JP3927619B2 - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサにより検出された内燃機関の動作パラメータに基づき制御量を定める制御ユニットと、点火コイルの１次側に伝達される２次電圧を捕捉する少なくとも１つの手段と、該少なくとも１つの手段により捕捉された１次電圧の供給される評価装置とが設けられている、内燃機関の点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパーク期間の１次側での監視に基づき点火装置の監視が行われる形式の点火装置は、アメリカ合衆国特許第４９１８３８９号明細書ないしは対応のヨーロッパ特許出願第０３４４３４９号明細書からすでに公知である。このため、１次側に伝達された燃焼電圧が捕捉されこれに応じて所定の閾値と比較され、これにより閾値からの偏差が生じたときには障害のある燃焼であると判定される。
【０００３】
点火装置の機能を監視するためのさらに別の公知の方式はたとえば、触媒装置の温度の監視、走行不安定特性の検出およびたとえばラムダセンサ信号の検出である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、点火プラグにおける分路形成のような点火コイルの２次側における障害をミスファイアが生じる前にすでに検出できるようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段および利点】
本発明によればこの課題は、評価装置により、点火装置の動作に対する基準尺度としてスパーク終了後の２次電圧の減衰が捕捉されることにより解決される。
【０００６】
上記の構成を備えた点火装置の有する利点とは、点火プラグにおける分路形成のような点火コイルの２次側における障害を、ミスファイが生じる前にすでに検出可能なことである。
【０００７】
この場合、スパーク消滅後の点火コイルにおける残留エネルギーの補償プロセスが捕捉されて評価される。点火コイルにおける残留エネルギーの補償プロセスによって点火コイルの１次側と２次側とに揺動性の（不安定に揺れ動く）振動が生じ、これは点火プラグに生じる可能性のある分路抵抗により種々の程度の強さで減衰される。したがってこの減衰は、２次回路中に存在している分路抵抗に対する基準尺度を成す。このことでたとえば、点火コイル自体を取り外す必要なく、点火プラグの状態に関して精確な情報を形成することもできる。つまり、スパーク終了後におけるこのポストプロセスの解析により、気中放電の条件とは無関係にしたがって他の影響とは無関係に評価が行われる。この場合、点火装置における電気的なパラメータだけが影響を与える。
【０００８】
従属請求項に記載された構成により、請求項１に記載された点火装置の有利な実施形態が可能である。したがってたとえば、スパーク終了後の減衰特性の捕捉を種々異なる形態で行うことができる。つまり、減衰特性を捕捉するための評価装置を制御装置自体の中に統合して、制御量を求める際にじかに考慮できる。たとえば可能性として、分路抵抗による強い減衰により点火エネルギーが高まり、場合によっては点火プラグの自由燃焼が生じることである。
【０００９】
次に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１には点火装置の基本回路図が示されている。この場合、点火コイル１０は１次巻線１１と２次巻線１２により構成されている。１次巻線１１の一方の端部は、給電電圧源Ｕ_Ｂたとえば図示されていない内燃機関のバッテリと接続されている。１次巻線１１の他方の端部は点火段１３を介してアースと接続されている。図示されていない内燃機関のセンサにより、回転数ｎ、クランクシャフト角度ＫＷ、温度Ｔのような動作パラメータが捕捉される。センサにより捕捉された信号は入力量１５として制御ユニット１４へ供給される。この制御ユニット１４により、捕捉された動作パラメータと格納されている特性マップとに基づき種々の制御量が定められる。したがって点火装置のための閉時間および点火時点が定められ、相応に出力信号として点火段１３の制御入力側へ送出される。さらに１次側には、１次側に伝達された２次電圧を捕捉可能な手段も設けられている。１次電圧を捕捉するための回路装置はたとえばアメリカ合衆国特許第４９１８３８９号明細書からすでに公知であり、したがってここではこれについて詳細には説明しない。しかし基本的には、１次側に伝達された２次電圧を手段Ｍ１により１次巻線１１における電圧降下Ｕ_Ｌにより捕捉できるし、あるいは１次巻線の出力側とアースとの間の電圧降下を手段Ｍ２を有する終段１３を介して捕捉することもできる。１次側に伝達された２次電圧を捕捉するこれらの手段Ｍ１，Ｍ２の出力信号は評価装置１６へ供給され、この評価装置１６は図１では制御ユニット１４内に統合されている。もちろんこの評価装置１６を別個に配置させることもでき、その場合にはこの評価装置１６の出力信号を制御ユニット１４へ導く必要がある。点火コイル１０の２次コイル１２は点火プラグ１７と接続されており、したがって点火コイルに相応の高電圧が加わると火花放電が生じる。