KR101758605B1 - 내연 기관의 점화 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

엔진용의 점화 제어 장치가 제공된다. 이 점화 제어 장치는 스위치를 제어함으로써 점화 방전 중에 콘덴서로부터 축적 에너지를 방출시키는 것에 의해 점화 코일의 1차 권선의 직류 전원에 접속된 일단과는 반대의 타단측에 1차 전류를 공급하는 구성으로 되어 있다. 이에 따라, 체격이나 제조 비용의 증대를 가급적으로 억제하면서 연료 혼합기의 연소 상태를 양호하게 안정화시키는 것이 가능한 점화 제어 장치가 제공된다.

Description

내연 기관의 점화 제어 장치{IGNITION CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 기통 내에서 연료 혼합기를 점화하는 점화 플러그의 동작을 제어하는 점화 제어 장치에 관한 것이다.
연료 혼합기의 연소 상태를 안정화시키도록 구성된 내연 기관의 점화 제어 장치가 여러 가지로 제안되어 있다. 예를 들면, 일본국 특개2007―231927호 공보에는, 1회의 연소 행정 내에서 복수회의 방전을 단속적으로 발생시키는 점화 제어 장치가 개시되어 있다. 또, 일본국 특개2000―199470호 공보에는, 방전 시간이 긴 다중 방전 특성을 얻기 위해, 병렬로 접속한 2개의 점화 코일이 개시되어 있다. 또한, 일본국 특개평11―159427호 공보에는, 점화 플러그에 대하여, 점화 코일에 있어서의 2차 코일에서 발생하는 전압에 추가하여 해당 2차 코일의 저압측에 접속된 DC／DC컨버터에서 발생하는 보조 전압을 인가할 수 있는 점화 제어 장치가 개시되어 있다.
일본국 특개2007―231927호 공보에 기재된 구성과 같이, 1회의 연소 행정 내에서 복수회의 방전을 단속적으로 발생시키는 경우, 해당 행정 내에 있어서의 점화 방전의 개시로부터 종료까지의 사이에 점화 방전 전류가 반복하여 제로로 된다. 그러면 특히, 통 내의 가스 유속이 큰 경우에, 이른바 “꺼짐”이 발생함으로써 점화 에너지가 손실된다는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 일본국 특개2000-199470호 공보에 기재된 바와 같이, 2개의 점화 코일을 병렬로 접속한 점화 제어 장치에 있어서는, 1회의 연소 행정 내에 있어서의 점화 방전의 개시로부터 종료까지의 사이에 점화 방전 전류가 반복하여 제로로 되는일은 없지만, 점화 제어 장치의 구성이 복잡하고, 체격도 대형화한다는 문제가 있다. 또, 이러한 종래 기술에 있어서는, 점화에 필요한 에너지를 크게 웃도는 구성(체격)으로 됨으로써 불필요한 전력 소비가 발생한다는 문제도 있다.
또, 일본국 특개평11―159427호 공보에 기재된 바와 같이, 점화 코일의 2차측에 보조 전압을 인가하는 점화 제어 장치에 있어서는, 이러한 보조 전압을 인가하기 위한 회로에 대하여 고내압성이 요구된다. 이 때문에, 이러한 구성에 있어서도, 체격이나 비용면에서 문제가 있다.
본 발명은 상기에 예시한 사정 등을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 체격이나 제조 비용의 증대를 가급적으로 억제하면서 연료 혼합기의 연소 상태를 양호하게 안정화시키는 것이 가능한 내연 기관의 점화 제어 장치를 제공하는 것에 있다.
또, 일본국 실공평2―20466호 공보에는, 통상의 유도 방전형의 점화 제어 장치에 추가하여 점화 코일의 2차측에 점화 에너지를 주입하는 DC―DC컨버터와 해당 DC―DC컨버터의 작동을 정지하는 작동 정지 수단과, 사전에 결정된 운전 상황을 검지했을 때에 작동 정지를 해제하는 작동 정지 해제 수단을 설치한 내연 기관용 점화 제어 장치가 개시되어 있다.
그런데 상기 점화 제어 장치에서는 방전의 유지를 도모하기 위해 점화 코일의 2차측에 설치한 DC―DC컨버터에는 고내압 소자를 이용할 필요가 있어서, 제조 비용의 증대를 초래하고, 또한 내압성의 향상, 방열성의 향상을 도모할 필요성에서 장치의 대형화를 초래하고, 또, 고내압 소자의 발열 등에 의한 신뢰성의 저하 등의 문제도 있었다.
그래서 본 발명은 이러한 실정을 감안하여, 고내압 소자를 이용하지 않고, 탑재성이 우수하고, 신뢰성이 높은 내연 기관의 점화 제어 장치를 저비용으로 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 점화 제어 장치(30)는 점화 플러그(19)의 동작을 제어하도록 구성되어 있다. 여기에서, 상기 점화 플러그는 내연 기관(11)의 기통(11b) 내에서 연료 혼합기를 점화하도록 설치되어 있다. 본 발명의 점화 제어 장치는 이그니션 코일(311)과, 직류 전원(312)과, 제 1 스위칭 소자(313)와, 제 2 스위칭 소자(314)와, 제 3 스위칭 소자(315)와, 에너지 축적 코일(316)과, 콘덴서(317)와, 제어부(319)를 구비하고 있다.
상기 이그니션 코일은 1차 권선(311a)과 2차 권선(311b)을 구비하고 있다. 상기 2차 권선은 상기 점화 플러그에 접속되어 있다. 이 이그니션 코일은 1차 전류(상기 1차 권선을 통류(通流)하는 전류)의 증감에 의해 상기 2차 권선에서 2차 전류가 발생하도록 구성되어 있다. 또, 상기 1차 권선에서 상기 1차 전류를 통류시키도록 상기 1차 권선의 일단측에는 상기 직류 전원에 있어서의 비접지측 출력 단자가 접속되어 있다.
상기 제 1 스위칭 소자는 제 1 제어 단자(313G)와, 제 1 전원측 단자(313C)와, 제 1 접지측 단자(313E)를 갖고 있다. 이 제 1 스위칭 소자는 반도체 스위칭 소자로서, 상기 제 1 제어 단자에 입력된 제 1 제어 신호에 기초하여 상기 제 1 전원측 단자와 상기 제 1 접지측 단자의 사이의 통전의 온 오프를 제어하도록 구성되어 있다. 이 제 1 스위칭 소자에 있어서, 상기 제 1 전원측 단자는 상기 1차 권선의 타단측에 접속되어 있다. 또, 상기 제 1 접지측 단자는 접지측에 접속되어 있다.
상기 제 2 스위칭 소자는 제 2 제어 단자(314G)와, 제 2 전원측 단자(314D)와, 제 2 접지측 단자(314S)를 갖고 있다. 이 제 2 스위칭 소자는 반도체 스위칭 소자로서, 상기 제 2 제어 단자에 입력된 제 2 제어 신호에 기초하여 상기 제 2 전원측 단자와 상기 제 2 접지측 단자의 사이의 통전의 온 오프를 제어하도록 구성되어 있다. 이 제 2 스위칭 소자에 있어서, 상기 제 2 접지측 단자가 상기 1차 권선의 상기 타단측에 접속되어 있다.
상기 제 3 스위칭 소자는 제 3 제어 단자(315G)와, 제 3 전원측 단자(315C)와, 제 3 접지측 단자(315E)를 갖고 있다. 이 제 3 스위칭 소자는 반도체 스위칭 소자로서, 상기 제 3 제어 단자에 입력된 제 3 제어 신호에 기초하여 상기 제 3 전원측 단자와 상기 제 3 접지측 단자의 사이의 통전의 온 오프를 제어하도록 구성되어 있다. 이 제 3 스위칭 소자에 있어서, 상기 제 3 전원측 단자는 상기 제 2 스위칭 소자에 있어서의 상기 제 2 전원측 단자에 접속되어 있다. 또, 상기 제 3 접지측 단자는 상기 접지측에 접속되어 있다.
상기 에너지 축적 코일은 상기 직류 전원에 있어서의 상기 비접지측 출력 단자와 상기 제 3 스위칭 소자에 있어서의 상기 제 3 전원측 단자를 접속하는 전력 라인에 끼워진 인덕터이다. 이 에너지 축적 코일은 상기 제 3 스위칭 소자의 온에 의하여 에너지를 축적하는 것과 함께, 이 축적한 에너지를 상기 제 3 스위칭 소자의 오프에 의하여 방출하도록 설치되어 있다.
상기 콘덴서는 상기 직류 전원에 있어서의 상기 비접지측 출력 단자와 상기 접지측의 사이에서 상기 에너지 축적 코일과 직렬 접속되어 있다. 이 콘덴서는 상기 제 3 스위칭 소자의 오프에 의하여 상기 에너지 축적 코일로부터 방출된 에너지를 축적하도록 설치되어 있다.
상기 제어부는 상기 제 2 스위칭 소자 및 상기 제 3 스위칭 소자를 제어하도록 설치되어 있다. 구체적으로, 상기 제어부는 상기 점화 플러그의 점화 방전(이것은 상기 제 1 스위칭 소자의 오프에 의해 개시된다) 중에 상기 제 3 스위칭 소자를 오프 및 상기 제 2 스위칭 소자를 온하게 되어 있다. 즉, 상기 제어부는 상기 제 2 스위칭 소자 및 상기 제 3 스위칭 소자를 상기와 같이 동작시킴으로써 상기 콘덴서로부터 축적 에너지를 방출시키는 것과 함께, 이 방출된 에너지를 상기 1차 권선에서 상기 1차 전류를 통류시키기 위한 에너지로 하여, 상기 타단측으로부터 상기 1차 권선에 공급하기 위해, 상기 각 스위칭 소자를 제어하게 되어 있다. 특히, 본 발명에 있어서, 상기 제어부는 상기 제 2 제어 신호에 있어서의 듀티비를 가변으로 설정하게 되어 있다.
우선, 이러한 구성을 갖는 본 발명의 상기 점화 제어 장치에 있어서의 전형적인 동작을 설명하면, 상기 제 1 스위칭 소자의 온 및 상기 제 2 스위칭 소자의 오프에 의해 상기 1차 권선에 상기 1차 전류가 통류한다. 이에 따라, 상기 이그니션 코일이 충전된다. 한편, 이 사이에 상기 제 3 스위칭 소자가 온됨으로써 상기 에너지 축적 코일에 에너지가 축적된다. 또, 이 축적 에너지는 상기 제 3 스위칭 소자를 오프시키면, 상기 에너지 축적 코일로부터 방출되어, 상기 콘덴서에 축적된다.
상기 제 2 스위칭 소자 및 상기 제 3 스위칭 소자가 오프된 상태에서 상기 제 1 스위칭 소자가 오프되면, 그 이전까지 상기 1차 권선에 통류하고 있던 상기 1차 전류가 급격히 차단된다. 그러면 상기 이그니션 코일의 상기 1차 권선에 고전압이 발생하고, 이러한 고전압이 다시 상기 2차 권선에서 승압됨으로써 상기 점화 플러그에서 고전압이 발생하여 방전이 발생하고, 이때 상기 2차 권선에서 큰 상기 2차 전류가 발생한다. 이에 따라, 상기 점화 플러그에서 상기 점화 방전이 개시된다.
그런데 상기 점화 플러그에서 상기 점화 방전이 개시된 후에는 상기 2차 전류(이하, “방전 전류”라 부르는 일이 있다)는 그대로는 시간 경과와 함께 제로에 가까워진다. 이 점, 본 발명의 구성에 있어서는, 상기 점화 방전 중에 상기 제 3 스위칭 소자를 오프 및 상기 제 2 스위칭 소자를 온함(상기 제 3 스위칭 소자의 오프 하에서 상기 제 2 스위칭 소자를 온함)으로써 상기 콘덴서로부터 축적 에너지가 방출된다.
그러면 상기 콘덴서로부터 방출된 에너지는 상기 1차 권선에서 상기 1차 전류를 통류시키기 위해, 상기 타단측으로부터 상기 1차 권선으로 공급된다. 이에 따라, 상기 방전 전류가 상기 점화 방전을 유지할 수 있을 정도로 양호하게 확보된다. 여기에서, 상기 점화 방전 중의 상기 방전 전류의 통류 상태는 상기 제 2 스위칭 소자의 온 오프에 의한, 상기 콘덴서로부터의 축적 에너지의 방출량의 조정에 의하여 적절히 제어할 수 있다.
그래서 본 발명의 상기 점화 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 제 2 제어 신호에 있어서의 듀티비(즉, 상기 제 2 스위칭 소자의 온 듀티)를 가변으로 설정한다. 예를 들면, 상기 제어부는 상기 2차 전류(상기 방전 전류)를 사전에 결정된 값 이상으로 유지하기 위해, 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 상기 듀티비를 설정한다. 구체적으로는 예를 들면, 상기 제어부는 시간 경과와 함께 상기 듀티비를 증가시킨다. 이 경우, 상기 제어부는 시간 경과에 동반하는 상기 듀티비의 증가율을 가변으로 설정해도 좋다.
이러한 구성을 구비한, 상기 점화 제어 장치에 따르면, 상기 방전 전류의 통류 상태를 이른바 “꺼짐”이 발생하지 않도록 상기 기통 내에 있어서의 가스의 유동 상태에 대응하여 양호하에 제어하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 이른바 “꺼짐”의 발생 및 이에 동반하는 점화 에너지의 손실이 간략한 장치 구성에 의하여 양호하게 억제된다. 즉, 본 발명에 따르면, 상기 점화 제어 장치에 있어서의 체격이나 제조 비용의 증대를 가급적으로 억제하면서 연료 혼합기의 연소 상태를 양호하게 안정화시키는 것이 가능하게 된다.
특히, 상기와 같이, 상기 1차 권선의 저압측(접지측 또는 상기 제 1 스위칭 소자측)으로부터 에너지가 투입된다. 이 때문에, 상기 2차 권선측으로부터 에너지를 투입하는 경우보다도 보다 저압에서의 에너지 투입이 가능하게 된다.
이 점, 상기 1차 권선의 고압측(상기 직류 전원측)으로부터 상기 직류 전원의 전압보다도 높은 전압으로 에너지를 투입하면, 해당 직류 전원으로의 유입 전류 등에 의해 효율이 나빠진다. 이에 대해, 본 발명에 따르면, 상기와 같이, 상기 1차 권선의 저압측으로부터 에너지를 투입하기 때문에 더욱 용이하고, 또한 효율 좋게 에너지를 상기 1차 권선에 투입할 수 있다는 우수한 효과가 이루어진다.
