JP2009215953A

JP2009215953A - 内燃機関の点火制御装置

Info

Publication number: JP2009215953A
Application number: JP2008059963A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Imai; 康人今井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: JP5035037B2

Abstract

【課題】内燃機関の点火制御装置において、次点火に必ず間に合う点火を実現する技術を提供する。
【解決手段】バッテリ２に接続され、バッテリ２からの直流電圧ＶＢを昇圧若しくは降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬで充電されるコンデンサ４と、コンデンサ４の一方の端子に一端が接続された１次巻線５１及び点火プラグ８に接続された２次巻線５２を有するトランス５と、１次巻線５１の他端に接続され、１次巻線５１の通電を断続するスイッチ素子６と、を備え、点火プラグ８の次点火までに間に合うようにスイッチ素子６を用いて１次巻線５１の通電時間を制御すると共にＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧を昇降して１次巻線５１の電圧を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火制御装置に関する。

内燃機関の点火制御装置において、直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータとトランスとを備え、トランスの１次巻線の電流スイッチとしてトランジスタへ信号を送る技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。内燃機関の点火制御装置において、バッテリ電圧が低い時はＤＣ−ＤＣコンバータ通電時間を長くし、バッテリ電圧が高い時はＤＣ−ＤＣコンバータ通電時間を短くして、バッテリ電圧の影響を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。内燃機関の点火制御装置において、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が低いときは１次巻線に流れる電流を制御し、電源電圧低下時の始動性を向上する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。１次巻線用のＤＣ−ＤＣコンバータと２次巻線用のＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた点火制御装置において、多重点火の間は１次巻線の通電を短い周期で断続させる技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平１１−１５３０７９号公報特開平４−３３０３７９号公報特開平１０−８９２１０号公報特開２００６−６３９７３号公報

ところで内燃機関での点火プラグの点火は、トランスの１次巻線へ一定時間通電した後に１次巻線への通電を遮断した際のトランスの２次巻線に発生した電圧による火花点火である。ここで１次巻線の通電時間は、点火に必要な蓄電をするために十分な時間が要求される。特に１次巻線の電圧を一意にバッテリ電圧で定めている点火制御装置では、バッテリの電圧状態によっては１次巻線の通電時間を長くする必要が生じる。１次巻線の通電時間が長くなる場合には、多重点火等の精密な点火制御を行う際に問題となり、次点火に間に合わない場合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の点火制御装置において、次点火に必ず間に合う点火を実現する技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
直流電源に接続され、前記直流電源からの直流電圧を昇圧若しくは降圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧で充電されるコンデンサと、
前記コンデンサの一方の端子に一端が接続された１次巻線及び点火プラグに接続された２次巻線を有するトランスと、
前記１次巻線の他端に接続され、前記１次巻線の通電を断続するスイッチ手段と、
前記点火プラグの次点火までに間に合うように前記スイッチ手段を用いて前記１次巻線の通電時間を制御すると共に前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を昇降して前記１次巻線の電圧を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の点火制御装置である。

本発明によると、内燃機関での点火プラグの点火は、まずスイッチ手段がオンになり、直流電源の直流電圧がＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧若しくは降圧等され、コンデンサとトランスの１次巻線とが通電され蓄電される。その後、スイッチ手段がオフになり、１次巻線の通電を遮断した際に、蓄電された電力が放電され１次巻線を放電電流が流れ、これと同時にトランスの２次巻線に発生する電圧によって点火プラグの火花点火が行われる。ここでスイッチ手段がオンになり、１次巻線に蓄電される電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧若しくは降圧等されたＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と１次巻線の通電時間に応じる。そして本発明では、点火プラグの次点火までに間に合うようにスイッチ手段を用いて１次巻線の通電時間を制御すると共にＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を昇降して１次巻線の電圧を制御する。このため点火に必要な蓄電をするために必要な１次巻線の通電時間が点火プラグの次点火までに間に合うように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を昇降できる。例えばバッテリの電圧状態が低電圧の場合であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を昇圧すればスイッチ手段を用いた１次巻線の通電時間を長くしなくて済む。したがって１次巻線への通電時間は点火プラグの次点火までに必ず間に合う時間に設定でき、多重点火等の精密な点火制御を行う際でも、次点火に必ず間に合う点火を実現できる。

