JP2007303317A

JP2007303317A - 内燃機関の失火検出装置

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Publication number: JP2007303317A
Application number: JP2006130935A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Fukumura; 義之福村; Mitsuhiro Izumi; 光宏泉; Shinobu Sugizaki; 忍杉崎; Isao Kusuhara; 功楠原; Yasuteru Kawashima; 康照川島
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-10
Also published as: JP4522391B2

Abstract

【課題】ノイズが重畳した状態でも失火状態を確実に把握できる内燃機関の失火検出装置を提供する。
【解決手段】点火プラグＰＧに高電圧を供給する点火コイル１と、点火コイル１を断続的に駆動するスイッチング素子２と、点火コイル１の二次コイル１Ｓに接続されたイオン電流検出回路３と、イオン電流検出回路３のアナログ検出信号ＡＧを所定値Ｅ_ＴＨと対比してデジタル判定信号ＤＧを出力するコンパレータ４と、デジタル判定信号ＤＧを受ける電子制御回路ＥＣＵとを備える。電子制御回路ＥＣＵは、デジタル判定信号ＤＧのパルス幅を検出する第１手段と、前記パルス幅の検出回数を計数する第２手段と、前記パルス幅と前記検出回数とに基づいて統計値を算出する第３手段と、前記統計値に基づいて失火状態を検出する第４手段とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関において、コロナ放電などによるノイズの存在に拘わらず失火状態を正確に検出できる失火検出装置に関する。

内燃機関の燃焼室で混合気を燃焼させるとイオンが発生することが一般に知られている。昨今、このイオンに対応するイオン電流に着目した燃焼制御の研究が盛んであり、イオン電流に着目して失火検出を行う試みもなされている（特許文献１）。
特開２００６−７０８９６公報

特許文献１に記載の発明では、イオン電流検出回路の出力電圧を、コンパレータの判定基準レベルと比較し、コンパレータの出力パルス（デジタル判定信号）に基づいて燃焼状態を検出している。具体的には、燃焼状態ではコンパレータの出力パルスのパルス幅が広いのに対して、失火状態ではパルス幅が狭いので、前記パルス幅の広狭によって燃焼／失火の判定をしている。

しかしながら、コロナ放電などに起因してイオン電流検出回路からノイズが検出されることがあり、上記発明の構成のままでは、このノイズの存在によって失火状態を燃焼状態であると誤判定することがあった。

図８は、この関係を図示したものであり、失火状態であるにも拘わらず、イオン電流検出回路から、図８（ｂ）に示すノイズ成分が検出されている。このノイズ成分はコンパレータにおいて判定基準レベルＥ_ＴＨと対比されるので、コンパレータから図８（ｃ）のような出力パルスが得られることになり、幅の広い出力パルスに基づいて燃焼状態であると誤判定されることになる。

ここで、出力パルスの基準パルス幅を最適値に設定しようとしても、ノイズの発生タイミング及びそのレベルは不規則であるので、画一的で最適な基準パルス幅を決定することは不可能である。すなわち、基準パルス幅の広狭に応じて、失火状態を燃焼状態に誤認するか、或いは、燃焼状態を失火状態に誤認するかの何れかの弊害が生じる。

本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであって、ノイズが重畳した状態でも失火状態を確実に把握できる内燃機関の失火検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る内燃機関の失火検出装置は、点火プラグに高電圧を供給する点火コイルと、前記点火コイルを断続的に駆動するスイッチング素子と、前記点火コイルの二次コイルに接続されたイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出回路のアナログ検出信号を所定値と対比してデジタル判定信号を出力するコンパレータと、前記デジタル判定信号を受ける電子制御回路とを備え、前記電子制御回路は、前記デジタル判定信号のパルス幅を検出する第１手段と、前記パルス幅の検出回数を計数する第２手段と、前記パルス幅と前記検出回数とに基づいて統計値を算出する第３手段と、前記統計値に基づいて失火状態を検出する第４手段とを有することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、点火プラグに高電圧を供給する点火コイルと、前記点火コイルを断続的に駆動するスイッチング素子と、前記点火コイルの二次コイルに接続されたイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出回路の検出信号を受ける電子制御回路とを備え、前記電子制御回路は、前記検出信号を所定値と比較して二値信号に変換する判定手段と、前記二値信号のパルス幅を検出する時間幅検出手段と、前記パルス幅の検出回数を計数する計数手段と、前パルス幅と前記検出回数とに基づいて統計値を算出する算出手段と、前記統計値に基づいて失火状態を検出する失火検出手段とを有する。

