JP2010116829A - イオン電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素早いタイミングでイオン電流の検出を開始できるイオン電流検出回路を提供する。
【解決手段】一次コイルＬ１と二次コイルＬ２及び三次コイルＬ３とが電磁結合された点火コイル１と、一次コイルＬ１の電流を制御するスイッチング素子２と、スイッチング素子２のＯＦＦ動作時に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及びツェナーダイオードＺＤ１を有し、点火プラグＰＧの放電時に、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧に対応してコンデンサＣ１が充電されるバイアス回路３と、コンデンサＣ１の放電電流を検出する電流検出回路４と、を有する。コンデンサＣ１の充電時における高圧側端子と、点火プラグＰＧの放電時における高圧側端子との間にダイオードＤ１を配置して、点火プラグＰＧの高圧側端子の電位が降下するとダイオードＤ１がＯＮ動作して、コンデンサＣ１の放電電流が流れるよう構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼により発生するイオン電流を、素早いタイミングで検出できるイオン電流検出装置に関する。

自動車エンジンなどの内燃機関では、燃焼室に導入した空気及び燃料の混合気を、点火プラグの点火放電により燃焼させることでエネルギーを発生させている。このような内燃機関では、燃焼時、燃焼室内の分子がイオン化するので、適当なタイミングで点火プラグに高電圧を印加することで、イオン電流を取得することが可能となる。

そして、取得したイオン電流にノック信号が重畳しているか否かによってノッキング発生の有無を把握することが可能となる。なお、ノック信号の周波数は、内燃機関の構造により相違するが、例えば、５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度である。そして、イオン電流検出装置としては、例えば、特許文献１に記載の回路構成が知られている。
特開２００６−０７７７６３号公報

図５は、特許文献１の回路構成を図示したものであり、このイオン電流検出装置では、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移時に、点火コイルの二次コイルＬ２に図示の向きの高電圧を発生させることで、点火プラグＰＧが放電している。また、このＯＦＦ遷移時には、点火プラグＰＧの放電電流が、二次コイルＬ２→ツェナーダイオードＺＤ１１及びコンデンサＣ１１→ダイオードＤ２２の経路で流れて、コンデンサＣ１１が充電される。そして、放電電流が収束した後に、コンデンサＣ１１の両端電圧をバイアス電源として、破線の向きにイオン電流ｉが流れ、ＯＰアンプ３０からイオン電流ｉに対応する検出信号Ｒｆ＊ｉが出力される。

しかしながら、特許文献１の回路構成では、イオン電流が二次コイルＬ２を経由して流れるので、ノック信号の周波数に対するインピーダンスが増加して、微小レベルのノック信号を検出することが困難であるという問題がある。また、この回路構成では、点火プラグＰＧは、グランドを基点に放電するマイナス放電であって、グランドに向けて放電するプラス放電を実現できないという問題もある。

そこで、イオン電流経路に二次コイルＬ２を含まず、且つ、プラス放電を可能にする回路としては、例えば、特許文献２の回路構成が知られている。
特開２００２−１８０９４９号公報

図６は、特許文献２の回路構成を図示したものであり、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移時に、点火コイルの二次コイルＬ２に図示の向きの高電圧を発生させることで、点火プラグＰＧが放電している。また、このＯＦＦ遷移時には、一次コイルＬ１→抵抗Ｒ１１→ツェナーダイオードＺＤ１１及びコンデンサＣ１１→ダイオードＤ２２の経路でコンデンサＣ１１が充電される。そして、その後、点火プラグＰＧの両端電圧が降下すると、コンデンサＣ１１の両端電圧をバイアス電源として、破線の向きにイオン電流ｉが流れ、ＯＰアンプ３０から検出信号Ｒｆ＊ｉが出力されることになる。

図６の回路構成では、スイッチング素子ＱのＯＮ遷移時に点火プラグＰＧが放電しないよう、ＯＮ時放電防止用のダイオードＤ２０が配置されるのが通例である。また、スイッチング素子Ｑとしては、好適にはＩＧＢＰ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が使用され、ＩＧＢＴには、例えば、ツェナーダイオードＺＤが並列接続される場合が多い。

