JP2018021519A - 点火制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】放電短絡が発生しても混合気の燃焼状態を良化させることが可能な点火制御システムを提供する。【解決手段】点火プラグ（１９）と、一次コイル（１１Ａ）及び二次コイル（１１Ｂ）を具備する点火コイルと、一次コイルへ流れる一次電流の導通と遮断を行うスイッチング素子（１２）と、一次電圧、二次電流、二次電圧の内、少なくとも一つの測定値を検出する測定値検出部（１４）と、を備える内燃機関に適用され、スイッチング素子に一次コイルへ一次電流の導通を行わせた後に一次電流の遮断を行わせることで、点火プラグに火花放電を発生させる放電発生制御を１燃焼サイクル中に１回、又は複数回実行させる一次電流制御部（１５，２０）と、測定値に基づいて、放電短絡の発生を判定する放電短絡判定部（１５）と、を備え、一次電流制御部は、放電短絡が発生したと判定された場合、放電発生制御を再度実行させることを特徴とする点火制御システム。【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関に用いられる点火制御システムに関する。

近年、自動車用内燃機関での燃費を改善するため、希薄燃料の燃焼制御（リーンバーンエンジン）、又は、内燃機関の気筒へ可燃性混合気を還流させるＥＧＲに関する技術の検討が進められている。これらの技術にあっては、混合気に含まれる化石燃料を効果的に燃焼させる為の点火システムとして、内燃機関の点火タイミングで点火プラグが複数回連続的に放電を行なう多重点火方式が一部で採用されている。

この多重点火方式では、点火プラグでの火花放電に際し、気筒内の混合気の流れに対し、二次電流が不足した場合に火花放電が吹き消えるおそれがある。特に、希薄燃焼（リーンバーン）を実施する場合には、気筒内にスワールやタンブルを生じさせタービュランス（乱れ）を誘発して燃焼速度を向上させることが多く、このような環境では気筒内の混合気の流速が大きくなる傾向にあり、火花放電の吹き消えが生じやすい。ひいては、火花放電の吹き消えによる燃焼状態の悪化が顕著となりうる。

この対策として、特許文献１では二次側コイルに流れる二次電流の変化態様から気筒内を流れる混合気の流速を推定し、推定した流速の大きさに応じて、火花放電が吹き消えるおそれがない二次電流の大きさ（以下、放電維持電流と呼称）を設定する。具体的には、流速が大きく推定されるほど、放電維持電流を大きく設定する。そして、各回の火花放電期間を二次電流が流速に応じて設定された放電維持電流に達するまでの期間と設定し、二次電流が放電維持電流に達した場合に一次電流の通電を再開する。これによって、吹き消えが生じる可能性のある二次電流条件での放電を強制終了すると共に点火コイルの充電を開始することで、短い休止時間で十分なエネルギを蓄えて次の放電を実施することができる。この動作を所定回数繰り返すことにより、放電の吹き消えを防止して効率的に混合気を加熱しつつ、複数の初期火炎を形成できる。ひいては、燃焼状態できるとしている。

ところで、気筒内を流れる混合気が点火プラグを通過する際、混合気と共に放電火花（放電経路）が伸長することで、混合気の所定箇所を継続して加熱することができるため、混合気の燃焼状態を良好とすることができる。しかし、吹き消えを抑制しつつ長時間放電するためには、点火コイルに長時間高電流を流す必要がある。この場合、高電流が長時間流されることに耐えられるように、点火コイルの体格を大型化せねばならず、また、点火プラグで放電が生じる時間が長時間となるため、点火プラグの電極消耗が促進することが懸念される。

そこで、多重点火方式のように複数の火炎を形成する方式により、点火コイルの体格抑制及び点火プラグの電極消耗抑制を可能にする点火制御システムが検討されている。この場合も各回の放電をできるだけ長くすることでそれぞれの放電が形成する初期火炎をより安定的に形成することができるが、１つの点火コイルのみで通電と遮断を繰り返す方式による多重点火においては、１回ずつの放電時間を長くするとコイルエネルギの貯蓄が減ってしまうため、次の放電のための充電時間を長く確保する必要がある。その結果、複数の初期火炎同士の距離が離れてしまい、十分な着火効果を得られない場合がある。一方で、初期火炎同士の距離を縮めるために充電間隔を短くする、あるいは、各回の放電時間を短くしてエネルギの減少を抑え充電時間を短縮する方式も考えられるが、いずれも１回ずつの放電による加熱が不足し充分な初期火炎が形成できず、やはり十分な着火効果を得られない可能性がある。即ち、一つのコイルのみを用いた多重点火で十分な着火性能を実現するには、適切な放電時間と放電休止（コイル充電）時間の設定が肝要であり、特許文献１のような吹き消えを抑制した多重点火制御は一定の着火効果を持ち得る。

