JP2017503110A

JP2017503110A - 高エネルギーイグニッションコイル

Info

Publication number: JP2017503110A
Application number: JP2016544605A
Authority: JP
Inventors: イチュンマオ; シャオチンスン; ユーチャンリー; ジエチェン
Original assignee: ユナイテッドオートモーティブエレクトロニックシステムズカンパニーリミテッド
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2017-01-26
Also published as: EP3091544A4; WO2015100863A1; US20160327008A1; BR112016015374A2; KR20160104638A; CN103745816A; EP3091544A1; CN103745816B

Abstract

高エネルギーイグニッションコイルであって、一次コイルおよび二次コイルがいずれも鉄芯に巻かれており、これら３つの構成要素によって一つの変圧器が構成される。一次コイル回路にＥＣＵにより制御されるスイッチを備える。点火プラグの一つの電極は二次コイルの一端に接続され、点火プラグのもう一つの電極は接地される。車載電源は直流昇圧器を介して一次コイルに給電し、直流昇圧器は車載電源から出力された直流電圧を上昇させて出力する。二次コイルの他端は直流昇圧器に接続され或いは逆方向接続されるダイオードを介して接地される。電流維持装置は二次コイルと点火プラグとの直列接続分岐回路に並列接続され、それは点火プラグが導通した後で動作して点火プラグが導通し続けることを維持する。イグニッションコイルは点火プラグの導通時間を任意に調整することができ、よって点火エネルギーを高めることができ、更に比較的に高い電圧を用いて一次コイルを通電させることにより、エネルギー変換効率が高められる。

Description

本出願は、内燃機関車両に用いられるイグニッションコイルに関する。

図１ａを参照する。これは従来のイグニッションコイルである。車載電源１は通常、定格電圧が８〜１６Ｖの間にある低圧直流電源であり、一次コイル２１に給電するために用いられる。車載電源１および一次コイル２によって一次コイル回路が構成され、当該一次コイル回路にＥＣＵ（電子制御ユニット）により制御されるスイッチ３を備える。二次コイル２２の一端は接地され、他端は点火プラグ４の一つの電極に接続され、点火プラグ４のもう一つの電極は接地される。二次コイル２２および点火プラグ４によって二次コイル回路が構成される。一次コイル２１および二次コイル２２はいずれも鉄芯２３に巻かれており、この三方（３つの構成要素）によって一つの変圧器２が構成される。

図１ａに示すイグニッションコイルは、図１ｂの形態に変形することもでき、この時の二次コイル２２の一端は車載電源１に接続され、他端は点火プラグ４の一つの電極に接続され、点火プラグ４のもう一つの電極は接地される。車載電源１、二次コイル２２および点火プラグ４によって二次コイル回路が構成される。

前記イグニッションコイルはＥＣＵにより動作が制御される。動作する時に、ＥＣＵはスイッチ３を閉じさせ、車載電源１を一次コイル２１に投入する。この時、一次コイルの電流（即ち、一次電流）は０から安定値に増大し、当該安定値は車載電源１の電圧値および一次コイル２１の抵抗値によって決められる。一次電流の増加に伴い、一次コイル２１において生じた電磁エネルギーは鉄芯２３に貯えられる。一次電流が一定値（当該一定値≦安定値）に到達した時に、ＥＣＵはスイッチ３を瞬間的に開かせ、一次コイル回路の電界は突然変化して一次コイル２１の磁界の高速減衰を引き起こし、これによって二次コイル２２の両端に高圧起電力が誘導される。当該高圧起電力は点火プラグ４の二つの電極間の隙間を破壊し（点火プラグ４が導通すると称する）、電弧を生成して点火する。

従来のイグニッションコイルが動作する時には、二次コイル２２の両端に高圧起電力が誘導され、これによる二次コイル回路における放電エネルギー（点火エネルギーと称する）は一般に３０〜４０ｍＪである。シリンダー内直噴、ターボ過給技術が内燃機関車両に広く応用されることに伴い、イグニッションコイルのエネルギーのニーズは９０ｍＪに達しており、一部の高級製品では１１０ｍＪに達することが求められている。従来のイグニッションコイルはこのような高点火エネルギーを提供することができない。点火エネルギーを高めるために、従来のイグニッションコイルは通常、一次コイルの充電時間の延長、磁路設計の最適化、磁芯構成の変更との三つの側面から改良する。

