JP3869275B2 - 内燃機関のイオン電流検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のイオン電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼状態は車両の走行状態により絶えず変化する。そのため、燃焼時に流れるイオン電流により失火等の異常燃焼を検出し、その検出結果に基づいて点火プラグの点火時期や空燃比等を制御して燃焼状態を良好に保つことが行われている。ここで、内燃機関の燃焼状態を正確に検出することを目的として、特開平９−２５８６７号公報の燃焼状態検出装置が提案されている。同公報の装置では、点火直後において点火プラグの対向電極間に交流電圧を印加してその際に対向電極間を流れる電流を検出する。更に、その検出電流から交流電圧による容量電流成分を除去し、燃焼イオン電流成分のみを抽出するよう構成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、イオン電流は出力レベルが低く、その検出精度を向上させるにはイオン電流の出力レベルを高めることが望まれている。特に希薄燃焼、成層燃焼のエンジンではイオン電流の出力レベルがより低くなり、これらエンジンではイオン電流による失火やノック等の燃焼状態の判定が困難になるという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態を正確に判定することができる内燃機関のイオン電流検出装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン電流検出装置では、内燃機関の燃焼室内において一対の対向電極間に交流電圧が印加され、燃料の燃焼時には交流電圧と同じ周波数で対向電極間に電流が流れる。そして、この対向電極間に流れる電流が電流検出手段により検出される。つまり、燃料の燃焼直後には、内燃機関の燃焼室内に燃焼イオンが発生し、その燃焼イオンにより流れる電流（イオン電流）が検出される。請求項１に記載の発明では特に、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数を、点火コイルの二次側でイオン電流が流れるイオン電流経路の共振周波数にほぼ一致させるようにしたため、イオン電流が流れやすくなり、イオン電流の信号レベルが高くなる。その結果、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態が正確に判定できるようになる。
【０００６】
より具体的な構成としては、請求項２に記載したように、点火コイルの一次側巻線に接続され、通電及び遮断により二次側巻線に高電圧を生じさせるスイッチング素子と、任意の周波数の繰り返し信号を出力する前記交流電圧印加手段としての発振器とを備える。そして、所定の点火信号により前記スイッチング素子を駆動させた後、それに引き続き、前記発振器からの繰り返し信号により前記スイッチング素子を駆動させると良い。この場合、発振器から出力される繰り返し信号の周波数をイオン電流経路の共振周波数にほぼ一致させることにより、前述の通りイオン電流が精度良く検出できる。
【０００７】
請求項３に記載の発明では、イオン電流経路での電流の周波数が計測され、該計測された周波数に基づき前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数が変更される。要するに、イオン電流経路の共振周波数は、ほこりの付着などによる外乱要因により変化することが考えられる。この場合、イオン電流経路での電流の周波数を逐次計測し、その計測周波数に応じて前記交流電圧の周波数を変更すれば、その交流電圧の周波数を常にイオン電流経路の共振周波数に合わせ込むことが可能となる。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、点火後にイオン電流経路に流れる電流の周波数がモニタされ、その電流が振動し始めた時の電流周波数からイオン電流経路の共振周波数が求められる。つまり、点火に伴う放電の終了後には、点火コイルに残る磁気によりイオン電流経路の電流が自由振動の周波数（すなわち、同経路の共振周波数）で振動することから、共振周波数を容易に知り得ることができる。
【０００９】
上記請求項４の発明では請求項５に記載したように、点火後にイオン電流経路に流れる電流が振動し始めた時に前記交流電圧印加手段による交流電圧の印加を開始すると良い。つまり、イオン電流経路の電流が振動し始めたことで放電期間の終了時期を知ることができ、それ以降にイオン電流を検出することで、点火ノイズの影響を削減することができる。
【００１０】
また、請求項６に記載の発明では、点火コイルの一次側巻線に容量素子を直列に接続し、イオン電流検出ゲインが規定範囲となるよう一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を調整した。この場合、対向電極間に流れるイオン電流は点火コイルの静電容量を介して一次側コイルにも流れる。従って、前記の如く点火コイル一次側の共振周波数を調整することでイオン電流を流れやすくすることが可能となり、イオン電流の信号レベルが高くなる。その結果、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態が正確に判定できるようになる。
【００１１】
ところで、内燃機関のノック検出を行う場合、ノック周波数に相当する１０ｋＨｚ弱程度の信号成分の検出が要求される。また、ノック検出時には、請求項９の発明としても記載したように、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数をノック周波数の２倍以上とするのが望ましい。かかる場合、該交流電圧の周波数と点火コイル二次側の共振周波数とを一致させようとすると、点火コイルの二次側巻線のインダクタンスを小さくしなければならず、点火エネルギが縮小されるおそれが生じる。これに対し、上記請求項６の発明では、二次側巻線のインダクタンスを小さくする必要がなく、点火エネルギが確保できるという利点も得られる。つまり本発明では、ノックの高精度検出の効果と点火エネルギ確保の効果とが両立できる。
また、上記請求項６の発明では、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数（点火コイル一次側の共振周波数）と、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数とを同じ周波数にした。この場合、既述の通りノック検出精度が向上する。
【００１２】
因みに、請求項９に記載したように、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数をノック周波数の２倍以上とし、その交流電圧の周期に合わせてイオン電流を計測すれば、実際のノック波形が正しく再現でき、ノックの検出精度がより一層向上する。
【００１３】
上記請求項６の発明では請求項７に記載したように、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を、内燃機関固有のノック周波数に対して一定の割合以上に設定すると良い。この場合、ノック周波数に対して点火コイル一次側の共振周波数が調整され、ノック検出精度が確実に向上する。
【００１４】
