(57)【要約】【課題】圧縮自着火運転される内燃機関の着火時期を簡便に検出する。【解決手段】燃焼室内で混合気を圧縮自着火させて運転する圧縮自着火運転と、該燃焼室内で混合気に火花を飛ばして点火しながら運転する火花点火運転とを、運転条件に応じて切り替えながら運転する内燃機関において、圧縮自着火運転中も一次側コイルに通電する。こうすれば、二次側コイルに発生する誘導起電力によって点火プラグの電極間に電圧が印加されるので、着火時に生じるイオン電流を検出することができる。かかる方法では、圧縮自着火時も火花点火時と同様に点火コイルを駆動するだけの極めて簡便な方法で着火を検出することができる。着火時期に応じてコイルへの通電開始時期を変更すれば、ノイズの影響を受けずにイオン電流を検出することができる。【選択図】　図８
2004076678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内で混合気を圧縮自着火させて運転する圧縮自着火運転と、該燃焼室内で混合気に火花を飛ばして点火しながら運転する火花点火運転とを、運転条件に応じて切り替えながら運転する内燃機関の着火時期検出装置であって、
電圧が印加されることによって電極間で火花を発生させる点火プラグと、
一次側コイルが電源に直列に接続され、二次側コイルが前記点火プラグに直列に接続された点火コイルと、
前記一次側コイルへの通電切断時に前記二次側コイルに生じる誘導起電力を用いて前記点火プラグで火花を発生させるべく、前記電源と該一次側コイルとを含んだ一次側回路を開閉する一次側回路開閉手段と、
前記内燃機関の圧縮自着火運転時に前記一次側回路開閉手段を制御し、前記一次側コイルの通電中に前記二次側コイルに生じる誘導起電力を前記点火プラグに印加することにより、前記混合気の着火に伴って前記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
を備える着火時期検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の着火時期検出装置であって、
前記イオン電流検出手段は、前記イオン電流の検出時期に応じて、前記一次側コイルへの通電開始時期を変更する通電開始時期変更手段を備えている着火時期検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の着火時期検出装置であって、
前記通電開始時期変更手段は、前記一次側コイルへの通電開始時期の変更に合わせて、該一次側コイルへの通電切断時期も変更する手段である着火時期検出装置。
【請求項４】
請求項３記載の着火時期検出装置であって、
前記通電開始時期変更手段は、前記一次側コイルへの通電時間を保ったまま、前記通電開始時期を変更する手段である着火時期検出装置。
【請求項５】
請求項２記載の着火時期検出装置であって
前記通電開始時期変更手段は、複数サイクル分のイオン電流の検出結果に応じて、前記一次側コイルへの通電開始時期を変更する手段である着火時期検出装置。
【請求項６】
燃焼室内で混合気を圧縮自着火させて運転する圧縮自着火運転と、該燃焼室内で混合気に火花を飛ばして点火しながら運転する火花点火運転とを、運転条件に応じて切り替えながら運転する内燃機関の着火時期を検出する方法であって、
前記火花点火運転中に混合気に点火するための点火コイルに、前記圧縮自着火運転中の所定のタイミングで通電を開始する第１の工程と、
前記点火コイルへの通電中に発生し点火プラグに印加される誘導電圧を用いて、前記混合気の着火に伴って該点火プラグに流れるイオン電流を検出する第２の工程と、
前記イオン電流の検出後の所定のタイミングで、前記点火コイルへの通電を切断する第３の工程と
を備える検出方法。
【請求項７】
請求項６記載の着火時期の検出方法であって、
前記イオン電流の検出時期に応じて、前記点火コイルへの通電を開始するタイミングを変更する第４の工程を備える検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながら運転される内燃機関の着火時期を検出する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながら運転される内燃機関は、燃料消費効率が高く、しかも大気汚染物質の排出量が少ないという優れた特性を有している。もっとも、こうした内燃機関も、全ての運転条件で混合気を圧縮自着火させて運転することは困難であり、例えば、負荷の高い運転条件や負荷の極めて低い運転条件では、通常の内燃機関のように、燃焼室内で火花を飛ばして混合気に点火しながら運転している。これは、混合気を圧縮自着火させる関係上、内燃機関の負荷が高くなるとノックが発生し易くなり、また、負荷が極めて低くなると混合気を圧縮自着火させることが困難になるためである。尚、以下では、混合気に火花を飛ばして点火しながら運転することを「火花点火運転」と呼び、混合気を圧縮自着火しながら運転することを「圧縮自着火運転」とも呼ぶこととする。
【０００３】
