JP2011174471A - Ignition device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は内燃機関の点火装置に係り、特に、極性の反転するパルス電流を繰返し流すことにより、点火エネルギを増大させる内燃機関の点火装置に関するものである。 The present invention relates to an ignition device for an internal combustion engine, and more particularly to an ignition device for an internal combustion engine that increases ignition energy by repeatedly applying a pulse current whose polarity is reversed.
火花点火式の内燃機関にあっては、点火コイル等からなる点火装置によって点火プラグに点火放電が発せられ、その点火放電により燃焼室に導入された燃料が燃焼に供される。この内燃機関の燃焼状態を良好なものにするために、1回の燃焼行程内で点火プラグに点火放電を複数回生じさせる多重放電型点火装置が提案されている。 In a spark ignition type internal combustion engine, an ignition discharge is generated in an ignition plug by an ignition device including an ignition coil, and the fuel introduced into the combustion chamber by the ignition discharge is used for combustion. In order to improve the combustion state of the internal combustion engine, a multiple discharge ignition device has been proposed in which ignition discharge is generated in the spark plug a plurality of times within one combustion stroke.
例えば、直流電圧源に直列接続されたエネルギ蓄積コイルとこのエネルギ蓄積コイルに直列接続された第1のスイッチ手段とを備え、点火コイルの一次側コイルに上記エネルギ蓄積コイルと第2のスイッチ手段とを接続するとともに、点火コイルの二次側コイルに点火プラグを接続して点火装置を構成する。そして、第1及び第2のスイッチ手段を交互にオン・オフすることにより、エネルギ蓄積コイルの充電と放電とを繰返し行い、その充放電により点火コイルの二次側コイルに正負の極性の反転する電流を繰返し流して多重放電を行わせる内燃機関の点火制御装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 For example, an energy storage coil connected in series to a DC voltage source and first switch means connected in series to the energy storage coil, and the energy storage coil and second switch means on the primary coil of the ignition coil, And an ignition plug is connected to the secondary coil of the ignition coil to constitute an ignition device. Then, by alternately turning on and off the first and second switch means, the energy storage coil is repeatedly charged and discharged, and the positive and negative polarities of the secondary coil of the ignition coil are reversed by the charge and discharge. There has been proposed an ignition control device for an internal combustion engine in which multiple discharges are performed by repeatedly flowing current (see, for example, Patent Document 1).
しかし、上記特許文献1で提案されている内燃機関の点火装置においては、エネルギ蓄積コイルに直列接続される直流電圧源の電圧によっては、点火プラグに所望の電流を安定して流すことができず、点火プラグが磨耗したり、点火動作が不安定になったりする問題がある。
However, in the ignition device for an internal combustion engine proposed in
この発明は、このような問題を解決するためになされたもので、エネルギ蓄積コイルに接続される電源の電圧が変動した場合においても、所定の出力電流を安定して流すことができ、内燃機関の燃焼状態を常に良好に保つことのできる内燃機関の点火装置を得ることを目的とするものである。 The present invention has been made to solve such a problem, and even when the voltage of a power supply connected to the energy storage coil fluctuates, a predetermined output current can be stably supplied, and the internal combustion engine It is an object of the present invention to obtain an ignition device for an internal combustion engine that can always maintain a good combustion state.
この発明に係る内燃機関の点火装置は、一端が電源に接続されたエネルギ蓄積コイルと、上記エネルギ蓄積コイルの途中引き出し線に接続された第1のスイッチ手段と、上記エネルギ蓄積コイルの他端にダイオードを介して一次側巻き線の一端が接続され、二次側巻き線に点火プラグが接続された点火コイルと、上記点火コイルの一次側巻き線の他端に接続された第2のスイッチ手段と、上記エネルギ蓄積コイルの上記他端に接続された第4のスイッチ手段と、上記第1のスイッチ手段、上記第2のスイッチ手段、及び上記第4のスイッチ手段を制御する制御手段と、を備え、上記制御手段は、上記点火プラグに正負の反転する電流を与えるために上記第2のスイッチ手段を繰返しオン・オフする制御を行い、上記第2のスイッチ手段のオフ期間には、上記第1のスイッチ手段をオンすることにより上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを急激に増大させる期間と、上記第1のスイッチ手段をオフするとともに、上記第4のスイッチ手段をオンすることにより上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間と、を有する制御を行うものである。 An ignition device for an internal combustion engine according to the present invention includes an energy storage coil having one end connected to a power source, first switch means connected to a lead wire halfway through the energy storage coil, and the other end of the energy storage coil. An ignition coil having one end of the primary winding connected through a diode and an ignition plug connected to the secondary winding, and a second switch means connected to the other end of the primary winding of the ignition coil And a fourth switch means connected to the other end of the energy storage coil, a first switch means, a second switch means, and a control means for controlling the fourth switch means. And the control means performs control for repeatedly turning on and off the second switch means in order to give a positive and negative current to the spark plug, and turning off the second switch means. In the meantime, a period in which the energy stored in the energy storage coil is suddenly increased by turning on the first switch means, the first switch means is turned off, and the fourth switch means is turned on. And a period during which the energy stored in the energy storage coil is gradually increased by being turned on.
この発明に係る内燃機関の点火装置によれば、エネルギ蓄積コイルに接続される電源の電圧が変動した場合においても、所定の出力電流を安定して流すことができ、点火プラグの磨耗を早めたり余分なエネルギを消費したりすることなく、内燃機関の燃焼状態を常に良好に保つことができる。 According to the ignition device for an internal combustion engine according to the present invention, even when the voltage of the power source connected to the energy storage coil fluctuates, a predetermined output current can be flowed stably, and wear of the spark plug can be accelerated. The combustion state of the internal combustion engine can always be kept good without consuming excess energy.
