JP4346343B2

JP4346343B2 - Ion current detector

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Publication number: JP4346343B2
Application number: JP2003125473A
Authority: JP
Inventors: 邦彦高松; 守男小野田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JP2004332555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電により発熱する発熱抵抗体により加熱されるセラミックス発熱体を有するグロープラグが搭載される内燃機関において、グロープラグを用いてイオン電流検知を行うイオン電流検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関においては、燃料の燃焼により発生するイオンによって流れるイオン電流を検知するためのイオン電流検知装置が知られている。
内燃機関には、例えば、グロープラグが備えられるディーゼル内燃機関があり、グロープラグとしては、セラミックス発熱体を有するものが知られている。このグロープラグは、セラミックス発熱体の一部が燃焼室に配置される状態でエンジンブロックに装着されるものであり、セラミックス発熱体が発熱することで、燃料混合気の燃焼を補助している。
【０００３】
なお、グロープラグのセラミックス発熱体は、例えば、電流通電により発熱する発熱抵抗体を、Ｓｉ₃Ｎ₄を主体とするセラミックス基体の内部に備える形態で形成される。
このようなグロープラグを備える内燃機関において、イオン電流を検知する装置としては、例えば、図７に示すような、グロープラグを用いてイオン電流を検知する従来型イオン電流検知装置１０１が挙げられる（特許文献１参照）。
【０００４】
従来型イオン電流検知装置１０１は、マイクロコンピュータを主体に構成された電子制御装置１０３（以下、ＥＣＵ１０３ともいう）からの指令に基づき、発熱用スイッチ１０５が通電状態になり、発熱用バッテリ１０７の出力電圧を発熱抵抗体１４に印加することで、グロープラグ１１のセラミックス発熱体１５を加熱するよう構成されている。なお、セラミックス発熱体１５のうちで発熱抵抗体１４を内部に備える絶縁性のセラミックス基体８３は、常温では絶縁体としての性質を示すが、温度が上昇することで絶縁抵抗値が低下する性質を示す。
【０００５】
そして、このようなセラミックス発熱体の性質を利用して、従来型イオン電流検知装置１０１は、検知用バッテリ１１１により高温状態にあるセラミックス発熱体１５の発熱抵抗体１４とエンジンブロック１７との間に検知用電圧を印加して、検知用抵抗１１３および電圧検出回路１１５を用いてイオン電流を検出するよう構成されている。
【０００６】
つまり、従来型イオン電流検知装置１０１は、燃焼室１９の内部に存在するイオンを介して、グロープラグ１１（詳細には、発熱抵抗体１４）とエンジンブロック１７との間に流れるイオン電流を検出するよう構成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２９５７４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来型イオン電流検知装置１０１は、発熱用バッテリ１０７として負極がグランドラインに接続（接地）されていないバッテリを用いる必要がある。従来型イオン電流検知装置１０１に負極が接地されたバッテリを用いると、セラミックス発熱体１５の発熱抵抗体１４とエンジンブロック１７とが略同電位となり、これらの間に検知用電圧を印加するとダイオード１０９、グランドライン、エンジンブロック１７、検知用抵抗１１３の順に電流が流れて、イオン電流の検出が不可能となるからである。
【０００９】
一方、内燃機関においては、一般に負極あるいは正極が基準電位であるグランドラインに接続されるバッテリが用いられている。そのため、このような内燃機関に従来型イオン電流検知装置１０１を搭載するには、別途にグランドラインから絶縁されたバッテリを準備する必要があり、コストが高くなるという問題が生じる。
【００１０】
そこで、本発明者らが検討した結果、基準電位（グランドライン）に接続された電源を発熱用バッテリに用いる場合、発熱用バッテリと発熱抵抗体を含む電流経路と、検知用バッテリ（換言すれば、イオン電流検知用電源）と発熱抵抗体を含む電流経路とを交互に切り換えるようにすることで、イオン電流の検出が可能となることが分かった。
【００１１】
しかし、基準電位に接続された発熱用バッテリと検知用バッテリとを交互にグロープラグ（発熱抵抗体）に接続する場合、検知用バッテリによる電圧印加の開始直後に、検知用抵抗を含む電流経路に過渡的な電流値の大きいスパイク電流が発生するという新たな問題が発生することが、本発明者らのさらなる検討により分かった。そして、イオン電流は電流値が微小であることから、このスパイク電流の影響により、イオン電流の検出精度（検知精度）が低下する虞がある。
【００１２】
そこで、本発明はこうした問題に鑑みなされたものであり、正極または負極が基準電位であるグランドラインを介して電気的に接続された発熱用電源を有しつつ、イオン電流検知用電源と発熱用電源とを交互に切り換えてイオン電流を検知するにあたり、イオン電流の検知精度の低下を抑制できるグロープラグのイオン電流検知装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、電流通電により発熱する発熱抵抗体を絶縁性セラミックス基体の内部に備えるセラミックス発熱体を有し、セラミックス発熱体とは電気的に絶縁された状態でセラミックス発熱体を保持すると共に、発熱抵抗体の少なくとも一部が燃焼室内に配置される状態でエンジンブロックに装着されるグロープラグと、発熱抵抗体に印加するための発熱用電圧を出力し、正極または負極のいずれかが基準電位となるグランドラインを介してエンジンブロックと電気的に接続された発熱用電源を有し、発熱抵抗体に対する発熱用電圧の印加によりセラミックス発熱体を加熱する発熱用電圧印加手段と、を備える内燃機関において、イオン電流を検知するためのイオン検知用電圧を出力するイオン検知用電源を有し、発熱抵抗体とエンジンブロックとの間にイオン検知用電圧を印加する検知用電圧印加手段と、発熱用電圧印加手段または検知用電圧印加手段のいずれか一方のみが電圧印加状態となるように、発熱用電圧印加手段および検知用電圧印加手段を駆動制御する電圧印加切換制御手段と、検知用電圧印加手段が電圧印加状態となる検知用電圧印加期間に含まれるイオン電流検出期間において、発熱抵抗体に対するイオン検知用電圧の印加により発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に流れる電流を、イオン電流として検出するイオン電流検出手段と、を備えてイオン電流を検知するイオン電流検知装置であって、イオン電流検出期間の開始時期は、検知用電圧印加期間の開始時期から所定の検出遅延時間が経過した時点以降に設定されており、検出遅延時間は、検知用電圧印加手段による電圧印加直後に一時的に発生するスパイク電流の発生期間よりも長い時間であり、イオン電流検出手段は、イオン電流検出期間の終了直前にセラミックス発熱体の発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に流れる電流を定常電流として記憶し、今回の燃焼サイクルのイオン電流検出期間に検出する電流値から、前回の燃焼サイクルで記憶された定常電流を差し引いた電流を、イオン電流として検出すること、を特徴とするイオン電流検知装置である。
【００１４】
このイオン電流検知装置は、発熱用電源がグランドラインに電気的に接続されているが、電圧印加切換制御手段が、発熱用電圧印加手段または検知用電圧印加手段のいずれか一方のみを電圧印加状態に駆動制御するため、イオン検知用電源が出力するイオン検知用電圧を、確実にグロープラグとエンジンブロックとの間に印加することができる。
【００１５】
また、イオン電流検出手段によるイオン電流検出期間の開始時期は、検知用電圧印加期間の開始時期から検出遅延時間が経過した時点以降に設定されており、検出遅延時間は、検知用電圧印加手段による電圧印加直後に一時的に発生するスパイク電流の発生期間よりも長い時間である。このため、イオン電流を検出するにあたり、発熱用電圧印加手段から検知用電圧印加手段への電圧印加状態に切り換えた時に生じるスパイク電流の影響が及ぶのを防ぐことができる。
【００１６】
よって、本発明（請求項１）のイオン電流検知装置によれば、基準電位に接続された電源を発熱用電源として用いる場合においても、検知用電圧を確実に発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に印加でき、燃焼室内に存在するイオンによって流れるイオン電流を検知することができる。また、スパイク電流の影響を抑えることができるため、スパイク電流を誤ってイオン電流として検出するのを防止できることから、イオン電流の検知精度の低下を防ぐことができる。
【００１７】
なお、スパイク電流は、発熱用電圧印加時にセラミックス発熱体とエンジンブロックとの間に蓄積された電荷が放電されることで発生すると考えられる。つまり、発熱抵抗体およびエンジンブロックは、絶縁性セラミックス基体を介し向かい合って配置されることから、コンデンサとして機能し、発熱用電圧印加時には、発熱抵抗体とエンジンブロックとの電位差に応じた電荷が蓄積されて、この蓄積電荷によりスパイク電流が発生すると考えられる。
【００１８】
ところで、イオン電流検出期間を、検知用電圧印加手段から発熱用電圧印加手段への電圧印加状態に切り換える時点に跨るように設定すると、検知用電圧印加手段による電圧印加直後に発生するスパイク電流の発生を抑制しても、イオン電流検出期間中にスパイク電流が重畳することになる。しかし、請求項１記載の発明では、イオン電流検出期間を検知用電圧印加手段が電圧印加状態となる検知用電圧印加期間に含まれるように設定しており、検知用電圧印加手段の電圧印加状態のときにイオン電流検出期間が終了するようにしている。したがって、本発明においては、検知用電圧印加手段から発熱用電圧印加手段への電圧印加状態に切り換える前までにイオン電流検出期間が終了することから、検知用電圧印加手段による電圧印加直後に加えて、イオン電流検出期間中にスパイク電流の影響が及ぶのを防ぐことができる。
次に、燃料混合気の燃焼により発生したイオンは、時間経過と共に消滅する。そして、通常、検知用電圧印加期間に含まれるイオン電流検出期間の終了時期は、燃焼室内のイオン量がほぼゼロとなる時期に設定される。ところで、発熱用電圧印加手段と検知用電圧印加手段を電圧印加切換制御手段によって切り換えながら駆動制御すると、発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に漏洩電流が流れることがある。そして、この漏洩電流が流れることがあると、イオンが無い場合であっても、イオン電流検出手段は、その漏洩電流を検出することになる。なお、漏洩電流は、イオン電流検出期間の全領域にて発生することから、イオン電流検出手段は、イオン電流と漏洩電流とが合計された電流を、誤ってイオン電流として検出することになる。また、この漏洩電流は、セラミックス発熱体の温度変化（絶縁性セラミックス基体の絶縁抵抗値の変化）などに伴い変動することから、常に一定の値を示す状態量ではなく、内燃機関の運転状態に応じて変化する状態量である。
そこで、請求項１のイオン電流検知装置は、イオン電流検出手段が、イオン電流検出期間の終了直前にセラミックス発熱体の発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に流れる電流を定常電流として記憶し、今回の燃焼サイクルのイオン電流検出期間に検出する電流から、前回の燃焼サイクルで記憶された定常電流を差し引いた電流を、イオン電流として検出するよう構成されている。
イオン電流検出期間の終了直前には、上述したように、イオン量がほぼゼロとなっていることから、この終了直前にセラミックス発熱体の発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に流れる電流は、イオン電流ではなく漏洩電流であり、この漏洩電流を定常電流として記憶する。また、同一気筒において、時間的に連続した２つの燃焼サイクルにおいては、セラミックス発熱体の温度が急激に変化することはないため、２つの燃焼サイクルにおける漏洩電流の値は略等しくなる。
この結果、内燃機関の運転状態に応じた実際の漏洩電流に略等しい電流値を検出することができ、今回の燃焼サイクルで検出した電流値から、前回の記憶した定常電流を差し引くことで、実際のイオン電流に略等しい電流値を検出することが出来る。
よって、本発明（請求項１）によれば、漏洩電流の影響を抑えて、イオン電流を検出することができるため、イオン電流の検出精度の低下を防止することが出来る。
【００１９】
次に、上述（請求項１）に記載のイオン電流検知装置は、請求項２に記載のように、検出遅延時間が、０．５［ｍｓ］から５．０［ｍｓ］までの範囲内に設定されているとよい。
つまり、スパイク電流の発生期間は、一般に、０．５［ｍｓ］から５．０［ｍｓ］までの範囲内であり、検出遅延時間をこの範囲内に設定することで、スパイク電流の影響を抑えることができる。
【００２０】
よって、本発明（請求項２）によれば、イオン電流の検出に際して、スパイク電流の影響を抑えることができ、イオン電流の検出精度の低下を抑えることができる。
そして、上述（請求項１または請求項２）のイオン電流検知装置は、請求項３に記載のように、検知用電圧印加期間の開始時期が、圧縮行程のうち、燃料混合気の燃焼開始時期よりも検出遅延時間だけ早い時点以前に設定されているとよい。
【００２１】
このように検知用電圧印加時間の開始時期を設定することで、検知用電圧の印加により発生するスパイク電流は、燃料混合気の燃焼開始時期までに収束することになり、換言すれば、イオンの発生開始時期までに、スパイク電流が収束することになる。この結果、イオン発生開始時期（燃焼開始時期）からイオン消滅時期までの全てのイオン発生期間にわたり、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流検知が可能となる。
【００２２】
よって、本発明（請求項３）によれば、全てのイオン発生期間にわたり、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流検知が可能となり、イオン電流の検出精度を向上させることが出来る。
ところで、燃焼サイクルのうち、吸気行程は比較的温度の低い燃料混合気が燃焼室内に取り入れられるため、グロープラグ（セラミックス発熱体）は、燃料混合気によって冷却され易く、温度低下に伴う絶縁性セラミックス基体の絶縁抵抗値の上昇により、イオン電流の検出精度が低下するおそれがある。
【００２３】
そこで、上述（請求項１から請求項３のいずれか）のイオン電流検知装置は、請求項４に記載のように、検知用電圧印加期間の開始時期が、圧縮行程のうち、クランク角度で上死点前１８０［°ＣＡ］から上死点前４５［°ＣＡ］までの期間内に設定されているとよい。
【００２４】
検知用電圧印加時間の開始時期を圧縮行程中に設定することで、少なくとも吸気行程においては、発熱抵抗体への通電が行われてセラミックス発熱体への加熱が行われることになり、セラミックス発熱体の温度低下を防ぐことができ、絶縁性セラミックス基体の絶縁抵抗値の上昇を防止できる。
