JP4575264B2 - イオン電流検出装置を備える点火装置 - Google Patents

Description

この発明は主として内燃機関に用いられるイオン電流検出装置を備える点火装置に関し、点火栓での放電点火後に発生する燃焼イオン電流を検出し、点火時期などの燃焼制御を行うものである。

従来より、内燃機関の点火装置においては、点火時に燃焼室内で発生するイオン電流を検出することで点火制御を行うものが幾つか提案されている（例えば、特開平１０−１４１１９７など）。

しかし、近年の排気ガス対策や燃費向上のための高圧縮リーン混合気での燃料直噴内燃機関などに対応するために、通常の高電流遮断方式の点火装置に加え、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など様々な高エネルギー点火装置が提案される一方、内燃機関の失火やノックなどの燃焼状態を検出するイオン電流検出装置は、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流源として利用しており、その充電電圧は、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、さらには当該損失に耐える放熱設計が必要となると云う欠点が有った。

さらに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、機関回転数の高い時にも放電持続時間が長いために、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。

上述の課題を解決するために、この発明では次のような構成とする。請求項１においては、点火装置を構成する点火コイルの一次側に駆動電源と、上記点火コイルの二次側に点火栓とイオン電流検出装置を備える点火装置において、当該イオン電流検出装置の電流源を構成するキャパシタに、上記キャパシタを分路するスイッチング素子を構成し、上記スイッチング素子は少なくとも点火栓での放電持続時間の前半はオン状態とする制御手段を有することによって、イオン検出電源電圧を上げても点火エネルギーの損失を最小限に抑えるイオン電流検出装置を備える点火装置を得る。

この発明の請求項２に係るイオン電流検出装置を備える点火装置では、上記点火装置は、多重放電型点火装置とすることにより、上記点火装置の放電回数制御と組み合わせてイオン電流検出時間を比較的自由に制御することが可能になることから、点火エネルギーを損なわない制御の特徴が最大限発揮される。

この発明の請求項３に係るイオン電流検出装置を備える点火装置では、点火装置の放電持続時間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することにより、機関の回転数に拘わらず燃焼状態のきめ細かな情報を、イオン電流検出によって得ることができる。

この発明の請求項４に係るイオン電流検出装置を備える点火装置では、上記スイッチング素子がオン状態からオフに移行する時間を、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度以前とすることにより、点火エネルギー損失を最小限にして、上記同様に燃焼状態のきめ細かな情報を、イオン電流検出によって得ることができる。

この発明の請求項５に係るイオン電流検出装置を備える点火装置では、前記多重放電型点火装置の多重放電の最後の一サイクルを残して、上記スイッチング素子をオフ設定することにより、制御の簡略化を図ることができる。

この発明によれば、近年の燃費と排気ガス対策で要求されている高圧縮リーン混合気での燃料直噴内燃機関などに対応するための高出力エネルギーの点火装置と、内燃機関の始動時から高回転域に至るまで燃焼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と併用して点火時期制御などをするイオン電流検出装置の組み合わせに対して、通常は点火エネルギーの損失源となるイオン電流検出装置の主回路を分路するスイッチング素子を構成して、当該スイッチング素子のスイッチング時間を適宜制御する制御手段を付加することによって、イオン検出電源電圧を上げても点火エネルギーの損失を最小限に抑えるイオン電流検出装置を備える点火装置を得る。

また、多重放電周期や回数を機関の回転数や負荷条件および前記電源電圧により適宜変更することのできる自由度の高い多重放電型点火装置と組み合わせて、イオン電流での燃焼悪化状態やノッキングをきめ細かく検出するために必要なＡＴＤＣ１５度程度からの判別時間を、機関の回転数によって放電持続時間を変化させるなどによって確保し、点火エネルギーの損失を最小限に抑えるイオン電流検出装置を備える点火装置を得ることが出来るものである。

図１は点火装置に多重放電型点火装置を用いたこの発明の実施例である。図２は当該実施例の作動を説明するための各部波形図であり、図３と図４は各々この発明の他の実施例であり、図中同一記号は機能が同一または同等のものである。

