JPH10238447A - イオン電流検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】放電エネルギの低下を招くことなく放電時間の
好適な短縮を図って、より精度の高いイオン電流検出を
実現することのできるイオン電流検出装置を提供する。 【解決手段】点火コイル３２の誘導起電力を利用する点
火方式においては、二次電圧Ｖ2 による放電時間が長い
場合、二次電流（放電電流）波形と、検出されるべきイ
オン電流波形とが重畳してしまい、実際のイオン電流波
形が判別しにくくなる。ここでは、点火コイル一次巻線
３２ａを流れる電流の遮断時、切替回路３３による同巻
線３２ａの端子切替動作を通じて同巻線３２ａに逆方向
にバイアス電流を供給することで放電時間の短縮を図
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の膨張
（燃焼）行程において燃焼室内に生じるイオンをイオン
電流として検出するイオン電流検出装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に自動車エンジン等に使用される内
燃機関は、吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気の４行程
により、ピストンの２回の往復動をクランクシャフトの
２回転に変換して出力を得るようになっている。そして
近年、内燃機関のこのような行程は電子制御装置により
厳密に制御され、管理されている。

【０００３】ところで、こうした内燃機関にあっては、
その各気筒の圧縮行程において圧縮された燃料（混合
気）が次の膨張（燃焼）行程において最適且つ確実に燃
焼されないと、他の気筒に対して異常な負荷がかかり、
内燃機関が損傷したり、未燃ガス流出による種々の障害
をもたらすことがある。したがって、内燃機関の安定し
た運転を確保するためには、各気筒において確実に燃焼
が行われたか否かを常に管理する必要がある。そして従
来、このような燃焼状態を検出する手段として、内燃機
関の膨張（燃焼）行程においてその燃焼室内に生じるイ
オンをイオン電流として検出する装置が提案されてお
り、例えば特開平４−１９４３６７号公報に記載された
イオン電流検出装置などが知られている。図４に、同公
報記載の装置も含め、従来一般に採用されているイオン
電流検出装置を示す。

【０００４】同図４に示すように、この装置は、バッテ
リ８１、一次巻線８２ａ及び二次巻線８２ｂを有する点
火コイル８２、一次巻線８２ａの一端と接地間に接続さ
れたパワートランジスタ８３、パワートランジスタ８３
を駆動する駆動回路８５、二次巻線８２ｂの一端に接続
される点火プラグ５及びこの点火プラグ５に並列に接続
されるイオン検出回路８４を有して構成されている。こ
こで、点火プラグ５は、二次巻線８２ｂの上記一端に接
続された放電用電極５ａ、及び放電用電極５ａに対向配
置され接地されているグランド電極５ｂによって構成さ
れている。この点火プラグ５は各気筒の燃焼室内（図示
せず）に露出して設けられており、そのグランド電極５
ｂは燃焼室壁に接続されている。

【０００５】次に、図４及び図５を参照してこの動作を
説明する。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）はそれぞ
れ、一次巻線８２ａ及び二次巻線８２ｂに流れる一次電
流Ｉ1及び二次電流Ｉ2 の波形を表す。

【０００６】内燃機関の膨張（燃焼）行程において、電
子制御装置（図示せず）から駆動回路８５に加えられる
制御信号Ｃに基づきパワートランジスタ８３がオン・オ
フ制御され、一次巻線８２ａに流れる一次電流Ｉ1 の通
電・遮断が行われると、一次電流Ｉ1 の遮断時に、二次
巻線８２ｂに負の高電圧からなる二次電圧Ｖ2 が誘起さ
れる。これにより、点火プラグ５のグランド電極５ｂか
ら放電用電極５ａに向けて放電火花が生じ、燃焼室内の
燃料（混合気）が燃焼される。またこれに伴い、二次巻
線８２ｂには、図５（ｂ）に示されるような放電電流
（二次電流）Ｉ2が流れる。

