JP2004019619A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一次巻線への通電時における混合気への誤着火を抑制した上で、イオン電流の検出が可能な内燃機関用点火装置を提供する。
【解決手段】内燃機関点火装置１は、一次巻線Ｌ１への通電時に二次巻線Ｌ２に発生する電圧により流れる電流が、逆流防止用ダイオード３１により通電が阻止されるため、一次巻線通電時に誤着火が発生することがない。また、スパークプラグ１３における火花放電終了後、点火コイル１５の残留エネルギにより二次巻線Ｌ２の両端に発生する誘導電圧（イオン電流検出用電圧）をスパークプラグ１３に印加することで、二次巻線通電経路にイオン電流ｉｏを発生させる。そして、このイオン電流ｉｏは、オペアンプ２１及び帰還抵抗器２３を有する電流−電圧変換回路４１により直接電圧変換され、電圧（電圧変換値）Ｖｒとして検出回路２５に出力される。これらの構成を図ることにより、イオン電流ｉｏの検出精度を向上させることができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火コイルに発生した点火用電圧を印加することでスパークプラグの電極間に火花放電を発生させるとともに、火花放電の終了後にイオン電流を発生させる機能を備えた内燃機関用点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジン等に使用される内燃機関においては、スパークプラグにて発生する火花放電により混合気が燃焼し、その燃焼に伴ってイオンが発生することから、火花放電により混合気が燃焼した後にスパークプラグの電極間に電圧（イオン電流検出用電圧）を印加することでイオン電流が流れる。そして、イオンの発生量は混合気の燃焼状態によって変化することから、このイオン電流を検出し、解析処理を行うことによって、失火検知やノッキング検出等を行うことができる。
【０００３】
そして、従来より、このイオン電流を発生させる機能を備えた内燃機関用点火装置としては、二次巻線の一端にスパークプラグを接続し、二次巻線の他端にコンデンサを直列に挿入した構成のものが主流である。この構成では、スパークプラグでの火花放電発生時に、点火コイルの二次巻線およびスパークプラグに流れる二次電流によりこのコンデンサを充電し、火花放電終了後に充電されたコンデンサを放電して、二次巻線を介しスパークプラグの電極間に電圧を印加することで、イオン電流を発生させている（例えば、特開平４−１９１４６５号公報や特開平１０−２３８４４６号公報等）。
【０００４】
なお、このような内燃機関用点火装置では、コンデンサに並列にツェナーダイオードが備えられて、コンデンサが過充電により破壊されるのを防ぐとともに、コンデンサの両端電圧を一定電圧（１００〜３００［Ｖ］）に制限している。このように、コンデンサをイオン電流発生用の電源として用いる内燃機関用点火装置は、イオン電流発生用としての専用電源装置（バッテリなど）を特に設ける必要が無くなるため、部品点数が比較的少なくなると共に、小型化を図ることができるという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のようにスパークプラグでの火花放電時に流れる二次電流にて充電したコンデンサを放電させることでスパークプラグの電極間にイオン電流を発生させる構成の内燃機関用点火装置では、点火コイルに磁束エネルギを蓄積するために一次巻線への通電を開始した際に、点火用高電圧とは逆極性の高電圧（数ｋＶ）が二次巻線に発生し、スパークプラグが正常な点火時期以前に放電を生じてしまい、混合気への誤着火を引き起こす虞がある。
【０００６】
つまり、従来の内燃機関用点火装置は、二次電流通電経路に直列に挿入されたコンデンサに対して、火花放電発生時には充電を可能とする一方でイオン電流発生時には放電を可能とするように、二次電流通電経路が両方向の電流を通電可能にされている。このために、一次巻線への通電時の点火コイルにおける磁束密度の変化に伴い、一次電流の通電遮断時とは逆極性の誘導電圧が二次巻線の両端に発生することになり、この時発生する誘導電圧が火花放電に必要な電圧値を超えると、本来の火花放電時とは逆方向の電流が流れる状態でスパークプラグに放電が発生することになる。
【０００７】
また、一次巻線への通電時間を同じ長さに設定した条件下では、内燃機関の回転速度が高くなるほど、一次巻線への通電開始時期は、クランク角度の早い時期に設定されることになり、つまりシリンダ内の筒内圧が低い時期に設定されることになる。そして、スパークプラグにおける放電電圧は、シリンダ内の筒内圧が低くなるほど低下することが知られていることから、高回転運転時には、一次巻線への通電時に二次巻線に発生する点火用電圧とは逆極性の電圧（数ｋＶ）によって、混合気への誤着火が起こり易くなる。
【０００８】
