JP3084673B1 - 内燃機関の失火検出機能を有する点火回路 - Google Patents

内燃機関の失火検出機能を有する点火回路

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JP3084673B1
JP3084673B1 JP11363252A JP36325299A JP3084673B1 JP 3084673 B1 JP3084673 B1 JP 3084673B1 JP 11363252 A JP11363252 A JP 11363252A JP 36325299 A JP36325299 A JP 36325299A JP 3084673 B1 JP3084673 B1 JP 3084673B1
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Abstract

【要約】 【課題】 燃焼を電気的に開始させるための点火プラグ
を備えた内燃機関において、簡単な構成で、誤点火、誤
判定、あるいは無駄なエネルギー消費のない失火検出装
置を提供することが、目的である。 【解決手段】 点火プラグ7に点火時に流れる電流と可
燃ガスの燃焼後に流れるイオン電流のそれぞれの方向を
同一とし、その逆方向の電流は、高耐電圧ダイオード1
4により防止することにより、誤点火と共に無駄なエネ
ルギー消費を防いでいる。また、点火プラグ7の中心電
極7aを側電極7bよりも高電位にする事により、点火
プラグの電極7a−7b間に流れるイオン電流を流れや
すくして、誤判定を防止している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、燃焼を電気的に
開始させるための点火プラグを有する内燃機関の失火検
出機能を有する点火回路において、特に、点火プラグの
電極間に起こる燃焼による導電性の変化を検出する回路
を備えた、内燃機関の失火検出機能を有する点火回路に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】ガソリンエンジンの運転により排気ガス
に混じって排出される一酸化炭素や炭化水素などの有害
成分を酸化触媒や三元触媒で除去、減少させるシステム
が一般に使用されている。このシステムは、空気と可燃
ガスの混合気が確実に点火され燃焼している場合は非常
に有効に働いているが、点火ミス(失火)が連続的に発
生すると問題が生じる。通常は、酸化触媒や三元触媒の
温度は500℃程度であるが、燃焼の済んでいない混合
気が酸化触媒や三元触媒に達すると、ここで燃焼し、そ
れら触媒を800℃程度まで加熱してしまう。この場
合、触媒は損傷し、一酸化炭素や炭化水素などの有害成
分を除去、減少させる機能が低下してしまう。触媒のこ
の様な機能低下を防止するために、失火検出機能を有す
る点火回路が使われている。
【0003】例えば、ガソリンエンジンに使用されてい
る酸化触媒や三元触媒の機能を保護するために未燃焼ガ
スの発生を監視する点火回路が、特開平4−19146
5号公開公報や特開平4−191466号公開公報に開
示されている。
【0004】図3は、その失火検出機能を有する点火回
路の従来例300を示している。図3の構成において、
その動作を以下に説明する。点火コイル301の一次コ
イルの電流を断続するために、パワートランジスタ30
6のベース電極306bに点火信号として、矩形波が印
加される。この矩形波の電位が高(H)レベルにあると
き一次コイルに電流が流れ、低(L)レベルにあるとき
一次コイル303に電流は流れない。ここで、点火信号
がHからLに遷移する場合、流れていた一次電流は遮断
され、二次コイルの端子間に約30kVの高電圧が発生
する。この高電圧は点火プラグ7に印加され、点火プラ
グ7の電極307a−307b間で火花放電が起こり、
通常はこれで、燃焼室の混合気の燃焼が開始される。ま
た、混合気が燃焼することにより、電極間のガスの一部
はイオン化され、導電性を持つようになる。この導電性
を検出することにより、燃焼が正常に行なわれたのかど
うかの情報を得ることができる。
【0005】この導電性を検出することに関し、図3の
