JP6882031B2 - イオン測定及びacリンギング抑制を行う容量性点火装置 - Google Patents

イオン測定及びacリンギング抑制を行う容量性点火装置 Download PDF

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Description

本発明は、点火コイルを含み、イオン測定を行う、容量性点火装置であって、点火コイルが、スパーク事象のためのエネルギを形成するエネルギ源に接続された1次巻線と、スパークプラグに接続された第1の端子を有する2次巻線とを有し、これにより、2次巻線にかかる2次電圧が、スパークプラグのスパークギャップと、イオン測定のためにスパーク事象後にスパークギャップへのバイアス電圧を形成する、点火コイルの2次側のイオン化電流バイアス測定回路と、2次巻線に対して並列に接続されたダイオードとに印加される、容量性点火装置に関する。本発明はまた、イオン測定を行う容量性点火装置内でスパーク事象の発生後にACリンギングを減衰させる方法に関する。
スパークプラグのスパークギャップを介して流れるイオン化電流を用いて内燃機関の燃焼プロセスを分析できることは公知である。スパークプラグがスパークを発生すると、スパークギャップの周囲のガスがイオン化される。スパーク事象が発生した後にスパークギャップに所定の電圧が印加されると、イオン化ガスによってスパークギャップを介して流れるイオン化電流が生じ、適切な検出回路を用いてこれを測定及び分析することができる。イオン化電流の測定及び分析(いわゆるイオン測定)により、機関又は燃焼プロセスでのミスファイア、機関ノッキング、圧力ピーク、スパークプラグ劣化(プラグファウリング)及びその他の特性を識別できる。イオン測定からの情報により、種々の負荷条件に適応するため、又は、機関のパフォーマンスを改善するため、又は、放出量もしくは燃料消費量を低減するために、例えば空燃比を制御することによって、点火パラメータの補正もしくは調整が可能となる。従来技術には、イオン化電流を検出、測定及び分析するための多くの公知の方法及び装置が存在する。
点火装置は、通常、1次巻線及び2次巻線を有する点火コイルを使用している。スパーク形成に必要なエネルギは1次巻線から2次巻線へ供給され、これにより2次巻線に2次電圧がかかり、これがスパークギャップへ印加される。1次巻線にかかる1次電圧を形成するための1次側のエネルギ源に応じて、誘導性点火装置と容量性点火装置とが区別される。
誘導性点火装置では、エネルギは1次巻線に蓄積され、スパーク形成のために解放される。このために、1次巻線に直列に接続された1次スイッチが、給電電圧に接続されたコイル1次側へのチャージのためにオンへ切り替えられる。1次スイッチがオフへ切り替えられるとスパークが発生する。イオン測定を行う誘導性点火は、例えば米国特許第5230240号明細書(US5230240A)から公知である。当該米国特許第5230240号明細書(US5230240A)には、2次巻線に対して並列に接続されたダイオードが示されており、このダイオードは、1次スイッチがオンとなってコイル1次側がチャージされたときに望ましくないスパークが発生することを防止する。当該ダイオードは、スイッチがオンへ切り替えられると順バイアスされ、スイッチがオフへ切り替えられると逆バイアスされる。したがって、当該ダイオードは、スパークプラグ電極を介した所望のスパークブレークダウンが発生する前に導通する。2次巻線に対して並列に接続されたダイオードは、1次スイッチがオンへ切り替えられるたびに大きな電流を導通しなくてはならず、その後、電力を再び消費させる必要がある。そのためダイオードに大きな負荷がかかり、高い定格電力を有するダイオードが要求される。
容量性点火装置では、点火コイルの1次側のストレージキャパシタにスパーク形成のためのエネルギが蓄積される。ストレージキャパシタは1次巻線を介して放電され、例えばキャパシタを1次巻線に接続するスイッチがオンへ切り替えられることにより、1次巻線にかかる1次電圧が形成される。スパーク事象後、キャパシタは次のスパーク事象のために再充電される。容量性点火によれば短期間かつ高電力のスパークを形成できるので、これは例えばガソリン機関におけるリーン混合気の点火に特に適する。
