JP3814873B2 - イオン電流検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料の着火・燃焼を促進するためのグロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガソリンエンジンのみならずディーゼルエンジンにおいても環境保護の面から、機関から排出される排気ガスや排気煙をより一層低減させることが要望されている。そして、こうした要望に応えるべく、各種のエンジン改良や後処理（触媒等）による排出ガス低減、燃料・潤滑油性状の改善、各種のエンジン燃焼制御システムの改善などが検討されている。
【０００３】
また、上記検討事項に関連して、最近のエンジン燃焼制御システムにおいてはエンジン運転中の燃焼状態を検出することが要請されており、筒内圧、燃焼光、イオン電流等を検出することによってエンジン燃焼状態を検出することが検討されている。特に、イオン電流によりエンジン燃焼状態を検出することは、燃焼に伴う化学反応を直接的に観察できることから極めて有用と考えられており、種々のイオン電流検出装置及びその検出方法が提案されている。
【０００４】
そのイオン電流検出装置の一例として、燃料の着火・燃焼を促進するために燃焼室内に突設されたセラミックグロープラグを用い、同グロープラグ先端のセラミック発熱部にイオン電流検出用の電極部を設けた技術がある（例えば、米国特許第４，７３９，７３１号）。かかるグロープラグでは、前記電極部と燃焼室の内壁（例えばシリンダヘッド）との間に所定電圧を印加し、燃料燃焼時に発生する燃焼イオンを前記電極部及び燃焼室内壁に捕獲する。そして、この捕獲されるイオンの流れをイオン電流として検出する。
【０００５】
また、こうしたイオン電流検出機能を有するグロープラグを用いたイオン電流検出装置では一般に、エンジンの低温始動当初には発熱体の発熱作用により燃料の着火・燃焼を促進させる。この場合、通常はエンジンの暖機が完了し、燃焼状態が安定するまで発熱体の加熱状態が継続される（一般には、アフターグローと呼ばれる）。そして、アフターグローの終了後に、前記グロープラグの発熱作用を停止すると共に、イオン電流の検出処理が開始されるようになっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術においては、以下に示す問題を招来する。つまり、既存のイオン電流検出装置では、上述したようにアフターグロー期間中は加熱作用を呈するのみであって、イオン電流を検出することはできない。そのため、かかる期間においてはイオン電流の検出結果を用いた燃焼状態制御を実施することができず、燃焼状態を最適に制御することができないという問題があった。具体的にはアフターグロー期間中において、例えばイオン電流の検出結果を用いた着火時期のフィードバック制御や失火検出処理を実施することができず、燃料の燃焼状態を最適状態に制御することが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、グロープラグによるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができるイオン電流検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、グロープラグによる発熱体の加熱状態と、同グロープラグによるイオン電流検出状態とが切り替えられる（スイッチング手段）。このとき、グロープラグによるイオン電流検出状態では、グロープラグの電極部と燃焼室内壁との間で燃焼イオンが捕獲され、イオン電流検出用抵抗等の電流検出手段によりイオン電流が検出される。
【０００９】
また、本発明ではその特徴として、グロープラグによる発熱体の加熱が必要であると判断される発熱体加熱状態下において、少なくとも燃料の着火時期直後に一時的にイオン電流検出状態になるよう前記スイッチング手段が操作される（操作手段）。つまり、例えばエンジンの低温始動時におけるアフターグロー期間では、燃料の着火・燃焼を促進させる役割がグロープラグの機能として最優先されるため、従来装置では、かかるアフターグロー期間においてイオン電流検出処理が行われていなかった。これに対し、本発明では、アフターグロー期間のような発熱体加熱状態下においても、グロープラグの発熱機能を損なわない範囲内で一時的にイオン電流検出期間を設けるようにした。従って、グロープラグによるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、前記操作手段は、燃焼室内への燃料噴射時期から所定期間だけイオン電流検出状態になるようスイッチング手段を操作するようにしている。この場合、燃料噴射時期を基準にイオン電流検出期間を設定することにより、イオン電流検出期間をできるだけ短い期間に設定して当該イオン電流を確実に検出すると共に、グロープラグによるグロー機能の低下を最小限に抑えることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、前記操作手段は、所定周波数で前記発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切替え動作させるようにしている。かかる場合にも、アフターグロー期間においてイオン電流検出機能と発熱体加熱機能とを両立させることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、前記グロープラグは、一対のリード線によって通電加熱される発熱体と、該発熱体を埋設する耐熱性絶縁体と、前記発熱体と一体に形成されたイオン検出用電極とを有し、当該グロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出する。この場合、非常に簡単な構成であるにもかかわらず、精度良くイオン電流を検出することができ、その情報を燃焼制御に有用に活用することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、セラミックグロープラグ（以下、単にグロープラグという）を用いたイオン電流検出装置の第１の実施の形態について、図面に従って説明する。つまり、本実施の形態のイオン電流検出装置は、グロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出するものであって、そのグロープラグは、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに形成された燃焼室（渦流室）に設けられ、その一部が燃焼室内に晒されるようになっている。そして、同グロープラグは、エンジンの低温始動時において、燃料噴射ノズルより噴射される燃料の着火及び燃焼を促進させる役割をなす。また、本実施の形態におけるグロープラグは、上記の始動補助機能に加えて、燃料燃焼時の燃焼火炎帯に存在する活性イオンを検出する役割をもなす。
【００１４】
ここで、図１には、本実施の形態におけるグロープラグ１の全体構成を示す。同図において、グロープラグ１は略円筒状をなす金属製のハウジング２を有しており、このハウジング２の外周面には当該グロープラグ１を後述するシリンダヘッドに取り付けるための雄ねじ部３及び六角部４が形成されている。ハウジング２の上部には、管状のプロテクションチューブ５が溶着されている。
【００１５】
また、前記ハウジング２にはセラミック発熱部６が保持されており、このセラミック発熱部６は、導電性を有するＵ字状の発熱体７と、絶縁性を有する耐熱性絶縁体８と、前記発熱体７に一体成形されたイオン検出用電極１４と、前記発熱体７の両端に接続されると共に前記絶縁体８に埋設された２本のタングステンリード線９ａ，９ｂとから構成されている。
【００１６】
詳しくは、前記発熱体７はその大部分が耐熱性絶縁体８内に埋設され、強固に保持されるものであるが、図２の要部拡大図に示すように、発熱体７先端に形成されたイオン検出用電極１４の端面は、耐熱性絶縁体８の外周面と同一面上に設けられている。この場合、発熱体７とイオン検出用電極１４とは一体的に成形されているため、両部材７，１４は常に電気的に接続された状態となっている。かかる構成において、発熱体７の露出部と後述するディーゼルエンジンの渦流室１７（破線部）の内壁とは、イオン電流を検出するための対向電極を形成する。
【００１７】
また、図１において、前記各タングステンリード線９ａ，９ｂの上端には、耐熱性絶縁体８内に埋め込まれた導電性チップ１０ａ，１０ｂが接続されており、導電性チップ１０ａ，１０ｂには各々にリード線１１ａ，１１ｂが接続されている。これら２本のリード線１１ａ，１１ｂがグロープラグ１の外部信号入力線となっている。なお、前記ハウジング２及びプロテクションチューブ５と、リード線１１ａ，１１ｂとの間は、絶縁チューブ１２及びゴムブッシュ１３により電気的に絶縁されている。リード線１１ａ，１１ｂは、ゴムブッシュ１３と共にプロテクションチューブ５のカシメ締め付け力により固定されている。
【００１８】
以下に、セラミック発熱部６の詳細な構成について説明する。つまり、セラミック発熱部６の発熱体７、イオン検出用電極１４及び耐熱性絶縁体８は、いずれも導電性セラミック粉末（本実施の形態では、珪化モリブデンＭｏＳｉ2 粉末）と絶縁性セラミック粉末（本実施の形態では、窒化珪素Ｓｉ3 Ｎ4 粉末）の混合物よりなり、且つ配合割合を略同一にした焼結体により構成されている。但し、発熱体７及びイオン検出用電極１４ではＭｏＳｉ2 粉末の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれよりも小さく、耐熱性絶縁体８ではＭｏＳｉ2 粉末の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれと同じ若しくはそれよりも大きくしてある。即ち、各粉体の粒径を変更することにより発熱体７及びイオン検出用電極１４と、耐熱性絶縁体８とを作り分けるようにしている。
