JP4483587B2 - 多重放電点火システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関において点火プラグに点火するために使用される多重放電点火システムに関する。

多重放電点火とは、点火効率を上げるために所定の気筒への点火を複数回に分けて行う点火方式である。図５に従来の多重放電点火システムの回路図が示されている。この多重放電点火システム１００は、エネルギ蓄積コイル１０２、第１パワートランジスタ（以下、「第１トランジスタ」という）１０３、コンデンサ１０５、点火コイル１０６、第２パワートランジスタ（以下、「第２トランジスタ」という）１０７及び多重制御回路１０８を備えている。なお、実際には点火コイル１０６及び第２トランジスタ１０７は気筒数と同数だけ配置されており、その一つのみ（ｎ番目）を図５に示している。

多重制御回路１０８は入力される点火信号ＩＧｔ（ｎ）及び放電区間信号ＩＧＷにより各気筒の第１トランジスタ１０３及び第２トランジスタ１０７を断続制御している。第１トランジスタ１０３がオンするとバッテリ１０１からエネルギ蓄積コイル１０２にエネルギが供給され、オフするとこのエネルギがコンデンサ１０５に充電される。第２トランジスタ１０７がオンするとコンデンサ１０５の放電電荷により１次コイル１０６の１次側（低圧側）に１次電圧が印加される。第２トランジスタ１０７がオフすると１次電圧が点火コイル１０６により昇圧され、２次側（高電圧側）に２次電圧が形成され、点火コイル１０６から点火プラグ（不図示）に印加される。
特開平１−２３２１６５号公報 特開平３−１５６５９号公報

上述したように点火コイルは気筒数（ｎ）と同じ数ｎだけ配置されており、エネルギ蓄積コイル１０２には、全気筒分の１次電流を確保すべく大きな電流が流れる。その結果、抵抗値と電流値の２乗との積（Ｒ×ｉ²）で決まるエネルギ蓄積コイル１０２の発熱量が大きくなる。エネルギ蓄積コイル１０２での発熱を抑制するために、その抵抗値を小さくすることが考えられる。

しかし、その場合はｎ番目の気筒の点火信号ＩＧｔ（ｎ）が異常で、トランジスタ１０３がオンしたままになると、エネルギ蓄積コイル１０２での発熱量が小さい分、第１トランジスタ１０３での発熱量が大きくなり、システムとして成立しない虞がある。さりとて、各気筒の点火コイルの正常な作動を確保する必要があるので、発熱量を抑制するために電流値を小さくすることはできない。

こうした事情を考慮して、従来例はエネルギ蓄積コイル１０２を放熱特性を向上させていた。即ち、エネルギ蓄積コイル１０２の外径を大きくすれば内部に空間やすきまが形成され、この空間などに空気が進入することにより放熱特性が向上する。しかし、外径の増加によりエネルギ蓄積コイル１０２が大型化し、大きな配置スペースが必要になっていた。

本発明の多重放電点火システムは上記課題に鑑みてなされたもので、エネルギ蓄積コイルを大型化せずにその発熱を抑制でき、しかも、点火信号異常時におけるスイッチング素子の発熱を抑制できる多重放電点火システムを提供することを目的とする。

