JP3842344B2 - 内燃機関の燃焼状態検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃焼状態検出装置に係わり、特にイオン電流に基づいてノッキングだけでなく失火も検出することの可能な内燃機関の燃焼状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とする内燃機関では、ピストンで圧縮した混合気に点火栓で着火し、混合気を燃焼させることによって出力を得ている。即ち正常な燃焼においては、点火栓のギャップの近傍に混合気の火炎核が形成され、この火炎核が燃焼室全体に伝播する。
【０００３】
点火栓による点火時期は内燃機関出力と密接に関係しており、点火時期が遅すぎると火炎伝播速度も遅くなるため燃焼は緩慢となり燃焼効率の低下を招き、ひいては内燃機関出力も低下する。
逆に点火時期を早めると火炎の伝播が早まり燃焼最大圧力が上昇して内燃機関出力は増加する。しかし点火時期を過度に早めると、混合気が火炎の伝播を待たずに自己着火するノッキングが発生し、内燃機関を損傷するおそれも生じる。
【０００４】
即ち、点火時期をノッキングが発生する直前の領域（ＭＢＴ＝Minimum Spark Advance for Best Torque ）として内燃機関を運転することが燃費、出力の点で有利であり、ノッキングの発生を確実に検出することは極めて重要である。
従来からノッキングを検出するために振動センサの一種であるノックセンサが使用されてきたが、混合気の燃焼により燃焼室内にイオンが発生し、イオン電流が流れることを利用したノッキング検出装置も検討されている。
【０００５】
図１は内燃機関の点火回路の概略図であって、イグニッションコイル１１の１次コイル１１１の一端はバッテリ１２の正電極に接続されている。そして他の一端はイグナイタに含まれるスイッチング用のトランジスタ１３のコレクタ、エミッタを介して接地される。
なお、トランジスタ１３のベースは点火時期制御部１４に接続され、点火時期制御部１４からイグニッション信号ＩＧＴが出力されたときに導通する。
【０００６】
イグニッションコイル１１の２次コイル１１２の一端もバッテリ１２の正電極に接続されているが、他端は逆流防止用ダイオード１５、ディストビュータ１６およびハイテンションケーブル１７を介して点火栓１８に接続される。
イオン電流検出部１９はディストリビュータ１６の出力側で点火栓１８と並列に接続される。
【０００７】
イオン電流は、保護ダイオード１９１を介して電流−電圧変換抵抗１９２、バイアス電源１９３の直列回路に導かれる。電流−電圧変換抵抗１９２と保護ダイオード１９１との接続点に発生する電圧は直流成分カット用のコンデンサ１９４を介して、演算増幅器、抵抗等で構成される増幅回路１９５に導かれる。
従ってイオン電流検出部１９の出力端子１９６にはイオン電流の交流成分に比例した電圧信号が出力される。
【０００８】
図２は点火回路（図１）の各部の電圧波形図であって、上から順に、イグニッション信号ＩＧＴ、１次コイル接地端側（Ｐ点）電圧、２次コイル高電圧側（Ｓ点）電圧、増幅回路入力（Ｉ点）電圧を表す。なお、横軸は時間を表す。
時刻ｔ1 においてイグニッション信号ＩＧＴが“Ｈ”レベルとなりトランジスタ１３が導通状態となると、イグニッションコイル１１の１次コイル１１１の接地側端子Ｐの電圧は低下する。２次コイルの高電圧側端子Ｓには時刻ｔ1 の直後に負の高電圧パルスが発生するが、点火栓１８およびイオン電流検出部１９への流れ込みは逆流防止用ダイオード１５に阻止される。
【０００９】
時刻ｔ2 においてイグニッション信号ＩＧＴが“Ｌ”レベルとなりトランジスタ１３が遮断状態となると、１次コイル１１１の接地側端子Ｐの電圧は急激に上昇し、２次コイルの接地側端子Ｓに正の高電圧パルスが発生する。
この正の高電圧パルスは逆流防止用ダイオード１５に阻止されることなく点火栓１８に流れ込み放電するが、イオン検出部１９への流れ込みは保護ダイオード１９１によって阻止される。
【００１０】
さらに、点火栓１８の放電後の時刻ｔ3 〜ｔ4 にかけて、ハイテンションケーブル１８等が浮遊インダクタンスおよび浮遊キャパシタンスを有することに起因してイグニッションコイル１１に残留しているエネルギによるＬＣ共振が発生する。
気筒内の混合気は点火栓１８の放電により着火し、火炎が拡散するに応じて気筒内にイオンが発生するためイオン電流が流れ始める。イオン電流は気筒内圧力の上昇に応じて増加し、気筒内圧力の低下とともに減少する。
【００１１】
そして、内燃機関にノッキングが発生した場合には、イオン電流がピークに到達した後の減少時期に特定の周波数（６〜７ＫＨｚ）のノッキング信号が重畳する。
従って、イオン電流によってノッキングを検出するためには、この特定周波数のノッキング信号だけを検出し他の信号（例えばＬＣ共振波）は除去することが好ましいため、余分な信号のなくなる時刻以後の時刻ｔ5 で開となりイオン電流減少後の適当な時刻（例えばＡＴＤＣ６０゜）ｔ6 で閉となるノッキングウインドを設け、ノッキングウインドが開となっている期間のイオン電流検出部１７の出力に基づきノッキングを検出することが好ましい。
【００１２】
図３はノッキングウインド通過後のイオン電流の時間領域（イ）および周波数領域（ロ）の波形図であって、ノッキング発生時にノッキングウインド通過後のイオン電流信号を周波数分析するとイオン電流の上昇および下降により４ＫＨｚ以下の帯域に高レベルの成分が存在し、さらにノッキングにより６〜７ＫＨｚ付近にピークが発生する。
【００１３】
また、気筒内の混合気が着火しない場合、即ち失火が発生した場合には排気管に排出された混合気が排気浄化用触媒内で燃焼し排気浄化用触媒に損傷を与えるおそれがあるため失火を検出することも重要であるが、失火が発生するとイオンは発生しないためイオン電流の有無を検出することにより失火を検出することも提案されている（特開平６−２９９９４１公報参照）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、イオン電流によってノッキングおよび失火の両方を検出する場合には以下の課題を生じる。
