JP2010116824A - イオン電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素早いタイミングでイオン電流の検出を開始できるイオン電流検出回路を提供する。
【解決手段】一次コイルＬ１と二次コイルＬ２が電磁結合された点火コイル１と、一次コイルＬ１の電流を制御するスイッチング素子２と、スイッチング素子２のＯＦＦ動作時にグランドに向けて放電する点火プラグＰＧと、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤ１を有し、点火プラグＰＧの放電時に、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧のレベルまでコンデンサＣ１が充電されるバイアス回路３と、コンデンサＣ１の放電電流を検出する電流検出回路４と、を有する。二次コイルＬ２とツェナーダイオードＺＤ１との間に、ツェナーダイオードＺＤ１とは逆向きにツェナーダイオードＺＤ２を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼により発生するイオン電流を、素早いタイミングで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では、燃焼室に導入した空気及び燃料の混合気を、点火プラグの点火放電により燃焼させることでエネルギーを発生させている。このような内燃機関では、燃焼時、燃焼室内の分子がイオン化するので、適当なタイミングで点火プラグに高電圧を印加することで、イオン電流を取得することが可能となる。

そして、取得したイオン電流にノック信号が重畳しているか否かによってノッキング発生の有無を把握することが可能となる。なお、ノック信号の周波数は、内燃機関の構造により相違するが、例えば、５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度である。そして、イオン電流検出装置としては、例えば、特許文献１に記載の回路構成が知られている。
特開２００６−０７７７６３号公報

図４は、特許文献１の回路構成を図示したものであり、このイオン電流検出装置では、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移時に、点火コイルの二次コイルＬ２に図示の向きの高電圧を発生させることで、点火プラグＰＧが放電している。また、このＯＦＦ遷移時には、点火プラグＰＧの放電電流が、二次コイルＬ２→ツェナーダイオードＺＤ１１及びコンデンサＣ１１→ダイオードＤ２２の経路で流れて、コンデンサＣ１１が充電される。そして、放電電流が収束した後に、コンデンサＣ１１の両端電圧をバイアス電源として、破線の向きにイオン電流ｉが流れ、ＯＰアンプ３０からイオン電流ｉに対応する検出信号Ｒｆ＊ｉが出力される。

しかしながら、特許文献１の回路構成では、イオン電流が二次コイルＬ２を経由して流れるので、ノック信号の周波数に対するインピーダンスが増加して、微小レベルのノック信号を検出することが困難であるという問題がある。また、この回路構成では、点火プラグＰＧは、グランドを基点に放電するマイナス放電であって、グランドに向けて放電するプラス放電を実現できないという問題もある。

そこで、イオン電流経路に二次コイルＬ２を含まず、且つ、プラス放電を可能にする回路としては、例えば、特許文献２の回路構成が知られている。
特開２００２−１８０９４９号公報

図５は、特許文献２の回路構成を図示したものであり、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移時に、点火コイルの二次コイルＬ２に図示の向きの高電圧を発生させることで、点火プラグＰＧが放電している。また、このＯＦＦ遷移時には、一次コイルＬ１→抵抗Ｒ１１→ツェナーダイオードＺＤ１１及びコンデンサＣ１１→ダイオードＤ２２の経路でコンデンサＣ１１が充電される。そして、その後、点火プラグＰＧの両端電圧が降下すると、コンデンサＣ１１の両端電圧をバイアス電源として、破線の向きにイオン電流ｉが流れ、ＯＰアンプ３０から検出信号Ｒｆ＊ｉが出力されることになる。

図５の回路構成では、スイッチング素子ＱのＯＮ遷移時に点火プラグＰＧが放電しないよう、ＯＮ時放電防止用のダイオードＤ２０が配置されるのが通例である。また、スイッチング素子Ｑとしては、好適にはＩＧＢＰ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が使用され、ＩＧＢＴには、例えば、ツェナーダイオードＺＤが並列接続される場合が多い。

そのため、図５の回路構成では、コンデンサＣ１１の最大充電電圧は、ツェナーダイオードＺＤのブレークダウン電圧特性に依存することになり、例えば、コンデンサＣ１１の充電電圧を、２００Ｖ以上、例えば８００Ｖ程度まで増加しようとすると、これに対応する特別の絶縁設計や耐エネルギー設計が必要となり、点火回路を小型化・軽量化できないという問題がある。

