JP6342026B1 - 内燃機関の燃焼状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の広い運転領域で燃焼の有無を、イオン電流によって精度良く検出することを目的とする燃焼状態検出装置を提供する。【解決手段】点火プラグに前記火花放電が発生しているとき、一次巻線を短絡して一次巻線を含む環流経路を形成する環流装置と、環流経路を流れる環流電流を制御する環流電流制御装置とを備え、イオン電流検出装置により検出されたイオン電流に基づいて、可燃混合気の燃焼状態を検出するように構成される。【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関の燃焼状態検出装置に係わり、より詳しくは、内燃機関の広い運転領域で燃焼の有無を精度良く検出できるようにした内燃機関の燃焼状態検出装置に関するものである。

内燃機関の運転に於いて、内燃機関の燃焼室内の燃焼に伴って燃焼室内の混合ガスの分子が電離（イオン化）し、電離状態にある燃焼室内に点火プラグを通じて電圧を印加すると発生する微小な電流が流れる。この微小な電流をイオン電流と称する。火花点火式の内燃機関に於いて、点火プラグを用いて点火した後に燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流の大きさやイオン電流が発生している時間等から、ノッキングやプリイグニッション、燃焼限界等の内燃機関の運転状態を検出し、その検出結果に基づいて点火時期を調整し、或いは燃料噴射量を補正することは、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、前述のように点火プラグをイオン電流検出プローブとして用いる場合、点火装置による点火プラグでの火花放電期間中は火花放電の電流によりイオン電流を用いた燃焼状態の検出ができない。更に、内燃機関の運転条件が高回転高負荷である等の気筒内の燃焼速度が早い場合には、点火時刻から燃焼によるイオン発生終了までの期間が短くなるため、特許文献２にも示されているように、気筒内の燃焼速度が速い場合には燃焼によるイオン発生期間の多くが火花放電期間内に隠れてしまい、イオン電流情報による燃焼状態の検出が困難となるという課題を有している。

この場合、電流遮断型点火装置の一次巻線を短絡させる等によって電流遮断型の点火装置の火花放電を放電途中で強制的に遮断し、運転条件に合わせて火花放電時間を短く調整するとよいとされる。従来から電流遮断型点火装置の火花放電途中で放電遮断する放電停止装置の提案がなされている（例えば、特許文献３参照）。このように運転条件に合わせて火花放電時間を短く調整すると、通常の点火では火花放電に隠れていたイオン電流を検出できるようになる。

特開２００９−２７５６２５号公報 特開２００６‐７７７６２号公報 特開２００１‐１２３３８号公報

前述のように、従来、電流遮断型点火装置の火花放電の途中で放電遮断する放電停止装置の提案がなされており、特許文献３に開示された点火装置では、点火エネルギ制御用のサイリスタを点火巻線の一次巻線に対して並列に接続し、点火動作時に点火巻線の一次巻線に誘起する電圧がサイリスタのアノードとカソードとの間に順方向に印加されるようにし、点火時期に点火巻線の一次電流を遮断した後、適当なタイミングで前述のサイリスタをオン状態にして点火巻線の一次巻線を短絡することにより、点火出力を減衰させて火花放電を停止させている。

このような従来の放電停止装置に於いては、点火巻線の一次巻線に電流を流し、点火巻
線の鉄心内に残されている磁束に対応する磁界を発生させ放電を停止し、その後に一次巻線の電流を徐々に減らしていくことで、再放電させることなく内燃機関の次の点火サイクルが始まるまでに放電停止プロセスを終了するようにしているが、点火の間隔が短い内燃機関の高回転運転条件では、放電停止プロセスを終了するためには一次巻線を流れる電流を早く減少させる必要がある。しかるに、一次巻線に流れる電流を早く減少させると、二次巻線側では点火用高電圧と同極性の電圧が発生し点火プラグに印加される。このときの電圧は数百[Ｖ]程度であり放電維持電圧には満たないが、放電停止中の点火プラグに印可されることになる。

しかしながら、放電停止中に発生される点火用高電圧と同極性の電圧は、イオン電流検出装置によるイオン電流の検出に悪影響を及ぼし、イオン電流検出装置のイオン電流検出性が低下し、若しくはイオン電流の検出が不可能となることがある。そのため前述のような放電停止装置を備えた点火装置にイオン電流検出装置を単純に適用することは困難であると言う課題が存在する。

この発明は、従来の装置に於ける前述のような課題を解消するためになされたものであり、イオン電流の検出による燃焼状態の把握を、内燃機関の幅広い運転領域で精度よく行なうことができる内燃機関の燃焼状態検出装置を提供することを目的とする。

この発明による内燃機関の燃焼状態検出装置は、
一次巻線と、前記一次巻線に磁気結合する二次巻線と、を含む点火巻線と、
前記一次巻線へ電流を供給する電源装置と、
前記一次巻線と前記電源装置との間に配置され、前記電流の通電及び遮断を制御するスイッチと、
内燃機関に設けられた点火プラグにより発生された火花放電により、前記内燃機関の燃焼室内の可燃混合気が点火されて燃焼により前記燃焼室内に生ずるイオンをイオン電流として検出するイオン電流検出装置と、
を備え、
前記点火巻線は、
前記スイッチが導通状態にあるとき、前記電源装置から前記一次巻線に電流が供給され、前記内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を燃焼させるための火花放電を前記内燃機関の点火プラグに発生させるエネルギを蓄積し、
前記エネルギが蓄積されている状態で前記スイッチが遮断状態になったとき、前記一次巻線に流れる電流が遮断され、前記点火プラグに前記火花放電を発生させる電圧を前記二次巻線に発生させる、
ように構成され、
前記イオン電流検出装置により検出されたイオン電流に基づいて、前記可燃混合気の燃焼状態を検出するように構成された内燃機関の燃焼状態検出装置であって、
前記点火プラグに前記火花放電が発生しているとき、前記一次巻線を短絡して前記一次巻線を含む環流経路を形成するように構成された環流装置と、
前記環流経路を流れる環流電流を制御するように構成された環流電流制御装置と、
を備え、
前記環流電流制御装置は、
所定の期間に於いて、電流の変化量を減少させ若しくは実質的に一定の電流値となるように前記環流電流を制御する、
ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。

この発明による燃焼状態検出装置によれば、点火プラグに火花放電が発生しているとき、一次巻線を短絡して前記一次巻線を含む環流経路を形成するように構成された環流装置と、
前記環流経路を流れる環流電流を制御するように構成された環流電流制御装置を備えているので、環流装置により火花放電を停止させ、その火花放電の停止中に、前記環流電流制御装置により一次巻線に流れる電流値の変化量を減少させ若しくは実質的に一定の電流
値となるように環流電流を制御することで、イオン電流の検出による燃焼状態の把握を、内燃機関の幅広い運転領域で精度よく行なうことができる。

この発明の基礎となる内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の基礎となる内燃機関の燃焼状態検出装置に、通常の放電停止装置を組込んだ場合の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の燃焼状態検出装置の基本構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の燃焼状態検出装置に於ける、電子制御装置が実行する処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２による内燃機関の燃焼状態検出装置の基本構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態２による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態３、及び実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置の基本構成例である。 この発明の実施の形態３による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態３による内燃機関の燃焼状態検出装置に於ける、電子制御装置が実行する処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作タイミングチャートである。 この発明の実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置に於ける、電子制御装置が実行する処理を示すフローチャートである。

発明の基礎となる技術
先ず、この発明の基礎となる技術について説明する。図１は、この発明の基礎となる内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を示すタイミングチャートであって、Ａは点火信号の波形、Ｂは点火巻線の一次電流Ｉ１の波形、Ｃは点火プラグの中心電極電の電位Ｖｐの波形、Ｄは点火巻線の二次電流Ｉ２の波形、Ｅはイオン電流Ｉｉｏｎの波形、をそれぞれ示している。

図１に於いて、時刻ｔ１１にて、点火信号が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに変化すると、点火巻線の一次電流Ｉ１が「０」から漸次増大する。点火プラグの中心電極の電位Ｖｐは、点火信号が「Ｈｉ」レベルになった時刻ｔ１１でイオン検出用バイアス電圧以上に立ち上がった後、漸次低下する。時刻ｔ１２に於いて点火信号が「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに変化すると、点火巻線の一次巻線に流れる一次電流Ｉ１が遮断され、点火巻線の二次巻線に高電圧が発生し、点火巻線の二次巻線に接続された点火プラグの中心電極に逆極性の火花放電電圧が印加される。

これにより点火プラグの電極間に火花放電が発生し、点火巻線の二次電流Ｉ２は、時刻ｔ１２に於いて瞬時に立ち上がり、以降、漸次減少して時刻ｔ１３に於いて「０」となる。又、点火プラグの中心電極の電位Ｖｐは、時刻ｔ１２に於いて火花放電電圧に達した後、漸次低下して時刻ｔ１３に於いて点火プラグの電極間に印加されているイオン検出用バイアス電圧に戻る。周知のように、現在主流のイオン電流を検出するためのイオン電流検出装置としては、点火プラグによる火花放電の発生時に発生する火花放電電流としての二次電流Ｉ２によりコンデンサを一定電圧に充電し、火花放電後にこのコンデンサを放電することで、点火プラグの電極間に点火用高電圧とは逆極性のイオン検出用バイアス電圧（百〜数百［Ｖ］程度）を印加し、このときに流れるイオン電流を検出するように構成されている。

点火プラグの電極間の火花放電が発生することにより内燃機関の燃焼室内にイオンが発生し、前述のイオン電流検出用のバイアス電圧に基づいてイオン電流が点火プラグの電極間を介して流れる。イオン電流は、時刻ｔ１２に於ける火花放電の発生後、破線で示す波形で示されるように流れるが、点火プラグをイオン電流検出プローブとして用いる場合、点火プラグでの火花放電期間中は、イオン電流が火花放電による放電電流に隠れてしまうのでイオン電流を検出することができず、イオン電流を用いた燃焼状態の検出ができないこととなる。

