JP3249488B2 - 内燃エンジン用エネルギ制御点火システム - Google Patents

内燃エンジン用エネルギ制御点火システム

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JP3249488B2
JP3249488B2 JP11255399A JP11255399A JP3249488B2 JP 3249488 B2 JP3249488 B2 JP 3249488B2 JP 11255399 A JP11255399 A JP 11255399A JP 11255399 A JP11255399 A JP 11255399A JP 3249488 B2 JP3249488 B2 JP 3249488B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃エンジンの点
火システムに関し、更に特定すれば、このようなシステ
ムにおけるスパーク・エネルギの制御に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来の内燃エンジン用誘導式点火システ
ムでは、通常、初期高電流ピークおよびそれに続く電流
減衰が、スパーク・プラグ放電電流の特性を表してい
る。このような従来の放電電流波形の一例150を図6
に示す。
【0003】他の点火システムの種別に、特別に構成し
たスパーク・プラグを含み、そこから遠ざかるようにア
ークを推進させるように動作可能とすることにより、薄
空燃混合気の燃焼を容易にしたものがある。その一例
に、電極付近に配置した磁石を含み、磁界がアークをプ
ラグから外側に推進させるように動作可能としたスパー
ク・プラグがある。このようなスパーク・プラグの一実
施形態が、Tozzi(トッツィ)の米国特許第5,5
55,862号および第5,619,959号に記載さ
れている。これらの特許は、本発明の譲受人に譲渡され
ており、その開示内容はこの言及により本願にも含まれ
るものとする。このような動作原理(nature)の
スパーク・プラグを用いる場合、薄い空燃混合気での燃
料点火性能を最大に高めつつ、電極もできるだけ長寿命
化するという、2つの主要な目標がある。しかしなが
ら、図8に示す従来の放電電流波形150は、これらの
目標のいずれについても最適化したものではない。点火
動作において過剰な放電電流が早く発生し過ぎるために
電極が過剰に腐食し、しかも点火動作の終了付近におけ
る放電電流が不適当なために、燃焼が十分に行われな
い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】したがって、アーク推
進型スパーク・プラグを基本とする点火システムにおい
て、点火動作中にわたってスパーク・プラグ放電電流を
制御することにより、薄い空燃混合気において燃料点火
性能を最大に高めつつ、電極の寿命を最大限延ばすとい
う二重の目標を達成するシステムが必要とされている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述の従来技
術の欠点に対処するものである。本発明の一形態によれ
ば、内燃エンジン用エネルギ制御点火システムは、第1
および第2電極を有し、その間にスパーク・ギャップを
規定する点火プラグと、点火プラグの第1および第2電
極に接続してある点火コイルであって、制御信号に応答
して、スパーク・ギャップ間に放電電流を生成する点火
コイルと、スパーク・ギャップ間に接続してある抵抗で
あって、制御信号の発生後の第1所定時間期間内に、放
電電流を第1スレッシュホールド電流レベル未満に制限
するように大きさを決めてある抵抗とを備える。
【0006】本発明の別の形態によれば、内燃エンジン
用エネルギ制御点火システムは、第1および第2電極を
有し、その間にスパーク・ギャップを規定する点火プラ
グと、二次コイルに結合してある一次コイルを有し、一
次コイルが第1制御信号に応答して二次コイルの両端に
スパーク電圧を誘導し、二次コイルがスパーク電圧に応
答してスパーク・ギャップ間に放電電流を生成する点火
コイルと、スパーク電圧を検知し、それに対応するスパ
ーク電圧信号を生成する手段と、スパーク・ギャップ間
に接続してあり、第2制御信号に応答してその抵抗値を
調節する可変抵抗と、スパーク電圧信号に応答して第2
制御信号を生成することにより、可変抵抗の抵抗値をス
パーク電圧信号の関数として調節する制御コンピュータ
とを備える。
【0007】本発明の更に別の形態によれば、内燃エン
ジン用エネルギ制御点火システムは、第1および第2電
極を有し、その間にスパーク・ギャップを規定する点火
プラグと、点火プラグの第1および第2電極に接続して
ある点火コイルであって、制御電圧に応答してスパーク
・ギャップ間に第1放電電流を生成する点火コイルと、
点火コイルの少なくとも一部の間に、制御電圧とは別個
の補足電圧を生成する手段であって、点火コイルが補足
電圧に応答してスパーク・ギャップ間に第2放電電流を
生成し、第2放電電流を第1放電電流に補足するように
した手段とを備える。
【0008】本発明の目的の1つは、内燃エンジン用に
改良した点火システムを提供することである。本発明の
別の目的は、放電電流を制御することにより、電極の腐
食を最少に抑えつつ、空燃混合気の点火性(ignitabili
ty)を最適化するように動作可能な点火システムを提供
することである。
【0009】本発明のこれらのおよびその他の目的は、
以下の好適な実施形態の説明から一層明らかとなろう。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の原理の理解を促進する目
的のために、ここで図面に示す特定な実施形態の1つを
引用し、具体的なことばを用いてこれを説明する。しか
しながら、これによって本発明の範囲を限定する意図は
なく、図示する実施形態における変形や更に別の変更、
および図示するような本発明の原理の更なる応用は、本
発明に関係する当業者には通常に想起するものと見なす
ことは理解されよう。
【0011】これより、図1ないし図4を参照して、本
発明のスパーク放電電流制御技法と共に用いるための従
来技術のアーク推進スパーク・プラグ50の一例を示