（イ）本発明の多重放電点火システムは、エネルギ蓄積コイルの所定抵抗値の一部を、エネルギ蓄積コイルの外部に抵抗体として分割して配置することを技術的特徴とする。本発明の多重放電点火システムは、請求項１、３に記載したように、所定抵抗値を持つエネルギ蓄積コイルと、エネルギ蓄積コイルからエネルギを供給されるコンデンサと、エネルギ蓄積コイルへの通電を断続可能なスイッチング素子と、コンデンサからエネルギを供給され点火プラグに高電圧を印加する点火コイルと、を備える。請求項１に記載の第１発明の多重放電点火システムにおいて、エネルギ蓄積コイルの所定抵抗値を、エネルギ蓄積コイル内の第１抵抗値を持つ巻線部と、エネルギ蓄積コイルとスイッチング素子との間の第２抵抗値を持つ抵抗体とに分割し、エネルギ蓄積コイルの出力側の分岐点で分岐した第１分岐路にスイッチング素子が配置され分岐点とスイッチング素子との間に抵抗体が配置され、第２分岐路にコンデンサが接続され点火コイルが配置され、エネルギ蓄積コイルは筐体に収容され、抵抗体は筐体とは別個独立の回路基板に実装されている。また、請求項３に記載の第２発明の多重放電点火システムにおいて、エネルギ蓄積コイルの所定抵抗値を、エネルギ蓄積コイル内の第１抵抗値を持つ巻線部と、エネルギ蓄積コイルとスイッチング素子との間の第２抵抗値を持つ抵抗体とに分割し、エネルギ蓄積コイルの出力側の分岐点で分岐した第１分岐路にスイッチング素子が配置され分岐点とスイッチング素子との間に抵抗体が配置され、第２分岐路にコンデンサが接続され点火コイルが配置され、抵抗体の第２抵抗値は巻線部の第１抵抗値よりも大きい。

（ロ）なお、特許文献１、２に記載の多重放電点火システムには、エネルギ蓄積コイルとは別に電流検出用抵抗体が配置されている。しかし、この電流検出用抵抗体は、前記第１トランジスタ１０３に相当するトランジスタのエミッタ側（接地側）に配置され、このトランジスタを流れる電流を検出し、そのレベルや通電時間（閉角度）などをフィードバック制御している。このように、本発明の抵抗体と特許文献１、２に記載の電流検出用抵抗体とは、その目的及び配置場所が異なる。

（ハ）以下、多重放電点火システムの構成要素の種々の態様を説明する。「多重放電」とは、各気筒の一サイクル内で混合気などへの点火を複数回即ち多重に行うことである。点火コイルの数、及び１次コイルの電流を遮断する第２スイッチング素子の数は気筒数と同じであれば良く、特に限定されない。

回路基板は熱抵抗が小さく、放熱性に優れたセラミック製であることが望ましい。

第１分岐路上にエネルギ蓄積コイルをオンオフするスイッチング素子及び抵抗体が配置されている。一方、第２分岐路上にコンデンサの高位側が接続され、１次コイルの１次電流をオンオフする第２スイッチング素子が配置されている。スイッチング素子はパワートランジスタでもＦＥＴでも良い。

第１、２発明の多重放電点火システムによれば、まず、エネルギ蓄積コイルの巻線部の第１抵抗値が抵抗体の第２抵抗値分だけ小さくなるので、抵抗値と電流値の２乗との積（Ｒ×ｉ²）で決まるエネルギ蓄積コイルの発熱量が小さくなる。これに関連して、放熱特性を向上させるために外径を大きくする必要がないので、エネルギ蓄積コイルを小型化できる。

また、スイッチング素子のオフ時、エネルギ蓄積コイルを流れる電流が大きくなり、１次コイルに流れる１次電流を大きくでき、従って２次コイル流れる２次電流を大きくできる。なお、エネルギ蓄積コイルの所定抵抗値を分割しても、エネルギ蓄積コイル、抵抗体及び第１スイッチング素子を含む電源線の全抵抗値は従来例と同じなので、点火信号の異常により第１スイッチング素子がオフしないときでも、スイッチング素子の発熱量が大きくなるおそれはない。そして、スイッチ素子のオフ時即ちエネルギ蓄積コイルからコンデンサへのエネルギの供給時は抵抗体に電流が流れない。従って、エネルギ蓄積コイルを流れる電流の低下量が小さくなり、結果的に１次コイルに流れる１次電流が大きくできる。そして、第１発明の多重放電点火システムは、第２抵抗値を持つ抵抗体が放熱性に優れた回路基板に実装されているので、抵抗体で発生する熱が効率よく放熱され、その温度上昇が抑制される。また、第２発明の多重放電点火システムは、巻線部よりも多い抵抗体の発熱が積極的に放熱されるので、放熱上有利である。