【００１９】
上記構成を有するセラミック発熱部６において、発熱体７及びイオン検出用電極１４では、小径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）が大径のＳｉ3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラミック粉末）を取り囲んで互いに連なっており、それにより発熱体７及びイオン検出用電極１４に電流が流れ、発熱体７が発熱される。一方、耐熱性絶縁体８では、大径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）間に小径のＳｉ3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラミック粉末）が介在するため、両者は直列に並んだ状態となり発熱体７に比べて抵抗が大きく絶縁層を形成する。
【００２０】
また、セラミック発熱部６の製造方法としては、先ずＭｏＳｉ2 粉末とＳｉ3 Ｎ4 粉末との混合物にバインダーを混練してペースト化し、発熱体７、イオン検出用電極１４及び耐熱性絶縁体８を各々に所望の形状に射出成形する。そして、発熱体７及びイオン検出用電極１４を耐熱絶縁体８で包み込むように配置して１７００〜１８００℃にてホットプレスした後、セラミック発熱部６として円柱状に削り出す。さらに、セラミック発熱部６の先端部において、耐熱性絶縁体８を球状に切削加工する。これにより、発熱体７はその全体が耐熱性絶縁体８の埋設されるが、イオン検出用電極１４の端面はセラミック発熱部６の先端部において露出することとなる。
【００２１】
次に、上記の如く構成されるグロープラグ１を用いたイオン電流検出システムを図３の構成図を用いて説明する。
図３において、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド１５にはねじ孔１６が形成されており、このねじ孔１６に前記グロープラグ１が螺着されている。即ち、グロープラグ１をシリンダヘッド１５に螺着する際には、前記六角部４を所定の工具で挟み、同プラグ１の雄ねじ部３をねじ孔１６にねじ入れるようにする。
【００２２】
グロープラグ１のセラミック発熱部６の先端部は、シリンダヘッド１５に形成された渦流室１７に突出配置されている。この渦流室１７にはピストン１８上部に設けられた主燃焼室１９が連通されており、渦流室１７は燃焼室の一部をなす。渦流室１７には燃料噴射ノズル２０の先端部が配設されており、この燃料噴射ノズル２０から渦流室１７内に燃料が噴射されるようになっている。
【００２３】
また、本イオン電流検出システムにおいては、定格１２Ｖ（ボルト）の直流電源からなるバッテリ２１を備えており、このバッテリ２１のプラス側には、第１のトランジスタＴｒ１のコレクタが接続されている。この第１のトランジスタＴｒ１のエミッタは、グロープラグ１の一方のリード線１１ａに接続され、ベースは電子制御装置（以下、ＥＣＵという）３０に接続されている。また、バッテリ２１のマイナス側には、第２のトランジスタＴｒ２のエミッタが接続されている。さらに、第２のトランジスタＴｒ２のコレクタは、グロープラグ１の他方のリード線１１ｂに接続され、ベースはＥＣＵ３０に接続されている。上記構成において、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースにはＥＣＵ３０からの同一の指令信号が入力され、これらトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は、常に同期して動作する。なお、第２のトランジスタＴｒ２のエミッタは、シリンダヘッド１５の一部にも接続されている。本実施の形態では、上記第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が請求項記載のスイッチング手段に相当する。
【００２４】
かかる場合において、ＥＣＵ３０から第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースにＨレベルの指令信号が入力されると、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は共にＯＮ状態となり、発熱体７の両端には、リード線１１ａ，１１ｂ及びタングステンリード線９ａ，９ｂを介してバッテリ電圧が印加されることになる。つまり、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２がＯＮ駆動された場合には、発熱体７は加熱状態に保持される（この状態を発熱体加熱状態という）。
【００２５】
また、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２への指令信号がＬレベルになると、当該トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が共にＯＦＦ状態となり、第１のトランジスタＴｒ１に並列に設けられた電気経路を介してバッテリ電圧がリード線１１ａに印加される。つまり、セラミック発熱部６の先端に形成されたイオン検出用電極１４とシリンダヘッド１５との間にバッテリ電圧が印加される。この場合、燃焼火炎帯の活性イオンの発生に伴いイオン電流が流れ、このイオン電流はイオン電流検出用抵抗２６により検出される（この状態をイオン電流検出状態という）。
【００２６】
なお、イオン電流検出用抵抗２６の抵抗値は１００ｋΩ程度であって、このイオン電流検出用抵抗２６を流れるイオン電流は、当該抵抗２６の両端の電位差として電位差計２７により検出される。
【００２７】
ここで、イオン電流の検出原理を略述する。燃料噴射ノズル２０による噴射燃料が渦流室１７で燃焼に供されると、その燃焼火炎帯ではイオン化されたプラスイオンとマイナスイオンが大量に発生する。このとき、イオン検出用電極１４とそれに対面するシリンダヘッド１５（渦流室１７の内壁）との間にバッテリ電圧が印加されることにより、イオン検出用電極１４にはマイナスイオンが捕獲されると共に、シリンダヘッド１５にはプラスイオンが捕獲される。そして、かかる状態で流れるイオン電流がイオン電流がイオン電流検出用抵抗２６両端の電位差として検出される。
【００２８】
一方、ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力回路等からなる周知のマイクロコンピュータやＡ／Ｄ変換器（共に図示略）を中心に構成され、前記電位差計２７により検出された検出信号を入力する。また、ＥＣＵ３０には、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ３１の検出信号や、エンジンクランク角に応じてエンジン回転数を検出するための回転数センサ３２の検出信号が入力され、ＥＣＵ３０は各センサ３１，３２の検出信号に基づいて水温Ｔｗ，エンジン回転数Ｎｅを検知する。
【００２９】
上記ＥＣＵ３０は、主としてディーゼルエンジンの低温始動時において、前記第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮさせることにより、グロープラグ１の発熱体７を加熱させて燃料の着火及び燃焼を促進させる（アフターグロー動作）。また、ディーゼルエンジンの暖機完了時において、前記トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせ、本システムの回路をイオン電流検出状態として燃焼イオン電流を検出する。
【００３０】
特に、本実施の形態ではその特徴として、エンジン始動当初（アフターグロー期間中）からイオン電流を検出できるよう、燃料着火後の所定期間において一時的に第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせ、一時的に発熱体加熱状態からイオン電流検出状態へ移行させるようにしている。
【００３１】
以下、本実施の形態の作用を図４〜図６を用いて説明する。
先ず図４のタイムチャートを用いて、本実施の形態における作用の概要を説明する。なお図４には、エンジンの低温始動時について、燃料燃焼時に発生するイオン電流波形、燃料噴射時期及びトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯＮ／ＯＦＦ動作状態を示しており、図の時間ｔ１以前はアフターグロー期間を示し、この時間ｔ１がアフターグローの終了時期に相当する。
【００３２】
さて、アフターグロー期間（時間ｔ１以前）においては、主として発熱体加熱状態が継続され、その中で一時的にイオン電流検出期間が設けられている。つまり、アフターグロー期間においては、初期状態としてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮさせ、これにより発熱体７を加熱状態としている。また、図示したようなイオン電流波形を得るべく、燃料噴射時期から所定期間（本実施の形態では、９０°ＣＡ）だけ一時的にトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせている。そして、この一時的なイオン電流検出期間（Ｔｒ１，Ｔｒ２のＯＦＦ期間）におけるイオン電流の検出結果が燃焼状態の制御に採用される。