す。図1において、スパーク・プラグ50は、典型的に
金属材料で形成し、ねじ切り部分52を有するハウジン
グ54を含む。ねじ切り部分52は、スパーク・プラグ
50を、内燃エンジンのシリンダ・ブロック内の対応す
るねじ切り孔(図示せず)内に取り付け可能とする。ハ
ウジング54の表面56は、シリンダ・ブロック即ちシ
リンダ・ヘッドの表面と嵌合して気密密閉構造を形成
し、シリンダ・ブロック内部に燃焼室を形成する。典型
的にセラミックまたは同様の材料の絶縁体60の孔62
内部に端子電極58を配置し、絶縁体60をハウジング
54内に嵌め込む。ハウジング54の遠端および絶縁体
60は、キャビティ64を形成し、その内部に第1電極
66および第2電極68を形成してある。電極66は公
知の方法でハウジング54に取り付け、電極68は好ま
しくは電極延長部63およびばね70によって端子電極
58に電気的に接続する。いずれの場合でも、電極6
6,68は、その間に散開ギャップ(diverging gap)
65を形成する。
【0012】絶縁体60内部に磁石72,74(図2)
を配置し、全体的にキャビティ64を包囲する。磁石7
2,74はキャビティ64内部したがってスパーク・ギ
ャップ65内部に磁界を生成し、ギャップ65内部の電
極66,68間に生ずるアークを、スパーク・プラグ5
0の端部に向かって外側に付勢するように動作可能であ
る。これについては、以下で更に詳しく説明する。
【0013】絶縁体60は、好ましくは、窒化シリコン
で作る。磁石72,74は、好ましくは、サマリウム・
コバルトで作り、ハウジング54は、鋼鉄等のように、
スパーク・プラグ構造において典型的に用いる材料で作
る。電極58は、好ましくは、鋼鉄またはアルミニウム
で作り、電極66,68は、好ましくは、鋼鉄またはス
パーク・プラグ構造の技術において周知のアーク腐食に
対して抵抗力のある同様の材料で作る。
【0014】絶縁体60は完全な熱絶縁体ではないの
で、磁石72,74およびハウジング54の内面53間
にヒート・シンク・スリーブ71を備えて、燃焼プロセ
スの間に発生する熱を磁石72,74から遠ざけハウジ
ング54に向かうように引き出すことが好ましい。ま
た、スリーブ71は、銅等のように、高い熱伝導性を有
する材料で形成することが好ましい。
【0015】次に図3を参照し、電極66,68の拡大
図を示す。電極66,68間に形成するスパーク・ギャ
ップは、狭いギャップ76を有し、電極66の形状のた
めに、より大きなスパーク・ギャップ78へと拡大す
る。図4を参照して、電極66,68の拡大図を示す。
スパーク・プラグ50の端子58に送出する種々の電力
レベルの点火信号に応じて、電極66,68間に形成し
確立するアークの相対的な位置を図示するために、種々
のアーク36a〜36cを示す。即ち、電極66,68
の各表面66a,68a間に分子のブレークダウンが発
生する際にアーク36aを確立することにより、プラズ
マ・エリアを発生し、その中に電流の流れを確立するこ
とができる。プラズマはイオンを含み、これが電流の流
れに経路を与えることができる。したがって、表面66
a,68a間のエア・ギャップ76のブレークダウンの
ことを、多くの場合ギャップ・イオン化と呼ぶ。一旦ギ
ャップ・イオン化が生じたなら、イオン化現象によって
形成されたプラズマ・エリア内に電流の流れが確立し、
したがってアーク36aが確立する。イオン化現象に起
因してエア・ギャップ76の抵抗が破壊されると、アー
ク36aを維持するために必要な電圧は、典型的に、ア
ークを確立するために必要な電圧から低下する。
【0016】電極66に流れ込む電流Iのレベルおよび
/または期間を増大することにより、電極66の表面6
6bと電極68の表面68aとの間のアーク36bで示
す位置に向けて、アーク36aを付勢することができ
る。同様に、電極66に流れ込む電流Iのレベルおよび
/または期間を更に増大させることにより、電極66の
表面66cと電極68の表面68bとの間のアーク36
cで示す位置に向けてアークを付勢することができる。
いずれの場合も、磁石72,74を含ませることによ
り、アークを電極66,68間に適切に位置付けるため
に必要な電流量が大幅に減少する。図4にFとして示す
力ベクトルは、式ixBにしたがってアーク36a〜3
6cに作用するローレンツ力ベクトルの図式表現であ
る。電極66,68で規定した散開ギャップは、スパー
ク・プラグ・デバイス内に可変長のアークを確立する手
段を与える。これは、車両に別の燃料エンジンを実施す
る場合、特に有利である。このようなスパーク・プラグ
50の例は、Tozzi(トッツィ)の米国特許第5,
555,862号および第5,619,959号に記載
されている。これらの特許は、本発明の譲受人に譲渡さ
れており、その開示内容はこの言及により本願にも含ま
れるものとする。
【0017】別の燃料エンジン、即ち、液体プロパンま
たは天然ガス・エンジンは、典型的に、薄い空燃混合気
で動作し、燃焼時のシリンダ圧力は、エンジンの負荷に
よって幅広く変動し得る。通常、シリンダ圧力はエンジ
ンの負荷と共に上昇し、それにしたがってアーク36a
〜36cの直径は縮小する。したがって、軽エンジン負
荷時におけるアークの直径では、電極66,68の表面
温度は容認し得るが、アークの直径はエンジン負荷の増
大と共に減少するので、高エンジン負荷時ではアークは
対応して集中するため、電極66,68の表面温度は、
その融点を超過する虞れがある。本発明によれば、電極
66,68間を流れる電流を適宜制御し、全エンジン負
荷条件の下で、電極の表面温度がその融点を超過し得る
最大電流密度未満の電流密度Jを与えるようにする。ま
た、電極66,68間を流れる電流は、アーク36a〜
36cの一貫性のある推進が阻害される最少電流密度よ
りは大きな電流密度を与えるようにも制御しなければな
らない。これら2つの基準を、図5および図6にグラフ
として示す。図5は、図4の放電電流iを、シリンダ圧
力に比例する気体密度に対してプロットして示すグラフ
である。図5に示すように、波形80は、電極の表面温
度がその融点を超過する最大放電電流境界を表すもので
ある。波形82は、一貫性のないアーク36a〜36c
の推進が発生し得る最少放電電流境界を表すものであ
る。波形80,82の間に、本発明の目的のために、容