特許第４６４０２８２号公報

ただし、放電火花が伸長し吹き消えるまでの期間中、放電火花は際限なく伸長するわけではなく、放電火花が短縮する場合がある。これは、放電火花が「Ｕ」字状に伸長した場合に、向かい合う放電火花同士の距離が近距離となる箇所が存在すると、該箇所で放電火花同士が接合し、該箇所以降の放電火花の伸長部分は消失するためである。以降、このように放電火花の伸長状態が短縮する現象を放電短絡と呼称する。この放電短絡が生じると、今まで加熱していた所定箇所からずれて可燃混合気が加熱されることになり、放電短絡が発生して以降そのまま放電を継続しても、十分に混合気を着火及び燃焼させることができないおそれがある。特許文献１に記載の技術は、多重放電各回の放電の吹き消えを抑制することができるものの、放電短絡が発生することによる混合気の着火及び燃焼の悪化に対しては対処していない。つまり、特許文献１の技術では放電短絡が発生した後も放電を行っていることになり、次の放電までの再充電時間、即ち放電休止時間が長くなると考えられる。その結果、各放電で形成される初期火炎の間隔が大きくなり、混合気の着火性が悪化する可能性がある。つまり、各回の放電が十分な大きさの初期火炎を形成できず燃焼状態の悪化を回避できない可能性がある。以上の点から、希薄混合気場での最適な点火制御は未だ不十分であり、更なる改善が望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、放電短絡が生じて以降に供給される予定の放電エネルギを２回目以降の放電に回すことで、混合気の着火性及び燃焼状態を良化することが可能な点火制御システムを提供することにある。

本発明は、点火制御システムであって、内燃機関の気筒内の可燃混合気に点火するための火花放電を一対の放電電極の間にて発生させる点火プラグと、一次コイル及び二次コイルを具備し、前記二次コイルにより前記点火プラグに電圧を印加する点火コイルと、前記一次コイルへ流れる一次電流の導通と遮断を行うスイッチング素子と、前記一次コイルに印加される一次電圧、前記点火プラグに流れる二次電流、前記点火プラグに印加される二次電圧の内、少なくとも一つの測定値を検出する測定値検出部と、を備える前記内燃機関に適用され、前記スイッチング素子に前記一次コイルへ前記一次電流の導通を行わせた後に前記一次電流の遮断を行わせることで、前記点火プラグに前記火花放電を発生させる放電発生制御を１燃焼サイクル中に１回、又は複数回実行させる一次電流制御部と、前記測定値検出部により検出された前記測定値に基づいて、前記火花放電の伸長状態が短縮する現象としての放電短絡の発生を判定する放電短絡判定部と、を備え、前記一次電流制御部は、前記放電短絡判定部により前記放電短絡が発生したと判定された場合、前記スイッチング素子に前記一次コイルへ前記一次電流の導通を行わせ、その後前記一次電流の遮断を行わせることで、前記放電発生制御を再度実行させることを特徴とする。

気筒内を流れる可燃混合気が点火プラグを通過しても可燃混合気の流れる方向に可燃混合気と共に放電が移動し伸長することで、可燃混合気の所定箇所を継続して加熱することができるため、混合気の燃焼状態を良好とすることができる。この放電伸長中に放電短絡が発生すると、今まで加熱していた所定箇所からずれて可燃混合気が加熱されることになり、放電短絡の発生以降に放電を継続しても、十分に混合気を着火及び燃焼させることができないおそれがある。そこで、一次電流制御部では、測定値検出部により検出された測定値に基づいて放電短絡判定部により放電短絡が発生したと判定された場合、スイッチング素子に一次コイルへ流れる一次電流の導通を行わせることで、点火プラグで生じている火花放電を終了させる。このとき、一次コイルにはエネルギがまだ貯蓄されているため、次の再放電に向けて希薄混合気環境でも所定の初期火炎を形成するに足るコイルエネルギを、より短時間で充電することができる。ひいては、放電短絡発生時に着火した火炎と再放電時に着火した火炎との発生間隔を短縮でき、双方の火炎を安定して重合させることができる。これにより、混合気の着火性及び燃焼状態を良化することができる。

本実施形態に係る点火回路ユニット周辺の概略的な回路図である。 放電短絡の発生メカニズムを説明した図である。 火花放電の伸長が燃焼状態を良好とする理由を説明した図である。 本実施形態に係る充放電制御の処理手順を示すタイミングチャートである。 放電短絡が発生した場合のパラメータの変化態様と放電の吹き消えが発生した場合のパラメータの変化態様とを示した図である。 本実施形態に係る放電短絡の検出方法を説明した図である。 本実施形態に係るドライバ回路により実施される制御フローチャートである。 本実施形態に係る充放電制御がもたらす効果を示した図である。 別例に係る放電短絡の検出方法を説明した図である。

本実施形態を、図面を参照して説明する。図１に記載の点火回路ユニット１０は、点火コイル１１と、ＩＧＢＴ１２（スイッチング素子に該当）と、電源部１３と、電流検出回路１４と、ドライバ回路１５と、点火プラグ１９と、が設けられている。

点火コイル１１は、一次コイル１１Ａ、二次コイル１１Ｂ及び鉄心１１Ｃを備えている。一次コイル１１Ａの第一端は、電源部１３に接続されており、一次コイル１１Ａの第二端は、ＩＧＢＴ１２のコレクタ端子に接続されている。そして、ＩＧＢＴ１２のエミッタ端子は接地側に接続されている。また、ＩＧＢＴ１２のエミッタ端子と接地電位間に並列に、一次電流検出用の抵抗１７Ａが接続されている。抵抗１７Ａには、抵抗１７Ａに流れる一次電流を検出する電流検出回路１４が接続されている。

