JP3571138B2

JP3571138B2 - 燃焼状態検出装置

Info

Publication number: JP3571138B2
Application number: JP07521596A
Authority: JP
Inventors: 浩頼田; 融吉永; 靖之佐藤; 政雄加納; 時男小浜; 敏昭山浦
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2016-03-04
Also published as: JPH0925867A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
内燃機関の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の駆動力は、内燃機関の燃焼室における燃料と空気の混合ガスの燃焼により得ている。燃焼室に導入された混合ガスの点火は燃焼サイクルの然るべきタイミングで、燃焼室内に設けられた点火プラグの対向電極間に直流高電圧を印加して火花放電を発生することにより行われる。点火プラグで発生した火炎は燃焼室内に広がり大きな爆発エネルギーが発生する。燃焼状態は車両の走行状態により絶えず変化しているため燃焼状態、特に異常燃焼を検出し、検出結果に基づいて点火プラグの点火時期や空気燃料比等を制御して燃焼状態を良好に保つことが行われている。例えば、ノッキングと称される異常燃焼は、燃焼のタイミングがずれるために駆動力を効率よく取り出せない上、燃焼室内圧力の過昇により内燃機関の故障を起こすことがある。これを防止するため燃焼室にノッキングにより発生する異常振動を検出するノッキングセンサを設けてノッキングを検出し点火のタイミングを遅らせる制御が行われている。しかしながら上記ノッキングセンサは、ノッキング以外の原因で起こる振動に対し誤検出する不具合があった。そこで特開昭５８−７５３６号公報にはノッキングによる大きな爆発で燃焼室内に大量の燃焼イオンが発生することに着目し、点火プラグの対向電極間に直流電圧を印加して上記燃焼イオンによる電流を検出して燃焼の強さを検出するようにしたノッキング検出方法（第１従来例）が開示されている。
【０００３】
また米国特許４，６７２，３２４号にはバーナの炎側に設けた燃焼プローブと、燃焼ガスが吹き出すバーナベッドとの間に５０〜４００Ｈｚ程度の交流電圧を印加し、バーナの炎の中に燃焼イオンが存在するときには、燃焼プローブで検出される電流が多く、燃焼イオンが存在しないときには殆ど流れないことを利用して上記電流の大きさを二値判定し、燃焼の有無を検出するようにしたものがあり（第２従来例）、これを内燃機関の燃焼状態の検出に用いることが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関には燃費の向上や排気ガスの浄化等の対策がなされている。例えば、燃費を向上する希薄燃焼や排気ガス中の窒素酸化物等を浄化する排気ガス再循環等である。これらの対策は、一方では不安定な燃焼状態を起こしやすく、ノッキングの他、失火や吹き消え等のおそれがあり、上記対策の所期の目的を達するには、燃焼状態の適切な制御を行う必要がある。そのためには燃焼の強さの経時変化等の燃焼状態をより正確に検出することが要請される。
【０００５】
しかるに上記第１従来例では容量素子として作用する電極の充放電電流の影響を受けるため検出対象である燃焼イオン電流だけを検出するのが困難である。また直流高電圧を印加するため燃焼イオンが電極に吸引されて消滅するので検出される電流が減衰し、十分な出力が得られない。このため、ノッキングや失火の有無の判定にはある程度の効果を奏するものの検出精度が不足し上記燃焼状態の制御には十分なものではなかった。加えて、車両のバッテリからＤＣ−ＤＣコンバ−タで高圧にする必要があり、複雑かつコスト高となる問題点があった。
【０００６】