また、図５の回路構成では、逆電流阻止用のダイオードＤ２１や、ＯＮ時放電防止用のダイオードＤ２０が必須となるので、点火プラグＰＧなど二次側の浮遊容量の充電電荷の放電経路がハイインピーダンスとなり、その分だけイオン電流の検出開始タイミングが遅れるという問題もある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、イオン電流検出のためのバイアス電圧を上昇させることができるイオン電流検出回路を提供することを課題とする。また、素早いタイミングでイオン電流の検出を開始できるイオン電流検出回路を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るイオン電流検出装置は、一次コイルと二次コイルが電磁結合されてなる点火コイルと、前記一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のＯＦＦ動作時に前記二次コイルに誘起される高電圧に基づいてグランドに向けて放電する点火プラグと、コンデンサ及び第一ツェナーダイオードを有し、前記点火プラグの放電時に、前記高電圧に基づいて前記第一ツェナーダイオードの降伏電圧のレベルまで前記コンデンサが充電されるバイアス回路と、前記コンデンサの放電電流を検出する電流検出回路と、を有して構成され、前記二次コイルと前記第一ツェナーダイオードとの間に、前記第一ツェナーダイオードとは逆向きに第二ツェナーダイオードを配置したことを特徴とする。

本発明では、ツェナーダイオードやコンデンサを、スイッチング素子と直流的に分離できるので、スイッチング素子の耐圧を考慮することなく、コンデンサの充電電圧を最適レベルに設定することができる。また、二次コイルと第一ツェナーダイオードとの間に、第一ツェナーダイオードとは逆向きに第二ツェナーダイオードを配置するので、点火プラグの充電電荷を放電する経路が低インピーダンス化される。ここで、第一と第二のツェナーダイオードは、その降伏電圧がほぼ同一に設定されているのが好ましい。

なお、本発明において、ツェナーダイオード、コンデンサ、ダイオードなどの名称は、同等の機能を発揮する電子素子の総称として使用しており、現実に流通している具体的な電子素子そのものを意味しない。

本発明は、好ましくは、コンデンサの充電時における高圧側端子と、点火プラグの放電時における高圧側端子との間に第一ダイオードを配置して、点火プラグの高圧側端子の電位が降下すると第一ダイオードがＯＮ動作して、コンデンサ、第一ダイオード、及び点火プラグを経由して、コンデンサの放電電流が流れるよう構成するべきである。

また、前記ツェナーダイオード及び前記コンデンサには、前記点火プラグの放電時とは逆方向の電流を阻止する第二ダイオード及び第三ダイオードが、各々接続されるのが好適である。この場合、前記第三ダイオードは、前記コンデンサとグランドとの間に配置されるのが最適である。

また、前記電流検出回路は、反転入力端子、非反転入力端子、及び出力端子を有する増幅素子と、前記反転入力端子と前記コンデンサの充電時における低圧側端子とを接続する入力抵抗と、前記反転入力端子と前記出力端子とを接続する検出抵抗とを有して構成され、前記点火プラグの放電時には、前記入力抵抗と前記コンデンサの両端電圧がほぼ同一の電圧値となるよう構成されるのが好適である。

上記した本発明のイオン電流検出装置によれば、イオン電流検出のためのバイアス電圧を適宜に上昇させることができる。また、素早いタイミングでイオン電流の検出を開始することもできる。

以下、実施例に係るイオン電流検出装置に基づいて、本発明の実施形態を説明する。図１は、実施例に係るイオン電流検出装置の回路図である。

図示の通り、このイオン電流検出装置は、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２が電磁結合された点火コイル１と、一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子２と、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤ１を中心とするバイアス回路３と、バイアス回路３及び二次コイルＬ２に直列接続された点火プラグＰＧと、ＯＰアンプＡＭＰによる電流検出回路４とを中心に構成されている。

スイッチング素子２は、具体的にはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタInsulated Gate Bipolar Transistor）で構成されている。そして、ＩＧＢＴのゲート端子Ｇには、点火パルスＳＧが供給され、コレクタ端子Ｃは一次コイルＬ１に接続され、エミッタ端子Ｅはグランドに接続されている。また、ＩＧＢＴのコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅには、ツェナーダイオードＺＤのカソード端子Ｃとアノード端子Ａが接続されている。

