JP2010053780A - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン検出回路を確実に動作させて、正確に燃焼状態を把握できるよう工夫した内燃機関の点火装置を提供する。
【解決手段】一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とからなる点火コイルＣＬと、制御装置ＥＣＵから受ける点火信号ＳＧに基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、イオン電流検出回路ＩＯＮとを中心に構成される。二次コイルＬ２は、同一方向に巻かれた第１巻線Ｌ２ａと第２巻線Ｌ２ｂとに区分されて構成され、点火プラグＰＧに点火放電用の高電圧が供給されるタイミングで、第２巻線Ｌ２ａの電圧によって電源用コンデンサＣ１が充電されて、イオン電流検出回路のバイアス電圧が生成され、その後、点火プラグＰＧの電圧が降下すると、電源用コンデンサＣ１のバイアス電圧によって、点火プラグＰＧを経由してイオン電流が流れるよう構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に関し、特に、高精度にイオン電流を検出できるイオン電流検出回路を内蔵した点火装置に関する。

イオン電流検出回路を内蔵する点火装置に関して、出願人は、先に、特許文献１に記載の発明を提案している。
特開平１０−１４１１０７号公報

この発明では、ダイオードＤを通して一次コイルＬ１に接続されるコンデンサＣを設け、これにツェナーダイオードＺＤを並列接続することで、イオン電流検出回路のバイアス電圧を生成している。この回路では、スイッチング素子ＱがＯＦＦ動作すると、点火プラグＰＧが点火放電すると共に、コンデンサＣが所定レベルＶ１まで充電される。そして、その後、点火プラグＰＧの両端電圧Ｖ２が降下すると、コンデンサＣの充電電圧Ｖ１によるイオン電流が、イオン電流検出回路で検出されるようになっている（図４参照）。

しかしながら、上記した特許文献１に記載の回路では、コンデンサＣの充電電圧が、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移時に誘起される一次電圧Ｖ１によって決まるので、任意レベルの高電圧が得られないという問題がある。すなわち、点火プラグＰＧには点火放電に必要な高電圧が要求されるので、これに必要な一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の巻数比から、一次電圧Ｖ１を必要なレベルまで高めることができないことがある。かかる場合、イオン電流検出回路の電流検出抵抗Ｒを増加させることも考えられるが、これでは、電流検出抵抗Ｒによってイオン電流を抑制することにしかならず、かえってＳＮ比を悪化させる。

ここで、イオン電流検出回路のバイアス電圧が低いと、点火プラグの両端電圧Ｖ２がバイアス電圧のレベルＶ１まで降下するのに時間を要する。そのため、イオン電流の検出タイミングが遅れ、必要なイオン電流が検出できず、ノック判定や失火判定に支障が生じることがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、イオン検出回路を確実に動作させて、正確に燃焼状態を把握できるよう工夫した内燃機関の点火装置を提供することが課題とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、制御装置から受ける点火信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作するスイッチング素子Ｑと、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、イオン電流検出回路とを中心に構成され、前記二次コイルは、同一方向に巻かれた第１巻線と第２巻線とに区分されて構成され、前記点火プラグに点火放電用の高電圧が供給されるタイミングで、前記第２巻線の電圧によって電源用コンデンサが充電されて、前記イオン電流検出回路のバイアス電圧が生成され、その後、点火プラグの電圧が降下すると、前記電源用コンデンサのバイアス電圧によって、前記点火プラグを経由してイオン電流が流れるよう構成されている。

また、請求項２に係る発明は、一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、制御装置から受ける点火信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作するスイッチング素子Ｑと、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、イオン電流検出回路とを中心に構成され、前記二次コイルと同一位相の電圧が誘起されるよう構成された三次コイルを設け、前記点火プラグに点火放電用の高電圧が供給されるタイミングで、前記三次コイルの電圧によって電源用コンデンサが充電されて、前記イオン電流検出回路のバイアス電圧が生成され、その後、点火プラグの電圧が降下すると、前記電源用コンデンサのバイアス電圧によって、前記点火プラグを経由してイオン電流が流れるよう構成されている。

上記何れの発明でもノック電流検出回路の電源用バイアス電圧を任意に設定できるので、ノック判定や失火判定など、内燃機関の燃焼状態を正確に判定することができる。

本発明は、好ましくは、前記二次コイルの高圧端子と前記点火プラグとの間に、第1ダイオードが配置されて逆方向放電を防止するべきである。また、前記第２巻線又は前記三次コイルから正電圧を受けると、前記電源用コンデンサに充電電流を流す向きに配置される第２ダイオードを設けるべきである。

ところで、前記電源用コンデンサには、好ましくは、ツェナーダイオードが並列接続されるべきである。この場合、本発明の構成によれば、ツェナーダイオードの降伏電圧を３００Ｖ以上に設定することが容易である。但し、電源用コンデンサの充電電圧を、むやみに上昇させると、燃焼行程後の排気行程や吸気行程において、点火プラグが放電してしまうおそれもある。そこで、かかる弊害も考慮しつつ、気筒内圧が低い状態でも電源用コンデンサに充電された印加電圧が放電しないレベルに設定される。

また、前記電源用コンデンサの正電圧側の端子と、前記点火プラグとの間に、第３ダイオードが配置されて逆方向電流を阻止しているのが好ましい。

上記何れの発明でも、点火コイル、スイッチング素子、及びイオン電流検出回路は、本装置の使用状態では、点火プラグが配置されるプラグホールから露出する位置に配置されるのが最適である。

上記した本発明によれば、イオン検出回路を確実に動作させて、正確に燃焼状態を把握することができる。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、第１実施例に係る点火装置ＩＧＮを示す回路図である。

図示の通り、この点火装置ＩＧＮは、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とからなる点火コイルＣＬと、ＥＣＵ(Engine Control Unit)から受ける点火パルスＳＧに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、イオン電流検出回路ＩＯＮとを中心に構成されている。

スイッチング素子Ｑは、ここではＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使用されている。そして、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＢＴを受けており、エミッタ端子は、グランドに接続されている。

二次コイルＬ２は、同一方向に巻かれた第１巻線Ｌ２ａと第２巻線Ｌ２ｂとに区分されて構成されており、巻線全体として、一次コイルＬ１に対して、Ｎ倍の巻数比を有している。したがって、二次コイルＬ２の両端電圧は、理論的には、一次コイルＬ１の両端電圧のＮ倍となり、このＮ倍の誘起電圧によって点火プラグＰＧの放電動作が実現される。

一方、一次コイルＬ１と、第２巻線Ｌ２ｂとは、１：Ｍの巻数比に設定されている。ここで、巻数比Ｍは、イオン電流検出回路ＩＯＮに必要なバイアス電圧値に対応して決定され、この実施例では、例えば５００Ｖのバイアス電圧を実現する巻数比Ｍとしている。従来の回路構成では、バイアス電圧値は、２５０Ｖ程度が実用上の限界であったが、本実施例では、第２巻線Ｌ２ｂを設けることで、任意の高電圧に設定することができる。但し、バイアス電圧値を、むやみに上昇させると、燃焼行程後の排気行程や吸気行程において、点火プラグが放電してしまうおそれもあるので、気筒内圧が低い状態でも点火プラグが放電しないレベルに設定される。

二次コイルＬ２の低圧端子（−）は、一次コイルＬ１の電源側端子と共に、バッテリ電圧ＢＴを受けている。一方、二次コイルＬ２の高圧端子（＋）は、ダイオードＤ１を通して点火プラグＰＧに接続されている。ダイオードＤ１が設けられているので、スイッチング素子ＱのＯＮ遷移時に、点火プラグＰＧが放電するおそれはない。

二次コイルＬ２の第１巻線Ｌ２ａと、第２巻線Ｌ２ｂの接続点は、電流制限抵抗Ｒ１とダイオードＤ２を通して、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列接続回路に接続されている。図示の通り、ダイオードＤ２は、コンデンサＣ１を正方向に充電する方向に接続されている。また、ツェナーダイオードＺＤは、コンデンサＣ１に並列接続されるが、ここでは５００Ｖ程度の電圧で降伏することで、充電状態のコンデンサの両端電圧を、バイアス電圧たる５００Ｖに安定化している。

コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列接続回路と、点火プラグＰＧとの間には、ダイオードＤ３が接続されている。図示の通り、ダイオードＤ３のカソード端子が、点火プラグＰＧに接続されているので、点火プラグＰＧの両端電圧Ｖ２が所定レベルまで降下しない限り、ダイオードＤ３が導通することはない。

コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列接続回路には、互いに逆方向に並列接続されたダイオードＤ４，Ｄ５が、グランドとの間に直列接続されている。そして、ダイオードＤ４のアノード端子及びダイオードＤ５のカソード端子が、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子（−）に接続されている。一方、ＯＰアンプＡＭＰの非反転入力端子（＋）はグランドに接続され、反転入力端子（−）と出力端子との間には、イオン電流Ｉの電流検出抵抗Ｒ２が接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの出力電圧Ｉ＊Ｒ２は、ＥＣＵに供給される。

本発明の点火装置は、上記の通りに構成されているので、以下の動作をする。先ず、点火パルスＳＧがＬレベルからＨレベルに変化すると、スイッチング素子ＱがＯＮ動作することで、一次コイルＬ１に電流が流れ始める。なお、このＯＮ動作時、二次コイルには、高圧端子（＋）が負レベルとなる誘起電圧が生じるが、ダイオードＤ１が配置されているので、点火プラグＰＧが点火放電するおそれはない。

次に、一次コイルＬ１に電流が流れている状態で、点火パルスＳＧがＨレベルからＬレベルに変化すると、スイッチング素子ＱがＯＦＦ動作して、二次コイルＬ２には、高圧端子（＋）が正レベルとなる誘起電圧が発生する。この誘起電圧は、二次コイルＬ２の第１巻線Ｌ２ａと第２巻線Ｌ２ｂの誘起電圧の総和であり、点火プラグＰＧの放電に十分な高電圧である。そのため、点火プラグＰＧが点火放電して、図示の方向に点火放電電流が流れる。

また、このとき、第２巻線Ｌ２ｂの誘起電圧が、バッテリ電圧ＢＴに加算されて、コンデンサＣ１に加わる。そのため、電流制限抵抗Ｒ１→ダイオードＤ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ４の経路で、コンデンサＣ１の充電電流が流れる。この実施例では、コンデンサＣ１には、５００Ｖ用のツェナーダイオードＺＤが並列接続され、また、コンデンサＣ１には、５００Ｖより適度に高い最大電圧が加わるよう構成されているので、コンデンサＣ１は、素早く５００Ｖまで充電される。この動作によってイオン電流検出回路のバイアス電圧として、５００Ｖが確保される。

点火プラグＰＧが点火放電した後、しばらく経過すると、点火プラグＰＧの両端電圧Ｖ２が降下するが、そのレベルが５００Ｖに達すると、それまでＯＦＦ状態であったダイオードＤ３が導通して、イオン電流Ｉが流れる。図示の通り、イオン電流は、電流検出抵抗Ｒ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ３→点火プラグＰＧの経路で流れる。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子（−）の電位は０Ｖであると考えることができるので、ＯＰアンプＡＭＰからは、イオン電流Ｉに比例したＩ＊Ｒ２が出力されることになる。

以上のように構成された点火装置ＩＧＮは、その点火コイルＣＬ部分をプラグホールＨＯに配置する構成（図３（ａ））を採っても良いし、点火装置ＩＧＮの実質的に全ての構成要素を、プラグホールＨＯから露出するプラグ頭部ＨＤに配置する構成（図３（ｂ））を採っても良い。但し、ペンシルタイプとも称する図３（ａ）の構成を採ると、（１）二次コイルＬ２の最先端とプラグ頭部ＨＤとの間であるプラグホールの位置にダイオードＤ３を配置するか、或いは、（２）プラグ頭部ＨＤに配置したダイオードＤ３から二次コイルＬ２の最先端に接続線を引き回す必要があり、また、（３）二次コイルの途中から、プラグ頭部ＨＤに配置した電流制限抵抗Ｒ１への接続線も必要となり、装置構成上に問題が生じる。

