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WO2025094563A1 - 火花点火式水素エンジンの制御装置及び火花点火式水素エンジンの制御方法 - Google Patents

火花点火式水素エンジンの制御装置及び火花点火式水素エンジンの制御方法 Download PDF

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Publication number
WO2025094563A1
WO2025094563A1 PCT/JP2024/035119 JP2024035119W WO2025094563A1 WO 2025094563 A1 WO2025094563 A1 WO 2025094563A1 JP 2024035119 W JP2024035119 W JP 2024035119W WO 2025094563 A1 WO2025094563 A1 WO 2025094563A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
discharge
ignition
spark
ignition signal
engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/035119
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
義寛 助川
幸雄 藤山
義文 内勢
隆太郎 小祝
雄希 奥田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Astemo Hanshin Ltd
Original Assignee
Hitachi Astemo Hanshin Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Astemo Hanshin Ltd filed Critical Hitachi Astemo Hanshin Ltd
Publication of WO2025094563A1 publication Critical patent/WO2025094563A1/ja
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/02—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with gaseous fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
    • F02P3/045—Layout of circuits for control of the dwell or anti dwell time

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a spark ignition hydrogen engine and a control method for a spark ignition hydrogen engine.
  • Patent Document 1 discloses an ignition device that prevents spark discharge due to the residual energy of the ignition coil by returning the residual energy of the ignition coil to a power source.
  • the ignition device described in Patent Document 1 is configured to provide a bypass resistance element between the primary and secondary sides of the ignition coil, and to return residual energy on the secondary side of the ignition coil to a power source.
  • providing a bypass resistance element in the ignition coil as in the ignition device described in Patent Document 1 raises the problem of increased manufacturing costs for the ignition coil.
  • a bypass resistance element is provided in the ignition coil as in the ignition device described in Patent Document 1, a positive voltage (on-voltage) is generated on the secondary side of the ignition coil when the ignition coil is charged, and this positive voltage may cause an unintended spark discharge.
  • the present invention aims to provide a control device and a control method for a spark-ignition hydrogen engine that can prevent engine backfire caused by unintended spark discharge from the spark plug at low cost without generating a positive voltage when charging the ignition coil.
  • the control device for a spark ignition hydrogen engine of the present invention comprises an ignition coil that generates a high voltage in a secondary coil by interrupting the current flowing in the primary coil, an igniter that conducts and interrupts the current flowing in the primary coil, an ignition plug that is connected to the secondary coil and generates a spark discharge and has an electrode located in the combustion chamber, and a control device that sends an ignition signal to the igniter.
  • control device sends to the igniter a main discharge ignition signal for igniting the hydrogen mixture in the combustion chamber, and a secondary discharge ignition signal for reducing the voltage of the secondary coil during the intake stroke compared to the voltage of the secondary coil at the end of the discharge.
  • backfire in an engine caused by unintended spark discharge at a spark plug can be prevented at low cost without generating a positive voltage when charging an ignition coil.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an example of the configuration of a spark ignition type hydrogen engine according to one embodiment of the present invention, which is a diagram showing an example of the configuration of a mono-fuel spark ignition type hydrogen engine that mixes hydrogen and air and burns them.
  • FIG. 1 is a diagram showing another example of the configuration of a spark ignition hydrogen engine according to an embodiment of the present invention, and is a diagram showing an example of the configuration of a dual-fuel spark ignition hydrogen engine that mixes hydrogen, a fuel other than hydrogen, and air and burns them.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a control device (ECU) according to an embodiment of the present invention
  • ECU control device
  • 1 is a circuit diagram showing an example of the configuration of an ignition device according to an embodiment of the present invention
  • 1A is an explanatory diagram showing ignition control according to the conventional technology and the operation and function of an ignition device 50, in which (a) shows an ignition signal 59 sent from an ECU 2 to an ignition device 50, (b) shows a primary current flowing through a primary coil 52, (c) shows electromagnetic energy stored in the primary coil 52 and the secondary coil 53, (d) shows a secondary current flowing through a secondary coil 53, and (e) shows time-series changes in the secondary voltage applied to an ignition plug 40.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating problems with hydrogen engines according to conventional technology, in which (a) is the lift amount of the intake valve 32 and exhaust valve 34 of the engine, (b) is the ignition signal 59 sent from the ECU 2 to the ignition device 50, (c) is the electromagnetic energy stored in the primary coil 52 and secondary coil 53, (d) is the secondary voltage applied to the spark plug 40, (e) is the pressure in the combustion chamber 37 (in-cylinder pressure), (f) is the amount of combustible mixture in the combustion chamber 37, and (g) is a diagram showing time-series changes in the gas flow strength in the combustion chamber 37.
  • 1A is an explanatory diagram showing the ignition control by the ECU 2 and the operation and function of the ignition device 50 according to one embodiment of the present invention, in which (a) is the lift amount of the intake valve 32 and the exhaust valve 34 of the engine, (b) is the ignition signal 59 sent from the ECU 2 to the ignition device 50, (c) is the electromagnetic energy stored in the primary coil 52 and the secondary coil 53, (d) is the secondary voltage applied to the spark plug 40, (e) is the pressure in the combustion chamber 37 (in-cylinder pressure), (f) is the amount of combustible mixture in the combustion chamber 37, and (g) is a diagram showing the time series change in the gas flow strength in the combustion chamber 37.
  • FIG. 11 is a characteristic diagram showing the effect of an embodiment of the present invention, and is a diagram showing actual measurement results of open circuit voltage during the intake stroke in the conventional technology and the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the secondary discharge timing and the open-circuit voltage during the intake stroke in one embodiment of the present invention, and is a diagram showing the actual measurement results of the open-circuit voltage during the intake stroke when the secondary discharge timing is changed from 30° CA after the compression top dead center to 180° CA.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the open-circuit voltage before and after secondary discharge according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the secondary discharge timing and the open-circuit voltage during the intake stroke in one embodiment of the present invention, and is a diagram showing the actual measurement results of the open-circuit voltage during the intake stroke when the secondary discharge timing is changed from 30° CA after the compression top dead center to 180° CA.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the
  • FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the secondary discharge charge period (the ON period of the secondary discharge ignition signal) and the open circuit voltage during the intake stroke according to an embodiment of the present invention, and shows actual measurement results of the open circuit voltage during the intake stroke when the secondary discharge period is changed from 2% (the ratio to the ON period of the main discharge ignition signal) to 100% (the ratio to the ON period of the main discharge ignition signal).
  • 5 is a flowchart showing a procedure for performing secondary discharge based on load information according to an embodiment of the present invention.
  • 10A and 10B are explanatory diagrams showing examples of changes in the charging period when secondary discharging is performed and when secondary discharging is avoided according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the charging time and the breakdown voltage of an ignition coil.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an example of the configuration of a spark ignition type hydrogen engine according to an embodiment of the present invention.
  • the spark ignition hydrogen engine 1 includes a cylinder 38 , a piston 35 that slides within the cylinder 38 , an intake valve 32 , an exhaust valve 34 , and an ignition plug 40 .
  • a combustion chamber 37 facing the piston 35 is formed in the cylinder 38.
  • the combustion chamber 37 communicates with the intake manifold 31 and the exhaust manifold 33.
  • An electronically controlled throttle valve 39 is provided in the intake manifold 31.
  • the electronically controlled throttle valve 39 is set to a predetermined opening by a throttle valve drive signal 58 sent from a control device (ECU: Electric Control Unit) 2, and adjusts the amount of air flowing into the combustion chamber 37.
  • the control device 2 is referred to as ECU 2 in the following explanation.
  • the intake valve 32 opens and closes communication between the intake manifold 31 and the combustion chamber 37.
  • the exhaust valve 34 opens and closes communication between the exhaust manifold 33 and the combustion chamber 37.
  • An injector 36 that injects hydrogen is provided in the intake manifold 31. The amount of hydrogen injected by the injector 36 is adjusted by an injector drive signal 57 sent from the ECU 2. A mixture of hydrogen injected by the injector 36 and air taken in through the intake manifold 31 is supplied to a combustion chamber 37 .
  • the intake valve 32 is equipped with a variable valve timing mechanism (VVT) 29, and the exhaust valve 34 is equipped with a variable valve timing mechanism 30.
  • VVT variable valve timing mechanism
  • the variable valve timing mechanisms 29, 30 are referred to as VVTs 29, 30 in the following description.
  • the VVT 29 adjusts the opening and closing timing of the intake valve 32 using an intake VVT drive signal 60 sent from the ECU 2.
  • the VVT 30 adjusts the opening and closing timing of the exhaust valve 34 using an exhaust VVT drive signal 61 sent from the ECU 2.
  • the spark ignition hydrogen engine 1 is equipped with various sensors, including a water temperature sensor, an oil temperature sensor, an oil pressure sensor, a knock sensor, an intake air volume sensor, an air-fuel ratio sensor, a crank angle sensor, a throttle opening sensor, and an accelerator opening sensor (not shown).
  • the spark ignition hydrogen engine 1 uses these sensors to obtain information such as engine coolant temperature, oil temperature, oil pressure, knock intensity, intake air volume, air-fuel ratio, crank angle, throttle opening, and accelerator opening, and inputs this information to the ECU 2.
  • the spark ignition hydrogen engine 1 also includes an ignition device 50.
  • the ignition device 50 is connected to the spark plug by a high tension cord 48, and applies a high voltage to the spark plug 40. When a high voltage is applied from the ignition device 50 to the spark plug 40, a spark discharge occurs in the gap of the spark plug 40. The timing at which the ignition device 50 applies the high voltage to the spark plug 40 is adjusted by an ignition signal 59 sent from the ECU 2 to the ignition device 50.
  • the spark ignition hydrogen engine 1 is a four-stroke engine, and while a crankshaft (not shown) rotates 720° (two revolutions), each of the intake, compression, expansion, and exhaust strokes is performed at 180° CA (crank angle).
  • the spark ignition hydrogen engine 1 is a so-called mono-fuel spark ignition hydrogen engine that burns a mixture of hydrogen and air, but the spark ignition hydrogen engine according to one embodiment of the present invention may also be configured to mix hydrogen with a fuel other than hydrogen.
  • 2 includes an injector 36a for injecting a second fuel other than hydrogen, in addition to the injector 36 for injecting hydrogen, in the intake manifold 31. The amount of the second fuel injected by the injector 36a is adjusted by an injector drive signal 57a sent from the ECU 2.
  • spark ignition hydrogen engine 1a forms a so-called multi-fuel spark ignition hydrogen engine that mixes and burns hydrogen, a second fuel other than hydrogen, and air.
