JP5253144B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車両に搭載される内燃機関用点火装置に関するものである。

近年、車両搭載の内燃機関として、空燃比を極めて薄く設定した、いわゆる希薄燃焼エンジン（リーンバーンエンジン）が採用されつつある。しかし、この種のエンジンは着火効率が余り良くないため、点火装置には高エネルギ型のものが必要になる。そこで、従来からも、古典的な電流遮断原理により発生する点火コイル２次側出力にＤＣ−ＤＣコンバータの高圧出力を重畳する、重ね放電型点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−６８３７２号公報

すなわち、点火コイルの１次電流を遮断することでその２次側に発生する数ｋＶの高圧電圧により、点火プラグの放電電極の間隙に放電破壊を起こして点火コイルの２次側から放電電流を流し始めた後に、当該放電状態を維持し得る放電維持電圧値以上の直流電圧（普通、５００Ｖ程度以上）を別途に設けた昇圧回路によって保ちながら、当該昇圧回路からの出力電流を点火コイル放電電流に加算的に重畳する。事実、このような方式によると、点火プラグに比較的長い時間に亘り大きな放電エネルギを得ることができるため、燃料への着火性が向上し、ひいては燃費も向上する。

内燃機関の各気筒燃焼室内での燃焼は、点火プラグに放電火花が飛んだときから、初期燃焼、中期燃焼、主燃焼へと順次移行するが、中期燃焼に移行すると、火炎伝播により燃焼室内で急激な気流の変化が起こり、ＤＣ−ＤＣコンバータによって重ね放電電流を供給しているにもかかわらず、点火プラグの放電電極の間隙間にて生じていた放電火花が吹き消される、いわゆる“吹き消え現象”が生ずることがある。このような吹き消え現象が生ずると、放電は予定の持続時間まで延長されることなく、中断され、所期の燃焼エネルギが得られない。

そこで、以上のような課題を解決するために、高速繰り返し放電方式を採用し、万一、“吹き消え現象”が生じたとしても、その後も放電を繰り返すことにより、再放電を可能とすることが考えられる。

高速繰り返し放電を得る手段としては、石油などを燃料とする外燃機関用の点火装置として一般的な、自励サイリスタ直列インバータ式点火装置が知られている。

図２は従来の自励サイリスタ直列インバータ式点火装置の概略構成図である。

この図２を用いて、従来の自励サイリスタ直列インバータ式点火装置の動作について説明する。

自励サイリスタ直列インバータ式点火装置（サイリスタ直列インバータ回路）３０は、商用電源などの高圧交流電源１００の１端子１００ａから抵抗３ａ、抵抗３ｐを介して交流の半サイクル期間でコンデンサ３ｍを充電する。このコンデンサ３ｍの充電電圧がトリガ素子３ｋの閾値電圧（ブレークオーバ電圧）に達すると、このトリガ素子３ｋが導通し、抵抗３ｇを介して、当該コンデンサ３ｍの共振電荷をサイリスタ３ｅのゲートに放出し、トリガ電流として流す。

上記トリガ電流が流れると、共振インダクタ３ｄ、サイリスタ３ｅ、共振コンデンサ３ｆ、電源他端子１００ｂの経路で共振コンデンサ３ｆが充電される。この充電電流は、共振インダクタ３ｄ、共振コンデンサ３ｆの共振により振動し、充電電流が反転するときにサイリスタ３ｅの電流が逆方向となることでオフとなる。すると、共振コンデンサ３ｆの充電電荷は、イグニションコイルの１次巻線３ｕを介して放電され、２次巻線３ｚに高電圧が発生し、放電電極３ｘ、３ｙの間隙ｇに火花放電を起こす。

同時に、イグニションコイルの帰還巻線３ｔには、１次巻線に関して図示の＋、−の極性で電圧が発生するが、このときには、抵抗３ｒを介して、ツェナダイオード３ｑで短絡されており、サイリスタ３ｅのゲートには、影響を及ぼさない。

次に、共振コンデンサ３ｆと１次巻線３ｕとの共振により、共振電流が反転して図示のように１次巻線に（＋）、（−）の極性で電圧が発生すると、このときにも２次巻線３ｚに高電圧が発生し、点火プラグの放電電極３ｘ、３ｙの間隙ｇに火花放電が起きると同時に、帰還巻線３ｔにも図示の（＋）、（−）の極性で電圧が発生し、ダイオード３ｉ、コンデンサ３ｎ、抵抗３ｒの経路で、コンデンサ３ｎを充電する。そして、帰還巻線３ｔの電圧が零となると、これまでに蓄積されたコンデンサ３ｎの充電電荷が抵抗３ｇを介して、サイリスタ３ｅのゲートに流入し、サイリスタ３ｅをターンオンさせる。以下、この共振に基づいて発生する火花放電が繰り返されていく。

