JPH07167024A - 内燃機関の点火およびエンジン制御装置 - Google Patents

内燃機関の点火およびエンジン制御装置

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JPH07167024A
JPH07167024A JP6272768A JP27276894A JPH07167024A JP H07167024 A JPH07167024 A JP H07167024A JP 6272768 A JP6272768 A JP 6272768A JP 27276894 A JP27276894 A JP 27276894A JP H07167024 A JPH07167024 A JP H07167024A
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ガーディナー、エー、ノーブル
Leonard Kafka
レオナード、カフカ
Mark Ciuffetelli
マーク、シューフェテリ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 点火タイミングを正確に設定できる点火およ
びエンジン制御装置を提供すること。 【構成】 この装置は、点火プラグに直接装着され、燃
焼サイクル中に点火プラグの再放電を迅速に行って、種
々の点火診断手順の実行を可能にするようにされた点火
トランス（３６）を含む。点火のために点火トランスに
充電させ、それに続いて診断のために点火トランスに充
電する回路に制御器（２２）が信号を供給する。この装
置は診断回路も含む。この診断回路は点火トランスに接
続され、診断充電の結果として点火プラグの電極間にお
ける放電の発生を検出できる。検出回路は信号を制御器
へ供給し、または制御器への信号の供給を断つ。こうす
ることによって、制御器は燃焼シリンダ内部の諸条件を
診断できる。また、診断回路はエンジン負荷に相関させ
ることができる信号を出力できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の点火および
エンジン制御装置に関するものである。更に詳しくいえ
ば、本発明は、種々のエンジン診断手続きを遂行するた
めに、アルゴリズムに従って点火することができるプラ
グ上のコイル点火トランスに関するものである。したが
って、点火プラグに取りつけられた本発明の点火装置は
エンジン制御装置の帰還素子として動作する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関において空気と燃料の混合気の
燃焼を開始するために、火花放電点火装置が、エンジン
動作サイクルにおける適切な時刻に点火プラグの電極の
間で高電圧火花放電を発生する。点火プラグの間隙の火
花放電の開始は、クランク軸の所定の回転角度、通常は
ピストンが上死点（ＴＤＣ）に達する前、に生ずるよう
に時刻を合わせる。
【０００３】点火タイミングが正しく設定されれば、点
火プラグの作用によって開始された燃焼過程によって燃
焼室内の圧力が上昇させられる。その圧力上昇はピスト
ンの出力ストローク中のＴＤＣの直後に最高となる。動
作サイクルにおいて火花放電の開始が遅すぎると（遅れ
タイミング）、燃焼室中で発生される圧力はエンジンに
よって仕事に効率よく変換されないことになる。他方、
動作サイクルにおいて火花放電の開始が早すぎると（進
みタイミング）、極めて高くて潜在的には破壊的な圧力
および温度が生ずる結果となることがある。また、進み
タイミングに伴う圧力と温度の上昇は、エンジンによっ
て有用な仕事出力に効率よく変換されない。
【０００４】あまりに早い進みタイミングは、いくつか
の別の種類の燃焼室現象を起こすこともある。そのよう
な現象の１つが終りガスの自己点火であり、別の１つが
早期着火である。
【０００５】自己点火というのは、シリンダの温度と圧
力がエンジンにおいて燃焼させられる燃料の種類に対し
て高くなり過ぎた結果として、終りガス（炎の前面の動
きによって最初に着火された燃料・空気混合気の未燃焼
部分）が自然に爆発する状態である。エネルギーの急激
な放出に応じてシリンダの温度が劇的に上昇し、圧力波
が燃焼室を横切って前後に移動するにつれて、シリンダ
圧力が変動する、すなわち、上昇および低下を交互に繰
り返す。終りガスの自己点火によってひき起こされる
と、ＴＤＣの後で圧力と温度の急速な変動が起きること
が見られる。自己点火によってエネルギーが放出される
速さが十分に高いとすると、爆発ガスがシリンダの壁を
震動させる。その結果として「ピンジング（pinging)」
として知られている独特の音を含む、可聴エンジン雑音
が発生される。
【０００６】多くのエンジン開発者は中程度の自己点火
は望ましいと信じている。というのは、正常な炎の核が
火花放電が休止している決定的な時に、中程度の自己点
火によって燃焼室内部に乱流が生じ、乱流が燃焼過程を
促進するからである。僅かな自己点火が、火花放電によ
ってトリガされた点火過程の終了後に残っている未燃焼
の炭化水素の量を減少することも見出されている。中程
度の自己点火中に炭化水素が燃焼したときに放出された
エネルギーを利用することによって、炭化水素の放出量
と燃料消費量を減少することができることになる。
【０００７】上記の利点のために、他の利点のうちで、
エンジン設計者は、火花放電進み角が自己点火のしきい
値に接近するように、点火装置を較正することをしばし
ば求める。しかし、自己点火が過大であると燃焼室温度
が一層高くなって、性能を低下させようとするために、
過大な自己点火は避けねばならない。実際に、それらの
高い温度は、点火プラグの電極が火花放電の発生とは独
立に燃焼過程を開始させる点まで、点火プラグの電極を
加熱することがある。この現象が早期着火である。
【０００８】ピストンに穴があくことを含めてエンジン
に重大な損傷を与えることがある早期着火は、ＴＤＣの
近くでシリンダの温度と圧力を極めて高いものにするこ
とを特徴とする。早期着火に関連する可聴音は自己着火
によって発生されるもので、極端な場合には「ノッキン
グ」と呼ばれる。一般に自己着火によって早期着火が生
ずることになり、それに続いて早期着火によって更に自
己着火が生ずることになる。
【０００９】自己着火を生ずる火花放電タイミングには
いくつかの要因が影響する。それらの要因には吸入空気
の温度、エンジン速度、エンジン負荷、空燃比、および
燃料の諸特性が含まれる。火花放電のタイミングの正確
な制御はエンジン性能に大きく貢献するから、数多くの
種類のエンジン制御装置が開発されてきた。それらの制
御装置は、マイクロプロセッサをベースとする閉ループ
火花放電タイミング制御装置を通常採用している。エン
ジン制御装置は排気の組成、冷却水温度、および火花放
電ノッキングの発生などのいくつかのパラメータをトラ
ンスデューサによって同時に測定する。得られたデータ
を処理して、予測した自己着火近くにエンジンタイミン
グを設定する。
【００１０】エンジン制御装置で通常使用されるノッキ
ング検出器は、火花放電のノッキングによってひき起こ
される強い震動を検出する圧電トランスデューサであ
る。しかし、内燃機関の環境に使用されると、初期の自
己着火によって発生された僅かな震動を正常な量のエン
ジン震動と区別するほど十分に選択性を持たないことが
ある。この理由から、それらの検出器は、とくに高いエ
ンジン速度において、自己着火のしきい値を検出できな
いことがある。したがって、初期自己着火を検出するこ
とができ、かつ閉ループ系において点火タイミングを一
層正確に設定することができるようにするエンジン制御
装置を必要とする。
【００１１】点火装置において見出される、望ましくな
いと考えられているその他の特性には、点火プラグ電極
の過大な摩耗、汚れている点火プラグで火花放電を発生
することができないこと、寒冷時の始動困難、冷えてい
るエンジンを始動する時および走行中の排気の悪化、エ