従来の失火検出機能を有する点火回路300では、以下
の様に行なわれている。まず、コンデンサ309を以下
の方法で充電する。点火プラグ307の電極間で火花放
電が起こると、点火プラグ307、二次コイル304、
コンデンサ309、ダイオード310、点火プラグ30
7をたどる回路に電流が流れてコンデンサ309に充電
される。ここで、コンデンサ309に充電される電圧V
cの最大電圧は、コンデンサ309と並列に接続された
ツェナーダイオード308と抵抗器311をたどる回路
により決定され、Vcは通常200V程度である。
【0006】次に、燃焼ガスの導電性を用いてコンデン
サ309を放電する。上述の様に、混合気が燃焼するこ
とにより、点火プラグ307の電極間にあるガスの一部
は、イオン化され導電性を持つようになるため、コンデ
ンサ309、二次コイル304、点火プラグ307、抵
抗器311、コンデンサ309をたどる回路により、コ
ンデンサ309が放電され、その際、放電電流Isが流
れる。Isは、通常μAの水準である。放電電流Isの
検出は、抵抗器311による電圧降下を検出することに
よって行なわれる。
【0007】ここでもし、燃焼が正常に行なわれなかっ
た場合、点火プラグ7の電極307a、307b間のガ
スは、絶縁性を保ったままであるため、放電電流Isは
流れず、抵抗器311による電圧降下は起こらない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の、未燃
焼ガスの発生を監視する失火検出機能を有する点火回路
300では、点火信号がLからHに遷移する場合、二次
コイル304に、上記の、点火信号がHからLに遷移す
る場合とは逆極性の二次電圧V21が発生する。V21
の値は、通常1.5kV程度である。この電圧により、
点火プラグ307に火花放電が生じる場合があり、誤点
火の原因になっていた。
【0009】また、コンデンサ309に充電された電圧
Vcは、コンデンサ309、ツェナーダイオード30
8、抵抗器311、コンデンサ309をたどる回路で、
ツェナーダイオード308の漏れ電流分だけは放電する
ので、この漏れ電流で抵抗器311による電圧降下が発
生し、燃焼が正常に行なわれなかった場合でも、燃焼が
正常に行なわれた、と誤って判別する場合(誤判別)が
あった。
【0010】また、二次コイル304を流れる電流の殆
どは、ツェナーダイオード308を流れるので、ツェナ
ーダイオード308で消費される無駄なエネルギーが発
生していた。
【0011】上記の、誤点火を防止することは、上記の
従来例では難しいことを以下に図4、5および6を用い
て説明する。これらの図では、図3と略同一の構成要素
には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【0012】まず、図4に失火検出機能を備えていない
点火回路の例を示す。この点火回路300Aでは、二次
コイル304、点火プラグ307、二次コイル304を
たどる回路に二次電圧V2により電流が流れることによ
り点火が行なわれる。この回路の場合、高耐圧ダイオー
ド316を新たに構成要素として加えて、上記の二次電
圧V2と逆極性の二次電圧V21による電流を防止する
ことにより、上述の誤点火を防止することは容易であ
る。図5は、図4の失火検出機能を備えていない回路に
高耐圧ダイオード316を付け加えた点火回路の例30
0Bで、二次コイル304、点火プラグ307、高耐圧
ダイオード316、二次コイル304をたどる回路に流
れる電流で点火を行なう装置を示す。この様に構成する
ことにより、二次電圧V21による逆極性の電流が流れ
なくなり、誤点火のみを防止することは容易にできる。
【0013】しかし、上記した従来の失火検出機能を有
する点火回路300の場合は、このように高耐圧ダイオ
ードを用いて誤点火を防止することは困難である。この
困難な理由を、図6を用いて説明する。図6は、従来の
失火検出機能を有する点火回路に高耐圧ダイオード31
6を適用した例300Cを示す図である。この困難な理
由は、新たに高耐圧ダイオード316のP型半導体側を
点火プラグ7側に、N型半導体側を二次コイル4側に接
