JP2006250099A - 火花点火エンジン、当該エンジンに使用する制御装置、及び当該エンジンに使用する点火コイル - Google Patents

Abstract

【課題】
同一点火プラグに２回以上点火火花を発生させるエンジンにおいて、主点火の失火によるトルク低下がなく、運転条件に応じた適切な時期に着火・燃焼でき、失火が少ないエンジンを提供することを目的とする。
また、上記目的を達成するための新しい制御装置及び新しい点火コイルを提供することを目的とする。
【解決手段】
気筒毎に１つの点火プラグと、１つの点火コイルとを備え、当該気筒の圧縮行程中に複数回の点火を行う際に運転条件に応じた適切な時期に着火・燃焼させるメインの点火タイミングより前に、点火プラグ周囲に火種を作るための予備的先行点火を行い、続いてメインの点火により主燃焼させることで失火を防止し、適切な発生トルクを確保することで燃焼安定性を向上することである。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火エンジンに関し、特に点火制御のための制御装置及び点火コイルに関する。

火花点火エンジンでは着火性の向上や燃焼安定性の向上を目的として複数回の点火を行うことが知られている。特開平９−１１２３９８号公報には、１気筒当たりに１つの点火プラグと１つの点火コイルを備えたエンジンにおいて、何らかの理由により点火時期が進角してしまった場合に燃焼安定性が損なわれてしまうのを防止するために、圧縮行程中に複数回の点火を行う技術が記載されている。

また、特開２００２−２０６４７３号公報には複数回点火する際に生じる非放電期間に着火の機会を失うことを防止する目的で、１気筒当たりに２つの点火コイルを備え、点火間隔の設定自由度を広げる技術が記載されている。

特開平９−１１２３９８号公報 特開２００２−２０６４７３号公報

しかしながら、上記２つの技術はいずれも、１回目の点火を主点火とし、この１回目の点火で着火・燃焼させることを基本としている。そして、何らかの事情により１回目の点火が失火した場合に２回目の点火で着火させようとする考え方である。

そのため１回目の点火タイミングは運転条件に応じて決定される適切な時期に設定されるものの、２回目の点火タイミングはその適切な時期より遅れた時期に設定される。このため、１回目の失火を２回目で救済したとしても、適切な点火時期でないタイミングで着火することになり、エンジンの発生トルクが低下して燃焼安定性を損なう恐れがある。

したがって、メインの点火となる１回目以降に複数回の点火を行っても点火タイミングが適切でない場合は、着火の機会は増えるものの燃焼安定性向上の観点からは十分ではない。

そこで本発明では、運転条件に応じた適切な時期に着火・燃焼でき、失火が少ないエンジンを提供することを目的とする。

また、上記目的を達成するための新しい制御装置及び新しい点火コイルを提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、本発明になるエンジンは、メインの点火タイミング（主点火時期とも呼ぶ）より前に、予備的先行点火を行うものである。

具体的には主点火に先立って、その主点火の点火エネルギより小さい点火エネルギで少なくとも１回の予備的先行点火が行われる。

このような主点火に先立って予備的先行点火を行うために、制御装置は圧縮行程中の気筒の点火コイルに対して通電パルスを複数回供給し、複数回の通電パルスのうち、最後の通電パルス幅が最も長く設定される。

また、点火コイル自体は、一個でも二個でもよいが、二個の場合は一方のコイルが予備的先行点火を行うための比較的少ない点火エネルギを点火プラグに供給し、別のコイルが主点火を行うための比較的大きな点火エネルギを点火プラグに供給するよう構成される。

二つの点火コイルが、一つの筐体に収納されていると好都合である。

また、一つの点火コイルがプラグホールに収容できる筒状型で、他の一つが筒状コイルの上端に配置された横置き型のコイルであると好都合である。

かくして、主点火が低減でき、失火によるトルク低下が少ないエンジンが提供できる。

本発明の原理に基づいた実施例のコンセプトについて図１を用いて説明する。本実施例のエンジンは、１気筒当たりに１つの点火プラグ１を燃焼室９のほぼ中央部に備えている。吸気バルブ２と排気バルブ３とピストン５によって密閉された燃焼室内の混合気にプラグ１で着火し、燃焼させることでピストン５を上下に駆動してトルクを発生させる。本実施例ではインジェクタ４が燃焼室に直接燃料を噴射するいわゆる筒内直接燃料噴射タイプのエンジンに適用したものを示している。図１はエンジンの圧縮行程中の様子を時系列に示したものである。１回目の予備的先行点火では、燃焼室９内の混合気全体が着火，燃焼しない程度の小さい点火エネルギを供給し、点火プラグギャップに火花８を発生する。この火花８は点火エネルギが小さいので、着火時の火炎は周囲への放熱により冷却され燃焼室全体まで伝播はしない。この火炎によって、点火プラグ周囲には火種８ａが形成される。この火種８ａは空気流動生成機構６により吸気行程で生成された燃焼室内の空気流動７により、点火プラグギャップから移動し周囲の混合気を活性化させる。空気流動生成機構６は仕切り壁６ｄによって二つの通路６ａ，６ｂに区画された吸気通路とその一方の通路を開閉する開閉弁６ｃより構成される。開閉弁６ｃが閉じた状態では吸入空気は通路６ａのみを通って燃焼室９内に入ることになる。その結果燃焼室９内に旋回流としての空気流動７が発生する。仕切り壁６ｄが吸気通路を上下に区画するものである場合は旋回流は燃焼室内にタンブル(たて渦)を発生させる。仕切り壁６ｄが吸気通路を左右に区画するものである場合は旋回流は燃焼室内にスワール（横渦）を発生させる。

