JP2014206058A - 内燃機関の点火装置および点火方法 - Google Patents

Abstract

【課題】点火コイルの一次電流通電開始に伴って二次コイルに生じるＯＮ電圧によるプレイグニッションを防止する。
【解決手段】イオン電流検出などのために逆流防止のダイオード等を具備しない点火コイルにおいては、一次電流の通電開始に伴って所期の放電電圧と逆方向のＯＮ電圧が二次コイルに発生するが、筒内圧が所定の筒内圧下限値Ｐｍよりも高ければ、ＯＮ電圧が作用しても電極間の放電は生じない。基本の通電開始時期における筒内圧が筒内圧下限値Ｐｍ以下である場合には、筒内圧下限値Ｐｍに対応するクランク角時期ＣＲよりも遅角側となるように、通電時間を短縮補正し、通電開始時期を遅角させる。
【選択図】図５

Description

この発明は、一次コイルおよび二次コイルを含む点火コイルを用いた内燃機関の点火装置および点火方法に関する。

点火コイルを用いた点火装置にあっては、一次コイルに一次電流を通電した後、所定の点火時期に一次電流を遮断することで、二次コイルに高い放電電圧を生成し、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電を生じさせる。点火コイルは一種の変圧器であるので、一次電流の通電を開始した瞬間にも二次コイルに比較的高い二次電圧が生じるが、このときの二次電圧（これはＯＮ電圧とも呼ばれる）は、本来の放電電圧とは逆方向となるので、逆流防止のダイオードによって二次電流つまり電極間の放電が阻止される。

ここで、特許文献１は、点火プラグ自体を検出プローブとして燃焼室内のイオン電流を検出するイオン電流検出機能を具備した点火装置を開示している。このようなイオン電流検出機能を付加した点火装置にあっては、イオン電流を遮断しないようにするために、電極間の電流の逆流を阻止するダイオード等を設けることができない。

一方、特許文献２には、放電期間を長くして確実な着火を得るために、点火時期後の放電期間に重ねて、別の昇圧回路による重ね電圧を点火プラグに与える技術が開示されている。このものでは、点火コイルによる二次電圧によって電極間の放電が開始した後、重ね電圧によって放電電流が継続され、より大きなエネルギが混合気に与えられる。

特開２０１２−２３７２８３号公報 特許第２５５４５６８号公報

上記の特許文献１のようにイオン電流検出機能などのために電極間の電流の逆流を阻止するダイオード等を具備しない点火装置にあっては、所期の放電電流とは逆方向の二次電流が許容されるので、例えば筒内のガスが希薄なときなどに、一次電流の通電開始に伴う上記のＯＮ電圧によって電極間で放電が発生し、本来の点火時期よりも早期の着火燃焼（一種のプレイグニッション）が生じてしまうことがある。

なお、上記特許文献２は、重ね電圧を放電期間の延長に用いることを開示しているに過ぎず、上記のようなプレイグニッションに関し、何ら有効なものではない。

本発明は、逆流防止のダイオード等を具備しない点火装置において、ＯＮ電圧による早期着火を確実に防止することを目的としている。

この発明は、点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火装置であって、上記一次電流の通電開始に伴って上記電極間に所期の放電電圧とは逆方向の二次電圧が生じ得る内燃機関の点火装置において、
上記一次電流の通電開始時期を、上記の逆方向の二次電圧により電極間で放電が生じる筒内圧下限値に対応するクランク角時期よりも遅角側に設定することを特徴としている。

気体の絶縁破壊を伴う放電は、気体の密度が低いほど低い電位差で生じる。一次電流の通電開始に伴って生じる逆方向の二次電圧いわゆるＯＮ電圧は、所期の点火時期における一次電流の遮断に伴う二次電圧に比較して低く、従って、筒内圧が低いときにはＯＮ電圧により電極間で放電が生じるものの、上死点付近など筒内圧が高いときには同じＯＮ電圧であっても放電は生じない。このようにＯＮ電圧による放電が生じ得る筒内圧の下限値は、点火コイルの巻数比などから既知であり、またピストンストロークに伴う筒内圧変化も既知であるから、放電が生じ得る筒内圧下限値に対応するクランク角時期が機関運転条件（負荷、回転速度など）に応じて一義的に定まる。このクランク角時期よりも進角側でＯＮ電圧が加わると、筒内圧が低いため、電極間で放電が生じる可能性がある。他方、上記クランク角時期よりも遅角側で一次電流の通電を開始すれば、通電開始に伴うＯＮ電圧が電極間に加わっても、筒内圧が高いため、放電が生じない。

