JP5773239B2

JP5773239B2 - 内燃機関用イオン電流検出装置

Info

Publication number: JP5773239B2
Application number: JP2010264816A
Authority: JP
Inventors: 島田　直樹; 直樹島田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Hanshin Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Hanshin Ltd
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: JP2012117375A

Description

本発明は、自動車両に搭載される内燃機関のイオン電流検出装置、特に点火プラグでの放電電流により充電されるコンデンサの電荷により作り出されるイオン電流検出用の電源の改良に関する。

従来から内燃機関の点火装置においては、燃焼時に発生するイオン電流を検出することで燃焼状態を判別し、内燃機関の燃焼や運転状態を把握する事により、失火やノッキングを検知して、各種燃焼制御を適切に行う技術が自動車両の内燃機関に適用されている。このようなイオン電流検出装置として、イオン電流検出のために別途電源を用意せずに、点火プラグの放電電流により充電されるコンデンサを設けておき、このコンデンサをイオン電流検出用の電源として用いる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を参照）。

従来のイオン電流検出装置を図４に示す。これは、ガソリンエンジンの燃焼制御機構に適用したものであり、燃焼工程を統括的に制御するエンジン制御装置ＥＣＵから点火信号が入力される点火コイル１は、点火用スイッチング素子１ｃが点火信号により開閉することで、点火用電源電ＶＢ＋が印加された一次コイル１ａの一次電流遮断時に、二次コイル１ｂに高電圧を発生させ、これによって点火プラグの放電ギャップｇを介して放電電流が流れる。この放電電流の流路中に設けたイオン電流検出回路２にはイオン電流検出電源用コンデンサ２ａが設けられ、放電電流によりイオン電流検出に必要十分な電荷が貯められる。

また、イオン電流検出回路２には、イオン電流検出電源用コンデンサ２ａの充電電圧を制御するための充電電圧制御用ツェナーダイオード２ｂ、イオン電流による電圧降下を生じさせるイオン電流検出用抵抗２ｃ、イオン電流検出用抵抗２ｃによる電圧降下をイオン信号として検知すると共に増幅し、検知されたイオン信号を予め定めた適正値と比較した判定結果をイオン電流検出情報として出力するイオン信号増幅・判定回路２ｄが設けてあるので、燃焼サイクル毎に、点火プラグの放電によって内燃機関内の燃料が適正に燃焼し、イオン電流検出電源用コンデンサ２ａが適正に充電され、燃焼によって生じたイオンにより点火プラグの放電ギャップｇ間にイオン電流が流れ、イオン信号増幅・判定回路２ｄからイオン電流検出情報が出力されることとなり、このイオン電流検出情報に基づいて、内燃機関の適正制御を行うことができるのである。

特開平４−１９４３６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている発明のように、放電電流によって充電されるコンデンサをイオン電流検出用の電源として用いる技術を採用した場合、点火放電とイオン電流の検出が一定のサイクルで行われる必要があるため、点火放電を必要としない場合には適用できないという問題がある。

例えば、ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）ガソリンエンジンの場合、放電による点火は必要ないが、全燃焼領域をカバーするのは難しく、放電による点火を行う通常燃焼領域を混在させる必要も生じ、従来通りの点火プラグによる放電機能も搭載することとなる。従って、点火プラグをイオンプローブとしてイオン電流による燃焼検知を行う事は可能であるものの、ＨＣＣＩ燃焼領域においては放電を伴わないで燃焼するため、イオン電流検出電源用コンデンサが充電されず、イオン電流検出用の電源が無い状態となることから、ＨＣＣＩ燃焼領域においてはイオン電流検出ができないのである。また、ＨＣＣＩを使用しない通常のガソリンエンジンにおいても、放電間隔が極端に長くなる場合には、同様の状態が発生する可能性がある。

