JP4970313B2 - 内燃機関用点火コイル - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関用点火装置の点火方式に関し、特にハイブリッド車のような高電圧電源を利用した点火方式に関する。

従来技術による内燃機関用点火コイルの図を図５に示し、図５の回路図を図６に示し、図５の点火動作時の電流波形図を図７に示す。図５乃至図７において、従来より内燃機関の１２Ｖ電源を利用した点火方式において、フルトラ式点火（以下「誘導放電方式」という）と、CDI点火（以下「容量放電方式」という）と大別される。

誘導放電方式の点火装置１は、図５乃至図７において、コア１１と、コア１１に電磁結合された１次コイル１２と、２次コイル１３と、１次コイル１２電流をスイッチング制御するイグナイタ１４と、をケース１７に収容し、ケース１７に絶縁注型材１８を充填し硬化する一般的な点火コイル１０である。１次コイル１２端部は、点火コイル１０外部の電源電圧１２Ｖの電源２０と、ＥＣＵからの点火信号より1次電流をスイッチング制御するイグナイタ１４と接続され、これらは外部に通じるコネクタ端子１５に電気的に接続され、２次コイル１３の一方端が１次コイル１２端部に、２次コイル１３の他方端が点火プラグ２１に電気的に接続される。点火コイル１０は、１次コイル１２と２次コイル１３の巻き数比は７０〜１００である。点火方法としては、図７において点火信号立ち上がりで、１次コイル１２に１次電流I［Ａ］で通電が開始され、点火タイミングである点火信号立ち下がりで１次電流の通電が遮断されることで、点火動作をして２次コイル１３に３０〜４０［ｋＶ］の高電圧が発生し、Ｊ［ｍＪ］の点火エネルギーで点火プラグ２１に放電することで内燃機関に着火を行うことができる。この点火コイル１０は点火信号立ち上がりに１次コイル１２へ通電開始される時、すなわち１次電流通電開始時であるオン時に、２次コイル１３に誘導される高電圧が点火プラグ２１へ印加してしまう誤点火を阻止するダイオード１６を備えている。このような誘導放電方式の点火コイル１０は、特開２００５−３５１１１９（特許文献１）に開示され、前記ダイオード１６を２次コイル１３ボビンの側面配置した点火装置１である。

また容量放電方式では、特開平３−８５３７０号（特許文献２）に示されるように、点火用コンデンサに２００Ｖ程度に昇圧されて充電される電荷により、点火を行う容量放電方式が開示される。

さらに特開平９−１９５９０８号（特許文献３）に示されるように、ＤＣ−ＣＤＩ方式の点火装置により交流アークを発生する容量放電型交流点火装置により複数回の火花放電動作を行う方法がある。すなわち、点火用コンデンサに蓄えられる電荷の極性の反転を繰返しながら点火用コンデンサの充放電を繰返し、点火コイルの１次コイルには、流れる方向が交互に切替わりながら徐々に減衰する電流が流れるため、１次コイルには１次電圧ＶOUTが現れ、２次コイルにはこの１次電圧ＶOUTに対応して昇圧された２次電圧が発生する。したがって、点火プラグのギャップには反転した複数回の火花放電が生ずることから交流アークを実現する。
特開２００５−３５１１１９号公報 特開平３−８５３７０号公報 特開平９−１９５９０８号公報

しかしながら上記従来の誘導放電方式の構成では、オン時に発生する誘導高電圧は数kVに達し、コイル部に設けたダイオードを設けるなど抑制手段が容易ではない。また従来の容量放電方式の構成で特許文献２に開示されるものによると、イグニッションコイルから発生する火花放電が１回の点火動作で終了するため強力な２次出力電圧であるが放電時間が短すぎる。このため、混合気への着火を良好に行えないことがあった。また特許文献３に開示されるものでは、複数回の火花放電を行う交流アーク方式であるが、点火装置の構成が複雑化してしまう問題があった。

容量放電方式では、２００Ｖ程度のハイブリッド車の高電圧電源を直接入力できるが、点火タイミングで、点火動作を行わすために電子回路を用いるため、その電源として降圧手段が必要となる。また従来の誘導放電方式では、点火タイミングである点火信号立ち下がりで通電が遮断されることで、２次コイルに高電圧が発生し点火プラグに放電する点火装置であり、高電圧を直接利用するためには１２Ｖまで降圧する降圧手段が必要であるうえ、数kVに達するオン時に発生する誘導高電圧を抑制する手段を講じなければならない。