또, 본 발명의 점화 제어 장치(407, 407a, 407b)는 적어도 직류 전원(410)과, 해당 직류 전원(410)의 전원 전압을 승압하는 승압 회로(401)와, 해당 승압 회로(401)에 접속시킨 1차 권선(440)의 전류의 증감에 의해 2차 권선(441)에 높은 2차 전압(V2)을 발생시키는 점화 코일(404)과, 기관의 운전 상황에 따라 발신된 점화 신호(IGt)에 따라서 상기 1차 권선(440)으로의 전류의 공급과 차단을 전환하는 점화용 개폐 소자(403)와, 상기 2차 권선(441)에 접속되어, 상기 2차 권선(441)으로부터 2차 전압(V2)의 인가에 의해 내연 기관의 연소실 내에 불꽃 방전을 발생시키는 점화 플러그(405)를 구비하여 내연 기관의 점화를 실시하는 점화 제어 장치로서, 상기 점화용 개폐 소자(403)의 개폐에 의하여 상기 점화 플러그(405)의 방전을 개시한 후에 방전 유지를 도모하는 에너지를 투입하기 위해, 상기 승압 회로(401)로부터 점화용 개폐 소자의 방전과 정지를 중첩적으로 실시함으로써 상기 2차 권선(441)에 흐르는 전류를 증가시키는 보조 전원(402)을 구비하고, 상기 보조 전원(402)이 해당 보조 전원(402)으로부터의 방전의 정지를 전환하는 보조용 개폐 소자(420)와, 해당 보조용 개폐 소자(420)의 턴 온 속도보다도 턴 오프 속도를 완만하게 하는 소프트 오프 회로(422, 422a, 421b)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 점화 제어 장치(407, 407a, 407b)에 따르면, 상기 소프트 오프 회로(422, 422a, 421b)에 의해 상기 보조 전원(402)으로부터의 방전 에너지의 투입 정지가 천천히 실시되기 때문에 2차 전류(I2)의 급격한 변화가 억제되고, 방전 경로가 장기에 걸쳐서 유지되기 때문에 투입 에너지가 낭비되지 않고 안정된 착화를 실현할 수 있다.
또, 본원 발명의 점화 제어 장치(407, 407a, 407b)는 적어도 직류 전원(410)과, 해당 직류 전원(410)의 전원 전압을 승압하는 승압 회로(401)와, 해당 승압 회로(401)에 접속시킨 1차 권선(440)의 전류의 증감에 의해 2차 권선(441)에 높은 2차 전압(V2)을 발생시키는 점화 코일(404)과, 기관의 운전 상황에 따라 발신된 점화 신호(IGt)에 따라서 상기 1차 권선(440)으로의 전류의 공급과 차단을 전환하는 점화용 개폐 소자(403)와, 상기 2차 권선(441)에 접속되어, 상기 2차 권선(441)으로부터의 2차 전압(V2)의 인가에 의해 내연 기관의 연소실 내에 불꽃 방전을 발생시키는 점화 플러그(405)를 구비하여 내연 기관의 점화를 실시하는 점화 제어 장치로서, 상기 점화용 개폐 소자(403)의 개폐에 의하여 상기 점화 플러그(405)의 방전을 개시한 후에 방전 유지를 도모하는 에너지를 투입하기 위해, 상기 승압 회로(401)로부터 점화 코일(404)의 1차 권선(440)과 점화용 개폐 소자(403)의 접속점측으로의 방전과 정지를 중첩적으로 실시함으로써 상기 1차 권선(440)에 흐르는 전류를 증가시키는 보조 전원(402)을 구비하고, 상기 보조 전원(402)이 해당 보조 전원(402)으로부터의 방전의 정지를 전환하는 보조용 개폐 소자(420)와, 해당 보조용 개폐 소자(420)를 개폐 구동하는 보조용 개폐 소자 구동 회로(421, 421a, 421b)와, 내연 기관의 운전 상황을 나타내는 엔진 파라미터(EPr)에 따라서 상기 보조용 개폐 소자(420)의 구동 주파수를 증감하는 주파수 연산부(210, 210a, 210b)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 연산부(210, 210a, 210b)는 엔진 회전수(Ne), 흡기압(PIN), 엑셀 개도(Th), 크랭크각(CA), 엔진 수온(Tw), EGR률, 공연비(A／F), 점화 코일의 1차 전압(V1), 2차 전압(V2), 이차 전류(I2) 중 어느 하나로부터 선택한 하나 또는 복수의 상기 엔진 파라미터(PER)에 기초하여 판정한 내연 기관의 운전 상황에 따라서 상기 보조용 개폐 소자(420)를 내연 기관의 회전수가 낮을수록 또는 내연 기관의 부하가 낮을수록 상기 보조용 개폐 소자(420)를 구동하는 구동 듀티를 고정한 채, 구동 펄스 주파수의 증가율을 낮게 하고, 내연 기관의 회전수가 높을수록 또는 내연 기관의 부하가 높을수록 상기 보조용 개폐 소자(420)를 개폐하는 구동 펄스 주파수의 증가율을 높게 한다.
또, 방전 기간에 있어서, 방전 개시 직후로부터 방전 종료까지의 사이에 상기 보조용 개폐 소자(420)를 구동하는 구동 펄스의 주파수의 방전 종료측을 서서히 높게 한다.
본 발명의 점화 제어 장치(407, 407a, 407b)에 따르면, 상기 주파수 연산부(210, 210a, 210b)에 의하여 내연 기관의 운전 상황에 따른 적절한 구동 주파수를 산출해서, 상기 보조용 개폐 소자(420)의 구동 주파수를 증감하는 것이 가능하게 되고, 상기 보조 전원(402)으로부터 상기 점화 플러그(405)에 투입되는 에너지의 증감을 도모하는 것이 가능하게 되고, 투입 에너지의 낭비를 억제하면서 확실하게 방전의 유지를 도모하여, 안정된 착화를 실현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 특히 연소실 내에 강한 통 내 기류가 발생하고 있는 운전 상황에 있어서, 꺼짐이 발생하기 쉬운, 방전 종료측의 구동 주파수를 높게 함으로써 상기 보조 전원(402)으로부터의 투입 에너지를 늘려서 확실하게 꺼짐의 발생을 억제하여 안정된 착화를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태의 점화 제어 장치를 구비한 엔진 시스템의 개략 구성도.
도 2는 도 1에 나타나 있는 점화 제어 장치의 개략적인 회로도.
도 3은 도 2에 나타나 있는 점화 제어 장치의 동작 설명을 위한 맵.
도 4는 도 2에 나타나 있는 점화 제어 장치의 동작 설명을 위한 타임차트.
도 5는 도 2에 나타나 있는 점화 제어 장치의 동작 설명을 위한 타임차트.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치의 개요를 나타내는 구성도.
도 7a는 실시예 2의 점화 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 타임차트.
도 7b는 도 7a의 요부 확대도.
도 8a는 비교예 1로서 나타내는, 본 발명의 요부인 소프트 오프 수단을 이용하지 않는 구성의 점화 제어 장치의 동작을 나타내는 타임차트.
도 8b는 도 8a의 요부 확대도.
도 9a는 본 발명의 제 3 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치의 요부를 나타내는 구성도.
도 9b는 도 9a의 점화 제어 장치의 동작을 나타내는 타임차트의 요부 확대도.
도 10a는 본 발명의 제 4 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치의 개요를 나타내는 구성도.
도 10b는 비교예 2와 함께 도 10a의 점화 제어 장치의 동작을 나타내는 타임차트.
도 11은 본 발명의 제 5 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치의 개요를 나타내는 구성도.
도 12a는 실시예 5의 점화 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 타임차트.
도 12b는 비교예 1로서 나타내는, 본 발명의 요부인 주파수 연산부를 구비하지 않는 구성의 점화 제어 장치의 동작을 나타내는 타임차트.
도 13a는 엔진 파라미터와 주파수의 관계를 나타내는 맵의 일례.
도 13b는 본 발명의 점화 제어 장치에 이용되는 주파수 연산 방법의 일례를 나타내는 흐름도.
도 13c는 구동 펄스 주파수 전환 방법의 일례를 나타내는 타임차트.
도 13d는 주파수 연산부의 일례를 나타내는 회로도.
도 14는 본 발명의 제 6 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치의 요부를 나타내는 구성도.
도 15는 본 발명의 제 7 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치의 개요를 나타내는 구성도.
이하, 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.
＜엔진 시스템의 구성＞
도 1을 참조하면, 엔진 시스템(10)은 불꽃 점화식의 내연 기관인 엔진(11)을 구비하고 있다. 엔진(11)의 본체부를 구성하는 엔진 블록(11a)의 내부에는 기통(11b) 및 워터 재킷(11c)이 형성되어 있다. 기통(11b)은 피스톤(12)을 왕복 이동할 수 있게 수용하도록 설치되어 있다. 워터 재킷(11c)은 냉각액(냉각수라고도 한다)이 통류할 수 있는 공간으로서, 기통(11b)의 주위를 둘러싸도록 설치되어 있다.
엔진 블록(11a)의 상부인 실린더 헤드에는 흡기 포트(13) 및 배기 포트(14)가 기통(11b)과 연통할 수 있게 형성되어 있다. 또, 이 실린더 헤드에는 흡기 밸브(15)와, 배기 밸브(16)와, 밸브 구동 기구(17)가 장착되어 있다. 흡기 밸브(15)는 흡기 포트(13)와 기통(11b)의 연통 상태를 변경할 수 있게 설치되어 있다. 배기 밸브(16)는 배기 포트(14)와 기통(11b)의 연통 상태를 변경할 수 있게 설치되어 있다. 밸브 구동 기구(17)는 흡기 밸브(15) 및 배기 밸브(16)를 사전에 결정된 타이밍으로 개폐 동작시키도록 구성되어 있다.
또한, 엔진 블록(11a)에는 인젝터(18) 및 점화 플러그(19)가 장착되어 있다. 인젝터(18)는 기통(11b) 내에 연료를 직접 분사하도록 설치되어 있다. 점화 플러그(19)는 기통(11b) 내에서 연료 혼합기를 점화하도록 설치되어 있다.
엔진(11)에는 급배기 기구(20)가 접속되어 있다. 급배기 기구(20)에는 흡기관(21)(흡기 매니폴드(21a) 및 서지 탱크(21b)를 포함한다), 배기관(22) 및 EGR통로(23)(EGR은 Exhaust Gas Recirculation의 약자이다)의 3종류의 가스 통로가 설치되어 있다.
흡기 매니폴드(21a)는 흡기 포트(13)에 접속되어 있다. 서지 탱크(21b)는 흡기 매니폴드(21a)보다도 흡기 통류 방향에 있어서의 상류측에 배치되어 있다. 배기관(22)은 배기 포트(14)에 접속되어 있다.
EGR통로(23)는 배기관(22)과 서지 탱크(21b)를 접속함으로써 배기관(22)으로 배출된 배기 가스의 일부를 흡기에 도입할 수 있게 설치되어 있다. EGR통로(23)에는 EGR제어 밸브(24)가 끼워져 있다. EGR제어 밸브(24)는, 그 개도에 따라서 EGR률(기통(11b) 내에 흡입되는 연소 전의 가스에 있어서의 배기 가스의 혼입 비율)을 제어할 수 있게 설치되어 있다.
흡기관(21)에 있어서, 서지 탱크(21b)보다도 흡기 통류 방향에 있어서의 상류측에는 스로틀 밸브(25)가 끼워져 있다. 스로틀 밸브(25)는, 그 개도가 DC모터 등의 스로틀 액추에이터(26)의 동작에 의하여 제어되게 되어 있다. 또, 흡기 포트(13)의 근처에는 스월류(swirl-flow)나 텀블류(tumble-flow)를 발생시키기 위한 기류 제어 밸브(27)가 설치되어 있다.
엔진 시스템(10)에는 점화 제어 장치(30)가 설치되어 있다. 점화 제어 장치(30)는 점화 플러그(19)의 동작을 제어하도록(즉, 엔진(11)에 있어서의 점화 제어를 실시하도록) 구성되어 있다. 이 점화 제어 장치(30)는 점화 회로 유닛(31)과 전자 제어 유닛(33)을 구비하고 있다.
점화 회로 유닛(31)은 기통(11b) 내의 연료 혼합기에 점화하기 위한 불꽃 방전을 점화 플러그(19)에서 발생시키도록 구성되어 있다. 전자 제어 유닛(32)은 이른바 엔진ECU(ECU는 Electronic Control Unit의 약자이다)이다. 이 전자 제어 유닛(32)은 회전 속도 센서(33) 등의 각종 센서의 출력에 기초하여 취득한 엔진(11)의 운전 상태(이하, “엔진 파라미터”라 약칭한다.)에 따라서 인젝터(18) 및 점화 회로 유닛(31)을 포함하는 각 부의 동작을 제어하게 되어 있다.
전자 제어 유닛(32)은 취득한 엔진 파라미터에 기초하여 점화 신호(IGt) 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)를 생성 및 출력하는 점화 제어를 실시하게 되어 있다. 이러한 점화 신호(IGt) 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)는 기통(11b) 내의 가스의 상태 및 필요하게 되는 엔진(11)의 출력(이들은 엔진 파라미터에 따라서 변화한다)에 따른, 최적의 점화 시기 및 방전 전류(점화 방전 전류)를 규정하는 것이다. 또한, 이들의 신호에 대해서는, 이미 공지 또는 주지이기 때문에 이들의 신호에 대해서의 더 이상의 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략한다(필요에 따라, 일본국 특개2002―168170호 공보(미국 특허 제 6, 557, 537호 명세서) 등 참조). 다만, 이들의 공지 또는 주지 기술 문헌에 있어서, IGw는 “다중 기간 신호” 또는 “방전 구간 신호” 등이라 불리고 있다.).
회전 속도 센서(33)는 엔진 회전 속도(엔진 회전수라고도 한다)(Ne)를 검출(취득)하기 위한 센서이다. 이 회전 속도 센서(33)는 피스톤(12)의 왕복 운동에 동반하여 회전하는 도시하지 않는 크랭크 샤프트의 회전 각도에 따른 펄스상의 출력을 발생하도록 엔진 블록(11a)에 장착되어 있다. 냉각수온 센서(34)는 워터 재킷(11c) 내를 통류하는 냉각액의 온도인 냉각수온(Tw)을 검출(취득)하기 위한 센서로서, 엔진 블록(11a)에 장착되어 있다.
에어 플로 미터(35)는 흡입 공기량(Ga)(흡기관(21)을 통류하여 기통(11b) 내에 도입되는 흡입 공기의 질량 유량)을 검출(취득)하기 위한 센서이다. 이 에어 플로 미터(35)는 스로틀 밸브(25)보다도 흡기 통류 방향에 있어서의 상류측에서 흡기관(21)에 장착되어 있다. 흡기압 센서(36)는 흡기관(21) 내의 압력인 흡기압(Pa)을 검출(취득)하기 위한 센서로서, 서지 탱크(21b)에 장착되어 있다.
