JP2004019619A

JP2004019619A - Ignition device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP2004019619A
Application number: JP2002179263A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sakakura; 坂倉　靖; Tatsunori Yamada; 山田　達範
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ignition device for an internal combustion engine capable of detecting ion current in a state of inhibiting the mis-ignition to an air-fuel mixture in energizing a primary winding. <P>SOLUTION: This ignition device 1 for the internal combustion engine can prevent the mis-ignition in energizing the primary winding, as the supply of electric current flowing by the voltage generated in a secondary winding L2 in energizing the primary winding L1 is stopped by a diode 31 for preventing back flow. The ion current io is generated in an energizing passage of the secondary winding by applying the induction voltage (voltage for detecting ion current) generated at both ends of the secondary winding L2 by residual energy of an ignition coil 15, to a spark plug 13 after the termination of spark discharge in the spark plug 13. The ion current io is directly converted into the voltage by a current-voltage converting circuit 41 having an operational amplifier 21 and a feedback resistor 23, and output to a detecting circuit 25 as the voltage (voltage converted value) Vr. By applying this constitution, the accuracy in detecting the ion current io can be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火コイルに発生した点火用電圧を印加することでスパークプラグの電極間に火花放電を発生させるとともに、火花放電の終了後にイオン電流を発生させる機能を備えた内燃機関用点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジン等に使用される内燃機関においては、スパークプラグにて発生する火花放電により混合気が燃焼し、その燃焼に伴ってイオンが発生することから、火花放電により混合気が燃焼した後にスパークプラグの電極間に電圧（イオン電流検出用電圧）を印加することでイオン電流が流れる。そして、イオンの発生量は混合気の燃焼状態によって変化することから、このイオン電流を検出し、解析処理を行うことによって、失火検知やノッキング検出等を行うことができる。
【０００３】
そして、従来より、このイオン電流を発生させる機能を備えた内燃機関用点火装置としては、二次巻線の一端にスパークプラグを接続し、二次巻線の他端にコンデンサを直列に挿入した構成のものが主流である。この構成では、スパークプラグでの火花放電発生時に、点火コイルの二次巻線およびスパークプラグに流れる二次電流によりこのコンデンサを充電し、火花放電終了後に充電されたコンデンサを放電して、二次巻線を介しスパークプラグの電極間に電圧を印加することで、イオン電流を発生させている（例えば、特開平４−１９１４６５号公報や特開平１０−２３８４４６号公報等）。
【０００４】
なお、このような内燃機関用点火装置では、コンデンサに並列にツェナーダイオードが備えられて、コンデンサが過充電により破壊されるのを防ぐとともに、コンデンサの両端電圧を一定電圧（１００〜３００［Ｖ］）に制限している。このように、コンデンサをイオン電流発生用の電源として用いる内燃機関用点火装置は、イオン電流発生用としての専用電源装置（バッテリなど）を特に設ける必要が無くなるため、部品点数が比較的少なくなると共に、小型化を図ることができるという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のようにスパークプラグでの火花放電時に流れる二次電流にて充電したコンデンサを放電させることでスパークプラグの電極間にイオン電流を発生させる構成の内燃機関用点火装置では、点火コイルに磁束エネルギを蓄積するために一次巻線への通電を開始した際に、点火用高電圧とは逆極性の高電圧（数ｋＶ）が二次巻線に発生し、スパークプラグが正常な点火時期以前に放電を生じてしまい、混合気への誤着火を引き起こす虞がある。
【０００６】
つまり、従来の内燃機関用点火装置は、二次電流通電経路に直列に挿入されたコンデンサに対して、火花放電発生時には充電を可能とする一方でイオン電流発生時には放電を可能とするように、二次電流通電経路が両方向の電流を通電可能にされている。このために、一次巻線への通電時の点火コイルにおける磁束密度の変化に伴い、一次電流の通電遮断時とは逆極性の誘導電圧が二次巻線の両端に発生することになり、この時発生する誘導電圧が火花放電に必要な電圧値を超えると、本来の火花放電時とは逆方向の電流が流れる状態でスパークプラグに放電が発生することになる。
【０００７】
また、一次巻線への通電時間を同じ長さに設定した条件下では、内燃機関の回転速度が高くなるほど、一次巻線への通電開始時期は、クランク角度の早い時期に設定されることになり、つまりシリンダ内の筒内圧が低い時期に設定されることになる。そして、スパークプラグにおける放電電圧は、シリンダ内の筒内圧が低くなるほど低下することが知られていることから、高回転運転時には、一次巻線への通電時に二次巻線に発生する点火用電圧とは逆極性の電圧（数ｋＶ）によって、混合気への誤着火が起こり易くなる。
【０００８】
このような早い時期での混合気への誤着火の発生を防ぐためには、二次電流通電経路における電流の通電方向を一方向に制限し、一次電流の通電遮断時に電流（二次電流）が流れるのを許容するように、逆流防止用ダイオードを二次巻線の一端とスパークプラグとの間を接続する通電経路に直列に挿入すると良い。しかし、このように逆流防止用ダイオードを設けた場合、上述の公報技術の点火装置では、二次電流によるコンデンサへの充電は可能なものの、コンデンサの放電による電流を流すことができない、そのために、スパークプラグの電極間にイオン電流が流れることが不可能となり、ひいては二次電流通電経路に流れるイオン電流の検出を行うことができない。
【０００９】
そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、一次巻線への通電時における混合気への誤着火を抑制した上で、イオン電流の検出が可能な内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記課題を解決するための本発明は、一次巻線および二次巻線を有する点火コイルと、点火コイルの一次巻線に流れる一次電流の通電・遮断をスイッチング制御するスイッチング手段と、二次巻線の一端に接続されて二次電流通電経路を形成し、二次巻線に発生する点火用電圧が印加されて自身の電極間に火花放電を発生するスパークプラグとを備えた内燃機関用点火装置であって、二次巻線の一端とスパークプラグとの間を接続する通電経路に直列に挿入され、一次巻線への通電遮断時に二次電流通電経路を流れる二次電流の通電を許容し、一次巻線への通電時に二次電流通電経路を流れる電流の通電を阻止する逆火防止用ダイオードと、反転入力端子が二次巻線通電経路に接続されるオペアンプと、オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に設けられる帰還抵抗器とを少なくとも有し、イオン電流検出用電圧がスパークプラグに印加されたときに二次電流通電経路に流れるイオン電流を直接電圧変換して、その電圧変換値を外部に出力する電流−電圧変換回路とを備え、スパークプラグにおける火花放電終了後に点火コイルに残留した残留エネルギによって二次巻線の両端にイオン電流検出用電圧を発生させ、イオン電流検出用電圧を該スパークプラグに印加することを特徴とする。
【００１１】
つまり、本発明の内燃機関用点火装置では、点火コイルの二次巻線の一端（高圧端）とスパークプラグとを接続する通電経路中に逆流防止用ダイオードを備えることにより、二次電流通電経路において通電可能な電流方向を一方向に制限している。そして、この逆流防止用ダイオードが、一次巻線への通電時に二次巻線の両端に発生する電圧による二次電流通電経路の通電を阻止することによって、一次巻線への通電時にスパークプラグが放電することを防いでいる。
【００１２】
そして、本発明では、スパークプラグの火花放電終了後に点火コイルに存在する残留エネルギによって二次巻線の両端に発生する誘導電圧をスパークプラグに印加して、二次電流通電経路にイオン電流を生じさせる（換言すれば、スパークプラグの電極間にイオン電流が流れる）ことが第一に注目すべき点である。より詳細に説明すると、火花放電終了後に点火コイルに存在する残留エネルギにより二次巻線の両端に発生する誘導電圧がスパークプラグに印加され、当該スパークプラグの浮遊容量を含む二次電流通電経路に存在し得る浮遊容量にその電圧が充電される。そして、この充電電荷を利用して二次電流通電経路にイオン電流を生じさせるのである。つまり、本発明では、点火コイルの残留エネルギにより二次巻線の両端に発生する誘導電圧を、イオン電流を発生させるためのイオン電流検出用電圧として用いている。即ち、点火コイルは、点火用電圧を発生させる電源として機能すると共に、イオン電流発生用の電源としても機能する。
