JP3842277B2

JP3842277B2 - 内燃機関の燃焼状態検出装置

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Publication number: JP3842277B2
Application number: JP2004289473A
Authority: JP
Inventors: 伸吾森田; 浩一岡村; 満小岩; 豊大橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: JP2005042733A

Description

この発明は、内燃機関の燃焼時に生じるイオン量の変化を検出することにより内燃機関の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置に関し、特に検出するイオン電流と相似の複数の電流を生成して検出機能の多様化を図ることができる内燃機関の燃焼状態検出装置に関するものである。

一般に、複数気筒により駆動される内燃機関においては、各気筒の燃焼室内に導入された空気および燃料の混合気をピストンの上昇により圧縮し、燃焼室内に設置された点火プラグに点火用高電圧を印加して電気火花を発生させ、混合気の燃焼時に発生する爆発力をピストン押し下げ力に変換することにより、内燃機関の回転出力として取り出している。

このように燃焼室内において燃焼が行われると、燃焼室内の分子が電離（イオン化）するので、燃焼室内に設置されたイオン電流検出用電極（通常、点火プラグの電極が用いられる）にバイアス電圧を印加すると、電荷を有するイオンが点火プラグ間をイオン電流として流れることが知られている。

また、イオン電流は、燃焼室内の燃焼状態により敏感に変化するため、イオン電流の発生状態を検出することにより内燃機関の燃焼状態を検出できることが知られている。

まず、図６〜８を参照しながら、従来の内燃機関の燃焼状態検出装置の構成について説明する。図６は、一般的な内燃機関の燃焼状態検出装置を示す構成図である。図７および図８は、本出願人が既に出願した、特許文献１中に示された図４に対応する回路構成図、およびこのときの動作説明に供するための図である。
図６は従来の内燃機関の燃焼状態検出装置の一例を示す構成図である。
図において、点火コイル１の１次巻線１ａの一端は電源端子ＶＢに接続され、その他端は、１次電流Ｉ１を通電遮断するためのスイッチング素子としてのエミッタ接地のパワートランジスタ２を介してグランドに接続される。

点火コイル１の２次巻線１ｂは、１次巻線１ａと共にトランスを構成しており、２次巻線１ｂの高圧側は、各気筒（図示せず）に対応した点火プラグ３の一端に接続されており、点火制御時に負極性の高電圧を出力する。

対向電極からなる点火プラグ３は、点火用高電圧が印加されることにより、放電して各気筒内の混合気を着火する。
なお、点火コイル１および点火プラグ３は、各気筒毎に並設されているが、ここでは、代表的に一組の点火コイル１および点火プラグ３のみを示している。

２次巻線１ｂの低圧側は、電流制限手段を構成する並列接続の抵抗器４およびダイオード５を介してバイアス回路６に接続される。
抵抗器４は、バイアス回路６から２次巻線１ｂを介して点火プラグ３に流れる放電電流を抑制し、１次巻線１ａへの通電開始時に２次巻線１ｂの高圧側に発生する電圧を抑制する。

また、ダイオード５は、点火用高電圧の印加時に流れる２次電流（点火電流）Ｉ２の方向が順方向となるように挿入されており、点火制御時における抵抗器４の両端間の電位差を抑制するようになっている。
バイアス回路６は、抵抗器４と２次巻線１ｂを介して、点火極性とは逆極性すなわち正極性のバイアス電圧を点火プラグ３に印加し、燃焼時に発生するイオン量に対応したイオン電流を実質的に検出する。

バイアス回路６は電流−電圧変換回路７に接続され、この電流−電圧変換回路７はバイアス電圧によって流れるイオン電流を電圧変換し、イオン電流検出信号として電圧信号分配回路８に供給する。
電圧信号分配回路８は電圧に変換されたイオン電流検出信号（イオン信号）を分配し、それぞれイオン信号よりノック信号を取り出すノック検出信号発生回路９と、イオン信号より燃焼／失火を判定する信号を生成する燃焼／失火信号発生回路１０に供給する。

