JP4494264B2 - 内燃機関点火装置 - Google Patents

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Description

この発明は排気ガス対策や燃費向上のために有効な燃料直噴内燃機関などに要求される高出力エネルギー内燃機関点火装置、特に内燃機関の燃焼により生じるイオン量の変化を検出することにより少なくとも内燃機関の失火及びノッキングの発生を検知する内燃機関の燃焼状態検出装置と組み合わされるに最適な内燃機関点火装置に関するものである。
従来より、内燃機関点火装置は、電流遮断方式の点火装置が多用されているが、近年の排気ガス対策や燃費向上のための高圧縮リーン燃焼に適合するには、その放電電流の形態によるエネルギー不足があるために、ダブルスパーク点火装置やマルチスパーク点火装置あるいは交流スパーク点火装置が提案されている。一方、内燃機関の燃焼状態検出装置は、連続的な失火を検出し、内燃機関の取り扱い者に警告を示すために、失火時における内燃機関の回転数の変動をセンサにて検知する回転変動方式の失火検出機能が提案されている。
また、イオン電流による内燃機関の燃焼状態検出装置は、回転変動方式では失火検出精度が落ちる多気筒エンジンにおいても優れた失火検出性を示し、気筒毎の失火検出も可能であり、従来より種々提案されているが、高エネルギー点火装置は一般的に放電持続時間が長いことから、イオン検出開始時間が制約されるために相性が悪い。
図8は、従来の電流遮断方式の内燃機関点火装置であり、図9はその出力の点火栓の放電電流波形である。
図において、点火コイル1の一次線輪101の一方は電源2に、他方はスイッチング素子3に接続されており、スイッチング素子3は内燃機関制御ECUへの接続端子7を有する一次電流制御回路4によって制御され、当該制御回路の点火信号によってスイッチング素子3が電流遮断することにより、点火コイル1の二次線輪102に高電圧が誘起されてダイオード5を介して点火栓6に図9に示される放電電流形態の火花放電が行われる。ここでダイオード5の役割は、スイッチング素子3が通電開始した時に、電源2の電圧が一次線輪101に印加されて二次線輪102に電圧が1.5KV程度誘起されるが、このタイミングでは点火栓6に火花放電をさせないために設けられたものである。
図9において、点火コイル100の一次線輪101と二次線輪102の巻数比が少ない時にはイ、巻数比が多い時にはロの形態の放電電流が得られるが、何れも放電初期には放電電流が比較的大きい三角波であって、渦流の強い燃焼が行われる直噴内燃機関などにおいては、上記三角波の後半の電流は乱れが大きくなることにより、燃料の点火に殆ど寄与しない。
また、図10はイオン図8に示される内燃機関点火装置に、従来のイオン電流による内燃機関の燃焼状態検出装置を付加したものであり、図11はイオン電流の形態を示し、(a)図は正常なイオン電流検出波形、(b)図は失火時のイオン電流検出波形を示す図である。
図10において、点火コイル100の二次線輪102の高電圧側には点火栓6が接続され、低電圧側には定電圧ダイオード8とダイオード9の直列回路が接続されており、上記定電圧ダイオード8と並列にイオン検出電源を構成するためのキャパシタ10、ダイオード9にはレジスタ11とイオン検出回路12の入力端子の直列回路が各々並列に接続されてる。さらにイオン検出回路12の入力端子に保護用ダイオード13が接続されると同時に、出力端子は内燃機関制御ECUへの入力端子14に接続されている。
内燃機関の点火信号がECU出力端子7から出力されるとスイッチング素子3が電流遮断して、点火コイル100の二次線輪102の高電圧側がマイナスの電圧が発生し、点火栓6に火花放電を開始して流れる電流によって、ダイオード9を介してキャパシタ10に定電圧ダイオード8に制限される電荷が蓄積される。なお、ダイオード9はスイッチング素子3がターンオンした時の電圧をブロックして点火栓6に放電させないために設けられたもので、レジスタ11の抵抗値は十分に高く設定してあり、図8に示されるダイオード5の役割を有するものである。
