JP6026298B2

JP6026298B2 - イオン電流検出装置

Info

Publication number: JP6026298B2
Application number: JP2013013018A
Authority: JP
Inventors: 功楠原; 昌弘南口; 光宏泉
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-01-28
Also published as: JP2014145263A

Description

本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼により発生するイオン電流を検出するイオン電流検出装置に関するものである。

従来より、内燃機関の燃焼後にシリンダ内に発生するイオン電流を点火プラグから検出するイオン電流検出装置があり、検出したイオン電流から内燃機関に発生するノックの有無や内燃機関の失火を判定している。このようなイオン電流検出装置では、イオン電流経路に２次コイルを含まず、且つ、プラス放電にすることで、微小なノック信号を検出することを可能とし、例えば特開２０１０−１１６８２４号公報（以下「特許文献１」）が知られている。

上記特許文献１とするイオン電流検出装置の回路図を図７に示す。図７において特許文献１では、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２が電磁結合されてなる点火コイル１と、前記一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子２と、前記スイッチング素子２のＯＦＦ動作時に前記二次コイルＬ２に誘起される高電圧に基づいてグランドに向けて放電する点火プラグＰＧと、コンデンサＣ１及び第一ツェナーダイオードＺＤ１を有し、前記点火プラグＰＧの放電時に、前記高電圧に基づいて前記第一ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧のレベルまで前記コンデンサＣ１が充電されるバイアス回路３と、前記コンデンサＣ１の放電電流を検出する電流検出回路４と、を有して構成され、前記二次コイルＬ２と前記第一ツェナーダイオードＺＤ１との間に、前記第一ツェナーダイオードＺＤ１とは逆向きに第二ツェナーダイオードＺＤ２を配置したことを特徴とするイオン電流検出装置が提案されている。

特開２０１０−１１６８２４号公報

しかしながら、上記従来のイオン電流検出装置では次のような問題が生じている。即ち、特許文献１では、二次コイルと第一ツェナーダイオードとの間に、第一ツェナーダイオードとは逆向きに第二ツェナーダイオードを配置することで、スイッチング素子のＯＮ遷移時に点火プラグＰＧが放電せず、素早いタイミングでイオン電流を検出し、微小なノック信号を検出することが可能となるが、自動車のバッテリや電装部品に電力を供給するオルタネータから生じるオルタネータノイズ（以下「オルタノイズ」）が２次コイルを経由してイオン電流に重畳すると、イオン電流を用いて燃焼状態を判定するとオルタノイズとノック信号とを誤判定する恐れが生じる。

また、特許文献１のイオン電流検出装置では、イオン電流を検出するためのコンデンサへの充電を２次コイルに蓄えられるエネルギーを用いて行うため、２次コイルのエネルギー損失が発生し、結果的に点火コイルの放電電圧のロスの原因となる。２次コイルのエネルギー損失を考慮して点火コイルの要求出力を満たすために、１次及び２次コイルの巻線の巻き数を増やすことも考えられるが、巻き数が増加すると点火コイルの形状が大型化してしまう問題も生じる。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、内燃機関の燃焼後にシリンダ内に発生するイオン電流を検出する際に、２次コイルに対して磁束の乱れを発生させるオルタノイズが重畳することを防ぐことができると共に、２次コイルのエネルギー損失を防ぐことができるイオン電流検出装置を提供することを目標とする。

上記課題を解決するために本発明は次のようなイオン電流検出装置の構成とする。即ち、１次コイルと２次コイルが電磁結合されて機能する点火コイルと、点火信号が供給され前記１次コイルに流れる電流を制御するイグナイタと、ツェナーダイオード及びコンデンサからなるバイアス回路と、オペアンプを具備するイオン電流検出回路と、から構成されるイオン電流検出装置において、前記１次コイルの高圧側と前記イグナイタのコレクタ端子との接続部は、第１のダイオードと第１の抵抗を介して前記バイアス回路に接続され、前記２次コイルの低圧側は、グランド側へ接続され、前記２次コイルの高圧側は、第２のダイオードを介して点火プラグへ電気的に接続され、前記第２のダイオードと前記点火プラグとの接続部は、並列に接続された第３のダイオードと第４のダイオードとを介して前記バイアス回路と接続され、前記第３のダイオードのアノードは、第２の抵抗と接続され、前記第３のダイオードに設けられたカソード及び前記第４のダイオードに設けられたアノードは、第３の抵抗と接続される、こととする。

