(57)【要約】【課題】内燃機関の燃焼時に点火プラグの電極間に生じるイオン電流から内燃機関に発生するノッキングを判定すると、オルタネータからの電源電圧変動による揺れがノイズとして２次コイルに伝わりイオン電流に重畳する電気的ノイズによってノイズとノッキングを誤判定してしまう問題がある。【解決手段】点火プラグ20へ高電圧を供給する１次コイル32と２次コイル34と鉄芯36からなる点火コイル30と、内燃機関の燃焼によって点火プラグ20の電極間に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段50と、イオン電流検出手段50が検出したイオン電流の出力信号から内燃機関に生じるノッキングを判定するノック判定手段72と、バッテリ側から点火コイル30への電圧変動を算出する電圧変動算出手段74と、電圧変動算出手段74が算出した電圧変動による電気的ノイズを前記イオン電流検出手段50が検出したイオン電流の出力信号から減算する減算手段76と、を備える。【選択図】図１
2015098809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を有する内燃機関と、
当該気筒のシリンダ内へ供給された混合気に着火を行う点火プラグと、
当該点火プラグへ高電圧を供給する１次コイルと２次コイルと鉄芯からなる点火コイルと、
前記内燃機関の燃焼によって前記点火プラグの電極間に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
当該イオン電流検出手段が検出したイオン電流の出力信号から前記内燃機関に生じるノッキングを判定するノック判定手段と、を備えたイオン電流を用いた内燃機関の燃焼状態定装置において、
バッテリ側から前記点火コイルへの電圧変動を算出する電圧変動算出手段と、
当該電圧変動算出手段が算出した電圧変動による電気的ノイズを前記イオン電流検出手段が検出したイオン電流の出力信号から減算する減算手段と、を備えることを特徴とするイオン電流を用いた内燃機関の燃焼状態判定装置。
【請求項２】
前記電圧変動算出手段が算出する電気的ノイズ（Ｖ２）は、以下の（数１）から求められることを特徴とする請求項１に記載のイオン電流を用いた内燃機関の燃焼状態判定装置。
（数１）
2015098809.tif 000005
Ｖ１：バッテリ側の電圧
Ｃ１：点火コイルが有する寄生容量
Ｃ２：イオン電流検出手段に配設されたダイオードが有する寄生容量
Ｒ１：イオン電流検出手段に配設された検出抵抗の抵抗値
ｎ：自然数
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼状態を判定する装置において、特に、イオン電流を用いた燃焼状態判定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、火花点火式の内燃機関において、内燃機関の燃焼時に点火プラグの電極間に生じるイオン電流から燃焼状態を判定する構成が知られており、検出されたイオン電流に重畳するノック成分を抽出して内燃機関に発生するノッキングを判定するものがある。しかし、イオン電流にはノック成分だけでなくノイズが重畳する場合がある。その原因の一つとしてオルタネータからのノイズがある。オルタネータからのノイズには、電源電圧変動からの揺れがノイズとして２次コイルに伝わりイオン電流に重畳する電気的ノイズと、オルタネータが動作することによる磁界の変化が、コイルの漏れ磁束に影響を及ぼしてイオン電流に重畳する電磁的ノイズとがあり、その周波数がノック成分と重複する場合は、ノック成分だけでなく、ノイズ成分をも抽出してしまい、その結果ノッキングの発生を誤判定してしまう問題がある。
【０００３】