  • the second fuel other than hydrogen for example, liquid fuels such as gasoline, diesel, ethanol, methanol, and synthetic fuel (eFuel), as well as gaseous fuels such as natural gas, propane, and ammonia, are used.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the ECU 2.
  • the ECU 2 has an input circuit 3, an input/output port 4, a RAM (Random Access Memory) 5, a ROM (Read Only Memory) 6, and a CPU (Central Processing Unit) 7.
  • the ECU 2 also has an ignition control unit 10, a valve timing control unit 11, an air control unit 12, and a fuel control unit 13.
  • the input circuit 3 receives various sensor output values such as water temperature, oil temperature, oil pressure, intake air volume, intake pressure, intake temperature, humidity, crank angle, throttle opening, accelerator opening, accelerator position, air-fuel ratio, and knock intensity.
  • the input circuit 3 performs processing such as noise removal on the input signal and then sends it to the input/output port 4.
  • the value input to the input port of the input/output port 4 is stored in the RAM 5.
  • the ROM 6 stores a control program describing the contents of various arithmetic processing executed by the CPU 7, as well as maps and data tables used in each process.
  • RAM 5 has a storage area for storing values input to the input port of input/output port 4, and values representing the amount of operation of each actuator and the state of the engine (e.g., knocking state) calculated according to the control program. In addition, the values representing the amount of operation of each actuator and the state of the engine stored in RAM 5 are sent to the output port of input/output port 4.
  • the ignition control unit 10 receives sensor output values, operation amounts of each actuator, and engine state values from the input/output port 4 , and outputs an ignition signal 59 to the ignition device 50 .
  • the valve timing control unit 11 receives the sensor output values, the operation amounts of the actuators, and the engine state values from the input/output port 4, and outputs an intake VVT drive signal 60 to the intake VVT 29.
  • the valve timing control unit 11 also outputs an exhaust VVT drive signal 61 to the exhaust VVT 30.
  • the air control unit 12 receives sensor output values, operation amounts of each actuator, and engine state values from the input/output port 4 , and outputs a throttle valve drive signal 58 to the throttle valve 39 .
  • the fuel control unit 13 receives sensor output values, operation amounts of each actuator, and engine state values from the input/output port 4 , and outputs an injector drive signal 57 to the injector 36 . In addition, the fuel control unit 13 outputs an injector drive signal 57a to the injector 36a.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the ignition device 50.
  • the ignition device 50 includes a primary coil 52 through which a primary current is passed, an igniter 54, and a secondary coil 53.
  • the igniter 54 passes a primary current through the primary coil 52 when an ignition signal 59 supplied from the ECU 2 is turned on, and cuts off the primary current when the ignition signal 59 is turned off.
  • the secondary coil 53 outputs a secondary current, which is generated when the igniter 54 cuts off the primary current, to the spark plug 40 .
  • a voltage of, for example, +12 V from a battery (not shown) is applied to the primary coil 52, causing a primary current to flow through the primary coil 52.
  • the ratio of the number of turns of the secondary coil 53 to the number of turns of the primary coil 52 is set to, for example, about 100.
  • one end of the secondary coil 53 is connected to the spark plug 40, and the other end of the secondary coil 53 is connected to the anode of a diode 55.
  • the cathode of the diode 55 is grounded via a resistor 56.
  • a high secondary voltage means that the absolute value of the negative secondary voltage is large.
  • a low secondary voltage means that the absolute value of the negative secondary voltage is small.
  • FIG. 5 shows a technology in which an ignition signal 59 is sent from the ECU 2 to the ignition device 50 once during one engine cycle (two rotations of the crankshaft). Also, the example shown in Fig. 5 is a technology in which a bypass resistance element for returning residual energy on the secondary side of the ignition coil to the power source is not provided.
  • the bypass resistance element refers to a resistance element between the primary side and secondary side of the ignition coil.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing ignition control according to the conventional technology and the operation and function of the ignition device 50.
  • FIG. 5(a) shows the time series changes in the ignition signal 59 sent from the ECU 2 to the ignition device 50
  • FIG. 5(b) shows the time series changes in the primary current flowing through the primary coil 52
  • FIG. 5(c) shows the time series changes in the electromagnetic energy stored in the primary coil 52 and secondary coil 53
  • FIG. 5(d) shows the time series changes in the secondary current flowing through the secondary coil 53.
  • FIG. 5(e) shows the time series changes in the secondary voltage applied to the spark plug 40.
  • an ignition signal 59 is normally sent from the ECU 2 to the ignition device 50 at the end of the compression stroke (approximately 20° CA before top dead center of compression) in order to ignite the mixture in the combustion chamber 37.
  • the ignition signal 59 is turned on (when it rises from 0 V to 5 V)
  • a primary current flows and electromagnetic energy is stored in the primary coil. That is, the period during which the ignition signal 59 is on corresponds to the charging period of the ignition coil.
  • the ignition signal 59 is turned off and the primary current is cut off, a high voltage is generated in the secondary coil 53 due to mutual induction between the primary coil 52 and the secondary coil 53, and a spark discharge occurs in the gap 41 of the spark plug 40. This spark discharge then ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber 37, and power is taken from the engine as the air-fuel mixture is burned.
  • the electromagnetic energy stored in the coil is released into the air-fuel mixture by the spark discharge, so the amount of electromagnetic energy (c) stored in the ignition coil decreases.
  • the discharge path (arc) formed in the gap 41 of the spark plug 40 is elongated (discharge path elongation occurs) by the gas flow in the combustion chamber 37, increasing the electrical resistance of the gap 41. This increases the breakdown voltage of the gap 41, and when the breakdown voltage becomes higher than the secondary voltage, the spark discharge is interrupted.
  • the electromagnetic energy stored in the coil during the charging period is not entirely consumed by the spark discharge, and approximately 1/20 of the amount of electromagnetic energy stored in the coil during the charging period remains in the coil even after the expansion stroke. This energy remaining in the coil is called residual energy.
  • the resistance of the discharge path increases due to the extension of the discharge path, so the secondary voltage rises at the end of the spark discharge.Then, the spark discharge is interrupted with the secondary voltage raised, so a relatively high open circuit voltage is maintained on the secondary side of the coil.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the problems in the conventional spark ignition hydrogen engine.
  • Fig. 6(a) shows the time series change in the lift amount of the intake valve 32 and the exhaust valve 34 of the spark ignition hydrogen engine
  • Fig. 6(b) shows the time series change in the ignition signal 59 sent from the ECU 2 to the ignition device 50.
  • Fig. 6(c) shows the time series change in the electromagnetic energy stored in the primary coil 52 and the secondary coil 53
  • Fig. 6(d) shows the time series change in the secondary voltage applied to the spark plug 40.
  • Fig. 6(a) shows the time series change in the lift amount of the intake valve 32 and the exhaust valve 34 of the spark ignition hydrogen engine
  • Fig. 6(b) shows the time series change in the ignition signal 59 sent from the ECU 2 to the ignition device 50.
  • Fig. 6(c) shows the time series change in the electromagnetic energy stored in the primary coil 52 and the secondary coil 53
  • Fig. 6(d) shows the time series change in the secondary voltage applied
  • FIG. 6(e) shows the time series change in the pressure (cylinder pressure) in the combustion chamber 37
  • Fig. 6(f) shows the time series change in the combustible mixture concentration in the combustion chamber 37
  • Fig. 6(g) shows the time series change in the gas flow strength in the combustion chamber 37.
  • the ignition coil has a relatively large amount of residual energy.
  • the gas flow in the cylinder is relatively strong, as shown in FIG. 6(g). Therefore, the discharge path is expanded greatly due to this gas flow, and the open-circuit voltage of the secondary coil after the spark discharge is interrupted (hereinafter, simply referred to as the open-circuit voltage) becomes high.
  • the in-cylinder pressure of a spark-ignition hydrogen engine decreases as it progresses from the expansion stroke to the exhaust stroke and then to the intake stroke, as shown in Figure 6 (e). It is generally known that the magnitude of the breakdown voltage depends on the pressure, and that the lower the pressure, the lower the breakdown voltage. Therefore, during the intake stroke, the breakdown voltage of the gap 41 of the spark plug 40 is at its lowest. Then, when the breakdown voltage during the intake stroke becomes lower than the open voltage, a natural discharge (spark discharge without ignition signal 59) occurs in the gap 41. This natural discharge releases the residual energy of the ignition coil into the air-fuel mixture.
  • a mixture of air and hydrogen (or air, hydrogen, and a second fuel other than hydrogen) formed in the intake manifold 31 is drawn into the combustion chamber 37.
  • a hydrogen mixture (or a mixture of hydrogen and a second fuel other than hydrogen) ignites with extremely small ignition energy compared to mixtures of other fuels that do not contain hydrogen, such as gasoline, natural gas, and ammonia.
  • the range of combustible mixture concentrations is significantly wider than other fuels that do not contain hydrogen.
  • the horizontal axis of Figure 6 shows p ⁇ d in units of [cm ⁇ Torr]. Therefore, the breakdown voltage during the intake stroke of a spark ignition hydrogen engine is thought to be about 0.5 to 1 kV, as shown in Figure 7. That is, to prevent flashback due to natural discharge in a spark ignition hydrogen engine, the open circuit voltage during the intake stroke must be kept at 1 kV or less. Furthermore, to prevent flashback due to natural discharge in a spark ignition hydrogen engine, it is more desirable to keep the open circuit voltage during the intake stroke at 0.5 kV or less.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the ignition control by the ECU 2 according to an embodiment of the present invention and the operation and function of the ignition device 50.
  • Fig. 8(a) shows the time series change in the lift amount of the intake valve 32 and the exhaust valve 34 of the engine
  • Fig. 8(b) shows the time series change in the ignition signal 59 sent from the ECU 2 to the ignition device 50.
  • Fig. 8(c) shows the time series change in the electromagnetic energy stored in the primary coil 52 and the secondary coil 53
  • Fig. 8(d) shows the time series change in the secondary voltage applied to the spark plug 40.
  • Fig. 8(e) shows the time series change in the pressure (cylinder pressure) in the combustion chamber 37
  • Fig. 8(f) shows the time series change in the amount of combustible mixture in the combustion chamber 37
  • Fig. 8(g) shows the time series change in the gas flow strength in the combustion chamber 37.
  • an ignition signal (main discharge ignition signal) is usually sent from the ECU 2 to the ignition device 50 at the end of the compression stroke.
  • main discharge ignition signal is turned on (rising from 0V to 5V)
  • a primary current flows and electromagnetic energy is stored in the primary coil. That is, the period during which the main discharge ignition signal is on corresponds to the charging period for the main discharge of the ignition coil.
