(57)【要約】本発明は、燃料噴射が交互に少なくとも第１の作動モード（Ｈ１，Ｈ２）かまたは第２の作動モード（Ｓ）で実施され、点火コイルの充電が目下の作動モードに依存して実施される、内燃機関の点火方法に関している。ここでは、目下の作動モードを特徴付ける制御パルス経過（ＳＩ）が設けられており、さらに点火コイル（ＺＳ）の充電が、論理制御回路（Ｌ）により、制御パルス経過（ＳＩ）に応じて一次側電流の相応の種々の時間経過を用いて実施される。本発明は内燃機関のための相応の点火装置にも関している。
2004502084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射が交互に少なくとも第１の作動モード（Ｈ１，Ｈ２）かまたは第２の作動モード（Ｓ）で実施され、点火コイルの充電が目下の作動モードに依存して実施される、内燃機関の点火方法において、
目下の作動モードを特徴付ける制御パルス経過（ＳＩ）が設けられ、
点火コイル（ＺＳ）の充電が、論理制御回路（Ｌ）により、制御パルス経過（ＳＩ）に応じて一次側電流の相応の種々の時間経過を用いて実施されるようにしたことを特徴とする点火方法。
【請求項２】
前記第１の作動モード（Ｈ１，Ｈ２）は、均質な通常燃焼モードであり、該通常燃焼モードは、ストイキオメトリック・ノーマルモード（Ｈ１）とアンダーストイキオメトリック・ノーマルモード（Ｈ２）の下位モードに分割されており、前記第２の作動モード（Ｓ）は、非均質な成層燃焼モードである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記点火コイルの充電は、非均質な成層燃焼モード（Ｓ）においては、所定の一次側電流を用いてパルス列点火の形態で実施され、均質燃焼モードにおいては点火コイルが一次側電流の引上げのもとで個別パルス点火の形態で実施される請求項２記載の方法。
【請求項４】
目下の作動モードに対して特徴付けられた制御パルス経過（ＳＩ）は、種々異なるパルス時間および／またはパルス数を有している、請求項２または３記載の方法。
【請求項５】
点火コイルの磁気回路は、高い初期スパーク電流を必要とする作動モードにおいて飽和が開始されるまで制御される、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
請求項１から５いずれか１項記載の方法を実施するための点火装置において、
点火出力段（ＥＳ）と、
前記点火出力段（ＥＳ）に前置接続された論理制御回路（Ｌ）と、
目下の作動モードを特徴付ける制御パルス経過（ＳＩ）を生成するエンジン制御機器（ＭＳ）とを有し、
前記論理制御回路（Ｌ）によって、前記出力段（ＥＳ）が、制御パルス経過（ＳＩ）に応じて一次電流の相応の時間特性に制御されることを特徴とする点火装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来技術
本発明は、燃料噴射が交互に少なくとも第１の作動モードかまたは第２の作動モードで実施され、点火コイルの充電が目下の作動モードに依存して実施される、内燃機関の点火方法並びに相応する点火装置に関している。
【０００２】
本発明は、任意の燃料や任意の車両エンジンに汎用的に適用可能なものではあるが、以下の説明では自家用車用内燃機関の直接噴射方式の例で本発明と基礎となる問題の説明を続ける。
【０００３】
図４には、内燃機関の様々な作動方式に対する回転数Ｎと回転トルクＭの依存性が示されている。
【０００４】
ガソリン直接噴射方式におけるいわゆる均質な通常燃焼モードＨ１のもとでは、燃焼室全体が理論空燃比の空気／燃料混合気（ラムダ値λ＝１）で均質に充填され、これが点火時点で点火火花により点火される。ここでは高いエネルギー密度の混合気のもとで着火の問題は何もおこらない。
【０００５】
均質燃焼モードは、希薄燃焼および／または排ガス再循環（ＥＧＲ）を伴う均質燃焼モードＨ２としても実現され得る。この場合は一般に、少ないエネルギー密度の混合気のもとで燃焼室において十分に迅速な火炎伝播を達成するために、高い電流レベルが必要とされる。このことは中断と再点火が行われるまでスパークプラズマを変位させる。
【０００６】
最も希薄な作動モードまたはいわゆる高レートＥＧＲ作動モードは、点火コイルの全エネルギが唯一の火炎コアにもたらされた場合にしか達成できないので、点火コイルに蓄えられる全てのエネルギは、点火の中断がまだ起きない短い期間の間に（典型的には約０．３ｍｓ〜０．６ｍｓ）供給されなければならない。
【０００７】
