JP4640282B2 - 内燃機関の点火制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火制御装置にかかり、特に１回の燃焼行程内で点火プラグに点火放電を複数回生じさせるものに関する。

火花点火式の内燃機関にあっては、点火コイル等からなる点火装置によって点火プラグに点火放電が発せられ、その点火放電により燃焼室に導入された燃料が燃焼に供される。かかる点火装置では、点火コイルの一次側にバッテリ及びスイッチ手段が接続され、二次側に点火プラグが接続されている。そして、そのスイッチ手段がオン／オフされることによって点火コイルの充放電が行われ、点火プラグにおいて点火放電が生じる。

さて、燃焼状態を良好なものにするために１回の燃焼行程内で点火プラグに点火放電を複数回生じさせる、いわゆる多重放電技術が提案されている。この技術では、所定の多重放電期間の間、スイッチ手段を繰り返しオン／オフすることにより、点火プラグにおいて点火放電を繰り返し生じさせるようにしている。

例えば特許文献１では、点火コイルの一次側及び二次側の通電電流に応じてスイッチ手段をオン／オフしている。詳しくは、点火コイルの充電に際し、一次側の電流値が所定のしきい値に達すると、点火コイルが十分に充電されたとして、スイッチ手段をオフに切り替えて点火プラグに点火放電を発生させる。また、点火コイルの放電に際し、二次側の電流が所定のしきい値に達すると、スイッチ手段をオンに切り替えて点火コイルの充電を開始させる。これは、電気エネルギが残留している状態において充電を開始させることによって点火コイルの充電時間の短縮を図るためである。

しかしながら、この制御方法では、点火コイルの充電に際して、バッテリ電圧の変動によりその充電時間がばらつく。そして、充電時間が長くなった場合、点火プラグにて点火放電が発生しない期間が長くなって燃焼状態が悪化する。その結果、出力トルクが変動するなど内燃機関の出力に不具合が生じる。

また、筒内のガスの流れによって点火プラグにおける点火放電が吹き消えるなどのおそれがある。すなわち、その点火放電を維持するためには点火コイルの二次側にある程度の大きさの電流が流れる必要があるが、特許文献１の制御方法ではその電流が不足して点火放電が吹き消えるおそれがある。

特に近年では、希薄燃焼（リーンバーン）が実施されており、燃費向上のためにさらなるリーン化が行われつつある。そして、そのような希薄燃焼では、スワールやタンブルを生成することによりタービュランス（乱れ）を誘発して燃焼速度を向上させている。このため、筒内のガスの流速が大きくなって吹き消えが生じ易くなり、燃焼状態が悪化する問題が顕著になる。
特表２００３−５２１６１９号公報

本発明の目的は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、多重放電の際の燃焼状態の悪化を抑制し、ひいては良好な内燃機関の出力を得ることのできる内燃機関の点火制御装置を提供することである。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について説明する。

請求項１及び４に記載の発明では、点火コイルの二次側コイルを流れる二次電流を検出する電流検出手段を備える。そして、点火コイルの充電開始から所定の充電時間が経過するまでの期間で点火コイルの充電を実施するとともに、点火コイルの放電開始後、電流検出手段により検出した二次電流が所定の電流判定値に達するまでの期間で点火コイルの放電を実施する。

点火コイルは一次側コイル及び二次側コイルからなる。点火コイルの一次側コイルには電源より電力が供給され、スイッチ手段により一次側コイルに流れる電流が断続されるようになっている。点火コイルの二次側コイルには点火プラグが接続されている。かかる構成において、スイッチ手段をオン／オフすることにより点火コイルの充電及び放電が行われ、その充放電により点火プラグにて点火放電が繰り返し生じて多重放電が実施される。

ここで、点火コイルの充電に際し、その充電時間が長くなると、点火プラグにおいて点火放電が発生しない期間が長くなり、燃焼状態が悪化して内燃機関の出力に悪影響を及ぼすおそれがある。また、点火コイルの放電に際し、筒内のガスの流れによって、二次側コイルを流れる二次電流が不足した場合に点火放電が吹き消える他、点火コイルが十分に放電されないまま再充電が開始された場合に点火コイルが過剰に充電されて発熱するなどの問題が生じる。

この点、本発明によれば、多重放電のための点火コイルの充放電に際し、点火コイルの充電開始から所定の充電時間が経過するまでの期間で点火コイルの充電が行われるため、点火放電が発生しない期間が限定される。また、点火コイルの放電開始後には二次電流が所定の電流判定値に達するまでの期間で点火コイルの放電が行われるため、吹き消えが生じる前に点火コイルの充電が開始される。このとき、所定の電流値に達するまで点火コイルの放電が行われるため、点火コイルが過充電されることによる発熱のおそれがない。以上により、点火プラグにおいて点火放電が発生しない期間が短縮されて燃焼状態の悪化が抑制され、ひいては良好な内燃機関の出力を得ることができる。

