(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタに蓄えた電荷によるバイアス電圧を点火プラグ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、内燃機関の気筒における燃焼状態を判定するものであって、
膨張行程中に検出されるイオン電流を反復的に計測し、その計測値の時系列からキャパシタから流出した電荷量またはキャパシタ電圧を演算し、その電荷量またはキャパシタ電圧を基に、膨張行程中の点火プラグの電極間の抵抗値を求め、その膨張行程中の抵抗値を判定閾値と比較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】
キャパシタに蓄えた電荷によるバイアス電圧を点火プラグ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、内燃機関の気筒における燃焼状態を判定するものであって、
イオン電流を反復的に計測し、その計測値の時系列からキャパシタから流出した電荷量またはキャパシタ電圧を演算し、その電荷量またはキャパシタ電圧を基に、点火プラグの電極間の抵抗値を求めるかまたはイオン電流の計測値に補正を加えるものであり、
反復的に演算しているキャパシタからの電荷の放出量がキャパシタに元々蓄えていた電荷量に略等しくなった場合には、点火プラグに故障が生じた旨を示す情報をメモリに書き込むとともに、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知することを特徴とする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、正常燃焼時に比べて燃焼が過度に緩慢となり、イオン電流のピークが低くなり、またイオン電流の流れている時間が長くなる。イオン電流の推移を計測し、その最大値が判定閾値を上回るか否か、またはイオン電流が判定閾値（この閾値は、前記閾値とは異なる）を超えている時間が短いか長いかを判断することで、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。イオン電流を検出できない場合には、当該気筒にて失火が起こっていることは言うまでもない。
【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】
しかし、キャパシタに蓄えている電荷はイオン電流が流れる際に放出されることから、点火プラグの電極に印加するバイアス電圧は膨張行程において逓減してゆく。故に、燃焼過程の中盤以降に検出されるイオン電流のレベルは必然的に低下するが、従前の手法ではバイアス電圧の低下を考慮することなく専らイオン電流の実測値に依拠して判定を実施していた。このため、時として燃焼状態についての誤判定を招くことがあり得た。
【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】
上記の問題に初めて着目してなされた本発明は、イオン電流を参照した燃焼状態の判定の精度を一層高めることを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、キャパシタに蓄えた電荷によるバイアス電圧を点火プラグ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、内燃機関の気筒における燃焼状態を判定するものであって、膨張行程中に検出されるイオン電流を反復的に計測し、その計測値の時系列からキャパシタから流出した電荷量またはキャパシタ電圧を演算し、その電荷量またはキャパシタ電圧を基に、膨張行程中の点火プラグの電極間の抵抗値を求め、その膨張行程中の抵抗値を判定閾値と比較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。並びに、本発明では、キャパシタに蓄えた電荷によるバイアス電圧を点火プラグ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、内燃機関の気筒における燃焼状態を判定するものであって、イオン電流を反復的に計測し、その計測値の時系列からキャパシタから流出した電荷量またはキャパシタ電圧を演算し、その電荷量またはキャパシタ電圧を基に、点火プラグの電極間の抵抗値を求めるかまたはイオン電流の計測値に補正を加えるものであり、反復的に演算しているキャパシタからの電荷の放出量がキャパシタに元々蓄えていた電荷量に略等しくなった場合には、点火プラグに故障が生じた旨を示す情報をメモリに書き込むとともに、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知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。
【発明の効果】
【０００８】
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】
【０００９】
【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】内燃機関の各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】内燃機関の各気筒におけるイオン電流の圧縮行程以降の推移を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
図２に示しているように、火花点火用の電気回路には、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とを付設してある。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。