【００１３】
ここで、火花放電が終了した際に点火コイルに存在する残留エネルギは、火花放電を継続させるには不十分ではあるが、二次電流通電経路に存在する浮遊容量を充電させ、スパークプラグの電極間にイオン電流を流すには十分な量である。つまり、従来のイオン電流発生用のコンデンサが蓄積する電圧（１００〜３００［Ｖ］）よりも高い電圧を、スパークプラグに印加することができる。これにより、従来よりも大きいイオン電流がスパークプラグを含む二次電流通電経路に流れることになり、イオン電流の検出精度を向上させることが可能となる。
【００１４】
なお、上述したように火花放電終了後に二次巻線の両端に発生する誘導電圧は、二次電流通電経路に存在する浮遊容量に電荷を蓄積するが、スパークプラグの浮遊容量に蓄積される充電電荷は、二次巻線の一端とスパークプラグとの間を接続する通電経路に挿入される上記逆流防止用ダイオードによって二次巻線への逆流が防止される。これにより、スパークプラグの浮遊容量に蓄積された充電電荷は、二次巻線側に逆流して消費されることはなく、イオン電流を発生させるために有効に利用される。即ち、逆流防止用ダイオードは、一次巻線への通電時に誤着火が起こることを防止する機能を果たすと共に、イオン電流を確実に発生させるための機能も有する。
【００１５】
ところで、二次電流通電経路に流れるイオン電流の検出にあたっては、二次巻線に対して直列に検出用抵抗器を接続し、該検出用抵抗器の両端電圧によりイオン電流を検出する手法を図ることが主流である。そして、検出用抵抗器を用いてイオン電流を検出しようとする場合、イオン電流は微小な電流であるために、検出用抵抗器の抵抗値を非常に大きく設定（例えば１〔ＭΩ〕）し、その両端電圧を大きくし得ることが一般的である。
【００１６】
しかしながら、検出用抵抗器の抵抗値を大きく設定すると、この検出用抵抗器は二次電流通電経路に直列に接続される構成であるが故に当該抵抗器自身が負荷となって、二次電流およびイオン電流が流れ難くなる。そのために、着火性能の低下を招いたり、イオン電流の検出精度が低下することにつながる。一方、上記検出用抵抗器の抵抗値を小さくし、該検出用抵抗値の両端電圧を増幅させる手法も考えられるが、外部ノイズ自身も同様に増幅することになるので、精度の良いイオン電流の検出を行うことが困難となる。
【００１７】
そこで、本発明では、反転入力端子が二次巻線通電経路に接続されるオペアンプと、オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に設けられる帰還抵抗器とを少なくとも有し、二次電流通電経路に流れるイオン電流を直接電圧変換して、その電圧変換値を外部に出力する電流−電圧変換回路を備えることが第二の注目すべき点である。
【００１８】
このように二次電流通電経路に流れるイオン電流を、オペアンプと帰還抵抗器を有する電流−電圧変換回路によって直接電圧に変換し、その電圧変換値を外部に出力することで、二次電流通電経路上での負荷をなくした形でイオン電流を検出することができる。それにより、二次電流通電経路における二次電流およびイオン電流はその流れが負荷により妨げられることがなく、着火性能の低下やイオン電流の検出精度の低下を招くことを防止することができる。また、このような電流−電圧変換回路を用いることで、外部ノイズの影響を受けない形でイオン電流が検出可能となり、イオン電流を正確に検出することができる。さらに、本発明では、イオン電流検出用電圧として、従来のイオン電流発生用のコンデンサが蓄積する電圧（１００〜３００［Ｖ］）よりも高い電圧値を有する、点火コイルの残留エネルギにより二次巻線の両端に発生する誘導電圧を用いている要件を備えており、二次電流通電経路に電流−電圧変換回路を接続してイオン電流を検出する上述の要件と相俟って、イオン電流の検出精度が一層向上することになる。
【００１９】
なお、イオン電流を発生させるためにスパークプラグの電極間に電圧を印加するに際して、中心電極が負極性、接地電極が正極性となるよう電圧を印加する場合に比べて、中心電極が正極性、接地電極が負極性となるよう電圧を印加する場合の方が、より大きなイオン電流が発生可能となることが知られている。これは、体積の大きい陽イオンが中心電極よりも表面積の大きい接地電極から電子の供給を受けることにより、より多くの電子の交換、移動が行われることになるからである。
【００２０】
このことから、本発明の内燃機関用点火装置では、スパークプラグの火花放電終了後に点火コイルの残留エネルギにより二次巻線の両端に発生する誘導電圧が、スパークプラグの中心電極を正極性として印加されるように、点火コイルを構成するとよい。これにより、イオン電流の検出精度をさらに向上させることができる。なお、このような構成にするには、一次電流の通電遮断時にスパークプラグの中心電極に正極性となる点火用電圧が印加されるように、点火コイル（具体的には、二次巻線の巻線方向）を適宜調整すればよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
まず、図１は、実施形態のイオン電流検出機能を備えた内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。なお、本実施形態では、１気筒分について説明を行うが、本発明は複数の気筒を備える内燃機関についても適用でき、気筒毎の内燃機関用点火装置の基本構成は同様である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の内燃機関用点火装置１は、定電圧（例えば、電圧１２［Ｖ］）を出力する電源（バッテリ）１１と、内燃機関の気筒に設けられたスパークプラグ１３と、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とを備えて点火用電圧を発生する点火コイル１５と、一次巻線Ｌ１と直列接続されたｎｐｎ型パワートランジスタから成るトランジスタ１７（スイッチング手段に相当）と、トランジスタ１７を駆動制御するための第１指令信号Ｓａを出力する電子制御装置１９（以下、ＥＣＵ１９と呼ぶ）とを備えている。また、内燃機関用点火装置１は、アノードが二次巻線Ｌ２の一端（高圧端）３３に接続され、カソードがスパークプラグ１３の中心電極１３ａに接続された逆流防止用ダイオード３１とを備えている。
【００２３】
さらに、内燃機関用点火装置１は、反転入力端子が二次巻線Ｌ２の他端（低圧端）３５と通電経路用ダイオード３７のカソードとの間を接続する通電経路（換言すれば、二次巻線Ｌ２の他端３５と通電経路用ダイオード３７のカソードとの接続点）に接続されるオペアンプ２１と、そのオペアンプ２１の反転入力端子と出力端子との間に設けられる帰還抵抗器２３と、オペアンプ２１の出力端子から出力される電圧（電圧変換値）Ｖｒに基づきイオン電流検出信号Ｓｉを出力するための検出回路２５と、を備えている。なお、本実施形態では、上述したオペアンプ２１と帰還抵抗器２３を少なくとも有する形態で、電流−電圧変換回路４１を構成している。
【００２４】
これらのうち、トランジスタ１７は、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１への通電・遮断をスイッチング制御するために、ＥＣＵ１９からの第１指令信号Ｓａに基づいてスイッチング駆動する半導体素子からなるスイッチング素子であり、本実施例の内燃機関に備えられる点火装置はフルトランジスタ型点火装置である。
【００２５】
そして、一次巻線Ｌ１は、一端が電源１１の正極に接続され、他端がトランジスタ１７のコレクタに接続されており、二次巻線Ｌ２は、その他端３５が通電経路用ダイオード３７のカソードに接続され、一端３３が逆流防止用ダイオード３１のアノードに接続されている。また、通電経路用ダイオード３７は、アノードが電源１１の負極と同電位のグランドに接続されている。なお、この通電経路用ダイオード３７は、二次巻線通電経路の電流を一方向に制限する電流一方向制限手段に相当するものであり、二次巻線Ｌ２とグランドとの間に直列に挿入されている。
【００２６】
逆流防止用ダイオード３１は、アノードが二次巻線Ｌ２の一端３３に接続され、カソードがスパークプラグ１３の中心電極１３ａに接続されており、二次巻線Ｌ２からスパークプラグ１３の中心電極１３ａに向かう電流の通電を許容し、スパークプラグ１３の中心電極１３ａから二次巻線Ｌ２に向かう電流の通電を阻止している。
【００２７】
電流−電圧変換回路４１は、上述したようにオペアンプ２１と帰還抵抗器２３を有している。また、この電流−電圧変換回路４１は、二次巻線Ｌ２の他端（低圧端）３５と、オペアンプ２１の反転入力端子は、二次巻線Ｌ２の他端３５と通電経路用ダイオード３７との間を接続する通電経路（二次巻線通電経路の一部を構成する通電経路に相当）に接続され、非反転入力端子は、抵抗器２７を介して電源１１の負極と同電位のグランドに接続されている。オペアンプ２１の出力端子は、検出回路２５の入力端子に接続されている。帰還抵抗器２３は、その一端がオペアンプ２１の反転入力端子に接続され、他端がオペアンプ２１の出力端子に接続されている。
【００２８】
検出回路２５は、オペアンプ２１の出力端子から出力される電圧（電圧変換値）Ｖｒに基づいて、スパークプラグ１３の電極間を流れるイオン電流の挙動に応じたイオン電流検出信号Ｓｉを出力するように構成されている。なお、検出回路２５は、出力するイオン電流検出信号Ｓｉの変動範囲が、ＥＣＵ１９に入力可能な範囲を逸脱しないように構成されている。
【００２９】
また、スパークプラグ１３において中心電極１３ａと対向して火花放電を発生させる火花放電ギャップを形成する接地電極１３ｂは、電源１１の負極と同電位のグランドに接地されている。さらに、トランジスタ１７は、ベースがＥＣＵ１９の第１指令信号Ｓａの出力端子に接続され、エミッタが電源１１の負極と同電位のグランドに接地されている。
【００３０】
そして、ＥＣＵ１９から出力される第１指令信号Ｓａがローレベル（一般にグランド電位）である場合には、ベース電流ｉｂが流れずトランジスタ１７はオフ状態（遮断状態）となり、トランジスタ１７によって一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れることはない。また、ＥＣＵ１９から出力される第１指令信号Ｓａがハイレベル（一般に定電圧電源からの供給電圧５［Ｖ］）である場合には、ベース電流ｉｂが流れてトランジスタ１７はオン状態（通電状態）となり、トランジスタ１７によって一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れる。
