(57)【要約】【課題】内燃機関の点火プラグに燻りリークがあっても、燃焼状態をモニタするイオン電流の検出性が低下しないイオン電流検出装置を提供することを目的としている。【解決手段】内燃機関の点火プラグ１０２と、点火プラグ１０２に高電圧を供給する点火コイル１０３と、点火指令を発する制御装置１０１と、点火コイル１０３にバイアス電圧Ｖｂを供給するバイアスコンデンサ１０４と、点火コイル１０３の一次側巻線１０３ａに接続された点火コンデンサ１０５と、点火コンデンサ１０５及びバイアスコンデンサ１０４を充電する直流電源１０６と、点火プラグ１０２に流れる電流を検出する電流検出器１０７と、電流検出器１０７により検出された電流からイオン電流を検出するイオン電流検出器１０８と、バイアスコンデンサ１０４の充電電圧を制限するツェナーダイオード２０４と、により構成されている。【選択図】図２
2012237283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の点火プラグにバイアス電圧を与えるバイアスコンデンサと、
前記バイアスコンデンサを充電する直流電源と、
前記点火プラグに流れる電流に含まれるイオン電流を検出するイオン電流検出器と、を備えたことを特徴とするイオン電流検出装置。
【請求項２】
前記点火プラグに高電圧を供給する点火コイルの１次側に点火コンデンサが設けられ、前記直流電源により前記点火コンデンサが充電されることを特徴とする請求項１に記載のイオン電流検出装置。
【請求項３】
前記バイアスコンデンサの充電電圧を所定の電圧に制限する制限機能を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン電流検出装置。
【請求項４】
前記イオン電流検出器及び前記直流電源は、同一パッケージ内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン電流検出装置。
【請求項５】
前記イオン電流検出器、前記点火コンデンサ及び前記直流電源は、同一パッケージ内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の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、例えば、内燃機関での燃焼に伴って発生するイオン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】
近年、環境保全、燃料枯渇の問題が提起されており、自動車業界においてもこれらの問題に対する対応が急務となっている。この対応の一例として、成層混合気を利用したエンジンの超希薄燃焼（成層リーン燃焼）運転がある。成層リーン燃焼においては、混合気の濃度がばらつく場合があり、局所的にリッチな状態での燃焼となれば煤が発生し、点火プラグへのカーボンが固着することによる燻り（くすぶり）リークが発生する。
【０００３】
燻りリークが発生した状況下においては、混合気の着火に失敗する可能性が高くなり、この観点から所望の燃焼が得られているかどうかをモニタする技術が望まれている。この方法の一つとして、燃焼に伴って発生するイオンを電流として検出し、このイオン電流の発生状況から燃焼状態をモニタする方法が数多く提案されている。
【０００４】
このようなイオン電流を検出する装置として、例えば、特許文献１に示される内燃機関用点火装置では、点火プラグの点火回路を、二次側巻線Ｌ２に点火プラグが接続された点火コイルと、点火コイルの一次側巻線Ｌ１に直列接続されたコンデンサと、バッテリＢＴの電圧を昇圧してコンデンサを充電する昇圧回路と、コンデンサ及び一次側巻線Ｌ１が形成する閉ループを断続するサイリスタと、運転状態に応じて設定された点火信号ＩＧが規定する期間の間、サイリスタをターンオンさせるトリガー信号ＴＧを一定放電間隔で繰り返し出力するタイマ回路とにより、いわゆる容量放電（ＣＤＩ）方式で多重放電を行うように構成されており、点火コイルの二次側巻線に流れる二次電流を利用してコンデンサを充電し、この充電されたコンデンサ端の電圧（バイアス電圧）を点火コイルの二次側巻線を介して点火プラグの中心電極に印加することで、混合気の燃焼により発生するイオンによって流れるイオン電流を検出することにより燃焼状態を把握している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−４５９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の内燃機関用点火装置においては、二次電流を利用してコンデンサを充電する方式が採られており、コンデンサの容量を大きくすると、コンデンサを必要な電圧まで充分充電できない、また、コンデンサの充電にエネルギが消費されるので火花放電のためのエネルギが低下してしまい、混合気への着火性が低下する、といった懸念がある。このため、実際の装置では、このような事情を考慮して比較的容量の小さいコンデンサが利用されている。
