JP2023502557A - 内燃エンジンの不点火検出システム - Google Patents

Abstract

点火コイル（１０７）を含む点火システム（３０３）と、スパークプラグ（１０６）から発生されたイオン電流を測定するために点火コイル（１０７）に電気的に接続されたイオン電流測定回路（３０２）と、ＩＣエンジン内の不点火の発生を決定するために、イオン電流測定回路（３０２）によって測定されたイオン電流を処理および状態調整するための信号プロセッサ（４０１）とを備える不点火検出システム（３００）が開示される。点火コイル（１０７）は一次巻線（１０１）と二次巻線（１０３）とを備え、一次巻線（１０１）の第１の端部（１０１Ｂ）は、二次巻線（１０３）の第１の端部（１０３Ｂ）に電気的に接続される。不点火検出は、ＩＣエンジンの信頼性および耐久性を改善する。

Description

本発明は、スパーク点火エンジンに関する。より詳細には、イオン電流測定回路を用いた、スパーク点火エンジンの不点火および部分的不点火の検出を開示する。

内燃（ＩＣ：Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）エンジンは、様々な排気ガスを環境に放出することによって、公害および地球温暖化に著しく寄与している。ＩＣエンジンは、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、および炭化水素などの有害なガスを放出する化石燃料を燃やすことによって出力を生じさせる。ガスの排出は、これまでおよび今も環境条件を悪化させており、したがって車両製造業者は、ＩＣエンジンの性能を改善し、排出を低減するために、技術の進歩をもたらすように努力し続けている。

ガスの排出の制御に加えて、自動車業界は、車両条件の状態についてユーザに伝えるために、車両上に「オンボード診断（ＯＢＤ：Ｏｎ ｂｏａｒｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ）」を実施しつつある。主要な管轄にわたるＯＢＤシステムは、段階的に実施されつつあり、２つのカテゴリ、すなわちＯＢＤ ＩおよびＯＢＤ ＩＩに細分される。ＯＢＤ ＩＩは、エンジン不点火検出、触媒コンバータ監視、およびラムダセンサ監視の、３つの主要な側面に焦点を当てる。

エンジン燃焼効率を改善し、排出を低減するために、内燃（ＩＣ）エンジンにおける不点火事象を検出および監視することが不可欠である。不点火は、注入された混合気が全く燃えないか、部分的に燃えるときに起きる。ＩＣエンジンの不点火は、燃焼の品質に影響を及ぼし、触媒コンバータの性能を悪化させ、それによって望ましくない、排出の増加に繋がる。

添付の図を参照して、詳しい説明が述べられる。同様な特徴および構成要素を参照するために、図面全体にわたって同じ番号が用いられる。

ＩＣエンジンの既存の点火システムの回路図を例示的に示す図である。 イオン電流測定回路に接続されたＩＣエンジンの既存の点火システムの回路図を例示的に示す図である。 本発明の実施形態による、不点火検出システムの概略図を例示的に示す図である。 本発明の実施形態による、イオン電流測定回路と信号プロセッサとを備える不点火検出システムを例示的に示す図である。 不点火条件の間の点火コイルの一次巻線内の一次電圧、およびイオン電流に対するタイミング図を例示的に示す図である。 不点火条件の間の点火コイルの一次巻線内の一次電圧、およびイオン電流に対するタイミング図を例示的に示す図である。 不点火のない条件の間の点火コイルの一次巻線内の一次電圧、およびイオン電流に対するタイミング図を例示的に示す図である。 不点火のない条件の間の点火コイルの一次巻線内の一次電圧、およびイオン電流に対するタイミング図を例示的に示す図である。

ＩＣエンジン内の不点火事象は、特定のエンジンサイクルの間に生じる燃焼の量に基づいて、部分的または完全として分類され得る。殆どの車両において、不点火の識別は、エンジンクランク軸の角加速度を監視することによって行われる。しかし、低い容積（２００立方センチメートル未満）を有する単気筒エンジンは、ＩＣエンジンの低い機械的慣性により、同じ手法を用いて不点火を識別するためには問題をもたらす。単気筒ＩＣエンジンに対する不点火識別の問題は、エンジンが車両内で使用されるとき、パワートレイン上の様々な負荷擾乱の存在のために、より難易度の高いものとなる。

単気筒エンジンに対するエンジン不点火の検出のために、いくつかの他の技法が設計される。このような技法は、瞬時クランク軸速度の分析、シリンダ内圧の分析、瞬時クランク軸トルクの分析などを含む。不点火の検出のためのクランク軸速度の評価は、低い機械的慣性およびエンジン内の負荷擾乱により、多くの問題に直面する。エンジン内の不点火事象の検出の問題に対処するための代替の解決策は、エンジン内のスパーク事象において発生されるイオン電流を利用する。

ＩＣエンジンシリンダ内部で混合気が点火するとき、空気粒子はイオン化される。イオン電流の量は、混合気のイオン化のレベルを反映するので、スパークプラグに適切な高電圧を印加することによって、イオン電流を測定することが可能である。したがって、イオン電流の流れは、燃焼事象に依存する。イオン電流信号は、イオン電流測定回路の助けによって捕捉され得る。イオン電流の流れを発生させるためには、スパークがトリガされた後、スパークプラグ電極の両端に電位差を発生させるために、「電圧バイアス」回路が必要である。

図１は、ＩＣエンジンの既存の点火システム１００の回路図を例示的に示す。点火システム１００は、一次巻線１０１および二次巻線１０３を有する点火コイル１０７と、スパークプラグ１０６と、制御回路１０５、例えば、エンジンシリンダ内にスパークを発生させるために必要な高電圧スパイクを生成させるための電気的スイッチングデバイス１０４を有する電子制御ユニット（ＥＣＵ）とからなる。一次巻線１０１は、電池１０２と、電気的スイッチングデバイス１０４との間に接続される。電気的スイッチングデバイス１０４が閉じられた状態にあるとき、点火コイル１０７の一次巻線１０１はエネルギーを蓄積する。制御回路１０５が電気的スイッチングデバイス１０４を開いた状態に変化させるとすぐに、誘導回路内の電流の流れの突然の中断により、点火コイル１０７の一次巻線１０１内に、例えば４００Ｖの電圧が発生される。約２０～２５ｋＶ（一次および二次コイルの巻数比に応じた）の二次高電圧が、二次巻線１０３内に発生される。二次電圧はスパークプラグ１０６に印加され、結果としてスパークプラグ１０６のギャップの両端に電圧破壊を生じ、スパーク電流がスパークプラグ１０６の接地接続を通して、スパークプラグ１０６に流れ始める。その後、スパーク電流は、図２で述べられるように、スパークプラグ１０６の両端にイオン電流の流れを発生させる。

