JP5005640B2 - 内燃機関の失火検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン電流に基づいて正確な失火判定を実現する内燃機関の失火検出装置に関する。

内燃機関の燃焼室に導入された混合気が、全点火サイクルで正しく燃焼していることを把握することは極めて重要であり、従来、イオン電流を解析することで、燃焼状態か失火状態かを判定することが行われてきた（例えば、特許文献１）。
特開平０４−３０８３６０号公報

特許文献１に記載の失火検出装置では、点火プラグの放電直後に発生する放電ノイズ区間を除いて、イオン電流検出回路の出力電圧を全て積分し、その積分値を評価することで燃焼常態か失火状態かを判定している。

しかしながら、失火状態であっても、コロナノイズが発生しているような場合には、燃焼状態の場合と同程度の積分値が得られるので、正確な失火判定ができないことがある。

また、点火プラグの経年劣化や、その他の回路部材の経年劣化によっても、同一の判定アルゴリズムでは、正確な失火判定ができないことがあった。かかる場合には、失火状態を見逃すことになるので、適切な燃焼制御を実行することができず、内燃機関の運転に支障が生じることになる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ノイズの発生状況や、経年劣化の状態に拘わらず、正確な失火判定をすることができる内燃機関の失火検出装置を提供することが課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の失火検出装置は、一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御回路と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、を有して構成され、前記制御回路は、内燃機関の運転開始後、少なくとも一回、前記イオン検出回路のグランドレベルを特定する第１手段と、各点火サイクルにおけるスイッチング素子のＯＦＦ動作時に、前記検出信号のうち、閾値を超える信号だけを積分処理する第２手段と、前記積分処理による算出値に基づいて失火判定する第３手段とを構成し、前記閾値は、第１手段によって特定されたグランドレベルに対応して補正された値が使用されることを特徴とする。

本発明では、閾値が動的に変更されるので、内燃機関の特性が経年的に変化しても、常に、気筒毎の最適値が使用されることになり、失火判定の精度が高まる。

前記検出信号は、ＡＤ変換されて前記制御回路に取得され、前記ＡＤ変換のサンプリング周波数は、コロナノイズを取得可能な周波数に設定されるのが好ましい。このような構成を採ると、コロナノイズの波形を正確に特定することができるので、コロナノイズと、本来必要な検出信号との周波数差に基づいて、必要な検出信号だけを特異的に抽出することができる。

サンプリング周波数は、コロナノイズの周波数の２倍以上であって、具体的には、３０ｋＨｚ以上に設定するのが好適である。但し、サンプリング周波数が無闇に高いと、製造コストが上がるだけでなく、取得するデータ量も増加して制御回路の制御負担が増加するので、実際には、制御回路の処理能力を考慮してサンプリング周波数の上限が決まる。

前記第２手段は、所定時間以上継続して、前記閾値を超えている検出信号だけを積分処理の対象とするのが好ましい。ここで、前記所定時間は、予め実験的に特定されているコロナノイズの周期に対応して設定されている。例えば、コロナノイズの周波数ｆに対応して、前記所定時間は、１／ｆ程度に設定される。

上記した本発明によれば、ノイズの発生状況や、経年劣化の状態に拘わらず、正確な失火判定をすることができる。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、正確な失火判定を可能にした失火検出装置ＩＧＮを示す回路図であり、図２は、失火検出装置ＩＧＮ各部の概略波形を示すタイムチャートである。

図示の通り、この失火検出装置ＩＧＮは、内燃機関の電子制御ユニットたるＥＣＵ(Engine Control Unit)と、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２からなる点火コイルＣＬと、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流ｉｃ１をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、イオン電流検出回路ＩＯＮと、を中心に構成されている。なお、点火コイルＣＬ、スイッチング素子Ｑ、点火プラグＰＧ、及びイオン電流検出回路ＩＯＮは、内燃機関の気筒毎に設けられる。

そして、この実施例では、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏ（以下、イオン検出信号という）が、ＥＣＵに内蔵された不図示のＡ／Ｄコンバータに供給され、デジタルデータとしてＥＣＵのメモリに記憶されるよう構成されている。すなわち、イオン検出信号Ｖｏは、失火判定のために、切出しウインドＷＩＮの区間について、点火サイクル毎にＥＣＵに取得される。ここで、切出しウインドＷＩＮは、点火プラグＰＧの放電直後に発生する放電ノイズ（残留磁気ノイズ)の収束直後を始期とし、燃焼反応が確実に終了する時期を終期とするが、運転状態に基づいて点火サイクル毎に自動的に決定される。