스로틀 개도 센서(37)는 스로틀 밸브(25)의 개도(스로틀 개도(THA))에 대응하는 출력을 발생하는 센서로서, 스로틀 액추에이터(26)에 내장되어 있다. 액셀 포지션 센서(38)는 도시하지 않는 액셀의 조작량(액셀 조작량(ACCP))에 대응하는 출력을 발생하도록 설치되어 있다.
＜점화 제어 장치의 구성＞
도 2를 참조하면, 점화 회로 유닛(31)은 이그니션 코일(311)(1차 권선(311a) 및 2차 권선(311b)을 포함한다)과, 직류 전원(312)과, 제 1 스위칭 소자(313)와, 제 2 스위칭 소자(314)와, 제 3 스위칭 소자(315)와, 에너지 축적 코일(316)과, 콘덴서(317)와, 다이오드(318a, 318b 및 318c)와, 드라이버 회로(319)를 구비하고 있다.
상기와 같이, 이그니션 코일(311)은 1차 권선(311a)과 2차 권선(311b)을 구비하고 있다. 이 이그니션 코일(311)은 주지와 같이, 1차 권선(311a)을 통류하는 1차 전류의 증감에 의해 2차 권선(311b)에서 2차 전류를 발생시키도록 구성되어 있다.
1차 권선(311a)의 일단인 고전압측 단자(비접지측 단자라고도 부를 수 있다)측에는 직류 전원(312)에 있어서의 비접지측 출력 단자(구체적으로는 ＋단자)가 접속되어 있다. 한편, 1차 권선(311a)의 타단인 저전압측 단자(접지측 단자라고도 부를 수 있다)측은 제 1 스위칭 소자(313)를 통하여 접지측에 접속되어 있다. 즉, 직류 전원(312)은 제 1 스위칭 소자(313)가 온되었을 때에 1차 권선(311a)에서 고전압 단자측으로부터 저전압 단자측을 향하는 방향의 1차 전류를 통류시키도록 설치되어 있다.
2차 권선(311b)에 있어서의 고전압측 단자(비접지측 단자라고도 부를 수 있다)측은 다이오드(318a)를 통하여 1차 권선(311a)에 있어서의 고전압 단자측에 접속되어 있다. 다이오드(318a)는, 그 양극이 2차 권선(311b)에 있어서의 고전압 단자측에 접속되어 있다. 즉, 이 다이오드(318a)는 1차 권선(311a)에 있어서의 고전압 단자측으로부터 2차 권선(311b)에 있어서의 고전압 단자측을 향하는 방향의 전류의 통류를 금지하면서 2차 전류(방전 전류)를 점화 플러그(19)로부터 2차 권선(311b)을 향하는(즉, 도면 중의 전류(I2)가 마이너스의 값으로 되는) 방향으로 규정하도록 설치되어 있다. 한편, 2차 권선(311b)에 있어서의 저전압측 단자(접지측 단자라고도 부를 수 있다)측은 점화 플러그(19)에 접속되어 있다.
제 1 스위칭 소자(313)는 MOS게이트 구조 트랜지스터인 IGBT(IGBT는 Insulated Gate Bipolar Transistor의 약자)로서, 제 1 제어 단자(313G)와, 제 1 전원측 단자(313C)와, 제 1 접지측 단자(313E)를 갖고 있다. 이 제 1 스위칭 소자(313)는 제 1 제어 단자(313G)에 입력된 제 1 제어 신호(IGa)에 기초하여 제 1 전원측 단자(313C)와 제 1 접지측 단자(313E)의 사이의 통전의 온 오프를 제어하도록 구성되어 있다. 제 1 전원측 단자(313C)는 1차 권선(311a)에 있어서의 저전압 단자측에 접속되어 있다. 또, 제 1 접지측 단자(313E)는 접지되어 있다.
제 2 스위칭 소자(314)는 MOSFET(MOSFET는 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor의 약자)로서, 제 2 제어 단자(314G)와, 제 2 전원측 단자(314D)와, 제 2 접지측 단자(314S)를 갖고 있다. 이 제 2 스위칭 소자(314)는 제 2 제어 단자(314G)에 입력된 제 2 제어 신호(IGb)에 기초하여 제 2 전원측 단자(314D)와 제 2 접지측 단자(314S)의 사이의 통전의 온 오프를 제어한다.
제 2 접지측 단자(314S)는 다이오드(318b)를 통하여 1차 권선(311a)에 있어서의 저전압 단자측에 접속되어 있다. 다이오드(318b)는, 그 양극이 제 2 접지측 단자(314S)에 접속되어 있다. 즉, 이 다이오드(318b)는 제 2 스위칭 소자(314)에 있어서의 제 2 접지측 단자(314S)로부터 1차 권선(311a)에 있어서의 저전압 단자측을 향하는 방향의 전류의 통류를 허용하도록 설치되어 있다.
제 3 스위칭 소자(315)는 MOS게이트 구조 트랜지스터인 IGBT로서, 제 3 제어 단자(315G)와, 제 3 전원측 단자(315C)와, 제 3 접지측 단자(315E)를 갖고 있다. 이 제 3 스위칭 소자(315)는 제 3 제어 단자(315G)에 입력된 제 3 제어 신호(IGc)에 기초하여 제 3 전원측 단자(315C)와 제 3 접지측 단자(315E)의 사이의 통전의 온 오프를 제어하도록 구성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서, 제 3 전원측 단자(315C)는 다이오드(318c)를 통하여 제 2 스위칭 소자(314)에 있어서의 제 2 전원측 단자(314D)에 접속되어 있다. 다이오드(318c)는, 그 양극이 제 3 전원측 단자(315C)에 접속되어 있다. 즉, 이 다이오드(318c)는 제 3 스위칭 소자(315)에 있어서의 제 3 전원측 단자(315C)로부터 제 2 스위칭 소자(314)에 있어서의 제 2 전원측 단자(314D)를 향하는 방향의 전류의 통류를 허용하도록 설치되어 있다. 또, 제 3 스위칭 소자(315)에 있어서의 제 3 접지측 단자(315E)는 접지측에 접속되어 있다.
에너지 축적 코일(316)은 직류 전원(312)에 있어서의 상기의 비접지측 출력 단자와 제 3 스위칭 소자(315)에 있어서의 제 3 전원측 단자(315C)를 접속하는 전력 라인에 끼워진 인덕터이다. 이 에너지 축적 코일(316)은 제 3 스위칭 소자(315)의 온에 의하여 에너지(전자 에너지)를 축적하는 것과 함께, 이 축적한 에너지를 제 3 스위칭 소자(315)의 오프에 의하여 방출하도록 설치되어 있다.
콘덴서(317)는 접지측과 직류 전원(312)에 있어서의 상기의 비접지측 출력 단자의 사이에서 에너지 축적 코일(316)과 직렬 접속되어 있다. 즉, 콘덴서(317)는 에너지 축적 코일(316)에 대하여 제 3 스위칭 소자(315)와 병렬 접속되어 있다. 이 콘덴서(317)는 제 3 스위칭 소자(315)의 오프에 의하여 에너지 축적 코일(316)로부터 방출된 에너지를 축적하도록 설치되어 있다.
“제어부”로서 기능하는 드라이버 회로(319)는 전자 제어 유닛(32)으로부터 출력된 엔진 파라미터, 점화 신호(IGt) 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)를 수신하도록 전자 제어 유닛(32)에 접속되어 있다. 또, 드라이버 회로(319)는 제 1 스위칭 소자(313), 제 2 스위칭 소자(314) 및 제 3 스위칭 소자(315)의 동작을 제어하도록 제 1 제어 단자(313G), 제 2 제어 단자(314G) 및 제 3 제어 단자(315G)에 접속되어 있다. 이 드라이버 회로(319)는 수신한 점화 신호(IGt) 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)에 기초하여 제 1 제어 신호(IGa), 제 2 제어 신호(IGb) 및 제 3 제어 신호(IGc)를 각각 제 1 제어 단자(313G), 제 2 제어 단자(314G) 및 제 3 제어 단자(315G)에 출력하도록 설치되어 있다.
구체적으로, 드라이버 회로(319)는 점화 플러그(19)의 점화 방전(이것은 제 1 스위칭 소자(313)의 오프에 의해 개시된다) 중에 제 3 스위칭 소자(315)를 오프 및 제 2 스위칭 소자(314)를 온함으로써 콘덴서(317)로부터 축적 에너지를 방출시키게 되어 있다. 즉, 드라이버 회로(319)는 상기와 같이, 각 스위칭 소자를 제어함으로써 콘덴서(317)로부터 에너지(정전 에너지)를 방출시키고, 이 에너지를 1차 권선(311a)에서 1차 전류를 통류시키기 위한 에너지(이하, “투입 에너지”라 한다)로 하여, 저전압 단자측으로부터 1차 권선(311a)에 공급하게 되어 있다.
특히, 본 실시 형태에 있어서, 드라이버 회로(319)는 제 3 제어 신호(IGc)에 있어서의 듀티비를 엔진 파라미터에 따라서 가변으로 설정하게 되어 있다. 즉, 드라이버 회로(319)는 엔진 파라미터에 따른 제 3 스위칭 소자(315)로의 출력 신호의 온 듀티비의 설정에 의하여 콘덴서(317)에 있어서의 에너지(정전 에너지)의 축적량을 가변으로 제어하게 되어 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서, 드라이버 회로(319)는 제 2 제어 신호(IGb)의 듀티비를 엔진 파라미터에 따라서 가변으로 설정하게 되어 있다. 즉, 드라이버 회로(319)는 엔진 파라미터에 따른 제 2 스위칭 소자(314)로의 출력 신호의 온 듀티비의 설정에 의하여 콘덴서(317)로부터 1차 권선(311a)에 있어서의 저전압 단자측으로의 에너지 공급량을 가변으로 제어하게 되어 있다.
구체적으로, 본 실시 형태에 있어서, 드라이버 회로(319)는 기통(11b) 내의 유속 증가에 동반하는 꺼짐이 발생하지 않도록 방전 전류를 사전에 결정된 값 이상으로 유지하기 위해, 제 2 제어 신호(IGb)의 듀티비를 1연소 사이클 중에 있어서의 시간 경과와 함께 증가시키게 되어 있다. 또, 드라이버 회로(319)는 도 3에 나타나 있는 맵(룩업 테이블)을 이용함으로써 엔진 파라미터인 흡기압(Pa) 및 엔진 회전수(Ne)에 따라서 1연소 사이클 중에 있어서의 시간 경과에 동반하는 듀티비의 증가율(△DUTY)을 가변으로 설정하게 되어 있다.
＜동작 설명＞
이하, 본 실시 형태의 점화 제어 장치(30)의 작용 및 그에 의한 효과에 대하여 설명한다. 도 4 및 도 5의 타임차트에 있어서, “Vdc”는 콘덴서(317)의 전압, “I1”은 1차 전류, “I2”는 2차 전류를 각각 나타낸다.
또한, 도면 중 1차 전류“I1” 및 2차 전류“I2”의 타임차트에 있어서는, 도 2에서 화살표로 나타나 있는 방향이 플러스의 값으로 되도록 나타나 있는 것으로 한다. 또, 점화 신호(IGt), 에너지 투입 기간 신호(IGw), 제 1 제어 신호(IGa), 제 2 제어 신호(IGb) 및 제 3 제어 신호(IGc)는 도면 중 위쪽으로 상승한 상태가 “H”이고, 아래쪽으로 하강한 상태가 “L”인 것으로 한다.
전자 제어 유닛(32)은 회전 속도 센서(33) 등의 각종 센서의 출력에 기초하여 취득한 엔진 파라미터에 따라서 인젝터(18) 및 점화 회로 유닛(31)을 포함하는, 엔진 시스템(10)에 있어서의 각 부의 동작을 제어한다. 여기에서, 점화 제어에 대하여 상세히 서술하면, 전자 제어 유닛(32)은 취득한 엔진 파라미터에 기초하여 점화 신호(ISt) 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)를 생성한다. 그리고 전자 제어 유닛(32)은 생성한 점화 신호(IGt) 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)와 엔진 파라미터를 드라이버 회로(319)를 향하여 출력한다.
드라이버 회로(319)는 전자 제어 유닛(32)으로부터 출력된 점화 신호(IGt), 에너지 투입 기간 신호(IGw) 및 엔진 파라미터를 수신하면, 이들에 기초하여 제 1 스위칭 소자(313)의 온 오프를 제어하기 위한 제 1 제어 신호(IGa), 제 2 스위칭 소자(314)의 온 오프를 제어하기 위한 제 2 제어 신호(IGb) 및 제 3 스위칭 소자(315)의 온 오프를 제어하기 위한 제 3 제어 신호(IGc)를 출력한다.
또한, 제 1 제어 신호(IGa)는 점화 신호(IGt)와 동일하다. 이 때문에, 드라이버 회로(319)는 수신한 점화 신호(IGt)를 그대로 제 1 스위칭 소자(313)에 있어서의 제 1 제어 단자(313G)를 향하여 출력한다.
한편, 제 2 제어 신호(IGb)는 수신한 엔진 파라미터 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)와, 도 3에 나타나 있는 맵에 기초하여 생성되는 것이다. 이 때문에, 드라이버 회로(319)는 수신한 엔진 파라미터 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)와, 도 3에 나타나 있는 맵에 기초하여 제 2 제어 신호(IGb)를 생성하는 것과 함께, 이러한 제 2 제어 신호(IGb)를 제 2 스위칭 소자(314)에 있어서의 제 2 제어 단자(314G)를 향하여 출력한다.
여기에서, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 제 2 제어 신호(IGb)는 에너지 투입 기간 신호(IGw)가 H레벨인 동안에 반복 출력되는, 주기가 일정한 직사각형파 펄스상의 신호이다. 이 제 2 제어 신호(IGb)는, 그 듀티비가 시각(t3∼t4) 간에 있어서의 시간 경과와 함께, 엔진 파라미터(구체적으로는, 흡기압(Pa) 및 엔진 회전수(Ne)) 및 도 3의 맵에 기초하여 설정된 증가율(△DUTY)로 증가하도록 생성된다.
또, 제 3 제어 신호(IGc)는 수신한 점화 신호(IGt) 및 엔진 파라미터에 기초하여 생성되는 것이다. 이 때문에, 드라이버 회로(319)는 수신한 점화 신호(IGt) 및 엔진 파라미터에 기초하여 제 3 제어 신호(IGc)를 생성하는 것과 함께, 이러한 제 3 제어 신호(IGc)를 제 3 스위칭 소자(315)에 있어서의 제 3 제어 단자(315G)를 향하여 출력한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 제 3 제어 신호(IGc)는 점화 신호(IGt)가 H레벨인 동안에 반복 출력되는, 주기가 일정한 직사각형파 펄스상의 신호이다. 이 제 3 제어 신호(IGc)의 듀티비는 시각(t1∼t2) 간에서 일정하고, 엔진 파라미터에 기초하여 설정된다.