  • the main discharge ignition signal is turned off and the primary current is cut off, a high voltage is generated in the secondary coil 53 due to mutual induction between the primary coil 52 and the secondary coil 53.
  • a spark discharge occurs in the gap 41 of the spark plug. This main discharge ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber 37, and power is extracted from the engine by the combustion of the air-fuel mixture.
  • the amount of electromagnetic energy stored in the ignition coil decreases.
  • the discharge path (arc) formed in the gap 41 of the spark plug 40 is stretched by the gas flow in the engine combustion chamber 37, increasing the electrical resistance of the gap 41. This causes the breakdown voltage of the gap 41 to rise, and when the breakdown voltage becomes higher than the secondary voltage, the main discharge is shut off. Therefore, the electromagnetic energy stored in the ignition coil during the charging period is not entirely consumed by the main discharge, but remains in the ignition coil as residual energy even after the main discharge ends.
  • the main discharge is shut off due to the rise in breakdown voltage caused by the stretching of the discharge path, a relatively high open circuit voltage is maintained.
  • an ignition signal (secondary discharge ignition signal) is sent from the ECU 2 to the ignition device 50.
  • the secondary discharge ignition signal turns on (rises from 0V to 5V)
  • a primary current flows and electromagnetic energy is stored in the primary coil.
  • the period during which the secondary discharge ignition signal is on corresponds to the charging period for secondary discharge of the ignition coil.
  • the amount of energy (c) in the ignition coil becomes the sum of the residual energy amount from the main discharge and the amount of energy stored due to secondary discharge charging.
  • the gas flow strength (g) inside the cylinder becomes relatively weak, so the extension of the discharge path formed in the gap 41 of the spark plug 40 by the secondary discharge is less than the extension of the discharge path formed in the gap 41 of the spark plug 40 by the main discharge. Therefore, the electrical resistance value of the discharge path at the end of the secondary discharge is smaller than the electrical resistance value of the discharge path at the end of the main discharge.
  • the cylinder pressure in the middle of the expansion stroke (e.g., 60° CA after TDC) is lower than the cylinder pressure at the end of the compression stroke where the main discharge occurs (e.g., 20° CA before TDC). Therefore, the breakdown voltage in the middle of the expansion stroke (e.g., 60° CA after TDC) is lower than the breakdown voltage at the end of the compression stroke where the main discharge occurs (e.g., 20° CA before TDC).
  • the electrical resistance of the discharge path is small and the breakdown voltage is low, so the open-circuit voltage after the secondary discharge is cut off is lower than the open-circuit voltage immediately after the main discharge is cut off. Also, since the secondary discharge proceeds to an open-circuit voltage that is lower than that of the main discharge, the amount of residual energy immediately after the secondary discharge is smaller than the amount of residual energy immediately after the main discharge.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram showing the difference in open circuit voltage during the intake stroke between the conventional technique and an embodiment of the present invention. That is, FIG. 9 shows the actual measurement results of the open circuit voltage (vertical axis) at the start timing of the intake stroke for an example of the conventional technique and an embodiment of the present invention, arranged on the horizontal axis.
  • the open circuit voltage at the start timing of the intake stroke varies depending on the engine cycle (cycle variation). Therefore, in the experiment, the open circuit voltage was measured over multiple engine cycles.
  • Figure 9 shows the result of the cycle with the highest open circuit voltage in this experiment.
  • the open circuit voltage during the intake stroke exceeds 0.5 kV, which is the minimum breakdown voltage in a spark ignition hydrogen engine.
  • the open circuit voltage during the intake stroke can be made lower than 0.5 kV, which is the minimum breakdown voltage in a spark ignition hydrogen engine.
  • Fig. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the secondary discharge timing (horizontal axis) and the open circuit voltage (vertical axis) during the intake stroke (intake stroke start timing) in one embodiment of the present invention. That is, Fig. 10 shows the actual measurement results of the open circuit voltage during the intake stroke when the secondary discharge timing is changed from 30° CA after the compression top dead center to 180° CA. In the example of Fig. 10, the secondary discharge charging period is constant. As mentioned above, the open-circuit voltage varies from cycle to cycle, so Fig. 10 shows the results of the cycle in which the open-circuit voltage was highest at each secondary discharge timing. Note that the secondary discharge timing is the timing at which the secondary discharge ignition signal changes from on to off (from 5 V to 0 V).
  • the open circuit voltage during the intake stroke depends on the timing of the secondary discharge.
  • 0.5 kV which is the minimum dielectric breakdown voltage in a spark ignition hydrogen engine
  • the reason that the open circuit voltage in the intake stroke becomes high when the secondary discharge timing is set to the end of the expansion stroke (after EVO+10° CA) is that the gas flow in the cylinder becomes stronger at the secondary discharge timing.
  • 6G the strength of the gas flow in the cylinder becomes strong at 10° CA from EVO and onwards. This is because pressurized gas in the cylinder flows out to the exhaust manifold 33 as the exhaust valve opens.
  • the discharge path extension of the secondary discharge increases, increasing the open circuit voltage after the secondary discharge, and this high open circuit voltage is maintained until the intake stroke.
  • the reason that the open circuit voltage in the intake stroke becomes high when the secondary discharge timing is set to the early stage of the expansion stroke (for example, 30° CA after the compression top dead center) is that the open circuit voltage is high at the timing of the secondary discharge. That is, as shown in Fig. 5(e), the open circuit voltage is highest after the main discharge and tends to decrease over time. This is because the charge remaining in the ignition coil leaks out through the high tension cable and the spark plug.
  • the open circuit voltage at the timing of the secondary discharge will be higher than if the secondary discharge is timed after the beginning of the compression stroke (e.g., 60° CA after top dead center of compression). Also, as shown in Fig. 11, there is a linear correlation between the open-circuit voltage before the secondary discharge (horizontal axis) and the open-circuit voltage after the secondary discharge (vertical axis). Therefore, if the open-circuit voltage at the timing of the secondary discharge is high, the open-circuit voltage after the secondary discharge also becomes high.
  • Fig. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the secondary discharge charge period (on period of the secondary discharge ignition signal: horizontal axis) and the open circuit voltage during the intake stroke (intake stroke start timing) (vertical axis) according to one embodiment of the present invention. That is, Fig. 12 shows actual measurements of the open circuit voltage during the intake stroke (intake stroke start timing) when the secondary discharge charge period is changed from 2% (ratio to the main discharge charge period) to 100% (ratio to the main discharge charge period).
  • Fig. 12 shows actual measurements of the open circuit voltage during the intake stroke (intake stroke start timing) when the secondary discharge charge period is changed from 2% (ratio to the main discharge charge period) to 100% (ratio to the main discharge charge period).
  • the secondary discharge charge period is constant. As mentioned above, the open circuit voltage varies from cycle to cycle, so the results of the cycle with the highest open circuit voltage are shown for each secondary discharge charging period in Fig. 12.
  • the main discharge charging period is the ON period of the main discharge ignition signal.
  • the open circuit voltage during the intake stroke depends on the secondary discharge charging period. Therefore, when the secondary discharge charging period is 40% or less, the open circuit voltage during the intake stroke increases as the secondary discharge charging period decreases. This is because the secondary voltage (so-called breakdown voltage) generated at the beginning of discharge decreases as the secondary discharge charging period decreases, making the secondary discharge unstable. In other words, if the secondary discharge charging period is reduced, secondary discharges will not occur or will be cut off early, reducing or eliminating the effect of reducing the open circuit voltage due to the secondary discharge. For this reason, it is desirable to set the secondary discharge charging period to 5% or more (as a ratio to the main discharge charging period).
  • the open circuit voltage during the intake stroke can be reduced to 0.5 kV or less, which is the minimum value of the dielectric breakdown voltage in a spark ignition hydrogen engine, and natural discharge during the intake stroke can be prevented.
  • the secondary discharge charging period exceeds 40% (ratio to the main discharge charging period)
  • the open circuit voltage becomes almost constant even if the secondary discharge charging period changes.
  • the secondary discharge charging period exceeds 40% (ratio to the main discharge charging period)
  • the secondary discharge becomes stable and the effect of reducing the open circuit voltage by the secondary discharge becomes almost constant.
  • the secondary discharge charging period is set in the range of 5% to 40% (ratio to the main discharge charging period)
  • spark discharge based on engine load information Whether or not spark discharge occurs during the intake stroke, which is one of the causes of backfire in a spark ignition hydrogen engine, varies depending on the state of the engine and the environmental conditions. For example, whether or not spark discharge occurs during the intake stroke varies depending on factors such as a low engine load, a low air-fuel ratio (fuel rich), a low EGR (Exhaust Gas Recirculation) rate, and a small spark plug gap (less electrode wear).
  • spark discharge during the intake stroke is more likely to occur depending on engine conditions such as a high engine load, a high air-fuel ratio (fuel lean), a high EGR rate, and a large spark plug gap (more electrode wear) than when the environmental temperature is low.
  • the implementation and avoidance of secondary discharge may be switched based on the engine state and environmental state. That is, when there is a high possibility of spark discharge occurring during the intake stroke, secondary discharge may be implemented. On the other hand, when there is a low possibility of spark discharge occurring during the intake stroke, secondary discharge may be avoided. In this way, by switching between implementation and avoidance of discharge based on the engine state and environmental conditions, the number of secondary discharges during the engine operation period can be reduced. This has the advantages of extending the life of the spark plug (reducing electrode wear), improving reliability by reducing heat generation in the ignition device, and reducing energy consumption. For example, secondary discharge may be switched between being performed and being avoided based on engine load information.
  • FIG. 13 is a flowchart showing a procedure for performing secondary discharge based on engine load information according to one embodiment of the present invention.
  • the ECU 2 sends an ignition signal (main discharge ignition signal) to the ignition device 50 at the end of the compression stroke to perform main discharge (step S1).
  • the ECU 2 compares the current load factor with a predetermined load factor threshold value Lc (e.g., 20%) (step S2). If the current load factor is smaller than the threshold value Lc in step S2 (if Yes), the ECU 2 sends a secondary discharge ignition signal to the ignition device 50 in the expansion stroke following the main discharge to perform secondary discharge (step S3). On the other hand, if the current load factor is not smaller than the threshold value Lc in step S2 (if No), the ECU 2 avoids sending the secondary discharge ignition signal in this engine cycle and updates to the next engine cycle (step S4).
  • Lc e.g. 20%
  • secondary discharge may be implemented or avoided based on information other than the engine load rate.
  • secondary discharge may be implemented if at least one of the quantities correlated with the engine load, such as throttle opening, torque, engine speed, intake pressure, in-cylinder pressure, intake air volume, exhaust gas flow rate, fuel flow rate, accelerator opening, load output (e.g., power generation amount), exhaust temperature, coolant volume, water temperature, and oil temperature, is smaller than a predetermined threshold value, and secondary discharge may be avoided if at least one of the quantities is not smaller than the predetermined threshold value.