二次コイル１１Ｂの第一端は、ダイオード１６を介して、二次電流検出用の抵抗１７Ｂの第一端が接続され、抵抗１７Ｂの第二端が接地されている。ダイオード１６は、接地側から抵抗１７Ｂを介して二次コイル１１Ｂにおける第二端側に向かう方向の電流の通流を禁止するとともに、二次電流（放電電流）を点火プラグ１９から二次コイル１１Ｂに向かう方向に規定すべく、そのアノードが二次コイル１１Ｂにおける第一端側に接続されている。

抵抗１７Ｂには、抵抗１７Ｂに流れる二次電流を検出する電流検出回路１４が接続されている。電流検出回路１４は、抵抗１７Ａに流れる一次電流や抵抗１７Ｂに流れる二次電流を検出し、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと呼称）２０に出力する。したがって、電流検出回路１４は測定値検出部に該当する。

二次コイル１１Ｂの第二端は、点火回路ユニット１０近くに存在する点火プラグ１９に接続されている。

ＥＣＵ２０は、外部より入力された情報に基づいて点火信号ＩＧｔを生成している。そして、生成した点火信号ＩＧｔをＩＧＢＴ１２のゲート端子へ出力し、ＩＧＢＴ１２に一次コイル１１Ａへ流れる一次電流の導通を行わせる。そして、電流検出回路１４により検出される一次電流が判定値に達した場合に点火信号ＩＧｔの出力を停止することで、ＩＧＢＴ１２に一次コイル１１Ａへ流れる一次電流の導通を遮断させる（図４の時間ｔ１参照）。これにより、二次コイル１１Ｂに高電圧が誘起し、点火プラグ１９の火花ギャップ部の気体が絶縁破壊することで、点火プラグ１９で火花放電が生じる。

ところで、点火プラグ１９で生じている火花放電は、点火プラグ１９周囲に生じている流体の流動に乗って移動するため「Ｕ」字状に伸長する場合がある。特に、希薄燃焼（リーンバーン）を実施する場合には、スワールやタンブルを生じさせタービュランス（乱れ）を誘発して燃焼速度を向上させることが多く、このような環境では気筒内の混合気の流速が大きくなる傾向にあり、火花放電が伸長しやすい。

気筒内を流れる混合気が点火プラグ１９を通過する際、混合気と共に火花放電が伸長することで、混合気の所定箇所を継続して加熱することができるため、混合気の燃焼状態を良好とすることができる（図２参照）。

ただし、火花放電が伸長し吹き消えるまでの期間中、火花放電は際限なく伸長するわけではなく、火花放電が短縮する場合がある。図３に、その様子が示されている。点火プラグ１９の放電電極間で生じた火花放電が、気筒内を流れる混合気により「Ｕ」字状に伸長する（図３（ａ）〜（ｂ）参照）。「Ｕ」字状に伸長した火花放電は、向かい合う火花放電同士の距離が近距離となる箇所が存在すると、該箇所で火花放電同士が接合し、該箇所以降の火花放電の伸長部分は消失する（図３（ｃ）参照）。以降、このように放電火花の伸長状態が短縮する現象を放電短絡と呼称する。放電短絡を生じた火花放電は気筒内を流れる混合気により再度伸長し始めるが（図３（ｄ）参照）、火花放電が短縮した分だけ今まで加熱していた所定箇所からずれて可燃混合気が加熱されることになり、吹き消えを抑制する制御を実施しても混合気を効率的に加熱することができず、混合気の着火性が悪いことが想定される。

この対策として、本実施形態に係る点火回路ユニット１０にはドライバ回路１５が設けられており、ドライバ回路１５は図４に記載される制御を実施する。

具体的には、点火プラグ１９に火花放電が生じて以降に、後述の放電短絡の発生判定により放電短絡が発生したとドライバ回路１５が判定したことを条件として、ドライバ回路１５は点火信号ＩＧｔを再度ＩＧＢＴ１２のゲート端子に出力する（時間ｔ２参照）。これにより、点火プラグ１９で生じている火花放電が終了し、電源部１３から一次コイル１１Ａにエネルギが供給される。そして、電流検出回路１４により検出される一次電流が判定値に達することで、ドライバ回路１５はＩＧＢＴ１２のゲート端子への点火信号ＩＧｔの出力を停止し、点火プラグ１９に再放電を実施させる（時間ｔ３参照）。

本実施形態では、点火プラグ１９で放電短絡が発生したと判定したことを条件としての再放電の実施は一度限りである。よって、点火プラグ１９に火花放電を生じさせる期間としての放電期間中において、再放電を実施させることで生じた火花放電が放電短絡したとしても、点火プラグ１９に再々放電を実施させない。また、図４の時間ｔ４には、再放電を実施させることで生じた火花放電が放電短絡することなく伸長し続けることで、コイルエネルギを使い切ってしまい、火花放電が終了したことが示されている。

仮に放電期間中において、初回に点火プラグ１９に火花放電が生じて以降に、放電短絡することなく、放電が終了した場合、気筒内を流れる混合気の流速が放電短絡を生じさせないほど低く、混合気の着火性が悪い環境であることが想定される。このため、上記状況では、点火プラグ１９に強制的に再充電を行い、２回目の再放電を実施させる。

以上より、ドライバ回路１５は放電短絡判定部である。また、ＥＣＵ２０及びドライバ回路１５がＩＧＢＴ１２のゲート端子に点火信号ＩＧｔを出力することで、一次コイル１１Ａへの一次電流の導通と遮断を制御することから、ＥＣＵ２０及びドライバ回路１５は一次電流制御部に該当する。

