JP4621638B2 - 点火装置 - Google Patents

Description

この発明は、主として、内燃機関に用いられる点火装置に関し、好ましくは多重点火型点火装置として機能する。

内燃機関の点火装置として、近年の排気ガス対策や燃費向上のための高圧縮のリーン燃焼（希薄燃焼）に適合するために、高エネルギーの点火装置が求められている。例えば、以下の特許文献には、容量性放電と誘導性放電とを組み合わせた多重放電型点火装置が記載されている。
特許第２８１１７８１号 特開平１１−２１０６０７号

これらの点火装置は、通常の電流遮断方式の点火装置に比べて、放電回数が多い分だけ消費電力が増加するにも拘わらず、その消費電力を低減する方策が採られていない。また、回路構成としても、大容量のスイッチング素子を二個必要とし、その制御回路も極めて部品点数が多く、製造コストが高価であるという問題がある。更に、上記の点火装置では、本来の点火タイミングの以前に、ＯＮ状態になるスイッチング素子が存在するため、プレイグニッション(pre-ignition)のおそれもある。

以上に鑑み、本発明は、部品点数が少なく、また、消費電力を抑制することのできる点火装置を提供することを目的とする。また、点火タイミングに達するまでは、スイッチング素子がＯＮ状態にならないため、無駄な電力消費がなく、且つ、誤動作のおそれも解消される点火装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、直流電源と接地端子との間に、エネルギー蓄積コイルと、逆流防止素子と、キャパシタとを接続した第一直列回路を設けると共に、前記キャパシタの両端に、スイッチング素子の電流通路及び点火コイルからなる第二直列回路を接続した点火装置であって、前記スイッチング素子は、前記点火コイルの二次側に接続された点火プラグの点火動作時に、複数回のＯＮ／ＯＦＦ動作を実行するよう制御され、前記スイッチング素子のＯＮ動作時には、エネルギー蓄積コイル及び前記キャパシタから、前記点火コイルを経由して、前記スイッチング素子のＯＮ電流が流れ込み、前記点火プラグの点火動作時には、放電方向が交互に切り替わる複数回の放電動作が繰り返されるよう構成されると共に、前記エネルギー蓄積コイル又は前記スイッチング素子に流れる被監視電流の検出手段が設けられ、前記検出手段の出力が、前記スイッチング素子の駆動回路に入力されて、前記スイッチング素子の少なくとも最後のＯＮ動作時に流れる被監視電流が、所定の上限値に達すると、前記スイッチング素子を強制的にＯＦＦ状態に制御するよう構成されている。

本発明は、一つの点火コイルに対応して単一のスイッチング素子で足り、極めて簡潔な構成でありながら、容量性放電と誘導性放電を交互に繰り返す多重放電型点火装置を実現できる。なお、容量性放電とは、キャパシタに蓄積された電荷の放電に伴う点火プラグの放電を意味し、誘導性放電とは、点火コイルに充電された磁気エネルギーが、直接的に放出されて実行される点火プラグの火花放電を意味する。

本発明によれば、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作の周期を適宜に変えることが可能であり、多重放電における設計の自由度が高い。また、本発明によれば、点火プラグでの放電の有無に応じた動作周期でスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ動作させることができ、点火放電に必要となる点火コイルの最適な出力電力を得ることができる。そのため、消費電力を抑制しつつ、放電持続時間の長い点火装置を実現することができる。また、多重放電時に、順次、放電方向が反転するので、点火プラグの電極が劣化するのを防止できる。

本発明では、好ましくは、前記キャパシタと並列に、或いは、点火トランスの一次コイルに並列に、振動電流を吸収するダンパ素子が接続される。ダンパ素子としては、好ましくは、順方向にのみ通電する素子（典型的にはダイオード）が採用される。この構成によれば、キャパシタが逆方向に充電されることがないので、本発明を多気筒の内燃機関に応用する際に、単一のキャパシタを、各気筒の点火ユニットで共用することができる。

この点は、図６（Ａ）〜（Ｃ）の動作を示す図１３（Ａ）〜（Ｃ）から理解することができる。例えば、図６（Ｂ）の構成の場合には、スイッチング素子５のＯＮ動作時に、キャパシタ６と、点火コイル４の一次コイル４１とで振動回路が形成される。そのため、図１３（Ｂ）に示すように、キャパシタ６に逆方向電流が流れる時に、この逆方向電流が、複数の点火コイルに分流してしまう。これに対して、キャパシタ６と並列にダイオード１１を接続するか（図１３（Ａ）参照）、或いは、点火コイル４の一次コイル４１に並列にダイオード１１を接続すると（図１３（Ｃ）参照）、振動電流が流れないので、他の点火コイルに電流が流れることがない。但し、図１３（Ｃ）の構成の場合には、スイッチング素子５のＯＮ動作を一回に限定するのが好ましい。

また、本発明では、スイッチング素子のＯＮ動作時間を適宜に設定することにより、消費電力を抑制することができ、また、点火プラグの劣化を抑制することができる。特に、内燃機関の燃焼を開始させるための最初のＯＮ動作時間や、複数回繰り返されるＯＮ／ＯＦＦ動作の最後のＯＮ動作時間は重要である。この最初のＯＮ動作時間や最後のＯＮ動作時間は、内燃機関の回転数、内燃機関の負荷条件、又は電源電圧により適宜に変更するのが好ましい。