【００２５】
また、圧縮行程のうちクランク角度で上死点前４５［°ＣＡ］以前に検知用電圧印加時間の開始時期を設定することで、スパイク電流の発生期間が燃焼開始時期と重複するのを防止することができる。
よって、本発明（請求項４）によれば、絶縁性セラミックス基体の絶縁抵抗値の上昇に起因して、検出されるイオン電流の電流値が小さくなり過ぎるのを防止することができ、イオン電流の検出精度の低下を防ぐことが出来る。また、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流の検知が可能となるため、イオン電流の検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【００３０】
また、上記目的を達成するためになされた請求項５に記載の発明は、電流通電により発熱する発熱抵抗体を絶縁性セラミックス基体の内部に備えるセラミックス発熱体を有し、前記セラミックス発熱体とは電気的に絶縁された状態で前記セラミックス発熱体を保持すると共に、前記発熱抵抗体の少なくとも一部が燃焼室内に配置される状態でエンジンブロックに装着されるグロープラグと、発熱抵抗体に印加するための発熱用電圧を出力し、正極または負極のいずれかが基準電位となるグランドラインを介してエンジンブロックと電気的に接続された発熱用電源を有し、発熱抵抗体に対する発熱用電圧の印加によりセラミックス発熱体を加熱する発熱用電圧印加手段と、を備える内燃機関において、イオン電流を検知するためのイオン検知用電圧を出力するイオン検知用電源を有し、発熱抵抗体とエンジンブロックとの間にイオン検知用電圧を印加する検知用電圧印加手段と、発熱用電圧印加手段または検知用電圧印加手段のいずれか一方のみが電圧印加状態となるように、発熱用電圧印加手段および検知用電圧印加手段を駆動制御する電圧印加切換制御手段と、検知用電圧印加手段が電圧印加状態となる検知用電圧印加期間に含まれるイオン電流検出期間において、前記発熱抵抗体に対する前記イオン検知用電圧の印加により発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に流れる電流を、イオン電流として検出するイオン電流検出手段と、を備えてイオン電流を検知するイオン電流検知装置であって、検知用電圧印加期間の開始時期が、圧縮行程のうち、燃料混合気の燃焼開始時期よりも所定の検出遅延時間だけ早い時点以前に設定されており、検出遅延時間は、検知用電圧印加手段による電圧印加直後に一時的に発生するスパイク電流の発生期間よりも長い時間であり、イオン電流検出手段は、イオン電流検出期間の終了直前にセラミックス発熱体の発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に流れる電流を定常電流として記憶し、今回の燃焼サイクルのイオン電流検出期間に検出する電流値から、前回の燃焼サイクルで記憶された定常電流を差し引いた電流を、イオン電流として検出すること、を特徴とするイオン電流検知装置である。
【００３１】
このイオン電流検知装置は、発熱用電源がグランドラインに電気的に接続されているが、電圧印加切換制御手段が、発熱用電圧印加手段または検知用電圧印加手段のいずれか一方のみを電圧印加状態に駆動制御するため、イオン検知用電源が出力するイオン検知用電圧を、確実にグロープラグとエンジンブロックとの間に印加することができる。
【００３２】
また、検知用電圧印加期間の開始時期を燃料混合気の燃焼開始時期よりも検出遅延時間だけ早い時点以前に設定することで、検知用電圧の印加により発生するスパイク電流は、燃料混合気の燃焼開始時期までに収束することになり、換言すれば、イオンの発生開始時期までに、スパイク電流が収束することになる。この結果、イオン発生開始時期（燃焼開始時期）からイオン消滅時期までの全てのイオン発生期間にわたり、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流を検出することができる。
【００３３】
よって、本発明（請求項５）のイオン電流検知装置によれば、基準電位に接続された電源を発熱用電源として用いる場合においても、検知用電圧を確実にグロープラグとエンジンブロックとの間に印加でき、燃焼室内に存在するイオンによって流れるイオン電流を検知することができる。また、本発明（請求項６）によれば、全てのイオン発生期間にわたり、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流検知が可能となり、イオン電流の検出精度を向上させることが出来る。
また、請求項５のイオン電流検知装置は、イオン電流検出手段が、イオン電流検出期間の終了直前にセラミックス発熱体の発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に流れる電流を定常電流として記憶し、今回の燃焼サイクルのイオン電流検出期間に検出する電流から、前回の燃焼サイクルで記憶された定常電流を差し引いた電流を、イオン電流として検出するよう構成されている。
イオン電流検出期間の終了直前には、上述したように、イオン量がほぼゼロとなっていることから、この終了直前にセラミックス発熱体の発熱抵抗体とエンジンブロックとの間に流れる電流は、イオン電流ではなく漏洩電流であり、この漏洩電流を定常電流として記憶する。また、同一気筒において、時間的に連続した２つの燃焼サイクルにおいては、セラミックス発熱体の温度が急激に変化することはないため、２つの燃焼サイクルにおける漏洩電流の値は略等しくなる。
この結果、内燃機関の運転状態に応じた実際の漏洩電流に略等しい電流値を検出することができ、今回の燃焼サイクルで検出した電流値から、前回の記憶した定常電流を差し引くことで、実際のイオン電流に略等しい電流値を検出することが出来る。
よって、本発明（請求項５）によれば、漏洩電流の影響を抑えて、イオン電流を検出することができるため、イオン電流の検出精度の低下を防止することが出来る。
【００３４】
次に、上述（請求項５）のイオン電流検知装置は、請求項６に記載のように、検知用電圧印加期間の開始時期が、圧縮行程のうち、クランク角度で上死点前１８０［°ＣＡ］から上死点前４５［°ＣＡ］までの期間内に設定されているとよい。
【００３５】
検知用電圧印加時間の開始時期を圧縮行程中に設定することで、少なくとも吸気行程においては、発熱抵抗体への通電が行われてセラミックス発熱体への加熱が行われることになり、セラミックス発熱体の温度低下を防ぐことができ、絶縁性セラミックス基体の絶縁抵抗値の上昇を防止できる。
【００３６】
また、圧縮行程のうちクランク角度で上死点前４５［°ＣＡ］以前に検知用電圧印加時間の開始時期を設定することで、スパイク電流の発生期間が燃焼開始時期と重複するのを確実に防止することができる。
よって、本発明（請求項６）によれば、絶縁性セラミックス基体の絶縁抵抗値の上昇に起因して、検出されるイオン電流の電流値が小さくなり過ぎるのを防止することができ、イオン電流の検出精度の低下を防ぐことが出来る。また、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流の検知が可能となるため、イオン電流の検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は、グロープラグを備えるディーゼル内燃機関において、イオン電流検知を行うイオン電流検知装置１の概略構成を表す電気回路図である。
【００３８】
なお、本実施例では、１気筒分について説明を行うが、本発明は複数の気筒を備える内燃機関についても適用でき、各気筒毎のイオン電流検知装置の基本構成は同様である。
図１に示すように、本実施例のイオン電流検知装置１は、発熱用スイッチ２３を駆動制御するための発熱用駆動指令信号３２を出力する電子制御装置３１（以下、ＥＣＵ３１ともいう）と、発熱用駆動指令信号３２の電位レベルを変換して、変換後駆動指令信号３３を出力する発熱用信号レベル変換回路２７と、変換後駆動指令信号３３に基づき通電状態または開放状態に設定される発熱用スイッチ２３と、負極がグランドライン１０に接地されて、発熱用電圧（例えば、電圧１２［Ｖ］）を出力する発熱用電源装置２１（以下、発熱用バッテリ２１ともいう）と、発熱抵抗体１４を有するセラミックス発熱体１５および絶縁ハウジング１３を備えて内燃機関の気筒に装着されるグロープラグ１１と、発熱用バッテリ２１の正極から発熱抵抗体１４へ流れる電流を許容し、反対方向に流れる電流を阻止する第１逆流防止用ダイオード２５と、を備えている。
【００３９】
なお、発熱用バッテリ２１、第１逆流防止用ダイオード２５、グロープラグ１１の発熱抵抗体１４および発熱用スイッチ２３は、この順に直列接続されて、閉ループを形成している。
次に、図８に、グロープラグの内部構成を表す断面図を示す。グロープラグ１１は、図８に示すように、金属製のハウジング本体部１２、中軸８１、金属製の保護外筒１６およびセラミックス発熱体１５を備える。セラミックス発熱体１５は、保護外筒１６を介してハウジング本体部１２に保持されている。即ち、本実施のグロープラグ１１では、ハウジング本体部１２および保護外筒１６が絶縁ハウジング１３に相当するものであり、この絶縁ハウジング１３がセラミックス発熱体１５を保持している。なお、図１では、ハウジング本体部１２と保護外筒１６を図示せず、纏めて絶縁ハウジング１３として図示している。このセラミックス発熱体１５は、絶縁性セラミックス基体８３と、その絶縁性セラミックス基体８３の内部に配設された略Ｕ字形状の発熱抵抗体１４とを有する。絶縁性セラミックス基体８３は、Ｓｉ₃Ｎ₄を主としたセラミックスから構成され、埋設される発熱抵抗体１４を保護する。また、発熱抵抗体１４は、Ｓｉ₃Ｎ₄を主とした絶縁性のセラミックスにＷＣやＭｏＳｉ₂ 等の導電性成分を含有して形成される。
【００４０】
そして、図１を参照して示すように、このグロープラグ１１は、ハウジング本体部１２に形成される装着ネジ部をエンジンブロック１７に対し、発熱抵抗体１４の少なくとも一部が燃焼室１９内に配置されるように取り付け、使用に供される。なお、発熱抵抗体１４は、絶縁ハウジング１３と電気的に絶縁された状態で絶縁性セラミックス基体８３の内部に配設されており、通電用電極８５と中軸８１に対して、発熱用電圧が印加されることで発熱し、イオン電流検知用電圧（イオン検知用電圧）が印加されることで、後述するように燃焼室１９内に存在するイオンによりイオン電流を流すことを可能とする。通電用電極８５と中軸８１とは、略円筒状に形成された絶縁性部材８７により互いに絶縁されている。
【００４１】
なお、図１におけるグロープラグ１１は、その内部構造を示すために断面図として表しており、また、エンジンブロック１７は、グロープラグ１１が装着される部分を断面図として表している。
そして、グロープラグ１１は、発熱抵抗体１４への発熱用バッテリ２１からの電力供給により、所定の点火用温度（例えば、１０００［℃］以上）に加熱されたセラミックス発熱体１５により、燃料混合気の点火補助を行うために備えられている。
【００４２】
なお、セラミックス発熱体１５の絶縁性セラミックス基体８３は、常温では絶縁抵抗値が約１［ＧΩ］であるが、温度上昇と共に絶縁抵抗値が低下する特性を有しており、約１０００［℃］になると、絶縁抵抗値は、１［ＭΩ］〜１０［ＭΩ］（例えば、約３［ＭΩ］）まで低下する。
【００４３】
発熱用スイッチ２３は、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）で構成されており、ソースが発熱用バッテリ２１の負極に接続され、ドレインがグロープラグ１１の発熱抵抗体１４に接続され、ゲートが発熱用信号レベル変換回路２７と第１抵抗素子２４との接続点に接続されている。なお、第１抵抗素子２４は、発熱用バッテリ２１の正極と発熱用信号レベル変換回路２７との間に設けられている。なお、ＭＯＳＦＥＴには、ソースからドレインに向かう電流を許容する寄生ダイオードが形成されており、発熱用スイッチ２３には、寄生ダイオード９１が形成されている。
【００４４】
この発熱用スイッチ２３は、発熱用信号レベル変換回路２７が出力する変換後駆動指令信号３３がローレベル（発熱用バッテリ２１の負極電位（具体的には、グランド電位＝０［Ｖ］））になると開放状態（オフ状態）となり、変換後駆動指令信号３３がハイレベル（発熱用バッテリ２１の負極電位よりも駆動電圧だけ高い電位）になると短絡状態（オン状態）になる。
【００４５】
このようにして発熱用スイッチ２３が短絡状態になると、発熱用バッテリ２１から出力される電圧がグロープラグ１１の発熱抵抗体１４に印加されて、発熱抵抗体１４の発する熱によりセラミックス発熱体１５が加熱される。
第１逆流防止用ダイオード２５は、アノードが発熱用バッテリ２１の正極に接続され、カソードがグロープラグ１１の発熱抵抗体１４に接続されており、発熱用バッテリ２１の正極から発熱抵抗体１４に向かう電流の通電を許容し、反対方向に流れる電流通電を阻止するよう備えられている。
【００４６】
発熱用信号レベル変換回路２７は、ＥＣＵ３１から出力される発熱用駆動指令信号３２の電位レベル（ローレベルまたはハイレベル）を反転して出力するインバータ回路２８と、入力側がインバータ回路２８に接続され、出力側が発熱用スイッチ２３に接続された第１フォトカプラ２９とを備えている。
【００４７】
第１フォトカプラ２９は、一定電流値以上の入力信号が入力されると発光する発光素子３５を入力側に備え、発光素子３５が出力する光を受光すると短絡状態になる受光素子３６を出力側に備えて構成されている。このように光を介して信号状態を伝達する第１フォトカプラ２９は、入力側端子と出力側端子とが電気的に絶縁された構造であり、入力信号の電位レベルとは異なる電位レベルの出力信号を出力することができる。
【００４８】
そして、第１フォトカプラ２９は、インバータ回路２８からハイレベル信号が入力されると、発光素子３５が発光して受光素子３６が短絡状態となり、発熱用スイッチ２３のゲートに対して、ローレベル（発熱用バッテリ２１の負極電位）の変換後駆動指令信号３３を出力する。また、第１フォトカプラ２９は、インバータ回路２８からローレベル信号が入力されると、発光素子３５は発光せず受光素子３６は開放状態となり、発熱用スイッチ２３のゲートに対して、ハイレベル（発熱用バッテリ２１の負極電位よりも駆動電圧だけ高い電位）の変換後駆動指令信号３３を出力する。
【００４９】
つまり、発熱用信号レベル変換回路２７は、ＥＣＵ３１からローレベルの発熱用駆動指令信号３２が入力されるとローレベルの変換後駆動指令信号３３を出力し、ＥＣＵ３１からハイレベルの発熱用駆動指令信号３２が入力されるとハイレベルの変換後駆動指令信号３３を出力する。
【００５０】
ＥＣＵ３１は、マイクロコンピュータを主体として構成されており、内燃機関の燃料噴射量、アイドル回転数（アイドル回転速度）等を総合的に制御するためのものであり、後述する駆動信号制御処理を実行することで、加熱期間中に発熱用駆動指令信号３２をハイレベル出力する。また、ＥＣＵ３１では、別途、内燃機関の吸入空気量（吸気管圧力），回転速度（エンジン回転数）、スロットル開度、冷却水温、吸気温等、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理等を実行している。
【００５１】
つまり、イオン電流検知装置１においては、ＥＣＵ３１が発熱用駆動指令信号３２をハイレベル出力する際に、発熱用バッテリ２１の出力電圧により、グロープラグ１１（詳細には発熱抵抗体１４）への通電が行われて、セラミックス発熱体１５の加熱が行われる。