本出願が解決しようとする技術課題は、普通のエネルギー上昇手段を用いず、点火プラグの導通時間（即ち、点火プラグの二つの電極間の隙間が破壊される持続時間）を直接的に調整することにより、イグニッションコイルの点火エネルギーを増加する高エネルギーイグニッションコイルを提供することにある。

上記の技術課題を解決するため、本出願に係る高エネルギーイグニッションコイルは、一次コイルおよび二次コイルがいずれも鉄芯に巻かれており、この三方によって一つの変圧器が構成され、一次コイル回路にＥＣＵにより制御されるスイッチを備え、点火プラグの一つの電極は二次コイルの一端に接続され、点火プラグのもう一つの電極は接地される。

車載電源は直流昇圧器を介して一次コイルに給電し、前記直流昇圧器は車載電源から出力された直流電圧を上昇させて出力し、二次コイルの他端は直流昇圧器に接続され或いは逆方向接続されるダイオードを介して接地され、電流維持装置の一端は二次コイルにおける点火プラグに接続されていない一端に接続され、電流維持装置の他端は接地され、それは点火プラグが導通した後で動作して点火プラグが導通し続けることを維持する。

本出願に係るイグニッションコイルは点火プラグの導通時間を任意に調整することができ、よって点火エネルギーを４００ｍＪ以上に高めることができ、更に比較的高い電圧を用いて一次コイルを通電させることにより、エネルギー変換効率が高められる。

従来のイグニッションコイルの構成模式図である。図１ａの一種の変形構成である。本出願のイグニッションコイルの４つの実施例の構成模式図である。本出願のイグニッションコイルの４つの実施例の構成模式図である。本出願のイグニッションコイルの４つの実施例の構成模式図である。本出願のイグニッションコイルの４つの実施例の構成模式図である。本出願のイグニッションコイルにおける電流維持装置の構成模式図である。

図１ａおよび図１ｂを参照する。イグニッションコイルの点火エネルギー値は、

である。ここで、Ｔは二次コイル２２の二次コイル回路における放電時間であり、ｕ_{ＩＳＫ−ＯＵＴ}は二次コイル２２における点火プラグ４に接続されるその一端のグランドに対する電圧値であり、ｉ_ＯＵＴは二次コイルを通った電流（即ち、二次電流）値である。

本出願の高エネルギーイグニッションコイルにおいて、二次コイル２２が二次コイル回路において放電することは二つの段階に分けることができる。第１の段階は、一次コイル２１のエネルギーが二次コイル２２にカップリングされて点火プラグ４を導通させる段階であり、当該第１の段階は０時点からＴ１時点まで、長さはＴ１である。第２の段階は、電流維持装置７から提供されたエネルギーによって点火プラグ４が導通される段階であり、当該第２の段階はＴ１時点からＴ１＋Ｔ時点まで、長さはＴ２である。Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２。そのため、本出願の高エネルギーイグニッションコイルの点火エネルギー値は、

である。ここで、Ｑ_１は第１の段階においての二次コイル２２の放電エネルギー値を表し、Ｑ_２は第２の段階においての二次コイル２２の放電エネルギー値を表し、Ｕ_ＩＳＫは点火プラグ４が導通した時に二次コイル２２における点火プラグ４に接続されるその一端のグランドに対する電圧値であり、Ｉ_ＩＳＫは点火プラグ４が導通した時の二次電流値である。

従来のイグニッションコイルにおいて、Ｔ＝Ｔ１、Ｔ２＝０である。その点火エネルギーＱはＱ_１によって決められ、つまり、スイッチ３が開かれる瞬間の一次電流Ｉ_Ｐの大きさによって決められる。

本出願のイグニッションコイルが点火エネルギーを高める原理は、Ｔ１時点からＴ時点までの間にＩ_ＩＳＫをそのままに維持させ或いはより高くさせて、点火プラグ４を導通の状態に保持させることにある。このようにＴ２を延長することにより、Ｑ２を増大することができ、最終的にＱが増大する。

エネルギー変換の観点から解析すれば、イグニッションコイルのエネルギー損失は主に、一次コイルの抵抗損失エネルギーと、電磁カップリングの磁路損失と、二次コイルの抵抗損失エネルギーとの三つの側面にある。図１ａおよび図１ｂを参照し、イグニッションコイルが動作する時に鉄芯２３に貯えられる電磁エネルギーは