本発明によれば、高圧縮リーン混合気を使用する燃料直噴内燃機関(Gasoline Direct Injection Engine)に対応する点火装置を実現でき、その結果として、低燃費と低排気ガスの内燃機関を実現できる。本発明では、比較的高周波数で交互に繰り返される容量性放電と誘導性放電について、その繰り返し回数や各放電エネルギーを適宜に制御することができる。具体的には、点火パルスの繰り返し回数やスイッチング周期などの動作パラメータが、内燃機関の回転数、内燃機関の負荷条件、又は電源電圧の変動に応じて適宜に変更される。また、本発明は、多様化する電池の高電圧化にも対応することもでき、簡単な回路構成でありながら、消費電力の低減化と、自由度の高い設計を実現する。

図１は、第一実施例の点火装置を示す回路図である。図示の点火装置は、例えば四気筒の内燃機関（ここでは自動車エンジン）に対応しており、同一構成の４つの点火ユニット１００，１０１，１０２，１０３が、主として、ＥＣＵ（電子制御ユニットelectronic control unit）１０に制御されて動作している。点火ユニット１００〜１０３は、スイッチング素子５のＯＮ／ＯＦＦ動作によって、点火プラグ８の両端に高電圧を発生させ、各点火ユニット１００〜１０３の点火プラグ８を時間順次に放電させている。

点火ユニット１００〜１０３には、電源端子ＰＷＲと、第一制御端子ＣＴＬ１と、第二制御端子ＣＴＬ２と、接地端子ＧＮＤとが設けられている。第一制御端子ＣＴＬ１には、電流検出コイル２２の検出出力が供給され、第二制御端子ＣＴＬ２には、ＥＣＵ１０から、位相の異なる制御信号が供給されている。ここで、電流検出コイル２２の検出出力は、エネルギー蓄積コイル２１の電流値に比例している。

図１に示す通り、点火ユニット１００〜１０３の電源端子ＰＷＲには、第一ダイオード３とエネルギー蓄積コイル２１の直列回路を経由して、バッテリーによる直流電源Ｅ（４２Ｖ）が供給されている。図示の通り、第一ダイオード３は、直流電源Ｅから点火ユニット１００〜１０３に向けて、順方向電流が流れるように接続されており、逆流防止素子として機能している。

また、接地端子ＧＮＤからエネルギー蓄積コイル２１に向けて順方向電流が流れるように、第二ダイオード７が接続されている。この第二ダイオード７は、直流電源Ｅのバイパス路として機能する素子である。したがって、必ずしも、図示のように、第一ダイオード３の下流側に、第二ダイオード７を接続する必要はなく、第一ダイオード３の上流側に、第二ダイオード７を接続しても良い（図１の破線部参照）。

電源ライン１と接地端子ＧＮＤとの間には、キャパシタ(capacitor)１２が接続されている。このキャパシタ１２は、実際には、セラミックキャパシタＣ１と電解キャパシタＣ２とを並列に接続して実現されている。これらのキャパシタＣ１，Ｃ２は、電源ライン１に重畳する雑音を吸収するだけでなく、スイッチング素子５のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴う高周波信号のバイパス路を形成している。このように、本実施例では、電源ライン１の最下流位置と接地端子ＧＮＤとの間にキャパシタ１２を設けているので、周波数特性に優れた高価なダイオード３，７を使用しなくても、スイッチング素子５を高速度でＯＮ／ＯＦＦ動作させることができる。

各点火ユニット１００〜１０３と接地端子ＧＮＤとの間には、キャパシタ６及び第三ダイオード１１が並列に接続されている。第三ダイオード１１は、キャパシタ６が負方向に充電されることを防止するダンパ素子(damper)であり、スイッチング素子５を経由する振動電流を吸収している。

次に、点火ユニット１００の内部構成を説明するが、他の点火ユニット１０１〜１０３も全て同一構成である。点火ユニット１００は、スイッチング素子たるトランジスタ５と、トランジスタ５に点火パルスＶｓを供給して点火ユニットのＯＮ／ＯＦＦ動作を実現する駆動回路９と、トランジスタ５のコレクタ端子に接続される点火コイル４とで構成されている。点火コイル４は、電磁結合された一次コイル４１と二次コイル４２とで構成され、二次コイル４２には点火プラグ８が接続されている。なお、トランジスタのエミッタ端子は、接地されている。

続いて、図１の点火装置の動作内容について図２（Ａ）（Ｂ）を参照しつつ説明する。スイッチング素子５がＯＮ動作した場合には、図１の点火装置は、等価的に図２（Ａ）の回路構成となり、キャパシタ６の充電電荷が、点火コイル４の一次コイル４１を経由して放電され、また、エネルギー蓄積コイル２１にはコイル充電電流ｉ１が流れる。

実施例の回路は、仮に、第三ダイオード１１が存在しなければ、キャパシタ６と一次コイル４１とスイッチング素子５とを経由して、振動電流が流れるよう回路設計されている。但し、実際には、キャパシタ６に第三ダイオード１１が並列接続されているので、キャパシタ６の両端電圧Ｖｃは、スイッチング素子５のＯＮ動作と同時に急激に減少した後、逆方向への充電が阻止されて安定する。言い換えると、キャパシタ６の両端電圧Ｖｃは、図２（Ａ）の左側に図示したように急激に変化する。

一方、スイッチング素子５がＯＦＦ動作した場合には、図１の点火装置は、等価的に図２（Ｂ）の回路構成となり、キャパシタ６が、エネルギー蓄積コイル２１を経由して充電される。なお、キャパシタ６の充電経路中に第一ダイオード３と第二ダイオード７が存在するので、その整流作用によって、キャパシタ６の両端電圧Ｖｃは、急激に最高値まで増加した後、その値を維持する。この関係は、図２（Ｂ）の左側に図示した通りであり、図示例では、キャパシタ６が３００Ｖまで充電されている。

