JP2008248781A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【目的】
火花放電時間検出の信号出力と、内燃機関の燃焼状態をイオン電流検出によって検知する内燃機関用点火装置を提供する。
【解決手段】
１次電流遮断素子により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、２次コイル低圧側にイオン電流検出用電源回路とイオン電流増幅回路からなるイオン電流検出回路が配置されており、プラグギャップ間放電時間において、点火コイルの出力電流すなわち火花放電電流を検出し火花放電時間信号として出力すると共に２次コイル電流の出力完了後の内燃機関の燃焼期間においてイオン電流検出回路によって検出されるイオン電流を電圧波形として出力できるイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関用点火装置に関し、特に火花放電時間検出の信号出力と、内燃機関の燃焼状態とをイオン電流検出によって検知する内燃機関用点火装置に関する。

自動車エンジンなどの内燃機関において、図７に開示されたイオン電流検出をもつ内燃機関用点火装置がある。図７において、１はバッテリ電源、２は点火プラグ、３は点火コイル、３１は１次コイル、３２は２次コイル、４は制御回路、５は１次電流遮断素子、６はイオン電流検出用電源、７はイオン電流増幅回路である。イオン電流検出用電源は、イオン電流検出電源電圧作成用ＺＤ６１、イオン電流検出電源用コンデンサ６２、２次放電電流経路用ダイオード６３、イオン電流検出用抵抗６４、イオン電流増幅回路は、入力保護ダイオード７１、イオン電流アンプ７２から構成される。

図７に開示されたイオン電流検出をもつ内燃機関用点火装置の動作波形を図８に示す。
点火信号ａのＨＩＧＨ信号が制御回路４に入力されると、１次電流遮断素子５は通電状態となり１次コイル３１に電流ａが通電開始され１次コイル３１が励磁される。点火信号ａがＬＯＷ信号に切り替わると制御回路４は１次電流遮断素子５を遮断状態とし電流ａを遮断する。電流ａが遮断されると１次コイル３１の逆起電圧が２次コイル３２に誘導され２次コイル３１から出力される高電圧によって点火プラグ２の電極間が絶縁破壊し、（１次コイルのインダクタンス×電流ａの最大値２）／２のエネルギが点火コイルの中心鉄心での鉄損及び１次コイルと２次コイル間の変換損失を伴いながら２次コイル３２より出力される。２次コイル３２のエネルギ出力はプラグギャップ間の放電電圧と放電電流の形態で出力され、放電電流ｅは図７のｅ部矢印の方向に図８に示す波形の様に流れる。放電電流ｅの経路は、シリンダ内壁に接地されるプラグＧＮＤ電極から、放電によってプラグ高圧電極へ至り、２次コイル３２から２次コイル低圧側に接続されるイオン電流検出電源を構成するＺＤ６１をブレークダウンさせ２次放電電流経路用ダイオードの順方向を導通させてＧＮＤに至る経路である。放電電流ｅによるＺＤのブレークダウン電圧によってイオン電流検出電源用コンデンサ６２は放電電流ｅの通電期間、すなわち点火コイルのエネルギ出力期間全般において充電され続ける。点火コイルのエネルギ出力がプラグギャップ間放電電圧を維持できなくなると、プラグギャップ間放電は終了し、２次コイル〜点火プラグ間で残留しているエネルギが１次コイル３１と２次コイル３２間での相互誘導による消費又は点火後の火炎を介してのＧＮＤ電位への放出によってプラグギャップ高圧電極の電圧がイオン電流検出電源電圧を下回るとコンデンサ６２の放電が開始される。コンデンサ６２の放電電流は２次コイル３２からプラグギャップ高圧電極、電極ギャップ間の燃焼による火炎によってシリンダ内壁に接地されるプラグＧＮＤ電極に至り、ＧＮＤからイオン電流増幅回路７、イオン電流検出用抵抗６４を経てコンデンサに至る経路で流れる。プラグギャップ間に存在する燃焼による火炎の状態によって、火炎の抵抗値は常に変動しており、コンデンサ６２の放電電流も抵抗値変動に相関のある変動を示す。コンデンサ６２の放電電流はイオン電流アンプ７２によって構成される電流電圧変換回路によって図８に示す電圧波形ｇが出力される。