以下に、放電短絡が発生したことの判定方法（以下、放電短絡の発生判定と呼称）を記載する。

図５には、放電短絡及び放電の吹き消えが生じた場合の一次電圧、二次電圧、二次電流の変化態様が示されている。全てのパラメータに共通して、１燃焼サイクル中において複数回瞬間的に大きな変動が生じている（時間ｔ１０〜ｔ１４参照）。その内、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通させた後に遮断させることで生じる一回目の大きい瞬間的な変動（時間ｔ１０参照）は、点火プラグ１９で火花放電が生じた際に発生する容量放電による電流ピークを示している。また、以降の瞬間的な変動の内、二次電流の最大値が０に到達した後に一回目の電流変動と同程度の急峻な電流ピークが発生する大きな瞬間的変動（時間ｔ１４参照）が生じている。これは、放電が吹き消えた後に残留したコイルエネルギによって再度二次電圧が昇圧することで放電が再度発生する所謂“吹き消え再放電”が生じたことを示したものであると想定される。一方、点火プラグ１９で火花放電が生じた場合の瞬間的な変動と、放電の吹き消えが生じた場合に発生する瞬間的な変動との間で生じた、変動量が比較的小さいが所定値よりも大きな瞬間的な変動（時間ｔ１２、ｔ１３参照）は、放電短絡が生じたことを示したものであると考えられる。これは、放電火花の経路が放電短絡によって短縮することで、放電抵抗が急激に変化した瞬間に生じる変動である。このとき、所定値は混合気の流動状態によっては放電の伸長速度が一定でないことで生じる僅かな放電抵抗の変動や、検出回路上に重畳するノイズによる瞬間的な変動と区別するために設けられた値である。

つまり、放電短絡時に生じる瞬間的な変動は、１燃焼サイクル中において、最初に点火プラグ１９で火花放電が発生した後に生じる一回目の瞬間的な変動である。そして、放電短絡時に生じる瞬間的な変動の変動量は、ノイズが生じた場合の変動量よりも大きく、且つ、点火プラグ１９で火花放電が生じた場合の瞬間的な変動や放電の吹き消え再放電時に生じる瞬間的な変動の変動量よりも小さいことが想定される。

本実施形態では二次電流に基づく放電短絡の発生判定を行う。これは、放電の吹き消えが生じた場合の二次電流の変動量と放電短絡が生じた場合の二次電流の変動量とでは大きな差異があり、放電短絡が発生した場合の瞬間的な変動と放電の吹き消えが発生した場合の瞬間的な変動とを比較的容易に差別化することができるためである。

二次電流に基づく放電短絡の発生判定を具体的に説明する。図６下図に記載されるように、二次電流の微分値を演算し、１燃焼サイクル中において、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通及び遮断することにより火花放電を形成させた後、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きい一回目の瞬間的な変動を検出する。第二閾値は、二次電流が所定値よりも大きくなる瞬間的な変動を検出するために設けられた閾値である。このため、点火プラグ１９で火花放電が生じて以降においてノイズよりも大きな瞬間的な変動が生じたことを検出することができる。しかし、この条件のみでは、放電の吹き消えが生じた場合に発生する瞬間的な変動が検出されるおそれがある。よって、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きい瞬間的な変動を検出の対象とするほか、二次電流の０から最大値までの幅としての最小幅（二次電流の絶対値の最小値と言いかえてもよい）が所定幅（第一閾値に該当）よりも大きい瞬間的な変動を検出の対象とする。所定幅は、二次電流が０になったことを識別するために設けられた幅として設定される。

また、放電短絡は火花放電が伸長した場合にのみ生じる特有の現象である。したがって、点火プラグ１９で火花放電が生じたことを示す瞬間的な変動から火花放電が十分に伸長し放電短絡が発生しうる時間として設定される所定のマスク時間Ｔが経過するまでの間は、前述の第一、第二閾値を用いて尹の放電短絡の検出は実施しない。これにより、火花放電が伸長していない放電初期の期間において偶発的なノイズや放電状態の乱れにより放電短絡が発生したと誤判定することを抑制する事が可能となる。

以上より、点火プラグ１９で火花放電が生じた際の瞬間的な変動を検出してから所定のマスク時間Ｔの経過後に、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きく、且つ、二次電流の最小幅が所定幅よりも大きい一回目の瞬間的な変動を検出した場合に、放電短絡が発生したと判定する。なお、二次電流に限らず、一次電圧や二次電圧に基づいて放電短絡の発生判定を実施してもよい。

