JP4134880B2 - 内燃機関のイオン電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のイオン電流検出装置に関するものである。

従来より、内燃機関において混合気が燃焼する際には燃焼イオンが発生することに着目し、点火に伴う燃焼毎に点火プラグの対向電極間に流れるイオン電流を検出するイオン電流検出装置が各種提案されている。そして、この検出したイオン電流に基づいて失火判定や、ノッキング等の異常燃焼判定や、燃焼ラフネス等の燃焼状態判定などが実施されるようになっている。

イオン電流検出装置では、イオン電流の検出信号（以下、イオン電流信号ともいう）に重畳するノイズによりイオン電流の検出精度が低下することが懸念されており、ノイズ対策技術も各種提案されている。イオン電流信号に重畳する代表的なノイズとしては残留磁気ノイズやスパイクノイズ（異常帯電ノイズ）が知られており、残留磁気ノイズは、点火プラグの火花放電終了直後において点火コイルの二次側の浮遊容量に残った電荷がＬＣ共振により振動減衰する過程で発生する。また、スパイクノイズは、点火プラグの碍子部に帯電した電荷がグランド側に放電する過程で発生する。その他に、点火プラグを発生要因とするノイズとして、点火プラグの碍子部の容量成分と、碍子部周囲の金属ハウジングとの間の空隙部が有する抵抗成分とにより生じるＣＲダレノイズがある。

例えば特許文献１のノッキング検出装置では、イオン電流信号から抽出したノッキング信号とノイズ信号との出力比を算出し、その出力比に基づいて残留磁気ノイズやスパイクノイズといった特定のノイズが発生しているか否かを判定することとしている。また、失火判定装置としてイオン電流信号の信号ピーク値に基づいて失火判定を実施する装置においては、信号ピーク値が所定のしきい値以下であれば、そのイオン電流信号がノイズであると判定するようにしている。

しかしながら、既存の技術は、基本的にその時々の信号レベル（ピークホールド値）に応じてノイズ判定を行うものとなっており、各種存在するノイズに適正に対処できるものではなかった。故に、より精密にノイズ判定を行いたいという要望下においては更なる改善が求められている。

因みに、本願発明者らによれば、点火プラグの型式やメーカ毎の設計製造方法差などによりＣＲダレノイズやスパイクノイズの発生に差異があること、本来指定されていない別の型式の点火プラグや規格外れの点火プラグなどの異種プラグを使用した場合においてノイズ問題が顕著になることが確認されている。また近年では、内燃機関の高出力化などを図るべく吸排気弁の多弁化や挟み角度の縮小化が進められ、かかる実状において点火プラグの長さを延長した、いわゆるロングリーチプラグが採用されつつある。このロングリーチプラグの場合、碍子部や金属ハウジングが長くなることにより、前記ＣＲダレノイズ等の問題がより顕著になることも確認されている。
特開２０００−１４５６０５号公報

本発明は、イオン電流信号に含まれるノイズの影響を適正に排除し、ひいてはイオン電流の検出精度を高めることができる内燃機関のイオン電流検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、燃料の燃焼時に発生するイオン電流が検出され、該イオン電流の検出信号（イオン電流信号）が所定のしきい値以上となる信号出力時間が検出されると共に、イオン電流の信号ピーク値が検出される。そして、前記信号出力時間と前記信号ピーク値とをパラメータとして燃焼イオンの発生に関する燃焼イオン特性と前記検出信号に重畳するノイズの発生に関するノイズ特性とを表すイオン電流信号特性データを用い、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記ノイズ特性を基に定められる失火判定域にある場合に失火が発生したと判定される。

イオン電流信号に含まれる各種ノイズはその発生要因毎に出力特性が概ね決まっている。この場合、燃焼イオン特性とノイズ特性とは、イオン電流信号の信号出力時間と信号ピーク値とをパラメータとするイオン電流信号特性データとしてデータ化することができ、このイオン電流信号特性データを用いることでノイズ成分を好適に特定することができる。それ故本発明によれば、ノイズ形態に合わせてイオン電流信号の有効判定を行うことができ、ノイズの影響を排除して正しくイオン電流を検出することができるようになる。またこのとき、イオン電流信号特性データは容易にマップ化でき、そのマップデータを用いる構成とすれば、前記有効判定の処理について簡易化を図ることができる。

また、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記ノイズ特性を基に定められる失火判定域にある場合に失火が発生したと判定される。この場合、前述の通りノイズ成分を排除して正しくイオン電流を検出することができるため、失火の判定精度も向上する。

請求項２に記載の発明では、前記イオン信号判定手段によりその時の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが前記失火判定域にあると判定された時、その時該当する信号出力時間と信号ピーク値との少なくとも何れかが無効化され、履歴データに残されないため、イオン電流の信号出力時間と信号ピーク値との履歴データに基づいて内燃機関の燃焼状態を判定する場合において、燃焼状態を精度良く判定することができるようになる。

請求項３に記載の発明では、燃料の燃焼時に点火プラグの対向電極間を通じて流れるイオン電流が検出され、該イオン電流の検出信号（イオン電流信号）が所定のしきい値以上となる信号出力時間が検出されると共に、イオン電流の信号ピーク値が検出される。そして、前記信号出力時間と前記信号ピーク値とをパラメータとして燃焼イオン特性とノイズ特性とを表すイオン電流信号特性データを用い、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記ノイズ特性を基に定められるノイズ特定域にあるかどうかによりノイズが特定される。

点火プラグの対向電極をイオン電流検出電極として用いる場合には、当該点火プラグにおけるスパイクノイズ（異常帯電ノイズ）やＣＲダレノイズがイオン電流信号に重畳することが考えられる。この場合、各種ノイズはその発生要因毎に出力特性が概ね決まっており、燃焼イオン特性とノイズ特性とは、イオン電流信号の信号出力時間と信号ピーク値とをパラメータとするイオン電流信号特性データとしてデータ化することができる。従って、前記イオン電流信号特性データを用いることでノイズ成分を好適に特定することができる。それ故本発明によれば、ノイズの特定が可能となり、ひいては当該ノイズの影響を排除して正しくイオン電流を検出することができるようになる。またこのとき、イオン電流信号特性データは容易にマップ化でき、そのマップデータを用いる構成とすれば、ノイズ判定の処理について簡易化を図ることができる。

