JP4672773B2 - 測定信号を、詳細には内燃機関の点火プラグの電極間のイオン流に対応する信号を高電圧側検知するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定信号の、詳細には内燃機関の点火プラグの電極間のイオン流に対応する信号の高電圧側検知のための装置に関する。この装置は、点火変圧器の二次巻線が少なくとも内部に配置された第１の電流路と、少なくとも２つの電極により形成された点火プラグの火花ギャップが少なくとも内部に配置された第２の電流路とを有する。

内燃機関、特にガソリンエンジンにおけるガソリン・空気混合物の燃焼プロセスは、点火プラグの２つの電極間に供給される高電圧により作り出される点火火花によって開始される。火花開始電圧に達すると、電極間に、アーク放電の結果として、点火火花とも呼ばれるアークが発生させられる。アーク放電と、放電時に発生する紫外線と、ガソリン・空気混合物の燃焼プロセスとによって、化学・熱イオン化が起こり、燃焼室内には、アークの中断後にも点火プラグの電極間の領域に存在する荷電キャリアが作り出される。これらの荷電キャリアの数と分布は特にシリンダ内の内圧と燃焼プロセス自体とにより左右される。

燃焼プロセスにおいては、イオンと共にいわゆるラジカルも形成される熱・化学連鎖反応が開始される。化学において、ラジカルと呼ばれるのは、少なくとも１つの不対電子を有する反応性の高い原子及び分子である。この反応性によって、ラジカルはほとんどの場合極めて短時間しか存在しない。点火プラグの電極に供給される電圧によって、反応の進行を電流の流れとして測定することができる。この反応プロセスは非常に急速に進行する。これにより、電極間に作り出されたイオン流は高周波数部分を有することになる。燃焼プロセスに関して可能な限り有益な情報を得るためには、広帯域測定信号を検知しなければならない。公知の測定装置においては、評価回路は二次コイルに対して直列に配置されており、それにより、二次コイルは低域フィルタの役割を果たす。これによって、イオン流の全ての周波数部分を検知し、評価することができるわけではない。さらに、公知のシステムにおける測定回路は利用可能な火花エネルギーを減少させているのである。

本発明の目的は、広帯域測定信号を簡単な方法で高電圧側において検知し、アークの発生に利用可能なエネルギーを全く又はほんのわずかしか減少させない装置を提示することにある。

この目的は、請求項１の特徴を有する広帯域測定信号の高電圧側検知のための装置によって達成される。本発明のさらなる展開は従属請求項に提示されている。

請求項１の特徴を有する装置によって、アークを発生させるために比較的多量のエネルギーを点火プラグの電極に供給することと、同時にイオン流及びその他の高周波数信号部分を精密に高電圧側測定することが可能になる。利用可能な測定帯域幅が燃焼室の音響共振周波数よりも確実に大きいので、ノッキングとも呼ばれる内燃機関の異常燃料燃焼も、この装置により内燃機関の全回転数・負荷領域において確実に検知することができる。これにより、全回転数・負荷領域において高電圧側測定回路を使用した場合にも、確実な燃焼の開始のための十分なエネルギーが提供されることになる。

測定電圧が、例えば、点火変圧器により発生させられた高電圧によって充電されるコンデンサによって供給される場合は、測定電圧を発生させるためのエネルギーは比較的わずかしか取り出されない。好ましくは、測定電流回路を二次コイルから接続解除すために、始動パルスを抑える働きをする公知の回路装置内のダイオードが使用される。始動パルスを抑える場合は、供給電圧の一次側接続のために、二次側高電圧が阻止される。

本発明の第２の形態は、広帯域測定信号の、詳細には内燃機関の点火プラグの電極間のイオン流に対応する信号の高電圧側検知のための別の装置に関する。この装置は３つの並列電流路を有し、第１の電流路内には点火変圧器の二次巻線が少なくとも、第２の電流路内には少なくとも２つの電極により形成された点火プラグの火花ギャップが少なくとも配置されている。第３の電流路内には少なくとも１つの測定抵抗が配置されている。少なくとも二次巻線の端子と測定抵抗との間の領域においては、点火変圧器の変圧器磁心の少なくとも一部が導体の役割を果たす。

この装置によって、点火プラグによりアークを発生させるために点火変圧器によって供給されるエネルギーを測定回路によって全く又はほんのわずかしか減少させずに、広帯域測定信号を検知することが可能になり、しかも、特に変圧器を導体として利用することによって、スペースを節約した各種構成要素の装置が可能である。