ところで、図２（Ｂ）に示すＯＦＦ動作時には、エネルギー蓄積コイル２１には、図示の向きに大きな逆起電力が発生する。これにより、直流電源Ｅに加えてエネルギー蓄積コイル２１による電圧源が直列に加わり、電源ライン１にはキャパシタ６への大きな充電電流が流れる。この場合、直流電源Ｅから引き回される電源ライン１が一般的に長くなることによる高周波インピーダンスの増加が有っても、電源ライン１が第二ダイオード７と電源キャパシタ１２でバイパスされるため、電源ライン１から放射される高周波ノイズが低減される。

以上の動作内容を踏まえて、図１の点火装置の動作内容を説明する。図３は、点火装置の動作内容を示すタイムチャートである。図３の左半分は、内燃機関の運転開始のアイドリング時から部分負荷時の点火動作を示しており、図３の右半分は、全負荷時に近い定常運転に達した後の定常動作時の点火動作を示している。また、図４は、内燃機関を始動させるためにクランクシャフトを回転させている時（つまり、クランキング時）の点火動作を図示している。
＜クランキング時の放電開始までの動作＞
そこで、先ず、図４に基づいて、クランキング時における放電開始までの動作を説明する。本実施例では、点火パルスＶｓは、ＥＣＵ１０からの制御信号ＣＴＬ２に基づき、ＯＮ時間Ｔｏｎが０．２２ｍＳ、ＯＦＦ時間Ｔｏｆｆが０．１２ｍＳに初期設定されている。但し、エネルギー蓄積コイル２１に流れる電流が、所定の上限値Ｉｍａｘ（例えば１２Ａ）を越えると、制御信号ＣＴＬ１に基づいて、点火パルスＶｓが強制的にＯＦＦ状態になるよう制御される。したがって、この実施例では、ＯＮ時間の設定値Ｔｏｎを超えるか、或いは、エネルギー蓄積コイル２１の電流上限値Ｉｍａｘを超えると、両者の論理ＯＲ出力である点火パルスＶｓによって、スイッチング素子５がＯＦＦ動作状態になる。

さて、４２Ｖの電源電圧Ｅが投入されると、エネルギー蓄積コイル２１と第一ダイオード３を経由してキャパシタ６に充電電流ｉが流れ、キャパシタ６には、直流電源４２Ｖに対応する充電電荷が蓄積される（初期充電動作）。

次に、スイッチング素子５が、初めてＨレベルの点火パルスＶｓを受けると、スイッチング素子５がＯＮ動作して、キャパシタ６の充電電荷は、点火コイル４の一次コイル４１を経由して放電される（図４（Ａ）参照）。一方、エネルギー蓄積コイル２１には、コイル充電電流ｉ１が流れ、磁気エネルギーの蓄積が開始される。また、スイッチング素子５がＯＮ動作したことに対応して、スイッチング素子５のコレクタ電位Ｖｏは０Ｖとなり、キャパシタ６の両端電圧Ｖｃも、０Ｖに向けて急激に降下する（図２（Ａ）参照）。

なお、キャパシタ６からの放電動作の開始により、点火コイル４の二次コイル４２には、４．６ｋＶ程度の誘起電圧が発生するが、この段階では、内燃機関の気筒内圧力が高いために、点火プラグ８が放電するには至らない。また、点火プラグ８が火花放電を開始していないので、エネルギー蓄積コイル２１の電流値が上限値Ｉｍａｘを越えることもない。

その後、スイッチング素子５がＯＦＦ状態に変化すると（図４（Ｂ）参照）、点火コイル４に蓄積された磁気エネルギーの放出により、二次コイル４２に３０ｋＶ程度の高電圧が誘起され、点火プラグ８が火花放電を開始する。すなわち、スイッチング素子５がＯＮ動作からＯＦＦ動作に変化したタイミングで、点火プラグ８が放電を開始し、内燃機関での燃焼が開始される。一方、エネルギー蓄積コイル２１にも３００Ｖ程度の逆方向起電力が誘起され、キャパシタ６が、約３００Ｖまで急速に充電される。したがって、その後、スイッチング素子５が再度ＯＮ動作すると、キャパシタ６からの放電動作により、点火コイル４の二次コイル４２に高電圧が誘起されて点火プラグ８では、それまでとは逆方向の放電が行われる。

このように、本実施例では、スイッチング素子の最初のＯＮ動作では、点火プラグ８が放電せず、点火プラグ８の動作開始までに、０．２２ｍＳ程度の放電遅れが生じる。しかし、この遅延時間は、クランキング回転数の遅延角にして０．１８度程度であるために問題にはならない。
＜アイドリング時の動作＞
以上のようにして点火動作が開始されるので、続いて、アイドリング時の点火動作について、図３のタイムチャート（左側）と図５に基づいて説明する。
［ｔ＝ｔ０］
図３の左側に示すｔ＝ｔ０のタイミングで、Ｈレベルの点火パルスＶｓを受けると、スイッチング素子５は、ＯＦＦ動作からＯＮ動作に変化する。そのため、キャパシタ６の充電電荷は、点火コイル４の一次コイル４１を経由して急激に放電される（図５（Ａ）参照）。キャパシタ６は、クランキング時の最終動作において４００Ｖ程度まで充電されているので、この大量の電荷が点火コイル４に放電されることにより、点火コイル４の二次コイル４２に４０ｋＶ以上の高電圧が誘起され、点火プラグ８は、図示右向きの放電を継続する。なお、スイッチング素子５がＯＮ動作したことに対応して、スイッチング素子５のコレクタ電位Ｖｏは０Ｖとなり（図３（Ｂ））、キャパシタ６の両端電圧Ｖｃも、０Ｖに向けて急激に降下する（図２（Ａ）参照）。