また第２従来例を用いると次の問題がある。内燃機関の燃焼期間は数ｍｓｅｃ程度であり、この期間における燃焼の強さの経時変化を検出するには、交流電圧の周波数を５００Ｈｚ以上にする必要があり、実用上は数ｋＨｚ以上であることが望ましい。ところが交流電圧の周波数を高くすると対向電極の容量や配線の浮遊容量によるインピーダンスが低下し、容量素子として作用する上記対向電極の充放電電流成分（以下、容量電流という）が燃焼イオンにより電荷が輸送される電流成分（以下、燃焼イオン電流という）に匹敵する。この結果、対向電極を流れる電流から直接、燃焼イオン電流を検出することができなくなる。
【０００７】
そこで本発明では、上記燃焼イオン電流を正確に検出し、しかも低コストの内燃機関の燃焼状態検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明によれば、本発明の燃焼状態検出装置は燃焼室に設けた一対の対向電極と、交流電圧印加手段と、電流検出手段と、該電流検出手段から出力される上記電流信号から上記交流電圧に対応して発生する容量電流を除去し、上記対向電極間を流れる燃焼イオン電流を抽出する燃焼イオン電流抽出手段とを具備する。
【０００９】
上記交流電圧印加手段により上記対向電極間に印加される交流電圧により、電流が上記対向電極を上記交流電圧と同一周波数で流れ、電流検出手段が上記電流を検出し、電流信号を出力する。この電流検出手段にて検出される電流信号には、燃焼イオン電流成分と容量電流成分とが含まれており、燃焼イオン電流抽出手段において、交流電圧に対応して発生する容量電流成分を除去し、対向電極間に流れる燃焼イオン電流成分を抽出する。この結果、交流電圧の印加により、燃焼イオン成分が電極に吸収されて消滅することによる出力電流の低下を防止することができるとともに、容量電流の影響を受けることなく燃焼イオン電流を正確に検出することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、上記燃焼イオン電流抽出手段は、上記交流電圧に対して所定の位相で上記電流信号を出力する検出電流制御手段を具備する。上記電流に含まれる容量電流は所定の位相で一定であるから容量電流が除去される。そして所定の位相では燃焼イオン電流は周期的な変化を含まない。しかして所定の位相で出力された上記電流信号は燃焼イオン電流となる。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、上記検出電流制御手段は、電圧トリガ−発生回路と、サンプルホ−ルド回路とを具備する。上記電圧トリガ−発生回路が上記交流電圧に対して所定の位相でトリガ−を発し、該トリガーに応答して上記サンプルホ−ルド回路が、上記電流信号をホ−ルドする。しかして交流電圧に対して所定の位相で電流信号を検出できる。
【００１２】
請求項４記載の発明によれば、上記燃焼イオン電流抽出手段は上記電流信号の位相差を検出する位相差検出手段を具備する。上記容量電流は交流電圧に対して所定の位相を有するため、上記電流の交流電圧に対する位相差は容量電流によっては変わらず、燃焼イオン電流に応じた変化を示す。すなわち燃焼イオンの量が多くなるに従って上記位相差が大きくなる。これより上記位相差は燃焼イオン電流に対応した値となる。
【００１３】
請求項５記載の発明によれば、上記位相差検出手段は第１、第２の位相トリガー発生回路と、これらより発せられる第１、第２のトリガー間の時間を計測する時間計測回路とを具備する。第１のトリガーは交流電圧に対して所定の位相で発せられる。第２のトリガーは上記電流信号が所定のレベルとなる位相で発せられる。しかして第１、第２のトリガー間の時間を時間計測回路が計測することにより上記位相差が検出できる。
【００１４】
請求項６記載の発明によれば、上記燃焼イオン電流抽出手段は、上記交流電圧に対し所定の位相を有する容量電流信号を発生する容量電流信号発生手段と、上記容量電流信号と上記電流信号の差分を出力する減算回路とを具備する。容量電流は上記交流電圧に対して所定の位相を有するため上記容量電流信号は上記容量電流に対応している。減算回路で上記電流信号と上記容量電流信号の差分を求めることにより、容量電流成分の変化が除去され、上記減算回路からの出力は上記燃焼イオン電流に対応した信号となる。しかも上記燃焼イオン電流信号は時間的に連続した信号で任意の時刻の瞬時値が得られる。