このようなオルタネータからのノイズによって内燃機関に発生するノッキングを誤判定することを防ぐために、例えば、特開平１０−０８９２１６号公報（以下「特許文献１」）が知られている。特許文献１において、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に基づきノッキングが発生しているか否かを判定する第１のノッキング発生判定手段と、内燃機関のシリンダブロックに設置されるノック振動センサによって検出されるシリンダブロックの振動に基づきノッキングが発生しているか否かを判定する第２のノッキング発生判定手段と、第１のノッキング発生判定手段および第２のノッキング発生判定手段の双方でノッキングが発生したと判定されたときは点火時期を遅角制御し第１のノッキング発生判定手段もしくは第２のノッキング発生判定手段の少なくとも一方だけでノッキングが発生したと判定されたときは点火時期の遅角制御を禁止する点火時期制御手段と、を具備する内燃機関のノッキング制御装置が提案されている。
【０００４】
また、別の例として、特開平１１−０１３６１５号公報（以下「特許文献２」）も知られている。特許文献２において、内燃機関の燃焼室に配設された点火プラグとグランドとの間を流れる電流に基づきプレイグニッションの発生を検出するプレイグニッション検出手段と、バッテリ側からの電圧変動量が所定範囲内のとき、前記プレイグニッション検出手段によるプレイグニッションの検出を許可する検出許可手段とを具備するプレイグニッション検出装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−０８９２１６号公報
【特許文献２】特開平１１−０１３６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の内燃機関の燃焼状態判定装置では次のような問題が生じている。即ち、特許文献１では、イオン電流に基づくノッキング判定および振動ノックセンサに基づくノッキング判定の双方を実行し、双方でノッキング発生と判定されたときにだけ遅角制御し、少なくとも一方でノッキング発生と判定されないときは進角制御することにより内燃機関出力の低下、ドライバビリティの悪化を防止することが可能となると提唱されているが、オルタネータが動作しノック成分と重複する周波数をもった電気的ノイズ又は電磁的ノイズがイオン電流に重畳する場合は、イオン電流に基づくノッキング判定がノッキング発生と誤判定された状態が続く恐れがあり、その結果、長時間振動ノックセンサのみでノッキング発生を判定することとなり、判定の精度が低下してしまう。また、イオン電流に基づくノッキング判定を行う装置と振動ノックセンサの両方を備えて連携させる構成が必要となり、コストアップに繋がる問題もある。
【０００７】
また、特許文献２では、１次側の電圧変動量が小さいときにはプレイグニッションの発生と誤認識されるような信号波形が２次側に現れることがないため、内燃機関のプレイグニッション発生が的確に検出されると提唱されているが、オルタネータが動作している間はイオン電流に対して電気的ノイズ又は電磁的ノイズが重畳するため、ノイズの強度によっては長時間に亘って検出が許可されないこととなり、燃焼状態が悪化する問題が生じる。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みなされたもので、オルタネータからイオン電流に重畳するノイズのうち、特に電気的ノイズに関して除去を行い、内燃機関の燃焼状態を正確に判定することができるイオン電流を用いた内燃機関の燃焼状態判定装置を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は次のような構成とする。即ち、複数の気筒を有する内燃機関と、当該気筒のシリンダ内へ供給された混合気に着火を行う点火プラグと、当該点火プラグへ高電圧を供給する１次コイルと２次コイルと鉄芯からなる点火コイルと、前記内燃機関の燃焼によって前記点火プラグの電極間に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、当該イオン電流検出手段が検出したイオン電流の出力信号から前記内燃機関に生じるノッキングを判定するノック判定手段と、を備えたイオン電流を用いた内燃機関の燃焼状態判定装置において、バッテリ側から前記点火コイルへの電圧変動を算出する電圧変動算出手段と、当該電圧変動算出手段が算出した電圧変動による電気的ノイズを前記イオン電流検出手段が検出したイオン電流の出力信号から減算する減算手段と、を備えることを特徴とするイオン電流を用いた内燃機関の燃焼状態判定装置とする。
