JPWO2019130462A1

JPWO2019130462A1 - 内燃機関用点火装置

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Publication number: JPWO2019130462A1
Application number: JP2019561460A
Authority: JP
Inventors: 松野　正孝; 正孝松野
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Hanshin Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Hanshin Ltd
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2020-12-10
Also published as: WO2019130462A1

Abstract

点火プラグの摩耗状態を、専用の高電圧用部品を用いることなく検知し、また、点火プラグの交換時期を適確に推測することを可能にする内燃機関用点火装置を提供する。一次電流の通電によって正方向の通常磁束が生じ、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一次コイル１１ａ、および、一次コイル１１ａに生じる磁束の作用により高電圧を発生する二次コイル１１ｂを有する点火コイル１１と、一次電流の通電・遮断を切替えるスイッチ部１２と、スイッチ部１２の切替え動作を制御することで点火プラグ４０に火花放電を発生させる点火制御部３０とを備え、点火制御部３０は、一次コイル１１ａに生じる一次電圧を検出する一次コイル電圧検出部３１と、遮断磁束が二次コイル１１ｂに作用しているときの一次電圧を用いて点火プラグ４０の放電電極の摩耗を検知する摩耗検知部３２を有することを特徴とする。

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載される内燃機関用点火装置に関し、点火コイルの二次側に発生する高電圧を用いて点火プラグに火花放電を発生させるとき、点火コイルの一次電圧を検出して、点火プラグの摩耗状態を検知する内燃機関用点火装置に関するものである。

例えば、車両に搭載されるガソリンエンジンは、点火プラグに火花放電を発生させて混合気の着火燃焼を行っている。そのため、ガソリンエンジンの正常運転には、適切な放電を点火プラグに発生させることが重要であり、常に良好な火花放電を発生することのできる状態を維持することが望まれている。
特に、燃費性能を高める、もしくは二酸化炭素などの排出量を抑制するため、車両の走行中に幾つかのシリンダへ燃料を供給しないガソリンエンジンがある。また、モーター等を利用した走行時にエンジンを停止させる車両もあり、頻繁にエンジンの始動と停止を繰り返すことが多くなっている。
車両走行中にエンジン全体あるいは所定のシリンダの運転を停止させるエンジンにおいては、車両の走行距離に応じて点火プラグの交換を行うことが適当ではない場合が生じる。

そこで、ガソリンエンジン等に設置された点火プラグについて、放電電極の摩耗を検知する装置等が開発されている。
例えば、点火コイルの二次コイルから点火プラグへ供給される二次電圧を検出し、検出した二次電圧と予め定められている基準値とを比較して、検出した二次電圧が大きいと判断したときに異常信号を出力する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１０６９７０号公報

点火プラグは、放電点火回数が多くなると、もしくは、内燃機関に装着して使用を開始してからの経過時間が長くなると、放電電極に摩耗が生じる。そのため、点火性能の低下を避けることは困難であり、適宜、交換を要する部品として取り扱われている。
車両に搭載される内燃機関は、燃費等を改善するために直噴エンジンや高ＥＧＲエンジンが多く用いられている。これらのエンジンは燃焼行程において着火性が良くないため、点火プラグの点火性能が劣化するとエンジンの運転に大きく影響し、本来の動力性能が発揮できなくなり、また、環境性能が低下する。そのため、点火プラグの摩耗状態等を適切に把握して点火装置等による制御を行うことが重要になる。
また、前述のようにエンジンの始動と停止を頻繁に繰り返す場合においても、特にエンジン始動時には確実な点火性能が要求され、より精度良く点火プラグの摩耗を検知する必要性が高まっている。

