JP5928659B2 - 内燃機関の点火装置および点火方法 - Google Patents

Description

この発明は、一次コイルおよび二次コイルを含む点火コイルを用いた内燃機関の点火装置および点火方法に関する。

点火コイルを用いた点火装置にあっては、一次コイルに一次電流を通電した後、所定の点火時期に一次電流を遮断することで、二次コイルに高い放電電圧を生成し、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電を生じさせる。二次コイルに生じる放電電圧ならびに放電エネルギは、基本的には一次コイルへの通電時間に応じたものとなる（図６参照）。

このように放電エネルギを左右する一次コイルへの通電時間は、一般には機関回転速度によって定められ、低速であるほど通電時間が長くなるが、特許文献１には、高負荷領域では通電時間を長くし、低負荷領域では通電時間を短くすることが開示されている。

内燃機関の異常燃焼の一つとして、点火時期よりも前に燃焼が開始してしまうプレイグニッションが知られている。いわゆるスーパーノックと呼ばれる現象もプレイグニッションの一種である。このようなプレイグニッションは、自然給気内燃機関および過給器付き内燃機関のいずれにあっても、低速高負荷領域で起こりうるものであるが、仮に、このプレイグニッションが発生すると、本来の点火時期における筒内密度が高くなるため、一次電流が遮断されて高電圧が発生しても、点火プラグの電極間で放電が生じずに、いわゆる無放電となることがある。図１１は、点火時期において着火燃焼が正しく行われた正常燃焼時（ａ）と、プレイグニッション発生時（ｂ）と、の筒内圧変化を対比して示したもので、プレイグニッション発生時には本来の点火時期において既に高い筒内圧となるので、所期の放電がなされずに無放電となる可能性がある。このような無放電の場合、点火プラグにコイル発生最大電圧が印加され、点火プラグの絶縁体を通して放電が生じ、点火プラグが破損に至る可能性がある。なお、この無放電時のコイル発生最大電圧も一次コイル通電時間に相関したものとなる（図８参照）。

従って、特許文献１のように高負荷領域で通電時間を長くすると、プレイグニッション発生時の無放電の場合に、点火プラグの破損の可能性がより一層高くなってしまう。

一方、無放電であっても点火プラグが破損しないように通常時の放電エネルギを低く設定すると、多量の排気還流を行う運転領域や、リーン燃焼あるいはミラーサイクル燃焼とする運転領域など、いわゆる難燃焼領域において、確実な点火を得ることができない。

特開２０１２−１３６９６５号公報

この発明は、点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火装置において、
所定の低速高負荷領域を除く通常域では、上記一次コイルへの通電時間を機関回転速度に応じて設定する一方、
所定の低速高負荷領域においては、一次電流遮断時に無放電の場合の最大電圧が上記点火プラグの耐電圧を超えないように、上記通電時間を、同じ機関回転速度に対する通常域での通電時間よりも相対的に短くする。

すなわち、無放電の要因となるプレイグニッションが発生し得る運転領域は、特定の低速高負荷領域に限定されており、負荷の低い運転条件や回転速度がある程度高い運転条件では発生することがない。従って、プレイグニッションの発生の可能性がある所定の低速高負荷領域で、一次コイルへの通電時間を比較的短くし、仮に無放電であっても点火プラグの耐電圧を超えないようにすれば、仮にプレイグニッションが発生して無放電となっても、点火プラグの破損を生じることがない。

勿論、この低速高負荷領域にあっても、プレイグニッションが発生しない限りは、無放電となることはなく、通常通りの放電点火が行われる。プレイグニッションが生じる可能性のある低速高負荷領域は、高負荷条件であることから混合気の着火性は高く、従って、比較的短い通電時間であっても良好な着火が得られる。