이하, 도 4를 참조하면서 본 실시 형태의 구성에 의한 동작을 시계열에 따라서 상세히 설명한다. 우선, 전자 제어 유닛(32)은 어떤 기통(11b)에 있어서의 사전에 결정된 크랭크각으로 액셀 조작량(ACCP) 등의 엔진 파라미터를 취득한다. 그리고 전자 제어 유닛(32)은 취득한 엔진 파라미터에 기초하여 해당 기통(11b)의 이번 회의 연소 행정에 있어서의 점화 시기를 도 4에 있어서의 시각(t1)보다도 전에 결정한다. 이에 따라, 이번 회의 연소 행정에 있어서의 점화 신호(IGt) 및 에너지 투입 기간 신호(IGw)가 생성된다.
시각(t1)에서 점화 신호(IGt)가 H레벨로 상승하면, 이에 대응하여 제 1 제어 신호(IGa)가 H레벨로 상승된다. 이에 따라, 제 1 스위칭 소자(313)가 온된다. 또한, 이때, 에너지 투입 기간 신호(IGw)는 L레벨이기 때문에 제 2 스위칭 소자(314)는 오프이다. 그러면 1차 권선(311a)에 있어서의 1차 전류의 통류가 개시된다. 이에 따라, 이그니션 코일(311)이 충전된다.
점화 신호(IGt)가 H레벨로 상승해 있는 동안, 직사각형파 펄스상의 제 3 제어 신호(IGc)가 제 3 스위칭 소자(315)에 있어서의 제 3 제어 단자(315G)에 입력된다. 제 3 스위칭 소자(315)가 온됨으로써 에너지 축적 코일(316)에 에너지가 축적된다. 또, 이 축적 에너지는 제 3 스위칭 소자(315)를 오프시키면, 에너지 축적 코일(316)로부터 방출되어 콘덴서(315)에 축적된다. 이와 같이 하여, 제 3 스위칭 소자(315)의 온 오프에 의해 에너지 축적 코일(316)을 통하여 콘덴서(317)에 에너지가 축적되고, 전압(Vdc)이 계단 형상으로 상승한다. 이와 같은, 콘덴서(317)에 있어서의 에너지의 축적은 시각(t2)까지에서 종료된다.
그 후, 시각(t2)에서 제 1 제어 신호(IGa)가 H레벨로부터 L레벨로 하강됨으로써 제 1 스위칭 소자(313)가 오프되면, 그 이전까지 1차 권선(311a)에 통류하고 있던 1차 전류가 급격히 차단된다. 그러면 이그니션 코일(311)이 방전하고, 2차 권선(311b)에서 큰 2차 전류인 방전 전류가 발생한다. 이에 따라, 점화 플러그(19)에서 점화 방전이 개시된다.
시각(t2)에서 점화 방전이 개시된 후에는 종래의 방전 제어에 있어서는(또는 에너지 투입 기간 신호(IGw)가 H레벨로 상승되지 않고 L레벨인 채 유지되는 운전 조건에 있어서는), 방전 전류는 파선으로 나타난 바와 같이 변화한다. 이 경우, 방전 전류는 시간 경과와 함께 제로에 가까워지고, 방전을 유지할 수 없을 정도까지 감쇠한다. 이에 따라, 점화 방전이 종료된다. 또한, 이 경우의 방전 에너지(점화 플러그(19)로의 인가 에너지)의 크기는 도 4에 있어서의 2차 전류(I2)의 타임차트에 있어서의 파선으로 나타난 삼각형의 내측의 면적에 상당한다.
이 점, 본 실시 형태에 있어서는, 시각(t2) 직후의 시각(t3)에서 에너지 투입 기간 신호(IGw)가 H레벨로 상승된다. 이에 대응하여 제 3 스위칭 소자(315)의 오프(제 3 제어 신호(IGc)＝L레벨) 하에서 제 2 스위칭 소자(314)가 온된다(제 2 제어 신호(IGb)＝H레벨). 그러면 콘덴서(317)의 축적 에너지가 해당 콘덴서(317)로부터 방출되어, 상기의 투입 에너지가 1차 권선(311a)에 대하여 그 저전압 단자측으로부터 공급된다. 이에 따라, 점화 방전(유도 방전) 중에 투입 에너지에 기인하는 1차 전류가 통류한다. 즉, 시각(t2―t3) 간에서 통류하고 있던 방전 전류에 대하여 투입 에너지에 기인하는 1차 전류의 통류에 동반하는 추가분이 중첩된다.
이와 같은 1차 전류의 중첩(추가)은 시각(t3) 이후(t4까지), 제 2 스위칭 소자(314)가 온될 때마다 실시된다. 즉, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 제 2 제어 신호(IGb)가 상승될 때마다 콘덴서(317)의 축적 에너지에 의해 1차 전류(I1)가 차례 차례 추가되고, 이에 대응하여 방전 전류(I2)가 차례 차례 추가된다. 이 경우의 방전 에너지의 크기는 도 4에 있어서의 2차 전류(I2)의 타임 챠트에 있어서의 t2―t4 간의 면적(적분값)에 상당한다. 즉, 상기의 투입 에너지는 t2―t4 간의 면적으로부터 파선으로 나타난 삼각형의 면적을 뺀 양에 상당한다.
이와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 상기 투입 에너지에 의해 방전 전류는 점화 방전을 양호하게 유지할 수 있게 된다. 또한, 본 구체예에 있어서, 시각 t2와 t3의 사이의 시간 간격은 이른바 “꺼짐”이 발생하지 않도록 엔진 회전 속도(Ne) 및 흡입 공기량(Ga)에 기초하여 전자 제어 유닛(32)에 의해 적절히(맵 등을 이용하여) 설정되는 것으로 한다.
그런데 주지와 같이, 고부하 또는 고회전 운전 조건(흡기압(Pa): 고, 엔진 회전 속도(Ne): 고, 스로틀 개도(THA): 대, EGR률: 고, 공연비: 린(lean))에 있어서는, 이른바 “꺼짐”이 기통(11b) 내의 기류의 유속이나 린화 등에 의해 발생하기 쉽다. 이 점, 점화 신호(IGt)가 H레벨로 상승해 있는 시각(t1―t2) 간에 있어서의 콘덴서(317)에 있어서의 에너지 축적 상태는 제 3 제어 신호(IGc)의 온 듀티비에 의하여 제어할 수 있다. 또, 콘덴서(317)에 있어서의 축적 에너지가 클수록 제 2 스위칭 소자(314)가 온될 때마다의 투입 에너지도 또한 커진다.
그래서 본 실시 형태에 있어서는, “꺼짐”이 발생하기 쉬운 고부하 또는 고회전 운전 조건(흡기압(Pa): 고, 엔진 회전 속도(Ne): 고, 스로틀 개도(THA): 대, EGR률: 고, 공연비: 린)이고, 또한 점화 개시로부터의 시간이 경과할수록 제 3 제어 신호(IGc)의 듀티비가 높게 설정된다. 이에 따라, 엔진(11)의 운전 상태에 맞추어서 콘덴서(317)에 있어서의 에너지 축적량이나 투입 에너지량을 적절히 설정할 수 있어서, 꺼짐을 억제하는 것과 함께, 전력 절약이나 불필요한 불꽃 에너지에 의한 점화 플러그(19)의 전극 소모를 억제할 수 있다. 또한, 도 5는 “꺼짐”이 발생하기 어려운 저부하 또는 저회전 운전 조건에 있어서의 제 3 제어 신호(IGc)의 듀티비가 도 4보다도 낮은 경우를 나타내고 있다.
또, 상기와 같이, 점화 방전 중의 방전 전류의 통류 상태는 제 2 스위칭 소자(314)의 온 오프에 의한, 콘덴서(317)로부터의 축적 에너지의 방출량의 조정에 의하여 적절히 제어할 수 있다. 그래서 본 실시 형태에 있어서는, 제 2 제어 신호(IGb)의 듀티비가 가변으로 설정된다. 구체적으로, 시간 경과와 함께, 듀티비가 증가율(△DUTY)(고부하 또는 고회전 운전 조건으로 될수록 크게 설정된다)로 증가하도록 제 2 제어 신호(IGb)가 생성된다. 이에 따라, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 방전 전류가 사전에 결정된 값(I2th) 이상으로 유지된다.
이와 같이, 본 실시 형태의 구성에 있어서는, “꺼짐”이 발생하지 않도록 방전 전류의 통류 상태를 기통(11b) 내에 있어서의 가스의 유동 상태에 대응하여 양호하게 제어하는 것이 가능하게 된다. 따라서, “꺼짐”의 발생 및 이에 동반하는 점화 에너지의 손실이 간략한 장치 구성에 의하여 양호하게 억제된다. 즉, 점화 제어 장치(30)(특히, 점화 회로 유닛(31))에 있어서의 체격이나 제조 비용의 증대를 가급적으로 억제하면서 연료 혼합기의 연소 상태를 양호하게 안정화시키는 것이 가능하게 된다.
특히, 1차 권선(311a)에 있어서의 저전압 단자측(제 1 스위칭 소자(313)측)으로부터 에너지가 투입된다. 이 때문에, 2차 권선(311b)측으로부터 에너지를 투입하는 경우보다도 보다 저압에서의 에너지 투입이 가능하게 된다.
이 점, 1차 권선(311a)의 고전압측 단자로부터 직류 전원(312)의 출력 전압보다도 높은 전압으로 에너지를 투입하면, 해당 직류 전원(312)으로의 유입 전류 등에 의해 효율이 나빠진다. 이에 대해, 점화 제어 장치(30)는 상기와 같이, 1차 권선(311a)에 있어서의 저전압 단자측으로부터 에너지를 투입하기 때문에 더욱 용이하고, 또한 효율 좋게 에너지를 1차 권선(311a)에 투입할 수 있다는 우수한 효과가 이루어진다.
＜변형예＞
이하, 대표적인 변형예에 대하여 몇 가지 예시한다. 이하의 변형예의 설명에 있어서, 상기의 실시 형태에서 설명되어 있는 것과 동일한 구성 및 기능을 갖는 부분에 대해서는, 상기의 실시 형태와 동일한 부호가 이용될 수 있는 것으로 한다. 그리고 이러한 부분의 설명에 대해서는, 기술적으로 모순되지 않는 범위 내에서 상기의 실시 형태에 있어서의 설명이 적절히 채용될 수 있는 것으로 한다. 다만, 말할 것도 없이 변형예로서 이하에 열거된 것에 한정되는 것은 아니다. 또, 상기의 실시 형태의 일부 및 복수의 변형예의 전부 또는 일부가 기술적으로 모순되지 않는 범위 내에서 적절히 복합적으로 적용될 수 있다.
본 발명은 상기의 실시 형태에서 예시된 구체적인 구성에 한정되지 않는다. 즉, 예를 들면, 전자 제어 유닛(32) 중의 일부의 기능 블록이 드라이버 회로(319)와 일체화될 수 있다. 또는, 드라이버 회로(319)가 스위칭 소자마다 분할될 수 있다. 이 경우, 제 1 제어 신호(IGa)가 점화 신호(IGt)인 때에는 드라이버 회로(319)를 통하지 않고, 점화 신호(IGt)가 전자 제어 유닛(32)으로부터 직접 제 1 스위칭 소자(313)에 있어서의 제 1 제어 단자(313G)로 출력되어도 좋다.
또, IGa신호와 IGc신호는 반드시 일치시킬 필요는 없다. 예를 들면, 드라이버 회로(319)에서 IGt신호의 상승과 동기하여 IGc신호만을 우선 작성 및 출력하고, 조금 늦게 IGa신호를 출력하도록 해도 좋다. 즉, IGa신호를 IGc신호보다도 지연시켜도 좋다. 이에 따라, 콘덴서(317)에 축적하는 에너지를 증가시킬 수 있다. 한편, IGc신호를 IGa신호보다도 지연시켜도 좋다.
본 발명은 상기의 실시 형태에서 예시된 구체적인 동작에 한정되지 않는다. 예를 들면, △DUTY는 흡기압(Pa) 및 엔진 회전수(Ne) 중의 어느 한쪽에 기초하여 설정되어도 좋다. 또, △DUTY는 흡기압(Pa), 엔진 회전 속도(Ne), 스로틀 개도(THA), EGR률, 공연비, 흡입 공기량(Ga), 액셀 조작량(ACCP) 등의 다수의 엔진 파라미터 중에서 임의로 선택된 것에 기초하여 설정되어도 좋다.
제 2 제어 신호(IGb)의 듀티비는 1연소 사이클 중(구체적으로는, 시각(t3∼t4) 간)에서 일정해도 좋다. 이 경우, 이러한 듀티비는 상기의 구체예와 마찬가지로, 엔진 파라미터에 기초하여 설정된다. 이 경우의 엔진 파라미터에 기초하는 듀티비(DUTY)의 설정은 도 3의 “△DUTY맵”과 동일한 “DUTY맵”을 이용하여 실시된다.
또, △DUTY는 제 2 제어 신호(IGb)의 듀티비를 증가뿐만 아니라, 감소시킬 때에 사용해도 좋다. 즉, 제 2 제어 신호(IGb)의 듀티비는 1연소 사이클 중에서 증가하거나 감소하도록 설정되어도 좋다. 이에 따라, 운전 상태에 따른 최적의(즉, 꺼짐이 발생하기 어려운) 투입 에너지의 패턴을 실현하는 것이 가능해진다.
또, 엔진 파라미터에 대신하여, 제 2 제어 신호(IGb)나 제 3 제어 신호(IGc)의 생성에 이용할 수 있는 다른 정보가 전자 제어 유닛(32)으로부터 드라이버 회로(319)를 향하여 출력되어도 좋다.
상기의 실시 형태에서 예시한 제 3 제어 신호(IGc)의 듀티 제어에 대신하여, 또는 이와 함께, 에너지 투입 기간 신호(IGw)의 파형(도 3 등에 있어서의 t3의 상승 타이밍 및／또는 t3―t4의 사이의 기간)의 제어에 의하여 투입 에너지를 가변으로 해도 좋다. 이 경우, 드라이버 회로(319)에 대신하여, 또는 이와 함께, 전자 제어 유닛(32)이 “제어부”로서 기능한다.
