(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用し、内燃機関の気筒における燃焼状態を判定するものであって、
前記回路を介して点火プラグの電極を流れる電流を反復的に計測し、その時系列に基づく電流値が閾値を上回ったことを条件として気筒での燃焼状態が正常であると判定し、
計測値の時系列に基づく電流値が閾値を上回らなかったときには、その時系列に基づく電流値の発生期間の長さ、電流値の積分量、電流値の発生時期及び電流値の変化の推移を参照して、気筒での燃焼状態が正常であるか不良であるかを判定する
ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。
【請求項２】
前記電流値が気筒での燃焼が終了していると思しき時点においても発生していた場合、次回以降の電流計測の際に前記回路のゲインをより増大させて電流の計測を行い、その上で気筒での燃焼状態が正常であるか不良であるかを判定する請求項１記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の気筒における燃焼状態を判定する判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒での燃料の燃焼状態を推測する手法の一として、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出、参照するものが知られている（例えば、下記特許文献１を参照）。オーバーリーン等の不良燃焼時には、正常燃焼時と比べてイオン電流のピークが低くなる。イオン電流の推移を計測し、計測値を判定のための閾値と比較することにより、気筒での燃焼が正常であるか否かの判定を下すことが可能である。
【０００３】
イオン電流を検出するにあたっては、キャパシタに蓄えた電荷による高いバイアス電圧を点火プラグの中心電極に印加することが通例である（例えば、下記特許文献２を参照）。
【０００４】
ところで、点火プラグの使用期間が長くなるにつれて、燃料成分や潤滑油、添加剤等のデポジットが電極に徐々に付着、堆積してゆく。このデポジットは、点火プラグの電極に流れるイオン電流の量を低減させる電気抵抗のように働くため、燃料が適正に燃焼して燃焼室内でイオンが発生していたとしても、イオン電流の計測値が判定閾値を超えず、燃焼不良または失火であると誤判定するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−０３４４９０号公報
【特許文献２】特開２００６−２００４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、イオン電流を参照した燃焼状態の判定の精度をより一層高めることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用し、内燃機関の気筒における燃焼状態を判定するものであって、前記回路を介して点火プラグの電極を流れる電流を反復的に計測し、その時系列に基づく電流値が閾値を上回ったことを条件として気筒での燃焼状態が正常であると判定し、計測値の時系列に基づく電流値が閾値を上回らなかったときには、その時系列に基づく電流値の発生期間の長さ、電流値の積分量、電流値の発生時期及び電流値の変化の推移を参照して、気筒での燃焼状態が正常であるか不良であるかを判定することを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置を構成した。
【０００８】
加えて、前記電流値が気筒での燃焼が終了していると思しき時点においても発生していた場合、次回以降の電流計測の際に前記回路のゲインをより増大させて電流の計測を行い、その上で気筒での燃焼状態が正常であるか不良であるかを判定するようにしてもよい。さすれば、前記回路のグランドレベルがアースから遊離する「グランド浮き」によって電流の計測値が不当に嵩上げされる問題を回避することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、イオン電流を参照した燃焼状態の判定の精度を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態における火花点火装置の回路図。
【図３】内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。
【図４】内燃機関の気筒における燃焼状態と検出される電流の推移との関係を示す図。
【図５】同実施形態の燃焼状態判定装置が実行する処理の手順例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における火花点火式内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、筒内直接噴射式のものであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１０と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４とを具備している。
【００１２】
気筒１の燃焼室の天井部には、点火プラグ１３を取り付けてある。図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１３は、点火コイル１２にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１２は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１１とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１３】
内燃機関の燃焼状態判定装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｏをイグナイタ１１が受けると、まずイグナイタ１１が点弧して点火コイル１２の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１１が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１３の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。
【００１４】
ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、燃焼状態の判定を行う。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１４と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１５とを備える。バイアス電源部１４は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１４１と、キャパシタ１４１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１４２と、電流阻止用のダイオード１４３、１４４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１４５とを含む。増幅部１５は、オペアンプに代表される電圧増幅器１５１を含む。
【００１６】
点火プラグ１３の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１４１が充電され、その後キャパシタ１４１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１４５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１４５の両端間の電圧は、増幅部１５により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。
【００１７】
図３に、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）及びのそれぞれの推移を例示している。正常燃焼の場合において、イオン電流は点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。
【００１８】
吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。
【００１９】
排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び三元触媒４１を配置している。
【００２０】
ＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２１】
入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３３の開度をアクセル開度として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、シフトポジション（ギアポジション）スイッチから出力されるシフトポジション信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム信号ｇ、燃焼室内でのプラズマの生成及び混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ、エアコンディショナが作動しているか否かに関する作動信号ｉ、車載バッテリの充電状態を示唆する指標を検出するセンサから出力されるバッテリ状態信号ｊ等が入力される。エンジン回転センサは、１０°ＣＡ（クランク角度）毎にパルス信号ｂを発する。カム角センサは、７２０°ＣＡを気筒数で割った角度、三気筒エンジンであれば２４０°ＣＡ毎にパルス信号ｇを発する。エアコンディショナの作動信号ｉは、運転者がエアコンディショナをＯＮにするべく手動操作したスイッチから発される信号であったり、オートエアコンシステムを司るオートエアコンＥＣＵから発される信号であったりする。バッテリ状態信号ｊは、例えばバッテリ電流、バッテリ電圧及びバッテリ温度を表示する。
【００２２】
出力インタフェースからは、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、インジェクタ１０に対して燃料噴射信号ｎ、イグナイタ１１に対して点火信号ｏ、クランクシャフトから駆動力の伝達を受けて発電するオルタネータの出力電圧を制御する電圧レギュレータに対して電圧指示信号ｐ等を出力する。
【００２３】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、オルタネータによる発電電力といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能であるので説明を割愛する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｋ、ｎ、ｏ、ｐを出力インタフェースを介して印加する。
【００２４】
本実施形態のＥＣＵ０は、各気筒１の点火プラグ１３に流れるイオン電流信号ｈを参照して、当該気筒１における燃料の燃焼が正常であるか不良であるかの判定を行う。
【００２５】
オーバーリーン等の不良燃焼時には、正常燃焼時に比べて燃焼が過度に緩慢となり、図３に示した熱解離によるイオン電流の山のピークが低くなる。また、当該気筒１にて失火が発生したときには、そもそもイオン電流が流れないことは言うまでもない。そこで、ＥＣＵ０は、電流信号ｈを所定の周期で反復的にサンプリングし、気筒１の点火プラグ１３の電極を流れる電流の計測値の時系列を取得する。そして、対象の気筒１の膨張行程中の、燃焼が継続すると予想される期間を通じて取得した計測値の時系列を、所定の判定閾値と比較する。図４（Ａ）に示すように、計測値の時系列のうちの少なくとも一部が判定閾値を上回ったならば、当該気筒１における今回の燃焼が正常に行われたと判定することができる。
【００２６】
しかしながら、計測値の時系列が判定閾値を超えなかったとしても、即座に当該気筒１における燃焼が不良または失火であったと断ずることはできない。点火プラグ１３の電極には、経年変化としてデポジットが付着する。このデポジットは、検出回路の抵抗１４５を介して検出されるイオン電流信号ｈのレベルを低下させる。デポジットの堆積が著しいと、図４（Ｂ）に示すように、対象の気筒１で正常燃焼しているにもかかわらず熱解離によるイオン電流の計測値が判定閾値を超えない、ということが起こり得る。
【００２７】
他方、失火によってイオンやプラズマが燃焼室内に発生しなかったとしても、図４（Ｃ）に示すように、検出回路の負荷抵抗１４５にノイズ電流ｈが流れ、これを燃料の燃焼に起因したイオン電流と誤検知してしまうおそれもある。さらには、検出回路のグランドレベルがアース（０Ｖ）から遊離する「グランド浮き」が生じていると、図４（Ｄ）に示すように、負荷抵抗１４５を流れる電流ｈの計測値が不当に嵩上げされてしまう。因みに、グランド浮きは、照明灯やファンモータ、オーディオ機器等といった車載の電気負荷に大電流が流れるときの配線抵抗が原因であることが多い。
【００２８】
故に、点火プラグ１３の電極を流れる電流の計測値が判定閾値を超えない場合において、正常燃焼時のイオン電流信号ｈのレベル低下であるのか、あるいはノイズまたはグランド浮きであるのかを切り分け、特定する必要がある。
【００２９】