図２は、イオン電流測定回路２０１に接続されたＩＣエンジンの既存の点火システム１００の回路図２００を例示的に示す。例示的に示されるように、イオン電流測定回路２０１は、点火コイル１０７の二次巻線１０３に接続されて、スパークプラグ１０６にバイアス電圧をもたらし、これはひいてはスパーク事象の後にイオン電流の流れを発生させる。また、既存のイオン電流測定回路２０１は、スパークのトリガの間に充電されるコンデンサからなる。スパークがトリガされた後、コンデンサによって保持された電荷は、スパークプラグ１０６のスパーク電極の両端に電位差を発生させ、その結果としてイオン電流の流れを生じる。

図１～２に例示的に示された既存の点火システム１００の点火コイル１０７の設計は、点火コイル１０７の一次巻線１０１および二次巻線１０３のそれぞれに対して、別個の接地接続を有する。図１に示されるように、点火コイル１０７の一次側１０１の端子１０１Ｂと、二次側１０３の端子１０３Ｂとは、電気的に分離される。図２に示されるように、イオン電流測定回路２０１は、端子１０３Ｂに接続されてイオン電流を測定し、続いて、ＩＣエンジン内の不点火を検出する。

しかし、スパーク点火エンジンの点火コイルは、点火コイル生産のプロセスを簡略化するように、および点火システムの製造コストを低減するように設計される。このような点火コイルでは、端子１０１Ｂおよび１０３Ｂは、共通の巻線接続を通じて接続され、イオン電流測定回路２０１を二次巻線１０３に別個に接続するように対応されていない。一次巻線１０１および二次巻線１０３の端子１０１Ｂおよび１０３Ｂの共通の電気的接続により、既存のイオン電流測定回路２０１は、巻線１０１および１０３の両方に接続される。一次巻線１０１の電気抵抗は、二次巻線１０３の電気抵抗と比べてずっと低いので、既存のイオン電流測定回路２０１のコンデンサは、二次巻線１０３の代わりに一次巻線１０１から放電するようになり、したがってスパークプラグ１０６にイオン電流は流れない。

車両など、燃焼エンジンの用途において、以下のことが不点火条件の欠点である。燃焼事象における不点火の発生により、燃料が燃えるためのスパークがないので、燃料が浪費されることになる。これは走行可能距離の低下により、車両の性能を悪化させる。不点火は、燃焼事象の損失があるので、車両の出力／加速に直接影響する。ユーザは、不点火により、運転の際に突然のジャークを感じ得る。これらは、運転者に不快感を引き起こし得る。また、不点火により、排気ガス中の未燃焼の燃料は、コンバータ内の触媒の寿命に影響を及ぼし、排出に直接の影響を与える。不点火の検出および低減は、車両の耐久性に影響を与えるようになる。したがって、既知の技術は、効果的に不点火を検出できないことの影響を受け、点火システムの不十分な信頼性、および最終的に高い排出、乗る人の不快感、および走行可能距離の低下に繋がる。したがって、当技術分野における上記および他の既知の問題を克服する、円滑な体験、耐久性、およびエンジンによる排出基準の順守のために、エンジンにおいて効果的に、不点火、完全不点火、および部分的不点火を検出するためのイオン電流測定回路を備えた、不点火検出システムの設計の必要性がある。

上記の目的の観点から、本発明は、スパーク点火エンジンでの完全不点火および部分的不点火を正確に検出するためのイオン電流測定回路を備え、点火コイルの一次巻線および二次巻線は内部的に接続される、不点火検出システムを開示する。

本発明の目的は、低抵抗一次巻線を通るイオン電流の流れを制限することである。本発明の他の目的は、スパークプラグにおけるスパークのトリガの間、イオン電流測定回路内のコンデンサを適切な値に充電する、イオン電流測定回路内にバイアス電圧回路をもたらし、スパークがトリガされた後、この蓄積された電荷をスパークプラグに印加して、スパークプラグ電極の両端に電位差を発生させることである。これは結果として、イオン電流測定回路を通るイオン電流の流れを生じ、イオン電流の測定は、不点火または部分的不点火の発生の検出に役立つようになる。本発明は、既知の技術の欠点を克服することを可能にし、不点火が正確に検出されることを確実にし、それによって特に小容積のエンジンに対する、排出の信頼性のある制御および低減を可能にする。

実施形態において、ＩＣエンジンの不点火検出システムが開示される。不点火検出システムは、点火システムと、イオン電流測定回路と、信号プロセッサとを備える。点火システムは、一次巻線と二次巻線とを備えた点火コイルを備え、一次巻線の第１の端部は、二次巻線の第１の端部に電気的に接続され、スパークプラグは、点火コイルの二次巻線の第２の端部に直列に電気的に接続される。スパークプラグの第１の端子は、二次巻線の第２の端部に接続され、スパークプラグの第２の端子は接地される。イオン電流測定回路は、スパーク事象の後、スパークプラグから発生されたイオン電流を測定するために、一次巻線の第１の端部と二次巻線の第１の端部とに電気的に接続される。信号プロセッサは、ＩＣエンジン内の不点火の発生を決定するために、イオン電流測定によって測定されたイオン電流を処理および状態調整する。

点火コイルの一次巻線の第２の端部は、第１のダイオードを通して電源に動作可能に結合される。点火コイルの一次巻線の第１の端部は、点火コイルの一次巻線内に一次電圧、および二次巻線内に二次電圧を発生させるように、電気的スイッチングデバイスに動作可能に結合され、電気的スイッチングデバイスは、制御ユニットによって制御される。第１のダイオードは、一次電圧を発生させるように一次巻線内の一次電流の流れを可能にし、二次巻線の第１の端部を通る、一次巻線内のイオン電流の流れを防止する。

