JP6008189B2 - Ion current detection device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、自動車両に搭載される内燃機関の着火時期判定やその後の燃焼過程の制御のために燃焼状態を把握するべく、内燃機関の燃焼室内に突出的に設けた導電性のプローブと接地(一般に車両のシャシー・アース)との間に得られるイオン電流を検出する装置に関し、特に、ガソリンエンジンであっても通常の古典的なSI(Spark Ignition:火花点火)方式による燃料着火だけではなく、ディーゼルエンジンにおけると同様に、気筒(燃焼室)内での燃料圧縮による温度上昇によって化学反応を進行させ、圧縮上死点付近で圧縮された予混合気を自己着火させるHCCI(Homogeneous-Charge Compression Ignition:予混合圧縮点火)による燃焼方式も機関運転状況に応じて切り換え使用しようとする場合に、いずれの燃焼方式での運転時にも流用が可能な内燃機関用イオン電流検出装置を提供するに際しての改良に関する。 The present invention relates to a grounding probe and a conductive probe projectingly provided in a combustion chamber of an internal combustion engine in order to determine a combustion state for determining an ignition timing of an internal combustion engine mounted on a motor vehicle and controlling a combustion process thereafter. (In general, it is a device that detects the ionic current that is obtained between the vehicle and the earth). In particular, even in gasoline engines, not only fuel ignition by the usual SI (Spark Ignition) system As with diesel engines, HCCI (Homogeneous-Charge Compression), which causes a chemical reaction to proceed due to a temperature rise due to fuel compression in the cylinder (combustion chamber) and auto-ignites the premixed gas compressed near the compression top dead center Ignition: Pre-mixed compression ignition) Ion for internal combustion engines that can be used in either combustion mode when switching between combustion modes depending on engine operating conditions The present invention relates to an improvement in providing a current detection device.
従来からも、内燃機関の点火装置、特に上述のSI方式、すなわち内燃機関の燃焼室内の燃料への着火タイミングでスイッチング素子をオフとすることで点火コイルの一次電流を遮断し、当該点火コイルの二次側に高電圧を発生させ、この高電圧により燃焼室内に設けた点火プラグの放電ギャップに放電火花を飛ばすことで燃料に着火する点火装置においては、燃焼室内での燃料燃焼(爆発)に伴い当該燃焼室内に発生する陽イオンをイオン電流として流して検出することで、現在の燃焼状態をリアルタイムに判別し、例えば失火やノッキングの対策を採る等の技術が提案されている。 Conventionally, an ignition device for an internal combustion engine, particularly the SI system described above, that is, the switching element is turned off at the ignition timing of the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine to cut off the primary current of the ignition coil. In an ignition device that ignites fuel by generating a high voltage on the secondary side and blowing a discharge spark into the discharge gap of a spark plug provided in the combustion chamber by this high voltage, fuel combustion (explosion) in the combustion chamber Accordingly, a technique has been proposed in which the current combustion state is discriminated in real time by detecting the cation generated in the combustion chamber as an ionic current in real time, and measures such as misfire and knocking are taken.
そして、このための具体的なイオン電流検出装置としても、種々工夫が重ねられ、例えば下記特許文献1に認められるように、イオン電流検出用に専用の導電性プラグを設けるのではなく、点火プラグをイオン電流検出プローブとしても流用し、また、陽イオンをイオン電流として流して検出するために必要な電源も別途に設けるのではなく、点火プラグでの放電電流で充電されるコンデンサを当該放電電流経路に挿入して充電し、これをイオン検出用電源として利用するものがある。因みに、イオン電流はイオン電流検出プローブがどの位置にあっても、少なくとも相似の経時的検出波形プロファイルが得られることが分っている。それ故に、点火プラグをイオン電流検出プローブとして流用しても何等問題は生じない。 As a specific ion current detection device for this purpose, various ideas have been repeated. For example, as recognized in Patent Document 1 below, instead of providing a dedicated conductive plug for ion current detection, an ignition plug is used. Is also used as an ion current detection probe, and a capacitor that is charged by the discharge current at the spark plug is not provided separately to provide a power source necessary to detect and detect positive ions as ion current. Some batteries are inserted into a path and charged, and this is used as a power source for ion detection. Incidentally, it has been found that at least a similar temporal detection waveform profile can be obtained for the ion current regardless of the position of the ion current detection probe. Therefore, no problem occurs even if the spark plug is used as an ion current detection probe.
一方、近年では、SI方式に比し、より効率が良く、窒素酸化物等の排出も少ないHCCI方式により燃料着火を行うガソリンエンジンの提供が待望されている。しかし、HCCI方式では、そもそも燃料の自己着火によっての燃焼開始であるため、直接にその燃焼開始タイミング(SI方式での点火タイミングに相当)を外部から制御することはできない。そのため、HCCI方式ではましてや、上述のイオン電流検出によって燃焼状態を確実に把握することが重要、と言うよりも、略々必須の要件となってくる。 On the other hand, in recent years, there is a need to provide a gasoline engine that performs fuel ignition by the HCCI method, which is more efficient than the SI method and emits less nitrogen oxides. However, in the HCCI method, since combustion starts by self-ignition of the fuel, the combustion start timing (corresponding to the ignition timing in the SI method) cannot be directly controlled from the outside. For this reason, the HCCI method is a more essential requirement than the fact that it is important to reliably grasp the combustion state by the above-described ion current detection.
