JP2016180353A - 内燃機関の点火装置及び点火方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と低コスト性を維持しつつ、強い流動場でも正常な着火動作を実現できる点火装置及び点火方法を提供する。【解決手段】点火プラグに対応して一の点火トランスＴＲが配置され、一次コイルの一次電流を通電制御する電子素子を制御する制御装置は、点火放電タイミングに至るまで、電子素子のＯＮ動作を継続させ、その後、電子素子をＯＦＦ動作させる第１手段と、第１手段が電子素子をＯＦＦ動作させた後、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を複数Ｎ回繰り返す第２手段と、が必要時に機能するよう構成され、第２手段は、二次電流のＮ個目のピーク値が、一回目のピーク値の１／３以上となるよう、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返す【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の点火プラグを最適に放電させる放電システムに関し、多重点火方式を採る点火装置に好適に適用される。

排ガス中の窒素酸化物の低減を図ると共に燃費の改善を目的として、希薄燃焼（Lean burn）方式を採ると共に、ＥＧＲ（排気再循環：Exhaust Gas Recirculation）によるポンピングロスの低減化を図ることが知られている。

また、燃焼室にタンブル（縦渦流）やスワール（横渦流）などの旋回流を発生させることで燃焼安定性を図り、且つ、燃費改善や窒素酸化物の低減を図ることも知られている。一般に、旋回流を強めればＥＧＲ限界が向上するところ、この傾向は、空燃比を上げてもほぼ同様である。

特開２０１２−１６７６６５号公報

しかし、旋回流を強めてＥＧＲ限界を向上させるには、強い流動場においても失火がなく、正常な着火動作が担保されることが前提となる。ここで、一の点火プラグに複数の点火コイルを接続し、複数の点火コイルを相補的に動作させる多重点火方式も考えられるが（特許文献１参照）、このような構成では、勢い、点火コイルが大型化し、製造コストも増加するという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、小型化と低コスト性を維持しつつ、強い流動場でも正常な着火動作を実現できる点火装置及び点火方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明者は、強タンブルや超強タンブル下において一発点火方式と、多重点火方式による燃焼実験を繰り返して、安定な燃焼を実現するＥＧＲ限界を検討した。その結果、一発点火方式の場合、通常レベルの充電エネルギーでは、点火放電により生じた活性化学種（Ｏ，Ｈ，ＯＨなどのラジカル）が分子拡散される火炎伝播過程で二次電流が不足して、強タンブル下では、安定した燃焼に至らないことが判明した。

そこで、一の点火プラグに、一の点火コイルを接続する回路構成を前提に、多重点火方式の燃焼実験を繰り返した。その結果、一の点火サイクルが、最初の基本放電と、これに続くＮ回の追加放電とで実現される多重点火方式において、Ｎ回の追加放電時に漸次減少する二次電流のＮ個のピーク値を、所定レベル以上に維持すれば、ＥＧＲ率２０〜５０％程度のＥＧＲ制御において、強い流動場でも、安定した燃焼が実現できることを見出して本発明を完成させた。なお、本明細書において、ピーク値とは、絶対値で評価したピーク値を意味する。

本発明では、Ｎ回の追加放電において漸次減少するＮ個のピーク値について、Ｎ個目のピーク値が、一個目のピーク値の１／３以上になるよう制御され、具体的には、追加放電時の二次電流がゼロとなる期間が、事実上継続されない高速度で、追加放電を繰り返す制御が実行される。

すなわち、本発明は、内燃機関の燃焼室で着火動作を実現する点火プラグに対応して配置され、電磁結合された一対の一次コイル及び二次コイルで構成される点火トランスと、ＯＮ／ＯＦＦ動作することで、一次コイルの一次電流を通電制御する電子素子と、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する制御装置と、を有して構成された点火装置であって、前記制御装置は、点火放電タイミングに至るまで、電子素子のＯＮ動作を継続させて一次コイルの一次電流を増加させ、その後、電子素子をＯＦＦ動作させる第１手段と、第１手段が電子素子をＯＦＦ動作させた後、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を複数Ｎ回繰り返す第２手段と、が必要時に機能するよう構成され、第２手段は、二次電流のＮ個目のピーク値が、一回目のピーク値の１／３以上となるよう、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返している。

