JP5495739B2 - イオン電流検出装置 - Google Patents

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正確に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バイアス電圧を加えると、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。イオン電流検出装置としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載の回路構成が知られている。

図６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が発生して、点火プラグＰＧが負方向に点火放電する（マイナス放電）。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、この点火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。

特開２００６−０７７７６３号公報 特開２００２−１８０９４９号公報

しかしながら、図６の回路構成では、点火プラグＰＧのコロナ放電によるノイズや、波形ダレによってイオン電流の検出性能が悪化することがあった。図８（ｂ）は、コロナ放電が生じた場合の検出信号を示しており、本来のイオン電流と区別できないため、失火状態であっても燃焼状態であると誤認してしまうおそれがある。

一方、図８（ｄ）は、波形ダレの状態を示している。このような現象は、点火プラグＰＧの碍子表面に帯電した電荷が緩やかに放電することで生じると解されるが、この場合にも、本来のイオン電流との区別が困難となり、失火状態を見逃すおそれがある。

ここで、マイナス放電に代えて、プラス放電を実現する図７のような回路構成も知られている（特許文献２参照）。図７に示す回路では、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が発生して、点火プラグＰＧが正方向に点火放電している。

そして、このＯＦＦ遷移時には、一次コイルＬ１→ダイオードＤ１１→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。この回路構成では、点火プラグＰＧの充電電荷とバイアス用のコンデンサＣ１１の充電電荷が逆方向であるので波形ダレが生じず、また、コロナ放電の影響も受けない点で優れている。

しかしながら、図７の回路構成では、点火プラグＰＧの両端電圧があるレベルまで降下しないとイオン電流が流れないので、イオン電流の検出タイミングが遅れるという問題がある。また、逆方向電流や逆方向放電を阻止するためのダイオードＤ２１，Ｄ２０が不可欠であり、その分だけ製造コストを上が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、ノイズが重畳していない正確なイオン電流を、素早いタイミングから検出できるイオン電流検出装置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（１）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（２）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（ＰＧ）と、第１コンデンサ（Ｃ１）及び第１ツェナーダイオード（ＺＤ１）の並列回路を有し、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１ツェナーダイオード（ＺＤ１）の降伏電圧に対応するレベルに第１コンデンサ（Ｃ１）が充電されるよう構成されたバイアス回路（３）と、第１コンデンサ（Ｃ１）の放電電流を検出する電流検出回路（４）と、を有して構成され、前記並列回路とグランドとの間に第１ダイオード（Ｄ１）を配置すると共に、第１ダイオードと前記並列回路との接続点と二次コイル（Ｌ２）との間に第1抵抗素子（Ｒ１）を配置し、点火放電を終えた前記点火プラグから、第1抵抗素子（Ｒ１）を経由して、第１ダイオード（Ｄ１）にバイパスされることなく、第１コンデンサ（Ｃ１）に電流が流れ込むよう構成されている。

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。したがって、カソード(cathode)端子は、一般的に、電流の流出端子を意味し、アノード(Anode)端子についても、一般的に電流の流入端子を意味するに過ぎない。

本発明の電流検出回路は、好ましくは、反転入力端子と出力端子間に帰還抵抗（Ｒ３）を配置したＯＰアンプで構成され、ＯＰアンプの非反転入力端子と前記並列回路との間に、第２抵抗素子（Ｒ２）を配置すると共に、非反転入力端子と前記並列回路との間に、第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）を配置し、第１コンデンサ（Ｃ１）の放電電流が、前記帰還抵抗と第２抵抗素子に流れるよう構成されるべきである。この場合、第１抵抗素子（Ｒ１）と第２抵抗素子（Ｒ２）とは、その抵抗値がＲ１＜Ｒ２に設定されていると更に好ましい。

また、前記並列回路と二次コイルの低圧側端子との間に、点火プラグの点火放電電流が流れる向きに第２ダイオード（Ｄ２）が接続されているのが好ましい。好ましくは、第２抵抗素子（Ｒ２）にはバイパスコンデンサ（Ｃ２）が並列接続されるべきである。

第２ツェナーダイオードは、降伏電圧が１０Ｖ以下に設定され、そのアノード端子がグランドに接続されているのが好ましく、第１ツェナーダイオードの降伏電圧は、２５０〜３５０Ｖに設定されているのが好ましい。

