JP2017040204A

JP2017040204A - 点火装置

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Publication number: JP2017040204A
Application number: JP2015162346A
Authority: JP
Inventors: 翔平石田; Shohei Ishida; 竹田　俊一; Shunichi Takeda; 俊一竹田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: US10138861B2; DE112016003762T5; JP6622513B2; DE112016003762T8; US20180245562A1; WO2017029951A1

Abstract

【課題】高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる点火装置を提供する。【解決手段】点火装置１は、第１回路１１、第２回路１２、制御部１３、および、湿度センサ５０を備える。第１回路１１は、点火プラグ５に火花放電を開始させる。第２回路１２は、第１回路１１による通電方向とは逆の方向に１次コイル２に通電することで、２次コイル３の通電を第１回路１１の動作で開始したのと同一方向に維持して、火花放電を継続させる。制御部１３は、第１回路１１および第２回路１２の動作を制御する。湿度センサ５０は、吸入空気の湿度を検出する。制御部１３は、吸入空気の湿度の増加に応じて、第１回路１１による火花放電の開始時期を早めるとともに、第２回路１２による点火プラグへのエネルギー投入量を増やす。このため、高湿度による着火しにくさ、火炎の広がりにくさを補うことができ、燃焼変動の悪化を抑制することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用の点火装置に関する。

近年、内燃機関では、低燃費化、低エミッション化等を図る目的で、天候等の周囲の環境に応じた高度な内燃機関制御が求められている。
例えば、高湿度環境下においては、混合気は、熱容量増加により、着火しにくくなっており、着火しても火炎が広がりにくい状態となっている。この結果、燃焼変動が悪化しやすくなっており、その対策が望まれている。

なお、特許文献１には、高湿度環境下において、空燃比を高めることでＮＯｘを低減させる点火装置が記載されている。
しかし、この点火装置においては、高湿度によって着火しにくく、かつ、火炎が広がりにくい状態で、さらに空燃比を高めているため吹き消えの発生が懸念される構成となっている。

特開平０６−２７２５９０号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる点火装置を提供することにある。

本発明の点火装置は、内燃機関用であり、１次コイルおよび２次コイルを有する点火コイルと、２次コイルに接続する点火プラグとを備え、１次コイルへの通電のオンオフに伴う電磁誘導により点火プラグにエネルギーを投入して火花放電を発生させる。
そして、点火装置は、以下の第１回路、第２回路、制御部、および、湿度検出部を備える。

第１回路は、１次コイルへの通電をオンオフすることで、点火プラグに火花放電を開始させる。
第２回路は、第１回路の動作によって開始した火花放電中に、第１回路による通電方向とは逆の方向に１次コイルのマイナス側から通電することで、２次コイルの通電を第１回路の動作で開始したのと同一方向に維持して点火プラグにエネルギーを投入し続け、火花放電を継続させる。

制御部は、第１回路および第２回路の動作を制御する。
湿度検出部は、内燃機関に吸入される吸入空気の湿度を検出する。
そして、制御部は、吸入空気の湿度の増加に応じて、第１回路による火花放電の開始時期を早めるとともに、第２回路による点火プラグへのエネルギー投入量を増やす。

これにより、第１回路による火花放電の開始時期を早めることで、着火が起こりやすくなり、第２回路による点火プラグへのエネルギー投入量を増やすことで、火炎が広がりやすくなる。
このため、高湿度による着火しにくさ、火炎の広がりにくさを補うことができる。
以上により、高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる。

点火装置の構成図である（実施例）。点火装置および内燃機関を含む全体構成図である（実施例）。点火装置の動作を示すタイムチャートである（実施例）。通常モードと高湿度モードの２次電流のタイムチャートである（実施例）。通常モードと高湿度モードの２次電流のタイムチャートである（変形例）。

以下において、発明を実施するための形態を、実施例を用いて説明する。なお、実施例は具体的な一例を開示するものであり、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

