JP2019183846A - Ignition apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、例えば内燃機関に取り付けられる点火装置に関するものである。 The present application relates to an ignition device attached to, for example, an internal combustion engine.
内燃機関の燃費改善のために、リーン化あるいは高EGR(Exhaust Gas Recirculation)化した内燃機関が検討されているが、これらの内燃機関の混合気は着火性が良くないため、点火装置は高エネルギー化、特に高電流化が求められている。そこで、例えば、特許文献1に開示されているように、従来の1次コイル(メイン1次コイル)の電流を遮断して出力した2次側出力に、更にもう一つの1次コイル(サブ1次コイル)による出力エネルギー(電流)を加算的に重畳する点火装置が提案されている。
In order to improve the fuel efficiency of internal combustion engines, leaner or higher EGR (Exhaust Gas Recirculation) internal combustion engines are being studied. However, since the air-fuel mixture of these internal combustion engines is not ignitable, the ignition device has high energy. In particular, there is a demand for higher current. Therefore, for example, as disclosed in
このサブ1次コイルによる2次重畳電流は、サブ1次コイルに印加される電源電圧の他に、点火プラグに印加される電圧(プラグ抵抗及びそこに流れる電流、プラグギャップ間電圧)及び2次コイル抵抗により発生する電圧降下などに影響を受けることが知られている。このため、不用意に2次電流を増加させた場合、燃焼性は満足できるものの、2次電流増加によって2次コイル発熱が増加し、点火装置が破損する恐れ、あるいはエネルギー(電流)が供給される点火プラグのギャップ端子が摩耗する問題が発生する。 In addition to the power supply voltage applied to the sub primary coil, the secondary superimposed current by the sub primary coil includes the voltage applied to the spark plug (plug resistance and current flowing therethrough, voltage between plug gaps) and the secondary voltage. It is known to be affected by a voltage drop caused by coil resistance. For this reason, if the secondary current is increased carelessly, the combustibility is satisfactory, but the secondary coil heat generation increases due to the increase in the secondary current, and the ignition device may be damaged, or energy (current) is supplied. This causes a problem that the spark plug gap terminal wears out.
この電流を制限(制御)するために、例えば、特許文献2に開示されているように、サブ1次コイルと直列に接続されたスイッチング素子(サブIC)をパルス制御(サブICのオン/オフ制御、あるいはPWM制御)することにより、サブ1次コイルに流れる電流平均値を制御し、2次重畳電流を制御する装置が提案されている。 In order to limit (control) this current, for example, as disclosed in Patent Document 2, the switching element (sub IC) connected in series with the sub primary coil is pulse controlled (sub IC on / off). A device that controls the average value of the current flowing through the sub-primary coil by controlling (or PWM control) and controlling the secondary superimposed current has been proposed.
しかし、上述した方式でサブ1次コイルに流れる電流を高精度に制御する場合、サブICを高速でスイッチングする必要が生じるため、高速スイッチングの可能な素子を選定する必要が生じるほか、スイッチングに伴う損失が発生することになる。またメイン1次コイルによる2次電流消失後にサブICをスイッチングした場合、通常点火とは逆極性の電圧が発生し、点火装置に内蔵された素子にダメージを与える恐れがあるため、これを避ける処置が必要となる。 However, when the current flowing through the sub primary coil is controlled with high accuracy by the above-described method, it is necessary to switch the sub IC at a high speed. Therefore, it is necessary to select an element capable of high-speed switching. A loss will occur. In addition, when the sub IC is switched after the secondary current disappears by the main primary coil, a voltage having a polarity opposite to that of normal ignition is generated, and there is a risk of damaging the elements built in the ignition device. Is required.
本願は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で2次重畳電流を制限する点火装置を得ることを目的とするものである。 The present application has been made in order to solve the above-described problem, and an object thereof is to obtain an ignition device that limits the secondary superimposed current with a simple configuration.