このような早い時期での混合気への誤着火の発生を防ぐためには、二次電流通電経路における電流の通電方向を一方向に制限し、一次電流の通電遮断時に電流（二次電流）が流れるのを許容するように、逆流防止用ダイオードを二次巻線の一端とスパークプラグとの間を接続する通電経路に直列に挿入すると良い。しかし、このように逆流防止用ダイオードを設けた場合、上述の公報技術の点火装置では、二次電流によるコンデンサへの充電は可能なものの、コンデンサの放電による電流を流すことができない、そのために、スパークプラグの電極間にイオン電流が流れることが不可能となり、ひいては二次電流通電経路に流れるイオン電流の検出を行うことができない。
【０００９】
そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、一次巻線への通電時における混合気への誤着火を抑制した上で、イオン電流の検出が可能な内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記課題を解決するための本発明は、一次巻線および二次巻線を有する点火コイルと、点火コイルの一次巻線に流れる一次電流の通電・遮断をスイッチング制御するスイッチング手段と、二次巻線の一端に接続されて二次電流通電経路を形成し、二次巻線に発生する点火用電圧が印加されて自身の電極間に火花放電を発生するスパークプラグとを備えた内燃機関用点火装置であって、二次巻線の一端とスパークプラグとの間を接続する通電経路に直列に挿入され、一次巻線への通電遮断時に二次電流通電経路を流れる二次電流の通電を許容し、一次巻線への通電時に二次電流通電経路を流れる電流の通電を阻止する逆火防止用ダイオードと、反転入力端子が二次巻線通電経路に接続されるオペアンプと、オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に設けられる帰還抵抗器とを少なくとも有し、イオン電流検出用電圧がスパークプラグに印加されたときに二次電流通電経路に流れるイオン電流を直接電圧変換して、その電圧変換値を外部に出力する電流−電圧変換回路とを備え、スパークプラグにおける火花放電終了後に点火コイルに残留した残留エネルギによって二次巻線の両端にイオン電流検出用電圧を発生させ、イオン電流検出用電圧を該スパークプラグに印加することを特徴とする。
【００１１】
つまり、本発明の内燃機関用点火装置では、点火コイルの二次巻線の一端（高圧端）とスパークプラグとを接続する通電経路中に逆流防止用ダイオードを備えることにより、二次電流通電経路において通電可能な電流方向を一方向に制限している。そして、この逆流防止用ダイオードが、一次巻線への通電時に二次巻線の両端に発生する電圧による二次電流通電経路の通電を阻止することによって、一次巻線への通電時にスパークプラグが放電することを防いでいる。
【００１２】
そして、本発明では、スパークプラグの火花放電終了後に点火コイルに存在する残留エネルギによって二次巻線の両端に発生する誘導電圧をスパークプラグに印加して、二次電流通電経路にイオン電流を生じさせる（換言すれば、スパークプラグの電極間にイオン電流が流れる）ことが第一に注目すべき点である。より詳細に説明すると、火花放電終了後に点火コイルに存在する残留エネルギにより二次巻線の両端に発生する誘導電圧がスパークプラグに印加され、当該スパークプラグの浮遊容量を含む二次電流通電経路に存在し得る浮遊容量にその電圧が充電される。そして、この充電電荷を利用して二次電流通電経路にイオン電流を生じさせるのである。つまり、本発明では、点火コイルの残留エネルギにより二次巻線の両端に発生する誘導電圧を、イオン電流を発生させるためのイオン電流検出用電圧として用いている。即ち、点火コイルは、点火用電圧を発生させる電源として機能すると共に、イオン電流発生用の電源としても機能する。
【００１３】
ここで、火花放電が終了した際に点火コイルに存在する残留エネルギは、火花放電を継続させるには不十分ではあるが、二次電流通電経路に存在する浮遊容量を充電させ、スパークプラグの電極間にイオン電流を流すには十分な量である。つまり、従来のイオン電流発生用のコンデンサが蓄積する電圧（１００〜３００［Ｖ］）よりも高い電圧を、スパークプラグに印加することができる。これにより、従来よりも大きいイオン電流がスパークプラグを含む二次電流通電経路に流れることになり、イオン電流の検出精度を向上させることが可能となる。
【００１４】
なお、上述したように火花放電終了後に二次巻線の両端に発生する誘導電圧は、二次電流通電経路に存在する浮遊容量に電荷を蓄積するが、スパークプラグの浮遊容量に蓄積される充電電荷は、二次巻線の一端とスパークプラグとの間を接続する通電経路に挿入される上記逆流防止用ダイオードによって二次巻線への逆流が防止される。これにより、スパークプラグの浮遊容量に蓄積された充電電荷は、二次巻線側に逆流して消費されることはなく、イオン電流を発生させるために有効に利用される。即ち、逆流防止用ダイオードは、一次巻線への通電時に誤着火が起こることを防止する機能を果たすと共に、イオン電流を確実に発生させるための機能も有する。
【００１５】
ところで、二次電流通電経路に流れるイオン電流の検出にあたっては、二次巻線に対して直列に検出用抵抗器を接続し、該検出用抵抗器の両端電圧によりイオン電流を検出する手法を図ることが主流である。そして、検出用抵抗器を用いてイオン電流を検出しようとする場合、イオン電流は微小な電流であるために、検出用抵抗器の抵抗値を非常に大きく設定（例えば１〔ＭΩ〕）し、その両端電圧を大きくし得ることが一般的である。