本実施形態では、ドライバ回路１５により後述する図７に記載の充放電制御を実施する。図７に示す充放電制御は、放電開始後にドライバ回路１５によって実施される。

まず、ステップＳ１００では、電流検出回路１４により検出される二次電流を取得する。次にステップＳ１１０では、取得した二次電流の微分値を演算する。ステップＳ１２０では、１燃焼サイクル中において、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通及び遮断させて火花放電を形成させてから、二次電流の微分値が第二閾値よりも大きい一回目の瞬間的な変動を検出したか否かを判定する。１燃焼サイクル中において、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通させてから、二次電流の微分値が第二閾値よりも大きい一回目の瞬間的な変動を検出しなかったと判定した場合には（Ｓ１２０：ＮＯ）、火花放電自体が発生しなかったと判断してステップＳ１００に戻る。１燃焼サイクル中において、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通及び遮断させてから、二次電流の微分値が第二閾値よりも大きい瞬間的な変動を検出したと判定した場合には火花放電が開始したと判断し（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、二次電流の微分値が第二閾値よりも大きい瞬間的な変動を検出してから（点火プラグ１９で火花放電が開始したと判断してから）所定のマスク時間Ｔが経過したか否かを判定する。二次電流の微分値が第二閾値よりも大きい一回目の瞬間的な変動を検出してから所定のマスク時間Ｔが経過していないと判定した場合には（Ｓ１３０：ＮＯ）、再度ステップＳ１３０を実施する。二次電流の微分値が第二閾値よりも大きい一回目の瞬間的な変動を検出してから所定のマスク時間Ｔが経過したと判定した場合には（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、ステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１４０では、再度、電流検出回路１４により検出される二次電流を取得する。そして、ステップＳ１５０では、ステップＳ１４０で取得した二次電流の微分値を演算する。

ステップＳ１６０では、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きく、且つ、二次電流の最小幅が所定幅よりも大きい二回目の瞬間的な変動を検出したか否かを判定する。ステップＳ１６０にて肯定判定した場合には（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、ステップＳ１７０に進む。ステップＳ１７０では、ＩＧＢＴ１２のゲート端子に点火信号ＩＧｔを再出力する。その後ステップＳ１８０において、電流検出回路１４により検出される一次電流を取得する。

ステップＳ１９０では、取得した一次電流が判定値に到達したか否かを判定する。取得した一次電流が判定値に到達していないと判定した場合には（Ｓ１９０：ＮＯ）、ステップＳ１８０に戻る。取得した一次電流が判定値に到達したと判定した場合には（Ｓ１９０：ＹＥＳ）、ステップＳ２００に進み、ＩＧＢＴ１２のゲート端子に対する点火信号ＩＧｔの出力を停止し、本制御を終了する。

ステップＳ１６０にて否定判定した場合には（Ｓ１６０：ＮＯ）、ステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では、放電期間が終了したか否かを判定する。放電期間が終了したと判定した場合には（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、本制御を終了する。放電期間が終了していないと判定した場合には（Ｓ２１０：ＮＯ）、ステップＳ１４０を再度実施する。

上記構成により、本実施形態は、以下の効果を奏する。

・点火プラグ１９に初めの火花放電が発生してからそれ以降において、放電短絡が発生したと判定した場合に、点火プラグ１９で生じている火花放電を終了させる。このとき、初めの火花放電による混合気の加熱は終了してしまうが、一次コイル１１Ａにはエネルギがまだ貯蓄されているため、一次電流が次に遮断される判定値に達するまでの時間を短縮することができる。つまり、点火プラグ１９で生じていた火花放電を終了させてから所定のエネルギを蓄えた再放電を実施させるまでの期間を短縮することで、それぞれの放電が形成する初期火炎を近接して形成することができる。また、初めの火花放電の放電期間も再放電の放電期間も、混合気を十分に加熱することが可能なほど長い期間とすることができるため、それぞれの放電が形成する初期火炎を重合させることで、混合気の着火性を向上させることができる。
実際に、本実施形態に係る充放電制御を実施することで混合気の燃焼状態を改善されたことが図８に示されている。図８（ａ）は、様々な設定で充放電制御［１］〜［５］を実施した場合の二次電流の変化態様を示している。図８（ｂ）及び（ｃ）は、図８（ａ）に示された様々な充放電制御を実施した場合のそれぞれの効果が示されている。より具体的に説明すると、図８（ｂ）は、１燃焼サイクルにおいて初回の火花放電で点火プラグ１９に投入されたエネルギ（以下、初回投入エネルギと呼称）と、空燃比のリーン限界値と、の関係を示した図である。図８（ｃ）は、点火プラグ１９で初回に火花放電を生じさせてから点火プラグ１９で再放電が実施されるまでのインターバルと、空燃比のリーン限界値と、の関係を示した図である。

〔１〕における充放電制御では、図８（ａ）に記載されるように、点火プラグ１９に再放電を実施させる事無く、点火プラグ１９で一度のみ火花放電を生じさせている。そして、放電エネルギの放出に伴い二次電流が減衰して放電維持電流を下回り、放電の吹き消え再放電が数回生じたところでコイルエネルギを使い果たし、火花放電が終了している。その結果、後述の〔２〕〜〔５〕の充放電制御と比較して、点火プラグ１９で火花放電が発生している期間が一番短い。このため、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に記載されるように空燃比のリーン限界値が低く、混合気の燃焼状態が悪いことが示されている。

〔２〕に記載される充放電制御では、図８（ａ）に記載されるように、〔１〕同様、点火プラグ１９に再放電を実施する事無く、点火プラグ１９で一度のみ火花放電を生じさせている。ただし、図８（ｂ）に記載されるように、〔１〕と比較して、初回投入エネルギは大きい。より具体的には、〔１〕において投入された初回投入エネルギの略二倍量を〔２〕に記載される充放電制御では投入している。したがって、点火プラグ１９で生じた火花放電が伸長するに伴い放電短絡や吹き消え再放電が発生してもコイルエネルギが十分に残っているため、長期間にわたって点火プラグ１９で火花放電が発生している（図８（ａ）参照）。つまり、それだけ混合気と火花放電とが接触する機会を長くし、近似的に間隔が近接した多重放電と同じような初期火炎を形成することができるので、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に記載されるように、〔１〕に記載の充放電制御と比較して、空燃比をより一層リーンにしても安定して混合気を燃焼させることができた（リーン限界値を拡大することができた）。