そのため、図６の回路構成では、コンデンサＣ１１の最大充電電圧は、ツェナーダイオードＺＤのブレークダウン電圧特性に依存することになり、早期のタイミングでイオン電流を検出するため、例えば、コンデンサＣ１１の充電電圧を、２００Ｖ以上、例えば８００Ｖ程度まで増加しようとすると、これに対応する特別の絶縁設計や耐エネルギー設計が必要となるという問題がある。

また、図６の回路構成では、逆電流阻止用のダイオードＤ２１や、ＯＮ時放電防止用のダイオードＤ２０が必須となるので、点火プラグＰＧなど二次側の浮遊容量の充電電荷の放電経路がハイインピーダンスとなり、その分だけイオン電流の検出開始タイミングが遅れるという問題もある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、点火プラグのグランドに向けて放電可能であって、イオン電流検出用のバイアス電圧を上昇させることで素早くイオン電流を検出できるようにしたイオン電流検出回路を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るイオン電流検出装置は、一次コイルと二次コイル及び三次コイルとが電磁結合されてなる点火コイルと、前記一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のＯＦＦ動作時に前記二次コイルに誘起される電圧に基づいてグランドに向けて放電する点火プラグと、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤ１を有し、前記スイッチング素子のＯＦＦ動作時に前記三次コイルに誘起される電圧に基づいて、前記ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧に対応する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と、を有して構成され、前記コンデンサＣ１の充電時における高圧側端子と、前記点火プラグの放電時における高圧側端子との間にダイオードＤ１を配置して、前記点火プラグの高圧側端子の電位が降下すると前記ダイオードＤ１がＯＮ動作して、前記ダイオードＤ１及び前記点火プラグを経由して、前記コンデンサＣ１の放電電流が流れるよう構成した。

本発明では、三次コイルの誘起電圧に基づいてコンデンサＣ１が充電され、イオン電流検出用のバイアス電圧が生成される。つまり、本発明では、スイッチング素子とバイアス電圧とが直流的に分離されるので、適宜なレベルまでコンデンサＣを充電することができ、バイアス電圧が増加する分だけ、イオン電流の検出タイミングを早めることができる。

本発明は、好ましくは、前記第二コイルと前記第三コイルには、逆位相の電圧が誘起するよう構成される。また、前記三次コイルと前記ツェナーダイオードＺＤ１との間に、前記スイッチング素子のＯＮ遷移時に前記第三コイルに誘起される電圧による電流を阻止する向きにダイオードＤ２を配置するのが好適である。

また、二次コイルＬ２と前記三次コイルＬ３のコイル巻線は、好ましくは、その巻数比が、３：１〜３：２に設定されている。更に好ましくは、巻数比を２：１程度に設定すべきである。このような構成を採ると、スイッチング素子のＯＦＦ遷移時には、点火プラグに供給される電圧と、コンデンサＣ１に供給される電圧が、３：１〜３：２程度となる。そのため、その後、点火プラグの両端電圧が、２／３〜１／３程度まで降下したタイミングでイオン電流が早期に検出可能となる。

なお、本発明において、ツェナーダイオード、コンデンサ、ダイオードなどの名称は、同等の機能を発揮する電子素子の総称として使用しており、現実に流通している具体的な電子素子そのものを意味しない。したがって、カソード(cathode)端子は、一般的に、電流の流出端子を意味し、アノード(Anode)端子についても、一般的に電流の流入端子を意味するに過ぎない。

上記した本発明のイオン電流検出装置によれば、イオン電流検出用のバイアス電圧を適宜に増加させることができ、イオン電流の検出タイミングを早めることができる。

以下、実施例に係るイオン電流検出装置に基づいて、本発明の実施形態を説明する。図１は、実施例に係るイオン電流検出装置の回路図である。

図示の通り、このイオン電流検出装置は、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２及び三次コイルＬ３とが電磁結合された点火コイル１と、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、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤ１を中心とするバイアス回路３と、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、ＯＰアンプＡＭＰによる電流検出回路４とを中心に構成されている。

