KR19990044744A - 내연기관용의 이온전류 검출장치 - Google Patents

내연기관용의 이온전류 검출장치 Download PDF

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Abstract

내연기관용의 이온전류 검출장치는 스위칭 소자에 대한 점화코일의 일차측 코일에서 발생된 역기전력을 제한하는 전압제한장치와, 이온전류 검출전압을 점화플러그에 인가하는 콘덴서와, 이온전류를 검출하는 이온전류 검출회로를 구비하는데, 여기서 콘덴서는 전압제한장치에 접속된다.

Description

내연기관용의 이온전류 검출장치
본 발명은 내연기관의 연소에 의해서 생기는 연소가스의 전리를 이온전류로서 검출하여, 내연기관의 연소상태를 검출하는 이온 전류 검출장치에 관한 것이다.
도 10은 내연기관의 점화장치(200)용의 이온 전류 검출장치(300)를 구비하는 종래의 장치의 회로도이다. 점화장치(200)는 자동차용 배터리 등의 전원(201),점화코일(202), 점화제어회로(203) 및, 실린더 내에 설치된 점화플러그(204)로 구성되어 있다. 점화제어회로(203)는 스위칭회로(210), 저항(211) 및 스위칭회로(210)를 제어하는 제어회로부(212)로 구성되어 있다.
스위칭회로(210)는 다단접속된 npn 파워 트랜지스터(215, 216), 제너다이오드(217) 및 저항(218, 219)으로 구성되어 있다.
이온 전류 검출장치(300)는 이온전류를 검출하기 위한 이온 전류 검출회로부(301), 콘덴서(302) 및 제너다이오드(303)로 구성되어 있다.
점화장치(200)에 있어서, 전원(201)으로부터 점화코일(202)의 일차측 코일 La의 일단으로 전류가 공급되고, 일차측 코일 La의 타단은 점화제어회로(203)를 통해 접지된다. 점화코일(202)의 2차측 코일 Lb의 일단은 점화플러그(204)를 통해 접지되고, 타단은 이온 전류 검출장치(300)에, 즉 제너다이오드(303)의 캐소드에 접속됨과 동시에 콘덴서(302)의 일단에 각각 접속된다. 제너다이오드(303)의 애노드는 접지되고, 콘덴서(302)의 타단은 이온 전류 검출회로부(301)에 접속된다. 또, 도 10에서는, 제너다이오드(303)의 애노드를 접지하였지만, 해당 애노드를 이온 전류 검출회로부(301)에 선택적으로 접속할 수도 있다는 것에 유념해야 한다.
파워 트랜지스터(216)의 각 콜렉터에는 제너다이오드(217)의 캐소드가 접속되고, 파워 트랜지스터(216)의 베이스에는 애노드가 접속되어, 점화코일(202)의 1차측 코일 La로부터의 역기전력으로부터 파워 트랜지스터(215, 216)를 보호한다. 저항(211)과 트랜지스터(215)의 에미터의 접속부 및 저항(211)의 접지측은 제어회로부(212)에 접속되어 있다. 제어회로부(212)에는, 각종의 엔진 동작 정보에 근거하여 점화시기를 제어하는 엔진 제어 유니트(미도시)부터의 제어신호가 입력된다. 제어회로부(212)는 공급된 제어신호에 근거하여 파워 트랜지스터(215, 216)의 스위칭동작을 제어한다.
이 구성에 있어서, 엔진 제어 유니트(이하, ECU라고 칭함)부터의 제어신호에 의해 파워 트랜지스터(215 및 216)가 온으로 전환되면, 점화코일(202)의 일차측 코일 La에 10∼20암페어의 전류가 흐른다. 일차측 코일 La에 일정한 시간동안 전류를 공급한 후, ECU로부터의 제어신호에 응답하여, 파워 트랜지스터(215 및 216)를 오프시켜서 일차측 코일 La로부터 공급된 전류가 갑자기 차단되면, 일차측 코일 La와 파워 트랜지스터(215 및 216) 사이에 역기전력이 발생한다. 그러나, 제너다이오드(217)는 파워 트랜지스터(216)의 콜렉터와 베이스 사이의 전원을 통상 약 300∼400V로 제한한다.