認可能な放電電流領域を定義する。図6は、放電電流期
間に対してプロットした放電電流密度のグラフを示す。
図6から明らかなように、一貫性のないアーク推進が発
生する境界となる放電電流密度84は、時間の減少関数
である。
【0018】図5の波形80,82間に定義した容認可
能な放電電流領域内において、本発明は、電極66の表
面66a,66bおよび電極68の表面68aの腐食
(過剰な電流の流れによる)を最少に抑えつつ、薄い
混合気での燃料点火性能を最大限高めることに対処す
る。電極66,68の表面66c,68bは、それぞ
れ、スパーク・ギャップ76,78(図3)の寸法には
一般に寄与せず、したがって、その表面の腐食に対する
関与は弱まる。本発明によれば、好ましくは、ギャップ
・イオン化が発生した後に、放電電流(図4のi)を最
適な低電流に制御する。ここで、低電流とは、一貫性の
あるアーク推進に必要な電流レベルよりも多少高い程度
である。散開ギャップ65に沿って指定した距離だけア
ークが移動した後、概略的に、空燃混合気の点火を行う
ことができる、最適電流レベルに放電電流を上昇させ
る。これらの目的を達成するためのシステム100の好
適な実施形態の1つを、図7に示す。
【0019】ここで図7を参照すると、エネルギ制御点
火システム100は、当技術分野では公知のように、二
次コイル104に誘導的に結合した一次コイル102を
有する点火コイルを含む。一次コイル102の一端は、
点火システム100を活性化する制御信号を受け取り、
信号経路116を通じてこの制御信号を制御コンピュー
タ112の入力IN2に供給する。好ましくは、制御コ
ンピュータ112は、マイクロプロセッサ制御型であ
り、デジタル信号処理機能およびメモリ部146を含
む。二次コイル104の一端104aは、スパーク・プ
ラグ50の一端、および可変抵抗118の一端に接続し
てあり、二次コイル104の対向端104bは、接地電
位、スパーク・プラグ50の対向端、および可変抵抗1
18の対向端に接続してある。制御コンピュータ112
の出力OUT1は、信号経路120を通じて可変抵抗1
18に接続してあり、その抵抗値を制御する。
【0020】図7において、可変抵抗118は、ポテン
ショメータとして示してあり、その一端にワイパを接続
してある。この場合、制御コンピュータ112は、OU
T1を通じてワイパの位置を制御するように動作可能で
ある。尚、図7に示す可変抵抗118の構造は、その一
実施形態を表すものであり、本発明は、制御コンピュー
タ112によって制御可能であれば、公知のあらゆる構
造の可変抵抗を利用し、その値を調整することも念頭に
入れていることは理解されよう。公知の抵抗調節構造お
よび技法の例には、ツエナー・ダイオード制御型抵抗構
造、いわゆるR/2Rラダー構造等が含まれるが、これ
らに限定する訳ではない。
【0021】また、二次コイル104の端部104a
は、電圧センサ110にも接続してあり、あるいはこれ
を一体的に含む。電圧センサ110は、信号経路114
を通じて、制御コンピュータ112の入力IN1に接続
してある。電圧センサ110は、好ましくは、Luig
i Tozzi(ルイジ トッツィ)の米国特許6,006,
156号に記載してあるような公知のセンサとする。これ
は、本発明の譲受人に譲渡されており、その開示内容は
この言及により本願にも含まれるものとする。しかしな
がら、本発明の目的のために、電圧センサ110は、前
述のように、スパーク・プラグ50のギャップ65をイ
オン化するために必要な電圧に対応するブレークダウン
電圧VBDを決定し、制御コンピュータ112の入力IN
1に対応する信号を供給するように動作可能であれば、
公知のいずれのセンサでもよいことは理解されよう。
【0022】二次コイル104は、好ましくは、多数の
タップを含み、各タップをコンデンサに結合し、これら
コンデンサの充電および放電を制御コンピュータ112
によって制御する。図7には、このようなタップおよび
付随するコンピュータ制御型コンデンサを4組示すが、
システム100は、あらゆる数のタップ/コンデンサを
含んでもよいことは理解されよう。その目的について
は、以下で詳細に説明する。図7に示す実施形態では、
二次コイル104に至る第1タップをダイオード122
のアノードに接続してあり、ダイオード122のカソー
ドは、スイッチ124の一端およびコンデンサC1の一
端に接続してある。スイッチ124およびコンデンサC
1の対向端は、コイル104の端部104bに接続して
ある。制御コンピュータ112の出力OUT2は、信号
経路126を通じて、スイッチ124の切り替え制御入
力に結合してあり、制御コンピュータ112が、OUT
2を通じてスイッチ124の開閉を制御するように動作
可能となっている。二次コイル104に至る第2タップ
は、ダイオード128のアノードに接続してあり、ダイ
オード128のカソードは、スイッチ130の一端およ
びコンデンサC2の一端に接続してある。スイッチ13
0およびコンデンサC2の対向端は、コイル104の端
部104bに接続してある。制御コンピュータ112の
出力OUT3は、信号経路132を通じて、スイッチ1
30の切り替え制御入力に接続してあり、制御コンピュ
ータ112が、OUT3を通じて、スイッチ130の開
閉を制御するように動作可能となっている。二次コイル
104に至る第3タップが、ダイオード134のアノー
ドに接続してあり、ダイオード134のカソードは、ス
イッチ136の一端およびコンデンサC3の一端に接続
してある。スイッチ136およびコンデンサC3の対向
端は、コイル104の端部104bに接続してある。コ
ンピュータ112の出力OUT4は、信号経路138を
通じて、スイッチ136の切り替え制御入力に接続して
あり、制御コンピュータ112が、OUT4を通じて、
スイッチ136の開閉を制御するように動作可能となっ
ている。二次コイル104に至る第4タップが、ダイオ
ード140のアノードに接続してあり、ダイオード14
0のカソードは、スイッチ142の一端およびコンデン
サC4の一端に接続してある。スイッチ142およびコ
ンデンサC4の対向端は、コイル104の端部104b
に接続してある。制御コンピュータ112の出力OUT
5は、信号経路144を通じて、スイッチ142の切り
