JP2008031981A - 内燃機関の異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグ４０の異常状態としてくすぶりを検出することができる。
【解決手段】ＩＧＢＴ２０のＯＮ時に発生した二次コイル電圧を利用して点火プラグ電極４１ａ，４１ｂ間に電圧印加することでプラグくすぶり時に発生したコイル二次電流を検出抵抗Ｒで検出することで、点火プラグ４０のくすぶり状態を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、異常状態を検出する内燃機関の異常検出装置に関する。

従来、内燃機関の点火装置においては、点火コイルの一次コイルに一次電流を流し、この一次電流を遮断したときに点火コイルの二次コイルに発生する高圧電圧を、燃焼室内の点火プラグの電極間に印加して放電させることにより、燃焼室内で点火を行わせるものがある（例えば、特許文献１参照）。

このものにおいて、二次コイルに直列に接続された抵抗素子が設けられ、点火プラグの電極間の火花放電が発生する際に抵抗素子に流れる放電電流を検出して、この放電電流に基づいて、点火プラグのくすぶり汚損などの異常状態を検出する。
特開２００１−２７１６９９号公報

上述の内燃機関の点火装置では、点火コイルの一次コイルに一次電流を流し始めるときに、二次コイルには一次電流に基づいて高電圧が発生するため、この高電圧により点火プラグの電極間の放電が生じる可能性がある。このため、正常の点火タイミング以外のタイミングで点火が行われる可能性がある。

本発明は、上記点に鑑み、正常の点火タイミング以外のタイミングで点火が行われることを抑制するようにした内燃機関の異常検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、二次コイルの低圧側に一端側が直接的に接続され、かつ他端側がグランドに接続され、一次コイルの電圧の立ち上がり時に二次コイルに誘起される二次電圧のレベルを制限する電圧制限素子（ＺＤ）と、二次コイルの低圧側とグランドとの間に接続される抵抗素子（Ｒ）と、一次コイルへの一次電流の通電時に二次コイルの低圧側およびグランドの間にて抵抗素子に流れる二次電流を検出するための検出回路（６０、６０Ａ）とを備えることを特徴とする。

したがって、電圧制限素子（ＺＤ）により、二次コイルに誘起される二次電圧のレベルを制限することができるので、二次コイルに誘起される二次電圧により点火プラグの電極間で放電が行われるのを抑制することができるので、正規の点火タイミング以外のタイミングで点火が行われるのを抑制することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

図１に本発明に係る車両用内燃機関の異常検出装置を適用した車両用内燃機関の点火制御装置の概略構成を示す。

本実施形態の車両用内燃機関の点火制御装置は、燃焼室内の混合気に着火するためのものであって、点火コイル１０を備えている。点火コイル１０は、一次コイル１１、および二次コイル１２を備えている。一次コイル１１の一端部には、車載バッテリＢａの正極端子が接続され、一次コイル１１の他端部およびグランドの間にはＩＧＢＴ２０が接続されている。ＩＧＢＴ２０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar
Transistor: IGBT）であって、電子制御装置３０により制御されて、ＯＮ／ＯＦＦする。

二次コイル１２の高圧側端子１２ｈには点火プラグ４０の中心電極４１ａが接続されており、点火プラグ４０には、中心電極４１ａとの間に火花放電ギャップを形成する接地電極４１ｂが設けられている。点火プラグ４０は、気筒内の混合気に着火するための火花放電を発生させるために設けられている。

二次コイル１２の低圧側端子１２Ｌとグランドとの間には、ツェナーダイオードＺＤが接続されており、ツェナーダイオードＺＤは、後述するように二次コイル１２に発生する電圧レベルを制限する。二次コイル１２の低圧側端子１２ＬとツェナーダイオードＺＤのカソード端子との共通端子５０とグランドとの間には、検出抵抗Ｒが接続されており、検出抵抗Ｒは、早期点火などの異常を検出するために設けられている。検出回路６０は、検出抵抗Ｒに流れる電流を検出するために、検出抵抗Ｒの両端子間の電圧を電圧増幅して電子制御装置３０に出力する。なお、検出抵抗Ｒとしては、後述する理由により１００ｋΩ以上の抵抗値を有するものが用いられる。