自動車エンジンなどの内燃機関において、図９に開示された点火プラグギャップ間の火花放電時間を検出する装置がある。図９において、１はバッテリ電源、２は点火プラグ、３は点火コイル、３１は１次コイル、３２は２次コイル、４は制御回路、５は１次電流遮断素子、６は火花放電時間検出回路である。火花放電時間検出回路６は分圧抵抗６１、判定基準電圧６２、比較器６３から構成される。

図９に開示された火花放電時間検出機能をもつ内燃機関用点火装置の動作波形を図１０に示す。 点火信号ａのＨＩＧＨ信号が制御回路４に入力されると、１次電流遮断素子５は通電状態となり１次コイル３１に電流ａが通電開始され１次コイル３１が励磁される。点火信号ａがＬＯＷ信号に切り替わると制御回路４は１次電流遮断素子５を遮断状態とし電流ａを遮断する。電流ａが遮断されると１次コイル３１の逆起電圧が２次コイル３２に誘導され２次コイル３１から出力される高電圧によって点火プラグ２の電極間が絶縁破壊し、（１次コイルのインダクタンス×電流ａの最大値２）／２のエネルギが点火コイルの中心鉄心での鉄損及び１次コイルと２次コイル間の変換損失を伴いながら２次コイル３２より出力される。２次コイル３２のエネルギ出力はプラグギャップ間の放電電圧と放電電流の形態で出力され、放電電流ｅは図９のｅ部矢印の方向に図１０に示す波形の様に流れる。放電電流ｅの経路は、シリンダ内壁に接地されるプラグＧＮＤ電極から、放電によってプラグ高圧電極へ至り、２次コイル３２から２次コイル低圧側に接続される早期着火防止用ダイオードの順方向を導通させてバッテリ電源に至る経路である。火花放電中の２次コイル出力電圧は図１０の様に、プラグギャップ間の絶縁破壊後は放電を維持する電圧が出力されると同時に相互誘導により１次コイル３１への１次コイルと２次コイルの巻数比の逆数をとる比率によって電圧出力がなされる。すなわち、１次コイル３１における電流ａ遮断後の図９のｅ部での発生電圧によって、火花放電時間もしくは点火コイルからの高電圧出力の有無を知ることができる。電流ａの遮断後に発生する電圧波形ｅと図９における任意の敷居値電圧６２を比較器６３によって比較し矩形波ｆが出力される。

また、従来技術において検出したイオン電流は放電によるノイズ成分も含んでおり、これを分離するため、点火から特定の期間をマスクするなどの方法をとっている。

図７における制御回路４及びイオン電流増幅回路７、又は図９における制御回路４及び火花放電時間検出回路６はそれぞれ同一半導体上に集積回路として構築されるが、点火コイルの自己診断機能として火花放電時間の検出を行うと同時にイオン電流検出による内燃機関の燃焼状態の検知を両立させるとすると、従来方法においては図７及び図８に開示された回路をそれぞれ独立させて制御回路を構築する必用がある。そのため、回路規模の拡大により半導体集積回路の大型化による接合部の信頼性低下だけでは無く、消費電流の増加による低電圧時の点火コイルの特性劣化もしくは動作停止の懸念が生じる。又、それぞれの検出回路が出力端子を必用とし点火コイルの大型化を招きエンジンへの搭載性が悪化してしまう。