本願に開示される点火装置は、電源からの通電により正方向の通電磁束を発生し、電流を遮断することにより逆方向の遮断磁束を発生するメイン1次コイルと、上記メイン1次コイルに接続され、上記メイン1次コイルへの通電と遮断を切り替えるメインスイッチング素子と、電源からの通電により上記遮断磁束と同方向の磁束を発生するサブ1次コイルと、上記サブ1次コイルに接続され、上記サブ1次コイルへの通電と遮断を切り替えるサブスイッチング素子と、一端が点火プラグに接続され、上記メイン1次コイルと上記サブ1次コイルに磁気的に結合して放電エネルギーを発生する2次コイルと、を備え、
上記メインスイッチング素子を遮断したタイミングで上記2次コイルに発生する電圧により2次電流を発生させ、その後に上記サブスイッチング素子への通電により上記サブ1次コイルに通電し、上記2次コイルに重畳電流を発生させると共に、
上記サブスイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧を増加させることにより、上記サブ1次コイルに流れる電流を制限することを特徴とする。
An ignition device disclosed in the present application is connected to a main primary coil that generates a current-carrying magnetic flux in the forward direction when energized from a power supply and generates a reverse-direction magnetic flux by interrupting the current, and the main primary coil. A main switching element that switches between energization and interruption of the main primary coil, a sub primary coil that generates a magnetic flux in the same direction as the interruption magnetic flux by energization from a power source, and the sub primary coil, A sub-switching element that switches between energization and shut-off of the sub-primary coil and a secondary that is connected to a spark plug and is magnetically coupled to the main primary coil and the sub-primary coil to generate discharge energy A coil, and
A secondary current is generated by the voltage generated in the secondary coil at the timing when the main switching element is shut off, and then the sub primary coil is energized by energizing the sub switching element and superimposed on the secondary coil. While generating current,
The current flowing through the sub primary coil is limited by increasing the collector-emitter voltage of the sub switching element.
本願に開示される点火装置によれば、サブ1次コイルに流れる電流を制限することにより、電源電圧あるいは点火プラグ印加電圧の変動時に、重畳電流が過度に大きくなるのを防ぐことができる。 According to the ignition device disclosed in the present application, by limiting the current flowing through the sub primary coil, it is possible to prevent the superimposed current from becoming excessively large when the power supply voltage or the ignition plug applied voltage varies.
以下、本願の実施の形態に係る点火装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしく相当部分を示している。 Hereinafter, an ignition device according to an embodiment of the present application will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る点火装置を示す回路図である。図2は、図1に示す点火装置の通常状態(電源電圧13.5V、常温、点火プラグ電圧1kV時)での動作波形を示す図である。また、図3は、図1に示す点火装置の電源電圧増加時(電源電圧16V)の動作波形を示す図である。
1 is a circuit diagram showing an ignition device according to
図1に示すように、実施の形態1に係る点火装置は、メイン1次コイル10と、メイン1次コイル10の一端に接続され、メイン1次コイル10への通電、遮断を切り替えるメインスイッチング素子(以下、メインICという。)11と、サブ1次コイル12と、サブ1次コイル12の一端に接続され、サブ1次コイル12への通電、遮断を切り替えるサブスイッチング素子(以下、サブICという。)13と、一端が点火プラグ14に接続されて、メイン1次コイル10とサブ1次コイル12に磁気的に結合し、放電エネルギーを発生する2次コイル15とを備えている。
As shown in FIG. 1, the ignition device according to
メイン1次コイル10とサブ1次コイル12のそれぞれの他端は、同一の電源16に接続されている。メイン1次コイル10は、電源16から電流を流した時に、2次コイル15と逆極性となるように巻回されており、サブ1次コイル12は、電源16から電流を流した時に、2次コイル15と同極性となるように巻回されている。換言すると、メイン1次コイル10とサブ1次コイル12は、電源16から見ると逆極性となるように巻回されている。従って、メイン1次コイルは、通電により正方向の通電磁束を発生し、電流を遮断することにより逆方向の遮断磁束を発生する。また、サブ1次コイルは、通電により上記遮断磁束と同方向の磁束を発生する。
The other ends of the main
メインIC11のコレクタは、メイン1次コイル10に接続され、エミッタはGND17に接続されている。サブIC13のコレクタは、サブ1次コイル12に接続され、エミッタは電流検知抵抗18を介してGND17に接続されている。電流検知抵抗18の電圧はサブIC13のゲート電圧を制御するゲート制御回路19へ入力されるように構成されており、電流検知抵抗18の電圧が一定、即ち、サブ1次コイル12を流れる電流が一定となるように、サブIC13のゲートが制御されている。