請求項７に記載の発明では、電源の電圧を昇圧して一次側コイルに印加する昇圧回路を備える。

バッテリ等の電源の電圧を一次側コイルに印加する構成では、所望とする充電時間にて点火コイルの充電を行うことができない場合がある。したがって、昇圧回路を用いて電源の電圧を昇圧して一時側コイルに印加することにより、充電に要する時間を短縮し、望み通りの充電時間にて点火コイルの充電を行うと良い。

また、第１の構成では、スイッチ手段をオン／オフすることによりエネルギ蓄積コイルの充電及び放電を行わせ、その充放電により点火プラグにて点火放電を繰り返し生じさせて多重放電を実施する。そして特に、多重放電のためのエネルギ蓄積コイルの充放電に際し、エネルギ蓄積コイルの充電開始から所定の充電時間が経過するまでの期間でエネルギ蓄積コイルの充電を実施するとともに、エネルギ蓄積コイルの放電開始後、電流検出手段により検出した二次電流が所定の電流判定値に達するまでの期間でエネルギ蓄積コイルの放電を実施する。

本発明によれば、多重放電のためのエネルギ蓄積コイルの充放電に際し、所定の充電時間が経過するまでの期間でエネルギ蓄積コイルの充電が行われるため、点火放電が発生しない期間が限定される。また、エネルギ蓄積コイルの放電開始後には二次電流が所定の電流判定値に達するまでの期間でエネルギ蓄積コイルの放電が行われるため、吹き消えが生じる前にエネルギ蓄積コイルの充電が開始される。この場合、その後にエネルギ蓄積コイルが過充電されることによる発熱のおそれがない。以上により、点火プラグにおいて点火放電が発生しない期間が短縮されて燃焼状態の悪化が抑制され、ひいては良好な内燃機関の出力を得ることができる。

請求項８に記載したように、前記電源はバッテリであると良い。

請求項９に記載の発明では、内燃機関の運転状態情報を取得し、充電時間をその運転状態情報に基づいて可変設定する。

前述したように充電時間が長くなると燃焼状態が悪化するが、１回の燃焼行程内で一定以上の時間点火放電を発生させればよいため、その充電時間の境界は内燃機関の運転状態によって変化する。このため、内燃機関の運転状態情報を取得し、その運転状態情報に基づいて充電時間を可変設定する構成とすると良い。例えば、請求項１０に記載の発明のように、運転状態情報として内燃機関の回転速度を取得し、その回転速度が小さいほど充電時間を長く設定しても良い。また、請求項１１に記載の発明のように、多重放電を実施する多重放電期間が長いほど、充電時間を長く設定する構成としても良い。

請求項１に記載の発明では、内燃機関の筒内流速又はそれに相関する情報を取得し、電流判定値をその取得した流速情報に基づいて可変設定する。

点火プラグにおける点火放電は筒内のガスの流速が大きくなるほど吹き消え易くなる。すなわち、点火放電を維持するために必要な電流の大きさは筒内流速によって変化するものであり、その筒内流速又はそれに相関する情報に基づいて電流判定値を設定すると良い。

一般に、筒内流速を直接取得することは困難である。そこで、請求項２に記載の発明では、二次側コイルを流れる電流の変化態様を筒内流速情報とし、その変化態様に基づいて電流判定値を設定する。点火プラグにおいて消費される電気エネルギの量は筒内流速に依存するため、二次側コイルを流れる電流の変化の傾きなど、二次電流の変化態様に基づいて電流判定値を設定することができる。

また、筒内流速は内燃機関の回転速度や筒内の充填効率に依存するものであり、それらの内燃機関の運転状態に基づいて推測することができる。そこで、請求項３に記載の発明では、内燃機関の運転状態情報を筒内流速情報とし、その運転状態情報に基づいて電流判定値を設定する構成としている。

以上の請求項１〜３に記載の発明により、希薄燃焼等が実施され筒内流速が大きくなる場合であっても、その大きさに応じて電流判定値が設定される。これにより、点火プラグにおける点火放電の吹き消えが防止され、燃焼状態の悪化が回避される。

また、請求項４に記載の発明では、１燃焼サイクル中に多重放電が進むにつれて前記電流判定値を変更する。

多重放電を実施する場合にはその実施期間内において点火放電が継続されるが、その際、内燃機関のピストン位置の変化によって筒内圧力等が変化する。この場合、上記のとおり電流判定値を変更することにより、筒内圧力等の変化に合わせて二次側の放電エネルギを変えることができる。その結果、火花放電を良好な状態で継続させ、ひいては燃焼安定性を高めることができる。

ここで、点火制御では通常、ピストンの上死点前に多重放電が行われるため、１燃焼サイクル中で多重放電が進むにつれて筒内圧力が上昇し、それに伴い筒内流速が増加する。この点を考慮し、請求項５に記載したように、１燃焼サイクル中に多重放電が進むにつれて前記電流判定値を徐々に大きくすると良い。本構成によれば、多重放電が進むにつれて筒内流速が増加したとしても、点火放電が途切れる等の不都合が抑制できる。したがって、上記のとおり火花放電を良好な状態で継続させ、ひいては燃焼安定性を高めることができる。