【０００７】この膨張（燃焼）行程において、正常に燃
焼が行われると、燃焼室内には大量の陽イオンが発生す
る。そして、この発生した陽イオンはイオン電流となっ
てイオン検出回路８４に流れ、その電流量に対応した信
号が出力端子８４ａから出力される。この出力された信
号は電子制御装置（図示せず）に取り込まれて正常に燃
焼が行われたか否かの判定に供される。この判定におい
て、失火等の異常が認められた場合、電子制御装置は点
火タイミングをフィードバック調整したり、危険防止の
ために休筒させるなどの処理を行う。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記検出さ
れるイオン電流はそもそも、燃焼によって点火プラグ５
の両電極５ａ，５ｂ間に発生するイオンに電圧を印加す
ることにより流れる電流であり、燃焼中、二次電圧Ｖ2
の放電終了後（したがって、点火プラグ５の放電終了
後）に検出されるものである。

【０００９】ところが、こうした点火コイル８２の誘導
起電力を利用する点火方式においては、図５（ｂ）に示
すように、二次電圧Ｖ2 の放電終了までの時間（したが
って、放電電流の流れる時間）t'が長い場合、この検出
されるべきイオン電流波形に二次電流（放電電流）波形
が重畳され、実際のイオン電流波形が判別しにくくなる
という問題が生じていた。すなわちこの場合、同イオン
電流に基づく正常点火か否かの判断が極めて難しくな
る。

【００１０】一方、放電時間は点火コイル８２に蓄積さ
れる磁束量で決まるため、この放電電流の流れる時間t'
を短縮するためには、二次巻線８２ｂにおいて発生する
二次電圧Ｖ2 を減少するなど、同二次巻線８２ｂに生じ
る磁束量を減少するようにすればよいが、この場合には
点火プラグ５が放電に至らなかったり、放電には至って
も燃料（混合気）を着火させ得るエネルギには達しない
などの新たな問題が生じることとなる。

【００１１】本発明は、こうした実情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、放電エネルギの低下を招く
ことなく放電時間の好適な短縮を図って、より精度の高
いイオン電流検出を実現することのできるイオン電流検
出装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
め、請求項１記載の発明は、電源に接続された点火コイ
ル一次巻線を流れる電流の遮断によって点火コイル二次
巻線に誘起される電圧に基づき点火プラグを放電せし
め、放電後に同点火プラグ間に発生するイオン電流を抽
出して同電流に対応した信号を出力するイオン電流検出
装置において、前記点火コイル一次巻線を流れる電流の
遮断時、同点火コイル一次巻線に逆方向にバイアス電流
を流す手段を備えたことをその要旨とするものである。

【００１３】請求項１記載の発明では、点火コイル一次
巻線を流れる電流の遮断時、同コイル内での磁束変化が
加速され、その二次巻線に誘起される電圧のエネルギす
なわち放電エネルギの低下を招くことなく、点火プラグ
における放電時間が短縮されるようになる。このため、
イオン電流波形に対する放電電流波形の重畳も最小限に
抑制され、より高い精度で上記イオン電流の抽出を行う
ことができるようになる。

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載のイ
オン電流検出装置において、前記逆方向にバイアス電流
を流す手段は、前記電源に対する前記点火コイル一次巻
線の接続方向を切替える切替回路であることをその要旨
とするものである。

【００１５】請求項２記載の発明では、点火コイル一次
巻線に対する逆方向バイアス電流の供給を極めて簡単な
回路によって実現することができるようになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を内燃機関としての
車両用ガソリンエンジンに設けられたイオン電流検出装
置に具体化した実施の形態を図１〜図３に従って説明す
る。