これに対して、プラグ頭部ＨＤに、点火装置ＩＧＮの全ての構成要素を配置し、プラグホールＨＯには、ダイオードＤ１からの出力線だけを配置する図３（ｂ）の構成を採れば、上記した（１）〜（３）の問題が生じない上に、プラグホールが小径化されても、問題なく対応できるので好適である。図３（ａ）の構成を採ると、プラグホールの口径上の制限などから、二次コイルの第２巻線Ｌ２ｂを自由に増やすことができず、この点が問題になるが、図３（ｂ）の構成を採ると、第２巻線Ｌ２ｂを自由に設定でき、また、プラグホールＨＯの内部に接続線ＣＢＬを配置するだけで足りるので極めて好適である。

また、一次コイルと二次コイルの磁束通路とを閉磁路とすることができるので、特に大型化しなくても、必要な高電圧を自由に生成することができる。その結果、バイアス電圧を高く設定することも容易であるので、イオン電流を確実に把握することができ、失火判定やノック判定の精度を上げることができる。

以上、本発明の第１実施例について詳細に説明したが、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。例えば、第１実施例では、二次コイルＬ２を、第１巻線Ｌ２ａと第２巻線Ｌ２ｂに区分して構成したが、三次コイルＬ３を設けても良いのは勿論である。

図２は、この第２実施例を示す回路図である。ここでは、磁束の通過方向に対して、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の巻線を同一方向に巻いている。そのため、一次コイルＬ１の電流が遮断されて、二次コイルＬ２の高圧端子（＋）に、正の高電圧が誘起されたタイミングでは、三次コイルＬ３に誘起された正電圧によってコンデンサＣ１が充電されて、イオン電流検出回路ＩＯＮのバイアス電圧が生成される。

第１実施例に係る点火装置を示す回路図である。 第２実施例に係る点火装置を示す回路図である。 各点火装置の配置状態を示す概念図である。 従来技術を説明する回路図である。

符号の説明

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｌ２ａ 第１巻線
Ｌ２ｂ 第２巻線
ＣＬ 点火コイル
ＥＣＵ 制御装置
ＳＧ 点火信号
Ｑ スイッチング素子
ＰＧ 点火プラグ
ＩＯＮ イオン電流検出回路
Ｃ１ 電源用コンデンサ

Claims (7)

1. 一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、制御装置から受ける点火信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作するスイッチング素子Ｑと、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、イオン電流検出回路とを中心に構成され、
   前記二次コイルは、同一方向に巻かれた第１巻線と第２巻線とに区分されて構成され、
   前記点火プラグに点火放電用の高電圧が供給されるタイミングで、前記第２巻線の電圧によって電源用コンデンサが充電されて、前記イオン電流検出回路のバイアス電圧が生成され、
   その後、点火プラグの電圧が降下すると、前記電源用コンデンサのバイアス電圧によって、前記点火プラグを経由してイオン電流が流れるよう構成されたことを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、制御装置から受ける点火信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作するスイッチング素子Ｑと、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、イオン電流検出回路とを中心に構成され、
   前記二次コイルと同一位相の電圧が誘起されるよう構成された三次コイルを設け、
   前記点火プラグに点火放電用の高電圧が供給されるタイミングで、前記三次コイルの電圧によって電源用コンデンサが充電されて、前記イオン電流検出回路のバイアス電圧が生成され、
   その後、点火プラグの電圧が降下すると、前記電源用コンデンサのバイアス電圧によって、前記点火プラグを経由してイオン電流が流れるよう構成されたことを特徴とする内燃機関の点火装置。
3. 前記二次コイルの高圧端子と前記点火プラグとの間に、第1ダイオードが配置されて逆方向放電を防止している請求項1又は２に記載の点火装置。
4. 前記第２巻線又は前記三次コイルから正電圧を受けると、前記電源用コンデンサに充電電流を流す向きに配置される第２ダイオードを設けた請求項1〜３の何れかに記載の点火装置。
5. 前記電源用コンデンサにツェナーダイオードが並列接続され、前記ツェナーダイオードの降伏電圧は、３００Ｖ以上に設定されている請求項１〜４の何れかに記載の点火装置。
6. 前記電源用コンデンサの正電圧側の端子と、前記点火プラグとの間に、第３ダイオードが配置されて逆方向電流を阻止している請求項１〜５の何れかに記載の点火装置。
7. 前記点火コイル、前記スイッチング素子、及び前記イオン電流検出回路は、本装置の使用状態では、前記点火プラグが配置されるプラグホールから露出する位置に配置される請求項１〜６の何れかに記載の点火装置。

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