(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に設置される一対の電極に電圧を印加し、燃焼室内の混合気が燃焼する際に発生するイオンを介してこの一対の電極間に流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出手段の出力に重畳する点火栓の放電終了後のＬＣ共振ノイズの後段への伝播を阻止するＬＣ共振マスク手段と、
前記ＬＣ共振マスク手段の出力からノッキング周波数成分を抽出するバンドパスフィルタリング手段と、
前記バンドパスフィルタリング手段の出力に基づいて内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するノッキング発生判定手段と、を具備する内燃機関のノッキング検出装置において、
前記ＬＣ共振マスク手段と前記バンドパスフィルタリング手段との間に、
演算増幅器と、
前記演算増幅器の反転入力端子に接続される入力抵抗と、
前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間を接続するフィードバック抵抗と、
前記フィードバック抵抗に並列に接続されるコンデンサと、からなる緩衝増幅器を設置した内燃機関のノッキング検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関のノッキング検出装置に係り、特にＬＣ共振マスク解除時のノイズによるノッキングの検出精度の悪化を抑制することのできる内燃機関のノッキング検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とする内燃機関では、ピストンで圧縮した混合気に点火栓で着火し、混合気を燃焼させることによって出力を得ている。即ち正常な燃焼においては、点火栓のギャップの近傍に混合気の火炎核が形成され、この火炎核が燃焼室全体に伝播する。
【０００３】
点火栓による点火時期は内燃機関出力と密接に関係しており、点火時期が遅すぎると火炎伝播速度も遅くなるため燃焼は緩慢となり燃焼効率の低下を招き、ひいては内燃機関出力も低下する。
逆に点火時期を早めると火炎の伝播が早まり燃焼最大圧力が上昇して内燃機関出力は増加する。しかし点火時期を過度に早めると、混合気が火炎の伝播を待たずに自己着火するノッキングが発生し、内燃機関を損傷するおそれも生じる。
【０００４】
即ち、点火時期をノッキングが発生する直前の領域（ＭＢＴ＝Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｓｐａｒｋ  Ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｓｔ  Ｔｏｒｑｕｅ  ）として内燃機関を運転することが燃費、出力の点で有利であり、ノッキングの発生を確実に検出することは極めて重要である。
従来からノッキングを検出するために振動センサの一種である振動ノックセンサが広く使用されてきたが、混合気の燃焼により燃焼室内にイオンが発生しイオン電流が流れることを利用したノッキング検出装置も検討されている。
【０００５】
図１は内燃機関の点火回路の概略図であって、イグニッションコイル１１の１次コイル１１１の一端はバッテリ１２の正電極に接続されている。そして他の一端はイグナイタに含まれるスイッチング用のトランジスタ１３のコレクタ、エミッタを介して接地される。
なお、トランジスタ１３のベースは点火時期制御部１４に接続され、点火時期制御部１４からイグニッション信号ＩＧＴが出力されたときに導通する。
【０００６】
イグニッションコイル１１の２次コイル１１２の一端もバッテリ１２の正電極に接続されているが、他端は逆流防止用ダイオード１５、ディストリビュータ１６、ハイテンションケーブル１７を介して点火栓１８に接続される。
イオン電流検出部１９はイグニッションコイル１１の２次コイル１１２の他端に点火栓１８と並列に接続される。
【０００７】
イオン電流は、保護ダイオード１９１を介して電流−電圧変換抵抗１９２、バイアス電源１９３の直列回路に導かれる。電流−電圧変換抵抗１９２と保護ダイオード１９１との接続点に発生する電圧は直流成分カット用のコンデンサ１９４を介して、演算増幅器と抵抗とで構成される増幅回路１９５に導かれる。
従ってイオン電流検出部１９の出力端子１９６にはイオン電流の交流成分に比例した電圧信号が出力される。
【０００８】
図２は点火回路（図１）の各部の電圧波形図であって、上から順に、イグニッション信号ＩＧＴ、１次コイル接地端側（Ｐ点）電圧、２次コイル高電圧側（Ｓ点）電圧、増幅回路（Ｉ点）電圧を表す。なお、横軸は時間を表す。
