JPH06249121A - ガソリン機関の燃焼状態検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 点火装置の点火プラグへの高電圧の極性が制
限されず、中心電極に負電圧が印加されるものにも適用
できるようにする。 【構成】 点火プラグの火花放電後に、点火プラグの電
極間の電圧を検出するセンサ５０の極大値の通過を極大
値通過検出部２１で検出して、その所定時間後にピーク
ホールド回路３５で電圧を記憶保持し、記憶保持された
電圧値より小さく且つ３分の２より大きい電圧値を基準
値として、電極間の電圧が基準値より小さくなるまでの
時間を計時する。極大値の通過の所定時間後に記憶保持
された電圧に基づいて上記のとおり設定された基準値よ
り下がるまでの時間により、電圧の減衰の初期の変化が
検出できるため、中心電極に負電圧が印加されるもので
も、燃焼状態の検出を確実に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガソリン機関の燃焼状
態を、火花放電終了後に点火プラグの浮遊静電容量に充
電される電荷の電圧の変化に基づいて検出するガソリン
機関の燃焼状態検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリン機関では、点火コイルの二次回
路には、火花放電終了後にも起電力が生じ、点火プラグ
の浮遊静電容量には、その起電力に応じた電圧が充電さ
れる。ここで、点火プラグの電極間のイオン密度は、ガ
ソリン機関における着火あるいは失火等の燃焼状態に応
じて異なり、また、着火した場合には、その燃焼状態に
応じて異なる。この結果、火花放電終了後に点火プラグ
に生じる電圧の減衰特性は、点火プラグの電極間のイオ
ン密度に依存し、着火の有無あるいは燃焼状態に応じて
異なる変化を示す。このため、火花放電終了後の点火プ
ラグの電圧の変化を検出して、その電圧の減衰特性に基
づいて燃焼状態を検出するものがある。この点火プラグ
の電圧の減衰特性に基づく従来の燃焼状態検出装置で
は、電圧の減衰特性を検出する方法として、火花放電終
了後の点火プラグのピーク電圧情報を記憶保持（ホール
ド）し、その後の電圧が、記憶保持された電圧に基づい
て所定の割合（１／３）で決められた基準値に低下する
までの時間に基づいて行われる。ここで、ピーク電圧情
報は、火花放電終了後に記憶保持する必要があるが、火
花放電が終了する時点は、点火装置の点火タイミングに
対してガソリン機関の回転速度にほぼ対応した遅れがあ
るため、点火タイミングから回転速度に対応した遅れ時
間を与えられて作動するピークホールド回路等により、
ピーク電圧情報を記憶保持している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、点火プラグの
中心電極に負電圧が印加される点火装置の機関（エンジ
ン）においては、着火した場合に点火プラグの電極間に
発生するイオンが少ないため、点火プラグの電極間の等
価抵抗値は高くなり、上記のとおり電圧の減衰時間を検
出する従来の燃焼状態検出装置を用いた場合に、点火プ
ラグの電極間のイオン密度によって決まると見られる電
圧の減衰時間が、機関によっては燃焼状態に応じて正し
く現れにくいものがあり、適用可能な機関が、点火プラ
グの中心電極に正電圧が印加される点火装置の機関に制
限されるという問題がある。

【０００４】本発明は、ガソリン機関の燃焼状態検出装
置において、点火プラグに印加される電圧の極性が制限
されることなく、ガソリン機関の燃焼状態に応じて異な
る点火プラグの電圧の減衰特性を正確に検出することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、一次電流の断
続によって火花放電用の高電圧を生じる点火コイルの二
次回路に点火プラグを接続した点火装置に、前記点火プ
ラグにおける火花放電終了後の前記点火プラグの放電電
極間の電圧変化を検出する電圧変化検出手段を設け、前
記電圧変化に基づいてガソリン機関の燃焼状態を検出す
るガソリン機関の燃焼状態検出装置において、前記電圧
変化検出手段は、前記点火コイルの二次回路の電圧の極
大値の通過を検出する極大値通過検出手段と、この極大
値通過検出手段により前記極大値の通過を検出した所定
時間後の前記点火プラグの放電電極間の電圧情報を記憶
保持する電圧値記憶手段と、この電圧値記憶手段に記憶
保持された記憶電圧値より小さく且つ前記記憶電圧値の
３分の２より大きい電圧値を前記電圧変化を検出するた
めの基準値とする基準値設定手段と、この基準値とその
後の前記放電電極間の電圧情報とを比較する比較手段と
を備え、前記極大値通過検出手段により前記極大値の通
過を検出した後、前記点火プラグの放電電極間の電圧が
前記基準値より小さくなるまでの経過時間に基づいて燃
焼状態を検出することを技術的手段とする。

