(57)【要約】【目的】イオン電流検出におけるＳ／Ｎ比向上のためのイオン電流検出電源電圧の高電圧化を、点火コイルの出力性能を低下させず、且つ内燃機関の点火時期の進角（過早点火）も防いで実現できる、イオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置を提供する。【解決手段】電子制御される１次電流遮断素子により１次電流がオンオフ制御される１次コイルと、前記１次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する２次コイルと、２次コイル低圧側にイオン電流検出用電源回路とイオン電流増幅回路が配置され外部からの信号入力を必要としない自立制御によって２次コイル出力電流経路を切り替える手段とを備えたことを特徴とする内燃機関用点火装置とする。【選択図】図１
2008248779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子制御される１次電流遮断素子により１次電流がオンオフ制御される１次コイルと、前記１次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する２次コイルと、２次コイル低圧側にイオン電流検出用電源回路とイオン電流増幅回路が配置され外部からの信号入力を必要としない自立制御によって２次コイル出力電流経路を切り替える手段とを備えたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項２】
１次コイルと２次コイルとが電磁結合され、当該各コイルにより２次側に所定の高電圧を発生させる内燃機関用点火装置であって、前記１次コイル側には１次電流をオンオフ制御する１次電流遮断素子を備え、前記２次コイルの低圧側には燃焼中のシリンダ内に発生するイオン電流を検出するためのイオン電流検出用電源回路とイオン電流増幅回路とを備えた内燃機関用点火装置において、前記１次コイルに入力される点火信号を微分する微分回路と、当該微分回路によって構成される点火信号立ち上がり時期検出手段と、当該点火信号の立ち上がり時期検出手段からの信号によって２次コイル出力電流経路を切り替える２次電流経路切り替え手段とを備え、当該２次電流経路切り替え手段は通電状態へ移行させた後にイオン電流検出電源の充電電荷を１次電流遮断素子の駆動回路に点火信号が入力されてから１次電流遮断素子が通電開始するまでの遅延時間内で放電し１次電流通電開始時に２次コイルに発生する高電圧の抑制手段であることを特徴とする内燃機関用点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用点火装置に関し、特に点火コイルの出力エネルギ損失の低減手段をもつ内燃機関用イオン電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンなどの内燃機関において、図６に開示されたイオン電流検出をもつ内燃機関用点火装置がある。図６において、１はバッテリー電源、２は点火プラグ、３は点火コイル、３１は１次コイル、３２は２次コイル、４は制御回路、５は１次電流遮断素子、６はイオン電流検出用電源回路、７はイオン電流増幅回路である。イオン電流検出用電源回路において、６１はイオン電流検出電源電圧作成用ＺＤ、６２はイオン電流検出電源用コンデンサ、６３は２次放電電流経路用ダイオード、６４はイオン電流検出用抵抗である。イオン電流増幅回路において、７１は入力保護ダイオード、７２はイオン電流増幅回路である。
【０００３】
図６に開示されたイオン電流検出をもつ内燃機関用点火装置の動作波形を図７に示す。点火信号ａのHighレベルが入力されると、１次コイル３１に電流ｂが通電開始され２次コイルに高電圧が誘導される。この時に発生する高電圧は２次コイルの低圧側がイオン電流検出用電源電圧ｅでバイアスされているため、前記高電圧はイオン電流検出用電源電圧ｅに重畳される。この時に発生する高電圧の自由振動によって、イオン電流検出電源用コンデンサが充放電されるためイオン電流増幅回路は自由振動に応じた電圧波形を出力する。点火信号ａがＬｏｗレベルに切り替わると、１次コイル電流ｂが遮断され１次コイルに発生する逆起電圧の２次コイル巻数／１次コイル巻数倍の高電圧が２次コイル３２に誘導される。この高電圧がプラグギャップ間の絶縁破壊電圧を超えるとプラグギャップ間放電が開始され、内燃機関のシリンダー内壁からプラグギャップのＧＮＤ−電極間放電を経て２次コイル、２次コイル低圧側に接続されるＺＤをブレークさせて２次コイル放電電流経路用ダイオード６３を経てＧＮＤに至るループで２次コイル電流ｄが、通電される。