점화코일(202)의 일차측 코일 La에 역기전력이 발생하였을 때, 2차측 코일 Lb에는, 일차측 코일 La와 2차측 코일 Lb의 권선비에 비례한 전압이 발생한다. 예컨대, 2차측 코일 Lb의 권수는 일차측 코일 La의 권수의 약 100배이기 때문에, 2차측 코일 Lb에는 약 30 kV의 전압이 발생한다. 2차측코일 Lb는 코일의 점화플러그(204)측에 부의 전압이 발생하고, 콘덴서(302) 및 제너다이오드(303)가 접속되는 쪽에는 정(+)의 전압이 발생하도록 접속되어 있다. 점화플러그(204)에 의한 점화시에, 콘덴서(302)에 저장된 전압이 제너다이오드(303)의 제너전압보다 작거나 같으면, 콘덴서(302)에 수십 밀리암페어∼백수십 밀리암페어의 전류가 흐르고, 상기 저장된 전압이 제너전압을 넘는 경우에는, 제너다이오드(303)의 캐소드로부터 애노드로 전류가 흐른다.
상술한 바와 같이, 점화동작이 행해진 후, 점화코일(202)의 일차측 코일 La의 역기전력이 급속히 감쇠하고, 동시에 2차측 코일 Lb의 양단 전압도 급속히 감쇠하며, 최종적으로는 2차측 코일 Lb의 양단 전압은 제로로 감쇠한다. 그 후, 2차측 코일 Lb의 전위에는 콘덴서(302)에 유지된 전압이 인가되어, 해당 전압은 점화동작 중에 제너다이오드(303)의 제너전압과 거의 같게 되고, 점화플러그(204)에는 제너다이오드(303)의 제너전압과 같은 전압이 인가된다.
점화직후에는, 상기 전리된 연소가스를 포함하는 실린더 내의 점화플러그(204)에, 콘덴서(302)의 유지전하 상당의 전압이 인가되면, 이온전류가 흐른다. 콘덴서(302)는 이 이온전류를 공급하기 때문에, 콘덴서(302)에 접속된 이온 전류 검출회로부(301)에도 이온전류와 동일한 전류가 흐른다. 이 전류를 검출하여, 이온전류에 포함된 신호를 처리한다.
이온전류는 실린더 내의 온도 및 압력의 미소한 변동에 반응하는 것으로 알려져 있고, 이온전류의 절대값을 비교함으로써 연소가 정상으로 행해지고 있는지의 여부를 검출하는 장치가 본 발명의 발명자에 의해서 출원된 특개평 H7-217519(1995-217519)호 공보에 개시되어 있다. 또한, 실린더 내에서의 이상한 압력에 의해 생긴 노킹(knocking)을 검출하는 수단으로서 이온전류에 중첩된 진동파형 성분을 추출하는 회로가, 본 발명의 발명자에 의해서 출원된 특개평H9-15101(1997-15101)호 공보에도 개시되어 있다.
그러나, 종래의 이온전류 검출장치로는, 이온전류를 공급하는 콘덴서(302)의 전압을 제한하기 위한 제너다이오드(303)와 같은 전압제한소자는 콘덴서(302)에 대하여 하나씩 필요하고, 점화시에 흐르는 수십 밀리암페어∼백수십 밀리암페어의 전류와 100∼400V 정도의 제한전압에 의해 큰 전력손실이 발생한다. 이 때문에, 제너다이오드(303) 또는 다른 전압제한소자는 이러한 전력손실에 견딜 만큼 충분한 방열구조로 구성되어야 하므로, 비용상승의 요인으로 되어 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 내연기관의 점화장치 내에 배치된 이온전류 검출장치에 사용된 제너다이오드 전압제한소자를 제거하는 데에 있다.
특히, 본 발명은 이온전류 검출장치의 전압제한소자로서 점화제어회로 내에 배치된 전압제한소자를 사용한다. 이것은 점화제어회로의 파워 트랜지스터가 오프인 기간중에 발생하기 때문에 가능하다. 그 결과, 1차측 코일의 역기전력의 전압제한과, 이온전류 검출장치 내의 콘덴서에 대한 전압제한은 공통 전압제한소자가 양쪽 동작에 대해서 사용되더라도 동시에 발생하지 않는다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 내연기관용의 이온전류 검출장치는 일차측 코일에 인가된 전압에 의해 2차측 코일에 고전압 전하를 발생시키는 점화코일과, 해당 점화코일에 발생한 고전압에 의해 실린더 내의 연료를 점화하는 점화플러그를 구비한 내연기관에 있어서의, 연소시에 발생하는 이온전류를 검출하는 내연기관용의 이온전류 검출장치는, 일차측 코일로의 전류공급을 제어하기 위해 사용된 스위칭소자에 대한 일차측 코일의 역기전력을 제한하는 전압제한장치와, 2차측 코일을 통해 점화플러그에 이온전류 검출전압을 인가하는 콘덴서와, 해당 콘덴서로부터 점화플러그에 인가된 전압에 근거하여 이온전류를 검출하는 이온전류 검출수단과, 콘덴서를 전압제한수단에 접속하는 접속 수단을 구비하고, 여기서 전압제한장치는 콘덴서의 전압제한을 위해 사용된다.
