JP2020169584A - 内燃機関の放電状態検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
間隙を介して対向する第一電極と第二電極を有し、燃焼室内の可燃混合気を点火する点火プラグと、
直流電源から電力が供給される一次コイルと、前記一次コイルに磁気結合され、前記点火プラグに電力を供給する二次コイルとを有する点火コイルと、
前記直流電源から前記一次コイルへの通電をオン又はオフするドライバ回路と、
前記点火プラグの火花放電中に前記一次コイル側に発生する一次電圧を検出する一次電圧検出部と、
前記点火プラグの火花放電中に前記二次コイルに流れる二次電流を検出する二次電流検出部と、
前記二次電流検出部により検出された二次電流に基づいて、前記一次電圧検出部により検出された一次電圧から、前記点火コイルにおいて二次電流により生じた信号成分を低減する補正を行い、補正後の一次電圧を出力する一次電圧補正部と、
前記補正後の一次電圧に基づいて、火花放電状態を判定する放電状態判定部と、を備えたものである。
図1は、実施の形態1に係る内燃機関の放電状態検出装置10(以下、放電状態検出装置10と称す)の基本構成を示す電気回路図である。本実施の形態では放電状態検出の一例として火花放電伸長を検出する。
点火プラグ13は、間隔を介して対向する第一電極13aと第二電極13bを有し、燃焼室内の可燃混合気を点火する。点火プラグ13の第一電極13aと第二電極13bは、燃焼室内(気筒内)に配置される。第一電極13aは、二次コイルL2に接続され、第二電極13bはグランドに接続される。
1−2−1.放電状態の検出原理
上述したように、点火プラグ13の放電火花は、燃焼室内の気体の流動により伸長する。気体の流動が大きい場合は、放電伸長が大きくなり、気体の流動が小さい場合は、放電伸長が小さくなる。放電伸長と点火プラグ13の電極間の放電電圧とには、相関性がある。点火プラグ13の電極間の放電電圧は、二次コイルL2の点火プラグ13側の電圧(以下、二次電圧V2と称す)に表れる。そのため、二次電圧V2を直接検出できればよいが、絶縁破壊時の数十kVの高電圧を検出できる、信頼性が高く、低コストの電圧検出素子を用意することは容易でない。そのため、本願では、火花放電時に発生する電圧が比較的低い、一次コイルL1に発生する電圧(以下、一次電圧V1と称す)を用いて、間接的に二次電圧V2の情報を検出する。
そこで、本実施の形態では、放電状態検出装置10は、一次電圧検出部15、二次電流検出部16、一次電圧補正部17、及び放電状態判定部23を備えている。
一次電圧検出部15は、点火プラグ13の火花放電中に一次コイルL1側に発生する一次電圧V1を検出する。本実施の形態では、一次電圧検出部15は、ドライバ回路11に並列接続された抵抗分圧器であり、一次電圧V1の分圧電圧SV1を出力する。火花放電中は、ドライバ回路11(スイッチング素子)がオフになり、一次コイルL1は、一次電圧検出部15を介してグランドに接続されるので、一次電圧検出部15により一次コイルL1に発生した一次電圧V1を検出できる。
二次電流検出部16は、点火プラグ13の火花放電中に二次コイルL2に流れる二次電流I2を検出する。本実施の形態では、二次電流検出部16は、二次電流I2の放電経路上に直列接続された抵抗20(以下、二次電流検出抵抗20と称す)であり、二次電流検出抵抗20の高電圧側端子の電圧SI2を出力する。
一次電圧補正部17は、二次電流検出部16により検出された二次電流に基づいて、一次電圧検出部15により検出された一次電圧から、点火コイル14において二次電流により生じた信号成分を低減する補正を行い、補正後の一次電圧を出力する。
本実施の形態では、一次電圧補正部17は、差動増幅回路であり、二次電流検出部16の出力信号SI2と一次電圧検出部15の出力信号SV1との差分電圧を増幅した電圧を、補正後の一次電圧信号ADJSV1として出力する。以下では、増幅率が1であるものとして説明する。
放電状態判定部23は、補正後の一次電圧信号ADJSV1に基づいて、火花放電状態を判定する。上述したように、補正後の一次電圧信号ADJSV1が、二次電圧V2に比例する値になり、補正後の一次電圧信号ADJSV1が大きくなると、放電伸長が大きいと判定できる。
制御装置24は、放電状態判定部23の火花放電状態の判定結果に基づいて、燃焼状態を制御する。例えば、制御装置24は、火花放電状態の判定結果に基づいて、筒内流動を操作可能な流動操作機構を制御する。
次に、図2に示すタイムチャートを用いて制御挙動を説明する。図2の時刻t11において、制御装置24は、ドライバ回路11への指令信号S1を、LowレベルからHiレベルに切り替え、一次コイルL1に通電し、一次電流I1を流す。その後、制御装置24は、通電期間が経過した時刻t12において、指令信号S1を、HiレベルからLowレベルに切り替えて、一次コイルL1の通電を遮断すると、点火プラグ13の第一電極13aに負の点火用高電圧が印加されて、その電位が急峻に低下し、点火プラグ13の第一電極13aと第二電極13bとの間に火花放電が発生する。
