JP6739644B2

JP6739644B2 - 内燃機関用点火装置

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Publication number: JP6739644B2
Application number: JP2019524611A
Authority: JP
Inventors: 義文内勢
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Hanshin Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Hanshin Ltd
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: JPWO2018229883A1; WO2018229883A1

Description

本発明は、自動車両に搭載される内燃機関用の点火装置に関し、点火コイルの二次側に発生させる放電エネルギを重畳的に増大させて、良好な放電特性を得るものである。

車両搭載の内燃機関として、燃費改善のために直噴エンジンや高ＥＧＲエンジンが採用されているが、これらのエンジンは着火性があまり良くないため、点火装置には高エネルギ型のものが必要になる。そこで、古典的な電流遮断原理により発生する点火コイル二次側出力に、さらにもう一つの点火コイルの出力を加算的に重畳する位相放電型の点火装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

この特許文献１に記載の点火装置によれば、主一次点火コイルの一次電流を遮断することでその二次側に発生する数ｋＶの高電圧により、点火プラグの放電間隙に絶縁破壊を起こして点火コイルの二次側から放電電流を流し始めた後に、主点火コイルと並列に接続された副点火コイルの一次電流を遮断し、その二次側に発生する数ｋＶの直流電圧を加算的に重畳することで、比較的長い時間に亙って点火プラグに大きな放電エネルギを与えることができるため、燃料への着火性が向上し、延いては燃費も向上する。

特開２０１２−１４０９２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された点火装置のような方式では、点火プラグの放電電流が各コイルから出力される三角形の電流の組み合わせで決まるため、高電流期間を長くするためには、２つの点火コイルの点火位相を大きくしたうえで、２つの点火コイルに十分なエネルギを蓄積する時間を長くして高電流期間を拡大する必要がある。このように、２つの点火コイルを用いることに加えて一次コイルへの通電時間を長くすると、コイル本体の大型化及び一次コイルへの通電制御を行うスイッチング素子の発熱が高くなるという問題が生ずる。

また、一次コイルへの通電時間を長くすることなく、一次コイルに蓄積するエネルギを高める方法としては、コイルの体格を大きくして蓄積エネルギを増やす方法、複数の点火コイルを用いる方法が考えられる。しかしながら、大型の点火コイルを用いたり、複数の点火コイルを用いたりすれば、搭載スペースの確保が問題となってしまう。加えて、大型の点火コイルを用いたり、複数の点火コイルを用いたりすれば、過剰な放電エネルギが消費されて、燃費を悪化させることにもなりかねない。

そこで、本発明は、燃費を悪化させること無く、必要十分な放電エネルギの安定供給により、安定した高電流期間を確保して安定した燃焼を維持できる内燃機関用点火装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、主一次電流の通電により順方向の磁束が増加し、主一次電流を遮断することにより逆方向の遮断磁束が生じる主一次コイルと、前記遮断磁束の発生以降の任意のタイミングで副一次電流を通電することにより遮断磁束と同方向の追加磁束を生じさせる副一次コイルと、一端側が点火プラグと接続され、前記主一次コイルと副一次コイルに生じた磁束が作用して放電エネルギが発生する二次コイルと、を有する点火コイルと、前記点火コイルに電源供給する直流電源と、前記点火コイルの主一次コイルへの通電・遮断を切り替える主スイッチ手段と、前記副一次コイルの高圧側通電路の開閉を行うことで、前記直流電源から副一次コイルへの通電・遮断を切り替える副スイッチ手段と、前記副一次コイルの低圧側通電路を開閉可能なスイッチで、該低圧側通電路を閉じることにより前記副一次コイルへの通電を許可する副一次コイル通電許可スイッチ手段と、前記主スイッチ手段、副スイッチ手段、副一次コイル通電許可スイッチ手段を制御して、燃焼サイクルの所定のタイミングで点火プラグに放電火花を発生させる点火制御手段と、前記点火コイルの副一次コイルに流れる副一次電流を検出する副一次電流検出手段と、前記点火コイルの二次コイルに流れる二次電流を検出する二次電流検出手段と、を備え、前記点火制御手段は、主一次コイルへの通電を遮断した遮断タイミング以降に所定の重畳時間だけ副一次コイル通電許可スイッチ手段に副一次コイルへの通電を許可させると共に、副スイッチ手段への通電制御を行うことで、二次コイルに発生する放電エネルギを重畳的に増加させ、予め設定された副一次電流目標値と、前記副一次電流検出手段により検出された副一次電流検出値とを比較し、副一次電流検出値を副一次電流目標値へ近づけるように、副一次コイルへの供給電力を制御する副一次電流フィードバック制御を行い、予め設定された二次電流目標値と、前記二次電流検出手段により検出された二次電流検出値とを比較し、二次電流検出値を二次電流目標値へ近づけるように、前記副一次電流目標値を設定変更するようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の内燃機関用点火装置において、前記二次電流目標値は、許容し得る二次電流の上限として予め定めた二次電流目標上限値と、許容し得る二次電流の下限として予め定めた二次電流目標下限値とを用い、二次電流目標上限値および二次電流目標下限値を二次電流検出値と比較し、二次電流目標上限値よりも二次電流検出値が高い場合には二次電流を下げるように前記副一次電流目標値を設定変更し、二次電流目標下限値よりも二次電流検出値が低い場合には二次電流を上げるように前記副一次電流目標値を設定変更するようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用点火装置において、前記点火コイルの主一次コイルと主スイッチ手段との間にて、前記点火コイルの放電継続中に発生する一次側電圧を検出する一次コイル電圧検出手段を備え、前記点火制御手段は、一次コイル電圧が、所定の傾斜角度よりも早く所定電圧以上に上昇した時、前記二次電流目標値を増加させるように設定変更するようにしたことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、前記請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内燃機関用点火装置において、前記点火制御手段は、副スイッチ手段をＰＷＭ制御することで、副一次電流フィードバック制御を行うようにしたことを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、前記請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の内燃機関用点火装置において、前記点火制御手段は、予め定めた単位期間毎に副一次電流目標値と副一次電流検出値との比較を行い、比較結果に応じて次の単位期間における副一次コイルへの供給電力制御を行うようにしたことを特徴とする。