内燃機関のシリンダ内での燃焼によるイオン電流の計測及び火花放電時間の検知ともに点火コイルの２次側の電気的な現象として知ることができる。すなわちイオン電流検出回路が検出対象とするのは２次コイル３２に流れる電流であり、図９に示すような１次コイルへの誘導電圧を検知する回路に頼らずとも、回路的には原理上測定することができる。イオン電流増幅回路７はオペアンプ使用した電流・電圧変換回路でありその動作は図５に示す通りである。図５において、シリンダ内での燃焼によるイオン電流はａに示す方向であり、この時の電圧出力ＶｏはＩｉｎ・Ｒｇとなる。一方プラグギャップ間の火花放電電流の方向はｂに示す方向であり、この時の電圧出力Ｖｏは電流の極性が異なることで−Ｉｉｎ・Ｒｇで、負極性の電圧出力を得るため負極性安定電源が必用となる。この場合、イオン電流検出信号と火花放電時間信号の同一端子でのＥＣＵとの通信は容易にできるが、回路規模は拡大し、消費電流増加による前述の問題について懸念が生じる。又、回路の増幅率は抵抗Ｒｇによって決まるためイオン電流増幅率と火花放電電流増幅率を共有せねばならず、ｕＡオーダのイオン電流と数十ｍＡ以上の火花放電電流とでは回路定数の設定が困難である。

また、従来技術において検出したイオン電流は放電によるノイズ成分も含んでおり、これを分離するため、点火から特定の期間をマスクするなどの方法を取っているが、放電時間は燃焼状態、点火プラグの放電ギャップ等により変化する。よって、これを分離するのに余裕を持った期間をマスクする必要があり、燃焼速度の早い高回転や、燃焼信号が小さい運転領域（アイドリングなど）では適切にイオン電流と分離できない問題がある。

図８及び図１０に示すように、イオン電流の検出と火花放電時間の検出期間は重なることなく存在しており原理上同一回路での検出は可能である。イオン電流増幅回路はオペアンプを用いた電流・電圧増幅回路であることは上述の通りであるが、図７及び図８において、火花放電時でオペアンプ７２の反転入力に入力される電圧は電流ｅによって導通するダイオード６３の順方向電圧であり、オペアンプ７２の非反転入力の基準電位であるＧＮＤ電位よりも高い電圧が入力される。オペアンプ７２は正極性電圧のみの電源供給であるため、このときのオペアンプ出力はＬＯＷレベルに維持される。正極性電圧のみで電圧出力を得るためには火花放電期間において同相増幅回路として動作する必用がある。図５と図６より、図５の電流・電圧変換回路と図６の同相増幅回路は負帰還抵抗とオペアンプが回路的に共通であり、基準電圧のオペアンプ入力と同相増幅回路のゲイン抵抗Ｒ２が異なる。この部分をイオン電流増幅回路の動作、すなわち火花放電時間検出期間とイオン電流検出期間とで切り換えることによって、何れの機能もイオン電流増幅回路によって実現することができる。 回路の増幅率ついては図５と図６より、図５の電流・電圧変換回路のゲイン抵抗Ｒｓを図６の同相増幅回路Ｒ２を共有し、同相増幅回路のゲインをＲ１で調整するようにすればイオン電流検出回路、火花放電時間検出回路の増幅ゲインをそれぞれ個別に設定できる。

図１に本発明の回路構成を示す、火花放電時間検出期間で同相増幅回路として動作しイオン電流検出期間では電流・電圧変換回路として動作する内燃機関用点火装置において、１はバッテリ電源、２は点火プラグ、３は点火コイル、３１は１次コイル、３２は２次コイル、４は１次電流遮断素子制御回路、５は１次電流遮断素子、６はイオン電流検出用電源、６１はイオン電流検出電源電圧作成用ＺＤ、６２はイオン電流検出電源用コンデンサ、６５は電流検出用抵抗である。７は増幅回路で、７２はオペアンプ、７３は増幅回路切り替え回路、７４は電流・電圧増幅回路と同相増幅回路の共通ゲイン抵抗、７５は同相増幅回路の回路ゲイン調整抵抗である。図２にしめす回路動作について、制御回路４に入力される点火信号がＬＯＷ信号に切り替わると、制御回路４は１次電流遮断素子を遮断状態へ移行させ、２次コイルは１次電流通電期間に蓄えたエネルギを放出する。エネルギとして放出される２次コイル電流はすなわちプラグギャップ間の火花放電電流であり、２次コイル電流の経路は前述の通りであり、ＺＤ６１をブレークダウンさせ電流検出抵抗６５を通してＧＮＤに至る。このとき増幅回路切り替え回路７３は火花放電電流通電開始時から同相増幅回路として増幅回路７を動作させる様に切り換えられる。電流検出抵抗６５の両端に生じる電圧は増幅回路７２の非反転入力端子に入力され、増幅回路７の電圧出力は、（１＋抵抗７４／抵抗７５）×入力電圧の出力がなされる。火花放電が終了すると、増幅回路切り替え回路７３は電流・電圧変換回路として増幅回路を動作させる様に切り換えられ、増幅回路７は内燃機関の燃焼によるプラグギャップ間の火炎を通して放電されるコンデンサ６２の放電電流を、抵抗７４×コンデンサ放電電流に増幅した電圧出力がなされる。