本発明は、上記のような課題に鑑みなされたもので、点火プラグの摩耗状態を、専用の高電圧用部品を用いることなく検知し、また、点火プラグの交換時期を適確に推測することを可能にする内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関用点火装置は、一端に直流電源が接続され、前記直流電源からの一次電流の通電によって正方向の通常磁束が生じ、前記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一次コイル、および、一端が点火プラグに接続され、他端が接地接続されて、前記一次コイルに生じる磁束の作用により前記点火プラグに供給する高電圧を発生する二次コイル、を有する点火コイルと、前記一次コイルの他端に接続されて、前記一次電流の通電・遮断を切替えるスイッチ部と、前記スイッチ部の切替え動作を制御することで、内燃機関の燃焼サイクルに応じた所定タイミングで前記点火プラグに火花放電を発生させる点火制御部と、を備え、前記点火制御部は、前記一次コイルの他端に生じる一次電圧を検出する一次コイル電圧検出部と、前記一次コイル電圧検出部が検出した一次電圧を監視し、前記スイッチ部が前記一次電流を遮断する状態になって前記遮断磁束が前記二次コイルに作用しているときの前記一次電圧を、予め記憶手段に記憶させた電圧と比較し、該比較結果から前記点火プラグの放電電極の摩耗を検知する摩耗検知部と、を有することを特徴とする。

また、前記摩擦検知部は、前記記憶手段に記憶されている、内燃機関の複数の異なる運転状態に応じて設定された電圧の中から、現在の内燃機関の運転状態に対応する電圧を選択して、前記一次電圧と比較することを特徴とする。

また、前記摩耗検知部は、前記記憶手段に記憶されている電圧と前記一次電圧とを比較した結果、前記一次電圧が大きいと所定回数判定したとき、あるいは、前記一次電圧が大きいという判定が複数回所定時間生じたとき、前記点火プラグの放電電極が摩耗していると判断することを特徴とする。

また、前記摩耗検知部は、前記点火プラグの放電電極が摩耗しているという判断が複数生じた期間から、該点火プラグの交換時期を推測することを特徴とする。

本発明によれば、点火プラグをシリンダヘッドから取り外すことなく当該点火プラグの摩耗量を検知することができ、内燃機関の運転中において劣化や不具合の発生を速やかに検知して内燃機関の故障等を防ぐことができる。

本発明の実施例による内燃機関用点火装置の概略構成を示す説明図である。図１の点火装置の動作を示す説明図である。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
（実施例）
図１は、本発明の実施例による内燃機関用点火装置の概略構成を示す説明図である。図示した点火装置１は、例えばガソリンエンジンに設置された点火プラグ４０に接続される点火コイルユニット１０、点火コイルユニット１０の動作制御などを行う点火制御部３０によって構成されている。

点火コイルユニット１０は、点火コイル１１、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチからなるスイッチ部１２、二次コイル１１ｂに流れる二次電流を所定の方向に制限する高圧ダイオード１３を備えている。
点火コイル１１は、図示を省略したコア部材を中心部分に配したボビンに、一次コイル１１ａと二次コイル１１ｂを各々巻回して構成されており、一次コイル１１ａの一端には、直流電源であるバッテリー２０の高電位側端子が接続されている。
なお、バッテリー２０の低電位側端子は、点火装置１を設置した車両等の接地電位部分に接続されている。

図１に例示した点火装置１は、ＩＧＢＴを用いてスイッチ部１２を構成しており、スイッチ部１２の一方のスイッチ接点となるコレクタ端子に、点火コイル１１の一次コイル１１ａの他端が接続されている。
ここで、スイッチ部１２のコレクタ端子と一次コイル１１ａの他端との接続部分を、接続点Ｐ１とする。この接続点Ｐ１は、例えば配線ケーブルなどを用いて点火制御部３０に接続されている。
スイッチ部１２の他方のスイッチ接点となるエミッタ端子は、接地電位部分に接続されている。スイッチ部１２のオンオフ制御端子となるゲート端子は、例えば配線ケーブル等を用いて点火制御部３０に接続されている。

点火コイル１１の二次コイル１１ｂの一端は、高電圧を導電する導電部材等により、エンジンのシリンダヘッド等に設置固定された点火プラグ４０の頭部電極に接続され、点火プラグ４０の中心電極（放電電極の一端）に電気接続されている。
なお、点火プラグ４０の放電電極の他端となる接地電極は、シリンダヘッド等の接地電位部分に電気接続されている。
また、二次コイル１１ｂの他端には、高圧ダイオード１３のアノードが接続されており、高圧ダイオード１３のカソードは接地電位部分に接続されている。