即ちノッキングを検出するためにはイオン電流漸減時の６〜７ＫＨｚの振動を検出する必要があるため、イオン電流のピーク時にイオン電流検出部１９の増幅回路１９５の出力が飽和しないように増幅回路１９５のゲインを５万倍程度に設定する必要がある。
【００１５】
一方、失火を検出するためにはイオン電流の有無さえ検出できればピーク時の飽和は問題とならないので、低負荷時にはイオン電流が減少することを考慮すると増加回路１９５のゲインはできる限り大きくする必要があり、５０万倍程度に設定することが一般的である。なお、イオン電流検出部１９はイグニッションコイル１１の近傍に設置する必要がある。
【００１６】
従って、イオン電流によってノッキングおよび失火の両方を検出するにはイオン電流検出部１９内にノッキング検出用増加回路および失火検出用増加回路の双方を搭載する必要があるが、この場合には搭載場所が課題となるだけでなくイオン電流検出部１９と信号処理用のマイクロコンピュータとを接続するワイヤハーネスの本数も増加し経済的に不利となるという課題を生じる。
【００１７】
図４は課題の説明図であって、イオン電流信号は直流成分カット用コンデンサ１９４の出力で分岐し、ノッキング検出用増加回路１９５ａおよび失火検出用増加回路１９５ｂに供給される。そして２つの増幅回路１９５ａ、１９５ｂの出力は２本の配線を含むワイヤハーネス４１を介してマイクロコンピュータ４２に供給される。即ちイオン電流によってノッキングおよび失火の両方を検出する場合には１つの気筒に対して２本の配線が必要となるため、各気筒毎に両方を検出するには２倍の配線を含むワイヤハーネス４１を使用する必要がある。
【００１８】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、イオン電流に基づいてノッキングだけでなく失火も検出することが可能であり、かつ経済的な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。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本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一対の電極に電圧を印加し、燃焼室内の混合気が燃焼する際に発生するイオンを介してこの一対の電極間を流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、イオン電流検出手段の出力信号からノッキングの発生を表すノッキング周波数成分を抽出するための第１の周波数成分抽出手段と、イオン電流検出手段の出力信号から着火後混合気が正常に燃焼したことを表す正常燃焼周波数成分を抽出する第２の周波数成分抽出手段と、第１の周波数成分抽出手段によって抽出されたノッキング周波数成分に基づいてノッキングが発生しているか否かを判定するノッキング発生判定手段と、第２の周波数成分抽出手段によって抽出された正常燃焼周波数成分に基づいて失火が発生しているか否かを判定する失火発生判定手段と、を具備し、第１および第２の周波数成分抽出手段をイオン電流検出手段に対して並列に接続している。なお、この第１、第２の周波数成分抽出手段は、バンドパスフィルタによって構成されていても良い。
【００２０】
本装置にあっては、イオン電流信号からノッキング周波数成分および正常燃焼周波数成分を抽出し、所定のノッキングレベル以上のノッキング周波数成分が検出されたときはノッキングが発生したものと判定し、正常燃焼周波数成分が所定の失火レベル以下であるときには失火が発生したものと判定する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図５は本発明に係る内燃機関のノッキング検出装置の実施例の構成図であって、内燃機関５においてピストン５００、吸気弁５１０および排気弁５２０で画成される燃焼室５０１には、エアクリーナ５１１から吸入される吸入空気と燃料噴射弁５１５から噴射される燃料の混合気が供給される。
【００２２】
なお吸入空気量はエアフローメータ５１２で計測され、吸気管５１３の途中に配置されるスロットル弁５１４で調整される。
ピストン５００で圧縮された混合気は、ピストン５００の上死点近傍において点火栓１８の放電により着火し、燃焼により膨張してピストン５００を押し下げ駆動力を発生する。
【００２３】
燃焼後の排気ガスは排気弁５２０から排気管５２１に排出されるが、排気ガス中の酸素濃度は排気管５２１に設置される空燃比センサ５２２によって検出される。
また内燃機関５を冷却する冷却水の温度はウオータジャケット５０２に挿入された冷却水温度センサ５０３によって検出される。
【００２４】
燃焼室５０１内を流れるイオン電流は点火栓１８、イオン検出部１９を介してＬＣ共振マスク部３１に導かれる。ＬＣ共振マスク部３１の出力は、ノッキングに特有の周波数成分（６ＫＨｚ）だけを通過させるバンドパスフィルタ３２を介してバンドパスフィルタ３２の出力のピーク値を保持するピークホールド部３３に供給されるだけでなく、燃焼室５０１内の混合気が点火栓１８により着火し正常に燃焼したことを検出するためにノッキング周波数より低い周波数成分だけを通過させる低周波数バンドパスフィルタ３２１を介して低周波数ピークホールド部３３１にも供給される。
【００２５】
ピークホールド部３３および低周波数ピークホールド部３３１はそれぞれ処理部５５に接続される。
処理部５５はマイクロコンピュータシステムであって、バス５５０を中心として、アナログ入力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）５５１、ディジタル入力Ｉ／Ｆ５５２、出力Ｉ／Ｆ５５３、ＣＰＵ５５４およびメモリ５５５から構成される。