【００１０】
上記請求項１の発明においては、前記電圧変動算出手段が算出する電気的ノイズ（V２）は、以下の（数１）から求められる構成としてもよい。
（数１）
2015098809.tif 000003
Ｖ１：バッテリ側の電圧、Ｃ１：点火コイルが有する寄生容量、Ｃ２：イオン電流検出手段に配設されたダイオードが有する寄生容量、Ｒ１：イオン電流検出手段に配設された検出抵抗の抵抗値、ｎ：自然数
【発明の効果】
【００１１】
上記の構成によれば、複数の気筒を有する内燃機関と、当該気筒のシリンダ内へ供給された混合気に着火を行う点火プラグと、当該点火プラグへ高電圧を供給する１次コイルと２次コイルと鉄芯からなる点火コイルと、前記内燃機関の燃焼によって前記点火プラグの電極間に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、当該イオン電流検出手段が検出したイオン電流の出力信号から前記内燃機関に生じるノッキングを判定するノック判定手段と、を備えたイオン電流を用いた内燃機関の燃焼状態判定装置において、バッテリ側から前記点火コイルへの電圧変動を算出する電圧変動算出手段と、当該電圧変動算出手段が算出した電圧変動による電気的ノイズを前記イオン電流検出手段が検出したイオン電流の出力信号から減算する減算手段と、を備えることとすることで、オルタネータからイオン電流に重畳するノイズのうち、特に電気的ノイズに関して除去を行い、内燃機関の燃焼状態を正確に判定することができるイオン電流を用いた内燃機関の燃焼状態判定装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例とするイオン電流検出機能を有した内燃機関用の点火装置のブロック図を示す。
【図２】第１の実施例とするイオン電流検出機能を有した内燃機関用の点火装置に影響を及ぼす電気的ノイズを示す。
【図３】第１の実施例とするイオン電流検出機能を有した内燃機関用の点火装置の動作構成を示す図である。
【図４】（ａ）はオルタネータからの電気的ノイズが重畳したイオン電流波形のタイムチャート、（ｂ）は電気的ノイズを除去した正常時のイオン電流波形のタイムチャート、（ｃ）は電気的ノイズを除去したノック発生時のイオン電流波形のタイムチャートを示す。
【図５】（ａ）はイオン電流検出手段で検出したイオン電流出力信号、（ｂ）は電圧変動手段が算出した電気的ノイズ、（ｃ）は減算手段で減算後のイオン電流出力信号のタイムチャートをそれぞれ示す。
【図６】（ａ）はノイズ減算前のイオン電流出力信号の周波数解析を、（ｂ）はノイズ減算後のイオン電流出力信号の周波数解析を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態を示す実施例を図１乃至図６に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の第１の実施例とするイオン電流検出機能を有した内燃機関用の点火装置のブロック図を図１に、イオン電流検出機能を有した内燃機関用の点火装置に影響を及ぼす電気的ノイズを図２に、イオン電流検出機能を有した内燃機関用の点火装置の動作構成を示す図を図３に、（ａ）はオルタネータからの電気的ノイズが重畳したイオン電流波形のタイムチャート、（ｂ）は電気的ノイズを除去した正常時のイオン電流波形のタイムチャート、（ｃ）は電気的ノイズを除去したノック発生時のイオン電流波形のタイムチャートを図４に、（ａ）はイオン電流検出手段で検出したイオン電流出力信号、（ｂ）は電圧変動手段が算出した電気的ノイズ、（ｃ）は減算手段で減算後のイオン電流出力信号のタイムチャートを図５に、（ａ）はノイズ減算前のイオン電流出力信号の周波数解析を、（ｂ）はノイズ減算後のイオン電流出力信号の周波数解析を図６にそれぞれ示す。
【００１５】
図１において、点火コイル30は１次コイル32、２次コイル34、及び、鉄芯36からなり、当該１次コイル32の低圧側は自動車用バッテリ10と接続され、電源電圧が入力される。また、当該バッテリ10は車載用機器に対して電圧供給を行うと共に、オルタネータ80からの発電動作によって充電が行われる。さらに、当該２次コイル34の高圧側は内燃機関のシリンダ内へ高電圧を放電する点火プラグ20と接続されている。