【００５２】
次に、イオン電流検知装置１のうち、イオン電流検知に関する部分の構成について説明する。
イオン電流検知装置１は、発熱用駆動指令信号３２の電位レベル（ハイレベルまたはローレベル）を反転すると共に電位レベルを変換した検知用駆動指令信号５３を出力する信号レベル反転変換回路４７と、検知用駆動指令信号５３に基づき通電状態または開放状態に設定される検知用スイッチ４３と、検知用電圧（例えば、約３００［Ｖ］）を出力するイオン検知用電源装置４１（検知用バッテリ４１）と、検知用バッテリ４１の正極から発熱抵抗体１４へ流れる電流を許容し、反対方向に流れる電流を阻止する第２逆流防止用ダイオード４５と、エンジンブロック１７と検知用スイッチ４３との間に備えられる検知用抵抗５７と、検知用抵抗５７の両端電圧に応じた検出電圧信号６０を出力する電圧検出回路５９と、イオン電流検出期間の終了直前の検出電圧信号６０を保持してリーク電流オフセット電圧信号６２を出力するリーク電流保持回路６１と、を備えている。
【００５３】
なお、エンジンブロック１７、検知用抵抗５７、検知用スイッチ４３、検知用バッテリ４１、第２逆流防止用ダイオード４５、グロープラグ１１の発熱抵抗体１４は、この順に直列に接続されている。
検知用スイッチ４３は、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）で構成されており、ソースが検知用バッテリ４１の負極に接続され、ドレインが検知用抵抗５７を介してエンジンブロック１７に接続され、ゲートが信号レベル反転変換回路４７と第２抵抗素子４４との接続点に接続されている。なお、第２抵抗素子４４は、検知用バッテリ４１の正極と信号レベル反転変換回路４７との間に設けられている。また、ＭＯＳＦＥＴからなる検知用スイッチ４３には、寄生ダイオード９３が形成されている。
【００５４】
この検知用スイッチ４３は、信号レベル反転変換回路４７が出力する検知用駆動指令信号５３がローレベル（検知用バッテリ４１の負極電位）になると開放状態（オフ状態）となり、検知用駆動指令信号５３がハイレベル（検知用バッテリ４１の負極電位よりも駆動電圧だけ高い電位）になると短絡状態（オン状態）になる。
【００５５】
このようにして検知用スイッチ４３が短絡状態になると、検知用バッテリ４１から出力される電圧が発熱抵抗体１４とエンジンブロック１７との間に印加されることになり、この短絡状態になる前には、セラミックス発熱体１５が目標温度（約１０００［℃］）となるように発熱抵抗体１４が通電状態にあり、絶縁性セラミックス基体８３の絶縁抵抗値が低下していることから、燃焼室１９の内部にイオンが存在する場合には、そのイオンを介してイオン電流が流れる。なお、イオン電流が流れるためには、セラミックス発熱体１５が目標温度となって、絶縁性セラミックス基体８３の絶縁抵抗値が低下することが必要であるが、イオン電流の検出時期以外の期間に発熱抵抗体１４への通電により加熱を行うことで、セラミックス発熱体１５の絶縁性セラミックス基体８３の絶縁抵抗値をイオン電流の検出が可能な範囲に設定することができる。
【００５６】
第２逆流防止用ダイオード４５は、アノードが検知用バッテリ４１の正極に接続され、カソードがグロープラグ１１の発熱抵抗体１４に接続されており、検知用バッテリ４１の正極から発熱抵抗体１４に向かう電流の通電を許容し、反対方向の電流通電を阻止するよう備えられている。
【００５７】
信号レベル反転変換回路４７は、ＥＣＵ３１から出力される発熱用駆動指令信号３２の電位レベル（ローレベルまたはハイレベル）をそのままの状態で出力する信号中継回路４８と、入力側が信号中継回路４８に接続され、出力側が検知用スイッチ４３に接続された第２フォトカプラ４９とを備えている。
【００５８】
第２フォトカプラ４９は、一定電流値以上の入力信号が入力されると発光する第２発光素子５５を入力側に備え、第２発光素子５５が出力する光を受光すると短絡状態になる第２受光素子５６を出力側に備えて構成されている。このように光を介して信号状態を伝達する第２フォトカプラ４９は、入力側端子と出力側端子とが電気的に絶縁された構造であり、入力信号の電位レベルとは異なる電位レベルの出力信号を出力することができる。
【００５９】
そして、第２フォトカプラ４９は、信号中継回路４８からハイレベル信号が入力されると、第２発光素子５５が発光して第２受光素子５６が短絡状態となり、検知用スイッチ４３のゲートに対して、ローレベル（検知用バッテリ４１の負極電位）の検知用駆動指令信号５３を出力する。また、第２フォトカプラ４９は、信号中継回路４８からローレベル信号が入力されると、第２発光素子５５は発光せず第２受光素子５６は開放状態となり、検知用スイッチ４３のゲートに対して、ハイレベル（検知用バッテリ４１の負極電位よりも駆動電圧だけ高い電位）の検知用駆動指令信号５３を出力する。
【００６０】
つまり、信号レベル反転変換回路４７は、ＥＣＵ３１からローレベルの発熱用駆動指令信号３２が入力されるとハイレベルの検知用駆動指令信号５３を出力し、ＥＣＵ３１からハイレベルの発熱用駆動指令信号３２が入力されるとローレベルの検知用駆動指令信号５３を出力する。
【００６１】
検知用抵抗５７には、発熱抵抗体１４とエンジンブロック１７との間に流れるイオン電流に比例した電圧が発生する。
次に、電圧検出回路５９およびリーク電流保持回路６１の電気回路図を、図２に示す。
【００６２】
電圧検出回路５９は、図２に示すように、第１演算増幅器６７、第３抵抗素子６３および第４抵抗素子６５を備えて構成されている。
第１演算増幅器６７は、非反転入力端子＋がグランドライン１０に接続（接地）され、反転入力端子−が第３抵抗素子６３を介して検知用抵抗５７と検知用スイッチ４３との接続点に接続され、出力端子がサンプルホールド用スイッチ６９に接続されている。また、反転入力端子−と出力端子とは、第４抵抗素子６５を介して接続されている。つまり、第１演算増幅器６７、第３抵抗素子６３および第４抵抗素子６５は、検知用抵抗５７の両端電圧を反転増幅する反転増幅回路を形成している。
【００６３】
このように構成される電圧検出回路５９は、検知用抵抗５７（抵抗値＝１００［ｋΩ］）の両端電圧を検出すると共に、検知用抵抗５７の両端電圧を反転増幅した検出電圧信号６０を、ＥＣＵ３１およびリーク電流保持回路６１に対して出力する。
【００６４】
次に、リーク電流保持回路６１は、図２に示すように、サンプルホールド用スイッチ６９と、電圧保持用コンデンサ７３と、第２演算増幅器７７とを備えて構成されている。
サンプルホールド用スイッチ６９は、一端が電圧検出回路５９の出力端子に接続され、他端が第５抵抗素子７１に接続されており、また、ＥＣＵ３１からのホールド指令信号６８の入力時には短絡状態（オン状態）となり、ホールド指令信号６８の非入力時には開放状態（オフ状態）となるよう構成されている。
【００６５】
電圧保持用コンデンサ７３は、一端がグランドライン１０に接続され、他端が第５抵抗素子７１を介してサンプルホールド用スイッチ６９に接続されている。この電圧保持用コンデンサ７３は、サンプルホールド用スイッチ６９が通電状態になると、検出電圧信号６０に応じた電圧に充電され、サンプルホールド用スイッチ６９が開放状態に切り換わった後は、切換直前の充電電圧を保持する。
【００６６】
第２演算増幅器７７は、非反転入力端子＋が第６抵抗素子７５を介して電圧保持用コンデンサ７３と第５抵抗素子７１との接続点に接続されており、反転入力端子−が第７抵抗素子７９を介して出力端子と接続されており、出力端子がＥＣＵ３１に接続されて構成されている。この第２演算増幅器７７は、電圧保持用コンデンサ７３の両端電圧に応じたリーク電流オフセット電圧信号６２を、ＥＣＵ３１に対して出力する。
【００６７】
つまり、リーク電流保持回路６１は、ＥＣＵ３１からの指令に基づき、セラミックス発熱体１５とエンジンブロック１７との間に流れるリーク電流に応じた電圧値を電圧保持用コンデンサ７３に記憶し、記憶した電圧値に応じたリーク電流オフセット電圧信号６２をＥＣＵ３１に対して出力するよう構成されている。
【００６８】
ＥＣＵ３１は、電圧検出回路５９が出力する検出電圧信号６０と、リーク電流保持回路６１が出力するリーク電流オフセット電圧信号６２と、予め内部に記憶された検知用抵抗５７の電気抵抗値とに基づき、イオン電流値を算出するイオン電流検出処理を実行する。
【００６９】
つまり、イオン電流検知装置１においては、ＥＣＵ３１が発熱用駆動指令信号３２を出力しない場合（発熱用駆動指令信号３２をローレベル出力する場合）には、検知用バッテリ４１の出力電圧により、発熱抵抗体１４とエンジンブロック１７との間にイオン検知用電圧が印加される。このイオン検知用電圧の印加時において、ＥＣＵ３１は、電圧検出回路５９から入力される検出電圧信号６０に基づいて、イオン電流を検出（算出）する処理を行う。なお、このとき、ＥＣＵ３１は、リーク電流オフセット電圧信号６２に基づきリーク電流を検出（算出）しており、今回の燃焼サイクルで検出電圧信号６０に基づき算出されたイオン電流から、前回の燃焼サイクルでリーク電流を差し引くことで、算出したイオン電流を補正する。
【００７０】
次に、本実施例の内燃機関におけるＴＤＣ信号（上死点信号）、ＴＤＣ整形波、分周波形、発熱用駆動指令信号３２（グロー通電）、検出電圧信号６０（イオン電流波形）、ホールド指令信号６８の各状態を示すタイムチャートを図３に示すと共に、ＥＣＵ３１にて実行される駆動信号制御処理の処理内容を表すフローチャートを図４に示す。
【００７１】
なお、本実施例の内燃機関は４気筒構成であり、図３に示すＴＤＣ信号は、全ての気筒のＴＤＣ信号を合成した波形を表しており、第１気筒、第４気筒、第２気筒、第３気筒の順にＴＤＣ信号を示すように設定されている。また、本実施例の内燃機関は４サイクルであり、１つの気筒におけるＴＤＣ信号は、１燃焼サイクルの期間中に２回上限ピーク値を示す。
【００７２】
ＴＤＣ整形波は、ＴＤＣ信号が上限しきい値Ｔｈｉを超えてから下限しきい値Ｔｌｏを下回るまでの期間中（例えば、図３における時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間中）はローレベルとなり、ＴＤＣ信号が下限しきい値Ｔｌｏを下回ってから上限しきい値Ｔｈｉを超えるまでの期間中（例えば、図３における時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間中）はハイレベルとなる波形である。
【００７３】
図３における分周波形は、第１気筒に対応する１燃焼サイクルを表す波形であり、ハイレベルからローレベルに変化するエッジ部の間隔（図３における時刻ｔ１から時刻ｔ６までの間隔）が、各気筒の１燃焼サイクルを表している。また、図３に示す分周波形がハイレベルからローレベルに変化する時点は、圧縮工程から燃焼行程に移行する際のＴＤＣ（上死点）を表している。
【００７４】
なお、この４気筒の内燃機関では、各気筒の燃焼順序は予め定められていることから、分周波形がハイレベルからローレベルに変化した後、次にＴＤＣ整形波がハイレベルからローレベルに変化した時点は、第１気筒の次に燃焼される気筒（具体的には第４気筒）における圧縮工程から燃焼行程に移る際のＴＤＣ（上死点）を表している。このため、分周波形とＴＤＣ整形波とに基づいて、全ての気筒について圧縮工程から燃焼行程に移る際のＴＤＣ（上死点）を検出できる。
【００７５】
また、ＴＤＣ整形波は、全ての気筒を合わせてみたときに、９０〔°ＣＡ〕間隔で発生するようになっている。それより、第１気筒に対応する分周波形がハイレベルからローレベルに変化する時点は、第４気筒において圧縮工程から燃焼行程に移る際のＴＤＣ（上死点）前９０〔°ＣＡ〕にあたることになる。
【００７６】
さらに、図３における発熱用駆動指令信号３２（グロー通電）、検出電圧信号６０（イオン電流波形）、ホールド指令信号６８は、第４気筒に対応するものを表している。
次に、ＥＣＵ３１で実行される駆動信号制御処理について説明する。なお、駆動信号制御処理は、分周波形およびＴＤＣ整形波に基づいて、各気筒毎にそれぞれ１燃焼サイクルに１回の割合で、繰り返し実行される。図４では、第４気筒を対象にしてＥＣＵ３１にて実行される駆動信号制御処理の処理内容を表し、以下第４気筒についての駆動信号制御処理を代表して説明する。
【００７７】
そして、内燃機関が始動され、ＥＣＵ３１における駆動信号制御処理が開始されると、まず、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す）では、イオン電流検知用電圧印加開始時期であるか否かを判断し、肯定判定するとＳ１２０に移行し、否定判定すると同ステップを繰り返し実行して、イオン検知用電圧印加開始時期になるまで待機する。Ｓ１１０では、第１気筒の分周波形がハイレベルからローレベルに変化したときのＴＤＣ整形波のハイレベル出力が第４気筒の圧縮工程から燃焼行程に移る際のＴＤＣ（上死点）前９０〔°ＣＡ〕に相当することから、第１気筒の分周波形がハイレベルからローレベルに変化し、且つＴＤＣ波形がローレベルからハイレベルに変化すると、第４気筒についてイオン検知用電圧印加開始時期に達したと判断する。なお、この駆動信号制御処理を第２気筒に適用する場合には、第１気筒の分周波形がハイレベルからローレベルに変化し、且つその変化からＴＤＣ波形のローレベルからハイレベルの変化が２回生じるとイオン検知用電圧印加開始時期に達したと判断するようにしている。
【００７８】
Ｓ１１０で肯定判定されてＳ１２０に移行すると、Ｓ１２０では、発熱用駆動指令信号３２のローレベル出力を開始する。なお、Ｓ１２０が実行される前は、同気筒における前回の燃焼サイクルにおける後述のＳ１６０での処理により、発熱用駆動指令信号３２はハイレベル出力されている。
【００７９】
次のＳ１３０では、イオン電流検出開始時期であるか否かを判断し、肯定判定するとＳ１４０に移行し、否定判定すると同ステップを繰り返し実行して、イオン電流検出開始時期になるまで待機する。なお、Ｓ１３０では、Ｓ１１０で肯定判定された後、検出遅延時間（本実施例では、５．０〔ｍｓ〕）が経過すると、イオン電流検出開始時期に達したと判断する。検出遅延時間は、検知用電圧の電圧印加直後に一時的に発生するスパイク電流の発生期間よりも長い時間に設定されている。
【００８０】
Ｓ１３０で肯定判定されてＳ１４０に移行すると、Ｓ１４０では、電圧検出回路５９が出力する検出電圧信号６０と、リーク電流保持回路６１が出力するリーク電流オフセット電圧信号６２と、予め内部に記憶された検知用抵抗５７の電気抵抗値とに基づき、イオン電流値を算出するイオン電流検出処理を開始する（図３における時刻ｔ２）。なお、イオン電流検出処理では、今回の燃焼サイクルの検出電圧信号６０に基づき算出されたイオン電流から、前回の燃焼サイクルにおける後述のＳ１８０にて検出（算出）されて記憶領域（メモリなど）に記憶されているリーク電流を差し引くことで、算出したイオン電流を補正する電流補正処理を行う。
【００８１】
続くＳ１５０では、ホールド指令信号６８のハイレベル出力を開始する。ホールド指令信号６８がハイレベル出力されることで、サンプルホールド用スイッチ６９が短絡状態（オン状態）となるため、リーク電流保持回路６１の電圧保持用コンデンサ７３は、リーク電流値に応じた電圧に充電される。なお、Ｓ１５０が実行される前は、前記の燃焼サイクルにおける後述のＳ１７０での処理により、ホールド指令信号６８はローレベル出力されている。
【００８２】
また、Ｓ１３０での肯定判定時期、Ｓ１４０およびＳ１５０の各実行時期は、厳密にはＥＣＵ３１でのクロック周期に応じた時間差が生じるが、各実行時期の時間差は僅かであるため、図３に示す時刻ｔ２において、それぞれ略同時期に実行されているとみなすことができる。