  • secondary discharge may be performed or avoided based on the hydrogen percentage of the fuel.
  • flashback due to natural discharge is likely to occur when the hydrogen percentage of the fuel is high, and flashback due to natural discharge is unlikely to occur when the hydrogen percentage of the fuel is low. Therefore, in a multi-fuel spark ignition hydrogen engine, secondary discharge may be performed when the hydrogen percentage of the fuel is greater than a predetermined threshold (e.g., heat value ratio 50%), and secondary discharge may be avoided when the hydrogen percentage of the fuel is less than a predetermined threshold (e.g., heat value ratio 50%).
  • a predetermined threshold e.g., heat value ratio 50%
  • secondary discharge may be switched between being performed and being avoided based on a combination of various quantities correlated with the engine load and the hydrogen percentage in the fuel.
  • secondary discharge may be performed when the intake pressure is lower than the intake pressure threshold and the hydrogen percentage is higher than the hydrogen percentage threshold. Secondary discharge may be avoided when the intake pressure is not lower than the intake pressure threshold or when the hydrogen percentage is not higher than the hydrogen percentage threshold.
  • This makes it possible to reduce the number of secondary discharges during the engine operation period, thereby enhancing the advantages of extending the life of the spark plug (reducing electrode wear), improving reliability by reducing heat generation in the ignition device, and reducing energy consumption.
  • the charging period of the main discharge (the on period of the main discharge ignition signal) may be changed when secondary discharge is performed and when it is avoided.
  • FIG. 14A and 14B are explanatory diagrams showing an example of changing the charging period when secondary discharge is performed and when secondary discharge is avoided according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 14A shows the time series change of the discharge signal when secondary discharge is performed
  • Fig. 14B shows the time series change of the discharge signal when secondary discharge is avoided.
  • the time when secondary discharge is performed refers to an engine cycle when an ignition signal (ON signal) for secondary discharge is sent to the ignition device 50.
  • the time when secondary discharge is avoided refers to an engine cycle when sending of the ignition signal (ON signal) for secondary discharge to the ignition device 50 is avoided.
  • the charging period of the main discharge when a secondary discharge is performed is made shorter than the charging period of the main discharge when a secondary discharge is avoided, the charging time of the main discharge is shortened to the extent that the breakdown voltage exceeds the dielectric breakdown voltage.
  • the charging period of the main discharge when secondary discharge is implemented shorter than the charging period of the main discharge when secondary discharge is avoided, it is possible to reduce the ignition coil energy when secondary discharge is implemented. This makes it possible to further enhance benefits such as extending the life of the spark plug 40 (reducing electrode wear), improving reliability by reducing heat generation in the ignition device 50, and reducing energy consumption.
  • the combined charging period of the main discharge when secondary discharge is implemented and the charging period of the secondary discharge is approximately the same as the charging period of the main discharge when secondary discharge is avoided, making it possible to prevent the impact of implementing secondary discharge on the life of the spark plug 40 and the impact on heat generation in the ignition device 50.
  • 1...spark ignition hydrogen engine 1a...mixed-fuel spark ignition hydrogen engine, 2...ECU (Electronic Control Unit), 3...input/output circuit, 4...input/output port, 5...RAM (Random Access Memory), 6...ROM (Read Only Memory), 7...CPU (Central Processing Unit), 10...ignition control unit, 11...valve timing control unit, 12...air control unit, 13...fuel control unit, 29...intake VVT (Variable Valve Timing), 30...exhaust VVT , 31...intake manifold, 32...intake valve, 33...exhaust manifold, 34...exhaust valve, 35...piston, 36, 36a...injector, 37...combustion chamber, 38...cylinder, 39...electronically controlled throttle valve, 40...spark plug, 41...ignition gap, 48...high tension cord, 50...ignition device, 52...primary coil, 53...secondary coil, 54...igniter, 55...diode, 56...resistor, 57, 57

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Abstract

火花点火式水素エンジンの制御装置として、水素混合気を着火させるための主放電の点火信号と、吸気行程における２次コイルの開放電圧を主放電終了時の開放電圧に比べて低減させるための副放電の点火信号を、点火装置のイグナイタに送出する。これにより、吸気行程の開放電圧を、火花点火式水素エンジンにおける絶縁破壊電圧の最小値にして、エンジンの逆火を防止する。

Description

火花点火式水素エンジンの制御装置及び火花点火式水素エンジンの制御方法
本発明は、火花点火式水素エンジンの制御装置及び火花点火式水素エンジンの制御方法に関する。
　火花点火式水素エンジンでは、点火コイルの残留エネルギと高い開放電圧によって、点火プラグギャップ部において意図しないタイミングで火花放電が発生し、水素混合気が意図しないタイミングで着火することがある。この着火は逆火（バックファイヤー）を引き起こし、エンジンの吸気系部品に重大な損傷を及ぼす虞がある。
　この課題に関連して、特許文献１には、点火コイルの残留エネルギを電源に戻すことで点火コイル残留エネルギによる火花放電を防止する点火装置が開示されている。
ＷＯ２０２２／１２８６０３Ａ１