替え制御入力に接続してあり、制御コンピュータ112
が、OUT5を通じて、スイッチ142の開閉を制御す
るように動作可能となっている。スイッチ124,13
0,136,140は、公知の電気的に制御可能なスイ
ッチであればいずれでもよく、一実施形態では、これら
のスイッチはMOSFETトランジスタとして備える。
【0023】本発明の目標の1つは、電極の腐食を最少
に抑えるようにスパーク・プラグ50を通過する放電電
流を制御することにより、プラグの寿命を最大限延ばし
つつ、薄い空燃混合気の燃料点火性能を最大限高め、以
て燃料の燃焼を最適化することにある。再び図4を参照
する。電極腐食の最少化は、スパーク・プラグ50の目
的のために、電極66,68間の電流の導通による電極
表面66a,66b,68aの腐食の最小化として定義
する。これらの表面は、スパーク・ギャップ65の寸法
を規定するものであり、これらが少しでも腐食すると、
その寸法が変化してしまい、それに対応してエンジン性
能やスパーク・プラグの寿命に影響が及ぶことになる。
エネルギ制御点火システム100は、本発明の一形態に
したがって、アーク36a,36bのスパーク・プラグ
放電電流を最少に抑えつつも、アーク36cで示す位置
に向かう上方向への一貫性のあるアークの推進を可能に
するのに十分な放電電流を維持するように適宜動作可能
である。一旦電極66の表面66cと電極68の表面6
8bとの間にアークを位置付けたなら、エネルギ制御点
火システム100は、本発明の別の形態にしたがって、
空燃混合気の最適な点火性を可能にするレベルに、スパ
ーク・プラグ放電電流を増大するように動作可能とな
る。電極66,68の表面66c,68bは、スパーク
・ギャップ65の境界については、いずれも直接定義し
ないので、放電電流の増大による表面66c,68bの
ある程度の腐食は許容可能であり、通常はエンジン性能
の低下やプラグの短寿命化に至ることはない。エネルギ
制御点火システム100は、このような放電電流制御を
可能にするものであり、その詳細についてこれより図7
および図8に関して説明する。
【0024】具体的に図8を参照すると、プロット15
0は、前述のような公知の誘導型放電点火システムから
得られた、放電電流波形を表す。実験を通じて、ブレー
クダウン電圧VBDにおけるスパーク・ギャップ65のイ
オン化を生ずる、スパーク・プラグ電極間のピーク放電
電流は、その期間が短ければ(例えば、ナノ秒未満程
度)、通常重大な電極腐食を招くことはないことがわか
っている。言い換えると、電極表面66a,68bに対
する損傷は、ピーク放電電流の期間が短ければ、最少に
抑えられる。更に、実験によってわかったことは、放電
電流が誘導する電極の腐食を最少に抑えるためには、点
火行程の開始後に続くある時間期間T1以内に、放電電
流を第1放電電流スレッシュホールドI1未満に制御し
なければならないことである。しかしながら、放電電流
レベルは、磁界の影響の下で、続くアークの推進を一貫
して可能とするためには、時点T1において最少電流ス
レッシュホールドI2(I1よりも低い)より高くしな
ければならない。スパーク・プラグ50の一実施形態で
は、I1=150mA、I2=100mA、およびT1
=1μsであるが、本発明は、スパーク・プラグの形式
および形状、ならびに対応するスパーク・ギャップに応
じて、その他の値も念頭に入れている。
【0025】本発明によれば、システム100は、ギャ
ップ・イオン化の後、放電電流の減衰を制御することに
より、図8の放電電流波形152に示すように、時点T
1においてI1,I2間の所望の電流レベルを達成する
ように動作可能である。一実施形態では、制御コンピュ
ータ112は、可変抵抗118の値を調節することによ
りこのような制御を行い、放電電流の減衰率を制御する
ように動作可能である。図5に関して先に説明したよう
に、放電電流の電流密度は、シリンダ圧力の上昇と共に
増大し、シリンダ圧力はエンジン負荷と共に上昇する。
したがって、エンジン負荷が変動するに連れて、放電電
流レベルをそれに応じて制御し、電極の表面温度が過剰
となるレベル未満に放電電流密度を維持しつつ、アーク
の一貫性のある推進を可能にするレベルより高く、放電
電流密度を維持することが望ましい。このように、制御
コンピュータ112は、ギャップ・イオン化の後に、現
エンジン負荷状態に基づいて放電電流レベルを制御する
ことにより、電極の腐食速度を最低に抑えつつ、全ての
エンジン負荷条件においてアークの一貫性のある推進を
可能にするように動作可能である。図8に示す実施形態
では、制御コンピュータ112は、最初に、好ましくは
ギャップ・イオン化におけるVBDに基づいてシリンダ圧
力を判定することによりエンジン負荷を決定し、シリン
ダ圧力を可変抵抗118の所望の値にマップし、出力O
UT1を通じて可変抵抗118の値を所望の値に調節す
ることにより、このような制御を行うように動作可能と
することが好ましい。しかしながら、本発明の範囲を逸
脱することなく、エンジン負荷を放電電流レベルに関係
付けるためには他の技法も使用可能であること、そして
このような技法を用いて、点火を開始した後のある時間
期間以内に、放電電流の値をある所望の値または値の範
囲に調節可能であることを当業者は認めよう。
【0026】次に図9を参照し、前述の技法の1つにし
たがって、ギャップ・イオン化に続く時間期間中に放電
電流レベルを制御するためのフローチャート160の一
実施形態を示す。アルゴリズムは、当技術分野では公知
であるが、毎秒多数回制御コンピュータ112によって
実行可能であることが好ましい。アルゴリズム160は
ステップ162において開始し、ステップ164におい
て、制御コンピュータ112は、ギャップ初期化時に、
ブレークダウン電圧VBDを判定するように動作可能であ
る。好ましくは、制御コンピュータ112は、ステップ
164を実行する際に、センサ110によってその入力
IN1に供給されるスパーク電圧波形を処理し、公知の
技術にしたがってこれよりVBDを判定するように動作可
能とする。その後、ステップ166において、制御コン
ピュータ112は、VBDに基づいて、シリンダ圧力を判
定するように動作可能である。当技術分野では公知であ
るが、シリンダ圧力はエンジン負荷に比例し、シリンダ