ところが、これを満たすためには、さらに二つの問題に就き考慮せねばならない。一つは、種々の運転状況を考えると、HCCI方式のみで全燃焼領域をカバーするガソリンエンジンの提供は難しいということである。SI方式も混在させ、車両運転状況に応じて切り換え使用するエンジンとする必要があるとされている。そして、これを甘受せねばならないとすると、二つ目の問題が生起する。 However, in order to satisfy this, two more problems must be taken into consideration. One is that it is difficult to provide a gasoline engine that covers the entire combustion area using only the HCCI system, considering various operating conditions. It is said that it is necessary to use an engine that can be switched according to the vehicle driving situation by mixing SI systems. And if you have to accept this, a second problem arises.
すなわち、燃焼開始にHCCI方式とSI方式を選択使用するガソリンエンジンが提供される場合にも、もちろん、イオン電流検出装置はSI、HCCIのいずれの燃焼方式でも流用できるものであることが望ましい。換言すれば、各方式専用に一つずつ組むことは、商品として市場に提供されることを思うと、おおよそ考えられない。しかし、燃焼室内における燃焼ガスの特性によって、HCCI方式時のイオン電流値はSI燃焼時に比べて極めて小さくなることが分っている。SI方式時には化学電離、熱電理に伴うイオン電流となるのに対し、HCCI方式時には略々化学電離にのみ支配されることがこうした電流レベル差の現れる要因の一つである。こうしたことから、同一のイオン電流検出回路の固定的な回路特性で両燃焼方式のいずれであっても同様の検出感度をもってイオン電流を検出することはできない。高感度な検出回路とすると、SI方式時には感度が高過ぎて測定不能になったり、逆にSI方式時に最適な感度の検出回路とすると、HCCI方式時には大幅な感度不足に陥り、やはり測定不能になるか、著しく精度が落ちたりする。従って、SI方式時とHCCI方式時とでイオン電流検出回路の回路特性をそれぞれに最適な特性(実質的には最適な実効検出感度)に切り換える手段が必要となる。実際、回路特性を切り換え得るイオン電流検出回路自体は既に従前から提案がある。 That is, even when a gasoline engine that selectively uses the HCCI method and the SI method for starting combustion is provided, of course, it is desirable that the ion current detection device can be used for both SI and HCCI combustion methods. In other words, it is almost impossible to assemble one for each system, considering that it will be offered to the market as a product. However, it is known that the ionic current value in the HCCI method is extremely smaller than that in SI combustion due to the characteristics of the combustion gas in the combustion chamber. One of the causes of this current level difference is that the ion current is associated with chemical ionization and thermoelectricity in the SI method, but is only governed by chemical ionization in the HCCI method. For this reason, the ion current cannot be detected with the same detection sensitivity regardless of which of the two combustion systems is used because of the fixed circuit characteristics of the same ion current detection circuit. If it is a high-sensitivity detection circuit, the sensitivity is too high for the SI method, making it impossible to measure, or conversely, if the detection circuit has the optimum sensitivity for the SI method, the sensitivity will be greatly insufficient for the HCCI method, making measurement impossible. Or the accuracy drops significantly. Therefore, a means for switching the circuit characteristics of the ion current detection circuit to the optimum characteristics (substantially the optimum effective detection sensitivity) for the SI method and the HCCI method is required. In fact, an ion current detection circuit itself capable of switching circuit characteristics has already been proposed.
しかし、何をもって今現在、SI方式であるのかHCCI方式であるのかを判断し、イオン電流検出回路に回路特性の切り換え指示を出すのかという点については、従前の提案には欠点が認められた。例えば、従前に提案されていた手法では、本発明実施形態を説明する際に用いる図1に仮想線で併記し、後に改めて説明するように、例えば車両搭載のエンジン制御ユニット(ECU:Engine Contorol Unit)から得られる外部信号で回路特性を切り換えるか、イオン電流検出回路の出力をフィードバックして、当該出力の大きさから、今、燃焼方式はどの方式にあるかを判断し、回路特性を切り換えていた。これはいずれも望ましいとは言えない。前者の場合には当該外部信号送信のための信号線路や端子等、別途な部材が増え、コスト的、スペース的に不利になってしまうし、後者の場合には、実際にその時に設定されている検出感度と得られた出力の大きさとの兼ね合いからの判断が必要なため、燃焼方式がいずれにあるかによっては誤判断を招く場合があった。 However, the previous proposal was found to be flawed in determining what is the current SI system or the HCCI system and issuing an instruction to switch the circuit characteristics to the ion current detection circuit. For example, in the method that has been proposed previously, for example, an engine control unit (ECU: Engine Control Unit) mounted on a vehicle is used as illustrated in FIG. ) To switch the circuit characteristics with an external signal obtained from), or to feed back the output of the ion current detection circuit, and from the magnitude of the output, determine which system is the combustion method and switch the circuit characteristics. It was. None of this is desirable. In the former case, additional members such as signal lines and terminals for external signal transmission are increased, which is disadvantageous in terms of cost and space. In the latter case, it is actually set at that time. Since it is necessary to make a judgment based on the balance between the detection sensitivity and the output level obtained, an erroneous judgment may be caused depending on which combustion method is used.
本発明は、この課題を解消するため、内燃機関における燃焼方式が今現在、SI方式なのかHCCI方式なのかを確実に判定し、イオン電流検出回路に正確に回路特性の切り換え指示を発することができると共に、既存の配線経路を利用することも可能な内燃機関用イオン電流検出装置を提供せんとするものである。 In order to solve this problem, the present invention can reliably determine whether the combustion method in the internal combustion engine is currently the SI method or the HCCI method, and issue an instruction to switch the circuit characteristics accurately to the ion current detection circuit. An ion current detection device for an internal combustion engine that can be used and can also use an existing wiring path is provided.