【００３３】
同図のイオン電流波形において、燃料噴射時期の直後（圧縮ＴＤＣ直後）に電圧（電位差計２７による検出電圧）が急上昇している波形が燃料の燃焼によるイオン電流波形であり、イオン電流の立ち上がり時期が燃焼の開始位置、即ち燃料の着火時期に相当する。また、このイオン電流波形には、２つの山Ｂ１，Ｂ２が観測される。つまり、燃焼初期には、拡散火炎帯の活性イオンにより第１の山Ｂ１が観測され、燃焼中後期には筒内圧上昇による再イオン化により第２の山Ｂ２（ピーク値）が観測される。
【００３４】
図４においては、燃料噴射時期から９０°ＣＡのイオン電流検出期間と、その次の燃料噴射時期までの発熱体加熱期間（略６３０°ＣＡ）とが繰り返される（但し、本実施の形態では、１気筒についてのみ示している）。なお、イオン電流の検出期間は一時的であるので、グロープラグ１による燃料の着火・燃焼機能を損なうことはない。
【００３５】
また、時間ｔ１においては、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が共にＯＦＦされ、このトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の操作に伴ない発熱体７の加熱動作が停止される（アフターグローが終了される）。このとき、本システムの回路はイオン電流検出状態となり、それ以降、燃料燃焼毎にイオン電流が検出される。
【００３６】
次に、上記したアフターグロー動作及びイオン電流検出動作を実現するためにＥＣＵ３０により実施される演算処理について、図５及び図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図５は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯＮ／ＯＦＦ切替えルーチンを示し、図６は、イオン電流の検出結果を用いた燃焼状態制御の一例としての燃料着火時期のフィードバック制御ルーチンを示す。
【００３７】
先ず図５について説明する。なお、本図５の処理は、所定の時間の割り込み処理により実行される。
さて、図５の処理がスタートすると、ＥＣＵ３０は、先ずステップ１１０で今現在がアフターグロー期間中であるか否かを判別する。この判別には、例えばアフターグロー期間（エンジン冷間時）においてセットされるフラグを用いればよい。エンジンの低温始動当初においては、ステップ１１０が肯定判別され、ＥＣＵ３０は続くステップ１２０で水温Ｔｗ及びエンジン回転数Ｎｅを読み込む。
【００３８】
その後、ＥＣＵ３０は、ステップ１３０で水温Ｔｗが所定のアフターグロー終了温度、即ち暖機完了温度（本実施の形態では、６０℃）以上であるか否かを判別すると共に、ステップ１４０でエンジン回転数Ｎｅが所定回転数（本実施の形態では、２０００ｒｐｍ）以上に達したか否かを判別する。かかる場合、ステップ１３０，１４０が共に否定判別されれば、ＥＣＵ３０は、エンジンの暖機が完了しておらず、グロープラグ１（発熱体７）による加熱が必要であるとみなし、ステップ１５０に進む。また、ステップ１３０，１４０のいずれかが肯定判別されれば、ＥＣＵ３０は、エンジンの暖機が完了した、或いはグロープラグ１（発熱体７）による加熱が不要になったとみなし、ステップ１６０に進む。
【００３９】
ステップ１５０に進んだ場合、ＥＣＵ３０は、既述した通り第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮさせ、図３の回路を発熱体加熱状態とすると共に、その発熱体加熱状態下において一時的にトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせて同じく図３の回路をイオン電流検出状態とする（図４参照）。具体的には、燃料噴射のタイミングから９０°ＣＡの期間だけ第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせる。そして、ステップ１５０の処理後、本ルーチンを終了する。この状態では、グロープラグ１の発熱作用によって燃料の着火及び燃焼が促進されると共に、燃料の燃焼に伴うイオン電流も検出することができる。なお、本実施の形態では、上記ステップ１５０の処理が請求項記載の操作手段に相当する。
【００４０】
また、ステップ１６０に進んだ場合、ＥＣＵ３０は、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせ、それにより図３の回路をイオン電流検出状態に移行させる。この状態では、継続的にイオン電流が検出される。そして、ステップ１６０の処理後、本ルーチンを終了する。
【００４１】
なお、前記ステップ１４０が肯定判別されてステップ１６０に進む場合とは、例えばレーシング状態で一時的にエンジン回転数Ｎｅが上昇する場合が考えられ、この場合にはエンジン暖機が未だ完了していない。従って、図３の回路が一旦イオン電流検出状態に移行したとしても、ＥＣＵ３０は、未だアフターグローが継続しているものとして次回処理時のステップ１１０を肯定判別し、ステップ１３０，１４０の判別処理を再び実施する。そして、一時的なエンジン回転数Ｎｅの上昇が収まり、同回転数Ｎｅが低下すると（Ｎｅ＜２０００ｒｐｍ）、再度ステップ１５０の処理を実施する。
【００４２】
その後、Ｔｗ≧６０℃となりエンジン暖機が完了すると、即ちアフターグロー期間が終了すると、それ以降、ＥＣＵ３０はステップ１１０を毎回否定判別する。つまり、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２がＯＦＦ状態で維持され、図３の回路がイオン電流検出状態のままで保持される。
【００４３】
次に、燃料の着火時期フィードバック制御について図６を用いて説明する。同図のフローは、気筒への燃料噴射毎にＥＣＵ３０により実施される。なお、燃料の着火時期制御は、燃料噴射時期を調整することにより実現されるものであり、本実施の形態では、燃料噴射ノズルによる燃料噴射時期を最適時期に調整することにより燃料の着火時期を最適にフィードバック制御することとしている。
【００４４】
図６において、ＥＣＵ３０は、先ずステップ２１０で予めメモリに記憶されている燃料着火時期マップを用い、その時のエンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに応じた最適なる燃料着火時期（最適着火時期Ｋａ）を求める。ここで、燃料噴射量Ｑは、その時のエンジン負荷（例えばアクセル踏み込み量）とエンジン回転数とから求められる。
【００４５】
また、ＥＣＵ３０は、ステップ２２０でイオン電流波形（前記図４の第１の山Ｂ１）に基づいて実際の燃料着火時期（実着火時期Ｋｂ）を求め、続くステップ２３０で実着火時期Ｋｂのなまし値ＫＡＶを次の式（１）を用いて算出する。
【００４６】
ＫＡＶi ＝｛ＫＡＶi-1 ・（ｎ−１）＋Ｋｂi ｝／ｎ ・・・（１）
但し、本実施の形態では、なまし係数ｎを「８」とする。
その後、ＥＣＵ３０は、ステップ２４０で最適着火時期Ｋａと実着火時期Ｋｂのなまし値ＫＡＶとの偏差ΔＫ（＝Ｋａ−ＫＡＶ）を算出すると共に、続くステップ２５０で周知のフィードバック手法（例えばＰＩ手法やＰＩＤ手法）を用い、前記偏差ΔＫに応じて前記ステップ２１０で算出した最適着火時期Ｋａを補正する。そして、こうして補正し算出された最適着火時期に基づいて、実際に燃料噴射時期が制御される。
【００４７】
以上のようにしてイオン電流をエンジンの燃料噴射制御に反映させることにより、きめ細かくエンジンの運転状態を制御することが可能となる。また、上記にはイオン電流の検出結果を用いた着火時期のフィードバック制御の事例を説明したが、イオン電流の検出結果を用いて失火検出を行う等、他の燃焼状態制御を実施してもよい（図示略）。例えば前記図４におけるイオン電流波形の第２の山Ｂ２から異常燃焼、失火等の燃焼状態を検出し、その検出結果を燃料噴射制御に反映させるようにしてもよい。
【００４８】
次に、本実施の形態における効果を説明する。
（ａ）以上詳述したように本実施の形態では、グロープラグによる発熱体加熱状態下（アフターグロー期間）において、燃料噴射時期直後に一時的にイオン電流検出状態になるようトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を操作するようにした。かかる構成によれば、発熱体加熱状態下において、グロープラグ１の発熱機能を損なわない範囲内でイオン電流を検出することができる。その結果、グロープラグ１によるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができる。
【００４９】
（ｂ）特に、本実施の形態では、燃料噴射時期を基準にイオン電流検出期間を設定したため、イオン電流検出期間をできるだけ短い期間に設定して当該イオン電流を確実に検出すると共に、グロープラグ１によるグロー機能の低下を最小限に抑えることができる。
【００５０】
（ｃ）また、本実施の形態では、スイッチング手段として第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を採用した。そのため、応答性の良い切替え動作を行わせることができる。
【００５１】
