JP5124031B2

JP5124031B2 - 内燃機関の点火装置

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Publication number: JP5124031B2
Application number: JP2011105184A
Authority: JP
Inventors: 孝佳永井; 寛久桑野; 郁朗菅; 祐介成瀬
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: JP2011174471A

Description

この発明は内燃機関の点火装置に係り、特に、極性の反転するパルス電流を繰返し流すことにより、点火エネルギを増大させる内燃機関の点火装置に関するものである。

火花点火式の内燃機関にあっては、点火コイル等からなる点火装置によって点火プラグに点火放電が発せられ、その点火放電により燃焼室に導入された燃料が燃焼に供される。この内燃機関の燃焼状態を良好なものにするために、１回の燃焼行程内で点火プラグに点火放電を複数回生じさせる多重放電型点火装置が提案されている。

例えば、直流電圧源に直列接続されたエネルギ蓄積コイルとこのエネルギ蓄積コイルに直列接続された第1のスイッチ手段とを備え、点火コイルの一次側コイルに上記エネルギ蓄積コイルと第２のスイッチ手段とを接続するとともに、点火コイルの二次側コイルに点火プラグを接続して点火装置を構成する。そして、第１及び第２のスイッチ手段を交互にオン・オフすることにより、エネルギ蓄積コイルの充電と放電とを繰返し行い、その充放電により点火コイルの二次側コイルに正負の極性の反転する電流を繰返し流して多重放電を行わせる内燃機関の点火制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２１１６３１号公報（特許請求の範囲の欄、図１）

しかし、上記特許文献１で提案されている内燃機関の点火装置においては、エネルギ蓄積コイルに直列接続される直流電圧源の電圧によっては、点火プラグに所望の電流を安定して流すことができず、点火プラグが磨耗したり、点火動作が不安定になったりする問題がある。

この発明は、このような問題を解決するためになされたもので、エネルギ蓄積コイルに接続される電源の電圧が変動した場合においても、所定の出力電流を安定して流すことができ、内燃機関の燃焼状態を常に良好に保つことのできる内燃機関の点火装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る内燃機関の点火装置は、一端が電源に接続されたエネルギ蓄積コイルと、上記エネルギ蓄積コイルの途中引き出し線に接続された第１のスイッチ手段と、上記エネルギ蓄積コイルの他端にダイオードを介して一次側巻き線の一端が接続され、二次側巻き線に点火プラグが接続された点火コイルと、上記点火コイルの一次側巻き線の他端に接続された第２のスイッチ手段と、上記エネルギ蓄積コイルの上記他端に接続された第４のスイッチ手段と、上記第１のスイッチ手段、上記第２のスイッチ手段、及び上記第４のスイッチ手段を制御する制御手段と、を備え、上記制御手段は、上記点火プラグに正負の反転する電流を与えるために上記第２のスイッチ手段を繰返しオン・オフする制御を行い、上記第２のスイッチ手段のオフ期間には、上記第１のスイッチ手段をオンすることにより上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを急激に増大させる期間と、上記第１のスイッチ手段をオフするとともに、上記第４のスイッチ手段をオンすることにより上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間と、を有する制御を行う内燃機関の点火装置において、上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを急激に増大させる期間と、上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間とを組み合わせて上記エネルギ蓄積コイルに流れる電流の電流到達値を調整するものである。

この発明に係る内燃機関の点火装置によれば、エネルギ蓄積コイルに接続される電源の電圧が変動した場合においても、所定の出力電流を安定して流すことができ、点火プラグの磨耗を早めたり余分なエネルギを消費したりすることなく、内燃機関の燃焼状態を常に良好に保つことができる。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る内燃機関の点火装置においてコイル電流を還流させることにより、エネルギ蓄積コイル電流を所定の目標値前後に保つ回路を示す図である。この発明の実施の形態１に係る内燃機関の点火装置においてコイル電流を還流させることにより、エネルギ蓄積コイル電流を所定の目標値前後に保つ動作を説明するためのタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係る内燃機関の点火装置における全体の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。従来のマルチ点火方式において、入力電圧が高い場合の動作を説明するタイミングチャートである。従来のマルチ点火方式において、入力電圧が低い場合の動作を説明するタイミングチャートである。この発明の実施の形態２に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係る内燃機関の点火装置における全体の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態３に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る内燃機関の点火装置における全体の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態３に係る内燃機関の点火装置における電流制御方法を示す回路図である。