本発明に対する理解を深めるために、以下では、独自の用語に記述されている図示された好ましい実施例について説明する。しかしながら、本発明の保護範囲がそれにより限定されるものではないことを指摘しておきたい。というのは、示された装置に対するこの種の変更及びその他の改変ならびにそこに示されたような本発明のその他の適用は、当業者の通常の現在又は将来の専門知識であると見なされるからである。図面は本発明の実施例を示したものである。

図１には、点火プラグ１０による点火アークの、いわゆる点火火花の発生のための公知の回路装置の回路図が示してある。アークの発生に必要な高電圧は変圧器２０により発生させられる。変圧器２０は、鉄心１３を介して相互に磁性接続されている一次巻線１２と二次巻線１４とを有する。一次巻線１２の端子は自動車のバッテリ１６のバッテリ電圧のプラス極＋Ｂと永久接続されている。バッテリ１６のマイナス極は、基準電位としての役割を果たす自動車のアースと接続されている。電子制御ユニット１８が、ＩＧＢＴパワートランジスタにより形成されるアウトプットステージの制御パルスを発生させ、ＩＧＢＴパワートランジスタのゲート端子（ゲート）に直列抵抗Ｒｚを介してこの制御パルスを制御信号として供給する。

制御信号に応じて、ＩＧＢＴパワートランジスタは一次巻線１２の第２の端子をアースと接続する。二次巻線１４の第１の端子は点火プラグ１０の高電圧電極と接続されている。点火プラグ１０の別の電極が自動車のアースと接続されている。両電極は相互に間隔をあけて配置されており、点火変圧器２０により発生させられた高電圧からアークを発生させるのに必要な火花ギャップを形成する。二次巻線１４の第２の端子は、エネルギー源２４と測定抵抗Ｒｍとを含む測定回路２２と接続されている。エネルギー源２４は、コンデンサＣ１と、コンデンサＣ１に対して並列に配置されたバリスタＺＰＤとを含む。エネルギー源２４と測定抵抗Ｒｍと二次巻線１４と点火プラグ１０の火花ギャップは直列に接続されており、自動車のアースを介して閉回路を形成する。

制御ユニット１８は制御信号を発生させ、バッテリ電圧＋Ｂを一次巻線１２に加える閉回路が形成されるように、この制御信号によって、ＩＧＢＴパワートランジスタは一次巻線１２の第２の端子をアースと接続する。これによって一次電流が一次巻線１２を流れる。この一次電流は、磁束を発生させる磁界を発生させる。一次電流が流れた後の次回の形成によって、磁界により発生させられる磁束が変化する。磁束の変化は二次巻線１４内に電圧を誘起する。この誘起電圧は点火プラグ１０の電極に加わる。誘起電圧が十分に小さい限りは、すなわち、誘起電圧が点火プラグ１０の必要な火花開始電圧に到達していない限りは、点火火花が発生することはない。しかしながら、ダイオードＤ１の使用によって、二次巻線１４内の誘起電圧が一般的に点火プラグ１０の電極に加わるのが阻止され、それによって、一次巻線１２の接続時の点火火花の発生が誘起電圧の高さとは無関係に確実に阻止される。

点火火花を発生させるために、制御ユニット１８は、ＩＧＢＴパワートランジスタがマースと一次巻線との接続を解除するように、ＩＧＢＴパワートランジスタを制御する。この接続解除のために、一次巻線１２を流れる一次電流が突然遮断され、それによって、一時電流を発生させた磁界が崩壊する。点火変圧器２０の磁気回路内の磁束は急速に比較的大きく変化させられる。磁束のこの変化が二次巻線１４内に高電圧を誘起し、それによって、点火プラグ１０の電極間に加わる電圧が点火プラグ１０の火花開始電圧よりも高くなり、高電圧放電を起こす。

二次側誘起高電圧によってエネルギー源２４のコンデンサＣ１も充電され、その際、バリスタＺＰＤを介しての電圧降下がコンデンサＣ１の充電電圧を決定する。さらに、測定抵抗ＲｍとバリスタＺＰＤとが高電圧が加えられている間の二次回路における電流の流れを低下させ、それによって、二次回路においてアークの発生のために利用可能なエネルギーが大幅に減少する。