また、混合気が圧縮自着火するタイミングは、吸入空気の温度や湿度などの大気条件や、混合気の空燃比などによって変動し得る。従って、圧縮自着火運転時は、混合気の自着火時期を検出して、適切な着火時期となるように、吸入空気の温度や混合気の空燃比などを制御することが望ましい。この様な目的で、混合気が燃焼したときに生じるイオン電流を検出することによって、混合気の着火時期を検出する技術が提案されている（特開平１１−６４３６号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、イオン電流を検出するためには専用の装置が必要となるので、内燃機関の複雑化を招き易いという問題がある。また、イオン電流を検出するための制御が必要となるので、制御が複雑化してしまうという問題もある。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、圧縮自着火運転時の着火時期を簡便に、しかも内燃機関の構造を複雑化させることなく検出する技術の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の着火時期検出装置は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で混合気を圧縮自着火させて運転する圧縮自着火運転と、該燃焼室内で混合気に火花を飛ばして点火しながら運転する火花点火運転とを、運転条件に応じて切り替えながら運転する内燃機関の着火時期検出装置であって、
電圧が印加されることによって電極間で火花を発生させる点火プラグと、
一次側コイルが電源に直列に接続され、二次側コイルが前記点火プラグに直列に接続された点火コイルと、
前記一次側コイルへの通電切断時に前記二次側コイルに生じる誘導起電力を用いて前記点火プラグで火花を発生させるべく、前記電源と該一次側コイルとを含んだ一次側回路を開閉する一次側回路開閉手段と、
前記内燃機関の圧縮自着火運転時に前記一次側回路開閉手段を制御し、前記一次側コイルの通電中に前記二次側コイルに生じる誘導起電力を前記点火プラグに印加することにより、前記混合気の着火に伴って前記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
を備えることを要旨とする。
【０００７】
また、上記の着火時期検出装置に対応する本発明の着火時期の検出方法は、
燃焼室内で混合気を圧縮自着火させて運転する圧縮自着火運転と、該燃焼室内で混合気に火花を飛ばして点火しながら運転する火花点火運転とを、運転条件に応じて切り替えながら運転する内燃機関の着火時期を検出する方法であって、
前記火花点火運転中に混合気に点火するための点火コイルに、前記圧縮自着火運転中の所定のタイミングで通電する第１の工程と、
前記点火コイルへの通電中に発生し点火プラグに印加される誘導電圧を用いて、前記混合気の着火に伴って該点火プラグに流れるイオン電流を検出する第２の工程と、
前記イオン電流の検出後の所定のタイミングで、前記点火コイルへの通電を切断する第３の工程と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
かかる本発明の着火時期検出装置および着火時期の検出方法においては、火花点火運転に用いられる点火コイルに、圧縮自着火運転時にも通電する。こうして点火コイルの一次側コイルに通電すれば、点火コイルの二次側コイルには誘導起電力が発生するので、これによる電圧が点火プラグの電極間に印加され、混合気の着火に伴って電極間に流れるイオン電流を検出することができる。尚、ここで誘導電圧とは、誘導起電力によって発生した電圧を言う。
【０００９】
このようにしてイオン電流を検出すれば、圧縮自着火運転中も点火コイルに通電するだけで、着火に伴うイオン電流を検出することが可能であり、エンジンの構造や制御内容を複雑化させることなく、混合気の着火時期を検出することが可能となる。
【００１０】
こうした着火時期検出装置および検出方法においては、イオン電流の検出時期に応じて、一次側コイルへの通電開始時期を変更することとしても良い。
【００１１】
一次側コイルへの通電開始時にはノイズが発生するので、イオン電流を検出する際にノイズの影響を受けることがある。そこで、イオン電流の検出時期に応じて通電開始時期を変更する。例えば、イオン電流の検出時期が早くなった場合には、一次側コイルへの通電開始時期を早くしてやる。あるいは、イオン電流の検出時期が遅くなった場合には、通電開始時期を遅くしてやる。こうして、イオン電流の検出時期に応じて、一次側コイルへの通電開始時期を変更してやれば、ノイズの影響を受けることがないので、イオン電流を正確に検出することが可能となる。
【００１２】
こうした着火時期検出装置および検出方法においては、一次側コイルへの通電を開始する時期を変更することに合わせて、通電を切断する時期も変更することとしても良い。例えば、イオン電流の検出時期が早くなって一次側コイルへの通電開始時期を早くした場合には、これに合わせて、通電切断時期も早くしてやる。通電切断時にはノイズが発生するが、イオン電流の検出時期が早くなっているので、通電切断時期を早くしても、イオン電流の検出が影響を受けるおそれはない。逆に、イオン電流の検出時期が遅くなって一次側コイルへの通電開始時期を遅くした場合は、イオン電流の検出が通電切断時に生じるノイズの影響を受けることが無いように、通電切断時期も遅くしてやる。