【０００６】

【作用】ガソリン機関において、火花放電後の放電電極
間の電圧は、一旦上昇して極大値を示し、その後低下す
る。特に、点火プラグの中心電極に負電圧が印加される
点火装置では、正常着火した場合においても、電極の温
度は燃焼ガスの温度に比べて低く、イオンや電子の密度
が低いため、点火プラグの電極間の等価抵抗値は高く、
燃焼状態に応じた電極間の電圧変化が現れにくいと見ら
れていた。しかしながら、本願発明者は、試験、考察の
結果、点火プラグの中心電極に負電圧が印加される点火
装置についても、火花放電終了直後の電圧の減衰の初期
においては、燃焼状態に応じた減衰特性が現れることを
見出した。これは、火花放電直後においては、火花放電
によって点火プラグの電極温度が局部的に高い部分があ
り、それによってその近傍のイオン、電子の密度が局部
的に低くなりにくくなっていると考えられ、それによっ
て、電極間に充電された電荷の放電が起こるためである
と考えられる。但し、密度が低くなっていないイオン、
電子は、電極温度が下がるのに伴って急激に消滅するた
め、燃焼状態が検出可能な時間は、火花放電終了直後に
微小時間に限られる。本発明では、点火プラグの放電電
極間の電圧の変化を検出する電圧変化検出手段は、火花
放電終了後に、点火コイルの二次回路の電圧の極大値が
通過したか否かを判別して、電圧の極大値の通過が検出
された所定時間後に、点火プラグの放電電極間の電圧情
報を記憶保持する。この記憶保持された電圧値より小さ
く、且つ、３分の２より大きい電圧値を基準値とするこ
とによって、電極間の電圧が基準値まで低下するまでの
経過時間の計時により、電極間の電圧が減衰し始めた初
期の電圧の減衰特性を検出することができる。また、電
極間電圧に、点火回路からの誘導電圧によるピーク状の
ノイズが重畳しても、このノイズのピーク形状は、一般
に点火回路の点火コイル等の特性によって一義的に現れ
るものであるため、極大値の通過後に記憶保持するまで
の上記の所定時間を点火コイル等の特性に基づいて適宜
設定おくことによって、重畳したノイズが通過した直後
に、電極間の正しい電圧情報を記憶保持することができ
る。

【０００７】

【発明の効果】本発明では、火花放電終了後に点火プラ
グの放電電極間に現れる電圧情報のうち、電圧波形の極
大値の通過を検出して、その所定時間後に電圧情報の記
憶保持を行うため、ガソリン機関のイオン密度の影響を
受ける前の電圧情報を、燃焼状態を検出するための基準
値を設定するのに適した電圧情報として、正しく記憶保
持することができる。電圧の減衰の初期の変化を検出す
ることができる。また、この記憶電圧に基づいて、記憶
電圧より小さく、且つ、記憶電圧の３分の２より大きい
電圧値を基準値として設定するため、電圧の減衰の初期
の変化を検出することができる。従って、点火プラグの
中心電極に負電圧が印加される点火装置によるガソリン
機関においても、燃焼状態に応じた電圧の減衰特性を確
実に検出することができ、適用可能なガソリン機関が限
定されることがなく、様々な機関の失火の有無および燃
焼状態を検出することができる。なお、ノイズの継続時
間は、電極間の電圧の変化に対して微小時間であるた
め、ノイズ波形全体の通過に相当する時間の経過直後に
電圧情報を記憶保持するように上記の所定時間を設定し
ておけば、ノイズが重畳している可能性がある時間分だ
け遅れた時期に、速やかに電圧情報を記憶保持するた
め、ノイズ成分が加わった電圧情報が記憶保持されるこ
とがない。この場合、燃焼状態を検出するための基準値
を設定するのに適した電圧情報の記憶保持が遅れること
がなく、その後の燃焼状態に応じた電圧情報の変化が現
れる前に速やかに記憶保持することができる。