このような場合には、イオン電流検出のためにＤＣ−ＤＣコンバータ等の外部電源を別途設ける必要が生ずるが、外部電源はコストやスペースの問題から難しい。

そこで、本発明は、点火プラグによる放電機能を備えるものの放電を伴わない燃焼を行う内燃機関であってもイオン電流検出を可能とし、しかもイオン電流検出のための外部電源を必要としない内燃機関用イオン電流検出装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、一次電流遮断時に二次側に高電圧を発生する点火コイルと、エンジン制御装置からの点火信号により一次電流を遮断するスイッチング素子と、二次側に発生する高電圧により放電電流が流れる点火プラグと、前記点火プラグを流れる放電電流により充電され、電荷を保持するイオン電流検出電源用コンデンサと、前記イオン電流検出電源用コンデンサへの印加電圧を制限する充電電圧制御用ツェナーダイオードと、を備え、前記イオン電流検出電源用コンデンサの充電電荷により作り出される電源を用いて、内燃機関の燃焼時に点火プラグの電極と燃焼室の間に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて内燃機関の燃焼状態を判定する内燃機関用イオン電流検出装置において、点火の必要の無い任意のタイミングで、前記点火コイルの一次側に短周期の通電信号を繰返し印加することにより、点火コイルの二次側に点火プラグの放電電圧に満たないがイオン電流検出電源用コンデンサを充電するには十分なコンデンサ充電電圧を発生させて、前記イオン電流検出電源用コンデンサを充電するようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置において、前記スイッチング素子を短周期でオン・オフすることにより、前記点火コイルの一次側に短周期の通電信号を繰返し印加し、前記点火コイルの二次側にコンデンサ充電電圧を発生させるようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置において、前記スイッチング素子とは別に設けたコンデンサ充電用スイッチング素子を介して、前記点火コイルの一次側に短周期の通電信号を繰返し印加することにより、前記点火コイルの二次側にコンデンサ充電電圧を発生させるようにしたことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、前記請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置において、前記エンジン制御装置からの信号を受けて駆動する発振回路から短周期の通電信号を前記スイッチング素子へ供給することにより、前記点火コイルの二次側にコンデンサ充電電圧を発生させるようにしたことを特徴とする。

請求項１に係る内燃機関用イオン電流検出装置によれば、点火の必要の無い任意のタイミングでイオン電流検出を行う事ができ、確実にイオン電流検出を行うことが可能となる。

また、請求項２に係るイオン電流検出装置によれば、前記スイッチング素子へ点火信号を供給するエンジン制御装置が短周期の通電信号を出力できるようにすることで、コンデンサ充電電圧の発生が可能となる。

また、請求項３に係るイオン電流検出装置によれば、短周期の通電信号に適した特性のスイッチング素子をコンデンサ充電用スイッチング素子として用いることができる。

また、請求項４に係るイオン電流検出装置によれば、エンジン制御装置によるコンデンサ充電電圧の発生制御を簡易に実現できる。

本発明に係るイオン電流検出装置の第１実施形態を示す概略構成図である。本発明に係るイオン電流検出装置の第２実施形態を示す概略構成図である。本発明に係るイオン電流検出装置の第３実施形態を示す概略構成図である。従来のイオン電流検出装置の概略構成図である。

次に、本発明に係るイオン電流検出装置の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すのは、本発明をガソリンエンジンに適用した第１実施形態に係るイオン電流検出装置の概略構成を示すもので、前述した従来のイオン電流検出装置の構成（図４を参照）と同様に、エンジン制御装置ＥＣＵから点火信号が入力される点火コイル１と、点火用スイッチング素子１ｃが点火信号により開閉することで、点火用電源電ＶＢ＋が印加された一次コイル１ａの一次電流遮断時に、二次コイル１ｂに発生した高電圧を印加する点火プラグと、これによって点火プラグの放電ギャップｇを介して流れる放電電流の流路中に設けたイオン電流検出回路２を備え、放電電流によりイオン電流検出に必要十分な電荷がイオン電流検出電源用コンデンサ２ａに貯められる。