又は、請求項６に記載したように、多重放電の実施に際し、内燃機関の筒内流速又はそれに相関する情報を逐次取得するとともに、該取得した流速情報に基づいて前記電流判定値を可変設定すると良い。この場合、多重放電実施時の筒内流速の変化に追従させて電流判定値を逐次変更することができる。本構成によっても、上記のとおり火花放電を良好な状態で継続させ、ひいては燃焼安定性を高めることができる。

なお、以下の手段を用いて筒内流速情報を取得すると良い。
・二次側コイルを流れる電流の変化態様を筒内流速情報として取得する。すなわち、点火プラグにおいて消費される電気エネルギの量は筒内流速に依存しており、二次電流の変化の傾きなど、二次電流の変化態様から筒内流速が推定できる。
・内燃機関の回転速度や筒内の充填効率といった内燃機関の運転状態情報を筒内流速情報として取得する。すなわち、筒内流速は内燃機関の回転速度や筒内の充填効率に応じて生じ、それら回転速度等から筒内流速が推定できる。

点火制御装置として、以下のシステム構成が適用できる。
・多重放電の実施に際し、二次側コイルに片側の極性で二次電圧を断続的に発生させる構成とする（請求項１２）。
・多重放電の実施に際し、二次側コイルに両側の極性で二次電圧を連続的に発生させる構成とする（請求項１３）。
・二次側コイルにおける二次電圧発生の都度、瞬時高電圧を発生させる構成とする（請求項１４）。特に本構成の場合、二次側コイルに瞬時高電圧が繰り返し生じることで、点火プラグにおいて火花を繰り返し生じさせることができる。これにより、良好なる筒内燃焼が実現できる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載ガソリンエンジンを対象として点火制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）からの点火指令に基づき点火プラグにて点火放電を生じさせることととしている。先ずは、図１を用いて点火制御システムの概略構成を説明する。

図１において、気筒ごとに設けられる点火コイル１０は、一次側コイル１０ａと二次側コイル１０ｂとからなる。一次側コイル１０ａは、その一端が電源回路１１を介してバッテリ１２の高電位（＋１２ボルト）側に接続され、他端がスイッチ手段としてのＩＧＢＴ１３を介して接地されている。ＩＧＢＴ１３のゲートは点火制御回路１４に接続されており、この点火制御回路１４によりＩＧＢＴ１３がオン／オフ制御されるようになっている。また、二次側コイル１０ｂは、その一端が点火プラグ１５に接続され、他端がツェナーダイオード１６及び電流検出用の抵抗１７を介して接地されている。電流検出用の抵抗１７の出力は点火制御回路１４に入力される。ここで、電源回路１１の出力電圧をＶｏとし、一次側コイル１０ａ及び二次側コイル１０ｂを流れる電流をそれぞれ一次側電流Ｉ１，二次側電流Ｉ２とする。

ＥＣＵ２０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等からなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することによってエンジンの各種運転状態を制御するものである。点火時期制御においてＥＣＵ２０は、エンジン回転速度やアクセル操作量などのエンジンの運転状態を表す運転状態情報を取得し、その運転状態情報に基づいて最適な点火時期を算出する。そして、その点火時期に応じて点火信号ＩＧｔを生成し、点火制御回路１４に出力する。また、本点火制御システムでは、燃焼状態を良好なものにするために１回の燃焼行程内で点火プラグ１５に点火放電を複数回生じさせる多重放電制御を実施する。このため、ＥＣＵ２０は、運転状態情報に基づいて点火放電を繰り返し生じさせる多重放電期間を算出する。そして、その多重放電期間を規定する多重期間信号ＩＧｗを生成し、点火制御回路１４に出力する。

点火制御回路１４は、ＥＣＵ２０より入力した点火信号ＩＧｔ及び多重期間信号ＩＧｗに基づきＩＧＢＴ１３をオン／オフをさせるための駆動信号ＩＧを出力する。詳しくは、点火信号ＩＧｔに従ってＩＧＢＴ１３をオン／オフし、点火時期にて初回の点火放電を生じさせる。その後、多重期間信号ＩＧｗによる多重放電期間の間、ＩＧＢＴ１３を繰り返しオン／オフし、点火プラグ１５に点火放電を繰り返し生じさせる。このような多重放電の動作の概要について、図２のタイムチャートを用いて説明する。

図２では、点火時期としてタイミングｔ１１において初回の点火放電を生じさせ、多重放電期間としてタイミングｔ１１〜ｔ１４の間で点火放電を繰り返し生じさせている。ここでは、一定の切替時間αごとにＩＧＢＴ１３をオン／オフする構成について説明する。

先ず点火時期前のタイミングｔ１０において、点火信号ＩＧｔがＨレベルに立ち上げられると、それを受けて駆動信号ＩＧがＨレベルに立ち上げられてＩＧＢＴ１３がオンされる。これにより、一次側コイル１０ａに一次側電流Ｉ１が流れ、点火コイル１０が充電される。その後、点火時期であるタイミングｔ１１において点火信号ＩＧｔがＬレベルに立ち下げられると、駆動信号ＩＧがＬレベルに立ち下げられてＩＧＢＴ１３がオフされる。これにより、点火コイル１０の放電に伴って点火プラグ１５に初回の点火放電が生じる。

