(57)【要約】【課題】  少ない部品でイオン化検出のための給電を可能にすること。【解決手段】  本発明はイオン化を検出するためのデュアル充電レートの電源回路および方法に関する。この回路は第１ダイオードと、第１および第２コンデンサと、第１および第２電流パスとを含む。第１ダイオードは一次巻線の第１端部に作動的に接続されたアノードを含み、第１コンデンサはアースに作動的に接続された第２端部を有し、第２コンデンサは第１ダイオードのカソードに作動的に接続された第１端部だけでなく、アースに作動的に接続された第２端部も有する。第１および第２電流パスは第１コンデンサと第２コンデンサとの間に作動的に接続されており、第２ダイオードと、第１レジスタと第３ダイオードとの並列な組み合わせと、第２抵抗器とを含む。【選択図】      図７
2005180449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードおよび一次巻線の第１端部に作動的に接続されたアノードを有する第１ダイオードと、
第１端部およびアースに作動的に接続された第２端部を有する第２コンデンサと、
前記第１ダイオードの前記カソードに作動的に接続された第１端部およびアースに作動的に接続された第２端部を有する第２コンデンサと、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に作動的に接続された第１電流パスと、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に作動的に接続された第２電流パスとを備えたデュアルステージのイオン化検出回路。
【請求項２】
前記第１電流パスおよび前記第２電流パスが、
前記第１コンデンサに並列に作動的に接続された、アノードおよびカソードを有する第２ダイオードと、
第１端部および第２端部を有する第１抵抗器とアノードおよびカソードを有する第３ダイオードとの並列な組み合わせと、
第１端部および第２端部を有する第２抵抗器とを含み、前記第１端部が前記第１ダイオードの前記カソードに作動的に接続されており、前記並列な組み合わせが前記第２抵抗器の前記第２端部と前記第１コンデンサの前記第１端部との間に作動的に接続されている請求項１記載のデュアルステージのイオン化検出回路。
【請求項３】
前記第１電流パスが、
前記第１ダイオードの前記カソードに作動的に接続された第１端部および第２端部を有する抵抗器と、
アノードおよびカソードを有する別のダイオードとを備え、該別のダイオードが前記抵抗器の前記第２端部と前記第１コンデンサの前記第１端部との間に作動的に接続されている請求項１記載の、デュアルステージのイオン化検出回路。
【請求項４】
前記第２電流パスが、
第１および第２端部を有する第１抵抗器と、
第１端部および第２端部を有する第２抵抗器とを備え、前記第１端部が前記第１ダイオードの前記カソードに作動的に接続されており、前記第１抵抗器が前記第２抵抗器の前記第２端部と前記第１コンデンサの前記第１端部との間に作動的に接続されている請求項１記載のデュアルステージのイオン化検出回路。
【請求項５】
前記第１電流パスが第１抵抗値を有し、前記第２電流パスが第２抵抗値を有する請求項１記載のデュアルステージのイオン化検出回路。
【請求項６】
前記第２ダイオードおよび前記第３ダイオードがツェナーダイオードである、請求項１記載のデュアルステージのイオン化検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車の点火診断システムの分野に関し、より詳細には、イオン化検出回路に給電する技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパーク点火（ＳＩ）エンジンでは、燃焼室内にスパークプラグが設けられ、別個のセンサを挿入しないでもこのプラグは検出デバイスとして使用できる。エンジンの燃焼中にプラズマ内に多数のイオンが発生する。例えば火炎の前方において、化学反応によりＨ３Ｏ＋、Ｃ３Ｈ３＋およびＣＨＯ＋が発生し、これらイオンは検出するまで十分長い励起時間を有する。更にスパークギャップの両端に加えられる電圧は自由イオンを引き寄せ、イオン化電流を生じさせる。
【０００３】
従来技術として、内燃機関の燃焼室内のイオン化電流を検出し、これを利用するための従来の方法は種々ある。しかしながら、これら種々の従来のシステムの各々には多数の欠点がある。
【０００４】
