JP2007192212A

JP2007192212A - イオン電流検出装置を備える点火装置

Info

Publication number: JP2007192212A
Application number: JP2006279652A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ishida; 良夫石田
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】内燃機関の始動時から高回転域に至るまで点火栓のくすぶり情報を含むノックや失火などの燃焼イオン電流の変化情報を高精度収集できるために、運転状態によって空燃比やＥＧＲ量の制御および点火時期制御などを容易に行えるようにする。
【解決手段】点火コイルの一次側にスイッチング素子を備え、二次側に点火栓とイオン電流検出装置を備える電流遮断方式の点火装置において、イオン電流検出装置の電流源を構成するキャパシタを分路する第二のスイッチング素子の制御端子は点火コイルの磁気エネルギーを受電する構成に接続され、第二のスイッチング素子は点火栓での放電開始前後から放電終了間際までオン状態を保持する構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は主として内燃機関に用いられるイオン電流検出装置を備える点火装置に関し、点火栓での放電点火後に発生する燃焼イオン電流を検出し、点火時期などの燃焼制御を行うものである。

従来より、内燃機関の点火装置においては、点火時に燃焼室内で発生するイオン電流を検出することで点火制御を行うものが幾つか提案されている（例えば、特開平１０−１４１１９７など）。
特開平１０−１４１１９７号

しかし、近年の排気ガス対策や燃費向上のための高圧縮リーン混合気での燃料直噴内燃機関などに対応するために、市場実績のある電流遮断方式の点火装置においての高エネルギー点火装置が要求される一方、内燃機関の失火やノックなどの燃焼状態を検出するイオン電流検出装置は、点火エネルギーの一部をキャパシタに一次的に蓄積して放電終了後のイオン検出電流源として利用しており、点火コイルの出力インピーダンスを小さく設定しても尚その充電電圧は、一般的に７０Ｖ〜３００Ｖ程度の範囲で使用されることが多く、電圧が高いほどイオン検出のＳＮ比が高くなり検出精度と設計自由度が上がるが、当該電圧を上げると本来放電に必要な点火装置のエネルギーが損なわれること、さらには当該損失に耐える放熱設計が必要となると云う欠点が有った。

上述の課題を解決するために、この発明では次のような構成とする。請求項１においては、電源と点火コイルの一次線輪およびスイッチング素子の直列回路からなる電流遮断方式の点火装置と、上記点火コイルの二次線輪の高電圧側に点火栓、低電圧側にイオン電流検出装置を備える点火装置において、当該イオン電流検出装置の電流源を構成するキャパシタに上記キャパシタを分路する第二のスイッチング素子を構成し、上記第二のスイッチング素子の制御端子は、前記スイッチング素子がオフ時に発生する点火コイルの磁気エネルギー放出電力を受電する構成に接続され、上記第二のスイッチング素子には少なくとも点火栓での放電開始前後から放電終了間際まで、オン状態を保持する構成とすることによって、イオン検出電源電圧を上げても点火エネルギーの損失を最小限に抑えることができるイオン電流検出装置を備える点火装置を得る。

請求項２においては、上記イオン電流検出装置のイオン電流経路をオンオフ制御する第三のスイッチング素子を有し、上記第三のスイッチング素子は上記第二のスイッチング素子のオン状態と略連動してオフ状態とする構成とすることによって、イオン検出電源電圧を上げても点火エネルギーの損失とイオン検出電源損失を最小限に抑えたイオン電流検出装置を備える点火装置を得る。

請求項３においては、上記点火コイルの一次線輪に通電開始するスイッチング素子のオン時に、上記第三のスイッチング素子を短時間オンする構成としたことにより、点火栓でのくすぶりをも検出できるイオン電流検出装置を備える点火装置を得る。

請求項４においては、上記第二のスイッチング素子には、サイリスタを用いることにより、単純な構成で課題を解決できるイオン電流検出装置を備える点火装置を得る。

この発明によれば、近年の燃費と排気ガス対策で要求されている高圧縮リーン混合気での燃料直噴内燃機関などに対応するための高出力エネルギーの点火装置と、内燃機関の始動時から高回転域に至るまで燃焼イオン電流の変化情報をきめ細かく収集して、空燃比をＥＧＲと併用して点火時期制御などをするイオン電流検出装置の組み合わせに対して、通常は点火エネルギーの損失源となるイオン電流検出装置の主回路を分路するスイッチング素子を構成して、当該スイッチング素子のオン時間を少なくとも点火栓での放電開始前後から放電終了間際まで保持する構成とすることによって、イオン検出電源電圧を上げても点火エネルギーの損失を最小限に抑えるイオン電流検出装置を備える点火装置を得たことで、内燃機関の始動時から高回転域に至るまで点火栓のくすぶり情報を含むノックや失火などの燃焼イオン電流の変化情報を高精度収集できるために、運転状態によって空燃比やＥＧＲ量の制御および点火時期制御などを容易に行える。

