JP2017207007A

JP2017207007A - 点火制御装置

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Publication number: JP2017207007A
Application number: JP2016099768A
Authority: JP
Inventors: 聡志中村; Satoshi Nakamura; 智洋中野; Tomohiro Nakano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2036-05-18
Also published as: JP6627644B2

Abstract

【課題】点火コイルが備える１次コイルの過通電による破損を防止する。【解決手段】点火制御装置は、１次コイルと２次コイルとを含む点火コイルと、点火プラグの放電開始後に１次コイルに電気エネルギーを投入するエネルギー投入部と、２次コイルに流れる２次電流が目標値を維持するように、エネルギー投入部から１次コイルに投入する電気エネルギーを制御するエネルギー制御部と、１次コイルに電気エネルギーを投入している期間における１次電流の変化の傾きの絶対値、及び、１次コイルに電気エネルギーを投入している期間における１次コイルの巻線温度の少なくとも一方を取得する取得部と、１次電流の変化の傾きの絶対値及び巻線温度の少なくとも一方がそれぞれに対応する閾値以上である場合、エネルギー投入部から１次コイルへの電気エネルギーの投入を禁止するエネルギー投入禁止部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、点火制御装置に関する。

１次コイルへの通電及び遮断によって点火プラグに火花放電を生じさせた後、エネルギー投入回路から１次コイルに電気エネルギーを投入し、火花放電を任意の期間にわたって継続させる点火装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２）。

特開２０１５−２００２９３号公報特開２０１５−２００２４８号公報

ところで、点火装置の異常によって、１次コイルへの通電に対して２次コイルへの変換効率が低下することがある。このような場合に２次コイルに流れる電流値を目標値に維持するためには、１次コイルに通常時よりも多くの電流を流す必要がある。このため、エネルギー投入回路から１次コイルに電気エネルギーを投入し続けると、１次コイルに想定以上の電流が流れ、過通電により１次コイルが破損するおそれがある。

そこで、本明細書開示の点火制御装置は、点火コイルが備える１次コイルの過通電による破損を防止することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された点火制御装置は、１次コイルと２次コイルとを含む点火コイルと、点火プラグの放電開始後に前記１次コイルに電気エネルギーを投入するエネルギー投入部と、前記２次コイルに流れる２次電流が目標値を維持するように、前記エネルギー投入部から前記１次コイルに投入する前記電気エネルギーを制御するエネルギー制御部と、前記１次コイルに前記電気エネルギーを投入している期間における前記１次コイルを流れる１次電流の変化の傾きの絶対値、及び、前記１次コイルに前記電気エネルギーを投入している期間における前記１次コイルの巻線温度の少なくとも一方を取得する取得部と、前記１次電流の変化の傾きの絶対値及び前記巻線温度の少なくとも一方がそれぞれに対応する閾値以上である場合、前記エネルギー投入部から前記１次コイルへの前記電気エネルギーの投入を禁止するエネルギー投入禁止部と、を備える。

本明細書開示の点火制御装置によれば、点火コイルが備える１次コイルの過通電による破損を防止することができる。

図１は、一実施形態に係る点火制御装置が適用された点火システムの構成を示す概略図である。図２は、点火システムの動作を示すタイムチャートである。図３は、ＥＣＵが実行する点火制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

本実施形態に係る点火システム１は、車両走行用の火花点火エンジンに搭載され、所定の点火時期に燃焼室内の混合気に点火する。なお、エンジンの一例は、ガソリンを燃料とする希薄燃焼（リーンバーン）が可能な直噴式エンジンであり、気筒内にタンブル流やスワール流等の混合気の旋回流を生じさせる旋回流コントロール手段を備える。また、本実施形態において点火システム１は、各気筒の点火プラグ２ごとに対応した点火コイル３を用いるＤＩ（ダイレクト・イグニッション）タイプである。

点火システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４を備える。ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶装置等を備える。ＥＣＵ４は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより後述する点火制御等を実行する。ＥＣＵ４は、取得部及びエネルギー投入禁止部の一例である。