代表的なイオン化検出器はスパークがアークを生じていないときに、スパークプラグ電極の両端に加えられる電圧を各コイル内のデバイスが維持するようになっているコイルオンプラグ装置から成る。スパークプラグの電極を横断する電流は測定前にアイソレートされる。シリンダ内のイオン化検出器に安定化された電力を供給する方法は２つある。まず第１の方法は、ＤＣ電源、例えばバッテリーから給電される充電ポンプを使用する方法であり、第２の方法は、充電フライバックエネルギーによって給電される充電ポンプを使用する方法である。ＤＣ電源および充電フライバックエネルギーはイオン化電流を検出するために充電ポンプが使用するＤＣバイアスを発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
双方の方法には欠点がある。ＤＣ電源は高電圧電子回路が大きいのでサイズが過度に大きくなることが多い。フライバックエネルギー方法は安定化された給電をするのに数回の点火事象が必要である。シリンダの識別をするために最初の点火事象で安定化された電力を使用するので、このようなフライバックエネルギー方法はシリンダを識別するのに望ましくない。更に、フライバックエネルギー方法で使用される高電圧コンデンサは電圧が高く、かつ作動温度の高いことに起因し、信頼性が低くなる傾向がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記に鑑み、本発明の上記特徴は内燃機関の燃焼室内のイオン化電流を検出するのに使用されるイオン化検出回路に給電するための１つ以上の改良されたシステム、方法および／または装置に一般に関する。
【０００７】
一実施形態では、本発明は複数の充電レートを使用するイオン化検出回路を充電する方法を含む。
【０００８】
別の実施形態では、複数の充電レートを使用してイオン化検出回路を充電するための方法は、ある時間中に第１の時定数を使用してコンデンサを充電し、前記時間が経過した後に第２の時定数を利用してコンデンサを充電する。
【０００９】
別の実施形態では、本発明は第１ダイオードと、第１および第２コンデンサと、第１および第２電流パスとを含むデュアルステージのイオン化検出回路を含む。第１ダイオードはアノードとカソードとを含み、アノードは一次巻線の第１端部に作動的に接続されている。第１コンデンサは第１端部および第２端部を有し、第２端部はアースに作動的に接続されている。第２コンデンサは第１ダイオードのカソードに作動的に接続された第１端部と、アースに作動的に接続された第２端部とを有する。第１電流パスは第１コンデンサと第２コンデンサとの間に作動的に接続されており、第２電流パスは第１コンデンサと第２コンデンサとの間に作動的に接続されている。第１および第２電流パスの各々は、第１コンデンサに作動的に並列に接続されたアノードおよびカソードを有する第２ダイオードと、第１端部および第２端部を有する第１抵抗器とアノードおよびカソードを有する第３ダイオードとの並列な組み合わせと、第１端部および第２端部を有する第２抵抗器とを含む。第２抵抗器の第１端部は第１ダイオードのカソードに作動的に接続されており、並列な組み合わせは第２抵抗器の第２端部と第１コンデンサの第１端部との間に作動的に接続されている。
【００１０】
次の詳細な説明、添付図面および特許請求の範囲から、本発明を適用できる更なる範囲が明らかとなろう。しかしながら、詳細な説明および特定の例は本発明の好ましい実施形態を示すが、当業者には本発明の要旨の範囲内で種々の変更および変形が明らかとなるので、これら説明および例は本発明の単なる説明のために示したものにすぎないと理解すべきである。
【００１１】
以下の説明、添付した特許請求の範囲および添付図面から、本発明についてより完全に理解できよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
スパークプラグのギャップの両端にバイアス電圧を加えることにより、内燃機関の燃焼室内のイオン化電流をイオン化測定回路が検出するようになっており、本発明は点火コイルのゲート絶縁バイポーラ接合トランジスタ（ＩＧＢＴ）のターンオフ直後の余分な点火コイルの漏れおよび磁化エネルギーを有効利用することにより、プラグ電極の両端にバイアス電圧を印加する安定化電源を提供するものであり、本発明はエネルギーを有効利用するために２ステージの電源回路を使用している。
【００１３】
