JP4714690B2 - 内燃機関用イオン電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のイオン電流検出装置に関し、特に、イオン電流の流れる電流経路中の絶縁抵抗の劣化を判別可能に構成したイオン電流検出装置に関する。

内燃機関の点火装置は、典型的には、燃焼室に配置される点火プラグと、点火プラグに燃焼エネルギーを供給する点火コイルと、点火コイルの点火時期を制御するＥＣＵ（電子式制御装置：Electronic Control Unit）とによって構成されている。

このような点火装置では、燃焼室内での燃焼後に発生するイオン電流を検出することが提案されており、イオン電流に基づいて検出した燃焼状態によって、内燃機関の運転状態を把握したり、或いは、希薄燃焼などの各種の電子制御を実現している。

イオン電流を検出する装置は、一般に、点火プラグの電流による充電電荷を保持するコンデンサと、コンデンサの電圧を制限するツェナダイオードと、イオン電流を検出する負荷抵抗などで構成されている（特許文献１、特許文献２）。
特開平０４−１９４３６７号公報 特開平１１−０３７０３１号公報

ところで、点火プラグは、中心電極と接地電極とを備えて構成されている。そして、点火コイルから中心電極に高電圧を受けて、接地電極との間で放電火花を発生させ、燃焼室に吸入された混合気を燃焼させている。但し、点火プラグは、経年使用によって電極が消耗するだけでなく、例えば、いわゆる「くすぶり」によって点火性能が劣化することがある。

ここで、「くすぶり」とは、例えば、燃焼時に発生するカーボンが電極部に付着することで、中心電極と接地電極との絶縁抵抗が低下することを言う。このような絶縁抵抗が劣化した点火プラグを使用すると、イオン電流検出部からは、点火プラグのリーク電流も検出されるので、本来のイオン電流を正確に検出できないことになる。そして、不正確なイオン電流に基づいて、エンジンを制御したのでは、所望の性能が得られないだけでなく、トラブルの原因ともなりかねない。

また、「くすぶり」以外の原因でも、二次コイルや点火プラグなどのイオン電流が流れるイオン電流経路の絶縁性能が劣化することがあるが、これを見落としたのでは、イオン電流を正確に検出できないだけでなく、エンジントラブルの原因ともなる。

しかるに、特許文献１の発明は、単に、イオン電流を検出するための回路を開示するのみで、イオン電流経路の絶縁性能が劣化に対する対策を何ら示唆していない。また、イオン電流検出回路としても完成度が低く、微弱なイオン電流を高精度に検出することができない。

これらの点は特許文献２についても同様であり、特許文献２の発明では、通常燃焼時に発生するイオン電流と、劣化した点火プラグを流れる漏れ電流とが区別できず、したがって、検出したイオン電流の信頼性が大きく損なわれることになる。また、特許文献２では、特許文献１の発明と同様、イオン電流を検出するための負荷抵抗を必須としており、この負荷抵抗がコンデンサの放電特性に直接影響を与えるために、イオン電流経路の絶縁劣化を検出するための最適な回路設計ができない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、イオン電流経路の絶縁抵抗の劣化をいち早く、且つ自動的に検出して、エンジン制御の正常動作を確保したイオン電流検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、点火プラグの放電動作に伴って規定電荷量まで充電されるコンデンサと、前記コンデンサの充電時の最大電圧を制限して前記規定電荷量を規制する電圧制限素子と、反転入力端子と出力端子との間に配置された検出抵抗が、前記コンデンサと直列回路を形成して、前記コンデンサの放電電流が、イオン電流として前記検出抵抗に流れるよう回路構成された増幅素子と、前記増幅素子の出力端子の出力電圧を基準電圧と比較して、前記出力電圧が前記基準電圧より高いことを示す検出レベルの判定信号を出力する比較回路と、を有するイオン電流検出装置であって、前記規定電荷量に充電された前記コンデンサの放電動作の結果、前記出力電圧が前記基準電圧を下回るまでに要するコンデンサ放電時間が、イオン電流経路の絶縁抵抗が所定の劣化状態である場合において、内燃機関の燃焼室での燃料燃焼によって発生するイオン電流の継続時間より長くなるように、前記規定電荷量が設定されると共に、検出レベルの判定信号の継続時間が異常に長いか否かに基づいて、前記絶縁抵抗の劣化を判別するよう構成されている。