したがって本発明は、簡素な構成で確実な点火を行うことができる点火装置を提供することを目的とする。特に高電圧電源が搭載された車両において適用できるものであるが、本発明は既存の１２Ｖ電源のみが搭載された車両においても適用できる構成とする。

上記課題を解決するために本発明では次の構成とする。すなわち請求項１では、高電圧電源と、ＥＣＵから発生する点火信号を点火タイミングとして内燃機関に着火を行うことができる点火コイルと、前記点火タイミングとした点火信号の立ち上がりと立下りの両方の信号により点火動作を行う内燃機関用点火装置において、点火装置の要求出力エネルギーが高いときには点火信号の立ち上がりのタイミングで点火動作を行い、このときの２次コイル放電が終わるまで、あるいは２次コイル放電が終わってなお以降１次コイルに通電し続け、点火装置の要求出力エネルギーが高くないときには点火信号の立ち上がりのタイミングで点火動作を行い、このときの２次コイル放電が終わらないうちに、点火信号の立下がりのタイミングで点火動作を行うことを特徴とする内燃機関用点火装置とする。

請求項１に係る発明の構成によれば、高電圧電源を有し、点火信号の立ち上がりと立下りの両方の点火信号で点火動作を行うことができるので、１次コイルに通電開始時のオン時と、１次コイルへの通電遮断後の合計２回の点火を行いことで交流アーク動作となる。このときの合計出力エネルギーは、結果的に、従来の誘導放電方式点火装置の１回点火の点火方法より少し大きくできる。また点火信号の立ち上がりの１次コイルに通電開始のとき点火動作を行うので、従来の誘導放電方式の誤点火となる１次電流通電開始時のオン時に発生する誘導高電圧を防止するダイオードを廃止できる。また点火信号の立ち上がりと立下りの両方の点火信号で点火動作を行うことで、点火信号の立ち上がりの１次コイルに通電開始のときの点火動作で、着火に失敗しても、点火信号の立下りの１次コイルへの通電遮断のときの点火動作で、点火できるようにすることができるとともに、要求出力エネルギーが高いときは、高エネルギーを出力でき、要求出力エネルギーが低いときは、出力エネルギーを抑えるような、要求に応じて出力エネルギーを可変し点火動作を行うことができる。よって、目的に応じた点火動作を行うことができる。

本発明の技術を適用した実施例１を表す内燃機関用点火コイルの回路図を図１に示し、図１の要求出力エネルギーが高くないときの点火動作時の電流波形図を図２に示し、図１の要求出力エネルギーが高いときの点火動作時の電流波形図を図３に示し、本発明の技術を適用した実施例２を表す内燃機関用点火コイルの回路図を図４に示す。

実施例１として、本発明の点火装置１００の点火コイル１１０は、従来の点火コイル１０において、１次コイル１１２と２次コイル１１３の巻き数比を１００〜１５０と改変する。また1次電流をスイッチング制御するイグナイタ１１４は高電圧に耐えるものとして設定される。前記点火コイル１１０は、コアを軸心として１次コイル１１２、２次コイル１１３が、コア周囲に電磁結合されて配置され、ケース内に絶縁注型材のエポキシ樹脂で注型される。図１のように、１次コイル１１２端部は、点火コイル１１０外部の高電圧電源１２０と、点火信号にて1次電流をスイッチング制御するイグナイタ１１４と接続され、２次コイル１１３の一方端が１次コイル１１２端部に、２次コイル１１３の他方端が点火プラグ２１に電気的に接続される。前記コネクタ端子１５は、一部が高電圧電源１２０に接続され、他は接地される。ここで、点火コイル１１０が搭載される車両は、ハイブリッド車で電源１２０の電圧は２００Ｖである。なお本発明では、従来の点火コイル１１０に配置されていた誤点火を阻止するダイオード１６を備えていない。また本発明の「ハイブリッド車」は、二つ以上の異なる動力方式を動力源とし、電気とそれ以外の例えばガソリン燃料やエタノール燃料等を使用するなど、電池によるモータの回転動力や内燃機関動力などを組み合わせた車両や自動車のことである。

