JP4494297B2 - 内燃機関点火装置 - Google Patents

Description

この発明は排気ガス対策や燃費向上のために有効な燃料直噴内燃機関などに要求される高出力エネルギー内燃機関点火装置、特に内燃機関の燃焼により生じるイオン量の変化を検出することにより少なくとも内燃機関の失火及びノッキングの発生を検知する内燃機関の燃焼状態検出装置と組み合わされるに最適な内燃機関点火装置に関するものである。

従来より、内燃機関点火装置は、電流遮断方式の点火装置が多用されているが、近年の排気ガス対策や燃費向上のための高圧縮リーン燃焼に適合するには、その放電電流の形態によるエネルギー不足があるために、ダブルスパーク点火装置やマルチスパーク点火装置あるいは交流スパーク点火装置が提案されている。一方、内燃機関の燃焼状態検出装置は、連続的な失火を検出し、内燃機関の取り扱い者に警告を示すために、失火時における内燃機関の回転数の変動をセンサにて検知する回転変動方式の失火検出機能が提案されている。

また、イオン電流による内燃機関の燃焼状態検出装置は、回転変動方式では失火検出精度が落ちる多気筒エンジンにおいても優れた失火検出性を示し、気筒毎の失火検出も可能であり、従来より種々提案されているが、一般的な高エネルギー点火装置は一般的に放電持続時間が長いことから、イオン検出時間が制約されるために相性が悪い。

従来の電流遮断方式の内燃機関点火装置の出力放電電流波形は略三角波が得られ、点火コイルの一次線輪と二次線輪の巻数比が少ない時には放電電流の最大値が大きいが、放電持続時間が短くなり、巻数比が多い時にはその反対の放電電流が得られる。そして渦流の強い燃焼が行われる直噴内燃機関などにおいては、上記三角波の後半の電流は乱れが大きくなることにより、燃料の点火に殆ど寄与しない。

また、従来の電流遮断方式の内燃機関点火装置に、イオン電流による燃焼状態検出装置を付加するものでは、放電初期の点火エネルギーの一部をキャパシタに一次的に蓄積して、放電終了後のイオン検出電源として利用している。

上記イオン検出電源の電圧は、一般的に７０Ｖ〜３００Ｖ程度の範囲で使用されることが多く、電圧が高いほどイオン検出のＳＮ比が高くなり設計自由度が上がるが、当該電圧を上げると本来放電に必要な点火装置のエネルギーが損なわれることとなる。

近年の排気ガス対策では、内燃機関の始動時から高回転域に至るまでイオン電流の変化情報をきめ細かく収集して、空燃比をＥＧＲと組み合わせて制御するシステムが望まれているために、上記のイオン電流での燃焼悪化状態やノッキングを検出するには上死点を過ぎてから１５度程度以後がイオン電流判別の重要な時間帯であることが確かめられてきたが、当該判別時間を確保する一方では、リーン燃料での燃料直噴内燃機関などに対応するために、イオン電流による制御以前の問題として高出力エネルギーの点火装置が望まれているが、汎用の高出力エネルギーの点火装置を用いた場合は、火花放電時間が長くなり、イオン電流検出に必要な十分な時間が取れないと云う問題があった。

一般的な電流遮断方式の点火装置では段落０００４に示したように、点火コイルの一次線輪と二次線輪の巻数比で放電電流の多少の設定ができるが、何れも放電初期には放電電流が比較的大きい三角波で有って、渦流の強い燃焼が行われる直噴内燃機関などにおいては、上記三角波の後半の電流は乱れが大きくなることにより、燃料の点火に殆ど寄与しないと云う問題がある。

さらに、イオン電流によるきめ細かな情報を収集しようとするときに、点火栓で放電の一方向の電圧印加による火花放電では、点火コイルと点火栓の実装電気回路の漏洩キャパシタンス（一般的な実装状態では１５ｐＦ程度）に火花放電終了後１〜３KV程度の電荷が残り、イオン電流検出期間中にコロナ放電などを伴うために、上記イオン電流情報を妨げる新たな問題として浮上してきている。