【０００７】
ところが、成層リーン燃焼で発生し易い点火プラグの燻りリークが発生する場合においては、コンデンサに蓄えられたエネルギが燻りによるリークの経路からリーク電流として流出してしまうので、イオン電流を検出するためのバイアス電圧が低下してしまいイオン電流の検出性が低下する、また、コンデンサの容量に対するエネルギの流出量の割合が大きくなるため、バイアス電圧の低下に伴うリーク電流が１点火サイクルの間に単純減衰する波形形状となり、イオン電流とリーク電流との区別が困難になるといった問題点があっ
た。
【０００８】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、内燃機関の点火プラグに燻りリークがあっても、燃焼状態をモニタするイオン電流の検出性が低下しないイオン電流検出装置を提供することを目的としている。
【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、本発明のイオン電流検出装置は、内燃機関の点火プラグにバイアス電圧を与えるバイアスコンデンサと、前記バイアスコンデンサを充電する直流電源と、前記点火プラグに流れる電流に含まれるイオン電流を検出するイオン電流検出器と、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のイオン電流検出装置によれば、点火プラグにバイアス電圧を与えるバイアスコンデンサを直流電源により充電することで、点火プラグの燻り等によるリーク電流の経路が形成された場合においてもイオン電流の検出性が低下することがないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係るイオン電流検出装置を含む内燃機関の点火システムの全体を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１に係るイオン電流検出装置の回路構成図である。
【図３】実施の形態１に係るイオン電流検出装置おける各種波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態に係るイオン電流検出装置について、図１、図２及び図３に基づいて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るイオン電流検出装置を含む内燃機関の点火システムの全体を示すブロック図であり、図２は、実施の形態１のイオン電流検出装置の回路構成図であり、また、図３は、このイオン電流検出装置における各種波形図である。
【００１４】
図１に示すように、実施の形態１における内燃機関の点火システムは、内燃機関の点火プラグ１０２と、この点火プラグ１０２に高電圧を供給する点火コイル１０３と、点火コイル１０３に点火指令を発する制御装置１０１と、点火プラグ１０２にバイアス電圧を供給するバイアスコンデンサ１０４と、点火コイル１０３の一次側に接続された点火コンデンサ１０５と、バッテリＥｓの電力により点火コンデンサ１０５及びバイアスコンデンサ１０４を充電する直流電源１０６と、点火プラグ１０２に流れる電流を検出する電流検出器１０７と、電流検出器１０７により検出されたイオン電流を含む電流からイオン電流を検出するイオン電流検出器１０８と、バイアスコンデンサ１０４の充電電圧を制限する充電制限器１０９と、により構成されている。このうち、イオン電流検出装置１００は、図１の破線で示すバイアスコンデンサ１０４、点火コンデンサ１０５、直流電源１０６、電流検出器１０７、イオン電流検出器１０８及び充電制限器１０９とで構成される部分である。
【００１５】
次に、内燃機関の点火システムとイオン電流検出装置１００の基本的動作について図１を持いて説明する。
【００１６】
まず、直流電源１０６により、バッテリＥｓの電圧が昇圧され、バイアスコンデンサ１
０４が充電される。これは、点火プラグ１０２を流れる電流からイオン電流を検出するために安定したバイアス電圧Ｖｂを与える。バイアス電圧Ｖｂは、点火コイル１０３を介して点火プラグ１０２の中心電極１０２ａに印加される。
