JP2008147534A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】二次コイルにおいて、設計上必要とされるスパーク電圧を確実に確保することができる内燃機関用点火装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関用点火装置１は、一次コイル２１及び二次コイル２２を備えた点火コイル２と、コンデンサ３１を用いて放電するＣＤＩ方式の点火制御回路３とを有している。内燃機関用点火装置１は、ｋ＝（１−Ｌ１’／Ｌ１）1/2（但し、Ｌ１は、一次コイル２１のインダクタンスを示し、Ｌ１’は、二次コイル２２が短絡されたときの一次コイル２１のインダクタンスを示す。）の数式によって示される結合係数ｋを、０．９〜０．９７とすることにより、二次コイル２２から出力される電圧波形において、コンデンサ３１に起因する高周波電圧成分のピークの発生タイミングと、二次コイル２２におけるスパーク電圧のピークの発生タイミングとをずらすよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関において、ＣＤＩ方式の点火制御回路を用いて、スパークプラグにおける一対の電極間にスパークを発生させることができる内燃機関用点火装置に関する。
車両等に用いる点火装置においては、スイッチング素子等を備えた点火制御回路を内蔵したイグナイタを用いて、点火コイルの一次コイルへ電圧を印加している。そして、点火コイルにおいては、ＥＣＵ（電子制御ユニット）からのパルス状のスパーク発生信号によって、一次コイルに電圧を印加すると共にこの電圧を遮断したときには、誘導磁界が形成され、二次コイルに高電圧の誘導起電力（逆起電力）が発生し、点火コイルに取り付けたスパークプラグにおける一対の電極間にスパークを発生させることができる。
また、一次コイルに流す電力量を増大させるために、ＣＤＩ方式（コンデンサ放電方式）の点火制御回路を用い、コンデンサに充電した電荷を一次コイルに放電することが行われている。例えば、特許文献１においては、コンデンサ放電方式に、多重点火方式（エネルギー蓄積コイルを用い、このエネルギー蓄積コイルと一次コイルとを交互に断続させて放電させる方式）を組み合わせたものと同等以上の点火性能を実現した多重放電型点火装置が開示されている。この多重放電型点火装置においては、エネルギー蓄積コイルと一次コイルとを交互に断続動作させることにより、一次コイルへの放電時間を安定化させることができる。
しかしながら、ＣＤＩ方式の点火制御回路を用いて一次コイルへ通電を行う際には、二次コイルの出力電圧に、コンデンサに起因して、特有の高周波電圧成分が重なる。そして、図５に示すごとく、二次コイルの出力電圧波形において、この高周波電圧成分のピークＶｔが発生するタイミングが、二次コイルにおいてスパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxが発生するタイミングと重なると、二次コイルにおいて必要とするスパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxが確保できないおそれがある。
特許２８１１７８１号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、二次コイルにおいて、設計上必要とされるスパーク電圧のピークを確実に確保することができる内燃機関用点火装置を提供しようとするものである。
本発明は、一次コイル及び二次コイルを備えた点火コイルと、コンデンサに充電した電荷を上記一次コイルに放電して上記点火コイルを駆動するよう構成したＣＤＩ方式の点火制御回路とを有する内燃機関用点火装置において、
以下の数式１によって示される上記一次コイルと上記二次コイルとの磁気結合の度合いを示す結合係数ｋを、０．９〜０．９７とすることにより、
上記二次コイルから出力される電圧波形において、上記コンデンサに起因する高周波電圧成分のピークの発生タイミングと、上記二次コイルにおけるスパーク電圧のピークの発生タイミングとをずらすよう構成したことを特徴とする内燃機関用点火装置にある（請求項１）。
ｋ＝（１−Ｌ１’／Ｌ１）1/2・・・数式１
但し、Ｌ１は、上記一次コイルのインダクタンスを示し、Ｌ１’は、上記二次コイルが短絡されたときの上記一次コイルのインダクタンスを示す。