更に、内燃機関の運転条件が高回転高負荷であるなど気筒内の燃焼速度が早い場合には、点火時刻から燃焼によるイオン発生終了までの期間（時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの区間）が短くなるため、特許文献２に示されているように、燃焼によるイオン発生期間の多くが火花放電期間内に隠れてしまい、イオン電流情報による燃焼状態の検出が困難となる。

そこで、特許文献３に開示されているように、電流遮断型点火装置を採用し、点火巻線の一次巻線を短絡させることで電流遮断型の点火装置の火花放電を放電途中で強制的に遮断し、内燃機関の運転条件に合わせて火花放電時間を短く調整する技術が提案されている。この場合、内燃機関の運転条件に合わせて火花放電時間を短く調整することにより、火花放電による放電電流の消滅後にイオン電流が流れることとなり、火花放電による放電電流にイオン電流が隠れることがなくなり、イオン電流を検出することができる。

図２は、この発明の基礎となる内燃機関の燃焼状態検出装置に通常の放電停止装置を組込んだ場合の動作を示すタイミングチャートである。図２に於いて、Ａは点火信号の波形、Ｂは点火巻線の一次側短絡信号の波形、Ｃは点火巻線の一次電流Ｉ１の波形、Ｄは点火プラグの中心電極の電位Ｖｐの波形、Ｅは点火巻線の二次電流Ｉ２の波形、Ｆはイオン電流Ｉｉｏｎの波形、をそれぞれ示している。

図２に於いて、時刻ｔ２１にて、点火信号が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに変化すると、点火巻線の一次電流Ｉ１が「０」から漸次増大する。点火プラグの中心電極の電位Ｖｐは、点火信号が「Ｈｉ」レベルになった時刻ｔ２１でイオン検出用バイアス電圧以上に立ち上がった後、漸次低下する。時刻ｔ２２に於いて点火信号が「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに変化すると、点火巻線の一次巻線に流れる一次電流Ｉ１が遮断され、点火巻線の二次巻線に高電圧が発生し、点火巻線の二次巻線に接続された点火プラグの中心電極に逆極性の火花放電電圧が印加される。

これにより点火プラグの電極間に火花放電が発生し、点火巻線の二次電流Ｉ２は、時刻ｔ２２に於いて瞬時に立ち上がり、時刻ｔ２３に至るまで漸次減少する。放電停止装置を備えた電流遮断型点火装置の場合、点火動作時に点火巻線の一次巻線に誘起する電圧がアノードカソード間に順方向に印加される向きの点火エネルギ制御用のサイリスタを備えており、このサイリスタが点火巻線の一次巻線に対して並列に接続されている。内燃機関の点火時点である時刻ｔ２２に於いて点火巻線の一次電流Ｉ１を遮断した後、適当なタイミングである時刻ｔ２３に於いて点火巻線の一次巻線を短絡するための一次側短絡信号が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに変化する。これにより、点火エネルギ制御用のサイリスタは、時刻ｔ２３に於いてオン状態となり、点火巻線の一次巻線を短絡し、点火出力を減衰させて、火花放電を停止させる。

このような放電停止装置を備えた電流遮断型点火装置に於いては、一次電流Ｉ１を遮断した後、適当なタイミングである時刻ｔ２３に於いて一次巻線に電流を流し、点火巻線の鉄心内に残されている磁束に対応する磁界を発生させて火花放電を停止し、その後に一次巻線の電流を徐々に減少させていくことで、再放電させることなく内燃機関の次の点火サイクルが始まるまでに放電停止プロセスを終了させる。

点火の間隔が短い高回転運転条件に対応するには、一次巻線を流れる一次電流Ｉ１を早く減少させる必要があるが、この電流減少により二次巻線側では点火用高電圧と同極性の電圧が発生し、点火プラグに印加される。点火プラグでの火花放電が停止していることから明らかなようにこの電圧は放電維持電圧に満たないが、放電停止中に数百［Ｖ］程度の電圧が発生していることになる。

しかしながら、二次巻線に発生する点火用高電圧と同極性の電圧は、イオン電流検出を行う際には悪影響を及ぼす。何故ならば、通常のイオン電流を検出するためのイオン電流検出装置は、前述のように点火プラグによる火花放電の発生時に発生する火花放電電流としての二次電流Ｉ２によりコンデンサを一定電圧に充電し、火花放電後にこのコンデンサを放電することで、点火プラグの電極間に点火用高電圧とは逆極性のイオン検出用バイアス電圧（百〜数百［Ｖ］程度）を印加し、このときに流れるイオン電流を検出するものであり、このため、図２のｔ２４からｔ２５の期間に示すように、放電停止中に発生する点火用高電圧と同極性の電圧は、このイオン検出用バイアス電圧が点火プラグに印加されるのを阻害し、イオン電流検出能力を低下させ、又はイオン電流の検出を不可能にさせてしまうからである。

そこで、放電停止により二次巻線に発生する点火用高電圧と同極性の電圧数百［Ｖ］の電圧の影響に打ち勝つイオン検出用バイアス電圧を発生させるようにコンデンサを火花放電電流によってコンデンサを充電する対応策が考えられるが、その場合には点火巻線のエネルギが低下し燃焼が悪化する運転領域での点火性能を悪化させるだけでなく、イオン電流検出装置の耐久信頼性の観点からも現実的ではない。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による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による内燃機関の燃焼状態検出装置の基本構成を示す構成図である。この発明の実施の形態１では、単気筒の内燃機関について説明を行うが、この発明による内燃機関の燃焼状態検出装置は、複数気筒を備える内燃機関についても適用できる。その場合、同様な基本構成のイオン電流検出装置を気筒毎に備えるようにしてもよいし、環流電流制御装置等の燃焼状態検出装置の一部構成要素を複数気筒で共有するようにしてもよい。

図３於いて、この発明の実施の形態１による内燃機関の燃焼状態検出装置は、イオン電流を検出するイオン電流検出回路１１と、定電圧を出力する電源装置１２と、内燃機関の気筒に設けられ、中心電極である第１の電極１３ａとこの第１の電極に対して所定の間隙を介して対向する第２の電極１３ｂを備えた点火プラグ１３と、一次巻線Ｌ１とこの一次巻線Ｌ１と鉄芯を介して磁気結合し点火用高電圧を発生する二次巻線Ｌ２とを有する点火巻線１４と、一次巻線Ｌ１に並列接続され、この一次巻線Ｌ１の両端を短絡する環流装置を構成するためのダイオード１５と、二次巻線Ｌ２の低圧側に接続された逆流防止用ダイオード１６と、二次巻線Ｌ２と逆流防止用ダイオード１６の間に挿入されたツェナーダイオード１７と、ツェナーダイオード１７に並列接続されたコンデンサ２０と、例えばトランジスタにより構成され電源用スイッチとなる第１のスイッチＳＷ１と、一次巻線Ｌ１と
直列接続された点火制御のための第２のスイッチＳＷ２と、環流電流制御装置２１と、電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）２２とを備えている。

前述の環流電流制御装置２１は、一端が一次巻線Ｌ１と第１のスイッチＳＷ１との接続部に接続された抵抗素子１８と、抵抗素子１８と並列接続された第３のスイッチＳＷ３とにより構成されている。環流電流制御装置２１は、前述の環流装置を構成するダイオード１５に直列に接続されている。ＥＣＵ２２は、第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１と、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２と、第３のスイッチＳＷ３への駆動信号Ｓ３とを出力する。

この実施の形態１では、一次巻線Ｌ１を短絡して一次巻線Ｌ１を含む環流経路を形成する環流装置は、ダイオード１５と点火制御のための第２のスイッチＳＷ２により構成されているが、一次巻線Ｌ１を短絡できれば任意の手段でよく、例えばサイリスタやトランジスタ等の任意のスイッチング素子を用いて一次巻線Ｌ１を短絡する構成としてもよい。

又、環流電流制御装置２１は、第３のスイッチＳＷ３と並列接続された、環流経路の抵抗値を調整する抵抗素子１８により構成されているが、これは説明のための最も簡素な構成である。ここで環流電流制御装置２１は、一次巻線Ｌ１の電流値を制御可能であれば任意の構成でよい。例えば、抵抗素子とスイッチング素子のセットを多数組み合わせることや可変抵抗等を用いて細かに環流経路の抵抗値を変更し電流制御できる構成でもよいし、スイッチング素子や電源等を用いた任意の定電流回路による電流制御の構成でもよい。

ＥＣＵ２２からの第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２、及び第３のスイッチＳＷ３への駆動信号Ｓ３が「Ｈｉ」レベルの場合に、対応するスイッチはオン状態となって通電可能となり、ＥＣＵ２２からの第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２、及び第３のスイッチＳＷ３への駆動信号Ｓ３が「Ｌｏｗ」レベルの場合に、対応するスイッチはオフ状態となり電流は遮断される。ここで、第１のスイッチＳＷ１、第２のスイッチＳＷ２、及び第３のスイッチＳＷ３は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor : IGBT）やトランジスタ等の任意のスイッチング手段を用いることができる。

従って、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとが対向する間隙に火花放電を発生させる場合、火花放電のための通電スイッチである第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えた後、第２スイッチへの駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への通電が開始され、火花放電の為の通電を十分に行った後、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで点火巻線１４の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が発生し、この電圧が点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に印加されることで、点火プラグ１３の第１の電極１３ａ−と第２の電極１３ｂとの間に間隙に火花放電が発生する。