上記従来例の自励サイリスタ直列インバータ式点火装置は、商用交流電源を電源としており、放電は、電源周波数に同期し、電源電圧がトリガ素子３ｋの閾値電圧に相当する電圧以上の場合で行われ、一旦放電が始まれば、電源が存在する限り電源と同期して間欠的に継続されることになる。

一方、自動車用内燃機関の電源は直流電源であり、また点火の開始は、エンジンコンピュータ等により、正確に計算された時期が必要であり、放電持続時間も一般的には数ｍｓ程度と短い。これに対し、自励サイリスタ直列インバータ式点火装置は、上記のように、繰り返し放電を継続させることができるものの、その点火の開始と停止の正確な制御が困難であった。このため、上記従来の自励サイリスタ直列インバータ式点火装置３０を自動車用内燃機関に適用して、希薄燃焼エンジンにおいて“吹き消え現象”が生じても確実に点火させるようにしようとしても、その適用が困難なのが現状であった。

また、放電電極の間隙に繰り返し放電を継続させる場合、その最初の放電に最大の高圧エネルギーが必要とされ、この最初の放電をより確実なものにしたいという要請もあった。

この発明は上記に鑑み提案されたもので、一般的な自励サイリスタ直列インバータ式点火装置を、自動車用内燃機関に適合させ、希薄燃焼エンジンにおいて“吹き消え現象”が生じても確実に点火させることができるようにした内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、自動車両に搭載される内燃機関用点火装置において、所定の直流電圧を出力する直流昇圧回路と、第１の１次巻線、第２の１次巻線、点火プラグに接続された２次巻線、および上記第１の１次巻線に直列接続された帰還巻線を有するイグニッションコイルと、直列接続された共振インダクタ、サイリスタ、および共振コンデンサに上記直流昇圧回路の出力電圧を供給して共振させることにより上記点火プラグに火花放電を行わせる高電圧を上記２次巻線に発生させるサイリスタ直列インバータ回路と、上記第２の１次巻線に直列接続された第１コンデンサに充電した電荷を放電することにより上記点火プラグに火花放電を行わせる高電圧を上記２次巻線に発生させる容量放電式点火回路と、上記サイリスタ直列インバータ回路および上記容量放電式点火回路の動作を制御するトリガ信号発生部と、を備え、上記サイリスタ直列インバータ回路は、上記共振コンデンサが上記第１の１次巻線間に接続されており、上記直流昇圧回路の出力電圧によって充電された第２コンデンサから上記サイリスタのゲートへトリガ電流を供給させる第１のトリガ素子と、上記第１の１次巻線に電流が流れたとき上記帰還巻線間に発生した電圧を用いて上記サイリスタのゲートにトリガ電流を供給する第３コンデンサと、上記帰還巻線間に発生した電圧をキャンセルする第２のトリガ素子と、を有し、上記トリガ信号発生部の第１出力信号により上記第１のトリガ素子が導通したとき、上記第２コンデンサから上記サイリスタにトリガ電流が流れて上記直列接続された共振インダクタ、サイリスタ、および共振コンデンサが共振して上記共振コンデンサに充電電流が流れ、上記共振コンデンサに蓄積させた電荷を上記充電電流が反転するときに上記第１の１次巻線へ放電して上記２次巻線に高電圧を発生させ、その後、上記共振コンデンサと上記第１の１次巻線との共振によって流れる共振電流が反転するときに上記２次巻線に高電圧を発生させ、このとき上記帰還巻線に発生する電圧によって上記第３コンデンサを充電し、上記帰還巻線に発生する電圧が零になると上記第３コンデンサから上記サイリスタにトリガ電流を供給して上記直列接続された共振インダクタ、サイリスタ、および共振コンデンサの共振を繰り返させて上記２次巻線に高電圧を発生させ、上記トリガ信号発生部の第２出力信号により上記第２のトリガ素子が導通したとき、上記第３コンデンサに印加する充電電圧を遮断して上記２次巻線による高電圧の発生を終了させ、上記トリガ信号発生部は、エンジンコンピュータから入力した点火信号に応じて、上記サイリスタ直列インバータ回路による火花放電と、上記容量放電式点火回路による火花放電とを重畳させる、ことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明において、上記容量放電式点火回路は、上記第１コンデンサに充電した電荷を放電させる第３のトリガ素子を備え、上記トリガ信号発生部は、上記エンジンコンピュータからの点火信号に応じて上記第３のトリガ素子を導通させ、上記容量放電式点火回路による火花放電を開始させるようにしたものである。

