JP2006177279A

JP2006177279A - 内燃機関用イオン電流検出装置

Info

Publication number: JP2006177279A
Application number: JP2004372683A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Fukumura; 義之福村; Takushi Nishimura; 拓志西村; Gonosuke Inamura; 豪乃助稲村
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態の変化に影響されず、安定して信頼性の高いイオン電流検出を可能にした検出装置を提供する。
【解決手段】電子制御によって一次電流がオンオフ制御される一次コイル３と、前記一次コイル３に電磁結合されて点火プラグＰＬＵＧに高電圧を供給する二次コイル４と、点火プラグＰＬＵＧの点火動作に基づく燃焼動作によって燃焼室に発生したイオン電流を検出する検出回路４１，４２とを備える内燃機関用イオン電流検出装置において、前記検出回路４１，４２が最大感度を示す外乱周波数が、イオン電流が検出される運転領域の外側に位置するよう、一次コイルと二次コイルの間の浮遊容量Ｃｆを設定した。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関用のイオン電流検出装置に関し、特に、燃焼室に発生する微小なイオン電流を精度よく検出できるイオン電流検出装置に関する。

自動車エンジンなどの内燃機関において、燃焼室の爆発燃焼により発生するイオン電流を検出する各種のイオン電流検出装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平０４−１９４３６７号公報

図７は、特許文献１に開示されたイオン電流検出回路について、その回路構成を図示したものである。このイオン電流検出回路では、点火プラグＰＬＵＧの放電動作によって、燃焼室内で燃料を爆発燃焼させると共に、コンデンサＣを充電させている。そして、燃焼室に発生するイオン電流は、その後、コンデンサＣの放電電流と共に検出抵抗Ｒから検出される。

このようにして検出されたイオン電流によって燃焼状態の適否を判別することが可能となり、例えば、ノッキングの解消やその他の燃焼制御も可能となると期待されている。

しかしながら、イオン電流検出回路から得られるイオン電流は、数μＡレベルの微小値であるため、図７のような回路構成のままでは、イオン電流に重畳するノイズ成分のために、イオン電流だけを高精度に安定して検出できないとい問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、内燃機関の運転状態の変化に影響されず、安定して信頼性の高いイオン電流検出を可能にした検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明者らが種々検討したところ、オルタネータの発電や、自動車ライトや警報ホーンなどの投入に伴って電源電圧が変動すると、これに対応してイオン電流のノイズ成分が大きく増加することを発見した。そして、その対策について種々検討したところ、一次コイルや二次コイルのインダクタンスとの関係で、コイル相互間の静電容量（キャパシタンス）を調整することで、イオン電流検出回路に対する外乱ノイズの影響を軽減できることを突き止めて、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、電子制御によって一次電流がオンオフ制御される一次コイルと、前記一次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する二次コイルと、点火プラグの点火動作に基づく燃焼動作によって燃焼室に発生したイオン電流を検出する検出回路とを備える内燃機関用イオン電流検出装置において、前記検出回路が最大感度を示す外乱周波数が、イオン電流が検出される運転領域の外側に位置するよう、一次コイルと二次コイルのインピーダンスを設定したことを特徴とする。

なお、「最大感度を示す外乱周波数が、イオン電流が検出される運転領域の外側に位置するか否か」は、簡易的には、電源ラインにノイズ分を重畳させて評価される。具体的には、本来の直流電源電圧に１Ｖｐ−ｐ（ピークｔｏピーク値）程度の正弦波信号を重畳させ、このときイオン電流検出回路から得られる検出出力の周波数特性によって評価される。

図５は、本発明の原理を説明するための等価回路であり、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との結合関係を示している。図示の通り、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２には、それぞれ、不可避的に浮遊容量Ｃ１，Ｃ２が存在する。同様に、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間にも不可避的に浮遊容量Ｃ１２が存在する。ここでは、コイル間の浮遊容量Ｃ１２を高圧側の浮遊容量Ｃ１２_Ｈと、低圧側の浮遊容量Ｃ１２_Ｌとで等価的に代表させている。