また、スイッチング素子５がＯＮ動作したことにより、エネルギー蓄積コイル２１には、コイル充電電流ｉ１が流れ始め、磁気エネルギーの蓄積が開始される。このコイル電流ｉ１は、図３（Ｄ）のように振動成分を伴って増加する。図３（Ｄ）は、電流検出コイル２２によって検出されるエネルギー蓄積コイル２１の電流波形である。

なお、エネルギー蓄積コイル２１の電流が上限値Ｉｍａｘを超えると、スイッチング素子５は強制的にＯＦＦ状態に遷移されるが、説明の便宜上、以下の説明では、エネルギー蓄積コイル２１の電流が、上限値Ｉｍａｘを超えることは無いと仮定する。
［ｔ＝ｔ１］
エネルギー蓄積コイル２１の電流が、上限値Ｉｍａｘを超えないと仮定すると、タイミングｔ０から開始された火花放電が終了し終わる迄に、ｔ１（＝Ｔ０＋０．２２ｍＳ）のタイミングで、スイッチング素子５がＯＦＦ動作する（図５（Ｂ））。すると、それまでに点火コイル４に蓄積された磁気エネルギーが放出されることにより、二次コイル４２に３０ｋＶ程度の高電圧が誘起され、点火プラグ８は、それまでとは逆向きの放電動作を継続する。

一方、この時、エネルギー蓄積コイル２１には３００Ｖ程度の電圧が誘起され、キャパシタ６が、約３００Ｖまで急速に充電される（図２（Ｂ）参照）。
［ｔ＝ｔ２］
次に、タイミングｔ１から開始された誘導性の火花放電が終了し終わる迄に、ｔ２（＝ｔ１＋０．１２ｍＳ）のタイミングで、改めてスイッチング素子５がＯＮ動作する（図５（Ａ））。すると、キャパシタ６の充電電圧３００Ｖが、点火コイル４の一次コイル４１に印加されて、二次コイル４２には、先の放電時とは逆方向の３３ｋＶ程度の高電圧が誘起される。

そのため、点火プラグ８には放電電流が反転して流れ、また、エネルギー蓄積コイル２１には、磁気エネルギーの蓄積が開始される。
［ｔ＝ｔ３］
その後、スイッチング素子５は、ｔ３（＝ｔ２＋０．２２ｍＳ）のタイミングで、再度ＯＦＦ動作状態になる（図５（Ｂ））。すると、点火コイル４の二次コイル４２には３０ＫＶ程度の高電圧が誘起され、点火プラグ８の火花放電電流が再度反転して放電が持続される。また、エネルギー蓄積コイル２１の逆方向起電力により、キャパシタ６は再充電される。

以下同様であり、エネルギー蓄積コイル２１の電流が上限値Ｉｍａｘを超えない限り、スイッチング素子５は、０．２２ｍＳ間のＯＮ動作と、０．１２ｍＳ間のＯＦＦ動作を繰り返す。また、点火プラグ８では、容量性放電と誘導性放電とを交互に繰り返す。先に説明した通り、容量性放電とは、キャパシタ６に蓄積された電荷の放電に伴う点火プラグ８の火花放電であり、誘導性放電とは、点火コイル４に充電された磁気エネルギーが、直接的に放出されて実行される点火プラグ８の火花放電である。

図３に示す通り、この実施例では、スイッチング素子５がＯＮ／ＯＦＦ動作を４回繰り返した後、ＥＣＵ１０の制御によって、タイミングｔｎで最後のＯＮ動作を開始する（図５（Ｃ））。このＯＮ動作は、次回の点火タイミングにおける、最初に点火コイル４に誘起される出力電圧を増加させるための動作である。そのため、ＯＮ時間は、それまでのＯＮ時間より長い０．４ｍＳ程度に設定される。また、エネルギー蓄積コイル２１の電流上限値Ｉｍａｘも、それまでより高い、例えば１５Ａに設定される。

このような初期設定のため、点火コイル４に蓄積される磁気エネルギーは、それまでの磁気エネルギーより数段大きいレベルとなり、タイミングｔｍにおける点火プラグ８の誘導性放電は高出力のものとなる（図３（Ｃ）参照）。また、スイッチング素子５がＯＦＦ状態に遷移した時（図５（Ｄ））、エネルギー蓄積コイル２１の誘起電圧は４００Ｖ程度となり、キャパシタ６には、十分な充電電荷が蓄えられ、その状態まま次の点火タイミングまで維持される（図５（Ａ）参照）。
＜定常動作時の動作＞
続いて、図３の右半分に示す定常動作時の点火動作について説明する。点火タイミングに達すると、タイミングｔ０でスイッチング素子５がＯＮ動作する。すると、キャパシタ６に充電された十分な充電電荷が、点火コイル４の一次コイル４１を通して放電されることになり、二次コイル４２には、４０ｋＶ以上の高電圧が誘起され点火プラグ８が火花放電を開始する（図５（Ａ））。

その後、タイミングｔ０で開始された放電が終了する以前の、タイミングｔ１（＝ｔ０＋０．２２ｍＳ）でスイッチング素子５がＯＦＦ動作する。すると、エネルギー蓄積コイル２１の誘起電圧によってキャパシタ６に充電が開始されると同時に、点火コイル４の二次コイル４２の誘起電圧によって、点火プラグ８に反転した放電電流が流れる（図５（Ｂ））。

その後、放電が終了する以前のタイミングｔ２（＝ｔ１＋０．１２ｍＳ）で、再度スイッチング素子５がＯＮ動作状態となり、点火プラグ８では、キャパシタ６の放電による容量性放電が行われる（図５（Ａ））。以下同様であり、タイミングｔ３で、スイッチング素子５がＯＦＦ動作することで多重放電が継続され、その後、タイミングｔｎ〜ｔｍで最後のＯＮ動作が実行される。