また、本発明は、内燃機関の燃焼室で着火動作を実現する点火プラグに対応して配置され、電磁結合された一対の一次コイル及び二次コイルで構成される点火トランスと、ＯＮ／ＯＦＦ動作することで、一次コイルの一次電流を通電制御する電子素子と、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する制御装置と、を有する点火装置の点火方法であって、必要な点火放電タイミングに至るまで、電子素子のＯＮ動作を継続させて一次コイルの一次電流を増加させ、その後、電子素子をＯＦＦ動作させる第１手段と、第１手段が電子素子をＯＦＦ動作させた後、所定の運転条件下、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を複数回繰り返す第２手段と、を有して構成され、第２手段は、二次電流のＮ個目のピーク値が、一回目のピーク値の１／３以上となるよう、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返している。

このような燃焼制御は、追加放電時の二次電流がゼロとなる期間が、事実上継続されない程度の高速度で追加放電を繰り返すことで実現され、具体的には、１５０μＳ以下の動作周期（点火パルスのパルス周期）で、追加放電を繰り返せば良い。好ましくは、１００μＳ以下の動作周期、更に好ましくは、８０μＳ以下の動作周期とすべきであり、最適には、電子素子の動作速度の限界まで動作周期を短くするのが好ましい。

ここで、電子素子の動作周期を規定する点火パルスのデューティ比が問題になるが、電子素子のＯＮ期間は、これが長いほど、一次電流が増加してコイルに蓄積される電磁エネルギーが増加するが、一方、電子素子のＯＮ期間は二次電流が収束傾向となるので、余り長く設定するのは好ましくない。そこで、好適には、点火パルスのデューティ比（＝ＯＮ期間／パルス周期）を、４５％〜５５％程度に設定すべきであり、５０％に設定するのが最も好適である。

何れにしても、本発明では、多重点火時において、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作周期が短いので、第１手段が充電した充電エネルギーを無駄に放電することがなく、また、短期間の間に、繰り返しラジカルが生成されるので、強タンブル下でも、円滑な火炎伝播が実現され、安定した燃焼を実現することができる。

なお、通常の多重点火方式では、デューティ比５０％の点火パルスのパルス周期が、４００〜５００μＳ程度であるので（特許文献１の実施例４）、点火パルスのＯＮ期間（２００〜２５０μＳ）に二次電流が消滅して、ラジカルを密集させることができず、本発明と同等の効果を発揮することはできない。

第１手段及び第２手段は、好ましくは、ＥＧＲ率２０〜５０％の運転条件で機能している。また、第２手段は、好ましくは、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を５回〜１５回繰り返すべきであり、運転条件に対応して、繰り返し回数を調整すべきである。

最適には、パルス周期を８０μＳ以下、デューティ比５０％の点火パルスについて、追加放電の繰返し回数Ｎを、運転条件に対応してマップ化しておくのが好適である。最適な繰り返し回数は、実験的に確定されるが、運転条件は、エンジン回転数、空燃比、ＥＧＲ量、点火タイミング（遅角制御量）などで特定され、着火困難性に対応して、追加放電の繰返し回数を増加させるのが好ましい。

上記した本発明によれば、小型化と低コスト性を維持しつつ、強い流動場でも正常な着火動作を実現することができる。

実施例に係る点火装置を示すブロック図である。 二次電圧と二次電流の関係を図示したものである。 点火パルスと、一次電流の関係を図示したものである。 点火パルスと、一次電流の関係を示す参考図である。 点火パルスと、二次電流の関係を示す参考図である。 一次電流と二次電流の関係を示す参考図である。 二次電圧と二次電流の関係を示す参考図である。

以下、実施例について更に詳細に説明する。但し、以下に示す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。