好ましくは、統計値の算出には、各回の点火動作後に発生する前記デジタル判定信号のパルス幅の累計値が使用されるか、或いは、各回の点火動作後に発生する前記デジタル判定信号のパルス幅の中の最大値が使用される。また、前記第１手段及び／又は前記第２手段は、前記デジタル判定信号のレベル変化に呼応して機能を開始するのが好適である。

前記電子制御回路は、ＣＰＵの割込み端子とＣＰＵへの入力ポートとを備えて構成され、前記デジタル判定信号は、前記割込み端子及び入力ポートに供給されるのが効果的である。また、前記第１手段及び第２手段は、割込み処理プログラムで実現されるのが効果的である。

以上説明した本発明によれば、デジタル判定信号のパルス幅と検出回数とに基づいて統計値を算出し、この統計値に基づいて失火状態を検出するので、失火状態を誤認することがない。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、実施例に係る内燃機関用の失火検出装置ＥＱＵを示す回路図である。また、図２は、失火検出装置ＥＱＵの動作内容を説明する図面である。

図１に示す通り、この失火検出装置ＥＱＵは、一次コイル１Ｐと二次コイル１Ｓとが電磁結合され点火プラグＰＧに高電圧を供給する点火コイル１と、点火コイル１を断続的に駆動するスイッチングトランジスタ２と、点火プラグＰＧと二次コイル１Ｓに直列接続されたイオン電流検出回路３と、イオン電流検出回路３のアナログ検出信号ＡＧを所定値Ｅ_ＴＨと対比してデジタル判定信号ＤＧを出力するコンパレータ４と、イオン電流検出回路３及びコンパレータ４からの信号出力ＡＧ，ＤＧを受けるＥＣＵ（Electronic Control Unit）５とを中心に構成されている。

ＥＣＵ５は、この実施例ではワンチップマイコンで構成されており、ＣＰＵコア５ａやメモリ５ｂの他に、入力ポート５ｃ、Ａ／Ｄコンバータ５ｄ、及び出力ポート５ｅを備えている。そして、コンパレータ４のデジタル判定信号ＤＧとイオン電流検出回路３のアナログ検出信号ＡＧとを、それぞれ入力ポート５ｃとＡ／Ｄコンバータ５ｄとで受けている。また、ワンチップマイコンは、ＣＰＵコア５ａの割込み端子ＩＲＱにデジタル判定信号ＤＧを受けており、デジタル判定信号ＤＧ（割込み信号）の立下りエッジで、外部割込み要求を受け付けるよう設定されている。

更に、ＥＣＵ５のワンチップマイコンは、出力ポート５ｅから出力する点火パルスによってスイッチングトランジスタ２のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御している。図示の通り、スイッチングトランジスタ２のベース端子は、ワンチップマイコンに接続され、コレクタ端子は、点火コイルの一次コイル１Ｐに接続され、エミッタ端子は、グランドラインに接続されている。

イオン電流検出回路３は、点火プラグＰＧの放電電流で充電されるバイアス用のコンデンサＣと、コンデンサＣに並列接続されてコンデンサＣの充電電圧を規制するチェナーダイオードＺＤと、チェナーダイオードＺＤに直列接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の両端に接続された増幅部ＡＭＰとで構成されている。

チェナーダイオードＺＤとダイオードＤ１のアノード端子は、互いに直結され、ダイオードＤ１のカソード端子はグランドラインに接続されている。また、チェナーダイオードＺＤのカソード端子は、二次コイル１Ｓに接続されている。