次に、第１のスイッチＳＷ１の駆動信号Ｓ１が「Ｌｏｗ」レベルであり、第２のスイッチＳＷ２の駆動信号Ｓ２が「Ｈｉ」レベルであり、第３のスイッチＳＷ３の駆動信号Ｓ３が「Ｈｉ」レベルである場合には、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端がダイオード１５により短絡されて、一次巻線Ｌ１とダイオード１５による閉回路、つまり環流経路が形成される。このとき、ダイオード１５により、一次巻線Ｌ１に流れる環流電流は、火花放電のための通電のときに流れる方向と同じ方向にのみ流れることが許容される。ここで、ダイオード１５は、一次巻線Ｌ１と短絡し、一次巻線Ｌ１を含む環流装置を構成する。

次に、この第３のスイッチＳＷ３の駆動信号Ｓ３を「Ｌｏｗ」レベルにすることで、抵抗素子１８を介して環流電流が流れるようになり、一次巻線Ｌ１の短絡経路の抵抗値が増大する。

図４は、この発明の実施の形態１による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を示すタイミングチャートであって、Ａは駆動信号Ｓ１の波形、Ｂは駆動信号Ｓ２の波形、Ｃは駆動信号Ｓ３の波形、Ｄは一次電流Ｉ１の波形、Ｅは点火プラグの中心電極の電位Ｖｐの波形、Ｆは点火巻線の二次電流Ｉ２の波形、Ｇはイオン電流Ｉｉｏｎの波形、をそれぞれ示している。

図４の時刻ｔ３０に於いて、第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えた後、時刻ｔ３１に於いて第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に一次電流Ｉ１を流す。その後、予め設定された通電時間が経過した時刻ｔ３２にて、駆動信号Ｓ１、及び駆動信号Ｓ２をそれぞれ「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への一次電流Ｉ１を遮断すると、点火プラグ１３の中心電極である第１の電極１３ａに負の点火用高電圧が印加されて、中心電極の電位Ｖｐが急峻に低下し、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間の間隙に火花放電が発生する。

点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間の間隙に火花放電が発生してから、時刻ｔ３３にて第３のスイッチＳＷ３への駆動信号Ｓ３を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えた後、内燃機関の運転状態に基づいて算出された火花放電持続時間が経過した時刻ｔ３４にて、再び第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替える。

これにより、一次巻線Ｌ１に一次電流Ｉ１が再び流れはじめ、時刻ｔ３５にて点火巻線１４の鉄芯に残されている磁束に対応する磁界を発生する電流値にまで再通電の一次電流Ｉ１が達すると、火花放電時に二次巻線Ｌ２に発生していた点火用高電圧とは逆極性の電圧が二次巻線Ｌ２に誘導され、第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間の電圧が放電維持電圧を下回り、点火プラグ１３での火花放電が強制的に遮断される。

時刻ｔ３４に於いて第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、第３のスイッチＳＷ３への駆動信号Ｓ３の「Ｈｉ」レベルを維持することにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１とダイオード１５とからなる環流経路としての閉回路が形成され、閉回路に電流が流れ始める。点火巻線１４に残されていた磁束が一次巻線Ｌ１とダイオード１５により形成される閉回路により消費されていくが、これは抵抗成分の小さい閉回路による環流であり点火巻線１４内の磁束消費速度が遅いため、一次巻線Ｌ１を通る電流値変化が小さくなり、放電停止中に二次巻線Ｌ２側で発生する電圧レベルが低く抑えられる。これにより、点火プラグ１３に印加されるイオン検出用バイアス電圧への影響が小さくなる。

時刻ｔ３５から時刻ｔ３６までの期間がイオン電流検出期間である。イオン電流検出期間が終了する時刻ｔ３６に於いて、第３のスイッチＳＷ３への駆動信号Ｓ３を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１とダイオード１５により形成される閉回路に抵抗素子１８が挿入されることになり、環流経路の抵抗成分が上昇する。これにより点火巻線１４内の磁束消費速度を早くすることができ、無駄な巻線発熱と放電停止サイクルの長期化を抑制することができる。

一次巻線Ｌ１を流れる電流値変化が大きくなるため放電停止中に二次巻線Ｌ２側で発生
する電圧レベルが高くなるが、このとき発生する電圧（数百［Ｖ］程度）に比べて再絶縁破壊電圧は圧倒的に高電圧（数［ｋＶ］から数十［ｋＶ］）であるため点火プラグ電極間での再度の火花放電は発生しない。例えば、再絶縁破壊することなく磁束消費速度を早くするには閉回路の抵抗成分を０．１［Ω］から１０［Ω］程度に調整するとよい。

又、時刻ｔ３６は任意に決定可能であるが、点火巻線１４の発熱を最小限に抑制するには、内燃機関の運転状態に合わせて逐次算出、又はマップを作成し、或いはイオン電流検出回路１１によるイオン電流検出の結果により算出すればよい。例えば、内燃機関の運転状態やマップにより予め設定したイオン電流検出期間終了時刻までに、イオン電流による気筒内の燃焼状態判断が完了された場合は、その判断完了時刻をもって時刻ｔ３６とすればよい。

時刻ｔ３７に於いて、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１とダイオード１５により形成される閉回路が解放され、内燃機関の１燃焼サイクルに於ける放電停止動作が終了する。

このように、イオン電流検出期間である時刻ｔ３５から時刻ｔ３６までの期間で、一次巻線Ｌ１に流れる電流の変化が小さくなるように制御されることで、二次巻線Ｌ２側で発生する電圧レベルが低く抑えられる。これにより、点火プラグ１３に印加されるイオン電流検出用のバイアス電圧への影響が低く抑えられ、バイアス電圧発生用のコンデンサ充電電圧を大きく上げることなく、イオン電流検出用のバイアス電圧を点火プラグ１３に安定して印加することが可能となる。そのため、放電停止中もイオン電流検出性が低下またはイオン電流検出不可能とならずに燃焼状態を精度よく検出できる。

更に、放電停止中の一次巻線Ｌ１に流れる電流値の変化が小さくなるように、若しくは電流値が一定になるように制御する期間をイオン電流検出期間のみとすることで、一次巻線Ｌ１の無駄な発熱を抑制することや、放電停止の１サイクルに要する期間の長期化を最小限に抑えることができ、機関の高回転時にも対応できる。例えば、上記の期間を、火花放電遮断完了時刻（たとえばＢＴＤＣ１０°）から排気工程に入るまでのＡＴＤＣ９０°の期間内にすることができる。

図５は、この発明の実施の形態１による内燃機関の燃焼状態検出装置に於ける、電子制御装置が実行する処理を示すフローチャートである。ＥＣＵ２２は、内燃機関の火花放電発生時期、燃料噴射量、アイドル回転数等を総合的に制御するためのものであり、以下に説明する点火制御処理のために、別途、内燃機関の吸入空気量（吸気管圧力）、回転速度、スロットル開度、冷却水温、吸気温等、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理を行っている。

図５に於いて、先ず、ステップ（以下、ＳＴと称する）００に於いて、運転状態の読み込みを開始し、ＳＴ０１では読み込んだ運転状態を基に火花放電発生時刻と火花放電維持時間とを設定する。

次に、ＳＴ０２にて火花放電発生時刻と火花放電維持時間と機関運転状態を基に、点火プラグ１３の火花放電の為の一次巻線Ｌ１の初期通電期間（駆動信号Ｓ１の「Ｈｉ」レベル期間）と、一次巻線Ｌ１の両端を短絡し環流経路を形成して一次巻線Ｌ１に於ける一次電流の環流期間（駆動信号Ｓ２の「Ｈｉ」レベル期間）と、イオン電流検出期間（駆動信号Ｓ３の「Ｈｉ」レベル期間）と、を設定する。なお、各駆動信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の初期値は「Ｌｏｗ」レベルである。

ＳＴ０３では、設定された一次電流の初期通電期間に基づき初期通電期間開始時期に達
したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は、ＳＴ０３を繰り返して待機する。初期通電期間開始時期に達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ０４に移行する。

ＳＴ０４で駆動信号Ｓ１が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられ、ＳＴ０５にて駆動信号Ｓ２が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられる。これにより点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に通電が開始される。

次に、ＳＴ０６にて点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への初期通電期間が事前に設定した時間に達したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は同ステップを繰り返し待機する。設定した時間に達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ０７に移行する。

ＳＴ０７にて、駆動信号Ｓ１及び駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替える。これにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に流れていた一次電流Ｉ１が遮断され、点火巻線１４の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が発生し、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生する。

ＳＴ０７での火花放電後、ＳＴ０８にて駆動信号Ｓ３を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端を短絡させて放電を停止すための準備をする。駆動信号Ｓ２が「Ｌｏｗ」レベルのため、このとき点で点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端が短絡することはない。

次に、ＳＴ０９では事前に設定された一次巻線環流期間の開始時期に達したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は同ステップを繰り返し待機し、肯定されると（Ｙｅｓ）ＳＴ１０に移行する。

ＳＴ１０にて駆動信号Ｓ２が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられ、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端が短絡されることで一次巻線Ｌ１に電流が流れはじめ、火花放電が強制的に遮断される。放電停止後は環流電流制御装置２１により一次巻線Ｌ１を流れる一次電流Ｉ１の電流変化が小さくなるように制御される。

ＳＴ１０にて火花放電が遮断された後、ＳＴ１１ではイオン電流検出回路１１によって検出されたイオン電流情報の読み込みを開始する。

次に、ＳＴ１２では事前に設定されたイオン電流検出期間の終了時刻に達したか否かを判断し、否定される（Ｎｏ）とＳＴ１３に移動し、肯定される（Ｙｅｓ）とＳＴ１４に移動する。

ＳＴ１３では、イオン電流検出情報に基づいてＥＣＵ２２による燃焼状態判断が完了したか判断する。否定される（Ｎｏ）と再びＳＴ１２に戻り、完了したと判断される（Ｙｅｓ）と、事前に設定されたイオン電流検出期間の終了時刻を待たずにＳＴ１４に移動する。