本発明は上記目的を達成するため、
内燃機関の燃焼室内の燃料への着火タイミングでスイッチング素子をオフとすることで点火コイルの一次電流を遮断し、当該点火コイルの二次側に高電圧を発生させ、この高電圧により燃焼室内に設けた点火プラグの放電ギャップに放電火花を飛ばすことで燃料に着火するSI方式と、放電火花を発生させることなく、燃料圧縮による温度上昇によって燃料を自己着火させるHCCI方式の両方式を選択して運転できる内燃機関用点火装置に組み付け得るイオン電流検出装置であって;
燃料燃焼後に燃焼室内に生じる陽イオンをイオン電流として流すために必要なイオン電流検出用電源として、SI方式での運転時には放電火花の生成に伴う放電電流で充電される一方、HCCI方式での運転時には、上記のスイッチング素子をDC-DCコンバータのスイッチング素子として所定の周波数でオン・オフさせ、点火コイルの二次側に放電火花を生じさせない電圧範囲の出力が生じるようにしながら点火コイルをDC-DCコンバータのスイッチングトランスとして利用し、これにより当該点火コイルの二次側に現れるパルス電圧出力を整流ダイオードによって整流したDC-DCコンバータ出力電流によって充電される電源コンデンサと;
上記のイオン電流を検出する際に、回路特性切換回路の発する指示信号を受け、SI方式時とHCCI方式時とでそれぞれの方式時においてイオン電流検出に適当な回路特性に切り換えることのできるイオン電流検出回路と;
を有し、上記の回路特性切換回路は、点火コイルの上記一次電流をオン・オフするスイッチング素子に印加されているオン・オフ信号の周波数を判定する周波数判定回路の判定結果により、現在SI方式での運転であるのかHCCI方式での運転であるのかを判定し、上記の指示信号を発すること;
を特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置を提案する。
In order to achieve the above object, the present invention
By turning off the switching element at the timing of ignition of fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine, the primary current of the ignition coil is cut off, and a high voltage is generated on the secondary side of the ignition coil. Select both the SI method that ignites the fuel by throwing a discharge spark in the discharge gap of the installed spark plug, and the HCCI method that self-ignites the fuel by the temperature rise due to fuel compression without generating a discharge spark. An ionic current detector that can be assembled into an internal combustion engine ignition device capable of operation;
As an ion current detection power source necessary for flowing positive ions generated in the combustion chamber after fuel combustion as an ion current, it is charged with the discharge current accompanying the generation of discharge sparks when operating with the SI method, while operating with the HCCI method Sometimes the above switching element is turned on and off at a predetermined frequency as a switching element of a DC-DC converter so that an output in a voltage range that does not cause a discharge spark on the secondary side of the ignition coil is generated. A power supply capacitor which is used as a switching transformer of a DC converter and is charged by a DC-DC converter output current obtained by rectifying a pulse voltage output appearing on the secondary side of the ignition coil by a rectifier diode;
When detecting the above ion current, the instruction signal issued by the circuit characteristic switching circuit is received, and the ion current can be switched to the circuit characteristics suitable for ion current detection in each of the SI method and HCCI methods. A detection circuit;
The circuit characteristic switching circuit has a current SI method according to a determination result of a frequency determination circuit that determines a frequency of an on / off signal applied to a switching element that turns on / off the primary current of the ignition coil. To determine whether the operation is in HCCI or HCCI, and issue the above instruction signal;
An ionic current detector for an internal combustion engine is proposed.
上記の基本構成を満たした上で、本発明ではまた、その下位構成として、上記のイオン電流検出回路が、イオン電流を電圧次元に変換するイオン電流検出用抵抗回路と、当該変換されたイオン電流検出電圧を増幅する増幅回路とを含み、回路特性切換回路の指示信号を受けてのイオン電流検出回路の回路特性の切り換えは、(a)上記電源コンデンサの充電電圧,(b)上記イオン電流検出用抵抗回路の回路定数,(c)上記増幅回路の増幅度,のいずれか一つ、またはいずれか二つ、あるいは全てを切り換えることでなされることを特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置も提案する。 In addition to satisfying the above basic configuration, in the present invention, as a subordinate configuration, the ion current detection circuit includes an ion current detection resistor circuit that converts the ion current into a voltage dimension, and the converted ion current. Switching of the circuit characteristics of the ion current detection circuit upon receiving an instruction signal from the circuit characteristics switching circuit includes (a) a charging voltage of the power supply capacitor, and (b) the ion current detection. An ion current detection device for an internal combustion engine, characterized in that it is made by switching any one, two, or all of the circuit constants of the resistor circuit for use, and (c) the amplification degree of the amplifier circuit. suggest.
さらに、本発明は、上記の下位構成におけるイオン電流検出装置において、電源コンデンサの充電電圧は、当該電源コンデンサに並列になったツェナ・ダイオード回路のツェナ電圧により制御し、上記の周波数判定回路によるSI方式での運転であるのかHCCI方式での運転であるのかの判定結果に応じ、回路特性切換回路が回路特性の一つとしての当該ツェナ電圧を切り換える指示信号を発する構成を提案する。 Further, according to the present invention, in the ion current detection device in the above-described subordinate configuration, the charging voltage of the power supply capacitor is controlled by the Zener voltage of the Zener diode circuit in parallel with the power supply capacitor, and the SI of the frequency determination circuit is used. A configuration is proposed in which the circuit characteristic switching circuit generates an instruction signal for switching the zener voltage as one of the circuit characteristics according to the determination result of whether the operation is based on the system or the HCCI system.