イオン電流測定回路は、イオン電流を発生させるためにスパークプラグにバイアス電圧を供給する。イオン電流測定回路は、スパークプラグに対するバイアス電圧を発生させるために、二次巻線の第１の端部に接続された、バイアス抵抗とバイアスコンデンサとを備える。バイアス抵抗の第１の端子は、二次巻線の第１の端部に直列に接続され、バイアスコンデンサは、バイアス抵抗の第２の端子に直列に接続される。バイアスコンデンサは、スパークプラグにおけるスパーク事象の間、スパーク電流を用いて充電し、バイアスコンデンサは、スパークプラグに対するバイアス電圧をもたらすために、スパーク事象の後、放電する。バイアスコンデンサおよびバイアス抵抗は、イオン電流測定回路の時定数と、バイアスコンデンサの充電および放電速度とを定義する。

イオン電流測定回路は、充電の間、バイアスコンデンサの両端のバイアス電圧を制限するために、バイアスコンデンサに並列に接続された電圧制御要素をさらに備える。実施形態において、電圧制御要素はツェナーダイオードである。イオン電流測定回路は、イオン電流を測定するために、バイアスコンデンサと接地との間に直列に接続された検知抵抗を備えた、分圧抵抗回路網をさらに備える。イオン電流測定回路は、スパーク電流に対する低インピーダンス経路をもたらし、イオン電流の流れを妨げるために、検知抵抗に並列に接続された第２のダイオードをさらに備える。

他の実施形態において、ＩＣエンジンのスパークプラグから発生されたイオン電流を測定するためのイオン電流測定回路が開示される。この実施形態において、イオン電流測定回路は、スパークプラグに対するバイアス電圧を発生させるために、点火コイルの一次巻線の第１の端部と二次巻線の第１の端部とに直列に接続されたバイアス抵抗と、バイアス抵抗の第２の端子に直列に接続されたバイアスコンデンサとを備える。バイアス抵抗の第１の端子は、二次巻線の第１の端部に直列に接続される。電圧制御要素は、スパーク電流を用いて、スパーク事象の間、バイアスコンデンサの両端のバイアス電圧を制限するために、バイアスコンデンサに並列に動作可能に接続される。検知抵抗を備えた、分圧抵抗回路網は、イオン電流を測定するために、バイアスコンデンサと接地との間に直列に接続される。第２のダイオードは、スパーク電流に対する低インピーダンス経路をもたらし、イオン電流の流れを妨げるために、検知抵抗に並列に接続される。

バイアスコンデンサは、スパークプラグにおけるスパーク事象の間、スパーク電流を用いて充電し、バイアス電圧をもたらすためにスパーク事象の後、放電する。この実施形態において、スパークプラグは、点火コイルの二次巻線の第２の端部に直列に電気的に接続され、スパークプラグの第１の端子は、二次巻線の第２の端部に接続され、スパークプラグの第２の端子は接地される。点火コイルの一次巻線の第２の端部は、第１のダイオードを通して電源に動作可能に結合され、点火コイルの一次巻線の第１の端部は、点火コイルの二次巻線内に二次電圧を発生させるために、電気的スイッチングデバイスに動作可能に結合される。第１のダイオードは、一次巻線内の一次電流の流れを可能にし、二次巻線の第１の端部を通る、一次巻線内のイオン電流の流れを防止する。測定されたイオン電流は、ＩＣエンジン内の不点火の発生を決定するために、信号プロセッサによって処理および状態調整される。

実施形態において、内燃エンジンの点火システムが開示される。点火システムは、一次巻線と二次巻線とを備えた点火コイルと、点火コイルの二次巻線の第２の端部に直列に電気的に接続されスパークプラグと、電源と一次巻線の第２の端部との間に電気的に接続された第１のダイオードとを備える。一次巻線の第１の端部は、二次巻線の第１の端部に電気的に接続される。スパークプラグの第１の端子は、二次巻線の第２の端部に接続され、スパークプラグの第２の端子は接地される。第１のダイオードは、一次巻線内の一次電流の流れを可能にし、二次巻線の第１の端部を通る、一次巻線内のイオン電流の流れを防止する。点火システムは、点火コイルの二次巻線内に二次電圧を発生させるために、一次巻線の第１の端部に直列に電気的に接続された、電気的スイッチングデバイスをさらに備え、電気的スイッチングデバイスは、制御ユニットによって制御される。

この実施形態において、一次巻線の第１の端部および二次巻線の第１の端部は、スパーク事象の後、スパークプラグから発生されたイオン電流を測定するために、イオン電流測定回路に電気的に接続される。イオン電流測定回路は、イオン電流を発生させるために、スパークプラグにバイアス電圧を供給する。測定されたイオン電流は、ＩＣエンジン内の不点火の発生を決定するために、信号プロセッサによって処理および状態調整される。

本発明はしたがって、点火コイルの一次側および二次側が共通の電気的接続を有するときに動作することが意図される、点火コイルと特定のイオン電流測定回路との相互作用を開示する。上記で示された概要は、本発明の基本的特徴を説明するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の本質および他の特徴は、添付の図面を参照してなされる以下の説明から明らかにされるであろう。