【００３１】
このため、第１指令信号Ｓａがハイレベルであり一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れている状態で、第１指令信号Ｓａがローレベルになると、トランジスタ１７がオフ状態となり、一次巻線Ｌ１への一次電流ｉ１の通電が遮断される。すると、点火コイル１５における磁束密度が急激に変化して、二次巻線Ｌ２に点火用電圧が発生する。そして、これがスパークプラグ１３に印加され、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電が発生する。
【００３２】
点火コイル１５は、一次巻線Ｌ１への通電を遮断することで、二次巻線Ｌ２の両端に、スパークプラグ１３の中心電極１３ａにグランド電位よりも高い正極性の点火用電圧を生じさせるように構成されている。そして、スパークプラグ１３の火花放電に伴って、二次電流ｉ２が、二次巻線Ｌ２から逆流防止用ダイオード３１、スパークプラグ１３の中心電極１３ａ、接地電極１３ｂ、グランド、通電経路用ダイオード３７の順に通過して、二次巻線Ｌ２に戻る方向に流れる。即ち、このように二次電流ｉ２が流れる二次巻線Ｌ２、スパークプラグ１３、逆流防止用ダイオード３１、通電経路用ダイオード３７を含む通電経路が、二次巻線通電経路となる。
【００３３】
そして、スパークプラグ１３における火花放電の継続に伴い、点火コイル１５に蓄積されたエネルギが消費されていき、このエネルギが火花放電の継続に必要な量を下回ると、火花放電が終了する。なお、火花放電の終了時点では、点火コイル１５には残留エネルギが残されており、二次巻線Ｌ２の両端には、火花放電の発生には不十分ではあるものの、概略数ｋＶの電圧が発生している。
【００３４】
このため、スパークプラグ１３における火花放電が終了した後には、残留エネルギにより二次巻線Ｌ２の両端に発生している誘導電圧（イオン電流検出用電圧）が、逆流防止用ダイオード３１を介してスパークプラグ１３に印加されることになる。より詳細に説明すると、火花放電終了後の点火コイルにおける残留エネルギによって二次巻線Ｌ２の両端に発生する誘導電圧がスパークプラグ１３に印加されて、そのスパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆを含む二次電流通電経路に存在する浮遊容量に充電される。そして、この充電電荷によってスパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオン電流ｉｏが流れることになる。
【００３５】
そして、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオンが存在している場合には、残留エネルギにより二次巻線Ｌ２の両端に発生しているイオン電流検出用電圧（詳細には、イオン電流検出用電圧のスパークプラグ１３への印加に伴い、スパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆを含む二次電流通電経路に存在する浮遊容量にチャージされる充電電荷）により、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオン電流ｉｏが流れる。このようにしてイオン電流ｉｏは、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２から逆流防止用ダイオード３１、スパークプラグ１３、グランド、通電経路用ダイオード３７を通じて二次巻線Ｌ２に至る経路（即ち、二次電流通電経路）に流れる。
【００３６】
ここで、火花放電終了後に二次巻線Ｌ２の両端に発生する誘導電圧は、上述したように二次電流通電経路に存在する浮遊容量に充電される訳だが、スパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆにチャージされた充電電荷は、二次巻線Ｌ２の一端３３とスパークプラグ１３とを接続する通電経路に挿入される逆流防止用ダイオード３１により、二次巻線Ｌ２への逆流が防止される。これにより、スパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆにチャージされる上記充電電荷は、二次巻線Ｌ２からスパークプラグ１３の中心電極１３ａに向かう電流の通電のみを許容するために設けられる逆流防止用ダイオード３１との組み合わせにより、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオン電流ｉｏを生じさせるように有効に利用されることになる。
【００３７】
そして、二次巻線通電経路を流れるイオン電流ｉｏは、電流−電圧変換回路４１に流れることになる。この電流−電圧変換回路４１では、イオン電流ｉｏを直接電圧変換し、外部（本実施形態では検出回路２５）にイオン電流ｉｏの大きさに応じた電圧（電圧変換値）Ｖｒを出力する。具体的に電流−電圧変換回路４１は、イオン電流ｉｏの電流値をｉａとし、帰還抵抗器２３の抵抗値をＲとしたときに、−ｉａ×Ｒの大きさを有する電圧Ｖｒをオペアンプ２１の出力端子から出力する。そして、電流−電圧変換回路４１から出力される電圧Ｖｒが検出回路２５に入力され、検出回路２５が電圧Ｖｒの変動に応じたイオン電流検出信号ＳｉをＥＣＵ１９に対して出力する。
【００３８】
次に、内燃機関用点火装置１のＥＣＵ１９において実行されるイオン電流検出処理について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。なお、ＥＣＵ１９は、内燃機関の点火時期、燃料噴射量、アイドル回転数等を総合的に制御するためのものであり、以下に説明するイオン電流検出処理のほかに、別途内燃機関の吸入空気量（吸気管圧力）、回転速度、スロットル開度、冷却水温、吸気温等、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理等を実行している。
【００３９】
また、図２に示すイオン電流検出処理は、例えば、内燃機関の回転角度を検出するクランク角センサからの信号に基づき、内燃機関が、吸気，圧縮，燃焼，排気を行う１燃焼サイクルに１回の割合で実行されており、さらに、点火制御のための処理も併せて実行している。
【００４０】
そして、内燃機関が始動されてイオン電流検出処理が開始されると、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）にて、別途実行される運転状態検出処理にて検出された内燃機関の運転状態を読込み、Ｓ１２０にて、その読み込んだ運転状態に基づき、点火時期ｔｓおよびイオン電流検出開始時期ｔｉを設定する。なお、Ｓ１１０での処理では、内燃機関のエンジン回転数と、スロットル開度や吸気管負圧（吸入空気量）等を用いて算出されるエンジン負荷とを含む情報を、運転状態として読み込むことが好ましい。そして、Ｓ１２０での処理では、点火時期ｔｓについては、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとするマップ若しくは計算式を用いて制御基準値を求め、これを冷却水温，吸気温等に基づき補正する、といった従来から知られている手順で設定される。
【００４１】
また、イオン電流検出開始時期ｔｉは、火花放電が終了する時期に設定されるように、エンジン回転数とエンジン負荷を含む運転状態に基づいて、予め用意されたマップ若しくは計算式を用いて設定される。なお、このとき用いるマップもしくは計算式は、混合気の燃焼が緩慢に進む運転条件下（低回転低負荷時等）にはイオン電流検出開始時期ｔｉが遅い時期に設定されるように、また、混合気の燃焼が急速に進む運転条件下（高回転高負荷時等）にはイオン電流検出開始時期ｔｉが早い時期に設定されるように構成されている。本実施例では、エンジン回転数とエンジン負荷をパラメータとするマップを用いて、最適なイオン電流検出開始時期ｔｉを設定する。
【００４２】
次に、Ｓ１３０では、Ｓ１２０にて設定した点火時期ｔｓに基づき、予め設定された一次巻線Ｌ１の通電時間だけ早い一次巻線Ｌ１の通電開始時期を求め、通電開始時期に達した時点で、第１指令信号Ｓａをローレベルからハイレベルに変化させる。Ｓ１３０の処理により、第１指令信号Ｓａがローレベルからハイレベルに切り換わると、トランジスタ１７がオン状態となり、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れる。また、点火時期ｔｓまでの一次巻線Ｌ１の通電時間は、一次巻線Ｌ１への通電によって点火コイル１５に蓄積されるエネルギが、内燃機関のあらゆる運転条件下で混合気を燃焼させることができる最大の火花エネルギとなるように、予め設定されている。
【００４３】
続くＳ１４０では、クランク角センサからの検出信号に基づき、Ｓ１２０で設定した点火時期ｔｓに達したか否かを判断し、否定判定された場合には、同ステップを繰り返し実行することで、点火時期ｔｓになるまで待機する。そして、Ｓ１４０にて、点火時期ｔｓに達したと判断されると、Ｓ１５０に移行する。
【００４４】
すると、Ｓ１５０では、第１指令信号Ｓａをハイレベルからローレベルに反転させ、この結果、トランジスタ１７がターンオフして一次電流ｉ１が遮断され、点火コイル１５の磁束密度が急激に変化して二次巻線Ｌ２に点火用電圧が発生し、スパークプラグ１３に火花放電が発生する。このとき、二次電流ｉ２が、二次巻線Ｌ２、スパークプラグ１３、逆流防止用ダイオード３１、通電経路用ダイオード３７からなる二次電流通電経路を流れる。
【００４５】
次のＳ１６０では、Ｓ１２０で設定したイオン電流検出開始時期ｔｉに達したか否かを判断し、否定判定された場合には、同ステップを繰り返し実行することで、イオン電流検出開始時期ｔｉになるまで待機する。Ｓ１６０にて、イオン電流検出開始時期ｔｉに達したと判断されると、Ｓ１７０に移行し、Ｓ１７０にて検出回路２５から出力されるイオン電流検出信号Ｓｉの読み込みを開始する。
【００４６】
ここで、イオン電流検出開始時期ｔｉは、Ｓ１２０での処理において、火花放電が終了する時期に設定されており、Ｓ１７０に移行した時には、火花放電が終了して、点火コイル１５に存在する残留エネルギにより二次巻線Ｌ２の両端に誘導電圧が発生している。そして、この誘導電圧が、イオン電流検出用電圧として、スパークプラグ１３に印加されることになる。