本発明に係る内燃機関用点火装置によれば、副一次コイル磁束発生状態切替手段を備えることで、点火タイミング前重畳放電制御や点火タイミング後重畳放電制御を行うことができるので、運転条件に応じた必要十分な放電エネルギを副一次コイルから二次コイルへ重畳して、主一次コイルへの通電時間を長くすることなく安定した高電流期間を確保し、好適な燃焼を実現する。しかも、点火タイミング前重畳放電制御や点火タイミング後重畳放電制御を運転条件に応じて使い分けることで、高い燃費改善効果を期待できる。加えて、複数のコイルや昇圧回路を必要としないので、点火コイルの大型化および大幅なコスト増を抑制できる。

本発明に係る内燃機関用点火装置の第１実施形態を示す概略構成図である。第１実施形態に係る内燃機関用点火装置により通常放電制御および重畳放電制御を行うときの燃焼サイクルにおける各部波形を模式的に示した波形図である。（ａ）は、副一次電流検出値が副一次電流目標値と一致しているときに、制御手段が生成する副一次コイル通電信号を模式的に示した波形図である。（ｂ）は、副一次電流検出値が副一次電流目標値とずれているときに、制御手段が生成する副一次コイル通電信号を模式的に示した波形図である。（ａ）は、二次電流検出値が二次電流目標上限値と二次電流目標下限値の範囲にあるときに、制御手段が生成する副一次電流目標値を模式的に示した波形図である。（ｂ）は、二次電流検出値が二次電流目標上限値を越えたときに、制御手段が生成する副一次電流目標値を模式的に示した波形図である。（ｃ）は、二次電流検出値が二次電流目標下限値を下回ったときに、制御手段が生成する副一次電流目標値を模式的に示した波形図である。本発明に係る内燃機関用点火装置の第２実施形態を示す概略構成図である。第２実施形態に係る内燃機関用点火装置において一次コイル電圧に応じた二次電流目標値の維持および変更を行うときの燃焼サイクルにおける各部波形を模式的に示した波形図である。

次に、本発明に係る内燃機関用点火装置の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すのは、本発明の第１実施形態に係る内燃機関用点火装置１であり、内燃機関の気筒毎に設けられる１つの点火プラグ２に放電火花を発生させる点火コイルユニット１０と、この点火コイルユニット１０の動作タイミングを指示する点火信号Ｓｉ等を適宜なタイミングで出力する点火制御手段３１を備えた内燃機関駆動制御装置３、車両バッテリ等の直流電源４、第１副スイッチ素子５１、第２副スイッチ素子５２等で構成される。

なお、本実施形態に示す内燃機関用点火装置１においては、点火制御手段３１が、自動車の内燃機関を統括的に制御する内燃機関駆動制御装置３に含まれるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、通常の内燃機関駆動制御装置３が有している点火信号生成機能によって生成された点火信号を受けて、適宜な制御信号を点火コイルユニット１０および第１，第２副スイッチ素子５１，５２へ出力する点火制御手段を別途設けるようにしても構わない。

上記点火コイルユニット１０は、例えば、点火コイル１１、主スイッチ素子１２、主スイッチ素子１２と並列に設けるバイパス線路１３、このバイパス線路１３に設ける整流手段１４等を所要形状のケース１５に収納して一体構造としたユニットである。このケース１５の適所には、高圧端子１５１とコネクタ１５２を設けてあり、高圧端子１５１を介して点火プラグ２を接続すると共に、コネクタ１５２（例えば、第１接続端子１５２ａ〜第６接続端子１５２ｆを備えるコネクタ）を介して内燃機関駆動制御装置３、車両バッテリ等の直流電源４、第１，第２副スイッチ素子５１，５２および接地点ＧＮＤと接続する。

上記点火コイル１１は、主一次コイル１１１ａ（例えば、９０ターン）と副一次コイル１１１ｂ（例えば、６０ターン）と二次コイル１１２（例えば、９０００ターン）を備える。なお、点火コイル１１は、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂに生ずる磁束を二次コイル１１２に作用させるもので、例えば、センターコア１１１３を取り巻くように主一次コイル１１１ａおよび副一次コイル１１１ｂを配置し、更にその外側に二次コイル１１２を配置する。

主一次コイル１１１ａの一方端は、例えば第２接続端子１５２ｂを介して直流電源４と接続され、電源電圧ＶＢ＋（例えば、１２Ｖ）が印加される。主一次コイル１１１ａの他方端は、主スイッチ素子１２および第５接続端子１５２ｅを介して接地点ＧＮＤに接続される。

上記主スイッチ素子１２は、主一次コイル１１１ａへの通電・遮断を行うための主スイッチ手段であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いて構成する。すなわち、点火コイルユニット１０は、イグニッションコイルとイグナイタをケース１５内に封止したユニット構造である。なお、主スイッチ素子１２の制御端子であるゲートＧは、例えば第４接続端子１５２ｄを介して内燃機関駆動制御装置３に接続され、点火制御手段３１が生成する点火信号ＳｉによってＯＮ・ＯＦＦ制御される。

上記のように、点火信号Ｓｉによって主スイッチ素子１２がＯＮになり、主一次コイル１１１ａに通電されると、主一次電流Ｉ１ａが流れることで順方向の磁束が増加し、主スイッチ素子１２がＯＦＦになって主一次電流Ｉ１ａが遮断されると、順方向の磁束が急激に減ぜられ（見かけ上、順方向の磁束と逆向きの遮断磁束が生じ）、この磁束変化を妨げる向きの磁界を生じさせるように、二次コイル１１２側に高電圧が発生し、点火プラグ２の放電ギャップ間に放電火花が生じ、二次電流Ｉ２が流れる。このように、主一次コイル１１１ａに対する通電・遮断制御によって点火プラグ２を放電させる制御を、以下では、通常放電制御という。

