JP2014005752A - 内燃機関用イオン電流検出装置，及び，これを備える内燃機関制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン電流のゲイン設定を好適化させる内燃機関用イオン電流検出装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る内燃機関用イオン電流検出装置によると、イオン電流の検出信号に与えられるゲインは、基本ゲインと積算ゲインの双方に基づいて設定される。このため、選択されたゲインは、内燃機関の制御状態と燃焼ガス状態との双方の情報が反映されることとなり、バラツキの発生に偏重されることのない、イオン電流の検出値をデータ化させる上で合理的なゲイン値へ設定されることとなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関用イオン電流検出装置及び内燃機関制御システムに関し、特に、イオン電流のゲイン設定を行う際に用いて好適のものである。

近年、自動車に代表される輸送用内燃機関の技術分野では、燃費改善及びドライバビリティ向上といった様々な要請のもと、イオン電流の解析結果によって機関を好適に制御させる技術が検討されている。其の検討事項は、失火／燃焼判定，燻り判定，ノッキング判定，点火タイミング制御、排ガス循環制御等、多岐に及ぶものである。

特開２００７−２３９５１７号公報では、かかる技術を適用させた内燃機関の燃焼制御装置が紹介されている。当該内燃機関は、点火コイルとイオン電流の信号検出部とが配備され、イオン電流を示す信号を燃焼制御装置（Engine Control Unit）へ供している。そして、燃焼制御装置では、イオン電流の入力信号をサンプルデータとして情報化させ、このサンプルデータを解析（情報処理）することで失火／燃焼の状態を判定している。

特開２００７−２３９５１７号公報

しかしながら、イオン電流は、内燃機関の運転状態（条件）が変わると、検出値を著しく変化させることが知られている。また、イオン電流は、内燃機関の制御条件が全く同じであっても、１０〜２０倍程度のバラツキを検出値に与えてしまう。このような事情の中、ＡＤ変換回路では、サンプルデータの大幅な変動・バラツキを考慮してデータ作成可能な範囲を広く設定するか（第１の対策）、入力ゲインの切換えを実施することでサンプルデータの入力可能範囲を事実上拡張させるか（第２の対策）、といった対策を迫られることとなる。

ここで、第１の対策を採用する場合、データ作成可能な検出範囲を拡大させるが為にＡＤ変換回路の分解能が低下することとなり、内燃機関の挙動を解析する技術には不向きとなる。一方、第２の対策を採用する場合、分解能の低下から免れる反面、サンプルデータの品質を悪化させないようゲイン設定を如何に行うかが課題となる。また、上述の如く、イオン電流の検出値は、燃焼ガスという再現性の低い対象を計測する性質上、内燃機関の制御条件が同じであっても検出値にバラツキが生じてしまう。このため、第２の対策にあっては、サンプルデータの変動がバラツキに起因するものか否かを判断する高度な解析技術が要求される。

本発明は上記課題に鑑み、イオン電流のゲイン設定を好適化させる内燃機関用イオン電流検出装置の提供を第１の目的とする。また、高品質のサンプルデータの取得が可能な内燃機関制御システムの提供を第２の目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のような内燃機関用イオン電流検出装置の構成とする。即ち、内燃機関の点火動作に応じて発生したイオン電流を検出すると共に当該イオン電流の電流値に比例する第１の検出信号を出力する電流検出回路と、前記第１の検出信号へ与えるゲインを切換えることで第２の検出信号の信号値を変化させ出力させるゲイン切換回路と、前記ゲイン切換回路に対してゲイン切換の指令信号を出力させるゲイン設定回路とを備え、
前記ゲイン設定回路は、前記ゲインを低下させる基準として与えられる上方閾値，及び，前記ゲインを上昇させる基準として与えられる下方閾値、の各々を設定させる閾値設定処理と、前記上方閾値又は前記下方閾値，及び，前記イオン電流のサンプルデータ、の関係によって決定される積算ゲインと，前記内燃機関を制御するパラメータによって決定される基本ゲインと，の双方のゲインに基づいて前記指令信号を設定するゲイン設定処理と、を機能させることとする。

好ましくは、前記内燃機関を制御するパラメータは、当該内燃機関の回転数又は吸気圧又は充填効率に関する情報のうち、少なくとも何れかの情報を指すものであることとする。

好ましくは、前記上方閾値及び前記下方閾値は、前記内燃機関の回転数又は吸気圧又は充填効率に関する情報のうち、少なくとも何れかの情報に基づいて設定されることとする。

好ましくは、前記閾値設定処理は、前記サンプルデータの分布範囲が広い場合は前記上方閾値と前記下方閾値との差を小さく設定させ、前記サンプルデータの分布範囲が狭い場合は前記上方閾値と前記下方閾値との差を大きく設定させることとする。

好ましくは、前記積算ゲインは、前記サンプルデータの中から抽出されたピーク値に基づいて設定されることとする。

好ましくは、前記ゲイン設定処理は、前記積算ゲインと前記基本ゲインとの加算値に基づいて、前記指令信号を設定させることとする。

また、前記加算値が最大ゲインを示してから新たに加算値が算出され、当該新たな加算値が前記最大ゲインを上回る値を示す場合、前記ゲイン設定処理は、前記積算ゲインを零へ修正させると良い。また、前記加算値が最小ゲインを示してから新たに加算値が算出され、当該新たな加算値が前記最小ゲインを下回る値を示す場合、前記ゲイン設定処理は、前記積算ゲインを零へ修正させると良い。この他、前記ゲイン設定処理は、前記加算値の変化が進むと、前記積算ゲインの変化率を低下させても良い。