点火プラグ１０の電極間のアークの消滅後に、エネルギー源２４は二次回路に通電し、それによって、電流が点火プラグ１０の電極、自動車のアース接続及び測定抵抗Ｒｍを介して二次巻線１４を流れる。その際に測定抵抗Ｒｍを介して起こった電圧降下によって、点火プラグ１０の電極間に存在するイオン流を検知することができる。二次回路はその際測定回路の役割を果たす。この測定回路においては、変圧器２０の二次巻線１４は測定抵抗Ｒｍ及び点火プラグ１０の火花ギャップに対して直列に配置されている。二次巻線１４の誘起性によって、点火プラグ１０の電極間に存在する荷電キャリアの、特にイオン流の短期間の、すなわち、比較的高周波の変動は、測定抵抗Ｒｍのところでは有効ではなくなる。したがって、二次巻線１４は低域フィルタの役割を果たし、それによって、点火プラグ１０の電極間では、イオン流の比較的狭帯域の信号だけしか利用することができない。したがって、信号はイオン流の低周波数変動だけしか表わすことができない。

図２には、本発明の第１の実施形態に係る回路装置の回路図が示してある。同一の構成要素は同一の参照符号を有する。変圧器２０の一次側回路は図１に示した回路と同一である。二次回路、すなわち、高電圧回路は３つの並列電流路を有し、第１の電流路内には点火変圧器の二次巻線が、第２の電流路内には、エネルギー２４と、点火プラグ１０の電極により形成された火花ギャップとが配置されている。第３の電流路内には、３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＲｍから形成されたポテンショメータが配置されている。点火変圧器２０の鉄心１３は抵抗Ｒ１及びＲ２を接続するための導体として利用される。したがって、鉄心１３は第３の電流路の一部を形成する。さらに、第１の電流路内には、ダイオードＤ１が、図１との関連ですでに説明した始動パルスによって電流の流れを阻止する二次巻線１４に対して直列に配置されている。

エネルギー源によって、点火プラグ１０の電極により形成された火花ギャップと、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＲｍから形成されたポテンショメータとから作られた測定回路に、測定電圧が加えられる場合は、さらに、ダイオードＤ１が第１の回路を通る電流の流れを阻止する。したがって、測定回路はダイオードＤ１によって二次巻線１４から接続解除され、その結果、二次巻線１４は、図１に示した回路装置の場合とは違って、低域フィルタの役割を果たすことはない。

抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２及びＲｍの総抵抗から形成されたポテンショメータによって、二次回路に高電圧が加えられている場合の変圧器２０の鉄心１３の電位が調節される。この第３の電流路を介しての電流の流れを減少させ、アークの発生に十分な量のエネルギーを点火プラグ１０に提供するために、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＲｍの合計は≧１メガオームであるものとする。好ましくは、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＲｍの合計の抵抗値は１０〜１００メガオームの範囲にあり、しかも、以下に図３との関連で説明するように、抵抗Ｒ１の抵抗値は０オームとすることもできる。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２及びＲｍの総抵抗から形成されたポテンショメータによって、鉄心１３の電位を簡単に調節することができる。鉄心１３が、現状技術における浮遊鉄心にほぼ相当する高電位を有するように、例えば、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２及びＲｍの総抵抗とを同じ大きさに選ぶことができる。

特に、自動車のシリンダヘッドの中にねじ込まれた点火プラグ１０に直接嵌合されるロッド変圧器の場合は、測定信号を、導体としての役割を果たす鉄心１３を介して、鉄心１３の一端から鉄心１３の他端に簡単に伝えることができ、それによって、ロッド変圧器の一端から他端に測定信号を伝えるための追加的な信号配線の必要なしで、ロッド変圧器の構造をより簡素化することが可能である。

図３には、図２に係る回路装置と類似した本発明の第２の実施形態に係る回路装置が示してある。図２に示した回路装置の場合とは違って、図３に係る回路装置の場合は、鉄心１３が基本的には二次巻線１４により発生させられる高電圧電位を有するように、抵抗Ｒ１が省略されている。具体的には、鉄心１３は、点火プロセス中には、二次巻線１４の高電圧電気よりもダイオードＤ１の電圧降下の分だけ、すなわち、０．７ボルト低い電位を有する。測定プロセス中には、すなわち、点火プロセスの後には、鉄心１３は、エネルギー源２４により発生させられた測定電圧の電位を有する。上述のように、始動パルスにより二次コイル１４内に発生させられる電圧が変圧器２０の鉄心１３に加えられることがないように、始動パルスは二次回路内のダイオードＤ１によって遮断される。さらに、ダイオードＤ１は、電圧源２４によって測定回路内を電流が流れている期間中に点火プラグ１０、電圧源２４、及び抵抗Ｒ２及びＲｍないしはＲ１、Ｒ２及びＲｍからなる測定回路を二次巻線１４から接続解除するための接続解除手段としての役割を果たす。したがって、ダイオードＤ１によって、測定回路への測定電圧の供給時に電流が二次巻線１４を流れるのが阻止される。

