JP2018534471A - 点火システムを制御する方法および装置 - Google Patents

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Abstract

スパークプラグに電流を提供するために少なくとも2つのコイルステージを連続的に通電し消勢するようコイルステージを制御するように構成されるスパークプラグ制御ユニットを含むマルチチャージ点火システムを提供する。2つのステージは、第1の2次巻線(L2)に誘導結合される第1の1次巻線(L1)を含む第1の変圧器(T1)と、第2の2次巻線(L4)に誘導結合される第2の1次巻線(L3)を含む第2の変圧器(T2)とを備える。マルチチャージ点火システムは、第1の1次巻線の高圧端側と第2の1次巻線の高圧端側との間に配置される第1のスイッチ(M2)と、第1の1次巻線の低圧側と第2の1次巻線の高圧側との間に配置される第2のスイッチ(M3)とを含むことを特徴とする。

Description

本発明は、スパークプラグを制御する点火システムおよび方法に関する。本発明は、これらに限定はしないが、マルチスパークプラグ点火システムなどの、連続スパークを提供するように構成されるシステムに、特段の用途がある。
非常に薄い空気燃料混合物を使用する点火エンジン、すなわち、燃料消費および排出を減少させるためより高い空気組成を有する点火エンジンが開発されてきた。安全な点火を実現するためには、高エネルギーの点火源を有することが必要である。従来技術のシステムは、一般的に、制限されたスパーク期間およびエネルギー出力を有する、大きい、高エネルギーの単一スパーク点火コイルを使用する。この制限を克服するため、また点火システムのサイズを減少させるために、マルチチャージ点火システムが開発された。マルチチャージシステムは、個別のスパークの高速シーケンスを生成し、その結果、出力は、長い擬似連続スパークである。マルチチャージ点火法には、再充電期間の間、スパークが中断されるという欠点があり、これには、燃焼室中に大きい乱流が存在するとき特に顕著な悪影響がある。たとえば、これが点火不具合をもたらして、より大きい燃料消費およびより大きい排出を生じる可能性がある。
改善されたマルチチャージシステムが欧州特許第2325476号に記載されており、それは、これらの悪影響がなく、少なくとも部分的には、燃焼電圧の広い区域にわたる連続点火スパークを生成し、スパークプラグに調整可能なエネルギーを送達し、自由に選択できる点火炎の燃焼時間を可能にするマルチチャージ点火システムを開示する。
現在のシステムの1つの欠点は、最初の充電における高い1次電流ピークである。その電流ピークは不要であり、電流ピークは、より大きい銅損、より大きいEMC放射を生成し、車両搭載電力生成(ジェネレータ/バッテリー)にとってより大きい負荷として働く。高い1次電流ピークを最小化するための1つの選択肢は、点火コイルの前のDC/DCコンバータである(たとえば、48V)。しかし、これは、余分の費用をもたらす。
欧州特許第２３２５４７６号明細書
本発明の目的は、DC/DCコンバータを使用することなく、高い1次電流ピークを最小化することである。
一態様では、スパークプラグに電流を提供するために少なくとも2つのコイルステージを連続的に通電し消勢するようコイルステージを制御するように構成されるスパークプラグ制御ユニットを含むマルチチャージ点火システムであって、2つのステージが、第1の2次巻線(L2)に誘導結合される第1の1次巻線(L1)を含む第1の変圧器(T1)と、第2の2次巻線(L4)に誘導結合される第2の1次巻線(L3)を含む第2の変圧器(T2)とを備え、マルチチャージ点火システムは、第1の1次巻線の高圧端側と第2の1次巻線の高圧端側との間に配置される第1のスイッチ(M2)と、第1の1次巻線の低圧側と第2の1次巻線の高圧側との間に配置される第2のスイッチ(M3)とを含むことを特徴とする、マルチチャージ点火システムが提供される。
システムは、制御ユニットとコイルステージとの間に配置されるステップダウンコンバータステージを含んでよく、ステップダウンコンバータが、第3のスイッチ(M1)と、ダイオード(D3)とを含み、制御ユニットが、コイルステージに電力を選択的に供給するように第3のスイッチを制御することが可能とされる。
システムは、制御ユニットにより制御される第4のスイッチ(Q1)および第5のスイッチ(Q2)を含んでよく、第4のスイッチおよび第5のスイッチが、第1の1次巻線および第2の1次巻線それぞれの低圧側をグランドに接続する。
