JP4982470B2

JP4982470B2 - 内燃機関の点火制御装置または点火制御方法

Info

Publication number: JP4982470B2
Application number: JP2008291627A
Authority: JP
Inventors: 修向原; 憲一町田; 拓也白石
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: JP2010116879A

Description

本発明は、内燃機関の点火制御装置または点火制御方法に関する。詳しくは燃焼方式に応じ、適切な放電エネルギの消費形態（以下、放電パターン）を提供することを特徴とした点火制御装置または点火制御方法に関する。

火花点火式の内燃機関では、着火性や燃焼安定性の向上を目的として、１気筒に対して、複数の点火コイルを備えた内燃機関が公知である。例えば、特許文献１では、１気筒に対して、１本の点火プラグと２本の点火コイルを備え、成層燃焼において、燃焼室内の混合気が丸まった形状である場合は、１回目の点火と２回目の点火の間隔を狭くし、混合気の形状が長くなっている場合には、１回目と２回目の点火間隔を広げる技術などが挙げられる。

特許３７６７３８３号公報

しかしながら、燃焼方式に関わらず、燃焼改善を行う際に内燃機関より要求される前記放電パターンは状況により異なる。例えば、均質燃焼でリーン限界の拡大を図る場合、またはＥＧＲを大量に燃焼室へ導入する場合などでは、放電開始直後にピークとなる二次電流が高い方が望ましいとされているのに対し、成層燃焼を行う場合では、ある程度の二次電流を確保した上で、放電時間を長くすることが望ましいとされている。また、燃焼方式が均質燃焼から成層燃焼または成層燃焼から均質燃焼へ切換わる際の点火要求については触れていない。

上記問題を鑑み、本発明では、１気筒に１本の点火プラグと、少なくとも２つ以上の点火コイルを備え、燃焼方式の切換えに対し、前記点火パターンを変化させる様に、それぞれの点火コイルを同時または個別に制御する。

内燃機関の燃焼方式に応じ、最適な点火制御を行うことで燃焼改善を行うことができる。

以下、実施例を詳細に記載する。

図１に、本発明の実施例１に関する構成図を示す。なお、本実施例では主として多気筒エンジンを想定しているが、以降の図では簡素化のため１つの気筒について説明する。図１は、代表的な成層燃焼が行える内燃機関（１０１）の構成図である。この内燃機関（１０１）の特徴として、燃焼室内に直接燃料を噴射することができる燃料噴射弁（１０８）を備えている。まず、大気中の空気は吸気経路（１０３）から、エアフィルタ（図示せず）を経由し燃焼室（１０９）へ吸入される。更に吸気経路（１０３）内には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ（図示せず）や吸入空気量の調整を行う電制スロットル弁（図示せず）が設けられており、コントロールユニット（１０２）は吸入空気量の算出や電制スロットル弁（図示せず）の制御を行う。電制スロットル弁（図示せず）の下流側には、ガス流動制御弁であるＴＧＶ（１０５）と仕切り板（１０４）が備わっており、吸気弁（１０７）近傍に出口が開口している副吸気通路を設けることで、燃焼室（１０９）へ吸入した空気が燃焼室（１０９）内に対して縦方向に流れるタンブル流（１１４）を発生できるようにしている。このとき、ガス流動の形成を制御するため、副吸気通路から供給される空気量を制御する必要があり、ＴＧＶ（１０５）を用い、本来の吸気経路（１０３）から供給される空気量との比率が制御できるようにしている。一方、燃料は燃料タンク（図示せず）から汲上げを行うリフトポンプ（図示せず）により高圧燃料ポンプ（図示せず）へ送られ、高圧燃料ポンプ（図示せず）によって昇圧された後、ギャラリー（図示せず）を介して燃料噴射弁（１０８）で燃焼室（１０９）内へ直接噴射される。成層燃焼を行う場合は、圧縮行程中に燃料噴射弁（１０８）から燃料を燃焼室（１０９）へ噴射することで、点火プラグ（１１１）周辺に燃焼可能な混合気を形成することを特徴としており、図内では、噴霧１（１１５）と噴霧２（１１６）がこれに該当する。噴霧１（１１５）は、ピストン（１１０）に向い、燃料噴射弁（１０８）が噴射し、ピストン（１１０）の冠面に衝突した燃料が上方向へ巻き上げられ、点火プラグ（１１１）の方向へ向う。噴霧２は、燃料噴射弁（１０８）から直接、点火プラグ（１１１）方向へ向う様に設定されており、点火プラグ（１１１）は、この噴霧の塊となった混合気に点火することで燃焼が始まるが、毎回（燃焼サイクル毎）、混合気は同じタイミングで点火プラグへ到達するとは限らず、また同じ形状をした混合気になる訳ではない。更に燃焼後の混合気は、排出ガスとして排気弁（１１２）が開いた際に、燃焼室（１０９）外へ排気経路（１１３）を経由し、大気へ排出される。排気経路（１１３）内には、排出ガスを浄化する目的で、触媒（図示せず）が備わっている。