【００１３】
従って、こうして一次側コイルへの通電開始時期に合わせて通電切断時期も変更してやれば、通電切断時に発生するノイズの影響を受けることがなくなるので、イオン電流を正確に検出することが可能となる。更に、こうして通電開始時期に合わせて通電切断時期を変更してやれば、通電時間がいたずらに長くなって電気エネルギを浪費することを回避することができる。従って、それだけ内燃機関の燃料消費効率を改善することが可能となるので好ましい。
【００１４】
また、通電開始時期を変更するに際しては、通電時間が一定に保たれるように、通電切断時期も変更することとしてもよい。
【００１５】
このように通電時間を一定に保つこととしておけば、通電開始時期が決まれば通電切断時期を決めることができ、あるいは通電切断時期が決まれば通電開始時期を決めることができる。従って、通電開始時期に合わせて通電切断時期も変更する場合には、通電時間を一定に保っておくことで、通電開始時期および通電切断時期を決定する処理を簡素なものとすることができるので好ましい。
【００１６】
上述の着火時期検出装置および検出方法においては、複数サイクル分のイオン電流の検出結果に応じて、一次側コイルへの通電開始時期を変更することとしても良い。例えば、複数サイクル分のイオン電流の検出結果を平均し、得られた平均値に基づいて通電開始時期を変更しても良い。もちろん、平均するに際しては、単純に平均することに限られず、サイクル毎に重みを付けて平均することとしてもよい。
【００１７】
こうして複数サイクル分の検出結果に基づいて、一次側コイルへの通電開始時期を変更してやれば、サイクル変動などの外乱の影響を受けることなく、通電開始時期を適切に設定することが可能となるので好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次のような順序に従って、本発明の実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ａ−１．エンジンの構成：
Ａ−２．点火ユニット（ＩＧＵ）の概要：
Ａ−３．イオン電流検出の概要：
Ｂ．点火コイル駆動制御：
【００１９】
Ａ．装置構成：
Ａ−１．エンジンの構成：
図１は、本実施例の着火時期検出装置を備えたエンジン１０の構成を概念的に示した説明図である。エンジン１０は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック１４０の内部には、円筒形のシリンダ１４２が設けられており、このシリンダ１４２の内部にはピストン１４４が摺動可能に設けられている。シリンダ１４２とピストン１４４とシリンダヘッド１３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。
【００２０】
ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００２１】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気ポート１３３と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気ポート１３５が設けられ、吸気ポート１３３には吸気通路１２が、また排気ポート１３５には排気通路１６が接続されている。更に、シリンダヘッド１３０には、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、吸気バルブ１３２と、排気バルブ１３４とが設けられている。吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれにカム機構によって駆動され、ピストン１４４の動きに同期して吸気ポート１３３および排気ポート１３５を開閉する。点火プラグ１３６は点火ユニット（ＩＧＵ）４０に接続されている。ＩＧＵ４０は、点火プラグ１３６に高電圧を供給して火花を飛ばすことにより、燃焼室内の混合気に点火する。また、後述するように、燃焼室内のイオン電流を検出することによって、混合気の着火時期を検出することも可能である。
【００２２】
吸気通路１２の上流にはスロットルバルブ２２が設けられ、その更に上流にはエアクリーナ２０が設けられている。空気は、エアクリーナ２０に内蔵されたフィルタで異物を除去された後、スロットルバルブ２２を介して燃焼室内に吸い込まれる。スロットルバルブ２２には電動アクチュエータ２４が設けられており、電動アクチュエータ２４を駆動してスロットルバルブ２２の開度を変更すれば、燃焼室内に吸入される空気量を変更することが可能である。
【００２３】