〔３〕に記載される充放電制御では、図８（ａ）に記載されるように、点火プラグ１９で生じた火花放電がコイルエネルギを使い果たして吹き消えた場合に、再充放電を実施させている。この場合、１回目の放電が終了した時点で一次コイル１１Ａにはエネルギの貯蓄が全くないために、図８（ｃ）に記載されるように後述の［４］及び［５］に記載の充放電制御と比較して再放電が実施されるまでのインターバルが長い。したがって、〔１〕と比較して火花放電の発生期間が長くなったにも関わらず、初回に生じた火花放電で着火した初期火炎と再放電時に着火した初期火炎とを重合させることが困難となり、リーン限界値を大きく拡大させることができなかった（図８（ｂ）及び図８（ｃ）参照）。

〔４〕に記載される充放電制御では、図８（ａ）に記載されるように、放電短絡が発生した場合に、再放電を実施させている。この場合、一次コイル１１Ａにはエネルギの貯蓄があり、図８（ｃ）に記載されるように再放電が実施されるまでのインターバルを〔３〕と比較して短縮させることに成功している。このため、初回に生じた火花放電で放電短絡が発生するまで連続して混合気を加熱することによりできる限り大きく形成した初期火炎と、２回目の再放電によって形成した初期火炎とを重合させることができ、リーン限界値を大きく拡大させることができた（図８（ｂ）及び図８（ｃ）参照）。また、図８（ｄ）に記載されるように、放電期間中に点火プラグ１９に投入した総投入エネルギで比較しても、総投入エネルギは少ないにもかかわらず、総投入エネルギ（＝初回投入エネルギ）が大きい〔２〕に記載の充放電制御とほぼ同程度にまでリーン限界値を拡大できたことも特筆に値する。

〔５〕に記載される充放電制御では、図８（ａ）に記載されるように、放電短絡が生じるよりも早期に点火プラグ１９で生じている放電を終了させ、再放電を実施させている。この場合、一次コイル１１Ａにはエネルギが多く貯蓄されており、図８（ｃ）に記載されるように、再放電までの期間は大きく短縮されている。しかし、初回に生じた火花放電の発生期間が短く、初回に生じた火花放電で混合気を十分に加熱することができず、その結果リーン限界値を大きく拡大させることはできなかった（図８（ｂ）及び図８（ｃ）参照）。

以上の結果より、放電短絡が発生した場合に点火プラグ１９で生じている火花放電を停止させ、再放電を実行させることが、初期投入エネルギを少なく、且つ、リーン限界値を最も拡大させされることが分かった。

・１燃焼サイクル中において、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通及び遮断して火花放電を形成させた後に、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きい一回目の瞬間的な変動が検出されたことを条件として、放電短絡が発生したと判定される。二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きい一回目の瞬間的な変動とは、二次電流が所定値よりも大きくなる瞬間的な変動である。よって、点火プラグ１９で火花放電が生じた際に発生する二次電流の瞬間的な変動やノイズが検出されることを抑制でき、ひいては放電短絡の発生判定の精度を向上させることが可能となる。

・初めて火花放電が形成されてから所定のマスク時間Ｔが経過するまでは、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きい瞬間的な変動が生じても、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きい一回目の瞬間的な変動として検出しない。これにより、火花放電が伸長していない放電初期期間において偶発的な二次電流の乱れやノイズにより放電短絡が発生したと誤判定することを抑制する事が可能となる。

・本実施形態によれば、ＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通させ、一次電流が判定値に達した時にＩＧＢＴ１２に一次コイル１１Ａへの一次電流の導通を遮断させることで、点火プラグ１９に火花放電を生じさせていた。これにより、一次コイル１１Ａに過剰にエネルギが供給されることを抑制し、且つ、点火プラグ１９に再放電を安定して実行させることが可能となる。

・本実施形態によれば、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きいことを条件とする他、二次電流の最小幅が所定幅よりも大きい瞬間的な変動を検出したことを条件として、放電短絡が発生したと判定される。これにより、放電短絡の発生を精度高く判定することが可能となる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

・上記実施形態では、一次コイル１１Ａへの一次電流の導通と遮断を行なうスイッチング素子として、ＩＧＢＴ１２を使用していた。このことについて、ＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタ、サイリスタ、トライアックなどに変更してもよい。

・上記実施形態では、放電短絡が発生したと判定したことを条件として点火プラグ１９に再放電を実施させていた。このことについて、放電短絡が発生したと判定した場合以外でも点火プラグ１９に再放電を実施させることを許容する構成としてもよく、このような充放電制御は多重放電方式や連続放電方式の点火装置に適用すると好適である。具体的には、多重放電を実施させる場合、点火プラグ１９で生じた火花放電が放電短絡を生じたと判定した場合に、再放電を実施させ、放電短絡の発生が判定されなかった場合には、所定のタイミングで再放電を実施させる。また、連続放電を実施させる場合、点火プラグ１９で生じた火花放電が放電短絡を生じたと判定した場合に、再放電を実施させ、再放電により点火プラグ１９に生じた火花放電を所定期間維持できるように充放電制御を行なう。このような構成とすることでも、放電短絡が発生しても燃焼状態を良化させる事ができる。

