JP2022131765A

JP2022131765A - 点火制御装置

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Publication number: JP2022131765A
Application number: JP2021030883A
Authority: JP
Inventors: 敏矢水嶋; Toshiya Mizushima; 貴和松下; Takakazu Matsushita; 康平鈴木; Kohei Suzuki
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-07
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: JP7432544B2

Abstract

【課題】回路部品を追加することなく、点火コイルやスイッチング素子の焼損を抑制することができる点火制御装置を得ること。【解決手段】内燃機関の点火コイル（１０３）に対し、点火コイルの１次巻き線に通電を開始し、第１通電時間後の第１点火時期に通電を遮断して点火コイルの２次巻き線に２次電流を発生させ、２次電流の放電中に２次電流が電流閾値を下回ったときに、１次巻き線に再度通電を開始し、第２通電時間後の第２点火時期に通電を遮断する制御を行う点火制御装置であって、第１通電時間と第２通電時間とに基づいて点火コイルのコイル発熱量を推定し、コイル発熱量に応じて第２通電時間を変更することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の点火制御装置に関する。

近年、車両の燃費向上のため、理論空燃比よりも希薄な混合気で運転する技術（超希薄燃焼）や、燃焼後の排気ガスの一部を取り入れ、再度吸気させる技術（Exhaust Gas Recirculation：EGR）などを取り入れた内燃機関の制御装置が開発されている。

しかし、このような技術では、希薄な混合気をシリンダ内で拡散させて点火プラグによる着火性を向上させる必要があり、その技術のひとつとして、シリンダ内へ供給する空気に乱流（タンブル）を発生させている。更に、１次コイルに流れる１次電流を通電・遮断することで２次コイルに２次電流を発生させて２次コイルに誘起された２次電圧が点火プラグに印加されて火花放電を起こす点火制御装置において、高エネルギを印加するコイルや、１次コイルへの通電を重畳するコイル等の技術が提案されている。

しかし、前述のようなコイルを使用した場合、乱流によって放電エネルギが低下する点火コイルの放電後半において、点火プラグの電極間に生じる火花放電が吹き消え、再び火花放電が発生するといった多重放電を引き起こしてしまうことが知られている。

この火花放電が吹き消えた後に点火コイルに残ったエネルギにより再度火花放電が発生するリストライク時に、点火プラグ間に容量放電が発生することで点火プラグの電極が摩耗するため、多重放電が発生すると点火プラグの電極摩耗が促進されてしまう。

これを防ぐために放電火花を発生させている最中に２次電流が所定値を下回った場合、１次コイルに２次電流と逆方向に通電するよう回路構成を切り替えることにより、多重放電を遮断する手法があるが、通電を繰り返すと点火コイルが過熱してコイルやコイルの通電/非通電を切り替えるスイッチングデバイスが焼損することがある。そこで、例えば特許文献１のように、感温ダイオードを用いて温度を検出し、保護回路で温度閾値を超えたときに通電を抑制する手法が提案されている。

特開２０１９－１２４１６５号公報

しかしながら、特許文献１の手法では、感温ダイオードや保護回路の追加が必要であり、点火回路の部品点数が増えるため製品コストが増加する恐れがある。

本発明の目的は、回路部品を追加することなく、点火コイルやスイッチング素子の焼損を抑制する点火制御装置を提供することである。

本発明の点火制御装置は、内燃機関の点火コイルに対し、前記点火コイルの１次巻き線に通電を開始し、第１通電時間後の第１点火時期に通電を遮断して前記点火コイルの２次巻き線に２次電流を発生させ、該２次電流の放電中に前記２次電流が電流閾値を下回ったときに、前記１次巻き線に再度通電を開始し、第２通電時間後の第２点火時期に通電を遮断する制御を行う点火制御装置であって、前記第１通電時間と前記第２通電時間とに基づいて前記点火コイルのコイル発熱量を推定し、該コイル発熱量に応じて前記第２通電時間を変更することを特徴とする。