1차 권선(311a)에 있어서의 저전압 단자측으로부터 투입 에너지를 공급하기 위한 회로 구성(제 2 스위칭 소자(314)에 있어서의 제 2 전원측 단자(314D)에 접속되는 회로 구성)은 상기의 실시 형태에서 나타난 구체예에 한정되지 않는다. 즉, 예를 들면, 이러한 회로 구성은 절연형 DC―DC컨버터나 포워드형 컨버터이어도 좋다. 또는, 이른바 하이브리드차 등에 탑재되는 고전압 배터리이어도 좋다.
다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명의 제 2 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치(407)의 개요에 대해서 설명한다.
본 발명의 점화 제어 장치(407)는 도 1의 내연 기관(11)의 기통(11b)마다 설치되어, 연소실 내에 도입된 혼합기에 불꽃 방전을 발생시켜서 점화를 실시하는 것이다.
점화 제어 장치(407)는 승압 회로(401)와, 보조 전원(402)과, 점화용 개폐 소자(403)와, 점화 코일(404)과, 점화 플러그(405)와, 외부에 설치한 전자 제어 장치(406)(이하, ECU(406)라 부른다.)에 의하여 구성되어 있다. 또한, 전자 제어 장치(406)는 엔진 제어 장치로서 기능한다.
승압 회로(401)는 전원(410)에 접속한 에너지 축적용 인덕터(411)(이하, 인덕터(411)라 부른다.)와, 인덕터(411)로의 전류의 공급과 차단을 사전에 결정된 주기로 전환하는 승압 개폐 소자(412)(이하, 개폐 소자(412)라 부른다.)와, 병렬로 접속한 커패시터(415)와, 인덕터(411)로부터 커패시터(415)로의 전류를 정류하는 제 1 정류 소자(414)와, 점화 코일(404)의 1차 권선(440)으로 이루어지고, 이른바 플라이백(flyback)형의 승압 회로를 구성하고 있다.
직류 전원(410)(이하, 전원(410)이라 부른다.)은 차량 탑재 배터리나 교류 전원을 레귤레이터 등에 의하여 직류 변환한 공지의 직류 안정화 전원 등이 이용되고, 예를 들면, 12V, 24V라는 일정한 직류 전압을 공급한다.
본 실시 형태에 있어서, 승압 회로(401)에는 이른바 플라이백형의 승압 회로가 이용된 예를 나타내고 있지만, 이른바 쵸퍼(chopper)형의 승압 회로를 이용할 수도 있다.
인덕터(411)에는 사전에 결정된 인덕턴스(L0, 예를 들면, 5∼50μH)를 갖는 코어 부착 코일 등이 이용된다.
개폐 소자(412)에는 사이리스터, IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터), MOSFET 등의 파워 트랜지스터가 이용되고 있다.
개폐 소자(412)에는 승압 소자 구동용 드라이버(이하, 드라이버(413)라 부른다.)가 접속되어 있다.
드라이버(413)에는 기관의 운전 상황에 따라서 엔진 제어 장치(406)로부터 점화 신호(IGt)가 발신된다.
드라이버(413)는 점화 신호(IGt)에 따라서 사전에 결정된 타이밍으로 사전에 결정된 기간만큼 사전에 결정된 주기로 하이 로우가 전환되는 구동 펄스를 발생시킨다.
드라이버(413)로부터 개폐 소자(412)의 게이트(G)에 구동 펄스가 인가되고, 개폐 소자(412)의 온 오프가 전환된다.
커패시터(415)에는 사전에 결정된 커패시턴스(C, 예를 들면, 100∼1000μF)를 갖는 콘덴서가 이용되고 있다.
정류 소자(414)에는 다이오드가 이용되고 있으며, 커패시터(415)로부터 인덕터(411)로의 전류의 역류를 방지하고 있다.
ECU(406)로부터 송신된 점화 신호(IGt)에 따라서 드라이버(413)에 의하여 개폐 소자(412)가 개폐되면, 전원(410)으로부터 인덕터(411)에 축적된 전기 에너지가 커패시터(415)에 중첩적으로 충전되고, 커패시터(415)의 충방전 전압(Vdc)이 전원 전압보다도 높은 전압(예를 들면, 50V∼수백V)으로 승압된다.
점화 코일(404)은 코일 선재를 N1회 감은 1차 권선(440), N2회 감은 2차 권선(441), 코일 코어(442), 다이오드(443) 등에 의하여 구성되어 있다.
점화 코일(404)의 1차 권선(440)에는 승압 회로(401)에서 승압된 1차 전압(V1)이 인가되고, 1차 권선(440)에 흐르는 전류를 증감함으로써 2차 권선(441)에 2차 전압(V2)으로서 코일 감기 횟수의 비(N2／N1)에 의하여 정해지는 높은 전압(예를 들면, －20∼－50㎸)을 발생시킨다.
점화용 개폐 소자(403)(이하, 점화용 소자(403)라 부른다.)에는 MOSFET, IGBT 등의 파워 트랜지스터(PTr)가 이용되고 있다.
점화용 소자(403)는 기관의 운전 상황에 따라 ECU(406)로부터 발신된 점화 신호(IGt)에 따라서 1차 권선(440)으로의 전류의 공급과 차단을 전환한다.
점화용 소자(403)의 스위칭에 의해 1차 권선(440)으로의 도통이 차단되면, 자계가 급격히 변화하고, 전자 유도에 의하여 2차 권선(441)에 매우 높은 2차 전압(V2)이 발생하고, 점화 플러그(405)에 인가된다.
보조 전원(402)은 커패시터(415)와 1차 권선(440)의 사이에 끼운 보조용 개폐 소자(420)(이하, 보조용 소자(420)라 부른다.)와, 보조용 소자(420)를 구동하는 보조용 소자 구동 드라이버(421)(이하, 드라이버(421)라 부른다.)와, 제 2 정류 소자(423)와, 전원(410)과, 인덕터(411)와, 커패시터(415)와, 본 발명의 요부인 소프트 오프 회로(422)에 의하여 구성되어 있다.
보조 전원(402)은 승압 회로(401)로부터 점화 코일(404)의 1차 권선(440)과 점화용 개폐 소자(403)의 접속점으로의 방전과 정지를 중첩적으로 실시함으로써 2차 권선(441)에 흐르는 2차 전류(I2)를 증가시킬 수 있다.
보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입은 1차 권선(440)의 저압측으로부터 실시된다.
보조용 소자(420)에는 MOSFET 등의 응답성이 높은 파워 트랜지스터가 이용되고 있다.
제 2 정류 소자(423)에는 다이오드가 이용되고, 커패시터(415)로부터 1차 권선(440)으로 투입하는 전류를 정류한다.
보조용 소자(420)는 드라이버(421)가 접속되고, 개폐 구동되게 되어 있다.
드라이버(421)는 ECU(406)로부터 발신된 방전 기간 신호(IGw)에 따라서 보조용 소자(420)를 개폐 구동하는 구동 신호(VGS)를 발생시킨다.
구동 신호(VGS)는 직사각형 펄스 신호로 되어 있고, 사전에 결정된 듀티로 보조용 소자(420)의 개폐 구동을 실시한다.
방전 기간 신호(IGw)는 보조용 소자(420)의 개폐와 정지를 지시한다.
보조용 소자(420)에 의해 커패시터(415)로부터의 방전과 정지를 전환함으로써 점화 코일(404)의 1차 권선(440)에 전류를 흘려서 2차 권선(441)에 발생하고 있는 전류ㆍ전압이 증강되어, 꺼짐을 억제할 수 있다.
이때, 점화 코일(404)의 1차 권선(440)으로부터 에너지를 투입하기 때문에 2차 권선(441)측으로부터 투입하는 경우보다도 저전압으로 투입할 수 있다.
본 발명의 요부인 소프트 오프 회로(422)는 보조용 소자(420)가 개폐 구동될 때에 천천히 도통을 차단하여, 2차 전류(I2)의 급격한 변화를 억제하고 있다.
소프트 오프 회로(422)는 보조용 소자(420)인 n채널 MOSFET의 게이트 소스 간에 배치된 사전에 결정된 용량(C22, 예를 들면, 0. 1∼100㎌)의 커패시터로 구성된다.
이와 같은 구성으로 함으로써 드라이버(421)에 의하여 보조용 소자(420)가 개폐 구동되었을 때에 개폐 소자로서 이용되어 MOSFET의 턴 온 속도 보다도 턴 오프 속도를 늦게 할 수 있다.
보조용 소자(420)를 신속히 개폐한 경우에는, 점화 플러그(405)로의 에너지 공급은 간헐적으로 되는데, 점화 제어 장치(407)는 커패시터(422)로부터의 방전에 의하여 드라이버(421)로부터 공급된 구동 전압(VGS)의 하강을 완만하게 하고, 보조 전원(402)으로부터 점화 코일(404)로의 에너지 공급을 연속적으로 하고, 2차 전류의 급격한 변화를 억제하고, 2차 전류의 꺼짐을 방지하여, 보다 안정된 착화가 실현된다.
도 7a, 도 7b를 참조하여 점화 제어 장치(407)의 작동에 대해서 설명한다.
(a)에 나타내는 바와 같이, ECU(406)로부터 점화 신호(IGt)가 발신되고, (c)에 나타내는 바와 같이, IGt의 상승에 동기하여 개폐 소자(412)의 온 오프가 개시되고, 동시에 (f)에 나타내는 바와 같이, 개폐 소자(403)가 온으로 된다.
개폐 소자(412)의 온 오프에 의해 커패시터(415)에 인덕터(411)로부터의 전기 에너지가 충전되고, (g)에 나타내는 바와 같이, 방전 전압(Vdc)이 서서히 상승한다.
점화 신호(IGt)의 하강에 동기하여 개폐 소자(412)의 구동은 정지되고, 동시에 개폐 소자(403)가 차단되면, (i)에 나타내는 바와 같이, 점화 코일(404)의 2차측에 높은 2차 전압(V2)이 발생하고, 점화 플러그에 인가됨으로써 방전이 개시되고, (j)에 나타내는 바와 같이, 어떤 일정한 기간 2차 전류(I2)가 계속해서 흐른다.
이때, 종래의 불꽃 점화 제어 장치에서는 (j) 중, 비교예 1로서 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 점화 코일(404)에 축적된 에너지량만큼 2차 전류(I2)가 계속해서 흐른다.
그러나 본 발명에 있어서는, (b)에 나타내는 방전 기간 신호(IGw)의 상승에 동기하여 (d)에 나타내는 바와 같이, 사전에 결정된 듀티로 하이 로우가 전환되는 구동 전압(VGS)이 보조용 소자(420)의 게이트 소스 간에 입력된다.
본 발명의 요부인 소프트 오프 회로는 보조용 소자(420)의 게이트 소스 간에 배치된 소프트 오프용 커패시터(422)(이하, 커패시터(422)라 부른다.)로 구성되어 있다. 따라서, (e)에 나타내는 바와 같이, 보조용 소자(420)의 턴 온 기간에 비해 턴 오프 기간이 길어진다.
이 때문에, (g)에 나타내는 바와 같이, 보조용 소자(420)의 전환에 의하여 커패시터(415)로부터의 방전과 정지가 반복되고, 이에 따라서 점화 코일(404)의 1차 권선(440)에 흐르는 전류가 변화하고, (h)에 나타내는 바와 같이, 2차 권선(441)으로부터 점화 플러그(405)로 방전 에너지가 투입된다.
이때, 2차 전류(I2)의 변화를 추세에 맡기는 것은 아니고, 도 7b에 나타내는 바와 같이, 보조용 소자(420)의 소프트 오프에 의하여 방전 에너지의 투입 정지가 천천히 실시되기 때문에 2차 전류(I2)의 급격한 변화가 억제된다.
이에 따라, 2차 전류(I2)가 방전 기간 신호(IGw)의 하강까지 방전 꺼짐 한계 전류(IREF)를 밑돌지 않기 때문에 방전이 유지되고, 에너지 투입이 가능하게 된다.
여기에서, 도 8a, 도 8b를 참조하여 비교예 1로서 나타내는, 본 발명의 요부인 소프트 오프 회로(422)를 이용하지 않는 경우의 문제점에 대해서 설명한다.
비교예 1은 소프트 오프 회로(422)를 설치하고 있지 않은 점 이외는 실시예 2로서 나타낸 도 6의 구성과 동일하다.
도 8a에 나타내는 바와 같이, 비교예 1에서는 도 8a(d), 도 8a(e)에 나타내는 바와 같이, 드라이버(413)로부터의 구동 펄스에 따라서 보조용 소자(420)가 개폐 구동되었을 때, 커패시터(415)의 방전과 정지가 반복되고, 도 8a(h)에 나타내는 바와 같이, 방전 에너지가 투입된다.
그러나 도 8a(i), 도 8b에 나타내는 바와 같이, 방전 에너지 투입 정지 후의 2차 전류(I2)의 상승이 추세에 맡겨지는 것이고, 방전 유지 에너지 투입에 의한 2차 전류(I2)의 증가 속도보다도 방전 에너지 투입 정지에 의한 2차 전류(I2)의 감소 속도쪽이 빠르다.
비교예 1에서는 도 8a(h)의 A부에 나타내는 바와 같이, 커패시터(415)로부터의 방전이 반복되고 있음에도 불구하고, 도 8(j)에 나타내는 바와 같이, 2차 전류(I2)가 방전 꺼짐 한계 전류(IREF)를 밑돌기 때문에 방전의 꺼짐이 발생하여, 에너지가 투입되지 못하고 낭비되고 있는 것이 판명되었다.
이 때문에, 연소실 내에 강한 통 내 기류가 발생하고 있는 경우나 극희박 연소 등의 착화성이 낮은 조건 하에서 충분한 방전 유지를 도모할 수 없어서, 착화가 불안정하게 될 염려가 있다.
다음으로, 도 9a, 도 9b를 참조하여 본 발명의 제 3 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치(407a)에 대해서 설명한다.
점화 제어 장치(407a)는 상기 제 2 실시 형태와 동일한 구성을 기본으로 한다. 소프트 오프 회로(422a)는 도 9a에 나타내는 바와 같이, 용량이 다른 복수의 커패시터(221, 222, 223)와, 내연 기관의 운전 상황에 따라서 사용하는 커패시터(221, 222, 223) 중 어느 하나를 선택하는 전환 기구(220)를 갖고, 드라이버(421a)가 보조용 소자(420)의 구동뿐만 아니라, 전환 기구(220)의 전환을 실시하도록 한 점이 상이하다.
이에 따라, 도 9b에 나타내는 바와 같이, 커패시터(221, 222, 223)를 전환함으로써 게이트 소스 간에 병렬로 접속되는 정전 용량(C1, C2, C3)이 변화하고, 이에 따라서 보조용 소자(420)의 턴 오프 시간도 변화하고, 소프트 오프가 더한층 완만하게 되어, 2차 전류(I2)의 변화도 완만하게 된다.