点火制御部３０は、例えば、図示を省略したメモリやプロセッサなどの電子デバイスを備え、点火コイル１１に高電圧を発生させる動作、もしくは点火プラグ４０に放電火花を発生させる動作を制御するように構成されている。
詳しくは、点火制御部３０は、プロセッサなどの電子デバイスによって制御回路等が構成されており（図示省略）、当該制御回路は、外部から入力した信号、メモリ等に記憶されているデータや制御プログラムを用いて演算などの処理動作を行い、演算等の処理結果に応じた制御信号（点火信号ＰＳなど）を生成するように構成されている。

具体的には、制御回路は、例えばＥＣＵ等から点火タイミングを示す信号を入力し、当該信号に応じてスイッチ部１２のオンオフ動作を制御する点火信号ＰＳを生成するように構成されている。
また、点火制御部３０は、接続点Ｐ１の電圧（一次電圧検出信号ＰＶ）を検出する一次コイル電圧検出部３１、ならびに、一次電圧検出信号ＰＶを監視して点火プラグ４０の放電電極の摩耗状態を検知する摩耗検知部３２を含めて構成されている。

次に動作について説明する。
図２は、図１の点火装置１の動作を示す説明図である。この図は、図中上段に、一次コイル電圧検出部３１が検出した一次電圧検出信号ＰＶの電圧波形を示し、図中中段に、点火制御部３０から出力される点火信号ＰＳの信号波形を示し、図中下段に、二次コイル１１ｂから出力される高電圧（二次コイル電圧）、即ち、点火プラグ４０の放電電圧波形を示している。なお、図２の各波形は、図中、横軸方向を時間ｔとして図示したものである。

点火装置１は、例えば、ＥＣＵなどから点火タイミングを示す信号を入力すると、スイッチ部１２のオンオフ動作を制御する点火信号ＰＳを生成し、点火コイルユニット１０のスイッチ部１２へ出力する。
例えば、図２に示したように、点火信号ＰＳが時間ｔ１から有意のハイレベルを示すと、時間ｔ１以前はオフ状態（オープン状態）であったスイッチ部１２がオン状態となって、一次コイル１１ａに一次電流が流れる。
このとき、接続点Ｐ１の電圧（一次コイル検出電圧信号ＰＶが示す電圧値）は、オープン電圧から所定の電圧値になる。

点火信号ＰＳがハイレベルから無意のローレベルに遷移すると、スイッチ部１２がオフ状態に遷移して一次電流が遮断される。
一次コイル１１ａに流れていた一次電流が遮断されると、当該一次電流が流れたことによって点火コイル１１に生じた磁束が変化し、時間ｔ２において二次コイル１１ｂに高電圧が励起される。この高電圧は、前述の導電部材や高圧ダイオード１３等を介して点火プラグ４０の放電電極間に印加され、当該放電電極間に火花放電を発生させる。
点火プラグ４０の放電電極間に印加される高電圧、即ち、当該点火プラグ４０が接続された二次コイル１１ｂに生じる二次コイル電圧は、図２に示したように変化する。なお、図２に示した二次コイル電圧は、一次電圧検出信号ＰＶとの対比を分かり易くするため、電圧極性（＋−）を反転させた波形である。

一次コイル１１ａに流れる一次電流が遮断されると、前述のように二次コイル１１ｂに高電圧が発生し、点火プラグ４０の放電電極間の電圧が増大して火花放電が発生する。火花放電の開始直後から当該放電電極間の電圧は短時間で小さくなり、エンジン燃焼室内の環境において火花放電を維持できる程度の（放電電極間に放電電流が流れる）所定電圧になる。図２の二次コイル電圧は、時間ｔ２から時間ｔ３の間において、上記のような放電電極間の電圧変化（容量放電）を表している。
点火プラグ４０の放電電極間に発生した火花放電は、上記のように時間ｔ２から時間ｔ３まで進行し、さらに時間ｔ３から時間ｔ４まで継続（誘導放電）して消滅する。なお、図２の二次コイル電圧は、点火プラグ４０の放電電極の状態などの諸条件により、時間ｔ３から時間ｔ４の間において、放電エネルギの減少に伴って当該電圧が大きくなる場合を例示したものである。