본 발명의 콘덴서는 점화플러그의 점화시에 흐르는 전류에 의해서 바람직하게 충전되고, 상기 유지된 전압 전하를 점화종료 직후의 점화플러그에 방전하며, 전압제한수단은 콘덴서 충전중에 콘덴서에 공급되는 전압을 제한한다.
본 발명의 접속수단은 일차측 코일과 스위칭소자를 순방향으로 접속하는 제 1 다이오드와, 상기 콘덴서와 전압제한수단을 순방향으로 접속하는 제 2 다이오드로 이루어진다.
또한, 본 발명의 전압제한수단은 제너다이오드인 것이 바람직하다.
본 발명을 보다 완전하게 이해하는 것과 함께 그 외의 목적은 첨부된 도면에 의거하여 얻은 이하의 설명 및 청구범위를 참조함으로써 분명해진다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내연기관용의 이온전류 검출장치의 회로도,
도 2는 도 1에 있어서의 제어회로부(9)의 일례를 나타낸 회로도,
도 3은 도 1에 있어서의 이온전류 검출회로부(21)의 일례를 나타낸 회로도,
도 4는 도 1에 있어서의 이온전류 검출회로부(21)의 다른 예를 나타낸 회로도,
도 5는 도 1에 있어서의 이온전류 검출회로부(21)의 다른 예를 나타낸 회로도,
도 6은 도 1에 있어서의 이온전류 검출회로부(21)의 다른 예를 나타낸 회로도,
도 7은 도 1에 있어서의 스위칭회로부(7)의 다른 예를 나타낸 회로도,
도 8은 도 1에 있어서의 스위칭회로부(7)의 다른 예를 나타낸 회로도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용의 이온전류 검출장치의 회로도,
도 10은 관련된 기술에 따른 내연기관용의 이온전류 검출장치의 회로도,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1,90 : 점화장치 2 : 배터리
3 : 점화코일 4,23,91∼94 : 다이오드
5 : 점화제어회로 6,96∼99 : 점화플러그
7 : 스위칭회로부 11,12 : 파워 트랜지스터
13 : 제너다이오드 20 : 이온전류 검출장치
21 : 이온전류 검출회로부 22 : 콘덴서
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하면서 설명한다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내연기관용의 이온전류 검출장치의 회로도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 이온전류 검출장치(20)는 독립적으로 동력을 공급하는 점화장치(1)에 접속되어 있다. 점화장치(1)는 자동차용 배터리 등의 전원(2), 점화코일(3), 다이오드(4), 점화제어회로(5) 및 실린더 내에 장착된 점화플러그(6)로 구성되어 있다. 점화제어회로(5)는 스위칭회로부(7), 저항(8) 및 스위칭회로부(7)를 제어하는 제어회로부(9)로 구성되어 있다.
스위칭회로부(7)는 다단 접속된 npn 파워 트랜지스터(11, 12), 제너다이오드(13) 및 저항(14, 15)으로 구성되어 있다.
또한, 이온전류 검출장치(20)는 이온전류를 검출하기 위한 이온전류 검출회로부(21), 콘덴서(22) 및 다이오드(23)로 구성되어 있다.
점화장치(1)에 있어서, 전원(2)으로부터 점화코일(3)의 일차측 코일 L1의 일단으로 전류가 공급되고, 일차측 코일 L1의 타단은 다이오드(4) 및 점화제어회로(5)를 통해 접지된다. 점화코일(3)의 2차측 코일 L2의 일단은 점화플러그(6)를 통해 접지되고, 타단은 이온전류 검출장치(20)에, 즉 콘덴서(22)의 일단에 접속됨과 동시에 다이오드(23)의 애노드에 각각 접속된다. 다이오드(23)의 캐소드는 다이오드(4)의 캐소드와 제너다이오드(13)의 캐소드와 파워 트랜지스터(11, 12)의 각 콜렉터의 접속부에 접속된다. 콘덴서(22)의 타단은 이온전류 검출회로부(21)에 접속된다.
점화제어회로(5)에 있어서, 파워 트랜지스터(11 및 12)의 각 콜렉터는 접속되고, 해당 접속부에 다이오드(4 및 23)의 각 캐소드가 접속된다. 파워 트랜지스터(12)의 에미터는 파워 트랜지스터(11)의 베이스에 접속되고, 파워 트랜지스터(11)의 에미터는 저항(8)을 통해 접지된다. 파워 트랜지스터(12)의 베이스는 제어회로부(9)의 출력 a에 접속된다. 파워 트랜지스터(11)의 베이스와 에미터 사이에는 저항(14)이 접속되고, 파워 트랜지스터(12)의 베이스와 에미터 사이에는 저항(15)이 각각 접속된다.