２次コイル電流によってブレークダウンするイオン電流検出電源電圧作成用ＺＤ６１のブレークダウン電圧によってイオン電流検出電源用コンデンサ６２が充電され、プラグギャップ間放電が終了し残留エネルギによる２次コイルの自由振動が収束した後、プラグギャップ間に燃焼による火炎を通してイオン電流検出電源用コンデンサ６２は放電を開始し、放電電流波形をイオン電流増幅回路がイオン電流波形として電圧波形を出力する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで点火コイルの出力特性上問題となるのが２次放電電流経路中に存在するＺＤ６１である。プラグギャップ間放電中、すなわち２次コイルのエネルギ出力期間の全期間においてＺＤ６１はブレークダウンの状態でありＺＤ６１において、Ｅｄ＝｛（２次放電電流（Ｉ２）×ＺＤ６１ブレークダウン電圧（Ｖｚ））／２｝×プラグギャップ間放電時間（Ｔ２）の損失が発生する。この為、２次コイル出力エネルギＥ２は、点火に使用できるエネルギからＺＤ６１で発生する損失Ｅｄが差し引かれ、Ｅ２−Ｅｄのエネルギしか利用できない。
【０００５】
点火に利用できるエネルギは、ＺＤ６１のブレークダウン電圧に反比例の関係で低下していくが、イオン電流検出において検出するイオン電流はｕＡオーダの微少電流で、検出回路に重畳されるノイズとの分離は大きな問題であり、イオン電流検出装置の耐ノイズ性の向上にはイオン電流検出時におけるプラグギャップ間印加電圧を高電圧化し、検出対象であるイオン電流を高電流化することによるＳ／Ｎ比の向上が効果的である。しかし、イオン電流検出時におけるプラグギャップ間印加電圧を高電圧化することは、図６におけるＺＤ６１の高電圧化を意味し図７に示す特性の様に点火に利用できるエネルギが低下してしまう。イオン電流検出性の向上と点火性能の向上は相反する特性であり、両者の特性を同時に向上させるためには、あらかじめＺＤ６１で損失するエネルギを見越した点火コイル設計が必要であり、イオン電流検出性を向上すればするほどＺＤ６１での損失を賄う為の余剰エネルギを必要とし、効率的な点火コイル設計ができない。
【０００６】
また、イオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置において、２次コイル低圧側はイオン電流検出用電源回路によってプラグギャップ間印加電圧（Ｖｉｏｎ）でバイアスされていることから１次電流通電開始時に２次コイルに１次コイルと２次コイルの相互誘導によって誘起される高電圧はＶｉｏｎを基準にＶ２ｏｎ＝バッテリ電圧（Ｖ１）×１次／２次コイル巻数比（ｎ１／ｎ２）の電圧が発生し、プラグギャップ間にはＶ２ｏｎ＋Ｖｉｏｎの電圧が印加される。この電圧が高すぎると内燃機関の点火時期の進角（過早点火）を引き起こす原因となる。
【０００７】
イオン電流検出機能をもつ内燃機関において、上述の問題を回避する手段として１次コイルと２次コイルの巻数比を低減する解決策があるが、１次電流通電時に２次コイルに誘導される高電圧はイオン電流検出用電源回路電圧に重畳されるので、イオン電流検出用電源電圧を高電圧化しＳ／Ｎ比を向上しようとすると、内燃機関における点火時期の進角（過早点火）の危険性が増すことになる。
【０００８】
内燃機関における点火時期の進角（過早点火）を回避するため、前記の解決策を用いると１次コイルと２次コイルの巻数比の低減により点火性能が低下することにより、イオン電流検出用電源電圧の高電圧化には限界が生じＳ／Ｎ比の向上は困難であった。
【０００９】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、イオン電流検出におけるＳ／Ｎ比向上のためのイオン電流検出電源電圧の高電圧化を、点火コイルの出力性能を低下させず、且つ内燃機関の点火時期の進角（過早点火）も防いで実現できる、イオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火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】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明においては次のような構成とする。即ち、請求項１においては、電子制御される１次電流遮断素子により１次電流がオンオフ制御される１次コイルと、前記１次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する２次コイルと、２次コイル低圧側にイオン電流検出用電源回路とイオン電流増幅回路が配置され外部からの信号入力を必要としない自立制御によって２次コイル出力電流経路を切り替える手段と、イオン電流検出用電源の充電動作による２次コイル出力エネルギの損失を抑制できることを特徴とするイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置とする。