　特許文献１に記載された点火装置は、点火コイルの１次側と２次側との間にバイパス抵抗素子を設け、点火コイルの２次側の残留エネルギを電源に戻すように回路を構成している。しかしながら、特許文献１に記載の点火装置のように、点火コイルにバイパス抵抗素子を設けると、点火コイルの製造コストが上昇するという課題がある。
　また、特許文献１に記載の点火装置のように、点火コイルにバイパス抵抗素子を設けると、点火コイル充電時に点火コイルの２次側に正電圧（オン電圧）が発生し、この正電圧によって意図しない火花放電が起こる虞がある。
　本発明は、点火コイル充電時に正電圧を発生させることなく、低コストで点火プラグの意図しない火花放電によるエンジンの逆火を防止できる火花点火式水素エンジンの制御装置及び火花点火式水素エンジンの制御方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。
　本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の火花点火式水素エンジンの制御装置は、１次コイルに流れる電流を遮断することにより２次コイルに高電圧を発生させる点火コイルと、この１次コイルに流れる電流の導通と遮断を行うイグナイタと、２次コイルに接続され火花放電を発生し、燃焼室内に電極を配置する点火プラグと、イグナイタに点火信号を送出する制御装置と、を備える。
　ここで、制御装置は、燃焼室内の水素混合気を着火するための主放電の点火信号と、吸気行程における２次コイルの電圧を放電終了時の２次コイルの電圧に比べて低減させるための副放電の点火信号とをイグナイタに送出するようにした。
　本発明によれば、点火コイル充電時に正電圧を発生させることなく、低コストで点火プラグでの意図しない火花放電によるエンジンの逆火を防止できる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態例の説明により明らかにされる。
本発明の一実施の形態例に係る火花点火式水素エンジンの構成例を示す全体構成図であり、水素と空気とを混ぜて燃焼させる専焼火花点火式水素エンジンの構成例を示す図である。 本発明の一実施の形態例に係る火花点火式水素エンジンの別の構成例を示す図であり、水素と水素以外の燃料と空気とを混ぜて燃焼させる混焼火花点火式水素エンジンの構成例を示す図である。 本発明の一実施の形態例に係る制御装置（ＥＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態例に係る点火装置の構成例を示す回路図である。 従来技術による点火制御及び点火装置５０の動作、作用を示した説明図であり、（ａ）はＥＣＵ２から点火装置５０に送出される点火信号５９、（ｂ）は１次コイル５２を流れる１次電流、（ｃ）は１次コイル５２と２次コイル５３に蓄えられる電磁エネルギ、（ｄ）は２次コイル５３を流れる２次電流、（ｅ）は点火プラグ４０に印加される２次電圧の時系列変化を示す図である。 従来技術による水素エンジンにおける課題を示した説明図であり、（ａ）はエンジンの吸気バルブ３２と排気バルブ３４のリフト量、（ｂ）はＥＣＵ２から点火装置５０に送出される点火信号５９、（ｃ）は１次コイル５２と２次コイル５３に蓄えられる電磁エネルギ、（ｄ）は点火プラグ４０に印加される２次電圧、（ｅ）は燃焼室３７内の圧力（筒内圧）、（ｆ）は燃焼室３７内の可燃混合気量、（ｇ）は燃焼室３７内のガス流動強さの時系列変化を示す図である。 圧力ｐと電極ギャップｄの積ｐ・ｄに対する水素の絶縁破壊電圧をパッシェンの法則により算出した特性図である。 本発明の一実施の形態例に係るＥＣＵ２による点火制御及び点火装置５０の動作、作用を示した説明図であり、（ａ）はエンジンの吸気バルブ３２と排気バルブ３４のリフト量、（ｂ）はＥＣＵ２から点火装置５０に送出される点火信号５９、（ｃ）は１次コイル５２と２次コイル５３に蓄えられる電磁エネルギ、（ｄ）は点火プラグ４０に印加される２次電圧、（ｅ）は燃焼室３７内の圧力（筒内圧）、（ｆ）は燃焼室３７内の可燃混合気量、（ｇ）は燃焼室３７内のガス流動強さの時系列変化を示す図である。 本発明の一実施の形態例の効果を示す特性図であり、従来技術と本発明の一実施の形態例における吸気行程における開放電圧の実測結果を示す図である。 本発明の一実施の形態例に係る副放電タイミングと吸気行程における開放電圧との関係を示す特性図であり、副放電タイミングを圧縮上死点後３０°ＣＡから１８０°ＣＡまで変化させたときの吸気行程における開放電圧の実測結果を示す図である。 本発明の一実施の形態例に係る副放電前と副放電後の開放電圧の関係を示す特性図である。 本発明の一実施の形態例に係る副放電充電期間（副放電用点火信号のオン期間）と吸気行程における開放電圧との関係を示す特性図であり、副放電期間を２％（主放電用点火信号のオン期間に対する比率）から１００％（主放電用点火信号のオン期間に対する比率）まで変化させたときの吸気行程における開放電圧の実測結果を示す図である 本発明の一実施の形態例に係る負荷情報に基づく副放電の実施手順を示したフローチャートである。 本発明の一実施の形態例に係る副放電実施時と回避時の充電期間の変更例を示す説明図である。 点火コイルの充電時間とブレークダウン電圧の関係を示す説明図である。
　以下、本発明の一実施の形態例の例について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び添付図面において実質的に同一の機能または構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
［火花点火式水素エンジンの構成］
　まず、本発明の一実施の形態例に係る火花点火式水素エンジンの構成について、図１を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施の形態例に係る火花点火式水素エンジンの構成例を示す全体構成図である。
　図１に示すように、火花点火式水素エンジン１は、シリンダ３８、シリンダ３８内を摺動するピストン３５、吸気バルブ３２、排気バルブ３４、及び点火プラグ４０を備える。
　シリンダ３８内には、ピストン３５に面する燃焼室３７が形成される。燃焼室３７は、吸気マニホールド３１及び排気マニホールド３３と連通している。
　吸気マニホールド３１には、電子制御式スロットルバルブ３９が設けられる。電子制御式スロットルバルブ３９は、制御装置（ＥＣＵ：Electric Control Unit）２から送出されるスロットルバルブ駆動信号５８によって所定の開度に設定され、燃焼室３７に流入する空気の量を調整する。制御装置２は、以下の説明ではＥＣＵ２と称する。
　吸気バルブ３２は、吸気マニホールド３１と燃焼室３７との連通を開閉する。排気バルブ３４は、排気マニホールド３３と燃焼室３７との連通を開閉する。吸気マニホールド３１には、水素を噴射するインジェクタ３６が設けられている。インジェクタ３６が噴射する水素の量は、ＥＣＵ２から送出されるインジェクタ駆動信号５７によって調整される。
インジェクタ３６が噴射する水素と、吸気マニホールド３１から吸気される空気との混合気が燃焼室３７に供給される。
　吸気バルブ３２は可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）２９を備え、排気バルブ３４は可変バルブタイミング機構３０を備えている。可変バルブタイミング機構２９，３０は、以下の説明ではＶＶＴ２９，３０と称する。ＶＶＴ２９は、ＥＣＵ２から送出される吸気ＶＶＴ駆動信号６０によって、吸気バルブ３２の開閉タイミングを調整する。ＶＶＴ３０は、ＥＣＵ２から送出される排気ＶＶＴ駆動信号６１によって、排気バルブ３４の開閉タイミングを調整する。
　火花点火式水素エンジン１は、図示しない水温センサ、油温センサ、油圧センサ、ノックセンサ、吸入空気量センサ、空燃比センサ、クランク角センサ、及びスロットル開度センサ、アクセル開度センサなど、各種センサを備えている。そして、火花点火式水素エンジン１は、これらのセンサによって、エンジン冷却水温度、油温、油圧、ノック強度、吸入空気量、空燃比、クランク角度、スロットル開度、及びアクセル開度等の情報を取得し、ＥＣＵ２へ入力する。
　また、火花点火式水素エンジン１は点火装置５０を備える。点火装置５０は、ハイテンションコード４８によって点火プラグと接続され、点火プラグ４０に高電圧を印加する。
点火プラグ４０に点火装置５０から高電圧が印加されると、点火プラグ４０のギャップに火花放電が発生する。点火装置５０が点火プラグ４０に高電圧を印加するタイミングは、ＥＣＵ２から点火装置５０に送出される点火信号５９によって調整される。
　点火プラグ４０のギャップに火花放電が発生すると、燃焼室３７内の混合気が着火し燃焼する。燃焼室３７内で燃焼した混合気はピストン３５を押し下げて、不図示のクランクシャフトを回転させる。その結果、火花点火式水素エンジン１の燃焼によって発生した動力が外部に取り出される。
　火花点火式水素エンジン１は、４サイクル式エンジンであり、不図示のクランクシャフトが７２０°回転（２回転）する間に、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程が１８０°ＣＡ（クランク角）ずつ実行される。
　なお、火花点火式水素エンジン１は、水素と空気との混合気を燃焼させる、所謂専焼火花点火式水素エンジンであるが、本発明の一実施の形態例に係る火花点火式水素エンジンは、水素と水素以外の燃料を混ぜる構成としてもよい。
　例えば、図２に示す火花点火式水素エンジン１ａは、吸気マニホールド３１に、水素を噴射するインジェクタ３６に加えて、水素以外の第二の燃料を噴射するインジェクタ３６ａを備える。インジェクタ３６ａが噴射する第二の燃料の量は、ＥＣＵ２から送出されるインジェクタ駆動信号５７ａによって調整される。
　そしてインジェクタ３６が噴射する水素と、インジェクタ３６ａが噴射する第二の燃料と、吸気マニホールド３１から吸気される空気との混合気が燃焼室３７に供給される。即ち、火花点火式水素エンジン１ａは、水素と水素以外の第二の燃料と空気とを混ぜて燃焼させる、所謂混焼火花点火式水素エンジンを形成している。水素以外の第二の燃料としては、例えば、ガソリン、軽油、エタノール、メタノール、合成燃料(ｅＦｕｅｌ)などの液体燃料に加えて、天然ガス、プロパン、アンモニアなどの気体燃料などが使用される。
［ＥＣＵの構成］
　次に、本発明の一実施の形態例に係る制御装置（ＥＣＵ）２の構成例について、図３を参照して説明する。
　図３は、ＥＣＵ２の構成例を示すブロック図である。
　図３に示すように、ＥＣＵ２は、入力回路３、入出力ポート４、ＲＡＭ(Random Access Memory)５、ＲＯＭ(Read Only Memory)６、及びＣＰＵ(Central Processing Unit)７を有する。また、ＥＣＵ２は、点火制御部１０、バルブタイミング制御部１１、空気制御部１２、及び燃料制御部１３を有している。
　入力回路３には、水温、油温、油圧、吸入空気量、吸気圧、吸気温度、湿度、クランク角度、スロットル開度、アクセル開度、アクセル位置、空燃比、ノック強度などの各種センサ出力値が入力される。
　入力回路３は、入力された信号をノイズ除去等の処理を行ってから入出力ポート４へ送る。入出力ポート４の入力ポートに入力された値はＲＡＭ５に格納される。
　ＲＯＭ６には、ＣＰＵ７により実行される各種演算処理の内容を記述した制御プログラムや、各処理に用いられるマップやデータテーブル等が記憶されている。
　ＲＡＭ５には、入出力ポート４の入力ポートに入力された値や、制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの操作量やエンジンの状態（例えばノック状態など）を表す値を格納する格納領域が設けられている。また、ＲＡＭ５に格納された各アクチュエータの操作量やエンジンの状態を表す値は、入出力ポート４の出力ポートに送られる。
　点火制御部１０は、入出力ポート４から受け取ったセンサ出力値や各アクチュエータの操作量、エンジンの状態値を受け取り、点火装置５０に点火信号５９を出力する。