또한, 제너다이오드(13)의 캐소드는 파워 트랜지스터(12)의 콜렉터에 접속되고, 애노드는 파워 트랜지스터(12)의 베이스에 접속되어, 점화코일(3)의 일차측 코일 L1의 역기전력으로부터 파워 트랜지스터(11 및 12)를 보호한다. 저항(8)과 파워 트랜지스터(11)의 에미터의 접속부는 제어회로부(9)의 입력 b에 접속되고, 저항(8)의 접지측은 제어회로부(9)의 입력 c에 접속된다. 제어회로부(9)의 입력 d에는, 엔진 제어 유니트(미도시)부터의 제어신호가 공급된다. 엔진 제어 유니트는 전류 엔진 동작에 대한 정보에 근거하여 점화시기를 제어한다. 그 결과, 제어회로부(9)는 엔진 제어 유니트로부터 공급된 제어신호에 근거하여 파워 트랜지스터(11, 12)의 온, 오프를 제어한다.
도 2는 제어회로부(9)의 예를 나타낸 회로도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제어회로부(9)는 스위칭 제어회로(31)와 전류제한회로(32)로 구성되어 있다.
스위칭 제어회로(31)는 비교기(33)와, 기준전압 발생회로(34)와, 구동회로(35)로 구성되고, 엔진 제어 유니트(이하, ECU)로부터 입력된 제어신호에 따라 파워 트랜지스터(11, 12)의 온/오프 스위칭 동작을 제어하기 위해 사용된다.
전류제한회로(32)는 연산 증폭기(OP앰프)(36), 기준전압 발생회로(37) 및 npn 트랜지스터(38)로 구성된다. 전류제한회로(32)는 레지스터(8)에 의해 파워 트랜지스터(11)의 에미터 전류로부터 변환된 전압에 따라 파워 트랜지스터(11)의 에미터 전류를 제한하기 위해 사용된다.
스위칭 제어회로(31)의 비교기(33)의 한편의 입력은 제어회로부(9)의 입력 d이므로, ECU에 접속된다. 비교기(33)에 대한 다른 입력과 접지 사이에는 기준전압 발생회로(34)가 접속된다. 비교기(33)의 출력은 구동회로(35)의 입력에 접속된다. 구동회로(35)의 출력은 제어회로 유니트(9)의 출력 a이므로, 파워 트랜지스터(12)의 베이스에 접속된다.
전류제한회로(32)의 OP앰프(36)에 대한 한편의 입력은 제어회로부(9)의 입력 b이므로, 레지스터(8)와 파워 트랜지스터(11)의 에미터의 접속부에 접속된다. 기준전압 발생회로(37)는 OP앰프(36)의 다른 쪽의 입력과 제어회로부(9)의 입력 c 사이에 접속된다. OP앰프(36)의 출력은 npn 트랜지스터(38)의 베이스에 접속되고, npn 트랜지스터(38)의 콜렉터는 제어회로부(9)의 출력 a에 접속되며, npn 트랜지스터(38)의 에미터는 제어회로부(9)의 입력 c에 접속된다.
ECU로부터의 제어신호는 비교기(33)에 의해서 기준전압 발생회로(34)로부터 입력된 기준전압을 기초로 하여 파형 정현이 행해진다. 구동회로(35)는 해당 파형정형이 행해진 신호에 따라서 파워 트랜지스터(11 및 12)를 온으로 전환하는데 필요한 전류를 파워 트랜지스터(12)의 베이스에 공급한다. 저항(8)에 의해서 파워 트랜지스터(11)의 에미터 전류는 전압으로 변환된다. 그 후, OP앰프(36)는 이 변환된 전압과, 기준전압 발생회로(37)로부터 공급된 기준전압을 비교한다. 파워 트랜지스터(11)의 에미터 전류가 소정값을 넘으면, npn 트랜지스터(38)가 온으로 되어, 구동회로(35)로부터 파워 트랜지스터(12)로 공급된 베이스 전류가 접지로 흘러서, 파워 트랜지스터(11)의 에미터 전류를 제한할 수 있다.