続して設けることにより、燃焼ガスの導電性を用いてコ
ンデンサ309を放電する際の経路、すなわち、コンデ
ンサ309、二次コイル304、点火プラグ307、抵
抗器311、コンデンサ309をたどる経路中に、高耐
圧ダイオード316が入ることになり、放電電流Isが
流れなくなって、失火検出が不可能になるためである。
従って、従来の失火検出機能を有する点火回路に何らか
の素子や回路を付加して誤点火を防止するには、上記し
た例よりさらに複雑な回路構成が必要であり、従って、
実用に供する場合に部品点数が増大し、製造コストも増
大する、という問題が生じる。
【0014】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
従来の装置と同等の部品点数ですむ簡単な構成で、誤点
火や無駄なエネルギーの消費や誤判別のない内燃機関の
失火検出機能を有する点火回路を提供することが目的で
ある。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1に記載の発明は、酸素と可燃ガスを含む
混合気を圧縮状態におき、該混合気の燃焼を電気的に開
始させるための点火プラグを有する内燃機関の失火検出
機能を有する点火回路において、点火回路は、コンデン
サを構成要素として含み、燃焼を開始させるための点火
プラグの放電周期と同じ周期で、しかし点火プラグの放
電と異なる時期に点火回路のコンデンサを充電する回路
手段と、燃焼を開始させるために点火プラグに印加され
る電圧極性と同一極性の電圧を、充電されたコンデンサ
から点火プラグに導く回路構成と、燃焼後に生じる点火
プラグ電極間の導電性の増大を用いて、点火プラグでの
放電時期と異なる瞬間に、上述のコンデンサを放電する
回路構成と、その放電電流を検出することによって燃焼
の有無を判別する手段と、を有することを特徴としてい
る。
【0016】また、請求項2に記載の発明は、上記した
請求項1に記載の発明の構成に加えて、点火プラグの中
心電極側から側電極側に電流を流す回路手段を備えたこ
とを特徴としている。
【0017】また、請求項3に記載の発明は、一次コイ
ルと二次コイルとを有する点火コイルと、上記の点火コ
イルの、一次コイルの第一の端子に電流を供給する手段
と、上記の点火コイルの、一次コイルの第二の端子から
共通端子へ電流を断続するスイッチ手段と、上記の点火
コイルの、二次コイルの第一の端子にN型半導体側を接
続し、上記の共通端子にP型半導体側を接続した第一の
ダイオードと、上記の二次コイルの第一の端子に一端を
接続した第一の抵抗と、直列接続のなるように上記の第
一の抵抗の他端に一端を接続したコンデンサと、上記の
コンデンサの他端に一端を接続し、他端は上記の共通端
子に接続した第二の抵抗と、上記のコンデンサと第二の
抵抗の結節点に接続した第三の抵抗と、上記の点火コイ
ルの二次コイルの第二の端子にN型半導体側を接続し、
上記の第三の抵抗にP型半導体側を接続した第二のダイ
オードと、上記の点火コイルの二次コイルの第二の端子
にP型半導体側を接続し、点火プラグの第一の電極にN
型半導体側を接続した第三のダイオードと、上記の共通
端子と点火プラグの第二の電極を電気的に接続した構成
と、上記のコンデンサと第二の抵抗との結節点の電圧変
化を検出する電圧判別手段と、を有することを特徴とし
ている。
【0018】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。まず第1の実施形態を図
1および図2を用いて説明する。図1は、本発明の望ま
しい実施形態を示しており、図2は、図1の回路におけ
る各部の信号波形の経時変化を示している。
【0019】図1は、本発明の内燃機関の失火検出機能
を有する点火回路の実施の形態を説明するための図であ
る。図1において、本発明の点火回路100は、一次コ
イル3と二次コイル4とを有する点火コイル1と、一次
コイル3の第一の端子に電流を供給する手段(バッテリ
5)と、一次コイル3の第二の端子から共通端子へ流す
電流を断続するスイッチ手段6と、二次コイル4の第一
の端子にN型半導体側を接続し、上記の共通端子にP型
半導体側を接続した第一のダイオード10と、上記の二