好ましい一つの実施例では、ＯＮ電圧による放電を抑制するために、上記電極間に所期の放電電圧と同方向の重ね電圧を加える重ね電圧生成手段を有しており、この重ね電圧生成手段の故障時にのみ、通電開始時期の補正が行われる。

この発明によれば、例えばイオン電流検出などのために逆流防止のダイオード等を具備しない構成にあっても、一次電流の通電開始に伴うＯＮ電圧によるプレイグニッションの発生を回避することができる。

この発明の一実施例の点火装置を備えた内燃機関の構成説明図。 点火装置の構成を示す構成説明図。 その要部を示す構成説明図。 重ね電圧の非供給時および供給時における二次電圧等の波形図。 筒内圧変化と一次電流の通電開始時期等との関係を示した特性図。 一次電流の通電開始時期の制限が行われる運転領域を示した特性図。 制御の流れを示すフローチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る点火装置を備えた内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１の複数のシリンダ２の各々には、ピストン３が配置されているとともに、吸気弁４によって開閉される吸気ポート５および排気弁６によって開閉される排気ポート７がそれぞれ接続されている。また、筒内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁８が配置されている。この燃料噴射弁８の燃料噴射時期および燃料噴射量は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０によって制御される。そして、上記燃料噴射弁８によって筒内に生成された混合気の点火を行うために、例えば天井面中央に点火プラグ９が配置されている。なお、図示例は、筒内直接噴射式内燃機関として構成されているが、吸気ポート５に燃料噴射弁を配置したポート噴射型の構成であってもよい。上記エンジンコントロールユニット１０には、吸入空気量を検出するエアフロメータ２１、機関回転速度を検出するクランク角センサ２２、冷却水温を検出する温度センサ２３、などの多数のセンサ類からの検出信号が入力されている。

上記点火プラグ９には、エンジンコントロールユニット１０からの点火信号に応答して点火プラグ９に放電電圧を出力する点火ユニット１１が接続されている。また、エンジンコントロールユニット１０からの重ね電圧要求信号に応答して点火ユニット１１による重ね電圧を制御する重ね電圧制御ユニット１２が設けられている。これらのエンジンコントロールユニット１０、点火ユニット１１、および重ね電圧制御ユニット１２は、車載の１４ボルトのバッテリ１３に接続されている。

上記点火ユニット１１は、図２，図３に詳細を示すように、一次コイル１５ａおよび二次コイル１５ｂを含む点火コイル１５と、この点火コイル１５の一次コイル１５ａに対する一次電流の通電・遮断を制御するイグナイタ１６と、昇圧回路を含む重ね電圧生成回路１７と、を含んでおり、上記点火コイル１５の二次コイル１５ｂに点火プラグ９が接続されている。重ね電圧生成回路１７は、バッテリ１３の電圧を所定の重ね電圧の電圧まで昇圧した上で、重ね電圧制御ユニット１２の制御信号に基づいて、一次電流の通電開始に合わせて点火プラグ９に対し重ね電圧を出力する。なお、重ね電圧生成回路１７は、一次コイル１５ａへの一次電流遮断時に点火プラグ９の電極間に生じる本来の放電電圧と同じ電位の方向に重ね電圧を生成する。また図示していないが、実施例の点火ユニット１１は、シリンダ２内で発生したイオン電流を、点火プラグ９を検出プローブとして検出するイオン電流検出回路を備えている。