イオン電流検出回路３の増幅部ＡＭＰは、反転端子と非反転端子と出力端子とを有する増幅素子Ｑ１と、増幅素子Ｑ１の反転端子に接続される入力抵抗Ｒ１と、増幅素子Ｑ１の反転端子と出力端子の間に接続される帰還抵抗Ｒ２と、増幅素子Ｑ１の出力端子とグランドラインとの間に接続される負荷抵抗ＲＬで構成されている。なお、増幅素子Ｑ１の反転端子とグランドラインとの間に、増幅素子Ｑ１を保護するためのダイオードＤ２を接続しても良い。

増幅素子Ｑ１として、この実施例では、ＯＰアンプを使用している。ＯＰアンプは、その入力インピーダンスがほぼ無限大（≒∞）で、反転端子と非反転端子との間が、仮想的に短絡状態である(imaginary short)。そのため、図２（ｂ）に示す電流Ｉは、入力抵抗Ｒ１と帰還抵抗Ｒ２に共通して流れることになり、増幅部ＡＭＰの出力電圧Ｖｏｕｔは、電流Ｉと帰還抵抗Ｒ２の積となる（Ｖｏｕｔ＝Ｉ×Ｒ２）。つまり、この増幅部ＡＭＰでは、帰還抵抗Ｒ２が入力電流Ｉの検出抵抗として機能している。

図１の回路構成において、二次コイル１Ｓに負の高電圧が発生すると、図２（ａ）に示すように、点火プラグＰＧが点火放電し、点火電流がコンデンサＣを充電する。この時、コンデンサＣにはチェナーダイオードＺＤが並列接続されているので、コンデンサＣの両端電圧は、チェナーダイオードＺＤの降伏電圧Ｖｚに一致する。

その後、二次コイル１Ｓの高電圧が消滅すると（図２（ｄ）参照）、コンデンサＣに充電されたバイアス電圧は、図２（ｂ）に示す経路で放電する。この放電電流は、イオン電流Ｉに他ならず（図２（ｅ）参照）、イオン電流Ｉは、増幅素子Ｑ１の出力端子→帰還抵抗Ｒ２→入力抵抗Ｒ１→コンデンサＣ→二次コイル１Ｓ→点火プラグＰＧの経路で流れる。先に説明した通り、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｒ２×Ｉの関係が成立するので、増幅部ＡＭＰからはイオン電流Ｉに比例した電圧が得られる。

図５は、失火状態におけるタイムチャートであり、図５（ａ）〜図５（ｃ）は、それぞれ、スイッチングトランジスタ２への点火パルスＳＧと、増幅部ＡＭＰのアナログ検出信号ＡＧと、コンパレータ４のデジタル判定信号ＤＧとを示している。なお、一点鎖線で示す時間領域は、イオン電流波形の切出しウインドＷｉｎである。最適な切出しウインドＷｉｎは、エンジン回転数やエンジン負荷などの運転条件に応じて動的に変化するので、この実施例では、運転条件とイオン電流との関係を予め実験的に求めてメモリに記憶しておき、実際の運転時には、各種センサから得られるデータに基づいて最適な切出しウインドＷｉｎを決定している。

上記のような回路構成において、スイッチングトランジスタ２に点火パルスＳＧが供給されると点火プラグＰＧの放電に対応して、通常は、図５（ｂ）に示すようなイオン電流の検出信号ＡＧが得られる。そして、この検出信号がコンパレータ４で基準電圧Ｅ_ＴＨと比較されることで、図５（ｃ）のような適当な期間、Ｌレベルを示すデジタル判定信号ＤＧが得られる。

一方、点火プラグＰＧが放電しても燃焼が生じない失火時には、切出しウインドＷｉｎ内は、通常、図５（ｄ）のように、イオン電流の検出信号ＡＧが得られない状態となる。そのため、切出しウインドＷｉｎにおけるコンパレータ４のデジタル判定信号ＤＧは、常時Ｈレベルとなる（図５（ｅ）参照）。

