JP6781480B2 - 一次インダクタンスを短絡させることによるスパークプラグのコイルのイオン化検出器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１５年８月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／２０５，０２２号に基づく優先権を主張し、上記仮出願は、参照することにより本明細書に組み込まれる。

本開示は、高インダクタンス点火コイルの二次巻線を通るイオン電流を測定することによって内燃エンジンにおけるガスのイオン化の検出に関する。

本セクションでは、本開示に関連する、必ずしも先行技術ではない背景情報を提供する。

スパーク点火エンジンは、エンジンの燃焼室に突出するスパークプラグを備え、アース端子に対して固定のスパークギャップで絶縁電極が設けられる。点火コイルは、燃焼室内の混合気に点火して燃焼を引き起こす電弧をスパークギャップに電流がなすために必要なエネルギーを提供する。

エンジンの燃焼段階中、熱および圧力により、燃焼室内においてガスのイオン化が引き起こされる。イオン化の程度は、燃焼室の内部の電気的ギャップに電圧を印加して、結果として生じる、イオン電流と称される電流を測定することにより測定される。イオン電流は、ノッキングおよびミスファイアの発生を含む、燃焼の質を示す。エンジン制御モジュールは、イオン電流を示す信号を分析し、閉ループ燃焼制御の一環として作動することにより、燃焼室内における燃焼を最適化する。

イオン電流を検出するために、イオン化検出器は、既設のスパークプラグを、燃焼室の内部のイオン化センシング電気的ギャップとして利用する。しかしながら、スパークプラグ端子における電圧は、スパーク事象中は非常に高い（例えば、３０ｋＶ）。したがって、イオン化検出器を、スパークプラグ端子に直接接続することはできない。その代わりに、イオン化検出器は、点火コイルの二次巻線を介してスパークプラグに接続される。

第２巻線のインダクタンス特性は、寄生低域通過フィルタを生み出し、特定の周波数を効率的にフィルタリングする。低エネルギー点火コイルは、ノッキング周波数が通過可能な十分に低い第２インダクタンスを有する。しかしながら、自動車用途における動向は、より高エネルギーのコイルへ向かっている。より高エネルギーのコイルは、イオン化信号の減衰をもたらすより高いインダクタンスを必要とし、これにより、エンジン制御モジュールは、ノッキングの発生等の燃焼の質の検出を妨げられる。

本開示は、ガスのイオン化を検出するイオン化検出装置に関する。当該イオン化検出装置は、点火コイル、バイアス電圧源、およびインダクタンス制御スイッチを備える。上記点火コイルは、一次巻線と二次巻線とを備える。上記バイアス電圧源は、上記点火コイルの二次巻線に電気的に接続され、かつ、イオン化ガスが存在する場合イオン電流が上記電気的ギャップに流れるように、上記二次巻線を介して当該電気的ギャップに電圧を供給する。上記インダクタンス制御スイッチは、上記点火コイルの上記一次巻線に電気的に並列に配置され、かつ上記一次巻線のインダクタンスを短絡させることができる。

本開示のイオン化検出器は、従来の装置よりも有益である。例えば、一次巻線のインダクタンスを短絡させることにより、イオン化検出器は、点火コイルの第２インピーダンスを低減する。その結果、イオン化検出器は、ＤＣからノック周波数までの周波数が点火コイルを通過できるように、点火コイルがイオン化信号に対して有するフィルタ効果を低減する。適用可能なさらなる分野は、本明細書の記載から明らかになるであろう。この概要における記載および特定の実施例は、例示的な目的のみを意図したものであり、本開示内容の範囲を限定することを意図するものではない。

本明細書に記載された図面は、選択された諸実施形態の例示的な目的のみのためのものであり、可能なすべての態様のためのものではなく、本開示の範囲を限定することを意図していない。

内燃エンジンのためのスパーク点火装置を備えるスパーク点火システムを示す。 内燃エンジンのためのスパーク点火装置を備えるスパーク点火システムを示す。

本開示の第１実施形態におけるスパーク点火装置の回路図である。

スパーク燃焼サイクルのためのイオン化信号、ドウェル（dwell）制御信号、および短絡制御信号を示すグラフである。

点火コイルの一次巻線が短絡していない、スパーク点火装置の点火コイルの変圧器モデルである。

点火コイルの一次巻線が短絡している、スパーク点火装置の点火コイルの変圧器モデルである。

本開示の第２の実施形態におけるスパーク点火装置の回路図である。

対応する参照符号は、複数の図面間で対応する部材を示している。

内燃エンジンにおけるガスのイオン化を検出するために用いられるイオン化検出器は、スパークプラグを流れるイオン電流を検出する。点火コイルの二次巻線を通してイオン電流を送ることにより、１次低域通過フィルタがイオン化検出器とスパークプラグとの間に作り出され、これにより、イオン電流を示すイオン化信号の減衰をまねく。