請求項２の多重放電点火システムによれば、第２抵抗値を持つ抵抗体が放熱性に優れた回路基板に実装されているので、抵抗体で発生する熱が効率よく放熱され、その温度上昇が抑制される。請求項４の多重放電点火システムによれば、エネルギ蓄積コイルからコンデンサへのエネルギの充電、及びコンデンサから１次コイルへのエネルギの供給を周期的に繰り返すことができる。

以下、本発明の最良の形態による多重放電点火システムについて説明する。

（イ）構成
図１に、本実施形態の多重放電点火システムの回路図を示す。多重放電点火システムは、エネルギ蓄積コイル１５、第１パワートランジスタ（以下、「第１トランジスタ」という）２０、コンデンサ３０、点火コイル３５、第２パワートランジスタ（以下、「第２トランジスタ」という）４０、多重制御回路５０及び抵抗体４５等を備えている。なお、点火コイル３５及び第２トランジスタ４０は気筒数と同数（例えば４つ）配置されている。

車両のエンジンルームに搭載されたバッテリ（直流電源）１０の高圧側にエネルギ蓄積コイル１５が接続されている。エネルギ蓄積コイル１５の出力側に抵抗体４５の一端が接続され、他端は第１トランジスタ２０のコレクタに接続されている。ここで、エネルギ蓄積コイル１５の所定抵抗値Ｒｅ’のうち、一部の抵抗値Ｒｅはコイルの内部に巻線部１６として形成され、残りの抵抗値Ｒ０は抵抗体４５として回路基板５５に搭載されている。抵抗値Ｒｅ及びＲ０と前記エネルギ蓄積コイル１０２の抵抗値Ｒｅ’との間にはＲｅ’＝Ｒｅ＋Ｒ０の関係が成立する。つまり、エネルギ蓄積コイル１５の巻線部１６の抵抗値Ｒｅは、上記エネルギ蓄積コイル１０２の抵抗値Ｒｅ’と比較して、抵抗値Ｒ０の分だけ小さくなっている。巻線部１６の抵抗値Ｒｅを小さくするために、具体的にはエネルギ蓄積コイル１５の線径を太くしている。

エネルギ蓄積コイル１５の出力側の分岐点１７で第１分岐路１８と第２分岐路１９とに分岐している。第１分岐路１８に配置された第１トランジスタ２０のエミッタは電流検出抵抗（不図示）を介して接地され、ＥＣＵ（不図示）からｎ番目の気筒の点火信号ＩＧｔ（ｎ）が多重制御回路５０を介してゲートに入力されている。多重放電回路５０により第１トランジスタ２０は断続制御される。分岐点１７と第１トランジスタ２０との間に抵抗値Ｒｏの抵抗体４５が配置されている。

分岐点１７で分岐した第２分岐路１９に逆流防止ダイオード２５が配置され、そのカソード側にコンデンサ３０の高位側が接続されている。この逆流防止ダイオード２５はコンデンサ３０からエネルギ蓄積コイル１５へのエネルギの逆流を防止している。また第２分岐路１９に１次コイル３６及び第２トランジスタ４０が配置されている。

詳述すると、点火コイル３５は低電圧の１次コイル部３６と、高電圧の２次コイル部３８とを備えている。１次コイル部３６の一端はコンデンサ３０の高電位側に接続され、他端は第２トランジスタ４０のコレクタに接続されている。第２トランジスタ４０のベースに多重制御回路５０が接続され、エミッタは接地されている。多重制御回路５０は放電区間信号ＩＧＷを受け、第２トランジスタ４０を断続制御している。２次コイル部３８の一端は点火プラグ（不図示）に接続され、他端は接地されている。

上記エネルギ蓄積コイル１５は金属製の筐体（不図示）内に収容され、第１トランジスタ２０，コンデンサ３０、第２トランジスタ４０及び抵抗体４５はセラミック製の回路基板５５に実装されている。

（ロ）作用
次に、本実施形態の多重放電点火システムの作用を、図２に示すタイムチャートを参照しつつ説明する。図２（ａ）にａ１で示すように、点火時期に放電区間信号ＩＧＷが立ち上がり、その後ａ２で示すように所定角度で立ち下がる。図２（ｂ）に示す点火信号ＩＧｔ（ｎ）は、ｂ１で示すように点火時期の所定角度前から高レベルに立ち上がり、ｂ２で示すように点火時期で立ち下がる。点火信号ＩＧｔ（ｎ）が立ち上がると、図２（ｃ）に第１トランジスタ２０がオンし、図２（ｅ）にＤで示すようにエネルギ蓄積コイル１５を流れる電流ｉｅが漸増する。

