JP5955118B2 - 内燃機関の故障診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の故障を診断する装置に関する。特に、点火プラグにおいて不意の放電または漏電が起こっている場合にこれを感知することのできる診断装置に関する。

近時、車両等に搭載される内燃機関には、その故障を感知するための自己診断システムが付随していることが多い。例えば、下記特許文献１には、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出し、気筒での燃料の燃焼状態の良否を判断するものが開示されている。また、下記特許文献２には、インジェクタに供給される燃料のリリーフ流量を推算し、燃料の圧力が適正範囲に保たれているかどうかを判断するものが開示されている。内燃機関において何らかの故障が生じたことを感知したときには、車両のコックピット内のエンジンチェックランプ（警告灯）を点灯させて、運転者等に異常の旨を報知する。

気筒において失火が続発する場合、エンジンチェックランプを点灯させることとなるが、その原因は様々である。具体的には、点火プラグの経年劣化、点火プラグに火花放電のための高電圧を印加する電気回路または点火コイル、キャパシタの損傷の他、インジェクタに燃料を供給する燃料系の異常、気筒に充填される吸気を供給する吸気系または排気ガス再循環系の異常、等が考えられる。

点火プラグのみをとっても、中心電極または接地電極が損耗してプラグギャップが拡大することもあれば、カーボンのような導電性のデポジットが堆積して中心電極と接地電極との間が短絡することもある。これらは何れも、点火プラグの両電極間の火花放電を不可能にする。

さらには、中心電極と接地電極との間に介在する絶縁碍子がひび割れたり、点火プラグを収容するチューブに孔が開いたりして、そのひび割れまたは孔の箇所で放電を起こしてしまうこともあり得る。このような不意の放電は、点火の際に点火プラグの中心電極に印加される電圧を低下させることにつながり、混合気への点火にとって支障となる。

特開平０６−０３４４９０号公報 特開２０１１−０６４１００号公報

上に述べた通り、故障には様々な種類があり、故障の内容を特定するためには内燃機関及び車両の各部を精査する手間をかける必要があった。

本発明は、内燃機関の不調の原因の一である点火プラグの異常を簡便に知得できるようにすることを所期の目的としている。

本発明に係る内燃機関の故障診断装置は、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用して点火プラグの故障を感知するものであって、火花点火に先んじて点火コイルの一次側コイルに通電を行う期間において、点火プラグの電極を流れる電流を前記回路を介して反復的に計測し、一次側コイルへの通電を開始した後同コイルへの通電を遮断する前かつ一次側コイルに流れる一次電流の大きさを所定の上限以下に抑制する制御回路の動作前の期間において、一次側コイルへの通電の開始時点から時間が経過した後にはじめて前記回路を介して計測している電流値が閾値を上回ったことを条件として、点火プラグの中心電極側と接地電極側との電位差により不意の放電が起こったと判断することを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の不調の原因の一である点火プラグの異常を簡便に知得できるようになる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。 イグナイタの点弧から火花点火へと至る期間における、点火信号及び点火プラグの電極を流れる電流信号のそれぞれの推移を示す図。 イグナイタの点弧から火花点火へと至る期間における、点火信号及び点火プラグの電極を流れる電流信号のそれぞれの推移を示す図。 イグナイタの点弧から火花点火へと至る期間における、点火信号及び点火プラグの電極を流れる電流信号のそれぞれの推移を示す図。 イグナイタの点弧から火花点火へと至る期間における、点火信号及び点火プラグの電極を流れる電流信号のそれぞれの推移を示す図。 イグナイタの点弧から火花点火へと至る期間における、点火信号及び点火プラグの電極を流れる電流信号のそれぞれの推移を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の故障診断装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。二次側の誘導電圧は、５ｋＶないし２０ｋＶに達する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力される電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、燃焼の際に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用して、点火プラグ１２の故障を感知する。

図４ないし図８に、ＥＣＵ０からイグナイタ１３に与える点火信号ｉ、及びＥＣＵ０がイオン電流検出用の回路を介して取得する電流信号ｈの値の時系列の推移を示す。電流信号ｈは、点火プラグ１２の電極を流れる電流を表すものであり、点火プラグ１２の両電極間の抵抗の大きさを表すものでもある。

ＥＣＵ０は、火花点火に先んじてイグナイタ１３を点弧し、点火コイル１４の一次側コイルに通電する。そして、イグナイタ１３の点弧の時点ｔ₀から所定の通電時間が経過した後の時点ｔ₁にて、ＥＣＵ０はイグナイタ１３を消弧し、点火コイル１４の一次側コイルへの通電を遮断する。イグナイタ１３の点弧／消弧を制御する点火信号ｉの推移は、基本的に、図４ないし図８の全てにおいて共通である。

