JP5990056B2 - 内燃機関用イオン電流検出装置，及び，これを備える内燃機関制御システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用イオン電流検出装置及び内燃機関制御システムに関し、特に、イオン電流が示す燃焼波形の開始タイミングを精度よく特定させる際に用いて好適のものである。

近年、自動車に代表される輸送用内燃機関の技術分野では、燃費改善及びドライバビリティ向上といった様々な要請のもと、イオン電流の解析結果によって機関を好適に制御させる技術が検討されている。其の検討事項は、失火／燃焼判定，燻り判定，ノッキング判定，点火タイミング制御、排ガス循環制御等、多岐に及ぶものである。

例えば、特開平０４−１３６４８５号公報（特許文献１）では、内燃機関の燃焼状態検出装置が紹介されている。燃焼状態検出装置は、点火コイルと、イオン電流検出回路と、波形成形回路（特許請求の範囲における信号処理回路）とから構成されている。ここで、図１３（ａ）を参照しつつ、燃焼状態検出装置の動作について説明する。先ず、点火コイルの動作素子に点火信号ＳＧが入力されると、これに応じて一次コイルに電流Ｉ１が流れ始める。当該一次電流Ｉ１は、点火信号ＳＧが与えられた時刻ｔ１から増加し始め、時刻ｔ２にて其の電流Ｉ１が遮断される。この瞬間、二次コイルは、負の高電圧（放電電圧Ｖ２）を生じさせ、点火プラグのプラグギャップ間を放電させる。このとき、イオン電流検出回路では、放電期間から混合気の燃焼期間に亘り、各場面での電流値に比例する電圧信号Ｖｉを出力させる。このうち、放電電流Ｉｓは高周波のパルス状波形とされ、イオン電流Ｉｒはピーク値を具備する山状の波形とされる。波形成形回路では、この電圧波形Ｖｉをデータとして取り込む回路構成とされ、また、「Ｖｉ＝０」に近い閾値ｔｈ０を設定させている。そして、当該波形成形回路では、電圧信号Ｖｉと閾値ｔｈ０とを比較させることにより、矩形波データＤｔを作成させる。

矩形波データＤｔは、混合気の燃焼期間を示す情報が含まれている為、燃焼又は失火の状態を解析する上で有用であり、特に、当該データＤｔの始期ｔｆは其の期間を測定する際に重要な情報となる。また、燃焼／失火判定に限らず、ノック判定等の解析処理を行う上でも、矩形波データＤｔの始期ｔｆは重要な情報となる。ところが、図１３（ａ）に示す如く、矩形波データＤｔは、放電ノイズ波形（放電期間に生じる波形）とイオン電流波形（燃焼期間に生じる波形）とが共に形成されてしまう為、燃焼期間の始期ｔｆを特定することが困難となる。このため、特許文献１の技術によれば、放電期間について予めマスク期間を設定しておき、このマスク期間の終了時刻を燃焼期間の開始時刻ｔｆとして設定している。

特開平０４−１３６４８５号公報

しかしながら、特許文献１の技術によれば、マスク処理によって燃焼期間の始期ｔｆを推定している為、当該始期ｔｆについて誤差が生じてしまう。これを回避するため、微小期間の閾値を用いてノイズ等の高周波成分をキャンセルさせ、残された矩形波データに基づいて燃焼期間の始期を特定させることも考えられる。しかし、かかる手法では、以下の理由により燃焼期間の開始時刻を特定することが困難となる。

即ち、イオン電流を検出するよう設計されている回路では、図１３（ｂ）に示す如く、放電ノイズ波形がイオン電流波形よりも十分大きな電圧信号Ｖｉｍ（上限検出限界値に到達した信号値）となり、これを断続的に検出することとなる。加えて、イオン電流検出回路のグランド電位が閾値ｔｈ０よりも浮いてしまうと、検出信号Ｖｉは、閾値ｔｈ０を上回る波形が連続して現れることとなる。これらの現象により、矩形波データＤｔの放電期間に相当する部分では、閾値ｔｈ０を下回らないデータが連続して作成され、放電期間にも関わらず、時間間隔の長い矩形波が形成されてしまう。そうすると、閾値を用いて高周波成分をキャンセルさせる技術では、放電期間に対応する不要な矩形波をキャンセルできなくなり、放電ノイズの発生開始時刻ｔｓが燃焼期間の開始時刻ｔｆであるものと誤判定する惧れがある。