〔実施例の構成〕
図１〜図２を参照して実施例の点火装置１を説明する。
点火装置１は、１次コイル２および２次コイル３を有する点火コイル４と、２次コイル３に接続する点火プラグ５とを備え、１次コイル２への通電のオンオフに伴う電磁誘導により点火プラグ５にエネルギーを投入して混合気に火花放電を発生させる。
ここで、点火装置１は、車両走行用の内燃機関６に搭載されるものであり、所定の点火時期に燃焼室７内の混合気に点火する。

なお、点火プラグ５は、周知構造を有するものであり、２次コイル３の一端に接続される中心電極８と、内燃機関６のシリンダヘッド等を介してアース接地される接地電極９とを備え、２次コイル３に生じるエネルギーにより中心電極８と接地電極９との間で火花放電を生じさせる。
また、内燃機関６は、例えば、ガソリンを燃料とする希薄燃焼（リーンバーン）が可能であり、燃焼室７内にタンブル流やスワール流等の混合気の旋回流が生じるように設けられている。
以下、点火装置１について詳述する。

点火装置１は、次の第１、第２回路１１、１２、および、制御部１３を備える。
先ず、第１回路１１は、１次コイル２への通電をオンオフすることで、点火プラグ５に火花放電を開始させる。また、第２回路１２は、第１回路１１の動作によって開始した火花放電中に第１回路１１による通電方向とは逆の方向に１次コイル２に通電することで、２次コイル３の通電を第１回路１１の動作で開始したのと同一方向に維持して点火プラグ５にエネルギーを投入し続け、火花放電を継続させる。
制御部１３は、第１、第２回路１１、１２の動作を制御する部分であり、次の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ１６と呼ぶ。）および投入ドライバ１７等により構成される。

ここで、ＥＣＵ１６は、内燃機関６に対する制御の中枢を成すものであり、後述する点火信号ＩＧｔおよび放電継続信号ＩＧｗ等の各種信号を出力して１次コイル２への通電を制御し、１次コイル２への通電を制御することで２次コイル３に誘導される電気エネルギーを操作して、点火プラグ５の火花放電を制御する。

なお、ＥＣＵ１６は、車両に搭載されて内燃機関６の運転状態や制御状態を示すパラメータを検出する各種センサから信号が入力される。また、ＥＣＵ１６は、入力された信号を処理する入力回路、入力された信号に基づき、内燃機関６の制御に関する制御処理や演算処理を行うＣＰＵ、内燃機関６の制御に必要なデータやプログラム等を記憶して保持する各種のメモリ、ＣＰＵの処理結果に基づき、内燃機関６の制御に必要な信号を出力する出力回路等を備えて構成される。

なお、ＥＣＵ１６に信号を出力する各種センサとは、例えば、内燃機関６の回転数を検出する回転数センサ２４、内燃機関６に吸入される吸入空気の圧力を検出する吸気圧センサ２５、および、混合気の空燃比を検出する空燃比センサ２６等である。
そしてＥＣＵ１６は、これらセンサから得られるパラメータの検出値に基づき、点火装置１による点火制御、燃料噴射弁２７による燃料噴射制御等を実行する。なお、実施例において、燃料噴射弁２７は、吸気路２８に設けられているが、燃焼室７に直接燃料を噴射する、いわゆる直噴式の構成となっていてもよい。

第１回路１１は、バッテリ３０のプラス極と１次コイル２の一方の端子とを接続するとともに、１次コイル２の他方の端子をアースに接続し、１次コイル２の他方の端子のアース側（低電位側）に、放電開始用のスイッチ（以下、第１スイッチ３１と呼ぶ。）を配置することで構成されている。

第１回路１１は、第１スイッチ３１のオンオフにより、１次コイル２にエネルギーを蓄えさせるとともに、１次コイル２に蓄えたエネルギーを利用して２次コイル３に高電圧を発生させ、点火プラグ５に火花放電を開始させる。
以下、第１回路１１の動作により発生した火花放電を主点火と呼ぶことがある。また、１次コイル２の通電方向（つまり１次電流の方向）は、バッテリ３０から第１スイッチ３１に向かう方向をプラスとする。

