(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線および２次巻線を有するトランス構成からなり、前記１次巻線への電流遮断時に前記２次巻線の高圧側に負極性の点火用高電圧を発生する点火コイルと、
前記２次巻線の高圧側に接続され、前記点火用高電圧が印加される点火プラグと、
前記点火用高電圧の印加により前記点火プラグで放電し発生するイオンを検出するのに必要な正極性のバイアス電圧が充電されるバイアス手段と、
前記２次巻線の低圧側と前記バイアス手段の間に設けられ、前記バイアス電圧の低下を抑制する電流制限手段と、
前記バイアス手段からの放電電流を前記点火プラグを介して流れるイオン電流として検出するイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出手段の検出値に基づいて前記点火プラグにおける燃焼状態を検出するＥＣＵと
を備え、前記バイアス手段と前記電流制限手段とを前記点火コイルの絶縁封止材内に封止したことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の燃焼時に生じるイオン量の変化を検出することにより内燃機関の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置に関し、特に低圧配電の内燃機関における２次電流経路の断線による高電圧リークを防止できる内燃機関の燃焼状態検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複数気筒により駆動される内燃機関においては、各気筒の燃焼室内に導入された空気および燃料の混合気をピストンの上昇により圧縮し、燃焼室内に設置された点火プラグに点火用高電圧を印加して電気火花を発生させ、混合気の燃焼時に発生する爆発力をピストン押し下げ力に変換することにより、内燃機関の回転出力として取り出している。
【０００３】
このように燃焼室内において燃焼が行われると、燃焼室内の分子が電離（イオン化）するので、燃焼室内に設置されたイオン電流検出用電極（通常、点火プラグの電極が用いられる）にバイアス電圧を印加すると、電荷を有するイオンが点火プラグ間をイオン電流として流れることが知られている。
【０００４】
また、イオン電流は、燃焼室内の燃焼状態により敏感に変化するため、イオン電流の発生状態を検出することにより内燃機関の燃焼状態を検出できることが知られている。
【０００５】
図５は例えば特開平１０−２３１７７０号公報に記載された低圧配電による従来の内燃機関の燃焼状態検出装置の一例を示す回路構成図である。
図において、車載のバッテリ１の陽極は、点火コイル２の１次巻線２ａの一端に接続され、１次巻線２ａの他端は、１次電流を通電遮断するためのエミッタ接地のパワートランジスタ３を介してグランドに接続されている。
【０００６】
点火コイル２の２次巻線２ｂは、１次巻線２ａとともにトランスを構成しており、２次巻線２ｂの高圧側は、各気筒（図示せず）に対応した点火プラグ４の一端に接続されており、点火制御時に負極性の高電圧を出力する。
【０００７】
対向電極からなる点火プラグ４は、点火用高電圧が印加されることにより、放電して各気筒内の混合気を着火する。
なお、点火コイル２および点火プラグ４は、各気筒毎に並設されているが、ここでは、代表的に一組の点火コイル２および点火プラグ４のみを示す。
【０００８】
２次巻線２ｂの低圧側は、電流制限手段を構成する並列接続の抵抗器５およびダイオード６を介してイオン電流検出回路１０に接続されている。
抵抗器５は、イオン電流検出回路１０内のコンデンサＣから２次巻線２ｂを介して点火プラグ４に流れる放電電流を抑制し、１次巻線２ａへの通電開始時に２次巻線２ｂの高圧側に発生する電圧を抑制する。
また、ダイオード６は、点火用高電圧の印加時に流れる２次電流（点火電流）Ｉ２の方向が順方向となるように挿入されており、点火制御時における抵抗器５の両端間の電位差を抑制するようになっている
イオン電流検出回路１０は、並列接続の抵抗器５およびダイオード６と２次巻線２ｂを介して、点火極性とは逆極性すなわち正極性のバイアス電圧を点火プラグ４に印加し、燃焼時に発生するイオン量に対応したイオン電流を検出する。
【０００９】
イオン電流検出回路１０は、並列接続の抵抗器５およびダイオード６を介して２次巻線２ｂの低圧側に接続されたコンデンサＣと、コンデンサＣとグランドとの間に挿入されたダイオードＤと、ダイオードＤに並列接続された抵抗器Ｒと、コンデンサＣおよびダイオードＤに並列接続されたバイアス電圧制限用のツェナーダイオードＤＺとを含む。