エンジン１０の動作は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、中央演算装置（ＣＰＵ）を中心として、ＲＡＭやＲＯＭ、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器などがバスで相互に接続された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、アクセル開度θａｃとエンジン回転速度Ｎｅ　と読み込んで、電動アクチュエータ２４、燃料噴射弁１４、ＩＧＵ４０を駆動することにより、エンジン１０の動作を制御している。ここで、アクセル開度θａｃは、アクセルペダル３４に組み込まれたアクセル開度センサから読み込むことができる。また、エンジン回転速度Ｎｅ　は、クランクシャフト１４８の先端に取り付けられたクランク角度センサ３２の出力に基づいて算出することができる。
【００２４】
ここで、エンジン１０の動作について説明する。エンジン１０は、燃焼室内に空気を吸い込んで混合気を形成する吸気行程と、燃焼室内で混合気を圧縮する圧縮行程と、圧縮した混合気を燃焼させて燃焼室内に発生した圧力を機械的仕事に変換する膨張行程と、燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気行程と、の４つの行程を繰り返しながら動力を出力する４サイクルエンジンである。もちろん、４サイクルエンジンに限らず、２サイクルなどの他の方式のエンジンを用いることも可能である。
【００２５】
吸気行程では、吸気バルブ１３２を開いてピストン１４４を降下させ、燃焼室内に空気を吸入する。空気の吸入に合わせて、燃料噴射弁１４から燃料噴霧の噴射も行う。こうすれば、燃料噴霧は空気の流れに乗って燃焼室内を旋回しながら空気と混合し、燃焼室内には、空気と燃料との混合気が形成される。吸入する空気量は、スロットルバルブ２２の開度を変更することによって制御することができる。また、燃料噴射弁１４の駆動期間を変更すれば、噴射する燃料量も制御することができる。ＥＣＵ３０は、燃焼室内に形成される混合気が最適な空燃比となるように、空気の吸入量と燃料の噴射量とを制御している。
【００２６】
吸気行程が終了したら、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させ、燃焼室内の混合気を圧縮する。圧縮行程では、ピストン１４４を上昇させるに伴って、混合気の圧力および温度が次第に上昇していく。エンジン１０の負荷がある程度以上高い場合は、圧縮上死点付近で混合気の温度が発火点に達し、燃焼室内の混合気が自着火する。圧縮行程では、混合気は燃焼室内の位置によらず同時に圧縮され、従って、混合気の温度はほぼ同時に上昇するために、燃焼室内の全域の混合気がほぼ同時に自着火することになる。このように、圧縮自着火運転時は燃焼室内の混合気が同時に燃焼するために、混合気を速やかに燃焼させることが可能となり、燃料消費効率を大きく向上させることができる。また、混合気を速やかに燃焼させることができるので、混合気の空燃比を希薄側に設定することが可能となる。このため、圧縮自着火運転を行うことによって、大気汚染物質の排出量も抑制することが可能となる。
【００２７】
一方、エンジン１０の負荷が低い場合には、ピストン１４４で圧縮しても混合気の温度を発火点まで上昇させることが困難である。そこで、このような場合は、点火プラグ１３６から火花を飛ばして混合気に点火してやる。このように、エンジン１０では、エンジンの負荷に応じて圧縮自着火運転と火花点火運転とを切り替えながら運転している。ＥＣＵ３０のＲＡＭには、圧縮自着火運転と火花点火運転とのいずれで運転するかが、エンジンの運転条件に応じたマップとして記憶されており、ＥＣＵ３０は、かかるマップを参照することによって、適切な方法でエンジンの制御を行う。
【００２８】
圧縮行程に続く膨張行程では、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を閉じたままピストン１４４を降下させる。燃焼室内は、混合気が燃焼したことによって高圧になっているので、ピストン１４４は燃焼圧力によって押し下げられる。その結果、燃焼室内の圧力が機械的仕事に変換されて、クランクシャフト１４８から外部に出力される。ピストン１４４が一番下まで下がりきったら、それ以上は動力を出力することができないので、排気バルブ１３４を開いてピストン１４４を上昇させ、燃焼室内の排気ガスを排気通路１６に排出する。こうして排気行程が終了したら、再び吸気行程に戻って、上述した動作を繰り返し行うことにより動力を出力する。
【００２９】
Ａ−２．点火ユニット（ＩＧＵ）の概要：
図２は、点火ユニット（ＩＧＵ）４０の内部構造を示した説明図である。ＩＧＵ４０は、大まかには、点火コイル４２とコイル駆動回路４４とから構成されている。点火コイル４２の一次側コイル４２ａは、一端はバッテリ６０に接続され、他端はコイル駆動回路４４に接続されている。また、点火コイル４２の二次側コイル４２ｂは、一端は点火プラグ１３６の中心電極１３６ａに接続され、他端はコイル駆動回路４４に接続されている。
【００３０】
