JP2022072134A - 内燃機関用の点火コイルの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力及び発熱が抑制された点火コイルの制御方法を提供する。【解決手段】内燃機関用の点火コイルの制御方法は、（Ａ）内燃機関の動作条件から、基準通電時間Ｔを設定するステップ、（Ｂ）吸入される燃料を含む気体の量と点火時の前記内燃機関の容積に基づき、点火時の前記内燃機関の内圧Ｐｓを求めるステップ、（Ｃ）前記基準通電時間Ｔと前記内圧Ｐｓとに基づき、１次電流の通電時間ｔａを求めるステップ及び（Ｄ）前記点火コイルに、１次電流を前記通電時間ｔａの間、流すステップを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関用の点火コイルの制御方法に関する。詳細には、点火コイルの１次電流の通電時間の制御方法に関する。

内燃機関で使用される点火コイルは、１次コイル及び２次コイルを備える。１次コイルに電流を流しこれを遮断することで、２次コイルに高電圧が発生する。この高電圧は、内燃機関に装着された点火プラグに印加される。点火プラグおいて放電が発生し、燃料に点火される。１次コイルに流れる電流は、１次電流と称される。

内燃機関において燃料を効率的に燃焼させ、高い出力を得るには、点火コイルでの１次電流の通電時間や遮断のタイミングを、適切に制御することが重要となる。例えば、車用のエンジンでは、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）が、エンジンの回転数等をモニタして、点火コイルの１次電流を制御している。内燃機関用の点火装置の制御方法についての検討が、特開２０１６－１６９６９２公報で報告されている。

特開２０１６－１６９６９２公報

内燃機関の燃焼室の内圧は、内燃機関への負荷によって変動する。燃料に点火するために必要とされる点火コイルの出力電圧は、燃焼室内の内圧が大きいほど高くなる。この出力電圧を達成するために、点火コイルの１次電流の通電時間も、内圧が大きいほど長くなる。従来、内燃機関への負荷の変動によらず適正に点火できるように、点火コイルの通電時間は、内圧が最大となっときに要求される通電時間以上に設定されていた。このため、内燃機関のへ負荷が小さいときは、点火コイルの通電時間は、必要とされる時間より長くなっていた。これは、無駄な消費電力及び発熱の要因となりうる。

本発明の目的は、消費電力や発熱が抑制された、点火コイルの制御方法の提供にある。

本発明に係る内燃機関用の点火コイルの制御方法は、
（Ａ）内燃機関の動作条件から、基準通電時間Ｔを設定するステップ、
（Ｂ）吸入される燃料を含む気体の量と点火時の前記内燃機関の容積に基づき、点火時の前記内燃機関の内圧Ｐｓを求めるステップ、
（Ｃ）前記基準通電時間Ｔと前記内圧Ｐｓとに基づき、１次電流の通電時間ｔａを求めるステップ
及び
（Ｄ）前記点火コイルに、１次電流を前記通電時間ｔａの間流すステップ
を含む。

好ましくは、前記（Ｂ）のステップでは、前記気体の圧力Ｐａ及び体積Ｖａと、点火時の前記内燃機関の容積Ｖｓと、前記気体の比熱比ｋとに基づき、以下の式で前記内圧Ｐｓが計算される。
Ｐｓ＝Ｐａ×（Ｖａ／Ｖｓ）^ｋ

好ましくは、前記（Ｃ）のステップでは、前記内燃機関の最大内圧Ｐｍと、前記基準通電時間Ｔ及び前記内圧Ｐｓとに基づき、以下の式で前記通電時間ｔａが求められる。
ｔａ＝Ｔ×（Ｐｓ／Ｐｍ）

好ましくは、前記（Ａ）のステップ、前記（Ｂ）のステップ、前記（Ｃ）のステップ及び前記（Ｄ）のステップが繰り返される。

好ましくは、前記内燃機関がエンジンであり、前記内燃機関の動作条件が前記エンジンの回転数及び前記点火コイルの電源電圧である。

本発明に係る点火コイルの制御方法では、吸入される燃料を含む気体の量と点火時のこの内燃機関の容積とに基づき、点火時の内圧が計算される。この内圧を基に１次電流の通電時間が決められる。この制御方法では、１次電流の通電時間が、点火に必要な通電時間と比べて過大になることが防止されている。この制御方法では、点火コイルでの消費電力や発熱が抑制されている。

