JP2020204284A - 内燃機関用点火システム - Google Patents

Abstract

【課題】イグナイタが行ったセルフシャットオフの動作情報を点火制御装置で管理できる内燃機関用点火システムを提供する。【解決手段】内燃機関用点火システム１は、ＥＣＵ３０からの点火信号Ｓｉによって動作するイグナイタ２０が、点火コイル１０の一次コイル１１への通電・遮断を制御する。イグナイタ２０に設けたセルフシャットオフ回路２４は、点火信号Ｓｉの入力時間が異常判定時間Ｔｄに達するとＩＧＢＴ２１を動作停止させ、セルフシャットオフ動作報知回路２５が点火信号Ｓｉの入力インピーダンスを変動させてＥＣＵ３０へ報らせる。【選択図】図１

Description

本発明は、点火制御装置が供給する点火信号によってイグナイタの動作を制御し、点火コイルの二次側に放電エネルギを与え、内燃機関の点火プラグに火花放電を生じさせる内燃機関用点火システムに関する。

内燃機関用点火システムは、一次コイルへの通電・遮断制御によって二次コイルに高電圧を発生させる点火コイルと、一次コイルへの通電・遮断を制御するイグナイタと、イグナイタへ点火サイクルの適宜なタイミングで点火信号を供給する点火制御装置と、を含む。すなわち、内燃機関の点火サイクルを統括的に管理する点火制御装置（例えば、ＥＣＵ）から点火信号をイグナイタへ供給すると、所要のタイミングで一次コイルへの通電および遮断が制御され、二次コイルに高電圧が発生する。二次コイルに発生した高電圧により、点火プラグの放電ギャップ間に火花放電を生じさせ、気筒内の燃焼ガスに着火し、気筒内のシリンダを動かす力を得るのである。

イグナイタは、一次コイルへの通電路を開閉する半導体スイッチ（パワートランジスタやＩＧＢＴ等）と、この半導体スイッチの開閉を制御することで、一次コイルへの通電・遮断を制御する制御回路を備える。半導体スイッチは、その性質上、昇温によって動作が不安定になってしまうので、半導体スイッチが異常状態になってしまった場合、自ら動作停止する自己保護機能（セルフシャットオフ機能）をイグナイタに設けた発明が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。点火信号の異常通電時間検知時やイグナイタの異常発熱検知時にセルフシャットオフ機能が動作することで、イグナイタの動作が強制ＯＦＦとなり、イグナイタの異常発熱による溶損、発煙、発火を防げる。

また、特許文献１には、イグナイタの動作制御を行うＥＣＵに保護機能を設けた発明も開示されている。具体的には、イグナイタから故障検知用信号をＥＣＵへ送信し、ＥＣＵが故障検知用信号から異常の有無を判定し、異常がある場合には、点火信号の出力を行わないことでイグナイタの動作を停止させるのである。このような保護機能をＥＣＵに設ければ、イグナイタだけでなく、気筒への燃料供給制御など、内燃機関の点火機構全体での保護動作を行えるという利点がある。

特開２０１２−２３３４８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている発明のように、異常を検知する毎にセルフシャットオフ機能を働かせるだけでは、異常状態が定常的に繰り返し発生するような状況に対応できない。例えば、異常状態が頻繁に生ずると、セルフシャットオフ機能によるイグナイタの強制停止が頻繁に続くこととなり、イグナイタが故障に至ってしまう危険性がある。イグナイタが故障した場合、その故障原因を調査するために、異常状態の発生有無は確認できるが、セルフシャットオフ機能の動作履歴を確認することができないため、原因の特定が困難な場合がある。

なお、特許文献１に記載されている発明のように、ＥＣＵがイグナイタから故障検知用の信号を受け取ってイグナイタ動作を制御する場合には、ＥＣＵにて異常発生の履歴を残すことが可能である。しかしながら、イグナイタからＥＣＵへの故障検知用信号線が別途必要になるので、コネクタ接続用のピン数を増やさなければならないし、既存のコネクタ付きハーネスを使ってイグナイタとＥＣＵを接続できないので、相当のコストアップが懸念される。また、イグナイタに設けたセルフシャットオフ機能で動作停止する場合、自己保護機能として迅速に働くと考えられるが、ＥＣＵからの指示でイグナイタの動作抑止を行う場合、若干のラグが生じてしまうことで、故障を回避できないケースも起こり得る。そういった意味では、イグナイタにセルフシャットオフ機能を設けておいた方が、保護機能としての信頼性を高められる可能性がある。