また、本発明では次のようなイオン電流検出装置の構成としても良い。即ち、１次コイルと２次コイルが電磁結合されて機能する点火コイルと、点火信号が供給され前記１次コイルに流れる電流を制御するイグナイタと、ツェナーダイオード及びコンデンサからなるバイアス回路と、オペアンプを具備するイオン電流検出回路と、から構成されるイオン電流検出装置において、前記１次コイルの高圧側と前記イグナイタのコレクタ端子との接続部は、第１のダイオードと第１の抵抗を介して前記バイアス回路に接続され、前記２次コイルの低圧側は、グランド側へ接続され、前記２次コイルの高圧側は、第２のダイオードを介して前記２次コイルからの高電圧を放電する点火プラグへ電気的に接続され、前記第２のダイオードは、前記点火プラグとの接続部に第２の抵抗の一端側が接続され、前記バイアス回路には、当該第２の抵抗の他端側が接続される、こととする。

上記構成によれば、１次コイルと２次コイルが電磁結合されてなる点火コイルと、１次コイルに点火信号を供給するイグナイタと、ツェナーダイオード及びコンデンサからなるバイアス回路と、オペアンプからなるイオン電流検出回路と、から構成されるイオン電流検出装置において、１次コイルの高圧側とイグナイタのコレクタ端子との接続部が第１のダイオードと第１の抵抗を介してバイアス回路に接続され、２次コイルの低圧側は、グランドと接続され、２次コイルの高圧側は、第２のダイオードを介して２次コイルからの高電圧を放電する点火プラグに接続され、第２のダイオードと点火プラグとの接続部は、並列に接続された第３のダイオードと第４のダイオードとを介してバイアス回路と接続し、第３のダイオードのアノードは第２の抵抗と接続され、第３のダイオードのカソード及び第４のダイオードのアノードは第３の抵抗と接続されることで、内燃機関の燃焼後にシリンダ内に発生するイオン電流を検出する際に、２次コイルに対して磁束の乱れを発生させるオルタノイズが重畳することを防ぐことができ、オルタノイズが重畳していないイオン波形から前記内燃機関の燃焼状態を判定することで、イオン波形のピーク値前後におけるノック判定において、オルタノイズ信号をノック信号と誤判定することを防ぐと共に、イオン波形の減少後の失火判定においても、オルタノイズ信号により燃焼が継続されていると誤判定することを防ぐイオン電流検出装置を実現することができる。

また、１次コイルの高圧側とイグナイタのコレクタ端子との接続部が第１のダイオードと第１の抵抗を介してバイアス回路に接続されることで、イオン電流を検出するためのコンデンサへの充電を１次コイルに蓄えられるエネルギーで行い、２次コイルのエネルギー損失が改善され、点火コイルの放電電圧のロスを防ぐことができる。さらに、２次コイルの低圧側は、グランドと接続され、２次コイルの高圧側は、第２のダイオードを介して２次コイルからの高電圧を放電する点火プラグに接続され、第２のダイオードと点火プラグとの接続部は、並列に接続された第３のダイオードと第４のダイオードとを介してバイアス回路と接続し、第３のダイオードのアノードは第２の抵抗と接続され、第３のダイオードのカソード及び第４のダイオードのアノードは第３の抵抗と接続されることで、点火プラグの残留エネルギーが除去され、点火プラグからの放電が素早く収束し、イオン電流の検出を素早く行うことができる。

本発明の第１の実施例とするイオン電流検出装置の回路図を示す図である。イオン電流検出装置の１次コイルへの充電時の動作を示す回路図である。イオン電流検出装置の２次コイルからの放電時の動作を示す回路図である。イオン電流検出装置の点火プラグの残留エネルギー除去の動作を示す回路図である。イオン電流検出装置のイオン電流検出時の動作を示す回路図である。本発明の変形例とするイオン電流検出装置の回路図を示す図である。特許文献１とするイオン電流検出装置の回路図を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を示す実施例を図１乃至図６に基づいて説明する。

本発明の第１の実施例とするイオン電流検出装置の回路図を示す図を図１に、イオン電流検出装置の１次コイルへの充電時の動作を示す回路図を図２に、イオン電流検出装置の２次コイルからの放電時の動作を示す回路図を図３に、イオン電流検出装置の点火プラグの残留エネルギー除去の動作を示す回路図を図４に、イオン電流検出装置のイオン電流検出時の動作を示す回路図を図５に、本発明の変形例とするイオン電流検出装置の回路図を示す図を図６にそれぞれ示す。