図１は、本発明の一実施形態に係る制御方法が適用される、内燃機関とその制御装置の例が示されたブロック図である。 図２は図１の点火コイルの１次電流量の時間による変化が示されたグラフである。 図３は図１の内燃機関の内圧と点火に必要な点火コイルの出力電圧との関係が示されたグラフである。 図４は、本発明の一実施形態に係る制御方法が示された、フローチャートである。 図５は、内燃機関の動作条件と、それに対応する基準通電時間が示された通電マップの例である。 図６は、図４の制御で設定された通電時間での点火コイルの１次電流量の時間による変化が示されたグラフである。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１は、本発明の一実施形態に係る点火コイルの制御方法が適用される、内燃機関とその制御装置の例が示されたブロック図である。この実施形態では、内燃機関は車用のエンジンである。この図には、点火コイル２、エンジン４、点火プラグ５、ＥＣＵ６（エンジンコントロールユニット）及びバッテリ８が示されている。

点火コイル２は、エンジン４の上方に位置している。図示されないが、点火コイル２は、１次コイル、２次コイル及びスイッチ素子を備える。スイッチ素子は、１次コイルの電流（１次電流）の導通と遮断とを切り替える。点火コイル２では、１次電流を流しこれを遮断することで、２次コイルに高電圧が発生する。この高電圧が、点火コイル２の出力電圧となる。出力電圧は、エンジン４内に装着された点火プラグ５に送られる。図１に示されるように、点火コイル２には、ＥＣＵ６から制御信号１０が送られる。また、バッテリ８からの電源ライン１２が、点火コイル２に接続されている。点火コイル２の電源は、バッテリ８から供給されている。

ＥＣＵ６からの制御信号１０は、点火コイル２のスイッチ素子に接続される。ＥＣＵ６は、制御信号１０によって、点火コイル２の１次電流の導通と遮断とを切り替える。図１で示されるように、バッテリ８から点火コイル２へ接続される電源ライン１２は、ＥＣＵ６にも接続されている。これによりＥＣＵ６は、点火コイル２の電源電圧をモニタすることができる。ＥＣＵ６には、エンジン４に設けられた各種センサーから信号が送られる。ＥＣＵ６は、これらをもとにエンジン４の状態をモニタしている。例えばＥＣＵ６には、エンジン４の回転数、吸入する燃料を含む気体の量、ピストンと連結したクランクシャフトの角度等の情報が送られる。ＥＣＵ６は、これらの情報をもとに、点火コイル２及びエンジン４の動作を制御する。

図示されないが、この実施形態では、ＥＣＵ６は、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）、プログラム及びメモリを備える。この実施形態では、本制御方法は、このプログラムがＭＣＵを動作させることで、実現されている。メモリには、このプログラムや、制御に必要なデータが格納される。

エンジン４には、燃料を含む気体が送り込まれ、これがピストン１４により押されて圧縮される。この実施形態では、この気体は空気である。ＥＣＵ６からの制御信号１０により、所定のタイミングで点火コイル２の１次電流が流し始められ、その後１次電流は遮断される。このとき２次コイルに発生した高電圧により点火プラグ５から火花が発せられ、燃料に点火される。気体が膨張して、ピストン１４が押し戻される。このサイクルを繰り返すことで、ピストン１４が上下に連続的に動く。ピストン１４の上下運動は、クランクシャフト（図示されず）により、回転運動に変換される。エンジン４の動作中は、点火コイル２の１次電流の通電と遮断とが、繰り返される。

図２は、図１の点火コイル２の、時間の経過による１次電流の変化が示されたグラフである。このグラフでは、１次電流が時刻Ｓで流れ始め、時刻Ｅで遮断されたときの１次電流が示されている。時刻Ｓで流れ始めた１次電流の量は、０から徐々に増加する。１次電流は、流れうる上限値Ａｍが決まっている。このグラフでは、１次電流は時刻Ｅで上限値Ａｍに到達している。この図では、時刻Ｅで１次電流は遮断されている。１次電流を流し始めてから上限値Ａｍに到達までの時間（図２の両矢印ｔｒ）は、この点火コイル２の立ち上がり時間と称される。１次電流を流し始めてからこれを遮断するまでの時間（図２の両矢印ｔａ）は、１次電流の通電時間と称される。図２では、立ち上がり時間ｔｒと通電時間ｔａとは等しくなっている。