【００１５】
請求項７記載の発明によれば、上記容量電流信号発生手段は上記交流電圧を微分する微分回路を具備する。上記交流電圧は微分回路で微分されて所定の位相を有する上記容量電流信号となる。
【００１６】
請求項８記載の発明によれば、上記燃焼状態検出装置は上記交流電圧に応じた電圧信号と上記燃焼イオン電流信号の比を演算する演算手段を具備する。上記電圧信号と上記燃焼イオン電流信号の比を演算することで上記対向電極間の燃焼イオン電流のコンダクタンス（インピーダンス）が時間的に連続した信号として得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１の内燃機関の燃焼状態検出装置を図１に示す。内燃機関の燃焼室の点火プラグ１には対向電極１１、１２が設けてあり、対向電極の一方１１には交流電圧印加手段２を構成するトランス２１の二次側巻線２１ｂの一方の端子が接続してある。
【００１８】
交流電圧印加手段２は、トランス２１の一次側巻線２１ａの一方の端子にはバッテリ２２が接続してあり、他方の端子には上記バッテリ２２から印加される電圧のＯＮ−ＯＦＦを行なうスイッチングトランジスタ２３のコレクタが接続してある。また周波数３０ｋＨｚの矩形波信号を発生する発振器２５が設けてあり、矩形波信号が２入力のＯＲゲート回路２４を介してスイッチングトランジスタ２３のベースに入力するようになっている。
【００１９】
一方、上記トランス２１の二次側巻線２１ｂの他方の端子と対向電極の他方１２の間に対向電極１１、１２に流れる電流を検出する電流検出手段たる検出抵抗３が設けてあり、検出抵抗３の、トランス２１の二次側巻線２１ｂ側は燃焼イオン電流抽出手段の検出電流制御手段４Ａを構成するサンプルホールド回路４１に入力するようにしてある。
【００２０】
発振器２５は検出電流制御手段４Ａを構成する電圧トリガー発生回路の機能を果たしており、これより出力される上記矩形波信号がサンプルホールド回路４１に入力するようになっている。発振器２５の矩形波信号のＨレベルからＬレベルへの変化がトリガ−となる。
【００２１】
点火プラグ１と交流電圧印加手段２の一部は上記燃焼室に導入した燃料と燃焼空気の混合ガスに点火する役割も果たしている。ＯＲゲ−ト回路２４には、電子制御装置（ＥＣＵ）８が接続してあり、ＥＣＵ８から点火信号としてＨレベル信号が出力されると上記ＯＲゲート回路２４を介して上記スイッチングトランジスタ２３をＯＮし、バッテリ２２からイグニッションコイルとしての役割をなすトランス２１に点火用エネルギ−が蓄積される。その後、点火信号がＨレベルからＬレベルに変わると電磁誘導により点火プラグ１の対向電極１１、１２間に高電圧が印加され対向電極１１、１２間に火花放電が発生する。該火花放電により上記混合ガスに点火する。
【００２２】
次に上記燃焼状態検出装置の作動を図１と、図２に示すタイムチャートを用いて説明する。上記のように混合ガスが点火、燃焼している状態において、発振器２５から矩形波信号がＯＲゲ−ト回路２４を介してスイッチングトランジスタ２３のベースに入力すると、これによりトランス２１の一次側巻線にバッテリ電圧のＯＮ−ＯＦＦが繰り返される。しかして電磁誘導によりトランス２１の二次側巻線２１ｂには上記矩形波信号の周波数と同じ周波数の高圧の交流電圧が発生し、点火プラグ１の対向電極１１、１２間に印加される。図２（Ａ）は発振器２５から出力する矩形波信号を示すもので、図２（Ｂ）は電極１１，１２間に印加する交流電圧を示すものである。交流電圧はスイッチングトランジスタ２３やトランス２１、これらの実装状態における浮遊容量により、矩形波信号とくらべ波形がなまり、かつ位相が矩形波信号に対し常に一定で約９０°遅れる。
【００２３】