이와 같이, ECU로부터의 제어신호에 근거하여 파워 트랜지스터(11 및 12)를 온함으로써, 점화코일(3)의 일차측 코일 L1에 수암페어∼10수암페어 이상의 전류가 흐른다. 이와 같이, 일차측 코일 L1에 일정 시간동안 전류를 공급한 후에, ECU로부터의 제어신호에 응답하여 파워 트랜지스터(11 및 12)를 오프시켜서, 일차측 코일 L1에 공급된 전류를 갑자기 차단시키면, 일차측 코일 L1과 파워 트랜지스터(11, 12)의 콜렉터와의 접속부에 역기전력이 발생한다. 그러나, 제너다이오드(13)는 파워 트랜지스터(12)의 콜렉터와 베이스 사이에 공급되는 전압을 통상 약 300∼400V로 제한한다.
점화코일(3)의 일차측 코일 L1에 역기전력이 발생하면, 2차측 코일 L2에는 일차측 코일 L1과 2차측 코일 L2과의 권선비에 비례한 전압이 발생한다. 예컨대, 2차측 코일 L2의 권수는 일차측코일 L1의 권수의 약 100배이기 때문에, 2차측 코일 L2에는 약 30 kV의 전압이 발생한다. 2차측 코일 L2는 코일의 점화플러그(6)측에 부의 전압이 발생하고, 콘덴서(22)가 접속되는 측에 정(+)의 전압이 발생하도록 접속되어 있다.
점화플러그(6)에 의한 점화시에, 콘덴서(22)에 유지된 전압이 제너다이오드(13)의 제너전압보다 작거나 같으면(엄밀히 말해서 해당 제너전압에 다이오드(23)의 순방향 전압을 가한 전압보다 작거나 같지만, 다이오드(23)의 순방향전압은 제너다이오드(13)의 제너전압과 비교하여 작기 때문에 여기서는 이것을 무시한다.), 콘덴서(22)에 수십 밀리암페어∼백수십 밀리암페어의 전류가 흐르고, 상기 유지된 전압이 제너전압을 넘는 경우에는, 제너다이오드(13)의 캐소드에서 애노드로 전류가 흐른다.
이 동작의 결과로서, 점화코일(3)의 2차측 코일 L2의 일단의 전위가 제너다이오드(13)의 제너전압 이하로 제한된다. 이와 같이, 점화플러그(6)의 2차측 코일 L2의 전극전위는 약 -30 kV이고, 점화플러그(6)의 전극 사이에는 30 kV의 전압이 생겨서 전기불꽃이 발생한다. 이 전기불꽃에 의해, 실린더 내의 연료와 공기의 혼합기가 연소를 일으켜서, 해당 연소에 의한 고온 환경에서 실린더 내에 존재하는 분자가 전리된다. 이 전리된 가스에 전압을 인가하면, 이온전류가 흐른다. 이 이온전류의 미세한 변동이 실린더 내의 연소상태에 따라서 변화되므로, 이 이온전류를 검출함으로써 연소상태 및 다른 정보를 검출할 수 있다.
이러한 점화동작이 행해진 후, 점화코일(3)의 일차측 코일 L1의 역기전력이 급속히 감쇠하고, 동시에 2차측 코일 L2의 양단 전압도 급속히 감쇠하므로, 최종적으로는 2차측 코일 L2의 양단 전압은 제로로 된다. 이때, 2차측 코일 L2의 전위에는 콘덴서(22)에 유지된 전압이 인가되어, 해당 전압은 점화시의 동작에 의해 제너다이오드(13)의 제너전압과 거의 같게 되고, 점화플러그(6)에 제너다이오드(13)의 제너전압과 같은 전압이 인가된다.
점화직후에, 전리된 연소가스를 포함하는 실린더 내의 점화플러그(6)에, 콘덴서(22)의 유지전하 상당의 전압이 인가되면, 이온전류가 흐른다. 콘덴서(22)는 이 이온전류를 생성하는 전하를 공급하기 때문에, 콘덴서(22)에 접속된 이온전류 검출회로부(21)측에도 이온전류와 동일한 전류가 흐른다. 이온전류 검출회로부(21)는 이 전류를 검출하고, 이온전류에 포함된 정보를 처리한다.
도 3은 도 1에서의 이온전류 검출회로부(21)의 예를 나타낸 회로도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 이온전류 검출회로부(21)는 다이오드(41, 42), 검출한 이온전류를 전압으로 변환하기 위한 이온전류-전압 변환회로(43), 및 해당 이온전류­전압 변환회로(43)에 의해 출력된 전압 변환된 신호를 적절하게 처리하는 신호처리회로(44)로 구성되어 있다. 이온전류-전압 변환회로(43)는 pnp 트랜지스터(51∼53), 저항(54) 및 전원회로(55)로 구성되어 있다.