その結果としてこの作動モードＨ２では、できるだけ高いエネルギとできるだけ短い点火時間（約０．３〜０．６ｍｓ）の必要性が判明し、このことは所要の初期電流が１５０ｍＡ〜２００ｍＡになることを意味する。
【０００８】
ガソリン直接噴射方式の内燃機関では、所定の作動領域における低燃費の利点をフル活用するために、いわゆる成層燃焼が燃焼室において実現される。これは以下では成層燃焼モードＳと称する。
【０００９】
この成層燃焼モードＳのもとでは、燃焼室において、局所的に点火可能な理論空燃比の小さな燃料雲が形成される。それに対して燃焼室内の残りの空間部分では点火は行われない。この成層燃焼モードＳの利点は、内燃機関のさらなる希薄燃焼にあり、それにともなって燃料消費の大幅な節約がなされる。それ故に望ましくは、この成層燃焼モードＳの作動領域をできるだけ広く構成すること、つまりできるだけ高い負荷と高い回転数まで拡大させることである。
【００１０】
成層燃焼モードＳのもとでは、点火スパークの箇所において平均エネルギー密度の比較的高い混合気雲の中で、場所的なおよび／または時間的なラムダ値変動が生じる。このようなもとで確かな着火を達成するためには、スパークを長引かせる必要がある（典型的にはクランク軸角度上で約５゜〜１０゜）。そのためこの期間内で混合気の可燃領域がスパークプラズマによって捕らえられた場合には常に火炎コアの形成が開始できる。
【００１１】
この場合事情によっては、点火プラグ近傍の混合気の流れに応じて、点火期間の増加と共に、点火コイルからもたらされ常に減少し続ける少量の電気エネルギだけが火炎コア形成に可用となるだけである。そのため提案された公知手法によれば、前述したクランク軸間隔の中でパルス列が形成される、つまり点火コイルが何度も充放電される。
【００１２】
この成層作動モードでは、できるだけ長く燃焼し続ける単独の点火スパークが、典型的には約５０〜８０ｍＡの初期電流と典型的には約８０〜１００ｍＪの二次エネルギのもとで考慮され、あるいは設定可能な長さのパルス列が約３０ｍＪの二次エネルギを有するコイルからの約１００ｍＡの初期電流のもとで考慮される。
【００１３】
成層燃焼モードＳと均質燃焼モードＨ１ないしＨ２の作動領域に対する要求には明らかな違いがあるので、個別スパークを用いた従来方式によるシステム構成の中では、その目的において矛盾が生じ、この対立に対してはこれまでは妥協でもってしか対応することができなかった。１つの点火コイルは、適度な初期電流による長めのスパーク持続時間用に構成するか（すなわち高い二次インダクタンス、二次側巻回数が多い）、短めのスパーク持続時間用に構成する（すなわち低い二次インダクタンス、二次側巻回数が少ない）かのどちらかである。従ってこれらの別個の構成に対する妥協としての決断は不可欠であった。
【００１４】
発明の利点
請求項１の特徴部分に記載の本発明による点火方法ないし請求項６に記載の相応の点火装置によれば、公知の手段に比べて次のような利点を有している。すなわち、ガソリン直接噴射方式によるエンジンで生じていた問題性に適応できる機能と最適な着火、詳細には成層燃焼モードにおいても均質燃焼モードにおいてもおよび／またはＥＧＲ作動中、並びに冷間始動時あるいはその他の臨界的なエンジン条件においても最適な着火が可能である。
【００１５】
使用効率の制御は必要に応じて行われ、着火に対して必要とされるだけのエネルギしか供給されない。これにより不要な点火プラグの焼けすぎが回避される。
【００１６】
二次側の比較的少ない巻回数によってコイル構造空間がより小さくでき、あるいは同じ構造空間のもとで、より大きな鉄心断面が可能である。それにより磁界形成のためのマグネットの節約によってコスト的なメリットが得られる。
【００１７】
本発明の基礎となっている考察は、そのつどの作動モードに適した点火形態を制御パルスのコード化を介して実施することである。例えば成層燃焼モードに適したパルス列点火に、均質燃焼モードにおける点火コイルを一次側電流の引上げを介して著しく高めたエネルギーで充電する手段と組合わせることにより、個別スパークにもかかわらず、約０．３〜０．６ｍｓの所望の燃焼持続時間内で放電が可能となる。
【００１８】
本発明の別の有利な実施例および改善例は、従属請求項に記載されている。
【００１９】
本発明の有利な実施例によれば、第１の作動モードが均質な通常燃焼モードであり、これは次のような下位モード、すなわちストイキオメトリック・ノーマルモード（“Ｓｔｏｅｃｈｉｏｍｅｔｒｉｓｃｈｅｒ Ｎｏｒｍａｌｂｅｔｒｉｅｂ”）とアンダーストイキオメトリック・ノーマルモード（“ｕｎｔｅｒｓｔｏｅｃｈｉｏｍｅｔｒｉｓｃｈｅｒ Ｎｏｒｍａｌｂｅｔｒｉｅｂ”）に分割されており、第２の作動モードは、非均質な成層燃焼モードである。