図１は、実施例に係る点火装置を示すブロック図である。図示の通り、電磁結合された一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２で構成された点火トランスＴＲと、一次コイルＬ１の一次電流Ｉ１を通電制御するイグナイタＱと、点火パルスＳＧに基づいてイグナイタＱのＯＮ／ＯＦＦ動作を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）と、バッテリ電圧ＢＴを受けて、これを昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータＣＶと、点火放電方向を規制するダイオードＤと、を有して構成されている。

なお、イグナイタＱは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などで構成されるが、動作速度が速い高耐圧の素子が選択される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶの動作は、ＥＣＵによって最適制御されている。

図示の通り、一個の点火プラグＰＧに対して、一個の点火トランスＴＲが配置されており、イグナイタＱがＯＮ動作すると、一次コイルＬ１の一次電流Ｉ１は、昇圧された直流電圧Ｖｃｃで規定される飽和電流に向けて増加する。但し、イグナイタＱの遊漂容量Ｃｃや反応速度の限界に対応して、点火パルスＳＧのＯＮエッジから一次電流Ｉ１の増加開始までに、若干の時間遅れ（τ）が生じる。

何れにしても、その後、イグナイタＱがＯＦＦ遷移すると、二次コイルＬ２に高レベルの二次電圧Ｖ２が発生し、この誘起電圧Ｖ２によって点火プラグＰＧが点火放電して各種の活性化学種（ラジカル）を発生させ、その後、これらが分子拡散される火炎伝播動作が実現される。

但し、この実施例では、運転条件で規定される必要時には、多重点火動作を実行しており、一回の点火タイミングにおいて、繰り返しラジカルを発生させ、これを点火プラグＰＧの周りに密集させる構成を採っている。

具体的には、ＥＧＲ率２０〜５０％程度のＥＧＲ制御において、強い流動場でも、安定した燃焼が実現できるよう、デューティ比５０％、パルス周期５０μＳの点火パルスＳＧを、所定の繰返し回数（Ｎ）、イグナイタＱに供給する多重点火動作を実行している。繰り返し回数Ｎは、運転条件によって変化するが、５回〜１５回の範囲で最適回数が実験的に規定されている。

図２〜図７は、一発点火方式や通常の多重点火方式では、高頻度で失火する燃焼条件における燃焼実験の結果を示しており、基本放電の後、パルス幅５０μＳの点火パルスＳＧを１５回供給して１５回の追加放電を実行した実験結果を示している。

図２は、二次コイルＬ２に誘起する二次電圧Ｖ２と、二次コイルＬ２の二次電流Ｉ２の関係を示し、図３は、点火パルスＳＧのパルス電圧Ｖ１と、一次コイルＬ１の一次電流Ｉ１の関係を示している。

二次電流Ｉ２は、グランドから二次コイルＬ２に流れ込むので、図２の左縦軸に示す通り、マイナス値で示している。また、二次電圧Ｖ２は、図２の右縦軸に示す通り、グランド電位を基準にしたマイナス値で示している。

図２に示す二次電流Ｉ２の推移から確認できる通り、点火放電からの１５×５０μＳ経過後でも、二次電流Ｌ２のピーク値が、かなりのレベルに維持されている。これは、基本放電時までに点火トランスＴＲに蓄積された電磁エネルギーが減少する過程で、追加放電を高速度で繰り返すことで、二次電流Ｌ２のピーク値の減少傾向を抑制できるためと解される。

図示例では、１５個目のピーク値が一個目のピーク値の１／２程度であるが、本発明者の研究によれば、燃焼条件が変わった場合でも、１００μＳ以下の動作周期で追加放電を繰り返すことで、１５個目のピーク値が一個目のピーク値の１／３以上にできることが確認された。

なお、二次電流Ｌ２のピーク値は、漸次減少傾向となるので、追加放電の回数Ｎが１５回未満の場合には、二次電流のＮ個目のピーク値は、当然に、一回目のピーク値の１／３以上となる。

