JP5358365B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用点火装置に関し、特に、点火コイルの通電状態を制御するスイッチング素子を備える内燃機関用点火装置に関する。

従来より、点火コイルの１次コイルの通電状態を制御するスイッチング素子を備える内燃機関用点火装置が知られている。かかる内燃機関用点火装置では、スイッチング素子がオン状態である場合には、バッテリに接続された１次コイルは通電状態になる。そして、スイッチング素子をオフ状態に切り替えると、１次コイルへの通電は停止され、２次コイルに誘導起電力が生じて、２次コイルに接続された点火プラグに火花が発生する。

そして、かかる内燃機関用点火装置の中には、スイッチング素子（ＩＧＢＴ２）に接続されたシャント抵抗４の両端部の電圧を検出することにより、スイッチング素子に過電流が発生したか否かを判別して、スイッチング素子を過電流から保護する構成を有するものがある。

特開２００２−４９９１号公報

しかしながら、本発明者の検討によれば、かかる内燃機関用点火装置によれば、シャント抵抗を利用してスイッチング素子に過電流が発生したことを判別する構成になっているために、内燃機関用点火装置の小型化及び低コスト化を実現することが困難な傾向にあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、小型化及び低コスト化を実現しながら、スイッチング素子を過電流から保護することが可能な内燃機関用点火装置を提供することにある。

以上の目的を達成すべく、本発明は、点火コイルの通電状態を変化させて誘導起電力を発生させるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御部と、前記スイッチング素子の端子間電圧が所定値以上になったタイミングで前記制御部に検出信号を出力する過電流検出回路と、を備え、前記制御部は、前記スイッチング素子
の制御端子にバイアス信号及びパルス信号を入力することにより前記スイッチング素子の前記オン／オフ動作を制御すると共に、前記スイッチング素子の制御端子にハイレベルの前記バイアス信号及びローレベルの前記パルス信号を入力した状態である際に、前記過電流検出回路から前記検出信号が入力された場合に、前記バイアス信号をハイレベルからローレベルに切り替え、ローレベルの前記バイアス信号を前記制御端子に入力することにより前記スイッチング素子をオフ状態とすることを第１の特徴とする内燃機関用点火装置である。

また本発明は、かかる第１の特徴に加えて、前記制御部は、前記検出信号が所定時間以上継続して入力されたか否かを判別し、前記検出信号が前記所定時間以上継続して入力された場合において、前記スイッチング素子をオフ状態にすることを第２の特徴とする。

また本発明は、かかる第１又は第２の特徴に加えて、前記制御部と前記スイッチング素子の前記制御端子とを接続する配線に、前記バイアス信号により充電されるキャパシタが設けられていることを第３の特徴とする。

以上の本発明に係る内燃機関用点火装置によれば、スイッチング素子の端子間電圧が所定値以上になったタイミングで制御部に検出信号を出力する過電流検出回路を備え、制御部は、スイッチング素子の制御端子にバイアス信号及びパルス信号を入力することによりスイッチング素子のオン／オフ動作を制御すると共に、スイッチング素子の制御端子にハイレベルのバイアス信号及びローレベルのパルス信号を入力した状態である際に、過電流検出回路から検出信号が入力された場合に、バイアス信号をハイレベルからローレベルに切り替え、ローレベルのバイアス信号を制御端子に入力することによってスイッチング素子をオフ状態とすることにより、シャント抵抗を用いることなくスイッチング素子に過電流が発生したか否かを判定するので、簡便な構成で、スイッチング素子のオン／オフ動作を確実に制御すると共に、小型化及び低コスト化を実現しながら、スイッチング素子を過電流から確実に保護することができる。

また、制御部が、検出信号が所定時間以上継続して入力されたか否かを判別し、検出信号が所定時間以上継続して入力された場合において、スイッチング素子をオフ状態にすることにより、ノイズ等の発生による誤検出を防止しつつ、スイッチング素子を過電流から確実に保護することができる。

