JP3971738B2 - イオン化検出回路及び点火コイルドライバを単一パッケージ内に集積することによって気筒内イオン化検出システムの部品数及びパッケージサイズを減少させるためのデバイス - Google Patents

Description

本発明は、自動車の点火制御及び診断システムの分野に関する。より特定的には、本発明は、部品数及びパッケージサイズを減少させるために、複数の電子デバイスを単一のパッケージ、エレクトロニクスパッケージ、または専用集積回路（ＡＳＩＣ）内に集積する分野に関する。

従来技術は、内燃機関の燃焼室内のイオン化電流を検出し、使用するためのいろいろな従来方法を含んでいる。しかしながら、これらのいろいろな従来の各システムは、極めてさまざまな欠陥を有している。例えば、従来技術のイオン化電流検出回路は、一般的に低速過ぎ、信号対雑音比が低い電流信号を発生する。

内燃機関のイオン化電流は、機関の失火、ノック、点火タイミング及び持続時間等を診断するために使用することができる。精緻な信号調整処理によって、個々の気筒（もしくは、シリンダ）の燃焼特性をも得ることができる。従って、閉ループで機関燃焼プロセスを精密に監視し、制御することができる。燃焼プロセス中に発生する気筒内イオンを検出するためには、スパークプラグ空隙間に直流バイアス電圧を印加する必要がある。直流バイアスを発生させるには、普通の直流電源（大きいエレクトロニクス）の使用、及び一次または二次フライバック電圧によるキャパシタ（高電圧キャパシタ）の充電の２つの方法が存在する。両アプローチは、直流電源のサイズ及び高電圧キャパシタの信頼性の故に欠陥を呈する。

以上に鑑みて、以下に説明する本発明の特色を概述すれば、内燃機関の燃焼室内のイオン化電流を検出及び／または使用するための１つまたはそれ以上の改良されたシステム、方法、及び／または装置の提供に関する。

一実施例における本発明によるＡＳＩＣ回路は、第１の端及び第２の端を有する一次巻線、及び第１の端及び第２の端を有する二次巻線を含む点火コイルと、一次巻線の第２の端に作動的に接続されている第１の端を有するコイルドライバと、一次巻線の第２の端に作動的に接続されている第１の入力、及び二次巻線の第１の端に作動的に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力、及び１つの出力を有するイオン化検出回路と、二次巻線の第２の端と接地との間に作動的に接続されている点火プラグとを備えている。

別の実施例における集積された点火システムは、コイルドライバ回路の命令入力と接地との間に作動的に接続されている電流シンクを更に備えている。

さらなる実施例における集積された点火システムは、イオン化検出回路の出力に作動的に接続されている第１の入力、及びコイルドライバ回路の第２の端に作動的に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力、及びイオン化信号とチャージ電流フィードバック信号との間で多重化されている１つの出力を有するマルチプレクサを更に備えている。

別の実施例においては、集積された点火システムは少なくとも２つの入力、及び１つの出力を有するスイッチを更に備え、スイッチの第１の入力はイオン化検出回路の出力に作動的に接続され、第２の入力はコイルドライバ回路の第２の端に作動的に接続され、それによってスイッチの出力がイオン化信号とチャージ電流フィードバック信号との間で多重化されるようになっている。

さらなる実施例においては、集積された点火システムは入力及び出力を有する増幅器を更に備え、増幅器の入力はマルチプレクサの出力に作動的に接続されている。

別の実施例において本発明は、離散した点火制御及びイオン化検出回路は、第１及び第２の端を有する一次巻線及び第１及び第２の端を有する二次巻線を含む点火コイルと、一次巻線の第２の端に作動的に接続されている第１の端を有するコイルドライバ回路と、一次巻線の第２の端に作動的に接続されている第１の入力及び二次巻線の第１の端に作動的に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力及び１つの出力を有するイオン化検出回路と、二次巻線の第２の端と接地との間に作動的に接続されている点火プラグと、コイルドライバ回路の命令入力と接地との間に作動的に接続されている離散したバイポーラ接合トランジスタからなる電流シンクとを備えている。

本発明のさらなる利用可能性の範囲は、以下の添付図面に基づく詳細な説明から明白になるであろう。しかしながら、本発明の思想及び範囲から逸脱することなくさまざまな変化及び変更が可能であることから、この詳細な説明及び特定例は好ましい実施例を説明するものではあるが、単なる例示に過ぎないことを理解されたい。

本発明は、イオン化検出回路から機関燃焼室内のイオン化信号を検出する。以下に説明するシステム及び関連サブシステムは、幾つかの実施例に関して以下に説明する他の特色に加えて、検出したイオン化信号を使用して点火パラメータを監視し、機関動作を診断してそれを改善し、気筒（もしくは、シリンダ）ＩＤを検出し、空気／燃料比を制御し、スパーク遅れタイミングを制御し、最良トルクタイミングのための最小タイミングを制御し、そして排気ガス再循環を制御する。明瞭化のために、本明細書のセクションＪにおいて、イオン化検出回路ＩＧＢＴ及びイオン化検出エレクトロニクスを１つのシリコンデバイス内に、または１つの電子パッケージ内に集積するために、本発明によるＡＳＩＣまたは単一電子パッケージの何れかを使用する方法及び装置に関して詳述する。

この詳細な説明は、一般的にイオン化電流の検出及び／または使用に関係する多くの発明的特色を含む。これらの特色は、単独でも、または他の特色と組合わせても使用することができる。

明瞭化のために、各特色は本明細書の別々のセクションにおいて記述する。セクションＡは、一次チャージタイミング（もしくは時間）、一次チャージ持続時間、点火またはスパークタイミング、及び次世代“スマート”点火システム制御のための点火またはスパーク持続時間のような点火パラメータを監視するために、イオン化検出回路からのイオン化信号の使用について説明する。

セクションＢにおいては、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を説明する。この回路においては、点火電流及びイオン化電流は点火コイルの二次巻線を同じ方向に流れ、回路はスパークプラグギャップにバイアス電圧を印加することによってイオン化信号を検出する。以下に好ましい回路に関して説明するが、本発明の多くの特色は、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、他のイオン化検出回路または方法によって実現することができる。

セクションＣ及びＤは、一般的に、スパーク検出のための気筒内イオン化を使用して気筒識別を検出する方法に関する。詳述すれば、セクションＣにおいては、イオン化信号のスパーク相を使用して現機関クランクサイクル、即ち、スパークコイルが所定のレベルに対して部分的にしかチャージされていない（完全チャージではなく）「気筒識別」を決定する気筒識別検出方法を説明する。気筒内の空気が圧縮される（気筒が圧縮行程にある）と、スパークプラグ電極間の抵抗が増加する。着火に失敗した気筒は圧縮行程にある。何故ならば、ガス混合体密度が十分に高く、部分的にチャージされたコイルがスパークプラグギャップの抵抗を降伏させるのに必要な電圧を供給できないからである。更に、セクションＤにおいては、どの気筒が圧縮中であるのかを決定することによって、気筒識別を検出する方法を説明する。最短スパーク持続時間を有する気筒が、圧縮中なのである。この持続時間を限時するために使用される２つの方法は、エッジ検出及び積分である。

セクションＥにおいては、オン・プラグ点火コイル内に集積されたイオン化検出回路及びコイルドライバトランジスタを含む回路を説明する。回路をコイルのトップに、またはコイルの側に配置することによって、回路から二次巻線までの接続距離が最小になる。従って、回路は雑音を受け難くなる。別の長所は、この配置が組立て容易なことである。

セクションＦにおいては、集積されたドライバ及びイオン化回路を有する点火コイルが、ドライバ・オン・コイル設計と同数のピン数を有するように、イオン化信号及びドライバ電流フィードバック信号の両者を１つの信号に多重化する方法及び装置を説明する。点火ドライバ回路及びイオン化検出回路の両者を点火コイル上に集積する場合（セクションＥにおいて説明）の１つの公知の問題は、集積されたドライバ及びイオン化検出回路の両者をカバーして（コスト引下げのために）、集積パッケージに最少数のピン数を使用することである。点火コイルチャージ電流フィードバック信号と、点火信号とを多重化することによって、パッケージピン数が１ピンだけ減少する。

セクションＧにおいては、１段とは対照的に、付加的なエネルギ蓄積キャパシタを使用するイオン化検出回路をチャージするための２段方法及び装置を説明する。第２のキャパシタは、一次エネルギ蓄積デバイスとして第１のキャパシタと置換される。この２段チャージング方法は、第１のキャパシタに安定な100ボルト出力を発生する。更に、２つのキャパシタまたは段を使用することによって、より多くのエネルギをイオン化検出回路に供給することができる。

セクションＨにおいては、集積されたドライバ及びイオン化回路を有する点火コイル（セクションＥ参照）が３ピン程度の少ないピン数を有するように、点火一次チャージゲート信号と、イオン化及びドライバ電流フィードバック信号との多重化を説明する。

セクションＪにおいては、ＡＳＩＣか、またはＩＧＢＴとイオン化検出エレクトロニクスとを１つのシリコンデバイス内に、または１つの電子パッケージ内に集積するために単一の電子パッケージの何れかの使用をそれぞれ説明する。これらのデバイスは、同じような機能を１つのＡＳＩＣ内に、または電子モジュール内に組合わせてパッケージングの制約を容易にすることによって、気筒内イオン化検出システムのコストを削減し、複雑さを減少させる。

セクションＫにおいては、イオン化電流を測定するための直流バイアス電圧を供給する高電圧チャージポンプの使用を説明する。

セクションＡ：イオン化信号を使用する点火診断
この特色は、一次チャージタイミング（もしくは時間）、一次チャージ持続時間、炭化またはスパークタイミング、及び次世代“スマート”点火システム制御のための点火またはスパーク持続時間のような点火パラメータを監視するために、イオン化検出回路からのイオン化信号を使用する。更に、このイオン化信号を、スパークプラグの炭素汚れ、絶縁物の過熱、早点火、並びに失敗したイオン化回路または点火コイルを検出するのにも使用する。

機関の動作は、特に低負荷及び高ＥＧＲ（排気ガス再循環）状態におけるその点火システムの動作に大きく依存する。いろいろな機関状態において点火システムがどのように挙動するかを理解することが、点火システムの“スマート”制御にとって極めて有益である。典型的に点火システムの一次コイルは、局部Ａ／Ｆ（空気対燃料）比、圧力、温度、及びＥＧＲ濃度のような機関の動作状態の関数として、所望のエネルギ量に近づくようにチャージされる。一次コイルの実際のチャージされたエネルギ、及び二次コイルがディスチャージするエネルギは未知である。これは、頑丈ではない点火システムに、部品同士の振動、機関のエージング、機関の動作環境の変化等をもたらす。点火システムの頑丈さを改善するために、そのチャージされたエネルギを、ディスチャージされるエネルギに整合させるように変化させることができる“スマート”点火システムが望ましい。従って、二次ディスチャージ情報が極めて重要である。ディスチャージの瞬間における降伏電圧及びスパーク持続時間はサイクル毎に異なり得るから、これらのパラメータの若干を監視することが望ましい。

本発明は、一次チャージ時間（もしくは、一次チャージタイミング１４６）及び一次チャージ持続時間、並びに二次ディスチャージ時間及び持続時間をも監視して、点火システム１１０の“スマート”制御のための基礎を築くためにスパークプラグイオン化信号を使用する。更に、本発明は、炭素の汚れまたは絶縁物の過熱１９７、早点火１９０、及びイオン化回路及び／または点火コイルの失敗ようなスパークプラグの誤作動を検出するために、イオン化信号の使用をも含む。

本発明のこの特色は、一般的に、イオン化電流フィードバックを使用する点火診断のサブシステム、及びフィードバック制御システムに向けられている。この診断サブシステムと制御システムとの関係を図１の一番上のボックス内に示す。この“点火システム診断”ボックスは、点火持続時間１７０、チャージ持続時間１５０、警告信号１９７、一次チャージ時間１４６、点火タイミング１６０、及び予備チャージ１４０を含む点火パラメータからなる。スパークタイミング１４８０に向けられるイオン化電流フィードバックを使用する点火診断及びフィードバック制御システムの４つのブロックは、ＣＬノック（進め）制限制御１４５０、閉ループＭＢＴスパーク制御１４３０、１４９０、１４９５、ＣＬ失火部分燃焼（遅らせ）制限制御１４６０、及びＣＬ常温始動遅らせ制限制御１０００である。燃料トリムベクトル９７５、個々の気筒Ａ／Ｆ比制御１３００、及びＷＯＴ Ａ／Ｆ比最適化１９００に向けられた２つのブロックが存在する。所望のＥＧＲ比１６３０、ＥＧＲ比最適化１６００に向けられた１つのブロックが存在する。図１に示されている他の３つのブロックは、アナログ信号処理ブロックＡＳＰ、Ａ／Ｄ変換ブロックＡ／Ｄ、及びパラメータ推定ブロック１８００である。パラメータ推定ブロック１８００は、ノック信号１４０４、ＭＢＴ信号１４３５、及び失火信号１４１４を出力するように示されている。アナログ信号処理ブロックＡＳＰへの入力は、イオン化電流１００である。

典型的なイオン化信号１００対クランク角度を図２に示す。図示の信号が、検出されたイオン化電流に比例する電圧であることに注目されたい。二次電圧１２０と電流波形１３０とを比較する（図３）と、点火時点における鋭い変化の前のイオン信号の初期上昇が、一次コイル１４０の予備チャージ（もしくは、チャージの開始）であることが分かる。図２を参照する。一次コイルチャージが完了した後に信号は立ち下がり、次いでクランク角度に対して殆ど垂直に（即ち、階段状に）上昇する。スパークタイミングは、この点に基づいて検出することができる。即ち、点火またはスパーク時間は、イオン化信号がステップ状に上昇する時点に出現する。これが、点火またはスパーク時間１６０である。最初の上昇と、ステップ状上昇との間の時間差が、一次チャージ持続時間１５０である。スパークギャップ間のアークが消滅すると、スパークが０に到達したことによって信号及び二次電流１３０（図３）は急速に衰退する。鋭いステップ状の上昇と、それに続く衰退との間の時間が、点火持続時間１７を表している。このように、イオン化信号に基づいて、一次チャージ時間１４６、一次チャージ持続時間１５０、点火タイミング１６０、及び点火持続時間１７０を検出することができる。これらのパラメータは、機関の全気筒について、機関の各サイクル毎に監視することができる。

