JP7182902B2 - イオン電流検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、点火コイルの一次コイルを通電制御するイグナイタのＯＮ遷移時の着火動作を防止したイオン電流検出回路に関する。

自動車などの内燃機関の点火コイルでは、一次コイルを通電制御するイグナイタのＯＦＦ遷移時に二次コイルに発生する高電圧に基づいて、点火プラグの点火動作を実現している。そして、点火タイミング後の燃焼状態の適否を把握するため、点火コイルにイオン電流検出回路を内蔵させることも知られている（特許文献１～２）。

イグナイタのＯＮ時間やＯＦＦ遷移タイミングについては、自動車の運転状態に応じて、ＥＣＵにおいて最適に制御されており、ＯＮ継続時間によって一次コイルの磁気エネルギーが規定され、ＯＦＦ遷移タイミングによって点火タイミングが規定される。

特開平０５－１５７００１号公報 特開平１０－１４１１９７号公報

ところで、点火コイルの二次コイルには、イグナイタのＯＦＦ遷移時だけでなくＯＮ遷移時にも高電圧が発生するので、ＯＮ遷移時の点火動作（ＯＮ時放電）による早期着火を防止する構成が必要となる。

ここで、点火プラグにおける点火放電の方向と、燃焼室に流れるイオン電流の方向が同一であれば、例えば、特許文献１のように、逆方向放電を防止するダイオードを配置する対策を採ることができる。

しかし、グランドに向けて流れるイオン電流の方が、検出性に優れる一方で、近年の点火コイルは、一般に、点火プラグのグランド端子から正極端子に向けて点火放電させる設計となっており、この設定を前提として、ＯＮ時放電を確実に防止する回路構成が必要となる。

そこで、特許文献２のように、イグナイタのＯＮ遷移時のＯＮ時電圧を吸収するダイオードを、二次コイルに並列接続することも考えられるが、このような構成では、耐圧３０ｋボルト以上の高価な超高耐圧ダイオードが必要となり、製造コスト上の問題が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、製造コストを特に上げることなく、ＯＮ時放電を確実に防止したイオン電流検出回路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、本発明に係るイオン検出回路は、一次コイル（Ｌ１）と二次コイル（Ｌ２）が電磁結合されてなる点火コイルと、前記一次コイル（Ｌ１）の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子（Ｑ１）と、前記スイッチング素子（Ｑ１）のＯＦＦ動作時に前記二次コイル（Ｌ２）に誘起される高電圧に基づいて点火放電する点火プラグ（ＰＬＧ）と、前記点火放電の点火放電電流に基づいて充電されるコンデンサ（Ｃ１）、及び、前記コンデンサ（Ｃ１）の充電電圧を制限する充電制限素子（ＺＤ１）を有する蓄電部（１）と、前記コンデンサ（Ｃ１）のコンデンサ放電電流に基づくプラス電位の検出電圧（Ｖｉｎ）を、検出基準電圧（ＴＨ）と比較してイオン検出信号（Ｖｏｕｔ）を出力する信号検出部（２）と、を有して構成され、前記蓄電部（１）と前記信号検出部（２）との間には、前記スイッチング素子（Ｑ１）をＯＮ／ＯＦＦ制御する点火パルスを受けて動作して、前記スイッチング素子（Ｑ１）のＯＮ動作時にＯＦＦ動作し、ＯＦＦ動作時にＯＮ動作する追加スイッチング素子（Ｑ２）が設けられ、前記プラス電位の検出電圧（Ｖｉｎ）は、直流電源と前記コンデンサ（Ｃ１）と、を含んだ電流経路に設けられた検出抵抗の電圧降下に基づいて検出されるよう構成されている。

上記した本発明によれば、特段、製造コストを上げることなく、ＯＮ時放電を確実に防止したイオン電流検出回路を実現することができる。

第１実施例に係るイオン電流検出回路の回路構成を示す回路図である。 第１実施例について、イグナイタのＯＮ遷移時の過渡動作を説明する図面である。 第１実施例について、イグナイタのＯＦＦ遷移時の点火放電動作を説明する図面である。 第１実施例について、イグナイタのＯＦＦ動作時のイオン電流の検出動作を説明する図面である。 第２実施例に係るイオン電流検出回路の回路構成を示す回路図である。 第２実施例について、イグナイタのＯＮ遷移時の過渡動作を説明する図面である。 第２実施例について、イグナイタのＯＦＦ遷移時の点火放電動作を説明する図面である。 第２実施例について、イグナイタのＯＦＦ動作時のイオン電流の検出動作を説明する図面である。