また、上記の抵抗回路の回路定数の切り換えに関しても、上記の周波数判定回路によるSI方式での運転であるのかHCCI方式での運転であるのかの判定結果に応じ、回路特性切換回路が上記回路特性の一つとしてのイオン電流の流れる経路の抵抗値を切り換える指示信号を発するように構成することも提案する。 In addition, regarding the switching of the circuit constants of the resistor circuit, the circuit characteristic switching circuit may be configured according to the determination result of whether the operation is performed in the SI method or the HCCI method using the frequency determination circuit. It is also proposed that an instruction signal for switching the resistance value of the path through which the ion current flows as one of the above is generated.
上記の増幅器に関しても、これを演算増幅器により構成し、上記の周波数判定回路によるSI方式での運転であるのかHCCI方式での運転であるのかの判定結果に応じ、回路特性切換回路が回路特性の一つとしての当該演算増幅器の帰還抵抗値を切り換えることで増幅度を切り換える指示信号を発する構成を提案する。 As for the above-mentioned amplifier, this is constituted by an operational amplifier, and the circuit characteristic switching circuit has a circuit characteristic according to the determination result of whether the operation is the SI method or the HCCI method by the frequency determination circuit. A configuration is proposed in which an instruction signal for switching the amplification degree is generated by switching the feedback resistance value of the operational amplifier as one.
本発明によると、SI方式時なのかHCCI方式時なのかの誤判定のおそれもなく、ECUでの燃焼方式切り換えのタイミングと完全に同期して、イオン電流検出回路のイオン電流検出に係る回路特性をSI方式時、HCCI方式時の各方式に適当な回路特性に自動的に切り換えることができ、また、外部からの切り換え信号を必要とせず、別途な配線や端子類も不要とし得るので、小型化、低コスト化を果たせる。 According to the present invention, there is no risk of misjudgment whether it is the SI method or the HCCI method, and the circuit characteristics relating to the ion current detection of the ion current detection circuit are completely synchronized with the timing of switching the combustion method in the ECU. Can be automatically switched to the appropriate circuit characteristics for each method of SI method and HCCI method, and no external switching signal is required, and no separate wiring or terminals can be required. And cost reduction.
図1には本発明の望ましい一実施形態における内燃機関用イオン電流検出装置の概略構成が示されている。 FIG. 1 shows a schematic configuration of an ion current detector for an internal combustion engine according to a preferred embodiment of the present invention.
本イオン電流検出装置の組込まれる内燃機関用点火装置は、SI方式での運転時には古典的な一次電流遮断式の放電点火装置として動作するように組まれた点火装置に組み付けることのできるもので、燃焼室内に配された点火プラグの放電ギャップgにて燃料着火用放電火花が飛ぶときの放電電流の経路中にイオン電流検出回路20を挿入して用いることができる。なお、SI方式での着火メカニズム、HCCI方式での着火メカニズム、そしてそれぞれの場合におけるイオン電流検出メカニズム自体は従前から公知となっているもので良く、本発明がこの基本メカニズムまでを変更するものではない。換言すれば、ここで述べる本発明イオン電流検出装置は、着火動作、及びイオン電流検出に係る主体部分であるイオン電流検出回路20の動作に関しては、類似の動作をなす図示以外の他の回路構成にも適用できる。
The ignition device for an internal combustion engine in which the present ion current detection device is incorporated can be assembled to an ignition device assembled so as to operate as a classic primary current interruption type discharge ignition device during operation in the SI system, The ion
図示の点火装置がまずは古典的なSI方式で動作する場合には、点火コイル10の一次巻線11において、図示しない車両搭載のバッテリVbに接続することで流れている一次電流が、これも図示しないが昨今の車両には略々必ず搭載されているECUからの点火信号Siによりスイッチング素子13がオフとなることで遮断されると、点火コイル二次巻線12に高電圧が発生し、燃焼室内に設けられている放電ギャップgを形成する一方の電極、図示の場合は通常シャシー・アースとなる方のグラウンド電極から放電ギャップg、点火コイル二次巻線12、ダイオード31、イオン電流検出回路20中のイオン電流検出用電源となるコンデンサ21(以下、単に電源コンデンサ)、順方向ダイオード25を介してグラウンドに戻る放電電流が流れ、これにより放電ギャップgに生じる点火火花で燃料(ガソリン)に着火し、燃料を燃焼(爆発)させる。そして、この時の放電電流により、上記の電源コンデンサ21が充電される。もっとも、このSI方式での燃焼時には、上述のダイオード31は放電電流に対し単に順方向に入ったダイオードとして挿入されているだけである。しかし、下記のHCCI方式での燃焼時には、点火コイル10をDC-DCコンバータのスイッチングトランスとして流用するために、このダイオード31は当該DC-DCコンバータの整流回路30中に備える整流ダイオード31として機能し、電源コンデンサ21を充電する。電源コンデンサ21とグラウンド間に挿入された放電電流に関しての順方向ダイオード25は、後述のように、イオン電流が流れるときには逆方向ダイオードとなって、後述するイオン電流検出用抵抗回路の方を確実に流れるようにするものであり、また、グラウンド側から見て順方向となるダイオード32は、この種の点火装置に通常設けられている通り、点火コイル二次巻線の励磁電流リセット用ダイオードである。