図１はこの発明の実施例であり、図２は当該実施例の作動を説明するための各部波形図である。

図１において、図示しない直流電源に接続される端子１と点火コイル２の一次線輪２１とスイッチング素子３による直列回路と、上記電源端子１には定電圧電源４が接続され、上記定電圧回路４は上記スイッチング素子３の駆動回路５と内燃機関を制御するＥＣＵ６および後述のイオン電流検出装置を構成するイオン検出回路７へ電力を供給する。上記点火コイル２の二次線輪２２の出力の高電圧側には点火栓８、低電圧側にはイオン電流検出装置を構成する定電圧ダイオード９に分路されたキャパシタ１０と他の定電圧ダイオード１１の直列回路が接続されている。また、上記キャパシタ１０と定電圧ダイオード１１の直列回路は、サイリスタからなる第二のスイッチング素子１２とトランジスタ１３のベース・エミッタパスの直列回路によって分路され、上記定電圧ダイオード１１は接地側より保護ダイオード１４とイオン電流検出レジスタ１５およびダイオード１７を介して上記トランジスタ１３のコレクタにベースを接続されたトランジスタからなる第三のスイッチング素子１６のコレクタ・エミッタパスの直列回路によって分路され、上記ダイオード１４とレジスタ１５の接続点は、上記イオン検出回路７の入力端子に接続され、出力端子は上記ＥＣＵ６の入力端子に接続されている。さらに、上記ＥＣＵ６の出力はオープンコレクタ構成であり、レジスタ１８を介して定電圧回路４の出力に接続されると同時に、上記駆動回路５の入力端子とキャパシタ１９とレジスタ２０の直列回路を介して上記トランジスタ１３のベースに接続され、上記トランジスタ１３のベース・エミッタ間には上記キャパシタ１９の放電路を形成するためのダイオード２３が接続されている。また、上記第二のスイッチング素子１２の制御端子は、レジスタ２４を介して上記点火コイル２の一次線輪２１とスイッチング素子３の接続点へ接続されると同時に、他のレジスタ２５を介して上記トランジスタ１３のベースに接続され、そして上記第三のスイッチング素子１６のベースは、高抵抗値のレジスタ２６を介して上記定電圧回路４の出力端子に接続されている。

上記構成は、内燃機関の一気筒当たりのユニットであり、通常はＥＣＵ１２を共用した多気筒で構成されるが、当該実施例では他の気筒のユニットを省略している。

先ず、電源端子１に電圧が印加された状態では、定電圧電源４からＥＣＵ６と駆動回路５とイオン検出回路７の各々に電力が供給されるが、ＥＣＵ６の駆動回路５への出力はローレベルであり、スイッチング素子３とトランジスタ１３はオフ状態である一方、第三のスイッチング素子１６はレジスタ２６を通して制御電流が流れてオンとなっている。スイッチング素子３のオフ状態でレジスタ２４を介して第二のスイッチング素子１２に制御電流が流れるが、当該電流では上記第二のスイッチング素子１２がオンに移行するには至らない。

次に、ＥＣＵ６から時間ｔ0で点火制御信号Ｓを受けると駆動回路５は、スイッチング素子３をオンして１４Ｖの電源から端子１を介して点火コイル２の一次線輪２１に電流を流し、磁気エネルギーの蓄積を開始すると同時に、二次線輪２２に点火栓８側を正極にした１．４ｋＶ程度の電圧が誘起されることにより、定電圧ダイオード１１と９を介して点火栓８に印加されるが、上記定電圧ダイオード１１の設定電圧は４００Ｖから８００Ｖに設定しているために、点火栓８に印可される電圧は低減されて放電するには至らない。

一方、上記ＥＣＵ６の点火制御信号Ｓによりキャパシタ１９とレジスタ２０を介して、トランジスタ１３のベース電流が流れ、波形ｖ1に示すように上記トランジスタ１３はオンとなることにより、上記第三のスイッチング素子１６は波形ｖ2に示すようにオフとなる。当該状態は時間ｔ1まで維持され、主としてキャパシタ１９とレジスタ２０常数による時定数で決まり、例えば０．２ｍＳに設定している。

上記時間ｔ1以降は、再び第三のスイッチング素子１６がオン状態を保つことにより、万一、点火栓８がくすぶり汚染されていると、点火コイル２の一次線輪２１へ前記１４Ｖの電源印加され、二次線輪２２に誘起された低い電圧でも点火栓８のくすぶり漏洩抵抗とダイオード１４およびレジスタ１５を介して比較的大きな疑似イオン電流が流れ、イオン検出回路７で検出されて、ＥＣＵ６に当該情報を入力する。当該情報は、点火時期の進角や燃料噴射量あるいは点火出力に活かされる。