以下、添付の図面を参照して、この発明に係る内燃機関の点火装置について好適な実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものでない。 Preferred embodiments of an ignition device for an internal combustion engine according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。図1において、バッテリあるいはDC/DCコンバータなどの直流電圧源1には、電流検出手段2を介してエネルギ蓄積コイル3の一端が接続されている。エネルギ蓄積コイル3の他端には、第1のスイッチ手段であるスイッチS1が接続されている。電流検出手段2は、エネルギ蓄積コイル3に流れる電流を検出するものであり、電流検出抵抗やホール素子を用いた電流検出器、またはカレントトランスなどを用いることができる。あるいは、エネルギ蓄積コイル3に検出用巻線を追加してもよい。
1 is a diagram showing a configuration of an internal combustion engine ignition device according to
エネルギ蓄積コイル3の他端には、さらに、ダイオードD1、点火コイル4の一次側巻き線、および第2のスイッチ手段であるスイッチS2の直列回路がスイッチS1と並列に接続されている。また、ダイオードD1と点火コイル4との接続点には、点火開始用コンデンサ5が接続されており、点火コイル4の二次側巻き線には、点火プラグ6が接続されている。更に、エネルギ蓄積コイル3の両端には、ダイオードD2と第3のスイッチ手段であるスイッチS3との直列回路が接続されている。このダイオードD2とスイッチS3との直列回路は、逆電流阻止型のスイッチを構成しており、第3のスイッチ手段を有するバイパス手段である。そして、エネルギ蓄積コイル3、ダイオードD2、およびスイッチS3により後述する動作の蓄積電流還流回路を構成している。なお、スイッチS1、スイッチS2、スイッチS3には、IGBTやFET、バイポーラトランジスタなどが使用可能である。
The other end of the
スイッチS1、スイッチS2、スイッチS3を制御する制御手段、例えば、制御回路7は、電子制御システム(ECU)などの外部回路より入力される点火指令信号、および電流検出手段2から出力されるエネルギ蓄積コイル電流信号に基づき、スイッチS1、スイッチS2、スイッチS3のオン・オフを制御している。点火指令信号は、複数の信号線により構成され、後述の点火準備信号および点火期間信号が含まれる。あるいは、これらの信号を複合して1本の信号線で伝送しても良い。
Control means for controlling the switch S1, the switch S2, and the switch S3, for example, the
実施の形態1に係る内燃機関の点火装置は、上記のように構成されており、次に、その各部の基本的な動作について説明する。 The ignition device for an internal combustion engine according to the first embodiment is configured as described above. Next, the basic operation of each part will be described.
図1に示す構成において、スイッチS1をオンとすれば、直流電圧源1の電圧が、スイッチS1を介してエネルギ蓄積コイル3の両端に印加され、エネルギ蓄積コイル3の電流が徐々に増大する。換言すればエネルギ蓄積コイル3にエネルギが次第に蓄積される。
In the configuration shown in FIG. 1, when the switch S1 is turned on, the voltage of the
点火開始用コンデンサ5は、後述するようにエネルギ蓄積コイル3から出力される電流によって充電される。点火開始用コンデンサ5が充電された状態でスイッチS2をオンすれば、点火コイル4による昇圧効果により、点火プラグ6に高い電圧が印加される。例えば、点火開始用コンデンサ5の電圧を300V、点火コイル4の一次側巻数Np、二次側巻数Nsに対し、巻き数比Nr=Ns/Np=100とすると、点火コイル4の二次側巻き線に30kVの電圧が発生する。実際には、点火コイル4の漏れインダクタンスと浮遊静電容量によるLC共振により、点火プラグ6にはさらに高い35〜40kVの電圧が瞬間的に印加される。この電圧を利用し、点火プラグ6において点火放電を開始させることができる。
The ignition start capacitor 5 is charged by a current output from the
また、エネルギ蓄積コイル3に所定の電流を流した状態で、スイッチS1およびスイッチS3をオフ、スイッチS2をオンとすれば、点火プラグ6には、
{(エネルギ蓄積コイル3の電流)−(点火コイル4の一次側励磁電流)}/Nr
・・・・・(式1)
の電流を流すことができる。
If the switch S1 and the switch S3 are turned off and the switch S2 is turned on in a state where a predetermined current is passed through the
{(Current of energy storage coil 3)-(Primary excitation current of ignition coil 4)} / Nr
... (Formula 1)
Current can flow.
エネルギ蓄積コイル3は、緩やかに電流値の変化する定電流源と見なすことができ、また、点火コイル4の一次側励磁電流も、一次側インダクタンスと一次側電圧に依存して緩やかに増大するので、点火プラグ6には、放電のインピーダンスに係わらず、緩やかに減少する所定の電流を流すことが可能となる。即ち、この回路は定電流出力特性を有する。放電を開始した後の点火プラグ6は、放電の特性により、約1kVの定電圧特性を示すので、点火プラグ6に投入する電力を制御するには、回路側にこのような定電流特性が必要である。
The
点火コイル4に励磁電流を流した状態でスイッチS2をオフとすれば、いわゆるフライバック動作により、点火プラグ6に励磁電流による電流を流すことができる。このときの電流値は、励磁電流の二次側換算値、即ち、
−(点火コイル4の一次側励磁電流)/Nr ・・・・・(式2)
である。
If the switch S2 is turned off while the exciting current is supplied to the
-(Primary excitation current of ignition coil 4) / Nr (Expression 2)
It is.