ＥＣＵ４には、車両に搭載されてエンジンの運転状態や制御状態を示すパラメータ（暖機状態、エンジン回転速度、エンジン負荷、希薄燃焼の有無、旋回流の程度等）を検出する各種センサから信号が入力される。ＥＣＵ４は、各種センサから取得したエンジンパラメータに応じた点火信号ＩＧｔおよび放電継続信号ＩＧｗを生成して出力する。点火信号ＩＧｔは、後述する主点火回路８において１次コイル５に磁気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。放電継続信号ＩＧｗは、継続火花放電（詳細は後述する）を継続する期間を指令する信号である。ＥＣＵ４は、点火信号ＩＧｔ及び放電継続信号ＩＧｗにより１次コイル５の通電を制御して点火コイル３の２次コイル６に生じる電気エネルギーを操作し、点火プラグ２の火花放電を制御する。

また、本実施形態に係る点火システム１は、フルトラに基づき火花放電（以下、主点火と呼ぶ）を発生させる主点火回路８と、主点火として生じた火花放電を電気エネルギーの追加投入により継続火花放電として継続させるエネルギー投入回路９を備える。また、点火システム１は、２次電流Ｉ２を検出してエネルギー投入回路９にフィードバックするフィードバック回路１０と、１次コイル５に流れる電流（１次電流Ｉ１）を測定する１次電流センサ３１と、１次コイル５の巻線温度を測定する温度センサ３２と、を備える。１次電流センサ３１及び温度センサ３２の検出値は、ＥＣＵ４に入力される。なお、エネルギー投入回路９はエネルギー投入部の一例である。

なお、主点火回路８、エネルギー投入回路９、およびフィードバック回路１０は、点火回路ユニットとして１つのケース内に収容配置され、点火プラグ２、点火コイル３および点火回路ユニットは、気筒数と同数設けられて気筒毎に設置される。

点火プラグ２は、周知構造を有するものであり、２次コイル６の一端に接続される中心電極と、エンジン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とを備え、２次コイル６に生じる電気エネルギーにより中心電極と接地電極との間で火花放電を生じさせる。

点火コイル３は、１次コイル５と２次コイル６とを有し、１次コイル５を流れる電流（１次電流Ｉ１）の増減に応じて電磁誘導により２次コイル６に電流（２次電流Ｉ２）を発生させる周知構造である。

１次コイル５の一端は車載バッテリ１２のプラス電極に接続され、１次コイル５の他端は主点火回路８の点火用スイッチング手段１３を介してアース接地される。さらに、１次コイル５の他端には、点火用スイッチング手段１３を介してアース接地されるラインと並列に、エネルギー投入回路９が接続されている。

２次コイル６の一端は上述したように点火プラグ２の中心電極に接続され、２次コイル６の他端はフィードバック回路１０に接続されている。なお、２次コイル６の他端は、２次電流Ｉ２の方向を一方向に限定する第１ダイオード１４を介してフィードバック回路１０に接続されている。

主点火回路８は、１次コイル５の通電状態を断続する点火用スイッチング手段１３を備える。主点火回路８は、点火用スイッチング手段１３のオンオフにより、１次コイル５にエネルギーを蓄えさせるとともに、１次コイル５に蓄えたエネルギーを利用して２次コイル６に高電圧を発生させ、点火プラグ２に主点火を生じさせる。

より具体的には、主点火回路８は、ＥＣＵ４から点火信号ＩＧｔが与えられる期間に点火用スイッチング手段１３をオンすることで、１次コイル５に車載バッテリ１２の電圧を印加してプラスの１次電流Ｉ１を通電し、１次コイル５に磁気エネルギーを蓄えさせる。その後、主点火回路８は、点火用スイッチング手段１３のオフにより、電磁誘導によって磁気エネルギーを電気エネルギーに変換して２次コイル６に高電圧を発生させ、主点火を生じさせる。