本開示のイオン化検出器は、エンジンの燃焼段階中に点火コイルのインダクタンスを短絡させるように構成される。さらに詳細には、イオン化検出器は、一次巻線のインダクタンスを短絡させて二次巻線のインピーダンスを実率的に低下させるため、イオン化信号の減衰を低減する。

以下、本開示は、添付図面を参照しながら説明される。図１Ａおよび図１Ｂは、内燃エンジン１１０用途のためのスパーク点火システム１００を示す。スパーク点火システム１００は、スパーク点火装置１１２と、スパーク点火装置１１２の作動を制御するエンジン制御モジュール（ＥＣＭ）１１４とを備える。ＥＣＭ１１４は、プロセッサを有する集積回路と、当該プロセッサによって実行されるコードを記憶する記憶装置とを備える。ＥＣＭ１１４は、点火および燃焼サイクル中にスパーク点火装置１１２と通信して、スパーク点火装置１１２内の部材を制御する。閉ループ制御システムの一部として、ＥＣＭ１１４は、スパーク点火装置１１２からのデータを受信し、エンジン１１０の燃焼室内におけるスパーク事象のタイミングを最適化するためにこのようなデータを用いる。

スパーク点火装置１１２は、エンジン１１０の燃焼室に突出しており、燃焼室内の混合気に点火する。スパーク点火装置１１２は、スパークプラグ１１６と、点火コイル１１８と、イオン化検出器１２０とを備える。イオン化検出器１２０は、点火コイル１１８と一体化しているように図示されているが、必ずしも点火コイル１１８と一体化している必要はない。スパークプラグ１１６は、燃焼室に突出しており、点火コイル１１８は、スパークプラグ１１６において電気スパークを生み出すのに必要な電圧を発生させ、混合気に点火する。イオン化検出器１２０は、スパークプラグ１１６を利用して、燃焼中の燃焼室内におけるガスのイオン化を検出する。

図２は、本開示の第１実施形態におけるスパーク点火装置１１２の回路図２００を示す。点火コイル１１８は、フライバックトランスであり、共通の磁芯に巻かれた一次巻線２０２と二次巻線２０４とを備える。点火コイル１１８は、スパークプラグ１１６のスパークギャップ２０１に電流が電弧をなすために必要な電圧を発生させるための高い二次対一次巻数比を有する。例として、二次対一次巻数比（Ｎ）は、Ｎ＝ｎ_ｓｅｃ／ｎ_ｐｒｉ＝８０に等しい。一次巻線２０２および二次巻線２０４は、レジスタ２０３およびレジスタ２０５によってそれぞれ表される巻線抵抗を有する。高い二次対一次巻数比に起因して、二次巻線２０４の巻線抵抗は、一次巻線２０２の巻線抵抗より大きい。

一次巻線２０２は、一次電源（ＰＰＳ）２０６とアース端子との間に配置される。具体的には、一次巻線２０２の一方の端子は、ダイオード２０８を介して、一次電源２０６に電気的に接続される。一次巻線２０２の他方の端子は、一次スイッチ２１０を介して、アース端子に電気的に接続される。一次スイッチ２１０は、通常、ＥＣＭ１１４によって制御される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。さらに詳細には、ＥＣＭ１１４は、伝送線路２１１によって示されるように、一次スイッチ２１０に信号を送信し、ＩＧＢＴをオン・オフする。オフ状態において、ＩＧＢＴは、開スイッチとして機能する。また、オン状態において、ＩＧＢＴは、閉スイッチとして機能する。

二次巻線２０４は、スパークプラグ１１６とイオン化検出器１２０の電源との間に配置される。具体的には、二次巻線２０４の一方の端部は、スパークプラグ１１６およびアース端子と電気的に直列に接続される。二次巻線２０４の他方の端部は、スパークドウェル（spark dwell）およびスパーク点火中、ダイオード２０８を介して一次電源２０６に電気的に接続される。また、二次巻線２０４の他方の端部は、高ドウェル（high dwell）電流およびスパーク電流が流れていないとき、ダイオード２２２およびレジスタ２２４を介してバイアス電圧源（ＢＶＳ）２２０に電気的に接続される。