より具体的には、第１回路１１はＥＣＵ１６から点火信号ＩＧｔが与えられる期間に第１スイッチ３１をオンすることで、１次コイル２にバッテリ３０の電圧を印加してプラスの１次電流を通電し、１次コイル２に磁気的なエネルギーを蓄えさせる。その後、第１回路１１は、第１スイッチ３１のオフにより、電磁誘導によって２次コイル３に高電圧を発生させ、主点火を生じさせる。
なお、第１スイッチ３１は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ型トランジスタ、サイリスタ等である。また、点火信号ＩＧｔは、第１回路１１において１次コイル２にエネルギーを蓄えさせる期間および点火開始時期を指令する信号である。

第２回路１２は、第１回路１１に対し１次コイル２と第１スイッチ３１との間に接続するとともに、昇圧回路３３から１次コイル２への電力供給をオンオフするスイッチ（以下、第２スイッチ３４と呼ぶ。）を配置することで構成されている。
ここで、昇圧回路３３は、ＥＣＵ１６から点火信号ＩＧｔが与えられる期間においてバッテリ３０の電圧を昇圧してコンデンサ３６に蓄えるものである。

より具体的に、昇圧回路３３は、コンデンサ３６、チョークコイル３７、昇圧スイッチ３８、昇圧ドライバ３９、ダイオード４０を備えている。
チョークコイル３７は一端がバッテリ３０のプラス極に接続され、昇圧スイッチ３８によりチョークコイル３７の通電状態が断続される。また、昇圧ドライバ３９は、昇圧スイッチ３８に制御信号を与えて昇圧スイッチ３８をオンオフさせるものである。ここで、昇圧スイッチ３８は、例えば、ＭＯＳ型トランジスタである。そして、コンデンサ３６は、昇圧スイッチ３８のオンオフ動作により、チョークコイル３７に発生した磁気的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして蓄える。

なお、昇圧ドライバ３９は、ＥＣＵ１６から点火信号ＩＧｔが与えられる期間において昇圧スイッチ３８を所定周期で繰り返しオンオフするように設けられている。また、ダイオード４０は、コンデンサ３６に蓄えたエネルギーがチョークコイル３７の側へ逆流するのを防ぐものである。

第２回路１２は、第２スイッチ３４およびダイオード４４を備える。
第２スイッチ３４は、例えば、ＭＯＳ型トランジスタであり、コンデンサ３６に蓄えるエネルギーを１次コイル２のマイナス側から投入するのをオンオフするものである。
ダイオード４４は、１次コイル２から第２スイッチ３４側への電流の逆流を阻止するものである。
そして、第２スイッチ３４は、投入ドライバ１７から与えられる制御信号によりオン動作することで、昇圧回路３３から１次コイル２のマイナス側にエネルギーを投入する。

投入ドライバ１７は、放電継続信号ＩＧｗが与えられる期間において、第２スイッチ３４をオンオフさせてコンデンサ３６から１次コイル２に投入するエネルギーを制御することで、２次コイル３の通電量である２次電流を制御する。
ここで、放電継続信号ＩＧｗは、主点火として発生した火花放電を継続させる期間を指令する信号である。

以上により、第２回路１２は、第１回路１１の動作によって開始した火花放電中に、第１回路１１による通電方向とは逆の方向に１次コイル２に通電することで、２次電流を第１回路１１の動作で開始したのと同一方向に維持して点火プラグ５にエネルギーを投入し続け、火花放電を継続させる。
以下、第２回路１２の動作により主点火に継続する火花放電を継続火花放電と呼ぶことがある。

また、投入ドライバ１７は、ＥＣＵ１６から２次電流の指令値を示す信号である電流指令信号ＩＧａが与えられ、電流指令信号ＩＧａに基づき２次電流を制御する。
ここで、２次コイル３の一端は先述したように点火プラグ５の中心電極８に接続し、２次コイル３の他端は、２次コイル３に発生する２次電流を検出して制御部１３にフィードバックするＦ／Ｂ回路４６に接続している。
なお、２次コイル３の他端は、２次電流の方向を一方向に限定するダイオード４７を介してＦ／Ｂ回路４６に接続している。また、Ｆ／Ｂ回路４６には、２次電流を検出するためのシャント抵抗４８が接続している。