（ｄ）さらに、本実施の形態のイオン電流検出装置の構成においては、スイッチ回路２５により発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切り替えると共に、両状態にて使用する電源を共用化した（バッテリ２１）。従って、イオン電流検出に関する構成が簡素化でき、安価なイオン電流検出装置を提供することができる。
【００５２】
（ｅ）併せて、本実施の形態では、グロープラグ１の発熱体７と一体にイオン検出用電極１４を形成し、同イオン検出用電極１４とエンジンのシリンダヘッド１５とからなる２電極により燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出するようにした。この場合、非常に簡単な構成であるにもかかわらず、精度良くイオン電流を検出することができ、その情報を燃焼制御に有用に活用することが可能となる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図７を用いて説明する。但し、本実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５４】
本実施の形態ではその特徴として、アフターグロー期間において所定周波数のＯＮ／ＯＦＦ信号にてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮ／ＯＦＦ動作させるようにしている。図７は、本実施の形態の具体的動作を示すタイムチャートである。なお、同図の時間ｔ１１以前はアフターグロー期間を示し、この時間ｔ１１がアフターグローの終了時期に相当する。
【００５５】
さて、アフターグロー期間（時間ｔ１１以前）においては、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が連続的にＯＮ状態とＯＦＦ状態とで切替えられる。かかる場合、当該トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯＮ期間が発熱体加熱期間に相当し、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯＦＦ期間がイオン電流検出期間に相当する。このとき、イオン電流検出期間（Ｔｒ１，Ｔｒ２のＯＦＦ期間）におけるイオン電流の検出結果が燃焼状態の制御に採用される。
【００５６】
ここで、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をスイッチングさせる周波数としては、例えばイオン電流の検出結果を用いて着火時期を検出する場合であれば、１０ｋＨｚ以上とするのが望ましい。この場合、当該周波数がこれよりも小さいと、エンジンの高回転域において着火時期の検出精度が悪化するおそれが生ずる。また、イオン電流の検出結果を用いて失火や異常燃焼を検出する場合であれば、前記スイッチングの周波数を１ｋＨｚ以上とするのが望ましい。この場合、当該周波数がこれよりも小さいと、エンジンの高回転域において失火や異常燃焼の検出精度が悪化するおそれが生ずる。なお、本実施の形態では、当該周波数を１０ｋＨｚ程度としている。
【００５７】
また、同図において、燃料噴射時期の直後（圧縮ＴＤＣ直後）に所定周期で燃料の燃焼によるイオン電流波形が観測される。この場合、個々の検出レベルを解析することにより、燃料の着火時期や失火、異常燃焼等が検出できる。
【００５８】
以上本第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、グロープラグ１によるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができる。
【００５９】
なお、本発明は、上記各実施の形態の他に次の形態にて実現できる。
（１）上記第１の実施の形態では、図５のステップ１５０において、予め設定されている所定期間（９０°ＣＡ期間）だけ第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦしてイオン電流検出状態に切り替えるようにしていたが、このイオン電流の検出期間を可変設定するようにしてもよい。例えばエンジン負荷やエンジン回転数に応じて、発熱体加熱状態下（アフターグロー期間）におけるイオン電流検出期間を設定する。この場合、エンジン負荷が大きいほど、又はエンジン回転数が高くなるほど、イオン電流検出期間を長くし、一方、エンジン負荷が小さいほど、又はエンジン回転数が低くなるほど、イオン電流検出期間を短くするのが好ましい。
【００６０】
（２）上記各実施の形態では、エンジンの低温始動時におけるアフターグロー期間において一時的なイオン電流検出期間を設けたが、このアフターグロー期間以外にも、発熱体加熱状態下において一時的なイオン電流検出期間を設けるようにしてもよい。例えば、グロープラグの外周にカーボンが付着した場合において、その付着カーボンを発熱体の発熱作用により焼き切って除去する際にも、その発熱体加熱状態下で一時的なイオン電流の検出状態を設定する。かかる場合、燃焼状態制御が中断されることなく継続できる。
【００６１】
（３）上記各実施の形態においては、単気筒エンジン（又は多気筒エンジンの１つの気筒）についてイオン電流の検出手順を説明したが、多気筒エンジンの各気筒について本実施の形態のイオン電流検出手順を適用してもよい。
【００６２】
（４）上記各実施の形態では、オールセラミックタイプのグロープラグを使用したが、他のグロープラグを使用してもよい。例えば、発熱体としてのコイル状の金属線（例えば、タングステン線）をセラミック材料からなる耐熱性絶縁体に埋設し、その金属線の一部に、燃焼火炎に晒されるイオン検出用電極（露出電極部）を電気的に接続する。この場合にも、イオン電流検出機能を兼ね備えた安価なグロープラグを提供することができる。また、発熱体の発熱性能も長期にわたって維持できる。
【００６３】
（５）上記各実施の形態では、発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切替えるために半導体スイッチとして第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を用いたが、これを変更してもよい。例えば、サイリスタ等の他の半導体スイッチに変更したり、接点式スイッチにに変更したりしてもよく、要するに上記２つの状態を切替え可能な手段であればよい。
【００６４】
（６）上記実施の形態では、発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とにおいて共通の直流電源（車載バッテリ２１）を用いたが、２つの直流電源を用いる構成としてもよい。具体的には、発熱体７を加熱するための発熱体加熱用電源と、イオン電流を検出するためのイオン電流検出用電源とを用意し、例えば発熱体加熱用電源として定格１２Ｖ（ボルト）の直流電源（車載バッテリ）を用い、イオン電流検出用電源として定格５０Ｖ（ボルト）の直流電源を用いる。
【００６５】
（７）上記各実施の形態では、渦流室を有するディーゼルエンジンの燃焼イオンを検出するイオン電流検出装置に本発明を適用したが、燃料を燃焼室内に直接噴射する、いわゆる直噴型エンジンに本発明を適用してもよい。また、他の装置に本発明を適用することもできる。例えば、ガソリンエンジンの排気管中で未燃燃料を燃焼させる装置において、その未燃燃料の燃焼に伴う燃焼イオンを本発明のイオン電流検出装置により検出することも可能である。この場合、当該装置により検出されたイオン電流から未燃燃料の燃焼状態が判定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるグロープラグの概要を示す全体構成図。
【図２】グロープラグの要部を拡大して示す断面図。
【図３】イオン電流検出システムの概要を示す構成図。
【図４】第１の実施の形態における作用をより具体的に説明するためのタイムチャート。
【図５】トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ切替え手順を示すフローチャート。
【図６】燃料の着火時期フィードバック手順を示すフローチャート。
【図７】第２の実施の形態における作用をより具体的に説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
１…グロープラグ、７…発熱体、８…耐熱性絶縁体、９ａ，９ｂ…タングステンリード線、１１ａ，１１ｂ…リード線、１４…イオン検出用電極、１７…燃焼室をなす渦流室、２１…バッテリ（電源）、３０…操作手段としてのＥＣＵ（電子制御装置）、Ｔｒ１…スイッチング手段としての第１のトランジスタ、Ｔｒ２…スイッチング手段としての第２のトランジスタ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料の着火・燃焼を促進するためのグロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガソリンエンジンのみならずディーゼルエンジンにおいても環境保護の面から、機関から排出される排気ガスや排気煙をより一層低減させることが要望されている。そして、こうした要望に応えるべく、各種のエンジン改良や後処理（触媒等）による排出ガス低減、燃料・潤滑油性状の改善、各種のエンジン燃焼制御システムの改善などが検討されている。
【０００３】