点火コイル１を構成する一次コイルＬ１と二次コイルＬ２は、コイル巻線が逆相に巻かれ、スイッチング素子２がＯＦＦ遷移して一次コイルＬ１の電流が遮断されると、二次コイルＬ２に、図２に示す向きの高電圧が発生するよう構成されている。一方、一次コイルＬ１と三次コイルＬ３は、コイル巻線が同相に巻かれており、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の誘起電圧が逆位相になるよう構成されている。また、この実施例では、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の巻数比が２：１程度に設定されている。

図１に示す通り、二次コイルＬ１と三次コイルＬ３とは直列接続され、その接続点は、一次コイルＬ１の電源側端子を経由してバッテリ電源Ｖｓに接続されている。また、二次コイルＬ２の高圧側端子は、点火プラグＰＧに接続され、三次コイルの高圧側端子はバイアス回路３に接続されている。なお、ここで、高圧側とは、スイッチング素子２のＯＦＦ遷移時の高電圧側を意味し、この点は、以下の説明でも同様である。

スイッチング素子２は、具体的にはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタInsulated Gate Bipolar Transistor）で構成されている。そして、ＩＧＢＴのゲート端子Ｇには、点火パルスＳＧが供給され、コレクタ端子Ｃは一次コイルＬ１に接続され、エミッタ端子Ｅはグランドに接続されている。また、ＩＧＢＴのコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅには、ツェナーダイオードＺＤのカソード端子Ｃとアノード端子Ａが接続されている。

バイアス回路３は、三次コイルＬ２の高圧側端子に接続されるダイオードＤ２と、ダイオードＤ２に接続されるツェナーダイオードＺＤ１及びダイオードＤ３の直列回路と、ツェナーダイオードＺＤ１に並列接続されるコンデンサＣ１と、ダイオードＤ２、コンデンサＣ１、及びツェナーダイオードＺＤ１と点火プラグＰＧの高圧側端子との間に接続されるダイオードＤ１とを有して構成されている。

ここで、ダイオードＤ２のカソード端子と、ツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子と、ダイオードＤ１のアノード端子とが共通して接続されている。なお、ダイオードＤ２のアノード端子は、三次コイルＬ２の高圧側端子に接続され、ダイオードＤ１のカソード端子は、点火プラグＰＧに接続されている。

図１に示す通り、ダイオードＤ３のアノード端子は、ツェナーダイオードＺＤ１のアノード端子とコンデンサＣ１に共通して接続されている。そのため、ツェナーダイオードＺＤ１が降伏している場合には、ダイオードＤ２→ツェナーダイオードＺＤ１及びコンデンサＣ１→ダイオードＤ３→グランドに向かう電流経路が形成される。そして、この電流経路を経由して、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚに対応するレベルまで充電される。

ところで、この回路構成では、ツェナーダイオードＺＤ１とスイッチング素子２とが直流的に分離状態であるので、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧には、特段の上限がなく、適宜に高い降伏電圧を選択することができる。好ましくは、降伏電圧２００Ｖ以上のツェナーダイオードを使用するべきであり、本実施例では、一例として、降伏電圧４００Ｖ程度のツェナーダイオードＺＤ１を使用している。

このように降伏電圧Ｖｚの高いツェナーダイオードＺＤ１を使用する場合には、これに対応して、三次コイルＬ３の巻数を増加させる必要がある。すなわち、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の巻数比Ｎ：１は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚなどを考慮して決定される。

ここで、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の巻数比がＮ：１である場合、一次側のエネルギーＥＧ１は、二次コイル側の要求エネルギーＥＧ２に対応して、ほぼＥＧ１＝（１＋１／Ｎ^２）＊ＥＧ２と見積ることができる。二次側の要求エネルギーＥＧ２は、特に限定されないが、自動車エンジンの場合には、例えば３０〜５０ｍＪ程度である。なお、この実施例では、先に説明した通り、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の巻数比が２：１に設定されているので、一次側のエネルギーＥＧ１は、二次コイル側の要求エネルギーＥＧ２に対応して、５／４＊ＥＧ２程度となる。