図１において、イオン電流検出装置70は、点火コイル16、イグナイタ20、バイアス回路58、及び、イオン電流検出回路64から構成されている。当該点火コイル16は１次巻線を１００ターン前後巻き回した１次コイル10と、２次巻線を１２０００ターン前後巻き回した２次コイル12と、珪素鋼板からなる鉄芯14と、からなる。また、当該イグナイタ20はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなり、当該バイアス回路58は、ツェナーダイオード50a、第５と第６のダイオード52e，52f、第４の抵抗54d、及び、コンデンサ56からなる。さらに、当該イオン電流検出回路64は、オペアンプ60、及び、検出用抵抗62からなる。

また、前記１次コイル10の低圧側は、自動車のバッテリからなる電源30のプラス側と接続され、高圧側は、前記イグナイタ20のコレクタ端子と接続されている。さらに、前記１次コイル10の高圧側と前記イグナイタ20のコレクタ端子との接続部は、第１のダイオード52a及び第１の抵抗54aを介して前記バイアス回路58と接続されている。

また、前記第１のダイオード52aのアノード端子は前記１次コイルの高圧側及び前記イグナイタ20のコレクタ端子と接続され、カソード端子は前記第１の抵抗54aと接続される。さらに、前記第１の抵抗54aは、抵抗値が１００Ωの抵抗からなる。

また、前記イグナイタ20のゲート端子は、自動車のエンジンＥＣＵと接続され、エミッタ端子は、グランドと接続されている。さらに、前記イグナイタ20は、当該エンジンＥＣＵから点火信号を供給されている。

また、前記２次コイル12の低圧側は、グランドと接続され、前記２次コイル12の高圧側は、第２のダイオード52bを介して点火プラグ40の中心電極と接続されている。さらに、当該第２のダイオード52bのアノード端子は前記２次コイル12と接続され、カソード端子は当該点火プラグ40の中心電極と接続される。

また、前記第２のダイオード52bと前記点火プラグ40との接続部には第２の抵抗54b及び第３のダイオード52cの経路と第４のダイオード52dの経路とが並列に接続されている。さらに、当該第２の抵抗54b及び当該第３のダイオード52cの経路と当該第４のダイオード52dの経路が結合されて第３の抵抗54cを介して前記バイアス回路58と接続されている。

また、前記第３のダイオード52cのアノード端子は前記第２の抵抗54bを介して前記第２のダイオード52bと前記点火プラグ40との接続部に接続され、カソード端子は前記第３の抵抗54cを介して前記バイアス回路58と接続される。さらに、前記第４のダイオード52dのカソード端子は前記第２のダイオード52bと前記点火プラグ40との接続部に接続され、アノード端子は前記第３の抵抗54cを介して前記バイアス回路58に接続される。

また、第２の抵抗54bは、抵抗値が１ＭΩの抵抗からなり、前記第３の抵抗54cは、抵抗値が１．１ｋΩの抵抗からなる。さらに、前記第３の抵抗54cは、前記第４の抵抗54d及び前記ツェナーダイオード50の経路と前記コンデンサ56の経路とを並列に接続される。

また、前記ツェナーダイオード50のカソード端子は前記第４の抵抗54dと接続され、アノード端子は並列に接続される前記第５のダイオード52e及び前記第６のダイオード52fと接続される。さらに、前記コンデンサ56のプラス端子は前記第３の抵抗54cと接続され、マイナス端子は並列に接続される前記第５のダイオード52e及び前記第６のダイオード52fと接続される。

また、前記第５のダイオード52eのアノード端子及び前記第６のダイオード52fのカソード端子は前記ツェナーダイオード50及び前記コンデンサ56と接続され、前記第５のダイオード52eのカソード端子及び前記第６のダイオード52fのアノード端子はグランドと接続されている。さらに、前記ツェナーダイオード50は、２７０Vのブレークダウン電圧を有したツェナーダイオードからなり、前記ツェナーダイオード50のブレークダウン電圧の値によって前記コンデンサ56に充電される電圧が２７０Vまでに制限されていると共に、前記コンデンサ56は、０．０１５µＦの静電容量を有したコンデンサからなる。

また、前記第１の抵抗54aは、前記第３の抵抗54cと前記第４の抵抗54dと前記コンデンサ56との接続部と接続されている。さらに、前記ツェナーダイオード50と前記第５及び第６のダイオード52e，52fと前記コンデンサ56との接続部は前記オペアンプ60の反転入力端子に接続され、電源前記オペアンプ60の非反転入力端子及び負電源端子は、グランドと接続される。さらに、前記オペアンプ60の反転入力端子と出力端子と並列に検出用抵抗62が配置され、前記正電源端子には電源電圧が供給されている。

次に、図２からイオン電流検出装置の前記１次コイル10への充電時の動作説明をする。

図２において、前記エンジンＥＣＵから前記イグナイタ20に対して点火信号が入力されると、前記電源30からの電源電圧が前記１次コイル10に供給され、矢印の方向へ１次電流Ｉ_１が流れ、前記１次コイル10からは４００〜５００Ｖの１次電圧が発生する。