バイアス電圧源２２０は、以下にさらに説明するように、イオン化検出のための電源である。バイアス電圧源２２０は、一次電源２０６よりも多くの電圧を回路２００に供給する。例として、一次電源２０６が通常約１５Ｖのエンジン電気系統電圧を供給するのに対し、バイアス電圧源２２０は、１００Ｖを供給する。一次電源２０６は、通常低電圧バッテリおよび充電システムであるアプリケーション系統電圧である。また、バイアス電圧源２２０は、アプリケーションの系統電圧からイオン化検出のために必要な電圧への増加を行うブーストコンバータからの電力として提供される。

バイアス電圧源２２０に加えて、イオン化検出器１２０は、電流センサ２２６とインダクタンス制御スイッチ２２８とを備える。電流センサ２２６は、バイアス電圧源２２０からスパークプラグ１１６に流れるイオン電流（Ｉ_ｉｏｎ）を測定する。電流センサ２２６は、伝送線路２２９によって示されるようにＥＣＭ１１４と通信し、イオン電流を示す信号をＥＣＭ１１４に送信する。電流センサ２２６は、レジスタ２２４を通る電流を測定することにより、イオン電流を測定する。

インダクタンス制御スイッチ２２８は、一次巻線２０２に並列に配置される。ＥＣＭ１１４は、インダクタンス制御スイッチ２２８の状態を制御し、スイッチ２２８は開かれる、または閉じられる。具体的には、ＥＣＭ１１４は、伝送線路２３１によって示されるように、インダクタンス制御スイッチに信号を送信し、スイッチ２２８を開く、または閉じる。インダクタンス制御スイッチ２２８が閉じられているとき、スイッチ２２８は、一次巻線２０２に短絡を生じさせることにより、一次巻線２０２のインダクタンスを短絡させる。以下にさらに説明するように、インダクタンス制御スイッチ２２８は、イオン化検出中に、点火コイルのフィルタ効果を低減する。

ＥＣＭ１１４は、一次スイッチ２１０およびインダクタンス制御スイッチ２２８を介してスパーク点火装置１１２の作動を制御する。さらに詳細には、スパーク点火装置１１２は、非活性モード、ドウェルモード（dwell mode）、スパークモード、および燃焼モード、の４つのモードで動作可能である。非活性モードにおいて、一次スイッチ２１０およびインダクタンス制御スイッチ２２８は、開かれており、回路２００を通る電流は流れていない。一次巻線２０２の正極および負極における電圧（Ｖ_ｐｒｉ（＋），Ｖ_ｐｒｉ（−）は、バイアス電圧源２２０の電圧（Ｖ_ｂｉａｓ；Ｖ_ｂｉａｓ＝Ｖ_ｐｒｉ（＋）＝Ｖ_ｐｒｉ（−））に略等しい。バイアス電圧源２２０の電圧が一次電源２０６の電圧より大きいため、ダイオード２０８には、逆バイアスがかかる。

ドウェルモードにおいて、ＥＣＭ１１４は、一次スイッチ２１０に信号を印加し、一次スイッチ２１０を閉じて一次巻線２０２をアース端子に接続する。一旦閉じられると、ダイオード２０８は順バイアスになり、電流は一次電源２０６から一次巻線２０２を通ってアース端子へ流れ始め、方程式（１）に示す割合で増加する。電流が一次スイッチ２１０を通って流れるため、一次巻線２０２と二次巻線２０４との間の磁気ギャップにおけるエネルギーは増加し、方程式（２）（Ｌ_ｐｒｉは一次巻線２０２のインダクタンスである）によって推定される。一次巻線２０２を通る電流は、Ｉ_ｐｒｉとして識別され、一次巻線電流とも称される。一次巻線電流は、アンペアオーダである。