本発明の内燃機関用点火装置は、点火制御回路、一次コイル、二次コイル等に工夫を行って、上記結合係数ｋの値を適切に設定している。これにより、二次コイルの出力電圧波形において、点火制御回路のコンデンサに起因して発生する高周波電圧成分のピークの発生タイミングと、二次コイルにおけるスパーク電圧のピークの発生タイミングとをずらしている。そして、スパーク電圧のピークに高周波電圧成分のピークが重畳することを防止して、スパーク電圧のピーク値が減少してしまうことを抑制することができる。
それ故、本発明の内燃機関用点火装置によれば、二次コイルにおいて、設計上必要とされるスパーク電圧のピークを確実に確保することができる。
なお、上記結合係数ｋが０．９未満である場合には、スパーク電圧のピークが著しく低下し、必要とする点火コイルの性能が得られないおそれがある。一方、上記結合係数ｋが０．９７を超える場合には、スパーク電圧のピークに高周波電圧成分が重畳してしまうおそれがある。
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記二次コイルから出力される電圧波形においては、上記スパーク電圧のピークを発生させた後に、上記高周波電圧成分のピークを発生させることができる（請求項２）。
この場合には、スパーク電圧のピークに高周波電圧成分のピークが重畳することを容易に防止することができる。
また、上記二次コイルの軸方向長さを上記一次コイルの軸方向長さよりも短くすることにより、上記結合係数ｋを０．９〜０．９７とすることができる（請求項３）。
この場合には、二次コイルの軸方向長さを適切に設定することにより、結合係数ｋを０．９〜０．９７とした点火コイルを容易に形成することができる。
また、上記一次コイル及び二次コイルの軸方向において、当該一次コイルの先端部の位置を、当該二次コイルの高電圧側先端部の位置よりも高電圧側に突出させることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記結合係数ｋが０．９〜０．９７である点火コイルを容易に形成することができる。また、この場合には、二次コイルの高電圧側先端部からリークする高電圧電流を抑制することができ、高電圧に対する信頼性を確保することができる。
また、上記一次コイルの軸方向長さを上記二次コイルの軸方向長さよりも短くすることにより、上記結合係数ｋを０．９〜０．９７とすることもできる（請求項５）。
この場合には、一次コイルの軸方向長さを適切に設定することにより、結合係数ｋを０．９〜０．９７とした点火コイルを容易に形成することができる。
また、上記一次コイル及び二次コイルの軸方向において、当該二次コイルの高電圧側先端部の位置を、当該一次コイルの先端部の位置よりも高電圧側に突出させることもできる（請求項６）。
この場合にも、上記結合係数ｋが０．９〜０．９７である点火コイルを容易に形成することができる。
また、上記点火制御回路は、エネルギー蓄積用コイルと、該エネルギー蓄積用コイルへの通電を断続して、該エネルギー蓄積用コイルに蓄えた電気エネルギーを上記コンデンサへ充電させるための充電用スイッチング素子と、上記コンデンサに充電した電荷を上記一次コイルへ放電させるための放電用スイッチング素子とを備えた多重点火方式の回路とすることができる（請求項７）。
この場合には、ＣＤＩ方式（コンデンサ放電方式）及び多重点火方式を採用した点火制御回路において、スパーク電圧のピークに高周波電圧成分が重畳することを防止することができる。
以下に、本発明の内燃機関用点火装置にかかる実施例につき、図面と共に説明する。
本例の内燃機関用点火装置１は、図１に示すごとく、一次コイル２１及び二次コイル２２を備えた点火コイル２と、コンデンサ３１に充電した電荷を一次コイル２１に放電して点火コイル２を駆動するよう構成したＣＤＩ（キャパシター・ディスチャージド・イグニッション）方式の点火制御回路３とを有している。本例の点火制御回路３は、多重点火方式を採用している。
本例の内燃機関用点火装置１は、以下の数式１によって示される一次コイル２１と二次コイル２２との磁気結合の度合いを示す結合係数ｋを、０．９〜０．９７としている。これにより、内燃機関用点火装置１は、二次コイル２２から出力される電圧波形において、コンデンサ３１に起因する高周波電圧成分のピークＶｔの発生タイミングと、二次コイル２２におけるスパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxの発生タイミングとをずらすよう構成されている。