より具体的には請求項８に記載したように、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を、内燃機関固有のノック周波数の０．７倍以上にすると良い。その理由を図８の周波数特性を用いて説明する。図８は点火コイル一次側の伝達関数に関する周波数特性を示す図であり、同図によれば、「共振周波数ｆ０×√２」以下の周波数領域では伝達関数が１以上となり、所望のイオン電流検出ゲインが実現できることが分かる。つまり、「ノック周波数≦共振周波数ｆ０×√２」とすることによりノックが高精度に検出できる。これを言い換えれば、「共振周波数ｆ０≧ノック周波数×１／√２（≒ノック周波数×０．７）」であれば良いことが導き出される。なおより望ましくは、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を、内燃機関固有のノック周波数と同等又はそれよりも大きくにすると良い。
【００１６】
また、イオン電流検出装置の詳細な構成として、請求項１０に記載したように、点火コイルの一次側巻線に接続され通電及び遮断により二次側巻線に高電圧を生じさせるスイッチング素子と、任意の周波数の繰り返し信号を出力する前記交流電圧印加手段としての発振器とを備え、所定の点火信号により前記スイッチング素子を駆動させた後、それに引き続き、前記発振器からの繰り返し信号により前記スイッチング素子を駆動させると良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態では、車両用内燃機関の燃焼状態検出装置として本発明を具体化しており、その構成を図１に示す。点火プラグ１０は内燃機関の燃焼室に設けられ、その点火プラグ１０には対向電極１１，１２が設けられている。一方の対向電極（中心電極）１１は、点火コイル２１の二次側巻線２１ｂに接続され、他方の対向電極（接地電極）１２は接地されている。
【００１８】
点火コイル２１において、一次側巻線２１ａの一端は車載バッテリ２２に接続され、他端はスイッチング素子としてのトランジスタ２３のコレクタに接続されている。トランジスタ２３のベースには、ＯＲゲート回路２４を介してＥＣＵ３０より点火信号ＩＧＴが入力され、その点火信号ＩＧＴがＨレベルとなる期間でトランジスタ２３がＯＮする。また、ＯＲゲート回路２４の入力には、交流電圧印加手段としての発振器２５が接続されており、この発振器２５は所定周波数の矩形波信号を発生する。そして、発振器２５からの矩形波信号がＯＲゲート回路２４を介してトランジスタ２３のベースに入力される。
【００１９】
点火コイル２１の二次側巻線２１ｂには、電流検出手段としての電流検出抵抗２６が接続されており、この電流検出抵抗２６にて点火プラグ１０の対向電極１１，１２間を流れる電流が検出される。電流検出抵抗２６による検出結果（電圧値）はサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路２７に入力される。サンプルホールド回路２７は、ＥＣＵ３０より指示される所定のタイミングで電流検出抵抗２６による検出結果（電圧値）をホールドし出力する。
【００２０】
次に、点火動作の概要を図２のタイムチャートを用いて説明する。図２において、ｔ１のタイミングでは、ＥＣＵ３０より点火信号ＩＧＴとして例えば２ｍｓｅｃのＨレベル信号が出力される。すると、トランジスタ２３がＯＮされて一次電流ｉ１が図示の如く流れ、点火コイル２１に点火用エネルギが蓄積される。その後、ｔ２のタイミングで点火信号ＩＧＴがＨレベルからＬレベルに立ち下げられると、電磁誘導により二次側電圧Ｖ２として高電圧が発生し、点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に高電圧が印加される。これにより、該対向電極１１，１２間に火花放電が発生し、燃焼室に導入された燃料混合気が点火され燃焼に供される。
【００２１】
点火後、暫くは放電が継続される（ｔ２〜ｔ３の期間）。そして、ｔ３のタイミングでは、発振器２５による高速の矩形波信号（繰り返し信号）が出力され、その矩形波信号にてトランジスタ２３がＯＮ／ＯＦＦされる。このとき、点火コイル２１の一次側巻線２１ａにバッテリ電圧が断続的に印加され、その電圧印加（交流電圧印加）に伴い、点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に流れるイオン電流が計測される。なお、ｔ３のタイミング直後（放電終了時）には、点火コイル２１に残った磁気により二次側電圧Ｖ２が図示の如く振動する。
【００２２】
ここで本実施の形態では、点火プラグ１０、点火コイル２１の二次側巻線２１ｂ及び電流検出抵抗２６からなるイオン電流経路の共振周波数ｆ０に一致するよう発振器２５による矩形波信号の周波数が設定されている。すなわち、二次側巻線２１ｂのインダクタンスをＬ、イオン電流経路全体の静電容量をＣとすると、イオン電流経路の共振周波数ｆ０は、
ｆ０＝１／（２π√（ＬＣ））
となる。例えば、Ｌ＝５Ｈ、Ｃ＝５０ｐＦの時は共振周波数ｆ０は約１０ｋＨｚとなる。この場合、上記イオン電流経路の共振周波数ｆ０とほぼ同じ周波数で発振器２５から矩形波信号が出力される。
【００２３】
またこの場合、上記イオン電流経路全体の抵抗Ｒは、
Ｑ＝√（Ｌ／Ｃ）／Ｒ
で表される共振の先鋭度（鋭さ）Ｑが１より大きくなるよう設定されている。図３は、イオン電流経路の伝達関数に関する周波数特性を示しており、同図に示すように、共振の先鋭度Ｑの値に応じて電流が流れやすさが変わる。この場合、Ｑ＞１とすることで、共振周波数ｆ０でイオン電流が流れやすくなり、イオン電流の信号レベルが高くなる。
【００２４】
次に、イオン電流計測の概要を図４のタイムチャートを用いて説明する。図４の（ａ）は発振器２５から出力される矩形波信号を示し、（ｂ）は対向電極１１，１２間に印加される交流電圧を示す。つまり、点火コイル２１の二次側巻線２１ｂには矩形波信号の周波数と同じ周波数の高圧の交流電圧が発生し、この交流電圧が点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に印加される。なお、交流電圧は、トランジスタ２３や点火コイル２１の実装状態における浮遊容量により、矩形波信号に比べて波形がなまり且つ位相が常に一定で約９０°遅れる。
【００２５】
（ｃ）は、交流電圧の印加時に点火プラグ１０や点火コイル２１の静電容量を流れる容量電流を示している。この容量電流は、交流電圧の時間微分に比例した電流であって、点火プラグ１０や点火コイル２１を含む回路の電気的定数によってほぼ一義的に決まる。また、（ｄ）は、燃焼イオンの量の増減で変化する燃焼イオン電流を示している。燃焼イオン電流は、振幅が対向電極１１，１２間に存在する燃焼イオンの量に比例し、交流電圧と同位相で振動する。
【００２６】
前述した（ｃ）の容量電流と（ｄ）の燃焼イオン電流との和が対向電極１１，１２間を流れる電流であり、その電流信号を（ｅ）に示す。（ｅ）に示す電流信号は、燃焼時か失火時かで異なる波形を呈し、燃焼時には実線で示す波形となり、失火時には一点鎖線で示す波形となる。そして、この（ｅ）の電流信号がサンプルホールド回路２７に入力される。
【００２７】
ここで、（ａ）の矩形波信号がＨレベルからＬレベルへと変化するタイミング（図の丸数字１のタイミング）では、（ｂ）の交流電圧が最大となるために（ｃ）の容量電流がほぼ０となるのに対し、（ｄ）の燃焼イオン電流が最大となる。このタイミングで、（ｅ）の電流信号がサンプルホールド回路２７でホールドされ、この電流信号により失火等の燃焼状態が判定される。サンプルホールド回路２７によりホールドされた電流信号は容量電流成分を含まないイオン電流成分のみであり、この信号レベルにより燃焼状態が正しく判定できる。つまり、失火時に燃焼イオンが発生しない場合には電流信号がほぼ０になり、結果として失火発生が正確に検出できる。
