(57)【要約】【課題】小型で安価な構成により、適正な増幅度でイオン電流を検出する機能を備えた内燃機関用イオン電流検出装置を提供する。【解決手段】イオン検出感度制御・切替回路３０は、スイッチ素子１３に入力される駆動信号の変化点を基にして判断することにより、点火プラグ４０の放電火花によって混合気が燃焼した通常燃焼時に検出したイオン電流を所望の信号レベルにする増幅率と、点火プラグ４０の放電火花によらずに混合気が燃焼した異常燃焼時に検出したイオン電流を所望の信号レベルにする増幅率とを、それぞれの燃焼時に設定した任意の時間で切替え、オペアンプ２３を含む増幅部は、それぞれの燃焼時に適合した信号レベルのイオン検出信号を出力する増幅率を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次コイルに流れる一次電流を遮断したとき、二次コイルに誘起される高電圧を点火プラグに供給する点火コイルと、
前記一次電流を、外部入力の駆動信号に応じてオン・オフするスイッチ素子と、
前記点火プラグに検出用電圧を供給し、該点火プラグが設置された燃焼室内に生じるイオン電流を検出するイオン電流検出部と、
前記イオン電流検出部の動作を制御するイオン検出制御部と、
を備え、
前記イオン電流検出部は、
前記燃焼室内に生じたイオン電流値に対応する電圧を発生させるイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出手段からの出力電圧を外部へ出力する信号レベルに増幅する増幅部と、
前記イオン検出制御部の制御によって前記増幅部の増幅率を切替え設定する増幅率設定部と、
を有し、
前記イオン検出制御部は、
前記スイッチ素子に入力される駆動信号の変化点を基にして判断することにより、
前記点火プラグの放電火花によって混合気が燃焼した通常燃焼時に検出したイオン電流を所望の信号レベルにする増幅率と、
前記点火プラグの放電火花によらずに前記混合気が燃焼した異常燃焼時に検出したイオン電流を所望の信号レベルにする増幅率とを、
それぞれの燃焼時に設定した任意の時間で切替え、
前記増幅部は、
前記それぞれの燃焼時に適合した信号レベルのイオン検出信号を出力する増幅率を用いる、
ことを特徴とする内燃機関用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、自動車等に搭載された内燃機関のイオン電流検出装置において、点火プラグ
の放電火花によって混合気に点火する通常燃焼時や、プレイグニッションによる異常燃焼
時などの燃焼状態の違いにより異なるレベルのイオン電流検出信号に対応することにより
所望の信号レベルの出力が可能な内燃機関用イオン電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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して燃焼状態を判別し、また、運転状態を把握する事により、失火やノッキングなどに対処する制御技術が提案されている。具体的には、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をイオン電流検出用の電源とし、イオン電流検出を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、近年では燃費の向上や排出ガス削減のために圧縮比を高く設定するなどの対策がなされている。このように圧縮比を高くすることにより、燃焼室内で発生した燃焼エネルギ−を駆動系に高効率で伝達することができ、燃費の向上に有効である。
しかしながら、圧縮比が高い場合、燃焼室内の燃焼温度が高温になり、点火プラグの放電による混合気への点火以前に混合ガスが自然着火してしまう現象がある。この現象はプレイグニッションと称され、内燃機関の出力減あるいは回転の不調をもたらし、最悪の場合は内燃機関を損傷してしまう場合もある。
そのため、従来から点火プラグ電極に流れるイオン電流によりプレイグニッションを判定する技術が提案されている。
【０００４】
図２は、従来の内燃機関用イオン電流検出装置の概略構成図である。図示した内燃機関用イオン電流検出装置は、点火プラグ４００に高電圧を供給する点火コイル１００、イオン電流検出回路２００、外部からの信号によりイオン検出感度を切替えるイオン検出感
度切替回路３００を備えている。
点火コイル１００は、一次コイル１０１、二次コイル１０２、およびスイッチ素子１０３を有している。
