JP5975787B2 - 高周波点火装置の操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両エンジンにおいてコロナ放電を用いて燃料に点火する点火装置に関するものである。このような点火装置は、通常、コロナまたは高周波点火装置と呼ばれる。本発明は、コロナ放電を用いて、車両エンジンにおいて燃料に点火する高周波点火装置の操作方法に関する。

電圧パルスを用いてコロナ放電を生成するための電気エネルギーを高周波点火装置に供給し、電気的変数の一連の測定値を前記電圧パルスの間に測定し、機能不良を検出するために前記測定値を評価する高周波点火装置の操作方法は、特許文献１から公知である。高周波点火装置およびその操作方法は、特許文献２からも公知である。

高周波点火装置は、電圧変換器、例えば変圧器を用いることによって、車載電圧から高電圧を生成し、この高電圧は、点火用電極が接続される電気共振回路の高周波励起に用いられる。従って、高周波点火装置は、車両の車載電源ネットに接続される入力側と、点火用電極の高周波励起のために電気共振回路に接続される出力側とを有する電圧変換器を備える。共振回路の共振周波数は、通常、３０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚに及ぶ。交流電圧は、通常、点火用電極において、３０ｋＶ〜５００ｋＶの値に達する。

コロナ放電を用いた燃料点火は、アーク放電による点火をもたらし、かつ電極のバーンオフによる著しい摩耗を被る従来のスパークプラグの代替手段である。コロナ点火は、大幅なコスト削減および燃料燃焼の向上の可能性を持つ。しかしながら、望ましいコロナ放電は別として、機能不良という枠組みの中で、アーク、スパーク、またはスライディング放電が生じる可能性もある。

独国特許出願公開第１０ ２００８ ０６１ ７８８号公報 欧州特許出願公開第１ ５１５ ５９４号公報

本発明の目的は、このような機能不良の検出方法を示すことである。

この目的は、電圧パルスを用いてコロナ放電を生成するための電気エネルギーを高周波点火装置に供給し、電気的変数の一連の測定値を前記電圧パルスの間に測定し、機能不良を検出するために前記測定値を評価する際に、前記測定値を、前記測定値の変動幅に関する特性変数を決定し、前記決定された特性変数を閾値と比較することによって評価し、前記特性変数が前記閾値を超えると、エラー信号を生成させる特徴を備え、エンジンをかけたまま高周波点火装置を操作する方法によって達成される。

また、電圧パルスを用いてコロナ放電を生成するための電気エネルギーを高周波点火装置に供給し、電気的変数の一連の測定値を前記電圧パルスの間に測定し、機能不良を検出するために前記測定値を評価する際に、前記測定値を、変換を用いて周波数スペクトルを計算することによって評価し、および、周波数スペクトルが閾値を超えると、前記計算された周波数スペクトルの少なくとも１つの周波数範囲を続いて検査し、周波数スペクトルが閾値を超えた場合には、エラー信号を生成させる特徴を備え、高周波点火装置を、この高周波点火装置によって生成されたコロナ放電によって燃料が点火されるエンジンをかけたまま操作する方法によって達成される。本発明の有利な改良点は、下位クレームの主題である。

本発明による方法においては、コロナ放電を生成するために、電圧パルスを用いて、電気エネルギーを高周波点火装置に供給する。この電圧パルスの継続期間中に、電気的変数、例えば、電圧パルスから電圧変換器によって生成された二次電圧の一連の測定が行われる。これらの測定値は、機能不良を検出するために評価される。機能不良が検出された場合には、好ましくは、さらなるコロナ放電に点火を行うために高周波点火装置へと後続の電圧パルスを用いて供給されるエネルギーを減少させるエラー信号が生成される。例えば、電圧パルスの継続期間および／または電圧が減少し得る。しかしながら、このエラー信号は、エンジン制御装置に対する警告またはエラー信号として報告されることも可能であり、および／または例えば保守作業のために、読み出しが可能な記憶装置に保存されてもよい。

高周波点火装置の機能不良は、コロナ放電の代わりに、スパーク放電またはスライディング放電が生じる、またはコロナ放電中に、スパークまたはスライディング放電が形成される事実に基づくところが大きい。これらの放電は、点火用電極において、コロナ放電の代わりに外部放電として生じ得るが、高周波点火装置内部に欠陥がある場合には、内的にも生じ得る。