コイル駆動回路４４は、トランジスタ４４ａと、定電圧ダイオード４４ｂ、４４ｃ、コンデンサ４４ｄ、抵抗４４ｅなどから構成されている。トランジスタ４４ａのコレクタ電極は一次側コイル４２ａに接続され、トランジスタ４４ａのエミッタ電極は接地され、ベース電極はＥＣＵ３０に接続されている。定電圧ダイオード４４ｂは、二次側コイル４２ｂに向かって順方向に接続されており、定電圧ダイオード４４ｃは、定電圧ダイオード４４ｂの下流側で二次側コイル４２ｂに向かって逆方向に接続され、定電圧ダイオード４４ｃの下流側は接地されている。また、コンデンサ４４ｄは定電圧ダイオード４４ｂと並列に接続されており、抵抗４４ｅは定電圧ダイオード４４ｃと並列に接続されている。定電圧ダイオード４４ｃの一端は接地されているから、抵抗４４ｅの一端も接地されていることになる。抵抗４４ｅの接地されていない側はＥＣＵ３０に接続されており、ＥＣＵ３０は接地電圧に対する電圧値を検出することが可能となっている。
【００３１】
次に、点火ユニット（ＩＧＵ）４０の動作について説明する。図３は、一次側コイル４２ａに通電中のＩＧＵ４０の動作を示す説明図である。一次側コイル４２ａへの通電を開始する場合は、ＥＣＵ３０から点火信号（ＩＧＴ）を出力して、コイル駆動回路４４のトランジスタ４４ａのベース電極をＯＮ状態（高電圧状態）としてやる。すると、トランジスタ４４ａのコレクタ電極とエミッタ電極とが導通状態となるので、バッテリ６０から電流が流れ込んで、一次側コイル４２ａへの通電が開始される。図３中で実線で示した矢印は、一次側コイル４２ａに電流が流れる様子を概念的に表している。
【００３２】
一次側コイル４２ａへの通電を開始すると、一次側コイル４２ａの電流量は自己誘導作用によって時間とともに次第に大きくなり、また、二次側コイル４２ｂには相互誘導作用による起電力が発生する。かかる現象について、補足して説明する。電磁気学の教えるところによれば、コイルに電流を流すと、電流値に比例した強さの磁束が発生する。一方、コイルを貫く磁束の強さが変化すると、コイルには磁束の変化を抑制する方向に逆起電力が発生する。すなわち、コイルへの通電を開始すると、コイルを流れる電流によってコイルは磁束を発生する。その一方で、自らが発生した磁束の変化に応じて、コイル内部には逆起電力が発生する。このように、コイルに電流を流したときに、そのコイル自身に逆起電力が発生する現象を自己誘導作用という。また、２つのコイルが並べておかれているときに、一方のコイルで発生する磁束の強さが変化することで、他方のコイルを貫く磁束が変化し、これによって他方のコイルに逆起電力が発生する現象は、相互誘導作用と呼ばれる。
【００３３】
一次側コイル４２ａへの通電開始直後には、自己誘導作用によって大きな起電力が発生するので、一次側コイル４２ａには僅かな電流しか流れない。しかし、この起電力は時間の経過とともに次第に減少するので、これに伴って一次側コイル４２ａを流れる電流値は大きくなっていく。
【００３４】
一次側コイル４２ａを流れる電流値が大きくなると、それに連れて発生する磁束の強さも大きくなるので、二次側コイル４２ｂを貫く磁束の強さも次第に大きくなっていく。このように磁束が変化すれば、相互誘導作用によって、二次側コイル４２ｂには、この磁束の変化を抑制する方向に逆起電力が発生する。結局、一次側コイル４２ａに通電してやると、こうして二次側コイル４２ｂに逆起電力が発生することになる。二次側コイル４２ｂと点火プラグ１３６とは電気的に接続されているので、点火プラグ１３６の中心電極１３６ａおよび周辺電極１３６ｂの間には、中心電極１３６ａを「＋」とし、周辺電極１３６ｂを「−」とする電圧がかかることになる。
【００３５】
図４は、一次側コイル４２ａへの通電を切断したときのＩＧＵ４０の動作を示す説明図である。ＥＣＵ３０からの点火信号（ＩＧＴ）の出力を停止して、トランジスタ４４ａのベース電極をＯＦＦ状態（低電圧状態）としてやれば、トランジスタ４４ａのコレクタ電極とエミッタ電極とが切断状態となるので、一次側コイル４２ａへの通電を直ちに切断することができる。
【００３６】
一次側コイル４２ａへの通電を切断すると、コイルが発生する磁束の強さが急減するから、二次側コイル４２ｂには相互誘導作用によって大きな逆起電力が発生する。これにより、点火プラグ１３６の中心電極１３６ａと周辺電極１３６ｂとの間の絶縁が破壊され、図４中に矢印で示す方向に電流が流れる。点火プラグ１３６は、絶縁が破壊されて放電する際に、電極間で火花を発生させ、この火花によって混合気に点火する。こうして、点火プラグ１３６で絶縁が破壊された結果、図４に矢印で示した経路で電流が流れると、コイル駆動回路４４内のコンデンサ４４ｄには電荷が蓄えられることになる。また、コンデンサ４４ｄに過大な電圧がかかった場合には、コンデンサ４４ｄに並列に設けられた定電圧ダイオード４４ｂの働きにより、図４中で破線で示す通路を電流が流れて、コンデンサ４４ｄが保護されるようになっている。
【００３７】
図５は、点火プラグ１３６で放電した後のＩＧＵ４０の動作を示す説明図である。図４を用いて説明したように、コイル駆動回路４４のコンデンサ４４ｄには、点火プラグ１３６の放電時に電荷が蓄えられている。このため点火プラグ１３６での放電終了後も、点火プラグ１３６の中心電極１３６ａおよび周辺電極１３６ｂの間には、それぞれ中心電極１３６ａを「＋」とし、周辺電極１３６ｂを「−」とする電圧がかかることになる。
【００３８】
Ａ−３．イオン電流検出の概要：
本実施例の点火ユニット（ＩＧＵ）４０は、火花点火運転時に点火プラグ１３６に高電圧を供給して火花を飛ばすだけでなく、混合気が燃焼したときに発生するイオン電流を検出することによって、圧縮自着火運転時に混合気の自着火時期を検出することが可能である。以下、図３および図５を流用して、イオン電流を検出する方法の概要について説明する。