【００１５】
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に起因して生じる抵抗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。
【００１６】
図３に、燃焼圧（図中破線で示す）及びイオン電流（図中実線で示す）のそれぞれの推移を例示している。正常燃焼の場合のイオン電流は、点火の瞬間にサージ状に急激に流れ（誘導放電）、圧縮上死点の手前で減少した後、再び増加する（容量放電）。そして、燃焼圧がピークを迎えるのと略同時にイオン電流も極大となる。
【００１７】
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、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、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。
【００１８】
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、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパスバルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。
【００１９】
排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。
【００２０】
外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。
【００２１】
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。
【００２２】
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（または、過給圧）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。
【００２３】
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、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｍ、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。
【００２４】
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、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）及びＥＧＲバルブ２２の開度、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、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐを出力インタフェースを介して印加する。
【００２５】
本実施形態のＥＣＵ０は、イオン電流を反復的に計測し、その計測値の時系列からキャパシタ１４１から流出した電荷量及び／またはキャパシタ１４１の電圧を演算する。そして、その電荷量またはキャパシタ電圧を基に、点火プラグ１３の中心電極と接地電極との間の抵抗値を求める。
【００２６】
キャパシタ１４１が蓄えている電荷をＱ、キャパシタ１４１の電圧をＶ、キャパシタ１４１の容量をＣとおくと、
Ｑ＝ＣＶ
なる関係が成立する。他方、点火プラグ１３の中心電極と接地電極との間の抵抗値をＲ、点火後に容量放電により点火プラグ１３の電極を流れる電流をＩとおくと、
Ｖ＝（Ｒ＋ｒ）Ｉ
なる関係が成立する。ｒは負荷抵抗１４５の抵抗値である。尤も、このｒは無視しても構わない。
【００２７】
容量放電が開始されてから経過した時間をｔとおく。ｔ＝Ｔの時点で、キャパシタ１４１から流れ出た電荷の量Ｑ’は、
Ｑ’（Ｔ）＝∫0TＩ（ｔ）ｄｔ
である。現実には、ＥＣＵ０はイオン電流信号ｈを所定の周期で反復的にサンプリングしており、ＥＣＵ０はそのサンプリング値Ｉ（ｔ）にサンプリング周期を乗じたものを積算することで電荷量Ｑ’（Ｔ）を演算する。
【００２８】
ｔ＝Ｔの時点でキャパシタ１４１に残存している電荷量Ｑ及びキャパシタ電圧Ｖは、
Ｑ（Ｔ）＝Ｑ（０）−Ｑ’（Ｔ）
Ｖ（Ｔ）＝Ｑ（Ｔ）／Ｃ
となる。Ｑ（０）は、容量Ｃのキャパシタ１４１を所定電圧まで充電したときの電荷量である。
【００２９】
そして、ｔ＝Ｔ時点におけるイオン電流のサンプリング値Ｉ（Ｔ）とキャパシタ電圧Ｖ（Ｔ）とから、点火プラグ１３の電極間の抵抗値Ｒ（Ｔ）を得ることができる。即ち、
Ｒ（Ｔ）＝｛Ｖ（Ｔ）／Ｉ（Ｔ）｝−ｒ＝｛Ｑ（０）−∫0TＩ（ｔ）ｄｔ｝／｛ＣＩ（Ｔ）｝−ｒ
となる。
【００３０】
基本的に、抵抗値Ｒは、燃料の燃焼により燃焼室内に発生したイオンの量に依存する燃焼抵抗を示している。十分な燃焼が行われたとき、このＲは低下するが、燃焼が不十分であったときにはＲは大きいままとなる。とりわけ、着火せず、または火炎が途中で消失する失火に陥ってしまった暁には、Ｒは点火プラグ１３の中心電極と接地電極との間の絶縁抵抗そのものとなる。要するに、Ｒ（ｔ）を反復的に算出し、その推移または最小値を参照することで、気筒１における燃焼状態を推測、判定することが可能である。
【００３１】
例えば、膨張行程にて燃焼抵抗Ｒ（ｔ）の最小値が判定閾値を下回れば正常燃焼と判断し、Ｒ（ｔ）が判定閾値を下回ることがなければ不良燃焼または失火と判断する。または、膨張行程にて燃焼抵抗Ｒ（ｔ）が判定閾値（この閾値は、前記閾値とは異なり、前記閾値よりも高い）を下回る期間がある長さ未満であれば正常燃焼と判断し、ある長さ以上であれば不良燃焼と判断する。後者によれば、オーバーリーン等による燃焼の過度の緩慢化を感知することができる。