本発明によれば、超希薄燃焼やEGRを採用したシステムにリストライクを抑制した点火制御を実施して通電機会を増やしたときにも、点火装置に回路部品を追加することなく、点火コイルやスイッチング素子の焼損を抑制することができる。

本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用される内燃機関の構成図の一例。本発明による内燃機関制御装置の構成図の一例。本発明による点火信号演算部２０３の一例。点火コイル１０３の一例。本発明の制御フローの一例。ステップS５０１における第１点火時期演算処理の制御フローの一例。ステップS５０２における第１通電時間演算処理の制御フローの一例。ステップS５０３における第２通電開始時期演算処理の制御フローの一例。ピーク２次電流、２次電流傾きの特性及び第２通電開始時期、ピーク２次電流、２次電流傾き、リストライク発生閾値の特性の一例を示す。ステップS５０４における第２点火時期演算処理の制御フローの一例。ステップS５０５におけるコイル発熱量限界判定演算処理の制御フローの一例。ステップS５０６における第２通電時間演算処理の制御フローの一例。ステップS５０７における点火信号生成処理のタイミングチャートの一例。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１に本発明が適用される内燃機関の構成図の一例を示す。図示の内燃機関は、例えば自動車のエンジンに用いられるものであり、気筒１０１の頂部に燃焼室が形成され、この燃焼室に点火電圧を印加される点火プラグ１０２、点火プラグ１０２へ点火電圧を印加する点火コイル１０３、燃料噴射弁１０４が設置されている。燃焼室はピストン１０６がクランクシャフト１０７の回転角度に応じて上下することにより、気筒１０１内部の圧力が変化し、筒内圧センサ１０５にて検出する。クランクシャフト１０７の角回転度はクランク角センサ１０８で検出する。

吸気系を構成する吸気管１０９には、エアフローセンサ１１０、スロットル弁１１１、スロットルポジションセンサ１１２等が設置され、吸気弁１１３によって燃焼室に空気が吸入される。

また、排気系を構成する排気管１１４には、触媒上流空燃比センサ１１５、排気ガス浄化触媒１１６、触媒下流空燃比センサ１１７等が設置され、排気弁１１８によって燃焼室から排出される排気ガスの後処理が行われる。

さらに、ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ（ＥＧＲ）管１１９によって排気管１１４と吸気管１０９が接続されており、ＥＧＲ弁１２０によって排気ガスが吸気管へ還流され、ＥＧＲ流量センサ１２１がＥＧＲ流量を検出する。また、内燃機関内に水温センサ１２２が設置され、冷却水の水温を検出する。

これらの内燃機関に設置されたセンサおよびアクチュエータはＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ（ＥＣＵ）１２３と接続され、制御されている。また、上記の構成において、燃料噴射弁１０４は、吸気管１０９内に設置しても良い。

上記構成によれば、ポート噴射式の内燃機関に本発明の点火制御装置を適用することが可能となる。

図２に本発明による内燃機関の点火制御装置の構成図の一例を示す。
図２において、ＥＣＵ１２３は、ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ（ＣＰＵ）２０１とメモリ２０２を備え、点火コイル１０３へ点火信号を送信することにより、点火プラグ１０２を制御している。

ＣＰＵ２０１は、ＥＧＲ流量センサ１２１で計測するEGR流量、クランク角センサ１０８で計測するクランク角、筒内圧センサ１０５で計測する筒内圧、水温センサ１２２で計測する水温、及びメモリ２０２に格納された情報に応じて点火信号を演算する点火信号演算部２０３を備える。点火信号演算部２０３で演算した点火信号演算結果は、点火信号を生成する点火信号生成部２０４を通じて、点火コイル１０３へ送信する。