また、タイミングｔ１１において、多重期間信号ＩＧｗがＨレベルに立ち上げられている。このため、タイミングｔ１１より切替時間αが経過したタイミングｔ１２において、駆動信号ＩＧがＨレベルに立ち上げられ、ＩＧＢＴ１３がオンされる。これにより、一次側コイル１０ａに一次側電流Ｉ１が再び流れ、点火コイル１０が再充電される。さらに切替時間αが経過してタイミングｔ１３になると、駆動信号ＩＧがＬレベルに立ち下げられ、ＩＧＢＴ１３がオフされる。これにより、点火プラグ１５に再び点火放電が生じる。

以後、タイミングｔ１４において多重期間信号ＩＧｗがＬレベルに立ち下がるまで、駆動信号ＩＧのＨ／Ｌレベルが切替時間αごとに切り替えられ、ＩＧＢＴ１３がオン／オフされる。これにより、多重放電期間の間、点火プラグ１５に点火放電が繰り返し発生する。

さて、上述したようにＩＧＢＴ１３のオン／オフを一定の切替時間αごとに切り替える制御には、筒内のガスの流れによって次のような不具合が生じる。図３は、ガスの流速νに応じて生じる不具合を説明するための図であり、図３（ａ）は流速νが大きい場合の不具合を示し、図３（ｂ）は流速νが小さい場合の不具合を示している。

ガスの流速νが大きい場合には、点火プラグ１５において消費される電気エネルギが多いため、図３（ａ）に示されるように、ＩＧＢＴ１３のオン／オフが繰り返されるごとに二次側電流Ｉ２のピーク値が次第に減少する。ここで、二次側電流Ｉ２が小さくなるとガスの流れによって点火放電が吹き消えるおそれがある。一方で、ガスの流速νが小さい場合には、点火プラグ１５において消費される電気エネルギが少ないため、図３（ｂ）に示されるように、ＩＧＢＴ１３のオン／オフが繰り返されるごとに一次側電流Ｉ１が次第に大きくなる。この結果、点火コイル１０の内部発熱が大きくなる。

ここで、点火放電が吹き消えるおそれがない二次側電流Ｉ２の大きさを放電維持電流Ｉｋとすると、放電維持電流Ｉｋとガスの流速νとは図４に示すような関係にある。すなわち、流速νが大きくなるほど放電維持電流Ｉｋは大きくなる傾向にある。特に希薄燃焼時の流速ν＝１５〜４０ｍ／ｓ程度（高流速領域）において、放電維持電流Ｉｋは３０〜８０ｍＡ程度になる。

そこで、本実施の形態における点火制御回路１４では、放電維持電流Ｉｋを設定するとともに、電流検出用の抵抗１７により二次側電流Ｉ２を検出してその検出値が点火維持電流Ｉｋに達するまでの期間において点火プラグ１５に点火放電を生じさせる。すなわち、二次側電流Ｉ２が展開時電流Ｉｋに達すると、駆動信号ＩＧをＨレベルに立ち上げてＩＧＢＴ１３をオンさせ、点火コイル１０の充電を開始させる。

ここで、本実施の形態では、放電維持電流Ｉｋを、点火放電が生じている際の二次側電流Ｉ２の変化態様に応じて設定する。詳しくは、ガスの流速νが大きいほど、点火プラグ１５において消費される電気エネルギが増加し、二次側電流Ｉ２の減少が早くなることに注目し、その変化の傾きに応じて放電維持電流Ｉｋを設定する。

また、本実施の形態における点火制御回路１４では、一定の充電時間Ｔｃで点火コイル１０を充電することとし、その充電開始から充電時間Ｔｃが経過するとＩＧＢＴ１３をオフさせて点火プラグ１５における点火放電を開始させる。これは、点火コイル１０の充電に要する時間が長くなると、点火プラグ１５において点火放電が発生しない期間が長くなり、燃焼状態が悪化してエンジンの出力トルクが変動するためである。

ところで、一次側コイル１０ａの印加電圧によっては、その充電時間Ｔｃ内で点火コイル１０を十分に充電することができない。図５は、一次側コイル１０ａの印加電圧と、点火コイル１０を十分に充電するために必要な充電所要時間との関係を示すものである。図５では、一次側電流Ｉ１が５Ａから１０Ａになるまでに要する時間が充電所要時間として示されている。また、ここでは、充電に要する時間が０．４ｍｓｅｃより大きくなるとエンジンの出力トルクの変動が生じる。

図５に示されるように印加電圧が大きい場合には充電所要時間は小さく、印加電圧が小さくなるにつれて充電所要時間は大きくなる。ここで、１２Ｖ程度のバッテリ電圧ＶＢでは、充電所要時間がエンジンの出力トルクの変動を生じる０．４ｍｓｅｃよりも大きく、望み通りの充電時間Ｔｃにて点火コイル１０を十分に充電することができない。このため、電源回路１１は、インダクタ、スイッチ素子及びコンデンサ等からなるＤＣＤＣコンバータを構成しており、バッテリ電圧ＶＢを昇圧して一次側コイル１０ａに印加する。