When the illustrated ignition device first operates in the classic SI system, the primary current flowing by connecting to the vehicle-mounted battery Vb (not shown) in the primary winding 11 of the
上述のSI方式時と異なり、HCCI方式での燃焼時には、当然のことながら、放電電流が流れないために、これにより電源コンデンサ21を充電することはできない。そこで、これは従来からも工夫されている通り、点火コイル10の一次電流をオン・オフするスイッチング素子13をDC-DCコンバータのスイッチング素子として所定の周波数でオン・オフさせ(図中、この駆動信号波形を記号Sdで示した)、上記点火コイルの二次側に上記放電火花を生じさせない電圧範囲(一般に数百ボルト程度)の電圧出力が生じるようにしながら当該点火コイル10をDC-DCコンバータのスイッチングトランスとして利用する。これにより当該点火コイル二次側には適度な電圧範囲のパルス電圧出力が現れるので、これを整流ダイオード31で整流して電源コンデンサ21を充電する。このとき、放電ギャップgは開放状態にあるが、点火コイル二次巻線間迄の配線経路中には浮遊容量も見込まれるため、十分な充電電荷流を確保できる。
Unlike the above-described SI method, when the combustion is performed in the HCCI method, naturally, since the discharge current does not flow, the
イオン電流検出回路のイオン電流検出に係る回路特性の一つとして、電源コンデンサ21の充電電圧をどの程度にするかということがあるが、これは、SI方式での燃焼時にはHCCI方式での燃焼時に必要なそれに比べ、相対的に低くて良い。既述のように、イオン電流値がHCCI方式時に得られるそれに比し、相対的にはかなり大きいからである。どちらか一方の方式用に充電電圧を固定してしまっては、他方の方式時に上手く行かない。そこで、SI方式での燃焼時には、電源コンデンサ21に充電電圧制御回路として一般にツェナ・ダイオード回路が並列に接続され、そのツェナ電圧がSI方式時には相対的に低くなるように、HCCI方式時には高くなるようにされる。
One of the circuit characteristics related to the ionic current detection of the ionic current detection circuit is how much the charging voltage of the
ツェナ・ダイオード回路の具体的な回路構成は種々あるが、例えば図示の場合にはツェナ・ダイオード回路は一対の直列なツェナ・ダイオードz1,z2から構成され、SI方式時には一方のツェナ・ダイオードz1のみが電源コンデンサ21に並列に入って充電電圧を相対的に低い電圧値に留めるように、回路特性切換回路40からの指示信号S1で接点C1が閉成することで他方のツェナ・ダイオードz2が短絡されるようになっている。逆に、HCCI方式時には接点C1が開放され、両ツェナ・ダイオードz1,z2が直列になった相対的に高いツェナ電圧にて電源コンデンサ21の充電電圧が高められるように制御される。接点C1は、後述の他の接点C2,C3に就いても同様のことが言えるが、リレー等の電気機械的接点であっても良いし、半導体スイッチング素子を利用してのソリッドステートな接点であっても良い。
Although there are various specific circuit configurations of the Zener diode circuit, for example, in the case shown in the figure, the Zener diode circuit is composed of a pair of Zener diodes z1 and z2, and only one Zener diode z1 is used in the SI system. Is connected in parallel with the
別な見方をすると、回路特性の一つとしての電源コンデンサ21の充電電圧を切り換えると言うことは、実質的にSI方式時とHCCI方式時とでイオン電流検出回路20の“実効検出感度”を切り換えていることにもなる。つまり、実効感度切換手段である回路特性切換手段の一つの具体例が、この場合はツェナ・ダイオードz1,z2で構成された電源コンデンサ21の充電電圧切換手段であるとも言える。なお、充電電圧制御回路をこのようにツェナ・ダイオードz1,z2を利用して組む場合にも、それらを直列にするのではなく、ツェナ電圧が互いに高低に異なるものを並列に設けて、接点切り換えにより、SI方式時には低いツェナ電圧の方を、HCCI方式時には高いツェナ電圧の方を選択するように構成しても良いし、それぞれのツェナ・ダイオードz1,z2が実際には複数のツェナ・ダイオードから構成されていても良い。
From another viewpoint, switching the charging voltage of the
上述のようにして、SI方式時にもHCCI方式時にも電源コンデンサ21が十分な電源電圧にまで充電されていれば、既述のように、燃焼に伴い燃焼室内に陽イオンが発生すると、電源コンデンサ21の当該電源電圧により放電電流とは逆方向にイオン電流が流れる。そしてこのイオン電流は図示の場合、ダイオード22を介し、一方がやはり接点C2により選択的に短絡される一対の直列な抵抗器R1,R2から成る抵抗回路中を流れ、バイパス抵抗器33を介して点火コイル二次巻線12側に流れて行くので、これに伴い、図示構成の場合には演算増幅器により構成されている増幅回路23の入力インピーダンスとの分圧回路の回路定数に応じてイオン電流は電圧次元に変換、検出される。
As described above, if the
ここで、SI方式での燃焼時にはHCCI方式での燃焼時に必要なそれに比べ、イオン電流はかなり大きいので、このイオン電流経路に直列に入った抵抗回路の抵抗値は相対的に小さくて良いため、SI方式での燃焼時には、やはりイオン電流検出回路20のイオン電流検出に係る回路特性の一つとしての当該抵抗回路の回路定数、この場合は抵抗値は相対的に小さくなるように切り換えられる。