好ましくは、前記ゲイン切換回路は、複数のゲイン値を設定させる抵抗値が各々設定されており、当該抵抗値は、ゲイン値の低下設定に応じて其の抵抗値の変化量を増加させることとする。

好ましくは、前記積算ゲインは、第１の燃焼サイクルで生じたイオン電流のサンプルデータと、前記第１の燃焼サイクルよりも過去のサイクルにあたる第２の燃焼サイクルで生じたイオン電流のサンプルデータと、を含む検査サイクルの異なる複数のデータに基づいて設定されることとする。

また、本発明では、次のような内燃機関制御システムの構成としても良い。即ち、点火タイミングを規定する内燃機関制御装置と、前記点火タイミングに応じて高電圧を発生させる点火コイルと、上述した発明の何れか一つに記載の内燃機関用イオン電流検出装置とを備えることとする。

本発明に係る内燃機関用イオン電流検出装置によると、イオン電流の検出信号に与えられるゲインは、基本ゲインと積算ゲインの双方に基づいて設定される。このため、選択されたゲインは、内燃機関の制御状態と燃焼ガス状態との双方の情報が反映されることとなり、バラツキの発生に偏重されることのない、イオン電流の検出値をデータ化させる上で合理的なゲイン値へ設定されることとなる。

また、本発明に係る内燃機関制御システムによると、データ作成する上で合理的なゲイン値とされる為、内燃機関制御装置では、イオン電流の波形情報が毀損されることなく、高品質のデータが取得され、事象を正確に捉えた精度の高い解析結果が得られることとなる。このため、内燃機関制御システムでは、信頼性の高い解析結果に基づいて点火動作等を規定することとなり、燃費低減又は操作性の向上に貢献し得る。

内燃機関制御システムの構成を示す図。 イオン電流及び其のサンプルデータを示すタイミングチャート。 本実施の形態に係るゲイン設定プログラムのメインルーチン。 本実施の形態に係るゲイン設定プログラムのサブルーチン。 ゲイン切換が行われた際のサンプルデータを示す図。 二つの閾値の好ましい関係を示す図。 従来技術に係るゲイン制御を示す図。 本実施の形態に係るゲイン制御を示す図。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係る内燃機関制御システムが示されている。内燃機関制御システム１０は、図示の如く、内燃機関制御装置１１０と、点火コイル１２０と、内燃機関用イオン電流検出装置１００とから構成される。以下、内燃機関制御装置１１０をコントロールユニット１１０と呼び換え、内燃機関用イオン電流検出装置１００を単にイオン電流検出装置１００と呼び換えることとする。

コントロールユニット１１０は、回転数，吸気圧，車速，等の様々なパラメータが入力され、これらの情報に基づいて内燃機関の点火タイミングを規定する。コントロールユニット１１０は、所謂ＥＣＵ（Engine Control Unit）と呼ばれる装置であり、情報処理回路及び情報通信回路を内蔵させている。当該コントロールユニット１１０は、通信ラインを介して、エンジンの回転数情報Ｎｅ，吸気圧情報Ｐｂ，及び，イオン電流のサンプルデータＤｔを受取り、これらの情報をメモリ回路へ逐一格納させる。このようなデータ通信は、ＣＡＮ（Control Area Network），ＬＩＮ（Local Area Network），又は，シリアル通信規格，といった周知の通信規格を利用して、情報の送受信が行われる。また、吸気圧情報Ｐｂは、インテークマニホールドに配された圧力センサの検出信号，エアフローメータの検出信号，又は，スロットルポジションセンサの制御情報等によって特定される。また、回転数情報Ｎｅは、クランクポジションセンサ，カムポジションセンサ等によって特定される情報である。

かかるコントロールユニット１１０では、失火／燃焼判定，燻り判定，ノッキング判定，点火タイミング制御、排ガス循環制御等、様々な解析処理を行い、点火信号ＳＧを生成・出力させている。このような解析処理は、イオン電流の情報（サンプルデータＤｔ）に基づいて実施される。尚、コントロールユニット１１０では、サンプルデータＤｔの絶対値情報が必要とされる場合、ゲイン設定回路１５０からゲインの設定情報Ｇａｉｎを受信し、選択されたゲイン値に対応する係数をサンプルデータＤｔへ乗算することで（換算処理）、サンプルデータＤｔの実値を認識（データ作成）することが可能となる。また、当該コントロールユニットでは、データの絶対値情報が無くとも算出され得る情報（周波数情報，種々の無次元化量）を利用する場合、必ずしも、上述した換算処理を必要とするものではない。

点火コイル１２０は、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２を具備するトランスＣＬと、パワートランジスタＴｒとから構成され、車載バッテリＶｂが一次コイルＬ１へ印加されている。点火コイル１２０は、入力された点火信号ＳＧに応じてパワートランジスタＴｒが駆動され、二次コイルＬ２で高電圧を発生させる。尚、点火コイル１２０には、イグナイタを搭載させて、点火信号ＳＧの波形を修正させるようにしても良い。この場合にあってもパワートランジスタＴｒは、点火信号ＳＧによって駆動されることに変わりない。