以下、回路構成について詳述すると、スイッチング素子Ｑは、ここではＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使用されている。そして、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＶＢを受けており、エミッタ端子は、グランドに接続されている。

イオン電流検出回路ＩＯＮは、電流検出回路として機能するＯＰアンプＡＭＰを中心に構成され、コンデンサＣ１、ツェナーダイオードＺＤ、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を有して構成されている。コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤの並列回路によって、イオン電流検出時のバイアス電圧が生成される。

二次コイルＬ２の高圧端子は、点火プラグＰＧに接続され、低圧端子は、前記バイアス電圧を生成するコンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路に接続されている。そして、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路は、ダイオードＤ１を通して、グランドに接続されている。図示の通り、ダイオードＤ１のカソード端子がグランドに接続されている。

一方、ダイオードＤ１のアノード端子は、電流制限抵抗Ｒ１を経由してＯＰアンプの反転入力端子（−）に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子（−）と出力端子の間に、電流検出抵抗Ｒ２が接続され、出力端子のグランド間には、負荷抵抗Ｒ３が接続されている。また、ＯＰアンプの非反転端子（＋）は、グランドに接続され、反転端子（−）には、ダイオードＤ２のカソード端子が接続されている。なお、ダイオードＤ２のアノード端子はグランドに接続されている。

上記した構成の失火検出装置ＩＧＮでは、点火パルスＳＧがＨレベルからＬレベルに変化すると、二次コイルＬ２に誘起される高電圧によって点火プラグＰＧが放電する。この放電電流は、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１の経路で流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧により規定される電圧値に充電される。

点火プラグＰＧの放電によって燃焼室の混合気が着火されると、その後、急速に燃焼反応が進行するが、イオン電流ｉは、電流検出抵抗Ｒ２→電流制限抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で流れる。したがって、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２＊ｉとなり、イオン電流ｉに比例した値となる。

図３は、失火判定に関するＥＣＵの処理内容を示すフローチャートである。ここでは、運転開始時に一回だけ実行される初期処理（図３（ａ））と、運転開始後に点火サイクル毎に、繰返し実行される定常処理（図３（ｂ））とが示されている。

先ず、運転開始時の処理を説明すると、ＥＣＵは、グランドレベルのイオン検出信号Ｖｏを複数回取得して、それを記憶する（ＳＴ１）。なお、グランドレベルのイオン検出信号Ｖｏは、例えば、スイッチング素子ＱがＯＮ状態である期間中に、所定の閾値を下回るほぼゼロレベルの信号だけが取得される。

そして、取得された複数個のグランドレベルの電圧値（≒０）に基づいて、その平均値Δが算出される。本発明者の検討によれば、同一部品を使用する全く同一構成の回路でも、極めて微妙ではあるが、各々、グランドレベルが相違しており、また、このグランドレベルの相違は、当該装置の使用年数などによって増加することが確認されている。

そこで、この実施例では、運転開始時に、グランドレベルΔを把握して、同一構成の装置に共通的に設定されている基本閾値ＴＨｓの値を、ＴＨ←ＴＨｓ＋Δの補正式によって補正している（ＳＴ３）。なお、補正演算後の閾値ＴＨは、積分処理を実行するか否かを決定する際に使用される（ＳＴ１１参照）。

続いて、図３（ｂ）に示す定常処理について説明する。この実施例では、切出しウインドＷＩＮの全区間のデータを取得した後に、取得データに基づいて失火判定をしている。

以下、具体的に説明すると、ＥＣＵは、点火サイクル毎に、切出しウインドＷＩＮの全区間についてＯＰアンプＡＭＰから出力されるイオン検出信号Ｖｏを、ＡＤ変換してメモリに記憶する（ＳＴ１０）。この実施例では、サンプリング周波数を、コロナノイズの周波数域に対応して、３０ｋＨｚとしている。以下、取得データをＤＴ（ｉ）で表現する。