Here, the ionic current is considerably larger when burning in the SI method than that required when burning in the HCCI method, so the resistance value of the resistance circuit in series in this ionic current path may be relatively small, At the time of combustion in the SI system, the circuit constant of the resistance circuit as one of the circuit characteristics related to the ion current detection of the ion
この抵抗回路の構成も種々考えられるが、図示の場合のように、一対の抵抗器R1,R2から構成した場合には、SI方式時にはその一方R1のみがイオン電流経路に直列に入って抵抗値を相対的に小さくするように、回路特性切換回路40からの指示信号S2により他方の抵抗器R2は接点C2が閉成することで短絡されるようになっている。逆にHCCI方式時には接点C2は開放され、一対の抵抗器R1,R2の加算抵抗値が選択され、電圧次元に変換されるイオン電流検出信号の値を十分な値に保つべくされる。先と同様に、一対の抵抗器R1,R2により抵抗回路を組む場合にも、それらを抵抗値が大小に異なるものを並列に設けて、接点切り換えにより、SI方式時には低い抵抗値の方を、HCCI方式時には高い抵抗値の方を選択するように構成しても良いし、それぞれの抵抗器R1,R2が実際には複数の抵抗器から構成されていても良い。
Various configurations of this resistance circuit are also conceivable, but as shown in the figure, when configured from a pair of resistors R1 and R2, only one of the resistors R1 enters the ion current path in series during the SI system, and the resistance value The other resistor R2 is short-circuited by closing the contact C2 by the instruction signal S2 from the circuit
いずれにしても、イオン電流検出用抵抗回路(R1,R2)の回路定数を切り換えると言うこともまた、実質的にSI方式時とHCCI方式時とでイオン電流検出回路20の“実効検出感度”を切り換えていることにもなる。つまり、実効感度切換手段でもある回路特性切換手段のもう一つの具体例が、抵抗回路の抵抗値切換手段であるということになる。
In any case, switching the circuit constants of the ion current detection resistor circuit (R1, R2) also means that the “effective detection sensitivity” of the ion
抵抗回路により電圧次元に変換されたイオン電流検出電圧は増幅回路23により増幅されて出力され、図示しないECU等に与えられて燃焼状態の把握に用いられるが、SI方式時におけると同様、HCCI方式時における場合にも十分な出力となるようにするためには、その増幅度を大小間で切り換えるのがよい。もちろん、HCCI方式時には大きな増幅度が必要になる。図示の場合には、増幅回路23は演算増幅器により構成され、その増幅度を決める帰還抵抗値が回路特性切換回路40からの指示信号S3により切り換えられるように構成されている。
The ion current detection voltage converted into the voltage dimension by the resistor circuit is amplified and output by the
図示の場合、当該帰還抵抗回路は互いに並列になった一対の抵抗器R3,R4により構成され、SI方式時には過度な出力電圧とならないように相対的に増幅度を下げるために、回路特性切換回路40からの指示信号S3により接点C3が閉成され、抵抗器R3,R4の合成並列抵抗値で相対的に帰還抵抗値を小さくし、相対的に増幅度を下げ、逆にHCCI方式時には接点C3が開放されて抵抗器R4のみで帰還抵抗回路を構成させ、増幅度を高めるようにされている。ここでも先と同様に、一対の抵抗器R3,R4により抵抗回路を組む場合にも、それらを抵抗値が大小に異なるものを並列に設けて、接点切り換えにより、SI方式時には低い抵抗値の方を、HCCI方式時には高い抵抗値の方を選択するように構成しても良いし、それぞれの抵抗器R1,R2が実際には複数の抵抗器から構成されていても良い。 In the case of the figure, the feedback resistor circuit is composed of a pair of resistors R3 and R4 in parallel with each other, and in order to lower the amplification relatively so as not to produce an excessive output voltage in the SI system, a circuit characteristic switching circuit The contact C3 is closed by the instruction signal S3 from 40, the feedback resistance value is relatively reduced by the combined parallel resistance value of the resistors R3 and R4, the amplification degree is relatively lowered, and conversely, the contact C3 is used in the HCCI method. Is opened, and a feedback resistor circuit is configured only by the resistor R4 to increase the amplification degree. Here, as before, when a resistor circuit is assembled with a pair of resistors R3 and R4, those with different resistance values are provided in parallel, and the lower resistance value is used during SI mode by switching contacts. In the HCCI method, a higher resistance value may be selected, or each of the resistors R1 and R2 may actually be composed of a plurality of resistors.