上記した本発明によれば、構成の内燃機関のイオン電流検出装置において、点火プラグの漏れ電流などの影響を排除して、信頼性の高いイオン電流を検出することができる。その結果、内燃機関における燃焼状態を確実に検出できて、高度な燃焼制御が可能となる。

実施例に係るイオン電流検出装置を示す回路図である。 くすぶり状態における図１の回路動作を解析するための等価回路である。 正常燃焼時におけるイオン電流の時間的推移と、判定電圧との関係を示すタイムチャートである。 正常燃焼時におけるイオン電流の時間的推移を示すタイムチャートである。 くすぶり状態の燃焼時における放電電流の時間的推移と、判定電圧との関係を示すタイムチャートである。 点火プラグの放電時におけるイオン検出装置の動作を説明する図面である。 コンデンサの放電時におけるイオン検出装置の動作を説明する図面である。 実用的に必要となるコンデンサの充電電荷量を、実験的に確認した結果を示す図面である。 本発明の別の実施態様を説明するフローチャートである。 イオン電流検出回路の別の回路例を図示したものである。 イオン電流検出回路の更に別の回路例を図示したものである。

符号の説明

３ 点火プラグ
５ 比較回路
Ｃ コンデンサ
ＺＤ 電圧制限素子
Ｒ２ 検出抵抗
Ｑ 充電電荷量

以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。図１は、実施例に係るイオン電流検出装置を示す回路図である。この検出装置は、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とで昇圧トランスを構成する点火コイル１と、一次コイルＬ１の電流を断続制御するイグナイタ２と、二次コイルＬ２に誘起される高電圧によって放電動作する点火プラグ３と、二次コイルＬ２に直列接続されるイオン電流検出回路４と、イオン電流検出回路４の出力電圧Ｖｏｕｔを基準電圧Ｅｒと比較して、判定電圧Ｖｄｅｔを出力する比較回路５とで構成されている。

中心電極３ａと接地電極３ｂとを備える点火プラグ３は、くすぶり状態になって絶縁抵抗が低下している場合もあるので、図１では、電極間の漏れ抵抗(leak resistor)Ｒｋを破線で示している。

イオン電流検出回路４は、点火プラグ３の放電電流で充電されるバイアス用のコンデンサＣと、コンデンサＣに並列接続されてコンデンサＣの充電電圧を規制するツェナーダイオードＺＤと、ツェナーダイオードＺＤに直列接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の両端に接続された増幅部ＡＭＰとで構成されている。

ツェナーダイオードＺＤとダイオードＤ１のアノード端子は、互いに直結され、一方、ダイオードＤ１のカソード端子はグランドラインに接続されている。また、ツェナーダイオードＺＤのカソード端子は、二次コイルＬ２に接続されている。

イオン電流検出回路４の増幅部ＡＭＰは、反転端子と非反転端子と出力端子とを有する増幅素子Ｑ１と、増幅素子Ｑ１の反転端子に接続される入力抵抗Ｒ１と、増幅素子Ｑ１の反転端子と出力端子の間に接続される帰還抵抗Ｒ２と、増幅素子Ｑ１の出力端子とグランドラインの間に接続される負荷抵抗Ｒ３とで構成されている。なお、増幅素子Ｑ１の反転端子とグランドラインとの間に、増幅素子Ｑ１を保護するためのダイオードＤ２を接続しても良い。

増幅素子Ｑ１として、この実施例では、ＯＰアンプを使用している。ＯＰアンプは、その入力インピーダンスがほぼ無限大（≒∞）で、反転端子と非反転端子との間が、仮想的に短絡状態である(imaginary short)。そのため、図示の入力電流Ｉは、入力抵抗Ｒ１と帰還抵抗Ｒ２に共通して流れることになり、増幅部ＡＭＰの出力電圧Ｖｏｕｔは、入力電流Ｉと帰還抵抗Ｒ２の積となる（Ｖｏｕｔ＝Ｉ×Ｒ２）。つまり、この増幅部ＡＭＰでは、帰還抵抗Ｒ２が入力電流Ｉの検出抵抗として機能している。

