JP3281567B2 - 内燃機関のイオン電流検出システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として自動車用
エンジンにおいて、希薄燃焼制御やノックの発生を検出
するために用いるイオン電流を検出する内燃機関のイオ
ン電流検出システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンの燃焼室内にイオン電流
を発生させ、そのイオン電流の特性を分析して、エンジ
ンを制御するために利用することが試みられている。一
例として、イオン電流に重畳するノック成分を検出し
て、ノックの発生を検出することが考えられている。こ
のようなノックの検出方法としては、例えば特開昭５８
−７５３６号公報に記載の方法のように、エンジンのス
パークプラグの電極間に電圧を印加し、電圧間に生じた
電圧に基づいてイオン電流を検出し、検出したイオン電
流に対応するイオン信号の振幅および幅よりノックを検
出（判定）するものが知られている。すなわち、イオン
信号は、ノックが発生した場合、そのノックの強さによ
り変化するもので、ノックの強度が強いほど振幅及び幅
は大きくなる。したがって、このイオン電流を検出する
ことにより、ノックの発生を検出するとともに、その強
さつまりノックレベルを検出することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、イオン電流
は、同じ運転条件において検出した場合でも、エンジン
を運転している環境の相違により、その電流波形に相違
が生じることがある。具体的には、気温、湿度、気圧等
の環境条件により、イオン電流波形が大きくなることが
ある。したがって、上記のように、イオン電流を検出し
てそのイオン信号の振幅及び幅よりノックを検出するも
のでは、イオン電流が大きくなることによりノックレベ
ルの大きなノックが生じたとして、誤って検出すること
がある。つまり、環境に影響されてイオン電流が大きく
なった場合に、実際にはノックが発生していないのにノ
ックが発生したと誤検出したり、この逆に、イオン電流
が小さくなった場合に、ノックが生じていてもノックは
発生していないと誤検出することがある。このような誤
ったノックの検出により点火時期等を制御すると、ドラ
イバビリティ等が低下する場合があった。

【０００４】本発明は、このような不具合を解消するこ
とを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、次のような手段を講じたものであ
る。すなわち、本発明に係る内燃機関のイオン電流検出
システムは、環境条件によるイオン電流変化の影響を最
小限にするために、イオン電流を検出するに際して、イ
オン電流のピーク値を検出する手段と、そのピーク値に
基づいてイオン電流を補正する手段と、補正したイオン
電流から少なくとも内燃機関の燃焼状態を検出する手段
とを備えるものである。このように、イオン電流のピー
ク値に基づいてイオン電流を補正することにより、環境
の変化によりイオン電流が変化しても、安定して運転状
態に対応したイオン電流の特性を検出することができ
る。その結果、例えば、ノックが生じている場合にイオ
ン電流に重畳するノック信号についても、誤って検出す
ることが防止でき、ノックの検出精度が向上する。

【０００６】

【発明の実施形態】本発明は、内燃機関の燃焼室内に点
火毎に発生させたイオン電流のピーク値を検出するピー
ク検出手段と、検出したピーク値に基づいてイオン電流
又はイオン電流によりノックの発生を検出する際の検出
用要素を補正する補正手段と、補正したイオン電流又は
検出用要素に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出する燃
焼状態検出手段とを具備することを特徴とする内燃機関
のイオン電流検出システムである。検出用要素として
は、ノック成分とノック成分の判定レベルとからなり、
ノックの発生の検出において、ピーク値に基づいてノッ
ク成分とノック判定レベルとの少なくとも一方をノック
と判定しがたいように相対的に補正するものが好まし
い。 また、ノック成分をピーク値が大きくなるにしたが
い減じる方向、及び判定レベルをピーク値が大きくなる
にしたがい高くする方向、の少なくとも一方の方向に補
正することが望ましい。