【００１０】
コンデンサＣおよびダイオードＤからなる直列回路並びにこの直列回路に並列接続されたツェナーダイオードＤＺは、２次巻線２ｂの低圧側とグランドとの間に挿入されて、点火電流発生時にコンデンサＣにバイアス電圧を充電するための充電経路を構成している。
【００１１】
コンデンサＣは、パワートランジスタ３のオフ時（１次巻線２ａの通電電流の遮断時）において、２次巻線２ｂから出力される高電圧で放電した点火プラグ４を介して流れる２次電流により充電される。この充電電圧は、ツェナーダイオードＤＺにより所定のバイアス電圧（たとえば、数１００Ｖ程度）に制限され、イオン電流検出用のバイアス手段すなわち電源として機能する。
【００１２】
イオン電流検出回路１０内の抵抗器Ｒは、バイアス電圧によって流れるイオン電流を電圧変換し、イオン電流検出信号ＥｉとしてＥＣＵ（電子制御装置）２０に入力する。
マイクロコンピュータからなるＥＣＵ２０は、イオン電流検出信号Ｅｉに基づいて内燃機関の燃焼状態を判定し、燃焼状態の悪化を検出した場合には、不都合が生じないように適宜対応制御を行う。
【００１３】
また、ＥＣＵ２０は、各種センサ（図示せず）から得られる運転条件に基づいて点火時期等を演算し、パワートランジスタ３に対する点火信号Ｐのみならず、各気筒毎のインジェクタ（図示せず）に対する燃料噴射信号や各種アクチュエータ（スロットルバルブやＩＳＣバルブ等）に対する駆動信号を出力する。
【００１４】
図６は電流制限手段を介して２次巻線２ｂおよびイオン電流検出回路１０に流れる電流経路を示す説明図であり、点火プラグ４の放電時（点火制御時）に高電圧により流れる２次電流Ｉ２の経路を実線で、イオン電流検出時にバイアス電圧により流れるイオン電流ｉの経路を一点鎖線でそれぞれ示している。
【００１５】
次に、図６を参照しながら、図５に示した従来の内燃機関の燃焼状態検出装置の動作について説明する。
通常、ＥＣＵ２０は、運転条件に応じて点火時期等を演算し、目標制御タイミングでパワートランジスタ３のベースに点火信号Ｐを印加し、パワートランジスタ３をオンオフ制御する。
【００１６】
これにより、パワートランジスタ３は、点火コイル２の１次巻線２ａに流れる１次電流を通電遮断して１次電圧を昇圧し、さらに２次巻線２ｂの高圧側に点火用高電圧（たとえば、数１０ｋＶ）を発生させる。
【００１７】
この２次電圧は、各気筒内の点火プラグ４に印加され、点火制御気筒の燃焼室内に放電火花を発生させて混合気を燃焼させる。このとき、燃焼状態が正常であれば、点火プラグの周辺および燃焼室内に所要量のイオンが発生する。
【００１８】
そして、前述のように、点火信号Ｐによりパワートランジスタ３がオンされると、１次巻線２ａの電流が通電開始されて、２次巻線２ｂの高圧側に正極性の電圧が発生する。
【００１９】
このとき、コンデンサＣから２次巻線２ｂの低圧側への放電電流が抵抗器５によって制限されているので、２次巻線２ｂに発生する電圧は、バイアス電圧が重畳されずに高圧側および低圧側に分割される。
【００２０】
この１次巻線２ａの通電開始時において、２次巻線２ｂの高圧側に正極性の電圧が発生しても、前述のように、コンデンサＣから２次巻線２ｂの低圧側への放電電流が抵抗器５によって制限されるので、２次巻線２ｂの高圧側に発生する正極性の電圧は抑制され、点火プラグ４が放電することはない。
【００２１】
続いて、１次電流の遮断時において、２次巻線２ｂの高圧側に点火用高電圧が発生して点火プラグ４が放電すると、２次電流Ｉ２は、ダイオード６を介した経路（図６内の実線矢印）を流れ、コンデンサＣを所定電圧に充電する。
また、点火プラグ４の放電によりイオンが発生するので、イオン電流ｉは、抵抗器５を介した経路（図６内の一点鎖線矢印）を流れる。
【００２２】
このように、電流制限用の抵抗器５にダイオード６を並列接続することにより、点火制御時の２次電流Ｉ２は、図６のように、抵抗器５を流れずにダイオード６を流れる。これにより、抵抗器５の両端間の電位差が低下するので、点火性能が改善される。
【００２３】
また、１次電流の通電開始時においては、抵抗器５の電流制限機能が有効となるので、コンデンサＣから２次巻線２ｂへの放電電流が制限され、誤制御およびバイアス電圧低下が防止される。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の内燃機関の燃焼状態検出装置は以上のように構成されているので、以下のような問題点があった。