図２乃至３において、点火方法としては、点火信号が入力されると２００Ｖの高電圧電源から１次コイル１１２端部に１次電流が従来と同じ電流のI［Ａ］で通電され、１次コイル電流は急激に立ち上がり、相じて誘導された負方向の２次コイル電流により第１の点火タイミングとして、点火プラグ２１に放電できるだけの高電圧を２次コイル１１３は発生する。次に一定時間の後、点火信号立ち下がりで１次電流が遮断されることで、相じて誘導された正方向の２次コイル電流により第２の点火タイミングとして、点火プラグ２１に放電できるだけの高電圧を２次コイル１１３は発生する。

通常点火、たとえば低負荷時のような点火プラグ２１に要求される点火エネルギーがそれほど必要ではないときは、図２のように、２次放電の途中で１次電流を遮断する、すなわち通電時間ｔ１［s］後で遮断することで、２次電流は、負方向に表れ、負側ピーク達成後、点線で示した本来の負方向減衰分が正方向に反転するが、幾分加算された正側ピーク達成後、減衰していくことで交流アークを発生する。このときの従来の誘導放電方式点火装置の１回点火の点火方法の２次放電時間より、Δt［ｓ］長くなり、点火エネルギーは結果的に、従来の点火方法より少し大きくできることが確認された。よって、従来の誘導放電方式点火装置の１回点火の点火方法の点火エネルギーJ［ｍJ］より、J３［ｍJ］増えるとき、合計出力エネルギーは、J＋J３［ｍJ］となる。

また、高エネルギー点火、たとえば高負荷時のような点火プラグ２１に高エネルギーが要求されるときは、図３のように、２次放電が終わった後１次電流を遮断する、すなわち通電時間ｔ２［s］後で遮断することで、２次電流は、負方向に表れ、負側ピーク達成後、２次電流は減衰して放電が終わる。その後２次電流は正方向に反転して、正側ピーク達成後、減衰していくことで交流アークを発生する。このときの合計出力エネルギーは、負方向の２次コイル電流による点火エネルギーJ［ｍJ］と、正方向の２次コイル電流による点火エネルギーJ［ｍJ］の総量で、２J［ｍJ］となることが確認された。このような点火方法は、２次放電が終わった後１次電流を遮断する、すなわち通電時間ｔ２［s］後で遮断することで、従来の点火動作と比較して２倍の点火エネルギーを得られることが確認されたが、負方向に表れる２次電流が減衰して放電が終わる通電時間以上の通電時間以上にすることで、負側ピークと正側ピーク間隔を延ばすことができるものである。しかし、点火コイルの発熱の問題があるので、点火コイル性能に影響を及ぼさない、点火コイルの熱的な問題が許容される範囲において、本点火方法の通電時間は最大時間を採りうることは言うまでもない。

以上、本実施例では、２通りの点火方法を説明した。したがって、要求に応じて、１次電流を２次放電の途中で遮断するか、１次電流を２次放電が終わった後で遮断するかを選択することで、出力エネルギーを可変し点火動作を行うことができる。よって、目的に応じた点火動作を行うことができる。

また発明者は、オン時電圧のコイル種類や仕様による発生関係を調査したところ、オン時電圧は電源電圧に比例し、また巻き数比にほぼ比例することが判明した。よって、一般的な点火コイルの電源電圧１２Ｖ、巻き数比１００のとき、オン字電圧は２ｋＶであるので、電源電圧をＢ［Ｖ］、巻き数比ａとすると、点火動作時の２次電圧を２５〜４０［ｋＶ］を得るためには、
２５〜４０［ｋＶ］＝２［ｋＶ］×（Ｂ［Ｖ］／１４［Ｖ］）×（ａ／１００）・・・・・・・・・・・・・・（１）
であるから、
Ｂ［Ｖ］＝（２５〜４０［ｋＶ］）／（１４［Ｖ］×１００／２ａ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
Ｂ［Ｖ］＝１７５００／ａ〜２８０００／ａ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
となるから、巻き数比ａ＝１００のとき、Ｂ＝１７５［Ｖ］〜２８０［Ｖ］、また巻き数比ａ＝１５０のとき、Ｂ＝約１１６．７［Ｖ］〜約１８６．７［Ｖ］となり、通常巻き数比が１００〜１５０であるので、Ｂ［Ｖ］＝約１１６．７［Ｖ］〜２８０［Ｖ］を用いてオン時点火出来ることがわかった。
ここで、Ｂ［Ｖ］＝２００［Ｖ］、巻き数比ａ＝１５０では、
２［ｋＶ］×（２００［Ｖ］／１４［Ｖ］）×（１５０／１００）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
＝４２．９［ｋＶ］
またＢ［Ｖ］＝２００［Ｖ］、巻き数比ａ＝１００では、
２［ｋＶ］×（Ｂ［Ｖ］／１４［Ｖ］）×（ａ／１００）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
＝４２．９［ｋＶ］
の２次電圧となり、Ｂ＝３００Ｖ程度でも問題ないことも判明した。したがって、巻き数比ａ＝１００〜１５０のとき、電源電圧Ｂ［Ｖ］＝約１１６．７［Ｖ］〜３００［Ｖ］程度までの高電圧が、オン時点火として有効な範囲となる。