点火時期になると、点火信号ＩＧｔ（ｎ）が立ち下がり、放電区間信号ＩＧＷが立ち上がり、多重制御回路５０が第１トランジスタ２０をオフさせ、所定気筒の第２トランジスタ４０をオンさせる。その結果、始動時にコンデンサ３０に蓄積された電荷（後述する）が、所定気筒の点火コイル３５の１次コイル部３６に供給され、図２（ｅ）にＢで示すようにエネルギ蓄積コイル１５を流れる電流は減少する。

第２トランジスタ４０のオンにより、１次コイル部３６には図２（ｆ）に示すような１次電流ｉ１が供給される。第２トランジスタ４０のオフにより１次電流ｉ１が断続制御されると、１次コイル部３６に所定の１次電圧が発生する。１次コイル部３６と２次コイル部３８との相互誘導作用により１次電圧が昇圧され、２次コイル部３８には図２（ｇ）に示すような２次電流ｉ２が発生し、点火プラグに供給される。

以後多重放電が実行される。即ち、図２（ｅ）にＣで示すように、第２トランジスタ４０がオフし、第１トランジスタ２０がオンすると、バッテリ１０からエネルギ蓄積コイル１５へエネルギが蓄積される。第１トランジスタ２０のオフ及び第２トランジスタ４０のオンにより、エネルギ蓄積コイル１５からコンデンサ３０にエネルギが供給される。

放電区間信号ＩＧＷが高レベルを維持している間、図２（ｃ）（ｄ）に示すように、第１トランジスタ２０と所定気筒の第２トランジスタ４０とは交互に断続制御される。その結果、バッテリ１０からエネルギ蓄積コイル１５へのエネルギの蓄積、エネルギ蓄積コイル１５からコンデンサ３０へのエネルギの充電、及びコンデンサ３０から１次コイル３６へのエネルギの供給が周期的に繰り返される。

次に、多重放電点火システムの点火信号異常時の動きについて、図３のタイムチャートを参照しつつ説明する。「点火信号異常」とは、図３（ａ）に示すように、立ち上がった点火信号ＩＧｔ（ｎ）が高レベルのまま立ち下がらない場合である。この場合、過電流による第１トランジスタ２０の破壊を防止するために電流を制御する。即ち、図３（ｂ）、（ｃ）にＸで示すように、第１トランジスタ２０のオン時、エネルギ蓄積コイル１５を流れる電流ｉｅ及び第１トランジスタ２０を流れる電流ｉ０は電流検出抵抗によりモニタリングされ、所定の電流で制御される。

点火信号ＩＧｔ（ｎ）が立ち上がってから電流制御されるまでの間における第１トランジスタ２０の消費電力Ｐは、バッテリ１０の電圧をＶＢとすると、Ｐ＝ｉ０×（ＶＢ−ｉｅ×（Ｒｅ＋Ｒ０））で表される。これに対して、前記三つの抵抗Ｒｅ、Ｒ０、Ｒｅ’間にはＲｅ’＝Ｒｅ＋Ｒ０の関係が成立している。このため、ｉ０×（ＶＢ−ｉｅ×（Ｒｅ＋Ｒ０））＝ｉ０×（ＶＢ−ｉｅ×Ｒｅ’）となり、最良の形態と従来例とで消費電力Ｐは同等になる。

図２（ａ）においてａ２で示すように、放電区間信号ＩＧＷが立ち下がると、図２（ｃ）に示すように多重制御回路５０の出力により第１トランジスタ２０がオンし、図２（ｅ）に示すようにエネルギ蓄積コイル１５の電流ｉｅが上昇する。この間にエネルギ蓄積コイル１５にエネルギが蓄えられる。第１トランジスタ２０のエミッタ側の電流ｉ０は電流検出抵抗によりモニタリングされており、エネルギ蓄積コイル１５に充分量のエネルギが蓄えられ、検出される電流ｉ０が所定値になると、多重制御回路５０の出力により第１トランジスタ２０がオフする。第１トランジスタ２０のオフ時に、エネルギ蓄積コイル１５のエネルギがコンデンサ３０に供給される。このコンデンサ３０の電荷が、気筒の点火サイクルの初期に使用される。

