JPH10502721A - 内燃機関の点火制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃料ガス、たとえば天然ガスを供給が供給されるようになっており、ほぼ一定の速度及びほぼ一定の空燃比で運転される４つのシリンダからなる往復動型内燃機関を備えた結合型加熱及び動力装置。スパーク発生装置及びディストリビュータ装置（４４）の動作は点火スパーク持続時間制御装置（１０）の制御に基づいており、プラグ（１６）の電極間の点火スパークの持続時間がプラグを備えたシリンダの失火を実質的に回避するように電気的点火エネルギーの最小レベルを順次プラグの電極的に供給される所定の最小持続時間に近いスパーク持続時間になるように自動的に変更されるようになっている。この電気的点火エネルギーの最小レベルはプラグ（１６）の電極間のギャップの大きさにしたがって変更される。プラグ（１６）の点火スパークの持続時間は、リードのモニター（６２）によって監視されるようになっており、この監視された持続時間は制御装置（１０）に入力される。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関の点火制御回路 発明の背景 本発明は、往復動型内燃機関（エンジン）に関し、また、該エンジンを備えた 結合型熱及び動力（ＣＨＰ）装置に関する。 このようなＣＨＰ装置において、エンジンは、発電機を駆動するとともに活用 可能な熱を発生する。ＣＨＰ装置を使用する際の経済上の問題は、エンジンを点 検する費用のような装置の日常のメンテナンスの費用にかなり依存する。エンジ ンの点検間隔を延ばすことによって、ＣＨＰを使用するための経済上の問題に重 大な影響を与えることができる。ＣＨＰ内燃機関に使用されるスパークプラグは プラグ電極間のギャップを失火が生じる大きさまで増大させないことを保証する ために定期的にチェックを行うことが必要となる。 本発明の目的は、エンジンのシリンダのスパークプラグの電極に付加される電 気的点火エネルギーをほぼ必要とされる最小レベルに自動的に変更してシリンダ 内の燃料の適正な燃焼を保証するようになった往復動型内燃機関を提供すること である。 本発明によれば、ほぼ一定の速度とほぼ一定の空燃比で運転される往復動型内 燃機関が、ギャップを有する少なくとも２つの電極を有するスパークプラグと点 火スパーク持続期間制御手段を備えた少なくとも１つのシリンダを備えており、 前記電極の間の点火スパーク持続時間が自動的に可変で、所定の最小持続時間に わたって電極にシリンダの失火を実質的に回避するように最小レベルの電気点火 エネルギーが供給され、この最小レベルが前記ギャップの大きさによって可変で あるような、所定の最小持続時間に前記スパーク持続時間が近づくようになって いる。 これによって、つねに過度の電気点火エネルギーがスパークプラグ電極に付加 されることが回避され、この結果、スパークプラグが装着され、その電極間ギャ ップが設定された後にエンジン作動の多くの時間の間にいずれかのあるいは両方 の電極が消耗し、点火ギャップが増加しても適正な点火を行わせるのに十分なエ ネルギーが存在することを保証するようになっている。したがって、過度の電気 点火エネルギーが連続的に使用される必要を回避することによって、スパークプ ラグ電極の消耗の速度を遅らせ、所定のスパークプラグに対して電極ギャップの 大きさの増加速度を遅らせる。 エンジンテスト作業によれば、一定の速度、空燃比、及び（一定負荷）のもと での所定のエンジン運転に対して、適正な燃焼を保証にするのに必要な最小、固 定スパーク持続時間が存在するということを示している。所定のスパークプラグ 電極ギャップに対し、固定された最小スパーク持続時間は供給されるべき所定の 最小電気点火エネルギーを要求する。