印加された交流電圧により対向電極１１、１２に電流が流れる。図２（Ｃ）は上記電流のうち容量電流を示すもので、上記交流電圧の時間微分に比例した電流となるから、交流電圧の周波数が高いほど振幅が大きくなる。容量電流は燃焼イオンの量によらず振幅と、交流電圧に対する位相が一定で、トリガーたる、上記矩形波信号のＨレベルからＬレベルへの変化が起きる位相で０となる。図２（Ｄ）は燃焼イオンの量の増減で変化する燃焼イオン電流を示すもので、実線は燃焼イオンが多い場合を示し、破線は燃焼イオンが少ない場合を示している（以下のタイムチャートについても同様とする。）。燃焼イオン電流は振幅が、対向電極１１，１２間に存在してキャリアとなる燃焼イオンの量に比例し、上記交流電圧と同位相で振動し、上記矩形波信号がＨレベルからＬレベルに変化する位相で最大となる。容量電流と燃焼イオン電流の和が対向電極１１、１２を流れる電流である。図２（Ｅ）は、上記電流を示すもので、燃焼イオンの量が多い場合と少ない場合とで電流の波形は異なるものとなる。電流は検出抵抗３における上記電流の大きさに比例した電圧として検出され、この電圧が電流信号としてサンプルホールド回路４１に入力する。
【００２４】
上述のごとく交流電圧が最大の時に上記矩形波信号がＨレベルからＬレベルに変化し、サンプルホ−ルド回路４１はそのタイミングで電流信号をホ−ルドし、燃焼イオン電流信号として出力する。矩形波信号がＨレベルからＬレベルに変化する時は上述のとおり容量電流成分が０であり、上記電流信号から容量電流が除去されている。しかも燃焼イオン電流成分が最大となるときであるから燃焼イオン電流信号を効率よく抽出することができる。本実施形態では、発振器２５の周波数が３０ｋＨｚであるから１ｍｓｅｃあたり３０の時系列的な燃焼イオン電流信号が得られる。しかして内燃機関の１燃焼サイクル中の燃焼イオンの増減が経時的に検出できる。
【００２５】
なお本実施形態では対向電極として点火プラグの対向電極を用いたが、点火プラグとは別に対向電極を備えた専用のイオンプローブを設けてもよい。また、サンプルホールド回路は矩形波信号がＨレベルからＬレベルに変化する位相で検出出力をホールドしたが、ＬレベルからＨレベルに変化する位相でホールドしても燃焼イオン電流の大きさは最大となる。大きな燃焼イオン電流信号が必要ではないときは他の位相でホールドしてもよい。この場合、検出電流制御手段４Ａにて検出される電流信号には容量電流が含まれるが、これは交流電圧に対して一定の位相で周期的に変化するから、一定のオフセットとして含まれるだけである。すなわち上記電流信号をサンプルホールド回路４１で交流電圧に対して所定の位相でホールドすることにより容量電流が実質的に除去されて、上記電流信号の変化から燃焼イオンの量の増減を検出することができる。また、電流検出手段として抵抗を用いたがコイルでもよい。
【００２６】
（第２実施形態）
本発明の第２の燃焼状態検出装置の一部を図３に示す。図３の燃焼状態検出装置は図１に示した燃焼状態検出装置において、点火プラグ１と交流電圧印加手段２、検出抵抗３は同一の構成とし、イオン電流抽出手段を別の構成としたもので、図中、同一番号を付したものは実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００２７】
別の構成の燃焼イオン電流抽出手段である図の位相差検出手段は、第１の位相トリガ−発生回路たる発振器（説明の便宜上、本実施形態では第１の発振器という）２５と位相差計測回路４Ｂとから構成してある。位相差計測回路４Ｂは、トリガー信号形成回路５Ａ、時間計測回路６、サンプルホールド回路７とで構成してある。
【００２８】