制御ユニットは、2つの対応する第4のスイッチおよび第5のスイッチ(Q1、Q2)を同時にオンおよびオフに切り替えることによって、1次巻線(L1、L3)を同時に通電および消勢すること、両方の対応するスイッチ(Q1、Q2)を順次にオンおよびオフに切り替えることによって、1次巻線(L1、L3)を順次に通電および消勢すること、連続的な点火炎を維持することを可能としてよ。
マルチチャージ点火サイクルでは、第1のステージの1次コイルの最初の通電/ランプアップフェーズの期間、制御ユニットは、両方のステージの1次コイルを直列に接続するように、第2のスイッチ(M3)を閉にし、第1のスイッチ(M2)を開にするように構成されてよい。
第1のスイッチおよび第2のスイッチは、制御ユニットからの制御線を備えてよい。
また、上記のシステムを制御する方法であって、マルチチャージ点火サイクル中の、第1のステージの1次コイルの最初の通電/ランプアップフェーズの期間に、両方のステージの1次コイルを直列に接続するように、第2のスイッチ(M3)を閉にし、第1のスイッチ(M2)を開にするステップを含む、方法が提供される。
本発明は、明細書中で、例として、以下の図面を参照して記載されることになる。
従来技術の結合したマルチチャージ点火システムの回路構成を示す図である。 1次電流および2次電流、EST信号、ならびにコイル1スイッチおよびコイル2スイッチの「オン」時間についての、図1のシステムのタイムラインを示す図である。 一例に従う、結合したマルチチャージシステムの回路を示す図である。 図2と同じパラメータでの、図3のシステムのタイムラインを示す図である。
従来技術
図1は、内燃機関(図示せず)の単一の燃焼シリンダに関連することができるような、スパークプラグ11中の間隙のある電極の単一の組を処理する、燃焼電圧の広い区域にわたる連続点火スパークを生成するための、従来技術の結合したマルチチャージ点火システムの回路構成を示す。CMCシステムは、必要な高いDC電圧を生成するため、1次巻線L1、L2を含む、速い充電点火コイル(L1〜L4)を使用する。L1およびL2は、共通のコアK1上に巻かれて第1の変圧器(コイルステージ)を形成し、別の共通のコアK2上に巻かれる2次巻線L3、L4は、第2の変圧器(コイルステージ)を形成する。第1および第2の1次の20の巻線L1、L3の、2つのコイル端は、電気的スイッチQ1、Q2によって、自動車のシャーシグランドなどの共通グランドに交互に切り替えることができる。これらのスイッチQ1、Q2は、好ましくは絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。抵抗器R1は、1次側から流れる1次電流Ipを測定するために任意選択で存在する場合があり、スイッチQ1、Q2とグランドとの間に接続され、一方、2次側から流れる2次電流Isを測定するための任意選択の抵抗器R2は、ダイオードD1、D2とグランドとの間に接続される。
2次巻線L2、L4の低電圧端は、高電圧ダイオードD1、D2を通して共通のグランドまたは自動車のシャーシグランドに結合することができる。2次点火巻線L2、L4の高電圧端は、従来手段を通してスパークプラグ11中の電極の間隙のある対のうちの一方の電極に結合される。スパークプラグ11の他方の電極は、慣習的にエンジンブロックに対するスパークプラグのねじ係合によって、共通のグランドにやはり結合される。1次巻線L1、L3は、公称12Vの自動車電気システムにおける慣習的な自動車システム電圧に対応する場合があり、図ではバッテリーの正の電圧である、共通の通電電位に接続される。充電電流は、スイッチQ1、Q2の状態を制御する電子制御回路13によって監視することができる。制御回路13は、たとえば、ECUによって供給されるエンジンスパークタイミング(EST)信号に応答して、それぞれ信号Igbt1によって制御されるスイッチQ1および信号Igbt2によって制御されるスイッチQ2を通して、システムグランドに1次巻線L1およびL2をそれぞれ選択的に結合する。測定した1次電流Ipおよび2次電流Isを、制御ユニット13に送信することができる。有利なことには、バッテリー15の共通の通電電位は、点火スイッチM1を経由して、1次巻線L1、L3に結合され、反対端において、接地されるものである。スイッチM1は、好ましくはMOSFETトランジスタである。ダイオードD3または任意の他の半導体スイッチ(たとえば、MOSFET)が、ステップダウンコンバータを形成するように、トランジスタM1に結合される。制御ユニット13は、信号FETによってスイッチM1をオフに切り替えることが可能とされる。M1がオフであるとき、ダイオードD3または任意の他の半導体スイッチがオンに切り替えられ、逆も同様である。