また、上記検討事項に関連して、最近のエンジン燃焼制御システムにおいてはエンジン運転中の燃焼状態を検出することが要請されており、筒内圧、燃焼光、イオン電流等を検出することによってエンジン燃焼状態を検出することが検討されている。特に、イオン電流によりエンジン燃焼状態を検出することは、燃焼に伴う化学反応を直接的に観察できることから極めて有用と考えられており、種々のイオン電流検出装置及びその検出方法が提案されている。
【０００４】
そのイオン電流検出装置の一例として、燃料の着火・燃焼を促進するために燃焼室内に突設されたセラミックグロープラグを用い、同グロープラグ先端のセラミック発熱部にイオン電流検出用の電極部を設けた技術がある（例えば、米国特許第４，７３９，７３１号）。かかるグロープラグでは、前記電極部と燃焼室の内壁（例えばシリンダヘッド）との間に所定電圧を印加し、燃料燃焼時に発生する燃焼イオンを前記電極部及び燃焼室内壁に捕獲する。そして、この捕獲されるイオンの流れをイオン電流として検出する。
【０００５】
また、こうしたイオン電流検出機能を有するグロープラグを用いたイオン電流検出装置では一般に、エンジンの低温始動当初には発熱体の発熱作用により燃料の着火・燃焼を促進させる。この場合、通常はエンジンの暖機が完了し、燃焼状態が安定するまで発熱体の加熱状態が継続される（一般には、アフターグローと呼ばれる）。そして、アフターグローの終了後に、前記グロープラグの発熱作用を停止すると共に、イオン電流の検出処理が開始されるようになっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術においては、以下に示す問題を招来する。つまり、既存のイオン電流検出装置では、上述したようにアフターグロー期間中は加熱作用を呈するのみであって、イオン電流を検出することはできない。そのため、かかる期間においてはイオン電流の検出結果を用いた燃焼状態制御を実施することができず、燃焼状態を最適に制御することができないという問題があった。具体的にはアフターグロー期間中において、例えばイオン電流の検出結果を用いた着火時期のフィードバック制御や失火検出処理を実施することができず、燃料の燃焼状態を最適状態に制御することが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、グロープラグによるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができるイオン電流検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、グロープラグによる発熱体の加熱状態と、同グロープラグによるイオン電流検出状態とが切り替えられる（スイッチング手段）。このとき、グロープラグによるイオン電流検出状態では、グロープラグの電極部と燃焼室内壁との間で燃焼イオンが捕獲され、イオン電流検出用抵抗等の電流検出手段によりイオン電流が検出される。
【０００９】
また、本発明ではその特徴として、グロープラグによる発熱体の加熱が必要であると判断される発熱体加熱状態下において、少なくとも燃料の着火時期直後に一時的にイオン電流検出状態になるよう前記スイッチング手段が操作される（操作手段）。つまり、例えばエンジンの低温始動時におけるアフターグロー期間では、燃料の着火・燃焼を促進させる役割がグロープラグの機能として最優先されるため、従来装置では、かかるアフターグロー期間においてイオン電流検出処理が行われていなかった。これに対し、本発明では、アフターグロー期間のような発熱体加熱状態下においても、グロープラグの発熱機能を損なわない範囲内で一時的にイオン電流検出期間を設けるようにした。従って、グロープラグによるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、前記操作手段は、燃焼室内への燃料噴射時期から所定期間だけイオン電流検出状態になるようスイッチング手段を操作するようにしている。この場合、燃料噴射時期を基準にイオン電流検出期間を設定することにより、イオン電流検出期間をできるだけ短い期間に設定して当該イオン電流を確実に検出すると共に、グロープラグによるグロー機能の低下を最小限に抑えることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、前記操作手段は、所定周波数で前記発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切替え動作させるようにしている。かかる場合にも、アフターグロー期間においてイオン電流検出機能と発熱体加熱機能とを両立させることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、前記グロープラグは、一対のリード線によって通電加熱される発熱体と、該発熱体を埋設する耐熱性絶縁体と、前記発熱体と一体に形成されたイオン検出用電極とを有し、当該グロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出する。この場合、非常に簡単な構成であるにもかかわらず、精度良くイオン電流を検出することができ、その情報を燃焼制御に有用に活用することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、セラミックグロープラグ（以下、単にグロープラグという）を用いたイオン電流検出装置の第１の実施の形態について、図面に従って説明する。つまり、本実施の形態のイオン電流検出装置は、グロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出するものであって、そのグロープラグは、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに形成された燃焼室（渦流室）に設けられ、その一部が燃焼室内に晒されるようになっている。そして、同グロープラグは、エンジンの低温始動時において、燃料噴射ノズルより噴射される燃料の着火及び燃焼を促進させる役割をなす。また、本実施の形態におけるグロープラグは、上記の始動補助機能に加えて、燃料燃焼時の燃焼火炎帯に存在する活性イオンを検出する役割をもなす。
【００１４】
ここで、図１には、本実施の形態におけるグロープラグ１の全体構成を示す。同図において、グロープラグ１は略円筒状をなす金属製のハウジング２を有しており、このハウジング２の外周面には当該グロープラグ１を後述するシリンダヘッドに取り付けるための雄ねじ部３及び六角部４が形成されている。ハウジング２の上部には、管状のプロテクションチューブ５が溶着されている。
【００１５】
また、前記ハウジング２にはセラミック発熱部６が保持されており、このセラミック発熱部６は、導電性を有するＵ字状の発熱体７と、絶縁性を有する耐熱性絶縁体８と、前記発熱体７に一体成形されたイオン検出用電極１４と、前記発熱体７の両端に接続されると共に前記絶縁体８に埋設された２本のタングステンリード線９ａ，９ｂとから構成されている。
【００１６】
詳しくは、前記発熱体７はその大部分が耐熱性絶縁体８内に埋設され、強固に保持されるものであるが、図２の要部拡大図に示すように、発熱体７先端に形成されたイオン検出用電極１４の端面は、耐熱性絶縁体８の外周面と同一面上に設けられている。この場合、発熱体７とイオン検出用電極１４とは一体的に成形されているため、両部材７，１４は常に電気的に接続された状態となっている。かかる構成において、発熱体７の露出部と後述するディーゼルエンジンの渦流室１７（破線部）の内壁とは、イオン電流を検出するための対向電極を形成する。
【００１７】
また、図１において、前記各タングステンリード線９ａ，９ｂの上端には、耐熱性絶縁体８内に埋め込まれた導電性チップ１０ａ，１０ｂが接続されており、導電性チップ１０ａ，１０ｂには各々にリード線１１ａ，１１ｂが接続されている。これら２本のリード線１１ａ，１１ｂがグロープラグ１の外部信号入力線となっている。なお、前記ハウジング２及びプロテクションチューブ５と、リード線１１ａ，１１ｂとの間は、絶縁チューブ１２及びゴムブッシュ１３により電気的に絶縁されている。リード線１１ａ，１１ｂは、ゴムブッシュ１３と共にプロテクションチューブ５のカシメ締め付け力により固定されている。
【００１８】
以下に、セラミック発熱部６の詳細な構成について説明する。つまり、セラミック発熱部６の発熱体７、イオン検出用電極１４及び耐熱性絶縁体８は、いずれも導電性セラミック粉末（本実施の形態では、珪化モリブデンＭｏＳｉ2 粉末）と絶縁性セラミック粉末（本実施の形態では、窒化珪素Ｓｉ3 Ｎ4 粉末）の混合物よりなり、且つ配合割合を略同一にした焼結体により構成されている。但し、発熱体７及びイオン検出用電極１４ではＭｏＳｉ2 粉末の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれよりも小さく、耐熱性絶縁体８ではＭｏＳｉ2 粉末の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれと同じ若しくはそれよりも大きくしてある。即ち、各粉体の粒径を変更することにより発熱体７及びイオン検出用電極１４と、耐熱性絶縁体８とを作り分けるようにしている。
【００１９】