その後、点火プラグ１のギャップ周囲には未反応の混合気が移動してきて、２回目の主点火８ｂが行われる。この２回目の点火タイミングは運転条件に応じた適切な時期に設定される。しかも１回目のエネルギより大きい点火エネルギが供給される。これにより、燃焼室全体の混合気が着火，燃焼し、ピストン５を押し下げてトルクを発生する。この２回目の主点火８ｂは、１回目の予備的先行火花８により燃焼室９内の混合気の一部が活性化されており、燃焼し易い状態となっているため着火性が向上しており失火を防止する効果がある。また、２回目の主点火タイミングは運転状態に応じた適切な時期に設定するので発生トルクの低下がなく、燃焼変動の発生を防止できる。このことが本発明を用いた実施例の重要なポイントである。上記の説明では点火回数を２回（予備的先行点火１回，主点火１回）に設定した実施例について説明したが、２回に限定するものではない。エンジンの回転数などの運転条件によっては予備的先行点火を２回ないしは３回実施してもよい。複数回点火のうち最後の点火を図１の２回目の主点火に相当する点火とし、他の予備的に先行する点火のエネルギより大きなエネルギを与えるように設定することができる。なお、１０は排気管で、エンジンの排気行程で排気弁３が開くと燃焼ガスを排気する。

次に点火エネルギの設定方法について説明する。図２は点火エネルギと燃焼変動を表す指数σＰｉの関係を示したものである。σＰｉはエンジンのトルク変動に関係しており、変動許容レベルより大きくなると運転者に不快感を与えるため、許容レベル以下に抑える必要がある。点火エネルギが小さい領域では、σＰｉが大きくなっており許容レベルを超えている。したがって、許容レベル以下にするためには最低Ｅ２（ｍＪ）以上の点火エネルギが必要となる。したがって、図１で示した２回目の点火は、Ｅ２（ｍＪ）以上の点火エネルギを設定する。一方、予備的先行点火の目的は点火プラグギャップに火種を作り、混合気の一部を活性化することであるので、１回目の点火エネルギはＥ２（ｍＪ）より小さいエネルギに設定する。

図３に本実施例の点火制御装置の概念図を示す。ＥＣＵ１２はエンジンの制御装置であり、各種センサからの信号に基づいて点火制御以外に燃料噴射，空気量などの制御も行っている。１３で示す波形はＥＣＵ１２から点火コイル１１に出力される点火信号であり、本発明ではＩＧＮ１が予備的先行点火、ＩＧＮ２が主点火に該当する。この点火信号１３に応じたタイミングとエネルギで、１回目の火種８ａと２回目の点火８ｂが行われる。１気筒当たりに点火コイル１１，点火プラグ１を１つずつ備えており、多気筒エンジンの場合は気筒数分の点火コイルと点火プラグを備えている。また、図３では省略しているが、ＥＣＵ１２は気筒数分の点火信号を別々に出力して制御している。

次に予備的先行点火と主点火の間隔の設定方法を説明する。図４は運転条件一定での点火タイミングとエンジントルクの関係を示したものである。横軸は１回目の点火または２回目の点火タイミングであり、図中右方向が点火リタード側、左方向が点火進角側である。点火信号１３をグラフ上に示す。点火エネルギの大きさは点火信号１３のパルス幅で設定することが可能であり、２回目の点火エネルギは図２で示したようにＥ２（ｍＪ）になるようにパルス幅を設定した。１回目の点火エネルギを各種設定した時の結果をグラフ中に示す。実線１５は予備的先行点火を行わずに主点火のみで着火，燃焼した場合のトルク曲線を示している。ここでは説明の都合上ＩＧＮ２と表示する。この運転条件での最適点火タイミングは図中○印で示した点であり、それより早くても遅くてもエンジントルクは低下する。最適点火タイミングより進角側でエンジントルクが低下するのは、燃焼開始が早くなるのに伴い燃焼終了時期も早くなってしまい、上死点前に筒内圧力のピークに達し、燃焼により発生した圧力をトルクに効率良く変換できないためである。圧縮行程中のピストンは、燃焼により高圧化した筒内圧力に逆らって上昇しなくてはいけないので損失がさらに増加することになる。