一次スイッチ２１０を設けられたツェナーダイオード２３０は、ドウェルモードが完了したときに解放される一次フライバック電圧をクランプする。ドウェルモードの後、ＥＣＭ１１４は、スパークモードを開始する。スパークモードにおいて、ＥＣＭ１１４が一次スイッチ２１０への信号を停止させることによって、一次スイッチ２１０を開いて一次巻線電流を断絶する。ダイオード２０８は、一次巻線の正極における電圧をＶ_ｐｒｉ（＋）＝Ｖ_ｐｗｒ−Ｖ_Ｄ１（Ｖ_ｐｗｒが一次電源２０６の電圧であり、Ｖ_Ｄ１がダイオード２０８での電圧降下である）で維持するように導通し続ける。一次巻線２０２の負極における電圧は、クランプ電圧に跳ね上がる。当該電圧は、一次電源２０６によって供給される電圧より大きい電圧である。例示的な実施形態において、クランプ電圧は、５００Ｖである。エネルギーは、二次巻線２０４へ放出され始め、電流が流れてスパークプラグ１１６のスパークギャップ２０１に電弧をなす。一次巻線２０２の負極における電圧は、コイル漏れインダクタンスが消耗して一次巻線２０２を通る電流が流れなくなるまでクランプ電圧のままである。

燃焼モードにおいて、スパーク事象は燃焼室の混合気に点火し、ガスのイオン化が生じる。ダイオード２０８には逆バイアスがかかり、一次スイッチ２１０は開いたままであり、点火コイル１１８に蓄積されたすべてのエネルギーは、消耗される。

燃焼室のガスのイオン化を測定するために、ＥＣＭ１１４は、イオン化検出器１２０によってイオン化検出を行う。具体的には、ＥＣＭ１１４は、インダクタンス制御スイッチ２２８を閉じて、一次巻線２０２のインダクタンス（Ｌ_ｍａｇ）を短絡させる。イオン電流は、バイアス電圧源２２０からレジスタ２２４を通り、二次巻線２０４を通ってスパークギャップ２０１に流れる。イオン電流は、二次巻線２０４を通って流れる電流に等しい（Ｉ_ｓｅｃ；Ｉ_ｉｏｎ＝Ｉ_ｓｅｃ）。二次巻線２０４を通って流れる電流は、二次巻線電流とも称される。

図３は、ドウェルモード、スパークモード、および燃焼モードを含むスパーク燃焼サイクルの予言的グラフ（prophetic graph）を示す。当該グラフは、イオン化検出器１２０が得るイオン電流測定信号４１０を、ＥＣＭ１１４によって一次スイッチ２１０およびインダクタンス制御スイッチ２２８にそれぞれ供給されるドウェル制御信号４２０および短絡制御信号４４０と関連付ける。当該グラフにおいて、時間Ａ（Ｔ１とＴ２との間）は、ドウェルモードを示す。ドウェルモードにおいて、高レベル信号が、ＥＣＭ１１４から一次スイッチ２１０に供給される。時間Ｂ（Ｔ２とＴ３との間）は、スパークモードである。スパークモードにおいて、高レベル信号は停止される。ドウェルモードおよびスパークモード中、インダクタンス制御スイッチ２２８は、短絡制御信号４４０の低さによって示されるように、開いたままである（つまりオフ状態）。さらに、ダイオード２０８は、順バイアスされて、最大イオン電流は、方程式（３）で決定される。

スパークモードの後、燃焼モードが時間Ｃ（Ｔ３とＴ４との間）において開始される。短絡制御信号４４０は、低レベルから高レベルになってインダクタンス制御スイッチ２２８をオンにする。その結果、スイッチ２２８は閉状態になり、一次巻線２０２の短絡を形成する。燃焼が始まるとき、火炎前面は、スパークギャップ２０１の中または近傍にある。この高度の局所イオン化は、結果としてイオン電流信号４１０における第１の瘤波４１２となる。火炎前面が燃焼室の容積全体に広がりながらスパークプラグ１１６から離れるにつれて、第２の瘤波４１４が発展する。第２の瘤波４１４のピークは、燃焼室におけるピーク圧力と一致する。燃焼においてノッキングが存在するならば、ノッキングは、第２の瘤波４１４の下り斜面に乗っている振動波として現れる。

一次巻線２０２の短絡の効果を理解するために、図４Ａおよび図４Ｂは、インダクタンス制御スイッチ２２８が開いている、および閉じられているそれぞれの場合の、点火コイル１１８の変圧器モデルを示す。図４Ｂにおいて、レジスタ３０２は、閉じられたインダクタンス制御スイッチ２２８によって与えられ、かつレジスタ２２４よりもずっと小さい抵抗を示す。レジスタ３０２は、非線形であってもよい。