【００１１】
請求項２においては、１次電流通電開始時に２次コイル出力電流経路の切り替え手段によりイオン電流検出電源の充電電荷を放電し、２次コイル低圧側と基準電位との電位差をほぼ等電位とすることで１次電流通電開始時に２次コイルに発生する高電圧を抑制することができ、前記の２次コイル出力電流経路の切り替え動作とイオン電流検出電源の充電電荷の放電が、１次電流遮断素子の駆動回路に点火信号が入力されてから１次電流遮断素子が通電開始するまでの遅延時間内でなされることを特徴とするイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成により、イオン電流検出用電源の充電動作による２次コイル出力エネルギの損失を抑制できるイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置が提供できる。また、１次電流遮断素子のゲート直列抵抗を上述の範囲で調整し、点火信号による２次コイル電流切り替え素子の通電状態への移行を行うことによって１次電流通電開始時に２次コイルへ誘導される高電圧を抑制し内燃機関の点火時期の進角（過早点火）を防ぐことができる。さらに、本発明は組み合わされる１次及び２次コイルに依存することなく、外部からの独立した制御信号を必要とせずに２次コイル電流経路を切り替えてイオン電流検出用電源回路での点火コイルの出力エネルギ損失を抑制し、１次電流通電開始時に２次コイルに生じる高電圧を抑制することができるイオン電流検出機能付き内燃機関用点火装置を実現できる。
【実施例】
【００１３】
本発明の実施例を示す図１において、１次電流遮断素子５による電子制御によって１次電流がオンオフ制御される１次コイル３１と、前記１次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する２次コイル３２を備え、２次コイル３２の低圧側にイオン電流検出用電源回路６を持ち、イオン電流検出用電源回路７と並列に２次コイル出力電流経路切り替え素子８が接続されている。
【００１４】
図１におけるイオン電流検出電源用コンデンサ６２に充電される電荷量は２．７ｕＣ〜８ｕＣ程度で、この電荷量の充電に必要なエネルギは、０．１ｍＪ〜１．３２ｍＪ程度であり、コンデンサ６２の充電で失われるエネルギは内燃機関により異なるが３０ｍＪ〜９０ｍＪ必要とされる点火コイルの出力エネルギに対しほとんど影響を及ぼさない。一方ＺＤ６１での損失は、Ｖｚ及びプラグギャップ間放電時間に比例し、図７の様に損失が発生する。つまり、２次コイルのエネルギ出力期間において、コンデンサ６２の充電完了後もＺＤ６１のブレークダウンが継続され２次コイル出力電流経路が形成されることによる、ＺＤ６１での損失が点火コイル出力エネルギ損失の本質である。そこで、イオン電流検出電源用コンデンサ６２の充電経路と、２次コイル出力電流経路をＺＤ６１を含まない様に切り替えるようにすれば、点火コイルの出力エネルギの損失は、コンデンサ６２の充電エネルギのみであり、点火性能はほとんど低下しないイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置を構成することができる。
【００１５】
イオン電流検出用電源用コンデンサ６２の充電が２次コイル電流経路切り替え素子８の通電状態移行前になされると、コンデンサ６２が充電されても２次コイル出力電流切り替え素子８が通電状態に以降した時にコンデンサ６２の放電経路が作成されてしまい充電電荷が放電されてしまう。ＺＤ６１での点火コイル出力エネルギの損失を抑制しようとすると２次コイル出力電流が少ない期間にコンデンサ６２の充電を行う必要があり点火コイルの出力エネルギ特性から、コンデンサ６２の充電期間は２次コイル出力期間、すなわちプラグギャップ間放電の終了真際に行うことが望ましい。よって、２次コイル電流経路切り替え素子の動作は、２次コイル電流の出力開始時期から通電状態となりコンデンサ６２の充電に最小限必要なエネルギを点火コイルに残す時期で遮断状態に移行する動作とすることで点火コイル出力エネルギの損失を最も抑制したコンデンサ６２の充電を行うことができる。
【００１６】
すなわち図２に示すように、点火コイルの出力エネルギをＥ２、２次コイル電流経路切り替え素子遮断時の点火コイルの残留エネルギ（Ｅ２'）、コンデンサ６２をイオン電流検出電源電圧で充電するエネルギをＥｉｏｎとすると、Ｅ２'＝Ｅ２−Ｅｉｏｎであり、点火コイルがＥ２'のエネルギ出力をする時間Ｔ２'において２次コイル電流切り替え素子を遮断状態へ移行することが最も効率的にコンデンサ６２を充電することができる。