一次コイル１０１の一端には、バッテリなどの電源から直流電圧ＶＢ＋が供給されている。一次コイル１０１の他端には、当該一次コイル１０１に流れる電流をオン・オフするようにスイッチ素子１０３が接続さている。スイッチ素子１０３の制御端子には、外部から点火信号を入力するように配線接続されている。
二次コイル１０２の一端には、点火プラグ４００の頭部電極が接続され、当該点火プラグ４００の放電隙間を形成する放電電極はＧＮＤ（接地）部分に電気接続されている。
二次コイル１０２の他端には、イオン電流検出回路２００の入力点が接続されている。
【０００５】
イオン電流検出回路２００は、イオン検出電源用コンデンサ２０１、イオン検出電源用コンデンサ２０１に並列接続された充電電圧制御用ツェナーダイオード２０２、イオン検出電源用コンデンサ２０１とオペアンプ２０３の正入力端子とを接続するイオン電流検出用抵抗２０４を備えている。
また、イオン検出電源用コンデンサ２０１と充電電圧制御用ツェナーダイオード２０２とイオン電流検出用抵抗２０４の接続点とＧＮＤ部分とを接続する二次電流経路ダイオード２０５、オペアンプ２０３の正入力端子とＧＮＤ部分とを接続するイオン電流経路ダイオード２０６を備えている。
また、イオン電流検出回路２００は、オペアンプ２０３の増幅率を設定する増幅率設定抵抗２０７，２０８、増幅率設定抵抗２０８を切替え接続する増幅率切替用スイッチ素子２０９を備えている。
オペアンプ２０３の反転入力端子は、ＧＮＤ部分に接続されている。
イオン検出感度切替回路３００は、増幅率切替用スイッチ素子２０９を切替え稼動させるように回路接続されている。
【０００６】
図２のイオン電流検出装置は、図示を省略した例えばＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等から点火タイミングを表す駆動信号を点火コイル１００へ入力する。
駆動信号のレベル変化等によってスイッチ素子１０３がオン・オフし、一次コイル１０１に流れる一次電流が導通・遮断され、二次コイル１０２に高電圧が発生する。
この高電圧を点火プラグ４００に印加して当該点火プラグ４００の電極間に放電火花を発生させ、内燃機関の気筒内の混合気に点火する。
上記のように、点火プラグ４００に放電火花が発生すると、二次コイル１０２、イオン検出電源用コンデンサ２０１および充電電圧制御用ツェナーダイオード２０２、二次電流経路ダイオード２０５、点火プラグ４００からなる二次回路に二次電流が流れる。
二次電流が流れると、イオン検出電源用コンデンサ２０１に電荷が蓄積され、当該イオン検出電源用コンデンサ２０１の両端に電圧が生じる。
【０００７】
点火プラグ４００の放電火花が消滅し、二次電流が流れなくなると、イオン検出電源用コンデンサ２０１に蓄積されている電荷が放出され、二次コイル１０２や二次電流経路ダイオード２０５を介して点火プラグ４００にイオン電流検出用電圧が印加される。
この電圧印加によって点火プラグ４００の電極にイオン電流が発生し、ＧＮＤ部分を介してイオン電流経路ダイオード２０６へ流れ、イオン電流検出用抵抗２０４を介して検出用コンデンサ２０１へ回生する。
このとき、イオン電流がイオン電流経路ダイオード２０６を流れると、オペアンプ２０３に当該イオン電流の大きさに応じた電圧が入力される。オペアンプ２０３は、この入力電圧を増幅してイオン検出信号として出力する。
オペアンプ２０３は、並列接続された増幅率設定抵抗２０７，２０８を帰還回路として回路構成されており、この帰還回路の抵抗値に応じて増幅したイオン検出信号を生成する。
【０００８】
増幅率設定抵抗２０８は、増幅率切替用スイッチ素子２０９を介してオペアンプ２０３に接続されており、増幅率切替用スイッチ素子２０９のオン・オフによって帰還回路の抵抗値が変化し、オペアンプ２０３の増幅率が増減する。
増幅率切替用スイッチ素子２０９のオン・オフは、前述のようにイオン検出感度切替回路３００によって行われる。
ここで、イオン検出感度切替回路３００は、外部から入力した切替え信号に応じて増幅率切替用スイッチ素子２０９をオン・オフする。即ち、図２のイオン電流検出装置は、外部入力の切替え信号によってオペアンプ２０３の増幅率を切替え調整し、イオン電流の検出感度を可変する。
このようにイオン電流の検出を行い、前述のようにプレイグニッションの判定等に用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平４−１９４３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、点火プラグの放電による混合気への点火以前に当該混合気が自然着火してしまうプレイグニッション発生時には、点火プラグの放電により混合気へ点火される通常燃焼時のイオン電流値に比べて、燃焼室の温度、圧力が高くなりイオン電流値が大きくなる。