イオン測定を行う容量性点火は、例えば国際公開第2013/045288号公報(WO2013/045288A1)から公知である。当該国際公開第2013/045288号公報(WO2013/045288A1)では、イオン化電流を測定するために抵抗がスパークプラグに直列に接続されている。イオン測定のためにスパークプラグ電極に要求されるバイアス電圧は、初期のスパークブレークダウン後に、1次側のストレージキャパシタを反復放電することにより形成される。
スパークギャップのイオン測定における燃焼の監視での主たる課題は、スパーク事象後の点火コイルの2次巻線での2次電圧の関連リンギングを最小化することである。コイル2次巻線はインダクタンスであり、スパークが形成されるときにはつねにこれを通ってDC電流(直流電流)が流れる。スパークが消弧すると2次DC電流は瞬時にゼロへ降下し、その結果、コイル2次巻線の充電されたインダクタンスが先行の電流の流れを維持しようとする。しかし、2次経路はいまや高抵抗となっていて、利用可能な2次電圧でDC電流を流れさせることができないので、流れることのできる唯一の電流は、スパークプラグギャップの寄生容量を通るAC電流(交流電流)のみである。当該AC電流により、2次電圧のリンギングが生じる。こうした寄生AC電流は、イオン測定の関心信号であるDCイオン電流よりも格段に規模が大きいことが多く、そのためイオン測定が困難となる。こうした現象は、従来から、複数の異なるアプローチすなわちコイルインピーダンスの低減及び回路の1次側での能動的な回路ターンオフによって対処されてきた。コイルインピーダンスの低減は、この低減が行われたコイルに典型的に、きわめて短期間の、出力エネルギの制限されたスパークを発生させるため、点火のパフォーマンスに重大な影響を与えることがある。一方、1次側での能動的な回路ターンオフは、2次巻線でのリンギング特性を改善できるものの、効率良く構成することが困難であり、利点が制限されてしまう。
欧州特許出願公開第1990813号明細書(EP1990813A1)からは、イオン測定を行う誘導性点火装置及び2次電圧のリンギングを低減する装置が公知である。イオン測定のために、点火コイルの2次側のキャパシタが、スパーク電流の流れている間、充電される。スパークブレークダウンの発生後キャパシタは放電され、測定すべきイオン化電流を検出するためのバイアス電圧がスパークプラグ電極にかかる。イオン化電流の測定に影響しうる2次電圧のリンギングを低減するために、ダイオードに直列に接続される付加的な制御巻線が点火コイルの1次側に配置されている。当該ダイオードは、スパーク電流に対して反対向きの電流、例えばイオン化電流が流れるときにのみ順バイアスされるように配向されているので、スパーク事象中には導通しない。スパークが消弧した後、制御巻線及びダイオードは協働して、リンギングを制限するためにコイル内の残留電荷を消費させる。ただし、ダイオードは点火コイルの1次側の充電中、寄生損失の増大をもたらし、これによりコイル1次側の充電に必要なエネルギ量が不都合に増大する。
イオン測定を行う別の容量性点火装置が欧州特許第879355号明細書(EP879355B1)に示されており、ここでは、高電流スパークのアークを形成し、かつ、イオン測定のためにスパークプラグ電極に要求されるバイアス電圧を形成すべく、2次側での付加的なエネルギ源が使用されている。1次側のエネルギ源は、スパークギャップのスパークを形成するためにのみ用いられる。このために、高電圧ダイオードは2次巻線に対して並列に接続されている。1次側のキャパシタがスパーク形成のために放電されると、高電圧が2次巻線に形成される。当該高電圧はスパークギャップに印加され、スパークギャップの周囲の物質をイオン化して、スパークを形成する。