JP4012615B2 - 内燃機関用点火装置および内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火プラグに火花放電をさせるための内燃機関用点火装置およびこれを用いた内燃機関に関し、特に、コンデンサにエネルギーを蓄積し、これを昇圧して放電させる容量放電方式の内燃機関用点火装置およびこれを用いた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コイルを用いた誘導放電式による内燃機関用点火装置が知られており、点火時期制御のため、内燃機関制御ユニット（ＥＣＵ）でゲート（点火）信号を発生させ、このゲート信号の立ち下がりを利用して点火時期を制御している。 一方、コンデンサを用いた容量放電方式による内燃機関用点火装置も知られている。例えば、図５に回路図を示す点火装置１００では、直流電源Ｄの電圧（１２Ｖ）を、ＤＣ−ＤＣコンバータＣｎｖを用いて３００〜４００Ｖに昇圧してコンデンサ１０１に充電しておく。適当なタイミングで、ＥＣＵ１２０からの点火信号がトリガ回路Ｔｇに入力されると、サイリスタ（ＳＣＲ）１０５が点弧して、コンデンサ１０１と点火トランス１０３の１次コイル１０３ａとで閉回路が構成される。これにより、１次コイル１０３ａの両端に瞬間的にかかった電圧を、２次コイル（イグニッションコイル）１０３ｂによって３０〜４０ｋＶに昇圧し、点火プラグＰを通じて火花放電させて内燃機関に点火する。
なお、コンデンサを用いた容量放電式での放電では、誘導放電式に比較して、短時間に一気に放電電圧を立ち上げられるので、点火プラグにおいて、高電圧の強い火花を発生させることができ、くすぶりやすい条件において、点火プラグの汚損に強く、確実に着火させることができる。
【０００３】
その他、特開平３−１５６５９号公報では、例えば、第１実施例（図示しない）において、一旦、エネルギー蓄積コイル３およびコンデンサ１３にエネルギーを蓄積し、その後、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１ａを導通させて、１次コイル１０ａにかかる電圧を２次コイル１０ｂで昇圧し、点火プラグ１５で放電させるものが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示すような方式では、直流電源電圧を昇圧し、数１００Ｖ（例えば、３００〜４００Ｖ）の電圧を発生させるＤＣ−ＤＣコンバータを用いるため、部品点数が増え、コストアップとなる。
また、図５に示す回路や特開平３−１５６５９号公報に記載の回路等では、点火コイルの１次コイルは、コンデンサの充電のためのエネルギー蓄積には使用されず、放電時の昇圧用にのみ使用されていた。
【０００５】
また、この特開平３−１５６５９号公報に記載の回路においては、多重放電をさせるのに当たり、電子制御ユニット（ＥＣＵ）からの制御信号として２つの信号、即ち、点火信号ＩＧｔおよび放電区間信号ＩＧｗを用いて回路を制御する必要がある。
従って、多重放電をさせるために、点火信号ＩＧｔと放電区間信号ＩＧｗを生成して制御できるようにするには、ＥＣＵ自身の回路およびソフトの変更を要し、ＥＣＵ自身の開発や設計変更が必要となるため、従前のＥＣＵを流用することは困難であった。
【０００６】
また、点火装置で発生した高電圧は、内燃機関の気筒内にその先端が露出するように取り付けられた点火プラグまで導かれるのであるが、高価な高耐電圧の配線を用いる必要があり、感電や漏電の危険性や、また電磁ノイズの発生問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、少ない部品点数でコンデンサに充電でき、また、点火トランスの１次コイルをさらに有効利用できる内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。
また、内燃機関制御ユニットからの１つの点火信号に基づいて、点火プラグの放電を、さらには多重放電をさせうる内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。
さらに、容量放電方式による多重放電が可能な内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。
そのほか、低電圧の配線のみが接続される内燃機関用点火装置およびこれを用いた内燃機関を提供するのが好ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
しかして、請求項１に記載の解決手段は、エネルギー蓄積コイルと、上記エネルギー蓄積コイルに直列接続された１次コイル、および、点火プラグに接続される２次コイルを有する点火トランスと、第１のスイッチング回路と、上記第１のスイッチング回路と並列回路をなすコンデンサと、第２のスイッチング回路と、上記エネルギー蓄積コイルと、上記１次コイルと、上記第１のスイッチング回路とコンデンサとの並列回路と、をこの順に含む直列回路であって、接続される直流電源を介して閉回路を構成する第１直列回路と、上記コンデンサと、上記１次コイルと、上記第２のスイッチング回路と、をこの順に含む直列回路であって、閉回路を構成する第２直列回路と、を備える内燃機関用点火装置である。
【０００９】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置では、点火トランスのうち１次コイルが、第１直列回路および第２直列回路のいずれにも含まれている。
本発明の点火装置では、まず、第１のスイッチング回路を閉にすると、第１直列回路において、直流電源を通じて、エネルギー蓄積コイルと１次コイルとに電流が流れ、このエネルギー蓄積コイルおよび１次コイルにエネルギーが蓄積される。このときコンデンサは、第１のスイッチング回路により両端が短絡された状態となる。
ついで、第１のスイッチング回路を開にすると、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルとコンデンサとは直列共振回路を構成し、共振周波数で振動を始め、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルに蓄積されたエネルギーは、コンデンサに移動して充電され、コンデンサの両端には、電圧が発生する。
その後、コンデンサに十分充電できた時点（コンデンサ電圧が十分高くなった時点）で、第２のスイッチング回路を閉にすると、第２直列回路において、１次コイルを通じてコンデンサに充電された電荷が放電され、このとき、１次コイルにかかる電圧により、２次コイルには、１次コイルと２次コイルとの巻き数比に従った高電圧が発生するため、点火プラグにおいて火花放電をさせることができるようになる。
【００１０】
このように、本発明では、一旦、エネルギー蓄積コイルおよび点火トランスの１次コイルに蓄えたエネルギーをコンデンサに移すので、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の多数の部品を用いないでコンデンサに充電できる。
また、点火トランスの１次コイルを用いて昇圧を行うばかりでなく、エネルギー蓄積コイルと共に、この１次コイルをエネルギー蓄積に用い、コンデンサを充電するために用いている。従って、一次コイルをさらに有効利用することができる。
ここで、第１および第２のスイッチング回路は、回路を開閉できるものであればよく、具体的には、トランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ等のスイッチング素子が挙げられる。また、スイッチング回路中には、逆電圧からこれらの素子を保護するためのダイオード等から構成される保護回路をも含むことができる。
【００１１】
さらに、請求項２に記載の解決手段は、請求項１に記載の内燃機関用点火装置であって、前記エネルギー蓄積コイルが、前記点火トランスと一体に形成され、前記１次コイルの巻き数をＮ１、２次コイルの巻き数をＮ２、エネルギー蓄積コイルの巻き数をＮＥとしたときに、Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１とされていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００１２】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、エネルギー蓄積コイルと点火コイルが一体に形成されているので、部品点数を減らすことができ、安価で、組立容易となる。
また、各コイルの巻き数の関係を、Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１としたのは、以下の理由による。即ち、一般にコイルに蓄積されるエネルギーＥは、コイルのインダクタンスをＬ、コイルを流れる電流をＩとすると、Ｅ＝ＬＩ2 ／２で表される。また、コイルは、その巻き数Ｎが多いほど、インダクタンスＬも大きくなる。したがって、蓄積できるエネルギーも大きくなる。
ところで、１次コイルは、２次コイルに高電圧を発生させるため、両者の巻き数比（例えば、Ｎ１：Ｎ２＝１：１００程度）を保つ必要がある。ここで、１次コイルの巻き数Ｎ１を多くすると、それに伴い、２次コイルの巻き数Ｎ２は非常に大きくすることが必要となるため、２次コイルの製造が困難、高価となる。
そこで、点火トランスの巻き数比に関係しないエネルギー蓄積コイルの巻き数ＮＥを大きくすることで、エネルギー蓄積コイルに多くのエネルギーを蓄積させるとよい。
【００１３】
また、エネルギー蓄積コイルを点火トランスと一体としたので、このエネルギー蓄積コイルがあたかも１次コイルのように働き、エネルギー蓄積コイルと２次コイルの巻き数比ＮＥ：Ｎ２に従って、エネルギー蓄積コイルにかかる電圧により２次コイルに電圧が発生することがある。この場合に、エネルギー蓄積コイルの巻き数ＮＥを、１次コイルの巻き数Ｎ１と同程度とした場合には、第１のスイッチング回路を閉としたときに、エネルギー蓄積コイルに電圧がかかり、２次コイルに高電圧が発生して点火プラグが放電することも考えられる。そこで、エネルギー蓄積コイルと２次コイルとの巻き数比ＮＥ：Ｎ２を小さくするため、エネルギー蓄積コイルの巻き数ＮＥを、１次コイルの巻き数Ｎ１よりも大きくするとよい。
【００１４】
ただし、エネルギー蓄積コイルの巻き数ＮＥを多くしすぎると、第１のスイッチング回路を閉とした後に、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルに流れる電流（１次コイル電流）の立ち上がりが遅くなり、第１のスイッチングを閉としてから第２のスイッチング回路を閉とする時間、即ち、放電させるまでの時間が遅くなるので、あまり巻き数ＮＥを多くすることは好ましくない。
従って、結局Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１とするのが好ましい。
さらに具体的には、Ｎ１：Ｎ２：ＮＥ＝１：１００：１０程度の巻き数比にするのが好ましい。エネルギー蓄積コイルに放電に十分なエネルギーを蓄積でき、エネルギー蓄積コイルに電圧がかかっても、２次コイルにはさほど高電圧が発生せず、しかも、１次コイル電流の立ち上がりも極端に遅くならないからである。
【００１５】
さらに、請求項３に記載の解決手段は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用点火装置であって、内燃機関制御ユニットからの点火信号に基づき、前記第１のスイッチング回路を閉とした後に開とし、ついで、所定時間後に前記第２のスイッチング回路を閉とするタイマー回路を備えることを特徴とする内燃機関用点火回路である。
【００１６】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、タイマー回路を備えたことにより、内燃機関制御ユニットは点火信号を発するだけで足り、制御が容易になる。
また、内燃機関制御ユニット自身を内燃機関用点火装置に適合するように開発や設計変更する必要が無く、点火信号送出のタイミング等を調整するだけで、容易に従前の内燃機関制御ユニットを流用することも可能となる。
【００１７】