【００１６】
しかしながら、検出用抵抗器の抵抗値を大きく設定すると、この検出用抵抗器は二次電流通電経路に直列に接続される構成であるが故に当該抵抗器自身が負荷となって、二次電流およびイオン電流が流れ難くなる。そのために、着火性能の低下を招いたり、イオン電流の検出精度が低下することにつながる。一方、上記検出用抵抗器の抵抗値を小さくし、該検出用抵抗値の両端電圧を増幅させる手法も考えられるが、外部ノイズ自身も同様に増幅することになるので、精度の良いイオン電流の検出を行うことが困難となる。
【００１７】
そこで、本発明では、反転入力端子が二次巻線通電経路に接続されるオペアンプと、オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に設けられる帰還抵抗器とを少なくとも有し、二次電流通電経路に流れるイオン電流を直接電圧変換して、その電圧変換値を外部に出力する電流−電圧変換回路を備えることが第二の注目すべき点である。
【００１８】
このように二次電流通電経路に流れるイオン電流を、オペアンプと帰還抵抗器を有する電流−電圧変換回路によって直接電圧に変換し、その電圧変換値を外部に出力することで、二次電流通電経路上での負荷をなくした形でイオン電流を検出することができる。それにより、二次電流通電経路における二次電流およびイオン電流はその流れが負荷により妨げられることがなく、着火性能の低下やイオン電流の検出精度の低下を招くことを防止することができる。また、このような電流−電圧変換回路を用いることで、外部ノイズの影響を受けない形でイオン電流が検出可能となり、イオン電流を正確に検出することができる。さらに、本発明では、イオン電流検出用電圧として、従来のイオン電流発生用のコンデンサが蓄積する電圧（１００〜３００［Ｖ］）よりも高い電圧値を有する、点火コイルの残留エネルギにより二次巻線の両端に発生する誘導電圧を用いている要件を備えており、二次電流通電経路に電流−電圧変換回路を接続してイオン電流を検出する上述の要件と相俟って、イオン電流の検出精度が一層向上することになる。
【００１９】
なお、イオン電流を発生させるためにスパークプラグの電極間に電圧を印加するに際して、中心電極が負極性、接地電極が正極性となるよう電圧を印加する場合に比べて、中心電極が正極性、接地電極が負極性となるよう電圧を印加する場合の方が、より大きなイオン電流が発生可能となることが知られている。これは、体積の大きい陽イオンが中心電極よりも表面積の大きい接地電極から電子の供給を受けることにより、より多くの電子の交換、移動が行われることになるからである。
【００２０】
このことから、本発明の内燃機関用点火装置では、スパークプラグの火花放電終了後に点火コイルの残留エネルギにより二次巻線の両端に発生する誘導電圧が、スパークプラグの中心電極を正極性として印加されるように、点火コイルを構成するとよい。これにより、イオン電流の検出精度をさらに向上させることができる。なお、このような構成にするには、一次電流の通電遮断時にスパークプラグの中心電極に正極性となる点火用電圧が印加されるように、点火コイル（具体的には、二次巻線の巻線方向）を適宜調整すればよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
まず、図１は、実施形態のイオン電流検出機能を備えた内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。なお、本実施形態では、１気筒分について説明を行うが、本発明は複数の気筒を備える内燃機関についても適用でき、気筒毎の内燃機関用点火装置の基本構成は同様である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の内燃機関用点火装置１は、定電圧（例えば、電圧１２［Ｖ］）を出力する電源（バッテリ）１１と、内燃機関の気筒に設けられたスパークプラグ１３と、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とを備えて点火用電圧を発生する点火コイル１５と、一次巻線Ｌ１と直列接続されたｎｐｎ型パワートランジスタから成るトランジスタ１７（スイッチング手段に相当）と、トランジスタ１７を駆動制御するための第１指令信号Ｓａを出力する電子制御装置１９（以下、ＥＣＵ１９と呼ぶ）とを備えている。また、内燃機関用点火装置１は、アノードが二次巻線Ｌ２の一端（高圧端）３３に接続され、カソードがスパークプラグ１３の中心電極１３ａに接続された逆流防止用ダイオード３１とを備えている。
【００２３】
さらに、内燃機関用点火装置１は、反転入力端子が二次巻線Ｌ２の他端（低圧端）３５と通電経路用ダイオード３７のカソードとの間を接続する通電経路（換言すれば、二次巻線Ｌ２の他端３５と通電経路用ダイオード３７のカソードとの接続点）に接続されるオペアンプ２１と、そのオペアンプ２１の反転入力端子と出力端子との間に設けられる帰還抵抗器２３と、オペアンプ２１の出力端子から出力される電圧（電圧変換値）Ｖｒに基づきイオン電流検出信号Ｓｉを出力するための検出回路２５と、を備えている。なお、本実施形態では、上述したオペアンプ２１と帰還抵抗器２３を少なくとも有する形態で、電流−電圧変換回路４１を構成している。