次に、図３からイオン電流検出装置の２次コイル12からの放電時の動作を説明する。

図３において、前記エンジンＥＣＵから前記イグナイタ20に対する点火信号が遮断されると、前記１次コイル10に流れていた１次電流Ｉ_１（図２内に記載）も遮断される。すると前記コンデンサ56に前記１次コイル10から矢印の方向へ充電電流Ｉ_ＣＨが流れ、前記ツェナーダイオード50のブレークダウン電圧の値に応じて充電される。当該充電電流Ｉ_ＣＨは、前記１次コイル10→前記第１のダイオード52a→前記第１の抵抗54a→前記コンデンサ56の経路で流れる。即ち、前記コンデンサ56への充電は前記１次コイル10によって行われる。前記１次コイル10に発生する１次電圧は４００〜５００Vであるため、前記コンデンサ56に制限されている充電電圧２７０Vを満たすことができる。

また、前記エンジンＥＣＵから前記イグナイタ20に対する点火信号が遮断されると、電磁誘導により前記２次コイル12に高電圧が発生する。その結果、矢印の方向へ２次電流Ｉ_２が流れる。当該２次電流Ｉ_２は、前記２次コイル12→前記第２のダイオード52b→前記点火プラグ40の経路で流れる。さらに、前記第３のダイオード52cと前記第２のダイオード52bとの間に前記第２の抵抗54bが備えられているため、前記２次コイル12からの放電電流が前記コンデンサ56に流れることはない。

次に、図４からイオン電流検出装置の前記点火プラグ40の残留エネルギー除去の動作を説明する。

図４において、前記点火プラグ40からの放電が収束しなければ、後述するイオン電流Ｉ_ｉｏｎの検出が行えないため、残留エネルギーとして前記点火プラグ40に溜まった電流を矢印の方向へ抜く経路を設けている。当該残留エネルギーは、前記点火プラグ40→前記第２の抵抗54b→前記第３のダイオード52c→前記第３の抵抗54c→前記第４の抵抗54d→前記ツェナーダイオード50→前記第５のダイオード52eの経路で前記グランドに短絡させられる。

次に、図５からイオン電流検出装置のイオン電流検出時の動作を説明する。

図５において、前記２次コイル12から前記点火プラグ40への放電が収束していくと、上記図３の前記１次コイル10によって充電された前記コンデンサ56の両端電圧をバイアス電源として、図４の矢印の方向へイオン電流Ｉ_ｉｏｎが流れる。当該イオン電流Ｉ_ｉｏｎは、前記検出用抵抗62→前記コンデンサ56→前記第３の抵抗54c→前記第４のダイオード52d→前記点火プラグ40の経由で流れる。その結果、イオン電流Ｉ_ｉｏｎの検出量に応じて前記オペアンプから検出信号が出力される。

上記構成により、前記２次コイル12の低圧側は、前記グランドと接続され、前記２次コイル12の高圧側は、前記第２のダイオード52bを介して前記点火プラグ40と接続されている。これにより、前記２次コイル12の低圧側への電流の流れの影響を受けず、前記点火プラグ40から前記２次コイル12の高圧側への電流の流れは前記第２のダイオード52bで阻止されるため、イオン電流Ｉ_ｉｏｎがオルタノイズの影響を受けることを防ぐことができる。

また、前記１次コイル10の高圧側と前記イグナイタ20のコレクタ端子との接続部は、前記第１のダイオード52a及び前記第１の抵抗54aを介して前記バイアス回路58と接続されている。これにより、前記イオン電流Ｉ_ｉｏｎを検出するための前記コンデンサ56への充電を前記１次コイル10からのエネルギーで行うため、前記２次コイル12のエネルギー損失が改善され、前記点火コイル16の放電電圧のロスを防ぐことができる。

また、前記第２のダイオード52bと前記点火プラグ40との接続部には前記第２の抵抗54b及び前記第３のダイオード52cの経路と前記第４のダイオード52dの経路とが並列に接続されている。さらに、前記第２の抵抗54b及び前記第３のダイオード52cの経路と前記第４のダイオード52dの経路とが結合されて第３の抵抗54cを介して前記バイアス回路58と接続されている。これにより、前記点火プラグ40に蓄えられる残留エネルギーが除去され、前記点火プラグ40からイオン電流Ｉ_ｉｏｎの検出を素早く開始することができる。