この発明によれば、仮にプレイグニッションが発生して無放電となっても、点火プラグの破損を生じることがない。また、プレイグニッションの可能性がある特定の低速高負荷領域を除く他の運転領域では、相対的に高い放電エネルギを与えることが可能であるので、例えば多量の排気還流を伴う燃焼などのいわゆる難燃焼領域においても確実な着火を行うことができる。

この発明に係る点火装置が適用される内燃機関の一例を示した構成説明図。 点火装置の要部を示した構成説明図。 通電時間の切換を行う処理の流れを示すフローチャート。 通電時間の切換を行う運転領域を示す特性図。 機関回転速度に対する通電時間の特性を示す特性図。 一次コイル通電時間と放電エネルギとの関係を示す特性図。 機関回転速度に対する放電エネルギの特性を示す特性図。 一次コイル通電時間と無放電時のコイル発生最大電圧との関係を示す特性図。 機関回転速度に対する無放電時のコイル発生最大電圧の特性を示す特性図。 運転領域の設定の異なる例を示す特性図。 正常燃焼時とプレイグニッション発生時との筒内圧変化を示す特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明の点火装置が適用される内燃機関１の一例として、排気還流装置を具備した過給機関を示している。ガソリン機関である内燃機関１の排気通路２には、ターボ過給機３の排気タービン４が配置され、その下流側に、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ６が配置されている。排気通路２のさらに下流側には、図示せぬ排気消音器が設けられており、該排気消音器を介して排気通路２は外部へ開放されている。上記排気タービン４は、過給圧制御のための公知のウェストゲートバルブ７を備えている。図示例の内燃機関１は、筒内直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁８を各気筒毎に備えている。また、各シリンダの中央には、点火プラグ９がそれぞれ設けられている。上記燃料噴射弁８の噴射時期ならびに噴射量、および上記点火プラグ９の点火時期は、エンジンコントロールユニット２０によって制御される。

内燃機関１の吸気通路１０には、上流側から順に、エアクリーナ１１、エアフロメータ１２、スロットル弁１３、が配置されており、上記ターボ過給機３のコンプレッサ５が、上記エアフロメータ１２と上記スロットル弁１３との間に配置されている。なお、この実施例では、スロットル弁１３下流側に、例えば水冷式ないし空冷式のインタークーラ１４が介装されている。上記スロットル弁１３の開度は、図示せぬアクセル開度センサの検出信号に基づいて、上記エンジンコントロールユニット２０からの制御信号によって制御される。上記エンジンコントロールユニット２０には、機関回転速度Ｎｅを示すクランク角センサ１８からの検出信号と、機関の負荷に相当する吸入空気量Ｑａを検出する上記エアフロメータ１２からの検出信号と、を含む種々のセンサ類の検出信号が入力されている。

また、排気還流装置を構成するＥＧＲ通路１５が排気通路２の触媒コンバータ６下流側から分岐しており、その先端が、吸気通路１０のコンプレッサ５上流側に接続されている。上記ＥＧＲ通路１５には、ＥＧＲガスの冷却を行う水冷式あるいは油冷式のＥＧＲガスクーラ１６が介装されており、その下流側に、目標排気還流率に沿うように排気還流量を制御する排気還流制御弁１７が介装されている。この排気還流制御弁１７の開度は、内燃機関１の負荷と回転速度とをパラメータとした機関運転条件に基づいて、上記エンジンコントロールユニット２０によって制御される。

図２に示すように、各気筒の点火プラグ９には、エンジンコントロールユニット１０からの点火信号に応答して点火プラグ９に放電電圧を出力する点火ユニット２１が各々接続されている。この点火ユニット２１は、バッテリ２４の電圧を昇圧するように一次コイル２２ａおよび二次コイル２２ｂを備えた点火コイル２２と、この点火コイル２２の一次コイル２２ａに対する一次電流の通電・遮断を制御するイグナイタ２３と、を含んでおり、上記点火コイル２２の二次コイル２２ｂに点火プラグ９が接続されている。上記イグナイタ２３は、エンジンコントロールユニット２０の制御信号によって駆動される。