次に、蓄積電流還流回路について説明する。エネルギ蓄積コイル3に電流が流れた状態で、スイッチS1およびスイッチS2をオフ、スイッチS3をオンにすると、エネルギ蓄積コイル3から出力された電流は、ダイオードD2、スイッチS3を介してエネルギ蓄積コイル3に戻るループで流れる。この電流経路における電圧降下は、スイッチS3のオン電圧やダイオードD2の順方向電圧、エネルギ蓄積コイル3の巻線抵抗および配線抵抗による電圧降下という僅かな電圧降下があるのみである。したがって、エネルギ蓄積コイル3の電流は殆んど変化することなく流れ続け、エネルギ蓄積コイル3に蓄えられたエネルギを保持することができる。このように、エネルギ蓄積コイル3を流れる電流経路に電源や負荷を含まず、寄生的な電圧降下(理想的にはゼロ)のみとすることにより、エネルギ蓄積コイル3に流れる電流を保持することを、コイル電流を「還流させる」と呼ぶ。
Next, the accumulated current return circuit will be described. When the switch S1 and the switch S2 are turned off and the switch S3 is turned on while a current flows through the
図2は、図1におけるエネルギ蓄積コイル3の周辺の回路と、制御回路7の一部を示した図であり、コイル電流を還流させることにより、エネルギ蓄積コイル3の電流を所定の目標値前後に保つ回路を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a circuit around the
電流検出手段2によって検出した電流信号は、ヒステリシスコンパレータ20により、電流目標値Itgtと比較される。(実際には、検出電流を電圧に変換し、電流目標値を電圧に変換したものと比較するが、ここでは電流値をそのまま目標電流値と比較するものとして説明する。)
The current signal detected by the current detection means 2 is compared with the current target value Itgt by the
ヒステリシスコンパレータ20のプラス側ヒステリシス幅をIhp、マイナス側ヒステリシス幅をIhmとすると、電流検出値がItgt+Ihpまで上昇すると、ヒステリシスコンパレータ20の出力はLレベルとなり、電流検出値がItgt−Ihmまで下降すると、ヒステリシスコンパレータ20の出力はHレベルとなる。
If the plus-side hysteresis width of the
ヒステリシスコンパレータ20の出力は、AND回路21でエネルギ蓄積・保持を指令する信号Sig1との論理積が取られた後、ゲートドライバ22を介してスイッチS1のオン・オフを制御する。スイッチS3は、エネルギ蓄積・保持を指令する信号Sig1をそのまま用い、ゲートドライバ23を介してオン・オフ制御される。なお、スイッチS1およびスイッチS3は、いずれも、ゲートドライバ22、23の入力がHレベルのときにオンするものとする。
The output of the
図3は、図2に示す回路の動作を示すタイミングチャートである。図3において、ILはエネルギ蓄積コイル3に流れる電流波形を示し、GS1およびGS3は、それぞれスイッチS1およびスイッチS3のオン・オフ状態を示している。
FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the circuit shown in FIG. In FIG. 3, IL indicates a waveform of a current flowing through the
エネルギ蓄積・保持を指令する信号Sig1がアクティブ(Hレベル)に立ち上がると、スイッチS1とスイッチS3は同時にオンし、図2に示す電流経路Aに沿って電流が流れ、エネルギ蓄積コイル3の電流は次第に増加する。電流がItgt+Ihpに達すると、ヒステリシスコンパレータ20の出力はLレベルとなり、スイッチS1はターンオフし、電流経路Bに沿ってエネルギ蓄積コイル電流は還流する。還流経路における僅かな電圧降下により、電流は少しずつ減少し、Itgt−Ihmまで低下すると、ヒステリシスコンパレータ20の出力はHレベルとなり、スイッチS1が再びターンオンする。
When the signal Sig1 for commanding energy storage / holding rises to active (H level), the switch S1 and the switch S3 are simultaneously turned on, current flows along the current path A shown in FIG. 2, and the current of the
このような動作が繰り返されることにより、エネルギ蓄積コイル電流は、電流目標値近辺のほぼ一定値(Itgt−Ihm〜Itgt+Ihp)に保持される。なお、以上の動作において、スイッチS1のオン期間中もスイッチS3はオンしたままとしたが、スイッチS1がオンの期間中は、スイッチS3はオンでもオフでも、どちらでも構わない。 By repeating such an operation, the energy storage coil current is held at a substantially constant value (Itgt−Ihm to Itgt + Ihp) near the current target value. In the above operation, the switch S3 is kept on during the on period of the switch S1, but the switch S3 may be on or off while the switch S1 is on.
次に、実施の形態1に係る内燃機関の点火装置による点火動作全体の動作シーケンスについて、図1を参照しながら図4に基づき説明する。
図4において、点火準備信号Cont1および点火期間信号Cont2は、図1における点火指令信号の一部となるデジタル信号である。GS1、GS2、GS3は、それぞれスイッチS1、スイッチS2、スイッチS3のオン・オフ状態を示している。また、ILは、エネルギ蓄積コイル3の電流を示し、IT1は、点火コイル4の一次側電流を示し、Ioは点火プラグ6の電流を示している。更に、VCは、点火開始用コンデンサ5の電圧であり、初期状態として、電圧vc1が蓄えられているとする。vc1は、例えば300Vである。
Next, the operation sequence of the entire ignition operation by the ignition device for the internal combustion engine according to the first embodiment will be described based on FIG. 4 with reference to FIG.