【００４７】
点火コイル１５の残留エネルギに起因したイオン電流検出用電圧がスパークプラグ１３に印加される時点で、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオンが存在する場合には、上記イオン電流検出用電圧によりスパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆを含む二次電流通電経路に存在する浮遊容量にチャージされる電荷によって、イオン電流ｉｏが流れる。このイオン電流ｉｏは、上述したように二次巻線Ｌ２、スパークプラグ１３、逆流防止用ダイオード３１、通電経路用ダイオード３７から形成される二次巻線通電経路を流れる。そして、電流−電圧変換回路４１によって、イオン電流ｉｏを電圧変換した電圧Ｖｒが出力される。Ｓ１７０の処理が開始された後は、ＥＣＵ１９の内部では、電流−電圧変換回路４１から出力される電圧Ｖｒの変化に応じて、検出回路２５から出力されるイオン電流検出信号Ｓｉを読み込む処理が継続して行われる。
【００４８】
続いて、Ｓ１８０では、Ｓ１６０にて肯定判定された後、イオン電流検出信号Ｓｉを読み込むための時間として予めＥＣＵ１９に設定してある検出信号読込時間を経過したか否かを判断し、否定判定された場合、同ステップを繰り返し実行することで待機する。そして、Ｓ１８０にて、検出信号読込時間が経過したと判断されると、Ｓ１９０に移行する。本実施例では、検出信号読込時間は、内燃機関の運転状態に関わらず、予め設定された固定値としているが、運転状態に合わせて適切な値を設定してもよい。
【００４９】
そして、Ｓ１９０では、Ｓ１７０で開始したイオン電流検出信号Ｓｉの読み込み処理を停止する。Ｓ１９０における処理が終了すると、本イオン電流検出処理が終了する。なお、ＥＣＵ１９では、二次電流通電経路を流れるイオン電流ｉｏに基づいて、内燃機関の失火の有無を判定する失火判定処理を別途実行している。つまり、この失火判定処理では、検出回路２５から出力されるイオン電流検出信号Ｓｉに基づき失火判定を行っている。
【００５０】
そして、失火判定処理では、例えばイオン電流検出開始時期ｔｉ直後のピーク値を除くイオン電流検出信号Ｓｉの積分値を算出し、この積分値と失火判定のために予め定められた判定基準値とを比較し、積分値が判定基準値を以上である場合に正常燃料と判定し、積分値が判定基準値を下回る場合に失火と判定することができる。このようにして正常燃焼と失火を判定することができるのは、イオンは混合気の燃焼に伴う電離作用により発生するため、正常燃焼時にはイオンが発生するが、失火時にはイオンが発生することがないことからである。なお、失火の判定を行うために用いられる上記判定基準値は、予め設定された固定値に限定されることはなく、内燃機関の運転状態（例えば、エンジン回転数とエンジン負荷とを含む情報）に基づき、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとするマップ若しくは計算式を用いて設定するようにしてもよい。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２とスパークプラグ１３の中心電極１３ａとの間を接続する通電経路に逆流防止用ダイオード３１を挿入することにより、二次電流通電経路において通電可能な電流方向を一方向に制限している。そして、逆流防止用ダイオード３１が、一次巻線Ｌ１への通電時に二次巻線Ｌ２の両端に発生する電圧による電流の通電を阻止する。これにより、一次巻線Ｌ１への通電時における誤着火の発生を防止することができる。
【００５２】
また、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、火花放電終了後の点火コイル１５における残留エネルギによって発生する誘導電圧（イオン電流検出用電圧）をスパークプラグ１３に印加することで、イオン電流ｉｏを発生させている。つまり、点火コイル１５（二次巻線Ｌ２）は、スパークプラグ１３に火花放電を発生させるための点火用電圧を発生する電源として動作すると共に、イオン電流ｉｏを発生するための電流源としても動作している。
【００５３】
そして、本実施形態の内燃機関用点火装置１では、二次電流通電経路に流れるイオン電流ｉｏを、オペアンプ２１と帰還抵抗器２３を有する電流−電圧変換回路４１によって電圧に変換してその電圧変換値を外部に出力している関係から、二次電流通電経路上での負荷（従来のように、１〔ＭΩ〕程度の抵抗値を有する検出用抵抗器）を有さない形態で、イオン電流ｉｏの検出を実現している。これにより、二次電流通電経路を流れる二次電流およびイオン電流は、その流れが負荷によって妨げられることがなく、着火性能の低下やイオン電流の検出精度の低下を招くことを防止することができる。また、このような電流−電圧変換回路４１を用いることで、外部ノイズの影響を受けない形でイオン電流ｉｏを正確に検出することができる。
【００５４】
また、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、一次電流ｉ１の通電遮断時に、スパークプラグ１３の中心電極１３ａが正電位となる点火用電圧が印加されるように、点火コイル１５が調整されている。このため、点火コイル１５の残留エネルギにより発生する誘導電圧が、スパークプラグ１３の中心電極１３ａを正電位として印加されることから、イオン電流ｉｏの検出精度を向上させることができる。
【００５５】
ここで、失火時において、スパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆに充電された充電電圧は、次の燃焼サイクルに移行するよりも前の時点に消費されることになる。つまり、気筒内の圧力が低下するほどスパークプラグ１３の放電電圧が低下するという関係があるため、失火発生時から次の点火時期前までの行程において、ピストンの動作により気筒内容積が増大して圧力が低下すると、浮遊容量Ｃｆの充電電圧によりスパークプラグ１３に火花放電が発生することになる。そして、このように火花放電が発生するのは、上述したように次の燃焼サイクルに移行するよりも前の時点である。このことから、本実施形態では、一次巻線Ｌ１への通電時におけるスパークプラグ１３での火花放電による誤着火を抑える目的は果たされるものであり、発明の主旨に影響を与えるものではない。
【００５６】
また、内燃機関の高回転運転時は、燃焼室内の混合気の乱流が強いために火花放電が早期に終了し、点火コイル１５に残る残留エネルギは大きくなる傾向にある。このように、高回転運転時において失火した場合には、点火コイル１５に残る残留エネルギが大きいために、低回転運転時に比べて、残留エネルギにより発生する誘導電圧が高くなる。このため、高回転運転時においては、残留エネルギにより誘導される電圧により、スパークプラグ１３において再度火花放電が発生する場合がある。しかし、点火コイル１５に存在する残留エネルギによって二次巻線Ｌ２の両端にて発生する誘導電圧により再度火花放電が発生しても、電流−電圧変換回路４１から出力される電圧Ｖｒは瞬時的に大きい値を示すのみで、火花放電の再発生により点火コイル１５における残留エネルギが即座に消費され、その後に電圧Ｖｒが変化することはほとんどない。
【００５７】
このため、混合気への着火が行われずに失火した後、点火コイル１５に存在する残留エネルギによって火花放電が再発生した場合でも、電流−電圧変換回路４１から出力される電圧Ｖｒの波形、即ちイオン電流検出信号Ｓｉの波形は失火時とほぼ同様の波形を示すことになり、電圧Ｖｒに基づき正常燃焼であるか失火であるかを判定することは可能となる。よって、上述したように火花放電が再発生することがあっても、失火検出の検出精度が低下することはない。
【００５８】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、イオン電流検出処理におけるイオン電流検出開始時期ｔｉは、イオン電流の発生時期を含むように設定すれば良く、火花放電終了時期よりも早い時期に設定しても良い。また、イオン電流検出開始時期については、運転状態に応じて設定される変動期間ではなく、予め定められた固定期間としても良い。
【００５９】
また、本実施形態の内燃機関用点火装置１において、電流−電圧変換回路４１を過大電流から保護する意味で、通電経路用ダイオード３７に対して並列に保護用ダイオードを接続させても良い。このとき、保護用ダイオードは、アノードが通電経路用ダイオード３７のカソードに接続されるように、該通電経路用ダイオード３７に並列に接続することになる。
【００６０】
また、電流一方向制限手段として、本実施形態ではダイオード（通電経路用ダイオード３７）を用いたが、ツェナーダイオードを用いても良い。
さらに、イオン電流ｉｏを用いて検出可能な燃焼状態としては、失火に限らず、例えばノッキング等が挙げられる。このノッキングを検出するにあたっても、スパークプラグの電極間に流れるイオン電流を検出し、検出したイオン電流波形を公知の手法を用いて解析することでノッキング判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。
【図２】内燃機関用点火装置の電子制御装置（ＥＣＵ）において実行されるイオン電流検出処理の処理内容を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１・・・内燃機関用点火装置、１１・・・電源、１３・・・スパークプラグ、１５・・・点火コイル、１７・・・トランジスタ（スイッチング手段）、１９・・・電子制御装置（ＥＣＵ）、２１・・・オペアンプ、２３・・・帰還抵抗器、２５・・・検出回路、３１・・・逆流防止用ダイオード、３７・・・通電経路用ダイオード（電流一方向制限手段）、４１・・・電流−電圧変換回路、Ｌ１・・・一次巻線、Ｌ２・・・二次巻線。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ignition device for an internal combustion engine having a function of generating a spark discharge between electrodes of a spark plug by applying an ignition voltage generated to an ignition coil and generating an ionic current after the end of the spark discharge. .