ｋ＝（１−Ｌ１’／Ｌ１）1/2・・・数式１
但し、Ｌ１は、一次コイル２１のインダクタンスを示し、Ｌ１’は、二次コイル２２が短絡されたときの一次コイル２１のインダクタンスを示す。
以下に、本例の内燃機関用点火装置１につき、図１〜図７と共に詳説する。
本例の内燃機関用点火装置１は、ＣＤＩ方式（コンデンサ放電方式）及び多重点火方式を採用した点火制御回路３において、スパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxに高周波電圧成分のピークＶｔが重畳することを防止する工夫を行っている。
図２に示すごとく、本例の点火コイル２は、互いに重なる位置に同芯状に配置した一次コイル２１及び二次コイル２２を、コイルケース２５内に収容してなる。また、一次コイル２１及び二次コイル２２の内周側には、軟磁性体からなる中心コア２３が配置してあり、一次コイル２１及び二次コイル２２の外周側には、軟磁性体からなる外周コア２４が配置してある。また、点火コイル２の軸方向の一端には、スパークプラグ２９（図１参照）を取り付けるためのプラグ取付部２６が設けてある。このプラグ取付部２６には、二次コイル２２の高電圧側先端部２２１と導通する高電圧ターミナル２６１及びスプリング２６２等が設けてあり、二次コイル２２の高電圧側先端部２２１をスパークプラグ２９に導通させるよう構成してある。
また、コイルケース２５内の間隙には、エポキシ樹脂２７が充填してあり、一次コイル２１、二次コイル２２、中心コア２３等の絶縁及び固定を行っている。
本例の内燃機関用点火装置１においては、以下のようにして、スパークを発生させることができる。すなわち、内燃機関用点火装置１において、ＥＣＵ（電子制御ユニット）から点火制御回路３へのスパーク発生信号により一次コイル２１に電流を流したときには、中心コア２３及び外周コア２４を通過する磁界が形成される。次いで、一次コイル２１に流す電流を遮断したときには、上記磁界の形成方向とは反対方向に向けて、中心コア２３及び外周コア２４を通過する誘導磁界が形成される。そして、この誘導磁界の形成により、二次コイル２２に高電圧の誘導起電力（逆起電力）が発生し、点火コイル２に取り付けたスパークプラグ２９における一対の電極間にスパークを発生させることができる。
また、本例の点火制御回路３は、図１に示すごとく、一次コイル２１へ通電する電荷を蓄えるコンデンサ３１と、一次コイル２１に接続したエネルギー蓄積用コイル３２と、エネルギー蓄積用コイル３２への通電を断続する充電用スイッチング素子３３と、コンデンサ３１に充電した電荷を一次コイル２１へ放電させる放電用スイッチング素子３４とを備えている。また、エネルギー蓄積用コイル３２と一次コイル２１との間には、電流の逆流を防止するダイオード３５が設けてある。また、符号３６１、３６２は、直流電源を示す。
点火制御回路３によりスパークを発生させるに当たっては、まず、所定のスパーク電圧Ｖ２を発生させる点火時期よりも前段階において、放電用スイッチング素子３４を遮断させた状態において、充電用スイッチング素子３３を導通させ、エネルギー蓄積用コイル３２に電気エネルギーを蓄える。次いで、充電用スイッチング素子３３を遮断させることにより、エネルギー蓄積用コイル３２に蓄えられた電気エネルギーをコンデンサ３１に充電する。
そして、点火時期において、放電用スイッチング素子３４を断続（導通及び遮断）させたときには、二次コイル２２にスパーク電圧Ｖ２を発生させて、スパークプラグ２９における一対の電極間にスパークを発生させることができる。
また、点火時期においては、放電用スイッチング素子３４を導通させた後、所定の放電時間の間、充電用スイッチング素子３３と放電用スイッチング素子３４とを交互に断続することにより、スパーク電圧Ｖ２を安定して持続させることができる。