【００２０】
さらに別の有利な実施例によれば、非均質な成層燃焼モードにおける点火コイルの充電が、所定の一次側電流を用いたパルス列点火の形態で実施され、均質な燃焼作動モードでは、点火コイルが一次側電流の引上げのもとで個別パルス点火の形態で実施される。
【００２１】
さらに別の有利な実施例によれば、目下の作動モードに対して特徴付けられた制御パルス経過が異なるパルス時間および／またはパルス数を有している。それにより簡単な手段でもって複数の作動状態がある程度任意にコード化できる。
【００２２】
さらに別の有利な実施例によれば、高い初期スパーク電流を必要とする作動モードにおいて、点火コイルの磁気回路が飽和開始まで制御できる。この構成の利点は、より多くのエネルギを蓄えることができることと、電圧上昇速度を高めることができることである。なぜなら最初は低い二次側インダクタンスが高められるからである。
【００２３】
図面
図面には本発明の実施例が示されており、これらは以下の明細書で詳細に説明する。ここで図１は、本発明の第１実施例による、スパーク電流経過ｉＦを時間軸ｔに亘って表わした図であり、
図２は、本発明の第２実施例によるスパーク電流経過ｉＦを時間軸ｔに亘って示した図であり、
図３は、第１ないし第２実施例の実現のための制御装置を概略的に示した図であり、
図４は、回転トルクＭと回転数Ｎとの依存性を内燃機関の様々な作動モード毎に表わした図である。
【００２４】
実施例の説明
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。図１には、本発明の第１実施例による、スパーク電流経過ｉＦが時間軸ｔに亘って示されている。
【００２５】
特性曲線ａ）は、点火コイルの放電（二次側エネルギ約３０ｍＪ，一次側遮断電流約１０Ａ）としてのスパーク電流経過がパルス列特性なしで示されている。燃焼持続時間が０．３５ｍｓで、スパーク点火電圧が１５００Ｖの場合には、二次側のスパーク初期電流は約１１０ｍＡとなる。
【００２６】
特性曲線ｂ）は、４つのパルスによるパルス列で実現される当該点火コイルを表わしたものである。この場合点火コイル一次側の再投入接続は、スパーク電流が約５０ｍＡに低下する毎に行われる。短い再充電時間を実現するためには、４２Ｖのバッテリ電圧が望ましい。
【００２７】
しかしながらそれに対しては一般的に、これまでの通常の１４Ｖのバッテリ電圧のもとで、一次側電流を１０Ａから３０Ａに高めることによって短い再充電時間を達成することも可能であることを述べておく。
【００２８】
特性曲線ｃ）は、均質燃焼モードＨ１ないしＨ２のスパーク電流経過を示しており、詳細には、当該コイルが一次側遮断電流の引上げ（約１０Ａから１５Ａまで）によってほぼ二倍となる６０ｍＪのエネルギまで充電されている。
【００２９】
この場合約１６０ｍＡまで高められた初期電流のもとで、スパーク点火時間は約０．５ｍｓとなる。
【００３０】
この第１の実施例では、当該コイルが線形な磁化特性領域にあることが前提となっている。
【００３１】
図２には、本発明の第２実施例によるスパーク電流経過ｉＦが時間軸ｔに亘って示されている。
【００３２】
この図２による第２の実施例では、構造空間（ロッド形コイル）による制約のために磁化可能性の線形な上昇がもはや達成できないことを強調するのではなくて、磁化可能性に非線形性が加わることを述べておく。
【００３３】
特性曲線ａ）は、点火コイルの放電（ロッド形コイル、二次側エネルギ約３０ｍＪ，一次側遮断電流約１０Ａ）としてスパーク電流経過がパルス列特性なしで示されている。二次側のスパーク初期電流は、前記第１実施例と同じように約０．３５ｍｓの燃焼持続時間のもとで約１１０ｍＡとなる。
【００３４】
特性曲線ｂ）は、前記第１実施例と同じように４つのパルスによるパルス列で実現される当該点火コイルを表わしたものである。この場合点火コイルの一次側の再投入接続は、スパーク電流が約５０ｍＡに低下する毎に行われる。短い再充電時間を実現するためには、ここでも４２Ｖのバッテリ電圧が望ましい。
【００３５】
特性曲線ｃ）は、均質燃焼モードのスパーク電流経過を示しており、詳細には、当該コイルが一次側遮断電流の引上げ（約１０Ａから２０Ａまでの）によってほぼ二倍のエネルギーである６０ｍＪまで充電されている。この場合ここでは２００ｍＡに高められたスパーク初期電流が生じ、これは非線形、すなわち最初の方が急峻に降下している。これは飽和特性によってまず低いインダクタンスが与えられるからである。またここでは約０．５ｍｓの十分に短いスパーク持続時間が生じる。