図６は、図５のようなイオン電流の検出回路について、電源ラインＶｃｃに１Ｖｐ−ｐ程度のリップル正弦波信号を重畳させた場合の、検出回路の出力ピーク値を例示したものである。図６に示されるように、リップル信号の周波数を変化させると、検出回路の出力ピーク値が変化することが確認される。ここで、周波数特性（Ｃ）は対策を施さない場合、周波数特性（Ａ）は一次コイルＬ１と二次コイルＬ２間の静電容量Ｃ１２を増加させた場合、周波数特性（Ｂ）は二次コイルの静電容量Ｃ２を増加させた場合の特性を示している。なお、リップル信号の周波数は、内燃機関の運転状態に対応するものである。

図６に示す周波数特性から明らかなように、静電容量を変化させることで、検出回路が最大感度を示す外乱周波数Ｐ_ａ、Ｐ_ｂを、イオン電流が検出される運転領域（検出領域）の外側に位置させることができる。しかも、この対策によって、イオン電流の検出領域では、外乱に対する感度を低下させることができる。したがって、一次コイルと二次コイルのインピーダンスを適宜に設定することで、イオン電流の検出領域における外乱ノイズに対する感度を落とすことが可能となり、イオン電流の検出精度を上げることができる。

本発明におけるインピーダンスの調整は、コイルのインダクタンス値に対応して、キャパシタンス値を変更させるのが効果的である。ここで、キャパシタンス値を減少させる対策を採っても良いが、キャパシタンス値を減少させるより増加させる対策の方が簡易的である。

コイル間のキャパシタンスＣ１２を増加させるには、例えば、(a)コイル間に充填する充填材の誘電率を増加させる、(b)コイルを同心状に配置する場合には外側コイルのコイルボビンの誘電率を増加させる、(c)一次コイルと二次コイルの間に、実質的にコンデンサとして機能するもの（コンデンサ素子を含む）を接続する、(d)コイルを同心状に配置する場合には内側コイルの外周に誘電体を配置する、などの対策が有効である。

また、二次コイルのキャパシタンスＣ２を増加させるには、(a)二次コイルの巻線の被膜の誘電率を増加させる、(b)二次コイルの周りの充填材の誘電率を増加させる、(c)二次コイルに並列に、実質的にコンデンサとして機能するもの（コンデンサ素子を含む）を接続する、(d)二次コイルのコイルボビンの誘電率を増加させる、などの対策が有効である。

前記の発明によれば、内燃機関の運転状態の変化に影響されず、安定して信頼性の高いイオン電流検出を可能にした検出装置を実現することができる。

以下、実施例に基づいて、本発明の実施の形態をより具体的に説明する。図１（ａ）は、実施例に係る点火コイルＣＬの概略構成を示す部分断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ概略断面図を拡大したものである。

この点火コイルＣＬは、プラスチック金型によって一体成形されるコイルケース１（１ａ，１ｂ，１ｃ）と、コイルケース１の下端部に嵌合されるゴム製のプラグキャップ２と、コイルケース１に内挿される一次コイル部３と、一次コイル部３に内挿される二次コイル部４と、二次コイル部４に内挿されるセンタコア部５と、一次コイル部３の外周に弾発的に嵌合される外装鉄心６と、コイルケース１の上部に収容される接続部７とを中心に構成されている。

コイルケース１は、詳細には、円筒状のケース本体部１ａと、接続部７を収容するケース基端部１ｂと、二次コイル部４から高圧を受ける高圧端子９や点火プラグに高圧を伝えるスプリング１０などを保持するケース先端部１ｃとで構成されている。そして、このようなコイルケース１の中に、一次コイル部３、二次コイル部４、及びセンタコア部５は同心円状に位置決めされて、各部の空隙を無くすべく熱硬化性エポキシ樹脂８が真空注入されて硬化されている。なお、接続部７を収容したケース基端部１ｂも含めて、熱硬化性エポキシ樹脂が充填されている。

図２に示すように、ケース基端部１ｂは、一方側（図１の左側）が矩形状に切り欠かれた略円筒形状であり、他方側（図１の右側）には金属管１１ａを内装した取付穴１１が設けられている。なお、この取付穴１１は、この点火コイルＣＬをエンジンなどのシリンダヘッドに取り付ける際のボルト穴として使用される。