点火コイル１を構成する一次コイルＬ１と二次コイルＬ２は、コイル巻線が逆相に巻かれ、スイッチング素子２がＯＦＦ遷移して一次コイルＬ１の電流が遮断されると、二次コイルＬ２に、図示の向きの高電圧が発生するよう構成されている。

バイアス回路３は、二次コイルＬ２の低圧側端子に接続されるツェナーダイオードＺＤ２と、ツェナーダイオードＺＤ２に接続されるツェナーダイオードＺＤ１及びダイオードＤ２の直列回路と、この直列回路に並列接続されるコンデンサＣ１及びダイオードＤ３の直列回路と、コンデンサＣ１とダイオードＤ３との接続点と点火プラグＰＧの高圧側端子との間に接続されるダイオードＤ４とを有して構成されている。

そして、ツェナーダイオードＺＤ１、ダイオードＤ２、コンデンサＣ１及びダイオードＤ３で構成された並列接続回路は、その一方がツェナーダイオードＺＤ２のアノード端子に接続され、他方がグランドに接続されている。

ツェナーダイオードＺＤ２は、スイッチング素子２のＯＮ遷移時に点火プラグＰＧが放電しないよう、そのカソード端子が二次コイルＬ２に接続されている。但し、本実施例では、通常のダイオードを使用するのではなく、あえてツェナーダイオードＺＤ２を使用している。したがって、ツェナーダイオードＺＤ２の両端に、自らの降伏電圧以上の電圧を受けた場合には、カソード端子からアノード端子に向けて逆方向電流が流れることになる。

ツェナーダイオードＺＤ１は、そのアノード端子がツェナーダイオードＺＤ２のアノード端子に接続されている。一方、ツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子はダイオードＤ２のカソード端子に接続されている。そのため、このツェナーダイオードＺＤ１及びダイオードＤ２の直列回路には、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏時に、図示上向きの電流は流れるが、図示下向きの電流は、ダイオードＤ２によって阻止されることになる。

ところで、この回路構成では、ツェナーダイオードＺＤ１とスイッチング素子２とが直流的に分離状態であるので、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧には、特段の上限がなく、適宜に高い降伏電圧を選択することができる。好ましくは、降伏電圧２００Ｖ以上のツェナーダイオードを使用するべきであり、本実施例では、一例として、降伏電圧３００Ｖ程度のツェナーダイオードＺＤ１を使用している。また、ツェナーダイオードＺＤ１と、ツェナーダイオードＺＤ２は、降伏電圧をほぼ同一に設定するのが好ましく、本実施例では、ツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧も３００Ｖ程度となっている。

ダイオードＤ３は、そのカソード端子がコンデンサＣ１に接続され、アノード端子がグランドに接続されている。また、ダイオードＤ３のカソード端子は、ダイオードＤ４のアノード端子にも接続されている。したがって、ダイオードＤ４がＯＦＦ状態であれば、コンデンサＣ１は、ダイオードＤ３→コンデンサＣ１の経路の図示上向きの充電電流によって充電可能となる。一方、ダイオードＤ４がＯＮ状態となると、コンデンサＣ１の充電電荷は、コンデンサＣ１→ダイオードＤ４の経路で放電可能となる。

電流検出回路４は、ＯＰアンプＡＭＰと、入力抵抗Ｒ１と、検出抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ２とを有して構成されている。ＯＰアンプＡＭＰは、単一電源Ｖｃｃで動作しており、非反転入力端子がグランドに接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの出力端子から、イオン電流検出信号Ｖｏｕｔが出力される。

入力抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１と、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子との間に接続されている。この入力抵抗Ｒ１は、例えば、１００ＫΩ程度の抵抗値を有して、検出抵抗Ｒ２→入力抵抗Ｒ１の経路で流れる電流値を適宜なレベルに制限している。

検出抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２とは互いに並列接続され、この並列回路がＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に接続されている。そのため、ＯＰアンプＡＭＰは、全体として積分回路として機能して耐ノイズ性を高めている。