次コイル4の第一の端子に、その一端を接続した第一の
抵抗16と、第一の抵抗16の他端に一端を接続したコ
ンデンサ9と、上記のコンデンサ9の他端に一端を接続
し、他端は上記の共通端子に接続した第二の抵抗11
と、上記のコンデンサ9と第二の抵抗11の結節点に接
続した第三の抵抗13と、二次コイル4の第二の端子に
N型半導体側を接続し、上記の第三の抵抗13にP型半
導体側を接続したダイオード15と、二次コイル4の第
二の端子にP型半導体側を接続し、点火プラグの第一の
電極7aにN型半導体側を接続したダイオード14と、
上記の共通端子と点火プラグ7の第二の電極7bを接続
した構成と、上記のコンデンサ9と第二の抵抗11と第
三の抵抗13との結節点の電圧変化を検出する回路手段
(判別回路12)と、を有することを特徴としている。
【0020】図1に示す点火コイル1の一次コイル3の
電流を断続するために、スイッチ手段であるパワートラ
ンジスタ6のベース電極6bに、点火信号として図2
(a)に示した矩形波が印加される。この矩形波の電位
が高(H)レベルにあるとき一次コイルに電流が流れ、
低(L)レベルにあるとき一次コイル3に電流は流れな
い。ここで、点火信号がLからHに遷移する場合、二次
コイル4の電圧V2に、ダイオード10と抵抗16の結
節点の方がダイオード14とダイオード15の結節点よ
り高電圧の二次電圧V2onが発生する。V2onの値
は、通常1.5kV程度である。この電圧により、二次
コイル4、抵抗16、コンデンサ9、抵抗13、ダイオ
ード15、二次コイル4をたどる回路に電流が流れ、コ
ンデンサ9に充電され、二次電圧V2onのエネルギー
の一部が吸収され、無駄に消費されることがない。ま
た、二次電圧V2onによる電流は、点火プラグ7に直
列に、しかもその電流の向きと反対向きに接続されたダ
イオード14により阻止されるため点火プラグ7には流
れない。このため、誤点火は起こらない。
【0021】次に、点火信号がHからLに遷移すると、
流れていた一次電流I1は遮断され、図2(c)に示す
様に、二次コイルの端子間に、約30kVのV2off
電圧が発生する。この高電圧は、ダイオード10と抵抗
16の結節点の方がダイオード14とダイオード15の
結節点より低電圧であり、二次コイル4、ダイオード1
4、点火プラグ7、ダイオード10、二次コイル4をた
どる回路により点火プラグ7に印加され、点火プラグ7
の中心電極7aから測電極7bに流れる電流で火花放電
が起こり、通常はこれで、燃焼室の混合気の燃焼が開始
される。また、混合気が燃焼することにより、電極7a
−7b間のガスの一部はイオン化され、導電性を持つよ
うになる。ここで、点火プラグ7の中心電極7aから測
電極7bに流れる電流で起こる火花放電方式は、プラス
(+)火花方式と呼ばれ、燃焼後の導電性を点火プラグ
7の中心電極7aから測電極7bに流れる電流で計測し
た場合、他の放電方式と他の導電性測定方式とを組み合
わせた結果に比べて、一般に高い導電性が得られる。こ
の導電性により、二次コイル4、ダイオード14、点火
プラグ7、抵抗11、コンデンサ9、抵抗16、二次コ
イル4をたどる回路により、コンデンサ9の放電が行な
われ、抵抗11に電圧降下が生じる。この電圧降下を判
別回路12で検出し、失火の有無を示す検出信号として
いる。
【0022】この様に、火花放電は、プラス(+)火花
方式で、その電流の向きは、失火を判別するための電流
の向きが同じであり、失火を判別するための電流は流れ
やすい方向となっており、抵抗11による電圧降下が大
きく、従って判別回路12では、判別しやすくなってい
る。
【0023】以上述べたように、この実施形態では、点
火回路のコンデンサ9を充電する時期を、燃焼を開始さ
せるための点火プラグの放電周期と同じ周期で、しかし
点火プラグの放電と異なる時期となるように構成したの
で、燃焼を開始させるための点火プラグ7での放電の際
に印加される点火プラグ7の電圧極性と、燃焼の有無を
判別するための信号を得るために印加される点火プラグ
7の電圧極性とを、同一にすることが可能となり、これ
によって、点火プラグ7に流す電流の方向をいつでも同
一にすることができるようになった。このため、高耐圧