【００２６】
即ちピークホールド部３３および低負荷時ノイズピークホールド部３３１の出力はアナログ入力Ｉ／Ｆ５５１に接続されるが、アナログ入力Ｉ／Ｆ５５１にはエアフローメータ５１２、冷却水温度センサ５０３および空燃比センサ５２２も接続される。
出力Ｉ／Ｆ５５３からは燃料噴射弁５１５に対する開弁指令が出力されるほか、点火指令信号ＩＧＴおよびイオン電流取り込み制御信号が出力される。
【００２７】
即ち点火指令信号ＩＧＴはイグニッションコイル１１で昇圧され、ディストリビュータ１６、ハイテンションケーブル１７を介して点火栓１８に送られる。なお、ディストリビュータ１６は例えば３０°ＣＡ（クランク角）ごとにパルス信号を発生するクランク角センサ５０５および例えば７２０°ＣＡごとにパルス信号を発生する基準角センサ５０６を内蔵し、それぞれの出力はディジタル入力Ｉ／Ｆ５５２を介して処理部５５に取り込まれ、内燃機関回転数Ｎｅの算出、燃料噴射弁５１５の開閉時期制御および点火指令信号ＩＧＴの出力時期制御に使用される。
【００２８】
また、イオン電流取り込み制御信号はＬＣ共振マスク部３１をＬＣ共振が発生している間オフとしてＬＣ共振波形が取り込まれることを防止するほか、ピークホールド部３３、低周波数ピークホールド部３３１にも供給され前記のノッキングウインドの期間内のピークホールド部３３、低周波数ピークホールド部３３１の動作を許容する。
【００２９】
図６は、処理部５５のＣＰＵ５５４で実行される燃焼状態検出ルーチンのフローチャートであって、内燃機関５の各気筒の点火時期演算タイミング毎に実行される。即ち各変数は気筒毎に定められる。
ステップ６０で低周波数ピークホールド部３３１にホールドされた低周波数ピーク値ＶＬＬを、ステップ６１でピークホールド部３３にホールドされたノッキング周波数ピーク値ＶＫＮを読み込む。
【００３０】
そして、ステップ６２で失火検出処理、ステップ６３でノッキング制御処理を実行してこのルーチンを終了するが、それぞれの処理の内容は後述する。
図７は燃焼状態検出ルーチンのステップ６２で実行される失火検出処理のフローチャートであって、ステップ６２０で低周波数ピーク値ＶＬＬがほぼ “０" であるかをＶＬＬ＜ε（εは正の微小値）が成立するかによって判定する。
【００３１】
ステップ６２０で肯定判定されたときは、ステップ６２１で失火検出信号を出力してこの処理を終了する。なお、ステップ６２０で否定判定されたときは失火は発生していないものとして直接この処理を終了する。
図８は燃焼状態検出ルーチンのステップ６３で実行されるノッキング制御処理のフローチャートであって、ステップ６３０でバックグランドＶＢＧ算出処理を実行するが、処理の内容は後述する。
【００３２】
ステップ６３１において、イオン電流のピークＶＫＮがバックグランドＶＢＧの予め定められた第１の係数（Ｋ１）倍以上であるかを判定する。そして肯定判定されたときは、ステップ６３２においてイオン電流のピークＶＫＮがバックグランドＶＢＧの予め定められた第２の係数（Ｋ２）倍以上であるかを判定する。ここで、０＜Ｋ１＜Ｋ２とする。
【００３３】
ステップ６３２で肯定判定されたとき、即ちノッキングが大きいときには、ステップ６３３で点火時期補正値ΔＴＩを予め定められた大遅角量（−ＤＴＨ）に設定してステップ６３６に進む。
ステップ６３２で否定判定されたとき、即ちノッキングは発生しているものの小さいと判断されるときは、ステップ６３４で点火時期補正値ΔＴＩを予め定められた小遅角量（−ＤＴＬ）に設定してステップ６３６に進む。
【００３４】
なお、ステップ６３１で否定判定されたとき、即ち実際にノッキングが発生していないと判断されるときはステップ６３５に進み、点火時期補正値ΔＴＩを予め定められた進角量ＬＴに設定してステップ６３６に進む。
ここで０＜ＬＴ＜＜ＤＴＬ＜ＤＴＨとするが、これはノッキングが発生していないときに徐々に点火時期を進角してＭＢＴ領域での運転を実行するとともに、ノッキングが発生したときには一挙に点火時期を遅角させてノッキングを抑制するためである。さらに本実施例においてはノッキングレベルが高いときには遅角量を大きくしてノッキングの抑制効果を高めている。
【００３５】
そして、ステップ６３６で点火時期制御処理を実行してこの処理を終了するが、点火時期制御処理については後述する。
図９はノッキング制御処理のステップ６３０で実行されるバックグランド算出処理のフローチャートであって、ステップ６３００で次式に基づいて更新量ＤＬＢＧが算出される。
【００３６】
ＤＬＢＧ←｜ＶＢＧi-1 −ＶＫＮ｜／４
ここでＶＢＧi-1 は前回の演算で算出されたバックグランドであり、更新量ＤＬＢＧは前回の演算までのバックグランドと今回のピーク値ＶＫＮとの差の絶対値の１／４の値として算出される。
ステップ６３０１およびステップ６３０２において更新量ＤＬＢＧが予め定められた上限ガード値ＧＤＬＢＧ以下に制限される。
【００３７】
ステップ６３０３およびステップ６３０４において今回のピーク値ＶＫＮがＶＢＧi-1 ×１．０以上の所定係数（例えば１．５）以上であるか、ＶＢＧi-1 ×所定係数以下ＶＢＧi-1 以上であるか、ＶＢＧi-1 以下であるかが判定される。
そしてＶＢＧi-1 ×所定係数以上であるときは、ステップ６３０５で次式によりバックグランドＶＢＧを更新する。
【００３８】
ＶＢＧ←ＶＢＧi-1 ＋ＤＬＢＧ
ＶＢＧi-1 ×所定係数以下ＶＢＧi-1 以上であるときは、ステップ６３０６で次式によりバックグランドＶＢＧを更新する。
ＶＢＧ←ＶＢＧi-1 ＋ＤＬＢＧ＋α
ＶＢＧi-1 以下であるときは、ステップ６３０７で次式によりバックグランドＶＢＧを更新する。
【００３９】
ＶＢＧ←ＶＢＧi-1 ＋ＤＬＢＧ−α
ここで、αはバックグランドＶＢＧを適切な範囲の値とするための調整係数である。
最後に、ステップ６３０８において次回の演算に備えてＶＢＧi-1 を今回算出されたバックグランドＶＢＧに設定してこの処理を終了する。
