JP3971732B2 - 内燃機関の燃焼室内のイオン化電流を測定するための回路 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の燃焼室内のイオン化電流を測定するための回路に関する。

内燃機関は空気と混合された燃料ガス（燃料混合気）を燃焼室内でピストンにより圧縮し、次に点火プラグすなわちスパークプラグにより混合気を点火することによって動力を発生するものである。燃焼室内で混合気が燃焼する際にガスはイオン化される。燃焼後、点火プラグの電極間にバイアス電圧が加えられた場合、燃焼プロセス中に生じたイオンにより燃焼室を通過する電流が発生する。この電流は一般にイオン化電流と称されている。このイオン化電流は燃焼特性によって変化するのでイオン化電流の測定値はエンジンの燃焼性能に関する重要な診断情報を提供する。

これまでイオン化電流を検出するためのいくつかの回路が提案されているが、これら従来技術の検出回路にはいくつかの欠点がある。従来の検出回路では（混合気の燃焼に応答して発生する）点火電流とイオン化電流とは点火コイルの二次巻線を逆方向に流れるので、イオン化電流はこの点火電流を検出する前に点火コイルの二次巻線内の蓄積エネルギーに打ち勝たなければならない。この結果、開始、換言すればイオン化電流の流れだけでなくイオン化電流の検出時間も遅れる。更に、従来の検出回路では点火コイルの他に第２電源を必要とする電流ミラー回路によりイオン化電流を検出している。一般にこの第２電源は電流ミラー回路に比較的低い電圧（例えば１.４ボルト）を供給する。この結果、ミラー化された電流信号の振幅は比較的小さく、信号対ノイズ比も小さい。更に、従来の検出回路の構造は複雑であり、従って高価である。従って、従来技術の欠点を克服したイオン電流を測定するための回路を提供することが求められている。

本発明は点火コイルと点火プラグとを備えた内燃機関の燃焼室におけるイオン化電流を測定するための回路を提供するものであり、点火プラグは燃焼室内の燃料混合気に点火し、点火コイルからの点火電圧に応答して点火電流を発生する。点火コイルによって充電されたコンデンサは燃焼室における燃料混合気の点火後にイオン化電流を発生するバイアス電圧を生じさせる。イオン化電流に比例したアイソレートされた電流信号を電流ミラー回路が発生するようになっている。

本発明の一実施形態では、点火コイルは一次巻線と二次巻線とを備える。点火電流とイオン化電流とは点火コイルの二次巻線を同じ方向に通過するように流れる。点火電流は充電されたコンデンサから電流ミラー回路および点火コイルを通過し、点火プラグに流れる。

次の詳細な説明、特許請求の範囲および図面から、本発明の適用性の更なる範囲が明らかとなろう。しかしながら、当業者であれば本発明の要旨内で種々の変形および変更を行うことが明らかとなるので、本発明の好ましい実施形態を示す次の詳細な説明および特定の例は単なる説明のためのものであると理解すべきである。

次の詳細な説明、添付された特許請求の範囲および添付図面から、本発明についてより完全に理解できよう。

図１は、内燃機関の燃焼室におけるイオン化電流を測定するための回路１０の電気回路略図である。まずこの回路１０の部品および構造について説明し、その後、回路の動作を説明する。

まず、本発明の部品および構造に関して説明すると、この回路１０は点火コイル１２と、内燃機関の燃焼室内に配置された点火プラグまたはスパークプラグ１４とを含む。点火コイル１２は一次巻線１６と二次巻線１８とを備える。点火プラグ１４は二次巻線１８の第１端部とアース電位との間に電気的に直列に接続されている。二次巻線１８の第２端部への電気接続については後に説明する。一次巻線１６の第１端部はバッテリー２０の正極に電気的に接続されており、一次巻線１６の第２端部はゲート絶縁バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはその他のタイプのトランジスタ２２のコレクタターミナルおよび第１抵抗器２４の第１端部に電気的に接続されている。ＩＧＢＴ２２のベースターミナルはパワートレイン制御モジュール（ＰＣＭ）（図示せず）からの制御信号（図１ではＶ_INと表示されている）を受信する。この制御信号Ｖ_INはＩＧＢＴ２２をオンオフするようにゲート制御する。ＩＧＢＴ２２のエミッタターミナルとアースとの間には第２抵抗器２５が電気的に直列に接続されている。第１抵抗器２４の第２端部は第１ダイオード２６のアノードに電気的に接続されている。

