(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼室内の燃焼イオン検出は、ノッキングや不点火検出に有用である。しかし、小型内燃機関用には、コストを抑えたＳＮ比改善策が必要であり、そのようなエンジンの燃焼された混合気のイオン検出装置を提供する。【解決手段】イオン検出装置の出力側に、可変分圧器回路のようなスケーリング回路を接続して、出力信号を適切な値へ調整する。スケーリング回路は、複数の抵抗器とスイッチを備え、基準値との比較に基づいてスイッチを選択的に開閉して、出力信号を測定用途に適した値に調整する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型内燃機関用イオン検出装置であって、
エンジンの燃焼室に置かれているイオン検出器、
前記イオン検出器と電気的に連通状態にあるスケーリング回路であって、前記イオン検出器から測定された出力を選択されたレベルに調整するよう動作するスケーリング回路、及び、
前記測定された出力の調整を実行するために、前記スケーリング回路を変化させるよう動作する制御器、
を備えていることを特徴とするイオン検出装置。
【請求項２】
前記スケーリング回路は、可変分圧器回路を備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオン検出装置。
【請求項３】
前記可変分圧器回路は、複数の平行な抵抗器を備えていることを特徴とする請求項２に記載のイオン検出装置。
【請求項４】
スイッチそれぞれが、少なくともいくつかの前記平行な抵抗器に関連しており、前記スイッチ各々は、前記関連する抵抗器を回路に接続、及び回路から切り離すように動作することを特徴とする請求項３に記載のイオン検出装置。
【請求項５】
前記スイッチ各々は、電気的切り換え要素を備えていることを特徴とする請求項４に記載のイオン検出装置。
【請求項６】
前記制御器は、前記イオン検出器の前記測定された出力を基準値と比較するように動作することを特徴とする請求項１に記載のイオン検出装置。
【請求項７】
前記基準値は、前記イオン検出器の前記測定された出力の最大限界振幅を表すことを特徴とする請求項６に記載のイオン検出装置。
【請求項８】
前記イオン検出器は、点火プラグであることを特徴とする請求項１に記載のイオン検出装置。
【請求項９】
内燃機関用イオン検出装置であって、
エンジンの燃焼室に置かれている点火プラグであって、イオン信号を検出するイオン検出器として動作する点火プラグ、
複数の平行な抵抗器を備えている可変分圧器回路、
少なくともいくつかの前記平行な抵抗器に関連し、前記関連する抵抗器を回路に接続及び回路から切り離す電気的切り換え要素、及び
前記イオン信号の選択されたレベルへの調整を実行するために、前記分圧器回路を変化させるように動作する制御器、
を備えていることを特徴とするイオン検出装置。
【請求項１０】
前記制御器は、前記イオン検出器から測定された出力を基準値と比較するように動作することを特徴とする請求項９に記載のイオン検出装置。
【請求項１１】
前記基準値は、前記イオン検出器の前記測定された出力の最大限界振幅を表すことを特徴とする請求項１０に記載のイオン検出装置。
【請求項１２】
内燃機関においてイオン検出器から測定された出力を調整する方法であって、
（ａ）前記イオン検出器から測定された出力を検出するステップ、
（ｂ）前記測定された出力を基準値と比較するステップ、
（ｃ）前記測定された出力を前記基準値に近い最大振幅を有するようにスケール変更するステップ、
（ｄ）スケール変更された前記測定された出力を、少なくとも１つのエンジンパラメータを制御するのに利用するステップ、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記基準値は、限界最大値であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（ｃ）は、可変分圧器回路により実行されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記可変分圧器回路は、複数の平行な抵抗器を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
スイッチそれぞれが、少なくともいくつかの前記平行な抵抗器に関連し、前記スイッチ各々は、前記関連する抵抗器を回路に接続する及び回路から切り離すように動作することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記スイッチ各々は、電気的切り換え要素を備えていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略、小型ガソリンエンジンの点火システムに関する。より詳細には、本発明は、そのようなエンジンの燃焼された混合気の導電率を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジンのような大型の内燃機関は、多くの場合、いろいろなタイプの動作検出器を含んでいる。いろいろな検出器が、燃焼効率を測定するために、マイクロプロセッサへの入力として使用され得る。このように、エンジンは、エンジン効率を向上させ、汚染物質の出力を減少させるために、エンジンに入力される混合気及び点火時期を細かく調整し得る。