測定信号は好ましくは二次巻線１４に対して並列な電流路を介して伝えられる。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２及びＲｍの総抵抗から形成されたポテンショメータの抵抗値は、鉄心１３の静電結合が維持されるような大きさを選択するものとする。抵抗Ｒ１及びＲ２に代わって、抵抗としての役割を果たすコイル体又は鉄心１３の層又は抵抗材料、すなわち、抵抗層を有する鉄心１３の領域を使用することもでき、それによって、さらなる構造的効果を達成することができる。

図２及び３に示した回路装置によって、火花エネルギーが＞３５ｍＪの点火変圧器を使用し、それにもかかわらず、イオン流及びその他の高周波信号部分を高電圧側で測定することが可能である。ピストンの機械的運動にとっては速すぎる爆発的燃焼の発生時のノッキングが、従来の点火変圧器を備えた、特にロッド変圧器を備えた本発明に係る回路装置によって、自動的に検知可能である。この従来の点火変圧器を使用した場合であっても、内燃機関の全回転数・負荷領域にわたる測定回路であるにもかかわらず、十分な火花エネルギーが提供される。エネルギー源２４により測定電圧を発生させるために、エネルギー源２４のコンデンサＣ１の充電用に二次回路から取り出されるエネルギーは比較的少ない。

二次側高電圧は、第３の分岐路において、直接オームポテンショメータＲ１、Ｒ２、ＲｍないしはＲ２、Ｒｍを介して測定される。したがって、二次コイル１４の誘起性は測定分岐路には存在せず、それにより低域フィルタの役割を果たすことはない。測定抵抗Ｒｍを介しての電圧降下により検知することができる点火プラグ電圧の測定可能な周波数部分を制約するのは、点火変圧器２０の鉄心１３の静電結合と、ポテンショメータの抵抗Ｒ１、Ｒ２、ＲｍないしはＲ２、Ｒｍだけである。これによって、測定される信号の帯域幅を制約するのも、基本的には、点火変圧器２０の鉄心１３の静電結合と、ポテンショメータの抵抗Ｒ１、Ｒ２、ＲｍないしはＲ２、Ｒｍだけになる。

図２及び図３に示した回路装置は、点火プラグ１０の電極間に加えられるプラグ電圧の推移を精密に検知する測定回路としての役割を果たす。これによって、燃焼時間、燃焼電圧、火花開始電圧も、スパークオーバ前の、すなわち、アーク前のプラグ電圧の上昇も、点火プラグ１０の電極間で精密に検知することができる。

図４には、評価回路の制御の別の実施形態の回路図が示してある。図２及び図３に係る装置の場合とは違って、第１の電流路には、第１の電流路において追加的電圧降下を起こすバリスタＶＡＲ１が配置されている。この電圧降下は、点火プラグ１０が利用可能な点火エネルギーを減少させることになる。さらに、特にロッド変圧器の場合は、測定抵抗Ｒｍ又はバリスタＶＤＲ１の後に加えられる高電圧電位を介して、測定信号をロッド変圧器の端子領域に送らなければならず、これには比較的コストがかかる。

図面及び上記の説明においては、好ましい実施形態を示し、詳細に記述したが、これらの実施形態は純粋な例示であり、本発明を何ら制約するものとではないと見なすものとする。図示及び記述されているのは好ましい実施形態に限られており、現在及び将来本発明の保護範囲に含まれることになる全ての変更及び改変が保護されるべきものであることを指摘しておきたい。

内燃機関の電極間のイオン流の検知のための公知の回路装置の回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る広帯域測定信号の検知のための回路装置の回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る広帯域測定信号の検知のための回路装置の回路図である。 測定信号の検知のための回路装置の別の回路図である。

Claims (18)