또한, 점화 제어 장치(407a)는 소프트 오프용의 커패시터(221, 222, 223)의 전환 시에 각각의 커패시터(221, 222, 223)가 오픈되지 않도록 방전 기간 신호(IGw)가 온 시에 전환하거나, 또는 보조용 소자(420)가 온으로 되어 있을 때에 전환하거나, 각 커패시터(221, 222, 223)에 ON／OFF회로를 구성하여, 차례 차례 온시키도록 해도 좋다.
또한, 점화 제어 장치(407a)는 3개의 커패시터(221, 222, 223)를 갖고 있지만, 커패시터의 수를 특별히 한정하는 것은 아니고, 내연 기관에 따라서 적절히 변경할 수 있다.
2차 전류(I2)의 변화가 클수록 보조용 소자(420)의 게이트 소스 간에 끼우는 커패시터의 용량을 크게 하는 것이 바람직하다.
도 10a, 도 10b를 참조하여 본 발명의 제 4 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치(407b)를 설명한다.
상기 실시 형태에 있어서, 소프트 오프 회로(422, 422a)는 보조용 소자(420)의 게이트 소스 간에 병렬로 용량 성분을 설치함으로써 드라이버(421, 421a)로부터 직사각형 펄스로서 송신된 구동 신호(VGS)가 하강해도 보조용 소자(420)를 천천히 오프로 함으로써 갑자기 2차 전류(I2)의 방전이 종료되지 않도록 구성되어 있었지만, 제 4 실시예의 점화 제어 장치(407b)는 드라이버(421b)로부터 출력되는 구동 신호(VGS)를 제어함으로써 보조용 소자(420)의 소프트 오프를 실행하도록 했다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 드라이버(421)로부터 출력되는 구동 신호(VGS)를 방전 기간 신호(IGw)가 상승해 있는 동안에 복수회에 걸쳐서 보조용 소자(420)를 개폐 구동시키는 직사각형 펄스 신호로서 발생한 예를 나타냈지만, 점화 제어 장치(407b)는 방전 기간 신호(IGw)의 상승에 동기하여 1회만 구동 신호(VGS)를 발생시키고, 방전 기간 신호(IGw)의 하강에 동기하여 서서히 구동 신호(VGS)를 저하시키도록 드라이버(421b)를 구성하고 있다.
또한, 점화 제어 장치(407b)는 상기 실시 형태와 마찬가지로, 보조용 소자(420)를 복수회에 걸쳐서 개폐 구동하도록 해도 좋다. 다만, 이 경우에는, 방전 기간 신호(IGw)는 상기 실시 형태와 동일한 기간으로 한다.
본 실시 형태에 있어서의 효과에 대하여 비교예 2와의 상이와 아울러서 설명한다. 도 10b에 점화 제어 장치(407b)를 이용한 경우를 실시예 4로서 실선으로 나타내고, 비교예 2를 일점쇄선으로 나타내고 있다.
실시예 4에서는 방전 기간 신호(IGw)의 하강에 동기하여 (d)에 실선으로 나타내는 바와 같이, 드라이버(421b)의 출력(VGS)이 천천히 하강하도록 제어되어 있다.
이 제어는 드라이버(421b) 내에서 (소프트 오프용의 커패시터를 설치하여)아날로그 회로적으로 컨트롤하도록 해도 좋고, 드라이버(421b) 내의 연산 회로에서 디지털로 컨트롤하도록 해도 좋다.
한편, 비교예 2에서는 본 발명의 요부인 소프트 오프 회로를 설치하고 있지 않고, 본 도면(d)에 나타내는 바와 같이, 드라이버의 출력이 급격하게 하강하게 되어 있으며, 본 도면(e)에 나타내는 바와 같이, 보조용 소자(420)도 이에 맞추어서 급격하게 하강하게 되어 있다.
그 결과, 본 도면(i)에 나타내는 바와 같이, 보조용 소자(420)로부터의 방전에 의해 흐르는 2차 전류(I2)는 보조용 소자(420)가 온으로 되어 있는 상태에서는 실시예 4와 비교예 2에서 차이가 없지만, 보조용 소자(420)가 오프로 될 때에 실시예 4에서는 천천히 오프되는 것에 대해, 비교예 2에서는 급격하게 오프되고, 그 때문에, 2차 전류(I2)의 상승 속도가 비교예 2에 비하여 실시예 4는 늦어지고, 결과적으로 방전 기간을 길게 유지할 수 있는 것이 판명되었다.
따라서, 점화 제어 장치(407b)는 상기 실시 형태와 마찬가지로, 방전 에너지의 낭비를 없애고, 장기에 걸쳐서 방전을 유지하여, 안정된 착화를 실현할 수 있다.
또한, 점화 제어 장치(407b)는 상기 실시 형태와 마찬가지로, 소프트 오프용 커패시터를 병용해도 좋고, 드라이버(421b)의 출력을 프로그램에 의하여 소프트 오프용으로 해도 좋고, 드라이버(421b)에 소프트 오프용 커패시터를 내장시켜서, 아날로그 회로적으로 소프트 오프를 실현하도록 해도 좋다.
도 11을 참조하여 본 발명의 제 5 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치(407)의 개요에 대해서 설명한다.
본 발명의 점화 제어 장치(407)는 도 1에 나타내는 내연 기관의 기통(11b)마다 설치되고, 연소실 내에 도입된 혼합기에 불꽃 방전을 발생시켜서 점화를 실시하는 것이다.
점화 제어 장치(407)는 승압 회로(401)와, 보조 전원(402)과, 점화용 개폐 소자(403)와, 점화 코일(404)과, 점화 플러그(405)와, 외부에 설치한 전자 제어 장치(406)(이하, ECU(406)라 부른다.)에 의하여 구성되어 있다.
승압 회로(401)는 전원(410)에 접속한 에너지 축적용 인덕터(411)(이하, 인덕터(411)라 부른다.)와, 인덕터(411)로의 전류의 공급과 차단을 사전에 결정된 주기로 전환하는 승압 개폐 소자(412)(이하, 승압 개폐 소자(412)라 부른다.)와, 인덕터(411)에 병렬로 접속한 커패시터(415)와, 인덕터(411)로부터 커패시터(415)로의 전류를 정류하는 제 1 정류 소자(414)와, 점화 코일(404)의 1차 권선(440)으로 이루어지고, 이른바 플라이백형의 승압 회로를 구성하고 있다.
직류 전원(410)(이하, 전원(410)이라 부른다.)은 차량 탑재 배터리나 교류 전원을 레귤레이터 등에 의하여 직류 변환한 공지의 직류 안정화 전원 등이 이용되고, 예를 들면, 12V, 24V라는 일정한 직류 전압을 공급한다.
본 실시 형태에 있어서, 승압 회로(401)에는 이른바 플라이백형의 승압 회로가 이용된 예를 나타내고 있지만, 이른바 쵸퍼형의 승압 회로를 이용할 수도 있다.
인덕터(411)에는 사전에 결정된 인덕턴스(L0, 예를 들면, 5∼50μH)를 갖는 코어 부착 코일 등이 이용된다.
승압 개폐 소자(412)에는 사이리스터, IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터), MOSFET 등의 파워 트랜지스터가 이용되고 있다.
승압 개폐 소자(412)에는 승압 소자 구동용 드라이버(이하, 드라이버(413)라 부른다.)가 접속되어 있다.
드라이버(413)에는 기관의 운전 상황에 따라서 엔진 제어 장치(406)(이하, ECU(406)라 부른다.)로부터 점화 신호(IGt)가 발신된다.
드라이버(413)는 점화 신호(IGt)에 따라서 사전에 결정된 타이밍으로 사전에 결정된 기간만큼 사전에 결정된 주기로 하이 로우가 전환되는 구동 펄스를 발생시킨다.
드라이버(413)로부터 승압 개폐 소자(412)의 게이트(G)에 구동 펄스(VGS)가 인가되고, 승압 개폐 소자(412)의 온 오프가 전환된다.
커패시터(415)에는 사전에 결정된 커패시턴스(C, 예를 들면, 100∼1000㎌)를 갖는 콘덴서가 이용되고 있으며, 최대 투입 에너지를 만족하는 전하가 축적되는 구성으로 되어 있다.
정류 소자(414)에는 다이오드가 이용되고 있으며, 커패시터(415)로부터 인덕터(411)로의 전류의 역류를 방지하고 있다.
ECU(406)로부터 송신된 점화 신호(IGt)에 따라서 드라이버(413)에 의하여 승압 개폐 소자(412)가 개폐되면, 전원(410)으로부터 인덕터(411)에 축적된 전기 에너지가 커패시터(415)에 중첩적으로 충전되고, 커패시터(415)의 충방전 전압(Vdc)이 전원 전압보다도 높은 전압(예를 들면, 50V∼수백V)으로 승압된다.
점화 코일(404)은 코일 선재를 N1회 감은 1차 권선(440), N2회 감은 2차 권선(441), 코일 코어(442), 다이오드(443) 등에 의하여 구성되어 있다.
점화 코일(404)의 1차 권선(440)에는 전원(410)의 전압이 인가되고, 1차 권선(440)에 흐르는 전류를 증감함으로써 2차 권선(441)에 2차 전압(V2)으로서 코일 감기 횟수의 비(N2／N1)에 의하여 정해지는 높은 전압(예를 들면, －20∼－50㎸)을 발생시킨다.
점화용 개폐 소자(403)(이하, 점화용 소자(403)라 부른다.)에는 MOSFET, IGBT 등의 파워 트랜지스터(PTr)가 이용되고 있다.
점화용 소자(403)는 기관의 운전 상황에 따라 ECU(406)로부터 발신된 점화 신호(IGt)에 따라서 1차 권선(440)으로의 전류의 공급과 차단을 전환한다.
점화용 소자(403)의 스위칭에 의해 1차 권선(440)으로의 도통이 차단되면, 자계가 급격히 변화하고, 전자 유도에 의하여 2차 권선(441)에 매우 높은 2차 전압(V2)이 발생하고, 점화 플러그(405)에 인가된다.
보조 전원(402)은 커패시터(415)와 1차 권선(440)의 사이에 끼운 보조용 개폐 소자(420)(이하, 보조용 소자(420)라 부른다.)와, 보조용 소자(420)를 구동하는 보조용 개폐 소자 구동 회로(421)(이하, 드라이버(421)라 부른다.)와, 제 2 정류 소자(422)와, 전원(410)과, 인덕터(411)와, 커패시터(415)에 의하여 구성되어 있다.
보조 전원(402)은 방전 개시 직후에 승압 회로(401)로부터 점화 코일(404)의 1차 권선(440)과 점화용 개폐 소자(403)의 접속점측으로의 방전과 정지를 중첩적으로 실시함으로써 2차 권선(441)에 흐르는 2차 전류(I2)를 증가시킬 수 있다.
보조용 소자(420)에는 MOSFET 등의 응답성이 높은 파워 트랜지스터가 이용되고 있다.
제 2 정류 소자(423)에는 다이오드가 이용되고, 커패시터(415)로부터 1차 권선(440)으로 투입하는 전류를 정류한다.
보조용 소자(420)는 드라이버(421)가 접속되고, 개폐 구동되게 되어 있다.
드라이버(421)는 ECU(406)로부터 발신된 방전 기간 신호(IGw)에 따라서 보조용 소자(420)를 개폐 구동하는 구동 펄스 신호(VGS)를 발생시킨다.
본 실시 형태에 있어서의 드라이버(421)에는 본 발명의 요부인 주파수 연산부(210)가 설치되어 있다.
주파수 연산부(210)는 외부로부터 직접 또는 간접적으로 입력된 엔진 파라미터(EPr)에 따라서 구동 펄스 신호(VGS)의 구동 펄스 주파수의 증감을 결정한다.
이때, 기준 주파수는 맵에 의하여 미리 결정해 두고, 사전에 결정된 증감 방법에 의하여 엔진의 운전 상황에 따른 구동 주파수로 설정된다.
도 13b에 주파수 산출 방법으로서 이용되는 구체적인 흐름도의 일례를 나타낸다.
또, 구체적인 주파수 연산부(210)의 구성으로서는, 디지털 회로이면 예를 들면, IC에 프로그래밍하는 구성에 의하여 실현할 수 있고, 아날로그 회로이면 예를 들면, 도 13d에 나타내는 바와 같은 비안정 멀티 바이브레이터를 이용할 수 있다.
엔진 파라미터(EPr)는 예를 들면, 엔진 회전수(Ne), 흡기압(PIN), 엑셀 개도(Th), 크랭크각(CA), 엔진 수온(Tw), EGR률, 공연비(A／F)의 하나 또는 복수를 나타낸다.
엔진 파라미터(EPr)로부터 내연 기관(11)의 운전 상황을 파악하고, 후술하는 맵에 따라서 구동 주파수의 증감이 결정된다.
또한, 엔진 회전 센서, 흡기압 센서, 액셀 개도계, 크랭크각 센서, 엔진 수온계, EGR센서, A／F센서 등의 외부에 설치한 도면이 생략된 운전 상황 확인 수단에 의하여 검출된 엔진 파라미터(EPr)가 ECU(406)를 통하여 간접적으로 주파수 연산부(210)에 전달되지만, 주파수 연산부(210)에 직접 입력하도록 해도 좋다.
구동 펄스 신호(VGS)는 직사각형 펄스 신호로 되어 있으며, 사전에 결정된 듀티비를 갖고, 보조용 소자(420)의 개폐 구동을 실시하고, 엔진 파라미터(EPr)로부터 판단한 내연 기관(11)의 운전 상황에 따라서 구동 펄스 신호(VGS)의 주파수가 증감된다.
또, ECU(406)로부터 드라이버(421)에는 아울러서 방전 기간 신호(IGw)가 송신된다.
방전 기간 신호(IGw)는 보조용 소자(420)의 개폐와 정지를 지시한다.
보조용 소자(420)에 의해 커패시터(415)로부터의 방전과 정지를 전환함으로써 점화 코일(404)의 1차 권선(440)에 전류를 흘려서, 2차 권선에 발생하고 있는 전류ㆍ전압이 증강되고, 꺼짐을 억제할 수 있다. 점화 코일(404)의 1차 권선(440)으로부터 에너지를 투입하기 때문에 2차 권선(441)측으로부터 투입하는 경우보다도 저전압으로 투입할 수 있다.
따라서, 고회전, 고부하와 같은 실화를 일으키기 쉬운 운전 상황에 있어서는, 보조용 소자(420)의 개폐 주파수의 증가율이 높게 설정된다.