なお、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３のエネルギー比Ｅ_２：Ｅ_３が、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の巻数比Ｎ_Ｒ：１に基づいてほぼ決定できるのは、コイルの蓄積エネルギーＥが、コイルのインダクタンスＬと、通電終了時のコイル電流Ｉに対応して、Ｅ＝１／２×ＬＩ^２・・・（式１）となること、及び、コイル１Ｔ（ターン）当りの周長が同じと仮定すると、コイルのインダクタンスＬが、コイル巻数Ｎ、鉄芯の透磁率μ、鉄芯の断面積Ｓに対応して、Ｌ＝μＮ^２Ｓ・・・（式２）となることによる。

すなわち、二次コイルと三次コイルとを同一鉄芯上に構成する場合、二次コイル、と三次コイルの巻数比をＮ_Ｒ：１とすると、前記した式１と式２より、Ｅ_２：Ｅ_３＝Ｎ_Ｒ ^２：１となり、エネルギー比が巻数の二乗に比例する。そして、三次コイルのエネルギーＥ_３は、コンデンサＣ１をツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧まで充電でき、かつタイミングＴ３までに放電し（誘起電圧が低下する）イオン電流の検出が可能になるエネルギーとして設定される。

ここで、二次の要求エネルギーが４０ｍＪである場合、三次の要求エネルギーが、上記の要請により、例えば１０ｍＪ程度に設定されるので、好適には二次コイルと三次コイルの巻数比が２：１程度に設定される。

電流検出回路４は、ＯＰアンプＡＭＰと、検出抵抗Ｒｆと、コンデンサＣ２とを有して構成されている。ＯＰアンプＡＭＰは、単一電源Ｖｃｃで動作しており、非反転入力端子がグランドに接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの出力端子から、イオン電流検出信号Ｖｏｕｔが出力される。

検出抵抗ＲｆとコンデンサＣ２とは互いに並列接続され、この並列回路がＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に接続されている。そのため、ＯＰアンプＡＭＰは、全体として積分回路として機能して耐ノイズ性を高めている。

図２〜図４は、実施例に係るイオン電流検出装置の動作内容を説明する図面である。図４のタイムチャートでは、点火プラグＰＧが火花放電を開始したタイミングＴ１から、火花放電終了タイミングＴ２を経て、イオン電流の検出が開始されるタイミングＴ３までを模式的に示している。なお、二次コイルＬ２の高圧端子側の電位Ｖｐは、点火プラグＰＧの電位に他ならない。したがって、図４には、点火プラグＰＧの電位Ｖｐと、ＯＰアンプＡＭＰの検出信号Ｖｏｕｔとを図示していることになるが、タイミングＴ３に至るまでの検出信号Ｖｏｕｔは図示省略している。

＜タイミングＴ１〜タイミングＴ２＞
先ず、点火パルスＳＧが立下がり、スイッチング素子２がＯＦＦ遷移するタイミングＴ１以後について、図２と図４とを参照しつつ説明する。

スイッチング素子２がＯＦＦ遷移すると、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３には、図２に示す向きの高電圧が発生する。そのため、バッテリ電源Ｖｓ→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で放電電流ｉ１が流れる。

また、バッテリ電源Ｖｓ→三次コイルＬ３→ツェナーダイオードＺＤ１及びコンデンサＣ１→ダイオードＤ３の経路で電流ｉ２が流れ、コンデンサＣ１が充電される。その結果、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧に対応して、この実施例では約４００Ｖまで充電される。この時、二次コイルＬ２の誘起電圧が、例えば８００Ｖ程度であれば、放電動作状態の点火プラグＰＧの電位Ｖｐは、約８００Ｖ程度となる。

一方、ダイオードＤ２とダイオードＤ１の接続点の電位Ｖｃは、ほぼ４００Ｖ程度であって、このタイミングでは、点火プラグＰＧの電位Ｖｐ（≒８００Ｖ）より有意に低い。言い換えると、三次コイルＬ３の誘起電圧が、放電状態の点火プラグＰＧの電位を超えないよう、二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の巻数比は、３：２以下に設定されている。二次コイルＬ２と三次コイルＬ３の巻数比は、好ましくは、３：２〜３：１の範囲内であり、最適には２：１程度である。