従来技術の動作では、制御回路13は、間隙のある電極にわたり拡大した連続高エネルギーアークを実現するように動作可能である。第1のステップの期間に、スイッチM1、Q1、およびQ2はすべてオンに切り替えられ、その結果、電源15の送達したエネルギーは、両方の変圧器(T1、T2)の磁気回路中に蓄えられる。第2のステップの期間に、スイッチQ1およびQ2によって、両方の1次巻線が同時にオフに切り替えられる。変圧器の2次側に高電圧が誘起され、スパークプラグ11の間隙のある電極を通して点火スパークが生成される。第3のステップの期間に、両方の変圧器(T1、T2)がエネルギーを送達している最短燃焼時間後に、スイッチQ1がオンに切り替えられ、スイッチQ2がオフに切り替えられる(またはその逆となる)。これは、第1の変圧器(L1、L2)がその磁気回路の中にエネルギーを蓄える一方、第2の変圧器(L3、L4)がスパークプラグにエネルギーを送達すること(またはその逆)を意味する。第4のステップの期間に、1次電流Ipが制限(Ipmax)を超えて増加すると、制御ユニットがそのことを検出して、トランジスタM1をオフに切り替える。オンに切り替えられている(Q1またはQ2)変圧器(L1、L2またはL3、L4)中の蓄えられたエネルギーは、ダイオードD3を介して電流を流し(ステップダウントポロジー)、その結果、変圧器は磁気飽和へとなることができず、そのエネルギーが制限される。好ましくは、トランジスタM1は、変圧器中のエネルギーを一定レベルに保つため、恒久的にオンおよびオフに切り替えられることになる。第5のステップの期間に、2次電流Isが2次電流閾値レベル(Ismin)を下回った直後、スイッチQ1がオフに切り替えられ、スイッチQ2がオンに切り替えられる(またはその逆となる)。次いで、制御ユニットが両方のスイッチQ1およびQ2をオフに切り替える限り、スイッチQ1およびQ2を順次オンおよびオフに切り替えることによってステップ3〜ステップ5が繰り返されることになる。
図2は、点火システム電流のタイムラインを示す。図2aは、1次電流Ipを時間に沿って表すトレースを示す。図2bは、2次電流Isを示す。図2cは、ECUから点火システム制御ユニットに送信され、点火時間を示す、EST線上の信号を示す。ステップ1、すなわち、M1、Q1、およびQ2がオンに切り替えられている期間に、1次電流Ipは、変圧器中のエネルギー蓄積で急速に増加する。ステップ2、すなわち、Q1およびQ2がオフに切り替えられている期間に、スパークプラグの間隙のある電極を通して点火スパークを生成するように、2次電流Isが増加して高電圧が誘起される。ステップ3、すなわち、Q1およびQ2がオンおよびオフに順次切り替えられている期間に、スパークを維持するように、ならびにエネルギーが変圧器の中に蓄えられる。ステップ4の期間に、1次電流Ipと制限Ipthとの間で比較が行われる。IpがIpthを超えると、M1がオフに切り替えられ、その結果、「オンに切り替えられた」変圧器は、その蓄えられたエネルギーを制限することによって、磁気飽和になることができない。スイッチM1がこのやり方でオンおよびオフに切り替えられ、1次電流Ipが制御範囲の中で安定となる。ステップ5の期間に、2次電流Isと2次電流閾値レベルIsthとの間で比較が行われる。Is<Isthである場合、Q1がオフに切り替えられQ2がオンに切り替えられる(またはその逆となる)。次いで、制御ユニットが両方のQ1およびQ2をオフに切り替える限り、Q1およびQ2を順次オンおよびオフに切り替えることによってステップ3〜ステップ5が繰り返されることになる。2つの変圧器の交互の充電および放電のため、点火システムは、連続的な点火炎を送達する。上では、本発明への背景を提供するための従来技術の点火システムの回路構成および動作を記載している。本発明のいくつかの態様では、上の回路構成を使用することができる。本発明は、性能を向上させ、スパークプラグの摩耗を減少させるための様々な解決策を提供する。図2dおよび図2eは、スイッチオンおよびオフ時間によって、それぞれのコイルの動作状態を示す。
本発明の詳細な記載
例1
図3は、一例に従った回路を示し、図1のものと同様である。回路は、高電圧HVダイオード(D1およびD2)で電圧を測定する手段を含むことができるが、これは、任意選択である。電源電圧(Ubat)を、さらに任意選択で測定することができる。
この例では、2つのさらなるスイッチがもうけられる。スイッチM2は、コイルステージ1の1次巻線の高圧側への接続部とステージ2の1次巻線の高圧側との間に配置され、スイッチM3は、ステージ1の1次巻線の低圧側とコイルステージ2の1次巻線の高圧側との間に配置される。これらは、ECUおよび/またはスパーク制御ユニットによって制御することができる。スイッチM3が閉であり、M2が開であるときに、コイルL1およびL3(すなわち、1次コイル)は、並列ではなく直列に効率的に接続される。