本例においては、図２に示すごとく、二次コイル２２の軸方向長さ（巻線幅）Ａ２を一次コイル２１の軸方向長さ（巻線幅）Ａ１よりも短くすると共に、一次コイル２１及び二次コイル２２の軸方向において、一次コイル２１の先端部２１１の位置を、二次コイル２２の高電圧側先端部２２１の位置よりも高電圧側に突出させることにより、結合係数ｋを０．９〜０．９７の範囲内に設定している。また、結合係数ｋの値は、点火制御回路３、一次コイル２１、二次コイル２２、中心コア２３、外周コア２４等を適宜変更することにより調整することができる。
なお、図７に示すごとく、一次コイル２１の軸方向長さ（巻線幅）Ａ１を二次コイル２２の軸方向長さ（巻線幅）Ａ２よりも短くすると共に、一次コイル２１及び二次コイル２２の軸方向において、二次コイル２２の高電圧側先端部２２１の位置を、一次コイル２１の先端部２１１よりも高電圧側に突出させることにより、結合係数ｋを０．９〜０．９７の範囲内に設定することもできる。
また、本例の二次コイル２２の高電圧側先端部２２１近傍の形状は、先端に近づくに連れて外径が細くなる斜向巻き状態に形成している。そして、一次コイル２１の先端部２１１の位置を、二次コイル２２の高電圧側先端部２２１の位置よりも高電圧側に突出させることにより、二次コイル２２の高電圧側先端部２２１からリークする高電圧電流を抑制し、高電圧に対する信頼性を確保している。
図３は、横軸に結合係数ｋをとり、縦軸に二次コイル２２における出力電圧（スパーク電圧）Ｖ２のピークＶ２maxをとって、両者の関係を示すグラフである。同図において、結合係数ｋが０．９７以下の範囲においては、結合係数ｋが大きくなるに伴って出力電圧Ｖ２のピークＶ２maxも大きくなることがわかる。また、結合係数が０．９７を超えると、出力電圧Ｖ２のピークＶ２maxも小さくなることがわかる。そして、結合係数の設定範囲を０．９〜０．９７とすることにより、目標値とするスパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxを出力することができることがわかる。
また、図４〜図６は、横軸に時間をとり、縦軸に出力電圧Ｖ２をとって、スパーク発生時における出力電圧波形を示すグラフである。そして、結合係数ｋが０．９〜０．９７の範囲にあるときには、図４に示すごとく、出力電圧（スパーク電圧）Ｖ２のピークＶ２maxの発生タイミングと、コンデンサ３１に起因する高周波電圧成分のピークＶｔの発生タイミングとをずらすことができる。なお、結合係数ｋの設定により、出力電圧Ｖ２のピークＶ２maxの発生タイミングに対して、コンデンサ３１に起因する高周波電圧成分のほぼ全体が重ならないようにすることもできる。
一方、結合係数ｋが０．９７を超えると、図５に示すごとく、出力電圧（スパーク電圧）Ｖ２のピークＶ２maxの発生タイミングと高周波電圧成分のピークＶｔの発生タイミングとが重なり、出力電圧Ｖ２のピークＶ２maxが小さくなってしまう。また、結合係数ｋが０．９よりも小さいと、出力電圧Ｖ２のピークＶ２maxが著しく低下し、必要とする点火コイル２の性能を得ることができないおそれがある。
なお、図４〜図６において、点火コイル２に必要とされる出力電圧Ｖ２（出力電圧Ｖ２の目標値）は、−３０ｋＶとした。
また、本例においては、図４に示すごとく、二次コイル２２の出力電圧波形において、スパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxが発生した後に、高周波電圧成分のピークＶｔが発生した。これに対し、図６に示すごとく、上記点火制御回路３、一次コイル２１、二次コイル２２、中心コア２３、外周コア２４等を適宜変更することにより、スパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxが発生する前に、高周波電圧成分のピークＶｔを発生させるようにしてもよい。
本例の内燃機関用点火装置１は、点火制御回路３、一次コイル２１、二次コイル２２等に工夫を行って、上記結合係数ｋの値を適切に設定している。これにより、図４に示したように、二次コイル２２の出力電圧波形において、点火制御回路３のコンデンサ３１に起因して出力電圧波形に現れる高周波電圧成分のピークＶｔの発生タイミングと、二次コイル２２におけるスパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxの発生タイミングとをずらしている。そして、スパーク電圧Ｖ２のピークＶ２maxに高周波電圧成分のピークＶｔが重畳することを防止して、ピークＶ２maxの値が減少してしまうことを抑制することができる。
