JPH10170405A - 燃焼状態検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の燃焼室の燃焼状態に応じて増減す
る燃焼イオンの量の増減を、簡単な構成で精度よく検出
し燃焼状態を正確に判断することである。 【解決手段】 点火用電圧印加手段２Ａにより放電可能
電圧が印加される点火プラグ１の対向電極１１、１２
に、測定用電圧印加手段２Ｂが、放電しない低い交流電
圧を印加する構成とする。測定用電圧印加手段２Ｂの作
動時に電流検出手段４より出力される電流信号から対向
電極１１、１２間に存在する燃焼イオンを検出する燃焼
イオン検出手段５Ａと、燃焼イオンの挙動よりノッキン
グ等の燃焼状態を解析する燃焼状態解析手段６Ａとを設
ける。制御手段３１，３２が、ＴＤＣになると放電を終
了せしめ、その後測定用電圧印加手段２Ｂを作動せしめ
るようにすることで、検出期間を機関回転数によらない
安定したものにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の燃焼状
態を検出する燃焼状態検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両の駆動力は、内燃機関の燃焼室にお
ける燃料と空気の混合ガスの燃焼により得ている。燃焼
室に導入された混合ガスの点火は、イグニションコイル
に通電して放電用エネルギーを蓄積し、燃焼サイクルの
然るべきタイミングでイグニションコイルから燃焼室内
に設けられた点火プラグの対向電極間に高電圧を印加し
て火花放電を発生することにより行われる。燃焼状態は
車両の走行状態により絶えず変化しているため燃焼状
態、特に異常燃焼を検出し、検出結果に基づいて点火プ
ラグの点火時期や空気燃料比等を制御して燃焼状態を良
好に保つことが行われている。燃焼状態の検出をする技
術として、放電終了後に点火プラグの対向電極間に電圧
を印加し対向電極間に流れる電流から燃焼イオンの量を
検出するようにしたものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらイグニシ
ョンコイルに蓄積されるエネルギーは略一定であり、点
火のための放電時間も常にほぼ等しい。このため放電終
了時期が機関の回転数に応じて遅角し、高回転域におい
て放電が例えば上死点（ＴＤＣ）後まで続くこともあ
る。このような場合、筒内圧がピークとなるタイミング
の前後における燃焼イオンの挙動を精度よく検出できな
いおそれがある。このため上記制御に用いるには十分な
ものではなく、検出精度の高い燃焼状態の検出技術を利
用した燃焼状態検出装置が望まれていた。

【０００４】そこで本発明では、内燃機関の回転数によ
らず安定して燃焼イオンの挙動を正確に検出して燃焼状
態を解析することができ、しかも簡単な構成の燃焼状態
検出装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、点火用電圧印加手段から放電可能な高電圧が印加さ
れる点火プラグの一対の対向電極に、放電可能電圧より
も低い交流電圧を印加せしめる測定用電圧印加手段を設
ける。制御手段により放電が略一定のクランク角度にな
ると終了し、その後測定用電圧印加手段が作動すると、
電流検出手段より出力される電流信号から対向電極間に
存在する燃焼イオンの量の増減を検出する燃焼イオン検
出手段と、これより出力される燃焼イオン信号の挙動か
ら燃焼状態を解析する燃焼状態解析手段とを設ける。

【０００６】放電が略一定のクランク角度に終了する
と、その後測定用電圧印加手段が作動する。しかして機
関の回転数に関係なく、燃焼イオンの検出可能な期間が
安定化する。よって測定用の対向電極を別に設けない簡
単な構成で、精度よく燃焼イオンの量の増減を知ること
ができる。

【０００７】放電終了時期は、請求項２記載の発明のよ
うに上死点に設定することで、燃焼室内の混合ガスへ確
実に着火するとともに、筒内圧のピーク前後における燃
焼状態の検出を精度よく行うことができる。

【０００８】請求項３記載の発明では、上記点火用電圧
印加手段が上記点火プラグの対向電極間に交流電圧を印
加する構成とすることで、点火プラグの放電終了時期が
容易に制御できる。

【０００９】請求項４記載の発明では、上記点火用電圧
印加手段と上記測定用電圧印加手段とは、直流電源が一
次側巻線に接続され上記点火プラグの対向電極が二次側
巻線に接続されたトランスと、直流電源からのトランス
の一次側巻線への給電を断続せしめるスイッチング手段
とを共用し、放電期間においては第１のスイッチング信
号発生手段がスイッチング手段を高周波でオンオフ作動
せしめてトランスの二次側電圧が放電可能電圧となるよ
うにし、放電終了時期になると制御手段により第１のス
イッチング信号発生手段から第２のスイッチング信号発
生手段に切り換えられて第２のスイッチング信号発生手
段がスイッチング手段を第１のスイッチング信号発生手
段よりも高い周波数でオンオフ作動せしめてトランスの
二次側電圧を放電可能電圧よりも低くする。

【００１０】点火用電圧印加手段と測定用電圧印加手段
とで、トランスとスイッチング手段とが共用され、電圧
値の切り換えが２つのスイッチング信号発生手段により
スイッチング手段の作動周波数を変更するだけでよいの
で、構成が一層簡単である。

【００１１】請求項５記載の発明では、上記点火用電圧
印加手段は、自励式の発振回路の発振出力を上記点火プ
ラグの対向電極間に印加せしめるように構成し、放電期
間においては高い供給電圧の電源から発振回路に給電し
て放電可能な電圧の発振出力を得、放電終了時期になる
と制御手段により低い供給電圧の電源から発振回路に給
電して発振出力を放電可能な電圧よりも低くする。