負荷は、パッシェンの法則(Paschen's law)により、
BDに関係付けられる。
【0027】
【数1】 VBD=K1*(gap)*(pressure)/ln(K2*gap*pressure) ....(1) ここで、K1およびK2は定数であり、gapはスパーク・
ギャップ76(図3)の幅であり、pressureはシリンダ
圧力である。コンピュータ12は、好ましくは、ステッ
プ166において式(1)に基づいてシリンダ圧力を計
算するように動作可能とする。
【0028】その後、ステップ168において、制御コ
ンピュータ112は、ステップ166で判定したシリン
ダ圧力値に基づいて、所望の抵抗値を決定するように動
作可能である。図10は、シリンダ圧力を所望の抵抗値
に関係付けるための好適な一技法を示す。ここでは、抵
抗174はシリンダ圧力に対してプロットしてあり、関
連するシリンダ圧力値に対応するエンジン負荷の指標を
示す。即ち、無負荷あるいはアイドル状態では所望の抵
抗値は高く、エンジン負荷が増大するに連れて、好まし
くは選択した関数に応じて、所望の抵抗値は減少する。
所望の抵抗値とシリンダ圧力値との間の関係は、好まし
くは、制御コンピュータ112のメモリ部146内部に
格納しておき、その中では、式(連続的または部分的に
連続的)、図10に示すようなグラフ即ちプロット、ま
たは参照テーブルとして表現するとよい。いずれの場合
でも、制御コンピュータ112は、ステップ168にお
いて、シリンダ圧力値を所望の抵抗値にマップするよう
に動作可能である。その後、ステップ170において、
制御コンピュータ112は、いずれかの1つ以上の公知
技法を用いて、可変抵抗118の値を所望の抵抗値に調
節するように動作可能である。尚、公知技術のいくつか
については先に説明した。アルゴリズムの実行はステッ
プ170からステップ172に進み、ここでアルゴリズ
ムの実行はそのコール元ルーチンに戻るか、あるいはス
テップ164に逆戻りして、アルゴリズム160を連続
的に実行する。
【0029】システム100は、その一形態によれば、
エンジン負荷状態、ギャップ構造およびギャップの幅に
基づいて、ギャップ・イオン化に続いて、スパーク・プ
ラグ50から遠ざかるように電流を引き出すことによ
り、放電電流を所望の放電電流値の範囲内に制御するよ
うに動作可能であることが、今や明白であろう。
【0030】再び図7および図8を参照する。システム
100は、更に、図4のアーク36cによって示す位置
にアークが到達した後に、空燃混合気に点火するのに適
した電流レベルに放電電流を制御可能に増大するように
動作可能である。前述のように、表面66c,68b
は、スパーク・ギャップ65の境界を全く形成しないの
で、ある程度の腐食は許され得る。したがって、空燃
合気の点火時点が近づくに連れて、制御コンピュータ1
12は、空燃混合気の最適な点火が行われる電流レベル
に、放電電流を増大するように制御可能とすることが好
ましい。好適な一実施形態では、システム100は、種
々のスイッチ124,130,136,140の位置を
順次制御することによって、放電電流を制御可能に増大
するように動作可能である。
【0031】点火行程の開始時に、制御信号を一次コイ
ル102に印加すると、一次コイル102は対応する電
圧を二次コイル104に誘導し、コイル104を通過す
る電流は、当技術では公知のように、ギャップ・イオン
化が発生するまで、急激に増大する。その後、前述のよ
うに、放電電流を制御可能に減少させる。ギャップ・イ
オン化現象が発生したなら、スイッチ124,130,
136,140を全て開くことにより、コンデンサC1
〜C4の各々を充電することが好ましい。制御コンピュ
ータ112は、点火行程が開始した後、所定の時間間隔
でスイッチ124,130,136,140の各々を制
御するように動作可能である。制御信号の活性化は、各
点火行程の開始を表し、制御コンピュータ112は、入
力IN2を通じて印加される制御信号に応答して、対応
する時間マーク(time mark)を確立する。スパーク・
プラグ50の一実施形態および対応する内燃エンジン
(図示せず)では、点火行程が開始した後約2.0ミリ
秒で、放電電流アークは図4の36cに示す位置に達
し、点火行程が開始した後3.0ないし4.0ミリ秒の
間に、実際の空燃点火現象が生じたことがわかってい
る。制御コンピュータ112は、スイッチ124,13
0,136,140の制御を通じて、放電電流レベルを
制御可能に増大し、空燃混合気の最適な点火が3.0な
いし4.0ミリ秒の間に発生するレベルに、放電電流を
セットするように適宜動作可能である。
【0032】図7に示す実施形態では、制御コンピュー
タ112は、順次スイッチ124,130,136,1
40を閉じることによって、コンデンサの各々に格納さ
れた電圧を、二次コイル104の巻線の対応する部分間
に注入(impress)することにより順次補足電流(図8
においてライン154a,154b,154c,154
dで示す)を放電電流に追加していくように動作可能と
することが好ましい。したがって、図8に示すように、
制御コンピュータ112は、点火行程の開始後約1.0
ms以内にスイッチ124を閉じ、点火行程の開始後約
1.0ms以降にスイッチ130を閉じ、点火行程の開
始後約2.0ms以内にスイッチ136を閉じ、点火行
程の開始後約2.0ms以降にスイッチ140を閉じる
ように動作可能とする。その結果、点火行程の開始後
3.0ないし4.0msの間に、放電電流152が約1
70mAに傾斜していくという効果が得られる。これ
は、実際の空燃混合気の点火時点に対応する。尚、これ
までの説明は、本発明の放電電流増大技法の特定的な一
応用の例示に過ぎず、本発明は点火行程の開始後のいず
れの時間間隔においても、あらゆる数のコンデンサ/ス
イッチの組み合わせを用いることによっても、所望の点
火放電電流を可能にすることを念頭に置いていることは
理解されよう。用いるコンデンサ/スイッチの組み合わ
せの数は、空燃混合気の点火に至るまでの放電電流波形
152の所望の形状によって決定することを当業者は認
めよう。
【0033】次に図11を参照し、本発明によるエネル
ギ制御点火システム200の別の実施形態を示す。シス
テム200は、図7のシステム100の多くの面で同一