次に、実施の形態2に係る放電状態検出装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る放電状態検出装置10の基本的な構成及び処理は実施の形態1と同様である。しかし、本実施の形態では、制御装置24が、放電状態判定部23の火花放電状態の判定結果に基づいて、マルチ点火制御を行う点が、実施の形態1と異なる。
次に、図3に示すフローチャートに沿って、制御装置24で実行されるマルチ点火制御の処理について説明する。まず、ステップST100において、制御装置24は、クランク角度センサ、カム角センサ、吸気量検出センサ、水温センサ等の出力信号を読み込み、回転速度、充填効率、及び水温等の内燃機関の運転状態を検出する。
次に、図4に示すタイムチャートを用いて制御挙動を説明する。図4の時刻t31において、制御装置24は、ドライバ回路11への指令信号S1を、LowレベルからHiレベルに切り替え、一次コイルL1に通電し、一次電流I1を流す。その後、制御装置24は、通電期間が経過した時刻t32において、指令信号S1を、HiレベルからLowレベルに切り替えて、一次コイルL1の通電を遮断すると、点火プラグ13の第一電極13aに負の点火用高電圧が印加されて、その電位が急峻に低下し、点火プラグ13の第一電極13aと第二電極13bとの間に火花放電が発生する。
次に、実施の形態3に係る放電状態検出装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る放電状態検出装置10の基本的な構成及び処理は実施の形態1と同様である。しかし、本実施の形態では、制御装置24は、放電状態判定部23の火花放電状態の判定結果に基づいて、点火プラグ13の放電異常を判定する点が、実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態4に係る放電状態検出装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る放電状態検出装置10の基本的な構成及び処理は実施の形態1と同様である。しかし、本実施の形態では、一次電圧補正部17及び放電状態判定部23が、制御装置24内に組み込まれており、それに伴って、一次電圧補正部17において、より高度な補正処理が行われる点が、実施の形態1と異なる。
一次コイルL1には、直流電源12が接続されており、放電期間中の一次電圧V1には、二次コイルL2側から伝達された電圧に加えて、電源電圧Vdcがオフセット的に加算されている。よって、電源電圧が変動すると、一次電圧検出部15の出力信号SV1が変動する。特に、スタータ動作時のように電源電圧Vdcが大きく変動する場合は、出力信号SV1の変動が大きくなる。例えば、電源電圧Vdcが6V低下すると、一次電圧検出部15の分圧比が1/20である場合は、出力信号SV1は0.3V低下し、点火コイルの巻き数比が100である場合は、600V相当の二次電圧V2の検出誤差となる。
二次コイルL2の巻線抵抗は温度特性が大きいため、コイルの温度が変動すると巻線抵抗の抵抗値が大きく変動する。例えば、コイルの温度が100℃上昇すると巻線抵抗は1.4倍程度になる。そのため、コイルの温度に応じて、二次電流の放電経路の抵抗値R2eが変動し、式(1)に示したように、二次電流による一次電圧の変動ΔV1が変動する。そして、式(6)及び式(7)からわかるように、一次電圧検出部15の出力信号SV1から、二次電流I2により生じた信号成分を低減するためには、二次電流の放電経路の抵抗値R2eの変動に応じて、二次電流検出抵抗20の出力電圧SI2を補正する必要がある。
式(1)の第二式では、一次コイルL1と二次コイルL2との結合係数が1であるものとして説明したが、結合係数が1から変動する場合があり、結合係数の変動に応じて、一次電圧検出部15の出力電圧SV1が変動する。
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (18)
- 間隙を介して対向する第一電極と第二電極を有し、燃焼室内の可燃混合気を点火する点火プラグと、
直流電源から電力が供給される一次コイルと、前記一次コイルに磁気結合され、前記点火プラグに電力を供給する二次コイルとを有する点火コイルと、
前記直流電源から前記一次コイルへの通電をオン又はオフするドライバ回路と、
前記点火プラグの火花放電中に前記一次コイル側に発生する一次電圧を検出する一次電圧検出部と、
前記点火プラグの火花放電中に前記二次コイルに流れる二次電流を検出する二次電流検出部と、
前記二次電流検出部により検出された二次電流に基づいて、前記一次電圧検出部により検出された一次電圧から、前記点火コイルにおいて二次電流により生じた信号成分を低減する補正を行い、補正後の一次電圧を出力する一次電圧補正部と、