次に、上記磁気エネルギーの蓄積が十分に行われ、点火時期の時間ｔ2が来るとスイッチング素子３がオフとなることにより、一次線輪２１に最大４８０Ｖ程度の磁気エネルギー放出による電圧ｖ3が発生することになるが、当該電圧が閾電圧のＶthが１００Ｖ程度に上昇したところで分圧レジスタ２４を介してサイリスタからなる第二のスイッチング素子１２の制御端子へのトリガー電圧が印加される。一方では、点火コイル２の二次線輪２２に最大４０ｋＶの電圧が誘起されるが、当該電圧が２５ｋＶ程度に達すると、点火栓６に火花放電を開始することによりキャパシタ１０と定電圧ダイオード１１を介して立ち上がり速度の速い放電電流ｉ2が流れ、出力電圧は波形ｖ5に示されるようになる。

上記点火栓６の放電電流により、上記キャパシタ１０の充電電荷電圧が、定電圧ダイオード９の制限電圧の２５０Ｖまで１０μＳ以下で瞬時に充電され、その後、波形ｖ2で示されるように応答速度が上記充電時間より遅い第二のスイッチング素子１２がオンとなる。しかし、上記キャパシタ１０の充電電荷はダイオード１１が介在するために、上記第二のスイッチング素子１２がオンとなっても充電電荷を保持する。

上記時間ｔ2では、キャパシタ１９の充電電荷がダイオード２３とレジスタ２０を介して放電することに続いて上記第二のスイッチング素子１２がオンとなることにより、二次線輪２２の出力はトランジスタ１３のベース電流となって上記トランジスタ１３はオンとなる。従って、第三のスイッチング素子１６はオフとなる。

上記スイッチング素子３がオフの瞬間から第二のスイッチング素子１２がオンとなる間、すなわち、一次線輪２１に誘起される電圧が１００Ｖに達する間に、二次線輪２２には既に１０ｋＶ程度の電圧が誘起されることにより、点火栓８には放電はしていないものの、点火栓８の汚れや二次線輪２２の図示しない漏洩抵抗や漏洩キャパシタンスから形成される漏洩インピーダンスが極端に低いと、キャパシタ１０にはダイオード１１を介して幾分か充電されることもあるが、第二のスイッチング素子１２がオンとなるには不十分の値であり、如何なる場合も前述した点火栓８の放電開始時によるキャパシタ１０の充電が終了した後、第二のスイッチング素子１２がオンとなる設定である。なお、上記第二のスイッチング素子１２のオン時間の調整や雑音による誤動作対策のために、制御回路のレジスタ２５と並列にキャパシタを挿入したり、レジスタ２４と直列に定電圧ダイオードを挿入することもある。

また、上記キャパシタ１０の充電電荷は定電圧ダイオード１１とダイオード１７が介在し、また上記第三のスイッチング素子１６がオフしているために、第二のスイッチング素子１２がオンとなっても充電電荷を保持する。なお、電源よりレジスタ２６に回り込み回路が形成されているが、レジスタ２６は上記キャパシタ１０の充電電荷には殆ど影響しない高抵抗値設定である。

上記第二のスイッチング素子１２がオンとなるまでの間の上昇電圧１０ｋＶの点火栓８へ印加される間の損失電圧は、定電圧ダイオード９の制限電圧の２５０Ｖであるが、第二のスイッチング素子１２がオンとなった時点で当該電圧損失分は消滅し、増加に転じる。

前記点火栓８での放電により、磁気エネルギーの放出が終焉に近くなると誘起電圧の減少と共に放電電流が減少するとサイリスタからなる第二のスイッチング素子１２の保持電流の例えば０．５ｍＡを下回った時点で第二のスイッチング素子１２はターンオフし、続いて時間ｔ3で点火栓８での放電は終了すると同時に、上記キャパシタ１０の電荷は前述の点火栓８の放電により点火された内燃機関の気筒内燃料の燃焼イオンを介してイオン電流源となる。

内燃機関の燃焼が正常であれば上記イオン電流は、放電終了の時間ｔ3から直ぐに点火コイル２の漏洩磁束などに起因する非線形の大電流が流れるが、その後一時的に減少してのち、気筒内圧力の上昇に連動して上死点まで増加する波形ｉ2のａ部で示されるような特性が得られる。

上記気筒内燃焼により得られたイオン電流は、イオン検出回路７で増幅演算などのデータ加工をしてＥＣＵ６に入力されて、次の点火時期制御や燃料噴射制御に利用される。

上記ＥＣＵ６で判断された次の点火時期が近くなると、ＥＣＵ６からの点火制御信号Ｓを受けて第三のスイッチング素子１６は短時間オフとなると同時に、駆動回路５は再度スイッチング素子３にオン信号を出力して点火コイル２の一次線輪２１に電流を流すことにより、点火コイル２に磁気エネルギーの蓄積を行う。次に、点火時期にはスイッチング素子３をオフ制御することによって、上記磁気エネルギーの放出が始まって点火栓８に火花放電を開始すると同時に、再びキャパシタ１０を充電したのち、第二のスイッチング素子１２とトランジスタ１３をオン、第三のスイッチング素子１６をオフとする。