【０００８】

【実施例】次に本発明を図に示す実施例に基づいて説明
する。図１は、本発明のガソリン機関の燃焼状態検出装
置の一実施例を示すもので、点火装置１０、燃焼状態検
出回路２０およびセンサ５０からなる。点火装置１０に
おいて、１は点火コイル、２は配電器、３は気筒数の点
火プラグ、４１はスイッチング素子のトランジスタ、４
２はシグナルジェネレータ、Ｖは車載電源であり、各点
火プラグ３には、点火コイル１の二次回路から負電圧の
高電圧が印加される。

【０００９】各点火プラグ３の電極間の電圧を検出する
ためのセンサ５０は、配電器２と各点火プラグ３とを接
続する各プラグコードの絶縁被覆を誘電体として、各プ
ラグコードの中心の導体に対応して設けられた導体との
間の静電容量によりそれぞれ形成されたセンサ用コンデ
ンサ５１と、各センサ用コンデンサ５１と直列接続され
て点火プラグ３の電極間の電圧を分圧するための分圧回
路を形成するためのコンデンサ５２と、コンデンサ５２
の放電用にコンデンサ５２に並列に接続されて設けられ
た抵抗器５３とからなる。

【００１０】ここで、各コンデンサ５１は、その静電容
量が例えば１ｐＦのものであり、コンデンサ５２は、そ
の静電容量が３０００ｐＦとなっており、これらのコン
デンサ５１、５２からなる分圧回路により、点火プラグ
３の電極間電圧が１／３０００に分圧され、最高３万ボ
ルトの高電圧が、１０ボルトオーダーに変換される。ま
た、抵抗器５３は、３Ｍオームの抵抗値を有し、これに
よってコンデンサ５２の放電回路の時定数が９ｍｓ（ミ
リ秒）に設定されている。

【００１１】燃焼状態検出回路２０は、図２に示すとお
り、極大値通過検出部２１と、電圧変化検出部２２と、
燃焼状態検出部２３とからなり、センサ５０の後段に
は、燃焼状態検出回路２０との間にセンサ５０の出力の
極性を反転する反転回路５０ａが備えられている。極大
値通過検出部２１は、点火タイミング信号に応じて決め
られた時期に、反転回路５０ａを介して伝送されるセン
サ５０の出力をピークホールドし、センサ５０の出力が
ピークホールドされた値に対して所定値だけ小さくなっ
たときをセンサ５０の出力の極大値が通過した時点を判
別する。具体的には、図２に示すとおり、ピークホール
ド回路３１と、シグナルジェネレータ４２からの点火タ
イミング信号に応じてリセット信号を発し、その５０μ
ｓ（マイクロ秒）経過後にピークホールド回路３１のリ
セットを解除するリセット回路３２と、リセット回路３
２のリセット解除後にピークホールド回路３１にホール
ドされた電圧を分圧（例えば、９／１０）する分圧回路
３３と、反転回路５０ａを介して伝送されるセンサ５０
の出力を分圧回路３３の出力と比較して、センサ５０の
出力が分圧回路３３の出力より小さくなったときを、セ
ンサ５０の出力の極大値が通過したと判別するための比
較回路３４とからなる。

【００１２】電圧変化検出部２２は、極大値通過検出部
２１においてセンサ５０の出力の極大値が通過したこと
が検出された所定時間後に、反転回路５０ａを介して伝
送されるセンサ５０の出力を基準電圧（基準値）を設定
するための電圧情報としてピークホールドし、センサ５
０の出力がピークホールドされた電圧情報に対して所定
の割合まで小さくなるときを検出し、センサ５０の出力
の減衰速度の情報とする。具体的には、図２に示すとお
り、ピークホールド回路３５と、シグナルジェネレータ
４２からの点火タイミング信号に応じてピークホールド
回路３５のリセット信号を発し、その後上記の極大値通
過検出部２１においてセンサ５０の出力の極大値が通過
したことが検出された時にピークホールド回路３５のリ
セットを解除するリセット回路３６と、リセット回路３
６のリセットが解除されてから所定時間Ｔ０後にピーク
ホールド回路３５にホールドされた電圧を分圧（例え
ば、２／３〜４／５）して燃焼状態の検出のための基準
電圧とする分圧回路３７と、センサ５０の出力を分圧回
路３７の出力である基準電圧と比較して、センサ５０の
出力が分圧回路３７の出力より小さくなったときを、セ
ンサ５０の出力が、所定の低下をしたときと判別するた
めの比較回路３８とからなる。