そして、投入ドライバ１７は、フィードバックされた２次電流の検出値と、電流指令信号ＩＧａに基づき把握される２次電流の指令値とに基づき、第２スイッチ３４のオンオフを制御する。すなわち、投入ドライバ１７は、例えば、２次電流の検出値に対する上限下限の閾値を指令値に基づき設定し、検出値と上限、下限の閾値との比較結果に応じて制御信号の出力を開始したり、停止したりする。
より具体的には、投入ドライバ１７は、２次電流の検出値が上限より大きくなったら制御信号の出力を停止し、２次電流の検出値が下限よりも小さくなったら制御信号の出力を開始する。

なお、第１、第２回路１１、１２、Ｆ／Ｂ回路４６および投入ドライバ１７は回路ユニット４９として１つにまとめられている。そして、点火プラグ５、点火コイル４、および、回路ユニット４９は各気筒それぞれに設置されている。

次に、図３を参照して点火装置１の動作を説明する。
また、図３において、「ＩＧｔ」は点火信号ＩＧｔの入力状態をハイ／ローで表すものであり、「ＩＧｗ」は放電継続信号ＩＧｗの入力状態をハイ／ローで表すものである。また、「１ｓｔＳＷ」は第１スイッチ３１のオンオフ状態を表し、「２ｎｄＳＷ」は第２スイッチ３４のオンオフ状態を表し、「ＢｓｔＳＷ」は昇圧スイッチ３８のオンオフ状態を表すものである。また、「ＶＣ」はコンデンサ３６の充電電圧を表している。また、「Ｉ１」は１次電流（１次コイル２に流れる電流値）を表し、「Ｉ２」は２次電流（２次コイル３に流れる電流値）を表している。

点火信号ＩＧｔがローからハイへ切り替わると（時間ｔ０１参照。）、点火信号ＩＧｔがハイの期間において、第１スイッチ３１がオン状態を維持してプラスの１次電流が流れ、１次コイル２にエネルギーが蓄えられる。また、コンデンサ３６の充電電圧が所定値を下回る場合、昇圧スイッチ３８がオンオフを繰り返し、昇圧されたエネルギーがコンデンサ３６に蓄えられる。

やがて、点火信号ＩＧｔがハイからローへ切り替わると（時間ｔ０２参照。）、第１スイッチ３１がオフされ、１次コイル２の通電が遮断される。これにより、電磁誘導によって２次コイル３に高電圧が発生し、点火プラグ５において主点火が発生する。
点火プラグ５において主点火が発生した後、２次電流は略三角波形状で減衰する（Ｉ２点線参照。）。そして、２次電流が下限の閾値に到達する前に、放電継続信号ＩＧｗがローからハイへ切り替わる（時間ｔ０３参照。）。

放電継続信号ＩＧｗがローからハイへ切り替わると、第２スイッチ３４がオンオフ制御されて、コンデンサ３６に蓄えられていたエネルギーが、１次コイル２のマイナス側に順次投入され、１次電流は、１次コイル２からバッテリ３０の＋極に向かって流れる。
より、具体的には、第２スイッチ３４がオンされる毎に１次コイル２からバッテリ３０の＋極に向かう１次電流が追加され、１次電流がマイナス側に増加していく（時間ｔ０３〜ｔ０４参照。）。

そして、１次電流が追加される毎に、主点火による２次電流と同方向の２次電流が２次コイル３に順次追加され、２次電流は上限下限の間に維持される。
以上により、第２スイッチ３４をオンオフ制御することで、２次電流が火花放電を維持可能な程度に継続して流れる。その結果、放電継続信号ＩＧｗのオン状態が続くと、継続火花放電が点火プラグ５において維持される。