図11に示される火花放電時間Tが過ぎると、キャパシタ10の電荷電圧が点火栓6に印加されていることにより、上記点火栓での火花放電による内燃機関内の燃焼による燃焼イオンのプラスイオンが内燃機関壁に、マイナスイオンが点火栓6の中心電極に捕集されて、(a)図に示されるイオン電流がイオン検出回路12で検出されて、入力端子14を経てECUに入力される。なお図で示されるイオン電流の小さくなる時間tは圧縮上死点であり、主として上死点を過ぎてからがイオン電流判別が行われている。なお、図(b)は失火時のイオン電流波形である。
近年の排気ガス対策では、内燃機関の始動時から高回転域に至るまでイオン電流の変化情報をきめ細かく収集して、空燃比をEGRと組み合わせて制御するシステムが望まれているために、上記のイオン電流での燃焼悪化状態やノッキングを検出するには上死点を過ぎてから15度付近もしくはそれ以降がイオン電流判別の重要な時間帯であることが確かめられてきたが、当該判別時間を確保する一方では、リーン燃料での燃料直噴内燃機関などに対応するために、イオン電流による制御以前の問題として高出力エネルギーの点火装置が望まれているが、汎用の高出力エネルギーの点火装置を用いた場合は、図11に示される火花放電時間Tが長くなり、イオン電流検出に必要な十分な時間が取れないと云う問題があった。
一般的な電流遮断方式の点火装置では段落0006に示したように、点火コイル100の一次線輪101と二次線輪102の巻数比で放電電流の多少の増加が得られるが、何れも放電初期には放電電流が比較的大きい三角波であって、渦流の強い燃焼が行われる直噴内燃機関などにおいては、上記三角波の後半の電流は乱れが大きくなることにより、燃料の点火に殆ど寄与しないと云う問題がある。
さらに、イオン電流によるきめ細かな情報を収集しようとするときに、点火栓6でマイナス放電の一方方向の電圧印加による火花放電では、点火コイル100と点火栓6の実装電気回路の漏洩キャパシタンス(一般的な実装状態では15pF程度)に火花放電終了後1〜3KV程度の電荷が残り、イオン電流検出期間中にコロナ放電などを伴うために、上記イオン電流情報を妨げる新たな問題として浮上してきている。
従って、高出力エネルギーの点火装置として、スイッチング素子3を点火タイミングで短時間にターンオフとターンオンを数回繰り返すものは、上記問題点を解決できない。また、交流点火装置は放電出力の終焉部を自由振動にすることにより漏洩キャパシタンスの残留電荷問題を解決できるが、交流にするための回路とイオン電流を検出するために独立した電源を設置して、点火出力時とイオン電流検出時に各々切り替える必要があるなど、煩雑な回路構成が必要である。
この発明の請求項1に係る内燃機関点火装置は、電源(2)と点火コイル(100)の一次線輪(101)およびスイッチング素子(3)の直列回路からなる電流遮断方式の点火装置において、
前記点火コイル(100)の一次側には前記スイッチング素子(3)のオン・オフ信号を作成する1次電流制御回路(4)を備え、前記スイッチング素子(3)と一次線輪(101)の間には前記スイッチング素子(3)の電流遮断時に発生する一次線輪の逆起電力の一部を一時的に蓄える点火補助キャパシタ(20)の一端が接続され、前記キャパシタ(20)の他端は前記電源(2)に接続され、前記1次電流制御回路(4)には前記点火補助キャパシタの電荷を前記一次線輪に瞬時に印加するスイッチング素子(19)のゲートが接続され、前記スイッチング素子(19)の一端は前記点火補助キャパシタ(20)の他端に接続され、前記スイッチング素子(19)のターンオフが前記点火コイル(100)の磁束の変化量が暫減してくるタイミングでなされることを特徴とする内燃機関点火装置としたことで、電流遮断方式の欠点である放電電流の終焉部分のふらつきの無い安定した火花放電が得られるものである。