この発明の内燃機関用点火装置は、サイリスタ直列インバータ回路を直流電源で駆動させ、その火花放電は、エンジンコンピュータからの点火信号を第１のトリガ素子が受けて開始し、停止信号を第２のトリガ素子が受けて停止するようにしたので、点火の開始と停止を正確に制御して、サイリスタ直列インバータ回路による点火をエンジンに的確に適用させることができるとともに、放電電極の間隙に高速繰り返し放電を行わせて、その放電中の吹き消え現象を起こりにくくすることができ、点火を着火性の良いものとすることができる。

さらに、容量放電式点火回路による火花放電を、上記のサイリスタ直列インバータ回路による火花放電に重畳させるようにしたので、その容量放電式点火回路による火花放電を、上記のサイリスタ直列インバータ回路による最初の火花放電に重畳させることで、その最初の放電をより確実に行わせることができる。

以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１はこの発明の内燃機関用点火装置の概略構成図である。図１中、従来例の図２と同一の構成要素には同一の符号を付してある。

図１が、従来例の図２と相違している点は、電源がバッテリ電源１を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ回路２を用いて直流化されていること、容量放電式点火回路４を設けたこと、およびトリガ信号発生部５を設けたことである。

以下、この図１を用いて、この発明の内燃機関用点火装置Ｉの動作について説明する。

内燃機関用点火装置Ｉは、バッテリ電源１を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ回路２、自励サイリスタ直列インバータ式点火装置部（サイリスタ直列インバータ回路）３、容量放電式点火装置部（容量放電式点火回路）４、およびエンジンコンピュータ（ＥＣＵ）からの点火信号Ｓ１、停止信号Ｓ２を受けてトリガ信号ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３を出力し、サイリスタ直列インバータ回路３および容量放電式点火回路４を適切な時期に動作させるトリガ信号発生部５からなる。

サイリスタ直列インバータ回路３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の端子２ａから抵抗３ａ、抵抗３ｐを介してコンデンサ３ｍを充電する。コンデンサ３ｍはトリガ素子３ｋ、抵抗３ｇを介して、サイリスタ３ｅのゲートに接続されており、トリガ素子３ｋが、ＥＣＵからの点火信号Ｓ１に応じてトリガ信号発生部５から出力されたトリガ信号ＰＣ１を受けて、適切な時期に、サイリスタ３ｅにトリガ電流を流し、ターンオンさせる構成となっている。つまり、放電開始をＥＣＵの信号により任意の時期に決定できることになる。

尚、本実施形態の場合、このトリガ信号ＰＣ１は放電開始時に必要なだけで、後の放電継続には不必要のため、サイリスタ３ｅをターンオンさせるために必要かつ十分な、短時間のパルス状とし、ターンオン以降は、オフ状態とする。

サイリスタ３ｅにトリガ電流が流れると、共振インダクタ３ｄ、当該サイリスタ３ｅ、共振コンデンサ３ｆの共振により振動し、充電電流が反転するときにサイリスタ３ｅの電流が逆方向となることでオフとなる。すると、共振コンデンサ３ｆの充電電荷は、イグニションコイルの１次巻線の１つである１次巻線３ｕを介して放電され、２次巻線３ｚに高電圧が発生し、点火プラグの放電電極３ｘ、３ｙの間隙ｇに火花放電を起こす。

同時に、イグニションコイルの帰還巻線（１次巻線）３ｔにも、図示の＋、−の極性で電圧が発生するが、このときには、抵抗３ｒを介して、ツェナダイオード３ｑで短絡されており、サイリスタ３ｅのゲートには、影響を及ぼさない。