以下、添付の図面を参照して、この発明に係る内燃機関の点火装置について好適な実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものでない。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。図１において、バッテリあるいはＤＣ／ＤＣコンバータなどの直流電圧源１には、電流検出手段２を介してエネルギ蓄積コイル３の一端が接続されている。エネルギ蓄積コイル３の他端には、第１のスイッチ手段であるスイッチＳ１が接続されている。電流検出手段２は、エネルギ蓄積コイル３に流れる電流を検出するものであり、電流検出抵抗やホール素子を用いた電流検出器、またはカレントトランスなどを用いることができる。あるいは、エネルギ蓄積コイル３に検出用巻線を追加してもよい。

エネルギ蓄積コイル３の他端には、さらに、ダイオードＤ１、点火コイル４の一次側巻き線、および第２のスイッチ手段であるスイッチＳ２の直列回路がスイッチＳ１と並列に接続されている。また、ダイオードＤ１と点火コイル４との接続点には、点火開始用コンデンサ５が接続されており、点火コイル４の二次側巻き線には、点火プラグ６が接続されている。更に、エネルギ蓄積コイル３の両端には、ダイオードＤ２と第３のスイッチ手段であるスイッチＳ３との直列回路が接続されている。このダイオードＤ２とスイッチＳ３との直列回路は、逆電流阻止型のスイッチを構成しており、第３のスイッチ手段を有するバイパス手段である。そして、エネルギ蓄積コイル３、ダイオードＤ２、およびスイッチＳ３により後述する動作の蓄積電流還流回路を構成している。なお、スイッチＳ１、スイッチＳ２、スイッチＳ３には、ＩＧＢＴやＦＥＴ、バイポーラトランジスタなどが使用可能である。

スイッチＳ１、スイッチＳ２、スイッチＳ３を制御する制御手段、例えば、制御回路７は、電子制御システム（ＥＣＵ）などの外部回路より入力される点火指令信号、および電流検出手段２から出力されるエネルギ蓄積コイル電流信号に基づき、スイッチＳ１、スイッチＳ２、スイッチＳ３のオン・オフを制御している。点火指令信号は、複数の信号線により構成され、後述の点火準備信号および点火期間信号が含まれる。あるいは、これらの信号を複合して１本の信号線で伝送しても良い。

実施の形態１に係る内燃機関の点火装置は、上記のように構成されており、次に、その各部の基本的な動作について説明する。

図１に示す構成において、スイッチＳ１をオンとすれば、直流電圧源１の電圧が、スイッチＳ１を介してエネルギ蓄積コイル３の両端に印加され、エネルギ蓄積コイル３の電流が徐々に増大する。換言すればエネルギ蓄積コイル３にエネルギが次第に蓄積される。

点火開始用コンデンサ５は、後述するようにエネルギ蓄積コイル３から出力される電流によって充電される。点火開始用コンデンサ５が充電された状態でスイッチＳ２をオンすれば、点火コイル４による昇圧効果により、点火プラグ６に高い電圧が印加される。例えば、点火開始用コンデンサ５の電圧を３００Ｖ、点火コイル４の一次側巻数Ｎｐ、二次側巻数Ｎｓに対し、巻き数比Ｎｒ＝Ｎｓ／Ｎｐ＝１００とすると、点火コイル４の二次側巻き線に３０ｋＶの電圧が発生する。実際には、点火コイル４の漏れインダクタンスと浮遊静電容量によるＬＣ共振により、点火プラグ６にはさらに高い３５〜４０ｋＶの電圧が瞬間的に印加される。この電圧を利用し、点火プラグ６において点火放電を開始させることができる。

また、エネルギ蓄積コイル３に所定の電流を流した状態で、スイッチＳ１およびスイッチＳ３をオフ、スイッチＳ２をオンとすれば、点火プラグ６には、
｛（エネルギ蓄積コイル３の電流）−（点火コイル４の一次側励磁電流）｝／Ｎｒ
・・・・・（式１）
の電流を流すことができる。

エネルギ蓄積コイル３は、緩やかに電流値の変化する定電流源と見なすことができ、また、点火コイル４の一次側励磁電流も、一次側インダクタンスと一次側電圧に依存して緩やかに増大するので、点火プラグ６には、放電のインピーダンスに係わらず、緩やかに減少する所定の電流を流すことが可能となる。即ち、この回路は定電流出力特性を有する。放電を開始した後の点火プラグ６は、放電の特性により、約１ｋＶの定電圧特性を示すので、点火プラグ６に投入する電力を制御するには、回路側にこのような定電流特性が必要である。

点火コイル４に励磁電流を流した状態でスイッチＳ２をオフとすれば、いわゆるフライバック動作により、点火プラグ６に励磁電流による電流を流すことができる。このときの電流値は、励磁電流の二次側換算値、即ち、
−（点火コイル４の一次側励磁電流）／Ｎｒ・・・・・（式２）
である。