図６は、二次側電流Ｉ２及び充電時間Ｔｃに基づいてＩＧＢＴ１３をオン／オフ制御する場合の点火動作の概要を示すタイムチャートである。図６では、点火時期としてタイミングｔ２１において点火放電を生じさせ、多重放電期間としてタイミングｔ２１〜ｔ２４の間で点火放電を繰り返し生じさせることとしている。

先ずタイミングｔ２０では、点火信号ＩＧｔがＨレベルに立ち上げられ、それを受けて駆動信号ＩＧがＨレベルに立ち上げられる。そしてＩＧＢＴ１３がオンされ、点火コイル１０が充電される。その後タイミングｔ２１において、点火信号ＩＧｔが立ち下げられると、駆動信号ＩＧがＬレベルに立ち下げられ、ＩＧＢＴ１３がオフされる。これにより、二次側電圧Ｖ２が発生する。このとき、瞬時高電圧の発生に伴う絶縁破壊により、点火プラグ１５に初回の点火放電が発生する。

その後、点火プラグ１５の点火放電による電気エネルギの消費により、二次側電流Ｉ２の大きさが次第に小さくなる。このとき、点火制御回路１４において二次側電流Ｉ２が逐次検出され、その二次側電流Ｉ２の傾きに応じて放電維持電流Ｉｋが可変設定される。そしてタイミングｔ２２において二次側電流Ｉ２が放電維持電流Ｉｋよりも小さくなると、駆動信号ＩＧがＨレベルに立ち上げられてＩＧＢＴ１３がオンされ、点火コイル１０の充電が開始される。点火コイル１０の充電は充電時間Ｔｃの間行われる。その充電時間Ｔｃの経過後のタイミングｔ２３では、駆動信号ＩＧがＬレベルに立ち下げられてＩＧＢＴ１３がオフされ、再度二次側電圧Ｖ２が発生し、点火プラグ１５に再び点火放電が生じる。このとき、前記同様、瞬時高電圧が発生し、再点火が行われる。

以後、タイミングｔ２４において多重期間信号ＩＧｗが立ち下がるまで、二次側電流Ｉ２と充電時間Ｔｃに基づいて駆動信号ＩＧのＨ／Ｌレベルが切り替えられ、ＩＧＢＴ１３がオン／オフされる。これにより、点火プラグ１５に点火放電が繰り返し生じる。多重放電の実施に際しては、駆動信号ＩＧがＨ→Ｌに切り替えられる都度、二次側電圧Ｖ２として瞬時高電圧が発生するため、点火プラグ１５における放電火花が多重放電期間内で途切れてしまうといった不都合が生じないようになっている。

以上、詳述した実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

多重放電のための点火コイル１０の充放電に際し、点火コイル１０の充電開始から所定の充電時間Ｔｃが経過するまでの期間で点火コイル１０の充電を行うようにした。これにより、点火プラグ１５において点火放電が発生しない期間が限定される。また、点火コイル１０の放電開始後には二次側電流Ｉ２が放電維持電流Ｉｋに達するまでの期間で点火コイル１０の放電を行うようにした。これにより、点火放電が吹き消える前に点火コイル１０の充電が開始される。以上により、点火プラグ１５において点火放電が発生しない期間が短縮されて燃焼状態の悪化が抑制され、ひいては良好な内燃機関の出力を得ることができる。

ここで、バッテリ１２と一次側コイル１０ａとの間に電源回路１１を設け、一次側コイル１０ａにバッテリ電圧ＶＢを昇圧した出力電圧Ｖｏを印加するように構成した。これにより、充電に要する時間が短縮されるため、望み通りの充電時間Ｔｃで点火コイル１０を充電することができる。

また、放電維持電流Ｉｋを筒内のガスの流速νに基づいて設定する構成とした。これにより、流速νに応じてＩＧＢＴ１３がオン／オフ制御され、点火コイル１０が過充電されることが回避されつつ、点火放電の吹き消えが防止される。特に、希薄燃焼等が実施され流速νが大きくなる場合であっても、その大きさに応じて放電維持電流Ｉｋが設定されるため、点火放電の吹き消えが防止される。したがって、吹き消えによる燃焼状態の悪化が回避される。

なお、本発明は以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、以下のように実施しても良い。

上記実施の形態では、充電時間Ｔｃを一定の時間としたが、これに限らない。充電時間Ｔｃをエンジンの運転状態に応じて可変設定する構成としても良い。図７は、各種エンジンの運転状態とエンジンの出力に悪影響を与えない充電時間との関係を示す図である。図７（ａ）に示されるようにエンジン回転速度が小さいほどその充電時間は長くなる。また、図７（ｂ）に示されるように多重放電期間が長いほど充電時間は長くなる。すなわち、多重放電においては１回の燃焼行程内で所定以上の期間点火放電を発生させれば良いため、回転速度が小さいほど、又は多重放電期間が長いほど、充電時間Ｔｃを長く設定する構成としても良い。これにより、ＩＧＢＴ１３の切り替え頻度が少なくなり、バッテリ１２や電源回路１１などの負荷の低減や、点火コイル１０や点火プラグ１５などの劣化を抑制することができる。

