JP6331613B2 - 点火装置 - Google Patents
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Description
点火コイルは、直流電源から供給される一次電流が流れる一次コイル、及び、点火プラグの電極に接続され、一次電流の通電及び遮断、より詳しくは、通電に続く遮断による二次電圧が発生し二次電流が流れる二次コイルを有する。
点火スイッチは、一次コイルの直流電源と反対側である接地側に接続され、点火信号に従って一次電流の通電と遮断とを切り替える。
投入エネルギ制御手段は、エネルギ投入手段による投入エネルギを制御する。
燃焼状態判定手段は、燃焼室における燃焼状態を検出する燃焼状態検出器からの情報を取得し、当該情報に基づいて燃焼状態を判定する。
そして、投入エネルギ制御手段は、燃焼状態判定手段が判定した燃焼状態に応じて、投入エネルギの制御値を補正することを特徴とする。
例えば、高回転かつ高負荷の条件では二次電流の目標値を上昇させ、低回転かつ低負荷の条件ではエネルギ投入期間を延長する。このように、運転条件に応じて補正する制御値を変えることで、より少ないエネルギで効果的な燃焼状態の改善が可能となる。
これにより、点火装置によるエネルギ投入制御の条件調整に限らず、空燃比の変更によって、良好なドライバビリティを維持することができる。
燃焼状態が異常であることをダイアグ信号により運転者に迅速に通知することで、早期の故障対応が可能となる。
(一実施形態)
本発明の一実施形態による点火装置は、車両等に搭載されるエンジンシステムに適用される。以下の実施形態の説明では、特許請求の範囲に記載の「内燃機関」を「エンジン」という。
まず、エンジンシステムの概略構成について図1を参照して説明する。図1に示すように、エンジンシステム10は火花点火式のエンジン13を備えている。エンジン13は、例えば4気筒等の多気筒エンジンであり、図1では1気筒の断面のみを図示する。以下に説明する構成は、図示しない他の気筒にも同様に設けられている。
なお、図1のエンジンシステム10は、EGR(排気還流)システムを有していないものとする。或いは、EGRシステムを有している場合でも、本実施形態の特徴とは関連性が低いため、図示を省略する。さらに、排気通路に設けられる触媒の図示も省略する。
点火プラグ7は、エンジン13の燃焼室17で所定のギャップを隔てて対向する一対の電極(図2参照)を有し、上記ギャップで絶縁破壊が生じるだけの高電圧が一対の電極間に印加されると放電を発生させる。以下の説明において、「高電圧」とは、点火プラグ7の一対の電極間で放電が発生し得るほどの電圧をいう。
点火制御部33及びエンジン制御部34は、特許請求の範囲に記載の「投入エネルギ制御手段」及び「内燃機関制御手段」に相当する。実施形態における点火制御部33は、投入エネルギのみでなく点火信号IGTの生成の機能も含むため、「点火制御部」という。
次に、点火装置30の構成について図2を参照して説明する。
図2に示すように、点火装置30は、点火コイル40、点火回路ユニット31、及び、電子制御ユニット32の点火制御部33を含む。
一次コイル41は、一端が、一定の直流電圧を供給可能な「直流電源」としてのバッテリ6の正極に接続されており、他端が点火スイッチ45を介して接地されている。以下、一次コイル41のバッテリ6と反対側を「接地側」という。
二次コイル42は、一次コイル41と磁気的に結合されており、一端が点火プラグ7の一対の電極を介して接地されており、他端が整流素子43及び二次電流検出抵抗47を介して接地されている。
整流素子43は、ダイオードで構成されており、二次電流I2を整流する。
点火コイル40は、一次コイル41を流れる電流の変化に応じて電磁誘導の相互誘導作用により二次コイル42に高電圧を発生させ、この高電圧を点火プラグ7に印加する。本実施形態では、1つの点火プラグ7に対し1つの点火コイル40が設けられている。
点火スイッチ45は、ゲートに入力される点火信号IGTに応じてオンオフ動作する。詳しくは、点火スイッチ45は、点火信号IGTの立ち上がり時にオンとなり、点火信号IGTの立ち下がり時にオフとなる。一次コイル41における一次電流I1は、点火スイッチ45により点火信号IGTに従って通電及び遮断が切り替えられる。