スパークギャップがいったんイオン化されると、コイル2次側に接続された2次側エネルギ源が要求電流を形成し、これがイオン化されたスパークギャップを介して流れ、スパーク事象のためのアークを形成する。また、当該スパーク電流は、点火コイルの1次側からの2次側エネルギ源の分離を保証する、順バイアスの高電圧ダイオードをも流れる。高電圧ダイオードはスパークのための電力の供給に用いられる。スパーク形成のためにコイル2次側に接続された2次側エネルギ源から供給されるエネルギは、2次巻線及び高電圧ダイオードにおいて迅速に消費される。さらに、スパーク事象後、2次側エネルギ源により、イオン測定のためのイオン化電流も形成される。当該イオン化電流はイオン測定中に再び順バイアスの高電圧ダイオードを流れ、高電圧の2次側が再び点火コイルの1次側から分離されて、絶縁された2つの別個のエネルギ源の望ましくない相互導通もしくは相互作用が防止される。付加的なエネルギ源は、ハードウェアに関して、かつ、エネルギ源のタイミング制御に関して、点火装置の複雑さを増大させる。なお、2次巻線及び高電圧ダイオードは大きな熱負荷を受ける。したがって、点火コイル及び高電圧ダイオードの双方を、2次側の高電圧ダイオードがスパーク電流及びイオン化電流の双方を導通することによって生じる高い熱負荷に耐えられるように設計もしくは選定しなければならない。欧州特許第879355号明細書(EP879355B1)では、ローパスフィルタを用いてイオン化電流信号を調整している。2次側エネルギ源の極性のために、2次側のリンギング電圧は高電圧ダイオードによっては抑制できず、このことは欧州特許第879355号明細書(EP879355B1)の図5a,図5bの波形から見て取れる。
本発明の課題は、容量性点火装置のスパーク事象後の2次電圧のACリンギングを容易に低減できる方法及び装置を提供することである。
この課題は、ダイオードが、スパークプラグのスパーク事象中に、スパークギャップを通って流れるスパーク電流に対して逆バイアスされ、スパーク事象後のACリンギング電圧に対して順バイアスされるよう、2次巻線に対して並列に接続されていることにより、解決される。2次巻線に対して並列に接続された順バイアスのミューティングダイオードは、スパーク事象後、2次電流が2次巻線を通って流れるようにする。スパークが終了する際に2次リンギング電圧によって生じ、2次巻線を通って流れる2次電流は、2次巻線に対して並列に接続された順バイアスのミューティングダイオードを通って流れるように強制される。なぜなら、ミューティングダイオードがスパーク事象後に2次巻線を短絡するからである。ミューティングダイオードにより、点火コイルの2次巻線に蓄積されていた残留電気エネルギが2次巻線の抵抗において迅速に消費される。これは、2次巻線を通る電流が順バイアスのミューティングダイオードによって形成される低インピーダンス経路を通るように流されるからである。このようにして、2次電流は、スパークギャップから放出され、このためスパーク事象後のイオン測定に影響しない。したがって、2次AC電流がスパーク事象後にスパークギャップを通って流れることが防止され、これにより、イオン測定のためにスパークギャップを通って流れる小さなDCイオン化電流への影響が生じない。
構成の簡単な実施形態として、イオン化電流バイアス測定回路が、2次巻線の第2の端子に接続され、さらにバイアスキャパシタを含み、このバイアスキャパシタが、第2の端子に接続され、かつ、スパーク事象中はスパーク電流によって充電され、バイアス電圧の形成のためにスパーク事象後に放電されるようにすると、有利である。
特に有利には、点火コイルの定格最大電圧の範囲のアバランシェブレークダウン電圧を有するミューティングダイオードが使用される。こうしたアバランシェブレークダウン電圧を有するミューティングダイオードがアバランシェブレークダウン電圧を上回るスパーク電圧に曝されると、ミューティングダイオードのアバランシェブレークダウンの発生によってスパーク電圧が制限され、高電圧に起因する損傷から点火コイルを保護できる。
本発明を図1から図4を参照しながら以下に詳細に説明する。各図は本発明の有利な各実施形態を例示的かつ非限定的に略示するものである。