[実施例の特徴]
実施例の特徴的な構成について説明する。
実施例の点火装置１は、さらに、湿度検出部（以下、湿度センサ５０と呼ぶ。）を備える。湿度センサ５０は、内燃機関６に吸入空気を導く吸気路２８に設けられ、吸入空気の湿度を検出し、ＥＣＵ１６に吸入空気の湿度に応じた信号を出力している（図２参照。）。

そして、制御部１３は、湿度センサ５０の湿度の検出値に基づいて、第１回路１１による火花放電の開始時期、第２回路１２による点火プラグ５へのエネルギー投入量を制御するために２つのモードを使い分けている。
ここで、一方のモードは、通常状態に対応するモードであり、第１回路１１による火花放電の開始時期を所定時期とし、第２回路１２による点火プラグ５へのエネルギー投入量を所定量とするモード（以下、通常モードと呼ぶ。）である。

そして、他方のモードは、高湿度状態に対応するモードであり、第１回路１１による火花放電の開始時期を通常モードより早めるとともに、第２回路１２による点火プラグ５へのエネルギー投入量を通常モードより増やすモード（以下、高湿度モードと呼ぶ。）である。

[実施例の制御方法]
実施例の制御方法について図４を用いて説明する。
ここで、図中実線は高湿度モードにおける２次電流の時間変化を表し、点線は通常モードにおける２次電流の時間変化を表している。なお、高湿度モード、通常モードともに２次電流の指令値は等しく設定されている。
また、「Ｔ０２」、「Ｔ０３」、「Ｔ０４」は、高湿度モードにおける信号の切り替わるときを表しており、「ｔ０２」、「ｔ０３」、「ｔ０４」は、低湿度モードにおける信号の切り替わるときを表している。

より具体的には、「Ｔ０２」は、点火信号ＩＧｔがハイからローに切り替わるときを表しており、図３における「ｔ０２」に対応している。そして、「Ｔ０３」は、放電継続信号ＩＧｗがローからハイに切り替わるときを表しており、図３における「ｔ０３」に対応している。また、「Ｔ０４」は、放電継続信号ＩＧｗがハイからローに切り替わるときを表しており、図３における「ｔ０４」に対応している。

同様に「ｔ０２」は、点火信号ＩＧｔがハイからローに切り替わるときを表しており、図３における「ｔ０２」に対応している。そして、「ｔ０３」は、放電継続信号ＩＧｗがローからハイに切り替わるときを表しており、図３における「ｔ０３」に対応している。また、「ｔ０４」は、放電継続信号ＩＧｗがハイからローに切り替わるときを表しており、図３における「ｔ０４」に対応している。

まず、制御部１３は、湿度センサ５０の検出値から吸入空気の状態が高湿度状態であるか否かを判定する。
なお、高湿度状態か否かの判定は、湿度センサ５０の検出値が予め設定された閾値を超えるか否かで判定される。

次に、高湿度状態であると判定した場合、制御部１３は、高湿度モードを実行する。
高湿度モードが実行されると点火装置１は、通常モードより火花放電の開始時期が早まり（時間Ｔ０２、時間ｔ０２参照。）、通常モードより点火プラグ５へのエネルギー投入量が増加する。ここで、高湿度モードと通常モードとで２次電流の指令値は等しく設定されているため、エネルギー投入量の増加は、放電継続期間を伸ばすことによって実現している（時間Ｔ０３〜Ｔ０４、時間ｔ０３〜ｔ０４参照。）。

なお、実施例においては、高湿度モード、通常モードともに２次電流の指令値は等しくなっているため、時間Ｔ０２〜Ｔ０３の期間と時間ｔ０２〜ｔ０３の期間とは略等しくなっている。
一方、高湿度状態でないと判定された場合、制御部１３は、通常モードを実行する。

〔実施例の効果〕
実施例の点火装置１によれば、制御部１３は、吸入空気の湿度の増加に応じて、第１回路１１による火花放電の開始時期を早めるとともに、第２回路１２による点火プラグ５へのエネルギー投入量を増やす。