従って、高出力エネルギーの点火装置として、スイッチング素子を点火タイミングで短時間にターンオフとターンオンを数回繰り返すものは、上記問題点を解決出来ない。また、交流点火装置は放電出力の終焉部を自由振動にすることにより漏洩キャパシタンスの残留電荷問題を解決できるが、交流にするための回路とイオン電流を検出するために独立した電源を設置して、点火出力時とイオン電流検出時に各々切り替える必要があるなど、煩雑な回路構成が必要である。

この発明の請求項１に係る内燃機関点火装置は、電源（Ｂ）と点火コイル（Ｔｒ）の一次線輪（１０）および第１のスイッチング素子（Ｑ１）の直列回路からなる電流遮断方式の点火装置において、前記点火コイル（Ｔｒ）の一次側には第１のスイッチング素子（Ｑ１）のオン・オフ信号を作成するＥＣＵ（４０）を備え、前記一次線輪（１０）は第１のスイッチング素子（Ｑ１）との接続点に一端が接続されたキャパシタ（Ｃ１）と第２のスイッチング素子（Ｑ３）による第２の直列回路を構成し、前記キャパシタ（Ｃ１）は前記第１のスイッチング素子（Ｑ１）の電流通電時にのみ充電する手段を接続し、前記第２のスイッチング素子（Ｑ３）は、前記第１のスイッチング素子（Ｑ１）の電流遮断時に発生する一次線輪（１０）の逆起電力によって二次線輪（２０）に接続された点火栓（Ｐ）で誘導性火花放電を開始した後の当該火花放電中または終了前後に通電を行うことで前記キャパシタ（Ｃ１）の電荷を一次線輪（１０）に前記逆起電力と反対方向に瞬時に印加することを特徴とした内燃機関点火装置としたことで、放電時間の制御ができて電流遮断方式の欠点である放電電流の終焉部分のふらつきの無い安定した火花放電が得られるものである。

この発明の請求項２に係る内燃機関点火装置は、キャパシタ（Ｃ１）の電荷を点火コイル（Ｔｒ）の一次線輪に瞬時に印加するタイミングが内燃機関の回転数によって、変化する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関点火装置として、内燃機関の運転状態に適合させたものである。

この発明の請求項３に係る内燃機関点火装置は、点火のタイミングである第１のスイッチング素子（Ｑ１）の電流遮断の瞬間から、第２のスイッチング素子（Ｑ３）が通電するタイミングが、内燃機関の回転数１０００rpmの時０．７ms〜１．５ms、８０００rpmの時０．５ms以内の勾配をもって変化する構成としたことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の内燃機関点火装置とし、内燃機関の各々の回転域に適合して十分な点火エネルギーが得られるように構成したものである。

この発明の請求項４に係る内燃機関点火装置は、点火コイル（Ｔｒ）の二次線輪（２０）の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側にダイオードによって分路された内燃機関の燃焼イオン検出回路を検出電源と共に構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の内燃機関点火装置して、前記の問題点を解決するものである。

この発明の請求項５に係る内燃機関点火装置は、点火コイル（Ｔｒ）の二次線輪（２０）の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側に内燃機関の燃焼イオン検出回路を検出電源と共に構成し、上記イオン検出開始時間を少なくとも内燃機関実用回転域においてＡＴＤＣ（圧縮上死点後）１５度程度としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の内燃機関点火装置して、前記の問題点を解決するものである。

この発明によれば、近年の排気ガス対策で要求されている内燃機関の始動時から高回転域に至るまでイオン電流の変化情報をきめ細かく収集して、空燃比をＥＧＲと組み合わせて制御するシステムに対して、イオン電流での燃焼悪化状態やノッキングを検出するために必要なＡＴＤＣ１５度程度からの判別時間を確保する一方、リーン燃料での燃料直噴内燃機関などに対応するために、イオン電流による制御以前の問題として高出力エネルギーの点火装置が望まれているが、汎用の高出力エネルギーの点火装置に、点火補助キャパシタとその昇圧電源およびスイッチング素子を追加する程度で低回転数から高回転数までの広域に渡って、最大限の点火エネルギーを確保できると同時に、二次線輪と点火栓の間の漏洩キャパシタンスの帯電問題をも解決できるイオン電流制御に最適な内燃機関点火装置を得ることが出来るものである。

