JP2006283600A - 内燃機関用イオン電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【目的】
安定的で信頼性が高く、且つ点火コイルの出力性能を低下させることのないイオン電流検出装置を提供する。
【解決手段】
電子制御によって１次電流がオンオフ制御される１次コイルと、前記１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２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を備える内燃機関用イオン電流検出装置において、１次電流を遮断するスイッチング素子の制御回路により前記スイッチング素子のターンオン時に２次コイルに発生する高電圧を抑制する手段を備えたことを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置とする。
【選択図】図１

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少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、例えば特開平０４−１９４３６７号に開示の通り、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。

特開平０４−１９４３６７号に開示されたイオン電流検出装置では、点火プラグ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、当該コンデンサの放電電流共に検出抵抗から検出される。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。
特開平０４−１９４３６７号公報

しかしながら、イオン電流検出装置から得られるイオン電流は、数ｕＡレベルの微少値であるため、特開平０４−１９４３６７号に示される回路構成のままでは、イオン電流を安定的に高精度に検出できないという問題点がある。

すなわち、自動車運転中に、ヘッドライトの灯火や、ファンモータの起動や、或いは、ホーンの投入などによって電気負荷が急変すると、大きく変動する電流や磁界に対応してノイズが発生し、検出回路の出力に本来のイオン電流とは無関係にノイズ信号が重畳するので、イオン電流の信頼性が大きく損なわれることになる。

このような問題を解決するには、イオン電流検出電源電圧を上げて検出回路のＳ／Ｎ比を高くとることが考えられるが、このようにイオン電流検出電源電圧を上げる手段では、１次電流のターンオン時に２次コイルに発生する高電圧が検出電源電圧に重畳されてしまい、ミスファイヤ（以降ＯＮ点火）によるエンジン破壊といった不具合が予想される。

通常ＯＮ点火は、ＶＢ−２次コイル低圧間に配置されるＯＮ点火防止ダイオードによって２次コイルに発生する高電圧を６００Ｖ程度に抑えて防いでいるが、イオン検出機能付き内燃機関用点火コイルでは、２次コイル−プラグ−Ｅ／Ｇヘッド（ＧＮＤ）間に検出電源電圧でバイアスをかけてイオン電流を検出するため、検出ループができない前記ＯＮ点火防止ダイオードの使用は不可能である。

また、１次コイルと２次コイルの巻数比を調整することによってＯＮ点火の防止は可能だが点火コイルの出力性能を低下させてしまうといった別の問題が生じる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、安定的で信頼性が高く、且つ点火コイルの出力性能を低下させることのないイオン電流検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では次の構成とする。すなわち、請求項１に係る発明では、電子制御によって１次電流がオンオフ制御される１次コイルと、前記１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２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を備える内燃機関用イオン電流検出装置において、１次電流を遮断するスイッチング素子の制御回路により前記スイッチング素子のターンオン時に２次コイルに発生する高電圧を抑制する手段を備えたことを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置とする。

請求項２では、前記スイッチング素子制御回路は参考例として示す回路で構成され、ＩＧＢＴのゲート電圧をＩＧＢＴのスレッシュ電圧付近で緩やかに変化させて、１次電流の通電開始時に２次コイルに発生する高電圧を抑制す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とする。

請求項３では、前記スイッチング素子制御回路と、イオン電流増幅回路と、失火判定回路を同一半導体上に回路構成した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とする。

請求項４では、前記スイッチング素子制御回路と、イオン電流増幅回路と、イオン信号出力回路を同一半導体上に回路構成した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とする。

請求項５では、前記スイッチング素子制御回路と、イオン電流増幅回路を同一半導体上に回路構成した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とする。

請求項６では、イオン電流増幅回路出力をイオン電流による出力電圧平均−３σ値／ノイズによる出力電圧平均＋３σ値≧１となるようにイオン検出電源電圧とイオン電流増幅率を調整されていることを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置とする。

請求項７では、点火性能を維持できる範囲で１次電流遮断時に２次コイルに発生する高電圧を抑制してい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とする。

上基本発明の構成によれば、内燃機関の運転条件の変化に影響されることなく、安定的で信頼性の高いイオン電流検出装置を内燃機関用点火コイルの出力特性を損なうことなく実現することができる。

電子制御によって１次電流がオンオフされる１次コイルと、前記１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２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、前記１次コイルと前記２次コイルを内包するコイルケースを備える内燃機関用イオン電流検出装置において、１次電流の通電開始時にＩＧＢＴのゲート電圧を制御することにより、ＯＮ点火を防止する機能を備える。具体的にはＩＧＢＴ駆動回路にＩＧＢＴターンオン時のゲート電圧制御回路を付加して構成される。この機能によって１次コイルと２次コイルの仕ようをイオン電流検出機能を持たない通常の仕ようにできる。