さらに、請求項４に記載の解決手段は、請求項３に記載の内燃機関用点火装置であって、前記１次コイルを流れる１次コイル電流を検知する１次コイル電流検知手段を備え、前記タイマー回路は、前記第１のスイッチング回路を閉とした後、検知された上記１次コイル電流が所定値以上となったときに、前記第１のスイッチング回路を開とするように構成されていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００１８】
上記したように、コイルに蓄えられたエネルギーＥは、一般にＥ＝ＬＩ2 ／２で表される。
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、１次コイル電流検知手段を備え、１次コイル電流が所定値以上となったときに、前記第１のスイッチング回路を開とするので、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルに、点火プラグにおける火花放電に必要なエネルギーが蓄えられた時点で、第１のスイッチング回路を開とすることができ、確実に火花放電をさせることができる。
しかも、内燃機関制御ユニットから第１のスイッチング回路を開閉させるための信号を送るようにする必要はなく、１次コイル電流値にしたがって、自律的にタイマー回路が第１のスイッチング回路の開・閉を制御するので、点火信号を発する内燃機関制御ユニットで回路を制御することができる。
なお、１次コイル電流検知手段としては、例えば、第１のスイッチング回路と直列に１次コイル電流検出用抵抗を接続し、この抵抗に発生する逆起電力の値により、電流値を検出するものが挙げられる。
【００１９】
さらに、請求項５に記載の解決手段は、請求項３または請求項４に記載の内燃機関用点火装置であって、前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの所定時間が、概略、前記第１のスイッチング回路を開としてから前記コンデンサの端子間電圧が最大となるまでの時間に設定されていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００２０】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置では、第１のスイッチング回路を開とすると、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルとコンデンサとは、直列共振回路を構成するようになる。しかも、コイルにエネルギーが蓄積された状態から出発するので、インダクタンスと静電容量によって決まる共振周波数に基づいて、まず、コンデンサの端子間電圧が上昇してゆく。ここで、コンデンサの両端の電圧（端子間電圧）が最大となるときに第２のスイッチング回路を閉とすると、最も高い２次電圧を得ることができる。
ところで、この第１のスイッチング回路と閉としてからコンデンサの端子間電圧が最大になるまでの時間は、エネルギー蓄積コイルや１次コイル、コンデンサのインダクタンスや静電容量などの回路条件が決まると、温度特性その他の要因による若干の変動を除けば、常に一定となる。
【００２１】
従って、タイマー回路において、第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの時間を、予め、概略、第１のスイッチング回路を開としてからコンデンサの端子間電圧が最大となるまでの時間に設定しておけば、第２のスイッチング回路を閉とするときには、常に、コンデンサは、十分充電され、高い端子間電圧を有していることになる。従って、常に、２次コイルを通じて、点火プラグにおいて十分なエネルギーを持った火花放電をさせることができる。
【００２２】
なお、具体的には、請求項３または請求項４に記載の内燃機関用点火装置であって、前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの所定時間が、概略、前記エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルと前記コンデンサとの直列共振周期の１／４に設定されていることを特徴とする内燃機関用点火装置とするとよい。
コンデンサの端子間電圧は、直列共振周期のうち、最初の１／４周期の時に最大となるからである。
【００２３】
さらに具体的には、請求項３または請求項４に記載の内燃機関用点火装置であって、前記エネルギー蓄積コイルのインダクタンスをＬＥ、前記第１次コイルのインダクタンスをＬ１、前記コンデンサの静電容量をＣとしたときに、前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの所定時間ｔが、略ｔ＝π√（（ＬＥ＋Ｌ１）・Ｃ）／２に設定されていることを特徴とする内燃機関用点火装置とするとよい。
エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルとコンデンサとの直列共振周期Ｔは、Ｔ＝２π√（（ＬＥ＋Ｌ１）・Ｃ）であるので、所定時間ｔをその１／４Ｔとすると、コンデンサの端子間電圧は、最大となるからである。
【００２４】
さらに、請求項６に記載の解決手段は、請求項３〜請求項５に記載の内燃機関用点火装置であって、前記タイマー回路は、前記第２のスイッチング回路を閉とした後に、第１のスイッチング回路を閉とし、これと同時またはこれよりも遅れて第２のスイッチング回路を開とし、かつ、前記内燃機関制御ユニットからの点火信号が継続している期間中、前記第１及び第２のスイッチング回路の開・閉を繰り返すようにされていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００２５】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、第１及び第２のスイッチング回路の閉・開を繰り返すようにすることで、点火信号が継続している期間中、点火プラグを多重放電させることができ、点火信号がオフとなると放電は終了する。即ち、内燃機関制御ユニットからの点火信号によって、多重放電の継続期間も制御することができる。
さらに、第２のスイッチング回路が閉とされている間は、直流電源を通じてエネルギー蓄積コイルにも電流が流れている。即ち、エネルギー蓄積コイルは、第２のスイッチング回路が閉とされている期間中にもエネルギーを蓄え続けている。従って、第１のスイッチング回路を閉とし、これと同時またはこれよりも遅れて第２のスイッチング回路の開とすると、エネルギー蓄積コイルに蓄えられた上記エネルギーを利用することができるため、その分エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルに早くエネルギーを蓄えることができ、２回目以降の放電について、放電の間隔を短くすることができる。
【００２６】
さらに、請求項７に記載の解決手段は、請求項６に記載の内燃機関用点火装置であって、前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を閉とするタイミングが、前記エネルギー蓄積コイルと１次コイルの接続部に生じる振動電位により、前記エネルギー蓄積コイルの両端間にかかる電圧が略最大となるタイミングに設定されていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００２７】
点火プラグでの火花放電の直後には、プラズマの存在によって比較的低い電圧での放電が生じ、その後、放電で消費されなかったエネルギーにより、コンデンサと１次コイルとの間で、若干の振動電圧が発生する。上記したように、エネルギー蓄積コイルには直流電源を通じて電流が流れ、エネルギーが次第に蓄えられるが、エネルギー蓄積コイルに流れる電流も、この振動電圧の影響を受けて変動する。
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置では、エネルギー蓄積コイルの両端間に略最大の電圧がかかるタイミングで、第１のスイッチング回路を閉とするようにタイマー回路が設定されている。このため、より多くの電流がエネルギー蓄積コイルに流れ、エネルギー蓄積コイルにより多くのエネルギーが蓄積された状態で、再通電を開始すること、即ち、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルへのエネルギー蓄積を開始することができる。従って、再通電開始後、比較的短時間で１次コイル電流が十分大きくなり、十分なエネルギーをエネルギー蓄積コイルおよび１時コイルに蓄積できるので、再放電までの時間を短くすることができる。
【００２８】
エネルギー蓄積コイルの両端間にかかるできるだけ大きな電圧がかかるタイミングとは、例えば、直流電源の負極が接地され、エネルギー蓄積コイルの一端に直流電源の正極が接続されている回路構成を有する点火装置の場合に即していうと、エネルギー蓄積コイルと１次コイルとの接続部の電位が、負の最大値となった状態をさす。さらにいえば、１次コイルとコンデンサと接続部の電位が、負の最大値となった状態をさす。このときには、エネルギー蓄積コイルと１次コイルとの接続部が正または零電位となった場合に比較して、より多くの電流がエネルギー蓄積コイルに流れる。即ち、エネルギー蓄積コイルにより多くのエネルギーが蓄積された状態となる。
【００２９】
さらに、請求項８に記載の解決手段は、請求項１〜請求項７に記載の内燃機関用点火装置であって、少なくとも、前記エネルギー蓄積コイルと、点火トランスと、第１スイッチング回路と、コンデンサと、第２スイッチング回路と、これらを接続する前記第１直列回路および第２直列回路をなす配線とが、前記点火プラグと直接結合可能な、一体のユニット内に収納されていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００３０】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、エネルギー蓄積コイル、点火トランス、第１スイッチング回路、コンデンサ、第２スイッチング回路、さらに、第１直列回路および第２直列回路をなす配線が、一体のユニット内に収納されている。このため、外部からは、電圧の低い配線（例えば、１２Ｖ〜２４Ｖ程度）、即ち、直流電源の配線、および、第１、第２のスイッチング回路の開閉のための信号配線、あるいは、内燃機関制御ユニットから点火信号を伝える信号配線等を接続するだけで駆動でき、ユニット内で高電圧を発生し、直接結合される点火プラグにおいて火花放電をさせることができる。従って、数１０ｋＶの電圧がかかる点火プラグまでのコードはもちろん、数１００Ｖの電圧がかかるコンデンサから１次コイルまでの配線も、外部に露出しないため、感電や漏電の危険性を防止でき、耐電圧の低い安価なケーブル等で配線することができ、さらに、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
【００３１】
さらに、請求項９に記載の解決手段は、点火プラグと、点火プラグに結合された請求項８に記載の内燃機関用点火装置と、を備えることを特徴とする内燃機関である。
【００３２】
上記構成を有する本発明の内燃機関は、点火プラグ、エネルギー蓄積コイル等が点火プラグと結合可能な一体のユニット内に収納された内燃機関用点火装置を備えているので、直流電源の配線や内燃機関制御ユニット等からの信号配線等を接続するだけで駆動できる。このため、高電圧のケーブルや配線が内燃機関上に露出することが無く、感電や漏電の危険性を防止でき、耐電圧の低い安価なケーブル等で配線することができ、さらに、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
【００３３】
なお、特に、内燃機関に複数の気筒がある場合に、各気筒毎に一体ユニット内に収納した内燃機関用点火装置を装着すると良い。即ち、請求項９に記載の内燃機関であって、複数の気筒を備え、前記点火プラグおよび内燃機関用点火装置を、各気筒毎に備えることを特徴とする内燃機関とすると良い。従来では、各気筒の点火プラグを放電させる（点火する）のに、ディストリビュータなどにより高電圧（数１００Ｖ〜数１０ｋＶ）を分配する必要があり、高電圧のケーブルをいくつも配線する必要があったが、低電圧の配線で足りるため、内燃機関の点火関連の配線が容易かつ安価にできるからである。