In FIG. 4, an ignition preparation signal Cont1 and an ignition period signal Cont2 are digital signals that are part of the ignition command signal in FIG. GS1, GS2, and GS3 indicate the on / off states of the switch S1, the switch S2, and the switch S3, respectively. IL represents the current of the
時刻t0にて点火準備信号Cont1が立ち上がると、スイッチS1およびスイッチS3がオンとなり、エネルギ蓄積コイル3の電流ILが増大し、エネルギが蓄積される。時刻t1にてエネルギ蓄積コイル3の電流ILが(Itgt+Ihp)に達すると、スイッチS1がOFFとなり、エネルギ蓄積コイル3の電流ILが還流する。その後、時刻t2まで図2および図3を用いて説明した方法にてエネルギの蓄積と還流を繰り返すことにより、エネルギ蓄積コイル3の電流ILをほぼ一定値に保持する。
When the ignition preparation signal Cont1 rises at time t0, the switch S1 and the switch S3 are turned on, the current IL of the
時刻t2にて点火準備信号Cont1が立ち下がり、点火期間信号Cont2が立ち上がると、スイッチS1およびスイッチS3がオフし、スイッチS2がオンすることにより、点火開始用コンデンサ5の初期電圧vc1が点火コイル4の一次側巻き線に印加され、点火コイル4にて30〜40kVに昇圧されることにより、点火プラグ6にて点火放電が開始する。
When the ignition preparation signal Cont1 falls and the ignition period signal Cont2 rises at time t2, the switch S1 and the switch S3 are turned off, and the switch S2 is turned on, whereby the initial voltage vc1 of the ignition start capacitor 5 is changed to the
引き続き、エネルギ蓄積コイル3に流れていた電流ILが点火コイル4の一次側巻き線に流れ、点火コイル4に励磁電流が蓄積されると共に、点火プラグ6に電流Ioが流れる。点火放電が開始すると、放電の特性により点火プラグ6の電極間は約1kVの定電圧特性となるが、この回路の定電流出力特性により、点火プラグ6には緩やかに減少する所定の電流を流すことができる。
Subsequently, the current IL flowing through the
時刻t2から時刻t3までの期間に、エネルギ蓄積コイル3のエネルギが放出され、エネルギ蓄積コイル3の電流ILは減少する。放出されたエネルギは、点火プラグ6の放電エネルギとして使用されるほか、点火プラグ6の励磁エネルギとして蓄積され、また、一部は回路の寄生抵抗成分によって消費される。
During the period from time t2 to time t3, the energy of the
時刻t3にて、スイッチS2をオフとし、スイッチS1およびスイッチS3をオンとすることにより、再びエネルギ蓄積コイル3にエネルギを蓄積する。このとき、点火コイル4の一次側電流IT1が遮断されるので、点火コイル4に流れていた励磁電流は、二次側巻き線から出力され、点火プラグ6には、時刻t2から時刻t3の期間とは逆極性の電流Ioが流れる。時刻t3のタイミングは、時刻t2から時刻t3までの時間を、あらかじめ定められた所定の時間としても良いし、点火プラグ6の電流Ioの値を検出して、所定の値まで下がった時刻を時刻t3として定めても良い。エネルギ蓄積コイル3の電流ILが増大し、時刻t4にて目標値近辺にまで回復すると、還流動作を行うことにより、エネルギ蓄積コイル電流を保持する。このように、制御手段7は、スイッチS2のオフ期間には、スイッチS1をオンすることによりエネルギ蓄積コイル3に電流を流し、エネルギ蓄積コイル3にエネルギを蓄積する期間と、スイッチS1をオフするとともに、スイッチS3をオンすることによりエネルギ蓄積コイル3に流れる電流をバイパス手段に環流させる期間とを有する制御を行っている。
At time t3, the switch S2 is turned off and the switch S1 and the switch S3 are turned on, so that energy is stored in the
時刻t5から時刻t6までの期間は、時刻t2から時刻t3までの期間における動作と同様、スイッチS1およびスイッチS3がオフ、スイッチS2がオンとなる。エネルギ蓄積コイル3に流れていた電流ILが点火コイル4の一次側巻き線に流れ、点火コイル4に励磁電流が蓄積されると共に、点火プラグ6に電流Ioが流れる。ただし、点火開始用コンデンサ5の電荷は既に放出しているので、時刻t2〜時刻t3の期間とは異なり、点火プラグ6に高電圧を印加する動作は行われない。
In the period from time t5 to time t6, the switch S1 and the switch S3 are turned off and the switch S2 is turned on similarly to the operation in the period from the time t2 to the time t3. The current IL flowing through the
ここで、エネルギ蓄積コイル3の動作に着目し、時刻t3から時刻t5までの期間は、エネルギ蓄積コイル3にエネルギを蓄積する期間であるので、「エネルギ蓄積期間」と呼ぶ。一方、時刻t5から時刻t6までの期間は、エネルギ蓄積コイル3からエネルギを放出する期間であるので、「エネルギ放出期間」と呼ぶ。
Here, paying attention to the operation of the
また、点火コイル4の動作に着目し、時刻t3から時刻t5までの期間は、点火コイル4の励磁電流を出力する、いわゆるフライバック動作を行う期間であるので、「フライバック期間」と呼ぶ。一方、時刻t5から時刻t6までの期間は、点火コイル4の一次側巻き線に電流を流すことにより、点火コイル4の二次側巻き線から出力を得ると同時に励磁電流が増大する、いわゆるフォワード動作を行う期間であるので、「フォワード期間」と呼ぶこととする。
Focusing on the operation of the
その後、時刻t3から時刻t6までと同様の動作を複数回繰り返すことにより、点火プラグ6に、極性が反転する電流Ioを連続的に流すことができる。つまり、スイッチS2を繰返しオン・オフする制御を行うことで、点火プラグ6に正負の反転する電流を与えることができる。
Thereafter, by repeating the same operation from time t3 to time t6 a plurality of times, a current Io whose polarity is reversed can be continuously passed through the
時刻t7にて点火期間信号Cont2が立ち下がり、繰返し動作の終了が指令されると、次のエネルギ蓄積期間の終了時刻t8にて、スイッチS1、スイッチS2、スイッチS3が全てオフする。すると、エネルギ蓄積コイル3の出力電流ILは点火開始用コンデンサ5に流れ込み、点火開始用コンデンサ5が初期値と同じ値に充電され、一連の動作が完結する。
When the ignition period signal Cont2 falls at time t7 and the end of the repetitive operation is commanded, all of the switches S1, S2, and S3 are turned off at the end time t8 of the next energy storage period. Then, the output current IL of the
以上の動作において、時刻t3〜時刻t5の期間は、上述のように、エネルギ蓄積コイル3の動作に着目すればエネルギ放出期間である一方、点火コイル4の動作に着目すればフォワード期間である。即ち、回路の異なる部分で、異なる動作が同じ期間に行われることになる。どちらか一方の動作期間のみを延ばしたり、縮めたりすることはできない。
In the above operation, the period from the time t3 to the time t5 is the energy discharge period when focusing on the operation of the
同様に、時刻t5〜時刻t6の期間は、エネルギ蓄積期間であると同時にフライバック期間であり、やはり一方の期間の長さを独立に可変することはできない。 Similarly, the period from time t5 to time t6 is the energy accumulation period and at the same time the flyback period, and the length of one period cannot be varied independently.