実施例１の点火制御装置について、更に詳しく述べると、コントロールユニット（１０２）は、クランクシャフト（図示せず）の回転角を基準とした所定のタイミングで点火プラグ（１１１）が火花を飛ばせるように制御を行っている。コントロールユニット（１０２）から点火信号（１１７，１１８）を点火コイル（１０６）へ出力するが、点火信号１（１１７）と点火信号２（１１８）は独立した制御が行えるため、同時点火を行う場合以外にも、個別点火を行うことができる。点火コイル（１０６）は、それぞれの点火信号（１１７，１１８）に基づき、点火コイル（１０６）内の複数備わる一次コイルで電気エネルギの充電または遮断を行う。点火信号（１１７，１１８）により電気エネルギが遮断されたタイミングで、電磁誘導の作用により、点火コイル内の二次コイル側へ高電圧となった電気エネルギが発生する。この二次コイルから出力された高電圧の電気エネルギが点火プラグ（１１１）へ送られ、火花となるが、この際、点火プラグ（１１１）の中心電極と外側電極間の隙間（以下、火花ギャップ）の周辺状態によって、火花が飛び始める二次電圧の要求値（以下、要求二次電圧）が決まるため、前記要求二次電圧を点火コイル（１０６）が供給する二次電圧が超えた場合、火花が放たれることになり、この火花が飛んだ瞬間が実際の点火時期となる。前記要求二次電圧は言い換えると、内燃機関側から要求されると言え、更に詳しく述べると点火プラグ（１１１）周辺の状態（圧力，温度，湿度，空燃比など）と点火プラグ（１１１）の形状や材質などによって決定される。点火コイル（１０６）側から言うと、前記要求二次電圧を超える二次電圧を供給することが要求される。尚、本図では、点火コイル（１０６）の一次コイルを２経路と二次コイルを１経路備えた点火コイルとしているが、通常の点火コイルを並列に２本以上備え、点火プラグ（１１１）へ放電を行う場合においても同様の効果を得ることができる。

次に点火信号と点火コイルに関する説明を、図２を用いて説明する。図２は、従来（点火コイル１本と点火プラグ１本を備えた内燃機関）の点火制御装置に関する信号を計測した結果である。図内一番上は、コントロールユニット（図１内１０２）から出力された点火信号（２０１）である。点火信号（２０１）は、通常、Lowレベルとなっており、点火を行う場合、点火信号（２０１）はHighレベルとなるが、点火信号（２０１）がHighレベルとなる間、点火コイル内の一次コイルへ電気エネルギを充電（充填）する期間となる。これを通電時間（２０６）と呼ぶ。点火信号（２０１）が再び、Lowレベルとなった際、点火コイルは一次コイルへの充電を遮断し、放電を開始する。このタイミングのことを点火時期と呼ぶ（２０７）。次に一次電流について説明する。図内上から２番目の一次電流（２０２）は、図の上方向になるほど、電流値が高くなることを指し、電流値が高くなるほど、一次コイル内に電気エネルギが充電されていることを指す。この充電に伴う一次電流の上昇曲線は、一次コイルの内部インダクタンスに依存しており、インダクタンスが大きいと充電に伴う電流値の上昇が遅れる（同電流値を得るまでに要する時間が掛かる）が、大きな電流を溜めることができる。また、通常、点火コイルには電流制限の回路が備わっており、例えば、通電時間（２０６）を図内の時間より更に長くし、充電される一次電流（２０２）を大きくしようとしても、ある一定量の電流値に到達した時点で、これ以上一次コイルへ電流を充電することができない仕組みとなっている。点火信号（２０１）がLowレベルになった瞬間に、一次電流（２０２）は急激に降下するが、これは、一次コイル内の電気エネルギが二次コイルへ移動したことを指す。また、一次電流が遮断される直前に最大値となる一次電流（２０２）の値を一次遮断電流（２０８）と言う。一次コイルから二次コイルへ移動した電気エネルギの表記は、図２の上から３番目が二次電圧（２０３）と図２の上から４番目の二次電流（２０４）となる。二次電圧（２０３）と二次電流（２０４）は、図の下方向になるほど、値が大きくなることを示す。点火コイルが供給できる二次電圧は、一次コイルに印加された電圧と一次コイルの巻き数と二次コイルの巻き数の比など（巻数比）から決まるが、前記要求二次電圧を点火コイルが供給できる二次電圧が高くなければならない。この前記要求二次電圧と点火コイルが供給できる二次電圧が逆転した場合、点火プラグから火花が放たれず、結果的に失火を招くことになる。具体的には、前記要求二次電圧がなんらかの理由により上昇し、点火コイルの供給する二次電圧がこれを満たすことができない場合が挙げられる。これに対し、二次電流（２０４）については、点火コイル内部の抵抗値や二次コイルのインダクタンスなどから決定され、火花が継続する時間＝放電時間（２０９）と密接な関係性がある。一般的に放電時間（２０９）が長くなる性質の点火コイルほど、二次電流（２０４）は低くなり、逆に放電時間（２０９）が短くなる性質の点火コイルほど、二次電流（２０４）は高くなる。前記放電パターン（２０５）は、点火プラグからの放電エネルギを示したものであり、放電エネルギの変化を確認することができる。放電エネルギは、二次電圧×二次電流×時間の式で求めることができるため、図内では、斜線（２１０）の面積がこれに当たる。この放電エネルギ（２１０）の面積が大きいほど、内燃機関の燃焼状態が悪い場合に燃焼安定性などに効果が期待できる。