そこで、本発明は、イグナイタが行ったセルフシャットオフの動作情報を点火制御装置で管理できる内燃機関用点火システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するための内燃機関用点火システムは、一次コイルへの通電・遮断制御によって二次コイルに高電圧を発生させる点火コイルと、該点火コイルにおける前記一次コイルへの通電・遮断を制御するイグナイタと、該イグナイタへ点火サイクルの適宜なタイミングで点火信号を供給する点火制御装置と、を含む内燃機関用点火システムにおいて、前記イグナイタは、前記点火コイルの通電路に設けられる常開のスイッチであり、前記点火信号が入力されることで前記通電路を閉じるように動作するスイッチ手段と、前記スイッチ手段が正常動作していない可能性のある異常状態か否かを判定し、異常状態と判定することに基づいて、前記スイッチ手段を強制的に動作停止させるセルフシャットオフ手段と、前記セルフシャットオフ手段が前記スイッチ手段の異常状態を判定することに基づいて動作したことを、前記点火制御装置へ報らせるセルフシャットオフ動作報知手段と、を備えることを特徴とする。

また、上記構成において、前記セルフシャットオフ手段は、前記スイッチ手段の閉時間が予め定めた異常判定時間に達することを異常状態と判定するようにしても良い。

また、上記構成において、前記セルフシャットオフ手段は、前記スイッチ手段が正常動作していない蓋然性の高い異常判定温度に達することを異常状態と判定するようにしても良い。

また、上記構成において、前記セルフシャットオフ動作報知手段は、前記セルフシャットオフ手段が動作した点火サイクル以降も前記セルフシャットオフ手段の動作情報を記憶し、次の点火サイクルにおける前記点火信号が入力されるとき、前回の点火サイクルにおける前記セルフシャットオフ手段の動作情報を前記点火制御装置へ報知し、報知済みとなった前記セルフシャットオフ手段の動作情報を消去するようにしても良い。

また、上記構成において、前記セルフシャットオフ動作報知手段は、前記点火信号が入力される前記イグナイタの入力インピーダンスを変動させて、前記点火信号の電圧を前記スイッチ手段の動作に影響しないセルフシャットオフ動作報知電圧まで低下させ、前記点火制御装置には、出力した前記点火信号の電圧が前記セルフシャットオフ動作報知電圧に低下したことを、前記イグナイタによるセルフシャットオフ動作の報知として検出するセルフシャットオフ動作報知検出手段と、前記セルフシャットオフ動作報知検出手段がセルフシャットオフ動作の報知を検出したとき、前回の点火サイクルにおいて前記イグナイタのセルフシャットオフ手段が動作したものとして履歴を残すセルフシャットオフ動作履歴保存手段と、を設けても良い。

本発明に係る内燃機関用点火システムによれば、セルフシャットオフ手段が動作したことを、セルフシャットオフ動作報知手段によって点火制御装置へ報らせるので、点火制御装置がセルフシャットオフ動作履歴を管理できる。よって、点火コイル故障等の製品不具合発生時には、セルフシャットオフ手段の動作履歴から車両での異常発生履歴を確認できるので、対策を行う上で有効な情報として活用できる。

内燃機関用点火システムの本実施形態を示す概略回路図である。 内燃機関用点火システムにおける要部の信号波形を示す波形図である。

次に、本発明に係る内燃機関用点火システム１の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。

内燃機関用点火システム１は、主として、点火コイル１０と、イグナイタ２０と、点火制御装置としてのＥＣＵ３０と、車載バッテリ等の直流電源４０と、内燃機関の各気筒に設ける点火プラグ５０を含む。点火コイル１０は、一次コイル１１への通電・遮断制御によって二次コイル１２に高電圧を発生させ、二次コイル１２に接続された点火プラグ５０の放電ギャップ間に火花放電を生じさせる。イグナイタ２０は、点火コイル１０における一次コイル１１への通電・遮断を制御するもので、複数の架橋チップ部品や半導体部品を全てリードフレーム上に直接実装して樹脂モールドしたワンチップ構造とすることができる。ＥＣＵ（Engine Control Unit ）は、車両の内燃機関の動作を統括的にコントロールする装置であり、点火サイクル中の適宜なタイミングで点火信号Ｓｉをイグナイタ２０へ出力する。

イグナイタ２０は、一次コイル１１と接地点ＧＮＤとの間の通電路適所に設けられる常開のスイッチ手段として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）２１を備える。ＩＧＢＴ２１は、コレクタを一次コイル１１側に接続し、エミッタを接地点ＧＮＤ側に接続し、点火信号Ｓｉから生成された駆動信号がゲートに入力される。すなわち、ゲート入力がオフのときは、ＩＧＢＴ２１がオフとなって一次コイル１１に電流は流れないが、点火信号Ｓｉの入力によりＩＧＢＴ２１がオンになると一次コイル１１に一次電流Ｉ１が流れるようになる。

