室に、上記点火プラグと
は別体に設けられ、該点火プラグを囲繞する円環電極
と、 該円環電極から火炎殻中のイオンを介して流れるイオ
ン電流を検出するイオン電流検出手段と を備える。

ここで、円環電極は、完全な円環状である必要はな
く、一部分であれば切れていても差し支えない。

イオン電流検出手段は、円環電極から火炎殻中のイオ
ンを介して流れるイオン電流を検出するものであり、例
えば燃焼室自体を接地して円環電極に所定電圧を印加し
ておき、この間に火炎殻が至ったとき、流れる電流を検
出するよう構成することができる。

また、円環電極を同心円状の多重円環電極とし、イオ
ン電流検出手段を円環電極毎に複数設け、電極毎のイオ
ン電流の検出タイミングの相違から異常火炎検出するも
のとすることも好適である。

［作用］ 上記構成を有する本発明の火炎検出装置は、混合気へ
の点火をする点火プラグを囲繞する円環電極から、火炎
殻中のイオンを介して流れるイオン電流を、イオン電流
検出手段によって検出する。つまり、円環電極は点火プ
ラグとは別体にされており、点火に起因するノイズの影
響を受けにくい。また、円環電極にて点火プラグを囲繞
する、という構成となっているため、例えば、燃焼室を
接地し、円環電極を燃焼室と絶縁して設けて所定の電圧
を印加しておくと、イオン電流に基づく信号を円環電極
から出力させることができる。これは、上記実開昭57−
79741号公報の火炎検出装置のイオンプローブが、それ
自体、陰極及び陽極を備えた回路を構成しているのに比
べ、極めて簡素な構成とすることができる。しかも、該
公報の火炎検出装置のように、円環電極を点火プラグか
ら遠ざける必要がないため、円環電極の燃焼室への取り
付けは、本来、点火プラグを設ける位置の周囲にて行な
えばよく、内燃機関の設計の自由度を損なわない。更
に、イオン電流は円環状にされた電極に対して流れるの
で、混合気の燃焼状態のバラツキに起因する火炎伝播・
分布の相違が生じても、火炎検出のタイミングがバラつ
く確率は低減される。

火炎検出用の電極が単一の場合に得られる火炎到着所
要時間のデータの確率密度関数をｆ（ｘ）とし、この確
率密度関数ｆ（ｘ）に従う電極がＮ個存在する場合に確
率密度変数のうち最小値のものを確率変数とする確率密
度関数をｇ（ｘ）とすると、確率密度関数ｇ（ｘ）はＮ
をパラメータとし、確率密度関数ｆ（ｘ）の関数として
次式（１）として表される。

確率密度関数ｆ（ｘ）が正規化されており、正規分布
（σ＝1,x＝０）に従うとすると、式（１）は次式
（２）のごとく表される。

第１図は、この確率密度関数ｇ（ｘ）が電極の数Ｎを
パラメータとしてどの様に変化するかを示したものであ
る。即ち、Ｎ個の電極を、点火点を中心とする同心円上
に配置した場合に、火炎到着所要時間のバラツキがどの
様に低減されるかを理論的に示した図である。従って、
電極の数Ｎを極大まで増加した場合には、即ち電極形状
を点火点を囲繞する円環電極とした場合には、検出され
る火炎到着所要時間のバラツキは極めて小さくなる。

以上示したモデルは電極を同心円上に設けたものとし
ている。

［実施例］ 以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにする
ために、以下本発明の火炎検出装置の好適な実施例とし
てこれを用いた点火時期制御装置について説明する。第
２図は、この装置の概略構成図、第３図（Ａ）は円環電
極を有する検出子の構造を示す断面図、第３図（Ｂ）は
同じくその平面図である。