第１図は請求項の全てに記載したこの発明の実施例であり、第２図のタイムチャートはこの実施例を説明するための主要部の動作波形である。なお、内燃機関は通常多気筒で使用されるが、説明の都合上、一気筒での実施例としている。

第１図において、電源接続端子ＢからダイオードＤ１と点火コイルＴｒの一次線輪１０とスイッチング素子Ｑ１および電流制限用レジスタＲ１が直列に接続され、上記ダイオードＤ１はチョークコイルＬ１とダイオードＤ２およびスイッチング素子Ｑ３の直列回路により分路され、上記スイッチング素子Ｑ３と点火コイルＴｒの一次線輪１０の直列回路もまたキャパシタＣ１により分路されている。さらに上記チョークコイルＬ１の中間タップは、昇圧のためのスイッチング素子Ｑ２が接続されており、点火コイルＴｒの二次線輪２０の高電圧側出力には点火栓が接続され、定電圧側出力には定電圧ダイオードＺｄによって分路されたイオン検出電源を構成するキャパシタＣ２と、イオン電流検出のためのレジスタＲ２とダイオードＤ４の直列回路によって分路されたダイオードＤ３が直列接続されており、上記キャパシタＣ２とダイオードＤ３の直列回路は、ダイオードＤ５により分路され、上記イオン電流検出レジスタＲ２の一端は、イオン検出回路３０を経てエンジン制御ＥＣＵ４０に接続されている。一方エンジン制御ＥＣＵ４０の出力端子は、スイッチング素子Ｑ１の制御回路５０とスイッチング素子Ｑ２の制御回路６０に接続され、上記制御回路５０の出力の一端はスイッチング素子Ｑ３の制御回路７０の入力端子に接続されている。

第２図のタイミングチャートは、上方よりＱ１は、スイッチング素子Ｑ１へ出力される制御回路５０の電力波形、Ｑ２はスイッチング素子Ｑ２へ出力される制御回路６０の電力波形、Ｑ３はスイッチング素子Ｑ３へ出力されるスイッチング素子Ｑ３の制御回路７０の電力波形、ｉ１は一次線輪１０に流れる電流波形、Ｃ１はキャパシタＣ１の充放電電圧波形、Ｐは点火栓の放電電流波形であり、それぞれ説明の都合上一部簡略化した波形を記述している。

ＥＣＵ４０からの指令により、制御回路５０からタイミングｔ１でスイッチング素子Ｑ１はオンとなって、電源端子ＢからダイオードＤ１を介して一次線輪１０に電流が流れ始めると同時に、制御回路６０の発振出力によりスイッチング素子Ｑ２がオン・オフを繰り返すために、チョークコイルＬ１の起電力により例えば４００Ｖ程度に昇圧してダイオードＤ２を介してキャパシタＣ１に繰り返し充電が始まる。

上記スイッチング素子Ｑ１がオンとなることにより、電源端子Ｂから供給される図示しない電源電圧、例えば１４Ｖが一次線輪に印加され、二次線輪２０の低電圧側を正極にした電圧が誘起されるが、２００Ｖ程度の定電圧ダイオードに一部ブロックされ、また、点火コイルＴｒの一次線輪１０と二次線輪２０の巻数比の調整により、二次線輪２０に誘起される電圧は、点火栓Ｐに放電するに必要な１ｋＶ以上の電圧は発生しない設定としている。