そして、ノック検出信号発生回路９および燃焼／失火信号発生回路１０からの出力信号は、ＥＣＵ（電子制御装置）１１に供給され、ＥＣＵ１１は、燃焼／失火信号発生回路１０からの出力信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を判定し、燃焼状態の悪化を検出した場合には、不都合が生じないように適宜対応制御を行う。

また、ＥＣＵ１１は、ノック検出信号発生回路９やクランク角センサ１２等各種センサ（図示せず）から得られる運転条件に基づいて点火時期等を演算し、パワートランジスタ２に対する点火信号Ｖ１のみならず、各気筒毎のインジェクタ（図示せず）に対する燃料噴射信号や各種アクチュエータ（スロットルバルブやＩＳＣバルブ等）に対する駆動信号を出力する。

図７は図６のバイアス回路、電流−電圧変換回路および電圧信号分配回路の部分の具体的回路構成の一例を示す回路構成図である。
図において、バイアス回路６は、並列接続の抵抗器４およびダイオード５を介して２次巻線１ｂの低圧側に接続されたコンデンサ６ａと、コンデンサ６ａとグランドとの間に挿入されたダイオード６ｂと、コンデンサ６ａに並列接続されたバイアス電圧制限用のツェナーダイオード６ｃとを含む。

コンデンサ６ａおよびダイオード６ｂからなる直列回路並びにコンデンサ６ａに並列接続されたツェナーダイオード６ｃは、ダイオード５を介して２次巻線１ｂの低圧側とグランドとの間に挿入され、点火電流発生時にコンデンサ６ａにバイアス電圧を充電するための充電経路を構成している。

コンデンサ６ａは、パワートランジスタ２のオフ時（１次巻線１ａの通電電流の遮断時）において、２次巻線１ｂから出力される高電圧で放電した点火プラグ３を介して流れる２次電流により充電される。この充電電圧は、ツェナーダイオード６ｃにより所定のバイアス電圧（たとえば、数１００Ｖ程度）に制限され、実質的にイオン電流検出用のバイアス手段すなわち電源として機能する（例えば、特許文献１参照）。

ダイオード６ｂに並列接続された電流−電圧変換回路７としての抵抗器７ａは、バイアス電圧によって流れるイオン電流を電圧変換し、イオン電流検出信号として電圧分配回路８に供給する。
電圧信号分配回路８は複数のバッファ８ａと８ｂを含み、バッファ８ａの出力側はノック検出信号発生回路９に接続され、バッファ８ｂの出力側は燃焼／失火信号発生回路１０に接続される。

次に、図８を参照しながら、図６および図７に示した従来の内燃機関の燃焼状態検出装置の動作について説明する。
通常、ＥＣＵ１１は、運転条件に応じて点火時期等を演算し、目標制御タイミングでパワートランジスタ２のベースに点火信号Ｖ１（図８（ａ））を印加し、パワートランジスタ２をオンオフ制御する。

これにより、パワートランジスタ２は、点火コイル１の１次巻線１ａに流れる１次電流Ｉ１（図８（ｂ））を通電遮断して１次電圧を昇圧し、さらに２次巻線１ｂの高圧側に点火用高電圧即ち例えば数１０ｋＶの２次電圧Ｖ２（図８（ｃ））を発生させる。

この２次電圧は、各気筒内の点火プラグ３に印加され、点火制御気筒の燃焼室内に放電火花を発生させて混合気を燃焼させる。このとき、燃焼状態が正常であれば、点火プラグ３の周辺および燃焼室内に所要量のイオンが発生する。

そして、前述のように、点火信号Ｖ１によりパワートランジスタ２がオンされると、１次巻線１ａの電流が通電開始されて、２次巻線１ｂの高圧側に正極性の電圧が発生する。

このとき、コンデンサ６ａから２次巻線１ｂの低圧側への放電電流が抵抗器４によって制限されているので、２次巻線１ｂに発生する電圧は、バイアス電圧が重畳されずに高圧側および低圧側に分割される。