【００３４】
さらに、点火プラグを備える内燃機関に用いる内燃機関用点火装置であって、ユニット化され、上記点火プラグと直接結合するようにされており、上記点火プラグに容量放電式の放電を生じさせるためのコンデンサと１次コイルおよび２次コイルを備える点火トランスとを含む回路を内蔵し、直流電源からの低電圧の配線および低電圧の信号配線のみ接続されることを特徴とする内燃機関用点火装置とするのが好ましい。
【００３５】
上記構成を有する内燃機関用点火装置は、ユニット化されて点火プラグと直接結合するようにされ、直流電源からの低電圧の配線およびＥＣＵ等からの低電圧の信号配線のみ接続されるので、点火プラグとこの内燃機関用点火装置とを結ぶ高圧ケーブルをはじめ、コンデンサと点火トランスとを結ぶ配線など、数１００Ｖないし数１０ｋＶの電圧がかかる配線が露出しない。従って、感電や漏電の危険性を防止でき、耐電圧の低い安価なケーブル等で配線することができ、さらに、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
【００３６】
さらに、点火プラグと、点火プラグに結合された上述の内燃機関用点火装置と、を備えることを特徴とする内燃機関とするのが好ましい。
【００３７】
上記構成を有する内燃機関は、点火プラグ、エネルギー蓄積コイル等が点火プラグと結合可能な一体のユニット内に収納された内燃機関用点火装置を備えているので、直流電源の低電圧配線やＥＣＵ等からの低電圧の信号配線が接続されるだけで駆動される。このため、高電圧のケーブルや配線が内燃機関上に露出することが無く、感電や漏電の危険性を防止でき、耐電圧の低い安価なケーブル等で配線することができ、さらに、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる実施の形態を、図１〜４と共に説明する。
図１は、本実施形態にかかる点火装置および関連部分の回路図である。本実施形態は、内燃機関として複数の気筒を有する公知のガソリンエンジン３０に適用した状態を示し、そのうちの１つの気筒ＥｇＡについての点火装置１０Ａについて代表させて回路を記載し、その他の気筒については、簡略化して記載している。即ち、点火装置１０Ａには、バッテリー等の直流電源Ｄの正極からの配線（以下、正配線ともいう）Ｄ＋およびエンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの点火信号配線２１Ａが接続され、気筒ＥｇＡに装着された点火プラグＰＡに高電圧が印加されるようになっている。この電圧により、点火プラグＰＡで火花放電が生じることにより、気筒ＥｇＡ内に導入された混合気に着火させることで、内燃機関３０が駆動される。また、直流電源Ｄの正配線Ｄ＋およびＥＣＵ２０の点火信号配線２１Ｂ，２１Ｃは、他の気筒に装着される点火プラグＰＢ，ＰＣを放電させるための点火装置１０Ｂ、１０Ｃにもそれぞれ接続されている。なお、直流電源Ｄの負極は、接地されている。
【００３９】
ついで、点火装置１０Ａの内容を説明する。直流電源Ｄの正配線Ｄ＋は、エネルギー蓄積コイル１Ｅに接続される。このエネルギー蓄積コイル１Ｅは、１次コイル１１および２次コイル１２を有する点火トランス１と一体に形成され、１次コイル１１に直列接続されている。これらのコイルの巻き数比は、１次コイル１１の巻き数をＮ１、２次コイル１２の巻き数をＮ２、エネルギー蓄積コイルの巻き数をＮＥとすると、Ｎ１：Ｎ２：ＮＥ＝１：１００：１０の関係となっている。
このエネルギー蓄積コイル１Ｅの一端（図中上端）は直流電源Ｄの正極に接続され、また、１次コイル１１の一端（図中下端）は、第１スイッチング回路３に接続され、さらに１次コイル１１を流れる電流Ｉを検出するための１次コイル電流検出抵抗４（以下、単に抵抗４ともいう）を通じて接地されている。また、第１スイッチング回路３および１次コイル電流検出抵抗４と並列にコンデンサ２が接続されている。これにより、エネルギー蓄積コイル１Ｅと、１次コイル１１と、第１スイッチング回路３および抵抗４とコンデンサ２との並列回路とをこの順に含む第１直列回路が形成され、直流電源Ｄを介して閉回路を構成する。
なお、第１スイッチング回路３は、トランジスタ３ｂと、このトランジスタ３ｂの逆電圧保護用のダイオード３ａとからなる。
【００４０】
また、コンデンサ２、１次コイル１１および第２スイッチング回路５からなる第２直列回路においても、閉回路が構成されている。なお、第２スイッチング回路５も、トランジスタ５ｂと、このトランジスタ５ｂの逆電圧保護用のダイオード５ａとからなる。
さらに、２つのトランジスタ３ｂ，５ｂのベースは、それぞれタイマー回路７に接続されており、タイマー回路７からの開閉信号により、トランジスタ３，５がそれぞれ開（オフ）閉（オン）する。また、トランジスタ３のエミッタと１次コイル電流検出抵抗４の接続部からタイマー回路７に、抵抗４を流れる電流による逆起電力Ｖ４が入力される。さらに、上記したように、ＥＣＵ２０からの点火信号配線２１Ａも、タイマー回路７に接続され、ＥＣＵ２０から点火信号が入力される。
【００４１】
このタイマー回路７は、内部の詳細な回路構成は図示等しないが、以下のような動作をするように構成されている。即ち、ＥＣＵ２０から点火信号配線２１Ａを通じて点火信号が入力されると、具体的には、点火信号配線２１Ａがハイレベルにされると、まず、トランジスタ３ｂをオンさせる。その後、抵抗４の逆起電力Ｖ４が所定値、即ち、１次コイル１１を流れる電流Ｉが所定値となった時点で、トランジスタ３ｂをオフさせる。さらに、所定時間経過後に、トランジスタ５ｂをオンさせ、その後、トランジスタ３ｂをオンさせると同時に、トランジスタ５ｂをオフさせる。以降、ＥＣＵ２０からの点火信号が継続している期間中、即ち、点火信号配線２１Ａがローレベルになるまで、同様の手順でトランジスタ３ｂ、および５ｂを順次オン、オフさせる。
【００４２】
ついで、この点火装置１０Ａの動作を、図２に示すタイムチャートと共に説明する。
まず、ＥＣＵ２０から点火信号配線２１Ａを通じて点火信号が入力、即ち、時間ａで点火信号配線２１Ａ（(I)点）がハイレベルにされると、タイマー回路７が、トランジスタ３ｂのベース電位をハイレベル（(II)点）として、トランジスタ３ｂをオンさせる。これにより、直流電源Ｄからエネルギー蓄積コイル１Ｅ、１次コイル１１、ダイオード３ａ、トランジスタ３ｂ、および抵抗４を通って電流が流れ、電流の増加と共に、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１の２つのコイルにエネルギーが蓄積される。このとき、コンデンサ２は、両端を短絡された状態となる。
【００４３】
なお、エネルギー蓄積コイル１Ｅは、１次コイル１１よりも巻き数を多くされているため、インダクタンスも大きくなる。そのため、エネルギー蓄積コイル１Ｅには、１次コイル１１よりも多くのエネルギーを蓄えることができる。
また、トランジスタ３ｂをオンさせると、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１の両端に電圧がかかり、２次コイル１２に電圧が誘起される。しかし、１次コイル１１に比して、エネルギー蓄積コイル１Ｅの巻き数が多く（本例では１０倍）されているので、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１の合計の巻き数と２次コイル１２の巻き数の巻き数比は、相対的に低く、（Ｎ１＋ＮＥ）：Ｎ２＝１１：１００になる。このため、２次コイル１２に誘起される電圧は、エネルギー蓄積コイル１Ｅにかかる電圧の９倍程度に過ぎず点火プラグＰＡで放電することはない。
【００４４】
つまり、エネルギー蓄積コイル１Ｅの巻き数ＮＥを大きくすると、そのインダクタンスが増加して蓄えうるエネルギーが大きくなり、２次コイル１２に誘起される電圧も低くなる。
但し、巻き数ＮＥを多くすると、トランジスタ３ｂをオンしても、電流波形の時定数が大きくなって、２つのコイル１Ｅ、１１を流れる電流が所定値になるまでの時間が遅くなり、必要なエネルギーが蓄積されるまでの時間が長くなる。従って、あまり巻き数ＮＥを多くすると、エンジン３０の単位時間あたりの回転数が高くなると、放電に必要なエネルギーを蓄えることができなくなる危険性があるので、エンジン３０で許容される回転数等を勘案して、適当な巻き数ＮＥとする。具体的には、エネルギー蓄積コイル１Ｅの巻き数ＮＥは、Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１の関係となる範囲とすると良く、さらには、本実施形態の如く、Ｎ１：Ｎ２：ＮＥ＝１：１００：１０程度とするのが好ましい。
【００４５】
その後、２つのコイル１Ｅ、１１を流れる電流が増加すると共に、１次コイル電流検出抵抗４の逆起電力Ｖ４（(III)点）が増加し、後述する放電に十分なエネルギーが２つのコイルに蓄積されたことを示す所定値以上になると、即ち、１次コイル電流Ｉが所定値Ｉｏｎ以上になると、この時点（時間ｂ）で、タイマー回路７は、トランジスタ３ｂをオフにする。
すると、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１と、コンデンサ２との直列共振回路となる。このため、エネルギー蓄積コイル１ＥのインダクタンスをＬＥ、１次コイル１１のインダクタンスをＬ１、コンデンサ２の静電容量をＣとすると、周期Ｔ＝２π√（（Ｌ１＋ＬＥ）・Ｃ）の振動を開始する。ここで当初、コイル１１，１Ｅにエネルギーが蓄えられているので、まず、コンデンサ２が充電され、コンデンサ２の端子電圧が略サインカーブを描きながら上昇する（(V)点）。
なお、上記１次コイルの電流値Ｉの所定値Ｉｏｎは、コンデンサ２に充電されたときの最大の端子間電圧Ｖｍａｘが所望の値となるような電流値に設定しておく。具体的には、概略、Ｉ＝√（Ｃ／（ＬＥ＋Ｌ１））・１／Ｖｍａｘとなるので、所望の電圧Ｖｍａｘが得られる電流値Ｉ以上の値を所定値Ｉｏｎに設定すると良い。
【００４６】
ついで、コンデンサの端子電圧が略最大（例えば、３００〜４００Ｖ程度）となる時点（時間ｃ）で、タイマー回路７が、トランジスタ５ｂのベース電位をハイレベルとして、トランジスタ５ｂをオンさせる。つまり、トランジスタ３ｂをオフしてからトランジスタ５ｂをオンさせるまでの所定時間（ｂ−ｃ間時間）として、トランジスタ３ｂをオフしてから、コンデンサ２の端子間電圧が最大となるまでの時間を予め設定しておく。
具体的には、トランジスタ３ｂをオフしてから、概略、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１とコンデンサ２との直列共振周期の１／４の時間経過後、つまり、ｔ＝π√（（ＬＥ＋Ｌ１）・Ｃ）／２の時間経過後に、トランジスタ５ｂをオンさせるように、タイマー回路７を設定しておく。
【００４７】
すると、エネルギー蓄積コイル１Ｅと１次コイル１１との接続点（(VI)点）の電圧が急下降し、コンデンサ２の両端の電圧が、瞬間的に１次コイル１１の両端にかかり、１次コイル１１と２次コイル１２の巻き数比Ｎ１：Ｎ２＝１：１００に従って、２次コイル１２に高電圧（３０〜４０ｋＶ）が誘起される（(VII)点）。２次コイル１２は、気筒ＥｇＡ内にその先端が露出する点火プラグＰＡに接続されているため、２次コイル１２に発生する高電圧が、ピークに達する前に、エンジン条件（回転数、負荷、水温等）に応じた電圧でブレークダウンすることにより、火花放電が生じて、気筒ＥｇＡ内の混合気に点火される。
これにより、点火装置によって、エンジンの気筒ＥｇＡに１回分火花放電を起こさせることができる。
なお、以上で説明したように、容量放電方式により、コンデンサ２に蓄積されたエネルギーを用いて、短時間で、かつ高い電圧の強い火花放電をさせたので、着火性が良く、点火プラグＰＡの汚損にも強く、くすぶり易い条件でも確実に着火できる。
【００４８】