【００４０】
図１０はノッキング制御処理のステップ６３６で実行される点火時期制御処理のフローチャートであって、ステップ６３６０でクランク角センサ５０５から出力されるパルスに基づいて決定される内燃機関回転数Ｎｅおよびエアフローメタ５１２で検出される吸入空気量Ｑａを読み込み、ステップ６３６１で内燃機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｑａの関数として次式により基準点火時期ＴＢが算出される。
【００４１】
ＴＢ←ＴＢ（Ｎｅ，Ｑａ）
ステップ６３６２で前回算出された点火時期ＴＩi-1 に点火時期補正値ΔＴＩを加算して今回の点火時期ＴＩを算出する。
ＴＩ←ＴＩi-1 ＋ΔＴＩ
なお、本実施例においては正数を加算したときに点火時期は進角し、正数を減算したときに点火時期は遅角するものとする。
【００４２】
そして、ステップ６３６３および６３６４で今回の点火時期ＴＩが最進角点火時期である基準点火時期ＴＢと予め定められた最遅角点火時期ＴＤの間にあるかが判定される。
即ち、今回の点火時期ＴＩが基準点火時期ＴＢ以上であればステップ６３６３で肯定判定され、ステップ６３６５で今回の点火時期ＴＩを基準点火時期ＴＢに置き換えてステップ６３６７に進む。
【００４３】
逆に、今回の点火時期ＴＩが最遅角点火時期ＴＤ以下であればステップ６３６４で肯定判定され、ステップ６３６６で今回の点火時期ＴＩを最遅角点火時期ＴＤに置き換えてステップ６３６７に進む。なお、今回の点火時期ＴＩが基準点火時期ＴＢと最遅角点火時期ＴＤの間にあるときは直接ステップ６３６７に進む。
そして、ステップ６３６７で出力Ｉ／Ｆ５５３を介してイグニッションコイル１１に点火指令信号ＩＧＴを出力し、ステップ６３６８で次回の演算に備えて前回算出された点火時期ＴＩi-1 を今回の点火時期ＴＩに更新してこの処理を終了する。
【００４４】
図１１は上記実施例で使用されるバンドパスフィルタ３２および低周波数バンドパスフィルタ３２１のゲイン特性図であって、横軸は規格化周波数、縦軸は規格化ゲインであり、選択度（Ｑ）は約２０である。なおバンドパスフィルタ３２の中心周波数は６ＫＨｚ、低周波数バンドパスフィルタ３２１は中心周波数は０．５ＫＨｚである。
【００４５】
なお、上記実施例においては、バンドパスフィルタ３２および低周波数バンドパスフィルタ３２１の出力はピークホールド部３３および低周波数ピークホールド部３３１でピークホールドされるが、ピークホールド部３３および低周波数ピークホールド部３３１に代えて積分部および低周波数積分部とすることも可能である。また、低周波数ピークホールド部３３１に代えて比較部とラッチ部を使用することも可能である。
【００４６】
上記実施例においては、バンドパスフィルタ３２、ピークホールド部３３、低周波数バンドパスフィルタ３２１および低周波数ピークホールド部３３１等はハードウエアを使用しているが、ＬＣ共振マスク部３１の出力を直接コンピュータに取り込みＦＦＴ等を使用して周波数分析し、周波数スペクトルパターンに基づいて失火およびノッキングの検出を行うことも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る燃焼状態検出装置によれば、１つの増幅回路を有するイオン電流検出部で検出されたイオン電流信号からノッキング周波数成分および正常燃焼周波数成分を抽出することによって、ノッキング周波数成分に基づきノッキングの有無および正常燃焼周波数成分に基づき失火の有無を判定することが経済性を維持したまま可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の点火回路の概略図である。
【図２】点火回路の各部の電圧波形図である。
【図３】ノッキングウインド通過後のイオン電流の時間領域および周波数領域の波形図である。
【図４】課題の説明図である。
【図５】本発明に係る内燃機関のノッキング検出装置の実施例の構成図である。
【図６】燃焼状態検出ルーチンのフローチャートである。
【図７】失火検出処理のフローチャートである。
【図８】ノッキング制御処理のフローチャートである。
【図９】バックグランド算出処理のフローチャートである。
【図１０】点火時期制御処理のフローチャートである。
【図１１】バンドパスフィルタのゲイン特性図である。
【符号の説明】
５…内燃機関
１１…イグニッションコイル
１６…デストリビュータ
１７…ハイテンションケーブル
１８…点火栓
１９…イオン電流検出部
３１…ＬＣ共振マスク部
３２…バンドパスフィルタ
３２１…低周波数バンドパスフィルタ
３３…ピークホールド部
３３１…低周波数ピークホールド部
５００…ピストン
５０１…燃焼室
５０２…ウオータジャケット
５０３…冷却水温度センサ
５０５…クランク角センサ
５０６…基準角センサ
５１０…吸気弁
５１１…エアクリーナ
５１２…エアフローメータ
５１３…吸気管
５１４…スロットル弁
５１５…燃料噴射弁
５２０…排気弁
５２１…排気管
５２２…空燃比センサ
５５…処理部
５５０…バス
５５１…アナログ入力Ｉ／Ｆ
５５２…ディジタル入力Ｉ／Ｆ
５５３…出力Ｉ／Ｆ
５５４…ＣＰＵ
５５５…メモリ
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃焼状態検出装置に係わり、特にイオン電流に基づいてノッキングだけでなく失火も検出することの可能な内燃機関の燃焼状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とする内燃機関では、ピストンで圧縮した混合気に点火栓で着火し、混合気を燃焼させることによって出力を得ている。即ち正常な燃焼においては、点火栓のギャップの近傍に混合気の火炎核が形成され、この火炎核が燃焼室全体に伝播する。
【０００３】