以上説明した図３の点火動作において、動作信号Ｓのパルス幅は、多重放電の放電継続時間ＴＳを意味するが、この放電継続時間ＴＳは、内燃機関の回転数や負荷条件、或いは電源電圧Ｅの値に基づいて、ＥＣＵにおいて適宜に決定される。例えば、機関回転数が高くなると、これに対応して、放電継続時間ＴＳを短く設定する必要がある（図３の右側参照）。

放電継続時間ＴＳを短く設定する場合、点火パルスＶｓのパルス幅とパルス周期とを、放電継続時間ＴＳに対応して短くしても良いが、本実施例では、原則としてこれらを変化させず、スイッチング回数のみを減少させている。そのため、本実施例では、点火コイル４の出力電圧が、内燃機関の回転数などに対応して無闇に低下するおそれがない。但し、実施例では、スイッチング回数の最小値が、例えば、二回程度に設定されている。

また、本実施例の回路構成では、点火コイル４の出力電圧は、主としてエネルギー蓄積コイル２１へのエネルギー蓄積通電時間、換言すると、スイッチング素子５のＯＮ時間Ｔｏｎに基づいて変化する。したがって、クランキング時とそれに続くアイドル回転時のように、電源電圧が低い時には、ＯＮ時間Ｔｏｎを長く設定するのが好ましい。本実施例では、初期値としてのＯＮ時間Ｔｏｎを比較的長く設定しても、高速回転時などのように電源電圧が比較的高い状態では、エネルギー蓄積コイル２１における電流制限機能によって、スイッチング素子のＯＮ時間Ｔｏｎが自動的に短縮化される。

このように、本実施例は、エネルギー蓄積コイル２１の電流値が上限値Ｉｍａｘを超えないので、不要な消費電力の増大を抑制することができる。すなわち、火花放電電流が多いときには、エネルギー蓄積コイル２１の電流値に基づいて、点火パルスのパルス幅が自動的に短縮化され、不必要な消費電力を低減している。

また、一般に、高圧縮状態の点火プラグ８の初期放電電圧は、２５ｋＶ程度の高電圧が要求されるが、一旦、放電が開始されると点火プラグ８の近傍のイオン化により２０ｋＶ程度の低い電圧でも放電を継続することができる。そのため、点火パルスＶｓのパルス幅やパルス周期を比較的短く設定することができ、点火コイルの出力電圧を抑制して点火プラグの寿命を延ばすことができる。また、エネルギー蓄積コイル２１に流れる電流値に基づいて、点火パルスのパルス幅を決定して点火コイルの出力電圧を抑制しており、この意味でも、点火プラグ８の寿命を延ばしている。

以上、図１の点火装置について具体的に説明したが、図１の回路構成に何ら限定されるものではない。図６（Ａ）は、図１の点火装置の要部を抽出した回路図であり、図６（Ｂ）（Ｃ）は、図６（Ａ）の一部を変形した回路図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の回路から第三ダイオード１１を除き、スイッチング素子に並列に第四ダイオード２７を接続している。一方、図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）の回路において、点火コイルの一次コイル４１の両端に、第三ダイオード１１を接続している。

図６（Ｂ）の回路では、第三ダイオード１１が存在しないので、キャパシタ６は、正負何れの方向にも充電可能となり、キャパシタ６には自由振動電流が流れることになる。そのため、点火コイル４の一次コイル４１や二次コイル４２の直流電流成分が減少することになり、点火コイル内部の銅損が抑制されて発熱が低減される利点がある。なお、第四ダイオード２７は、スイッチング素子５の逆方向電流のバイパス流路を形成している。

一方、図６（Ｃ）の回路構成では、図６（Ａ）の場合と同様、キャパシタ６と一次コイル４１とによる自由振動を抑止することができる。すなわち、キャパシタ６の電荷が放電し終わると、その後、一次コイル４１に誘起される逆方向の誘起電圧が第三ダイオード１１で吸収されて自由振動が抑止される。したがって、誘導性放電は点火コイル４の二次コイル４２の漏れインダクタンスに起因するだけの抑制されたものとなる。このため、容量性放電が支配的となることから、実用上は、スイッチング素子５のスイッチング回数を一回に限定するのが好ましい。そして、ＯＮ動作時間は、他の回路構成より長く設定され、例えば、０．６ｍＳ〜２ｍＳ程度となる。

図７は、第二実施例の点火装置を示す回路図であり、図１の点火装置と同一の部品は同一の番号が付されている。この点火装置は、例えば、四気筒の内燃機関に対応しており、同一構成の４つの点火ユニット１００，１０１，１０２，１０３が、主として、ＥＣＵ１０に制御されて動作している。また、第一制御端子ＣＴＬ１には、電流検出コイル２２の検出出力が供給され、第二制御端子ＣＴＬ２には、ＥＣＵ１０から、位相の異なる制御信号が供給されている。

図示の通り、点火ユニット１００〜１０３の電源端子ＰＷＲには、第一ダイオード３とエネルギー蓄積コイル２１の直列回路を経由して、バッテリーによる直流電源Ｅ（４２Ｖ）が供給されている。また、接地端子ＧＮＤからエネルギー蓄積コイル２１に向けて順方向電流が流れるように、第二ダイオード７が接続され、電源ライン１と接地端子ＧＮＤとの間には、キャパシタ１２が接続されている。