ここでも、イオン電流検出回路20にあってイオン電流検出に係る回路特性の一つとしての増幅回路の増幅度を切り換えると言うことはまた、実質的にSI方式時とHCCI方式時とでイオン電流検出回路20の“実効検出感度”を切り換えていることでもある。
Here again, switching the amplification degree of the amplification circuit as one of the circuit characteristics related to the ion current detection in the ion
こうしたことから、上述してきた所では、実効的にイオン電流検出感度を切り換える回路特性切換手段については三つが示された。(a) 電源コンデンサ21の充電電圧を切り換えるか、(b) イオン電流検出用抵抗回路の回路定数を切り換えるか、(c) 増幅回路の増幅度を切り換えるかの三つである。しかし実際には、これらの手段(a),(b),(c)を全て必ず用いねばならないという制約はない。どれか一つ、またはいずれか二つのみであっても良い場合がある。本発明はそうした場合も含んでいる。さらに、他の回路特性切換手段が構成できるならば、そのような場合にも、本発明構成は適用することができる。要するに、イオン電流を検出する際に、回路特性切換回路40の発する指示信号(S1,S2,S3)を受けてSI方式時とHCCI方式時とでそれぞれに適当な回路特性に切り換えることのできるイオン電流検出回路があるならば、その回路特性の切り換え判断のための本発明構成、特に下記に述べるその時々の燃焼方式判定のための構成はそうしたイオン電流検出回路にも等しく適用できると言うことである。
For these reasons, in the above-described place, three circuit characteristic switching means for effectively switching the ion current detection sensitivity have been shown. There are three types: (a) switching the charging voltage of the
本発明で特に着目しているのは、回路特性切換回路40が、如何なる情報に基づいて切換のための指示信号(S1,S2,S3)を発するかである。本発明に至る以前で考えられた手法は、先に少し触れたが、図1中に仮想線で示すように、まず一つには、車両搭載のエンジン制御ユニット(ECU:Engine Contorol Unit)から外部信号Stを回路特性切換回路40に与え、これにより回路特性の切換指示(切換信号S1〜S3)を発せさせる手法である。しかし、これでは外部信号Stの送信のための信号線路や端子等、別途な部材が増え、コスト的、スペース的に不利になってしまう。
The particular focus of the present invention is on what information the circuit
また、イオン電流検出回路20の出力、この場合は演算増幅器23の出力の一部をフィードバックして、レベル判定回路70でその時々の当該出力の大きさから、今、燃焼方式はどの方式にあるかを判断し、回路特性切換回路40に切換信号送出指令を出す手法も提案されていた。この構成にすれば、外部からの信号用に別途配線や端子は必要なく、点火装置周りやイオン電流検出回路と一体のモジュール化もできるため、低コスト、小型化が可能となりはするが、イオン電流検出出力そのものによって判断しているために、燃焼状態によっては実際の燃焼方式と回路設定の間にズレが生じて正確な燃焼制御を行えないおそれが高かった。
In addition, the output of the ion
そこで、本発明では、点火コイル10の一次電流を選択的に遮断するスイッチング素子13に印加される駆動信号の周波数に着目した。すなわち、電流遮断型点火装置として機能すべきSI方式時には、当該スイッチング素子13に印加される点火信号Siとしてのオン・オフ信号はせいぜい最高でも数百Hzにしかならないのに対し、HCCI方式時に点火コイル10をDC-DCコンバータのスイッチングトランスとして利用する場合には、その一次電流を断続するためにスイッチング素子13に印加される駆動信号Sdの周波数は通常、数KHzから数十KHzと、SI方式時とは大きく異なる周波数となる。
Therefore, the present invention focuses on the frequency of the drive signal applied to the switching element 13 that selectively cuts off the primary current of the
この知見に基づき、本発明ではスイッチング素子13に印加されているオン・オフ信号の周波数を判定する周波数判定回路50を設け、その判定結果により、回路特性切換回路40からSI方式であるならばそれに適した回路特性に、HCCI方式であるならばやはりそれに適した回路特性になるように、切り換えのための指示信号(S1,S2,S3)を発するようにした。周波数がSI方式時とHCCI方式時とでこれだけ異なっていれば、その時々の燃焼方式がいずれであるのかに関し、まず誤判定のおそれはない。
Based on this knowledge, the present invention provides a
また、当該周波数判定回路50は実際の装置構成上は周辺モジュールと一体化でき、別途な配線や端子類は不要となって小型化、低コスト化を果たせるし、ECUでの燃焼切り換えのタイミングと完全に同期してイオン電流検出回路の特性を自動的にその時々で望ましい特性に切り換えることができる。
In addition, the
以上、本発明装置の望ましい実施形態例につき説明したが、本発明の要旨構成に即する限り、任意の改変は自由である。 The preferred embodiment of the apparatus of the present invention has been described above. However, any modification is free as long as it conforms to the gist of the present invention.
10 点火コイル
11 点火コイル一次巻線
12 点火コイル二次巻線源
13 スイッチング素子
20 イオン電流検出回路
21 電源コンデンサ
23 増幅回路(演算増幅器)
30 整流回路
31 整流ダイオード
40 回路特性切換回路
50 周波数判定回路
g 放電ギャップ
z1,z2 ツェナ・ダイオード
R1,R2,R3,R4 抵抗器
S1,S2,S3 回路特性切り換えのための指示信号
C1,C2,C3 接点
Si 点火信号
Sd DC-DCコンバータ駆動信号
10 Ignition coil
11 Ignition coil primary winding
12 Ignition coil secondary winding source
13 Switching element
20 Ion current detection circuit
21 Power supply capacitor
23 Amplifier circuit (operational amplifier)
30 Rectifier circuit
31 Rectifier diode
40 Circuit characteristics switching circuit
50 Frequency judgment circuit g Discharge gap
z1, z2 Zener diode
R1, R2, R3, R4 resistors
S1, S2, S3 Instruction signal for switching circuit characteristics
C1, C2, C3 contact
Si ignition signal
Sd DC-DC converter drive signal
Claims (5)
燃料燃焼後に上記燃焼室内に生じる陽イオンをイオン電流として流すために必要なイオン電流検出用電源として、上記SI方式での運転時には上記放電火花の生成に伴う放電電流で充電される一方、上記HCCI方式での運転時には、上記スイッチング素子をDC-DCコンバータのスイッチング素子として所定の周波数でオン・オフさせ、上記点火コイルの二次側に該放電火花を生じさせない電圧範囲の出力が生じるようにしながら該点火コイルをDC-DCコンバータのスイッチングトランスとして利用し、これにより該点火コイルの二次側に現れるパルス電圧出力を整流ダイオードによって整流したDC-DCコンバータ出力電流によって充電される電源コンデンサと;
上記イオン電流を検出する際に、回路特性切換回路の発する指示信号を受け、上記SI方式時と上記HCCI方式時とでそれぞれの方式時においてイオン電流検出に適当な回路特性に切り換えることのできるイオン電流検出回路と;
を有し、上記回路特性切換回路は、上記点火コイルの一次電流をオン・オフする上記スイッチング素子に印加されているオン・オフ信号の周波数を判定する周波数判定回路の判定結果により、現在、上記SI方式での運転であるのか上記HCCI方式での運転であるのかを判定し、上記指示信号を発すること;
を特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。 By turning off the switching element at the timing of ignition of the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine, the primary current of the ignition coil is cut off, a high voltage is generated on the secondary side of the ignition coil, and the high voltage causes the combustion chamber to Select both the SI method that ignites the fuel by blowing a discharge spark in the discharge gap of the spark plug provided in the HCCI method that self-ignites the fuel by the temperature rise due to fuel compression without generating the discharge spark An ionic current detection device that can be assembled to an internal combustion engine ignition device that can be operated as