ＳＴ１４ではイオン電流検出情報の読み込みを終了し、ＳＴ１５で駆動信号Ｓ３が「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えられ、抵抗成分の大きな閉回路での環流により点火巻線内に残されている磁気エネルギが積極的に消費される。

次に、ＳＴ１６にて、事前に設定された一次巻線環流期間の終了時刻に達したか否かを判断し、否定される（Ｎｏ）と同ステップを繰りかえし、肯定される（Ｙｅｓ）とＳＴ１７に移動する。

ＳＴ１７では、駆動信号Ｓ２が「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えられ、一次巻線Ｌ１の短絡経路が解放され、ＥＣＵ２２に於いて実行されるイオン電流検出処理を終了する。このようにイオン電流検出期間のみで一次巻線Ｌ１に流れる電流値変化が小さくなるように若しくは電流値が一定になるように制御することで、一次巻線Ｌ１への余分な通電をできる限り短くし、点火巻線１４の無駄な発熱を抑制することができる。

尚、この実施の形態１では一次巻線環流期間の終了時刻を内燃機関の運転状態から事前に設定したが、センス抵抗等の任意の電流検出手段を用いて一次巻線Ｌ１の電流値を計測し、リアルタイムに一次巻線環流期間の終了時刻を決定するようにしてもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による内燃機関の燃焼状態検出装置について述べる。前述の実施の形態１では、一次巻線Ｌ１を短絡させる閉回路の抵抗値を調整することで一次巻線Ｌ１を通る電流変化を小さくするように制御していた。しかしながら、一次巻線Ｌ１の巻線抵抗やスイッチング素子のオン抵抗等の抵抗成分をゼロにすることはできず、鉄心内の磁束が徐々に消費され起電力が低下していくため、放電停止中の電流減少が少なからず起こる。従って、環流中に二次巻線Ｌ２側で発生する点火用高電圧と同極性の電圧発生を完全に無くすことはできない。そのため図４の中心電極電位のようにイオン検出期間中のイオン検出用バイアス電圧は少なからず低下することとなる。イオン検出用バイアス電圧が低下すると、内燃機関の高いＥＧＲ（排気ガス環流）率の条件やリーン燃焼条件等の燃焼によるイオン発生量が少ない条件でイオン電流検出レベルが下がり、燃焼状態の検出が困難になる可能性がある。

そのような場合、実施の形態１でも一部述べたように、環流電流制御装置はスイッチング素子や電源等を用いた任意の定電流回路による電流制御の構成によって、イオン電流検出期間の一次巻線Ｌ１を通る電流値が一定になるように電流制御するとよい。一次巻線Ｌ１の電流変化によって発生する二次巻線Ｌ２側の電圧変化は一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２の巻き数比等の点火巻線の特性によって決まるが、この電流変化を無くすことで二次巻線Ｌ２側が放電停止動作の影響を受けなくなる。よって、イオン電流検出用バイアス電圧が低下することなくプラグに印加し、より安定した高精度なイオン電流検出を行うことができる。

図６は、この発明の実施の形態２による内燃機関の燃焼状態検出装置の基本構成を示す構成図である。図６に示す実施の形態２は、定電流電源によって一次巻線を流れる電流が一定になるように積極的に制御するようにしたものであり、イオン電流検出性向上を図るための最も単純な例である。以下の説明では単気筒の内燃機関について説明を行うが、この発明による内燃機関の燃焼状態検出装置は、複数気筒を備える内燃機関についても適用できる。その場合、同様な基本構成のイオン電流検出装置を気筒毎に備えるようにしてもよいし、環流電流制御装置等の燃焼状態検出装置の一部構成要素を複数気筒で共有するようにしてもよい。

図６に於いて、この発明の実施の形態２による内燃機関の燃焼状態検出装置は、イオン電流を検出するイオン電流検出装置としてのイオン電流検出回路１１と、定電圧を出力する電源装置１２と、内燃機関の気筒に設けられた点火プラグ１３と、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とからなり点火用高電圧を発生する点火巻線１４と、一次巻線Ｌ１の両端を短絡する環流装置を構成するための一次巻線Ｌ１と並列接続されたダイオード１５と、二次巻線Ｌ２の低圧側に接続された逆流防止用ダイオード１６と、二次巻線Ｌ２と逆流防止用ダイオード１６の間に挿入されたツェナーダイオード１７と、ツェナーダイオード１７に並列接続されたコンデンサ２０と、電源用スイッチ（例えばトランジスタ）となる第１のスイッチＳＷ１と、一次巻線Ｌ１と直列接続された点火制御のための第２のスイッチＳＷ２
と、環流電流制御装置２１内の磁束消費素子としての抵抗素子１８と、定電流制限部２３を構成する抵抗素子１９と第４のスイッチＳＷ４と、電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）２２とを備えている。

前述の環流電流制御装置２１に於いて、抵抗素子１８は、一端が一次巻線Ｌ１と第１のスイッチＳＷ１との接続部に接続され、他端はダイオード１５に接続されている。抵抗素子１９は、一端が一次巻線Ｌ１と第１のスイッチＳＷ１との接続部に接続され、他端が第４のスイッチＳＷ４に接続されている。第４のスイッチＳＷ４は、抵抗素子１９と電源装置１２との間に接続されている。ＥＣＵ２２は、第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１と、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２と、第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４とを出力する。

この実施の形態２では、環流装置はダイオード１５と点火制御のための第２のスイッチＳＷ２により構成されているが、一次巻線Ｌ１を短絡できれば他の任意の手段でよく、例えばサイリスタやトランジスタ等の任意のスイッチング素子を用いて一次巻線Ｌ１を短絡する構成としてもよい。

説明のため、環流電流制御装置２１に於ける定電流制限部２３は、簡易とするために第４のスイッチＳＷ４と抵抗素子１９により構成しているが、これは説明のための最も単純な構成例であり、一次巻線Ｌ１を流れる電流を一定に制御できればよく、他の構成としてもよい。例えば、抵抗素子とスイッチング素子のセットを多数組み合わせることや、可変抵抗等を用いることや、トランジスタのベース電流を制御する等で、電流を精密に制御できるようにすることができる。又、磁束消費用の抵抗素子１８も可変抵抗等の任意の負荷素子を用いることができる。

ＥＣＵ２２からの第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２、及び第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４が「Ｈｉ」レベルの場合に、各スイッチはＯＮ状態となり、通電可能となる。ここで、各スイッチはＩＧＢＴやトランジスタ等の任意のスイッチング手段を用いることができる。

従って、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電を発生させる場合、火花放電のための通電スイッチである第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えた後、第２のスイッチへの駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることにより点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への通電が開始され、火花放電の為の通電を十分に行った後、第２のスイッチＳＷ２の駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで点火巻線１４の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が発生し、これが点火プラグ１３に印加されることで、点火プラグの第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生する。

次に、第１のスイッチＳＷ１の駆動信号Ｓ１が「Ｌｏｗ」レベルであり、第２のスイッチＳＷ２の駆動信号Ｓ２が「Ｈｉ」レベルであり、第４のスイッチＳＷ４の駆動信号Ｓ４が「Ｈｉ」レベルである場合には、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１と定電流制限部２３による閉回路が形成される。

次に、第１のスイッチＳＷ１の駆動信号Ｓ１が「Ｌｏｗ」レベルであり、第２のスイッチＳＷ２の駆動信号Ｓ２が「Ｈｉ」レベルであり、第４スイッチの駆動信号Ｓ４が「Ｌｏｗ」レベルである場合には、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端がダイオード１５により短絡されて、一次巻線Ｌ１とダイオード１５と抵抗素子１８による閉回路が形成される。このとき、ダイオード１５により、一次巻線Ｌ１に流れる電流は前述の火花放電の為の通電の時に流れる方向と同じ方向にのみ流れることが許容される。

図７は、この発明の実施の形態２による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を示すタイミングチャートであって、Ａは駆動信号Ｓ１の波形、Ｂは駆動信号Ｓ２の波形、Ｃは駆動信号Ｓ４の波形、Ｄは一次電流Ｉ１の波形、Ｅは点火プラグの中心電極の電位Ｖｐの波形、Ｆは点火巻線の二次電流Ｉ２の波形、Ｇはイオン電流Ｉｉｏｎの波形、をそれぞれ示している。

図７に於いて、時刻ｔ４０に於いて、第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えた後、時刻ｔ４１に於いて第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に一次電流Ｉ１を流す。その後、予め設定された通電時間が経過した時刻ｔ４２にて、駆動信号Ｓ１、Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への一次電流Ｉ１を遮断すると、点火プラグ１３の中心電極としての第１の電極１３ａに負の点火用高電圧が印加されて、その電位Ｖｐが急峻に低下し、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生する。

そして、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生し、時刻ｔ４３にて第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替える。その後、内燃機関の運転状態に基づいて算出された火花放電持続時間が経過した時刻ｔ４４にて再び第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることで、定電流制限部２３を介して一次巻線Ｌ１に電流が再び流れはじめる。

そして、時刻ｔ４５にて、点火巻線１４の鉄芯に残されている磁束に対応する磁界を発生する電流値にまで再通電の一次電流Ｉ１が達すると、火花放電時に二次巻線Ｌ２に発生していた点火用高電圧とは逆極性の電圧が二次巻線Ｌ２に誘導され、第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間の電圧が放電維持電圧を下回ると、点火プラグ１３での火花放電が強制的に遮断される。ここで、定電流制限部２３を構成する抵抗素子１９の抵抗値は、放電停止に要する電流に過不足の無い電流値で一定電流になるように調整されている。