ンジンルーム内の離れた所で点火装置によって高電圧が
発生されること、かなり長い電線によって高電圧が供給
され分配されること、エンジンの運転中に点火装置と車
両の内部および外部において大量の電磁放射を発生する
ことが含まれるが、それらに限定されるものではない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、従来のエンジン制御および点火装置の制限およ
び欠点を克服するエンジン制御および点火装置を提供す
ることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、点火プラグおよび燃焼室内部に
配置されたピストンを有する内燃機関の点火およびエン
ジン制御装置であって、磁心と、この磁心の周囲に巻か
れた一次巻線と、磁心に巻かれ、点火プラグに電気的に
接続される二次巻線とを有し、燃焼サイクル中に多数回
の火花放電を点火プラグに行わせることができ、点火プ
ラグに装着されるように構成された点火トランスと、点
火トランスの二次巻線中に、点火プラグに加えられる電
圧を誘起させる充電電流を点火トランスの一次巻線に供
給する回路手段と、この回路手段に制御信号を供給し
て、燃焼サイクル中の所定の時刻に一次巻線中に充電電
流を通流させ、点火プラグに加えられる電圧を二次巻線
中に誘起させてエンジン内部で燃焼を開始させ、少なく
とも１つの診断機能を行うように構成された制御手段
と、燃焼室内部のピストンの位置を検出して、それに対
応するタイミング信号を制御手段に供給するタイミング
手段と、制御手段に結合されて、放電が生じたかどうか
を制御手段が判定できるようにするとともに、燃焼室内
部で所定の条件が発生するか発生しないかに応じて、制
御手段に適切な処置を取らせることができるようにし、
所定の条件が燃焼室内に存在するかどうかを制御手段が
判定できるようにする、点火プラグの電極間における、
点火プラグに加えられる二次巻線中の電圧電位と、その
ときに燃焼室内に存在する諸条件との結果である誘導電
流放電の発生を検出する検出手段とを備えたことを特徴
とする内燃機関の点火およびエンジン制御装置を提供す
るものである。
【００１４】本発明の１つの特徴は、高電圧を点火装置
全体にわたって分配することに関連する諸問題を解消す
ることである。本発明の別の特徴は、エンジンおよび車
両自体の周囲に点火装置によって発生される電磁放射の
量を減少することである。
【００１５】本発明の別の特徴は、点火プラグの電極の
摩耗を減少すること、および非常に汚れている点火プラ
グで点火することができることである。
【００１６】本発明の更に別の特徴は、内燃機関の寒冷
時始動性を向上したこと、およびコールドスタート中お
よび走行中の排気の量を最少にすることである。関連す
る特徴は、空燃比を薄い方へ向かって拡張することであ
る。こうすることによって正常運転中の排気の量を一層
減少し、燃費を改善することが一層助けられる。
【００１７】最近の研究（そのうちのいくつかは本願出
願人によって行われた）によれば、降伏放電として知ら
れている種類の火花放電により燃焼過程を開始すること
によって、内燃機関における燃焼を改善することができ
ることが示されている。降伏火花放電の特性は従来の自
動車用点火装置によって発生されるものとは十分異な
り、燃焼室内部の種々の条件に対する応答も異なる。こ
れを理解することによって、エンジン制御装置の帰還素
子として点火プラグ自体を使用する種々のエンジン診断
手順を実行することがすることができるように、降伏火
花放電の特徴を利用することができる部品を有する本発
明のエンジン制御装置が開発されたのである。
【００１８】点火過程は、降伏段階と、火花放電段階
と、グロー放電段階との３つの異なる段階から成るもの
として特徴づけられている。最初の段階である降伏段階
は、点火プラグの容量（典型的には１０〜１５ピコファ
ラド（ｐＦ））に充電されてい電力から生じて、火花放
電を通じて放電する大電流（典型的には５０〜２００ア
ンペア（Ａ））によって特徴づけられる。降伏段階の持
続時間は典型的には約１ナノ秒（ｎｓ）より短い。第２
段階である火花放電段階は、火花放電電流が０．１〜
１．０Ａの間で、火花放電電圧が約１８０ボルト（Ｖ）
である時に生ずる。放電電流は約１００μｓの間火花放
電段階に留まる。グロー放電段階は火花放電電流が０．
１ミリアンペア（ｍＡ）以下に減少し、点火プラグの電
極の間の電圧が５００Ｖになった時に生ずる。
【００１９】それら３つの段階、すなわち、降伏段階と
火花放電段階とグロー放電段階は、空燃比がそれぞれ２
１対１、８対１および１６対１である時に混合気の燃焼
を確実に開始することが見出されている。降伏段階を利
用するものとすれば、稀薄限界を拡張することができ、
数多くの利益が実現されることが分かる。
【００２０】上記のように、本発明は点火プラグに高電
圧を供給することができるばかりでなく、診断機能も行
うことができる点火およびエンジン制御装置を詳細に記
述するものである。とくに、本発明の１つの態様は点火
およびエンジン制御装置自体を詳述する。別の態様は種
々の診断手順を行う方法を詳述するものである。本発明
の更に別の態様は、点火プラグに直接装着され、上記し
た機能を両方とも可能にする低インピーダンス点火トラ
ンスに関するものである。この点火トランスの低インピ
ーダンスによってエンジン制御装置のマイクロプロセッ
サ（ＭＰＵ）の性能を向上させ、失火、自己着火および
エンジン負荷を含めたいくつかのエンジン条件をモニタ
するためにＭＰＵが点火プラグを使用することを可能に
する。
【００２１】本発明の点火およびエンジン制御装置はエ
ンジン自体を除いて６つの主な部品を含む。それらの部
品はエンジン制御器（種々のエンジン・パラメータをモ
ニタする入力を有する）と、ＭＰＵ（エンジン制御器へ
の入力を基にして種々のルーチンを実行するようにプロ
グラムされる）と、点火またはコイル・ドライバ回路
と、点火トランスと、点火プラグと、電流放電検出回路
とである。それらの部品については後で詳しく説明す
る。
【００２２】点火トランスの構成は、充電時間が短く、
安定な燃焼を確実に開始させる強い二次電流を短時間で
供給する（約０．５〜１Ａ、約１００μｓで零にまで減
少する）ようなものである。これは、車両の１２Ｖ電源
から電力を直接取出し、かつ高価なＤＣ１２Ｖ／ＤＣ２
５０Ｖ変換器を無くすことによって達成される。
【００２３】火花放電の強さと持続時間、および点火ト
ランスの充電時間が短いことのために、本発明のトラン
スの構成によって点火装置の高電圧分配装置を無くすこ
とができるとともに、エンジン制御装置による個々の点
火プラグの迅速な多重点火を可能にすることができる。
従来は、多重点火装置は点火を再トリガするために固定
カウントダウン・カウンタまたは点火回路における自然
共振に頼らなければならなかった。標準的な点火装置に
おいては、一次巻線の充電時間、つまり、点火プラグを
再点火するために必要な時間、は約３０００μｓであ
る。これはエンジン運転サイクルの持続時間に関しては
比較的遅い。しかし、本発明は、エンジン制御装置自体
にプログラムされているアルゴリズムを基にして多重点
火するように構成されており、点火プラグを２００μｓ
間隔で再点火することができる。
【００２４】点火が困難である条件の下では、燃焼が行
われている間の点火プラグの多重点火が燃焼過程にとっ
て有利であることが判明している。本発明によれば、ス
ロットルのチップ・イン（tip-ins)、コールドスター
ト、アイドリング、および軽負荷と低速回転の組合わせ
などの点火困難混合気条件の下においてのみ多重点火が
行われるようにプログラムする。多重点火ではないその
他の条件によって、点火部品、とくに点火プラグ電極、
の寿命が長くなる。
【００２５】点火電極の摩耗は火花放電電流が流れる時
間に比例するから、より大きな電流をより短い時間だけ
加えることによって電極の摩耗を減少することができ
る。上記のように、点火プラグの電極の間を流れる電流
