(57)【要約】本発明は、中間パワーユニット無しに、半導体パワーエンドステージによって直接点火用変圧器に印加される１４Ｖまたは４２Ｖ用点火システムに関する。半導体パワーステージは、より上位のエンジン制御装置からの入力信号に従って、点火制御装置によって作動される。ゆえに、電流は点火用変圧器の一次側で増加する。点火用変圧器の一次側は、所定最大電流値が最初に達成された後、所定期間消される。この期間中、スパーク開始用の高電圧が、自己誘導作用の原理で、スパークプラグの電極で発生される。スパークを出した後、点火用変圧器の一次側は、より上位のエンジン制御装置によって決定される点火プロセスの終了まで時限制御および電流制限される。時限コントロールは、選択された所定時間間隔で働き、それによって半導体パワーステージが交互にスイッチオンおよびオフされる。電流制限は、前記時限コントロールに重ねられ、一次電流が所定最大値に達すると常に点火用変圧器の一次側を消す。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車載パワーシステム電圧、少なくとも１つの電子点火システム（ＩＣ、６、７）、少なくとも１つの点火用変圧器（１）および少なくとも１つのスパークプラグ（５）を具備する、内燃機関の点火システムであって、
前記車載パワーシステム電圧が前記点火用変圧器（１）の一次側（Ｌ１）に印加され、
作動信号（Ｚ１）によって事前定義される時間ウインドウ中に、重ねられた最大電流制限での時限コントロール動作は前記点火用変圧器（１）内の一次電流（Ｉｐ）に対して電子点火システム（６、７、Ｒ１、ＩＣ）によって次のように実行され、
所定制限値（Ｉｐ＋ｍ）に達した後に一次電流（Ｉｐ）が所定の第１の時間間隔（ｔａｕｓ）でスイッチオフされることにより、時間ウインドウの開始時に、スパーク放電破壊はスパークプラグ（５）において達成され、
次に、一次電流（Ｉｐ）は重ねられた最大電流制限での時限コントロールによって時間ウインドウの終了まで交互にスイッチオンおよびオフされることを特徴とする、点火システム。
【請求項２】
スイッチオンされた前記一次電流でのスパーク放電破壊後に、前記一次電流の一部はスパーク電流を維持するために使用され、前記一次電流の一部は、点火用変圧器（１）内に保存される磁気エネルギーの形態のポスト点火リザーブを蓄積するために使用されることを特徴とする請求項１に記載の点火システム。
【請求項３】
逆阻止ダイオード（Ｄ１）が点火用変圧器（１）と電子点火システム（ＩＣ、６、７）との間に接続されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の点火システム。
【請求項４】
前記スパークプラグ（５）および前記点火用変圧器（１）はロッド型点火用変圧器として具化されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の点火システム。
【請求項５】
前記電子点火システム（ＩＣ）、前記点火用変圧器（１）および前記スパークプラグ（５）は点火ユニット内に一体化されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の点火システム。
【請求項６】
前記電子点火システム（６、７、Ｒ１）はロッド型点火用変圧器から独立して形成されることを特徴とする請求項５に記載の点火システム。
【請求項７】
前記電子点火システム（６、７、Ｒ１）は、前記点火コントロール装置（７）、前記半導体パワーステージ（６）および電流センサ（Ｒ１）を含むことを特徴とする請求項５あるいは６に記載の点火システム。
【請求項８】
前記逆阻止ダイオード（Ｄ１）が前記半導体パワーステージ（６）の出力ステージ（Ｑ１）のドレーン端子と前記点火用変圧器（１）の一次巻線（Ｌ１）との間に接続されることを特徴とする請求項７に記載の点火システム。
【請求項９】
前記電子点火システム（ＩＣ）は集積回路として具化されることを特徴とする請求項７に記載の点火システム。
【請求項１０】
前記時限コントロールは、選択された所定時間間隔（ｔｅｉｎ、ｔａｕｓ２）で動作することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の点火システム。
【請求項１１】
前記所定時間間隔（ｔｅｉｎ、ｔａｕｓ２）は、内燃機関内を支配する動作条件に対応するように選択されることを特徴とする請求項１０に記載の点火システム。
【請求項１２】