本発明は上記課題に鑑み、イオン電流波形に示される燃焼期間の開始時刻を精度よく特定し得る内燃機関用イオン電流検出装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のような内燃機関用イオン電流検出装置の構成とする。即ち、電流検出回路で検出された電流値に比例する電圧信号を情報処理することで当該電圧信号により示される電流波形のうちイオン電流波形に重畳されている燃焼解析情報を抽出する信号処理回路、を具備する内燃機関用イオン電流検出装置において、
前記信号処理回路は、前記電圧信号の示す値を所定時間毎に電圧データへ変換させ前記電流波形の波形データを作成させるデータサンプリング処理と、互いに異なる第１の閾値及び第２の閾値を前記波形データに対して設定させる閾値設定処理と、前記第１の閾値に基づいて前記波形データを二値化させ第１の矩形波データを作成させる第１矩形波形成処理と、前記第２の閾値に基づいて前記波形データを二値化させ第２の矩形波データを作成させる第２矩形波形成処理と、前記第１の矩形波データと前記第２の矩形波データとの排他的論理和を演算させ第３の矩形波データを作成させる排他的論理和演算処理と、を機能させることとする。

好ましくは、前記信号処理回路は、更に、前記第３の矩形波データの先頭エッジ情報に基づいて当該矩形波データの開始時刻を特定させる処理を機能させることとする。

また、前記信号処理回路は、更に、前記第３の矩形波データに対して、微小のパルス幅をキャンセルさせ第４の矩形波データを作成させる放電ノイズ波形除去処理、を機能させるようにしても良い。この場合、前記信号処理回路は、更に、前記第４の矩形波データの先頭エッジ情報に基づいて当該矩形波データの開始時刻を特定させる処理を機能させると良い。

上述した各発明について、前記電圧信号は、前記電流検出回路で検出された電流値に比例する信号であって、当該電流値が検出されていないとき高位の電圧値を示し、当該電流値の大きさに応じてグランド側の電位に変位することとする。

好ましくは、前記信号処理回路は、前記波形データの一部期間のデータについて前記排他的論理和演算処理を機能させることとする。ここで、前記一部期間は、前記電流波形のうち放電電流波形の発生期間に対応して設定されるのが好ましい。

また、前記信号処理回路は、更に、前記第３の矩形波データ又は前記第４の矩形波データの先頭エッジ情報に基づいて当該矩形波データの開始時刻を特定させる処理と、前記第３の矩形波データ又は前記第４の矩形波データ（前記第１の矩形波データでも良い）の後尾エッジ情報に基づいて当該矩形波データの終了時刻を特定させる処理と、前記開始時刻の情報及び前記終了時刻の情報に基づいて第５の矩形波データを作成させる処理と、を機能させるようにしても良い。

また、本発明では、次のような内燃機関制御システムの構成としても良い。即ち、点火タイミングを規定する内燃機関制御装置と、前記点火タイミングに応じて高電圧を発生させる点火コイルと、上述した発明の何れか一つに記載の内燃機関用イオン電流検出装置とを備えることとする。

本発明に係る内燃機関用イオン電流検出装置によると、矩形波データのうち放電ノイズに相当する部分をキャンセルできるので、ノイズキャンセル後の矩形波データは、イオン電流波形によって示される燃焼期間を正確に表現することとなる。このため、当該イオン電流検出装置は、燃焼期間の先頭エッジを示すデータを抽出することで、燃焼期間の正確な開始時刻を把握することが可能となる。

また、本発明に係る内燃機関制御システムによると、燃焼期間の開始時刻を正確に把握できるので、この情報を用いる解析処理の精度が改善され、内燃機関の好適な点火制御を実現できる。

内燃機関制御システムの構成を示す図（実施の形態）。 電流検出回路の動作を説明する図（実施の形態）。 燃焼波形の開始時刻特定ルーチンを示すフローチャート（実施例１）。 各波形及びデータを示すタイミングチャート（実施例１）。 各波形及びデータを示すタイミングチャート（実施例１）。 燃焼波形の開始時刻特定ルーチンを示すフローチャート（実施例２）。 各波形及びデータを示すタイミングチャート（実施例２）。 各波形及びデータを示すタイミングチャート（実施例３）。 各波形及びデータを示すタイミングチャート（課題提示１）。 各波形及びデータを示すタイミングチャート（課題提示２）。 燃焼波形の燃焼波形特定ルーチンを示すフローチャート（実施例４）。 各波形及びデータを示すタイミングチャート（実施例４）。 各波形及びデータを示すタイミングチャート（従来例）。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係る内燃機関制御システムが示されている。内燃機関制御システム１０は、図示の如く、内燃機関制御装置１１０と、点火コイル１２０と、内燃機関用イオン電流検出装置１３０とから構成される。以下、内燃機関制御装置１１０をコントロールユニット１１０と呼び換え、内燃機関用イオン電流検出装置１３０を単にイオン電流検出装置１３０と呼び換えることとする。

コントロールユニット１１０は、回転数，吸気圧，車速，等の様々なパラメータが入力され、これらの情報に基づいて内燃機関の点火タイミングを規定する。コントロールユニット１１０は、所謂ＥＣＵ（Engine Control Unit）と呼ばれる装置であり、情報処理回路及び情報通信回路を内蔵させている。当該コントロールユニット１１０は、通信ラインを介して、エンジンの回転数情報Ｎｅ，吸気圧情報Ｐｂ，及び，イオン電流に基づく解析処理結果情報ＩＮＦを受取り、これらの情報をメモリ回路へ逐一格納させる。このようなデータ通信は、ＣＡＮ（Control Area Network），ＬＩＮ（Local Interconnect Network），又は，シリアル通信規格，といった周知の通信規格を利用して、情報の送受信が行われる。また、吸気圧情報Ｐｂは、インテークマニホールドに配された圧力センサの検出信号，エアフローメータの検出信号，又は，スロットルポジションセンサの制御情報等によって特定される。また、回転数情報Ｎｅは、クランクポジションセンサ，カムポジションセンサ等によって特定される情報である。