この１次巻線１ａの通電開始時において、２次巻線１ｂの高圧側に正極性の電圧が発生しても、前述のように、コンデンサ６ａから２次巻線１ｂの低圧側への放電電流が抵抗器４によって制限されるので、２次巻線１ｂの高圧側に発生する正極性の電圧は抑制され、点火プラグ３が放電することはない。

続いて、１次電流の遮断時において、２次巻線１ｂの高圧側に点火用高電圧が発生して点火プラグ３が放電すると、２次電流Ｉ２（図８（ｄ））が点火プラグ３→２次コイル１ｂ→ダイオード５→コンデンサ６ａ→ダイオード６ｂ→グランドの経路で流れ、コンデンサ６ａを所定電圧Ｖ３（図８（ｅ））に充電する。
コンデンサ６ａの充電電圧がツェナーダイオード６ｃの所定電圧値に達すると、２次電流はコンデンサ６ａには流れ込まずにツェナーダイオード６ｃを流れ、これにより所定のバイアス電圧が保持される。

点火フラグ３で放電が終了すると、コンデンサ６ａの充電電圧は抵抗器４→２次コイル１ｂの経路を介して点火プラグ３に印加され、コンデンサ６ａ→抵抗器４→２次コイル１ｂ→点火プラグ３（点火プラグギヤツプ間のイオン）→グランド→抵抗器７ａ→コンデンサ６ａの経路でイオン電流が流れる。このイオン電流は抵抗器７ａで電圧に変換されイオン信号ＳＩ（図８（ｆ））となる。

このイオン信号は、電圧信号分配回路８のバッファ８ａ、８ｂにより分配され、バッファ８ａからのイオン信号はノック検出信号発生回路９に供給され、ここでノック信号が生成される。また、バッファ８ｂからのイオン信号は燃焼／失火信号発生回路１０に供給され、ここで燃焼／失火信号を生成される。

そして、ノック検出信号発生回路９および燃焼／失火信号発生回路１０からの出力信号は、ＥＣＵ１１に供給され、ＥＣＵ１１は、これらの出力信号やクランク角センサ１２等各種センサ（図示せず）からの検出信号に基づいて上述の点火信号や駆動信号等各種の制御信号を生成して出力する。

特開平４−１９４３６７号公報

従来の内燃機関の燃焼状態検出装置では、イオン電流を電圧に変換するときに、イオン電流が流れる経路に抵抗器を入れて電圧変換しているため、その抵抗器によりイオン信号のダイナミックレンジが１つに決ってしまうが、イオン電流量は内燃機関の運転状態により大きく異なり、イオン電流のピーク値は数μＡ〜数百μＡの範囲にあるため、１つのダイナミックレンジしか持たない信号源で、ノッキング検出や燃焼／失火検出、更には他の燃焼状態検出を行うための信号処理をすることが非常に困難であり、更に後段での信号処理回路が非常に複雑になる等の問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、イオン電流と相似な電流を複数得ることで、様々な燃焼状態検出が可能になり、また、それぞれの燃焼状態検出に対し適切なダイナミックレンジを設定でき、ノック検出性や燃焼/失火検出性等様々な燃焼状態検出の検出性の向上が図れる内燃機関の燃焼状態検出装置を提供することである。

この発明に係る内燃機関の燃焼状態検出装置は、内燃機関の気筒に設置された点火プラグにイオン電流検出用の電圧を印加するイオン電流検出用電圧発生手段と、該イオン電流検出用電圧発生手段からの電圧に基づいてイオン電流を検出するイオン電流検出手段とを備え、イオン電流検出手段はイオン電流と相似となる電流を複数生成し、イオン電流検出用電圧発生手段の低電圧側の電圧をゼロボルトに帰還制御する電圧制御回路を備えたものである。

