(57)【要約】      （修正有）【課題】火花放電の短絡を抑制する。【解決手段】火花放電路のインダクタンスを検出することによって火花放電路の近接を予測し、火花放電路の近接が予測されたときに火花放電路を広げるように点火電流の制御を行う内燃機関の点火装置１００とする。前記火花放電路の近接が予測されたときに点火電流を増加させる。前記火花放電路の近接が予測されたときに前記火花放電路に電気エネルギーを供給する。前記火花放電路のインダクタンスを検出することによって前記火花放電路の近接を予測する。前記火花放電路に高周波信号を重畳印可する高周波重畳回路と、前記高周波信号の電圧と電流との位相差から前記火花放電路のインダクタンスを検出する検出回路と、を備える。前記高周波信号は、パルス信号の繰り返しである。前記高周波信号は、ランダムな信号である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花放電路の近接を予測し、前記火花放電路の近接が予測されたときに前記火花放電路を広げるように制御を行うことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記火花放電路の近接が予測されたときに点火電流を増加させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記火花放電路の近接が予測されたときに前記火花放電路に電気エネルギーを供給することを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記火花放電路のインダクタンスを検出することによって前記火花放電路の近接を予測することを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記火花放電路に高周波信号を重畳印可する高周波重畳回路と、
前記高周波信号の電圧と電流との位相差から前記火花放電路のインダクタンスを検出する検出回路と、
を備えることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項６】
請求項５に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記高周波信号は、パルス信号の繰り返しであることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項７】
請求項５に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記高周波信号は、ランダムな信号であることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の点火装置であって、点火回路の二次電流（放電電流）を時間変化の小さい矩形型とすることで、火花放電路の吹き消えや再放電の発生及びこれに伴う点火エネルギーの損失を抑制する技術が開示されている（特許文献１）。また、当該点火回路の二次電圧や二次電流を一次回路にフィードバックすることで効率を高める技術が開示されている（特許文献２、３）。
【０００３】
また、点火電流により形成された磁場によって火花放電路にローレンツ力を作用させ、火花放電を周囲空間に飛翔させる点火装置が開示されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２０６０６８号公報
【特許文献２】特開２０１５−６３９３１号公報
【特許文献３】特開２０１５−２００２８４号公報
【特許文献４】国際特許公報ＷＯ９１／１５６７７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図７（ａ）〜図７（ｄ）に示すように、点火プラグの電極間に形成された火花放電路は、エンジン筒内の気流によってその下流方向に伸長する。その伸長は、時間経過とともに増大する。一方、エンジン筒内の気流は乱れを伴っており、その方向と速度が変動する。そのため、放電路の伸長過程では、図７（ｅ）に示すように、放電路の近接・接触による短絡現象が生じる。放電路に短絡が生じると、放電路長さが急激に短くなるために、周囲の混合気を加熱する効果が著しく低下する。その結果、初期火炎の成長が抑制されて、熱発生速度の低下や失火をもたらす。
【０００６】
火花放電路の近接を検知する方法や検知された結果から火花放電の短絡を抑制する技術は知られていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様は、火花放電路の近接を予測し、前記火花放電路の近接が予測されたときに前記火花放電路を広げるように制御を行うことを特徴とする内燃機関の点火装置である。
【０００８】
ここで、前記火花放電路の近接が予測されたときに短絡を抑制するために点火電流を増加させてローレンツ力により放電路を反発させることが好適であり、前記火花放電路に電気エネルギーを供給することが好適である。
【０００９】
また、火花放電路のインダクタンスを検出することによって前記火花放電路の近接を予測することが好適である。
【００１０】
また、前記火花放電路に高周波信号を重畳印可する高周波重畳回路と、前記高周波信号の電圧と電流との位相差から前記火花放電路のインダクタンスを検出する検出回路と、を備えることが好適である。
【００１１】