時刻ｔ４５に於いて点火巻線１４の一次巻線Ｌ１側に定電流制限部２３と電源装置１２とによる閉回路が形成され、この閉回路に一定の一次電流Ｉ１が流れ始める。放電停止中の電流変化が無くなるため放電停止による二次巻線Ｌ２側での電圧が発生せず、イオン検出用バイアス電圧は放電停止の影響を受けずにコンデンサ２０からの安定した電圧が点火プラグ電極に印加されることとなる。

イオン電流検出期間である時刻ｔ４５から時刻ｔ４６までの期間が終了する時刻ｔ４６に於いて、第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１側と定電流制限部２３とにより形成される閉回路が解放される。

その後、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端がダイオード１５により短絡されて、一次巻線Ｌ１とダイオード１５と抵抗素子１８による抵抗成分の大きな閉回路が形成される。これにより点火巻線１４内の磁束消費速度を早くすることができ、無駄な点火巻線１４の発熱と放電停止サイクルの長期化を抑制することができる。一次巻線Ｌ１を流れる電流値の変化が大きくなるため、放電停止中に二次巻線Ｌ２側に発生する電圧レベルが高くなるが、このとき発生する電圧（数百[Ｖ]程度）に比べて再絶縁破壊電圧は圧倒的に高電圧（数［ｋＶ］から数十［ｋＶ］）であるため、点火プラグ１３の電極間での再度の火花放電は発生しない。例えば、再絶縁破壊することなく磁束消費速度を早くするには、閉回路の抵抗成分を０．１［Ω］から１０［Ω］程度に調整すればよい。

又、時刻ｔ４６は任意に決定可能であるが、点火巻線１４の発熱を最小限に抑制するには、内燃機関の運転状態に合わせて逐次算出又はマップを作成し、或いはイオン電流検出結果により算出すればよい。例えば、内燃機関の運転状態やマップにより予め設定したイオン電流検出期間の終了時刻までに、イオン電流による内燃機関の気筒内の燃焼状態判断が完了された場合は、その判断完了時刻をもって時刻ｔ４６とすればよい。

時刻ｔ４７に於いて、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１とダイオード１５と抵抗素子１８により形成される閉回路が解放され、内燃機関の１燃焼サイクルに於ける放電停止動作が終了する。この実施の形態２では環流電流制御装置２１の電源と、点火プラグ１３で火花放電させるための一次電流を通電させる電源とを電源装置１２により共用したが、共用せず別電源としてもよい。

このように、イオン電流検出期間としての時刻ｔ４５から時刻ｔ４６までの期間で一次巻線Ｌ１に流れる電流の電流変化が無くなるため、二次巻線Ｌ２側での電圧が発生せず、イオン検出用バイアス電圧は放電停止の影響を受けない。従って、従来のイオン電流検出装置と同様にコンデンサからの安定したイオン検出用バイアス電圧が点火プラグ電極に印加されることとなる。このように、放電停止に発生する点火用高電圧と同極性の電圧に打ち勝つためにバイアス電圧発生用のコンデンサの充電電圧を数百［Ｖ］程度上昇させる必要はなくなるので、放電停止中も従来通りのコンデンサ充電電圧での安定した高精度なイオン電流検出が可能となる。

更に、放電停止中の一次巻線Ｌ１を流れる電流を一定値に制御する期間をイオン電流検出期間のみとすることで、一次巻線Ｌ１の無駄な発熱を抑制することや、放電停止の１サイクルに要する期間の長期化を最小限に抑えることができ、内燃機関の高回転時にも対応することができる。

実施の形態３．
次にこの発明の実施の形態３による内燃機関の燃焼状態検出装置について述べる。この発明の実施の形態３では、前述の実施の形態２では詳しく示されていなかった環流電流制限値の決定の仕方を具体的に示すものである。図８は、この発明の実施の形態３、及び後述する実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置の基本構成例である。尚、この実施の形態３では、単気筒の内燃機関について説明を行うが、この発明は複数気筒を備える内燃機関についても適用できる。その場合、同様な基本構成のイオン電流検出装置を気筒数分備えてもよいし、環流電流制御装置等の燃焼状態検出装置の一部構成要素を複数気筒で共有してもよい。

図８に於いて、この実施の形態３による内燃機関の燃焼状態検出装置は、イオン電流を検出するイオン電流検出装置としてのイオン電流検出回路１１と、定電圧を出力する電源装置１２と、内燃機関の気筒に設けられた点火プラグ１３と、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とからなり点火用高電圧を発生する点火巻線１４と、一次巻線Ｌ１の両端を短絡する環流装置を構成するための一次巻線Ｌ１と並列接続されたダイオード１５と、二次巻線Ｌ２の低圧側に接続された逆流防止用ダイオード１６と、二次巻線Ｌ２と逆流防止用ダイオード１６の間に挿入されたツェナーダイオード１７と、ツェナーダイオード１７に並列接続されたコンデンサ２０と、電源用スイッチ（例えばトランジスタ）となる第１のスイッチＳＷ１と、一次巻線Ｌ１と直列接続された点火制御のための第２のスイッチＳＷ２と、環流電流制御装置２１内の磁束消費素子の抵抗素子１８と、電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）２２と、環流電流の電流値を計測しＥＣＵ２２へ入力する電流検出装置２５を構
成する電流検出抵抗２６と差動増幅器２７と、を備えている。

前述の環流電流制御装置２１に於いて、抵抗素子１８は、一端が一次巻線Ｌ１と第１のスイッチＳＷ１との接続部に接続され、他端はダイオード１５に接続されている。抵抗素子１９は、一端が一次巻線Ｌ１と第１のスイッチＳＷ１との接続部に接続され、他端が第４のスイッチＳＷ４に接続されている。第４のスイッチＳＷ４は、抵抗素子１９と電源装置１２との間に接続されている。ＥＣＵ２２は、第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１と、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２と、第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４とを出力する。

この実施の形態３では、環流装置はダイオード１５と点火制御のための第２のスイッチＳＷ２により構成されているが、一次巻線Ｌ１を短絡できれば任意の手段でよく、例えばサイリスタやトランジスタ等の任意のスイッチング素子を用いて一次巻線Ｌ１を短絡する構成であってもよい。

説明のため環流電流制御装置２１の定電流制限部２３は簡易に第４のスイッチＳＷ４と可変抵抗器２４としているが、これは説明のための最も単純な構成例であり、一次巻線Ｌ１を流れる電流をＥＣＵ２２からの指令電流値になるように制御できればよく、定電流制限部２３の構成は前述の構成に限らない。例えば、抵抗素子とスイッチング素子のセットを多数組み合わせることや、可変抵抗等を用いることや、トランジスタのベース電流を制御する等で、電流を精密に制御できるようにすることができる。又、磁束消費用の抵抗素子１８も可変抵抗等の任意の負荷素子を用いることができる。

ＥＣＵ２２からの第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２、及び第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４が「Ｈｉ」レベルの場合に、各スイッチはＯＮ状態となり、通電可能となる。ここで、各スイッチはＩＧＢＴやトランジスタ等の任意のスイッチング手段を用いることができる。

ＥＣＵ２２からの定電流制限部２３への電流制限信号Ｓ５が「Ｌｏｗ」レベルであれば閉回路の電流を制限せず、「Ｈｉ」レベルであればＥＣＵからの指令された電流値になるように閉回路の電流値が制御される。

この実施の形態３では電流検出装置の構成に電流検出抵抗と差動増幅器を用いたが、電流検出手段はカレントトランス等の任意の手法を用いてもよい。又、電流検出装置の設置箇所は一次巻線Ｌ１の電流を検出可能ならば任意の箇所でよく、例えば点火制御のための第２のスイッチＳＷ２と一次巻線Ｌ１との間などに設置してもよい。

従って、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電を発生させる場合、火花放電のための通電スイッチである第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えた後、第２のスイッチへの駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への通電が開始され、火花放電の為の通電を十分に行った後、第２のスイッチＳＷ２の駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで点火巻線１４の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が発生し、これが点火プラグ１３に印加されることで、点火プラグの第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生する。

次に、第１のスイッチＳＷ１の駆動信号Ｓ１が「Ｌｏｗ」レベルであり、第２のスイッチＳＷ２の駆動信号Ｓ２が「Ｈｉ」レベルであり、第４のスイッチＳＷ４の駆動信号Ｓ４が「Ｈｉ」レベルである場合には、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１と定電流制限部２３による閉回路が形成される。このとき、電流制限信号Ｓ５が「Ｌｏｗ」レベルであれば、閉回
路の電流は制限させず、「Ｈｉ」レベルであればＥＣＵ２２から指令された電流値になるように、定電流制限部２３によって閉回路の電流値が制御される。ここでは説明の簡略化ためＥＣＵ２２から環流電流制御装置２１への電流値指示手段は省略してあるが、電流値はパルス信号や信号電圧値等の任意の指示手段によって指示される。

次に、第１のスイッチＳＷ１の駆動信号Ｓ１が「Ｌｏｗ」レベルであり、第２のスイッチＳＷ２の駆動信号Ｓ２が「Ｈｉ」レベルであり、第４スイッチの駆動信号Ｓ４が「Ｌｏｗ」レベルである場合には、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端がダイオード１５により短絡されて、一次巻線Ｌ１とダイオード１５と抵抗素子１８による閉回路が形成される。このとき、ダイオード１５により、一次巻線Ｌ１に流れる電流は前述の火花放電の為の通電のときに流れる方向と同じ方向にのみ流れることが許容される。

図９は、この発明の実施の形態３による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作を示すタイミングチャートであって、Ａは駆動信号Ｓ１の波形、Ｂは駆動信号Ｓ２の波形、Ｃは駆動信号Ｓ４の波形、Ｄは電流制限信号Ｓ５の波形、Ｅは一次電流Ｉ１の波形、Ｆは点火プラグの中心電極の電位Ｖｐの波形、Ｇは点火巻線の二次電流Ｉ２の波形、Ｈはイオン電流検出回路により検出されるイオン電流Ｉｉｏｎの波形、をそれぞれ示している。