ＩＧＮ２の点火タイミングを○印の点に固定し、予備的先行点火ＩＧＮ１を作動させたときの結果が実線１６〜１９である。ここでは、ＩＧＮ１の点火エネルギＥ１（ｍＪ）と点火タイミングを変化させている。実線１６はＥ１＝Ｅ２（ｍＪ）とした場合である。
ＩＧＮ１の点火タイミングを進角していくと実線１５とほぼ同じ傾斜でエンジントルクが低下していくが、途中からエンジントルクが回復する傾向がみられ、破線２３より進角するとエンジントルクは○印の値まで回復する。

この現象は以下のように理解することができる。
（１）まず、ＩＧＮ１の点火エネルギをＥ１＝Ｅ２（ｍＪ）としたので、ＩＧＮ２のみを進角させたときと同じトルクカーブ１５をトレースする。このときＩＧＮ２も○印のタイミングで点火はしているが、ＩＧＮ１により燃焼室内の混合気は燃焼してしまっているので、ＩＧＮ２の点火は燃焼に寄与していない。
（２）ＩＧＮ１をさらに進角し破線２４から２３の範囲（領域２０）は、本来ＩＧＮ２の１回点火だけでは失火してトルクが発生しなくなってしまう領域であるが、予備的先行点火ＩＧＮ１の作用により形成された火種が燃焼室内に拡散し、主点火ＩＧＮ２の着火，燃焼を補助することでエンジントルクが回復する。
（３）しかし、さらにＩＧＮ１を進角して破線２３を越える（領域２２）と、ＩＧＮ１の作用はなくなり、ＩＧＮ２のみで点火する（領域２１）ことになるためエンジントルクは○印の値に回復する。この時、予備的先行点火ＩＧＮ１により火種は形成されるが、IGN2との間隔が開き過ぎてしまうために予備的先行点火の効果が主点火ＩＧＮ２に及ばなくなってしまうためである。

したがって、本発明の効果は予備的先行点火ＩＧＮ１の点火タイミングを破線２３から２４の間（領域２０）に設定した場合に現れることが判る。

しかし、予備的先行点火ＩＧＮ１による火種形成，混合気活性化は燃料の一部を消費することになるので、火種形成に使われる燃料量を極力少なくする必要がある。火種形成に消費される燃料量は○印で示したエンジントルクとの差で表される。ＩＧＮ１の点火エネルギを小さくした場合、実線１７から１９のように点火エネルギに応じてエンジントルクの落ち込みが少なくなっており、火種形成に使われる燃料量が少なくなっていることが確認できる。したがって、本発明のポイントである予備的先行点火のエネルギを小さくすることは、過早着火を防止するとともに、効率的に火種を形成するために重要である。

図５，図６に、１回点火と２回点火のエンジン性能の比較を示す。１回点火はＩＧＮ２のみで点火エネルギはＥ２（ｍＪ）である。２回点火は予備的先行点火ＩＧＮ１と主点火ＩＧＮ２で点火し、ＩＧＮ１のエネルギはＥ２／１６（ｍＪ）、ＩＧＮ２のエネルギは
Ｅ２（ｍＪ）に設定し、ＩＧＮ１とＩＧＮ２の間隔は図４で示した破線２３から２４の間(領域２０)に設定した。図５はＩＮＧ２の点火タイミングを変化させた時の結果である。１回点火では、ＩＧＮ２の点火タイミングをリタードしていくと実線２５のようにσＰｉが悪化していくのに対し、２回点火では実線２６のようにσＰｉが若干向上する効果が見られる。メインの点火ＩＧＮ２が進角し過ぎると燃焼時の等容度が悪化し燃焼の効率が下がるため、燃焼変動が許す範囲でリタードするのが好ましい。また、２回点火ではＮＯｘ排出濃度が上昇している。これは予備的先行点火ＩＧＮ１の効果により主点火ＩＧＮ２の燃焼速度が向上していることを表している。１回点火と２回点火のσＰｉが同等となる
ＩＧＮ２に設定したときの筒内圧力と燃焼割合を図６に示す。筒内圧力は本発明による２回点火の方が高くなっており、燃焼割合では燃焼初期の燃焼速度が１回点火と比較して速くなっていることが判る。このことから２回点火では、ＩＧＮ２の点火タイミングをさらにリタード（遅角）することが可能となり燃焼の効率が向上する。

以上のような本発明の実施例の一つとして、均質ＥＧＲ燃焼時の燃費向上効果が期待できる。筒内噴射エンジンの一部で採用されている成層燃焼とポート噴射エンジンの大部分で採用されている均質燃焼の燃焼速度は、成層燃焼の方が速いことが一般に知られている。これは混合気が点火プラグ周りに集中化しており着火性が良いためである。一方、均質燃焼においては燃費向上の観点から希薄燃焼やＥＧＲ燃焼を採用する例があるが、これらの燃焼方式では点火プラグ周りの混合気濃度は薄くなる傾向にあり、着火性は悪化し燃焼速度も低下する。その結果、燃焼変動が大きくなり空燃比のリーン化やＥＧＲ率が制限され、燃費向上が阻害される。本発明の点火制御による燃焼速度向上技術を適用することで、ＥＧＲ燃焼時の燃焼速度を向上し燃焼変動が抑えられるのでσＰｉが低く抑えられる。その結果、ＥＧＲ率を大きくすることが可能となり燃費が向上する。図７はＥＧＲを入れない場合の燃料消費率をベースとした燃費向上率を示している。１回点火では燃焼変動の制約からＥＧＲ率は３０％に制約されるため、燃費向上率は約１０％である。一方、２回点火では上記の効果により、ＥＧＲ率が３５％まで大きくすることが可能となり燃費も約１３％向上する。