イオン電流検出装置１００は、図示の如く、電流検出回路１３０と，ゲイン切換回路１４０と，ゲイン設定回路１５０とから構成される。信号ラインＬａは、電流検出回路１３０の出力端とゲイン切換回路１４０の入力端とを接続させ、第１の検出信号Ｖｉａを伝達させる。信号ラインＬｇは、ゲイン切換回路１４０の出力端とゲイン設定回路１５０の入力ポートとを接続させ、第２の検出信号Ｖｉｇを伝達させる。信号ラインＬｓは、ゲイン設定回路１５０の出力ポートとゲイン切換回路１４０の入力端とを接続させ、ゲインの選択を行う指令信号Ｖｓｗを伝達させる。また、信号ラインＬｄは、ゲイン設定回路１５０及びコントロールユニット１１０の間に介在するものであって、サンプルデータＤｔ及びゲインの設定情報Ｇｎをコントロールユニット１１０へ転送させる。

電流検出回路１３０は、ツェナーダイオードＤｚ及びダイオードＤ１の直列回路、当該ツェナーダイオードＤｚに並列接続されたコンデンサＣ、接続端Ａ及びＢの間に設けられた抵抗Ｒ１、アノード側がグランド電位とされカソード側が接続端ＢとされたダイオードＤ２、反転入力端子へ接続端Ｂが接続され非反転端子がグランド電位とされたオペアンプ１３０ａ、オペアンプ１３０ａの出力ゲインを規定する抵抗Ｒ２、及び、オペアンプ１３０ａの出力信号のオフセット量を規定する抵抗Ｒ３、によって構成されている。

点火コイルＣＬの二次側に高電圧が生じた場合、点火プラグＰＧでは、プラグギャップで絶縁破壊を起こし、点火プラグＰＧのグランド側から二次コイルＬ２へ向かって放電電流Ｉ１が流れる。そして、放電電流Ｉ１は、ツェナーダイオードＤｚ→ダイオードＤ１→グランド（ＧＮＤ），という経路を辿り、この場面で、コンデンサＣに電荷を蓄積させる。

一方、絶縁破壊が収束する頃、プラグギャップでは、其の周辺にラジカルな分子が分布することになるので、電荷の移動経路が形成されることとなる。このとき、電流検出回路１３０では、コンデンサＣに蓄えられた電荷を消費させることで、コンデンサＣ→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧ→グランド（ＧＮＤ），という経路のイオン電流Ｉ２を発生させる。従って、イオン電流Ｉ２が発生している時、出力端Ｃでは、イオン電流Ｉ２の電流値に比例する信号（以下、第１の検出信号Ｖｉａ）が出力されることとなる。

ゲイン切換回路１４０は、複数の抵抗を具備する回路網と、信号Ｖｓｗによって駆動するスイッチ機能部Ｓｗとから構成される。このうち、回路網は、予定されているゲインを与えるように各抵抗の抵抗値が定められており、入力端と出力端との導通経路が選択されることで、所望のゲインに設定することを可能とする。スイッチ機能部ＳＷは、上記導通経路を切換えるものであり、リレー回路又はトランジスタ等が用いられる。ゲイン切換回路１４０は、イオン電流Ｉ２を示す第１の検出信号Ｖｉａが入力端へ印加されると、選択されている導通経路に対応するゲインを第１の検出信号Ｖｉａに与え、即ち、第１の検出信号Ｖｉａに所定ゲインを与えた第２の検出信号Ｖｉｇとして、これを出力端から出力させる。そして、ゲイン切換回路１４０は、指令信号Ｖｓｗが与えられると、これに対応する導通経路が選択され、第２の検出信号Ｖｉｇは、この動作に応じてゲインが切換えられ、信号値が変化されることとなる。

ゲイン設定回路１５０は、情報処理機能および情報通信機能を具備する回路であって、ＣＰＵ，メモリ回路，ＡＤ変換回路，Ｉ／Ｏ回路，クロック回路等が内蔵されている。また、メモリ回路には、適宜のプログラム及びパラメータ等が格納され、ゲイン設定回路１５０は、上述したハードウェア資源とソフトウェア資源とを協働機能させることで、プログラムに規定される機能的処理を実現させている。当該プログラムには、例えば、閾値設定処理、ゲイン設定処理、加算ゲイン算出処理、加算ゲイン補正処理、等が規定されている。プログラムの他、メモリ回路には、内燃機関の制御条件に応じて閾値を選択するマップ情報、ピーク値の過去ログデータを一定期間参照できるピーク値情報、等が記録されている。

また、ゲイン設定回路１５０には、入力ポート，出力ポート，Ｉ／Ｏポートが適宜に設けられている。そして、第２の検出信号Ｖｉｇは、ＡＤ変換回路にてアナログ信号からサンプルデータＤｔを作成し、当該データＤｔがメモリ回路またはデータレジスタで保持される。当該サンプルデータＤｔ及びゲインの設定情報は、信号ラインＬｄを介してコントロールユニット１１０へ転送される。また、出力ポートからは、ゲイン設定処理の結果値に対応する指令信号Ｖｓｗを出力させる。尚、ゲイン設定回路１５０で機能される具体的な処理は、追って説明することとする。

図２は、点火信号ＳＧ，コイルの一次電流Ｉｃ，イオン電流に比例する第１の信号Ｖｉａ，データのサンプル処理を実施するウィンドウ期間Ｔｍ，及び，第２の検出信号ＶｉｇについてのサンプルデータＤｔ，を示すタイミングチャートである。尚、同図は、複数存在する気筒のうち代表気筒をモニタリングしたものである。また、或る気筒での点火信号ＳＧの間隔を、点火サイクルと呼ぶことがある。