この発明の請求項2に係る内燃機関点火装置は、点火補助キャパシタ(20)の電荷放電振動が少なくとも一サイクル行われる構成としたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置として、電流遮断方式の欠点である放電電流の終焉部分のふらつきの無い安定した火花放電が得ると同時に、点火コイルの二次線輪と点火栓の間の漏洩キャパシタンスの影響をキャンセルするものである。
この発明の請求項3に係る内燃機関点火装置は、点火補助キャパシタ(20)の電荷を点火コイル(100)の一次線輪(101)に瞬時に印加するタイミングが内燃機関の回転数によって、変化する構成としたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置として、内燃機関の運転状態に適合させたものである。
この発明の請求項4に係る内燃機関点火装置は、点火のタイミングであるスイッチング素子の電流遮断の瞬間から、点火補助キャパシタ(20)の電荷を点火コイル(100)の一次線輪(101)に印加するタイミングが、内燃機関の回転数1000rpmの時0.7ms乃至1.5ms、8000rpmの時0.5ms以内の勾配をもって変化する構成としたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置とし、内燃機関の各々の回転域に適合して十分な点火エネルギーが得られるように構成したものである。
この発明の請求項5に係る内燃機関点火装置は、点火コイル(100)の二次線輪(102)の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側に内燃機関の燃焼イオン検出回路を検出電源と共に構成したことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置として、前記の問題点を解決するものである。
この発明の請求項6に係る内燃機関点火装置は、点火コイル(100)の二次線輪(102)の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側に内燃機関の燃焼イオン検出回路を検出電源と共に構成し、イオン検出開始時間を少なくとも内燃機関実用回転域においてATDC(圧縮上死点後)15度程度としたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置として、前記の問題点を解決するものである。
この発明の請求項7に係る内燃機関点火装置は、点火コイル(100)の二次線輪(102)の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側に互いに逆向きに直列接続された少なくとも2本の定電圧ダイオード(8)(28)を有し、当該一方の定電圧ダイオード(8)に並列にキャパシタ(10)を接続して電源とし、上記直列接続点からレジスタ(11)を介して燃焼イオン検出回路に接続したことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置として、前記の問題点を解決するものである。
以上のように、この発明によれば、近年の排気ガス対策で要求されている内燃機関の始動時から高回転域に至るまでイオン電流の変化情報をきめ細かく収集して、空燃比をEGRと組み合わせて制御するシステムに対して、イオン電流での燃焼悪化状態やノッキングを検出するために必要なATDC15度程度までの判別時間を確保する一方、リーン燃料での燃料直噴内燃機関などに対応するために、イオン電流による制御以前の問題として高出力エネルギーの点火装置が望まれているが、汎用の高出力エネルギーの点火装置に、点火補助キャパシタとダイオードおよびSCR等のスイッチング素子を追加する程度で低回転数から高回転数までの広域に渡って、最大限の点火エネルギーを確保できると同時に、二次線輪と点火栓の間の漏洩キャパシタンスの帯電問題をも解決できるイオン電流制御に最適な内燃機関点火装置を得ることができるものである。
実施の形態1.