電子制御装置３０は、マイクロコンピュータ、メモリ、タイマなどから構成され、ＩＧＢＴ２０を制御することにより点火プラグ４０の点火タイミングを調整したり、早期点火、くすぶり汚損、点火コイル１０自体の異常などの異常検出を行ったりする制御処理を実施する。

なお、複数の気筒を備える内燃機関では、点火プラグ４０、検出抵抗Ｒ、ツェナーダイオードＺＤ、および検出回路６０は、それぞれ気筒毎に備えられるものであるが、図１では、図面を見易くするために１気筒分だけを示している。

次に、本実施形態の作動について図２〜図５を参照して説明する。

まず、本実施形態の正常状態の点火制御装置の概略作動について説明する。電子制御装置３０は、ＩＧＢＴ２０のゲート端子に対して図２（ａ）に示すように点火入力信号を出力する。

すなわち、タイミングｔｏにおいて、ＩＧＢＴ２０がＯＮすると、一次コイル１１に一次電流が流れ始める。これに伴い、二次コイル１２には図２（ｂ）に示すように、二次コイル電圧が発生する。

ここで、ＩＧＢＴ２０のＯＮ時（すなわち、一次コイル１１の電圧の立ち上がり時）には、二次コイル１２において、高圧端子１２ｈ側を正極となる電圧が発生する。

このとき、図１中矢印ａの如く、グランド側から検出抵抗Ｒを通して二次コイル１２の低圧端子１２ｈ側に向けて電流（以下、二次コイル電流という）が流れる（図２（ｃ）参照）。ここで、検出抵抗Ｒとして１００ｋΩ以上の抵抗値を有すものを用いる理由について説明する。

まず、二次コイル１２の高圧端子１２ｈ側に浮遊容量Ｃが生じ、二次コイル電流は、浮遊容量Ｃを充電することになる。二次コイル電流の値が大きいと、二次コイル１２の電圧の立ち上がり時（図２中ｔ０）には、図２中点線で示す如く、ピーク電圧が発生し、このピーク電圧が高いと放電を起こす可能性がある。

これに対して、検出抵抗Ｒ、浮遊容量Ｃおよび二次コイル１２による過度現象により二次コイル１２に発生する二次コイル電圧の波形を鈍らして、二次コイル電圧において瞬時的に生じるピーク値を抑えている。二次コイル１２に発生する二次コイル電圧の波形は、図２中実線で示す如く波形になる
ここで、検出抵抗Ｒの抵抗値が小さいと、二次コイル電圧の波形を鈍らすことができないため、二次コイル電圧のピーク値を抑えるために、検出抵抗Ｒとして大きな抵抗値の素子を用いることが必要である。発明者の実験等によれば、二次コイル電圧のピーク値を抑えるに際して、１００ｋΩ以上の抵抗値を有する検出抵抗Ｒを用いる場合には極めて有効である。

次に、タイミングｔ１において、電子制御装置３０がＩＧＢＴ２０をＯＦＦすると、一次コイル１１の一次電流（以下、一次コイル電流という）が遮断される。これに伴い、二次コイル１２の高圧端子１２ｈ側において二次コイル電圧として負極高圧電圧が発生して、この負極高圧電圧が中心電極４１ａおよび接地電極４１ｂの間に印加されて、火花放電が生じ、燃焼室内で点火を行わせる。

このとき、図１中矢印ｂの如く、二次コイル１２の高圧端子１２ｈ側から低圧端子１２Ｌ側に放電電流が流れる。ここで、抵抗素子Ｒの抵抗値が大きいと、当該放電電流が抵抗素子Ｒに流れることにより、大きな放電エネルギーの損失を生じる。

これに対して、この放電電流の流れに対して順方向にツェナーダイオードＺＤが接続されている。このため、放電電流を二次コイル１２側からツェナーダイオードＺＤを経てグランド側に流すことができるので、抵抗素子Ｒに流れる電流電流を減らすことができる。