であり、したがって同様の要素を識別するために同様の
番号を用いている。システム200の異なる要素には、
当技術分野では公知のように二次コイル204に誘導的
に結合してある一次コイル202を有する、点火コイル
が含まれる。一次コイル202の一端は、コンデンサ
C、電圧源Vの一端、および二次コイル204の一端に
接続してあり、システム200を活性化する制御信号を
受け取る。コンデンサCの対向端は、スイッチ206の
一端および抵抗Rの一端に接続してある。抵抗Rの対向
端は、電圧源Vの対向端に接続してあり、スイッチ20
6の対向端は、ダイオードD1のアノードに接続してあ
る。ダイオードD1のカソードは、一次コイル202の
対向端、および第2スイッチ210の一端に接続してあ
る。スイッチ206への制御入力は、信号経路208を
通じて、制御コンピュータ112の出力OUT2に接続
してある。スイッチ210の対向端は、接地電位、なら
びにスパーク・プラグ50および可変抵抗118の一端
に接続してある。スイッチ210への制御入力は、信号
経路212を通じて、制御コンピュータ112の出力O
UT3に接続してある。二次コイル204の端部204
aは、電圧センサ110および第2ダイオードD3のカ
ソードに接続してあり、第2ダイオードD2のアノード
は、スパーク・プラグ50および可変抵抗118の対向
端に接続してある。図11に示す残りの構造は、図7に
関して説明した、同様に付番してある構成部品と同一で
ある。
【0034】動作において、制御コンピュータ112
は、その入力IN1に供給される制御信号に応答してス
イッチ210を閉じ、これによってコイル回路が完成し
て、図12に示すように、スパーク・プラグ放電電流2
20が増大する。システム200は、好ましくは、前述
のように、ギャップ・イオン化の後の放電電流の減少を
制御し、点火行程を開始した後の時点T1において、放
電電流レベルがI1およびI2の間となるように動作可
能とする。その後、放電電流220は、点火行程を開始
した後1.0ないし2.0msの間のある時点で、制御
コンピュータ112がスイッチ206を閉じるように動
作可能となるまで、減衰し続けることにより、電圧源V
によって適切な電圧に予め充電してあるコンデンサC上
の電圧を一次コイル202上に注入させる。これによっ
て追加電流即ち補足電流を二次コイル204に誘導し、
その結果、図12における222で示すように、放電電
流220においてほぼ正弦波状の増大が得られる。この
ようにシステム200は、点火行程を開始した後所望の
時間範囲において、空燃混合気に点火するのに適したレ
ベルに放電電流を増大させるように動作可能である。し
かしながら、システム100とは異なり、システム20
0は、システム100におけるように二次コイル204
上ではなく、一次コイル202上に追加の電圧を制御可
能に注入することによって、この機能を与えるように動
作可能となっている。双方のシステムによって予期した
結果が得られるが、システム200は、高電圧コンデン
サ(システム100のコンデンサC1〜C4に典型的に
必要となる)を必要とせず、多数のタップ位置のために
二次コイル204を構成する必要がないという点で、複
雑度が低い。尚、これまでの記載は、本発明の放電電流
増大技法の特定的な別の応用を示すに過ぎず、本発明
は、点火行程の開始後のいずれの時間間隔においても、
あらゆる数のコンデンサ/スイッチの組み合わせを用い
ることによっても、所望の点火放電電流を可能にするこ
とを念頭に置いていることは理解されよう。用いるコン
デンサ/スイッチの組み合わせの数は、空燃混合気の点
火に至るまでの放電電流波形220の所望の形状によっ
て決定することを当業者は認めよう。
【0035】以上、図面および記載において本発明を詳
細に示しかつ説明したが、これは、性質上限定的ではな
く例示的なものと見なすべきであり、その好適な一実施
形態を示しかつ記載したに過ぎず、本発明の精神に該当
する全ての変化および変更を保護対象とすることを望む
ことは理解されよう。例えば、本発明は、散開ギャップ
に沿ってアークを磁気的に推進する手段を有する散開ギ
ャップ・スパーク・プラグにおいて、放電電流を制御す
る技法に関するものとして記載したが、ここに記載した
概念は、同様に、従来のスパーク・プラグを有する点火
システムにおいて放電電流の形状を制御するためにも適
用可能であり、更にこのようなシステムの制御は本発明
の範囲に該当するものとすることを、当業者は認めよ
う。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明と共に用いるための従来技術のスパーク
・プラグの1つの断面図である。
【図2】図1のスパーク・プラグを、図1の平面から9
0度回転させた面から見た断面図である。
【図3】図1のスパーク・プラグの電極の拡大図であ
る。
【図4】アークを電極端部に向けて推進する際の、図3
に示す電極間の電流の流れを示す拡大図である。
【図5】一貫性のあるアークの推進を維持しつつ電極の
損傷を防止するのに好適な放電電流動作範囲を示す、放
電電流対気体密度の関係を示すグラフである。
【図6】一貫性のあるアークの推進に必要な電流密度値
を示す、放電電流密度対放電電流期間の関係を示すグラ
フである。
【図7】本発明のエネルギ制御点火システムの一実施形
態を示す概略図である。
【図8】本発明のスパーク・エネルギ制御技法のいくつ
かを例示する、スパーク・プラグ放電電流の時間に対す
るグラフである。
【図9】ギャップ・イオン化に続いて、放電電流を所望
の電流範囲に制御するソフトウエア・アルゴリズムの好
適な実施形態の1つを示すフローチャートである。
【図10】図7に示す可変抵抗を調節するために、電流
エンジン負荷を所望の抵抗値にマップする好適な一技法
を示す、抵抗対シリンダ圧力の関係を示すグラフであ
る。
【図11】本発明のエネルギ制御点火システムの別の実
施形態の概略図である。
【図12】本発明のスパーク・エネルギ制御技法のいく
つかを例示する、図11に示したシステムのスパーク・
プラグ放電電流対時間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