更に本発明は、第１の点火事象において、イオン化を検出するための安定化給電をするのに、有効利用された点火コイルフライバックエネルギーを使用するデュアルレートの充電ポンプを含む。換言すれば、点火スタート後の数十マイクロ秒内でイオン化検出のための給電の準備を完了できる。
【００１４】
２ステージの、デュアルレートの充電ポンプを使用することにより、イオン化システムの性能を改善できる。例えばデュアルレートの充電ポンプを使用する結果、イオン化検出の給電はフライバック期間中に完全に復帰できる。点火事象の直後に燃焼事象が生じるので、このときのエンジン速度、すなわちｒｐｍは小さい。エンジン速度が低いとき、点火周波数も対応して低く、これによって次の点火事象が生じる前に給電電圧は大きく低下する。低い点火レート、例えば２０ミリ秒のレートでは、燃焼が生じるまで、イオン化検出電圧が望ましい電圧レベルまで回復するのに十分高速でイオン化検出電圧を蓄積できない。本発明の提案されるデュアル充電レート電源は点火コイルまたは電源スイッチ、通常はＩＧＢＴ２２のターンオフ直後の余分な点火コイルの漏れおよび磁化エネルギーを有効利用することにより、この問題を解決するものである。
【００１５】
次の説明は標準的な点火コイルに充電され、次にエネルギーを放出する態様を説明するものである。内燃機関用のスパーク点火システムはシリンダ内の圧縮された燃料−空気混合気に点火するために、スパークプラグ１４の電極の空気ギャップに十分なエネルギーを送る。これを行うために、通常点火コイル１２と称される磁気装置内にエネルギーが蓄積される。このように蓄積されたエネルギーは、適当な時間にスパークプラグ１４の空気ギャップに放出され、燃料空気混合気に点火される。これが点火事象である。図１には代表的な点火コイルの略図が示されている。フライバックトランスとして示されているコイル１２は一次巻線１６と二次巻線１８とから成り、これら巻線は高透磁性磁気コア１３を介して磁気結合されている。二次巻線１８の巻回数のほうが、通常一次巻線１６の巻回数よりも多く、これによってフライバック時間中に二次電圧を極めて高い電圧まで昇圧できる。
【００１６】
ＩＧＢＴ２２をターンオンし、点火コイル１２の一次巻線１６の両端にバッテリーの電圧を印加することにより、コイルにエネルギーを蓄積する。一次インダクタンス（Ｌpri）に一定の電圧を印加した場合、一次電流（Ｌpri）は図２に示される所定のレベルに達するまでリニアに増加し、従って、コイルに蓄積されるエネルギーは次の式で示されようコイルの一次電流の二乗関数で示される。
【００１７】
エネルギー＝１／２×Ｌpri×（Ｌpri）2
【００１８】
一次電流Ｌpriが所定のピークレベルに達すると、一次電力スイッチＩＧＢＴ２２はターンオフされる。このターンオフが生じると、コイルインダクタンス（Ｌpri）内に蓄積されているエネルギーによってトランスの一次電流は反転し、ＩＧＢＴ２２のクランプ電圧、例えば公称３５０から４５０ボルトまで昇圧される。二次巻線１８は一次巻線１６に磁気結合されているので、二次電圧も反転し、一次クランプ電圧に一次巻線の巻回数に対する二次巻線の巻回数の比を乗算した値に等しい電圧、一般に２００００〜４００００ボルトまで昇圧される。スパークプラグ１４の電極の両端にこの高電圧が生じるので、電極の空気ギャップを通してスパークプラグ１４の電極の間に小電流が流れる。この電流が小さいが、空気ギャップの両端の電圧は高いので、空気ギャップ内で消散される電力はかなり大きい。
【００１９】
電極の空気ギャップ内で消散される電力は電極間の空気を急速に加熱し、分子をイオン化させる。分子が一旦イオン化されると、電極間の空気−燃料混合気は大きく導通状態となり、スパークプラグ１４の空気ギャップ内でフライバックトランス１２内に蓄積されていたエネルギーが急に放出される。このようなフライバックトランス１２内に蓄積されていたエネルギーの急な放出により、シリンダ内の空気−燃料混合気が点火される。
【００２０】
次に、シリンダ内イオン化検出、安定化電源を提供する異なる方法、各方法の利点および欠点について簡単に説明する。シリンダ内のイオン化を検出するために、安定化電源はスパークプラグ１４の電極の間にバイアス電圧を生じさせなければならない。一般に８０〜１５０ボルトの直流レンジ内にあるこの電圧は、イオン化電流（Ｉion）を生じさせるが、この電流は公称数百マイクロアンペアに限られている。この結果生じるイオン化電流（Ｉion）が検出され、燃焼診断および制御目的のために利用できる信号を発生するように増幅される。