点火コイル１１は、バッテリー２０から一次コイル１１ａに一次電流が流れているときには通常の磁束が発生し、上記の一次電流が遮断されると一次コイル１１ａに通常の磁束とは逆方向の遮断磁束が発生する。
上記のように一次コイル１１ａに磁束が発生することにより、点火プラグ４０に火花放電を発生させるための放電エネルギが二次コイル１１ｂに生じ、遮断磁束が生じているときに二次コイル１１ｂに高電圧が励起される。

点火プラグ４０の放電電極間に火花放電が発生すると、二次コイル１１ｂから放電エネルギの放出が開始される。
ここで、点火コイル１１（二次コイル１１ｂ）から点火プラグ４０へ放電エネルギを放出するときには、例えば、前述のように二次コイル電圧が変化し、エネルギ放出状態が火花放電発生から消滅するまでの間に変化する。換言すると、点火プラグ４０の放電電極の状態、もしくは火花放電の発生状態が影響して、二次コイル１１ｂから放出される放電エネルギが変動する。

二次コイル１１ｂから放出される放電エネルギが変化すると、この影響を受けて遮断磁束も変化し、即ち、遮断磁束を発生させている一次コイル１１ａに放電エネルギの変化（二次コイル電圧の変化）が伝わる。
遮断磁束が生じているときにはスイッチ部１２がオフ状態であり、前述の一次コイル１１ａの他端が開放端となっている。そのため、放電エネルギ（二次コイル電圧）の変化は、一次コイル１１ａの開放端電圧の変化として現れる。

ここで、前述のように一次コイル１１ａの一端にはバッテリー２０が接続されており、スイッチ部１２がオフ状態になると、一次コイル１１ａの他端はハイインピーダンスになり、遮断磁束の変化が開放端電圧の変化として明確に現れ易い状態になる。
換言すると、一次コイル１１ａは、他端に接続されたスイッチ素子１２がオン状態のときには、十分な一次電流を流すことができ、スイッチ素子１２がオフ状態になったときには、当該他端が適当なハイインピーダンスになるように構成されている。また、一次コイル１１ａの他端に接続されるスイッチ部１２は、オフ状態において、当該一次コイル１１ａの他端をハイインピーダンス状態にすることができるものである。

一次コイル電圧検出部３１は、前述のように接続点Ｐ１の電圧（一次電圧検出信号ＰＶ）を検出し、図２の上段に示したように変化する一次電圧を摩耗検知部３２へ出力する。
図２に示した一次電圧検出信号ＰＶは、時間ｔ１以前においては、点火信号ＰＳが無意のローレベルであることからスイッチ素子１２がオフ状態となっており、接続点Ｐ１がハイインピーダンス（オープン状態）となっていることを表している。

時間ｔ１において、点火信号ＰＳが有意を示すハイレベルとなってスイッチ素子１２がオン状態になる。スイッチ素子１２は、点火信号ＰＳがローレベルへ遷移するまでオン状態を維持し、この間に一次コイル１１ａに一次電流が流れ、通常の磁束が発生する。
このように、一次コイル１１ａに一次電流が流れている間は、接続点Ｐ１の電圧は所定の電圧（一次コイル１１ａの抵抗値等に応じた電圧）になる。

点火信号ＰＳがローレベルに遷移すると、スイッチ素子１２がオフ状態になり、接続点Ｐ１がハイインピーダンスになり、以降、スイッチ素子１２はこの状態を維持している。
時間ｔ２から時間ｔ４までの間には、前述のように二次コイル１１ｂから点火プラグ４０へ高電圧が出力され、点火プラグ４０の放電電極間に火花放電が発生する。また、この火花放電が発生している間の二次コイル電圧の変化が、前述のように一次コイル１１ａの開放端電圧、即ち、接続点Ｐ１における検出電圧に現れる。

一次コイル電圧検出部３１から一次電圧検出信号ＰＶを入力する摩耗検知部３２は、点火制御部３０から出力する点火信号ＰＳが有意となっていないとき（有意から無意へ遷移した後）に、一次電圧検出信号ＰＶが示す電圧波形を、予め記憶しておいた電圧波形と比較する。
詳しくは、予め、例えば摩耗検知部３２、もしくは点火制御部３０に備えるメモリ等に例えば所定の閾値電圧を記憶させておく。