上記二次コイル１１２は、一方端が高圧端子１５１を介して点火プラグ２に接続され、他方端は第６接続端子１５２ｆを介して接地点ＧＮＤに接続される。なお、第６接続端子１５２ｆと接地点ＧＮＤとの間には電流検出抵抗６１を設け、第６接続端子１５２ｆと電流検出抵抗６２１の間に設けた二次電流検出信号線を介して、二次電流検出信号Ｄｉ２が内燃機関駆動制御装置３へ供給されるようにする。すなわち、電流検出抵抗６１と二次電流検出信号線は、二次コイル１１２に流れる二次電流Ｉ２を検出する二次電流検出手段として機能する。

次に、第１，第２副スイッチ素子５１，５２によって、通電・遮断タイミングが制御される副一次コイル１１１ｂについて説明する。

副一次コイル１１１ｂは、例えば、副一次コイル１１１ｂの一方端である第１端１１１ｂ１から他方端である第２端１１１ｂ２へ至る向きの通電により、遮断磁束と同方向の追加磁束が生じる。そして、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１は、例えば第１接続端子１５２ａを介して第１副スイッチ素子５１に接続され、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２は、例えば第３接続端子１５２ｃを介して第２副スイッチ素子５２に接続される。

したがって、第１，第２副スイッチ素子５１，５２が、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１を給電側に、第２端１１１ｂ２を接地側にすると、副一次コイル１１ｂは第１方向に通電されることとなる。逆に、第１，第２副スイッチ素子５１，５２が、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２を給電側に、第１端１１１ｂ１を接地側にすると、副一次コイル１１ｂは第２方向に通電されることとなる。

なお、副一次コイル１１１ｂにおける第１方向および第２方向は、主一次コイル１１１ａとの配置状態によって定まる。例えば、副一次コイル１１１ｂの巻回方向と主一次コイル１１１ｂの巻回方向が同じになるよう配置されているときは、主一次コイル１１１ｂへの通電方向と同じ方向を第１方向として通電すれば、副一次コイル１１１ｂに順方向の磁束が生じる。逆に、副一次コイル１１１ｂの巻回方向と主一次コイル１１１ｂの巻回方向が逆向きになるよう配置されているときは、主一次コイル１１１ｂへの通電と逆方向を第１方向として通電すれば、順方向の磁束が生じる。

上記のように構成した副一次コイル１１１ｂに対し、前述した主一次コイル１１１ａによる通常放電制御と同じタイミングで、第１方向へ通電を行うと、主一次コイル１１ａと同じ順方向の磁束が生じ、その後、通常放電制御と同じタイミングで副一次コイル１１１ｂへの通電遮断を行うと、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂの順方向磁束が同時に急減するので、二次側に与える放電エネルギを高めることができる。すなわち、点火タイミングの前（主一次コイル１１１ａへの通電遮断タイミングの前）に副一次コイル１１１ｂによって順方向磁束を発生させておき、主一次コイル１１１ａと同時に副一次コイル１１１ｂへの通電遮断を行えば、副一次コイル１１１ｂによって放電エネルギを重畳して二次コイル１１２に与えることができる。

また、点火タイミング以降（主一次コイル１１１ａへの通電遮断タイミング以降）の適宜なタイミングで、副一次コイル１１１ｂに対し、第２方向への通電を行うと、逆方向の磁束（二次側に高電圧を発生させた磁界と同じ向きの磁束）が生じ、二次側の磁界が減衰して二次側起電力が低下してゆくことを抑制できるので、副一次コイル１１１ｂへの通電遮断を行うまで二次電流Ｉ２を高く維持できる。すなわち、点火タイミングの後に副一次コイル１１１ｂによって逆方向の磁束を発生させて二次コイル１１２に作用させれば、副一次コイル１１１ｂによって放電エネルギを重畳して二次コイル１１２に与えることができる。

なお、副一次コイル１１１ｂに対する第２方向への通電を遮断するタイミングは、二次電流Ｉ２を気筒内での好適な燃焼に必要な高電流に維持するために必要十分な時間が経過したときであり、それ以上の長時間に亘って副一次コイル１１１ｂへの第２方向通電を続けると、却って燃費を悪くしてしまう。このような副一次コイル１１１ｂに対する望ましい通電・遮断のタイミングは、一定の値に定まるものではなく、内燃機関の構造や点火コイルの特性、運転状況等によって様々に変化するので、内燃機関用点火装置１に適した設定値あるいは設定情報（設定値を求める演算式や対照表など）を内燃機関駆動制御装置３の点火制御手段３１に予め記憶させておけば良い。

また、副一次コイル１１１ｂへの第２方向通電を遮断したとき、その逆起電力が主一次コイル１１１ａに作用するため、通常の一次電流Ｉ１とは逆向きの電流を流そうとする逆方向の電圧が主スイッチ素子１２のコレクタ−エミッタ間に印加されることとなり、主スイッチ素子１２が故障したり、主スイッチ素子１２の劣化を早めたりする危険性がある。そこで、主スイッチ素子１２と並列にバイパス線路１３を設けると共に、このバイパス線路１３の接地点ＧＮＤ側から点火コイル１１側に向かって順方向となる整流手段１４（例えば、主スイッチ素子１２のコレクタ側にカソードを、主スイッチ素子１２のエミッタ側にアノードをそれぞれ接続したダイオード）を設けてある。

次に、副一次コイル１１１ｂへ第１方向の通電を行える順方向磁束発生状態と、副一次コイル１１１ｂへ第２方向の通電を行える逆方向磁束発生状態と、を相互に切り替え可能な副一次コイル磁束発生状態切替手段である第１，第２副スイッチ素子５１，５２の一構成例について説明する。