図９に於いて、時刻ｔ５０では第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、時刻ｔ５１に於いて第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に一次電流Ｉ１を流し、その後、予め設定された通電時間が経過した時刻ｔ５２にて、駆動信号Ｓ１、駆動信号Ｓ２信号を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への一次電流Ｉ１を遮断する。これにより、点火プラグ１３の中心電極である第１の電極１３ａに負の点火用高電圧が印加されて、その電位Ｖｐが急峻に低下し、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生する。

そして、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生し、時刻ｔ５３にて第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替える。その後、内燃機関の運転状態に基づいて算出された火花放電持続時間が経過した時刻ｔ５４にて再び第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることで、定電流制限部を介して一次巻線Ｌ１に電流が再び流れはじめる。そして時刻ｔ５５にて点火巻線１４の鉄芯に残されている磁束に対応する磁界を発生する電流値にまで再通電の一次電流Ｉ１が達すると、火花放電時に二次巻線Ｌ２に発生していた点火用高電圧とは逆極性の電圧が二次巻線Ｌ２に誘導され、第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間の電圧が放電維持電圧を下回ると点火プラグ１３での火花放電が強制的に遮断される。

点火巻線１４内に残っている磁束Φに対応する磁界Ｈが発生し点火プラグ１３での火花放電が停止する時刻ｔ５５までは、環流の電流値は急速に上昇していくが、火花放電停止の時刻ｔ５５後は点火巻線１４の鉄芯に更に磁束Φを蓄えていくことになるため、時刻ｔ５５以降で再通電の電流上昇速度が鈍化する。この電流変化量を検出することで放電停止完了の時刻ｔ５５を検知する。例えば、電流変化量を取得し、再通電を開始してからある時刻で電流変化量が所定の閾値を下回ったときに放電停止完了の時刻ｔ５５を過ぎて巻線への再充電に移行したと判断する。判断が完了した時刻をｔ５６とする。この処理に用いる環流の電流値は電流検出抵抗２６の両端間での電圧降下を差動増幅器２７によって増幅した出力Ｖ１がＥＣＵ２２で測定され、ＥＣＵ２２内で電流値に変換することで得られる。

事前の放電停止実験により、放電停止開始から放電遮断完了までの電流変化量が３０［Ａ／ｍｓ］、放電遮断完了後に巻線に磁束が蓄積される時の電流変化量が２［Ａ／ｍｓ］と得られていたとすると、閾値は２から３０［Ａ／ｍｓ］の範囲内で設定される。完全な放電遮断を保障するには閾値を低く設定すればよい。例えば、閾値は１０［Ａ／ｍｓ］以下に設定する。

この時刻ｔ５６で電流制限信号Ｓ５を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることで定電流制限部２３による電流制限が開始される。このとき、定電流制限部２３に与えられるＥＣＵからの指示電流値は、電流検出装置２５によって検出された時刻ｔ５６の電流値である。

時刻ｔ５６に於いて、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１側に定電流制限部２３と電源装置１２の閉回路に一定の一次電流Ｉ１が流れ始める。放電停止中の電流変化が無くなるため放電停止による二次巻線Ｌ２側での電圧が発生せず、イオン検出用バイアス電圧は放電停止の影響を受けずにコンデンサからの安定した電圧が点火プラグ電極に印加されることとなる。

イオン電流検出期間である時刻ｔ５６から時刻ｔ５７までの期間が終了する時刻ｔ５７に於いて、第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１側と定電流制限部２３とにより形成される閉回路が解放される。その後、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端がダイオード１５により短絡されて、一次巻線Ｌ１とダイオード１５と抵抗素子１８による抵抗成分の大きな閉回路が形成される。

これにより点火巻線１４内の磁束消費速度を早くすることができ、無駄な点火巻線１４の発熱と放電停止サイクルの長期化を抑制することができる。一次巻線Ｌ１を通る電流値変化が大きくなるため放電停止中に二次巻線Ｌ２側で発生する電圧レベルが高くなるが、このとき発生する電圧（数百［Ｖ］程度）に比べて再絶縁破壊電圧は圧倒的に高電圧（数［ｋＶ］から数十［ｋＶ］）であるため点火プラグ電極間での再度の火花放電は発生しない。例えば、再絶縁破壊することなく磁束消費速度を早くするには閉回路の抵抗成分を０．１［Ω］から１０［Ω］程度に調整すればよい。

又、時刻ｔ５７は任意に決定可能であるが、点火巻線１４の発熱を最小限に抑制するには、内燃機関の運転状態に合わせて逐次算出又はマップを作成し、或いはイオン電流検出結果により算出する。例えば、内燃機関の運転状態やマップにより予め設定したイオン電流検出期間終了時刻までに、イオン電流による気筒内の燃焼状態判断が完了された場合は、その判断完了時刻をもって時刻ｔ５７とすればよい。

時刻ｔ５８に於いて、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１とダイオード１５と抵抗素子１８により形成される閉回路が解放され、内燃機関の１燃焼サイクルに於ける放電停止動作が終了する。この実施の形態３では環流電流制御装置の電源と点火プラグで火花放電させるための一次電流を通電させるための電源とに、電源装置１２を共用するようにしたが、共用せず別電源としてもよい。

このように、イオン電流検出期間である時刻ｔ５６から時刻ｔ５７までの期間で一次巻線Ｌ１に流れる電流の電流変化が無くなるため、二次巻線Ｌ２側での電圧が発生せず、イオン検出用バイアス電圧は放電停止の影響を受けない。従って従来のイオン電流検出装置と同様にコンデンサ２０からの安定したイオン検出用バイアス電圧が点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に印加されることとなる。このように、放電停
止に発生する点火用高電圧と同極性の電圧に打ち勝つためにバイアス発生用コンデンサの充電電圧を数百［Ｖ］程度上昇させる必要はなくなるので、放電停止中も従来通りのコンデンサ充電電圧での安定した高精度なイオン電流検出が可能となる。

又、放電停止から放電停止完了を検知する期間である時刻ｔ５５から時刻ｔ５６までの期間を、可能な限り短くすることで放電停止後の電流値上昇が低く抑えられ、一次巻線Ｌ１の無駄な発熱を抑制可能である。放電停止中の一次巻線Ｌ１を流れる電流を一定に制御する期間をイオン電流検出期間のみとすることで、放電停止の１サイクルに要する期間の長期化を最小限に抑えることができ、内燃機関の高回転時にも対応できる。

次に、実施の形態３による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作について、ＥＣＵ２２に於いて実行される処理例を、フローチャートを用いて詳しく説明する。図１０は、この発明の実施の形態３による内燃機関の燃焼状態検出装置に於ける、電子制御装置が実行する処理を示すフローチャートである。

図１０に於いて、ＥＣＵ２２は、内燃機関の火花放電発生時期、燃料噴射量、アイドル回転数等を総合的に制御するためのものであり、以下に説明する点火制御処理のために、別途、内燃機関の吸入空気量（吸気管圧力）、回転速度、スロットル開度、冷却水温、吸気温等、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理を行っている。

先ず、ＳＴ３００に於いて、運転状態の読み込みを開始し、ＳＴ３０１では読み込んだ運転状態を基に火花放電発生時刻と火花放電維持時間とを設定する。

次に、ＳＴ３０２にて火花放電発生時刻と火花放電維持時間と機関運転状態を基に、点火プラグ１３の火花放電の為の一次巻線Ｌ１の初期通電期間となる駆動信号Ｓ１の「Ｈｉ」レベルとなる期間と、一次巻線Ｌ１の両端を短絡し環流を発生させる一次巻線環流期間となる駆動信号Ｓ２の「Ｈｉ」レベルとなる期間と、イオン電流検出期間となる駆動信号Ｓ４の「Ｈｉ」レベルとなる期間と、を設定する。尚、各駆動信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４の初期値は「Ｌｏｗ」レベルである。

ＳＴ３０３では設定された一次電流の初期通電期間に基づき、初期通電期間開始時期に達したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は同ステップを繰り返し待機する。初期通電期間開始時期に達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ３０４に移行する。

ＳＴ３０４で駆動信号Ｓ１が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられ後、ＳＴ３０５にて駆動信号Ｓ２が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられる。これにより点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に通電が開始される。

次にＳＴ３０６にて、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への初期通電期間が事前に設定した時間に達したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は同ステップを繰り返し待機する。設定した時間に達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ３０７に移行する。

ＳＴ３０７にて駆動信号Ｓ１及び駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替える。これにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に流れていた一次電流Ｉ１が遮断され、点火巻線１４の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が発生し、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生する。

ＳＴ３０７の火花放電後、ＳＴ３０８にて駆動信号Ｓ４を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端を短絡させて放電を停止すための準備をする。駆動信号Ｓ２が「Ｌｏｗ」レベルであるため、この時点で点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端を短絡することはない。

次に、ＳＴ３０９では事前に設定された一次巻線環流期間の開始時期に達したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は同ステップを繰り返し待機し、達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ３１０に移行する。

ＳＴ３１０にて駆動信号Ｓ２が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられ、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１と電源装置１２と定電流制限部２３の回路に電流が流れはじめる。このとき電流制限信号Ｓ５は「Ｌｏｗ」レベルであるため電流は制限されることなく通電される。

次に、ＳＴ３１１では電流検出装置２５から出力された電圧をＥＣＵ２２内で電流値に変換し、一次巻線電流情報を読み込む。

次に、ＳＴ３１２では一次巻線Ｌ１の電流情報を処理し、得られた電流変化量が所定の閾値以下となったか否かを判断する。否定されると（Ｎｏ）、ＳＴ３１１に移動し、所定の閾値以下であると判断されると（Ｙｅｓ）、火花放電遮断完了としてＳＴ３１３に移動する。