エネルギ蓄積コイル52は、一端がバッテリ6に接続され、他端が充電スイッチ53を介して接地されている。充電スイッチ53は、例えばMOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)で構成されており、ドレインがエネルギ蓄積コイル52に接続され、ソースが接地され、ゲートがドライバ回路54に接続されている。ドライバ回路54は、充電スイッチ53をオンオフ駆動可能である。
整流素子55は、ダイオードで構成されており、コンデンサ56からエネルギ蓄積コイル52及び充電スイッチ53側への電流の逆流を防止する。
コンデンサ56は、一方の電極が整流素子55を介してエネルギ蓄積コイル52の接地側に接続され、他方の電極が接地されている。コンデンサ56は、DCDCコンバータ51によって昇圧された電圧を蓄電する。
整流素子59は、ダイオードで構成されており、点火コイル40からコンデンサ56への電流の逆流を防止している。
なお、図2では1気筒に対する構成のみを示しているが、現実には、放電スイッチ57以降の構成は気筒数分が並列して設けられており、放電スイッチ57の手前で電流経路が気筒毎に分岐され、コンデンサ56に蓄積されたエネルギが各経路に分配される。
以上が点火回路ユニット31の構成である。
点火信号IGTは、点火スイッチ45のゲート、及び、充電スイッチ用ドライバ回路54に入力される。点火スイッチ45は、点火信号IGTが入力されている期間、オンとなる。ドライバ回路54は、点火信号IGTが入力されている期間、充電スイッチ53のゲートに対し、充電スイッチ53をオンオフ制御する充電スイッチ信号SWcを繰り返し出力する。
また、ドライバ回路58には、目標二次電流I2*を指示するための目標二次電流信号IGAが入力される。
次に、点火装置30の作動について図3のタイムチャートを参照して説明する。図3のタイムチャートは、共通の時間軸を横軸とし、縦軸に上から順に、点火信号IGT、エネルギ投入期間信号IGW、コンデンサ電圧Vdc、一次電流I1、二次電流I2、投入エネルギP、充電スイッチ信号SWc、放電スイッチ信号SWdの時間変化を示している。
ここで、「コンデンサ電圧Vdc」はコンデンサ56に蓄電された電圧を意味する。また、「投入エネルギP」は、コンデンサ56から放出され、一次コイル41の低電圧側端子側から点火コイル40に供給されるエネルギを意味し、1回の点火タイミング中における供給開始(最初の放電スイッチ信号SWdの立ち上がり)からの積算値を示す。
このようにして、点火信号IGTがHレベルに立ち上がっている時刻t1−t2間に、点火コイル40が充電されるとともに、DCDCコンバータ51の出力によってコンデンサ56にエネルギが蓄積される。このエネルギの蓄積は、時刻t2までに終了する。
このとき、コンデンサ電圧Vdc、すなわちコンデンサ56のエネルギ蓄積量は、充電スイッチ信号SWcのオンデューティ比及びオンオフ回数によって制御可能である。
時刻t2で点火放電を発生させた後にエネルギ投入を行わない場合、二次電流I2は、破線で示すように、時間経過とともに0[A]に近づき、放電を維持できない程度まで減衰すると放電は終了する。このような放電による点火方式を「通常点火」という。
すなわち、放電スイッチ信号SWdがオンになる毎に、コンデンサ56の蓄積エネルギにより一次電流I1が順次追加され、これに対応して、二次電流I2が順次追加される。二次電流I2が所定値になると放電スイッチ57がオフされ一次電流I1への重畳投入が停止し、I2が低下していき所定値になると再度放電スイッチ57がオンされる。これにより、二次電流I2は、目標二次電流I2*に一致するように維持される。
時刻t4でエネルギ投入期間信号IGWがLレベルに立ち下げられると、放電スイッチ信号SWdのオンオフ動作が停止し、一次電流I1、二次電流I2ともにゼロとなる。
一方、周知の多重放電方式のように、一次コイル41のバッテリ6側、或いは二次コイル42の点火プラグ7と反対側から点火コイル40にエネルギを投入する方式を包括して「従来のエネルギ投入制御」という。本出願人が開発したエネルギ投入制御では、従来の多重放電方式などに比べ、低電圧側からエネルギを投入することで最低限のエネルギを効率良く投入しつつ、点火可能な状態を一定期間持続させることができる。
また、エネルギ投入制御の条件を補正しても目標の燃焼状態を実現することが困難な場合には、電子制御ユニット32のエンジン制御部34からスロットル弁14のアクチュエータ及びインジェクタ16に信号を出力し、吸気量及び燃料噴射量を制御することで空燃比をリッチ化する。