【００１７】図１は本実施の形態におけるエンジン１の
概略構成を示す。エンジン１は複数のシリンダ２（図１
には一つのみ図示）を備える。各シリンダ２にそれぞれ
上下動可能に設けられたピストン３は、出力軸としての
クランクシャフト１ａに連結されている。各シリンダ２
においてピストン３の上側は燃焼室４を形成する。各燃
焼室４に対応して設けられた点火プラグ５は燃焼室４に
導入された混合気に点火する。各燃焼室４に対応して設
けられた吸気ポート６ａ及び排気ポート７ａの各々は吸
気通路６及び排気通路７の一部を構成する。各燃焼室４
に対応して設けられた吸気バルブ８及び排気バルブ９は
各ポート６ａ，７ａをそれぞれ開閉する。各バルブ８，
９は互いに異なるカムシャフト１０，１１の回転に基づ
き作動する。各カムシャフト１０，１１の先端に各々設
けられたタイミングプーリ１２，１３はタイミングベル
ト１４を介してクランクシャフト１ａに連結されてい
る。

【００１８】すなわち、エンジン１の運転時に、クラン
クシャフト１ａの回転力はタイミングベルト１４及び各
タイミングプーリ１２，１３を介して各カムシャフト１
０，１１に伝達される。各カムシャフト１０，１１が回
転することにより、各バルブ８，９が作動する。各バル
ブ８，９はクランクシャフト１ａの回転に同期して、す
なわち各ピストン３の上下動に対応した吸気行程、圧縮
行程、膨張（燃焼）行程及び排気行程に同期して、所定
のタイミングで開閉駆動される。

【００１９】吸気通路６の入口に設けられたエアクリー
ナ１５は同通路６に取り込まれる外気を清浄化する。各
吸気ポート６ａの近傍に各々設けられたインジェクタ１
６は吸気ポート６ａへ向かって燃料を噴射する。エアク
リーナ１５を介して吸気通路６に取り込まれた外気は、
各インジェクタ１６から噴射された燃料と混合され混合
気となる。この混合気は、吸入行程において吸気バルブ
８が吸気ポート６ａを開くときに燃焼室４に吸入され
る。燃焼室４に吸入された混合気は、点火プラグ５によ
り点火され燃焼する。その結果、ピストン３が作動し、
クランクシャフト１ａが回転してエンジン１の出力が得
られる。燃焼後の排気ガスは、排気行程において排気バ
ルブ９が排気ポート７ａを開くときに、燃焼室４から排
気通路７を通って外部へ排出される。

【００２０】吸気通路６に設けられたスロットルバルブ
１７はアクセルペダル１９の操作に応じて作動する。こ
のバルブ１７の開度が調節されることにより、燃焼室４
に導入される空気の量、すなわち、吸入空気量が調節さ
れる。スロットルバルブ１７の下流側に設けられたサー
ジタンク１８は吸入空気の脈動を減少させる。

【００２１】電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）２
０は、エンジン１に設けられた各種センサの検出結果に
基づき、エンジン１の運転状態を判定し、その結果から
エンジン１の運転制御を併せ実施するものである。また
このＥＣＵ２０は、各点火プラグ５を駆動（点火）させ
るための制御信号Ｃをその駆動装置であり且つ各気筒に
おいて確実に燃焼が行われたか否かを検出するイオン電
流検出装置３０に所定のタイミングで出力する。イオン
電流検出装置３０による検出結果もＥＣＵ２０に取り込
まれる。ＥＣＵ２０は、この検出結果に基づき、正常に
燃焼が行われたか否かの判定とともに、後述する所定の
処理を実行する。

【００２２】次に、本実施の形態におけるイオン電流検
出装置３０について説明する。図２は、本実施の形態に
おけるイオン電流検出装置３０の回路図である。図２に
示すように、この装置は、バッテリ３１、バッテリ３１
と接地間に接続されたイグナイタ２１、一次巻線３２ａ
及び二次巻線３２ｂを有する点火コイル３２、二次巻線
３２ｂの一端と接地間に接続される点火プラグ５及びこ
の点火プラグ５と並列に接続されるイオン検出回路３４
を有して構成されている。