変圧器は、１：Ｎという仮想巻数比、磁化インダクタンス（Ｌ_ｍａｇ）、漏れインダクタンス（Ｌ_ｌｅａｋ）、ならびにレジスタ２０３およびレジスタ２０５として示される２つの巻線抵抗でモデル化されている。方程式（４）および方程式（５）は、仮想変圧器の作用について電流と電圧との関係を反映している。方程式（４）および方程式（５）において、Ｉ_{ｉｄｅａｌ}は、二次巻線の仮想巻線電流である。Ｒ_ｐｒｉおよびＲ_ｓｅｃはそれぞれ、一次巻線２０２（レジスタ２０３）および二次巻線（レジスタ２０５）の抵抗である。Ｒ_{ｓｗ（ＯＮ）}は、短絡（つまりレジスタ３０２）の抵抗である。Ｖ_ｓｅｃは二次巻線２０４の負極における電圧である。
Ｉ_ｐｒｉ＝−Ｉ_{ｉｄｅａｌ}＊Ｎ・・・（４）
Ｖ_ｐｒｉ（＋）−Ｖ_ｓｅｃ＝Ｉ_{ｉｄｅａｌ}＊（Ｒ_ｐｒｉ＋Ｒ_{ｓｗ（ＯＮ）}）＊Ｎ^２＋Ｉ_ｓｅｃ＊Ｒ_ｓｅｃ・・・（５）

インダクタンス制御スイッチ２２８が開いた状態では、電流を担保するための一次巻線２０２を通る連続経路がない。つまり、仮想電流（Ｉ_{ｉｄｅａｌ}）は流れることができず、その結果、磁化電流（Ｉ_ｍａｇ）がイオン電流に等しくなる。イオン電流は、磁化インダクタンス（Ｌ_ｍａｇ）と漏れインダクタンス（Ｌ_ｌｅａｋ）の合計に等しい二次巻線２０４のインダクタンスによって制限される周波数である。磁化インダクタンスおよび漏れインダクタンスは、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、巻線３０４および巻線３０６としてそれぞれ示される。

インダクタンス制御スイッチ２２８が閉じた状態では、一次巻線２０２によってループが作り出される。具体的には、一次巻線２０２および二次巻線２０４のインダクタンスは、方程式（６）で与えられるように、巻数比によって関連付けられる。インダクタンス制御スイッチ２２８が一次巻線２０２のインダクタンスを短絡させるため、二次巻線２０４のインダクタンスは、一次巻線２０２によって代わりに短絡される。
Ｌ_ｓｅｃ＝Ｌ_ｐｒｉ＊Ｎ^２・・・（６）

さらに詳細には、共通節点は１つのみで、一次巻線電流は、イオン電流および二次巻線電流から独立である。変圧器の磁気エネルギーが消耗されて、イオン電流に０から正値へのステップが生じる場合、イオン電流は、二次巻線２０４を通って流れ、磁化電流を増加させる。磁化電流は、仮想電流および一次巻線電流が減少することにより、増加し続ける。このように、一次巻線を短絡しなければ磁化インダクタンスによって制限される電流を、一次巻線を短絡させることによって実率的に分路する。

図５は、本開示の第２の実施形態におけるスパーク点火装置１１２のための回路図５００を示す。第２の実施形態において、インダクタンス制御スイッチ２２８は、トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４、ならびにレジスタ５０６、レジスタ５０８、レジスタ５１０、レジスタ５１２およびレジスタ５１４、ならびにドライバ５１６を備える。トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４は、一次スイッチ２１０よりも高い降伏電圧を有する。

トランジスタ５０２のドレインは、一次巻線２０２の正極に電気的に接続される。また、トランジスタ５０４のドレインは、一次巻線２０２の負極に電気的に接続される。トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４のゲートは、ドライバ５１６、レジスタ５０６、レジスタ５０８、レジスタ５１０、およびレジスタ５１２を介して、フローティング電圧源（Ｖ_{ｆｌｏａｔ}）に電気的に接続される。トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４のソースは、フローティング電圧源のアース端子に電気的に接続される。トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４は、電力がゲートに印加されているとき、オンであり、電力がゲートに印加されていないとき、オフである。オン状態において、トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４は、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるため、以下にさらに説明するように、閉スイッチとして機能する。レジスタ５０６、レジスタ５０８、レジスタ５１０、およびレジスタ５１２の抵抗は、トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４の電圧を最大にするように選択される。これは、トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４が電力を受ける場合に、ドレインとソースとの間の抵抗を最小限にするためである。