前記制御手段は、前記１次巻線の通電時間と前記１次巻線の電圧との相関関係を示すマップを格納しており、前記直流電源の電圧と要求点火クランク角度とから前記１次巻線の通電時間を算出し、当該算出した通電時間で通電したときに前記点火プラグの次点火への次回通電開始が間に合うかどうか計算し、次回通電開始が間に合う場合には、前記算出した通電時間となるよう前記スイッチ手段を用いて通電する、若しくは、次回通電開始が間に合う範囲で前記算出した通電時間よりも通電時間を長くするよう前記スイッチ手段を用いて通電し且つ前記マップから当該長くした通電時間に対する前記１次巻線の降圧すべき電圧を算出して前記１次巻線の電圧が当該降圧すべき電圧となるよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を降圧し、次回通電開始が間に合わない場合には、次回通電開始が間に合うように前記算出した通電時間よりも通電時間を短くするよう前記スイッチ手段を用いて通電し且つ前記マップから当該短くした通電時間に対する前記１次巻線の昇圧すべき電圧を算出して前記１次巻線の電圧が当該昇圧すべき電圧となるよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を昇圧するとよい。

本発明によると、次回通電開始に間に合うようにスイッチ手段を用いた通電時間及びＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を設定でき、次点火に必ず間に合う点火を実現できる。

前記制御手段は、前記１次巻線の前記降圧すべき電圧に対して下限を定めると共に前記昇圧すべき電圧に対して上限を定めるとよい。

本発明によると、１次巻線の電圧を過度に降圧や昇圧してしまい、制御性や部品品質に問題を生じさせることを防止できる。

本発明によると、内燃機関の点火制御装置において、次点火に必ず間に合う点火を実現できる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の点火制御装置を適用する点火制御装置１の概略回路構成を示す図である。図１において、直流電圧ＶＢを出力する定格１２Ｖの直流電源であるバッテリ２の正極は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３及びコンデンサ４を介してトランス（イ
グニッションコイル）５の１次巻線５１の一端に接続されている。バッテリ２の負極は、コンデンサ４側でアースされている。１次巻線５１の他端は、スイッチ素子６を介してアースされている。バッテリ２の正極には、バッテリ電圧センサ７が接続されている。バッテリ電圧センサ７は、制御部１０に接続されており、バッテリ２の直流電圧ＶＢを検出し当該直流電圧ＶＢの値を制御部１０に出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３及びコンデンサ４は、バッテリ２と１次巻線５１との間に夫々並列接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、制御部１０に接続されており、制御部１０からのスイッチング指令Ｓ２によりバッテリ２からの直流電圧ＶＢを昇圧若しくは降圧して出力電圧ＶＬで出力可能である。また前回の出力電圧（ここではＶＬと区別するためＶＬ’とする）を制御部１０に入力する。コンデンサ４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬで充電される。

スイッチ素子６は、例えばトランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等が用いられ、制御部１０に接続されており、制御部１０からの通電信号Ｓ１により１次巻線５１の通電を断続する。本実施例のスイッチ素子６が、本発明のスイッチ手段に相当する。

一方、トランス５の２次巻線５２は、一端がアースされており、他端が点火プラグ８に接続されている。２次巻線５２の巻数は、１次巻線５１の巻数よりも多く、２次巻線５２には電圧ＶＬ２が発生する。

図２は、制御部１０の概略構成を示す図である。図２において、制御部１０は、点火制御部１１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２と、から構成される。点火制御部１１は、例えばＦＥＩ−ＥＣＵで構成される。ＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２は、例えば外付けマイコン、マイコン内ＩＣ、マイコンソフト等で構成される。本実施例の制御部１０が本発明の制御手段に相当する。

点火制御部１１には、バッテリ２からの直流電圧ＶＢと、要求点火クランク角度ＣＡとが入力される。そしてこれらの入力信号から、点火制御部１１は、１次巻線５１の通電時間及びＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）を算出する。そして点火制御部１１は、算出した１次巻線５１の通電時間に基づいて、スイッチ素子６に通電信号Ｓ１を出力する。これにより点火制御部１１がスイッチ素子６を用いて１次巻線５１の通電時間を制御する。また点火制御部１１は、算出したＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）をＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２に出力する。

図３は、点火制御部１１の１次巻線５１の通電時間及びＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）を算出する算出フローを示すフローチャートである。ここで点火制御部１１は、予め１次巻線５１の電圧と１次巻線５１の通電時間との相関関係を示すマップを格納している。

図３においてまず点火制御部１１は、ステップＳ１０１において、バッテリ２からの直流電圧ＶＢと要求点火クランク角度ＣＡとから直流電圧ＶＢの場合に必要な１次巻線５１の通電時間Ｔ１を算出する。