図８は燃焼室内に生成される空気流動７ａについて説明したものである。図１に示した空気流動７は、タンブル流動と呼ばれる燃焼室内の縦渦である。図８はスワール流動と呼ばれる横渦を示している。このスワール流動７ａでは、燃焼室のシリンダ壁面周囲の流速は速くなるものの、中央部の流速は比較的低い。したがってスワール空気流動を利用する実施例では予備的先行点火で形成した火種８ａを点火プラグギャップから移動させて燃焼室に拡散させるためにスワール流動の幅が広くなるよう工夫して点火プラグ周囲にも流れが生じるようにする。こうすることで火種８ａがプラグの周りを旋回しながら拡散し、主点火８ｂを待つことになる。空気流動がタンブル空気流動７の場合は、２つの吸気ポート（２つの吸気弁）から燃焼室内に入った空気流動が排気弁の下方で１本の空気流動に合流して下降し、ピストンの上面をなめるようにして、吸気ポート側へ戻りその位置から上昇してプラグの方向へ流動することになるので火種８ａが燃焼室内に拡散しやすい。

図９に１回点火の概念図を示す。点火信号１３のパルス幅（図中、Ｏｎ Ｔｉｍｅと表示）は点火コイルでの充電期間を制御する。点火信号１３がＯｎとなっている期間、１次コイルに１次電流３１が流れ、点火信号１３がＯｆｆとなった時点で１次電流が遮断され、同時に２次コイルに２次電流が流れ、点火プラグギャップで放電される。１次電流のピーク値ｉ，２次電流のピーク値Ｉおよび放電時間は、点火コイル設計上のパラメータ（１次コイル，２次コイルの巻線比など）を調整することで任意に設定可能である。

図１０は２回点火の概念図を示す。点火の動作については、図９とほぼ同様であるが、予備的先行点火ＩＧＮ１および主点火ＩＧＮ２に対応する添字として、それぞれ“１”と“２”を付けている。

ＩＧＮ１とＩＧＮ２の点火間隔をΔＴとして、式（１）のように定義する。

ΔＴ＝ＩＧＮ１−ＩＧＮ２ （単位：秒） …（１）

ΔＴは運転条件によって変化するが、予備的先行点火ＩＧＮ１の放電中（図中、ｔ１と表示）に主点火ＩＧＮ２の充電（図中、Ｔ２と表示）が始まると、予備的先行点火の放電が停止してしまうので、ΔＴが短い場合には２回点火を禁止する必要がある。すわなち、式（２）（３）で点火制御方法を切替える。

ΔＴ＞（Ｔ２＋ｔ１） ： ２回点火
ΔＴ≦（Ｔ２＋ｔ１） ： １回点火（２回点火禁止）

ΔＴは予備的先行点火による火種が燃焼室内に拡散し、主点火による主燃焼に影響を及ぼす期間であり、主にエンジン回転数の影響を受ける。点火現象は時間に支配されるものであるので、ΔＴ一定と設定するとクランク角度で考えた場合は（ＩＧＮ１−ＩＧＮ２）は大きくする必要がある。しかし、エンジン回転数の上昇に伴って燃焼室内の空気流動が強くなり、予備的先行点火による火種の拡散が速くなるため、主点火に影響する時間が短くなる傾向にある。そのため結果として、（ＩＧＮ１−ＩＧＮ２）はほぼ一定となる。発明者の行った実験では、２０００rpm までは本発明の効果を確認している。

一方、エンジン負荷が上昇すると、空気量が増加し温度が上昇することから着火性が向上する傾向になる。図１１は、図２に示した条件より負荷が大きい条件での実験結果を示している。この条件ではσＰｉと点火エネルギの感度はなく、点火エネルギが小さくても安定して燃焼している。Ｅ１（ｍＪ）のエネルギを絞ったとしてもＩＧＮ１で点火してしまうと過早着火になってしまい、ノッキングやトルク変動の要因になってしまうため、このような条件でも２回点火を禁止する必要がある。図１２に発明者が２回点火の効果を確認した範囲を示す。○印で示した点が実験で効果を確認した条件であるので、エンジン回転数では２０００rpm 、エンジン負荷ＢＭＥＰでは約３.０barまでの領域３０で２回点火は可能となる。

本発明の別の実施例を説明する。図１０で示した２回点火の概念図において、コイルの仕様によってはＩＧＮ２の点火エネルギＥ２（ｍＪ）を発生させるために必要な充電期間Ｔ２を長くする必要がある。しかし、ΔＴとの関係でＴ２の設定範囲に制約がある。しかし、本発明において主点火であるＩＧＮ２の点火エネルギがＥ２（ｍＪ）より小さくなると十分な燃焼安定性を確保できなくなる恐れがある。