が１００ｍＡより大きい時は、電圧は約１８０Ｖであ
る。しかし、１００ｍＡ以下では電圧は約５００Ｖにま
で上昇する。５００Ｖの電位差によって加速されると、
点火プラグ電極の間で交換される電子と荷電粒子が、１
８０Ｖの電位差によって加速される場合よりも電極表面
内部に一層強く入り込む。
【００２６】標準的なフライバック点火コイル装置にお
いては、電子と荷電粒子が５００Ｖの電位差で１５００
μｓの時間一杯にわたって駆動される。そうすると電極
が非常に摩耗する結果となる。本発明の低インピーダン
ス装置においては、点火プラグ電極の間のピーク電圧は
非常に高い、約２２キロボルト（ｋＶ）、が、点火トラ
ンスの一次巻線への電力供給が断たれてから約４μｓ後
にそのピーク電圧に到達し、５００Ｖより高い電位差で
費やされる全時間は通常は２０μｓより短い。火花放電
の強さを増大することによって燃焼を安定にすることが
でき、しかもそれの持続時間が非常に短いために点火プ
ラグの電極の摩耗が減少する。そうすると点火プラグの
電極自体の直径を短くすることができるから有利であ
る。寸法と質量が小さい点火プラグ電極は、燃焼ガスの
最初の核の冷却を減少して一層安定に燃焼させることが
良く知られている。
【００２７】点火プラグの火花放電電流が大きく持続時
間が短いことは、いくつかの他の面でも有利かつ有益で
ある。それらの利益には、より安定な燃焼、点火過程に
よる電力消費量の減少、排ガス量の減少、エンジン運転
範囲の稀薄限界へ一層向かっての拡張、触媒コンバータ
の寿命の延長、火花放電電流持続時間の短縮、および点
火プラグ電極の摩耗の減少、汚れた点火プラグを点火さ
せる性能の増大、寒冷時における始動性および走行性の
向上、コールドスタート時の排ガスの減少、エンジンの
周囲をまわって高電圧を供給することの解消、および車
両内部および車両の周囲における電磁放射発生の減少が
含まれるが、それらに限定されるものではない。
【００２８】上記のように、エンジンのシリンダにおけ
る失火を検出するために本発明の装置を使用することが
できる。完全に充電された点火トランスへの電力供給を
断って、点火プラグ電極の間に最高の二次電圧を発生
し、燃焼過程を開始した後で、クランク軸および燃焼サ
イクルがいぜんとしてＴＤＣの近くにある間に、ＭＰＵ
は点火プラグ間隙における所定の印加電圧を点火トラン
スに発生させる。燃焼が既に開始されていたとすると、
点火プラグの領域における温度と圧力の組合わせによっ
て、加えられた電圧が電極を横切って導通可能にされ
る。シリンダが失火したとすると、点火プラグ間隙にお
ける印加電圧の所定のレベルが、点火プラグ電極を導通
させるほど十分に高くはない。印加電圧が二次電流放電
において消費されない結果として、負電圧の振幅の変化
が一次巻線に逆反射される。一次巻線の電子スイッチが
検出回路およびエンジン制御装置によってモニタされ、
その負電圧の振幅の変化が検出されたならば、失火が生
じたとエンジン制御装置が記録する。引き続く燃焼サイ
クルで失火が繰り返されるとすると、シリンダを一時停
止して未燃焼の炭化水素が排ガス中に放出されるのを阻
止するようにＭＰＵとエンジン制御装置をプログラムし
て、燃料消費を減少させる。排ガスを減少しようという
試みにおいては、米国のいくつかの州が失火シリンダを
一時停止することを求める法律を制定した。そのような
法律の１つが１９９６年に米国カリフォルニア州で施行
されることになっている。
【００２９】終りガスの自己点火を検出し、エンジン・
タイミングを自己点火のしきい値にセットするためにも
本発明を使用することができる。終りガスの自己点火が
生じているかどうかを検出するために点火プラグを用い
ると、ＭＰＵは所定の電圧において点火トランスに動作
サイクルを迅速に行わせる。これは、燃焼サイクル中
の、ノッキングが起きると予測される点（通常は上死点
の後（ＡＴＤＣ））で行われる。動作サイクルの周期は
エンジン制御器のＭＰＵに記憶されているアルゴリズム
から計算されるものであって、エンジン負荷、エンジン
回転数、および吸い込み混合気の温度を含む種々のエン
ジンパラメータの関数である。
【００３０】動作サイクルのある時刻に正常な燃焼条件
が生じているならば、その動作サイクルを行った結果と
して生じた電流は点火プラグの電極間隙を横切っては移
されず、その代わりに負電圧の振れとして一次巻線を通
じて反射される。負電圧の振れは検出回路およびエンジ
ン制御装置によって電子スイッチの高電圧側において再
び検出することができる。自己点火が起きたとすると、
その結果としてシリンダ内部に生じた温度波と圧力波
は、１つまたは複数の加えられた動作サイクル電圧に対
応し、電極間隙を横切ってそれが導通することができる
ようにする。その結果、必ずしも全ての印加電圧が対応
する反射される負電圧の振れを持たない。負電圧の振れ
があるか否かについて一次巻線をモニタすることによっ
て、終りガスの自己点火をエンジン制御器が認識および
検出することができる。自己点火の発生の有無について
のこの情報を用いて、自己点火のしきい値が維持される
ようにエンジン制御器は点火タイミングを漸次歩進する
ことができる。
【００３１】また、この点火トランスの独特なことによ
って、燃焼サイクル中に点火プラグの降伏電圧の測定が
容易にされる。エンジンの性能または負荷の非侵襲的指
示を行うのは、このパラメータの大きさ（燃焼圧力と、
燃焼温度と、燃料濃度との間の関係を反映する）であ
る。エンジン負荷のモニタを可能にすることによって、
本発明の点火およびエンジン制御装置は高価なマニホル
ド絶対圧（ＭＡＰ）センサの必要性を解消する。シリン
ダ圧がエンジン負荷に比例することを知って、パッシェ
ンの法則を考慮して点火プラグの降伏電圧をエンジン負
荷に直接相関させることができる。火花放電の進みおよ
び空燃比などのような他の変数がシリンダ圧にもはや影
響を及ぼさないような「質問」時刻またはクランク角度
位置ＴＤＣにおいて、点火プラグに放電させ、点火トラ
ンスの誘導電流が放電する時間を測定することによって
降伏電圧が測定される。点火トランスの既知の特性を考
慮して、放電時間がエンジン制御装置によって降伏電圧
に相関させられてシリンダ圧、および最終的には、エン
ジン負荷を決定する。
【００３２】上記したことの全ては点火トランスの短い
充電時間と放電時間、点火および検出回路、およびＭＰ
Ｕとエンジン制御装置にプログラムされた制御ソフトウ
エアによって可能にされる。１回の充電と１回の放電を
行う従来の点火トランスを使用する時は、本発明の点火
トランスは燃焼、再充電、再点火を多数回行って診断手
順を実行することができる。
【００３３】エンジンの点火プラグくぼみの内部で動作
することを意図して、本発明のフライバックトランスに
は点火プラグ穴を構成するシリンダ内部の磁束の流れを
無くすトロイダル構成体を組み込んでいる。これによっ
て本発明の点火トランスは渦電流負荷にはほとんど反応
を示さない。これが電磁放射の発生が減少した大きな理
由である。
【００３４】点火トランスの直径を短くしたから、トラ
ンスの磁心の必要な横断面面積を確保するために長さを
変更することができる円筒形の磁心を点火トランス自体
は含む。磁心を誘電体ボビンの内部に配置し、トランス
の一次巻線と二次巻線をボビンと磁心の周囲に巻く。そ
れから巻かれたボビンと磁心をハウジング内部に配置さ
せる。そのハウジングの下端部は点火プラグの高い側の
端子を受けるように形成されている。点火プラグ自体は
標準的な構成のものとすることができ、または本発明で
小型の電極を使用する性能を反映するために点火プラグ
を改造することができる。
【００３５】点火およびエンジン制御装置の電子装置
は、カムセンサおよびクランク速度センサからの入力信
号および車両点火信号をモニタするエンジン制御器によ
って制御される。それらの入力によってエンジン制御器
とＭＰＵはエンジン速度および位置を計算することがで
きる。それらの計算の結果として、ＭＰＵはそれのプロ