前記点火用変圧器（１）は５０よりも大きい変圧比ｕｅを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の点火システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの動作段階がある時限および電流制御式点火ステージを有する、１４Ｖまたは４２Ｖ車載パワーシステム電圧での内燃機関用ハイブリッド点火装置に関する。第１の動作段階では、スパーク放電破壊の自己誘導電圧が、点火用変圧器の磁界内に保存されたエネルギーから発生される。第２の動作段階では、点火ステージおよび重ねられた電流制限の時限コントロールを備えた点火システムが、点火スパーク用の交流電圧を発生させるので、スパーク位置にガスが流れるため発火電圧を増加させる要件があっても、点火スパークは中断せずに発火される。ハイブリッド点火システムは、いかなる中間のパワーユニットも必要としない。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、Ｂｏｓｃｈ（ボッシュ社）の特許文献１に記載されているような点火システムに基づいている。このような交流電流点火システムは、共振コンバータの原理に従って動作する。典型的な構造は、車載パワーシステムの車載パワーシステム電圧が、共振コンバータとして供される点火用変圧器の一次側に２００Ｖ程度の大きさの値まで昇圧する中間パワーユニットを含む。半導体パワー出力ステージは、コントロール装置を使用して作動され、点火用変圧器の一次側の電流は、所定可変スイッチオフ電流に達すると中断される。点火用変圧器の二次側の電流は、スパーク電流に相当し、点火用変圧器の変圧比、特に本質的に、一次電流、点火用変圧器の結合係数、および一次側および二次側のインダクタンスの比の平方根から生じる。
【０００３】
交流電流点火システムは、中間パワーユニットからの点火エネルギーが点火スパークに継続的に送られる、容量的にまたは純粋に誘導的に動作する点火システム上で利点がある。点火スパークの最大発火期間は、点火システムの中間パワーユニットの最大パワーによって決まる。スパーク点火およびイオン電流測定技術を組み合わせることによって、スパークプラグおよび点火スパークを含む全点火プロセスを、最小限のスパーク電流、ゆえに最低限度のスパークプラグの浸食で継続的にモニター、および動作を可能にする閉コントロール回路が得られる。
【０００４】
【特許文献１】
独国特許第  １９７  ００  １７９  Ｃ２号明細書
【特許文献２】
独国特許出願公開  １９８  ４０  ７６５  Ａ１号明細書
【特許文献３】
独国特許第  １９９  ６２  ３６８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
先に記載の交流電流点火システムは、ほぼ２００Ｖの中間電圧を発生させるパワーユニット、および点火ステージとして共振コンバータが必要となる欠点がある。パワーユニットおよび共振コンバータは、製造や設置のため追加的なコスト増となる。本発明の目的は、ゆえに中間パワーユニットを用いず、共振コンバータも用いず、しかも交流電流点火システムの利点を失うことなく適切な点火システムを開示することである。
【０００６】
この目的は、独立請求項の特徴による本発明に従い達成される。さらに有効な実施形態は従属請求項に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本目的は、中間パワーユニット無しで点火ステージに直に印加される１４Ｖまたは４２Ｖの車載パワーシステム電圧用の点火システムとして達成される。上位のエンジンコントロール装置からの入力信号の後、半導体パワー出力ステージが、点火コントロール装置によってスイッチオンされる。その結果、電流が点火用変圧器の一次側に蓄えられる。所定最大電流値に最初に達した後、点火用変圧器の一次側が所定期間スイッチオフされる。この期間内に、スパーク放電破壊の高電圧が、自己誘導作用の原理に従って、点火用変圧器の二次側に接続されるスパークプラグの電極に蓄積される。スパーク放電破壊後に、点火用変圧器の一次側は、上位のエンジンコントロール装置によって事前に決定される点火プロセスの終了まで時限および電流制御される。時限コントロールは、半導体パワーステージが交互にスイッチオンおよびスイッチオフされる選択された所定時間間隔で動作する。スイッチオン時間は、短時間に車載パワーシステム電圧と点火用変圧器の変圧比との積からもたらされる限定された電圧供給のため点火プラズマの効率が減少するときは、比較的高い自己誘導電圧がスイッチオフ時間中に再び生成されるよう短くなるように選択される。但し、スイッチオン時間は、蓄積されたエネルギーがほとんど無い場合、蓄積エネルギーの断続的な補充が行われるような長さとなるように選択される。第１のスパーク放電破壊の高電圧を蓄積させるために、大量のエネルギーが必要となるのでエネルギーが再び充電されなければならない。スイッチオフ時間もできるだけ短くなるように選択されるので、スイッチオフ時間中に点火用変圧器内に蓄積されたエネルギーの降下も小さい。典型的な値は、スイッチオン時間が１０〜２００μｓであり、スイッチオフ時間が５〜５０μｓである。電流制限は、時限コントロール上に重ねて設定され、一次電流が所定最大値に達したときには何時でも点火用変圧器の一次側をスイッチオフする。