各点火ユニット１００〜１０３は、スイッチング素子たるトランジスタ５と、トランジスタ５に点火パルスＶｓを供給して点火ユニットのＯＮ／ＯＦＦ動作を実現する駆動回路９と、点火コイル４と、キャパシタ６と、第三ダイオード１１とで構成されている。ここで、キャパシタ６と第三ダイオード１１は互いに並列接続され、第三ダイオード１１のアノード（陽極）端子が接地され、カソード（陰極）端子が点火コイル４に接続されている。

図７の点火回路でも、スイッチング素子５は、点火パルスＶｓに基づいてＯＮ動作とＯＦＦ動作とを繰り返す。図８（Ａ）は、スイッチング素子５がＯＮ状態である場合の等価回路を示している。このＯＮ状態では、エネルギー蓄積コイル２１に充電電流ｉ１が流れると共に、点火コイル４の一次コイル４１には、キャパシタ６からの放電電流ｉ２が流れる（図９（Ａ）参照）。

図８（Ｂ）は、スイッチング素子５がＯＦＦ状態である場合の等価回路を示している。このＯＦＦ状態では、振動電流が流れるように回路設計されているが、実際には、キャパシタ６に第三ダイオード１１が接続されているので、自由振動電流は抑制されて、キャパシタ６が逆方向に充電されることはない（図９（Ｂ））。この点は、図８（Ａ）の放電動作の場合も同様である（図９（Ａ））。

この点火装置の動作内容も、図１の点火装置の場合とほぼ同様であり、誘導性放電と容量性放電とを繰り返す（図９（Ｃ））。但し、点火プラグ８の放電電流を途切れの無いものとするためには、エネルギー蓄積コイル２１の磁気放電エネルギーとキャパシタ１１の容量の設計制約から、スイッチング素子５のＯＦＦ動作時間を０．０８ｍＳ以下に短く設定する必要がある。

図１０（Ｂ）（Ｃ）は、図７の回路の変形例を例示したものである。図１０（Ａ）は、図７の回路構成と同一であるが、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の回路から第三ダイオード１１を除去し、スイッチング素子５に並列に第四ダイオード２７を接続している。この第四ダイオード２７は、アバランシェダイオード(avalanche diode)又は定電圧ダイオードで構成されており、スイッチング素子５がＯＦＦ状態における電流通路を確保している。図１０（Ｂ）の回路では、第三ダイオード１１が存在せず、且つスイッチング素子５をバイパスする第四ダイオード２７が存在するので、キャパシタ６は、正負何れの方向にも充電可能となり、キャパシタ６には自由振動電流が流れる。そのため、点火コイル４の一次コイル４１や二次コイル４２の直流電流成分が減少することになり、点火コイル内の銅損が抑制されて発熱が低減される利点がある。

また、図１０（Ｃ）は、第三ダイオード１１を、点火コイルの一次コイルの並列接続したものである。このような回路構成でも、図１０（Ａ）の場合と同様、キャパシタ６と一次コイル４１とによる自由振動を抑止することができる。但し、図１０（Ｃ）の回路構成の場合には、点火コイル４に第三ダイオード１１が接続されるので、スイッチング素子５がＯＦＦ状態である場合に、点火コイルの一次コイルに電流が流れない。したがって、誘導性放電は点火コイル４の二次コイル４２の漏れインダクタンスに起因するだけの抑制されたものとなる。このため、容量性放電が支配的となることから、スイッチング素子５のスイッチングは一回に限定することが好ましい。

図１１は、図７の回路を更に変更した回路例を示している。図１１の回路では、キャパシタ６と第三ダイオード１１とを、４つの点火ユニット１００〜１０３で共用している。また、第二ダイオード７とキャパシタ１２とエネルギー蓄積コイル２１を４つの点火ユニットで共用し、第一ダイオード３については、点火ユニット毎に別々に設けている。但し、この回路構成の場合には、スイッチング素子がＯＦＦ状態となると、各点火ユニット１００〜１０３の点火コイル４の一次コイル４１にも電流が流れる欠点がある。（図１２（Ｂ）参照）。但し、既に放電している点火プラグ８が、低インピーダンス状態となっているので、破線で示す電流経路はあまり問題にならず、殆ど、実線で示す電流経路のみでキャパシタが充電される。

以上、各種の多重放電型点火装置を例示したが、本発明は、例示した各回路構成に特に限定されるものではない。例えば、図１の回路構成の場合、エネルギー蓄積コイル２１、第一ダイオード３、キャパシタ６、及び第三ダイオード１１からなる主要部品を、全ての点火ユニットで共用するのではなく、各部品が故障することも考慮して、ある程度、別々に設けても良い。例えば、内燃機関の構成が４気筒の場合は２気筒毎に１セット、６気筒の場合は３気筒毎に１セット、また８気筒の場合は４気筒毎に１セットを各々配置するのが好ましい。

また、実施例で示したスイッチング素子５は、通常のトランジスタだけでなく、例えば、ＩＧＢＴおよびＦＥＴなど適宜選択することができる。また、スイッチング素子５のＯＮ／ＯＦＦ動作時間は、多様化する近年の電源電圧により適宜変更して用いられ、電源電圧が高くなる毎に、点火パルスＶｓのパルス周期は短く設定される。

なお、スイッチング素子５のＯＮ／ＯＦＦ制御では、ＯＮ動作時間を時間設定することなく、エネルギー蓄積コイル２１への通電電流値の上限値Ｉｍａｘのみで制御しても良い。また、実施例では、スイッチング素子５の全てのＯＮ動作時間で、エネルギー蓄積コイル２１の電流を検出したが、最後のＯＮ動作時のみ、電流を検出して制御しても良い。

