JP4296124B2 - 内燃機関用点火時期制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は内燃機関用点火時期制御装置に関するものである。
内燃機関のノッキングを検出し、ノッキング信号により内燃機関の点火時期を制御する装置が広く知られている。ノッキングの検出は通常ノッキングセンサを用いて行われるが、ノッキングセンサに断線等の故障が生じた場合、ノッキング検出ができなくなり、内燃機関の点火時期制御が働かなくる結果、内燃機関を損傷することがある。このため、ノッキングセンサの故障を検出することがきわめて重要となる。
特許文献１にノッキングセンサの故障を検出する内燃機関用点火時期制御装置が開示されている。この装置は、圧電素子を使ったノッキング検出器の断線故障検出を精度よく行うことを目的としたものであり、点火時期制御装置からノッキング検出器へ電圧を加え、その電圧が加わったとき、あるいはカットされた時の充電電圧または放電電圧の変化を測定して故障検出を行うものである。これは、ノッキング検出器が容量分を持つため、正常時と断線故障時の容量に大きな差が生じる点に着目し、ノッキング検出器に一定電圧を印加した場合、一定時間後における充電または放電電圧の値を測定し、その電圧の大小をノッキング検出器の故障判定に利用している。
特公平６−９２７８４号公報
従来の内燃機関用点火時期制御装置は、以上のように、故障検出のために一定電圧を印加して、一定時間後の電圧を読み取り、電圧の大小で正常か故障かの判定をするよう構成されているので、エンジンが低回転域においてはノッキング検出器の正常と故障の識別が可能であるが、高回転域においてはその識別は困難である。それは、エンジンの高回転域では、エンジンの機械振動が増大するため、故障検出を行うための電圧の波形に大幅な歪を生じ、ノッキングを判定する電圧と基準値との大小比較が困難になり、正常と断線の識別がつかなくなるからである。そのため、ノッキング検出器が正常にもかかわらず断線故障と誤判定するなどの問題点があった。従って、高回転域のみノッキング信号のレベルを故障判定に併用しなければならなかった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、エンジンの高回転域においても正確に故障を判定できる内燃機関用点火時期制御装置を得ることを目的とする。また、ノッキングセンサの断線のみならず、ノッキングセンサが電源側に短絡するいわゆる天絡あるいはグランド側に短絡するいわゆる地絡による故障も検出できる内燃機関用点火時期制御装置を得ることを目的とする。
この発明に係る内燃機関用点火時期制御装置は、ノッキング現象に基づくエンジン本体の振動を検出してノッキング信号を取り出すノッキングセンサと、上記ノッキング信号により点火時期制御信号を発生するマイクロコンピュータと、上記ノッキングセンサの出力端に接続され、該出力端の電位を第１の閾値と比較する比較回路と、同じく上記ノッキングセンサの出力端に接続され、該出力端の電位を第２の閾値と比較する比較回路と、上記両比較回路の出力端に接続された論理和回路（ＮＯＲ回路）とを備え、上記マイクロコンピュータは、上記ノッキングセンサの故障検出を実行する故障検出実行信号を出力して一時的にパルス電圧を上記ノッキングセンサに加えるとともに、上記パルス電圧の印加時における上記ノッキングセンサの充電または放電特性に基づく上記ノッキングセンサの出力端電位を上記第１及び第２の閾値と上記比較回路で比較して得られるＬレベルまたはＨレベルの出力及び該ＬレベルまたはＨレベルの出力を入力とする上記論理和回路の出力を受けて上記故障検出期間における上記各比較回路の出力のＬレベルまたはＨレベルの期間の総和及び上記論理和回路の出力のＬレベルまたはＨレベルの期間の総和をそれぞれ求め、求めた総和のそれぞれに応じて上記ノッキングセンサの故障判定を行うようにしたものである。