上記実施の形態では、二次側電流Ｉ２の変化の傾きを流速νに相関する流速情報とし、その傾きに基づいて放電維持電流Ｉｋを設定したが、この他に二次側電流Ｉ２が所定の電流分減少するのに要する時間を流速νに相関する流速情報とし、その時間に基づいて放電維持電流Ｉｋを設定する構成としても良い。

また、ガスの流速νはエンジン回転速度や筒内充填効率などに依存するものであるから、エンジン回転速度や筒内充填効率などに基づいて流速νを推定することが可能である。このため、エンジン回転速度や筒内充填効率などといったエンジンの運転状態情報を取得するとともに、その運転状態情報に基づいて放電維持電流Ｉｋを設定する構成としても良い。かかる構成においても、ガスの流速νに応じて点火コイル１０の充放電が制御されるため、点火放電の吹き消えが防止される。

上記実施の形態では、点火制御システムとして電源回路１１から点火コイル１０に対し電気エネルギを供給する構成としたが、これに限らない。ＣＤＩ回路（容量放電式点火回路）と組み合わせ、そのＣＤＩ回路及び電源回路１１から電気エネルギを供給する点火制御システムにも適用可能である。この点火制御システムの概略を図８に示す。図８では、図１で使用した記号等はそのまま準用することとし、以下、相違点について説明する。

図８において、一次側コイル１０ａには、電源回路１１と並列にＣＤＩ回路Ａが接続されている。すなわち、ＣＤＩ回路Ａとして、バッテリ１２にはエネルギ蓄積コイル３１とＩＧＢＴ３２が直列に接続されている。エネルギ蓄積コイル３１には、駆動信号ＤＳによってＩＧＢＴ３２がオンされたときに電気エネルギが蓄えられる。また、エネルギ蓄積コイル３１とＩＧＢＴ３２との間にはダイオード３３を介してコンデンサ３４が接続されている。このコンデンサ３４はエネルギ蓄積コイル３１に蓄えられた電気エネルギにより充電される。そして、コンデンサ３４は一次側コイル１０ａに接続されている。

また、電源回路１１と一次側コイル１０との間には、逆流防止用のダイオード３５が追加される。一方で、二次側コイル１０ｂに接続されていたツェナーダイオード１６が除かれて二次側コイル１０ｂと電流検出用の抵抗１７とが接続されている。

かかる構成においてＩＧＢＴ３２は点火制御回路１４によりオン／オフ制御される。ＣＤＩ回路ＡのＩＧＢＴ３２は、一次側コイル１０ａに接続されたＩＧＢＴ１３とはオン／オフが逆に制御される。これにより、多重放電期間においてＩＧＢＴ１３，３２が繰り返しオン／オフされると、二次側コイル１０ｂに正／負の二次側電流Ｉ２が流れ、点火プラグ１５に点火放電が連続的に発生する。

図９は、本実施形態における点火制御動作を示すタイムチャートである。図９では、点火時期であるタイミングｔ３１において初回の点火放電を生じさせ、多重放電期間であるタイミングｔ３１〜ｔ３４の間で点火放電を繰り返し生じさせることとしている。

先ずタイミングｔ３０では、点火信号ＩＧｔがＨレベルに立ち上げられ、それを受けて駆動信号ＤＳがＨレベルに立ち上げられる。これにより、ＩＧＢＴ３２がオンされ、エネルギ蓄積コイル３１が充電される。その後、タイミングｔ３１において、点火信号ＩＧｔが立ち下げられると、駆動信号ＤＳがＬレベルに立ち下げられると同時に、駆動信号ＩＧがＨレベルに立ち上げられ、ＩＧＢＴ３２＝オフ、ＩＧＢＴ１３＝オンとされる。これにより、電源回路１１、エネルギ蓄積コイル３１及びコンデンサ３４からの給電により一次側電流Ｉ１が流れるとともに、負極性の二次側電圧Ｖ２が発生し、図示の如く二次側電流Ｉ２が負の向きに流れる。このとき、瞬時高電圧の発生に伴う絶縁破壊により、点火プラグ１５に初回の点火放電が発生する。

その後、点火プラグ１５の点火放電による電気エネルギの消費により、二次側電流Ｉ２の大きさ（絶対値）が次第に小さくなる。このとき、点火制御回路１４において二次側電流Ｉ２が逐次検出され、その二次側電流Ｉ２の傾きに応じて放電維持電流Ｉｋが可変設定される。そして、タイミングｔ３２において二次側電流Ｉ２が放電維持電流Ｉｋよりも小さくなると、駆動信号ＤＳがＨレベルに立ち上げられると同時に、駆動信号ＩＧがＬレベルに立ち下げられ、ＩＧＢＴ３２＝オン、ＩＧＢＴ１３＝オフとされる。これにより、エネルギ蓄積コイル３１が再充電されるとともに、正極性の二次側電圧Ｖ２が発生する。この二次側電圧Ｖ２により、点火プラグ１５での点火放電が継続される。