回路１０は更にコンデンサ２８も含む。このコンデンサ２８の第１端部は第１ダイオード２６のカソードおよび電流ミラー回路３０に電気的に接続されており、コンデンサ２８の第２端部はアースされている。コンデンサ２８の両端に、換言すればコンデンサ２８と並列に、第１ツェナーダイオード３２が電気的に接続されており、この場合、第１ツェナーダイオード３２のカソードはコンデンサ２８の第１端部に電気的に接続され、第１ツェナーダイオード３２のアノードはアースに電気的に接続されている。

電流ミラー回路３０は第１ｐｎｐトランジスタ３４と第２ｐｎｐトランジスタ３６とを含む。これらｐｎｐトランジスタ３４と３６とはマッチングされたトランジスタである。これらｐｎｐトランジスタ３４および３６のエミッタターミナルはコンデンサ２８の第１端部に電気的に接続されており、これらｐｎｐトランジスタ３４および３６のベースターミナルは互いに電気的に接続されているだけでなく、第１ノード３８にも電気的に接続されている。第１ｐｎｐトランジスタ３４のコレクタターミナルもこの第１ノード３８に電気的に接続されており、よって第１ｐｎｐトランジスタ３４のコレクタターミナルとベースターミナルとはショートされている。従って、第１ｐｎｐトランジスタ３４は１つのダイオードとして機能する。第２ｐｎｐトランジスタ３６のコレクタターミナルとアースとの間には第３抵抗器４０が電気的に直列に接続されている。

この回路１０には第２ダイオード４２も含まれる。この第２ダイオード４２のカソードはコンデンサ２８第１端部、第１ｐｎｐトランジスタ３４および第２ｐｎｐトランジスタ３６のエミッタターミナルに電気的に接続されており、第２ダイオード４２のアノードは第１ノード３８に電気的に接続されている。

この回路１０は第４抵抗器４４も含む。この第１抵抗器４４の第１端部は第１ノード３８に電気的に接続されており、この第４抵抗器４４の第２端部は（点火コイル１８と反対の）二次巻線１８の第２端部および第２ツェナーダイオード４６のカソードに電気的に接続されており、第２ツェナーダイオード４６のアノードはアースされている。

次に図１および２を参照し、この回路１０の動作について説明する。図２Ａは時間に対するＰＣＭからＩＧＢＴ２２への制御信号Ｖ_INのグラフである。図２Ｂは時間に対する点火コイル１２の一次巻線１６を通過する電流（Ｉ_PW）のグラフである。図２Ｃは時間に対する回路１０からの出力電圧信号のグラフである。上記のように、ＩＧＢＴ２２は１）点火、すなわち燃焼のタイミングおよび２）コンデンサ２８の充電のタイミングを制御するための、ＰＣＭからの制御信号
Ｇ_INを受信する。このような回路構造では、ＩＧＢＴ２２はＯＦＦ状態、すなわち非導通状態、およびＯＮ状態、すなわち導通状態を有するスイッチとして作動する。

時間＝ｔ₀では、コンデンサ２８は最初に完全には充電されていない。ＰＣＭからの制御信号Ｖ_INはＬＯＷ（図２Ａ参照）であるので、ＩＧＢＴ２２をＯＦＦ状態、すなわち非導通状態で作動させる。一次巻線１６は開回路となるので、巻線１６には電流は流れない。

時間＝ｔ₁では、ＰＣＭからの制御信号Ｖ_INはＬＯＷからＨＩＧＨに切り換わる（図２Ａ参照）ので、ＩＧＢＴ２２をＯＮ状態、すなわち導通状態で作動させる。バッテリー２０からの電流は点火コイル１２の一次巻線１６、導通状態のＩＧＢＴ２２および第２抵抗器２５を通ってアースまで流れ始める。一次巻線１６を通過するように電流を流すのに、多数のスイッチまたはスイッチング機構のいずれも使用できる。好ましい実施形態ではＩＧＢＴ２２が使用されている。時間＝ｔ₁と時間＝ｔ₂との間にて、（図１では点線で示されている）一次巻線の電流Ｉ_PWが上昇し始める。時間＝ｔ₁と時間＝ｔ₂との間の時間は約１ミリ秒であるが、この時間は点火コイルのタイプによって変わる。