図１３に予備的先行点火用のコイルと主点火用のコイルを分けて、１つの点火コイルケースの中に一体化したハイブリット式の構成を示す。

細長い円筒状コイルケース(外装ケース)１０６の内部には、中心（内側）から外側に向けて順にセンターコア１０１，二次ボビン１０２，二次コイル１０３，一次ボビン１０４，一次コイル１０５が配置される。また、二次ボビン１０２におけるセンターコア１０１と二次ボビン１０２間の隙間には、いわゆる軟質エポキシ（可撓性エポキシ）１１７が充填され、二次コイル１０３と一次ボビン１０４間の隙間及び一次コイル１０５とコイルケース１０６間の隙間にはエポキシ樹脂１０８が充填されている。

センターコア１０１，二次ボビン１０２間の絶縁用樹脂を軟質エポキシ１１７としたのは、プラグホール内装着式の独立点火形の点火コイル装置（ペンシルコイル）が厳しい温度環境(−４０℃〜１３０℃程度の熱ストレス)にさらされることに加えて、センターコア１０１の熱膨張係数（１３×１０^-6mm／℃ ）とエポキシ樹脂の熱膨張係数(４０×１０^-6mm／℃）との差が大きいため、通常の絶縁用エポキシ樹脂（軟質エポキシ１１７よりも硬質のエポキシ樹脂組成物）を用いた場合には、上記のヒートショックによりエポキシ樹脂にクラックが生じ、絶縁破壊が起こる心配があるためである。すなわち、このような耐ヒートショックに対処するため、熱衝撃吸収に優れた弾性体で絶縁性を有する軟質エポキシ樹脂１１７を用いた。

この軟質エポキシ樹脂１１７の組成は、例えば、エポキシ樹脂と変性脂肪族ポリアミンの混合物（混合比率は例えば重量比率で１対１で、エポキシ樹脂１００重量部、変性脂肪族ポリアミン１００重量部）であり、その注型工程は次の通りである。

一例をあげれば、二次ボビン１０２にセンターコア１０１を挿入後に、これらを真空チャンバに置いてチャンバ内を真空引きし（例えば４Torr）、この真空状態下で二次ボビン１０２とセンターコア１０１との間に軟質エポキシ樹脂１１７を液状にて注入充填し、その後、大気中で１２０℃で１.５ないし２時間加熱し硬化させる。

このようなこの工程を有することで、真空状態で注入された軟質エポキシ樹脂１１７が加熱硬化時に大気圧の下に置かれるので、二次ボビン１０２，センターコア１０１間の軟質エポキシ樹脂１１７は加熱硬化時に大気圧と真空圧の差圧により加圧成形（圧縮成形）される。

なお、センターコア１０１をあらかじめシリコンゴムにより周囲を包囲した後、二次ボビン１０２に挿入し、エポキシ樹脂１０８を充填してもよい。いずれにしてもセンターコア１０１と注型樹脂であるエポキシ樹脂１０８との間にやわらかい干渉層ができるので、エポキシ樹脂１０８が硬化した後、センターコアとの熱膨張差によって、センターコア
１０１の硬いエッジに接触してエポキシ樹脂１０８がクラックを生じるのを防止できる。

図１３に示すように、円筒状コイルケース１０６と結合されるコネクタ付きコイルケース１０９は、その底部が円筒状コイルケース１０６上部に連通して該コネクタ付きコイルケース１０９の内部からコイルケース１０６の二次コイル１０３，一次ボビン１０４間及び一次コイル１０５，コイルケース１０６間にかけてエポキシ樹脂１０８が注入され、加熱硬化される。

二次コイル１０３と一次ボビン１０４との間、一次コイル１０５とコイルケース１０６との間はエポキシ樹脂１０８により絶縁性が保証されている。エポキシ樹脂１１７は軟質（可撓性）のエポキシで、その上に充填されるエポキシ樹脂１０８は軟質エポキシ１１７よりも硬質である。

このエポキシ樹脂１０８により既述したようにコネクタ付コイルケース１０９の二次コイル２０３，一次コイル２０４収納部，ヒートシンク２１３上に半導体パワースイッチング素子（ＩＧＢＴ）や電流制限回路その他の回路が単体シリコンチップに形成された点火回路部２０６、その他必要な回路部品を含むイグナイタ２１３収納部としての凹み２１７，２１８が埋められている。

円筒状コイルケース１０６内の二次ボビン１０２は、センターコア１０１と二次コイル
１０３の間に配置され、二次コイル１０３で発生した高電圧を絶縁する役目もある。二次ボビン１０２の材料は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ），変性ポリフェニレンオキサイド(変性ＰＰＯ)等の熱可塑性樹脂である。これは、コネクタ付コイルケース１０９内の二次コイル２０３，一次コイル２０４についても同じである。

二次ボビン１０２に巻かれる二次コイル１０３は、線径０.０３〜０.１mm程度のエナメル線を用いて合計５０００〜２００００回程度分割巻きされている。

二次コイル１０３を巻いた二次ボビン１０２の外径は、一次ボビン１０４の内径よりも小径に形成して、二次ボビン１０２及び二次コイル１０３が一次ボビン１０４の内側に位置している。

