JP2018162757A - 点火装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】プラグの点火時間を延長させることにより燃料の燃焼効率を改善することができる点火装置。【解決手段】第1巻線P1の一端に接続される第1スイッチQ1と、第1巻線の他端に接続されるバッテリEと、一端がバッテリに接続され他端が第3巻線P2の一端に接続される昇圧部13と、第3巻線の他端に接続される第2スイッチQ2と、第1スイッチ及び第2スイッチをオンオフ駆動させる駆動装置11とを備え、駆動装置は、第1スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えることで第2巻線に二次電流を流すとともに、第2スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることで第3巻線に昇圧部の出力を供給し、昇圧部は、第3巻線に流れる第3巻線電流が所定値以上になった場合に、第3巻線電流と昇圧部の出力電圧Voとによる電力を定電力に制御する。【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関用の点火コイルを備える点火装置に関する。
従来の点火装置として、例えば、特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1に記載された点火コイルを備えた点火装置は、図10に示すように、イグナイター制御回路11、イグナイタースイッチQ1、トランスTa、バッテリE及びダイオードD5を備え、フライバック制御方式を採用している。
イグナイター制御回路11は、点火信号を入力し、点火信号によりイグナイタースイッチQ1をオン又はオフさせる。イグナイタースイッチQ1がオンしている期間においては、トランスTaにエネルギーを蓄え、イグナイタースイッチQ1がオフする期間に、トランスTaに蓄えられたエネルギーをプラグ16に供給し、プラグ16を点火させる。
特開2001−217131号公報 特開2016−125466号公報
しかしながら、従来のトランスTaは、2次側で高電圧を生成するため、トランス巻数比が大きく、トランス内に蓄えられたエネルギーは、電圧変換により大きく消費する。このため、プラグ16に電流を供給できる時間が短く、プラグ16が点火している時間が限られてしまう。その結果、燃料の燃焼効率が低くなり、燃料の一部が不完全燃焼になることによる排気ガスの悪化などが懸念される。
また、プラグが余分な電力を消費すると、プラグが消耗し易くなる。
本発明の課題は、プラグの点火時間を延長させることにより燃料の燃焼効率を改善でき、しかもプラグが余分な電力を消費することなくプラグの消耗を防止することができる点火装置を提供することにある。
本発明に係る点火装置は、互いに電磁的に結合する第1巻線、第2巻線及び第3巻線を有する点火コイルと、前記第1巻線の一端に接続される第1スイッチと、前記第1巻線の他端に接続されるバッテリと、一端が前記バッテリに接続され他端が前記第3巻線の一端に接続される昇圧部と、前記第3巻線の他端に接続される第2スイッチと、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをオンオフ駆動させる駆動装置とを備え、前記駆動装置は、前記第1スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えることで前記第2巻線に二次電流を流すとともに、前記第2スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることで前記第3巻線に前記昇圧部の出力を供給し、前記第2巻線に第2電流を重畳させ、前記昇圧部は、前記点火コイルの第3巻線に流れる第3巻線電流が所定値以上になった場合に、前記第3巻線電流と前記昇圧部の出力電圧とによる電力を定電力に制御することを特徴とする。
本発明によれば、駆動装置は、第1スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えることで第2巻線に二次電流を流すとともに、第2スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることで第3巻線に昇圧部の出力を供給し、前記第2巻線に第2電流を重畳させるので、プラグの点火時間を延長させることができ、これによって、燃料の燃焼効率を改善することができる。