なお、図１の実施例では、点火コイル４の二次コイル４２の低電圧側の端子は接地されているが、一次コイル４１に接続しても良い。また、点火コイル４に、燃焼状態を検知するためのイオン電流検出回路などを接続しても、本発明の機能は何ら失われない。

更にまた、上記した各実施例では、電流検出コイル２２は、エネルギー蓄積コイル２１とは別に設けられているが、例えば、エネルギー蓄積コイル２１に中間タップを設け、中間タップからの出力に基づいて、エネルギー蓄積コイル２１の電流を検出しても良い。

何れにしても、エネルギー蓄積コイル２１の電流値に基づいてスイッチング素子５のＯＮ動作時間を制御する場合には、電流検出コイルによる検出値の正確性が要求される。具体的には、エネルギー蓄積コイル２１の電流値が大きく変化しても、これに対応して、エネルギー蓄積コイル２１の磁束量が、飽和することなく直線的に増加する必要がある。しかも、軽量で安価なコイルによって、上記の特性を実現できるのが望ましい。

本発明の点火装置では、燃料点火に極めて重要な、最初の放電の点火エネルギーは、スイッチング素子５のＯＦＦ動作時に放出される磁気エネルギー、言い換えると、単位時間当たりの磁束変化量で決まる。放出される磁気エネルギーは、エネルギー蓄積コイル２１に蓄えられたものであり、したがって、この磁気エネルギーは、エネルギー蓄積コイル２１の磁束密度、コイル巻き数、及び電流値で決まる。ここで、磁束密度は、鉄心材料とその断面積でほぼ決まる。

本実施例では、０．２２ｍＳや０．４ｍＳなどの短い時間内に、十分な磁気エネルギーを蓄積する必要があるが、空間的な制約やコスト上の問題からインダクタンス値には自ずと制限があり、また、通電電流値も、他の電子機器に与える雑音や消費電力を考慮すると、１５Ａ程度が限界である。したがって、本実施例を有効に機能させるには、必然的に、磁気回路を最適に設計する必要がある。

図１４（Ａ）は、上記の要請に応えるトランス(transformer)の構造を例示したものである。このトランス２は、エネルギー蓄積コイル２１と電流検出コイル２２とが積層状に巻かれたボビン１８と、ボビン１８の中央開口に挿入される中心鉄心１６と、中心鉄心１６に重合される矩形板状の磁石１４と、ボビン１８を覆う外側鉄心１３（１３Ａ，１３Ｂ）とで構成されている。外側鉄心１３として、粉末焼結鉄心や積層鉄心などが例示される。また、磁石１４は、好ましくは、ネオジウムやサマリウムコバルトで形成される。

図示の通り、中心鉄心１６と外側鉄心１３とで環状の閉磁路が形成されている。但し、その閉磁路の途中に、磁石１４が配置されて空隙が形成されるため、全体としてのＢＨ特性が図１４（Ｂ）のように、やや緩傾斜している。なお、図１４（Ｂ）は、エネルギー蓄積コイル２１の電流によって発生する磁界Ｈと、磁束密度Ｂとの関係を示している。実際には、ＢＨ特性は、磁気ヒステリシス(Hysteresis)曲線となるが、便宜上、図１４（Ｂ）では直線で示している。

このトランス２では、磁石１４は、エネルギー蓄積コイル２１の電流による起磁力（磁界Ｈ）を妨げる方向に配置されている。そして、エネルギー蓄積コイル２１の電流がゼロから増加するに応じて、（−Ｈ１，−Ｂ１）の初期位置から、（＋Ｈ２，＋Ｂ２）に向けて磁束密度が増加するようになっている。そのため、磁石１４を設けない場合より、エネルギー蓄積コイル２１の電流振幅の許容幅が大きく、鉄心断面積を小さく設定しても鉄心を磁気飽和することなく、電流検出機能を有効に機能する。しかも、磁石１４を設けない場合には、０〜Ｈ２までの磁界振幅しか許容されないが、磁石１４を設けた本実施例では、−Ｈ１〜＋Ｈ２の磁界振幅が許容されることで、大きな磁束変化量を得て、キャパシタ６に点火に有効な大きな電荷量を蓄積することができる。

更に、本実施例では、中心鉄心１６の上部１６ａは、略Ｙ字状に広がって磁石１４に連続している。そのため、Ｙ字状に広がった分だけ、磁石１４の幅を大きくすることができ、図１４（Ｂ）の−Ｂ１を大きくすることできる。したがって、この意味でも、磁界振幅（−Ｈ１〜＋Ｈ２）の許容幅が大きい。

図１５（Ａ）は、磁界振幅（−Ｈ１〜＋Ｈ２）を更に大きくするために、外側鉄心に斜めのスリットを設け、そこに磁石１４を配置した実施例である。この場合には、斜めにスリットを設けた分だけ、図１４（Ｂ）の−Ｂ１を大きくすることできる。また、この実施例では、スリットを包み込むように、エネルギー蓄積コイル２１や電流検出コイル２２が巻かれるので、図１４（Ａ）の構成より漏れ磁束が少ない利点もある。

図１５（Ｂ）は、更に別に実施例を例示したものである。この実施例では、円柱状の中心鉄心１９と、円盤状の磁石１４と、円盤状の板片２０とを積層してボビン１８の中に収容している。また、ボビン１８には、エネルギー蓄積コイル２１と電流検出コイル２２を積層させた後、円筒状の板材１５を装着している。

板片２０は、弱磁性体である軟鉄などが使用され、最大電流による最大磁界Ｈ１＋Ｈ２が加わったときに、磁石１４による反発磁界を緩和して、目標値の磁束密度Ｂ２を得やすいようにしている。なお、上下に設けた板片２０は、その一方のみでも良く、また、中央の磁石１４を省略しても良い。