即ち、２次電流経路に断線が発生した場合、例えば図５の（ア）の位置での断線あるいは点火プラグ４での失火が発生したときには、図７に破線で示すように、２次巻線高圧側での発生電圧（ピーク電圧約４０ｋＶ）が振動し、低圧側においても破線で示すように振幅は異なるもののこれと同期した電圧振動（ピーク電圧約８ｋＶ）が生じる。しかし、低圧側において正極側に現れる振動分はバイアス電圧制限用ツェナーダイオードＤＺに制限されて２００Ｖ程度以下に抑えられる。
【００２５】
また、図５の（イ）、（ウ）の位置で断線した場合には、点火プラグ４での容量放電は起こるものの２次電流経路が形成されていないために放電が持続せず、点火装置として正常に動作しない。
【００２６】
従って、従来装置では、２次電流経路の断線や点火プラグで失火が発生した場合に２次巻線低圧側に高電圧が発生し、イオン電流検出回路等へリークしてその内部の部品を破損したり、あるいは２次電流経路の断線により２次電流経路が形成されないために放電が持続せず、点火装置として正常に動作しない等の問題点があった。
【００２７】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、２次電流経路の断線や点火プラグで失火が発生した場合でも、２次巻線低圧側に発生する電圧を抑制して高電圧のリークを防止でき、また、点火装置としての正常な動作を確保することのできる内燃機関の燃焼状態検出装置を得ることを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る内燃機関の燃焼状態検出装置は、１次巻線および２次巻線を有するトランス構成からなり、１次巻線への電流遮断時に２次巻線の高圧側に負極性の点火用高電圧を発生する点火コイルと、２次巻線の高圧側に接続され、点火用高電圧が印加される点火プラグと、点火用高電圧の印加により点火プラグで放電し発生するイオンを検出するのに必要な正極性のバイアス電圧が充電されるバイアス手段と、２次巻線の低圧側とバイアス手段の間に設けられ、バイアス電圧の低下を抑制する電流制限手段と、バイアス手段からの放電電流を点火プラグを介して流れるイオン電流として検出するイオン電流検出手段と、イオン電流検出手段の検出値に基づいて点火プラグにおける燃焼状態を検出するＥＣＵとを備え、バイアス手段と電流制限手段とを点火コイルの絶縁封止材内に封止したものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に関連する装置の一例を示す構成図であり、図において、図５と対応する部分には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
図１においては、２次巻線２bの低圧側とグランドとの間に、アノードを２次巻線２b側に接続した断線時電圧制限用ツェナーダイオード９と、アノードをグランド側に接続した非断線時通電防止用ダイオード１０とを直列に接続する。このツエナーダイオード９とダイオード１０により２次電流経路の断線や点火プラグ４で失火が発生した場合に２次巻線低圧側に発生する高電圧を抑制する抑制手段を構成する。
【００３４】
また、バイアス電圧制限用ツエナーダイオード７のカソードを充電電流経路用ダイオード６のカソードと放電電流制限用抵抗器５の一端の接続点に接続し、ツエナーダイオード７のアノードをダイオードＤ１を介してグランドに接地する。また、ツエナーダイオード７と並列にバイアス電圧用コンデンサ８を接続する。ツエナーダイオード７とコンデンサ８はバイアス手段を構成する。そして、イオン電流検出手段３０の入力側をツエナーダイオード７のアノードに接続し、その出力側をＥＣＵ２０に接続する。その他の構成は図５と同様である。
【００３５】
次に、動作について、図２を参照して説明する。
通常、ＥＣＵ２０は、運転条件に応じて点火時期等を演算し、目標制御タイミングでパワートランジスタ３のベースに点火信号Ｐを印加し、パワートランジスタ３をオンオフ制御する。
【００３６】
これにより、パワートランジスタ３は、点火コイル２の１次巻線２ａに流れる１次電流を通電遮断して１次電圧を昇圧し、さらに２次巻線２ｂの高圧側に点火用高電圧（たとえば、数１０ｋＶ）を発生させる。
【００３７】
この２次電圧は、各気筒内の点火プラグ４に印加され、点火制御気筒の燃焼室内に放電火花を発生させて混合気を燃焼させる。このとき、燃焼状態が正常であれば、点火プラグの周辺および燃焼室内に所要量のイオンが発生する。
そして、前述のように、点火信号Ｐによりパワートランジスタ３がオンされると、１次巻線２ａの電流が通電開始されて、２次巻線２ｂの高圧側に正極性の電圧が発生する。
【００３８】