点火栓による点火時期は内燃機関出力と密接に関係しており、点火時期が遅すぎると火炎伝播速度も遅くなるため燃焼は緩慢となり燃焼効率の低下を招き、ひいては内燃機関出力も低下する。
逆に点火時期を早めると火炎の伝播が早まり燃焼最大圧力が上昇して内燃機関出力は増加する。しかし点火時期を過度に早めると、混合気が火炎の伝播を待たずに自己着火するノッキングが発生し、内燃機関を損傷するおそれも生じる。
【０００４】
即ち、点火時期をノッキングが発生する直前の領域（ＭＢＴ＝Minimum Spark Advance for Best Torque ）として内燃機関を運転することが燃費、出力の点で有利であり、ノッキングの発生を確実に検出することは極めて重要である。
従来からノッキングを検出するために振動センサの一種であるノックセンサが使用されてきたが、混合気の燃焼により燃焼室内にイオンが発生し、イオン電流が流れることを利用したノッキング検出装置も検討されている。
【０００５】
図１は内燃機関の点火回路の概略図であって、イグニッションコイル１１の１次コイル１１１の一端はバッテリ１２の正電極に接続されている。そして他の一端はイグナイタに含まれるスイッチング用のトランジスタ１３のコレクタ、エミッタを介して接地される。
なお、トランジスタ１３のベースは点火時期制御部１４に接続され、点火時期制御部１４からイグニッション信号ＩＧＴが出力されたときに導通する。
【０００６】
イグニッションコイル１１の２次コイル１１２の一端もバッテリ１２の正電極に接続されているが、他端は逆流防止用ダイオード１５、ディストビュータ１６およびハイテンションケーブル１７を介して点火栓１８に接続される。
イオン電流検出部１９はディストリビュータ１６の出力側で点火栓１８と並列に接続される。
【０００７】
イオン電流は、保護ダイオード１９１を介して電流−電圧変換抵抗１９２、バイアス電源１９３の直列回路に導かれる。電流−電圧変換抵抗１９２と保護ダイオード１９１との接続点に発生する電圧は直流成分カット用のコンデンサ１９４を介して、演算増幅器、抵抗等で構成される増幅回路１９５に導かれる。
従ってイオン電流検出部１９の出力端子１９６にはイオン電流の交流成分に比例した電圧信号が出力される。
【０００８】
図２は点火回路（図１）の各部の電圧波形図であって、上から順に、イグニッション信号ＩＧＴ、１次コイル接地端側（Ｐ点）電圧、２次コイル高電圧側（Ｓ点）電圧、増幅回路入力（Ｉ点）電圧を表す。なお、横軸は時間を表す。
時刻ｔ1 においてイグニッション信号ＩＧＴが“Ｈ”レベルとなりトランジスタ１３が導通状態となると、イグニッションコイル１１の１次コイル１１１の接地側端子Ｐの電圧は低下する。２次コイルの高電圧側端子Ｓには時刻ｔ1 の直後に負の高電圧パルスが発生するが、点火栓１８およびイオン電流検出部１９への流れ込みは逆流防止用ダイオード１５に阻止される。
【０００９】
時刻ｔ2 においてイグニッション信号ＩＧＴが“Ｌ”レベルとなりトランジスタ１３が遮断状態となると、１次コイル１１１の接地側端子Ｐの電圧は急激に上昇し、２次コイルの接地側端子Ｓに正の高電圧パルスが発生する。
この正の高電圧パルスは逆流防止用ダイオード１５に阻止されることなく点火栓１８に流れ込み放電するが、イオン検出部１９への流れ込みは保護ダイオード１９１によって阻止される。
【００１０】
さらに、点火栓１８の放電後の時刻ｔ3 〜ｔ4 にかけて、ハイテンションケーブル１８等が浮遊インダクタンスおよび浮遊キャパシタンスを有することに起因してイグニッションコイル１１に残留しているエネルギによるＬＣ共振が発生する。
気筒内の混合気は点火栓１８の放電により着火し、火炎が拡散するに応じて気筒内にイオンが発生するためイオン電流が流れ始める。イオン電流は気筒内圧力の上昇に応じて増加し、気筒内圧力の低下とともに減少する。
【００１１】
そして、内燃機関にノッキングが発生した場合には、イオン電流がピークに到達した後の減少時期に特定の周波数（６〜７ＫＨｚ）のノッキング信号が重畳する。
従って、イオン電流によってノッキングを検出するためには、この特定周波数のノッキング信号だけを検出し他の信号（例えばＬＣ共振波）は除去することが好ましいため、余分な信号のなくなる時刻以後の時刻ｔ5 で開となりイオン電流減少後の適当な時刻（例えばＡＴＤＣ６０゜）ｔ6 で閉となるノッキングウインドを設け、ノッキングウインドが開となっている期間のイオン電流検出部１７の出力に基づきノッキングを検出することが好ましい。
【００１２】
図３はノッキングウインド通過後のイオン電流の時間領域（イ）および周波数領域（ロ）の波形図であって、ノッキング発生時にノッキングウインド通過後のイオン電流信号を周波数分析するとイオン電流の上昇および下降により４ＫＨｚ以下の帯域に高レベルの成分が存在し、さらにノッキングにより６〜７ＫＨｚ付近にピークが発生する。
【００１３】
また、気筒内の混合気が着火しない場合、即ち失火が発生した場合には排気管に排出された混合気が排気浄化用触媒内で燃焼し排気浄化用触媒に損傷を与えるおそれがあるため失火を検出することも重要であるが、失火が発生するとイオンは発生しないためイオン電流の有無を検出することにより失火を検出することも提案されている（特開平６−２９９９４１公報参照）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、イオン電流によってノッキングおよび失火の両方を検出する場合には以下の課題を生じる。
即ちノッキングを検出するためにはイオン電流漸減時の６〜７ＫＨｚの振動を検出する必要があるため、イオン電流のピーク時にイオン電流検出部１９の増幅回路１９５の出力が飽和しないように増幅回路１９５のゲインを５万倍程度に設定する必要がある。
【００１５】
一方、失火を検出するためにはイオン電流の有無さえ検出できればピーク時の飽和は問題とならないので、低負荷時にはイオン電流が減少することを考慮すると増加回路１９５のゲインはできる限り大きくする必要があり、５０万倍程度に設定することが一般的である。なお、イオン電流検出部１９はイグニッションコイル１１の近傍に設置する必要がある。