【００２１】
イオン化電流（Ｉion）の大きさは比較的小さいので、検出増幅電子回路は一般にコイル１２とスパークプラグ１４の近くに設けられている。更に高電圧電源も潜在的に危険な自動車のボンネット下の高電圧の漏れを防止するために、イオン化電子回路の極めて近くに設けられている。従って、高電圧を局部的に発生するための手段が、このように設けられている。
【００２２】
シリンダ内のイオン化電流を検出するための安定化された給電を行う異なる方法は多数ある。イオン化電圧を発生する１つの方法は、点火コイル１２において利用できる１２ボルトの直流電圧から８０〜１５０ボルトの電圧を発生するために、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用する方法である。この方法は直接的で信頼できるが、構成するのにいくつかの部品を使用しなければならないので、コストおよびスペースの点で実施できない。
【００２３】
シリンダ内でのイオン化電流を検出するための安定化給電を行う別の方法は、ＩＧＢＴ２２がターンオフされた直後にこの一次ＩＧＢＴ２２のコレクタからコンデンサに充電する方法である。この方法の第１の利点は、イオン化用バイアス電圧を発生するのに別個のブーストコンバータを設けなくてもよいことである。第２の利点は、安定化電源がトランスの漏れインダクタンス内に蓄積されたエネルギーの少なくとも一部を捕捉し、エネルギーをエネルギー蓄積コンデンサに移すことができることである。通常、このエネルギーはＩＧＢＴ２２で熱として放出され、スイッチのＩＧＢＴ２２の作動温度を上げている。
【００２４】
図３には、この方法の一実施形態が略図で示されている。上記のように、コイルインダクタンス（Ｌpri）内に蓄積されたエネルギーにより、トランスの一次側電圧はＩＧＢＴ２２がターンオフされたときに反転され、ＩＧＢＴ２２のクランプ電圧、例えば３５０〜４５０ボルトまで昇圧される。このことが生じると、ダイオードＤ１は順方向にバイアスされ、電流はＤ１および電流制限抵抗器Ｒ１を通ってコンデンサＣ１に流れる。ツェナーダイオードＤ２はコンデンサＣ１上の電圧を約１００ボルトに制限している。
【００２５】
この方法の第１の欠点はエネルギー蓄積コンデンサＣ１がフライバック電圧の大きさ、約４００ボルトと比較して比較的低い電圧、すなわち１００ボルトでエネルギーを蓄積することである。コンデンサＣ１に蓄積されるエネルギーはコンデンサの電圧の二乗に応じて決まるので、低電圧でエネルギーが蓄積するには、蓄積されるエネルギーを所定の値とした場合、コンデンサがより高い電圧まで充電され得る場合よりも容量をより大きい値にしなければならない。例えば１００ボルトで５００マイクロジュールを蓄積するには０.１マイクロファラッドのコンデンサが必要であるが、２００ボルトで同じエネルギーを蓄積するには０.０２５マイクロファラッドのコンデンサだけでよい。コンデンサの電圧を２倍にすると、容量は４分の１に小さくできる。
【００２６】
この方法の第２の欠点は、ＩＧＢＴ２２がターンオフしてからスパークプラグが点火するまでの短い時間の間、通常１０マイクロ秒未満の時間でコンデンサＣ１が完全に再充電できるようにするために、Ｒ１×Ｃ１の時定数を十分小さくしなければならないことである。同時に、最悪の条件、例えばｒｐｍが小さく、スパークプラグが汚れている状態でオンデンサＣ１にかかる電圧を実質的に低下することなく、イオン化電流（Ｉion）を供給するには、コンデンサＣ１を十分大きくしなければならない。これによって、抵抗器Ｒ１を比較的小さい値、数十オームにしなければならず、この結果、ＩＧＢＴ２２がターンオフしたときのコンデンサの充電電流は比較的大きくなる。２０００〜３０００ｒｐｍの公称作動条件で、かつスパークプラグがクリーンな状態の場合、イオン化に起因するコンデンサＣ１での放電は適度であり、その結果、余分な充電電流がツェナーダイオード１９に転流される。過剰なツェナーダイオードの電流とツェナー電圧との積はツェナーダイオードＤ２で無駄に消費されるエネルギーを構成する。
【００２７】
シリンダ内部でのイオン化電流を検出するための安定化給電をするための別の方法は、フライバックトランス１２の二次巻線１８と直列にコンデンサを設けることにより、二次点火電流でエネルギー蓄積コンデンサを充電することである。図４には本発明の一実施形態が略図で示されている。点火コイル１２の二次巻線１８内を流れるスパーク電流はダイオードＤ１を介してエネルギー蓄積コンデンサＣ１を充電する。コンデンサＣ１上の電圧が一旦ツェナー電圧に達すると、二次電流はツェナーダイオードＤ１を通過するように転流され、コンデンサＣ１の電圧を約１００ボルトに制限する。
