(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に設けられた一対の対向電極の間に交流電圧を印加するための交流電圧印加手段と、
前記交流電圧印加手段による前記対向電極間への交流電圧印加に伴って、該対向電極間に存在する燃焼イオンの量の増減によって変化するイオン電流を検出するイオン電流検出手段とを備える内燃機関の燃焼状態検出装置において、
前記イオン電流検出手段により検出されたイオン電流の波形から、前記交流電圧印加手段による交流電圧印加時の対向電極間の充電電流成分を除去する電流波形処理手段と、
前記電流波形処理手段の処理結果に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と
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
【請求項２】
前記電流波形処理手段は、前記イオン電流検出手段により検出されたイオン電流を積分処理するものである請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項３】
前記電流波形処理手段は、ローパスフィルタにより構成されるものである請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項４】
前記電流波形処理手段により得られた電流波形の処理結果に対して所定期間内で積分処理を行う積分処理手段を備え、
前記燃焼状態検出手段は、前記積分処理手段により求められた積分値が所定の判定値以下であれば、失火状態である旨を判定する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項５】
前記電流波形処理手段により得られた電流処理波形のピーク値を検出するピーク値検出手段を備え、
前記燃焼状態検出手段は、前記ピーク値検出手段により検出された電流処理波形のピーク値が所定の判定値以下であれば、失火状態である旨を判定する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項６】
前記電流波形処理手段により得られた電流波形の処理結果について、その電流波形に含まれるノッキングの周波数成分を抽出するノッキング成分抽出手段と、
前記ノッキング成分抽出手段により抽出されたノッキング成分の振幅の最大値を検出する最大振幅検出手段とを備え、
前記燃焼状態検出手段は、前記最大振幅検出手段により検出された出力が所定の判定値以上であればノッキング状態である旨を判定する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項７】
前記電流波形処理手段により得られた電流波形の処理結果について、その電流波形に含まれるノッキングの周波数成分を抽出するノッキング成分抽出手段と、
前記ノッキング成分抽出手段により抽出されたノッキング成分を所定区間で半波整流する半波整流手段と、
前記半波整流手段の整流波形について積分処理を行う積分手段とを備え、
前記燃焼状態検出手段は、前記積分手段で得られた出力が所定の判定値以上であればノッキング状態である旨を判定する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項８】
前記ノッキング成分抽出手段は、ハイパスフィルタにより構成されるものである請求項６又は７に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の運転時における失火やノッキング等の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関の排気ガス浄化及び燃費向上の要求から、機関の各気筒毎に燃焼状態を検出し、全ての気筒の燃焼状態を最適に制御することができる装置が要請されている。また、排気エミッションの悪化を防止するために精度良く失火を検出することができる失火検出装置や、内燃機関の保護やドライバビリティの向上を図るために機関に発生するノッキングを精度良く検出することができるノッキング検出装置が要請されている。
【０００３】