また、イオン電流検出回路２には、イオン電流検出電源用コンデンサ２ａの充電電圧を制御するための充電電圧制御用ツェナーダイオード２ｂ、イオン電流による電圧降下を生じさせるイオン電流検出用抵抗２ｃ、イオン電流検出用抵抗２ｃによる電圧降下をイオン信号として検知すると共に増幅し、検知されたイオン信号を予め定めた適正値と比較した判定結果をイオン電流検出情報として出力するイオン信号増幅・判定回路２ｄが設けてあり、イオン電流検出電源用コンデンサ２ａが適正に充電されていれば、燃焼によって生じたイオンにより点火プラグの放電ギャップｇ間にイオン電流が流れ、イオン信号増幅・判定回路２ｄからイオン電流検出情報が出力される。

更に、点火コイル１とイオン電流検出回路２との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ動作時用充電回路３を設け、二次コイル１ｂに発生した電圧を充電用整流ダイオード３ｂにより整流してイオン電流検出電源用コンデンサ２ａに印加するのである。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ動作時用充電回路３は、充電用整流ダイオード３ｂとは逆方向に整流する励磁電流リセット用ダイオード３ａと、充電用整流ダイオード３ｂと並列に接続されるイオン電流用抵抗３ｃを含む。

上記のように構成したイオン電流検出装置において、エンジン制御装置ＥＣＵが点火信号を出力した場合、上述したように放電電流が流れて、イオン電流検出電源用コンデンサ２ａが充電される。すなわち、通常の放電時には、従来のイオン電流検出装置と同様に、充電用整流ダイオード３ｂを経由して流れる放電電流でイオン電流検出電源用コンデンサ２ａを充電でき、従来と同様のイオン検出動作が行える。

一方、放電が伴わないエンジンの場合、放電電流によるイオン電流検出電源用コンデンサ２ａの充電はできないが、エンジン制御装置ＥＣＵが短周期の通電信号であるＤＣ−ＤＣ駆動信号を点火用スイッチング素子１ｃに供給することで、二次コイル１ｂに数百Ｖ程度の電圧を連続的に発生させ、ＤＣ−ＤＣコンバータ動作時用充電回路３により整流された直流電圧をイオン電流検出電源用コンデンサ２ａに印加し、これを充電する。

すなわち、本実施形態に係るイオン電流検出装置においては、エンジン制御装置ＥＣＵからのＤＣ−ＤＣ駆動信号によりオン・オフする点火用スイッチング素子１ｃを含む点火コイル１をＤＣ−ＤＣコンバータ昇圧回路として機能させることによって、任意のタイミングでイオン電流検出電源用コンデンサ２ａを充電することが可能となり、ＨＣＣＩ燃焼領域と通常燃焼領域が混在するエンジンに対して好適なイオン電流検出装置となる。

また、エンジンが必ず備えているエンジン制御装置ＥＣＵがＤＣ−ＤＣ駆動信号を出力する本実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼領域においてはエンジン制御装置ＥＣＵがＤＣ−ＤＣ駆動信号を出力し、通常燃焼領域においてはエンジン制御装置ＥＣＵが点火信号を出力するように構成することができ、ＨＣＣＩガソリンエンジンの実現に極めて有効である。

なお、エンジン制御装置ＥＣＵが出力するＤＣ−ＤＣ駆動信号は、通電時間と周波数を最適値とすることにより、二次側に発生する電圧をプレイグニション等の誤点火が発生しない程度に抑えつつ、発生させた二次電圧をイオン電流検出電源用コンデンサ２ａの充電に必要十分な電圧にすることが可能である。

上述した第１実施形態に係るイオン電流検出装置においては、エンジン制御装置ＥＣＵが点火用スイッチング素子１ｃにＤＣ−ＤＣ駆動信号を出力することで、点火コイル１をＤＣ−ＤＣコンバータ昇圧回路として機能させるものとしたが、これに限定されるものではない。

図２に示す第２実施形態に係るイオン電流検出装置においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ動作時駆動用スイッチング素子４を別途設けておき、このＤＣ−ＤＣコンバータ動作時駆動用スイッチング素子４へＤＣ−ＤＣ駆動信号をエンジン制御装置ＥＣＵが供給することで、点火コイル１をＤＣ−ＤＣコンバータ昇圧回路として機能させる構成とした。なお、図２において、上述した第１実施形態のイオン電流検出装置と同様の構成には、同一符号を付して説明を省略した。