【０００８】
最大電流制限は、点火システムの構成要素、および車載パワーシステムを過負荷から保護する。点火用変圧器の高結合係数と併せて、最大電流制限は、スイッチオン時間中の点火スパーク電流をも都合良く制限する。
【発明の効果】
【０００９】
主に次の効果が本発明で達成される。
【００１０】
点火用変圧器は、１４Ｖの車載パワーシステム電圧用には１００よりも大きく、４２Ｖの車載パワーシステム電圧用には５０よりも大きい変圧比ｕｅ(ｕウムラウト)を有する。点火用変圧器の変圧比が大きいと、車載パワーシステム電圧を点火ステージに直に接続できる。その結果、通常交流電流点火システムにつきものの、車載パワーシステム電圧を２００Ｖまで昇圧する中間パワーユニットは、都合良く省かれる。
【００１１】
交流電流点火システムでは不可欠である共振発振回路は、一次側のスイッチオンおよびオフの反復および点火用変圧器の結合係数＞０．７での、スパーク放電破壊後の点火スパークの時限コントロールの結果、省かれる。スイッチオンおよびオフのプロセスは、フォワードコンバータ原理および自己誘導またはフライバックコンバータ原理に従って交流電流を、点火ステージにおいて、ゆえにスパークプラグにもたらす。
【００１２】
一次電流を反復的にスイッチオンすることで、エネルギーは車載パワーシステムから点火用変圧器に反復的に供給される。燃料混合物を点火するのに必要な全エネルギーは、従って点火コイル内または中間パワーユニット内の全エネルギーパッケージのように蓄積される必要がない。点火スパークを維持するために点火用変圧器内に少量のエネルギーを保存すれば十分である。これによりコンパクトな構造の点火用変圧器が可能となり、例えば、ダイムラー・クライスラー社（ＤａｉｍｌｅｒＣｈｒｙｓｌｅｒ  ＡＧ）からの特許文献２、およびこの文献の優先日後に発行された特許文献３に記載されるロッド型点火用変圧器の使用が可能となる。
【００１３】
本発明の発火期間は、エンジンコントロール装置の時限コントロールによって決定され、従来技術におけるように点火用変圧器または中間パワーユニット内のエネルギー含量によるものではないので、本発明による発火期間は、可変となる。点火用変圧器のエネルギー含量が比較的小さいと、発火期間の終了時の点火スパークの短バーンアウト時間ともなり、これは次にイオン電流測定にプラス効果を有する。長いポスト発火（post-firing）期間は、そのポスト発火期間のため、測定結果が実際のイオン電流測定の結果が重畳されているので、イオン電流測定の結果を偽る。
【００１４】
点火スパークがシリンダ内のガス流でかき立てられる場合、本発明による点火システムは、相応な高いスパーク電圧を供給し、非常に高いスパーク電圧があるときに必要な放電破壊電圧を伴ってその電極の近くで点火スパークを再開する能力を有する。一旦スパーク放電破壊が起こり、燃焼混合物がすでにイオン化されると、著しく低い放電破壊電圧でも、新たなスパーク放電破壊に十分となる。但し、本発明では、この放電破壊電圧は、一次電流が時限コントロールによってスイッチオフされるときには何時でも再び達せられるので、点火スパークに対して強いガスの流れがある場合、全発火期間にわたって反復的に再点火することも可能である。
【００１５】
このポスト点火リザーブは、スイッチオン時間内の発火期間中に、一次電流の一部が点火スパークを維持するために使用され、一次電流の一部が点火用変圧器内に磁界を蓄積させるために使用される場合、有効に成立される。
【００１６】
点火スパークが予期せず消されてしまった場合、本発明による点火システムは、オプションとして点火スパークをポスト点火（post-ignite）する能力を有する。この目的で、点火用変圧器の一次巻線Ｌ１への半導体パワー出力ステージの接続は、選択的に逆阻止ダイオードＤ１で形成される。このダイオードの効果は、点火スパークが出ると、Ｄ１への接続部におけるＬ１の自己誘導電圧は、プラスの電圧からマイナスの電圧に振動でき、点火用変圧器の固有振動数で戻る。その結果、スイッチオフ時間中、エネルギーが点火用変圧器内に戻るように保存される。点火用変圧器は、ポスト点火リザーブを備えている。スイッチオン時間中、追加のエネルギーが点火用変圧器内に保存される。その保存エネルギーで、新たなスパーク放電破壊の高電圧が、スイッチオフ時間中のスパークプラグのＬ２における点火用変圧器の二次側に蓄積される。このプロセスは、新たなスパーク放電破壊まで継続する。
【００１７】