図３は、本発明の実施形態による、不点火検出システム３００の概略図を例示的に示す。例示的に示されるように、不点火検出システム３００は、点火システム３０３と、イオン電流測定回路３０２とを備える。イオン電流測定回路３０２を有する点火システム３０３の提案される設計は、点火コイル１０７の一次巻線１０１と二次巻線１０３との共通の電気的接続の制約に対応する。点火システム３０３は、点火コイル１０７と、スパークプラグ１０６と、第１のダイオード３０１と、電気的スイッチングデバイスとを備える。点火コイル１０７は、一次巻線１０１と二次巻線１０３とを備える。点火コイル１０７は、一次巻線１０１内の電気エネルギーを二次巻線１０３に転送するように、またはその逆も同様に構成された変圧器である。一次巻線１０１内の電圧は一次電圧であり、二次巻線１０３内の電圧は二次電圧である。二次電圧は、一次電圧より大幅に大きく、これは一次巻線１０１と二次巻線１０３との巻数比によって達成される。一次巻線１０１および二次巻線１０３のそれぞれは、第１の端部１０１Ｂおよび１０３Ｂ、ならびに第２の端部１０１Ａおよび１０３Ａをそれぞれ備える。一次巻線１０１の第１の端部１０１Ｂは、二次巻線１０３の第１の端部１０３Ｂに接続される。スパークプラグ１０６は、二次巻線１０３の第２の端部１０３Ａに直列に電気的に接続される。スパークプラグ１０６の第１の端子１０６Ａ、すなわち１つのスパーク電極の端子は、二次巻線１０３の第２の端部１０３Ａに接続され、スパークプラグ１０６の第２の端子１０６Ｂ、別のスパーク電極の端子は接地される。したがって、スパークプラグ１０６は接地されたスパークプラグである。

第１のダイオード３０１は、電源１０２と、一次巻線１０１の第２の端部１０１Ａとの間に電気的に接続される。第１のダイオード３０１は、一次巻線１０１内の一次電流の流れを可能にし、二次巻線１０３の第１の端部１０３Ｂを通る、一次巻線１０１内のイオン電流の流れを防止する。電気的スイッチングデバイスは、点火コイル１０７の二次巻線１０３内に二次電圧を発生させるために、一次巻線１０１の第１の端部１０１Ｂに直列に電気的に接続される。電気的スイッチングデバイス１０４は、制御ユニット１０５によって制御される。電気的スイッチングデバイス１０４は、トランジスタ、スイッチ、リレー、またはそれらの組み合わせとすることができる。制御ユニット１０５は、エンジンのシリンダ内の混合気の燃焼のために、スパークプラグ１０６のスパークギャップにおいてスパークの発生をトリガするためのスパーク作動信号を発生させる、エンジン制御ユニットとすることができる。

スパーク作動信号に基づいて、制御ユニット１０５は、電気的スイッチングデバイス１０４の開路と閉路を制御する。スパーク作動信号がハイであるとき、電気的スイッチングデバイス１０４は閉じられ、一次巻線１０１の端子１０１Ｂを接地に接続する。これは結果として第１のダイオード３０１の順バイアスを生じ、電源１０２から一次巻線１０１を通る一次電流の流れを生じる。一次電流は、電源１０２、電池から、第１のダイオード３０１および一次巻線１０１を通り、接地に向かって流れる。一次巻線１０１は、滞留時間、すなわち、一次巻線１０１内の一次電流の流れの持続時間の間、エネルギーを蓄積する。制御ユニット１０５は、次に低いスパーク作動を送信することができ、電気的スイッチングデバイス１０４は開かれる。電気的スイッチングデバイス１０４が制御回路１０５によって開かれるとすぐに、一次巻線１０１の誘導回路の一次電流の流れの突然の中断により、一次巻線１０１の端子１０１Ｂに過渡的な一次電圧が現れる。これは、滞留時間の終了において、二次巻線１０３において二次電圧が発生されることに繋がる。二次電圧は、スパークプラグ１０６に印加され、スパークプラグ１０６のギャップに電圧破壊が生じ、したがってスパークが発生される。スパーク事象の間、スパークプラグ１０６内のギャップに発生されたスパークは、混合気を点火し、スパーク電流がスパークプラグ１０６内のギャップを通り、二次巻線１０３を通って流れる。端子１０１Ｂでの電圧は、端子１０２での電池電圧よりずっと高いので、第１のダイオード３０１は逆バイアスされる。

一次巻線１０１の第１の端部１０１Ｂ、および二次巻線１０３の第１の端部１０３Ｂは、イオン電流測定回路３０２に電気的に接続される。イオン電流測定回路３０２は、二次巻線１０３内にイオン電流を発生させるために、スパークプラグ１０６にバイアス電圧を供給する。イオン電流測定回路３０２はまた、スパーク事象の後、スパークプラグ１０６から発生されたイオン電流を測定する。点火コイル１０７の一次巻線１０１に接続された第１のダイオード３０１は、逆バイアスされるので、電池から電気的スイッチングデバイス１０４までの回路は完結しない。したがって、イオン電流は一次巻線１０１を通じて流れない。

また、一次巻線１０１に接続された回路の抵抗は二次巻線１０３より低いが、スパーク事象の間発生されるスパーク電流は、二次巻線１０３から、一次巻線１０１を通じて、端子１０２で電池、および接地接続に流れない。図３に示されるように、二次巻線１０３には、イオン電流測定回路３０２を通して接地接続がもたらされる。スパーク電流は、接地から、スパークプラグ１０６のギャップ、二次巻線１０３、イオン電流測定回路３０２、および接地を通して流れる。スパーク電流は、イオン電流測定回路３０２内にバイアス電圧を発生させる。イオン電流測定回路３０２は、スパークプラグ１０６にバイアス電圧を供給し、図４の詳しい説明で開示されるように、イオン電流測定回路３０２を通して、二次巻線１０３内にイオン電流の流れを開始する。

図４は、本発明の実施形態による、イオン電流測定回路３０２と、信号プロセッサ４０１とを備えた、不点火検出システム３００を例示的に示す。例示的に示されるように、イオン電流測定回路３０２は、電圧制御要素３０２Ａ、ダイオード３０２Ｄ、抵抗３０２Ｅおよび３０２Ｆの分圧抵抗回路網、バイアス抵抗３０２Ｂ、ならびにバイアスコンデンサ３０２Ｃの回路網を備える。バイアス抵抗３０２Ｂは、点火コイル１０７の一次巻線１０１の第１の端部１０１Ｂと、二次巻線１０３の第１の端部１０３Ｂとに直列に接続される。バイアス抵抗３０２Ｂの第１の端子３０２Ｂ１は、二次巻線１０３の第１の端部１０３Ｂに直列に接続される。バイアス抵抗３０２Ｃは、スパークプラグ１０６に対するバイアス電圧発生させるために、バイアス抵抗３０２Ｂの第２の端子３０２Ｂ２に直列に接続される。バイアス抵抗３０２Ｃは、スパークプラグ１０６のスパーク事象の間、スパーク電流を用いて充電し、スパークプラグ１０６にバイアス電圧をもたらすために、スパーク事象の後、放電する。バイアス抵抗３０２Ｃおよびバイアス抵抗３０２Ｂは、イオン電流測定回路３０２の時定数と、バイアス抵抗３０２Ｃの充電および放電速度とを定義する。