・上記実施形態では、点火プラグ１９に火花放電を生じさせる期間としての放電期間中において、再放電を実施させることで生じた火花放電が放電短絡したとしても、点火プラグ１９に再々放電を実施させなかった。このことについて、点火プラグ１９に火花放電を生じさせる期間としての放電期間中において、再放電を実施させることで生じた火花放電が放電短絡したと判定した場合には、点火プラグ１９に再々放電を実施させてもよい。

・上記実施形態では、一次コイル１１Ａに流れる一次電流が判定値に達した場合に点火信号ＩＧｔの出力を停止することで、ＩＧＢＴ１２に一次コイル１１Ａへ流れる一次電流の導通を遮断させていた。このことについて、必ずしも判定値を設ける必要はなく、時間で一次電流の導通と遮断を制御してもよい。具体的には、１燃焼サイクル中において、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通させる場合における、ＥＣＵ２０による点火信号ＩＧｔの出力期間は、一次電流が０である状態から判定値にまで上昇させることが可能な期間として設定される。一方で、放電短絡が発生したと判定した場合の再放電時は、一次コイル１１Ａにまだエネルギが貯蓄されている。よって、ドライバ回路１５による点火信号ＩＧｔの出力期間は、一次電流が判定値に達することが可能な期間に設定されるが、その期間はＥＣＵ２０による点火信号ＩＧｔの出力期間よりも短い。本別例に係る点火回路ユニット１０では一次電流を検出する必要がなくなるため、点火回路ユニット１０の簡易化を図ることが可能となる。

・上記実施形態では、点火プラグ１９で火花放電が生じた一回目の瞬間的な変動から火花放電が伸長し始める時間として設定される所定のマスク時間Ｔが経過するまでの間は、二回目の所定値よりも大きい瞬間的な変動は検出しなかった。この所定のマスク時間Ｔは、火花放電が伸長するまでの期間において放電短絡が発生したと誤判定することを抑制するために設けられたものである。火花放電が伸長するまでの期間は、内燃機関の運転状態によって変化する。これは、内燃機関の運転状態によって、気筒内を流れる混合気の流速が異なるためである。このため、所定のマスク時間Ｔを内燃機関の運転状態に基づいて可変に設定してもよい。これにより、火花放電が伸長していない期間の放電短絡判定の実行をより精度高く抑制する事が可能となる。

・上記実施形態では、点火プラグ１９で火花放電が生じた一回目の瞬間的な変動を検出してから所定のマスク時間Ｔの経過後に、放電短絡の発生判定を実施していた。このことについて、更に放電短絡の発生判定の実施期間を限定してもよい。なぜなら、気筒内を流れる混合気の所定箇所を十分に加熱できた状態で放電短絡が生じたとしても、混合気の燃焼状態は良好なものとなることが想定される。この場合、点火プラグ１９に再放電を実施させる必要性は低い。このことを考慮し、所定のマスク時間Ｔが経過してから所定の判定時間が経過するまでの期間中にのみ放電短絡の発生判定が実施される。所定の判定時間は、混合気の所定箇所を十分に加熱することが出来る時間として設定される。これにより、再放電を実施する必要のある期間にのみ放電短絡の発生判定を実施することができ、不要に点火プラグ１９にて再放電を実施する頻度を減らすことができる。ひいては点火プラグ１９が備える放電電極の消耗を抑制する事が可能となる。

・上記実施形態では、点火プラグ１９で火花放電発生時に生じる容量放電による瞬間的な変動から火花放電が伸長し始める時間として設定される所定のマスク時間Ｔが経過するまでの間は、所定値よりも大きい一回目瞬間的な変動は検出しなかった。このことについて、必ずしもマスク時間Ｔを設ける必要はなく、例えば、１燃焼サイクル中において、一次コイル１１Ａに一次電流を導通させてから燃焼行程が終了するまでの期間を放電短絡の発生判定の実施期間としてもよい。

・上記実施形態では、１燃焼サイクル中において、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通、遮断させて火花放電を形成してから一回目以降に生じる瞬間的な変動を対象として、放電短絡の発生判定を行っていた。このことについて、例えば図６のように、所定幅及び第二閾値を用いて放電短絡の発生判定を行うことにより、１燃焼サイクル中において、最初にＩＧＢＴ１２により一次コイル１１Ａに一次電流を導通及び遮断させて生じる火花放電形成時の容量放電による瞬間的な変動も対象に含めてもよい。

・上記実施形態では、二次電流の微分値の最大値が第二閾値よりも大きく、且つ、二次電流の最小幅が所定幅よりも大きい二回目の瞬間的な変動を検出した場合に、放電短絡が発生したと判定していた。既述の通り、放電短絡時の測定値の瞬間的な変動は、ノイズによる瞬間的な変動よりも変動幅は大きく、点火プラグ１９の放電電極間で火花放電が生じた場合に発生する瞬間的な変動や、放電の吹き消え再放電が生じた場合に発生する瞬間的な変動よりも変動幅は小さい。このため、図９に記載されるように、二次電流の微分値の最小値が第三閾値よりも小さく第四閾値よりも大きい瞬間的な変動が検出されることで、放電短絡が発生したと判定してもよい。これによっても、精度高く放電短絡の発生を判定することが可能となる。