この第２実施形態に係るイオン電流検出装置によれば、点火用スイッチング素子１ｃとは別にＤＣ−ＤＣコンバータ動作時駆動用スイッチング素子４を設けることから、ＤＣ−ＤＣ駆動信号の周期特性に適したスイッチング素子をＤＣ−ＤＣコンバータ動作時駆動用スイッチング素子４として利用することができ、点火用スイッチング素子１ｃとしては従来通りのスイッチング素子をそのまま使えるという利点がある。

図３に示すのは、第３実施形態に係るイオン電流検出装置であり、エンジン制御装置ＥＣＵからの信号を受けて駆動する発振回路５からＤＣ−ＤＣ駆動信号（短周期の通電信号）を点火用スイッチング素子１ｃへ供給することで、点火コイル１をＤＣ−ＤＣコンバータ昇圧回路として機能させる構成としたものである。なお、図３において、上述した第１実施形態のイオン電流検出装置と同様の構成には、同一符号を付して説明を省略した。

この第３実施形態に係るイオン電流検出装置によれば、エンジン制御装置ＥＣＵがＤＣ−ＤＣ駆動信号を生成する必要がないので、エンジン制御装置ＥＣＵによるコンデンサ充電電圧の発生制御を簡易に実現できるという利点がある。

なお、第２実施形態に係るイオン電流検出装置として示したＤＣ−ＤＣコンバータ動作時駆動用スイッチング素子４を、第３実施形態に係るイオン電流検出装置として示した発振回路５からのＤＣ−ＤＣ駆動信号によってオン・オフさせるようにしても良い。

以上、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１点火コイル
１ａ一次コイル
１ｂ二次コイル
１ｃ点火用スイッチング素子
２イオン電流検出回路
２ａイオン電流検出電源用コンデンサ
２ｂ充電電圧制御用ツェナーダイオード
２ｃイオン電流検出用抵抗
２ｄイオン信号増幅・判定回路
３ＤＣ−ＤＣコンバータ動作時用充電回路
３ａ励磁電流リセット用ダイオード
３ｂ充電用整流ダイオード
３ｃイオン電流用抵抗
４ＤＣ−ＤＣコンバータ動作時駆動用スイッチング素子
５発振回路
ｇ放電ギャップ

Claims

一次電流遮断時に二次側に高電圧を発生する点火コイルと、
エンジン制御装置からの点火信号により一次電流を遮断するスイッチング素子と、
二次側に発生する高電圧により放電電流が流れる点火プラグと、
前記点火プラグを流れる放電電流により充電され、電荷を保持するイオン電流検出電源用コンデンサと、
前記イオン電流検出電源用コンデンサへの印加電圧を制限する充電電圧制御用ツェナーダイオードと、
を備え、
前記イオン電流検出電源用コンデンサの充電電荷により作り出される電源を用いて、内燃機関の燃焼時に点火プラグの電極と燃焼室の間に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて内燃機関の燃焼状態を判定する内燃機関用イオン電流検出装置において、
点火の必要の無い任意のタイミングで、前記点火コイルの一次側に短周期の通電信号を繰返し印加することにより、点火コイルの二次側に点火プラグの放電電圧に満たないがイオン電流検出電源用コンデンサを充電するには十分なコンデンサ充電電圧を発生させて、前記イオン電流検出電源用コンデンサを充電するようにしたことを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。
前記スイッチング素子を短周期でオン・オフすることにより、前記点火コイルの一次側に短周期の通電信号を繰返し印加し、前記点火コイルの二次側にコンデンサ充電電圧を発生させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
前記スイッチング素子とは別に設けたコンデンサ充電用スイッチング素子を介して、前記点火コイルの一次側に短周期の通電信号を繰返し印加することにより、前記点火コイルの二次側にコンデンサ充電電圧を発生させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。
前記エンジン制御装置からの信号を受けて駆動する発振回路から短周期の通電信号を前記スイッチング素子へ供給することにより、前記点火コイルの二次側にコンデンサ充電電圧を発生させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用イオン電流検出装置。