JP2017218955A - 内燃機関用の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機器構成を複雑化することなく、適切な多重点火動作を実現可能な点火装置を提供する。【解決手段】点火トランスＴＲ１，ＴＲ２及びスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を有するコイルモジュール１０と、昇圧回路ＣＮＶ及びコンピュータ回路ＣＯＭとを有する処理モジュール２０と、で構成される。コンピュータ回路ＣＯＭからスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に供給される駆動信号ＩＧ１，ＩＧ２は、メインパルスと、その後の点火放電動作を実現するサブパルスとに区分され、メインパルスは、メモリＭＲに記憶されている遅れ時間Ｗａｉｔに対応して起動される。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関用の点火装置に関し、特に、一の点火サイクルで複数回の点火動作を実行する点火装置に関する。

昨今、内燃機関点火装置では、燃費向上などの目的のため、希薄燃焼の燃焼制御や、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation ）の燃焼制御の研究が盛んである。

このような燃焼制御において、安定した燃焼動作を実現するため、点火タイミングでは、一又は複数の点火プラグを複数回連続的に放電させる多重点火動作が実行されることがある。多重点火動作では、ＥＣＵ（Engine Control Unit ）から受ける点火パルスに基づいてメイン点火放電を実行し、その後は、補助的な放電動作を繰り返している。

また、多重放電型の点火装置において、十分な放電エネルギーを確保するべく、バッテリ電圧を昇圧させた昇圧電圧を、点火トランスに給電する構成も知られている（特許文献１）。

特開２０１２−１６７６６５号公報

しかし、昇圧電圧によって点火トランスを駆動する構成を採る場合、ＥＣＵから受ける点火パルスに対応してメイン点火放電を実行したのでは、点火トランスの一次コイルが過充電状態となり無駄な電力消費が生じる。

また、メイン点火放電後の補助的な点火放電についても、無闇に点火放電電流を高めると消費電力の無駄が生じるだけでなく、点火プラグの摩耗を促進することになる。

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、適切な多重点火動作を実現可能な点火装置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、本発明に係る点火装置は、複数の点火トランスと、点火トランスの通電動作を制御するスイッチング素子と、を設けて、複数の点火トランスの出力に基づいて点火プラグの多重点火放電を実現可能なコイルモジュールと、バッテリ電圧を受けて、所定レベルの昇圧電圧を出力する昇圧回路と、点火パルスを受けてスイッチング素子に駆動信号を供給するコンピュータ回路と、を設けた処理モジュールと、を有して構成され、前記処理モジュールから前記コイルモジュールに対して、バッテリ電圧か昇圧電圧の何れかが適宜に供給される点火装置であって、前記コンピュータ回路は、駆動信号の信号態様を特定する動作情報を、運転状態に対応して記憶する動作マップ手段と、点火パルスに基づいて運転状態を把握する把握手段と、把握手段の把握結果に基づいて、動作マップ手段から必要な動作情報を取得して駆動信号を生成する生成手段と、を有して構成され、前記駆動信号は、各点火サイクルにおける初回の点火放電動作を実現するメインパルスと、その後の点火放電動作を実現するサブパルスとに区分され、動作マップ手段には、点火パルスの起動から遅れる遅延時間であって、メインパルスの起動遅れ時間（Ｗａｉｔ）が記憶されている。

本発明では、メインパルスのパルス幅を、メインパルスの起動遅れ時間（ＷＡＩＴ）に基づいて、運転状態に対応して最適化できるので、無駄な消費電力を抑制することができる。また、本発明の処理モジュールは、ＥＣＵなどから点火パルスＳＧを受けるだけで動作可能であり、必ずしも、ＣＡＮ（Controller Area Network ）バスラインなどに接続する必要が無い分だけ装置構成の簡易性にも優れている。

もっとも、ＣＡＮなどを経由して、点火動作のための必要情報を取得することが禁止される訳ではなく、多様な情報を取得すれば、より高性能の点火動作が実現可能となる。

以上説明した通り、本発明によれば、一次コイルの過充電を防止できるなど、適切な多重点火動作を実現することができる。

実施例に係る点火装置の回路構成を示す回路図である。 点火装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、実施例について説明するが、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。図１（ａ）に示す通り、実施例に係る自動車エンジン用の点火装置ＥＱＵは、点火トランスＴＲ１，ＴＲ２及びスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を二組設けて点火プラグＰＧの多重点火放電を実現するコイルモジュール１０と、昇圧回路ＣＮＶ、切換回路、及びコンピュータ回路ＣＯＭを設けて点火トランスＴＲ１，ＴＲ２の動作を制御する処理モジュール２０と、を有して構成されている。