【００１７】
一方、制御装置１０１から発せられる点火指令により、点火コイル１０３は火花放電を発生させるための高電圧（二次電圧）を発生させる。二次電圧は、点火プラグ１０２の中心電極１０２ａに印加され、点火プラグ１０２のアース側電極１０２ｂ間とで火花放電が発生する。この火花放電によって内燃機関の燃焼室内の可燃混合気が着火される。これにより燃焼が始まり、これに伴って燃焼イオンが発生する。
【００１８】
バイアス電圧Ｖｂが点火プラグ１０２の中心電極１０２ａに既に印加されているので、この燃焼イオンを介して電流が流れる。この電流は一般的にイオン電流と称されている。ここで、イオン電流は、アース→バイアスコンデンサ１０４→電流検出器１０７→点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂ→点火プラグ１０２、さらに、燃焼イオンを介してアースへと流れる。
【００１９】
イオン電流検出器１０８は、電流検出器１０７によって検出された点火プラグ１０２を流れる電流の電流波形をモニタし、イオン電流のレベル、発生／終了タイミング等の主要なパラメータを検出する。制御装置１０１は、イオン電流検出器１０８で得られたイオン電流の主要なパラメータを用いて燃焼状態を判定し、必要に応じて点火コイル１０３含め、各種アクチュエータを制御する。
【００２０】
続いて、図２に示されるイオン電流検出装置１００の具体的な回路図及び図３の波形例（矢印はゼロ点を示す。）を参照しながら、実施の形態１の詳細な動作について説明する。ここで、図３（ａ）は制御信号波形、図３（ｂ）は点火プラグ１０２に加わる電圧波形、図３（ｃ）は燻りリークがない場合の電流検出波形、図３（ｄ）は燻りリークがある場合の電流検出波形である。
【００２１】
まずは、点火プラグに燻りリークのない清浄な状態における基本動作について説明する。図２は、一般にＤＣ−ＣＤＩ（容量放電方式）と呼ばれる点火装置であって、これにイオン電流検出器を組み合わせた構成となっている。
【００２２】
直流電源１０６としては、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、バッテリＥｓの電圧（約１２Ｖ）を２００〜３００Ｖ程度以上にまで昇圧し、点火コンデンサ１０５とイオン電流検出用のバイアスコンデンサ１０４とを充電する。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、制御装置１０１から制御信号として、Ｈｉｇｈの点火指令信号３０１が出されるとスイッチであるＩＧＢＴ２０２がオン状態になり、点火コンデンサ１０５から点火コイル１０３の一次側巻線１０３ａを通して、一次電流がアースへと流れる。一次側巻線１０３ａに電流が流れ始めると、磁気的に結合状態にある点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂには、一次側巻線１０３ａよりも巻数が多いので、図３（ｂ）で示す高電圧の誘導起電力３０２（実線）が発生し、点火プラグ１０２の中心電極１０２ａとアース側電極１０２ｂとの間で絶縁破壊を引き起こす。これにより、点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂに、図３（ｃ）で示す二次電流３０３が、点火プラグ１０２のアース側電極１０２ｂ→点火プラグ１０２の中心電極１０２ａ→点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂ→ツェナーダイオード２０３→ツェナーダイオード２０４→アースの経路で流れる。
【００２４】
点火コンデンサ１０５とバイアスコンデンサ１０４のそれぞれのコンデンサ端の電圧を常時モニタしておき、予め定められた充電目標電圧に何れもが到達すればＤＣ／ＤＣコン
バータ１０６によるバッテリＥｓの昇圧を停止するようにしておく。バイアスコンデンサ１０４と点火コンデンサ１０５の充電目標電圧は同じ値とし、ツェナーダイオード２０４の降伏電圧は、バイアスコンデンサ１０４の充電目標電圧と同等以上に設定する。理想的には同じ値にするのが良いが、現実的にはバイアスコンデンサ１０４の特性のバラツキを考慮して、ツェナーダイオード２０４の降伏電圧の方を少し高めに設定しておく。これは、ツェナーダイオード２０４の降伏電圧がバイアスコンデンサ１０４の充電電圧よりも低くなれば、昇圧を停止することができなくなる場合があるためである。例えば、充電目標電圧を２００Ｖとして、降伏電圧を２１０Ｖのように設定する。このツェナーダイオード２０４の降伏電圧が、バイアスコンデンサ１０４の充電電圧を制限する充電制限器１０９として作用する。