　バルブタイミング制御部１１は、入出力ポート４から受け取ったセンサ出力値や各アクチュエータの操作量、エンジンの状態値を受け取り、吸気ＶＶＴ２９に吸気ＶＶＴ駆動信号６０を出力する。また、バルブタイミング制御部１１は、排気ＶＶＴ３０に排気ＶＶＴ駆動信号６１を出力する。
　空気制御部１２は、入出力ポート４からセンサ出力値や各アクチュエータの操作量、エンジンの状態値を受け取り、スロットルバルブ３９にスロットルバルブ駆動信号５８を出力する。
　燃料制御部１３は、入出力ポート４からセンサ出力値や各アクチュエータの操作量、エンジンの状態値を受け取り、インジェクタ３６にインジェクタ駆動信号５７を出力する。
また、燃料制御部１３は、インジェクタ３６ａにインジェクタ駆動信号５７ａを出力する。
［点火装置の構成］
　次に、本発明の一実施の形態例に係る点火装置５０の構成について、図４を参照して説明する。
　図４は、点火装置５０の構成例を示す回路図である。
　点火装置５０は、１次電流が通電される１次コイル５２と、イグナイタ５４と、２次コイル５３を含む。イグナイタ５４は、ＥＣＵ２から供給される点火信号５９がオンされたときに１次コイル５２に１次電流を通電し、点火信号５９がオフされたときに１次電流を遮断する。
　２次コイル５３は、イグナイタ５４が１次電流を遮断することで発生する２次電流を点火プラグ４０に出力する。
　１次コイル５２には、例えば、図示しないバッテリから＋１２Ｖの電圧が印加されて、１次電流が流れる。１次コイル５２に対する２次コイル５３の巻き数比は、例えば１００程度に設定される。
　一方、２次コイル５３の一端は、点火プラグ４０に接続され、２次コイル５３の他端は、ダイオード５５のアノードに接続される。ダイオード５５のカソードは、抵抗５６を介して接地される。
　ＥＣＵ２から供給される点火信号５９がオフされると、イグナイタ５４を流れる１次電流が遮断される。このとき、１次コイル５２には磁界変化が発生し、自己誘導により１次電圧が発生する。さらに、１次コイル５２と磁気回路及び磁束を共有する２次コイル５３には、相互誘導により巻き数比に応じた高い２次電圧が発生する。そして、２次電圧が点火プラグ４０に印加され、ギャップ４１で火花放電が発生する。また、２次コイル５３に２次電圧が誘起されて発生した２次電流が、ダイオード５５及び抵抗５６を流れる。
　なお、点火コイルの１次側と２次側では極性が反転し電流と電圧の方向が逆となる。そこで本明細書では、２次電圧が高いとは、２次電圧の負の方向への電圧絶対値が大きいことを示す。また２次電圧が低いとは、２次電圧の負の方向への電圧絶対値が小さいことを示す。
［従来技術による点火制御及び点火装置の動作、作用］
　次に、図５を参照して、従来技術による点火制御及び点火装置５０の動作、作用について説明する。ここで、図５に示す例は、ＥＣＵ２からエンジン１サイクル（クランクシャフト２回転）中において１回の点火信号５９を点火装置５０へ送出する技術を示す。また、図５に示す例は、点火コイルの２次側の残留エネルギを電源に戻すためのバイパス抵抗素子を設けない技術である。なお、バイパス抵抗素子は、点火コイルの１次側と２次側との間の抵抗素子をいう。
　図５は、従来技術による点火制御及び点火装置５０の動作、作用を示した説明図である。図５（ａ）はＥＣＵ２から点火装置５０に送出される点火信号５９の時系列変化を示し、図５（ｂ）は１次コイル５２を流れる１次電流の時系列変化を示す。また、図５（ｃ）は１次コイル５２と２次コイル５３に蓄えられる電磁エネルギの時系列変化を示し、図５（ｄ）は２次コイル５３を流れる２次電流の時系列変化を示す。図５（ｅ）は点火プラグ４０に印加される２次電圧の時系列変化を示している。
　図５に示す例では、燃焼室３７内の混合気を着火させるために、通常、圧縮行程の終期（概ね圧縮上死点前２０°ＣＡ）において、ＥＣＵ２から点火装置５０に点火信号５９が送出される。点火信号５９がオンになると（０Ｖから５Ｖへ立ち上がると）１次電流が流れ、１次コイルに電磁エネルギが蓄えられる。
　即ち、点火信号５９がオンになっている期間が、点火コイルの充電期間に相当する。点火信号５９がオフになり１次電流が遮断されると１次コイル５２と２次コイル５３の相互誘導によって２次コイル５３に高電圧が発生し、点火プラグ４０のギャップ４１で火花放電が発生する。そして、この火花放電によって燃焼室３７内の混合気が着火し、混合気の燃焼によってエンジンから動力が取り出される。
　このように、コイルに蓄えられていた電磁エネルギが火花放電によって混合気へ放出されるので、点火コイル内に蓄えられた電磁エネルギ量（ｃ）は減少する。
　点火プラグ４０のギャップ４１に形成される放電経路（アーク）は、燃焼室３７のガス流動によって引き延ばされ（放電路伸長が発生し）、ギャップ４１の電気抵抗が増大する。これによって、ギャップ４１の絶縁破壊電圧が上昇して、絶縁破壊電圧が２次電圧よりも高くなると火花放電が遮断される。
　このため、充電期間にコイル内に蓄えられた電磁エネルギは、火花放電によって全て消費されることはなく、充電期間にコイル内に蓄えられた電磁エネルギ量の概ね１／２０程度のエネルギ量が膨張行程以降もコイル内に留まる。このコイル内に留まったエネルギを残留エネルギと称する。
　また、放電路伸長によって放電経路の抵抗値が増大することで、火花放電の終期では２次電圧が上昇する。そして２次電圧が上昇した状態で火花放電が遮断されるため、コイルの２次側には比較的高い開放電圧が維持される。
［火花点火式水素エンジンにおける課題］
　次に、図６を参照して、図５に示した従来技術による火花点火式水素エンジンにおける課題を説明する。図６は、従来技術による火花点火式水素エンジンにおける課題を示した説明図である。図６（ａ）は火花点火式水素エンジンの吸気バルブ３２と排気バルブ３４のリフト量の時系列変化を示し、図６（ｂ）はＥＣＵ２から点火装置５０に送出される点火信号５９の時系列変化を示す。図６の（ｃ）は１次コイル５２と２次コイル５３に蓄えられる電磁エネルギの時系列変化を示し、図６（ｄ）は点火プラグ４０に印加される２次電圧の時系列変化を示す。図６の（ｅ）は燃焼室３７内の圧力（筒内圧）の時系列変化を示し、図６（ｆ）は燃焼室３７内の可燃混合気濃度の時系列変化を示し、図６（ｇ）は燃焼室３７内のガス流動強さ時系列変化を示す。
　前述の通り、従来技術においてはＥＣＵ２から点火装置５０に送出される点火信号５９によって発生した火花放電の後でも、点火コイルは比較的多くの残留エネルギを有する。
また、点火装置５０に送出される点火信号５９によって発生した火花放電のタイミング（圧縮行程の終期）では、図６（ｇ）に示されるように筒内のガス流動が比較的強い。
　したがって、このガス流動による放電路伸長が大きくなり、火花放電遮断後の２次側コイルの開放電圧（以下、開放電圧と略す）が高くなる。
　一方、火花点火式水素エンジンの筒内圧は、図６（ｅ）に示すように膨張行程から排気行程、吸気行程へ進むにつれて低くなる。一般に、絶縁破壊電圧の大きさは圧力に依存し、圧力が低くなるほど絶縁破壊電圧が低くなることが知られている。したがって、吸気行程において、点火プラグ４０のギャップ４１の絶縁破壊電圧は最も低くなる。そして、吸気行程における絶縁破壊電圧が開放電圧よりも低くなると、ギャップ４１で自然放電（点火信号５９を伴わない火花放電）が発生する。この自然放電によって、点火コイルの残留エネルギが混合気に放出される。
　吸気行程においては、吸気マニホールド３１内に形成された空気と水素（または空気と水素と水素以外の第二の燃料）との混合気が燃焼室３７へ吸入される。このため、図６（ｆ）に示すように、筒内の可燃混合気濃度が高くなる。また、水素混合気（または水素と水素以外の第二の燃料の混合気）は、ガソリンや天然ガス、アンモニアなど水素を含まない他の燃料の混合気に比べて極めて小さな点火エネルギで着火する。即ち、燃焼可能な混合気濃度範囲は、他の水素を含まない燃料に比べて大幅に広いことが知られている。
　自然放電によって混合気に放出されるエネルギ量は、コイルの残留エネルギ量にほぼ等しい。これは圧縮行程の終期に実施される火花放電によって混合気に放出されるエネルギに比べると概ね１／２０程度と小さい。このため、水素を含まない他の燃料の混合気では自然放電によって着火に至る可能性は低い。しかし、水素混合気（または水素と水素以外の第二の燃料の混合気）は、前述の通り極めて着火性が高く、かつ可燃濃度範囲が広いため、吸気行程における自然放電によって容易に着火し爆発に至る。この爆発は、逆火（バックファイヤ）と呼ばれる異常燃焼であり、エンジンに重大な損傷を与える虞がある。
　このように、水素混合気を着火に至らしめられるエネルギが点火コイルに残留し、かつ吸気行程において自然放電が発生することが火花点火式水素エンジンの逆火発生原因の１つになっている。
［水素エンジンの吸気行程における目標開放電圧］
　火花点火式水素エンジンの逆火を防止するには、火花点火式水素エンジンの吸気行程における開放電圧を点火ギャップの絶縁破壊電圧より低く保ち、点火ギャップで自然放電が発生しないようにすることが有効である。
　絶縁破壊電圧と、圧力と電極ギャップの積との間には、パッシェンの法則が成り立つことが知られている。図７は、圧力ｐと電極ギャップｄの積ｐ・ｄ（横軸）に対する水素の絶縁破壊電圧（縦軸）をパッシェンの法則により算出した特性図である。吸気行程における開放電圧を図７で示される水素の絶縁破壊電圧よりも低くすれば、点火ギャップにおける自然放電の発生を防ぐことができる。
　一般的な火花点火式水素エンジンにおいて逆火が発生するｐ・ｄの範囲は、１２～３６ｍＰａ（吸気圧p＝２０～６０ｋＰａ、電極ギャップｄ＝０．６mm）程度である。なお、図６の横軸は、ｐ・ｄを[cm・Torr]の単位で示している。
　したがって、火花点火式水素エンジンの吸気行程における絶縁破壊電圧は、図７に示すように、約０．５～１ｋＶ程度と考えられる。即ち、火花点火式水素エンジンおける自然放電による逆火の発生を防止するには、吸気行程での開放電圧を１ｋＶ以下に保つ必要がある。また、火花点火式水素エンジンおける自然放電による逆火の発生を防止するには、吸気行程での開放電圧を０．５ｋＶ以下に保つのがより望ましい。
［本発明の一実施の形態例における点火制御及び点火装置の動作、作用］
　次に、図８を参照して、本発明の一実施の形態例に係る点火制御及び装置の動作、作用について説明する。
　図８は、本発明の一実施の形態例に係るＥＣＵ２による点火制御及び点火装置５０の動作、作用を示した説明図である。図８（ａ）はエンジンの吸気バルブ３２と排気バルブ３４のリフト量の時系列変化を示し、図８（ｂ）はＥＣＵ２から点火装置５０に送出される点火信号５９の時系列変化を示す。また、図８（ｃ）は１次コイル５２と２次コイル５３に蓄えられる電磁エネルギの時系列変化を示し、図８（ｄ）は点火プラグ４０に印加される２次電圧の時系列変化を示す。また、図８（ｅ）は燃焼室３７内の圧力（筒内圧）の時系列変化、図８（ｆ）は燃焼室３７内の可燃混合気量の時系列変化、図８（ｇ）は燃焼室３７内のガス流動強さの時系列変化を示している。
　本発明に係る一実施の形態例においては、燃焼室３７内の混合気を着火させるために、通常、圧縮行程の終期において、ＥＣＵ２から点火装置５０に点火信号（主放電用点火信号）が送出される。主放電用点火信号がオンになると（０Ｖから５Ｖへ立ち上がると）１次電流が流れ、１次コイルに電磁エネルギが蓄えられる。即ち主放電用点火信号がオンになっている期間が、点火コイルの主放電用の充電期間に相当する。主放電用点火信号がオフになり１次電流が遮断されると、１次コイル５２と２次コイル５３の相互誘導によって２次コイル５３に高電圧が発生する。そして２次電圧が点火プラグのギャップ４１の絶縁破壊電圧より高くなると、点火プラグのギャップ４１で火花放電（主放電）が発生する。
この主放電によって燃焼室３７内の混合気が着火し、混合気の燃焼によってエンジンから動力が取り出される。
　主放電によって点火コイルに蓄えられていた電磁エネルギが混合気へ放出されるので、点火コイル内に蓄えられた電磁エネルギ量は減少する。