図示の如く、一次電流Ｉｃは、点火信号ＳＧの立上り時刻から増加を開始させ、当該信号ＳＧの立下り時刻で急峻に低下する。この直後では、点火コイル１２０から高電圧が出力され、点火プラグＰＧで放電が行われる。そして、放電が収束する頃にイオン電流Ｉ２が流れ始め、電流検出回路１３０からは、第１の検出信号Ｖｉａが山状の波形として現れる。ゲイン設定回路１５０では、内燃機関の回転数Ｎｅ等に応じてウィンドウ期間Ｔｍを設定し、このウィンドウ期間ｔａ〜ｔｂについて、第２の検出信号ＶｉｇのサンプルデータＤｔを作成する。上述の如く、このサンプルデータＤｔは、ゲイン設定が行われることで、適宜のオフセットレベルに切換えられることとなる（図５ａ参照）。

図３は、ゲイン設定プログラムで規定されるメインルーチンのフローチャートが示されている。本実施の形態に係るメインルーチンでは、処理Ｓ１１１，処理Ｓ１１２〜Ｓ１１４，及び，処理Ｓ１１５〜Ｓ１１６，が適宜のイベント毎に起動を繰り返す。但し、処理Ｓ１１１にあっては、内燃機関の制御情報が更新された場合に限り起動されるものであって、処理Ｓ１１２〜Ｓ１１４，及び，処理Ｓ１１５〜Ｓ１１６にあっては、点火サイクル毎の適宜のタイミングで各々起動される。

かかるメインルーチンでは、内燃機関の回転数情報Ｎｅと吸気圧情報Ｐｂとが更新されていると、其の更新された情報を利用できるよう、当該更新情報をＣＰＵのデータレジスタ等へ格納させ、後の演算処理に備える（Ｓ１１１）。この回転数情報Ｎｅ及び吸気圧情報Ｐｂは、ＣＡＮ通信ラインを介してコントロールユニット１１０へ与えられる情報であり、当該コントロールユニット１１０では、例えば、数μｓｅｃ毎に各情報Ｎｅ，Ｐｂの書換え（更新）が実施される。このような情報は、内燃機関の負荷情報を示すパラメータであるところ、このパラメータに基づいて決定される数値的情報は、内燃機関の負荷情報を反映させたものとなる。尚、内燃機関の負荷情報は、上述した回転数情報Ｎｅ，吸気圧情報Ｐｂに限られるものではない。例えば、混合気充填効率ηｃといった情報を用いても良い。この充填効率ηｃは、シリンダー容積に対する混合気の実充填量を示すものであって、吸気圧情報Ｐｂに基づいて算出することもできる。

処理Ｓ１１１が完了すると、点火信号ＳＧのエッジ検出判定が実施される（Ｓ１１２）。処理Ｓ１１２では、検出したエッジと其の次に検出されたエッジとの間に閾値を適宜設定し、当該エッジが立上りエッジであるか、立下りエッジ（時刻ｔｅのパルスエッジ）であるか、又は、ノイズによるものかを判別する。そして、本実施の形態では、処理Ｓ１１２で立下りエッジを検出した場合、処理Ｓ１１３（閾値設定処理）及び処理Ｓ１１４（ゲイン設定処理）を実施させ、処理Ｓ１１２で立下りエッジを検出できなかった場合、処理Ｓ１１５へ移行される。

立下りエッジが検出された場合、処理Ｓ１１３では、上方閾値ｔｈ１及び下方閾値ｔｈ２を設定させる。このうち、上方閾値ｔｈ１は、ゲインを低下させる基準を与えるもので、下方閾値ｔｈ２は、ゲインを上昇させる基準を与えるものである。また、これらの閾値は、サンプルデータＤｔに与えられるものである。そして、サンプルデータＤｔの所定点が閾値ｔｈ１及びｔｈ２の各々と比較され、この機能の異なる二つの閾値が設定されることで、ゲイン値を上昇させたり低下させたりする操作が可能となる。

ここで、上方閾値ｔｈ１及び下方閾値ｔｈ２は、内燃機関の回転数情報Ｎｅ及び吸気圧情報Ｐｂに基づいて設定されるのが好ましい。イオン電流Ｉ２の燃焼波形の分布は、これらのパラメータと相関があることから、本実施の形態では、当該閾値ｔｈ１及びｔｈ２にこれらの情報Ｎｅ，Ｐｂを反映させている。これにより、両閾値ｔｈ１及びｔｈ２は、内燃機関の制御状態と連動する傾向に合うよう、サンプルデータに基づきゲイン設定させることが可能となる。

図５を参照して、上方閾値ｔｈ１及び下方閾値ｔｈ２の機能について説明する。先ず、同図に示される破線Ｖｐ〜Ｖｑの範囲は、ＡＤ変換回路の分解能によって定まるもので、ＡＤ変換回路におけるデータの作成可能範囲を指す。このうち、Ｖｐを上限限界値と呼び、Ｖｑを下限限界値と呼ぶこととする。

本実施の形態では、ゲイン値が４種類に設定されるものとし、ゲイン値Ｇ１＞ゲイン値Ｇ２＞ゲイン値Ｇ３＞ゲイン値Ｇ４，の関係を有している。このうち、Ｇ１を最大ゲイン値と呼ぶことがあり、Ｇ４を最小ゲイン値と呼ぶことがある。また、各ゲイン値の設定は、ゲイン値が一段階低下するごとに、サンプルデータＤｔの電圧レベルが段階的に低下するものとする（図５ａ〜図５ｃ）。