イオン電流測定回路３０２の時定数は、バイアス抵抗３０２Ｂおよびバイアスコンデンサ３０２Ｃの値に基づく。バイアス抵抗３０２Ｂおよびバイアスコンデンサ３０２Ｃの値は、スパーク事象の間、スパーク電流を用いてバイアスコンデンサ３０２Ｃが完全に充電されないものである。バイアス抵抗３０２Ｂおよびバイアス抵抗３０２Ｃの抵抗および静電容量の値に基づいて、イオン電流測定回路３０２の時定数が低い（≒１０ｍｓ）場合、スパーク電流は電圧制御要素３０２Ａを通って流れ、スパークエネルギーの損失が存在し得る。

電圧制御要素３０２Ａは、スパーク事象の間、バイアス抵抗３０２Ｃの両端の電圧を制限するために、バイアス抵抗３０２Ｃに並列に動作可能に接続される。電圧制御要素３０２Ａは、様々な構成要素、ツェナーダイオード、トランジスタ、シャントレギュレータ、またはそれらの任意の組み合わせとすることができるがそれらに限定されない。ツェナーダイオード３０２Ａは、イオン電流を生成するために必要な適切なバイアス電圧を維持するように、コンデンサ３０２Ｃに並列に接続される。

検知抵抗３０２Ｆを備えた、分圧抵抗回路網３０２Ｅおよび３０２Ｆは、イオン電流を測定するためにバイアス抵抗３０２Ｃと接地との間に直列に接続される。第２のダイオード３０２Ｄは、スパーク電流に対して低インピーダンス経路をもたらすため、およびイオン電流の流れを妨げるために、検知抵抗３０２Ｆに並列に接続される。分圧抵抗回路網内の抵抗３０２Ｅおよび３０２Ｆは、スパーク電流に対する高い抵抗を提供する。第２のダイオード３０２Ｄは、スパーク電流が接地に流れることを可能にするように順バイアスされる。発生されたスパーク電流は、接地から、スパークプラグ１０６のギャップ、二次巻線１０３、バイアス抵抗３０２Ｂ、バイアス抵抗３０２Ｃ、第２のダイオード３０２Ｄ、および接地を通って流れる。

イオン電流測定回路３０２のバイアス抵抗３０２Ｃは、空気粒子をイオン化するため、およびしたがってイオン電流を生成するために、二次巻線１０３を通じてスパークプラグ１０６のギャップの両端にバイアス電圧をもたらすように構成される。イオン電流は、接地から、分圧抵抗回路網３０２Ｅおよび３０２Ｆ、バイアス抵抗３０２Ｃ、バイアス抵抗３０２Ｂ、二次巻線１０３、ならびにスパークプラグ１０６のギャップを通って、接地に流れる。抵抗３０２Ｅおよび３０２Ｆを有する分圧抵抗回路網は、イオン電流に対する検知回路を形成する。検知抵抗３０２Ｆの両端で測定された電圧は、イオン電流を示すものである。イオン電流の流れは、検知抵抗３０２Ｆの両端に負の電圧を生成する。この電圧は、イオン電流の流れの尺度であり、イオン電流信号として検知される。信号プロセッサ４０１は、エンジンにおける不点火の発生を検出するために、測定されたイオン電流信号を処理および状態調整する。このイオン電流信号は、所望の情報を抽出するために、信号プロセッサ４０１のフィルタ回路を通してさらに処理される。検知抵抗３０２Ｆの抵抗値は、イオン電流信号を検知および処理するために、信号プロセッサ４０１に対して適切な電圧の大きさをもたらすように選択される。すなわち、検知抵抗３０２Ｆは、ノイズに対する感受性または検出誤差を避けるように、十分に大きな電圧がイオン電流の流れによって誘起されることを確実にするように選択され得る。検知抵抗３０２Ｆは、イオン電流信号を検知および処理する間に、信号プロセッサ４０１によって経験される電気的ノイズの電圧レベルを低減するために使用される。検知抵抗３０２Ｆの両端の電圧は、抵抗３０２Ｅおよび３０２Ｆの両端に分圧器を適用することよって取得される。したがって、イオン電流信号の電圧は、両方の抵抗３０２Ｅおよび３０２Ｆの抵抗値によって影響される。

バイアス抵抗３０２Ｂは、イオン電流測定回路３０２の時定数を定義するように、点火コイル１０７とバイアスコンデンサ３０２Ｃとの間に接続される。バイアスコンデンサ３０２Ｃの両端の電圧は、ツェナーダイオード３０２Ａの最大定格電圧に制限される。バイアス抵抗３０２Ｃの両端のバイアス電圧はまた、一次巻線１０１内の一次電圧の最大値を制限する。バイアス抵抗３０２Ｂの値は、スパーク事象が発生するように、一次電圧値をその所望の条件に維持するために極めて重要である。