【００３９】
本実施例のＩＧＵ４０によれば、図３を用いて前述したように、一次側コイル４２ａの通電中も相互誘導作用によって、点火プラグ１３６の電極間に電圧が印加されている。このため、燃焼室内の混合気が燃焼すると、図３中に一点鎖線で示した経路を通って、コイル駆動回路４４内をイオン電流が流れることになる。ここで、前述したように抵抗４４ｅの一端は接地されているから、抵抗４４ｅでは電流値に比例して電圧降下が発生する。従って、ＥＣＵ３０は、この電圧降下伴って発生した負の電圧を測定することで、イオン電流の電流値を検出することができる。
【００４０】
点火プラグ１３６での放電終了後も、ほぼ同様の方法を用いてイオン電流を検出することができる。すなわち、図５を用いて説明したように点火プラグ１３６の放電終了後は、コンデンサ４４ｄで蓄えられた電圧が点火プラグ１３６の電極間に印加されている。従って、燃焼室内の混合気が燃焼すると、図５中に一点鎖線で示した経路を通ってイオン電流が流れ、これに伴って抵抗４４ｅでは電圧降下が発生することになる。ＥＣＵ３０は、かかる電圧降下にともなって発生する負の電圧を検出することで、イオン電流の電流値を検出することが可能である。
【００４１】
Ｂ．点火コイル駆動制御：
ＥＣＵ３０は、前述したように、エンジンの運転条件に応じて火花点火運転と圧縮自着火運転とを切り替えながら、エンジンを制御している。またＥＣＵ３０は、点火ユニット（ＩＧＵ）４０に対して点火信号（ＩＧＴ）を出力することによって、火花点火運転中は適切な時期に火花を飛ばすための制御を行い、一方、圧縮自着火運転中は混合気の自着火時期を検出するための制御を行う。以下では、こうした点火ユニット駆動制御について説明する。
【００４２】
図６は、ＥＣＵ３０が行う点火ユニット駆動制御の流れを示すフローチャートである。以下、フローチャートに従って説明する。
【００４３】
処理を開始すると、先ず初めに、エンジン１０が火花点火運転中か否かを判断する（ステップＳ１００）。火花点火運転と圧縮自着火運転との切り替えはＥＣＵ３０によって制御されているので、かかる判断は容易に行うことができる。
【００４４】
エンジン１０が火花運転中である場合は（ステップＳ１００：ｙｅｓ）、点火時期を設定する制御を行う（ステップＳ１０２）。点火時期の設定は、次のようにして行う。ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＡＭには、エンジン回転速度Ｎｅ　およびアクセル開度θａｃに対するマップの形式で予め適切な点火時期が記憶されている。ＥＣＵ３０はかかるマップを参照することによって、適切な点火時期を設定する。
【００４５】
点火時期の設定に続いて、点火プラグ１３６から、設定した点火時期で火花を飛ばすため制御、すなわち点火制御を行う（ステップＳ１０４）。これは次のような制御である。図４を用いて説明したように、ＩＧＵ４０は一次側コイル４２ａに流れている電流を所定のタイミングで切断し、このときに二次側コイル４２ｂに発生する高電圧を用いて点火プラグ１３６から火花を飛ばす。すなわち、点火プラグ１３６で火花を飛ばすためには、一次側コイル４２ａにある程度以上の電流が流れていることが前提となるが、コイルには自己誘導作用があるので、いきなり大きな電流を流すことはできない。そこで、点火に先立って一次側コイル４２ａの通電を開始しておく必要がある。図６のステップＳ１０４の点火制御では、ステップＳ１０２で設定された点火時期から所定時間（代表的には３ｍｓｅｃ）前のタイミングで、一次側コイル４２ａの通電を開始し、設定された点火時期に達したら一次側コイル４２ａの通電を遮断することによって、点火プラグ１３６から火花を飛ばす制御を行う。
【００４６】
図７は、点火制御を行って点火プラグ１３６から火花を飛ばしている様子を概念的に示した説明図である。図７の横軸はクランク角度であり、横軸に示したＴＤＣは、圧縮行程後にピストン１４４がもっとも上昇したタイミング（圧縮上死点）を示している。また、図７の縦軸には、ＥＣＵ３０が出力する点火信号（ＩＧＴ）の電圧と、点火プラグの電極間の電圧を示している。前述したように、ＩＧＴは、コイル駆動回路４４のトランジスタ４４ａのベース電極に入力されており、ＩＧＴが出力されてベース電極が高電圧状態になると、トランジスタ４４ａのエミッタ電極とコレクタ電極とが導通状態となって一次側コイル４２ａの通電が開始される。一次側コイル４２ａへの通電中は、図３を用いて前述したように、点火プラグ１３６の電極間には相互誘導作用によって生じた電圧が印加されている。
【００４７】
次いで、設定された点火時期に達した時点で、ＩＧＴの出力を停止して、トランジスタ４４ａのベース電極を低電圧状態としてやる。すると、トランジスタ４４ａが切断状態となって一次側コイル４２ａへの通電が切断される。この結果、相互誘導作用によって二次側コイル４２ｂには高い電圧が発生し、点火プラグ１３６で火花が発生する。こうして火花を飛ばしてやれば混合気に点火することができる。通常の運転条件では、点火時期は圧縮上死点の直前（代表的には、ＴＤＣからクランク角度で約５度前付近）に設定されている。図６のステップＳ１０４の点火制御では、こうしてＩＧＴを出力することによって点火プラグ１３６から火花を飛ばして混合気に点火する制御を行う。