また、昇圧部は、点火コイルの第3巻線に流れる第3巻線電流が所定値以上になった場合に、第3巻線電流と昇圧部の出力電圧とによる電力を定電力に制御するので、プラグ点火重畳エネルギーは、一定となり、プラグ電流も一定になる。従って、プラグが余分な電力を消費することなくプラグの消耗を防止することができる。
本発明の実施例1に係る点火装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施例1に係る点火装置の重畳巻線電流に対する出力電圧を示す図である。 本発明の実施例1に係る点火装置の各部の動作波形を示す図である。 本発明の実施例2に係る点火装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施例2に係る点火装置の動作波形を示す図である。 本発明の実施例3に係る点火装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施例3に係る点火装置の重畳巻線電流に対する出力電圧を示す図である。 本発明の実施例3に係る点火装置の各部の動作波形を示す図である。 本発明の実施例4に係る点火装置の回路構成を示す図である。 従来の点火装置の回路構成を示す図である。
図10に示す従来の点火装置では、トランスの巻線は、第1巻線と第2巻線とで構成されたが、実施例の巻線は、第1巻線と第2巻線とに、イグナイタースイッチがオフの期間に通電するエネルギー重畳巻線を追加して構成される。
また、図10に示す従来の点火装置では、バッテリからの電力供給のみであったが、実施例では、補助のDC/DCコンバータからエネルギー重畳巻線へ電力供給を行う。
さらに、DC/DCコンバータが定電力制御を行うことで、必要な電力に制限して、トランスの二次側にエネルギー重畳巻線からのエネルギーを重畳する。
また、プラグ点火負荷が軽くなった場合、電力制御ではプラグ電流が過大に流れる。このため、二次側のプラグラインにシャント抵抗を接続せずに、エネルギー重畳巻線にシャント抵抗を接続し、このシャント抵抗によりプラグ電流を検出して検出されたプラグ電流をDC/DCコンバータへフィードバックし、定電流制御を行う。
(実施例1)
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施例1に係る点火装置の回路構成を示す図である。なお、図1において、図10に示す従来の点火装置と同一構成には、従来技術で使用した符号と同じ符号を付する。
実施例1の点火装置は、イグナイター制御回路11、イグナイタースイッチQ1、トランスT、バッテリE、ダイオードD1〜D6,Da,Db、インバータ12、DC/DCコンバータ13、遅延回路13a、バッファ回路14、MOSFETQ2を備えている。
エンジンコントロールユニット(ECU)10は、点火信号をイグナイター制御回路11に出力する。イグナイター制御回路11は、ECU10から点火信号を入力し、点火信号により抵抗R1を介してイグナイタースイッチQ1をオン又はオフさせる。イグナイタースイッチQ1は、本発明の第1スイッチに対応し、N型のMOSFETやIGBTまたはバイポーラトランジスタからなる。
トランスTは、本発明の点火コイルに対応し、互いに電磁的に結合されたイグナイター巻線P1(本発明の第1巻線に対応)と、イグナイター巻線P1と逆相の二次巻線S(本発明の第2巻線に対応)と、エネルギー重畳巻線P2(本発明の第3巻線に対応)とを有して構成されている。
イグナイタースイッチQ1のドレインにはイグナイター巻線P1の一端が接続され、イグナイター巻線P1の他端にはバッテリEの正極が接続され、バッテリEの負極は接地されている。イグナイタースイッチQ1のドレインとソースとの間には、ダイオードDaが接続されている。ダイオードDaは、イグナイタースイッチQ1の寄生ダイオードであっても良い。
遅延回路13aは、イグナイター制御回路11からの点火信号を所定時間だけ遅延した後、インバータ12に出力する。インバータ12は、遅延回路13aからの点火信号を反転して、反転された点火信号をバッファ回路14に出力する。ECU10は、アクセサリスイッチ(イグニッションオン)により、起動信号をDC/DCコンバータ13内の制御回路132に出力する。