As an ion current detection power source necessary for flowing positive ions generated in the combustion chamber after fuel combustion as an ion current, the HCCI is charged with the discharge current accompanying the generation of the discharge spark when operating in the SI system. During operation in the system, the switching element is turned on / off at a predetermined frequency as a switching element of a DC-DC converter, and an output in a voltage range that does not cause the discharge spark is generated on the secondary side of the ignition coil. A power supply capacitor charged by a DC-DC converter output current obtained by using the ignition coil as a switching transformer of a DC-DC converter, thereby rectifying a pulse voltage output appearing on the secondary side of the ignition coil by a rectifier diode;
When detecting the ion current, the instruction signal generated by the circuit characteristic switching circuit is received, and the ion can be switched to a circuit characteristic suitable for ion current detection in each of the SI method and the HCCI method. A current detection circuit;
The circuit characteristic switching circuit is currently based on a determination result of a frequency determination circuit that determines a frequency of an on / off signal applied to the switching element that turns on and off a primary current of the ignition coil. Determine whether the operation is in SI mode or the HCCI mode and issue the instruction signal;
An ionic current detection device for an internal combustion engine.
上記イオン電流検出回路が、上記イオン電流を電圧次元に変換するイオン電流検出用抵抗回路と、該変換されたイオン電流検出電圧を増幅する増幅回路とを含み、上記回路特性切換回路の上記指示信号を受けての上記イオン電流検出回路の上記回路特性の切り換えは、(a)上記電源コンデンサの充電電圧,(b)上記イオン電流検出用抵抗回路の回路定数,(c)上記増幅回路の増幅度,のいずれか一つ、またはいずれか二つ、あるいは全てを切り換えることでなされること;
を特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。 An ion current detection device for an internal combustion engine according to claim 1,
The ion current detection circuit includes an ion current detection resistor circuit that converts the ion current into a voltage dimension and an amplification circuit that amplifies the converted ion current detection voltage, and the instruction signal of the circuit characteristic switching circuit The switching of the circuit characteristics of the ion current detection circuit in response to (a) the charging voltage of the power supply capacitor, (b) the circuit constant of the resistance circuit for ion current detection, and (c) the amplification degree of the amplification circuit , Any one, two, or all by switching between them;
An ionic current detection device for an internal combustion engine.
上記電源コンデンサの充電電圧は、該電源コンデンサに並列なツェナ・ダイオード回路のツェナ電圧により制御し、上記周波数判定回路による上記SI方式での運転であるのか上記HCCI方式での運転であるのかの上記判定結果に応じ、上記回路特性切換回路が上記回路特性の一つとしての該ツェナ電圧を切り換える上記指示信号を発すること;
を特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。 An ion current detection device for an internal combustion engine according to claim 2;
The charging voltage of the power supply capacitor is controlled by a Zener voltage of a Zener diode circuit in parallel with the power supply capacitor, and the operation of the SI method or the operation of the HCCI method is performed by the frequency determination circuit. The circuit characteristic switching circuit issues the instruction signal for switching the zener voltage as one of the circuit characteristics in accordance with a determination result;
An ionic current detection device for an internal combustion engine.
上記の周波数判定回路による上記SI方式での運転であるのか上記HCCI方式での運転であるのかの上記判定結果に応じ、上記回路特性切換回路が上記回路特性の一つとしての上記イオン電流の流れる経路の抵抗値を切り換える指示信号を発すること;
を特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。 An ion current detection device for an internal combustion engine according to claim 2;
The circuit characteristic switching circuit causes the ion current to flow as one of the circuit characteristics according to the determination result of whether the operation is performed in the SI method or the operation in the HCCI method by the frequency determination circuit. Issuing an instruction signal for switching the resistance value of the path;
An ionic current detection device for an internal combustion engine.
上記増幅器を演算増幅器により構成し、上記周波数判定回路による上記SI方式での運転であるのか上記HCCI方式での運転であるのかの上記判定結果に応じ、上記回路特性切換回路が上記回路特性の一つとしての該演算増幅器の帰還抵抗値を切り換えることで増幅度を切り換える指示信号を発すること;
を特徴とする内燃機関用イオン電流検出装置。 An ion current detection device for an internal combustion engine according to claim 2;
The amplifier is configured by an operational amplifier, and the circuit characteristic switching circuit has one of the circuit characteristics according to the determination result of whether the operation is the SI method or the HCCI method by the frequency determination circuit. Generating an instruction signal for switching the amplification degree by switching the feedback resistance value of the operational amplifier as one;
An ionic current detection device for an internal combustion engine.
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