【００１７】
Ｅ２'のエネルギ出力を行うＴ２'における２次コイル出力電流は点火コイルの特性により決定される値であり、２次コイル出力電流値により判断することができる。   よって、順方向電流に対し遮断状態に移行させたい２次コイル出力電流でのオン保持電流特性をもつ素子を使用すればよい。又、２次電流経路切り替え素子の通電状態への移行の制御は、２次コイル電流が出力される前に発生する１次コイルの逆起電圧により通電状態への制御電圧を作成できる。
【００１８】
又、１次電流通電開始時までに、２次コイル電流経路切り替え素子８を通電状態にしておくことで２次コイル低圧側に配置されるイオン電流検出電源用コンデンサ６２の充電電荷を放電することができ、１次電流通電開始時に２次コイルに誘導される高電圧Ｖ２ｏｎはＶ２ｏｎ＝バッテリ電圧（Ｖ１）×１次／２次コイル巻数比（ｎ１／ｎ２）の電圧のみとなるため、１次電流通電開始時に２次コイルへ誘導される高電圧を抑制することができる。
【００１９】
２次コイル低圧側にイオン電流検出電源回路とイオン電流増幅回路をもつ内燃機関用点火装置において、１次電流通電開始時の２次コイルへの誘導される高電圧を最小とするためには、２次コイル低圧側とＧＮＤ間の電位差を無くしておく必要がある。つまり１次電流通電開始時にはコンデンサ６２の放電がなされていなければならない。すなわちコンデンサ６２の放電動作は、点火信号の入力から１次電流遮断素子制御回路の遅延時間と１次電流遮断素子の動作遅延時間を合わせた時間内で終了しなければならない。
【００２０】
点火信号入力から１次電流遮断素子制御回路の遅延時間をタイマ回路によって遅延時間を制御してもよいが、１次電流遮断素子のゲートエミッタ間容量の充電による遅延時間を制御したほうが回路を簡素化でき望ましい。
【００２１】
図３においてコンデンサ６２の放電動作を示す。点火信号の入力から１次電流遮断素子制御回路の遅延時間をＴｄ１、１次電流遮断素子の遅延時間をＴｄ２、１次電流遮断素子のゲート−エミッタ間容量をＣｉｅｓ、ゲートの直列抵抗をＲｇ、１次電流遮断素子のゲートスレッシュ電圧をＶｇｔｈ、１次電流遮断素子５のゲート駆動電圧をＶｇｄ、コンデンサ６２の放電時間をＴｆ、コンデンサ６２の容量をＣｉｏｎ，コンデンサ６２が放電する経路の直流抵抗をＲｅｓｒ、ＺＤ６１により充電されるコンデンサ６２の充電電圧をＶｉｏｎ、２次電流経路切り替え素子８のオン電圧をＶｆとすると、点火信号入力から１次電流通電開始までの遅延時間とコンデンサ６２の放電時間は（Ｔｄ１＋Ｔｄ２）＞Ｔｆの関係になければならない。すなわち、｛Ｔｄ１−Ｃｉｅｓ×Ｒｇ×ｌｎ（１−Ｖｇｔｈ／Ｖｇｄ）｝＞−Ｃｉｏｎ×Ｒｅｓｒ×ｌｎ（Ｖｆ／Ｖｉｏｎ）の関係式を満たす必要があり、１次電流遮断素子５のゲート直流抵抗ＲｇはＲｇ＞｛（Ｃｉｏｎ×Ｒｅｓｒ）／Ｃｉｅｓ｝×｛ｌｎ（Ｖｆ／Ｖｉｏｎ）／ｌｎ（１−Ｖｇｔｈ／Ｖｇｄ）｝となる必要がある。
【００２２】
コンデンサ６２には２次コイル電流切り替え素子８が並列に配置されており、コンデンサ６２の放電動作を行うことが可能である。１次電流遮断素子５のゲート直列抵抗を上述の範囲で調整し、点火信号による２次コイル電流切り替え素子８の通電状態への移行を行うことによって１次電流通電開始時に２次コイルへ誘導される高電圧を抑制し内燃機関の点火時期の進角（過早点火）を防ぐことができる。
【００２３】
本発明は組み合わされる１次及び２次コイルに依存することなく、外部からの独立した制御信号を必要とせずに２次コイル電流経路を切り替えてイオン電流検出用電源回路での点火コイルの出力エネルギ損失を抑制し、１次電流通電開始時に２次コイルに生じる高電圧を抑制することができるイオン電流検出機能付き内燃機関用点火装置を実現できる。
【００２４】
本発明の実施例は、１次電流遮断素子による電子制御によって１次電流がオンオフされる１次コイル３１と前記１次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する２次コイル３２と、前記１次コイルと前記２次コイルを内包するコイルケースを備える内燃機関用点火装置において、具体的には参考例として示す図４の様な回路によって、２次コイル低圧側にイオン電流検出用電源回路６とイオン電流増幅回路７を配置し、イオン電流検出用電源電圧作成用ＺＤ６２及びコンデンサ６２と並列に２次電流経路切り替え素子としてサイリスタ８を接続する。サイリスタは順方向のバイアス状態において、オントリガを入力することによって通電状態へ移行し自身の順方向電流により通電状態を保持でき、遮断状態の移行は順方向電流が自身の通電状態を保持できる保持電流以下に低下することによって成される。本発明において、サイリスタ８の遮断状態への移行はイオン電流検出電源用コンデンサ６２の充電動作の開始を意味し、サイリスタ８の保持電流特性によってコンデンサ６２の充電開始時期を決定する。