The collector of the
次に、実施の形態1に係る点火装置の動作について、図2及び図3を用いて説明する。
図2及び図3の波形はそれぞれ図面の上段から、メインIC11の駆動信号、メイン1次コイル10に流れる電流(以下、メイン1次電流という。)、サブIC13の駆動信号、サブ1次コイル12に流れる電流(以下、サブ1次電流という。)、サブIC13のコレクタ電圧、及びメイン1次コイル10による2次電流とサブ1次コイル12による重畳電流とを加算した2次電流を示している。
Next, the operation of the ignition device according to
The waveforms in FIGS. 2 and 3 are respectively from the top of the drawing, the drive signal of the
図2は通常時の動作波形を示しており、メインIC11への駆動信号のオン/オフに従ってメイン1次コイル10は通電、遮断される。メイン1次電流の遮断により、相互誘導作用で2次コイル15に負側の大きな電圧が発生する(図2には示されていない)。この電圧により、点火プラグ14のギャップ間で放電が発生し、2次コイル15に負の電流が流れる。ここで、2次電流は矢印A方向が正方向である。
FIG. 2 shows a normal operation waveform. The main
次に、サブIC13をオンすることにより、サブ1次コイル12に直ちに電流が流れ(電流立ち上がりが速い状態)、その後緩やかに増加する。これに伴い、サブ1次コイル12と2次コイル15の巻数比に応じた電流が2次電流に重畳される。その後、サブIC13をオフすることによりサブ1次電流が遮断され、2次電流への重畳電流も零となる。
Next, when the
以降、具体値を示して本実施の形態についての説明を行う。本実施の形態では、サブIC13の通電開始時に2次コイル15の抵抗で生じる電圧降下を1kV程度となるように設計している。このため2次コイル15の誘導電圧は上記電圧降下1kVと点火プラグ電圧1kVの和である2kVとなる。
また、サブ1次コイル12と2次コイル15の巻数比を200と設定しており、サブ1次コイル12に生じる誘導電圧は10V程度となる。更に、サブIC13のコレクタ・エミッタ間電圧が2V程度、サブ1次コイル12の抵抗を0.2Ω程度とすることで、サブ1次電流は、サブIC13をオンした後に10A程度まで流れ、その後緩やかに増加していく。サブ1次電流に対応し、2次電流には50mA程度の重畳電流が流れる。
Hereinafter, the present embodiment will be described with specific values. In the present embodiment, the voltage drop caused by the resistance of the
Further, the turn ratio of the sub
一方、図3は電源電圧増加時の動作波形を示しており、サブ1次電流に制限を設けない場合は、サブIC13をオンした後に、図3の破線で示すように18A程度までサブ1次電流が流れ、それにより、2次電流には図3の破線で示すように90mA程度の重畳電流が流れることになり、電源電圧の増加によって重畳電流が大きく増加することになる。
On the other hand, FIG. 3 shows an operation waveform when the power supply voltage is increased. When the sub primary current is not limited, after the
このため、図1に示すように、サブIC13のエミッタ側に、例えば10mΩ程度の電流検知抵抗18を挿入すると、電流検知抵抗18の両端の電圧を例えば0.12Vにすることができる。即ち、電流検知抵抗18に流れる電流が12Aになるように、ゲート制御回路19にてサブIC13のゲート電圧を制御している。これにより、サブIC13のコレクタ・エミッタ間電圧が増加され、2次電流への重畳電流は60mAに制限されることになる。なお、電流検知抵抗18の抵抗値は小さく設定されており、サブ1次電流へ与える影響も小さく抑えられている。また、電流検知抵抗18に流れる電流が、10Aから20Aの範囲での設定であれば、重畳電流を確保しつつ、サブ1次コイル12及びサブIC13に流れる電流により、サブ1次コイル12及びサブIC13の発熱を防ぐことができる。従って、電流検知抵抗18を可変抵抗で構成することが好ましい。
For this reason, as shown in FIG. 1, when a
以上のように、実施の形態1に係る点火装置は、サブIC13のコレクタ・エミッタ間電圧を増加させることにより、電源電圧変更時の重畳電流増加量を抑制することができ、2次電流の最大値を制限することができる。これにより、2次コイル15の発熱過多を防ぐことができ、過度な点火プラグ14の摩耗を防ぐことができる。
As described above, the ignition device according to
また、図2に示す通常使用条件では電流を抑制していないので、通常状態においても、重畳電流量を大きく確保することができている。また、使用する電流の上限を12Aと設定しているため、メインIC11と同様の電流能力を有する他のスイッチング素子を使用することも可能になる。更に、2次電流の重畳電流、更にはサブ1次コイル12に流れる電流を低減できるため、2次コイル15及びサブ1次コイル12の発熱も抑制することができる。
Further, since the current is not suppressed under the normal use condition shown in FIG. 2, a large amount of superimposed current can be secured even in the normal state. Further, since the upper limit of the current to be used is set to 12 A, it is possible to use another switching element having the same current capability as that of the
また、電源16の電圧あるいは点火プラグ14への印加電圧が変動しない通常状態では、サブ1次コイル12に流れる電流を非制限状態に設定することにより、サブ1次電流が制限されることが無いため、通常状態での出力性能が制限されることがなくなる。
In a normal state where the voltage of the
なお、上記の数値は一例であり、別の値に制限してもよく、メイン1次コイル10と2次コイル15の極性を逆極性としているが同極性としてもよい。また、メイン1次コイル10と、サブ1次コイル12を同一の電源に接続しているが、別電源(例えば12V系と24V系あるいは36V系など)に接続してもよい。更には、ゲート制御回路19に内燃機関情報(例えば、空燃比あるいはEGR(Exhaust Gas Recirculation)量など)を入力することにより、内燃機関の運転条件に応じた制限値とすることも可能となる。
In addition, said numerical value is an example, You may restrict | limit to another value and although the polarity of the main
実施の形態2.