グラムされているアルゴリズムを基にして出力信号を計
算し、適切な時刻にそれらの出力信号を、点火トランス
を充電およびトリガするコイル・ドライバ回路へ送る。
ＭＰＵは燃焼シリンダをモニタして、エンジン負荷の決
定と、ノッキング条件または失火条件が存在するかどう
かの決定との少なくとも一方を行う検出回路を利用す
る。存在する条件に応じて、ＭＰＵは適切な措置を講ず
ることをエンジンの他の回路またはモジュールに合図
し、警報を発する。
【００３６】
【実施例】本発明の原理を具体化した点火およびエンジ
ン制御装置を図１に参照番号２０で全体的に示す。この
装置はエンジン制御器２２とＭＰＵ２４を含む。ＭＰＵ
２４は、エンジン・タイミングの観点からはあまり重要
ではない種々のエンジン機能を実行する主プログラム・
ループを実行するのに、それの時間のほとんどを費や
す。それらの機能を繰り返さなければならない率も、エ
ンジン・サイクル自体と比べて比較的低い。これは、そ
れらの「重要ではない」機能をエンジン燃焼事象とは非
同期的に実行できることを一般に意味する。
【００３７】しかし、燃料噴射事象および点火事象はエ
ンジン・サイクルに正確に同期させねばならない。これ
を行うために、クランク軸のフライホイール３０と、ク
ランク軸に取り付けられているプーリ３２の一方または
両方に対して、エンジン２８に装着されているタイミン
グ・ピックアップすなわち速度センサ２６によってトリ
ガされる割込みをサービスするように、エンジン制御器
２２とＭＰＵ２４がプログラムされる。速度センサ２６
によって行われた割込みによってＭＰＵ２４のタイミン
グ素子がロードされる。そのタイミング素子は、燃料噴
射器および点火コイル・ドライバのための実時間制御信
号を、燃焼サイクル中の正しい時刻に正しい持続時間の
間発生する。エンジン制御器２２には車両点火信号を含
めた他の種々のエンジン・パラメータも結合される。
【００３８】上記計算の結果を用いて、ＭＰＵ２４は適
切な時刻に信号を点火回路すなわちコイル・ドライバ回
路３４に供給して、点火コイルすなわち点火トランス３
６に車両の１２Ｖ電源から直接に充電を開始させる。点
火プラグ３８に直接装着されて、プラグ上コイル・トラ
ンスとして知られている点火トランス３６はそれの磁心
が飽和するまで充電される。上死点より前（ＢＴＤＣ）
の適切なエンジン度数において、ＭＰＵ２４はコイル・
ドライバ回路３４の高速スイッチング・トランジスタを
導通させ、トランスの一次巻線を流れる電流を停止させ
る。エンジン・シリンダ内部の諸条件が正しいものとす
ると、トランス３６の二次巻線容量が高電圧電流で点火
プラグ３８の電極間隙を通じて放電し、燃焼を開始させ
る。点火トランスが放電するように計画された後で、Ｍ
ＰＵ２４は、点火プラグに多重放電させ、または種々の
エンジン診断手順を実行させるようにプログラムされた
一連のアルゴリズムを実行する。診断手順が実行されて
いるとすると、ＭＰＵ２４は後で説明するように検出回
路４０を使用する。
【００３９】本発明の点火トランス３６は非常に低イン
ピーダンスの装置であって、その設計により約２〜４μ
ｓでピークに達し、約１００μｓで零にまで低下する高
い二次電圧（約２５ｋＶ）を発生することができる。点
火トランス３６は車両の１２Ｖ電源から約１００μｓで
完全に充電して、それの磁心が飽和する。これは点火ト
ランス３６を２００μｓ間隔で再トリガすることができ
ることを意味する。
【００４０】従来は、コイルドライバ回路３４を繰り返
し動作させるため、または点火トランスと点火プラグを
２００μｓ間隔で多重動作させるための信号を形成する
ために、点火プラグの各再火花放電のためにエンジン制
御器２２とＭＰＵ２４によって数多くのタイミング割込
みをサービスせねばならなかった。しかし、そうすると
ＭＰＵ２４に過大な割込み負荷をかける結果となり、多
数のタイミング衝突を生ずることになる。過大な割込み
が存在すると、ＭＰＵ２４の実行時間の大きな割合の間
にＭＰＵ２４が実行する主プログラムが高い周波数で混
乱させられて、割込みが相互に入れ子状になる結果をも
たらす。多数のタイミング衝突は、求められている制御
信号を発生するために、ＭＰＵ２４が１度に２つ以上の
割込みをサービスすることを求める。しかし、ＭＰＵ２
４は１度に１つの割込みをサービスすることしかできな
くなる。
【００４１】本発明においては、ＭＰＵ２４はそれにプ
ログラムされている特定のアルゴリズムに従って信号を
コイル・ドライバ回路３４へ送出することをエンジン制
御器２２によって指令される。したがって点火トランス
３６を再び動作させるために必要な時間が短いために、
多数の割込みをサービスする必要性が解消される。
【００４２】本発明の点火およびエンジン制御装置２０
は、とくに構成した点火プラグ取付け点火コイルすなわ
ち点火トランス３６を点火およびエンジン制御装置２０
における帰還素子として使用する。それの帰還機能に加
えて、点火トランス３６は、点火プラグがひどく汚れて
いた場合でも、燃焼を確実に開始させる大きくて短い
（１００μｓより短い）二次電流を供給する。
【００４３】この点火トランス３６の独自性のために、
点火プラグ降伏電圧、すなわち、それの大きさが燃焼圧
力と、燃焼温度と、燃料濃度との間の関係を反映するよ
うなパラメータ、の測定を容易にすることにより、エン
ジン性能が非侵襲的に指示される。一般に圧力と温度と
電極間隙との間の関係はパッシェンの法則によって次の
ように定められる。
【００４４】 ＶBD＝Ｋ1 ＊（Ｐｄ／Ｔ）＋Ｋ2 ＊（Ｐｄ／Ｔ）1/2 ここに、Ｐは圧力、ｄは電極間隙、Ｔは温度、Ｋ１、Ｋ
２は定数である。
【００４５】点火トランス３６によって発生される電圧
のレベルは一次電流の大きさに直接関連する。その電流
は、点火トランスがスイッチング時における、充電時間
の関数である。本発明においては、最高二次電圧を発生
する一次電流には、一次巻線に加えられる電圧が１２Ｖ
である時は、通常は１００μｓの充電時間内に到達す
る。したがって、充電時間が１００μｓより短いと二次
電圧は最高電圧より低くなる。いいかえると、充電時間
が短くなると、点火トランス３６の二次電圧が低くな
る。
【００４６】ここで、本発明の点火プラグに装着された
点火トランスすなわちプラグ上コイル点火トランス３６
が全体的に示されている図２と図３を参照する。点火ト
ランス３６の物理的寸法はエンジン２８自体の構成によ
って支配される。点火プラグ３４自体への直接取付けを
可能にするために、点火トランス３６はエンジン２８の
点火プラグ穴４１の直径内に組込むことができなければ
ならない。この特定の設計基準はある型式のエンジンと
別の型式のエンジンとは異なるが、本発明の原理は点火
プラグ穴の直径の全範囲に応用することができる。点火
プラグの長さ限界はエンジン２８と車両（図示せず）の
フードとの間の間隙によって決定される。したがって、
点火トランスの他の種々のパラメータによって決定され
る点火トランスの磁心に対して求められる横断面面積を
確保するために、点火トランス３６の長さを調整するこ
とができる。
【００４７】本発明の点火トランス３６は誘電体ボビン
４４内に装着される磁心４２を含んでいる。恐らく図４
〜図６に最も良く示されているが、磁心４２はほぼ円筒
形をしており、磁心４２の全長に延長する空隙４６を設
けられた部分を含む。非常に効率的な点火トランス３６
を得るために、磁心の残留磁気は最高磁束密度の非常に
小さい割合であることを求められる。一次電流を断つこ
とによって磁化力（アンペア−ターンで表される）が点
火トランス３５の磁心４２から除去されると、磁心４２
に残留している磁束は急速に減少する。一次電流の減少
によって点火トランス３６の二次巻線中に発生される電
圧は、二次巻線の巻線数と磁心における磁束の変化率と
に比例し、かつその磁心磁束の時間変化率に逆比例す
る。数学的に表現すれば次のようになる。
【００４８】ｅsec ＝−Ｌ・（ｄθ／ｄｔ） ここに、ｅsec は二次電圧、Ｌは二次巻線のインダクタ