この発明によれば、ノッキングセンサへの充電または放電の過渡特性をパルス変換する２つの比較手段と一つの論理手段の出力のＬレベルパルス幅時間の総和に基づいて故障判定を行うように構成したので、エンジンの全ての回転域において、ノッキングセンサの断線故障、天絡故障、および地絡故障が簡単でかつ正確に得られる効果がある。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１に示す。図１において、この発明に係る内燃機関用点火時期制御装置は、ノッキングセンサ１とマイクロコンピュータ２とを備えている。ノッキングセンサ１は例えば圧電素子からなり、エンジンが生じる振動等を検出し電気信号として出力するもので、電気的には、図示のように、振動信号Ｖｉを出力する信号源と容量Ｃ０からなるコンデンサで等価できる。マイクロコンピュータ２はノッキングセンサ１からのノッキング信号ＶＨを受けて点火時期制御の信号を演算により求め、図示していないイグナイタへ出力を出す機能や、後述する故障検出信号を受けてノッキングセンサの故障の判定機能や、故障検出が必要なときに故障検出実効信号ＶＤを送出する機能を有している。
ノッキングセンサ１の出力はノッキング信号を抽出するバンドパスフィルタ３を通してマイクロコンピュータ２に供給される。また、ノッキングセンサ１の出力端は、抵抗Ｒ１およびスイッチング手段であるスイッチ４を通して電源電圧ＶＣＣに接続される。スイッチ４は、マイクロコンピュータ２の故障検出実効信号ＶＤにより開閉が制御される。ノッキングセンサ１の出力端は、電源（Ｂａｔｔ）とグランドＧＮＤ間に接続されたバイアス印加用の抵抗Ｒ２とＲ３の分圧点に接続され、さらに、比較手段である比較器５および６に接続されている。
比較器５は、故障検出実行時に、ノッキングセンサ１の出力端に加えられる回路入力信号ＶＡと第１の閾値ＶＢとを比較してその出力電圧であるＬレベルまたはＨレベルの天絡故障検出信号ＶＥをマイクロコンピュータ２に供給する。ここで天絡とは、回路が電源側に短絡することを指している。比較器６は、ノッキングセンサ１の出力端に加えられる回路入力信号ＶＡと第２の閾値ＶＣとを比較してその出力電圧であるＬレベルまたはＨレベルの地絡故障検出信号ＶＧをマイクロコンピュータ２に供給する。比較回路５と６の出力信号はまた論理手段である論理和回路（ＮＯＲ回路）７に入力され、論理和回路７の出力は断線故障検出信号ＶＦとしてマイクロコンピュータ２に供給される。論理和回路７は、比較器５および６のいずれもがＬレベルの出力を出すときのみ、すなわち回路入力電圧ＶＡが第２の閾値ＶＣ以上で、第１の閾値ＶＢ以下のときにのみＨレベルの出力を出す。比較器５および６の出力側はそれぞれ抵抗Ｒ４およびＲ５を介して電源電圧ＶＣＣに接続されている。
ノッキング信号の検出およびそれによる点火時期制御の動作について説明する。先ず、ノッキングの検出時、ノッキングセンサ１には、スイッチ４がＯＦＦ状態にあるため、電源電圧ＶＣＣが抵抗Ｒ２およびＲ３で分圧され、直流バイアス電圧として印加されている。ノッキングセンサ１は、エンジンのノッキングに基づく機関本体の振動を検出し、振動から変換された振動信号Ｖｉをバンドパスフィルタ３がノッキング信号ＶＨとして抽出してマイクロコンピュータ２に供給し、マイクロコンピュータ２ではノッキング信号ＶＨに基づいて点火時期調整信号を生成する。
次に、故障検出動作を図２に基づいて説明する。図２はエンジンの低回転域におけるノッキングセンサ１の正常時（ａ）と断線故障時（ｂ）のタイムチャートを示している。故障検出を行おうとする時には、マイクロコンピュータ２から故障検出実行信号ＶＤを出力する。故障検出実行信号ＶＤは、図２に示すように、故障検出期間ＴＤの間、スイッチ４をＯＮにする。このため、ノッキングセンサ１に抵抗Ｒ１を通して電源から電流が供給される。これにより、ノッキングセンサ１が正常の時（図２（ａ））におけるノッキングセンサ１の端子に加わる回路入力電圧ＶＡは、故障検出期間ＴＤにおいて、時定数Ｃ０×(Ｒ１//Ｒ２//Ｒ３)で立ち上がる。この回路入力電圧ＶＡは比較回路５および６において第１の閾値ＶＢおよび第２の閾値ＶＣと比較され、その出力を論理和回路７に加える。論理和回路７は２つの入力が共にＬレベルのときにＨレベルとなり、それ以外のときはＬレベルとなる。従って、論理和回路７の出力である断線故障検出信号ＶＦは、回路入力電圧ＶＡの立ち上がりが第２の閾値ＶＣに達するまではＬレベル、ＶＣとＶＢの間ではＨレベルとなる。マイクロコンピュータ２は断線故障検出信号ＶＦを監視し、そのＬレベルの時間の総和ｔＬを計算するようになされており、ｔＬが所定時間Ｔ０より長いときにノッキングセンサ１は正常であると判定する（図２（ａ））。