DC/DCコンバータ13は、本発明の昇圧部に対応し、ECU10からの起動信号により起動し(連続動作し)、バッテリEの電圧を昇圧して、昇圧された電圧を並列に接続された4つのダイオードD1〜D4のアノードに供給する。
4つのダイオードD1〜D4は、内燃機関の4つの気筒に対応して設けられている。点火信号により各気筒毎に設けられたスイッチQ1,Q2を順次動作させて、各気筒を順次点火させることにより点火時エネルギーが重畳される。
図1では、ダイオードD1のカソードにエネルギー重畳巻線P2の一端が接続され、エネルギー重畳巻線P2の他端にはMOSFETQ2のドレインが接続され、MOSFETQ2のソースは接地されている。MOSFETQ2のドレインとソースとの間には、ダイオードDbが接続されている。ダイオードDbは、MOSFETQ2の寄生ダイオードであっても良い。
なお、図示されていないが、ダイオードD2〜D4のそれぞれのカソードにも、エネルギー重畳巻線P2に相当する巻線の一端が接続され、当該巻線の他端にはMOSFETQ2に相当するMOSFETのドレインが接続され、当該MOSFETのソースは接地されている。
MOSFETQ2(本発明の第2スイッチに対応)は、N型のMOSFETからなり、バッファ回路14を介するインバータ12からの反転された点火信号をゲートに入力することにより、オン/オフする。
また、DC/DCコンバータ13は、MOSFETQ2がオン状態である間、後述される内部信号に応じて、エネルギー重畳巻線P2に電気エネルギーを供給し続けるように動作する。また、DC/DCコンバータ13は、MOSFETQ2がオフ状態からオン状態に切り替わってから所定時間後に電気エネルギーの供給を開始する。
また、DC/DCコンバータ13は、エネルギー重畳巻線P2に流れる重畳巻線電流が所定値Ib以上になった場合に、重畳巻線電流とDC/DCコンバータ13の出力電圧とによる電力を定電力に制御する。
イグナイター制御回路11及びインバータ12は、本発明の駆動装置に対応し、駆動装置は、イグナイタースイッチQ1をオン状態からオフ状態に切り替えることで二次巻線Sに二次電流を流すとともに、MOSFETQ2をオフ状態からオン状態に切り替えることでエネルギー重畳巻線P2にDC/DCコンバータ13の出力を供給し、二次電流の供給時間を延長させる。
トランスTの二次巻線Sの一端にはプラグ16の一端が接続され、二次巻線Sの他端にはダイオードD5のアノードが接続されている。ダイオードD5のカソードはグランドに接続されている。
次に、DC/DCコンバータ13の詳細な構成を説明する。DC/DCコンバータ13は、コンデンサC1、制御回路132、抵抗R3〜R5、コンデンサC2、誤差増幅器AMP、コンパレータCMP、リアクトルL1、ダイオードD6、MOSFETQ3を備えている。
バッテリEの正極には、コンデンサC1の一端とリアクトルL1の一端と制御回路132の一端が接続され、コンデンサC1の他端はグランドに接続されている。
リアクトルL1の他端は、ダイオードD6のアノードとMOSFETQ3のドレインとに接続される。ダイオードD6のカソードには、抵抗R3の一端とのコンデンサC2の一端とダイオードD1〜D4のアノードに接続される。
抵抗R3の他端には抵抗R4の一端と誤差増幅器AMPの反転端子(−)が接続され、抵抗R4の他端はグランドに接続される。誤差増幅器AMPの非反転端子(+)には基準電圧Vref2が接続される。誤差増幅器AMPの出力端子は制御回路132に接続される。
MOSFETQ3のゲートは、制御回路132に接続され、MOSFETQ3のソースは、抵抗R5の一端とコンパレータCMPの反転端子(−)に接続される。コンパレータCMPの非反転端子(+)には基準電圧Vref1が接続される。コンパレータCMPの出力端子は、制御回路132に接続される。
制御回路132は、誤差増幅器AMPからの出力とコンパレータCMPからの出力とに基づき、PWM信号(パルス幅変調)をMOSFETQ3のゲートに出力することにより、MOSFETQ3をオンオフさせる。
次に、このように構成された実施例1の点火装置の動作を詳細に説明する。まず、DC/DCコンバータ13からエネルギー重畳巻線P2への電力供給の動作を説明する。
