JP2008045514A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関用点火装置において、点火信号の一定時間以上の入力やチップの過熱などの異常事態を検知した場合にコイルの一次電流を遮断する際に、チップの熱破損などの機能不全の発生を防止し、かつ点火プラグに放電を発生させてエンジンにバックファイアなどの有害な燃焼が起きることを防止する。
【解決手段】内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる一次電流の通電を遮断制御して点火コイルに高電圧を発生させる絶縁ゲート形バイポーラトランジスタと、該点火コイルに流れる一次電流を制限する電流制限回路と、該点火信号の一定時間以上の入力又は異常発熱を検知すると一次電流をソフトシャットオフさせる回路とを、モノリシックシリコン基板上に集約したワンチップイグナイタであって、上記ソフトシャットオフする時間を、１７〜１３５[ｍｓ]の範囲内に設定したことを特徴とする内燃機関用点火装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関用点火装置、特にモノリシックシリコン基板上に集約した内燃機関用点火装置に関する。

従来の技術として、例えば、特許文献１には、ワンチップイグナイタの大電流スイッチング機能に追加して、その保護機能として電流制限機能と、チップの発熱を検知して異常発熱時に通電を強制的に遮断するサーマルシャットオフ回路とを、絶縁ゲート形バイポーラトランジスタのモノリシックシリコン基板に集積させてなる内燃機関用点火装置が開示されている。

また、特許文献２には、パワースイッチング部と、電流制限回路や電圧制限回路等の保護回路と、異常検知手段としてタイマー回路を内蔵し、点火コイルの二次巻線に無用な高圧電圧を発生させることがないように一次電流を漸減させる内燃機関用点火装置が開示されている。

また、特許文献３には、内燃機関用点火装置における気圧と火花放電の関係が開示されている。
特開平８−３３５５２２号公報 特開２００２−４９９１号公報 特開２００１−２４８５２９号公報

特許文献１に開示された技術は、イグナイタに保護機能として電流制限回路とサーマルシャットオフ回路を設けたものである。しかし、単純なサーマルシャットオフ回路は、チップの温度が設定温度以上になると強制的にパワートランジスタのゲート信号をＬＯＷにして点火コイルに流れる一次電流をすばやく遮断する機能であるため、この動作により点火コイル二次側に高電圧を誘起して点火プラグに放電を発生させる。そのため、かかる点火プラグの放電が、その際のエンジンの工程によっては、エンジンにバックファイア等の有害な燃焼を発生させる可能性がある。

点火プラグに火花放電を発生させる放電電圧は、エンジンの運転条件によって異なり、圧力が高く空気密度が濃い状態での放電電圧は高くなり、逆に圧力が低く空気密度の薄い状態での放電電圧は低くなる。すなわち、エンジンの圧縮工程で空気を多く取り込んだ状態では圧力が上がるため高い二次電圧が要求され、エンジンが吸気工程で空気流量が少ない状態では負圧になるため低い二次電圧で火花放電が発生する。

特許文献３に開示された気圧と火花放電の関係によれば、いかなる条件下においても点火プラグに火花放電を発生させないためには、二次電圧を１ｋＶ以下とする必要性が理解される。

また、特許文献２に開示された技術は、異常通電時間を検知した際、一次電流を漸減し二次コイルに高電圧を発生させない回路を設けているが、組み合わせコイル、一次電流遮断時の１[ｍｓ]あたりの電流変化、一次電流漸減時間などの条件によっては、十分な効果を奏することができず、１[ｋV]以上の二次電圧を発生させる可能性がある。加えて、一次電流の漸減時間が長すぎると、チップの熱破壊などの点火装置の機能不全という問題が発生する可能性もある。

上記の課題を解決するために、本発明の内燃機関用点火装置は、内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる一次電流の通電を遮断制御して点火コイルに高電圧を発生させる絶縁ゲート形バイポーラトランジスタと、該点火コイルに流れる一次電流を制限する電流制限回路と、該点火信号の一定時間以上の入力又は異常発熱を検知すると一次電流をソフトシャットオフさせる回路とを、モノリシックシリコン基板上に集約したワンチップイグナイタであって、上記ソフトシャットオフする時間を、上記異常発熱が点火装置の機能不全を発生させない時間であって、かつ、上記点火コイルの二次電圧が点火プラグに火花放電を発生させない時間に設定したことを特徴とするものである。

また、本発明の内燃機関用点火装置は、前記ソフトシャットオフする時間を、上記点火コイルに発生する二次電圧が１ｋＶ以下となるような時間としたことを特徴とするものである。

また、本発明の内燃機関用点火装置は、前記ソフトシャットオフする時間を、該点火装置のチップの温度がハンダの融点を超えないような時間とすることを特徴とするものである。