点火タイミングｔ２になると、スイッチング素子Ｑ１はオフとなって上記キャパシタＣ１の充電は休止すると同時に、点火コイルＴｒの一次線輪１０に蓄積されている磁気エネルギーが二次線輪２０に高電圧側を正極に誘起されて、ダイオードＤ５を介して電流が流れることにより、点火栓Ｐにイオン検出回路と検出電源構成回路による損失を被ることのない誘導性火花放電を開始する。

次に、内燃機関が低速度回転の時には上記火花放電が終了前後に、内燃機関が高速度回転の時には上記火花放電継続途中に、すなわち始動時やアイドル回転時には十分な放電持続を促し、中速度回転時や高速度回転時には放電時間を制限することにより、イオン電流検出がＡＴＤＣ１５度程度から検出開始できるようなタイミングｔ３で制御回路７０からの出力が出てスイッチング素子Ｑ３をオンとすることにより、キャパシタＣ１の充電電荷は一次線輪１０に印加され、二次線輪２０の低電圧側を正極に出力されることにより、定電圧ダイオードＺｄの電圧例えば２００ＶにキャパシタＣ２を瞬時に充電すると同時に、前記点火栓Ｐでの最初の誘導性火花放電を終了し、当該誘導性放電電流とは逆方向に容量火花放電が行われる。

上記誘導性の火花放電が行われている時の点火コイルＴｒの磁束変化は比較的緩慢であるために、放電持続時間は点火栓Ｐ近傍の圧力や渦流により左右され易く、特に内燃機関の回転数が高い領域で負荷の係る状態では顕著であるが、容量性の火花放電時の上記磁束変化は早く、キャパシタＣ１と点火コイルＴｒの一次線輪１０のインダクタンスによって放電持続時間は殆ど決められる。例えばキャパシタＣ１の容量値が１μＦ、一次線輪１０のインダクタンスが３ｍＳの場合の容量放電時間は０．１７ｍＳ程度であり、当然上記イオン電流検出がＡＴＤＣ１５度程度から検出開始するタイミングｔ３は、当該時間を遡った時間に設定されている。

上記誘導性放電と容量性放電により内燃機関の燃焼核が十分に拡がり、放電終了と共に点火栓の放電電極両端に前記キャパシタンスＣ２の電荷電圧２００Ｖが印加されていることにより、燃焼イオン電流が流れてダイオードＤ４を介してイオン電流検出レジスタＲ２によって取り込まれ、イオン検出回路３０によって加工された後、ＥＣＵ４０に入力される。

上記、イオン電流の変化を捉えるイオン検出回路３０によってＥＣＵ４０に送られた信号により、内燃機関の失火やノックの検出は勿論、燃焼圧力や空燃比のリーン限界を捉えて、排気ガス低減や燃費向上に役立てられる。

上記イオン電流情報を有効に検出するためには、イオン電流検出開始時間を少なくとも内燃機関の実用回転域において、ＡＴＤＣ１５度程度から観測することが必要であり、そのために点火放電時間は、内燃機関の回転数１０００rpmでは、０．７ms〜１．５ms、８０００rpmでは０．５ms以内の勾配を有する放電時間程度で終了するために、スイッチング素子Ｑ３のオン出力へのタイミングｔ３は内燃機関の回転数によって予めプログラムされている。

イオン電流による燃焼状態検出機能を用いない場合は、全回転域においてスイッチング素子Ｑ１のオフのタイミングｔ１からの誘導性火花放電時間を十分に取った後、タイミングｔ３での容量性火花放電を行うことが出来る。

上述の実施例では、スイッチング素子Ｑ１のオフ時の点火コイルＴｒの二次線輪２０に誘起される電圧の極性が高電圧側を正極、スイッチング素子Ｑ３がオン時の上記二次線輪２０に誘起される電圧の極性が高電圧側を負極としたが、イオン電流検出回路と検出電源の有無に拘わらず各々反対とすることも可能である。