である。ここで、Ｌは一次コイル回路におけるインダクタンス値を表し、一次コイル２１のインダクタンス値と二次コイル２２が一次コイル回路にカップリングするインダクタンス値との両部分からなり、Ｉ_Ｐはスイッチ３を開いた瞬間の一次電流値を表す。

一次コイルを通った過渡電流値は、

である。ここで、Ｅは車載電源１の電圧値を表し、Ｒは一次コイル２１の抵抗値を表す。

一次コイル２１の抵抗損失エネルギー値は、

である。ここで、Ｋは一次コイル２１の充電時間、即ち、過渡一次電流ｉが０からＩ_Ｐまで増大する時間を表す。

上記の式から、スイッチ３を開いた瞬間の一次電流Ｉ_Ｐが一定である時に、一次コイル２１の充電時間Ｔを短縮させることができれば、一次コイルの抵抗損失エネルギーを低下させることができることがわかる。車載電源１の電圧Ｅを上昇させることは、一次コイル２１の充電電圧を上昇させることであり、一次コイル２１の充電時間を効果的に短縮させ、最終的に一次コイル２１の抵抗損失エネルギーを低下させる。

本出願のイグニッションコイルがエネルギー変換効率を高める原理は、車載電源１の電圧値よりも大きい電圧を用いて一次コイル２１を通電させることにより、一次コイル２１の充電時間を短縮させることができ、最終的に一次コイル２１の抵抗損失エネルギーを低下させ、イグニッションコイルのエネルギー変換効率を高めることにある。

図２ａは本出願のイグニッションコイルの第１の実施例を示す。車載電源１は通常、定格電圧が８〜１６Ｖの間の低圧直流電源であり、それは直流昇圧器５を介して一次コイル２１に給電する。直流昇圧器５は車載電源１から出力された直流電圧を上昇させてから出力するために用いられ、例えば、１６Ｖの電圧を４８Ｖに上昇してから出力する。車載電源１、直流昇圧器５および一次コイル２によって一次コイル回路を構成し、当該一次コイル回路においてＥＣＵにより制御されるスイッチ３を更に備える。二次コイル２２の一端は逆方向接続されるダイオード８を介して接地され、他端は点火プラグ４の一つの電極に接続され、点火プラグ４のもう一つの電極は接地される。二次コイル２２、ダイオード８および点火プラグ４によって二次コイル回路が構成される。電流維持装置７の一端は二次コイルにおける点火プラグ４に接続されていない一端に接続され、電流維持装置７の他端は接地される。言い換えれば、電流維持装置７は直列接続された二次コイル２２および点火プラグ４の分岐回路に並列接続される。一次コイル２１および二次コイル２２はいずれも鉄芯２３に巻かれており、この三方によって一つの変圧器２が構成される。

図２ｂは本出願のイグニッションコイルの第２の実施例を示す。第１の実施例との相違点は下記の通りであり、先ず、二次コイル２２の一端は直流昇圧器５に接続され、他端は点火プラグ４の一つの電極に接続され、点火プラグ４のもう一つの電極は接地される。また、ダイオード８が省略されている。これによって、車載電源１、直流昇圧器５、二次コイル２２および点火プラグ４によって二次コイル回路が構成される。

本出願のイグニッションコイルの第１、第２の実施例の動作原理の、従来のイグニッションコイルとの相違点は下記の２点の通りである。

第一に、直流昇圧器５により車載電源１の出力電圧を上昇させてから一次コイル２１に通電させ、これによって一次コイル２１の充電時間を短縮することができ、最終的に一次コイル２１の抵抗損失エネルギーを低下させ、イグニッションコイルのエネルギー変換効率を高める。

第二に、点火プラグ４が導通する時に、ＥＣＵは電流維持装置７を駆動して動作させ、電流維持装置７から電圧を出力して二次電流をそのままに維持させ或いはより高くさせることにより、点火プラグ４が導通し続けるように二次電流をそのままに維持させ或いはより高くさせる。

図２ｃは本出願のイグニッションコイルの第３の実施例を示す。第１の実施例との相違点は下記の通りであり、直流昇圧器５と一次コイル２１との間に蓄電池６が加えられ、蓄電池６の定格電圧は車載電源１の定格電圧よりも大きい。例えば、蓄電池６の定格電圧は４８Ｖであり、容量は３Ａｈ以上である。或いは、蓄電池６は一つのコンデンサ、又は複数の並列接続されるコンデンサに置き換えることもできる。この時、車載電源１、直流昇圧器５、蓄電池６および一次コイル２によって一次コイル回路が構成される。