前述したように、上記再火花放電終了直前に第二のスイッチング素子１２の通電電流は、保持電流以下になることによってターンオフとなるために、放電電流終了とほぼ同時にキャパシタ１０の充電電荷は点火栓８に印加されてイオン電流源となると同時に、トランジスタ１３はオフとなることにより第三のスイッチング素子１６はオンとなって、イオン電流が流れる。

しかし、上記再火花放電動作で何らかの原因によって気筒内燃焼が行われなかった場合、すなわち、イオン電流が正常に検出されない場合は、波形ｉ2はｂ部で示されるような波形となって、点火に失敗した時の情報を得ることができる。

上記失火信号は、イオン検出回路７で増幅などの加工をしてＥＣＵ６に入力されて、次の点火が正常燃焼に移行するため、点火時期の進角補正や燃料噴射回数補正などに利用される。

上記実施例の第二のスイッチング素子１２にはサイリスタを用いたが、当該第二のスイッチング素子１２の作動は、スイッチング素子３のオフから時間差を持ってオンとなり、点火栓８での放電の終了前後にオフとなることであり、当該作動を有する回路構成は通常のトランジスタやＩＧＢＴおよびＦＥＴなどによっても適宜選択して構成することができる。

また、上記第二のスイッチング素子１２の制御端子は点火のスイッチング素子３がオフ時に発生する点火コイルの磁気エネルギー放出電力を受電する構成に接続されておれば良く、点火コイル２の一時側、二次側を問わない。

さらに、点火のスイッチング素子３がオン時に発生する出力電圧で、点火栓８での放電する恐れが無い場合は、キャパシタ１０と並列接続される定電圧ダイオード９は、キャパシタ１０と定電圧ダイオード１１の直列回路を分路することもできる。

同様に、時間ｔ3後の正規の燃焼イオン電流でのみ点火栓８のくすぶり汚染などを検出する場合は、点火のスイッチング素子３がオン時に発生する出力電圧での点火栓８でのくすぶり汚染検出などのために設けている第三のスイッチング素子１６を短時間オフすることにより、上記点火のスイッチング素子３のオン時出力電圧の影響を防止するトランジスタ１３のベースに接続された時定数設定回路は省くことができる。

そして、前記イオン電流検出レジスタ１５を大きな抵抗値に選定した時は、上記スイッチング素子１２がオン時に、キャパシタ１０の充電電荷に対して電源を介して回り込み放電防止回路を形成している上記スイッチング素子１６もまた省くこともできる。

発明の実施例を示す図。発明の実施例の各部作動波形。

符号の説明

２：点火コイル
２１：一次線輪
２２：二次線輪
３：スイッチング素子
４：定電圧回路
５：駆動回路
６：ＥＣＵ
７：イオン検出回路
８：点火栓
９，１１：定電圧ダイオード
１０，１９：キャパシタ
１２：第二のスイッチング素子
１３：トランジスタ
１４，１７，２３：ダイオード
１５，１８，２０，２４，２５，２６：レジスタ
１６：第三のスイッチング素子

Claims

電源と点火コイルの一次線輪およびスイッチング素子の直列回路からなる電流遮断方式の点火装置と、上記点火コイルの二次線輪の高電圧側に点火栓、低電圧側にイオン電流検出装置を備える点火装置において、当該イオン電流検出装置の電流源を構成するキャパシタに上記キャパシタを分路する第二のスイッチング素子を構成し、上記第二のスイッチング素子の制御端子は、前記スイッチング素子がオフ時に発生する点火コイルの磁気エネルギー放出電力を受電する構成に接続され、上記第二のスイッチング素子には少なくとも点火栓での放電開始前後から放電終了間際まで、オン状態を保持する構成としたことを特徴とするイオン電流検出装置を備える点火装置。
上記イオン電流検出装置のイオン電流経路をオンオフ制御する第三のスイッチング素子を有し、上記第三のスイッチング素子は上記第二のスイッチング素子のオン状態と略連動してオフ状態とする構成としたことを特徴とする請求項１に記載のイオン電流検出装置を備える点火装置。
上記点火コイルの一次線輪に通電開始するスイッチング素子のオン時に、上記第三のスイッチング素子を短時間オンする構成とした請求項２に記載のイオン電流検出装置を備える点火装置。
上記第二のスイッチング素子には、サイリスタを用いた請求項１乃至３に記載のイオン電流検出装置を備える点火装置。