（ハ）効果
次に、多重放電点火システムの効果について説明する。第１に、エネルギ蓄積コイル１５の巻線部１６の抵抗値Ｒｅが、抵抗体４５の抵抗値Ｒ０の分小さくなり、その結果Ｒｅ×ｉ²で決まるエネルギ蓄積コイル１５の発熱量が小さくなる。したがって、放熱特性を向上させるためにエネルギ蓄積コイルの外径を大きくすることは不要となり、エネルギ蓄積コイル１５が小型化できる。

第２に、エネルギ蓄積コイル１５の巻線部１６の抵抗値Ｒｅが小さくなると、図２（ｅ）に実線で示すように、破線で示す従来例と比較して、エネルギ蓄積コイル１５を流れる電流ｉｅが大きくなる。その理由を、図２の主要部拡大図である図４を参照しつつ説明する。図４中矢印で示すように、第１トランジスタ２０がオフで第２トランジスタ４０がオンの区間Ｂ、即ちエネルギ蓄積コイル１５からコンデンサ３０へのエネルギ供給時のエネルギ蓄積コイル１５を流れる電流の傾きが小さくなる。熱のロスが発生するのは電流が流れるエネルギ蓄積コイル１５のみであり、電流が流れない抵抗体４５では熱のロスがないためである。区間Ｂの傾きが小さくなるので、電流ｉｅの下降幅は小さくなる。

なお、第１トランジスタ２０がオンで第２トランジスタ４０がオフの区間Ｃ、即ちエネルギ蓄積コイル１５へのエネルギの蓄積時のエネルギ蓄積コイル１５を流れる電流の傾きは、エネルギ蓄積コイル１５と抵抗体４５と第１トランジスタ２０とを結ぶ電源線の全抵抗に依存している。ここで、前述したように三つの抵抗Ｒｅ’、Ｒｅ及びＲ０間にはＲｅ’＝Ｒｅ＋Ｒ０の関係が成立し、該電源線の全抵抗が従来例と同じである。従って、区間Ｃにおける電流ｉｅの上昇幅は従来例と同じである。

図２（ａ）に示す放電区間信号ＩＧＷが高レベルの間、第１トランジスタ２０及び第２トランジスタ４０の交互オンオフにより、区間Ｂと区間Ｃとは周期的に繰り返される。従って、区間Ｂの繰返し分だけ、従来例よりも電流ｉｅが大きくなる。その結果、図２（ｆ）に実線で示すように、破線で示す従来例と比較して１次電流ｉ１を大きくでき、図２（ｇ）に実線で示すように、破線で示す従来例と比較して２次電流ｉ２を大きくできる。

第３に、前述したＲｅ’＝Ｒｅ＋Ｒ０の関係により、第１トランジスタ１５の消費電力Ｐ（＝ｉ０×（ＶＢ−ｉｅ×（Ｒｅ＋Ｒ０）））と、前記第１トランジスタ１０３の消費電力Ｐ（＝ｉ０×（ＶＢ−ｉｅ×Ｒｅ’））とは一致している。したがって、第１トランジスタ１５での発熱量は、従来例と略同レベルに抑制できる。なお、第１トランジスタ２０のオン時は抵抗体４５が発熱するが、抵抗体４５に電流が流れるのは第１トランジスタ２０のオン時のみで、オフ時は流れない。このように抵抗体４５の発熱時間が短いのでトータルの発熱量が少ない。