【００２５】
あるいは、点火コンデンサ１０５の充電目標電圧だけを設定し、この目標値に到達すればＤＣ／ＤＣコンバータ１０６によるバッテリＥｓの昇圧を停止するとしても、ほぼ同様の効果を得ることができる。これは、実際には、点火コンデンサ１０５のエネルギの増減の方が圧倒的に大きく、かつ容量もバイアスコンデンサ１０４よりも大きく設定されることが一般的であるため、点火コンデンサ１０５が充電目標電圧を満足していれば、バイアスコンデンサ１０４も充電目標電圧を満足していると考えられるためである。また、バイアスコンデンサ１０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６により満充電に近い状態で維持されているので、図３（ｃ）に示す点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂに流れる二次電流３０３は、バイアスコンデンサ１０４には、ほとんど流れず、このため、火花放電のエネルギロスは、ほとんど発生せず、無駄な電力の消費を抑えることができるとともに、着火性の低下を抑えることができる。
【００２６】
一方、充電が完了しているバイアスコンデンサ１０４によるバイアス電圧Ｖｂが、電流検出抵抗１０７と点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂとを通して、点火プラグ１０２に印加されており、すなわち、点火プラグ１０２の中心電極１０２ａには、図３（ｂ）に示すように、常時、バイアス電圧Ｖｂとして２００Ｖ程度が印加されており、これにより点火プラグ１０２に加わるプラグ電圧３０４は、一定値に保たれている。従って、火花放電により混合気の着火、燃焼による燃焼イオンが点火プラグ１０２の中心電極１０２ａ付近にあれば、これを媒体にして、図３（ｃ）に示すように、点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂにイオン電流３０５が、アース→バイアスコンデンサ１０４→電流検出抵抗１０７→点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂ→点火プラグ１０２の中心電極１０２ａ→アース側電極１０２ｂの経路で流れる。
【００２７】
この結果、電流検出抵抗１０７の両端子間の電位差をイオン電流検出器１０８によりモニタすることで、どのようなイオン電流３０５が流れているかを把握することができる。ただし、点火コイル１０３の誘導によって高電圧が発生している間は、逆極性の高電圧がバイアス電圧Ｖｂを打ち消す形となるので、実質的には、イオン電流３０５を検出することができない。このため、実施の形態１においては、イオン電流検出器１０８として、図２に示すような高コモンモード電圧対応の差動増幅器を利用することにより対応している。
【００２８】
なお、イオン電流検出装置１００の構成としては、図２に示す実線で囲われている部分を同一パッケージとする、もしくは、イオン電流検出装置１００と制御装置１０１とを同一パッケージとすることが望ましい。
【００２９】
また、図２に示すイオン電流検出装置１００は、スイッチ（ＩＧＢＴ）２０２を除いた全ての構成要素は、単一回路で複数の気筒に対して共通に利用することが可能である。すなわち、イオン電流検出器１０８の差動増幅器１回路で複数の気筒で発生するイオン電流を検出することが可能である。後述する燻りによるリーク電流が発生している場合には、
このリーク電流が発生している気筒を特定することは困難ではあるが、複数気筒のイオン電流を共通の信号線一本で確認することができ、装置の小型化、低コスト化が可能となる。
【００３０】
次に、点火プラグ１０２に燻りリークのある場合において、従来装置（図２に記載の実施の形態１のイオン電流検出装置１００において、バイアスコンデンサ１０４に接続されている直流電源のＤＣ／ＤＣコンバータ１０６がない構成）と本発明の実施の形態１によるイオン電流検出装置１００とを比較しながら、その動作について説明する。
【００３１】
従来装置において、燻りリークがある場合には、点火プラグ１０２の中心電極１０２ａに加わる電圧３０８は、図３（ｂ）の破線で示すようになる。バイアスコンデンサ１０４は、点火コイル１０３の二次側巻線１０３ｂを流れる二次電流によって充電されるのみであるので、点火終了後は、燻りリークの経路からエネルギが流出し続けるため、図３（ｂ）に示すように点火プラグ１０２に加わる電圧３０８は低下の一途を辿ることになる。