そして、エネルギ蓄積コイル３１を充電するための所定の充電時間Ｔｃが経過したタイミングｔ３３では、再び駆動信号ＤＳがＬレベルに立ち下げられると同時に、駆動信号ＩＧがＨレベルに立ち上げられ、ＩＧＢＴ３２＝オフ、ＩＧＢＴ１３＝オンとされる。これにより、再び負極性の二次側電圧Ｖ２が発生し、点火プラグ１５に点火放電が発生する。このとき、前記同様、瞬時高電圧が発生し、再点火が行われる。

以後、タイミングｔ３４において多重期間信号ＩＧｗが立ち下げられるまで、二次側電流Ｉ２と充電時間Ｔｃに基づいてＩＧＢＴ１３，３２が交互にオン／オフされ、点火プラグ１５に点火放電が繰り返し生じる。このとき、駆動信号ＩＧがＬ→Ｈに切り替えられる都度、二次側電圧Ｖ２として瞬時高電圧が発生するため、点火プラグ１５における放電火花が多重放電期間内で途切れてしまうといった不都合が生じないようになっている。

このようなＣＤＩ回路を含む点火制御システムにおいても、多重放電の実施に際し、充電時間Ｔｃと二次側電流Ｉ２に基づいてＩＧＢＴ１３，３２をオン／オフさせることにより、点火プラグ１５に効率的に電気エネルギが供給される。したがって、点火放電が発生しない期間が短くなり、燃焼状態の悪化が抑制される。

上記各実施の形態では、多重放電の実施に際し、二次側電流Ｉ２の変化をモニタするための放電維持電流Ｉｋ（電流判定値）を都度の筒内流速に応じて可変設定していたが、同一の燃焼サイクル内で見ると放電維持電流Ｉｋは固定値としていた。この構成を変更し、１燃焼サイクル中において多重放電の進行に伴い放電維持電流Ｉｋを変更することも可能である。

例えば、図１０（ａ）に示すように、多重放電の実施に際し、多重放電の進行に伴い放電維持電流Ｉｋ（絶対値）を徐々に大きくする。この場合、初回の放電時における放電維持電流Ｉｋに関してはその時の筒内流速に応じて電流値設定を行い（ただし、固定値でも可）、その後、多重放電の進行に伴い放電維持電流Ｉｋ（絶対値）を徐々に大きくする。ちなみに、図１０（ａ）において、放電維持電流Ｉｋの変化の傾きは一定であり、一次側コイル１０ａやエネルギ蓄積コイル３１の充電が行われる各充電時間は一定である（Ｔｃ１＝Ｔｃ２）。

要するに、点火制御では通常、ピストンの上死点前に多重放電が行われるため、１燃焼サイクル中で多重放電が進むにつれてピストン位置が上死点に近づき、筒内圧力が上昇する。それに伴い筒内流速（ガス流速）が増加する。かかる場合、多重放電の進行に伴い放電維持電流Ｉｋを徐々に大きくすることにより、多重放電が進むにつれて筒内流速が増加したとしても、点火放電が途切れる等の不都合が抑制できる。

図１０（ｂ）に示すように、放電維持電流Ｉｋの変化の傾きを多重放電の進行に伴い徐々に大きくすることも可能である。この場合、多重放電の終了に近づくほど放電条件が悪くなるが、放電火花が消失してしまうことがより確実に防止できる。

また、図１０（ｃ）に示すように、各充電時間を多重放電の進行に伴い増加させ、火花放電のための投入エネルギを増加させることも可能である（Ｔｃ１＜Ｔｃ２とする）。この場合、多重放電の終了に近づくほど放電条件が悪くなるが、放電火花が消失してしまうことがより確実に防止できる。

上記の図１０（ａ）〜（ｃ）のいずれであっても、火花放電を良好な状態で継続させ、ひいては燃焼安定性を高めることができる。

また、上記のように多重放電の進行に伴い放電維持電流Ｉｋを変更する場合、筒内流速情報（ガス流速ν）を逐次取得し、その筒内流速情報に基づいて放電維持電流Ｉｋを可変設定することも可能である。このとき、前記図４の関係を用いて都度の放電維持電流Ｉｋを決定すると良い。この場合、多重放電実施時における筒内流速の変化に追従させて放電維持電流Ｉｋを逐次変更することができる。本構成によっても、上記のとおり火花放電を良好な状態で継続させ、ひいては燃焼安定性を高めることができる。

上記実施形態では、電源としてバッテリを用い、このバッテリからの給電により一次側コイル１０ａやエネルギ蓄積コイル３１の充電を行う構成としたが、この構成を変更する。例えば、電源として交流発電機やレギュレータなどからなる発電装置を備える場合に、その発電装置により発電される電力により一次側コイル１０ａやエネルギ蓄積コイル３１の充電を行う構成としても良い。