36a,36b,36c アーク 50 アーク推進スパーク・プラグ 52 ねじ切り部分 54 ハウジング 56 表面 58 端子電極 60 絶縁体 62 孔 63 電極延長部 64 キャビティ 65 散開ギャップ 66 第1電極 66a,66b,66c,68a,68b 表面 68 第2電極 70 ばね 71 ヒート・シンク・スリーブ 72,74 磁石 76 ギャップ 78 スパーク・ギャップ 80,82 波形 100,200 エネルギ制御点火システム 102,202 一次コイル 104,204 二次コイル 104a,204a 二次コイル104の一端 104b 二次コイル104の対向端 110 電圧センサ 112 制御コンピュータ 114,116,120,126,132,138,1
44,208,212信号経路 118 可変抵抗 122,128,134,140 ダイオード 124,130,136,142,206,210
スイッチ 146 メモリ部 154a,154b,154c,154d 補足電流 174 抵抗 220 スパーク・プラグ放電電流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・アール・アサートン アメリカ合衆国インディアナ州46219, インディアナポリス,ノース・ミッチナ ー 398 (56)参考文献 特開 昭61−164073(JP,A) 特開 平4−116268(JP,A) 特開 昭54−44979(JP,A) 特開 昭63−246469(JP,A) 実開 平6−34173(JP,U) 特公 昭45−23997(JP,B1) 実公 昭38−10813(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02P 15/00 F02P 3/08 F02P 17/00

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃エンジン用エネルギ制御点火システ
    ムであって、 第1および第2電極を有し、その間にスパーク・ギャッ
    プを規定する点火プラグと、 前記点火プラグの前記第1および第2電極に接続した
    火コイルであって、制御信号に応答して、前記スパーク
    ・ギャップ間に放電電流を生成する点火コイルと、 前記スパーク・ギャップ間に接続した抵抗であって、前
    記制御信号の発生後の第1所定時間期間内に、前記放電
    電流を第1スレッシュホールド電流レベル未満に制限す
    るように大きさを決めた抵抗と、 を備えることを特徴とするエネルギ制御点火システ
    ム。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のエネルギ制御点火システ
    ムにおいて、前記抵抗は、更に、前記放電電流を第2ス
    レッシュホールド電流よりも大きく維持するように大き
    さを決めてあり、前記第2スレッシュホールド電流が、
    前記第1スレッシュホールド電流よりも小さいこと
    特徴とするエネルギ制御点火システム。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のエネルギ制御点火システ
    ムにおいて、前記点火コイルが、二次コイルに結合した
    一次コイルを含み、該一次コイルが前記制御信号に応答
    して、前記二次コイルの両端間にスパーク電圧を誘導
    し、前記二次コイルが前記スパーク電圧に応答して前記
    放電電流を生成することを特徴とするエネルギ制御点
    火システム。
  4. 【請求項4】 請求項3記載のエネルギ制御点火システ
    ムであって、更に、前記スパーク電圧を検知し、それに
    対応するスパーク電圧信号を生成する手段を含むこと
    を特徴とするエネルギ制御点火システム。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のエネルギ制御点火システ
    ムにおいて、前記抵抗が可変抵抗であり、 更に、前記スパーク電圧信号に応答して前記可変抵抗の
    抵抗値を調節することにより、前記放電電流を前記スパ
    ーク電圧信号の関数として前記第1スレッシュホールド
    電流レベル未満に制限する手段を含むことを特徴とす
    るエネルギ制御点火システム。
  6. 【請求項6】 請求項5記載のエネルギ制御点火システ
    ムにおいて、前記スパーク電圧信号に応答して前記可変
    抵抗の抵抗値を調節する前記手段が、更に、前記可変抵
    抗の前記抵抗値を調節することにより、前記放電電流を
    第2スレッシュホールド電流レベルよりも高く維持する
    ように動作可能であり、前記第2スレッシュホールド電
    流レベルが前記第1スレッシュホールド電流レベルより
    も低いことを特徴とするエネルギ制御点火システム。
  7. 【請求項7】 請求項6記載のエネルギ制御点火システ
    ムであって、更に、前記制御信号の発生後第2所定時間
    期間内に、前記放電電流を前記スレッシュホールド電流
    レベルよりも高く増大させる手段を含むことを特徴と
    するエネルギ制御点火システム。
  8. 【請求項8】 請求項1記載のエネルギ制御点火システ
    ムにおいて、前記点火プラグが、内燃エンジンの燃焼室
    内に延出することを特徴とするエネルギ制御点火シス
    テム。
  9. 【請求項9】 内燃エンジン用エネルギ制御点火システ
    ムであって、 第1および第2電極を有し、その間にスパーク・ギャッ
    プを規定する点火プラグと、 二次コイルに結合した一次コイルを有し、該一次コイル
    が第1制御信号に応答して前記二次コイルの両端間にス
    パーク電圧を誘導し、前記二次コイルが前記スパーク電
    圧に応答して前記スパーク・ギャップ間に放電電流を生
    成する点火コイルと、 前記スパーク電圧を検知し、それに対応するスパーク電
    圧信号を生成する手段と、 前記スパーク・ギャップ間に接続してあり、第2制御信
    号に応答してその抵抗値を調節する可変抵抗と、 前記スパーク電圧信号に応答して前記第2制御信号を生
    成することにより、前記可変抵抗の前記抵抗値を前記ス
    パーク電圧信号の関数として調節する制御コンピュータ
