(57)【要約】【課題】イオン電流波形にオルタネータから発生するノイズが重畳すると、イオン波形のピーク値前後におけるノック判定において、オルタノイズ信号をノック信号と誤判定することがあると共に、イオン波形の減少後の失火判定においても、オルタノイズ信号により燃焼が継続されていると誤判定する問題が生じる。【解決手段】２次コイル12の低圧側は、並列に接続される第２と第３のダイオード52b，52cを介してグランドと接続され、第２のダイオード52bのカソードとグランドとの間に第２の抵抗54bを配置し、２次コイル12の高圧側は並列接続される第４と第５のダイオード52d，52eを介して２次コイル12からの高電圧を放電する点火プラグ40に接続され、第４と第５のダイオード52d，52eと点火プラグ40との間に第１のツェナーダイオード50aを接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次コイルと２次コイルが電磁結合されてなる点火コイルと、当該１次コイルに点火信号を供給するイグナイタと、第２のツェナーダイオード及びコンデンサからなるバイアス回路と、オペアンプからなるイオン電流検出回路と、から構成されるイオン電流検出装置において、
前記１次コイルの高圧側と前記イグナイタのコレクタ端子との接続部が第１のダイオードと第１の抵抗を介して前記バイアス回路に接続され、
前記２次コイルの低圧側は、並列に接続される第２と第３のダイオードを介してグランドと接続され、当該第２のダイオードのカソードとグランドとの間に第２の抵抗を配置し、
前記２次コイルの高圧側は並列接続される第４と第５のダイオードを介して前記２次コイルからの高電圧を放電する点火プラグに接続され、
前記第４と第５のダイオードと前記点火プラグとの間に第１のツェナーダイオードを接続し、前記第１のツェナーダイオードと前記点火プラグとの接続部に第６のダイオードを接続し、当該第６のダイオードのアノードは並列に接続される前記第２のツェナーダイオードと前記コンデンサを介してグランドと接続されることを特徴とするイオン電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼により発生するイオン電流を検出するイオン電流検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の燃焼後にシリンダ内に発生するイオン電流を点火プラグから検出するイオン電流検出装置があり、検出したイオン電流から内燃機関に発生するノックの有無や内燃機関の失火を判定している。このようなイオン電流検出装置では、イオン電流経路に２次コイルを含まず、且つ、プラス放電にすることで、微小なノック信号を検出することを可能とし、例えば特開２０１０−１１６８２４号公報（以下「特許文献１」）が知られている。
【０００３】
上記特許文献１とするイオン電流検出装置の回路図を図８に示す。図８において特許文献１では、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１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２と、前記スイッチング素子２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グランドに向けて放電する点火プラグＰＧと、コンデンサＣ１及び第一ツェナーダイオードＺＤ１を有し、前記点火プラグＰＧの放電時に、前記高電圧に基づいて前記第一ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧のレベルまで前記コンデンサＣ１が充電されるバイアス回路３と、前記コンデンサ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、前記二次コイルＬ２と前記第一ツェナーダイオードＺＤ１との間に、前記第一ツェナーダイオードＺＤ１とは逆向きに第二ツェナーダイオードＺＤ２を配置したことを特徴とするイオン電流検出装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１６８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のイオン電流検出装置では次のような問題が生じている。即ち、特許文献１では、二次コイルと第一ツェナーダイオードとの間に、第一ツェナーダイオードとは逆向きに第二ツェナーダイオードを配置することで、スイッチング素子のＯＮ遷移時に点火プラグＰＧが放電せず、素早いタイミングでイオン電流を検出し、微小なノック信号を検出することが可能となるが、自動車のバッテリや電装部品に電力を供給するオルタネータから生じるオルタネータノイズ（以下「オルタノイズ」）が重畳すると、オルタノイズとノック信号とを誤判定する恐れが生じる。