一次ボビン１０４も、二次ボビン１０２同様のＰＰＳ或いは変性ＰＰＯ，ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の熱可塑性合成樹脂で成形され、一次コイル１０５が巻線されている。ＰＰＳを採用した場合には、既述したように薄肉での成形が可能であり、一次ボビン１０４の肉厚は０.５mm〜１.５mm程度である。また、ガラス繊維とタルク等の無機質粉が５０〜７０重量％以上混合され、コイル内の金属との線膨張係数差を極力少なくしている。

一次コイル１０５は線径０.３〜１.０mm程度のエナメル線を一層あたり数十回ずつ数層にわたり合計１００〜３００回程度巻き回される。

コネクタ付コイルケースに収納されている二次コイル２０３，一次コイル２０４はこれら二次コイル１０３，一次コイル１０５の出力エネルギに対して約７０％のものを用いた。

これはコネクタ付コイルケース１０９内のコイルが予備的先行点火にのみ使用されるからである。

しかし、コネクタ付コイルケース１０９内のコイルを円筒状コイルケース１０６内のコイルが断線した場合のバックアップ用として使用する事を考える場合は、コネクタ付コイルケース１０９内コイルも同じエネルギを出力できる巻き数仕様としてもよい。

なお、円筒状コイルケース１０６内のコイルは鉄心の両端が開放している開放型で構成し、コネクタ付コイルケース１０９内のコイルは閉磁路型で構成するとトータルの容積が小さく抑えられる。

なお、図１３のＥ部拡大断面図では、作図の便宜上、一次コイル１０５を模式的に一層で表現しているが、実際は上記のように数層で構成されている。

コイルケース１０６，１０９は、耐熱性などの点からＰＰＳ，変性ＰＰＯ，ＰＢＴ等の熱可塑性樹脂、或いはＰＰＳに変性ＰＰＯを配合剤として、例えば、約２０％配合した混合樹脂で成形される（混合態様は海島で海がＰＰＳ，島が変性ＰＰＯである）。

このうち、ＰＰＳに変性ＰＰＯを配合剤として混合したコイルケース１０６，１０９は、エポキシ樹脂１０８との密着性を良好にし耐電圧性に優れ、また耐水性，耐熱性に優れている（ＰＰＳは耐熱性，耐電圧性，耐水性に優れるが、単独ではエポキシ樹脂との密着性に劣り、それを補うためにエポキシ樹脂との密着性の良い変性ＰＰＯを配合することで密着性が向上した）。コイルケース１０６，１０９の肉厚は０.５〜０.８mm程度である。

センターコア１０１は幅長を数段階に設定した複数枚の０.３〜０.５mm程度の珪素鋼板或いは方向性珪素鋼板をプレス積層して成り、二次ボビン１０２の内径に挿入される。

センターコア２０２は複数枚の０.３ないし０.５mm程度の珪素鋼板或いは方向性珪素鋼板をプレス積層して成り、二次ボビン２０３の内孔に挿入される。

コイルケース１０６の外側面にはサイドコア１０７がまきつけられ、センターコア101と協働して磁路を構成するもので、０.３〜０.５mm程度の薄い珪素鋼板或いは方向性珪素鋼板を管状に丸めて成形される。サイドコア１０７は磁束の１ターンショートを防ぐため、サイドコア１０７円周上において少なくとも１箇所は軸方向に切れ目を設けている。本実施例では、サイドコア１０７は、珪素鋼板を複数枚（ここでは２枚）重ねて、うず電流損を減らして出力向上を図っているが、１枚で構成してもよく、２枚以上であってもよく、プラグホール等の材質（アルミ，鉄等）に応じて適宜枚数設定される。かくして、開放型磁路構成の弱点を補っている。

このように構成される点火コイルは、円筒状コイルケース１０６部がエンジンのプラグホールに収納され、先端部のシリコンゴム製のブーツ１１４内に点火プラグが挿入される。コネクタ付コイルケース１０９部はエンジンヘッドの上部に突き出し、コア２０２に開けられた穴２０９を利用してエンジンヘッドに固定される。コネクタ２１１を通して点火信号，電源線，アース線などがエンジンコントロールユニット(ＥＣＵ)と接続される。円筒状コイルケース１０６部内には主点火用のコイル４２が形成され、コネクタ付コイルケース１０９部内には予備的先行点火用のコイル４１が形成されている。この構成により、ΔＴに影響されずにＩＧＮ２の充電期間Ｔ２を設定でき、必要な点火エネルギＥ２(ｍＪ)を確保することが可能となる。

なお、実施例ではプラグホール内に収容される点火コイル部を主点火用コイルとしたが、これはプラグホール外部に露出するコイルを小さくして点火コイル全体の重心を低くする効果がある。

プラグホール上方外部に形成される閉磁路型のコイルを主点火コイルとしてもよい。これは、プラグホールの径が小さくてプラグホール内に挿入されるコイルの巻き数が十分に得られないような場合有効である。