請求項４に記載の発明では、燃料の燃焼時に点火プラグの対向電極間を通じて流れるイオン電流が検出され、該イオン電流の検出信号（イオン電流信号）が所定のしきい値以上となる信号出力時間が検出されると共に、イオン電流の信号ピーク値が検出される。そして、前記信号出力時間と前記信号ピーク値とをパラメータとして燃焼イオン特性とノイズ特性とを表すイオン電流信号特性データを用い、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記ノイズ特性を基に定められる失火判定域にある場合に失火が発生したと判定される。また、同じくイオン電流信号特性データを用い、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記失火判定域内において前記ノイズ特性を基に定められるノイズ特定域にあるかどうかによりノイズが特定される。

前述の通り点火プラグの対向電極をイオン電流検出電極として用いる場合には、当該点火プラグにおけるスパイクノイズ（異常帯電ノイズ）やＣＲダレノイズがイオン電流信号に重畳することが考えられる。この場合、各種ノイズはその発生要因毎に出力特性が概ね決まっており、燃焼イオン特性とノイズ特性とは、イオン電流信号の信号出力時間と信号ピーク値とをパラメータとするイオン電流信号特性データとしてデータ化することができる。従って、前記イオン電流信号特性データを用いることでノイズ成分を好適に特定することができる。それ故本発明によれば、ノイズの特定が可能となり、ひいては当該ノイズの影響を排除して正しくイオン電流を検出することができるようになる。またこのとき、イオン電流信号特性データは容易にマップ化でき、そのマップデータを用いる構成とすれば、失火判定やノイズ判定の処理について簡易化を図ることができる。

また、従来この種の失火判定装置では、失火判定とノイズ判定とを区別せずに一様な判定を行う（すなわち、失火発生＝ノイズとする）ものが存在するが、上記請求項４の構成によれば、失火判定域内に設定したノイズ特定域にてノイズを特定するため、失火判定した際においてノイズ判定を併せて実施することができる。

請求項５に記載の発明では、失火判定域にあると判定された信号出力時間と信号ピーク値とが無効化され、履歴データに残されないため、イオン電流の信号出力時間と信号ピーク値との履歴データに基づいて内燃機関の燃焼状態を判定する場合において、燃焼状態を精度良く判定することができるようになる。

請求項６に記載の発明では、その時のイオン電流の検出信号がノイズ特定域にある旨判定された時に、該判定結果に基づいてその時内燃機関に装着されている点火プラグが異種プラグであると判定される。要するに、プラグ型式やプラグメーカが異なる、又はプラグ特性が規格外となるなどの異種プラグが内燃機関に装着されている場合、多重スパイクノイズやＣＲダレノイズが発生するため、当該ノイズ判定時には異種プラグであると判定する。こうして異種プラグ判定を行うことにより、プラグ装着の状況を細かく把握できるようになる。

請求項７に記載の発明では、点火プラグが異種プラグであると判定された時それを表すダイアグ情報を記憶する一方、その異種プラグ判定だけでは前記失火フェイルセーフ処置を実施しないようにした。異種プラグを装着していても必ずしも失火異常になるとは限らず、失火フェイルセーフ処置を必要としない場合もあり得る。請求項７の構成によれば、実際には失火異常となっていないのに、不要なフェイルセーフ処置が実施されるといった不都合が回避できる。具体的には、失火フェイルセーフ処置は故障警告灯（ダイアグランプ）を点灯させるなどして失火異常発生をドライバ等に報知する処置等であり、失火異常となっていないのに故障警告灯が点灯されて修理工場等での点検や修理が行われるという不都合が回避できる。特に請求項４等の発明によれば、失火判定の精度が向上していることから、異種プラグ判定時に直ちに失火フェイルセーフ処置を実施する必然性も無いと言える。

請求項８に記載の発明では、前記ノイズ特定手段は、燃料カット時であることを条件にノイズの特定を実施する。燃料カット時には、燃焼イオンが発生しないため、イオン電流信号はノイズ成分のみとなる。従って、より確実にノイズの特定が実施できる。

請求項９に記載の発明では、内燃機関の回転状態に基づいてノイズ種別が特定される。つまり、内燃機関の高回転時か低回転時かでどのノイズが顕著に検出できるかが異なり、例示すると、多重スパイクノイズに関しては、信号出力時間が比較的短く且つ信号ピーク値が比較的高いため、内燃機関の低回転時に好適に特定できる。また、ＣＲダレノイズに関しては、信号出力時間が比較的長く且つ信号ピーク値が比較的低いため、内燃機関の高回転時に好適に特定できる。従って請求項９によれば、多重スパイクノイズやＣＲダレノイズの特定を適正に実施することができるようになる。

内燃機関の運転状態と前記イオン電流信号特性データとの関係が予め規定されており、燃焼イオン特性上の機関回転数とノイズ特性上の機関回転数との差が大きくなる所定の機関運転状態下でノイズ種別が特定される。例えば、多重スパイクノイズは信号出力時間が比較的短いため、内燃機関の低回転時において燃焼イオン特性との差が大きくなり、ＣＲダレノイズは信号出力時間が比較的長いため、内燃機関の高回転時において燃焼イオン特性との差が大きくなる。こうした関係を用いれば、多重スパイクノイズやＣＲダレノイズの特定を適正に実施することができるようになる。

請求項１０に記載の発明では、前記イオン電流信号特性データに基づき、信号出力時間をパラメータとして信号ピーク値の判定レベルが設定されると共に信号ピーク値をパラメータとして信号出力時間の判定レベルが設定され、その都度の信号出力時間及び信号ピーク値を前記各判定レベルとそれぞれ比較することによりイオン電流の検出信号が判定される。つまりこの場合、各判定レベルとの比較により、イオン電流信号の有効判定（請求項１）や、ノイズの特定（請求項３，４）や、失火判定（請求項４）が実施される。