【０００６】
図７は燃焼によってシリンダ内に発生するイオン波形のタイムチャートであり、図７（ａ）はオルタノイズが重畳した時のイオン波形のタイムチャート、図７（ｂ）は正常時（オルタノイズが重畳していない）のイオン波形のタイムチャートである。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、Ｘ軸は時間を、Ｙ軸はイオン波形の大きさを示す。また、シリンダ内で発生するイオン波形を実線で示す。図７（ａ）の実線のようにイオン波形はピーク値まで上昇し、その後減少していくが、オルタネータの駆動時は、オルタノイズがイオン波形に重畳していることが示されており、このようなノック信号及びオルタノイズ信号は似ているため、ノック信号とオルタノイズ信号を正確に見極めることが困難である。さらに、イオン波形の減少後に重畳するオルタノイズは内燃機関に失火が発生しても、オルタノイズ信号により燃焼が継続されていると誤判定する場合もある。このようなオルタノイズはオルタネータ本体から発すると共に、オルタネータからバッテリや電装部品を結ぶハーネスを伝って発するものであり、特に点火コイルの２次コイルに対して磁束の乱れを発生する。
【０００７】
また、特許文献１のイオン電流検出装置では、イオン電流を検出するためのコンデンサへの充電を２次コイルに蓄えられるエネルギーを用いて行うため、２次コイルのエネルギー損失が発生し、結果的に点火コイルの放電電圧のロスの原因となる。２次コイルのエネルギー損失を考慮して点火コイルの要求出力を満たすために、１次及び２次コイルの巻線の巻き数を増やすことも考えられるが、巻き数が増加すると点火コイルの形状が大型化してしまう問題も生じる。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、内燃機関の燃焼後にシリンダ内に発生するイオン電流を検出する際に、２次コイルに対して磁束の乱れを発生させるオルタノイズが重畳することを防ぐことができると共に、２次コイルのエネルギー損失を防ぐことができるイオン電流検出装置を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は次のような構成とする。即ち、請求項１の発明においては、１次コイルと２次コイルが電磁結合されてなる点火コイルと、当該１次コイルに点火信号を供給するイグナイタと、第２のツェナーダイオード及びコンデンサからなるバイアス回路と、オペアンプからなるイオン電流検出回路と、から構成されるイオン電流検出装置において、前記１次コイルの高圧側と前記イグナイタのコレクタ端子との接続部が第１のダイオードと第１の抵抗を介して前記バイアス回路に接続され、前記２次コイルの低圧側は、並列に接続される第２と第３のダイオードを介してグランドと接続され、当該第２のダイオードのカソードとグランドとの間に第２の抵抗を配置し、前記２次コイルの高圧側は並列接続される第４と第５のダイオードを介して前記２次コイルからの高電圧を放電する点火プラグに接続され、前記第４と第５のダイオードと前記点火プラグとの間に第１のツェナーダイオードを接続し、前記第１のツェナーダイオードと前記点火プラグとの接続部に第６のダイオードを接続し、当該第６のダイオードのアノードは並列に接続される前記第２のツェナーダイオードと前記コンデンサを介してグランドと接続されることを特徴とするイオン電流検出装置とする。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、１次コイルの高圧側とイグナイタのコレクタ端子との接続部が第１のダイオードと第１の抵抗を介してバイアス回路に接続され、２次コイルの低圧側は、並列に接続される第２と第３のダイオードを介してグランドと接続され、第２のダイオードのカソードとグランドとの間に第２の抵抗を配置し、２次コイルの高圧側は並列接続される第４と第５のダイオードを介して２次コイルからの高電圧を放電する点火プラグに接続され、第４と第５のダイオードと点火プラグとの間に第１のツェナーダイオードを接続し、第１のツェナーダイオードと点火プラグとの接続部に第６のダイオードを接続し、第６のダイオードのアノードは並列に接続される第２のツェナーダイオードとコンデンサを介してグランドと接続されることで、内燃機関の燃焼後にシリンダ内に発生するイオン電流を検出する際に、２次コイルに対して磁束の乱れを発生させるオルタノイズが重畳することを防ぐことができ、オルタノイズが重畳していないイオン波形から前記内燃機関の燃焼状態を判定することで、イオン波形のピーク値前後におけるノック判定において、オルタノイズ信号をノック信号と誤判定することを防ぐと共に、イオン波形の減少後の失火判定においても、オルタノイズ信号により燃焼が継続されていると誤判定することを防ぐことができる。