＜タイミングＴ２〜タイミングＴ３＞
その後、タイミングＴ２で火花放電が終了して、点火プラグＰＧの電位Ｖｐが降下し始める。点火プラグＰＧの充電電荷は、例えば、二次コイルＬ２→バッテリ電源Ｖｓなどの経路を経て迅速に放電される。なお、点火プラグＰＧの等価容量Ｃｃは、例えば、２０ｐＦ程度の小容量であるので、電位Ｖｐの降下速度は非常に速い。

＜タイミングＴ３〜＞
その後、タイミングＴ３において、点火プラグＰＧの電位Ｖｐが、コンデンサＣ１のプラス側の電位Ｖｃ程度まで降下すると、ダイオードＤ１がＯＮ動作して、図３に示すイオン電流ｉが流れ始める。なお、タイミングＴ３における点火プラグＰＧの電位Ｖｐは、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚに対応して、約４００Ｖ程度である。

ダイオードＤ１がＯＮ動作した後は、コンデンサＣ１の両端電圧をバイアス電圧として、検出抵抗Ｒｆ→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１→点火プラグＰＧの経路でイオン電流ｉが流れ、検出信号Ｖｏｕｔ＝ｉ＊ＲｆがＯＰアンプＡＭＰから出力される。

この実施例では、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚを適宜に高く設定できるので、点火プラグＰＧの電位Ｖｐが、コンデンサＣ１のプラス側の電位Ｖｃに達するまでの経過時間が短く、その分だけ、素早くイオン電流の検出を開始することができる。

図４の破線は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚが相対的に低い場合を示しており、本実施例の場合よりτだけ遅れて、タイミングＴ３’からイオン電流が検出されることを示している、
以上、本発明の実施例の構成と効果について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。

実施例に係るイオン電流検出装置を示す回路図である。 図１のイオン電流検出装置の動作内容を説明する回路図である。 図１のイオン電流検出装置の動作内容を説明する回路図である。 図１のイオン電流検出装置の動作内容を説明するタイムチャートである。 従来技術を説明する回路図である。 別の従来技術を説明する回路図である。

符号の説明

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｌ３ 三次コイル
１ 点火コイル
２ スイッチング素子
３ バイアス回路
４ 電流検出回路
ＰＧ 点火プラグ
Ｃ１ コンデンサ
ＺＤ１ ツェナーダイオード

Claims (4)

1. 一次コイルと二次コイル及び三次コイルとが電磁結合されてなる点火コイルと、前記一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のＯＦＦ動作時に前記二次コイルに誘起される電圧に基づいてグランドに向けて放電する点火プラグと、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤ１を有し、前記スイッチング素子のＯＦＦ動作時に前記三次コイルに誘起される電圧に基づいて、前記ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧に対応する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と、を有して構成され、
   前記コンデンサＣ１の充電時における高圧側端子と、前記点火プラグの放電時における高圧側端子との間にダイオードＤ１を配置して、前記点火プラグの高圧側端子の電位が降下すると前記ダイオードＤ１がＯＮ動作して、前記ダイオードＤ１及び前記点火プラグを経由して、前記コンデンサＣ１の放電電流が流れるよう構成したことを特徴とするイオン電流検出回路。
2. 前記第二コイルと前記第三コイルには、逆位相の電圧が誘起するよう構成されている請求項１に記載のイオン電流検出装置。
3. 前記三次コイルと前記ツェナーダイオードＺＤ１との間に、前記スイッチング素子のＯＮ遷移時に発生する前記第三コイルの誘起電圧による電流を阻止する向きにダイオードＤ２を配置した請求項１又は請求項２に記載のイオン電流検出装置。
4. 前記二次コイルＬ２と前記三次コイルＬ３のコイル巻線は、その巻数比が、３：１〜３：２に設定されている請求項１〜３の何れかに記載のイオン電流検出装置。

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