【０００３】
大型のエンジンにおいては遭遇しない２つの障害が、手動操作機器（例えば、送風機や仮払機（string trimmer））、芝刈り機、ポンプ、発電機等に典型的に使用される小型ガソリンエンジンにおいて、そのような測定技術の使用を妨げてきた。第１に、小型ガソリンエンジンの一般製品化（the commoditization）が製造コストにプレミアムを付けることになるので、使用されるいかなる測定技術も安価でなければならない。第２に、小型エンジンは、典型的には、電源として作用する蓄電池を含まないので、小型エンジン市場において、測定技術は、多くの場合、限られた出力で運転しなければならない。結果として、より高レベルの電力消費を必要とする精巧な自動車用検出器は適してはいない。
【０００４】
現在入手可能な測定技術−イオン検出−は、低コスト及び低電力消費の両方を提供する。そのような装置においては、通常、点火プラグそれ自身が検出器として使用される。検出器の出力を検出し、解釈するのに必要ないろいろな電子機器回路が簡単にエンジン制御装置または点火システムに組み込まれている。イオン検出は、多くの場合、ノッキング及び不点火検出のために使用される。
【０００５】
典型的なイオン検出器は、以下のように動作する。電源が、導電率が測定されることになっている領域に配置される端子を横切る電流を供給する。内燃機関の場合、検出器は、典型的には、混合気の燃焼が発生する室内に配置される。燃焼した混合気の導電率により上がり下がりする電圧が検出器の端子を横切って測定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、イオン検出器のある特性が、従来、炭素化合エンジン（carbureted engines）においてそれらの使用を抑制してきた。具体的には、（添加剤や酸素含有量による）燃料の品質及び非閉ループ空燃比制御エンジンにおける空燃比の変化の両方の予測できない変化がイオン検出器により測定される導電率を劇的に−１００倍の大きさまで−変化させる。しかしながら、ノッキング情報は、イオン信号の立ち上がり端に被せられた高周波振動として見出され得る。
【０００７】
この情報を正確に測定することは、非常に困難である。例えば、０−５Ｖの動作範囲を持つ構成要素が、普通は、論理制御回路に使用される。１対１０のノイズ対信号（ＳＮ）比（a signal-to-noise ratio）に関して、５Ｖの信号レベルは、回路設計が０．５Ｖのノイズレベルを前提としなければならないことを意味する。信号レベルが１００倍の動的範囲（a dynamic span）を有し、１対１０のＳＮ比が使用される場合、ノイズレベルは、信号レベルの範囲を超え得る。結果として、システムは、情報を得ることができないだろう。同様に、５Ｖより大きい振幅を有する信号は、有益な情報を与えないだろう。これらの欠陥を取り除くために、より高いＳＮ比及び／またはより強力なマイクロプロセッサが必要である。これら両方とも、システムの費用を増大させる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの形態において、本発明は、小型内燃機関用イオン検出装置を提供する。イオン検出器は、エンジンの燃焼室内に置かれ、燃焼した混合気の導電率を測定する。可変分圧器回路の形をとるスケーリング回路（scaling circuitry）は、イオン検出器の出力側と電気的に連通状態にあることが好ましい。スケーリング回路は、出力信号を測定に適した値に調整するように動作する。
【０００９】
好ましい実施態様において、分圧器回路は、複数の平行な抵抗器を備えている。少なくともいくつかの抵抗器と関連するそれぞれのスイッチは、分圧器回路からそれらの関連する抵抗器を選択的に付け加えるかまたは取り除くように機能する。イオン検出装置は、さらに、それぞれのスイッチを選択的に開閉するように動作する制御器を含んでいる。結果として、出力信号は、測定に適切な値に減少され得る。
【００１０】
制御器は、検出器の出力を測定し、それを基準値と比較することが可能であり得ることが好ましい。次に、制御器は、該比較に基づいて分圧器回路のスイッチを導通状態または非道通状態にし得る。スイッチを操作することにより、イオン検出器の出力の振幅が変動するとき、分圧器の値が積極的に制御される。
【００１１】
本発明のその他の目的、特徴及び形態は、以下により詳細に検討される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
当業者に対する、そのベストモードを含む本発明の完全且つ有効な開示が、以下の明細書に、添付する図面を参照して、より具体的に述べられる。
【００１３】
本明細書及び図面の参照文字の繰り返し使用は、本発明の同じまたは類似の特徴または要素を示すことを意図している。
【００１４】
ここで述べられることは、典型的な実施態様のみの説明であって、そのより広い形態が典型的な構成に具体化されている本発明のより広い形態を限定するつもりはないことを当業者は理解すべきである。
【００１５】