【００１１】
また、１次コイルの高圧側とイグナイタのコレクタ端子との接続部が第１のダイオードと第１の抵抗を介してバイアス回路に接続されることで、イオン電流を検出するためのコンデンサへの充電を１次コイルに蓄えられるエネルギーで行うため、２次コイルのエネルギー損失が改善され、点火コイルの放電電圧のロスを防ぐことができる。さらに、２次コイルの低圧側は、並列に接続される第２と第３のダイオードを介してグランドと接続され、第２のダイオードのカソードとグランドとの間に第２の抵抗を接続することで、前記２次コイルの残留エネルギーが除去され、点火プラグからの放電が素早く収束されると共に、イオン電流の検出を素早く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例とするイオン電流検出装置の回路図を示す図である。
【図２】イオン電流検出装置の充電時の動作を示す回路図である。
【図３】イオン電流検出装置の放電時の動作を示す回路図である。
【図４】イオン電流検出装置の残留エネルギー除去の動作を示す回路図である。
【図５】イオン電流検出装置のイオン電流検出時の動作を示す回路図である。
【図６】イオン波形に重畳するノイズ成分とダイオードの容量成分の関係を示すタイムチャートである。
【図７】（ａ）はオルタノイズが重畳した時のイオン波形のタイムチャート、（ｂ）は正常時のイオン波形のタイムチャートである。
【図８】特許文献１とするイオン電流検出装置の回路図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態を示す実施例を図１乃至図６に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の第１の実施例とするイオン電流検出装置の回路図を示す図を図１に、イオン電流検出装置の充電時の動作を示す回路図を図２に、イオン電流検出装置の放電時の動作を示す回路図を図３に、イオン電流検出装置の残留エネルギー除去の動作を示す回路図を図４に、イオン電流検出装置のイオン電流検出時の動作を示す回路図を図５に、イオン波形に重畳するノイズ成分とダイオードの容量成分の関係を示すタイムチャートを図６にそれぞれ示す。
【００１５】
図１において、イオン電流検出装置70は、点火コイル16、イグナイタ20、バイアス回路58、及び、イオン電流検出回路64から構成されている。当該点火コイル16は１次巻線を１００ターン前後巻き回した１次コイル10と、２次巻線を１２０００ターン前後巻き回した２次コイル12と、珪素鋼板からなる鉄芯14と、からなる。また、当該イグナイタ20はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなる。さらに、当該バイアス回路58は、第２のツェナーダイオード50b、コンデンサ56、及び、第７と第８のダイオード52g，52hからなる。
【００１６】
また、前記イオン電流検出回路64は、オペアンプ60、及び、検出用抵抗62からなる。さらに、前記１次コイル10の低圧側は、自動車のバッテリからなる電源30のプラス側と接続され、高圧側は、前記イグナイタ20のコレクタ端子と接続されている。
【００１７】
また、前記１次コイル10の高圧側と前記イグナイタ20のコレクタ端子との接続部は、第１のダイオード52a及び第１の抵抗54aを介して前記バイアス回路58と接続されている。さらに、当該第１のダイオード52aのアノード端子は前記１次コイルの高圧側及び前記イグナイタ20のコレクタ端子と接続され、カソード端子は当該第１の抵抗54aと接続される。
【００１８】
また、前記イグナイタ20のゲート端子は、自動車のエンジンＥＣＵと接続され、エミッタ端子は、グランドと接続されている。さらに、前記イグナイタ20は、当該エンジンＥＣＵから点火信号を供給されている。
【００１９】
また、前記２次コイル12の低圧側は、並列に接続される第２と第３のダイオード52b，52cを介してグランドと接続されている。さらに、当該第２のダイオード52bとグランドとの間には第２の抵抗54bが配置され、当該第２の抵抗54bは抵抗値５１ｋΩの抵抗とする。
【００２０】
また、前記第２のダイオード52bのアノード端子は前記２次コイル12の低圧側と接続され、カソード端子は前記第２の抵抗54bと接続される。さらに、前記第３のダイオード52cのアノード端子はグランドと接続され、カソード端子は前記コイル12の低圧側と接続される。
【００２１】