なお、上記実施例１の変形例として、前記１次コイル10及び前記２次コイル12の巻線の巻き数は、前記点火コイル16に要求される出力が得られる事、及び、前記バイアス回路58の前記コンデンサ56に必要な充電が行える事が満たすことができれば、設計事情によって任意の巻き数に変更してもよい。また、前記バイアス回路58及び前記イオン電流検出回路64の回路構成は、コンデンサの両端電圧をバイアス電源としてイオン電流Ｉ_ｉｏｎを検出し、オペアンプから検出信号を出力する構成であれば、設計事情によって任意の回路構成に変更してもよい。さらに、前記第4のダイオード52dは、前記２次コイル12からの出力に対する耐圧を有していればよいため、前記第４のダイオード52dを複数のダイオードから構成してもよい。

また、前記ツェナーダイオード50は、前記コンデンサ56の充電量に応じて設計事情によって任意ブレークダウン電圧を有したツェナーダイオードに変更してもよい。さらに、前記第１の抵抗54a、前記第２の抵抗54b、及び、前記第３の抵抗54cの抵抗値は設計事情によって任意の抵抗値を有した抵抗に変更してもよいし、前記コンデンサ56の静電容量は設計事情によって任意の容量値を有したコンデンサに変更してもよい。

図７に示す本発明の変形例とするイオン電流検出装置の回路図において、前記イオン電流検出装置70は、前記２次コイル12の高圧側に接続された前記第２のダイオード52bと前記点火プラグ40との接続部に第２の抵抗54bのみを介して前記バイアス回路58と接続されている。また、前記バイアス回路58と前記第２のダイオード52bとの間に前記第２の抵抗54bが備えられているため、前記２次コイル12からの放電電流が前記コンデンサ56に流れることはない。この構成により、前記イオン電流Ｉ_ｉｏｎを検出するための前記コンデンサ56への充電を前記１次コイル10からのエネルギーで行うため、前記２次コイル12のエネルギー損失が改善され、前記点火コイル16の放電電圧のロスを防ぐことができると共に、当該第２の抵抗54bのみでイオン電流Ｉ_ｉｏｎの検出及び残留エネルギーの除去を行うことができるため部品点数を減らすことができる。

10：１次コイル
12：２次コイル
14：鉄芯
16：点火コイル
20：イグナイタ
30：電源
40：点火プラグ
50：ツェナーダイオード
52a：第１のダイオード
52b：第２のダイオード
52c：第３のダイオード
52d：第４のダイオード
52e：第５のダイオード
52f：第６のダイオード
54a：第１の抵抗
54b：第２の抵抗
54c：第３の抵抗
54d：第４の抵抗
56：コンデンサ
58：バイアス回路
60：オペアンプ
62：検出用抵抗
64：イオン電流検出回路
70：イオン電流検出装置

Claims

１次コイルと２次コイルが電磁結合されて機能する点火コイルと、点火信号が供給され前記１次コイルに流れる電流を制御するイグナイタと、ツェナーダイオード及びコンデンサからなるバイアス回路と、オペアンプを具備するイオン電流検出回路と、から構成されるイオン電流検出装置において、
前記１次コイルの高圧側と前記イグナイタのコレクタ端子との接続部は、第１のダイオードと第１の抵抗を介して前記バイアス回路に接続され、
前記２次コイルの低圧側は、グランド側へ接続され、前記２次コイルの高圧側は、第２のダイオードを介して点火プラグへ電気的に接続され、
前記第２のダイオードと前記点火プラグとの接続部は、並列に接続された第３のダイオードと第４のダイオードとを介して前記バイアス回路と接続され、前記第３のダイオードのアノードは、第２の抵抗と接続され、前記第３のダイオードに設けられたカソード及び前記第４のダイオードに設けられたアノードは、第３の抵抗と接続されることを特徴とするイオン電流検出装置。
１次コイルと２次コイルが電磁結合されて機能する点火コイルと、点火信号が供給され前記１次コイルに流れる電流を制御するイグナイタと、ツェナーダイオード及びコンデンサからなるバイアス回路と、オペアンプを具備するイオン電流検出回路と、から構成されるイオン電流検出装置において、
前記１次コイルの高圧側と前記イグナイタのコレクタ端子との接続部は、第１のダイオードと第１の抵抗を介して前記バイアス回路に接続され、
前記２次コイルの低圧側は、グランド側へ接続され、前記２次コイルの高圧側は、第２のダイオードを介して前記２次コイルからの高電圧を放電する点火プラグへ電気的に接続され、
前記第２のダイオードは、前記点火プラグとの接続部に第２の抵抗の一端側が接続され、前記バイアス回路には、当該第２の抵抗の他端側が接続されることを特徴とするイオン電流検出装置。