上記構成を有するセラミック発熱部６において、発熱体７及びイオン検出用電極１４では、小径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）が大径のＳｉ3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラミック粉末）を取り囲んで互いに連なっており、それにより発熱体７及びイオン検出用電極１４に電流が流れ、発熱体７が発熱される。一方、耐熱性絶縁体８では、大径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）間に小径のＳｉ3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラミック粉末）が介在するため、両者は直列に並んだ状態となり発熱体７に比べて抵抗が大きく絶縁層を形成する。
【００２０】
また、セラミック発熱部６の製造方法としては、先ずＭｏＳｉ2 粉末とＳｉ3 Ｎ4 粉末との混合物にバインダーを混練してペースト化し、発熱体７、イオン検出用電極１４及び耐熱性絶縁体８を各々に所望の形状に射出成形する。そして、発熱体７及びイオン検出用電極１４を耐熱絶縁体８で包み込むように配置して１７００〜１８００℃にてホットプレスした後、セラミック発熱部６として円柱状に削り出す。さらに、セラミック発熱部６の先端部において、耐熱性絶縁体８を球状に切削加工する。これにより、発熱体７はその全体が耐熱性絶縁体８の埋設されるが、イオン検出用電極１４の端面はセラミック発熱部６の先端部において露出することとなる。
【００２１】
次に、上記の如く構成されるグロープラグ１を用いたイオン電流検出システムを図３の構成図を用いて説明する。
図３において、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド１５にはねじ孔１６が形成されており、このねじ孔１６に前記グロープラグ１が螺着されている。即ち、グロープラグ１をシリンダヘッド１５に螺着する際には、前記六角部４を所定の工具で挟み、同プラグ１の雄ねじ部３をねじ孔１６にねじ入れるようにする。
【００２２】
グロープラグ１のセラミック発熱部６の先端部は、シリンダヘッド１５に形成された渦流室１７に突出配置されている。この渦流室１７にはピストン１８上部に設けられた主燃焼室１９が連通されており、渦流室１７は燃焼室の一部をなす。渦流室１７には燃料噴射ノズル２０の先端部が配設されており、この燃料噴射ノズル２０から渦流室１７内に燃料が噴射されるようになっている。
【００２３】
また、本イオン電流検出システムにおいては、定格１２Ｖ（ボルト）の直流電源からなるバッテリ２１を備えており、このバッテリ２１のプラス側には、第１のトランジスタＴｒ１のコレクタが接続されている。この第１のトランジスタＴｒ１のエミッタは、グロープラグ１の一方のリード線１１ａに接続され、ベースは電子制御装置（以下、ＥＣＵという）３０に接続されている。また、バッテリ２１のマイナス側には、第２のトランジスタＴｒ２のエミッタが接続されている。さらに、第２のトランジスタＴｒ２のコレクタは、グロープラグ１の他方のリード線１１ｂに接続され、ベースはＥＣＵ３０に接続されている。上記構成において、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースにはＥＣＵ３０からの同一の指令信号が入力され、これらトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は、常に同期して動作する。なお、第２のトランジスタＴｒ２のエミッタは、シリンダヘッド１５の一部にも接続されている。本実施の形態では、上記第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が請求項記載のスイッチング手段に相当する。
【００２４】
かかる場合において、ＥＣＵ３０から第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースにＨレベルの指令信号が入力されると、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は共にＯＮ状態となり、発熱体７の両端には、リード線１１ａ，１１ｂ及びタングステンリード線９ａ，９ｂを介してバッテリ電圧が印加されることになる。つまり、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２がＯＮ駆動された場合には、発熱体７は加熱状態に保持される（この状態を発熱体加熱状態という）。
【００２５】
また、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２への指令信号がＬレベルになると、当該トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が共にＯＦＦ状態となり、第１のトランジスタＴｒ１に並列に設けられた電気経路を介してバッテリ電圧がリード線１１ａに印加される。つまり、セラミック発熱部６の先端に形成されたイオン検出用電極１４とシリンダヘッド１５との間にバッテリ電圧が印加される。この場合、燃焼火炎帯の活性イオンの発生に伴いイオン電流が流れ、このイオン電流はイオン電流検出用抵抗２６により検出される（この状態をイオン電流検出状態という）。
【００２６】
なお、イオン電流検出用抵抗２６の抵抗値は１００ｋΩ程度であって、このイオン電流検出用抵抗２６を流れるイオン電流は、当該抵抗２６の両端の電位差として電位差計２７により検出される。
【００２７】
ここで、イオン電流の検出原理を略述する。燃料噴射ノズル２０による噴射燃料が渦流室１７で燃焼に供されると、その燃焼火炎帯ではイオン化されたプラスイオンとマイナスイオンが大量に発生する。このとき、イオン検出用電極１４とそれに対面するシリンダヘッド１５（渦流室１７の内壁）との間にバッテリ電圧が印加されることにより、イオン検出用電極１４にはマイナスイオンが捕獲されると共に、シリンダヘッド１５にはプラスイオンが捕獲される。そして、かかる状態で流れるイオン電流がイオン電流がイオン電流検出用抵抗２６両端の電位差として検出される。
【００２８】
一方、ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力回路等からなる周知のマイクロコンピュータやＡ／Ｄ変換器（共に図示略）を中心に構成され、前記電位差計２７により検出された検出信号を入力する。また、ＥＣＵ３０には、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ３１の検出信号や、エンジンクランク角に応じてエンジン回転数を検出するための回転数センサ３２の検出信号が入力され、ＥＣＵ３０は各センサ３１，３２の検出信号に基づいて水温Ｔｗ，エンジン回転数Ｎｅを検知する。
【００２９】
上記ＥＣＵ３０は、主としてディーゼルエンジンの低温始動時において、前記第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮさせることにより、グロープラグ１の発熱体７を加熱させて燃料の着火及び燃焼を促進させる（アフターグロー動作）。また、ディーゼルエンジンの暖機完了時において、前記トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせ、本システムの回路をイオン電流検出状態として燃焼イオン電流を検出する。
【００３０】
特に、本実施の形態ではその特徴として、エンジン始動当初（アフターグロー期間中）からイオン電流を検出できるよう、燃料着火後の所定期間において一時的に第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせ、一時的に発熱体加熱状態からイオン電流検出状態へ移行させるようにしている。
【００３１】
以下、本実施の形態の作用を図４〜図６を用いて説明する。
先ず図４のタイムチャートを用いて、本実施の形態における作用の概要を説明する。なお図４には、エンジンの低温始動時について、燃料燃焼時に発生するイオン電流波形、燃料噴射時期及びトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯＮ／ＯＦＦ動作状態を示しており、図の時間ｔ１以前はアフターグロー期間を示し、この時間ｔ１がアフターグローの終了時期に相当する。
【００３２】
さて、アフターグロー期間（時間ｔ１以前）においては、主として発熱体加熱状態が継続され、その中で一時的にイオン電流検出期間が設けられている。つまり、アフターグロー期間においては、初期状態としてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮさせ、これにより発熱体７を加熱状態としている。また、図示したようなイオン電流波形を得るべく、燃料噴射時期から所定期間（本実施の形態では、９０°ＣＡ）だけ一時的にトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせている。そして、この一時的なイオン電流検出期間（Ｔｒ１，Ｔｒ２のＯＦＦ期間）におけるイオン電流の検出結果が燃焼状態の制御に採用される。
【００３３】
同図のイオン電流波形において、燃料噴射時期の直後（圧縮ＴＤＣ直後）に電圧（電位差計２７による検出電圧）が急上昇している波形が燃料の燃焼によるイオン電流波形であり、イオン電流の立ち上がり時期が燃焼の開始位置、即ち燃料の着火時期に相当する。また、このイオン電流波形には、２つの山Ｂ１，Ｂ２が観測される。つまり、燃焼初期には、拡散火炎帯の活性イオンにより第１の山Ｂ１が観測され、燃焼中後期には筒内圧上昇による再イオン化により第２の山Ｂ２（ピーク値）が観測される。