上記の実施例の点火装置における基本的な点火作用は、一般的な点火装置と特に変わりはない。すなわち、点火コイル２２の一次コイル２２ａに、イグナイタ２３を介して所定の通電時間（後述するＴＤＷＬもしくはＴＤＷＬＭＩＮ）の間、一次電流が通電される。この一次電流の遮断に伴って、二次コイル２２ｂには高い放電電圧が発生し、混合気の絶縁破壊を伴って点火プラグ９の電極間で放電が生じる。

ここで、本実施例では、上記の通電時間として、機関運転条件に基づいて２種類の特性の中のいずれかが選択される。

すなわち、図４に示すように、内燃機関１の負荷および回転速度から定まる運転領域において、ある回転速度以下でかつある負荷以上の所定の低速高負荷領域が、エネルギ抑制領域Ａとして予め定められている。このエネルギ抑制領域Ａでは、一次電流遮断時に仮に無放電であっても、コイル発生最大電圧が点火プラグ９の耐電圧を超えないように、比較的短い通電時間ＴＤＷＬＭＩＮとなる。エネルギ抑制領域Ａ以外の運転領域では、通常時の通電時間ＴＤＷＬとなる。上記エネルギ抑制領域Ａは、前述したように、点火時期よりも前に燃焼が開始してしまう異常燃焼であるプレイグニッションが多少でも発生する可能性がある運転領域に対応している。プレイグニッションは、吸気温度や内燃機関１の温度条件あるいは過渡変化の態様、など種々の条件が重なったときに発生するが、極稀にでもプレイグニッションが発生する可能性がある運転条件は、このエネルギ抑制領域Ａに含めておくことが望ましい。

なお、図４に破線で示す「０ｍｍＨｇトルク」よりも高負荷側の領域は、過給圧が正圧となる過給領域であり、上記エネルギ抑制領域Ａは、この過給領域内にある。また、図４に矩形でもって概略的に示す運転領域Ｂは、多量の排気還流が行われる排気還流領域を示している。高い排気還流率の下では着火性が悪化するので、この排気還流領域Ｂは、高い放電エネルギが要求される難燃焼運転領域となる。この高い放電エネルギが必要な運転領域Ｂは、低負荷側の非過給領域にあり、かつ、回転速度としては、エネルギ抑制領域Ａと概ね重なる回転速度範囲にある。

図３は、通電時間の特性の切換を行うためのフローチャートを示しており、ステップ１で内燃機関１の回転速度と負荷とを読み込み、ステップ２でこの回転速度・負荷が図４に示したエネルギ抑制領域Ａ内であるか否かを判定する。エネルギ抑制領域Ａ内であれば、一次コイル２２ａへの通電時間としてエネルギ抑制領域用の通電時間ＴＤＷＬＭＩＮを選択し（ステップ３）、エネルギ抑制領域Ａ以外の運転領域であれば、通常時の通電時間ＴＤＷＬを選択する（ステップ４）。

図５は、上記の通常時用の通電時間ＴＤＷＬおよびエネルギ抑制領域用の通電時間ＴＤＷＬＭＩＮの特性を示している。図示するように、通常時用の通電時間ＴＤＷＬは内燃機関１の回転速度に基づいて決定され、回転速度が高いほど短くなる特性を有している。これに対し、エネルギ抑制領域用の通電時間ＴＤＷＬＭＩＮは、エネルギ抑制領域Ａ内において回転速度に拘わらずに一定値であり、同じ回転速度で比較した場合に、通常時用の通電時間ＴＤＷＬよりもエネルギ抑制領域用の通電時間ＴＤＷＬＭＩＮの方が短い設定となっている。

一次コイル２２ａへの通電時間と放電時の放電エネルギとは、図６に示すような関係がある。つまり、基本的に通電時間が長いほど放電エネルギが大となり、かつある程度通電時間が長くなると、放電エネルギは概ね一定となる。