図２ｄは本出願のイグニッションコイルの第４の実施例を示す。第３の実施例との相違点は下記の通りであり、先ず、二次コイル２２の一端は蓄電池６に接続され、他端は点火プラグ４の一つの電極に接続され、点火プラグ４のもう一つの電極は接地される。また、ダイオード８が省略されている。これによって、車載電源１、直流昇圧器５、蓄電池６、二次コイル２２および点火プラグ４によって二次コイル回路が構成される。

本出願のイグニッションコイルの第３、第４の実施例の動作原理は第１、第２の実施例と基本的に同じであるが、直流昇圧器５により車載電源１の出力電圧を上昇してから蓄電池６を充電し、そして、蓄電池６は更に一次コイル２１を通電する。前記直流昇圧器５は蓄電池６の電圧をリアルタイムに検出する。蓄電池６の電圧がある電圧閾値（通常、０．８３倍の定格電圧以上とする）よりも低い時に、直流昇圧器５は車載電源１の出力電圧を上昇してから蓄電池６を充電する。蓄電池６の電圧がその定格電圧以上である時に、直流昇圧器５は動作を停止する。例えば、蓄電池６の定格電圧は４８Ｖである。蓄電池６の電圧が４４Ｖに低下する時に、直流昇圧器５は動作して蓄電池６を充電する。蓄電池６の電圧が５４Ｖよりも高くなる時に、直流昇圧器５は動作を停止する。

従来のイグニッションコイルにおいて、二次電流は点火プラグ４が導通される瞬間のみに非ゼロである。本出願のイグニッションコイルにおいて、電流維持装置７によって二次電流を非ゼロにすることを、任意に長い時間維持することができる。

図３を参照し、前記電流維持装置７は、電流フィードバックユニット７１であって、二次電流値を収集し、二次コイル２２における点火プラグ４に接続されていないその一端（Ａ点）の電流値を収集することが望ましく、更に収集された二次電流値を制御ユニット７２に伝達する電流フィードバックユニット７１を含む。二次電流値が０であれば、これは、この時に点火プラグ４が導通されていないことを表す。二次電流値が０でなければ、これは、この時に点火プラグ４が導通されていることを表す。

また、制御ユニット７２であって、ＥＣＵにより制御され、ＥＣＵは制御ユニット７２に点火プラグ４の導通時間値を伝達し、制御ユニット７２は二次電流値が閾値よりも小さくなることを検出すると、スイッチユニット７４を閉じさせ、ＥＣＵによって指定された点火プラグ４の導通時間値に到達すると、制御ユニット７２はスイッチユニット７４を更に開かせる制御ユニット７２を含む。

電流維持装置７を備えない場合、二次電流値の変化は、以下の通りとなる。点火プラグ４が導通されていない時に、二次電流値は０であり、点火プラグ４が導通された後、二次電流値は最大値から０まで徐々に低下する。二次電流値が０まで低下すると、これは点火プラグ４が新たに導通していなくなることを表している。前記閾値は０よりも大きく且つ前記二次電流最大値以下とする。

また、前記電流維持装置７は、直流昇圧ユニット７３であって、車載電源１から出力された低電圧を高電圧に上昇させ、前記直流昇圧ユニット７３は、例えば４．５〜１８Ｖを１０００Ｖに転換する直流昇圧器である直流昇圧ユニット７３を含む。

また、前記電流維持装置７は、制御ユニット７２により制御されるスイッチユニット７４を含む。前記スイッチユニット７４は、例えば、三極管、ＭＯＳトランジスタ等のスイッチデバイスであり、スイッチユニット７４は直流昇圧ユニット７３に直列接続された後、当該直列接続分岐回路の一端は二次コイル２２における点火プラグ４に接続されていない一端（Ａ点）に接続され、当該直列接続分岐回路の他端は接地される。言い換えれば、当該直列接続分岐回路は更に二次コイル２２と点火プラグ４との直列接続分岐回路に並列接続され、スイッチユニット７４が閉じられた時に、直流昇圧ユニット７３から出力された電圧を二次コイル２２と点火プラグ４との直列接続分岐回路の両端に伝達して二次電流をそのままに維持させ或いはより高くさせる。スイッチユニット７４が開かれた時には、スイッチユニット７４は、直流昇圧ユニット７３から出力された電圧を外へ伝達しない。