以下、実施例について更に詳細に説明する。図１は、第１実施例に係るイオン電流検出回路を示す回路図である。

図示の通り、イオン電流検出回路は、電磁結合された一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）から受ける点火パルスＳＧに基づいて一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するイグナイタＱ１と、イグナイタＱ１のＯＦＦ遷移時に二次コイルＬ２に誘起される高電圧に基づいて点火放電する点火プラグＰＬＧと、イオン電流Ｉｏｎ（図３）のバイアス電圧を生成する蓄電部１と、イオン電流Ｉｏｎに対応した検出電圧Ｖｉｎを生成すると共に、検出電圧Ｖｉｎを比較基準電圧ＴＨと比較してイオン検出パルスＶｏｕｔをＥＣＵに出力する信号検出部２と、蓄電部１と信号検出部２との間に配置されるスイッチ回路３と、を有して構成されている。

特に限定されないが、実施例のイグナイタＱ１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されており、ゲート端子Ｇに点火パルスＳＧを受け、コレクタ端子Ｃは、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧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。そのため、イグナイタＱ１は、点火パルスＳＧのＨ／Ｌレベルに対応してＯＮ／ＯＦＦ動作して、点火コイルＬ１，Ｌ２の一次電流を通電制御することになる。

一方、実施例のスイッチ回路３は、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）Ｑ２と、１３０ｋΩ程度の保護抵抗Ｒ１とで構成されている。図示の通り、トランジスタＱ２のドレイン端子Ｄは、保護抵抗Ｒ１に接続されている。

また、トランジスタＱ２のソース端子Ｓは、信号検出部２を経由して電源電圧Ｖｃｃに接続され、ゲート端子Ｇには、点火パルスＳＧが供給されている。そのため、トランジスタ（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ）Ｑ２は、イグナイタＱ１と反対の動作であって、点火パルスＳＧのＨ／Ｌレベルに対応してＯＦＦ／ＯＮ動作をする。

蓄電部１は、イオン電流用のバイアス電圧を蓄電する１５ｎＦ程度のコンデンサＣ１と、降伏電圧２７０ボルト程度のツェナーダイオードＺＤ１と、降伏電圧５ボルト程度のツェナーダイオードＺＤ２と、で閉回路を構成している。そして、ツェナーダイオードＺＤ１と、ツェナーダイオードＺＤ２の接続点に、ダイオードＤ１のアノード端子が接続され、グランド方向の電流だけを許可している。

次に、信号検出部２は、単一の電源電圧Ｖｃｃで動作するコンパレータＣＯＭＰを中心に構成されており、コンパレータＣＯＭＰは、非反転入力端子に受ける検出電圧Ｖｉｎと、反転入力端子に受ける比較基準電圧ＴＨと、を比較してパルス状のイオン検出パルスＶｏｕｔを出力している。なお、実施例の電源電圧Ｖｃｃは５ボルト程度であり、イオン検出パルスＶｏｕｔは、プルアップ抵抗Ｒ３で電源電圧Ｖｃｃにプルアップされている。

コンパレータＣＯＭＰの非反転入力端子は、電流制限抵抗Ｒ２及びツェナーダイオードＺＤ３の並列回路を経由して、電源電圧Ｖｃｃに接続されている。特に限定されないが、電流制限抵抗Ｒ２は、１５０ｋΩ程度であり、ツェナーダイオードＺＤ３の降伏電圧は、２．４ボルト程度である。

また、コンパレータＣＯＭＰの反転入力端子の比較基準電圧ＴＨは、電源電圧Ｖｃｃと、不図示の分圧抵抗とで規定されて、４．６７ボルト程度に設定されている。そのため、実施例の信号検出部２では、電源電圧Ｖｃｃから電流制限抵抗Ｒ２に向かう電流が流れない限り、Ｖｉｎ＞ＴＨの関係が成立して、コンパレータＣＯＭＰの出力がＨレベルとなる。

図示の通り、電源電圧Ｖｃｃの電圧レベルに対応して、蓄電部１には、降伏電圧５ボルト程度のツェナーダイオードＺＤ２が配置されている。そのため、図４に示すイオン電流Ｉｏｎの検出タイミング以外には、電源電圧Ｖｃｃから電流制限抵抗Ｒ２に向かって電流が流れることがなく、コンパレータＣＯＭＰの出力はＨレベルに維持される。

