(57)【要約】【課題】点火プラグの異常を迅速に検出して、最適な燃焼制御に復帰させることができるようにする。【解決手段】一次コイルＬ１の通電を制御するスイッチング素子Ｑと、スイッチング素子Ｑに点火信号ＳＧを供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置ＥＣＵと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、点火プラグＰＧの正常な放電方向とは逆向きの電流値を検出するイオン電流検出回路ＩＯＮと、を有して構成される。制御装置ＥＣＵは、イオン電流検出回路ＩＯＮから出力される電流信号Ｖｏを、スイッチング素子ＱのＯＮ動作時に検出する第１手段（ＳＴ７〜ＳＴ１１）と、スイッチング素子のＯＮ遷移時に近接して、第１手段が、２つ目の電流信号を検出するか否かに応じて、正常な放電方向とは逆向きに点火プラグＰＧが異常放電したことを検出する第２手段（ＳＴ１４）と、を有して構成される。【選択図】図５
2010059904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、前記点火プラグの正常な放電方向とは逆向きの電流を検出するイオン電流検出回路と、を有して構成され、
前記制御装置は、
前記イオン電流検出回路から出力される電流信号を、前記スイッチング素子のＯＮ動作時に検出する第１手段と、
前記スイッチング素子のＯＮ遷移時に近接して、前記第１手段が、２つ目の前記電流信号を検出するか否かに応じて、正常な放電方向とは逆向きに前記点火プラグが異常放電したことを検出する第２手段と、
を有して構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記異常放電が検出されると、これを記憶する第３手段と、
第３手段による記憶内容を解析して、点火プラグの異常を検出する第４手段を、
更に有して構成された請求項１に記載の燃焼制御装置。
【請求項３】
前記第４手段によって異常が検出された場合には、点火プラグのプラグギャップが狭すぎる旨を報知するよう構成された請求項２に記載の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記燃焼制御装置には、前記点火プラグの逆向きの異常放電を阻止するダイオードが配置されていない請求項１〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記第２手段は、前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移時に機能するよう構成された請求項１〜４の何れかに記載の燃焼制御装置。
【請求項６】
前記第１手段は、リアルタイム処理によって、前記電流信号のレベルを判定している請求項１〜５の何れかに記載の燃焼制御装置。
【請求項７】
前記第１手段は、リアルタイム処理によって、前記電流信号の信号幅、及び／又は、前記電流信号の検出タイミングを特定して記憶している請求項１〜６の何れかに記載の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火プラグの異常を素早く検出して、プレイグニッションの発生を有効に防止できる内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレイグニッション(pre ignition)とは、一般に、内燃機関の燃焼室内の一部が過熱されて熱源となり、正常な点火タイミングに先立って混合気が燃焼する早期着火現象を意味している。熱源としては、燃焼室内に堆積したカーボンスラッジや、過熱した点火プラグが考えられ、圧縮行程の混合気が、これらの熱源によって自己着火することになる。
【０００３】
このプレイグニッション（以下、プレイグと略す）は、ノッキングの原因となるだけでなく、早期着火された燃焼ガスが、より長く燃焼室に存在するため、更なる温度上昇を招き、繰返しプレイグが発生するという悪循環ともなり、致命的な事態に陥ることにもなりかねない。
【０００４】
したがって、かかる異常事態を未然に防止することは極めて重要であるところ、一次コイルにＯＮ電流が流れ始めるＯＮ遷移時の、二次コイル誘起電圧による点火プラグの逆方向放電（以下、ＯＮ時放電という）を原因としてプレイグが発生する場合もある。そのため、ＯＮ時放電を防止する各種の対策が採られており、放電方向が逆であるＯＮ時放電を阻止するダイオードを配置する構成を採るのが、その典型例である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、回路構成によっては、ＯＮ時放電を阻止する上記のダイオードを配置できない場合がある。このような回路構成を採ると、例えば、点火プラグの交換時など、プラグギャップの調整が不良の点火プラグが搭載されたような場合には、プラグギャップの狭さを原因とするＯＮ時放電が高頻度で生じることになる。