ステップＳ１０２において、算出した通電時間Ｔ１で通電したときに点火プラグ８の次点火への次回通電開始が間に合うかどうか計算し判別する。具体的には、算出した通電時間Ｔ１から求まる「今回通電終了時刻」＋「放電最小確保時間」が「次回通電開始時刻」よりも早い場合に次回通電開始が間に合うと判断し、それよりも遅い場合に次回通電開始が間に合わないと判断する。次回通電開始が間に合うと肯定判定された場合には、ステッ
プＳ１０３へ移行する。次回通電開始が間に合わないと否定判定された場合には、ステップＳ１０４へ移行する。

次回通電開始が間に合うステップＳ１０３において、算出した通電時間Ｔ１となるようスイッチ素子６に通電信号Ｓ１を出力する。このときＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）は昇圧も降圧も必要の無いバッテリ２からの直流電圧ＶＢ（＝１２Ｖ）にするので、直流電圧ＶＢ相当のＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）をＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２に出力する。

なおステップＳ１０３において、次回通電開始までかなり余裕があるとき等は、先の場合に代えて、次回通電開始が間に合う範囲で算出した通電時間Ｔ１よりも通電時間を長くする（通電時間Ｔ２とする）ようスイッチ素子６に通電信号Ｓ１を出力してもよい。このときＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）として、マップから当該長くした通電時間Ｔ２に対する１次巻線５１の降圧すべき電圧（１２Ｖ以下）を算出する。そして１次巻線５１の電圧が当該降圧すべき電圧となるようＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬを降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）をＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２に出力する。

一方、次回通電開始が間に合わないステップＳ１０４において、次回通電開始が間に合うように、算出した通電時間Ｔ１よりも通電時間を短くする（通電時間Ｔ３とする）ようスイッチ素子６に通電信号Ｓ１を出力する。このときＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）として、マップから当該短くした通電時間Ｔ３に対する１次巻線５１の昇圧すべき電圧（１２Ｖ以上）を算出する。そして１次巻線５１の電圧が当該昇圧すべき電圧となるようＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬを昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）をＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２に出力する。

なお通電時間Ｔ３は、次回通電開始が間に合うように、今回の「放電最小確保時間」の後から「次回通電開始時刻」までに一定時間の「余裕時間」を設けて算出される。この「余裕時間」はソフト処理負荷状態や他の制御状態に応じて可変にしてもよい。

またステップＳ１０３やステップＳ１０４において算出されたＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）は、上限下限のリミットを設けるとよい。すなわち、１次巻線５１の降圧すべき電圧に対して下限を定めると共に１次巻線５１の昇圧すべき電圧に対して上限を定めるとよい。これによると、１次巻線５１の電圧を過度に降圧や昇圧してしまい、制御性や部品品質に問題を生じさせることを防止できる。このリミットの値は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の素子等の各部品の温度、イグナイタコイルの温度等によって、リミットを設けずに算出されたＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）のままでリミットをオーバーすると、制御性や部品品質に問題を生じさせる値とするとよい。

図２に戻りＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２には、前回からのＤＣ−ＤＣコンバータ３からの出力電圧ＶＬ’と、点火制御部１１で算出されたＤＣ−ＤＣコンバータ３の必要電圧（ＶＬ指令）とが入力される。そしてこれらの入力信号に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２は、出力電圧ＶＬが必要電圧（ＶＬ指令）に一致するようにＤＣ−ＤＣコンバータ３の今回必要な出力電圧ＶＬを出力するためのスイッチング指令Ｓ２をＤＣ−ＤＣコンバータ３に出力しその出力を見ながらフィードバック制御する。これによりＤＣ−ＤＣコンバータ制御部１２がＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬを昇降して１次巻線５１の電圧を制御する。

以上により次回通電開始に間に合うようにスイッチ素子６に入力する通電信号Ｓ１の通電時間及びＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬを設定できる。

以上のように構成された点火制御装置１において、内燃機関での点火プラグ８の点火は、まずスイッチ素子６がオンになり、バッテリ２の直流電圧ＶＢがＤＣ−ＤＣコンバータ３で昇圧若しくは降圧等され、バッテリ２に並列に接続されたコンデンサ４とトランス５の１次巻線５１とが通電されスイッチ素子６がオンになっている通電時間分蓄電される。その後、スイッチ素子６がオフになり、１次巻線５１の通電を遮断した際に、蓄電された電力が放電され１次巻線５１を放電電流が流れ、これと同時にトランス５の２次巻線５２に発生する電圧ＶＬ２によって点火プラグ８の火花点火が行われる。