【００２４】
これらのうち、トランジスタ１７は、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１への通電・遮断をスイッチング制御するために、ＥＣＵ１９からの第１指令信号Ｓａに基づいてスイッチング駆動する半導体素子からなるスイッチング素子であり、本実施例の内燃機関に備えられる点火装置はフルトランジスタ型点火装置である。
【００２５】
そして、一次巻線Ｌ１は、一端が電源１１の正極に接続され、他端がトランジスタ１７のコレクタに接続されており、二次巻線Ｌ２は、その他端３５が通電経路用ダイオード３７のカソードに接続され、一端３３が逆流防止用ダイオード３１のアノードに接続されている。また、通電経路用ダイオード３７は、アノードが電源１１の負極と同電位のグランドに接続されている。なお、この通電経路用ダイオード３７は、二次巻線通電経路の電流を一方向に制限する電流一方向制限手段に相当するものであり、二次巻線Ｌ２とグランドとの間に直列に挿入されている。
【００２６】
逆流防止用ダイオード３１は、アノードが二次巻線Ｌ２の一端３３に接続され、カソードがスパークプラグ１３の中心電極１３ａに接続されており、二次巻線Ｌ２からスパークプラグ１３の中心電極１３ａに向かう電流の通電を許容し、スパークプラグ１３の中心電極１３ａから二次巻線Ｌ２に向かう電流の通電を阻止している。
【００２７】
電流−電圧変換回路４１は、上述したようにオペアンプ２１と帰還抵抗器２３を有している。また、この電流−電圧変換回路４１は、二次巻線Ｌ２の他端（低圧端）３５と、オペアンプ２１の反転入力端子は、二次巻線Ｌ２の他端３５と通電経路用ダイオード３７との間を接続する通電経路（二次巻線通電経路の一部を構成する通電経路に相当）に接続され、非反転入力端子は、抵抗器２７を介して電源１１の負極と同電位のグランドに接続されている。オペアンプ２１の出力端子は、検出回路２５の入力端子に接続されている。帰還抵抗器２３は、その一端がオペアンプ２１の反転入力端子に接続され、他端がオペアンプ２１の出力端子に接続されている。
【００２８】
検出回路２５は、オペアンプ２１の出力端子から出力される電圧（電圧変換値）Ｖｒに基づいて、スパークプラグ１３の電極間を流れるイオン電流の挙動に応じたイオン電流検出信号Ｓｉを出力するように構成されている。なお、検出回路２５は、出力するイオン電流検出信号Ｓｉの変動範囲が、ＥＣＵ１９に入力可能な範囲を逸脱しないように構成されている。
【００２９】
また、スパークプラグ１３において中心電極１３ａと対向して火花放電を発生させる火花放電ギャップを形成する接地電極１３ｂは、電源１１の負極と同電位のグランドに接地されている。さらに、トランジスタ１７は、ベースがＥＣＵ１９の第１指令信号Ｓａの出力端子に接続され、エミッタが電源１１の負極と同電位のグランドに接地されている。
【００３０】
そして、ＥＣＵ１９から出力される第１指令信号Ｓａがローレベル（一般にグランド電位）である場合には、ベース電流ｉｂが流れずトランジスタ１７はオフ状態（遮断状態）となり、トランジスタ１７によって一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れることはない。また、ＥＣＵ１９から出力される第１指令信号Ｓａがハイレベル（一般に定電圧電源からの供給電圧５［Ｖ］）である場合には、ベース電流ｉｂが流れてトランジスタ１７はオン状態（通電状態）となり、トランジスタ１７によって一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れる。
【００３１】
このため、第１指令信号Ｓａがハイレベルであり一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れている状態で、第１指令信号Ｓａがローレベルになると、トランジスタ１７がオフ状態となり、一次巻線Ｌ１への一次電流ｉ１の通電が遮断される。すると、点火コイル１５における磁束密度が急激に変化して、二次巻線Ｌ２に点火用電圧が発生する。そして、これがスパークプラグ１３に印加され、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電が発生する。
【００３２】
点火コイル１５は、一次巻線Ｌ１への通電を遮断することで、二次巻線Ｌ２の両端に、スパークプラグ１３の中心電極１３ａにグランド電位よりも高い正極性の点火用電圧を生じさせるように構成されている。そして、スパークプラグ１３の火花放電に伴って、二次電流ｉ２が、二次巻線Ｌ２から逆流防止用ダイオード３１、スパークプラグ１３の中心電極１３ａ、接地電極１３ｂ、グランド、通電経路用ダイオード３７の順に通過して、二次巻線Ｌ２に戻る方向に流れる。即ち、このように二次電流ｉ２が流れる二次巻線Ｌ２、スパークプラグ１３、逆流防止用ダイオード３１、通電経路用ダイオード３７を含む通電経路が、二次巻線通電経路となる。