例えば点火時期制御はなるべく進角した方が機関の出力は大きくなるが、進角し過ぎるとノッキングと称する異常燃焼が発生する。ノッキングが発生すると、燃焼室内圧力の過昇により内燃機関にダメージを与えることがある。これを防止するために、ノッキング時の異常振動を検出するノッキングセンサを内燃機関のシリンダブロックに設けると共に、同ノッキングセンサにてノッキング振動を検出し、点火時期を遅角する制御が行われている。しかしながら、上記ノッキングセンサは、ノッキング以外の原因で起こる振動を誤検出するという不具合を招くおそれがあった。さらに気筒別にノッキング制御をするには、得られたノッキング信号を気筒毎に判別しなければならない等、制御が複雑になるという問題が存在していた。
【０００４】
そこで、特関昭５８−７５３６号公報に記載の「内燃機関におけるノッキング検出方法」では、ノッキングによる大きな爆発で燃焼室内に大量の燃焼イオンが発生することに着目し、点火プラグの対向電極間に直流電圧を印加して上記燃焼イオンによる電流を検出する。そして、検出されたイオン電流から燃焼の強さを検出すると共にノッキングの強度を検出するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の燃焼が生じた時のイオン電流波形は理論上、図７のように２山の波形が観察される。最初の１山は、点火プラグのギャップ間で火炎が生成する時のもので、燃焼反応で急激にイオンが生成され、その後イオンの再結合が起こるため山型となる。第２の山は燃焼が燃焼室内に広がり、燃焼室内の圧力上昇に伴い点火プラグ間のイオン密度が増加することで生じる山である。
【０００６】
ここで、ガソリン機関においては点火プラグに流れるイオン電流が燃焼室内の圧力に対応する。そのため、イオン電流波形をより精度良く検出すれば、各気筒毎に最適燃焼状態を制御する情報を得ることができる。
【０００７】
ところが、上記公報で記した直流電圧印加のイオン電流検出においては図８に示すような理論通りの波形（図の破線）は得ることができない。つまり、図の実線で示すようにイオン電流の出力が早期に低下し、出力が安定しないという問題点が生ずる。これは、上記対向電極に直流電圧が印加されると燃焼イオンが点火プラグの電極に吸引、消滅するためと推測できる。このため、ノッキングや失火の有無の判定にはある程度の効果を奏するものの検出精度が不足し、上記の如く燃焼状態を検出しその検出結果をノッキング等の制御に用いるには不十分であった。
【０００８】
加えて、直流電圧を点火プラグに印加する場合には、車両のバッテリ電圧（１２〜２４Ｖ）をＤＣ−ＤＣコンバータにて数百Ｖ〜数ｋＶの高電圧にする必要があり、構成が複雑で且つコスト高となる問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明は、燃焼イオン量の発生を正確に検出することにより精度良く内燃機関の燃焼状態を検出し、しかもコスト低減を図ることができる内燃機関の燃焼状態検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
内燃機関の燃焼室内において点火プラグ等の対向電極間に交流電圧を印加すると、電流が交流電圧と同一周波数で流れる。このとき、流れる電流は燃焼イオンの存在により電荷が輸送される電流成分（以下、燃焼イオン電流と記す）と、容量素子として作用する対向電極の充電電流成分（以下、容量電流と記す）との和に相当する。つまり、上記燃焼イオン電流は、燃焼イオンが交流電圧による振動電界中で振動運動をし電極に吸収されないため時間的に周期的な変化の他には燃焼イオンの量のみにより変化する。また、容量電流は上記交流電圧により該交流電圧と同一周波数で絶えず充放電を繰り返す周期的な振動電流となるから、その電流波形は周期的な電圧変化のみにより変化する。従って、交流電圧の印加に伴い流れる電流から容量成分のみを除去すれば、燃焼イオン量の増減に相応する高精度なイオン電流検出が可能となり、ひいては内燃機関の燃焼状態を精度良く検出することができる。
【００１１】
その具体的な手段として、請求項１に記載の発明では、交流電圧印加手段による対向電極間への交流電圧印加に伴ってイオン電流検出手段（例えば、対向電極に接続された電流検出抵抗）により検出されたイオン電流の波形から交流電圧印加時の対向電極間の充電電流成分を除去すると共に、その処理結果に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出することを要旨としている（電流波形処理手段，燃焼状態検出手段）。
【００１２】
電流波形処理手段の構成としては、請求項２に記載したように、イオン電流検出手段により検出されたイオン電流を積分処理するものとしたり、請求項３に記載したように、ローパスフィルタにより構成したりすることが可能である。電流波形処理手段としてローパスフィルタを用いることは、検出イオン電流を積分処理することと同様の効果を呈する。