ンス、（ｄθ／ｄｔ）は磁心磁束の時間変化率、負符号
（−）は磁心磁束が減少していることを示す。
【００４９】数学的性能要求を満たすために、磁心４２
の横断面面積がほぼ一定であるように磁心４２の製作許
容誤差を定めねばならない。点火トランス３６の全長お
よび点火トランス磁心４２の長さに対する制約はエンジ
ン２８と車両のフードの間の間隙によって決定される
が、磁心の内径に対する寸法制約は一次巻線と二次巻線
の線を磁心４２に巻く巻線機を利用することの要求によ
って決定される。磁心４２の外径に対する物理的制約
が、点火プラグ穴４１の直径ばかりでなく、ボビン４４
を制作する材料の絶縁耐力によって決定される。
【００５０】磁心４２を受けるボビン４４は内部円筒形
スリーブ４８と外部円筒形スリーブ５０を含む。各スリ
ーブ４８、５０は一端に半径方向のフランジを含む。そ
のフランジは磁心４２の端部の上を延長してその磁心を
ボビン４４の内部に収める。図示の実施例においては、
内部スリーブ４８の末端部には外向きの半径方向フラン
ジ４９が設けられ、外部スリーブ５０の近接端部には内
向きの半径方向フランジ５１が設けられる。内部スリー
ブ４８の外径と外部スリーブ５０の内径は、磁心４２が
内部スリーブ４８と外部スリーブ５０に表面と表面が接
触するように寸法を定められる。ボビン４４は、周知の
プラスチックのような、高い絶縁耐力を持つ材料で製作
することが好ましい。
【００５１】次に、本発明の点火トランス３６の一次巻
線５２と二次巻線５４が示されている図３〜図５を参照
する。巻線５２、５４は、ボビン４４の内部スリーブに
よって形成されている内面に沿って、ボビン４４の長手
方向端部の１つの上を、外部スリーブ５０によって形成
されている外面に沿って、反対側の長手方向端部を横切
って延長するように、磁心４２とボビン４４の周囲を長
手方向に巻かれる。点火トランス３６の効率を高くする
ために、一次巻線５２は二次巻線５４の線より太い線
を、二次巻線の巻線数より少ない巻線数だけ巻いて構成
し、磁心４２に形成されている空隙４６のすぐ上でボビ
ン４２の上に配置する。細い線の二次巻線５４は磁心４
２とボビン４４の残りの部分をほとんど覆う。巻線４２
と５４の組合わせによって、磁心４２とボビン４４の形
は図４に最も良く示されている全体として環状体として
構成される。
【００５２】巻線５２と５４を磁心４２とボビン４４に
巻いた後で、巻線と磁心およびボビンの組立体を、円筒
形絶縁ハウジング５６の内部に形成されている空所５５
の中に入れる。ハウジング５６の近端部５８にねじ６０
を切る。そのねじは、アダプタ６２の内面に切られたね
じにねじ合わされる。アダプタ６２は導電性金属から製
作し、点火トランス３６が点火プラグ３８の取り付けナ
ット６３をねじ合わせるように構成する。
【００５３】ハウジング５６の近端部５８の内部に点火
プラグの端子６４をねじ込む。その端子は点火プラグ３
８の高電圧端子６６に電気的に係合させられるようにな
っている。点火トランス３６の端子６４と点火プラグ３
８の高電圧側端子６６との接触を確実にするために、点
火プラグ３８の端子６４に偏倚させられた接触要素すな
わちばね６８を設けることができる。このばねは高い側
の端子６６を点火トランス３６の端子６４に確実に接触
させる。ばね６８ははんだ付けその他の結合技術によっ
て点火端子６４のシート７０の内部に固定される。接触
要素６８を偏倚させることによって、電気的接触が点火
プラグの端子５６に行われるばかりでなく、点火プラグ
３８に係合することができるある範囲を点火トランス３
６に提供する。
【００５４】点火トランス３６のハウジング５６の内部
にはゴムその他の適当な材料製の環状シール７２も設け
られる。そのシールは高電圧側端子６６と接触要素６８
の周囲に配置される。シール７２は、点火プラグ３８と
点火トランス３６の間に水分や塵埃が入って、両者の間
の電気的接触を損なうことを阻止する。
【００５５】点火トランス３６の点火端子６４はリード
７４によって二次巻線６４の高い側７５に接続される。
二次巻線６４の低い側７７は第２のリード７６によって
アダプタ６２に接続される。アダプタ６２は取り付けナ
ット６３に電気的に係合し、点火プラグ３８を接地す
る。一次巻線５２の端部８１が点火トランス３６の末端
部の端子８２に接続される。それは点火トランス３６を
点火回路３４と、点火およびエンジン制御装置２０の残
りの部分とに結合する。
【００５６】ハウジング５６によって形成された空所の
残りが適当な誘電体によって充填される。数多くの他の
考慮が誘電体充填物質の特定の性質を定めることがある
が、種々の物質を使用して満足することができる結果を
得ることができると信ぜられる。たとえば、誘電体充填
をハウジングの内部に入れられる形を予め形成した固体
物質とすることができる。別の物質は、ハウジング内部
に注入して硬化する硬化可能な誘電体を含む。更に別の
物質は、ハウジング内部に注入されて、その内部にシー
ルされる液体誘電体を含む。また、上記物質の組合わせ
も使用することができると信ぜられる。
【００５７】図７には本発明の点火トランス３６の別の
実施例が示されている。この実施例と先に説明した実施
例とに共通の要素には同じ参照番号を付けた。この第２
の実施例においては、点火トランス３６の空所には液状
誘電体が充填され、ハウジング５６の内部に液状誘電体
を封止する端部キャップ８４からボビン４４をほぼ貫通
して延長するように中央絶縁棒８３が配置される。端部
キャップ８４とハウジング５６の間の封止の一貫性を一
層確保するために、ハウジング５６とアダプタ６２の係
合部にＯリングを同じ目的のために使用することもでき
る。他のほぼ全ての面では、この第２の実施例の点火ト
ランス３６は第１の実施例の点火トランスと同じであ
る。
【００５８】本発明の具体例として、点火トランス３６
の直径に対する制限が２４mmである場合の点火トランス
３６の好適な実施例を以下に説明する。点火トランス３
６は上記特性を持つ材料で製作された磁心４２を含む。
この磁心が受ける磁束の変化は約１４０００ガウスから
５００ガウスである。METGLAS として知られているその
ような材料の１つがアライド・シグナル社（Allied Sig
nal Corporation)によって製造され、合金２６０５ＴＣ
Ａとして販売されている。磁心４２の全長は約８．０７
cm（約３．１５インチ）、外径が約１．７cm（０．６７
インチ）、内径が約１．２２cm（０．４８インチ）で、
幅が約０．０１３cm（０．００５インチ）の長手方向空
隙を含む。ボビン４４は絶縁耐力が約２６８０ボルト／
μｍ（約６８０ボルト／mil)である材料で製作する。そ
のような材料の一例が、ヘキスト・セラネーズ社（Hoec
hst Celanese Corporation）によって製造され、ＦＯＲ
ＴＲＯＮという商品名で販売されているポリフェニレン
・スルファイドである。内部スリーブ４８と外部スリー
ブ５０の半径方向の厚さはそれぞれ約０．３３cm（０．
１３インチ）、約０．２９cm（０．１１インチ）であ
る。一次巻線５２は＃２４線を３回巻いて構成し、二次
巻線５４は＃４０線を２１０回巻いて構成する。液状誘
電体は変圧器油である。このようにして構成した点火ト
ランス３６のインダクタンスは約１２．６μＨ（マイク
ロヘンリー）で、車両の１２Ｖ電源に接続されると、約
１００μｓ以内に５０Ａの最大一次電流が流れ、約２５
ｋＶのピーク二次電圧を生ずる。この二次電圧は約１０
０μｓで零にまで低下する。
【００５９】使用時には、点火トランス３６の一次巻線
５２は点火回路３４に結合される。更に具体的にいえ
ば、一次巻線５２の高い側が高速、大電流スイッチング
・トランジスタ１０１に接続される。このトランジスタ
の機能は、プログラムされたアルゴリズムに従ってＭＰ
Ｕ２４（本実施例においては、インテル８７Ｃ５１Ｆ
Ａ、８ビット・マイクロ制御器）によって発生された信
号に応じて充電電流を断続することである。点火トラン
ス３６を十分に充電するために、一次巻線５２はコイル