第１副スイッチ素子５１は、直流電源４から副一次コイル１１１ｂへの通電・遮断を切り替える副スイッチ手段として機能する。例えば、第１副スイッチ素子５１は、高速スイッチング特性を備えるパワーＭＯＳ−ＦＥＴを用いて構成し、第１副スイッチ素子５１のドレインＤが直流電源４側に、第１副スイッチ素子５１のソースＳが副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側に接続され、第１副スイッチ素子５１のゲートＧには点火制御手段３１からの副一次コイル通電信号Ｓｄが入力される。したがって、点火制御手段３１から第１副スイッチ素子５１に入力される副一次コイル通電信号ＳｄのＯＮ／ＯＦＦに応じて第１副スイッチ素子５１がＯＮ／ＯＦＦになり、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１に直流電源４から電源電圧ＶＢ＋が印加あるいは遮断されることとなる。なお、副一次コイル１１１ｂへ印加する電圧を高くするために、ＶＢ＋の直流電源４を用いずに、より高圧の直流電源を用いるようにしても良い。或いは、昇圧回路７（図１中、二点鎖線で示す）を設けて、副一次コイル１１１ｂへの印加電圧を高めるようにしても良い。

第２副スイッチ素子５２は、副一次コイル１１１ｂへの通電を行えるように、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側を接地点ＧＮＤへ切り替える副一次コイル通電許可手段として機能する。例えば、第２副スイッチ素子５２は、高速スイッチング特性を備えるパワーＭＯＳ−ＦＥＴを用いて構成し、第２副スイッチ素子５２のドレインＤが副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側に、第２副スイッチ素子５２のソースＳが接地点ＧＮＤ側に接続され、第２副スイッチ素子５２のゲートＧには点火制御手段３１からの副一次コイル通電許可信号Ｓｐが入力される。したがって、点火制御手段３１から第２副スイッチ素子５２に入力される副一次コイル通電許可信号ＳｐのＯＮ／ＯＦＦに応じて第２副スイッチ素子５２がＯＮ／ＯＦＦになり、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２が接地点ＧＮＤに接続されることとなる。なお、第２副スイッチ素子５２と接地点ＧＮＤとの間には、電流検出抵抗６２を設け、第２副スイッチ素子５２と電流検出抵抗６２との間に設けた副一次電流検出信号線を介して、副一次電流検出信号Ｄｉ１ｓが内燃機関駆動制御装置３へ入力される。すなわち、電流検出抵抗６２と副一次電流検出信号線は、副一次コイル１１１ｂに流れる副一次電流を検出する副一次電流検出手段として機能する。

ここで、上述した第１実施形態の内燃機関用点火装置１における点火制御手段３１による制御例を、図２に基づいて説明する。

図２の前段は、通常放電制御を示すもので、１回の燃焼サイクル中に主一次コイル１１１ａのみを使って放電エネルギを二次コイル１１２に与える基本的な制御である。まず、燃焼サイクル中の所定タイミングで点火信号ＳｉがＯＮになると、主スイッチ素子１２がＯＮとなって、主一次電流Ｉ１ａが流れる。主一次コイル１１１ａへの通電から時間経過に伴って、主一次電流Ｉ１ａは飽和電流に達するまで増加してゆき、主一次コイル１１１ａにエネルギが蓄積される。そして、点火タイミングで点火信号ＳｉがＯＦＦになると（信号レベルがＨからＬになると）、主一次コイル１１１ａに蓄積されたエネルギに応じた起電力が二次側に生じて、二次電流Ｉ２が流れると共に点火プラグ２の電極間に絶縁破壊を起こして、気筒内に放電火花を生じさせる（容量放電）。その後も、二次コイル１１２に与えられた磁気エネルギの放出による放電（誘導放電）が０．５〜２．５ｍｓ程度続くが、二次コイル１１２に生じた起電力は次第に弱まり、二次電流Ｉ２も減衰してゆく。

図２の後段は、重畳放電制御を示すもので、主一次コイル１１１ａへの通電・遮断による点火タイミング以降に、第１，第２副スイッチ素子５１，５２を制御して副一次コイル１１１ｂへ通電開始し、副一次コイル１１１ｂから誘導放電を維持するために必要十分なエネルギを二次側に与える制御である。

まず、燃焼サイクル中の所定タイミングで点火信号ＳｉがＯＮになると、主スイッチ素子１２がＯＮとなって、主一次電流Ｉ１ａが流れる。主一次コイル１１１ａへの通電から時間経過に伴って、主一次電流Ｉ１ａは飽和電流に達するまで増加してゆき、主一次コイル１１１ａにエネルギが蓄積される。そして、点火タイミングで点火信号ＳｉがＯＦＦになると（信号レベルがＨからＬになると）、主一次コイル１１１ａに蓄積されたエネルギに応じた起電力が二次側に生じて、二次電流Ｉ２が流れると共に点火プラグ２の電極間に絶縁破壊が起き、気筒内に放電火花が生じる（容量放電）。

上記のようにして点火プラグ２に容量放電が生じ、放電電流が流れ始めた後、例えば、容量放電から誘導放電へ移行するタイミング（例えば、点火信号ＳｉのＯＦＦから所定の重畳放電待機時間Ｔｐｒｅが経過したタイミング）で、点火制御手段３１が副一次コイル通電許可信号ＳｐをＯＮ（例えば、信号レベルをＬからＨ）にすると共に、副一次コイル通電信号ＳｄをＯＮにする。なお、図２に示す例では、副一次コイル通電信号Ｓｄのデューティー比を変えるＰＷＭ制御を行うことで、副一次コイル１１１ｂへの供給電力を調整するものとした。

そして、副一次コイル１１１ｂを流れる副一次電流（以下、重畳電流Ｉ１ｂという）は、飽和電流に達するまで徐々に増加してゆき、逆方向の磁束（点火タイミング後に二次コイル１１２に生じた磁界と同じ向きの重畳磁束）も増加してゆく（図２の重畳電流波形中、網掛けで示す）。したがって、二次コイル１１２の電磁エネルギ放出による二次電流Ｉ２の低下を補うように、副一次コイル１１１ｂに生じた重畳磁束が二次コイル１１２に作用することとなり、二次電流Ｉ２が高電流のまま保持され（図２の二次電流波形中、網掛けで示す）、気筒内燃焼に好適な高電流期間を効率良く長期化できる。