一方、図４に示す経路でイオン電流Ｉｏｎが流れると、電流制限抵抗Ｒ２の電圧降下に対応して、Ｖｉｎ＜ＴＨの関係が成立するので、コンパレータＣＯＭＰの出力がＬレベルとなり、イオン検出パルスＶｏｕｔがＬレベルに変化することで、イオン電流Ｉｏｎの検出が特定される（図４（ｂ）参照）。

続いて、図１のイオン電流検出回路の回路動作について図２～図４に基づいて説明する。先ず、図２は、点火パルスＳＧの立上りエッジ（Ｔ＝０）での動作を示している。図示の通り、Ｔ＝０のタイミングでは、トランジスタＱ２がＯＦＦ遷移する一方で、イグナイタＱ１がＯＮ遷移するので、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２には、図示の向きの逆方向起電力が発生する（ＯＮ時電圧）。

このＯＮ時電圧Ｖｏｎは、バッテリ電圧ＶＢや、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２の巻き数ｎ１，ｎ２などに依存して、原理的には、Ｖｏｎ＝ＶＢ＊ｎ２／ｎ１＋Ｖｉｏｎとなり、ＶＢ＝２４ボルトの場合には、１０００ボルトを大きく超える値となる。なお、Ｖｉｏｎは、コンデンサＣ１の両端電圧であり、コンデンサＣ１に蓄電された電荷の残存量に基づき、例えば、１００ボルト程度となる。

上記の通り、ＯＮ時電圧Ｖｏｎは、かなりのレベルに達するが、本実施例では、ＯＮ時放電の電流経路が、ＯＦＦ遷移したトランジスタＱ２によって遮断されているので、点火プラグＰＬＧの両端電圧が、二次コイルＬ２の逆方向起電力Ｖｏｎほどは増加せず、絶縁破壊が防止され、早期着火が未然防止される。

図２（ｂ）は、点火パルスＳＧの立上りエッジ（Ｔ＝０）の瞬間の動作を仮想的に記載したものである。図示の通り、二次コイルＬ２のＯＮ時電圧と、残存電荷によるコンデンサＣ１の両端電圧の加算値Ｖｐは、点火プラグＰＬＧの等価容量Ｃｐと、ＯＦＦ状態のスイッチ回路３とグランド間の浮遊容量Ｃｃとで分圧されると解される。

ここで、等価容量Ｃｐと浮遊容量Ｃｃとは直列接続の関係にあり、各々への充電電荷Ｑに対応して、各々の両端電圧はＱ／Ｃｐ、Ｑ／Ｃｃと考えられる。そして、浮遊容量Ｃｃの存在によって、点火プラグＰＬＧに加わる高電圧Ｖｐが少なからず緩和されることで、点火プラグＰＬＧの絶縁破壊を防止している。

図２（ｂ）の破線部は、スイッチ回路３（トランジスタＱ２）がＯＮ状態である場合を示す比較例であり、この場合には、二次コイルＬ２のＯＮ時電圧が、電源電圧ＶｃｃとコンデンサＣ１の両端電圧と共に、点火プラグＰＬＧに加わることになり、点火プラグＰＬＧが絶縁破壊されるおそれがある。

なお、絶縁破壊のメカニズムや、絶縁破壊放電に起因する着火動作は、燃焼室のガス濃度や内圧などにも起因して、相当に複雑であり、また、等価容量Ｃｐには不規則な残存電荷も存在し得るので、上記の説明に不正確さがあるかもしれないが、本実施例によってＯＮ時放電や早期着火が防止されることは実験的に確認済みである。

続いて、図３は、点火パルスＳＧの立下がりエッジ（Ｔ＝ｔ１）の動作を示す図面である。Ｔ＝ｔ１のタイミングでは、トランジスタＱ２がＯＮ遷移する一方で、イグナイタＱ１がＯＦＦ遷移するので、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２には、図示の向きの点火放電電圧が発生する。

そして、図示の破線の向きで点火放電電流が流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧に対応して、２７０ボルト程度に充電される。なお、ＯＮ遷移したトランジスタＱ２を経由して点火放電電流の一部が流れるが、保護抵抗Ｒ１の存在により、トランジスタＱ２に過大な電流が流れたり、過大な電圧が加わることはない。