・ドライバおよび点火回路３４を介して車両の１２Ｖ電
源に約１００μｓだけ接続される。この時間の終りに、
一次巻線電流は５０Ａの最大電流に達する。この値は磁
心４２が飽和する値である。図８から分かるように、５
０Ａ電流８６が高速スイッチング・トランジスタ１０１
によって突然遮断されると、点火トランスの二次巻線５
４中に電圧８７が誘起される。その電圧８７は２〜４μ
ｓで２５ｋＶのピークに達し、約１００μｓで零にまで
低下する。点火トランス３６は低インピーダンスである
ために、電圧は点火プラグ３８の電極８２に効率良く移
される。また、点火プラグ３６は低インピーダンスであ
るために、電極８２の間に火花放電を発生させる降伏電
圧レベルに達するのに要する時間はマイクロ秒の何分の
１かである。正常なエンジン運転条件の下では、点火プ
ラグ３８は７〜１２ｋＶの範囲で導通する。充電時間の
短縮により点火トランス３６の一次電流が制限されたと
すると、一次電流が断たれた時に発生される最高二次電
圧も制限される。
【００６０】次に図９を参照する。二次巻線５４に充電
されている電力を点火プラグ３８に放電させない条件が
エンジン２８の燃焼室に存在すると、本発明の点火およ
びエンジン制御装置２０を用いてシリンダの失火を検出
することができる。正常な燃焼中は、ＭＰＵ２４はコイ
ル・ドライバ回路３４に点火トランス３６の一次巻線５
を流れるコイル充電電流の増加を開始させる。点火トラ
ンス３６が十分に充電されると、スイッチング・トラン
ジスタ１０１によって一次電流を断つ、８８で示されて
いる。そうすると最高二次電圧が発生され、燃焼室内部
で点火を開始する。正常な燃焼が開始されると、点火プ
ラグ電極８０における圧力と温度が、特性曲線９０、９
２で示すように一般に上昇する。
【００６１】燃焼と失火のいずれが起きたかを決定する
ために、点火トランス３６に充電電流９４を開始させ、
点火プラグ間隙により低い所定の電圧を発生させるよう
にＭＰＵ２４がプログラムされる。これが上死点の直前
（ＢＴＤＣ）に生ずるようにタイミングを計る。正常燃
焼中は、点火プラグ電極８０における温度と圧力の組合
わせは、より低い印加電圧を電極８０を横切って導通さ
せるのに十分なものである。その結果、二次側容量に充
電されていた電力は電極を横切って放電され、点火トラ
ンス３６の一次巻線５２には反射されない（図９（ｃ）
参照）。しかし、失火中は電極８０における圧力と温度
は、特性曲線９６、９８に示すように、より低い印加電
圧を導通させることができるほど十分には上昇しない。
この結果として、二次側容量に充電されている電力は点
火トランス３６の一次側５２へ反射され、負電圧の振れ
１００として現れる。その振れはスイッチング・トラン
ジスタ１０１の高い側で検出することができる。
【００６２】図１４に見えるように、本発明の検出回路
４０は、負電圧の振れ１００を検出するための補助回路
１０２を含む。エンジン２８の各シリンダに対して、補
助回路１０２はダイオード１０４を含む。このダイオー
ドのカソードがスイッチング・トランジスタ１３０の１
つの高圧側に取付けられる。このようにして、エンジン
の全てのシリンダをモニタするために１つの検出補助回
路１０２を使用することができる。明確にするために、
トランジスタ１３０とダイオード１０４の２つだけを図
１４に示す。ダイオード１０４はどのような負の振れも
補助回路１０２に供給する。その補助回路において信号
は調整されて、しきい値基準比較器１０６に送られる。
比較器１０６は対応する信号をＭＰＵ２４に出力する。
ＭＰＵ２４はそれのプログラムされたアルゴリズムを基
にして信号を処理し、必要があれば失火シリンダの動作
を停止する。
【００６３】終りガスの自己点火（ノッキング）の検出
に失火検出のやり方と同じ基本的なやり方を使用する。
次に、正常な燃焼サイクルとノッキング燃焼サイクルが
それぞれ示されている図１０と図１１を参照する。正常
燃焼中は、シリンダ１０８の内部の圧力は、特性曲線ｌ
０８により示すように、ＴＤＣまでは大きな上昇を開始
しない。このことは、特性曲線１１０により示されてい
るように、シリンダ内部の温度についてもそうである。
しかし、ノッキングを生ずる燃焼サイクルの間は、爆発
終りガスのポケットが圧力波を発生する。その圧力波は
シリンダ内部の燃焼室を横切って前後に移動し、それに
伴ってシリンダ温度が劇的に上昇する。これは約１０°
ＡＴＤＣ付近で通常開始する。ノッキング燃焼サイクル
の圧力特性曲線と温度特性曲線が図１１に曲線１１２と
１１４としてそれぞれ示されている。圧力変動が１１６
で示され、温度上昇が１１８で示されている。
【００６４】ノッキングが最も起きやすい期間中（典型
的には１０〜２０°ＡＴＤＣ付近）は、一連の印加電圧
を発生するように、ＭＰＵ２４はコイル・ドライバ回路
３４と、点火トランス３６に進む電流１２０とに周期動
作を行わせる。正常な燃焼中の圧力１０８と温度１１０
の組合わせのために、正常燃焼中に点火プラグ３８が次
に導通しないように、印加電圧１２０のレベルが選択さ
れる。その結果、負電圧の振れ１２２が一次巻線５２に
反射される。図１０（ｃ）に見えるように、正常燃焼サ
イクル中に各印加電圧に対して負電圧の振れ１２２が存
在する。補助回路１０２がこの情報をＭＰＵ２４への入
力として供給する。そのＭＰＵにおいてその情報が処理
されて、エンジン制御器２２に送られる。このエンジン
制御器はこの情報を利用して点火時期を自己点火のしき
い値へ向かって進ませる。
【００６５】「ノッキング」燃焼サイクル（図１１）に
おいては、圧力変動１１６と劇的な温度上昇１１８の組
合わせが起きると予測される時に、印加電圧１２０が再
び発生される。この時間フレームにわたって一連の電圧
１２０を加えることによって、印加電圧１２０の少なく
とも１つが低下する圧力変動に一致して、印加電圧１２
０を点火プラグの電極間隙を横切って火花放電させる機
会が増加する。その結果、対応する負電圧の振れ１２２
が存在しなくなる。対応して加えられる電圧１２０に応
じて反射された電圧１２２の１つまたはそれ以上がなく
なるとすると、１２４で示されている、ＭＰＵ２４が検
出補助回路１０２によってそれを検出して、対応する火
花放電タイミングをノッキングを無くす方へ向かって対
応して進ませることができるように、適切な信号をエン
ジン制御器２２へ送る。上記のようにエンジンの点火時
期を交互に進めたり、遅らせたりすることによって、エ
ンジン制御器２２は火花放電時期を自己点火のしきい値
に維持することができる。
【００６６】降伏電圧の値を利用してエンジン負荷を決
定するために、本発明の点火トランス３６を使用するこ
ともできる。降伏電圧レベルを確実に決定するために、
充電電力（二次巻線５４の分布容量を降伏電圧レベルま
で充電するために要する電力）と分配される電力（点火
プラグ火花放電電流によって消費される電力）との間の
関係を使用する。この関係は次の式によって表される。
【００６７】 ξTS＝（１／２）＊ＣＶBD 2 ＋（１／２）＊ＥＩp ＊ｔ ここに、ＶBDは点火プラグにおける降伏電圧、Ｃは二次
回路の分布容量、Ｅは電極における火花放電電流電圧、
Ｉp は点火プラグ電極８０におけるピーク火花放電電
流、ｔは降伏電圧都は逆に変化する火花放電電流放電時
間、ξTSは二次回路で利用することができる全電力であ
る。上の式を降伏電圧について解くことによって、降伏
電圧を時間の関数として表すことができる。残りのパラ
メータは点火トランス３６の特定の設計に応じて全て既
知の値である。
【００６８】次に図１２を参照して、エンジン負荷のモ
ニタ中に、点火プラグの降伏電圧が、温度、空燃比およ
び点火進角などのような別の変数がシリンダ圧力にもは
や影響を及ぼさないような、「質問」時刻すなわちクラ
ンク角度位置において決定される。これは、特定のエン
ジンに応じて、約１０〜２０°ＡＴＤＣの範囲において
最も起きやすい。したがって、質問クランク角度位置１
２６における降伏電圧の値はシリンダ圧力に正比例す