続いて、前記放電パターンについて、図３を用いて説明を行う。図３は、放電時間が短い特性を持つ短放電型点火コイルの前記放電パターン（３０１）と放電時間が長い特性を持つ長放電型点火コイルの前記放電パターン（３０２）と、短放電型点火コイルと長放電型点火コイルを同時に点火することで得ることができる前記放電パターン（３０３）を示した図である。短放電型点火コイルの前記放電パターン（３０１）は、長放電型点火コイルの前記放電パターン（３０２）に比べ、放電時間が短いことが特徴であるが（３０５，３０６）、更に点火直後（＝点火時期（図内：３０４））でピークとなる放電エネルギ（３１０）が長放電型点火コイルの放電エネルギピーク（３１１）より高いことが挙げられる。放電エネルギのピークが高いと言うことは、二次電流が高いことであるとも言える。何故なら、二次電圧は前記要求二次電圧（内燃機関の運転状態など）によって決定されるため、内燃機関の運転状態が同じであれば、放電エネルギのピークは二次電流が支配するからである。ここで、具体的な使い方を挙げると、均質燃焼時では、短放電型点火コイル（３０１）を用い、成層燃焼時では長放電型点火コイル（３０２）を用いることで、それぞれの燃焼方式で要求される前記放電パターンを満たし、成層燃焼から均質燃焼または、均質燃焼から成層燃焼の切換え時には、双方を組み合わせた本発明（３０３）にある前記放電パターンとすることで、燃焼安定性を損なうことなくスムーズな燃焼切換えを行うことができる。

これを具体的な制御の流れとして図４を用いて説明すると、まず、燃焼切換え時なのかを判断し（Ｓ４０１）、燃焼切換え時であれば、複数の点火コイルに同時または個別に点火信号を入力し、点火コイルを駆動する（Ｓ４０４）。また、燃焼切換え時でない場合、更に燃焼方式が均質燃焼か成層燃焼であるかを判断する（Ｓ４０２）。均質燃焼の場合では、概述の内容から短放電型点火コイルを用いた点火制御を実施し（Ｓ４０３）、成層燃焼の場合、長放電型点火コイルを用いた点火制御を実施する（Ｓ４０５）。

また、成層燃焼時においては、燃焼サイクル時で混合気の状態が異なることから、点火プラグ（１１１）の電極間で空燃比がリーン状態になることも考えられるため、双方の点火コイルを同時に使用し、二次電流が高い状態で使用しても良い。

本発明の基本構成図。従来の放電エネルギ説明図。本発明の放電エネルギ説明図。本発明のフローチャート。

符号の説明

１０１内燃機関
１０２コントロールユニット
１０３吸気経路
１０４仕切り板
１０５ガス流動制御弁
１０６点火コイル
１０７吸気弁
１０８燃料噴射弁
１０９燃焼室
１１０ピストン
１１１点火プラグ
１１２排気弁
１１３排気経路
１１４タンブル流
１１５噴霧１
１１６噴霧２
１１７点火信号１
１１８点火信号２

Claims

１気筒毎に混合気に点火を行う点火プラグ１つに対し少なくとも２つ以上の点火コイルを有し、均質燃焼と成層燃焼とを切換えて行う内燃機関の点火制御装置において、少なくとも一つの点火コイルＡは他の点火コイルＢよりも放電開始時の二次電流が高い性質を持ち、前記他の点火コイルＢは前記少なくとも一つの点火コイルＡよりも放電時間が長い性質を持ち、前記内燃機関の燃焼が均質燃焼の場合、前記少なくとも一つの点火コイルＡを用いて点火を行い、前記内燃機関の燃焼が成層燃焼の場合、前記他の点火コイルＢを用いて点火を行い、前記内燃機関の燃焼が、均質燃焼と成層燃焼との燃焼切換え中の場合は、前記少なくとも一つの点火コイルＡと前記他の点火コイルＢとの双方を用いて点火を行うことを特徴とした点火制御装置。