なお、点火用スイッチング手段１３は、パワートランジスタ、ＭＯＳ型トランジスタ等である。

エネルギー投入回路９は、昇圧回路１５と、投入エネルギー制御手段１６とを備える。

昇圧回路１５は、ＥＣＵ４から点火信号ＩＧｔが与えられる期間において車載バッテリ１２の電圧を昇圧してコンデンサ１８に蓄えさせる。

投入エネルギー制御手段１６は、コンデンサ１８に蓄えた電気エネルギーを１次コイル５のマイナス側（接地側）に投入する。

昇圧回路１５は、コンデンサ１８以外に、チョークコイル１９、昇圧用スイッチング手段２０、昇圧用ドライバ回路２１および第２ダイオード２２を備える。なお、昇圧用スイッチング手段２０は、例えば、ＭＯＳ型トランジスタである。

チョークコイル１９は一端が車載バッテリ１２のプラス電極に接続され、昇圧用スイッチング手段２０によりチョークコイル１９の通電状態が断続される。また、昇圧用ドライバ回路２１は、昇圧用スイッチング手段２０に制御信号を与えて昇圧用スイッチング手段２０をオンオフさせるものであり、昇圧用スイッチング手段２０のオンオフ動作により、チョークコイル１９で蓄えた磁気エネルギーはコンデンサ１８で電気エネルギーとして充電される。

昇圧用ドライバ回路２１は、ＥＣＵ４から点火信号ＩＧｔが与えられる期間において昇圧用スイッチング手段２０を所定周期で繰り返してオンオフするように設けられている。

第２ダイオード２２は、コンデンサ１８に蓄えた電気エネルギーがチョークコイル１９側へ逆流するのを防ぐ。

投入エネルギー制御手段１６は、投入用スイッチング手段２４、投入用ドライバ回路２５および第３ダイオード２６を備える。なお、投入用スイッチング手段２４は、例えば、ＭＯＳ型トランジスタである。

投入用スイッチング手段２４は、コンデンサ１８に蓄えた電気エネルギーを１次コイル５にマイナス側から投入するのをオンオフし、投入用ドライバ回路２５は、投入用スイッチング手段２４に制御信号を与えてオンオフさせる。

投入用ドライバ回路２５は、ＥＣＵ４から入力される、スイッチング周波数を指示する周波数信号ＳＦに基づいて、投入用スイッチング手段２４をオンオフさせてコンデンサ１８から１次コイル５に投入する電気エネルギーを制御する。これにより、投入用ドライバ回路２５は、放電継続信号ＩＧｗが与えられる期間において２次電流Ｉ２を目標値に維持させる。すなわち、放電継続信号ＩＧｗは、投入用スイッチング手段２４にオンオフを繰り返させて昇圧回路１５から１次コイル５に電気エネルギーを投入する期間を指令する信号であるといえる。なお、投入用ドライバ回路２５は、エネルギー制御部の一例である。

第３ダイオード２６は、１次コイル５からコンデンサ１８への電流の逆流を阻止する。

フィードバック回路１０は、２次電流Ｉ２を検出してエネルギー投入回路９の投入エネルギー制御手段１６にフィードバックする。

フィードバック回路１０には、２次電流Ｉ２を検出する２次電流検出抵抗２８、および、フィードバック信号を合成して出力する電流検出回路２９が設けられている。そして、２次電流Ｉ２の検出値は、２次電流検出抵抗２８により電圧に変換されて電流検出回路２９に出力される。また、電流検出回路２９では、例えば、２次電流Ｉ２に対する上限下限の閾値が設定されており、検出値と上限、下限の閾値との比較に応じたフィードバック信号が合成されて投入用ドライバ回路２５に出力される。

次に、図２を参照して点火システム１の動作を説明する。なお、図２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、「点火用スイッチ」、「投入用スイッチ」は、それぞれ、点火用スイッチング手段１３、投入用スイッチング手段２４のオンオフを表し、「Ｉ１」は１次電流（１次コイル５に流れる電流値）、「Ｉ２」は２次電流（２次コイル６に流れる電流値）を表す。なお、図２の記載において、１次電流Ｉ１及び２次電流Ｉ２は、図１に示す矢印方向の電流を正の値とし、矢印と反対方向の電流を負の値とする。