位相差計測回路４Ｂは第１の発振器２５の出力がトリガー信号形成回路５Ａの２入力のＯＲゲ−ト回路５２の一方の入力端子に入力するようになっている。第１の発振器２５から出力される矩形波信号のＬレベルからＨレベルへの変化が第１の位相トリガーとなる。ＯＲゲート回路５２の他方の入力端子には、検出抵抗３から出力される電流信号が第２の位相トリガー発生回路たるコンパレータ５１を介して入力するようにしてある。コンパレータ５１は−入力端子が接地してあり、上記電流信号が正のとき出力信号はＨレベルとなる。コンパレータ５１の出力信号のＨレベルからＬレベルへの変化が第２のトリガーとなる。ＯＲゲート回路５２は、第１のトリガーが一方の入力端子に入力してから第２のトリガーが他方の入力端子に入力するまでの時間、出力がＨレベルで、これがトリガー信号となる。
【００２９】
時間計測回路６は、ＯＲゲート回路５１の出力を入力として積分回路６４が設けてあり、ＯＲゲート回路５２から入力するＨレベルの信号を積分するようになっている。積分回路６４を構成するコンデンサ６５の両極端子間には積分回路６４をリセットするアナログスイッチ６３が接続してある。
【００３０】
時間計測回路６はまた、第１の発振器２５の発振周波数より十分大きな周波数３００ｋＨｚの矩形波信号を出力する第２の発振器６１と、上記第２の発振器６１の３パルス毎に１回パルスを上記アナログスイッチ６３に出力するカウンタ６２とが設けてあり、カウンタ６２から出力されるパルス信号がアナログスイッチ６３を作動せしめるリセット信号となる。カウンタ６２はＯＲゲート回路５２の出力がＬレベルのときだけ上記パルスを出力するように設定してある。
【００３１】
積分回路６４の出力は反転回路６６に入力し、反転回路６６は負値を取る積分回路６４の出力を元の正の信号に変換する。反転回路６６の出力はサンプルホールド回路７に入力するようになっており、サンプルホールド回路７はＯＲゲート回路５２の出力がＨレベルからＬレベルに変化する時に反転回路６６の出力をホールドし出力するようになっている。
【００３２】
上記燃焼状態検出装置の作動を図３、図４、図５により説明する。図４は装置全体の作動を示すタイムチャートで、図５はその要部の拡大図である。図４の（Ａ）、図５の（Ａ）は第１の発振器２５の出力を示すもので、発振器２５と交流電圧、容量電流とは第１実施形態で述べたように位相が常に一定であるから、第１のトリガーは対向電極１１，１２間に印加される交流電圧に対して一定の位相で出力される。
【００３３】
図４の（Ｅ）、図５の（Ｅ）は電流信号を示すものであり、図４の（Ｆ）、図５の（Ｆ）はコンパレータ５１の出力を示すものである。コンパレータ５１は、検出抵抗３から出力される電流信号が接地電位より高いときのみ出力がＨレベルとなるから電流信号が正から負へ変化するとき、すなわち電流信号が所定のレベルたる０になると第２のトリガー信号を発する。第１実施形態で述べたように燃焼イオン電流は、第１の発振器２５から出力される矩形波信号がＨレベルからＬレベルへ変化するときに最大となるから、検出抵抗３から出力される電流信号が正から負へ変化する位相は燃焼イオン電流が多くなるにつれ遅れる。しかして燃焼イオンの量が多くなるにしたがって、コンパレータ５１から第２のトリガーが出力される位相が遅れる。
【００３４】
図４（Ｇ）、図５（Ｇ）は上記トリガー信号を示すもので、ＯＲゲート回路５２は第１の発振器２５の出力とコンパレータ５１の出力の論理和をトリガー信号として出力する。上記トリガー信号は、ＬレベルからＨレベルへ立ち上がるタイミングは第１のトリガーと等しく、ＨレベルからＬレベルへ立ち下がるタイミングは第２のトリガーと等しい。
【００３５】
図４（Ｈ）は第２の発振器６１の出力を示すものであり、図４（Ｉ）はカウンタ６２の出力を示すものである。ＯＲゲート回路５２がＬレベルの間すなわち上記トリガー信号が出力されない間、カウンタ６２が第２の発振器６１の３パルスごとに１回リセット信号をアナログスイッチ６３に出力し、積分回路６４はリセットする。そしてＯＲゲート回路５２からトリガー信号が出力され始めると、積分回路６４はトリガー信号の積分を開始する。積分回路６４の出力が反転回路６６で正の信号に変換される。
【００３６】
図４の（Ｊ）、図５の（Ｊ）は反転回路６６の出力を示すもので、トリガー信号が出力されている間、一定の傾きで増加し、トリガー信号の出力が終了すると一定値となる。この一定値はトリガー信号の時間積分値であるからトリガー信号の長さに比例する。