またさらに、確実に着火するために、多重放電をさせることもできる。即ち、トランジスタ５ｂをオンさせて点火プラグＰＡで放電を生じさせてた後も、さらに継続してＥＣＵ２０からの点火信号が入力されている場合、即ち、時間ｃ後も、(I)点がハイレベルに維持されている場合には、時間ｄにおいて、タイマー回路７は、再度トランジスタ３ｂをオンさせる（(II)点）と同時に、トランジスタ５ｂをオフさせる（(IV)点）。これにより、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１へのエネルギー蓄積を開始させる。
以降は、上記と同様に、逆起電力Ｖ４が所定値になったら（時間ｅ）、トランジスタ３ｂをオフしてコンデンサ２に充電させ、さらに、コンデンサ２の端子電圧（(V)点）が略最大となる所定時間後（時間ｆ）に、トランジスタ５ｂをオンさせる（(IV)点）ことにより、２次コイル１２に高電圧を発生させて（(VII)点）、点火プラグＰＡで再び火花放電を生じさせる。
このようにして多重放電をさせた場合、２回目以降の放電においても、容量放電方式で放電させるので、短時間に一気に電圧が立ち上がり、高電圧で強い火花放電がされるため、着火性が高く、そもそも多重放電が要求されるような、くすぶり条件などの着火しにくい条件における着火方式として好適となる。
【００４９】
なお、タイマー回路７によって、トランジスタ３ｂをオンさせたのと同時にトランジスタ５ｂをオフさせるのは、以下の理由による。即ち、トランジスタ５ｂがオンしているときには、エネルギー蓄積コイル１Ｅに、直流電源Ｄを通じて電流が流れている。つまり、エネルギー蓄積コイル１Ｅは、エネルギーを徐々に蓄え続けているため、トランジスタ５ｂをオフすると同時にトランジスタ３ｂをオンさせると、エネルギー蓄積コイル１Ｅにある程度のエネルギーが蓄積された状態から出発して、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１に、エネルギーを蓄積させることができる。従って、２つのコイル１Ｅ、１１に、早く必要量のエネルギーを蓄えさせることができ、その分、第２回目以降の放電の間隔を短くできるからである。また、同じ期間内であれば、放電の回数を増すことができるからである。
なお、トランジスタ３ｂをオンさせた後、若干遅れてトランジスタ５ｂをオフさせても良い。
【００５０】
さらに、トランジスタ３ｂをオンさせ、同時にトランジスタ５ｂをオフさせる再通電のタイミングとしては、以下のようにすると良い。
点火プラグＰＡでの火花放電の直後には、プラズマの存在によって比較的低い電圧での放電が続いて生じる（図２、(VII)点のｃ−ｄ間波形参照）。その後、図２の各波形のうち、(VII)点における波形および(V)(VI)点における破線で示した波形を見ると理解できるように、ｃ−ｅ間において、徐々に減衰する振動電圧が発生する。これは、放電によって消費されなかったエネルギーによるものと推測される。 上記したように、エネルギー蓄積コイル１Ｅには直流電源Ｄを通じて電流が流れ、エネルギーが次第に蓄えられるが、エネルギー蓄積コイル１Ｅに流れる電流も、この振動電圧の影響を受けて変動する。
この場合に、(VI)点が、正電位または零電位となっている時に比較して、負電位、特に、負の最大値の電位となっている時には、エネルギー蓄積コイル１Ｅにより多くの電流が流れている状態、即ち、エネルギーがより多く蓄えられた状態となる。従って、(VI)点が負の最大値の電位となり、エネルギー蓄積コイル１Ｅの両端間にかかる電圧が最大となるタイミング（時間ｄ）で、再通電するようにタイマー回路７を設定しておくと良い。
【００５１】
その後は、上記したのと同様にして、トランジスタ３ｂおよび５ｂを開閉する。即ち、２つのコイル１Ｅ，１１に十分エネルギーが蓄積され、１次コイル電流が増加して１次コイル電流検出抵抗４に生じる逆起電力Ｖ４が所定値になった時点（時間ｅ）で、タイマー回路７がトランジスタ３ｂをオフさせ、コンデンサ２に充電させる。さらに、コンデンサ２の端子電圧（(V)点）が略最大となるタイミング（時間ｆ）で、タイマー回路７が、トランジスタ５ｂをオンさせ、２次コイル１２に高電圧を発生させて、点火プラグＰＡにおいて、２回目以降の放電を起こさせる。
このようにして、ＥＣＵ２０の点火信号が継続している間（時間ａ−ｋ間）、即ち、点火信号配線２１Ａ（(I)点）がハイレベルに維持されている間、この点火信号に基づいて、自律的に繰り返し放電を起こさせることにより、ガソリンエンジン３０の気筒ＥｇＡにおいて、確実に着火させる。このため、ＥＣＵ２０からは、点火信号を送ると、その長さ（継続時間）に応じて単発放電、あるいは、多重放電をさせることができる。つまり、従来のＥＣＵと同様に、点火信号を送出するだけで足りるので、点火信号送出のタイミング等をソフトウェア上で修正する等の簡易な改良により、従来のＥＣＵを流用することができ、新たなＥＣＵの改良、開発が不要である。
【００５２】
以上では、回路図に基づいて点火装置１０Ａ等の構成や動作等を説明したが、実際にガソリンエンジン３０に適用するには、例えば、図３に示すように、各回路部品を一体のユニット１５内に収納するとよい。
この点火装置ユニット１５は、外形略Ｌ字形状であり、破線で示すように、その内部に、図１において破線で囲む点火装置１０Ａの各部品および配線が収納され、さらに、図中上部において、横方向（図中左方向）に向けて、ＥＣＵ２０の点火信号配線２１Ａおよび直流電源Ｄの正配線Ｄ＋と接続するためのコネクタ１６ａが形成され、その内部には、各配線と接続するための端子１６ｂを備える。また、図中下端部には、点火プラグＰＡと接続するためのスプリング端子１７、および点火プラグＰＡとユニット１５（スプリング端子１７）とが容易に離れないように点火プラグＰＡを保持するゴムホルダー１８を備える。さらに、折れ曲がり部近傍には、後述するようにプラグホール内にこのユニット１５の図中下部を挿入した後に、プラグホール内への水滴や異物の侵入を防止するための蓋の役割を果たすシールゴム１９をも備えている。
【００５３】
この点火装置ユニット１５は、図４に示すようにして、ガソリンエンジン３０に取り付ける。即ち、点火プラグＰＡを、エンジン３０のプラグホール３１Ａから挿入し、気筒ＥｇＡ内にその先端が露出するように点火プラグＰＡをねじ込む。ついで、点火装置ユニット１５をプラグホール３１Ａに挿入し、点火プラグＰＡの上端の端子ＰＡｔとスプリング端子１７とが十分接触するまで、ユニット１５をプラグホール３１Ａ内に押し込む。これにより、端子ＰＡｔとスプリング端子１７とが接触する上、ゴムホルダー１８が点火プラグＰＡの絶縁碍子ＰＡｉを抱え込むようにして保持し、さらに、ゴムホルダー１８がプラグホール３１Ａとも接触することにより、ユニット１５がプラグホール３１Ａから容易には抜けないように固定される。
その後、コネクタ１６ａに、点火信号配線２１Ａおよび直流電源Ｄの正配線Ｄ＋が接続される。なお、ユニット１５にこれらの配線を予め接続しておいてから、プラグホール３１Ａ内にユニット１５を挿入しても良い。
【００５４】
なお、図１に示したように、複数の気筒を有するガソリンエンジン３０において、略記して示す他の気筒に装着された点火プラグＰＢ，ＰＣについても、点火装置１０Ａと同様な回路構成を有する点火装置１０Ｂ，１０Ｃによって、それぞれ火花放電をさせる。そのため、他の気筒についてもユニット１５を用いて、点火プラグＰＢ，ＰＣと結合させる。
【００５５】
従来は、ディストリビュータ等を用いて、数１０ｋＶの高電圧に耐える配線によって各プラグに高電圧を分配していた。
また、従来の容量放電式においても、上記実施形態における１次コイル１１および２次コイル１２に相当するイグニッションコイルのみを、各気筒のプラグホール内やその近傍に装着していたので、数１００Ｖの電圧に耐える配線をコンデンサから各気筒のイグニッションコイルまで引き回す必要があった。
同様に、特開平３−１５６５９号公報に開示されている回路においても、各気筒毎に、点火コイル１０、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１ａ、および駆動回路６０は用意されているが、全体で１つのエネルギー蓄積コイル３やコンデンサ１３を共用しており、ユニット内にコンデンサが内蔵されていないため、やはり、各気筒まで、数１００Ｖの電圧に耐える配線を引き回す必要がある。
【００５６】
しかし、上記実施形態の点火装置ユニット１５では、コンデンサ２をも内蔵しているので、図１からも判るように、各点火装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、いずれも直流電源Ｄの正配線Ｄ＋、およびＥＣＵからの点火信号配線２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃのみが外部に露出することとなる。従って、高々１２〜２４Ｖ程度の低電圧の配線のみが引き回されるため、感電や漏電の危険性がなく、低い安価なケーブル等で配線でき、電磁ノイズの発生も抑制される。
【００５７】
以上においては、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなはなく、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、点火装置ユニット１５において、スプリング端子１７を用いて点火プラグＰＡの端子ＰＡｔを接続したが、ユニット１５と点火プラグＰＡとが直接結合できるようにされていれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態にかかる点火装置および関連部分を示す回路図である。
【図２】 図１に記載の点火装置の各部分における電圧変化を示す波形図である。
【図３】 図１に記載の点火装置を一体のユニットとした状態を示す部分破断断面図である。
【図４】 図３に記載の点火装置ユニットをエンジンに取り付けた状態を示す部分破断断面図である。
【図５】 従来の点火装置の回路図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 点火装置
１ 点火トランス
１１ １次コイル
１２ ２次コイル
１Ｅ エネルギー蓄積コイル
２ コンデンサ
３ 第１スイッチング回路
５ 第２スイッチング回路
３ｂ，５ｂ トランジスタ（スイッチング素子）
４ １次コイル電流検出抵抗
７ タイマー回路
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ 点火信号配線
３０ ガソリンエンジン（内燃機関）
Ｄ 直流電源
ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ 点火プラグ
ＥｇＡ 気筒
１５ 点火装置ユニット
１６ａ コネクタ
１６ｂ コネクタ端子
１７ スプリング端子
１８ ゴムホルダー
３１Ａ プラグホール
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火プラグに火花放電をさせるための内燃機関用点火装置およびこれを用いた内燃機関に関し、特に、コンデンサにエネルギーを蓄積し、これを昇圧して放電させる容量放電方式の内燃機関用点火装置およびこれを用いた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コイルを用いた誘導放電式による内燃機関用点火装置が知られており、点火時期制御のため、内燃機関制御ユニット（ＥＣＵ）でゲート（点火）信号を発生させ、このゲート信号の立ち下がりを利用して点火時期を制御している。 一方、コンデンサを用いた容量放電方式による内燃機関用点火装置も知られている。例えば、図５に回路図を示す点火装置１００では、直流電源Ｄの電圧（１２Ｖ）を、ＤＣ−ＤＣコンバータＣｎｖを用いて３００〜４００Ｖに昇圧してコンデンサ１０１に充電しておく。適当なタイミングで、ＥＣＵ１２０からの点火信号がトリガ回路Ｔｇに入力されると、サイリスタ（ＳＣＲ）１０５が点弧して、コンデンサ１０１と点火トランス１０３の１次コイル１０３ａとで閉回路が構成される。これにより、１次コイル１０３ａの両端に瞬間的にかかった電圧を、２次コイル（イグニッションコイル）１０３ｂによって３０〜４０ｋＶに昇圧し、点火プラグＰを通じて火花放電させて内燃機関に点火する。
なお、コンデンサを用いた容量放電式での放電では、誘導放電式に比較して、短時間に一気に放電電圧を立ち上げられるので、点火プラグにおいて、高電圧の強い火花を発生させることができ、くすぶりやすい条件において、点火プラグの汚損に強く、確実に着火させることができる。