図４は、本発明が課題とするＯＮ電圧について説明するものであり、同図（ａ）に示すように、点火コイル１５の一次コイル１５ａには、イグナイタ１６を介して、時刻ｔ１において一次電流の通電が開始され、点火時期に相当する時刻ｔ２において一次電流の通電が遮断される。この一次電流の遮断に伴って、二次コイル１５ｂには高い放電電圧（符号Ｓで示す）が発生し、混合気の絶縁破壊を伴って点火プラグ９の電極間で放電が生じる。

ここで、点火コイル１５は一種の変圧器であるから、同図（ａ）に符号Ｈで示すように、一次電流の通電開始時にも二次コイルに比較的高い二次電圧（ＯＮ電圧）が発生する。このＯＮ電圧Ｈは、図示するように、所期の放電電圧Ｓとは逆方向に発生する。そして、筒内圧が低い状況下では、このＯＮ電圧によって、本来の点火時期（つまり時刻ｔ２）よりも遙かに早い時期（ほぼ時刻ｔ１）に放電が生じ、混合気の早期の着火つまりプレイグニッションに至る虞がある。図（ａ）では、ＯＮ電圧によって電極間で放電が生じ、二次電流が流れたときの波形が示されている。

本実施例では、このようなＯＮ電圧によるプレイグニッションを回避するために、第１には、ＯＮ電圧による放電が問題となる運転領域において重ね電圧の重畳によるＯＮ電圧の抑制を行い、さらに第２には、重ね電圧生成回路１７の故障時（制御上の異常時を含む）に、一次電流の通電開始時期の補正を行う。

図４の（ｂ）は、重ね電圧生成回路１７による重ね電圧の作用を説明しており、図示するように、重ね電圧は、例えば一次電流の通電期間と実質的に同一の期間の間、二次電圧に重畳して点火プラグ９に印加される。この重ね電圧は、前述したように、一次電流遮断時に点火プラグ９の電極間に生じる本来の放電電圧と同じ電位の方向に与えられ、従って、ＯＮ電圧とは逆方向のものとなる。これにより、ＯＮ電圧が抑制され、点火プラグ９の電極間での放電が防止される。なお、重ね電圧を与える期間としては、ＯＮ電圧としての電圧上昇期間を少なくとも含む期間であれば足り、また、着火性向上のために点火時期（ｔ２）以降も重ね電圧の供給を継続するようにしてもよい。また重ね電圧は、必ずしも矩形波のように一定電圧でなくともよく、重ね電圧を与える期間の中で電圧が変化する形であってもよい。

図５は、重ね電圧生成回路１７の故障時にＯＮ電圧による放電回避のために行われる一次電流の通電開始時期の補正の原理を説明している。横軸のクランク角は、圧縮上死点を０として、圧縮行程後半から膨張行程前半に対応しており、図中の曲線は、ある負荷および回転速度の下でのピストン３のストロークによる筒内圧の変化を示している。前述したように、ある電圧のＯＮ電圧によって実際に放電が生じるか否かは筒内圧に依存するので、既知のＯＮ電圧に対しては、放電が生じ得る筒内圧の下限値Ｐｍが一義的に定まる。従って、既知の筒内圧変化の特性においては、この筒内圧下限値Ｐｍに対応するクランク角時期ＣＲが一義的に定まる。そして、点火時期よりも前である一次電流の通電開始時期においては、筒内圧は上昇しつつあるので、上記の筒内圧下限値Ｐｍに対応するクランク角時期ＣＲよりも遅角側であれば、ＯＮ電圧が加わっても電極間の放電は生じない。

本実施例では、このような原理に基づき、重ね電圧生成回路１７の故障時には、後述するように、基本値として与えられた一次電流の通電開始時期における筒内圧が上記の筒内圧下限値Ｐｍ以下でないか（つまりＯＮ電圧による放電のリスクがあるか）否か判定し、放電のリスクがある場合には、一次電流の通電開始時期を上記のクランク角時期ＣＲよりも遅角側に補正するのである。