この発明の内燃機関の燃焼状態検出装置によれば、内燃機関の気筒に設置された点火プラグにイオン電流検出用の電圧を印加するイオン電流検出用電圧発生手段と、該イオン電流検出用電圧発生手段からの電圧に基づいてイオン電流を検出するイオン電流検出手段とを備え、イオン電流検出手段はイオン電流と相似となる電流を複数生成するので、様々な燃焼状態検出が可能になり、１つのイオン信号に対して実質的に複数のダイナミックレンジ持った信号源を得ることができ、以てノッキング検出や燃焼／失火検出、更には他の燃焼状態検出を行うための信号処理をすることが容易となり、更に後段での信号処理回路を簡略化できるとう効果がある。
また、イオン電流検出用電圧発生手段の低電圧側の電圧をゼロボルトに帰還制御する電圧制御回路を備えたので、イオン電流と同等な電流を正確にカレントミラー回路に流すことができ、ノック検出性や燃焼/失火検出性等様々な燃焼状態検出の検出性を更に向上できるとう効果がある。

以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の一例を示す構成図である。
図において、図６と対応する部分には同一符号を付し、その重複説明を省略する。

本実施の形態では、イオン電流検出用電圧発生手段としてのバイアス回路６の後段にイオン電流信号を分配するイオン電流信号分配回路２０を設け、このイオン電流信号分配回路２０で分配されたイオン電流信号をそれぞれ電圧に変換する電流一電圧変換回路２１および２２を介してノック検出信号発生回路９および燃焼／失火信号発生回路１０に供給するようにする。なお、イオン電流信号分配回路２０と電流一電圧変換回路２１および２２はイオン電流検出手段を構成する。その他の構成は図６と同様である。

図２は図１のイオン電流信号分配回路および電流−電圧変換回路の部分の具体的回路構成の一例を示す回路構成図である。
図において、イオン電流信号分配回路２０はトランジスタ２０ａ〜２０ｄおよび抵抗器２０ｅ〜２０ｇを含むカレントミラー回路で構成される。トランジスタ２０ａおよび２０ｂの各エミッタはそれぞれ抵抗器２０ｅおよび２０ｆを介して電源端子ＶＢに接続され、各ベースは共通接続されてトランジスタ２０ｃのエミッタに接続される。

トランジスタ２０ａのコレクタはトランジスタ２０ｃのベースと共通接続されてバイアス回路６の出力側即ちコンデンサ６ａと整流素子としてのダイオード６bおよび電圧制限素子としてのツェナーダイオード６cの各アノードとの接続点Ｐに接続され、トランジスタ２０cのコレクタは接地される。
トランジスタ２０bのコレクタは電流−電圧変換回路２２の抵抗器２２ａの一端に接続され、この接続点が燃焼／失火信号発生回路１０の入力側に接続され、また、抵抗器２２ａの他端は接地される。

トランジスタ２０ｄのエミッタは抵抗器２０gを介して所定の電圧源Ｖ_Rに接続され、そのベースはトランジスタ２０ｃのエミッタに接続される。また、トランジスタ２０dのコレクタは電流−電圧変換回路２１の抵抗器２１ａの一端に接続され、この接続点がノック検出信号発生回路９の入力側に接続され、また、抵抗器２１ａの他端は接地される。

次に、図３を参照しながら、動作について説明する。
通常、ＥＣＵ１１は、運転条件に応じて点火時期等を演算し、目標制御タイミングでパワートランジスタ２のベースに点火信号Ｖ１（図３（ａ））を印加し、パワートランジスタ２をオンオフ制御する。

これにより、パワートランジスタ２は、点火コイル１の１次巻線１ａに流れる１次電流Ｉ１（図３（ｂ））を通電遮断して１次電圧を昇圧し、さらに２次巻線１ｂの高圧側に点火用高電圧即ち例えば数１０ｋＶの２次電圧Ｖ２（図３（ｃ））を発生させる。

続いて、１次電流の遮断時において、２次巻線１ｂの高圧側に点火用高電圧が発生して点火プラグ３が放電すると、２次電流Ｉ２（図２（ｄ））が点火プラグ３→２次コイル１ｂ→ダイオード５→コンデンサ６ａ→ダイオード６ｂ→グランドの経路で流れ、コンデンサ６ａを所定電圧Ｖ３（図２（ｅ））に充電する。
コンデンサ６ａの充電電圧がツェナーダイオード６ｃの所定電圧値に達すると、２次電流はコンデンサ６ａには流れ込まずにツェナーダイオード６ｃを流れ、これにより所定のバイアス電圧が保持される。