【００３４】
図４においては、燃料噴射時期から９０°ＣＡのイオン電流検出期間と、その次の燃料噴射時期までの発熱体加熱期間（略６３０°ＣＡ）とが繰り返される（但し、本実施の形態では、１気筒についてのみ示している）。なお、イオン電流の検出期間は一時的であるので、グロープラグ１による燃料の着火・燃焼機能を損なうことはない。
【００３５】
また、時間ｔ１においては、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が共にＯＦＦされ、このトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の操作に伴ない発熱体７の加熱動作が停止される（アフターグローが終了される）。このとき、本システムの回路はイオン電流検出状態となり、それ以降、燃料燃焼毎にイオン電流が検出される。
【００３６】
次に、上記したアフターグロー動作及びイオン電流検出動作を実現するためにＥＣＵ３０により実施される演算処理について、図５及び図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図５は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯＮ／ＯＦＦ切替えルーチンを示し、図６は、イオン電流の検出結果を用いた燃焼状態制御の一例としての燃料着火時期のフィードバック制御ルーチンを示す。
【００３７】
先ず図５について説明する。なお、本図５の処理は、所定の時間の割り込み処理により実行される。
さて、図５の処理がスタートすると、ＥＣＵ３０は、先ずステップ１１０で今現在がアフターグロー期間中であるか否かを判別する。この判別には、例えばアフターグロー期間（エンジン冷間時）においてセットされるフラグを用いればよい。エンジンの低温始動当初においては、ステップ１１０が肯定判別され、ＥＣＵ３０は続くステップ１２０で水温Ｔｗ及びエンジン回転数Ｎｅを読み込む。
【００３８】
その後、ＥＣＵ３０は、ステップ１３０で水温Ｔｗが所定のアフターグロー終了温度、即ち暖機完了温度（本実施の形態では、６０℃）以上であるか否かを判別すると共に、ステップ１４０でエンジン回転数Ｎｅが所定回転数（本実施の形態では、２０００ｒｐｍ）以上に達したか否かを判別する。かかる場合、ステップ１３０，１４０が共に否定判別されれば、ＥＣＵ３０は、エンジンの暖機が完了しておらず、グロープラグ１（発熱体７）による加熱が必要であるとみなし、ステップ１５０に進む。また、ステップ１３０，１４０のいずれかが肯定判別されれば、ＥＣＵ３０は、エンジンの暖機が完了した、或いはグロープラグ１（発熱体７）による加熱が不要になったとみなし、ステップ１６０に進む。
【００３９】
ステップ１５０に進んだ場合、ＥＣＵ３０は、既述した通り第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮさせ、図３の回路を発熱体加熱状態とすると共に、その発熱体加熱状態下において一時的にトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせて同じく図３の回路をイオン電流検出状態とする（図４参照）。具体的には、燃料噴射のタイミングから９０°ＣＡの期間だけ第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせる。そして、ステップ１５０の処理後、本ルーチンを終了する。この状態では、グロープラグ１の発熱作用によって燃料の着火及び燃焼が促進されると共に、燃料の燃焼に伴うイオン電流も検出することができる。なお、本実施の形態では、上記ステップ１５０の処理が請求項記載の操作手段に相当する。
【００４０】
また、ステップ１６０に進んだ場合、ＥＣＵ３０は、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせ、それにより図３の回路をイオン電流検出状態に移行させる。この状態では、継続的にイオン電流が検出される。そして、ステップ１６０の処理後、本ルーチンを終了する。
【００４１】
なお、前記ステップ１４０が肯定判別されてステップ１６０に進む場合とは、例えばレーシング状態で一時的にエンジン回転数Ｎｅが上昇する場合が考えられ、この場合にはエンジン暖機が未だ完了していない。従って、図３の回路が一旦イオン電流検出状態に移行したとしても、ＥＣＵ３０は、未だアフターグローが継続しているものとして次回処理時のステップ１１０を肯定判別し、ステップ１３０，１４０の判別処理を再び実施する。そして、一時的なエンジン回転数Ｎｅの上昇が収まり、同回転数Ｎｅが低下すると（Ｎｅ＜２０００ｒｐｍ）、再度ステップ１５０の処理を実施する。
【００４２】
その後、Ｔｗ≧６０℃となりエンジン暖機が完了すると、即ちアフターグロー期間が終了すると、それ以降、ＥＣＵ３０はステップ１１０を毎回否定判別する。つまり、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２がＯＦＦ状態で維持され、図３の回路がイオン電流検出状態のままで保持される。
【００４３】
次に、燃料の着火時期フィードバック制御について図６を用いて説明する。同図のフローは、気筒への燃料噴射毎にＥＣＵ３０により実施される。なお、燃料の着火時期制御は、燃料噴射時期を調整することにより実現されるものであり、本実施の形態では、燃料噴射ノズルによる燃料噴射時期を最適時期に調整することにより燃料の着火時期を最適にフィードバック制御することとしている。
【００４４】
図６において、ＥＣＵ３０は、先ずステップ２１０で予めメモリに記憶されている燃料着火時期マップを用い、その時のエンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに応じた最適なる燃料着火時期（最適着火時期Ｋａ）を求める。ここで、燃料噴射量Ｑは、その時のエンジン負荷（例えばアクセル踏み込み量）とエンジン回転数とから求められる。
【００４５】
また、ＥＣＵ３０は、ステップ２２０でイオン電流波形（前記図４の第１の山Ｂ１）に基づいて実際の燃料着火時期（実着火時期Ｋｂ）を求め、続くステップ２３０で実着火時期Ｋｂのなまし値ＫＡＶを次の式（１）を用いて算出する。
【００４６】
ＫＡＶi ＝｛ＫＡＶi-1 ・（ｎ−１）＋Ｋｂi ｝／ｎ ・・・（１）
但し、本実施の形態では、なまし係数ｎを「８」とする。
その後、ＥＣＵ３０は、ステップ２４０で最適着火時期Ｋａと実着火時期Ｋｂのなまし値ＫＡＶとの偏差ΔＫ（＝Ｋａ−ＫＡＶ）を算出すると共に、続くステップ２５０で周知のフィードバック手法（例えばＰＩ手法やＰＩＤ手法）を用い、前記偏差ΔＫに応じて前記ステップ２１０で算出した最適着火時期Ｋａを補正する。そして、こうして補正し算出された最適着火時期に基づいて、実際に燃料噴射時期が制御される。
【００４７】
以上のようにしてイオン電流をエンジンの燃料噴射制御に反映させることにより、きめ細かくエンジンの運転状態を制御することが可能となる。また、上記にはイオン電流の検出結果を用いた着火時期のフィードバック制御の事例を説明したが、イオン電流の検出結果を用いて失火検出を行う等、他の燃焼状態制御を実施してもよい（図示略）。例えば前記図４におけるイオン電流波形の第２の山Ｂ２から異常燃焼、失火等の燃焼状態を検出し、その検出結果を燃料噴射制御に反映させるようにしてもよい。
【００４８】
次に、本実施の形態における効果を説明する。
（ａ）以上詳述したように本実施の形態では、グロープラグによる発熱体加熱状態下（アフターグロー期間）において、燃料噴射時期直後に一時的にイオン電流検出状態になるようトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を操作するようにした。かかる構成によれば、発熱体加熱状態下において、グロープラグ１の発熱機能を損なわない範囲内でイオン電流を検出することができる。その結果、グロープラグ１によるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができる。
【００４９】
（ｂ）特に、本実施の形態では、燃料噴射時期を基準にイオン電流検出期間を設定したため、イオン電流検出期間をできるだけ短い期間に設定して当該イオン電流を確実に検出すると共に、グロープラグ１によるグロー機能の低下を最小限に抑えることができる。
【００５０】
（ｃ）また、本実施の形態では、スイッチング手段として第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を採用した。そのため、応答性の良い切替え動作を行わせることができる。
【００５１】
（ｄ）さらに、本実施の形態のイオン電流検出装置の構成においては、スイッチ回路２５により発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切り替えると共に、両状態にて使用する電源を共用化した（バッテリ２１）。従って、イオン電流検出に関する構成が簡素化でき、安価なイオン電流検出装置を提供することができる。
【００５２】
（ｅ）併せて、本実施の形態では、グロープラグ１の発熱体７と一体にイオン検出用電極１４を形成し、同イオン検出用電極１４とエンジンのシリンダヘッド１５とからなる２電極により燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出するようにした。この場合、非常に簡単な構成であるにもかかわらず、精度良くイオン電流を検出することができ、その情報を燃焼制御に有用に活用することが可能となる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図７を用いて説明する。但し、本実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５４】