請求項１１に記載の発明では、前記信号出力時間と前記信号ピーク値とよりなるイオン電流信号特性データに基づいてイオン電流信号の判定を実施する第１判定と、前記信号出力時間を使わず前記信号ピーク値に基づいてイオン電流信号の判定を実施する第２判定とが切り替えて実施される。２つの判定手法が適宜切り替えられて実施されるため、その都度の状況に合わせた適切な判定が実現できる。例えば、点火プラグがくすぶっている場合には、プラグ漏れ電流により信号出力時間が正しく検出できないため、第１判定に代えて第２判定を実施する。

請求項１２に記載の発明では、１燃焼に付随して複数の信号出力時間が検出されるとき、その中で最長となる時間が信号出力時間とされるため、最長時間よりも短い信号出力時間は失火判定等を実施する上で無視される。この場合、失火の誤判定等が抑制され、その信頼性が向上する。

請求項１３に記載の発明では、ラッチ時間検出機能とＡＤ変換機能とを有するマイクロコンピュータ等の信号処理ユニットにより信号処理が一括して実施されるため、複雑なハード回路構成が不要となり、信号処理回路を実現する上で低コスト化や小型化を図ることができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、車両用ガソリン噴射エンジンの点火システムとして具体化されるものであり、同点火システムではエンジン制御用の電子制御装置（以下、ＥＣＵという）を中心に点火時期制御等が
実施される。

まず、図１に基づいて点火制御系及びイオン電流検出系の回路構成を説明する。点火コイル１１の一次コイル１１ａの一端は電源（＋Ｂ）側に接続され、該一次コイル１１ａの他端は点火制御用のトランジスタ１２のコレクタに接続されている。トランジスタ１２のエミッタは接地され、ベースには、後述するＥＣＵ３０より点火信号が印加される。トランジスタ１２は点火制御用スイッチング素子として機能するものであり、勿論他のスイッチング素子であっても良い。

また、点火コイル１１の二次コイル１１ｂの一端は点火プラグ１４に接続され、該二次コイル１１ｂの他端は２つのツェナーダイオード１５，１６を介して接地されている。２つのツェナーダイオード１５，１６は互いに逆向きに直列接続され、一方のツェナーダイオード１５にコンデンサ１７が並列に接続され、他方のツェナーダイオード１６にイオン電流検出抵抗１８が並列に接続されている。コンデンサ１７とイオン電流検出抵抗１８との間の電位がイオン電流信号としてＥＣＵ３０に出力される。これらツェナーダイオード１５，１６、コンデンサ１７及びイオン電流検出抵抗１８等により、イオン電流検出手段としてのイオン電流検出回路１９が構成されている。

エンジン運転中は、ＥＣＵ３０から出力される点火信号の立ち上がり／立ち下がりでトランジスタ１２がオン／オフする。トランジスタ１２がオンすると、電源（＋Ｂ）から一次コイル１１ａに一次電流が流れ、その後、トランジスタ１２がオフすると、一次コイル１１ａの一次電流が遮断されて二次コイル１１ｂに高電圧が電磁誘導され、この高電圧によって点火プラグ１４の対向電極間に火花放電が発生する。この際、火花放電電流は図のＡ方向に（すなわち、点火プラグ１４の接地電極から中心電極に）流れ、二次コイル１１ｂを経てコンデンサ１７に充電されると共に、ツェナーダイオード１５，１６を経てグランド側に流れる。コンデンサ１７の充電後は、ツェナーダイオード１５のツェナー電圧によって規制されるコンデンサ１７の充電電圧を電源として、後述するようにイオン電流が検出される。

点火終了後は、コンデンサ１７の充電電圧によって点火プラグ１４の対向電極間に電圧が印加されるため、エンジン燃焼室内で混合気が燃焼する際に発生するイオン電流は、火花放電電流とは反対に図のＢ方向に（すなわち、点火プラグ１４の中心電極から接地電極に）流れ、更にグランド側からイオン電流検出抵抗１８を通ってコンデンサ１７に流れる。この際、イオン電流検出抵抗１８に流れるイオン電流の変化に応じてイオン電流信号が変化し、そのイオン電流信号がＥＣＵ３０に取り込まれる。

ＥＣＵ３０内には、信号処理ブロック３１とメイン制御ブロック３２と信号比較部３３とが設けられている。前記イオン電流検出回路１９より出力されるイオン電流信号は、信号比較部３３に入力される一方、そのまま信号処理ブロック３１に入力される。信号比較部３３では、イオン電流信号と所定のしきい値電圧Ｖｔｈとが比較され、イオン電流信号の電位がしきい値電圧Ｖｔｈを上回れば信号比較部３３から信号処理ブロック３１にＨレベルのラッチ信号が出力され、逆にイオン電流信号の電位がしきい値電圧Ｖｔｈを下回れば信号比較部３３から信号処理ブロック３１にＬレベルのラッチ信号が出力される。

信号処理ブロック３１では、ラッチ信号がＨとなるラッチ時間（後述する信号出力時間Ｔｉ）が検出されると共に、一定の時間周期でイオン電流信号がＡＤ変換処理される。図３は、燃焼時におけるイオン電流信号の変化を示すタイムチャートであり、図中の黒丸はイオン電流信号のＡＤ変換タイミングを示す。イオン電流信号の変化に伴い、図示の如くラッチ信号が生成される。