次に、蓄積電流還流回路について説明する。エネルギ蓄積コイル３に電流が流れた状態で、スイッチＳ１およびスイッチＳ２をオフ、スイッチＳ３をオンにすると、エネルギ蓄積コイル３から出力された電流は、ダイオードＤ２、スイッチＳ３を介してエネルギ蓄積コイル３に戻るループで流れる。この電流経路における電圧降下は、スイッチＳ３のオン電圧やダイオードＤ２の順方向電圧、エネルギ蓄積コイル３の巻線抵抗および配線抵抗による電圧降下という僅かな電圧降下があるのみである。したがって、エネルギ蓄積コイル３の電流は殆んど変化することなく流れ続け、エネルギ蓄積コイル３に蓄えられたエネルギを保持することができる。このように、エネルギ蓄積コイル３を流れる電流経路に電源や負荷を含まず、寄生的な電圧降下（理想的にはゼロ）のみとすることにより、エネルギ蓄積コイル３に流れる電流を保持することを、コイル電流を「還流させる」と呼ぶ。

図２は、図１におけるエネルギ蓄積コイル３の周辺の回路と、制御回路７の一部を示した図であり、コイル電流を還流させることにより、エネルギ蓄積コイル３の電流を所定の目標値前後に保つ回路を示す図である。

電流検出手段２によって検出した電流信号は、ヒステリシスコンパレータ２０により、電流目標値Ｉｔｇｔと比較される。（実際には、検出電流を電圧に変換し、電流目標値を電圧に変換したものと比較するが、ここでは電流値をそのまま目標電流値と比較するものとして説明する。）

ヒステリシスコンパレータ２０のプラス側ヒステリシス幅をＩｈｐ、マイナス側ヒステリシス幅をＩｈｍとすると、電流検出値がＩｔｇｔ＋Ｉｈｐまで上昇すると、ヒステリシスコンパレータ２０の出力はＬレベルとなり、電流検出値がＩｔｇｔ−Ｉｈｍまで下降すると、ヒステリシスコンパレータ２０の出力はＨレベルとなる。

ヒステリシスコンパレータ２０の出力は、ＡＮＤ回路２１でエネルギ蓄積・保持を指令する信号Ｓｉｇ１との論理積が取られた後、ゲートドライバ２２を介してスイッチＳ１のオン・オフを制御する。スイッチＳ３は、エネルギ蓄積・保持を指令する信号Ｓｉｇ１をそのまま用い、ゲートドライバ２３を介してオン・オフ制御される。なお、スイッチＳ１およびスイッチＳ３は、いずれも、ゲートドライバ２２、２３の入力がＨレベルのときにオンするものとする。

図３は、図２に示す回路の動作を示すタイミングチャートである。図３において、ＩＬはエネルギ蓄積コイル３に流れる電流波形を示し、ＧＳ１およびＧＳ３は、それぞれスイッチＳ１およびスイッチＳ３のオン・オフ状態を示している。

エネルギ蓄積・保持を指令する信号Ｓｉｇ１がアクティブ（Ｈレベル）に立ち上がると、スイッチＳ１とスイッチＳ３は同時にオンし、図２に示す電流経路Ａに沿って電流が流れ、エネルギ蓄積コイル３の電流は次第に増加する。電流がＩｔｇｔ＋Ｉｈｐに達すると、ヒステリシスコンパレータ２０の出力はＬレベルとなり、スイッチＳ１はターンオフし、電流経路Ｂに沿ってエネルギ蓄積コイル電流は還流する。還流経路における僅かな電圧降下により、電流は少しずつ減少し、Ｉｔｇｔ−Ｉｈｍまで低下すると、ヒステリシスコンパレータ２０の出力はＨレベルとなり、スイッチＳ１が再びターンオンする。

このような動作が繰り返されることにより、エネルギ蓄積コイル電流は、電流目標値近辺のほぼ一定値（Ｉｔｇｔ−Ｉｈｍ〜Ｉｔｇｔ＋Ｉｈｐ）に保持される。なお、以上の動作において、スイッチＳ１のオン期間中もスイッチＳ３はオンしたままとしたが、スイッチＳ１がオンの期間中は、スイッチＳ３はオンでもオフでも、どちらでも構わない。

次に、実施の形態１に係る内燃機関の点火装置による点火動作全体の動作シーケンスについて、図１を参照しながら図４に基づき説明する。
図４において、点火準備信号Ｃｏｎｔ１および点火期間信号Ｃｏｎｔ２は、図１における点火指令信号の一部となるデジタル信号である。ＧＳ１、ＧＳ２、ＧＳ３は、それぞれスイッチＳ１、スイッチＳ２、スイッチＳ３のオン・オフ状態を示している。また、ＩＬは、エネルギ蓄積コイル３の電流を示し、ＩＴ１は、点火コイル４の一次側電流を示し、Ｉｏは点火プラグ６の電流を示している。更に、ＶＣは、点火開始用コンデンサ５の電圧であり、初期状態として、電圧ｖｃ１が蓄えられているとする。ｖｃ１は、例えば３００Ｖである。