また、前記高周波信号は、パルス信号の繰り返しであることが好適である。また、前記高周波信号は、ランダムな信号であることが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、火花放電路の近接を予測することができ、火花放電の短絡を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態における内燃機関の点火装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるインダクタンスの検出方法の原理を示す図である。
【図３】火花放電路の形状とインダクタンスの関係を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるインダクタンスの検出用信号の印加・重畳を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態における点火電流の制御を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態における火花放電路に作用するローレンツ力と火花放電路の短絡の抑制を説明する図である。
【図７】従来の内燃機関の点火装置における課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜基本構成＞
本発明の実施の形態における内燃機関の点火装置１００は、図１に示すように、主回路１０２、インダクタンス検出回路１０４、補助電流供給回路１０６及びエンジン制御装置１０８を含んで構成される。
【００１５】
主回路１０２は、内燃機関に設けられた点火プラグに対して電気エネルギーを供給して、燃料を点火するために設けられる回路である。点火コイルＡ２は、１次コイルと、１次コイルよりも巻数が多い２次コイルとを電磁気的に結合させた構成とされる。１次コイルの一端はバッテリーＡ１と２次コイルの一端に接続され、他端はスイッチＡ３を介して接地される。二次コイルの他端は、点火プラグＡ４の中心電極に接続される。
【００１６】
主回路１０２では、所望の点火開始時期に先んじて、スイッチＡ３をオンにし、バッテリーＡ１から点火コイルＡ２に電流を流して点火コイルＡ２に電気エネルギーを蓄積する。所望の点火開始時期に、スイッチＡ３をオフにして、点火コイルＡ２に蓄積していた電気エネルギーを点火プラグＡ４に向けて放出する。その結果、点火プラグＡ４の電極間に火花放電が形成される。スイッチＡ３の切り替えはエンジン制御装置１０８からの信号を受けて行われる。
【００１７】
本実施の形態では、主回路１０２は、バッテリーＡ１と点火コイルＡ２とスイッチＡ３とからなる簡素な構成としている。主回路１０２は、特開２０１４−２０６０６８号公報や特開２００７−２１１６３１で示される形態としてもよい。さらに、これらの事例に限らず、その機能を満たす構成であればよい。
【００１８】
＜インダクタンスの検出＞
図２に示すように、抵抗Ｒ、インダクタンスＬを持つ電気回路に角速度ωで交番する正弦電圧Ｅを印可すると、その回路に流れる電流Ｉは電圧Ｅに対して位相遅れθを生じる。位相遅れθはインダクタンスＬの関数で、インダクタンスＬが大きくなると位相遅れθも増大する。
【数１】
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【００１９】
インダクタンス検出回路１０４は、火花放電路に微弱な高周波信号である交番電圧信号Ｅを印可・重畳する高周波重畳回路を含む。インダクタンス検出回路１０４は、火花放電路に微弱な交番電圧信号Ｅを重畳印加し、その信号電流Ｉの位相遅れθから火花放電路のインダクタンスＬを検出する。図３に示すように、火花放電路が円形状に近い場合にはインダクタンスＬが大きく、偏平形状ではインダクタンスＬは小さくなる。偏平形状の放電路では火花放電路の短絡が生じやすいため、インダクタンスＬの大きさから放電路の短絡を予測することができる。
【００２０】
インダクタンス検出回路１０４は、主回路１０２に付加される。インダクタンス検出回路１０４は、点火プラグＡ４の放電開始に同期して、角速度ωの正弦電圧信号Ｂ１を発生させる。図４に示すように、電圧信号Ｂ１はフィルタＢ２（バンドパスフィルタ又はハイパスフィルタ）を介して、火花放電路に電圧信号Ｂ１を印可・重畳させる。そして、インダクタンス検出回路１０４は、抵抗Ｂ３の端子電圧を測定することによって、その信号電流の位相遅れθを計測し、火花放電路の形状に応じて変化するインダクタンスＬを検出する。
【００２１】
なお、インダクタンス検出回路１０４によるインダクタンスＬの検出は、容量放電期間ｔｓを終えてから開始することが好適である。容量放電期間は、静電エネルギーの放出による火花放電が行われる期間であり、その持続時間は例えば放電開始時から０．０２ｍｓ程度の期間である。容量放電期間では、火花放電路は伸張しないために、その期間のインダクタンスＬは小さくなる。
【００２２】
また、火花放電路の近接の判断において、正弦波電圧Ｅに代えて、パルス電圧を繰り返し印加して、電流Ｉの位相遅れを計測する構成としてもよい。また、正弦波電圧Ｅに代えて、時間経過に比例して増加又は減少する電圧を繰り返し印加して、電流Ｉの位相遅れを計測する構成としてもよい。
【００２３】
さらに、正弦波電圧Ｅに代えて、ホワイトノイズに代表されるランダムな信号電圧Ｅを印加して、電流Ｉの位相遅れを計測する構成としてもよい。この場合、次式で表されるフーリエ変換を用いて位相差を算出することができる。
【数２】
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ここで、Ｚ（ｔ）は時間領域のインピーダンスであり、時間領域における電圧履歴Ｅ（ｔ）を時間領域における電流履歴Ｉ（ｔ）で除したものである。これをフーリエ変換することにより、周波数領域におけるインピーダンスの絶対値Ｚ（ｆ）と周波数領域におけるインピーダンスの位相（２πｆｔ＋θ）を算出することができる。これにより、信号電圧Ｅと電流Ｉとの位相差θを求めることができる。