ドライバ５１６は光遮断器であり、ＥＣＭ１１４によって制御される。具体的には、ＥＣＭ１１４は、伝送線路２３１によって示すように、短絡制御信号をドライバ５１６に送信する。信号が高いとき、光遮断器は導通し、電流はフローティング電圧源からトランジスタ５０２およびトランジスタ５０４のゲートへ流れる。

第２の実施形態において、電流センサ２２６は、カレントミラー回路を備える。カレントミラー回路は、イオン電流に比例するミラー電流（Ｉ_{ｍｉｒｒｏｒ}）に対してイオン電流を分離する。電流センサ２２６は、伝送線路２２９によって示されるように、イオン電流を示す信号をＥＣＭ１１４に出力する。電流センサ２２６は、トランジスタ５２２およびトランジスタ５２４、ならびにレジスタ５２６、レジスタ５２８、およびレジスタ５３０を備える。トランジスタ５２２およびトランジスタ５２４は、本実施形態においてｐｎｐ型バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）であるが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の他の種類のトランジスタであってもよい。

カレントミラー回路の作動中、イオン電流は、レジスタ５２６、トランジスタ５２２、およびレジスタ２２４を通って流れる。調和のとれたトランジスタ５２２およびトランジスタ５２４を用いると、イオン電流はミラーされて、または言い換えるとコピーされて、レジスタ５２８、トランジスタ５２４、およびレジスタ５３０にも流れる。トランジスタ５２２およびトランジスタ５２４は、電流ミラーの誤差を最小限にするための可能な限り高い増幅率を有する。ミラー電流は、Ｉ_ｉｏｎ＊Ｒ_５２６／Ｒ_５２８（Ｒ_５２６はレジスタ５２６の抵抗、Ｒ_５２８はレジスタ５２８の抵抗）に等しい。レジスタ５３０は、ミラー電流をイオン化電圧（Ｖ_ｉｏｎ）を示す電圧へ変換する。

ドウェルモードおよびスパークモード中、トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４はオフのままである。具体的には、短絡制御信号は低いままであり、ドライバ５１６から電流は流れない。ドウェルモードにおいて、一次巻線２０２の正極は、トランジスタ５０２のドレインに電気的に接続され、正である。トランジスタ５０２のボディダイオードが逆バイアスをかけられていてアバランシェ電圧未満であることにより、トランジスタ５０４のボディダイオードを順方向伝導から守る。ドウェルの終局時、ドウェル電流（dwell current）は遮断されており、一次巻線電圧は、方程式（１）に記載され、かつトランジスタ２３０のツェナーダイオードによってクランプされる非常に大きな負のフライバック電圧になる。これにより、一次巻線２０３の負極は正になり、かつトランジスタ５０４のボディダイオード５４１はアバランシェ電圧未満で逆バイアスをかけられる。これにより、トランジスタ５０２のボディダイオード５４０を順方向伝導から守る。

燃焼モード中、スパーク事象は、燃焼室の混合気に点火し、ガスのイオン化が生じる。上述したように、一次スイッチ２１０は開いており（つまりオフ状態）、滞留モード中に点火コイル１１８に蓄積されたすべてのエネルギーは消耗される。スパークプラグ１１６に印加される電圧は、バイアス電圧源２２０の電圧からトランジスタ５２２のＰＮ接合降下およびすべての一連の抵抗の降下を引いた値に等しい。

短絡制御信号は高く、光遮断器（つまりドライバ５１６）は導通する。電流は、レジスタ５０６、レジスタ５０８、レジスタ５１０、およびレジスタ５１２を通って流れ、トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４をオンにする。トランジスタ５０２およびトランジスタ５０４がオンであると、一次巻線２０２に短絡が形成される。

第１実施形態の回路２００と同様に、回路５００は、一次巻線のインダクタンスを短絡させて、点火コイルの第２インピーダンスを実率的に低減する。このため、イオン化検出器１２０は、ＤＣからノッキング周波数（例えば、１２ｋＨｚ）までの周波数が点火コイルを通過できるように、点火コイルがイオン化信号に対して有するフィルタ効果を低減する。