【００２８】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
発振器２５による交流電圧の周波数をイオン電流経路の共振周波数ｆ０にほぼ一致させたため、イオン電流が流れやすくなる。その結果、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態が正確に判定できるようになる。
【００２９】
特に、共振の先鋭度（鋭さ）Ｑが１より大きくなるようイオン電流経路全体の抵抗Ｒを設定することで、より一層高いレベルのイオン電流信号が得られるようになる。
【００３０】
また、交流電圧が最大となる位相でサンプルホールド回路２７により電流信号をホールドし、その電流信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出するようにした。この場合、電流検出抵抗２６による検出電流から燃焼イオン電流だけが抽出できるので、燃焼状態が正確に検出できる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明における第２の実施の形態について、上述した第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。上記第１の実施の形態では、イオン電流検出用電源である交流電圧の周波数をイオン電流経路の共振周波数ｆ０と同じになるよう固定した。しかしながら、この共振周波数ｆ０は、イオン電流経路の導線にほこり等が付着し静電容量が変化することなどが原因で変動する。そこで本実施の形態では、共振周波数ｆ０の変化に追従させて前記交流電圧の周波数を可変に設定する構成について説明する。
【００３２】
図５は、本実施の形態における燃焼状態検出装置の構成図であり、前記図１との相違点として、周波数カウンタ４０を新たに追加している。この周波数カウンタ４０は周知の周波数計測器であり、電流検出抵抗２６による検出電圧を取り込み、イオン電流経路を流れる電流の周波数（電流周波数ｆ１）を計測する。周波数カウンタ４０の計測結果はＥＣＵ３０に入力され、ＥＣＵ３０では、周波数カウンタ４０の計測結果に基づいて発振器２５の周波数を可変に設定する。
【００３３】
交流電圧の周波数設定の概要を、前記図２のタイムチャートを参照しながら説明する。図２において、点火タイミング直後の放電期間中（図のｔ２〜ｔ３）はイオン電流経路に直流電流（周波数＝０）が流れる。これに対し、放電終了後（図２のｔ３以後）には点火コイル２１に残った磁気によりイオン電流経路に自由振動周波数、すなわち共振周波数ｆ０の交流電流が流れる。
【００３４】
この場合、イオン電流経路に流れる電流が振動し始めることで放電終了の時期が分かり、その放電終了時に周波数カウンタ４０により計測された電流周波数ｆ１がイオン電流経路の共振周波数ｆ０として認定される。そして、ｔ３のタイミング以降、イオン電流経路の共振周波数ｆ０（放電終了時の電流周波数ｆ１）と同じ周波数の矩形波信号が発振器２５より出力される。これにより、前記共振周波数ｆ０と同じ周波数の交流電圧が点火プラグ１０に印加され、イオン電流が精度良く検出されるようになる。
【００３５】
次に、ＥＣＵ３０による交流電圧の周波数設定手順を図６のフローチャートにより説明する。図６において、先ずステップ１０１では、その時々の燃焼気筒について点火タイミングになったか否かを判別し、点火タイミングになったことを条件に後続のステップ１０２に進む。ステップ１０２では、周波数カウンタ４０によりイオン電流経路での電流周波数ｆ１を計測し、その計測結果を取り込む。
【００３６】
その後、ステップ１０３では、前記計測した電流周波数ｆ１が所定の周波数ｆ２を超えたか否かを判別し、電流周波数ｆ１が周波数ｆ２を超えたことを条件にステップ１０４に進む。ここで、ステップ１０３がＹＥＳになることで放電終了時であることが判別される。ステップ１０４では、その時の電流周波数ｆ１をイオン電流経路の共振周波数ｆ０とみなし、その電流周波数ｆ１（＝ｆ０）と同じ周波数信号を発振器２５より出力させる。
【００３７】
以上第２の実施の形態によれば、イオン電流経路での電流の周波数（計測周波数）に基づき発振器２５による交流電圧の周波数を可変に設定するので、種々の外乱要因によりイオン電流経路の共振周波数ｆ０が変化しても、前記交流電圧の周波数を常にイオン電流経路の共振周波数ｆ０に合わせ込むことが可能となる。
【００３８】
点火後にイオン電流経路に流れる電流が振動し始めた時に発振器２５による交流電圧の印加を開始し、それ以降イオン電流を検出するので、点火ノイズの影響を削減することができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）
本実施の形態では、イオン電流の計測値に基づいてノック検出を行うこととしており、内燃機関のノック検出を行う場合、ノック周波数に相当する１０ｋＨｚ弱程度（例えば７ｋＨｚ程度）の信号成分の検出が要求される。また、ノック検出時には、発振器２５（交流電圧印加手段）による交流電圧の周波数をノック周波数の２倍以上とするのが望ましい。かかる場合、上述した実施の形態の如く交流電圧の周波数をイオン電流経路（点火コイル二次側）の共振周波数に合わせ込むようとすると、二次側巻線２１ｂのインダクタンスを小さくしなければならず、点火エネルギが縮小されるおそれが生じる。そこで本実施の形態では、二次側巻線２１ｂのインダクタンスを小さくことなく、イオン電流を感度良く検出し、ひいてはノックの検出精度を向上させる構成を提案する。
【００４０】
因みに、発振器２５による交流電圧の周波数をノック周波数の２倍以上とし、その交流電圧の周期に合わせてイオン電流を計測すれば、実際のノック波形が正しく再現できる。つまり、本実施の形態では交流電圧の周期に合わせてイオン電流を計測する構成としている。この場合、図１０（ａ）に示すように交流電圧の周波数がノック周波数とほぼ同じであると、実際のノック波形とは異なる計測結果が得られることとなる。これに対し、（ｂ）に示すように交流電圧の周波数がノック周波数に対して十分に大きいと、概ね実際のノック波形が再現できる。
【００４１】
図７は本実施の形態における燃焼状態検出装置の構成図であり、前記図１との相違点として、点火コイル２１の一次側巻線２１ａにコンデンサ５１が直列に接続されている。また、一次側巻線２１ａとトランジスタ２３との間に電圧調整抵抗５２が接続されている。
【００４２】
ここで、コンデンサ５１は点火コイル一次側の共振周波数を調整するための容量素子であり、その静電容量をＣ、一次側巻線２１ａのインダクタンスをＬ１とした場合、点火コイル一次側の共振周波数ｆ０は、
ｆ０＝１／（２π√（Ｌ１・Ｃ））
となる。例えば、Ｌ１＝３ｍＨ、Ｃ＝１０ｎＦの場合、共振周波数ｆ０は約３０ｋＨｚとなる。また本実施の形態では、点火コイル一次側の共振周波数ｆ０と、発振器２５による交流電圧の周波数とを同じ周波数にしており、上記共振周波数ｆ０とほぼ同じ周波数で発振器２５から矩形波信号（交流電圧）が出力される。なお、二次側巻線２１ｂのインダクタンスは点火エネルギを確保するために十分に大きく、１８Ｈである。
【００４３】