メイン制御ブロック３２では、その都度のエンジン運転状態に基づいて点火時期制御が実施される。すなわち、メイン制御ブロック３２にはその都度のエンジン運転状態を表す各種センサ信号が入力され、該メイン制御ブロック３２で前記センサ信号に基づいて点火信号が生成される。この点火信号により、前述したようにトランジスタ１２がオン／オフされ、その際火花放電により正常に着火されると、燃焼室内に導入された混合気が燃焼に供される。また、メイン制御ブロック３２では、イオン電流信号の状態に基づいて失火判定やノイズ判定が適宜行われるようになっている。なお、信号処理ブロック３１やメイン制御ブロック３２はマイクロコンピュータ等の演算装置により実現される。

ここで、点火プラグ１４の要部構成を図２の半断面図を用いて説明する。

点火プラグ１４は、金属製のハウジング４１、絶縁碍子４２、電極部材（中心電極４３、接地電極４４）、抵抗体４５及びステム４６等を主要な構成とするものであり、ハウジング４１により絶縁碍子４２の支持及び点火プラグ１４のエンジンへの取り付けが行われ、絶縁碍子４２によりハウジング４１と中心電極４３とが絶縁される構成となっている。なお、ハウジング４１にはその外周にネジ部４１ａが設けられており、このネジ部４１ａにより本点火プラグ１４がエンジンのシリンダヘッド等に装着される。

絶縁碍子４２にはその中心に貫通孔４８が設けられており、その貫通孔４８に中心電極４３、抵抗体４５及びステム４６が収容保持されている。中心電極４３と抵抗体４５との間、抵抗体４５とステム４６との間には導電性ガラスからなるガラスシール層４９ａ，４９ｂがそれぞれ設けられている。中心電極４３は絶縁碍子４２の先端部（図の下端部）より一部突出している。図示を略すが、ステム４６の上端部には端子が接続されている。

絶縁碍子４２は軸線方向に見てその外径が大小異なるように形成されており、ここでは、絶縁碍子４２を上段部４２ａ、中段部４２ｂ及び下段部４２ｃに大別して説明を行うこととする。この場合、中段部４２ｂは微小クリアランス（例えば０．１ｍｍ程度）にてハウジング４１に対向する部位であり、その上端テーパ部（上段部４２ａとの連結部）及び下端テーパ部（下段部４２ｃとの連結部）にはそれぞれ金属パッキン５１，５２が配設されている。そして、ハウジング４１の上端部が全周にわたってカシメ変形されることで、ハウジング４１内に絶縁碍子４２が固定されるようになっている。下段部４２ｃは中段部４２ｂよりも細く、先端に近づくほどより細くなるよう構成されている。ハウジング４１の図の下端部には、中心電極４３と所定の放電ギャップを隔てるようにして接地電極４４が溶接固定されている。

次に、イオン電流信号に基づいて実施される失火判定処理の概要を図４のタイムチャートを用いて説明する。図４において、（ａ）は点火信号を、（ｂ）は失火検出区間を、（ｃ）は正常燃焼した時の燃焼時イオン電流信号を、（ｄ）は失火時における失火時イオン電流信号（その１）を、（ｅ）は失火時における失火時イオン電流信号（その２）を、それぞれ示す。ここでははじめに、（ｃ）の燃焼時イオン電流信号を用いて正常燃焼時の動作を説明する。

点火信号の立ち上がりに伴う通電開始時には通電ノイズが発生する。その後、点火信号の立ち下がりに伴い点火プラグ１４の対向電極間に高電圧が印加され、点火プラグ１４の対向電極間で火花放電が発生する。

点火プラグ１４の火花放電直後には、点火コイル１１の二次側の浮遊容量に残った電荷がＬＣ共振により振動減衰し、イオン電流信号にＬＣ共振波形の残留磁気ノイズが重畳する。その後、点火プラグ１４の火花放電により着火し火炎が拡散する過程で燃焼室内に燃焼イオンが発生するため、ＬＣ共振後に点火プラグ１４の対向電極間にイオン電流が流れ
始める。

失火検出区間では、イオン電流信号が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ以上となる時間（以下、これを信号出力時間Ｔｉという）が求められると共に、同イオン電流信号が最大となる電流値（以下、これを信号ピーク値Ｉｐという）が求められる。そして、この信号出力時間Ｔｉと信号ピーク値Ｉｐとに基づいて失火判定が行われる。

これに対し、図４（ｄ）に示す失火時イオン電流信号（その１）では、失火時であるため燃焼イオンは発生せず、スパイクノイズ（異常帯電ノイズ）が発生している。これにより、イオン電流信号にスパイクノイズ波形が現れる。スパイクノイズは、点火プラグ１４に帯電した電荷が放電によりグランド側にリークする過程で単発的又は連続的に発生するスパイク状のノイズである。

また、図４（ｅ）に示す失火時イオン電流信号（その２）では、火花放電に伴い残留磁気ノイズが発生した後、それに引き続いてＣＲダレノイズが発生しており、イオン電流信号にＣＲダレノイズ波形が現れる。このＣＲダレノイズは、点火プラグ１４において絶縁碍子４２の中段部４２ｂ（図２参照）の容量成分（Ｃ１）と抵抗成分（Ｒｐ）とに起因して発生するノイズであり、電気的構成からすると、図１に示すように容量Ｃ１と抵抗Ｒｐとが直列接続されることで生じると考えられる。すなわち、絶縁碍子４２の中段部４２ｂでは、ハウジング４１と絶縁碍子４２間のクリアランスが通常約０．１ｍｍと小さいために、中心電極４３で電圧変動が発生する時、前記クリアランスにより形成される空気層を通じて容量Ｃ１とグランド（ハウジング）間が一時的に導通状態になる。Ｒｐは導通状態時の空気層の抵抗成分である。放電終了時には、容量Ｃ１の電荷分が抵抗Ｒｐを介して時定数を持って遅れて抜けるため、残留磁気ノイズ発生後に信号ダレが発生する。