このとき、コンデンサ８から２次巻線２ｂの低圧側への放電電流が抵抗器５によって制限されているので、２次巻線２ｂに発生する電圧は、バイアス電圧が重畳されずに高圧側および低圧側に分割される。
【００３９】
この１次巻線２ａの通電開始時において、２次巻線２ｂの高圧側に正極性の電圧が発生しても、前述のように、コンデンサ８から２次巻線２ｂの低圧側への放電電流が抵抗器５によって制限されるので、２次巻線２ｂの高圧側に発生する正極性の電圧は抑制され、点火プラグ４が放電することはない。
【００４０】
続いて、１次電流の遮断時において、２次巻線２ｂの高圧側に点火用高電圧が発生して点火プラグ４が放電すると、点火電流である２次電流Ｉ２は、図１に実線矢印で示すようにダイオード６を介した経路を流れ、コンデンサ８を所定電圧に充電する。
また、点火プラグ４の放電によりイオンが発生するので、イオン電流ｉは、図１に一点鎖線矢印で示すような抵抗器５を介した経路を流れる。
【００４１】
このように、電流制限用の抵抗器５にダイオード６を並列接続することにより、点火制御時の２次電流Ｉ２は、抵抗器５を流れずにダイオード６を流れる。これにより、抵抗器５の両端間の電位差が低下するので、点火性能が改善される。また、１次電流の通電開始時においては、抵抗器５の電流制限機能が有効となるので、コンデンサ８から２次巻線２ｂへの放電電流が制限され、誤制御およびバイアス電圧低下が防止される。
【００４２】
さて、図１の（ア）の位置での断線あるいは点火プラグ４での失火が発生した場合には、２次巻線低圧側に高電圧が発生し、正負に振動するが、図２に示すように正側の電圧はバイアス電圧制限用ツェナーダイオード７のアバランシェ電圧ＶＺ７で抑えられ、負側の電圧は抑制手段として設置されたツェナーダイオード９のアバランシェ電圧ＶＺ９で抑えられる。
また、ツェナーダイオード９と直列に接続されたダイオード１０は、断線の無い正常時に２次電流がバイアス回路でなく抑制手段を通じて直接グランドに流れてしまうことを防止する。
【００４３】
このように、図１の例では、２次電流経路の（ア）の位置での断線や点火プラグで失火が発生した場合でも、２次巻線低圧側に発生する電圧を抑制して、高電圧がイオン電流検出手段の回路部品やその他の回路の部品等へリークするのを防止できる。
【００４４】
図３はこの発明の実施の形態１に関連する第２の装置を示す構成図であり、図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
図３においては、図１において、２次巻線２bの低圧側とグランドとの間で断線時電圧制限用ツェナーダイオード９と直列接続されている非断線時通電防止用ダイオード１０の代わりに断線時２次電流経路用ツエナーダイオード１１を用いる。これらのツエナーダイオード９とツエナーダイオード１１により２次電流経路の断線や点火プラグ４で失火が発生した場合に２次巻線低圧側に発生する高電圧を抑制する抑制手段を構成する。
【００４５】
なお、断線時２次電流経路用ツエナーダイオード１１のアバランシェ電圧は、バイアス電圧制限用ツェナーダイオード７のアバランシェ電圧よりも高く設定し、断線の無い正常時に２次電流がバイアス手段でなく抑制手段を通じて直接グランドに流れてしまうことを防止するようになされている。その他の構成は図１と同様である。
【００４６】
次に、動作について説明する。なお、通常の動作については、図１の場合と同様であるのでその説明を省略する。
いま、図３の（ア）の位置での断線あるいは点火プラグ４での失火が発生した場合には、２次巻線低圧側に高電圧が発生し、正負に振動するが、図２に示すように正側の電圧はバイアス電圧制限用ツェナーダイオード７のアバランシェ電圧ＶＺ７で抑えられ、負側の電圧は抑制手段として設置されたツェナーダイオード９のアバランシェ電圧ＶＺ９に抑えられる。
また、ツェナーダイオード９と直列に接続されたツエナーダイオード１１により、断線の無い正常時に２次電流がバイアス手段でなく抑制手段を通じて直接グランドに流れてしまうことが防止される。
【００４７】
次に、図３の（イ）、（ウ）の位置で断線した場合には、２次電流Ｉ２が同図に破線で示すようにツエナーダイオード９とツエナーダイオード１１を通じてグランドヘ流れるため、２次電流経路が確保される。また、断線のない正常時には２次電流Ｉ２は同図に実線で示すようにバイアス手段としてのツエナーダイオード７およびコンデンサ８側へ流れる。
【００４８】
このように、図３の例では、２次電流経路の（ア）の位置での断線や点火プラグで失火が発生した場合でも、２次巻線低圧側に発生する電圧を抑制して、高電圧がイオン電流検出手段の回路部品やその他の回路の部品等へリークするのを防止できる。