なお、イグナイタ２０に入力される点火信号Ｓｉの入力ラインは、給電線Ｌ１と、高抵抗２２を設けた接地接続線Ｌ２に分岐させ、給電線Ｌ１と接地接続線Ｌ２から動作用電源を得ることができるようにした。無論、点火信号Ｓｉを動作用電源として用いず、直流電源４０から給電を受けるようにしても良い。また、給電線Ｌ１はＩＧＢＴ２１のゲートに接続され、給電線Ｌ１や接地接続線Ｌ２に含まれる抵抗成分等によって適宜低減された点火信号Ｓｉの電圧がゲート入力となる。かかる構成のイグナイタ２０においては、点火信号Ｓｉが入力されていても、給電線Ｌ１の電位を低下させて、ＩＧＢＴ２１へのゲート入力電荷量を絞ることにより、ＩＧＢＴ２１をオフにし、一次コイル１１への通電を遮断することができる。このようにして、ＩＧＢＴ２１を強制オフすれば、セルフシャットオフ動作が可能となる。

イグナイタ２０には、そのほか、電流制限回路２３、セルフシャットオフ回路２４、セルフシャットオフ動作報知回路２５を設けてある。また、点火信号Ｓｉに混入したサージ・ノイズ等の過電圧から回路を保護するツェナーダイオードＺＤを設ける。なお、イグナイタ２０は、点火コイル１０と共に収納ケースに封入されることから、耐熱性・耐ノイズ性の高いディスクリート部品で構成することが望ましい。

電流制限回路２３は、一次電流Ｉ１が規定値以上流れないように、ＩＧＢＴ２１のゲート入力を制御して、エミッタ−コレクタ電流を制御する回路である。この電流制限回路２３は、ＩＧＢＴ２１よりも接地側の給電路に設けたシャント抵抗２６を用いて一次電流Ｉ１を検出する。

セルフシャットオフ回路２４は、ＩＧＢＴ２１が正常動作していない可能性のある異常状態か否かを判定し、異常状態と判定することに基づいて、ＩＧＢＴ２１を強制的に動作停止させるセルフシャットオフ手段として機能する。セルフシャットオフ回路２４が異常状態と判定する条件として、例えば、点火信号Ｓｉの入力時間を用いる。かくする場合、セルフシャットオフ回路２４は、点火信号Ｓｉの入力を受けて動作するので、点火信号Ｓｉの入力による動作開始から経過時間を計るタイマ機能をセルフシャットオフ回路２４に設けておけば、点火サイクル毎に点火信号Ｓｉの入力時間を計時できる。

図２の波形図に示すように、セルフシャットオフ回路２４は、点火信号Ｓｉが入力（信号レベルがＬからＨ１へ変換）したタイミングで、点火信号Ｓｉの入力時間計時を開始する。点火信号Ｓｉのオン時間が正常通電時間Ｔｎ程度であれば、ＩＧＢＴ２１が異常発熱する危険性は無視できるので、セルフシャットオフ回路２４が動作することはない。よって、点火信号Ｓｉが停止（信号レベルがＨ１からＬへ変換）するまでＩＧＢＴ２１は閉状態を保持し、その間、一次電流Ｉ１が流れる。

しかしながら、点火信号Ｓｉのオン時間が正常通電時間Ｔｎを超える異常判定時間Ｔｄに達すると、ＩＧＢＴ２１が異常発熱している可能性が高く、イグナイタ２０が故障する危険性がある。そこで、点火信号Ｓｉのオン状態が正常通電時間Ｔｎを越えて継続し、ＩＧＢＴ２１のオン時間が異常判定時間Ｔｄに達したことをセルフシャットオフ回路２４が検出すると、ＩＧＢＴ２１の動作を規制する（例えば、ゲートへの入力電圧を動作停止レベルまで低下させる）。これにより、点火信号Ｓｉがオン状態のままでも、一次コイル１１への通電は強制的に遮断されて一次電流Ｉ１が流れなくなり、更なる昇温が抑制されることで、イグナイタ２０の故障を回避できる。なお、点火信号Ｓｉがオフになると、セルフシャットオフ回路２４は電源断で動作停止するので、セルフシャットオフ機能はリセットされ、次の点火信号Ｓｉ入力時には、改めて異常状態の判定を開始する。