また、制御部とスイッチング素子の制御端子とを接続する配線に、バイアス信号により充電されるキャパシタが設けられていることにより、スイッチング素子を緩やかにオフ状態に切り替えることができ、点火コイルに不要な誘導起電力が発生することが抑制されて、点火プラグが不要に点火状態になることを抑制できる。

本発明の実施形態における内燃機関用点火装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態における内燃機関用点火装置のＩＧＰＬＳ信号、ＩＧＲ信号及びＩＧＩＮＨ信号を示す波形図である。 本発明の実施形態における内燃機関用点火装置の過電流検出割込処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態における内燃機関用点火装置の立ち上がりエッジが、通常の点火プラグの点火後の状態に起因するものである場合におけるＩＧＰＬＳ信号、ＩＧＲ信号、及びＩＧＩＮＨ信号を示す波形図である。 本発明の実施形態における内燃機関用点火装置の立ち上がりエッジが、ノイズに起因するものである場合におけるＩＧＰＬＳ信号、ＩＧＲ信号、及びＩＧＩＮＨ信号を示す波形図である。 本発明の実施形態における内燃機関用点火装置の立ち上がりエッジが、ノイズに起因するものである場合におけるＩＧＰＬＳ信号、ＩＧＲ信号、及びＩＧＩＮＨ信号を示す波形図である。

以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態における内燃機関用点火装置につき、詳細に説明する。

まず、本実施形態における内燃機関用点火装置の全体構成について、図１を参照して、詳細に説明する。

図１は、本実施形態における内燃機関用点火装置の構成を示す回路図である。

図１に示すように、内燃機関用点火装置１は、１次コイル２及び２次コイル３を有する点火コイルＩＧ、典型的にはＮＰＮバイポーラトランジスタ素子であるトランジスタ４、トランジスタ４に対する制御部であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５、並びに過電流検出回路１１を備える。

具体的には、点火コイルＩＧにおいて、１次コイル２の一方の端部はバッテリＢに接続され、他方の端部はトランジスタ４のコレクタ端子に接続されている。一方で、２次コイル３は、１次コイル２の近傍において誘導起電力が生じるように配置され、内燃機関に点火動作をする点火プラグＰに接続されている。

トランジスタ４は、点火プラグＰにおけるスパークの発生を制御するスイッチング素子として機能する。詳しくは、トランジスタ４は、コレクタ端子、エミッタ端子及びベース端子（制御端子）有し、これらは、点火コイルＩＧの１次コイル２、グラウンド電位及びＣＰＵ５に各々接続されている。

ＣＰＵ５は、内燃機関用点火装置１全体の動作を制御する。詳しくは、ＣＰＵ５は、ＩＧＩＮＨ出力ポート及びＩＧＰＬＳ出力ポートを介して、トランジスタ４のベース端子に制御信号であるＩＧＩＮＨ信号（バイアス信号）及びＩＧＰＬＳ信号（パルス信号）を入力することにより、トランジスタ４のオン／オフ動作を制御する。かかるＩＧＩＮＨ信号及びＩＧＰＬＳ信号は、トランジスタ４に対する制御信号である。

ここで、ＩＧＩＮＨ信号は、通常動作時にはハイレベルであり、ＩＧＰＬＳ信号は、ハイレベルからローレベルに切り替わると、点火プラグＰが点火状態となってスパークが発生する。つまり、ＩＧＩＮＨ信号とＩＧＰＬＳ信号が共にハイレベルである場合、トランジスタ４はオン状態であり、１次コイル２はバッテリＢからの電力が供給された通電状態となる。一方で、ＩＧＩＮＨ信号がハイレベルのままで、ＩＧＰＬＳ信号がローレベルに切り替わると、トランジスタ４のベース端子に印加される電圧が減少するため、１次コイル２の通電状態が変化し、２次コイル３に高圧の誘導起電力が生じて、点火プラグＰが点火状態となってスパークが発生する。