時刻ｔ１  においてイグニッション信号ＩＧＴが“Ｈ”レベルとなりトランジスタ１３が導通状態となると、イグニッションコイル１１の１次コイル１１１の接地側端子Ｐの電圧は低下する。２次コイルの高電圧側端子Ｓには時刻ｔ１  の直後に負の高電圧パルスが発生するが、点火栓１８への流れ込みは逆流防止用ダイオード１５に阻止される。
【０００９】
時刻ｔ２  においてイグニッション信号ＩＧＴが“Ｌ”レベルとなりトランジスタ１３が遮断状態となると、１次コイル１１１の接地側端子Ｐの電圧は急激に上昇し、２次コイルの高電圧側端子Ｓに正の高電圧パルスが発生する。
この正の高電圧パルスは逆流防止用ダイオード１５に阻止されることなく点火栓１８に流れ込み放電するが、イオン検出部１９への流れ込みは保護ダイオード１９１によって阻止される。
【００１０】
さらに、点火栓１８の放電後の時刻ｔ３  〜ｔ４  にかけて、ハイテンションケーブル１７等が浮遊インダクタンスおよび浮遊キャパシタンスを有することに起因してイグニッションコイル１１に残留しているエネルギによるＬＣ共振が発生する。
気筒内の混合気は点火栓１８の放電により着火し、火炎が拡散するに応じて気筒内にイオンが発生するためイオン電流が流れ始める。イオン電流は気筒内圧力の上昇に応じて増加し、気筒内圧力の低下とともに減少する。
【００１１】
そして、内燃機関にノッキングが発生した場合には、イオン電流がピークに到達した後の減少時期に特定の周波数（約６ＫＨｚ）のノッキング信号が重畳する。
従って、イオン電流によってノッキングを検出するためには、この特定周波数のノッキング信号だけを検出し他の信号（例えばＬＣ共振波形）は除去することが好ましいため、余分な信号がなくなった時刻以後の時刻ｔ５  で開となりイオン電流減少後の適当な時刻（例えばＡＴＤＣ６０゜）ｔ６  で閉となるノッキングウインドを設け、ノッキングウインドが開となっている期間のイオン電流検出部１９の出力に基づきノッキングを検出することが好ましい。
【００１２】
しかしながら、イオン電流検出部１９は極く微小なイオン電流を検出するために増幅回路１９５の入力インピーダンスおよびゲインを極めて高くする必要があり、点火栓１８のコロナ放電等によるノイズを拾いやすいものとなることは避けることができない。
上記課題を解決するためにバンドパスフィルタによりイオン電流検出部の出力からノッキング周波数成分だけを抽出し、このノッキング周波数成分を積分することによりノイズの影響を取り除くノッキング検出方法がすでに提案されている（特開平６−１５９１２９公報参照）。
【００１３】
図３はノッキング検出装置の構成図であって、イオン電流検出部１９の増幅回路１９５の出力はＬＣ共振をマスクするＬＣ共振マスク部３１およびバンドパスフィルタ部３２を介して積分部３３に供給される。そして積分部の出力であるイオン電流の積分値は点火時期制御部１４に取り込まれ、ノッキングの検出および点火時期の制御に使用される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に高回転数域においてＬＣ共振のマスク解除時期とイオン電流の上昇時期とが重なった場合には、ＬＣ共振のマスク解除時にＬＣ共振マスク部３１の出力にステップ状の変化が生じることがある。
このステップ状の変化は広い周波数成分を有しているのでバンドパスフィルタ部３２を通過して積分部３３の出力を上昇させるため、ノッキングが発生したとする誤判定が起こることを回避できない。
【００１５】
図４は課題の説明図であって、上から順にＬＣ共振マスク部３１の出力、バンドパスフィルタ部３２の出力および積分部３３の出力を表し、横軸は時間である。
即ち時刻ｔ１  でＬＣ共振のマスクが解除されるものとすれば、バンドパスフィルタ部３２への入力信号は  “０”  からステップ状にある正の値に変化するため、バンドパスフィルタ部３２出力にはこのステップ状変化に起因するノイズが発生する。従って積分部３３の出力はこのノイズによって上昇し、時刻ｔ２  で発生したスパイクノイズによりノッキングしきい値ＮＬを越え、ノッキングが発生したとする誤判定が発生し得る。
【００１６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、ＬＣ共振マスク解除時のノイズによるノッキング検出精度の悪化を抑制することのできる内燃機関のノッキング検出装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る内燃機関のノッキング検出装置は、内燃機関の燃焼室内に設置される一対の電極に電圧を印加し燃焼室内の混合気が燃焼する際に発生するイオンを介してこの一対の電極間に流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、イオン電流検出手段の出力に重畳する点火栓の放電終了後のＬＣ共振ノイズの後段への伝播を阻止するＬＣ共振マスク手段と、ＬＣ共振マスク手段の出力からノッキング周波数成分を抽出するバンドパスフィルタリング手段と、バンドパスフィルタリング手段の出力に基づいて内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するノッキング発生判定手段と、を具備する内燃機関のノッキング検出装置において、