【００２５】
サイリスタ８のゲート入力は、１次電流遮断素子５と１次コイル３１の中間とを分圧抵抗９を介して接続されており、１次コイル３１の電流遮断時に発生する逆起電圧によってサイリスタ８の通電状態への移行を行う。サイリスタ８のゲートには動作安定もかねたコンデンサ１０が配置されており、１次コイル３１の逆起電圧の分圧電圧が２次コイル電流の出力開始までにサイリスタ８のオントリガ電圧を下回っても、サイリスタゲート電圧を通電状態に保つ様にサイリスタゲート電圧の低下を抑制する。２次コイル電流はプラグギャップ間を介してＧＮＤ→プラグ高圧電極→２次コイル→サイリスタ→ＧＮＤの経路を持ち、点火コイル出力エネルギを低下させるイオン電流検出用電源６を含まない。よって、内燃機関の点火時期において点火コイルの出力エネルギを低下させることなくプラグギャップ間に供給することができる。２次コイル放電電流がサイリスタ８の保持電流を下回ると、サイリスタ８は遮断状態へ移行しイオン電流検出電源電圧作成用ＺＤ６１がブレークダウンし、ＺＤ６１のＶｚでコンデンサ６２を充電すると共にプラグギャップ間放電の終了まで２次コイル出力電流の経路を作成する。
【００２６】
図５において点火信号入力時にコンデンサ６２を放電し、１次電流通電開始時に２次コイルに発生する高電圧を抑制するイオン電流検出機能を持つ内燃機関用点火装置の実施例を示す。１次電流通電開始時において、コンデンサ６２のサイリスタ８による放電動作は、点火信号を微分回路１２（点火信号立ち上がり時期検出手段）に入力し微分回路出力を積分することによって安定したトリガ動作を行う。サイリスタ８の通電状態への移行後はコンデンサ６２の放電電流により通電状態が保持され、サイリスタ８のＶｆまで放電がなされる。１次電流通電開始時期は１次電流遮断素子５のゲート直列抵抗１１によって遅延時間を調整されているため、コンデンサ６２の電荷はサイリスタ８のＶｆまで放電される。万が一微少電流がサイリスタ８の順方向に流れていても、１次電流通電開始時に２次コイル３２に誘導される高電圧によりサイリスタ８は逆方向にバイアスされ強制的に遮断状態となる。
【００２７】
プラグギャップ間放電が終了し、内燃機関が燃焼状態にあればコンデンサ６２の充電電荷は火炎を経路として放電し、コンデンサ６２の放電電流はイオン電流増幅回路７によって任意の増幅率の出力電圧波形として得ることができる。
【００２８】
以上のように、本発明の実施の形態について説明したが、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当該点火装置が必要なあらゆるエンジンに使用できるものであり、又２次コイル電流経路切り替え手段は、通電状態への移行を２次コイル電流の通電開始時に行い、遮断状態への移行を点火コイル特性とイオン電流検出性上要求されるイオン電流検出用電源電圧による２次コイル電流値により行うものであれば必ずしもサイリスタでなくとも良い。この発明の精神に基づき当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の内燃機関用点火装置の回路図
【図２】本発明の内燃機関用点火装置でのイオン電流検出電源用コンデンサ充電動作波形
【図３】本発明の内燃機関用点火装置でのイオン電流検出電源用コンデンサ放電動作波形
【図４】本発明の内燃機関用点火装置の実施例
【図５】点火信号入力時にイオン電流検出電源用コンデンサを放電する当該発明の内燃機関点火装置での実施例
【図６】従来のイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置の回路図
【図７】従来のイオン電流検出機能をもつ内燃機関用点火装置の動作波形図
【符号の説明】
【００３０】
１  バッテリ
２  点火プラグ
３  点火コイル
４  制御回路
５  １次電流遮断素子
６  イオン電流検出電源回路
７  イオン電流増幅回路
【図１】
2008248779.tif 000003
【図２】
2008248779.tif 000004
【図３】
2008248779.tif 000005
【図４】
2008248779.tif 000006
【図５】
2008248779.tif 000007
【図６】
2008248779.tif 000008
【図７】
2008248779.tif 000009