まず、DC/DCコンバータ13は、ECU10からの起動信号により起動する(連続動作)。次に、点火信号によりイグナイタースイッチQ1がオンすると、バッテリEからイグナイター巻線P1、イグナイタースイッチQ1を介してグランドに電流が流れてイグナイター巻線P1にエネルギーが蓄えられる。イグナイタースイッチQ1がオフすると、二次巻線SからダイオードD5を介して二次電流が流れ、プラグ16にエネルギーが供給される。
次に、イグナイター制御回路11からのLレベルの点火信号によりイグナイタースイッチQ1は、オフする。Lレベルの点火信号は、遅延回路13aで所定時間だけ遅延され、インバータ12で反転され、Hレベルの点火信号がバッファ回路14を介してMOSFETQ2のゲートに供給され、MOSFETQ2はオンする。DC/DCコンバータ13は、バッテリEの電圧を昇圧して、昇圧された電圧をダイオードD1〜D4のアノードに供給する。従って、DC/DCコンバータ13からダイオードD1、エネルギー重畳巻線P2を介してMOSFETQ2に電流が流れる。
このとき、二次巻線SからダイオードD5を介して二次電流が流れ、プラグ16にエネルギーが供給される。これにより、エネルギー重畳巻線P2のエネルギーが二次巻線Sに重畳される。
即ち、DC/DCコンバータ13からエネルギー重畳巻線P2へ電流を流すことで、二次巻線Sのフライバックエネルギーが減少するタイミングで、エネルギー重畳巻線P2からのエネルギーを二次巻線Sからプラグ16に供給し、二次電流の供給時間を延長させることでプラグ16の点火時間を延長させることができる。これによって、燃料の燃焼効率を改善することができる。
次に、図2及び図3を参照しながら、誤差増幅器AMPによる定電圧制御、コンパレータCMPによる定電力制御を詳細に説明する。図2は、重畳巻線電流に対する出力電圧を示す。重畳巻線電流は、エネルギー重畳巻線P2に流れる電流であり、出力電圧VoはコンデンサC2の端子電圧、即ち、ダイオードD1〜D4のアノードに印加される電圧である。
図3において、Iwは、重畳巻線電流、Voは、出力電圧、CMP(−)は、コンパレータCMPの反転端子の電圧、CMP出力は、コンパレータCMPの出力端子の電圧、AMP出力は、誤差増幅器AMPの出力を示す。
まず、期間A(時刻t0〜t1)では、図3に示すように、重畳巻線電流Iwがゼロから直線的に増加するが、コンパレータCMPの反転端子の電圧が基準電圧Vref1未満である。このとき、コンパレータCMPの出力は、Hレベルである。このため、出力電圧Voを定電圧にするために、誤差増幅器AMPが動作する。
誤差増幅器AMPは、誤差増幅器AMPの反転端子の電圧と基準電圧Vref2との誤差電圧を増幅して増幅された誤差電圧を制御回路132に出力する。制御回路132は、誤差増幅器AMPからの誤差電圧に基づきMOSFETQ3のオンオフを制御することにより、出力電圧Voの定電圧制御を行う。
次に、重畳巻線電流が増加して、重畳巻線電流が所定値Ibになると(期間B、時刻t2)、コンパレータCMPの反転端子の電圧が基準電圧Vref1に達する。このため、コンパレータCMPの出力は、Lレベルを制御回路132に出力する。このとき、コンパレータCMPは、反転端子の電圧と基準電圧Vref1の電圧とが同じになるように、コンパレータ出力により制御回路132を制御する。
これにより、期間Cに示すように、出力電圧Voは、低下していく。このとき、誤差増幅器AMPの出力は、Hレベル固定となる。出力電流は増加し、出力電圧は減少することで、定電力制御を行うことができる。
定電力制御により、設定された電力までの電力供給とするため、プラグ点火重畳エネルギーは、一定となり、プラグ電流も一定に維持される。また、応答遅れ等で余分な電力をプラグ16が消費することもないため、プラグ16の消耗も防ぐことができる。
また、電流検出抵抗のシャント抵抗や定電流検出回路が不要となり、部品点数を削減できる。
(実施例2)
図4は、本発明の実施例2に係る点火装置の回路構成を示す図である。実施例2に係る点火装置は、実施例1に係る点火装置の構成に対して、ECU10からの起動信号を制御回路132に出力する代わりに、イグナイター制御回路11からの点火信号を制御回路132に出力することを特徴とする。