さらに、本発明の内燃機関用点火装置は、内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる一次電流の通電を遮断制御して点火コイルに高電圧を発生させる絶縁ゲート形バイポーラトランジスタと、該点火コイルに流れる一次電流を制限する電流制限回路と、該点火信号の一定時間以上の入力又は異常発熱を検知すると一次電流をソフトシャットオフさせる回路とを、モノリシックシリコン基板上に集約したワンチップイグナイタであって、上記ソフトシャットオフする時間を、１７から１３５[ｍｓ]の範囲内の時間に設定したことを特徴とするものである。

本発明によれば、異常通電及び異常発熱が発生した場合に、チップの熱破損などの点火装置の機能不全を防ぐことができると共に、一次電流の強制的な遮断の際、点火プラグに火花放電が発生することを防止することにより、エンジンにバックファイア等の有害な燃焼を発生させることを防止することができる。また、点火装置の回路をパワートランジスタのモノリシックシリコン基板上に集約することにより、コンパクトで信頼性の高い１チップイグナイタを提供することができる。

次に、本発明の実施例について簡単に説明する。
図１は、本発明の一実施例である内燃機関用点火装置について、机上実験で得られた時間に対する一次電流又は二次電圧の関係を示し波形図である。ここでは、横軸の一区分が５［ｍｓ］を示し、縦軸の一区分がそれぞれ２Ａの一次電流又は１ｋＶの二次電圧を示している。図１の波形によれば、発生二次電圧が１[ｋＶ]以下で放電されていることがわかり、プラグ放電が発生することがなく有害な着火が阻止できることがわかる。このようにゲートの電圧を制御し一次電流の変化量を制御することで、点火コイルの二次側に発生する電圧を１[ｋＶ]以下に抑えることが可能となる。これを実現する手段は、コンデンサを利用して電流制限回路の基準電圧を低速度で減じることにより一次電流を通常よりも低速度で変化させるのであり、容量の大きいコンデンサを必要とせず、シリコン基板上に制御回路を容易に作り込むことである。こうして、電流遮断による二次電圧をプラグ放電電圧以下とし、かつチップが熱破壊に達しない時間内に、一次電流を完全に遮断することを可能としている。

図２は、本発明の一実施例である内燃機関用点火装置の構成図であり、その符号１は内燃機関用電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という。）、２は点火装置、３は点火コイル、４は点火プラグを示す。

ＥＣＵ１の出力段は、ＰＮＰトランジスタ９，ＮＰＮトランジスタ１０，抵抗１１より構成され、ＣＰＵ８により算出された適正な点火タイミングでトランジスタ９，１０をＯＮ，ＯＦＦし、点火装置にＨＩＧＨ，ＬＯＷのパルスを出力する。点火装置２は、パワートランジスタ５とハイブリッドＩＣ１３に実装された電流検出用負荷６、電流制御回路７及び入力抵抗１２より構成され、ＥＣＵ１の出力信号がＬＯＷ→ＨＩＧＨでパワートランジスタ５は通電を開始し、ＨＩＧＨ→ＬＯＷで遮断することによりパワートランジスタ５のコレクタ部に電圧が発生し、点火コイルの巻き数比倍に相当する高電圧が点火コイルの二次側に誘起され、点火プラグの電極間に火花放電を発生させて混合気を燃焼させる。

図３は、本発明の一実施例である内燃機関用点火装置のＥＣＵについて、（図２に図示したものとは異なる）その他の代表的な駆動回路を示すもので、図３ａはＰＭＯＳとＮＭＯＳをコンプリメンタリーにつないで構成したもの、図３ｂはプルアップ抵抗とＮＰＮトランジスタで構成したもの、図３ｃはＰＮＰトランジスタで電流を流し込む方式のものを示す。これらの各方式のものは、回路構成では異なるが、ＥＣＵにより求められた最適点火時期で点火プラグに火花放電を発生させるためのタイミングと点火コイルにエネルギをチャージするためにイグナイタを駆動させるために必要な電流及び電圧を出力する回路である点で共通する。

図４は、本発明の一実施例である点火装置のブロック図を示す。図４中の符号１４は点火コイル、１５は点火装置、１６，１７は共に絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」という。）で、１７は点火コイルの一次コイルに流れる一次電流を通電・遮断する主回路を構成するメインＩＧＢＴ、１６はメインＩＧＢＴの電流を検出するためのシャント回路を構成するセンスＩＧＢＴであり、そのエミッタには電流検出抵抗１８と電流制限回路１９が接続される。