【００１２】点火用電圧印加手段と測定用電圧印加手段
とで発振回路が共用され、電圧値の切り換えが発振回路
への供給電圧を変更するだけでよいので、構成が一層簡
単である。

【００１３】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）本発明の第１の燃焼状態検出装置を図
１に示す。点火プラグ１は内燃機関の燃焼室に面して対
向電極１１、１２が設けてあり、対向電極の一方１１に
は点火用電圧印加手段２Ａを構成するトランス２２の二
次側巻線２２ｂが接続してある。一方、対向電極の他方
１２は、対向電極１１、１２に流れる電流を検出する電
流検出手段たる検出抵抗４を介してトランス２２の二次
側巻線２２ｂの他方の端子と接続してある。

【００１４】点火用電圧印加手段２Ａは、トランス２２
の一次側巻線２２ａの中点に直流電源たるバッテリ２１
が接続されトランス２２に給電するようになっている。
一次側巻線２２ａの両端にはそれぞれにダイオード２３
１，２３２とトランジスタ２４１，２４２とが直列に接
続してあり、各トランジスタ２４１，２４２のエミッタ
は接地されている。

【００１５】トランジスタ２４１，２４２はＮＰＮパワ
ートランジスタで、バッテリ２１のトランス２２への給
電を断続するもので、これらトランジスタ２４１，２４
２のベースには第１のスイッチング信号発生手段２６か
ら制御用の信号が入力せしめてある。第１のスイッチン
グ信号発生手段２６は、第１の発振器２６１の出力信号
がＡＮＤゲート回路２６２１および入力抵抗２５１を介
して一方のトランジスタ２４１のベースに入力せしめて
ある。他方のトランジスタ２４２のベースには、第１の
発振器２６１の出力信号が、インバータ回路２６３によ
り反転してＡＮＤゲート回路２６２２および入力抵抗２
５２を介して入力せしめてある。第１の発振器２６１は
１０ｋＨz の矩形パルスを出力する無安定マルチバイブ
レータで、この周波数でトランジスタ２４１，２４２が
オンオフするようになっている。各トランジスタ２４
１，２４２のベースに入力する矩形パルスは互いに反転
作動するから、トランジスタ２４１とトランジスタ２４
２とは位相が１８０°ずれている。

【００１６】このようにプッシュプル接続されたトラン
ジスタ２４１，２４２のオンオフにより、トランス２２
の二次側巻線２２ｂには高電圧が発生する。ここでトラ
ンス２２の二次側電圧は点火プラグ１の対向電極１１，
１２間に放電が発生する電圧としてある。またトランス
２２は一次側巻線２２ａの巻数が５回程度のもので、自
己インダクタンスを抑えている。

【００１７】ＡＮＤゲート回路２６２１，２６２２の他
方の入力端子には制御手段たる放電期間制御部３１から
所定のタイミングで所定の長さの矩形信号が入力し、矩
形信号が入力している期間中のみ第１の発振器２６１か
らの矩形パルスがトランジスタ２４１，２４２のベース
に入力せしめてあり、上記期間中のみトランス２２の二
次側巻線２２ｂに接続された点火プラグ１の対向電極１
１，１２間に高電圧が印加され、放電可能としてある。

【００１８】各トランジスタ２４１，２４２の入力抵抗
２５１，２５２には、それぞれ第１の発振器２６１が発
する矩形パルスとは別の信号が第２のスイッチング信号
発生手段２７から入力するようになっている。第２のス
イッチング信号発生手段２７は、無安定マルチバイブレ
ータである第２の発振器２７１の出力信号がＡＮＤゲー
ト回路２７２１を介して一方のトランジスタ２４１の入
力抵抗２５１に入力せしめてある。他方の入力抵抗２５
２には、第２の発振器２７１の出力信号がインバータ回
路２７３により反転してＡＮＤゲート回路２７２２を介
して入力せしめてある。

【００１９】ＡＮＤゲート回路２７２１，２７２２の他
方の入力端子には制御手段たる測定期間制御部３２から
所定のタイミングで所定の長さの矩形信号が入力し、矩
形信号が入力している期間中のみ、第２の発振器２７１
が発する矩形パルスが入力抵抗２５１，２５２を介して
トランジスタ２４１，２４２のベースに入力するように
なっている。測定期間制御部３２は、その矩形信号の立
ち上がりのタイミングが放電期間制御部３１が発する矩
形信号の立ち下がりとなるように設定してあり、立ち下
がりのタイミングがＡＴＤＣ９０°に設定されている。
しかして放電期間制御部３１の出力がＨからＬに変わる
タイミングで第２の発振器２７１が発する矩形信号によ
りトランジスタ２４１，２４２が３０ｋＨz でプッシュ
プル作動し、トランス２２の二次側巻線２２ｂに電圧が
誘起される。第２のスイッチング信号発生手段２７は、
入力抵抗２５１，２５２からトランス２２までの構成を
点火用電圧印加手段２Ａと共用して測定用電圧印加手段
２Ｂを構成している。

【００２０】トランス２２は一般的なトランスのごとく
高周波数側で出力電圧が低下する周波数特性を有する。
トランス２２はトランジスタ２４１，２４２の作動周波
数が３０ｋＨz のとき、対向電極１１，１２間電圧は１
００〜５００Ｖで、放電しないようにしてある。