【００１６】
また、前記１次コイル32の高圧側はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなるスイッチング素子40と接続され、当該スイッチング素子40は前記点火コイル30から内燃機関の各シリンダに適した放電タイミングとなるようにパルス波からなる点火信号を入力されている。当該スイッチング素子40のゲートに対して点火信号が入力されるとコレクタ電流が流れるため、前記バッテリ10から前記１次コイル32に１次電流が蓄えられる。そして、当該スイッチング素子40に対する点火信号が遮断されると電磁誘導によって前記２次コイル34に放電電流が発生し、前記点火プラグ20へ高電圧が放出される。
【００１７】
また、前記２次コイル34の低圧側は前記内燃機関の燃焼により前記点火プラグ20の電極間に発生するイオン電流を検出するためのイオン電流検出手段50に接続される。さらに、当該イオン電流検出手段50は前記２次コイル34の低圧側にツェナーダイオード52のカソード側を接続し、当該ツェナーダイオード52のアノード側はダイオード54のアノードと接続されてグランドに接続されている。
【００１８】
また、前記ツェナーダイオード52はバイアス電源を生成するためのコンデンサ56を並列に接続する。そして、当該コンデンサ56は前記ツェナーダイオード52のカソード側に対してプラス側を配置し、前記ツェナーダイオード52のアノード側に対してマイナス側を配置して接続される。
【００１９】
また、前記ツェナーダイオード52及び前記コンデンサ56の前記２次コイル34の接続と逆方向は検出抵抗58を接続し、当該検出抵抗58を介してオペアンプ60の反転入力端子（−）に接続され、非反転入力端子（＋）は前記グランドに接続されている。さらに、当該オペアンプ60の反転入力端子（−）と出力端子には前記検出抵抗58とは別の抵抗62が並列に接続されている。
【００２０】
上記からイオン電流検出機能を有した内燃機関用の点火装置が構成され、前記スイッチング素子40に入力されている点火信号が立ち上がると、前記バッテリ10から前記１次コイル32に１次電流が蓄えられる。そして、前記スイッチング素子40に入力されている点火信号が立下がると、前記鉄芯36と介して前記２次コイル34に電磁誘導により高電圧が発生する。これにより、図１中の矢印に示すように、前記点火プラグ20→前記２次コイル34→前記ツェナーダイオード52及び前記コンデンサ56→前記ダイオード54→前記グランドの経路で放電電流が流れる。このとき、前記コンデンサ56は前記ツェナーダイオード52のブレークダウン電圧に対応して充電される。
【００２１】
また、前記２次コイル34から前記点火プラグ20の電極間への放電が終息すると、前記コンデンサ56に充電されていた電荷をバイアス電源として前記点火プラグ20の電極間にイオン電流が発生する。イオン電流は図１中の矢印に示すように、前記抵抗62→前記検出抵抗58→前記コンデンサ56→前記２次コイル34→前記点火プラグ20の経路でイオン電流が流れる。このイオン電流の大きさに応じて前記オペアンプ60の出力端子から出力信号が出力される。
【００２２】
図２において、前記オルタネータ80の発電動作によって前記バッテリ10に電圧変動が生じる。この電圧変動が電気的ノイズであり、スイッチング素子40に対する点火信号が遮断された後も、僅かな電流が1次コイルに流れているため、前記バッテリ10に生じた電気的ノイズが前記１次コイル32へと重畳し、電磁誘導によって前記鉄芯36を介して前記２次コイル34に重畳する。また、前記２次コイル34に重畳した電気的ノイズの影響によって前記イオン電流検出手段50内の素子に対しても電気的ノイズが重畳する。この電気的ノイズが前記イオン電流検出手段50に重畳することで検出されるイオン電流にノイズが重畳する。特に前記イオン電流検出手段50に備えられた前記検出抵抗58がノイズの影響を受ける。図２中には前記オルタネータ80からの電気的ノイズを波線矢印として示している。