ＥＣＵ３２に接続される点火装置１５の制御回路は、保護回路２７を備えた入力段、点火制御信号の電圧を電源とするタイマー回路２３、ＯＲ論理ゲート２４、過熱検知回路２５、クリア回路２６、ラッチ回路２８、抵抗２９,３０により構成される。電流制限回路１９は、例えばその内部にある差動増幅回路によって電流検出抵抗１８に発生する電圧と、定電流回路２０からの電流により抵抗２１に発生する電流制限回路動作の開始電圧Ｖｒｅｆとを比較する回路であり、電流検出抵抗１８の電圧がＶｒｅｆ電圧以上になると電流制限回路が動作しＩＧＢＴ１６のゲート電圧を降下させて不飽和状態とすることで電流制限をかける回路である。

入力段及び保護回路２７は、回路に一定の電流を流し込むことで入力端子の接触電流を確保し、更にダイオードと抵抗からなるネットワークを構成することで自動車用として想定される各種サージにも耐え得るように工夫されている。

過熱検知回路２５は、ＩＧＢＴの異常発熱を検知するとＬＯＷ→ＨＩＧＨをＯＲ論理ゲート２４に出力する。タイマー回路２３は、点火信号がＨＩＧＨの間中に通電時間をカウントしており、連続通電のように長い通電が生じた時はＬＯＷ→ＨＩＧＨをＯＲ論理ゲート２４に出力する。ラッチ回路２８は過熱検知回路２５又はタイマー回路２３からの異常を知らせるＨＩＧＨ信号を受け取るとラッチ動作を起動し、ソフトシャットオフ回路を起動させ一次電流の遮断が開始される。

図５は、本発明の一実施例である内燃機関用点火装置における回路の動作を説明するタイミングチャートである。

図５の(1)部に示すように、ＥＣＵ３２から出力される点火信号によってゲート電圧ＡがメインＩＧＢＴ１７に印加されると一次電流Ｅが流れる。このゲート電圧Ａが遮断されると一次電流が遮断されて、磁束の急激な変化により点火コイルの二次側に二次電圧Ｆが誘起される。タイマー回路２３は、点火制御信号がＨＩＧＨ状態の場合は常に通電時間を検知している。また、クリア回路２６は点火信号に同期しラッチ回路２８にクリア信号Ｂを出力する。

図５の(2)部に示すように、通常より長い点火信号が入力された時、点火信号がＨＩＧＨになりゲート電圧ＡがＯＮし、一次電流Ｅが流れ、一次電流が設定値になると電流制限回路１９が動作してゲート電圧Ａを降下させてメインＩＧＢＴ１７を不飽和にして一次電流Ｅを設定値で保持する。

図５の(3)部に示すように、点火信号がＨＩＧＨのままで一次電流Ｅが電流制限値に達した状態で通電され続けるとＩＧＢＴチップは発熱が大きくなり、過熱検知回路２５が動作する温度を超えると過熱検知回路２５からＨＩＧＨの信号がＯＲゲート２４に出力される。また、通電時間が異常となる場合は、タイマー回路２３がＨＩＧＨの信号を出力する。ＯＲゲート２４は、タイマー回路２３及び過熱検知回路２５のどちらか一方からＨＩＧＨ信号が入力されると、ラッチ回路２８にＨＩＧＨの信号を出力する。ラッチ回路２８は、その信号を基にＨＩＧＨの信号を出力し、一度ＨＩＧＨの信号を出力すると、全ての状態が正常となりクリア信号が入力されるまでＨＩＧＨを出力し続ける。

ラッチ回路の出力は、ソフトシャットオフ回路２２を起動させ、ゲート電圧Ａを低速度で減じるため、発生する二次電圧が１[ｋＶ]以下となる遮断が行われる。そして、図５の(4)部に示すように、一次電流遮断後に再び通常の点火信号が入力されると、クリア信号がラッチ回路に入力され通常動作が再開される。

一次電流の遮断の際には、安全かつ確実な電流遮断を実現するために遮断時間の規定が必要となる。この時間が長すぎる場合、一次電流がチップに流れ続ける状態となるためチップの破損につながり、短すぎる場合には二次電圧が発生し有害な着火を引き起こす原因となる。ソフトシャットオフ時間の最小値は、１[ｍｓ]あたりの電流変化と最小の保証動作電圧の電流制限値で決まる。最小の保証動作電圧はバッテリー電圧Ｖｂ＝６Ｖ、点火信号であるゲート‐エミッタ間電圧Ｖｇｅ＝３．５Ｖである。

