JP4598502B2 - 内燃機関用イオン電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のイオン電流検出装置に関し、特に、燃焼室に発生する微小なイオン電流を精度よく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において、燃焼室の爆発燃焼により発生するイオン電流を検出する各種のイオン電流検出装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平０４−１９４３６７号公報

図５は、特許文献１に開示されたイオン電流検出装置について、その回路構成を図示したものである。このイオン電流検出装置では、点火プラグＰＬＵＧの放電動作によって、燃焼室内で燃料を爆発燃焼させると共に、コンデンサＣを充電させている。そして、燃焼室に発生するイオン電流は、その後、コンデンサＣの放電電流と共に検出抵抗Ｒから検出される。

このようにして検出されたイオン電流によって燃焼状態の適否を判別することが可能となり、例えば、ノッキングの解消やその他の燃焼制御も可能となると期待されている。

しかしながら、イオン電流検出装置から得られるイオン電流は、数μＡレベルの微小値であるため、図５のような回路構成のままでは、イオン電流を安定的に高精度に検出することはできないとい問題点があった。

すなわち、自動車運転中に、ヘッドライトの灯火や、ファンモータの起動や、或いは、ホーンの投入などによって電機負荷が急に変化すると、大きく変動する電流や磁界に対応して高周波ノイズが発生することになり、検出回路の出力に本来のイオン電流とは無関係のノイズ信号が重畳するので、イオン電流の信頼性が大きく損なわれることになる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、内燃機関の運転状態の変化に影響されることなく、安定的で信頼性の高いイオン電流検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、電子制御によって一次電流がオンオフ制御される一次コイルと、一次コイルの外周面側に嵌合される外装鉄心と、一次コイルに内挿され一次コイルと電磁結合して点火プラグに高電圧を供給する二次コイルと、二次コイルに内挿されるセンタコアと、点火プラグの点火動作に基づく燃焼動作によって燃焼室に発生したイオン電流を検出する検出回路と、一次コイルと二次コイルを内包するコイルケースと、を備える内燃機関用イオン電流検出装置であって、前記検出回路では、二次コイルに直列接続されたバイアス電源用のコンデンサが、点火プラグの放電時に二次コイルを経由して充電され、その後、二次コイルを経由して放電するとき、点火プラグのイオン電流が検出されるよう構成され、外装鉄心、一次コイル、二次コイル、及びセンタコアを、コイルケースに同心円状に収容して、外装鉄心とセンタコアとで磁気通路を形成する構成において、コイルケースを電気絶縁性の樹脂材料で構成すると共に、コイルケースの外周面側、内周面側、又は内部のいずれか一箇所以上に、導電性部材を配置することを特徴とする。

本発明では、コイルケースに導電性部材が配置されているので、高周波の外乱ノイズがコイルケースより内側に進入しようとしても、導電性部材での反射と吸収によって、外乱ノイズの高周波成分を有効に減衰させることができる。言い換えると、本発明では、導電性部材の存在によって電磁シールド効果が発揮される。

本発明は、より具体的には(a)樹脂材料によるコイルケースに、芯材として導電性金属板を内包させる、(b)樹脂材料によるコイルケースに、ワイヤ・メッシュ、エキスパンド・メタル、パンチング・メタルなどの導電性の金網を内包させる、(c)樹脂材料によるコイルケースの内周又は外周に、導電性の金属板や金網を配置する、(d)樹脂材料によるコイルケースの内周又は外周に導電膜を設ける、(e)樹脂材料によるコイルケースの内周又は外周に、導電性のテープや金属箔を設ける、(f)コイルケースの内側に位置する最外部の部材の外表面に、導電性のテープなどを巻いて導電層を設けるなどの構成によって実現される。

なお、導電性のテープとしては、銅テープ、アルミニウムテープが典型的であり、金属箔としては銅箔が典型的である。また、コイルケースの内側に位置する最外部の部材としては、内外二重に配置された外側コイルの外周を覆う磁性材（実施例では外装鉄芯）が典型的である。

導電性部材として金属板や金網を使用する場合には、導電性に加えて高透磁率性を有する金属（例えば鉄系の金属）を使用するのが好適である。高透磁率の金属を使用すると、コイルケース外部から進入する磁束を、コイルケースの高透磁率の部分に集中させることで、他の部分を通過する磁束を抑制することができ、磁気シールド効果を発揮させることができる。

コイルケースは、車体や電源ラインのアース端子にグランド接地するのも好適であり、この場合には、静電シールドの効果が合わせて発揮される。

前記の発明によれば、内燃機関の運転状態の変化に影響されることなく、安定的で信頼性の高いイオン電流検出装置を実現することができる。

以下、実施例に基づいて、本発明の実施の形態をより具体的に説明する。図１（ａ）は、実施例に係る点火コイルＣＬの概略構成を示す部分断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ概略断面図を拡大したものである。