【００１３】この電圧変化検出部２２において、ピーク
ホールド回路３５によってセンサ５０の電圧がホールド
されるタイミングとなる極大値の通過後の所定時間Ｔ０
の設定は、本実施例では、リセット回路３６によりリセ
ット解除信号がピークホールド回路３５に与えられてか
らピークホールド回路３５がピークホールド動作を行う
までに要する時定数によって、例えば１０μｓ（マイク
ロ秒）が設定されている。この結果、所定時間Ｔ０を計
時するための計時回路を別途設ける必要がないため、回
路構成が簡単になり、安価な装置とすることができる。
なお、この所定時間Ｔ０は、センサ５０に検出される点
火コイル１の二次回路の電圧に、点火コイル１による誘
導ノイズが重畳された場合に、そのノイズが消滅するの
に要する時間であって、点火コイル１のノイズの持続特
性に基づいて設定されたものである。

【００１４】燃焼状態検出部２３は、極大値が通過した
ことが検出された後に、センサ５０の出力が所定の割合
まで低下するまでの時間、すなわち比較回路３８の出力
として現れる信号の継続時間をマイクロコンピュータに
より検出し、その所要時間に応じて、ガソリン機関の各
気筒における着火、失火の判別と、着火時における燃焼
状態の検出を行い、その結果を、例えば、空燃比制御、
燃料噴射制御等のガソリン機関の制御において利用す
る。

【００１５】次に、以上の構成からなる本実施例の燃焼
状態検出装置の作用を、ガソリン機関の作動と合わせ
て、図３を参考に説明する。シグナルジェネレータ４２
の点火タイミング信号によりトランジスタ４１がオン、
オフすると、点火コイル１の一次回路には、パルス電流
が流れる。このパルス電流の断続により、点火コイル１
の二次コイルには、二次電圧が生じ、点火プラグ３で
は、パルス電流の終了時点で発生した高電圧により火花
放電が開始し、続いて誘導放電が起こり、この火花放電
は、ガソリン機関の回転速度に応じた時間だけ持続し、
点火コイル１の電気エネルギーの低減とともに終了す
る。

【００１６】火花放電終了後、点火コイル１に残存する
電気エネルギーにより、二次電圧は昇圧し始め、ガソリ
ン機関の回転速度に応じた高電圧（低速運転では２〜３
キロボルト、高速運転では５〜８キロボルト）の極大値
ａまで昇圧したのちに降圧する。この火花放電終了後の
二次電圧は、点火プラグ３の放電電極間の静電容量（通
常１０〜２０ｐＦ）に充電された電荷を示し、極大値ａ
を含む尖形波形が通過した後の二次電圧波形は、正常に
着火した場合には、実線ｂに示すとおり速やかに低下
し、失火の場合には、実線ｃに示すとおり、着火の場合
に比べて緩やかに低下する。また、着火した場合におい
ては、燃焼によって点火プラグ３の放電電極間に生じた
イオン密度に応じて、点火プラグ３の充電電荷の放電状
態に差が生じ、空燃比がリーンの状態で着火した場合等
には、例えば、破線ｄに示すように、実線ｂの正常着火
の場合と比べて遅く低下する。

【００１７】一方、以上のとおり変化する二次電圧に基
づいて燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置２０では、
シグナルジェネレータ４２からの点火タイミング信号に
応じて、リセット回路３２がピークホールド回路３１の
リセットを開始し、また、リセット回路３６がピークホ
ールド回路３５のリセットを開始し、その５０μｓ（マ
イクロ秒）後にピークホールド回路３１のリセットを解
除する。この結果、ピークホールド回路３１は、火花放
電終了後の尖形波形の極大値ａの電圧をピークホールド
し、センサ５０の検出電圧が極大値ａの９／１０の電圧
まで下がると、比較回路３４からリセット回路３６へピ
ークホールド回路３５のリセットを解除するための信号
が送出される。