【０００６】
そして、ＯＮ時放電が高頻度で生じると、プレイグの発生も懸念されるところ、従来の燃焼制御装置では、プラグギャップの異常を疑うことなく、単純にプレイグの発生を防止する燃焼制御に移行するので、如何に適切な燃焼制御を繰り返しても、最適な燃焼状態に復帰させることはできない。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、点火プラグの異常を迅速に検出して、最適な燃焼制御に復帰させることができるようにした内燃機関の燃焼制御装置を提供することが課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置は、一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、前記点火プラグの正常な放電方向とは逆向きの電流を検出するイオン電流検出回路と、を有して構成され、前記制御装置は、前記イオン電流検出回路から出力される電流信号を、前記スイッチング素子のＯＮ動作時に検出する第１手段と、前記スイッチング素子のＯＮ遷移時に近接して、前記第１手段が、２つ目の前記電流信号を検出するか否かに応じて、正常な放電方向とは逆向きに前記点火プラグが異常放電したことを検出する第２手段と、を有して構成されている。
【０００９】
本発明者の研究によれば、ＯＮ時放電が生じると、スイッチング素子のＯＮ遷移時に近接して、２つ目の電流信号が生じることが明らかとなった。したがって、本発明の構成によれば、ＯＮ時放電の発生頻度などを検討するだけで、点火プラグの異常を迅速に検出することができる。
【００１０】
すなわち、本発明は、好ましくは、前記異常放電が検出されると、これを記憶する第３手段と、第３手段による記憶内容を解析して、点火プラグの異常を検出する第４手段を、更に有して構成されるべきである。また、第４手段によって異常が検出された場合には、点火プラグのプラグギャップが狭すぎる旨を報知するよう構成するのが好適である。
【００１１】
なお、本発明は、前記点火プラグの逆向きの異常放電を阻止するダイオードが配置されていない燃焼制御装置に適用するのが最適である。また、前記第２手段は、前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移時に機能するよう構成するのが好適である。
【００１２】
前記第１手段は、特に限定されるものではないが、リアルタイム処理によって、前記電流信号のレベルを判定するのが好ましく、また、リアルタイム処理によって、前記電流信号の信号幅、及び／又は、前記電流信号の検出タイミングを特定して記憶するのが効果的である。
【発明の効果】
【００１３】
上記した本発明によれば、点火プラグの異常を迅速に検出して、最適な燃焼制御に適切に復帰させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、実施例に係る燃焼制御装置ＩＧＮを示す回路図である。
【００１５】
図示の通り、この燃焼制御装置ＩＧＮは、内燃機関の電子制御ユニットたるＥＣＵ(Engine Control Unit)と、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とからなる点火コイルＣＬと、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、イオン電流検出回路ＩＯＮとを中心に構成されている。
【００１６】
スイッチング素子Ｑは、ここではＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使用されている。そして、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＶＢを受けており、エミッタ端子は、グランドに接続されている。
【００１７】
イオン電流検出回路ＩＯＮは、電流検出回路として機能するＯＰアンプＡＭＰを中心に構成され、コンデンサＣ１、ツェナーダイオードＺＤ、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を有して構成されている。なお、コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤの並列回路によって、イオン電流検出時のバイアス電圧が生成される。