時刻ｔ０にて点火準備信号Ｃｏｎｔ１が立ち上がると、スイッチＳ１およびスイッチＳ３がオンとなり、エネルギ蓄積コイル３の電流ＩＬが増大し、エネルギが蓄積される。時刻ｔ１にてエネルギ蓄積コイル３の電流ＩＬが（Ｉｔｇｔ＋Ｉｈｐ）に達すると、スイッチＳ１がＯＦＦとなり、エネルギ蓄積コイル３の電流ＩＬが還流する。その後、時刻ｔ２まで図２および図３を用いて説明した方法にてエネルギの蓄積と還流を繰り返すことにより、エネルギ蓄積コイル３の電流ＩＬをほぼ一定値に保持する。

時刻ｔ２にて点火準備信号Ｃｏｎｔ１が立ち下がり、点火期間信号Ｃｏｎｔ２が立ち上がると、スイッチＳ１およびスイッチＳ３がオフし、スイッチＳ２がオンすることにより、点火開始用コンデンサ５の初期電圧ｖｃ１が点火コイル４の一次側巻き線に印加され、点火コイル４にて３０〜４０ｋＶに昇圧されることにより、点火プラグ６にて点火放電が開始する。

引き続き、エネルギ蓄積コイル３に流れていた電流ＩＬが点火コイル４の一次側巻き線に流れ、点火コイル４に励磁電流が蓄積されると共に、点火プラグ６に電流Ｉｏが流れる。点火放電が開始すると、放電の特性により点火プラグ６の電極間は約１ｋＶの定電圧特性となるが、この回路の定電流出力特性により、点火プラグ６には緩やかに減少する所定の電流を流すことができる。

時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間に、エネルギ蓄積コイル３のエネルギが放出され、エネルギ蓄積コイル３の電流ＩＬは減少する。放出されたエネルギは、点火プラグ６の放電エネルギとして使用されるほか、点火プラグ６の励磁エネルギとして蓄積され、また、一部は回路の寄生抵抗成分によって消費される。

時刻ｔ３にて、スイッチＳ２をオフとし、スイッチＳ１およびスイッチＳ３をオンとすることにより、再びエネルギ蓄積コイル３にエネルギを蓄積する。このとき、点火コイル４の一次側電流ＩＴ１が遮断されるので、点火コイル４に流れていた励磁電流は、二次側巻き線から出力され、点火プラグ６には、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間とは逆極性の電流Ｉｏが流れる。時刻ｔ３のタイミングは、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間を、あらかじめ定められた所定の時間としても良いし、点火プラグ６の電流Ｉｏの値を検出して、所定の値まで下がった時刻を時刻ｔ３として定めても良い。エネルギ蓄積コイル３の電流ＩＬが増大し、時刻ｔ４にて目標値近辺にまで回復すると、還流動作を行うことにより、エネルギ蓄積コイル電流を保持する。このように、制御手段７は、スイッチＳ２のオフ期間には、スイッチＳ１をオンすることによりエネルギ蓄積コイル３に電流を流し、エネルギ蓄積コイル３にエネルギを蓄積する期間と、スイッチＳ１をオフするとともに、スイッチＳ３をオンすることによりエネルギ蓄積コイル３に流れる電流をバイパス手段に環流させる期間とを有する制御を行っている。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間における動作と同様、スイッチＳ１およびスイッチＳ３がオフ、スイッチＳ２がオンとなる。エネルギ蓄積コイル３に流れていた電流ＩＬが点火コイル４の一次側巻き線に流れ、点火コイル４に励磁電流が蓄積されると共に、点火プラグ６に電流Ｉｏが流れる。ただし、点火開始用コンデンサ５の電荷は既に放出しているので、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間とは異なり、点火プラグ６に高電圧を印加する動作は行われない。

ここで、エネルギ蓄積コイル３の動作に着目し、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間は、エネルギ蓄積コイル３にエネルギを蓄積する期間であるので、「エネルギ蓄積期間」と呼ぶ。一方、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間は、エネルギ蓄積コイル３からエネルギを放出する期間であるので、「エネルギ放出期間」と呼ぶ。