図1は請求項1乃至請求項4で記載したこの発明の第1の実施例であり、図2(a)と(b)はこの実施例の出力の点火栓6での放電電流波形である。
図8の従来の電流遮断方式の内燃機関点火装置に対し、電源と点火コイル100の一次線輪101の間にダイオード15が接続され、二次線輪102と点火栓6の間に接続されているスイッチング素子3のターンオン時の火花放電防止のダイオード5に替わって定電圧ダイオード16が接続されている。また、一次線輪101とスイッチング素子3の直列回路と並列に、キャパシタ17、ダイオード18とSCR19の直列回路が各々接続され、上記SCR19のゲートは一次電流制御回路7の出力端子に接続され、上記ダイオード18とSCR19の接続点は、点火補助キャパシタ20を介して一次線輪101とスイッチング素子3の接続点に接続されている。
スイッチング素子3が一次電流制御回路4のターンオン信号により、一次線輪101に電圧が印加されて、二次線輪102に電圧を誘起するが、点火栓6に印加される電圧は、定電圧ダイオード16の阻止電圧越えない、または越えても1KV以下の電圧に押さえられており、点火栓6に火花放電は行われない。次に、スイッチング素子3がターンオフすることににより一次電流が遮断されると、一次線輪101の逆起電力の一部がダイオード18を介して点火補助キャパシタ20を充電すると同時に、二次線輪102に高電圧を誘起して定電圧ダイオード16を介して点火栓6に火花放電を開始する。
火花放電電流は開始直後は数十ミリアンペアと比較的高いが、火花放電によるエネルギー消費により点火コイル100の磁束の変化量が暫減してくるタイミングで、一次電流制御回路4よりSCR19のゲートにターンオン信号が送られることにより、キャパシタ20の充電電荷は上記キャパシタ20の容量に比べて比較的大きな容量のキャパシタ17を介して再び一次線輪101に印加され、図2に示されるように、火花放電終焉部の電流を大きくすることができることにより、高圧縮リーン燃焼などの内燃機関をも容易に点火することができる。
上記キャパシタ20の放電電流の反転エネルギーは、SCR19をターンオフすると同時にダイオード18を介して電流が流れることにより、一サイクルで終了する。当該反転電流を押さえるためにダイオード18に直列にレジスタを挿入したり、定電圧ダイオード16の阻止電圧を変えることでキャパシタ20の火花放電の反転エネルギーを変更できることは説明するまでもない。
当該変転エネルギーは、点火コイル100の二次線輪102と点火栓6との間の漏洩キャパシタンスの電荷を放電でさせる目的のみのも使用できる。
勿論、点火コイル100の一次線輪101と二次線輪102の巻数比が小さく設定され、スイッチング素子3のターンオン時の二次線輪に誘起される電圧が1KVを下回る時は、ダイオード5や定電圧ダイオード16は不要である一方、キャパシタ20の反転エネルギーを完全阻止したい時は、通常のダイオード5が採用できる。
さらに、内燃機関の低速回転時には出力エネルギーを図2(a)に示される様に、放電持続時間を長くとり有効に活用し、高速回転時には図2(b)のように、放電持続時間を短くするなど、内燃機関回転数によって放電持続時間を制御することは、SCR19のターンオン・タイミングを制御することによって容易にできる。
実施の形態2.
図3は請求項1と請求項2で記載したこの発明の第2の実施例であり、第1の実施例のSCR19のターンオン・タイミングを一次電流制御回路4を介さずに固定化して簡略化したものである。
図3は図1の実施例に示されるものに、ダイオード18と直列にレジスタ21を接続し、さらに当該レジスタ21に並列にトリガー用のキャパシタ22と定電圧ダイオード23の直列回路が接続され、上記キャパシタ22と定電圧ダイオード23の接続点がSCR19のゲートに接続されており、SCR19のゲートとカソード間には保護用のレジスタ24とキャパシタ25が接続され、電源用のキャパシタ17には並列に放電用のレジスタ26が接続されている。
一次電流制御回路4の点火信号を受けてスイッチング素子3が、ターンオフすると一次線輪101の逆起電力の一部がレジスタ21とダイオード18を介してキャパシタ20に蓄積されると同時に、上記レジスタ21の電圧降下分の電荷が定電圧ダイオード23を介してトリガー用キャパシタ22に充電開始される。この間、二次線輪102に高電圧を発生し、定電圧ダイオード16を介して点火栓6に火花放電を開始する。
上記キャパシタ20の充電電流が飽和点に達すると、同時に充電されていたキャパシタ22の電荷は、レジスタ21を介してSCR19のゲートに放電印加されるようになり、閾値に達するとSCR19はターンオンしてキャパシタ17を介して一次線輪101にキャパシタ20の電荷を放電する。
実施の形態3.