図１（ｂ）は、コイルモジュール１０の内部構成を示す回路図である。図示の通り、点火トランスＴＲ１，ＴＲ２は、何れも、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の一端部が連結されて、電源電圧Ｖｃｃを受けている。また、何れの点火トランスＴＲ１，ＴＲ２も、二次コイルＬ２，Ｌ２の他端部は、高圧ダイオードＤ１，Ｄ２のカソード端子に接続されており、高圧ダイオードＤ１，Ｄ２のアノード端子は、点火プラグＰＧに接続されている。

したがって、点火プラグＰＧの点火放電は、いわゆるマイナス放電となり、グランド→点火プラグＰＧ→高圧ダイオードＤ１／Ｄ２→点火トランスＴＲ１／ＴＲ２の二次コイルＬ２→電源端子Ｖｃｃの経路で点火放電電流が流れることになる。なお、図１（ｂ）には、二次コイルＬ２に流れる二次電流（secondary current ）をＩｓ１，Ｉｓ２と表記している。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）で構成され、そのベース端子には、点火駆動信号ＩＧ１，ＩＧ２が供給され、コレクタ端子は、一次コイルＬ１，Ｌ１に接続され、エミッタ端子は、グランドラインに接続されている。

点火駆動信号ＩＧ１，ＩＧ２は、処理モジュール２０から供給されており、処理モジュール２０は、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧに基づいて、点火駆動信号ＩＧ１，ＩＧ２を生成している。なお、図１（ｂ）には、一次コイルＬ１に流れる一次電流（primary current ）を、Ｉｐ１，Ｉｐ２と表記している。

次に、処理モジュール２０について説明すると、昇圧回路ＣＮＶは、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータであって、公証値１２Ｖのバッテリ電圧ＶＢを受けて所定レベルの昇圧電圧Ｖｒｉを出力している。特に限定されないが、この昇圧回路ＣＮＶは、素子過熱や過電流など異常時にはエラー信号ＥＲが出力されるように構成されている。

切換回路は、バッテリ電圧ＶＢを受けるダイオードＤ０と、昇圧回路ＣＮＶから昇圧電圧Ｖｒｉを受けるアナログスイッチＳＷとで構成されている。アナログスイッチＳＷは、高耐圧のＭＯＳトランジスタなどで構成され、コントロール端子に受ける制御信号ＣＬＴによってＯＮ／ＯＦＦ動作が制御される。そして、アナログスイッチＳＷの出力端子は、ダイオードＤ０のカソード端子に接続されて、コイルモジュール１０に対して、電源電圧Ｖｃｃとして昇圧電圧Ｖｒｉを出力している。

コンピュータ回路ＣＯＭは、デジタルシグナルプロセッサやワンチップマイコンなどで構成され、ＣＰＵ、メモリＭＲ、入出力ポートＰＩＯなどを内蔵して構成されている。図示の通り、ＣＰＵは、出力ポートＰＯ（parallel output ）を経由して、アナログスイッチＳＷに制御信号ＣＴＬを出力し、入力ポートＰＩ（parallel input）を経由して、昇圧回路ＣＮＶからエラー信号ＥＲを受けている。

特に限定されないが、本実施例のコンピュータ回路ＣＯＭは、多重点火動作の実行タイミングに対応して、アナログスイッチＳＷをＯＮ動作させており（図２（ａ）参照）、その結果、コイルモジュール１０には、所定レベルの昇圧電圧Ｖｒｉが、電源電圧Ｖｃｃとして供給される。

一方、昇圧回路ＣＮＶの異常時や、運転が安定する高回転時など、多重点火動作を実行しないタイミングでは、コンピュータ回路ＣＯＭは、アナログスイッチをＯＦＦ動作させている。したがって、このタイミングでは、コイルモジュール１０の電源電圧Ｖｃｃは、公証値１２Ｖのバッテリ電圧ＶＢとなる。

また、コンピュータ回路ＣＯＭのメモリＭＲには、図２に示す点火駆動信号ＩＧ１，ＩＧ２を生成するための動作パラメータが記憶されている。動作パラメータは、エンジン回転数などで特定される運転状態に対応して記憶されており、多重点火回数ＮＵＭや、時間パラメータＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｗａｉｔなどが含まれている。

なお、ＣＰＵは、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧの時間間隔に基づいてエンジン回転数を把握し、点火パルスＳＧのパルス幅も考慮して運転状態を特定している。