図４は、正常燃焼の場合を示している。正常燃焼の場合の電流信号ｈは、イグナイタ１３の消弧に伴い点火プラグ１２の両電極間に惹起される火花放電の期間を経過した時点ｔ₂の後に顕著に現れる、気筒１の燃焼室内に発生したイオン電流の信号を含むものとなる。より詳しくは、時点ｔ₂にてＬＣ共振による信号が現れ、その後に燃焼に起因したイオン電流信号が現れる。

因みに、イグナイタ１３の点弧時には、スパイク状のノイズが発生して電流信号ｈに重畳される。また、イグナイタ１３の消弧の直前の時期に、電流信号ｈが振動しているが、この振動は、点火コイル１４の一次側に流れる電流（一次電流は、イグナイタ１３の点弧の後逓増する）の大きさを所定の上限以下に抑制するための制御回路（図示せず）の動作によるものである。

図５は、点火プラグ１２による火花放電は正常であったものの、気筒１の燃焼室内の混合気がうまく燃焼せず失火した場合を示している。図４との相異は、火花放電期間後の時点ｔ₂にてＬＣ共振発生後、十分な大きさ及び長さのイオン電流信号が電流信号ｈに現れていないことである。

図６ないし図８はそれぞれ、点火プラグ１２に何らかの異常が存在している場合の例である。その中で、図６は、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間に介在する絶縁碍子がひび割れたり、点火プラグ１２を収容するチューブに孔が開いたりしているような場合を示している。

図４または図５では、イグナイタ１３の点弧時点ｔ₀から消弧時点ｔ₁までの間の期間において、時点ｔ₀と略同時のスパイクノイズや時点ｔ₁直前の制御回路の動作（一次電流の飽和）時期を除き、電流信号ｈは０であった。

対して、図６では、イグナイタ１３の点弧時点ｔ₀からある程度の時間が経過した時点ｔ₃以降に、０でない電流信号ｈが現れている。これは、イグナイタ１３の点弧後、一次電流の逓増とともに徐々に昇圧される点火プラグ１２の中心電極側と、恒常的に接地されている点火プラグ１２の接地電極側との電位差により、点火プラグ１２の絶縁碍子の亀裂またはチューブの孔等を介して放電が発生したことによる。このような放電は、正常な火花放電の際に中心電極に印加されるものよりも低い、１ｋＶないし２ｋＶの電位差により生ずる。

加えて、上記の放電が、火花点火のために中心電極に印加するべき電気エネルギを失わせることから、点火プラグ１２による火花放電、ひいては混合気への火花点火がうまくゆかなくなる。故に、火花放電期間後の時点ｔ₂にて、十分な大きさ及び長さのイオン電流信号が電流信号ｈに現れない。図６では、時点ｔ₂以降のイオン電流信号ｈが０となってしまっている。

図７は、点火プラグ１２の中心電極及び／または接地電極にカーボン等の導電性のデポジットが付着、堆積し、両電極間が短絡した場合を示している。両電極間が短絡しているために、イグナイタ１３を点弧している時点ｔ₀ないし時点ｔ₁の期間の概ね全般に亘り、０でないリーク電流が電流信号ｈが現れている。時点ｔ₂以降の電流信号ｈが０となっている点は、図６の場合と同様である。

ＥＣＵ０は、時点ｔ₀以後、時点ｔ₁以前（より厳密には、一次電流の飽和に伴う制御回路の動作以前）の期間の電流信号ｈを参照することで、点火プラグ１２の異常の有無を知得することができ、異常がある場合にはその内容を知得することができる。

即ち、イグナイタ１３の点弧時点ｔ₀からある程度の時間が経過した後に電流信号ｈの大きさが所要の判定閾値を超えて大きくなったならば、点火プラグ１２の絶縁碍子のひび割れやチューブの穿孔等の故障が存在していると判断する。

あるいは、イグナイタ１３の点弧時点ｔ₀から消弧時点ｔ₁までの期間の概ね全般に亘って電流信号ｈの大きさが所要の判定閾値を超えているならば、点火プラグ１２の電極がくすぶっていると判断する。

図８は、点火プラグ１２の中心電極及び／または接地電極が損耗し、両電極間のギャップが許容される大きさよりも拡開してしまった場合を示している。点火プラグ１２の中心電極側と接地電極側との間で放電または漏電を生じているわけではないので、イグナイタ１３を点弧している時点ｔ₀ないし時点ｔ₁の期間における電流信号ｈは、図４または図５と同様である。

