JP2010255445A - 内燃機関の点火制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグの放電動作中であっても、燃焼室のイオン電流を正確に検出できる点火制御装置を提供する。
【解決手段】一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧のレベルまでコンデンサＣが充電されるバイアス回路Ｂｉと、コンデンサＣの放電電流を検出する信号検出回路ＤＥＴと、を有して同一構成となる第一制御回路ＥＱＵａと第二制御回路ＥＱＵｂとを設け、第一制御回路で制御されて点火放電する第一点火プラグＰＧａと、第二制御回路に制御されて点火放電する第二点火プラグＰＧｂとを、単一の燃焼室ＣＬＹに配置し、第一コンデンサＣａから第二点火プラグＰＧｂにコンデンサ放電電流が流れるよう構成する一方、第二コンデンサＣｂから第一点火プラグＰＧａにコンデンサ放電電流が流れるよう構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、点火プラグの放電動作中であっても、燃焼室のイオン電流を正確に検出して、内燃機関の燃焼を最適に制御できる点火制御装置に関する。

自動車エンジンなどの内燃機関では、燃焼室に導入した空気及び燃料の混合気を、点火プラグの点火放電により燃焼させることでエネルギーを発生させている。このような内燃機関では、燃焼時、燃焼室内の分子がイオン化するので、点火プラグに高電圧を印加することで、イオン電流を取得することが可能となる。このようなイオン電流検出装置としては、例えば、特許文献１に記載の回路構成が知られている。

図３は、特許文献１の回路構成を図示したものであり、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移時に、点火トランスの二次コイルＬ２に図示の向きの高電圧を発生させることで、点火プラグＰＧが放電している。また、このＯＦＦ遷移時には、一次コイルＬ１→抵抗Ｒ１１→ツェナーダイオードＺＤ１１及びコンデンサＣ１１→ダイオードＤ２２の経路でコンデンサＣ１１が充電される。そして、その後、点火プラグＰＧの両端電圧が降下すると、コンデンサＣ１１の両端電圧をバイアス電源として、破線の向きにイオン電流ｉが流れ、ＯＰアンプ３０から検出信号Ｒｆ＊ｉが出力されることになる。

特開２００２−１８０９４９号公報

しかし、この回路構成では、点火プラグＰＧの放電中は、イオン電流を検出できないので、燃焼が素早く終了する場合には、燃焼時のイオン電流波形を取得できないという問題がある。

ここで、同一の気筒（燃焼室）に、イオン電流検出用の専用プローブを配置することも考えられる。しかし、混合気の状態が不安定な場合などに専用プローブに煤が付着するので、絶縁抵抗が低下して正確にイオン電流を検出できないという問題がある。また、単なるプローブでは、着火動作に何ら寄与しない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、点火プラグの放電動作中であっても、燃焼室のイオン電流を正確に検出して内燃機関の燃焼を最適に制御できる点火制御装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る点火制御装置は、単一の燃焼室に、第一と第二の点火プラグを配置し、２つの点火プラグに対応して、一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスと、前記一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、を有する第一制御回路と第二制御回路とを設け、少なくとも第一制御回路には、コンデンサ及びツェナーダイオードが並列接続されて構成され、自らの一次コイルの誘起電圧に基づいてツェナーダイオードの降伏電圧までコンデンサが充電されるバイアス回路と、前記コンデンサの放電電流を検出する信号検出回路と、を更に設け、前記コンデンサと、第二点火プラグとを接続して、前記コンデンサの充電電荷が第二点火プラグを経由して放電可能に構成した。

本発明は、好ましくは、第二制御回路を第一制御回路と同様に構成し、第二制御回路のコンデンサと、第一点火プラグとを接続して、第二制御回路のコンデンサの充電電荷が第一点火プラグを経由して放電可能に構成するべきである。

また、第一制御回路及び第二制御回路とも、二次コイルと点火プラグとは、逆方向の点火放電を防止するダイオードを経由して接続するのが好適である。また、第一制御回路のコンデンサと第二点火プラグの間には、第二点火プラグの点火放電方向のコンデンサ放電電流が流れるよう第一ダイオードが接続され、第二制御回路のコンデンサと第一点火プラグの間には、第一点火プラグの点火放電方向のコンデンサ放電電流が流れるよう第二ダイオードが接続されるのが効果的である。

ここで、第一と第二の点火プラグは、点火サイクル毎に、相前後して放電するよう制御されるか、或いは、点火サイクル毎に、切換えて動作させ、第一点火プラグと第二点火プラグとを交互に放電させることが考えられる。

前者の場合、点火サイクル毎に、第一点火プラグと第二点火プラグとを、ともに点火タイミングで、相前後して点火放電させても良いし、第一点火プラグを点火タイミングで点火放電させる一方、第二点火プラグを、３６０ＣＡ前後でプラグ清浄化のために放電させても良い。