[0002]
[Prior art]
In an internal combustion engine used for an automobile engine, etc., the mixture is burned by spark discharge generated by the spark plug, and ions are generated by the combustion. When a voltage (ion current detection voltage) is applied between the electrodes, an ion current flows. Since the amount of generated ions varies depending on the combustion state of the air-fuel mixture, by detecting this ion current and performing analysis processing, misfire detection, knocking detection, and the like can be performed.
[0003]
Conventionally, as an ignition device for an internal combustion engine having a function of generating this ion current, a spark plug is connected to one end of a secondary winding, and a capacitor is inserted in series at the other end of the secondary winding. The configuration is the mainstream. In this configuration, when a spark discharge occurs in the spark plug, the capacitor is charged by the secondary winding of the ignition coil and the secondary current flowing in the spark plug, and the charged capacitor is discharged after the spark discharge is completed, so that the secondary is discharged. An ion current is generated by applying a voltage between the electrodes of the spark plug via a winding (for example, JP-A-4-191465 and JP-A-10-238446).
[0004]
In such an ignition device for an internal combustion engine, a Zener diode is provided in parallel with the capacitor to prevent the capacitor from being damaged by overcharge and to reduce the voltage across the capacitor to a constant voltage (100 to 300 [V]). ). As described above, the ignition device for an internal combustion engine that uses a capacitor as a power source for generating an ion current does not require a special power supply device (such as a battery) for generating an ion current. There is an advantage that the size can be reduced.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, in an ignition device for an internal combustion engine in which an ion current is generated between electrodes of a spark plug by discharging a charged capacitor with a secondary current flowing at the time of spark discharge in a spark plug, an ignition coil is provided. When energization of the primary winding is started to accumulate magnetic flux energy, a high voltage (several kV) having a polarity opposite to that of the ignition high voltage is generated in the secondary winding, and the spark plug is operated at normal ignition timing. There is a possibility that a discharge may be caused before and erroneous ignition of the air-fuel mixture is caused.
[0006]
That is, the conventional ignition device for an internal combustion engine allows a capacitor inserted in series in a secondary current passage to be charged when spark discharge occurs, while allowing discharge when ion current is generated. The secondary current passage is capable of passing current in both directions. For this reason, with the change in the magnetic flux density in the ignition coil when the primary winding is energized, an induced voltage having a polarity opposite to that of when the primary current is interrupted is generated at both ends of the secondary winding. When the generated induced voltage exceeds the voltage value required for spark discharge, discharge occurs in the spark plug with a current flowing in a direction opposite to that of the original spark discharge.
[0007]
Further, under the condition that the energizing time to the primary winding is set to the same length, the energization start timing to the primary winding is set to an earlier timing of the crank angle as the rotation speed of the internal combustion engine increases. That is, it is set at a time when the in-cylinder pressure in the cylinder is low. It is known that the discharge voltage at the spark plug decreases as the in-cylinder pressure in the cylinder decreases. Therefore, during high-speed operation, the ignition voltage generated in the secondary winding when the primary winding is energized. A voltage (several kV) having a polarity opposite to that described above easily causes erroneous ignition of the air-fuel mixture.
[0008]
In order to prevent the occurrence of erroneous ignition of the air-fuel mixture at such an early stage, the direction of current supply in the secondary current supply path is limited to one direction, and the current (secondary current) is reduced when the supply of primary current is interrupted. In order to allow the current to flow, it is preferable to insert a backflow prevention diode in series in an energizing path connecting between one end of the secondary winding and the spark plug. However, in the case where the backflow prevention diode is provided as described above, in the igniter of the above-mentioned publication technology, although the capacitor can be charged with the secondary current, the current due to the discharge of the capacitor cannot be flown. It becomes impossible for the ionic current to flow between the electrodes of the spark plug, and as a result, the ionic current flowing to the secondary current passage cannot be detected.
[0009]
Therefore, the present invention has been made in view of such a problem, and provides an ignition device for an internal combustion engine capable of detecting an ionic current while suppressing erroneous ignition of an air-fuel mixture when energizing a primary winding. The purpose is to do.
[0010]
Means for Solving the Problems, Functions and Effects
The present invention for solving the above-mentioned problems includes an ignition coil having a primary winding and a secondary winding, switching means for controlling the energization / cutoff of a primary current flowing through the primary winding of the ignition coil, and a secondary winding. A spark plug that is connected to one end of a wire to form a secondary current flow path, and that is applied with an ignition voltage generated in a secondary winding to generate a spark discharge between its own electrodes; A device, which is inserted in series in an energizing path connecting one end of a secondary winding and a spark plug, and allows a secondary current to flow through the secondary current energizing path when energization of the primary winding is interrupted. A reverse-fire prevention diode that prevents the current flowing through the secondary current path when the primary winding is energized, an operational amplifier whose inverting input terminal is connected to the secondary winding energizing path, and an inverting input of the operational amplifier Terminal and output terminal And at least a feedback resistor provided between the spark plugs, and when the ion current detection voltage is applied to the spark plug, directly converts the ion current flowing in the secondary current conduction path into a voltage, and converts the voltage conversion value to an external value. And a current-voltage conversion circuit that outputs an ion current detection voltage at both ends of the secondary winding by the residual energy remaining in the ignition coil after the spark discharge in the spark plug ends. It is characterized in that it is applied to a spark plug.
[0011]
That is, in the ignition device for an internal combustion engine of the present invention, by providing a reverse current prevention diode in an energizing path connecting one end (high voltage end) of the secondary winding of the ignition coil and the spark plug, the secondary current energizing path is provided. , The direction of the current that can flow is limited to one direction. Then, the backflow prevention diode prevents the secondary plug from being energized by the voltage generated at both ends of the secondary winding when the primary winding is energized, so that the spark plug is energized when the primary winding is energized. Prevents discharge.
[0012]
In the present invention, an induction voltage generated at both ends of the secondary winding due to residual energy existing in the ignition coil after the spark discharge of the spark plug is completed is applied to the spark plug, and an ion current is generated in the secondary current conduction path. (In other words, an ionic current flows between the electrodes of the spark plug) is the first point to be noted. More specifically, an induced voltage generated at both ends of the secondary winding due to residual energy existing in the ignition coil after the end of the spark discharge is applied to the spark plug, and the induced voltage is applied to the secondary current flow path including the stray capacitance of the spark plug. The stray capacitance that may be present is charged with that voltage. Then, an ionic current is generated in the secondary current passage using this charged charge. That is, in the present invention, the induced voltage generated at both ends of the secondary winding due to the residual energy of the ignition coil is used as an ion current detection voltage for generating an ion current. That is, the ignition coil functions as a power supply for generating an ignition voltage and also functions as a power supply for generating an ion current.
[0013]
Here, the residual energy existing in the ignition coil when the spark discharge ends is insufficient for continuing the spark discharge, but charges the stray capacitance existing in the secondary current conduction path, and causes the electrode of the spark plug to be charged. This is a sufficient amount for an ion current to flow in between. That is, a voltage higher than the voltage (100 to 300 [V]) stored in the conventional capacitor for generating an ion current can be applied to the spark plug. As a result, an ion current larger than before flows through the secondary current flow path including the spark plug, and the detection accuracy of the ion current can be improved.