本実施の形態ではその特徴として、アフターグロー期間において所定周波数のＯＮ／ＯＦＦ信号にてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮ／ＯＦＦ動作させるようにしている。図７は、本実施の形態の具体的動作を示すタイムチャートである。なお、同図の時間ｔ１１以前はアフターグロー期間を示し、この時間ｔ１１がアフターグローの終了時期に相当する。
【００５５】
さて、アフターグロー期間（時間ｔ１１以前）においては、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が連続的にＯＮ状態とＯＦＦ状態とで切替えられる。かかる場合、当該トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯＮ期間が発熱体加熱期間に相当し、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯＦＦ期間がイオン電流検出期間に相当する。このとき、イオン電流検出期間（Ｔｒ１，Ｔｒ２のＯＦＦ期間）におけるイオン電流の検出結果が燃焼状態の制御に採用される。
【００５６】
ここで、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をスイッチングさせる周波数としては、例えばイオン電流の検出結果を用いて着火時期を検出する場合であれば、１０ｋＨｚ以上とするのが望ましい。この場合、当該周波数がこれよりも小さいと、エンジンの高回転域において着火時期の検出精度が悪化するおそれが生ずる。また、イオン電流の検出結果を用いて失火や異常燃焼を検出する場合であれば、前記スイッチングの周波数を１ｋＨｚ以上とするのが望ましい。この場合、当該周波数がこれよりも小さいと、エンジンの高回転域において失火や異常燃焼の検出精度が悪化するおそれが生ずる。なお、本実施の形態では、当該周波数を１０ｋＨｚ程度としている。
【００５７】
また、同図において、燃料噴射時期の直後（圧縮ＴＤＣ直後）に所定周期で燃料の燃焼によるイオン電流波形が観測される。この場合、個々の検出レベルを解析することにより、燃料の着火時期や失火、異常燃焼等が検出できる。
【００５８】
以上本第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、グロープラグ１によるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができる。
【００５９】
なお、本発明は、上記各実施の形態の他に次の形態にて実現できる。
（１）上記第１の実施の形態では、図５のステップ１５０において、予め設定されている所定期間（９０°ＣＡ期間）だけ第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦしてイオン電流検出状態に切り替えるようにしていたが、このイオン電流の検出期間を可変設定するようにしてもよい。例えばエンジン負荷やエンジン回転数に応じて、発熱体加熱状態下（アフターグロー期間）におけるイオン電流検出期間を設定する。この場合、エンジン負荷が大きいほど、又はエンジン回転数が高くなるほど、イオン電流検出期間を長くし、一方、エンジン負荷が小さいほど、又はエンジン回転数が低くなるほど、イオン電流検出期間を短くするのが好ましい。
【００６０】
（２）上記各実施の形態では、エンジンの低温始動時におけるアフターグロー期間において一時的なイオン電流検出期間を設けたが、このアフターグロー期間以外にも、発熱体加熱状態下において一時的なイオン電流検出期間を設けるようにしてもよい。例えば、グロープラグの外周にカーボンが付着した場合において、その付着カーボンを発熱体の発熱作用により焼き切って除去する際にも、その発熱体加熱状態下で一時的なイオン電流の検出状態を設定する。かかる場合、燃焼状態制御が中断されることなく継続できる。
【００６１】
（３）上記各実施の形態においては、単気筒エンジン（又は多気筒エンジンの１つの気筒）についてイオン電流の検出手順を説明したが、多気筒エンジンの各気筒について本実施の形態のイオン電流検出手順を適用してもよい。
【００６２】
（４）上記各実施の形態では、オールセラミックタイプのグロープラグを使用したが、他のグロープラグを使用してもよい。例えば、発熱体としてのコイル状の金属線（例えば、タングステン線）をセラミック材料からなる耐熱性絶縁体に埋設し、その金属線の一部に、燃焼火炎に晒されるイオン検出用電極（露出電極部）を電気的に接続する。この場合にも、イオン電流検出機能を兼ね備えた安価なグロープラグを提供することができる。また、発熱体の発熱性能も長期にわたって維持できる。
【００６３】
（５）上記各実施の形態では、発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切替えるために半導体スイッチとして第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を用いたが、これを変更してもよい。例えば、サイリスタ等の他の半導体スイッチに変更したり、接点式スイッチにに変更したりしてもよく、要するに上記２つの状態を切替え可能な手段であればよい。
【００６４】
（６）上記実施の形態では、発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とにおいて共通の直流電源（車載バッテリ２１）を用いたが、２つの直流電源を用いる構成としてもよい。具体的には、発熱体７を加熱するための発熱体加熱用電源と、イオン電流を検出するためのイオン電流検出用電源とを用意し、例えば発熱体加熱用電源として定格１２Ｖ（ボルト）の直流電源（車載バッテリ）を用い、イオン電流検出用電源として定格５０Ｖ（ボルト）の直流電源を用いる。
【００６５】
（７）上記各実施の形態では、渦流室を有するディーゼルエンジンの燃焼イオンを検出するイオン電流検出装置に本発明を適用したが、燃料を燃焼室内に直接噴射する、いわゆる直噴型エンジンに本発明を適用してもよい。また、他の装置に本発明を適用することもできる。例えば、ガソリンエンジンの排気管中で未燃燃料を燃焼させる装置において、その未燃燃料の燃焼に伴う燃焼イオンを本発明のイオン電流検出装置により検出することも可能である。この場合、当該装置により検出されたイオン電流から未燃燃料の燃焼状態が判定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるグロープラグの概要を示す全体構成図。
【図２】グロープラグの要部を拡大して示す断面図。
【図３】イオン電流検出システムの概要を示す構成図。
【図４】第１の実施の形態における作用をより具体的に説明するためのタイムチャート。
【図５】トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ切替え手順を示すフローチャート。
【図６】燃料の着火時期フィードバック手順を示すフローチャート。
【図７】第２の実施の形態における作用をより具体的に説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
１…グロープラグ、７…発熱体、８…耐熱性絶縁体、９ａ，９ｂ…タングステンリード線、１１ａ，１１ｂ…リード線、１４…イオン検出用電極、１７…燃焼室をなす渦流室、２１…バッテリ（電源）、３０…操作手段としてのＥＣＵ（電子制御装置）、Ｔｒ１…スイッチング手段としての第１のトランジスタ、Ｔｒ２…スイッチング手段としての第２のトランジスタ。
Claims (4)
- 電源からの給電により発熱する発熱体が燃焼室内に突設されたグロープラグを有し、当該グロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出装置であって、
前記グロープラグによる発熱体の加熱状態と、同グロープラグによるイオン電流検出状態とを切り替えるスイッチング手段と、
前記グロープラグによる発熱体の加熱が必要であると判断される発熱体加熱状態下において、少なくとも燃料の着火時期直後に一時的にイオン電流検出状態になるよう前記スイッチング手段を操作する操作手段と
を備えることを特徴とするイオン電流検出装置。 - 前記操作手段は、燃焼室内への燃料噴射時期から所定期間だけイオン電流検出状態になるようスイッチング手段を操作する請求項１に記載のイオン電流検出装置。
- 前記操作手段は、所定周波数で前記発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切替え動作させる請求項１に記載のイオン電流検出装置。
- 前記グロープラグは、一対のリード線によって通電加熱される発熱体と、該発熱体を埋設する耐熱性絶縁体と、前記発熱体と一体に形成されたイオン検出用電極とを有し、当該グロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検出する請求項１〜３のいずれかに記載のイオン電流検出装置。
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