次に、共振コンデンサ３ｆと１次巻線３ｕとの共振により、共振電流が反転して図示のように１次巻線３ｕに（＋）、（−）の極性で電圧が発生すると、このときにも２次巻線３ｚに高電圧が発生し、点火プラグの放電電極３ｘ、３ｙの間隙ｇに火花放電が起きると同時に、帰還巻線３ｔにも図示の極性（＋）、（−）の極性で電圧が発生し、ダイオード３ｉ、コンデンサ３ｎ、抵抗３ｒの経路で、コンデンサ３ｎを充電する。そして、帰還巻線３ｔの電圧が零となると、これまでに蓄積されたコンデンサ３ｎの充電電荷が抵抗３ｇを介して、サイリスタ３ｅのゲートに流入し、サイリスタ３ｅをターンオンさせる。以下、この共振に基づいて発生する火花放電が繰り返されていく。

ここで、この実施形態では、電源が直流電源化されており、放電は、完全に連続的に継続されることになる。したがって、放電を終了させるために、ツェナダイオード３ｑと相対する位置に、トリガ素子３ｓを設置する。

このトリガ素子３ｓは、ＥＣＵからの停止信号Ｓ２に応じてトリガ信号発生部５から出力されたトリガ信号ＰＣ３を受け、トリガ素子３ｓがオンすることにより、ツェナダイオード３ｑの両端は双方向で短絡状態となる。この動作により、帰還巻線３ｔに発生する電圧をキャンセルし、すなわち、帰還巻線３ｔの動作を無効化することにより、前述のとおりサイリスタ３ｅを再ターンオンさせるためのコンデンサ３ｎへの充電が行われず、放電は停止する。つまり、放電停止時期を任意に決定できることになる。

一方、容量放電式点火回路４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２の端子２ｃからダイオード４ｆ、抵抗４ｇを介してコンデンサ４ｈを充電する。一方で、抵抗４ａ、トリガ素子４ｄ、抵抗４ｅを介して、サイリスタ４ｉのゲートに接続されており、ＥＣＵからの点火信号Ｓ１に応じてトリガ信号発生部５から出力されたトリガ信号ＰＣ２をトリガ素子４ｄが受けて、サイリスタ４ｉのトリガ電流を流す構成となっている。

上記トリガ電流が流れると、コンデンサ４ｈに充電させた電荷は、サイリスタ４ｉ、イグニションコイルの１次巻線の１つである１次巻線４ｋの経路で放電され、２次巻線３ｚに高電圧が発生し、点火プラグの放電電極３ｘ、３ｙの間隙ｇに火花放電を起こす。

以上述べたように、この発明の内燃機関用点火装置Ｉは、サイリスタ直列インバータ回路３を直流電源で駆動させ、その火花放電は、エンジンコンピュータ（ＥＣＵ）からの点火信号Ｓ１に応じたトリガ信号ＰＣ１をトリガ素子３ｋが受けて開始し、停止信号Ｓ２に応じたトリガ信号ＰＣ３をトリガ素子３ｓが受けて停止するようにしたので、放電の開始と停止を正確に制御して、サイリスタ直列インバータ回路３による点火をエンジンに的確に適用させることができるとともに、放電電極３ｘ、３ｙの間隙ｇに高速繰り返し放電を行わせて、その放電中の吹き消え現象を起こりにくくすることができ、点火を着火性の良いものとすることができる。

さらに、容量放電式点火回路４による火花放電を、上記のサイリスタ直列インバータ回路３による火花放電に重畳させるようにした。そして、この容量放電式点火回路４による火花放電を、ＥＣＵからの点火信号Ｓ１に応じたトリガ信号ＰＣ２をトリガ素子４ｄが受けて行うようにすることで、容量放電式点火回路４による火花放電を、上記のサイリスタ直列インバータ回路３による最初の火花放電に重畳させることができ、その最初の放電をより確実に行わせることができるようになる。

なお、上記の説明では、容量放電式点火回路４による火花放電をサイリスタ直列インバータ回路３による最初の火花放電に重畳させるようにしたが、容量放電式点火回路４による火花放電を単独で、例えばサイリスタ直列インバータ回路３による最初の火花放電に先立って行わせてもよい。そのようにすることで、後続のサイリスタ直列インバータ回路３による火花放電は、より容易となり、確実に行わせることができる。