このような機能不良は、放電中、またはコロナ放電を生成するために高周波点火装置へと供給される電圧パルス中に測定装置により測定される電気的変数の特性曲線に基づいて検出することができる。機能不良を検出するために、特に、電流計または電圧計によりそれぞれ電流および／または電圧の強度の測定が可能である。しかしながら、代替案として、他の電気的変数、例えば、高周波点火装置に含まれる電気共振回路のインピーダンス周波数または共振周波数を適切な測定装置によって測定することが可能である。

本発明の枠組みの中で、重大な機能不良、具体的には、内部スパークおよびスライディング放電の前段階として、二次電圧、すなわち点火装置によって生成された高電圧、または他の電気的変数の周期的変動が頻繁に生じることが分かった。

本発明によれば、すでに初期段階にある機能不良を検出できるように、例えば、プロセッサのメモリまたは他の何らかの記憶装置において、これらの変動の発生が記録される。

本発明の局面の１つは、測定値の変動幅に関する特性変数が決定され、その特性変数を所定の閾値と比較する方法に関する。これは、好ましくは、マイクロプロセッサによって行われる。変動幅の特性変数が閾値を超えると、機能不良が推測され、エラー信号が生成される。測定値の変動幅に関する特性変数として、その標準偏差が用いられてもよい。

本発明の第２の局面は、電気的測定量の周期的変動を検出し、その結果、出現しつつある機能不良を検出する別の可能性に関する。本発明によれば、例えば時間周波数変換、例えば、フーリエ変換またはウェーブレット変換を用いて一連の測定値の周波数スペクトルを計算し、閾値を超えた場合には、少なくとも１つの周波数範囲に関して続いて検査を行うことによって、測定値が評価される。これが当てはまる場合には、エラー信号が生成される。本発明の第１の局面と同様に、本発明の第２の局面は、好ましくは、マイクロプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして実施される。

電気的測定量の周期的変動は、ほとんどの場合、特性周波数と共に生じる。従って、機能不良を検出するためには、通常、機能不良に特徴的な周波数が存在する１つまたは２〜３の周波数範囲を検査すれば十分である。ここで、異なる周波数範囲に対して異なる閾値を用いることが可能である。しかしながら、評価が行われる全ての周波数範囲に対して同一の閾値を用いることが好ましい。

高周波点火装置の潜在的機能不良の存在に関して特に参考になるのは、コロナ放電を生成するために高周波点火装置へと供給される電圧パルスの中間部分の間に測定される測定値である。

電圧パルスの開始および終了部分の間は、電気的特性変数は、大幅に変化する。高周波点火装置の完璧な動作中でさえ、電圧パルスの開始部分の間にコロナ放電が生じ、このコロナ放電は、電圧パルスの終了部分の間に消滅する。電流、電圧、および他の電気的変数は、コロナ放電が点火および消滅する際に大幅に変化する。対照的に、正しく機能している高周波点火装置においては、中間の電圧パルス部分は、主に、一定の状態によって特徴付けられる。従って、電圧パルスの中間部分は、潜在的な機能不良の検出に特に有利な形で適している。中間部分の前には、電圧の増加および過渡応答によって特徴付けられる開始部分が存在する。完璧な動作中では、電圧パルスを供給することによって生成される二次電圧の過渡応答後に、概して一定の状態が生じる。

好ましくは、電気的変数は、高周波点火装置の高電圧側で測定される。高周波点火装置は、車載電源ネット側および高電圧側を有し、車載電源ネット側と高電圧側との間には、二次電圧として、好ましくは少なくとも１５ｋＶの電圧、より好ましくは少なくとも３０ｋＶ、最も好ましくは少なくとも５０ｋＶの高電圧を車載電圧から生成する電圧変換器が配置される。原理上は、スライディング放電またはスパーク放電もまた、車載電源ネット側での測定によって検出可能であるが、それらは、高電圧側で測定される電気的変数において、より明白に現れる。高電圧側は、電気的変数を有利な形で測定可能な中間回路を含み得る。