また、前記２次コイル12の高圧側は、並列に接続される第４と第５のダイオード52d，52eを介してブレークダウン電圧が３００Ｖの第１のツェナーダイオード50aのアノード端子と接続される。当該第４のダイオード52dのアノード端子は前記２次コイル12と接続され、カソード端子は当該第１のツェナーダイオード50aと接続され、当該第５のダイオード52eのアノード端子は当該第１のツェナーダイオード50aと接続され、カソード端子は前記２次コイルと接続される。さらに、当該第１のツェナーダイオード50aのカソード端子は、前記２次コイル12からの高電圧を放電する点火プラグ40の中心電極と接続されている。
【００２２】
また、前記第１のツェナーダイオード50aと前記点火プラグ40との接続部には第６のダイオード52fのカソード端子が接続され、当該第６のダイオード52fのアノード端子は、前記第２のツェナーダイオード50b及び前記コンデンサ56が並列に接続されている。さらに、当該第２のツェナーダイオード50bのカソード端子と前記コンデンサ56のプラス端子は前記第６のダイオード52fと接続され、前記第２のツェナーダイオード50bのアノード端子と前記コンデンサ56のマイナス端子は並列に接続される第７と第８のダイオード52g，52hを介してグランドと接続される。
【００２３】
また、前記第２のツェナーダイオード50bのカソード端子と前記コンデンサ56のプラス端子との接続部は前記第１の抵抗54aと接続されている。さらに、前記第７のダイオード52gのアノード端子と前記第８のダイオード52hのカソード端子はグランドと接続されている。
【００２４】
また、前記第２のツェナーダイオード50bのアノード端子と前記コンデンサ56のマイナス端子との接続部は前記オペアンプ60の反転入力端子に接続され、前記オペアンプ60の非反転入力端子及び負電源端子は、グランドと接続される。さらに、前記オペアンプ60の反転入力端子と出力端子と並列に検出用抵抗62が配置され、前記正電源端子には電源電圧が供給されている。
【００２５】
また、前記第２のツェナーダイオード50bは、ブレークダウン電圧が２７０Ｖのツェナーダイオードからなっており、前記第２のツェナーダイオード50bのブレークダウン電圧の値によって前記コンデンサ56に充電される電圧が２７０Vに制限されている。
【００２６】
次に、図２からイオン電流検出装置の充電時の動作説明をする。
【００２７】
図２において、前記エンジンＥＣＵから前記イグナイタ20に対して点火信号が入力されると、前記電源30からの電源電圧が前記１次コイル10に供給され、矢印の方向へ１次電流Ｉ１が流れ、前記１次コイル10からは４００〜５００Ｖの１次電圧が発生する。
【００２８】
次に、図３からイオン電流検出装置の放電時の動作説明をする。
【００２９】
図３において、前記エンジンＥＣＵから前記イグナイタ20に対する点火信号が遮断されると、電磁誘導により前記２次コイル12に高電圧が発生する。その結果、矢印の方向へ２次電流Ｉ２が流れる。当該２次電流Ｉ２は、前記第３のダイオード52c→前記２次コイル12→前記第４のダイオード52d→前記第１のツェナーダイオード50a→前記点火プラグ40の経路で流れる。また、前記コンデンサ56は、前記第２のツェナーダイオード50bのブレークダウン電圧に対応して充電される。前記コンデンサ56への充電は、前記１次コイル10→前記第１のダイオード52a→前記第１の抵抗54a→前記コンデンサ56の経路で行われるため、前記１次コイル10に流れる前記１次電流Ｉ１によって行われる。さらに、前記第６のダイオード52fは、前記２次コイル12の出力である３０ｋＶ以上の耐圧を有したダイオードであるため、前記２次コイル12の放電時は前記第６のダイオード52fに電流は流れない。よって、前記コンデンサ56の充電電荷が前記第６のダイオード52fを経由して放電されない。
【００３０】
次に、図４からイオン電流検出装置の残留エネルギー除去の動作説明をする。
【００３１】
図４において、前記点火プラグ40からの放電の収束は前記２次コイル12に残るエネルギーの低下速度に応じて変化する。前記点火プラグ40からの放電が収束しなければ、後述するイオン電流Ｉｉｏｎの検出が行えないため、残留エネルギーとして前記２次コイル12に溜まった電流を矢印の方向へ抜く経路を設けている。当該残留エネルギーは、前記点火プラグ40→前記第１のツェナーダイオード50a→前記第５のダイオード52e→前記２次コイル12→前記第２のダイオード52b→前記第２の抵抗54bの経路で流れる。
【００３２】
次に、図５からイオン電流検出装置のイオン電流検出時の動作説明をする。
【００３３】
図５において、前記２次コイル12から前記点火プラグ40への放電が収束していくと、矢印の方向へイオン電流のイオン電流Ｉｉｏｎが流れる。当該イオン電流Ｉｉｏｎは、前記検出用抵抗62→前記コンデンサ56→前記第６のダイオード52f→前記点火プラグ40の経由で流れる。その結果、前記オペアンプ60の出力端子から検出信号が出力される。