さらに、空燃比を変更しても燃焼状態が改善しない場合にはダイアグ信号を出力する。
(a)燃焼圧の変動を検出する。
(b)クランク軸の回転変動を検出する。
(c)イオン電流を検出する。
(d)空燃比変動を検出する。
図4に示すように、燃焼圧に対して複数の閾値、例えば、第1閾値Pth1、第2閾値Pth2及び第3閾値Pth3の3つの閾値を設定する。
第1閾値Pth1は、燃焼圧Pがそれより低いとき、燃焼悪化の兆候があると判定する閾値である。第2閾値Pth2は、燃焼圧Pがそれより低いとき、エネルギ投入制御条件を補正する必要があると判定する閾値である。第3閾値Pth3は、燃焼圧Pがそれより低いとき、空燃比をリッチ化する必要があると判定する閾値である。
また、燃焼圧Pが第3閾値Pth3より低い場合は、破線で示すように失火が発生していると判定する。
図5(a)、(b)、(c)に共通に、基本条件での二次電流の推移を二点鎖線で示す。この基本条件に対し、図5(a)に示す方法では、エネルギ投入期間IGWを変更せず、目標二次電流を基本値I2*から補正値ΔI2*上昇させ、更新値I2*’に補正する。
図5(b)に示す方法では、目標二次電流I2*を変更せず、エネルギ投入期間を基本値IGWから補正値ΔIGW延長し、更新値IGW’に補正する。
また、図5(c)に示す方法では、目標二次電流を基本値I2*から補正値ΔI2*上昇させ、更新値I2*’に補正するとともに、エネルギ投入期間を基本値IGWから補正値ΔIGW延長し、更新値IGW’に補正する。
図6に示すエンジン回転数−負荷(トルク)特性図において、全負荷は、低回転域で回転数の増加に伴って立ち上がり、中回転域で略一定値を保ち、高回転域で回転数の増加に伴って立ち下がるという山形の特性線を呈する。
高回転、高負荷のとき・・・0.8×ΔI2*、0.2×ΔIGW
低回転、低負荷のとき・・・0.2×ΔI2*、0.8×ΔIGW
以下のフローチャートの説明で、記号「S」はステップを意味する。
「所定サイクルの平均燃焼圧P」とは、例えば最新点火から10サイクル前まで遡った期間での平均値を採用する。
燃焼圧Pが第1閾値Pth1未満、且つ第2閾値Pth2以上のとき(S04:NO、S06:YES)、燃焼状態は良好であり、現在のエネルギ投入条件は適当であると判断し、そのまま処理を終了する。
S07でNOの場合、S09で現在のエネルギ投入期間IGW及び目標二次電流I2*を維持する。そして、燃焼圧Pが第3閾値Pth3以上のとき(S10:YES)、燃焼状態は不良であるが、空燃比を変更するまでもないと判断し、そのまま処理を終了する。
以上のステップにおけるエネルギ投入期間IGW又は目標二次電流I2*の更新値は、原則として、判定処理を実行した次の燃焼サイクルから適用される。
また、電子制御ユニット32はエネルギ投入動作を停止し(S15)、エネルギ投入制御を禁止(S16)した上で処理を終了する。
(1)本実施形態の点火装置30は、燃焼状態検出器71が検出した情報に基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定回路72を備えており、電子制御ユニット32の点火制御部33は、燃焼状態判定回路72が判定した燃焼状態に応じて投入エネルギの制御値を補正する。これにより、過不足の無い最適な消費エネルギで目標の燃焼状態を実現することができる。したがって、不必要に燃料を消費することなく失火を回避しつつ、良好なドライバビリティを維持することができる。また、無駄なエネルギ投入によるプラグ電極の消耗を抑制することができる。
これにより、点火装置30によるエネルギ投入制御の条件調整に限らず、空燃比の変更によって、良好なドライバビリティを維持することができる。
また、エネルギ投入期間IGW中、二次電流I2は、常に負の値となり、交番電流を用いる他の方式のようにゼロクロスしないため、吹き消えの発生を防止することができる。
(ア)上記実施形態では、本出願人が開発した「一次コイルの接地側からエネルギ投入する方式」における制御条件を、燃焼状態に応じて補正している。この他、二次電流又はエネルギ投入期間を可変制御可能な方式であれば、従来の多重放電方式や特開2012−167665号公報に開示された「DCO方式」等のエネルギ投入制御方式に対して、本発明を適用し、燃焼状態に応じて投入エネルギの制御値、点火回数やコイル電源を変化させて点火エネルギを補正するようにしてもよい。