【００２３】
図３において、車両の電子制御を行うＥＣＵ70を備え、当該ＥＣＵ70は前記オルタネータ80により変動する電源電圧と、その変動する電源電圧によって電気的ノイズが重畳する素子の寄生容量や抵抗成分からイオン電流に重畳する電気的ノイズを算出する機能を有した電圧変動算出手段74を備える。また、当該ＥＣＵ70は前記イオン電流検出手段50によって出力された出力信号からイオン出力を演算する機能を有した演算手段78と、当該電圧変動算出手段74が算出した電気的ノイズを当該演算手段78が算出したイオン出力から減算する機能を有した減算手段76を備える。さらに、当該ＥＣＵ70は当該減算手段76によって電気的ノイズが除去されたイオン出力から内燃機関の燃焼に生じるノッキングを判定する機能を有したノック判定手段72を備える。
【００２４】
また、前記電圧変動算出手段74は前記バッテリ10の電圧をサンプリングしている。さらに、前記ノック判定手段72は前記減算手段76によって電気的ノイズが除去されたイオン出力を波形処理したイオン電流波形からノック成分を抽出し、内燃機関の燃焼に生じたノッキングを判定している。
【００２５】
図４において、図４（ａ）は前記オルタネータ80からの電気的ノイズが重畳したイオン電流波形のタイムチャートを示す。Ｘ軸は時間を、Ｙ軸はイオン波形出力を示している。また、イオン電流波形に対して前記オルタネータ80からの電気的ノイズが重畳していると上下に揺らぐ波形となる。特に、図４（ａ）中に示したＸ部は内燃機関にノッキングが生じた際にノック成分が重畳される位相であり、ノック成分も上下に揺らぐ波形となるため、前記オルタネータ80からの電気的ノイズと非常に類似している。ノック成分が重畳したイオン電流波形は後述する図４（ｃ）に示しており、図４（ａ）のＸ部と（ｃ）のＸ´部を比較すると類似していることが確認できる。
【００２６】
また、図４（ｂ）及び（ｃ）はノイズ減算処理後のイオン電流波形のタイムチャートを示し、（ｂ）は正常な燃焼を、（ｃ）はノック発生時の燃焼を示している。さらに、Ｘ軸は時間を、Ｙ軸はイオン波形出力を示し、イオン電流波形は内燃機関の燃焼中は検出できず、シリンダ内の燃焼が終息すると立ち上がりピーク値まで上昇し、ピーク値まで達すると減少していく構成は図４（ａ）と同様である。しかし、図４（ｂ）及び（ｃ）のイオン電流波形は前記減算手段76によって前記オルタネータ80からの電気的ノイズが除去された波形となるため、波形が検出される全域に上下に揺らぐ減少は見られない。
【００２７】
また、図４（ｃ）中に示すＸ´部の上下に揺らぐ波形がノック成分を示し、このノック成分が前記ノック判定手段72のノックＢＰＦで抽出されてノッキングの判定が行われる。さらに、ノック成分の大きさからノッキングの強度がわかる。
【００２８】
図５において、図５（ａ）は前記イオン電流検出手段50で検出したイオン電流出力信号を示す。Ｘ軸は時間を、Ｙ軸はイオン出力を示し、イオン出力は前記点火プラグ20の電極間に生じたイオン電流からの前記オペアンプ60の出力信号を示したものである。このイオン出力には前記オルタネータ80の電圧変動による電気的ノイズが重畳しており、周波数成分を持った波形となっている。また、図５（ｂ）は前記オルタネータ80による電気的ノイズを前記電圧変動算出手段74で算出した理論上の算出ノイズ（Ｖ２）を示す。図５（ａ）と同様にＸ軸は時間を、Ｙ軸はイオン出力を示している。前記電圧変動算出手段74は前記バッテリ10の電圧と、前記１次及び２次コイル32，34の寄生容量と、前記ツェナーダイオード52及び前記ダイオード54の寄生容量と、前記検出抵抗の抵抗値と、から理論上とする電気的ノイズから生じる前記オペアンプ60の出力信号の電圧値を求めている。
【００２９】
図５（ａ）と（ｂ）を比べてみると、双方とも周波数成分を持った波形となっており、（ａ）の前記イオン電流検出手段50で検出したイオン電流出力信号の波形が鋭角に変化しているものの、類似した形状の波形となっているのがわかる。また、図５（ｃ）は前記減算手段76によりイオン電流出力信号から算出ノイズ（Ｖ２）を減算した電気的ノイズを除去したイオン電流出力信号を示す。Ｘ軸は時間を、Ｙ軸はイオン出力を示している。