上記の閾値電圧は、点火プラグ４０に火花放電を発生させたときの放電電極間電圧、あるいは二次コイル電圧等に相当し、点火プラグ４０の放電電極の摩耗が所定量進行した場合の電圧を表したものである。
上記の閾値電圧は、予め設定された一定の電圧値でもよいが、火花放電を発生させているときの電圧波形を表す一連の電圧でもよく、詳しくは、電圧波形の全体、あるいは当該波形の所定の一部分を表す一連の電圧でもよい。なお、このような一連電圧からなる閾値電圧を用いる場合には、摩耗検知部３２は、電圧波形どうしの比較判定を行うことになる。

点火プラグ４０の放電電極間が摩耗によって拡がると、概ねの場合は、火花放電を発生させるための高電圧が高くなる。また、火花放電が発生している時間（火花放電の持続時間）が短くなる。
摩耗検知部３２は、一次コイル電圧検出部３１から入力した電圧波形と、メモリ等に記憶されている閾値電圧とを比較し、一次コイル電圧検出部３１から入力した電圧波形が、前述の閾値電圧よりも高いか否かを判定する。この判定は、例えば、一次コイル電圧検出部３１から入力した電圧波形のいずれか一部分でも閾値電圧よりも高い部分があるか否か、または、所定の波形部分について高いか否かを判定する。
また、摩耗検知部３２は、例えば一次コイル電圧検出部３１から複数回の電圧波形を入力し、これらの電圧波形を各々メモリ等に記憶されている閾値電圧と比較する。
これらの比較において、当該閾値電圧よりも高いと判定したことが所定回数以上発生したとき、あるいは、当該閾値電圧よりも高いという判定が複数回発生して所定時間続いたときに、点火プラグ４０に摩耗が生じていると判断する。

前述のメモリ等に記憶させる閾値電圧は、エンジンの各運転状態もしくは車両の様々な走行状況に応じて各々設定することが好ましい。
即ち、様々な運転状態や走行状況等に対応させて複数種類の閾値電圧を設定ならびに記憶しておき、摩耗検知部３２は、エンジンが稼働中に検出された一次電圧検出信号ＰＶから前述の電圧波形を抽出して、点火プラグ４０の摩耗を判断する。
このように運転状態や走行状況等に対応させて点火プラグ４０の摩耗を判断するときには、摩耗検知部３２は、現在の運転状態や走行状況等に該当する閾値電圧を用いて、一次コイル電圧検出部３１から入力した電圧波形と比較する。

ここで、エンジン等の制御を行うＥＣＵは、各種センサの出力信号を入力して、現在の運転状態や走行状況等を認識していることから、摩耗検知部３２は、例えば、ＥＣＵ等から現在の運転状態や走行状況を示すデータ等を取得し、このデータ等に基いてメモリ等に記憶されている複数種類の閾値電圧の中から、前述の比較判定に用いる適当な閾値電圧を選択する。
また、摩耗検知部３２は、上記のように選択した閾値電圧を用いるときには、当該閾値電圧よりも高いと判定したことが、運転状態や走行状況等に対応させて設定した所定回数以上発生したとき、あるいは、当該閾値電圧よりも高いという判定が複数回発生し、運転状態や走行状況等に対応させて設定した所定時間続いたときに、点火プラグ４０に摩耗が生じていると判断する。即ち、運転状態や走行状況等に対応させた上記の所定回数や所定時間を用いて点火プラグ４０の摩耗を判断する。