また、点火コイル４の動作に着目し、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間は、点火コイル４の励磁電流を出力する、いわゆるフライバック動作を行う期間であるので、「フライバック期間」と呼ぶ。一方、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間は、点火コイル４の一次側巻き線に電流を流すことにより、点火コイル４の二次側巻き線から出力を得ると同時に励磁電流が増大する、いわゆるフォワード動作を行う期間であるので、「フォワード期間」と呼ぶこととする。

その後、時刻ｔ３から時刻ｔ６までと同様の動作を複数回繰り返すことにより、点火プラグ６に、極性が反転する電流Ｉｏを連続的に流すことができる。つまり、スイッチＳ２を繰返しオン・オフする制御を行うことで、点火プラグ６に正負の反転する電流を与えることができる。

時刻ｔ７にて点火期間信号Ｃｏｎｔ２が立ち下がり、繰返し動作の終了が指令されると、次のエネルギ蓄積期間の終了時刻ｔ８にて、スイッチＳ１、スイッチＳ２、スイッチＳ３が全てオフする。すると、エネルギ蓄積コイル３の出力電流ＩＬは点火開始用コンデンサ５に流れ込み、点火開始用コンデンサ５が初期値と同じ値に充電され、一連の動作が完結する。

以上の動作において、時刻ｔ３〜時刻ｔ５の期間は、上述のように、エネルギ蓄積コイル３の動作に着目すればエネルギ放出期間である一方、点火コイル４の動作に着目すればフォワード期間である。即ち、回路の異なる部分で、異なる動作が同じ期間に行われることになる。どちらか一方の動作期間のみを延ばしたり、縮めたりすることはできない。

同様に、時刻ｔ５〜時刻ｔ６の期間は、エネルギ蓄積期間であると同時にフライバック期間であり、やはり一方の期間の長さを独立に可変することはできない。

スイッチＳ３が無く、還流動作を行わない従来方式ではこのような制約により、全ての動作を最適に保つことができなかった。この問題を図５および図６を用いて説明する。

図５および図６は、従来のマルチ点火方式の動作シーケンスであり、図５は入力直流電圧源の電圧が高い場合、図６は低い場合である。
繰返し期間中の点火コイル４の動作に着目した場合、点火プラグ電流を、フォワード期間とフライバック期間にて同等に保つには、フォワード期間における励磁電流の増大幅とフライバック期間における励磁電流の減少幅とを同等に保つ必要がある。点火コイル４に印加される電圧は、点火プラグ６の定電圧特性により、極性にかかわらずほぼ一定値に保たれるので、励磁電流の増減速度の絶対値｜ｄｉ／ｄｔ｜は一定であり、励磁電流の増大幅と減少幅を同等に保つためには、フォワード期間とフライバック期間を同じ時間幅とする必要がある。

一方、エネルギ蓄積コイル３に着目すると、エネルギ放出期間における電流の低下速度は、エネルギの放出量、即ち、出力電力に依存するので、出力電力を一定とすれば、電流低下速度は一定である。ところが、エネルギ蓄積期間における電流の増大速度は、入力電圧に依存し、入力電圧が高い場合は増大速度が大きく、入力電圧が低い場合は増大速度が小さくなる。したがって、フォワード期間とフライバック期間を同じ時間幅に設定した場合、入力電圧が高い場合は図５に示すように、次第に蓄積コイル電流が増大し、出力電流も増大する。

入力電流が低い場合は、図６に示すように次第に蓄積コイル電流が減少し、出力電流も減少してゆく。このように、従来方式においては、入力電圧に依存して、出力電流が次第に増大または減少し、一定に保つことができなかった。出力電流が増大しすぎると、点火に用いるエネルギを余分に消費してしまうほか、点火プラグ６の電極の磨耗を早め、寿命が短くなるという問題がある。また、出力電流が減少すると必要な点火エネルギが得られず、点火の失敗が起きることがある。

実施の形態１に係る内燃機関の点火装置においては、図４に示したようにエネルギ蓄積期間において、エネルギ蓄積動作と還流動作という２つの動作を行わせることにより、入力電圧にかかわらず蓄積コイル３の電流を所定の値に保つことを可能とした。その結果、点火プラグ６への出力電流を所定の値に保つことができるので、点火プラグ６の寿命を延ばしつつ、余分なエネルギを消費することがなく、確実な点火を行うことが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る内燃機関の点火装置について説明する。実施の形態１においては、還流動作を行わせることにより、入力電圧が高い場合にも低い場合にも、蓄積コイル電流を所定の値に保つことを可能にした。しかし、この電圧範囲にも限界がある。即ち、還流動作は、コイル電流が目標値に達した後に動作をするものであり、入力電圧が非常に低い場合には、エネルギ蓄積期間中にコイル電流が目標値に達せず、蓄積コイル電流が次第に低下する場合がある。