円筒状の板材１５は、珪素鋼板などで構成され、コイル巻線全体を被うように挿入されることにより、エネルギー蓄積コイル２１や電流検出コイル２２の漏洩磁束が減少する。その結果、トランスの小型軽量化が実現できると同時に、設計の自由度を上げることができる。なお、板材１５は一枚に限定されず複数枚を装着しても良い。

以上、本発明に好適なトランス構造を説明したが、電流検出手段としてトランス構造に限定されるものではなく、スイッチング素子５のエミッタと接地間に小抵抗値のレジスタ(resistor)を接続して検出しても良いのは勿論である。

第一実施例の点火装置を示す回路図である。 図１の点火装置について、スイッチング素子がＯＮ状態とＯＦＦ状態の場合に分けて等価回路を図示したものである。 図１の点火装置について動作状態を示すタイムチャートである。 図１の点火装置について、クランク時の動作状態を説明する図面である。 図１の点火装置について、アイドリング時と定常動作時の動作状態を説明する図面である。 図１の点火装置の変形例を示す回路図である。 第二実施例の点火装置を示す回路図である。 図７の点火装置について、スイッチング素子がＯＮ状態とＯＦＦ状態の場合に分けて等価回路を図示したものである。 図７の点火装置について、各瞬間の動作状態を説明する図面である。 図７の点火装置の変形例を示す回路図である。 図７の点火装置の更に別の変形例を示す回路図である。 図１１の点火装置の動作内容を示す図面である。 図１の動作内容を他の変形例と対比して説明する図面である。 エネルギー蓄積コイルと電流検出コイルを実現するに好適なトランス構造を説明する図面である。 図１４の変形例を示す図面である。

符号の説明

Ｅ 直流電源
ＧＮＤ 接地端子
２１ エネルギー蓄積コイル
３ 逆流防止素子
６ キャパシタ
５ スイッチング素子
４ 点火コイル
８ 点火プラグ

Claims (14)

1. 直流電源と接地端子との間に、エネルギー蓄積コイルと、逆流防止素子と、キャパシタとを接続した第一直列回路を設けると共に、
   前記キャパシタの両端に、スイッチング素子の電流通路及び点火コイルからなる第二直列回路を接続した点火装置であって、
   前記スイッチング素子は、前記点火コイルの二次側に接続された点火プラグの点火動作時に、複数回のＯＮ／ＯＦＦ動作を実行するよう制御され、
   前記スイッチング素子のＯＮ動作時には、エネルギー蓄積コイル及び前記キャパシタから、前記点火コイルを経由して、前記スイッチング素子のＯＮ電流が流れ込み、前記点火プラグの点火動作時には、放電方向が交互に切り替わる複数回の放電動作が繰り返されるよう構成されると共に、
   前記エネルギー蓄積コイル又は前記スイッチング素子に流れる被監視電流の検出手段が設けられ、
   前記検出手段の出力が、前記スイッチング素子の駆動回路に入力されて、前記スイッチング素子の少なくとも最後のＯＮ動作時に流れる被監視電流が、所定の上限値に達すると、前記スイッチング素子を強制的にＯＦＦ状態に制御するよう構成された点火装置。
2. 前記キャパシタの両端には、前記第二直列回路が、複数個共通して接続されている請求項１に記載の点火装置。
3. 前記キャパシタと並列に、或いは、点火トランスの一次コイルに並列に、順方向にのみ通電するダンパ素子を接続した請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 前記ＯＮ／ＯＦＦ動作のスイッチング回数は、前記点火プラグで駆動される内燃機関の回転数や負荷条件、又は前記電源電圧のレベルに応じて変更される請求項１乃至３の何れかに記載の点火装置。
5. 前記ＯＮ／ＯＦＦ動作の少なくともＯＮ動作時間は、前記点火プラグで駆動される内燃機関の回転数や負荷条件、又は前記電源電圧のレベルに応じて動的に変更される請求項１乃至４の何れかに記載の点火装置。
6. 少なくとも、点火プラグの点火動作時における最初のＯＮ動作時間が、動的に変更される請求項５に記載の点火装置。
7. 少なくとも、点火プラグの点火動作時における最後のＯＮ動作時間が、動的に変更される請求項５に記載の点火装置。
8. 前記ＯＮ／ＯＦＦ動作における、最後のＯＮ動作時間は、それ以前のＯＮ動作時間よりも固定的に長く初期設定される請求項１乃至４の何れかに記載の点火装置。
9. 前記エネルギー蓄積コイルを構成する磁気回路は、前記エネルギー蓄積コイルの通電時の磁束方向とは逆極性の磁石が挿入されて構成される請求項１乃至８の何れかに記載の点火装置。
10. 前記検出手段は、前記エネルギー蓄積コイルの中間タップからの出力またはエネルギー蓄積コイルに電磁結合された補助コイルからの出力を利用している請求項１乃至９の何れかに記載の点火装置。
11. 前記監視電流の上限値は、前記ＯＮ／ＯＦＦ動作の初期段階における値より、最終段階における値を高く設定している請求項１乃至１０の何れかに記載の点火装置。
12. 前記磁気回路は、環状に形成されて、その途中に形成されたスリットに前記磁石が配置される請求項９に記載の点火装置。
13. 前記磁気回路は、直線棒状の磁性体で構成され、前記棒状の磁性体の略中央部または両端部の少なくとも一箇所に、前記磁石が設置されている請求項９に記載の点火装置。
14. 前記棒状磁性体の少なくとも一方の端部には、前記磁石より弱磁性体の磁性体片が、前記磁石に連続して配置されている請求項１３に記載の点火装置。

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