バイアス抵抗３０２Ｂおよびバイアスコンデンサ３０２Ｃの値は、回路の時定数（Ｔ）が、１．５ｍｓ（≒ＲＣ）に等しくなるように構成される。バイアスコンデンサ３０２Ｃは、スパーク電流を用いて完全に充電するために、おおよそ５Ｔ持続時間（≒７．５ｍｓ）を必要とする。スパークのトリガのための最大時間は、時定数（ｔ）より大きく、バイアス抵抗３０２Ｃの充電時間（５Ｔ）未満である。したがって、バイアスコンデンサ３０２Ｃは完全に充電されることはなく、開路状態に到達するようになるので、スパーク電流は常にバイアスコンデンサ３０２Ｃを通って流れるようになる。充電されたバイアスコンデンサ３０２Ｃは、スパークのトリガの後、スパークプラグ１０６のギャップにバイアス電圧を印加し、これは検知抵抗３０２Ｆを通るイオン電流の流れを引き起こす。イオン電流は、検知抵抗３０２Ｆの両端で測定され、エンジン内の不点火または部分的不点火の発生に対する所望の情報を得るために、信号プロセッサ４０１を通してさらに処理される。信号プロセッサ４０１は、不点火条件および不点火のない条件の間のイオン電流信号の傾向に基づいて、不点火の発生を検出する。不点火条件および不点火のない条件の間のイオン電流信号の傾向は、図５～８に例示的に示される。

図５～６は、不点火条件の間の、点火コイル１０７の一次巻線１０１内の一次電圧、およびイオン電流に対するタイミング図を例示的に示す。図６は、図５に示されるタイミング図の拡大図である。不点火条件は、部分的不点火条件または完全不点火条件とすることができる。部分的不点火の間は、不完全燃焼により、ある量のイオン電流が流れる。スパークがないことによる完全不点火条件の間は、イオン電流の流れはない。図から分かるように、滞留時間の後にスパーク事象が終了する時点で、イオン電流はイオン電流測定回路内を流れ始める。しかし、図５～６に示されるように、回路内に不点火があるとき、イオン電流信号におけるスパイクはなく、または抑圧される。

図７～８は、不点火のない条件の間の、点火コイル１０７の一次巻線１０１内の一次電圧、およびイオン電流に対するタイミング図を例示的に示す。図８は、図７に示されるタイミング図の拡大図である。図から分かるように、滞留時間の後にスパーク事象が終了する時点で、イオン電流はイオン電流測定回路内を流れ始める。正常な燃焼サイクルの間、点火システム３０３内に不点火がないとき、スパークのトリガの終わりで、イオン電流信号に何らかの振動が観察される。これらの振動は、イオン化プロセスにより生じる。したがって燃焼事象は、イオン電流信号における振動の存在によって識別される。燃焼サイクルにおける不点火は、イオン電流回路における振動がないことによって発見される。図５～６では振動がないが、ある量のイオン電流は、イオン電流測定回路３０２を通って流れる。信号プロセッサ４０１は、ロバスト性のある不点火検出方策を実施するために、抽出され、管理されることになるイオン電流信号の特徴を理解するために波形の分析を行う。信号プロセッサ４０１は、ＩＣエンジン内の不点火、部分的不点火、および不点火なしの発生を決定するために、波形内の振動の有無、および振動の周波数を検出し得る。

本明細書で開示される不点火検出システムの実施形態は、以下の形で、ＩＣエンジン性能の分野における技術的進歩をもたらす。点火コイルの一次巻線および二次巻線の間の共通接続を有する点火システムと、イオン電流測定回路と、信号プロセッサとの相互作用は、低減されたエネルギー損失で、ＩＣエンジン内の不点火の発生を検出する。バイアスコンデンサは、完全に充電された場合、開路として挙動し、バイアスコンデンサを通るスパーク電流の流れのための経路はないようになり、スパークエネルギーの損失があるようになる。これを避けるために、バイアス抵抗およびバイアスコンデンサの値は、バイアスコンデンサを完全に充電することがないように選択される。第２のダイオードは、スパーク電流のための経路をもたらし、過電圧条件からバイアス抵抗、バイアスコンデンサ、および信号プロセッサを保護するために、分圧抵抗回路網の両端の電圧を制限する。

また、バイアスコンデンサの静電容量は、スパークギャップに印加されるバイアス電圧が、エンジンサイクルの間に比較的一定のままであることを確実にするように選ばれる。すなわち、バイアスコンデンサの放電の速度は、イオン電流が検知抵抗によって測定されているときに、急激に低下しないことが確実にされる。一次電圧が所定の値未満である場合、二次側にスパークを発生させることができなくなる。バイアス抵抗の値は、一次電圧値を、スパーク事象が生じるためのそれの所望の条件に維持するように選択される。バイアスコンデンサの静電容量は、適切なバイアス電圧がスパークプラグに印加されることを確実にする。正常な動作条件の間（滞留時間）、第１のダイオードは順バイアスされ、点火コイル動作における影響はない。スパーク発生およびイオン電流の流れの間、二次巻線の第１の端部の電圧が電池電圧よりずっと高いので、第１のダイオードは逆バイアスされる。これは一次巻線からのバイアスコンデンサの放電を防止し、二次巻線を通るイオン電流の流れを可能にする。

さらに、イオン電流測定回路のすべての構成要素は、それらの間を延びる長い配線による電圧降下を避けるように、点火システムおよび信号プロセッサに近接して配置される。分圧抵抗回路網は、スパーク電流の損失を制限し、イオン電流信号の電圧レベルを測定するために、適切なイオン電流が検知抵抗を通って流れることを確実にする。イオン電流信号の大きさおよび形状は、不点火事象についての情報をもたらす。したがって、イオン電流測定は、燃焼事象ならびに燃焼の品質を示すものである。

不点火検出システムを用いた不点火検出は、ＩＣエンジン、またはＩＣエンジンを使用する車両のユーザに、スパーク点火エンジンにおける不点火事象について伝えるようになり、および不点火の原因を調査および修正することによって車両の性能は改善され、それによって車両の信頼性、耐久性、走行可能距離、および車両のユーザに提供される快適さを改善する。不点火検出は、車両における不点火事象について運転者に伝えるようになり、および不点火の原因を調査し、修正することによって、ユーザは車両の性能を改善することができる。また、エンジン内の不点火の適時な検出、および障害の修正は、車両における触媒およびラムダ性能低下を低減する。不点火の発生を検出することに加えて、本発明の不点火検出システムは、イオン電流測定回路を用いて、ノッキング検出を行うこと、スパークプラグタイミングを決定し、スパーク持続時間測定を行うこと、エンジン内の燃焼の品質の分析を行うこと、およびエンジンのスパークプラグ保守において補助することができる。