更に、ＣＰＵ５のＩＧＩＮＨ出力ポートとトランジスタ４のベース端子とを結ぶ配線には、キャパシタＣが設けられている。ＩＧＩＮＨ信号は、通常動作時はハイレベルであるので、キャパシタＣは通常動作時はＩＧＩＮＨ信号によって電荷を蓄える。そして、ＩＧＩＮＨ信号がローレベルに切り替わる際には、キャパシタＣに蓄えられた電荷がトランジスタ４のベース端子に放出される。

また、過電流検出回路１１は、トランジスタ４に過電流が発生したことを検出する機能を有する。

具体的には、過電流検出回路１１は、ダイオードＤ、コンパレータ１２及び典型的にはＮＰＮバイポーラトランジスタ素子であるトランジスタ１３を有する。ダイオードＤは、トランジスタ４のコレクタ端子と１次コイル２とを結ぶ配線からコンパレータ１２に向かって逆方向に接続されている。そして、コンパレータ１２において、非反転入力（＋）端子には、基準電圧Ｖ０が印加される一方で、反転入力（−）端子には、入力電圧Ｖが印加される。コンパレータ１２は、入力電圧Ｖが基準電圧Ｖ０未満である場合には、ハイレベルの電圧信号を出力し、入力電圧Ｖが基準電圧Ｖ０以上である場合には、ローレベルの電圧信号を出力する。

また、トランジスタ１３のコレクタ端子は、ＣＰＵ５のＩＧＲ入力ポートに接続され、トランジスタ１３のコレクタ端子とＣＰＵ５のＩＧＲ入力ポートとを結ぶ配線には、電源ＶＣＣが接続されている。一方で、トランジスタ１３のエミッタ端子及びベース端子は、グラウンド電位及びコンパレータ１２の出力端子に各々接続されている。かかるトランジスタ１３は、ベース端子にローレベルの電圧信号が入力された際にオフ状態となり、コレクタ端子の電圧レベルはローレベルからハイレベルに切り替わる。そして、ＣＰＵ５は、ＩＧＲ入力ポートを介してコレクタ端子の電圧レベルをＩＧＲ信号として検出する。かかるＩＧＲ信号は、トランジスタ４に過電流が発生したことを示す過電流検出回路１１の検出信号である。

次に、以上の構成を有する内燃機関用点火装置１の動作につき、更に、図２から図６をも参照して、詳細に説明する。

図２は、本実施形態における内燃機関用点火装置のＩＧＰＬＳ信号、ＩＧＲ信号及びＩＧＩＮＨ信号を示す波形図であり、図３は、本実施形態における内燃機関用点火装置の過電流検出割込処理の流れを示すフローチャートである。また、図４から図６は、本実施形態における内燃機関用点火装置の立ち上がりエッジが、通常の点火プラグの点火後の状態に起因するものである場合におけるＩＧＰＬＳ信号、ＩＧＲ信号、及びＩＧＩＮＨ信号を示す波形図であり、図５及び図６は、各々、本実施形態における内燃機関用点火装置の立ち上がりエッジがノイズの発生状態に起因するものである場合におけるＩＧＰＬＳ信号、ＩＧＲ信号、及びＩＧＩＮＨ信号を示す波形図である。

内燃機関用点火装置１においては、まず、点火プラグＰを点火状態としてスパークを発生させるために、図２に示す時刻Ｔ＝Ｔ０で、ＩＧＩＮＨ信号がハイレベルに維持され、かつＩＧＰＬＳ信号がローレベルに切り替わり、その後、点火コイルＩＧの１次コイル２に何らかの原因で過電流が発生した場合には、過電流がトランジスタ４のコレクタ端子と１次コイル２とを結ぶ配線を通じてトランジスタ４に至り、トランジスタ４のコレクタ／エミッタ間の電圧ＶＣＥが０Ｖから増加する。この際、トランジスタ４のコレクタ端子と１次コイル２とを結ぶ配線にダイオードＤを介して接続されたコンパレータ１２の反転入力（−）端子に印加される入力電圧Ｖは、トランジスタ４のコレクタ端子と１次コイル２とを結ぶ配線の電位が減少したならば、減少し始める。なお、トランジスタ４のコレクタ／エミッタ間の電圧ＶＣＥの経時的変化は、便宜上、図２のＩＧＰＬＳ信号の波形図に示し、一例として線形的な変化とする。