2차 전류(I2)가 꺼짐 한계 전류(IREF)를 밑돌아서 끊어지기 전에 짧은 주기로 차례 차례 보조 전원(402)으로부터 에너지 도입이 투입되기 때문에 착화의 안정을 도모할 수 있다.
저회전, 저부하와 같이 착화하기 쉬운 상황에 있어서는, 보조용 소자(420)의 개폐 주파수의 증가율이 낮게 설정되고, 투입 에너지의 억제를 도모하여, 전력 소비의 저감을 도모할 수 있다.
도 12a, 도 12b를 참조하여 본 발명의 점화 제어 장치(407)의 작동을 설명한다. 또, 비교예 1로서 본 발명의 요부인 주파수 연산부(210)를 갖지 않는 구성의 문제점에 대하여 설명한다.
도 12의 (a)에 나타내는 바와 같이, ECU(406)로부터 점화 신호(IGt)가 발신되고, (c)에 나타내는 바와 같이, IGt의 상승에 동기하여 승압 개폐 소자(412)의 온 오프가 개시되고, 동시에 (e)에 나타내는 바와 같이, 점화용 소자(403)가 온으로 된다.
승압 개폐 소자(412)의 온 오프에 의해 커패시터(415)에 인덕터(411)로부터의 전기 에너지가 충전되고, 본 도면(f)에 나타내는 바와 같이, 충방전 전압(Vdc)이 서서히 상승한다.
점화 신호(IGt)의 하강에 동기하여 승압 개폐 소자(412)의 구동은 정지되고, 동시에 점화용 소자(403)가 차단되면, (g)에 나타내는 바와 같이, 점화 코일(404)의 2차측에 높은 2차 전압(V2)이 발생하고, 점화 플러그에 인가되어 방전이 일어나고, (h)에 나타내는 바와 같이, 2차 전류(I2)가 흐른다.
이때, 종래의 불꽃 점화 제어 장치에서는 본 도면(h) 중, 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 신속한 2차 전류(I2)가 감소하고, 전극 간의 방전 경로가 끊어져서, 2차 전류(I2)가 흐르지 않게 된다.
그러나 본 발명에 있어서는, 본 도면(b)에 나타내는 방전 기간 신호(IGw)의 상승에 동기하여 본 도면(d)에 나타내는 바와 같이, 사전에 결정된 듀티로 하이 로우가 전환되는 구동 펄스 신호(VGS)가 보조용 소자(420)의 게이트 소스 간에 입력된다.
이때, 구동 펄스 신호(VGS)는 (d)에 나타내는 바와 같이, 방전 개시로부터 방전 종료까지의 사이에 구동 듀티는 고정된 채, 방전 종료측에 있어서 구동 주파수가 높아지도록 보조용 소자(420)가 개폐 제어되어 있다.
이 때문에, (d)에 나타내는 바와 같이, 보조용 소자(420)의 전환에 의하여 커패시터(415)로부터의 방전과 정지가 반복되고, 이에 따라서 (f)에 나타내는 바와 같이, 커패시터(415)의 충방전 전압(Vdc)에 의해 점화 코일(404)의 1차 권선(440)에 흐르는 전류가 변화하기 때문에 본 도면(h)에 나타내는 바와 같이, 2차 전류(I2)가 중첩되어 방전이 길게 유지된다.
이때, 서서히 방전 전류(I2)가 낮아짐으로써 꺼짐 한계 전류(IREF)에 점차 근접하고, 방전의 꺼짐이 발생하기 쉬워지기 때문에 방전 개시로부터 방전 종료까지의 사이에 서서히 보조용 소자(4320)의 구동 주파수를 높게 함으로써 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입 간격을 짧게 하여, 에너지 투입의 응답성을 올려서 꺼짐 한계 전류(IREF)를 밑돌지 않도록 하기 때문에 방전 경로가 끊어지지 않고, 방전 기간 신호(IGw)의 하강까지 방전이 유지된다.
점화 제어 장치(407)는 커패시터(415)에 축적한 에너지를 펄스적으로 투입하는 데 있어서, 주파수를 증가시킴으로써 방전의 유지가 곤란하게 되는 방전 후기에 있어서도 투입 가능 시간을 꺼짐이 발생하지 않는 시간까지 보다 길게 연장시키도록 구성하고 있다.
점화 제어 장치(407)는 2차 전류(I2)가 에너지 정지 기간에 있어서도 꺼짐 한계 전류(IREF)를 밑돌지 않도록 구동 주파수를 최적으로 가변하고 있다.
또, 점화 제어 장치(407)는 방전 개시 부근에 있어서는 점화 코일의 전류 변화가 크고, 또한, 꺼짐 한계 전류(IREF)까지의 여유가 크기 때문에 에너지 투입 듀티를 작게 설정하고, 또한 에너지 투입 정지 시의 전류 저하로의 추종성을 올리기 위해 구동 주파수는 높게 설정하고 있으며, 꺼짐 한계 전류(IREF) 근처까지 2차 전류(I2)가 저하해 오는 방전 중반부터 후반에 걸쳐서는 듀티를 크게 설정하여 1회당의 투입 에너지를 늘리고, 또한, 구동 주파수를 보다 높게 하여 추종성을 높여서 꺼짐 한계 전류(IREF) 이상으로 되는 기간을 보다 길게 유지할 수 있게 하고 있다.
여기에서, 도 12b를 참조하여 비교예 1로서 나타내는, 본 발명의 요부인 주파수 연산부(210)를 이용하지 않는 경우의 문제점에 대해서 설명한다.
비교예 1은 주파수 연산부(210)를 설치하고 있지 않고, 일정한 주파수로 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입이 실시되는 점 이외는, 실시예 5로서 나타낸 도 11의 구성과 동일하게 듀티는 일정하다.
비교예 1에서는 본 도면(d)에 나타내는 바와 같이, 드라이버(421)로부터의 구동 펄스 신호(VGS)에 따라서 보조용 소자(420)가 개폐 구동되었을 때, 커패시터(415)의 방전과 정지가 반복되어 방전 에너지가 투입된다.
그러나 본 도면(d)에 나타내는 바와 같이, 주파수 일정하게 에너지 투입을 실시하고 있다.
이 때문에, 점화 코일의 에너지 방출이 큰 방전 개시 전반부에서는 비교적 적은 에너지 투입으로도, 에너지 정지 후이어도 2차 전류가 꺼짐 한계 전류(IREF)를 초과하기 때문에 방전이 유지되어 꺼짐이 발생하는 일은 일어나기 어렵지만, 방전 중반에서 후반에 걸쳐서는 2차 전류가 꺼짐 한계 전류(IREF)에 접근하고 있어서, 에너지 투입 정지 후에는 꺼짐 한계 전류(IREF)를 밑돌게 되어 방전 유지를 할 수 없게 된다.
그 결과, 본 도면(f)의 A부에 나타내는 바와 같이, 에너지 투입이 반복되고 있음에도 불구하고, 본 도면(h)의 B부에 나타내는 바와 같이, 방전이 끊어져 있기 때문에 투입 에너지가 낭비되고 있는 것이 판명되었다.
이 때문에, 연소실 내에 강한 통 내 기류가 발생하고 있는 경우나 극희박 연소 등의 착화성이 낮은 조건 하에서 충분한 방전 유지를 도모할 수 없어서, 착화가 불안정하게 될 염려가 있다.
도 13a, 도 13b, 도 13c, 도 13d를 참조하여 주파수 연산부(210)에서 실시되는 보조용 소자(420)의 구동 주파수의 연산 방법에 대해서 설명한다.
주파수 연산부(210) 또는 ECU(406)에 도 13a에 나타내는 바와 같은 맵 데이터를 기억하고, 엔진 파라미터(EPr)로부터 판정한 내연 기관(11)의 운전 상황에 따라서 주파수의 증가율이 결정된다.
예를 들면, 엔진 회전수(Ne)가 낮고, 흡기압(PIN)도 낮은 경우에는, 착화가 용이하기 때문에 듀티는 일정한 채, 주파수 증가율로서 낮은 값이 설정된다.
이와는 반대로, 엔진 회전수(Ne)가 높고, 흡기압(PIN)도 높은 경우에는, 착화가 곤란하기 때문에 듀티는 일정한 채, 주파수 증가율로서 높은 값이 선택된다.
도 13b를 참조하여 점화 제어 장치(407)의 제어 방법의 일례에 대해서 설명한다.
단계 S100의 점화 신호 판정 행정에서는 점화 신호(IGt)의 유무를 판정한다. 점화 신호(IGt)의 입력이 있으면 판정 Yes로 되고, 단계 S110으로 진행하여 점화 신호(IGt)의 입력이 있기까지는 판정 No로 되고, 루프를 반복한다.
단계 S110의 점화용 개폐 소자 구동 행정에서는 점화 신호(IGt)의 상승에 동기하여 점화용 개폐 소자(403)를 온으로 한다.
단계 S120의 승압 개폐 소자 구동 행정에서는 점화 신호(IGt)의 상승에 동기하여 승압 개폐 소자(412)의 개폐 구동을 개시한다.
단계 S130의 점화 신호 정지 판정 행정에서는 점화 신호(IGt)의 정지의 유무를 판정한다.
점화 신호(IGt)가 온으로 되어 있는 동안은 판정 No로 되어, 점화용 개폐 소자(403)가 온으로 된 상태가 유지되고, 승압 개폐 소자(412)의 개폐 구동이 반복된다.
점화 신호(IGt)가 오프로 되면 판정 Yes로 되어, 단계 S140로 진행한다.
단계 S140의 점화용 개폐 소자 정지 행정에서는 점화 신호(IGt)의 하강에 동기하여 점화용 개폐 소자(403)가 오프로 된다.
또한, 단계 S150의 승압 개폐 소자 정지 행정에서는 점화 신호(IGt)의 하강에 동기하여 승압 개폐 소자(412)가 정지된다.
단계 S100∼단계 S150과 평행하게 단계 S160, 단계 S170도 실행되고 있다.
단계 S160의 주파수 연산 행정에서는 주파수 연산부(210)에 있어서, 엔진 파라미터(EPr)에 기초하여 판정된 운전 상황에 따라서 최적의 구동 주파수가 산출된다.
단계 S170의 주파수 증가율 결정 행정에서는 단계 S160에서 산출된 주파수로부터 주파수 증가율이 결정된다.
이어서, 단계 S180의 방전 기간 신호 판정 행정에서는 방전 기간 신호(IGw)의 유무를 판정한다. 방전 기간 신호(IGw)의 상승까지는 판정 No로 되어, 단계 S180의 루프가 반복되고, 방전 기간 신호(IGw)가 온으로 되면 판정 Yes로 되어, 단계 S190으로 진행한다.
단계 S190의 보조용 개폐 소자 구동 행정에서는 방전 기간 신호(IGw)의 상승에 동기하여 보조용 개폐 소자(420)의 개폐 구동이 개시된다.
이때, 단계 S170에서 결정된 주파수 증가율에 따라서 보조용 개폐 소자(420)의 개폐 구동 펄스가 증감된다.
단계 S200의 방전 기간 신호 정지 판정 행정에서는 방전 기간 신호(IGw)의 정지의 유무가 판정되고, 방전 기간 신호(IGw)가 정지되기까지는 보조용 개폐 소자(420)가 개폐 구동되어, 보조 전원(402)으로부터의 에너지 공급이 실시된다.
방전 기간 신호(IGw)가 정지되면 판정 Yes로 되어, 단계 S210으로 진행한다.
단계 S210의 보조용 개폐 소자 정지 행정에서는 방전 기간 신호(IGw)의 하강에 동기하여 보조용 개폐 소자(420)의 개폐 구동이 정지되고, 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입이 정지된다.
점화 제어 장치(407)는 방전 개시로부터 방전 종료까지의 사이에 엔진 파라미터에 의하여 미리 결정된 증가율에 기초해서 서서히 구동 주파수가 높아지도록 제어된다.
또한, 구동 듀티를 주파수의 감산 시에는 증가시키고, 주파수의 가산 시에는 감쇠시키도록 해도 좋다.
이때, 구동 펄스의 하강에 동기하여 다른 주파수의 구동 신호로의 전환에 의하여 구동 듀티는 일정한 채, 주파수를 서서히 높게 하고, 방전 기간의 끝일수록 에너지 투입 간격이 짧아지도록 해도 좋다.
도 13c에 나타내는 바와 같이, 방전 개시 직후는 주파수를 낮게 하고, 2차 전류(I2)가 사전에 결정된 스레숄드값(I2th)(꺼짐 한계 전류 한계값)에 가까워지는 방전 중반에서 후반에서는 주파수를 높게 하여, 코일 전류의 변화에 대한 추종을 빨리 하고, 에너지 투입 정지 시에 I2th 이하로 되지 않도록 함으로써 방전이 끊어지지 않도록 할 수 있다.
이때, 도 13d에 나타내는 바와 같은 비안정 멀티 바이브레이터의 일부의 저항(R3)을 예를 들면, Ra, Rb, Rc, Rd를 스위치의 전환에 의하여 선택하는 방법에 의해서 가변으로 함으로써 시정수를 변화시키고, 주파수의 증감을 신속히 실시할 수 있다.
다만, 구체적인 주파수의 전환 수단을 본 실시예에 한정하는 것은 아니고, 공지의 주파수 전환 수단을 적절히 채용할 수 있는 것이다.
도 14를 참조하여 본 발명의 제 6 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치(407a)에 대해서 설명한다. 또한, 상기 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 같은 부호를 붙이고, 상이한 부분에 알파벳의 세부 번호를 붙였기 때문에 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 특징적인 부분에 대해서만 설명한다.
상기 제 5 실시 형태에 있어서는, 주파수 연산부(210)를 드라이버(421)에 설치했지만, 본 실시 형태에 있어서는, ECU(406) 내에 설치하고, 드라이버(421a)에는 연산의 결과, 구동 주파수를 결정하는 주파수 신호(SF)를 송신하도록 한 점이 상이하다.
이와 같은 구성으로 함으로써 ECU(406)와 연산부(210a)의 사이에서 송수신되는 데이터를 간소화할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서도 상기 실시 형태와 마찬가지로, 내연 기관(11)의 운전 상황에 따라서 과부족 없이 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입을 실시함으로써 안정된 착화와 전력 소비의 억제의 양립을 도모할 수 있다.
도 15를 참조하여 본 발명의 제 7 실시 형태에 있어서의 점화 제어 장치(407b)에 대해서 설명한다.
상기 제 5, 6 실시 형태에 있어서는, 엔진 회전 센서, 흡기압 센서, 액셀 개도계, 크랭크각 센서, 엔진 수온계 등의 외부에 설치한 도시가 생략된 운전 상황 확인 수단에 의하여 검출된 엔진 파라미터(EPr)로 한 예를 나타냈지만, 본 실시 형태에 있어서는, 점화 코일(404)의 1차 전압(V1)을 검출하는 1차 전압 검출 수단(211)을 설치하고, 1차 전압(V1)으로부터 2차 전압(V2)의 변화를 예측하고, 이것을 주파수 연산부(210b)에 피드백하여 주파수 증가율을 산출하고 있는 점이 상이하다.