【０００３】
その他、特開平３−１５６５９号公報では、例えば、第１実施例（図示しない）において、一旦、エネルギー蓄積コイル３およびコンデンサ１３にエネルギーを蓄積し、その後、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１ａを導通させて、１次コイル１０ａにかかる電圧を２次コイル１０ｂで昇圧し、点火プラグ１５で放電させるものが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示すような方式では、直流電源電圧を昇圧し、数１００Ｖ（例えば、３００〜４００Ｖ）の電圧を発生させるＤＣ−ＤＣコンバータを用いるため、部品点数が増え、コストアップとなる。
また、図５に示す回路や特開平３−１５６５９号公報に記載の回路等では、点火コイルの１次コイルは、コンデンサの充電のためのエネルギー蓄積には使用されず、放電時の昇圧用にのみ使用されていた。
【０００５】
また、この特開平３−１５６５９号公報に記載の回路においては、多重放電をさせるのに当たり、電子制御ユニット（ＥＣＵ）からの制御信号として２つの信号、即ち、点火信号ＩＧｔおよび放電区間信号ＩＧｗを用いて回路を制御する必要がある。
従って、多重放電をさせるために、点火信号ＩＧｔと放電区間信号ＩＧｗを生成して制御できるようにするには、ＥＣＵ自身の回路およびソフトの変更を要し、ＥＣＵ自身の開発や設計変更が必要となるため、従前のＥＣＵを流用することは困難であった。
【０００６】
また、点火装置で発生した高電圧は、内燃機関の気筒内にその先端が露出するように取り付けられた点火プラグまで導かれるのであるが、高価な高耐電圧の配線を用いる必要があり、感電や漏電の危険性や、また電磁ノイズの発生問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、少ない部品点数でコンデンサに充電でき、また、点火トランスの１次コイルをさらに有効利用できる内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。
また、内燃機関制御ユニットからの１つの点火信号に基づいて、点火プラグの放電を、さらには多重放電をさせうる内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。
さらに、容量放電方式による多重放電が可能な内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。
そのほか、低電圧の配線のみが接続される内燃機関用点火装置およびこれを用いた内燃機関を提供するのが好ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
しかして、請求項１に記載の解決手段は、エネルギー蓄積コイルと、上記エネルギー蓄積コイルに直列接続された１次コイル、および、点火プラグに接続される２次コイルを有する点火トランスと、第１のスイッチング回路と、上記第１のスイッチング回路と並列回路をなすコンデンサと、第２のスイッチング回路と、上記エネルギー蓄積コイルと、上記１次コイルと、上記第１のスイッチング回路とコンデンサとの並列回路と、をこの順に含む直列回路であって、接続される直流電源を介して閉回路を構成する第１直列回路と、上記コンデンサと、上記１次コイルと、上記第２のスイッチング回路と、をこの順に含む直列回路であって、閉回路を構成する第２直列回路と、を備える内燃機関用点火装置である。
【０００９】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置では、点火トランスのうち１次コイルが、第１直列回路および第２直列回路のいずれにも含まれている。
本発明の点火装置では、まず、第１のスイッチング回路を閉にすると、第１直列回路において、直流電源を通じて、エネルギー蓄積コイルと１次コイルとに電流が流れ、このエネルギー蓄積コイルおよび１次コイルにエネルギーが蓄積される。このときコンデンサは、第１のスイッチング回路により両端が短絡された状態となる。
ついで、第１のスイッチング回路を開にすると、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルとコンデンサとは直列共振回路を構成し、共振周波数で振動を始め、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルに蓄積されたエネルギーは、コンデンサに移動して充電され、コンデンサの両端には、電圧が発生する。
その後、コンデンサに十分充電できた時点（コンデンサ電圧が十分高くなった時点）で、第２のスイッチング回路を閉にすると、第２直列回路において、１次コイルを通じてコンデンサに充電された電荷が放電され、このとき、１次コイルにかかる電圧により、２次コイルには、１次コイルと２次コイルとの巻き数比に従った高電圧が発生するため、点火プラグにおいて火花放電をさせることができるようになる。
【００１０】
このように、本発明では、一旦、エネルギー蓄積コイルおよび点火トランスの１次コイルに蓄えたエネルギーをコンデンサに移すので、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の多数の部品を用いないでコンデンサに充電できる。
また、点火トランスの１次コイルを用いて昇圧を行うばかりでなく、エネルギー蓄積コイルと共に、この１次コイルをエネルギー蓄積に用い、コンデンサを充電するために用いている。従って、一次コイルをさらに有効利用することができる。
ここで、第１および第２のスイッチング回路は、回路を開閉できるものであればよく、具体的には、トランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ等のスイッチング素子が挙げられる。また、スイッチング回路中には、逆電圧からこれらの素子を保護するためのダイオード等から構成される保護回路をも含むことができる。
【００１１】
さらに、請求項２に記載の解決手段は、請求項１に記載の内燃機関用点火装置であって、前記エネルギー蓄積コイルが、前記点火トランスと一体に形成され、前記１次コイルの巻き数をＮ１、２次コイルの巻き数をＮ２、エネルギー蓄積コイルの巻き数をＮＥとしたときに、Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１とされていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００１２】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、エネルギー蓄積コイルと点火コイルが一体に形成されているので、部品点数を減らすことができ、安価で、組立容易となる。
また、各コイルの巻き数の関係を、Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１としたのは、以下の理由による。即ち、一般にコイルに蓄積されるエネルギーＥは、コイルのインダクタンスをＬ、コイルを流れる電流をＩとすると、Ｅ＝ＬＩ2 ／２で表される。また、コイルは、その巻き数Ｎが多いほど、インダクタンスＬも大きくなる。したがって、蓄積できるエネルギーも大きくなる。
ところで、１次コイルは、２次コイルに高電圧を発生させるため、両者の巻き数比（例えば、Ｎ１：Ｎ２＝１：１００程度）を保つ必要がある。ここで、１次コイルの巻き数Ｎ１を多くすると、それに伴い、２次コイルの巻き数Ｎ２は非常に大きくすることが必要となるため、２次コイルの製造が困難、高価となる。
そこで、点火トランスの巻き数比に関係しないエネルギー蓄積コイルの巻き数ＮＥを大きくすることで、エネルギー蓄積コイルに多くのエネルギーを蓄積させるとよい。
【００１３】
また、エネルギー蓄積コイルを点火トランスと一体としたので、このエネルギー蓄積コイルがあたかも１次コイルのように働き、エネルギー蓄積コイルと２次コイルの巻き数比ＮＥ：Ｎ２に従って、エネルギー蓄積コイルにかかる電圧により２次コイルに電圧が発生することがある。この場合に、エネルギー蓄積コイルの巻き数ＮＥを、１次コイルの巻き数Ｎ１と同程度とした場合には、第１のスイッチング回路を閉としたときに、エネルギー蓄積コイルに電圧がかかり、２次コイルに高電圧が発生して点火プラグが放電することも考えられる。そこで、エネルギー蓄積コイルと２次コイルとの巻き数比ＮＥ：Ｎ２を小さくするため、エネルギー蓄積コイルの巻き数ＮＥを、１次コイルの巻き数Ｎ１よりも大きくするとよい。
【００１４】
ただし、エネルギー蓄積コイルの巻き数ＮＥを多くしすぎると、第１のスイッチング回路を閉とした後に、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルに流れる電流（１次コイル電流）の立ち上がりが遅くなり、第１のスイッチングを閉としてから第２のスイッチング回路を閉とする時間、即ち、放電させるまでの時間が遅くなるので、あまり巻き数ＮＥを多くすることは好ましくない。
従って、結局Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１とするのが好ましい。
さらに具体的には、Ｎ１：Ｎ２：ＮＥ＝１：１００：１０程度の巻き数比にするのが好ましい。エネルギー蓄積コイルに放電に十分なエネルギーを蓄積でき、エネルギー蓄積コイルに電圧がかかっても、２次コイルにはさほど高電圧が発生せず、しかも、１次コイル電流の立ち上がりも極端に遅くならないからである。
【００１５】
さらに、請求項３に記載の解決手段は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用点火装置であって、内燃機関制御ユニットからの点火信号に基づき、前記第１のスイッチング回路を閉とした後に開とし、ついで、所定時間後に前記第２のスイッチング回路を閉とするタイマー回路を備えることを特徴とする内燃機関用点火回路である。
【００１６】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、タイマー回路を備えたことにより、内燃機関制御ユニットは点火信号を発するだけで足り、制御が容易になる。
また、内燃機関制御ユニット自身を内燃機関用点火装置に適合するように開発や設計変更する必要が無く、点火信号送出のタイミング等を調整するだけで、容易に従前の内燃機関制御ユニットを流用することも可能となる。
【００１７】
さらに、請求項４に記載の解決手段は、請求項３に記載の内燃機関用点火装置であって、前記１次コイルを流れる１次コイル電流を検知する１次コイル電流検知手段を備え、前記タイマー回路は、前記第１のスイッチング回路を閉とした後、検知された上記１次コイル電流が所定値以上となったときに、前記第１のスイッチング回路を開とするように構成されていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００１８】
上記したように、コイルに蓄えられたエネルギーＥは、一般にＥ＝ＬＩ2 ／２で表される。
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、１次コイル電流検知手段を備え、１次コイル電流が所定値以上となったときに、前記第１のスイッチング回路を開とするので、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルに、点火プラグにおける火花放電に必要なエネルギーが蓄えられた時点で、第１のスイッチング回路を開とすることができ、確実に火花放電をさせることができる。
しかも、内燃機関制御ユニットから第１のスイッチング回路を開閉させるための信号を送るようにする必要はなく、１次コイル電流値にしたがって、自律的にタイマー回路が第１のスイッチング回路の開・閉を制御するので、点火信号を発する内燃機関制御ユニットで回路を制御することができる。
なお、１次コイル電流検知手段としては、例えば、第１のスイッチング回路と直列に１次コイル電流検出用抵抗を接続し、この抵抗に発生する逆起電力の値により、電流値を検出するものが挙げられる。
【００１９】
