JP4445009B2 - 内燃機関の燃焼状態検出方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、くすぶり検出機能を備えた内燃機関の燃焼状態検出方法及び装置に関するものである。

内燃機関に於いては、シリンダ内で混合気燃料の不完全燃焼が発生するとカーボンデポジットが発生し、このカーボンデポジットが点火プラグの電極間の碍子の表面に付着して点火プラグの電極間の絶縁抵抗が低下し、場合によっては失火に至ることがある。この現象を、通常、くすぶりと称するが、くすぶりが発生すると内燃機関の動作が不調となる。又、カーボンデポジットの残留熱によるホットスポット等がシリンダ内に発生し、点火プラグの放電による混合気の点火時点より前に自然発火を引き起こす、所謂、プレイグニッションを誘発することがある。プレイグニッションが発生すると、内燃機関の動作が不調となると共に、場合によっては内燃機関にダメージを与えることがある。

くすぶりは、内燃機関の低速回転領域で発生することが多く、くすぶりを検出したときには、内燃機関の制御装置により自動的に内燃機関を所定期間高速回転させ、点火プラグに付着したカーボンデポジットを焼き切る等の制御を行なう場合がある。又、プレイグニッションの発生を検出したときには、空燃比を燃料リッチ側に制御してシリンダ内の燃焼温度を低下させ、点火プラグの発火部位やホットスポットの温度を低下させるようにプレイグニッション抑制制御を行なうこと等が知られている。

周知のように、混合気燃料が燃焼するとシリンダ内にイオンが発生するが、従来、この発生したイオンをイオン電流として検出してプレイグニッションを検出すると共に、くすぶりによる漏洩電流を検出してくすぶりを検出するように検出方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に示された従来の検出方法は、イグニッションコイルの１次コイルへの通電期間中（点火信号発生期間中）の前半部分に於いて点火プラグの漏洩電流に基づいてくすぶりを検出し、通電期間中の後半部分に於いてイオン電流に基づいてプレイグニッションを検出するものである。

特開平９−３１７６２０号公報

前述の従来の装置の場合、プレイグニッションの発生が酷くなり点火信号発生時期の早い段階に移ると、くすぶりによる漏洩電流とプレイグニッションによるイオン電流とが重なることとなり、くすぶり検出時点に於いてその漏洩電流とイオン電流との区別が困難となり、くすぶりの発生を確実に検出することが困難となる課題があった。

この発明は、従来の装置に於ける前述の課題を解決するもので、くすぶりの発生を確実に検出することができる内燃機関の燃焼状態検出方法を得ることを目的としたものである。

又、この発明は、くすぶりの発生を確実に検出することができる内燃機関の燃焼状態検出装置を得ることを目的としたものである。

この発明に係る内燃機関の燃焼状態検出方法は、内燃機関の燃焼室に設置され点火電圧が印加されることにより前記燃焼室内で飛火放電を発生して混合気燃料に点火しこれを燃焼させる電極を備えた点火プラグと、点火信号の発生に基づいて前記点火電圧を誘起する点火コイルとを備えた内燃機関に於ける燃焼状態を検出する方法であって、前記燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させる電圧を前記点火プラグの電極に印加し、前記電圧の印加により少なくとも前記点火信号が発生している期間を含む所定の検出区間内に前記電極を介して流れる電流を検出し、前記検出した電流に所定のノイズが含まれているか否かを判定することにより前記点火プラグに於けるくすぶりの発生の有無を検出することを特徴とする方法である。

又、この発明に係る内燃機関の燃焼状態検出装置は、内燃機関の燃焼室に設置され点火電圧が印加されることにより前記燃焼室内で飛火放電を発生して混合気燃料に点火しこれを燃焼させる電極を備えた点火プラグと、点火信号の発生に基づいて前記点火電圧を誘起する点火コイルとを備えた内燃機関に於ける燃焼状態を検出する装置であって、前記燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させる電圧を前記点火プラグの電極に印加する電圧印加装置と、前記電圧印加手段により印可された電圧により前記電極を介して流れる電流を検出する電流検出装置と、前記点火信号が発生している期間を含む所定の検出区間を設定する検出区間設定装置と、前記電流検出装置により検出された電流のうち前記検出区間内に流れる電流に所定のノイズが含まれているか否かを判定することにより前記点火プラグに於けるくすぶりの発生の有無を検出するくすぶり検出手段とを備えたことを特徴とする装置である。

この発明による内燃機関の燃焼状態検出方法によれば、燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させる電圧を前記点火プラグの電極に印加し、前記電圧の印加により少なくとも点火信号が発生している期間を含む所定の検出区間内に前記電極を介して流れる電流を検出し、前記検出した電流に所定のノイズが含まれているか否かを判定することにより前記点火プラグに於けるくすぶりの発生の有無を検出するようにしたので、プレイグニッションによるイオン電流の有無に係わらず、確実に点火プラグのくすぶりを検出することができる。