本発明では、単一の燃焼室に２つの点火プラグを配置するので、一回の燃焼サイクル中の適切なタイミングで、複数回の着火動作を実行することができる。また、コンデンサと、第二点火プラグとを接続して、前記コンデンサの充電電荷が第二点火プラグを経由して放電可能に構成しているので、燃焼状態の良否に拘わらず、その時のイオン電流波形を第二点火プラグから取得することができる。また、点火プラグに煤が付着しても、これを、点火動作によって自動的に除去することができ、点火プラグの絶縁抵抗を維持できる。

実施例に係る点火制御装置を示す回路図である。 変形例に係る点火制御装置を示す回路図である。 従来のイオン電流検出装置を示す回路図である。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１（ａ）は、実施例に係るイオン電流検出装置を図示したものであり、このイオン電流検出装置と、これを制御するＥＣＵ(Engine Control Unit)とで、点火制御装置が構成される。なお、図１には、多気筒エンジンの特定の気筒ＣＬＹについて記載しており、単一の気筒ＣＬＹに、２つの点火プラグＰＧａ，ＰＧｂが配置されている。

図示の通り、この点火制御装置は、同一構成の２つのイオン電流検出装置ＥＱＵ（ＥＱＵａ，ＥＱＵｂ）を、互いに、たすき状に接続して構成されている。各イオン電流検出装置ＥＱＵは、何れも、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とが電磁結合されてなる点火トランスと、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧ（ＳＧａ，ＳＧｂ）に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作するスイッチング素子Ｑと、コンデンサＣ（Ｃａ，Ｃｂ）及びツェナーダイオードＺＤが並列接続されて構成されるバイアス回路Ｂｉと、コンデンサＣの放電電流を検出する信号検出回路ＤＥＴ（ＤＥＴａ，ＤＥＴｂ）と、を有して構成されている。

図示の通り、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２は、一端部が互いに接続されてバッテリ電圧を受けている。そして、一次コイルＬ１の他端部は、スイッチング素子Ｑに接続され、二次コイルＬ２の他端部は、ダイオードＤ１を経由して、対応する点火プラグＰＧに接続されている。ダイオードＤ１は、逆方向放電を阻止するための素子であり、バッテリ→二次コイルＬ２→ダイオードＤ１→点火プラグＰＧの方向の放電電流だけが許容される。

スイッチング素子Ｑとしては、例えば、ＩＧＢＰ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が使用されるが、ここでは、説明の都合上、通常のトランジスタであるとする。このような場合、スイッチング素子Ｑのベース端子に、ＥＣＵから点火パルスＳＧが供給され、エミッタ端子は、グランドに接続され、コレクタ端子は、一次コイルＬ１に接続される。

また、コレクタ端子は、ダイオードＤ３を経由してバイアス回路Ｂｉのプラス側に接続される。また、バイアス回路Ｂｉのマイナス側は、ダイオードＤ４を経由してグランドに接続される。そして、バイアス回路Ｂｉのマイナス側は、信号検出回路ＤＥＴの入力端子に接続されている。ダイオードＤ３は、逆方向電流を阻止するための素子であり、スイッチング素子ＱのＯＮ動作に拘わらず、コンデンサＣの充電電荷が放電されることはない。また、ダイオードＤ３は、ツェナーダイオードＺＤの降伏時、コンデンサＣ（Ｃａ，Ｃｂ）の充電電流が流れるよう接続されており、信号検出回路ＤＥＴに過大な入力電圧が加わることはない。

信号検出回路ＤＥＴは、例えば、ＯＰアンプによる反転増幅回路で構成され（図１（ｂ）参照）、気筒ＣＬＹに流れるイオン電流が、コンデンサＣの放電電流として帰還抵抗Ｒｆに流れることで、各信号検出回路ＤＥＴからは、イオン電流ｉに比例した検出電圧ＩＯＮ（ＩＯＮａ，ＩＯＮｂ）が出力される。なお、出力された検出電圧ＩＯＮは、ＥＵＣに供給されて解析されて、その後の燃焼制御に反映される。

ところで、バイアス回路Ｂｉのプラス側は、ダイオードＤ２ａ，Ｄ２ｂを経由して、点火プラグＰＧａ，ＰＧｂに接続されている。ここで、２つのバイアス回路Ｂｉと、点火プラグＰＧａ，ＰＧｂとは、たすき状に接続されており、コンデンサＣａが、ダイオードＤ２ａを経由して、点火プラグＰＧｂに接続される一方、コンデンサＣｂが、ダイオードＤ２ｂを経由して、点火プラグＰＧａに接続されている。

本実施例では、このような独特の接続法を採るので、２つの点火プラグＰＧａ，ＰＧｂを適宜に放電させることで、点火プラグＰＧａの放電時には、点火プラグＰＧｂがイオン電流の検出プローブとして機能し、点火プラグＰＧｂの放電時には、点火プラグＰＧａがイオン電流の検出プローブとして機能させることができる。また、点火プラグＰＧａ，ＰＧｂに煤が付着しても、放電動作時に、これを自動的に燃焼除去することができる。