【００２８】
コンデンサＣ１は二次巻線と直列になっているので、コンデンサＣ１を充電するのに漏れエネルギーを有効利用することは困難である。次に、スパークギャップに通常転流されるエネルギー部分はコンデンサＣ１に蓄積される。従って、このエネルギーの転流を補償するのに、トランス１２内の蓄積磁化エネルギーを増加する。
【００２９】
別の方法は前に説明した技術よりもより有効な態様で、余分な点火コイルの漏れおよび磁化エネルギーを有効利用することにより、シリンダ内部のイオン化電流を検出するための安定化給電をするものである。図５はこの方法を使用した回路の略図である。最初に一瞥すると、この回路は、エネルギー蓄積コンデンサが一次巻線から充電される図３に開示した第２回路に類似しているように見える。
【００３０】
エネルギー蓄積コンデンサＣ２が追加されており、一次エネルギー蓄積デバイスとしてコンデンサＣ１の代わりとなっている。図５に示されるように、コンデンサＣ２の一方のターミナルはダイオードＤ１のカソードに接続されており、コンデンサＣ２の他方のターミナルはアースに接続されている。電源スイッチＩＧＢＴ２２をターンオフし、点火コイル１２の一次巻線１６の両端にバッテリー電圧を加えることにより、コイルにエネルギーが蓄積される（図６におけるステップ１００）。スイッチＩＧＢＴ２２がターンオフすると、コイルの漏れおよび磁化インダクタンスに蓄積されるエネルギーにより、トランスの一次電圧が反転する。ＩＧＢＴ２２のコレクタ電圧はコンデンサＣ２の電圧を１つのダイオードの電圧低下分、すなわち０.７ボルトだけ超えるまで急速に増加する。この時点で、ダイオードＤ１は順方向にバイアスされ、順方向の電流がダイオードＤ１を通ってコンデンサＣ２内に流れることができる。これが生じると、トランスの漏れインダクタンス内に蓄積されるエネルギーはＩＧＢＴで消散される代わりに、コンデンサＣ２へ移送される（図６におけるステップ１１０）。トランスのいくらかの磁化エネルギーもコンデンサＣ２へ移送される。
【００３１】
次に、より大きい値、例えば数百キロオームとなっているＲ１は平均イオン化電流の要件を満たし、電圧レギュレータダイオードＤ２に適当なバイアス電流を与えるために、高電圧コンデンサリザーバＣ２から十分な電流を供給するような大きさとなっている。抵抗器Ｒ１はかかる大きい値であるので、ダイオードＤ２における過剰な電流は小さい。これによって、これまで説明した他の技術と比較して電圧レギュレータダイオードＤ２で消費されるエネルギーは大幅に少なくなる。
【００３２】
スパークプラグ１４が点火すると、二次電圧が崩壊し、トランス１２に蓄積されていた磁化エネルギーがスパークギャップに送られ、シリンダ内の燃料ー空気混合気に点火する。これと同時に、一次電圧も低下し、Ｄ１を逆バイアスし、コンデンサＣ２の充電を終了させる。このときにＣ２は最大電圧、例えば３５０〜４００ボルトとなっている。コンデンサＣ２はイオン化回路および電圧レギュレータダイオードＤ１にに電流を供給しながら、コンデンサＣ１上の電荷を維持するよう、一次エネルギーリザーバとして働く（図６におけるステップ１２０）。
【００３３】
コンデンサＣ２はイオン化電源のバス電圧を１００ボルトに調節し（ステップ１３０）、コンデンサＣ１の電圧を下げるように十分高い電圧を維持しながら、最悪の条件下、例えば６００ｒｐｍおよび汚れたスパークプラグの条件下で平均的なイオン化電流を供給するようなサイズとされている。コンデンサＣ１は一次エネルギー蓄積部品ではないので、コンデンサＣ１は過渡時にイオン化電流を供給しながら、イオン化バスでの電圧低下を許容できるレベルまで制限するのに十分大きいくなっているだけでよい。コンデンサＣ２によって定常状態の電流が供給される。図６は余分な点火コイルの漏れおよび磁化エネルギーを有効利用することにより、シリンダ内のイオン化検出のための安定化給電する回路が提供するステップを示す。
【００３４】