点火コイル１０の２次巻線１２の一方の端部と点火プラグ１７との間にはダイオード１８が設けられており、これによってスイッチオン時のスパーク抑圧が実現される。しかしこのダイオード１８を省略することもできる。２次側には等価素子としてコンデンサ１９、コンデンサ２０および抵抗２１が示されており、コンデンサ１９は点火コイル内部の２次キャパシタンスを表し、コンデンサ２０は点火コイル外部の２次キャパシタンスたとえば点火容器の線路容量以外の２次キャパシタンスを表し、さらに抵抗２１は分路抵抗を表すものである。等価回路として表されたこれらのインダクタンス、キャパシタンスおよび抵抗により振動回路が形成され、ここにおいて振動回路の減衰は分路抵抗２１の大きさに依存する。それというのは分路抵抗は、内燃機関の作動中にたとえば焼き減りや汚れにより変化するただ１つの量だからである。
【００１１】
図２には、スイッチオン時のスパーク抑圧用のダイオード１８を備えた図１による点火装置において生じるような１次電圧と２次電圧が示されている。ここには示されていない時点において点火コイル１０の１次巻線１１に充電電流が流れ始め、たとえば算出された時点の時点ｔ_１において遮断される。これにより２次側に高電圧が誘起され、この電圧によって点火プラグにおいてスパーク放電が引き起こされ、スパーク終了を表す時点ｔ_２までの図示された典型的な燃焼電圧経過特性で燃え尽きることになる。その際、特性曲線２２により２次側の電圧経過特性Ｕ_２（ｔ）が示されている。特性曲線２３により１次側に伝達される電圧経過特性が示されており、これはたとえば捕捉手段Ｍ２により捕捉されて評価回路１６へ導かれる。スイッチオン時のスパーク抑圧用のダイオード１８を備えた図１による回路の場合、２次電圧が落ち込むと組み込まれたダイオードにより２次回路が分離される。残留した２次キャパシタンス２０は、無視できる程度のイオン電流と分路抵抗２１を流れる電流によってのみ放電可能である。この場合、典型的な時定数はτ＝４．１ｍｓである。特性曲線２３は１次側に伝達される２次電圧を示しており、つまりは残留振動回路の動作特性をも示すものである。図２の電圧経過特性は、分路抵抗Ｒ_Ｎが無視できる程度に小さい事例に対し予期される理想の形態である。
【００１２】
ここで、点火プラグ１７における分路抵抗が変化すると、２次回路の振動特性ならびに減衰特性も変化することになる。このため、スパーク終了後つまり時点ｔ_２後の振動特性の評価により２次回路の状態を明示することができる。つまりたとえば、ミスファイアが生じてはじめて対処するということなく、後続の点火サイクルにおける点火電圧の上昇によって起こり得る分路抵抗に対処できる。したがって、電気的な特性の評価に基づききわめて迅速に点火装置の動作に対し制御操作を加えることができる。
【００１３】
図３および図４には、スイッチオン時のスパーク抑圧用ダイオードと分路抵抗がある場合の点火回路における電圧経過特性が２次側（Ｕ_２（ｔ））と１次側（Ｕ_{１２（ｔ）}）とで示されている。ここで、図３の電圧経過特性における分路抵抗は１ＭΩであり、図４の電圧経過特性における分路抵抗は１０ＭΩである。特性曲線２４ａないし２４ｂは２次側の電圧経過特性である。２次回路が分路抵抗を伴っている場合、減衰特性は著しく僅かな時定数τしか有していないことがわかる。図３の場合、時定数はτ＝０．０６ｍｓであり、図４の場合、時定数はτ＝０．４５ｍｓである。特性曲線２５ａないし２５ｂにより、１次側に伝達された２次電圧におけるスパーク終了時点ｔ_２後の電圧経過特性が表されている。小さい分路抵抗を介して点火容器におけるキャパシタンスが放電する際、２次巻線に誘起された電圧ピークが残留電圧よりも大きいと、ダイオードが導通状態になって振動回路からエネルギーが取り去られる。このことは、１次側において振動ピークの減衰が強まっているときに特性曲線２５ａから識別できる。分路抵抗が１０ＭΩのとき、１次電圧は第１の電圧ピークのほかにさらに４つの別の電圧最大値を有する。図３のように分路抵抗が１ＭΩまで低減していれば、強く減衰されたただ１つの別の電圧最大値しか識別できない。分路抵抗が大きくなればなるほど振動特性が強まることになる。
【００１４】
図５および図６にも図１に示されているような点火装置の電圧経過特性が示されているが、ここではスイッチオン時のスパーク抑圧用ダイオード１８は設けられていない。この場合、図５の測定での分路抵抗は１ＭΩであり、図６の測定での分路抵抗は１０ＭΩである。スイッチオン時のスパーク抑圧の行われない図１による回路の場合、点火コイル外部での２次回路の分離は行われない。図６の場合のように分路抵抗が１０ＭΩであると、１次電圧における振動と２次電圧における振動は互いに類似している。図６の特性曲線２６ｂにより１０ＭΩの分路抵抗における２次電圧経過特性Ｕ_２（ｔ）が示されており、特性曲線２７により１次側に伝達された電圧経過特性Ｕ_{１２（ｔ）}が示されている。図５には１ＭΩの分路抵抗における測定曲線２６ａと２７ａが示されており、これら両方の電圧がいっしょに減衰していることがわかる。
【００１５】
スパーク終了時点ｔ_２後に１次側で捕捉される２次電圧を評価するための理論的な基礎は以下のとおりである。この場合、１次電圧の経過特性に対するモデルは、
【００１６】
【数１】