【００３０】
図６において、図６（ａ）は前記イオン電流検出手段50で検出したイオン電流出力信号を周波数解析した結果を示す。（ａ）の周波数解析結果では、オルタネータノイズと同周波数領域のＰ部、Ｑ部、Ｒ部において、前記オルタネータ80からの影響を受けていることがわかる。しかし、図６（ｂ）は前記減算手段76により算出ノイズを減算したイオン電流信号を周波数解析した結果を示し、（ｂ）の周波数解析結果では、（ａ）内に示したＰ部、Ｑ部、Ｒ部と同一の周波数領域とするＰ´部、Ｑ´部、Ｒ´部において周波数強度が弱まっていることから、前記オルタネータ80から影響を受けていた電気的ノイズに関する周波数成分が取り除かれていることがわかる。
【００３１】
また、前記電圧変動算出手段74による算出ノイズ（Ｖ２）は、（数１）から求めている。
（数１）
2015098809.tif 000004
Ｖ１：前記バッテリ10の電圧、Ｃ１：前記１次及び２次コイル32，34の寄生容量、Ｃ２：前記ツェナーダイオード52及び前記ダイオード54の寄生容量、Ｒ１：前記検出抵抗の抵抗値、ｎ：自然数
【００３２】
また、（数１）は前記電圧変動算出手段74が前回算出した電気的ノイズをＶ２（ｎ−１）と表現しており、ｎは今回の算出を、（ｎ−１）は前回の算出を示す。
【００３３】
上記構成により、前記イオン電流検出手段50が検出したイオン電流の出力信号から前記電圧変動算出手段74が算出した算出ノイズ（Ｖ２）を減算することで、前記オルタネータ80による電気的ノイズを除去したイオン電流出力信号が得られる。また、電気的ノイズを除去したイオン電流出力信号に対して波形処理を行ったイオン電流波形から内燃機関の燃焼に生じるノッキングの誤判定を防ぐことができる。このことは、周波数解析結果より、ノイズ重畳時は、特定の周波数に強度が見られ、この周期がノック成分と同じであればノック誤判定される可能性があるが、電気的ノイズを減算することでその周波数での強度が削減されノックの誤判定を防ぐ効果があることがわかる。
【００３４】
なお、実施例１の変形例として、前記イオン電流検出手段50の回路構成は設計事項に講じて任意に変更してもよい。また、前記ノック判定手段72、前記電圧変動算出手段74、前記減算手段76、及び、前記演算手段78は前記ＥＣＵ70内に構築された機能としたが、これらを個別に備える構成としてもよい。さらに、前記電圧変動算出手段74は前記バッテリ10の電圧と、前記１次及び２次コイル32，34の寄生容量と、前記ツェナーダイオード52及び前記ダイオード54の寄生容量と、前記検出抵抗の抵抗値と、をサンプリングして理論上の算出ノイズ（Ｖ２）を求めたが、前記イオン電流検出手段50の回路構成に応じてサンプリングする対象は変更されるものとしてもよし、サンプリングされる対象の変更に応じて算出方法を変更してもよい。
【００３５】
また、前記１次及び２次コイル32，34の寄生容量と、前記ツェナーダイオード52及び前記ダイオード54の寄生容量と、前記検出抵抗の抵抗値とを固定値として、前記電圧変動算出手段74に記憶されるものとしてもよいし、その場合は、前記点火コイル30及び前記イオン電流検出手段50の回路構成に応じて前記電圧変動算出手段74に記憶される固定値も変更されるものとしてよい。
【符号の説明】
【００３６】
10：バッテリ
20：点火プラグ
30：点火コイル
32：１次コイル
34：２次コイル
36：鉄芯
40：スイッチング素子
50：イオン電流検出手段
52：ツェナーダイオード
54：ダイオード
56：コンデンサ
58：検出抵抗
60：オペアンプ
62：抵抗
70：ＥＣＵ
72：ノック判定手段
74：電圧変動算出手段
76：減算手段
78：演算手段
80：オルタネータ
【図１】
2015098809.tif 000006
【図２】
2015098809.tif 000007
【図３】
2015098809.tif 000008
【図４】
2015098809.tif 000009
【図５】
2015098809.tif 000010
【図６】
2015098809.tif 000011