【００３７】
反転回路６６の出力がサンプルホールド回路７に入力し、サンプルホールド回路７はコンパレータ５１の出力（図４の（Ｆ）、図５の（Ｆ））がＨレベルからＬレベルに変化すると、そのタイミングで反転回路６６の出力をホールドし燃焼イオン電流信号として出力する。コンパレータ５１の出力がＨレベルからＬレベルに変化するタイミングは、トリガー信号の出力が終了するタイミングであるから燃焼イオン電流信号はトリガー信号の長さに比例した上記一定値となる。上記トリガー信号の長さは、第１のトリガーが容量電流に対して同一の位相で発せられるから容量電流に依存しない量である。しかして上記電流信号は容量電流が除去されて燃焼イオン電流にのみ応じて変化する信号である。図４の（Ｋ）、図５の（Ｋ）はサンプルホールド回路７の出力を示すもので、矩形波信号の１周期ごとにその時点の燃焼イオン電流が得られる。
【００３８】
（第３実施形態）
本発明の第３の燃焼状態検出装置を図６に示す。第３実施形態の位相差検出手段に代えてトリガー信号形成回路５Ａを別のトリガー信号形成回路５Ｂとした別の位相差検出手段４Ｃとしたものである。図中、同一番号を付したものは実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００３９】
トリガー信号形成回路５Ｂは第１、第２のトリガー発生回路たるコンパレータ５１で構成され、その＋入力端子に検出抵抗３から電流信号が入力するようになっている。またコンパレータ５１は−入力端子が接地してあり、上記電流信号が正のとき、トリガー信号としてＨレベルの矩形信号を出力する。そしてコンパレータ５１の出力は積分回路６４に入力するとともに、カウンタ６２に入力する。トリガー信号はＬレベルからＨレベルへの変化が第１のトリガーとなり、ＨレベルからＬレベルへの変化が第２のトリガーとなる。またカウンタ６２は第２実施形態と同様にコンパレータ５１の出力がＬレベルの間、第２の発振器が３回パルスを出力するごとに１回リセット信号をアナログスイッチ６３に出力する。
【００４０】
本燃焼状態検出装置の作動を、本燃焼状態検出装置の発明の基礎となった知見とともに説明する。
【００４１】
内燃機関の燃焼室に設けた対向電極に電圧を印加したときに対向電極間に流れる燃焼イオン電流の量は印加する電圧の向きによりかなり異なる場合があることが知られ、その原因は燃焼イオンのうち正イオンが負イオンより多く存在するためとされている。図７の（Ｄ）はかかる場合における燃焼イオン電流を示すもので、正側にくらべ負側には僅かしか流れない。図７の（Ｅ）は電流信号を示すもので、図７の（Ｆ）はコンパレータ５１の出力を示すものである。燃焼イオン電流が正側にくらべ負側には僅かしか流れないため波形が立ち上がりでは殆ど容量電流と変わらない。したがって上記トリガー信号のＬレベルからＨレベルへ変化するタイミングは交流電圧に対してほぼ同一の位相で殆ど変化しない。また上記トリガー信号のＨレベルからＬレベルへ変化するタイミングは第２実施形態と同様に燃焼イオン電流に応じて前後する。したがってコンパレータ５１から出力されるトリガー信号の長さは容量電流に依存せず、燃焼イオン電流に応じて変化する。しかして第２実施形態におけるＯＲゲ−ト回路５２を省略して簡単な構成とすることができる。
【００４２】
第２、第３の実施形態では第２の位相トリガー発生回路は、−入力端子を接地したコンパレータ５１を設け電流信号が０になると第２のトリガーを発するようにしたがコンパレータ５１は、その−入力端子に所定の電圧を印加して「電流信号が所定のレベルになると第２のトリガーを発する第２の位相トリガー発生回路」としてもよい。
【００４３】
（第４実施形態）
図８に本発明の第４の燃焼状態検出装置を示す。内燃機関の燃焼室にイオンプローブ１Ａが設けてある。イオンプローブ１Ａは図１の点火プラグ１と同じもので、燃焼室側に対向電極１１、１２が設けてあり、対向電極の一方１１には交流電圧印加手段２Ａを構成するトランス２１Ａの二次側巻線２１ｄの一方の端子が接続してある。対向電極の他方１２は接地してある。