時間＝ｔ₂において、ＰＣＭからの制御信号Ｖ_INはＨＩＧＨからＬＯＷに切り換わる（図２Ａ参照）ので、ＩＧＢＴ２２をＯＦＦ状態、すなわち非導通状態で作動させる。ＩＧＢＴ２２がＯＦＦに切り換えられる際に、点火コイル１２の一次巻線１６からのフライバック電圧はコンデンサ２８を必要なバイアス電圧まで迅速に充電し始める。時間＝ｔ₂と時間＝ｔ₃との間では、スパークプラグ１４に接続されている二次巻線１８の第１端部における電圧が、点火を開始させる電圧レベルまで上昇する。時間＝ｔ₂と時間＝ｔ₃との間の時間は約１０マイクロ秒である。第１抵抗器２４はコンデンサ２８への充電電流を制限するのに使用されている。この第１抵抗器２４の抵抗値はフライバック電圧がツェナーダイオードよりも大きくなったときにコンデンサ２８が完全に充電されることを補償するように選択されている。

時間＝ｔ₃では、点火プラグ１４に点火コイル１２の二次巻線１８からの点火電圧が印加され、点火が始まる。時間＝ｔ₃と時間＝ｔ₄との間で燃料混合気の燃焼が開始し、（図１で一点鎖線で示されている）点火電流Ｉ_IGNが第２ツェナーダイオード４６、点火コイル１２の二次巻き線１８および点火プラグ１４を通過し、アースまで流れる。時間＝ｔ₄で点火が完了し、燃料混合気の燃焼が続く。

時間＝ｔ₅では燃焼プロセスが続き、充電されたコンデンサ２８が点火プラグ１４の電極の間にバイアス電圧を加え、コンデンサ２８から流れる、燃焼プロセスによって生じたイオンによって発生したイオン化電流Ｉ_IONを発生する。電流ミラー回路３０はイオン化電流Ｉ_IONと同じアイソレートされたミラー電流
Ｉ_MIRRORを発生する。コンデンサ２８から第２ノード４８へ流れる（図１では仮想線、すなわち二点鎖線で示された）バイアス電流Ｉ_BIASはイオン化電流
Ｉ_IONとアイソレートされたミラー電流Ｉ_MIRROR（すなわちＩ_BIAS＝Ｉ_ION＋
Ｉ_MIRROR）との合計に等しい。

（図１において破線で示された）イオン化電流Ｉ_IONは第２ノード４８から第１ｐｎｐトランジスタ３４、第１ノード３８、第４抵抗器４４、点火コイル１２の二次巻線１８および点火プラグ１４を通ってアースへ流れる。このように、充電されたコンデンサ２８はスパークプラグ１４の両端に約８０ボルトのバイアス電流を印加し、イオン化電流Ｉ_IONを発生するための電源として使用される。このバイアス電圧は二次巻線１８および第４抵抗器４４を通してスパークプラグ１４へ印加される。二次巻線の電気誘導、第４抵抗器４４および点火コイルの有効容量はイオン化電流のバンド幅を制限する。従って、第４抵抗器４４の抵抗値はイオン化信号のバンド幅を最大にし、周波数応答を最適にし、更にイオン化電流も制限するように選択されている。本発明の一実施形態では、第４抵抗器４４は３３０キロオームの抵抗値を有するので、その結果、イオン化電流のバンド幅は２０ＫＨｚまでのバンド幅となる。

電流ミラー回路３０は検出されたイオン化電流Ｉ_IONと出力回路とをアイソレートするのに使用されている。（図１では二点鎖線によって示されている）アイソレートされたミラー電流Ｉ_MIRRORはイオン化電流Ｉ_IONに等しいか、または換言すればこのイオン化電流のミラー電流に等しい。このアイソレートされたミラー電流Ｉ_MIRRORは第２ノード４８から第２ｐｎｐトランジスタ３６および第３抵抗器４０を通ってアースへ流れる。イオン化電流Ｉ_IONに正比例するアイソレートされたミラー電流信号Ｉ_MIRRORを発生するには、第１ｐｎｐトランジスタ３４を第２ｐｎｐトランジスタ３６とをマッチングさせなければならない。すなわちこれらトランジスタの電気的特性を同じにしなければならない。このように特性を同じにする１つの方法は、シリコンの同じ部分にある２つのトランジスタを使用することである。このアイソレートされたミラー電流信号Ｉ_MIRRORは一般に３００マイクロアンペア未満である。第３抵抗器４０はアイソレートされたミラー電流信号Ｉ_MIRRORを、図１でＶ_OUTと表示された対応する出力電圧信号に変換する。この第３抵抗器４０の抵抗値は出力電圧信号ＶＯＵＴの振幅を調節するように選択されている。第２ダイオード４２はミラートランジスタ３４および３６をオンにするようにバイアスをかけ、ノード３８における電圧がスレッショルド値を通過した場合にアースへの電流路を提供するように、これらミラートランジスタを保護している。