【００１７】
であり、ここでτ_ｐは時定数であり、ωは固有振動数であり、ｕ_ｌｘはｕ_１１ないしｕ_１２と同義である。この式はヒルベルト変換により以下のように表すこともできる：
【００１８】
【数２】

【００１９】
したがって減衰を表す特徴は量τである。τを精確に求めるためには、モデルに依拠する種々の方法が可能である。
【００２０】
分路抵抗の影響を表す別の特徴は、第１の正の電圧ピークと第２の正の電圧ピークとの比として規定され、これは次式によって表される：
【００２１】
【数３】

【００２２】
先に述べたように分路抵抗が著しく小さい場合、２次側において構造変化の生じる可能性があり、このため点火コイルにおける揺動性の放電は非周期的な振動で推移することになる（図２のＵ_２（ｔ）参照）。この場合、１次電圧の第２の最大値はなくなる。あるいは、ピーク値Ｕ^２ _ｌｘが第１の最大値に対し一定の間隔で形成される。この一定の間隔Ｔ_Ｐは揺動する振動の周期持続時間であり、次式で表される：
【００２３】
【数４】

【００２４】
ここで、ｔ_ｍａｘは第１の最大値の時点であり、Ｔ_Ｐは周期持続時間である。
【００２５】
図７には評価回路１６の可能な構成が示されている。この評価回路１６へ、手段Ｍ１ないしＭ２により捕捉された１次電圧信号Ｕ_１１またはＵ_１２が供給される。同時にこの信号は装置３０へも供給され、この装置３０はスパーク終了時点ｔ_２を判定して相応のトリガ信号を評価装置１６へ転送する。この場合、評価装置１６内では装置３１によって時間窓が開かれ、この時間窓内で装置３２によって信号Ｕ_１１またはＵ_１２の減衰特性が求められる。減衰に対する基準尺度は値τであり、これは次に加算器３３において特性マップないし時間に依存する一定の基準値と合成される。この基準値はたとえば適用に際して求められ、メモリ４０に格納される。この場合、特性マップに依存する一定の基準値は負の値として設定されており、したがって次に比較器３４においてこれら両方の値の差が評価され、これに基づき制御ユニット１４に対する補正信号が求められる。
【００２６】
図８には評価装置１６の第２の可能な構成が示されている。この評価装置１６へ、手段Ｍ１またはＭ２により捕捉された１次電圧信号Ｕ_１１またはＵ_１２が供給される。同時にこの信号は装置３０へも供給され、この装置３０はスパーク終了時点ｔ_２を判定して相応のトリガ信号を評価装置１６へ転送する。評価装置１６では装置３１により第１の時間窓が生成され、この時間窓内で装置３５により第１のピーク値が形成される。さらに評価装置１６において装置３１により第２の時間窓が形成され、この時間窓内で装置３６により第２の信号ピーク値が形成される。次に装置３７において、これらのピーク値の除算により減衰に対する基準尺度を成す値が算出される。この値はメモリ４０から供給され特性マップないし時間に依存する一定の基準値と比較され、比較器３９において制御ユニット１４に対する補正信号が求められる。
【００２７】