しかし、プラグギャップが過度に大きいため、イグナイタ１３を消弧し、点火プラグ１２の中心電極に高電圧を印加したとしても、点火プラグ１２の電極にはノイズのような電流が断続的に流れるのみであり、点火に適した火花放電は惹起されない。従って、図８に示すように、イグナイタ１３を消弧した時点ｔ₁の直後にノイズのような波形が電流信号ｈに現れる。さらに、火花放電そのものに失敗することから、本来の火花放電期間の後の時点ｔ₂以降ではイオン電流信号ｈが０となる。なお、このような火花放電の不良は、点火プラグ１２の中心電極及び／または接地電極にシリカ（二酸化ケイ素）等の絶縁性のデポジットが付着、堆積した場合にも発生する。

ＥＣＵ０は、火花放電期間後の時点ｔ₂以降の電流信号ｈを参照して、気筒１での燃料の燃焼状態の良否を判断することができる。時点ｔ₂以降に、十分な大きさ及び／または長さのイオン電流信号ｈが現れていれば、気筒１において良好な燃焼が行われたと判断する。

逆に、時点ｔ₂以降に十分な大きさ及び／または長さのイオン電流信号ｈが現れていなければ、気筒１において失火が発生した、または気筒１における燃焼が不安定であったと判断する。その上で、イグナイタ１３の消弧時点ｔ₁から火花放電期間後の時点ｔ₂までの間の電流信号ｈにノイズが重畳されているならば、プラグギャップの拡大またはシリカの電極への堆積等による火花放電の不良であると判断する。

ＥＣＵ０は、点火プラグ１２の碍子の亀裂またはチューブの穿孔、くすぶりによる電極間の短絡、電極間のギャップの拡大またはシリカの堆積といった、点火プラグ１２の異常を感知したとき、その異常の内容を示す情報をメモリに書き込み、記憶保持して事後の修理作業における原因究明の助けとする。加えて、ＥＣＵ０は、異常の旨をユーザの視覚または聴覚に訴えかける態様にて報知する。例えば、コックピット内に設置されたエンジンチェックランプ（警告灯）を点灯させたり、ディスプレイに警告を表示させたり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力させたりする。

本実施形態では、燃焼の際に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用して点火プラグ１２の故障を感知するものであって、火花点火に先んじて点火コイル１４の一次側コイルに通電を行う期間（時点ｔ₀から時点ｔ₁まで）において、点火プラグ１２の電極を流れる電流を前記回路を介して反復的に計測し、一次側コイルへの通電を開始した（時点ｔ₀）後、同コイルへの通電を遮断する（時点ｔ₁）前に、その時系列に基づく電流値が閾値を上回ったことを条件として、点火プラグ１２において不意の放電または漏電が起こっているものと判断することを特徴とする故障診断装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の不調の原因の一である点火プラグ１２の異常を簡便に知得できるようになる。のみならず、その異常の内容が何であるのか、例えば、点火プラグ１２の碍子の亀裂またはチューブの穿孔であるのか、くすぶりによる電極間の短絡であるのか、電極間のギャップの拡大またはシリカの堆積であるのかをも、特定することが可能となる。

内燃機関の気筒１において失火が続発したような場合に、その原因が点火プラグ１２の損傷（または、損耗）であるのか、点火プラグ１２以外の装置の異常であるのかを切り分けて特定することができるため、内燃機関の故障に際して内燃機関及び車両の各部を逐一精査する手間をかける必要がなくなり、保守、点検、整備のコストの低減につながる。点火プラグ１２やチューブの損傷ならば、点火プラグ１２やチューブを交換することで足る。点火プラグ１２またはチューブの損傷でないならば、点火コイル１４や電気回路、燃料系、吸気系等を調査すればよい。

既存のイオン電流信号検出用の回路を流用して、点火プラグ１２の異常を感知できることも強みである。碍子のひび割れ等の箇所における漏電の有無を調査する目的で、点火プラグ１２の中心電極に印加される電圧を常時監視するためのハードウェアを新たに実装するような必要がない。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…故障診断装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
１３…イグナイタ
ｈ…電流信号

Claims (1)

1. 燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用して点火プラグの故障を感知するものであって、
   火花点火に先んじて点火コイルの一次側コイルに通電を行う期間において、点火プラグの電極を流れる電流を前記回路を介して反復的に計測し、
   一次側コイルへの通電を開始した後同コイルへの通電を遮断する前かつ一次側コイルに流れる一次電流の大きさを所定の上限以下に抑制する制御回路の動作前の期間において、一次側コイルへの通電の開始時点から時間が経過した後にはじめて前記回路を介して計測している電流値が閾値を上回ったことを条件として、点火プラグの中心電極側と接地電極側との電位差により不意の放電が起こったと判断する内燃機関の故障診断装置。

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