次にＥＣＵ１２からの点火信号１３を予備的先行点火用コイル４１と主点火用コイル
４２に別々に出力するための回路構成について以下説明する。図１４はＥＣＵ１２と点火コイル筐体３５の電気的接続回路を示したものである。ＥＣＵ１２は破線で示されており、５０は電源電圧に接続され、５１はアースされている。５２，５３はＥＣＵ内部の点火信号であり、点火コイル筐体３５に対しては１３ａ，１３ｂとして出力される。点火コイル筐体３５の内部は主点火用コイル４２と予備的先行点火用コイル４１に分かれており、それぞれ１次コイル５４，５６と２次コイル５５，５７，パワートランジスタ５８，５９と逆流防止用ダイオード６０，６１で構成されている。それぞれのコイルの内部ではECU１２からの点火信号に基づいて電流が流れ、点火プラグ１で点火動作が実行される。逆流防止用ダイオード６０，６１は、コイル４１およびコイル４２では点火タイミングに時間差が設定されているので、２次電流が点火コイル１方向に流れずに、コイル４１⇒４２、またはコイル４２⇒４１間に流れてしまうのを防止する役目をしている。この模式図は、１気筒分の点火動作を説明している。

図１５は別の構成である。ＥＣＵ１２内部の構成が図１４より簡素化されており、ECU１２から出力される点火信号１３は点火信号分配装置６５に入力される。点火信号分配装置６５は、時系列的に流れてくる点火信号１３を予備的先行点火用コイル４１用の点火信号１３ｂと、主点火用コイル４２用の点火信号１３ａに分配する機能を有している。また、それぞれのコイルに分配される点火信号のパルス幅に別々の限界値を設定しておき、コイル側に異常電流が流れないような機能を組み込んでも良い。例えば、点火信号の分配タイミングがずれてしまい、予備的先行点火用コイル４１と主点火用コイル４２にそれぞれ逆の点火信号１３ａと１３ｂを分配してしまった場合には、予備的先行点火用コイル４１には過大電流が流れてしまい、コイル破損や過早着火を引き起こす。また、主点火用コイル４２には過小電流のため十分な点火エネルギを発生させることが出来ず、失火してしまう可能性がある。そのため、予備的先行点火用コイル４１用の点火信号１３ｂに対してはパルス幅の上限値を設定しておき、主点火用コイル４２用の点火信号１３ａに対してはパルス幅の下限値を設定する。以上のような回路構成とすることで、ハイブリット式点火コイルを用いて２回点火制御を実施することが可能となる。

本実施例のエンジンは、メインの点火タイミング（主点火時期）より前に、予備的先行点火を行う。この予備的先行点火で混合気を活性化し（火種を作って着火しやすくする）、続いてメインの点火により活性化された混合気に着火し、主燃焼させる。かくして最適な点火時期に至る前に混合気が着火しやすい状態になっているので、主点火によって混合気に確実に着火でき、失火が少なく、且つ着火時期はいつでも最適着火時期になる。

かくして燃焼安定性の良い、適切な発生トルクが確保できるエンジンを提供できる。

また、具体的には気筒毎に１つの点火プラグと、１つの点火コイルとを備え、当該気筒の圧縮行程中に複数回の点火を行う際に、該エンジンの運転状態に応じた適切なタイミングに行われる主点火より前に、該主点火のエネルギより小さい点火エネルギで少なくとも１回以上の予備的先行点火を行う。これによれば、予備的先行点火により点火プラグ周囲に形成される火種が該エンジンの燃焼室に拡散し、メインの点火（主点火）による着火が確実になり、また燃焼速度を向上する効果があり、失火を防止するとともに、燃焼安定性を向上することが可能となる。

本発明はエンジンのタイプを筒内噴射型に限定するものではなく、ポート噴射タイプのエンジンでも同様の効果が得られる。

また、点火コイルが２つのものについて説明したが、１つの点火コイルで、複数回点火することもできる。その際も、最後の点火のための通電パルス幅が一番長く設定され、点火エネルギーが一番大きくなる。

本発明の２回点火による燃焼制御の原理。 点火エネルギと燃焼変動指数σＰｉの関係を示す図。 本発明の点火制御装置の概念図。 予備とメインの点火間隔の設定方法を説明する図。 １回点火と２回点火のエンジン性能の比較を示す図。 １回点火と２回点火のエンジン性能の比較を示す図。 本発明を均質ＥＧＲ燃焼に適用した場合の燃費向上率を示す図。 スワール空気流動の特性を示す図。 １回点火の概念図。 ２回点火の概念図。 点火エネルギと燃焼変動指数σＰｉの関係を示す図。 ２回点火による燃焼制御の効果確認範囲を示す図。 予備的先行点火用コイルと主点火用コイルを一体化したハイブリット式コイルの構成図。 ハイブリット式コイルとＥＣＵの接続方法を模式化した図。 ハイブリット式コイルとＥＣＵの接続方法を模式化した図。