従って、この図６に示す特性と前述した図５に示す特性とから、上記実施例における放電エネルギ（放電時）は、機関回転速度に対し図７に概略示すような特性となる。つまり、エネルギ抑制領域Ａ以外の通常域では、ある回転速度までは放電エネルギが概ね一定であり、ある回転速度を超えると、回転速度上昇に伴って放電エネルギが低くなっていく。ここで、図７中の破線Ｅ１は、前述した難燃焼運転領域（高排気還流領域）Ｂにおいて要求される放電エネルギのレベルを示しており、放電エネルギが概ね一定となる低中速領域、具体的には回転速度Ｎ１までの回転速度領域では、この運転領域Ｂでの要求放電エネルギレベルＥ１を超える放電エネルギが得られる。上記回転速度Ｎ１は、難燃焼運転領域Ｂの上限の回転速度を少なくとも超える回転速度であり、従って、難燃焼運転領域Ｂでは、その要求レベル以上の放電エネルギが常に得られる。

一方、エネルギ抑制領域Ａでは、機関回転速度に依存しない通電時間ＴＤＷＬＭＩＮが用いられるため、エネルギ抑制領域Ａの回転速度範囲内で放電エネルギが一定となる。このときの放電エネルギは、破線Ｅ１で示す燃焼運転領域Ｂの要求レベルよりも低いものとなる。また、通常域での通電時間ＴＤＷＬによる放電エネルギよりも常に低いレベルとなる。

一次コイル２２ａへの通電の遮断時に放電が生じ得なかった場合には、やはり点火コイル２２に高い電圧が発生するが、このときのコイル発生最大電圧は、一次コイル２２ａへの通電時間に対し、図８に示すような特性となる。つまり、図６の放電時の特性とは若干異なるものの、傾向としては、通電時間が長いほどコイル発生最大電圧が高くなり、かつある程度通電時間が長くなると、発生最大電圧は概ね一定となる。

従って、この図８に示す特性と前述した図５に示す特性とから、上記実施例における無放電時のコイル発生最大電圧は、機関回転速度に対し図９に概略示すような特性となる。つまり、エネルギ抑制領域Ａ以外の通常域では、ある回転速度までは最大発生電圧が概ね一定であり、ある回転速度を超えると、回転速度上昇に伴って最大発生電圧が低くなっていく。ここで、図９中の破線Ｖ１は、点火プラグ９の絶縁体の耐電圧を示しており、回転速度Ｎ２までの回転速度領域では、耐電圧Ｖ１を超える最大発生電圧が発生し得る。但し、この通電時間ＴＤＷＬが対象とする通常域では、プレイグニッションが生じる虞はなく、ひいてはプレイグニッションによる無放電の可能性がないので、無放電により耐電圧Ｖ１を超える懸念はない。

一方、エネルギ抑制領域Ａでは、機関回転速度に依存しない通電時間ＴＤＷＬＭＩＮが用いられるため、エネルギ抑制領域Ａの回転速度範囲内でコイル発生最大電圧が一定となる。通電時間ＴＤＷＬＭＩＮが比較的短いことから、このときの発生最大電圧は、破線Ｖ１で示す点火プラグ９の耐電圧よりも低いものとなる。また、通常域での通電時間ＴＤＷＬによる発生最大電圧よりも常に低いレベルとなる。従って、仮にエネルギ抑制領域Ａとなる低速高負荷領域においてプレイグニッションが発生し、無放電となったとしても、コイル発生最大電圧が点火プラグ９の耐電圧を超えることがなく、絶縁体を通した放電による点火プラグ９の破損が生じる虞がない。