上記した本発明のイオン電流検出装置によれば、ノイズの重畳していない正確なイオン電流を、素早いタイミングから検出することができる。

実施例に係るイオン電流検出装置を示す回路図である。 点火放電時の動作を説明する図面である。 残留電荷の放電動作を説明する図面である。 イオン電流の検出動作を説明する図面である。 スイッチング素子のＯＮ遷移時の動作を説明する図面である。 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。 従来技術の問題点を説明する波形図である。

以下、図１の回路図を参照しつつ、実施例に係るイオン電流検出装置について説明する。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を経由してバッテリ電源ＶＢ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。その結果、点火プラグＰＧは、グランドに向けて点火放電するプラス放電が実現される。

バイアス回路３は、ツェナーダイオードＺＤ１及びコンデンサＣ１の並列回路と、この並列回路とグランド間に接続されるダイオードＤ１と、前記並列回路と二次コイルＬ２の低圧端子との間に接続されるダイオードＤ２と、二次コイルＬ２の低圧端子とダイオードＤ１との間に接続される抵抗Ｒ１とで構成されている。

図示の通り、ダイオードＤ１のアノード端子はグランドに接続され、ダイオードＤ１とツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子が互いに接続されている。また、ダイオードＤ２とツェナーダイオードＺＤ１のアノード端子は互いに接続され、ダイオードＤ２のカソード端子は、二次コイルＬ２の低圧側端子に接続されている。

このバイアス回路３において、ツェナーダイオードＺＤ１は、コンデンサＣ１に充電されるバイアス電圧値を決定する素子であり、その降伏電圧Ｖｚ１としては、例えば、２５０〜３５０Ｖ程度が選択され、この実施例ではＶｚ１＝２７０Ｖとしている。そのため、コンデンサＣ１は、イオン電流検出時に、約２７０Ｖのバイアス電源として機能する。コンデンサＣ１は、そのコストや設置スペースなども考慮した上で、バイアス電源として適切に機能するよう０．００５〜０．０３５μＦ程度のキャパシタンス値が選択され、実施例では、０．０１５μＦに設定されている。

次に、電流検出回路４は、ＯＰアンプＡＭＰと、入力抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２の並列回路と、検出抵抗Ｒ３と、ツェナーダイオードＺＤ２とを有して構成されている。ここで、コンデンサＣ２は、高周波成分に対する合成インピーダンスを抑制するバイパスコンデンサとして機能する。また、ツェナーダイオードＺＤ２は、ＯＰアンプＡＭＰなどの保護機能を発揮するべく、その降伏電圧が７．５Ｖ程度に設定されている。

ＯＰアンプＡＭＰは、単一電源で動作しており、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、イオン電流の検出信号Ｖｏｕｔが出力される。

図示の通り、ツェナーダイオードＺＤ２のカソード端子は、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子に接続され、アノード端子はグランドに接続されている。また、入力抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２の並列回路の一方側は、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子に接続され、他方側は、コンデンサＣ１と、ツェナーダイオードＺＤ１及びダイオードＤ２のアノード端子に接続されている。

また、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に、検出抵抗Ｒ３が接続され、検出抵抗Ｒ３→入力抵抗Ｒ２の経路で検出電流ｉが流れるよう構成されている。そのため、ＯＰアンプＡＭＰの出力端子からは、Ｒ３＊ｉの正レベルの検出信号Ｖｏｕｔが出力される。

以上の構成からなるイオン電流検出装置は、スイッチング素子２に供給される点火パルスＳＧに制御されて動作する。図１に示す通り、点火パルスＳＧは、タイミングｔ０でＨレベルに立上り、タイミングｔ１でＬレベルに立下がる。そして、点火パルスＳＧのＨレベル期間だけ一次コイルＬ１に電流が流れ、その間に点火コイル１に磁気エネルギーが蓄積される。その後、タイミングｔ１で、一次コイルＬ１の電流が遮断されると、二次コイルＬ２に高レベルの誘起電圧が発生して、点火プラグＰＧが点火放電する。

図２（ａ）は、この点火放電時の電流経路を図示したものである。すなわち、タイミングｔ１に、二次コイルＬ２に誘起電圧が発生して、ダイオードＤ１→ツェナーダイオードＺＤ１→ダイオードＤ２の第１経路（ａ）と、ダイオードＤ１→コンデンサＣ１→ダイオードＤ２の第２経路（ｂ）と、ダイオードＤ１→抵抗Ｒ１の第３経路（ｃ）と、検出抵抗Ｒ３やツェナーダイオードＺＤ２→抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２の並列回路→ダイオードＤ２の第４経路（ｄ）とを経由して、点火プラグＰＧの点火放電電流が流れる。なお、以下の説明では、各経路（ａ）〜（ｃ）の電流をＩ_１〜Ｉ_４とする。