【００３２】
このとき、電流検出抵抗１０７での電流波形は、図３（ｄ）の破線のようになる。これは、燻りリークの経路からリーク電流が流れるためである。前述したように、バイアス電圧Ｖｂが低下するに従って電流は、単純に減衰する形となる。電流波形には、図３（ｄ）に示すようなイオン電流３０６が重畳されている。しかし、バイアス電圧Ｖｂも低下しているので重畳されたイオン電流３０６の波形は、燻りによるリーク電流のない場合のイオン電流３０５の波形と比較して小さく、また、押しつぶされたような形状の波形となってしまう。このような状態においては、燻りによるリーク電流の発生により、電流検出抵抗１０７での電流波形からイオン電流波形を抽出することが困難になってしまい、イオン電流の発生タイミングや終了タイミング等を見極めることが困難となり、イオン電流を利用した内燃機関の燃焼状態等の判定などに影響を与えることが問題となっている。
【００３３】
本発明による実施の形態１のイオン電流検出装置１００では、バイアスコンデンサ１０４が直流電源のＤＣ／ＤＣコンバータ１０６により充電されているので、電流検出抵抗１０７での電流波形は、図３（ｄ）の実線で示すように変化がない。従来装置と同様、燻りによるリーク電流も流れるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６を接続することにより、バイアスコンデンサ１０４は、常に満充電の状態になっているので、従来装置のようにバイアス電圧Ｖｂは低下せず、電流検出抵抗１０７で検出される電流は一定の値となり、これに図３（ｄ）に示すようなイオン電流３０７が重畳されたものとなる。バイアス電圧Ｖｂの低下がないので、イオン電流３０７の波形は、燻りリークのない場合のイオン電流３０５の波形と同様の電流波形となる。
【００３４】
従って、バイアスコンデンサ１０４がＤＣ／ＤＣコンバータ１０６により充電されているので、例え燻りリークのある状態であっても、電流検出抵抗１０７で検出される電流波形は、ベースが一定値でオフセットされた程度の波形変化に留めることができるので、イオン電流の発生タイミングや終了タイミング等の見極める精度に与える影響はほとんどない。
【００３５】
このように、実施の形態１におけるイオン電流検出装置によれば、点火プラグにバイアス電圧を与えるバイアスコンデンサを充電する直流電源を設けることで、点火プラグの燻り等によるリーク電流がある場合においても、燃焼時に発生するイオンによるイオン電流の検出性が低下することがないという効果がある。
【００３６】
また、実施の形態１におけるイオン電流検出装置では、バイアスコンデンサは、直流電源により満充電に近い状態で維持されているので、点火コイルの二次側巻線に流れる二次電流は、バイアスコンデンサには、ほとんど流れず、このため、火花放電のエネルギロス
がほとんど発生せず、無駄な電力の消費を抑えることができるとともに、着火性の低下を抑えることができる効果もある。
【００３７】
また、図２では、バイアスコンデンサ及び点火コンデンサを充電する直流電源をそれぞれに用意する場合について説明したが、１台の直流電源でこれらのコンデンサを充電する場合であっても同様の効果を奏する。
【００３８】
また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によるイオン電流検出装置を内燃機関の点火装置に適用することにより、自動車、二輪車、船外機、その他特殊機械などに搭載された内燃機関の燃焼状態を正しくモニタすることができるようになるので、内燃機関を効率良く運転できるようになり、燃料枯渇問題、環境保全に役立つものである。
【符号の説明】
【００４０】
１００  イオン電流検出装置
１０１  制御装置
１０２  点火プラグ
１０３  点火コイル
１０４  バイアスコンデンサ
１０５  点火コンデンサ
１０６  直流電源（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
１０７  電流検出器（電流検出抵抗）
１０８  イオン電流検出器（差動増幅器）
１０９  充電制限器
２０４  ツェナーダイオード
Ｅｓ  バッテリ
【図１】
2012237283.tif 000003
【図２】
2012237283.tif 000004
【図３】
2012237283.tif 000005