図4は、図1で示される請求項1乃至請求項4で記載したこの発明の第1の実施例の変形実施例であり、第3の実施例である。
図1との相違点は、一次線輪101とスイッチング素子3の直列回路と並列にSCR19と点火補助キャパシタ20の直列回路を構成し、上記両直列回路の接続点間にダイオード18を接続していることである。
一次電流制御回路4の点火信号を受けてスイッチング素子3がターンオフすると、一次線輪101の逆起電力の一部はダイオード18を介してキャパシタ20に蓄積されると同時に、二次線輪102に高電圧を誘起して定電圧ダイオード16を介して点火栓6に火花放電を開始する。上記火花放電終焉近傍で一次電流制御回路4からスイッチング素子3に再度ターンオン信号を送ってスイッチング素子3が十分に通電状態の後、直ぐにSCR19のゲートにターンオン信号を送り、キャパシタ20の電荷を再び一次線輪101に印加することにより、点火栓6には最初の電流遮断による放電電流とは逆方向の放電電流が定電圧ダイオード16を介して流れる。
キャパシタ20の放電が終了するとスイッチング素子3には、ターンオフ信号が送られて、SCR19の通電時間より僅かに長く通電されて、次の通常の一次電流の通電タイミングまでターンオフ状態を保持する。当該スイッチング素子3には、当該キャパシタ20の放電路を形成するためだけの別のスイッチング素子を用いても良い。
上記キャパシタ20の放電出力は、定電圧ダイオード16の阻止電圧などにより放電初期と逆方向の火花放電を行うことの無いように、点火コイル100の二次線輪102側の漏洩キャパシタンスの電荷のキャンセルのみにも用いることができる。
実施の形態4.
図5は、請求項5乃至請求項7で記載した内燃機関の燃焼イオン検出回路を有し、この発明の第4の実施例であり、火花放電電流の放電持続時間は、内燃機関の回転数に反比例して短くなるように制御され、その基本放電波形を図6に、放電持続時間特性は図7に示される。
基本構成は、第1の実施例である図1と従来のイオン電流による内燃機関の燃焼状態検出回路を有する図10を合成したものであり、一部の相違点はイオン電流検出電源を構成するためのダイオード9に替えて定電圧ダイオード28としている。
内燃機関の点火信号がECU出力端子7から出力されるとスイッチング素子3がターンオフにより一次線輪101の電流を遮断して、一次線輪101の逆起電力の一部がダイオード18を介して点火補助用のキャパシタ20を充電すると同時に、点火コイル100の二次線輪102に高電圧側がマイナスの電圧が発生し、点火栓6に図6で示される火花放電で流れる電流によって、定電圧ダイオード28を介してキャパシタ10に定電圧ダイオード8に制限される電荷が蓄積される。引き続いて、一次電流制御回路4は図7で示される内燃機関の回転数が低いときには遅く、回転数が高いときには早いタイミングで出る略斜線部のタイミングの出力信号を受けて、SCR19がターンオンすることによって上記キャパシタ20の電荷はキャパシタ17を介して放電し、低回転数の時には放電電流終焉時の電流を加算して放電持続時間を伸ばし、高回転時の時には点火コイルの磁束変化を早期に収束することで放電時間を短く制御すると同時に、キャパシタ20の転流エネルギーを定電圧ダイオード28を介して印加することにより、点火コイル100の二次線輪102と点火栓6の間の漏洩キャパシタンスによる帯電をキャンセルする。
その後、キャパシタ10の電荷電圧がイオン電流検出電源となり、点火栓6に引き続き印加されて、内燃機関の回転数に関わりなく、種々燃焼情報を得るために必要なATDC(圧縮上死点後)15度を確保したイオン電流の変化がイオン検出回路12に取り込まれる。
上記イオン電流情報を有効に検出するためには、ATDC15度程度までを観測する必要があり、そのために点火放電時間は、内燃機関の回転数1000rpmでは、0.7ms乃至1.5ms、8000rpmでは0.5ms以内の勾配を有する放電時間程度で終了することが望ましい。
なお、これまでに説明した実施例では省略したが、当該発明の内燃機関点火装置には、スイッチング素子3に電流制限回路構成を付加したり、一次線輪101の逆起電力制限のための保護素子を付加できることは説明するまでもない。
発明の実施の形態1を示す図。 発明の実施の形態1の出力放電電流波形図。 発明の実施の形態2を示す図。 発明の実施の形態3を示す図。 発明の実施の形態4を示す図。 発明の実施の形態4の出力放電電流波形図。 発明の実施の形態4の回転数と放電時間の特性図。 従来の電流遮断方式の点火装置。 従来の点火装置の出力放電電流図。 従来のイオン電流検出回路を有する点火装置。 イオン電流検出波形図。