【００３３】
そして、スパークプラグ１３における火花放電の継続に伴い、点火コイル１５に蓄積されたエネルギが消費されていき、このエネルギが火花放電の継続に必要な量を下回ると、火花放電が終了する。なお、火花放電の終了時点では、点火コイル１５には残留エネルギが残されており、二次巻線Ｌ２の両端には、火花放電の発生には不十分ではあるものの、概略数ｋＶの電圧が発生している。
【００３４】
このため、スパークプラグ１３における火花放電が終了した後には、残留エネルギにより二次巻線Ｌ２の両端に発生している誘導電圧（イオン電流検出用電圧）が、逆流防止用ダイオード３１を介してスパークプラグ１３に印加されることになる。より詳細に説明すると、火花放電終了後の点火コイルにおける残留エネルギによって二次巻線Ｌ２の両端に発生する誘導電圧がスパークプラグ１３に印加されて、そのスパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆを含む二次電流通電経路に存在する浮遊容量に充電される。そして、この充電電荷によってスパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオン電流ｉｏが流れることになる。
【００３５】
そして、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオンが存在している場合には、残留エネルギにより二次巻線Ｌ２の両端に発生しているイオン電流検出用電圧（詳細には、イオン電流検出用電圧のスパークプラグ１３への印加に伴い、スパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆを含む二次電流通電経路に存在する浮遊容量にチャージされる充電電荷）により、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオン電流ｉｏが流れる。このようにしてイオン電流ｉｏは、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２から逆流防止用ダイオード３１、スパークプラグ１３、グランド、通電経路用ダイオード３７を通じて二次巻線Ｌ２に至る経路（即ち、二次電流通電経路）に流れる。
【００３６】
ここで、火花放電終了後に二次巻線Ｌ２の両端に発生する誘導電圧は、上述したように二次電流通電経路に存在する浮遊容量に充電される訳だが、スパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆにチャージされた充電電荷は、二次巻線Ｌ２の一端３３とスパークプラグ１３とを接続する通電経路に挿入される逆流防止用ダイオード３１により、二次巻線Ｌ２への逆流が防止される。これにより、スパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆにチャージされる上記充電電荷は、二次巻線Ｌ２からスパークプラグ１３の中心電極１３ａに向かう電流の通電のみを許容するために設けられる逆流防止用ダイオード３１との組み合わせにより、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオン電流ｉｏを生じさせるように有効に利用されることになる。
【００３７】
そして、二次巻線通電経路を流れるイオン電流ｉｏは、電流−電圧変換回路４１に流れることになる。この電流−電圧変換回路４１では、イオン電流ｉｏを直接電圧変換し、外部（本実施形態では検出回路２５）にイオン電流ｉｏの大きさに応じた電圧（電圧変換値）Ｖｒを出力する。具体的に電流−電圧変換回路４１は、イオン電流ｉｏの電流値をｉａとし、帰還抵抗器２３の抵抗値をＲとしたときに、−ｉａ×Ｒの大きさを有する電圧Ｖｒをオペアンプ２１の出力端子から出力する。そして、電流−電圧変換回路４１から出力される電圧Ｖｒが検出回路２５に入力され、検出回路２５が電圧Ｖｒの変動に応じたイオン電流検出信号ＳｉをＥＣＵ１９に対して出力する。
【００３８】
次に、内燃機関用点火装置１のＥＣＵ１９において実行されるイオン電流検出処理について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。なお、ＥＣＵ１９は、内燃機関の点火時期、燃料噴射量、アイドル回転数等を総合的に制御するためのものであり、以下に説明するイオン電流検出処理のほかに、別途内燃機関の吸入空気量（吸気管圧力）、回転速度、スロットル開度、冷却水温、吸気温等、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理等を実行している。
【００３９】
また、図２に示すイオン電流検出処理は、例えば、内燃機関の回転角度を検出するクランク角センサからの信号に基づき、内燃機関が、吸気，圧縮，燃焼，排気を行う１燃焼サイクルに１回の割合で実行されており、さらに、点火制御のための処理も併せて実行している。
【００４０】