図４（Ｂ）に示している通り、正常燃焼時のイオン電流信号ｈの波形は、膨張行程中のある程度以上の長さ連続して正値をとる。そして、燃焼が終了している時期、特に排気行程以降にて０またはほぼ０となる。
【００３０】
これに対し、図４（Ｃ）に示している通り、ノイズによる電流信号ｈの波形は、燃焼に起因したイオン電流と比較して頻繁に変動する。その上、膨張行程中の燃焼が継続しているはずの時期においても、０または０に近い小さな値となる頻度が高い。つまり、電流信号ｈの波形が連続せず途切れ途切れになる。
【００３１】
また、図４（Ｄ）に示している通り、グランド浮きによる電流信号ｈは、吸気行程以降の時期にも依然として正値をとり続ける。
【００３２】
図５に、各気筒１における燃焼状態の判定に際してＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示している。まず、ＥＣＵ０は、対象の気筒１の膨張行程中の燃焼が継続すると予想される期間にサンプリングして得た、イオン電流が検出される可能性のある時期の電流ｈの計測値の時系列を判定閾値と比較する（ステップＳ１）。計測値の時系列のうち少なくとも一部が判定閾値を上回っている場合、当該気筒１における今回の燃焼が正常に行われたと判定する（ステップＳ２）。
【００３３】
上記の計測値の時系列が判定閾値を上回らなかった場合には、上記の期間にサンプリングした電流ｈの計測値を時間積分し、その積分量を所要の判定基準値と比較する（ステップＳ３）。積分量は、計測値の時系列を積算することで近似的に算出できる。電流ｈの計測値の積分量が判定基準値を下回っているならば、当該気筒１における今回の燃焼は不良、または燃焼せずに失火したと判定する（ステップＳ７）。この場合の電流信号ｈは、ノイズであると考えられる。
【００３４】
さらに、上記の期間にサンプリングした計測値の時系列が０または０に近い小さな値とならずに連続した時間の長さ（または、上記のサンプリング期間に対する、電流信号ｈが正値を保ったまま連続した期間の比）を、所要の判定基準値と比較する（ステップＳ４）。電流ｈの波形の連続時間が判定基準値を下回っているならば、やはり当該気筒１における今回の燃焼は不良、または燃焼せずに失火したと判定する（ステップＳ７）。この場合の電流信号ｈも、ノイズであると考えられる。
【００３５】
加えて、上記の期間にサンプリングした電流ｈの計測値を一定周期（サンプリング周期と一致していてもよい）毎に時間微分し、その一定周期毎の微分量（または、単位時間あたりの変化量）の絶対値の平均を所要の判定基準値と比較する（ステップＳ５）。ある時点での微分量は、当該時点でサンプリングした計測値から、その直近の時点でサンプリングした計測値を減算することで近似的に算出できる。電流ｈの計測値の微分量の絶対値の平均が判定基準を上回っているならば、当該気筒１における今回の燃焼は不良、または燃焼せずに失火したと判定する（ステップＳ７）。この場合の電流信号ｈもまた、ノイズであると考えられる。
【００３６】
ステップＳ３ないしＳ５のテストを通過したとしても、対象の気筒１において正常燃焼が行われたとは限らない。グランド浮きによって電流信号ｈにバイアスがかかっているおそれがあるからである。ステップＳ３ないしＳ５のテストを通過した場合には、対象の気筒１での燃焼が終了しているはずの時期、例えば膨張下死点後の排気行程中や次回の吸気行程中にサンプリングして得た電流ｈの計測値が０または０に近い所定値よりも大きいかどうかを判断する（ステップＳ６）。燃焼が終了していると思しき時点での電流ｈの計測値が０または０に近い所定値よりも大きいならば、グランド浮きが発生していると考えられ、当該気筒１における今回の燃焼が正常であったかどうか、少なくとも不明である（燃焼不良または失火の可能性がある）と判定する（ステップＳ７）。逆に、燃焼が終了していると思しき時点での電流ｈの計測値が０か、０に近い所定値以下であるならば、当該気筒１における今回の燃焼が正常に行われたと判定する（ステップＳ２）。
【００３７】
本実施形態では、キャパシタ１４１に蓄えた電荷によるバイアス電圧を点火プラグ１３の電極に印加して当該電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用し、内燃機関の気筒１における燃焼状態を判定するものであって、前記回路を介して点火プラグ１３の電極を流れる電流を反復的に計測し、その時系列に基づく電流値が閾値を上回ったことを条件として気筒１での燃焼状態が正常であると判定する一方、計測値の時系列に基づく電流値が閾値を上回らなかったときには、その時系列に基づく電流値の発生期間の長さ、電流値の積分量、電流値の発生時期または電流値の変化の推移のうち少なくとも一を参照して、気筒１での燃焼状態が正常であるか不良であるかを判定する燃焼状態判定装置０を構成した。
【００３８】
本実施形態によれば、点火プラグ１３の経年変化によりイオン電流信号ｈのレベルが低下したとしても、気筒１で燃料の燃焼が正常に行われたか否かを的確に判定することが可能となる。また、正常燃焼を不良燃焼または失火と誤判定する確率が低下することから、内燃機関自体に本来不要なメンテナンスを施さずに済み、運用コストの低減に寄与する。
【００３９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。ステップＳ６にて、気筒１での燃焼が終了していると思しき時点においても電流値が発生している（当該時点での電流ｈの計測値が正値である）場合、即ちイオン電流の検出回路にグランド浮きが発生していると推察される場合にあっては、次回以降の気筒１の膨張行程における電流ｈの計測の際に検出回路のゲイン、具体的には電圧増幅器１５１のゲインをより増大させた上で電流ｈのサンプリング計測を行い、気筒１での燃焼状態を判定するものとすることが好ましい。
【００４０】
グランド浮きにより電流ｈの波形に付加されるバイアスは、増幅器１５１のゲインを高めても大きくはならないため、グランド浮きが電流ｈの波形に及ぼす影響を相対的に小さくしてステップＳ１ないしＳ７を実施することが可能となり、燃焼状態の判定精度をさらに向上させることができる。
【００４１】
その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
０…燃焼状態判定装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１３…点火プラグ
１４…バイアス電源部
１４１…キャパシタ
１５…増幅部
【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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