図１は、ガソリンエンジンを装備したいろいろな装置で使用され得る放電点火装置を示す。点火装置は、点火プラグ１０において必要な火花を生成するように構成され、エンジンの燃焼室１２内で混合気に点火する。一般的に、点火装置は、ステータ装置１４及び回転フライホイール１６を含んでいる。フライホイール１６は、典型的には、エンジンの駆動シャフトと相互接続される回転軸機構に取り付ける中心内腔を含んでいる。結果として、軸の回転が（例えば、矢印Ａで示される方向の）フライホイール１６の同時回転を引き起こすだろう。
【００１６】
典型的には、使用するときエンジンに対して固定されたままになっているステータ装置１４は、磁気的に透過性のコア１８を含んでいる。この場合、コア１８は、それぞれ、２０及び２２で示される、垂れ下がる２つの脚部を含んでいる。しかしながら、多くの実施態様においては、磁気的に透過性のコアは、そのような脚部を３つ有して構成され得る。
【００１７】
シールされたハウジング２４は、いろいろなコイル及び点火プラグ１０で火花を生成するのに利用されるその他の構成要素を保持する。特に、ハウジング２４は、一次コイル２６及び二次コイル２８を有する高圧トランスを含んでいる。示される実施態様において、コイル２６及び２８は、脚部２０の周りに同軸的に取り付けられ得る。充電用コイル３０が点火火花用エネルギ源を提供する。この場合、充電用コイル３０は、示されるように脚部２２の周りに取り付けられる。
【００１８】
ハウジング２４内に配置されるいろいろなコイル用及び回路用の構成要素が適切な埋め込み用樹脂により適所にしっかりと保護され、保持されている。点火プラグ１０との電気的接続は、典型的な相互接続ワイヤ３２により実現されている。
【００１９】
磁石アセンブリがフライホイール１６の周辺近傍に取り付けられ、エンジンの動作と同時に円形経路を巡って回転する。磁石アセンブリは、その各端部に取り付けられた磁極片３６及び３８を有する永久磁石３４を含んでいる。フライホイール１６が回転するとき、磁極片３６及び３８の周囲面が脚部２０及び２２の末端面の最も近くを通過することが理解されるだろう。したがって、フライホイール１６の回転は、要望通りにコア１８内に時間変動磁束を生成する。
【００２０】
典型的な点火回路の配線図が図２に示されている。充電用コイル３０に誘導される電圧は、整流ダイオード４０により整流され、コンデンサ４２により貯蔵される。コンデンサ４２は、一次コイル２６及び第１スイッチ４４を介して放電する。第１スイッチ４４は、適切な制御論理のようなデジタル回路またはアナログ回路により制御され、適切な時間に一次コイル２６を通る導通を可能とする。電圧は、二次コイル２８において増大し、したがって、点火プラグ１０において火花を発生させる。ダイオード４６は、逆並列ダイオードである。
【００２１】
図３は、本発明が小型の炭素化合エンジンのイオン検出器の出力の正確な測定を得ることができる工程を示すフローチャートである。５０で示されるように、工程は、エンジンの燃焼室の燃焼の発生で始まる。次に、イオン検出器（好ましくは、点火プラグ）は、５２で示されるように、燃焼した混合気の導電率を示す電圧を出力する。
【００２２】
次に、５６に示されるように、制御器が電圧出力を基準値と比較する。したがって、制御器は、電圧出力が（５８で示されるように））正確な測定に対して所定の範囲内にあるかどうかを判別する。電圧出力が所望の範囲内にある場合、測定回路は、最後の測定値６０を取り込む。この測定値は、動作パラメータのどのような必要な調整をもするエンジン制御システムに伝えられ得る。
【００２３】
出力電圧が範囲内にない場合、制御器は、（６１で示すように）結果として所望の電圧になるだろう分圧器の割合を判別する。その判断がなされ得ない場合、入力電圧が範囲を超えているかまたは範囲以下であるかに応じて、制御器は、分圧器の割合を次の一定分だけ増減させる。６２で示されるように、スイッチが開閉され、分圧器回路の平行な抵抗器の数を変化させる。次に、検出器の出力が読み取られ、測定装置における電圧が所望のレベルになるまで、工程が繰り返される。
【００２４】
これらのステップは、好ましくは、測定が始動に引き続く動作の間、測定値が範囲内にあるように、エンジンが始動されると同時に実行され得る。好ましい実施態様において、エンジンが始動され、測定された信号にとって最高のレベルを提供するとき、全ての切り換え可能な抵抗器は、回路から自由になっているだろう。信号があまりに高い場合、次の抵抗器が、次のサイクルの間、順次回路に接続される。測定された信号が最初に範囲内にあるとき、工程は、終結される。測定された信号は、次に、エンジンのパラメータを監視するのに使用され得る。
【００２５】
図４は、本発明に従って構成された好ましい回路装置の略図化された表示である。理解され得るように、回路は、適切なイオン源７０を含んでいる。イオン源７０は、限定はされないが、コンデンサまたはバッテリを含む、システムに電流を供給するのに適したどのような電源であってもよい。例えば、現在好ましい実施態様は、二次コイルを持つ回路に接続され、磁石３４の回転により充電されるコンデンサを利用する。そのようなコンデンサは、例えば、火花放電の間、点火コイルにより充電される。火花放電の後、コンデンサは、点火プラグを介してそのエネルギを放出するだろう。その場合、導電性ガスが電極間に存在し、電極間の電流路を許容する。