一方、故障検出期間ＴＤにおいて、ノッキングセンサ１に抵抗Ｒ１を介して電源電圧ＶＣＣから電流供給されたとき、ノッキングセンサ１が断線故障していれば、ノッキングセンサ１の容量Ｃ０はオープンとなるため、回路入力電圧ＶＡは図２（ｂ）に示すように即座に上昇する。このため、論理和回路７の出力である断線故障検出信号ＶＦがＬレベルを維持する時間、すなわち回路入力電圧ＶＡが第２の閾値ＶＣに達するまでの時間は短い。マイクロコンピュータ２は回路入力電圧ＶＦがＬレベルの時間の総和ｔＬを求めるが、ノッキングセンサ１が断線故障の場合、ｔＬは極めて短くなる。ｔＬが予め設定した所定時間Ｔ０より短い場合、マイクロコンピュータ２はノッキングセンサ１が断線故障であると判定する（図２（ｂ））。上記図２（ａ）（ｂ）は、ノッキングセンサの正常および故障の状態を一覧で示す図３の（ａ）（ｂ）に相当する。
次に、ノッキングセンサ１が天絡故障または地絡故障を起こしている場合の故障検出動作を図3により説明する。マイクロコンピュータ２は、論理和回路７の出力である断線故障検出信号ＶＦの他に、比較器５の出力ＶＥ（天絡故障検出信号）および比較器６の出力ＶＧ（地絡故障検出信号）を監視し、これら各信号の故障検出期間ＴＤ中のＬレベル時間の総和を求めている。ノッキングセンサ１が電源（Ｂａｔｔ）側に短絡しているとすれば、図３（ｃ）に示すように、比較器５の出力すなわち天絡故障検出信号ＶＥはＨレベル、比較器６の出力すなわち地絡故障検出信号ＶＧはＬレベル、論理和回路７の出力すなわち断線故障検出信号ＶＦはＬレベルをそれぞれ示す。従って、マイクロコンピュータ２が監視している上記各信号のＬレベルの期間ｔＬの総和は、天絡故障検出信号ＶＥのみが所定時間Ｔ０よりも短くなり、これによってマイクロコンピュータ２はノッキングセンサが天絡による故障であると判定する。
また、ノッキングセンサ１がグランドＧＮＤ側に短絡しているとすれば、図３（ｄ）に示すように、比較器５の出力すなわち天絡故障検出信号ＶＥはＬレベル、比較器６の出力すなわち地絡故障検出信号ＶＧはＨレベル、論理和回路７の出力すなわち断線故障検出信号ＶＦはＬレベルをそれぞれ示す。従って、マイクロコンピュータ２が監視している上記各信号のＬレベルの期間ｔＬの総和は、地絡故障検出信号ＶＧのみが所定時間Ｔ０よりも短くなり、これによってマイクロコンピュータ２はノッキングセンサが地絡による故障であると判定する。
以上はエンジンが低回転で、ノッキング信号が歪の少ない場合について説明したが、エンジンが高回転での故障検出を図４により説明する。故障検出実行時すなわち故障検出期間ＴＤにおける入力回路電圧ＶＡの波形は、ノッキングセンサ１の容量Ｃ０と抵抗Ｒ１〜Ｒ３で決定される過渡電圧に、ノッキングセンサ１の振動信号Ｖｉが重畳されたものとなる。ノッキングセンサ１はエンジンの振動加速度を検出するセンサであり、その加速度Ｇはエンジン回転数（周波数ｆ）の２乗に比例し、Ｇ＝ｋω２＝４π２ｋｆ２で与えられる（ただし、ｋは定数、ωはエンジンの回転角速度）。振動信号ＶｉもＶｉ＝ｋｆ２となり、エンジンが高回転域でノッキングセンサ１が正常であれば、入力回路電圧ＶＡは図４（ａ）に示すように大きく歪む。