【００４８】
一方、エンジン１０が火花点火運転中ではないと判断された場合は（図６のステップＳ１００：ｎｏ）、イオン電流を検出するための一連の処理を開始する。先ず初めに、一次側コイル４２ａへの通電を切断する時期を設定する（ステップＳ１０６）。これは次のような処理である。一次側コイル４２ａへの通電を切断すると、点火プラグ１３６には高い電圧がかかるので火花が発生する可能性がある。エンジン１０が火花点火運転されていないということは、圧縮自着火運転されていると考えられるが、圧縮自着火運転中に、点火プラグ１３６からの火花で混合気が点火されたのでは、エンジン１０を適切に運転することが困難となる。そこで、混合気が点火されないように、一次側コイル４２ａの通電切断時期を、十分に遅い時期に設定してやる。こうすれば、燃焼室内の混合気は既に圧縮自着火した後と考えられるので、点火プラグ１３６から火花が飛んだとしても混合気に点火するおそれはない。通常、通電を切断する時期は、圧縮ＴＤＣからクランク角度で約１５度後付近のタイミングに設定される。
【００４９】
次いで、一次側コイル４２ａへの通電を開始する時期を設定する（ステップＳ１０８）。通電を開始する時期は、通常は、圧縮ＴＤＣからクランク角度で約１５度前付近のタイミングに設定されている。圧縮自着火運転中に混合気が自着火するタイミングは、通常は圧縮ＴＤＣ付近なので、ＴＤＣからクランク角度で１５度前付近のタイミングで一次側コイル４２ａへの通電を開始すれば、ほとんどの場合は、混合気の自着火時期を検出することができる。もっとも、大気の温度や湿度などの条件によっては、混合気の自着火時期が早くなることも起こり得る。後述するように、ステップＳ１０８では、このような場合は、着火時期の検出結果に基づいて通電開始時期を変更する処理を行う。
【００５０】
こうして一次側コイル４２ａへの通電開始時期および通電切断時期を設定したら、イオン電流を検出することにより、混合気の自着火時期を検出する（ステップＳ１１０）。かかる処理の内容については、図３および図５を参照しながら既に前述しているので、ここでは説明を省略する。
【００５１】
図８は、イオン電流を検出している様子を概念的に示した説明図である。図中に示したイオン電流波形は、コイル駆動回路４４の抵抗４４ｅでの電圧降下によって発生した負電圧の計測値を示している。通常の条件では、イオン電流は圧縮ＴＤＣ付近で検出される。また、一次側コイル４２ａへの通電を開始したタイミングや、点火プラグ１３６での放電を終了した直後には、イオン電流波形にノイズが重畳している。このように、イオン電流波形には、一次側コイル４２ａへの通電開始に伴うノイズが重畳するので、混合気が自着火するタイミングが早くなると、ノイズの影響を受けてイオン電流の検出が困難となる。例えば、図８中に破線で示した時期にイオン電流が検出された場合、一次側コイル４２ａへの通電開始に伴うノイズの影響を受けて、着火時期を正確に検出することが困難となる。
【００５２】
図６のステップＳ１０８では、この様な場合は、一次側コイル４２ａへの通電開始時期を早める処理を行う。図８の一点鎖線は、こうして通電開始時期が早められた様子を示している。一次側コイル４２ａへの通電開始時期を早めてやれば、ノイズが発生するタイミングも早くなるので、イオン電流を正確に検出することが可能である。もちろん、イオン電流の検出時期が遅くなれば、通電開始時期を遅くしてやればよい。
【００５３】
また、イオン電流は、数サイクル分の電圧降下の計測結果を平均して検出することとしても良い。平均に際しては、単純平均に限らず、サイクル毎に重みを付けて、例えば近いサイクルほど大きな重みで平均することとしてもよい。こうして数サイクル分の計測結果を平均してやれば、サイクル間の変動の影響を受けることなく、混合気の着火時期を安定して検出することが可能となる。
【００５４】
こうして、点火ユニット（ＩＧＵ）４０は、エンジン１０が火花点火運転中、すなわち図６のステップＳ１００で「ｙｅｓ」と判断された場合は、ステップＳ１０２およびステップＳ１０４の処理を行い、一方、エンジン１０が圧縮自着火運転中、すなわちステップＳ１００で「ｎｏ」と判断された場合は、ステップＳ１０６ないしステップＳ１１０の処理をそれぞれ行った後、エンジンの運転停止が指示されていないことを確認する（ステップＳ１１２）。そして、エンジン停止が指示されていなければ（ステップＳ１１２：ｎｏ）、ステップＳ１００に戻って続く一連の処理を繰り返す。一方、エンジン停止が指示された場合には（ステップＳ１１２：ｙｅｓ）、点火ユニットの駆動制御を終了する。
【００５５】