【００２３】イグナイタ２１は切替回路３３、パワート
ランジスタ３６及び駆動回路３５とによって構成されて
いる。切替回路３３は点火コイル３２の一次巻線３２ａ
を介してバッテリ３１とパワートランジスタ３６に接続
されており、この切替回路３３は、ＥＣＵ２０からの切
替信号Ｓに基づきバッテリ３１に対する一次巻線３２ａ
の接続方向を順方向（実線矢印）から逆方向（破線矢
印）に切替えることにより、一次巻線３２ａを流れる電
流方向を切替える構造を有している。また、駆動回路３
５は、ＥＣＵ２０からの制御信号Ｃに基づきパワートラ
ンジスタ３６を駆動（オン・オフ）する。

【００２４】一方、点火コイル３２の二次巻線３２ｂの
一端は上記バッテリ３１に接続されており、同他端は点
火プラグ５に接続されている。この点火プラグ５は、二
次巻線３２ｂの上記他端に接続された放電用電極５ａ、
及びこの放電用電極５ａに対向配置され接地されている
グランド電極５ｂによって構成されている。この点火プ
ラグ５は各気筒の燃焼室内（同図２では図示せず）に露
出して設けられており、そのグランド電極５ｂは燃焼室
壁に接続されている。

【００２５】更に、二次巻線３２ｂには点火プラグ５と
並列にイオン検出回路３４が接続されている。このイオ
ン検出回路３４は前述のように、エンジン１の膨張（燃
焼）行程において上記点火プラグ５の電極間に発生する
イオン電流を抽出してその電流量に対応した信号を出力
端子３４ａから出力する回路である。この出力された信
号は、同出力端子３４ａを介してＥＣＵ２０に取り込ま
れるようになっている。

【００２６】次に、図２及び図３を併せ参照して本イオ
ン電流検出装置の動作について説明する。なお、図３
（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）はそれ
ぞれ、一次巻線３２ａに流れる一次電流Ｉ1 の波形、二
次巻線３２ｂに流れる二次電流（放電電流及びイオン電
流）Ｉ2 の波形、パワートランジスタ３６をオン・オフ
制御するために駆動回路３５に加えられる制御信号Ｃ及
び点火コイル３２の一次巻線３２ａに流れる電流方向を
切替えるために、切替回路３３に加えられる切替信号Ｓ
を表す。

【００２７】前述のように、エンジン１の膨張（燃焼）
行程において、ＥＣＵ２０からの制御信号Ｃにより駆動
回路３５がオン・オフ制御され、一次巻線３２ａに流れ
る一次電流Ｉ1 の通電・遮断が行われる。そして図３に
示すように、制御信号Ｃの印加により一次電流Ｉ1 の通
電が行われると、制御信号Ｃの印加後、時間t1に亘って
一次巻線３２ａに順方向の電流Ｉf （図２）が流れる。
その後、制御信号Ｃのオフ直前にＥＣＵ２０から切替信
号Ｓを切替回路３３に加えることにより、一次巻線３２
ａの巻線端が切替えられ、時間t2の間一次巻線３２ａに
逆方向のバイアス電流Ｉb （図２）が流れる。こうした
一次電流Ｉ1 の変化に伴う誘導起電力の作用により、二
次巻線３２ｂには負の高電圧からなる二次電圧Ｖ2 が誘
起され、これが点火プラグ５の放電電圧となって、時間
t3の間、二次巻線３２ｂに放電電流Ｉ2pが流れる（図３
（ｂ））。

【００２８】また、二次電圧Ｖ2 の放電終了後、イオン
検出回路３４によって点火プラグ５の両電極５ａ，５ｂ
間に発生するイオンに電圧を印加することにより、引き
続き時間t4の間、イオン電流が流れ（図３（ｂ））、こ
れがイオン検出回路３４において検出される。イオン検
出回路３４では、この検出されるイオン電流に対応した
信号をその出力端子３４ａを介してＥＣＵ２０に出力す
るようになる。