【００２１】検出抵抗４は、トランス２２の二次側巻線
２２ｂ側が、燃焼イオン検出手段５Ａを構成するサンプ
ルホールド回路５１の入力端子と結線され、検出抵抗４
における電圧降下分が電流信号としてサンプルホールド
回路５１に入力するようになっている。

【００２２】燃焼イオン検出手段５Ａは、サンプルホ−
ルド回路５１が第２の発振器２７１からＡＮＤゲート回
路２７２１を介して矩形信号が入力するようにしてあ
り、矩形信号のＨレベルからＬレベルへの変化がトリガ
ーとなって検出抵抗４から出力される電流信号をホール
ドするようになっている。サンプルホ−ルド回路５１の
出力は燃焼状態解析手段たる解析部６Ａに入力するよう
にしてある。

【００２３】解析部６Ａは、サンプルホ−ルド回路５１
の出力がピ−クホ−ルドモニタ６１に入力せしめてあ
る。ピ−クホ−ルドモニタ６１は現在までの最大値をホ
ールドし、ホ−ルド値が１燃焼サイクル開始時にはリセ
ットするようにしてある。

【００２４】ピ−クホ−ルドモニタ６１の出力は、これ
を二値判定する比較部６２を構成するコンパレ−タ６２
１の＋入力端子に入力するようにしてある。コンパレ−
タ６２１の−入力端子には可変抵抗器６２３が接続して
ある。可変抵抗器６２３は、可変抵抗器６２３における
バッテリ６２２の電圧降下が、失火と認められる燃焼イ
オン電流のピ−ク値の下限値に相当するように予め調整
してある。コンパレ−タ６２１の出力は判定部６４に入
力するようにしてある。

【００２５】解析部６Ａにはまた、コンパレ−タ６３が
設けてあり、その＋入力端子にサンプルホ−ルド回路５
１の出力が入力するようにしてある。コンパレ−タ６３
は−入力端子が燃焼イオン信号の０に対応する接地電圧
としてある。コンパレ−タ６３の出力は判定部６４に入
力するようにしてある。判定部６４はコンピュータで構
成され、これらの入力する信号に基づき燃焼状態を判定
するものである。

【００２６】次に上記燃焼状態検出装置の作動を説明す
る。まず吸気管を経て燃焼室に導入される燃料と空気の
混合ガスに着火するイグナイタとしての機能について説
明する。

【００２７】点火プラグ１の火花放電期間はエンジンの
運転状態により変化し、図略の制御用コンピュータにお
いて開始時期および放電時間が演算され、放電期間制御
部３１が開始時期および放電時間を規定するＨレベルの
矩形信号を発する（図２の（Ａ））。これにより第１の
発振器２６１から出力される１０ｋＨz の矩形波信号
（図２の（Ｂ））によりトランジスタ２４１，２４２が
オンオフ作動を開始する。

【００２８】点火プラグ１の対向電極１１，１２間に
は、放電開始時の容量放電（ブレークダウン、図２の
（Ｅ）中、矢印）後、１０ｋＨz の交流の高電圧による
放電が行われる（図２の（Ｅ））。

【００２９】ここで放電開始時期および放電時間の設定
について説明する。放電開始時期は、例えばエンジン回
転数６００（ｒｐｍ）のアイドリング時においてはＢＴ
ＤＣ６０°とする。また低負荷時、エンジン回転数１５
００（ｒｐｍ）、吸気負圧３００（ｍｍＨg ）において
はＢＴＤＣ４０°とする。中負荷時、エンジン回転数２
０００（ｒｐｍ）、吸気負圧２００（ｍｍＨg ）におい
てはＢＴＤＣ２５°とする。

【００３０】また高負荷時においては、出力重視のため
エンジンは、混合ガスの濃度が高くＥＧＲ量も減らして
運転されている。かかる条件下では放電開始と同時に点
火がされるので、放電開始時期を必要以上に進角する
と、ノッキングを生じ運転不能となるおそれがある。そ
こで高負荷時は、例えばエンジン回転数１０００（ｒｐ
ｍ）においてＢＴＤＣ５°とする。エンジン回転数２０
００（ｒｐｍ）においてＢＴＤＣ１０°とする。エンジ
ン回転数３０００（ｒｐｍ）においてＢＴＤＣ２５°と
する。

【００３１】図３は放電時間ＡＴと失火率ＭＲの関係を
示すもので、ａが低負荷時、ｂが中負荷時、ｃが高負荷
時のものである。低負荷側ほど失火率は高いが、低負荷
時においても放電時間ＡＴを１０ｍｓとすれば５％以下
にでき、エンジンが安定して運転を維持できる。そこで
確実な点火が行えるように制御用コンピュータに最適放
電開始時期、必要最小限の放電時間をマップとして記憶
しておき、エンジン回転数、吸気負圧に応じて最適放電
開始時期、必要最小限の放電時間を放電期間制御部３１
に出力する。放電期間制御部３１は、これら放電開始時
期および放電時間に基づいて矩形信号を出力するが、矩
形信号の立ち上がりは放電開始時期に、立ち下がりはク
ランク角センサよりＴＤＣを検知してＴＤＣとなるよう
に設定する。