pnp 트랜지스터(51∼53)는 커런트 미러회로를 형성하도록 접속된다. pnp 트랜지스터(51 및 52)의 베이스는 서로 접속되고, 해당 접속부는 pnp 트랜지스터(53)의 에미터에 접속된다. pnp 트랜지스터(53)의 콜렉터는 접지되어 있다. pnp 트랜지스터(51 및 52)의 에미터도 서로 접속되고, 이 접속부는 전원회로(55)에 접속되어 있다. pnp 트랜지스터(51)의 콜렉터는 pnp 트랜지스터(53)의 베이스, 다이오드(41)의 캐소드 및 다이오드(4)2의 애노드에 각각 접속되고, 해당 접속부는 콘덴서(22)에 접속되어 있다. 또한, 다이오드(41)의 애노드 및 다이오드(42)의 캐소드는 접지되고, pnp 트랜지스터(52)의 콜렉터는 저항(54)을 통해 접지되며, pnp 트랜지스터(52)의 콜렉터와 저항(54)과의 접속부는 신호처리회로(44)에 접속되어 있다.
이온전류-전압 변환회로(43)는 이온전류를 검출하고, 검출한 이온전류를 전압으로 변환한다. 이온전류-전압 변환회로(43)의 전원회로(55)는 pnp 트랜지스터(51)의 콜렉터와 pnp 트랜지스터(53)의 베이스와의 접속부에서 0V으로 되는 전압, 예컨대 1. 4V의 전원전압을 공급한다. 이와 같이, 이온전류는 pnp 트랜지스터(51)의 콜렉터에서 콘덴서(22)로 흐르고, 점화코일(3)의 2차측 코일 L2를 통해서 점화플러그(6)로 흐르기 때문에, pnp 트랜지스터(51∼53)로 구성된 커런트 미러회로에 의해서, 이온전류에 비례한 전류가 저항(54)에 공급된다. 이온전류의 변환에 의해 저항(54)의 전압강하의 변동을 반영하는 신호가 생성되어, 신호처리회로(44)는 해당 변환된 전압강하의 변동을 나타내는 신호를 적절하게 처리한다.
또, 이온전류 검출회로부(21)의 다른 변형예는 도 4∼도 6에 도시되어 있다. 이들 선택적인 회로설계의 각각은 문헌으로부터 공지되어 있어, 그 동작에 대해서는 이하에 간단히 설명한다. 또한, 도 4∼도 6에서의 동일 부분에는 동일한 참조번호가 표시되고, 그것에 대한 설명은 생략한다.
도 4에 나타낸 이온전류 검출회로부(21)는 이온전류를 검출하는 것과 동시에 검출한 이온전류를 전압으로 변환하는 저항(61), 이온전류에 의한 저항(61)의 전압강하를 증폭하는 증폭회로(62), 및 해당 증폭회로(62)에 의해 증폭된 신호에 대하여 소정의 처리를 행하는 신호처리회로(44)로 구성되어 있다. 증폭회로(62)는 OP앰프(65) 및 저항(66, 67)으로 구성되어 있다.
저항(61)의 일단은 콘덴서(22)에 접속되고, 타단은 접지되어 있다. OP앰프(65) 및 저항(66, 67)은 비반전 증폭회로를 형성한다. OP앰프(65)의 반전입력은 저항(66)을 통해 접지됨과 동시에, 저항(67)을 통해 OP앰프(65)의 출력에 접속되어 있다. OP앰프(65)의 비반전입력은 콘덴서(22)와 저항(61)과의 접속부에 접속되어 있다.
이러한 구성에서의 이온전류는 점화플러그(6)에 정(+)의 전압을 인가하였을 때에 흐르는 전류이다. 이와 같이, 이온전류는 저항(61)을 통해 접지되어, 저항(61)에 정(+)의 전압강하를 발생시킨다. 이 전압강하를 증폭회로(62)로 증폭하고, 신호처리회로(44)는 해당 증폭된 이온전류의 전압신호에 대하여 소정의 처리를 행한다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 이온전류 검출회로부(21)는 도 4에 도시한 설계와 비교하여, 부가적으로 콘덴서(22)와 저항(61)과의 접속부에 캐소드가 접속됨과 동시에 애노드가 접지된 다이오드(68)와, 콘덴서(22)와 저항(61)과의 접속부에 애노드가 접속됨과 동시에 캐소드가 접지된 다이오드(69)를 구비한다. 그 결과, 저항(61)의 전압강하를 다이오드(68 또는 69)의 순방향전압으로 억제할 수 있다. 이 때문에, 이온전류의 신호처리동안, 과대한 전류가 흐를 때에 저항(61)의 전압강하를 작게 할 수 있고, 저항(61)의 저항값을 크게 할 수 있으며, 증폭회로(62) 등의 구성을 간소화할 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 이온전류 검출회로부(21)는 도 4에 나타낸 설계와 비교하여 부가적으로 콘덴서(22)로부터 전류를 출력하기 위한 다이오드(71), 콘덴서(22)로 전류를 공급하기 위한 다이오드(72), 증폭회로(73) 및 해당 증폭회로(73)에 의해 증폭된 신호에 대하여 소정의 처리를 행하는 신호처리회로(44)를 구비한다. 증폭회로(73)는 OP앰프(75) 및 저항(76, 77)으로 구성되어 있다. 다이오드(71)의 캐소드가 콘덴서(22)에 접속됨과 동시에 애노드는 접지된다. 다이오드(72)의 애노드가 콘덴서(22)에 접속됨과 동시에 캐소드는 접지되어 있다.