さらに、請求項５に記載の解決手段は、請求項３または請求項４に記載の内燃機関用点火装置であって、前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの所定時間が、概略、前記第１のスイッチング回路を開としてから前記コンデンサの端子間電圧が最大となるまでの時間に設定されていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００２０】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置では、第１のスイッチング回路を開とすると、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルとコンデンサとは、直列共振回路を構成するようになる。しかも、コイルにエネルギーが蓄積された状態から出発するので、インダクタンスと静電容量によって決まる共振周波数に基づいて、まず、コンデンサの端子間電圧が上昇してゆく。ここで、コンデンサの両端の電圧（端子間電圧）が最大となるときに第２のスイッチング回路を閉とすると、最も高い２次電圧を得ることができる。
ところで、この第１のスイッチング回路と閉としてからコンデンサの端子間電圧が最大になるまでの時間は、エネルギー蓄積コイルや１次コイル、コンデンサのインダクタンスや静電容量などの回路条件が決まると、温度特性その他の要因による若干の変動を除けば、常に一定となる。
【００２１】
従って、タイマー回路において、第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの時間を、予め、概略、第１のスイッチング回路を開としてからコンデンサの端子間電圧が最大となるまでの時間に設定しておけば、第２のスイッチング回路を閉とするときには、常に、コンデンサは、十分充電され、高い端子間電圧を有していることになる。従って、常に、２次コイルを通じて、点火プラグにおいて十分なエネルギーを持った火花放電をさせることができる。
【００２２】
なお、具体的には、請求項３または請求項４に記載の内燃機関用点火装置であって、前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの所定時間が、概略、前記エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルと前記コンデンサとの直列共振周期の１／４に設定されていることを特徴とする内燃機関用点火装置とするとよい。
コンデンサの端子間電圧は、直列共振周期のうち、最初の１／４周期の時に最大となるからである。
【００２３】
さらに具体的には、請求項３または請求項４に記載の内燃機関用点火装置であって、前記エネルギー蓄積コイルのインダクタンスをＬＥ、前記第１次コイルのインダクタンスをＬ１、前記コンデンサの静電容量をＣとしたときに、前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの所定時間ｔが、略ｔ＝π√（（ＬＥ＋Ｌ１）・Ｃ）／２に設定されていることを特徴とする内燃機関用点火装置とするとよい。
エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルとコンデンサとの直列共振周期Ｔは、Ｔ＝２π√（（ＬＥ＋Ｌ１）・Ｃ）であるので、所定時間ｔをその１／４Ｔとすると、コンデンサの端子間電圧は、最大となるからである。
【００２４】
さらに、請求項６に記載の解決手段は、請求項３〜請求項５に記載の内燃機関用点火装置であって、前記タイマー回路は、前記第２のスイッチング回路を閉とした後に、第１のスイッチング回路を閉とし、これと同時またはこれよりも遅れて第２のスイッチング回路を開とし、かつ、前記内燃機関制御ユニットからの点火信号が継続している期間中、前記第１及び第２のスイッチング回路の開・閉を繰り返すようにされていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００２５】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、第１及び第２のスイッチング回路の閉・開を繰り返すようにすることで、点火信号が継続している期間中、点火プラグを多重放電させることができ、点火信号がオフとなると放電は終了する。即ち、内燃機関制御ユニットからの点火信号によって、多重放電の継続期間も制御することができる。
さらに、第２のスイッチング回路が閉とされている間は、直流電源を通じてエネルギー蓄積コイルにも電流が流れている。即ち、エネルギー蓄積コイルは、第２のスイッチング回路が閉とされている期間中にもエネルギーを蓄え続けている。従って、第１のスイッチング回路を閉とし、これと同時またはこれよりも遅れて第２のスイッチング回路の開とすると、エネルギー蓄積コイルに蓄えられた上記エネルギーを利用することができるため、その分エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルに早くエネルギーを蓄えることができ、２回目以降の放電について、放電の間隔を短くすることができる。
【００２６】
さらに、請求項７に記載の解決手段は、請求項６に記載の内燃機関用点火装置であって、前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を閉とするタイミングが、前記エネルギー蓄積コイルと１次コイルの接続部に生じる振動電位により、前記エネルギー蓄積コイルの両端間にかかる電圧が略最大となるタイミングに設定されていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００２７】
点火プラグでの火花放電の直後には、プラズマの存在によって比較的低い電圧での放電が生じ、その後、放電で消費されなかったエネルギーにより、コンデンサと１次コイルとの間で、若干の振動電圧が発生する。上記したように、エネルギー蓄積コイルには直流電源を通じて電流が流れ、エネルギーが次第に蓄えられるが、エネルギー蓄積コイルに流れる電流も、この振動電圧の影響を受けて変動する。
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置では、エネルギー蓄積コイルの両端間に略最大の電圧がかかるタイミングで、第１のスイッチング回路を閉とするようにタイマー回路が設定されている。このため、より多くの電流がエネルギー蓄積コイルに流れ、エネルギー蓄積コイルにより多くのエネルギーが蓄積された状態で、再通電を開始すること、即ち、エネルギー蓄積コイルおよび１次コイルへのエネルギー蓄積を開始することができる。従って、再通電開始後、比較的短時間で１次コイル電流が十分大きくなり、十分なエネルギーをエネルギー蓄積コイルおよび１時コイルに蓄積できるので、再放電までの時間を短くすることができる。
【００２８】
エネルギー蓄積コイルの両端間にかかるできるだけ大きな電圧がかかるタイミングとは、例えば、直流電源の負極が接地され、エネルギー蓄積コイルの一端に直流電源の正極が接続されている回路構成を有する点火装置の場合に即していうと、エネルギー蓄積コイルと１次コイルとの接続部の電位が、負の最大値となった状態をさす。さらにいえば、１次コイルとコンデンサと接続部の電位が、負の最大値となった状態をさす。このときには、エネルギー蓄積コイルと１次コイルとの接続部が正または零電位となった場合に比較して、より多くの電流がエネルギー蓄積コイルに流れる。即ち、エネルギー蓄積コイルにより多くのエネルギーが蓄積された状態となる。
【００２９】
さらに、請求項８に記載の解決手段は、請求項１〜請求項７に記載の内燃機関用点火装置であって、少なくとも、前記エネルギー蓄積コイルと、点火トランスと、第１スイッチング回路と、コンデンサと、第２スイッチング回路と、これらを接続する前記第１直列回路および第２直列回路をなす配線とが、前記点火プラグと直接結合可能な、一体のユニット内に収納されていることを特徴とする内燃機関用点火装置である。
【００３０】
上記構成を有する本発明の内燃機関用点火装置は、エネルギー蓄積コイル、点火トランス、第１スイッチング回路、コンデンサ、第２スイッチング回路、さらに、第１直列回路および第２直列回路をなす配線が、一体のユニット内に収納されている。このため、外部からは、電圧の低い配線（例えば、１２Ｖ〜２４Ｖ程度）、即ち、直流電源の配線、および、第１、第２のスイッチング回路の開閉のための信号配線、あるいは、内燃機関制御ユニットから点火信号を伝える信号配線等を接続するだけで駆動でき、ユニット内で高電圧を発生し、直接結合される点火プラグにおいて火花放電をさせることができる。従って、数１０ｋＶの電圧がかかる点火プラグまでのコードはもちろん、数１００Ｖの電圧がかかるコンデンサから１次コイルまでの配線も、外部に露出しないため、感電や漏電の危険性を防止でき、耐電圧の低い安価なケーブル等で配線することができ、さらに、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
【００３１】
さらに、請求項９に記載の解決手段は、点火プラグと、点火プラグに結合された請求項８に記載の内燃機関用点火装置と、を備えることを特徴とする内燃機関である。
【００３２】
上記構成を有する本発明の内燃機関は、点火プラグ、エネルギー蓄積コイル等が点火プラグと結合可能な一体のユニット内に収納された内燃機関用点火装置を備えているので、直流電源の配線や内燃機関制御ユニット等からの信号配線等を接続するだけで駆動できる。このため、高電圧のケーブルや配線が内燃機関上に露出することが無く、感電や漏電の危険性を防止でき、耐電圧の低い安価なケーブル等で配線することができ、さらに、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
【００３３】
なお、特に、内燃機関に複数の気筒がある場合に、各気筒毎に一体ユニット内に収納した内燃機関用点火装置を装着すると良い。即ち、請求項９に記載の内燃機関であって、複数の気筒を備え、前記点火プラグおよび内燃機関用点火装置を、各気筒毎に備えることを特徴とする内燃機関とすると良い。従来では、各気筒の点火プラグを放電させる（点火する）のに、ディストリビュータなどにより高電圧（数１００Ｖ〜数１０ｋＶ）を分配する必要があり、高電圧のケーブルをいくつも配線する必要があったが、低電圧の配線で足りるため、内燃機関の点火関連の配線が容易かつ安価にできるからである。
【００３４】
さらに、点火プラグを備える内燃機関に用いる内燃機関用点火装置であって、ユニット化され、上記点火プラグと直接結合するようにされており、上記点火プラグに容量放電式の放電を生じさせるためのコンデンサと１次コイルおよび２次コイルを備える点火トランスとを含む回路を内蔵し、直流電源からの低電圧の配線および低電圧の信号配線のみ接続されることを特徴とする内燃機関用点火装置とするのが好ましい。
【００３５】
上記構成を有する内燃機関用点火装置は、ユニット化されて点火プラグと直接結合するようにされ、直流電源からの低電圧の配線およびＥＣＵ等からの低電圧の信号配線のみ接続されるので、点火プラグとこの内燃機関用点火装置とを結ぶ高圧ケーブルをはじめ、コンデンサと点火トランスとを結ぶ配線など、数１００Ｖないし数１０ｋＶの電圧がかかる配線が露出しない。従って、感電や漏電の危険性を防止でき、耐電圧の低い安価なケーブル等で配線することができ、さらに、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
【００３６】
さらに、点火プラグと、点火プラグに結合された上述の内燃機関用点火装置と、を備えることを特徴とする内燃機関とするのが好ましい。
【００３７】
上記構成を有する内燃機関は、点火プラグ、エネルギー蓄積コイル等が点火プラグと結合可能な一体のユニット内に収納された内燃機関用点火装置を備えているので、直流電源の低電圧配線やＥＣＵ等からの低電圧の信号配線が接続されるだけで駆動される。このため、高電圧のケーブルや配線が内燃機関上に露出することが無く、感電や漏電の危険性を防止でき、耐電圧の低い安価なケーブル等で配線することができ、さらに、電磁ノイズの発生も抑制することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる実施の形態を、図１〜４と共に説明する。