・上記実施形態では、初回に点火プラグ１９に火花放電が生じて以降に、放電短絡することなく、放電が終了した場合に、点火プラグ１９に強制的に再充電を行い、２回目の再放電を実施させていた。このことについて、内燃機関の運転条件によって２回目以降の再放電を実施するか否か決定しても良い。また、点火プラグ１９で生じた火花放電が完全に終了してから再放電を実施するのではなく、点火プラグ１９で火花放電が生じてから所定時間が経過するまでの間に放電短絡が発生しない場合には強制的に再充電を開始する構成としても良い。

・上記に記載の各別例は独立して実施する必要はなく、任意に組み合わせて実行してもよい。

１１…点火コイル、１１Ａ…一次コイル、１１Ｂ…二次コイル、１２…ＩＧＢＴ、１４…電流検出回路、１５…ドライバ回路、１９…点火プラグ、２０…ＥＣＵ。

Claims (9)

1. 内燃機関の気筒内の可燃混合気に点火するための火花放電を一対の放電電極の間にて発生させる点火プラグ（１９）と、
   一次コイル（１１Ａ）及び二次コイル（１１Ｂ）を具備し、前記二次コイルにより前記点火プラグに二次電圧を印加する点火コイル（１１）と、
   前記一次コイルへ流れる一次電流の導通と遮断を行うスイッチング素子（１２）と、
   前記一次コイルに印加される一次電圧、前記点火プラグに流れる二次電流、前記点火プラグに印加される二次電圧の内、少なくとも一つの測定値を検出する測定値検出部（１４）と、
   を備える前記内燃機関に適用され、
   前記スイッチング素子に前記一次コイルへ前記一次電流の導通を行わせた後に前記一次電流の遮断を行わせることで、前記点火プラグに前記火花放電を発生させる放電発生制御を１燃焼サイクル中に１回、又は複数回実行させる一次電流制御部（１５，２０）と、
   前記測定値検出部により検出された前記測定値に基づいて、前記火花放電の短絡の発生を判定する放電短絡判定部（１５）と、
   を備え、
   前記一次電流制御部は、前記放電短絡判定部により前記放電短絡が発生したと判定された場合、前記スイッチング素子に前記一次コイルへ前記一次電流の導通を行わせ、その後前記一次電流の遮断を行わせることで、前記放電発生制御を再度実行させることを特徴とする点火制御システム。
2. 前記放電短絡判定部は、前記１燃焼サイクル中において、最初に前記スイッチング素子により前記一次コイルへ前記一次電流の導通と遮断を行い前記火花放電を形成してから、前記測定値検出部により検出された前記測定値に所定値よりも大きい一回目の瞬間的な変動が検出されたことを条件として、前記放電短絡が発生したと判定することを特徴とする請求項１に記載の点火制御システム。
3. 前記放電短絡判定部は、前記１燃焼サイクル中において、最初に前記スイッチング素子により前記一次コイルへ前記一次電流の導通と遮断を行い前記火花放電を形成させ、それ以降において所定のマスク時間が経過するまでは前記所定値よりも大きい前記一回目の瞬間的な変動を検出せず、前記所定のマスク時間が経過した後に前記所定値よりも大きい前記一回目の瞬間的な変動を検出することを特徴とする請求項２に記載の点火制御システム。
4. 前記所定のマスク時間を前記内燃機関の運転状態に基づいて設定することを特徴とする請求項３に記載の点火制御システム。
5. 前記放電短絡判定部は、前記所定のマスク時間が経過してから所定の判定時間が経過するまでの期間中にのみ前記一回目の瞬間的な変動を検出することを特徴とする請求項３又は４に記載の点火制御システム。
6. 前記放電短絡判定部により前記放電短絡が発生したと判定された場合に行われる前記一次電流制御部による前記放電発生制御は、前記スイッチング素子により前記一次コイルに前記一次電流を導通させ、前記一次電流が判定値に達した時に前記スイッチング素子に前記一次コイルへの前記一次電流の導通を遮断させる制御であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の点火制御システム。
7. 前記一次電流制御部は、前記放電短絡判定部により前記放電短絡が発生したと判定されたことを条件として、前記スイッチング素子に前記一次コイルへ前記一次電流の導通を行わせた後に前記一次電流の遮断を行わせることで、前記放電発生制御を再度実行させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の点火制御システム。
8. 前記測定値検出部は、前記点火プラグに流れる前記二次電流を前記測定値として検出するものであり、
   前記放電短絡判定部は、前記測定値検出部により検出された前記測定値の絶対値の最小値が第一閾値よりも大きく、且つ、前記測定値の微分値の最大値が第二閾値よりも大きい瞬間的な変動を検出したことを条件として、放電短絡の発生を判定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の点火制御システム。
9. 前記測定値検出部は、前記点火プラグに流れる前記二次電流を前記測定値として検出するものであり、
   前記放電短絡判定部は、前記測定値検出部により検出された前記測定値の微分値の最小値が第三閾値よりも小さく第四閾値よりも大きい瞬間的な変動を検出したことを条件として、放電短絡の発生を判定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の点火制御システム。

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