摩耗検知部３２は、点火プラグ４０に摩耗が生じていると判断したときには、例えば、点火装置１の外部に当該点火プラグ４０の摩耗を報知する警告信号等を出力するようにしてもよい。
また、摩耗検知部３２は、点火プラグ４０に摩耗が生じていると判断したとき、当該断を行った日時もしくは時間等を順次メモリ等に記憶させておく。現在使用中の点火プラグ４０について、上記のメモリ等に記憶されている内容から、例えば、最初に摩耗が生じていると判断した日時等から最近摩耗していると判断した日時等までの期間を求める。
即ち、摩耗が生じているという判断が複数回なされたとき、各判断がなされた間の日数、換言すると、点火プラグ４０の摩耗状態が継続している期間を求める。この期間の長さを用いて現在使用中の点火プラグ４０の交換時期を、演算、または、予め設定記憶されている所定期間長さとの比較によって推測し、当該推測した交換時期を例えば点火装置１の外部へ報知するようにしてもよい。

１点火装置
１０点火コイルユニット
１１点火コイル
１１ａ一次コイル
１１ｂ二次コイル
１２スイッチ部
１３高圧ダイオード
２０バッテリー
３０点火制御部
３１一次コイル電圧検出部
３２摩耗検知部
４０点火プラグ

本発明に係る内燃機関用点火装置は、一端に直流電源が接続され、前記直流電源からの一次電流の通電によって正方向の通常磁束が生じ、前記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一次コイル、および、一端が点火プラグに接続され、他端が接地接続されて、前記一次コイルに生じる磁束の作用により前記点火プラグに供給する高電圧を発生する二次コイル、を有する点火コイルと、前記一次コイルの他端に接続されて、前記一次電流の通電・遮断を切替えるスイッチ部と、前記スイッチ部の切替え動作を制御することで、内燃機関の燃焼サイクルに応じた所定タイミングで前記点火プラグに火花放電を発生させる点火制御部と、を備え、前記点火制御部は、前記一次コイルの他端に生じる一次電圧を検出する一次コイル電圧検出部と、前記一次コイル電圧検出部が検出した一次電圧を監視し、前記スイッチ部が前記一次電流を遮断する状態になって前記遮断磁束が前記二次コイルに作用しているときの前記一次電圧を、予め記憶手段に記憶させた電圧と比較し、該比較の結果から前記点火プラグの放電電極の摩耗を検知する摩耗検知部と、を有し、前記摩耗検知部は、前記記憶手段に記憶されている、前記内燃機関の複数の異なる運転状態に応じて設定された電圧の中から、前記内燃機関の現在の運転状態に対応する電圧を選択して、前記一次電圧と比較することを特徴とする。

Claims

一端に直流電源が接続され、前記直流電源からの一次電流の通電によって正方向の通常磁束が生じ、前記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一次コイル、
および、一端が点火プラグに接続され、他端が接地接続されて、前記一次コイルに生じる磁束の作用により前記点火プラグに供給する高電圧を発生する二次コイル、
を有する点火コイルと、
前記一次コイルの他端に接続されて、前記一次電流の通電・遮断を切替えるスイッチ部と、
前記スイッチ部の切替え動作を制御することで、内燃機関の燃焼サイクルに応じた所定タイミングで前記点火プラグに火花放電を発生させる点火制御部と、
を備え、
前記点火制御部は、
前記一次コイルの他端に生じる一次電圧を検出する一次コイル電圧検出部と、
前記一次コイル電圧検出部が検出した一次電圧を監視し、前記スイッチ部が前記一次電流を遮断する状態になって前記遮断磁束が前記二次コイルに作用しているときの前記一次電圧を、予め記憶手段に記憶させた電圧と比較し、該比較結果から前記点火プラグの放電電極の摩耗を検知する摩耗検知部と、
を有する、
ことを特徴とする内燃機関用点火装置。
前記摩擦検知部は、
前記記憶手段に記憶されている、内燃機関の複数の異なる運転状態に応じて設定された電圧の中から、現在の内燃機関の運転状態に対応する電圧を選択して、前記一次電圧と比較する、
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。
前記摩耗検知部は、
前記記憶手段に記憶されている電圧と前記一次電圧とを比較した結果、前記一次電圧が大きいと所定回数判定したとき、あるいは、前記一次電圧が大きいという判定が複数回発生して所定時間続いたとき、前記点火プラグの放電電極が摩耗していると判断する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用点火装置。
前記摩耗検知部は、
前記点火プラグの放電電極が摩耗しているという判断が複数生じた期間から、該点火プラグの交換時期を推測する、
ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用点火装置。