２ステージの充電方法を使用する欠点の１つは、整定時間が長いことに起因し、最初の点火事象後にイオン化検出よう電源を利用できなくなることである。この主な理由は、抵抗器Ｒ１とＣ１に起因する時定数が比較的大きく、コンデンサの電圧が整定する前の時間が長くなることである。例えば抵抗器Ｒ１が１.８メガオームであり、コンデンサＣ１が０.１マイクロファラッドであると仮定した場合、ＲＣの時定数Ｒ１×Ｃ１は１８０ミリ秒に等しくなる。コンデンサの電圧が４時定数内で許容できる電圧レベルまで整定すると仮定した場合、コンデンサＣ１がイオン化回路に給電できるまでの総時間は約７２０ミリ秒となる。エンジンは３００ｒｐｍで回転しているので、７２０ミリ秒はほとんど６５０クランク角度に等しい。このことは、最初の点火事象から６５０クランク角度まで、イオン化検出電源を利用できないことを意味する。更に、多数のスパーク事象を使用すると、同じ時定数が適用されるので、整定時間を短縮することはできない。
【００３５】
本発明は図３に示された単一ステージの電源回路と図５に示された２ステージの電源回路とを組み合わせてデュアル充電レートを有するイオン化検出のための２ステージ電源回路にしている。図７にはこの２ステージのデュアルレートの電源回路が示されている。別の抵抗器Ｒ２と別のツェナーダイオードＤ３とを使用することによって、デュアル充電レートが可能となっている。図７に示された回路は、２つの充電時定数（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｃ１と、Ｒ２×Ｃ１とを有する。
【００３６】
次は、図７に示された回路の動作の説明である。ドウェル制御信号７０はロジックハイからロジックローに変わった後に、スイッチＩＧＢＴ２２はターンオフされる。ドウェル制御電圧７０は一次コイルに電源電圧が印加される時間長さを制御する。この時間長さはドウェル時間として知られている。ＩＧＢＴ２２がスイッチオンオフされる結果、コイルの漏れおよび磁化インダクタンス内に蓄積されるエネルギーは、トランスの一次電圧を反転させ、フライバック電圧を生じさせる。ＩＧＢＴ２２のコレクタ電圧はコンデンサＣ２の電圧７２を１ダイオードの電圧低下分、すなわち０.７ボルトだけ超えるまで、急速に増加する。０.７ボルト超えた時点で、ダイオードＤ１は順方向にバイアスされ、順方向電流がダイオードＤ１を通ってコンデンサＣ２に流れることができる。このことが生じると、トランスの漏れインダクタンス内に蓄積されるエネルギー分はＩＧＢＴ２２で消費される代わりにコンデンサＣ２へ移送される。
【００３７】
コンデンサＣ１およびＣ２は図８に示されるように４つの時間にわたって充放電される。第１の時間８０の間で、フライバック電圧はコンデンサＣ２の電圧７０をダイオードの電圧低下分である０.７ボルトだけ超える。この結果、フライバック電圧はコンデンサＣ２にエネルギーを供給し、第１ステージの電源コンデンサＣ２を充電する。コンデンサＣ２の電圧７２がコンデンサＣ１の電圧７４とダイオードＤ３のブレークダウン電圧との和を超えると、第１時間８０が終了し、第２時間８２が開始する。この第２時間８２の間で、フライバック電圧は第１ステージの電源コンデンサＣ２に直接エネルギーを供給すると主に、抵抗器Ｒ２を介して第２の電源コンデンサＣ１にエネルギーを供給する。フライバック電圧がコンデンサＣ１の電圧７４とツェナーダイオードＤ３のブレークダウン電圧との和よりも低下した後に、第２時間８２が終了し、第３時間８３が開始する。この第３時間８３の間にフライバック電圧はコンデンサＣ１を充電するだけである。第３時間８３の後で、フライバック電圧は更にコンデンサＣ２の電圧７２よりも低下する。この第４時間８４の間ではダイオードＤ１を電流は流れない。更に、電源の出力ステージ、すなわち第２ステージの電圧７４は抵抗器Ｒ１およびＲ２を通してコンデンサＣ２の第１ステージの電圧７２によって充電されるだけである。
【００３８】
上記のように、コンデンサＣ１、Ｒ２×Ｃ１、（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｃ１を充電するのに２つの時定数が使用されている。第１ステージの電源のコンデンサＣ２の電圧７２がツェナーダイオードＤ３のブレークダウン電圧と第２ステージの電源のコンデンサＣ１の両端の電圧７４との和を超えた後に、第１時間８０が終了し、第２時間８２が開始する。第２時間８２の間でフライバック電圧は抵抗器Ｒ２を通してコンデンサＣ１にエネルギーを供給する。コンデンサＣ１を充電するための時定数はＲ２×Ｃ１である。この時定数はＣ１の両端の電圧がツェナーダイオードＤ２のブレークダウン電圧に達するまで有効である。この場合、ツェナーダイオードＤ２は導通し始め、コンデンサＣ１の両端の電圧を制限する。更に、同じように抵抗器Ｒ１を通してコンデンサＣ１にいくらかのトランスの磁化エネルギーが移送される。