スパーク放電またはスライディング放電等の高周波点火装置の機能不良は、コロナ放電を生成するために、過剰なエネルギーが供給された事実に基づくことができる。機能不良を検出した際に、後続の電圧パルスを用いて高周波点火装置に供給されるエネルギーが減少されると、機能不良は、ほとんどの場合取り除くことができる。しかしながら、機能不良、例えばスライディング放電が、高周波点火装置の欠陥に基づく場合もあり得る。従って、本発明による方法においては、電圧パルスを用いて高周波点火装置に供給されるエネルギーの下限の閾値を予め決定し、その下限の閾値において、高周波点火装置の機能不良が検出された場合にエラー信号を生成することが好ましい。エラー信号は、例えば、エンジン制御装置（ＥＣＵ）またはＯＢＤエラーメモリへのメッセージであり得る。このような低エネルギーの電圧パルスの間でさえ、スパーク放電またはスライディング放電が生じる場合は、通常、高周波点火装置に欠陥があり、できるだけ早く交換または修理を行うべきであることが推測できる。下限の閾値は、好ましくは、対応するエネルギーがコロナ放電の生成に十分であり、従って、少なくとも高周波点火装置の限定された機能には十分であるように規定される。

例えば共振周波数の周波数重畳は、誤った評価の原因となり得るので、実際の評価に先立って、フィルタリングを行うことができる。ある周波数範囲にわたる、例えば、共振周波数付近の測定された電気的変数の曲線をフィルタリングすることによって、評価にとって特徴的な極値または上側の波状曲線を詳細かつ別々に分析することが可能となる。

例えば、一定の時間間隔で電気的な測定値を測定し、かつ一連の測定値の最初および最後において指定された数の測定値を除外することによって、電圧パルスの開始部分および電圧パルスの終了部分に関する所定の期間を規定することが可能である。好ましくは、電圧パルスの中間部分に加えて、評価を行うために、電圧パルスの開始部分および終了部分中の値も考慮される。例えば、開始部分および／または終了部分に関して、個々のケースで、電気的変数の時間導出に関して異なる目標範囲を規定することが可能である。

本発明のさらなる詳細および利点を、添付の図面を参照して以下に説明する。

本発明によれば、高周波点火装置において、アーク、スパーク、又はスライディング放電等が生じるという機能不良を初期段階で検出することができる。

車両エンジン用の点火装置の構造を概略的に示す。 図１に図示される点火装置に接続される内燃機関のシリンダーの縦断面を概略的に示す。 完璧に機能している高周波点火装置における、コロナ放電中の電圧曲線の一例を概略的に示す。 内部スパークまたはスライディング放電の前段階における電圧曲線の一例を概略的に示す。

図１において、接地電位にある上壁２、円周壁３および壁４によって限定される燃焼室１が示される。点火用の電極５は、上方から燃焼室１内へと突出している。この電極５は、その長さの一部上をアイソレータ６によって囲まれている。アイソレータ６は、電極５が通過して燃焼室１内へと入る上壁２から電極５を電気的に絶縁する。燃焼室１内で、点火用の電極５は、アイソレータ６から外に突出し得る、あるいは、薄いアイソレータ層で覆われ得る。点火用の電極５および燃焼室１の壁２〜４は、コンデンサ８およびインダクタ９も含む発振回路７の一体部分である。もちろん、発振回路７は、追加のインダクタおよび／またはコンデンサ、および直列回路の考えられる部品として当業者には公知の他の構成要素を設けることが可能である。

発振回路７を励起させるためには、直流電圧源１１と、一次側に中心タップ１３を備えることにより、中心タップ１３において２つの一次巻線１４および１５が互いに接触する、ＤＣ／ＡＣ変換器としての変圧器１２とを有する高周波発生装置１０が設けられる。高周波スイッチ１６を用いて、一次巻線１４および１５の端部（これらの端部は、中心タップ１３から離れた場所に位置する）は、交互に接地に接続される。高周波スイッチ１６のスイッチング周波数は、直列発振回路７が励起される周波数を決定し、変更が可能である。変圧器１２の二次巻線１７は、地点Ａにおいて、直列発振回路７に給電する。高周波スイッチ１６は、発振回路がその共振周波数で励起される様に、制御回路（不図示）を用いて制御される。この時、点火用の電極５の先端および接地状態にある壁２〜４間の電圧は、最高値にある。

中央タップを備えた変圧器の代わりに、その上流に発振回路が配置された変圧器であって、発振回路は、ターゲット周波数を用いて変圧器をスイッチングすることによって、変圧器の入力において、必ずしも正弦曲線ではないが、それでもやはり正確にこのターゲット周波数を有する周期的特性を備えた電圧特性を生成する変圧器を用いることも可能である。

図２は、図１において概略的に図示された点火装置を備えた内燃機関のシリンダーの縦断面を示す。燃焼室１は、シリンダーヘッドとして設けられた上壁２と、円筒形状の円周壁３と、該シリンダーにおいて、往復移動可能であり、かつピストンリング１９を備えたピストン１８の上部の壁４とによって限定される。

シリンダーヘッド（上壁）２には、内部をダイ点火用の電極５が電気的に絶縁および密封された状態で延長する通路２０が存在する。さらに、点火用の電極５は、その長さの少なくとも一部上を焼結セラミック、例えば酸化アルミニウムセラミックから成り得るアイソレータ６によって囲まれる。点火用の電極５は、その先端が燃焼室１の内部へと突出し、アイソレータ６を僅かに越えて突出するが、アイソレータ６と同一平面であってもよい。

点火用の電極５およびピストン１８間において、発振回路７が励起すると、コロナ放電が発生する。このコロナ放電は、程度の差はあれ、集中的な電荷キャリア雲２２によって達成される。

シリンダーヘッド２の外側上には、ハウジング２３が取り付けられる。ハウジング２３の第１の区画２４には、変圧器１２の一次巻線１４および１５と、それらと協働する高周波スイッチ１６とが存在する。ハウジング２３の第２の区画２５には、変圧器１２の二次巻線１７および直列発振回路７の残りの部分、および必要であれば、発振回路７の挙動を監視する手段が存在する。インターフェイス２６を介して、例えば、診断装置２９および／またはエンジン制御装置３０への接続を確立することが可能である。

しかしながら、変圧器１２がシリンダーヘッド２に取り付けられたハウジング内に収容されることは必須ではなく、高周波スイッチ１６と共に、同じくエンジン制御装置３０に接続され得る別個の点火制御装置内に収容されることも可能である。直列発振回路７の残りの部分は、アイソレータ６を取り囲むハウジング内に収容され得る。

図３は、コロナ放電中の高周波点火装置の高電圧側における典型的な電圧曲線を概略的に示す。図３並びに以下の図面では、電圧はいずれの場合にも、高周波点火装置の点火用の電極５に二次電圧として印加される交流電圧の二乗平均平方根電圧として示される。交流電圧は、好ましくは、３０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数、特に、３〜６ＭＨｚの周波数を有する。対応する電圧曲線は、中間回路においても測定できる。

図３に示す電圧曲線は、高周波点火装置の車載電源側に電圧パルスを供給することによって生成される。車載電源側に供給される電圧パルスの始まりを時間ｔ＝０として、高周波点火装置の高電圧側における電圧ｕが、上昇を開始する。電圧パルスの開始部分の後に、ほとんど変動しないコロナ放電が、時間ｔ_ａにおいて達成される。電圧パルスの後続の中間部分の間、電圧ｕはほとんど変化せず、通常、３０ｋＶ〜５００ｋＶの値を有する。エンジンの現在の動作時点に応じて、この電圧ｕは３０ｋＶを下回る値、例えば、たった１５ｋＶの値を有する場合もある。

電圧パルスの終了部分の間に、二乗平均平方根電圧は、以前に到達した平坦域の値から降下する。電圧パルスの開始部分は、ｔ＝０〜ｔ_ａまで続く。電圧パルスの中間部分は、ｔ_ａからｔ_ｂまで続く。電圧降下によって引き起こされる不正確な測定を避けるためには、中間部分として、時間ｔ_ｂの前に時間間隔Δｔを残して終了する時間間隔、すなわち（ｔ_ｂ−ｔ_ａ）−Δｔのみを評価することが有利となり得る。

図４は、内部スパークまたはスライディング放電の前段階中に生じ得るような、高周波点火装置の高電圧側の電圧曲線の一例を概略的に示す。図に示すように、電圧曲線は、中間電圧部分の間の周期的変動によって特徴付けられている。このような場合には、エンジンにおいて燃料に点火するために使用可能なコロナ放電が生成されるが、顕著でより強いスパークまたはスライディング放電と、その結果、重大な機能不良とが形成され、それによって、高周波点火装置の破壊を招き得るリスクが増加する。多くの場合、さらなるコロナ放電に点火するために高周波点火装置へと後続の電圧パルスを用いて供給されるエネルギーを減少させることによって、このリスクに対して効果的に対応することができる。

図４に示す測定値の周期的変動は、一連の測定値が、図１に示される理想的な曲線である場合と比較して、大幅に広い範囲内で変動する結果となる。従って、測定値の変動幅に関する特性変数を決定し、その決定した特性変数を閾値と比較することによって、出現しつつある機能不良を検出することができる。特性変数が閾値を超えると、エラー信号が生成される。変動幅に関する特性変数は、例えば、測定値の標準偏差でもよい。閾値は、絶対値として予め決定されてもよく、あるいは、定数に二次電圧が制御可能に設定される目標値を乗じることによって計算されてもよい。

機能不良を示す変動は、一連の測定値の時間周波数変換、例えば、ウェーブレット変換またはフーリエ変換が計算される際にも検出され得る。時間周波数変換の結果は、ｔ_ａおよびｔ_ｂ間の電圧パルスの中間部分の間に生じる変動の周波数スペクトルを示す。閾値を超えた場合に、計算された周波数スペクトルの少なくとも１つの周波数範囲を検査することによって、一連の測定値が、発生している機能不良に特徴的な周波数で変化しているか否かを決定することができる。監視される周波数範囲は、好ましくは、二次電圧として生成される高周波点火装置の交流電圧の周波数よりも低い。より好ましくは、監視される周波数範囲は、交流電圧の周波数の半分よりも低く、最も好ましくは、交流電圧の周波数の１０分の１よりも低い。

１…燃焼室
２…シリンダーヘッド（上壁）
３…円周壁
５…電極（点火用の電極）
７…発振回路
１０…高周波発生装置
１２…変圧器
１６…高周波スイッチ
２６…インターフェイス
２９…診断装置
３０…エンジン制御装置
ｕ…電圧
ｔ_ａ、ｔ_ｂ…時間
Δｔ…時間間隔
（ｔ_ｂ−ｔ_ａ）−Δｔ…中間部分

Claims (10)

1. 電圧パルスを用いてコロナ放電を生成するための電気エネルギーを高周波点火装置に供給し、電気的変数の一連の測定値を前記電圧パルスの間に測定し、機能不良を検出するために前記測定値を評価する高周波点火装置の操作方法において、
   前記測定値は、前記測定値の変動幅に関する特性変数を決定し、前記決定された特性変数を閾値と比較することによって評価されること、および
   前記特性変数が前記閾値を超えると、エラー信号が生成されること、
   を特徴とする高周波点火装置の操作方法。
2. 前記特性変数が標準偏差であることを特徴とする請求項１に記載の高周波点火装置の操作方法。
3. 前記エラー信号が、後続の電圧パルスを用いて、さらなるコロナ放電システムに点火を行うために前記高周波点火装置へと供給されるエネルギーの減少を生じさせることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波点火装置の操作方法。
4. 電圧パルスを用いて前記高周波点火装置へと供給される前記エネルギーの下限の閾値を予め決定し、電圧パルスの間に、そのエネルギーが前記下限の閾値以下であれば、警告信号が生成され、前記高周波点火装置の機能不良が検出されることを特徴とする請求項３に記載の高周波点火装置の操作方法。
5. 前記電圧パルスの中間部分の間に測定された測定値に関する変動幅の特性変数が決定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の高周波点火装置の操作方法。
6. 前記中間部分は、前記電圧パルスを供給することによって生成される二次電圧の過渡応答後に始まることを特徴とする請求項５に記載の高周波点火装置の操作方法。
7. 電圧パルスを用いてコロナ放電を生成するための電気エネルギーを高周波点火装置に供給し、電気的変数の一連の測定値を前記電圧パルスの間に測定し、機能不良を検出するために前記測定値を評価する高周波点火装置の操作方法において、
   前記測定値は、変換を用いて周波数スペクトルを計算することによって評価されること、および
   周波数スペクトルが閾値を超えると、前記計算された周波数スペクトルの少なくとも１つの周波数範囲を続いて検査し、周波数スペクトルが閾値を超えた場合には、エラー信号が生成されること、
   を特徴とする高周波点火装置の操作方法。
8. 前記一連の測定値が、前記変換の前にフィルタリングされることを特徴とする請求項７に記載の高周波点火装置の操作方法。
9. 前記高周波点火装置が、車載電源ネット側および高電圧側を有し、前記車載電源ネット側と前記高電圧側との間には、高電圧、好ましくは少なくとも１５ｋＶの電圧を車載電圧から生成する電圧変換器が配置され、かつ前記電気的変数は、前記高周波点火装置の前記高電圧側で測定されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の高周波点火装置の操作方法。
10. 電気的変数、電流、および／または電圧が測定され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高周波点火装置の操作方法。

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