図１は、本実施形態にかかる点火装置および関連部分の回路図である。本実施形態は、内燃機関として複数の気筒を有する公知のガソリンエンジン３０に適用した状態を示し、そのうちの１つの気筒ＥｇＡについての点火装置１０Ａについて代表させて回路を記載し、その他の気筒については、簡略化して記載している。即ち、点火装置１０Ａには、バッテリー等の直流電源Ｄの正極からの配線（以下、正配線ともいう）Ｄ＋およびエンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの点火信号配線２１Ａが接続され、気筒ＥｇＡに装着された点火プラグＰＡに高電圧が印加されるようになっている。この電圧により、点火プラグＰＡで火花放電が生じることにより、気筒ＥｇＡ内に導入された混合気に着火させることで、内燃機関３０が駆動される。また、直流電源Ｄの正配線Ｄ＋およびＥＣＵ２０の点火信号配線２１Ｂ，２１Ｃは、他の気筒に装着される点火プラグＰＢ，ＰＣを放電させるための点火装置１０Ｂ、１０Ｃにもそれぞれ接続されている。なお、直流電源Ｄの負極は、接地されている。
【００３９】
ついで、点火装置１０Ａの内容を説明する。直流電源Ｄの正配線Ｄ＋は、エネルギー蓄積コイル１Ｅに接続される。このエネルギー蓄積コイル１Ｅは、１次コイル１１および２次コイル１２を有する点火トランス１と一体に形成され、１次コイル１１に直列接続されている。これらのコイルの巻き数比は、１次コイル１１の巻き数をＮ１、２次コイル１２の巻き数をＮ２、エネルギー蓄積コイルの巻き数をＮＥとすると、Ｎ１：Ｎ２：ＮＥ＝１：１００：１０の関係となっている。
このエネルギー蓄積コイル１Ｅの一端（図中上端）は直流電源Ｄの正極に接続され、また、１次コイル１１の一端（図中下端）は、第１スイッチング回路３に接続され、さらに１次コイル１１を流れる電流Ｉを検出するための１次コイル電流検出抵抗４（以下、単に抵抗４ともいう）を通じて接地されている。また、第１スイッチング回路３および１次コイル電流検出抵抗４と並列にコンデンサ２が接続されている。これにより、エネルギー蓄積コイル１Ｅと、１次コイル１１と、第１スイッチング回路３および抵抗４とコンデンサ２との並列回路とをこの順に含む第１直列回路が形成され、直流電源Ｄを介して閉回路を構成する。
なお、第１スイッチング回路３は、トランジスタ３ｂと、このトランジスタ３ｂの逆電圧保護用のダイオード３ａとからなる。
【００４０】
また、コンデンサ２、１次コイル１１および第２スイッチング回路５からなる第２直列回路においても、閉回路が構成されている。なお、第２スイッチング回路５も、トランジスタ５ｂと、このトランジスタ５ｂの逆電圧保護用のダイオード５ａとからなる。
さらに、２つのトランジスタ３ｂ，５ｂのベースは、それぞれタイマー回路７に接続されており、タイマー回路７からの開閉信号により、トランジスタ３，５がそれぞれ開（オフ）閉（オン）する。また、トランジスタ３のエミッタと１次コイル電流検出抵抗４の接続部からタイマー回路７に、抵抗４を流れる電流による逆起電力Ｖ４が入力される。さらに、上記したように、ＥＣＵ２０からの点火信号配線２１Ａも、タイマー回路７に接続され、ＥＣＵ２０から点火信号が入力される。
【００４１】
このタイマー回路７は、内部の詳細な回路構成は図示等しないが、以下のような動作をするように構成されている。即ち、ＥＣＵ２０から点火信号配線２１Ａを通じて点火信号が入力されると、具体的には、点火信号配線２１Ａがハイレベルにされると、まず、トランジスタ３ｂをオンさせる。その後、抵抗４の逆起電力Ｖ４が所定値、即ち、１次コイル１１を流れる電流Ｉが所定値となった時点で、トランジスタ３ｂをオフさせる。さらに、所定時間経過後に、トランジスタ５ｂをオンさせ、その後、トランジスタ３ｂをオンさせると同時に、トランジスタ５ｂをオフさせる。以降、ＥＣＵ２０からの点火信号が継続している期間中、即ち、点火信号配線２１Ａがローレベルになるまで、同様の手順でトランジスタ３ｂ、および５ｂを順次オン、オフさせる。
【００４２】
ついで、この点火装置１０Ａの動作を、図２に示すタイムチャートと共に説明する。
まず、ＥＣＵ２０から点火信号配線２１Ａを通じて点火信号が入力、即ち、時間ａで点火信号配線２１Ａ（(I)点）がハイレベルにされると、タイマー回路７が、トランジスタ３ｂのベース電位をハイレベル（(II)点）として、トランジスタ３ｂをオンさせる。これにより、直流電源Ｄからエネルギー蓄積コイル１Ｅ、１次コイル１１、ダイオード３ａ、トランジスタ３ｂ、および抵抗４を通って電流が流れ、電流の増加と共に、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１の２つのコイルにエネルギーが蓄積される。このとき、コンデンサ２は、両端を短絡された状態となる。
【００４３】
なお、エネルギー蓄積コイル１Ｅは、１次コイル１１よりも巻き数を多くされているため、インダクタンスも大きくなる。そのため、エネルギー蓄積コイル１Ｅには、１次コイル１１よりも多くのエネルギーを蓄えることができる。
また、トランジスタ３ｂをオンさせると、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１の両端に電圧がかかり、２次コイル１２に電圧が誘起される。しかし、１次コイル１１に比して、エネルギー蓄積コイル１Ｅの巻き数が多く（本例では１０倍）されているので、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１の合計の巻き数と２次コイル１２の巻き数の巻き数比は、相対的に低く、（Ｎ１＋ＮＥ）：Ｎ２＝１１：１００になる。このため、２次コイル１２に誘起される電圧は、エネルギー蓄積コイル１Ｅにかかる電圧の９倍程度に過ぎず点火プラグＰＡで放電することはない。
【００４４】
つまり、エネルギー蓄積コイル１Ｅの巻き数ＮＥを大きくすると、そのインダクタンスが増加して蓄えうるエネルギーが大きくなり、２次コイル１２に誘起される電圧も低くなる。
但し、巻き数ＮＥを多くすると、トランジスタ３ｂをオンしても、電流波形の時定数が大きくなって、２つのコイル１Ｅ、１１を流れる電流が所定値になるまでの時間が遅くなり、必要なエネルギーが蓄積されるまでの時間が長くなる。従って、あまり巻き数ＮＥを多くすると、エンジン３０の単位時間あたりの回転数が高くなると、放電に必要なエネルギーを蓄えることができなくなる危険性があるので、エンジン３０で許容される回転数等を勘案して、適当な巻き数ＮＥとする。具体的には、エネルギー蓄積コイル１Ｅの巻き数ＮＥは、Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１の関係となる範囲とすると良く、さらには、本実施形態の如く、Ｎ１：Ｎ２：ＮＥ＝１：１００：１０程度とするのが好ましい。
【００４５】
その後、２つのコイル１Ｅ、１１を流れる電流が増加すると共に、１次コイル電流検出抵抗４の逆起電力Ｖ４（(III)点）が増加し、後述する放電に十分なエネルギーが２つのコイルに蓄積されたことを示す所定値以上になると、即ち、１次コイル電流Ｉが所定値Ｉｏｎ以上になると、この時点（時間ｂ）で、タイマー回路７は、トランジスタ３ｂをオフにする。
すると、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１と、コンデンサ２との直列共振回路となる。このため、エネルギー蓄積コイル１ＥのインダクタンスをＬＥ、１次コイル１１のインダクタンスをＬ１、コンデンサ２の静電容量をＣとすると、周期Ｔ＝２π√（（Ｌ１＋ＬＥ）・Ｃ）の振動を開始する。ここで当初、コイル１１，１Ｅにエネルギーが蓄えられているので、まず、コンデンサ２が充電され、コンデンサ２の端子電圧が略サインカーブを描きながら上昇する（(V)点）。
なお、上記１次コイルの電流値Ｉの所定値Ｉｏｎは、コンデンサ２に充電されたときの最大の端子間電圧Ｖｍａｘが所望の値となるような電流値に設定しておく。具体的には、概略、Ｉ＝√（Ｃ／（ＬＥ＋Ｌ１））・１／Ｖｍａｘとなるので、所望の電圧Ｖｍａｘが得られる電流値Ｉ以上の値を所定値Ｉｏｎに設定すると良い。
【００４６】
ついで、コンデンサの端子電圧が略最大（例えば、３００〜４００Ｖ程度）となる時点（時間ｃ）で、タイマー回路７が、トランジスタ５ｂのベース電位をハイレベルとして、トランジスタ５ｂをオンさせる。つまり、トランジスタ３ｂをオフしてからトランジスタ５ｂをオンさせるまでの所定時間（ｂ−ｃ間時間）として、トランジスタ３ｂをオフしてから、コンデンサ２の端子間電圧が最大となるまでの時間を予め設定しておく。
具体的には、トランジスタ３ｂをオフしてから、概略、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１とコンデンサ２との直列共振周期の１／４の時間経過後、つまり、ｔ＝π√（（ＬＥ＋Ｌ１）・Ｃ）／２の時間経過後に、トランジスタ５ｂをオンさせるように、タイマー回路７を設定しておく。
【００４７】
すると、エネルギー蓄積コイル１Ｅと１次コイル１１との接続点（(VI)点）の電圧が急下降し、コンデンサ２の両端の電圧が、瞬間的に１次コイル１１の両端にかかり、１次コイル１１と２次コイル１２の巻き数比Ｎ１：Ｎ２＝１：１００に従って、２次コイル１２に高電圧（３０〜４０ｋＶ）が誘起される（(VII)点）。２次コイル１２は、気筒ＥｇＡ内にその先端が露出する点火プラグＰＡに接続されているため、２次コイル１２に発生する高電圧が、ピークに達する前に、エンジン条件（回転数、負荷、水温等）に応じた電圧でブレークダウンすることにより、火花放電が生じて、気筒ＥｇＡ内の混合気に点火される。
これにより、点火装置によって、エンジンの気筒ＥｇＡに１回分火花放電を起こさせることができる。
なお、以上で説明したように、容量放電方式により、コンデンサ２に蓄積されたエネルギーを用いて、短時間で、かつ高い電圧の強い火花放電をさせたので、着火性が良く、点火プラグＰＡの汚損にも強く、くすぶり易い条件でも確実に着火できる。
【００４８】
またさらに、確実に着火するために、多重放電をさせることもできる。即ち、トランジスタ５ｂをオンさせて点火プラグＰＡで放電を生じさせてた後も、さらに継続してＥＣＵ２０からの点火信号が入力されている場合、即ち、時間ｃ後も、(I)点がハイレベルに維持されている場合には、時間ｄにおいて、タイマー回路７は、再度トランジスタ３ｂをオンさせる（(II)点）と同時に、トランジスタ５ｂをオフさせる（(IV)点）。これにより、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１へのエネルギー蓄積を開始させる。
以降は、上記と同様に、逆起電力Ｖ４が所定値になったら（時間ｅ）、トランジスタ３ｂをオフしてコンデンサ２に充電させ、さらに、コンデンサ２の端子電圧（(V)点）が略最大となる所定時間後（時間ｆ）に、トランジスタ５ｂをオンさせる（(IV)点）ことにより、２次コイル１２に高電圧を発生させて（(VII)点）、点火プラグＰＡで再び火花放電を生じさせる。
このようにして多重放電をさせた場合、２回目以降の放電においても、容量放電方式で放電させるので、短時間に一気に電圧が立ち上がり、高電圧で強い火花放電がされるため、着火性が高く、そもそも多重放電が要求されるような、くすぶり条件などの着火しにくい条件における着火方式として好適となる。
【００４９】
なお、タイマー回路７によって、トランジスタ３ｂをオンさせたのと同時にトランジスタ５ｂをオフさせるのは、以下の理由による。即ち、トランジスタ５ｂがオンしているときには、エネルギー蓄積コイル１Ｅに、直流電源Ｄを通じて電流が流れている。つまり、エネルギー蓄積コイル１Ｅは、エネルギーを徐々に蓄え続けているため、トランジスタ５ｂをオフすると同時にトランジスタ３ｂをオンさせると、エネルギー蓄積コイル１Ｅにある程度のエネルギーが蓄積された状態から出発して、エネルギー蓄積コイル１Ｅおよび１次コイル１１に、エネルギーを蓄積させることができる。従って、２つのコイル１Ｅ、１１に、早く必要量のエネルギーを蓄えさせることができ、その分、第２回目以降の放電の間隔を短くできるからである。また、同じ期間内であれば、放電の回数を増すことができるからである。