本願発明者らによれば、点火プラグ１４の型式やメーカ毎の設計製造方法差などによりＣＲダレノイズ発生に差異があることが確認されており、本来指定されていない別の型式の点火プラグ１４や規格外れの点火プラグ１４などの異種プラグを使用した場合においてＣＲダレノイズが発生することが分かっている。本実施の形態は、ＣＲダレノイズによる失火の誤判定などを防止する目的で、そのノイズ対策を講じるものである。また、前述したスパイクノイズについても同様に、異種プラグを用いることで当該スパイクノイズが連続的に発生して多重スパイクノイズとなり、失火の誤判定を招く可能性があることが確認されており、それについても対策を講じる。併せて、異種ノイズ判定も行うこととしている。

図５には、ＣＲダレノイズの発生時におけるイオン電流信号の信号出力時間と信号ピーク値との関係を調査した結果を示す。同結果において、各サンプル１〜３は概ね同様の特性を呈し、ＣＲダレノイズに関して信号ピーク値が高い時ほど、信号出力時間が長くなるようになっている。

ＥＣＵ３０（信号処理ブロック３１）では、イオン電流信号に基づいて信号出力時間Ｔｉと信号ピーク値Ｉｐとを算出することとしており、その算出方法を説明する。特にここでは、燃焼時のイオン電流信号に単発的なスパイクノイズ等が重畳した場合に、そのノイズの影響を受けずに正確に信号出力時間Ｔｉや信号ピーク値Ｉｐが算出できる手法について説明する。図６は、スパイクノイズ等のノイズ波形を示す図面である。

はじめに、スパイクノイズや残留磁気ノイズは何れも点火系の二次側の浮遊容量Ｃ２とインダクタンスＬ２等からなる直列共振回路を介してイオン電流信号に重畳するため、スパイクノイズや残留磁気ノイズの基本周波数ｆは共に次の（１）式で求められる。

通常の回路構成では、上記ノイズの基本周波数ｆは４ｋＨｚ付近となる。故に、ノイズ周期Ｔｎは約２５０μｓとなる。

この場合、イオン電流信号のＡＤ変換周期Ｔａｄを、Ｔａｄ＜（１／２）＊Ｔｎの関係が成立するように設定することとし、具体的には、Ｔａｄ＝１００μｓとする。そして、イオン電流信号の連続する前後３つのＡＤ値（ＡＤi，ＡＤi-1，ＡＤi-2）を用い、その
３つのＡＤ値のうち最小値を、今回有効とするＡＤ（i）値とする。具体的には次の（２
）式による。
ＡＤ（i）＝ｍｉｎ（ＡＤi，ＡＤi-1，ＡＤi-2） …（２）
図６で確認すると、連続する３つのＡＤ値のうち、上位２つのＡＤ値を排除し、最下位のＡＤ値を採用することにより、スパイクノイズ等の正側ピーク分の影響を受けずにＡＤ（i）値を得ることができるようになる。

また、次の（３）式を用い、時系列的に多数算出されたＡＤ（i）値からその最大値を
信号ピーク値Ｉｐ（i）として算出する。
Ｉｐ（i）＝ｍａｘ（ＡＤ（i），Ｉｐ（i-1）） …（３）
更に、図３に示すように、ラッチ信号がＨレベルとなる（すなわち、イオン電流信号の電位がしきい値電圧Ｖｔｈ以上となる）ラッチ時間Ｔｒ（i-1），Ｔｒ（i）から、最長のものを信号出力時間Ｔｉ（i）として算出する。具体的には次の（４）式による。
Ｔｉ（i）＝ｍａｘ（Ｔｒ（i），Ｔｉ（i-1）） …（４）
以上により、燃焼時のイオン電流信号に単発的なスパイクノイズ等が重畳しても、そのノイズの影響を受けずに正確に信号出力時間Ｔｉや信号ピーク値Ｉｐが算出できるようになる。

一方、ＥＣＵ３０（メイン制御ブロック３２）では、上記の如く算出した信号出力時間Ｔｉと信号ピーク値Ｉｐとに基づいて失火判定と異種プラグ判定とを実施する。図７は、信号出力時間Ｔｉと信号ピーク値Ｉｐとをパラメータとするイオン電流信号特性を示しており、同特性上には燃焼イオン特性とノイズ特性とが表され、それら燃焼イオン特性とノイズ特性とに基づいて失火判定域とノイズ特定域とが区画設定されている。

図７のＡ領域は、正常に燃焼イオンが発生する場合の燃焼イオン特性に対応した領域であり、かかる場合には、信号出力時間Ｔｉ、信号ピーク値Ｉｐは概ね同様にＡ領域内の数値となる。なおこのとき、ＴｉやＩｐが領域Ａ内のどの程度の数値になるかはエンジン運転状態によって決まり、例えば、アイドル時などの低回転時にはＴｉは比較的長く、Ｉｐは比較的小さい数値となり、高回転時にはＴｉは比較的短く、Ｉｐは比較的大きい数値となる。

また、図７のＢ〜Ｄ領域はノイズ特性に対応した領域であり、Ｂ領域は残留磁気ノイズに対応した領域、Ｃ領域はスパイクノイズに対応した領域、Ｄ領域はＣＲダレノイズに対応した領域となっている。

各ノイズ出力を燃焼イオンとして誤検出すると、失火が誤判定される等の不都合が生じることから、本実施の形態では、各ノイズ領域を含むようにして失火判定域を区画設定することとしており、図７では、一点鎖線で示す境界線Ｌを基準に失火判定域を区画設定している。また、失火判定域内に、スパイクノイズやＣＲダレノイズを特定するためのノイ
ズ特定域を区画設定している（図７中、点線で区画した領域）。この場合、信号ピーク値Ｉｐの判定レベルを一定値としている従来一般の装置と比較すると、信号ピーク値Ｉｐの判定レベルを複数段階に設定することで失火判定域を一部拡張し、その拡張部分にノイズ特定域を設けている点が大きく相違する。なお図７では、信号ピーク値Ｉｐの判定レベルと信号出力時間Ｔｉの判定レベルとを共に３段階に設定している。なお、失火判定域外の領域は、イオン電流信号を有効とする有効領域でもあり、Ｉｐ、Ｔｉが当該領域にあることでイオン電流信号の有効判定が可能となる。