図６は、上記の条件で机上実験をして得られた時間に対する一次電流又は二次電圧の関係を示した波形図である。図６が示す実験結果によれば、電流制限値は約５．２[Ａ]であり、電流遮断時の波形は直線的であるため、直線と近似して算出することができる。具体的には、「１ｍｓ当たりの電流変化［Ａ／ｍｓ］＝電流制限値［Ａ］／遮断にかかった時間［ｍｓ］」で算出する。遮断にかかった時間とは、一次電流の電流値が下がり始めた時から電流が０［Ａ］になるまでの時間である。

以上のような算出方法から算出した結果、１[ｍｓ]あたりの電流変化は約０．３２ [Ａ／ｍｓ]となる。またこの時の電流変化では二次電圧は１ｋＶ以下となっている。安全を見込んで１[ｍｓ]あたりの電流変化を０．３[Ａ]と考えると、最小のソフトシャットオフ時間は５．２／０．３≒１７．０[ｍｓ]となる。最大値は、モノリシックシリコン基板をベースに接続しているアンチモンハンダの融点（２４０[℃]）に達する時間以下にする必要がある。

図７は、シミュレーションから得られたソフトシャットオフ時間[ｍｓ]と素子（チップ）温度[℃]の関係を示す。ハンダの融点を超えない素子（チップ）の温度の最大温度を２４０[℃]とすると、このグラフからソフトシャットオフ時間が１３５[ｍｓ]以下とすれば、素子（チップ）温度が２４０[℃]以下となり、ハンダの融点を超えないことがわかる。

以上の結果から、ソフトシャットオフ時間は、１７．０[ｍｓ]以上であって、１３５[ｍｓ]以下の範囲内の時間とすれば、点火装置の一次電流の安全な遮断を実現することができる。

本発明の一実施例である内燃機関用点火装置の机上実験で得られた波形を示す。 本発明の一実施例である内燃機関用点火装置の構成を示す。 本発明の一実施例である内燃機関用点火装置のＥＣＵについて、その他の代表的な駆動回路を示す。 本発明の一実施例である内燃機関用点火装置のブロック図を示す。 本発明の一実施例である内燃機関用点火装置における回路の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の一実施例である内燃機関用点火装置図を用いて、電流制限値を求めるための机上実験をして得られた時間に対する一次電流又は二次電圧の関係を示した波形図である。 ソフトシャットオフ時間とチップの温度の関係を示すシミュレーション結果である。

符号の説明

１・・ＥＣＵ、２・・点火装置、３・・点火コイル、４・・点火プラグ、５・・パワートランジスタ、６・・電流検出用負荷、７・・電流制御回路、８・・ＣＰＵ、９・・ＰＮＰトランジスタ、１０・・ＮＰＮトランジスタ、１１・・抵抗、１２・・入力抵抗、１３・・ハイブリットＩＣ、１４・・点火コイル、１５・・点火装置、１６・・センスＩＧＢＴ、１７・・メインＩＧＢＴ、１８・・電流検出抵抗、１９・・電流制限回路、２０・・定電流回路、２１・・抵抗、２２・・ソフトシャットオフ回路、２３・・タイマー回路、２４・・ＯＲ論理ゲート、２５・・過熱検知回路、２６・・クリア回路、２７・・保護回路、２８・・ラッチ回路、２９、３０・・抵抗、３１、ツェナーダイオード、３２・・ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる一次電流の通電を遮断制御して点火コイルに高電圧を発生させる絶縁ゲート形バイポーラトランジスタと、
   該点火コイルに流れる一次電流を制限する電流制限回路と、
   該点火信号の一定時間以上の入力又は異常発熱を検知すると一次電流をソフトシャットオフさせる回路とを、モノリシックシリコン基板上に集約したワンチップイグナイタであって、
   上記ソフトシャットオフする時間を、上記異常発熱が点火装置の機能不全を発生させない時間であって、かつ、上記点火コイルの二次電圧が点火プラグに火花放電を発生させない時間に設定したことを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 請求項１に記載された点火装置において、前記ソフトシャットオフする時間を、上記点火コイルに発生する二次電圧が１ｋＶ以下となるような時間としたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
3. 請求項１に記載された点火装置において、前記ソフトシャットオフする時間を、該点火装置のチップの温度がハンダの融点を超えないような時間とすることを特徴とする内燃機関用点火装置。
4. 内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる一次電流の通電を遮断制御して点火コイルに高電圧を発生させる絶縁ゲート形バイポーラトランジスタと、
   該点火コイルに流れる一次電流を制限する電流制限回路と、
   該点火信号の一定時間以上の入力又は異常発熱を検知すると一次電流をソフトシャットオフさせる回路とを、モノリシックシリコン基板上に集約したワンチップイグナイタであって、
   上記ソフトシャットオフする時間を、１７〜１３５[ｍｓ]の範囲内に設定したことを特徴とする内燃機関用点火装置。

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