そして、内燃機関が始動されてイオン電流検出処理が開始されると、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）にて、別途実行される運転状態検出処理にて検出された内燃機関の運転状態を読込み、Ｓ１２０にて、その読み込んだ運転状態に基づき、点火時期ｔｓおよびイオン電流検出開始時期ｔｉを設定する。なお、Ｓ１１０での処理では、内燃機関のエンジン回転数と、スロットル開度や吸気管負圧（吸入空気量）等を用いて算出されるエンジン負荷とを含む情報を、運転状態として読み込むことが好ましい。そして、Ｓ１２０での処理では、点火時期ｔｓについては、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとするマップ若しくは計算式を用いて制御基準値を求め、これを冷却水温，吸気温等に基づき補正する、といった従来から知られている手順で設定される。
【００４１】
また、イオン電流検出開始時期ｔｉは、火花放電が終了する時期に設定されるように、エンジン回転数とエンジン負荷を含む運転状態に基づいて、予め用意されたマップ若しくは計算式を用いて設定される。なお、このとき用いるマップもしくは計算式は、混合気の燃焼が緩慢に進む運転条件下（低回転低負荷時等）にはイオン電流検出開始時期ｔｉが遅い時期に設定されるように、また、混合気の燃焼が急速に進む運転条件下（高回転高負荷時等）にはイオン電流検出開始時期ｔｉが早い時期に設定されるように構成されている。本実施例では、エンジン回転数とエンジン負荷をパラメータとするマップを用いて、最適なイオン電流検出開始時期ｔｉを設定する。
【００４２】
次に、Ｓ１３０では、Ｓ１２０にて設定した点火時期ｔｓに基づき、予め設定された一次巻線Ｌ１の通電時間だけ早い一次巻線Ｌ１の通電開始時期を求め、通電開始時期に達した時点で、第１指令信号Ｓａをローレベルからハイレベルに変化させる。Ｓ１３０の処理により、第１指令信号Ｓａがローレベルからハイレベルに切り換わると、トランジスタ１７がオン状態となり、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れる。また、点火時期ｔｓまでの一次巻線Ｌ１の通電時間は、一次巻線Ｌ１への通電によって点火コイル１５に蓄積されるエネルギが、内燃機関のあらゆる運転条件下で混合気を燃焼させることができる最大の火花エネルギとなるように、予め設定されている。
【００４３】
続くＳ１４０では、クランク角センサからの検出信号に基づき、Ｓ１２０で設定した点火時期ｔｓに達したか否かを判断し、否定判定された場合には、同ステップを繰り返し実行することで、点火時期ｔｓになるまで待機する。そして、Ｓ１４０にて、点火時期ｔｓに達したと判断されると、Ｓ１５０に移行する。
【００４４】
すると、Ｓ１５０では、第１指令信号Ｓａをハイレベルからローレベルに反転させ、この結果、トランジスタ１７がターンオフして一次電流ｉ１が遮断され、点火コイル１５の磁束密度が急激に変化して二次巻線Ｌ２に点火用電圧が発生し、スパークプラグ１３に火花放電が発生する。このとき、二次電流ｉ２が、二次巻線Ｌ２、スパークプラグ１３、逆流防止用ダイオード３１、通電経路用ダイオード３７からなる二次電流通電経路を流れる。
【００４５】
次のＳ１６０では、Ｓ１２０で設定したイオン電流検出開始時期ｔｉに達したか否かを判断し、否定判定された場合には、同ステップを繰り返し実行することで、イオン電流検出開始時期ｔｉになるまで待機する。Ｓ１６０にて、イオン電流検出開始時期ｔｉに達したと判断されると、Ｓ１７０に移行し、Ｓ１７０にて検出回路２５から出力されるイオン電流検出信号Ｓｉの読み込みを開始する。
【００４６】
ここで、イオン電流検出開始時期ｔｉは、Ｓ１２０での処理において、火花放電が終了する時期に設定されており、Ｓ１７０に移行した時には、火花放電が終了して、点火コイル１５に存在する残留エネルギにより二次巻線Ｌ２の両端に誘導電圧が発生している。そして、この誘導電圧が、イオン電流検出用電圧として、スパークプラグ１３に印加されることになる。
【００４７】
点火コイル１５の残留エネルギに起因したイオン電流検出用電圧がスパークプラグ１３に印加される時点で、スパークプラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間にイオンが存在する場合には、上記イオン電流検出用電圧によりスパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆを含む二次電流通電経路に存在する浮遊容量にチャージされる電荷によって、イオン電流ｉｏが流れる。このイオン電流ｉｏは、上述したように二次巻線Ｌ２、スパークプラグ１３、逆流防止用ダイオード３１、通電経路用ダイオード３７から形成される二次巻線通電経路を流れる。そして、電流−電圧変換回路４１によって、イオン電流ｉｏを電圧変換した電圧Ｖｒが出力される。Ｓ１７０の処理が開始された後は、ＥＣＵ１９の内部では、電流−電圧変換回路４１から出力される電圧Ｖｒの変化に応じて、検出回路２５から出力されるイオン電流検出信号Ｓｉを読み込む処理が継続して行われる。
【００４８】