【００３２】図４、図５、図６は設定された放電期間の
一例を示すもので、それぞれ低負荷時、中負荷時、高負
荷時の場合を示している。また同じ条件下におけるイグ
ニションコイルによる直流電圧印加方式の点火装置の放
電期間を併せて示す。なお図中、ＡＣＡ点火は本実施形
態を示し、普通点火は直流電圧印加方式の点火装置を示
す。本実施形態は交流電圧による連続放電のため、イグ
ニションコイルによる直流電圧印加方式の普通点火に比
して進角の自由度が大きく、特に低負荷域において高い
燃費を実現することができる。また進角しても確実な着
火が行われるのでＴＤＣで放電期間を終了しても問題は
生じない。また燃焼室温度が高くなるＴＤＣ以後に放電
しないので点火プラグの電極の消耗が抑えられる。

【００３３】なお高圧縮比化等によって放電開始時期の
遅角化の進んだ近年のエンジンでは、放電終了時期をＴ
ＤＣに固定するのでは着火が困難になる。このようなエ
ンジンでは、放電終了時期をＴＤＣ後として着火に必要
な放電時間を確保する。例えば着火に必要な放電時間は
１．５ｍｓ程度であるから、アイドリング時のエンジン
回転数を６００ｒｐｍとすればこれをクランク角度に換
算すると５．４°ＣＡとなる。そこで放電開始時期が例
えばＢＴＤＣ５°以降となる場合には放電終了時期を放
電時間が１．５ｍｓとなるように設定する。なお放電期
間をこのように設定することにより、アイドリング時に
放電終了時期がＴＤＣ以降となる場合があるが、アイド
リング時には燃焼速度が遅いため、ＴＤＣ後に燃焼イオ
ンの測定が開始されても検出される燃焼イオンの増減の
挙動が正確さを損ねるということはない。

【００３４】放電期間制御部３１の出力がＨレベルから
Ｌレベルに変化し（図２の（Ｂ））、測定期間制御部３
２から矩形信号が出力され（図２の（Ｃ））、第２の発
振器２７１より出力される３０ｋＨz の矩形波信号によ
りトランジスタ２４１，２４２がオンオフ作動し（図２
の（Ｄ））、トランス２２の二次側巻線２２ｂに、電磁
誘導により矩形波信号と同じ周波数で、点火プラグ１の
対向電極１１，１２間に放電が生じないレベルの低い電
圧の交流電圧が印加される（図２の（Ｅ））。トランス
２２は一次側巻線２２ａの巻数を少なくして自己インダ
クタンスが抑えてあるから、印加電圧の切り換えすなわ
ち放電から測定への移行は即座に行われる。

【００３５】次に燃焼状態検出機能について説明する。
図７の（Ａ）は第１の発振器２７１が出力する矩形波信
号を示すもので、図７の（Ｂ）は電極１１，１２間に印
加する交流電圧を示すものである。交流電圧はトランジ
スタ２４１，２４２やトランス２２、これらの実装状態
における浮遊容量により、矩形波信号とくらべ波形がな
まり１００〜５００Ｖ程度の正弦波となる。この正弦波
は位相が矩形波信号に対し約９０°遅れる。

【００３６】印加された交流電圧により対向電極１１、
１２に電流が流れる。図７（Ｃ）は上記電流のうち容量
電流成分を示すもので、上記交流電圧の時間微分に比例
した電流となるから交流電圧の周波数が高いほど振幅が
大きくなる。また容量電流成分は燃焼イオンの量によら
ず振幅と交流電圧に対する位相が一定で、トリガーたる
上記矩形波信号のＨレベルからＬレベルへの変化が起き
る位相で０となる。図７の（Ｄ）は、対向電極１１，１
２間に存在する燃焼イオンにより流れる燃焼イオン電流
成分を示すもので、実線は燃焼イオンが多い場合を示
し、破線は燃焼イオンが少ない場合を示している（以下
のタイムチャ−トについても同様とする。）。燃焼イオ
ン電流が正側に比べ負側に微小電流しか流れていないの
はマイナスの燃焼イオンがプラスの燃焼イオンよりはる
かに存在量が少ないためと認められる。燃焼イオン電流
は、振幅が対向電極１１，１２間に存在してキャリアと
なる燃焼イオンの量に比例するとともに、上記交流電圧
と同位相で振動し、上記矩形波信号がＨレベルからＬレ
ベルに変化する位相で最大となる。

【００３７】容量電流と燃焼イオン電流の和が対向電極
１１、１２を流れる電流である。図７の（Ｅ）は、上記
電流を示すもので、燃焼イオンの量が多い場合と少ない
場合とで波形が異なるものとなる。電流は検出抵抗４に
おける電圧降下として検出され、電流信号としてサンプ
ルホールド回路５１に入力する。サンプルホ−ルド回路
５１は上記発振器信号がＨレベルからＬレベルへ変化す
る時に入力した信号をホ−ルドする。検出抵抗４で検出
される電流は同一位相では容量電流成分の大きさが一定
で、１周期中では上記発振器信号がＨレベルからＬレベ
ルへ変化する時に容量電流が０で燃焼イオン電流が正側
に流れる時のピ−ク値と等しい。サンプルホ−ルド回路
４１がホ−ルドした信号は、発振器２７１から出力され
る矩形波信号がＨレベルからＬレベルへ変化する時に入
力した信号であるから上記交流電圧による周期的な変化
を伴わず、また容量電流成分も含まない燃焼イオン電流
のピ−ク値となる。しかして燃焼イオン電流が効率よく
抽出される。