次に、ＥＣＵ３０による実際の処理内容を図８〜図１０のフローチャートに基づいて説明する。

図８は、ＥＣＵ３０における信号処理ブロック３１の信号処理ルーチンを示すフローチャートである。この信号処理ルーチンは、例えばＡＤ変換周期（本実施の形態では１００μｓ）に合わせて実行され、本ルーチンにより、イオン電流信号の信号ピーク値Ｉｐと信号出力時間Ｔｉとが算出される。

図８において、先ずステップＳ１０１では、メイン制御ブロック３２から送られてきた失火検出区間指示値を読み込み、続くステップＳ１０２では、今現在、失火検出区間にあるか否かを判別する。また、ステップＳ１０３では、イオン電流信号のＡＤi値（今回Ａ
Ｄ値）が更新されたか否かを判別する。そして、失火検出区間であり、且つＡＤi値の更
新が完了していることを条件に、ステップＳ１０４で、今回有効とするＡＤ（i）値を算
出すると共に信号ピーク値Ｉｐを算出する。その詳細は説明済みであり、ここでは説明を省略する。

その後、ステップＳ１０５では、イオン電流信号の信号出力時間Ｔｉが更新されたか、すなわちラッチ信号の立ち下がりに伴い今回新たにＴｉ値が算出されたか否かを判別する。そして、Ｔｉ値が更新されたことを条件に、ステップＳ１０６で、信号出力時間Ｔｉを算出する。その詳細は説明済みであり、ここでは説明を省略する。

その後、ステップＳ１０７では失火検出区間の終了を確認する。失火検出区間終了であれば、ステップＳ１０８で、前記算出した信号ピーク値Ｉｐと信号出力時間Ｔｉとをメイン制御ブロック３２に送り、最後にステップＳ１０９で、ＡＤｉ値やＡＤ（i）値等の初
期化処理を実施する。

図９は、ＥＣＵ３０におけるメイン制御ブロック３２の失火判定ルーチンを示すフローチャートである。この失火判定ルーチンは例えば所定時間周期（本実施の形態では２ｍｓ）で実行され、本ルーチンにより、失火判定及び異種プラグ判定が実施される。

図９において、先ずステップＳ２０１では、信号処理ブロック３１から送られてきた信号ピーク値Ｉｐと信号出力時間Ｔｉとを読み込む。その後、ステップＳ２０２では、点火プラグ１４がくすぶっていないか否かを判別する。このプラグくすぶりの判定は任意の手法によればよいが、例えば漏れ電流の計測値に基づいて実施する。点火プラグ１４がくすぶっている場合には、漏れ電流等により信号出力時間Ｔｉが正しく算出できないことから、信号出力時間Ｔｉを使わず信号ピーク値Ｉｐによって失火判定を実施する（ステップＳ２０３）。信号ピーク値Ｉｐによる失火判定手法は従来通りの判定手法であり、その説明は省略する。プラグくすぶり時には、後述する異種プラグ判定も実施しない。

点火プラグ１４がくすぶっていない場合にはステップＳ２０４以降に進む。ステップＳ２０４では、前記読み込んだ信号ピーク値Ｉｐと信号出力時間Ｔｉとにより失火判定を実施する。このとき、前記図７のイオン電流信号特性をマップ化したデータを用い、信号ピ
ーク値Ｉｐと信号出力時間Ｔｉとがイオン電流信号特性上の失火判定域にあるか否かを判別する。そして、失火判定域になければ、燃焼イオンが正常に計測されたのであるため、着火したと判定してそのまま本ルーチンを終了する。これに対して、失火判定域にあれば、燃焼イオンが正常に計測されず、失火したと判定して後続のステップＳ２０５に進む。その後、水温条件、エンジン運転条件等の失火判定条件が成立していれば（ステップＳ２０５がＹＥＳ）、ステップＳ２０６で失火フラグをオンする。

その後、ステップＳ２０７では、異種プラグ判定条件が成立しているか否かを判別する。異種プラグ判定条件には、燃料カット状態であることが含まれる。その他、低回転域であることを異種プラグ判定条件に盛り込んでも良い。異種プラグ判定条件が成立していれば、ステップＳ２０８に進み、前記信号ピーク値Ｉｐと信号出力時間Ｔｉとにより異種プラグ判定を実施する。このとき、前記図７のイオン電流信号特性をマップ化したデータを用い、信号ピーク値Ｉｐと信号出力時間Ｔｉとがノイズ特定域にあるか否かを判別する。そして、ノイズ特定域にあれば、今回のイオン電流信号がノイズ出力によるものであると判断する。ノイズ出力であることは、すなわち異種プラグ装着によるものであると推測できることからその旨判定する。

ステップＳ２０８がＹＥＳであれば、続くステップＳ２０９で異種プラグフラグをオンする。最後に、ステップＳ２１０では、信号ピーク値Ｉｐと信号出力時間Ｔｉの今回値、すなわち失火発生時のＩｐ値、Ｔｉ値を共に０にクリアする。

前記図９の失火判定ルーチンでは、失火発生であると判定した際にその時の信号出力時間Ｔｉ及び信号ピーク値Ｉｐを０にクリア、すなわち無効化するようにしている。これは以下の理由による。ＥＣＵ３０においては、信号出力時間Ｔｉや信号ピーク値Ｉｐの履歴データから燃焼ラフネス等を算出し、これにより燃焼状態の判定を行うようにしている。このとき、ノイズ出力時のＴｉ，Ｉｐデータが使われると、燃焼状態判定の精度が低下してしまうが、ノイズ出力データを無効化することにより、燃焼状態判定の精度を維持することができる。

図１０は、ＥＣＵ３０におけるメイン制御ブロック３２のダイアグ処理ルーチンを示すフローチャートである。このダイアグ処理ルーチンは例えば所定時間周期（本実施の形態では２ｍｓ）で実行され、本ルーチンにより、ダイアグコード情報の格納等が実施される。