そして、図２に示す時刻Ｔ＝Ｔ１で、トランジスタ４のコレクタ／エミッタ間の電圧ＶＣＥが、トランジスタ４に過電流が発生する程度であると評価される所定電圧ＶＴにまで
増加したならば、コンパレータ１２の反転入力（−）端子に印加される入力電圧Ｖが、基準電圧Ｖ０以上まで増加する。すると、対応して、コンパレータ１２の出力レベルは、ハイレベルからローレベルに切り替わり、トランジスタ１３が、オン状態からオフ状態に切り替わる。これにより、トランジスタ１３のコレクタ端子の電圧レベル、つまりＩＧＲ信号の電圧レベルが、ローレベルからハイレベルに立ち上がり、ＣＰＵ５は、かかるＩＧＲ信号の立ち上がりエッジを検出することにより、トランジスタ４に過電流が発生したことを検出する。

このように、トランジスタ１３のコレクタ端子の電圧レベル、つまりＩＧＲ信号の電圧レベルの立ち上がりエッジが検出された場合、ＣＰＵ５は、図３に示す過電流検出割込処理を実行することにより、誤検出を防止しつつトランジスタ４を過電流から保護する。

具体的には、図３に示すように、ＣＰＵ５は、ステップＳ１において、ＩＧＰＬＳ信号のレベルがローレベルになった後にＩＧＲ信号の立ち上がりエッジが検出されたか否かを判別することにより、点火プラグＰが点火状態であるか否かを確認的に判別する。
そして、ＩＧＰＬＳ信号のレベルがローレベルでなくハイレベルであると判別された場合には、ＣＰＵ５は、検出されたＩＧＲ信号の立ち上がりエッジが、図４に示す時刻Ｔ＝Ｔ２における通常の点火プラグＰの点火後の状態や、図５に示す時刻Ｔ＝Ｔ１における点火プラグＰの非点火時のノイズの発生状態に起因するものであると判断して、今回の過電流検出割込処理を終了する。

また、ＩＧＰＬＳ信号のレベルがローレベルであるであると判別された場合には、ＣＰＵ５は、ステップＳ２において、ＩＧＲ信号の立ち上がりエッジが検出されてから所定時間ΔＴが経過したか否かを判別する。所定時間ΔＴが経過したと判別されない場合には、ＣＰＵ５は、ステップＳ２の処理を繰り返す。一方で、所定時間ΔＴが経過したと判別された場合には、ＣＰＵ５は、処理をステップＳ３に進める。

ステップＳ３においては、ＣＰＵ５は、ＩＧＲ信号の立ち上がりエッジを検出してから所定時間ΔＴが経過したタイミングで、ＩＧＲ信号がハイレベルであるか否かを判別する。ＩＧＲ信号がハイレベルではなくローレベルであると判別された場合には、ＣＰＵ５は、検出された立ち上がりエッジは、図６の時刻Ｔ＝Ｔ１において示すようなＩＧＲ信号のノイズに起因するものであると判断して、今回の一連の過電流検出割込処理を終了する。一方で、ＩＧＲ信号がハイレベルである場合には、ＣＰＵ５は、トランジスタ４に過電流が発生していると判断して、処理をステップＳ４に進める。