この最小レベルを越える供給電気エネルギ ーの増加は何ら利点をもたらさず、一方、その減少は失火を引き起こす。スパー クプラグギャップが増加するにつれて、前記必要な最小エネルギーレベルも増加 する。 本発明を添付の図面を参照して例に基づいてさらに説明する。 図１は、本発明に従って形成された往復動型内燃機関を備えた結合型熱及び動 力（ＣＨＰ）装置の概略図、 図２は、図１の点火システムとエンジンのスパークプラグと結合されたスパー ク持続時間制御手段を概略的に示したもの、 図３は、図２の装置に使用される点火スパーク持続時間モニターの概略図、 図４は、時間ｔについての共通横軸、図２の点火スパーク持続時間制御手段の それぞれの成分の異なる電圧信号出力についての電圧ｖについての複数の縦軸を とった１組のグラフ、 図５は、図５及び図６の理解を助けるために図２の構成を表す概略図、 図６は、使用済の点火タイプの点火システムを有する本発明に従って構成され た内燃機関の第２実施例の一部を概略図、 図７は、各スパークプラグがそれぞれの点火コイルから電気エネルギーを供給 される本発明に従って形成される内燃機関の第３実施例の一部の概略図である。 以下の説明においては、同じ参照符合は同じあるいは同様の部品を参照する。 図１を参照して結合型熱及び動力（ＣＨＰ）装置２は、多気筒、往復動型内燃 機関（エンジン）４を備えており、エンジン４は、燃料ガス、例えば天然ガスの 供給を受け、ほぼ一定の所定速度、ほぼ一定の所定の空燃比で運転するようにな っており、かつほぼ一定の負荷で運転することもできる。エンジン２は、発電機 ６を駆動し、たとえばエンジン、エンジン冷却水あるいは排気ガスあるいは潤滑 油からの熱を該熱のための熱交換装置８によって除去し、該熱を何らかの加熱目 的のために使用する。 エンジン２は、点火スパーク持続時間制御装置１０備えており、エンジンの各 シリンダのそれぞれのスパークプラグ１６、１８、２０及び２２の２の電極１２ 及び１４（図２及び図５参照）の間の点火の持続時間を制御するようになってい る。好ましくは、スパークプラグは作動特性においてほぼ同様である。 図２を参照すると、各スパークプラグの電極１２は、それ自体公知のスパーク 発生器４４のロータアーム４２を有するそれ自体公知のディストリビュータ４０ にそれぞれの接点３２、３４、３６及び３８に接続されたそれぞれのプラグリー ド２４、２６、２８あるいは３０で接続されている。この場合、ローターアーム に接続された高張力リードあるいはキングリード４６は第１次巻線５２を有する 点火コイル５０の第２次巻線からのものである。 点火コイル５０は任意の適当な種類（それ自体公知）のバッテリすなわちアキ ュームレータ５６（しばしば鉛−酸アキュームレータ）、エンジン走行中に閉じ る点火スイッチ５８（それ自体公知）、点火スパーク持続時間制御装置１０から のライン６２の電圧を変化させる信号によってオン、オフされるトランジスタス イッチ６０を有する点火コイル起動シテスム（それ自体公知）の一部である。 本発明は、所定の形式のスパークプラグを使用する標準形式のエンジンに使用 することができ、これによって、その標準形式のエンジンの運転特性、すなわち 、プラグの所定の最小スパーク持続時間を確立するための典型的な例として使用 することができる。その例として使用されるエンジンが運転され、スパーク持続 時間は失火が生じるまで漸次短縮される。そして、スパーク持続時間は失火の発 生が丁度停止するまで増加される、その後、スパーク持続時間が測定される。そ の測定された持続時間は、ほぼ点火スパークの所定の最小持続時間であり、その 持続時間の発生が燃料の適正な燃焼を保証できると言えるものである。 図２及び図３を参照すると、スパーク持続時間モニタ６２は、プラグリードの 一つ、本例ではリード２４に設けられている。