これにより、第１回路１１による火花放電の開始時期を早めることで、着火が起こりやすくなり、第２回路１２による点火プラグ５へのエネルギー投入量を増やすことで、火炎が広がりやすくなる。
このため、高湿度による着火しにくさ、火炎の広がりにくさを補うことができる。
以上により、高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる。

実施例の点火装置１によれば、制御部１３は、第２回路１２の動作を制御して放電継続期間を伸ばすことで、エネルギー投入量を増やしている。
これにより、２次電流の大きさを増やすことなく点火プラグ５へのエネルギー投入量を増やすことができる。

すなわち、第２回路１２の存在により、１次電流をマイナス側に増加させる期間を伸縮させることで、２次電流の大きさを増加させずに継続火花放電の期間を伸縮させることができる。
一方、第２回路を有さない点火装置においては、放電期間を伸ばす場合に２次電流を増加させることで対応せざるを得ず、点火プラグの消耗がどうしても大きくなってしまう。
このため、第２回路を有さない点火装置に比して、点火プラグ５の消耗を抑制しつつ、エネルギー投入量を増やすことができる。

［変形例］
本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形例を考えることができる。
なお、変形例において、符号の意味は図４と同一としている。
実施例によれば、高湿度モードにおいて、放電継続期間を伸ばすことで点火プラグ５へのエネルギー投入量を増やしているが、図５（ａ）に示すように２次電流の大きさを増加させて、点火プラグ５へのエネルギー投入量を増やしてもよい。
なお、図５（ａ）において、継続火花放電の期間は、高湿度モードと通常モードで同一としている（時間Ｔ０３〜Ｔ０４、時間ｔ０３〜ｔ０４参照。）。

これにより、継続火花放電の期間を短縮することができるので、速やかに次の点火に備えることができる。
なお、２次電流の大きさを増加させるには、２次電流の指令値を大きく設定すればよい。

また、当然ではあるが、図５（ｂ）に示すように、２次電流の大きさを増加させ、且つ、継続火花放電の期間を増加させることで、点火プラグ５へのエネルギー投入量を増やしてもよい。

また、実施例においては、閾値判定により高湿度モードと通常モードとを切り替えていたが、湿度センサ１４による湿度の検出値に比例して、火花放電の開始時期を早めるとともに、点火プラグ５へのエネルギー投入量を増やす構成としてもよい。

１点火装置２１次コイル３２次コイル４点火コイル５点火プラグ
１１第１回路１２第２回路１３制御部５０湿度センサ（湿度検出部）

Claims

１次コイル（２）および２次コイル（３）を有する点火コイル（４）と、前記２次コイルに接続する点火プラグ（５）とを備え、前記１次コイルへの通電のオンオフに伴う電磁誘導により前記点火プラグにエネルギーを投入して火花放電を発生させる内燃機関用の点火装置（１）において、
前記１次コイルへの通電をオンオフすることで、前記点火プラグに火花放電を開始させる第１回路（１１）と、
この第１回路の動作によって開始した火花放電中に、前記第１回路による通電方向とは逆の方向に前記１次コイルのマイナス側から通電することで、前記２次コイルの通電を前記第１回路の動作で開始したのと同一方向に維持して前記点火プラグにエネルギーを投入し続け、火花放電を継続させる第２回路（１２）と、
前記第１回路および前記第２回路の動作を制御する制御部（１３）と、
内燃機関に吸入される吸入空気の湿度を検出する湿度検出部（５０）とを備え、
前記制御部は、前記吸入空気の湿度の増加に応じて、前記第１回路による火花放電の開始時期を早めるとともに、前記第２回路による前記点火プラグへのエネルギー投入量を増やすことを特徴とする点火装置。
請求項１に記載の点火装置において、
前記制御部は、前記第２回路の動作を制御して放電継続期間を伸ばすことで、前記エネルギー投入量を増やすことを特徴とする点火装置。
請求項１または請求項２に記載の点火装置において、
前記制御部は、前記第２回路の動作を制御して前記２次コイルへの通電量を増やすことで、前記エネルギー投入量を増やすことを特徴とする点火装置。