　点火プラグ４０のギャップ４１に形成される放電経路（アーク）は、エンジン燃焼室３７のガス流動によって引き延ばされ、ギャップ４１の電気抵抗値が増大する。これによってギャップ４１の絶縁破壊電圧が上昇し、絶縁破壊電圧が２次電圧よりも高くなると主放電が遮断される。このため充電期間に点火コイル内に蓄えられた電磁エネルギが主放電によって全て消費されることはなく、主放電終了以降も残留エネルギとなって点火コイル内に留まる。また放電路伸長に伴う絶縁破壊電圧の上昇によって主放電が遮断されるため、比較的高い開放電圧が維持される。
　次に、主放電に続く膨張行程の中期（例えば圧縮上死点後６０°ＣＡ）において、ＥＣＵ２から点火装置５０に点火信号（副放電用点火信号）が送出される。副放電用点火信号がオンになると（０Ｖから５Ｖへ立ち上がると）１次電流が流れ、１次コイルに電磁エネルギが蓄えられる。即ち副放電用点火信号がオンになっている期間が、点火コイルの副放電用の充電期間に相当する。副放電用の充電によって、点火コイルのエネルギ量（ｃ）は、主放電の残留エネルギ量と副放電用の充電に伴って蓄えられたエネルギ量の和となる。
　副放電用点火信号がオフになり１次電流が遮断されると、１次コイル５２と２次コイル５３の相互誘導によって２次コイル５３に高電圧が発生する。そして２次電圧が点火プラグのギャップ４１の絶縁破壊電圧より高くなると、点火プラグのギャップ４１で火花放電（副放電）が発生する。主放電に続く膨張行程の中期（例えば圧縮上死点後６０°ＣＡ）においては燃焼によって混合気内の燃料濃度は非常に低くなっているため、副放電による混合気の着火は発生しない。
　また、膨張行程の中期（例えば圧縮上死点後６０°ＣＡ）では筒内のガス流動強さ（ｇ）が比較的弱くなるので、副放電によって点火プラグ４０のギャップ４１に形成される放電経路の伸長は、主放電によって点火プラグ４０のギャップ４１に形成される放電経路の伸長に比べて少ない。従って副放電終期における放電経路の電気抵抗値は、主放電終期における放電経路の電気抵抗値より小さい。
　また、膨張行程の中期（例えば圧縮上死点後６０°ＣＡ）の筒内圧は、主放電が実施される圧縮行程の終期（例えば圧縮上死点前２０°ＣＡ）における筒内圧に比べて低い。従って膨張行程の中期（例えば圧縮上死点後６０°ＣＡ）における絶縁破壊電圧は、主放電が実施される圧縮行程の終期（例えば圧縮上死点前２０°ＣＡ）における絶縁破壊電圧に比べて低い。
　即ち、副放電の終期においては放電経路の電気抵抗値が小さく、かつ絶縁破壊電圧が低いので、副放電が遮断された後の開放電圧は、主放電が遮断された直後の開放電圧に比べて低くなる。また副放電では主放電よりも低い開放電圧まで放電が進むので、副放電直後の残留エネルギ量は主放電直後の残留エネルギ量よりも小さくなる。
［本発明の一実施の形態例の効果］
　次に図９を用いて、従来技術と本発明の一実施の形態例との作用及び効果の違いを説明する。
　図９は、従来技術と本発明の一実施の形態例において、吸気工程における開放電圧がどの程度異なるかを示した特性図である。即ち、図９は、従来技術による例と、本発明の一実施の形態例との、吸気行程の開始タイミングにおける開放電圧（縦軸）の実測結果を横軸方向に並べて示している。
　なお、吸気工程における開始タイミングの開放電圧には、エンジンサイクルによってばらつき（サイクル変動）が生じる。そこで、実験では、複数のエンジンサイクルに亘る開放電圧の計測を行った。図９は、この実験で、最も開放電圧が高かったサイクルの結果を示したものである。
　図９に示すように、従来技術では、吸気行程の開放電圧が、火花点火式水素エンジンにおける絶縁破壊電圧の最小値０．５ｋＶを超える。これに対して、本発明の一実施の形態例では、吸気行程の開放電圧を、火花点火式水素エンジンにおける絶縁破壊電圧の最小値０．５ｋＶよりも低くすることができる。これによって、本発明の一実施の形態例では、吸気行程において点火プラグ４０のギャップ４１に自然放電が発生しないので、自然放電によって引き起こされる火花点火式水素エンジンの逆火を防止することができる。
　また、本発明の一実施の形態例では、点火装置５０の１次コイル５２と２次コイル５３の間に残留エネルギを放出するためのバイパス抵抗を設ける必要がない。このため、本発明の一実施の形態例では、点火コイル充電時に正電圧を発生させることなく、低コストで点火プラグでの意図しない放電による火花点火式水素エンジンの逆火を防止することができる。
［副放電タイミングと吸気行程における開放電圧の関係］
　次に、図１０を参照して、本発明の一実施の形態例に係る副放電タイミングと吸気行程における開放電圧の関係について説明する。
　図１０は、本発明の一実施の形態例における副放電タイミング（横軸）と吸気行程（吸気行程開始タイミング）における開放電圧（縦軸）との関係を示す特性図である。即ち、図１０は、副放電タイミングを圧縮上死点後３０°ＣＡから１８０°ＣＡまで変化させたときの、吸気行程における開放電圧の実測結果を示している。図１０の例では、副放電充電期間は一定である。
　前述の通り開放電圧にはサイクル変動があるため、図１０は、各副放電タイミングにおいて最も開放電圧が高かったサイクルの結果を示している。なお、副放電タイミングとは、副放電用点火信号がオンからオフ（５Ｖから０Ｖ）になるタイミングのことである。
　図１０に示すように、吸気行程における開放電圧は副放電のタイミングに依存する。吸気行程における開放電圧を、火花点火式水素エンジンにおける絶縁破壊電圧の最小値である０．５ｋＶ以下にするためには、副放電のタイミングは圧縮上死点後６０°ＣＡから排気バルブ開弁タイミング（Exhaust Valve Opening:ＥＶＯ）＋１０°ＣＡの範囲にするのが望ましい。
　副放電のタイミングを膨張行程の終期（ＥＶＯ＋１０°ＣＡよりも後）にすると吸気行程における開放電圧が高くなる理由は、副放電タイミングにおける筒内のガス流動が強くなるためである。
　図６（ｇ）に示したように、筒内のガス流動の強さは、ＥＶＯから１０°ＣＡ以降で強くなる。これは排気バルブの開弁に伴って、加圧された筒内ガスが排気マニホールド３３へ流出するためである。筒内のガス流動が強いと、副放電の放電路伸長の増大によって副放電後の開放電圧が高くなり、その高い開放電圧が吸気行程まで維持されるのである。
　また、副放電のタイミングを膨張行程の初期（例えば圧縮上死点後３０°ＣＡ）にすると吸気行程における開放電圧が高くなる理由は、副放電のタイミングにおける開放電圧が高いためである。
　即ち、図５（ｅ）に示したように、開放電圧は、主放電後が最も高く、時間経過と低下する傾向を示す。これは点火コイル内に残った電荷がハイテンションケーブルや点火プラグを通じて漏出するためである。
　したがって、副放電のタイミングを膨張行程の初期（例えば圧縮上死点後３０°ＣＡ）にすると、副放電のタイミングを圧縮行程の初期以降（例えば圧縮上死点後６０°ＣＡ）にする場合に比べて、副放電のタイミングにおける開放電圧が高くなる。
　また、図１１に示すように、副放電前の開放電圧（横軸）と副放電後の開放電圧（縦軸）には、線形相関がある。そのため、副放電のタイミングにおける開放電圧が高くなると、副放電後の開放電圧も高くなるのである。また、膨張行程の初期（例えば圧縮上死点後３０°ＣＡ）では筒内ガス流動が強くなって副放電の放電路伸長が大きくなることも副放後の開放電圧が高くなる一要因である。
［副放電充電期間と吸気行程における開放電圧の関係］
　次に、図１２を参照して、本発明の一実施の形態例に係る副放電充電期間と吸気行程における開放電圧の関係について説明する。
　図１２は、本発明の一実施の形態例に係る副放電充電期間（副放電用点火信号のオン期間：横軸）と、吸気行程（吸気行程開始タイミング）における開放電圧（縦軸）との関係を示す特性図である。即ち、図１２は、副放電充電期間を２％（主放電充電期間に対する比率）から１００％（主放電充電期間に対する比率）まで変化させたときの、吸気行程（吸気行程開始タイミング）における開放電圧の実測結果を示している。図１２の例では、副放電充電期間は一定である。
　前述の通り、開放電圧にはサイクル変動があるため、図１２では副放電充電期間毎に、最も開放電圧が高かったサイクルの結果を示している。なお、主放電充電期間は、主放電用点火信号のオン期間である。
　図１２に示すように、吸気行程における開放電圧は副放電充電期間に依存する。したがって、副放電充電期間が４０％以下においては、副放電充電期間の減少に伴って吸気行程における開放電圧は上昇する。これは、副放電充電期間が減少すると放電初期に発生する２次電圧（所謂ブレークダウン電圧）が低下し、副放電が不安定となるためである。
　即ち、副放電充電期間が減少すると、副放電の不発や副放電の早期遮断が発生するため、副放電による開放電圧の低減効果が減少または消滅するのである。このため、副放電充電期間は５％（主放電充電期間に対する比率）以上とすることが望ましい。副放電充電期間を５％以上とすると、吸気行程における開放電圧を、火花点火式水素エンジンにおける絶縁破壊電圧の最小値である０．５ｋＶ以下にすることができ、吸気行程における自然放電の発生を防止できる。
　また、副放電充電期間が４０％（主放電充電期間に対する比率）を超えると、副放電充電期間が変化しても開放電圧はほぼ一定になる。これは副放電充電期間が４０％（主放電充電期間に対する比率）を超えると、副放電が安定化して、副放電による開放電圧の低減効果がほぼ一定となるためである。
　このため、副放電の充電期間は５％から４０％（主放電充電期間に対する比率）の範囲にすることがより望ましい。即ち、副放電の充電期間は５％から４０％（主放電充電期間に対する比率）の範囲にすると、吸気行程における自然放電の発生を防止できると共に、副放電における過剰なエネルギ放出を防ぐことができる。これによって点火プラグ４０の高寿命化（電極摩耗の低減）、点火装置５０の発熱低減による信頼性向上、及び消費エネルギ低減などの利点がある。
［エンジンの負荷情報に基づいた副放電の実施］
　火花点火式水素エンジンの逆火原因の１つである吸気行程における火花放電が発生するか否かは、エンジンの状態や環境条件によって変化する。例えば、エンジン負荷が低い、空燃比が低い（燃料リッチである）、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)率が低い、点火プラグのギャップが小さい（電極の摩耗が少ない）などによって吸気工程における火花放電の発生の可否が変化する。また、環境温度が高い場合には、エンジン負荷が高い、空燃比が高い（燃料リーンである）、ＥＧＲ率が高い、点火プラグのギャップが大きい（電極の摩耗が多い）などのエンジンの状態によって、環境温度が低い場合に比べて吸気行程における火花放電が発生しやすくなる。
　そこで、エンジン状態や環境状態に基づいて、副放電の実施と回避を切り替えるようにしてもよい。即ち、吸気行程における火花放電が発生する虞が高い場合には、副放電を実施する。そして、吸気行程における火花放電が発生する虞が低い場合には、副放電の実施を回避するようにしてもよい。このように、エンジンの状態や環境条件に基づいて放電の実施と回避を切り替えることで、エンジン稼働期間における副放電の回数を減らすことができる。これによって点火プラグの高寿命化（電極摩耗の低減）、点火装置の発熱低減による信頼性向上、及び消費エネルギ低減などの利点がある。
　例えば、副放電はエンジンの負荷情報に基づいて実施と、回避とを切り替えてもよい。
　図１３は、本発明の一実施の形態例に係るエンジンの負荷情報に基づく副放電の実施手順を示したフローチャートである。
　図１３に示すように、ＥＣＵ２は、圧縮行程の終期において点火装置５０に点火信号（主放電用点火信号）を送出し主放電を実施する（ステップＳ１）。次に、ＥＣＵ２は現在の負荷率と予め定められた負荷率の閾値Ｌｃ（例えば２０％）を比較する（ステップＳ２）。
　そして、ステップＳ２で現在の負荷率が閾値Ｌｃより小さい場合（Ｙｅｓ判定の場合）、ＥＣＵ２は、主放電に続く膨張行程において、点火装置５０に副放電用点火信号を送出して、副放電を実施する（ステップＳ３）。一方、ステップＳ２で現在の負荷率が閾値Ｌｃより小さくなかった場合（Ｎｏ判定の場合）、ＥＣＵ２は、本エンジンサイクル内での副放電用点火信号の送出を回避し、次のエンジンサイクルに更新する（ステップＳ４）。