図4は、実施の形態2に係る点火装置を示す回路図である。基本的な回路構成、及び動作原理、動作波形については実施の形態1と同様であるため、重複説明は省略する。
図4に示すように、実施の形態2に係る点火装置は、サブ1次コイル12とサブIC13との間にサブ1次電流を制限する電流制限抵抗20を接続している。実施の形態2は、実施の形態1における電流検知抵抗18、及びゲート制御回路19は設けられていない。なお、その他の構成は実施の形態1と同様である。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is a circuit diagram showing an ignition device according to the second embodiment. Since the basic circuit configuration, operation principle, and operation waveform are the same as those in the first embodiment, a duplicate description is omitted.
As shown in FIG. 4, in the ignition device according to the second embodiment, a current limiting
実施の形態2に係る点火装置は上記のように構成されており、以下に具体値を示して本実施の形態についての説明を行う。
実施の形態2ではサブIC13の通電開始時に、2次コイル15の抵抗で生じる電圧降下を0.5kV程度となるように設計しており、接続される点火プラグ14としては抵抗内蔵プラグを想定し、ギャップ間電圧を1kV、内蔵抵抗による電圧降下を0.5kV程度と想定している。このため2次コイル15の誘導電圧は上記電圧降下1kVと点火プラグ電圧1kVの和である2kVとなる。
また、サブ1次コイル12と2次コイル15の巻数比を200と設定しており、サブ1次コイル12に生じる誘導電圧は10V程度となる。また、サブIC13のコレクタ・エミッタ間電圧が2V程度となるよう設定し、サブ1次コイル12の抵抗を0.2Ω程度としている。
The ignition device according to the second embodiment is configured as described above, and the present embodiment will be described below with specific values.
In the second embodiment, when the energization of the
Further, the turn ratio of the sub
電流制限抵抗20が無い場合には、実施の形態1と同様にサブ1次電流は10A程度となり、アシスト電流は50mA程度となるが、本実施の形態においては、サブ1次電流が流れる経路に電流制限抵抗20が挿入されており、その抵抗値を0.3Ωとしているため、サブ1次コイル12に流れる電流が低下し、4A程度となる。これに伴い、2次重畳電流は20mAとなる。
When the current limiting
電流制限抵抗20の挿入により、アシスト電流が低下するため、例えば重畳元のメイン1次コイル10により発生する2次電流を増加させておくことで、重畳後の電流値を同等とする必要がある。
上記に対して、例えば使用する点火プラグ14が変更され、無抵抗の点火プラグ(内蔵抵抗が0kΩ)となった場合、内蔵抵抗による電圧降下が無くなるため、2次コイル15に発生する誘導電圧が低下し、それに伴い、メイン1次コイル10あるいはサブ1次コイル12に発生する誘導電圧も低下する。これにより、サブ1次コイル12に印加される電圧が増加し、サブ1次電流が増加することになる。
Since the assist current decreases due to the insertion of the current limiting
On the other hand, for example, when the
電流制限抵抗20が無い場合、点火プラグ14の内蔵抵抗が無くなることで、サブ1次コイル12に流れる電流は16A程度に(6A増加)増加し、それに伴いアシスト電流は80mA程度となり、点火プラグ14に抵抗がある場合と比較して2次電流及び重畳電流の合計は30mA増加することになる。一方、電流制限抵抗20を挿入した本実施の形態の場合は、点火プラグ14の内蔵抵抗が無くなることで、サブ1次電流は7A程度に(3A増加)増加し、それに伴いアシスト電流は40mA程度となる。このため、点火プラグ14に抵抗がある時と比較して2次電流及び重畳電流は15mA程度の増加となる。
Without the current limiting
以上のように、サブ1次電流の経路に電流制限抵抗20を挿入することで、サブ1次電流の増加量を抑制することが可能となり、重畳電流及び2次電流の増加量を低減することができる。また、電流制限抵抗20により、サブ1次コイル12及びサブIC13のコレクタ・エミッタ間電圧を増加させることなく、サブ1次電流を抑制できることから、サブ1次コイル12及びサブIC13の発熱も抑制することができ、例えば熱容量の小さいICをサブICとして用いることも可能となる。
As described above, by inserting the current limiting
実施の形態2では、電流制限抵抗20の挿入時の重畳電流低下を補うために、メイン1次コイル10による2次電流を増加させることにしたが、例えば2次コイル15の抵抗値を低下させたり、巻数比を増加させたりするなどにより、電流制限抵抗20の非挿入時と同様の重畳電流を確保可能となるようにしてもよい。
In the second embodiment, the secondary current by the main
また、電流制限抵抗20をサブ1次コイル12とサブIC13との間に挿入したが、例えばサブIC13とGND17の間など、サブ1次電流のみが流れる経路であれば問題ない。更に、電流制限抵抗20を可変抵抗としてもよく、例えばこの時、想定する通常状態では電流制限抵抗20を零Ωとし、点火プラグ14のギャップ間の電圧変動時(減少時)に抵抗を増加させるように制御してもよい。また、実施の形態1と同様に、電源16の電圧あるいは点火プラグ14への印加電圧が変動しない通常状態では、サブ1次コイル12に流れる電流を非制限状態に設定すれば、サブ1次電流が制限されることが無いため、通常状態での出力性能が制限されることがなくなる。