図２は、多重点火動作時における各部の波形を示している。先ず、図２（ａ）は、アナログスイッチＳＷの動作を制御する制御信号ＣＴＬを示し、図２（ｂ）は、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧを示している。

また、図２（ｃ）と図２（ｄ）は、多重点火動作を実現する点火駆動信号ＩＧ１，ＩＧ２を示している。図示の通り、点火駆動信号ＩＧ１、ＩＧ２は、幅広のメインパルスと、その後、動作周期Ｔ１＋Ｔ２で繰り返される幅狭のサブパルスとに区分される。

図２（ｅ）は、点火トランスＴＲ１の一次コイルＬ１に流れるＩｐ１と、点火トランスＴＲ２の一次コイルＬ１に流れるＩｐ２の総和である複合一次電流を示している。また、図２（ｆ）は、点火トランスＴＲ２の二次コイルＬ２に流れるＩｓ１と、点火トランスＴＲ２の二次コイルＬ２に流れるＩｓ２の総和である複合二次電流を示している。

図２（ｃ）〜図２（ｄ）に示す動作条件において、点火駆動信号ＩＧ１のメインパルス（Ｔｏｎ）の立下り時、点火トランスＴＲ１の二次コイルに誘起される点火放電電圧によって、点火プラグＰＧが、先ず、点火放電する。続いて、点火駆動信号ＩＧ２のメインパルスの立下り時、点火トランスＴＲ２の二次コイルに誘起される点火放電電圧によって、点火プラグＰＧが点火放電する。

その後は、点火駆動信号ＩＧ１と点火駆動信号ＩＧ２のサブパルスについて、各サブパルスの立下り時に、点火プラグＰＧの点火放電が繰り返される。なお、図示例では、サブパルスによる多重点火回数ＮＵＭは４回である。また、サブパルスについては、点火駆動信号ＩＧ１と点火駆動信号ＩＧ２の位相が逆転しており、相補的な点火動作を実現している。

図２（ｆ）から確認される通り、サブパルスの時間幅Ｔ１，Ｔ２を狭く設定すると、二次電流を高く維持できる分だけ、点火放電電流を高くすることができる。但し、点火動作を安定化するには、ある程度の時間、多重点火放電を継続する必要があるので、時間幅Ｔ１，Ｔ２を狭く設定すると、多重点火回数ＮＵＭが増加傾向となる。

そして、点火放電時には、点火電圧を誘起していない方の二次コイルにも、一次電流Ｉｐ２（Ｉｐ１）に対応する二次電流Ｉｓ２（Ｉｓ１）が流れるので、その分だけ点火プラグＰＧの電流も増加する。そのため、余り多重点火回数ＮＵＭが増えると、点火プラグＰＧの摩耗が促進されることになる。

そこで、本実施例では、これらを総合評価して、運転状態毎に、最適な時間幅Ｔ１，Ｔ２と、多重点火回数ＮＵＭと、を設定している。

また、図２（ｂ）〜（ｄ）に示す通り、点火駆動信号ＩＧ１のメインパルスのパルス幅Ｔｏｎは、点火パルスの時間幅より待機時間Ｗａｉｔだけ短く、また、点火駆動信号ＩＧ２のメインパルスのパルス幅は、Ｔｏｎ＋Ｔ１−Ｔ３である。そして、これらのパルス幅を特定する待機時間Ｗａｉｔ，Ｔ３も、動作パラメータとして運転状態毎にメモリＭＲに記憶されている。

以上を踏まえて、動作内容を確認的に説明すると以下の通りである。アナログスイッチＳＷの制御信号ＣＴＬと、点火駆動信号ＩＧ１は、点火パルスＳＧのＯＮタイミングから所定の待機時間Ｗａｉｔだけ遅れてＯＮ状態に遷移する。

先に説明した通り、待機時間Ｗａｉｔは、運転状態毎に最適値に設定されるので、コイルモジュール１０に給電される電源電圧Ｖｃｃは、必要時に限り、昇圧レベルとなり、無駄な電力消費が回避される。

また、待機時間Ｗａｉｔは、昇圧電圧Ｖｒｉの電圧レベルと、運転状態に対応して設定されているので、点火トランスＴＲ１の一次コイルＬ１が過充電されることがなく、最適レベルの電磁エネルギーが充電されることになる。