ＬＣ共振マスク手段と前記バンドパスフィルタリング手段との間に、演算増幅器と、演算増幅器の反転入力端子に接続される入力抵抗と、演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間を接続するフィードバック抵抗と、フィードバック抵抗に並列に接続されるコンデンサと、からなる緩衝増幅器を設置する。
【００１８】
本装置にあっては、ＬＣ共振マスクが解除されたときに、その出力に生じるステップ状の変化が緩衝増幅器内に設置されるコンデンサによって除去される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図５は本発明に係る内燃機関のノッキング検出装置に適用する緩衝増幅器の回路図であって、図３のＬＣ共振マスク部３１とバンドパスフィルタ部３２との間に設置される。
即ち、緩衝増幅器５は第１の演算増幅器５１と第２の演算増幅器５２とを有する。
【００２０】
第１の演算増幅器５１の反転入力端子（−端子）には、ＬＣ共振マスク部３１の出力が第１の入力抵抗５１１を介して接続される。なお第１の演算増幅器５１の非反転入力端子（＋端子）は直接接地されている。
さらに第１の演算増幅器５１の出力端子と反転入力端子との間には第１のフィードバック抵抗５１２の外にノイズ除去用コンデンサ５１３が設置される。
【００２１】
第２の演算増幅器５２は、第１の演算増幅器５１で一度反転した信号を再反転するためのものであって、反転入力端子（−端子）には第１の演算増幅器５１の出力が第２の入力抵抗５２１を介して接続される。なお第２の演算増幅器５２の非反転入力端子（＋端子）は直接接地されている。さらに第２の演算増幅器５２の出力端子と反転入力端子との間には第２のフィードバック抵抗５２２が設置される。
【００２２】
なおコンデンサ５１３の容量は、約６ＫＨｚのノッキング信号を遮断せずにＬＣ共振のマスク解除時のノイズを低減するために数十〜数千ピコファラッド（ｐＦ）とすることが望ましい。
図６は本発明の効果の説明図であって、（イ）はノッキングは発生していないもののスパイクノイズが発生した場合を、（ロ）はノッキングの発生した場合を示す。
【００２３】
なお（イ）および（ロ）とも上から順にＬＣ共振マスク部３１の出力、バンドパスフィルタ部３２の出力および積分部３３の出力を表し、横軸は時間である。
即ち時刻ｔ１  でＬＣ共振のマスクが解除されても、ＬＣ共振マスク部３１の出力にはステップ状の変化は発生せず滑らかに立ち上がる。従って、時刻ｔ１  では積分部３３の出力はほとんど増加せず、時刻ｔ２  においてスパイクノイズが発生して積分部３３の出力が増加した場合にもノッキングしきい値ＮＬを越えず、ノッキングが発生したとする誤判定が発生することはない。
【００２４】
時刻ｔ３  からｔ４  にかけてノッキングが発生した場合には、積分部３３の出力は大きく増加しノッキングしきい値ＮＬを越え、ノッキングの発生を確実に検出する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係るノッキング検出装置にあっては、ＬＣ共振マスクが解除されたときにその出力に生じるステップ状の変化が緩衝増幅器内に設置されるコンデンサによって除去されるため、ステップ状の変化によってノッキングが発生したとする誤判定の発生を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の点火回路の概念図である。
【図２】点火回路の各部の電圧波形図である。
【図３】イオン電流によるノッキング検出装置の構成図である。
【図４】課題の説明図である。
【図５】緩衝増幅器の回路図である。
【図６】効果の説明図である。
【符号の説明】
５…緩衝増幅器
５１…第１の演算増幅器
５１１…第１の入力抵抗
５１２…第１のフィードバック抵抗
５１３…ノイズ除去用コンデンサ
５２…第２の演算増幅器
５２１…第２の入力抵抗
５２２…第２のフィードバック抵抗
【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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