以下、この点を、図１（ｃ）に示すタイムチャートと、図１（ｄ）の動作説明図に基づいて説明する。ここでは、点火サイクル毎に、点火パルスＳＧａとＳＧｂが、ＥＣＵから、この順番で供給されることにする（図１（ｃ）参照）。

このような場合、点火パルスＳＧａの立下り時（Ｔ２）に、二次コイルＬ２に誘起される高電圧に基づいて、二次コイルＬ２→ダイオードＤ１→点火プラグＰＧａの向きで点火放電電流が流れる。また、この立下り時（Ｔ２）には、一次コイルＬ１に誘起される電圧に基づいて、一次コイルＬ１→ダイオードＤ３→バイアス回路Ｂｉ→ダイオードＤ４の向きで、コンデンサＣａが、ほぼ瞬間的に充電される。なお、コンデンサＣａにツェナーダイオードＺＤが並列接続されているので、コンデンサＣａは、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧のレベルまで充電される。

このようにして、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧レベルまで瞬間的に充電されたコンデンサＣａの両端電圧は、イオン電流検出用のバイアス電圧として、ダイオードＤ２ａを経由して点火プラグＰＧｂに供給される。なお、このタイミングでは、点火プラグＰＧｂは、点火放電を終えて検出プローブとして機能している。

そのため、コンデンサＣａ→ダイオードＤ２ａ→点火プラグ（検出プローブ）ＰＧｂの向きで、イオン電流ｉが流れることになり、イオン電流ｉに比例した電圧ｉ＊Ｒｆが、信号検出回路ＤＥＴａから出力される。

このイオン電流検出動作は、点火パルスＳＧａの立下り時（Ｔ２）直後から可能となるので、仮に、燃焼反応が早期に完結しても、その時のイオン電流信号を見逃すことがない。また、２つの点火プラグＰＧａ，ＰＧｂを、適宜に放電させることで、プラグに付着する煤に対する清浄動作を実現することもできる。

なお、タイミングＴ２の後、点火プラグＰＧａの両端電圧が降下すると、それ以前のタイミング（Ｔ４’）で、コンデンサＣｂに充電されているバイアス電圧に基づいて、信号検出回路ＤＥＴｂから重複してイオン電流信号を検出することもできる。このイオン電流は、コンデンサＣｂ→ダイオードＤ２ｂ→点火プラグＰＧａの経路で流れる。

以上、本発明の実施例について説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、２つの点火プラグＰＧａ，ＰＧｂは、必ずしも、交互に放電させる必要はなく、必要時に、適宜な順番で放電させたのでも良い。

また、２つの点火プラグＰＧａ，ＰＧｂを、必ずしも、交互に検出プローブとして活用する必要はなく、その場合には、一方の点火プラグには、バイアス回路Ｂｉや、信号検出回路ＤＥＴｂを設ける必要はない。図２は、点火プラグＰＧｂだけを検出プローブとする回路構成を示している。

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｑ スイッチング素子
ＺＤ ツェナーダイオード
Ｂｉ バイアス回路
ＤＥＴ 信号検出回路
ＥＱＵａ 第一制御回路
ＥＱＵｂ 第二制御回路
ＰＧａ 第一点火プラグ
ＰＧｂ 第二点火プラグ
ＣＬＹ 燃焼室

Claims (6)

1. 単一の燃焼室に、第一と第二の点火プラグを配置し、２つの点火プラグに対応して、一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスと、前記一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、を有する第一制御回路と第二制御回路とを設け、
   少なくとも第一制御回路には、コンデンサ及びツェナーダイオードが並列接続されて構成され、自らの一次コイルの誘起電圧に基づいてツェナーダイオードの降伏電圧までコンデンサが充電されるバイアス回路と、前記コンデンサの放電電流を検出する信号検出回路と、を更に設け、
   前記コンデンサと、第二点火プラグとを接続して、前記コンデンサの充電電荷が第二点火プラグを経由して放電可能に構成したことを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
2. 第二制御回路を第一制御回路と同様に構成し、
   第二制御回路のコンデンサと、第一点火プラグとを接続して、第二制御回路のコンデンサの充電電荷が第一点火プラグを経由して放電可能に構成した請求項１に記載の点火制御装置。
3. 第一制御回路及び第二制御回路とも、二次コイルと点火プラグとは、逆方向の点火放電を防止するダイオードを経由して接続されている請求項２に記載の点火制御装置。
4. 第一制御回路のコンデンサと第二点火プラグの間には、第二点火プラグの点火放電方向のコンデンサ放電電流が流れるよう第一ダイオードが接続され、
   第二制御回路のコンデンサと第一点火プラグの間には、第一点火プラグの点火放電方向のコンデンサ放電電流が流れるよう第二ダイオードが接続されている請求項２又は３に記載の点火制御装置。
5. 第一と第二の点火プラグは、点火タイミングで点火放電するよう制御される請求項１〜４の何れかに記載の点火制御装置。
6. 第一点火プラグは、点火タイミングで点火放電するよう制御される一方、第二点火プラグは、燃焼完了後に放電するよう制御される請求項１〜４の何れかに記載の点火制御装置。

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