【００３８】次に解析部６Ａの作動を説明する。図８
（Ａ）は１燃焼サイクル中の燃焼室の筒内圧の経時変化
を示すもので、実線は正常燃焼を示し、破線は吹き消え
を示している（図８（Ｂ）、図８（Ｃ）において同
じ）。いずれの燃焼も筒内圧は、点火後上昇し最大値と
なった後は減衰するという傾向は同じであるが正常燃焼
と比較すると、吹き消えをする場合では燃焼が拡大する
途中で減衰、失火するため、筒内圧は正常燃焼よりも速
く減衰に転じる。

【００３９】図８（Ｂ）は上記燃焼サイクル中における
燃焼イオン電流の経時変化を示すもので、交流電圧を印
加した電流であるから一定の周期で振動している。上記
のとおりサンプルホ−ルド回路５１（図１）の出力は上
記交流電圧による周期的な変化を伴わず、容量電流成分
も含まない燃焼イオンの量のみで増減する燃焼イオン電
流のピ−ク値である。

【００４０】図８（Ｃ）は燃焼の減衰期における燃焼イ
オン電流ピ−ク値の経時変化の様子を示すものである。
完全失火の場合には燃焼が起きないので、燃焼イオン電
流ピ−ク値は実質的に０である。ピークホールドモニタ
６１より出力される燃焼イオン電流ピ−ク値の最大値Ｉ
p が、可変抵抗器６２３により設定される下限値Ｉｒよ
り小さければコンパレータ６２１はＬレベルを出力し、
判定部６４が完全失火と判定する。吹き消えの場合には
正常燃焼に比べて点火から消火するまでの減衰期間ＴR
が短い。判定部６４はコンパレータ６３がＨレベルから
Ｌレベルに変わるまでの時間をカウントして減衰期間Ｔ
R を得、これが正常な燃焼と認められる減衰期間の下限
値Ｔr より短かければ吹き消えと判定する。

【００４１】このように本発明では機関回転数によら
ず、略一定のクランク角度以降の燃焼状態が検出される
から、測定用の対向電極を別に設けることなく、精度よ
く燃焼イオンの量の増減を知り、正確に燃焼状態を判断
することができる。

【００４２】（第２実施形態）本発明の第２の燃焼状態
検出装置の一部を図９に示す。図９の燃焼状態検出装置
は図１に示した燃焼状態検出装置において、燃焼イオン
検出手段５Ａを別の構成の燃焼イオン検出手段５Ｂに代
え、別の燃焼イオン信号を出力するようにしたものであ
り、また解析部６Ａを解析部６Ｂに代え、ノッキングを
検出するようにしたものである。なお第１実施形態と実
質的に同じ要素については図１と同一番号を付し、第１
実施形態との相違点を中心に説明する。

【００４３】燃焼イオン検出手段５Ｂは、検出抵抗４の
電圧降下として出力する電流信号がコンパレータ５２を
介して積分回路５３に入力するようにしてある。積分回
路５３を構成するコンデンサ５３１の両端子間にはアナ
ログスイッチ５６が設けてあり、積分回路５３の積分区
間を与えるリセット信号を出力するようになっている。
アナログスイッチ５６には、これを作動せしめる第３の
発振器５４がカウンタ５５を介して入力するようにして
ある。また積分回路５３の出力は反転回路５７に入力せ
しめてある。反転回路５７の出力はサンプルホ−ルド回
路５８に入力せしめてあり、サンプルホールド回路５８
はコンパレ−タ５２の出力がＨレベルからＬレベルに変
化すると反転回路５７の出力のホ−ルド値を更新するよ
うになっている。

【００４４】サンプルホ−ルド回路５８の出力は燃焼イ
オン信号として、解析部６Ｂを構成するバンドパスフィ
ルタ６５に入力せしめてある。バンドパスフィルタ６５
は出力がノッキング振幅の最大値を検出するピ−クホ−
ルドモニタ６６に入力するようにしてあり、ピ−クホ−
ルドモニタ６６はバンドパスフィルタ６５の出力の最大
値を更新し、そのホ−ルド値が１燃焼サイクル開始時に
リセットするようにしてある。ピ−クホ−ルドモニタ６
６の出力は判定部６７に入力するようにしてある。

【００４５】本燃焼状態検出装置の作動を説明する。先
ず、燃焼イオン検出手段５Ｂの作動を図９と、図１０の
タイムチャ−トにより説明する。

【００４６】図略の第１の発振器から図１０の（Ａ）に
示す矩形波信号が発せられると第１実施形態のごとく図
１０（Ｄ）に示す燃焼イオン電流が流れる。実線は燃焼
イオンが多量に発生している場合を示し、破線は燃焼イ
オンが少ない場合を示している（以下のタイムチャ−ト
についても同様とする）。図略の対向電極には図１０の
（Ｅ）に示す電流が流れる。検出抵抗４には、電流信号
として上記電流に比例した電圧降下が発生する。燃焼イ
オン電流は負側には僅かしか出力されないから、検出抵
抗４で検出される電流は、正値を出力している期間が燃
焼イオン電流に応じて大きく変化する。本実施形態は電
流が正値をとる時間（以下、位相差という）を燃焼イオ
ン信号とするものである。検出抵抗４の電圧降下である
電流信号が、コンパレ−タ５２の＋入力端子に入力す
る。コンパレ−タ５２は−入力端子が接地電位としてあ
るから上記＋入力端子に入力する電流信号が正の時にＨ
レベルを出力する。図１０の（Ｆ）はコンパレ−タ５２
の出力を示すもので、Ｈレベルを出力している期間が上
記位相差と等しい。