図３に本発明による点火信号演算部２０３の一例を示す。
図３において、点火信号演算部２０３は、メモリ２０２に格納された基本点火時期、リタード指令値から第１点火時期を演算する第１点火時期演算部３０１、水温、EGR流量、メモリ２０２に格納された基本通電時間から第１通電時間を演算する第１通電時間演算部３０２、第１通電時間演算部３０２により演算した第１通電時間、クランク角、筒内圧、メモリ２０２に格納されたコイル設計情報、リストライク発生閾値から、第２通電開始時期を演算する第２通電開始時期演算部３０３、メモリ２０２に格納された上死点、流速低減余裕量から第２点火時期を演算する第２点火時期演算部３０４、第１通電時間演算部３０２により演算した第１通電時間、第２通電時間演算部３０６により演算した第２通電時間、メモリ２０２に格納されたバッテリ電圧からコイル発熱量限界判定を演算するコイル発熱量限界判定演算部３０５、第２通電開始時期演算部３０３により演算した第２通電開始時期、第２点火時期演算部３０４により補正した第２点火時期、コイル発熱量限界判定演算部３０５により演算したコイル発熱量限界判定から第２通電時間を演算する第２通電時間演算部３０６を備える。

第１点火時期演算部３０１により演算した第１点火時期と、第１通電時間演算部３０２により演算した第１通電時間と、第２点火時期演算部３０４により演算した第２点火時期と、第２通電時間演算部３０６により演算した第２通電時間は、それぞれ点火信号演算結果として点火信号を生成する点火信号生成部２０４に入力され、点火信号が生成されて点火コイル１０３に送信される。

図４に点火コイル１０３の一例を示す。
点火コイル１０３は、電源４０１と、１次コイル（１次巻き線）４０２と、点火信号のON/OFFに応じて１次コイル４０２の通電/非通電を切り替えるスイッチングデバイス４０３と、１次コイル４０２と並列に設置される２次コイル（２次巻き線）４０４を備える。点火コイル１０３は、１次コイル４０２への通電/非通電に応じて生成される１次コイル４０２と２次コイル４０４間の相互誘導により発生する電圧を点火プラグ４０５に印加することにより、放電火花を生成する。

また、上記の構成において、１次コイル４０２又は２次コイル４０４の少なくとも１つ以上を複数有する点火制御回路を用いても良い。上記構成によれば、１次コイル又は２次コイルを複数有する点火制御回路に本発明を適用することが可能となる。

図５に本発明の制御フローの一例を示す。
ステップS５０１において、第１点火時期演算部３０１は、図６に示す制御フローに従い、第１点火時期を演算する。ステップS５０２において、第１通電時間演算部３０２は、図７に示す制御フローに従い、第１通電時間を演算する。ステップS５０３において、第２通電開始時期演算部３０３は、図８に示す制御フローに従い、第２通電開始時期を演算する。

ステップS５０４において、第２点火時期演算部３０４は、図１０に示す制御フローに従い、第２点火時期を演算する。ステップS５０５において、コイル発熱量限界判定演算部３０５は、図１１に示す制御フローに従い、コイル発熱量限界判定を演算する。ステップS５０６において、第２通電時間演算部３０６は、図１２に示す制御フローに従い、第２通電時間を演算する。ステップS５０７において、点火信号生成部２０４は、図１３に示すタイミングチャートのように、点火信号を生成する。

図６に、ステップS５０１における第１点火時期演算処理の制御フローの一例を示す。
ステップS６０１において、メモリ２０２から基本点火時期（基本点火角）、リタード指令値を取得する。

ステップS６０２において、第１点火時期＝基本点火時期（基本点火角）－リタード指令値とする。基本点火時期は予め内燃機関の仕様毎に設定した値を使用し、例えば、基本点火時期＝上死点－所定進角量（１０ｄｅｇ等）を設定する。また、リタード指令値は、内燃機関の運転状態に応じて、基本点火時期からの遅角量を設定する。

図７に、ステップS５０２における第１通電時間演算処理の制御フローの一例を示す。
ステップS７０１において、基本通電時間、水温、EGR流量を取得する。ステップS７０２において、第１通電時間を演算する。第１通電時間は下記の式（０）により求められる。
第１通電時間＝基本通電時間－水温×水温係数＋EGR流量×EGR係数・・・（０）