電圧調整抵抗５２は、交流電圧の周波数が３０ｋＨｚの時に二次側巻線２１ｂの電圧振幅が点火プラグ１０での放電を生じさせない電圧値以下、例えば３００Ｖ以下になるよう抵抗値が設定されている。
【００４４】
上記構成において、点火プラグ１０での点火放電後に発振器２５による交流電圧が印加されると、点火プラグ１０、点火コイル２１の静電容量５３，５４、一次側巻線２１ａ、電流検出抵抗２６を介してイオン電流が計測される。
【００４５】
この場合、上記の通り点火コイル一次側の共振周波数ｆ０を約３０ｋＨｚとすると、該共振周波数ｆ０が内燃機関固有のノック周波数（７ｋＨｚ程度）に対して０．７倍以上に調整されることとなり、ノックが精度良く検出できるようになる。その理由を図８の周波数特性を用いて説明する。図８によれば、「共振周波数ｆ０×√２」以下の周波数領域では伝達関数が１以上となり、所望のイオン電流検出ゲインが実現できることが分かる。つまり、「ノック周波数≦共振周波数ｆ０×√２」とすることによりノックが高精度に検出できる。これを言い換えれば、「共振周波数ｆ０≧ノック周波数×１／√２（≒ノック周波数×０．７）」であれば良いことが導き出される。
【００４６】
図９は、（ａ）がイオン電流の生波形を示し、（ｂ）が６〜８ｋＨｚのバンドパスフィルタ通過後のノック周波数成分を示す。この場合、イオン電流生波形の信号レベルをＩｓ、ノック周波数成分の信号レベルをＩｆとし、それら信号レベルについて、コンデンサ５１による共振周波数の調整を行ってないものと、コンデンサ５１による共振周波数の調整を行ったものとを比較した。
【００４７】
コンデンサ５１による共振周波数の調整を行ってないものは７ｋＨｚ程度のノック周波数に追従できず、ノック周波数成分の信号レベルＩｆはイオン電流生波形（主に低周波成分）の信号レベルＩｓの半分以下となった。これに対し、コンデンサ５１による共振周波数の調整を行ったものは７ｋＨｚ程度のノック周波数に追従でき、ノック周波数成分の信号レベルＩｆはイオン電流生波形（主に低周波成分）の信号レベルＩｓとほぼ同レベルであった。
【００４８】
以上第３の実施の形態によれば、イオン電流検出ゲインが規定範囲（伝達関数≧１）となるように点火コイル一次側の共振周波数ｆ０が調整されるので、イオン電流を流れやすくすることが可能となり、イオン電流の信号レベルが高くなる。その結果、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態が正確に判定できるようになる。
【００４９】
また本実施の形態では、二次側巻線２１ｂのインダクタンスを小さくする必要がなく、点火エネルギが確保できるという利点も得られる。つまり本実施の形態の装置では、ノックの高精度検出の効果と点火エネルギ確保の効果とが両立できる。
【００５０】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記第１，第２の実施の形態において、発振器２５の周波数を段階的に変更する構成としても良い。例えば、イオン電流経路での電流周波数（計測周波数）や点火装置の外乱要因等に応じて、同周波数を２段階、３段階などで切り替える構成とする。
【００５１】
上記実施の形態では、交流電圧印加手段としての発振器２５を点火コイル２１の一次側に設けたが、この交流電圧印加手段を点火コイル２１の二次側に設けても良い。この場合にも、交流電圧印加手段による交流電圧の周波数をイオン電流経路の共振周波数にほぼ一致させることにより、イオン電流の検出精度が向する。
【００５２】
上記第３の実施の形態では、点火コイル一次側の共振周波数ｆ０を内燃機関固有のノック周波数に対して０．７倍以上（１／√２以上）に調整したが、その構成を変更する。つまり、上記図８の特性図において、共振周波数ｆ０よりも高周波側では検出ゲイン（伝達関数）が減衰するが、その減衰の傾きは電圧調整抵抗５２の抵抗値に応じて変わる。例えば電圧調整抵抗５２の抵抗値が大きくなると傾きが緩やかになる。また、イオン電流検出ゲイン（伝達関数）の規定範囲も１以上でなく、より拡張することも可能である。従って、点火コイル一次側の共振周波数ｆ０を、内燃機関固有のノック周波数に対してｎ倍（一定の割合）に設定する構成としても良い。この場合、ｎは０．７付近かそれ以上の値である。何れにしても、ノック周波数に対して点火コイル一次側の共振周波数が調整されることで、ノック検出精度が確実に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における燃焼状態検出装置の概要を示す構成図。
【図２】点火動作を説明するためのタイムチャート。
【図３】イオン電流経路の伝達関数に関する周波数特性を示す図。
【図４】イオン電流の検出動作を説明するためのタイムチャート。
【図５】第２の実施の形態における燃焼状態検出装置を示す構成図。
【図６】交流電圧の周波数設定手順を示すフローチャート。
【図７】第３の実施の形態における燃焼状態検出装置を示す構成図。
【図８】点火コイル一次側の伝達関数に関する周波数特性を示す図。
【図９】イオン電流生波形とノック周波数成分とを示すタイムチャート。
【図１０】交流電圧とノック波形と示すタイムチャート。
【符号の説明】
１０…点火プラグ、１１，１２…対向電極、２１…点火コイル、２１ａ…一次側巻線、２１ｂ…二次側巻線、２３…トランジスタ、２５…発振器、２６…電流検出抵抗、３０…ＥＣＵ、４０…周波数カウンタ、５１…コンデンサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のイオン電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼状態は車両の走行状態により絶えず変化する。そのため、燃焼時に流れるイオン電流により失火等の異常燃焼を検出し、その検出結果に基づいて点火プラグの点火時期や空燃比等を制御して燃焼状態を良好に保つことが行われている。ここで、内燃機関の燃焼状態を正確に検出することを目的として、特開平９−２５８６７号公報の燃焼状態検出装置が提案されている。同公報の装置では、点火直後において点火プラグの対向電極間に交流電圧を印加してその際に対向電極間を流れる電流を検出する。更に、その検出電流から交流電圧による容量電流成分を除去し、燃焼イオン電流成分のみを抽出するよう構成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、イオン電流は出力レベルが低く、その検出精度を向上させるにはイオン電流の出力レベルを高めることが望まれている。特に希薄燃焼、成層燃焼のエンジンではイオン電流の出力レベルがより低くなり、これらエンジンではイオン電流による失火やノック等の燃焼状態の判定が困難になるという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態を正確に判定することができる内燃機関のイオン電流検出装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン電流検出装置では、内燃機関の燃焼室内において一対の対向電極間に交流電圧が印加され、燃料の燃焼時には交流電圧と同じ周波数で対向電極間に電流が流れる。そして、この対向電極間に流れる電流が電流検出手段により検出される。つまり、燃料の燃焼直後には、内燃機関の燃焼室内に燃焼イオンが発生し、その燃焼イオンにより流れる電流（イオン電流）が検出される。請求項１に記載の発明では特に、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数を、点火コイルの二次側でイオン電流が流れるイオン電流経路の共振周波数にほぼ一致させるようにしたため、イオン電流が流れやすくなり、イオン電流の信号レベルが高くなる。その結果、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態が正確に判定できるようになる。