特に、本実施の形態にあっては、ゲイン値の減少に応じて、ゲイン値間の差異（電圧レベルの差異）が拡大するように設定されている（ΔＤ１＜ΔＤ２＜ΔＤ３）。このようなゲイン値の設定は、ゲイン切換回路１４０によって実現される。即ち、ゲイン切換回路１４０では、複数のゲイン値を設定させる抵抗値が各々設定されており、当該抵抗値は、ゲイン値の低下設定に応じて、其の抵抗値の変化量（例えば、低下量）を段階的に増加させるように設定されていると良い。

このようなゲイン設定を推奨する理由は、ゲイン値の低下に応じてサンプルデータＤｔの分布範囲ΔＳ１が狭くなる性質に着眼したものであり、当該ゲイン値の設定によれば、データ作成可能な範囲Ｖｐ〜Ｖｑを有効活用できるからである。

また、強い燃焼状態では、サンプルデータＤｔの分布範囲ΔＳ１が広がる為、本実施の形態によるとゲイン値が低下するよう制御されていく。即ち、燃焼状態が強い場面では、分布範囲ΔＳ１を狭く且つ其の電圧レベルを低く設定することが可能となるため、データ作成可能な範囲Ｖｐ〜ＶｑへサンプルデータＤｔが収められ易くなるといった顕著な効果を奏する。

図５（ａ）は、サンプルデータＤｔの分布範囲ΔＳ１が比較的狭い場面を示し、図５（ｂ）は、サンプルデータＤｔの分布範囲ΔＳ２が広い場面を示している。イオン電流Ｉ２は、上述の如く、燃焼の強度に応じてサンプルデータＤｔの分布範囲ΔＳが増減する。分布範囲ΔＳ１が狭い場合（図５ａ）、サンプルデータＤｔは範囲Ｖｐ〜Ｖｑに収まりやすくなるので、ゲイン値の選択自由度は高くなる。従って、図５（ａ）によれば、如何なるゲイン値Ｇ１〜Ｇ４を選択したとしても、サンプルデータＤｔが毀損されることはない。

分布範囲ΔＳ２が広い場合、図５（ｂ）によれば、ゲイン値Ｇ１が選択されると、サンプルデータＤｔのピーク値近傍が上限限界値Ｖｐに張付き、データの毀損部Ｋ１が生じてしまう。また、ゲイン値Ｇ４が選択されると、サンプルデータＤｔの端値近傍が下限限界値Ｖｑに張付き、データの毀損部Ｋ２又はＫ３が生じてしまう。一方、ゲイン値Ｇ２及びゲイン値Ｇ３が選択された場合には、サンプルデータＤｔが上限限界値Ｖｐ，下限限界値Ｖｑと交錯しなくなる。

そこで、図５（ｃ）に示す如く、上方閾値ｔｈ１を設定しておけば、サンプルデータＤｔと上方閾値ｔｈ１とを比較させ、サンプルデータの一部がｔｈ１を上回った時点で、其のデータの一部が上限限界値Ｖｐに接近している旨を判定することが可能となる。そして、上限限界値Ｖｐの近傍へ上方閾値ｔｈ１が設定されると、ゲイン設定回路１５０では、サンプルデータＤｔが上方閾値ｔｈ１を超えたという処理結果に基づいて、データの毀損部Ｋ１が生じているものと判別することが可能となる。このように、本実施の形態に係るゲイン設定回路１５０では、サンプルデータＤｔが上限限界値Ｖｐに達している危険を把握し、これに基づいてゲイン値を低下させ、サンプルデータＤｔを範囲Ｖｐ〜Ｖｑへ収容させることが可能となる。

また、同図に示す如く、下方閾値ｔｈ２を設定しておけば、サンプルデータの一部が下方閾値ｔｈ２を下回る旨を把握できるので、結果として、サンプルデータＤｔの毀損部Ｋ２又はＫ３の発生を検出することが可能となる。そして、この判別結果を参照してゲイン値を増加させ、サンプルデータＤｔを範囲Ｖｐ〜Ｖｑへ収容させることが可能となる。尚、下方閾値ｔｈ２は、イオン電流の波形の特徴に応じて設定させると良い。本実施の形態では、サンプルデータＤｔのピーク値と閾値ｔｈ１，ｔｈ２とを比較させるので、下方閾値ｔｈ２は、下限限界値Ｖｑよりも十分高いレベルに設定されることとなる。即ち、上方閾値ｔｈ１及びｔｈ２は、所定のレベル差Δｔｈを伴い且つ上限限界値Ｖｐへ偏った状態で設定されることとなる。

図６（ａ）に示す如く、サンプルデータＤｔの分布範囲ΔＳ１が比較的狭いとき、上方閾値ｔｈ１と下方閾値ｔｈ２とのレベル差Δｔｈは、大きく設定されることで、予め設けられているゲイン値を有効活用することが可能となる。また、レベル差Δｔｈを大きく設定させることで、下方閾値ｔｈ２が下限限界値Ｖｑへ近づくこととなる。このため、サンプルデータＤｔの分布範囲ΔＳ１が幾分でも広がろうとすると、ゲイン設定回路１５０では、これを瞬時に察知し、速やかにゲイン値をアップさせることが可能となる。

一方、図６（ｂ）に示す如く、サンプルデータＤｔの分布範囲ΔＳ２が広いとき、閾値間のレベル差Δｔｈを狭くするのが好ましい。特に、下方閾値ｔｈ２をＶｐ側へ引き上げると良い。これにより、燃焼状態が強い場合でも、ゲイン値Ｇ１〜ゲイン値Ｇ４の全てのゲイン値を有効に活用することが可能となる。