続いて、Ｓ１８０では、Ｓ１６０にて肯定判定された後、イオン電流検出信号Ｓｉを読み込むための時間として予めＥＣＵ１９に設定してある検出信号読込時間を経過したか否かを判断し、否定判定された場合、同ステップを繰り返し実行することで待機する。そして、Ｓ１８０にて、検出信号読込時間が経過したと判断されると、Ｓ１９０に移行する。本実施例では、検出信号読込時間は、内燃機関の運転状態に関わらず、予め設定された固定値としているが、運転状態に合わせて適切な値を設定してもよい。
【００４９】
そして、Ｓ１９０では、Ｓ１７０で開始したイオン電流検出信号Ｓｉの読み込み処理を停止する。Ｓ１９０における処理が終了すると、本イオン電流検出処理が終了する。なお、ＥＣＵ１９では、二次電流通電経路を流れるイオン電流ｉｏに基づいて、内燃機関の失火の有無を判定する失火判定処理を別途実行している。つまり、この失火判定処理では、検出回路２５から出力されるイオン電流検出信号Ｓｉに基づき失火判定を行っている。
【００５０】
そして、失火判定処理では、例えばイオン電流検出開始時期ｔｉ直後のピーク値を除くイオン電流検出信号Ｓｉの積分値を算出し、この積分値と失火判定のために予め定められた判定基準値とを比較し、積分値が判定基準値を以上である場合に正常燃料と判定し、積分値が判定基準値を下回る場合に失火と判定することができる。このようにして正常燃焼と失火を判定することができるのは、イオンは混合気の燃焼に伴う電離作用により発生するため、正常燃焼時にはイオンが発生するが、失火時にはイオンが発生することがないことからである。なお、失火の判定を行うために用いられる上記判定基準値は、予め設定された固定値に限定されることはなく、内燃機関の運転状態（例えば、エンジン回転数とエンジン負荷とを含む情報）に基づき、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとするマップ若しくは計算式を用いて設定するようにしてもよい。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２とスパークプラグ１３の中心電極１３ａとの間を接続する通電経路に逆流防止用ダイオード３１を挿入することにより、二次電流通電経路において通電可能な電流方向を一方向に制限している。そして、逆流防止用ダイオード３１が、一次巻線Ｌ１への通電時に二次巻線Ｌ２の両端に発生する電圧による電流の通電を阻止する。これにより、一次巻線Ｌ１への通電時における誤着火の発生を防止することができる。
【００５２】
また、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、火花放電終了後の点火コイル１５における残留エネルギによって発生する誘導電圧（イオン電流検出用電圧）をスパークプラグ１３に印加することで、イオン電流ｉｏを発生させている。つまり、点火コイル１５（二次巻線Ｌ２）は、スパークプラグ１３に火花放電を発生させるための点火用電圧を発生する電源として動作すると共に、イオン電流ｉｏを発生するための電流源としても動作している。
【００５３】
そして、本実施形態の内燃機関用点火装置１では、二次電流通電経路に流れるイオン電流ｉｏを、オペアンプ２１と帰還抵抗器２３を有する電流−電圧変換回路４１によって電圧に変換してその電圧変換値を外部に出力している関係から、二次電流通電経路上での負荷（従来のように、１〔ＭΩ〕程度の抵抗値を有する検出用抵抗器）を有さない形態で、イオン電流ｉｏの検出を実現している。これにより、二次電流通電経路を流れる二次電流およびイオン電流は、その流れが負荷によって妨げられることがなく、着火性能の低下やイオン電流の検出精度の低下を招くことを防止することができる。また、このような電流−電圧変換回路４１を用いることで、外部ノイズの影響を受けない形でイオン電流ｉｏを正確に検出することができる。
【００５４】
また、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、一次電流ｉ１の通電遮断時に、スパークプラグ１３の中心電極１３ａが正電位となる点火用電圧が印加されるように、点火コイル１５が調整されている。このため、点火コイル１５の残留エネルギにより発生する誘導電圧が、スパークプラグ１３の中心電極１３ａを正電位として印加されることから、イオン電流ｉｏの検出精度を向上させることができる。
【００５５】
ここで、失火時において、スパークプラグ１３の浮遊容量Ｃｆに充電された充電電圧は、次の燃焼サイクルに移行するよりも前の時点に消費されることになる。つまり、気筒内の圧力が低下するほどスパークプラグ１３の放電電圧が低下するという関係があるため、失火発生時から次の点火時期前までの行程において、ピストンの動作により気筒内容積が増大して圧力が低下すると、浮遊容量Ｃｆの充電電圧によりスパークプラグ１３に火花放電が発生することになる。そして、このように火花放電が発生するのは、上述したように次の燃焼サイクルに移行するよりも前の時点である。このことから、本実施形態では、一次巻線Ｌ１への通電時におけるスパークプラグ１３での火花放電による誤着火を抑える目的は果たされるものであり、発明の主旨に影響を与えるものではない。