この放電動作時の等価回路は、図２（ｂ）に示す通りであり、ダイオードＤ２、ダイオードＤ１、及びツェナーダイオードＺＤ２の順方向電圧降下を何れも無視すると、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、及び抵抗Ｒ２が、ツェナーダイオードＺＤ１に並列接続された回路構成となる。

ここで、一次コイルＬ１の通電中に点火コイル１に蓄積されたエネルギーを効果的に使用して、コンデンサＣ１に十分な充電電流を流すには、充電電流のバイパス路を形成する抵抗Ｒ１や抵抗Ｒ２の抵抗値を高く設定するのが望ましい。一方、イオン電流検出時には、図４に示す経路でイオン電流が流れるので、抵抗Ｒ１や抵抗Ｒ２の抵抗値をあまり高く設定すると、イオン電流のレベルが低下して、ノック信号を識別できない。そのため、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の抵抗値を最適に設定する必要がある。

ここで、コンデンサＣ１の充電電荷をＱとし、第２経路の電流を便宜上一定値Ｉ_２とし、点火放電電流Ｉ（＝Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）による点火放電時間をＴとすると、Ｉ_２＝Ｑ／Ｔ＝Ｃ１×Ｖｚ１／Ｔの関係式が成立する。なお、Ｖｚ１は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧であり、この実施例では２７０Ｖとなっている。

また、第３経路と第４経路の並列合成抵抗Ｒ０と、点火プラグＰＧの点火放電電流Ｉと、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚと、点火放電時間Ｔとの間には、Ｒ０＝Ｖｚ／（Ｉ−Ｃ１×Ｖｚ／Ｔ−Ｉ_１）の関係式が成立する。ここで、第１経路の電流Ｉ_１は、ツェナーダイオードＺＤ１の特性から規定され、点火放電電流Ｉや放電時間Ｔは、他の設計パラメータから規定されるので、これらを総合評価すると、好ましい並列合成抵抗Ｒ０は、３５ＫΩ〜１００ＫΩとなる。

そして、点火プラグＰＧの残留電荷の放電時の動作（図３参照）や、スイッチング素子のＯＮ遷移時の動作（図５参照）を考慮すると、抵抗Ｒ１の両端電圧が低い方が好ましい。そこで、この点も考慮して、この実施例では、Ｒ１＝６２ＫΩ、Ｒ２＝２００ＫΩとしている。この場合のＲ１とＲ２の並列合成抵抗Ｒ０は、４７ＫΩ程度であり、点火放電時におけるコンデンサＣ１の充電電流Ｉ_２が、それほどバイパスされることはなく、コンデンサＣ１は２７０Ｖレベルまで素早く充電される。また、イオン電流検出時の直列合成抵抗Ｒ１＋Ｒ２が２６２ＫΩであり、イオン電流やノック信号の検出性能に悪影響を与えることもない。

また、抵抗Ｒ２にはバイパスコンデンサＣ２が接続されているので高周波信号に対するインピーダンスは抑制される。なお、コンデンサＣ２のキャパシタンス値は、抵抗Ｒ２の抵抗値（２００ＫΩ）やイオン信号など周波数との関係で１００ｐＦに設定されている。

以下、点火放電後の動作について、図３〜図５に基づいて確認的に説明する。図２（ａ）に示す経路による点火放電動作が終了すると、その後は、図３に示す動作が開始される。すなわち、図３に示すように、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→抵抗Ｒ２→ツェナーダイオードＺＤ２→グランドなどの経路で電流が流れて、点火プラグＰＧの両端電圧が急激に低下する。このとき、コンデンサＣ１のバイアス電圧は、残留電荷の放電動作に起因して増加傾向となる。

このようにして、点火プラグＰＧの両端電圧は素早く降下して残留エネルギーが放電されるが、点火プラグＰＧの両端電圧が所定レベルまで降下すると、その後は、図４に示す経路でイオン電流が流れる。すなわち、図４に示すように、入力抵抗Ｒ２→コンデンサＣ１→抵抗Ｒ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路でイオン電流ｉが流れ、ＯＰアンプＡＭＰからはイオン電流ｉに、ほぼ比例する検出電圧Ｖｏｕｔ＝ｉ＊Ｒ３が得られる。