点火信号ＩＧｔがローからハイへ切り替わると（時間ｔ１参照）、点火信号ＩＧｔがハイの期間において、点火用スイッチング手段１３がオン状態を維持してプラスの１次電流Ｉ１が流れ、１次コイル５に磁気エネルギーが蓄えられる。また、昇圧用スイッチング手段２０がオンオフを繰り返して昇圧動作を行い、昇圧された電気エネルギーがコンデンサ１８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ｔ２参照）、点火用スイッチング手段１３がオフされ、１次コイル５の通電状態が突然遮断される。これにより、１次コイル５に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーに変換されて２次コイル６に高電圧が発生し、点火プラグ２において主点火が開始される。

点火プラグ２において主点火が開始された後、２次電流Ｉ２は略三角波形状で減衰する（Ｉ２の破線を参照）。そして、２次電流Ｉ２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ｔ３参照）。

放電継続信号ＩＧｗがローからハイへ切り替わると、投入用スイッチング手段２４がオンオフ制御されて、コンデンサ１８に蓄えられていた電気エネルギーが、１次コイル５のマイナス側に順次投入され、１次電流Ｉ１は、１次コイル５から車載バッテリ１２のプラス電極に向かって流れる。より具体的には、投入用スイッチング手段２４がオンされる毎に１次コイル５から車載バッテリ１２のプラス電極に向かう１次電流Ｉ１が追加され、１次電流Ｉ１が傾きＳＬでマイナス側に増加していく（時間ｔ３〜ｔ４参照）。

そして、１次電流Ｉ１が追加される毎に、主点火による２次電流Ｉ２と同方向の２次電流Ｉ２が２次コイル６に順次追加され、２次電流Ｉ２は所定の範囲に維持される。

以上により、投入用スイッチング手段２４をオンオフ制御することで、２次電流Ｉ２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２において維持される。

次にＥＣＵ４が実行する点火制御について説明する。図３は、ＥＣＵ４が実行する点火制御の一例を示すフローチャートである。なお、図３に示す点火制御は、リーンバーン時のように気筒内のガス流速が高く火花放電の吹き消え可能性がある状態において、主点火に続けて継続火花放電を行う時に実行される。

ＥＣＵ４は、１次電流センサ３１の出力値に基づいて、継続火花放電期間（図２の時間ｔ３〜ｔ４）中の１次電流Ｉ１の変化の傾きＳＬ（図２参照）の絶対値を取得し、温度センサ３２から継続火花放電期間中（図２のｔ３〜ｔ４）の１次コイル５の巻線温度を取得する（ステップＳ１０）。なお、ＥＣＵ４は、継続火花放電期間中（図２のｔ３〜ｔ４）の１次電流Ｉ１の変化の傾きに基づいて、１次コイル５の巻線温度を推定してもよい。この場合、温度センサ３２を省略してもよい。

次に、ＥＣＵ４は、１次電流Ｉ１の変化の傾きの絶対値が閾値Ｖ１以上、又は、１次コイル５の巻線温度が閾値Ｖ２以上であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。１次コイル５から２次コイル６への変換効率が低下すると、２次コイル６に流れる２次電流Ｉ２を目標値に維持するために、通常時よりも多くの電流を１次コイル５へと通電する必要がある。１次コイル５への通電量の増加は、磁気飽和の発生、あるいは、１次コイル５の巻線温度の上昇を引き起こす。したがって、本ステップでは、磁気飽和が発生しているか否かを閾値Ｖ１を用いて１次電流Ｉ１の変化の傾きによって判定し、閾値Ｖ２を用いて１次コイル５の通電量が１次コイル５の通電限界に達しているか否かを判定する。すなわち、本ステップでは、１次コイル５から２次コイル６への変換効率が低下しているか否かを判断している。

１次電流Ｉ１の変化の傾きの絶対値が閾値Ｖ１未満であり、かつ、１次コイル５の巻線温度が閾値Ｖ２未満である場合（ステップＳ１２／ＮＯ）、ＥＣＵ４は、筒内における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン燃焼を実行させるリーン制御を継続する（ステップＳ１４）。