スパークプラグが汚れるか、またはスパークプラグの絶縁物が過熱するか、またはプラグ自体が一時的に燃料噴射によって汚染されるかすると、スパークプラグの絶縁物は導体として働くようになる。この状態においては、イオン化信号ベースラインは最早バイアス電圧１０５に等しくはならない。プラグがどれ程ひどく汚れたか、及び絶縁物がどれ程過熱したかに依存して、イオン化基底線はバイアス電圧１０５から上昇するようになる（図４）。一方、一次チャージ期間中に、汚れたプラグまたは絶縁物を通して点火エネルギの一部が漏洩する。最終的に残ったエネルギは、スパークギャップをジャンプするのに十分ではなくなり、失火が発生する（図６の１９６）。若干の場合には、基底線がイオン化信号の限界に到達し、信号が殆ど使用できなくなる程基底線が高くなり得る。基底線があるしきい値（例えば、初期基底線からほぼ20％の高さ、または１ボルト高い）まで（または、それを超えて）上昇すると、プラグの汚れまたは過熱を知らせる警告信号が送出される（図６の１９７）。

気筒内に早点火が発生すると、イオン化信号１００は、点火が発生する前にイオンを検出するようになる（早点火に起因する早めのイオン化を示している図５参照）。早点火の１サイクルは、次のサイクル中に更に早めの早点火さえも生じさせ、機関を破損させる恐れがある。一旦早点火が検出されたならば、機関をより冷たい動作状態へ制御することが望ましい。

イオン化回路の開路または短絡を検出するために、点火及び燃焼イベントから離れた処で（例えば、上死点の180°後）バイアス電圧（１０５）をサンプルする。もしサンプルされたバイアス電圧が所与のしきい値以下であれば（例えば、0.5ボルト）、開いたイオン化回路になっているか、または接地への短絡障害を検出することができる（図６の１９８）。もしバイアス電圧がしきい値よりも高ければ（例えば、4.5ボルト）、電池へ短絡しているイオン化回路が宣言されることになろう（図６の１９９）。この開路または短絡回路情報は、点火システムの状態を診断するために使用することができる（図６及び７参照）。

セクションＢ：イオン化電流測定回路
図８は、内燃機関の燃焼室内のイオン化電流を検出する回路１０の基本的回路図であって、図３５の機能ブロック８０を表している。図３５には示されているが、図８には示されていない回路は、バイアス回路及び一次チャージ電流を多重化するためのスイッチ回路である。先ず回路１０の成分及び構成を説明し、次いで回路の動作を説明する。

先ずこの特色の成分及び構成について説明すれば、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ている点火（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及び二次巻線１８を含む。点火プラグ１４は二次巻線１８の第１の端と接地電位との間に直列に接続されている。二次巻線１８の第２の端への電気的接続に関しては以下に更に詳述する。一次巻線１６の第１の端は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または他の型のトランジスタ、またはスイッチ２２のコレクタ端子と第１の抵抗２４の第１の端とに接続されている。ＩＧＢＴ２２のベース端子は、パワートレイン制御モジュール（ＰＣＭ）（図示してない）から制御信号（図８にＶ_INで示されている）を受ける。制御信号Ｖ_INは、ＩＧＢＴ２２をオン及びオフにゲートする。第２の抵抗２５が、ＩＧＢＴ２２のエミッタ端子と接地との間に直列に接続されている。第１の抵抗２４の第２の端は、第１のダイオード２６のアノードに接続されている。

回路１０は、キャパシタ２８を更に含んでいる。キャパシタ２８の第１の端は、第１のダイオード２６のカソードと、カレントミラー回路３０とに接続されている。キャパシタ２８の第２の端は接地されている。第１のツェナーダイオード３２がキャパシタ２８にまたがって、換言すればキャパシタ２８と並列に、そして第１のツェナーダイオード３２のカソードがキャパシタ２８の第１の端に接続され、アノードが接地されるように接続されている。

カレントミラー回路３０は、第１及び第２のｐｎｐトランジスタ３４及び３６を含んでいる。ｐｎｐトランジスタ３４及び３６は、整合しているトランジスタである。ｐｎｐトランジスタ３４及び３６のエミッタ端子は、キャパシタ２８の第１の端に接続されている。ｐｎｐトランジスタ３４及び３６のベース端子は互いに接続され、且つ第１のノード３８に接続されている。第１のｐｎｐトランジスタ３４のコレクタ端子も、第１のノード３８に接続されており、それによって第１のｐｎｐトランジスタ３４のコレクタ端子とベース端子とは短絡されている。従って、第１のｐｎｐトランジスタ３４はダイオードとして機能する。第３の抵抗４０が、第２のｐｎｐトランジスタ３６のコレクタ端子と接地との間に直列に接続されている。

回路１０には、第２のダイオード４２も含まれている。第２のダイオード４２のカソードは、キャパシタ２８の第１の端と、第１及び第２のｐｎｐトランジスタ３４及び３６のエミッタ端子とに接続されている。第２のダイオード４２のアノードは、第１のノード３８に接続されている。

回路１０は、第４の抵抗４４をも含んでいる。第４の抵抗４４の第１の端は、二次巻線１８の第２の（点火プラグ１４とは反対の）端と、第２のツェナーダイオード４６のカソードとに接続されている。第２のツェナーダイオード４６のアノードは接地されている。

次に図８及び９を参照して回路１０の動作を説明する。図９の（ａ）は、ＰＣＭからＩＧＢＴ２２への制御信号Ｖ_INを時間の関数として表したグラフである。図９の（ｂ）は、点火コイル１２の一次巻線１６を通る電流Ｉ_PWを時間の関数として表したグラフである。図９の（ｃ）は、回路１０からの出力電圧を時間の関数として表したグラフである。上述したように、ＩＧＢＴ２２はＰＣＭから制御信号Ｖ_INを受け、１）点火または燃焼、及び２）キャパシタ２８の充電のタイミングを制御する。この回路構成においては、ＩＧＢＴ２２は、オフ（即ち、非導通状態）と、オン（即ち、導通状態）とを有するスイッチとして動作する。

初めに、時点＝ｔ₀においては、キャパシタ２８は完全充電されていない。ＰＣＭからの制御信号Ｖ_INは低であるので（図９の（ａ）参照）、ＩＧＢＴ２２はオフ、即ち非導通状態で動作する。一次巻線１６は開回路であり、従って巻線１６に電流は流れない。

時点＝ｔ₁において、ＰＣＭからの制御信号Ｖ_INが低から高へ切り替わるので（図９の（ａ）参照）、ＩＧＢＴ２２はオン、即ち導通状態で動作する。電池２０からの電流が点火コイル１２の一次巻線１６、導通中のＩＧＢＴ２２、及び第２の抵抗２５を通って接地へ流れ始める。一次巻線１６を通して電流を通過させるためには、どのような数のスイッチまたはスイッチングメカニズムも使用することができる。好ましい実施例では、ＩＧＢＴ２２を使用している。時点＝ｔ₁と時点＝ｔ₂との間に、一次巻線電流Ｉ_PW（図８に破線で示されている）が上昇し始める。時点＝ｔ₁と時点＝ｔ₂との間の時間はほぼ１ミリ秒であるが、これは使用する点火コイルの型によって変化する。

時点＝ｔ₂において、ＰＣＭからの制御信号Ｖ_INが高から低へ切り替わり、それによってＩＧＢＴ２２はオフ、即ち非導通状態で動作する。ＩＧＢＴ２２がオフに切り替わるので、点火コイル１２の一次巻線１６からのフライバック電圧がキャパシタ２８を所要のバイアス電圧まで急速に充電する。時点＝ｔ₂と時点＝ｔ₃との間に、スパークプラグ１４に接続されている二次巻線１８の第１の端における電圧が、点火が開始される電圧レベルまで上昇する。時点＝ｔ₁と時点＝ｔ₂との間の時間は、ほぼ10マイクロ秒である。第１の抵抗２４は、キャパシタ２８への充電電流を制限するために使用される。第１の抵抗２４の抵抗値は、フライバック電圧がツェナーダイオードの電圧より大きい場合にキャパシタ２８が完全に充電されるのを保証するように選択される。

時点＝ｔ₃において、点火コイル１２の二次巻線１８からの点火電圧が点火プラグ１４に印加され、点火が始まる。時点＝ｔ₃と時点＝ｔ₄との間に、空気／燃料混合体の燃焼が開始され、点火電流Ｉ_IGN（図８に鎖線で示されている）が、第２のツェナーダイオード４６、点火コイル１２の二次巻線１８、及び点火プラグ１４を通って接地へ流れる。時点＝ｔ₄において点火は完了するが、空気／燃料混合体の燃焼は継続する。

時点＝ｔ₅においては燃焼プロセスが継続し、充電されたキャパシタ２８が点火プラグ１４の電極にまたがってバイアス電圧を印加しているので、燃焼プロセスによって発生したイオンに起因するイオン化電流Ｉ_IONが発生してキャパシタ２８から流れる。カレントミラー回路３０は、イオン化電流Ｉ_IONと同一ではあるが、分離したミラー電流Ｉ_MIRRORを発生する。キャパシタ２８から第２のノード４８へ流れるバイアス電流Ｉ_BIAS（図８に長短の鎖線で示す）は、イオン化電流Ｉ_IONと分離したミラー電流の和に等しい（即ち、Ｉ_BIAS＝Ｉ_ION＋Ｉ_MIRROR）。

イオン化電流Ｉ_ION（図８に破線で示す）は、第２のノード４８から、第１のｐｎｐトランジスタ３４、第１のノード３８、第４の抵抗４４、点火コイル１２の二次巻線１８、及び点火プラグ１４を通って接地へ流れる。以上のように、充電されたキャパシタ２８は、スパークプラグ１４にまたがってほぼ80ボルトのバイアス電圧を印加してイオン化電流Ｉ_IONを発生させるための電源として使用される。バイアス電圧は、二次巻線１８及び第４の抵抗４４を通してスパークプラグ１４に印加される。二次巻線のインダクタンス、第４の抵抗４４、及び点火コイルの実効キャパシタンスが、イオン化電流の帯域幅を制限する。従って、第４の抵抗４４の抵抗値は、イオン化信号の帯域幅を最大にし、周波数レスポンスを最適化し、そしてイオン化電流をも制限するように選択される。本発明の一実施例では、第４の抵抗４４の抵抗値は330ｋΩであって、20ｋＨｚまでのイオン化電流帯域幅を得ている。

カレントミラー回路３０は、検出されたイオン化電流Ｉ_IONと出力回路とを分離するために使用される。分離されたミラー電流Ｉ_MIRROR（図８に２点鎖線で示す）は、イオン化電流Ｉ_IONに等しく、換言すればイオン化電流Ｉ_IONを鏡映している。分離されたミラー電流Ｉ_MIRRORは、第２のノード４８から、第２のｐｎｐトランジスタ３６及び第３の抵抗４０を通って接地へ流れる。イオン化電流Ｉ_IONと同一ではあるが分離しているミラー電流信号Ｉ_MIRRORを発生させるためには、第１及び第２のｐｎｐトランジスタ３４及び３６は整合していなければならない。即ち、両トランジスタは、同一の電子的特性を有していなければならない。このような同一の特性を得るための１つの方法は、同一のシリコン片上に存在している２個のトランジスタを使用することである。分離されたミラー電流Ｉ_MIRRORは、典型的には300マイクロアンペアより小さい。第３の抵抗４０は、この分離されたミラー電流Ｉ_MIRRORを対応する出力電圧信号（図８にＶ_OUTで示す）に変換する。第３の抵抗４０の抵抗値は、出力電圧信号Ｖ_OUTの大きさを調整するように選択する。第２のダイオード４２は、ミラートランジスタ３４及び３６をバイアスし、ノード３８の電圧がしきい値を横切ることがあれば接地への通路を作ることによって両トランジスタを保護する。ミラートランジスタを保護するために、第３のトランジスタを使用することもできる。

図９の（ｃ）は、正常燃焼時に得られる出力電圧信号Ｖ_OUTを示している。時点＝ｔ₅以降の出力電圧信号Ｖ_OUTの部分は、燃焼動作に関する診断情報として使用することができる。機関全体の燃焼動作を決定するために、機関の１つまたはそれ以上の燃焼室内のイオン化電流を、それぞれ、１つまたはそれ以上の回路１０によって測定することができる。

図示の回路１０においては、点火電流Ｉ_IGN及びイオン化電流Ｉ_IONは、点火コイル１２の二次巻線１８を同一方向に通って流れる。その結果、イオン化電流の開始（換言すれば、流れ）並びにイオン化電流の検出は迅速である。図示の回路１０では、充電されたキャパシタ２８が電源として動作する。回路１０は受動的であり、換言すれば専用の電源を必要としない。充電されたキャパシタ２８は、イオン化検出及びカレントミラー回路３０の両者のために比較的高いバイアスを供給する。その結果、絶縁された電流信号Ｉ_MIRRORは大きくなり、従って信号対雑音比は高くなる。

セクションＣ：部分的なコイルチャージングに続くスパークを検出するために、気筒内イオン化を使用して気筒ＩＤを検出する方法
気筒内イオン化検出を使用して現気筒識別（ＩＤ）を検出するスキームは、排気行程の燃焼時の雑音、振動、及び喘鳴（ハーシネス）（ＮＶＨ）問題、常温始動時の炭化水素（ＨＣ）排出問題、及び常温における燃料パドリング効果に起因する遅れのような、多くの問題を有している。