そして、最終放電時後のピーク値が一個目のピーク値の１／３以上であれば、ＥＧＲ率２０〜５０％程度のＥＧＲ制御において、強い流動場でも、安定した燃焼が実現されることが確認されている。

ところで、図４〜図７は、図２〜図３の一部を切り出して拡大した参考図である。図４は、点火パルスＳＧのパルス電圧Ｖ１と、一次電流Ｉ１の関係を示しており、１５回の追加放電によって、一次電流Ｉ１の振幅やピーク値が漸次減少することが確認される。

また、図５は、点火パルスＳＧのパルス電圧Ｖ１と、二次電流Ｉ２の関係を示しており、１５回の追加放電によって二次電流Ｉ２のピーク値が、一次電流Ｉ１のレベル変化に対応して、漸次減少することが確認される。なお、パルス電圧Ｖ１の立下りエッジと、一次電流Ｉ１及び二次電流Ｉ２の変化開始には、所定の遅延時間τが存在する。

また、図６は、一次電流Ｉ１と二次電流Ｉ２の関係を示し、図７は、二次電圧Ｖ２と二次電流Ｉ２の関係を参考的に示している。

ＰＧ 点火プラグ
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＴＲ 点火トランス
Ｉ１ 一次電流
Ｑ 電子素子
ＥＣＵ 制御装置

Claims (8)

1. 内燃機関の燃焼室で着火動作を実現する点火プラグに対応して配置され、
   電磁結合された一対の一次コイル及び二次コイルで構成される点火トランスと、ＯＮ／ＯＦＦ動作することで、一次コイルの一次電流を通電制御する電子素子と、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する制御装置と、を有して構成された点火装置であって、
   前記制御装置は、
   点火放電タイミングに至るまで、電子素子のＯＮ動作を継続させて一次コイルの一次電流を増加させ、その後、電子素子をＯＦＦ動作させる第１手段と、
   第１手段が電子素子をＯＦＦ動作させた後、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を複数Ｎ回繰り返す第２手段と、が必要時に機能するよう構成され、
   第２手段は、二次電流のＮ個目のピーク値が、一回目のピーク値の１／３以上となるよう、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返していることを特徴とする点火装置。
2. 第２手段が実行するＯＮ／ＯＦＦ動作の繰返し回数は、エンジン回転速度、空燃比、及び、ＥＲＧ率の全部又は一部に基づいて予め決定されている請求項１に記載の点火装置。
3. ＯＮ／ＯＦＦ動作のデューティ比は、４５〜５５％である請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 第１手段及び第２手段は、ＥＧＲ率２０〜５０％の運転条件で機能している請求項１〜３の何れかに記載の点火装置。
5. 第２手段は、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を５回〜１５回繰り返す請求項１〜４の何れかに記載の点火装置。
6. 第２手段は、電子素子のＯＦＦ動作期間を、７５μＳ以下に制御している請求項１〜５の何れか記載の点火装置。
7. 第２手段は、エンジン回転数が、３０００回転以下の運転条件で機能する請求項１〜６の何れか記載の点火装置。
8. 内燃機関の燃焼室で着火動作を実現する点火プラグに対応して配置され、
   電磁結合された一対の一次コイル及び二次コイルで構成される点火トランスと、ＯＮ／ＯＦＦ動作することで、一次コイルの一次電流を通電制御する電子素子と、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する制御装置と、を有する点火装置の点火方法であって、
   前記制御装置は、
   点火放電タイミングに至るまで、電子素子のＯＮ動作を継続させて一次コイルの一次電流を増加させ、その後、電子素子をＯＦＦ動作させる第１手段と、
   第１手段が電子素子をＯＦＦ動作させた後、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を複数Ｎ回繰り返す第２手段と、が必要時に機能するよう構成され、
   第２手段は、二次電流のＮ個目のピーク値が、一回目のピーク値の１／３以上となるよう、電子素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返していることを特徴とする点火方法。
   

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