この点火コイルＣＬは、プラスチック金型によって一体成形されるコイルケース１（１ａ，１ｂ，１ｃ）と、コイルケース１の下端部に嵌合されるゴム製のプラグキャップ２と、コイルケース１に内挿される一次コイル部３と、一次コイル部３に内挿される二次コイル部４と、二次コイル部４に内挿されるセンタコア部５と、一次コイル部３の外周に弾発的に嵌合される外装鉄心６と、コイルケース１の上部に収容される接続部７とを中心に構成されている。

コイルケース１は、詳細には、円筒状のケース本体部１ａと、接続部７を収容するケース基端部１ｂと、二次コイル部４から高圧を受ける高圧端子９や点火プラグに高圧を伝えるスプリング１０などを保持するケース先端部１ｃとで構成されている。コイルケース１は、その素材が特に限定されないが、この実施例では、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）や、変性ＰＰＯ（変性ポリフェニレンオキサイド）などの熱可塑性合成樹脂が使用される。

このようなコイルケース１の中に、一次コイル部３、二次コイル部４、及びセンタコア部５は同心円状に位置決めされて、各部の空隙を無くすべく熱硬化性エポキシ樹脂８が真空注入されて硬化されている。なお、接続部７を収容したケース基端部１ｂも含めて、熱硬化性エポキシ樹脂が充填されている。

本実施例の場合、円筒形のケース本体部１ａには、略円筒形状の鉄材２４が埋め込まれている（図１（ｂ）参照）。この鉄材２４は、導電性と共に高い透磁率を有しているので、高周波電磁ノイズに対する電磁シールド材として機能すると共に、低周波の磁界に対しては磁気シールド材として機能する。したがって、電機負荷の急変などによって高周波ノイズが発生しても、高周波ノイズは、鉄材２４によってシールドされてケース内部への進入が防止され、イオン電流の検出に悪影響を与えない。

図２に示すように、ケース基端部１ｂは、一方側（図１の左側）が矩形状に切り欠かれた略円筒形状であり、他方側（図１の右側）には金属管１１ａを内装した取付穴１１が設けられている。なお、この取付穴１１は、この点火コイルＣＬをエンジンなどのシリンダヘッドに取り付ける際のボルト穴として使用される。

ケース基端部１ｂの切り欠き部には、Ｕ字状の受入れ端面１２が形成されて、接続部７のスライド溝７０と係合するようになっている。すなわち、接続部７を受入れる際には、接続部７のスライド溝７０が、ケース基端部１ｂの受入れ端面１２を挟持しつつ下方にスライドされる。

図２に示すように、接続部７は、電子回路部７Ａと接続コネクタ部７Ｂとに区分されている。そして、電子回路部７Ａと接続コネクタ部７Ｂの間には、前記したＵ字状のスライド溝７０が形成されている。なお、図２では、便宜上、電子回路部７Ａを破線で示すと共に、接続コネクタ部７Ｂの接続端子や配線の一部を省略して図示している。

図３は、接続部７の主要部である電子回路部７Ａの回路構成と、電子回路部７Ａと他の部分との接続関係を図示したものである。図示の通り、本実施例の電子回路部７Ａは、自動車全体を制御するコンピュータ回路（不図示）からの点火信号ＳＧに応じてＯＮ／ＯＦＦ動作するトランジスタＱ１と、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部４１と、イオン電流に応じた検出電圧を増幅する増幅部４２とで構成されている。

そして、トランジスタＱ１のコレクタ端子には、一次コイル３及び二次コイル４の振動電流を吸収する振動吸収部４３と、振動吸収部４３の動作を制御する制御部４４とが接続されている。振動吸収部４３は、具体的には、トライアックＱ２と抵抗Ｒ１の直列回路で構成され、点火動作後に生じるコイル電流の振動を吸収するため、所定時間だけトライアックＱ２をＯＮ状態にしている。なお、トライアックＱ２は、制御部４４から受けた制御信号ＣＴＬに応じてＯＮ／ＯＦＦ動作するが、制御部４４は、一次コイル３の電流を検知して、これが所定値を下回るとトライアックＱ２をオフ状態に戻すべく制御信号ＣＴＬのレベルを変化させている。なお、振動吸収部４３及び制御部４４は必ずしも必須ではなく、これらを省略することもできる。

バイアス電源部４１は、イオン電流検出用のバイアス電圧を充電するコンデンサＣ１と、ツェナーダイオードＤ１と、電流阻止用のダイオードＤ２と、イオン電流に応じた電圧を出力するための負荷抵抗Ｒ２とで構成されている。点火信号のＯＮ／ＯＦＦ変化によるアーク放電時には、点火プラグＰＬＵＧ→二次コイル４→コンデンサＣ１→ダイオードＤ２の経路で、コンデンサＣ１が充電される。次に、充電されたコンデンサＣ１のバイアス電圧に基づき、イオン電流は、コンデンサＣ１→二次コイル４→点火プラグＰＬＵＧ→負荷抵抗Ｒ２の経路で流れる。そして、このイオン電流に応じた検出電圧Ｖ_ＯＵＴは、増幅回路４２などを経てコンピュータ回路に伝送されてイオン電流の判定処理が行われる。