従来技術による容量性点火装置である。 本発明によるミューティングダイオードを備えた容量性点火装置である。 本発明のミューティングダイオードが設けられる場合及び設けられない場合の2次電圧及びスパークギャップを通る電流である。 スパーク事象の末尾部分の拡大図である。
図1に示されている従来技術から公知な容量性点火装置1は、1次巻線3及び2次巻線4を有する点火コイル2を含む。スパーク事象に必要なエネルギを蓄積するストレージキャパシタC1が点火コイル2の1次側に設けられている。ストレージキャパシタC1は給電電圧Vによって充電される。スイッチSW、例えばトランジスタなどの半導体スイッチが、1次巻線3に直列に接続されている。ストレージキャパシタC1は、有利には(必須ではないが)、図1に示されているように1次巻線3に対して並列に接続される。2次巻線4の第1の端子T1は公知の手法でアースされたスパークプラグ5に接続されており、これにより、2次巻線4にかかる2次電圧Vがスパークギャップ8に印加される。
スイッチSWが例えば制御ユニットECUの制御のもとでオンへ切り替えられると、ストレージキャパシタC1は1次巻線3及び付加的に設けることのできる抵抗R1を介して放電され、2次巻線4に2次電圧Vが発生する。当該2次電圧Vは、スパークプラグ5のスパークギャップ8に印加される。当該2次電圧Vが充分に高ければ、スパークギャップ8を介したスパークブレークダウンが発生し、スパークギャップ8を介したアークの維持のために、スパーク電流Isparkがスパークギャップ8へ流れる(図3も参照)。スパーク事象のための電気エネルギ、すなわち、スパーク形成及びアーク維持のための電気エネルギは、点火コイル2の1次側のエネルギ源によって形成される。スパーク事象中、スパークプラグ5に接続された点火コイル2の第1の端子T1は負となり、スパークギャップ8にかかる電圧は基本的に一定であって、スパーク電流Isparkの振幅は徐々に低下する。スパーク事象後すなわちスパークが消弧してからしばらくすると、以下に述べるようにしてイオン化電流Iionを測定できる。
容量性点火装置1はさらに、スパークギャップ8を介して流れるイオン化電流Iionを測定し、このイオン化電流Iionに比例する測定信号Iを形成する、イオン化電流バイアス測定回路6を含む。イオン化電流バイアス測定回路6は種々の方式で構成可能であり、例えば図1に示されているように構成できる。イオン化電流Iionは、当該分野の技術者に公知の種々の手法で測定可能である。イオン化電流バイアス測定回路6は、2次巻線4の、通常はアースに接続された第2の端子T2に接続されている。また、測定信号Iは、例えばフィルタリングによってもしくは図1のような電流増幅器を用いた増幅によって信号調整ユニット7で処理可能であり、イオン信号ISとして出力される。
イオン化電流バイアス測定回路6は、例えば、ダイオードD2に対して並列に接続されたバイアスキャパシタC2を含み、ダイオードD2は2次巻線4の第2の端子T2に接続されている。バイアスキャパシタC2及びダイオードD2は、反対向きに並列接続されたダイオードD3,D4にも接続されており、これらのダイオードD3,D4は抵抗R2を介してアースに接続されている。測定抵抗RMは、並列接続されたバイアスキャパシタC2及びダイオードD2と、並列接続されたダイオードD3,D4と、の間の接点に直列に接続されている。測定抵抗RMを介して流れる電流が測定信号Iである。もちろん多様な他の手法でイオン電流を測定することもできる。
スパーク電流Isparkがスパークギャップ8を介したスパークブレークダウンの結果として流れると、スパーク電流Isparkも、生じた電流路(2次巻線4〜バイアスキャパシタC2〜ダイオードD4〜(付加的な)抵抗R2〜アース〜スパークギャップ8)を介して、バイアスキャパシタC2を充電する。スパークが消弧した後、バイアスキャパシタC2は放電され、イオン測定に必要なDCバイアス電圧VDCをスパークギャップ8へ供給する。当該DCバイアス電圧VDCは、スパーク電流Isparkとは反対の方向へ流れるイオン化電流Iionを発生させる。