これに対して、従来例では第１トランジスタ１０３のオン時もオフ時もエネルギ蓄積コイル０２内の抵抗に電流が流れるので、発熱時間が長く、発熱量が多くなる。また、抵抗体４５での発熱に関連して、抵抗体４５が実装された回路基板は５５は放熱性に優れたセラミックから成り、しかもエネルギ蓄積コイル１５などを収容した筐体から浮いている。その結果、回路基板５５の周辺を流通する空気により抵抗体４５が放熱され易く、換言すれば冷却され易く、この点からも抵抗体４５の温度上昇が抑制される。

本発明の最良の形態による多重放電点火システムの回路図である。 上記最良の形態の作動を示すタイムチャートであり、（ａ）は放電区間信号のオンオフを、（ｂ）は点火信号のオンオフを、（ｃ）は第１トランジスタのオンオフを、（ｄ）は第２トランジスタのオンオフを、（ｅ）はエネルギ蓄積コイルを流れる電流の変化を、（ｆ）は１次コイルの１次電流の変化を、そして（ｇ）は２次コイルの２次電流の変化を示す。 上記最良の形態における点火信号異常時のタイムチャートであり、（ａ）は点火信号を、（ｂ）はエネルギ蓄積コイルを流れる電流を、そして（ｃ）は第１トランジスタを流れる電流を示す。 図２の要部（Ａ部）の拡大図である。 従来の多重放電点火システムの回路図である。

符号の説明

１０：バッテリ １５：エネルギ蓄積コイル
２０：第１スイッチング素子 ３０：コンデンサ
３５：点火コイル ３６：１次コイル部
３８：２次コイル部 ４０：第２スイッチング素子
４５：抵抗体 ５０：多重制御回路

Claims (4)

1. 所定抵抗値を持つエネルギ蓄積コイル（１５）と、該エネルギ蓄積コイルからエネルギを供給されるコンデンサ（３０）と、該エネルギ蓄積コイルへの通電を断続可能なスイッチング素子（２０）と、該コンデンサからエネルギを供給され点火プラグに高電圧を印加する点火コイル（３５）と、を備える多重放電点火システムであって、
   前記エネルギ蓄積コイルの所定抵抗値を、該エネルギ蓄積コイル内の第１抵抗値（Ｒｅ）を持つ巻線部（１６）と、該エネルギ蓄積コイルと前記スイッチング素子との間の第２抵抗値（Ｒｏ）を持つ抵抗体（４５）とに分割し、
   前記エネルギ蓄積コイルの出力側の分岐点（１７）で分岐した第１分岐路（１８）に前記スイッチング素子が配置され該分岐点と該スイッチング素子との間に前記抵抗体が配置され、第２分岐路（１９）に前記コンデンサが接続され前記点火コイルが配置され、
   前記エネルギ蓄積コイルは筐体に収容され、前記抵抗体は該筐体とは別個独立の回路基板（５５）に実装されていることを特徴とする多重放電点火システム。
2. 前記回路基板はセラミック製である請求項１に記載の多重放電点火システム。
3. 所定抵抗値を持つエネルギ蓄積コイル（１５）と、該エネルギ蓄積コイルからエネルギを供給されるコンデンサ（３０）と、該エネルギ蓄積コイルへの通電を断続可能なスイッチング素子（２０）と、該コンデンサからエネルギを供給され点火プラグに高電圧を印加する点火コイル（３５）と、を備える多重放電点火システムであって、
   前記エネルギ蓄積コイルの所定抵抗値を、該エネルギ蓄積コイル内の第１抵抗値（Ｒｅ）を持つ巻線部（１６）と、該エネルギ蓄積コイルと前記スイッチング素子との間の第２抵抗値（Ｒｏ）を持つ抵抗体（４５）とに分割し、
   前記エネルギ蓄積コイルの出力側の分岐点（１７）で分岐した第１分岐路（１８）に前記スイッチング素子が配置され該分岐点と該スイッチング素子との間に前記抵抗体が配置され、第２分岐路（１９）に前記コンデンサが接続され前記点火コイルが配置され、
   前記抵抗体の第２抵抗値（Ｒｏ）は前記巻線部の第１抵抗値（Ｒｅ）よりも大きいことを特徴とする多重放電点火システム。
4. 前記コンデンサ（３０）の高圧側が前記第２分岐路に接続されている請求項１又は３に記載の多重放電点火システム。

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