その後、好適な気筒内燃焼に必要十分な高電流の維持期間（高電流期間）が経過すると、点火制御手段３１が副一次コイル通電許可信号Ｓｐおよび副一次コイル通電信号ＳｄをＯＦＦにする。これにより、副一次コイル１１１ｂによる逆方向の磁束が二次コイル１１２に作用しなくなるので、以降は二次コイル１１２の電磁エネルギ放出のみによる低い二次電流Ｉ２が流れることとなり、やがて二次電流Ｉ２が帰零する。なお、副一次コイル通電許可信号ＳｐをＯＮにする通電許可期間Ｔｂ１と、直流電源４から副一次コイル１１１ｂへの給電を行う通電期間Ｔｂ２は、同一期間にしても良いし、通電許可期間Ｔｂ１の方が通電期間Ｔｂ２よりも若干長くなるようにしても良い。

上述したように、点火制御手段３１が重畳放電制御を行えば、点火信号ＳｉのＯＮ時間を長くすることなく、二次コイル１１２に与える放電エネルギを増大させ、点火プラグ２の電極間を流れる放電電流を高電流に維持できる期間を長期化できる。しかも、副一次コイル１１１ｂから二次コイル１１２に作用させる重畳磁束は、気筒内燃焼を好適に維持するために必要十分な高電流を発生・維持できる程度で良いことから、副一次コイル１１１ｂへの通電に要するエネルギは低く抑えることができ、燃費効率の向上に有効である。

加えて、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、点火制御手段３１が副一次コイル通電信号Ｓｄによって第１副スイッチ素子５１をＰＷＭ制御可能であるから、重畳放電制御において副一次コイル１１１ｂに流す重畳電流Ｉ１ｂを適宜に増減させることで、過不足の無い適切な放電エネルギを二次側に与えることができ、更なる燃費効率向上を期待できる。かくするために、点火制御手段３１では、予め設定された副一次電流目標値を記憶しており、副一次電流検出手段により検出された副一次電流検出値（副一次電流検出信号Ｄｉ１ｓによって得られる重畳電流Ｉ１ｂの値）と副一次電流目標値とを比較し、副一次電流検出値を副一次電流目標値へ近づけるように、副一次コイルへの供給電力を制御する副一次電流フィードバック制御を行うのである。

なお、実測値を目標値へ近づけるフィードバック制御としては、公知既存の種々の技術を適用可能であるが、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、点火制御手段３１から第１副スイッチ素子５１へ出力する副一次コイル通電信号Ｓｄのデューティー比を、予め定めた単位期間Ｔｕ毎に変更可能とし、副一次電流検出値と副一次電流目標値との比較結果に応じて、次の単位期間Ｔｕにおける副一次コイル通電信号Ｓｄのデューティー比を高めたり、低めたりするものとした。このフィードバック制御の一例を、図３に基づき説明する。図３（ａ）は、副一次電流検出値が副一次電流目標値とほぼ一致している場合を示し、図３（ｂ）は、副一次電流検出値と副一次電流目標値とのズレが修正を要するほど大きかったためにフィードバック制御を行った場合を示す。

なお、目標値と検出値との誤差比較手法についても、公知既存の様々な手法を適用できるが、本例では、単位期間Ｔｕのほぼ中間付近で、副一次電流検出値が副一次電流目標値に一致していれば、目標通りの放電エネルギが発生しているものと判断する。また、単位期間Ｔｕの前期間で、副一次電流検出値が副一次電流目標値に達しているか、単位期間Ｔｕの始まる前に副一次電流検出値が副一次電流目標値を越えていれば、過剰な放電エネルギが発生しているものと判断する。逆に、単位期間Ｔｕの後期間で、副一次電流検出値が副一次電流目標値にようやく達するか、単位期間Ｔｕが経過しても副一次電流検出値が副一次電流目標値に達していなければ、本来必要な放電エネルギを発生できていないものと判断する。

図３（ａ）にて順に説明すると、第１単位期間Ｔｕ１においては、通常のデューティー比となる副一次コイル通電信号Ｓｄを出力し、その間に重畳電流Ｉ１ｂとして得られる副一次電流検出値は第１単位期間Ｔｕ１の中間付近で副一次電流目標値と一致しているので、次の第２単位期間Ｔｕ２でも通常のデューティー比となる副一次コイル通電信号Ｓｄを出力する。以下、第２〜第４単位期間Ｔｕ２〜Ｔｕ４においても同様に、各期間の中間付近で副一次電流検出値が副一次電流目標値と一致しているので、次の単位期間でも通常のデューティー比となる副一次コイル通電信号Ｓｄを出力する。

副一次電流目標値は、本来、点火プラグ２に放電火花を安定的に発生させる上で良好な重畳電流Ｉ１ｂを得るために設定したものであるから、上述した図３（ａ）のように副一次電流検出値が副一次電流目標値と一致して、適切な放電エネルギを重畳できることが理想であるが、車両の走行環境やエンジン負荷などで、理想通りの重畳電流Ｉ１ｂを得ることができない場合もある。このような場合に、実際の重畳電流Ｉ１ｂをモニタリングして、理想の重畳電流Ｉ１ｂが得られるようにフィードバック制御を行えば、重畳放電によるエネルギの過不足を無くすことができる。

図３（ｂ）にて順に説明すると、第１単位期間Ｔｕ１においては、通常のデューティー比となる副一次コイル通電信号Ｓｄを出力し、その間に重畳電流Ｉ１ｂとして得られる副一次電流検出値は第１単位期間Ｔｕ１のやや後期間で副一次電流目標値と一致しているので、重畳電流Ｉ１ｂが理想とする電流値よりも低いと判断し、次の第２単位期間Ｔｕ２ではデューティー比を高めた副一次コイル通電信号Ｓｄを出力する。