以上に説明したように、点火ユニット（ＩＧＵ）４０は、火花点火運転中に点火プラグ１３６から火花を飛ばすための処理も、圧縮自着火運転中にイオン電流を検出して着火時期を検出するための処理も、適切なタイミングでＩＧＴを出力する点では処理内容は全く同じであり、それぞれの処理は、ＩＧＴを出力開始時期および出力停止時期の設定のみが異なっているに過ぎない。従って、本実施例によれば、エンジンの制御を全く複雑化させることなく、混合気の着火時期を検出することができる。また、図２に示すように、イオン電流を検出するためには、トランジスタとコンデンサと抵抗とをそれぞれ１つずつと、２つの定電圧ダイオードを追加するだけで良く、他の部品は点火プラグ１３６から火花を飛ばすための部品を流用することができるので、この点からもエンジン１０の構造を複雑化することがない。
【００５６】
加えて、本実施例では、着火時期に応じて一次側コイル４２ａへの通電開始時期を変更しているので、ノイズの影響を受けることなくイオン電流を検出することができる。もちろん、図５を用いて説明したように、点火プラグ１３６での放電終了後もイオン電流を検出することは可能であるが、放電終了後に比べて一次側コイルの通電中は、プラグの電極間に高い電圧を印加することができる。従って、着火時期に応じて通電開始時期を変更することで、常に、一次側コイル４２ａの通電中にイオン電流を検出してやれば、それだけ高い感度でイオン電流を検出することが可能となる。
【００５７】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【００５８】
例えば、上述した実施例では、一次側コイル４２ａへの通電開始時期のみを、着火時期に応じて変更しているが、通電開始時期だけでなく通電切断時期も変更することとしてもよい。あるいは、一次側コイル４２ａの通電時間（通電開始から通電切断までの時間）は一定時間に保っておいて、通電切断時期を変更することとしても良い。図９には、このようにして通電開始時期と通電切断時期とを変更している様子を示す説明図である。通常の条件では、イオン電流波形は、図中に実線で示したタイミングで検出される。しかし、着火時期が早くなった場合には、図中で一点鎖線で示したように、通電期間を進めてやることで、ノイズの影響を受けることなくイオン電流を正確に検出することが可能となる。もちろん、イオン電流の検出時期が遅くなった場合は、通電期間を遅らせてやればよい。
【００５９】
このように、一次側コイル４２ａの通電開始時期に合わせて、通電切断時期も変更してやれば、通電開始時期のみを変更した場合に比べて一次側コイル４２ａへの通電時間を短くすることができ、延いてはエンジンの燃料消費効率を改善させることが可能となる。更に、通電時間を一定としておけば、通電開始時期および通電切断時期を決定するための処理を簡素な処理とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の着火時期検出装置を備えたエンジンの構成を示す説明図である。
【図２】本実施例の着火時期検出装置の構成を示す説明図である。
【図３】一次側コイルの通電時に点火プラグの電極間に電圧が印加される様子を示す説明図である。
【図４】一次側コイルの通電切断時に点火プラグの電極間で放電が起きる様子を示す説明図である。
【図５】放電後も点火プラグの電極間に電圧が印加されている様子を示す説明図である。
【図６】混合気の点火あるいは着火時期の検出を行うために点火コイルを駆動する制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】火花運転中に点火プラグで混合気に点火している様子を示す説明図である。
【図８】点火プラグでイオン電流を検出することにより圧縮自着火運転中に着火時期を検出している様子を示す説明図である。
【図９】イオン電流を検出時期に応じて一次側コイルの通電時期を変更している様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１４…燃料噴射弁
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２２…スロットルバルブ
２４…電動アクチュエータ
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角度センサ
３４…アクセルペダル
４０…ＩＧＵ
４２…点火コイル
４２ａ…一次側コイル
４２ｂ…二次側コイル
４４…コイル駆動回路
４４ａ…トランジスタ
４４ｂ…定電圧ダイオード
４４ｃ…定電圧ダイオード
４４ｄ…コンデンサ
４４ｅ…抵抗
６０…バッテリ
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３３…吸気ポート
１３４…排気バルブ
１３５…排気ポート
１３６…点火プラグ
１３６ａ…中心電極
１３６ｂ…周辺電極
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４４…ピストン
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
【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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【図９】
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