【００１６】
従って、イオン電流によってノッキングおよび失火の両方を検出するにはイオン電流検出部１９内にノッキング検出用増加回路および失火検出用増加回路の双方を搭載する必要があるが、この場合には搭載場所が課題となるだけでなくイオン電流検出部１９と信号処理用のマイクロコンピュータとを接続するワイヤハーネスの本数も増加し経済的に不利となるという課題を生じる。
【００１７】
図４は課題の説明図であって、イオン電流信号は直流成分カット用コンデンサ１９４の出力で分岐し、ノッキング検出用増加回路１９５ａおよび失火検出用増加回路１９５ｂに供給される。そして２つの増幅回路１９５ａ、１９５ｂの出力は２本の配線を含むワイヤハーネス４１を介してマイクロコンピュータ４２に供給される。即ちイオン電流によってノッキングおよび失火の両方を検出する場合には１つの気筒に対して２本の配線が必要となるため、各気筒毎に両方を検出するには２倍の配線を含むワイヤハーネス４１を使用する必要がある。
【００１８】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、イオン電流に基づいてノッキングだけでなく失火も検出することが可能であり、かつ経済的な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。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本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一対の電極に電圧を印加し、燃焼室内の混合気が燃焼する際に発生するイオンを介してこの一対の電極間を流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、イオン電流検出手段の出力信号からノッキングの発生を表すノッキング周波数成分を抽出するための第１の周波数成分抽出手段と、イオン電流検出手段の出力信号から着火後混合気が正常に燃焼したことを表す正常燃焼周波数成分を抽出する第２の周波数成分抽出手段と、第１の周波数成分抽出手段によって抽出されたノッキング周波数成分に基づいてノッキングが発生しているか否かを判定するノッキング発生判定手段と、第２の周波数成分抽出手段によって抽出された正常燃焼周波数成分に基づいて失火が発生しているか否かを判定する失火発生判定手段と、を具備し、第１および第２の周波数成分抽出手段をイオン電流検出手段に対して並列に接続している。なお、この第１、第２の周波数成分抽出手段は、バンドパスフィルタによって構成されていても良い。
【００２０】
本装置にあっては、イオン電流信号からノッキング周波数成分および正常燃焼周波数成分を抽出し、所定のノッキングレベル以上のノッキング周波数成分が検出されたときはノッキングが発生したものと判定し、正常燃焼周波数成分が所定の失火レベル以下であるときには失火が発生したものと判定する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図５は本発明に係る内燃機関のノッキング検出装置の実施例の構成図であって、内燃機関５においてピストン５００、吸気弁５１０および排気弁５２０で画成される燃焼室５０１には、エアクリーナ５１１から吸入される吸入空気と燃料噴射弁５１５から噴射される燃料の混合気が供給される。
【００２２】
なお吸入空気量はエアフローメータ５１２で計測され、吸気管５１３の途中に配置されるスロットル弁５１４で調整される。
ピストン５００で圧縮された混合気は、ピストン５００の上死点近傍において点火栓１８の放電により着火し、燃焼により膨張してピストン５００を押し下げ駆動力を発生する。
【００２３】
燃焼後の排気ガスは排気弁５２０から排気管５２１に排出されるが、排気ガス中の酸素濃度は排気管５２１に設置される空燃比センサ５２２によって検出される。
また内燃機関５を冷却する冷却水の温度はウオータジャケット５０２に挿入された冷却水温度センサ５０３によって検出される。
【００２４】
燃焼室５０１内を流れるイオン電流は点火栓１８、イオン検出部１９を介してＬＣ共振マスク部３１に導かれる。ＬＣ共振マスク部３１の出力は、ノッキングに特有の周波数成分（６ＫＨｚ）だけを通過させるバンドパスフィルタ３２を介してバンドパスフィルタ３２の出力のピーク値を保持するピークホールド部３３に供給されるだけでなく、燃焼室５０１内の混合気が点火栓１８により着火し正常に燃焼したことを検出するためにノッキング周波数より低い周波数成分だけを通過させる低周波数バンドパスフィルタ３２１を介して低周波数ピークホールド部３３１にも供給される。
【００２５】
ピークホールド部３３および低周波数ピークホールド部３３１はそれぞれ処理部５５に接続される。
処理部５５はマイクロコンピュータシステムであって、バス５５０を中心として、アナログ入力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）５５１、ディジタル入力Ｉ／Ｆ５５２、出力Ｉ／Ｆ５５３、ＣＰＵ５５４およびメモリ５５５から構成される。
【００２６】
即ちピークホールド部３３および低負荷時ノイズピークホールド部３３１の出力はアナログ入力Ｉ／Ｆ５５１に接続されるが、アナログ入力Ｉ／Ｆ５５１にはエアフローメータ５１２、冷却水温度センサ５０３および空燃比センサ５２２も接続される。
出力Ｉ／Ｆ５５３からは燃料噴射弁５１５に対する開弁指令が出力されるほか、点火指令信号ＩＧＴおよびイオン電流取り込み制御信号が出力される。
【００２７】