図２及び図３は、実施例に係るイオン電流検出装置の動作内容を説明する図面である。図３のタイムチャートでは、点火プラグＰＧが火花放電を開始したタイミングＴ１から、火花放電終了タイミングＴ２を経て、イオン電流の検出が開始されるタイミングＴ３までを模式的に示している。なお、二次コイルＬ２の高圧端子側の電位Ｖｐは、点火プラグＰＧの電位に他ならない。したがって、図３には、点火プラグＰＧの電位Ｖｐと、ＯＰアンプＡＭＰの検出信号Ｖｏｕｔとを図示していることになるが、タイミングＴ３に至るまでの検出信号Ｖｏｕｔは図示省略している。

＜タイミングＴ１〜タイミングＴ２＞
先ず、点火パルスＳＧが立下がり、スイッチング素子２がＯＦＦ遷移するタイミングＴ１以後について、図２（ａ）と図３とを参照しつつ説明する。

スイッチング素子２がＯＦＦ遷移すると、二次コイルＬ２には、図２（ａ）に示す向きの高電圧が発生し、バイアス回路３→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で放電電流ｉ１が流れる。その結果、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧に対応して、例えば３００Ｖまで急速に、図示の向きに充電される。この時、二次コイルＬ２の誘起電圧が、例えば１１００Ｖ程度であれば、放電動作状態の点火プラグＰＧの電位Ｖｐは、約８００Ｖ程度となる。

一方、ダイオードＤ３とダイオードＤ４の接続点の電位Ｖｃは、このタイミングでは、ダイオードＤ３の順方向電圧に対応して約１Ｖ程度である。そのため、ダイオードＤ４はＯＦＦ状態であって、コンデンサＣ１の充電電荷がダイオードＤ４を経由して放電することはない。なお、このタイミングでは、抵抗Ｒ２→抵抗Ｒ１の経路にも電流ｉ２が流れるので、検出信号Ｖｏｕｔは正の飽和電圧となる。

＜タイミングＴ２〜タイミングＴ３＞
その後、タイミングＴ２で火花放電が終了して、点火プラグＰＧの電位Ｖｐが降下し始める。図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、この状態を図示したものであり、点火プラグＰＧの電荷が、二次コイルＬ２及びツェナーダイオードＺＤ２を経由して速やかに放電される状態を実線で示している。

ところで、図３（ｂ）には、ツェナーダイオードＺＤ２に代えてダイオードＤ’を配置した場合の動作を破線で示している。ＯＮ時放電を阻止するという意味では、ダイオードＤ’も有効に機能するが、ダイオードＤ’は、点火プラグＰＧの充電電荷の放電経路を限定することになるので、点火プラグＰＧの電位Ｖｐの降下速度が、図３（ｂ）の破線で示すように緩慢となる。

これに対して、本実施例では、点火プラグＰＧの充電電荷の放電経路にツェナーダイオードＺＤ２が配置されており、しかも、その降伏電圧が、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧と同程度（ここでは約３００Ｖ）に設定されている。そのため、降伏状態のツェナーダイオードＺＤ２、及び、バイアス回路３の浮遊容量や漏れ抵抗が、放電経路として有効に機能して、点火プラグＰＧの電位Ｖｐは速やかに降下する。なお、点火プラグＰＧの等価容量は、例えば、２０ｐＦ程度の小容量であるので、前記の放電経路が有効に機能することは、実験的にも確認済みである。

＜タイミングＴ３〜＞
その後、タイミングＴ３において、点火プラグＰＧの電位Ｖｐが、コンデンサＣ１のプラス側の電位Ｖｃ程度まで降下すると、ダイオードＤ４がＯＮ動作して、図２（ｃ）に示すイオン電流ｉが流れ始める。なお、タイミングＴ３における点火プラグＰＧの電位は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚに対応して、約３００Ｖ程度である。

ダイオードＤ４がＯＮ動作した後は、コンデンサＣ１の両端電圧をバイアス電圧として、検出抵抗Ｒ２→入力抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→ダイオードＤ４→点火プラグＰＧの経路でイオン電流ｉが流れ、検出信号Ｖｏｕｔ＝ｉ＊Ｒ２がＯＰアンプＡＭＰから出力される。