セルフシャットオフ回路２４が異常状態を判定する条件は、ＩＧＢＴ２１のオン時間（実質的に、点火信号Ｓｉのオン時間）が異常判定時間Ｔｄに達することに限らず、その他の条件であっても構わない。例えば、ＩＧＢＴ２１の過熱状況を知るために、ＮＴＣサーミスタやサーマルダイオード等の感熱素子２７（図１中、破線で示す）を設けておく。そして、ＩＧＢＴ２１が正常動作していない蓋然性の高い異常判定温度を予めセルフシャットオフ回路２４に設定しておき、感熱素子２７の検出温度が異常判定温度に達することを異常状態と判定して、ＩＧＢＴ２１の動作規制を行うようにしても良い。

セルフシャットオフ動作報知回路２５は、セルフシャットオフ回路２４がＩＧＢＴ２１の異常状態を判定することに基づいて動作したことをＥＣＵ３０へ報らせるセルフシャットオフ動作報知手段として機能する。例えば、セルフシャットオフ回路２４がセルフシャットオフ動作を行うとき、セルフシャットオフ動作実行信号がセルフシャットオフ動作報知回路２５へ入力され、セルフシャットオフ動作が行われたことをセルフシャットオフ動作報知回路２５が記憶する。この記憶に基づいて、セルフシャットオフ動作報知回路２５からＥＣＵ３０へセルフシャットオフ動作が実行されたことを報知する。

セルフシャットオフ動作実行の報知は、専用の信号線をイグナイタ２０とＥＣＵ３０の間に設けておき、この専用信号線によりセルフシャットオフ回路２４の動作情報をＥＣＵ３０へ送信することも可能である。しかし、そのような専用の信号線を設けることは、コストアップに繋がる。そこで、セルフシャットオフ動作報知回路２５には、点火信号Ｓｉが入力される点火信号入力端子２８の入力インピーダンスを変動させて、点火信号Ｓｉの電圧を低下させる機能を持たせておく。すなわち、セルフシャットオフ動作実行を報知するとき、セルフシャットオフ動作報知回路２５は、点火信号Ｓｉのオン電圧を正規電圧（図２の点火信号波形における信号レベルＨ１）からシャットオフ動作報知電圧（図２の点火信号波形における信号レベルＨ２）まで低下させる。ただし、セルフシャットオフ動作報知電圧は、ＩＧＢＴ２１の動作に不具合が生じない程度の電圧値に設定しておく。

一方、点火制御装置としてのＥＣＵ３０は、セルフシャットオフ動作報知検出手段３１を備え、出力した点火信号Ｓｉの電圧がセルフシャットオフ動作報知電圧に低下したことを、イグナイタ２０によるセルフシャットオフ動作の報知として検出できる。また、セルフシャットオフ動作報知検出手段３１がセルフシャットオフ動作の報知を検出した履歴を残すセルフシャットオフ動作履歴保存手段３２をＥＣＵ３０に設けておけば、故障等の製品不具合発生時には、セルフシャットオフ動作の履歴をＥＣＵ３０で確認できる。セルフシャットオフ動作の履歴は、車両での異常発生履歴として使えるので、不具合対策を行う上で有効な情報として活用できる。

上述したように、セルフシャットオフ動作報知検出手段３１が点火信号Ｓｉを使ってセルフシャットオフ動作の実行情報をＥＣＵ３０へ報知できるようにすれば、セルフシャットオフ回路２４の動作情報をＥＣＵ３０へ送信する専用信号線を設ける必要が無い。しかし、セルフシャットオフ回路２４がセルフシャットオフ動作を行った直後に点火信号Ｓｉがオフになった場合、セルフシャットオフ回路２４の動作情報をＥＣＵ３０へ的確に報知できない可能性がある。本実施形態では、セルフシャットオフ動作報知回路２５も、点火信号Ｓｉを受けて動作するので、点火信号Ｓｉがオフになると動作停止してしまうからである。

そこで、本実施形態では、確実にセルフシャットオフ回路２４の動作情報をＥＣＵ３０へ報知するため、セルフシャットオフ回路２４が動作した点火サイクルではなく、次の点火サイクルで点火信号Ｓｉがオンになったときに報知するものとした。かくすれば、点火信号Ｓｉがオンになった直後から、セルフシャットオフ動作報知回路２５が入力インピーダンスを変動させることができるので、少なくとも、正常通電時間Ｔｎの間は点火信号Ｓｉがセルフシャットオフ動作報知電圧に保持される。よって、ＥＣＵ３０のセルフシャットオフ動作報知検出手段３１は、出力した点火信号Ｓｉの電圧がセルフシャットオフ動作報知電圧に低下したこと（イグナイタ２０によるセルフシャットオフ動作の報知）を確実に検出できる。