【００４７】コンパレ−タ５２の出力は、積分回路５３
に入力し、積分回路５３はコンパレ−タ５２のＨレベル
信号を積分する。アナログスイッチ５６が積分回路５３
を構成するコンデンサ５３１をリセットすると積分回路
５３の出力は０となる。図１０の（Ｈ）は第３の発振器
５４の出力を示すもので、周波数３００kHz の矩形波を
発生する。図１０の（Ｉ）はカウンタ５５の出力を示す
もので、コンパレ−タ５２の出力がＬレベルの間、カウ
ンタ５５は第３の発振器５４の３パルス毎に１パルスの
Ｈレベル信号を発し、上記アナログスイッチ５６を作動
する。

【００４８】しかして積分回路５３はコンパレ−タ５２
がＨレベルを出力している時間に比例した負値の鋸波信
号を出力する。該鋸波信号を反転回路５７が符号を反転
し正値とする。図１０の（Ｊ）は反転回路５７の出力を
示すもので、波高値が位相差に比例する。コンパレ−タ
５２がＨレベルからＬレベルに変化するタイミングに、
反転回路５７の出力を、サンプルホ−ルド回路５８がホ
−ルドし燃焼イオン信号として出力する。図１０の
（Ｋ）はサンプルホ−ルド回路５８の出力を示すもの
で，燃焼イオン電流の増加（図１０の（Ｄ））により検
出抵抗４で検出される電流が正から負に変化するタイミ
ングの時間遅れるに比例して増加する。

【００４９】次に、解析部６Ｂの作動を説明する。図１
１（Ａ）は燃焼室における筒内圧とクランク角の関係を
示すもので，クランク角が進むと筒内圧は上昇してその
後一転して減少する傾向を示す。図１１（Ｂ）は上記サ
ンプルホ−ルド回路５８の出力すなわち上記位相差とク
ランク角との関係を示すもので、筒内圧と同様にクラン
ク角が進むと位相差は上昇してその後一転して減少する
傾向を示す。このように筒内圧と位相差の間には対応関
係が認められる。図１１（Ａ）に示されるようにノッキ
ングによる異常振動が筒内圧が高くなるクランク角で発
生していれば、同時に燃焼イオン電流もノッキングによ
る異常振動が生じており、図１１（Ｂ）に示されるよう
に上記位相差が異常振動する。

【００５０】このノッキングによる位相差の異常振動は
数kHz の周波数域に集中しており、該周波数域の振動を
サンプルホ−ルド回路５８の出力からバンドパスフィル
タ６５が分離する。図１１（Ｃ）はバンドパスフィルタ
６５の出力を示すもので、バンドパスフィルタ６５はノ
ッキング振動成分のみ通過し数kHz の周波数以外の振動
成分と直流成分を除去する。バンドパスフィルタ６５を
通過したノッキング振動成分はピ−クホ−ルドモニタ６
６に入力し、ピ−クホ−ルドモニタ６６は点火時からの
ノッキング振動の最大値すなわちノッキング振動の振幅
の最大値を更新または保持する。燃焼サイクル終了時に
は１燃焼サイクル中におけるノッキング振動の振幅の最
大値（図例ではＰ２）が判定部６７に入力し、判定部６
７は、入力する上記最大値の大きさからノッキングの強
さを判定する。

【００５１】なお第２の発振器２７１の周波数は３０ｋ
Ｈz に限定されるものではないが、ノッキング時の周波
数が数ｋＨz であることから１０数ｋＨz 以上であるこ
とが望ましい。

【００５２】（第３実施形態）点火用電圧印加手段、測
定用電圧印加手段、制御手段は、上記各実施形態とは別
の構成とすることもできる。図１２に本発明の第３の実
施形態を示す。点火プラグ１の一方の電極１１は、発振
回路たる圧電式高周波発振部７１から電圧が印加される
構成としてある。圧電式高周波発振部７１に給電する電
源部７２は、電圧の異なる一対の電源７２１，７２２か
らなり、電圧の高い方７２１が点火用で、低い方７２２
が測定用である。これら電源７２１，７２２と圧電式高
周波発振部７１間には切り換えスイッチ７３が介設して
ある。切り換えスイッチ７３は制御手段たる制御用コン
ピュータ７４により制御される。

【００５３】制御用コンピュータ７４は基本的に第１実
施形態の制御用コンピュータと同じもので、放電期間お
よび測定期間を決定し、所定のタイミングで切り換えス
イッチ７３を点火用電源７２１側と測定用電源７２２側
のいずれかに切り換えるものである。圧電式高周波発振
部７１と点火用電源７２１とで点火用電圧印加手段７Ａ
を構成し、圧電式高周波発振部７１と測定用電源７２２
とで測定用電圧印加手段７Ｂを構成する。

【００５４】圧電式高周波発振部７１は切り換えスイッ
チ７３からの電源電圧を入力として１００回巻程度の小
型の巻線トランス７１１が設けてある。巻線トランス７
１１の一次側巻線７１１ａは一方の端子が切り換えスイ
ッチ７３と接続してあり、他方の端子がトランジスタ７
１２を介して接地してある。