図3のAには、生じた2次電圧Vの信号と、スパークギャップ8を介して流れる電流Igapすなわちスパーク電流Ispark及びイオン化電流Iionの信号と、が示されている。図3のAには2つの連続したスパーク事象が示されている。時点tでスイッチSWがオンとなり、高い2次電圧Vが生じる。ブレークダウン電圧が達成されるとただちに、スパークギャップ8を介したスパークブレークダウンが発生し、スパーク電流Isparkが流れる。スパーク電流IsparkはストレージキャパシタC1の放電のために低減する。スパークが時点tで消弧した後は、1次側で利用できるエネルギが制限されることにより点火コイル2がもはやスパークギャップ8を介したスパーク電流Isparkの流れを維持できないので、バイアスキャパシタC2がDCバイアス電圧をスパークギャップ8へ供給してイオン化電流Iionを流れさせる。スパークが消弧した後の点火コイル2に典型的な開回路ACリンギング電圧は、バイアスキャパシタC2のDCバイアス電圧に重なる。スパークギャップ8を通って流れる合成イオン化電流Iionは(スパーク電流Isparkより格段に小さく)、小さな関心DCイオン化電圧を形成する小さなDCイオン化電流Iionに、(図3のAに示されているような)コイル2次ACリンギング電圧Vによって生じた格段に大きな振幅のACリンギング電流が組み合わさって成るものである。これにより、小さなDCイオン化電流の測定は困難となる。
スパーク事象後に開回路ACリンギング電圧Vがイオン化電流Iionに影響することを回避するため、本発明によれば、図2に示されているように、高電圧ミューティングダイオードD1、例えば40kVミューティングダイオードが点火コイル2の2次巻線4を挟んで、つまり2次巻線4に対して並列に、又は言い換えれば2次巻線4の第1の端子T1と第2の端子T2との間に、接続されている。当該ミューティングダイオードD1は、スパーク電流Isparkの流れに対して逆バイアスとなるように接続されており、スパークギャップ8及び2次巻線4を介してスパーク電流Isparkを流れさせる。このために、ミューティングダイオードD1のカソードは点火コイル2の2次巻線4の第2の端子T2に接続されており、図示の実施形態では、そこにイオン化電流バイアス測定回路6も接続されている。
スパーク事象後、イオン化電流Iionが流れる前及びイオン化電流Iionが流れる時間中の双方で、ミューティングダイオードD1は、2次巻線4での開回路ACリンギング電圧Vを、第1の反対極性のリンギング(電圧揺動)で、単純な順バイアスのダイオードでの降下にクランプさせるという効果を有する。これにより、局所的な2次巻線電流Iがイオン化電流バイアス測定回路6から放出される。これは、(図2に示されている)2次巻線電流Iが、当該電流Iに対するきわめてインピーダンスの低い経路を形成する順バイアスのミューティングダイオードD1により2次巻線4を通って流されるからである。こうした低インピーダンス経路が点火コイル2の2次巻線4を直接に横断する場合、当該2次巻線電流Iはスパークギャップ8のキャパシタンスを通っては流れない。なぜなら、電圧電位が2次巻線4の2つの端子T1,T2間にしか存在せず、ミューティングダイオードD1によって短絡されるからである。結果として、スパーク事象後に残留する誘導コイルエネルギは、コイルの2次巻線4内のIR損失の形態で、電流Iが2次巻線4及びその抵抗Rを通って流れるにつれ、迅速に消費される。したがって、望ましくないACリンギングの2次巻線電流Iはスパークギャップ8から放出され、イオン化電流バイアス測定回路6でのイオン化電流Iionの測定には影響しない。ミューティングダイオードD1は容量性点火装置1の通常動作には作用せず、スパーク事象後の望ましくないコイルリンギングを抑制するのみである。ミューティングダイオードD1の効果は図3のBに示されている。ここから、スパーク事象後のACリンギングが消去されることが明らかに見て取れる。