また、スイッチング素子Ｑ１に直列に接続されている電流制限レジスタＲ１は、予め設定した電流を越えるときにスイッチング素子Ｑ１を制御することにより、流入電流を制限するためのものであるが、当該レジスタＲ１は削除することが可能であり、またこれまでに説明では省略したが、当該発明の内燃機関点火装置には、一次線輪１０の逆起電力制限のための保護素子を付加できることは説明するまでもない。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ２は、通常のトランジスタやＳＣＲに限定されるものでは無く、ＩＧＢＴやＦＥＴその他適宜選択することが出来る。

さらに、当該内燃機関点火装置を多気筒の内燃機関に応用する場合に、チョークコイルＬ１とスイッチング素子Ｑ２および制御回路６０からなる一つの昇圧電源によって、多気筒数量分を構成したダイオードＤ２以後の回路に配電する構成とすることが出来る。この場合の制御回路６０からの出力は連続発信することが好ましい。

発明の実施例を示す図 第１図の発明の実施例の主要部の動作タイミングチャート

符号の説明

１０ 一次線輪
２０ 二次線輪
３０ イオン検出回路
４０ ＥＣＵ
５０ Ｑ１制御回路
６０ Ｑ２制御回路
７０ Ｑ３制御回路
Ｂ 電源接続端子
Ｐ 点火栓の放電電流波形
Ｑ１ スイッチング素子
Ｑ２ スイッチング素子
Ｑ３ スイッチング素子
Ｚｄ 定電圧ダイオード
Ｌ１ チョークコイル
Ｔｒ 点火コイル
Ｒ１ 電流制限用レジスタ
Ｒ２ イオン電流検出レジスタ
Ｃ１ キャパシタ
Ｃ２ キャパシタ

Claims (5)

1. 電源（Ｂ）と点火コイル（Ｔｒ）の一次線輪（１０）および第１のスイッチング素子（Ｑ１）の直列回路からなる電流遮断方式の点火装置において、
   前記点火コイル（Ｔｒ）の一次側には第１のスイッチング素子（Ｑ１）のオン・オフ信号を作成するＥＣＵ（４０）を備え、
   前記一次線輪（１０）は第１のスイッチング素子（Ｑ１）との接続点に一端が接続されたキャパシタ（Ｃ１）と第２のスイッチング素子（Ｑ３）による第２の直列回路を構成し、
   前記キャパシタ（Ｃ１）は前記第１のスイッチング素子（Ｑ１）の電流通電時にのみ充電する手段を接続し、
   前記第２のスイッチング素子（Ｑ３）は、
   前記第１のスイッチング素子（Ｑ１）の電流遮断時に発生する一次線輪（１０）の逆起電力によって二次線輪（２０）に接続された点火栓（Ｐ）で誘導性火花放電を開始した後の当該火花放電中または終了前後に通電を行うことで前記キャパシタ（Ｃ１）の電荷を一次線輪（１０）に前記逆起電力と反対方向に瞬時に印加することを特徴とした内燃機関点火装置。
2. キャパシタ（Ｃ１）の電荷を点火コイル（Ｔｒ）の一次線輪に瞬時に印加するタイミングが内燃機関の回転数によって、変化する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関点火装置。
3. 点火のタイミングである第１のスイッチング素子（Ｑ１）の電流遮断の瞬間から、第２のスイッチング素子（Ｑ３）が通電するタイミングが、内燃機関の回転数１０００rpmの時０．７ms〜１．５ms、８０００rpmの時０．５ms以内の勾配をもって変化する構成としたことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の内燃機関点火装置。
4. 点火コイル（Ｔｒ）の二次線輪（２０）の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側にダイオードによって分路された内燃機関の燃焼イオン検出回路を検出電源と共に構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の内燃機関点火装置。
5. 点火コイル（Ｔｒ）の二次線輪（２０）の高電圧側に点火栓を接続し、低電圧側に内燃機関の燃焼イオン検出回路を検出電源と共に構成し、上記イオン検出開始時間を少なくとも内燃機関実用回転域においてＡＴＤＣ（圧縮上死点後）１５度程度としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の内燃機関点火装置。

Images