Further, although the current limiting
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
This application describes various exemplary embodiments and examples, but the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments can be adapted to the application of a particular embodiment. The present invention is not limited and can be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Accordingly, innumerable modifications not illustrated are envisaged within the scope of the technology disclosed in the present application. For example, the case where at least one component is deformed, the case where the component is added or omitted, the case where the at least one component is extracted and combined with the component of another embodiment are included.
10 メイン1次コイル、11 メインスイッチング素子(メインIC)、12 サブ1次コイル、13 サブスイッチング素子(サブIC)、14 点火プラグ、15 2次コイル、16 電源、17 GND、18 電流検知抵抗、19 ゲート制御回路、20 電流制限抵抗。 10 main primary coil, 11 main switching element (main IC), 12 sub primary coil, 13 sub switching element (sub IC), 14 spark plug, 15 secondary coil, 16 power supply, 17 GND, 18 current detection resistor, 19 Gate control circuit, 20 Current limiting resistor.
Claims (4)
上記メインスイッチング素子を遮断したタイミングで上記2次コイルに発生する電圧により2次電流を発生させ、その後に上記サブスイッチング素子への通電により上記サブ1次コイルに通電し、上記2次コイルに重畳電流を発生させると共に、
上記サブスイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧を増加させることにより、上記サブ1次コイルに流れる電流を制限することを特徴とする点火装置。 A main primary coil that generates an energizing magnetic flux in the forward direction by energizing from the power source and generates a reverse interrupting magnetic flux by interrupting the current is connected to the main primary coil, and is connected to the main primary coil. A main switching element that switches between energization and interruption; a sub primary coil that generates a magnetic flux in the same direction as the interruption magnetic flux by energization from a power source; and an energization to the sub primary coil connected to the sub primary coil. A sub-switching element that switches off, and a secondary coil that is connected to a spark plug at one end and is magnetically coupled to the main primary coil and the sub-primary coil to generate discharge energy;
A secondary current is generated by the voltage generated in the secondary coil at the timing when the main switching element is shut off, and then the sub primary coil is energized by energizing the sub switching element and superimposed on the secondary coil. While generating current,
An ignition device characterized in that a current flowing through the sub primary coil is limited by increasing a collector-emitter voltage of the sub switching element.
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