このため、イグナイター制御回路11と制御回路132との間に、インバータ12と、遅延回路13aとが設けられている。インバータ12は、イグナイター制御回路11からの点火信号を反転し、反転された点火信号を遅延回路13aとバッファ回路14に出力する。遅延回路13aは、インバータ12で反転された点火信号を所定時間だけ遅延させて制御回路132に出力する。
このように構成された実施例2に係る点火装置の動作を図5を参照しながら説明する。まず、時刻t0において点火信号によりイグナイタースイッチQ1がオンすると、バッテリEからイグナイター巻線P1、イグナイタースイッチQ1を介してグランドに電流が流れてイグナイター巻線P1にエネルギーが蓄えられる。イグナイタースイッチQ1がオフすると、二次巻線SからダイオードD5を介して二次電流が流れ、プラグ16にエネルギーが供給される。
次に、時刻t11においてイグナイター制御回路11からのLレベルの点火信号によりイグナイタースイッチQ1は、オフする。Lレベルの点火信号は、インバータ12で反転され、Hレベルの点火信号がバッファ回路14を介してMOSFETQ2のゲートに供給され、MOSFETQ2は時刻t11にオンする。
DC/DCコンバータ13は、遅延回路13aで所定時間だけ遅延された点火信号により時刻t12に起動し、バッテリEの電圧を昇圧して、昇圧された電圧をダイオードD1〜D4のアノードに供給する。従って、DC/DCコンバータ13からダイオードD1、エネルギー重畳巻線P2を介してMOSFETQ2に電流が流れる。
このとき、二次巻線SからダイオードD5を介して二次電流が流れ、プラグ16にエネルギーが供給される。これにより、時刻t12〜t14においてエネルギー重畳巻線P2のエネルギーが二次巻線Sに重畳される。
即ち、DC/DCコンバータ13からエネルギー重畳巻線P2へ電流を流すことで、二次巻線Sのフライバックエネルギーが減少するタイミング(時刻t12〜t13)で、エネルギー重畳巻線P2からのエネルギーを二次巻線Sからプラグ16に供給し、二次電流の供給時間を延長させることでプラグ16の点火時間を延長させることができる。これによって、燃料の燃焼効率を改善することができる。
時刻t14においてDC/DCコンバータ13が点火信号によりオフした後に、時刻t15においてMOSFETQ2はオフする。これにより、時刻t15におけるMOSFETQ2のオフ時と、時刻t11における次の点火エネルギー重畳動作時にスイッチQ2のサージ電圧を減らすことができる。
また、DC/DCコンバータ13が実施例1のDC/DCコンバータ13と同様に構成されるので、出力電圧Voの定電圧制御、及び定電力制御を行うことができる。
(実施例3)
図6は、本発明の実施例3に係る点火装置の回路構成を示す図である。実施例3に係る点火装置は、実施例1に係る点火装置の構成に、さらに、シャント抵抗Rsと、定電流検出PWM制御回路15を備えている。
シャント抵抗Rsは、一端がMOSFETQ2のソースに接続され、他端がグランドに接続される。定電流検出PWM制御回路15は、エネルギー重畳巻線P2に流れる重畳巻線電流をシャント抵抗Rsにより検出し、検出された重畳巻線電流に基づくシャント抵抗Rsの両端電圧がしきい値に達した場合に、PWM信号を、DC/DCコンバータ13の制御回路132aに出力する。
DC/DCコンバータ13の制御回路132aは、定電流検出PWM制御回路15からのPWM信号に基づき、重畳巻線電流に基づくシャント抵抗Rsの両端電圧が所定電圧となるようにPWM信号のオンデューティを制御する。
次に、図7及び図8を参照しながら、定電流検出PWM制御回路15の動作を詳細に説明する。図7は、重畳巻線電流に対する出力電圧を示す。図8においては、図3に示した波形に、定電流検出PWM制御回路の出力波形を追加している点が異なる。
まず、エネルギー重畳巻線P2に流れる電流Iwが所定値Ibよりも上昇して、電流値Icに達したとする。このとき、電流がエネルギー重畳巻線P2からMOSFETQ2を介してシャント抵抗Rsを流れる。シャント抵抗Rsは、エネルギー重畳巻線P2に流れる重畳巻線電流を検出する。
定電流検出PWM制御回路15は、シャント抵抗Rsで検出された重畳巻線電流に基づくシャント抵抗Rsの両端電圧がしきい値に達したかどうかを判定し、両端電圧がしきい値に達した場合に、PWM信号を、DC/DCコンバータ13の制御回路132aに出力する。