そのため、検出したイオン電流の増幅率を通常燃焼時の値に合せると、プレイグニッション発生時には増幅回路等の出力が回路動作に適当な信号レベルを超えてしまい、プレイグニッションの正確な検出やプレイグニッションの予兆を検知するような細かい判定ができず、正確な燃焼制御が困難になるという問題が生じる。
【００１１】
また、正確な燃焼制御を行うために、通常燃焼検出時とプレイグニッション等の異常燃焼検出時に対応して、イオン電流を検出するための回路等に設定された増幅率を切替えるように構成した場合には、例えば、図２に示したように外部から信号入力が必要になり、配線コネクタ等の増設が必須となってコストアップや装置サイズの拡大を招いてしまう。
【００１２】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、小型で安価な構成により、適正な増幅度でイオン電流を検出する機能を備えた内燃機関用イオン電流検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る内燃機関用イオン電流検出装置は、一次コイルに流れる一次電流を遮断したとき、二次コイルに誘起される高電圧を点火プラグに供給する点火コイルと、前記一次電流を、外部入力の駆動信号に応じてオン・オフするスイッチ素子と、前記点火プラグに検出用電圧を供給し、該点火プラグが設置された燃焼室内に生じるイオン電流を検出するイオン電流検出部と、前記イオン電流検出部の動作を制御するイオン検出制御部とを備え、前記イオン電流検出部は、前記燃焼室内に生じたイオン電流値に対応する電圧を発生させるイオン電流検出手段と、前記イオン電流検出手段からの出力電圧を外部へ出力する信号レベルに増幅する増幅部と、前記イオン検出制御部の制御によって前記増幅部の増幅率を切替え設定する増幅率設定部とを有し、前記イオン検出制御部は、前記スイッチ素子に入力される駆動信号の変化点を基にして判断することにより、前記点火プラグの放電火花によって混合気が燃焼した通常燃焼時に検出したイオン電流を所望の信号レベルにする増幅率と、前記点火プラグの放電火花によらずに前記混合気が燃焼した異常燃焼時に検出したイオン電流を所望の信号レベルにする増幅率とを、それぞれの燃焼時に設定した任意の時間で切替え、前記増幅部は、前記それぞれの燃焼時に適合した信号レベルのイオン検出信号を出力する増幅率を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明によれば、通常燃焼時とプレイグニッション等の異常燃焼時の各イオン電流を検出するとき、外部からの切替信号を用いることなく適正な増幅率を設定し、それぞれの燃焼時のイオン電流を適確に示す信号レベルのイオン電流検出信号を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例による内燃機関用イオン電流検出装置の概略構成図である。
【図２】従来の内燃機関用イオン電流検出装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の一形態を説明する。
（実施例）
図１は、本発明の実施例による内燃機関用イオン電流検出装置の概略構成図である。図示した装置は、点火コイル１０、イオン電流検出回路２０、イオン検出感度制御・切替回路３０、点火プラグ４０によって構成されている。
点火コイル１０は、一次コイル１１、二次コイル１２、スイッチ素子１３によって構成されている。スイッチ素子１３の制御端子は、外部から駆動信号を入力するように配線接続されている。
一次コイル１１の一端は、例えば図示を省略したバッテリ等の電源から直流電圧ＶＢ＋が供給され、当該一次コイル１１の他端は、スイッチ素子１３を介してＧＮＤに接続されている。
二次コイル１２の一端は、点火プラグ４０の頭部電極に接続されている。当該二次コイル１２の他端は、イオン電流検出回路２０のイオン検出電源用コンデンサ２１の一端および充電電圧制御用ツェナーダイオード２２のカソードに接続されている。なお、点火プラグ４０の頭部電極は、当該点火プラグ４０の放電電極を形成する中心電極と電気接続されており、放電電極を形成する外側電極は内燃機関のＧＮＤ部分と導通するように接続固定されている。
【００１７】
イオン電流検出回路２０の充電電圧制御用ツェナーダイオード２２のアノードおよびイオン検出電源用コンデンサ２１の他端は、二次電流経路ダイオード２５のアノードおよびイオン電流検出用抵抗２４の一端に接続されている。
イオン電流検出用抵抗２４の他端は、オペアンプ２３の正入力端子およびイオン電流経路ダイオード２６のカソードに接続されている。