基本通電時間は、予め内燃機関と点火コイル１０３の仕様毎に設定された値を使用する。水温係数は、水温が低くなるほど放電火花が飛びにくくなるため、通電時間を長くするように設定する。EGR係数は、EGR流量が多いほど放電火花を飛ばす際に高エネルギが必要となるため、通電時間を長くするように設定する。

図８に、ステップS５０３における第２通電開始時期演算処理の制御フローの一例を示す。また、図９にピーク２次電流、２次電流傾きの特性及び第２通電開始時期、ピーク２次電流、２次電流傾き、リストライク発生閾値（電流閾値）の特性の一例を示す。

ステップS８０１において、第１点火時期、クランク角、筒内圧、コイル設計情報、リストライク発生閾値を取得する。ステップS８０２において、２次電流の最大値であるピーク２次電流、２次電流の放電速度である２次電流傾き、およびエンジン回転数を演算する。例えば、ピーク２次電流は、図９（ａ）９０１のように、筒内圧に応じたピーク２次電流値特性を予め計測しておき、演算する。また、例えば、２次電流傾きは、図９（ｂ）９０２のように筒内圧に応じた２次電流傾きを予め計測しておき、演算する。回転数は、エンジンのクランク角の所定時間当たりの変化量から算出する。

ステップS８０３において、第２通電開始時期が求められる。第２通電開始時期は、１次巻き線に再度通電を開始する時期であり、電流閾値と、ピーク２次電流と、２次電流傾きと、を用いて、第２通電開始時期を求める。第２通電開始時期は、図９（ｃ）の特性より、式（１）によって演算する。
第２通電開始時期＝第１点火時期ｔ９０３－{(ピーク２次電流９０４－リストライク発生閾値９０６)÷２次電流傾き９０５}×時間角度換算係数・・・（１）

式（１）における時間角度変換係数は、例えば、４つの気筒を有し、各気筒が吸気、圧縮、燃焼、排気のサイクルを７２０ｄｅｇ毎に繰り返す内燃機関である場合は、式（２）によって演算する。
時間角度変換係数＝(回転数[ｒｐｍ]×７２０[ｄｅｇ])÷２×６０[s]・・・（２）
また、リストライク発生閾値９０６は、予め２次コイル４０４の電流である２次電流を計測し、リストライクが頻発する閾値を設定する。

図１０に、ステップS５０４における第２点火時期演算処理の制御フローの一例を示す。
ステップS１００１において、上死点、流速低減余裕量を取得する。
ステップS１００２において、第２点火時期を求める。第２点火時期は以下の式（３）により求められる。
第２点火時期＝上死点＋流速低減余裕量・・・（３）
なお、上死点は、予め内燃機関の仕様から設定し、流速低減余裕量は予め内燃機関の運転状態と上死点以後の流速又はリストライク発生頻度を計測した結果から、流速又はリストライク発生頻度が十分に低下する値を設定することが望ましい。

図１１に、ステップS５０５におけるコイル発熱量限界判定演算処理の制御フローの一例を示す。
ステップS１１０１において、第１通電時間、第２通電時間、およびバッテリ電圧を取得する。ステップS１１０２において、コイル発熱量を演算する。演算方法の一例として、時間当たりの第１通電時間と第２通電時間の総時間量と、１次コイルの抵抗値とバッテリ電圧により、コイル発熱量を推定する。なお、バッテリは、点火コイル１０３の１次コイル４０２に電源を供給するものであり、車両に搭載されている。

ステップS１１０３において、ステップS１１０２で推定したコイル発熱量とコイル発熱量閾値と比較して、コイル発熱量がコイル発熱量閾値を超えた場合はステップS１１０４に進み、コイル発熱量がコイル発熱量閾値を超えていない場合はステップS１１０５に進む。