スイッチS3が無く、還流動作を行わない従来方式ではこのような制約により、全ての動作を最適に保つことができなかった。この問題を図5および図6を用いて説明する。 In the conventional method in which the switch S3 is not provided and the reflux operation is not performed, all operations cannot be maintained optimally due to such a restriction. This problem will be described with reference to FIGS.
図5および図6は、従来のマルチ点火方式の動作シーケンスであり、図5は入力直流電圧源の電圧が高い場合、図6は低い場合である。
繰返し期間中の点火コイル4の動作に着目した場合、点火プラグ電流を、フォワード期間とフライバック期間にて同等に保つには、フォワード期間における励磁電流の増大幅とフライバック期間における励磁電流の減少幅とを同等に保つ必要がある。点火コイル4に印加される電圧は、点火プラグ6の定電圧特性により、極性にかかわらずほぼ一定値に保たれるので、励磁電流の増減速度の絶対値|di/dt|は一定であり、励磁電流の増大幅と減少幅を同等に保つためには、フォワード期間とフライバック期間を同じ時間幅とする必要がある。
5 and 6 show a conventional multi-ignition operation sequence. FIG. 5 shows a case where the voltage of the input DC voltage source is high and FIG. 6 shows a case where it is low.
When attention is paid to the operation of the
一方、エネルギ蓄積コイル3に着目すると、エネルギ放出期間における電流の低下速度は、エネルギの放出量、即ち、出力電力に依存するので、出力電力を一定とすれば、電流低下速度は一定である。ところが、エネルギ蓄積期間における電流の増大速度は、入力電圧に依存し、入力電圧が高い場合は増大速度が大きく、入力電圧が低い場合は増大速度が小さくなる。したがって、フォワード期間とフライバック期間を同じ時間幅に設定した場合、入力電圧が高い場合は図5に示すように、次第に蓄積コイル電流が増大し、出力電流も増大する。
On the other hand, paying attention to the
入力電流が低い場合は、図6に示すように次第に蓄積コイル電流が減少し、出力電流も減少してゆく。このように、従来方式においては、入力電圧に依存して、出力電流が次第に増大または減少し、一定に保つことができなかった。出力電流が増大しすぎると、点火に用いるエネルギを余分に消費してしまうほか、点火プラグ6の電極の磨耗を早め、寿命が短くなるという問題がある。また、出力電流が減少すると必要な点火エネルギが得られず、点火の失敗が起きることがある。
When the input current is low, the storage coil current gradually decreases and the output current also decreases as shown in FIG. Thus, in the conventional method, the output current gradually increases or decreases depending on the input voltage, and cannot be kept constant. If the output current increases too much, energy used for ignition is excessively consumed, and wear of the electrode of the
実施の形態1に係る内燃機関の点火装置においては、図4に示したようにエネルギ蓄積期間において、エネルギ蓄積動作と還流動作という2つの動作を行わせることにより、入力電圧にかかわらず蓄積コイル3の電流を所定の値に保つことを可能とした。その結果、点火プラグ6への出力電流を所定の値に保つことができるので、点火プラグ6の寿命を延ばしつつ、余分なエネルギを消費することがなく、確実な点火を行うことが可能となる。
In the ignition device for an internal combustion engine according to the first embodiment, as shown in FIG. 4, the
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係る内燃機関の点火装置について説明する。実施の形態1においては、還流動作を行わせることにより、入力電圧が高い場合にも低い場合にも、蓄積コイル電流を所定の値に保つことを可能にした。しかし、この電圧範囲にも限界がある。即ち、還流動作は、コイル電流が目標値に達した後に動作をするものであり、入力電圧が非常に低い場合には、エネルギ蓄積期間中にコイル電流が目標値に達せず、蓄積コイル電流が次第に低下する場合がある。
Next, an internal combustion engine ignition device according to
そこで、実施の形態2に係る内燃機関の点火装置は、エネルギ蓄積コイルに途中引き出し線(中間タップ)を設け、スイッチS1を中間タップに接続することにより、エネルギ蓄積動作における電流の増大速度を速めたものである。 Therefore, the ignition device for an internal combustion engine according to the second embodiment increases the current increase rate in the energy storage operation by providing a lead wire (intermediate tap) on the energy storage coil and connecting the switch S1 to the intermediate tap. It is a thing.
図7は、実施の形態2に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。実施の形態1を示す図1との違いは、スイッチS1がエネルギ蓄積コイル70の中間タップに接続されている点のみで、その他の構成については同様である。したがって、エネルギ蓄積動作時の電流経路は、図7中に「電流経路A」として示した経路となる。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an ignition device for an internal combustion engine according to the second embodiment. The difference from FIG. 1 showing the first embodiment is only that the switch S1 is connected to the intermediate tap of the
ここで、エネルギ蓄積コイル70の全巻き数をNe、入力(電源側)から中間タップまでの巻き数をNe1、全インダクタンスをLeとすると、入力から中間タップまでのインダクタンスLe1は、
Le1=Le×(Ne1/Ne)2 ・・・・・(式3)
となる。
Here, when the total number of turns of the
Le1 = Le × (Ne1 / Ne) 2 (Formula 3)
It becomes.