図１において、直流電源１と点火スイッチ２とエネルギー蓄積コイル３と逆流防止手段４およびスイッチング素子５の直列回路と、上記スイッチング素子５はキャパシタ６と点火コイル７の一次線輪７１による直列回路と定電圧ダイオードからなる上記スイッチング素子５の保護素子８のそれぞれによって分路されている。上記点火コイル７の二次線輪７２の出力の高電圧側には点火栓９、低電圧側にはイオン電流検出装置１００の端子１０が接続されている。また、スイッチング素子５の制御端子は駆動回路１１に接続され、さらに上記駆動回路１１の入力端子はＥＣＵ１２の出力端子に接続されている。上記イオン電流検出装置１００は、上記端子１０とキャパシタ１５とダイオード１６の直列回路を構成し、この直列回路は定電圧ダイオード１７と第二のスイッチング素子１８の各々によって分路されている。さらに上記キャパシタ１５とダイオード１６の接続点からイオン電流検出用のレジスタ１９を経てイオン検出回路２０に接続され、当該検出回路２０の出力端子１３は、上記ＥＣＵ１２の入力端子に接続されている。そして、上記第二のスイッチング素子１８の制御端子１４は上記ＥＣＵ１２の出力端子に接続されている。

上記逆流防止手段４、スイッチング素子５、キャパシタ６、点火コイル７、保護素子８，点火栓９および駆動回路１１およびイオン電流検出装置１００からなる構成は、内燃機関の一気筒当たりのユニットであり、通常はエネルギー蓄積コイル３とＥＣＵ１２を共用した多気筒で構成されるが、当該実施例では他の気筒のユニットを省略している。

点火スイッチ２が投入されるとエネルギー蓄積コイル３と逆流防止手段４とキャパシタ６および点火コイル７の一次線輪７１を電流が流れ、キャパシタ６には直流電源電圧までの電荷が蓄積される。次に、駆動回路１１と第二のスイッチング素子１８がＥＣＵ１２から時間ｔ0で各々が異なる信号を受け、スイッチング素子５がオンとなって上記キャパシタ６の充電電荷が一次線輪７１に放電すると同時に、エネルギー蓄積コイル３に電流が流れることにより誘導性エネルギーの蓄積が開始される一方、第二のスイッチング素子１８もまたオンとなる。

上記キャパシタ６の一次線輪７１への放電により、二次線輪７２に第二のスイッチング素子１８を介して１．６ｋＶ程度の電圧を誘起するが、点火栓９に放電するには至らず上記放電電荷はキャパシタ６のキャパシタンスと一次線輪７１のインダクタンスからなる自由振動、当該実施例の場合の振動周期０．４ｍＳにより、電流方向はスイッチング素子５への通電から保護素子８への通電に反転し終了してさらに０．２ｍＳ経過後、時間ｔ1でスイッチング素子５がオフとなって、エネルギー蓄積コイル３の蓄積エネルギーの誘起電圧３５０Ｖ程度により、上記キャパシタ６に充電すると同時に、当該充電初期の大電流が一次線輪７１に印加されることによって、二次線輪７２に低電圧ダイオード１７を介して４０ｋＶ程度の電圧を誘起して点火栓９に放電を開始する。

当該機関クランキングの最初の０．６ｍＳの放電遅れは、クランキング回転数の遅延角にして０．５度程度であるために問題にはならないが、当該時間は短く設定できる。

上記スイッチング素子５がオフ状態に移行しても、この間上記第二のスイッチング素子１８は、後述の時間ｔnまでオンを保持しているために、電流源であるキャパシタ１５に充電がされずイオン電流検出装置は静止している。

次に、上記放電終了する前の時間例えば０．３ｍＳの後に、時間ｔ2に改めてスイッチング素子５がオンとなることにより、キャパシタ６の高電荷が一次線輪７１に印加されて、二次線輪７２には第二のスイッチング素子１８を介し、前記放電電圧とは逆方向の電圧を誘起して、点火栓９に反転電流が流れると同時に、エネルギー蓄積コイル３に再度誘導エネルギーの蓄積が始まる。

次に、上記スイッチング素子５は、０．３ｍＳ後の時間ｔ3に再度オフと成ることにより、エネルギー蓄積コイル３の蓄積エネルギーの誘起電圧３００Ｖ程度により、上記キャパシタ６を充電を開始すると同時に、一次線輪７１を介して二次線輪７２に３４ｋＶ程度の電圧を誘起して、点火栓９の放電電流が反転する。

以下、スイッチング素子５は、０．３ｍＳの等間隔でオン・オフを繰り返すことにより、点火栓９ではキャパシタ６の放電による容量性放電と、エネルギー蓄積コイル３によるキャパシタ６充電による誘導性放電を交互に繰り返し、例えば５回繰り返しの後の時間ｔｎにスイッチング素子５がオフとなると、点火栓９の放電は終了するがキャパシタ６にはエネルギー蓄積コイル３の誘導エネルギーによる充電される電荷を十分に蓄えて、次の点火タイミングまで待機する。