点火制御システムの概略を示す構成図である。 一定の切替時間にてＩＧＢＴのオン／オフを切り替える場合の点火動作を示すタイムチャートである。 流速の大小による点火制御システムの不具合を説明するための図である。 筒内のガスの流速と放電維持電流との関係を示す図である。 一次側コイルの印加電圧と充電所要時間との関係を示す図である。 本実施の形態における点火動作の概要を示すタイムチャートである。 エンジン運転状態と放電維持電流との関係を示す図である。 ＣＤＩ回路を有した点火制御システムの概略を示す構成図である。 別の実施形態において点火動作の概要を示すタイムチャートである。 別の実施形態において二次側電流の変化波形を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０…点火コイル、１０ａ…一次側コイル、１０ｂ…二次側コイル、１１…昇圧回路としての電源回路、１２…電源としてのバッテリ、１３…スイッチ手段としてのＩＧＢＴ、１４…点火制御回路、１５…点火プラグ、１７…電流検出手段としての抵抗、２０…ＥＣＵ、３１…エネルギ蓄積コイル、３２…ＩＧＢＴ、Ａ…ＣＤＩ回路。

Claims (14)

1. 一次側コイル及び二次側コイルからなる点火コイルと、前記一次側コイルに電力を供給する電源と、前記一次側コイルに流れる電流を断続するスイッチ手段と、前記二次側コイルに接続された点火プラグとを備え、
   前記スイッチ手段をオン／オフすることにより前記点火コイルの充電及び放電を行わせ、その充放電により前記点火プラグにて点火放電を繰り返し生じさせて多重放電を実施する内燃機関の点火制御装置において、
   前記二次側コイルに流れる二次電流を検出する電流検出手段と、
   前記多重放電のための前記点火コイルの充放電に際し、前記点火コイルの充電開始から所定の充電時間が経過するまでの期間で前記点火コイルの充電を実施するとともに、前記点火コイルの放電開始後、前記電流検出手段により検出した二次電流が所定の電流判定値に達するまでの期間で前記点火コイルの放電を実施する点火制御手段と、
   前記内燃機関の筒内流速又はそれに相関する情報を取得する手段と、
   該手段により取得した流速情報に基づいて前記電流判定値を可変設定する手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
2. 前記電流検出手段により検出した二次電流の変化態様を前記流速情報とし、その変化態様に基づいて前記電流判定値を設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
3. 前記内燃機関の運転状態情報を取得する手段を備え、該手段により取得した運転状態情報を前記流速情報とし、その運転状態情報に基づいて前記電流判定値を設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
4. 一次側コイル及び二次側コイルからなる点火コイルと、前記一次側コイルに電力を供給する電源と、前記一次側コイルに流れる電流を断続するスイッチ手段と、前記二次側コイルに接続された点火プラグとを備え、
   前記スイッチ手段をオン／オフすることにより前記点火コイルの充電及び放電を行わせ、その充放電により前記点火プラグにて点火放電を繰り返し生じさせて多重放電を実施する内燃機関の点火制御装置において、
   前記二次側コイルに流れる二次電流を検出する電流検出手段と、
   前記多重放電のための前記点火コイルの充放電に際し、前記点火コイルの充電開始から所定の充電時間が経過するまでの期間で前記点火コイルの充電を実施するとともに、前記点火コイルの放電開始後、前記電流検出手段により検出した二次電流が所定の電流判定値に達するまでの期間で前記点火コイルの放電を実施する点火制御手段と、
   １燃焼サイクル中に多重放電が進むにつれて前記電流判定値を変更する判定値変更手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
5. 前記判定値変更手段は、１燃焼サイクル中に多重放電が進むにつれて前記電流判定値を徐々に大きくすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の点火制御装置。
6. 前記多重放電の実施に際し、前記内燃機関の筒内流速又はそれに相関する情報を逐次取得する手段をさらに備え、
   前記判定値変更手段は、前記取得した流速情報に基づいて前記電流判定値を可変設定することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の点火制御装置。
7. 前記電源の電圧を昇圧して前記一次側コイルに印加する昇圧回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の内燃機関の点火制御装置。
8. 前記電源はバッテリであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃機関の点火制御装置。
9. 前記内燃機関の運転状態情報を取得する手段と、該手段により取得した運転状態情報に基づいて前記充電時間を可変設定する手段とを備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃機関の点火制御装置。
10. 前記運転状態情報として前記内燃機関の回転速度を取得し、該取得した回転速度が小さいほど前記充電時間を長く設定することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の点火制御装置。
11. 前記内燃機関の運転状態情報を取得する手段と、該手段により取得した運転状態情報に基づいて前記多重放電を実施する多重放電期間を算出する手段と、該手段により算出した多重放電期間が長いほど前記充電時間を長く設定する手段とを備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃機関の点火制御装置。
12. 前記多重放電の実施に際し、前記二次側コイルに片側の極性で二次電圧を断続的に発生させる構成としたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の内燃機関の点火制御装置。
13. 前記多重放電の実施に際し、前記二次側コイルに両側の極性で二次電圧を連続的に発生させる構成としたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の内燃機関の点火制御装置。
14. 前記二次側コイルにおける二次電圧発生の都度、瞬時高電圧を発生させる構成としたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の内燃機関の点火制御装置。

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