かかるコントロールユニット１１０では、失火／燃焼判定，燻り判定，ノッキング判定，点火タイミング制御、排ガス循環制御等、様々な解析処理結果情報ＩＮＦに基づき、点火信号ＳＧを生成・出力させている。

点火コイル１２０は、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２を具備するトランスＣＬと、パワートランジスタＴｒとから構成され、車載バッテリＶｂが一次コイルＬ１へ印加されている。点火コイル１２０は、入力された点火信号ＳＧに応じてパワートランジスタＴｒが駆動され、二次コイルＬ２で高電圧を発生させる。尚、点火コイル１２０には、イグナイタを搭載させて、点火信号ＳＧの波形を修正させるようにしても良い。この場合にあってもパワートランジスタＴｒは、点火信号ＳＧによって駆動されることに変わりない。

イオン電流検出装置１３０は、図示の如く、電流検出回路１３１と信号処理回路１３２とから構成される。信号ラインＬａは、電流検出回路１３１の出力端と信号処理回路１３２の入力端とを接続させ、電流検出回路１３１から出力された電圧信号Ｖｉを伝達させる。信号ラインＬｄは、信号処理回路１３２とコントロールユニット１１０との間に介在する通信ケーブルであって、イオン電流検出装置１３０で処理された解析処理結果情報ＩＮＦをコントロールユニット１１０へ伝送させる。

電流検出回路１３１は、ダイオードＤ１及びツェナーダイオードＤｚ１及びツェナーダイオードＤｚ２から成る直列回路、ツェナーダイオードＤｚ１に並列接続されたコンデンサＣ１、接続端Ａ及びＣに並列接続された抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ４を介して反転入力端子へ接続端Ｂが接続され非反転端子がグランド電位とされたオペアンプ１３１ａ、オペアンプ１３０ａの出力ゲインを規定する増幅抵抗Ｒ２、オペアンプ１３１ａの出力信号のオフセット量を規定する抵抗Ｒ３、及び、抵抗Ｒ１とオペアンプ１３１ａの反転端子との間に接点を有するツェナーダイオードＤｚ３、によって構成されている。このうち、オペアンプ１３１ａは、検出信号の上限検出限界値が５〔Ｖ〕とされ、下限検出限界値が０〔Ｖ〕とされている。そして、電流検出回路１３１では、放電後に現れるイオン電流波形の変化を検出可能とする為、当該イオン電流波形が０〔Ｖ〕〜５〔Ｖ〕に収まるよう抵抗素子等の定数が設定されている。

尚、図示の如く、接続点ＡはダイオードＤ１のカソード側と抵抗Ｒ１との接点であり、接続点ＢはダイオードＤ１のアノード側とツェナーダイオードＤｚ１のアノード側との接点であり、接続点ＣはツェナーダイオードＤｚ１のカソード側とツェナーダイオードＤｚ２のカソード側との接点である。また、オペアンプ１３１ａの出力側には、接続点Ｄが設けられ、当該接点Ｄに信号ラインＬａが接続されている。

ここで、図２を参照して、イオン電流検出装置１３０の動作について説明する。先ず、点火コイルＣＬの二次側に負の高電圧が生じた場合、点火プラグＰＧでは、プラグギャップで絶縁破壊を起こし、電流検出回路１３１にも放電電流Ｉｓを発生させることとなる。放電電流Ｉｓは、グランドＧＮＤ→ツェナーダイオードＤｚ２→ツェナーダイオードＤｚ１→二次コイルＬ２を通じて、点火コイルＰＧに当該電流が流れる。このとき、コンデンサＣ１にも放電電流Ｉｓの一部が流れ込むため、当該コンデンサＣ１には、これに伴う電荷が蓄積される。また、この場面での接続点Ｂの電圧値は、マイナス数百〔Ｖ〕とされる為、増幅抵抗Ｒ２に流れる電流値Ｉｑａは、イオン電流波形を検出しているときに比べ約１０００倍程度の大きさとなる。この為、オペアンプ１３１ａから出力される電圧信号Ｖｉは、非常に大きくなり、上限検出限界値Ｖｉｍである５〔Ｖ〕へ容易に達してしまう。