1. 広帯域測定信号の、特に、内燃機関の点火プラグ（１０）の電極間のイオン流に対応する信号の高電圧側検知のための装置であって、
   ３つの並列電流路を備えており、
   第１の電流路には、点火変圧器（２０）の二次巻線（１４）が少なくとも配置されていること、
   第２の電流路には、少なくとも２つの電極により形成された点火プラグ（１０）の火花キャップが少なくとも配置されていること、
   第３の電流路には、少なくとも１つの測定抵抗（Ｒｍ）が配置されていること、
   第３の電流路の端は、直接又はダイオード（Ｄ１）を介して、それぞれ点火変圧器（２０）の二次巻線（１４）の端子と接続されていること、及び
   少なくとも二次巻線（１４）の端子と測定抵抗（Ｒｍ）との間の領域において、点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）の少なくとも一部が導体の役割を果たすことと
   を特徴とする装置。
2. 少なくとも二次巻線（１４）の端子と測定抵抗（Ｒｍ）との間の領域において、点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）の少なくとも一部が導体の役割を果たし、さらに、変圧器磁心（１３）は鉄心であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 二次巻線（１４）の端子と第３の電流路の端との間には可変抵抗が配置されていないことを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 測定抵抗（Ｒｍ）を介しての電圧降下が点火プラグ（１０）の電極間のイオン流の検知のための信号としての役割を果たすこと、好ましくは測定抵抗（Ｒｍ）を介しての電圧降下の検知のための評価回路が備えられていることとを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の装置。
5. 広帯域測定信号の検知に必要なエネルギーの発生のためのエネルギー源（２４）を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の装置。
6. エネルギー源（２４）は第２又は第３の電流路内に備えられており、好ましくは、第２の電流路に点火プラグ（１０）の電極により形成される火花ギャップに対して直列に配置されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. エネルギー源（２４）は、好ましくは点火プラグ（１０）の電極に高電圧が加えられている期間中に共に充電されるコンデンサ（Ｃ１）を有することを特徴とする請求項５または６記載の装置。
8. コンデンサ（Ｃ１）に対して並列に、コンデンサ（Ｃ１）の充電電圧の制限のための構造要素（ＺＰＤ）が備えられており、さらに、この構造要素（ＺＰＤ）は好ましくはバリスタであることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. コンデンサ（Ｃ１）は点火プラグ（１０）の火花ギャップに対して直列に配置されていることを特徴とする請求項７又は８記載の装置。
10. 第１の電流路には、ダイオード（Ｄ１）が、広帯域測定信号及び／又は点火プラグ
    （１０）の電極間のイオン流に対応する信号の検知期間中に電流が二次巻線（１４）を流れるのを阻止するために、二次巻線（１４）に対して直列に配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の装置。
11. 第３の電流路には、測定抵抗（Ｒｍ）と共にポテンショメータを形成する少なくとも第２の抵抗（Ｒ１、Ｒ２）が測定抵抗に対して直列に配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の装置。
12. 測定抵抗（Ｒｍ）と第２の抵抗とは点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）を介して導電性接続されていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 第２の抵抗（Ｒ１）と二次巻線（１４）の高電圧端子とが点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１１記載の構成配置。
14. 第３の電流路では、少なくとも第３の抵抗（Ｒ１）が第２の抵抗（Ｒ２）及び測定抵抗（Ｒｍ）に対して直列に配置されており、しかも、第２の抵抗（Ｒ２）と第３の抵抗（Ｒ１）とは点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）を介して電気的に接続されていること
    を特徴とする請求項１１記載の装置。
15. 第３の抵抗（Ｒ１）は二次巻線（１４）の第１の端子と点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）との間に配置されていること、測定抵抗（Ｒｍ）と第２の抵抗（Ｒ２）は点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）と二次巻線（１４）の第２の端子との間に配置されていること、さらに、好ましくは二次巻線（１４）の第２の端子は基準電位と接続されていることとを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 第３の抵抗と第２の抵抗（Ｒ２）及び測定抵抗（Ｒｍ）の総抵抗とは、点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）の電位を決定するポテンショメータを形成することを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 第２の抵抗（Ｒ２）及び／又は第３の抵抗（Ｒ１）及び／又は測定抵抗（Ｒｍ）は鉄心（１３）のシェル上の抵抗層によって形成されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項記載の装置。
18. 広帯域測定信号の、特に、内燃機関の点火プラグ１０の電極間のイオン流に対応する信号の高電圧側検知のための装置であって、
    ３つの並列電流路を備えており、
    第１の電流路には、点火変圧器（２０）の二次巻線（１４）が少なくとも配置されていること、
    第２の電流路には、少なくとも２つの電極により形成された点火プラグ（１０）の火花キャップが少なくとも配置されていること、
    第３の電流路には、少なくとも１つの測定抵抗（Ｒｍ）が配置されていること、
    少なくとも二次巻線（１４）の端子と測定抵抗（Ｒｍ）との間の領域において、点火変圧器（２０）の変圧器磁心（１３）の少なくとも一部が導体の役割を果たすことと
    を特徴とする装置。

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