上述したような重ね電圧の供給および一次電流の通電開始時期の補正は、運転領域の全域で行ってもよいが、本実施例では、ＯＮ電圧による放電が比較的生じやすい特定の運転領域でのみ行う。図６に概略的に示すように、機関の高負荷域Ａは、筒内の充填効率が高く、基本的に筒内圧が高いので、重ね電圧の供給および一次電流の通電開始時期の補正は行わない。同様に、中速中負荷域である領域Ｂは、多量の排気還流が行われる領域であり、排気還流によって筒内圧が高くなるため、やはり重ね電圧の供給および一次電流の通電開始時期の補正は行わない。これに対し、残りの領域Ｃ（つまり領域Ａよりも低負荷側でかつ多量の排気還流を行っていない領域）では、筒内圧が比較的低いため、必要に応じて重ね電圧の供給および一次電流の通電開始時期の補正を行う。

領域Ｃ内での基本的な傾向としては、機関の負荷が低いほど筒内圧が低いため、一次電流の通電開始時期が遅角側となる。同様に、機関の負荷が低いほど一次電流の通電時間が短いものとなる。

次に、図７は、一次電流の通電開始時期の設定ないし補正の具体的な制御の流れを示したフローチャートである。

このフローチャートのルーチンは、コントロールユニット１０において、例えば内燃機関１の点火間隔に同期した形で繰り返し実行されるもので、ステップ１において、内燃機関１の運転条件として吸入空気量Ｑａと回転速度Ｎｅとを読み込み、ステップ２において、これらの吸入空気量Ｑａと回転速度Ｎｅとに基づき、例えば予め設けられている点火時期マップを参照して、点火時期ＡＤＶを算出する。ステップ３では、回転速度Ｎｅに基づき、一次コイル１５ａへの通電時間Ｔの基本値Ｔ０を算出する。この基本値Ｔ０は、回転速度Ｎｅが高いほど小さな値となる。

次に、ステップ４において、前述した図５の関係から、ＯＮ電圧による放電（フローチャート中では「ＯＮスパーク」と記す）が発生しない条件であるか否かを判別する。つまり、一次電流の通電開始時期は、点火時期ＡＤＶから実時間で示された通電時間基本値Ｔ０だけ先行したものとなるので、点火時期ＡＤＶと通電時間基本値Ｔ０とから基本の通電開始時期（クランク角）を求めることができる。一方、吸入空気量Ｑａと回転速度Ｎｅとから各クランク角における筒内圧を求めることができる。従って、基本の通電開始時期における筒内圧を推定でき、この推定筒内圧が、前述した放電が生じ得る筒内圧下限値Ｐｍより高ければ、ＯＮスパーク非発生条件であると判定する。なお、比較対象となる筒内圧下限値Ｐｍとしては、ある一定の固定値であってもよく、あるいは、バッテリ電圧など種々の変動要素を考慮して可変的に設定される値であってもよい。

ステップ４においてＯＮスパーク非発生条件であると判定した場合には、ステップ５へ進み、通電時間Ｔとして基本値Ｔ０をそのまま用いて、点火時期ＡＤＶと通電時間基本値Ｔ０とから通電開始時期を設定する。つまり、通常の通電・点火を行う。なお、前述したように、この図７に示す制御は、領域Ｃのみで行えば足りるが、領域Ａ，Ｂについても、例えば排気還流を含めた筒内圧の推定を正しく行えば、ステップ４においてＯＮスパーク非発生条件であると判定されることとなり、従って、領域Ａ，Ｂを含めた全域で図７の制御を適用するようにしてもよい。

ステップ４で、基本の通電開始時期における筒内圧が筒内圧下限値Ｐｍ以下である（つまりＯＮスパーク発生条件である）と判定した場合には、ステップ４からステップ６へ進み、前述した重ね電圧生成回路１７が正常に動作しているか否かの判定を行う。ここで重ね電圧生成回路１７が正常であれば、ステップ７へ進み、通電時間Ｔとして基本値Ｔ０をそのまま用いて、点火時期ＡＤＶと通電時間基本値Ｔ０とから通電開始時期を設定する。つまり、通常の通電・点火を行う。なお、図示せぬ他のルーチンによって、前述したように一次電流の通電開始に合わせた重ね電圧の供給が行われる。要するに、このステップ７に進む条件下では、図４（ｂ）に示したように、ＯＮ電圧と逆方向の重ね電圧の重畳によってＯＮ電圧が抑制され、点火プラグ９の電極間での放電が防止されることとなる。