従来のイグニッションコイルに比べ、本出願のイグニッションコイルは点火プラグ４の導通時間を任意に調整することができ、よって点火エネルギーを高めることができ、例えば、点火エネルギーを４００ｍＫ以上に上昇させることができる。そのほか、本出願のイグニッションコイルは車載電源１の電圧値よりも大きい直流昇圧器５又は蓄電池６を更に用いて一次コイル２１を通電させることにより、一次コイル２１の抵抗損失エネルギーを低下させ、エネルギー変換効率を更に高める。

以上は、本出願の望ましい実施例に過ぎず、本出願を限定するものではない。当業者にとって、本出願の内容については各種の変更および変形が可能である。本出願の要旨および原則から逸脱しない範囲内であれば、いずれかの修正、同等な変更、改良等は、全て本出願の保護範囲内に含まれるべきである。

Claims

一次コイルおよび二次コイルがいずれも鉄芯に巻かれており、この三方によって一つの変圧器が構成され、一次コイル回路にＥＣＵにより制御されるスイッチを備え、点火プラグの一つの電極は二次コイルの一端に接続され、点火プラグのもう一つの電極は接地される高エネルギーイグニッションコイルにおいて、車載電源は直流昇圧器を介して一次コイルに給電し、直流昇圧器は車載電源から出力された直流電圧を上昇させて出力し、二次コイルの他端は直流昇圧器に接続され或いは逆方向接続されるダイオードを介して接地され、電流維持装置の一端は二次コイルにおける点火プラグに接続されていない一端に接続され、電流維持装置の他端は接地され、それは点火プラグが導通した後で動作して点火プラグが導通し続けることを維持することを特徴とする高エネルギーイグニッションコイル。
電流維持装置は、直列接続された二次コイルと点火プラグとの分岐回路に並列接続されることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイグニッションコイル。
直流昇圧器と一次コイルとの間に蓄電池が増加され、蓄電池の定格電圧は車載電源の定格電圧よりも大きく、車載電源は直流昇圧器を介して蓄電池を充電し、そして、蓄電池は一次コイルに給電し、二次コイルの他端は接地され或いは蓄電池に接続され、
或いは、蓄電池は一つのコンデンサ、又は複数の並列接続されるコンデンサに置き換えられることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイグニッションコイル。
直流昇圧器は蓄電池の電圧が電圧閾値よりも小さくなる時に、車載電源の出力電圧を上昇した後で蓄電池を充電するために用いられ、蓄電池の電圧はその定格電圧以上である時に、直流昇圧器は動作を停止し、
電圧閾値はその定格電圧の０．８３倍以上であることを特徴とする請求項３に記載の高エネルギーイグニッションコイル。
車載電源の定格電圧は８〜１６Ｖの間にあり、蓄電池の定格電圧は４８Ｖであることを特徴とする請求項３に記載の高エネルギーイグニッションコイル。
蓄電池の容量は３Ａｈ以上であることを特徴とする請求項３に記載の高エネルギーイグニッションコイル。
前記電流維持装置は、
二次コイルを通った二次電流値を収集して、制御ユニットに伝達する電流フィードバックユニットと、
ＥＣＵにより伝達された点火プラグ導通時間値を受信する制御ユニットであって、二次電流値が閾値よりも小さくなることを検出すると制御ユニットはスイッチユニットを閉じさせ、ＥＣＵによって指定された点火プラグ導通時間値に到達すると、制御ユニットはスイッチユニットを更に開かせ、前記閾値は０よりも大きく且つ二次電流最大値以下である制御ユニットと、
車載電源から出力された直流電圧を上昇して出力する直流昇圧ユニットと、
制御ユニットによって制御されるスイッチユニットであって、スイッチユニットと直流昇圧ユニットとが直列接続された後、当該直列接続分岐回路が二次コイルと点火プラグとの直列接続分岐回路に更に並列接続され、スイッチユニットが閉じられている時に、直流昇圧ユニットから出力された電圧を二次コイルと点火プラグとの直列接続分岐回路の両端に伝達するスイッチユニットと、
を含むことを特徴とする請求項１又は３に記載の高エネルギーイグニッションコイル。
電流フィードバックユニットは二次コイルにおける点火プラグに接続されていないその一端の二次電流値を収集することを特徴とする請求項７に記載の高エネルギーイグニッションコイル。