【００８３】
次のＳ１６０では、発熱用電圧印加開始時期であるか否かを判断し、肯定判定するとＳ１７０に移行し、否定判定すると同ステップを繰り返し実行して、発熱用電圧印加開始時期になるまで待機する。つまり、このＳ１６０では、イオン電流検出終了時期に達したか否かを判断しているのである。なお、Ｓ１６０では、Ｓ１３０で肯定判定された後、予め定められたイオン検出期間が経過すると、発熱用電圧印加開始時期に達したと判断する。
【００８４】
Ｓ１６０で肯定判定されてＳ１７０に移行すると、Ｓ１７０では、ホールド指令信号のローレベル出力を開始する（図３における時刻ｔ５）。ホールド指令信号６８がローレベル出力に切り換えられると、サンプルホールド用スイッチ６９が解放状態（オフ状態）となるため、電圧保持用コンデンサ７３の両端電圧は、信号切換直前のリーク電流値に応じた電圧を保持する。
【００８５】
次のＳ１８０では、リーク電流保持回路６１のリーク電流オフセット電圧信号６２に基づいて、リーク電流を検出（算出）する処理を行い、算出したリーク電流をイオン電流検知装置に備えられる図示しない記憶領域（メモリなど）に記憶する処理を行う。
【００８６】
続くＳ１９０では、イオン電流を検出するイオン電流検出処理を停止する。そして、Ｓ２００に移行して、Ｓ２００にて発熱用駆動指令信号３２のハイレベル出力を開始する。
なお、Ｓ１６０での肯定判定時期、Ｓ１７０、Ｓ１８０、Ｓ１９０およびＳ２００の各実行時期は、厳密にはＥＣＵ３１でのクロック周期に応じた時間差が生じるが、各実行時期の時間差は僅かであるため、図３に示す時刻ｔ５において、それぞれ略同時期に実行されているとみなすことができる。
【００８７】
Ｓ２００での処理が終了すると、駆動信号制御処理が終了する。
そして、図３においては、イオン電流波形として、時刻ｔ２から時刻ｔ５までの期間はイオンが発生した場合の波形を表している。
なお、ＥＣＵ３１では、上述のように検出したイオン電流を用いて、公知の手法により内燃機関の失火判定やノッキング判定などの処理を別途実行する。
【００８８】
また、ＥＣＵ３１では、燃焼室１９の内部に燃料を噴射するタイミングを制御する燃料噴射制御処理を実行している。燃料噴射制御処理では、各気筒においてクランク角度でＢＴＤＣ（上死点前）２２［°ＣＡ］からＴＤＣ（上死点）０［°ＣＡ］までの範囲内で、燃料噴射時期を設定する。
【００８９】
以上説明したように、実施例のイオン電流検知装置１は、発熱用バッテリ２１の負極がグランドライン１０に接地されて構成されているが、発熱用信号レベル変換回路２７および信号レベル反転変換回路４７によって、発熱用スイッチ２３または検知用スイッチ４３のいずれか一方のみを通電状態（オン状態）に駆動制御する。このため、検知用バッテリ４１が出力する検知用電圧を、確実にグロープラグ１１（詳細には、発熱抵抗体１４）とエンジンブロック１７との間に印加することができる。
【００９０】
また、ＥＣＵ３１で実行される駆動信号制御処理のうち、Ｓ１４０の処理開始時期（換言すれば、イオン電流検出期間の開始時期）は、検知用電圧印加期間の開始時期（図３における時刻ｔ１）から検出遅延時間が経過した時点（図３における時刻ｔ２）に設定されている。そして、本実施例では、駆動信号制御処理のＳ１３０での処理に用いられる検出遅延時間が、検知用バッテリ４１による電圧印加直後に一時的に発生するスパイク電流の発生期間よりも長い時間に設定されている。このため、イオン電流検出期間にスパイク電流の発生期間が含まれることはなく、イオン電流の検出にあたり、スパイク電流の影響が及ぶのを防ぐことができる。
【００９１】
よって、本実施例のイオン電流検知装置１によれば、グランドライン１０に接続された電源を発熱用バッテリ２１として用いる場合においても、検知用電圧を確実にグロープラグ１１（発熱抵抗体１４）とエンジンブロック１７との間に印加でき、燃焼室１９の内部に存在するイオンによって流れるイオン電流を検知することができる。また、スパイク電流の影響を抑えることができるため、スパイク電流を誤ってイオン電流として検出するのを防止できることから、イオン電流の検知精度の低下を防ぐことができる。
【００９２】
なお、イオン電流検知装置１では、図４に示したように、発熱用駆動指令信号３２をローレベルからハイレベルに切り換える（Ｓ２００）前に、イオン電流検出期間を終了する（Ｓ１９０）ように設定している。それにより、検知用バッテリ４１から発熱用バッテリ２１に切り換えることに起因して、イオン電流の検出精度にスパイク電流の影響が及ぶのを防ぐこともできる。
【００９３】
また、本実施例のイオン電流検知装置１では、検知用電圧印加期間の開始時期は、圧縮行程のうちクランク角度がＢＴＤＣ（上死点前）９０［°ＣＡ］になる時点に設定されている。そして、ＢＴＤＣ９０［°ＣＡ］は、最も早期の燃料混合気の燃焼開始時期であるＢＴＤＣ２２［°ＣＡ］よりも検出遅延時間（５．０［ｍｓ］）だけ早い時点以前の領域に含まれる。
【００９４】
このように検知用電圧印加時間の開始時期を設定することで、検知用電圧の印加により発生するスパイク電流は、燃料混合気の燃焼開始時期までに収束することになり、換言すれば、イオンの発生開始時期までに、スパイク電流が収束することになる。この結果、イオン発生開始時期（燃焼開始時期）からイオン消滅時期までの全てのイオン発生期間にわたり、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流検知が可能となる。
【００９５】
よって、本実施例のイオン電流検知装置１によれば、全てのイオン発生期間にわたり、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流検知が可能となり、イオン電流の検出精度を向上させることが出来る。
さらに、本実施例のイオン電流検知装置１は、検知用電圧印加期間の開始時期が、圧縮行程のうち、クランク角度が上死点前９０［°ＣＡ］となる時期に設定されており、クランク角度で上死点前１８０［°ＣＡ］から上死点前４５［°ＣＡ］までの期間内に設定されている。
【００９６】
このように検知用電圧印加時間の開始時期を圧縮行程中に設定することで、少なくとも吸気行程においては、発熱抵抗体１４への通電が行われてセラミックス発熱体１５への加熱が行われることになり、セラミックス発熱体１５の温度低下を防ぐことができ、セラミックス発熱体１５における絶縁性セラミックス基体８３の絶縁抵抗値の上昇を防止できる。
【００９７】
また、圧縮行程のうちクランク角度で上死点前４５［°ＣＡ］以前に検知用電圧印加時間の開始時期を設定することで、スパイク電流の発生期間が燃焼開始時期と重複するのを防止することができる。
よって、本実施例のイオン電流検知装置１によれば、絶縁性セラミックス基体８３の絶縁抵抗値の上昇に起因してイオン電流の検出が不可能となるのを防止することができ、イオン電流の検出精度の低下を防ぐことが出来る。また、スパイク電流の影響を抑えてイオン電流の検知が可能となるため、イオン電流の検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【００９８】
さらに、本実施例のイオン電流検知装置１は、ＥＣＵ３１で実行される駆動信号制御処理のＳ１８０において、イオン電流検出期間の終了直前にセラミックス発熱体１５とエンジンブロック１７との間に流れる電流をリーク電流として記憶している。そして、ＥＣＵ３１で実行されるイオン電流検出処理では、今回の燃焼サイクルのイオン電流検出期間に検出する電流から、前回の燃焼サイクルで記憶されたリーク電流を差し引いた電流を、イオン電流として検出している。
【００９９】
イオン電流検出期間の終了直前にセラミックス発熱体１５とエンジンブロック１７との間に流れる電流は、イオン電流ではなく漏洩電流であり、イオン電流検知装置１では、この漏洩電流をリーク電流として記憶領域に記憶する。また、時間的に連続した２つの燃焼サイクルにおいては、セラミックス発熱体の温度が急激に変化することはないため、２つの燃焼サイクルにおけるリーク電流（漏洩電流）の値は略等しくなる。
【０１００】
この結果、内燃機関の運転状態に応じた実際の漏洩電流に略等しい電流値を検出することができ、今回の燃焼サイクルで検出した電流値から、前回の記憶したリーク電流を差し引くことで、実際のイオン電流に略等しい電流値を検出することが出来る。なお、本実施例のリーク電流は、特許請求の範囲に記載の定常電流に相当する。
【０１０１】
よって、本実施例のイオン電流検知装置によれば、漏洩電流の影響を抑えて、イオン電流を検出することができるため、イオン電流の検出精度の低下を防止することが出来る。
なお、本実施例のイオン電流検知装置１においては、発熱用電源装置２１（発熱用バッテリ２１）が特許請求の範囲に記載の発熱用電源に相当し、発熱用電源装置２１、発熱用スイッチ２３および第１逆流防止用ダイオード２５が発熱用電圧印加手段に相当し、イオン検知用電源装置４１（検知用バッテリ４１）がイオン検知用電源に相当し、イオン検知用電源装置４１、検知用スイッチ４３および第２逆流防止用ダイオード４５が検知用電圧印加手段に相当する。
【０１０２】
また、発熱用信号レベル変換回路２７および信号レベル反転変換回路４７が、特許請求の範囲に記載の電圧印加切換制御手段に相当し、検知用抵抗５７、電圧検出回路５９、リーク電流保持回路６１およびＥＣＵ３１（駆動信号制御処理、イオン電流検出処理）が、イオン電流検出手段に相当する。
【０１０３】
ここで、本発明を適用しないイオン電流検知装置を用いて検出したイオン電流の測定結果を図５に示し、本発明を適用したイオン電流検知装置を用いて検出したイオン電流の測定結果を図６に示す。
なお、図５および図６ともに、ＴＤＣ信号電圧波形を示しているが、本測定に用いた内燃機関は４気筒構成であり、４気筒全てのＴＤＣ信号電圧波形を重ね合わせた波形を示している。また、この内燃機関は４サイクルであり、クランク軸は１燃焼サイクルで２回転することから、１つの気筒におけるＴＤＣ信号電圧波形は、１燃焼サイクル期間中に２回上限ピーク値を示すことになる。
【０１０４】
また、図５および図６ともに、横軸の時間が０［ｍｓ］となる時点が、圧縮行程から燃焼行程に移行するＴＤＣに対応しており、横軸の時間がー２４［ｍｓ］となる時点が、クランク角度がＢＴＤＣ９０［°ＣＡ］に対応している。
図５に示す測定結果から、検出したイオン電流波形（検出抵抗電流）に、横軸の時間が−２４［ｍｓ］以降、約５．０［ｍｓ］が経過するまでの期間において、電流値の大きいスパイク電流が重畳していることが判る。また、イオン電流検出期間の終了直前（横軸の時間が２０［ｍｓ］の時点）に検出されるイオン電流値は、約２７［μＡ］であり、イオン電流検出期間の全期間において、少なくとも２５［μＡ］以上のイオン電流を検出している。
【０１０５】
一方、図６に示す測定結果から、イオン電流検出期間の開始時期は、横軸の時間の−１９［ｍｓ］の時点であり、検出したイオン電流波形（補正後抵抗電流）にスパイク電流は重畳されていない。また、前回の燃焼サイクルで記憶されたリーク電流を差し引いているため、イオン電流検出期間の終了直前におけるイオン電流値は、略０［μＡ］であり、燃焼室内のイオンによって流れる電流値（８．１［μＡ］）を正確に検出することが出来る。
【０１０６】
これらの測定結果から、本実施例のイオン電流検知装置は、スパイク電流およびリーク電流の影響を抑えて、イオン電流の検出精度が低下するのを防止できることが判る。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
【０１０７】
例えば、検出遅延時間は、５．０［ｍｓ］に限ることはなく、０．５［ｍｓ］から５．０［ｍｓ］までの範囲内に設定されているとよい。つまり、スパイク電流の発生期間は、一般に、０．５［ｍｓ］から５．０［ｍｓ］までの範囲内であり、検出遅延時間をこの範囲内に設定することで、スパイク電流の影響を抑えることができる。このようにして、スパイク電流の影響を抑えることで、イオン電流の検出精度の低下を抑えることができる。
【０１０８】
さらに、イオン電流検出期間の終了直前に検出するリーク電流の保持は、リーク電流保持回路６１に限らず、ＥＣＵ３１の内部処理として、イオン電流検出期間の終了直前の検出電圧信号６０をリーク電流として保持する内部処理を備えて、この内部処理を用いて実行してもよい。
【０１０９】
また、検出遅延時間、イオン電流検出期間、検知用電圧印加期間は、固定値に限ることはなく、内燃機関の運転状態に応じて適切な値に更新しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】グロープラグを備える内燃機関において、イオン電流検知を行うイオン電流検知装置の概略構成を表す電気回路図である。
【図２】電圧検出回路およびリーク電流保持回路の電気回路図である。
【図３】本実施例の内燃機関におけるＴＤＣ信号（上死点信号）、ＴＤＣ整形波、分周波形、発熱用駆動指令信号（グロー通電）、検出電圧信号（イオン電流波形）、ホールド指令信号の各状態を示すタイムチャートである。
【図４】電子制御装置（ＥＣＵ）にて実行される駆動信号制御処理の処理内容を表すフローチャートである。
【図５】本発明を適用しないイオン電流検知装置を用いて検出したイオン電流の測定結果である。
【図６】本発明を適用したイオン電流検知装置を用いて検出したイオン電流の測定結果である。
【図７】グロープラグを用いてイオン電流を検知する従来型イオン電流検知装置の概略構成を表す電気回路図である。
【図８】グロープラグの内部構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１…イオン電流検知装置、１０…グランドライン、１１…グロープラグ、１２…ハウジング本体部、１３…絶縁ハウジング、１４…発熱抵抗体、１５…セラミックス発熱体、１７…エンジンブロック、１９…燃焼室、２１…発熱用電源装置（発熱用バッテリ）、２３…発熱用スイッチ、２５…第１逆流防止用ダイオード、２７…発熱用信号レベル変換回路、２９…第１フォトカプラ、３１…電子制御装置（ＥＣＵ）、４１…イオン検知用電源装置（検知用バッテリ）、４３…検知用スイッチ、４５…第２逆流防止用ダイオード、４７…信号レベル反転変換回路、４９…第２フォトカプラ、５７…検知用抵抗、５９…電圧検出回路、６０…検出電圧信号、６１…リーク電流保持回路、６９…サンプルホールド用スイッチ、７３…電圧保持用コンデンサ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion current detection device that performs ion current detection using a glow plug in an internal combustion engine equipped with a glow plug having a ceramic heating element heated by a heating resistor that generates heat when energized.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in an internal combustion engine, an ion current detection device for detecting an ion current that flows due to ions generated by fuel combustion is known.