【００１８】リセット回路３６は、比較回路３４のリセ
ット解除信号に応じてピークホールド回路３５のリセッ
トを解除し、ピークホールド回路３５は、リセット解除
の信号を受けて、ピークホールドの動作の時定数によっ
て所定時間Ｔ０（例えば１０マイクロ秒）だけ遅れてセ
ンサ５０の検出電圧をホールドする。この結果、ピーク
ホールド回路３５は、火花放電終了後の極大値ａを含む
尖形波形が通過した直後のセンサ５０の検出電圧を、燃
焼状態を検出するための基準電圧を設定するための電圧
情報としてホールドする。

【００１９】比較回路３８は、センサ５０の検出電圧
が、記憶された電圧情報に応じて分圧回路３７で分圧さ
れた基準電圧（破線ｅ）より低くなるか否かを判別し、
センサ５０の検出電圧が基準電圧より高い間だけ、その
旨を示す信号（例えば、ハイレベル信号）を送出する。
燃焼状態検出回路２３では、電圧変化検出部２２の比較
回路３８から送出される信号の継続時間Ｔ１を検出し、
その継続時間Ｔ１から、着火あるいは失火の判別と、着
火における燃焼状態の判別を行う。以上のとおり、本実
施例では、火花放電終了後に点火プラグ３の静電容量に
よる電極間の電圧に基づいて燃焼状態の検出を行うもの
において、電極間の電圧を検出するセンサ５０に検出さ
れる電圧のうち、電圧の減衰の初期の電圧変化のみにつ
いて、その変化（減衰状態）を検出するため、点火プラ
グ３の中心電極に負電圧が印加される点火装置１０を用
いたものにおいても、点火プラグ３の電極間の電圧変化
から、燃焼状態を検出することができる。また、点火コ
イル１の誘導電圧によるノイズが含まれる可能性がある
時間が通過した直後に、燃焼状態を検出するための基準
電圧を設定するための電圧をホールド（記憶保持）する
ため、正確な燃焼状態の検出を行うことができる。従っ
て、燃焼状態の検出可能なガソリン機関が限定されず、
様々な機関に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃焼状態検出装置が適用された点火装
置を示す回路図である。

【図２】本発明の燃焼状態検出装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】本発明の燃焼状態検出装置の作用を説明するた
めのタイムチャートである。

【符号の説明】

１ 点火コイル ３ 点火プラグ １０ 点火装置 ２０ 燃焼状態検出回路（ガソリン機関の燃焼状態検出
装置） ２１ 極大値通過検出部（極大値通過検出手段） ２２ 電圧変化検出部（電圧変化検出手段） ３５ ピークホールド回路（電圧値記憶保持手段） ３７ 分圧回路（基準値設定手段） ３８ 比較回路（比較手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次電流の断続によって火花放電用の高
   電圧を生じる点火コイルの二次回路に点火プラグを接続
   した点火装置に、前記点火プラグにおける火花放電終了
   後の前記点火プラグの放電電極間の電圧変化を検出する
   電圧変化検出手段を設け、前記電圧変化に基づいてガソ
   リン機関の燃焼状態を検出するガソリン機関の燃焼状態
   検出装置において、 前記電圧変化検出手段は、 前記点火コイルの二次回路の電圧の極大値の通過を検出
   する極大値通過検出手段と、 この極大値通過検出手段により前記極大値の通過を検出
   した所定時間後の前記点火プラグの放電電極間の電圧情
   報を記憶保持する電圧値記憶手段と、 この電圧値記憶手段に記憶保持された記憶電圧値より小
   さく且つ前記記憶電圧値の３分の２より大きい電圧値を
   前記電圧変化を検出するための基準値とする基準値設定
   手段と、 この基準値とその後の前記放電電極間の電圧情報とを比
   較する比較手段とを備え、 前記極大値通過検出手段により前記極大値の通過を検出
   した後、前記点火プラグの放電電極間の電圧が前記基準
   値より小さくなるまでの経過時間に基づいて燃焼状態を
   検出することを特徴とするガソリン機関の燃焼状態検出
   装置。