【００３９】
第２充電時間８０の間にコンデンサＣ１の電圧７４の整定時間は、主に時定数Ｒ２×Ｃ１によって決まる。比較的小さい時定数を選択することによって、第２充電時間８２の間にコンデンサＣ１を完全に充電できる。図８は、ドウェル制御信号７０のターンオフ後に第２ステージの電源コンデンサＣ１の電圧７４を約１３マイクロ秒の間で０〜１００ボルトまで充電できることを示している。従って、点火事象のスタート直後にイオン化検出電源はイオン化検出のための給電の準備状態となることができる。
【００４０】
コンデンサＣ２の両端の第１ステージの電源電圧７２がツェナーダイオードＤ３のブレークダウン電圧をコンデンサＣ１の電圧７４との和よりも低下した後に、第２充電時間８２が完了し、第３充電時間８３が開始する。第３充電時間８３および第３充電時間８４の間にコンデンサＣ２はコンデンサＣ１の両端の第２ステージの電源電圧７４が所望する電圧レベル（図示された実現例では約１００ボルト）に維持されるよう、エネルギーを供給し続ける。第３充電時間８３の間にツェナーダイオードＤ３の両端の電圧がツェナーダイオードＤ３のブレークダウン電圧よりも低下するので、コンデンサＣ１への電流パスが変化する。次に、第１ステージの電源コンデンサＣ２から抵抗器Ｒ２およびＲ１を介して第２ステージの電源コンデンサＣ１に電流が流れる。従って、Ｃ１の電圧がツェナーダイオードＤ２のブレークダウン電圧よりも低下すると、回路の充電時定数は（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｃ１となる。コンデンサＣ１への電流パスは変化するので、時定数も変化する。
【００４１】
要約すると、第１電流パスは第１抵抗値Ｒ２を含むが、第２抵抗値Ｒ１は含まない。その理由は、抵抗器Ｒ１を通る電流パスがツェナーダイオードＤ３によって提供される低インピーダンスパスによって有効に短絡されるからである。第２電流パスは第１抵抗値Ｒ２と第２抵抗値Ｒ１の双方を含む。デュアルステージのデュアル充電レートの電源回路では、抵抗器Ｒ１の値が抵抗器Ｒ２の値よりもかなり大きい。この結果、フライバック時間中にコンデンサＣ１は極めて小さい時定数でより大きい電流により極めて短時間に充電できる。しかしながら、点火事象の間で、第２抵抗値Ｒ１が加えられていることに起因し、コンデンサＣ１の電荷を維持するためにより小さい電流が流れる。抵抗器Ｒ２の値が過度に大きい場合、コンデンサＣ１は最初の点火事象では十分迅速には充電されない。他方、抵抗器Ｒ１の値が過度に小さい場合、ツェナーダイオードＤ２を過剰な電流が流れ、コンデンサＣ２上の電荷は早期になくなる。
【００４２】
次は、イオン化検出のためのデュアルステージのデュアル充電レート電源回路によって得られる利点の一部である。
【００４３】
最初にイオン化検出用のデュアルステージのデュアル充電レートの電源回路は２つの目的のためにトランスの漏れインダクタンス内に蓄積されるエネルギーを使用する。第１の目的は、コンデンサＣ１が充電された後に、イオン化電子回路のための補充エネルギー源としてトランスの漏れインダクタンスのエネルギーの一部を補充することである。第２の目的は、高速の充電レート、すなわち短い整定時間でコンデンサＣ１を充電することである。これによってイオン化検出電源の回復時間を最小にできる。
【００４４】
第２の利点は、イオン検出用のデュアルステージのデュアル充電レートの電源回路は漏れエネルギーをＩＧＢＴ内で消散する代わりに、漏れエネルギーをコンデンサＣ１とＣ２の双方に向けることにより、一次ＩＧＢＴ２２の消散およびその結果生じる加熱を低減することである。
【００４５】
第３の利点は、第２充電時間８２の間の高速充電レートによってフライバック時間中にイオン化検出電源は完全に回復できることである。図８の波形を発生するために使用される回路の例では、コンデンサＣ１の出力電圧７４は６００ｒｐｍにて約６マイクロ秒、すなわち０.０２１６クランク回転角度で０から１００ボルトに変化した。これによって点火事象の直後に高い質の電力を利用することを保証できる。更に、高速の充電レートは特にエンジンが低速で作動指定うときに１つの利点を提供する。その理由は、クランク角度で測定したときのイオン化電源の整定時間によって生じる遅延時間は、より低い速度でより長くなるからである。