S１１０４において、コイル発熱量限界判定をし、S１１０５において、コイル発熱量限界判定をしない。つまり、Ｓ１１０４では、点火コイル１０３のコイル発熱量が、予め設定された限界を超えていると判定し、Ｓ１１０５では、点火コイル１０３のコイル発熱量が、予め設定された限界を超えていないと判定する。

図１２に、ステップS５０６における第２通電時間演算処理の制御フローの一例を示す。ステップS１２０１において、第２通電開始時期、第２点火時期、およびコイル発熱量限界判定結果を取得する。

ステップS１２０２において、第２通電開始時期が第２点火時期よりも進角側であるか否かを判定する。第２通電開始時期が第２点火時期よりも進角側である場合は、第２通電時間を調整すべく、ステップS１２０３に進む。
そして、第２通電開始時期が第２点火時期よりも遅角側である場合は、リストライクが発生しないと判断し、ステップS１２０６に進む。

ステップS１２０３において、コイル発熱量限界判定していない場合、ステップS１２０４に進み、コイル発熱量限界判定している場合、ステップS１２０５に進む。
ステップS１２０４では、第２点火時期から第２通電開始時期を減算することによって第２通電時間を求める処理が行われる（第２通電時間＝第２点火時期－第２通電開始時期）。

ステップS１２０５では、第２通電時間がコイル過熱用時間とされる（第２通電時間＝コイル過熱用時間）。ここで、コイル過熱用時間は、例えば固定値、もしくは第１通電時間と第２通電時間の総時間量により変化させてもよい。

ステップS１２０６では、リストライクが発生しないので、第２通電時間を０とする（第２通電時間＝０）。

図１３に、ステップS５０７における点火信号生成処理のタイミングチャートの一例を示す。

点火信号生成部２０４への入力は、ステップＳ５０１からＳ５０６により生成された第１点火時期、第１通電時間、第２点火時期、および第２通電時間であり、点火信号生成部２０４は、第１点火時期をｔ１３０２、第１通電時間をｔ１３０２－ｔ１３０１、第２点火時期をｔ１３０４、第２通電時間をｔ１３０４－ｔ１３０３となるように、点火信号を生成する。

時間ｔ１３０１において、点火信号がＯＦＦからＯＮとなり、１次コイル４０２への通電を開始する。通電継続と共に、１次コイル４０２に流れる１次電流が上昇すると共に、１次コイル４０２と２次コイル４０４との間に形成される磁界が強くなっていく。

時間ｔ１３０２において、点火信号がＯＮからＯＦＦとなり、１次コイル４０２への通電が遮断され、１次コイル４０２の電流が０になると、同時に、１次コイル４０２と２次コイル４０４との間の相互誘導に伴い、２次コイル４０４に流れる２次電流が急増し（２次電流が発生し）、点火プラグ４０５から放電火花を発生させる。この２次電流は、時間経過と共に減少していく。

一方、一般的に、ｔ１３０２は点火プラグ４０５電極間の流速が大きいタイミングとなるようにして、放電火花が長く伸びることで燃焼成立性を高めようとする。よって、ｔ１３０２の時点では上死点手前で燃焼室内が最も流速が大きい状態にある。その後、燃焼室内にてタンブル崩壊が発生することにより、点火プラグ４０５の電極間の流速は時間経過と共に減少していく。

時間ｔ１３０３において、点火信号が再度ＯＦＦからＯＮとなり、１次コイル４０２に通電することで、１次コイル４０２に２次電流と逆向きの電流が流れ、２次電流が０となる。この発生時期をステップS５０３における第２通電開始時期演算処理にて、２次電流がリストライク発生閾値を下回る時間と一致させることにより、リストライクの頻発を防ぎ、点火プラグの摩耗を抑制することができる。

時間ｔ１３０４（ａ）または時間ｔ１３０４（ｂ）において、点火信号が再度ＯＮからＯＦＦとなり、１次電流が０になると共に、２次電流が急増し、点火プラグ４０５から放電火花を発生させる。