図１０において、先ずステップＳ３０１では、失火異常（故障発生）と判定すべきか否かを判別する。具体例として、失火フラグに基づいて失火率を算出し、その失火率の算出結果から、全点火のうち所定比率（例えば３％）で失火が発生していれば失火異常であると判定する。失火異常である場合、ステップＳ３０２に進み、失火ダイアグコードをＥＥＰＲＯＭやスタンバイＲＡＭ等のバックアップ用メモリに記憶したり、フェイルセーフ処理の１つとして失火表示ランプ（ダイアグランプ）の点灯処理を実施したりする。

また、ステップＳ３０３では、異種プラグと判定すべきか否かを判別する。具体例として、異種プラグフラグがセットされる頻度に基づいて異種プラグ判定を実施する。異種プラグであると判定した場合、ステップＳ３０４に進み、異種プラグダイアグコードをＥＥＰＲＯＭやスタンバイＲＡＭ等のバックアップ用メモリに記憶する。但し、異種プラグを装着していても必ずしも失火異常になるとは限らないため、異種プラグの判定時には、失火判定時とは異なり、ダイアグランプの点灯処理は実施しない。

なお、異種プラグが装着されていると判定された時には、ノック制御や点火時期制御等はそのまま継続されるが、異種プラグ装着時用の補正値を用意しておき、その補正値を用
いた制御に切り替えるようにしても良い。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

信号出力時間Ｔｉと信号ピーク値Ｉｐとをパラメータとするイオン電流信号特性データ（図７）を用い、その都度の信号出力時間Ｔｉと信号ピーク値Ｉｐとが、失火判定域にあるかどうかを判定するとともに、失火判定域内に設定したノイズ特定域にあるかどうかによりノイズを特定するようにしたため、ノイズの特定が好適に実施でき、当該ノイズの影響を排除して正しくイオン電流を検出することができるようになる。この場合、イオン電流信号特性データ（図７）上で、失火判定域内にノイズ特定域を設定したため、失火判定した際においてノイズ判定を併せて実施することができる。

また、前記イオン電流信号特性データ（図７）を用いることにより、その時の装着プラグが異種プラグであること、すなわち管理されていない点火プラグであることを判定できる。故に、プラグ装着の状況を細かく把握できるようになる。

また、イオン電流信号特性をマップ化し、そのマップデータを用いて、失火判定や異種プラグ判定を実施する構成としたため、これらの判定処理について簡易化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では図９の失火判定ルーチンにおいて、点火プラグ１４がくすぶっているか否かにより、信号ピーク値Ｉｐによる失火判定（ステップＳ２０３：第２判定）と、信号出力時間Ｔｉ及び信号ピーク値Ｉｐによる失火判定（ステップＳ２０４以降：第１判定）とを切り替えて実施する構成としたが、それ以外に、エンジン運転条件で前記２つの失火判定手法を使い分ける構成としても良い。

また、点火プラグ１４のくすぶり判定を行わず、くずぶりの有無にかかわらず信号出力時間Ｔｉ及び信号ピーク値Ｉｐによる失火判定を実施する構成としても良い。但しこの場合、プラグくすぶり時には、プラグ漏れ電流によりイオン電流の信号レベルがシフトするため、漏れ電流分の補正を併せて実施することが望ましい。因みに、漏れ電流は、燃焼イオン消滅後の漏れ電流検出区間にて計測される。

異種プラグであるとの推測がなされた時（すなわち図９のフローで異種プラグフラグがオンした時）に、ノイズ種別を判定する構成としても良い。例えば、図７のイオン電流信号特性において、どのノイズ領域にあるかでノイズ種別を判定する。また、エンジンの回転状態に基づいてノイズ種別を特定しても良い。つまり、エンジンの高回転時か低回転時かでどのノイズが顕著に検出できるかが異なり、エンジンの低回転時においてノイズ発生が判定（異種プラグ判定）されれば多重スパイクノイズであると特定でき、エンジンの高回転時においてノイズ発生が判定（異種プラグ判定）されればＣＲダレノイズであると特定できる。

上記実施の形態では、イオン電流信号特性をマップ化したデータを用いて失火判定や異種プラグ判定を実施したが、これを以下のように変更しても良い。イオン電流信号特性データに基づき、信号出力時間Ｔｉをパラメータとして信号ピーク値Ｉｐの判定レベルを設定すると共に信号ピーク値Ｉｐをパラメータとして信号出力時間Ｔｉの判定レベルを設定し、その都度の信号出力時間Ｔｉ及び信号ピーク値Ｉｐを前記各判定レベルとそれぞれ比較することにより失火判定や異種プラグ判定を実施する。かかる場合、エンジン運転状態
に応じて、信号出力時間Ｔｉ、信号ピーク値Ｉｐの各判定レベルを調整することも可能である。

信号出力時間Ｔｉを算出するためのラッチ信号しきい値（図１の信号比較部３３のしきい値電圧Ｖｔｈ）にヒステリシスを設ける構成としても良い。これにより、ラッチ信号の過剰なＨ／Ｌ切替を防止する。また、エンジン運転状態（エンジン負荷、エンジン回転数等）や点火プラグ１４の状態（くすぶり状態など）に応じて、しきい値電圧Ｖｔｈを可変設定しても良い。

点火プラグの碍子部やハウジングの長さを延長した、いわゆるロングリーチプラグを採用してイオン電流検出装置を実現しても良い。ロングリーチプラグの場合、碍子部や金属ハウジングが長くなることにより、前述したＣＲダレノイズ等の問題がより顕著になると考えられるが、かかる場合であっても前記同様優れた効果を得ることができる。

イオン電流計測電極として、点火プラグの対向電極以外を用いることも可能である。要は、燃焼室内に一対の電極を設け、その電極間に流れるイオン電流が計測できる構成であればよい。その意味で、点火プラグを持たないエンジン、例えばディーゼルエンジンにも本発明が適用できる。