このように、この実施例では、プラス放電を実現するものの、イオン電流を迅速に検出することができる。また、図８（ｄ）に示すような波形ダレが生じず、且つ、コロナ放電の影響も受けない。なお、これらの効果は、実験的に実証されている。

最後に、図５に基づいてタイミングｔ０の動作を確認する。スイッチング素子２のＯＮ遷移時には、図５の経路で電流が流れる。すなわち、二次コイルＬ２に発生する図示の向きの誘起電圧に基づいて、二次コイルＬ２→抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→抵抗Ｒ２の経路で電流が流れる。そして、この実施例では、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の並列合成抵抗Ｒ０を３５ＫΩ〜１００ＫΩの範囲において、抵抗Ｒ１＜＜抵抗Ｒ２の抵抗値に設定しているので、その分だけ、抵抗Ｒ１の低圧側端子の電位が増加する。しかし、抵抗Ｒ２→抵抗Ｒ３の電流経路とは別に、抵抗Ｒ２→ツェナーダイオードＺＤ２のバイパス経路でも電流が流れるので、ダイオードＤ１に大電圧が加わることがなく、また、ＯＰアンプも保護される。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な回路構成は、何ら本発明を限定するものではない。例えば、実施例のようにＣ２を抵抗Ｒ２に並列すると共に、抵抗Ｒ１にもバイパスコンデンサを並列接続しても良い。

また、各回路素子の設計値は、一例を示したに過ぎず、点火コイル１の性能や点火パルスの最低パルス幅などに基づいて、適宜に変更される。

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 第１コンデンサ
ＺＤ１ 第１ツェナーダイオード
Ｒ１ 抵抗素子

Claims (7)

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（１）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（２）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（ＰＧ）と、
   第１コンデンサ（Ｃ１）及び第１ツェナーダイオード（ＺＤ１）の並列回路を有し、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１ツェナーダイオード（ＺＤ１）の降伏電圧に対応するレベルに第１コンデンサ（Ｃ１）が充電されるよう構成されたバイアス回路（３）と、
   第１コンデンサ（Ｃ１）の放電電流を検出する電流検出回路（４）と、を有して構成され、
   前記並列回路とグランドとの間に第１ダイオード（Ｄ１）を配置すると共に、第１ダイオードと前記並列回路との接続点と二次コイル（Ｌ２）との間に第１抵抗素子（Ｒ１）を配置し、
   点火放電を終えた前記点火プラグから、第１抵抗素子（Ｒ１）を経由して、第１ダイオード（Ｄ１）にバイパスされることなく、第１コンデンサ（Ｃ１）に電流が流れ込むよう構成されたことを特徴とするイオン電流検出装置。
2. 前記電流検出回路は、反転入力端子と出力端子間に帰還抵抗（Ｒ３）を配置したＯＰアンプで構成され、
   ＯＰアンプの非反転入力端子と前記並列回路との間に、第２抵抗素子（Ｒ２）を配置すると共に、非反転入力端子と前記並列回路との間に、第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）を配置し、
   第１コンデンサ（Ｃ１）の放電電流が、前記帰還抵抗と第２抵抗素子に流れるよう構成されている請求項１に記載のイオン電流検出装置。
3. 前記並列回路と二次コイルの低圧側端子との間に、点火プラグの点火放電電流が流れる向きに第２ダイオード（Ｄ２）が接続されている請求項１又は２に記載のイオン電流検出装置。
4. 第１抵抗素子（Ｒ１）と第２抵抗素子（Ｒ２）とは、その抵抗値がＲ１＜Ｒ２に設定されている請求項２に記載のイオン電流検出装置。
5. 第２抵抗素子（Ｒ２）にはバイパスコンデンサ（Ｃ２）が並列接続されている請求項４に記載のイオン電流検出装置。
6. 第２ツェナーダイオードは、降伏電圧が１０Ｖ以下に設定され、そのアノード端子がグランドに接続されている請求項２に記載のイオン電流検出装置。
7. 第１ツェナーダイオードの降伏電圧は、２５０〜３５０Ｖに設定されている請求項１〜６の何れかに記載のイオン電流検出装置。

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