【００３２】
但し、点火プラグ１３には、経年変化としてカーボン等が徐々に付着し、堆積してゆく。このカーボン等は、点火プラグ１３の電極間の絶縁抵抗を低下させ、漏洩電流を増加させる。経年変化が著しいと、抵抗値Ｒのうちの絶縁抵抗低下分が占める割合が増大し、Ｒが燃焼に伴うイオン発生によるものかカーボン等の付着によるものかの区別がつきにくくなる。極端な場合、不良燃焼であるにもかかわらずＲが正常燃焼時の抵抗値に近い値をとってしまう可能性もある。
【００３３】
そこで、点火プラグ１３の絶縁抵抗を知得し、点火プラグ１３のダイアグノーシスに活用することが好ましい。気筒１における膨張行程、排気行程、そして同気筒１における次回のサイクルの吸気行程へと遷移するにつれて、キャパシタ１４１が蓄えている電荷量Ｑは逓減するが、キャパシタ１４１からの電荷の放出量Ｑ’（ｔ）が元々蓄えていた電荷量Ｑ（０）に等しくなった場合には、点火プラグ１３の電極間の絶縁抵抗が低下し当該電極間での漏洩電流によりキャパシタ１４１が全ての電荷を放電してしまったと見なすことができる。従って、ＥＣＵ０は、
Ｑ’（ｔ）≒Ｑ（０）
の条件が成立したことを以て、点火プラグ１３に故障が生じたものと判定し、その旨を示す情報をメモリに書き込むとともに、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様（例えば、コックピット内にてランプを点灯させる、ディスプレイに情報を表示させる、アラーム音を鳴らす等）で報知する。
【００３４】
上式の条件が成立しない場合、点火プラグ１３の電極間の絶縁抵抗を推算することが可能である。即ち、図４に示すように、燃料の燃焼が既に終了している時期、特に吸気行程以降の時点ｔ＝Ｔdにおいてプラグ１３の電極を流れる電流Ｉ（Ｔd）は漏洩電流であり、当該時点ｔ＝Ｔdについて演算した抵抗値Ｒ（Ｔd）が、絶縁抵抗ということになる。
【００３５】
その上で、燃焼状態の判定に際して、演算した抵抗値Ｒ（ｔ）から絶縁抵抗Ｒ（Ｔd）を減算したものを真の燃焼抵抗とし、この真の燃焼抵抗｛Ｒ（ｔ）−Ｒ（Ｔd）｝を判定閾値と比較するようにしてもよい。
【００３６】
本実施形態によれば、キャパシタ１４１に蓄えた電荷Ｑによるバイアス電圧Ｖ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Ｉ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、イオン電流Ｉを反復的に計測し、その計測値の時系列からキャパシタ１４１から流出した電荷量Ｑ’またはキャパシタ電圧Ｖを演算し、その電荷量Ｑ’またはキャパシタ電圧Ｖを基に、点火プラグ１３の電極間の抵抗値Ｒを求めることを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置０を構成したため、キャパシタ１４１の電荷の放電に伴うバイアス電圧Ｖの低下をも加味してより精確な燃焼状態の推測を行うことが可能となる。
【００３７】
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。上記実施形態では、燃焼抵抗Ｒを求め、燃焼抵抗Ｒを判定閾値と比較する燃焼状態判定を考えていた。しかし、燃焼抵抗Ｒは巨大な値であり、燃焼状態判定装置たるＥＣＵ０での取り扱いが必ずしも容易でない。即ち、プロセッサにおける丸め誤差の発生を回避する手立てをとる必要があるかもしれない。
【００３８】
上記の事情に鑑み、従前の判定手法に倣い、イオン電流Ｉ自体を判定閾値を比較することが考えられる。この場合、キャパシタ１４１から流出した電荷量Ｑ’またはキャパシタ電圧Ｖを基に、判定閾値と比較するべきイオン電流Ｉの値を底上げする補正を行う。
【００３９】
例えば、点火プラグ１３の中心電極に印加されるバイアス電圧が衰えず一定であるという状況を仮定し、その仮定の下で流れるイオン電流量を算出することを考える。一定のバイアス電圧Ｖ（０）の下では、
Ｖ（０）＝｛Ｒ（ｔ）＋ｒ｝｛Ｉ（ｔ）＋Ｉ’（ｔ）｝
なる関係が成立する。Ｖ（０）は、所定電圧である。Ｉ（ｔ）は、イオン電流の実測値である。そして、Ｉ’（ｔ）は、イオン電流の実測値に加味する補正量である。
【００４０】
しかして、燃焼抵抗Ｒ（ｔ）について、
Ｒ（ｔ）＋ｒ＝Ｖ（ｔ）／Ｉ（ｔ）
が成立することから、
Ｉ（ｔ）＋Ｉ’（ｔ）＝Ｖ（０）Ｉ（ｔ）／Ｖ（ｔ）＝ＣＶ（０）Ｉ（ｔ）／Ｑ（ｔ）
として、補正量を加味した、判定閾値と比較するべきイオン電流量｛Ｉ（ｔ）＋Ｉ’（ｔ）｝を求めることができる。
【００４１】
燃焼状態判定装置たるＥＣＵ０は、膨張行程にてイオン電流量｛Ｉ（ｔ）＋Ｉ’（ｔ）｝の最大値が判定閾値を上回れば正常燃焼と判断し、イオン電流量｛Ｉ（ｔ）＋Ｉ’（ｔ）｝が判定閾値を上回ることがなければ不良燃焼または失火と判断する。または、膨張行程にてイオン電流量｛Ｉ（ｔ）＋Ｉ’（ｔ）｝が判定閾値（この閾値は、前記閾値とは異なり、前記閾値よりも低い）を上回る期間がある長さ未満であれば正常燃焼と判断し、ある長さ以上であれば不良燃焼と判断する。
【００４２】
その他各部の具体的構成は、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】
【００４３】
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】
【００４４】
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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