る。シリンダ圧力はエンジン負荷を示す。重い負荷１２
８と、軽い負荷１３０と、アイドリング負荷１３２とに
関連する３つの圧力特性曲線が図１２に示されている。
【００６９】「質問」クランク角度位置１２６において
は、コイル・ドライバ回路３４は一次巻線５２を充電す
る電流１３４（図９）を開始させる。その時にシリンダ
内に存在するエンジン負荷すなわち圧力に特有である
が、二次巻線に充電されている電力は点火プラグ電極間
隙にかかる特定の降伏電圧で充電を開始し、対応する時
間の間放電を続ける。
【００７０】降伏電圧の直接測定には問題があるが、誘
導電流放電の持続時間を測定し、この時間を降伏電圧に
関連付ける（図９）ことは一層容易に行える。これは負
荷または検出回路４０の第２の検出補助回路１３６によ
って行われる。また、全てのエンジン・シリンダをモニ
タするために１つの補助回路１３６を使用する。
【００７１】点火プラグ３６が二次電流の導通を開始す
ると、アノードがスイッチング・トランジスタ１０１の
高い側に取り付けられているダイオード１３８の第２の
セットが、二次電流の流れに関連する正電圧を検出し、
関連する電圧を検出回路４０の負荷検出補助回路１３６
に送る。火花放電電流が流れている限りは、スイッチン
グ・トランジスタ１０１の高い側における電圧は車両の
１２Ｖ電源より十分高い。負荷検出補助回路１３６は、
この上昇した電圧の持続時間と、誘導電流が放電する時
間の長さとに対応する長さをもつパルスをＭＰＵ２４に
出力する。ＭＰＵ２４は誘導パルスの幅を降伏電圧に相
関させる。降伏電圧は、パッシェンの法則を用いて、シ
リンダ内部の圧力とエンジン負荷に相関することができ
る。それから、ＭＰＵ２４はこの情報をエンジン制御器
２２に出力して、点火時期、空燃比およびその他のエン
ジン制御パラメータを適切に修正することができるよう
にする。
【００７２】更に詳しく説明すると、誘導パルス幅測定
は点火ドエルの終りに開始され、二次側の放電中に一次
巻線５２で起きる反射をモニタすることによって行われ
る。
【００７３】一次巻線５２に反射された信号と、電源電
圧の変動を補償する自動トラッキング信号はバイアスさ
れ、適切なレベルで濾波されて誘導相の正確な測定値を
供給する。それらの信号は比較器１４０に供給される。
この比較器は零まで、または零の近くまで減少する誘導
電流を検出する。誘導電流が減少すると、比較器１４０
からの信号がフリップフロップ１４２に供給される。そ
のフリップフロップは点火ドエルの終りを示す入力信号
も受けている。これによってフリップフロップ１４２は
指示パルス幅を表す信号をＭＰＵ２４に供給することが
できるようにされる。それからＭＰＵ２４は誘導パルス
幅を降伏電圧に相関させて、シリンダ圧力とエンジン負
荷を決定することができるようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を具体化した点火およびエンジン
制御装置の全体的な構成を示す回路図である。
【図２】内燃機関の点火プラグに装着されている本発明
の点火トランスを示す部分切り欠き斜視図である。
【図３】本発明の原理を具体化した点火トランスの一部
の縦断面図である。
【図４】本発明によって供給される磁心、ボビン、一次
巻線および二次巻線の斜視図である。
【図５】図４に示されている磁心、ボビン、一次巻線お
よび二次巻線の平面図である。
【図６】トランス磁心の斜視図である。
【図７】本発明の原理を含む第２の点火トランスの縦断
面図である。
【図８】（ａ）は一次充電電流と時間の関係を示す特性
曲線、（ｂ）は二次放電電流と時間の関係を示す特性曲
線である。
【図９】（ａ）は正常燃焼事象中および失火事象中の点
火プラグにおける圧力と温度のクランク軸角度に対する
関係を示す特性曲線、（ｂ）は一次充電電流、二次放電
電圧および一次巻線への反射電圧の波形図、（ｃ）は正
常燃焼事象中の一次充電電流、二次放電電圧および一次
巻線への反射電圧の波形図、（ｄ）は失火燃焼事象中の
一次巻線へ反射される二次電力を表す負電圧の振れを示
す波形図である。
【図１０】（ａ）は正常燃焼事象中のシリンダ内部の圧
力と温度のクランク軸角度に対する関係を示す特性曲
線、（ｂ）は点火トランスに加えられた電圧および電流
の波形図、（ｃ）はノッキング検出中に一次巻線へ反射
される二次電力を表す負電圧の振れを示す波形図であ
る。
【図１１】（ａ）は終りガスの自己点火中のシリンダ内
部の圧力と温度のクランク軸角度に対する関係を示す特
性曲線、（ｂ）は点火トランスに加えられた電圧および
電流の波形図、（ｃ）は終りガスの自己点火中に一次巻
線へ反射される二次電力を表す負電圧の振れを示す波形
図である。
【図１２】種々のエンジン負荷に対するシリンダ圧力と
クランク軸角度位置の関係を示す特性曲線である。
【図１３】降伏電圧と誘導電流放電時間の関係を示す特
性曲線である。
【図１４】本発明で使用するコイル・ドライバ回路と、
点火トランスと、検出回路との回路図である。
【符号の説明】
２０ 点火およびエンジン制御装置 ２２ エンジン制御器 ２４ ＭＰＵ ２６ 速度センサ ３４ コイル・ドライバ回路 ３６ 点火トランス ３８ 点火プラグ ４２ 磁心 ４８、５０ スリーブ ５２ 一次巻線 ５４ 二次巻線 ５６ ハウジング １０１ スイッチング・トランジスタ １０２、１３６ 検出補助回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｐ 17/12 (72)発明者 レオナード、カフカ アメリカ合衆国ミシガン州、アン、アーバ ー、ヒルトップ、3025 (72)発明者 マーク、シューフェテリ アメリカ合衆国ミシガン州、クラークト ン、シュガー、パイン、ダブリュ、10065

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】点火プラグおよび燃焼室内部に配置された
    ピストンを有する内燃機関の点火およびエンジン制御装
    置であって、 磁心と、この磁心の周囲に巻かれた一次巻線と、前記磁
    心に巻かれ、前記点火プラグに電気的に接続される二次
    巻線とを有し、燃焼サイクル中に多数回の火花放電を点
    火プラグに行わせることができ、点火プラグに装着され
    るように構成された点火トランスと、 前記点火トランスの前記二次巻線中に、点火プラグに加
    えられる電圧を誘起させる充電電流を前記点火トランス
    の前記一次巻線に供給する回路手段と、 この回路手段に制御信号を供給して、前記燃焼サイクル
    中の所定の時刻に前記一次巻線中に前記充電電流を通流
    させ、点火プラグに加えられる前記電圧を前記二次巻線
    中に誘起させて前記エンジン内部で燃焼を開始させ、少
    なくとも１つの診断機能を行うように構成された制御手
    段と、 燃焼室内部のピストンの位置を検出して、それに対応す
    るタイミング信号を前記制御手段に供給するタイミング
    手段と、 前記制御手段に結合されて、前記放電が生じたかどうか
    を前記制御手段が判定できるようにするとともに、燃焼
    室内部で所定の条件が発生するか発生しないかに応じ
    て、前記制御手段に適切な処置を取らせることができる
    ようにし、前記所定の条件が前記燃焼室内に存在するか
    どうかを前記制御手段が判定できるようにする、点火プ
    ラグの電極間における、点火プラグに加えられる前記二
    次巻線中の前記電圧電位と、そのときに前記燃焼室内に
    存在する諸条件との結果である誘導電流放電の発生を検
    出する検出手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の
    点火およびエンジン制御装置。
  2. 【請求項２】前記点火トランスはフライバックトランス
    であることを特徴とする請求項１に記載の点火およびエ
    ンジン制御装置。
  3. 【請求項３】前記検出手段は前記点火トランスに結合さ