【００３４】
次に、図６からイオン波形に重畳するノイズ成分と前記第３のダイオード52cの容量成分の関係を説明する。
【００３５】
図６において、X軸は前記第３のダイオード52cの容量成分を、Y軸はイオン波形に重畳するノイズ成分の大きさを示す。図６に示すように、前記第３のダイオード52cの容量成分が上昇する程、イオン波形に重畳するノイズ成分も上昇することが示されている。これにより、前記第３のダイオード52cの容量成分が小さいものを用いることでイオン波形に重畳するノイズを低減することができる。図１に戻って、前記第３のダイオード52cは容量成分が１０ｐＦのダイオードを用いる。
【００３６】
上記構成により、前記２次コイル12の高圧側は、並列に接続される前記第４と第５のダイオード52d，52eを介して前記第１のツェナーダイオード50aのアノード端子と接続される。前記第４のダイオード52dのアノード端子は前記２次コイル12と接続され、カソード端子は当該第１のツェナーダイオード50aと接続され、前記第５のダイオード52eのアノード端子は前記第１のツェナーダイオード50aと接続され、カソード端子は前記２次コイルと接続される。さらに、前記第１のツェナーダイオード50aのカソード端子は、前記２次コイル12からの高電圧を放電する点火プラグ40の中心電極と接続されていることで、前記点火プラグ40から前記２次コイル12の高圧側への電流の流れは前記第１のツェナーダイオード50aで阻止されるため、イオン電流がオルタノイズの影響を受けることを防ぐことができる。これにより、イオン波形は上記図７（ｂ）に示すような正常時（オルタノイズが重畳していない）のイオン波形を検出することができる。
【００３７】
また、前記１次コイル10の高圧側と前記イグナイタ20のコレクタ端子との接続部は、前記第１のダイオード52a及び前記第１の抵抗54aを介して前記バイアス回路58と接続されている。これにより、前記イオン電流Ｉｉｏｎを検出するための前記コンデンサ56への充電を前記１次コイル10からのエネルギーで行うため、前記２次コイル12のエネルギー損失が改善され、前記点火コイル16の放電電圧のロスを防ぐことができる。さらに、前記２次コイル12の低圧側は、並列に接続される前記第２と第３のダイオード52b，52cを介してグランドと接続され、前記第２のダイオード52bとグランドとの間には前記第２の抵抗54bが配置される。これにより、前記２次コイルの残留エネルギーが除去され、点火プラグからの放電が素早く収束されると共に、イオン電流の検出を素早く行うことができる。
【００３８】
なお、上記実施例１の変形例として、前記イオン電流検出回路64は、前記オペアンプ60及び前記検出用抵抗62から構成したが、イオン電流Ｉｉｏｎを検出すると共に、検出信号を出力できる回路構成であれば、任意の回路構成に変更してもよい。また、前記第６のダイオード52fは、前記２次コイル12からの出力に対する耐圧を有していればよいため、前記第６のダイオード52fを複数からなるダイオード群で構成してもよい。さらに、前記第２のツェナーダイオード50bは、２７０Ｖのブレークダウン電圧を有したツェナーダイオード以外でも設計事情によって任意のブレークダウン電圧を有したツェナーダイオードを用いてもよい。
【００３９】
また、前記１次コイル10及び前記２次コイル12の巻線の巻き数は、前記点火コイル16に要求される出力が得られる事、及び、前記バイアス回路58の前記コンデンサ56に必要な充電が行える事が満たすことができれば、設計事情によって任意の巻き数に変更してもよい。さらに、前記第２の抵抗54bは、抵抗値５１ｋΩの抵抗としたが、前記第４と第５のダイオード52d，52eの容量成分に応じて任意の抵抗値を有した抵抗に変更してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
10：１次コイル
12：２次コイル
14：鉄芯
16：点火コイル
20：イグナイタ
30：電源
40：点火プラグ
50a：第１のツェナーダイオード
50b：第２のツェナーダイオード
52a：第１のダイオード
52b：第２のダイオード
52c：第３のダイオード
52d：第４のダイオード
52e：第５のダイオード
52f：第６のダイオード
52g：第７のダイオード
52h：第８のダイオード
54a：第１の抵抗
54b：第２の抵抗
56：コンデンサ
58：バイアス回路
60：オペアンプ
62：検出用抵抗
64：イオン電流検出回路
70：イオン電流検出装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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