JP5318701B2 - 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。

特開２００６−０７７７６３号公報 特開２００２−１８０９４９号公報 図５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。

しかしながら、図５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７（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７（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６のような回路構成も知られている（特許文献２参照）。この回路では、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６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）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、第１コンデンサ（Ｃ１）とグランドとの間に第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）を配置すると共に、第１コンデンサ（Ｃ１）と第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）との接続点と二次コイル（Ｌ２）との間に抵抗素子（Ｒ１）を配置し、点火放電を終えた前記点火プラグから、前記抵抗素子（Ｒ１）を経由して、降伏状態の第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）に電流が流れ込むよう構成されたことを特徴とする。

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。

前記電流検出回路は、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、第１コンデンサ（Ｃ１）の放電電流が、前記帰還抵抗に流れるよう構成されている。また、第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）と第１コンデンサ（Ｃ１）とが直列接続され、この直列回路に第１ツェナーダイオード（ＺＤ１）が並列接続され、第１ツェナーダイオード（ＺＤ１）のカソード端子と、第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）のアノード端子は、共にグランドに接続されているのが好適である。

第１ツェナーダイオード（ＺＤ１）のアノード端子は、第１ダイオード（Ｄ１）を経由して二次コイル（Ｌ２）に接続されているのが好ましい。また、第１コンデンサ（Ｃ１）と第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）との接続点と二次コイル（Ｌ２）との間には、前記抵抗素子（Ｒ１）と第２ダイオード（Ｄ２）の直列回路と、別の抵抗素子（Ｒ２）と第３ダイオード（Ｄ３）の直列回路とが並列的に配置されているのも好適である。この場合、第２ダイオード（Ｄ２）は、第１コンデンサ（Ｃ１）の放電電流が流れる向きに配置され、第３ダイオード（Ｄ３）は、点火プラグから第２ツェナーダイオードへの放電電流が流れる向きに配置されるのが好ましい。

上記何れの発明でも、第１ツェナーダイオード（ＺＤ１）と第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）は、その降伏電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２がほぼ同一に設定されているのが好適であり、更に好ましくは、Ｖｚ２＞Ｖｚ１とすべきである。

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。 図１のイオン電流検出装置の動作内容を説明する図面である。 別の実施例に係るイオン電流検出装置を示す回路図である。 図３のイオン電流検出装置の動作内容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、図示の向きの正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、ダイオードＤ１及びツェナーダイオードＺＤ１の直列回路と、ツェナーダイオードＺＤ１に並列接続される、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤ１の直列回路と、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤ１の接続点と二次コイルＬ２の低圧側端子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Ｄ１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、ツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子は、グランドに接続されている。また、ツェナーダイオードＺＤ２のカソード端子は、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１に接続され、アノード端子はグランドに接続されている。

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程度が選択される。一方、ツェナーダイオードＺＤ２は、点火放電時に点火プラグＰＧに帯電した電荷を素早く放電させるため、その降伏電圧Ｖｚ２として、例えば、２５０〜３５０Ｖ程度が選択される。なお、実施例では、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚ１が２７０Ｖ、ツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧Ｖｚ２が３００Ｖに設定されている。このように通常は、Ｖｚ２≒Ｖｚ１に設定されるが、本実施例では、Ｖｚ２＞Ｖｚ１とすることができ、且つ、Ｖｚ２を適宜に大きく設定することもできる。

ところで、点火プラグＰＧの点火放電時は、ツェナーダイオードＺＤ２やダイオードＤ１の順方向電圧が無視できるので、ツェナーダイオードＺＤ１と、コンデンサＣ１と、抵抗Ｒ１とは、互いに並列接続された関係となる（図１（ｂ）参照）。そのため、抵抗Ｒ１は、この点火放電時にコンデンサＣ１への充電電流を、むやみにバイパスしない抵抗値でなくてはならない。一方、点火プラグＰＧの点火放電終了後には、点火プラグＰＧの帯電電荷を素早く放電させる抵抗値である必要もある。そこで、これらを考慮して、抵抗Ｒ１は、３５０〜７００ｋΩ程度の抵抗値が選択され、この実施例では、５１０ｋΩの抵抗値となっている。

次に、電流検出回路４は、ＯＰアンプＡＭＰと、入力抵抗Ｒ２と、検出抵抗Ｒ３と、ダイオードＤ４とを有して構成されている。ＯＰアンプＡＭＰは、単一電源Ｖｃｃ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、入力抵抗Ｒ２は、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１及びツェナーダイオードＺＤ１の接続点と、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子との間に接続されている。この入力抵抗Ｒ２は、例えば、２００ＫΩ程度の抵抗値を有して、検出抵抗Ｒ３→入力抵抗Ｒ２の経路で流れる電流値ｉを適宜なレベルに制限している。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が接続されているので、ＯＰアンプＡＭＰからは、Ｒ３＊ｉの検出信号Ｖｏｕｔが出力される。