なお、デューティー比を高めたり、低めたりする場合、高デューティー比出力と低デューティー比出力をそれぞれ予め定めておき、デューティー比を高める場合には高デューティー比出力を副一次コイル通電信号Ｓｄに適用し、デューティー比を低める場合には低デューティー比出力を副一次コイル通電信号Ｓｄに適用するようにしても良いし、副一次電流目標値と副一次電流検出値との誤差値に応じたデューティー比のパルス信号を生成して、副一次コイル通電信号Ｓｄに適用するようにしても良い。

デューティー比を高めた副一次コイル通電信号Ｓｄを出力している第２単位期間Ｔｕ２においても、やや後期間で副一次電流検出値が副一次電流目標値と一致しているので、未だ重畳電流Ｉ１ｂが理想とする電流値よりも低いと判断し、次の第３単位期間Ｔｕ３でもデューティー比を高めた副一次コイル通電信号Ｓｄを出力する。デューティー比を高めた副一次コイル通電信号Ｓｄを出力している第３単位期間Ｔｕ３においては、ほぼ中間付近で副一次電流検出値が副一次電流目標値と一致しているので、適切な重畳電流Ｉ１ｂが供給されるようになったものと判断し、次の第４単位期間Ｔｕ４は通常のデューティー比となる副一次コイル通電信号Ｓｄを出力する。通常のデューティー比となる副一次コイル通電信号Ｓｄを出力している第４単位期間Ｔｕ４においては、やや前期間で副一次電流検出値が副一次電流目標値と一致しているので、重畳電流Ｉ１ｂが理想とする電流値よりも高いと判断し、次の第５単位期間Ｔｕ５ではデューティー比を低めた副一次コイル通電信号Ｓｄを出力する。これにより、第５単位期間Ｔｕ５では重畳電流Ｉ１ｂが理想とする電流値となるように抑制できるのである。

以上のように、点火制御手段３１が、予め定めた単位期間毎に副一次電流目標値と副一次電流検出値との比較を行い、比較結果に応じて次の単位期間における副一次コイル１１１ｂへの供給電力制御を行うようにすれば、副一次電流目標値として設定した理想的波形の重畳電流Ｉ１ｂを得ることができる。

しかしながら、副一次電流目標値として設定した重畳電流Ｉ１ｂの波形で、必ずしも理想とする二次電流Ｉ２を得られるとは限らない。そこで、点火制御手段３１は、予め設定された二次電流目標値と、二次電流検出手段により検出された二次電流検出値とを比較し、二次電流検出値を二次電流目標値へ近づけるように、副一次電流目標値を設定変更するものとした。

なお、二次電流の実測値を二次電流の目標値へ近づけるフィードバック制御としては、公知既存の種々の技術を適用可能であるが、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、二次電流目標値として許容できる範囲内に二次電流実測値が収まっているか、許容範囲のしきい値を越えているかで、副一次電流目標値の変更制御を行うものとした。例えば、許容し得る二次電流の上限として予め定めた二次電流目標上限値と、許容し得る二次電流の下限として予め定めた二次電流目標下限値とを用い、二次電流目標上限値および二次電流目標下限値を二次電流検出値と比較し、二次電流目標上限値よりも二次電流検出値が高い場合には二次電流を下げるように副一次電流目標値を設定変更し、二次電流目標下限値よりも二次電流検出値が低い場合には二次電流を上げるように前記副一次電流目標値を設定変更するのである。かくすれば、目標とする二次電流Ｉ２が得られるように副一次電流目標値が変更され、この変更された副一次電流目標値へ重畳電流Ｉ１ｂを近づけるような副一次コイル通電信号Ｓｄが出力されることとなる。

このフィードバック制御の一例を、図４に基づき説明する。図４（ａ）は、二次電流検出値が二次電流目標値とほぼ一致している場合（二次電流目標上限値と二次電流目標下限値との間の許容範囲に収まっている場合）を示し、図４（ｂ）は、二次電流検出値が二次電流目標上限値を超えることで副一次電流目標値変更条件が成立した状況を含む場合を示し、図４（ｃ）は、二次電流検出値が二次電流目標下限値を下回ることで副一次電流目標値変更条件が成立した状況を含む場合を示す。

図４（ａ）においては、第１単位期間Ｔｕ１〜第７単位期間Ｔｕ７の何れにおいても、二次電流検出値は、二次電流目標上限値と二次電流目標下限値との間の許容範囲に収まっているので、副一次電流目標値変更条件は成立せず、予め設定されている副一次電流目標値が使用される。なお、デフォルト設定となる副一次電流目標値は、基準期間Ｔｕが経過する毎に、副一次電流目標値が段階的に基準レベルだけ上がって行くものである。例えば、第１基準期間Ｔｕ１は出力レベル１、第２基準期間Ｔｕ２は出力レベル２、第３基準期間Ｔｕ３は出力レベル３、第４基準期間Ｔｕ４は出力レベル４、第５基準期間Ｔｕ５は出力レベル５、第６基準期間Ｔｕ６は出力レベル６、第７基準期間Ｔｕ７は出力レベル７といった具合に、出力レベルが段階的に上がって行くのが、予め設定されている副一次電流目標値である。

図４（ｂ）では、二次電流検出値が二次電流目標上限値を超えることで副一次電流目標値変更条件が成立し、副一次電流目標値を変更する制御を行う。まず、第１基準期間Ｔｕ１においては、予め設定されている副一次電流目標値の通り出力レベル１の設定であるが、この第１基準期間Ｔｕ１の間に二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標上限値を超えたので、二次電流Ｉ２を低減させて許容範囲に収めるため、次の第２基準期間Ｔｕ２では出力レベル２へ移行させずに出力レベル１のままとする。出力レベル１のままである第２基準期間Ｔｕ２において、未だ二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標上限値を超えたままなので、二次電流Ｉ２を更に低減させて許容範囲に収めるため、次の第３基準期間Ｔｕ３でも出力レベル２へ移行させずに出力レベル１のままとする。