図示されないが、１次電流が遮断されたときに２次コイルに発生する電圧は、１次電流量が多いほど大きくなる。１次電流が上限値Ａｍに到達した後でこの１次電流を遮断することで、この点火コイル２の出力電圧は最大となる。

図３は、このエンジン４の点火時の燃焼室の内圧と、燃料に点火するために必要とされる点火コイル２の出力電圧の関係を示すグラフである。図で示されるように、燃焼室の内圧が大きくなると、燃料に点火するために必要とされる点火コイル２の出力電圧も大きくなる。図３で、内圧Ｐｍは、このエンジン４の負荷が変動したときにとりうる、最大内圧である。最大内圧Ｐｍは、エンジン４の仕様により決められている。出力電圧Ｖｍは、最大内圧Ｐｍのときに燃料に点火するのに必要な電圧である。この点火コイル２では、１次電流が上限値Ａｍとなるように通電時間を設定することで、出力電圧が電圧Ｖｍ以上とされている。１次電流の通電時間を、図２の時間ｔｒ以上とすることで、最大内圧Ｐｍのときにも点火をすることができる。一方で、内圧が最大内圧Ｐｍより小さいときは、時間ｔｒより短い通電時間で、点火が可能となる。

図４は、本発明の一実施形態に係る点火コイル２の制御方法が示された、フローチャートである。この制御方法では、点火時の内燃機関の内圧により、１次電流の通電時間が制御されている。この制御方法は、
（Ａ）内燃機関の動作条件から、基準通電時間Ｔを設定するステップ、
（Ｂ）吸入される燃料を含む気体の量と点火時の前記内燃機関の容積とに基づき、点火時でのこの内燃機関の内圧Ｐｓを求めるステップ、
（Ｃ）１次電流の通電時間ｔａを求めるステップ
及び
（Ｄ）１次電流を前記通電時間ｔａの間流すステップ
を含む。

図４のフローチャートのステップＳ１が、上記（Ａ）のステップに該当する。ステップＳ２からＳ４までが、上記（Ｂ）のステップに該当する。ステップＳ５が、上記（Ｃ）のステップに該当する。ステップＳ６からＳ８までが、上記（Ｄ）のステップに該当する。この制御方法では、（Ｄ）のステップ終了後に上記（Ａ）のステップに戻る。この制御方法では、上記（Ａ）のステップから上記（Ｄ）のステップまでが、繰り返される。

ステップＳ１では、内燃機関の動作条件を基にして、基準通電時間Ｔが設定される。ここで、「内燃機関の動作条件」とは、内燃機関そのものの動作条件に加え、内燃機関を動作させるための周辺器機の動作条件も含む。この実施形態では、内燃機関の動作条件として、「エンジン４の回転数」及び「点火コイル２の電源電圧」が使用される。これらから、基準通電時間Ｔが設定される。基準通電時間Ｔは、この回転数及び点火コイル２の電源電圧における、「エンジン４の回転数から許容できる通電時間の最大値」（許容最大通電時間）を超えない範囲で、この点火コイル２の出力電圧を最大とするために必要な通電時間である。この通電時間は、図２の立ち上がり時間ｔｒに相当する。すなわち、基準通電時間Ｔは、所定の回転数及び点火コイル２の電圧において、内燃機関が最大内圧Ｐｍとなったときにも正しく点火するための通電時間である。

この実施形態では、基準通電時間Ｔを設定するために、エンジン４の回転数及び点火コイル２の電源電圧と、それに対応する基準通電時間が示された通電マップが用意される。図５には、この通電マップの例が示されている。図５において、Ｔｉ（ｉ＝１、２、・・）は、対応する回転数及び電源電圧での基準通電時間である。基準通電時間Ｔｉは、例えば事前に点火コイル２の評価を行うことで用意される。表で示された回転数及び電源電圧での基準通電時間Ｔは、対応するＴｉの値とされる。表で示された以外の回転数及び電源電圧での基準通電時間Ｔは、基準通電時間Ｔｉの値から、線形補間により計算される。