そこで、実施の形態２に係る内燃機関の点火装置は、エネルギ蓄積コイルに途中引き出し線（中間タップ）を設け、スイッチＳ１を中間タップに接続することにより、エネルギ蓄積動作における電流の増大速度を速めたものである。

図７は、実施の形態２に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。実施の形態１を示す図１との違いは、スイッチＳ１がエネルギ蓄積コイル７０の中間タップに接続されている点のみで、その他の構成については同様である。したがって、エネルギ蓄積動作時の電流経路は、図７中に「電流経路Ａ」として示した経路となる。

ここで、エネルギ蓄積コイル７０の全巻き数をＮｅ、入力（電源側）から中間タップまでの巻き数をＮｅ１、全インダクタンスをＬｅとすると、入力から中間タップまでのインダクタンスＬｅ１は、
Ｌｅ１＝Ｌｅ×（Ｎｅ１／Ｎｅ）^２・・・・・（式３）
となる。

図８は、実施の形態２に係る内燃機関の点火装置による点火動作全体の動作シーケンスを示す図である。図８において、ＩＬ１はエネルギ蓄積コイル７０の入力側に流れる電流であり、電流検出手段２によって検出される電流である。ＩＬａは、エネルギ蓄積コイル７０の電流の出力側換算値であり、図７に示した電流経路Ａにて電流が流れている場合、
ＩＬａ＝(Ｎｅ１／Ｎｅ)×ＩＬ１・・・・・（式４）
となる。

時刻ｔ０にて点火準備信号Ｃｏｎｔ１が立ち上がり、スイッチＳ１およびスイッチＳ３がオンすると、エネルギ蓄積コイル７０に流れる電流ＩＬ１が増大する。図７における電流経路Ｂに目標となる電流Ｉｔｇｔを流すためには、式４より、あらかじめ電流経路Ａには、
ＩＬ１＝（Ｎｅ／Ｎｅ１）×Ｉｔｇｔ・・・・・（式５）
となるような電流を流しておく必要がある。そこで、ヒステリシスコンパレータ（図示せず）の第１の検出レベルを、
Ｉｓ１＝（Ｎｅ／Ｎｅ１）×（Ｉｔｇｔ＋Ｉｈｐ）・・・・・（式６）
（但し、Ｉｈｐは、ヒステリシスコンバータのプラス側ヒステリシス幅）
に設定し、入力側電流がこの値に達したら還流動作に入ることとする。

還流動作に入ると、電流経路が経路Ａから経路Ｂに変わり、入力側電流値は速やかに出力側換算電流と同じ値（Ｉｔ２＋Ｉｈｐ）となり、その後さらに緩やかに減少を始める。ヒステリシスコンパレータの第２の検出レベルＩｓ２を、
Ｉｓ２=Ｉｔｇｔ−Ｉｈｍ・・・・・（式７）
とし、この値まで電流が低下したら、再びスイッチ手段Ｓ１をオンするように設定すれば、エネルギ蓄積コイル電流の出力側換算値ＩＬａは、実施の形態１と同様、（Ｉｔｇｔ−Ｉｈｍ）〜（Ｉｔｇｔ＋Ｉｈｐ）の範囲のほぼ一定の値に収まる。

さて、エネルギ蓄積コイル７０に電流経路Ａにエネルギを蓄積するときの電流の傾きｄ（ＩＬ１）／ｄｔは、インダクタンスに印加される電圧をＶＬとすると、
ｄ（ＩＬ１）／ｄｔ＝ＶＬ／Ｌｅ１＝（ＶＬ／Ｌｅ）×（Ｎｅ／Ｎｅ１）^２
・・・・・（式８）
となる。即ち、中間タップを用いず、インダクタンスがＬｅであるエネルギ蓄積コイル７０に電圧ＶＬを印加する場合に比べ、（Ｎｅ／Ｎｅ１）^２倍となる。これを、出力側電流値ＩＬａに換算すると、
ｄ（ＩＬａ）／ｄｔ＝(Ｎｅ１／Ｎｅ)×ｄ（ＩＬ１）／ｄｔ
＝（Ｎｅ／Ｎｅ１）×ＶＬ／Ｌｅ・・・・・（式９）
となる。即ち、エネルギ蓄積コイル電流の出力電流換算値は、中間タップを用いない場合のＮｅ／Ｎｅ１倍の速度で増大することになる。例えば、Ｎｅ１＝Ｎｅ／２とすれば、ＩＬａは、中間タップを用いない場合の２倍の傾きで増大し、１／２の時間で目標まで達する。