ケース基端部１ｂの切り欠き部には、Ｕ字状の受入れ端面１２が形成されて、接続部７のスライド溝７０と係合するようになっている。すなわち、接続部７を受入れる際には、接続部７のスライド溝７０が、ケース基端部１ｂの受入れ端面１２を挟持しつつ下方にスライドされる。このような構成のコイルケース１は、その素材が特に限定されないが、この実施例では、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）や、変性ＰＰＯ（変性ポリフェニレンオキサイド）などの熱可塑性合成樹脂が使用される。

図２に示すように、接続部７は、電子回路部７Ａと接続コネクタ部７Ｂとに区分されている。そして、電子回路部７Ａと接続コネクタ部７Ｂの間には、前記したＵ字状のスライド溝７０が形成されている。なお、図２では、便宜上、電子回路部７Ａを破線で示すと共に、接続コネクタ部７Ｂの接続端子や配線の一部を省略して図示している。

図３は、接続部７の主要部である電子回路部７Ａの回路構成と、電子回路部７Ａと他の部分との接続関係を図示したものである。図示の通り、本実施例の電子回路部７Ａは、自動車全体を制御するコンピュータ回路（不図示）からの点火信号ＳＧに応じてＯＮ／ＯＦＦ動作するトランジスタＱ１と、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部４１と、イオン電流に応じた検出電圧を増幅する増幅部４２とで構成されている。

そして、トランジスタＱ１のコレクタ端子には、一次コイル３及び二次コイル４の振動電流を吸収する振動吸収部４３と、振動吸収部４３の動作を制御する制御部４４とが接続されている。振動吸収部４３は、具体的には、トライアックＱ２と抵抗Ｒ１の直列回路で構成され、点火動作後に生じるコイル電流の振動を吸収するため、所定時間だけトライアックＱ２をＯＮ状態にしている。なお、トライアックＱ２は、制御部４４から受けた制御信号ＣＴＬに応じてＯＮ／ＯＦＦ動作するが、制御部４４は、一次コイル３の電流を検知して、これが所定値を下回るとトライアックＱ２をオフ状態に戻すべく制御信号ＣＴＬのレベルを変化させている。なお、振動吸収部４３及び制御部４４は必ずしも必須ではなく、これらを省略することもできる。

バイアス電源部４１は、イオン電流検出用のバイアス電圧を充電するコンデンサＣ１と、ツェナーダイオードＤ１と、電流阻止用のダイオードＤ２と、イオン電流に応じた電圧を出力するための負荷抵抗Ｒ２とで構成されている。点火信号のＯＮ／ＯＦＦ変化によるアーク放電時には、点火プラグＰＬＵＧ→二次コイル４→コンデンサＣ１→ダイオードＤ２の経路で、コンデンサＣ１が充電される。次に、充電されたコンデンサＣ１のバイアス電圧に基づき、イオン電流は、コンデンサＣ１→二次コイル４→点火プラグＰＬＵＧ→負荷抵抗Ｒ２の経路で流れる。そして、このイオン電流に応じた検出電圧Ｖ_ＯＵＴは、増幅回路４２などを経てコンピュータ回路に伝送されてイオン電流の判定処理が行われる。

本実施例は、上記の構成の電子回路部７Ａを有するが、一次コイル３のコイルボビンの誘電率を通常より増加させることによって、あえて浮遊容量Ｃｆを増加させている。そのため、電源ラインに重畳するノイズ成分が、二次コイル側に静電結合しやすい傾向にはなるが、反面、イオン電流の検出領域における外乱ノイズに対する検出感度を落とすことが可能となり、結果としてイオン電流の検出精度が上がっている。

図１（ｂ）に示すように、コイルケース１には、一次コイル部３と二次コイル部４とセンタコア部５とが内挿されているが、センタコア部５は、０．３ｍｍ程度の板厚の珪素鋼板を積層してなる中心鉄心１４と、中心鉄心１４を円筒形状に覆う保護部材１５と、中心鉄心１４の長さ方向の両端を覆う保護キャップ１６（図１（ａ））とで構成されている。保護キャップ１６は、中心鉄心１４や保護部材１５に密着することで、点火コイルＣＬの隙間を密封するために充填されるエポキシ樹脂８の流入を確実に防止している。

二次コイル部４は、二次ボビン１７と、二次ボビン１７の回りに巻着される二次巻線１８とで構成されている。また、一次コイル部３は、一次ボビン１９と、一次ボビン１９の外周を一様に巻着される一次巻線２０と、一次巻線２０の外周を一様に覆う緩衝テープ２１とで構成されている。