この特色は、少なくとも２つの気筒、電極ギャップを有するスパークプラグ、及びイオン化レベルの気筒内測定を有し、可変カムタイミング用のカムシャフトセンサを使用しない内燃機関を有するビークルに関係している。

多くの従来技術は一般的にイオン化電流に関しているが、その殆どは失火及びノック、及びＥＧＲ及びスパーク配置、または回路のような機関変数の制御を取扱うためである。

若干の従来の出版物は、イオン化電流から気筒ＩＤを検出することに直接関連している。例えば米国特許US5563515A1は、複数の失火気筒を使用して気筒を検出している。

また、米国特許US6029631A1は、スパークギャップにまたがって発生する電圧レベルを使用して気筒ＩＤを決定する方法を開示している。以下に説明するように、この方法は多くの欠陥を有している。

大部分の自動車の内燃機関は、往復動ピストン駆動型である。往復動機関は、燃料エネルギを回転運動（一般に、馬力として測定される）に変換する機械である。機関内では、ガソリンが気筒への途中でキャブレタ（もしくは、燃料噴射器）を通過する際に、空気に付加される。この混合体は気筒内で燃焼し、加熱されて圧力を発生する。この圧力が気筒内のピストンを押し下げ、クランクシャフトを回転させる。図１０は、直列４気筒自動車機関のための典型的な機構を示している。

近代的自動車機関の大部分は、４行程（もしくは、サイクル）動作を使用している（図１１参照）。吸気行程においてピストンが下降し始めると吸気弁が開き、空気／燃料混合体が気筒内に引き込まれる（皮下注射器のプランジャを引き抜くことによって、流体をチャンバ内へ引き込むことができるのと類似している）。ピストンが吸気行程の底に到達すると吸気弁が閉じ、空気／燃料混合体を気筒内に閉じ込める。

圧縮行程ではピストンが上方へ運動し、吸気行程において閉じ込めた空気／燃料混合体を圧縮する。混合体を圧縮する量は、機関の圧縮比によって決定される。平均的な機関の圧縮比は、８：１乃至10：１の範囲内にある。これは、ピストンが気筒のトップに到達した時に、空気／燃料混合体の体積がその初めの体積の約1/10まで圧迫されることを意味する。

動力行程ではピストンは上方へ運動し、スパークプラグが点弧し、圧縮された空気／燃料混合体が点火されて、蒸気の力強い膨張が発生する。この燃焼プロセスが気筒内でピストンを下方へ押すが、その力はクランクシャフトを回転させてビークルを推進するための動力を供給するのに十分である。各ピストンは、機関の着火順序によって決定される異なる時点に着火する。クランクシャフトが２回転を完了する時点までに、機関内の各気筒は１動力行程を通る。

ピストンが気筒の底にある排気行程では、排気弁が開いて燃焼済みの排気ガスを排気システムへ排出することができる。気筒は大きい圧力を含んでいるから、弁が開いた時にガスは激しい力で排出される（これが、マフラーを外したビークルが大音響を発生する理由である）。ピストンは気筒のトップまで上昇し、４行程プロセスを再度開始する準備として排気弁が閉じる前に全ての排気を押し出す。

気筒は、本来２行程だけを有している。４行程を創るために、弁を使用して気筒に流入する、及び気筒から流出する空気を制御する。カムシャフト２０２のローブ２０１が、弁タイミングと呼ぶ弁の開閉を決定する（図１２及び１３参照）。

弁は気筒行程毎には開閉しないから、カムシャフトはクランクシャフトと同じ速度で回転しない。そうではなく、カムシャフトはクランクシャフトの半分の速度で回転するように減速される。

図１４は、プッシュロッド弁伝導装置２０３及びオーバーヘッドカムシャフト２０４を示している。プッシュロッド弁伝導装置は、ロッカー２０５、タペット隙間２０６、機関速度の半分で回転するカムシャフト（スプロケットの２倍だけ多くの歯を有する）２０７、クランクシャフトスプロケット２０８、カム２０９、別のカムシャフト２１０、タペット２１１、入口弁２１２、排気弁２１３、プッシュロッド２１４、ばね２６１、弁の隙間を調整するためのロックナット２６２、及びロッカーシャフト２６３からなる。オーバーヘッドカムシャフト２０４は、カム２６４、回転するカムによって開かれる弁２６５、カムシャフト２６６、カムシャフトスプロケット２６７、バケットタペット２６８、弁ばね２６９、テンショナー２７０、スプロケット２７１、別のテンショナー２７２、クランクシャフトスプロケット２７３、排気弁２７４、入口弁２７５、弁ばね２７６、バケットタペット２７７、スプロケット２７８、及び別のカムシャフト２７９からなる。

気筒ＩＤは、機関の気筒がどの行程にあるのかを決定するプロセスと定義される。気筒位置が行程を決定するのではなく、弁が行程を決定するので、クランクシャフト角度を使用して気筒がどの行程にあるのかを知ることは困難である。ある気筒が上昇しつつあることをクランクシャフトセンサから知ることはできるが、それが圧縮行程中であるのか、または排気行程中であるのかを知ることが望ましい。

ある気筒が上昇しつつある場合、それは圧縮行程、即ち行程２であることも、または排気行程、即ち行程４であることもあり得る。反対に、もし気筒が下降しつつあれば、それは吸気行程、即ち行程１であることも、または点火行程、即ち行程３であることもあり得る。従って、クランクシャフト角度を使用して気筒の位置を識別できるとしても、それが圧縮行程中であるのか、または排気行程中であるのかを知ることが望ましい。

イオン化センサを有していない最新式の機関は、特別なクランクシャフトセンサ、及びカムシャフト上に配置された歯付き輪から気筒ＩＤを決定している。これは機関にコストと複雑さとを付加する。更に、センサは１つの気筒の位置（例えば、圧縮中の気筒１の上死点ＴＤＣ）だけしか指示しないので、気筒があるストップに到達した時のその向きに依存してその行程を識別するためには、機関クランクシャフトは２倍で回転しなければならない。図１５は、機関クランクシャフト上の４行程の弁タイミングの重なりを示している。実際には、殆どの典型的な型のセンサ（可変磁気抵抗センサ）が低速では作動せず、速度が最低しきい値に到達するまでは最初の回転または２回転を失する恐れがあるので、回転数はより多いことが屡々である。従って、気筒ＩＤを極めて迅速に決定するイオン化センサを使用することができ、またカムシャフトセンサ及び輪を排除できることが望まれている。

スパーク点火（ＳＩ）機関においては、スパークプラグは既に燃焼室内にあり、別のセンサを侵入させる必要なく検出デバイスとして使用することができる。燃焼中、大量のイオンがプラズマ内に発生する。火炎前縁（フレームフロント）における化学反応によってＨ₃Ｏ⁺、Ｃ₃Ｈ₃ ⁺、及びＣＨＯ⁺が発生し、検出するのに十分に長い励起時間を有している。もしスパークプラグギャップにまたがってバイアス電圧を印加すれば、これらの自由イオンが引かれて電流が発生する。

イオン化検出機構２８０はプラグ上のコイルからなり、各コイル内のデバイスは、スパークがアークを生じさせない時にチップにまたがってバイアス電圧を印加する。スパークプラグチップを横切る電流が分離され、測定される前に増幅される（図１６参照）。コイル２８１（イオン検出）が、モジュール２８２（イオン処理）に取り付けられている。

スパークプラグイオン化信号は、気筒内に燃焼が発生した時のスパークプラグギャップにおける局部的導電率を表している。イオン化信号の変化対クランク角度を、燃焼プロセスの異なる段階に関係付けることができる。イオン電流は、典型的に３つの相、即ち点火またはスパーク相、火炎前縁相、及び火炎後（ポストフレーム）相を有している。点火相は、点火コイルがチャージされ、後に空気／燃料混合体を点火する相である。火炎前縁相は、火炎（火炎核形成中の火炎前縁の運動）が気筒内に展開する相であり、理想的な環境の下では、単一のピークからなる。火炎前縁相における電流は、空気／燃料比に大きく関係していることが分かっている。火炎後相は、気筒内の温度及び圧力展開に依存し、ピークがピーク圧力の位置に十分に相関付けられた電流を発生する。

イオン化信号は、点火後のイオン化電流を表している。点火中のそれは、混合された点火電流及びイオン電流（即ち、イオン化電流）を表す。これは、本発明においては、イオン化電流及び点火電流が同一方向に流れるからである。点火前のイオン信号は、一次巻線のチャージ電流によってもたらされる二次巻線電流の変動を表している。

図１７の典型的なイオン化信号は、気筒＃１の圧力２８３及びイオン化信号２８４を示している。気筒ＩＤを検出する本方法は、信号のスパーク相を使用する。気筒内の空気が圧縮されると、スパークプラグ電極間の抵抗が増加する。これは空気が自然の絶縁体であるからであり、それ自体の降伏電圧は多数の異なるファクタ（密度、湿度、温度等）に基づく。この増加した抵抗は、１対の認識できる効果をもたらす。

圧縮行程中のスパークの持続時間（即ち、スパーク持続時間）は、圧縮しない場合のそれよりも短い。スパークアーク前に電圧を蓄積するにはより長くかかり、エネルギが消散すると、スパークは電圧降下に伴って直ちに終了する。この方法には幾つかの欠陥がある。第１に、１サンプル／度の（典型的）分解能でのサンプリングでは、特に機関速度が低めの場合に、この短時間のイベントに対して十分な精度を与えないから、スパーク持続時間を決定するためには一般的にエッジ検出が必要である。更に、この読みに対して重大な雑音をもたらし得る（何故ならば、スパークの持続時間の差は、良好な信号／雑音比を有用にするのに十分に小さい）他の変数が存在する。

スパークコイルは、所定のレベルまで部分的にチャージすることができる（それを完全にチャージする代わりに）。次に、どのコイル（１または複数の）が点弧またはスパークに失敗したかについての決定を行う。部分的にチャージされたコイルがスパークプラグギャップを降伏させるのに必要な電圧を供給できない程抵抗が十分に高いので、点弧に失敗した気筒は圧縮行程中である。

抵抗の増加は、二次電圧ピークにも影響を与える。ギャップを横切るスパークをアークさせるには、より高い二次側電圧が必要である。これは、誘起した電流の流れを通して一次側で測定することができる。この方法に伴う問題は、一次側電流をターンオン及びオフさせるのに一般的に使用されているＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が、400ボルト以上（典型的）の電圧を禁止する電圧保護を有していることである。このことが、このピーク検出方法を殆ど使用させないようにしていたのである。

従って、気筒ＩＤを決定するためにイオン化電流センサを使用する改良された方法を提唱する。一実施例においては、スパークコイルが所定のレベルまで部分的にチャージされる（完全にチャージする代わりに）。次に、どのコイル（１つまたは複数の）が点弧に失敗したのかを決定するために、コイルを注視する。点弧に失敗したコイルを含む気筒は、圧縮行程中である。部分的にチャージされたコイルがスパークプラグギャップにおける抵抗を降伏させるのに必要な電圧を供給できない程ガス混合体が十分に高いために、コイルが点弧に失敗したのである。

従って、この実施例は、ＩＧＢＴがターンオフした後のイオン化電流を観測することによって、どの気筒に、そして何時スパークを印加するかを決定し、休止時間を計算し、そしてどの気筒が圧縮行程にあるのかを決定することを含む。

別の実施例では、本発明は、どの気筒に、そして何時スパークを印加するかを決定し、スパーク持続時間を計算し、そしてどの気筒が圧縮行程にあるかを決定することを含む。

先ず、どの気筒を、そして何時スパークさせるかを決定する。１−３−４−２の点弧順序を有する４サイクル機関（図１８に示す）の場合、クランクシャフト上の何処が０°かを決定するには、欠歯（典型的に使用されている）を見出すために、機関クランクシャフトを完全１回転まで回転させる必要がある。その点において、即ち０°（それらの上死点（ＴＤＣ）位置）において気筒１及び４をスパークさせる。もし決定に失敗すれば（即ち、どのスパークコイルも点弧に失敗しなければ）、気筒３及び２を180°において点弧させてどちらが圧縮中であるかを決定する。これは、気筒ＩＤが決定されるまで続行される。

この方法は、検出成功の機会を増すために４気筒を同時にスパークさせ得ることを除いて、８気筒機関の場合もほぼ同一である。４、６、及び10気筒機関ではプロセスは類似しており、１対の気筒が異なるクランク角度においてスパークさせられる。３及び５気筒機関はやや異なっており、両端の気筒の行程は完全に反対である。１つの気筒だけが圧縮行程の上死点ＴＤＣにあるので、それだけが失火する。

スパークコイルをチャージするために使用されるエネルギ量の計算は、機関速度、負荷等のような多くの変数に依存する。印加するエネルギが多過ぎると行程には無関係に全ての気筒がスパークし、圧縮中の気筒の検出に失敗する。エネルギが少な過ぎるとどの気筒もスパークせず、圧縮中の気筒の検出に失敗する。従って、圧縮中の気筒を検出するためには、適切なスパークエネルギレベルを使用する。これを、図１９及び２０に示す。

実際のスパークエネルギは、スパークプラグタイミングのために設定されている休止時間に関係付けられる。コイルを通って流れる電流が大きい程、コイルが蓄積するエネルギは大きくなる。機関制御モジュールＥＣＵがＩＧＢＴをターンオンさせると、コイルはチャージされ始める。機関制御モジュールＥＣＵがＩＧＢＴをターンオフさせると、コイルは誘導性フライバックを発生し、もし降伏電圧を発生させるのに十分なエネルギがコイル内に存在すれば、スパークが発生する。スパークタイミングは固定されているから（ＩＧＢＴオフ時間）、ＩＧＢＴ“オン”時間は休止計算のための制御（出力）である。機関が正常に動作中に機関制御モジュール（ＥＣＵ）は、スパークが発生する時点までにコイルが完全にチャージされるようにＩＧＢＴのターンオン時間を計算することを試み、次いでＩＧＢＴがターンオフする。もし休止時間が長過ぎればエネルギが浪費され、コイル内に過大な熱が発生する。もし休止時間が短か過ぎればコイルは完全にチャージされず、スパークが失われるかまたは劣化することが原因で、失火または部分的燃焼がもたらされる恐れがある。スパークタイミングが重要であり、変化させるべきではないので、正確なスパークタイミングを保証するために、ＥＣＵはコイルをオーバーチャージ（長過ぎる休止）する傾向がある。