図4は、図2と同様であり、マルチスパーク点火サイクル期間の、一方法に従った図3の回路の動作期間の、1次電流、2次電流、EST信号、およびそれぞれのコイルの動作状態のプロットを示す。
マルチチャージ(スパーク)点火サイクルの最初のフェーズでは、(たとえば、ESTパルスがハイになり点火をアクティブ化するとき)、1次電流がランプアップされる場合、スイッチM3が閉であり、スイッチM2が開である。M1は、オンに切り替えられ、両方の巻線L1およびL2に電流を提供する。結果として、1次電流は、比較のために、(図4aでは従来技術設計のランプアップピークが重ね合わされているが)図4aに示されるように、図2aと比較して、より浅い勾配でランプアップすることになる。
スイッチM2およびM3は、図に部分的に示される、スイッチを制御するためのそれぞれの制御線を含むことができる点火コイルコントローラによって制御することができる。
必要な充電を達成するために、最初のランプアップチャージ期間に関するESTパルスは、(図2cと比較して)図4cに示されるように延長することができる。スパークプラグへのエネルギーの放電後、マルチスパークシステムで通常であるように、コイル1および2が交互に切り替えられ、第1および第2のステージの交互の充電および放電を実現する。
11 スパークプラグ
13 電子制御回路
15 電源

Claims (7)

  1. スパークプラグに電流を提供するために少なくとも2つのコイルステージを連続的に通電し消勢するよう前記コイルステージを制御するように構成されるスパークプラグ制御ユニットを含むマルチチャージ点火システムであって、前記2つのコイルステージが、第1の2次巻線(L2)に誘導結合される第1の1次巻線(L1)を含む第1の変圧器(T1)と、第2の2次巻線(L4)に誘導結合される第2の1次巻線(L3)を含む第2の変圧器(T2)とを備え、
    前記マルチチャージ点火システムは、前記第1の1次巻線の高圧端側と前記第2の1次巻線の高圧端側との間に電気的に接続される第1のスイッチ(M2)と、前記第1の1次巻線の低圧側と前記第2の1次巻線の高圧側との間に電気的に接続される第2のスイッチ(M3)とを含むことを特徴とする、マルチチャージ点火システム。
  2. 前記制御ユニットと前記コイルステージとの間に電気的に接続されるステップダウンコンバータステージを含み、前記ステップダウンコンバータが、第3のスイッチ(M1)と、ダイオード(D3)とを含み、前記制御ユニットが、前記コイルステージに電力を選択的に供給するように前記第3のスイッチを制御するように構成される、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記制御ユニットにより制御される第4のスイッチ(Q1)および第5のスイッチ(Q2)を含み、前記第4のスイッチおよび前記第5のスイッチが、前記第1の1次巻線および前記第2の1次巻線それぞれの低圧側とグランドとの間に電気的に接続される、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記制御ユニットが、2つの対応する第4のスイッチ(Q1)および第5のスイッチ(Q2)を同時にオンおよびオフに切り替えることによって、前記第1の1次巻線(L1)および前記第2の1次巻線(L3)を同時に通電および消勢し、両方の対応する前記第4のスイッチ(Q1)および前記第5のスイッチ(Q2)を順次にオンおよびオフに切り替えることによって、前記第1の1次巻線(L1)および前記第2の1次巻線(L3)を順次に通電および消勢し、連続的な点火炎を維持するように構成される、請求項1に記載のシステム。
  5. マルチチャージ点火サイクルで、第1のステージの前記1次巻線の最初の通電/ランプアップフェーズの期間、前記制御ユニットが、両方のステージの前記1次巻線を直列に接続するように、前記第2のスイッチ(M3)を閉にし、前記第1のスイッチ(M2)を開にするように構成される、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチが、前記制御ユニットからの制御線を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 請求項1から6のいずれか一項に記載のシステムを制御する方法であって、マルチチャージ点火サイクル中の、第1のステージの前記1次巻線の最初の通電/ランプアップフェーズの期間に、両方のステージの前記1次巻線を直列に接続するように、前記第2のスイッチ(M3)を閉にし、前記第1のスイッチ(M2)を開にするステップを含む、方法。
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