The internal combustion engine includes, for example, a diesel internal combustion engine provided with a glow plug, and a glow plug having a ceramic heating element is known. The glow plug is attached to the engine block in a state where a part of the ceramic heating element is disposed in the combustion chamber. The ceramic heating element generates heat, thereby assisting combustion of the fuel mixture.
[0003]
The glow plug ceramic heating element is, for example, a heating resistor that generates heat when current is applied to Si ceramics._ThreeN_FourIt is formed in a form provided inside a ceramic substrate mainly composed of
In an internal combustion engine having such a glow plug, as an apparatus for detecting an ion current, for example, a conventional ion current detection apparatus 101 for detecting an ion current using a glow plug as shown in FIG. Patent Document 1).
[0004]
In the conventional ion current detection device 101, the heat generation switch 105 is energized based on a command from an electronic control device 103 (hereinafter also referred to as ECU 103) mainly composed of a microcomputer, and the output of the heat generation battery 107 is output. The ceramic heating element 15 of the glow plug 11 is heated by applying a voltage to the heating resistor 14. Of the ceramic heating elements 15, the insulating ceramic substrate 83 having the heating resistor 14 therein shows the property as an insulator at room temperature, but the property that the insulation resistance value decreases as the temperature rises. Show.
[0005]
The conventional ion current detection device 101 uses such a property of the ceramic heating element so that the detection battery 111 causes the ceramic heating element 15 in a high temperature state between the heating resistor 14 and the engine block 17. A detection voltage is applied, and an ion current is detected using the detection resistor 113 and the voltage detection circuit 115.
[0006]
That is, the conventional ion current detection device 101 detects an ion current flowing between the glow plug 11 (specifically, the heating resistor 14) and the engine block 17 through ions existing inside the combustion chamber 19. It is configured to
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-295744 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional ion current detector 101 needs to use a battery whose negative electrode is not connected (grounded) to the ground line as the heat generating battery 107. When a battery with a negative electrode grounded is used for the conventional ion current detector 101, the heating resistor 14 of the ceramic heating element 15 and the engine block 17 have substantially the same potential, and when a detection voltage is applied between them, the diode 109 This is because the current flows in the order of the ground line, the engine block 17, and the detection resistor 113, making it impossible to detect the ion current.
[0009]
On the other hand, in an internal combustion engine, a battery is generally used in which a negative electrode or a positive electrode is connected to a ground line having a reference potential. Therefore, in order to mount the conventional ion current detection device 101 in such an internal combustion engine, it is necessary to prepare a battery separately insulated from the ground line, which causes a problem that costs increase.
[0010]
Therefore, as a result of investigations by the present inventors, when a power source connected to a reference potential (ground line) is used for a heating battery, a current path including a heating battery and a heating resistor, and a detection battery (in other words, It has been found that the ion current can be detected by alternately switching between the ion current detection power source and the current path including the heating resistor.
[0011]
However, when the heating battery and the detection battery connected to the reference potential are alternately connected to the glow plug (heating resistor), immediately after the voltage application by the detection battery is started, the current path including the detection resistor is connected. It has been found by further examination by the present inventors that a new problem of occurrence of a spike current having a large transient current value occurs. Since the current value of the ionic current is very small, the detection accuracy (detection accuracy) of the ionic current may be reduced due to the influence of the spike current.
[0012]
Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and has an ion current detection power source and a heat generation power source having a heat generation power source electrically connected via a ground line whose positive or negative electrode is a reference potential. An object of the present invention is to provide a glow plug ion current detection device capable of suppressing a decrease in detection accuracy of ion current when the ion current is detected by alternately switching the power source.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve this object, the invention according to claim 1 has a ceramic heating element having a heating resistor that generates heat by energization of current inside the insulating ceramic substrate, and is electrically insulated from the ceramic heating element. In this state, the ceramic heating element is held, and a glow plug to be mounted on the engine block in a state where at least a part of the heating resistor is disposed in the combustion chamber, and a heating voltage to be applied to the heating resistor Outputs and has a heating power supply that is electrically connected to the engine block via a ground line with either the positive electrode or the negative electrode serving as a reference potential, and heats the ceramic heating element by applying a heating voltage to the heating resistor An internal combustion engine having an exothermic voltage applying means for outputting an ion detecting voltage for detecting an ion current. It has a power supply for detection, and only one of the detection voltage application means for applying the ion detection voltage between the heating resistor and the engine block, and the heat generation voltage application means or the detection voltage application means applies the voltage. Voltage application switching control means for driving and controlling the heat generation voltage application means and the detection voltage application means, and the ion current detection included in the detection voltage application period in which the detection voltage application means is in the voltage application state. Ion current detection for detecting an ionic current with an ionic current detection means for detecting, as an ionic current, a current flowing between the heating resistor and the engine block by applying an ion detection voltage to the heating resistor during the period The ion current detection period is started after a predetermined detection delay time has elapsed from the start of the detection voltage application period. Are constant, the detection delay time is longer than the period of generation of spike current temporarily occurs immediately after voltage application by detecting voltage application meansThe ion current detection means stores the current flowing between the heating resistor of the ceramic heating element and the engine block immediately before the end of the ion current detection period as a steady current, and during the ion current detection period of the current combustion cycle An ion current detection device characterized by detecting, as an ion current, a current obtained by subtracting a steady current stored in a previous combustion cycle from a current value to be detected.
[0014]
In this ion current detection device, the power source for heat generation is electrically connected to the ground line, but the voltage application switching control means is in a state in which only one of the heat generation voltage application means and the detection voltage application means is in the voltage application state. Therefore, the ion detection voltage output from the ion detection power source can be reliably applied between the glow plug and the engine block.
[0015]
In addition, the start time of the ion current detection period by the ion current detection means is set after the point when the detection delay time has elapsed from the start time of the detection voltage application period, and the detection delay time is determined by the detection voltage application means. This time is longer than the generation period of the spike current that is temporarily generated immediately after the voltage application. For this reason, when detecting the ion current, it is possible to prevent the influence of the spike current generated when the voltage application state from the heating voltage application unit to the detection voltage application unit is switched.
[0016]
Therefore, according to the ion current detection device of the present invention (claim 1), even when a power supply connected to the reference potential is used as a heat generation power supply, the detection voltage is reliably supplied between the heat generation resistor and the engine block. The ion current flowing by the ions existing in the combustion chamber can be detected. In addition, since the influence of the spike current can be suppressed, it is possible to prevent the spike current from being erroneously detected as the ion current, and thus it is possible to prevent a decrease in the detection accuracy of the ion current.
[0017]
The spike current is considered to be generated when electric charges accumulated between the ceramic heating element and the engine block are discharged when a heating voltage is applied. In other words, since the heating resistor and the engine block are arranged facing each other through the insulating ceramic substrate, it functions as a capacitor, and when a heating voltage is applied, a charge corresponding to the potential difference between the heating resistor and the engine block is accumulated. Thus, it is considered that a spike current is generated by this accumulated charge.
[0018]
  By the way, if the ion current detection period is set so as to extend over the time point when the detection voltage application means switches to the voltage application state from the heat generation voltage application means, a spike current generated immediately after voltage application by the detection voltage application means is generated. Even if the suppression is suppressed, the spike current is superimposed during the ion current detection period. However, in the first aspect of the present invention, the ion current detection period is set to be included in the detection voltage application period in which the detection voltage application means is in the voltage application state, and the voltage application state of the detection voltage application means At this time, the ion current detection period ends. Therefore, in the present invention, since the ion current detection period ends before switching to the voltage application state from the detection voltage application means to the heat generation voltage application means, in addition to immediately after voltage application by the detection voltage application means. Thus, it is possible to prevent the influence of the spike current during the ion current detection period.
Next, ions generated by the combustion of the fuel mixture disappear with time. Normally, the end time of the ion current detection period included in the detection voltage application period is set to a time when the amount of ions in the combustion chamber becomes almost zero. By the way, if the drive control is performed while the voltage application means for detection and the voltage application means for detection are switched by the voltage application switching control means, a leakage current may flow between the heating resistor and the engine block. If this leakage current flows, the ion current detection means detects the leakage current even when there are no ions. Since the leakage current is generated in the entire region of the ion current detection period, the ion current detection means erroneously detects the current obtained by adding the ion current and the leakage current as the ion current. In addition, since this leakage current fluctuates with the temperature change of the ceramic heating element (change in the insulation resistance value of the insulating ceramic substrate), it does not always indicate a constant value but the operating state of the internal combustion engine. It is a state quantity that changes accordingly.
Therefore, in the ion current detection device according to claim 1, the ion current detection means stores the current flowing between the heating resistor of the ceramic heating element and the engine block as a steady current immediately before the end of the ion current detection period. The current obtained by subtracting the steady current stored in the previous combustion cycle from the current detected during the ion current detection period of the combustion cycle is detected as an ion current.
Immediately before the end of the ion current detection period, as described above, the amount of ions is almost zero, so that the current flowing between the heating resistor of the ceramic heating element and the engine block immediately before this end is It is not a current but a leakage current, and this leakage current is stored as a steady current. Further, in two combustion cycles that are temporally continuous in the same cylinder, the temperature of the ceramic heating element does not change abruptly, and therefore the leakage current values in the two combustion cycles are substantially equal.
As a result, it is possible to detect a current value substantially equal to the actual leakage current according to the operating state of the internal combustion engine, and by subtracting the previously stored steady current from the current value detected in the current combustion cycle, A current value substantially equal to the ion current of can be detected.
Therefore, according to the present invention (Claim 1), it is possible to detect the ionic current while suppressing the influence of the leakage current, and thus it is possible to prevent a decrease in the detection accuracy of the ionic current.
[0019]
Next, in the ion current detection device described in the above (Claim 1), as described in Claim 2, the detection delay time is within a range from 0.5 [ms] to 5.0 [ms]. It should be set.
In other words, the generation period of the spike current is generally in the range from 0.5 [ms] to 5.0 [ms], and the influence of the spike current is suppressed by setting the detection delay time within this range. be able to.
[0020]
Therefore, according to the present invention (Claim 2), the influence of the spike current can be suppressed when detecting the ionic current, and the decrease in the detection accuracy of the ionic current can be suppressed.
In the ionic current detection device of the above (claim 1 or claim 2), as described in claim 3, the start timing of the detection voltage application period is the combustion start timing of the fuel mixture in the compression stroke. It may be set before the time point earlier than the detection delay time.
[0021]
By setting the start time of the detection voltage application time in this way, the spike current generated by the application of the detection voltage converges by the combustion start time of the fuel mixture, in other words, The spike current converges by the generation start time. As a result, the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current over the entire ion generation period from the ion generation start time (combustion start time) to the ion disappearance time.
[0022]
Therefore, according to the present invention (Claim 3), the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current over the entire ion generation period, and the detection accuracy of the ion current can be improved.
By the way, in the combustion cycle, since a fuel mixture having a relatively low temperature is taken into the combustion chamber in the intake stroke, the glow plug (ceramic heating element) is easily cooled by the fuel mixture, and the insulating ceramics accompanying the temperature decrease. Due to the increase in the insulation resistance value of the substrate, the detection accuracy of the ionic current may be lowered.
[0023]
Therefore, in the ion current detection device described above (any one of claims 1 to 3), as described in claim 4, the start time of the detection voltage application period is increased at the crank angle in the compression stroke. It may be set within a period from 180 [° CA] before dead center to 45 [° CA] before top dead center.
[0024]
By setting the start time of the detection voltage application time during the compression stroke, at least in the intake stroke, the heating resistor is energized and the ceramic heating element is heated. The temperature drop of the insulating ceramic substrate can be prevented, and an increase in the insulation resistance value of the insulating ceramic substrate can be prevented.
[0025]
Further, by setting the start time of the detection voltage application time before 45 [° CA] before the top dead center at the crank angle in the compression stroke, it is possible to prevent the spike current generation period from overlapping with the combustion start time. be able to.
Therefore, according to the present invention (Claim 4), it is possible to prevent the current value of the detected ionic current from becoming too small due to the increase in the insulation resistance value of the insulating ceramic substrate. It is possible to prevent a decrease in detection accuracy. In addition, since the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current, it is possible to prevent a decrease in the detection accuracy of the ion current.