ダイオード10と14使用できるようになり、特に漏れ
電流の少ない高耐圧ダイオード10を、従来使われてい
た比較的漏れ電流の多いツェナーダイオードに代わって
使用することができたことで、この漏れ電流により引き
起こされる誤判別を防止することができた。
【0024】また、この実施形態では、燃焼を開始させ
るための点火プラグ7の放電周期と異なる時期に点火回
路のコンデンサ9が充電されるので、誤点火の原因とな
るエネルギーはコンデンサ9に吸収される構成とするこ
とができるようになり、高耐圧ダイオード10と14と
点火プラグ7とに分圧として印加される電圧は低減され
るので、特に点火プラグ7に印加される電圧が低減され
るので、誤点火の防止にも効果があった。
【0025】また、従来回路のツェナーダイオードに代
えて、高耐圧ダイオード10を使えるようになったの
で、従来回路のツェナーダイオードでの無駄なエネルギ
ー消費が無くなった。
【0026】さらに、点火プラグ7の中心電極7a側か
ら、側電極7b側に電流を流すことにより、点火プラグ
の電極7a−7b間に流れるイオン電流が流れやすくな
り、イオン電流による電圧降下が大きくなるため、抵抗
11での電圧降下に関し、点火時と失火時との電圧比が
増大し、失火の検出を確実に行うことができるようにな
った。
【0027】また、点火プラグ7と直列に高耐圧ダイオ
ード14を接続できる具体的な回路を開示した。この回
路構成は、容易に実現できる簡単なものであり、しかも
誤判別や誤点火がなく、しかも無駄なエネルギー消費が
なく、さらに失火の検出を確実に行うことができるよう
になった。
【0028】
【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。
【0029】請求項1に記載の発明では、点火回路のコ
ンデンサを充電する時期を、燃焼を開始させるための点
火プラグの放電周期と同じ周期で、しかし点火プラグの
放電と異なる時期とすることにより、燃焼を開始させる
ための点火プラグでの放電の際に印加される点火プラグ
の電圧極性と、燃焼の有無を判別するための信号を得る
ために印加される点火プラグの電圧極性とを、同一にす
ることが可能になり、これによって、点火プラグに流す
電流の方向をいつでも同一にすることができる様になっ
た。このため、高耐圧ダイオード10と14とを使用す
ることができるようになり、誤点火を防止することがで
きた。また、高耐圧ダイオード10は、一般に、ツェナ
ーダイオードに比べて比較的漏れ電流は少なく、従っ
て、この漏れ電流により引き起こされる誤判別を防止す
ることができた。また、燃焼を開始させるための点火プ
ラグでの放電時期と異なる時期に点火回路のコンデンサ
9を充電するこのため、誤点火の原因となるエネルギー
をコンデンサ9が吸収する構成とすることができるよう
になり、従って、高耐圧ダイオード10と14と点火プ
ラグ7に印加される電圧が低減し、誤点火の発生のない
構成にすることが可能になった。また、従来回路のツェ
ナーダイオードに代わって高耐圧ダイオード10を使え
る様になったので、従来回路のツェナーダイオードで消
費されていた無駄なエネルギーが無くなった。
【0030】さらに、請求項2に記載の発明では、請求
項1に記載の発明と合わせて、点火プラグの中心電極側
から側電極側に電流を流すことにより、点火プラグの電
極間に流れるイオン電流が流れやすくなり、判別回路の
入力となるイオン電流による電圧降下が大きくなるた
め、点火時と失火時の電圧比が増大し、失火の検出を確
実に行なうことができるようになった。
【0031】また、請求項3に記載の発明では、点火プ
ラグと直列に高耐電圧ダイオードを接続できる具体的な
回路を開示した。この回路構成は、容易に実現できる簡
単な構成であり、しかも誤点火および誤判別の発生しな
い回路を構成できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の望ましい実施形態を示す図である。
【図2】図1の回路における各部の信号波形の経時変化
を示す図であり、(a)は、点火信号となる矩形波で、
(b)は、点火コイル1の一次電流で、(c)は、点火
コイル1の二次電圧で、(d)は、点火コイル1の一次