実施例としての火炎検出装置を用いた点火時期制御装
置は、内燃機関１の点火時期を制御するものである。内
燃機関１は、図示するように、吸入空気量を制御するス
ロットルバルブ３を吸気管５に備え、吸入空気に燃料噴
射弁６から噴射される燃料を混合して燃焼室７に導き、
点火プラグ10に形成される電気火花により点火して爆発
燃焼させ、このエネルギをピストン12の運動として取り
出した後、排気管14を介して排出する構成をとってい
る。点火時期制御装置は、この点火プラグ10を囲繞する
円環状の電極を備えた検出子20と、点火プラグ10に高電
圧を印加するイグナイタ22と、内燃機関１のスロットル
バルブ開度を検出するスロットルセンサ24と、内燃機関
１の回転数Ｎを検出する回転数センサ26と、これらのセ
ンサ・検出子・イグナイタ等に接続された電子制御装置
30とから構成されている。

電子制御装置30は、周知のCPU31,ROM32,RAM34,タイマ
35等から算術論理演算回路として構成されており、入力
ポート36,出力ポート37およびイオン電流検出回路38等
をバス39により相互に接続している。入力ポート36は、
スロットルセンサ24と回転数センサ26とに接続されてお
り、CPU31はこのポート36を介して内燃機関１のスロッ
トル開度αと回転数Ｎとを読み込むことができる。出力
ポート37は、燃料噴射弁６とイグナイタ22とに接続され
ており、CPU31は、このポート37を介して駆動信号を出
力することにより、燃料噴射量τと点火時期θとを制御
することができる。尚、本実施例では、燃料噴射量の制
御については説明しないが、点火時期と同様に行なうこ
とも何等差し支えない。

イオン電流検出回路38は、検出子20に火炎を介して流
れる電流を検出する回路である。この回路38は、接地さ
れた内燃機関１の本体と検出子20の電極50との間に、予
め所定の電圧を印加しておき、この間を火炎殻が通過し
たとき流れる数十マイクロアンペアのイオン電流Tfを精
度よく検出することができる。

次に検出子20の構成について説明する。検出子20は円
盤状に形成されており、第３図（Ａ），（Ｂ）に示すよ
うに、その中心には点火プラグ10を取り付ける取り付け
穴43が形成されている。また、この取り付け穴43を中心
に同心円状に円筒形の絶縁体45が埋め込まれており、更
にその燃焼室側端部には、円環電極50（以下、単に電極
50と言う）が僅かに飛び出すように埋め込まれている。
尚、電極50からはリード線52が引き出されており、これ
が電子制御装置30のイオン電流検出回路38に接続されて
いる。

イオン電流検出回路38を内蔵する電子制御装置30で
は、図示しない制御ルーチンにおいて、爆発行程に先だ
ってイグナイタ22に駆動信号を出力した後、イオン電流
検出回路38がイオン電流を検出するまでの時間をタイマ
35により計測して、これを火炎到着所要時間TfとしてRA
M34に記憶するよう構成されている。

以上のように構成された火炎検出装置は、点火プラグ
10を中心として円環状に電極50を形成しているので、
［作用］の項で説明したように、点火プラグ10に形成さ
れた電気火花により着火された火炎が電極50に到達する
までの時間Tfのバラツキは極めて小さなものとなってい
る。第４図は、実際に火炎の到着所要時間Tfを計測した
ものを示すヒストグラムであるが、図示するように、本
実施例による検出のバラツキ（実線Ｊ）は、従来の単一
電極による検出のバラツキ（点線Ｄ）と較べて、格段に
改善されている。しかも、本実施例の火炎検出装置は、
検出子20を燃焼室７のシリンダヘッドに取り付けるだけ
という、極めて簡易な構成であり、以上実開昭57−7974
1号公報の火炎検出装置のように点火プラグ10から遠ざ
ける必要もないため、コンパクトな外観となり、取り扱
いも容易である。

また、上記特開昭59−83026号公報の火炎検出装置と
異なり、電極50は、点火プラグ10とは別体にされている
ため、点火に起因するノイズの影響を受けにくい。

また、以上のように構成された火炎検出装置を用いて
点火時期制御装置を構成すれば、混合気の燃焼における
火炎の伝播速度を正確かつ応答性よく検出できるので、
点火時期制御の特性が著しく改善される。点火時期制御
装置としての構成について説明すると、電子制御装置30
は、第５図に示す点火時期設定ルーチンを所定のタイミ
ングで繰り返し実行して点火時期θを求めており、設定
された点火時期θに基づいて、図示しない点火制御ルー
チンで、イグナイタ22を駆動して点火プラグ10に電気火
花を形成している。