[0014]
As described above, the induced voltage generated at both ends of the secondary winding after the end of the spark discharge accumulates the electric charge in the stray capacitance existing in the secondary current passage, but the charge accumulated in the stray capacitance of the spark plug The backflow of the electric charge to the secondary winding is prevented by the backflow prevention diode inserted into the current path connecting one end of the secondary winding and the spark plug. Thus, the charge stored in the stray capacitance of the spark plug does not flow backward to the secondary winding and is consumed, and is effectively used to generate an ion current. That is, the backflow prevention diode has a function of preventing erroneous ignition when energizing the primary winding, and also has a function of reliably generating an ion current.
[0015]
By the way, in detecting the ion current flowing through the secondary current passage, a method of connecting a detection resistor in series with the secondary winding and detecting the ion current based on the voltage across the detection resistor is attempted. That is the mainstream. When an ion current is to be detected using a detection resistor, the resistance value of the detection resistor is set to a very large value (for example, 1 [MΩ]) because the ion current is a very small current. Generally, the voltage between both ends can be increased.
[0016]
However, when the resistance value of the detection resistor is set to be large, the resistance itself becomes a load because the detection resistor is configured to be connected in series to the secondary current flow path, so that the secondary current and Ion current becomes difficult to flow. For this reason, the ignition performance is reduced, and the detection accuracy of the ion current is reduced. On the other hand, a method of reducing the resistance value of the detection resistor and amplifying the voltage between both ends of the detection resistance value is also conceivable. However, since the external noise itself is also amplified, a precise ion current It becomes difficult to perform detection.
[0017]
Therefore, the present invention includes at least an operational amplifier having an inverting input terminal connected to a secondary winding energizing path, and a feedback resistor provided between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier. It is a second noteworthy point to provide a current-voltage conversion circuit for directly converting the voltage of the ion current flowing in the path and outputting the voltage conversion value to the outside.
[0018]
In this way, the ion current flowing through the secondary current passage is directly converted into a voltage by a current-voltage conversion circuit having an operational amplifier and a feedback resistor, and the voltage conversion value is output to the outside. The ion current can be detected in a form without the above load. Thereby, the flow of the secondary current and the ionic current in the secondary current passage is not hindered by the load, and it is possible to prevent the ignition performance from being lowered and the ion current detection accuracy from being lowered. In addition, by using such a current-voltage conversion circuit, the ion current can be detected without being affected by external noise, and the ion current can be accurately detected. Further, in the present invention, the secondary winding is formed by the residual energy of the ignition coil having a voltage value higher than the voltage (100 to 300 [V]) stored in the conventional capacitor for generating an ion current as the ion current detection voltage. There is a requirement to use the induced voltage generated at both ends of the wire, and in conjunction with the above requirement to connect the current-voltage conversion circuit to the secondary current conduction path and detect the ion current, The detection accuracy is further improved.
[0019]
When a voltage is applied between the electrodes of the spark plug to generate an ion current, the center electrode has a positive polarity, compared with a case where a voltage is applied such that the center electrode has a negative polarity and the ground electrode has a positive polarity. It is known that a larger ion current can be generated when a voltage is applied so that the ground electrode has a negative polarity. This is because a larger volume of cations is supplied with electrons from a ground electrode having a larger surface area than the center electrode, so that more electrons are exchanged and moved.
[0020]
Therefore, in the ignition device for an internal combustion engine of the present invention, the induced voltage generated at both ends of the secondary winding due to the residual energy of the ignition coil after the spark discharge of the spark plug is applied with the center electrode of the spark plug having a positive polarity It is preferable to configure the ignition coil such that Thereby, the detection accuracy of the ion current can be further improved. In order to make such a configuration, an ignition coil (specifically, a secondary winding is used) so that a positive ignition voltage is applied to the center electrode of the spark plug when the primary current is cut off. Winding direction) may be adjusted appropriately.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 is an electric circuit diagram illustrating a configuration of an ignition device for an internal combustion engine having an ion current detection function according to the embodiment. In this embodiment, one cylinder will be described. However, the present invention can be applied to an internal combustion engine having a plurality of cylinders, and the basic configuration of the internal combustion engine ignition device for each cylinder is the same.
[0022]
As shown in FIG. 1, an ignition device 1 for an internal combustion engine according to the present embodiment includes a power source (battery) 11 that outputs a constant voltage (for example, a voltage of 12 [V]), and a spark plug provided in a cylinder of the internal combustion engine. 13, an ignition coil 15 having a primary winding L1 and a secondary winding L2 to generate an ignition voltage, and a transistor 17 comprising an npn-type power transistor connected in series with the primary winding L1 (corresponding to switching means). ) And an electronic control unit 19 (hereinafter, referred to as ECU 19) for outputting a first command signal Sa for controlling the drive of the transistor 17. Further, the ignition device 1 for an internal combustion engine includes a backflow prevention diode 31 having an anode connected to one end (high voltage end) 33 of the secondary winding L2 and a cathode connected to the center electrode 13a of the spark plug 13. I have.
[0023]
Further, in the ignition device 1 for an internal combustion engine, the inverting input terminal connects the other end (low voltage end) 35 of the secondary winding L2 to the cathode of the diode 37 for the current path (in other words, the secondary path). An operational amplifier 21 connected to the other end 35 of the winding L2 and a cathode of the current path diode 37), a feedback resistor 23 provided between an inverting input terminal and an output terminal of the operational amplifier 21, A detection circuit 25 for outputting an ion current detection signal Si based on the voltage (voltage conversion value) Vr output from the output terminal of the operational amplifier 21. In the present embodiment, the current-voltage conversion circuit 41 is configured to include at least the operational amplifier 21 and the feedback resistor 23 described above.
[0024]
Among them, the transistor 17 is a switching element made of a semiconductor element that performs switching driving based on a first command signal Sa from the ECU 19 in order to perform switching control of energization / cutoff to the primary winding L1 of the ignition coil 15. The ignition device provided in the internal combustion engine of the present embodiment is a full transistor type ignition device.
[0025]
The primary winding L1 has one end connected to the positive electrode of the power supply 11, the other end connected to the collector of the transistor 17, and the other end 35 connected to the cathode of the current path diode 37. One end 33 is connected to the anode of the backflow prevention diode 31. The current path diode 37 has an anode connected to the ground at the same potential as the negative electrode of the power supply 11. The current path diode 37 corresponds to current unidirectional limiting means for limiting the current in the secondary coil current path in one direction, and is inserted in series between the secondary coil L2 and the ground. Have been.
[0026]
The backflow prevention diode 31 has an anode connected to one end 33 of the secondary winding L2, a cathode connected to the center electrode 13a of the spark plug 13, and a connection from the secondary winding L2 to the center electrode 13a of the spark plug 13. A current flowing toward the secondary winding L2 from the center electrode 13a of the spark plug 13 is prevented.
[0027]
The current-voltage conversion circuit 41 has the operational amplifier 21 and the feedback resistor 23 as described above. The current-voltage conversion circuit 41 includes the other end (low voltage end) 35 of the secondary winding L2, the inverting input terminal of the operational amplifier 21 includes the other end 35 of the secondary winding L2, The non-inverting input terminal is connected via a resistor 27 to a ground having the same potential as the negative electrode of the power supply 11 through a resistor 27. It is connected to the. The output terminal of the operational amplifier 21 is connected to the input terminal of the detection circuit 25. One end of the feedback resistor 23 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 21, and the other end is connected to the output terminal of the operational amplifier 21.
[0028]
The detection circuit 25 outputs an ion current detection signal Si corresponding to the behavior of the ion current flowing between the electrodes of the spark plug 13 based on the voltage (voltage conversion value) Vr output from the output terminal of the operational amplifier 21. It is configured. The detection circuit 25 is configured so that the fluctuation range of the output ion current detection signal Si does not deviate from the range that can be input to the ECU 19.
[0029]
Further, a ground electrode 13b which forms a spark discharge gap for generating a spark discharge opposite to the center electrode 13a in the spark plug 13 is grounded to the ground having the same potential as the negative electrode of the power supply 11. Further, the transistor 17 has a base connected to the output terminal of the first command signal Sa of the ECU 19, and an emitter grounded to the same potential as the negative electrode of the power supply 11.
[0030]
When the first command signal Sa output from the ECU 19 is at a low level (generally, ground potential), the base current ib does not flow, and the transistor 17 is turned off (cutoff state). Does not flow through the primary current i1. When the first command signal Sa output from the ECU 19 is at a high level (generally, a supply voltage of 5 [V] from a constant voltage power supply), the base current ib flows and the transistor 17 is turned on (energized state). And the primary current i1 flows through the primary winding L1 by the transistor 17.
[0031]
Therefore, when the first command signal Sa is at a low level while the first command signal Sa is at a high level and the primary current i1 is flowing through the primary winding L1, the transistor 17 is turned off, and the primary winding L1 is turned off. The primary current i1 is cut off. Then, the magnetic flux density in the ignition coil 15 changes rapidly, and an ignition voltage is generated in the secondary winding L2. This is applied to the spark plug 13, and a spark discharge occurs between the electrodes 13 a and 13 b of the spark plug 13.