一方、１次電流Ｉ１の変化の傾きが閾値Ｖ１以上、又は、１次コイル５の巻線温度が閾値Ｖ２以上である場合（ステップＳ１２／ＹＥＳ）、ＥＣＵ４は、リーン制御を中止し、その後、エネルギー投入回路９から１次コイル５への電気エネルギーの投入を禁止する（ステップＳ１６）。これにより、１次コイル５への通電量を抑え、過通電による１次コイル５の破損を防止することができる。また、リーン制御を中止しているため、エネルギー投入回路９から１次コイル５への電気エネルギーの投入を禁止しても、主点火によって混合気へ着火することができるので、ドライバビリティの低下を抑制することができる。なお、ＥＣＵ４は、リーン制御を中止するとともに、排気ガスを排気通路から吸気通路へと還流させるＥＧＲ制御を中止しても良い。また、リーン制御の中止に代えて、ＥＧＲ制御を中止してもよい。

上述の説明から明らかなように、本実施形態に係る点火システム１は、１次コイル５と２次コイル６とを含む点火コイル３と、点火プラグ２の放電開始後に１次コイル５に電気エネルギーを投入するエネルギー投入回路９と、２次コイルに流れる２次電流Ｉ２が目標値を維持するように、エネルギー投入回路９から１次コイル５に投入する電気エネルギーを制御する投入用ドライバ回路２５と、ＥＣＵ４と、を備える。ＥＣＵ４は、１次コイル５に電気エネルギーを投入している期間における１次電流Ｉ１の変化の傾きと、電気エネルギーを投入している期間における１次コイルの巻線温度と、を取得し、１次電流Ｉ１の変化の傾きの絶対値が閾値Ｖ１以上、又は、巻線温度が閾値Ｖ２以上である場合、エネルギー投入回路９から１次コイル５への電気エネルギーの投入を禁止する。これにより、１次コイル５に磁気飽和が発生している場合、１次コイル５の通電量が１次コイル５の通電限界に達している場合、又は、その両方の場合、すなわち、１次コイル５から２次コイル６への変換効率が低下していると判断できる場合には、１次コイル５への通電量が抑えられるため、過通電による１次コイル５の破損を防止することができる。

なお、上記実施形態において、ＥＣＵ４は、１次電流Ｉ１の変化の傾きの絶対値及び１次コイル５の巻線温度を取得していたが、１次電流Ｉ１の変化の傾き及び１次コイル５の巻線温度のいずれか一方のみを取得してもよい。この場合、ＥＣＵ４は、１次電流Ｉ１の変化の傾き及び１次コイル５の巻線温度のいずれか一方がそれぞれに対応する閾値以上である場合に、１次コイル５への電気エネルギーの投入を禁止すればよい。しかしながら、上記実施形態のように、１次電流Ｉ１の変化の傾きの絶対値及び１次コイル５の巻線温度の両方を取得することにより、点火システム１の異常の検出精度を向上することができる。また、１次電流センサ３１及び温度センサ３２のいずれか一方に異常が生じた場合でも、他の一方の出力値に基づいて点火システム１の異常を検出することができる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１点火システム（点火制御装置）
３点火コイル
４ＥＣＵ（取得部、エネルギー投入禁止部）
５１次コイル
６２次コイル
９エネルギー投入回路（エネルギー投入部）
２５投入用ドライバ回路（エネルギー制御部）

Claims

１次コイルと２次コイルとを含む点火コイルと、
点火プラグの放電開始後に前記１次コイルに電気エネルギーを投入するエネルギー投入部と、
前記２次コイルに流れる２次電流が目標値を維持するように、前記エネルギー投入部から前記１次コイルに投入する前記電気エネルギーを制御するエネルギー制御部と、
前記１次コイルに前記電気エネルギーを投入している期間における前記１次コイルを流れる１次電流の変化の傾きの絶対値、及び、前記１次コイルに前記電気エネルギーを投入している期間における前記１次コイルの巻線温度の少なくとも一方を取得する取得部と、
前記１次電流の変化の傾きの絶対値及び前記巻線温度の少なくとも一方がそれぞれに対応する閾値以上である場合、前記エネルギー投入部から前記１次コイルへの前記電気エネルギーの投入を禁止するエネルギー投入禁止部と、
を備える点火制御装置。