【００３６】
この構成は、２つの利点を有している。すなわち１つは、構造空間（ロッド形コイル）の制約のもとで磁気回路が最初の飽和まで制御されると、より多くのエネルギが蓄えられることであり、もう１つは、電圧上昇速度が、初期の低い二次側インダクタンスのために高められることである。この高められた電圧上昇速度は、点火プラグにはプラスに働く。つまりプラグのカーボン付着（冷間始動時）に対して良い影響を与える。
【００３７】
図３には、前述した第１実施例ないし第２実施例の実現のための制御装置が概略的に示されている。
【００３８】
個々の符号のうちＭＳは、エンジン制御機器を表わし、Ｌは論理制御回路を表わし、ＥＳは、出力段を表わしている。この出力段ＥＳは、実質的にパワートランジスタＬＴと点火プラグＺＫと点火コイルＺＳを含んでいる。この場合、パルス列を生成する電子制御パーツ、つまり論理制御回路Ｌと出力段ＥＳは、点火コイルＺＳ脇ないしは内部に設けられていてもよい。
【００３９】
エンジン制御機器ＭＳにより、目下の燃料噴射モードに依存して制御パルスＳＩが供給される。この制御パルスＳＩは符号化情報を有しており、その情報から論理制御回路Ｌは、目下のところで望ましいのは、低エネルギのもとでのパルス列なのか、または高いエネルギのもとでのパルス列なのか、低いエネルギのもとでの個別パルスなのかあるいは高いエネルギのもとでの個別パルスなのかを識別する。
【００４０】
図３には適切な符号化情報の例が示されている。
【００４１】
ａ）唯一のショート制御パルスＳＩ（約１０〜１００μｓ）：
ラムダ値λ＝１の均質燃焼モードのもとで個別スパーク＝３０ｍＪ
ｂ）２つのショート制御パルスＳＩ（各々約１０〜１００μｓ）：
ＥＧＲ機能の伴う均質希薄燃焼モードのもとで個別スパーク＝６０ｍＨ
ｃ）ロング制御パルスＳＩ（約１〜５ｍｓ）：
成層燃焼モードのもとでパルス列ベース３０ｍＪ
ｄ）ショート制御パルスＳＩ（約１０〜１００μｓ）の後のロング制御パルスＳＩ（約１〜５ｍｓ）：
冷間時始動および／またはガレージ始動あるいはその他の特に臨界的なエンジン条件のもとでのパルス列ベース６０ｍｊ
本発明は前述した有利な実施例に基づいて説明したが、これは本発明の限定を意味するものではなく、本発明は多種多様な変化実施例が可能である。
【００４２】
特に本発明は図面に示したようなパルス形態、エネルギー時間、点火時間に限定されるのでは、任意の汎用化が可能である。もちろんさらなる噴射モードやその他の噴射モードが設けられても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による、スパーク電流経過ｉＦを時間軸ｔに亘って表わした図である。
【図２】本発明の第２実施例によるスパーク電流経過ｉＦを時間軸ｔに亘って示した図である。
【図３】第１ないし第２実施例の実現のための制御装置を概略的に示した図である。
【図４】回転トルクＭと回転数Ｎとの依存性を内燃機関の様々な作動モード毎に表わした図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年6月20日(2002.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
燃料噴射が交互に少なくとも第１の作動モード（Ｈ１，Ｈ２）かまたは第２の作動モード（Ｓ）で実施され、
点火コイルが一次側電流に依存して点火エネルギで充電され、
目下の作動モードを特徴付ける制御パルス経過（ＳＩ）が設けられ、
点火コイル（ＺＳ）の充電が、論理制御回路（Ｌ）により、そのつどの特徴付けられた制御パルス経過（ＳＩ）に応じて一次側電流の相応の種々異なる時間経過を用いて実施され、
それによって点火コイルから点火プラグにトリガされた点火スパークが、少なくとも第１の作動モードと第２の作動モードに対して種々異なって実施されるようにしたことを特徴とする、内燃機関のための点火方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記点火コイルは、線形な磁化可能性領域を有する磁気回路を有しており、該磁気回路は、高い初期スパーク電流を必要とする作動モードにおいて点火コイルにより、当該磁化可能性の飽和が開始されるまで制御される、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
【国際調査報告】
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