[0032]
The ignition coil 15 cuts off the current supply to the primary winding L1 to generate a positive ignition voltage higher than the ground potential at the center electrode 13a of the spark plug 13 at both ends of the secondary winding L2. Is configured. Then, with the spark discharge of the spark plug 13, the secondary current i2 flows from the secondary winding L2 to the backflow prevention diode 31, the center electrode 13a of the spark plug 13, the ground electrode 13b, the ground, and the current path diode 37. It passes in order and flows in the direction returning to the secondary winding L2. That is, an energizing path including the secondary winding L2 through which the secondary current i2 flows, the spark plug 13, the backflow prevention diode 31, and the energizing path diode 37 is a secondary winding energizing path.
[0033]
As the spark discharge in the spark plug 13 continues, the energy accumulated in the ignition coil 15 is consumed. When this energy falls below the amount necessary for the continuation of the spark discharge, the spark discharge ends. At the end of the spark discharge, residual energy is left in the ignition coil 15, and a voltage of approximately several kV is applied to both ends of the secondary winding L <b> 2, although the voltage is insufficient for generating the spark discharge. It has occurred.
[0034]
For this reason, after the spark discharge in the spark plug 13 ends, the induced voltage (ion current detection voltage) generated at both ends of the secondary winding L2 due to the residual energy is discharged via the backflow prevention diode 31. This is applied to the plug 13. More specifically, an induced voltage generated across the secondary winding L2 due to residual energy in the ignition coil after the end of the spark discharge is applied to the spark plug 13, and the secondary voltage including the stray capacitance Cf of the spark plug 13 The stray capacitance existing in the current flow path is charged. Then, the ionic current io flows between the electrodes 13a and 13b of the spark plug 13 due to the charged charges.
[0035]
When ions are present between the electrodes 13a and 13b of the spark plug 13, the voltage for ion current detection (specifically, the ion current detection voltage) generated at both ends of the secondary winding L2 due to residual energy With the application of the working voltage to the spark plug 13, the electric charge charged in the stray capacitance existing in the secondary current conduction path including the stray capacitance Cf of the spark plug 13) causes a voltage between the electrodes 13 a and 13 b of the spark plug 13. An ion current io flows. In this way, the ion current io is transferred from the secondary winding L2 of the ignition coil 15 to the secondary winding L2 through the backflow prevention diode 31, the spark plug 13, the ground, and the current path diode 37 (ie, the secondary winding L2). Current flowing path).
[0036]
Here, the induced voltage generated across the secondary winding L2 after the end of the spark discharge is charged to the stray capacitance existing in the secondary current conduction path as described above. The backflow preventing diode 31 inserted into the energization path connecting the one end 33 of the secondary winding L2 and the spark plug 13 prevents the backflow of the charged charge into the secondary winding L2. Thereby, the above-mentioned charged electric charge charged to the stray capacitance Cf of the spark plug 13 is supplied to the backflow prevention diode 31 provided to allow only the current flowing from the secondary winding L2 toward the center electrode 13a of the spark plug 13. Is effectively used so as to generate the ion current io between the electrodes 13a and 13b of the spark plug 13.
[0037]
Then, the ionic current io flowing through the secondary winding conduction path flows to the current-voltage conversion circuit 41. The current-voltage conversion circuit 41 directly converts the voltage of the ion current io, and outputs a voltage (voltage conversion value) Vr corresponding to the magnitude of the ion current io to the outside (the detection circuit 25 in the present embodiment). Specifically, when the current value of the ion current io is ia and the resistance value of the feedback resistor 23 is R, the current-voltage conversion circuit 41 converts the voltage Vr having a magnitude of −ia × R into the operational amplifier 21. Output from the output terminal. Then, the voltage Vr output from the current-voltage conversion circuit 41 is input to the detection circuit 25, and the detection circuit 25 outputs an ion current detection signal Si corresponding to the fluctuation of the voltage Vr to the ECU 19.
[0038]
Next, an ion current detection process executed by the ECU 19 of the internal combustion engine ignition device 1 will be described with reference to a flowchart shown in FIG. The ECU 19 is for comprehensively controlling the ignition timing, the fuel injection amount, the idling speed, and the like of the internal combustion engine. In addition to the ion current detection processing described below, the ECU 19 separately controls the intake air flow rate of the internal combustion engine. (Intake pipe pressure), rotational speed, throttle opening, cooling water temperature, intake air temperature, and other operating state detection processing for detecting the operating state of each section of the engine.
[0039]
In addition, the ion current detection process shown in FIG. 2 is performed, for example, once in one combustion cycle in which the internal combustion engine performs intake, compression, combustion, and exhaust based on a signal from a crank angle sensor that detects a rotation angle of the internal combustion engine. , And a process for ignition control is also executed.
[0040]
Then, when the internal combustion engine is started and the ion current detection process is started, first, in S110 (S represents a step), the operation state of the internal combustion engine detected in the separately executed operation state detection process is read. In step S120, the ignition timing ts and the ion current detection start timing ti are set based on the read operation state. In the process at S110, information including an engine speed of the internal combustion engine and an engine load calculated using a throttle opening, an intake pipe negative pressure (intake air amount), and the like are read as an operating state. preferable. In the process at S120, a control reference value is obtained for the ignition timing ts using a map or a calculation formula using the engine speed and the engine load as parameters, and the control reference value is corrected based on the cooling water temperature, the intake air temperature, and the like. , Etc. are set according to a conventionally known procedure.
[0041]
The ion current detection start time ti is set using a map or a calculation formula prepared in advance based on the operating state including the engine speed and the engine load so as to be set at the time when the spark discharge ends. You. The map or calculation formula used at this time is set so that the ion current detection start time ti is set to a late time under operating conditions in which the combustion of the air-fuel mixture proceeds slowly (for example, at low rotation and low load). The ion current detection start time ti is configured to be set earlier under operating conditions under which combustion of the air-fuel mixture proceeds rapidly (such as at high rotation and high load). In this embodiment, an optimum ion current detection start timing ti is set using a map in which the engine speed and the engine load are used as parameters.
[0042]
Next, in S130, based on the ignition timing ts set in S120, the energization start timing of the primary winding L1 earlier by the preset energization time of the primary winding L1 is determined, and when the energization start timing is reached, The first command signal Sa is changed from a low level to a high level. When the first command signal Sa switches from the low level to the high level by the process of S130, the transistor 17 is turned on, and the primary current i1 flows through the primary winding L1. Further, during the energizing time of the primary winding L1 until the ignition timing ts, the energy stored in the ignition coil 15 by energizing the primary winding L1 can burn the air-fuel mixture under all operating conditions of the internal combustion engine. It is set in advance so as to have the maximum spark energy.
[0043]
In the following S140, it is determined whether or not the ignition timing ts set in S120 has been reached based on the detection signal from the crank angle sensor. If a negative determination is made, the same step is repeatedly executed to obtain the ignition timing. Wait until ts. When it is determined in S140 that the ignition timing ts has been reached, the process proceeds to S150.
[0044]
Then, in S150, the first command signal Sa is inverted from the high level to the low level. As a result, the transistor 17 is turned off, the primary current i1 is cut off, and the magnetic flux density of the ignition coil 15 changes abruptly, and An ignition voltage is generated in the winding L2, and a spark discharge is generated in the spark plug 13. At this time, the secondary current i2 flows through the secondary current conduction path including the secondary winding L2, the spark plug 13, the backflow prevention diode 31, and the conduction path diode 37.
[0045]
In the next S160, it is determined whether or not the ion current detection start time ti set in S120 has been reached, and if a negative determination is made, the same step is repeatedly performed to reach the ion current detection start time ti. Wait until. If it is determined in S160 that the ion current detection start time ti has been reached, the process proceeds to S170, and reading of the ion current detection signal Si output from the detection circuit 25 in S170 is started.
[0046]
Here, the ion current detection start time ti is set to the time when the spark discharge ends in the processing in S120, and when the process proceeds to S170, the spark discharge ends and the residual energy existing in the ignition coil 15 As a result, an induced voltage is generated at both ends of the secondary winding L2. Then, this induced voltage is applied to the spark plug 13 as an ion current detection voltage.
[0047]
When ions are present between the electrodes 13a and 13b of the spark plug 13 at the time when the ion current detection voltage resulting from the residual energy of the ignition coil 15 is applied to the spark plug 13, the ion current detection voltage is used. The ionic current io flows by the electric charge charged in the stray capacitance existing in the secondary current passage including the stray capacitance Cf of the spark plug 13. This ion current io flows through the secondary winding current path formed by the secondary winding L2, the spark plug 13, the backflow prevention diode 31, and the current path diode 37 as described above. Then, the current-voltage conversion circuit 41 outputs a voltage Vr obtained by voltage-converting the ion current io. After the process of S170 is started, the process of reading the ion current detection signal Si output from the detection circuit 25 according to the change in the voltage Vr output from the current-voltage conversion circuit 41 is continued inside the ECU 19. It is done.