電圧で、(e)は、コンデンサ9に充電された電圧で、
(f)は、失火判別回路12の出力電圧で、ある。
【図3】従来例の失火検出機能を有する点火回路を示す
回路図である。
【図4】失火検出機能を備えていない点火回路の例を示
す図である。
【図5】図4の回路に高耐圧ダイオードを付け加えた回
路の例を示す図である。
【図6】従来の失火検出機能を有する点火回路に高耐圧
ダイオードを付け加えた回路を示す図である。
【符号の説明】
1 点火コイル 2 鉄心 3 一次コイル 4 二次コイル 5 バッテリ 6 パワートランジスタ 6b パワートランジスター6のベース電極 7 点火プラグ 7a 点火プラグの中心電極 7b 点火プラグの側電極 8 ツェナーダイオード 9 コンデンサ 10 ダイオード 11 抵抗器 12 判別回路 13 抵抗器 14、15 高耐電圧ダイオード 100 内燃機関の失火検出機能を有する点火回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02P 17/12 F02D 45/00 368 F02P 15/00 302

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素と可燃ガスを含む混合気を圧縮状態
    におき、該混合気の燃焼を電気的に開始させるための点
    火プラグを有する内燃機関の失火検出機能を有する点火
    回路において、点火回路は、コンデンサを構成要素とし
    て含む回路構成と、燃焼を開始させるための点火プラグ
    の放電周期と同じ周期で、しかし点火プラグの放電と異
    なる時期に点火回路のコンデンサを充電する回路手段
    と、燃焼を開始させるために点火プラグに印加される電
    圧極性と同一極性の電圧を、充電されたコンデンサから
    点火プラグに導く回路構成と、燃焼後に生じる点火プラ
    グ電極間の導電性の増大を用いて、点火プラグでの放電
    時期と異なる瞬間に、上述のコンデンサを放電する回路
    構成と、その放電電流を検出することによって燃焼の有
    無を判別する手段と、を有することを特徴とする内燃機
    関の失火検出機能を有する点火回路。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の内燃機関の失火検出機
    能を有する点火回路において、点火プラグの中心電極側
    から側電極側に電流を流す回路手段を備えたことを特徴
    とする内燃機関の失火検出機能を有する点火回路。
  3. 【請求項3】 一次コイルと二次コイルとを有する点火
    コイルと、上記の点火コイルの、一次コイルの第一の端
    子に電流を供給する手段と、上記の点火コイルの、一次
    コイルの第二の端子から共通端子へ電流を断続するスイ
    ッチ手段と、上記の点火コイルの、二次コイルの第一の
    端子にN型半導体側を接続し、上記の共通端子にP型半
    導体側を接続した第一のダイオードと、上記の二次コイ
    ルの第一の端子に一端を接続した第一の抵抗と、直列接
    続のなるように上記の第一の抵抗の他端に一端を接続し
    たコンデンサと、上記のコンデンサの他端に一端を接続
    し、他端は上記の共通端子に接続した第二の抵抗と、上
    記のコンデンサと第二の抵抗の結節点に接続した第三の
    抵抗と、上記の点火コイルの二次コイルの第二の端子に
    N型半導体側を接続し、上記の第三の抵抗にP型半導体
    側を接続した第二のダイオードと、上記の点火コイルの
    二次コイルの第二の端子にP型半導体側を接続し、点火
    プラグの第一の電極にN型半導体側を接続した第三のダ
    イオードと、上記の共通端子と点火プラグの第二の電極
    を電気的に接続した構成と、上記のコンデンサと第二の
    抵抗との結節点の電圧変化を検出する電圧判別手段と、
    を有することを特徴とする内燃機関の失火検出機能を有
    する点火回路。
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