諸実施形態の前述の説明は、例示及び説明のために提供されたものである。これは、本開示を網羅又は限定することを意図しているものではない。例えば、バイアス電圧源は、別個のバッテリであってもよい。さらに、フローティング電源は、パルス幅変調入力によるフォワード式変圧器回路（forward-mode transformer circuit）であってもよい。また、ＭＯＳＦＥＴゲートを駆動するように設計された集積回路は、インダクタンス制御スイッチの切り替え時間を改善するために光遮断器とＭＯＳＦＥＴゲートとの間に追加されてもよい。さらに、二次対一次巻数比は、異なる値であり得、８０に限定されない。本開示は、内燃エンジンを含む多様な用途（車両、定置式発電機、および／または他の適したエンジン系）に応用されてもよい。イオン化検出器は、多様な方法で導入されてよい。例えば、検出器は、点火コイルに組込まれてもよいし、一次巻線と二次巻線とが内部接続している２ピンコイルを用いて外部に配置されてもよいし、または絶縁された二次巻線を有する３ピンコイルを用いて外部に配置されてもよい。特定の実施形態の個々の要素又は特徴は、通例この特定の実施形態に限定されるものではなく、適用できる場合は、たとえ具体的に示されるまたは記載されていないとしても、可換であり、選択された実施形態において使用することができる。これによって多数の変更が生じ得る。そのような変更は本開示から逸脱したとみなされるべきではなく、全てのそのような変更は本開示の範囲に含まれることが意図されている。

Claims (11)