この発明の内燃機関用点火装置の概略構成図である。 従来の自励サイリスタ直列インバータ式点火装置の概略構成図である。

符号の説明

１ バッテリ電源
２ コンバータ回路
２ａ，２ｂ。２ｃ、２ｄ コンバータ回路の出力端子
３ サイリスタ直列インバータ回路
３ａ 抵抗
３ｄ 共振インダクタ
３ｅ サイリスタ
３ｆ 共振コンデンサ
３ｇ 抵抗
３ｉ ダイオード
３ｋ トリガ素子
３ｍ コンデンサ
３ｎ コンデンサ
３ｐ 抵抗
３ｑ ツェナダイオード
３ｒ 抵抗
３ｓ トリガ素子
３ｔ イグニッションコイルの帰還巻線（１次巻線）
３ｕ イグニッションコイルの１次巻線
３ｘ，３ｙ 点火プラグの放電電極
３ｚ イグニッションコイルの２次巻線
４ 容量放電式点火回路
４ａ 抵抗
４ｄ トリガ素子
４ｅ 抵抗
４ｆ ダイオード
４ｇ 抵抗
４ｈ コンデンサ
４ｉ サイリスタ
４ｋ イグニッションコイルの１次巻線
５ トリガ信号発生部
Ｉ 内燃機関用点火装置
ＰＣ１ トリガ信号
ＰＣ２ トリガ信号
ＰＣ３ トリガ信号
Ｓ１ エンジンコンピュータからの点火信号
Ｓ２ エンジンコンピュータからの停止信号
ｇ 放電電極３ｘ、３ｙの間隙

Claims (2)

1. 自動車両に搭載される内燃機関用点火装置において、
   所定の直流電圧を出力する直流昇圧回路と、
   第１の１次巻線、第２の１次巻線、点火プラグに接続された２次巻線、および上記第１の１次巻線に直列接続された帰還巻線を有するイグニッションコイルと、
   直列接続された共振インダクタ、サイリスタ、および共振コンデンサに上記直流昇圧回路の出力電圧を供給して共振させることにより上記点火プラグに火花放電を行わせる高電圧を上記２次巻線に発生させるサイリスタ直列インバータ回路と、
   上記第２の１次巻線に直列接続された第１コンデンサに充電した電荷を放電することにより上記点火プラグに火花放電を行わせる高電圧を上記２次巻線に発生させる容量放電式点火回路と、
   上記サイリスタ直列インバータ回路および上記容量放電式点火回路の動作を制御するトリガ信号発生部と、
   を備え、
   上記サイリスタ直列インバータ回路は、
   上記共振コンデンサが上記第１の１次巻線間に接続されており、
   上記直流昇圧回路の出力電圧によって充電された第２コンデンサから上記サイリスタのゲートへトリガ電流を供給させる第１のトリガ素子と、
   上記第１の１次巻線に電流が流れたとき上記帰還巻線間に発生した電圧を用いて上記サイリスタのゲートにトリガ電流を供給する第３コンデンサと、
   上記帰還巻線間に発生した電圧をキャンセルする第２のトリガ素子と、
   を有し、
   上記トリガ信号発生部の第１出力信号により上記第１のトリガ素子が導通したとき、
   上記第２コンデンサから上記サイリスタにトリガ電流が流れて上記直列接続された共振インダクタ、サイリスタ、および共振コンデンサが共振して上記共振コンデンサに充電電流が流れ、上記共振コンデンサに蓄積させた電荷を上記充電電流が反転するときに上記第１の１次巻線へ放電して上記２次巻線に高電圧を発生させ、
   その後、上記共振コンデンサと上記第１の１次巻線との共振によって流れる共振電流が反転するときに上記２次巻線に高電圧を発生させ、このとき上記帰還巻線に発生する電圧によって上記第３コンデンサを充電し、上記帰還巻線に発生する電圧が零になると上記第３コンデンサから上記サイリスタにトリガ電流を供給して上記直列接続された共振インダクタ、サイリスタ、および共振コンデンサの共振を繰り返させて上記２次巻線に高電圧を発生させ、
   上記トリガ信号発生部の第２出力信号により上記第２のトリガ素子が導通したとき、
   上記第３コンデンサに印加する充電電圧を遮断して上記２次巻線による高電圧の発生を終了させ、
   上記トリガ信号発生部は、
   エンジンコンピュータから入力した点火信号に応じて、上記サイリスタ直列インバータ回路による火花放電と、上記容量放電式点火回路による火花放電とを重畳させる、
   ことを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 上記容量放電式点火回路は、上記第１コンデンサに充電した電荷を放電させる第３のトリガ素子を備え、
   上記トリガ信号発生部は、上記エンジンコンピュータからの点火信号に応じて上記第３のトリガ素子を導通させ、上記容量放電式点火回路による火花放電を開始させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。

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