    と、 を備えることを特徴とするエネルギ制御点火システム。
  10. 【請求項10】 請求項9記載のエネルギ制御点火シス
    テムにおいて、前記制御コンピュータが、前記スパーク
    電圧信号に応答して前記スパーク・ギャップのイオン化
    が発生するブレークダウン電圧を判定し、前記制御コン
    ピュータが、該ブレークダウン電圧に基づいて前記可変
    抵抗の所望の抵抗値を決定し、それに応じて前記第2制
    御信号を生成することを特徴とするエネルギ制御点火
    システム。
  11. 【請求項11】 請求項10記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、前記点火プラグが内燃エンジンの燃焼
    室内に延出することを特徴とするエネルギ制御点火シ
    ステム。
  12. 【請求項12】 請求項11記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、前記制御コンピュータが、前記ブレー
    クダウン電圧から、前記燃焼シリンダ内部における対応
    する圧力を判定する手段を含むことを特徴とするエネ
    ルギ制御点火システム。
  13. 【請求項13】 請求項12記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、前記制御コンピュータが、前記燃焼シ
    リンダ内部の前記対応する圧力から、前記所望の抵抗値
    を判定する手段を含むことを特徴とするエネルギ制御
    点火システム。
  14. 【請求項14】 内燃エンジン用エネルギ制御点火シス
    テムであって、 第1および第2電極を有し、その間にスパーク・ギャッ
    プを規定する点火プラグと、 前記点火プラグの前記第1および第2電極に接続した
    火コイルであって、制御電圧に応答して前記スパーク・
    ギャップ間に第1放電電流を生成する点火コイルと、 前記点火コイルの少なくとも一部の間に、前記制御電圧
    とは別個の補足電圧を選択的に生成する手段であって、
    前記点火コイルが前記補足電圧に応答して前記スパーク
    ・ギャップ間に第2放電電流を生成し、前記第2放電電
    流を前記第1放電電流に補足するようにした手段と、 を備えることを特徴とするエネルギ制御点火システム。
  15. 【請求項15】 請求項14記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、前記点火コイルが、二次コイルに結合
    した一次コイルを含み、該一次コイルが前記制御電圧に
    応答して、前記二次コイルの両端間にスパーク電圧を誘
    導し、前記二次コイルが前記スパーク電圧に応答して前
    記放電電流を生成することを特徴とするエネルギ制御
    点火システム。
  16. 【請求項16】 請求項15記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、前記二次コイルが、前記第1電極に接
    した高圧側と、前記第2電極に接続した低圧側とを含
    み、 補足電圧を選択的に生成する前記手段が、 前記二次コイルの前記高圧側前記低圧側との間に結合
    した一端と、前記第1および第2電極の一方に接続した
    対向端とを有する第1コンデンサと、 前記第1コンデンサを制御可能に放電することにより、
    前記二次コイルの一部の間に前記補足電圧を生成する手
    段と、 を含むことを特徴とするエネルギ制御点火システム。
  17. 【請求項17】 請求項16記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、前記第1コンデンサを制御可能に放電
    する前記手段が、 前記第1コンデンサの両端間に接続した第1スイッチで
    あって、切り替え信号に応答して該スイッチを活性化す
    る切り替え入力を有する第1スイッチと、 前記制御電圧に応答して、前記制御電圧の活性化から
    定の時間期間に前記切り替え信号を生成する制御コン
    ピュータと、 を含むことを特徴とするエネルギ制御点火システム。
  18. 【請求項18】 請求項16記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、補足電圧を選択的に生成する前記手段
    が、ある数のコンデンサを含み、各々、前記高圧側
    記低圧側との間の異なる箇所において前記二次コイルに
    結合してあり、 前記第1コンデンサを制御可能に放電する前記手段が、
    前記数のコンデンサの各々を順次放電することにより、
    前記第2放電電流を順次所定の電流値に増大していくよ
    うに動作可能であることを特徴とするエネルギ制御点
    火システム。
  19. 【請求項19】 請求項15記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、補足電圧を選択的に生成する前記手段
    が、 前記一次コイルの両端間に接続したコンデンサと、 前記コンデンサを制御可能に放電することにより、前記
    一次コイルの両端間に前記補足電圧を生成する手段と、 を含み、前記一次コイルが前記補足電圧に応答して、前
    記二次コイルの両端間に対応する補足スパーク電圧を誘
    導し、前記二次コイルが前記補足スパーク電圧に応答し
    て前記第2放電電流を生成することを特徴とするエネ
    ルギ制御点火システム。
  20. 【請求項20】 請求項16記載のエネルギ制御点火シ
    ステムにおいて、前記コンデンサを制御可能に放電する
    前記手段が、 前記コンデンサの一端と前記一次コイルとの間に配置
    スイッチであって、切り替え信号に応答して当該スイ
    ッチを活性化する切り替え入力を有するスイッチと、 前記制御電圧に応答して、前記制御電圧の活性化から
    定の時間期間に、前記切り替え信号を生成する制御コ
    ンピュータと、 を含むことを特徴とするエネルギ制御点火システム。
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