【００１８】
二次コイルＬ２の高圧端子は、点火プラグＰＧに接続され、低圧端子は、前記バイアス電圧を生成するコンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路に接続されている。そして、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路は、ダイオードＤ１を通して、グランドに接続されている。図示の通り、ダイオードＤ１のカソード端子がグランドに接続されている。
【００１９】
一方、ダイオードＤ１のカソード端子は、電流制限抵抗Ｒ１を経由してＯＰアンプの反転入力端子に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に、電流検出抵抗Ｒ２が接続され、出力端子のグランド間には、負荷抵抗Ｒ３が接続されている。ＯＰアンプの非反転端子は、グランドに接続され、反転端子と非反転端子の間には、ダイオードＤ２が接続されている。
【００２０】
本発明者は、上記したイオン電流検出回路ＩＯＮを使用して、イオン電流信号Ｖｏを観測しつつ、種々の燃焼実験を繰り返した結果、ＯＮ時放電に関する有用な事実を発見した。すなわち、（Ａ）通常状態では、点火タイミングを遅角させようが、進角させようが、点火プラグＰＧはＯＮ時放電しないが、点火プラグのプラグギャップが狭すぎる場合には、ＯＮ時放電が生じることがあること、そして、（Ｂ）ＯＮ時放電した場合には、その後、近接してスパイク状のイオン電流信号が再度検出されることが実験結果から明らかとなった。
【００２１】
図２〜図５は、上記の現象を説明するための図面であり、図２は、イオン電流検出回路ＩＯＮの動作内容を説明するための図面である。また、図３〜図４は、ＯＮ時放電が発生した場合における、イオン電流検出回路ＩＯＮの各部の波形を示すタイムチャートである。以下、発明者の想像も含めて、図２を参照しつつ、図３〜図４の動作内容を説明する。
【００２２】
先ず、点火パルスＳＧが立上るタイミングＴ０では、スイッチング素子ＱがＯＮ動作することで、一次コイルＬ１にコイル電流ｉｃ１が流れ始める。このスイッチング素子ＱのＯＮ遷移時、二次コイルＬ２には、その高圧端子が正レベルとなる誘起電圧が生じるので、この誘起電圧によって、点火プラグＰＧの漂遊容量を充電する過渡電流が瞬間的に流れると思われる（図２（ａ）参照）。
【００２３】
ところで、図１の燃焼制御回路ＩＧＮでは、イオン電流検出回路ＩＯＮを機能させるために、逆方向放電を防止するダイオードを設けることができない。そのため、点火プラグの設定異常時などには、スイッチング素子ＱのＯＮ遷移時に、正レベルの誘起電圧によって点火プラグＰＧがＯＮ時放電する場合もある。
【００２４】
何れにしても、スイッチング素子ＱのＯＮ遷移時における過渡電流は、電流検出抵抗Ｒ２にも流れるので、ＯＰアンプＡＭＰの出力電圧Ｖｏは、短時間だけ高レベルとなる（（図３（ｂ）〜図４（ｂ）参照）。なお、このタイミングＴ０では内燃機関は圧縮工程であるから、燃焼室内に導入された混合気は、加圧されることで温度が上昇する傾向となる。
【００２５】
図３（ｂ）や図４（ｂ）に示す通り、タイミングＴ０でＯＮ時放電が生じた場合には、近接するタイミングＴ１でもイオン電流信号Ｖｏが検出される。そして、その後、圧縮工程の混合気が更に温度上昇したタイミングにおいて、プレイグによると思われるイオン電流信号Ｖｏが検出されることもある（図４（ｂ）Ｔ２参照）。ここで、タイミングＴ２に生じるイオン電流信号Ｖｏが、プレイグに関連すると推定できるのは、イオン電流信号Ｖｏが点火パルスＳＧの立下りタイミングＴ３まで継続されることによる。なお、このイオン電流信号Ｖｏは、タイミングＴ３で途絶えるが（図３（ｂ）参照）、それは、イオン電流より格段に高レベルのプラグ放電電流が、図２（ｂ）の経路で流れるためである。
【００２６】
したがって、以上の現象を踏まえれば、一次コイルＬ１の通電開始直後に、２つ目のイオン電流信号Ｖｏを検出するか否かに応じて、ＯＮ時放電が生じていると判定することができることになる。また、一次コイルＬ１の通電中にイオン電流信号Ｖｏが検出され、そのイオン電流信号Ｖｏが一次コイルＬ１の通電終了タイミングまで持続する場合には、プレイグが発生していると判定することもできる。
【００２７】