【０００６】
より具体的な構成としては、請求項２に記載したように、点火コイルの一次側巻線に接続され、通電及び遮断により二次側巻線に高電圧を生じさせるスイッチング素子と、任意の周波数の繰り返し信号を出力する前記交流電圧印加手段としての発振器とを備える。そして、所定の点火信号により前記スイッチング素子を駆動させた後、それに引き続き、前記発振器からの繰り返し信号により前記スイッチング素子を駆動させると良い。この場合、発振器から出力される繰り返し信号の周波数をイオン電流経路の共振周波数にほぼ一致させることにより、前述の通りイオン電流が精度良く検出できる。
【０００７】
請求項３に記載の発明では、イオン電流経路での電流の周波数が計測され、該計測された周波数に基づき前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数が変更される。要するに、イオン電流経路の共振周波数は、ほこりの付着などによる外乱要因により変化することが考えられる。この場合、イオン電流経路での電流の周波数を逐次計測し、その計測周波数に応じて前記交流電圧の周波数を変更すれば、その交流電圧の周波数を常にイオン電流経路の共振周波数に合わせ込むことが可能となる。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、点火後にイオン電流経路に流れる電流の周波数がモニタされ、その電流が振動し始めた時の電流周波数からイオン電流経路の共振周波数が求められる。つまり、点火に伴う放電の終了後には、点火コイルに残る磁気によりイオン電流経路の電流が自由振動の周波数（すなわち、同経路の共振周波数）で振動することから、共振周波数を容易に知り得ることができる。
【０００９】
上記請求項４の発明では請求項５に記載したように、点火後にイオン電流経路に流れる電流が振動し始めた時に前記交流電圧印加手段による交流電圧の印加を開始すると良い。つまり、イオン電流経路の電流が振動し始めたことで放電期間の終了時期を知ることができ、それ以降にイオン電流を検出することで、点火ノイズの影響を削減することができる。
【００１０】
また、請求項６に記載の発明では、点火コイルの一次側巻線に容量素子を直列に接続し、イオン電流検出ゲインが規定範囲となるよう一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を調整した。この場合、対向電極間に流れるイオン電流は点火コイルの静電容量を介して一次側コイルにも流れる。従って、前記の如く点火コイル一次側の共振周波数を調整することでイオン電流を流れやすくすることが可能となり、イオン電流の信号レベルが高くなる。その結果、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態が正確に判定できるようになる。
【００１１】
ところで、内燃機関のノック検出を行う場合、ノック周波数に相当する１０ｋＨｚ弱程度の信号成分の検出が要求される。また、ノック検出時には、請求項９の発明としても記載したように、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数をノック周波数の２倍以上とするのが望ましい。かかる場合、該交流電圧の周波数と点火コイル二次側の共振周波数とを一致させようとすると、点火コイルの二次側巻線のインダクタンスを小さくしなければならず、点火エネルギが縮小されるおそれが生じる。これに対し、上記請求項６の発明では、二次側巻線のインダクタンスを小さくする必要がなく、点火エネルギが確保できるという利点も得られる。つまり本発明では、ノックの高精度検出の効果と点火エネルギ確保の効果とが両立できる。
また、上記請求項６の発明では、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数（点火コイル一次側の共振周波数）と、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数とを同じ周波数にした。この場合、既述の通りノック検出精度が向上する。
【００１２】
因みに、請求項９に記載したように、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数をノック周波数の２倍以上とし、その交流電圧の周期に合わせてイオン電流を計測すれば、実際のノック波形が正しく再現でき、ノックの検出精度がより一層向上する。
【００１３】
上記請求項６の発明では請求項７に記載したように、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を、内燃機関固有のノック周波数に対して一定の割合以上に設定すると良い。この場合、ノック周波数に対して点火コイル一次側の共振周波数が調整され、ノック検出精度が確実に向上する。
【００１４】
より具体的には請求項８に記載したように、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を、内燃機関固有のノック周波数の０．７倍以上にすると良い。その理由を図８の周波数特性を用いて説明する。図８は点火コイル一次側の伝達関数に関する周波数特性を示す図であり、同図によれば、「共振周波数ｆ０×√２」以下の周波数領域では伝達関数が１以上となり、所望のイオン電流検出ゲインが実現できることが分かる。つまり、「ノック周波数≦共振周波数ｆ０×√２」とすることによりノックが高精度に検出できる。これを言い換えれば、「共振周波数ｆ０≧ノック周波数×１／√２（≒ノック周波数×０．７）」であれば良いことが導き出される。なおより望ましくは、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を、内燃機関固有のノック周波数と同等又はそれよりも大きくにすると良い。
【００１６】
また、イオン電流検出装置の詳細な構成として、請求項１０に記載したように、点火コイルの一次側巻線に接続され通電及び遮断により二次側巻線に高電圧を生じさせるスイッチング素子と、任意の周波数の繰り返し信号を出力する前記交流電圧印加手段としての発振器とを備え、所定の点火信号により前記スイッチング素子を駆動させた後、それに引き続き、前記発振器からの繰り返し信号により前記スイッチング素子を駆動させると良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態では、車両用内燃機関の燃焼状態検出装置として本発明を具体化しており、その構成を図１に示す。点火プラグ１０は内燃機関の燃焼室に設けられ、その点火プラグ１０には対向電極１１，１２が設けられている。一方の対向電極（中心電極）１１は、点火コイル２１の二次側巻線２１ｂに接続され、他方の対向電極（接地電極）１２は接地されている。
【００１８】