図8は、実施の形態2に係る内燃機関の点火装置による点火動作全体の動作シーケンスを示す図である。図8において、IL1はエネルギ蓄積コイル70の入力側に流れる電流であり、電流検出手段2によって検出される電流である。ILaは、エネルギ蓄積コイル70の電流の出力側換算値であり、図7に示した電流経路Aにて電流が流れている場合、
ILa=(Ne1/Ne)×IL1 ・・・・・(式4)
となる。
FIG. 8 is a diagram showing an operation sequence of the entire ignition operation by the ignition device for the internal combustion engine according to the second embodiment. In FIG. 8, IL <b> 1 is a current that flows on the input side of the
ILa = (Ne1 / Ne) × IL1 (Formula 4)
It becomes.
時刻t0にて点火準備信号Cont1が立ち上がり、スイッチS1およびスイッチS3がオンすると、エネルギ蓄積コイル70に流れる電流IL1が増大する。図7における電流経路Bに目標となる電流Itgtを流すためには、式4より、あらかじめ電流経路Aには、
IL1=(Ne/Ne1)×Itgt ・・・・・(式5)
となるような電流を流しておく必要がある。そこで、ヒステリシスコンパレータ(図示せず)の第1の検出レベルを、
Is1=(Ne/Ne1)×(Itgt+Ihp) ・・・・・(式6)
(但し、Ihpは、ヒステリシスコンバータのプラス側ヒステリシス幅)
に設定し、入力側電流がこの値に達したら還流動作に入ることとする。
When the ignition preparation signal Cont1 rises at time t0 and the switches S1 and S3 are turned on, the current IL1 flowing through the
IL1 = (Ne / Ne1) × Itgt (Formula 5)
It is necessary to pass such a current. Therefore, the first detection level of the hysteresis comparator (not shown) is
Is1 = (Ne / Ne1) × (Itgt + Ihp) (Formula 6)
(However, Ihp is the hysteresis width on the plus side of the hysteresis converter)
When the input side current reaches this value, it is assumed that the return operation is started.
還流動作に入ると、電流経路が経路Aから経路Bに変わり、入力側電流値は速やかに出力側換算電流と同じ値(It2+Ihp)となり、その後さらに緩やかに減少を始める。ヒステリシスコンパレータの第2の検出レベルIs2を、
Is2=Itgt−Ihm ・・・・・(式7)
とし、この値まで電流が低下したら、再びスイッチ手段S1をオンするように設定すれば、エネルギ蓄積コイル電流の出力側換算値ILaは、実施の形態1と同様、(Itgt−Ihm)〜(Itgt+Ihp)の範囲のほぼ一定の値に収まる。
When the recirculation operation is started, the current path is changed from the path A to the path B, the input side current value quickly becomes the same value (It2 + Ihp) as the output side converted current, and then starts to decrease more gradually. The second detection level Is2 of the hysteresis comparator is
Is2 = Itgt−Ihm (Expression 7)
If the current drops to this value and the switch means S1 is set to be turned on again, the output side converted value ILa of the energy storage coil current is (Itgt−Ihm) to (Itgt + Ihp) as in the first embodiment. ) Falls within a nearly constant value.
さて、エネルギ蓄積コイル70に電流経路Aにエネルギを蓄積するときの電流の傾きd(IL1)/dtは、インダクタンスに印加される電圧をVLとすると、
d(IL1)/dt=VL/Le1=(VL/Le)×(Ne/Ne1)2
・・・・・(式8)
となる。即ち、中間タップを用いず、インダクタンスがLeであるエネルギ蓄積コイル70に電圧VLを印加する場合に比べ、(Ne/Ne1)2倍となる。これを、出力側電流値ILaに換算すると、
d(ILa)/dt=(Ne1/Ne)×d(IL1)/dt
=(Ne/Ne1)×VL/Le ・・・・・(式9)
となる。即ち、エネルギ蓄積コイル電流の出力電流換算値は、中間タップを用いない場合のNe/Ne1倍の速度で増大することになる。例えば、Ne1=Ne/2とすれば、ILaは、中間タップを用いない場合の2倍の傾きで増大し、1/2の時間で目標まで達する。
The current gradient d (IL1) / dt when energy is stored in the current path A in the
d (IL1) / dt = VL / Le1 = (VL / Le) × (Ne / Ne1) 2
(Equation 8)
It becomes. That is, without using an intermediate tap, compared with the case where inductance applies a voltage VL to the
d (ILa) / dt = (Ne1 / Ne) × d (IL1) / dt
= (Ne / Ne1) × VL / Le (Equation 9)
It becomes. That is, the output current conversion value of the energy storage coil current increases at a speed that is Ne / Ne1 times that when the intermediate tap is not used. For example, if Ne1 = Ne / 2, ILa increases at a gradient twice that when no intermediate tap is used, and reaches the target in 1/2 time.