点火時期設定ルーチンでは、第５図のフローチャート
に示すように、まず、内燃機関１の運転状態、ここでは
スロットル開度αや回転数Ｎ等を読み込み（ステップ10
0）、ROM32に予め用意された３次元マップをこれらをパ
ラメータとして参照して基本点火時期θbaseを読み出す
処理を行なう（ステップ110）。続いて、前回の爆発行
程における火炎到着所要時間Tfを読み込む処理を行ない
（ステップ120）、この火炎到着所要時間Tfに基づい
て、進角値θadを設定する処理を行なう（ステップ13
0）。その後、基本点火時期θbaseと進角値θadとか
ら、点火時期θを求める処理を行ない（ステップ14
0）、「NEXT」へ抜けて本ルーチンを終了する。

以上説明した点火時期制御装置は、精度よく求められ
た火炎の到着所要時間Tfに基づいて進角値を設定し、点
火時期θを求めているので、点火時期の制御は、燃焼室
７内の火炎の伝播速度を直ちに反映したものとされる。
従って、点火時期制御の応答性や制御精度を著しく改善
することができる。この結果、内燃機関１の燃費や耐久
性の向上を図ることができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこ
うした実施例に何等限定されるものではなく、例えば火
炎の到着所要時間Tfに基づいて混合気の空燃費を制御す
る構成や燃焼解析装置に応用した構成、あるいは、第６
図に示すように、円環状の電極50a,50bを二重に設け、
外側の電極50bに先にイオン電流が流れたことにより異
常燃焼（ノッキング等）の発生を検出するノッキング検
出装置の構成など、本発明の要旨を逸脱しない範囲にお
いて、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

発明の効果 以上詳述したように、本発明の火炎検出装置によれ
ば、簡易な構成でありながら、円環電極とされているこ
とにより、混合気の燃焼状態のバラツキに起因する火炎
伝播・分布の相違の影響を受けにくく、しかも円環電極
は点火プラグとは別体にされているため、点火に起因す
るノイズの影響も受けにくい。従い火炎の到着所要時間
の検出精度を格段に向上させることができるという優れ
た効果を奏する。この結果、火炎検出を用いる諸制御の
制御精度の向上に資することができる。更に、円環電極
を多重とすれば、異常燃焼の検出にも応用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一モデルにおける確率密度関数を示す
グラフ、第２図は本発明一実施例としての火炎検出装置
を組み込んだ点火時期制御装置の概略構成図、第３図
（Ａ）は検出子20の構造を示す断面図、第３図（Ｂ）は
同じくその平面図、第４図は実施例における検出データ
のバラツキを従来例との比較において示すグラフ、第５
図は点火時期設定ルーチンを示すフローチャート、第６
図は他の実施例としての検出子の構造を示す断面図、で
ある。 １……内燃機関 ３……スロットルバルブ 10……点火プラグ 20……検出子20 22……イグナイタ 30……電子制御装置 38……イオン電流検出回路 50……電極

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室に設けられた点火プラグによって混
   合気への点火を行なう内燃機関の上記燃焼室に、上記点
   火プラグとは別体に設けられ、該点火プラグを囲繞する
   円環電極と、 該円環電極から火炎殻中のイオンを介して流れるイオン
   電流を検出するイオン電流検出手段と、 を備える火炎検出装置。
2. 【請求項２】円環電極は、同心円状の多重円環電極であ
   り、イオン電流検出手段は、円環電極毎にイオン電流を
   検出するよう複数設けられた特許請求の範囲第１項記載
   の火炎検出装置。
3. 【請求項３】イオン電流検出手段は、円環電極毎のイオ
   ン電流の検出タイミングの相違を検出する異常火炎検出
   手段を備えた特許請求の範囲第２項記載の火炎検出装
   置。