[0030]
Also,Made to achieve the above objectiveClaim 5The invention described in 1 includes a ceramic heating element having a heating resistor that generates heat when current is applied inside the insulating ceramic substrate, and holds the ceramic heating element in a state of being electrically insulated from the ceramic heating element. And a glow plug attached to the engine block in a state where at least a part of the heating resistor is disposed in the combustion chamber, and a heating voltage to be applied to the heating resistor. A heating power supply electrically connected to the engine block via a ground line serving as a reference potential, and a heating voltage applying means for heating the ceramic heating element by applying a heating voltage to the heating resistor; An internal combustion engine having an ion detection power source that outputs an ion detection voltage for detecting an ion current, and a heating resistor Voltage detection means for applying an ion detection voltage between the engine block and the engine block, and heat generation voltage application so that only one of the heat generation voltage application means or the detection voltage application means is in a voltage application state. Voltage application switching control means for driving and controlling the means and the detection voltage application means, and the ion to the heating resistor in the ion current detection period included in the detection voltage application period in which the detection voltage application means is in a voltage application state. An ion current detection device for detecting an ion current comprising an ion current detection means for detecting, as an ion current, a current flowing between a heating resistor and an engine block by applying a detection voltage, the detection voltage The start time of the application period is less than the combustion start time of the fuel mixture in the compression stroke.PredeterminedBefore the point earlier than the detection delay timeThe detection delay time is set to be longer than the generation period of the spike current temporarily generated immediately after the voltage application by the detection voltage applying means, and the ion current detection means is immediately before the end of the ion current detection period. The current flowing between the heating resistor of the ceramic heating element and the engine block is stored as a steady current, and from the current value detected during the ion current detection period of the current combustion cycle, the steady current stored in the previous combustion cycle is stored. An ionic current detection device characterized by detecting a current obtained by subtracting as an ionic current.
[0031]
In this ion current detection device, the power source for heat generation is electrically connected to the ground line, but the voltage application switching control means is in a state in which only one of the heat generation voltage application means and the detection voltage application means is in the voltage application state. Therefore, the ion detection voltage output from the ion detection power source can be reliably applied between the glow plug and the engine block.
[0032]
In addition, by setting the start timing of the detection voltage application period to a time earlier than the detection start time of the fuel mixture by the detection delay time, the spike current generated by the detection voltage application can be reduced by the combustion of the fuel mixture. In other words, the spike current converges by the start time of ion generation. As a result, the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current over the entire ion generation period from the ion generation start time (combustion start time) to the ion disappearance time.
[0033]
  Therefore, the present invention(Claim 5)According to the ion current detection apparatus of the present invention, even when a power source connected to a reference potential is used as a power source for heat generation, the detection voltage can be reliably applied between the glow plug and the engine block, and ions existing in the combustion chamber can be applied. The ion current flowing through can be detected. Further, according to the present invention (Claim 6), the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current over the entire ion generation period, and the detection accuracy of the ion current can be improved.
Further, in the ion current detection device of claim 5, the ion current detection means stores the current flowing between the heating resistor of the ceramic heating element and the engine block immediately before the end of the ion current detection period as a steady current. The current obtained by subtracting the steady current stored in the previous combustion cycle from the current detected during the ion current detection period of the combustion cycle is detected as an ion current.
Immediately before the end of the ion current detection period, as described above, the amount of ions is almost zero, so that the current flowing between the heating resistor of the ceramic heating element and the engine block immediately before this end is It is not a current but a leakage current, and this leakage current is stored as a steady current. Further, in two combustion cycles that are temporally continuous in the same cylinder, the temperature of the ceramic heating element does not change abruptly, and therefore the leakage current values in the two combustion cycles are substantially equal.
As a result, it is possible to detect a current value substantially equal to the actual leakage current according to the operating state of the internal combustion engine, and by subtracting the previously stored steady current from the current value detected in the current combustion cycle, A current value substantially equal to the ion current of can be detected.
Therefore, according to the present invention (Claim 5), since the ion current can be detected while suppressing the influence of the leakage current, it is possible to prevent a decrease in the detection accuracy of the ion current.
[0034]
  Next, the above(Claim 5)The ion current detector ofClaim 6As described in the above, the start timing of the detection voltage application period is set within the period from 180 [° CA] before top dead center to 45 [° CA] before top dead center in the crank angle in the compression stroke. It is good to have.
[0035]
By setting the start time of the detection voltage application time during the compression stroke, at least in the intake stroke, the heating resistor is energized and the ceramic heating element is heated. The temperature drop of the insulating ceramic substrate can be prevented, and an increase in the insulation resistance value of the insulating ceramic substrate can be prevented.
[0036]
  In addition, by setting the start time of the detection voltage application time before the top dead center 45 [° CA] at the crank angle in the compression stroke, it is ensured that the spike current generation period overlaps with the combustion start time. Can be prevented.
  Therefore, the present invention(Claim 6)Accordingly, it is possible to prevent the detected ion current value from becoming too small due to an increase in the insulation resistance value of the insulating ceramic substrate, and to prevent a decrease in the detection accuracy of the ion current. I can do it. In addition, since the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current, it is possible to prevent a decrease in the detection accuracy of the ion current.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an electric circuit diagram showing a schematic configuration of an ion current detection device 1 that performs ion current detection in a diesel internal combustion engine including a glow plug.
[0038]
Although the present embodiment will be described for one cylinder, the present invention can also be applied to an internal combustion engine having a plurality of cylinders, and the basic configuration of the ion current detection device for each cylinder is the same.
As shown in FIG. 1, the ion current detection device 1 of the present embodiment includes an electronic control device 31 (hereinafter also referred to as an ECU 31) that outputs a heat generation drive command signal 32 for driving and controlling the heat generation switch 23. A heat generation signal level conversion circuit 27 that converts the potential level of the heat generation drive command signal 32 and outputs a converted drive command signal 33, and heat generation that is set to an energized state or an open state based on the converted drive command signal 33. Switch 23, a heating power source device 21 (hereinafter also referred to as a heating battery 21) that outputs a heating voltage (for example, voltage 12 [V]) with a negative electrode grounded to the ground line 10, and a heating resistor 14 is provided with a ceramic heating element 15 having an insulating housing 14 and an insulating housing 13 and mounted on a cylinder of an internal combustion engine, and a heating resistance from a positive electrode of a heating battery 21 Allowing the current flowing to 14, a first reverse current preventing diode 25 to prevent current flowing in the opposite direction.
[0039]
The heat generating battery 21, the first backflow preventing diode 25, the heat generating resistor 14 of the glow plug 11 and the heat generating switch 23 are connected in series in this order to form a closed loop.
Next, FIG. 8 is a sectional view showing the internal configuration of the glow plug. As shown in FIG. 8, the glow plug 11 includes a metal housing body 12, a central shaft 81, a metal protective outer cylinder 16, and a ceramic heating element 15. The ceramic heating element 15 is held by the housing body 12 via the protective outer cylinder 16. That is, in the glow plug 11 of the present embodiment, the housing main body 12 and the protective outer cylinder 16 correspond to the insulating housing 13, and the insulating housing 13 holds the ceramic heating element 15. In FIG. 1, the housing body 12 and the protective outer cylinder 16 are not shown, but are collectively shown as an insulating housing 13. The ceramic heating element 15 includes an insulating ceramic base 83 and a substantially U-shaped heating resistor 14 disposed inside the insulating ceramic base 83. Insulating ceramic base 83 is made of Si._ThreeN_FourIt protects the heating resistor 14 which is made of ceramics mainly composed of The heating resistor 14 is made of Si._ThreeN_FourInsulating ceramics mainly made of WC and MoSi₂ It is formed containing a conductive component such as.
[0040]
As shown in FIG. 1, the glow plug 11 has a mounting screw portion formed in the housing main body portion 12 with respect to the engine block 17 and at least a part of the heating resistor 14 in the combustion chamber 19. Installed and used for placement. The heating resistor 14 is disposed inside the insulating ceramic base 83 while being electrically insulated from the insulating housing 13, and a heating voltage is applied to the energizing electrode 85 and the central shaft 81. As a result, heat is generated and an ion current detection voltage (ion detection voltage) is applied, so that an ion current can be caused to flow by ions existing in the combustion chamber 19 as described later. The energizing electrode 85 and the middle shaft 81 are insulated from each other by an insulating member 87 formed in a substantially cylindrical shape.
[0041]
Note that the glow plug 11 in FIG. 1 is shown as a cross-sectional view to show the internal structure, and the engine block 17 is shown as a cross-sectional view at a portion where the glow plug 11 is mounted.
The glow plug 11 is supplied with electric power from the heat generating battery 21 to the heat generating resistor 14 and is heated to a predetermined ignition temperature (for example, 1000 [° C.] or higher) by a ceramic heat generating element 15. Is provided to assist ignition.
[0042]
The insulating ceramic base 83 of the ceramic heating element 15 has an insulation resistance value of about 1 [GΩ] at room temperature, but has a characteristic that the insulation resistance value decreases as the temperature rises, and is about 1000 [° C.]. Then, the insulation resistance value decreases to 1 [MΩ] to 10 [MΩ] (for example, about 3 [MΩ]).
[0043]
The heat generating switch 23 is composed of an n-channel MOSFET (MOS field effect transistor), the source is connected to the negative electrode of the heat generating battery 21, the drain is connected to the heat generating resistor 14 of the glow plug 11, and the gate. Is connected to a connection point between the heat generation signal level conversion circuit 27 and the first resistance element 24. The first resistance element 24 is provided between the positive electrode of the heat generating battery 21 and the heat generating signal level conversion circuit 27. Note that a parasitic diode that allows a current from the source to the drain is formed in the MOSFET, and a parasitic diode 91 is formed in the heating switch 23.
[0044]
In the heat generating switch 23, the post-conversion drive command signal 33 output from the heat generating signal level converting circuit 27 is set to a low level (negative potential of the heat generating battery 21 (specifically, ground potential = 0 [V])). Then, it becomes an open state (off state), and when the converted drive command signal 33 becomes high level (potential higher by the drive voltage than the negative electrode potential of the heat generating battery 21), it becomes a short circuit state (on state).
[0045]
When the heat generating switch 23 is short-circuited in this way, the voltage output from the heat generating battery 21 is applied to the heat generating resistor 14 of the glow plug 11, and the ceramic heat generating element 15 is caused by the heat generated by the heat generating resistor 14. Heated.
The first backflow prevention diode 25 has an anode connected to the positive electrode of the heat generating battery 21 and a cathode connected to the heat generating resistor 14 of the glow plug 11. It is provided to allow current to flow and to block current flow in the opposite direction.
[0046]
The heat generation signal level conversion circuit 27 has an inverter circuit 28 that inverts and outputs the potential level (low level or high level) of the heat generation drive command signal 32 output from the ECU 31, and an input side connected to the inverter circuit 28. A first photocoupler 29 having an output side connected to the heat generating switch 23 is provided.
[0047]
The first photocoupler 29 includes a light emitting element 35 that emits light when an input signal having a predetermined current value or more is input, and a light receiving element 36 that is in a short circuit state when receiving light output from the light emitting element 35. It is configured to prepare for. The first photocoupler 29 that transmits the signal state through light in this way has a structure in which the input-side terminal and the output-side terminal are electrically insulated, and an output having a potential level different from the potential level of the input signal. A signal can be output.
[0048]
When a high level signal is input from the inverter circuit 28, the first photocoupler 29 emits light from the light emitting element 35, and the light receiving element 36 is short-circuited. The converted drive command signal 33 of the negative potential of the heat generating battery 21 is output. Further, when a low level signal is input from the inverter circuit 28 to the first photocoupler 29, the light emitting element 35 does not emit light and the light receiving element 36 is opened, and the first photocoupler 29 is in a high level (with respect to the gate of the heat generating switch 23). A converted drive command signal 33 of a potential higher than the negative electrode potential of the heat generating battery 21 by a drive voltage is output.
[0049]
That is, when the low-level heat generation drive command signal 32 is input from the ECU 31, the heat generation signal level conversion circuit 27 outputs the low-level converted drive command signal 33, and the ECU 31 outputs the high-level heat generation drive command signal 33. When 32 is input, a high-level post-conversion drive command signal 33 is output.
[0050]
The ECU 31 is mainly composed of a microcomputer, and is used to comprehensively control the fuel injection amount, idle rotation speed (idle rotation speed), etc. of the internal combustion engine, and executes drive signal control processing described later. Thus, the heat generation drive command signal 32 is output at a high level during the heating period. In addition, the ECU 31 separately detects an operating state of each part of the engine, such as an intake air amount (intake pipe pressure), a rotational speed (engine speed), a throttle opening, a cooling water temperature, an intake air temperature, etc. of the internal combustion engine. Etc. are running.
[0051]
That is, in the ion current detection device 1, when the ECU 31 outputs the heat generation drive command signal 32 to the high level, the glow plug 11 (specifically, the heat generation resistor 14) is energized by the output voltage of the heat generation battery 21. The ceramic heating element 15 is heated.
[0052]
Next, the structure of the part regarding ion current detection among the ion current detection apparatuses 1 is demonstrated.
The ion current detection device 1 includes a signal level inversion conversion circuit 47 that inverts the potential level (high level or low level) of the heat generation drive command signal 32 and outputs a detection drive command signal 53 obtained by converting the potential level. A detection switch 43 that is set to an energized state or an open state based on the drive command signal 53, and an ion detection power supply device 41 (detection battery 41) that outputs a detection voltage (for example, about 300 [V]); And a second backflow prevention diode 45 that allows a current flowing from the positive electrode of the detection battery 41 to the heating resistor 14 and blocks a current flowing in the opposite direction, and is provided between the engine block 17 and the detection switch 43. A detection resistor 57, a voltage detection circuit 59 that outputs a detection voltage signal 60 corresponding to the voltage across the detection resistor 57, and an ion current detection period It includes a leakage current holding circuit 61 for outputting a leak current offset voltage signal 62 holds the detected voltage signal 60 immediately before the end, the.
[0053]
The engine block 17, the detection resistor 57, the detection switch 43, the detection battery 41, the second backflow prevention diode 45, and the heating resistor 14 of the glow plug 11 are connected in series in this order.
The detection switch 43 is composed of an n-channel MOSFET (MOS field effect transistor), the source is connected to the negative electrode of the detection battery 41, and the drain is connected to the engine block 17 via the detection resistor 57. The gate is connected to a connection point between the signal level inversion conversion circuit 47 and the second resistance element 44. The second resistance element 44 is provided between the positive electrode of the detection battery 41 and the signal level inversion conversion circuit 47. A parasitic diode 93 is formed in the detection switch 43 made of a MOSFET.
[0054]
The detection switch 43 is in an open state (off state) when the detection drive command signal 53 output from the signal level inversion conversion circuit 47 is at a low level (the negative potential of the detection battery 41), and the detection drive command signal 53 is detected. Becomes a high level (potential higher by the drive voltage than the negative electrode potential of the battery 41 for detection), a short circuit state (ON state) is entered.