スパーク持続時間モニター６２は 、 プラグリード２４に接続された両端アームを有するブリッジ整流器６３を備えて おり該ブリッジ整流器６３は、また、スパークプラグ１６に直列の光送信器６４ を有する回路ネットワークに接続されている。電気点火電流がリード２４に流れ るとき、光送信器６４は、トランスデューサ機能を発揮し、光ファイバパス６６ に沿って点火スパーク持続時間制御装置１０に送信される光信号を発生する。光 信号の持続時間はスパークの持続時間にほぼ等しい。ブリッジ整流器６３は、何 れの極性のスパークも許容する。光送信器６４の両端に接続された並列抵抗６８ とキャパシタ７０がスパーク電流と高周波スパイクの一部をバイパスするように 使用される。モニタ６２の回路ネットワークは発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え 、スパーク電流が存在する視覚的に確認するようになっている。別の構成におい て、点火スパーク持続時間モニタは点線で示されるスパーク持続時間モニタ６２¹ によって例示されているようなキングリード４６に装着することもできる。 図２及び図４を参照すると、ファイバ光パス６６上の光信号はスパーク受光器 ７４に入力される。ここで、光信号はスパーク電流を表す、図４Ａに示す電圧信 号出力Ａに変換される。この信号は通常は、電流（スパイク）７８のバーストが つづくブロックすなわち矩形波７６である。このスパイクは全体のスパーク持続 時間の一部を形成して発生する。この理由は、光学送信器６４（図３）が干渉を 避けるように高いスレッショルドを有するためであり、点火エネルギーが減衰し たときにプラグリード２４の低い電流レベルを検出しないからである。出力信号 Ａはスパーク持続時間条件回路８０に入力され、図４Ｂの符号８２で示される電 圧出力に矩形波信号Ｂを与える。そして、スパーク（たとえばスパークのシミュ レーションされた再生）持続時間だけほぼ継続する。 定電流発電機８４はスパーク持続時間ランプ回路に入力し、ここにおいて図４ Ｃで符号８８で示す電圧ランプ出力信号を符号Ｃで発生する。この信号は、矩形 波８２のカットオフで遮断される。ランプ信号８８の符号９０におけるピーク値 はピーク検出回路９２で検出される。ピーク値９０はスパーク持続時間の関数あ るいはこれに比例し、ピーク値検出回路９２は、図４Ｄで矩形波９４で示される 、直流電圧レベルでの出力Ｄを与える。この矩形波９４は、電圧レベル９０と同 じであり、いずれの場合でもスパーク持続時間の関数であるかこれに比例する。 信号９４は、つぎのスパーク持続時間信号７６¹、７８¹の観察が開始される瞬間 に遮断されるまで、同じ直流レベルで継続する。信号９４のレベルは、サンプル ではピーク検出回路９２にストアすることができ、電圧レベルをストアするため のキャパシタを使用する集積回路を保持している。信号９４はスパーク持続時間 誤差発生回路９６に入力される。これに対しては、目標スパーク持続時間信号発 生器９８からの出力信号が符号Ｅ（図２）で入力され、（図Ｄの１００で示すよ うに）符号Ｅ（図２）で信号を与える。この信号は、所定の所望の最小スパーク 持続時間を表す。回路９６では、信号９４は、最小スパーク持続時間信号１００ と比較され、誤差信号電圧１０２を発生する。この信号電圧はオフセット信号発 生器１０６で発生される所定の定オフセット電圧値１０４に付加される。この結 果として生じた電圧は定時間回路、例えば、１０秒定時間回路１０８に入力され て、ドエルモディファイア電圧信号１１０によって図４ＨでＨで表される出力信 号を与える。この文脈における“ドエル”は点火コイルの一次巻線５２が励磁さ れる持続時間を意味する。定時間回路１０８への他の入力は図２で示される位置 において、２位置スイッチ１０１を介して与えられる。このスイッチ１０１は、 図２の位置において、回路１０８への入力を許容する。