出力レベル１のままである第３基準期間Ｔｕ３において、二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標上限値より下がり、許容範囲に収まったので、次の第４基準期間Ｔｕ４では出力レベル２へ移行させる。出力レベル２にアップした第４基準期間Ｔｕ４では、二次電流検出値が二次電流目標上限値と二次電流目標下限値との間の許容範囲に収まっているので、副一次電流目標値変更条件は成立せず、次の第５基準期間Ｔｕ５では目標値を出力レベル３にアップする。出力レベル３にアップした第５基準期間Ｔｕ５では、再び二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標上限値を超えたので、二次電流Ｉ２を低減させて許容範囲に収めるため、次の第６基準期間Ｔｕ６では出力レベル４へ移行させずに出力レベル３のままとする。

出力レベル３のままである第６基準期間Ｔｕ６において、二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標上限値より下がり、許容範囲に収まったので、次の第７基準期間Ｔｕ７では出力レベル４へ移行させる。以後の第７基準期間Ｔｕ７〜第９基準期間Ｔｕ９では、いずれも二次電流検出値が二次電流目標上限値と二次電流目標下限値との間の許容範囲に収まっているので、副一次電流目標値変更条件は成立せず、基準期間Ｔｕ毎に出力レベルを１ずつ上げて行くので、デフォルト設定の副一次電流目標値と同様、第７基準期間Ｔｕ７〜第９基準期間Ｔｕ９では目標値の出力レベルが段階的に上がって行く。

図４（ｃ）では、二次電流検出値が二次電流目標下限値を下回ることで副一次電流目標値変更条件が成立し、副一次電流目標値を変更する制御を行う。まず、第１基準期間Ｔｕ１においては、予め設定されている副一次電流目標値の通り出力レベル１の設定であるが、この第１基準期間Ｔｕ１の間に二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標上限値を超えたので、二次電流Ｉ２を低減させて許容範囲に収めるため、次の第２基準期間Ｔｕ２では出力レベル２へ移行させずに出力レベル１のままとする。出力レベル１のままである第２基準期間Ｔｕ２において、二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標上限値より下がり、許容範囲に収まったので、副一次電流目標値変更条件は成立せず、次の第３基準期間Ｔｕ３では目標値を出力レベル２にアップする。

出力レベル２にアップした第３基準期間Ｔｕ３では、二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標下限値を下回ったので、二次電流Ｉ２を増加させて許容範囲に収めるため、次の第４基準期間Ｔｕ４では目標値を２段階上げて、出力レベル４へ移行させる。出力レベル４にアップした第４基準期間Ｔｕ４において、二次電流Ｉ２の実測値が二次電流目標下限値を上回り、許容範囲に収まったので、次の第５基準期間Ｔｕ７では目標値を１段階上げて、出力レベル５へ移行させる。以後の第５基準期間Ｔｕ５〜第９基準期間Ｔｕ９では、いずれも二次電流検出値が二次電流目標上限値と二次電流目標下限値との間の許容範囲に収まっているので、副一次電流目標値変更条件は成立せず、基準期間Ｔｕ毎に出力レベルを１ずつ上げて行くので、デフォルト設定の副一次電流目標値と同様、第５基準期間Ｔｕ５〜第９基準期間Ｔｕ９では出力レベルが段階的に上がって行く。

上記のように設定変更された副一次電流目標値は、前述した通り、副一次電流検出値と対比され、副一次電流通電信号Ｓｄの生成が行われる。すなわち、デフォルト設定の副一次電流目標値よりも高い出力レベルに設定変更された場合には、デューティー比を高めた副一次コイル通電信号Ｓｄを出力するので、重畳電流Ｉ１ｂを増大させて二次側に与える放電エネルギを大きくでき、二次電流Ｉ２の高電流期間を確保して好適な燃焼を実現できる。また、デフォルト設定の副一次電流目標値よりも低い出力レベルに設定変更された場合には、デューティー比を低めた副一次コイル通電信号Ｓｄを出力するので、重畳電流Ｉ１ｂが低く抑えられて二次電流Ｉ２を低く抑えることができ、高い燃費改善効果を期待できる。

上述した第１実施形態の内燃機関用点火装置１においては、主一次コイル１１１ａとは別途設けた副一次コイル１１１ｂにより発生させた重畳磁束を二次コイル１１２に作用させて、必要十分な放電エネルギを二次側に与える重畳放電制御を行うもので、この重畳放電制御をより効率良くするために、重畳電流Ｉ１ｂおよび二次電流Ｉ２の実測値を用いたフィードバック制御を行う事ができる。

しかしながら、点火プラグ２の放電制御においては、点火コイル１１に印加される二次電圧が最も点火プラグ２の放電状態を表すものである。二次電圧は、例えば、高圧端子１５１から接地点ＧＮＤの電圧であるが、この電圧は、二次コイル１１２を介して主一次コイル１１１ａ１に模擬される。すなわち、主スイッチ素子１２が非動作状態のとき、主一次コイル１１１ａ１の電圧を検知できれば、二次電圧の状態を知ることができるので、二次電圧の状態に応じたフィードバック制御が可能になる。例えば、超希薄燃焼の場合、点火プラグ２の電極間における絶縁耐圧が所定電圧よりも高くなるため、所定電圧よりも高い高電圧で初期着火が行われるが、初期火炎を成長させるに十分な放電電流が供給されないと、初期火炎が成長せずに吹き飛び等で失火してしまう。このようなとき、初期火炎を自立成長させるためには、高電流期間の電流値をより高めるような制御が必要となる。

そこで、図５に示す第２実施形態の内燃機関用点火装置１′においては、点火コイルユニット１０′の主一次コイル１１１ａと主スイッチ素子１２との間（ただし、バイパス線路１３よりも主一次コイル１１１ａ側）に、点火コイル１１の一次側電圧を検出する一次コイル電圧検出手段としての一次コイル電圧取得線路１６を設け、第７接続端子１５２ｇを介して、点火制御手段３１へ一次コイル電圧検出信号Ｄｖ１を供給する。この一次コイル電圧検出信号Ｄｖ１より入力される一次コイル電圧の検出値は、主スイッチ素子１２がＯＦＦになってコイル二次側に放電エネルギが供給された後、点火コイル２の放電が継続している間は、二次電圧波形を模擬した電圧波形となる（例えば、図６の一次コイル電圧検出信号Ｄｖ１の波形と二次電圧の波形を参照）。