【００５５】巻線トランス７１１の二次側巻線７１１ｂ
は一方の端子が、検出抵抗４の一端に接続され、端子の
出力電圧が電流信号として図略のサンプルホールド回路
に出力される。二次側巻線７１１ｂは他方の端子が直列
に接続した圧電素子７１４，７１５を介してトランジス
タ７１２のベースにフィードバックしている。トランジ
スタ７１２のベースと切り換えスイッチ７３間には抵抗
７１３が介設してある。

【００５６】圧電素子７１４，７１５はチタン酸鉛系の
圧電式振動子で、振動部を円柱形状に成形してその両端
面に銀電極を焼き付けたものである。まったく同一の組
成および形状とすることにより略同じ共振特性としてい
る。圧電素子７１４，７１５の接続中点には点火プラグ
１の一方の電極１１が接続してある。

【００５７】上記回路構成において、切り換えスイッチ
７３が何れかの電源７２１，７２２と圧電式高周波発振
部７１とを接続すると、その際に生じるトランジスタ７
１２のベース電圧の微小な変動によりトランジスタ７１
２のコレクタ−エミッタ間が導通し、巻線トランス７１
１の一次側巻線７１１ａへ通電する。これにより巻線ト
ランス７１１の二次側巻線７１１ｂには相互誘導作用に
よる電圧が誘起される。この誘起電圧が圧電素子７１４
に印加されると圧電素子７１４は伸縮し、伸縮に対する
圧電効果によりその両端面電極７１４１，７１４２にそ
れぞれ符号の異なる同量の電荷が発生する。

【００５８】ここで点火プラグ１は浮遊容量を有してい
るが、値が小さいので、Ｑ＝ＣＶ（Ｑ：電荷、Ｃ：静電
容量、Ｖ：電圧）の関係より電極１１，１２間に点火用
の高電圧が得られる。

【００５９】このとき圧電素子７１５も上記高電圧によ
り同時に伸縮しているが、伸縮により両端面電極７１５
１，７１５２に発生する電荷は互いに逆極性となる。す
なわち端面電極７１５１と端面電極７１５２とでは電圧
が１８０度位相がずれ、電極７１５１が正のとき電極７
１５２は負である。

【００６０】また圧電素子７１５の電極７１５２は静電
容量の大きな電源７２に結線されているから逆相の電圧
によりトランジスタ７１２が非導通となる。これにより
巻線トランス７１１の一次側巻線７１１ａの通電が遮断
し、二次側巻線７１１ｂには上記の場合と逆の極性の電
圧が誘起され、この誘起電圧により、圧電素子７１４の
両端面電極７１４１，７１４２には上記の場合とは逆の
符号の電荷が帯電する。しかして圧電素子７１４の電極
７１４２電圧は反転し負となる。また圧電素子７１５の
端面電極７１５２電圧は反転し正となり、トランジスタ
７１２のベース側電圧がトランジスタ７１２をスイッチ
ングするレベルとなり、この電圧レベルにより抵抗７１
３からのベース電流が制御され、トランジスタ７１２が
再び導通する。

【００６１】このように巻線トランス７１１の二次側の
出力をトランジスタ７１２に帰還せしめることにより上
記動作が交互に繰り返され、圧電素子７１４，７１５の
共振周波数を発振周波数とする自励発振回路が成立す
る。圧電素子７１４，７１５の接続中点には高周波交流
電圧が発生し、点火プラグ１の電極１１，１２間に印加
される。このとき圧電式高周波発振部７１に給電する電
源が点火用電源７２１のときは電極１１，１２間電圧が
放電可能電圧となるように、また測定用電源７２２のと
きは電極１１，１２間電圧が放電可能電圧未満となるよ
うに巻線トランス７１１の巻線比、圧電素子７１４，７
１５の仕様等を設定しておく。

【００６２】制御用コンピュータ７４は第１実施形態と
同様に放電開始時期になると切り換えスイッチ７３を制
御して点火用電源７２１と圧電式高周波発振部７１とを
接続する。点火プラグ１の電極１１，１２間に高周波の
放電可能な高電圧が印加され点火プラグ１の対向電極１
１，１２間の放電により混合ガスに着火する。ＴＤＣに
なると制御用コンピュータ７４は切り換えスイッチ７３
を測定用電源７２２側に切り換える。放電可能電圧より
も低い高周波電圧が点火プラグ１の電極１１，１２間に
印加され、検出抵抗４により燃焼イオンの量に応じた電
流が検出される。ＡＴＤＣ９０°になると制御用コンピ
ュータ７４は切り換えスイッチ７３を制御して電源７２
１，７２２を圧電式高周波発振部７１から切り離す。

【００６３】また検出抵抗４から燃焼イオン電流を抽出
するには、第１、第２実施形態の構成が基本的に用いら
れ得る。例えば第１実施形態のごとくサンプルホールド
回路により検出抵抗４の出力電圧をトランジスタ７１２
のオンオフに基づいて圧電素子７１４，７１５の振動周
期の所定の位相でホールドすればよい。

【００６４】なお上記各実施形態では放電終了時期をＴ
ＤＣに設定したが必ずしもこれに限定されるものではな
い。放電終了時期は、要求される精度に応じて燃焼状態
の解析に必要な測定期間が得られるように適宜設定し得
る。