したがって、抵抗素子Ｒとして上述の如く大きな抵抗値（１００ｋΩ以上）を有するものを用いても、放電エネルギーの損失を減らすことができる。

次に、本実施形態の電子制御装置３０において異常状態を検出する異常検出処理について図３を参照して説明する。

まず、ステップ１００で、一定期間ｔに亘り、検出回路６０から出力される増幅信号をサンプリングし、このサンプリング信号に基づいて点火コイル１０にフェールが生じているか否かを判定する（ステップ１１０）。ここで、当該判定は、ＩＧＢＴ２０のＯＮに伴い流れ始める二次コイル電流の電流値が継続して閾値ｉａ以上の状態となる継続時間ｔｘに基づいて行われる。

具体的には、継続時間ｔｘが所定時間Ｔａ未満であるときには、点火コイル１０にフェールが生じている（すなわち、点火コイル１０が断線等の故障状態である）としてＹＥＳと判定する。この場合、メモリの故障判定フラグｆ１をセット状態（ｆ１＝１）にする（ステップ１１１）。一方、継続時間ｔｘが所定時間Ｔａ以上であるときには、点火コイル１０に断線等の故障が生じていないとしてＮＯと判定する。

次のステップ１２０において、一定期間ｔのサンプリング信号に基づいて点火コイル１０にくすぶり（くすぶり汚損）が生じているか否かを判定する。くすぶりとは、液体状態の燃料が点火プラグの碍子表面に付着して、その付着した燃料が完全燃焼することなくカーボンとなって付着している状態をいう。 ここで、くすぶりの判定は、上述の二次コイル電流の継続時間ｔｘに基づいて行われるもので、図４（ｃ）に示すように、継続時間ｔｘが所定時間Ｔｂ（＞Ｔａ）以上であるときには、くすぶり汚損が生じているとしてステップ１２０においてＹＥＳと判定する。この場合、メモリの故障判定フラグｆ２をセット状態（ｆ２＝１）にする（ステップ１２１）。

なお、Ｔａ＜継続時間ｔｘ＜Ｔｂのときには、点火コイル１０にくすぶりが生じていなく、かつ点火コイル１０に断線等が生じていないと判定されることになる。

次のステップ１３０において、一定期間ｔのサンプリング信号に基づいて点火コイル１０の早期点火が行われたか否かを判定する。点火コイル１０の早期点火（プレイグニッション）とは、正規の点火タイミングよりも早いタイミングで点火が行われることをいう。

ここで、早期点火の判定は、タイミングｔ０を経過後に流れ始めた二次コイル電流に基づいて行われるもので、タイミングｔ１（すなわち、一次コイル電流を遮断するタイミング）直前の時間帯Ｔｚにおいて閾値ｉａ以上の二次コイル電流が流れたか否かを判定することにより行われる。

ここで、図５（ｃ）に示すように、タイミングｔ０を経過後に流れ始めた二次コイル電流（タイミングｔ０と同期して流れ始めた二次コイル電流を除く）が時間帯Ｔｚにおいて閾値ｉａ以上になる場合には、ステップ１３０においてＹＥＳと判定して、メモリの故障判定フラグｆ３をセット状態（ｆ３＝１）にする（ステップ１３１）。

なお、ステップ１３０では、タイミングｔ０に同期して流れ始めた二次コイル電流が、時間帯Ｔｚにおいて閾値ｉａ以上になる場合には、上述のくすぶりが生じていると考えられるために、点火コイル１０に早期点火が生じたとは判定しない。

その後、ステップ１００に戻り、増幅信号のサンプリング、点火コイル１０のフェール判定（ステップ１１０）、くすぶり判定（ステップ１２０）、および早期点火判定（ステップ１３０）を繰り返す。これにより、一定期間毎に、フェール判定、くすぶり、および早期点火などの異常状態の判定が一定期間毎に行われることになる。

以上説明した本実施形態では、ＩＧＢＴ２０のＯＮ時には、二次コイル１２に高い二次コイル電圧が発生するものの、ツェナーダイオードＺＤが二次コイル電圧を制限することができるので、ＩＧＢＴ２０のＯＮ時に生じた二次コイル電圧によって点火プラグ４０の電極４１ａ、４１ｂの間に火花放電が生じることを未然に防止することができる。したがって、正常の点火タイミング以外のタイミングで点火プラグ４０の点火が行われることを抑制することができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、検出回路６０を検出抵抗Ｒと並列に接続して、検出回路６０が検出抵抗Ｒの両端子間の電圧を増幅するようにした例について説明したが、これに代えて、図６に示すように、検出回路６０Ａを検出抵抗Ｒとグランドとの間に接続し、検出回路６０Ａが、検出抵抗Ｒを通して検出回路６０自体に流れる二次電流を検出し、この電流を示す検出信号を電子制御装置３０に出力するようにしてもよい。