一次ボビン１９は、適当な誘電率を有するプラスチック材で構成されており、二次コイル部４と一次コイル部３との間の浮遊容量を、従来のボビン材料よりあえて増加させている。ここで、一次ボビン１９の誘電率は、イオン電流検出回路４１，４２の周波数特性や、一次コイル部３及び二次コイル部４のインダクタンス値などに基づいて決定される。具体的には、電源ラインＶｃｃの直流電圧に外乱ノイズ信号を重畳させて確認し、イオン電流の検出回路４１，４２が最大感度を示す外乱ノイズ周波数が、イオン電流の検出領域の外側に位置するよう、最適な誘電率を実験的に選択している。

なお、緩衝テープ２１は、適度な弾力性を有するポリエステル材で構成され、裏面には接着層が設けられている。この緩衝テープ２１は、全体として０．１ｍｍ以下の厚みを有する矩形状のシート材であり、一次ボビン１９の周りに巻かれて接着されることで円筒状となる。この緩衝テープ２１の存在によって、一次コイル外側のエポキシ樹脂８と一次巻線２０との熱膨張率の差が吸収され、エポキシ樹脂８にクラックが発生することが防止される。

緩衝テープ２１の外側には、図４（ｂ）に示す外装鉄心６が二個、弾発的に嵌合されている。この外装鉄心６は、中心鉄心１４と共に、一次巻線２０と二次巻線１８との間の最適な磁気通路を形成するためのものである。外装鉄心６は、開放端部２２を有してＣ字状に湾曲形成された略円筒形であり、その上下端部には、大きく切り欠かれた略Ｕ字溝２３が形成されている。このような構成の外装鉄心６の素材は、一次コイル部３に嵌合できる若干の弾性と高透磁率を有するものであれば特に限定されないが、中心鉄心と同一材料であることが好ましく、具体的には、薄板状にした珪素鋼板が使用される。

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。すなわち、本発明は、微弱なイオン電流を確実に検出するためにコイル回路のインピーダンスを調整することを趣旨とするものであり、この趣旨を逸脱することなく各種の改変が可能である。

例えば、実施例では、キャパシタンスを増加させる方策を説明したが、逆に、キャパシタンスを減少させる方策を採っても良い。また、実施例では、一次ボビンの誘電率を増加させることで内外コイル間のキャパシタンス（浮遊容量）を増加させたが、他の部材の誘電率を増加させても良いのは勿論である。

実施例に係る点火コイルの部分断面図（ａ）、及びＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。接続部をコイルケースに組み付ける方法を説明する図面である。点火コイルの接続部に内蔵される電子回路を例示したものである。一次コイルのボビン（ａ）と、これに嵌合させる外装鉄心（ｂ）の各正面図である。本発明の原理を説明する図面である。本発明の効果を説明する図面である。従来のイオン電流検出回路を説明する図面である。

符号の説明

３一次コイル
４二次コイル
ＰＬＵＧ点火プラグ
４１検出回路（バイアス電源部）
４２検出回路（増幅部）

Claims

電子制御によって一次電流がオンオフ制御される一次コイルと、前記一次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する二次コイルと、点火プラグの点火動作に基づく燃焼動作によって燃焼室に発生したイオン電流を検出する検出回路とを備える内燃機関用イオン電流検出装置において、
前記検出回路が最大感度を示す外乱周波数が、イオン電流が検出される運転領域の外側に位置するよう、一次コイルと二次コイルのインピーダンスを設定したことを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。
前記外乱は、電源ラインに重畳するリップル成分である請求項１に記載のイオン電流検出装置。
前記インピーダンスは、前記一次コイルと前記二次コイルの間のキャパシタンスである請求項１又は２に記載のイオン電流検出装置。
前記キャパシタンスが増加するよう調整されている請求項３に記載のイオン電流検出回路。
前記一次コイル及び前記二次コイルは、同軸的に配置された内外二つのボビンにそれぞれコイル巻線を巻いて構成され、外側に位置するボビンの誘電率は、前記検出回路が最大感度を示す外乱周波数が、イオン電流が検出される運転領域の外側に位置するよう設定されている請求項１〜４のいずれかに記載のイオン電流検出装置。