一方、絶縁破壊が収束する頃、プラグギャップでは、其の周辺にラジカルな分子が分布することになるので、電荷の移動経路が形成されることとなる。このとき、電流検出回路１３０では、コンデンサＣに蓄えられた電荷を消費させることで、コンデンサＣ１→抵抗Ｒ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧ→グランド（ＧＮＤ），という経路のイオン電流Ｉｒを発生させる。この場面での接続点Ｂの電圧値は、先の場面での電圧値に比べ十分に低下し、増幅抵抗Ｒ２に流れる電流値Ｉｑｂは、数μ〔Ａ〕程度の大きさとなる。このとき、電流検出回路１３１から出力される電圧信号Ｖｉは、イオン電流に比例する山状の波形を示すこととなる。

ここで、図１に戻り、信号処理回路１３２について説明する。信号処理回路１３２は、ＣＰＵ，メモリ回路Ｍｅ，クロック回路ＣＬＣＫ，ＡＤ変換回路，及び，Ｉ／Ｏ回路等が内蔵され、これらが内部バスによって通信可能に接続されている。このうち、ＣＰＵは、各種レジスタを具備し、アドレス情報，命令情報，データ情報等を一時的に格納させる。Ｉ／Ｏ回路は、適宜のプロトコルに基づき、Ｉ／Ｏポートを介してデータ通信を行う。ＡＤ変換回路は、ＡＤレジスタ及びＡＤポートを具備し、ＡＤポートへ印加された電圧信号ＶｉをＡＤレジスタ内に格納させる（電圧データＶｉの作成）。当該ＡＤ変換回路は、ＣＰＵからの指令に応じて、ＣＰＵのデータレジスタ又はメモリ回路Ｍｅへ電圧データを転送させる。メモリ回路Ｍｅは、電圧データによって構成される「電流波形の波形データ」が保存され、この他、各種の制御プログラム等が格納されている。

当該制御プログラムは、データサンプリング処理，閾値設定処理，第１矩形波形成処理，第２矩形波形成処理，及び，排他的論理和演算処理等、後述する様々な処理を規定している。そして、このプログラムは、記述されている命令がシーケンス順に実行されることで、先のハードウェア資源と協働して所定の機能を構築させる。

上述した各構成は、以下の実施例における共通事項である。これより、信号処理回路１３２で機能される各種処理を説明すると共に、其の機能のバリエーションについても説明していく。尚、以下説明する処理は、内燃機関の各々のシリンダに対応して実行されるものとする。

図３は本実施例に係る波形解析ルーチンが示されており、図４は本実施例における各種波形のタイミングチャート図である。このうち、ＳＧは点火信号，Ｉ１は点火コイルの一次電流，Ｖ２は二次コイル側の放電電圧，Ｖｉは電流波形（この各点は電圧データ），ｔｈ１は第１の閾値，ｔｈ２は第２の閾値，Ｄｔ１は第１の矩形波データ，Ｄｔ２は第２の矩形波データ，Ｄｔｆは第３の矩形波データ，を示している。また、電流波形Ｖｉは、期間ｔｓ〜ｔｆに対応する放電電流波形と、期間ｔｆ〜ｔｇに対応するイオン電流波形とが現れる。放電電流波形は、放電電圧Ｖ２に応じて検出されるもので、本来的にはノイズのような高周波成分を伴う波形となる。イオン電流波形は、混合気の燃焼強度に応じて其のピーク値・燃焼期間が大きくなるもので、これら内燃機関の燃焼状態に関する情報が種々含まれている。但し、同図にあっては、電流波形Ｖｉの放電電流波形部が上限検出限界値Ｖｉｍに張付いているものとする。

先の信号処理回路１３２では、点火信号ＳＧの立下りエッジ（時刻ｔ２）を検出すると、速やかに波形解析ルーチンを起動させる。本実施例では、制御対象の内燃機関が４ストロークエンジンとされており、このため、約７２０〔ＣＡ〕毎に点火信号ＳＧが与えられる。但し、当該点火信号ＳＧは、コントロールユニット１１０によって適宜制御され、ノック状態の解析結果に基づいて遅角／進角され、内燃機関の運転状態（回転数等）に基づいてパルス幅の調整が行われている。

図示の如く、波形解析ルーチンが起動されると、データサンプリング処理Ｓ１１が実行される。当該処理Ｓ１１は、３６０〔ＣＡ〕程度のサンプル期間が設定されており、其の期間について数μｓｅｃ毎の時間毎に電圧信号Ｖｉを電圧データへ変換させ、当該データの集合である波形データを作成させる。即ち、この波形データは、電圧信号Ｖｉの大きさに応じて各サンプル値が決定されるものであって、全体として電流波形の形状を現す情報となる。

処理Ｓ１１の完了後、閾値設定処理Ｓ１２が実行される。処理Ｓ１２では、図示の如く、第１の閾値ｔｈ１と第２の閾値ｔｈ２とを設定させる。第１の閾値ｔｈ１は、従来例で説明した閾値ｔｈ０と同様の役割を担うもので、基準値の０〔Ｖ〕に近接するよう、波形データに対して設定される。第１の閾値ｔｈ１は、放電電流波形及びイオン電流波形の双方と交錯するレベルに設定される。一方、第２の閾値ｔｈ２は、上限限界検出値Ｖｉｍに近接するよう設定される。放電電流波形（ｔｓ〜ｔｆ）が限界検出値Ｖｉｍに張付いている場合、イオン電流波形が限界検出値Ｖｉｍに達していなければ、第２の閾値ｔｈ２は、放電電流波形に交錯し、通常であればイオン電流波形に交錯することはない。