【００４４】
交流電圧印加手段２Ａは、トランス２１Ａの一次側巻線２１ｃに交流電源２６が接続してある。
【００４５】
トランス２１Ａの二次側巻線２１ｄの他方の端子と対向電極の他方１２の間に電流検出手段３Ａの検出抵抗３が設けてあり、対向電極１１、１２に流れる電流は、これに比例した電圧として検出され、この電圧が反転増幅回路９３に入力するようになっている。反転増幅回路９３は上記電圧を正負反転し、上記電流が電極１１から電極１２へ向かう方向を正とする電流信号に変換するようになっている。反転増幅回路９３の出力は減算回路９２の−入力端子に入力するようになっている。
【００４６】
一方、イオンプローブ１Ａの電極１１に一対のコンデンサ９４，９５が直列に接続してあり、対向電極１１、１２間の電圧を分割するようになっている。分割された電圧はバッファアンプ９６を介して電圧信号として演算手段たるＥＣＵ８Ａに入力する。またバッファアンプ９６の出力は微分回路９１に入力するようになっている。微分回路９１はコンデンサ９１１と抵抗９１２より構成してあり、バッファアンプ９６の出力を微分し、これを容量電流信号として出力するようになっている。微分回路９１の出力は減算回路９２の＋入力端子に入力するようになっている。減算回路９２は二入力の差動アンプで、上記電流信号と上記容量電流信号の差分を出力するようになっている。減算回路９２の出力が燃焼イオン電流信号としてＥＣＵ８Ａに入力するようになっている。ＥＣＵ８ＡはマイクロコンピュータやＡ／Ｄコンバータで構成してあり、バッファアンプ９６から出力される容量電流信号と、減算回路９２から出力される燃焼イオン電流信号とに基づいて演算を実行するようになっている。
【００４７】
上記燃焼状態検出装置の作動を図９の上記燃焼状態検出装置の各部の電圧のタイムチャートにより説明する。交流電源２６から出力される交流信号はトランス２１Ａで昇圧されてイオンプローブ１Ａの対向電極１１，１２に印加される。図９の（Ａ）は対向電極１１より出力される対向電極１１，１２間の電圧を示し、図９の（Ｂ）は反転回路９３から出力される電流信号を示している。電極１１から電極１２の方向へ向かう電流は検出抵抗３に接地側から流れ込む電流として現れるから反転増幅回路９３から出力される電流信号は、電極１１から電極１２の方向へ向かう電流と同じ符号の出力電圧として現れる。そして上記電流は燃焼イオン電流と容量電流を含むため対向電極１１，１２間に印加される交流電圧に対し位相が異なる交流の信号である。
【００４８】
図９の（Ｃ）はバッファアンプ９６から出力される電圧信号で、図９の（Ａ）に示す対向電極１１，１２間の電圧と同相である。図９の（Ｄ）は微分回路９１から出力される容量電流信号で、図９の（Ｅ）は減算回路９２から出力される燃焼イオン電流信号である。容量電流信号は上記電圧信号に対し位相が９０°進む信号となる。容量電流は対向電極１１，１２間に印加される交流電圧に対して位相９０°進むから、上記容量電流信号は容量電流と符号が同じで大きさが比例したものとなる。そして回路の各定数は減算回路９２に入力する電流信号、容量電流信号の換算の係数が等しくなるように設定してある。したがって燃焼イオン電流信号は対向電極１１，１２を流れる電流から容量電流を減じたもので、燃焼イオン電流に比例した信号であり、容量電流が除去されている。
【００４９】
ＥＣＵ８Ａはバッファアンプ９６から出力される対向電極１１，１２間に印加される交流電圧に比例した上記電圧信号ｖと、減算回路９２から出力される燃焼イオン電流に比例した信号ｉとを入力として、交流電源２６の周波数より十分速い一定の制御周期でこれらの比ｖ／ｉを演算する。ｖ／ｉは燃焼イオン電流に寄与するコンダクタンスで、対向電極１１，１２間に存在する燃焼イオンの濃度に依存した量である。そして対向電極１１，１２間に印加される交流電圧の周期とは無関係に上記制御周期ごとにコンダクタンスの瞬時値を得る。しかして燃焼イオンの増減を精度良好に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の燃焼状態検出装置の回路図である。