尚、増幅回路切り替え回路７３は回路動作を表す概念でもあり、能動的制御として直接外部信号入力を伴うスイッチイング動作でもよいが、一連の増幅回路動作の切り替えが電子回路上受動的になされるものでもよい。

本発明は＋極性の電源供給のみがなされるオペアンプで構成された増幅回路を、電流・電圧変換回路と同相増幅回路をそれぞれ動作上必用とされる期間において使い分けることによって、火花放電時間信号とイオン電流検出信号を同一の出力端子にて出力し、エンジンへの搭載性を向上しつつＥＣＵとの通信配線を削減し電気的特性においても回路消費電流を削減し、特に低電圧時の動作特性を改善した火花放電時間検出機能とイオン電流検出機能とを持つ内燃機関用点火装置を実現できる。

又、上記放電時間より、放電期間と燃焼によって発生したイオン電流信号期間を分離し、適切にイオン電流信号のみを検出する。

図３に本発明の実施例をしめす。本実施例においては電子回路上受動的に増幅回路の切り替え動作を行う構成である。プラグギャップ間の火花放電が開始されると、火花放電電流ｅはＺＤ６１をブレークダウンさせてＺＤ６１のブレークダウン電圧によってコンデンサ６２は充電される。コンデンサ６２の充電電流はダイオード６６を通してＧＮＤに至る。このとき増幅回路７のオペアンプ７２の反転入力端子はダイオード６６を通してＧＮＤに接地され、火花放電電流によって抵抗６５に生じる電圧はオペアンプ７２の非反転入力端子へ入力されるので増幅回路７は同相増幅回路として動作する。増幅回路７は、回路ゲインを抵抗７４と抵抗６５によって決定され、図１に示す同相増幅回路の回路ゲイン調整抵抗７５を必用としない。増幅回路７への入力電圧をＶｉｎとすると、（１＋抵抗７４／抵抗６５）×Ｖｉｎの電圧出力がなされる。火花放電時間検出信号波形を矩形波とする場合は抵抗６５を低く定数設定するか、図４の様に火花放電電流ｅの電流方向が順方向となるようにダイオード６７を抵抗６５に代えてもよい。火花放電期間が終了すると、増幅回路７のオペアンプ７２の非反転入力端子は抵抗６５もしくはダイオード６７によって接地され、コンデンサ６２に反転入力端子は接続されており、プラグギャップ間の火炎を通して放電されるコンデンサ６２の放電電流を電圧変換する電流・電圧変換回路として動作する。このときの増幅回路７の回路ゲインは抵抗７４のみによって決定され、コンデンサの放電電流をＩｉｎとすると、抵抗７４×Ｉｉｎの電圧出力を行う。