前述したように、イオン化信号は、気筒内で燃焼が発生した時のスパークプラグギャップにおける局部的導電率を表している。その理由は、圧縮行程中に気筒内のガスが圧縮されるにつれてガス密度が高くなり、電流の流れに対するガスの抵抗が増加することである。従って、スパークプラグ電極間の抵抗が増加する。

点火コイルの一次巻線には、典型的に12Ｖの直流が１ミリ秒間印加される。この電圧は二次巻線において30ｋＶ以上にステップアップされる。スパークプラグギャップ間の空隙を降伏させてスパークアークを発生させるためには、この高電圧が必要である。これを図２０の（ａ）に示す。図２０の（ａ）は、最大電流に到達するまでは、電圧がコイル電流に比例することを示している（グラフの傾斜した部分）。

気筒が圧縮されると、完全にチャージされていない点火コイルによってアークを発生させるにはスパークプラグ電極間のガス密度が高過ぎるようになる。

休止時間（電圧が一次コイルに印加される時間量）を変化させることによって、スパークプラグ電極に印加される使用可能なエネルギも変化する。休止時間が短い程、使用可能なエネルギも少なくなる。上述したように、休止時間はＩＧＢＴの“オン”時間によって制御される。

スパークプラグのスパーク失敗は、イオン化信号に反映される。即ち、イオン化信号は、休止が完了した後に一連のパルスになり（図２１参照）、二次コイル内に蓄積されたエネルギが消費されるとリンギング効果を呈する。従って、気筒が圧縮行程にあるのか否かを決定するためにイオン化信号を使用することができる。本方法は、気筒のコイルをチャージするために使用される休止時間の量を減少させる。従って、スパークプラグ電極にまたがって印加されるエネルギが減少する。特定の休止時間は、圧縮行程にはない気筒内に配置されているスパークプラグがスパークし、圧縮行程中の気筒内に配置されているスパークプラグがスパークしないように選択される。好ましい実施例では、休止時間は、典型的な１ミリ秒の休止時間の30乃至50％まで短縮される。

本発明は、通常のコイルチャージングに比して短縮されている休止時間を使用する。以下の式によって表されるように、休止時間は、圧縮された気筒内にスパークを発生させるのに必要なエネルギに各々が影響を与える幾つかの変数の関数である。
Ｔ_on＝Ｔ_off−ｆ（ＡＣＴ，ＥＣＴ，ＭＡＰ，Ｎ）
ここに、Ｔ_offはスパークタイミング（ＩＧＢＴがターンオフする時点）を表し、ＡＣＴは空気チャージ温度を表し、ＥＣＴは機関冷却材温度を表し、ＭＡＰはマニホルド空気圧を表し、そしてＮは機関クランク速度を表す。

スパークタイミングは、スパークさせるべく選択された２つの気筒のガス密度差を最大にするように選択される。従って、気筒識別のための最良スパークタイミングは選択された対の気筒のＴＤＣ位置においてである。１−３−４−２の点弧順序を有する４サイクル機関の場合、第１の対（気筒１及び４）が次に使用可能な０または360クランク度の何れかあり、また第２の対（気筒３及び２）は180または540クランク度の何れかにあろう。

プロセスに影響を与える湿度のような他のファクタも存在する。これらの効果は、一般的に無視できる。較正の負担を軽減するために、若干の変数を上述した計算から排除することはできるが、最低限必要な公式は次の通りである。
Ｔ_on＝Ｔ_off−ｆ（Ｎ）

好ましい実施例においては、ＩＧＢＴがターンオフした後のイオン化電流を観測し、スパークが発生したか否かを決定することによって、どの気筒が圧縮行程にあるのかを決定する。

図２１は、３気筒機関の気筒１がその圧縮行程の終わりに近付きつつある時に、気筒１の上死点位置付近において３つの気筒内の全てのコイルを点弧させるプロセスを示している。上側の曲線２８５は、気筒＃１の圧力を表している。下側の曲線は、各気筒の点弧２８４、２８６、２８７と同じ時点における全てのコイルの点弧を表している。この例は、圧縮中の気筒と圧縮中ではない気筒との間の差を表示するために示されている。実際の点弧スキームは機関構成の結果であり、既に説明した。

図２２は結果を表しており、スパークさせた２つの気筒を示しており（イオン化電流信号は飽和している）、気筒１は必要な高電圧が得られないために降伏せず、“リンギング”を生じていることを示している。鎖線で示す曲線２８６は、圧縮行程中の高いガス密度のためにスパークが発生しなかった気筒１を表している。実線で示す曲線２８７は、ガス密度が比較的低い（圧縮中ではない）ためにスパークしている気筒２を表している。破線で示されている曲線２８８は、空気密度が比較的低い（圧縮中ではない）ためにスパークしている気筒３を表している。

図２２は、異なる気筒から検出されたイオン化信号間の差も示している。気筒１の二次コイル電圧はガスギャップを降伏させるのに十分には高くなく、気筒２及び３の電圧はそれらのガスキャップを降伏させている。気筒１の場合、スパークプラグギャップ間のガスは降伏させられず、スパークは発生しなかった。休止の完了後の最初のイオン化パルスの幅は、気筒２及び３のイオン化信号より遙かに短い。降伏が発生した気筒２及び３のイオン化信号は、遙かに長いパルス幅を有している。従って、各気筒からのイオン化信号パルスの持続時間を測定することによって、どの気筒が圧縮中であるのかを検出することができる。

当業者ならば、スパークイベントが発生したか否かの問いに対してイエス／ノーを返答する多くの方法があることを認識しているであろう。それらの幾つかを以下に説明する。

回路に関連付けられたリンギングが、マイクロプロセッサが測定しつつあるイオン電圧／電流レベルに飽和を生じさせないような場合には、予測されるスパークウィンドウ中に測定を行うことが可能である。もし測定されたパルスシーケンスのピークの大きさがあるしきい値より大きければ、スパークが発生したのである。そうでない場合には、スパークは発生しなかったのである。その理由は、二次コイル内のピークリンギング電流がスパーク電流よりも相対的に小さいことである。図２３は、スパークが発生したか否かを決定するサンプリング方法を示している。

もしリンギングが飽和すれば、絶対測定値に依存しない方法を使用する。１つの方法は、電流を電圧に変換し、その信号を積分し、そしてスパークウィンドウの間に積分したイオン化信号があるしきい値より大きいか否かを決定するためにコンパレータを使用することである。もし大きければ、スパークは発生したのである。大きくなければ、スパークを発生させることに失敗したのである。図２４は、スパークが発生したのか否かを決定するためのスパークエネルギ積分装置であって、スパークエネルギは、スパークウィンドウの間に積分されたイオン化電圧として定義される。

気筒内にスパークが発生したか否かを決定するのに使用されるロジックを示す総合フローチャートを図２５に示す。図２５において、全てのイオン化信号が検出され（３４０）、濾波され（３４５）、そして積分される（３５０）。次いで、積分されたイオン化信号がサンプル・ホールドされ（３５５）、参照値と比較される（３６０）。もしエネルギがこの参照より低ければ、スパークは発生しなかったのである（３６５、３７０）。もし気筒内の積分値が参照値、即ちしきい値を越えれば、スパークが発生したのである（３６５、３７５）。エネルギは、点火ウィンドウの間に積分された点火中のイオン化電圧と定義される。典型的には、スパークエネルギは式Ｅ＝Ｖ²×（ｔ／Ｒ）を使用することによって近似することができる。但し、Ｅはエネルギを表し、Ｖ_IONはイオン化電流に比例するイオン化電圧を表し、Ｒは抵抗を表し、そしてｔは時間を表す。

イオン化測定回路の故に抵抗Ｒは一定であると仮定しており、回路はスパークイベント中に飽和することが知られているから、Ｖ_max ²に時間を乗ずると代表的な数字が得られる。典型的な数字は（５Ｖ²）×0.5ミリ秒であることができ、これは実際のスパークエネルギに比例している。0.5ミリ秒は、ある機関速度における典型的な積分ウィンドウを表しており（実際のウィンドウは機関速度と共に変化する）、５Ｖは、イオン化測定回路が発生する最大値を表している。典型的な参照値、またはしきい値は、このエネルギの75％にセットされる。これらの諸ステップが、図２６のフローチャートに示されている。

セクションＤ：気筒内イオン化を使用してスパーク持続時間を測定し、気筒ＩＤを検出する方法
上述したように、気筒ＩＤ（ＣＩＤ）検出プロセスは、イオン信号からスパークタイミングを計算することを含む。どの気筒が、何時スパークするかを決定する手順は、セクションＣにおいて説明した手順と変わらない。図２７は、１つの気筒だけが実際に圧縮中である場合、クランクシャフトの所与の位置において複数の全ての気筒がスパークしていることを示している。広がった曲線２８９は、気筒＃１の圧力を表している。321Ｋサンプル付近において広がった曲線を通過している狭い曲線２９０、２９１、２９２は、各気筒の上死点ＴＤＣ付近における全コイルの点弧を表している。最短持続時間を有するスパークが、圧縮中の気筒である。

図２８は、イオン化電流に比例するイオン化電圧によって表される結果的なスパーク持続時間の拡大図である。３つの気筒の中の１つが、遙かに短い持続時間を有していることが明白である。これが、圧縮下の気筒である。スパークが終わった後の“リンギング”効果が、検出努力を僅かに面倒にしていることに注目されたい。破線曲線２９０は、最短のスパーク持続時間を有する気筒１を表している。破線曲線２９１は、長めのスパーク持続時間を有する気筒２を表している。実線曲線２９２は、長めのスパーク持続時間を有する気筒３を表している。

どの気筒が圧縮中であるのかを決定するのに使用されるファクタは、スパークの持続時間を測定する能力にリンクされることは明白である。この持続時間を限時するために使用される２つの方法を以下に説明する。

先ず、スパーク持続時間の量を決定するために、エッジ検出技術を使用することが可能である。図２９に示すのは、イオン化回路を通して見たスパークイベントの立ち上がり及び立ち下がりエッジによって、タイマ４００をターンオン及びオフさせる場合である。イオン化信号１００及びウィンドウ信号４１０が、立ち上がりエッジ検出器４１５及び立ち下がりエッジ検出器４２０への入力である。立ち上がり及び立ち下がりエッジは、タイマ４００の可能化ピンに接続されているフリップフリップ４２５をトグルさせる。スパークイベントの後に回路内に“リンギング”が存在するから、好ましい実施例では、使用するエッジ検出器４１５、４２０がワンショットにしてあることに注目されたい。これらのタイミング回路の出力はサンプル・ホールド回路４３０内に保持され、どのイベントの持続時間が最短であったかを調べるために比較される。クロック信号４０５が、タイマ４００及びフリップフロップ４２５を駆動する。図３０は、エッジ検出を使用してスパーク持続時間を決定する時に使用される諸ステップのフローチャートである。

スパーク持続時間を限時する異なる方法は、イオン化信号を積分することである。積分されたエネルギ量が最少である回路が圧縮中の気筒である。図３１は、積分を使用して２つの気筒信号を比較するコンパレータ回路４４０を示す。２つのイオン化信号１００_S1、１００_S2からエネルギが検出され（５００）、積分器１及び２（４４５、４５０）において積分され（５１０）、そして比較される（５２０）。結果がサンプルされ、ホールドされる（５３０）。スイッチ４５５及びメモリ回路４６０は、一緒になってサンプル・ホールド回路４６２として動作する。この回路は、ウィンドウ信号４１０によってトリガされる。コンパレータ４４０は、２つの信号１００_S1または１００_S2のどちらが高いかを指示するために使用される。圧縮中の気筒は、低めのエネルギ量を有する信号を出力する。このエネルギは、点火ウィンドウの間に積分された点火中のイオン化電圧に比例する。これらの諸ステップが、図３２のフローチャートに示されている。

セクションＥ：集積されたコイルドライバ及びイオン化検出回路を有する点火コイル
ＥＣＭ内に配置されているか、または他の遠隔位置に配置されている内燃機関（ＩＣＥ）のオンプラグ点火コイルは高ＥＭＩ放出を受け易く、接続ワイヤーが長いことが原因で他の成分から妨害を受ける。イオン化検出回路は、それらが極めて低い信号電流レベル（μＡ）を取り扱うので、ＥＭＩ問題はより重大になる。それの解決法は、コイルドライバトランジスタ及びイオン化回路の両者を、オンプラグ点火コイルに集積することである（図３３）。

好ましい実施例では、温度及び熱ショック問題に対処するために、コイルパッケージ内に集積されたコイルドライバトランジスタ及びイオン化検出回路の両者に140°Ｃ定格の部品を使用している。更に、振動問題に対処するために、コイルドライバトランジスタ及びイオン化検出回路の両者に20Ｇ定格の部品を使用している。