但し、点火プラグＰＧでコロナ放電などが生じると、失火状態でも、図６（ｂ）に示すような高周波ノイズが、イオン電流検出回路３から検出信号ＡＧとして検出される。したがって、この場合にも、Ｌレベル期間を有するデジタル判定信号ＤＧが検出され、燃焼状態と区別できないおそれがある。

しかし、本実施例では、以下に説明する独特の燃焼判定を実行することによって、燃焼状態と失火状態との誤認を防止している。図３と図４は、失火状態を正確に検出可能な第１実施例と第２実施例を説明するフローチャートである。

これら第１と第２の実施例では、切出しウインドＷｉｎの十分手前から、切出しウインドＷｉｎの終了位置までは、割込み端子ＩＲＱへの外部割込みが割込み許可状態となるが、それ以外では、割込み禁止状態になるようプログラム処理されている（図５、図６参照）。なお、割込み許可状態では、割込み端子ＩＲＱに供給されるデジタル判定信号ＤＧが立下がると、その立下りエッジで割込み処理ルーチンが起動されるよう設定されている。

図３（ａ）は、第１実施例の割込み処理ルーチンを示すフローチャートであり、図３（ｂ）は、第１実施例のメインルーチンの一部（判定処理サブルーチン）を示すフローチャートである。先ず、図３（ａ）に示す割込み処理ルーチンから説明する。

判定デジタル信号ＤＧがＬレベルに立下がったことにより割込み処理ルーチンが起動されると、ワンチップマイコンは、最初に、回数カウンタＮＵＭをインリメントすると共に（ＳＴ１）、内部カウンタＣＴのタイマ動作を開始させる（ＳＴ２）。ここで内部カウンタＣＴは、ワンチップマイコンに内蔵された適宜なカウンタである。

次に、ワンチップマイコンは、入力ポート５ｃを経由してデジタル判定信号ＤＧを繰り返し入力し（ＳＴ３）、デジタル判定信号ＤＧがＬレベルからＨレベルに戻るのを待つ（ＳＴ４）。そして、デジタル判定信号ＤＧがＨレベルになると、その瞬間の内部カウンタＣＴの値を取得する（ＳＴ５）。

以上の処理から明らかな通り、内部カウンタＣＴは、デジタル判定信号ＤＧがＬレベルである割込み処理開始時にカウンタ動作を開始し（ＳＴ２）、デジタル判定信号ＤＧがＨレベルに戻った瞬間にカウンタ動作を終了する（ＳＴ５）。そこで、次に、ワンチップマイコンは、取得した内部カウンタＣＴのカウンタ値に、内部カウンタＣＴの更新周期τを積算することで、デジタル判定信号ＤＧのＬレベル継続時間であるパルス幅Ｔを特定する。そして、ワンチップマイコンは、特定されたパルス幅Ｔを総和変数ＳＵＭに加算して、今回の割込み処理を終える（ＳＴ６）。

以上の通り、第１実施例では、デジタル判定信号ＤＧが立下がる毎に割込み処理ルーチンが起動して、デジタル判定信号ＤＧのパルス幅Ｔを算出して総和変数ＳＵＭに加算してゆく。そして、予め決定されている切出しウインドＷｉｎの期間が終わると、ＣＰＵコアが割込み禁止状態になると共に、図３（ｂ）に示す判定処理サブルーチンが実行される。

判定処理サブルーチンでは、割込み処理で加算されたパルス幅の総時間ＳＵＭと、割込み処理の起動総回数ＮＵＭとに基づいて、デジタル判定信号ＤＧのパルス幅の平均値ＡＶが、ＡＶ＝ＳＵＭ／ＮＵＭの演算式に基づいて算出される（ＳＴ２０）。そして、算出された平均値ＡＶが所定値より大きい場合には、内燃機関が燃焼状態であると判定され、所定値より小さい場合には、失火状態であると判定される。

したがって、例えば、図５（ｃ）のような、Ｌレベル期間の長い単一のデジタル判定信号が得られた場合は、当然に燃焼状態であると判定され、逆に、図５（ｄ）のような、Ｌレベル期間の短い単一のデジタル判定信号が得られた場合は、当然に失火状態であると判定される。