即ち点火指令信号ＩＧＴはイグニッションコイル１１で昇圧され、ディストリビュータ１６、ハイテンションケーブル１７を介して点火栓１８に送られる。なお、ディストリビュータ１６は例えば３０°ＣＡ（クランク角）ごとにパルス信号を発生するクランク角センサ５０５および例えば７２０°ＣＡごとにパルス信号を発生する基準角センサ５０６を内蔵し、それぞれの出力はディジタル入力Ｉ／Ｆ５５２を介して処理部５５に取り込まれ、内燃機関回転数Ｎｅの算出、燃料噴射弁５１５の開閉時期制御および点火指令信号ＩＧＴの出力時期制御に使用される。
【００２８】
また、イオン電流取り込み制御信号はＬＣ共振マスク部３１をＬＣ共振が発生している間オフとしてＬＣ共振波形が取り込まれることを防止するほか、ピークホールド部３３、低周波数ピークホールド部３３１にも供給され前記のノッキングウインドの期間内のピークホールド部３３、低周波数ピークホールド部３３１の動作を許容する。
【００２９】
図６は、処理部５５のＣＰＵ５５４で実行される燃焼状態検出ルーチンのフローチャートであって、内燃機関５の各気筒の点火時期演算タイミング毎に実行される。即ち各変数は気筒毎に定められる。
ステップ６０で低周波数ピークホールド部３３１にホールドされた低周波数ピーク値ＶＬＬを、ステップ６１でピークホールド部３３にホールドされたノッキング周波数ピーク値ＶＫＮを読み込む。
【００３０】
そして、ステップ６２で失火検出処理、ステップ６３でノッキング制御処理を実行してこのルーチンを終了するが、それぞれの処理の内容は後述する。
図７は燃焼状態検出ルーチンのステップ６２で実行される失火検出処理のフローチャートであって、ステップ６２０で低周波数ピーク値ＶＬＬがほぼ “０" であるかをＶＬＬ＜ε（εは正の微小値）が成立するかによって判定する。
【００３１】
ステップ６２０で肯定判定されたときは、ステップ６２１で失火検出信号を出力してこの処理を終了する。なお、ステップ６２０で否定判定されたときは失火は発生していないものとして直接この処理を終了する。
図８は燃焼状態検出ルーチンのステップ６３で実行されるノッキング制御処理のフローチャートであって、ステップ６３０でバックグランドＶＢＧ算出処理を実行するが、処理の内容は後述する。
【００３２】
ステップ６３１において、イオン電流のピークＶＫＮがバックグランドＶＢＧの予め定められた第１の係数（Ｋ１）倍以上であるかを判定する。そして肯定判定されたときは、ステップ６３２においてイオン電流のピークＶＫＮがバックグランドＶＢＧの予め定められた第２の係数（Ｋ２）倍以上であるかを判定する。ここで、０＜Ｋ１＜Ｋ２とする。
【００３３】
ステップ６３２で肯定判定されたとき、即ちノッキングが大きいときには、ステップ６３３で点火時期補正値ΔＴＩを予め定められた大遅角量（−ＤＴＨ）に設定してステップ６３６に進む。
ステップ６３２で否定判定されたとき、即ちノッキングは発生しているものの小さいと判断されるときは、ステップ６３４で点火時期補正値ΔＴＩを予め定められた小遅角量（−ＤＴＬ）に設定してステップ６３６に進む。
【００３４】
なお、ステップ６３１で否定判定されたとき、即ち実際にノッキングが発生していないと判断されるときはステップ６３５に進み、点火時期補正値ΔＴＩを予め定められた進角量ＬＴに設定してステップ６３６に進む。
ここで０＜ＬＴ＜＜ＤＴＬ＜ＤＴＨとするが、これはノッキングが発生していないときに徐々に点火時期を進角してＭＢＴ領域での運転を実行するとともに、ノッキングが発生したときには一挙に点火時期を遅角させてノッキングを抑制するためである。さらに本実施例においてはノッキングレベルが高いときには遅角量を大きくしてノッキングの抑制効果を高めている。
【００３５】
そして、ステップ６３６で点火時期制御処理を実行してこの処理を終了するが、点火時期制御処理については後述する。
図９はノッキング制御処理のステップ６３０で実行されるバックグランド算出処理のフローチャートであって、ステップ６３００で次式に基づいて更新量ＤＬＢＧが算出される。
【００３６】
ＤＬＢＧ←｜ＶＢＧi-1 −ＶＫＮ｜／４
ここでＶＢＧi-1 は前回の演算で算出されたバックグランドであり、更新量ＤＬＢＧは前回の演算までのバックグランドと今回のピーク値ＶＫＮとの差の絶対値の１／４の値として算出される。
ステップ６３０１およびステップ６３０２において更新量ＤＬＢＧが予め定められた上限ガード値ＧＤＬＢＧ以下に制限される。
【００３７】
ステップ６３０３およびステップ６３０４において今回のピーク値ＶＫＮがＶＢＧi-1 ×１．０以上の所定係数（例えば１．５）以上であるか、ＶＢＧi-1 ×所定係数以下ＶＢＧi-1 以上であるか、ＶＢＧi-1 以下であるかが判定される。
そしてＶＢＧi-1 ×所定係数以上であるときは、ステップ６３０５で次式によりバックグランドＶＢＧを更新する。
【００３８】
ＶＢＧ←ＶＢＧi-1 ＋ＤＬＢＧ
ＶＢＧi-1 ×所定係数以下ＶＢＧi-1 以上であるときは、ステップ６３０６で次式によりバックグランドＶＢＧを更新する。
ＶＢＧ←ＶＢＧi-1 ＋ＤＬＢＧ＋α
ＶＢＧi-1 以下であるときは、ステップ６３０７で次式によりバックグランドＶＢＧを更新する。
【００３９】
ＶＢＧ←ＶＢＧi-1 ＋ＤＬＢＧ−α
ここで、αはバックグランドＶＢＧを適切な範囲の値とするための調整係数である。
最後に、ステップ６３０８において次回の演算に備えてＶＢＧi-1 を今回算出されたバックグランドＶＢＧに設定してこの処理を終了する。
【００４０】
図１０はノッキング制御処理のステップ６３６で実行される点火時期制御処理のフローチャートであって、ステップ６３６０でクランク角センサ５０５から出力されるパルスに基づいて決定される内燃機関回転数Ｎｅおよびエアフローメタ５１２で検出される吸入空気量Ｑａを読み込み、ステップ６３６１で内燃機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｑａの関数として次式により基準点火時期ＴＢが算出される。
【００４１】
ＴＢ←ＴＢ（Ｎｅ，Ｑａ）
ステップ６３６２で前回算出された点火時期ＴＩi-1 に点火時期補正値ΔＴＩを加算して今回の点火時期ＴＩを算出する。