ステップ６において万一重ね電圧生成回路１７が異常であると判定した場合には、ステップ６からステップ８へ進み、一次電流の通電時間Ｔを短縮補正するための補正値Ｔｈを吸入空気量Ｑａに基づいて算出する。この補正値Ｔｈは、例えば予め設けたテーブルを用いて算出され、負荷に相当する吸入空気量Ｑａが少ないほど大きな値として与えられる。ステップ９において、この補正値Ｔｈを基本値Ｔ０から減算することで補正後の通電時間Ｔを求めた後、ステップ１０において、点火時期ＡＤＶと補正後の通電時間Ｔとから通電開始時期を設定する。つまり、通電時間Ｔの短縮補正によって、通電開始時期が点火時期ＡＤＶに近付くことになり、それだけ筒内圧が高い時期に通電が開始される。なお、このように補正した通電開始時期が図５で説明した筒内圧下限値Ｐｍに対応するクランク角時期ＣＲよりも必ず遅角側となるように、前述した補正値Ｔｈが設定されている。

このように上記実施例では、一次電流の通電開始に伴うＯＮ電圧による放電ひいてはこの放電によるプレイグニッションが、重ね電圧の供給ならびに通電開始時期の遅角補正によって確実に防止される。

なお、通電時間Ｔの短縮補正によって点火エネルギが不十分となる条件下においては、逆に通電開始時期を着火不能な時期まで大幅に進角することで、ＯＮ電圧による着火を回避することができる。例えば燃料噴射時期よりも早期に通電を開始することで、仮にＯＮ電圧による電極間の放電が生じても、着火は生じることがない。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。特に上記実施例では、重ね電圧の供給によるＯＮ電圧の抑制と組み合わせた構成となっているが、本発明においては重ね電圧の供給は必須のものではなく、通電開始時期の設定ないし補正のみでＯＮ電圧による放電を回避するように構成することもできる。

Claims (6)

1. 点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火装置であって、上記一次電流の通電開始に伴って上記電極間に所期の放電電圧とは逆方向の二次電圧が生じ得る内燃機関の点火装置において、
   上記一次電流の通電開始時期を、上記の逆方向の二次電圧により電極間で放電が生じる筒内圧下限値に対応するクランク角時期よりも遅角側に設定することを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 内燃機関の負荷が低いほど上記一次電流の通電開始時期を遅らせることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 内燃機関の負荷が低いほど上記一次コイルへの通電時間を短くすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 上記電極間に所期の放電電圧と同方向の重ね電圧を加える重ね電圧生成手段を有し、
   上記一次電流の通電開始に伴う逆方向の二次電圧上昇期間の少なくとも一部に重なるように上記重ね電圧を加えるとともに、
   この重ね電圧生成手段の故障時に、上記通電開始時期が上記筒内圧下限値に対応する上記クランク角時期よりも遅角側となるように通電開始時期の補正を行う、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の点火装置。
5. 機関運転条件に応じて点火時期を設定する手段と、
   機関回転数に基づいて一次コイルへの通電時間を設定する手段と、
   上記点火時期と上記通電時間とから定まる一次電流の通電開始時期における筒内圧を機関運転条件に基づいて推定し、この推定した筒内圧が、上記の筒内圧下限値よりも高いか否かを判定する手段と、
   推定した筒内圧が上記筒内圧下限値以下であるときに、上記通電時間を短縮補正する手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
6. 点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火方法において、
   上記一次電流の通電開始に伴って上記電極間に所期の放電電圧とは逆方向に生じる二次電圧に対し、上記一次電流の通電開始時期を、上記の逆方向の二次電圧により電極間で放電が生じる筒内圧下限値に対応するクランク角時期よりも遅角側に設定することを特徴とする内燃機関の点火方法。

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