回路をコイルのトップに、またはコイルの側に配置することによって、回路から二次巻線までの接続距離が最小になる（コイルのトップの実施例について、図３３を参照されたい）。従って、回路は雑音を受け難い。別の利点は、この配置は組立てが容易なことである。ドライバ及びイオン回路基板は、単に点火コイルアセンブリにクリップオンするだけでよい。従って、クリップコネクタ６５の使用が、このレイアウトによってもたらされる別の利点である。上面図（図３３の（ａ））は、ドライバ及びイオン化回路基板１０及びパワートレイン制御モジュールＰＣＭに作動的に接続されているコネクタ５０を保護するカバー６０を示している。側面図（図３３の（ｂ））は、一次巻線１６、コア１３、二次巻線１８、ドライバ及びイオン化回路基板１０、クリップコネクタ６５、カバー６０、スパークプラグに作動的に接続されているコネクタ５５、及びパワートレイン制御モジュールＰＣＭに作動的に接続されているコネクタ５０を示している。図３４では、回路はコイルの側に配置されている。印刷配線基板７０上に配置されているイオン化信号１００、ゲートドライブ信号Ｖ_IN、接地ＧＮＤ、電力Ｂ＋、コイル一次巻線１６、コイル二次巻線１８の入力が示されている。電力Ｂ＋、接地ＧＮＤ、ゲートドライブＶ_IN、及びイオン化信号１００も４つのコネクタブレード７１上に配置されている。

セクションＦ：ドライバ及びイオン化検出回路と共に集積された点火コイルにおいてイオン化信号及びコイルチャージ電流フィードバック信号を多重化することによって点火コイルのピン数を減少させる方法
スパーク点火（ＳＩ）機関の燃焼プロセスは、気筒内空気／燃料（Ａ／Ｆ）比、温度及び圧力、排気ガス再循環（ＥＧＲ）レート、点火時間、持続時間等によって支配される。機関排出物質及び燃費は、その燃焼プロセスに厳密に依存する。同種の燃焼機関の場合、機関Ａ／Ｆ比は、加熱排気ガス酸素（ＨＥＧＯ）センサまたはユニバーサル排気ガス酸素（ＵＥＧＯ）センサを使用する閉ループ内で制御されることが最も多い。排気ガス再循環ＥＧＲレートは、Δ圧力測定の支援を得て制御される。低価格燃焼モニタセンサが入手できないので、機関スパークタイミングは開ループで制御され、ノック検出結果によって補正される。燃焼を検知するための低価格オプションの１つがイオン化検出であり、これはスパークプラグギャップにバイアス電圧を印加することによって燃焼プロセス中に生成されるイオン電流を測定する。点火ドライバを点火コイル上に移動させる場合（例えば、ペンシル及びオン・プラグコイル）、点火ドライバ回路及びイオン化検出回路の両者を点火コイル上に集積することが望ましい（詳細に関しては、セクションＥを参照されたい）。１つの未解決の問題は、集積パッケージに使用するピン数を最小にして集積されたドライバ及びイオン化検出の両回路をカバーし、コストを低減させることである。これを解決するために、点火コイルチャージ電流フィードバック信号と点火信号とを多重化し、従ってパッケージのピン数を１つだけ減らすことを提唱する。

点火コイルをドライバ及びイオン化検出回路と共に集積するための従来の設計は、コイルチャージゲート信号、チャージ電流フィードバック信号、イオン化電流信号、電池電力、及び接地のための５つのピンからなっている。点火コイルコネクタ、ハーネス、及び機関制御ユニット（ＥＣＵ）コネクタのために、各ピン毎に点火サブシステムのコストが増加する。サブシステムのコストを低減させるために、本発明は、一次チャージ電流フィードバック信号とイオン化電流信号とを多重化する。これは、一次コイルチャージイベントと燃焼イベントとが順次に発生するので可能なのである。

主として、パワートレイン制御モジュールＰＣＭと点火コイルとの間の高電流ピンを除くために、及び電気的及び磁気的妨害を減少させるために、点火コイルドライバエレクトロニクスを点火コイル上に集積する（例えば、ペンシル及びコイル・オン・プラグ）ことが望ましい（セクションＥ参照）。集積された点火コイル及びドライバのための設計は、点火コイル一次巻線チャージゲート信号、一次巻線チャージ電流フィードバック信号、電池電源Ｂ＋、及び電池接地の４ピンからなる。

イオン化検出回路を、集積されたドライバを有する点火コイル上に集積させると、検出されたイオン化電流信号をパワートレイン制御モジュールＰＣＭへ送り返すために付加的な出力ピンが必要になる。従って、集積されたドライバ及びイオン化回路を有する点火コイルは５ピンコネクタを必要とする。

コストを低減させ、コイルのパッケージングを容易にするために、本発明は、イオン化信号及びチャージ（もしくは、ドライバ）電流フィードバックの両信号を多重化し、集積されたドライバ及びイオン化回路を有する点火コイルが、コイル上のドライバ設計と同数のピンを有するようにすることを提唱する。

図３５は、集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステム７２の回路図であって、このサブシステムは、イオン化信号と、チャージ電流（もしくはドライバ）電流フィードバック信号とを多重化する。このサブシステムは、コイルドライバ回路７５、イオン化検出回路８０、及び増幅器８５を含む。ドライバ回路７５は、チャージが可能化されると、点火コイル１２の一次巻線１６をチャージする。次に、イオン化検出回路８０が、点火コイル１２の二次巻線１８を通してバイアス電圧をスパークプラグ１４に印加する。得られたイオン化電流Ｉ_IONは、燃焼プロセス中に発生したイオンによるものである。増幅器８５は、検出した信号を増幅して信号対雑音比を改善する。

図３６の（ａ）−（ｃ）は、チャージ命令Ｖ_IN信号（図３６の（ａ））、破線で示されている検出されたイオン化電圧または信号１００及び実線で表されているチャージ電流フィードバック信号１０２（図３６の（ｂ））、及びチャージ電流フィードバック信号と多重化されたイオン化電圧または信号１０６（図３６の（ｃ））を示している。時点ｔ₀とｔ₁との間に燃焼は存在せず、点火コイル１２は休止している。チャージ命令Ｖ_INがｔ₁に可能化され、ｔ₂に不能化される。この期間中、一次コイル１６が完全にチャージされる（６００）。これは、電流フィードバックのための検出ウィンドウである。空気／燃料混合体の点火は、時点ｔ₂とｔ₃との間に発生する（６１０）。燃焼プロセスは、時点ｔ₃とｔ₄との間に完了する（６２０）。

チャージ電流フィードバック信号及びイオン化検出信号の両者を多重化できる理由を図３６の（ｂ）に示す。燃焼（６２０）は点火（６１０）の後に発生するから、主イオン化検出ウィンドウは時点ｔ₂とｔ₄との間に発生する。両イベントがこの順序であることから、イオン化信号１００及びチャージ電流フィードバック信号１０２の両者を多重化することが可能なのである。

本方法においては、多重化信号１０６は、先ずイオン化検出信号１００を出力し、チャージ命令Ｖ_INが可能化されると（図３６の（ａ）参照）チャージ電流フィードバック信号１０２に代わる。図３６の（ｂ）は、チャージ電流フィードバック１０２（実線）及びイオン化１００（破線）の両信号を示している。図３６の（ｃ）は、多重化された信号１０６を示している。

時点ｔ₀からｔ₁までは、出力はイオン化信号１００である。スイッチＳＷ１は、イオン化検出回路（もしくは、イオン電流ノード）の出力８２に接続されている。チャージ命令Ｖ_INが時点ｔ₁とｔ₂との間可能化されると、スイッチＳＷ１は、ドライバ回路７５を通して点火コイル１２の一次巻線１６の一方の端に接続されているチャージ電流フィードバック信号ノード８４へ切り替わる。従って、スイッチＳＷ１はチャージ電流フィードバック信号１０２（一次チャージ電流に比例する抵抗２４にまたがる電圧信号（図３５参照））を出力する。ｔ₂の後、信号１０６は再びイオン化信号１００に切り替わる。時点ｔ₂とｔ₃との間は、イオン化信号１００は点火プロセス１０４に関する、即ちイオン回路によって検出された点火電流に関する情報を供給し、時点ｔ₃とｔ₄との間は、燃焼プロセス（６３０）に関する情報を供給する。

図３７は、集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステムの回路図である。このサブシステムは、点火コイル１２及びイオン化検出回路（キャパシタ２８と、カレントミラー回路３０とを含む）を含む。ドライバ回路は、Ｖ_INによってチャージが可能化されると点火コイル１２の一次巻線１６をチャージする。次に、イオン化検出回路２８、３０は、バイアス電圧を点火コイル１２の二次巻線１８を通してスパークプラグ１４に印加する。イオン化電流は、燃焼プロセス中に発生するイオンによって生成される。信号対雑音比を改善するために、増幅器を使用して検出した信号を増幅する。

要約すれば、多重化されたフィードバック信号１０６は、イオン化フィードバック信号１００を出力し、チャージ命令Ｖ_INが活性化されるとチャージ電流フィードバック信号１０２へ切り替わる。図３８は、集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステム７２のこの実施例の諸ステップを示すフローチャートである。

セクションＧ：点火コイルフライバックエネルギ及び２段調整を使用することによって気筒内イオン化検出のための安定化電源を得るデバイス
このセクションは、点火コイル用ＩＧＢＴのターンオフ直後に、過剰の点火コイル漏洩を取り入れてエネルギを磁化することによって、気筒内イオン化検出のための安定化電源を得るデバイスに関する。内燃機関の気筒内の圧縮された空気／燃料混合体を点火させるためには、スパーク点火システムがスパークプラグ電極空隙に十分なエネルギを供給しなければならない。これを達成するために、一般的には、点火コイル１２と呼ばれる磁気デバイス内にエネルギを蓄積する。次いで、蓄積させたエネルギを適切な時点にスパークプラグ１４の空隙へ解放し、空気／燃料混合体を点火させる。典型的な点火コイルの回路図を図３９に示す。実際にはフライバック変成器であるコイル１２は一次巻線１６と二次巻線１８とからなり、これらの巻線は高透磁率の磁気コア１３を介して磁気的に結合されている。通常、二次巻線１８は、一次巻線１６よりも多くの巻回を有している。これによって、“フライバック”時間中に二次電圧を極めて高いレベルまで高めることができる。

通常は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）２２であるパワースイッチをターンオンさせ、電池電圧を点火コイル１２の一次巻線１６にまたがって印加することによって、エネルギをコイル内に蓄積させる。一次インダクタンス（Ｌ_pri）に定電圧を印加すると、一次電流（Ｉ_pri）は所定のレベルに達するまで線形に増加する（図４０及び４１参照）。

コイル内に蓄積されるエネルギは、以下の式で表されるように、コイルの一次電流の自乗関数である。
エネルギ＝1/2×Ｌ_pri×（Ｉ_pri）²

一次電流Ｉ_priが所定のピークレベルに達してから、一次パワースイッチＩＧＢＴ２２をターンオフさせる。このようにすると、コイルインダクタンス（Ｌ_pri）内に蓄積されたエネルギが変成器一次電圧を反転させてＩＧＢＴクランプ電圧（公称的には、350乃至450Ｖ）まで高める。二次巻線１８が一次巻線１６に磁気的に結合されているから、二次電圧も反転し、その電圧は、一次クランプ電圧に、二次巻回対一次巻回比を乗じた値に等しい値（典型的には、20,000乃至40,000）まで上昇する。この高電圧がスパークプラグ１４の電極にまたがって現れ、電極空隙を通してスパークプラグ１４の電極間に小さい電流を流させる。この電流は小さいが、空隙にまたがる電圧が高いから、空隙内で消散される電力は重要である。電極空隙内で消散される電力は電極間の空気を急速に加熱し、分子をイオン化せしめる。一旦イオン化すると、電極間の空気／燃料（Ａ／Ｆ）混合体が重度に導通し、フライバック変成器１２内に蓄積されたエネルギをスパークプラグ１４の空隙内にダンプする（図４２参照）。フライバック変成器１２内に蓄積されたエネルギが急激に解放されることによって、気筒内の空気／燃料（Ａ／Ｆ）混合体が点火される。

気筒内イオン化検出には、スパークプラグ１４の電極にまたがってバイアス電圧を確立する安定化電源が必要になる。一般的に直流80乃至100Vの範囲のこの電圧は、公称的には数百μＡに制限されるイオン化電流Ｉ_IONを発生させる。このイオン化電流Ｉ_IONが検知され、増幅されて診断及び制御を目的とする有用な信号が発生される。

イオン化電流Ｉ_IONの大きさは比較的小さいから、検知及び増幅エレクトロニクスはコイル１２及びスパークプラグ１４に接近させて配置することが望ましい。また、自動車のボンネット内に高電圧を配線することは望ましくないから、高電圧電源をイオン化エレクトロニクスに極めて接近させて配置することも好ましい。従って、高電圧を局部的に発生させる手段が設けられる。

イオン化電位を発生させる一方法は、点火コイル１２において使用可能な直流12Ｖから80乃至100Ｖ電源を発生する直流・直流コンバータを使用することである。この方法は直接的であり且つ信頼できるものではあるが、実施するには幾つかの成分を必要とし、従ってコスト及び空間が莫大になる。

別の方法は、ＩＧＢＴがターンオフした直後に一次側のＩＧＢＴのコレクタからキャパシタを充電することである。この技術の主たる便益は、イオン化バイアス電圧を発生させるのに分離したブースト変換器を必要としないことである。第２の、そして多分同じように重要な便益は、変成器の漏洩インダクタンス内に蓄積されるエネルギの少なくとも一部分を捕捉し、それをエネルギ蓄積キャパシタへ転送することである。通常は、このエネルギはＩＧＢＴ２２内で熱として消散し、その動作温度を上昇させるようになる。この技術の一実施例を図４３に示す。前述したように、コイルインダクタンスＬ_pri内に蓄積されたエネルギは、ＩＧＢＴ２２がターンオフした時に変成器の一次電圧を反転させ、ＩＧＢＴクランプ電圧（350乃至450Ｖ）まで高める。これによってダイオードＤ１が順方向にバイアスされ、電流がＤ１及び電流制限抵抗Ｒ１を通ってキャパシタＣ１へ流れることが可能になる。ツェナーダイオードＤ２は、Ｃ１の電圧を約100Ｖに制限する。