この回路１０８は、該回 路が符号Ｈにおいて出力信号１１０（図４Ｈ）に与えるのを許容する。しかし他 の位置では、スイッチ１０１が定時間回路１０８の不能状態を発生する。したが って、符合Ｈにおける出力を与えず、システム７４、８０、８４、８６、９２、 ９６及び１０８を不能モード状態にする。 定時間回路１０８の時間定数は改良された安定性を有するスパーク持続時間の 遅い訂正を許容する平均誤差信号を発生する。 図２を引き続き参照すると、スパーク持続時間制御装置１０はエンジン製造業 者によって柄耐えられる初期装備（ＯＥ）である点火ドエル調整回路１１２を備 えている。点火ドエル調整回路はエンジンクランク角モニター１１４からの信号 に応答して電気電圧信号出力を与えるようにトリガされる。モニター１１４はク ランク軸の回転を監視しており、クランク軸がそれぞれのスパークプラグ１６、 １８、２０あるいは２２のスパーク発生動作が始まるそれぞれのクランク角にお いて、多数の所定の回転角のそれぞれの順番における出力信号を与える。モニタ ー１１４からの出力は点火ドエル調整回路１１２に入力されてこれをトリガして 一定の所定の持続時間の矩形波点火信号１１６によって図４Ｆにおいて図示され る符号Ｆにおける電圧出力信号を与える。定電流発生器１１８は、矩形波１１６ の期間中、一定傾斜のランプ電圧として図４Ｇの符号１２２で示される出力Ｇを 発生するＯＥ電圧ランプ発生器１２０に入力される。ランプ電圧信号１２２は、 ドエルコンパレータ回路１２４に入力される。この回路１２４に対しては、ドエ ルモディフアイア信号１１０も入力される。電圧ランプ１２２がドエルモディフ アイア信号１１０のそれに等しい電圧値に到達すると、ドエル比較器は矩形波修 正点火信号１２４によって図４Ｊで示される電圧出力Ｊを与える。この信号１２ ４は、点火信号１１６が低くなると低くなる。修正点火信号１２４は、点火増幅 器１２６で増幅され、増幅器１２６の出力はライン６２により、トランジスタス イッチ６０のベースに入力される。このスイッチ６０は、修正点火信号１２４の 期間中スイッチオンとなり、これによって電流がその期間中に点火コイル５０の 一次巻線５２に流れる。この電流は一次巻線にストアされる磁気エネルギーの量 を決定する。その磁気エネルギーの量は十分なものであって、この結果、トラン ジスタスイッチ６０が修正点火信号１２４の遮断（図４Ｊ）で切断され、このエ ネルギーが減衰しても、二次巻線４８に誘導される電圧は、スパークプラグ１６ 、１８、２０あるいは２２の一つにおいて、点火スパークを発生するのに十分で ある。この持続時間は、ほぼ前記所定の最小値であるかこれに近いものである。 図２及び図５においては、プラグ１６のスパーク持続時間だけがモニター６２ によって監視されており、したがって、プラグ１６のスパーク持続時間が他の３ つのプラグ１８、２０及び２２の着火動作の間に一次巻線５２にストアされる磁 気エネルギーを決定する。 前記スパーク持続時間が目標スパーク持続時間信号発生器９８から出力される 最小スパーク持続時間信号１００（図４Ｄ）の電圧値によって示される前記所定 の最小持続時間から変化すると誤差電圧１０２の変化を生じさせ、この結果、修 正点火信号１２４の持続時間を変化させることになる。つぎに、このことによっ て、一次巻線５２にストアされる磁気エネルギーの量を、それにストアされる磁 気エネルギーの減衰の結果として生成される、所定の最小持続時間にさらに近接 する持続時間を有する、点火スパークとなるような量に変化させる。 オフセット電圧信号１０４はドエルモディフアイア信号１１０（図４Ｈ）が失 火を生じるような値に低下しないことを実質的に保証することによって安全ファ クターを与える定電圧値を有する。 図６において、スパークプラグ１６、１８、２０及び２２は消耗スパーク法に したがって着火される。