処理Ｓ１２の完了後、第１矩形波形成処理Ｓ１３が実行される。処理Ｓ１３では、第１の閾値ｔｈ１に基づいて波形データを二値化させ、第１の矩形波データＤｔ１を作成させる。具体的に説明すると、処理Ｓ１３では、波形データを構成する電圧データ毎に第１の閾値ｔｈ１と比較させ、当該閾値ｔｈ１より電圧テータＶｉが大きいときＨｉｇｈの結果を与え、当該閾値ｔｈ１より電圧テータＶｉが小さいときＬｏｗの結果を与える。このようにして、第１の矩形波データＤｔ１は、二値化された情報に変換され、新たな波形データとしてこれを現す情報が電子的に記録される。

第１の矩形波データＤｔ１は、閾値ｔｈ１と交錯する期間について矩形波が形成され、放電電流波形に対応する期間ｔｓ〜ｔｆと、イオン電流波形に対応する期間ｔｆ〜ｔｇとに対応して、矩形波が各々形成される。尚、放電電流波形に対応する波形が高周波成分を具備していないのは、グランド電位の浮きによって、本処理では放電ノイズの波形が繋がってしまう為である。このような現象は、例えば、他の車載アクチュエータが駆動されトランス等の素子からグランド（Chassis）へ電流が抜ける際に起こり得る。

処理Ｓ１３の完了後、第２矩形波形成処理Ｓ１４が実行される。処理Ｓ１４では、処理Ｓ１３での処理と同じく、所定の閾値に基づいて波形データを二値化させ、矩形波データを作成させる。但し、処理Ｓ１４は、用いられる閾値が第２の閾値ｔｈ２である点で、先の処理Ｓ１３と異なる。これにより作成される第２の矩形波データＤｔ２は、期間ｔｓ〜ｔｆについて矩形波データが作成される為、放電電流波形に対応する矩形波のみが現れる。

処理Ｓ１４の完了後、排他的論理和演算処理Ｓ１５が実行される。処理Ｓ１５では、第１の矩形波データＤｔ１と第２の矩形波データＤｔ２との排他的論理和（Exclusive OR）を演算させ、この処理結果である第３の矩形波データＤｔｆを作成させる。周知の通り、排他的論理和とは、通常の論理和（OR）での重複集合を排除させる演算である。従って、データＤｔ１とデータＤｔ２との排他的論理和は、図４に示す如く、放電電流波形に相当する矩形波データをキャンセルさせることになり、結果として、イオン電流波形に相当する矩形波データのみが残されることとなる。

かかる矩形波データＤｔ３は、他にノイズ波形といった不要な成分がない為、信号処理回路１３２では、適宜の情報処理を行うことで、イオン電流波形の現れた期間ｔｆ〜ｔｇ，当該期間の開始時刻ｔｆ，終了時刻ｔｇ，といった燃焼状態の解析上有益な情報を正確に取得できる。尚、本実施例にあっては、処理Ｓ１５の後、波形開始時刻特定処理Ｓ１６を実行させることにより、第３の矩形波データＤｔｆの先頭エッジを探し、当該先頭エッジ情報に基づいて矩形波データＤｔｆ（イオン電流波形）の開始時刻を特定させている。

本実施例に係るイオン電流検出装置１３０によると、第３の矩形波データＤｔｆが燃焼期間に相当する情報を正確に表現しているので、第３の矩形波データＤｔｆの先頭エッジを示すデータを抽出することで、燃焼期間の正確な開始時刻ｔｆを把握することが可能となる。かかる技術では、マップ情報による開始時刻ｔｆの推定技術に頼らず、誤差の無い時刻ｔｆの特定が行われる。

また、本実施例に係る内燃機関制御システム１０によると、燃焼期間の開始時刻を正確に把握できるので、この情報を用いる解析処理の精度が改善され、内燃機関の好適な点火制御を実現できる。

尚、電流波形Ｖｉは、「グランドの浮き」といった外因を伴わなければ、放電電流波形にノイズ成分が形成される（図５参照）。但し、本実施例にあっては、このような場面であっても、放電電流波形の成分を排除させた矩形波Ｄｔｆを得ることが期待できる。

即ち、電流波形Ｖｉの放電電流波形部にノイズ成分が重畳される場合、第１の矩形波データＤｔ１及び第２の矩形波データＤｔ２にも、ノイズ成分が形成されることになる。ここで、電流検出回路１３１ではイオン電流波形を検出できるように各素子の定数が設定されている為、放電電流波形部のノイズ成分は、其の各々が上限検出限界値Ｖｉｍに達するような急峻な勾配（略垂直）の波形となる。このため、第１の矩形波データＤｔ１に形成されるノイズ波形と第２の矩形波データＤｔ２の其れとが一致し、排他的論理和演算処理Ｓ１５では、放電ノイズに相当する波形がキャンセルされることになる。従って、処理Ｓ１５で作成される第３の矩形波データＤｔｆは、イオン電流波形に相当する部分が矩形波として残されることとなる。

先に説明したように、双方の矩形波データＤｔ１，Ｄｔ２に形成されるノイズ成分は、互いに同じ波形となれば、排他的論理和演算処理Ｓ１５によってキャンセルされることが可能である。しかし、図７に示す如く、放電ノイズの波形形状によっては、第１の矩形波データＤｔ１でのノイズ波形と第２の矩形波データＤｔ２でのノイズ波形との形状に差異が生じ、第３の矩形波データＤｔｆ（１）でノイズ成分Ｗｎが残ることも懸念される。このような場合、ノイズ成分について何ら手当を施さずに波形開始時刻特定処理を実行させると、ノイズ成分Ｗｎのエッジを抽出してしまい、イオン電流波形の開始時刻ｔｆを正確に特定できなくなる。

本実施例は、かかる問題を回避すべく検討されたものであって、波形解析ルーチンについて放電ノイズ波形除去処理Ｓ２６が追加されている（図６参照）。尚、他の処理にあっては、実施例１で説明した重複部分について同一用語を用い、其の説明を省略することとする（実施例２〜実施例４についても同様）。

処理Ｓ２６では、微小時間のノイズ判別用閾値が設定されており、立下りエッジに対してタイムカウントを実施し、矩形波の立下り期間とノイズ判別用閾値とを比較させる。そして、タイムカウント値がノイズ判別用閾値を上回れば、被検査対象のエッジが時刻ｔｆであるとして、矩形波の修正を行わずに波形開始時刻特定処理Ｓ２７を実施させる。一方、タイムカウント値がノイズ判別用閾値を下回れば、被検査対象のエッジが微小のパルス幅であるとして、この不要な矩形波データを削除させる。このように、処理Ｓ２６では、不要な矩形波データが削除されるので、イオン電流波形のみを現す第４の矩形波データＤｔｆ（２）が形成されることとなる。

そして、処理Ｓ２６の完了後、波形開始時刻特定処理Ｓ２７が実行され、第４の矩形波データＤｔｆ（２）の先頭エッジに基づいて、矩形波データＤｔｆ（２）の開始時刻を特定させている。かかる処理Ｓ２７によれば、ノイズ成分を排除させた矩形波に基づいてイオン電流波形の開始時刻ｔｆが求められるので、精度を損なわずに開始時刻ｔｆの特定が行われる。

本実施例に係るイオン電流検出装置１３０では、電流検出回路１３１と信号処理回路１３２との間に信号反転回路を設けることで、電流検出回路１３１から出力された電圧信号Ｖｉの極性が反転される。図８に示す如く、信号反転回路は、高位の限界値（第１の閾値側）と、低位の限界値（第２の閾値側）との範囲で信号を生成させ、イオン電流が大きくなるにつれ高位の電圧値から低位の電圧値へと電圧信号Ｖｉの値を変えるよう回路構成されている。即ち、当該信号反転回路では、イオン電流が検出されていないとき電圧信号Ｖｉが高位の限界値に張付き、イオン電流が検出され始めると電圧信号Ｖｉが低位の限界値（グランド側／即ち、０〔Ｖ〕側）に変位し波形を形成させる。

本実施例によれば、グランド電位が外因によって変動しても、イオン電流のピーク側の波形が乱されるだけである。そして、当該波形箇所が乱されても、閾値ｔｈ１を下回ったグランド側の電圧データＶｉに誤差が生じるだけで、閾値ｔｈ１に近い電圧データＶｉには誤差が殆ど生じない。このため、第１の矩形波データＤｔ１では、グランド電位の変動が生じていても、当該矩形波データを乱すような影響が無い。これによれば、第１の矩形波データＤｔ１を用いて排他的論理和演算処理を実施させると、当該処理で作成された矩形波データＤｔｆには、正確な燃焼期間（ｔｆ〜ｔｇ）のみが示されることとなる。

尚、上述した信号反転回路は、電流検出回路１３１に組込まれても良く、信号処理回路１３２に内蔵されても良い。また、オペアンプ１３１ａへの供給電源を変更させ、オペアンプ１３１ａの其れ自身に信号反転機能を与えるようにしても良い。かかる回路構成は、当業者の知り得る技術事項の範囲にて、適宜変更がなされるものである。

此処までの説明によると、イオン電流のピーク値は、第１の閾値ｔｈ１と第２の閾値ｔｈ２との範囲に収まることが前提とされていた。しかし、混合気の燃焼強度如何では、ピーク値が想定以上に高くなり、イオン電流波形の一部が第２の閾値ｔｈ２を跨いでしまうことも起こり得る（図９参照）。このような場合、第２の矩形波データＤｔ２ではピーク値に対応して不要なパルスデータが作成されるので、第３の矩形波データＤｔｆでは、これに応じて、矩形波の一部が毀損されてしまう（時刻ｔｐ参照）。また、図１０に示す如く、コロナ放電に伴う波形Ｗｃが重畳される場合にも、これに応じて、第３の矩形波データＤｔｆが毀損されてしまう。

本実施例は、かかる問題を回避すべく検討されたものであって、実施例１における波形解析ルーチンについて、波形開始時刻特定処理Ｓ４６と、波形終了時刻特定処理Ｓ４７と、第５矩形波データ形成処理Ｓ４８とが追加されている（図１１参照）。

波形開始時刻特定処理Ｓ４６は、第３の矩形波データの先頭エッジを抽出し、当該エッジ情報に基づいて矩形波データの開始時刻ｔｆを特定させる。これは、第３の矩形波データＤｔｆ（１）は、処理Ｓ４５によって放電電流波形が正確にキャンセルされているので、矩形波データの一部が毀損されても、残された矩形波データの先頭エッジ情報はイオン電流波形の正確な開始時刻を示すことになるからである。

波形終了時刻特定処理Ｓ４７は、第３の矩形波データの後尾エッジを抽出し、当該エッジ情報に基づいて矩形波データの終了時刻ｔｇを特定させる。イオン電流のピーク波形は、其の性質上、燃焼期間の前段中腹部で発生する。また、コロナ放電は、燃焼の収束に応じて収まるものであるから、後尾エッジ（時刻ｔｇ）で現れることが無い。従って、第３の矩形波データＤｔｆ（１）の後尾エッジは、ピーク波形又はコロナノイズによって乱されることが無いので、燃焼期間の終了時刻ｔｇを正確に表すことになる。

本実施例では、処理Ｓ４６，Ｓ４７の完了後、第５矩形波データ形成処理Ｓ４８が実行される。処理Ｓ４８では、開始時刻ｔｆ及び終了時刻ｔｇに基づき新たな矩形波データ（第５の矩形波データＤｔｆ（３））を作成させる。具体的に説明すると、当該処理Ｓ４８では、時刻ｔｆ〜時刻ｔｇの間に現れた不要なデータを削除し、先頭エッジ（時刻ｔｆ）から後尾エッジ（時刻ｔｇ）に至る矩形波データを作成させる。当然の如く、処理Ｓ４８で作成された矩形波データＤｔｆ（３）は、ノイズの無い波形データに修正されることとなる（図１２参照）。

本実施例に係るイオン電流検出装置１３０によると、コロナノイズ等の矩形波を乱す現象が生じても、矩形波データの中間部の不要データが削除されるので、結果として、燃焼期間を正確に反映させた矩形波データが作成される。このため、信号処理回路１３２では、正しく修正された矩形波データを参照することで、燃焼期間，其の開始時刻，終了時刻が正確に把握される。

尚、本実施例では、後尾エッジを抽出する場合に第３の矩形波データＤｔｆ（１）を参照しているが、当該矩形波データＤｔｆ（１）の替りに、第１の矩形波データＤｔ１を参照するようにしても良い。但し、第３の矩形波データＤｔｆ（１）は、処理Ｓ４５によって不要なデータがキャンセルされる点で、第１の矩形波データＤｔ１よりも後尾エッジ情報の精度が高いという利点がある。

以上、特許請求の範囲に記載される発明は、上述した各実施例に限定されるものでなく、其の発明の有する技術的思想において、適宜変更が可能とされる。例えば、実施例１〜実施例３の波形解析ルーチンは、図１２に示す如く、波形データの一部期間Ｔｘに対応するデータについて処理させるようにしても良い。そして、その他の期間Ｔｙについては、従来通り一の閾値ｔｈ１によって矩形波データを作成するようにすると良い。何故なら、かかる波形解析ルーチンが採用されると効果を発揮させる期間と、従来通りの処理を採用させた方が寧ろ好適である期間とが存在するからである。

其の好適と思われる処理の一例を挙げると、実施例１〜実施例３の波形解析ルーチンでは、期間Ｔｘが、放電電流波形のデータに対応するよう設定されると良い。当該ルーチンは、放電電流波形をキャンセルさせる際に有益である一方、コロナノイズ等が発生する場合に不要なノイズデータを矩形波データＤｔｆ（１）に作成させてしまうからである。従って、イオン電流波形の期間Ｔｙについては、従来通り一の閾値ｔｈ１を用いて矩形波データを作成すると、其の矩形波データに不要な成分が現れることが無くなる。