ステップＳ２では、次に点火するときのエンジン４の回転数及び負荷から、吸入する燃料を含む気体の量（圧力Ｐａとそのときの体積Ｖａ）が計算される。

ステップＳ３では、点火時の燃焼室の容積Ｖｓが計算される。エンジン４の燃焼サイクルでは、一つのサイクル内で、点火のタイミングが決められている。この点火のタイミングから、点火時のピストン１４の位置が分かる。このピストン１４位置から、点火時の燃焼室内の容積Ｖｓが計算される。

なお、ステップＳ２とステップＳ３とを実行する順序は、図４の順序に限られない。ステップＳ３を実行してからステップＳ２が実行されてもよい。ステップＳ２とステップＳ３とが並行して実行されてもよい。

ステップＳ４では、点火時の内圧Ｐｓが、吸入された気体の圧力Ｐａ及び体積Ｖａと、点火時の燃焼室内の容積Ｖｓと、気体の比熱比ｋとを用いて、以下の式で計算される。
Ｐｓ＝Ｐａ×（Ｖａ／Ｖｓ）^ｋ
前述のとおり、この実施形態では気体は空気である。この実施形態では、比熱比ｋは１．４である。

ステップＳ５では、通電時間ｔａが、上記エンジン４の最大内圧Ｐｍ、点火コイル２の基準通電時間Ｔ及び点火時の内圧Ｐｓから、以下の式で計算される。
ｔａ＝Ｔ×（Ｐｓ／Ｐｍ）

ステップS６では、１次電流の通電が開始される。併せて、通電開始からの経過時間ｔのカウントが開始される。ステップＳ７では、通電が開始されてからの経過時間ｔが、通電時間ｔａに達したか否かが判定される。達していないときは、ステップＳ７が繰り返され、通電は継続される。達したときは、ステップＳ８に移り、通電が停止される。１次電流が遮断され、２次コイルに高電圧が発生する。

ステップS８の後は、ステップＳ１へ戻り、同様の処理が繰り返される。これにより、同様の燃焼サイクルが、繰り返される。

図６は、ステップＳ５で決められた通電時間ｔａで、ステップＳ６からＳ８を実行したときの、１次電流の変化の例が示されたグラフである。この例では、エンジン４の負荷が最大負荷よりも小さく、比（Ｐｓ／Ｐｍ）が１より小さいため、通電時間ｔａは基準通電時間Ｔより小さい。通電時間ｔａは、図２の立ち上がり時間ｔｒより短くなっている。

エンジン４の燃焼サイクルにおいては、それぞれのサイクルで点火するタイミング（すなわち、サイクル内での１次電流が遮断される時刻Ｅ）が決められている。図６で示されるように、通電時間ｔａが燃焼サイクルで変動しても１次電流が遮断されるタイミングが同じとなるように、通電を開始する時間が調整される。

なお、図４のフローチャートには、終了する時点が記載されていない。図４には示されないが、この制御方法では、外部からの停止信号を確認して、この制御を終了される処理が含まれる。この終了処理の位置は、特に指定されない。終了処理は、処理フローの中で必ず通過する位置に置かれればよい。例えば、終了処理が、ステップＳ８の後に置かれてもよい。終了処理が、複数の位置に置かれていてもよい。

以下、本発明の作用効果が説明される。

本発明に係る点火コイル２の制御方法では、吸入される燃料を含む気体の量と点火時のこの内燃機関の容積に基づき、点火時の内圧Ｐｓが計算さる。この内圧Ｐｓを基に点火に必要な１次電流の通電時間ｔａが決められる。この制御方法では、１次電流の通電時間が、点火に必要な通電時間と比べて過大になることが防止されている。この制御方法では、点火コイル２での消費電力や発熱が抑制されている。

エンジン４の回転数や、バッテリ８から供給される点火コイル２の電源電圧は、エンジン４の燃焼サイクルで変動しうる。この制御方法では、点火時の内圧Ｐｓに加えて、エンジン４の回転数及び点火コイル２の電源電圧から決まる基準通電時間Ｔに基づいて、通電時間ｔａが決められる。基準通電時間Ｔに基づいて通電時間ｔａを決めることで、電源電圧が変動した場合においても、１次電流の通電時間が、点火に必要な通電時間と比べて過大になることが防止されている。さらにこの基準通電時間Ｔに基づいて通電時間ｔａを決めることで、許容最大通電時間を超えた通電時間が設定されることが防止されている。この制御方法では、点火コイル２での消費電力や発熱が抑制されている。