一方、イオン電流検出回路３からの検出信号にノイズが重畳しているような場合には、図６（ｃ）に示すように、デジタル判定信号ＤＧのレベルが繰り返し変動する。そして、変動するデジタル判定信号ＤＧの中には、パルス幅が短くないものも含まれる。しかし、本実施例では、割込み処理回数ＮＵＭと、パルス幅の総時間ＳＵＭとに基づいて、デジタル判定信号ＤＧの平均パルス幅（ＳＵＭ／ＮＵＭ）を算出し、算出された平均パルス幅と基準値との対比によって燃焼／失火の判定をするので、図６のような場合でも正しく失火判定をすることができる。

続いて、第２実施例について、図４（ｂ）に示す割込み処理ルーチンから説明する。割込み処理ルーチンが起動されると、ワンチップマイコンは、最初に、回数カウンタＮＵＭをインリメントすると共に（ＳＴ１０）、内部カウンタＣＴのタイマ動作を開始させる（ＳＴ１１）。

次に、ワンチップマイコンは、入力ポート５ｃを経由してデジタル判定信号ＤＧを繰り返し入力し（ＳＴ１２）、デジタル判定信号ＤＧがＬレベルからＨレベルに戻るのを待つ（ＳＴ１３）。そして、デジタル判定信号ＤＧがＨレベルになると、その瞬間の内部カウンタＣＴの値を取得し、取得値に内部カウンタＣＴの更新周期τを積算することで、デジタル判定信号ＤＧのＬレベル継続時間であるパルス幅Ｔを特定する（ＳＴ１４）。なお、以上の処理は、第１実施例のステップＳＴ１〜ＳＴ５の場合と同様である。

続いて、第２実施例では、算出されたパルス幅Ｔを、配列Ｓ（ＮＵＭ）に順番に格納する（ＳＴ１５）。したがって、割込み許可状態の期間内に、割込みルーチンがｎ回起動された場合には、配列Ｓ（１），Ｓ（２），・・・，Ｓ（ｎ）に、各回のパルス幅Ｔ１，Ｔ２，・・・，Ｔｎが記憶されることになる。

このようにしてｎ回の割込み処理の後、ＣＰＵコアが割込み禁止状態となると、ワンチップマイコンは、図４（ｂ）に示す判定処理サブルーチンを実行する。判定処理サブルーチンでは、割込み処理で記憶された配列Ｓ（１），Ｓ（２），・・・，Ｓ（ＮＵＭ）の最大値を抽出する（ＳＴ３０）。この抽出処理は、点火プラグＰＧの今回の放電後に発生した複数の判定パルスのうち、最大のパルス幅を抽出することに他ならない。

この抽出処理の結果、仮に、ｉ番目の割込みによるＬレベル継続期間Ｓ（ｉ）が最大であったと仮定すると、ワンチップマイコンは、Ｓ（ｉ）／ＮＵＭの演算値を、所定の基準値と比較することで、燃焼／失火の判定をする。

コロナ放電などに起因するノイズは激しく振動するので（図６（ｂ）参照）、例えその一部のパルス幅が大きくても、平均値Ｓ（ｉ）／ＮＵＭは、それほどのパルス幅とならず、失火状態を確実に検出することができる。なお、燃焼状態であれば、例えノイズが重畳しても、イオン電流波形の包絡線が滑らかに変化するので、失火状態における平均値Ｓ（ｉ）／ＮＵＭとは明確に区別可能である。したがって、この第２実施例でも、ステップＳＴ３１の判定によって正確に失火状態を検出することができる。

以上の通り、本発明の実施例を具体的に説明したが、具体的な内容は特に本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱することなく各種の改変が可能である。すなわち、本発明の趣旨は、デジタル判定信号のパルス幅とその検出回数とに基づいて統計値を算出し、その統計値を使用して失火状態を検出することであるから、統計値の選択その他は、適宜に変更される。