【００１３】
要するに、イオン電流検出手段により検出された電流に含まれる容量電流は同一位相で一定である。しかして所定区間で上記電流の積分を行うと、交流電流の正負の容量電流値は相殺されて、出力としては、燃焼イオン電流値のみが検出される。正確に言うと、燃焼イオン電流は、印加電圧の正負に対し感度が異なるため、正の印加電圧に対しては出力が大きく、負の印加電圧印加時には出力が非常に小さくなる。従って、所定区間で積分を行うと、正側の積分値から負側の積分値を引くことになるが、相殺されて「０」になることはなく、イオンの発生量、若しくはイオン密度変化に対応した出力波形が得られる。即ち、交流電圧が印加される所定の区間において、その検出電流から交流の周期的な変化が除去された、燃焼イオンの増減のみによる変化を検出することができる。
【００１４】
また、内燃機関の燃焼状態の検出のうち、失火状態を検出する手段としては、請求項４に記載したように、電流波形処理手段（積分処理手段やローパスフィルタ）により得られた電流波形の処理結果について、所定期間内で積分処理を行い、その積分値が所定の判定値以下であれば、失火状態である旨を判定するようにしてもよい。さらに、請求項５に記載したように、電流波形処理手段により得られた電流処理波形のピーク値を検出し、その電流処理波形のピーク値が所定の判定値以下であれば、失火状態である旨を判定するようにしてもよい。
【００１５】
併せて、内燃機関の燃焼状態のうち、ノッキング状態を検出する手段としては、請求項６に記載したように、電流波形処理手段により得られた電流波形の処理結果について、その電流波形に含まれるノッキングの周波数成分を抽出すると共に、その抽出されたノッキング成分の振幅の最大値を検出し、最大振幅として検出された出力が所定の判定値以上であればノッキング状態である旨を判定するようにしてもよい。この構成によれば、簡易的にノッキングの有無を検出することができる。
【００１６】
また、請求項７に記載したように、電流波形処理手段により得られた電流波形の処理結果について、その電流波形に含まれるノッキングの周波数成分を抽出すると共に、その抽出されたノッキング成分を所定区間で半波整流した後、整流波形について積分処理を行い、積分手段で得られた出力が所定の判定値以上であればノッキング状態である旨を判定するようにしてもよい。この場合、ノッキング成分を抽出する期間において特に突出したピーク値が無くとも、同期間内に全体的に現れるノッキング振動により当該ノッキングが確実に検出できる。つまり、ノッキングの検出精度を高めることができる。
【００１７】
請求項８に記載の発明では、ノッキング成分抽出手段は、ハイパスフィルタにより構成されるものであるとしている。この場合、ノッキング周波数帯の燃焼イオン電流波形振幅のみが検出され、ノッキングを検出できる。
【００１８】
以上本発明の構成によれば、燃焼イオンの発生量およびイオンの密度変化を定量的に正確に検出して正確な検出結果に基づいて燃焼状態（失火、ノッキング）を解析することにより、燃焼状態を良好に維持するための有効な情報を出力することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態における内燃機関の燃焼状態検出装置の概要を示す。図１において、点火プラグ１０はその先端が内燃機関の図示しない燃焼室に突設されるものであって、同点火プラグ１０には中心電極１１及び接地電極１２からなる対向電極が設けられている。これら対向電極のうちの中心電極１１には、高電圧印加回路２０を構成するトランス２１の二次側巻線２１ｂが接続されている。なお、高電圧印加回路２０は交流電圧印加手段に相当する。
【００２１】
高電圧印加回路２０において、トランス２１の一次側巻線２１ａの一方の端子にはバッテリ２２が接続され、一次側巻線２１ａの他方の端子にはバッテリ２２による電圧の印加をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチングトランジスタ２３のコレクタが接続されている。スイッチングトランジスタ２３のべースには、ＯＲゲート回路２４の出力端子が接続されている。ＯＲゲート回路２４の２つの入力端子のうち、一方にはマイクロコンピュータを主体として構成されるエンジン制御用ＥＣＵ（エンジン制御用電子制御ユニット）３０が接続され、他方には周波数２０ｋＨｚの矩形波信号を所定期間で発生する高周波信号発生器２５が接続されている。エンジン制御用ＥＣＵ３０は、その時々の機関運転状態に基づいて点火信号ＩＧＴを生成し、当該点火信号ＩＧＴをＯＲゲート回路２４に出力する。