【００６５】また点火プラグには点火用に交流電圧を印
加するようにしたが、イグニションコイルを用いた従来
の直流電圧印加方式の点火装置にも適用できる。この場
合、放電終了時期に点火プラグの電極への給電線を接地
せしめる等して強制的に放電を遮断すればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の燃焼状態検出装置の回路図であ
る。

【図２】本発明の第１の燃焼状態検出装置の作動を説明
する第１のタイムチャートである。

【図３】本発明の第１の燃焼状態検出装置の作動を説明
する第１のグラフである。

【図４】本発明の第１の燃焼状態検出装置の作動を説明
する第２のグラフである。

【図５】本発明の第１の燃焼状態検出装置の作動を説明
する第３のグラフである。

【図６】本発明の第１の燃焼状態検出装置の作動を説明
する第４のグラフである。

【図７】本発明の第１の燃焼状態検出装置の作動を説明
する第２のタイムチャートである。

【図８】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の第１の燃焼
状態検出装置の作動を説明する第５，第６，第７のグラ
フである。

【図９】本発明の第２の燃焼状態検出装置の部分回路図
である。

【図１０】本発明の第２の燃焼状態検出装置の作動を説
明するタイムチャートである。

【図１１】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ本発明の
第２の燃焼状態検出装置の作動を説明するグラフであ
る。

【図１２】本発明の第３の燃焼状態検出装置の部分回路
図である。

【符号の説明】

１ 点火プラグ １１，１２ 対向電極 ２Ａ 点火用電圧印加手段 ２Ｂ 測定用電圧印加手段 ２１ 電源 ２２ トランス ２４１，２４２ トランジスタ（スイッチング手段） ２６ 第１のスイッチング信号発生手段 ２７ 第２のスイッチング信号発生手段 ３１ 放電期間制御部（制御手段） ３２ 測定期間制御部（制御手段） ４ 検出抵抗（電流検出手段） ５Ａ，５Ｂ 燃焼イオン検出手段 ６Ａ，６Ｂ 解析部（燃焼状態解析手段） ７Ａ 点火用電圧印加手段 ７Ｂ 測定用電圧印加手段 ７１ 圧電式高周波発振部（発振回路） ７２１，７２２ 電源 ７３ 切り換えスイッチ（切り換え手段） ７４ 制御用コンピュータ（制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 頼田 浩 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 佐藤 靖之 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 日野 誠悟 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の燃焼室内に面して一対の対向
   電極が設けられた点火プラグと、対向電極間に放電が可
   能な高電圧を印加して放電を発生させる点火用電圧印加
   手段と、対向電極間に放電可能電圧よりも低い交流電圧
   を印加する測定用電圧印加手段と、上記対向電極を流れ
   る電流を検出し電流信号を出力する電流検出手段と、上
   記電流信号から上記対向電極間に存在する燃焼イオンの
   量の増減を検出してこれに対応した燃焼イオン信号を出
   力する燃焼イオン検出手段と、燃焼イオン信号の挙動か
   ら燃焼状態を解析する燃焼状態解析手段と、点火プラグ
   の対向電極間の放電をクランク角度で略一定の時期に終
   了してその後測定用電圧印加手段を作動せしめる制御手
   段とを具備する燃焼状態検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃焼状態検出装置におい
   て、上記制御手段は、放電終了時期をクランク角度の上
   死点に設定した燃焼状態検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２いずれか記載の燃焼状
   態検出装置において、上記点火用電圧印加手段が上記点
   火プラグの対向電極間に印加する電圧を交流電圧とした
   燃焼状態検出装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の燃焼状態検出装置におい
   て、上記点火用電圧印加手段は、直流電源が一次側巻線
   に接続され上記点火プラグの対向電極が二次側巻線に接
   続されたトランスと、直流電源からのトランスの一次側
   巻線への給電を断続せしめるスイッチング手段と、スイ
   ッチング手段を高周波でオンオフ作動せしめる第１のス
   イッチング信号発生手段とで構成し、上記測定用電圧印
   加手段は、点火用電圧印加手段と共用する上記トランス
   および上記スイッチング手段と、スイッチング手段を第
   １のスイッチング信号発生手段よりも高い周波数でオン
   オフ作動せしめる第２のスイッチング信号発生手段とで
   構成するとともに、第１のスイッチング信号発生手段の
   オンオフ周波数をトランスの二次側電圧が放電可能電圧
   となるように設定し、第２のスイッチング信号発生手段
   のオンオフ周波数をトランスの二次側電圧が放電可能電
   圧よりも低くなるように第１のスイッチング信号発生手
   段のオンオフ周波数よりも高く設定し、かつ上記制御手
   段は、放電終了時期になると第２のスイッチング信号発
   生手段により上記スイッチング手段がオンオフ作動する
   ように設定した燃焼状態検出装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載の燃焼状態検出装置におい
   て、上記点火用電圧印加手段は、自励式の発振回路であ
   ってその発振出力を上記点火プラグの対向電極間に印加
   せしめる発振回路と、発振回路への供給電圧が異なる一
   対の発振回路用の電源と、電源をいずれかに切り換える
   切り換え手段とで構成するとともに、上記一対の電源
   は、一方の供給電圧を発振出力が放電可能電圧となるよ
   うに設定し、他方の供給電圧を発振出力が放電可能電圧
   未満となるように設定し、かつ上記制御手段は、放電終
   了時期になると電圧の低い電源に切り換えるように設定
   した燃焼状態検出装置。