二次電流経路ダイオード２５のカソード、イオン電流経路ダイオード２６のアノード、および、オペアンプ２３の反転入力端子は、ＧＮＤ部分に接続されている。
オペアンプ２３の正入力端子と出力端子との間には、増幅率切替用スイッチ素子２９、増幅率設定抵抗２７，２８によって構成された帰還回路が設けられている。
【００１８】
増幅率設定抵抗２８は、増幅率切替用スイッチ素子２９と直列接続されており、当該直列接続の各端部が各々増幅率設定抵抗２７の各端部に接続されている、即ち、増幅率切替用スイッチ素子２９および増幅率設定抵抗２８と、増幅率設定抵抗２７は並列接続されている。
増幅率設定抵抗２７等の一端がオペアンプ２３の正入力端子に接続され、当該増幅率設定抵抗２７等の他端がオペアンプ２３の出力端子に接続されて前述の帰還回路を形成している。
増幅率切替用スイッチ素子２９は、例えば制御端子をイオン検出感度制御・切替回路３０に接続し、また、増幅率設定抵抗２８の一端と増幅率設定抵抗２７の一端との接続を開閉するように接続されている。
イオン検出感度制御・切替回路３０は、外部から駆動信号を入力し、上記のように増幅率切替用スイッチ素子２９のスイッチ（開閉）動作を制御するように回路接続されている。
【００１９】
スイッチ素子１３を含む点火コイル１０、イオン電流検出回路２０、および、イオン検出感度制御・切替回路３０を、例えばダイレクトイグニッション方式において点火プラグ４０に直接接続する点火コイルユニット内に設置・構成してもよい。
【００２０】
次に動作について説明する。
駆動信号は、例えばＥＣＵ等によって設定された点火タイミングを示す点火信号であり、スイッチ素子１３をオン・オフ駆動する信号レベルを有するものである。
点火コイル１０のスイッチ素子１３は、入力した駆動信号が有意を示している間、オン状態を維持し、一次コイル１１に一次電流を導通させる。例えばＩＧＢＴをスイッチ素子１３に用いた場合には、駆動信号がハイレベルとなっている期間に一次電流が流れる。
駆動信号がハイレベルからローレベルへ遷移すると、スイッチ素子１３がオフして一次電流を遮断する。このとき、点火コイル１０の二次コイル１２に高電圧が誘起され、点火プラグ４０の頭部電極を介して中心電極に印加される。
【００２１】
高電圧が印加された点火プラグ４０の中心電極と外側電極間、即ち放電隙間に絶縁破壊が生じて放電火花が発生すると、二次コイル１２、イオン検出電源用コンデンサ２１もしくは充電電圧制御用ツェナーダイオード２２、二次電流経路ダイオード２５、ＧＮＤ部分を介して接続される点火プラグ４０に二次電流が流れる。
二次電流が流れることにより、イオン検出電源用コンデンサ２１に電荷が蓄積される。この電荷蓄積によってイオン検出電源用コンデンサ２１の両端電圧が充電電圧制御用ツェナーダイオード２２のツェナー電圧を超えると、二次電流は充電電圧制御用ツェナーダイオード２２を逆方向に流れ、イオン検出電源用コンデンサ２１をバイパスして二次電流経路ダイオード２５へ流れる。
【００２２】
二次コイル１２に誘起された電圧が減衰して二次電流が流れなくなると、イオン検出電源用コンデンサ２１の電圧が、二次コイル１２を介して点火プラグ４０の中心電極と外側電極間に印加される。
点火プラグ４０の上記の電極間に印加された電圧により、燃焼室内のイオンが移動してイオン電流が発生する。このイオン電流は、ＧＮＤ部分を介してイオン電流経路ダイオード２６へ流れ、イオン電流検出回路２０に入力する。
イオン電流経路ダイオード２６を順方向に流れたイオン電流は、イオン電流検出用抵抗２４によってオペアンプ２３の入力電圧となる。
【００２３】
外部入力の駆動信号は、スイッチ素子１３とともにイオン検出感度制御・切替回路３０へ入力されている。
イオン検出感度制御・切替回路３０は、駆動信号の変化点を基にして任意の時間設定を行う。また、当該設定した時間においてイオン電流検出回路２０の増幅率切替用スイッチ素子２９がオフ状態となるように切替・制御する。
増幅率切替用スイッチ素子２９がオフ状態のとき、オペアンプ２３の帰還回路は増幅率設定抵抗２７のみとなり、当該オペアンプ２３は、前述の入力電圧を比較的増幅率の大きな第１の増幅率で増幅し、二次電流が消滅した直後に検出されたイオン電流（通常燃焼時のイオン電流）を示すイオン検出信号を出力する。
第１の増幅率は、イオン電流検出回路２０が通常燃焼時のイオン電流を入力したとき、当該イオン電流を示すイオン検出信号が所望の信号レベルとなる増幅率であり、例えば、イオン電流検出回路２０に外部接続されたＥＣＵ等のコントロールユニットにおいて処理可能な信号レベルに増幅するための設定値である。