図３に戻り、ゲイン設定プログラムのメインルーチンの説明を続ける。処理Ｓ１１３が完了すると、ゲイン切換処理が実行される（Ｓ１１４）。処理Ｓ１１４は、設定ゲインを決定させるサブルーチンが起動されるもので、詳細は追って説明することとする。

上述の如く、処理Ｓ１１２は、立下りエッジを検出すると、ゲイン設定を新たに実施させてから、処理Ｓ１１５へ移行させる。また、立下りエッジが検出されなければ、ゲイン値の設定変更を行わずに、処理Ｓ１１５へ移行させる。

処理Ｓ１１５は、イオン電流の波形が収束するタイミングで起動するよう、其の起動タイミングがプログラムによって予め設定されている。処理Ｓ１１５では、サンプルデータＤｔが新たなデータに更新されているか否かを判定し、当該データＤｔに変化があれば、サンプルデータＤｔの中から検査対象データを抽出し、其のデータをメモリ回路に保存する（処理Ｓ１１６）。本実施の形態にあっては、サンプルデータＤｔの中からピーク値に相当するデータＤｔ（ｐｅａｋ）を抽出させる。このように、波形のピーク値は、燃焼状態の特徴を現す検査対処とされるので、データＤｔ（ｐｅａｋ）が抽出されている。

本実施の形態で用いられるメモリ回路は、データＤｔ（ｐｅａｋ）を過去複数分について記憶させておくメモリ領域Ｍ１と、当該過去複数のデータＤｔ（ｐｅａｋ）を大きい順（又は、小さい順）にソートさせて記憶させておくメモリ領域Ｍ２と、が割り当てられている。そして、処理Ｓ１１５では、先に、新たなデータＤｔ（ｐｅａｋ）をメモリ領域Ｍ１に記録させてから、これをメモリ回路Ｍ２へ転写する際にソート処理を行う。このため、メモリ回路Ｍ２では、特定のメモリアドレスにアクセスされることで、過去最大のデータＤｔ（ｐｅａｋ）と過去最少のデータＤｔ（ｐｅａｋ）を出力することが可能となる。以下、過去最大のデータＤｔ（ｐｅａｋ）をデータＤｍａｘと呼び換え、過去最少のデータＤｔ（ｐｅａｋ）をデータＤｍｉｎと呼び換えることとする。尚、処理Ｓ１１５では、メモリ回路Ｍ１へ過去複数のデータを格納させる際、リングバッファ構成を採用することで、メモリ回路の使用領域を抑えることができる。

図示の如く、処理Ｓ１１５（Ｓ１１６）の完了後、次回の起動イベントに応じて、上述した処理が各々繰り返される。このようにして、データＤｔ（ｐｅａｋ）は、点火サイクルの進行に合わせて順次更新されていく。

図４は、ゲイン設定処理Ｓ１１４に相当するサブルーチンのフローチャートが示されている。先ず、処理Ｓ２１１では、基本ゲインＧｂｓｃの特定が実施される。基本ゲインＧｂｓｃは、内燃機関の制御パラメータに基づいて決定される。本実施の形態にあっては、回転数情報Ｎｅ及び吸気圧情報Ｐｂが用いられる。ゲイン設定回路１５０は、通信ラインＬｄを介してこれらの情報Ｎｅ，Ｐｂを取得する。このように、基本ゲインＧｂｓｃは、内燃機関の制御パラメータに基づいて設定されるので、どのゲイン値を選択するのが好ましいか、大凡の傾向を特定させる機能を果たす。

処理Ｓ２１１の完了後、処理Ｓ２１２〜処理Ｓ２１６では、積算ゲインＧｉｎｔの値を算出する。先ず、処理Ｓ２１２では、ピーク値の過去最小値を示すデータＤｍｉｎと上方閾値ｔｈ１を比較させ、Ｄｍｉｎ＞ｔｈ１，の場合、サンプルデータＤｔが上限限界値Ｖｐに張付く危険を示しているので、積算ゲインＧｉｎｔを１カウントダウンさせる。一方、Ｄｍａｘ＜ｔｈ２，の場合、サンプルデータＤｔが下限限界値Ｖｑに張付く危険を示しているので、積算ゲインＧｉｎｔを１カウントアップさせる。一方、Ｄｍｉｎ＞ｔｈ１，又は，Ｄｍａｘ＜ｔｈ２，の何れにも該当しない場合、好ましいゲイン設定であると判断し、カウント値を零とする。

このように、処理Ｓ２１２〜Ｓ２１６では、上方閾値ｔｈ１とデータＤｍｉｎ（サンプルデータの一つ）との関係、又は、下方閾値ｔｈ２とデータＤｍａｘ（サンプルデータの一つ）との関係、に基づいて積算ゲインｉｎｔが決定されることとなる。このように、積算ゲインは、サンプルデータＤｔのバラツキ・変動に応じてカウントアップ・カウントダウンされるものであって、当該バラツキ・変動に影響されて変動する値である。

処理Ｓ２１７では、基本ゲインＧｂｓｃと積算ゲインＧｉｎｔとの加算値（加算ゲインｓｕｍ）を算出させる。このように、双方のゲインから算出されたゲイン値は、運転状態に伴う傾向とデータのバラツキ・変動発生との両情報を反映させたものとなる。尚、本実施の形態では、基本ゲインＧｂｓｃと積算ゲインＧｉｎｔとの和によって双方の情報を反映させるゲイン関数を作成しているが、このゲイン関数の算出方法は、これに限らず、現在周知の手法を用いて、種々の変更が可能である。