このように、矩形波データＤｔ１は、二つの閾値ｔｈ１，ｔｈ２を用いて作成されたデータ（期間Ｔｘのデータ）と一つの閾値ｔｈ１を用いて作成されたデータ（期間Ｔｙのデータ）とが合成されることで、第３の矩形波データＤｔｆ（１）を作成するにあたり最適なものとなる。即ち、排他的論理和演算処理では、双方のメリットを合わせた処理が実施されるから、放電電流波形の矩形データが洩れなく一掃され、ノイズ既存の無いイオン電流波形の矩形データを作成できる。このため、矩形波データＤｔｆ（１）は、燃焼期間，開始時刻ｔｆ，終了時刻ｔｇの正確な情報を示すことになる。

尚、期間Ｔｘのマップ情報を予め設定しておき、其のマップ情報で定められた期間について、二つの閾値を用いた上述特有の処理を機能させても良い。この期間Ｔｘの終了時刻を燃焼期間の開始時刻ｔｆとピーク時刻との間に設定することで、其の期間Ｔｘのデータについて解析を行い、燃焼期間の開始時刻ｔｆを正確に特定することが可能だからである。そして、燃焼期間を包含する期間を新たに設定し、其の期間について、適宜矩形波データを作成する。その後、双方の期間のデータを合成させることで、後段の処理に有益な第１の矩形波データＤｔ１を作成できる。

１０ 内燃機関制御システム， １１０ エンジン制御ユニット， Ｎｅ 回転数情報， Ｐｂ 吸気圧情報， １２０ 点火コイル， ＰＧ 点火プラグ， Ｉ１ 放電電流， Ｉ２ イオン電流， １３０ 内燃機関用イオン電流検出装置， １３１ 電流検出回路， １３２ 信号処理回路， ｔｈ１ 第１の閾値， ｔｈ２ 第２の閾値， Ｖｓｗ 指令信号， Ｓ１１ データサンプリング処理， Ｓ１２ 閾値設定処理， Ｓ１３ 第１矩形波形成処理， Ｓ１４ 第２矩形波形成処理， Ｓ１５ 排他的論理和演算処理， Ｓ１６ 波形開始時刻特定処理， Ｓ２６ 放電ノイズ除去処理， Ｓ４７ 波形終了時刻特定処理。

Claims (10)

1. 電流検出回路で検出された電流値に比例する電圧信号を情報処理することで当該電圧信号により示される電流波形のうちイオン電流波形に重畳されている燃焼解析情報を抽出する信号処理回路、を具備する内燃機関用イオン電流検出装置において、
   前記信号処理回路は、
   前記電圧信号の示す値を所定時間毎に電圧データへ変換させ前記電流波形の波形データを作成させるデータサンプリング処理と、
   互いに異なる第１の閾値及び第２の閾値を前記波形データに対して設定させる閾値設定処理と、
   前記第１の閾値に基づいて前記波形データを二値化させ第１の矩形波データを作成させる第１矩形波形成処理と、
   前記第２の閾値に基づいて前記波形データを二値化させ第２の矩形波データを作成させる第２矩形波形成処理と、
   前記第１の矩形波データと前記第２の矩形波データとの排他的論理和を演算させ第３の矩形波データを作成させる排他的論理和演算処理と、
   を機能させることを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。
2. 前記信号処理回路は、更に、前記第３の矩形波データの先頭エッジ情報に基づいて当該矩形波データの開始時刻を特定させる処理、を機能させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
3. 前記信号処理回路は、更に、前記第３の矩形波データに対して、微小のパルス幅をキャンセルさせ第４の矩形波データを作成させる放電ノイズ波形除去処理、を機能させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
4. 前記信号処理回路は、更に、前記第４の矩形波データの先頭エッジ情報に基づいて当該矩形波データの開始時刻を特定させる処理、を機能させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
5. 前記電圧信号は、前記電流検出回路で検出された電流値に比例する信号であって、当該電流値が検出されていないとき高位の電圧値を示し、当該電流値の大きさに応じてグランド側の電位に変位することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
6. 前記信号処理回路は、前記波形データの一部期間のデータについて前記排他的論理和演算処理を機能させることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
7. 前記一部期間は、前記電流波形のうち放電電流波形の発生期間に対応して設定されることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
8. 前記信号処理回路は、更に、前記第３の矩形波データの先頭エッジ情報に基づいて当該矩形波データの開始時刻を特定させる処理と、前記第１の矩形波データ又は前記第３の矩形波データの後尾エッジ情報に基づいて当該矩形波データの終了時刻を特定させる処理と、前記開始時刻の情報及び前記終了時刻の情報に基づいて第５の矩形波データを作成させる処理と、を機能させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
9. 前記信号処理回路は、更に、前記第４の矩形波データの先頭エッジ情報に基づいて当該矩形波データの開始時刻を特定させる処理と、前記第１の矩形波データ又は前記第４の矩形波データの後尾エッジ情報に基づいて当該矩形波データの終了時刻を特定させる処理と、前記開始時刻の情報及び前記終了時刻の情報に基づいて第５の矩形波データを作成させる処理と、を機能させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
10. 点火タイミングを規定する内燃機関制御装置と、前記点火タイミングに応じて高電圧を発生させる点火コイルと、請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置と、を備えることを特徴とする内燃機関制御システム。

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