本発明の実施形態を以下で図を参照して一例として詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明の概略図を示す。一体化された整流器ブリッジ３を備えた車載パワーシステムジェネレータ２および車載パワーシステムバッテリ４によって発生される車載パワーシステム電圧は、半導体パワーステージ６および選択的ダイオードＤ１を経て、一次巻線Ｌ１および二次巻線Ｌ２を備えた点火用変圧器１に印加される。点火用変圧器の二次側Ｌ２はスパークプラグ５の電極に接続される。スパークプラグおよび点火用変圧器は、例示された典型的実施形態では一体に形成されたロッド型点火用変圧器として示される。これは本発明の実施形態の有効な改良型である。本発明の次善の実施形態としては、点火用変圧器およびスパークプラグは、互いに独立されており、互いに電線で接続されるような構成としても具化できる。点火用変圧器の一次側Ｌ１は、その両端のうちの一方が車載パワーシステム電圧のプラス電圧レールに接続され、その他方の側で、半導体パワー出力ステージ６と、車載パワーシステム電圧の接地線でここでは測定抵抗器Ｒとして具化される電流センサとに接続される。半導体パワー出力ステージ６は、点火コントロール装置７によって作動される。点火コントロール装置、半導体パワーステージおよび電流センサは、電子点火システムの典型的実施形態である。電子点火システムは、この実施形態に限定されない。一次コイル内の電流がそれによって測定される電流プローブを電流センサとして使用することも可能である。
【００１９】
パワーステージは、必ずしも半導体パワーステージとして具化される必要はない。点火コントロール装置とエンジンコントロール装置の間の区分は、単に概念的でしかなく、その用途に関する実際の条件に従って決まる。特に、点火コントロール装置およびエンジンコントロール装置はユニットとして形成されても良い。しかしながら、集積回路としてロッド型点火用変圧器に一体化される一体型電子点火システムが好ましい。
【００２０】
信号波形、およびスパークプラグの電極における信号波形でもたらされる電流電圧／時間に関する概略図が図２で例示される。点火コントロール装置は、上位におかれたエンジンコントロール装置からまたはクランクおよびカム軸センサから、点火スパークがその範囲内で発火することとなる時間ウインドウを事前定義する作動信号Ｚ１を受け、点火がエンジンシリンダの燃焼室内で行われる。作動信号Ｚ１が点火コントロール装置７に供給された後、点火コントロール装置７が半導体パワーステージ６をスイッチオンする。半導体パワーステージは、出力ステージＱ１を作動させる適当な増幅回路８から形成される。出力ステージは、そのゲートが増幅回路８によって作動されるＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴから形成されるのが好都合である。
【００２１】
出力ステージＱ１がＭＯＳＦＥＴのゲートを作動させることによってスイッチオンされた後、点火用変圧器の一次側Ｌ１が車載パワーシステムの２つの電圧レベルに導通される。その結果、一次電流Ｉｐが点火変圧器に溜まる。この一次電流は、電流センサを使用して検出され、点火コントロール装置７によって感知される。図１に例示された実施形態では、電流センサは、一次側Ｌ１の接地線の測定抵抗器Ｒ１を介しての電圧タップから形成される。電圧タップは、点火コントロール装置に接続される。一次電流が、点火コントロール装置内に保存されるプリセット制限値Ｉｐ＋ｍに達する場合、点火コントロール装置７は、所定期間ｔａｕｓで出力ステージＱ１をスイッチオフする。その結果、スパークプラグの電極におけるスパーク放電破壊の高電圧が、点火用変圧器の二次側Ｌ２に自己誘導で蓄積する。期間ｔａｕｓ後、一次側の電流は、これも事前定義される期間ｔｅｉｎに再びスイッチオンされ、期間ｔｅｉｎ後、さらなる所定期間ｔａｕｓ２で再びスイッチオフされる。一次電流のスイッチオンおよびスイッチオフ動作は、作動信号Ｚ１によって事前定義される最大発火期間の終了まで周期的に反復する。その結果、交流電圧は、存在する作動信号Ｚ１の終了までスパークプラグの電極で生成される。
【００２２】
最大電流制限は、作動信号Ｚ１が加えられる全期間の所定時間間隔を基にして一次電流のこの純粋時限コントロール上に重ねられ、前記最大電流制限は、一次電流が所定最大値Ｉｐ＋ｍを超えるときには常に時限コントロールに関係なく一次電流をスイッチオフする。最大電流制限は、点火システムおよび車載パワーシステムの構成要素を過負荷から防ぐ。点火スパーク電流はまた、点火用変圧器の高結合係数と併せて、最大電流制限によってスイッチオン時間中に都合良く制限される。
【００２３】
最大発火期間はクランク軸の回転速度の関数として変化するので、最大発火期間の時間ウインドウも、クランク軸の回転速度と共に変化する。