【図２】本発明の第１の燃焼状態検出装置の作動を示すタイムチャ−トである。
【図３】本発明の第２の燃焼状態検出装置の部分回路図である。
【図４】本発明の第２の燃焼状態検出装置の作動を示すタイムチャ−トである。
【図５】本発明の第２の燃焼状態検出装置の作動を示す別のタイムチャ−トである。
【図６】本発明の第３の燃焼状態検出装置の部分回路図である。
【図７】本発明の第３の燃焼状態検出装置の作動を示すタイムチャ−トである。
【図８】本発明の第４の燃焼状態検出装置の回路図である。
【図９】本発明の第４の燃焼状態検出装置の作動を示すタイムチャ−トである。
【符号の説明】
１１，１２対向電極
２，２Ａ交流電圧印加手段
２５発振器（電圧トリガ−発生回路、第１の位相トリガ−発生回路）
３検出抵抗（電流検出手段）
３Ａ電流検出手段
４Ａ検出電流制御手段（イオン電流抽出手段）
４１サンプルホ−ルド回路
５１コンパレータ（第１の位相トリガ−発生回路、第２の位相トリガ−発生回路）
６時間計測回路
８電子式制御装置（演算手段）
９１微分回路（容量電流信号発生手段）
９２減算回路

Claims

内燃機関の燃焼室に設けた一対の対向電極と、上記電極間に交流電圧を印加する交流電圧印加手段と、上記対向電極を流れる電流を検出し、上記電流に応じた電流信号を出力する電流検出手段と、上記電流信号から上記交流電圧に対応して発生する容量電流成分を除去し、上記対向電極間を流れる燃焼イオン電流成分を抽出する燃焼イオン電流抽出手段とを具備することを特徴とする燃焼状態検出装置。
請求項１記載の燃焼状態検出装置において、上記燃焼イオン電流抽出手段は、上記交流電圧に対して所定の位相で上記電流検出手段により検出された電流信号を出力するよう制御する検出電流制御手段を具備したことを特徴とする燃焼状態検出装置。
請求項２記載の燃焼状態検出装置において、上記検出電流制御手段を上記交流電圧に対して所定の位相でトリガーを発する電圧トリガー発生回路と、上記トリガーが発せられたときに上記電流検出手段で検出された上記電流信号をホ−ルドするサンプルホールド回路とで構成し、上記サンプルホールド回路から出力される上記電流信号を燃焼イオン電流信号とした燃焼状態検出装置。
請求項１記載の燃焼状態検出装置において、上記燃焼イオン電流抽出手段は、上記交流電圧に対する上記電流信号の位相差を検出し、上記位相差に応じて燃焼イオン電流信号を出力する位相差検出手段を具備する燃焼状態検出装置。
請求項４記載の燃焼状態検出装置において、上記位相差検出手段を上記交流電圧に対して所定の位相で第１のトリガーを発する第１の位相トリガー発生回路と、上記電流検出手段で検出される上記電流信号が所定のレベルになると第２のトリガーを発する第２の位相トリガー発生回路と、上記第１のトリガーと第２のトリガーとを入力として上記第１のトリガーが発せられてから上記第２のトリガーが発せられるまでの時間を計測する時間計測回路とで構成し、上記時間を上記位相差とした燃焼状態検出装置。
請求項１記載の燃焼状態検出装置において、上記燃焼イオン電流抽出手段は、上記交流電圧に対し所定の位相を有する信号を発生せしめてこれを容量電流信号として出力する容量電流信号発生手段と、該容量電流信号発生手段から出力される上記容量電流信号と、上記電流検出手段から出力される上記電流信号とを入力としてその差分を燃焼イオン電流信号として出力する減算回路とを具備する燃焼状態検出装置。
請求項６記載の燃焼状態検出装置において、上記容量電流信号発生手段は、上記交流電圧を入力とする微分回路を具備し、該微分回路の出力を上記容量電流信号とした燃焼状態検出装置。
請求項６または７いずれか記載の燃焼状態検出装置において、上記減算回路から出力される上記燃焼イオン電流信号と、上記対向電極間の電圧に応じた電圧信号とを入力として上記燃焼イオン電流信号と上記電圧信号との比を演算する演算手段を具備せしめた燃焼状態検出装置。