【０００７】本発明において、イオン電流は、点火直後
の燃焼室内に発生させた本来のイオン電流とそれに重畳
するノック成分とを含むものである。また、イオン電流
のピーク値は、イオン電流の波高値が最大となった時の
値で、通常燃焼圧が最も高くなった時点に略一致して検
出される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、図１を参照して
説明する。図１に概略的に示したイオン電流検出システ
ムＩＤＳは、自動車用の３気筒の内燃機関すなわちエン
ジンのためのもので、ノック検出のための回路を備える
構成である。図示しないが、エンジン自体は、キャブレ
タ方式のものや燃料噴射電子制御方式のもの等、各種の
ものを使用することができる。例えば、燃料噴射弁を備
えるエンジンにあっては、電子制御装置が、水温セン
サ、吸気圧センサ、Ｏ ₂センサ、カムポジションセン
サ、車速センサ、スロットル開度センサ等から出力され
る各信号に基づいて、各気筒の燃料噴射弁を制御して、
運転状態を制御するように構成してある。また、スパー
クプラグ１に印加する点火信号についても、上記センサ
からの出力信号に基づいて、運転状態に応じて進角及び
遅角制御を行うものである。電子制御装置は、中央演算
処理装置と、記憶装置と、入力インターフェースと、出
力インターフェースと、Ａ／Ｄコンバータとを具備して
なるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されて
いる。

【０００９】この電子制御装置に接続するイオン電流検
出システムＩＳＤは、スパークプラグ１に接続されるも
ので、ゲインリミッター付チャージアンプ２と、チャー
ジアンプ２をスパークプラグ１に接続する高圧ダイオー
ド３と、バンドパスフィルタと積分回路と中央演算処理
ユニット（ＣＰＵ）とを含むイオン電流処理回路４とを
備えている。なお、図示しないが、イオン電流検出シス
テムＩＤＳは、点火直後のスパークプラグ１に、イオン
電流を発生させるためのバイアス電圧を印加する電源を
備えるものである。同図において、５はイグニッション
コイル、６は高圧ダイオード、７はイグニッションコイ
ル５への通電を制御するためのスイッチングトランジス
タである。

【００１０】チャージアンプ２は、補正手段たるゲイン
可変アンプ２１とピーク検出手段たるピーク検出回路２
２と、積分回路２３とを備えている。ゲイン可変アンプ
２１は、その出力信号の大きさが所定のレベルを超えな
いように、燃焼室内に発生させたイオン電流を、ゲイン
（利得）を変えることによりその電流信号レベルを調整
して出力する。すなわち、入力されるイオン電流のピー
ク値が正常燃焼時に得られるピーク値より極端に高い場
合、ピーク検出回路２２で検出したピーク値は通常より
も高く、その結果積分回路２３からの出力電圧が高くな
る。このため、ゲイン可変アンプ２１は、その出力電圧
に応じて設定されたゲインになるようにゲインを下げ
て、ゲイン可変アンプ２１から出力されるイオン電流の
電流信号が異常に大きくならないように調整する。逆
に、積分回路２３からの出力電圧が低い場合は、ゲイン
可変アンプ２１はゲインを上げて、イオン電流信号が小
さくなりすぎてイオン電流が検出できなくならないよう
に調整する。

【００１１】イオン電流処理回路４は、燃焼状態検出手
段を構成するもので、チャージアンプ２からの出力信号
に基づいてイオン電流を検出するもので、本来のイオン
電流を検出するとともに、検出した本来のイオン電流に
重畳するノック成分を、バンドパスフィルタにより本来
のイオン電流から抽出してノック発生を検出するように
なっている。イオン電流の特性の検出は、例えば、イオ
ン電流の持続時間を計測して行うものであってよい。具
体的には、所定の電流値を設定しておき、入力されたイ
オン電流の電流値がその所定の電流値を上回る状態が持
続する時間で、イオン電流の特性を検出する。このイオ
ン電流の特性の検出により、例えば、燃焼の安定状態を
判断し、希薄燃焼制御における制御限界等を検出するの
に利用する。また、ノック発生の検出は、例えば、イオ
ン電流から抽出されたノック成分に対応するノック信号
が、ノック発生判定のために設定した基準値を超える大
きさである場合に、ノックの発生を検出するものであ
る。

【００１２】このように、チャージアンプ２がイオン電
流のピーク値に基づいてイオン電流の電流信号レベルを
調整するので、仮に環境によりチャージアンプ２に入力
されるイオン電流が過大なものになっても、イオン電流
処理回路４に入力される電流信号は適正なレベルのもの
になっている。つまり、過大なイオン電流がチャージア
ンプ２に入力すると、そのピーク値をピーク検出回路２
２で検出し、その検出したピーク値によりゲイン可変ア
ンプ２１のゲインが設定され、ゲイン可変アンプ２１か
ら出力されるイオン電流は適正なピーク値を有するもの
に調整される。このため、本来のイオン電流の特性を正
確に検出することができる。また、本来のイオン電流が
過大になることにより重畳しているノック成分が異常を
示していても、ノック成分はチャージアンプ２を通過す
ることにより、過大なままでイオン電流処理回路４に入
力されることがないので、ノックの発生を正確に検出す
ることができる。

【００１３】次に本発明の他の実施例を図２〜４を参照
して説明する。この実施例のイオン電流検出システムＩ
ＤＳ２では、ゲインを固定した通常のチャージアンプ１
０２からの出力信号から波高値測定回路１１１によりピ
ーク値を測定し、その測定値に基づいて抽出したノック
成分を補正して、チャージアンプ１０２に入力されるイ
オン電流の異常に影響を受けることなくノックの発生を
検出するものである。具体的には、図２に示すように、
イオン電流検出システムＩＤＳ２は、チャージアンプ１
０２と、チャージアンプ１０２の出力信号に基づいてピ
ーク値を測定する波高値測定回路１１１と、イオン電流
に重畳するイオン成分を抽出するバンドパスフィルタ１
０４ａ、積分回路１０４ｂ、及び抽出されたイオン成分
を波高値測定回路１１１からの出力に基づいて補正して
ノックの発生を検出する中央演算処理ユニット（ＣＰ
Ｕ）１０４ｃからなるイオン電流処理回路１０４と、チ
ャージアンプ１０２をスパークプラグ１に接続する高圧
ダイオード１０３とを備えている。

【００１４】波高値測定回路１１１は、チャージアンプ
１０２から出力されるイオン電流からアナログ信号のピ
ーク値を検出し、検出したピーク値をＡ／Ｄ変換して、
ピーク値のデジタルデータ（以下、ピークデータと略称
する）をイオン電流処理回路１０４の中央演算処理装置
１０４ｃに出力する。中央演算処理ユニット１０４ｃ
は、ノック成分をＡ／Ｄ変換するとともに、変換したノ
ック成分を入力されるピーク値のデジタルデータに基づ
いて補正し、ノックの発生を検出するようプログラムし
てある。

【００１５】この実施例の動作について、図３及び４を
参照して説明する。まず、チャージアンプ１０２の出力
信号から、波高値測定回路１１１がイオン電流のピーク
値を測定する（ステップＳ１）。測定値は、ピークデー
タにしてイオン電流処理回路１０４に出力される。この
時、バンドパスフィルタ１０４ａと積分回路１０４ｂと
により、イオン電流にノック成分が重畳している場合に
は、そのノック成分が抽出され、ノック信号として中央
演算処理ユニット１０４ｃに入力される。中央演算処理
ユニット１０４ｃでは、この時点のエンジン回転数と入
力されたピークデータとから補正係数ＫＫＮＫＡＤＪを
計算し設定する（ステップＳ２）。補正係数ＮＫＫＮＡ
ＤＪは、図４に示すように、イオン電流のピーク値が大
きくなるほど、またエンジン回転数が小さいほど小さい
値になるように、あらかじめ代表的な値をマップにして
おき、そのマップを用いて補間計算して設定される。こ
の後、設定した補正係数ＫＫＮＫＡＤＪにより、入力さ
れてＡ／Ｄ変換したノック信号を補正して、ノックの発
生を検出する（ステップＳ３）。

【００１６】このように、イオン電流のピーク値に基づ
いてノック信号を補正するので、イオン電流が環境から
の影響により過大な電流値を示す場合であっても、イオ
ン電流の異常な状態の影響を受けることなく、確実にノ
ックの発生を検出することができる。また、ノック信号
を補正するとともに、チャージアンプ１０２の出力信号
を補正することにより、上記実施例同様に、環境の影響
を受けることなく本来のイオン電流をも検出することが
できる。この場合、補正係数はノック信号のための補正
係数ＫＫＮＫＡＤＪと同じであってよい。

【００１７】なお、上記した他の実施例では、イオン電
流のピーク値を検出し、そのピーク値毎に補正係数を設
定する構成であるが、検出したピーク値をなまし処理や
平均化処理等のピーク値の変化が反映される数値処理を
行い、その処理後の値を用いて補正係数ＫＫＮＫＡＤＪ
ａを計算するものであってもよい。この例の場合、イオ
ン電流検出システムの回路構成自体は上記他の実施例と
同じであってよい。一方、イオン電流処理回路１０４に
おけるピークデータによるイオン電流の処理制御プログ
ラムは、図５に示すように、ピークデータの平均化処理
を行うために、上記他の実施例とは相違している。

【００１８】すなわち、例えば、ピークデータを平均化
する場合、上記他の実施例と同様に、イオン電流のピー
ク値を測定し、Ａ／Ｄ変換してピークデータを得る（ス
テップＳ１１）。次に、そのピークデータを平均化処理
する（ステップＳ１２）。平均化処理は、例えば移動平
均を演算するものであってよく、今回測定したピーク値
を含め、これまでのピークデータの３２個をサンプリン
グして平均値を演算するものである。そして、平均化さ
れたピークデータとエンジン回転数とに基づいて、補正
係数ＫＫＮＫＡＤＪａを計算して設定し（ステップＳ１
３）、設定した補正係数ＮＫＫＮＡＤＪａによりノック
成分を補正して、ノックの発生を検出する（ステップＳ
１４）。補正係数ＫＫＮＫＡＤＪａは、上記他の実施例
と同様に、ピークデータが大きいほど、またエンジン回
転数が小さいほど小さくなるように設定するものであ
る。

【００１９】このように、ピーク値を平均化処理したも
のにより補正係数ＫＫＮＫＡＤＪａを計算し、その補正
係数ＫＫＮＫＡＤＪａによりノック成分を補正すれば、
突発的なノイズ等によりノックが発生していないにもか
からわず、そのようなノイズのためにノック発生を誤っ
て検出すると言った不具合を防止することができる。ま
た、ノック成分にかえて、チャージアンプからの出力信
号を補正係数ＫＫＮＫＡＤＪａにより補正すれば、ノイ
ズの発生を検出する場合と同様に、突発的なイオン電流
の変動が生じても、確実にイオン電流を検出することが
でき、希薄燃焼制御等における燃焼変動の限界を正確に
検出することができる。

【００２０】なお、本発明は以上に説明した実施例に限
定されるものではない。ノックの発生を検出するもので
は、検出したピークデータに基づいてノック成分の判定
レベルを変更するものであってもよい。すなわち、ピー
ク値が大きくなると、それに伴ってノイズ成分も大きく
なるので、ピーク値の大きさに比例して判定レベルを大
きく設定するものである。このように判定レベルをピー
ク値の大きさに基づいて設定することにより、上記した
それぞれの実施例と同様の効果を奏するものである。

【００２１】その他、各部の構成は図示例に限定される
ものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形が可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、イオン
電流のピーク値に基づいてイオン電流又はイオン電流に
よりノックの発生を検出する際の検出用要素を補正する
ので、環境条件によりイオン電流が過剰に流れた場合で
あっても正確にイオン電流の特性を検出することができ
る。したがって、本来のイオン電流の特性を精度よく検
出できるとともに、ノック成分を誤検出することを防止
することができる。その結果、イオン電流の大きさに影
響を受けることなくなるので、特に、ノック発生の検出
精度及び信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略構成説明図。

【図２】本発明の他の実施例を示す概略構成説明図。

【図３】他の実施例のノック検出をするルーチンの概略
的な制御手順を示すフローチャート。

【図４】他の実施例の補正係数のエンジン回転数とピー
クデータとの関係を示すグラフ。

【図５】他の実施例の変形例の図３相当図。

【図６】他の実施例の変形例の図４相当図。

【符号の説明】

ＩＤＳ…イオン電流検出システム ２…ゲインリミッター付チャージアンプ ４…イオン電流処理回路 ２２…ピーク検出回路 ２３…積分回路 １０４…波高値測定回路 １１１…イオン電流処理回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−210175（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−116283（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−308360（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−272608（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−346831（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−170578（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02P 17/00 F02D 45/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の燃焼室内に点火毎に発生させた
   イオン電流のピーク値を検出するピーク検出手段と、 検出したピーク値に基づいてイオン電流又はイオン電流
   によりノックの発生を検出する際の検出用要素を補正す
   る補正手段と、 補正したイオン電流又は検出用要素に基づいて内燃機関
   の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段とを具備するこ
   とを特徴とする内燃機関のイオン電流検出システム。
2. 【請求項２】検出用要素が、ノック成分とノック成分の
   判定レベルとからなり、ノックの発生の検出において、
   ピーク値に基づいてノック成分とノック判定レベルとの
   少なくとも一方をノックと判定しがたいように相対的に
   補正することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のイ
   オン電流検出システム。
3. 【請求項３】ノック成分をピーク値が大きくなるにした
   がい減じる方向、及び判定レベルをピーク値が大きくな
   るにしたがい高くする方向、の少なくとも一方の方向に
   補正することを特徴とする請求項２記載の内燃機関のイ
   オン電流検出システム。