ＴＩ←ＴＩi-1 ＋ΔＴＩ
なお、本実施例においては正数を加算したときに点火時期は進角し、正数を減算したときに点火時期は遅角するものとする。
【００４２】
そして、ステップ６３６３および６３６４で今回の点火時期ＴＩが最進角点火時期である基準点火時期ＴＢと予め定められた最遅角点火時期ＴＤの間にあるかが判定される。
即ち、今回の点火時期ＴＩが基準点火時期ＴＢ以上であればステップ６３６３で肯定判定され、ステップ６３６５で今回の点火時期ＴＩを基準点火時期ＴＢに置き換えてステップ６３６７に進む。
【００４３】
逆に、今回の点火時期ＴＩが最遅角点火時期ＴＤ以下であればステップ６３６４で肯定判定され、ステップ６３６６で今回の点火時期ＴＩを最遅角点火時期ＴＤに置き換えてステップ６３６７に進む。なお、今回の点火時期ＴＩが基準点火時期ＴＢと最遅角点火時期ＴＤの間にあるときは直接ステップ６３６７に進む。
そして、ステップ６３６７で出力Ｉ／Ｆ５５３を介してイグニッションコイル１１に点火指令信号ＩＧＴを出力し、ステップ６３６８で次回の演算に備えて前回算出された点火時期ＴＩi-1 を今回の点火時期ＴＩに更新してこの処理を終了する。
【００４４】
図１１は上記実施例で使用されるバンドパスフィルタ３２および低周波数バンドパスフィルタ３２１のゲイン特性図であって、横軸は規格化周波数、縦軸は規格化ゲインであり、選択度（Ｑ）は約２０である。なおバンドパスフィルタ３２の中心周波数は６ＫＨｚ、低周波数バンドパスフィルタ３２１は中心周波数は０．５ＫＨｚである。
【００４５】
なお、上記実施例においては、バンドパスフィルタ３２および低周波数バンドパスフィルタ３２１の出力はピークホールド部３３および低周波数ピークホールド部３３１でピークホールドされるが、ピークホールド部３３および低周波数ピークホールド部３３１に代えて積分部および低周波数積分部とすることも可能である。また、低周波数ピークホールド部３３１に代えて比較部とラッチ部を使用することも可能である。
【００４６】
上記実施例においては、バンドパスフィルタ３２、ピークホールド部３３、低周波数バンドパスフィルタ３２１および低周波数ピークホールド部３３１等はハードウエアを使用しているが、ＬＣ共振マスク部３１の出力を直接コンピュータに取り込みＦＦＴ等を使用して周波数分析し、周波数スペクトルパターンに基づいて失火およびノッキングの検出を行うことも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る燃焼状態検出装置によれば、１つの増幅回路を有するイオン電流検出部で検出されたイオン電流信号からノッキング周波数成分および正常燃焼周波数成分を抽出することによって、ノッキング周波数成分に基づきノッキングの有無および正常燃焼周波数成分に基づき失火の有無を判定することが経済性を維持したまま可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の点火回路の概略図である。
【図２】点火回路の各部の電圧波形図である。
【図３】ノッキングウインド通過後のイオン電流の時間領域および周波数領域の波形図である。
【図４】課題の説明図である。
【図５】本発明に係る内燃機関のノッキング検出装置の実施例の構成図である。
【図６】燃焼状態検出ルーチンのフローチャートである。
【図７】失火検出処理のフローチャートである。
【図８】ノッキング制御処理のフローチャートである。
【図９】バックグランド算出処理のフローチャートである。
【図１０】点火時期制御処理のフローチャートである。
【図１１】バンドパスフィルタのゲイン特性図である。
【符号の説明】
５…内燃機関
１１…イグニッションコイル
１６…デストリビュータ
１７…ハイテンションケーブル
１８…点火栓
１９…イオン電流検出部
３１…ＬＣ共振マスク部
３２…バンドパスフィルタ
３２１…低周波数バンドパスフィルタ
３３…ピークホールド部
３３１…低周波数ピークホールド部
５００…ピストン
５０１…燃焼室
５０２…ウオータジャケット
５０３…冷却水温度センサ
５０５…クランク角センサ
５０６…基準角センサ
５１０…吸気弁
５１１…エアクリーナ
５１２…エアフローメータ
５１３…吸気管
５１４…スロットル弁
５１５…燃料噴射弁
５２０…排気弁
５２１…排気管
５２２…空燃比センサ
５５…処理部
５５０…バス
５５１…アナログ入力Ｉ／Ｆ
５５２…ディジタル入力Ｉ／Ｆ
５５３…出力Ｉ／Ｆ
５５４…ＣＰＵ
５５５…メモリ
Claims (2)
- 内燃機関の燃焼室内に設置される一対の電極に電圧を印加し、燃焼室内の混合気が燃焼する際に発生するイオンを介してこの一対の電極間を流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出手段の出力信号からノッキングの発生を表すノッキング周波数成分を抽出するための第１の周波数成分抽出手段と、
前記イオン電流検出手段の出力信号から着火後混合気が正常に燃焼したことを表す正常燃焼周波数成分を抽出する第２の周波数成分抽出手段と、
前記第１の周波数成分抽出手段によって抽出されたノッキング周波数成分に基づいてノッキングが発生しているか否かを判定するノッキング発生判定手段と、
前記第２の周波数成分抽出手段によって抽出された正常燃焼周波数成分に基づいて失火が発生しているか否かを判定する失火発生判定手段と、を具備し、
前記第１および第２の周波数成分抽出手段は前記イオン電流検出手段に対して並列に接続されて互いに独立して動作する、内燃機関の燃焼状態検出装置。 - 請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置において、前記第１、第２の周波数成分抽出手段はバンドパスフィルタである、内燃機関の燃焼状態検出装置。
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