[0048]
Subsequently, in S180, after making an affirmative determination in S160, it is determined whether a detection signal reading time set in the ECU 19 in advance as a time for reading the ion current detection signal Si has elapsed, and a negative determination is made. If this is the case, the process waits by repeatedly executing the same step. If it is determined in S180 that the detection signal reading time has elapsed, the process proceeds to S190. In the present embodiment, the detection signal reading time is a fixed value that is set in advance regardless of the operation state of the internal combustion engine. However, an appropriate value may be set according to the operation state.
[0049]
Then, in S190, the reading process of the ion current detection signal Si started in S170 is stopped. When the processing in S190 ends, the present ion current detection processing ends. The ECU 19 separately executes a misfire determination process for determining whether or not a misfire has occurred in the internal combustion engine based on the ion current io flowing through the secondary current passage. That is, in the misfire determination process, the misfire is determined based on the ion current detection signal Si output from the detection circuit 25.
[0050]
In the misfire determination process, for example, the integral value of the ion current detection signal Si excluding the peak value immediately after the ion current detection start time ti is calculated, and this integral value is compared with a predetermined reference value for misfire determination. In comparison, it is possible to determine that the fuel is normal if the integrated value is equal to or greater than the determination reference value, and determine misfire if the integrated value is less than the determination reference value. In this way, normal combustion and misfire can be determined because ions are generated by the ionization effect accompanying the combustion of the air-fuel mixture, so that ions are generated during normal combustion, but no ions are generated during misfire. That is because. Note that the determination reference value used for determining misfire is not limited to a preset fixed value, and the operating state of the internal combustion engine (for example, information including the engine speed and the engine load) May be set using a map or a calculation formula using the engine speed and the engine load as parameters.
[0051]
As described above, in the ignition device 1 for an internal combustion engine of the present embodiment, the backflow prevention diode 31 is provided in the current path connecting the secondary winding L2 of the ignition coil 15 and the center electrode 13a of the spark plug 13. Is inserted, the direction of current that can flow in the secondary current flow path is limited to one direction. Then, the backflow preventing diode 31 prevents the current from being applied by the voltage generated at both ends of the secondary winding L2 when the primary winding L1 is energized. Thereby, it is possible to prevent occurrence of erroneous ignition when energizing the primary winding L1.
[0052]
In addition, in the ignition device 1 for an internal combustion engine of the present embodiment, the induction current (voltage for detecting an ion current) generated by the residual energy in the ignition coil 15 after the end of the spark discharge is applied to the spark plug 13 so that the ion current is reduced. io. That is, the ignition coil 15 (secondary winding L2) operates as a power source for generating an ignition voltage for generating spark discharge in the spark plug 13 and also operates as a current source for generating the ion current io. are doing.
[0053]
In the ignition device 1 for an internal combustion engine according to the present embodiment, the ion current io flowing through the secondary current passage is converted into a voltage by the current-voltage conversion circuit 41 having the operational amplifier 21 and the feedback resistor 23, and the voltage is converted. From the relation that the value is output to the outside, the ion current in a form that does not have a load (a detection resistor having a resistance value of about 1 [MΩ] as in the related art) on the secondary current passage is used. io detection is realized. Accordingly, the flow of the secondary current and the ionic current flowing through the secondary current passage is not hindered by the load, and it is possible to prevent the ignition performance from being lowered and the detection accuracy of the ion current from being lowered. . Also, by using such a current-voltage conversion circuit 41, the ion current io can be accurately detected without being affected by external noise.
[0054]
Further, in the ignition device 1 for an internal combustion engine according to the present embodiment, the ignition coil 15 is adjusted so that the ignition voltage at which the center electrode 13a of the spark plug 13 becomes a positive potential is applied when the supply of the primary current i1 is interrupted. Have been. For this reason, since the induced voltage generated by the residual energy of the ignition coil 15 is applied with the center electrode 13a of the spark plug 13 as a positive potential, the detection accuracy of the ion current io can be improved.
[0055]
Here, at the time of misfire, the charging voltage charged in the stray capacitance Cf of the spark plug 13 is consumed at a time point before shifting to the next combustion cycle. In other words, since the discharge voltage of the spark plug 13 decreases as the pressure in the cylinder decreases, the volume of the cylinder increases due to the operation of the piston in the stroke from the time of occurrence of misfire to the time before the next ignition timing. When the pressure drops, spark discharge occurs in the spark plug 13 due to the charging voltage of the stray capacitance Cf. The spark discharge is generated before the transition to the next combustion cycle as described above. Therefore, in the present embodiment, the purpose of suppressing erroneous ignition due to spark discharge in the spark plug 13 when the primary winding L1 is energized is fulfilled, and does not affect the gist of the invention.
[0056]
In addition, during high-speed operation of the internal combustion engine, spark discharge ends early due to strong turbulence of the air-fuel mixture in the combustion chamber, and the residual energy remaining in the ignition coil 15 tends to increase. As described above, when a misfire occurs during the high-speed operation, the residual energy remaining in the ignition coil 15 is large, so that the induced voltage generated by the residual energy becomes higher than that during the low-speed operation. For this reason, during high-speed operation, spark discharge may occur again in the spark plug 13 due to the voltage induced by the residual energy. However, even if a spark discharge occurs again due to the induced voltage generated at both ends of the secondary winding L2 due to the residual energy present in the ignition coil 15, the voltage Vr output from the current-voltage conversion circuit 41 instantaneously changes. With only a large value, the residual energy in the ignition coil 15 is immediately consumed by the re-generation of the spark discharge, and the voltage Vr hardly changes thereafter.
[0057]
For this reason, after a misfire without igniting the air-fuel mixture, the waveform of the voltage Vr output from the current-voltage conversion circuit 41, that is, even if spark discharge is re-generated due to residual energy present in the ignition coil 15, that is, The waveform of the ion current detection signal Si shows substantially the same waveform as that at the time of misfire, and it is possible to determine whether the combustion is normal or misfire based on the voltage Vr. Therefore, even if the spark discharge occurs again as described above, the detection accuracy of the misfire detection does not decrease.
[0058]
As described above, the embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modes can be adopted.
For example, the ion current detection start time ti in the ion current detection process may be set so as to include the ion current generation time, and may be set earlier than the spark discharge end time. In addition, the ion current detection start timing may be a predetermined fixed period instead of the fluctuation period set according to the operation state.
[0059]
Further, in the internal combustion engine ignition device 1 of the present embodiment, a protection diode may be connected in parallel to the conduction path diode 37 in order to protect the current-voltage conversion circuit 41 from excessive current. At this time, the protection diode is connected in parallel to the conduction path diode 37 such that the anode is connected to the cathode of the conduction path diode 37.
[0060]
In this embodiment, a diode (the current path diode 37) is used as the current one-way limiting means, but a Zener diode may be used.
Further, the combustion state that can be detected using the ion current io is not limited to misfire, but includes, for example, knocking. In detecting the knocking, the knocking can be determined by detecting the ion current flowing between the electrodes of the spark plug and analyzing the detected ion current waveform using a known method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electric circuit diagram illustrating a configuration of an internal combustion engine ignition device according to an embodiment.
FIG. 2 is a flowchart showing a process of an ion current detection process executed in an electronic control unit (ECU) of the ignition device for an internal combustion engine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ignition device for internal combustion engine, 11 ... Power supply, 13 ... Spark plug, 15 ... Ignition coil, 17 ... Transistor (switching means), 19 ... Electronic control device (ECU) , 21 ... operational amplifier, 23 ... feedback resistor, 25 ... detection circuit, 31 ... backflow prevention diode, 37 ... energization path diode (current unidirectional limiting means), 41 ... A current-voltage conversion circuit, L1 ... primary winding, L2 ... secondary winding.

Claims

An ignition coil having a primary winding and a secondary winding;
Switching means for switching control of energization / cutoff of a primary current flowing through the primary winding of the ignition coil;
A spark plug that is connected to one end of the secondary winding to form a secondary current flow path, and that an ignition voltage generated in the secondary winding is applied to generate a spark discharge between its own electrodes; An ignition device for an internal combustion engine, comprising:
The secondary winding is inserted in series into an energizing path connecting one end of the secondary winding and the spark plug, and allows the flow of the secondary current flowing through the secondary current energizing path when the energization of the primary winding is cut off. A flashback preventing diode for preventing current flow through the secondary current flow path when power is supplied to the primary winding;
An inverting input terminal having at least an operational amplifier connected to the secondary winding energizing path, and a feedback resistor provided between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier; A current-voltage conversion circuit that directly converts voltage of an ion current flowing through the secondary current passage when applied to the plug, and outputs the voltage conversion value to the outside,
Generating an ion current detection voltage at both ends of the secondary winding by residual energy remaining in the ignition coil after the end of the spark discharge in the spark plug, and applying the ion current detection voltage to the spark plug;
An ignition device for an internal combustion engine, comprising: