等离子流火花塞点火控制的制作方法

专利名称：等离子流火花塞点火控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生等离子体(plasma)以点燃混合气体的内燃机用的等离 子流火花塞(plasma-jet spark plug)的控制技术。
背景技术：
对于机动车辆用发动机或内燃机，通常使用利用火花放电来点燃混合气体的火花 塞。近年来，要求内燃机具有更高的输出和更低的燃料消耗。因此，正在开发能够提供更快 的燃烧扩散速度并能够点燃具有更高点火极限空燃比的稀薄混合气体的等离子流火花塞 (例如，参考专利文献1)。专利文献1 JP 2007-287666A等离子流火花塞具有包括小容积放电空间(腔)的结构，其中，由陶瓷绝缘体等绝 缘体围绕中心电极和接地电极之间的火花放电间隙来形成该放电空间。在等离子流火花塞 的点火方法的一个例子中，在点燃混合气体时，首先通过在中心电极和接地电极之间施加 高压来进行火花放电。由于因此而产生的介质击穿，使得具有较低电压的电流可以在中心 电极和接地电极之间的间隙中流动。因此，通过在中心电极和接地电极之间提供电力改变 放电状态，在腔中形成等离子体。通过经连通孔(所谓的口)喷射由此形成的等离子体，等 离子流火花塞对混合气体进行点火。然而，由于等离子流火花塞需要提供大量能量来产生等离子体，因而与传统火花 塞相比，等离子流火花塞在耐久性上较差。而且，由于从腔中喷射等离子体的时间短，因而 在一些情况下点火的可靠性低。

发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种用于提高等离子流火花塞的耐久性和 可燃性的控制技术。本发明的第一方面提供一种用于控制设置在内燃机中的等离子流火花塞的点火 的控制系统。所述控制系统包括感测部，用于感测所述内燃机的工作状况；确定部，用于 根据感测到的所述工作状况来确定所述等离子流火花塞的点火模式；以及点火部，用于根 据确定出的所述点火模式，进行如下点火控制通过向所述等离子流火花塞施加第一电力， 在所述等离子流火花塞的火花放电间隙中引发介质击穿，然后通过向发生了所述介质击穿 的所述火花放电间隙施加第二电力，在所述火花放电间隙的附近产生等离子体。根据第一方面的控制系统能够根据设置有等离子流火花塞的内燃机的工作状况 来确定点火模式。因此，该控制系统能够进行控制，使得与每一次都在相同模式下进行点火 的系统相比，能够提高等离子流火花塞的耐久性和可燃性。本发明的第二方面提供第一方面的控制系统，其中，所述确定部确定所述等离子 流火花塞的点火正时和针对每一燃烧冲程的点火次数作为所述点火模式，所述点火部根据 确定出的点火正时和确定出的一个燃烧冲程的点火次数进行所述点火控制。
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根据第二方面的控制系统能够根据设置有等离子流火花塞的内燃机的工作状况， 调整点火正时和针对每一燃烧冲程的点火次数。因此，该控制系统能够在适合内燃机的工 作状况的点火正时进行多次点火。因此，该控制系统能够增加点燃的机会，从而提高等离子 流火花塞的点火性能。本发明的第三方面提供第一方面或第二方面的控制系统，其中，所述确定部根据 感测到的所述工作状况，确定所述第二电力的电力量。根据第三方面的控制系统能够根据内燃机的工作状况，调整用于生成等离子体的 电力量。因此，无需向等离子流火花塞施加超过必要的电力，并且该控制系统能够提高等离 子流火花塞的耐久性。第四方面提供第三方面的控制系统，其中，所述确定部根据感测到的所述工作状 况，通过调整对发生了所述介质击穿的火花放电间隙提供的电流的大小来确定所述电力量。第四方面的控制系统能够通过调整电流的大小而非调整供电时间，向等离子流火 花塞提供适合于内燃机的工作状况的电力量。本发明的第五方面提供第三方面的控制系统，其中，所述确定部根据感测到的所 述工作状况，通过调整对发生了所述介质击穿的所述火花放电间隙供电的时间或时间量来 确定所述电力量。第五方面的控制系统能够通过调整供电时间而非调整电流的大小，向等离子流火 花塞提供适合于内燃机的工作状况的电力量。本发明的第六方面提供第一方面 第五方面中的一个方面的控制系统，其中，所 述点火部包括与所述等离子流火花塞连接并用于提供所述第一电力的第一供电部和与所 述等离子流火花塞连接并用于提供所述第二电力的第二供电部，所述点火部通过改变从所 述第二供电部所提供的第二电力的量，在确定出的所述点火模式下进行所述点火控制。第六方面的控制系统被配置成直接改变从第二供电部所提供的第二电力的量，以 产生等离子体。因此，该控制系统能够根据内燃机的工作状况精确地调整电力量，并且将精 确调整后的电力提供给等离子流火花塞。本发明的第七方面提供第六方面的控制系统，其中，所述点火部的所述第二供电 部包括与所述等离子流火花塞连接并用于向所述等离子流火花塞提供所述第二电力的电 源部和用于改变所述电源部和所述等离子流火花塞之间的导通或连接状态的开关，所述点 火部通过控制所述开关的转换，在确定出的所述点火模式下进行所述点火控制。第七方面的控制系统能够以在电源部和等离子流火花塞之间设置开关的相对简 单的电路来调整诸如点火正时和点火频率或点火次数等的点火模式。本发明的第八方面提供第七方面的控制系统，其中，所述点火部的所述第二供电 部包括并联配置的多组电路，其中每组电路包括所述开关和与所述等离子流火花塞连接的 所述电源部，并且所述点火部通过控制所述开关的转换，在确定出的所述点火模式下进行 所述点火控制。第八方面的控制系统能够通过使用多个电源部，使施加至等离子流火花塞的电力 量的调整范围变宽。本发明的第九方面提供第六方面的控制系统，其中，所述点火部的所述第二供电部包括与所述等离子流火花塞连接并用于向所述等离子流火花塞提供所述第二电力的电 源部和用于改变大地与所述电源部和所述等离子流火花塞间的连接部之间的导通或连接 状态的开关，所述点火部通过控制所述开关的转换，在确定出的所述点火模式下进行所述 点火控制。第九方面的控制系统能够通过控制开关的转换，容易地调整结束施加第二电力的 时刻。本发明的第十方面提供第六方面的控制系统，其中，所述点火部的所述第二供电 部包括通过变压器与所述等离子流火花塞连接并用于向所述等离子流火花塞提供所述第 二电力的电源部和用于改变所述变压器的一次侧和大地之间的导通或连接状态的开关，所 述点火部通过控制所述开关的转换，在确定出的所述点火模式下进行所述点火控制。第十方面的控制系统能够利用在将电源部连接至等离子流火花塞的变压器的接 地部分设置开关的相对简单的电路来调整诸如点火正时和点火次数等的点火模式。本发明的第十一方面提供第六方面的控制系统，其中，所述点火部的所述第二供 电部包括与所述等离子流火花塞连接并用于向所述等离子流火花塞提供所述第二电力的 电源部，所述点火部通过控制所述电源部的输出电力，在确定出的所述点火模式下进行所 述点火控制。第十一方面的控制系统能够利用控制电源部的输出电力的相对简单的电路来调 整施加至等离子流火花塞的电力量。


图1是说明用于控制等离子流火花塞的点火的控制系统的结构的示意图；图2是示出等离子流火花塞100的结构的局部剖视图；图3是示出等离子流火花塞100的前端部分的放大剖视图；图4是示出内燃机300的控制处理的流程图；图5是示出点火装置320的第一构成的图；图6是示出点火装置320的第二构成的图；图7是示出点火装置320的第三构成的图；图8是示出点火装置320的第四构成的图；图9是示出点火装置320的第五构成的图；图10是示出点火装置320的第六构成的图；图11是示出施加于等离子流火花塞的能量和等离子流火花塞的耐久性之间的关 系的图；图12是示出内燃机300的输出最大的点火正时的图；图13是示出提供低于或等于0. 的失火概率(misfire probability)的最少点 火次数的图；图14是示出用于通过改变内燃机300的转动速度来确定提供低于或等于0. 1 %的 失火概率的最小施加能量的实验结果的图；图15是示出用于通过改变节流阀开度来确定提供低于或等于0. 的失火概率 的最小施加能量的实验结果的图16是示出用于通过改变空燃比来确定提供低于或等于0. 的失火概率的最 小施加能量的实验结果的图；图17是示出用于通过改变点火正时来确定提供低于或等于0. 的失火概率的 最小施加能量的实验结果的图；图18是示出用于通过改变点火次数来确定提供低于或等于0. 的失火概率的 最小施加能量的实验结果的图；图19是示出用于通过改变EGR率来确定提供低于或等于0. 的失火概率的最小 施加能量的实验结果的图；图20是示出用于通过改变最大电流值来确定提供低于或等于0. 的失火概率 的最小施加能量的实验结果的图；图21是示出用于通过改变供电时间来确定提供低于或等于0. 的失火概率的 最小施加能量的实验结果的图；图22是用于示出施加开始时间和施加停止时间的概念的图；图23是用于示出施加开始时间和施加停止时间的概念的图；图24是示出用于通过改变施加开始时间t 1和施加停止时间t2来确定提供低于 或等于0. 的失火概率的最小施加能量的实验结果的图。
具体实施例方式以下参考附图按照下面的顺序说明本发明的实施例。A.控制系统的结构的概述B.等离子流火花塞的结构C.内燃机的工作控制D.点火装置的各种构成E.实施例A.控制系统的结构的概述图1是概略示出用于控制等离子流火花塞的点火的控制系统的图。图1所示的控 制系统1包括设置有等离子流火花塞100的内燃机300、用以对等离子流火花塞100进行点 火的点火装置320、用以感测内燃机300的一个或多个工作状况的各种传感器、以及与这些 传感器连接的E⑶(发动机控制单元)310。内燃机300是普通的四冲程汽油发动机。内燃机300装配有用于感测空燃比的A/ F传感器301、用于感测爆震(knocking)发生的爆震传感器302、用于感测冷却水的温度的 水温传感器303、用于感测曲柄角的曲柄角传感器304、用于感测节流阀开度的节流阀传感 器305、以及用于感测EGR阀开度的EGR阀传感器306。这些传感器与E⑶310电连接。根据由这些传感器所感测到的内燃机300的工作 状况，ECU 310确定诸如点火正时、点火频率或点火次数、和/或施加于等离子流火花塞100 的能量量等的等离子流火花塞100的点火模式。然后，根据确定出的点火模式，ECU 310向 等离子流火花塞100的点火装置320输出点火信号和能量改变信号。点火信号是用以启动 等离子流火花塞100的火花放电的触发信号。能量改变信号是用于调整或调节施加至等离 子流火花塞100的能量量以在火花放电之后产生等离子体的信号。
点火装置320根据从ECU 310接收到的点火信号和能量改变信号，对等离子流火 花塞100进行点火控制。具体地，响应于来自E⑶310的点火信号，点火装置320通过向等 离子流火花塞100施加高压(第一电力)，产生火花放电，从而在火花放电间隙中引发介质 击穿。然后，点火装置320向介质击穿之后的火花放电间隙施加根据从ECU 310接收到的 能量改变信号调整后的电力(第二电力)。因此，从等离子流火花塞100喷射等离子体，并 且点燃气体混合物。在本实施例中，一个或多个传感器对应于本申请中所使用的“感测部”，ECU 310对 应于本申请中所使用的“确定部”，并且点火装置320对应于本申请中所使用的“点火部”。B.等离子流火花塞的结构图2是示出等离子流火花塞100的结构的局部剖视图。图3是示出等离子流火花 塞100的前端部分的放大剖视图。在图2中，等离子流火花塞100的轴0的方向是图2的 上下方向。在下面的说明中，将下侧和上侧分别称为前端侧和后端侧。如图2所示，等离子流火花塞100包括绝缘体10、用于支持绝缘体10的主金属装 配构件50、沿轴0的方向被支持在绝缘体10中的中心电极20、被焊接至主金属装配构件50 的前端59的接地电极30、以及被设置在绝缘体10的后端处的端子金属构件40。绝缘体10是通过煅烧已知的氧化铝或其它材料形成的管状绝缘构件，其形状为 具有沿着轴ο的方向延伸的轴孔12的空心圆柱体。绝缘体10包括在轴0方向上的长度的 大约中央处形成的且具有最大外径的凸缘部19以及在凸缘部19的后端侧形成的后端侧主 干(trunk)部18。绝缘体10还包括在凸缘部19的前端侧形成的且在外径上小于后端侧主 干部18的前端侧主干部17以及在前端侧主干部17的前端侧形成的且在外径上小于前端 侧主干部17的腿部13。在前端侧主干部17和腿部13之间，形成有台阶。如图3所示，轴孔12的位于腿部的部分形成为电极容纳部15，其在内径上小于轴 孔12的在前端侧主干部17、凸缘部19和后端侧主干部18中延伸的部分。将中心电极20 保持在该电极容纳部15中。而且，轴孔12还包括位于电极容纳部15的前端侧且在内径上 小于电极容纳部15的前端小直径部61。前端小直径部61的内周面与绝缘体10的前端面 16相接，由此形成轴孔12的开口 14。中心电极20是由诸如Inconel (商标名)600或601等的镍合金或其它材料制成 的形状如圆柱体的电极棒。中心电极20在其中包括由导热性良好的铜或其它材料制成的 金属芯23。通过焊接将电极端部25与中心电极20的前端21接合成一体。电极端部25形 状如圆盘，并且由主要成分包含贵金属和/或钨的合金制成。在本实施例中，将包括中心电 极20和与中心电极20接合成一体的电极端部25的整体构件称为“中心电极”。中心电极20包括如向外凸缘一样在外径上增大的后端部，并且该后端部在轴孔 12中位于电极容纳部15起始的台阶部上，以使得在电极容纳部15中定位中心电极20。中 心电极20的前端21的前端面26 (确切地说，即，与中心电极20的前端21接合成一体的电 极端部25的前端面26)的周围边界部抵接在直径不同的电极容纳部15和前端小直径部61 之间所形成的台阶上。利用该结构，轴孔12的前端小直径部61的内周面和中心电极20的 前端面26围绕限定小容积的小放电空间。将该放电空间称为腔60。接地电极30和中心电 极20之间的火花放电间隙中的火花放电穿过该腔60内的空间和壁表面。然后，在通过火 花放电而发生介质击穿或绝缘击穿之后，通过施加能量，在该腔60中形成等离子体。从开口 14的开口端11喷射出该等离子体。如图2所示，中心电极20通过配置于轴孔12中的金属玻璃混合物的导电密封构 件4与后端金属端子构件40电连接。通过该密封构件4，在轴孔12中固定并电连接中心电 极20和端子构件40。端子构件40通过插头(未示出)与高压线缆(未示出)相连接，其 中，通过该高压线缆，从图1所示的点火装置320向端子构件40提供电力。主金属装配构件50是用于将等离子流火花塞100固定至内燃机300的发动机头 的管状金属构件。主金属装配构件50包围并保持绝缘体10。主金属装配构件50由铁材料 制成，并且包括与未示出的火花塞扳手配合的工具接合部51以及被拧进设置在内燃机300 上部的发动机头中的螺纹部52。主金属装配构件50包括位于工具接合部51的后端侧的压紧连接部(staking portion) 53。在绝缘体10的后端侧主干部18和主金属装配构件50的包括工具接合部51 及压紧连接部53的部分之间插入圆环形构件6和7。而且，在圆环形构件6和7这两者之 间填充滑石粉9。通过压紧连接压紧连接部53，经圆环形构件6和7以及滑石粉9将绝缘 体10向前推向主金属装配构件50的前端。因此，如图3所示，通过环状密封件80相对在 主装配构件50的内周面上以台阶形式形成的台阶状抵接部56来支持绝缘体10的腿部13 和前端侧主干部17之间的台阶部，从而使得主装配构件50和绝缘体10成为一体。密封件 80确保主装配构件50和绝缘体10之间的气密性，并且防止燃烧气体泄漏。此外，如图2所 示，在工具接合部51和螺纹部52之间形成凸缘部54，并且在螺纹部52的后端附近，将密封 垫5装配在凸缘部54的座面55上。将接地电极30设置在主装配构件50的前端部59。接地电极30由耐火花消耗的 金属材料制成。例如，可以使用Inconel (商标名)600或601等的镍合金。如图3所示，接 地电极30是在中央具有连通孔31的圆盘状构件。在接地电极30的厚度方向与轴0的方 向一致且接地电极30抵接绝缘体10的前端面16的状态下，将接地电极30装配在由主装 配构件50的前端部59的内周面所限定的接合部58中。在接地电极30的前端面32与主 装配构件50的前端面57齐平的状态下，通过激光焊接，将接地电极30的外周边整圈地与 接合部58相接合，从而使得接地电极30与主装配构件50接合成一体。接地电极30的连 通孔31的大小为连通孔31的最小内径大于或等于绝缘体10的开口 14(开口端11)的内 径。腔60的内部通过连通孔31与外部连通。C.内燃机的工作控制E⑶310控制点火装置320，从而对装配有由此构成的等离子流火花塞100的内燃 机300进行点火。下面对ECU 310所进行的控制进行说明。图4是E⑶310重复进行的用于控制内燃机的控制处理的流程图。如图4所示， 在该控制处理开始之后，ECU 310首先通过使用水温传感器303获取冷却水或散热剂的温 度W(步骤S10)，并且检查是否完成了内燃机300的预热(步骤S20)。当判断为冷却水的温 度W高于或等于预定温度(例如，70°C)并且完成了预热时(步骤S20为“是”)，E⑶310 通过使用曲柄角传感器304感测转动速度R(步骤S30)，并且通过使用节流阀传感器305感 测节流阀开度T (步骤S40)。此外，ECU 310通过使用爆震传感器302感测爆震的爆震强度 K (步骤 S50)。在这些用于感测转动速度R、节流阀开度T和爆震强度K等的一种或多种工作状况的操作之后，ECU 310根据这些感测值，确定等离子流火花塞100的点火正时D和点火频率 或点火次数N(步骤S60和S70)。例如，通过下面的多维函数确定点火正时D和点火次数
N0D = f (R, T, K)N=g(R，T)当在步骤S20判断为仍未完成预热时(步骤S20为“否”)，E⑶310进行预热校正 (步骤S 80)。预热校正是提高启动内燃机300时的可燃性的操作。也就是说，E⑶310通 过使用曲柄角传感器304感测转动速度R(步骤S90)，并且通过使用节流阀传感器305感测 节流阀开度T (步骤S100)。此外，ECU 310通过使用爆震传感器302感测爆震强度K(步骤 S110)。根据这些感测值，ECU310确定仍未完成预热的预热期间的等离子流火花塞100的 点火正时D’和点火次数N’(步骤S120和S130)。在预热期间，与正常期间相比，通过提前 点火正时，并且/或者与正常期间相比，通过增加点火次数，可以提高可燃性。在通过这些操作确定了点火正时D和点火次数N之后，E⑶310通过使用A/F传感 器301感测空燃比A(步骤S140)，并且通过使用EGR阀传感器306感测EGR阀的开度E (步 骤S150)。最后，通过使用上述各种值，ECU 310确定在火花放电间隙中发生介质击穿之后 要施加于等离子流火花塞100的能量量J(峰值电流和通电时间)(步骤S160)。例如，通过 下面的多维函数来确定能量量J。J = h(R, Τ, A, Ε, D, N)通过重复上述控制处理，E⑶310可以确定等离子流火花塞100的点火正时D、点 火次数N和施加能量量J。根据由此确定的点火正时D、点火次数N和能量量J，ECU 310控 制点火装置320，并且使等离子流火花塞100进行点火。为了确定点火正时D、点火次数N 和能量量J，基于在后面所述的实施例中获得的实验结果，预先确定上述函数和/或控制映 射。通过使用这些函数和/或控制映射，E⑶310确定点火正时D和点火次数N，使得能量 量J较少，并且提高点火的可靠性。P.点火装置的各种构成可以通过各种电路结构实现图1所示的点火装置320。下面对点火装置320的四 种构成进行说明。下面的构成不是限制性的，并且可以不局限于下面的构成而采用其它各 种构成。(Dl)第一构成图5是示出点火装置320的第一构成的图。以下将第一构成的点火装置称为“点 火装置320a”。如图5所示，点火装置320a包括用于在等离子流火花塞100中引发介质击 穿的触发放电电路340a和用于在发生介质击穿之后向等离子流火花塞100施加能量的等 离子放电电路350b。触发放电电路340a包括具有12V电压的电池321、用以将电压从电池321的电压 升高至数万伏电压的升压变压器323、用以防止电流逆流的二极管324、电阻器325和开关 326。电池321、升压变压器323、二极管324和电阻器325以串联电路的方式与等离子流火 花塞100的中心电极20连接。二极管324的阳极与升压变压器323的二次侧高压部分连 接，并且二极管324的阴极与电阻器325的一端连接。开关326设置在升压变压器323的 一次侧接地部分。例如，该开关326可以是N沟道MOSFET的半导体开关。点火装置320a
10响应于从E⑶310接收到的点火信号，通过控制开关326的接通/断开状态，调整等离子流 火花塞100的点火正时和点火次数。等离子放电电路350b包括具有500 1000V电压的高压电源322、开关327、线圈 328、用于防止电流逆流的二极管329、以及电容器330。高压电源322、开关327、线圈328和 二极管329以串联电路的方式与等离子流火花塞100的中心电极20连接。二极管329的 阳极与线圈328的一端连接，并且二极管329的阴极与等离子流火花塞100的中心电极20 连接。电容器330对应于本申请中的“电源部”，并且电容器330以电容器330的一端接地 的状态连接在高压电源322和开关327之间。例如，开关327可以是P沟道MO SFET的半 导体开关。代替电容器330，可以采用内部电阻低且在短时间内可以发出高能量的电源。通过高压电源322向电容器330充电。当在等离子流火花塞100的火花放电间隙 中发生介质击穿并且通过E⑶310接通开关327时，将电容器330中充电的能量施加至等 离子流火花塞100的中心电极20。通过施加电容器330的能量，等离子流火花塞100产生 等离子体。点火装置320a根据从E⑶310接收到的能量改变信号，通过控制开关327的切 换操作的占空比，来调整施加至等离子流火花塞100的能量量。第一构成的点火装置320能够利用在电源部和等离子流火花塞之间设置有开关 的相对简单的电路来调整点火正时和点火频率。(D2)第二构成图6是示出点火装置320的第二构成的图。以下将第二构成中的点火装置称为 “点火装置320b”。如图6所示，点火装置320b的触发放电电路340b的结构与图5所示的 触发放电电路340a的结构相同。然而，等离子放电电路350b包括N组电路，其中每组电路 包括电容器330、开关327、线圈328和二极管329，并且每组电路连接在高压电源322和等 离子流火花塞100之间。因此，在发生介质击穿之后，该等离子放电电路350b可以以并联 方式向等离子流火花塞100提供从电容器330输出的能量，从而使得电容器330的数量最 大等于N。按照第二构成所构造的点火装置320能够响应于从E⑶310接收到的能量改变信 号，通过分别控制数量等于N的开关327，在比第一构成的调整范围宽的调整范围中改变所 施加的能量量。在图6所示的例子中，将每一电容器330的一端连接至高压电源322和开关327 之间的连接点。然而，可以将每一电容器330的一端连接至开关327和线圈328之间的连 接点，并且将另一端接地。(D3)第三构成图7是示出点火装置320的第三构成的图。以下将第三构成的点火装置称为“点 火装置320c”。如图7所示，点火装置320c的触发放电电路340c与图5所示的触发放电电 路340a在结构上相同。然而，等离子放电电路350c缺少图5所示的等离子放电电路350a 中所包括的开关327，相反包括连接在线圈328和二极管329之间且一端接地的开关331。 点火装置320c根据从E⑶310接收到的能量改变信号，通过接通和断开开关331，来调整施 加至等离子流火花塞100的能量量。具体地，通过断开该开关，点火装置320c可以向等离 子流火花塞100施加蓄积在电容器330中的电荷。另一方面，通过接通该开关，由于电荷从 电容器330流向地，因而点火装置320c可以停止向等离子流火花塞100施加能量。
特别地，通过控制开关331的转换或切换操作，按照第三构成所构造的点火装置 320能够容易地调整停止向等离子流火花塞100施加能量的时刻。(D4)第四构成图8是示出点火装置320的第四构成的图。以下将第四构成中的点火装置称为 “点火装置320d”。如图8所示，点火装置320d的触发放电电路340d在结构上与图5所示 的触发放电电路340a相同。然而，等离子放电电路350d包括具有12V电压的电池332、大 电流变压器333、线圈328、二极管329和开关334。大电流变压器333连接在线圈328和电 池332之间，并且开关334设置在大电流变压器333的一次侧接地部分。例如，大电流变压 器的一次侧的线圈匝数与二次侧的线圈匝数的比可以是1 1。点火装置320d能够根据 从ECU 310接收到的能量改变信号，通过接通或断开设置在大电流变压器333的接地部分 的开关334，来调整施加至等离子流火花塞100的能量量。按照第四构成所构造的点火装置320能够利用在连接电源与等离子流火花塞的 变压器的接地部分设置有开关的相对简单的电路，来调整点火正时和点火次数。(D5)第五构成图9是示出点火装置320的第五构成的图。以下将第五构成的点火装置称为“点 火装置320e”。如图9所示，点火装置320e的触发放电电路340e在结构上与图5所示的触 发放电电路340a相同。然而，等离子放电电路350e具有下面的结构从图5所示的等离子 放电电路350a省略了开关327，并且利用可控制输出电压变化的高压电源342来代替高压 电源322。点火装置320e能够根据从E⑶310接收到的能量改变信号，通过改变高压电源 342的输出电压，来调整施加至等离子流火花塞100的能量量。按照第五构成所构造的点火装置320能够利用用于控制电源部的输出电压的相 对简单的控制，来容易地调整施加至等离子流火花塞100的电力量。(D6)第六构成图10是示出点火装置320的第六构成的图。以下将第六构成的点火装置称为“点 火装置320f ”。如图10所示，点火装置320f的触发放电电路340f在结构上与图5所示的 触发放电电路340a相同。然而，等离子放电电路350f包括高压电源322、电阻器349、二极 管348、开关347、电容器346、二极管345、变压器344、线圈328和二极管343。二极管343 的阳极与等离子流火花塞100的中心电极20连接，并且二极管343的阴极与线圈328的一 端连接。线圈328的另一端与变压器344的二次侧高压部分相连接。二极管345的阳极与 该变压器的一次侧高压部分和电容器346的一端之间的连接点相连接，并且二极管345的 阴极接地。电容器346的另一端通过开关347接地。二极管348的阴极与电容器346的另 一端和开关347之间的连接点相连接，并且二极管348的阳极与电阻器349的一端连接。 电阻器349的另一端与高压电源322连接。第六构成的点火装置350f的等离子放电电路 350f包括N组电路，其中每组电路包括变压器344、二极管345、电容器346、开关347和二 极管348，并且每组电路连接在线圈328和电阻器349之间。按照第六构成所构造的点火装置能够通过分别控制数量为N的开关347，来调整 所施加的能量量。此外，即使在由于向等离子流火花塞100的中心电极20施加负高压而引 起负放电的情况下，第六构成的点火装置也可以容易地监视向电容器346充电的电压。利 用变压器344，第六构成的点火装置可以使用较低输出电压的电源作为高压电源322，因此可以使用具有较低耐压的廉价部件作为构成该电路的部件。触发放电电路340a、340b、340c、340d、340e和/或340f对应于本申请中所使用的 “第一供电部”，并且等离子放电电路350a、350b、350c、350d、350e和/或350f对应于本申 请中所使用的“第二供电部”。E.实施例为了确认是否能够在抑制施加至等离子流火花塞100的能量量的同时提高点火 的可靠性，通过利用具有上述各种构成的点火装置控制对等离子流火花塞100的点火，进 行了各种评价实验。下面作为实施例说明评价实验的结果。(El)实施例 1实施例1用于示出为了提高等离子流火花塞100的耐久性而需要降低施加至等离 子流火花塞100的能量量的原因。图11是示出施加至等离子流火花塞100的能量量和等离子流火花塞100的耐久 性之间的关系的图。纵轴表示针对一次点火操作由等离子放电电路350施加至等离子流火 花塞100的能量量。横轴表示当进行100次点火时放电电压的平均值高于30kV的时间。也 就是说，横轴表示由于电极损耗而使火花放电间隙变宽从而使得放电电压高于标准的时间 长度。通过在被加压至0. 4MPa的空气中以IOOHz的周期重复对等离子流火花塞100点火 来进行该实验。在该环境下，重复点火200小时可以提供与车辆实际行驶约20000Km的距 离相对应的实验结果。通过图11显而易见，为了提高等离子流火花塞100的耐久性(换句话说，为了延 长等离子流火花塞100的寿命)，必须尽可能地降低施加至等离子流火花塞100的能量量。(E2)实施例 2实施例2用于示出如何确定等离子流火花塞100的点火正时。在实施例2中，在 空燃比为16、EGR率为0%、施加至等离子流火花塞100的能量为50mJ、且点火次数为每一 周期(每一燃烧冲程)一次的条件下，在具有2. OL排量的内燃机300中，通过实验确定内 燃机300提供最大输出的点火正时。图12是示出通过上述实验所获得的将内燃机的输出升高至最大值的点火正时的 图。X轴表示发动机转动速度，y轴表示节流阀开度，并且Z轴表示点火正时(BTDC° )。通 过该图显而易见，如果可以感测到转动速度和节流阀开度，则可以确定用以获得最大输出 的点火正时的角位置。以映射形式预先存储图12所示的图，并且通过使用该映射，ECU 310 能够根据由节流阀传感器305感测到的节流阀开度和由曲柄角传感器304感测到的转动速 度，来确定用以获得最大输出的点火正时。(E3)实施例 3在实施例3中，在通过实施例2的图所确定出的点火正时，通过实验来确定用以确 保可燃性的点火频率或每一周期(每一燃烧冲程)的点火次数。在该实验中，在施加至等 离子流火花塞100的能量为25mJ的条件下，在具有2. OL排量的内燃机300中，确定使失火 概率低于或等于0. 的最少点火次数。图13是示出在上述条件下使失火概率低于或等于0. 的最少点火次数的图。横 轴表示转动速度，并且纵轴表示节流阀开度。如该图所示，当节流阀开度小且转动速度低 时，通过设置点火次数等于3，可以使失火概率低于或等于0. 1%。当转动速度高于3000rpm时，通常通过设置点火次数等于1，可以使得失火概率低于或等于0. 1%。以映射的形式预先存储图13的图，并且通过使用该映射，E⑶310可以根据由节 流阀传感器305感测到的节流阀开度和由曲柄角传感器304感测到的转动速度，确定高点 火性能的点火次数。普通火花塞的火花放电需要约3msec (毫秒)的时间，然而等离子流火 花塞100的一次点火包括等离子体的喷射仅需要约20 μ sec (微秒)的时间。因此，根据通 过图11确定出的点火正时，E⑶310可以通过以20 μ sec的固定时间间隔进行点火，使得 点火的次数等于根据图13确定出的次数，从而在一个燃烧冲程期间进行多次点火。(E4)实施例 4在实施例4中，进行用于通过仅改变内燃机300的工作状况之一来确定提供0. 1 % 以下的失火概率的最小施加能量的实验。在本实验中，内燃机300的工作状况基本设置如 下转动速度为700rpm，空燃比为16，点火次数为(每一周期)1次，节流阀开度为0. 25，点 火正时为BTDC 5°，并且EGR率为10%。图14是示出用于通过改变内燃机300的转动速度来确定使失火概率低于或等于 0. 的最小施加能量的实验的结果的图。横轴表示转动速度，纵轴表示施加至等离子流火 花塞100的能量。如该图所示，随着内燃机300的转动速度增大，可以降低施加至等离子流 火花塞100的能量。图15是示出用于通过改变节流阀开度来确定使失火概率低于或等于0. 的最 小施加能量的实验的结果的图。横轴表示节流阀开度，纵轴表示施加至等离子流火花塞100 的能量。如该图所示，随着内燃机300的节流阀开度增大，可以降低施加至等离子流火花塞 100的能量。图16是示出用于通过改变空燃比来确定使失火概率低于或等于0. 的最小施 加能量的实验的结果的图。横轴表示空燃比，纵轴表示施加至等离子流火花塞100的能量。 如该图所示，随着内燃机300的空燃比降低，也就是说，随着燃料百分比的增大，可以降低 施加至等离子流火花塞100的能量。图17是示出用于通过改变点火正时来确定使失火概率低于或等于0. 的最小 施加能量的实验的结果的图。横轴表示点火正时，纵轴表示施加至等离子流火花塞100的 能量。如该图所示，在上述条件下，在0° 20°的点火正时的范围中，可以降低施加至等 离子流火花塞100的能量。图18是示出用于通过改变点火次数来确定使失火概率低于或等于0. 的最小 施加能量的实验的结果的图。横轴表示点火次数，纵轴表示施加至等离子流火花塞100的 能量。如该图所示，随着内燃机300的点火次数增大，可以降低施加至等离子流火花塞100 的能量。图19是示出用于通过改变EGR率来确定使失火概率低于或等于0. 的最小施 加能量的实验的结果的图。横轴表示EGR率，纵轴表示施加至等离子流火花塞100的能量。 如该图所示，随着通过降低EGR率使得排气再循环的量减少，可以降低施加至等离子流火 花塞100的能量。通过实施例4显而易见，可以通过进行增大内燃机300的转动速度、增大节流阀开 度、降低空燃比、在0° 20°范围内调整点火正时、增加点火次数、以及降低EGR率中的至 少一部分控制操作来降低施加至等离子流火花塞100的能量。通过进行这种控制，可以提高等离子流火花塞100的耐久性。(E5)实施例 5在实施例5中，进行用于通过分别改变施加至等离子流火花塞100的最大电流值 和供电时间或通电时间来确定使失火概率低于或等于0. 的最小施加能量的实验。在 该实验中，内燃机300的工作状况设置如下转动速度为700rpm，空燃比为16，点火次数为 (每一周期)1次，节流阀开度为0.25，点火正时为BTDC 5°，并且EGR率为0%。图20是示出用于通过改变最大电流值来确定使失火概率低于或等于0. 的最 小施加能量的实验的结果的图。横轴表示所提供的电流的最大值，纵轴表示使失火概率低 于或等于0. 的最小施加能量。如该图所示，随着向等离子流火花塞100提供的电流的最 大值增大，所需能量逐渐降低。图21是示出用于通过改变供电时间来确定使失火概率低于或等于0. 的最小 施加能量的实验的结果的图。横轴表示供电时间，纵轴表示使失火概率低于或等于0. 的 最小施加能量。如该图所示，随着向等离子流火花塞100供电的时间增加，所需能量逐渐增 加。通过实施例5的结果显而易见，在通过等离子放电电路350向等离子流火花塞100 供电的操作中，通过增大最大电流值或者延长供电时间，可以降低施加至等离子流火花塞 100的能量量。因此，通过进行这种控制，可以提高等离子流火花塞100的耐久性。由于可 通电时间可根据点火正时、点火次数和转动速度而改变，因而优选通过调整最大电流值而 不是通过调整通电时间来降低所施加的能量量。(E6)实施例 6在实施例6中，进行用于通过改变开始向等离子流火花塞100施加能量的时间 (以下称为“施加开始时间”)和停止或终止施加能量的时间(以下称为“施加停止时间”) 来确定使失火概率低于或等于0. 的最小能量的实验。在该实验中，内燃机300的工作状 况设置如下转动速度为700rpm，空燃比为16，点火次数为(每一周期)1次，节流阀开度为 0. 25，点火正时为BTDC5。，并且EGR率为0%。图22和图23是示出施加开始时间和施加停止时间的概念的图。在图22和图23 中，“t0”表示的时刻是通过触发放电电路340的放电使等离子流火花塞100的火花放电间 隙处于介质击穿状态的时刻。时间“tl”是在时刻t0之后从等离子放电电路350向等离子 流火花塞100开始施加能量(电流)的时间或时间间隔(施加开始时间)。此外，时间“t2” 是从开始施加能量到结束施加能量的时间或时间间隔(施加停止时间)。为了易于调整施加开始时间tl和施加停止时间t2，通过使用组合图5所示的等离 子放电电路350和图7所示的等离子放电电路350的电路来进行该实验。通过将图5所示 的等离子放电电路350的开关327从断开变为接通，就可以容易地调整施加开始时间。通 过将图7所示的等离子放电电路350的开关331从断开变为接通，就可以如图23所示立即 停止施加能量。图24是示出用于通过改变施加开始时间tl和施加停止时间t2来确定使失火概 率低于或等于0. 的最小施加能量的实验的结果的图。横轴表示施加开始时间tl，纵轴 表示施加停止时间t2。如该图所示，在该实验中，随着施加开始时间tl提前，而且随着施加 停止时间t2提前，可以降低所需能量。该实验结果与图21所示的实验结果一致。也就是
15说，从该实施例和实施例5的实验结果综合考虑，应该理解，可以通过在更短的时间段内提 供更高的电流，来降低从等离子放电电路350施加至等离子流火花塞100的能量。
尽管以上参考本发明的各种实施方式、构成和实施例说明了本发明，但是本发明 不局限于上述实施方式、构成和实施例，并且在本发明的范围内，可以有各种其它结构。例 如，尽管在上述实施例中使用等离子流火花塞100作为汽油发动机的点火装置，但是还可 以使用等离子流火花塞100作为柴油发动机等的启动辅助装置(电热塞(glow plug))。此 外，在图4所示的控制处理的流程图中，尽管全部根据感测到的值来确定点火正时、点火次 数和能量量，但是还可以根据感测到的值来确定这些参数中的至少任意一个，并且将其它 参数设置为固定值。
权利要求
一种控制系统，其用于控制设置在内燃机中的等离子流火花塞的点火，所述控制系统包括感测部，用于感测所述内燃机的工作状况；确定部，用于根据感测到的所述工作状况来确定所述等离子流火花塞的点火模式；以及点火部，用于根据确定出的所述点火模式，进行如下点火控制通过向所述等离子流火花塞施加第一电力，在所述等离子流火花塞的火花放电间隙中引发介质击穿，然后通过向发生了所述介质击穿的所述火花放电间隙施加第二电力，在所述火花放电间隙的附近产生等离子体。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述确定部确定所述等离子流火花 塞的点火正时和一个燃烧冲程的点火次数作为所述点火模式，所述点火部利用确定出的一 个燃烧冲程的点火次数，在确定出的点火正时进行所述点火控制。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述确定部根据感测到的所述工 作状况，确定所述第二电力的电力量。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述确定部根据感测到的所述工作 状况，通过调整对发生了所述介质击穿的所述火花放电间隙供电的电流值来确定所述电力 量。
5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述确定部根据感测到的所述工作 状况，通过调整对发生了所述介质击穿的所述火花放电间隙供电的供电时间来确定所述电力量。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述点火部包括与所述 等离子流火花塞连接并用于提供所述第一电力的第一供电部和与所述等离子流火花塞连 接并用于提供所述第二电力的电力量的第二供电部，所述点火部通过改变从所述第二供电 部所提供的所述第二电力，在确定出的所述点火模式下进行所述点火控制。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述点火部的所述第二供电部包括 与所述等离子流火花塞连接并用于向所述等离子流火花塞提供所述第二电力的电源部和 用于改变所述电源部和所述等离子流火花塞之间的导通状态的开关，所述点火部通过控制 所述开关的转换，在确定出的所述点火模式下进行所述点火控制。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述点火部的所述第二供电部包括 并联配置的多组电路，其中每组电路包括所述开关和与所述等离子流火花塞连接的所述电 源部，并且所述点火部通过控制所述开关的转换，在确定出的所述点火模式下进行所述点 火控制。
9.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述点火部的所述第二供电部包括 与所述等离子流火花塞连接并用于向所述等离子流火花塞提供所述第二电力的电源部和 用于改变大地与所述电源部和所述等离子流火花塞间的连接部之间的导通状态的开关，所 述点火部通过控制所述开关的转换，在确定出的所述点火模式下进行所述点火控制。
10.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述点火部的所述第二供电部包括 通过变压器与所述等离子流火花塞连接并用于向所述等离子流火花塞提供所述第二电力 的电源部和用于改变所述变压器的一次侧和大地之间的导通状态的开关，所述点火部通过控制所述开关的转换，在确定出的所述点火模式下进行所述点火控制。
11.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述点火部的所述第二供电部包 括与所述等离子流火花塞连接并用于向所述等离子流火花塞提供所述第二电力的电源部， 所述点火部通过控制所述电源部的输出电力，在确定出的所述点火模式下进行所述点火控 制。
全文摘要
本发明提供一种用于控制设置在内燃机中的等离子流火花塞的点火的控制系统。该控制系统检测内燃机的工作状态，并且根据检测到的工作状态来确定等离子流火花塞的点火模式。该控制系统将第一电力施加至该等离子流火花塞以进行火花放电间隙的介质击穿，并将第二电力施加至已被介质击穿的火花放电间隙以在该火花放电间隙的附近产生等离子体。该控制系统在如上所述确定出的点火模式下进行点火控制。
文档编号F02P23/04GK101910615SQ200980101559
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年1月8日
发明者中村通, 中野悌丞, 佐藤美邦, 山田裕一 申请人:日本特殊陶业株式会社