【００４６】
第４の利点は、コンデンサＣ２内に高電圧でフライバックエネルギーの一部を蓄積することにより、より小さいコンデンサＣ１を使用できるようになることである。図８の波形を発生するのに使用される回路では、コンデンサＣ２の値が１００ｎＦであった。コンデンサＣ２に蓄積されるエネルギーはコンデンサの電圧の二乗に従って増加するので、コンデンサの電圧がより大きくなれば、これまで従来技術として開示されてきた回路よりも本発明のイオン化検出回路ではより小さいコンデンサを使用することが可能となる。
【００４７】
第５の利点は、イオン化検出のためのデュアルステージのデュアル充電レートの電源回路は、電圧レギュレータのダイオードＤ２が大きい逆電流を受けないように、電流制限レジスタＲ１の値を大きくすることによって電圧レギュレータダイオードＤ２で消費されるエネルギーを低減できることである。
【００４８】
第６の利点は第２充電時間８２の間の高速充電レートによって点火事象が生じたときに、イオン化検出電源をレディー状態にできるようにすることであり、これによって点火事象中にイオン化電流信号を使ってシリンダを識別することができる。
【００４９】
次の表は図７に示された実証回路の部品および時定数に対する代表的な値および定格を示す。
【００５０】
［表１］
部品および              定格                       公称値       単位
時定数
Ｒ１                  抵抗器(100mW)                １.８     メグオーム
Ｒ２                  抵抗器(100mW)                ３３      オーム
Ｃ１                  コンデンサ(200V)             １００    ナノファラッド
Ｃ２                  コンデンサ(630V)             １００    ナノファラッド
Ｄ１                  ダイオード(600V、1A)         Ｎ／Ａ    Ｎ／Ａ
Ｄ２                  ツェナーダイオード(1.5W)     １００    ボルト
Ｄ３                  ツェナーダイオード(1.5W)     １００    ボルト
2×Π×(R1+R2)×C1    時定数                       １.１３   秒
2×Π×R2×C1         時定数                       ２０.７   マイクロ秒
【００５１】
以上で、本特許出願において本発明の好ましい実施形態の細部を参照して、本発明について開示したが、当業者には本発明の要旨および特許請求の範囲、ならびにそれらの均等物の範囲内で変形について容易に想到できるように、本明細書は発明を限定するものではなく、発明を説明するものであると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】代表的な点火サブシステムの論理ブロック図である。
【図２】点火コイルに充電する電流の波形図であ。
【図３】単一ステージのフライバック充電を使用するイオン化検出電源の論理ブロック図である。
【図４】二次電流を使用するイオン化検出電源の論理ブロック図である。
【図５】２ステージのフライバック充電を使用するイオン化検出電源の論理ブロック図である。
【図６】余分な点火コイルの漏れおよび磁化エネルギーを有効利用することにより、シリンダ内のイオン化を検出するための安定化給電をする回路がとるステップを示すフローチャートである。
【図７】デュアル充電を使用するイオン化検出電源の論理ブロック図である。
【図８】本発明のイオン化検出電源のドウェル制御電圧、フライバック電圧、第１ステージの電源電圧および電源出力電圧のプロット図である。
【符号の説明】
【００５３】
１２    点火コイル
１４    スパークプラグ
１６    一次巻線
１８    二次巻線
２２    ＩＧＢＴ
Ｃ１、Ｃ２    コンデンサ
Ｒ１、Ｒ２    抵抗器
Ｄ１          ダイオード
Ｄ２、Ｄ３    ツェナーダイオード
【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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