上記時間ｔnではＥＣＵ１２から第二のスイッチング素子１８にもオフ信号が加わることによりオンからオフに移行し、上記スイッチング素子５が最終のオフになって点火栓９での火花放電が終了すると同時に、点火コイル７の二次線輪７２と点火栓までの間のインダクタンスと漏洩キャパシタンスによる数ｋＶの自由振動電圧によって、低電圧ダイオード１７によってほぼ制限される電圧までキャパシタ１５が充電される。

上記キャパシタ１５の充電電圧が二次線輪７２を介して点火栓９に印可されることにより、上述の多重放電火花により点火されて発生した燃焼イオン電流をレジスタ１９により検出してイオン検出回路２０にて増幅や波形処理をした後、端子１３を経てＥＣＵ１２に送信する。

再度点火タイミングが来ると、時間ｔ0でスイッチング素子５と第二のスイッチング素子１８がほぼ同時にオンとなり、キャパシタ６に前述した十分な充電電荷が一次線輪７１に印加されることにより、二次線輪７２に誘起された４０ｋＶ程度の電圧によって第二のスイッチング素子１８を介して点火栓９に火花放電を開始すると同時に、エネルギー蓄積コイル３に誘導エネルギーの蓄積が始まる。続いて０．３ｍＳ後の時間ｔ1にスイッチング素子５がオフとなると、上記誘導エネルギーがキャパシタ６の充電電流となると同時に、一次線輪７１を介して二次線輪７２に誘起された電圧により、定電圧ダイオード８を介して点火栓９には反転放電電流が流れ、当該放電が終了する前の０．３ｍＳ後の時間ｔ2に再度スイッチング素子５をオンとして、キャパシタ６の放電による容量性放電が点火栓９に再反転放電として行われ、以下、ＥＣＵ１２の制御信号に基づく駆動回路１１からの出力が継続する間、繰り返し多重放電が行われ、放電が終了すると同時にキャパシタ１５に定電圧ダイオード１７の制限電圧まで充電され、これにより燃焼イオン電流が検出されてイオン検出回路２０を経てＥＣＵ１２に送られる。

上述の作動は図２に示され、Ｓは機関の回転数や負荷条件および電源電圧により適宜制御判断されＥＣＵ１２が決定する点火動作範囲であり、イオン電流検出装置１００の不作動時間をも決めている。Ｖｓは上記同様に上記ＥＣＵ１２の決定する駆動回路１１へのスイッチング出力信号、Ｖｃはキャパシタ６の両端電圧、ｉ2は点火栓９の放電電流である。

図２に示されるように、点火栓９の放電の最初は４０ｋＶ程度の高い電圧を要求されるが、一度放電が行われると、点火栓９の近傍のイオン化により２５ｋＶ程度の低い電圧でも放電を継続することができるために、スイッチング素子５のスイッチング周期を上げて出力電圧を低下させている。

図２のｉ2で示される出力電流の最後の斜線部分ｉ0は放電終了後の自由振動電圧によってキャパシタ１５へされる充電電流を示しており、時間ｔｉからが実質的なイオン電流検出装置のイオン検出開始時間となる。

機関回転数が高くなると、これに反比例して放電持続時間Ｓを短く設定する必要があり、上記スイッチング素子５のオン・オフ周期を短くすることも行われるが、負荷条件によっては、まれに高い放電電圧が要求されることもあり、スイッチング素子５のスイッチング回数を減少させることが好ましく、点火装置の放電持続時間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することにより、機関の回転数に拘わらず燃焼状態のきめ細かな情報を、イオン電流検出によって得ることができる。

上述の放電持続時間を回転数に連動して制御する手段と、イオン電流検出装置１００の第二のスイッチング素子１８がオン状態からオフに移行する時間を同時制御することにより、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度以前とすることにより、点火エネルギー損失を最小限にして、上記同様に燃焼状態のきめ細かな情報を、イオン電流検出によって得ることができる。

当該実施例の出力電圧の高低制御は、エネルギー蓄積コイル３へのエネルギー蓄積通電時間、言い換えればスイッチング素子５のオン時間で決まり、特に、前述した点火スイッチ投入時の機関クランキング時の一発目以外は、時間ｔｎの直前のオン時間がエネルギー蓄積コイル３の蓄積エネルギーを決め、キャパシタ６の充電電荷量を左右することになるために、ことのほか重要である。特に、当該オン時間は、機関クランキング時とそれに続くアイドル回転時などの直流電源１の電圧が低い時に、長く設定される。

上記２９段落の安価な実現の方法は、通常時の時間ｔｎの直前のスイッチング素子５のオン時間は、それ以前のオン時間に対して比較的長く固定設定される。

この場合、イオン電流検出装置の第二のスイッチング素子１８のオンからオフに制御するタイミングを、上記固定設定に連動して上記多重放電型点火装置の最後の一サイクルを残してオフ設定することにより、制御の簡略化ができる。