【００２２】
かかる場合、点火プラグ１０と高電圧印加回路２０の一部は内燃機関の燃焼室に導入された燃料と空気との混合気に点火する役割を果たす。つまり、エンジン制御用ＥＣＵ３０から点火信号ＩＧＴとしてＨレベル信号が出力されると上記スイッチングトランジスタ２３がＯＮされ、バッテリ２２から点火コイルとしての役割をなすトランス２１に点火用エネルギが蓄積される。その後、点火信号ＩＧＴがＨレベルからＬレベルに変わると電磁誘導により点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に高電圧が印加され、対向電極１１，１２間に火花放電が発生する。該火花放電により前記混合気が点火され、燃焼に供される。
【００２３】
前記高周波信号発生器２５は、２入力のＡＮＤゲート回路２６を有し、その入力端子には発振器２７による２０ｋＨｚの矩形波信号ＳＧ１と、点火プラグ１０による火花発生後の所定期間において対向電極１１，１２間に交流電圧を印加するための所定期間信号ＳＧ２とが入力される。つまり、このＡＮＤゲート回路２６の出力ＳＧ３により、点火プラグ１０に交流電圧を印加する期間が決定されることとなる。なお、所定期間信号ＳＧ２は、前記点火信号ＩＧＴがＨレベルからＬレベルに変わってから所定時間経過後にＬレベルからＨレベルに変化するよう前記したエンジン制御用ＥＣＵ３０にて生成される。
【００２４】
一方、トランス２１の二次側巻線２１ｂと対向電極（接地電極）１２との間には、混合気の燃焼時において対向電極１１, １２間に流れるイオン電流を検出するための電流検出抵抗１５が接続されている。この電流検出抵抗１５はイオン電流検出手段に相当する。また、電流検出抵抗１５とトランス２１の二次側巻線２１ｂとの間にはイオン電流処理回路４０内に設けられたローパスフィルタ（ＬＰＦ）４１が接続されている。
【００２５】
イオン電流処理回路４０において、ローパスフィルタ４１は前記電流検出抵抗１５により検出されたイオン電流信号の高周波成分（２０ｋＨｚ以上の高周波交流成分）を除去するものであって、このローパスフィルタ４１は電流波形処理手段に相当する。つまり、ローパスフィルタ４１は、周期的に変化する容量成分及び燃焼イオン成分の電圧変化に対する変化分をカットし、その出力は交流の周期的な変化を含まない燃焼イオンの増減のみにより変化するものとなる。本実施の形態では、フィルタの遮断特性からローパスフィルタ４１のカットオフ周波数を８ｋＨｚ程度に設定するが、急峻な遮断特性が得られるものであれば、カットオフ周波数をより高い周波数に設定することもできる（交流電圧の周波数２０ｋＨｚに近づけることができる）。
【００２６】
ローパスフィルタ４１の出力は、チェビシェフ型フィルタ回路として構成される積分器４２に入力される。積分器４２には、ローパスフィルタ４１の出力の他に前記所定期間信号ＳＧ２が入力されるようになっており、この信号ＳＧ２にて規定される期間内でローパスフィルタ４１の出力が積分処理される。つまり、積分器４２は燃焼イオンのトータル量に相当する燃焼イオン電流の総和（積分値Ｉｐ）を計測する。本実施の形態では、積分器４２により積分処理手段が構成されている。
【００２７】
積分器４２の出力（積分値Ｉｐ）は、第１の出力判定回路４３を構成するコンパレータ４３ａの＋入力端子に入力される。コンパレータ４３ａの−入力端子には可変抵抗器４３ｂのスライド接点が接続されている。このスライド接点の位置により決定される基準電圧は、バッテリ４３ｃの電圧降下分が所定の燃焼イオン電流の積分値Ｉｐの下限値Ｉmin に相当するように予め調整されている。つまり、コンパレータ４３ａは燃焼イオン電流の積分値Ｉｐと下限値Ｉmin とを比較するものであって、積分値Ｉｐが下限値Ｉmin 以上であればその出力をＨレベルとし、積分値Ｉｐが下限値Ｉmin 未満であればその出力をＬレベルとする。この出力は失火検出用ＥＣＵ４４に入力され、失火検出用ＥＣＵ４４は、第１の出力判定回路４３の出力がＬレベルであれば、現在の内燃機関が「失火状態」である旨を判定する。
【００２８】