したがって、入力電圧が非常に低い場合においても、エネルギ蓄積コイル７０に中間タップを設けることにより、比較的短い時間で目標電流に達することができる。入力電圧が高い場合は、還流動作によって電流を保持すればよいので、本実施の形態２においては、より広い入力電圧範囲においても、エネルギ蓄積コイル電流および点火プラグ６の電流を所定の値に保つことができる。実施の形態２に係る点火装置を、自動車の内燃機関に用いる場合、自動車のバッテリ電圧は、例えば、６Ｖ〜１６Ｖというような、広い範囲で変動するが、このような場合においても点火プラグ電流が変化することなく、安定に点火を行うことが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る内燃機関の点火装置について説明する。図９は、実施の形態３に係る内燃機関の点火装置の構成を示す図である。図９に示すように、実施の形態３に係る内燃機関の点火装置は、エネルギ蓄積コイル７０の途中引き出し線にスイッチＳ１が接続され、更に、エネルギ蓄積コイル７０の出力端にダイオードＤ３と第４のスイッチ手段であるスイッチＳ４との直列回路が接続されたものである。なお、その他の構成において、実施の形態１あるいは実施の形態２と同等もしくは相当する部分には、同一符号を付すことにより説明を省略する。

実施の形態２において説明したとおり、エネルギ蓄積コイル７０の途中引き出し線に接続されたスイッチＳ１をオンすると、エネルギ蓄積コイル７０の出力端に接続されたスイッチＳ４をオンする場合に比べ、Ｎｅ／Ｎｅ１倍の速度で出力側換算電流が増大する。

そこで、エネルギ蓄積期間を、スイッチＳ１をオン（スイッチＳ４はオンまたはオフ）とする期間（コイル電流が急激に上昇し、エネルギ蓄積コイル７０に蓄積されるエネルギを急激に増大させる期間）と、スイッチＳ４のみをオンとしてスイッチＳ１をオフとする期間（コイル電流が緩やかに上昇し、エネルギ蓄積コイル７０に蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間）との組み合わせとすることにより、到達電流値を調整することが可能である。

図１０は、実施の形態３に係る内燃機関の点火装置による点火動作全体の動作シーケンスを示す図である。図１０において、時刻ｔ０にてスイッチＳ１をオンすると（スイッチＳ４はオンでもオフでも良い）、図９に示した電流経路Ａ２を電流が流れ、エネルギ蓄積コイル電流の二次側換算値は急激に増大する。なお、ダイオードＤ３は、この期間にスイッチＳ４に逆電圧が印加されないようにする機能を有している。

時刻ｔ１において、スイッチＳ１をオフ、スイッチＳ４をオンとすると、図９に示した電流経路Ａ１に沿って電流が流れ、蓄積コイル電流の二次側換算値は、緩やかに増大する。時刻ｔ２で蓄積エネルギ放出期間に入るが、時刻ｔ２における電流到達値は、時刻ｔ１のタイミングで制御することができる。即ち、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの時間幅を一定とすると、時刻ｔ１のタイミングが早いほど到達電流値は低く、タイミングが遅いほど到達電流値は高くなる。時刻ｔ１のタイミングを適切に制御することにより、蓄積電流の到達値を、目標であるＩｔｇｔに合わせることが可能である。

時刻ｔ１は、次のように定めることができる。図９における電流経路Ａ１にて電流を流す場合のコイル電流出力側換算値ＩＬａの傾きは、
ｄ（ＩＬａ）／ｄｔ＝（Ｖｉｎ−Ｖｄｒｏｐ）／Ｌｅ・・・・・（式１０）
となる。ここで、Ｖｉｎは直流電圧源１の電圧、Ｖｄｒｏｐは、電流経路Ａ１における抵抗成分やスイッチ手段などによる電圧降下の総計、Ｌｅはエネルギ蓄積コイル７０の全インダクタンスである。

したがって、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの電流ＩＬａは、時間ｔの関数として、次のように表される。
ＩＬａ（ｔ）＝Ｉｔｇｔ＋（（Ｖｉｎ−Ｖｄｒｏｐ）／Ｌｅ）×（ｔ−ｔ２）
・・・・・（式１１）
即ち、時刻ｔ１にて、電流がＩＬａ（ｔ１）に一致するようにすれば、その後は式１１に従い、時刻ｔ２にて目標電流Ｉｔｇｔに到達することなる。

式１１を、エネルギ蓄積コイル７０の入力側電流ＩＬ１に換算すると、
ＩＬ１（ｔ）＝［Ｉｔｇｔ＋｛（Ｖｉｎ−Ｖｄｒｏｐ）／Ｌｅ｝×（ｔ−ｔ２）］
×（Ｎｅ／Ｎｅ１）・・・・・（式１２）
となる。