本発明における、増幅回路のゲイン設定は火花放電時間検出期間とイオン電流検出期間において密接な関連があり、その両者の要求特性を満たす様、定数設定が必用となる。
例えば、イオン電流検出について増幅率を上げてゆくと火花放電時間検出期間においても増幅率が上昇し、電圧波形として火花放電電流を増幅回路７より出力する必用がある場合には抵抗６５の抵抗値を上げる必用があるが、抵抗６５での点火コイルのエネルギ損失も増えることになるため抵抗６５の設定値には点火コイルの要求特性上限界が存在する。
このような場合、点火コイルの要求特性上決定される抵抗６５の抵抗値によって、増幅回路の回路ゲインを火花放電時間検出動作時の回路ゲインによって決定し、低下するイオン電流検出回路動作時の回路ゲインをイオン電流検出電源電圧を上げることによって回路ゲインを確保し、火花放電時間検出特性とイオン電流検出特性を両立させることができる。

本発明によって効率的に火花放電時間検出回路とイオン電流増幅回路を構成し、電子回路の小規模化による消費電流の低減によるバッテリ電圧の低電圧時における電気的特性の改善、又、制御回路と増幅回路を同一半導体上に構成する際の、集積回路の小型化によるはんだ若しくはワイヤボンディングによる接続箇所の信頼性向上がなされると同時に、火花放電時間検出信号とイオン電流検出信号の出力端子を共用することができ、点火コイルの小型化及びＥＣＵとの通 信配線の削減によるエンジン搭載性の向上を実現することができる。

又、上記放電時間より、放電期間と燃焼によって発生したイオン電流信号期間を分離し、適切にイオン電流信号のみを検出する。

以上のように、本発明の実施の形態について説明したが、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当該点火装置が必要なあらゆるエンジンに使用できるものであり、点火コイルの２次側特性を利用する火花放電時間検出及びイオン電流検出を同一の増幅回路で行う電子回路について、その動作切り替えの方法を限定するものではない。この発明の精神に基づき当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

当該発明の内燃機関用点火装置の回路図 当該発明の内燃機関用点火装置の動作波形 当該発明の内燃機関用点火装置の実施例 当該発明の内燃機関用点火装置の実施例 電流・電圧変換回路の回路図 同相増幅回路の回路図 従来のイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置の回路図 従来のイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置の動作波形 従来の火花放電時間検出機能をもつ内燃機関用点火装置の回路図 従来の火花放電時間検出機能をもつ内燃機関用点火装置の動作波形

符号の説明

１ バッテリ
２ 点火プラグ
３ 点火コイル
４ 制御回路
５ １次電流遮断素子
６ イオン電流検出電源回路
７ イオン電流増幅回路

Claims (6)

1. 電子制御される１次電流遮断素子により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、２次コイル低圧側にイオン電流検出用電源回路とイオン電流増幅回路からなるイオン電流検出回路が配置されており、プラグギャップ間放電時間において、点火コイルの出力電流すなわち火花放電電流を検出し火花放電時間信号として出力すると共に２次コイル電流の出力完了後の内燃機関の燃焼期間においてイオン電流検出回路によって検出されるイオン電流を電圧波形として出力できるイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置。
2. １次電流遮断素子と１次電流遮断素子のオンオフ制御を行う制御回路と過電圧及び過電流保護回路とイオン電流検出電源回路とイオン電流増幅回路と火花放電時間検出回路とが点火コイルに内蔵されたイオン電流検出機能及び火花放電時間検出機能をもつ内燃機関用点火装置
3. 点火コイルの電流出力期間において信号を出力する回路とイオン電流を増幅し信号を出力する回路が同一の回路によって処理できるイオン電流検出機能を持つ内燃機関用点火装置
4. 正極性の電圧源のみで電源入力されるオペアンプによって構成されるイオン電流増幅回路の電流・電圧変換回路が、火花放電電流検出期間において同相増幅回路として動作することを特徴とするイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置
5. 点火コイルの電流出力期間において出力される信号とイオン電流信号を同一の出力端子で出力できるイオン電流検出機能を持つ内燃機関用点火装置。
6. 火花放電時間信号より、放電期間と燃焼によって発生したイオン電流信号期間を分離し、適切にイオン電流信号のみを検出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関用点火装置。

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