図１（ｂ）に示すように、コイルケース１には、一次コイル部３と二次コイル部４とセンタコア部５とが内挿されているが、センタコア部５は、０．３ｍｍ程度の板厚の珪素鋼板を積層してなる中心鉄心１４と、中心鉄心１４を円筒形状に覆う保護部材１５と、中心鉄心１４の長さ方向の両端を覆う保護キャップ１６（図１（ａ））とで構成されている。保護キャップ１６は、中心鉄心１４や保護部材１５に密着することで、点火コイルＣＬの隙間を密封するために充填されるエポキシ樹脂８の流入を確実に防止している。

二次コイル部４は、二次ボビン１７と、二次ボビン１７の回りに巻着される二次巻線１８とで構成されている。また、一次コイル部３は、一次ボビン１９と、一次ボビン１９の外周を一様に巻着される一次巻線２０と、一次巻線２０の外周を一様に覆う緩衝テープ２１とで構成されている。

緩衝テープ２１は、適度な弾力性を有するポリエステル材で構成され、裏面には接着層が設けられている。この緩衝テープ２１は、全体として０．１ｍｍ以下の厚みを有する矩形状のシート材であり、一次ボビン１９の周りに巻かれて接着されることで円筒状となる。この緩衝テープ２１の存在によって、一次コイル外側のエポキシ樹脂８と一次巻線２０との熱膨張率の差が吸収され、エポキシ樹脂８にクラックが発生することが防止される。

緩衝テープ２１の外側には、図４（ｂ）に示す外装鉄心６が二個、弾発的に嵌合されている。この外装鉄心６は、中心鉄心１４と共に、一次巻線２０と二次巻線１８との間の最適な磁気通路を形成するためのものである。外装鉄心６は、開放端部２２を有してＣ字状に湾曲形成された略円筒形であり、その上下端部には、大きく切り欠かれた略Ｕ字溝２３が形成されている。このような構成の外装鉄心６の素材は、一次コイル部３に嵌合できる若干の弾性と高透磁率を有するものであれば特に限定されないが、中心鉄心と同一材料であることが好ましく、具体的には、薄板状にした珪素鋼板が使用される。

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、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。すなわち、本発明は、微弱なイオン電流を確実に検出するために必要な電磁シールドを施すことを趣旨とするものであり、この趣旨を逸脱することなく各種の改変が可能である。

実施例に係る点火コイルの部分断面図（ａ）、及びＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。 接続部をコイルケースに組み付ける方法を説明する図面である。 点火コイルの接続部に内蔵される電子回路を例示したものである。 一次コイルのボビン（ａ）と、これに嵌合させる外装鉄心（ｂ）の各正面図である。 イオン電流検出回路の問題点を説明する図面である。

符号の説明

３ 一次コイル
４ 二次コイル
ＰＬＵＧ 点火プラグ
４１ 検出回路（バイアス電源部）
４２ 検出回路（増幅回路）
２４ 鉄材

Claims (6)

1. 電子制御によって一次電流がオンオフ制御される一次コイルと、一次コイルの外周面側に嵌合される外装鉄心と、一次コイルに内挿され一次コイルと電磁結合して点火プラグに高電圧を供給する二次コイルと、二次コイルに内挿されるセンタコアと、点火プラグの点火動作に基づく燃焼動作によって燃焼室に発生したイオン電流を検出する検出回路と、一次コイルと二次コイルを内包するコイルケースと、を備える内燃機関用イオン電流検出装置であって、
   前記検出回路では、二次コイルに直列接続されたバイアス電源用のコンデンサが、点火プラグの放電時に二次コイルを経由して充電され、その後、二次コイルを経由して放電するとき、点火プラグのイオン電流が検出されるよう構成され、
   外装鉄心、一次コイル、二次コイル、及びセンタコアを、コイルケースに同心円状に収容して、外装鉄心とセンタコアとで磁気通路を形成する構成において、
   コイルケースを電気絶縁性の樹脂材料で構成すると共に、コイルケースの外周面側、内周面側、又は内部のいずれか一箇所以上に、導電性部材を配置することを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。
2. 一次コイルの一次巻線の外周面は、全体として０．１ｍｍ以下の厚みを有する緩衝テープによって一様に覆われ、緩衝テープの外側に外装鉄心が弾発嵌合されている請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
3. 外装鉄心は、センタコアと同一材料で構成され、開放端部を有してＣ字状に湾曲形成されている請求項１又は２に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
4. 前記導電性部材は、高透磁率性と導電性を有する金属板又は金属網である請求項１〜３の何れかに記載のイオン電流検出装置。
5. 前記コイルケースの導電性の部分がグランド接地されている請求項１〜４の何れかに記載のイオン電流検出装置。
6. コイルケースの基端部には、一次コイルに並列接続された振動吸収部が収容されており、振動吸収部が所定時間ＯＮ動作することで、点火プラグの点火動作後に生じるコイル電流の振動が吸収されている請求項１〜５の何れかに記載の内燃機関用イオン電流検出装置。

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