そこで、図１１に示す回路を用い、電流検出値との比較電流Ｉｒｅｆを、
Ｉｒｅｆ（ｔ）＝［Ｉｔｇｔ＋｛（Ｖｉｎ−Ｖｄｒｏｐ）／Ｌｅ｝×（ｔ−ｔ２）］
×（Ｎｅ／Ｎｅ１）・・・・・（式１３）
となるような、スロープ波形とすれば、時刻ｔ１にてエネルギ蓄積コイル７０の入力側電流ＩＬ１と電流検出値との比較電流Ｉｒｅｆが一致し、スイッチＳ１がオフとなる。その後は、コイル電流の出力側換算値は、式１１にしたがって緩やかに上昇し、時刻ｔ２にて目標電流Ｉｔｇｔに到達する。なお、図１１において、符号１１０はゲートドライバを示し、符号１１１は比較電流基準値発生器を示している。

点火開始後のエネルギ蓄積期間（時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間、およびその後の繰返し期間の同等部分）においても、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間と同様の動作が行われる。そこで、図１１に示すＩｒｅｆ（ｔ）を、図１０のＩＬ１の波形に重ねて描いた破線のような鋸波状の波形とすれば、エネルギ蓄積期間の終了時点で、常に電流値ＩＬを目標電流Ｉｔｇｔに合わせることができる。Ｉｒｅｆ（ｔ）は、入力電圧Ｖｉｎの関数でもあるので、図１１のように入力電圧を検出し、鋸波の傾きを電圧に応じて変化させるようにすればよい。

以上のように、実施の形態３に係る内燃機関の点火装置においては、還流動作を用いずに、エネルギ蓄積電流の到達値を所定の値に制御することができるので、実施の形態２と同様、広い入力電圧範囲においても蓄積コイル電流および点火プラグの電流を所定の値に保つことができる。

また、実施の形態１および実施の形態２におけるスイッチＳ３は、電源のホット側（プラス側）にその一端が接続されており、スイッチとしてＩＧＢＴやＦＥＴを用いた場合、ホット側電位を基準にゲート波形を生成する必要があるので、ゲート駆動回路が複雑となる。一方、実施の形態３におけるスイッチＳ４およびスイッチＳ１は、いずれも一端がグラウンド電位に接続されているので、そのゲート電圧はグラウンド電位に対して０〜＋１５Ｖ程度の振幅で与えれば良く、ゲート駆動回路を容易に構成することができる。

１直流電圧源２電流検出手段
３、７０エネルギ蓄積コイル４点火コイル
５点火開始用コンデンサ６点火プラグ
７制御回路２０ヒステリシスコンパレータ
２１ＡＮＤ回路２２、２３、１１０ゲートドライバ
１１１比較電流基準値発生器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４スイッチ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ダイオード

Claims

一端が電源に接続されたエネルギ蓄積コイルと、
上記エネルギ蓄積コイルの途中引き出し線に接続された第１のスイッチ手段と、
上記エネルギ蓄積コイルの他端にダイオードを介して一次側巻き線の一端が接続され、二次側巻き線に点火プラグが接続された点火コイルと、
上記点火コイルの一次側巻き線の他端に接続された第２のスイッチ手段と、
上記エネルギ蓄積コイルの上記他端に接続された第４のスイッチ手段と、
上記第１のスイッチ手段、上記第２のスイッチ手段、及び上記第４のスイッチ手段を制御する制御手段と、を備え、
上記制御手段は、
上記点火プラグに正負の反転する電流を与えるために上記第２のスイッチ手段を繰返しオン・オフする制御を行い、
上記第２のスイッチ手段のオフ期間には、上記第１のスイッチ手段をオンすることにより上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを急激に増大させる期間と、上記第１のスイッチ手段をオフするとともに、上記第４のスイッチ手段をオンすることにより上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間と、を有する制御を行う内燃機関の点火装置において、
上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを急激に増大させる期間と、上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間とを組み合わせて上記エネルギ蓄積コイルに流れる電流の電流到達値を調整することを特徴とする内燃機関の点火装置。
上記エネルギ蓄積コイルに流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
上記電流検出手段によって検出された電流値が上記電流到達値に達する前に、上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを急激に増大させる制御から上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる制御へ切り替えること特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
上記エネルギ蓄積コイルに流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
上記電流到達値および上記エネルギ蓄積コイルに蓄積されるエネルギを緩やかに増大させる期間における上記エネルギ蓄積コイルに流れる電流のスロープ波形に基づいて定められる比較電流と、上記電流検出手段によって検出された電流値とが一致した際に、上記第１のスイッチ手段をオフすること特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。