この実施例では、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚを適宜に高く設定できるので、点火プラグＰＧの電位Ｖｐが、コンデンサＣ１のプラス側の電位Ｖｃに達するまでの経過時間が短く、その分だけ、素早くイオン電流の検出を開始することができる。

なお、図３（ａ）（ｂ）には、ツェナーダイオードＺＤ２に代えて、ダイオードＤ’を使用する場合であって、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚを、例えば３００Ｖに設定した場合と、例えば２００Ｖの場合とを破線で示している。いずれの場合も、ＯＮ時放電を防止するためダイオードＤ’を使用するので、本実施例のようにツェナーダイオードＺＤ２を使用する場合より、点火プラグＰＧの電位Ｖｐの降下速度が緩慢である（図３（ｂ）の破線参照）。

具体的に確認すると、ダイオードＤ’を使用して、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚを低く設定した場合には、図示の通り、タイミングＴ３”以降でないとイオン電流を検出することができない。これに対して、本実施例の構成によれば、Ｔ３とＴ３”の時間差τ２だけ早期にイオン電流を検出できる利点がある。

また、ダイオードＤ’を使用する場合には、例え降伏電圧を高く（例えば３００Ｖ）に設定しても、点火プラグＰＧの電位Ｖｐの降下速度が緩慢であるため、タイミングＴ３’以降でないとイオン電流を検出することができない。したがって、本実施例の構成によれば、ＯＮ時放電防止用のツェナーダイオードＺＤ２を使用することで、Ｔ３とＴ３’の時間差τ１だけ早期にイオン電流を検出できる利点がある。

以上、本発明の実施例の構成と効果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。

実施例に係るイオン電流検出装置を示す回路図である。 図１のイオン電流検出装置の動作内容を説明する回路図である。 図１のイオン電流検出装置の動作内容を説明するタイムチャートである。 従来技術を説明する回路図である。 別の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
１ 点火コイル
２ スイッチング素子
３ バイアス回路
４ 電流検出回路
ＰＧ 点火プラグ
Ｃ１ コンデンサ
ＺＤ１ ツェナーダイオード
ＺＤ２ ツェナーダイオード

Claims (6)

1. 一次コイルと二次コイルが電磁結合されてなる点火コイルと、前記一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のＯＦＦ動作時に前記二次コイルに誘起される高電圧に基づいてグランドに向けて放電する点火プラグと、コンデンサ及び第一ツェナーダイオードを有し、前記点火プラグの放電時に、前記高電圧に基づいて前記第一ツェナーダイオードの降伏電圧のレベルまで前記コンデンサが充電されるバイアス回路と、前記コンデンサの放電電流を検出する電流検出回路と、を有して構成され、
   前記二次コイルと前記第一ツェナーダイオードとの間に、前記第一ツェナーダイオードとは逆向きに第二ツェナーダイオードを配置したことを特徴とするイオン電流検出装置。
2. 前記第一と第二のツェナーダイオードは、その降伏電圧がほぼ同一に設定されている請求項１に記載のイオン電流検出装置。
3. 前記コンデンサの充電時における高圧側端子と、前記点火プラグの放電時における高圧側端子との間に第一ダイオードを配置して、前記点火プラグの高圧側端子の電位が降下すると前記第一ダイオードがＯＮ動作して、前記コンデンサ、前記第一ダイオード、及び前記点火プラグを経由して、前記コンデンサの放電電流が流れるよう構成した請求項１又は２に記載のイオン電流検出装置。
4. 前記ツェナーダイオード及び前記コンデンサには、前記点火プラグの放電時とは逆方向の電流を阻止する第二ダイオード及び第三ダイオードが、各々接続されている請求項１〜３の何れかに記載のイオン電流検出装置。
5. 前記第三ダイオードは、前記コンデンサとグランドとの間に配置される請求項４に記載のイオン電流検出装置。
6. 前記電流検出回路は、反転入力端子、非反転入力端子、及び出力端子を有する増幅素子と、前記反転入力端子と前記コンデンサの充電時における低圧側端子とを接続する入力抵抗と、前記反転入力端子と前記出力端子とを接続する検出抵抗とを有して構成され、
   前記点火プラグの放電時には、前記入力抵抗と前記コンデンサの両端電圧がほぼ同一の電圧値となるよう構成された請求項１〜５の何れかに記載のイオン電流検出装置。

Images