一方、前記ローパスフィルタ４１の出力はノッキング成分抽出手段としてのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４５にも入力され、ハイパスフィルタ４５はノッキング周波数成分の変化量のみを抽出する。本実施の形態では、周波数７ｋＨｚ程度に現れるノッキング周波数成分を検出するべく、ハイパスフィルタ４５のカットオフ周波数が６ｋＨｚに設定されている。つまり、前記ローパスフィルタ４１並びにハイパスフィルタ４５を通過する信号は６〜８ｋＨｚの周波数を有する信号となる。
【００２９】
ハイパスフィルタ４５の出力は、最大振幅検出手段としてのピークホールド回路４６に入力され、ピークホールド回路４６は前記所定期間信号ＳＧ２が入力されている期間内においてハイパスフィルタ４５の出力の振幅が最大となるピーク値ΔＩｐをホールドする。なお、このピーク値ΔＩｐは、所定期間信号ＳＧ２の入力毎にリセットされる。
【００３０】
ピークホールド回路４６の出力（ピーク値ΔＩｐ）は、第２の出力判定回路４７を構成するコンパレータ４７ａの＋入力端子に入力される。コンパレータ４７ａの−入力端子には可変抵抗器４７ｂのスライド接点が接続されている。このスライド接点の位置により決定される基準電圧は、バッテリ４７ｃの電圧降下分が所定のノッキング判定レベルΔＩmax に相当するように予め調整されている。つまり、コンパレータ４７ａはノッキング周波数成分のピーク値ΔＩｐとノッキング判定レベルΔＩmax とを比較するものであって、ピーク値ΔＩｐがノッキング判定レベルΔＩmax 以上であればその出力をＨレベルとし、ピーク値ΔＩｐがノッキング判定レベルΔＩmax 未満であればその出力をＬレベルとする。この出力はノッキング検出用ＥＣＵ４８に入力され、ノッキング検出用ＥＣＵ４８は、第２の出力判定回路４７の出力がＨレベルであれば、現在の内燃機関が「ノッキング状態」である旨を判定する。
【００３１】
なお、前記失火検出用ＥＣＵ４４にて失火状態でない旨が判定され（第１の出力判定回路４３の出力がＨレベル）、且つ、ノッキング検出用ＥＣＵ４８にてノッキング状態でない旨が判定された場合（第２の出力判定回路４７の出力がＬレベル）には、内燃機関が正常燃焼している旨が判定される（この判定処理は、例えばエンジン制御用ＥＣＵ３０にて実行される）。本実施の形態では、前記失火検出用ＥＣＵ４４及びノッキング検出用ＥＣＵ４８が燃焼状態検出手段に相当する。
【００３２】
次に、上記の如く構成される燃焼状態検出装置について、その作用を図２〜図４のタイムチャートを用いてより具体的に説明する。
先ず、図２を用いて全体の概要を説明する。図２（ａ）に示すように、時間ｔ１にて点火信号ＩＧＴがＨレベルに立ち上げられ、その後、時間ｔ２にて同点火信号ＩＧＴがＬレベルに立ち下げられる。このとき、点火プラグ１０が有する静電エネルギにより容量放電が観測され、それに続いてトランス２１に蓄えられた電磁エネルギによる誘導放電が観測される。そして、点火プラグ１０の火花点火に伴い燃焼室内の混合気が着火されると、図２（ｃ）に示すように筒内圧が上昇し始める。
【００３３】
また、図２（ｂ）に示すように、時間ｔ３〜ｔ４では混合気が燃焼している状態で前記高周波信号発生器２５から周波数２０ｋＨｚの矩形波信号（ＳＧ３）がＯＲゲート回路２４を介してスイッチングトランジスタ２３のベースに入力され、これによりトランス２１の一次側巻線２１ａにてバッテリ電圧のＯＮ／ＯＦＦが繰り返される。しかして、図２（ｄ）に示すように、電磁誘導によりトランス２１の二次側巻線２１ｂには、上記矩形波信号の周波数と同じ周波数の高圧の交流電圧が発生し、その交流電圧が点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に印加される。
【００３４】
さらに、図２（ｅ），（ｆ）に示すように、時間ｔ３〜ｔ４では、電流検出抵抗１５の出力が図示の交流信号となり、同信号がローパスフィルタ４１を通過することにより、同フィルタ４１の出力は図示の如く筒内圧を反映した波形となる。このローパスフィルタ４１の出力波形の詳細について図３及び図４を用いて以下に説明する。
【００３５】
図３（ａ）は高周波信号発生器２５から出力される矩形波信号（ＳＧ３）を示し、図３（ｂ）は前記対向電極１１，１２間に印加される交流電圧を示す。この交流電圧はスイッチングトランジスタ２３やトランス２１等の実装状態における浮遊容量によって矩形波信号と比べて波形がなまり、且つ位相が９０°遅れた正弦波となっている。そして、交流電圧が印加されることにより対向電極１１，１２に電流が流れる。
【００３６】