図５は、以上の知見に基づいて構成されたＯＮ時放電やプレイグの検出アルゴリズムを示すフローチャートである。なお、図５に示す処理は、計測ウインドＷＩＮに示す通り、スイッチング素子ＱのＯＮ遷移動作に同期して開始され（Ｔ０）、スイッチング素子ＱがＯＦＦ遷移動作に同期して終了する（Ｔ３）。
【００２８】
また、図５のフローチャートにおいて、変数ｉはイオン電流信号Ｖｏの検出番号、ＶＯＬ（ｉ）はイオン電流信号Ｖｏの累積値（積分値）を格納する配列、ＷＤ（ｉ）は有意レベルのイオン電流信号Ｖｏの継続時間を格納する配列、ＴＩＭＥ（ｉ）はイオン電流信号Ｖｏの取得タイミングを格納する配列、ＴＨはプレイグ検出用の閾値、変数ＤＴはイオン電流信号ＶｏがＡＤ変換された取得データ、変数ＣＴは有意レベルのイオン電流信号Ｖｏの継続時間を計測するためのカウンタ、変数ＴＭは処理開始からの経過時間を計時するタイマ、変数ＦＬＧはイオン電流信号ＶｏのＨ／Ｌレベルの推移を示すフラグである。
【００２９】
また、この実施例では、割込み周期１／３０ｍＳの間隔で、タイマ割込み処理が起動するよう構成されている。そして、起動されたタイマ割込み処理において、割込みフラグＩＮＴがセットされると共に、タイマ変数ＴＭが順次インクリメントされ、処理開始からの経過時間が計測されるようになっている。
【００３０】
以上を踏まえて図５について説明する。先ず、配列ＶＯＬ、配列ＷＤ、及び配列ＴＩＭＥの全領域をゼロクリアすると共に、タイマ変数ＴＭをゼロクリアし、変数ｉを１に初期設定する（ＳＴ１）。次に、フラグＦＬＧと、カウンタ変数ＣＴとをゼロクリアする（ＳＴ２）。
【００３１】
ステップＳＴ１〜ＳＴ２の初期処理が終われば、現在が、異常判定時か否かが判定される（ＳＴ３）。異常判定時とは、計測ウインドＷＩＮの終期であり、図３〜図４に示すタイミングＴ３を意味する。そして、異常判定時に達していない場合には、現在が、イオン電流信号Ｖｏの取得タイミングか否かが判定される（ＳＴ４）。具体的には、割込み周期１／３０ｍＳのタイマ割込みが生じたか否かが、割込みフラグＩＮＴの値に基づいて検出されるので、この実施例では、イオン電流信号Ｖｏを、サンプリング周波数３０ｋＨｚで取得することになる。
【００３２】
そして、データ取得タイミングに達すると、セット状態の割込みフラグＩＮＴをリセットすると共に、ＡＤコンバータをソフトウェア起動して（ＳＴ５）、開始されたＡＤ変換処理が終わるのを待つ（ＳＴ６）。そして、ＡＤ変換の終了が確認されると、ＡＤ変換されたイオン電流信号Ｖｏを変数ＤＴに取得する（ＳＴ７）。
【００３３】
次に、取得データＤＴが、閾値ＴＨと対比され（ＳＴ８）、取得データＤＴが、閾値ＴＨより小さい場合には（ＤＴ＜ＴＨ）、ステップＳＴ１０の処理に移行してフラグＦＬＧの値が判定される（ＳＴ１０）。閾値ＴＨは、十分に高いレベルに設定されているので、イオン電流信号Ｖｏが、単なるノイズレベルであれば、ＤＴ＜ＴＨとなって、フラグＦＬＧの値が判定される。
【００３４】
フラグＦＬＧは、初期段階ではゼロに設定されているが（ＳＴ２）、イオン電流信号Ｖｏが閾値を超えた後は、フラグＦＬＧが１となっている（ＳＴ９）。したがって、ＦＬＧ＝０であれば、イオン電流信号Ｖｏが、継続して低レベルであることを意味するので、ステップＳＴ３に移行して、次回のデータ取得タイミングに達するのを待つことになる。
【００３５】
一方、ステップＳＴ１０のタイミングにおいて、フラグＦＬＧ＝１であれば、一旦、高レベルに上昇したイオン電流信号Ｖｏが、その後に低レベルに降下したことを意味する。そこで、この場合には、イオン電流信号Ｖｏが高レベルを維持した状態で、カウンタ変数ＣＴで計測された継続時間を、配列ＷＤのｉ番目の要素として格納すると共に、現在のタイミングを示すタイマ変数ＴＭの値を、配列ＴＩＭＥのｉ番目の要素として格納する（ＳＴ１１）。この処理によって、イオン電流信号Ｖｏに関する、ｉ番目の有意データについての処理が終わるので、変数ｉをインクリメントして、ステップＳＴ２に移行する（ＳＴ１１）。その結果、カウンタ変数ＣＴは、ゼロに初期設定され、フラグＦＬＧもゼロに初期設定される（ＳＴ２）。
【００３６】
ところで、ステップＳＴ８の判定において、イオン電流信号Ｖｏの取得値ＤＴが、閾値ＴＨ以上であると判定される場合には、その取得値ＤＴを、配列ＶＯＬのｉ番目の要素に加算する（ＳＴ９）。この処理によって、配列ＶＯＬ（ｉ）には、連続して有意レベルを示すイオン電流信号Ｖｏの総和値（積分値）が格納されることになる。
【００３７】