以下、上記実施形態と特許請求項の範囲の構成との対応関係について説明すると、電子制御装置３０およびＩＧＢＴ２０が点火手段を構成し、ツェナーダイオードＺＤが電圧制限素子（ＺＤ）を構成している。

本発明の車両用内燃機関の点火制御装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 上述一実施形態において、点火入力信号、二次コイル電圧、および二次コイル電流を説明するためのタイミングチャートである。 図１の電子制御装置の処理を示すフローチャートである。 上述一実施形態において点火プラグのくすぶりを説明するためのタイミングチャートである。 上述一実施形態において早期点火を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の車両用内燃機関の点火制御装置の変形例の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０…点火コイル、１１…一次コイル、１２…二次コイル、２０…ＩＧＢＴ、
３０…電子制御装置、４０…点火プラグ、４１ａ…中心電極、
４１ｂ…接地電極、ＺＤ…ツェナーダイオード、Ｒ…検出抵抗、
６０…検出回路。

Claims (11)

1. 点火コイルの一次コイルに一次電流を流し、この一次電流を遮断したときに前記点火コイルの二次コイルに発生する高圧電圧を、前記二次コイルの高圧側に接続された点火プラグの電極間に印加することにより、燃焼室内で点火を行わせる点火手段（２０、３０）を備える内燃機関に設けられた内燃機関の異常検出装置であって、
   前記二次コイルの低圧側に一端側が直接的に接続され、かつ他端側がグランドに接続され、前記一次コイルの電圧の立ち上がり時に前記二次コイルに誘起される二次電圧のレベルを制限する電圧制限素子（ＺＤ）と、
   前記二次コイルの低圧側とグランドとの間に接続される抵抗素子（Ｒ）と、
   前記一次コイルへの一次電流の通電時に前記二次コイルの低圧側およびグランドの間にて前記抵抗素子に流れる二次電流を検出するための検出回路（６０、６０Ａ）と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。
2. 前記検出回路は、前記二次コイルに流れる二次電流を検出することにより、前記点火コイルの異常を検出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
3. 前記検出回路は、前記一次コイルの電圧の立ち上がり時に前記二次コイルに流れ始める前記二次電流が一定電流（ｉａ）未満であるか否かを判定することにより、前記点火コイルに異常が生じているか否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の異常検出装置。
4. 前記検出回路は、前記二次コイルに流れる二次電流を検出することにより、前記点火プラグの異常状態としてのくすぶりを検出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
5. 前記検出回路は、前記二次コイルに一定電流（ｉａ）以上の前記二次電流が流れる状態が、前記一次コイルの電圧の立ち上がり時から一定時間（ｔｘ）に亘って、継続したか否かを判定することにより、前記点火プラグのくすぶりが生じているか否かを判定することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の異常検出装置。
6. 前記検出回路は、前記二次コイルに流れる二次電流を検出することにより、前記点火プラグの異常状態としての早期点火を検出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
7. 前記検出回路は、前記点火プラグの正規点火タイミングの直前の一定時間内において、前記二次電流の電流値が閾値を超えたか否かを判定することにより、前記早期点火が生じたか否かを判定することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の異常検出装置。
8. 前記検出回路は、前記抵抗素子とグランドの間に接続されており、
   前記検出回路は、前記検出回路自体に流れる二次電流を検出するようになっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の内燃機関の異常検出装置。
9. 前記検出回路は、前記二次コイルの低圧側とグランドとの間にて前記抵抗素子と並列に接続されており、
   前記検出回路は、前記抵抗素子の両端子間の電圧を検出することにより、前記二次電流を検出するようになっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の内燃機関の異常検出装置。
10. 前記電圧制限素子は、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の内燃機関の異常検出装置。
11. 前記抵抗素子は、１００ｋオーム以上の抵抗値を有するものであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の内燃機関の異常検出装置。

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