このように、上記実施例によれば、プレイグニッションが発生する可能性がある所定の低速高負荷領域（エネルギ抑制領域Ａ）と、その他の通常域と、で一次コイル２２ａへの通電時間の特性を異なるものとしたことで、プレイグニッションの発生による無放電時の点火プラグ９の破損を確実に回避することができると同時に、高排気還流を行う難燃焼運転領域Ｂにおける放電エネルギを十分に高いレベルに確保でき、確実な着火を得ることができる。

なお、エネルギ抑制領域Ａにおける通電時間ＴＤＷＬＭＩＮは、通常時の通電時間ＴＤＷＬよりも短く設定されるが、過度に短いと点火プラグ９の電極間で放電が生じないので、下限が存在する。具体的には、図８に示すコイル発生最大電圧が、エネルギ抑制領域Ａの中で筒内のガス密度が最も高くなる全負荷（ＷＯＴ）時に電極間で放電が生じ得る最低電圧を満足するように、通電時間ＴＤＷＬＭＩＮが設定される。上記の例では、通電時間ＴＤＷＬＭＩＮは固定値としたが、エネルギ抑制領域Ａの中でも筒内のガス密度は多少異なるので、これを考慮して、エネルギ抑制領域Ａの中の運転条件に応じて通電時間を可変的に設定するようにしてもよい。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、図１０は、エネルギ抑制領域Ａとなる低速高負荷領域の異なる例を示している。このように、エネルギ抑制領域Ａとする領域の設定は、対象とする内燃機関が実際にプレイグニッションを生じる可能性がある運転条件に対応して設定すればよい。

また上記実施例では、ターボ過給器を備えた過給機関を例に説明したが、無放電の要因となるプレイグニッションは自然給気機関においても生じうるので、本発明は、自然給気機関においても同様に適用が可能である。

また、難燃焼運転としては、高排気還流を伴う運転のほか、リーン燃焼やミラーサイクルでの運転などが挙げられる。従って、これらの対象とする難燃焼運転領域において、その要求放電エネルギ以上の放電エネルギが得られるように通常域での通電時間ＴＤＷＬの特性を設定することが望ましい。

Claims (6)

1. 点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火装置において、
   所定の低速高負荷領域を除く通常域では、上記一次コイルへの通電時間を機関回転速度に応じて設定する一方、
   所定の低速高負荷領域においては、一次電流遮断時に無放電の場合の最大電圧が上記点火プラグの耐電圧を超えないように、上記通電時間を、同じ機関回転速度に対する通常域での通電時間よりも相対的に短くする、内燃機関の点火装置。
2. 上記の低速高負荷領域は、点火時期前にプレイグニッションが生じる可能性がある運転領域に対応して設定されている、請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 上記通常域での通電時間の特性は、低速側の所定の機関回転速度領域において、一次電流遮断時に無放電の場合の最大電圧が上記点火プラグの耐電圧を超えるように設定されている、請求項１または２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 上記の所定の機関回転速度領域は、所定の難燃焼領域を含む機関回転速度領域である、請求項３に記載の内燃機関の点火装置。
5. 上記内燃機関が、排気還流装置を備えたターボ過給器付き内燃機関であり、
   低速低中負荷域の排気還流領域では、一次電流遮断時に無放電の場合の最大電圧が上記点火プラグの耐電圧を超える程度の通電時間となり、
   上記排気還流域よりも高負荷側となる上記の所定の低速高負荷領域においては、一次電流遮断時に無放電の場合の最大電圧が上記点火プラグの耐電圧を超えない程度の通電時間となる、請求項３に記載の内燃機関の点火装置。
6. 点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火方法において、
   所定の低速高負荷領域を除く通常域では、上記一次コイルへの通電時間を機関回転速度に応じて設定する一方、
   所定の低速高負荷領域においては、一次電流遮断時に無放電の場合の最大電圧が上記点火プラグの耐電圧を超えないように、上記通電時間を、同じ機関回転速度に対する通常域での通電時間よりも相対的に短くする、内燃機関の点火方法。

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