OP앰프(75) 및 저항(76, 77)은 반전 증폭회로를 형성한다. OP앰프(75)의 비반전입력은 접지되어 있다. OP앰프(75)의 반전입력은 저항(76)을 통해서 콘덴서(22)와, 다이오드(71)의 캐소드와, 다이오드(72)의 애노드와의 접속부에 접속되고, 또 저항(77)을 통해 OP앰프(75)의 출력에 접속되어 있다. 이러한 구성은 특개평 H7-217519(1995-217519)호 공보에 이전에 개시되어 있다. 이온전류는 저항(77)의 전압강하를 나타내면서, 접지기준 신호로 변환되고, 이온전류에 비례한 전압은 OP앰프(75)로부터 출력된다. 저항(76)을 단락하거나 또는 충분히 그것의 저항값을 작게 하면, OP앰프(75)에 있어서의 가상적인 쇼트(imaginary short)에 의해서 이온전류 검출회로부(21)의 입력 임피던스를 낮게 한 상태로 전류-전압 변환비율을 높게 할 수 있다. 그 결과, 배선에서의 포유용량(stray capacitance)의 영향에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
상술한 제 1 실시예에서는, 점화제어회로(5)의 스위칭회로부(7)에 파워 트랜지스터(11및 12)를 사용하였지만, 해당 파워 트랜지스터(11, 12)의 스위칭 동작을 구동하기 위해서는, 수십 밀리암페어의 전류를 파워 트랜지스터(12)의 베이스에 공급해야 한다. 그 결과, 파워 트랜지스터(11 및 12)의 대신에 파워 MOSFET를 사용할 수도 있다. 파워 MOSFET를 사용한 스위칭회로부(7)의 회로도가 도 7에 도시되어 있다. 도 1에 나타낸 스위칭회로부(7)의 파워 트랜지스터(11 및 12)를 NMOS 트랜지스터(81)로 대체한다는 것에 주의하라. 그 결과, 스위칭회로부(7)에 필요한 구동전류를 삭감할 수 있다.
또한, 파워 트랜지스터(11 및 12) 대신에 IGBT를 사용할 수도 있고, IGBT을 사용한 스위칭회로부(7)의 회로도는 도 8에 도시되어 있다. 파워 트랜지스터(11 및 12) 대신에 파워 MOSFET를 사용하는 경우, IGBT를 사용하여 스위칭회로부(7)로 필요한 구동전류를 삭감할 수 있다. 게다가, IGBT는 파워 MOSFET보다도 더 전류를 흘릴 수 있기 때문에, 소형의 IGBT 소자를 사용할 수 있다. 그 결과, 파워 MOSFET를 사용한 경우보다도 스위칭회로부(7)의 크기를 더 소형화할 수 있다.
상기 제 1 실시예에서는 독립적으로 동력을 공급하는 점화장치를 사용한 경우를 예로 들어서 설명하였지만, 본 발명은 고압전원에 접속된 점화장치를 사용할 수도 있다.
도 9는 본 발명에 따른 내연기관용의 이온전류 검출장치의 다른 실시예의 회로도이다. 또, 이 이온전류 검출장치는 4기통의 엔진용 고압회로에 접속된 점화장치와 함께 사용되고, 이것은 이 응용예에 대응시킨 도 1에 나타낸 이온전류 검출장치이다. 같은 부분에는 같은 부호로 표시하고, 여기서는 그 설명은 생략하고, 차이점만 설명한다.
도 9에 나타낸 장치는 도 1의 점화플러그(6)를 다이오드(91∼94), 분배기(95) 및 점화플러그(96∼99)로 대체한다는 점에서 도 1의 장치와 다르다. 그 결과, 도 1에 나타낸 점화장치(1)를 도 9에서의 점화장치(90)에 사용한다. 이와 같이, 도 9에 나타낸 점화장치(90)는 자동차용 배터리 등의 전원(2), 점화코일(3), 다이오드(4), 다이오드(91∼94), 점화제어회로(5), 분배기(95) 및 점화플러그(96∼99)로 구성되어 있다.