본 실시 형태에 있어서도 상기 제 5, 6 실시 형태와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 상기한 점화 제어 장치는 상기 실시 형태에 한정하는 것은 아니고, 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입을, 내연 기관(11)의 회전수가 낮을수록, 또는 내연 기관(11)의 부하가 낮을수록 보조용 개폐 소자(420)를 구동하는 구동 듀티를 고정한 채, 구동 펄스 주파수의 증가율을 낮게 하고, 내연 기관(11)의 회전수가 높을수록, 또는 내연 기관(11)의 부하가 높을수록 보조용 개폐 소자(420)를 개폐하는 구동 펄스 주파수의 증가율을 높게 하고, 또, 방전 기간에 있어서, 방전 개시 직후로부터 방전 종료까지의 사이에 상기 보조용 개폐 소자(420)를 구동하는 구동 펄스의 주파수의 방전 종료측을 높게 하는 것을 기본으로 하는 것이지만, 방전 종료측의 투입 에너지를 높게 하는 본 발명의 요지에 반하지 않는 범위에 있어서 적절히 변경할 수 있다.
예를 들면, 반드시 듀티비 고정에 한정하는 것은 아니고, 고회전, 고부하 등의 조건에 있어서, 꺼짐을 발생하기 어렵게 하기 위해, 보다 조기의 고주파화를 도모하고, 꺼짐이 발생하기 쉬운 방전 종료측의 구동 주파수를 높게 하는 점에 추가하여, 듀티비의 증감을 중첩적으로 실시하는 것도 가능하다.
즉, 내연 기관(11)의 부하가 낮을수록 듀티비와 주파수를 낮게 하고, 내연 기관(11)의 부하가 높을수록 듀티와 주파수를 높게 해도 좋다.
동일한 효과를 발휘시키기 위해, 주파수 변경과 아울러서 듀티를 임의로 설정할 수도 있다.
그 밖에, 특별히 언급되어 있지 않은 변형예에 대해서도, 본 발명의 본질적 부분을 변경하지 않는 범위 내에 있어서, 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것은 당연하다. 또, 본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단을 구성하는 각 요소에 있어서의 작용ㆍ기능적으로 표현되어 있는 요소는 상기의 실시 형태나 변형예에서 개시되어 있는 구체적 구성 및 그 균등물 외에, 해당 작용ㆍ기능을 실현할 수 있는 어떠한 구성도 포함한다.

Claims (20)

  1. 내연 기관(11)의 기통(11b) 내에서 연료 혼합기를 점화하도록 설치된 점화 플러그(19)의 동작을 제어하도록 구성된 점화 제어 장치(30)에 있어서,
    1차 권선(311a)과 2차 권선(311b)을 구비하고 있고, 상기 1차 권선을 통류하는 전류인 1차 전류의 증감에 의해 상기 점화 플러그에 접속된 상기 2차 권선에서 2차 전류가 발생하도록 구성된 이그니션 코일(311)과,
    상기 1차 권선에서 상기 1차 전류를 통류시키도록, 비접지측 출력 단자가 상기 1차 권선의 일단측에 접속된 직류 전원(312)과,
    제 1 제어 단자(313G)와 제 1 전원측 단자(313C)와 제 1 접지측 단자(313E)를 갖고 있고, 상기 제 1 제어 단자에 입력된 제 1 제어 신호에 기초하여 상기 제 1 전원측 단자와 상기 제 1 접지측 단자의 사이의 통전의 온 오프를 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자로서, 상기 제 1 전원측 단자가 상기 1차 권선의 타단측에 접속되는 것과 함께, 상기 제 1 접지측 단자가 접지측에 접속된 제 1 스위칭 소자(313)와,
    제 2 제어 단자(314G)와 제 2 전원측 단자(314D)와 제 2 접지측 단자(314S)를 갖고 있고, 상기 제 2 제어 단자에 입력된 제 2 제어 신호에 기초하여 상기 제 2 전원측 단자와 상기 제 2 접지측 단자의 사이의 통전의 온 오프를 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자로서, 상기 제 2 접지측 단자가 상기 1차 권선의 상기 타단측에 접속된 제 2 스위칭 소자(314)와,
    제 3 제어 단자(315G)와 제 3 전원측 단자(315C)와 제 3 접지측 단자(315E)를 갖고 있고, 상기 제 3 제어 단자에 입력된 제 3 제어 신호에 기초하여 상기 제 3 전원측 단자와 상기 제 3 접지측 단자의 사이의 통전의 온 오프를 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자로서, 상기 제 3 전원측 단자가 상기 제 2 스위칭 소자에 있어서의 상기 제 2 전원측 단자에 접속되는 것과 함께, 상기 제 3 접지측 단자가 상기 접지측에 접속된 제 3 스위칭 소자(315)와,
    상기 직류 전원에 있어서의 상기 비접지측 출력 단자와 상기 제 3 스위칭 소자에 있어서의 상기 제 3 전원측 단자를 접속하는 전력 라인에 끼워진 인덕터로서, 에너지를 상기 제 3 스위칭 소자의 온에 의하여 축적하는 것과 함께, 상기 제 3 스위칭 소자의 오프에 의하여 방출하도록 설치된 에너지 축적 코일(316)과,
    상기 직류 전원에 있어서의 상기 비접지측 출력 단자와 상기 접지측의 사이에서 상기 에너지 축적 코일과 직렬 접속되어 있고, 상기 제 3 스위칭 소자의 오프에 의하여 상기 에너지 축적 코일로부터 방출된 에너지를 축적하도록 설치된 콘덴서(317)와,
    상기 제 1 스위칭 소자의 오프에 의해 개시된 상기 점화 플러그의 점화 방전 중에 상기 제 3 스위칭 소자를 오프 및 상기 제 2 스위칭 소자를 온함으로써 에너지를 상기 콘덴서로부터 방출시켜서 상기 1차 권선에서 상기 1차 전류를 통류시키기 위해, 상기 타단측으로부터 상기 1차 권선으로 공급하기 위해, 상기 제 2 스위칭 소자 및 상기 제 3 스위칭 소자를 제어하도록 설치된 제어부(319)를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 제 2 제어 신호에 있어서의 듀티비를 가변으로 설정하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라서 상기 듀티비를 설정하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내연 기관의 운전 상태는 적어도 기관 회전수를 포함하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 듀티비를 1연소 사이클 중에 있어서 가변으로 설정하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 시간 경과와 함께, 상기 듀티비를 증가시키는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 시간 경과에 동반하는 상기 듀티비의 증가율을 가변으로 설정하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  7. 적어도 직류 전원(410)과, 상기 직류 전원(410)의 전원 전압을 승압하는 승압 회로(401)와, 상기 승압 회로(401)에 접속시킨 1차 권선(440)의 전류의 증감에 의해 2차 권선(441)에 높은 2차 전압(V2)을 발생시키는 점화 코일(404)과, 상기 1차 권선(440)으로의 전류의 공급과 차단을 전환하는 점화용 개폐 소자(403)와, 상기 2차 권선(441)에 접속되어, 상기 2차 권선(441)으로부터의 2차 전압(V2)의 인가에 의해 내연 기관의 연소실 내에 불꽃 방전을 발생시키는 점화 플러그(405)를 구비하여 내연 기관의 점화를 실시하는 점화 제어 장치로서,
    상기 점화용 개폐 소자(403)의 개폐에 의하여 상기 점화 플러그(405)의 방전을 개시한 후에, 상기 승압 회로(401)로부터 점화용 개폐 소자의 방전과 정지를 중첩적으로 실시함으로써 상기 2차 권선(441)에 흐르는 전류를 증가시키는 보조 전원(402)을 구비하고,
    상기 보조 전원(402)이, 상기 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입과 정지를 전환하는 보조용 개폐 소자(420)를 구비하고, 상기 보조용 개폐 소자(420)는 턴 온 속도보다도 턴 오프 속도를 완만하게 하는 소프트 오프 회로(422, 422a, 421b)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치(407, 407a, 407b).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입의 개시와 정지를 지시하는 방전 기간 신호(IGw)에 따라서 상기 보조용 개폐 소자(420)를 일회 또는 복수회에 걸쳐서 개폐 구동하는 보조용 소자 구동 드라이버(421, 421a, 421b)를 구비하는
    점화 제어 장치(407, 407a, 407b).
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 소프트 오프 회로(422, 422a, 421b)가 상기 보조용 개폐 소자(420)의 게이트 소스 간에 접속한 하나 또는 복수의 소프트 오프용 커패시터(422, 221, 222, 223)를 포함하는
    점화 제어 장치(407, 407a, 407b).
  10. 제8항에 있어서,
    상기 소프트 오프 회로(421b)가 상기 보조용 소자 구동 드라이버(421b)로서, 상기 보조용 개폐 소자(420)를 구동하는 구동 전압(VGS)을 천천히 하강시키는
    점화 제어 장치(407,407a,407b).
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입은 상기 1차 권선(440)의 저압측으로부터 실시하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치(407, 407a, 407b).
  12. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 승압 회로(401)가 상기 직류 전원(410)에 접속한 에너지 축적용 인덕터(411)와, 점화 신호(IGt)에 따라서 사전에 결정된 기간만큼 상기 인덕터(411)로의 전류의 공급과 차단을 사전에 결정된 주기로 전환하는 개폐 소자(412)와, 상기 인덕터(411)에 병렬로 접속한 커패시터(415)와, 상기 인덕터(411)로부터 상기 커패시터(415)로의 전류를 정류하는 제 1 정류 소자(414)로 이루어지는
    점화 제어 장치(407, 407a, 407b).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보조 전원(402)이 상기 커패시터(415)와 상기 1차 권선(440)의 사이에 끼워지고, 상기 커패시터(415)로부터의 방전과 정지를 전환하는 보조용 개폐 소자(420)와, 상기 커패시터(415)로부터 상기 1차 권선(440)으로의 전류를 정류하는 제 2 정류 소자(423)와, 상기 직류 전원(410)과, 상기 인덕터(411)와, 상기 커패시터(415)로 이루어지는
    점화 제어 장치(407, 407a, 407b).
  14. 적어도 직류 전원(410)과, 상기 직류 전원(410)의 전원 전압을 승압하는 승압 회로(401)와, 상기 승압 회로(401)에 접속시킨 1차 권선(440)의 전류의 증감에 의해 2차 권선(441)에 높은 2차 전압(V2)을 발생시키는 점화 코일(404)과, 기관의 운전 상황에 따라 발신된 점화 신호(IGt)에 따라서 상기 1차 권선(440)으로의 전류의 공급과 차단을 전환하는 점화용 개폐 소자(403)와, 상기 2차 권선(441)에 접속되어, 상기 2차 권선(441)으로부터의 2차 전압(V2)의 인가에 의해 내연 기관의 연소실 내에 불꽃 방전을 발생시키는 점화 플러그(405)를 구비하여 내연 기관의 점화를 실시하는 점화 제어 장치로서,
    상기 점화용 개폐 소자(403)의 개폐에 의하여 상기 점화 플러그(405)의 방전을 개시한 후의 방전 기간에 있어서,
    상기 승압 회로(401)로부터 점화 코일(404)의 1차 권선(440)과 점화용 개폐 소자(403)의 접속점측으로의 방전과 정지를 중첩적으로 실시함으로써 상기 2차 권선(441)에 흐르는 전류를 증가시키는 보조 전원(402)을 구비하고,
    상기 보조 전원(402)이,
    상기 보조 전원(402)으로부터의 방전과 정지를 전환하는 보조용 개폐 소자(420)와,
    상기 보조용 개폐 소자(420)를 개폐 구동하는 보조용 개폐 소자 구동 회로(421, 421a, 421b)와, 내연 기관의 운전 상황을 나타내는 엔진 파라미터(EPr)에 따라서 상기 보조용 개폐 소자(420)의 구동 주파수를 증감하는 주파수 연산부(210, 210a, 210b)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 연산부(210, 210a, 210b)는 엔진 회전수(Ne), 흡기압(PIN), 액셀 개도(Th), 크랭크각(CA), 엔진 수온(Tw), EGR률, 공연비(A／F), 점화 코일의 1차 전압(V1), 2차 전압(V2), 2차 전류(I2) 중 어느 하나로부터 선택한 하나 또는 복수의 엔진 파라미터(EPr)에 기초하여, 판정한 내연 기관의 운전 상황에 따라서 상기 보조용 개폐 소자(420)를 내연 기관의 회전수가 낮을수록 또는 내연 기관의 부하가 낮을수록 상기 보조용 개폐 소자를 구동하는 구동 듀티는 일정한 채, 구동 펄스 주파수의 증가율을 낮게 하고, 내연 기관의 회전수가 높을수록 또는 내연 기관의 부하가 높을수록 상기 보조용 개폐 소자(420)를 개폐하는 구동 펄스 주파수의 증가율을 높게 하는
    점화 제어 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구동 듀티를 주파수의 감산 시에는 증가시키고, 주파수의 가산 시에는 감쇠시키는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전 기간에 있어서, 방전 개시 직후로부터 방전 종료까지의 사이에 상기 보조용 개폐 소자(420)를 구동하는 구동 펄스의 주파수는 방전 종료측을 높게 설정하는
    점화 제어 장치.
  18. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 전원(402)으로부터의 에너지 투입은 상기 1차 권선(440)으로부터 실시하는 것을 특징으로 하는
    점화 제어 장치.
  19. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 승압 회로(401)가 상기 직류 전원(410)에 접속한 에너지 축적용 인덕터(411)와, 상기 점화 신호(IGt)에 따라서 사전에 결정된 기간만큼 상기 인덕터(411)로의 전류의 공급과 차단을 사전에 결정된 주기로 전환하는 개폐 소자(412)와, 상기 인덕터(411)에 병렬로 접속한 커패시터(415)와, 상기 인덕터(411)로부터 상기 커패시터(415)로의 전류를 정류하는 제 1 정류 소자(414)로 이루어지는
    점화 제어 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 보조 전원(402)이 상기 커패시터(415)와 상기 1차 권선(440)의 사이에 끼워지고, 상기 커패시터(415)로부터의 방전과 정지를 전환하는 보조용 개폐 소자(420)와, 상기 커패시터(415)로부터 상기 1차 권선(440)으로의 전류를 정류하는 제 2 정류 소자(422)와, 상기 직류 전원(410)과, 상기 인덕터(411)와, 상기 커패시터(415)로 이루어지는
    점화 제어 장치.
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