点火フラグ３で放電が終了すると、イオン電流はトランジスタ２０ａのコレクタ→コンデンサ６ａ→抵抗器４→２次コイル１ｂの経路で点火プラグ３に向かって流れる。

トランジスタ２０ａは実質的にカレントミラー回路の基準電流発生素子であり、接続点Ｐより流出した電流と同等の電流がトランジスタ２０ａを流れる。そして、トランジスタ２０ｂ，２０ｄにはトランジスタ２０ａを流れる電流を基準として電流が流れる。このようにして、１つのイオン電流を基準に、それと相似な複数の電流を確実に生成することができる。

このトランジスタ２０ｂ，２０ｄを流れる電流はそれぞれ電流−電圧変換回路２２の抵抗器２２ａおよび電流−電圧変換回路２１の抵抗器２１ａで電圧に変換され、それぞれイオン信号ＳＩ１（図３（ｆ））およびＳＩ２（図３（ｇ））として取り出される。
そして、抵抗器２１ａからのイオン信号ＳＩ２はノック検出信号発生回路９に供給され、ここでノック信号が生成される。また、抵抗器２２ａからのイオン信号ＳＩ１は燃焼／失火信号発生回路１０に供給され、ここで燃焼／失火信号を生成される。

なお、図３において、イオン電流信号分配回路２０であるカレントミラー回路から分配されて出力されるイオン信号ＳＩ１とＳＩ２のレベルの大きさは相互に異なる場合であるが、同じレベルでもよい。

このように、本実施の形態では、１つのイオン電流を基準にイオン電流と相似な複数の電流を生成することができ、それらの複数の電流を用いて、様々な燃焼状態検出が可能になる。また、イオン電流と相似な複数の電流が生成できるので、１つのイオン信号に対して複数のダイナミックレンジ持った信号源を実質的に得ることができ、これによりノッキング検出や燃焼／失火検出、更には他の燃焼状態検出を行うための信号処理をすることが容易となり、また、更に後段での信号処理回路を簡略化できる。

実施の形態２．
上記実施の形態１において、イオン電流信号分配回路２０であるカレントミラー回路のトランジスタ２０ｂ，２０ｄに流れる電流は、トランジスタ２０ａを流れる電流に対し、そのチップサイズに比例して流れる。そこで、それぞれのトランジスタのチップサイズを変えることによりダイナミックレンジを複数設定することができる。また、それぞれの電流に対し、個々に電流一電圧変換を行うため、電流一電圧変換段階でも個々にダイナミックレンジを設定できる。

従って、トランジスタのチップサイズまたは電流一電圧変換段階でイオン電流のダイナミックレンジを変えることにより、図３に示すようなイオン信号ＳＩ１、ＳＩ２のように、実質的にイオン電流のレベルの大きさの異なる電流波形を得ることができる。

このように、本実施の形態では、１つのイオン電流を基準に、それぞれの燃焼状態検出に対し適切なダイナミックレンジを設定することができ、ノック検出性や燃焼/失火検出性等様々な燃焼状態検出の検出性が向上する。

実施の形態３．
また、上記実施の形態１において、イオン電流信号分配回路２０であるカレントミラー回路で分配したそれぞれ個別のイオン信号を用いて、ノッキング検出や燃焼/失火検出を行うわけであるが、例えば、燃焼/失火を確実に判定するためには、イオン電流の発生が非常に小さい数μＡでも検出する必要があるため、イオン電流のレベルが大きくなるようダイナミックレンジを設定する。

また、ノックを検出するためには、イオン電流波形が飽和しないようダイナミックレンジを設定する。
そして、この設定には、例えば細かい設定が可能な電流一電圧変換段階でのダイナミックレンジの設定、即ち抵抗器２１ａ、２２ａの抵抗値を調整して行えばよい。