【００２６】
イオン源７０は、エンジンの燃焼室に置かれているイオン検出器（例えば、点火プラグ１０）に電力を供給する。（イオン検出器は、多くの場合、エンジンの点火プラグであり得るけれども、別の検出器が使用される実施態様が考えられる。）イオン検出器の出力側は、（７２としても示される）抵抗器Ｒ１を通って、制御器７６及びスケーリング回路７８が接続される分岐点（node）７４に接続される。
【００２７】
イオン検出器は、燃焼室の燃焼した混合気の導電率に対応する電圧信号を出力する。イオン検出器に生成された波形は、典型的には、その上に重ね合わせられたより小さな振動を基本的に有するより低い周波数からなる。振動の正確な測定は、多くの場合、最高効率を求めてエンジンの動作パラメータを調整するのに必要とされるデータを提供する。例えば、これらのより小さな振動は、エンジンのノッキングを指摘し得る。
【００２８】
これからスケーリング回路の７８の機能が説明されるだろう。この実施態様においては、スケーリング回路７８は、互いに平行に接続される（それぞれ、８０、８２、８４及び８６としても示される）複数の抵抗器Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、・・・ＲＮを有する分圧器回路として構成されている。抵抗器Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、・・・ＲＮの共通の分岐点７４は、上述したように、制御器７６に接続されている。抵抗器Ｒ２を除いて、抵抗器各々は、制御器７６により選択的に動作するそれぞれのスイッチを介して回路に接続されている。好ましくは、スイッチ８８は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴまたはその他の電気的切り換え要素を備えている。
【００２９】
制御器７６が各スイッチ８８を開閉すると、分岐点７４における電圧信号は、回路内に切り換えられる抵抗器の数及び値に従って増減する。このことは、装置を横切る電圧の小さな変化が正確に測定されるように、回路がスケーリング回路７８を所望のレベルに設定されることを可能とする。
【００３０】
ハードウエア、ファームウエア、ソフトウエアまたはその組み合わせを備えている制御器７６は、スケーリング回路７８を横切る電圧を測定し、それを９０で入力される基準値と比較する。（当業者が理解するように、制御器７６は、基準値と比較される前に分岐点７４における信号を増幅する内蔵増幅器を含み得る。）制御器７６は、この比較を使用し、適切な分圧器の値を決定し、測定値を所望のレベルに導く。必要があれば、制御器７６は、この目的を達成するために、１またはそれ以上のスイッチ８８を操作する。制御器７６は、分圧の割合が測定値にとって適切な出力のレベルを出力するまで、電圧を１またはそれ以上の基準値と比較し、分圧器を修正し続けるだろう。このレベルは、取り込まれる情報のタイプによって変化し得る。
【００３１】
測定される信号Ｖｉｏｎは、示されるように分岐点７４において決定される。次に、この信号は、エンジン制御及びその他の目的のための燃焼関連情報を決定するのに使用され得る。上述した装置は、必要とされるノイズ対信号比に対して適切なレベルに信号を維持する。特に、イオン電流の動的範囲は、実際の値を最大値と比較することにより制御される。分圧器の値は、実際の値を最大値にできるだけ近い値に調整するように変化する。
【００３２】
３つの切り換え可能な抵抗器を使用する代表的な実施態様においては、８ステップが使用可能である。適切な抵抗器の値及びステップの数を選択することにより、信号処理の必要とするイオン信号に対する動的範囲の制御を達成することが可能である。切り換え可能な抵抗器の数は、多かれ少なかれ、測定精度が適切なレベルで維持され得るように、必要とされる増幅のレベルに依存している。
【００３３】
当業者は、本発明がエンジンの生産コストを著しく増大させる構成要素を導入することなしに、小型エンジンの燃焼サイクルの監視を許容することを理解するだろう。本発明の好ましい実施態様が示され、説明されてきたけれども、本発明の精神及び範囲から離れることなく、当業者により修正や変更がそれに対してなされ得る。いろいろな実施態様の形態が全部または一部において交換され得ることも理解されるべきである。さらに、当業者は、上述の記載がほんの一例としての記載であり、発明を限定することを意図するものではないことが理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】小型ガソリンエンジンの点火システムのいろいろな構成要素を示す立面図である。
【図２】本発明が使用され得る点火システムの配線図である。
【図３】分圧器の回路を制御するため本発明に従うプロセスを示す典型的なフローチャートである。
【図４】本発明に従う典型的な検出装置の配線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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