点火スイッチ45及びエネルギ投入部50は別々のハウジング内に収容されてもよい。例えば、点火コイル40を収容するハウジング内に点火スイッチ45が収容され、電子制御ユニット32を収容するハウジング内にエネルギ投入部50が収容されてもよい。
(オ)直流電源は、バッテリに限らず、例えば交流電源をスイッチングレギュレータ等によって安定化した直流安定化電源等で構成されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
30 ・・・点火装置、
33 ・・・点火制御部(投入エネルギ制御手段)、
34 ・・・エンジン制御部(内燃機関制御手段)、
40 ・・・点火コイル、
41 ・・・一次コイル、 42 ・・・二次コイル、
45 ・・・点火スイッチ、
50 ・・・エネルギ投入部(エネルギ投入手段)、
6 ・・・バッテリ(直流電源)、
7 ・・・点火プラグ、
71 ・・・燃焼状態検出器、
72 ・・・燃焼状態判定回路(燃焼状態判定手段)。
Claims (8)
- 内燃機関(13)の燃焼室(17)において混合気に点火する点火プラグ(7)の動作を制御する点火装置(30)であって、
直流電源(6)から供給される一次電流が流れる一次コイル(41)、及び、前記点火プラグの電極に接続され、前記一次電流の通電及び遮断による二次電圧が発生し二次電流が流れる二次コイル(42)を有する点火コイル(40)と、
前記一次コイルの前記直流電源と反対側である接地側に接続され、点火信号(IGT)に従って前記一次電流の通電と遮断とを切り替える点火スイッチ(45)と、
前記点火スイッチにより前記一次電流を遮断し、前記遮断による二次電圧で前記点火プラグの放電を発生させた後の所定のエネルギ投入期間(IGW)において、前記二次電圧によって流れる前記二次電流に対し同じ極性で、前記一次コイル側から前記点火コイルにエネルギを投入可能なエネルギ投入手段(50)と、
前記エネルギ投入手段による投入エネルギを制御する投入エネルギ制御手段(33)と、
前記燃焼室における燃焼状態を検出する燃焼状態検出器(71)からの情報を取得し、当該情報に基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段(72)と、
を備え、
前記投入エネルギ制御手段は、前記燃焼状態判定手段が判定した燃焼状態に応じて、前記投入エネルギの制御値を補正することを特徴とする点火装置。 - 前記エネルギ投入手段は、
前記一次コイルの接地側から前記点火コイルにエネルギを投入することを特徴とする請求項1に記載の点火装置。 - 前記投入エネルギ制御手段は、
前記投入エネルギの制御値の補正において、前記内燃機関の運転条件に応じて、前記二次電流の目標値(I2*)、又は、前記エネルギ投入期間の少なくとも一方を補正することを特徴とする請求項1または2に記載の点火装置。 - 前記投入エネルギ制御手段は、
前記燃焼状態判定手段が判定した燃焼状態が、前記投入エネルギの制御値の補正によって目標の燃焼状態を実現不能な状態であると判断したとき、
前記内燃機関の運転状態を制御する内燃機関制御手段(34)に対し、混合気の空燃比をリッチ側に変更するように指令することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の点火装置。 - 前記投入エネルギ制御手段は、
前記燃焼状態判定手段が判定した燃焼状態が、前記投入エネルギの制御値の補正又は前記空燃比の変更によって目標の燃焼状態を実現不能な状態であると判断したとき、
ダイアグ信号を出力することを特徴とする請求項4に記載の点火装置。 - 前記燃焼状態判定手段は、前記燃焼状態について複数の判定閾値を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の点火装置。
- 前記燃焼状態判定手段は、前記燃焼室における燃焼圧に基づいて前記燃焼状態を判定することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の点火装置。
- 前記一次コイルの接地側には、接地に向かう電流を遮断し、接地から前記一次コイルの接地側に向かう電流を通流する整流素子(46)が接続されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の点火装置。
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