符号の説明

１…点火プラグ、２…吸気バルブ、３…排気バルブ、４…インジェクタ、５…ピストン、６…空気流動生成機構、７…タンブル空気流動、８…火花、８ａ…火種、１１…点火コイル、１２…エンジンコントロールユニット、１３…点火信号、３５…点火コイル筐体、４１…予備的先行点火用コイル、４２…主点火用コイル。

Claims (13)

1. 気筒毎に１つの点火プラグと、少なくとも１つの点火コイルとを備え、当該気筒の圧縮行程中に複数回の点火を行う火花点火エンジンにおいて、
   該エンジンの運転状態に応じて決定される主点火時期に主点火が実行され、且つ前記主点火に先だって、少なくとも１回予備的先行点火が実行される、
   ことを特徴とする火花点火エンジン。
2. 請求項１に記載の火花点火エンジンにおいて、
   前記主点火と前記予備的先行点火の１回の点火エネルギは前記予備的先行点火の方が前記主点火のエネルギより小さい、
   ことを特徴とする火花点火エンジン。
3. 請求項１または２に記載のいずれかの火花点火エンジンにおいて、
   前記気筒内に燃料を直接噴射するインジェクタを備え、
   当該インジェクタは圧縮行程で燃料を噴射し、前記プラグに志向するペネトレーションの長いリード噴霧と、当該リード噴霧に引き続くペネトレーションの短い主噴霧とを噴射するよう構成されており、
   前記リード噴霧が前記点火プラグに到達した後、前記予備的先行点火が実行され、引き続く主噴霧が前記点火プラグに到達した時点で前記主点火が実行される
   ことを特徴とする火花点火エンジン。
4. 請求項１または２に記載のいずれかの火花点火エンジンにおいて、
   前記気筒内に燃料を直接噴射するインジェクタを備え、
   当該インジェクタは圧縮行程で燃料を少なくとも２回噴射し、
   前記噴射のうち最後の噴射による噴霧が前記プラグに到達する前に、前記予備的先行点火が実行され、前記噴射のうち最後の噴射による噴霧が前記点火プラグに到達した時点で前記主点火が実行される
   ことを特徴とする火花点火エンジン。
5. 請求項１に記載の火花点火エンジンにおいて、
   一個の点火コイルが前記予備的先行点火と前記主点火時においてその都度駆動される
   ことを特徴とする火花点火エンジン。
6. 請求項１に記載の火花点火エンジンにおいて、
   前記予備的先行点火時に駆動される第一点火コイルと前記主点火時に駆動される第二点火コイルを備える
   ことを特徴とする火花点火エンジン。
7. 請求項１に記載の火花点火エンジンに用いる制御装置であって、
   圧縮行程中の気筒の点火コイルに対して通電パルスを複数回供給し、複数回の点火火花を発生するものにおいて、
   前記コイルに通電される複数回の通電パルスのうち、最後の通電パルス幅が最も長く設定されている
   ことを特徴とする火花点火エンジンに用いる制御装置。
8. 前記点火コイルが２つの点火コイルで構成された請求項１に記載の火花点火エンジンに用いる請求項７に記載の制御装置であって、
   前記２つの点火コイルへ通電する通電制御用の半導体スイッチング素子が前記各点火コイルごとに設けられている
   ことを特徴とする火花点火エンジンに用いる制御装置。
9. 前記点火コイルが２つの点火コイルで構成された請求項１に記載の火花点火エンジンに用いる前記請求項７に記載の制御装置であって、
   前記２つの点火コイルへ通電する通電制御用の半導体スイッチング素子が前記両点火コイルに共通の唯一つの半導体スイッチング素子で構成され、
   且つ当該通電制御用の半導体スイッチング素子の出力をどちらのコイルに供給するかを選択的に切替える切替え手段を備えている
   ことを特徴とする火花点火エンジンに用いる制御装置。
10. 請求項１に記載の火花点火エンジンに用いる点火コイルであって、
    当該点火コイルは一個にまとめられた複数の点火コイルを備え、
    当該複数の点火コイルのひとつが前記主点火用のエネルギを出力し、他の点火コイルが前記予備的先行点火のエネルギを出力する、
    ことを特徴とする火花点火エンジンに用いる点火コイル。
11. 請求項１０に記載のものにおいて、前記複数の点火コイルの出力端に逆流防止用のダイオードを備えた
    ことを特徴とする火花点火エンジンに用いる点火コイル。
12. 請求項１０に記載のものにおいて、前記複数の点火コイルの一つがプラグホール内に挿入される筒状の点火コイルで構成され、他の一つが当該筒状の点火コイルの上部に取り付けられた、前記筒状の点火コイルの第一のセンタコアに対して交差する方向に配置される第二のセンタコアを備えた、横置きの点火コイルで構成されている
    ことを特徴とする火花点火エンジンに用いる点火コイル。
13. 請求項１２に記載のものにおいて、前記筒状の点火コイルと前記横置きの点火コイルが一つの筐体に収納されており、且つ両コイルへの電力供給用の端子が設けられたコネクタが当該筐体に一体に設けられている
    ことを特徴とする火花点火エンジンに用いる点火コイル。
    
    

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