そして、メインパルスとサブパルスの立下り時に点火放電動作が繰り返されるので、希薄燃焼時や高レベルのＥＧＲ制御時でも、安定した燃焼動作が維持される。また、サブパルスの時間幅Ｔ１，Ｔ２や、多重点火回数ＮＵＭは、適宜に設定されているので、点火プラグＰＧの不要な摩耗を回避される。そして、一連の多重点火放電を終えた後は、コイルモジュール１０の電源電圧Ｖｃｃがバッテリ電圧ＶＢに降下するので、漂遊容量や漏れ抵抗などに起因する無駄な電力消費を抑制することもできる。

特に限定されないが、本実施例では、エンジン回転数が所定値（例えば５０００）を上回ると、無条件に、コイルモジュール１０の電源電圧Ｖｃｃをバッテリ電圧ＶＢに降下させており、この意味でも電力消費の無駄と、点火プラグＰＧの劣化の抑制が実現される。

以上、本発明の実施例について説明したが、具体的な構成は、特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、機器構成の簡易性を重視して、処理モジュール２０は、ＥＣＵから点火パルスＳＧだけを受ける構成にしているが、何ら限定されない。すなわち、処理モジュール２０を、ＣＡＮバスラインなどに接続しても良く、この場合には、ＥＣＵから燃焼制御に関する各種の情報を取得することができ、より優れた点火放電制御が可能となる。

ＭＲ 動作マップ手段
ＣＰＵ 把握手段／生成手段
ＴＲ１，ＴＲ２ 点火トランス
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
１０ コイルモジュール
ＣＮＶ 昇圧回路
ＣＯＭ コンピュータ回路
２０ 処理モジュール
ＩＧ１，ＩＧ２ 駆動信号
Ｗａｉｔ 起動遅れ時間

Claims (7)

1. 複数の点火トランスと、点火トランスの通電動作を制御するスイッチング素子と、を設けて、複数の点火トランスの出力に基づいて点火プラグの多重点火放電を実現可能なコイルモジュールと、
   バッテリ電圧を受けて、所定レベルの昇圧電圧を出力する昇圧回路と、点火パルスを受けてスイッチング素子に駆動信号を供給するコンピュータ回路と、を設けた処理モジュールと、を有して構成され、
   前記処理モジュールから前記コイルモジュールに対して、バッテリ電圧か昇圧電圧の何れかが適宜に供給される点火装置であって、
   前記コンピュータ回路は、駆動信号の信号態様を特定する動作情報を、運転状態に対応して記憶する動作マップ手段と、点火パルスに基づいて運転状態を把握する把握手段と、把握手段の把握結果に基づいて、動作マップ手段から必要な動作情報を取得して駆動信号を生成する生成手段と、を有して構成され、
   前記駆動信号は、各点火サイクルにおける初回の点火放電動作を実現するメインパルスと、その後の点火放電動作を実現するサブパルスとに区分され、
   動作マップ手段には、点火パルスの起動から遅れる遅延時間であって、メインパルスの起動遅れ時間（Ｗａｉｔ）が記憶されていることを特徴とする内燃機関用の点火装置。
2. 動作マップ手段には、サブパルスについて、ＯＮ時間（Ｔ２）及びＯＦＦ時間（Ｔ１）とパルス回数（ＮＵＭ）とが、更に記憶されている請求項１に記載の点火装置。
3. 処理モジュールには、コイルモジュールにバッテリ電圧を出力するか、昇圧電圧Ｖｒｉを出力するかを規定する選択回路（ＳＷ）が設けられ、
   選択回路は、メインパルスとサブパルスの動作時間帯に、昇圧電圧Ｖｒｉを出力するよう構成されている請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 前記コイルモジュールには、点火トランスの個数に対応して、二個のスイッチ素子が配置され、
   各スイッチング素子には、第一と第二の駆動信号（ＩＧ１，ＩＧ２）が供給されるよう構成され、
   第一の駆動信号（ＩＧ１）のメインパルスは、点火パルス（ＳＧ）に対応してＯＦＦ遷移するよう構成されている請求項１〜３の何れかに記載の点火装置。
5. 第二の駆動信号のメインパルス（ＩＧ２）は、第一の駆動信号（ＩＧ１）のメインパルスのＯＮ遷移から所定時間（Ｔ３）遅れてＯＮ遷移するよう構成されている請求項４に記載の点火装置。
6. 前記所定時間（Ｔ３）は、運転状態に対応して、動作マップ手段に記憶されている請求項５に記載の点火装置。
7. 前記把握手段は、計時的に算出される点火パルスの伝送周期、及び／又は、各点火パルスの時間幅に基づいて運転状態を把握している請求項１〜６の何れかに記載の点火装置。
   
   

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