前記補正後の一次電圧に基づいて、火花放電状態を判定する放電状態判定部と、を備えた内燃機関の放電状態検出装置。 - 前記一次電圧補正部は、前記直流電源の電源電圧情報に基づいて、電源電圧の変動による一次電圧の変動を低減する補正を行う請求項1に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記二次電流検出部は、二次電流の放電経路上に直列接続された抵抗であり、前記抵抗の端子電圧を出力する請求項1又は2に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記抵抗の抵抗値は100Ω以下である請求項3に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記二次電流検出部は、過去の点火サイクルの一次電圧の発生期間に基づいて、現在の点火サイクル内の各時刻での二次電流を推定する請求項1又は2に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記二次電流検出部は、内燃機関の運転状態と二次電流の特性データとの関係が予め設定された二次電流マップを参照し、現在の内燃機関の運転状態に対応する前記二次電流の特性データを算出し、前記二次電流の特性データに基づいて、現在の点火サイクル内の各時刻での二次電流を推定する請求項1又は2に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記二次電流検出部は、二次電流の放電経路上に配置されたカレントトランス又はホールセンサであり、前記カレントトランス又は前記ホールセンサの信号を出力する請求項1又は2に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記一次電圧補正部は、内燃機関の運転状態に基づいて二次コイルの温度を推定し、前記二次コイルの温度に基づいて、前記二次コイルの巻線抵抗の変動による前記二次電流により生じた信号成分の変動を低減する補正を行う請求項1から7のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記一次電圧補正部は、温度センサにより二次コイルの温度を検出し、前記二次コイルの温度に基づいて、前記二次コイルの巻線抵抗の変動による前記二次電流により生じた信号成分の変動を低減する補正を行う請求項1から7のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記一次電圧補正部は、火花放電期間内の各時刻での一次コイルと二次コイルの結合係数を推定し、前記結合係数に基づいて、前記一次電圧検出部の出力信号を補正する請求項1から9のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記一次電圧補正部は、差動増幅回路であり、前記一次電圧検出部の出力信号と前記二次電流検出部の出力信号との差分の増幅値を出力する請求項1から7のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記二次電流検出部は、二次電流の放電経路上に直列接続された抵抗であり、前記抵抗の端子電圧を出力し、
前記一次電圧検出部は、前記ドライバ回路に並列接続された抵抗分圧器であり、前記一次電圧の分圧電圧を出力し、
前記二次電流検出部の前記抵抗の抵抗値は、前記一次電圧検出部の分圧比と二次電流の放電経路の抵抗値との合計値を、前記点火コイルの巻き数比で除算した値に設定されている請求項11に記載の内燃機関の放電状態検出装置。 - 前記一次電圧検出部は、前記ドライバ回路に並列接続された抵抗分圧器であり、前記一次電圧の分圧電圧を出力する請求項1から12のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記抵抗分圧器は、一次コイルの端子側に接続された高圧側分圧抵抗とグランド側に接続された低圧側分圧抵抗とが直列接続され、前記高圧側分圧抵抗は、前記点火コイル及び前記ドライバ回路が配置された樹脂モールド内に配置され、前記低圧側分圧抵抗は、前記樹脂モールド外に配置される請求項13に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記放電状態判定部は、前記補正後の一次電圧信号が、閾値よりも大きい場合に、前記点火プラグの電極間の放電伸長が大きいと判定し、前記補正後の一次電圧信号が前記閾値よりも小さい場合に、前記点火プラグの電極間の放電伸長が小さいと判定する請求項1から14のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記放電状態判定部の火花放電状態の判定結果に基づいて、燃焼状態を制御する制御装置を更に備える請求項1から15のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記放電状態判定部の火花放電状態の判定結果に基づいて、一回の点火サイクルにおける点火回数を増加させる制御装置を更に備える請求項1から16のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
- 前記放電状態判定部の火花放電状態の判定結果に基づいて、前記点火プラグの放電異常を判定する制御装置を更に備える請求項1から17のいずれか一項に記載の内燃機関の放電状態検出装置。
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