[0055]
When the detection switch 43 is short-circuited in this way, the voltage output from the detection battery 41 is applied between the heating resistor 14 and the engine block 17, and before this short-circuit state is reached. Since the heating resistor 14 is in an energized state so that the ceramic heating element 15 reaches the target temperature (about 1000 [° C.]), and the insulation resistance value of the insulating ceramic substrate 83 is reduced, the combustion chamber 19 In the case where ions are present inside, an ion current flows through the ions. In order for the ionic current to flow, it is necessary that the ceramic heating element 15 reaches the target temperature and the insulation resistance value of the insulating ceramic substrate 83 is lowered. However, the ionic current is generated during a period other than the detection time of the ionic current. By heating the resistor 14 by energization, the insulating resistance value of the insulating ceramic base 83 of the ceramic heating element 15 can be set within a range where ion current can be detected.
[0056]
The second backflow prevention diode 45 has an anode connected to the positive electrode of the detection battery 41 and a cathode connected to the heat generating resistor 14 of the glow plug 11, and is directed from the positive electrode of the detection battery 41 to the heat generating resistor 14. It is provided to allow current to flow and to block current flow in the opposite direction.
[0057]
The signal level inversion conversion circuit 47 is connected to the signal relay circuit 48 that outputs the potential level (low level or high level) of the heat generation drive command signal 32 output from the ECU 31 as it is, and the input side is connected to the signal relay circuit 48. And a second photocoupler 49 whose output side is connected to the detection switch 43.
[0058]
The second photocoupler 49 includes, on the input side, a second light emitting element 55 that emits light when an input signal having a predetermined current value or more is input, and is short-circuited when receiving light output from the second light emitting element 55. A light receiving element 56 is provided on the output side. The second photocoupler 49 that transmits the signal state through light in this way has a structure in which the input-side terminal and the output-side terminal are electrically insulated, and outputs an electric potential level different from the electric potential level of the input signal. A signal can be output.
[0059]
When the second photocoupler 49 receives a high level signal from the signal relay circuit 48, the second light emitting element 55 emits light and the second light receiving element 56 is short-circuited, and the second photocoupler 49 is connected to the gate of the detection switch 43. Then, a detection drive command signal 53 at a low level (the negative potential of the detection battery 41) is output. In addition, when a low level signal is input from the signal relay circuit 48 to the second photocoupler 49, the second light emitting element 55 does not emit light, and the second light receiving element 56 is opened, and the second photocoupler 49 is connected to the gate of the detection switch 43. Thus, a detection drive command signal 53 at a high level (potential higher by the drive voltage than the negative electrode potential of the detection battery 41) is output.
[0060]
That is, when the low-level heat generation drive command signal 32 is input from the ECU 31, the signal level inversion conversion circuit 47 outputs the high-level detection drive command signal 53 and the ECU 31 outputs the high-level heat generation drive command signal 32. Is input, a low level detection drive command signal 53 is output.
[0061]
A voltage proportional to the ion current flowing between the heating resistor 14 and the engine block 17 is generated in the detection resistor 57.
Next, an electric circuit diagram of the voltage detection circuit 59 and the leakage current holding circuit 61 is shown in FIG.
[0062]
As shown in FIG. 2, the voltage detection circuit 59 includes a first operational amplifier 67, a third resistance element 63, and a fourth resistance element 65.
In the first operational amplifier 67, the non-inverting input terminal + is connected (grounded) to the ground line 10, and the inverting input terminal − is connected to the detection resistor 57 and the detection switch 43 through the third resistance element 63. The output terminal is connected to the sample and hold switch 69. Further, the inverting input terminal − and the output terminal are connected via a fourth resistance element 65. That is, the first operational amplifier 67, the third resistance element 63, and the fourth resistance element 65 form an inverting amplifier circuit that inverts and amplifies the voltage across the detection resistor 57.
[0063]
The voltage detection circuit 59 configured as described above detects the voltage across the detection resistor 57 (resistance value = 100 [kΩ]), and outputs a detection voltage signal 60 obtained by inverting and amplifying the voltage across the detection resistor 57. Output to ECU 31 and leakage current holding circuit 61.
[0064]
Next, as shown in FIG. 2, the leakage current holding circuit 61 includes a sample-hold switch 69, a voltage holding capacitor 73, and a second operational amplifier 77.
The sample hold switch 69 has one end connected to the output terminal of the voltage detection circuit 59 and the other end connected to the fifth resistance element 71. When the hold command signal 68 is input from the ECU 31, the sample hold switch 69 is in a short-circuited state (ON When the hold command signal 68 is not input, the open state (off state) is established.
[0065]
One end of the voltage holding capacitor 73 is connected to the ground line 10, and the other end is connected to the sample hold switch 69 via the fifth resistance element 71. The voltage holding capacitor 73 is charged to a voltage according to the detection voltage signal 60 when the sample hold switch 69 is energized. After the sample hold switch 69 is switched to the open state, the voltage holding capacitor 73 is charged immediately before switching. Hold the voltage.
[0066]
In the second operational amplifier 77, the non-inverting input terminal + is connected to the connection point between the voltage holding capacitor 73 and the fifth resistance element 71 via the sixth resistance element 75, and the inverting input terminal − is connected to the seventh resistance element. It is connected to an output terminal via an element 79, and the output terminal is connected to the ECU 31. The second operational amplifier 77 outputs a leakage current offset voltage signal 62 corresponding to the voltage across the voltage holding capacitor 73 to the ECU 31.
[0067]
That is, the leakage current holding circuit 61 stores a voltage value corresponding to the leakage current flowing between the ceramic heating element 15 and the engine block 17 in the voltage holding capacitor 73 based on a command from the ECU 31, and the stored voltage value. The leakage current offset voltage signal 62 corresponding to the above is output to the ECU 31.
[0068]
The ECU 31 is based on the detection voltage signal 60 output from the voltage detection circuit 59, the leakage current offset voltage signal 62 output from the leakage current holding circuit 61, and the electrical resistance value of the detection resistor 57 stored in advance. An ion current detection process for calculating the ion current value is executed.
[0069]
That is, in the ion current detection device 1, when the ECU 31 does not output the heat generation drive command signal 32 (when the heat generation drive command signal 32 is output at a low level), the heat generation resistance is generated by the output voltage of the detection battery 41. An ion detection voltage is applied between the body 14 and the engine block 17. When the ion detection voltage is applied, the ECU 31 performs a process of detecting (calculating) the ion current based on the detection voltage signal 60 input from the voltage detection circuit 59. At this time, the ECU 31 detects (calculates) the leakage current based on the leakage current offset voltage signal 62, and from the ion current calculated based on the detection voltage signal 60 in the current combustion cycle, in the previous combustion cycle. The calculated ion current is corrected by subtracting the leak current.
[0070]
Next, a TDC signal (top dead center signal), a TDC shaped wave, a divided waveform, a heat generation drive command signal 32 (glow energization), a detection voltage signal 60 (ion current waveform), and a hold command in the internal combustion engine of the present embodiment. A time chart showing each state of the signal 68 is shown in FIG. 3, and a flowchart showing the contents of the drive signal control process executed by the ECU 31 is shown in FIG. 4.
[0071]
The internal combustion engine of the present embodiment has a four-cylinder configuration, and the TDC signal shown in FIG. 3 represents a waveform obtained by synthesizing the TDC signals of all the cylinders. The first cylinder, the fourth cylinder, the second cylinder, The TDC signals are set in the order of the third cylinder. The internal combustion engine of the present embodiment has four cycles, and the TDC signal in one cylinder shows the upper limit peak value twice during one combustion cycle.
[0072]
The TDC shaped wave is at a low level during the period from when the TDC signal exceeds the upper threshold value Thi until it falls below the lower threshold value Tlo (for example, during the period from time t1 to time t3 in FIG. 3). During the period from when the signal falls below the lower limit threshold Tlo to when the signal exceeds the upper limit threshold Thi (for example, during the period from time t3 to time t4 in FIG. 3), the waveform is at a high level.
[0073]
The frequency-divided waveform in FIG. 3 is a waveform representing one combustion cycle corresponding to the first cylinder, and the interval between the edge portions changing from the high level to the low level (interval from time t1 to time t6 in FIG. 3) is It represents one combustion cycle of each cylinder. Further, the time point when the frequency-divided waveform shown in FIG. 3 changes from the high level to the low level represents a TDC (top dead center) when the compression process shifts to the combustion stroke.
[0074]
In this four-cylinder internal combustion engine, since the combustion order of each cylinder is determined in advance, the TDC shaped wave then changes from high level to low level after the divided waveform changes from high level to low level. The time of change represents the TDC (top dead center) when moving from the compression step to the combustion stroke in the cylinder (specifically, the fourth cylinder) burned next to the first cylinder. For this reason, based on the divided waveform and the TDC shaped wave, the TDC (top dead center) at the time of shifting from the compression process to the combustion stroke can be detected for all the cylinders.
[0075]
Further, TDC shaping waves are generated at intervals of 90 [° CA] when all cylinders are combined. Accordingly, the time when the frequency-divided waveform corresponding to the first cylinder changes from the high level to the low level corresponds to 90 [° CA] before TDC (top dead center) when the fourth cylinder shifts from the compression process to the combustion stroke. It will be.
[0076]
Further, the heat generation drive command signal 32 (glow energization), the detection voltage signal 60 (ion current waveform), and the hold command signal 68 in FIG. 3 represent those corresponding to the fourth cylinder.
Next, a drive signal control process executed by the ECU 31 will be described. The drive signal control process is repeatedly executed at a rate of once per combustion cycle for each cylinder based on the divided waveform and the TDC shaped wave. FIG. 4 shows the processing content of the drive signal control process executed by the ECU 31 for the fourth cylinder. Hereinafter, the drive signal control process for the fourth cylinder will be described as a representative.
[0077]
When the internal combustion engine is started and the drive signal control process in the ECU 31 is started, first, in S110 (S represents a step), it is determined whether or not it is the ionic current detection voltage application start timing. If it judges, it will transfer to S120, and if it judges negative, the same step will be performed repeatedly and it will wait until it becomes the voltage application start time of ion detection. In S110, the high-level output of the TDC shaping wave when the frequency-divided waveform of the first cylinder changes from the high level to the low level is 90 TDC (top dead center) before the transition from the compression process of the fourth cylinder to the combustion stroke. Since it corresponds to [° CA], when the divided waveform of the first cylinder changes from high level to low level and the TDC waveform changes from low level to high level, the application of ion detection voltage is started for the fourth cylinder. Judge that the time has come. When this drive signal control process is applied to the second cylinder, the frequency division waveform of the first cylinder changes from high level to low level, and the change from low level to high level of the TDC waveform results from the change. If it occurs twice, it is determined that the timing for starting application of the voltage for ion detection has been reached.
[0078]
When an affirmative determination is made in S110 and the process proceeds to S120, low-level output of the heat generation drive command signal 32 is started in S120. Before S120 is executed, the heat generation drive command signal 32 is output at a high level by the processing in S160 described later in the previous combustion cycle in the same cylinder.
[0079]
In the next S130, it is determined whether or not it is an ionic current detection start time. If an affirmative determination is made, the process proceeds to S140. In S130, after a positive determination is made in S110, when a detection delay time (5.0 [ms] in the present embodiment) elapses, it is determined that the ion current detection start time has been reached. The detection delay time is set to a time longer than a generation period of a spike current that is temporarily generated immediately after application of the detection voltage.
[0080]
When an affirmative determination is made in S130 and the process proceeds to S140, in S140, the detection voltage signal 60 output from the voltage detection circuit 59, the leak current offset voltage signal 62 output from the leak current holding circuit 61, and the detection stored in advance in advance. Based on the electrical resistance value of the resistor 57 for use, the ion current detection process for calculating the ion current value is started (time t2 in FIG. 3). In the ion current detection process, the ion current calculated based on the detection voltage signal 60 of the current combustion cycle is detected (calculated) in S180 described later in the previous combustion cycle and stored in a storage area (memory, etc.). A current correction process for correcting the calculated ion current is performed by subtracting the leak current.
[0081]
In subsequent S150, the high level output of the hold command signal 68 is started. Since the hold command signal 68 is output at a high level, the sample hold switch 69 is short-circuited (ON state), so that the voltage holding capacitor 73 of the leakage current holding circuit 61 has a voltage corresponding to the leakage current value. Charged. Before the execution of S150, the hold command signal 68 is output at a low level by the processing in S170 described later in the combustion cycle.
[0082]
Strictly speaking, a time difference according to the clock cycle in the ECU 31 occurs between the affirmative determination time in S130 and each execution time in S140 and S150, but the time difference between the execution times is slight, so the time shown in FIG. At t2, it can be considered that they are executed almost simultaneously.
[0083]
In the next S160, it is determined whether or not it is the heating voltage application start timing. If an affirmative determination is made, the process proceeds to S170. If a negative determination is made, the same step is repeatedly executed, and the process waits until the heating voltage application start timing is reached. . That is, in S160, it is determined whether or not the ion current detection end time has been reached. In S160, after a positive determination is made in S130, when a predetermined ion detection period has elapsed, it is determined that the heating voltage application start timing has been reached.
[0084]
When an affirmative determination is made in S160 and the process proceeds to S170, a low-level output of a hold command signal is started in S170 (time t5 in FIG. 3). When the hold command signal 68 is switched to the low level output, the sample hold switch 69 is released (off state), so that the voltage across the voltage holding capacitor 73 is a voltage corresponding to the leak current value immediately before the signal switching. Hold.
[0085]
In the next S180, processing for detecting (calculating) the leak current is performed based on the leak current offset voltage signal 62 of the leak current holding circuit 61, and the calculated leak current is stored in a storage area (not shown) provided in the ion current detector. Memory).
[0086]
In continuing S190, the ion current detection process which detects an ion current is stopped. Then, the process proceeds to S200, where a high level output of the heat generation drive command signal 32 is started in S200.
Strictly speaking, the affirmative determination time in S160 and the execution times of S170, S180, S190, and S200 cause a time difference according to the clock cycle in the ECU 31, but the time difference between the execution times is slight. At time t5 shown in FIG. 3, it can be considered that they are executed almost simultaneously.
[0087]
When the process in S200 ends, the drive signal control process ends.
In FIG. 3, as the ion current waveform, the period from time t2 to time t5 represents a waveform when ions are generated.
The ECU 31 separately executes processes such as misfire determination and knock determination of the internal combustion engine by a known method using the ion current detected as described above.
[0088]
In addition, the ECU 31 executes a fuel injection control process for controlling the timing for injecting fuel into the combustion chamber 19. In the fuel injection control process, the fuel injection timing is set within a range from BTDC (before top dead center) 22 [° CA] to TDC (top dead center) 0 [° CA] in each cylinder.
[0089]
As described above, the ion current detection device 1 according to the embodiment is configured such that the negative electrode of the heat generating battery 21 is grounded to the ground line 10, but the heat generating signal level conversion circuit 27 and the signal level inversion conversion circuit 47 are configured. Thus, only one of the heat generation switch 23 and the detection switch 43 is driven and controlled to be in an energized state (on state). Therefore, the detection voltage output from the detection battery 41 can be reliably applied between the glow plug 11 (specifically, the heating resistor 14) and the engine block 17.