この制御方法では、点火時の内圧Ｐｓを計算するために、吸入する燃料を含む気体の量（圧力Ｐａと体積Ｖａ）及び点火時の容積Ｖｓが使用される。これらを用いて、点火時の内圧Ｐｓは、以下の式で計算される。
Ｐｓ＝Ｐａ×（Ｖａ／Ｖｓ）^ｋ
吸入する燃料を含む気体の量は、従来のエンジン４制御においても使用されている。また、点火時の容積Ｖｓは、点火タイミングから計算できる。点火タイミングも、従来からエンジン４制御で使用されている。内圧Ｐｓの計算では、新たなセンサーや回路は必要とされない。従来の装置の構成に変更を加えることなく、プログラムの変更で点火時の内圧Ｐｓは計算できる。この制御方法の実現は容易である。この制御方法では、容易に消費電力や発熱の抑制が実現されうる。

この制御方法では、通電時間ｔａは、最大内圧Ｐｍ及び基準通電時間Ｔと、点火時の内圧Ｐｓとを基に、以下の式で計算される。
ｔａ＝Ｔ×（Ｐｓ／Ｐｍ）
この制御方法では、上記の内圧Ｐｓ及びこれを用いた通電時間ｔａを得るのに、複雑な処理は必要ない。この制御方法は、小さなＭＰＵの処理負荷で実現される。

以上説明された実施形態では、基準通電時間は、エンジン４の回転数及び点火コイル２の電源電圧を基にして、決められた。基準通電時間を決める内燃機関の動作条件は、これらに限られない。例えば、内燃機関の基準通電時間が、点火コイル２の電源電圧のみを基にして決められてもよい。

以上説明された実施形態では、内燃機関は車用のエンジン４であった。本制御方法が適用される内燃機関は、車用のエンジン４でなくてもよい、点火コイルを使用して燃料への点火が繰り返されることで、内部の気体の圧縮と膨張とが繰り返される内燃機関であればよい。

以上説明されたように、本点火コイルの制御方法によれば、消費電力や発熱が抑制される。このことから、本発明の優位性は明らかである。

以上説明された装置は、種々の内燃機関用の点火コイル２の制御に適用されうる。

２・・・点火コイル
４・・・エンジン
５・・・点火プラグ
６・・・ＥＣＵ
８・・・バッテリ
１０・・・制御信号
１２・・・電源ライン
１４・・・ピストン

Claims (5)

1. （Ａ）内燃機関の動作条件から、基準通電時間Ｔを設定するステップ、
   （Ｂ）吸入される燃料を含む気体の量と点火時の前記内燃機関の容積に基づき、点火時の前記内燃機関の内圧Ｐｓを求めるステップ、
   （Ｃ）前記基準通電時間Ｔと前記内圧Ｐｓとに基づき、１次電流の通電時間ｔａを求めるステップ
   及び
   （Ｄ）点火コイルに、１次電流を前記通電時間ｔａの間流すステップ
   を含む、内燃機関用の点火コイルの制御方法。
2. 前記（Ｂ）のステップでは、前記気体の圧力Ｐａ及び体積Ｖａと、点火時の前記内燃機関の容積Ｖｓと、前記気体の比熱比ｋとに基づき、以下の式で前記内圧Ｐｓが計算される、請求項１に記載の点火コイルの制御方法。
   Ｐｓ＝Ｐａ×（Ｖａ／Ｖｓ）^ｋ
3. 前記（Ｃ）のステップでは、前記内燃機関の最大内圧Ｐｍと、前記基準通電時間Ｔ及び前記内圧Ｐｓとに基づき、以下の式で前記通電時間ｔａが求められる、請求項１又は２に記載の点火コイルの制御方法。
   ｔａ＝Ｔ×（Ｐｓ／Ｐｍ）
4. 前記（Ａ）のステップ、前記（Ｂ）のステップ、前記（Ｃ）のステップ及び前記（Ｄ）のステップが繰り返される、請求項１から３のいずれかに記載の点火コイルの制御方法。
5. 前記内燃機関がエンジンであり、前記内燃機関の動作条件が前記エンジンの回転数及び前記点火コイルの電源電圧である、請求項１から４のいずれかに記載の点火コイルの制御方法。

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