また、本実施例では、降伏電圧５ボルト程度のツェナーダイオードＺＤ２が存在するので、電流制限抵抗Ｒ２での電圧降下が考えられず、検出電圧Ｖｉｎが、比較基準電圧ＴＨを下回ることがないので、イオン検出パルスＶｏｕｔはＨレベルを維持する。

次に、図４は、点火放電電流が収まった後の動作を示す図面であり、燃焼室に発生したイオンに基づき、コンデンサＣ１の電荷放電が開始され、イオン電流Ｉｏｎが流れる状態を破線で示している。イオン電流Ｉｏｎが図示の向きで流れる結果、検出電圧Ｖｉｎは、Ｖｃｃ－Ｒ２＊Ｉｏｎと降下するので、Ｖｉｎ＜ＴＨのタイミング（Ｔ＝ｔ２）で、コンパレータＣＯＭＰの出力がＬレベルに遷移し、その後は、イオン検出パルスＶｏｕｔがＬレベルとなる。

そして、この状態は、イオン電流Ｉｏｎが収まるまで継続されるので、イオン検出パルスＶｏｕｔを受けるＥＣＵは、イオン検出パルスＶｏｕｔのＬレベル期間によって、イオン電流の流れる期間を特定することができ、燃焼の適否判断の材料とすることができる。

以上、第１実施例について説明したが、電源電圧Ｖｃｃの電圧レベルは特に限定されない。例えば、図３に示すイグナイタＱ１のＯＦＦ遷移時に、如何なる動作条件でも、トランジスタＱ２を確実にＯＮ遷移させるべく、電源電圧Ｖｃｃを１５ボルト程度まで増加させても良い。なお、この場合には、比較基準電圧ＴＨも、電源電圧Ｖｃｃのレベルに対応して増加される。

また、第１実施例のバッテリ電圧ＶＢは、１２ボルトであるとしたが、２４ボルトレベルのバッテリ電圧ＶＢを使用することも考えられる。但し、この場合のＯＮ時電圧は、原理式Ｖｏｎ＝ＶＢ＊ｎ２／ｎ１＋Ｖｉｏｎに基づき、２ｋボルト以上まで増加するので、トランジスタＱ２の耐圧が問題になる可能性がある。

そこで、かかる点を考慮する場合には、図５に示す第２実施例が好適である。図５に示す通り、第２実施例では、スイッチ回路３は、２つのＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２，Ｑ３を中心に構成される。

追加構成を、破線で囲んで示すように、トランジスタＱ３のドレイン端子Ｄは保護抵抗Ｒ１に接続され、トランジスタＱ３のソース端子Ｓは、トランジスタＱ２のドレイン端子Ｄに接続されている。

また、トランジスタＱ３のドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとの間には、過電圧を吸収するツェナーダイオードＺＤ４が配置され、ツェナーダイオードＺＤ４のアノード端子Ａは、トランジスタＱ３のドレイン端子Ｄに接続され、カソード端子Ｃは、トランジスタＱ３のソース端子Ｓに接続されている。

そして、トランジスタＱ３のゲート端子Ｇとソース端子Ｓの間に、ダイオードＤ２が配置され、ゲート端子Ｇとグランド間にダイオードＤ３が配置されている。図示の通り、ダイオードＤ２のアノード端子Ａは、トランジスタＱ３のゲート端子Ｇと、ダイオードＤ３のアノード端子Ａに接続されている。

続いて、上記した第２実施例のイオン電流検出回路の回路動作について図６～図８に基づいて説明する。先ず、図６は、点火パルスＳＧの立上りエッジ（Ｔ＝０）での動作を示している。

この実施例では、Ｔ＝０のタイミングでツェナーダイオードＺＤ４が降伏して、浮遊容量Ｃ２，Ｃ３が図示の方向に充電される。なお、浮遊容量Ｃ２は、ＯＦＦ状態のトランジスタＱ２とグランド間の等価的な静電容量であり、浮遊容量Ｃ３は、トランジスタＱ３のゲート端子Ｇとグランド間の等価的な静電容量である。

そして、この実施例は、降伏したツェナーダイオードＺＤ４と、浮遊容量Ｃ２，Ｃ３の存在によって、点火プラグＰＬＧに加わる高電圧Ｖｐが少なからず緩和されることで、点火プラグＰＬＧの絶縁破壊を防止している。