上記のように本発明の技術を適用することで、点火信号の立ち上がりの１次コイルに通電開始のときの点火動作で着火に失敗しても、点火信号の立下りの１次コイルへの通電遮断のときの点火動作で点火できるようにすることができ、より確実な点火を行うことができ、燃焼効率を向上させ、燃費や地球環境に配慮した排出ガス動作を行う内燃機関用点火装置を提供できる。また要求に応じて点火方法を選択し、出力エネルギーを可変した点火動作を行うことができるので、目的に応じた点火動作を行うことができる。

また一連の第１の点火タイミングと第２の点火タイミングとが、複数回繰り返された点火動作を行ってもよい。これより、より確実な点火動作を行うことができるので、燃焼効率を向上させ、燃費や地球環境に配慮した排出ガス動作を行う内燃機関用点火装置を提供できる。

さらに実施例２として、図４において、本発明は昇圧手段１３０を付加した電源電圧１２Ｖの内燃機関用点火コイルであってもよい。１次コイル１１２に接続される電源は、１２Ｖのバッテリと、１２Ｖのバッテリ電圧を高電圧に昇圧する昇圧手段１３０とで構成されたものである。１２Ｖのバッテリに、昇圧手段１３０を付加したことで１２Ｖのバッテリ電圧を高電圧に昇圧することができ、本発明の点火装置１００を既存の１２Ｖ電源が搭載された車両においても適用できる。

以上、本発明について実施例に基づいて説明したが、本発明の実施の形態は上記形態に限定されるものではなく、当該点火コイルが必要なあらゆるエンジンに使用できるものであり、サイズにおいても用途に応じて適宜拡大縮小して使用できるものであることはいうまでもない。本発明の精神に基づき、本発明の請求項の文言内容に同一な当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

本発明の技術を適用した実施例１を表す内燃機関用点火コイルの回路図である。 図１の要求出力エネルギーが高くないときの点火動作時の電流波形図である。 図１の要求出力エネルギーが高いときの点火動作時の電流波形図である。 本発明の技術を適用した実施例２を表す内燃機関用点火コイルの回路図である。 従来技術による内燃機関用点火コイルの図である。 図５の回路図である。 図５の点火動作時の電流波形図である。

点火装置 １、１００
点火コイル １０、１１０
コア １１
１次コイル １２、１１２
２次コイル １３、１１３
イグナイタ １４、１１４
コネクタ端子 １５
ダイオード １６
ケース １７
絶縁注型材 １８
電源 ２０、１２０
点火プラグ ２１
昇圧手段 １３０

Claims (1)

1. 高電圧電源と、ＥＣＵから発生する点火信号を点火タイミングとして内燃機関に着火を行うことができる点火コイルと、前記点火タイミングとした点火信号の立ち上がりと立下りの両方の信号により点火動作を行う内燃機関用点火装置において、点火装置の要求出力エネルギーが高いときには点火信号の立ち上がりのタイミングで点火動作を行い、このときの２次コイル放電が終わるまで、あるいは２次コイル放電が終わってなお以降１次コイルに通電し続け、点火装置の要求出力エネルギーが高くないときには点火信号の立ち上がりのタイミングで点火動作を行い、このときの２次コイル放電が終わらないうちに、点火信号の立下がりのタイミングで点火動作を行うことを特徴とする内燃機関用点火装置。

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