점화코일(3)의 2차측 코일 L2의 일단은 다이오드(91∼94)의 각 애노드 및 분배기(95)의 로터(rotor)에 접속되어 있다. 다이오드(91∼94)의 캐소드는 분배기(95)의 대응하는 단자에 각각 접속되어 있다. 다이오드(91)의 캐소드는 점화플러그(96)에 접지되고, 다이오드(92)의 캐소드는 점화플러그(97)에 접지되며, 다이오드(93)의 캐소드는 점화플러그(98)에 접지되고, 다이오드(94)의 캐소드는 점화플러그(99)에 접지된다.
이와 같이, 점화코일(3)의 2차측 코일 L2에 발생하는 고전압의 전하는 분배기(95)에 의해서 점화플러그(96∼99)에 배분된다. 점화플러그(96∼99)는 상기 제 1 실시예에서 설명한 바와 같이 부전압에 의해 방전되고, 점화동작이 종료하면, 다이오드(91∼94)로부터 대응하는 점화플러그(96∼99)로 전압이 인가되어 이온전류의 검출이 도 1의 경우와 같이 행해진다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이온전류 검출장치(20)를 다양한 점화장치와 함께 사용할 수 있다는 것은 분명하다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내연기관용의 이온전류 검출장치는 점화제어회로(5) 내의 스위칭회로부(7)의 스위칭소자를, 점화코일(3)에 의한 역기전력으로부터 보호하는 제너다이오드(13)를, 이온전류 공급용의 콘덴서(22)의 전압을 제한하기 위해 사용할 수 있다. 그 결과, 큰 전력손실에 견딜 만큼 충분한 방열구조를 가진 제너다이오드가 필요없게 되어, 비용을 감소시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 일차측 코일에 전류를 공급하기 위해 사용된 스위칭소자에 작용하는 일차측 코일의 역기전력을 제한하는 전압제한수단을, 이온전류 공급용의 콘덴서의 전압을 제한하는데도 사용할 수 있다. 그 결과, 이온전류 공급용의 콘덴서에 설치된 종래의 전압제한수단을 제거할 수 있어, 비용을 감소시킬 수 있다.
또, 전압제한수단은 점화플러그의 점화시에 공급되는 전류에 의한 충전시에, 콘덴서에 인가되는 전압을 제한한다. 그 결과, 큰 전력손실에 견딜 만큼 충분한 방열구조를 가진 제너다이오드가 필요없게 되어, 비용을 감소시킬 수 있다.
전압제한수단과 콘덴서를 접속하기 위한 접속수단은 2개의 다이오드를 사용하여 구성될 수 있으므로, 염가의 소자 및 간단한 회로설계를 이용하여 접속수단을 구성할 수 있다.
또한, 전압제한수단에 대해서 제너다이오드를 사용함으로써, 큰 전력손실에 견딜 만큼 충분한 방열구조를 가진 제너다이오드가 필요없게 되어, 비용을 감소시킬 수 있다.
이와 같이 설명한 본 발명이 다양한 방법으로 변경될 수 있다는 것은 분명한 것이다. 그러한 변형은 본 발명의 정신 및 범주로부터 시작하는 것으로 간주하는 것이 아니라, 본 발명이 속하는 기술분야에 속하는 당업자에게서 분명해지는 그러한 모든 변형은 이하의 청구범위의 범주 내에 포함되는 것으로 간주한다.

Claims (1)

  1. 일차측 코일에 인가된 전압에 의해 2차측 코일에 고전압 전하를 발생시키는 점화코일과, 상기 점화코일에 발생한 고전압에 의해 실린더 내의 연료를 점화하는 점화플러그를 구비한 내연기관에 있어서의, 연소시에 발생하는 이온전류를 검출하는 내연기관용의 이온전류 검출장치에 있어서,
    일차측 코일로의 전류공급을 제어하기 위해 사용된 스위칭소자에 대한 일차측 코일의 역기전력을 제한하는 전압제한장치와,
    2차측 코일을 통해서 점화플러그에 이온전류 검출용의 전압을 인가하는 콘덴서와,
    상기 콘덴서로부터 점화플러그로 인가된 전압에 근거하여 이온전류를 검출하는 이온전류 검출수단과,
    상기 콘덴서를 상기 전압제한장치에 접속하는 접속수단을 구비하고,
    상기 전압제한장치는 콘덴서의 전압제한을 위해 사용되도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용의 이온전류 검출장치.
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