上記エネルギー蓄積コイル３は最大通電時間設定に対して、通常は磁気飽和しないように設計されている。

図３は、この発明の第二の実施例であり、図１の実施例のイオン電流検出装置１００の部分のみ変更したものである。図１からの変更点はキャパシタ１５とダイオード１６の直列回路を分路していた定電圧ダイオード１７と第二のスイッチング素子１８の各々を上記キャパシタ１５のみを分路する回路とし、さらに上記ダイオード１６に逆向きに他のダイオード２１を追加したもので、キャパシタ１５への充電電荷電圧をより正確に設定することができる。

図４は、この発明の第三の実施例であり、図３と同様に図１の実施例のイオン電流検出装置１００の部分のみ変更したものである。図１からの変更点はキャパシタ１５とダイオード１６の直列回路を分路していた定電圧ダイオード１７のアノードを第二のスイッチング素子１８の制御端子に接続し、さらに別のダイオード２１を上記第二のスイッチング素子１８の制御端子に上記低電圧ダイオード１７と通電方向を揃えて接続したもので、キャパシタ１５への充電時の定電圧ダイオード１７の電流負担を第二のスイッチング素子１８で肩代わりしており、定電圧ダイオード１７には、多重放電型点火装置のスイッチング素子５のオフ時に流れる比較的ピーク電流の小さい反転放電電流のみが、ダイオード２１を介してスイッチング素子１８と分担して流れるために、定電圧ダイオード１７の少容量化が図れる。

何れの実施例に於いても当該定電圧ダイオード１７は、低い電圧設定の時でも多重点火エネルギーをそのまま印加すると大きな消費電力となるが、この発明では最小限の消費電力に設定できる。従って、定電圧ダイオード１７は通常のツェナーダイオードは勿論、アバランシェダイオードの使用も可能である。

また、多重放電型点火装置のスイッチング素子５や第二のスイッチング素子１８は、通常のトランジスタやＩＧＢＴおよびＦＥＴなど適宜選択することができる。

そして、実施例ではスイッチング素子５の保護素子８には定電圧ダイオードを用いたが、通常のダイオードでも良く、スイッチング素子５の制御端子に低抵抗器やダイオードを付加することにより、省略することも可能である。

同様に、実施例では放電持続時間を決める波形Ｓで示される信号や多重放電型点火装置のＶｓで示される多重放電周期波形の制御は、ＥＣＵ１２の制御ソフトウェアによるものとしたが、他のＩＣなどによっても構成できる。

さらに実施例では、容量性放電と誘導性放電を交互に繰り返す多重放電型点火装置をのみ示したが、他の点火装置で有っても点火エネルギーの一部をイオン電流検出装置の電流源を構成するキャパシタに充電する方式の点火装置である限り、この発明に係るイオン電流検出装置を備える点火装置の機能は何ら失われない。

発明の第一の実施例を示す図。 発明の第一の実施例の各部作動波形。 発明の第二の実施例の主要部分を示す図。 発明の第三の実施例の主要部分を示す図。

符号の説明

３：エネルギー蓄積コイル
４：逆流防止手段
５：スイッチング素子
６：キャパシタ
７：点火コイル
７１：一次線輪
７２：二次線輪
８：保護素子
９：点火栓
１００：イオン電流検出装置
１０，１３，１４：イオン電流検出装置の端子
１１：駆動回路
１２：ＥＣＵ
１５：キャパシタ
１６，２１：ダイオード
１７：定電圧ダイオード
１８：第二のスイッチング素子
１９：レジスタ
２０：イオン検出回路

Claims (5)

1. 点火装置を構成する点火コイルの一次側に駆動電源と、上記点火コイルの二次側に点火栓とイオン電流検出装置を備える点火装置において、当該イオン電流検出装置の電流源を構成するキャパシタに、上記キャパシタを分路するスイッチング素子を構成し、上記スイッチング素子は少なくとも点火栓での放電持続時間の前半はオン状態とする制御手段を有することを特徴とするイオン電流検出装置を備える点火装置。
2. 上記点火装置は、多重放電型点火装置とした請求項１に記載のイオン電流検出装置を備える点火装置。
3. 点火栓での放電持続時間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請求項１と２に記載のイオン電流検出装置を備える点火装置。
4. 上記スイッチング素子がオン状態からオフに移行する時間を、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度以前とした請求項１乃至３に記載のイオン電流検出装置を備える点火装置。
5. 前記多重放電型点火装置の多重放電の最後の一サイクルを残して、上記スイッチング素子をオフ設定した請求項１乃至４に記載のイオン電流検出装置を備える点火装置。

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