このように、本実施の形態では、１つのイオン電流を基準に、それぞれの燃焼状態検出に対し適切なダイナミックレンジを細かく設定することができ、ノック検出性や燃焼/失火検出性等様々な燃焼状態検出の検出性が更に向上する。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４の一例を示す構成図である。
図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
本実施の形態では、バイアス回路６の低電圧側即ち出力側の電圧をゼロボルトに帰還制御する電圧制御回路２３を用いる。その他の構成は図６と同様である。

図５は図１の電圧制御回路の部分の具体的回路構成の一例を示す回路構成図である。
図において、電圧制御回路２３はオペアンプ２３ａと、その反転入力端子および出力端子に接続されたコンデンサ２３ｂと、その一端がオペアンプ２３ａの反転入力端子に接続された抵抗器２３ｃとを含み、オペアンプ２３ａの非反転入力端子は接地され、その出力端子はカレントミラー回路の抵抗器２０ｅ〜２０ｇの共通接続点に接続され、そして、抵抗器２３ｃの他端が接続点Ｐに接続される。

次に、動作について説明する。
上述と同様に、接続点Ｐより流出した電流と同等の電流がトランジスタ２０ａを流れ、これにより、トランジスタ２０ｂ，２０ｄにはトランジスタ２０ａを流れる電流を基準として電流が流れる。このようにして、１つのイオン電流を基準に、それと相似な複数の電流が生成される。
そして、電圧制御回路２３はバイアス回路６のコンデンサ６ａの低電圧側即ち接続点Ｐの電圧を常にゼロボルトになるように帰還制御する。その他の動作は実施に形態１と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態では、イオン電流と同等な電流を正確にカレントミラー回路に流すことができ、ノック検出性や燃焼/失火検出性等様々な燃焼状態検出の検出性を更に向上できる。

実施の形態５．
なお、上記の各実施の形態では、この発明をノッキング検出や燃焼/失火検出に適用した場合であるが、同様の信号処理を要するその他の場合例えば燃焼/失火信号発生回路の出力をＥＣＵに取り込んで行うＥＧＲ制御やＡ/Ｆ制御等に用いてもよい。また、実施の形態２および３の手法は実施の形態４の回路にも同様に適用できるものである。

この発明の実施の形態１を示す構成図である。図１の一部の具体的回路構成の一例を示す回路構成図である。この発明の実施の形態１における動作説明に供するための図である。この発明の実施の形態４を示す構成図である。図４の一部の具体的回路構成の一例を示す回路構成図である。従来の内燃機関の燃焼状態検出装置を示す構成図である。図６の一部の具体的回路構成の一例を示す回路構成図である。従来の内燃機関の燃焼状態検出装置における動作説明に供するための図である。

符号の説明

１点火コイル、２パワートランジスタ、３点火プラグ、６バイアス回路、９ノック検出信号発生回路、１０燃焼/失火信号発生回路、２０イオン電流信号分配回路、２１，２２電流−電圧変換回路、２０ａ〜２０ｄトランジスタ。

Claims

内燃機関の気筒に設置された点火プラグにイオン電流検出用の電圧を印加するイオン電流検出用電圧発生手段と、
該イオン電流検出用電圧発生手段からの電圧に基づいてイオン電流を検出するイオン電流検出手段と
を備え、前記イオン電流検出手段はイオン電流と相似となる電流を複数生成し、
前記イオン電流検出用電圧発生手段の低電圧側の電圧をゼロボルトに帰還制御する電圧制御回路を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
前記イオン電流検出用電圧発生手段は、前記点火プラグに点火用高電圧を印加した際に流れる点火電流により充電され、電圧を保持するコンデンサと、該コンデンサの充電電圧を制限する電圧制限素子と、前記コンデンサの低電位側の電極とグランド間に設けられ、前記コンデンサからの電流を流出させる整流素子とを含み、前記イオン電流検出手段はカレントミラー回路で構成された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。
前記イオン電流検出手段で生成されたイオン電流と相似となる複数の電流を用い、ノッキング検出および燃焼／失火検出を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。