【００２４】
＜点火電流の制御＞
図５（ａ）に示すように、インダクタンス検出回路１０４において検出されたインダクタンスＬが所定の閾値Ｌｌより下回った場合、火花放電路が近接していると予想できる。そこで、図５（ｂ）に示すように、補助電流供給回路１０６は、火花放電路の近接が予想された場合に火花放電路に補助電流を供給する。その結果、図６に示すように、近接した放電路には両者が反発する方向にローレンツ力Ｆが作用して、火花放電路同士が反発して、その短絡を抑制する作用が生ずる。さらに、放電電流の増加により放電路の抵抗が低下することで、近接する放電路の両者の電位差が低下して、短絡が生じ難くなる。
【００２５】
補助電流供給回路１０６は、火花放電路に補助電流を供給する回路である。補助電流供給回路１０６は、主回路１０２に付加され、火花放電路に補助電流を供給する。
【００２６】
補助電流供給回路１０６は、バッテリーＡ１の電圧を昇圧してエネルギー投入用コンデンサＣ１に蓄えさせる昇圧回路と、エネルギー投入用コンデンサＣ１に蓄えられた電気エネルギーを主回路１０２の点火コイルＡ２の１次コイルの中間タップに投入する投入エネルギー制御手段とを備える。昇圧回路は、一端がバッテリーＡ１に接続されたチョークコイルＣ２と、チョークコイルＣ２の通電状態を断続させる昇圧用スイッチング素子Ｃ３と、昇圧用スイッチング素子Ｃ３のオン／オフ動作によりチョークコイルＣ２に蓄えられた電気エネルギーを充電するエネルギー投入用コンデンサＣ１と、エネルギー投入用コンデンサＣ１に蓄えられた電気エネルギーがチョークコイルＣ２に逆流することを防ぐダイオードＣ４とを含む。補助電流供給回路１０６では、周期的に昇圧用スイッチング素子Ｃ３をオン／オフさせることで、エネルギー投入用コンデンサＣ１に電気エネルギーを蓄積させる。
【００２７】
投入エネルギー制御手段は、エネルギー投入用コンデンサＣ１に蓄積された電気エネルギーを主回路１０２の点火コイルＡ２の１次コイルに投入するためのエネルギー投入用スイッチング素子Ｃ５と、投入エネルギーの逆流を防ぐためのダイオードＣ６を含む。
【００２８】
補助電流供給回路１０６は、インダクタンス検出回路１０４で検出されたインダクタンスＬが閾値Ｌｌより下回った時期ｔｌにエネルギー投入用スイッチング素子Ｃ５をオンすることで、主回路１０２に含まれる点火プラグＡ４に対して補助電流を供給する。その結果、火花放電路に補助電流が重畳され、互いに近接し合った放電路間に両者が反発する方向のローレンツ力Ｆが作用して、その短絡が抑制される。
【００２９】
なお、補助電流供給回路１０６において、チョークコイルＣ２及びエネルギー投入用コンデンサＣ１を設けず、バッテリーＡ１の電流をエネルギー投入用スイッチング素子Ｃ５で直接制御する構成としてもよい。また、補助電流供給回路１０６のチョークコイルＣ２に代えて、点火コイルＡ２を併用するようにしてもよい。また、補助電流供給回路１０６の機能を点火コイルＡ２の２次側（高電圧側）に持たせてもよい。
【００３０】
なお、補助電流供給回路１０６は、特開２００７−２１１６３１に開示されている制御回路、またはその一部を利用してもよい。
【００３１】
また、火花放電路の近接の判断において、インダクタンスＬに代えて位相遅れθを補助電流供給開始の指標としてもよい。すなわち、位相遅れθが所定の閾値θ１より下回った場合、火花放電路が近接していると予想できる。そこで、補助電流供給回路１０６において、位相遅れθの値に基づいて火花放電路の近接が予想された場合に火花放電路に補助電流を供給するようにすればよい。
【００３２】
また、点火電圧と点火電流から放電路の電気抵抗を算出することで、火花放電路の長さを推定することができる。そこで、火花放電路の近接の判断において、インダクタンスＬに代えて火花放電路の単位長さ当たりのインダクタンスＬ’を補助電流供給開始の指標としてもよい。補助電流供給回路１０６において、火花放電路の単位長さ当たりのインダクタンスＬ’の値に基づいて火花放電路の近接が予想された場合に火花放電路に補助電流を供給するようにすればよい。
【００３３】
また、火花放電路の長さの変化に伴って放電電圧が変化する。そこで、火花放電路の近接の判断において、インダクタンスＬに代えて、放電電圧から放電路長さを推定し、それに基づいて得られた火花放電路の単位長さ当たりのインダクタンスＬ’’を補助電流供給開始の指標としてもよい。補助電流供給回路１０６において、火花放電路の単位長さ当たりのインダクタンスＬ’’の値に基づいて火花放電路の近接が予想された場合に火花放電路に補助電流を供給するようにすればよい。
【符号の説明】
【００３４】
１００  点火装置、１０２  主回路、１０４  インダクタンス検出回路、１０６  補助電流供給回路、１０８  エンジン制御装置、Ａ１  バッテリー、Ａ２  点火コイル、Ａ３  スイッチ、Ａ４  点火プラグ、Ｂ１  電圧信号、Ｂ２  フィルタ、Ｂ３  抵抗、Ｃ１  エネルギー投入用コンデンサ、Ｃ２  チョークコイル、Ｃ３  昇圧用スイッチング素子、Ｃ４  ダイオード、Ｃ５  エネルギー投入用スイッチング素子、Ｃ６  ダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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