なお、トランジスタＱ３のゲート端子Ｇとソース端子Ｓ間の浮遊容量の充電による電圧は、ダイオードＤ２の順方向電圧に基づいて、所定レベルに維持されるので、トランジスタＱ３は、ＯＦＦ状態を維持する。

その後、タイミングＴ＝ｔ１において、イグナイタＱ１がＯＦＦ遷移すると、図７の回路動作となる。すなわち、このタイミングでは、トランジスタＱ２がＯＮ遷移する一方で、イグナイタＱ１がＯＦＦ遷移するので、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２には、図示の向きの点火放電電圧が発生する。

そして、図示の破線の向きで点火放電電流が流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧に対応して、２７０ボルト程度に充電される。また、トランジスタＱ３のソース端子Ｓとゲート端子Ｇとの間の浮遊容量は、図示の向きに充電される。そして、このＳＧ間の充電電圧に基づきトランジスタＱ３は、ＯＮ状態となり、その後、このＳＧ間の充電電圧は、放電されないので、トランジスタＱ３のＯＮ状態が維持される。

図８は、タイミングＴ＝ｔ２以降の動作状態であって、イオン電流Ｉｏｎの流通経路を図示したものである。図示の通り、この動作タイミングでは、点火パルスＳＧに基づきＯＮ動作するトランジスタＱ２と、トランジスタＱ３のＳＧ間の充電電荷に基づきＯＮ動作するトランジスタＱ３とを経由してイオン電流Ｉｏｎが流れる。

そして、イオン電流Ｉｏｎが図示の向きで流れる結果、検出電圧Ｖｉｎは、Ｖｃｃ－Ｒ２＊Ｉｏｎと降下するので、Ｖｉｎ＜ＴＨのタイミング（Ｔ＝ｔ２）で、コンパレータＣＯＭＰの出力がＬレベルに遷移し、その後は、イオン検出パルスＶｏｕｔがＬレベルとなる点は、第１実施例の場合と同じである。

そして、この状態は、イオン電流Ｉｏｎが収まるまで継続されるので、イオン検出パルスＶｏｕｔを受けるＥＣＵは、イオン検出パルスＶｏｕｔのＬレベル期間によって、イオン電流の流れる期間を特定することができ、燃焼の適否判断の材料とすることができる。

以上、第１と第２の実施例に基づき、本発明について詳細に説明したが、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、蓄電部１や信号検出部２やスイッチ回路３の回路構成は、適宜に変更可能である。

１ 蓄電部
２ 信号検出部
３ スイッチ回路
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｑ１ スイッチング素子
ＰＬＧ 点火プラグ
Ｃ１ コンデンサ
ＺＤ１ 充電制限素子
Ｖｉｎ 検出電圧
ＴＨ 検出基準電圧
Ｖｏｕｔ イオン検出信号

Claims (3)

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点火放電する点火プラグと、
   前記点火放電の点火放電電流に基づいて充電されるコンデンサ、及び、前記コンデンサの充電電圧を制限する充電制限素子を有する蓄電部と、
   前記コンデンサのコンデンサ放電電流に基づくプラス電位の検出電圧を、検出基準電圧と比較してイオン検出信号を出力する信号検出部と、を有して構成され、
   前記蓄電部と前記信号検出部との間には、前記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する点火パルスを受けて動作して、前記スイッチング素子のＯＮ動作時にＯＦＦ動作し、ＯＦＦ動作時にＯＮ動作する追加スイッチング素子が設けられ、
   前記プラス電位の検出電圧は、直流電源と前記コンデンサとを含んだ電流経路に設けられた検出抵抗の電圧降下に基づいて検出されることを特徴とするイオン電流検出回路。
2. 前記蓄電部は、前記充電制限素子として、第１ツェナーダイオードと、第１ツェナーダイオードとは逆向きに接続された第２ツェナーダイオードと、を有して構成され、
   前記点火放電電流が収まるまでは、前記第２ツェナーダイオードの両端電圧に基づいて、前記検出抵抗に電流が流れないよう構成されている請求項１に記載のイオン電流検出回路。
3. 前記追加スイッチング素子とは別に、前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移時の充電電荷に基づいてＯＦＦ動作する補助スイッチング素子を、更に有して構成されている請求項１に記載のイオン電流検出回路。

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