【００２９】このように、本実施の形態においては、点
火コイル３２の一次巻線３２ａに流した一次電流Ｉ1 を
遮断する直前にＥＣＵ２０から切替信号Ｓを切替回路３
３に加えることにより、同一次巻線３２ａの巻線端を切
替え、一次電流として逆方向のバイアス電流Ｉb を流す
ようにしている。このため、点火コイル３２内での磁束
変化が加速され、放電終了までの時間（放電時間）t3は
短縮されるものの、二次巻線３２ｂを流れる放電電流の
ピーク値Ｉ2pは、図３（ｂ）に示すように増大されるよ
うになる。因みに、放電のエネルギは放電電流の大きさ
と放電時間との積に比例することが知られており、した
がってこの場合、放電時間は短縮されても二次巻線３２
ｂに誘起される電圧のエネルギすなわち放電エネルギの
低下を招くことはない。また、点火プラグ５における放
電時間が短縮されることで、放電電流とイオン電流との
重畳も好適に避けられるようになる。

【００３０】以上詳述したように、本実施の形態によれ
ば、以下に示す効果が得られるようになる。 ・放電時間t3が短縮されるため、放電電流とイオン電流
との重畳が避けられ、イオン電流波形の判別を容易にす
ることができる。

【００３１】・放電時間t3は短縮されるものの、放電電
流のピーク値Ｉ2pは増加することとなり、燃料（混合
気）を着火させるのに十分な放電エネルギを確保するこ
とができる。

【００３２】なお、本実施の形態は次のように変更する
こともできる。 ・上記実施の形態においては、切替回路３３を通じて一
次巻線３２ａの巻線端を切替えることにより同一次巻線
３２ａに逆バイアス電流を流す回路構造を採用したが、
一次巻線３２ａに逆バイアス電流を流すための構成はこ
れに限定されない。他に例えば、逆極性の電源を併用し
たり、コンデンサ等を備える充放電回路を併用するなど
して、同一次巻線３２ａに逆方向にバイアス電流を流す
ものであってもよい。

【００３３】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、点火コイル一
次巻線を流れる電流の遮断時、同コイル内での磁束変化
が加速され、その二次巻線に誘起される電圧のエネルギ
すなわち放電エネルギの低下を招くことなく、点火プラ
グにおける放電時間が短縮されるようになる。このた
め、イオン電流波形に対する放電電流波形の重畳も最小
限に抑制され、より高い精度で上記イオン電流の抽出を
行うことができるようになる。

【００３４】請求項２記載の発明では、点火コイル一次
巻線に対する逆方向バイアス電流の供給を極めて簡単な
回路によって実現することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン電流検出装置が適用されるエン
ジン及びその周辺装置の概要を示すブロック図。

【図２】イオン電流検出装置の一実施形態を示す回路
図。

【図３】同実施形態の動作態様を示すタイムチャート。

【図４】従来のイオン電流検出装置を示す回路図。

【図５】従来の装置の動作態様を示すタイムチャート。

【符号の説明】

５…点火プラグ、２０…ＥＣＵ、２１…イグナイタ、３
１…バッテリ、３２…点火コイル、３３…切替回路、３
４…イオン検出回路、３５…駆動回路、３６…パワート
ランジスタ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源に接続された点火コイル一次巻線を
   流れる電流の遮断によって点火コイル二次巻線に誘起さ
   れる電圧に基づき点火プラグを放電せしめ、放電後に同
   点火プラグ間に発生するイオン電流を抽出して同電流に
   対応した信号を出力するイオン電流検出装置において、 前記点火コイル一次巻線を流れる電流の遮断時、同点火
   コイル一次巻線に逆方向にバイアス電流を流す手段を備
   えたことを特徴とするイオン電流検出装置。
2. 【請求項２】 前記逆方向にバイアス電流を流す手段
   は、前記電源に対する前記点火コイル一次巻線の接続方
   向を切替える切替回路である請求項１記載のイオン電流
   検出装置。