1. ガスのイオン化を検出するためのイオン化検出装置であって、
   一次巻線と二次巻線とを有するコイルと、
   上記二次巻線に電気的に接続されるバイアス電圧源であって、イオン電流が、イオン化ガスの存在に応じて電気的ギャップを流れるように、上記二次巻線を介して当該電気的ギャップに電圧を供給するバイアス電圧源と、
   上記コイルの上記一次巻線に電気的に並列に配置され、かつ上記一次巻線のインダクタンスを短絡させることができるインダクタンス制御スイッチと、
   上記バイアス電圧源から上記電気的ギャップに流れる上記イオン電流を示す信号を出力する電流センサであって、カレントミラー回路を含む電流センサと、
   を備え、
   上記インダクタンス制御スイッチは、複数のトランジスタを有し、
   上記複数のトランジスタは、上記一次巻線の正極と負極との間に電気的に直列に接続され、第１トランジスタと第２トランジスタとを含み、
   上記第１トランジスタおよび上記第２トランジスタはいずれもゲート、ドレイン、およびソースを有し、
   上記第１トランジスタおよび上記第２トランジスタの上記ソースは、共通のアース端子に電気的に接続される、イオン化検出装置。
2. 上記インダクタンス制御スイッチは、ドライバを備え、
   上記ドライバは、上記複数のトランジスタがオン状態である場合に、上記インダクタンス制御スイッチが上記一次巻線の上記インダクタンスを短絡させるように、上記複数のトランジスタをオン状態またはオフ状態に駆動することができる、請求項１に記載のイオン化検出装置。
3. 上記第１トランジスタおよび上記第２トランジスタの上記ゲートは、上記ドライバに電気的に接続され、
   上記第１トランジスタの上記ドレインは、上記一次巻線の上記正極に電気的に接続され、
   上記第２トランジスタの上記ドレインは、上記一次巻線の上記負極に電気的に接続される、
   請求項２に記載のイオン化検出装置。
4. 上記インダクタンス制御スイッチの上記複数のトランジスタは、２つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタであって、当該２つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタは、共通のソース端子を有し、かつ上記一次巻線の正極と負極との間に電気的に直列に接続されて、上記一次巻線の上記インダクタンスを短絡させる、請求項１に記載のイオン化検出装置。
5. 上記電気的ギャップを有するスパークプラグをさらに備え、当該スパークプラグはガスに点火することができ、上記インダクタンス制御スイッチは、当該スパークプラグがガスに点火した後、上記一次巻線の上記インダクタンスを短絡させる、請求項１に記載のイオン化検出装置。
6. 電気的ギャップを有し、かつガスに点火するための電気スパークを生成することができるスパークプラグと、
   一次巻線と二次巻線とを備える点火コイルであって、上記スパークプラグの上記電気的ギャップに電弧をなして電気スパークを生成する電流を発生させることができる点火コイルと、
   ガスが点火された後イオン電流を検知し、かつバイアス電圧源とインダクタンス制御スイッチとを備えるイオン化検出器であって、上記バイアス電圧源は、上記点火コイルの上記二次巻線に電気的に接続され、上記インダクタンス制御スイッチは上記一次巻線に電気的に並列であり、上記点火コイルのインダクタンスを短絡させることができるイオン化検出器と、
   上記バイアス電圧源から上記電気的ギャップに流れる上記イオン電流を示す信号を出力する電流センサであって、カレントミラー回路を含む電流センサと、
   を備え、
   上記インダクタンス制御スイッチは、複数のトランジスタを有し、
   上記複数のトランジスタは、上記一次巻線の正極と負極との間に電気的に直列に接続され、第１トランジスタと第２トランジスタとを含み、
   上記第１トランジスタおよび上記第２トランジスタはいずれもゲート、ドレイン、およびソースを有し、
   上記第１トランジスタおよび上記第２トランジスタの上記ソースは、共通のアース端子に電気的に接続される、スパーク点火システム。
7. 上記バイアス電圧源とは異なる一次電源であり、上記一次巻線に電気的に接続される一次電源と、
   上記点火コイルの上記一次巻線とアース端子との間に電気的に接続されて、上記一次電源から上記一次巻線を通る電流の流れを制御する一次スイッチと、
   上記一次スイッチおよび上記イオン化検出器の上記インダクタンス制御スイッチの状態を制御するエンジン制御モジュールと、
   をさらに備える、請求項６に記載のスパーク点火システム。
8. エンジン制御モジュールは、ドウェルモード中に、上記一次スイッチを閉状態に制御して、電流を上記一次電源から上記点火コイルの上記一次巻線を通って流れるようにし、かつ上記インダクタンス制御スイッチを開状態に制御し、
   上記エンジン制御モジュールは、スパークモード中に、上記一次スイッチを上記開状態に制御し、かつ上記インダクタンス制御スイッチを開状態に制御し、
   上記エンジン制御モジュールは、燃焼モード中に、上記一次スイッチを上記開状態に制御し、かつ上記インダクタンス制御スイッチを上記閉状態に制御して、上記一次巻線のインダクタンスが短絡されるようにする、
   請求項７に記載のスパーク点火システム。
9. 上記複数のトランジスタは、共通のソース端子と電気的に直列に接続される２つのトランジスタであって、かつ上記点火コイルの上記一次巻線の端子間に電気的に接続される２つのトランジスタを含む、請求項６に記載のスパーク点火システム。
10. 上記点火コイルは絶縁された二次巻線を有する３つのピンコイルであり、上記イオン化検出器は上記点火コイルの外部に配置され、かつ上記点火コイルに電気的に接続される、請求項６に記載のスパーク点火システム。
11. スパーク点火システムを作動する方法であって、
    点火コイルの一次巻線と二次巻線との間に磁気エネルギーを集積する工程と、
    電流がスパークプラグの電気的ギャップに電弧をなして混合気に点火するように、上記二次巻線を通して上記磁気エネルギーを放出する工程と、
    上記混合気が点火された後に上記点火コイルのインダクタンスを短絡させる工程と、
    バイアス電圧源から上記スパークプラグに流れるイオン電流を測定する工程であって、上記二次巻線が上記スパークプラグと上記バイアス電圧源との間に配置されるように、上記バイアス電圧源は上記二次巻線を介して上記スパークプラグに電気的に接続される工程と、
    上記バイアス電圧源から上記電気的ギャップに流れる上記イオン電流を示す信号を出力する工程と、
    を含み、
    上記点火コイルの上記インダクタンスを短絡させる工程は、
    上記点火コイルの上記一次巻線に電気的に並列に配置される複数のトランジスタが上記一次巻線のインダクタンスを短絡させるように、上記複数のトランジスタを始動させる工程、をさらに含み、
    上記複数のトランジスタは、上記一次巻線の正極と負極との間に電気的に直列に接続され、第１トランジスタと第２トランジスタとを含み、
    上記第１トランジスタおよび上記第２トランジスタはいずれもゲート、ドレイン、およびソースを有し、
    上記第１トランジスタおよび上記第２トランジスタの上記ソースは、共通のアース端子に電気的に接続される、方法。

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