【００２４】
最大発火期間は、第１のスパーク放電破壊の充電時間ｔＬと共に作動信号Ｚ１の長さを形成する。その結果、スパークプラグの発火期間は、可変に保たれ、それぞれのエンジン速度に適合される。作動信号Ｚ１の終了時に、点火コントロール装置内の時限コントロールおよび電流制限は、次回の新作動信号が加えられるまで中断される。その結果、出力ステージＱ１もスイッチオフされるので、作動信号Ｚ１の終了時に点火スパークのスイッチオフがモニターされる。
【００２５】
一次電流を最大限活用するために、高い結合係数が目標とされる。一次側スイッチオフ電流を変えることによって、スパークプラグのスパーク電流を制御すること、ゆえにそれをシリンダ内の様々な燃焼室条件に適合させることが可能となる。本発明に適している点火用変圧器は、０．７〜０．９９の範囲の結合係数ｋ、１２Ｖ〜１４Ｖの車載パワーシステム定格電圧に対して１００よりも大きいかまたはそれに等しい変圧比ｕｅ(ｕウムラウト)および４２Ｖの車載パワーシステム定格電圧に対して５０よりも大きいかまたはそれに等しい変圧比ｕｅ(ｕウムラウト)を有する。変圧器の変圧比は、結合係数ｋと一次側Ｌ１に対する二次側Ｌ２のインダクタンスの比から形成される平方根との積として定義される。
【数１】
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【００２６】
点火ステージの比較的高い変圧比の結果として、および一次電流の時限コントロールによる点火エネルギーの継続的連続的な供給の結果、中間パワーユニットや共振発振回路を省略することが可能となる。
【００２７】
所定時間パラメータｔＬ、ｔａｕｓ、ｔｅｉｎ、ｔａｕｓ２は、内燃機関の燃焼室内の動作条件、および点火用変圧器の構成に依存する。これらの値は、エンジンのそれぞれの電流動作条件に対して決定されるが、例えば、エンジン負荷またはエンジン温度についてエンジン速度が変化したことにより、動作条件が変化するときには他の値を容易に想定できる。一次側電流制限が２０〜３０Ａとすると、２００μｓ〜５００μｓの充電期間ｔＬのパラメータ範囲が１４Ｖ車載パワーシステムに対して得られ、５０μｓ〜２００μｓの充電期間ｔＬが４２Ｖ車載パワーシステムに対して得られる。１０μｓ〜２００μｓのパラメータ範囲は、スイッチオン時間ｔｅｉｎの両方の車載パワーシステム電圧に対して得られる。５μｓ〜５０μｓのパラメータ範囲も、両方の車載パワーシステム電圧の２つのスイッチオフ時間ｔａｕｓおよびｔａｕｓ２に対して得られる。点火用変圧器の結合係数は好ましくはｋ＝０．９５である。
【００２８】
図３は、本発明の好ましい実施形態を示す。複数の一体に形成されたロッド型点火用変圧器は、車載パワーシステムから車載パワーシステム電圧が供給され、一体に形成された電子点火システムを備えた各ロッド型点火用変圧器は、最大発火期間の時間ウインドウとして作動信号を使用する、図２に関して記載されたようなエンジンコントロール装置によって作動される。図１に関連して記載され、点火コントロール装置７、半導体パワーステージ６、および一次電流を測定するのに必要である電流センサから構成される電子点火システムは、集積回路ＩＣの形態で各ロッド型点火用変圧器に一体化される。ＩＣは、図１および２で記載されものと同様に電流制限および時間コントロールを実行する。車載パワーシステムによって電圧が供給される一体に形成されたロッド型点火用変圧器数は、エンジン内の燃焼室数および１本のシリンダ当たりに提供されるスパークプラグ数に依存する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による点火システムの概略図を示す。
【図２】本発明による点火システムの駆動信号に対する電圧および電流の経時変化に関する概略図を示す。
【図３】点火スパークの時限コントロール手段および電流コントロール手段がそれぞれ一体化される、複数のロッド点火用変圧器を有する本発明の好適な実施形態を説明する概略図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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2004525302.tif 000021
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【国際調査報告】
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2004525302.tif 000026
2004525302.tif 000027
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