本発明の範囲から逸脱せずに、改良および変更が本明細書に組み込まれ得る。

１００ 既存の点火システム
１０１ 一次巻線
１０１Ａ 一次巻線の第２の端部
１０１Ｂ 一次巻線の第１の端部
１０２ 電源
１０３ 二次巻線
１０３Ａ 二次巻線の第２の端部
１０３Ｂ 二次巻線の第１の端部
１０４ 電気的スイッチングデバイス
１０５ 制御ユニット
１０６ スパークプラグ
１０６Ａ 第１の端子
１０６Ｂ 第２の端子
１０７ 点火コイル
２０１ 既存のイオン電流測定回路
３００ 不点火検出システム
３０１ 第１のダイオード
３０２ イオン電流測定回路（本発明）
３０２Ａ 電圧制御要素
３０２Ｂ バイアス抵抗
３０２Ｂ１ 第１の端子
３０２Ｂ２ 第２の端子
３０２Ｃ バイアスコンデンサ
３０２Ｄ 第２のダイオード
３０２Ｆ 検知抵抗
３０３ 点火システム（本発明）
４０１ 信号プロセッサ

Claims (23)

1. 内燃エンジンの不点火検出システム（３００）であって、
   点火システム（３０３）であって、
   一次巻線（１０１）と二次巻線（１０３）とを備えた点火コイル（１０７）であって、
   前記一次巻線（１０１）の第１の端部（１０１Ｂ）は、前記二次巻線（１０３）の第１の端部（１０３Ｂ）に電気的に接続される、点火コイル（１０７）と、
   前記点火コイル（１０７）の前記二次巻線（１０３）の第２の端部（１０３Ａ）に直列に電気的に接続されたスパークプラグ（１０６）であって、前記スパークプラグ（１０６）の第１の端子（１０６Ａ）は、前記二次巻線（１０３）の前記第２の端部（１０３Ａ）に接続され、前記スパークプラグ（１０６）の第２の端子（１０６Ｂ）は接地される、スパークプラグ（１０６）と
   を備える点火システム（３０３）と、
   スパーク事象の後、前記スパークプラグ（１０６）から発生されたイオン電流を測定するために、前記一次巻線（１０１）の前記第１の端部（１０１Ｂ）と前記二次巻線（１０３）の前記第１の端部（１０３Ｂ）とに電気的に接続されたイオン電流測定回路（３０２）と、
   前記ＩＣエンジン内の不点火の発生を決定するために、前記イオン電流測定回路（３０２）によって測定された前記イオン電流を処理および状態調整するように構成された信号プロセッサ（４０１）と
   を備える不点火検出システム（３００）。
2. 前記点火コイル（１０７）の前記一次巻線（１０１）の第２の端部（１０１Ａ）は、第１のダイオード（３０１）を通して電源（１０２）に動作可能に結合され、
   前記点火コイル（１０７）の前記一次巻線（１０１）の前記第１の端部（１０１Ｂ）は、前記点火コイル（１０７）の前記一次巻線（１０１）内に一次電圧を、および前記二次巻線（１０３）内に二次電圧を発生させるように、電気的スイッチングデバイス（１０４）に動作可能に結合され、
   前記電気的スイッチングデバイス（１０４）は、制御ユニット（１０５）によって制御される、
   請求項１に記載の不点火検出システム（３００）。
3. 前記第１のダイオード（３０１）は、前記一次電圧を発生させるための、前記一次巻線（１０１）内の一次電流の流れを可能にし、前記二次巻線（１０３）の前記第１の端部（１０３Ｂ）を通る、前記一次巻線（１０１）への前記イオン電流の流れを防止する、請求項２に記載の不点火検出システム（３００）。
4. 前記イオン電流測定回路（３０２）は、前記スパークプラグ（１０６）に対するバイアス電圧を発生させるために、前記二次巻線（１０３）の前記第１の端部（１０３Ｂ）に接続された、バイアス抵抗（３０２Ｂ）とバイアスコンデンサ（３０２Ｃ）とを備える、請求項１に記載の不点火検出システム（３００）。
5. 前記バイアス抵抗（３０２Ｂ）の第１の端子（３０２Ｂ１）は、前記二次巻線（１０３）の前記第１の端部（１０３Ｂ）に直列に接続され、
   前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）は、前記バイアス抵抗（３０２Ｂ）の第２の端子（３０２Ｂ２）に直列に接続される、
   請求項４に記載の不点火検出システム（３００）。
6. 前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）は、前記スパークプラグ（１０６）における前記スパーク事象の間、スパーク電流を用いて充電し、
   前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）は、前記スパーク事象の後、前記スパークプラグ（１０６）に対して前記バイアス電圧をもたらすように放電する、
   請求項４に記載の不点火検出システム（３００）。
7. 前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）および前記バイアス抵抗（３０２Ｂ）は、前記イオン電流測定回路（３０２）の時定数と、前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）の充電および放電速度とを定義する、請求項４に記載の不点火検出システム（３００）。
8. 前記イオン電流測定回路（３０２）は、充電の間、前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）の両端の前記バイアス電圧を制限するために、前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）に並列に接続された電圧制御要素（３０２Ａ）をさらに備える、請求項４に記載の不点火検出システム（３００）。
9. 前記電圧制御要素（３０２Ａ）は、ツェナーダイオードである、請求項８に記載の不点火検出システム（３００）。
10. 前記イオン電流測定回路（３０２）は、前記イオン電流を測定するために、前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）と接地との間に直列に接続された、検知抵抗（３０２Ｆ）を備えた、分圧抵抗回路網（３０２Ｅおよび３０２Ｆ）をさらに備える、請求項８に記載の不点火検出システム（３００）。
11. 前記イオン電流測定回路（３０２）は、スパーク電流に対する低インピーダンス経路をもたらし、前記イオン電流の流れを妨げるために、前記検知抵抗（３０２Ｆ）に並列に接続された第２のダイオード（３０２Ｄ）をさらに備える、請求項１０に記載の不点火検出システム（３００）。