図4には、スパーク事象の末尾部分の拡大図が示されている。ACリンギング電圧Vは消去されており、バイアスキャパシタC2の放電によって生じた小さなDCバイアス電圧VDCがスパークギャップ8に印加され、(スパーク電流Isparkに比べて)小さなイオン化電流Iionが生じる。
ミューティングダイオードD1の付加的な利点として、ミューティングダイオードD1が点火コイル2の定格最大電圧を上回るスパーク電圧に曝されたときにアバランシェブレークダウンが発生するように選択でき、これにより、スパーク電圧を制限して点火コイル2を保護できることが挙げられる。このために、ミューティングダイオードD1のアバランシェブレークダウン電圧は、点火コイル2の定格最大電圧の範囲、好ましくは点火コイル2の定格最大電圧の90%から110%までの範囲に定められる。アバランシェブレークダウン電圧は、好ましくは、点火コイル2の定格最大電圧を超過しない。

Claims (5)

  1. 点火コイル(2)を含み、イオン測定を行う、容量性点火装置(1)であって、
    前記点火コイル(2)は、スパーク事象のためのエネルギを形成するエネルギ源に接続された1次巻線(3)と、スパークプラグ(5)に接続された第1の端子(T1)を有する2次巻線(4)と、を有し、
    これにより、前記2次巻線(4)にかかる2次電圧(V)が、
    前記スパークプラグ(5)のスパークギャップ(8)と、
    イオン測定のためにスパーク事象後の前記スパークギャップ(8)へのバイアス電圧を形成する、前記点火コイル(2)の2次側のイオン化電流バイアス測定回路(6)と、
    前記2次巻線(4)に対して並列に接続されたダイオード(D1)と、
    に印加される、
    容量性点火装置(1)において、
    前記ダイオード(D1)は、前記スパークプラグ(5)のスパーク事象中に前記スパークギャップ(8)を通って流れるスパーク電流に対して逆バイアスされ、前記スパーク事象後のACリンギング電圧(V)に対して順バイアスされるように、前記2次巻線(4)に対して並列に接続されている、
    ことを特徴とする容量性点火装置(1)。
  2. 前記イオン化電流バイアス測定回路(6)は、前記2次巻線(4)の第2の端子(T2)に接続されており、さらにバイアスキャパシタ(C2)を含み、
    前記バイアスキャパシタ(C2)は、前記第2の端子(T2)に接続されており、かつ、スパーク事象中はスパーク電流(Ispark)によって充電され、前記バイアス電圧を形成するためにスパーク事象後に放電される、
    請求項1に記載の容量性点火装置(1)。
  3. 前記点火コイル(2)の定格最大電圧の範囲のアバランシェブレークダウン電圧を有するミューティングダイオード(D1)が用いられている、
    請求項1又は2に記載の容量性点火装置(1)。
  4. 前記点火コイル(2)の定格最大電圧に等しいアバランシェブレークダウン電圧を有するミューティングダイオード(D1)が用いられている、
    請求項1又は2に記載の容量性点火装置(1)。
  5. イオン測定を行う容量性点火装置(1)内でスパーク事象の発生後のACリンギングを減衰させる方法であって、
    前記容量性点火装置(1)は、スパーク事象のためのエネルギを形成するエネルギ源に接続された1次巻線(3)と、スパークプラグ(5)に接続された第1の端子(T1)を有する2次巻線(4)と、を含み、これにより、前記2次巻線(4)にかかる2次電圧(V)が前記スパークプラグ(5)のスパークギャップ(8)に印加される一方、スパーク事象中、スパーク電流(Ispark)が前記スパークギャップ(8)を介して流れる、
    方法において、
    スパーク事象後、前記2次巻線(4)を通る2次巻線電流(I)が、前記2次巻線(4)に対して並列に接続された順バイアスのミューティングダイオード(D1)を通って流れるようにする、
    ことを特徴とする方法。
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