なお、トランジスタ３ｂをオンさせた後、若干遅れてトランジスタ５ｂをオフさせても良い。
【００５０】
さらに、トランジスタ３ｂをオンさせ、同時にトランジスタ５ｂをオフさせる再通電のタイミングとしては、以下のようにすると良い。
点火プラグＰＡでの火花放電の直後には、プラズマの存在によって比較的低い電圧での放電が続いて生じる（図２、(VII)点のｃ−ｄ間波形参照）。その後、図２の各波形のうち、(VII)点における波形および(V)(VI)点における破線で示した波形を見ると理解できるように、ｃ−ｅ間において、徐々に減衰する振動電圧が発生する。これは、放電によって消費されなかったエネルギーによるものと推測される。 上記したように、エネルギー蓄積コイル１Ｅには直流電源Ｄを通じて電流が流れ、エネルギーが次第に蓄えられるが、エネルギー蓄積コイル１Ｅに流れる電流も、この振動電圧の影響を受けて変動する。
この場合に、(VI)点が、正電位または零電位となっている時に比較して、負電位、特に、負の最大値の電位となっている時には、エネルギー蓄積コイル１Ｅにより多くの電流が流れている状態、即ち、エネルギーがより多く蓄えられた状態となる。従って、(VI)点が負の最大値の電位となり、エネルギー蓄積コイル１Ｅの両端間にかかる電圧が最大となるタイミング（時間ｄ）で、再通電するようにタイマー回路７を設定しておくと良い。
【００５１】
その後は、上記したのと同様にして、トランジスタ３ｂおよび５ｂを開閉する。即ち、２つのコイル１Ｅ，１１に十分エネルギーが蓄積され、１次コイル電流が増加して１次コイル電流検出抵抗４に生じる逆起電力Ｖ４が所定値になった時点（時間ｅ）で、タイマー回路７がトランジスタ３ｂをオフさせ、コンデンサ２に充電させる。さらに、コンデンサ２の端子電圧（(V)点）が略最大となるタイミング（時間ｆ）で、タイマー回路７が、トランジスタ５ｂをオンさせ、２次コイル１２に高電圧を発生させて、点火プラグＰＡにおいて、２回目以降の放電を起こさせる。
このようにして、ＥＣＵ２０の点火信号が継続している間（時間ａ−ｋ間）、即ち、点火信号配線２１Ａ（(I)点）がハイレベルに維持されている間、この点火信号に基づいて、自律的に繰り返し放電を起こさせることにより、ガソリンエンジン３０の気筒ＥｇＡにおいて、確実に着火させる。このため、ＥＣＵ２０からは、点火信号を送ると、その長さ（継続時間）に応じて単発放電、あるいは、多重放電をさせることができる。つまり、従来のＥＣＵと同様に、点火信号を送出するだけで足りるので、点火信号送出のタイミング等をソフトウェア上で修正する等の簡易な改良により、従来のＥＣＵを流用することができ、新たなＥＣＵの改良、開発が不要である。
【００５２】
以上では、回路図に基づいて点火装置１０Ａ等の構成や動作等を説明したが、実際にガソリンエンジン３０に適用するには、例えば、図３に示すように、各回路部品を一体のユニット１５内に収納するとよい。
この点火装置ユニット１５は、外形略Ｌ字形状であり、破線で示すように、その内部に、図１において破線で囲む点火装置１０Ａの各部品および配線が収納され、さらに、図中上部において、横方向（図中左方向）に向けて、ＥＣＵ２０の点火信号配線２１Ａおよび直流電源Ｄの正配線Ｄ＋と接続するためのコネクタ１６ａが形成され、その内部には、各配線と接続するための端子１６ｂを備える。また、図中下端部には、点火プラグＰＡと接続するためのスプリング端子１７、および点火プラグＰＡとユニット１５（スプリング端子１７）とが容易に離れないように点火プラグＰＡを保持するゴムホルダー１８を備える。さらに、折れ曲がり部近傍には、後述するようにプラグホール内にこのユニット１５の図中下部を挿入した後に、プラグホール内への水滴や異物の侵入を防止するための蓋の役割を果たすシールゴム１９をも備えている。
【００５３】
この点火装置ユニット１５は、図４に示すようにして、ガソリンエンジン３０に取り付ける。即ち、点火プラグＰＡを、エンジン３０のプラグホール３１Ａから挿入し、気筒ＥｇＡ内にその先端が露出するように点火プラグＰＡをねじ込む。ついで、点火装置ユニット１５をプラグホール３１Ａに挿入し、点火プラグＰＡの上端の端子ＰＡｔとスプリング端子１７とが十分接触するまで、ユニット１５をプラグホール３１Ａ内に押し込む。これにより、端子ＰＡｔとスプリング端子１７とが接触する上、ゴムホルダー１８が点火プラグＰＡの絶縁碍子ＰＡｉを抱え込むようにして保持し、さらに、ゴムホルダー１８がプラグホール３１Ａとも接触することにより、ユニット１５がプラグホール３１Ａから容易には抜けないように固定される。
その後、コネクタ１６ａに、点火信号配線２１Ａおよび直流電源Ｄの正配線Ｄ＋が接続される。なお、ユニット１５にこれらの配線を予め接続しておいてから、プラグホール３１Ａ内にユニット１５を挿入しても良い。
【００５４】
なお、図１に示したように、複数の気筒を有するガソリンエンジン３０において、略記して示す他の気筒に装着された点火プラグＰＢ，ＰＣについても、点火装置１０Ａと同様な回路構成を有する点火装置１０Ｂ，１０Ｃによって、それぞれ火花放電をさせる。そのため、他の気筒についてもユニット１５を用いて、点火プラグＰＢ，ＰＣと結合させる。
【００５５】
従来は、ディストリビュータ等を用いて、数１０ｋＶの高電圧に耐える配線によって各プラグに高電圧を分配していた。
また、従来の容量放電式においても、上記実施形態における１次コイル１１および２次コイル１２に相当するイグニッションコイルのみを、各気筒のプラグホール内やその近傍に装着していたので、数１００Ｖの電圧に耐える配線をコンデンサから各気筒のイグニッションコイルまで引き回す必要があった。
同様に、特開平３−１５６５９号公報に開示されている回路においても、各気筒毎に、点火コイル１０、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１ａ、および駆動回路６０は用意されているが、全体で１つのエネルギー蓄積コイル３やコンデンサ１３を共用しており、ユニット内にコンデンサが内蔵されていないため、やはり、各気筒まで、数１００Ｖの電圧に耐える配線を引き回す必要がある。
【００５６】
しかし、上記実施形態の点火装置ユニット１５では、コンデンサ２をも内蔵しているので、図１からも判るように、各点火装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、いずれも直流電源Ｄの正配線Ｄ＋、およびＥＣＵからの点火信号配線２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃのみが外部に露出することとなる。従って、高々１２〜２４Ｖ程度の低電圧の配線のみが引き回されるため、感電や漏電の危険性がなく、低い安価なケーブル等で配線でき、電磁ノイズの発生も抑制される。
【００５７】
以上においては、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなはなく、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、点火装置ユニット１５において、スプリング端子１７を用いて点火プラグＰＡの端子ＰＡｔを接続したが、ユニット１５と点火プラグＰＡとが直接結合できるようにされていれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態にかかる点火装置および関連部分を示す回路図である。
【図２】 図１に記載の点火装置の各部分における電圧変化を示す波形図である。
【図３】 図１に記載の点火装置を一体のユニットとした状態を示す部分破断断面図である。
【図４】 図３に記載の点火装置ユニットをエンジンに取り付けた状態を示す部分破断断面図である。
【図５】 従来の点火装置の回路図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 点火装置
１ 点火トランス
１１ １次コイル
１２ ２次コイル
１Ｅ エネルギー蓄積コイル
２ コンデンサ
３ 第１スイッチング回路
５ 第２スイッチング回路
３ｂ，５ｂ トランジスタ（スイッチング素子）
４ １次コイル電流検出抵抗
７ タイマー回路
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ 点火信号配線
３０ ガソリンエンジン（内燃機関）
Ｄ 直流電源
ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ 点火プラグ
ＥｇＡ 気筒
１５ 点火装置ユニット
１６ａ コネクタ
１６ｂ コネクタ端子
１７ スプリング端子
１８ ゴムホルダー
３１Ａ プラグホール
Claims (9)
- エネルギー蓄積コイルと、
上記エネルギー蓄積コイルに直列接続された１次コイル、および、点火プラグに接続される２次コイルを有する点火トランスと、
第１のスイッチング回路と、
上記第１のスイッチング回路と並列回路をなすコンデンサと、
第２のスイッチング回路と、
上記エネルギー蓄積コイルと、上記１次コイルと、上記第１のスイッチング回路とコンデンサとの並列回路と、をこの順に含む直列回路であって、接続される直流電源を介して閉回路を構成する第１直列回路と、
上記コンデンサと、上記１次コイルと、上記第２のスイッチング回路と、をこの順に含む直列回路であって、閉回路を構成する第２直列回路と、
を備える内燃機関用点火装置。 - 請求項１に記載の内燃機関用点火装置であって、
前記エネルギー蓄積コイルが、前記点火トランスと一体に形成され、
前記１次コイルの巻き数をＮ１、２次コイルの巻き数をＮ２、エネルギー蓄積コイルの巻き数をＮＥとしたときに、Ｎ２＞ＮＥ＞Ｎ１とされていること
を特徴とする内燃機関用点火装置。 - 請求項１または請求項２に記載の内燃機関用点火装置であって、
内燃機関制御ユニットからの点火信号に基づき、前記第１のスイッチング回路を閉とした後に開とし、ついで、所定時間後に前記第２のスイッチング回路を閉とするタイマー回路を備えること
を特徴とする内燃機関用点火回路。 - 請求項３に記載の内燃機関用点火装置であって、
前記１次コイルを流れる１次コイル電流を検知する１次コイル電流検知手段を備え、
前記タイマー回路は、前記第１のスイッチング回路を閉とした後、検知された上記１次コイル電流が所定値以上となったときに、前記第１のスイッチング回路を開とするように構成されていること
を特徴とする内燃機関用点火装置。 - 請求項３または請求項４に記載の内燃機関用点火装置であって、
前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を開とした後に、第２のスイッチング回路を閉とするまでの所定時間が、概略、前記第１のスイッチング回路を開としてから前記コンデンサの端子間電圧が最大となるまでの時間に設定されていること
を特徴とする内燃機関用点火装置。 - 請求項３〜請求項５に記載の内燃機関用点火装置であって、
前記タイマー回路は、前記第２のスイッチング回路を閉とした後に、第１のスイッチング回路を閉とし、これと同時またはこれよりも遅れて第２のスイッチング回路を開とし、かつ、前記内燃機関制御ユニットからの点火信号が継続している期間中、前記第１及び第２のスイッチング回路の開・閉を繰り返すようにされていること
を特徴とする内燃機関用点火装置。 - 請求項６に記載の内燃機関用点火装置であって、
前記タイマー回路において、前記第１のスイッチング回路を閉とするタイミングが、前記エネルギー蓄積コイルと１次コイルの接続部に生じる振動電位により、前記エネルギー蓄積コイルの両端間にかかる電圧が略最大となるタイミングに設定されていること
を特徴とする内燃機関用点火装置。 - 請求項１〜請求項７に記載の内燃機関用点火装置であって、
少なくとも、前記エネルギー蓄積コイルと、点火トランスと、第１スイッチング回路と、コンデンサと、第２スイッチング回路と、これらを接続する前記第１直列回路および第２直列回路をなす配線とが、前記点火プラグと直接結合可能な、一体のユニット内に収納されていること
を特徴とする内燃機関用点火装置。 - 点火プラグと、
点火プラグに結合された請求項８に記載の内燃機関用点火装置と、を備えること
を特徴とする内燃機関。
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