そこで、点火制御手段３１は、一次コイル電圧の検出値が、所定の傾斜角度よりも早く所定電圧以上に上昇した時、二次電流目標値を増加させるように設定変更する。例えば、二次電流目標値を増加させるための変更条件が成立しなかった場合（所定の傾斜角度以下で所定電圧に上昇した場合）は、デフォルト設定の二次電流目標値で良好な燃焼を維持できるので、デフォルト設定の二次電流目標値を維持し、この二次電流目標値による副一次電流目標値の変更設定および副一次コイル通電信号Ｓｄの生成が行われる（図６の前段を参照）。一方、二次電流目標値を増加させるための変更条件が成立した場合（所定の傾斜角度よりも早く所定電圧に上昇した場合）は、デフォルト設定の二次電流目標値では良好な燃焼を維持できないと考えられるので、デフォルト設定の二次電流目標値をより高い二次電流目標値に変更（例えば、二次電流目標上限値と二次電流目標下限値との許容範囲を変更せずに、二次電流目標上限値と二次電流目標下限値を均等に高くした二次電流目標補正上限値と二次電流目標補正下限値を設定）し、この二次電流目標補正値に基づく副一次電流目標値の変更設定制御および副一次コイル通電信号Ｓｄの生成制御が行われる（図６の後段を参照）。

したがって、第２実施形態にかかる内燃機関用点火装置１′によれば、点火コイル２に印加される二次電圧の状態に応じた適切なフィードバック制御が可能になるので、さらに良好な燃焼を実現できると共に、高い燃費改善効果を期待できる。

上述した第１，第２実施形態に係る内燃機関用点火装置１，１′は、何れも一つの気筒のみ示したが、複数の気筒で構成される内燃機関の場合、気筒毎に第１，第２副スイッチ素子５１，５２、副一次電流検出手段、二次電流検出手段等を設けても良いし、各気筒に対応した第１、第２副スイッチ素子５１，５２等の全てを単一ケースに収納した統括ユニットとし、この統括ユニットと各気筒の点火コイルユニット１０，１０′とを接続するようにしても良い。

以上、本発明に係る内燃機関用点火装置のいくつかの実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１内燃機関用点火装置
１０点火コイルユニット
１１点火コイル
１１１ａ主一次コイル
１１１ｂ副一次コイル
１１２二次コイル
１２主スイッチ素子
２点火プラグ
３内燃機関駆動制御装置
３１点火制御手段
４直流電源
５１第１副スイッチ素子
５２第２副スイッチ素子

Claims

主一次電流の通電により順方向の磁束が増加し、主一次電流を遮断することにより逆方向の遮断磁束が生じる主一次コイルと、前記遮断磁束の発生以降の任意のタイミングで副一次電流を通電することにより遮断磁束と同方向の追加磁束を生じさせる副一次コイルと、一端側が点火プラグと接続され、前記主一次コイルと副一次コイルに生じた磁束が作用して放電エネルギが発生する二次コイルと、を有する点火コイルと、
前記点火コイルに電源供給する直流電源と、
前記点火コイルの主一次コイルへの通電・遮断を切り替える主スイッチ手段と、
前記副一次コイルの高圧側通電路の開閉を行うことで、前記直流電源から副一次コイルへの通電・遮断を切り替える副スイッチ手段と、
前記副一次コイルの低圧側通電路を開閉可能なスイッチで、該低圧側通電路を閉じることにより前記副一次コイルへの通電を許可する副一次コイル通電許可スイッチ手段と、
前記主スイッチ手段、副スイッチ手段、副一次コイル通電許可スイッチ手段を制御して、燃焼サイクルの所定のタイミングで点火プラグに放電火花を発生させる点火制御手段と、
前記点火コイルの副一次コイルに流れる副一次電流を検出する副一次電流検出手段と、
前記点火コイルの二次コイルに流れる二次電流を検出する二次電流検出手段と、
を備え、
前記点火制御手段は、
主一次コイルへの通電を遮断した遮断タイミング以降に所定の重畳時間だけ副一次コイル通電許可スイッチ手段に副一次コイルへの通電を許可させると共に、副スイッチ手段への通電制御を行うことで、二次コイルに発生する放電エネルギを重畳的に増加させ、
予め設定された副一次電流目標値と、前記副一次電流検出手段により検出された副一次電流検出値とを比較し、副一次電流検出値を副一次電流目標値へ近づけるように、副一次コイルへの供給電力を制御する副一次電流フィードバック制御を行い、
予め設定された二次電流目標値と、前記二次電流検出手段により検出された二次電流検出値とを比較し、二次電流検出値を二次電流目標値へ近づけるように、前記副一次電流目標値を設定変更するようにしたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
前記二次電流目標値は、許容し得る二次電流の上限として予め定めた二次電流目標上限値と、許容し得る二次電流の下限として予め定めた二次電流目標下限値とを用い、二次電流目標上限値および二次電流目標下限値を二次電流検出値と比較し、二次電流目標上限値よりも二次電流検出値が高い場合には二次電流を下げるように前記副一次電流目標値を設定変更し、二次電流目標下限値よりも二次電流検出値が低い場合には二次電流を上げるように前記副一次電流目標値を設定変更するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
前記点火コイルの主一次コイルと主スイッチ手段との間にて、前記点火コイルの放電継続中に発生する一次側電圧を検出する一次コイル電圧検出手段を備え、
前記点火制御手段は、一次コイル電圧が、所定の傾斜角度よりも早く所定電圧以上に上昇した時、前記二次電流目標値を増加させるように設定変更するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用点火装置。
前記点火制御手段は、副スイッチ手段をＰＷＭ制御することで、副一次電流フィードバック制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内燃機関用点火装置。
前記点火制御手段は、予め定めた単位期間毎に副一次電流目標値と副一次電流検出値との比較を行い、比較結果に応じて次の単位期間における副一次コイルへの供給電力制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の内燃機関用点火装置。