図３（ｃ）は上記電流のうち容量電流成分を示しており、これは上記交流電圧の時間微分に比例した電流に相当する。図３（ｄ）は燃焼イオン電流成分を示すもので、燃焼イオンが多いほどその振幅量が多くなる。燃焼イオン電流は燃焼イオンの量に比例した振幅で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。容量電流と燃焼イオン電流の和が電流検出抵抗１５を流れる電流として検出される。
【００３７】
図３（ｅ）は上記電流検出抵抗１５を流れる電流を示し、この電流はイオン電流処理回路４０のローパスフィルタ４１に入力される。かかる場合において、ローパスフィルタ４１に入力される電流は容量電流（図３（ｃ））と燃焼イオン電流（図３（ｄ））との和であるが、ローパスフィルタ４１では入力した電流値を各々の電流成分に分離するための積分処理が行われる。
【００３８】
ここで、図４（ａ）は容量電流の積分結果を示し、図４（ｂ）は燃焼イオン電流の積分結果を示す。これら図４（ａ），（ｂ）から分かるように、容量電流はローパスフィルタ４１による積分により正側の成分と負側の成分とが相殺され、結果として「０」の出力となる。また、燃焼イオン電流は、正側の成分が負側の成分よりも大きくなり、結果として図示のような波形が得られる。この波形は前記図２の波形に一致する。
【００３９】
要するに、電流検出抵抗１５により検出された電流に含まれる容量電流は同一位相で一定であるため、所定区間で上記電流の積分を行うと、交流電流の正負の容量電流値は相殺される。これに対し、燃焼イオン電流は、印加電圧の正負に対し感度が異なるため、正の印加電圧に対しては出力が大きく、負の印加電圧印加時には出力が非常に小さくなる。従って、所定区間で積分を行うと、正側の積分値から負側の積分値を引くことになるが、相殺されて「０」になることはなく、イオンの発生量、若しくはイオン密度変化に対応した出力波形が得られる。
【００４０】
次に、上記の如く得られたローパスフィルタ４１の出力から内燃機関の燃焼状態を検出する手順について図５のタイムチャートを用いて説明する。なお、図中の時間ｔ１１は点火時期を示し、時間ｔ１２は点火後における誘導放電の終了時期を示す。
【００４１】
図５（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、図中には、「正常燃焼」、「ノッキング」、「失火」の３つの場合について筒内圧の変化状態を示す。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傾向は同じであるが、正常燃焼と比較をすると、ノッキング時には燃焼室内で圧力波による圧力振動が生じ、筒内圧に振動成分が現れる。失火の場合には燃焼イオンが生成されないため、モータリングと同様の波形（例えばクランキング駆動時の波形）となる。
【００４２】
図５（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、ローパスフィルタ４１の出力として現れる。正常燃焼時イオン電流波形は筒内圧に対応した波形となる。失火が生じると、燃焼イオンの発生がないためイオン電流は出力されない。ノッキングが生じると、イオン電流波形にもノッキングの振動が現れる。
【００４３】
図５（ｃ）は失火検出のための積分器４２の出力を示す。正常燃焼の場合、燃焼イオンの積算値が出力されるため、燃焼量に対応した値が得られる。イオン電流波形の積分値Ｉｐが下限値Ｉmin 以下であれば、失火検出用ＥＣＵ４４により失火発生が判定される。こうして積分器４２の出力を用いて失火検出を行うことにより、所定タイミングでイオン電流値を検出する方法に比べて、燃焼のばらつきの影響が少なく失火検出精度が向上する。
【００４４】
図５（ｄ）はノッキング検出のためのハイパスフィルタ４５の出力を示す。ノッキングが生じた際のイオン電流波形の振動成分のみが取り出される。正常燃焼の場合、振動がないため出力はされない。イオン電流波形の振幅値ΔＩｐが振動振幅ΔＩmax 以上であれば、ノッキング検出用ＥＣＵ４８によりノッキング発生が判定される。
【００４５】
以上詳述した本実施の形態の燃焼状態検出装置によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（ａ）本実施の形態では、燃料の燃焼において点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に交流電圧を印加し、その際に交流電圧と同一周波数で流れるイオン電流を電流検出抵抗１５にて検出するようにした。また、電流検出抵抗１５により検出されたイオン電流の波形から対向電極１１，１２間の容量電流を除去するべく、前記検出電流をローパスフィルタ４１に通し、燃焼イオン電流のみを抽出するようにした。こうして交流電圧の印加に伴い流れる電流から容量成分のみを除去することにより、燃焼イオン量の増減に相応する高精度なイオン電流検出が可能となり、ひいては内燃機関の燃焼状態を精度良く検出することができる。