図９には評価装置１６の構成についての第３の変形実施例が示されており、ここではディジタルシステムたとえば信号プロセッサにより構成されている。この評価装置１６へも図７，図８の場合と同様に手段Ｍ１ないしＭ２により捕捉された１次電圧信号が供給されるが、この場合には低域通過フィルタ４１による低域通過フィルタ処理ならびにＡ／Ｄ変換器４０によるアナログ／ディジタル変換を経て、評価装置１６へ供給される。ディジタル化された信号は装置３０へ供給され、この装置３０によりスパーク終了時点が判定されてスパーク終了とともに時間窓が開かれる。時間窓が開かれている間、メモリ４３にディジタル信号が記憶される。装置４４において記憶されたディジタル信号から、信号Ｕ_１１ないしＵ_１２の減衰に対する基準尺度が求められる。この値は特性マップまたは時間に依存する一定の基準値と比較され、制御ユニット１４のための補正信号が求められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための点火装置の基本回路図である。
【図２】１００ＭΩの分路抵抗を有する点火装置の１次電圧および２次電圧の経過特性を示す図である。
【図３】ダイオードおよび１ＭΩの分路抵抗を有する点火装置の１次電圧および２次電圧における過渡状態の終了していく過程を示す図である。
【図４】ダイオードおよび１０ＭΩの分路抵抗を有する点火装置の１次電圧および２次電圧における過渡状態の終了していく過程を示す図である。
【図５】スイッチオン時のスパーク阻止用のダイオードがなく１ＭΩの分路抵抗を有する点火装置の１次電圧および２次電圧における過渡状態の終了していく過程を示す図である。
【図６】スイッチオン時のスパーク阻止用のダイオードがなく１０ＭΩの分路抵抗を有する点火装置の１次電圧および２次電圧における過渡状態の終了していく過程を示す図である。
【図７】信号の減衰特性を求める評価装置の第１実施例を示す図である。
【図８】評価装置の第２の実施例を示す図である。
【図９】評価装置の第３の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 点火コイル
１１ １次巻線
１２ ２次巻線
１３ 点火段
１４ 制御ユニット
１５ 入力量
１６ 評価装置

Claims (5)

1. センサにより検出された内燃機関の動作パラメータに基づき制御量を定める制御ユニットと、点火コイルの１次側に伝達される２次電圧を捕捉する少なくとも１つの手段と、評価装置とが設けられており、該評価装置に前記少なくとも１つの手段により捕捉された点火コイルの１次側に伝達される２次電圧が供給される形式の、内燃機関の点火装置において、
   評価装置（１６）により、点火装置の動作に対する基準尺度としてスパーク終了後の２次電圧の減衰が捕捉され、メモリに格納されている基準値と比較され、この比較に基づいて前記制御ユニット（１４）に対する補正信号が形成されることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
2. 前記の減衰は２次側における分路抵抗の大きさに対する基準尺度を成す、請求項１記載の点火装置。
3. 前記評価装置（１６）における評価結果は、後続の点火サイクルに対する制御量を定めるために制御ユニット（１４）へ供給される、請求項１または２記載の点火装置。
4. スパーク終了時にアクティブにされる測定窓内で２次電圧の評価が行われる、請求項１〜３のいずれか１項記載の点火装置。
5. 減衰に対する基準尺度として、スパーク終了後の２次電圧における第１のピーク値と第２のピーク値の商が求められる、請求項１〜４のいずれか１項記載の装置。

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