故障検出実行信号ＶＤがスイッチ２をＯＮにしたとき、ノッキングセンサ１が正常であるときの回路入力電圧ＶＡは、低回転域の場合と同様、故障検出期間ＴＤにおいて時定数Ｃ０×(Ｒ１//Ｒ２//Ｒ３)で立ち上がるが、高回転域にはエンジンの機械振動による電圧成分が重畳され、図４（ａ）のようにＶＡの波形は大幅にひずみ、第２の閾値ＶＣ或いは第１の閾値ＶＢを横切る。その結果、論理和回路７の出力すなわち断線故障検出信号ＶＦは、回路入力信号ＶＡが第１の閾値ＶＢと第２の閾値ＶＣ間の値のときのみＨレベルで、ＶＡが第２の閾値ＶＣより小さいか、第１の閾値ＶＢを超えたときはＬレベルとなる繰り返しパルスの形になる。図４（ａ）では、パルス状の断線故障検出信号ＶＦのｔ１〜ｔ５がＬレベルを維持している期間である。マイクロコンピュータ２は断線故障検出信号ＶＦのＬレベルの期間の総和ｔＬを演算して求め、これが所定時間Ｔ０より長いとき、ノッキングセンサ１が正常であると判定する。従って、回路入力電圧ＶＡの最初の立ち上がり時間ｔ１が波形の歪の影響で短くても、故障の判定の期間ｔＬは（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４＋ｔ５）となり、このｔＬがＴ０より長いときノッキングセンサを正常と判定する。
さらに、ノッキングセンサ１が断線故障時の回路入力電圧ＶＡは、前記のようなエンジンの機械振動による電圧成分が重畳されることは無いので、図４（ｂ）に示すように、低回転域の場合と全く同一の波形挙動を示し、断線故障検出信号ＶＦのＬレベルの総和の時間ｔＬはあらかじめ設定した所定時間Ｔ０より小さいので、マイクロコンピュータ４はノッキングセンサ１が断線故障であると判定する。また、ノッキングセンサ１が天絡故障および地絡故障を起こしているときは、図３の（ｃ）（ｄ）と同様にして故障が判定される。
この発明の実施の形態によれば、ノッキングセンサ１の回路入力電圧ＶＡの過渡特性を比較器５および６でパルスに変換し、比較器５と６および論理和回路７の出力のＬレベルパルス幅時間の総和と所定時間とを比較するように構成したので、エンジンの全ての回転領域において、ノッキングセンサ１の故障検出（天絡、断線、地絡）が正確に得られる効果がある。かつ、Ａ／Ｄコンバータも不要であり、従来装置のように高回転域にてノッキング信号による故障判定を併用する必要もなく、従ってノッキング信号による判定マッチングも不要となる効果がある。
この発明は、自動車等の内燃機関用の点火時期制御装置に利用できる。
この発明の実施の形態１に係る内燃機関用点火時期制御装置の回路図である。 実施の形態１の内燃機関用点火時期制御装置の低回転域での断線故障判定を説明するタイムチャートである。 実施の形態１の内燃機関用点火時期制御装置の他の故障判定を説明するタイムチャートである。 実施の形態１の内燃機関用点火時期制御装置の高回転域での断線故障判定を説明するタイムチャートである。
符号の説明
１ ノッキングセンサ、 ２ マイクロコンピュータ、
３ バンドパスフィルタ、 ４ スイッチ、
５ 比較器、 ６ 比較器、
７ 論理和回路（ＮＯＲ回路）。

Claims (1)

  1. ノッキング現象に基づくエンジン本体の振動を検出してノッキング信号を取り出すノッキングセンサと、上記ノッキング信号により点火時期制御信号を発生するマイクロコンピュータと、上記ノッキングセンサの出力端に接続され、該出力端の電位を第１の閾値と比較する比較回路と、同じく上記ノッキングセンサの出力端に接続され、該出力端の電位を第２の閾値と比較する比較回路と、上記両比較回路の出力端に接続された論理和回路（ＮＯＲ回路）とを備え、上記マイクロコンピュータは、上記ノッキングセンサの故障検出を実行する故障検出実行信号を出力して一時的にパルス電圧を上記ノッキングセンサに加えるとともに、上記パルス電圧の印加時における上記ノッキングセンサの充電または放電特性に基づく上記ノッキングセンサの出力端電位を上記第１及び第２の閾値と上記比較回路で比較して得られるＬレベルまたはＨレベルの出力及び該ＬレベルまたはＨレベルの出力を入力とする上記論理和回路の出力を受けて上記故障検出期間における上記各比較回路の出力のＬレベルまたはＨレベルの期間の総和及び上記論理和回路の出力のＬレベルまたはＨレベルの期間の総和をそれぞれ求め、求めた総和のそれぞれに応じて上記ノッキングセンサの故障判定を行うようにしたことを特徴とする内燃機関用点火時期制御装置。
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