したがって、入力電圧が非常に低い場合においても、エネルギ蓄積コイル70に中間タップを設けることにより、比較的短い時間で目標電流に達することができる。入力電圧が高い場合は、還流動作によって電流を保持すればよいので、本実施の形態2においては、より広い入力電圧範囲においても、エネルギ蓄積コイル電流および点火プラグ6の電流を所定の値に保つことができる。実施の形態2に係る点火装置を、自動車の内燃機関に用いる場合、自動車のバッテリ電圧は、例えば、6V〜16Vというような、広い範囲で変動するが、このような場合においても点火プラグ電流が変化することなく、安定に点火を行うことが可能となる。
Therefore, even when the input voltage is very low, the target current can be reached in a relatively short time by providing the
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3に係る内燃機関の点火装置について説明する。図9は、実施の形態3に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。図9に示すように、実施の形態3に係る内燃機関の点火装置は、エネルギ蓄積コイル70の途中引き出し線にスイッチS1が接続され、更に、エネルギ蓄積コイル70の出力端にダイオードD3と第4のスイッチ手段であるスイッチS4との直列回路が接続されたものである。なお、その他の構成において、実施の形態1あるいは実施の形態2と同等もしくは相当する部分には、同一符号を付すことにより説明を省略する。
Next, an internal combustion engine ignition device according to
実施の形態2において説明したとおり、エネルギ蓄積コイル70の途中引き出し線に接続されたスイッチS1をオンすると、エネルギ蓄積コイル70の出力端に接続されたスイッチS4をオンする場合に比べ、Ne/Ne1倍の速度で出力側換算電流が増大する。
As described in the second embodiment, when the switch S1 connected to the lead-out line on the way of the
そこで、エネルギ蓄積期間を、スイッチS1をオン(スイッチS4はオンまたはオフ)とする期間(コイル電流が急激に上昇し、エネルギ蓄積コイル70に蓄積されるエネルギを急激に増大させる期間)と、スイッチS4のみをオンとしてスイッチS1をオフとする期間(コイル電流が緩やかに上昇し、エネルギ蓄積コイル70に蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間)との組み合わせとすることにより、到達電流値を調整することが可能である。
Therefore, the energy storage period is a period in which the switch S1 is turned on (the switch S4 is turned on or off) (a period in which the coil current increases rapidly and the energy stored in the
図10は、実施の形態3に係る内燃機関の点火装置による点火動作全体の動作シーケンスを示す図である。図10において、時刻t0にてスイッチS1をオンすると(スイッチS4はオンでもオフでも良い)、図9に示した電流経路A2を電流が流れ、エネルギ蓄積コイル電流の二次側換算値は急激に増大する。なお、ダイオードD3は、この期間にスイッチS4に逆電圧が印加されないようにする機能を有している。 FIG. 10 is a diagram showing an operation sequence of the entire ignition operation by the ignition device for the internal combustion engine according to the third embodiment. In FIG. 10, when the switch S1 is turned on at time t0 (the switch S4 may be turned on or off), a current flows through the current path A2 shown in FIG. 9, and the secondary side converted value of the energy storage coil current suddenly increases. Increase. The diode D3 has a function of preventing a reverse voltage from being applied to the switch S4 during this period.
時刻t1において、スイッチS1をオフ、スイッチS4をオンとすると、図9に示した電流経路A1に沿って電流が流れ、蓄積コイル電流の二次側換算値は、緩やかに増大する。時刻t2で蓄積エネルギ放出期間に入るが、時刻t2における電流到達値は、時刻t1のタイミングで制御することができる。即ち、時刻t0から時刻t2までの時間幅を一定とすると、時刻t1のタイミングが早いほど到達電流値は低く、タイミングが遅いほど到達電流値は高くなる。時刻t1のタイミングを適切に制御することにより、蓄積電流の到達値を、目標であるItgtに合わせることが可能である。 When the switch S1 is turned off and the switch S4 is turned on at time t1, a current flows along the current path A1 shown in FIG. 9, and the secondary-side converted value of the storage coil current gradually increases. Although the accumulated energy release period starts at time t2, the current arrival value at time t2 can be controlled at the timing of time t1. That is, assuming that the time width from time t0 to time t2 is constant, the reaching current value is lower as the timing at time t1 is earlier, and the reaching current value is higher as the timing is later. By appropriately controlling the timing at time t1, it is possible to match the reached value of the accumulated current with the target Itgt.
時刻t1は、次のように定めることができる。図9における電流経路A1にて電流を流す場合のコイル電流出力側換算値ILaの傾きは、
d(ILa)/dt=(Vin−Vdrop)/Le ・・・・・(式10)
となる。ここで、Vinは直流電圧源1の電圧、Vdropは、電流経路A1における抵抗成分やスイッチ手段などによる電圧降下の総計、Leはエネルギ蓄積コイル70の全インダクタンスである。
The time t1 can be determined as follows. The slope of the coil current output side converted value ILa when a current is passed through the current path A1 in FIG.
d (ILa) / dt = (Vin−Vdrop) / Le (Equation 10)
It becomes. Here, Vin is the voltage of the
したがって、時刻t1から時刻t2までの電流ILaは、時間tの関数として、次のように表される。
ILa(t)=Itgt+((Vin−Vdrop)/Le)×(t−t2)
・・・・・(式11)
即ち、時刻t1にて、電流がILa(t1)に一致するようにすれば、その後は式11に従い、時刻t2にて目標電流Itgtに到達することなる。
Therefore, current ILa from time t1 to time t2 is expressed as follows as a function of time t.
ILa (t) = Itgt + ((Vin−Vdrop) / Le) × (t−t2)
... (Formula 11)
That is, if the current is made to coincide with ILa (t1) at time t1, then the target current Itgt is reached at time t2 according to Equation 11.
式11を、エネルギ蓄積コイル70の入力側電流IL1に換算すると、
IL1(t)=[Itgt+{(Vin−Vdrop)/Le}×(t−t2)]
×(Ne/Ne1) ・・・・・(式12)
となる。
When Expression 11 is converted into the input side current IL1 of the
IL1 (t) = [Itgt + {(Vin−Vdrop) / Le} × (t−t2)]
× (Ne / Ne1) (Equation 12)
It becomes.
そこで、図11に示す回路を用い、電流検出値との比較電流Irefを、
Iref(t)=[Itgt+{(Vin−Vdrop)/Le}×(t−t2)]
×(Ne/Ne1) ・・・・・(式13)
となるような、スロープ波形とすれば、時刻t1にてエネルギ蓄積コイル70の入力側電流IL1と電流検出値との比較電流Irefが一致し、スイッチS1がオフとなる。その後は、コイル電流の出力側換算値は、式11にしたがって緩やかに上昇し、時刻t2にて目標電流Itgtに到達する。なお、図11において、符号110はゲートドライバを示し、符号111は比較電流基準値発生器を示している。
Therefore, using the circuit shown in FIG. 11, the comparison current Iref with the current detection value is
Iref (t) = [Itgt + {(Vin−Vdrop) / Le} × (t−t2)]
× (Ne / Ne1) (Equation 13)
If the slope waveform is such that the comparison current Iref between the input side current IL1 of the
点火開始後のエネルギ蓄積期間(時刻t3から時刻t5までの期間、およびその後の繰返し期間の同等部分)においても、時刻t0から時刻t1までの期間と同様の動作が行われる。そこで、図11に示すIref(t)を、図10のIL1の波形に重ねて描いた破線のような鋸波状の波形とすれば、エネルギ蓄積期間の終了時点で、常に電流値ILを目標電流Itgtに合わせることができる。Iref(t)は、入力電圧Vinの関数でもあるので、図11のように入力電圧を検出し、鋸波の傾きを電圧に応じて変化させるようにすればよい。 In the energy accumulation period after the start of ignition (the period from time t3 to time t5 and the equivalent part of the subsequent repetition period), the same operation as that in the period from time t0 to time t1 is performed. Therefore, if Iref (t) shown in FIG. 11 is a sawtooth waveform such as a broken line drawn on the waveform of IL1 in FIG. 10, the current value IL is always set to the target current at the end of the energy storage period. It can be adjusted to Itgt. Since Iref (t) is also a function of the input voltage Vin, it is only necessary to detect the input voltage as shown in FIG. 11 and change the slope of the sawtooth wave according to the voltage.