ステップＳＴ１０の処理によって全てのデータＤＴ（ｉ）に取得されると、取得されたデータＤＴ（ｉ）を、閾値ＴＨと対比することで、パルスデータ化する（ＳＴ１１）。ここで使用される閾値ＴＨは、運転開始時に基本閾値ＴＨｓから補正された値であり（ＳＴ３参照）、個々の気筒毎に最適な値である。

次に、２値化されたパルスデータのパルス幅を評価して、そのパルス幅が基準パルス幅ＷＤＴを超えるか否かを判定する（ＳＴ１２）。ここで、基準パルス幅ＷＤＴは、コロナノイズ成分を排除するためのパラメータであり、実験的に把握されるコロナノイズの周波数ｆに対応して、例えば、１／ｆに設定される。

図４（ａ）と図４（ｂ）は、燃焼状態と失火状態における原データ（イオン検出信号）と、２値化データを図示したものであり、ここでは、基準パルス幅ＷＤＴを超えるか否かによって、燃焼状態におけるイオン検出信号Ｖｏが特定されている。

次に、基準パルス幅ＷＤＴを超える区間についてだけ、その区間の原データＤＴ（ｉ）を積分する（ＳＴ１３）。積分処理は、具体的には累積処理ΣＤＴ（ｉ）によって実行される。コロナノイズは、その変化が急峻であることから、２値化データのパルス幅が基準パルス幅ＷＤＴを超えることなく、ステップＳＴ１３の積分処理から排除される。

このようにして、基準パルス幅ＷＤＴを超える区間に限定した原データＤＴ（ｉ）の積分処理が終わると（ＳＴ１４）、最終的な積分値が基準値と対比される（ＳＴ１５）。そして、積分値が基準値を超える場合には燃焼状態であると判定され、基準値を超えない場合には失火状態であると判定される。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、切出しウインドＷＩＮの全データを取得した後に、必要なイオン検出信号だけを積分したが、ＡＤ変換処理後の取得データについて、リアルタイムに積分するのも好適である。

この場合には、取得データが、基準パルス幅ＷＤＴ以上継続して、閾値ＴＨを超えたものであれば、この取得データを累積して積分処理し、前記の条件を満たさない取得データは積分処理に含めない。この場合も、運転開始時に、基本閾値ＴＨｓから補正された動的な閾値ＴＨが使用されるので、常に最適な失火判定が可能となる。

なお、実施例に使用したイオン電流検出回路は、最も簡易な回路構成を例示したに過ぎず、より複雑な回路構成と採っても良いのは勿論である。

実施例に係る失火検出装置の構成を示す回路図である。 図１の失火検出装置の動作を説明するタイムチャートである。 実施例の動作内容を説明するフローチャートである。 燃焼状態と失火状態を例示したタイムチャートである。

符号の説明

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＣＬ 点火コイル
ＥＣＵ 制御回路
ＳＧ 点火信号
Ｑ スイッチング素子
ＰＧ 点火プラグ
ＩＯＮ イオン電流検出回路
Ｖｏ 検出信号
ＳＴ２ 第１手段
ＳＴ１３ 第２手段
ＳＴ１５ 第３手段

Claims (4)

1. 一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御回路と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、を有して構成され、
   前記制御回路は、
   内燃機関の運転開始後、少なくとも一回、前記イオン検出回路のグランドレベルを特定する第１手段と、
   各点火サイクルにおける前記スイッチング素子のＯＦＦ動作時に、前記検出信号のうち、閾値を超える信号だけを積分処理する第２手段と、
   前記積分処理による算出値に基づいて失火判定する第３手段とを構成し、
   前記閾値は、第１手段によって特定されたグランドレベルに対応して補正された値が使用されることを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
2. 前記検出信号は、ＡＤ変換されて前記制御回路に取得され、前記ＡＤ変換のサンプリング周波数は、コロナノイズを取得可能な周波数に設定されている請求項１に記載の失火検出装置。
3. 前記第２手段は、所定時間以上継続して、前記閾値を超えている検出信号だけを積分処理の対象としている請求項１に記載の失火検出装置。
4. 前記所定時間は、予め実験的に特定されているコロナノイズの周期に対応して設定されている請求項３に記載の失火検出装置。

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