また、ステップＳＴ９では、フラグＦＬＧを１にセットすると共に、カウンタ変数ＣＴをインクリメントしてステップＳＴ３の処理に戻る。ステップＳＴ９におけるカウンタ変数ＣＴのインクリメント処理は、イオン電流信号Ｖｏが継続して有意レベルを示す時間を計測する処理に他ならず、カウンタ変数ＣＴには、計測された継続時間が格納される。なお、この継続時間は、イオン電流信号Ｖｏが立ち下がった瞬間に、ステップＳＴ１１の処理によって、配列ＷＤ（ｉ）に格納される。
【００３８】
以上のような処理を繰返していると、やがて、異常判定時に達する（ＳＴ３）。そして、この異常判定タイミングでは、先ず、フラグＦＬＧの値が判定され（ＳＴ１２）、もし、ＦＬＧ＝１であれば、ステップＳＴ９の処理によって計測されていた継続時間を配列ＷＤ（ｉ）に格納する（ＳＴ１３）。
【００３９】
このタイミングにおける変数ｉの値は、計測ウインドＷＩＮの区間中、閾値ＴＨを超える有意レベルのイオン電流信号Ｖｏが、合計で何個検出されたかを示している。正常な運転状態であれば、検出個数ｉ＝０の筈であるが、タイミングＴ１における逆方向放電や、タイミングＴ２におけるプレイグが生じた異常時にはｉ≠０となっている。
【００４０】
例えば、検出個数ｉ＝１であれば、ＯＮ時放電は生じたが、プレイグには至っていないと推定することができる。或いはまた、検出個数ｉ＝１の場合には、ＯＮ時放電が生じることなく、プレイグに至った可能性もある。但し、いずれの事態が発生したかは、イオン電流信号Ｖｏが有意レベルを示した継続時間ＷＤ（１）や、積分値ＶＯＬ（１）や、データ取得タイミングＴＩＭＥ（１）によって推定することができる。
【００４１】
また、検出個数ｉ＝２であれば、ＯＮ時放電が生じた後に、それがプレイグに至ったと推定することができる。
【００４２】
そこで、変数ｉの値ｎと、配列ＴＩＭＥ（１）〜ＴＩＭＥ（ｎ）、配列ＷＤ（１）〜ＷＤ（ｎ）の値と、配列ＶＯＬ（１）〜ＶＯＬ（ｎ）の値とを総合評価して、今回の点火サイクルにおいて、ＯＮ時放電が生じたか否か、また、プレイグが発生したか否かを判定する（ＳＴ１４）。そして、ＯＮ時放電が生じたと判定される場合には、これをＥＵＣのメモリに記憶するとともに、過去の記憶データを統計的に検討することで、点火プラグＰＧの異常の有無を判定する。
【００４３】
例えば、高い頻度でＯＮ時放電が生じているか否か、また、遅角や進角などの燃焼制御に拘らずＯＮ時放電が生じているか、などが判定される。そして、ＯＮ時放電の検出頻度が非常に高い場合、或いは、点火時期を遅角させてもＯＮ時放電が検出されるような場合には、点火プラグＰＧのプラグギャップが狭すぎると判定して、その旨の報知を行う（ＳＴ１６）。
【００４４】
したがって、本実施例によれば、プラグギャップの異常を迅速に検出することができ、ＯＮ時放電に伴うプレイグを未然防止することができる。
【００４５】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、上記の実施例では、点火プラグＰＧの異常だけを検出しているが（ＳＴ１６）、この判定に加えてプレイグの発生を検出できるのは勿論である。そして、検出されたプレイグに対応した、適切な燃焼制御を実現できることも言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例に係る燃焼制御装置の構成を示す回路図である。
【図２】図１の燃焼制御装置の動作を説明する図面である。
【図３】ＯＮ時放電を説明するタイムチャートである。
【図４】ＯＮ時放電によるプレイグ状態を説明するタイムチャートである。
【図５】図１に示す燃焼制御装置の動作内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
Ｌ１              一次コイル
Ｌ２              二次コイル
ＣＬ              点火コイル
ＥＣＵ            制御装置
ＳＧ              点火信号
Ｑ                スイッチング素子
ＰＧ              点火プラグ
ＩＯＮ            イオン電流検出回路
ＳＴ７〜ＳＴ１１  第１手段
ＳＴ１４          第２手段
【図１】
2010059904.tif 000003
【図２】
2010059904.tif 000004
【図３】
2010059904.tif 000005
【図４】
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【図５】
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