12. 前記信号プロセッサ（４０１）は、前記測定されたイオン電流における振動に基づいて、前記不点火の前記発生を決定する、請求項１に記載の不点火検出システム（３００）。
13. ＩＣエンジンのスパークプラグ（１０６）から発生されたイオン電流を測定するためのイオン電流測定回路（３０２）であって、
    点火コイル（１０７）の一次巻線（１０１）の第１の端部（１０１Ｂ）と二次巻線（１０３）の第１の端部（１０３Ｂ）とに直列に接続されたバイアス抵抗（３０２Ｂ）と、
    前記スパークプラグ（１０６）に対するバイアス電圧を発生させるために、前記バイアス抵抗（３０２Ｂ）の第２の端子（３０２Ｂ２）に直列に接続されたバイアスコンデンサ（３０２Ｃ）であって、前記バイアス抵抗（３０２Ｂ）の第１の端子（３０２Ｂ１）は、前記二次巻線（１０３）の前記第１の端部（１０３Ｂ）に直列に接続される、バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）と、
    スパーク事象の間、前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）の両端の電圧を制限するために、前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）に並列に動作可能に接続された電圧制御要素（３０２Ａ）と、
    前記イオン電流を測定するために、前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）と接地との間に直列に接続された、検知抵抗（３０２Ｆ）を備えた、分圧抵抗回路網（３０２Ｅおよび３０２Ｆ）と、
    スパーク電流に対する低インピーダンス経路をもたらし、前記イオン電流の流れを妨げるために、前記検知抵抗（３０２Ｆ）に並列に接続された第２のダイオード（３０２Ｄ）と
    を備えるイオン電流測定回路（３０２）。
14. 前記バイアスコンデンサ（３０２Ｃ）は、前記スパークプラグ（１０６）における前記スパーク事象の間、前記スパーク電流を用いて充電し、前記スパーク事象の後、前記スパークプラグ（１０６）に対して前記バイアス電圧をもたらすように放電する、請求項１３に記載のイオン電流測定回路（３０２）。
15. 前記スパークプラグ（１０６）は、前記点火コイル（１０７）の前記二次巻線（１０３）の第２の端部（１０３Ａ）に直列に電気的に接続され、前記スパークプラグ（１０６）の第１の端子（１０６Ａ）は、前記二次巻線（１０３）の前記第２の端部（１０３Ａ）に接続され、前記スパークプラグ（１０６）の第２の端子（１０６Ｂ）は接地される、請求項１３に記載のイオン電流測定回路（３０２）。
16. 前記点火コイル（１０７）の前記一次巻線（１０１）の第２の端部（１０３Ａ）は、第１のダイオード（３０１）を通して電源（１０２）に動作可能に結合され、
    前記点火コイル（１０７）の前記一次巻線（１０１）の前記第１の端部（１０１Ｂ）は、前記点火コイル（１０７）の前記二次巻線（１０３）内に二次電圧を発生させるように、電気的スイッチングデバイス（１０４）に動作可能に結合される、
    請求項１３に記載のイオン電流測定回路（３０２）。
17. 前記第１のダイオード（３０１）は、前記一次巻線（１０１）内の前記一次電流の流れを可能にし、前記二次巻線（１０３）の前記第１の端部（１０３Ｂ）を通る、前記一次巻線（１０１）内の前記イオン電流の流れを防止する、請求項１６に記載のイオン電流測定回路（３０２）。
18. 前記測定されたイオン電流は、前記測定されたイオン電流における振動に基づいて、前記ＩＣエンジン内の不点火の発生を決定するために、信号プロセッサ（４０１）によって処理および状態調整される、請求項１３に記載のイオン電流測定回路（３０２）。
19. 内燃エンジンの点火システム（３０３）であって、
    一次巻線（１０１）と二次巻線（１０３）とを備えた点火コイル（１０７）であって、
    前記一次巻線（１０１）の第１の端部（１０１Ｂ）は、前記二次巻線（１０３）の第１の端部（１０３Ｂ）に電気的に接続される、点火コイル（１０７）と、
    前記点火コイル（１０７）の前記二次巻線（１０３）の第２の端部（１０３Ａ）に直列に電気的に接続されたスパークプラグ（１０６）であって、前記スパークプラグ（１０６）の第１の端子（１０６Ａ）は、前記二次巻線（１０３）の前記第２の端部（１０３Ａ）に接続され、前記スパークプラグ（１０６）の第２の端子（１０６Ｂ）は接地される、スパークプラグ（１０６）と、
    電源（１０２）と前記一次巻線（１０１）の第２の端部（１０１Ａ）との間に電気的に接続された第１のダイオード（３０１）であって、前記一次巻線（１０１）内の一次電流の流れを可能にし、前記二次巻線（１０３）の前記第１の端部（１０３Ｂ）を通る、前記一次巻線（１０１）内のイオン電流の流れを防止する、第１のダイオード（３０１）と
    を備える点火システム（３０３）。
20. 前記点火コイル（１０７）の前記二次巻線（１０３）内に二次電圧を発生させるために、前記一次巻線（１０１）の前記第１の端部（１０１Ｂ）に直列に電気的に接続された、電気的スイッチングデバイス（１０４）をさらに備え、前記電気的スイッチングデバイス（１０４）は、制御ユニット（１０５）によって制御される、請求項１９に記載の点火システム（３０３）。
21. 前記一次巻線（１０１）の前記第１の端部（１０１Ｂ）および前記二次巻線（１０３）の前記第１の端部（１０３Ｂ）のそれぞれは、スパーク事象の後、前記スパークプラグ（１０６）から発生された前記イオン電流を測定するために、イオン電流測定回路（３０２）に電気的に接続される、請求項２０に記載の点火システム（３０３）。
22. 前記イオン電流測定回路（３０２）は、前記イオン電流を発生させるために、前記スパークプラグ（１０６）にバイアス電圧を供給する、請求項２１に記載の点火システム（３０３）。
23. 前記測定されたイオン電流は、前記測定されたイオン電流における振動に基づいて、前記ＩＣエンジン内の不点火の発生を決定するために、信号プロセッサ（４０１）によって処理および状態調整される、請求項２２に記載の点火システム（３０３）。

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