図２Ｃは、正常な燃焼現象から生じる出力電圧信号Ｖ_OUTを示す。時間＝ｔ５以降の出力電圧信号Ｖ_OUT部分は燃焼性能に関する診断情報として使用できる。エンジン全体の燃焼性能を判断するためにエンジンの１つ以上の燃焼室におけるイオン化電流をそれぞれ１つ以上の回路１０によって測定できる。

本回路１０では、点火電流Ｉ_IGNとイオン化電流Ｉ_IONとは、点火コイル１２の二次巻線１８を同じ方向に流れる。この結果、開始、すなわち換言すればイオン化電流の流れだけでなくイオン化電流の検出も迅速となる。本回路１０では充電されたコンデンサ２８は電源として作動するので、回路１０はパッシブ回路であり、換言すれば専用の電源を必要としない。充電されたコンデンサ２８はイオン化検出および電流ミラー回路３０の双方から比較的大きいバイアス電圧を発生する。この結果、アイソレートされ、ミラー化された電流信号Ｉ_MIRRORの振幅は大きくなるので、信号対ノイズ比も大きくなる。最後に、本回路１０は従来の検出回路よりも複雑でなく、安価である。

これまでの説明は、本発明の実施形態を開示し、説明したものである。当業者であればこれまでの説明および添付図面から特許請求の範囲に記載した発明の要旨から逸脱することなく、本発明において種々の変形、変更を行うことを容易に認識でき、これらを請求することができよう。

本発明にかかわる内燃機関の燃焼室におけるイオン化電流を測定するための回路の電気回路略図である。 本発明に回路に入力される制御信号のグラフである。 回路が動作している間に点火コイルの一次巻線を通過する電流のグラフである。 回路からの出力電圧信号のグラフである。

符号の説明

１０ 回路
１２ 点火コイル
１４ 点火プラグ
１６ 一次巻線
１８ 二次巻線
２０ バッテリー
２２ トランジスタ
２４ 第１抵抗器
２６ 第１ダイオード
２８ コンデンサ
３０ 電流ミラー回路
３２ 第１ツェナーダイオード
３４、３６ ｐｎｐトランジスタ
３８ 第１ノード
４０ 第４抵抗器
４２ 第２ダイオード
４４ 第４抵抗器
４６ 第２ツェナーダイオード
４８ 第２ノード

Claims (3)

1. 一次巻線および二次巻線を備えた点火コイルと、
   前記一次巻線の第１端部に接続されたバッテリーと、
   前記二次巻線の第１端部とアース電位との間に接続された点火プラグと、
   前記一次巻線の第２端部に接続された第１端部を有するコンデンサと、
   前記二次巻線の第２端部に接続された第１ターミナルおよび前記コンデンサの前記第１端部に接続された第２ターミナルを有する電流ミラーと、
   前記一次巻線に接続されたスイッチと、
   を有することを特徴とするイオン化検出回路。
2. 前記点火プラグが燃焼室内の燃料混合気を点火し、前記点火コイルからの点火電圧に応答して点火電流を発生し、前記点火コイルによって充電される前記コンデンサが前記燃焼室における前記燃料混合気の点火後にイオン化電流を発生するバイアス電流を供給し、前記電流ミラーがバイアス電流をアイソレートして、前記イオン化電流と、前記イオン化電流に比例した、前記イオン化電流からアイソレートされたミラー電流とを発生する請求項１記載のイオン化検出回路。
3. 前記電流ミラーが一対の電気的特性が同じトランジスタを有する請求項１記載のイオン化検出回路。

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