又、この発明による内燃機関の燃焼状態検出装置によれば、燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させる電圧を前記点火プラグの電極に印加する電圧印加装置と、前記電圧印加手段により印可された電圧により前記電極を介して流れる電流を検出する電流検出装置と、点火信号が発生している期間を含む所定の検出区間を設定する検出区間設定装置と、前記電流検出装置により検出された電流のうち前記検出区間内に流れる電流に所定のノイズが含まれているか否かを判定することにより前記点火プラグに於けるくすぶりの発生の有無を検出するくすぶり検出手段とを備えているので、簡単な構成で、プレイグニッションによるイオン電流の有無に係わらず、確実に点火プラグのくすぶりを検出することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出方法及び装置について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の一部の回路構成を示す回路図である。

図１に於いて、内燃機関の燃焼室（図示せず）に設置された点火プラグ５は、間隙を介して対向する一対の電極を備え、これらの電極が燃焼室内に露出しており、その電極間に点火電圧が印可されることにより飛火放電を発生し燃焼室内の混合気燃料に点火しこれを燃焼させる。点火コイル１は、バッテリー（図示せず）からの電源ＶＢに接続された一次コイル２と、この一次コイル２に磁気鉄心を介して結合された二次コイル３とを備えている。

１次コイル２は、トランジスタ４に直列接続されており、トランジスタ４が車両に設けられたマイクロプロセッサ（以下、ＭＰＵと称する）を含むエンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）１２からの後述する点火信号を受けて導通することにより、電源ＶＢから１次電流が供給されて付勢される。点火コイル１は、一次コイル２への一次電流の通電が停止されたとき、二次コイル３に点火電圧としての負の高電圧を誘起し、この点火電圧を点火プラグ５の電極に印加する。

バイアス回路７は、二次コイル３と車両の接地電位部との間に挿入されており、コンデンサ９と、このコンデンサ９に並列接続されたツェナーダイオード８と、これらの並列回路に直列接続されたダイオード１０とを備えている。バイアス回路７は、後述するプレイグニッションの発生によるイオン電流及び内燃機関のくすぶりによる漏洩電流を検出するために、点火プラグ５の電極に正の電圧を印加する。

点火プラグ５は、混合気燃料を点火させるための飛火放電を発生する機能の外に、イオン電流及び漏洩電流を検出するためのプローブとしての機能を備える。電流検出手段としてのイオン電流検出回路１１は、ダイオード１０の陰極側に接続され、点火プラグ５の電極を介して流れる前述のイオン電流及び漏洩電流を検出し、その検出した電流値をＥＣＵ１２に入力する。一次コイル２、二次コイル３、トランジスタ４、バイアス回路７、及びイオン電流検出回路１１は、点火コイル１として一体に構成され、内燃機関に搭載されている。

図１０は、内燃機関の点火プラグに重度のくすぶりと、強いプレイグニッションが発生した場合に於ける電流波形を示す説明図である。図１０に於いて（Ａ）に示す点火信号が時点ｔ１でオンになると、図１に示すトランジスタ４が導通し、一次コイル２に電源ＶＢから１次電流が供給される。これにより、図１０の（Ｂ）に示すように例えば１[KV]程度のピーク値を有する二次電圧Ｖ２が二次コイル３に誘起される。この二次電圧Ｖ２により、（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように点火系にその静電容量に起因するノイズ電流Ｉｎが瞬時に流れる。時点ｔ２に於いて点火信号がオフになるとトランジスタ４が非導通となり一次コイル２への一次電流が遮断される。

一次コイル２に流れる１次電流の遮断により、二次コイル３に、例えば２０[KV]程度の負の高電圧である点火電圧Ｖ２ｉが誘起される。点火電圧Ｖ２ｉは、例えば、クランク角−１０°ＣＡ前後の時点で発生し、点火プラグ５の電極間に印加され、その電極間に飛火放電を発生させる。この飛火放電による放電電流は、点火プラグ５の接地側の電極から二次コイル３に接続されている電極へと流れ、二次コイル３を介してコンデンサ９を充電する。コンデンサ９が所定の充電電圧に達するとツェナーダイオード８がブレークダウンし、ダイオード１０を介して放電電流は接地側へ流れる。

燃焼室内の混合気燃料は、点火プラグ５の飛火放電によりピストンの上死点であるクランク角０°ＣＡの直前で点火されて燃焼し、内燃機関は燃焼行程Ｃ２に移行する。混合気燃料が燃焼すると、燃焼室内にイオンが発生するが、点火プラグ５の電極間にはコンデンサ９の充電電圧に基づく例えば１００[V]程度のバイアス電圧ＶＬが印加されるので、図１０の（Ｄ）に示すように、ノイズ電流Ｉｎに続いてイオン電流Ｉｄが流れる。このイオン電流Ｉｄは次第に減衰し、燃焼行程の終了時点から排気行程Ｃ３に至る段階ではほぼ０となる。

くすぶりが重度になると、例えば８００[Ｖ]の二次電圧が点火プラグ５の電極間に印加された場合、図１０の（Ｃ）に示すようにピーク時には４００[μA]程度の漏洩電流Ｉｋが流れ、以降、次第に減少するが点火信号が印可されているｔ１〜ｔ２の期間中流れ続ける。そして、点火後の燃焼行程Ｃ２に於いて点火プラグ５の電極間に印加されるバイアス電圧ＶＬにより、ノイズ電流Ｉｎに続いてくすぶりにより漏洩電流Ｉｋが点火プラグ５を介して流れることとなる。この場合の漏洩電流Ｉｋは、バイアス電圧が１００[Ｖ]であるとすれば、５０[μA]程度となる。

又、燃焼室内に強いプレイグニッションが発生すると、図１０の（Ｄ）に示すように、ノイズ電流Ｉｎに続いてプレイグニッションに基づくイオン電流Ｉｐが流れる。このプレイグニッションによるイオン電流Ｉｐは、二次電圧Ｖ２が例えば５００[V]のとき５００[μA]程度のピーク値となり、以降、次第に減衰する。そして、点火後の燃焼行程Ｃ２に於いて点火プラグ５の電極間に印加されるバイアス電圧ＶＬにより、点火プラグ５の飛火放電により生じたイオンに基づくイオン電流Ｉｄが点火プラグ５を介して流れることとなる。この場合のイオン電流Ｉｄは、バイアス電圧が１００[V]であるとすれば、１００[μA]程度のピーク値となる。

くすぶりとプレイグニッションが同時に発生すれば、前述のくすぶりによる漏洩電流Ｉｋとプレイグニッションによるイオン電流Ｉｐが重畳して点火プラグ５を介して点火コイル１から接地電位部に流れることになる。

図１に示すイオン電流検出回路１１は、前述のくすぶりによる漏洩電流Ｉｋ、プレイグニッションによるイオン電流Ｉｐ、点火プラグ５の飛火放電によるイオン電流Ｉｄの、何れをも検出することができる。しかし、くすぶりによる漏洩電流Ｉｋとプレイグニッションによるイオン電流Ｉｐが重畳して流れた場合、イオン電流検出回路１１の検出した電流値が、くすぶりによる漏洩電流Ｉｋとプレイグニッションによるイオン電流Ｉｐとの何れであるかの区別はつかないことになる。

図２は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出方法を説明する説明図で、（Ａ）は点火信号を示す波形図、（Ｂ）は点火プラグにくすぶりが発生した場合に於ける漏洩電流の波形図、（Ｃ）は軽度のプレイグニッションが発生した場合に於けるイオン電流の波形図、（Ｄ）は重度のプレイグニッションが発生した場合に於けるイオン電流の波形図を示す。

図２に於いて、（Ａ）に示す点火信号が時点ｔ１にてトランジスタ４に与えられると、点火プラグ５にくすぶりが発生している場合、（Ｂ）に示すように前述の静電容量に基づくノイズ電流Ｉｎが流れ、続いて、くすぶりによる漏洩電流Ｉｋが流れる。この漏洩電流Ｉｋには高周波ノイズ電流Ｉｋｎが間歇的に重畳される。この高周波ノイズ電流Ｉｋｎは、通常、１０[KHz]以上の周波数を有する高周波電流である。くすぶりに基づく漏洩電流Ｉｋに高周波ノイズ電流Ｉｋｎが重畳される理由は、くすぶりによるカーボンデポジットの点火プラグ５の電極間の碍子の表面への付着が不確実であることが主な原因であると考えられる。一方、図２の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すプレイグニッションの発生に基づくイオン電流Ｉｐには前述のような高周波ノイズ電流が重畳されることはない。

図２の（Ｂ）に示すくすぶりによる漏洩電流Ｉｋを後述する検出区間Ｚに於いて周波数解析すると、高周波ノイズ電流Ｉｋにより図示のように高周波帯の強度が強くなる。一方、図２の（Ｄ）に示す重度のプレイグニッション発生時のイオン電流Ｉｐを周波数解析すると、図示のように高周波帯の強度が弱く、ほぼ１０[KHz]以上の高周波帯の強度は０となる。

そこで、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出方法は、燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させる電圧を点火プラグの電極に印加し、その電圧の印加により少なくとも点火信号が発生している期間を含む所定の検出区間内に点火プラグの電極を介して流れる電流を検出し、前記検出した電流の周波数成分に基づいて点火プラグに於けるくすぶりの発生の有無を検出するものである。

次に、前述の実施の形態１による内燃機関の燃焼状態検出方法を用いた、この発明の実施の形態１に基づく内燃機関の燃焼状態検出装置について説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の全体構成を示すブロック図である。

図３に於いて、イオン電流検出回路１１は、点火プラグ５及び点火コイル１を介して流れるイオン電流若しくは漏洩電流、又はその双方が重畳された電流を検出する。ここに、イオン電流は、前述したように点火プラグ５の飛火放電に基づく燃料の燃焼によるイオン電流とプレイグニッションの発生によるイオン電流であり、漏洩電流は、点火プラグ５に発生したくすぶりによる漏洩電流である。

ＥＣＵ１２は、周知の内燃機関の制御機能の外に、以下に述べるように、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置としての構成の一部を備えている。即ち、ＥＣＵ１２は、Ａ／Ｄ変換装置１６と、検出区間設定装置１８と、ノイズ判別手段２０を備えたくすぶり検出手段１９とを備える。検出区間設定装置１８と、ノイズ判別手段２０を備えたくすぶり検出手段１９とは、ＥＣＵ１２に設けられたＭＰＵにより構成されている。

Ａ／Ｄ変換装置１６は、イオン電流検出回路１１が検出したアナログ電流値をデジタル電流値に変換し、検出区間設定装置１８に入力する。検出区間設定装置１８は、Ａ／Ｄ変換装置１８により変換されたデジタル信号による電流値を解析するための検出区間Ｚを設定する。検出区間設定装置１８により設定される検出区間Ｚは、図２に示すように、点火信号がオンとなる時点ｔ１に発生するノイズ電流Ｉｎの影響がなくなる時点ｔ１１から点火信号がオフとなる時点ｔ２の前の時点ｔ１２までの期間に設定される。つまり、時点ｔ１〜ｔ１１の期間はマスク期間となる。この検出区間Ｚの設定は、内燃機関のクランク角センサにより検出したクランク角に基づいて設定されるが、少なくとも点火信号が発生している期間を含んで設定される。検出区間Ｚの設定の詳細については後述する。

くすぶり検出手段１９に設けられているノイズ判別手段２０は、イオン電流検出回路１１が検出した検出区間Ｚ内の電流に、所定のノイズが存在しているか否かを判別する。実施の形態１では、ノイズ判別手段２０は、例えばバンドパスフィルタ、若しくはフーリエ変換による解析により、ほぼ１０[KHz]以上の電流成分を検出したとき所定のノイズが存在していると判定する。

次に、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の動作について説明する。図３に於いて、点火プラグ５の電極間には、燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させるため、バイアス回路７によりバイアス電圧が印可されている。イオン電流検出回路１１は、そのイオン電流を検出しＥＣＵ１２に入力する。イオン電流検出回路１１が検出する電流は、図１０に示すように、点火プラグ５の飛火放電に基づく燃料の燃焼によるイオン電流Ｉｄと、プレイグニッションが発生した場合に於けるイオン電流Ｉｐと、くすぶりが発生した場合に於ける漏洩電流Ｉｋであり得る。重度のプレイグニッションが発生し、且つ、くすぶりが発生している場合には、イオン電流Ｉｐと漏洩電流Ｉｋとが重畳して検出される。ＥＣＵ１２に設けられたＡ／Ｄ変換装置１６は、イオン電流検出回路１１が検出した電流値を示すアナログ信号をデジタル信号に変換して検出区間設定装置１８に入力する。

図４は、検出区間設定装置１８、及びくすぶり検出手段１９の動作を示すフローチャートである。図４に於いて、先ず、ステップＳ１１では、イオン電流検出装置１１により検出された電流値がイオン発生しきい値Ｔｈより大きいか否かを判定する。ここで、イオン判定しきい値Ｔｈは、マスク期間後の検出区間Ｚの開始時点を決定する意味を持つ。即ち、図２に示すように、イオン発生しきい値Ｔｈが設定されていると、ノイズ電流Ｉｎをカットするマスク期間の終了後に検出された電流値が、イオン発生しきい値Ｔｈを最初に超えた時点が検出区間Ｚの開始位置となる。

例えば、図２の（Ｂ）に示すようにくすぶりによる漏洩電流Ｉｋが流れていたとすると、イオン発生しきい値Ｔｈを最初に越える時点はｔ１１となり、検出区間Ｚはその時点ｔ１１から所定時間後のｔ１２までの期間として設定される。一方、図２の（Ｃ）に示すように軽度のプレイグニッションが発生していたとすると、その軽度のプレイグニッションの発生によるイオン電流Ｉｐがイオン発生しきい値Ｔｈを最初に越える時点はｔ２１となり、検出区間Ｚはその時点ｔ２１から所定時間後の時点ｔ２２までの期間として設定される。又、図２の（Ｄ）に示すように重度のプレイグニッションが発生していたとすると、そのイオン電流Ｉｐがイオン発生しきい値Ｔｈを最初に越える時点はｔ１１となり、検出区間Ｚは図２の（Ｂ）の場合と同様に時点ｔ１１からｔ１２までの期間として設定される。

図４に戻り、ステップＳ１１による判定の結果、検出された電流値がイオン発生しきい値Ｔｈより大きくなければステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、点火信号の発生している期間内にその電流の通電が終了したか否かを判定し、終了していればステップＳ１１０に進んでプレイグニッションの発生はないと判断し処理ルーチンを終了する。ステップＳ１２での判定の結果、通電が終了していないと判定した場合はステップＳ１１へ戻りその処理を繰り返す。

次に、ステップＳ１１での判定の結果、検出された電流がイオン発生しきい値Ｔｈより大きいと判定された場合は、その時点から所定の検出区間Ｚを設定すると共にステップＳ１３へ進み、そのイオン電流若しくは漏洩電流の値をメモリに記憶して保持する。次に、ステップＳ１４に進み、設定された検出区間Ｚ内に検出された電流の通電が終了したか否かを判定する。検出された電流が軽度のプレイグニッションによるイオン電流であれば、前述した図２の（Ｃ）に示すように検出区間Ｚは時点ｔ２１からｔ２２までの期間として設定されており、プレイグニッションによるイオン電流Ｉｐの通電は点火信号の終了時点で終了するので、ステップＳ１４での判定の結果はＹＥＳとなり、ステップＳ１８へ進んでプレイグニッションが発生していると判断する。

一方、検出された電流が重度のプレイグニッションによるイオン電流であれば、図２の（Ｄ）に示すようにその通電は設定された検出区間Ｚ内に終了しないので、ステップＳ１４での判定結果はＮＯとなり、ステップＳ１５へと進む。又、検出された電流がくすぶりの発生による漏洩電流であれば、図２の（Ｂ）に示すようにその通電は設定された検出区間Ｚ内に終了しないので、ステップＳ１４での判定結果はＮＯとなり、ステップＳ１５へと進む。更に、重度のプレイグニッションとくすぶりとが同時に発生していた場合には、イオン電流Ｉｐと漏洩電流Ｉｋとが重畳されているので、ステップＳ１４での判定結果はやはりＮＯとなり、ステップＳ１５へと進む。

ステップＳ１５では、メモリに保持している電流の値がフーリエ解析可能な条件を備えているか否か、即ちＦＦＴ点数超えか否かを判定し、ＦＦＴ超えでなければステップＳ３へ戻りその動作を繰り返す。ＦＦＴ超えであればステップＳ１６へ進み、メモリに保持されている電流をフーリエ解析してステップＳ７へ進む。ステップＳ１７では、フーリエ解析の結果、高周波成分の強度が強いか否かを判定し、強くなければステップＳ１８へと進んでプレイグニッションによるイオン電流であると判断してプレイグニッションの発生を検出し、処理を終了する。ステップＳ１７での判定の結果、高周波成分の強度が強いと判定すればステップＳ１９へと進み、くすぶりによる漏洩電流であると判断してくすぶりの発生を検出し、処理を終了する。ステップＳ１７での高周波成分の強度の判定は、前述したように、例えば１０[KHz]以上の高周波成分が存在しているか否かにより行われる。

尚、以上の説明では、メモリに記憶された電流をフーリエ解析に処理する場合について述べたが、バンドパスフィルタを用いてメモリに記憶された電流を処理して高周波成分の強度を判定するようにしてもよい。

以上述べたように、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出方法及び装置によれば、例えプレイグニッションによるイオン電流とくすぶりによる漏洩電流とが重畳されていても、確実にくすぶりによる漏洩電流の検出を行なうことができ、又、くすぶりによる漏洩電流に発生するノイズの周波数に着目して漏洩電流を検出するようにしているのでその検出精度を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼状態検出方法及び装置について説明する。この発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼状態検出方法は、燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させる電圧を点火プラグの電極に印加し、その電圧の印加により少なくとも点火信号が発生している期間を含む所定の検出区間内に点火プラグの電極を介して流れる電流を検出し、検出した電流にフィルタ処理を施して得たフィルタ値と前記検出した電流の値とを比較することによりノイズの有無を判別して点火プラグに於けるくすぶりの発生の有無を検出するようにしたものである。

図５は、この発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼状態検出方法を説明する説明図で、（Ａ）は点火信号を示す波形図、（Ｂ）は点火プラグにくすぶりが発生した場合に於ける漏洩電流Ｉｋの波形図、（Ｃ）は漏洩電流Ｉｋにフィルタ処理を施して得たフィルタ値を示す波形図、（Ｄ）は重度のプレイグニッションが発生した場合に於けるイオン電流Ｉｐの波形図、（Ｅ）はイオン電流Ｉｐにフィルタ処理を施して得たフィルタ値を示す波形図、（Ｆ）は漏洩電流Ｉｋとフィルタ値ＩＦ１との偏差の絶対値を示す波形図、（Ｇ）はイオン電流Ｉｐとフィルタ値２との偏差の絶対値を示す波形図である。図５の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すフィルタ波形ＩＦ１、ＩＦ２は、イオン電流検出回路１１により検出した電流にフィルタ処理を施すことにより得られる。フィルタ処理の例としては、検出した電流の移動平均による場合や、メディアンフィルタ（median filter）やローパスフィルタを用いる場合等があるが、これに限定されるものではない。

図５に於いて、（Ａ）に示す点火信号が時点ｔ１にてトランジスタ４に与えられると、点火プラグ５にくすぶりが発生している場合、（Ｂ）に示すように静電容量に基づくノイズ電流Ｉｎに続いてくすぶりによる漏洩電流Ｉｋが流れる。この漏洩電流Ｉｋには高周波ノイズ電流Ｉｋｎが間歇的に重畳される。前述のようにこの高周波ノイズ電流Ｉｋｎは、通常、１０[KHz]以上の周波数を有する高周波電流である。そこで、検出した漏洩電流Ｉｋとフィルタ値ＩＦ１とを比較しその偏差の絶対値をとると、図５の（Ｆ）に示すようにノイズ電流Ｉｋｎが抽出される。従って、このノイズ電流Ｉｋｎの存在を検出することにより、検出区間Ｚ内に流れる電流がくすぶりによる漏洩電流Ｉｋであると判定することができる。

一方、重度のプレイグニッションが発生している場合、図５の（Ｄ）に示すようにノイズ電流Ｉｎに続いてイオン電流Ｉｐが流れる。この検出したイオン電流Ｉｐとフィルタ値ＩＦ２とを比較しその偏差をとると、ノイズ電流がイオン電流Ｉｐに重畳されていないので、図５の（Ｇ）に示すようにその偏差は０となる。従って、検出区間Ｚ内に流れる電流は、プレイグニッションによるイオン電流Ｉｐであると判定することができる。

点火プラグのくすぶりと重度のプレイグニッションが同時に発生した場合は、漏洩電流Ｉｋとイオン電流Ｉｐとが重畳されて流れるが、その検出した電流とフィルタ値ＩＦとを比較しその偏差の絶対値をとることで図５の（Ｆ）に示すようにノイズ成分を抽出することができ、くすぶりによる漏洩電流Ｉｋの存在を検出することができる。尚、この場合のフィルタ値は、漏洩電流Ｉｋとイオン電流Ｉｐとの合計値に対応する値となることは勿論である。

次に、前述の実施の形態２による内燃機関の燃焼状態検出方法を用いた、この発明の実施の形態２に基づく内燃機関の燃焼状態検出装置について説明する。全体構成は、図３に示す実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の全体構成と同様である。

図６は、この発明の実施の形態２に基づく内燃機関の燃焼状態検出装置に於けるくすぶり検出手段１９の動作を示すフローチャートであり、その処理ルーチンは、内燃機関の点火周期毎に繰り返される。尚、図６では、検出区間設定装置１８の動作を省略しているが、その動作は前述の実施の形態１の場合と同様である。図６に於いて、ステップＳ２１では、イオン電流検出回路１１により検出した検出区間Ｚ内の電流値に対するフィルタ値ＩＦを、検出した電流Ｉの関数として設定する。次に、検出した電流Ｉとフィルタ値ＩＦとの偏差を算出する。又、検出区間Ｚ内での検出した電流値Ｉを加算する。

ステップＳ２２に進むと、算出した偏差がノイズ判別しきい値より大きいか否かを判定し、大きくなければステップＳ２１へ戻り、前述の動作を繰り返す。ここで、ノイズ判別しきい値は、図５の（Ｆ）、（Ｇ）に示すように設定されている。ステップＳ２２での判定の結果、偏差がノイズ判別しきい値より大きい場合には、ステップＳ２３に進み、ノイズカウンタのカウント値に「１」を加える。

ステップＳ２４では、検出された電流が検出区間Ｚ内で終了したか否かを判定し、終了していなければステップＳ２１へ戻り、前述の動作を繰り返す。ステップＳ２４での判定の結果、検出された電流が検出区間Ｚ内で終了した場合は、ステップＳ２５へ進み、ステップＳ２１にて積算している検出区間Ｚ内の検出した電流の積算値が積算しきい値より大きいか否かを判定する。その判定の結果、検出した電流の積算値が積算しきい値以下であればプレイグニッション、及びくすぶりの発生はないと判断し、処理を終了する。このことは、くすぶり検出手段１９は、検出区間Ｚ内に検出された電流が積算しきい値より大きいと判断した場合にのみ前記くすぶりの発生の有無を検出するようにしていることを意味する。積算しきい値の大きさを選択することにより、検出電流が零の場合にのみくすぶりの発生の有無を検出しないようにすることは勿論可能である。

ステップＳ２５での判定の結果、検出した電流の積算値が積算しきい値より大きければ、ステップＳ２６へ進み、ステップＳ２３にてカウントしたノイズカウンタのカウント値がノイズカウントしきい値より大きいか否かを判定する。その判定の結果、カウント値がカウントしきい値以下であれば、くすぶりの発生はないがプレイグニッションが発生したと判断し処理を終了する。ステップＳ２６での判定の結果、カウント値がカウントしきい値より大きければ、ステップＳ２７へ進んでくすぶり及びプレイグニッションが発生したと判断し処理を終了する。

以上述べたように、この発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼状態検出方法及び装置によれば、例えプレイグニッションによるイオン電流とくすぶりによる漏洩電流とが重畳されていても、確実にくすぶりによる漏洩電流の検出を行なうことができ、又、くすぶりによる漏洩電流に発生するノイズを検出電流とフィルタ値との比較により抽出して漏洩電流を検出するようにしているのでその検出精度を向上させることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る内燃機関の燃焼状態検出装置について説明する。この発明の実施の形態３に係る装置は、電流検出装置の出力側にダイナミックレンジを設定するダイナミックレンジ設定手段を備え、電流検出装置により検出される電流が所定の条件にあるときに、そのダイナミックレンジを切り替えるようにしたものである。

図７は、この発明の実施の形態３に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の一部の回路構成を示す回路図である。図７に於いて、ＥＣＵ１２は、イオン電流検出回路１１の出力側とＡ／Ｄ変換装置１６の入力側の間に、並列接続された抵抗１４、１５と、抵抗１５に直列接続されたレンジ切換えトランジスタ１３とを備えたダイナミックレンジ切換え手段を備えている。レンジ切換えトランジスタ１３は、ＭＰＵ１７からの信号に基づいて導通制御される。その他の構成は、実施の形態１、又は実施の形態２に係る内燃機関の燃焼状態検出装置と同様である。

次に、実施の形態３に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を説明する。図８は、ダイナミックレンジ切換え手段によるダイナミックレンジ切換え動作を示すフローチャートである。図９はダイナミックレンジ切換え動作を説明する説明図で、（Ａ）は重度のくすぶり発生時、（Ｂ）は軽度のくすぶり発生時を示している。図８に於いて、ステップＳ３１では、イオン電流検出回路１１が検出した最大検出電流値Ｉｋｍａｘをメモリに記憶する。最大検出電流値Ｉｋｍａｘは、図９の（Ａ）、(Ｂ)に示すように点火信号がオンとなる時点ｔ１にて流れるノイズ電流Ｉｎを主体として検出される。又、ステップＳ３１では、カウンタのカウント値を「０」にセットする。尚、イオン電流検出回路１１が電流を検出する検出区間は、点火信号が発生している期間と同一期間に設定されている。

次に、ステップＳ３２に進み、図９に示す比較しきい値Ｉｔｈを設定する。この比較しきい値Ｉｔｈは、最大電流検出値Ｉｋｍａｘの６０％の値に設定される。ステップＳ３３では、イオン電流検出回路１１が検出区間に検出した電流の値が比較しきい値Ｉｋｔｈより大きいか否かを判定し、検出した電流値が比較しきい値Ｉｋｔｈより大きければステップＳ３４に進んでカウンタのカウント値に「１」を加える。ステップＳ３３での判定の結果、検出した電流の値が比較しきい値Ｉｋｔｈ以下であればステップＳ３４をパスしてステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５では、検出区間内で通電が終了したか否かを判定し、終了していなければステップＳ３３に戻り前述の動作を繰り返す。ステップＳ３５での判定の結果、通電が終了していればステップＳ３６に進み、カウンタのカウント値が検出区間内での通電期間の２０％以上か否かを判定する。即ち、このステップＳ３６での判定は、図９に示すように検出した電流が比較しきい値Ｉｔｈを超えている期間Ｘが、検出区間内での通電期間の２０％を超えているか否かを判定するものである。図９の（Ａ）に示すように重度のくすぶりが発生している場合には、その期間Ｘは検出区間内での通電期間の２０％を超えることになるが、（Ｂ）に示すように軽度のくすぶりの場合には、その期間Ｘは検出区間内での通電期間の２０％以下となる。

ステップＳ３６での判定の結果、期間Ｘが検出区間内での通電期間の２０％以下であればステップＳ３８に進み、前述のダイナミックレンジ切換え手段のダイナミックレンジの切り換えは行わない。ステップＳ３６での判定の結果、期間Ｘが検出区間内での通電期間の２０％を超えていればステップＳ３７に進み、前述のダイナミックレンジ切換え手段のダイナミックレンジの切り換えを行なう。即ち、この場合には、ＭＰＵ１７から切換え信号によりレンジ切換えトランジスタ１３を導通させ、抵抗１５を切離すことによりダイナミックレンジを下段へ切り換えるものである。

ステップＳ３７にてダイナミックレンジ切換え手段のダイナミックレンジが下段に切り換えられることにより、検出区間設定装置１８及びくすぶり検出手段１９は、重度のくすぶりが発生した場合の過大な電流にも支障なく前述の実施の形態１又は２に示した動作を行なうことができる。

尚、前述の実施の形態３による内燃機関の燃焼状態検出装置では、検出した電流が比較しきい値Ｉｔｈを超えている期間Ｘが、検出区間内での通電期間の２０％を超えている場合に、ダイナミックレンジを下段側に切り換えてゲインを小さくするようにしたが、検出された電流の値が比較しきい値Ｉｔｈを超える期間Ｘが検出期間に於ける通電期間に対して所定割合以下となる状態が所定回数に達したときは、ダイナミックレンジを上段側に切換えてゲインを大きくするようにしてもよい。

実施の形態１乃至３の変形例
前述の実施の形態１乃至３では、内燃機関が１個の点火プラグのみを備える場合について述べたが、内燃機関が第１の点火プラグと第１の点火プラグの飛火放電より遅れて飛火放電を発生する第２の点火プラグとを備えている場合に、電流検出装置を、第２の点火プラグの飛火放電に対応して電流を検出するように構成し、前述の実施の形態１乃至３に述べたくすぶり発生の検出を行なうように構成することができる。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の一部の回路構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出方法を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の全体構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の検出区間設定装置、及びくすぶり検出手段の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼状態検出方法を説明する説明図である。 この発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼状態検出装置のくすぶり検出手段の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る内燃機関の燃焼状態検出装置の一部の回路構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態３に係る内燃機関の燃焼状態検出装置のダイナミックレンジ切換え動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る内燃機関の燃焼状態検出装置のダイナミック切り換え動作を説明する説明図である。 内燃機関の点火プラグに重度のくすぶりと、強いプレイグニッションが発生した場合に於ける電流波形を示す説明図である。

符号の説明

１ 点火コイル
２ 一次コイル
３ 二次コイル
４ トランジスタ
５ 点火プラグ
７ バイアス回路
８ ツェナーダイオード
９ コンデンサ
１０ ダイオード
１１ イオン電流検出回路
１２ ＥＣＵ
１３ レンジ切換えトランジスタ
１４、１５ 抵抗
１６ Ａ／Ｄ変換装置
１７ ＭＰＵ
１８ 検出区間設定装置
１９ くすぶり検出装置
２０ ノイズ判別手段
Ｉｎ ノイズ電流
Ｉｋ 漏洩電流
Ｉｋｎ 漏洩電流に含まれるノイズ電流
Ｉｐ イオン電流
ＩＦ１、ＩＦ２ フィルタ波形
Ｚ 検出区間
Ｉｋｍａｘ 最大検出電流
Ｉｔｈ 比較しきい値
Ｔｈ イオン発生しきい値
Ｘ 期間

Claims (16)

1. 内燃機関の燃焼室に設置され点火電圧が印加されることにより前記燃焼室内で飛火放電を発生して混合気燃料に点火しこれを燃焼させる電極を備えた点火プラグと、点火信号の発生に基づいて前記点火電圧を誘起する点火コイルとを備えた内燃機関に於ける燃焼状態を検出する方法であって、前記燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させる電圧を前記点火プラグの電極に印加し、前記電圧の印加により少なくとも前記点火信号が発生している期間を含む所定の検出区間内に前記電極を介して流れる電流を検出し、前記検出した電流に所定のノイズが含まれているか否かを判定することにより前記点火プラグに於けるくすぶりの発生の有無を検出することを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出方法。
2. 前記所定のノイズが含まれているか否かの判定は、前記検出した電流の周波数成分に基づいて行なうことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出方法。
3. 前記周波数成分は１０[ＫＨｚ]若しくはその近傍の周波数成分であり、前記周波数成分が存在しているとき前記くすぶりが発生していることを検出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態検出方法。
4. 前記ノイズが含まれているか否かの判定は、前記検出した電流にフィルタ処理を施して得たフィルタ値と前記検出した電流の値との比較の結果に基づいて行なうことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出方法。
5. 前記検出した電流の値とフィルタ値との比較の結果、２０[μＡ]以上の電流変化が所定回数以上発生したときに前記くすぶりが発生していることを検出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼状態検出方法。
6. 内燃機関の燃焼室に設置され点火電圧が印加されることにより前記燃焼室内で飛火放電を発生して混合気燃料に点火しこれを燃焼させる電極を備えた点火プラグと、点火信号の発生に基づいて前記点火電圧を誘起する点火コイルとを備えた内燃機関に於ける燃焼状態を検出する装置であって、前記燃焼により生ずるイオンによるイオン電流を発生させる電圧を前記点火プラグの電極に印加する電圧印加装置と、前記電圧印加手段により印可された電圧により前記電極を介して流れる電流を検出する電流検出装置と、前記点火信号が発生している期間を含む所定の検出区間を設定する検出区間設定装置と、前記電流検出装置により検出された電流のうち前記検出区間内に流れる電流に所定のノイズが含まれているか否かを判定することにより前記点火プラグに於けるくすぶりの発生の有無を検出するくすぶり検出手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
7. 前記くすぶり検出手段は、前記検出区間に流れる電流に所定のノイズが含まれているか否かを判別するノイズ判別手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
8. 前記ノイズ判別手段は、前記検出した電流の周波数成分に基づいて前記判別を行なうことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の燃焼状態検出方法。
9. 前記ノイズ判別手段は、前記検出した電流にフィルタ処理を施して得たフィルタ値と前記検出した電流の値との比較の結果に基づいて前記判別を行なうことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の燃焼状態検出方法。
10. 前記検出区間設定装置により設定される所定の検出区間は、前記点火信号が発生した時点から所定のマスク期間の経過以降の時点から開始されることを特徴とする請求項６乃至
    ９の何れかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
11. 前記くすぶり検出手段は、前記電流検出装置のダイナミックレンジを設定するダイナミックレンジ設定手段を備えたことを特徴とする請求項６乃至１０の何れかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
12. 比較しきい値を設定する比較しきい値設定手段と、前記検出区間中に前記電流検出装置により検出された電流の値と前記比較しきい値を比較する電流比較手段と、前記電流比較手段の結果により前記ダイナミックレンジ設定手段のダイナミックレンジを切り換える切換え手段を備え、前記切換え手段は、前記検出された電流の値が前記比較しきい値を超える期間が前記検出区間に於ける前記電流の通電期間に対して所定割合以上のとき前記ダイナミックレンジを下段に切換えることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
13. 比較しきい値を設定する比較しきい値設定手段と、前記検出区間中に前記電流検出装置により検出された電流の値と前記比較しきい値を比較する電流比較手段と、前記電流比較手段の結果により前記ダイナミックレンジ設定手段のダイナミックレンジを切り換える切換え手段を備え、前記切換え手段は、前記前記検出された電流の値が前記比較しきい値を超える期間が前記検出区間に於ける前記電流の通電期間に対して所定割合以下となる状態が所定回数に達したときは、前記ダイナミックレンジを上段に切換えることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
14. 前記比較しきい値設定手段は、前記電流検出装置が検出し得る最大検出電流値の所定割合に前記比較しきい値を設定することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
15. 前記くすぶり検出手段は、前記検出区間内に前記電流検出装置により電流が検出されたか否かを判断し前記電流が検出されたと判断した場合にのみ前記くすぶりの発生の有無を検出することを特徴とする請求項６乃至１４の何れかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
16. 前記内燃機関は、第１の点火プラグと前記第１の点火プラグの飛火放電より遅れて飛火放電を発生する第２の点火プラグとを備え、前記電流検出装置は、前記第２の点火プラグの飛火放電に対応して前記電流を検出することを特徴とする請求項６乃至１５の何れかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。

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