比較回路５は、コンパレータＱ２と、コンパレータＱ２の非反転入力端子に供給される基準電圧Ｅｒとで構成されている。ここで、基準電圧Ｅｒは、燃焼区間（時間）を検出するための燃焼基準電圧である。この比較回路５では、イオン電流検出部４の出力電圧Ｖｏｕｔが、コンパレータＱ２の反転入力端子に供給されている。そのため、Ｖｏｕｔ＞Ｅｒとなる燃焼状態では、コンパレータＱ２からＬレベルの判定電圧Ｖｄｅｔが出力されることになる。

この判定電圧Ｖｄｅｔは、不図示のエンジン制御部に供給されるが、判定電圧ＶｄｅｔがＬレベルである継続時間Ｔｄのイオン電流（実際はイオン電圧Ｖｏｕｔ）に基づいて、燃焼状態の良否を判定することができる（図３参照）。但し、点火プラグ３が、くすぶり状態となっていると、イオン電流と同様の漏れ電流が流れることになる（図５参照）。

図４は、正常燃焼時のイオン電流検出部の出力電圧Ｖｏｕｔを図示したものであり、イオン電流による出力電圧Ｖｏｕｔが、ｔ＝Ｔ１のタイミングからｔ＝Ｔ２のタイミングまで、基準電圧Ｅｒを上回っていることを示している。

一方、図５は、異常燃焼時のイオン電流検出部の出力電圧Ｖｏｕｔを図示したものであり、点火プラグ３の漏れ電流に基づく出力電圧Ｖｏｕｔが、ｔ＝Ｔｓのタイミングからｔ＝Ｔｅのタイミングまで、基準電圧Ｅｒを上回っていることを示している。漏れ抵抗Ｒｋの値によっては、Ｔ２≒Ｔｅとなるので、点火プラグ３の漏れ電流とイオン電流が全く区別できないことになる。

続いて、図６及び図７に基づいて、イオン電流検出部４の動作内容を更に詳細に説明する。二次コイルＬ２に負の高電圧が発生すると、図６に示すように、点火プラグ３が点火放電し、点火電流がコンデンサＣを充電する。この時、コンデンサＣにはツェナーダイオードＺＤが並列接続されているので、コンデンサＣの両端電圧は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧Ｖｚに一致する。なお、この放電時には、ダイオードＤ１が短絡状態（ＯＮ）となるので、入力抵抗Ｒ１やその他の回路素子に流れる電流を無視することができる。

その後、二次コイルＬ２の高電圧が消滅すると、コンデンサＣに充電されたバイアス電圧は、図７に示す経路で放電する。すなわち、放電電流は、増幅素子Ｑ１の出力端子→帰還抵抗Ｒ２→入力抵抗Ｒ１→コンデンサＣ→二次コイルＬ２→点火プラグ３の経路で流れる。この時、点火プラグ３がくすぶり状態であると、放電電流は、イオン電流の有無に係わらず、漏れ抵抗Ｒｋを通して流れることになる。なお、ダイオードＤ１は、カソード端子がグランドラインに接続されているので、コンデンサＣの放電動作時にはＯＦＦ状態である。

次に、コンデンサＣの放電時の動作内容について理論的に説明する。図２は、点火プラグ３がくすぶり状態である場合の等価回路を図示したものである。ここで、抵抗Ｒは、増幅部ＡＭＰの入力抵抗Ｒ１、二次コイルの損失抵抗ｒ、及び、漏れ抵抗Ｒｋを加算した値である。なお、コンデンサの放電電流は、帰還抵抗Ｒ２や増幅素子Ｑ１の出力部にも流れるが、増幅素子Ｑ１の反転入力端子は、仮想的に短絡してゼロ電位であるので、Ｒ≒Ｒ１＋ｒ＋Ｒｋと考えられる。また、Ｌは、二次コイルＬ２のリアクタンスを示している。