【００４６】
（ｂ）かかる場合、電流検出抵抗１５による検出イオン電流から燃焼イオン電流成分のみを抽出するに際して、ローパスフィルタ４１を用いたことにより燃焼イオン電流の検出精度を維持しつつ構成の簡略化を図ることができる。つまり、本案では、ローパスフィルタ４１を回路構成に追加して交流電圧の位相と関係の無い燃焼イオン成分を抽出するようにしたことにより、回路構成の複雑化を強いられることはない。
【００４７】
（ｃ）また、本実施の形態によれば、バッテリによる直流電圧（１２〜１４Ｖ）をＤＣ−ＤＣコンバータ等によって数百Ｖ〜数ｋＶにまで高電圧化する必要がなく、回路保護用のダイオード等も不要となる。その結果、構成の複雑化に伴う高コスト化が抑制される。
【００４８】
（ｄ）燃焼状態の検出のうち、失火状態を検出する手段としては、ローパスフィルタ４１により得られた電流波形の処理結果に対して所定期間内で積分処理を行い、その積分値が所定の判定値以下であれば、失火状態である旨を判定するようにした。その結果、容易に且つ確実に失火状態を検出することができることとなる。
【００４９】
（ｅ）燃焼状態のうち、ノッキング状態を検出する手段としては、ローパスフィルタ４１により得られた電流波形の処理結果に対してハイパスフィルタ４５によりその電流波形に含まれるノッキングの周波数成分を抽出すると共に、その抽出されたノッキング成分の振幅の最大値を検出し、最大振幅として検出された出力が所定の判定値以上であればノッキング状態である旨を判定するようにした。その結果、容易に且つ確実にノッキング状態を検出することができることとなる。
【００５０】
以上本発明の構成によれば、燃焼イオンの発生量及びイオンの密度変化を定量的に且つ正確に検出でき、その正確な検出結果に基づいて燃焼状態（失火やノッキング）を解析することにより燃焼状態を良好に維持するための有効な情報を得ることができる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態における燃焼状態検出装置を図６に示す。但し、上記実施の形態と同一番号を付した部分については同じ作動をするので説明を省略し、相違点のみを説明する。つまり、本第２の実施の形態では、ノッキング検出に関わる構成を以下のように変更している。上記第１の実施の形態では、ハイパスフィルタ４５の出力をピークホールド回路４６に入力し、その振幅のピーク値からノッキングの有無を判定したが、本実施の形態では、ハイパスフィルタ４５の出力を半波整流回路５０に入力すると共に、その出力の積分値からノッキングの有無を判定する。
【００５２】
詳しくは、半波整流回路５０は演算増幅器５０ａを用いて構成され、その出力は積分回路５１に入力される。本実施の形態では、半波整流回路５０により半波整流手段が構成され、積分回路５１により積分手段が構成されている。積分回路５１から出力される積分値ΣΔＩは、第２の出力判定回路４７に入力され、同出力判定回路４７のコンパレータ４７ａでノッキング判定レベルとしての基準値ΣΔＩmax と比較される。積分値ΣΔＩが基準値ΣΔＩmax 以上であればその出力をＨレベルとし、積分値ΣΔＩが基準値ΣΔＩmax 未満であればその出力をＬレベルとする。この出力はノッキング検出用ＥＣＵ４８に入力され、ノッキング検出用ＥＣＵ４８は、第２の出力判定回路４７の出力がＨレベルであれば、現在の内燃機関が「ノッキング状態」である旨を判定する。
【００５３】
本第２の実施の形態では、ハイパスフィルタ４５によりノッキングの周波数成分を抽出すると共に、その抽出されたノッキング成分を所定区間で半波整流した後、整流波形について積分処理を行い、積分回路５１で得られた出力が所定の判定値以上であればノッキング状態である旨を判定するようにした。この場合、ノッキング成分を抽出する期間において特に突出したピーク値が無くとも、同期間内に全体的に現れるノッキング振動により当該ノッキングが確実に検出できる。その結果、第１の実施の形態に比べてノッキングの検出精度を高めることができる。
【００５４】
なお、本発明は、上記各実施の形態の他に次の様態にて具体化することができる。