ここでスイッチ素子６がオンになり、１次巻線５１に蓄電される電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３で昇圧若しくは降圧等されたＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬと１次巻線５１の通電時間に応じる。

これに対し従来技術では、トランスの１次巻線に蓄電される電力は１次巻線の通電時間でしか制御しておらず、１次巻線の電圧はバッテリの電圧で一意に決まっていた。このため１次巻線の通電時間は、点火に必要な蓄電をするために十分な時間が要求される。すると１次巻線の通電時間が長い場合に、消費電流量が多くなってしまう場合があった。また図４に示すようにバッテリの電圧状態が低電圧の場合に、多重点火等の精密な点火制御を行う際に次点火が間に合わず点火抜けが発生する場合があった。

本実施例では、点火プラグ８の次点火までに間に合うようにスイッチ素子６を用いて１次巻線５１の通電時間を制御すると共にＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬを昇降して１次巻線５１の電圧を制御している。

このため点火に必要な蓄電をするために必要な１次巻線５１の通電時間が点火プラグ８の次点火までに間に合うように、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬを昇降できる。例えばバッテリ２の電圧状態が低電圧（１２Ｖよりも低電圧になってしまう）の場合であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧ＶＬを昇圧すればスイッチ素子６を用いた１次巻線５１の通電時間を長くしなくて済む。よって１次巻線５１の通電時間が過度に長くならないので、消費電流量が多くなってしまうことが抑制できる。そして１次巻線５１への通電時間は点火プラグ８の次点火までに必ず間に合う時間に設定でき、多重点火等の精密な点火制御を行う際でも、次点火に必ず間に合う点火を実現できる。

本発明に係る内燃機関の点火制御装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

実施例１に係る点火制御装置の概略回路構成を示す図。実施例１に係る制御部の概略構成を示す図。実施例１に係る点火制御部の算出フローを示すフローチャート。従来技術の次点火が間に合う場合（バッテリ電圧が通常電圧の場合）と次点火が間に合わない場合（バッテリ電圧が低電圧の場合）の多重点火を示すタイムチャート。

符号の説明

１点火制御装置
２バッテリ
３ＤＣ−ＤＣコンバータ
４コンデンサ
５トランス
５１１次巻線
５２２次巻線
６スイッチ素子
７バッテリ電圧センサ
８点火プラグ
１０制御部
１１点火制御部
１２ＤＣ−ＤＣコンバータ制御部

Claims

直流電源に接続され、前記直流電源からの直流電圧を昇圧若しくは降圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧で充電されるコンデンサと、
前記コンデンサの一方の端子に、一端が接続された１次巻線、及び点火プラグに接続された２次巻線を有するトランスと、
前記１次巻線の他端に接続され、前記１次巻線の通電を断続するスイッチ手段と、
前記点火プラグの次点火までに間に合うように前記スイッチ手段を用いて前記１次巻線の通電時間を制御すると共に前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を昇降して前記１次巻線の電圧を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
前記制御手段は、
前記１次巻線の通電時間と前記１次巻線の電圧との相関関係を示すマップを格納しており、前記直流電源の電圧と要求点火クランク角度とから前記１次巻線の通電時間を算出し、当該算出した通電時間で通電したときに前記点火プラグの次点火への次回通電開始が間に合うかどうか計算し、
次回通電開始が間に合う場合には、前記算出した通電時間となるよう前記スイッチ手段を用いて通電する、若しくは、次回通電開始が間に合う範囲で前記算出した通電時間よりも通電時間を長くするよう前記スイッチ手段を用いて通電し且つ前記マップから当該長くした通電時間に対する前記１次巻線の降圧すべき電圧を算出して前記１次巻線の電圧が当該降圧すべき電圧となるよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を降圧し、
次回通電開始が間に合わない場合には、次回通電開始が間に合うように前記算出した通電時間よりも通電時間を短くするよう前記スイッチ手段を用いて通電し且つ前記マップから当該短くした通電時間に対する前記１次巻線の昇圧すべき電圧を算出して前記１次巻線の電圧が当該昇圧すべき電圧となるよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を昇圧する
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
前記制御手段は、前記１次巻線の前記降圧すべき電圧に対して下限を定めると共に前記昇圧すべき電圧に対して上限を定めることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の点火制御装置。