処理Ｓ２１７が完了すると、積算ゲインＧｉｎｔの修正処理が実行される（Ｓ２１８）。具体例として、現在の加算ゲイン値Ｇｓｕｍが最大ゲインＧ１に到達していて、その後にサブルーチンが起動され処理Ｓ２１７が実行された場面を考える。このとき、処理Ｓ２１７によって新たな加算ゲイン値Ｇｓｕｍが算出され、積算ゲインＧｉｎｔがカウントアップされると、加算ゲインＧｓｕｍが最大ゲインＧ１を上回ってしまう。この場合、処理Ｓ２１８では、積算ゲインＧｉｎｔを零に修正させ、加算ゲイン値Ｇｓｕｍを最大ゲインＧ１に維持させる（以下、この加算ゲイン値を修正加算ゲインＧｓｕｍ〔ｍ〕と呼ぶ）。このように、処理Ｓ２１８では、リセットワインドアップ機能を与えることで、準備されているゲイン値Ｇ１〜Ｇ４のうち何れかを選択させることが可能となる。尚、かかる処理は、加算ゲインＧｓｕｍが最小ゲイン値Ｇ４を下回る場合にも、リセットワインドアップ機能を与えている。

また、処理Ｓ２１８では、修正加算ゲイン値Ｇｓｕｍ〔ｍ〕が、次回起動されるサブルーチンでの基本ゲインＧｂｓｃとして設定される。これにより、次回の基本ゲインＧｂｓｃには、運転状態に伴う傾向と、サンプルデータのバラツキ・変動発生の有無、の両情報が反映されることとなる。

処理Ｓ２１８が終了すると、信号指令処理Ｓ２１９では、修正加算ゲインＧｓｕｍ〔ｍ〕を表現する指令信号Ｖｓｗが生成され、出力ポートから当該信号Ｖｓｗを出力させる。この指令信号Ｖｓｗは、ゲイン切換回路１４０に印加され、修正加算ゲインＧｓｕｍ〔ｍ〕に対応するゲインを与えるよう、内部の回路網を再構成させる。尚、当該処理Ｓ２１９が完了すると、サブルーチンは待機状態とされ、次回のゲイン切換処理Ｓ１１４の実行指令を待つ。

ゲイン切換プログラムに上述した処理が規定されていないと、図７（ａ）に示す如く、サンプルデータＤｔに一時的な乱動が生じる場合、それを検知した直後にゲイン値が一段切換えられる（Ｇ１→Ｇ２）。ここで、直ちに乱動が収まったとすると、ゲイン値が必要以上に低く設定されたことになるので、サンプルデータＤｔは、Ｖｑ側へオフセットされて現れる。この場合、図示の如く、データの毀損部Ｋ２，Ｋ３を生じさせ、コントロールユニット１１０で実施される解析処理の信頼性が低下してしまう。

また、図７（ｂ）に示す如く、サンプルデータＤｔの乱動直後にゲイン値を切換えてしまうと、適切なゲイン値を特定することが困難となり、チャタリングを誘発させてしまう。このような場合、サンプルデータＤｔの品質悪化が長期に亘るので、コントロールユニット１１０の解析結果に大きな影響を与えてしまう。

これに対し、本実施の形態では、例えば、過去８サイクル分（第１のサイクルと第２のサイクルを含む検査サイクル）のデータＤｍｉｎと上方閾値ｔｈ１とを比較させている。従って、図８（ａ）に示す如く、波形のピーク値が上方閾値ｔｈ１を８サイクル以上連続して上回る場合、ゲイン値が１段下げられることとなる。このように、本実施の形態では、ゲイン値切換の必要性を精度良く判別することで、無用なゲイン切換えを回避させると共に、必要なゲインの切換え処理を許可させるものである。

また、図８（ｂ）では、サンプルデータＤｔに乱動が生じる様子が示されている。このような場合、本実施の形態では、張付き危険状態の回数をカウントし、其のカウント値が少なければサンプルデータＤｔに乱動が生じていると把握される。このように、本実施の形態では、張付き危険状態をカウントすることで、一時的な乱動に起因するゲイン切換を排除させ、設定されるべき適正なゲイン値が維持されることとなる。この適正なゲイン値とは、運転状態に伴う傾向とサンプルデータのバラツキ等の有無との情報が反映されていることを指す。

尚、上述したゲイン設定の切換えは、内燃機関の各気筒で独立して実施されるのが好ましい。イオン電流検出回路のバラツキ、シリンダーの形状誤差等が生じていれば、イオン電流のサンプルデータもこれに応じて影響されるからである。そこで、各気筒について別々にゲイン設定を実施すれば、その気筒に最適なゲイン値が気筒毎に設定されるため、サンプルデータの毀損といった不具合を、より効果的に回避できることとなる。

以上、実施の形態について説明してきたが、特許請求の範囲に記される発明は、かかる形態に限定されるものではない。例えば、ゲイン設定処理では、加算値の変化が進むと、積算ゲインの変化率を低下させるようにしても良い。即ち、Ｖｐ又はＶｑに近づくに応じてゲイン値同士のオフセット量を少なく設定すれば、サンプルデータＤｔがＶｐ又はＶｑと交錯しにくくなり、結果として、適正なゲイン値が選択されることとなる。