点火コイル２１において、一次側巻線２１ａの一端は車載バッテリ２２に接続され、他端はスイッチング素子としてのトランジスタ２３のコレクタに接続されている。トランジスタ２３のベースには、ＯＲゲート回路２４を介してＥＣＵ３０より点火信号ＩＧＴが入力され、その点火信号ＩＧＴがＨレベルとなる期間でトランジスタ２３がＯＮする。また、ＯＲゲート回路２４の入力には、交流電圧印加手段としての発振器２５が接続されており、この発振器２５は所定周波数の矩形波信号を発生する。そして、発振器２５からの矩形波信号がＯＲゲート回路２４を介してトランジスタ２３のベースに入力される。
【００１９】
点火コイル２１の二次側巻線２１ｂには、電流検出手段としての電流検出抵抗２６が接続されており、この電流検出抵抗２６にて点火プラグ１０の対向電極１１，１２間を流れる電流が検出される。電流検出抵抗２６による検出結果（電圧値）はサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路２７に入力される。サンプルホールド回路２７は、ＥＣＵ３０より指示される所定のタイミングで電流検出抵抗２６による検出結果（電圧値）をホールドし出力する。
【００２０】
次に、点火動作の概要を図２のタイムチャートを用いて説明する。図２において、ｔ１のタイミングでは、ＥＣＵ３０より点火信号ＩＧＴとして例えば２ｍｓｅｃのＨレベル信号が出力される。すると、トランジスタ２３がＯＮされて一次電流ｉ１が図示の如く流れ、点火コイル２１に点火用エネルギが蓄積される。その後、ｔ２のタイミングで点火信号ＩＧＴがＨレベルからＬレベルに立ち下げられると、電磁誘導により二次側電圧Ｖ２として高電圧が発生し、点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に高電圧が印加される。これにより、該対向電極１１，１２間に火花放電が発生し、燃焼室に導入された燃料混合気が点火され燃焼に供される。
【００２１】
点火後、暫くは放電が継続される（ｔ２〜ｔ３の期間）。そして、ｔ３のタイミングでは、発振器２５による高速の矩形波信号（繰り返し信号）が出力され、その矩形波信号にてトランジスタ２３がＯＮ／ＯＦＦされる。このとき、点火コイル２１の一次側巻線２１ａにバッテリ電圧が断続的に印加され、その電圧印加（交流電圧印加）に伴い、点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に流れるイオン電流が計測される。なお、ｔ３のタイミング直後（放電終了時）には、点火コイル２１に残った磁気により二次側電圧Ｖ２が図示の如く振動する。
【００２２】
ここで本実施の形態では、点火プラグ１０、点火コイル２１の二次側巻線２１ｂ及び電流検出抵抗２６からなるイオン電流経路の共振周波数ｆ０に一致するよう発振器２５による矩形波信号の周波数が設定されている。すなわち、二次側巻線２１ｂのインダクタンスをＬ、イオン電流経路全体の静電容量をＣとすると、イオン電流経路の共振周波数ｆ０は、
ｆ０＝１／（２π√（ＬＣ））
となる。例えば、Ｌ＝５Ｈ、Ｃ＝５０ｐＦの時は共振周波数ｆ０は約１０ｋＨｚとなる。この場合、上記イオン電流経路の共振周波数ｆ０とほぼ同じ周波数で発振器２５から矩形波信号が出力される。
【００２３】
またこの場合、上記イオン電流経路全体の抵抗Ｒは、
Ｑ＝√（Ｌ／Ｃ）／Ｒ
で表される共振の先鋭度（鋭さ）Ｑが１より大きくなるよう設定されている。図３は、イオン電流経路の伝達関数に関する周波数特性を示しており、同図に示すように、共振の先鋭度Ｑの値に応じて電流が流れやすさが変わる。この場合、Ｑ＞１とすることで、共振周波数ｆ０でイオン電流が流れやすくなり、イオン電流の信号レベルが高くなる。
【００２４】
次に、イオン電流計測の概要を図４のタイムチャートを用いて説明する。図４の（ａ）は発振器２５から出力される矩形波信号を示し、（ｂ）は対向電極１１，１２間に印加される交流電圧を示す。つまり、点火コイル２１の二次側巻線２１ｂには矩形波信号の周波数と同じ周波数の高圧の交流電圧が発生し、この交流電圧が点火プラグ１０の対向電極１１，１２間に印加される。なお、交流電圧は、トランジスタ２３や点火コイル２１の実装状態における浮遊容量により、矩形波信号に比べて波形がなまり且つ位相が常に一定で約９０°遅れる。
【００２５】
（ｃ）は、交流電圧の印加時に点火プラグ１０や点火コイル２１の静電容量を流れる容量電流を示している。この容量電流は、交流電圧の時間微分に比例した電流であって、点火プラグ１０や点火コイル２１を含む回路の電気的定数によってほぼ一義的に決まる。また、（ｄ）は、燃焼イオンの量の増減で変化する燃焼イオン電流を示している。燃焼イオン電流は、振幅が対向電極１１，１２間に存在する燃焼イオンの量に比例し、交流電圧と同位相で振動する。
【００２６】
前述した（ｃ）の容量電流と（ｄ）の燃焼イオン電流との和が対向電極１１，１２間を流れる電流であり、その電流信号を（ｅ）に示す。（ｅ）に示す電流信号は、燃焼時か失火時かで異なる波形を呈し、燃焼時には実線で示す波形となり、失火時には一点鎖線で示す波形となる。そして、この（ｅ）の電流信号がサンプルホールド回路２７に入力される。
【００２７】
ここで、（ａ）の矩形波信号がＨレベルからＬレベルへと変化するタイミング（図の丸数字１のタイミング）では、（ｂ）の交流電圧が最大となるために（ｃ）の容量電流がほぼ０となるのに対し、（ｄ）の燃焼イオン電流が最大となる。このタイミングで、（ｅ）の電流信号がサンプルホールド回路２７でホールドされ、この電流信号により失火等の燃焼状態が判定される。サンプルホールド回路２７によりホールドされた電流信号は容量電流成分を含まないイオン電流成分のみであり、この信号レベルにより燃焼状態が正しく判定できる。つまり、失火時に燃焼イオンが発生しない場合には電流信号がほぼ０になり、結果として失火発生が正確に検出できる。
【００２８】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
発振器２５による交流電圧の周波数をイオン電流経路の共振周波数ｆ０にほぼ一致させたため、イオン電流が流れやすくなる。その結果、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態が正確に判定できるようになる。
【００２９】
特に、共振の先鋭度（鋭さ）Ｑが１より大きくなるようイオン電流経路全体の抵抗Ｒを設定することで、より一層高いレベルのイオン電流信号が得られるようになる。
【００３０】
また、交流電圧が最大となる位相でサンプルホールド回路２７により電流信号をホールドし、その電流信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出するようにした。この場合、電流検出抵抗２６による検出電流から燃焼イオン電流だけが抽出できるので、燃焼状態が正確に検出できる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明における第２の実施の形態について、上述した第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。上記第１の実施の形態では、イオン電流検出用電源である交流電圧の周波数をイオン電流経路の共振周波数ｆ０と同じになるよう固定した。しかしながら、この共振周波数ｆ０は、イオン電流経路の導線にほこり等が付着し静電容量が変化することなどが原因で変動する。そこで本実施の形態では、共振周波数ｆ０の変化に追従させて前記交流電圧の周波数を可変に設定する構成について説明する。
【００３２】