次に、ＳＴ３１３では、火花放電の遮断完了時の電流値を定電流制限部２３の目標電流値に設定し、電流制限信号Ｓ５を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１を流れる電流の値が一定に制御される。

次にＳＴ３１４では、イオン電流検出回路１１によって検出されたイオン電流情報の読み込みを開始する。

次に、ＳＴ３１５では、事前に設定されたイオン電流検出期間の終了時刻に達したか否かを判断し、否定されると（Ｎｏ）、ＳＴ３１６に移動し、達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ３１７に移動する。

ＳＴ３１６では、イオン電流検出情報に基づいてＥＣＵ２２による燃焼状態判断が完了したか否かを判断し、否定されると（Ｎｏ）、再びＳＴ３１５に戻る。完了したと判断されると（Ｙｅｓ）、事前に設定されたイオン電流検出期間の終了時刻を待たずにＳＴ３１７に移動する。

ＳＴ３１７ではイオン電流検出情報の読み込みを終了し、ＳＴ３１８で駆動信号Ｓ４及び電流制限信号Ｓ５が「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えられ、抵抗成分の大きな閉回路での環流により、点火巻線１４内に残されている磁気エネルギが積極的に消費される。

次に、ＳＴ３１９にて、事前に設定された一次巻線環流期間の終了時刻に達したか否かを判断し、否定されると（Ｎｏ）、同ステップを繰り返す。達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ３２０に移動する。

ＳＴ３２０では、駆動信号Ｓ２が「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えられ、一次巻線Ｌ１の短絡経路が解放され、ＥＣＵ２２に於いて実行されるイオン電流検出処理を終了する。

このようにイオン電流検出期間のみで一次巻線に流れる電流値変化が小さくなるように若しくは電流値が一定になるように制御することで、一次巻線への余分な通電をできる限
り短くし、点火巻線の無駄な発熱を抑制することができる。この実施の形態３では一次巻線環流期間の終了時刻を機関運転状態から事前に設定したが、電流検出装置から得られる電流値を用いて、リアルタイムに決定してもよい。

実施の形態４．
次にこの発明の実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置について述べる。前述の実施の形態３では放電停止後にも電流値が上昇するため、放電停止に要する電流値と比較してよりも少なからずイオン電流検出期間の電流値が増加してしまう。そのため、実施の形態４ではイオン電流検出期間の電流値が放電停止に要する電流値以上とならないように構成されている。

図８は、前述したようにこの発明の実施の形態３、及び実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置の基本構成例であり、実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置の構成は、前述の実施の形態３の場合と同様であるので、構成の説明は省略する。尚、この実施の形態４では、単気筒の内燃機関について説明を行うが、この発明は複数気筒を備える内燃機関についても適用できる。その場合、同様な基本構成のイオン電流検出装置を気筒数分備えてもよいし、環流電流制御装置等の燃焼状態検出装置の一部構成要素を複数気筒で共有してもよい。

図１１は、この発明の実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作タイミングチャートであって、Ａは駆動信号Ｓ１の波形、Ｂは駆動信号Ｓ２の波形、Ｃは駆動信号Ｓ４の波形、Ｄは電流制限信号Ｓ５の波形、Ｅは一次電流Ｉ１の波形、Ｆは点火プラグの中心電極の電位Ｖｐの波形、Ｇは点火巻線の二次電流Ｉ２の波形、Ｈはイオン電流検出回路により検出されるイオン電流Ｉｉｏｎの波形、をそれぞれ示している。

図１１に於いて、時刻ｔ６０では、第１のスイッチＳＷ１への駆動信号Ｓ１を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、時刻ｔ６１に於いて第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替え、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に一次電流Ｉ１を流す。その後、予め設定された通電時間が経過した時刻ｔ６２にて、駆動信号Ｓ１、Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への一次電流Ｉ１を遮断すると、点火プラグ１３の中心電極である第１の電極１３ａに負の点火用高電圧が印加されて、その電位Ｖｐが急峻に低下し、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生する。

そして、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生し、時刻ｔ６３にて第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４が「Ｌｏｗ」レベルの状態であり、内燃機関の運転状態に基づいて算出された火花放電持続時間が経過した時刻ｔ６４にて再び第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１の両端が短絡され環流電流が再び流れ始める。

時刻ｔ６５にて、点火巻線１４の鉄芯に残されている磁束に対応する磁界を発生する電流値にまで再通電の一次電流Ｉ１が達すると、火花放電時に二次巻線Ｌ２に発生していた点火用高電圧とは逆極性の電圧が二次巻線Ｌ２に誘導される。そして第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間の電圧が放電維持電圧を下回ると、点火プラグ１３での火花放電が強制的に遮断される。

点火巻線１４内に残っている磁束Φに対応する磁界Ｈが発生し、点火プラグ１３での火花放電が停止する時刻ｔ６５までは環流の電流値は急速に上昇していくが、火花放電停止の時刻ｔ６５の後は点火巻線１４内の磁束が消費されていくため、電流値が徐々に低下す
る。この環流電流ピークを検出することで放電停止完了の時刻ｔ６５を検知される。

例えば、環流の電流値をピークホールドし、予め設定した放電停止判定時間が経過してもピーク値が更新されなければ、放電停止時刻に達したと判断すればよく、その判断が完了した時刻をｔ６６とする。この処理に用いる環流の電流値は、電流検出抵抗２６の両端間での電圧降下を差動増幅器２７によって増幅した出力Ｖ１がＥＣＵ２２で測定され、ＥＣＵ２２内で電流値に変換することで得られている。

放電停止完了時刻から放電停止の検知が完了するまでの期間である時刻ｔ６５から時刻ｔ６６までの期間は、電流が減少していくため二次巻線Ｌ２側で火花放電電圧を同極性の電圧が発生する。そのため、この期間はイオン電流検出バイアス電圧が低下し、イオン電流検出性が低下若しくはイオン電流検出不可能となる。そのため電流検出値に重畳したノイズ等による放電停止の時刻ｔ６５の誤検知が発生しない程度に放電停止判定時間を短くし、時刻ｔ６５から時刻ｔ６６までの期間を可能な限り短くすることが望ましい。

この時刻ｔ６６で電流制限信号Ｓ５を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることで定電流制限部２３による電流制限が開始される。このとき、定電流制限部２３に与えられるＥＣＵ２２からの指示電流値は、電流検出装置２５によって検出された時刻ｔ６６の電流値である。

時刻ｔ６６に於いて、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１側に定電流制限部２３と電源装置１２による閉回路に、一定の一次電流Ｉ１が流れ始める。放電停止中の電流変化が無くなるため放電停止による二次巻線Ｌ２側での電圧が発生せず、イオン検出用バイアス電圧は放電停止の影響を受けずにコンデンサ２０からの安定した電圧が点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に印加されることとなる。

イオン電流検出期間である時刻ｔ６６から時刻ｔ６７までの期間が終了する時刻ｔ６７に於いて、第４のスイッチＳＷ４への駆動信号Ｓ４を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで一次巻線Ｌ１側と定電流制限部２３とにより形成される閉回路が解放される。その後、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端がダイオード１５により短絡されて、一次巻線Ｌ１とダイオード１５と抵抗素子１８による抵抗成分の大きな閉回路が形成される。

これにより、点火巻線１４内の磁束消費速度を早くすることができ、無駄な巻線発熱と放電停止サイクルの長期化を抑制することができる。一次巻線Ｌ１を流れる電流の値の変化が大きくなるため、放電停止中に二次巻線Ｌ２側で発生する電圧レベルが高くなるが、このとき発生する電圧（数百［Ｖ］程度）に比べて再絶縁破壊電圧は圧倒的に高電圧（数［ｋＶ］から数十［ｋＶ］）であるため点火プラグ電極間での再度の火花放電は発生しない。例えば、再絶縁破壊することなく磁束消費速度を早くするには閉回路の抵抗成分を０．１［Ω］から１０［Ω］程度に調整すればよい。

又、時刻ｔ６７は任意に決定可能であるが、点火巻線１４の発熱を最小限に抑制するには、内燃機関の運転状態に合わせて逐次算出又はマップを作成し、或いはイオン電流検出結果により算出すればよい。例えば、内燃機関の運転状態やマップにより予め設定したイオン電流検出期間の終了時刻までに、イオン電流による気筒内の燃焼状態判断が完了された場合は、その判断完了時刻をもって時刻ｔ６７とすればよい。

時刻ｔ６８に於いて、第２のスイッチＳＷ２への駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１とダイオード１５と抵抗素子１８により形成される閉回路が解放され、内燃機関の１燃焼サイクルに於ける放電停止動作が終了する。この実施の形態４では環流電流制御装置の電源と、点火プラグ１３で火花放電させるための一次通電の電源とを、電源装置１２の共用としたが、電源装置１２を共用せず別電源としてもよい。

このように、イオン電流検出期間である時刻ｔ６６から時刻ｔ６７までの期間で一次巻線Ｌ１に流れる電流の電流変化が無くなるため、二次巻線Ｌ２側での電圧が発生せず、イオン検出用バイアス電圧は放電停止の影響を受けない。従って、従来のイオン電流検出装置と同様にコンデンサ２０からの安定したイオン検出用バイアス電圧が点火プラグ１３の電極に印加されることとなる。このように、放電停止に発生する点火用高電圧と同極性の電圧に打ち勝つために、バイアス電圧発生用のコンデンサ２０の充電電圧を数百［Ｖ］程度上昇させる必要はなくなるので、放電停止中も従来通りのコンデンサ充電電圧での安定した高精度なイオン電流検出が可能となる。