この方法の欠陥は、エネルギ蓄積キャパシタＣ１が、フライバック電圧（ほぼ400Ｖ）の大きさに比して比較的低い電圧100Ｖ）でエネルギを蓄積することである。キャパシタＣ１内に蓄積されるエネルギはキャパシタ電圧の自乗の関数であるから、低電圧でエネルギを蓄積するということは、所与の量のエネルギを蓄積するためには、高めの電圧まで充電できるキャパシタの場合よりも遙かに大きい容量値（キャパシタンス）を必要とすることになる。例えば、100Ｖで500μジュールを蓄積するためには、0.1μファラドが必要である。同じエネルギを200Ｖで蓄積するためには、0.025μファラドしか必要としない。容量は、キャパシタ電圧が２倍になれば1/4に減少する。

この方法の第２の欠陥は、ＩＧＢＴ２２がターンオフする時点とスパークプラグが点弧する時点との間の短い時間（通常は、１マイクロ秒より短い）内にＣ１を完全に放電させることができるように、Ｒ１×Ｃ１時定数を十分に短くしなければならないことである。同時に、Ｃ１は、最悪条件（低ｒｐｍ、スパークプラグの汚れ）の下でＣ１の電圧を実質的に降下させずにイオン化電流Ｉ_IONを供給できるように十分に大きくなければならない。このようにするとＲ１は比較的小さい値（数十Ω）になるから、ＩＧＢＴ２２がターンオフした時のキャパシタ充電電流は比較的大きくなる。正常の動作状態（2000乃至3000ｒｐｍ、清浄なスパークプラグ）の下では、イオン化によるＣ１の放電は中庸であり、過剰な充電電流はツェナーダイオード（Ｄ２）内へ転流する。過剰ツェナーダイオード電流とツェナー電圧との積は、ツェナーダイオードＤ２内で浪費されるエネルギに相当する。

別の方法は、フライバック変成器１２の二次巻線１８と直列にエネルギ蓄積キャパシタを配置することによって、キャパシタを二次点火電流で充電することである。この技術の一実施例を図４４に示す。点火コイル１２の二次巻線１８内を流れるスパーク電流が、ダイオードＤ１を介してエネルギ蓄積キャパシタＣ１を充電する。Ｃ１上の電圧がツェナー電圧に到達すると、二次電流はツェナーダイオードＤ２を通るように転流し、Ｃ１上の電圧はほぼ100Ｖに制限される。

Ｃ１は二次巻線と直列であるから、漏洩エネルギを取り込んでＣ１を充電することはできない。通常はスパークギャップへ供給されるエネルギの一部は、この場合にはＣ１内に蓄積される。従って、このエネルギ発散を補償するために、変成器１２内に蓄積される磁化エネルギを増加させなければならない。

本発明による方法は、上述した技術よりも効果的な手法で過剰点火コイル漏洩を取り込んでエネルギを磁化することによって、気筒内イオン化検出のための安定した電源を得ている。図４５は、この方法をを使用した回路の回路図である。一見しただけではこの回路は、図４３を参照して説明した第２の回路（エネルギ蓄積キャパシタが一次巻線から充電される）に類似しているように見える。しかしながら、この新しい回路には、基本的に異なる、そしてより効果的な手法でエネルギ蓄積及び電圧調整機能を遂行できるようにする新規な、そして目立たない相違が存在している。

１つの相違は、主エネルギ蓄積デバイスとしてキャパシタＣ１に代わるエネルギ蓄積キャパシタＣ２を追加したことである。図４６に示すように、キャパシタＣ２の一方の端子はＤ１のカソードに接続され、キャパシタＣ２の他方の端子は接地されている。点火コイル１２の一次巻線１６に電池電圧を印加し、パワースイッチ（ＩＧＢＴ）２２がターンオンするとエネルギがコイル内に蓄積される（７００（図４８、以下同じ））。スイッチ（ＩＧＢＴ）２２がターンオフすると、コイルの漏洩及び磁化インダクタンス内に蓄積されていたエネルギが変成器一次電圧を反転させる。ＩＧＢＴ２２のコレクタ電圧は、それがキャパシタＣ２の電圧を１ダイオード降下分（即ち0.7Ｖ）だけ超えるまで、急速に上昇する。この点でダイオードＤ１が順方向バイアスされ、順方向電流がＤ１を通ってキャパシタＣ２内へ流入できるようになる（図４６）。これによって変成器漏洩インダクタンス内に蓄積されていたエネルギはキャパシタＣ２へ転送される（ＩＧＢＴ内で消散される代わりに）。変成器磁化エネルギの若干が、同じようにキャパシタＣ２へ転送され得る。

この回路に使用されている遙かに大きい値（数100ｋΩ）のＲ１は、高電圧キャパシタ槽（Ｃ２）から平均イオン化電流要求を満足させるのに十分な電流を供給し、また電圧調整（ツェナー）ダイオードＤ２へ十分なバイアス電流を供給するような大きさである。抵抗Ｒ１がこのように大きい値であるので、Ｄ２に大きい過大電流が流れることは決してない。これは、前述した他の技術とは対照的に、ツェナーダイオードにおいて浪費されるエネルギを大幅に減少させる。

スパークプラグ１４が点弧すると二次電圧が崩壊し、変成器内に蓄積されていた磁化エネルギがスパークギャップへ供給されて気筒内の空気／燃料混合体を点弧させる。同時に一次電圧が崩壊し、Ｄ１が逆バイアスされてキャパシタＣ２の充電が終了する。この時点に、Ｃ２はその最大電圧（典型的には、350乃至450Ｖ）になる。この場合、キャパシタＣ２は、キャパシタＣ１上の電荷を維持するための主エネルギ槽として動作しながら、イオン化回路及びツェナーダイオードＤ２へ電流を供給する（７２０）。

キャパシタＣ２は、最悪条件（600ｒｐｍ、スパークプラグの汚れ）の下でも平均イオン化電流を供給することができる一方で、100Ｖのイオン化供給バス電圧を低めの電圧のキャパシタＣ１へ供給するのに十分に高い電圧を維持するような大きさである。キャパシタＣ１は最早主エネルギ蓄積素子ではないから、イオン化バスの電圧降下を受入れ可能なレベルに制限しながら、過渡的なイオン化電流を供給するのに十分な大きさであるだけでよい。安定状態の電流は、Ｃ２から供給される。図４７は、Ｃ２の放電電流経路を示している。

好ましい実施例では、Ｃ１及びＣ２は0.1μＦに等しく、Ｒ１は1.8ＭΩに等しい。Ｒ-SENSは40ｍΩに等しい。Ｃ１の耐圧は630Ｖである。Ｄ１の順方向電圧降下は0.7Ｖであり、ツェナーダイオードＤ２のアバランシュ電圧は100Ｖである。Ｄ１の耐逆電圧は800Ｖである。

以上説明したように、本発明はイオン化検出回路をチャージするために、１段階ではなく２段階方法を使用する。先ずキャパシタＣ２が典型的には直流400Ｖまで充電される。Ｃ２は、第２段キャパシタＣ１を充電するための槽として使用される。キャパシタＣ１は典型的には直流100Ｖまで充電される。この２段階充電方法は、キャパシタＣ１に安定した100Ｖ出力を発生させる。従来技術では、キャパシタＣ１の電圧は、エネルギが除去されるにつれて変化していた。更に、２つのキャパシタまたは段階を使用することによってより多くのエネルギをイオン化検出回路に使用することができる。

図４８は、過剰点火コイル漏洩及び磁化エネルギを取り入れることによって、気筒内イオン化検出のための安定化電源を得る回路の上述した実施例が辿る諸ステップのフローチャートである。

イオン化検出バイアス回路の特色の若干の例は、限定する意図はないが、（１）変成器漏洩インダクタンス内に蓄積された全エネルギを捕捉し、それを使用してイオン化電子回路のためのエネルギ源としたこと、（２）漏洩エネルギを、ＩＧＢＴ上で消散させる代わりに高電圧キャパシタへ転流させることによって、一次側ＩＧＢＴでの消散を減少させ、その結果ＩＧＢＴの加熱を減少させたこと、（３）キャパシタ内に蓄積されるエネルギはそのキャパシタ電圧の自乗で増加するという事実を利用してエネルギを高電圧で蓄積することによって、物理的により小さいキャパシタを使用して同量のエネルギの蓄積を可能にしたこと、（４）ツェナーダイオードが決して大きい逆電流を流すことがないように、電流制限抵抗の値を増加させたことによって、該ダイオード上で浪費されるエネルギを減少させたこと、及び（５）Ｃ１が最早イオン化エレクトロニクスのための主エネルギ蓄積素子ではなく、またＣ１はイオン化電流の過渡中のイオン化電圧バス上の電圧降下を受入れ可能なレベルに制限するのに十分な大きさがあればよいという理由から、Ｃ１の値を減少させたことを含んでいる。

セクションＨ：ドライバ及びイオン化検出回路と共に集積された点火コイルにおいてイオン化電流、コイルチャージ電流フィードバック、及びドライバゲート信号を多重化することによってピン数を減少させる方法
本発明のこの特色は、セクションＦ“ドライバ及びイオン化検出回路と共に集積された点火コイルにおいてイオン化信号及びコイルチャージ電流フィードバック信号を多重化することによって点火コイルのピン数を減少させる方法”の説明において注記した多くの欠陥に対処するものである。本発明のこの特色は、点火ドライバゲート信号と、点火コイルチャージ電流フィードバック信号及びイオン化信号とを多重化し、従ってパッケージのピン数を２本だけ減少させる。

ドライバ及びイオン化検出回路と共に集積された点火コイルの従来の設計は、５ピンからなっている。即ち、１）コイルチャージゲート信号、２）チャージ電流フィードバック信号、３）イオン化電流信号、４）電池電力、及び５）電池接地である。ピンを追加すると、各ピン毎に、点火コイルコネクタ、ハーネス、及び機関制御モジュール（ＥＣＵ）へ接続しなければならないから、点火サブシステムのコストが増加する。サブシステムのコストを削減するために、本発明は、点火チャージゲート信号と、一次チャージ電流フィードバック信号及びイオン化信号とを多重化する。従って、本発明による回路は、１）電池電力、２）電池接地、３）多重化されたコイルチャージゲート信号、チャージ電流フィードバック信号、及びイオン化電流信号の３ピンを有している。

１つの目標は、点火コイルドライバエレクトロニクスを点火コイル上に集積する（例えば、ペンシルまたはコイル・オン・プラグ）ことである。パワートレイン制御モジュール（ＰＣＭ）と点火コイルとの間の高電流ピンを減少乃至は除去するために、ドライバと共に集積された点火コイル設計は４ピン、即ち、点火コイル一次巻線チャージゲート信号、一次巻線チャージ電流フィードバック信号、電池電源Ｂ＋、及び電池接地からなる。

イオン化検出回路を、集積されたドライバと共に点火コイル上に集積すると、検出されたイオン化電流信号をパワートレイン制御モジュールＰＣＭへ送り返すための付加的な出力ピンが必要になる。従って、集積されたドライバ及びイオン化回路を有する点火コイルには、５ピンコネクタが必要である。

コストを削減し、コイルのパッケージングを容易にするために、本発明のこの特色は、集積されたドライバ及びイオン化回路を有する点火コイルが３ピンのような少ないピン数を有するように、点火一次チャージゲート信号と、イオン化信号及びドライブ電流フィードバック信号とを多重化する。

図４９は、ドライバ回路及びイオン化検出回路と共に集積されているコイルドライバサブシステム９０の回路図である。集積された点火コイルサブシステム９０は、コイルドライバ７５、イオン化検出回路８０、２つの増幅器８５、８６、及びゲート信号再生回路９２を含む。点火コイルは、一次巻線１６及び二次巻線１８を有している。２つの増幅器８５、８６は同一電流源であるから、差比較回路９３の２つの入力間の電圧差は、抵抗Ｒ４が抵抗Ｒ２＋Ｒ３に等しければ、チャージゲート信号Ｖ_INを表す。この差が所与のしきい値より大きい場合には、差比較回路９３の出力１０８は「高」に維持されて一次チャージゲート信号Ｖ_INを発生する。ドライバ回路７５は、チャージ命令信号Ｖ_INが可能化されると点火コイル１２の一次巻線１６をチャージする。イオン化検出回路７５は、点火コイル１２の二次巻線１８を通してスパークプラグ１４にバイアス電圧を印加する。結果としてのイオン化電流Ｉ_IONは、燃焼プロセス中に生成されるイオンによって発生する。最後に、上側の増幅器８５は、検出した信号を増幅して信号対雑音比を改善する。

図５０は、イオン化信号、チャージゲート信号、及び電流フィードバック信号の多重化を示している。図５０に、チャージゲート信号Ｖ_IN（実線）及び差比較ゲート信号命令１０８（破線）（図５０の（ａ））、検出されたイオン化信号１００（破線）及びチャージ電流フィードバック信号１０２（実線）（図５０の（ｂ））、及び差イオン化信号１０６（チャージ電流フィードバック信号と多重化されたイオン化信号）（図５０の（ｃ））を示す。時点ｔ₀とｔ₁との間に燃焼は存在せず、点火コイル１２は休止している。スイッチＳＷ１はイオン化電流ノード８２に接続され、上側の増幅器８５を通してイオン化電流Ｉ_IONをＰ_IN１へ出力する。上側の増幅器８５の出力は、差比較回路９３の第１の入力にも接続されている。図４９から、上側の増幅器８５の出力に接続されているノードピン１が、イオン電流信号及びチャージ電流フィードバック信号１０２のための出力ノードＰ_IN１として動作することは明白である。パワートレイン制御モジュールＰＣＭチャージゲート信号Ｖ_INは時点ｔ₁に可能化され、時点ｔ₂に不能化される。この時点に、チャージゲート電流Ｉ_gがチャージゲート信号発生器９２から抵抗Ｒ３を通して接地まで流れ、ゲーティング電圧を差比較回路９３の第２の出力に発生させる。