しかしながら、本実施形態では、セルフシャットオフ動作報知回路２５も、点火信号Ｓｉを受けて動作するので、点火信号Ｓｉがオフになると動作停止してしまう。そこで、セルフシャットオフ動作報知回路２５には、電源断によっても記憶が失われない不揮発性記憶手段によってセルフシャットオフ動作が実行されたことを、少なくとも次回の点火信号Ｓｉ入力時まで記憶させておく。不揮発性記憶手段としては、コンデンサの電荷蓄積状態やフリップフロップ回路などを用いることができ、その記憶状態から、次回の点火信号Ｓｉ入力時の動作モード（通常モードあるいは動作情報報知モード）を決定すれば良い。

なお、点火信号Ｓｉ入力時に、セルフシャットオフ動作報知回路２５が動作情報報知モードで立ち上がった場合、記憶状態をクリアして次回の動作モードを通常モードに戻しておく。かくすれば、運悪く今回の点火信号Ｓｉも異常判定時間Ｔｄを越えてセルフシャットオフ回路２４が動作したとき、改めて動作情報報知モードがセットされ、次回の点火信号Ｓｉ入力時における動作モードが確実に記憶される。このように、イグナイタ２０のセルフシャットオフ動作報知回路２５は、確実に次回の点火信号Ｓｉ入力時にセルフシャットオフ回路２４の動作情報をＥＣＵ３０へ報知できるので、セルフシャットオフ動作履歴保存手段３２が管理する履歴情報の信頼性を高められる。

以上、本発明に係る内燃機関用点火システムの実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１ 内燃機関用点火システム
１０ 点火コイル
１１ 一次コイル
１２ 二次コイル
２０ イグナイタ
２１ ＩＧＢＴ
２４ セルフシャットオフ回路
２５ セルフシャットオフ動作報知回路
３０ ＥＣＵ
３１ セルフシャットオフ動作報知検出手段
３２ セルフシャットオフ動作履歴保存手段
４０ 直流電源
５０ 点火プラグ

Claims (5)

1. 一次コイルへの通電・遮断制御によって二次コイルに高電圧を発生させる点火コイルと、該点火コイルにおける前記一次コイルへの通電・遮断を制御するイグナイタと、該イグナイタへ点火サイクルの適宜なタイミングで点火信号を供給する点火制御装置と、を含む内燃機関用点火システムにおいて、
   前記イグナイタは、
   前記点火コイルの通電路に設けられる常開のスイッチであり、前記点火信号が入力されることで前記通電路を閉じるように動作するスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段が正常動作していない可能性のある異常状態か否かを判定し、異常状態と判定することに基づいて、前記スイッチ手段を強制的に動作停止させるセルフシャットオフ手段と、
   前記セルフシャットオフ手段が前記スイッチ手段の異常状態を判定することに基づいて動作したことを、前記点火制御装置へ報らせるセルフシャットオフ動作報知手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関用点火システム。
2. 前記セルフシャットオフ手段は、前記スイッチ手段の閉時間が予め定めた異常判定時間に達することを異常状態と判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火システム。
3. 前記セルフシャットオフ手段は、前記スイッチ手段が正常動作していない蓋然性の高い異常判定温度に達することを異常状態と判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火システム。
4. 前記セルフシャットオフ動作報知手段は、前記セルフシャットオフ手段が動作した点火サイクル以降も前記セルフシャットオフ手段の動作情報を記憶し、次の点火サイクルにおける前記点火信号が入力されるとき、前回の点火サイクルにおける前記セルフシャットオフ手段の動作情報を前記点火制御装置へ報知し、報知済みとなった前記セルフシャットオフ手段の動作情報を消去するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内燃機関用点火システム。
5. 前記セルフシャットオフ動作報知手段は、前記点火信号が入力される前記イグナイタの入力インピーダンスを変動させて、前記点火信号の電圧を前記スイッチ手段の動作に影響しないセルフシャットオフ動作報知電圧まで低下させ、
   前記点火制御装置には、
   出力した前記点火信号の電圧が前記セルフシャットオフ動作報知電圧に低下したことを、前記イグナイタによるセルフシャットオフ動作の報知として検出するセルフシャットオフ動作報知検出手段と、
   前記セルフシャットオフ動作報知検出手段がセルフシャットオフ動作の報知を検出したとき、前回の点火サイクルにおいて前記イグナイタのセルフシャットオフ手段が動作したものとして履歴を残すセルフシャットオフ動作履歴保存手段と、
   を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の内燃機関用点火システム。

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