符号の説明
1 点火コイル
2 電源
3 スイッチング素子
4 一次電流制御回路
5 ダイオード
6 点火栓
7 接続端子
8 定電圧ダイオード
9 ダイオード
10 キャパシタ
11 レジスタ
12 イオン検出回路
13 保護用ダイオード
14 入力端子
15 ダイオード
16 定電圧ダイオード
17 キャパシタ
18 ダイオード
19 SCR
20 キャパシタ
21 レジスタ
22 キャパシタ
23 定電圧ダイオード
24 レジスタ
25 キャパシタ
26 レジスタ
28 定電圧ダイオード
100 点火コイル
101 一次線輪
102 二次線輪

Claims (7)

  1. 電源(2)と点火コイル(100)の一次線輪(101)およびスイッチング素子(3)の直列回路からなる電流遮断方式の点火装置において、
    前記点火コイル(100)の一次側には前記スイッチング素子(3)のオン・オフ信号を作成する1次電流制御回路(4)を備え、
    前記スイッチング素子(3)と一次線輪(101)の間には前記スイッチング素子(3)の電流遮断時に発生する一次線輪の逆起電力の一部を一時的に蓄える点火補助キャパシタ(20)の一端が接続され、
    前記キャパシタ(20)の他端は前記電源(2)に接続され、
    前記1次電流制御回路(4)には前記点火補助キャパシタの電荷を前記一次線輪に瞬時に印加するスイッチング素子(19)のゲートが接続され、
    前記スイッチング素子(19)の一端は前記点火補助キャパシタ(20)の他端に接続され、
    前記スイッチング素子(19)のターンオフが前記点火コイル(100)の磁束の変化量が暫減してくるタイミングでなされることを特徴とする内燃機関点火装置。
  2. 点火補助キャパシタ(20)の電荷放電振動が少なくとも一サイクル行われる構成としたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置。
  3. 点火補助キャパシタ(20)の電荷を点火コイル(100)の一次線輪(101)に瞬時に印加するタイミングが内燃機関の回転数によって、変化する構成としたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置。
  4. 点火のタイミングであるスイッチング素子の電流遮断の瞬間から、点火補助キャパシタ(20)の電荷を点火コイル(100)の一次線輪(101)に印加するタイミングが、内燃機関の回転数1000rpmの時0.7ms乃至1.5ms、8000rpmの時0.5ms以内の勾配をもって変化する構成としたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置。
  5. 点火コイル(100)の二次線輪(102)の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側に内燃機関の燃焼イオン検出回路を検出電源と共に構成したことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置。
  6. 点火コイル(100)の二次線輪(102)の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側に内燃機関の燃焼イオン検出回路を検出電源と共に構成し、イオン検出開始時間を少なくとも内燃機関実用回転域においてATDC(圧縮上死点後)15度程度としたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置。
  7. 点火コイル(100)の二次線輪(102)の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側に互いに逆向きに直列接続された少なくとも2本の定電圧ダイオード(8)(28)を有し、当該一方の定電圧ダイオード(8)に並列にキャパシタ(10)を接続して電源とし、上記直列接続点からレジスタ(11)を介して燃焼イオン検出回路に接続したことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関点火装置。
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