ステップＳ４においては、ＣＰＵ５は、トランジスタ４に過電流が発生していると判断する場合であるので、図２に示す時刻Ｔ＝Ｔ２において、ＩＧＩＮＨ信号をハイレベルからローレベルに切り替えて、トランジスタ４を完全にオフ状態に切り替え、今回の一連の過電流検出割込処理を終了する。ここで、ＩＧＩＮＨ信号がハイレベルからローレベルに切り替えられることによって、キャパシタＣに蓄えられた電荷は、トランジスタ４のベース端子側に放出される。これにより、トランジスタ４のベース端子に入力される信号のレベル（便宜上、ＩＧＰＬＳ信号の波形図で示す）が緩やかに変化するので（いわゆるソフトオフ動作）、２次コイル３に不要な誘導起電力が発生することが抑制されて、点火プラグＰが不要に点火状態になることを抑制する。なお、図２に示す時刻Ｔ＝Ｔ２において、かかるソフトオフ動作を行わない場合の信号の波形変化を、２点鎖線で示す。

以上の本実施形態によれば、スイッチング素子の端子間電圧が所定値以上になったタイミングで制御部に検出信号を出力する過電流検出回路を備え、制御部は、スイッチング素子の制御端子にバイアス信号及びパルス信号を入力することによりスイッチング素子のオン／オフ動作を制御すると共に、スイッチング素子の制御端子にハイレベルのバイアス信号及びローレベルのパルス信号を入力した状態である際に、過電流検出回路から検出信号が入力された場合に、バイアス信号をハイレベルからローレベルに切り替え、ローレベルのバイアス信号を制御端子に入力することによってスイッチング素子をオフ状態とすることにより、シャント抵抗を用いることなくスイッチング素子に過電流が発生したか否かを判定するので、簡便な構成で、スイッチング素子のオン／オフ動作を確実に制御すると共に、小型化及び低コスト化を実現しながら、スイッチング素子を過電流から確実に保護することができる。

また、制御部が、検出信号が所定時間以上継続して入力されたか否かを判別し、検出信号が所定時間以上継続して入力された場合において、スイッチング素子をオフ状態にすることにより、ノイズ等の発生による誤検出を防止しつつ、スイッチング素子を過電流から確実に保護することができる。

また、制御部とスイッチング素子の制御端子とを接続する配線に、バイアス信号により充電されるキャパシタが設けられていることにより、スイッチング素子を緩やかにオフ状態に切り替えることができ、点火コイルに不要な誘導起電力が発生することが抑制されて、点火プラグが不要に点火状態になることを抑制できる。

以上のように、本発明においては、小型化及び低コスト化を実現しながら、スイッチング素子を過電流から保護することが可能な内燃機関用点火装置を提供することができるものであり、その汎用普遍的な性格から車両等の内燃機関用点火装置に広範に適用され得るものと期待される。

１……内燃機関用点火装置
ＩＧ…点火コイル
Ｂ……バッテリ
Ｃ……キャパシタ
Ｐ……点火プラグ
２……１次コイル
３……２次コイル
４……トランジスタ
５……ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）
１１…過電流検出回路
１２…コンパレータ
１３…トランジスタ

Claims (3)

1. 点火コイルの通電状態を変化させて誘導起電力を発生させるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御部と、
   前記スイッチング素子の端子間電圧が所定値以上になったタイミングで前記制御部に検出信号を出力する過電流検出回路と、を備え、
   前記制御部は、前記スイッチング素子の制御端子にバイアス信号及びパルス信号を入力することにより前記スイッチング素子の前記オン／オフ動作を制御すると共に、前記スイッチング素子の制御端子にハイレベルの前記バイアス信号及びローレベルの前記パルス信号を入力した状態である際に、前記過電流検出回路から前記検出信号が入力された場合に、前記バイアス信号をハイレベルからローレベルに切り替え、ローレベルの前記バイアス信号を前記制御端子に入力することにより前記スイッチング素子をオフ状態とすることを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記制御部は、前記検出信号が所定時間以上継続して入力されたか否かを判別し、前記検出信号が前記所定時間以上継続して入力された場合において、前記スイッチング素子をオフ状態にす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。
3. 前記制御部と前記スイッチング素子の前記制御端子とを接続する配線に、前記バイアス信号により充電されるキャパシタが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用点火装置。

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