以上のように、実施の形態3に係る内燃機関の点火装置においては、還流動作を用いずに、エネルギ蓄積電流の到達値を所定の値に制御することができるので、実施の形態2と同様、広い入力電圧範囲においても蓄積コイル電流および点火プラグの電流を所定の値に保つことができる。 As described above, in the ignition device for an internal combustion engine according to the third embodiment, the reaching value of the energy storage current can be controlled to a predetermined value without using the recirculation operation. Even in a wide input voltage range, the storage coil current and the spark plug current can be maintained at predetermined values.
また、実施の形態1および実施の形態2におけるスイッチS3は、電源のホット側(プラス側)にその一端が接続されており、スイッチとしてIGBTやFETを用いた場合、ホット側電位を基準にゲート波形を生成する必要があるので、ゲート駆動回路が複雑となる。一方、実施の形態3におけるスイッチS4およびスイッチS1は、いずれも一端がグラウンド電位に接続されているので、そのゲート電圧はグラウンド電位に対して0〜+15V程度の振幅で与えれば良く、ゲート駆動回路を容易に構成することができる。 In addition, the switch S3 in the first and second embodiments has one end connected to the hot side (plus side) of the power supply, and when an IGBT or FET is used as the switch, the gate is based on the hot side potential. Since it is necessary to generate a waveform, the gate driving circuit becomes complicated. On the other hand, since both ends of the switch S4 and the switch S1 in the third embodiment are connected to the ground potential, the gate voltage may be given with an amplitude of about 0 to +15 V with respect to the ground potential. Can be configured easily.
1 直流電圧源 2 電流検出手段
3、70 エネルギ蓄積コイル 4 点火コイル
5 点火開始用コンデンサ 6 点火プラグ
7 制御回路 20 ヒステリシスコンパレータ
21 AND回路 22、23、110 ゲートドライバ
111 比較電流基準値発生器 S1、S2、S3、S4 スイッチ
D1、D2、D3 ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記エネルギ蓄積コイルの途中引き出し線に接続された第1のスイッチ手段と、
上記エネルギ蓄積コイルの他端にダイオードを介して一次側巻き線の一端が接続され、二次側巻き線に点火プラグが接続された点火コイルと、
上記点火コイルの一次側巻き線の他端に接続された第2のスイッチ手段と、
上記エネルギ蓄積コイルの上記他端に接続された第4のスイッチ手段と、
上記第1のスイッチ手段、上記第2のスイッチ手段、及び上記第4のスイッチ手段を制御する制御手段と、を備え、
上記制御手段は、
上記点火プラグに正負の反転する電流を与えるために上記第2のスイッチ手段を繰返しオン・オフする制御を行い、
上記第2のスイッチ手段のオフ期間には、上記第1のスイッチ手段をオンすることにより上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを急激に増大させる期間と、上記第1のスイッチ手段をオフするとともに、上記第4のスイッチ手段をオンすることにより上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間と、を有する制御を行うことを特徴とする内燃機関の点火装置。 An energy storage coil with one end connected to a power source;
First switch means connected to a lead wire in the middle of the energy storage coil;
One end of the primary winding is connected to the other end of the energy storage coil via a diode, and an ignition coil having a spark plug connected to the secondary winding;
Second switch means connected to the other end of the primary winding of the ignition coil;
A fourth switch means connected to the other end of the energy storage coil;
Control means for controlling the first switch means, the second switch means, and the fourth switch means,
The control means includes
In order to give a positive and negative current to the spark plug, the second switch means is repeatedly turned on / off,
In the off period of the second switch means, the first switch means is turned on to rapidly increase the energy stored in the energy storage coil, and the first switch means is turned off. An ignition device for an internal combustion engine, characterized by performing control having a period of gradually increasing the energy stored in the energy storage coil by turning on the fourth switch means.
上記電流検出手段によって検出された電流値が上記電流到達値に達する前に、上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを急激に増大させる制御から上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる制御へ切り替えること特徴とする請求項2に記載の内燃機関の点火装置。 Current detection means for detecting a current flowing through the energy storage coil;
Before the current value detected by the current detection means reaches the current arrival value, the energy stored in the energy storage coil is gradually increased from the control for rapidly increasing the energy stored in the energy storage coil. The ignition device for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the ignition device is switched to control.
上記電流到達値および上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間における上記エネルギ蓄積コイルに流れる電流のスロープ波形に基づいて定められる比較電流と、上記電流検出手段によって検出された電流値とが一致した際に、上記第1のスイッチ手段をオフすること特徴とする請求項2に記載の内燃機関の点火装置。 Current detection means for detecting a current flowing through the energy storage coil;
A comparison current determined based on a slope waveform of a current flowing through the energy storage coil in a period of slowly increasing the current arrival value and the energy stored in the energy storage coil, and a current value detected by the current detection means The ignition device for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the first switch means is turned off when and coincide with each other.
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