また、スイッチング素子にＩＧＢＴを使用することで、ターンオン時のゲート電圧を制御することによってＯＮ点火を防止し、ターンオン後は速やかに所定のＩＧＢＴ動作点に移行することにより、１次電流の立ち上がりの遅れを最小限に留めることができる。具体的には参考例として示す図１のような回路によって図２のタイミングチャートに示すゲート電圧制御を行う。この制御によってＩＧＢＴターンオン時の１次コイルの電圧変化を緩慢にすることができ、２次コイルに発生する高電圧を低く抑えることができる。

また、前記ゲート電圧制御回路と、イオン電流検出回路を構成するイオン電流増幅回路と、失火判定回路を同一半導体上に構成してもよい。具体的には前記ゲート電圧制御回路の全てと図１に示す回路において、イオン電流検出回路中のオペアンプ構成素子及び失火判定回路中のコンパレータ及び失火判定用低電圧回路の構成素子を同一半導体上に構成する。

また、前記ゲート電圧制御回路と、イオン電流検出回路を構成するイオン電流増幅回路と、イオン信号出力回路を同一半導体上に構成してもよい。具体的には前記ゲート電圧制御回路の全てと図１に示す回路において、イオン電流検出回路中のオペアンプ構成素子及びイオン信号出力回路中のオペアンプを同一半導体上に構成する。

また、前記ゲート電圧制御回路と、イオン電流検出回路を構成するイオン電流増幅回路を同一半導体上に構成してもよい。具体的には前記ゲート電圧制御回路の全てと図１に示すイオン電流検出回路中のオペアンプ構成素子を同一半導体上に構成する。

また、２次コイル及び点火コイルの寄生容量によって構成されるＬＣＲ共振回路の共振周波数に近い周波数のノイズにより発生する共振電流の影響を受けないように、イオン電流増幅回路出力をイオン電流による出力電圧平均−３σ値／ノイズによる出力電圧平均＋３σ値≧１となるようにイオン検出電源電圧とイオン電流増幅率を設定してもよい。具体的には図１に示すイオン電流検出回路中のイオン電流検出電源電圧を決定するツェナー電圧及びイオン電流増幅回路のゲインを決定するゲイン抵抗値の設定による。

イオン電流検出回路の共振電流に対する入出力特性はイオン電流増幅回路のゲイン抵抗値に比例する為、ゲイン抵抗値を低く設定すれば共振電流による出力を低下することができる。当然、イオン電流の同回路への入出力特性も同ようにゲイン抵抗値に比例する訳であるが、イオン電流検出電源電圧を高く設定することによってゲイン抵抗による低下分を補償することができる。

但し、１次電流通電開始時においてイオン電流検出電源のコンデンサに蓄積されている電荷は完全に放電されておらず、前記ツェナー電圧を上げていくと１次電流通電開始時の残留電荷も増えてしまい、１次電流通電開始時に２次側に発生する高電圧がこの残留電荷による電圧に重畳されてＯＮ点火の危険性が大きくなる。請求項１〜２に係る発明はこの危険性を排除する上で極めて効果的である。

本発明のイオン電流検出回路を示す 図１の動作状況を示すタイミングチャート図である

符号の説明

１０ イオン電流検出用電源
２０ 検出回路
３０ 失火判定回路
４０ トランジスタ駆動回路
ZD1 ツェナダイオード
R2 抵抗

Claims (7)

1. 電子制御によって１次電流がオンオフ制御される１次コイルと、前記１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２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を備える内燃機関用イオン電流検出装置において、１次電流を遮断するスイッチング素子の制御回路により前記スイッチング素子のターンオン時に２次コイルに発生する高電圧を抑制する手段を備えたことを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。
2. 前記スイッチング素子制御回路は参考例として示す回路で構成され、ＩＧＢＴのゲート電圧をＩＧＢＴのスレッシュ電圧付近で緩やかに変化させて、１次電流の通電開始時に２次コイルに発生する高電圧を抑制す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. 前記スイッチング素子制御回路と、イオン電流増幅回路と、失火判定回路を同一半導体上に回路構成した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。
4. 前記スイッチング素子制御回路と、イオン電流増幅回路と、イオン信号出力回路を同一半導体上に回路構成した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。
5. 前記スイッチング素子制御回路と、イオン電流増幅回路を同一半導体上に回路構成した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。
6. イオン電流増幅回路出力をイオン電流による出力電圧平均−３σ値／ノイズによる出力電圧平均＋３σ値≧１となるようにイオン検出電源電圧とイオン電流増幅率を調整されていることを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置
7. 点火性能を維持できる範囲で１次電流遮断時に２次コイルに発生する高電圧を抑制してい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

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