図２において放電電流をｉとし、コンデンサＣの充電電荷をｑとすると、以下の回路方程式が成立する。

この回路方程式を、Ｒ＞２ＳＱＲ（Ｌ／Ｃ）の条件下で解くと、以下の式１が得られる。なお、ＳＱＲはルート記号を意味する。また、式１におけるＱは、コンデンサＣの初期状態（ｔ＝０）の充電電荷量［単位はクーロン：Ｃ］である。コンデンサの静電容量ＣとツェナーダイオードＺＤの降伏電圧Ｖｚより、Ｑ＝Ｃ×Ｖｚの関係が成立する。

また、式１におけるαとβは、式２で与えられる。

式１を、初期状態の充電電荷Ｑについて変形すると、以下の式３が得られる。なお、ｓｉｎｈＸは、ｓｉｎｈＸ＝（ｅＸ−ｅ−Ｘ）／２で与えられる双曲線正弦関数(sine hyperbolic)である。

式1で与えられる放電電流ｉは、図５に示すように、放電開始のｔ＝０のタイミングから増加を始め、最大値に達した後に降下を始める。そのため、イオン電流検出部４の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝ｉ×Ｒ２）も、放電開始のｔ＝０のタイミングから増加を始めて、やがてｔ＝Ｔｓのタイミングで基準電圧Ｅｒを上回り、最大値に達した後に降下を始めて、ｔ＝Ｔｅのタイミングで基準電圧Ｅｒを下回る。したがって、コンパレータＱ２の判定電圧Ｖｄｅｔは、Ｔｓ＜ｔ＜Ｔｅの区間でＬレベルとなる（図５）。

先に説明したように、ＯＰアンプＱ１の非反転端子と反転端子とは仮想的に同電位となるので、ある瞬間（時刻ｔ）における放電電流ｉは、その瞬間の出力電圧Ｖｏｕｔとの関係で、ｉ＝Ｖｏｕｔ／Ｒ２・・・（式４）で与えられる。したがって、ｔ＝Ｔｅのタイミングでは、ｉ＝Ｅｒ／Ｒ２・・・（式４’）が成立し、これを、式１に代入すると、以下の式５が成立する。

そして、式５をＴｅに関して解けば、出力電圧Ｖｏｕｔが、基準電圧Ｅｒを下回るタイミング（ｔ＝Ｔｅ）を算出することができる。すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｅｒを下回るタイミング（ｔ＝Ｔｅ）は、コンデンサＣの初期状態の充電電荷量Ｑに基づいて決定することができる（式５参照）。

先に、図４と図５とを対比して説明したとおり、漏れ抵抗Ｒｋの値によっては、イオン電流に基づく出力電圧Ｖｏｕｔ（図４）と、漏れ電流に基づく出力電圧Ｖｏｕｔ(図５）とが区別困難となる。しかし、上記した式５から確認されるように、ｔ＝Ｔｅとなるタイミングは、充電電荷量Ｑの値によって適宜に設定可能である。

そこで、この実施例では、Ｔｅの値が、コンデンサの放電開始時（ｔ＝０）から計測した排気終了時Ｔｃまでの時間に、ほぼ一致するように、充電電荷量Ｑを設定している。このような充電電荷量Ｑを採用すると、もし、点火プラグ３がくすぶり状態でＲｋ≠∞の場合には、ｔ＝Ｔｓからｔ＝Ｔｃまで判定電圧ＶｄｅｔがＬレベルを維持することになる。ところが、イオン電流が、排気終了のｔ＝ｔｃのタイミングまで流れ続けることは本来あり得ないので、ｔ＝Ｔｃのタイミングまで継続するＬレベルの判定電圧Ｖｄｅｔをもって、点火プラグ３のくすぶり状態など、イオン電流経路の絶縁劣化を判定することが可能となる。

一般に、エンジンは、吸入工程→圧縮工程→燃焼行程→排気工程で１サイクルの動作が完了するが、コンデンサの放電開始時（ｔ＝０）から計測した排気終了までの時刻は、エンジンの回転数ｒｐｍに応じて相違する。そこで、本実施例では、最も低速で回転している状態（具体的には、６００ｒｐｍ）での排気終了タイミングＴｃの値を採用し、そのＴｃにほぼ一致するようにＴｅを設定している。

ところで、上記の説明では、Ｔｅの値を、充電電荷量Ｑに基づいて設定したが、Ｔｅの設定には、必ずしも、充電電荷量Ｑに因る必要はなく、入力抵抗Ｒ１など、式５に示す何れの値に因っても良い。なお、充電電荷量Ｑの値は、コンデンサＣの静電容量、及び／又は、ツェナーダイオードの降伏電圧Ｖｚに基づいて決定されるのは当然である。また、上記の説明では、Ｔｅ≒Ｔｃに設定したが、必ずしも、これに限定されず、Ｔｅの値を、イオン電流が検出されることがあり得ないタイミングに設定したので足りる。

図８は、実用性のある一般的なイオン電流検出回路において、Ｔｅ≒Ｔｃに設定するために必要な充電電荷量Ｑを、実験的に確認した結果を示すものである。エンジンの回転数が低下するほど、必要な充電電荷量Ｑは増加するが、高速回転時にはＱ＞１．０［μＣ］、低速回転時でもＱ＞２．５［μＣ］の条件を満たせば、Ｔｅ≒Ｔｃとなることを示している。なお、漏れ抵抗Ｒｋの値によって、必要となる充電電荷量Ｑが変化するが、一般に問題となる漏れ抵抗Ｒｋとしては、例えば、２ＭΩ、２０ＭΩなど種々異なるので、図８の実験では、ワーストケースを想定してＲｋ＝０の状態で検討している。

また、イオン電流検出回路４の回路構成を図１から変更したり、或いは、図１のイオン電流検出回路４における回路定数（抵抗値Ｒ１や二次コイルＬ２のインダクタンス値など）を変更すると、特性に若干の変化が認められるものの、何れの場合でも、Ｑ＞２．５［μＣ］の条件を満たせば、Ｔｅ≒Ｔｃとなることを確認している。

ところで、点火プラグ３のくすぶりが問題になるのは、エンジンの始動直後であることも多い。また、エンジンの始動後、ある程度の時間が経過すると、くすぶりの影響が低減されることもある。

そこで、エンジンの始動直後については、燃料の噴射を行わず、その時のイオン電流検出回路４の出力に基づいて、点火プラグのくすぶりを判定するのも好適である。スタートモータが回転する数サイクルは、燃料の噴射は特に不要であり、また、燃料を噴射することなく、エンジンのクランクやカムセンサによって気筒内の状態を判別するのも有効であるので、このような始動タイミングで、くすぶり判定をすれば良い。

このような始動タイミングで燃料を噴射しない場合、イオン電流が発生することはあり得ないのであるから、もし、判定電圧ＶｄｅｔがＬレベルになれば、点火プラグ３がくすぶり状態であるなど、イオン電流経路の絶縁抵抗が劣化していることに他ならない。なお、このような第２実施例の実施態様では、Ｔｅ≒Ｔｃとなるように、充電電荷量Ｑを設定する必要がない点でも優れている。

図９は、上記した第２実施例の動作の一例を示すフローチャートであり、燃料を噴射しない状態で、エンジンを始動させて、Ｌレベルの判定電圧Ｖｄｅｔを検出した場合にはイオン検出装置のフェイルセーフ処理を行うようにしている。フェイルセーフ処理は適宜に設計できるが、例えば、異常状態を運転手に報知して、イオン電流による燃焼制御を停止することが考えられる。

以上、本発明について具体的に説明したが、具体的な記載内容は、本発明を限定する趣旨ではない。すなわち、本発明の趣旨を逸脱することなく各種の変更が可能であり、それらは全て本発明の範囲に含まれる。

例えば、図１の第１実施例では、イオン電流の検出抵抗（帰還抵抗Ｒ２）の電流値が、所定値より高レベルを維持する継続時間を比較回路５で検出して、検出された継続時間に基づいて、イオン電流経路の絶縁抵抗の劣化を判定しているが、このような方法に限定されるものではない。

例えば、図１０に示すように、イオン電流検出回路４から、別にイオン電圧Ｖｏｕｔを出力して、このイオン電圧Ｖｉｏｎの積分値に基づいてイオン電流経路の絶縁抵抗の劣化を判定しても良い。この場合、積分処理を行う継続時間は、比較回路５が出力する判定電圧ＶｄｅｔのＬレベル期間であるが、第１実施例の場合ほど継続時間を長く設定しなくても良い。すなわち、判定電圧ＶｄｅｔのＬレベル期間は、必ずしも、排気終了時（ｔ＝Ｔｃ）まで継続させる必要はなく、本来のイオン電流の継続時間より長くなるように、放電開始時のコンデンサの充電電荷量を設定すれば足りる。

また、イオン電流検出回路４に増幅素子Ｑ１は必ずしも必須ではなく、増幅部ＡＭＰを省略した図１１の回路でも、本発明を実現することができる。但し、図１１の回路では、コンデンサＣとグランドラインとの間に負荷抵抗ＲＬを接続するので、引用文献１や引用文献２の回路と同様の欠点がある。

すなわち、微弱なイオン電流を確実に検出するためには、負荷抵抗ＲＬの値を大きく設定するしかないが、その場合には、図２の等価回路における抵抗値Ｒが大きくなり、抵抗値Ｒが大きい分だけコンデンサＣの放電特性が変化するので、回路設計上の自由度がない。これに対して、図１の回路では、コンデンサＣの放電特性に影響を与えるのは入力抵抗Ｒ１だけであり、帰還抵抗Ｒ２の値は、コンデンサＣの放電特性に影響を与えない。そこで、コンデンサＣの放電特性に影響を与えることなく、帰還抵抗Ｒ２を大きく設定することで、所望レベルのイオン電圧Ｖｏｕｔを得ることが可能となる。つまり、増幅回路ＡＭＰは、増幅率−Ｒ２／Ｒ１の反転増幅器であるから、図１のイオン検出回路４は、イオン電流の増幅率を、帰還抵抗Ｒ２の値に基づいて自由に設定できるという利点がある。

Claims (6)

1. 点火プラグの放電動作に伴って規定電荷量まで充電されるコンデンサと、
   前記コンデンサの充電時の最大電圧を制限して前記規定電荷量を規制する電圧制限素子と、
   反転入力端子と出力端子との間に配置された検出抵抗が、前記コンデンサと直列回路を形成して、前記コンデンサの放電電流が、イオン電流として前記検出抵抗に流れるよう回路構成された増幅素子と、
   前記増幅素子の出力端子の出力電圧を基準電圧と比較して、前記出力電圧が前記基準電圧より高いことを示す検出レベルの判定信号を出力する比較回路と、
   を有するイオン電流検出装置であって、
   前記規定電荷量に充電された前記コンデンサの放電動作の結果、前記出力電圧が前記基準電圧を下回るまでに要するコンデンサ放電時間が、イオン電流経路の絶縁抵抗が所定の劣化状態である場合において、内燃機関の燃焼室での燃料燃焼によって発生するイオン電流の継続時間より長くなるように、前記規定電荷量が設定されると共に、
   検出レベルの判定信号の継続時間が異常に長いか否かに基づいて、前記絶縁抵抗の劣化を判別するよう構成された内燃機関用イオン電流検出装置。
2. 検出レベルの判定信号の継続時間を検出する一方、検出された継続時間中における前記検出抵抗の電流値に基づいて、前記イオン電流経路の絶縁抵抗の劣化を判定している請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
3. 検出された継続時間中の、前記検出抵抗の電流積分値に基づいて、前記イオン電流経路の絶縁抵抗の劣化を判定している請求項２に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
4. 前記放電時間は、ほぼ内燃機関の排気終了時まで継続するよう、前記規定電荷量が設定されている請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
5. 前記電圧制限素子は、前記コンデンサに並列接続されたツェナーダイオードである請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
6. 前記充電電荷量は、２．５μＣ以上に設定されている請求項５に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。

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