このようになる理由は、チャージゲート信号発生器９２が電流源だからである。抵抗Ｒ２が抵抗Ｒ３よりも遙かに大きいので、電流は抵抗Ｒ３を通って流れる。従って、抵抗Ｒ２とＲ３との接合点に現れる電圧Ｖ_IgはＲ３（Ｉ_g）である。上側の増幅器８５の出力ノードに現れる電圧に現れる電圧は、Ｖ２＝Ｉ１（Ｒ２＋Ｒ３）＋Ｒ３（Ｉ_g）である。但し、Ｉ１は、イオン化信号１００、またはチャージ電流フィードバック信号１０２の何れかである。抵抗Ｒ４にまたがって現れる電圧は、Ｖ１＝Ｉ１（Ｒ２＋Ｒ３）であり、ここにＲ４はＲ２＋Ｒ３に等しく選択されている。好ましい実施例においては、Ｒ４＝180Ω、Ｒ２＝150Ω、そしてＲ３＝30Ωである。

好ましい実施例の差比較回路９３は、２つの入力及び１つの出力を有するコンパレータである。２つの入力信号の差はＶ２−Ｖ１＝Ｒ３（Ｉ_g）である（８００（図５１、以下同じ））。その機能は、チャージ命令信号１０８をコイルドライバ回路７５へ印加することである（８１０）。パワートレイン制御モジュールＰＣＭチャージゲート信号Ｖ_INが可能化された時にＲ３に印加される付加的な電流の故に、Ｒ４とＲ３との間の電圧差は、この期間中に差比較回路９３の出力１０８が「高」に留まり、一次コイル１６が完全にチャージされる（８２０）ように十分に大きい。ゲート命令信号Ｖ_INが活性化していない場合には、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｉ１（Ｒ２＋Ｒ３）であり、また差比較回路９３の出力は「低」である。従って、２ピンを排除したにも拘わらず、チャージゲート信号Ｖ_INはコイル１２をチャージするために使用することができる。更に、ｔ₁からｔ₂までの時間は、電流フィードバックのための検出ウィンドウである。

空気／燃料混合体は、時点ｔ₂とｔ₃との間に点火され（８３０）、燃焼プロセスは時点ｔ₃とｔ₄との間に完了する（８４０）。チャージ電流フィードバック信号とイオン化信号とを時間多重化できることを図５０の（ｂ）に示してある。スイッチＳＷ１はその入力をイオン化電流ノード８２から、コイルドライバ回路７５を通して点火コイル１２の一次巻線１６の一方の端に接続されているチャージ電流フィードバックノード８４へ切り替わる。燃焼は点火の後に発生するから、主イオン化検出ウィンドウはｔ₂とｔ₄との間にある。これによって、イオン化信号１００とチャージ電流フィードバック信号１０２の両者を多重化することができるのである。多重化された信号１０６はイオン化検出信号を出力し、チャージ命令Ｖ_INが可能化されるとイオン化信号１００をチャージ電流フィードバック信号１０２に切り替わる（図５０の（ｃ）参照）。図５０の（ｂ）はチャージ電流フィードバック信号及びイオン化信号の両者を示しており、図５０の（ｃ）は多重化された信号を示している。ｔ₀とｔ₁との間の時間中の出力多重化信号１０６は、イオン化信号１００である。時点ｔ₁とｔ₂との間にチャージ命令が可能化されると、出力はチャージ電流フィードバック信号１０２（一次チャージ電流に比例する電圧信号）へ切り替わる（図５０の（ｃ）参照）。時点ｔ₂の後に、多重化信号１０６はイオン化信号１００へ戻るように切り替わる。時点ｔ₂とｔ₃との間イオン化信号１００は点火プロセスに関する情報を供給し、時点ｔ₃とｔ₄との間は燃焼プロセスに関する情報を供給することに注目されたい（８５０）。

要約すれば、多重化信号１０６はイオン化信号１００を出力し、チャージ命令が活性化されると、即ち時点ｔ₁とｔ₂との間は、チャージ電流フィードバック信号１０２へ切り替わる。

図５１は、パッケージピン数を２ピンだけ減少させた集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステム９０の実施例が辿る諸ステップを示すフローチャートである。

セクションＪ：イオン化検出回路及び点火コイルドライバを単一のパッケージ内へ集積することによって気筒内イオン化検出システムの部品数及びパッケージサイズを減少させるデバイス
セクションＩは、意図的に本明細書に含ませていないことに注目されたい。

点火コイル制御は、パワートレイン制御モジュール（ＰＣＭ）の内部に配置されたＩＧＢＴを使用して実現されている。所定の電圧を用いて点火コイル１２の二次側１８をバイアスし、スパークプラグ１４の電極間を流れる電流の変化するレベルを読むことによってイオン化検出を達成する。電流の流れのレベルは低く、信号は増幅する必要がある。イオン化検出用エレクトロニクスは、パワートレイン制御モジュールＰＣＭの内部に、またはパワートレイン制御モジュールＰＣＭの外部の分離したモジュール内に配置することができる。２つの実施例、即ち、ＡＳＩＣと、単一電子パッケージとを説明する。本明細書では、ＡＳＩＣは、ＩＧＢＴとイオン化検出エレクトロニクスとを１つのシリコンデバイス内に集積しているものとする。また本明細書では、単一の電子パッケージは、ＩＧＢＴとイオン化検出エレクトロニクスとを１つの電子パッケージ内に離散した形状で組合わせてあるものとする。

以下に、本発明による集積されたイオン化検出回路及び点火コイルドライバの２つの実施例、即ち、ＡＳＩＣと、単一電子パッケージとを説明する。本明細書で説明するデバイスは、類似の機能を１つのＡＳＩＣ内に、または電子モジュール内に組合わせることによって気筒内イオン化検出システムのコスト及び複雑さを低減し、パッケージングの制約を容易にする。

イオン化検出は、点火コイル１２の二次側１８を所定の電圧でバイアスし、二次コイル１８及びスパークプラグ１４回路を通って流れる電流のレベルの変化を読むことによって達成される。電流の流れのレベルは低いので、信号の雑音に対する免疫を増加させるために増幅する必要がある。コイル１２をバイアスし、増幅を達成するために使用する回路は、シリコン内に容易に配置することができるデバイスで構築される。

回路を１片のシリコン上にパッケージすることの１つの長所は、シリコンの特性によって、センス抵抗に熱を発生させずにＩＧＢＴを横切って流れる電流に比例する電流を戻すことができる“スマート”ＩＧＢＴを作ることができることである。第２の長所は、イオン化電流信号に一致させるように電流信号をスケールすることができ、それによってそれらを１つの信号として送り返すことができることである。

点火制御イオンセンス（ＩＣＩＳ）ＡＳＩＣデバイスは、イオン化検出回路８０と、点火制御回路７５とを１つのＡＳＩＣ内に組合わせたものである。シリコン内に複製できるデバイスからなるイオン化検出回路８０と、既に入手可能な“スマート”ＩＧＢＴシリコン設計との組合わせが、１つのシリコンデバイス内にＩＣＩＳを作り出す。これは、単一のチップ、並びに複数のチップ（チップの積み重ね、またはチップ横並べ）を含む。ＩＣＩＳは、パワートレイン制御モジュールＰＣＭ内に、パワートレイン制御モジュールＰＣＭの外部に分離したモジュールとして（ＤＩＣＩＳ参照）、または点火コイル１２内／上に配置することができる。

離散点火イオンセンスパッケージ（ＤＩＣＩＳ）は、イオン化検出回路８０と、点火制御回路７５とを１つの電子パッケージ内に組合わせたものである。離散した形状のイオン化検出回路８０と、“スマート”ＩＧＢＴとを組合わせて、“ダム”（dumb）ＩＧＢＴとを組合わせて、または付加的な制御及び保護を有する“ダム”ＩＧＢＴとを組合わせて、１つの電子パッケージ内にＤＩＣＩＳが作られる。これは、単一の基体、並びに多重基体設計を含む。ＤＩＣＩＳは、点火コイル１２内／上に、点火コイル１２の付近に、またはビークル内に都合良く配置された他のパッケージ内に配置することができる。

図３５は、４ピンだけしか有していない回路を示しており、この回路は時間多重化を使用することによって、チャージ電流フィードバック信号１０２とイオン化信号１００とを１つのピン上の１つの信号として送り返すことを可能にしている。

図５２及び５３は、ＡＳＩＣ（ＩＣＩＳ）オプション（図５２）、及び単一エレクトロニクスパッケージオプション（ＤＩＣＩＳ）（図５３）のための本発明の論理ブロック図である。図５２及び５３の両図には、電流シンク９４、保護制限Ｕ１、増幅器Ｕ２、及びベースＩＧＢＴ２２を含むコイルドライバ回路７５が示されている。更に、カレントミラー３０、電源２０、及びキャパシタ２８を含むイオン化検出器８０も示されている。また、抵抗２４及び４４、スパークプラグ１４、一次巻線１６及び二次巻線１８を有する点火コイル１２、増幅器Ｕ３、及びアナログマルチプレクサも示されている。電流シンク９４は、電圧スパイクの形状の雑音を除去する。電圧スパイクは、高電圧であるが持続時間が短い。電流シンクは、これらのスパイクがＩＧＢＴをターンオンさせるのを防ぐ。しかしながら、電流シンク９４は、ＩＧＢＴ命令信号が通過するのを許容する。

図５４は、電流シンク９４の回路図である。

ＡＳＩＣオプション
点火制御イオンセンスＡＳＩＣ（ＩＣＩＳ）パッケージ８１は、ＩＧＢＴドライバ、ＩＧＢＴドライバ制御、及びイオンセンス用電流フィードバック回路が集積されていることを特徴とする。全ての能動回路は、点火コイル内に集積された１つのシリコンデバイス内に含まれている。ＩＣＩＳ ＡＳＩＣは、コイル上に、コイル付近に、または電流コイルドライバＩＣの代わりにＩＣＩＳ ＡＳＩＣは、コイル上に、コイル付近に、またはパワートレイン制御モジュールＰＣＭ内の電流コイルドライバＩＣの代わりに配置することができる。

燃焼監視用コイル（ＣＭＣ）は、１）電力Ｂ＋、２）ＩＧＢＴのオン／オフ及び電流フィードバック信号の源を制御する制御（Ｖ_IN）、３）ＩＧＢＴがオンの時にはコイル電流を指示し、ＩＧＢＴがオフの時にはイオン電流を指示する電流フィードバック（１００、１０２、１０６）、及び４）接地の４ピンインタフェースを有している。

単一エレクトロニクスパッケージオプション
離散点火制御イオンセンス（ＤＩＣＩＳ）パッケージ８３は、ＩＧＢＴドライバ及びイオンセンス用電流フィードバックが集積されていることを特徴とする。全ての能動回路は離散しており、１つの電子パッケージ内に含まれている。パッケージは、コイル上に、またはコイル付近に配置することができる。

燃焼監視コイル（ＣＭＣ）は、１）電力Ｂ＋、２）ＩＧＢＴのオン／オフ及び電流フィードバック信号の源を制御する制御（Ｖ_IN）、３）ＩＧＢＴがオンの時にはコイル電流を指示し、ＩＧＢＴがオフの時にはイオン電流を指示する電流フィードバック（１００、１０２、１０６）、及び４）接地の４ピンインタフェースを有している。

セクションＫ：チャージポンプを使用することによって気筒内イオン化検出用安定化電源を得るデバイス
内燃機関のイオン化電流は、機関の失火、ノック、点火のタイミング及び持続時間等を診断するために使用することができる。巧緻な信号調整処理によって、個々の気筒の燃焼特性も得ることができる。従って、機関の燃焼プロセスを精密に監視し、閉ループで制御することができる。燃焼プロセス中に生成される気筒内イオンを検出するためには、スパークプラグギャップ間に直流バイアス電圧を印加する必要がある。直流バイアスを生成するには、２つの方法がある。１つは普通の直流電源（大きいエレクトロニクス）を使用することであり、他は一次または二次フライバック電圧によってキャパシタ（高電圧キャパシタ）を充電することである。両アプローチ共、直流電源のサイズが大きく且つ高電圧キャパシタの信頼性が低いことから、点火コイル上にイオン化回路を集積するという要求を満足させることができない。本発明のこの特色は、イオン化電流を測定するための十分な直流バイアス電圧を供給する高電圧チャージポンプを使用する。

典型的には、イオン化検出回路へ電流を供給するキャパシタを充電するために、フライバック電圧を使用する（セクションＧ参照）。このためには、高電圧キャパシタを使用する必要がある。一般的に、セラミックキャパシタが使用される。しかしながら、温度は変動し、キャパシタが取付けられている基板は撓む恐れがあるので、セラミックキャパシタが割れて障害を惹起することがある。本発明においては、イオン化電流バイアス電圧源は、チャージポンプである（図５５参照）。

図５５は、チャージポンプ９８を使用するブローアップサンプルバイアス電圧回路を用いるイオン化検出回路８０の例を示している。チャージポンプ回路９８は、Ｂ＋端子上の直流12Ｖを90乃至100Ｖのパルス列に変換する。チャージポンプ出力９９におけるパルス列のパルス繰り返し周波数は500ｋＨｚである。

好ましい実施例では、チャージポンプ回路９８内にモデル番号MIC4827 ＥＬドライバ（Ｕ５）を使用している。これは、Micrel製である。以下の表１は、チップ（Ｕ５）のピン構成、及びそれらの機能の説明を含んでいる。

MIC4827 ＥＬドライバ（Ｕ５）は、ブースト段及びＨブリッジの２段からなる。ブースト段は、入力電圧を＋90Ｖまでステップアップする。MIC4827は、ブースト段及びＨブリッジ段のための別個の発振器を使用していることが特徴である。外部抵抗によって、各段の動作周波数は独立的に設定される。

好ましい実施例では、キャパシタＣ_IN＝10μＦ、キャパシタＣ_OUT＝0.033μＦ／100Ｖ、Ｄ３はモデル1N4148ダイオードであり、Ｌ１は220μＨのインダクタであり、抵抗Ｒ７＝322ｋΩ、そして抵抗Ｒ６＝3.32ＭΩである。