（１）上記第１の実施の形態では、図１に示すようにローパスフィルタ４１の出力を積分器４２に入力し、その積分結果（積分値Ｉｐ）を失火の判定要素として用いたが、これを変更してもよい。例えば、積分器４２の代わりにピークホールド回路４２’を用い、同ピークホールド回路４２’にてローパスフィルタ４１の出力のピーク値を検出する。つまり、ローパスフィルタ４１の出力のピーク値を失火の判定要素としてもよい。この場合、上記ピーク値が所定の判定値よりも小さければ、失火検出用ＥＣＵ４４にて失火状態である旨が判定される。かかる場合にも、上記実施の形態と同様の効果が得られる。本実施の形態では、前記ピークホールド回路４２’がピーク値検出手段に相当する。
【００５５】
（２）上記実施の形態では、電流波形処理手段としてローパスフィルタ４１を用いたが、これを例えばＣＲ回路等からなる積分器に変更してもよい。この場合にも、電流検出抵抗１５により検出された電流値に含まれる容量電流成分が除去され、燃焼イオン電流のみを抽出することができる。
【００５６】
（３）上記実施の形態では、イオン電流処理回路４０をアナログ回路にて構成したが、これを変更し、イオン電流処理回路４０に相当する処理をマイクロコンピュータにて実現するようにしてもよい。
【００５７】
（４）上記実施の形態では、点火プラグ１０の対向電極１１，１２に交流電圧を印加し、その時に対向電極１１，１２間に流れるの燃焼イオン電流を検出する構成としたが、これを変更してもよい。例えば内燃機関の燃焼室内に一対のイオンプローブを設け、このイオンプローブに交流電圧印加手段としての交流電圧回路を接続しておく。そして、燃料燃焼時における燃焼イオンを前記イオンプローブにて検出し、その検出結果から内燃機関の燃焼状態（失火やノッキング）を検出するようにしてもよい。
【００５８】
（５）上記実施の形態では、機関運転状態に応じた点火信号ＩＧＴを生成するためのエンジン制御用ＥＣＵ３０と、失火を検出するための失火検出用ＥＣＵ４４と、ノッキングを検出するためのノッキング検出用ＥＣＵとを別々に設けたが、これを一つのＥＣＵで構成し、それぞれの演算処理を所定クランク角度の割り込み等にて実行するようにしてもよい。
【００５９】
（６）本発明における燃焼状態検出装置を、失火の有無のみを検出する失火検出装置として具体化したり、ノッキングの有無のみを検出するノッキング検出装置として具体化したりすることも可能である。失火検出装置として具体化するのであれば、図１のハイパスフィルタ４５、ピークホールド回路４６、第２の出力判定回路４７、ノッキング検出用ＥＣＵ４８が不要となる。また、ノッキング検出装置として具体化するのであれば、図１の積分器４２、第１の出力判定回路４３、失火検出用ＥＣＵ４４が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における燃焼状態検出装置を示す電気回路図。
【図２】燃焼状態検出装置の作用の概要を示すタイムチャート。
【図３】燃焼状態検出装置の信号処理波形を示すタイムチャート。
【図４】容量電流の積分結果と燃焼イオン電流の積分結果とを示すタイムチャート。
【図５】燃焼状態の検出手順を説明するためのタイムチャート。
【図６】第２の実施の形態における燃焼状態検出装置を示す電気回路図。
【図７】燃焼時に得られる理論的なイオン電流波形図。
【図８】従来の直流電圧印加によるイオン電流波形図。
【符号の説明】
１０…点火プラグ、１１…対向電極としての中心電極、１２…対向電極としての接地電極、１５…イオン電流検出手段としての電流検出抵抗、２０…交流電圧印加手段としての高電圧印加回路、２５…高周波信号発生器、４１…電流波形処理手段としてのローパスフィルタ（ＬＰＦ）、４２…積分処理手段としての積分器、４２’…ピーク値検出手段としてのピークホールド回路、４４…燃焼状態検出手段としての失火検出用ＥＣＵ、４５…ノッキング成分抽出手段としてのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、４６…最大振幅検出手段としてのピークホールド回路、４８…燃焼状態検出手段としてのノッキング検出用ＥＣＵ、５０…半波整流手段としての半波整流回路、５１…積分手段としての積分回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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