制御回路132aは、定電流検出PWM制御回路15からのPWM信号に基づき、重畳巻線電流に基づくシャント抵抗Rsの両端電圧が所定電圧となるようにPWM信号のオンデューティを制御する。即ち、重畳巻線電流に流れる電流を定電流Icに制御することができる。
定電力で、プラグ電流を制御する時、燃焼状態によって、プラグ電流が過大に流れる場合には、定電流制御を行うことにより、プラグ電流が過大となるのを防止することができる。また、プラグ点火負荷が軽くなった場合、電力制御ではプラグ電流が過大に流れるため、定電流制御を行うことにより、プラグ電流が過大となるのを防止することができる。
また、エネルギー重畳巻線P2と二次巻線Sの電流は、巻数比の関係にあるため、重畳巻線電流で、プラグ電流を制御することもできる。
さらに、エネルギー重畳巻線P2にシャント抵抗Rsを接続することで、プラグ16を完全に絶縁できるため、プラグ16から発生するノイズを遮断することができる。
(実施例4)
図9は、本発明の実施例4に係る点火装置の回路構成を示す図である。実施例4に係る点火装置は、実施例2に係る点火装置の構成に、さらに、シャント抵抗Rsと、定電流検出PWM制御回路15を備えている。
シャント抵抗Rs、定電流検出PWM制御回路15は、実施例3に係る点火装置で説明したシャント抵抗Rs、定電流検出PWM制御回路15と同じであるので、ここでは、その説明は、省略する。
このように実施例4に係る点火装置によれば、シャント抵抗Rs、定電流検出PWM制御回路15を設けたので、実施例3に係る点火装置の効果と同様な効果得られる。
Q1 イグナイタースイッチ
Q2,Q3 MOSFET
D1〜D6,Da,Db ダイオード
R1〜R5 抵抗
Rs シャント抵抗
T トランス
P1 一次巻線
P2 エネルギー重畳巻線
S 二次巻線
E バッテリ
L リアクトル
C1,C2 コンデンサ
AMP 誤差増幅器
CMP コンパレータ
Vref1,Vref2 基準電圧
10 ECU
11 イグナイター制御回路
12 インバータ
13 DC/DCコンバータ
13a 遅延回路
14 バッファ回路
15 定電流検出PWM制御回路
132,132a 制御回路

Claims (3)

  1. 互いに電磁的に結合する第1巻線、第2巻線及び第3巻線を有する点火コイルと、
    前記第1巻線の一端に接続される第1スイッチと、
    前記第1巻線の他端に接続されるバッテリと、
    一端が前記バッテリに接続され他端が前記第3巻線の一端に接続される昇圧部と、
    前記第3巻線の他端に接続される第2スイッチと、
    前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをオンオフ駆動させる駆動装置とを備え、
    前記駆動装置は、前記第1スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えることで前記第2巻線に二次電流を流すとともに、前記第2スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることで前記第3巻線に前記昇圧部の出力を供給し、
    前記第2巻線に第2電流を重畳させ、前記昇圧部は、前記点火コイルの第3巻線に流れる第3巻線電流が所定値以上になった場合に、前記第3巻線電流と前記昇圧部の出力電圧とによる電力を定電力に制御することを特徴とする点火装置。
  2. 前記点火コイルの第3巻線に流れる第3巻線電流を検出し、検出された第3巻線電流に基づく電圧がしきい値に達した場合にPWM信号を前記昇圧部に出力する定電流制御回路を備え、
    前記昇圧部は、前記定電流制御回路からのPWM信号に基づき前記第3巻線電流に基づく電圧が所定電圧となるように制御することを特徴とする請求項1記載の点火装置。
  3. 前記第2スイッチに直列に接続されたシャント抵抗を備え、
    前記定電流制御回路は、前記シャント抵抗に流れる電流を前記第3巻線電流として検出することを特徴とする請求項2記載の点火装置。
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