直流バイアス電圧としてチャージポンプ９８を使用することは、幾つかの利点を有している。第１に、イオンバイアス電圧用電源としての高電圧キャパシタを排除すれば（セクションＧ参照）コストが削減され、信頼性が改善される（ハッシュ環境におけるキャパシタの割れが回避される）。更に、サイズが縮小することによって利用可能な空間が多くなり、ペンシル及びＣＯＰ（コイル・オン・プラグ）コイルの両者のために有用である。加えて、キャパシタをフライバック電圧によって充電する場合のキャパシタバイアス電圧は（セクションＧ参照）、キャパシタを完全に充電するまでに数点火イベントを必要とする。また、機関始動動作中にイオン化電流を検出できるようにするためには、キャパシタを充電してイオンバイアス電圧を準備するのに数点火が必要である。チャージポンプを使用すれば、この要求を排除することができる。更にまた、チャージポンプは、イオン化検出回路の残余と共にシリコン片上に容易に製造することができるから（セクションＥ参照）、この特色は、高価な高電圧小型キャパシタを使用する場合に比してコストを大幅に削減する。

以上に、本発明の好ましい実施例を詳細に説明したが、本発明は本発明の思想及び範囲から逸脱することなく容易に変更可能であることから、以上の説明が本発明を限定するものではなく単なる例示に過ぎないことを理解されたい。

イオン化フィードバック及び制御システムを示す図である。 イオン化信号のグラフである。 二次信号とイオン化信号とを比較する図である。 プラグが汚れ、絶縁物が過熱した場合のイオン化信号のグラフである。 イオン化信号に及ぼす早点火の効果を示す図である。 点火効率を監視する方法の実施例が辿る諸ステップの診断フローチャートである。 イオン化信号を使用して点火を診断する実施例が辿る諸ステップのフローチャートである。 内燃機関の燃焼室においてイオン化電流を測定するための回路の電気回路図である。 （ａ）はＰＣＭからＩＧＢＴへの制御信号Ｖ_INを時間の関数として示すグラフであり、（ｂ）は点火コイルの一次巻線を通る電流Ｉ_PWを時間の関数として示すグラフであり、そして（ｃ）は正常の燃焼イベント中に得られる出力電圧信号Ｖ_OUTを時間の関数として示すグラフである。 直列４気筒機関の典型的なセットアップを示す図である。 近代的な自動車用機関の４行程サイクル動作を示す図である。 機関の弁列を示す図である。 カムシャフト上に取付けられているローブを示す図である。 プッシュロッド弁伝導装置及びオーバーヘッドカムシャフトを示す図である。 機関クランクシャフト上の４行程の重なりを示す図である。 イオン化電流検出セットアップを示す図である。 典型的なイオン化信号を示す図である。 ４気筒機関の動作サイクルの行程対クランク角度（°）を示す図である。 最適スパークエネルギレベルを示す図である。 休止タイミングを示す図である。 気筒圧力に対するスパークタイミングを示す図である。 部分的チャージを使用するイオン化気筒識別を示す図である。 スパークが発生したか否かを決定するサンプリング方法を示す図である。 スパークが発生したか否かを決定するエネルギ積分装置を示す図である。 気筒内でスパークが発生したか否かを決定する時に辿る諸ステップのフローチャートである。 スパークが発生したか否かを決定するためのエネルギ積分装置が辿る諸ステップのフローチャートである。 複数の全ての気筒がクランクシャフト上の所与の位置においてスパークしているが、実際には１つの気筒だけが圧縮中であることを示す図である。 スパーク持続時間を使用するイオン化気筒識別を示す図である。 サンプルホールド回路を有するエッジ検出型タイマを示す図である。 比較及び積分回路を示す図である。 比較及び積分回路が辿る諸ステップのフローチャートである。 エッジ検出を使用してスパーク持続時間を決定する時に使用される諸ステップのフローチャートである。 （ａ）は集積されたコイルドライバ及びイオン化検出回路を有する点火コイルの上面図であって、回路はコイルのトップに配置されており、そして（ｂ）は集積されたコイルドライバ及びイオン化検出回路を有する点火コイルの側面図であって、回路はコイルのトップに配置されている。 集積されたコイルドライバ及びイオン化検出回路を有する点火コイルを示す図であって、回路はコイルの側に配置されている。 集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステムを示す図である。 （ａ）はチャージ命令信号Ｖ_INを示す図であり、（ｂ）は検出されたイオン化電圧を示す図であり、そして（ｃ）はチャージ電流フィードバック信号と共に多重化されたイオン化電圧を示す図である。 集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステムの回路図である。 集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステムの実施例が辿る諸ステップを示すフローチャートである。 点火コイルの回路図である。 点火コイルのチャージングを示す図である。 点火コイルチャージングプロファイルを示す図である。 点火コイルディスチャージングを示す図である。 エネルギ蓄積キャパシタが一次巻線から充電される様を示す図である。 エネルギ蓄積キャパシタが二次巻線から充電される様を示す図である。 過剰点火コイル漏洩及び磁化エネルギを取り入れることによって、気筒内イオン化検出のための安定化電源を得る回路の回路図である。 高電圧キャパシタの充電を示す図である。 高電圧キャパシタの放電を示す図である。 過剰点火コイル漏洩及び磁化エネルギを取り入れることによって、気筒内イオン化検出のための安定化電源を得る回路の実施例が辿る諸ステップのフローチャートである。 イオン化及びチャージ電流を多重化する集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステムの回路図である。 （ａ）はチャージゲート信号及び差比較ゲート信号を示す図であり、（ｂ）は検出されたイオン化信号及びチャージ電流フィードバック信号を示す図であり、そして（ｃ）はチャージ電流フィードバック信号と共に多重化された差イオン化信号を示す図である。 パッケージのピン数を２本だけ減少させた集積されたコイルドライバ及びイオン化検出サブシステムの実施例が辿る諸ステップを示すフローチャートである。 ＡＳＩＣ（ＩＣＩＳ）オプション用の本発明の論理ブロック図である。 単一エレクトロニクスパッケージ（ＤＩＣＩＳ）オプション用の本発明の論理ブロック図である。 電流シンクの回路図である。 バイアス電圧源としてチャージポンプを使用するイオン化検出回路の回路図である。

符号の説明

１０ イオン化電流検出回路
１２ 点火コイル
１３ コア
１４ 点火（スパーク）プラグ
１６ 一次巻線
１８ 二次巻線
２０ 電池
２２ ＩＧＢＴ
２４、２５、４０、４４ 抵抗
２６、４２ ダイオード
２８ キャパシタ
３０ カレントミラー回路
３２、４６ ツェナーダイオード
３４、３６ ｐｎｐトランジスタ
３８、４８ ノード
５０、５５ コネクタ
６０ カバー
６５ クリップコネクタ
７０ 印刷配線基板
７１ コネクタブレード
７２ コイルドライバ及びイオン化検出サブシステム
７５ ドライバ回路
８０ イオン化検出回路
８１ 点火制御イオンセンス（ＩＣＩＳ）ＡＳＩＣ
８２ イオン化検出回路の出力ノード
８４ チャージ電流フィードバック信号ノード
８５、８６ 増幅器
９０ 点火コイルサブシステム
９２ ゲート信号再生回路
９３ 差比較回路
９４ 電流シンク
９８ チャージポンプ
９９ チャージポンプの出力
１００ イオン化電流
１０２ チャージ電流フィードバック信号
１０５ バイアス電圧
１０６ 差イオン化信号
１０８ 差比較回路の出力
１１０ 点火システム
１２０ 二次電圧
１３０ 電流波形
１４０ 一次コイル
１４６ 一次チャージタイミング
１５０ チャージ持続時間
１６０ 点火タイミング
１７０ 点火持続時間
１９０ 早点火
１９７ （汚れまたは過熱）警告信号
２０１ ローブ
２０２、２６６ カムシャフト
２０３ プッシュロッド弁伝導装置
２０４ オーバーヘッドカムシャフト
２０５ ロッカー
２０６ タペット隙間
２０７、２１０ カムシャフト
２０８ クランクシャフトスプロケット
２０９ カム
２１１ タペット
２１２ 入口弁
２１３ 排気弁
２１４ プッシュロッド
２６１ ばね
２６２ ロックナット
２６３ ロッカーシャフト
２６４ カム
２６５ 弁
２６７ カムシャフトスプロケット
２６８ バケットタペット
２６９ 弁ばね
２７０、２７２ テンショナー
２７１ スプロケット
２７３ クランクシャフトスプロケット
２７４ 排気弁
２７５ 入口弁
２７６ 弁ばね
２７７ バケットタペット
２７８ スプロケット
２７９ カムシャフト
２８０ イオン化検出機構
２８１ コイル
２８２ イオン処理モジュール
２８３ 圧力
２８４、２９０ イオン化信号
４００ タイマ
４０５ クロック信号
４１０ ウィンドウ信号
４１５ 立ち上がりエッジ検出器
４２０ 立ち下がりエッジ検出器
４２５ フリップフロップ
４３０、４６２ サンプル・ホールド回路
４４０ コンパレータ
４４５、４５０ 積分器
４５５ スイッチ
４６０ メモリ
９７５ 燃料トリムベクトル
１０００ 閉ループ常温始動遅らせ制限制御
１３００ 個々の気筒のＡ／Ｆ比制御
１４０４ ノック信号
１４１４ 失火信号
１４３０ 閉ループＭＢＴスパーク制御
１４３５ ＭＢＴ信号
１４５０ 閉ループ早め制限制御
１４６０ 閉ループ失火部分燃焼遅らせ制限制御
１４８０ スパークタイミング
１４９０、１４９５ 閉ループＭＢＴスパーク制御
１６００ ＥＧＲ比最適化
１６３０ 所望ＥＧＲ比
１８００ パラメータ推定
１９００ ＷＯＴ Ａ／Ｆ比最適化

Claims (5)

1. 離散した点火制御及びイオン化検出回路を集積した点火システムであって、
   第１及び第２の端を有する一次巻線、及び第１及び第２の端を有する二次巻線を含む点火コイルと、
   上記一次巻線の第２の端に接続されている第１の端を有するコイルドライバ回路と、
   上記一次巻線の第２の端に接続されている第１の入力及び上記二次巻線の第１の端に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力、及び１つの出力を有するイオン化検出回路と、
   上記二次巻線の第２の端と、接地との間に接続されている点火プラグと、
   上記コイルドライバ回路の命令入力と接地との間に接続されている離散したバイポーラ接合トランジスタを含む電流シンクと、
   を備え、
   上記イオン化検出回路の出力に接続されている第１の入力及び上記コイルドライバ回路の第２の端に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力、及びイオン化信号とチャージ電流フィードバック信号との間で多重化される１つの出力を有するスイッチと、
   上記スイッチの出力に接続されている入力、及び出力を有する増幅器と、
   を更に備えていることを特徴とする集積点火システム。
2. 離散した点火制御及びイオン化検出回路を集積した点火システムであって、
   第１及び第２の端を有する一次巻線、及び第１及び第２の端を有する二次巻線を含む点火コイルと、
   上記一次巻線の第２の端に接続されている第１の端を有するコイルドライバ回路と、
   上記一次巻線の第２の端に接続されている第１の入力及び上記二次巻線の第１の端に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力、及び１つの出力を有するイオン化検出回路と、
   上記二次巻線の第２の端と、接地との間に接続されている点火プラグと、
   上記コイルドライバ回路の命令入力と接地との間に接続されている離散したバイポーラ接合トランジスタを含む電流シンクと、
   を備え、
   上記イオン化検出回路は、
   上記一次巻線の第２の端に接続されている第１の端を有するキャパシタと、
   上記二次巻線の第１の端に接続されている第１の端子及び上記キャパシタの第１の端に接続されている第２の端子を有するカレントミラーと、
   を備えていることを特徴とする集積点火システム。
3. 離散した点火制御及びイオン化検出回路を集積した点火システムであって、
   第１及び第２の端を有する一次巻線、及び第１及び第２の端を有する二次巻線を含む点火コイルと、
   上記一次巻線の第２の端に接続されている第１の端を有するコイルドライバ回路と、
   上記一次巻線の第２の端に接続されている第１の入力及び上記二次巻線の第１の端に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力、及び１つの出力を有するイオン化検出回路と、
   上記二次巻線の第２の端と、接地との間に接続されている点火プラグと、
   上記コイルドライバ回路の命令入力と接地との間に接続されている離散したバイポーラ接合トランジスタを含む電流シンクと、
   を備え、
   上記イオン化検出回路の出力に接続されている第１の入力及び上記コイルドライバ回路の第２の端に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力、及びイオン化信号とチャージ電流フィードバック信号との間で多重化される出力を有するマルチプレクサと、
   上記マルチプレクサの出力に接続されている入力、及び出力を有する増幅器と、
   を更に備えていることを特徴とする集積点火システム。
4. 上記コイルドライバ回路の命令入力に接続されているチャージゲート入力ピンと、
   接地ピンと、
   上記一次巻線の第１の端に接続されている電池電源ピンと、
   上記増幅器の出力に接続されている出力ピンと、
   を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の集積点火システム。
5. 上記イオン化検出回路の出力に接続されている第１の入力及び上記コイルドライバ回路の第２の端に接続されている第２の入力を含む少なくとも２つの入力、及びイオン化信号とチャージ電流フィードバック信号との間で多重化される１つの出力を有するスイッチと、
   上記スイッチの出力に接続されている入力、及び出力を有する増幅器と、
   上記コイルドライバ回路の命令入力に接続されているチャージゲート入力ピンと、
   接地ピンと、
   上記一次巻線の第１の端に接続されている電池電源ピンと、
   上記増幅器の出力に接続されている出力ピンと、
   を更に備えていることを特徴とする請求項２に記載の集積点火システム。

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