【００２４】
内燃機関が稼動するとき、通常燃焼は点火プラグ４０の火花放電から一定時間内に終了する。詳しくは、点火コイル１０の一次電流が遮断されてから点火プラグ４０に放電火花が発生するまで、さらに燃焼室内の混合気が燃焼してイオン電流が発生するまでには一定の時間を要する。即ち、通常燃焼によって発生したイオン電流の検出期間は、点火信号（駆動信号）の任意の変化点から特定することができる。
そこで、イオン検出感度制御・切替回路３０は、前述のように駆動信号の変化点を基にして任意の時間を設定する。この設定時間に沿って（例えば、設定内容に含まれる開始時間になると）増幅率切替用スイッチ素子２９をオフに遷移させ、予め設定された所定期間（時間長さ）が経過するまでこのスイッチ状態を維持する。その後、オフからオンへ遷移させてオペアンプ２３の増幅率を切替える。
【００２５】
上記の所定期間は、増幅率切替用スイッチ素子２９をオフ状態とした時点から、点火プラグ４０に火花放電が発生し、燃焼室内の混合気が燃焼することによって発生したイオン電流を検出する所要時間が経過するまでの間である。
また、イオン検出感度制御・切替回路３０は、駆動信号を監視していることから、例えば、駆動信号のパルス周期などから内燃機関の回転数を算出し、当該回転数（または燃焼速度等）に対応した時間長さ（イオン電流を検出するための期間）を設定して、増幅率切替用スイッチ素子２９を制御するようにしてもよい。
【００２６】
増幅率切替用スイッチ素子２９がオン状態のとき、オペアンプ２３の帰還回路は増幅率設定抵抗２７，２８を並列接続した回路になり、当該オペアンプ２３は前述の第１の増幅率よりも小さな第２の増幅率で動作する。
第２の増幅率は、点火プラグ４０が発生した放電火花によって燃焼室内の混合気が燃焼したとき以外の、例えばプレイグニッションなどの異常燃焼が発生したときに発生するイオン電流を、所定の信号レベルに増幅するときに用いるものである。
イオン検出感度制御・切替回路３０は、前述の駆動信号を基にした設定時間以外は、増幅率切替用スイッチ素子２９をオン状態に制御する。即ち、オペアンプ２３が第２の増幅率を用いる時間についても、自ずと設定されていることになる。
【００２７】
このように点火コイル１０から高電圧が出力される前など、例えばプレイグニッションなどの異常燃焼によってイオン電流が発生する場合には、オペアンプ２３に設定する増幅率を低く抑える。
そのため、上記の異常燃焼時にオペアンプ２３から出力されるイオン検出信号は、信号レベルを小さく抑えたものとなり、当該異常燃焼によって発生したイオン電流を精度良く表し、また、燃焼室内に生じる微細な変化を表す信号とすることも可能である。なお、第２の増幅率で増幅されたイオン検出信号も、上記のように所望の信号レベルを有しており、イオン電流検出回路２０に外部接続された例えばＥＣＵ等において処理可能な信号レベルで上記のような変化などを表したものである。
【００２８】
以上のように本実施例によれば、点火タイミングを表す駆動信号に応じて判断し、イオン電流検出回路の信号増幅率を切替えるようにしたので、通常燃焼時に検出されたイオン電流を大きな第一の増幅率で増幅し、異常燃焼時に検出されたイオン電流を小さな第２の増幅率で増幅することにより、各燃焼時におけるイオン電流を適確に表したイオン検出信号を出力することができる。
また、検出したイオン電流を適当な信号レベルに増幅することによって、プレイグニッションの予兆などを示すイオン検出信号をＥＣＵ等へ出力することも可能になる。
また、簡易な回路構成で増幅率を切替えるように構成したので、製造コストを抑制するとともに装置をコンパクトにすることができ、ダイレクトイグニッションに用いる点火コイルユニット内に設置することが可能になり、内燃機関に設置したときの配線接続等を簡素にすることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０，１００点火コイル
１１，１０１一次コイル
１２，１０２二次コイル
１３，１０３スイッチ素子
２０，２００イオン電流検出回路
２１，２０１イオン検出電源用コンデンサ
２２，２０２充電電圧制御用ツェナーダイオード
２３，２０３オペアンプ
２４，２０４イオン電流検出用抵抗
２５，２０５二次電流経路ダイオード
２６，２０６イオン電流経路ダイオード
２７，２８，２０７，２０８増幅率設定抵抗
２９，２０９増幅率切替用スイッチ素子
３０イオン検出感度制御・切替回路
４０，４００点火プラグ
３００イオン検出感度切替回路
【図１】
2015190396.tif 000003
【図２】
2015190396.tif 000004