　このようにエンジンの負荷情報に基づいて副放電の実施と回避を切り替えると以下の利点がある。
　火花点火式水素エンジンにおける逆火の原因となる吸気行程における自然放電は、絶縁破壊電圧が低くなる筒内低圧時に発生する。したがって、負荷率が低く吸気行程における筒内圧が低いときに副放電を実施して絶縁破壊電圧よりも開放電圧を下げることで、自然放電による逆火を防止することができる。一方、負荷率が高く吸気行程における筒内圧が高いときには絶縁破壊電圧が高くなるので、自然放電は発生しにくい。したがって、負荷率が高い場合には副放電の実施によって開放電圧を下げなくても、逆火が発生する虞は少ない。
　このようにエンジンの負荷率に基づいて副放電の実施と回避を切り替えることで、エンジン稼働期間における副放電の回数を減らすことができる。これによって点火プラグの高寿命化（電極摩耗の低減）、点火装置の発熱低減による信頼性向上、及び消費エネルギ低減などの利点が得られる。
　また、エンジンの負荷率以外の情報に基づいて、副放電の実施と回避を切り替えてもよい。例えば、スロットル開度、トルク、エンジン回転速度、吸気圧、筒内圧、吸入空気量、排ガス流量、燃料流量、アクセル開度、負荷出力（例えば発電量など）、排気温度、冷却水量、水温、油温など、エンジン負荷に相関を持つこれらの諸量の少なくとの１つが所定の閾値より小さい場合は副放電を実施し、これらの諸量の少なくとも１つが所定の閾値より小さくない場合は副放電の実施を回避するようにしてもよい。
　また、混焼火花点火式水素エンジンにおいては、燃料の水素割合に基づいて副放電の実施と回避を切り替えてもよい。混焼火花点火式水素エンジンにおいて、燃料の水素割合が高い場合は自然放電による逆火が発生しやすく、燃料の水素割合が低い場合は自然放電による逆火は発生しにくい。そこで、混焼火花点火式水素エンジンにおいて、燃料に占める水素割合が所定の閾値（例えば発熱量比５０％）より大きい場合は副放電を実施し、燃料に占める水素割合が所定の閾値（例えば発熱量比５０％）より大きくない場合は副放電の実施を回避するようにしてもよい。
　更に、エンジン負荷に相関を持つ諸量と燃料に占める水素割合との組み合わせに基づいて副放電の実施と回避を切り替えてもよい。例えば、吸気圧が吸気圧の閾値より低く、かつ、水素割合が水素割合の閾値よりも高い場合に副放電を実施する。そして、吸気圧が吸気圧の閾値より低くない場合、または水素割合が水素割合の閾値よりも高くない場合に副放電の実施を回避するようにしてもよい。
　これによって、エンジン稼働期間における副放電の回数をより減らすことができ、点火プラグの高寿命化（電極摩耗の低減）、点火装置の発熱低減による信頼性向上、及び消費エネルギ低減などの利点をより高めることができる。また、副放電の実施時と回避時において、主放電の充電期間（主放電用点火信号のオン期間）を変えてもよい。
［副放電実施時と回避時の主放電充電期間の変更］
　図１４は、本発明の一実施の形態例に係る副放電実施時と回避時の充電期間の変更例を示す説明図である。図１４（ａ）は、副放電実施時の放電信号の時系列変化を示し、図１４（ｂ）は、副放電回避時の放電信号の時系列変化を示している。ここで副放電実施時とは、副放電用の点火信号（オン信号）を点火装置５０へ送出するエンジンサイクル時である。また副放電回避時とは、副放電用の点火信号（オン信号）の点火装置５０への送出を回避するエンジンサイクル時である。
　本発明の一実施の形態例に係る副放電実施時と回避時の充電期間の変更方法では、図１４（ａ）に示す副放電実施時の主放電の充電期間（主放電用点火信号のオン期間）を、図１４（ｂ）に示す副放電回避時の主放電の充電期間（主放電用点火信号のオン期間）に比べて短くする。なお、図１５に示すように、点火コイルの充電期間（点火信号のオン期間：横軸）と放電初期の２次電圧（所謂ブレークダウン電圧：縦軸）には、正の相関がある。
　したがって、点火コイルの充電期間を過度に短くすると、ブレークダウン電圧が絶縁破壊電圧より低くなって火花放電が発生しなくなる。そこで、本発明の一実施の形態例に係る副放電実施時と回避時の充電期間の変更方法では、副放電実施時の主放電の充電期間を副放電回避時の主放電の充電期間に比べて短くする場合に、主放電の充電時間を、ブレークダウン電圧が絶縁破壊電圧を上回る範囲で短くする。
　このように、副放電実施時の主放電の充電期間を、副放電回避時の主放電の充電期間に比べて短くすることで、副放電実施時の点火コイルエネルギを低減することができる。これによって点火プラグ４０の高寿命化（電極摩耗の低減）、点火装置５０の発熱低減による信頼性向上、及び消費エネルギ低減などの利点をより高めることが可能になる。また、副放電実施時の主放電の充電期間と副放電の充電期間とを合わせた充電期間が、副放電回避時の主放電の充電期間とほぼ同じであり、副放電を実施することによる点火プラグ４０の寿命への影響や点火装置５０の発熱への影響を防ぐことができる。
　１…火花点火式水素エンジン，１ａ…混焼火花点火式水素エンジン，２…ＥＣＵ(Elcetric Control Unit：制御装置)，３…入出力回路，４…入出力ポート，５…ＲＡＭ(Random Access Memory)，６…ＲＯＭ(Read Only Memory)，７…ＣＰＵ(Central Processing Unit)，１０…点火制御部，１１…バルブタイミング制御部，１２…空気制御部，１３…燃料制御部，２９…吸気ＶＶＴ(Variable Valve Timing)，３０…排気ＶＶＴ，３１…吸気マニホールド，３２…吸気バルブ，３３…排気マニホールド，３４…排気バルブ，３５…ピストン，３６，３６ａ…インジェクタ，３７…燃焼室，３８…シリンダ，３９…電子制御式スロットルバルブ，４０…点火プラグ，４１…点火ギャップ，４８…ハイテンションコード，５０…点火装置，５２…１次コイル，５３…２次コイル，５４…イグナイタ，５５…ダイオード，５６…抵抗，５７，５７ａ…インジェクタ駆動信号，５８…スロットルバルブ駆動信号，５９…点火信号，６０…吸気ＶＶＴ駆動信号，６１…排気ＶＶＴ駆動信号

Claims (13)

  1. 　１次コイルに流れる電流を遮断することにより２次コイルに高電圧を発生させる点火コイルと、
    　前記１次コイルに流れる電流の導通と遮断を行うイグナイタと、
    　前記２次コイルに接続され火花放電を発生し、燃焼室内に電極を配置する点火プラグと、
    　前記イグナイタに点火信号を送出する制御装置と、を備え、
    　前記制御装置は、
    　前記燃焼室内の水素混合気を着火するための主放電の点火信号と、
    　吸気行程における前記２次コイルの電圧を前記主放電の終了時の前記２次コイルの電圧に比べて低減させるための副放電の点火信号と、を前記イグナイタに送出する
    　火花点火式水素エンジンの制御装置。
  2. 　吸気行程における前記２次コイルの電圧を１ｋＶ以下とする
    　請求項１記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  3. 　前記副放電の点火信号がオンからオフに切り替わるタイミングを圧縮上死点後６０°クランク角から排気バルブ開弁タイミング＋１０°クランク角の範囲とする
    　請求項２に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  4. 　前記副放電の点火信号のオン期間を、前記主放電の点火信号のオン期間に対して５％以上とする
    　請求項２に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  5. 　前記副放電の点火信号のオン期間を、前記主放電の点火信号のオン期間に対して４０％以下とする
    　請求項４に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  6. 　エンジン状態もしくは環境状態に基づいて、前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出と回避とを切り替える
    　請求項２に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  7. 　エンジンの負荷情報に基づいて前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出と回避とを切り替える
    　請求項６に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  8. 　エンジンの負荷率、スロットル開度、トルク、エンジン回転速度、吸気圧、筒内圧、吸入空気量、排ガス流量、燃料流量、アクセル開度、負荷出力、排気温度、冷却水量、水温、または油温の少なくとも１つに基づいて、前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出と回避とを切り替える
    　請求項６に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  9. 　エンジンの負荷率、スロットル開度、トルク、エンジン回転速度、吸気圧、筒内圧、吸入空気量、排ガス流量、燃料流量、アクセル開度、負荷出力、排気温度、冷却水量、水温、または油温の少なくとも１つが予め定めた所定値より小さい場合は、前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出を実施し、
    　エンジンの負荷率、スロットル開度、トルク、エンジン回転速度、吸気圧、筒内圧、吸入空気量、排ガス流量、燃料流量、アクセル開度、負荷出力、排気温度、冷却水量、水温、または油温の少なくとも１つが予め定めた所定値より小さくない場合は、前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出を回避する
    　請求項８に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  10. 　燃料の水素割合に基づいて前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出と回避とを切り替える
    　請求項６に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  11. 　燃料の水素割合が予め定めた所定値より大きい場合は前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出を実施し、燃料の水素割合が予め定めた所定値より大きくない場合は前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出を回避する
    　請求項１０に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  12. 　前記副放電の点火信号を前記イグナイタへ送出する場合は、前記副放電の点火信号の前記イグナイタへの送出を回避する場合に比べて、前記主放電の点火信号のオン期間を短くする
    　請求項６に記載の火花点火式水素エンジンの制御装置。
  13. 　１次コイルに流れる電流を遮断することにより２次コイルに高電圧を発生させる点火コイルと、
    　前記１次コイルに流れる電流の導通と遮断を行うイグナイタと、
    　前記２次コイルに接続され火花放電を発生し、燃焼室内に電極を配置する点火プラグと、
    を備えた火花点火式水素エンジンの制御方法であって、
    　前記燃焼室内の水素混合気を着火するための主放電の点火信号と、
    吸気行程における前記２次コイルの電圧を前記主放電の終了時の前記２次コイルの電圧に比べて低減させるための副放電の点火信号と、
    を前記イグナイタに供給する
    　火花点火式水素エンジンの制御方法。
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