それ故、本例の内燃機関用点火装置１によれば、二次コイル２２において、設計上必要とされるスパーク電圧Ｖ２を確実に確保することができる。
実施例における、内燃機関用点火装置を概略的に示す回路図。 実施例における、内燃機関用点火装置における点火コイルを示す断面説明図。 実施例における、横軸に結合係数ｋをとり、縦軸に出力電圧のピークＶ２maxをとって、両者の関係を示すグラフ。 実施例における、横軸に時間をとり、縦軸に出力電圧Ｖ２をとって、出力電圧のピークＶ２maxの発生後に高周波電圧成分のピークＶｔを発生させたときの出力電圧波形を示すグラフ。 実施例における、横軸に時間をとり、縦軸に出力電圧Ｖ２をとって、出力電圧のピークＶ２maxに高周波電圧成分のピークＶｔが重なったときの出力電圧波形を示すグラフ。 実施例における、横軸に時間をとり、縦軸に出力電圧Ｖ２をとって、出力電圧のピークＶ２maxの発生前に高周波電圧成分のピークＶｔを発生させたときの出力電圧波形を示すグラフ。 実施例における、内燃機関用点火装置における他の点火コイルを示す断面説明図。
符号の説明
１ 内燃機関用点火装置
２ 点火コイル
２１ 一次コイル
２２ 二次コイル
２２１ 高電圧側先端部
２９ スパークプラグ
３ 点火制御回路
３１ コンデンサ
３２ エネルギー蓄積用コイル
３３ 充電用スイッチング素子
３４ 放電用スイッチング素子
Ｖ２ スパーク電圧（出力電圧）
Ｖ２max ピーク
Ｖｔ 高周波電圧成分

Claims (7)

  1. 一次コイル及び二次コイルを備えた点火コイルと、コンデンサに充電した電荷を上記一次コイルに放電して上記点火コイルを駆動するよう構成したＣＤＩ方式の点火制御回路とを有する内燃機関用点火装置において、
    以下の数式１によって示される上記一次コイルと上記二次コイルとの磁気結合の度合いを示す結合係数ｋを、０．９〜０．９７とすることにより、
    上記二次コイルから出力される電圧波形において、上記コンデンサに起因する高周波電圧成分のピークの発生タイミングと、上記二次コイルにおけるスパーク電圧のピークの発生タイミングとをずらすよう構成したことを特徴とする内燃機関用点火装置。
    ｋ＝（１−Ｌ１’／Ｌ１）1/2・・・数式１
    但し、Ｌ１は、上記一次コイルのインダクタンスを示し、Ｌ１’は、上記二次コイルが短絡されたときの上記一次コイルのインダクタンスを示す。
  2. 請求項１において、上記スパーク電圧のピークを発生させた後に、上記高周波電圧成分のピークを発生させるよう構成したことを特徴とする内燃機関用点火装置。
  3. 請求項１又は２において、上記二次コイルの軸方向長さを上記一次コイルの軸方向長さよりも短くすることにより、上記結合係数ｋを０．９〜０．９７としたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
  4. 請求項３において、上記一次コイル及び二次コイルの軸方向において、当該一次コイルの先端部の位置を、当該二次コイルの高電圧側先端部の位置よりも高電圧側に突出させたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
  5. 請求項１又は２において、上記一次コイルの軸方向長さを上記二次コイルの軸方向長さよりも短くすることにより、上記結合係数ｋを０．９〜０．９７としたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
  6. 請求項５において、上記一次コイル及び二次コイルの軸方向において、当該二次コイルの高電圧側先端部の位置を、当該一次コイルの先端部の位置よりも高電圧側に突出させたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項において、上記点火制御回路は、エネルギー蓄積用コイルと、該エネルギー蓄積用コイルへの通電を断続して、該エネルギー蓄積用コイルに蓄えた電気エネルギーを上記コンデンサへ充電させるための充電用スイッチング素子と、上記コンデンサに充電した電荷を上記一次コイルへ放電させるための放電用スイッチング素子とを備えた多重点火方式の回路であることを特徴とする内燃機関用点火装置。
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