[0090]
Further, in the drive signal control process executed by the ECU 31, the process start time of S140 (in other words, the start time of the ion current detection period) starts from the start time of the detection voltage application period (time t1 in FIG. 3). The detection delay time is set to the time point (time t2 in FIG. 3). In this embodiment, the detection delay time used for the process in S130 of the drive signal control process is set to a time longer than the generation period of the spike current temporarily generated immediately after the voltage application by the detection battery 41. ing. For this reason, the spike current generation period is not included in the ion current detection period, and the influence of the spike current can be prevented in detecting the ion current.
[0091]
Therefore, according to the ion current detection device 1 of the present embodiment, even when the power source connected to the ground line 10 is used as the heat generating battery 21, the detection voltage is reliably supplied to the glow plug 11 (heating resistor 14). It can be applied between the engine block 17 and an ion current flowing by ions existing inside the combustion chamber 19 can be detected. In addition, since the influence of the spike current can be suppressed, it is possible to prevent the spike current from being erroneously detected as the ion current, and thus it is possible to prevent a decrease in the detection accuracy of the ion current.
[0092]
In the ion current detector 1, as shown in FIG. 4, before the heat generation drive command signal 32 is switched from the low level to the high level (S200), the ion current detection period is set to end (S190). is doing. Accordingly, it is possible to prevent the spike current from affecting the detection accuracy of the ionic current due to switching from the detection battery 41 to the heat generating battery 21.
[0093]
Further, in the ion current detector 1 of the present embodiment, the start timing of the detection voltage application period is set to the time when the crank angle becomes BTDC (before top dead center) 90 [° CA] in the compression stroke. . The BTDC 90 [° CA] is included in the region before the time point earlier by the detection delay time (5.0 [ms]) than the BTDC 22 [° CA] that is the earliest combustion start timing of the fuel mixture.
[0094]
By setting the start time of the detection voltage application time in this way, the spike current generated by the application of the detection voltage converges by the combustion start time of the fuel mixture, in other words, The spike current converges by the generation start time. As a result, the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current over the entire ion generation period from the ion generation start time (combustion start time) to the ion disappearance time.
[0095]
Therefore, according to the ion current detection device 1 of the present embodiment, the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current over the entire ion generation period, and the detection accuracy of the ion current can be improved.
Furthermore, in the ion current detection device 1 of the present embodiment, the start time of the detection voltage application period is set to the time when the crank angle is 90 [° CA] before top dead center in the compression stroke. The angle is set within a period from 180 [° CA] before top dead center to 45 [° CA] before top dead center.
[0096]
Thus, by setting the start time of the detection voltage application time during the compression stroke, at least in the intake stroke, the heating resistor 14 is energized and the ceramic heating element 15 is heated. Thus, a temperature drop of the ceramic heating element 15 can be prevented, and an increase in the insulation resistance value of the insulating ceramic substrate 83 in the ceramic heating element 15 can be prevented.
[0097]
Further, by setting the start time of the detection voltage application time before 45 [° CA] before the top dead center at the crank angle in the compression stroke, it is possible to prevent the spike current generation period from overlapping with the combustion start time. be able to.
Therefore, according to the ion current detection device 1 of the present embodiment, it is possible to prevent the detection of the ion current due to the increase in the insulation resistance value of the insulating ceramic base 83, and A decrease in detection accuracy can be prevented. In addition, since the ion current can be detected while suppressing the influence of the spike current, it is possible to prevent a decrease in the detection accuracy of the ion current.
[0098]
Further, the ion current detection device 1 of the present embodiment leaks the current flowing between the ceramic heating element 15 and the engine block 17 immediately before the end of the ion current detection period in S180 of the drive signal control process executed by the ECU 31. It is stored as current. In the ion current detection process executed by the ECU 31, a current obtained by subtracting the leak current stored in the previous combustion cycle from the current detected in the ion current detection period of the current combustion cycle is detected as an ion current. Yes.
[0099]
The current flowing between the ceramic heating element 15 and the engine block 17 immediately before the end of the ion current detection period is not an ion current but a leakage current. In the ion current detection device 1, this leakage current is stored in the storage area as a leakage current. Remember. Further, in two combustion cycles that are continuous in time, the temperature of the ceramic heating element does not change abruptly, and therefore the leak current (leakage current) values in the two combustion cycles are substantially equal.
[0100]
As a result, it is possible to detect a current value substantially equal to the actual leakage current according to the operating state of the internal combustion engine, and by subtracting the previously stored leakage current from the current value detected in the current combustion cycle, A current value substantially equal to the ion current of can be detected. In addition, the leakage current of a present Example is corresponded to the steady current as described in a claim.
[0101]
Therefore, according to the ion current detection device of the present embodiment, it is possible to detect the ion current while suppressing the influence of the leakage current, and thus it is possible to prevent a decrease in the detection accuracy of the ion current.
In the ion current detector 1 of the present embodiment, the heat generating power supply device 21 (heat generating battery 21) corresponds to the heat generating power supply described in the claims, and the heat generating power supply device 21 and the heat generating switch 23 are used. The first backflow prevention diode 25 corresponds to a heat generation voltage application means, the ion detection power supply 41 (detection battery 41) corresponds to an ion detection power supply, the ion detection power supply 41, and the detection switch 43. The second backflow prevention diode 45 corresponds to a detection voltage applying unit.
[0102]
The heat generation signal level conversion circuit 27 and the signal level inversion conversion circuit 47 correspond to the voltage application switching control means described in the claims, and include a detection resistor 57, a voltage detection circuit 59, a leak current holding circuit 61, and The ECU 31 (drive signal control process, ion current detection process) corresponds to the ion current detection means.
[0103]
Here, the measurement result of the ion current detected using the ion current detection device to which the present invention is not applied is shown in FIG. 5, and the measurement result of the ion current detected using the ion current detection device to which the present invention is applied is shown in FIG. Shown in
5 and 6 both show TDC signal voltage waveforms. The internal combustion engine used in this measurement has a four-cylinder configuration, and shows a waveform obtained by superimposing the TDC signal voltage waveforms of all four cylinders. . Further, since this internal combustion engine has four cycles and the crankshaft rotates twice in one combustion cycle, the TDC signal voltage waveform in one cylinder shows an upper limit peak value twice during one combustion cycle. .
[0104]
Further, in both FIG. 5 and FIG. 6, the time when the time on the horizontal axis becomes 0 [ms] corresponds to the TDC that shifts from the compression stroke to the combustion stroke, and the time on the horizontal axis becomes −24 [ms]. The time point corresponds to a crank angle of BTDC90 [° CA].
From the measurement result shown in FIG. 5, the current value of the detected ion current waveform (detection resistance current) in the period from about −24 [ms] to about 5.0 [ms] after the time on the horizontal axis. It can be seen that a large spike current is superimposed. The ion current value detected immediately before the end of the ion current detection period (at the time when the time on the horizontal axis is 20 [ms]) is about 27 [μA], and is at least 25 in the entire period of the ion current detection period. An ion current of [μA] or more is detected.
[0105]
On the other hand, from the measurement results shown in FIG. 6, the start time of the ion current detection period is -19 [ms] on the horizontal axis, and the spike current is superimposed on the detected ion current waveform (corrected resistance current). It has not been. Further, since the leak current stored in the previous combustion cycle is subtracted, the ion current value immediately before the end of the ion current detection period is approximately 0 [μA], and the current value (8. 1 [μA]) can be accurately detected.
[0106]
From these measurement results, it can be seen that the ion current detector of the present embodiment can suppress the influence of spike current and leak current and prevent the detection accuracy of the ion current from deteriorating.
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various aspect can be taken.
[0107]
For example, the detection delay time is not limited to 5.0 [ms], and may be set in a range from 0.5 [ms] to 5.0 [ms]. In other words, the generation period of the spike current is generally in the range from 0.5 [ms] to 5.0 [ms], and the influence of the spike current is suppressed by setting the detection delay time within this range. be able to. In this way, by suppressing the influence of the spike current, it is possible to suppress a decrease in the detection accuracy of the ion current.
[0108]
Furthermore, holding of the leak current detected immediately before the end of the ion current detection period is not limited to the leak current holding circuit 61, and the detection voltage signal 60 immediately before the end of the ion current detection period is held as a leak current as an internal process of the ECU 31. May be executed using the internal processing.
[0109]
The detection delay time, the ion current detection period, and the detection voltage application period are not limited to fixed values, and may be updated to appropriate values according to the operating state of the internal combustion engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electric circuit diagram showing a schematic configuration of an ion current detection device that performs ion current detection in an internal combustion engine including a glow plug.
FIG. 2 is an electric circuit diagram of a voltage detection circuit and a leakage current holding circuit.
FIG. 3 shows a TDC signal (top dead center signal), a TDC shaped wave, a divided waveform, a heat generation drive command signal (glow energization), a detection voltage signal (ion current waveform), and a hold command signal in the internal combustion engine of the present embodiment. It is a time chart which shows each state of.
FIG. 4 is a flowchart showing the processing contents of a drive signal control process executed by an electronic control unit (ECU).
FIG. 5 is a measurement result of ion current detected using an ion current detection device to which the present invention is not applied.
FIG. 6 is a measurement result of ion current detected using an ion current detector to which the present invention is applied.
FIG. 7 is an electric circuit diagram showing a schematic configuration of a conventional ion current detection device that detects an ion current using a glow plug.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the internal configuration of the glow plug.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ion current detection apparatus, 10 ... Ground line, 11 ... Glow plug, 12 ... Housing main-body part, 13 ... Insulating housing, 14 ... Heating resistor, 15 ... Ceramic heating element, 17 ... Engine block, 19 ... Combustion chamber, DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Power supply device for heat generation (battery for heat generation), 23 ... Switch for heat generation, 25 ... First backflow prevention diode, 27 ... Signal level conversion circuit for heat generation, 29 ... First photocoupler, 31 ... Electronic control unit (ECU) , 41... Ion detection power supply device (detection battery), 43... Detection switch, 45. Second backflow prevention diode, 47... Signal level inversion converter circuit, 49. 59 ... Voltage detection circuit, 60 ... Detection voltage signal, 61 ... Leak current holding circuit, 69 ... Sample hold switch, 73 ... Voltage hold circuit Capacitors.

Claims

A ceramic heating element having a heating resistor that generates heat when energized by current is provided inside the insulating ceramic substrate, and holds the ceramic heating element in a state of being electrically insulated from the ceramic heating element, and the heating resistor A glow plug attached to the engine block with at least a part of the body being disposed in the combustion chamber;
A heating power source that outputs a heating voltage to be applied to the heating resistor and that is electrically connected to the engine block via a ground line in which either a positive electrode or a negative electrode serves as a reference potential; A heating voltage applying means for heating the ceramic heating element by applying the heating voltage to the heating resistor;
An internal combustion engine comprising:
A detection voltage applying unit that includes an ion detection power source that outputs an ion detection voltage for detecting an ion current, and that applies the ion detection voltage between the heating resistor and the engine block;
Voltage application switching control means for drivingly controlling the heat generation voltage application means and the detection voltage application means so that only one of the heat generation voltage application means and the detection voltage application means is in a voltage application state; ,
In the ion current detection period included in the detection voltage application period in which the detection voltage application means is in a voltage application state, the application of the ion detection voltage to the heat generation resistor causes the heat generation resistor and the engine block to be connected. Ion current detection means for detecting the current flowing through the
An ionic current detection device for detecting an ionic current comprising:
The start time of the ion current detection period is set after a predetermined detection delay time has elapsed from the start time of the detection voltage application period,
The detection delay time is a time longer than a generation period of a spike current temporarily generated immediately after voltage application by the detection voltage application unit ,
The ion current detection means includes
Immediately before the end of the ion current detection period, the current flowing between the heating resistor of the ceramic heating element and the engine block is stored as a steady current, and the current value detected during the ion current detection period of the current combustion cycle From which the current obtained by subtracting the steady current stored in the previous combustion cycle is detected as an ion current;
An ion current detector characterized by the above.

The detection delay time is set within a range from 0.5 [ms] to 5.0 [ms];
The ion current detection device according to claim 1.

The start time of the detection voltage application period is set before the detection delay time earlier than the combustion start time of the fuel mixture in the compression stroke,
The ion current detection device according to claim 1 or 2, wherein

The start timing of the detection voltage application period is set within a period from 180 [° CA] before top dead center to 45 [° CA] before top dead center in the crank angle in the compression stroke,
The ion current detection device according to claim 1, wherein:

  A ceramic heating element having a heating resistor that generates heat when energized by current is provided inside the insulating ceramic substrate, and holds the ceramic heating element in a state of being electrically insulated from the ceramic heating element, and the heating resistor A glow plug attached to the engine block with at least a part of the body being disposed in the combustion chamber;
  A heating power source that outputs a heating voltage to be applied to the heating resistor and that is electrically connected to the engine block via a ground line in which either a positive electrode or a negative electrode serves as a reference potential; A heating voltage applying means for heating the ceramic heating element by applying the heating voltage to the heating resistor;
  An internal combustion engine comprising:
  A detection voltage applying unit that includes an ion detection power source that outputs an ion detection voltage for detecting an ion current, and that applies the ion detection voltage between the heating resistor and the engine block;
  Voltage application switching control means for drivingly controlling the heat generation voltage application means and the detection voltage application means so that only one of the heat generation voltage application means and the detection voltage application means is in a voltage application state; ,
  In the ion current detection period included in the detection voltage application period in which the detection voltage application means is in a voltage application state, the application of the ion detection voltage to the heat generation resistor causes the heat generation resistor and the engine block to be connected. Ion current detection means for detecting the current flowing through the
  An ionic current detection device for detecting an ionic current comprising:
  The start time of the detection voltage application period is set before a time point that is a predetermined detection delay time earlier than the combustion start time of the fuel mixture in the compression stroke,
  The detection delay time is a time longer than a generation period of a spike current temporarily generated immediately after voltage application by the detection voltage application unit,
  The ion current detection means includes
  Immediately before the end of the ion current detection period, the current flowing between the heating resistor of the ceramic heating element and the engine block is stored as a steady current, and the current value detected during the ion current detection period of the current combustion cycle From which the current obtained by subtracting the steady current stored in the previous combustion cycle is detected as an ion current;
  An ion current detector characterized by the above.

The start timing of the detection voltage application period is set within a period from 180 [° CA] before top dead center to 45 [° CA] before top dead center in the crank angle in the compression stroke,
The ion current detection device according to claim 5.