【００５６】
また、内燃機関の高回転運転時は、燃焼室内の混合気の乱流が強いために火花放電が早期に終了し、点火コイル１５に残る残留エネルギは大きくなる傾向にある。このように、高回転運転時において失火した場合には、点火コイル１５に残る残留エネルギが大きいために、低回転運転時に比べて、残留エネルギにより発生する誘導電圧が高くなる。このため、高回転運転時においては、残留エネルギにより誘導される電圧により、スパークプラグ１３において再度火花放電が発生する場合がある。しかし、点火コイル１５に存在する残留エネルギによって二次巻線Ｌ２の両端にて発生する誘導電圧により再度火花放電が発生しても、電流−電圧変換回路４１から出力される電圧Ｖｒは瞬時的に大きい値を示すのみで、火花放電の再発生により点火コイル１５における残留エネルギが即座に消費され、その後に電圧Ｖｒが変化することはほとんどない。
【００５７】
このため、混合気への着火が行われずに失火した後、点火コイル１５に存在する残留エネルギによって火花放電が再発生した場合でも、電流−電圧変換回路４１から出力される電圧Ｖｒの波形、即ちイオン電流検出信号Ｓｉの波形は失火時とほぼ同様の波形を示すことになり、電圧Ｖｒに基づき正常燃焼であるか失火であるかを判定することは可能となる。よって、上述したように火花放電が再発生することがあっても、失火検出の検出精度が低下することはない。
【００５８】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、イオン電流検出処理におけるイオン電流検出開始時期ｔｉは、イオン電流の発生時期を含むように設定すれば良く、火花放電終了時期よりも早い時期に設定しても良い。また、イオン電流検出開始時期については、運転状態に応じて設定される変動期間ではなく、予め定められた固定期間としても良い。
【００５９】
また、本実施形態の内燃機関用点火装置１において、電流−電圧変換回路４１を過大電流から保護する意味で、通電経路用ダイオード３７に対して並列に保護用ダイオードを接続させても良い。このとき、保護用ダイオードは、アノードが通電経路用ダイオード３７のカソードに接続されるように、該通電経路用ダイオード３７に並列に接続することになる。
【００６０】
また、電流一方向制限手段として、本実施形態ではダイオード（通電経路用ダイオード３７）を用いたが、ツェナーダイオードを用いても良い。
さらに、イオン電流ｉｏを用いて検出可能な燃焼状態としては、失火に限らず、例えばノッキング等が挙げられる。このノッキングを検出するにあたっても、スパークプラグの電極間に流れるイオン電流を検出し、検出したイオン電流波形を公知の手法を用いて解析することでノッキング判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。
【図２】内燃機関用点火装置の電子制御装置（ＥＣＵ）において実行されるイオン電流検出処理の処理内容を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１・・・内燃機関用点火装置、１１・・・電源、１３・・・スパークプラグ、１５・・・点火コイル、１７・・・トランジスタ（スイッチング手段）、１９・・・電子制御装置（ＥＣＵ）、２１・・・オペアンプ、２３・・・帰還抵抗器、２５・・・検出回路、３１・・・逆流防止用ダイオード、３７・・・通電経路用ダイオード（電流一方向制限手段）、４１・・・電流−電圧変換回路、Ｌ１・・・一次巻線、Ｌ２・・・二次巻線。

Claims (1)

1. 一次巻線および二次巻線を有する点火コイルと、
   該点火コイルの前記一次巻線に流れる一次電流の通電・遮断をスイッチング制御するスイッチング手段と、
   前記二次巻線の一端に接続されて二次電流通電経路を構成し、該二次巻線に発生する点火用電圧が印加されて自身の電極間に火花放電を発生するスパークプラグと、を備えた内燃機関用点火装置であって、
   前記二次巻線の一端と前記スパークプラグとの間を接続する通電経路に直列に挿入され、前記一次巻線への通電遮断時に前記二次電流通電経路を流れる二次電流の通電を許容し、該一次巻線への通電時に該二次電流通電経路を流れる電流の通電を阻止する逆火防止用ダイオードと、
   反転入力端子が前記二次巻線通電経路に接続されるオペアンプと、該オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に設けられる帰還抵抗器とを少なくとも有し、イオン電流検出用電圧が前記スパークプラグに印加されたときに該二次電流通電経路に流れるイオン電流を直接電圧変換して、その電圧変換値を外部に出力する電流−電圧変換回路と、を備え、
   前記スパークプラグにおける火花放電終了後に前記点火コイルに残留した残留エネルギによって前記二次巻線の両端にイオン電流検出用電圧を発生させ、該イオン電流検出用電圧を該スパークプラグに印加すること、
   を特徴とする内燃機関用点火装置。

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