    れた電気回路であることを特徴とする請求項１に記載の
    点火およびエンジン制御装置。
  4. 【請求項４】前記検出手段は、誘導電流放電の不存在を
    検出して、前記燃焼室内部における失火を指示する手段
    を提供するように構成された回路を含んでいることを特
    徴とする請求項１に記載の点火およびエンジン制御装
    置。
  5. 【請求項５】前記検出手段は、エンジン負荷のモニタを
    可能にするように構成された回路を含んでいることを特
    徴とする請求項１に記載の点火およびエンジン制御装
    置。
  6. 【請求項６】前記検出手段は、前記誘導電流放電の持続
    時間に対応するパルス幅を前記制御手段へ出力するよう
    に構成された回路を含み、前記パルス幅は前記制御手段
    がエンジン負荷を決定することを可能にすることを特徴
    とする請求項１に記載の点火およびエンジン制御装置。
  7. 【請求項７】前記回路手段は、前記点火トランスに結合
    された高速スイッチング・トランジスタを含み、前記検
    出回路は、前記スイッチング・トランジスタの高圧側が
    ＤＣ１２Ｖより高く、それにより前記誘導電流放電の持
    続時間を指示することを特徴とする請求項１に記載の点
    火およびエンジン制御装置。
  8. 【請求項８】前記制御手段が、燃焼サイクルの一部の間
    に、放電電流に所定の電圧を前記トランス中に誘起させ
    て、燃焼室内部に失火状態が存在するかどうかを判定す
    ることを特徴とする請求項１に記載の点火およびエンジ
    ン制御装置。
  9. 【請求項９】前記制御手段が、終りガスの自己点火が起
    きようとする燃焼サイクルの一部の間に、一連の放電電
    流に一連の所定の電圧を前記トランス中に誘起させるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の点火およびエンジン制
    御装置。
  10. 【請求項１０】前記制御手段が、燃焼室中の圧力がエン
    ジン負荷に比例するような燃焼サイクルの一部の間に、
    放電電流に所定の電圧を前記トランス中に誘起させるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の点火およびエンジン制
    御装置。
  11. 【請求項１１】前記検出手段は、誘導電流放電が発生し
    ない結果として、前記一次巻線中の負電圧反射を検出し
    うる回路であることを特徴とする請求項１に記載の点火
    およびエンジン制御装置。
  12. 【請求項１２】燃焼を開始させるように、前記制御手段
    は、燃焼サイクルの一部の間に、充電電流に前記トラン
    ス中に最高電圧を誘起させるように構成され、前記制御
    手段はプログラム可能であって、同じ燃焼サイクルの一
    部の間に、第２の充電電流に前記トランス中に所定の電
    圧を誘起させて、燃焼室中に失火状態が存在するかどう
    かを判定するようにプログラムされ、かつ、前記制御手
    段は、最終ガスの自己点火が起きようとする燃焼サイク
    ルの一部の間に、一連の放電電流に一連の所定の電圧を
    前記トランス中に誘起させるようにプログラムされ、更
    に、前記制御手段は、燃焼室中の圧力がエンジン負荷に
    比例するような燃焼サイクルの一部の間に、放電電流に
    所定の電圧を前記トランス中に誘起させるようにもプロ
    グラムされていることを特徴とする請求項１に記載の点
    火およびエンジン制御装置。
  13. 【請求項１３】燃焼シリンダ内部に配置されたピストン
    を有する内燃機関の点火およびエンジン制御装置であっ
    て、 燃焼シリンダ中に位置させられる電極を持つ点火プラグ
    と、 この点火プラグに装着され、磁心と、この磁心の周囲に
    巻かれた一次巻線と、前記磁心に巻かれ、前記点火プラ
    グに電気的に接続される二次巻線とを有し、与えられた
    燃焼サイクル中に多数回の火花放電を前記点火プラグの
    電極の間に生じさせるようにされ、かつＤＣ１２Ｖ電源
    を直接オフにすることができる点火トランスと、 前記点火プラグの前記電極に加えられる電圧を前記点火
    トランスの前記二次巻線中に誘導する充電電流を、前記
    燃焼サイクル中の種々の時刻に、前記点火トランスの前
    記一次巻線に供給するように構成されたコイル・ドライ
    バ回路と、 プログラム可能なマイクロプロセッサを含み、前記コイ
    ル・ドライバ回路に制御信号を供給することによって、
    前記充電電流を前記一次巻線中に通流開始させる制御器
    と、 燃焼シリンダ内のピストンの位置に対応するタイミング
    信号をピストンに供給し、前記タイミング信号を利用し
    て、燃焼サイクル中の適切な時刻に前記制御信号を供給
    する、燃焼シリンダ内のピストンの位置を検出するタイ
    ミング手段と、 前記点火プラグに加えられる前記二次巻線中の前記電圧
    の結果として前記点火プラグの前記電極の間の放電の発
    生を検出することができ、放電発生の失敗と、燃焼シリ
    ンダ内部における所定の条件の存在とを示す信号を出力
    し、前記信号がそれによって前記制御器が前記所定の条
    件の発生に応答することを許すようにする第１の検出回
    路と、 前記点火プラグに加えられる前記二次巻線中の前記電圧
    の結果として前記点火プラグの前記電極の間の放電の持
    続時間を測定でき、前記放電の前記持続時間に対応する
    信号であって、前記制御器が前記燃焼室内部に存在する
    条件を決定して、それに応答することを可能にする信号
    を出力する第２の検出回路とを備えたことを特徴とする
    内燃機関の点火およびエンジン制御装置。
  14. 【請求項１４】前記第１の検出回路は前記トランスの前
    記第１の一次巻線に電気的に接続されていることを特徴
    とする請求項１３に記載の点火およびエンジン制御装
    置。
  15. 【請求項１５】前記第１の検出回路が、前記放電が発生
    されないことを示す、前記一次巻線中の負電圧の振れを
    検出することを特徴とする請求項１４に記載の点火およ
    びエンジン制御装置。
  16. 【請求項１６】前記第２の検出回路は前記トランスの前
    記第１の一次巻線に電気的に接続されていることを特徴
    とする請求項１３に記載の点火およびエンジン制御装
    置。
  17. 【請求項１７】前記第２の検出回路が、前記点火プラグ
    の電極の間の誘導電流放電の持続時間に対応する信号を
    出力することを特徴とする請求項１６に記載の点火およ
    びエンジン制御装置。
  18. 【請求項１８】複数の点火プラグおよび複数の点火トラ
    ンスを備え、前記第１の検出回路は前記点火プラグの全
    ておよび前記複数の点火トランスの全てに結合され、前
    記検出回路および前記制御器が協働して、各点火プラグ
    における個々の放電の発生を検出することを特徴とする
    請求項１３に記載の点火およびエンジン制御装置。
  19. 【請求項１９】複数の点火プラグおよび複数の点火トラ
    ンスを備え、前記第２の検出回路は前記点火プラグの全
    ておよび前記複数の点火トランスの全てに結合され、前
    記検出回路および前記制御器が各点火プラグにおける個
    々の放電の発生を個々に検出することを特徴とする請求
    項１３に記載の点火およびエンジン制御装置。
JP6272768A 1993-11-08 1994-11-07 内燃機関の点火およびエンジン制御装置 Pending JPH07167024A (ja)

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