放電停止から放電停止完了を検知する期間である時刻ｔ６６から時刻ｔ６７までの期間を可能な限り短くすることで、一次巻線Ｌ１の無駄な発熱を抑制することや、放電停止中の一次巻線Ｌ１を流れる電流を一定に制御する期間をイオン電流検出期間のみとすることで、放電停止の１サイクルに要する期間の長期化を最小限に抑えることができ、機関の高回転時にも対応することができる。

次に、実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置の動作について、ＥＣＵ２２に於いて実行される処理例を、フローチャートを用いて詳しく説明する。図１２は、この発明の実施の形態４による内燃機関の燃焼状態検出装置に於ける、電子制御装置が実行する処理を示すフローチャートである。ＥＣＵ２２は、内燃機関の火花放電発生時期、燃料噴射量、アイドル回転数等を総合的に制御するためのものであり、以下に説明する点火制御処理のために、別途、内燃機関の吸入空気量（吸気管圧力）、回転速度、スロットル開度、冷却水温、吸気温等、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理を行っている。

図１２に於いて、先ず、ＳＴ４００では内燃機関の運転状態の読み込みを開始し、ＳＴ４０１では読み込んだ運転状態を基に火花放電発生時刻と火花放電維持時間とを設定する。

次に、ＳＴ４０２にて火花放電発生時刻と火花放電維持時間と内燃機関の運転状態を基に、点火プラグ１３の火花放電の為の一次巻線Ｌ１の初期通電期間となる駆動信号Ｓ１の「Ｈｉ」レベルとなる期間と、一次巻線Ｌ１の両端を短絡し環流を発生させる一次巻線環流期間となる駆動信号Ｓ２の「Ｈｉ」レベルとなる期間と、イオン電流検出期間となる駆動信号Ｓ４の「Ｈｉ」レベルとなる期間と、を設定する。尚、各駆動信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４の初期値は「Ｌｏｗ」レベルである。

ＳＴ４０３では設定された一次電流の初期通電期間に基づき、初期通電期間開始時期に達したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は同ステップを繰り返し待機する。初期通電期間開始時期に達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ４０４に移行する。

ＳＴ４０４に於いて、駆動信号Ｓ１が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられた後、ＳＴ４０５にて駆動信号Ｓ２が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられる。これにより点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に通電が開始される。

次にＳＴ４０６にて、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１への初期通電期間が事前に設定した時間に達したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は同ステップを繰り返し待機する。設定した時間に達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ４０７に移行する。

ＳＴ４０７にて駆動信号Ｓ１及び駆動信号Ｓ２を「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替える。これにより、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１に流れていた一次電流Ｉ１が遮断され、点火巻線１４の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が発生し、点火プラグ１３の第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとの間に火花放電が発生する。

次に、ＳＴ４０８では、事前に設定された一次巻線環流期間の開始時期に達したか否かを判断し、否定された場合（Ｎｏ）は同ステップを繰り返し待機し、達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ４０９に移行する。

ＳＴ４０９にて駆動信号Ｓ２が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えられ、点火巻線１４の一次巻線Ｌ１の両端が環流装置により短絡されて一次巻線Ｌ１に電流が流れはじめる。

次に、ＳＴ４１０では電流検出装置２５から出力された電圧をＥＣＵ２２内で電流値に変換し、一次巻線Ｌ１の電流情報を読み込む。

ＳＴ４１１では、読み込んだ一次巻線Ｌ１の電流値をＥＣＵ２２内でピークホールドし最大値を記憶する。

次に、ＳＴ４１２では、今回参照した電流最大値が前回の参照値から更新されずに所定時間が経過したか否かを判断し、否定されると（Ｎｏ）ＳＴ４１０に移動し、経過したと判断されると（Ｙｅｓ）、火花放電遮断完了としてＳＴ４１３に移動する。

ＳＴ４１３では、火花放電遮断完了時の電流値を定電流制限部２３の目標電流値に設定し、駆動信号Ｓ４及び電流制限信号Ｓ５を「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉ」レベルに切り替えることで、一次巻線Ｌ１を流れる電流の電流値が一定に制御される。

ＳＴ４１４では、イオン電流検出回路１１によって検出されたイオン電流の情報の読み込みを開始する。

次に、ＳＴ４１５では、事前に設定されたイオン電流検出期間の終了時刻に達したか否かを判断し、否定されると（Ｎｏ）ＳＴ４１６に移動し、達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ４１７に移動する。

ＳＴ４１６では、イオン電流検出情報に基づいてＥＣＵ２２による燃焼状態判断が完了したか判断し、否定されると（Ｎｏ）、再びＳＴ４１５に戻り、完了したと判断されると（Ｙｅｓ）、事前に設定されたイオン電流検出期間の終了時刻を待たずにＳＴ４１７に移動する。

ＳＴ４１７では、イオン電流検出情報の読み込みを終了し、ＳＴ４１８で駆動信号Ｓ４及び電流制限信号Ｓ５が「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えられ、抵抗成分の大きな閉回路での環流により点火巻線１４内に残されている磁気エネルギが積極的に消費される。

次に、ＳＴ４１９にて、事前に設定された一次巻線環流期間の終了時刻に達したか否かを判断し、否定されると（Ｎｏ）、同ステップを繰りかえし、達したと判断されると（Ｙｅｓ）、ＳＴ４２０に移動する。

ＳＴ４２０では、駆動信号Ｓ２が「Ｈｉ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えられ、一次巻線Ｌ１の短絡経路が解放され、ＥＣＵ２２に於いて実行されるイオン電流検出処理を終了する。

このようにイオン電流検出期間のみで一次巻線Ｌ１に流れる電流値変化が小さくなるように若しくは電流値が一定になるように制御することで、一次巻線Ｌ１への余分な通電をできる限り短くし、点火巻線１４の無駄な発熱を抑制することができる。この実施の形態４では、一次巻線環流期間の終了時刻を内燃機関の運転状態から事前に設定したが、電流検出装置から得られる電流値を用いて、リアルタイムに決定してもよい。

イオン電流検出完了後は、環流電流制御装置によって、環流の電流減少速度が速くなるように制御することで、一次巻線Ｌ１の無駄な発熱が抑制され、放電停止の１サイクルに要する期間が延長されるのを最小限に抑えられるため、内燃機関の高回転時にも対応できる。

尚、この発明は前述の実施の形態１から４による内燃機関の燃焼状態検出装置に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施の形態１から４の構成を適宜組み合わせたり、その構成に一部変形を加えたり、構成を一部省略することが可能である。

１１ イオン電流検出回路、１２ 電源装置、１３ 点火プラグ、１３ａ 第１の電極、１３ｂ 第２の電極、１４ 点火巻線、１５ ダイオード、１６ ダイオード、１７ ツェナーダイオード、１８ 抵抗素子、１９ 抵抗素子、２０ コンデンサ、２１ 環流電流制御装置、２２ 電子制御装置（ＥＣＵ）、２３ 定電流制限部、２４ 可変抵抗器、２５ 電流検出装置、２６ 電流検出抵抗、２７ 差動増幅器、Ｌ１ 一次巻線、Ｌ２ 二次巻線、ＳＷ１ 第１のスイッチ、ＳＷ２ 第２のスイッチ、ＳＷ３ 第３のスイッチ、ＳＷ４ 第４のスイッチ、Ｓ１ 駆動信号、Ｓ２ 駆動信号、Ｓ３ 駆動信号、Ｓ４ 駆動信号、Ｓ５ 電流制限信号

Claims (6)

1. 一次巻線と、前記一次巻線に磁気結合する二次巻線と、を含む点火巻線と、
   前記一次巻線へ電流を供給する電源装置と、
   前記一次巻線と前記電源装置との間に配置され、前記電流の通電及び遮断を制御するスイッチと、
   内燃機関に設けられた点火プラグにより発生された火花放電により、前記内燃機関の燃焼室内の可燃混合気が点火されて燃焼により前記燃焼室内に生ずるイオンをイオン電流として検出するイオン電流検出装置と、
   を備え、
   前記点火巻線は、
   前記スイッチが導通状態にあるとき、前記電源装置から前記一次巻線に電流が供給され、前記内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を燃焼させるための火花放電を前記内燃機関の点火プラグに発生させるエネルギを蓄積し、
   前記エネルギが蓄積されている状態で前記スイッチが遮断状態になったとき、前記一次巻線に流れる電流が遮断され、前記点火プラグに前記火花放電を発生させる電圧を前記二次巻線に発生させる、
   ように構成され、
   前記イオン電流検出装置により検出されたイオン電流に基づいて、前記可燃混合気の燃焼状態を検出するように構成された内燃機関の燃焼状態検出装置であって、
   前記点火プラグに前記火花放電が発生しているとき、前記一次巻線を短絡して前記一次巻線を含む環流経路を形成するように構成された環流装置と、
   前記環流経路を流れる環流電流を制御するように構成された環流電流制御装置と、
   を備え、
   前記環流電流制御装置は、
   所定の期間に於いて、電流の変化量を減少させ若しくは実質的に一定の電流値となるように前記環流電流を制御する、
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
2. 前記所定の期間は、前記イオン電流検出装置により前記イオン電流を検出する期間を含むように設定されている、
   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装置。
3. 前記所定の期間は、前記イオン電流検出装置により検出された前記イオン電流に基づいて前記燃焼状態の検出が終了した時点で終了するように設定されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
4. 前記環流電流制御装置は、
   前記イオン電流検出装置により前記イオン電流を検出する期間以外の期間に於いて、前記所定の期間に於ける前記電流の変化量を減少させる速度より大きな速度で電流の変化量を減少させるように、前記環流電流を制御する、
   ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
5. 前記環流電流制御装置は、
   前記環流経路の抵抗成分を調整することで前記環流電流の値を制御するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
6. 前記環流電流制御装置は、
   定電流回路により前記環流電流の値を実質的に一定に制御するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から５のうちの何れか一項に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。

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