図５は、本実施の形態における燃焼状態検出装置の構成図であり、前記図１との相違点として、周波数カウンタ４０を新たに追加している。この周波数カウンタ４０は周知の周波数計測器であり、電流検出抵抗２６による検出電圧を取り込み、イオン電流経路を流れる電流の周波数（電流周波数ｆ１）を計測する。周波数カウンタ４０の計測結果はＥＣＵ３０に入力され、ＥＣＵ３０では、周波数カウンタ４０の計測結果に基づいて発振器２５の周波数を可変に設定する。
【００３３】
交流電圧の周波数設定の概要を、前記図２のタイムチャートを参照しながら説明する。図２において、点火タイミング直後の放電期間中（図のｔ２〜ｔ３）はイオン電流経路に直流電流（周波数＝０）が流れる。これに対し、放電終了後（図２のｔ３以後）には点火コイル２１に残った磁気によりイオン電流経路に自由振動周波数、すなわち共振周波数ｆ０の交流電流が流れる。
【００３４】
この場合、イオン電流経路に流れる電流が振動し始めることで放電終了の時期が分かり、その放電終了時に周波数カウンタ４０により計測された電流周波数ｆ１がイオン電流経路の共振周波数ｆ０として認定される。そして、ｔ３のタイミング以降、イオン電流経路の共振周波数ｆ０（放電終了時の電流周波数ｆ１）と同じ周波数の矩形波信号が発振器２５より出力される。これにより、前記共振周波数ｆ０と同じ周波数の交流電圧が点火プラグ１０に印加され、イオン電流が精度良く検出されるようになる。
【００３５】
次に、ＥＣＵ３０による交流電圧の周波数設定手順を図６のフローチャートにより説明する。図６において、先ずステップ１０１では、その時々の燃焼気筒について点火タイミングになったか否かを判別し、点火タイミングになったことを条件に後続のステップ１０２に進む。ステップ１０２では、周波数カウンタ４０によりイオン電流経路での電流周波数ｆ１を計測し、その計測結果を取り込む。
【００３６】
その後、ステップ１０３では、前記計測した電流周波数ｆ１が所定の周波数ｆ２を超えたか否かを判別し、電流周波数ｆ１が周波数ｆ２を超えたことを条件にステップ１０４に進む。ここで、ステップ１０３がＹＥＳになることで放電終了時であることが判別される。ステップ１０４では、その時の電流周波数ｆ１をイオン電流経路の共振周波数ｆ０とみなし、その電流周波数ｆ１（＝ｆ０）と同じ周波数信号を発振器２５より出力させる。
【００３７】
以上第２の実施の形態によれば、イオン電流経路での電流の周波数（計測周波数）に基づき発振器２５による交流電圧の周波数を可変に設定するので、種々の外乱要因によりイオン電流経路の共振周波数ｆ０が変化しても、前記交流電圧の周波数を常にイオン電流経路の共振周波数ｆ０に合わせ込むことが可能となる。
【００３８】
点火後にイオン電流経路に流れる電流が振動し始めた時に発振器２５による交流電圧の印加を開始し、それ以降イオン電流を検出するので、点火ノイズの影響を削減することができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）
本実施の形態では、イオン電流の計測値に基づいてノック検出を行うこととしており、内燃機関のノック検出を行う場合、ノック周波数に相当する１０ｋＨｚ弱程度（例えば７ｋＨｚ程度）の信号成分の検出が要求される。また、ノック検出時には、発振器２５（交流電圧印加手段）による交流電圧の周波数をノック周波数の２倍以上とするのが望ましい。かかる場合、上述した実施の形態の如く交流電圧の周波数をイオン電流経路（点火コイル二次側）の共振周波数に合わせ込むようとすると、二次側巻線２１ｂのインダクタンスを小さくしなければならず、点火エネルギが縮小されるおそれが生じる。そこで本実施の形態では、二次側巻線２１ｂのインダクタンスを小さくことなく、イオン電流を感度良く検出し、ひいてはノックの検出精度を向上させる構成を提案する。
【００４０】
因みに、発振器２５による交流電圧の周波数をノック周波数の２倍以上とし、その交流電圧の周期に合わせてイオン電流を計測すれば、実際のノック波形が正しく再現できる。つまり、本実施の形態では交流電圧の周期に合わせてイオン電流を計測する構成としている。この場合、図１０（ａ）に示すように交流電圧の周波数がノック周波数とほぼ同じであると、実際のノック波形とは異なる計測結果が得られることとなる。これに対し、（ｂ）に示すように交流電圧の周波数がノック周波数に対して十分に大きいと、概ね実際のノック波形が再現できる。
【００４１】
図７は本実施の形態における燃焼状態検出装置の構成図であり、前記図１との相違点として、点火コイル２１の一次側巻線２１ａにコンデンサ５１が直列に接続されている。また、一次側巻線２１ａとトランジスタ２３との間に電圧調整抵抗５２が接続されている。
【００４２】
ここで、コンデンサ５１は点火コイル一次側の共振周波数を調整するための容量素子であり、その静電容量をＣ、一次側巻線２１ａのインダクタンスをＬ１とした場合、点火コイル一次側の共振周波数ｆ０は、
ｆ０＝１／（２π√（Ｌ１・Ｃ））
となる。例えば、Ｌ１＝３ｍＨ、Ｃ＝１０ｎＦの場合、共振周波数ｆ０は約３０ｋＨｚとなる。また本実施の形態では、点火コイル一次側の共振周波数ｆ０と、発振器２５による交流電圧の周波数とを同じ周波数にしており、上記共振周波数ｆ０とほぼ同じ周波数で発振器２５から矩形波信号（交流電圧）が出力される。なお、二次側巻線２１ｂのインダクタンスは点火エネルギを確保するために十分に大きく、１８Ｈである。
【００４３】
電圧調整抵抗５２は、交流電圧の周波数が３０ｋＨｚの時に二次側巻線２１ｂの電圧振幅が点火プラグ１０での放電を生じさせない電圧値以下、例えば３００Ｖ以下になるよう抵抗値が設定されている。
【００４４】
上記構成において、点火プラグ１０での点火放電後に発振器２５による交流電圧が印加されると、点火プラグ１０、点火コイル２１の静電容量５３，５４、一次側巻線２１ａ、電流検出抵抗２６を介してイオン電流が計測される。
【００４５】
この場合、上記の通り点火コイル一次側の共振周波数ｆ０を約３０ｋＨｚとすると、該共振周波数ｆ０が内燃機関固有のノック周波数（７ｋＨｚ程度）に対して０．７倍以上に調整されることとなり、ノックが精度良く検出できるようになる。その理由を図８の周波数特性を用いて説明する。図８によれば、「共振周波数ｆ０×√２」以下の周波数領域では伝達関数が１以上となり、所望のイオン電流検出ゲインが実現できることが分かる。つまり、「ノック周波数≦共振周波数ｆ０×√２」とすることによりノックが高精度に検出できる。これを言い換えれば、「共振周波数ｆ０≧ノック周波数×１／√２（≒ノック周波数×０．７）」であれば良いことが導き出される。
【００４６】
図９は、（ａ）がイオン電流の生波形を示し、（ｂ）が６〜８ｋＨｚのバンドパスフィルタ通過後のノック周波数成分を示す。この場合、イオン電流生波形の信号レベルをＩｓ、ノック周波数成分の信号レベルをＩｆとし、それら信号レベルについて、コンデンサ５１による共振周波数の調整を行ってないものと、コンデンサ５１による共振周波数の調整を行ったものとを比較した。
【００４７】
コンデンサ５１による共振周波数の調整を行ってないものは７ｋＨｚ程度のノック周波数に追従できず、ノック周波数成分の信号レベルＩｆはイオン電流生波形（主に低周波成分）の信号レベルＩｓの半分以下となった。これに対し、コンデンサ５１による共振周波数の調整を行ったものは７ｋＨｚ程度のノック周波数に追従でき、ノック周波数成分の信号レベルＩｆはイオン電流生波形（主に低周波成分）の信号レベルＩｓとほぼ同レベルであった。
【００４８】