また、２次電流経路の（イ）、（ウ）の位置で断線した場合でも常に２次電流経路を確保できるので、点火装置としての正常な動作を維持することができる。
【００４９】
図４はこの発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼状態検出装置を示す構成図であり、図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
図４においては、抵抗器５、ダイオード６、ツエナーダイオード７およびコンデンサ８の部分を、例えばエポキシ樹脂等で形成された点火コイル２の絶縁封止材４０内に封止する。その他の構成は、上述のように断線対策として設けられたツェナーダイオード９とダイオード１０が省略されている以外は図１と同様である。従って、その動作についても、これらのツェナーダイオード９とダイオード１０の動作が省略されている以外は図１の場合と同様であるのでその説明を省略する。
【００５０】
かくして、２次電流経路断線により高電圧が発生する２次巻線低圧側の部分を実質的に絶縁封止材４０内に封止したので、高電圧のリークが防止される。
また、２次電流経路断線により２次巻線低圧側に高電圧が発生した場合におけるツエナーダイオード７とダイオードＤ１の接続点の電位は、この接続点がイオン電流検出手段３０に接続されていることと、この接続点に現れる正の電圧に実質的に対応した電流がダイオードＤ１を通してグランドに流れるので、高電圧となることはない。
【００５１】
このように、この発明の実施の形態１によれば、コンデンサ等を含むバイアス手段と抵抗器等を含む電流制限手段とを点火コイルの絶縁封止材中に封止したことで、２次電流経路の断線や点火プラグで失火が発生したした場合の発生電圧による部品間あるいは他の装置への放電を防止することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、１次巻線および２次巻線を有するトランス構成からなり、前記１次巻線への電流遮断時に前記２次巻線の高圧側に負極性の点火用高電圧を発生する点火コイルと、前記２次巻線の高圧側に接続され、前記点火用高電圧が印加される点火プラグと、前記点火用高電圧の印加により前記点火プラグで放電し発生するイオンを検出するのに必要な正極性のバイアス電圧が充電されるバイアス手段と、前記２次巻線の低圧側と前記バイアス手段の間に設けられ、前記バイアス電圧の低下を抑制する電流制限手段と、前記バイアス手段からの放電電流を前記点火プラグを介して流れるイオン電流として検出するイオン電流検出手段と、該イオン電流検出手段の検出値に基づいて前記点火プラグにおける燃焼状態を検出するＥＣＵとを備え、バイアス手段と電流制限手段とを点火コイルの絶縁封止材内に封止したので、イオン電流の経路でもある２次電流経路での断線や点火プラグで失火が発生した場合でも、２次巻線低圧側に発生する電圧を抑制して、高電圧がイオン電流検出手段の回路部品やその他の回路の部品等へリークするのを防止できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に関連する装置の一例を示す回路構成図である。
【図２】  この発明の動作説明に供するための図である。
【図３】  この発明の実施の形態１に関連する第２の装置を示す回路構成図である。
【図４】  この発明の実施の形態１を示す回路構成図である。
【図５】  従来の内燃機関の燃焼状態検出装置を示す回路構成図である。
【図６】  従来の内燃機関の燃焼状態検出装置による点火制御時の２次電流経路とイオン電流検出時のイオン電流経路とを示す図である。
【図７】  従来の内燃機関の燃焼状態検出装置における動作説明に供するための図である。
【符号の説明】
２  点火コイル、  ２ａ  １次巻線、  ２ｂ  ２次巻線、  ３  パワートランジスタ、  ４  点火プラグ、５  抵抗器、６  ダイオード、  ７，９，１１  ツエナーダイオード、  １０  ダイオード、  ２０  ＥＣＵ、  ３０  イオン電流検出手段、  ４０  絶縁封止材。
【図１】
0003753290.tif 000002
【図２】
0003753290.tif 000003
【図３】
0003753290.tif 000004
【図４】
0003753290.tif 000005
【図５】
0003753290.tif 000006
【図６】
0003753290.tif 000007
【図７】
0003753290.tif 000008