発明の実施の形態における点火制御システムの概略を示す構成図である。 点火プラグの構成を示す半断面図である。 イオン電流信号の波形図である。 点火時におけるイオン電流信号の波形図である。 ＣＲダレノイズ特性を示す図である。 イオン電流信号のＡＤ変換タイミングを示す波形図である。 イオン電流信号特性を示す図である。 信号処理ルーチンを示すフローチャートである。 失火判定ルーチンを示すフローチャートである。 ダイアグ処理ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…点火コイル、１１ａ…一次コイル、１１ｂ…二次コイル、１４…点火プラグ、１９…イオン電流検出回路、３０…ＥＣＵ、３１…信号処理ブロック、３２…メイン制御ブロック、４３…中心電極、４４…接地電極。

Claims (13)

1. 燃料の燃焼時に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
   イオン電流の検出信号を所定のしきい値と比較し、当該検出信号がしきい値以上となる信号出力時間を検出する信号出力時間検出手段と、
   前記イオン電流の信号ピーク値を検出する信号ピーク値検出手段と、
   前記信号出力時間と前記信号ピーク値とをパラメータとして燃焼イオンの発生に関する燃焼イオン特性と前記検出信号に重畳するノイズの発生に関するノイズ特性とを表すイオン電流信号特性データを用い、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記ノイズ特性を基に定められる失火判定域にある場合に失火が発生したと判定するイオン信号判定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のイオン電流検出装置。
2. 前記信号出力時間と前記信号ピーク値との履歴データを記憶保持し、該履歴データに基づいて内燃機関の燃焼状態を判定する燃焼状態判定装置に適用され、前記イオン信号判定手段によりその時の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが前記失火判定域にあると判定された時、その時該当する信号出力時間と信号ピーク値との少なくとも何れかを前記履歴データに残さないようにするデータ無効化手段を備えた請求項１記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
3. 内燃機関の燃焼室に設けられた点火プラグと、
   燃料の燃焼時に前記点火プラグの対向電極間を通じて流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
   イオン電流の検出信号を所定のしきい値と比較し、当該検出信号がしきい値以上となる信号出力時間を検出する信号出力時間検出手段と、
   前記イオン電流の信号ピーク値を検出する信号ピーク値検出手段と、
   前記信号出力時間と前記信号ピーク値とをパラメータとして燃焼イオンの発生に関する燃焼イオン特性と前記検出信号に重畳するノイズの発生に関するノイズ特性とを表すイオン電流信号特性データを用い、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記ノイズ特性を基に定められるノイズ特定域にある場合にノイズが発生したと特定するノイズ特定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のイオン電流検出装置。
4. 内燃機関の燃焼室に設けられた点火プラグと、
   燃料の燃焼時に前記点火プラグの対向電極間を通じて流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
   イオン電流の検出信号を所定のしきい値と比較し、当該検出信号がしきい値以上となる信号出力時間を検出する信号出力時間検出手段と、
   前記イオン電流の信号ピーク値を検出する信号ピーク値検出手段と、
   前記信号出力時間と前記信号ピーク値とをパラメータとして燃焼イオンの発生に関する燃焼イオン特性と前記検出信号に重畳するノイズの発生に関するノイズ特性とを表すイオン電流信号特性データを用い、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記ノイズ特性を基に定められる失火判定域にある場合に失火が発生したと判定する失火判定手段と、
   同じくイオン電流信号特性データを用い、その都度の前記信号出力時間と前記信号ピーク値とが、前記失火判定域内において前記ノイズ特性を基に定められるノイズ特定域にあるかどうかによりノイズを特定するノイズ特定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のイオン電流検出装置。
5. 前記信号出力時間と前記信号ピーク値との履歴データを記憶保持し、該履歴データに基づいて内燃機関の燃焼状態を判定する燃焼状態判定装置に適用され、前記失火判定手段により失火判定域にあると判定された信号出力時間と信号ピーク値とを前記履歴データに残さないようにするデータ無効化手段を備えた請求項４記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
6. 前記ノイズ特定手段によりその時のイオン電流の検出信号がノイズ特定域にある旨判定された時、該判定結果に基づいてその時内燃機関に装着されている点火プラグを異種プラグであると判定する請求項３乃至５の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
7. 失火が多発した時に失火異常であると判定し、その失火異常時にそれに対応する失火フェイルセーフ処置を実施する内燃機関用制御装置に適用され、前記点火プラグが異種プラグであると判定された時それを表すダイアグ情報を記憶する一方、その異種プラグ判定だけでは前記失火フェイルセーフ処置を実施しない請求項６記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
8. 前記ノイズ特定手段は、燃料カット時であることを条件にノイズの特定を実施する請求項３乃至７の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
9. 前記ノイズ特定手段は、内燃機関の回転状態に基づいてノイズ種別を特定する請求項４乃至１０の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
10. 前記イオン電流信号特性データに基づき、前記信号出力時間をパラメータとして前記信号ピーク値の判定レベルを設定すると共に前記信号ピーク値をパラメータとして前記信号出力時間の判定レベルを設定する判定レベル設定手段を備え、その都度の信号出力時間及び信号ピーク値を前記各判定レベルとそれぞれ比較することによりイオン電流信号の判定を実施する請求項１乃至９の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
11. 前記信号出力時間と前記信号ピーク値とよりなるイオン電流信号特性データに基づいてイオン電流信号の判定を実施する第１判定と、前記信号出力時間を使わず前記信号ピーク値に基づいてイオン電流信号の判定を実施する第２判定とを切り替えて実施可能とした請求項１乃至１０の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
12. 前記信号出力時間検出手段は、１燃焼に付随して複数の信号出力時間が検出されるとき、その中で最長となる時間を信号出力時間とする請求項１乃至１１の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
13. 前記信号出力時間を検出するためのラッチ時間検出機能と、前記信号ピーク値を検出するためのＡＤ変換機能とを有するマイクロコンピュータ等の信号処理ユニットにより信号処理させる構成とした請求項１乃至１２の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。

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