ここで、コイル発熱量限界判定していない場合（コイル発熱量が限界値を超えていないと判定された場合）は、時間ｔ１３０４（ａ）はステップＳ５０４により上死点以降となっているため、タンブル崩壊が進んで、流速が減少している。したがって、点火プラグの電極間に生じる火花放電が吹き消えてしまい再び火花放電が発生するといった多重放電（リストライク）は発生せず、多重放電による点火プラグ摩耗も発生しない。

一方、コイル発熱量限界判定している場合（コイル発熱量が限界値を超えていると判定された場合）、時間ｔ１３０４（ｂ）は、時間ｔ１３０４（ａ）よりも進角側に設定するため、流速は時間ｔ１３０４（ａ）に比べて減少しておらず、多重放電が発生する頻度は増えるが、再通電しない場合に比べて多重放電が発生する頻度は減る。さらに第２通電時間を短くすることでコイル発熱量を下げることができ、コイル過熱によるコイルやスイッチング素子の焼損を抑制することができる。

以上の通り、本発明技術は、回路部品を追加して製品コストを増加させることなく、必要最小限のエネルギ消費で、超希薄燃焼やEGRを実施する場合や、１次コイルへの再通電が増えるシステムにおいても、点火プラグの摩耗を抑制し、かつ点火コイルの過熱やスイッチング素子の焼損を抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０２・・・点火プラグ、１０３・・・点火コイル、１０５・・・筒内圧センサ、１０８・・・クランク角センサ、１２１・・・ＥＧＲ流量センサ、１２２・・・水温センサ、１２３・・・ＥＣＵ、２０１・・・ＣＰＵ、２０２・・・メモリ、２０３・・・点火信号演算部、２０４・・・点火信号生成部、３０１・・・第１点火時期演算部、３０２・・・第１通電時間演算部、３０３・・・第２通電開始時期演算部、３０４・・・第２点火時期演算部、３０５・・・コイル発熱量限界判定演算部、３０６・・・第２通電時間演算部

Claims

内燃機関の点火コイルに対し、該点火コイルの１次巻き線に通電を開始し、第１通電時間後の第１点火時期に通電を遮断して前記点火コイルの２次巻き線に２次電流を発生させ、該２次電流の放電中に前記２次電流が電流閾値を下回ったときに、前記１次巻き線に再度通電を開始し、第２通電時間後の第２点火時期に通電を遮断する制御を行う点火制御装置であって、
前記第１通電時間と前記第２通電時間とに基づいて前記点火コイルのコイル発熱量を推定し、
該コイル発熱量に応じて前記第２通電時間を変更することを特徴とする点火制御装置。
前記電流閾値と、前記２次電流の最大値と、前記２次電流の放電速度と、を用いて、前記１次巻き線に再度通電を開始する第２通電開始時期を求めることを特徴とする請求項１に記載の点火制御装置。
前記コイル発熱量と発熱量閾値とを比較し、前記コイル発熱量が前記発熱量閾値よりも大きい場合に、コイル過熱用時間を前記第２通電時間に設定し、前記コイル発熱量が前記発熱量閾値以下の場合に、前記第２点火時期から前記第２通電開始時期を減算した時間を前記第２通電時間として設定することを特徴とする請求項２に記載の点火制御装置。
前記第２通電開始時期が前記第２点火時期よりも進角側のときは、前記コイル発熱量と前記発熱量閾値との比較を実施し、前記第２通電開始時期が前記第２点火時期よりも遅角側のときは、第２通電時間を０に設定することを特徴とする請求項３に記載の点火制御装置。
前記１次巻き線に通電を行うバッテリのバッテリ電圧と、前記１次巻き線の抵抗値と、前記第１通電時間と、前記第２通電時間と、を用いて前記点火コイルのコイル発熱量を推定することを特徴とする請求項１に記載の点火制御装置。