また、コントロールユニット１１０にあっては、通信ラインＬｄを介してサンプルデータＤｔを受信する構成とされているが、ゲイン切換回路１４０から信号Ｖｉｇを直接受け取るようにしても良い。この場合、コントロールユニット１１０は、ゲイン設定回路１５０からゲイン設定に関する情報を受け取ることで、入力されているサンプルデータＤｔの値を正しく把握することが可能となる。

この他、ゲイン設定回路では、ゲイン切換えに不適切な事実を判別するような処理を実行させても良い。例えば、ゲイン値を大きくしているにも関わらずサンプルデータのピーク値が下方閾値を一向に上回らない場合、其のシリンダーでは、点火プラグでの放電動作が何らかの不具合で実施されていないとの疑いがある。また、ゲイン値が低く設定されているにも関わらずサンプルデータのピーク値が常に上方閾値を上回る場合、センサ・オペアンプ等の故障の疑いがある。このように、サンプルデータの張付き状態が顕著に現れる場合には、点火プラグ・点火コイル・センサといった装置に不具合が生じたとして、サンプルデータが不適切なデータである旨を判定すると良い。このとき、ゲイン設定の切換えを中止させると更に良い。また、異常とした判定結果情報をコントロールユニットへ出力させても良く、又は、サンプルデータをコントロールユニットへ伝送する処理を機能できなくすると良い。これにより、コントロールユニットでは、不適切なデータを用いることが無くなるので、当該コントロールユニットで実施される解析処理の信頼性が向上する。

１０ 内燃機関制御システム， １００ 内燃機関用イオン電流検出装置， １１０ エンジン制御ユニット， Ｎｅ 回転数情報， Ｐｂ 吸気圧情報， １２０ 点火コイル， ＰＧ 点火プラグ， Ｉ１ 放電電流， Ｉ２ イオン電流， １３０ 電流検出回路， １４０ ゲイン切換回路， １５０ ゲイン設定回路， Ｖｉａ 第１の検出信号， Ｖｉｇ 第２の検出信号， Ｖｓｗ 指令信号， １５０ ゲイン設定回路， Ｄｔ サンプルデータ， ｔｈ１ 上方閾値， ｔｈ２ 下方閾値， Ｓ１１３ 閾値設定処理， Ｓ１１４ ゲイン設定処理， ΔＳ 設定閾値の差， Ｇｓｕｍ 加算ゲイン（加算値）， Ｇｂｓｃ 基本ゲイン， Ｇｉｎｔ 積算ゲイン。

Claims (12)

1. 内燃機関の点火動作に応じて発生したイオン電流を検出すると共に当該イオン電流の電流値に比例する第１の検出信号を出力する電流検出回路と、前記第１の検出信号へ与えるゲインを切換えることで第２の検出信号の信号値を変化させ出力させるゲイン切換回路と、前記ゲイン切換回路に対してゲイン切換の指令信号を出力させるゲイン設定回路と、を備え、
   前記ゲイン設定回路は、
   前記ゲインを低下させる基準として与えられる上方閾値，及び，前記ゲインを上昇させる基準として与えられる下方閾値、の各々を設定させる閾値設定処理と、
   前記上方閾値又は前記下方閾値，及び，前記イオン電流のサンプルデータ、の関係によって決定される積算ゲインと、前記内燃機関を制御するパラメータによって決定される基本ゲインと、の双方のゲインに基づいて前記指令信号を設定するゲイン設定処理と、
   を機能させることを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。
2. 前記内燃機関を制御するパラメータは、当該内燃機関の回転数又は吸気圧又は充填効率に関する情報のうち、少なくとも何れかの情報を指すものであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
3. 前記上方閾値及び前記下方閾値は、前記内燃機関の回転数又は吸気圧又は充填効率に関する情報のうち、少なくとも何れかの情報に基づいて設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
4. 前記閾値設定処理は、前記サンプルデータの分布範囲が広い場合は前記上方閾値と前記下方閾値との差を小さく設定させ、前記サンプルデータの分布範囲が狭い場合は前記上方閾値と前記下方閾値との差を大きく設定させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
5. 前記積算ゲインは、前記サンプルデータの中から抽出されたピーク値に基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
6. 前記ゲイン設定処理は、前記積算ゲインと前記基本ゲインとの加算値に基づいて、前記指令信号を設定させることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
7. 前記加算値が最大ゲインを示してから新たに加算値が算出され、当該新たな加算値が前記最大ゲインを上回る値を示す場合、
   前記ゲイン設定処理は、前記積算ゲインを零へ修正させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
8. 前記加算値が最小ゲインを示してから新たに加算値が算出され、当該新たな加算値が前記最小ゲインを下回る値を示す場合、
   前記ゲイン設定処理は、前記積算ゲインを零へ修正させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
9. 前記ゲイン設定処理は、前記加算値の変化が進むと、前記積算ゲインの変化率を低下させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
10. 前記ゲイン切換回路は、複数のゲイン値を設定させる抵抗値が各々設定されており、当該抵抗値は、ゲイン値の低下設定に応じて其の抵抗値の変化量を増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
11. 前記積算ゲインは、第１の燃焼サイクルで生じたイオン電流のサンプルデータと、前記第１の燃焼サイクルよりも過去のサイクルにあたる第２の燃焼サイクルで生じたイオン電流のサンプルデータと、を含む検査サイクルの異なる複数のデータに基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
12. 点火タイミングを規定する内燃機関制御装置と、前記点火タイミングに応じて高電圧を発生させる点火コイルと、請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の内燃機関用イオン電流検出装置と、を備えることを特徴とする内燃機関制御システム。

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