クランク角モニター１１４は信号をそれぞれのスパーク 持続時間及び発生システム１３０Ａあるいは１３０Ｂにそれぞれ供給される２つ の出力を与える電子選択手段に入力する。システム１３０Ａは点火コイル起動シ ステム５４に接続された上記のようなスパーク持続時間制御装置１０を備えてい る。この場合、ディストリビュータ４０（図２）はなく、その代わり、二次巻線 ４８の両端はそれぞれプラグリード２４及び２６に接続されている。そして、モ ニター６２は、リード２４に存在する。システム１３４Ａの二次コイル４８が励 磁されると、プラグ１６及び１８の両方が同時に着火する。 同様に、システム１３０Ｂはシステム１３０Ａのように点火駆動システム５４ に接続されて、既述のような点火制御装置１０を備えているが、今回は、二次巻 線の両端はプラグリード２８及び３０にそれぞれ接続されており、その後者はモ ニター６２を備えている。システム１３０Ａ及び１３０Ｂのそれぞれにおいて、 そこに含まれるスパーク持続時間制御装置１０は上記の図２における制御装置に 対すると同様な方法で動作する。しかし、この場合には、システム１３０Ａはス パークプラグ１６及び１８で点火スパークの持続時間を制御する。システム１３ ０Ｂはプラグ２０及び２２においてスパーク持続時間を制御する。クランク軸角 モニタ１１４はさまざまな角度位置（それ自体公知）にわたってクランク軸の回 転を監視する。この回転角度のそれぞれにおいて、プラグ１６、１８、あるいは ２０、２２の一方あるいは他方の組のスパーク発生動作が開始されるようになっ ており、選択手段１２８が自動的に応答して出力信号を送るシステム１３０Ａま たは１３０Ｂを選択し、選択されたシステム１３０Ａまたは１３０Ｂに点火ドエ ル調整回路１１２をトリガする。二つの点火スイッチ５８とバッテリ５６が図示 されているが、単一の点火スイッチとバッテリが両方のシステム １３０Ａ及び１３０Ｂに好ましくは共有される。また、スパークプラグ１６、１ ８または２０、２２の何れかの対を着火するいずれかの二次巻線４８によって供 給される最小電気点火エネルギーは二つのスパークプラグを着火するのに必要な ものである、ということが理解されるであろう。 図７には、それぞれのスパークプラグ１６、１８、２０あるいは２２がそれぞ れのスパーク持続時間及び発電システム１３０Ｃ、１３０Ｄ、１３０Ｅあるいは １３０Ｆに接続されており、これによって、これらの何れかのシステムの二次巻 線４２は一つの特定のスパークプラグだけを着火できるようになっている。クラ ンク角モニターは様々の角度位置にわたってクランク軸の回転を監視しており( それ自体は公知)そのそれぞれにおいて、それぞれのスパークプラグ１６、１８ 、２０或いは２２のスパーク発生動作が開始され、電子選択手段が自動的に応答 して、出力信号を送りシステム１３０Ｃ、１３０Ｄ、１３０Ｅまたは１３０Ｆを 選択し、選択されたシステム１３０Ｃ、１３０Ｄ、１３０Ｅまたは１３０Ｆの点 火ドエル調整回路１１２をトリガする。４つの点火スイッチ５８と４つのバッテ リ５６が図示されているが、単一の点火スイッチと単一のバッテリを４つのシス テム１３０Ｃ、１３０Ｄ、１３０Ｅ及び１３０Ｆに共有させてもよい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ほぼ一定速度及びほぼ一定空燃比で運転される往復動型内燃機関であって、 ギャップを有する少なくとも２つの電極を有するスパークプラグを備えた少なく とも１つのシリンダと、点火スパーク持続時間制御手段とを備え、前記電極間の 点火スパークの持続時間が、所定の最小持続時間にわたって前記電極にシリンダ の失火を実質的に回避するような電気的点火エネルギーの最小レベルが供給され る所定の最小持続時間に前記スパーク持続時間が近づくように自動的に変更され るようになっており、 前記最小レベルが前記ギャップの大きさに応じて変更されるようになったこ とを特徴とする内燃機関。 ２．請求項１の内燃機関において、 光学的信号発生手段を備えた持続時間監視手段が設けられ、 前記持続時間監視手段が前記スパークの前記所定の持続時間の関数である現 象の持続時間を監視し、前記現象の持続時間の関数である持続時間表示信号であ る光学的信号を発生するようになっており、 前記点火スパーク持続時間制御手段が前記持続時間表示信号を活用するよう になっていることを特徴とする内燃機関。 ３．請求項１または請求項２の内燃機関において、ほぼ一定の負荷で運転される ことを特徴とする内燃機関。 ４．請求項２の内燃機関において、 前記持続時間監視手段が点火コイルの二次巻線から放出されるスパーク生成 電気エネルギーの持続時間を監視するように構成されていることを特徴とする内 燃機関。 ５．請求項２の内燃機関において、 前記持続時間監視手段が前記スパークプラグに接続器された電気プラグリー ドにおけるスパーク生成電気エネルギーの持続時間を監視するように構成されて いることを特徴とする内燃機関。 ６．請求項４の内燃機関において、 前記それぞれのスパークプラグを有する複数のシリンダが存在することを特 徴とする内燃機関。 ７．請求項６の内燃機関において、 前記各スパークプラグは前記それぞれのプラグリードに接続されており、前記 持続時間監視手段は前記プラグリードの一つにスパーク生成エネルギーの持続時 間を監視するように配置されており、前記点火スパーク持続時間制御手段は前記 スパークプラグに共通であり、前記最小レベルを構成する所与の電気エネルギー が順次前記すべてのスパークプラグに供給されることを特徴とする内燃機関。 ８．請求項４及び５の内燃機関において、 前記それぞれのスパークプラグをそれぞれが備えた２つのシリンダが設けら れ、それぞれのプラグが前記それぞれのプラグリードに接続されており、プラグ リードの両方が該２つのスパークプラグを同時に着火する二次巻線に接続されて おり、 前記点火スパーク持続時間制御手段が前記スパークプラグのそれぞれにおい て点火スパークの持続時間を制御し、前記スパークプラグに供給される電気的ス パーク生成エネルギーの持続時間を監視する持続時間監視手段によって生成され る持続時間表示信号を活用するようになったことを特徴とする内燃機関。 ９．請求項４及び５の内燃機関において、 前記それぞれの点火コイルの前記二次巻線に前記それぞれのプラグリードに よって接続された前記それぞれのスパークプラグをそれぞれが有する複数のシリ ンダが設けられ、 それぞれが点火コイルが前記それぞれの点火スパーク持続時間制御手段によ って与えられた信号に応答して動作するように配置されており、それぞれの点火 スパーク持続時間制御手段が前記持続時間監視手段に接続されており、 そして、それぞれの持続時間監視手段が前記それぞれのプラグリードに電気 エネルギーを生成するスパークの持続時間を監視するようになっていることを特 徴とする内燃機関。 10．請求項２または請求項４から９のいずれか１つの内燃機関において、 前記持続時間表示信号が前記点火スパーク持続時間制御手段に活用されて持 続時間表示信号が前記所定の最小持続時間と異なるときに誤差信号を発生し、前 記誤差信号の関数である制御信号が、前記電気的点火エネルギーのほぼ一定の供 給を与えることを開始するドエル信号と比較され、 そして、前記誤差信号が前記ドエル信号と異なるときに、前記電気的点火エ ネルギーが前記所定の最小持続時間に近似するかあるいはほぼ等しい点火スパー ク持続時間となる値に変更されるように点火制御信号が生成されることを特徴と する内燃機関。 11．請求項２の内燃機関において、 前記光学的信号発生手段が前記点火コイルからの高張力リードに含まれるこ とを特徴とする内燃機関。 12．上記の何れかの請求項に記載される内燃機関を備えた結合型熱及び動力装置 。