以上第３の実施の形態によれば、イオン電流検出ゲインが規定範囲（伝達関数≧１）となるように点火コイル一次側の共振周波数ｆ０が調整されるので、イオン電流を流れやすくすることが可能となり、イオン電流の信号レベルが高くなる。その結果、イオン電流の検出精度を向上させ、ひいては燃焼状態が正確に判定できるようになる。
【００４９】
また本実施の形態では、二次側巻線２１ｂのインダクタンスを小さくする必要がなく、点火エネルギが確保できるという利点も得られる。つまり本実施の形態の装置では、ノックの高精度検出の効果と点火エネルギ確保の効果とが両立できる。
【００５０】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記第１，第２の実施の形態において、発振器２５の周波数を段階的に変更する構成としても良い。例えば、イオン電流経路での電流周波数（計測周波数）や点火装置の外乱要因等に応じて、同周波数を２段階、３段階などで切り替える構成とする。
【００５１】
上記実施の形態では、交流電圧印加手段としての発振器２５を点火コイル２１の一次側に設けたが、この交流電圧印加手段を点火コイル２１の二次側に設けても良い。この場合にも、交流電圧印加手段による交流電圧の周波数をイオン電流経路の共振周波数にほぼ一致させることにより、イオン電流の検出精度が向する。
【００５２】
上記第３の実施の形態では、点火コイル一次側の共振周波数ｆ０を内燃機関固有のノック周波数に対して０．７倍以上（１／√２以上）に調整したが、その構成を変更する。つまり、上記図８の特性図において、共振周波数ｆ０よりも高周波側では検出ゲイン（伝達関数）が減衰するが、その減衰の傾きは電圧調整抵抗５２の抵抗値に応じて変わる。例えば電圧調整抵抗５２の抵抗値が大きくなると傾きが緩やかになる。また、イオン電流検出ゲイン（伝達関数）の規定範囲も１以上でなく、より拡張することも可能である。従って、点火コイル一次側の共振周波数ｆ０を、内燃機関固有のノック周波数に対してｎ倍（一定の割合）に設定する構成としても良い。この場合、ｎは０．７付近かそれ以上の値である。何れにしても、ノック周波数に対して点火コイル一次側の共振周波数が調整されることで、ノック検出精度が確実に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における燃焼状態検出装置の概要を示す構成図。
【図２】点火動作を説明するためのタイムチャート。
【図３】イオン電流経路の伝達関数に関する周波数特性を示す図。
【図４】イオン電流の検出動作を説明するためのタイムチャート。
【図５】第２の実施の形態における燃焼状態検出装置を示す構成図。
【図６】交流電圧の周波数設定手順を示すフローチャート。
【図７】第３の実施の形態における燃焼状態検出装置を示す構成図。
【図８】点火コイル一次側の伝達関数に関する周波数特性を示す図。
【図９】イオン電流生波形とノック周波数成分とを示すタイムチャート。
【図１０】交流電圧とノック波形と示すタイムチャート。
【符号の説明】
１０…点火プラグ、１１，１２…対向電極、２１…点火コイル、２１ａ…一次側巻線、２１ｂ…二次側巻線、２３…トランジスタ、２５…発振器、２６…電流検出抵抗、３０…ＥＣＵ、４０…周波数カウンタ、５１…コンデンサ。
Claims (10)
- 一次側巻線及び二次側巻線からなる点火コイルと、内燃機関の燃焼室に設けられ前記点火コイルの二次側巻線に接続された一対の対向電極と、前記対向電極間に交流電圧を印加するための交流電圧印加手段と、前記対向電極間に流れる電流を検出するための電流検出手段と、を備える内燃機関のイオン電流検出装置において、
前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数を、点火コイルの二次側でイオン電流が流れるイオン電流経路の共振周波数にほぼ一致させるようにしたことを特徴とする内燃機関のイオン電流検出装置。 - 点火コイルの一次側巻線に接続され通電及び遮断により二次側巻線に高電圧を生じさせるスイッチング素子と、任意の周波数の繰り返し信号を出力する前記交流電圧印加手段としての発振器とを備え、所定の点火信号により前記スイッチング素子を駆動させた後、それに引き続き、前記発振器からの繰り返し信号により前記スイッチング素子を駆動させる請求項１に記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
- 前記イオン電流経路での電流の周波数を計測する手段と、該計測した周波数に基づき前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数を変更する手段とを備える請求項１又は２に記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
- 点火後にイオン電流経路に流れる電流の周波数をモニタし、その電流が振動し始めた時の電流周波数からイオン電流経路の共振周波数を求める請求項３に記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
- 請求項４に記載の内燃機関のイオン電流検出装置において、点火後にイオン電流経路に流れる電流が振動し始めた時に前記交流電圧印加手段による交流電圧の印加を開始する内燃機関のイオン電流検出装置。
- 一次側巻線及び二次側巻線からなる点火コイルと、内燃機関の燃焼室に設けられ前記点火コイルの二次側巻線に接続された一対の対向電極と、前記対向電極間に交流電圧を印加するための交流電圧印加手段と、前記対向電極間に流れる電流を検出するための電流検出手段と、を備える内燃機関のイオン電流検出装置において、
点火コイルの一次側巻線に容量素子を直列に接続し、イオン電流検出ゲインが規定範囲となるよう一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を調整し、一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数と、前記交流電圧印加手段による交流電圧の周波数とを同じ周波数としたことを特徴とする内燃機関のイオン電流検出装置。 - 一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を、内燃機関固有のノック周波数に対して一定の割合以上に設定した請求項６に記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
- 一次側巻線のインダクタンスと前記容量素子の静電容量とで決まる共振周波数を、内燃機関固有のノック周波数の０．７倍以上とした請求項６に記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
- 前記交流電圧印加手段による交流電圧の周期に合わせてイオン電流を計測するイオン電流検出装置であって、該交流電圧の周波数を、内燃機関固有のノック周波数の２倍以上とした請求項６乃至８の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
- 点火コイルの一次側巻線に接続され通電及び遮断により二次側巻線に高電圧を生じさせるスイッチング素子と、任意の周波数の繰り返し信号を出力する前記交流電圧印加手段としての発振器とを備え、所定の点火信号により前記スイッチング素子を駆動させた後、それに引き続き、前記発振器からの繰り返し信号により前記スイッチング素子を駆動させる請求項６乃至９の何れかに記載の内燃機関のイオン電流検出装置。
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