また、回路図についても図１の構成に限定されるものではなく、例えば、コンパレータ４を設けない図７の構成も好適である。図７の場合には、コンパレータを設けない代わりに、Ａ／Ｄコンバータ５ｄに入力されたアナログ検出信号ＡＧをデジタル変換した後、そのデータを閾値ＴＨと比較することで二値信号に変換される。この二値信号は、コンパレータ４の出力であるデジタル判定信号ＤＧに対応するが、この実施例では、閾値ＴＨの値を、リアルタイムに且つ任意に変更できる利点がある。

二値信号に変換された後の処理は、図３又は図４の場合と実質的に同一である。例えば、Ｌレベル（又はＨレベル）の継続時間の総和ＳＵＭと、二値信号の立下りエッジ（又は立上りエッジ）の検出回数ＮＵＭからＳＵＭ／ＮＵＭの演算を行い、その演算結果に基づいて失火判定を行う。或いは、二値信号が立下る毎に（又は立上る毎に）Ｌレベル（又はＨレベル）の継続時間を算出し、継続時間の配列Ｓ（１）〜Ｓ（ＮＵＭ）の最大値Ｓ（ｉ）と、立下りエッジ（又は立上りエッジ）の検出回数ＮＵＭとからＳ（ｉ）／ＮＵＭの演算を行い、その演算結果に基づいて失火判定を行う。

実施例に係る失火検出装置の回路構成を示す回路図である。イオン検出回路の動作内容を説明する図面である。失火判定のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。失火判定のアルゴリズムの別の一例を示すフローチャートである。イオン検出回路の動作内容を説明するタイムチャートである。イオン検出回路の動作内容を説明するタイムチャートである。別の実施例に係る失火検出装置の回路構成を示す回路図である。従来技術の問題点を説明する図面である。

符号の説明

ＰＧ点火プラグ
１点火コイル
２スイッチング素子
３イオン電流検出回路
４コンパレータ
ＡＧアナログ検出信号
ＤＧデジタル判定信号
ＥＣＵ電子制御回路

Claims

点火プラグに高電圧を供給する点火コイルと、前記点火コイルを断続的に駆動するスイッチング素子と、前記点火コイルの二次コイルに接続されたイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出回路のアナログ検出信号を所定値と対比してデジタル判定信号を出力するコンパレータと、前記デジタル判定信号を受ける電子制御回路とを備え、
前記電子制御回路は、
前記デジタル判定信号のパルス幅を検出する第１手段と、前記パルス幅の検出回数を計数する第２手段と、前パルス幅と前記検出回数とに基づいて統計値を算出する第３手段と、前記統計値に基づいて失火状態を検出する第４手段とを有することを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
点火プラグに高電圧を供給する点火コイルと、前記点火コイルを断続的に駆動するスイッチング素子と、前記点火コイルの二次コイルに接続されたイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出回路の検出信号を受ける電子制御回路とを備え、
前記電子制御回路は、
前記検出信号を所定値と比較して二値信号に変換する判定手段と、前記二値信号のパルス幅を検出する時間幅検出手段と、前記パルス幅の検出回数を計数する計数手段と、前パルス幅と前記検出回数とに基づいて統計値を算出する算出手段と、前記統計値に基づいて失火状態を検出する失火検出手段とを有することを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
前記統計値の算出には、各回の点火動作後に発生する前記デジタル判定信号のパルス幅の累計値が使用される請求項１又は２に記載の失火検出装置。
前記統計値の算出には、各回の点火動作後に発生する前記デジタル判定信号のパルス幅の中の最大値が使用される請求項１又は２に記載の失火検出装置。
前記第１手段及び／又は前記第２手段は、前記デジタル判定信号のレベル変化に呼応して機能を開始する請求項１、請求項３、請求項４の何れかに記載の失火検出装置。
前記電子制御回路は、ＣＰＵの割込み端子とＣＰＵへの入力ポートとを備えて構成され、前記デジタル判定信号は、前記割込み端子及び入力ポートに供給されている請求項１、請求項３〜５の何れかに記載の失火検出装置。
前記第１手段及び第２手段は、割込み処理プログラムで実現されている請求項１、請求項３〜６の何れかに記載の失火検出装置。