図２は、図１に示すイオン電流検出装置の動作内容を説明する図面である。先ず、点火パルスＳＧがＬレベルに変化してスイッチング素子２がＯＦＦ状態となると、二次コイルＬ２には、図１に示す向きの高電圧が誘起する。

そのため、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２及びコンデンサＣ１で構成された回路からダイオードＤ１を経由する第１経路と、ツェナーダイオードＺＤ２から抵抗Ｒ１を経由する第２経路とを通過して、二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で点火放電電流が流れる。

但し、抵抗Ｒ１が、適度に大きい抵抗値に設定されているので、第１経路の電流値に比較して第２経路の電流値は無視でき、コンデンサＣ１に十分な充電電流が流れ、素早くツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧のレベルまで充電される。すなわち、この実施例では、コンデンサＣ１が２７０Ｖレベルまで素早く充電される。

その後、点火放電動作が終了すると、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→抵抗Ｒ１→ツェナーダイオードＺＤ２→グランド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。なお、ツェナーダイオードＺＤ２→グランドの電流経路に並列して、コンデンサＣ１→ツェナーダイオードＺＤ１→グランドの電流経路も形成されるので、コンデンサＣ１の両端電圧は、ツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧（この実施例では３００Ｖ）とほぼ同一レベルとなる。

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３００Ｖ以下まで降下すると、その後は、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が得られる。なお、検出電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ４の電流を無視すると、Ｖｏｕｔ≒ｉ＊Ｒ３となる。

以上の通り、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７（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。また、本実施例では、逆電流や逆放電を防止する素子を使用することなくプラス放電を実現することもできる。

ところで、図１の回路構成は、これを図３に示すように変形して、イオン電流の流通経路と、点火プラグの残留エネルギーの放電経路とを分離しても良い。すなわち、図１の実施例では、二次コイルＬ２の低圧側端子と、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤ２の接続点との間に、抵抗Ｒ１を接続しているが、図３の変形例では、抵抗Ｒ１及びダイオードＤ２の第１直列回路と、抵抗Ｒ５及びダイオードＤ３の第２直列回路とを、並列的に接続している。

図３に示す通り、第１直列回路と第２直列回路とでは、ダイオードＤ２，Ｄ３の接続方向が逆であり、第１直列回路には、イオン電流（破線矢印参照）と点火放電電流とが流れ、第２直列回路には、点火プラグＰＧからの残留電荷の放電電流（実線矢印参照）が流れるよう構成されている。

このような回路構成によれば、点火プラグＰＧの残留電荷の放電経路を独立させることができる。そのため、放電動作時の時定数を任意に小さく設定することができ、点火プラグＰＧの残留エネルギーを迅速に放電させることができ、イオン電流の検出タイミングを確実に早めることができる。

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。

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）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、
   第１コンデンサ（Ｃ１）とグランドとの間に第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）を配置すると共に、第１コンデンサ（Ｃ１）と第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）との接続点と二次コイル（Ｌ２）との間に抵抗素子（Ｒ１）を配置し、
   点火放電を終えた前記点火プラグから、前記抵抗素子（Ｒ１）を経由して、降伏状態の第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）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、
   第１コンデンサ（Ｃ１）の放電電流が、前記帰還抵抗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. 第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）と第１コンデンサ（Ｃ１）とが直列接続され、この直列回路に第１ツェナーダイオード（ＺＤ１）が並列接続され、
   第１ツェナーダイオード（ＺＤ１）のカソード端子と、第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）のアノード端子は、共にグランドに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ツェナーダイオード（ＺＤ１）のアノード端子は、第１ダイオード（Ｄ１）を経由して二次コイル（Ｌ２）に接続されている請求項１〜３の何れかに記載のイオン電流検出装置。
5. 第１コンデンサ（Ｃ１）と第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）との接続点と二次コイル（Ｌ２）との間には、
   前記抵抗素子（Ｒ１）と第２ダイオード（Ｄ２）の直列回路と、別の抵抗素子（Ｒ２）と第３ダイオード（Ｄ３）の直列回路とが並列的に配置されている請求項１〜４の何れかに記載のイオン電流検出装置。
6. 第２ダイオード（Ｄ２）は、第１コンデンサ（Ｃ１）の放電電流が流れる向きに配置され、第３ダイオード（Ｄ３）は、点火プラグから第２ツェナーダイオードへの放電電流が流れる向きに配置されている請求項５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（ＺＤ１）と、第２ツェナーダイオード（ＺＤ２）とは、その降伏電圧がほぼ同一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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