JP5448804B2 - コンデンサ点火システムにおいてスパークエネルギーを増大させる方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に小型のいわゆる「コンデンサ放電点火（ＣＤＩ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）」システムにおいて、点火電圧がフライホィールに接続又は一体化された発電機及び関連する制御回路によって生成される燃焼機関のスパークエネルギーをバッテリなしで増大させる方法及び装置について言及する。

本発明は、既存の発電機の外部条件、例えば磁化強度、鉄芯等を変更する必要なく実施することができる。より一般的には、本発明の概念は、特に小型移動式内燃機関システムにおいてより強力な電圧発生を生み出すために使用することができる。

本方法及び本装置は、特に、小型移動式マニュアル始動の内燃機関で駆動される装置、例えば、チェーンソー、芝刈り機、及び船外機等の様々な種類の付属品に適用される。特に低速で、例えばこのような付属品の開始時に、従来の点火システムは、素早く確実な開始を保証するために十分なスパークエネルギーを送出することが困難である。

（特許文献１）には、スパークの燃焼時間を長持ちさせることができ、それによってエネルギーを増大させる方法が示されている。しかし、この方法は、低速ではエネルギーを少ししか、又は全く増大させない。
米国特許第６７０１８９６号明細書

本発明の目的は、本発明の概念による非常に費用効率的な回路によってスパークに利用可能なエネルギーを大幅に増大させることである。これは特に、低スパークエネルギーに伴う問題が特に悪化する低速時、例えば開始時に真である。

本発明による方法は、既知の従来システムでは、単に考慮されないエネルギーを使用できるようにする。例えば、（特許文献１）及び以下の説明を参照する従来のＣＤＩシステムは、エンジン回転毎に１回導通される、磁気回路内の鉄芯に配置されるいわゆる「充電巻線（ｃｈａｒｇｅ ｗｉｎｄｉｎｇ）」を有する。

この充電巻線に誘起される電圧は、エンジン回転毎に１回のエネルギーで整流器を介してコンデンサを充電する。次に、コンデンサは、変圧器の一次巻線を構成する同じ又は別の鉄芯の別の巻線を通して循環的に放電され、関連する二次巻線がスパークプラグへのスパーク電圧を発生させる。

充電巻線の電圧は主に、巻線の巻き回数及びエンジンの回転速度に比例する。一方では、エンジン低速時に、許容可能な充電電圧を生み出すために充電巻線の巻き回数が多いことが望ましいが、他方では、エンジン高速時に、コンデンサを過電圧に曝さないために巻き回数が少ないことが望ましい。

本発明による方法及び装置は、例えば、充電巻線の巻き回数をエンジン高速時に向けて最適化する可能性を提供するのと同時に、エンジン低速時にコンデンサに良好な充電レベルを保つ可能性を提供する。

これは、２つの比較的低コストの部品、すなわち充電巻線を短絡することができる１つの追加の整流器ダイオード及び１つのトランジスタを従来の回路に追加することによって達成される。充電巻線からの充電パルスがエンジン低速時には比較的長いことから、上記トランジスタを特定の周波数でオンオフ切り替えることにより、コンデンサの充電手順をより効率的にするのと同時に、コンデンサの充電電圧が有害なレベルに達しないように追加のエネルギーが制御されることが可能である。

将来、環境要件により、本明細書において考察される種類の小型エンジンに、気化器に代えて燃料噴射システムを設けることが要求される可能性がある。これは、燃焼を管理し制御するよりよい可能性を提供する。すなわち、出力が大きくなり、消費燃料が少なくなり、排気がよりクリーンになる等である。燃料噴射システムへの切り替えに伴う問題は、これらシステムではかなり大きなエネルギーが必要なことである。既知のように、圧縮段階中に、燃料を気筒内に圧し入れる必要がある。これは通常、相当なエネルギーを必要とする電気駆動式インジェクタによって行われる。移動式可搬システムでは、重量を鑑みて、バッテリの追加が望ましくないため、必然的に、発電機に関連するフライホィールがこのエネルギーを送らなければならない。この発電機の設計をどのように選ぶかに関係なく、ＣＤＩシステムの充電コンデンサを充電するために必要な電圧よりもかなり低い電圧で大量のエネルギーをインジェクションシステムに送るように発電機を最適化する必要がある。この問題も本発明による方法によって対処することができる。すなわち、本発明による方法によれば、低電圧巻線が充電コンデンサに対して「高電圧」を発生させる。

本発明による方法及び装置に伴うさらなる利点は、従来の点火システムと同じ深刻さの問題によって動作が影響を受けることなく、エタノールが様々に添加された既存のいわゆる環境フレンドリ燃料（例えば、Ｅ８５）を使用できることである。何らかの種類のエタノール燃料を使用して冷たいエンジンを始動させるには、当然のことながらエタノールの気化性が劣り、ひいては可燃性がより低いことにより、純粋なガソリンを使用して始動させる場合よりも高いスパークエネルギーが必要である。

本発明の伴う追加の利点は、以下から明らかになる上述した追加のトランジスタを使用して、充電機能を制限又は完全にオフにできることである。これを使用して、ボタンの瞬間的な押下が検出され、これが使用されて、充電コンデンサに達するエネルギーをなくしてエンジンを停止させるように、トランジスタによって充電巻線が完全に短絡される、いわゆる「ワンプッシュストップ（ｏｎｅ−ｐｕｓｈ−ｓｔｏｐ）」機能を提供することができる。

トランジスタにより、充電コンデンサの電圧レベルを制御することもできる。例えば、制御は以下に従って実行することができる。エンジン低速時に、追加のトランジスタが図２に従ってパルス駆動され、充電電圧を増大させる。速度が増大し、例えば５０００−６０００ｒｐｍに近づいている場合には、逆の問題、すなわち、充電コンデンサの電圧がコンデンサの定格電圧を超える可能性があるレベルに達するという問題が発生し得る。この状況では、トランジスタを使用して、充電パルスの部分を短絡させ、それにより、充電電圧を安全なレベルに制限することができる。

従来の既知の解決策に伴う上記技術的問題を解決する本発明は、以下の特許請求項を特徴とする。

本発明のさらなる目的、用途、及び利点が、添付図面を参照して与えられる以下の説明から明らかになるであろう。

図１に、本発明により変更された小型エンジン用の典型的なＣＤＩシステムのいくらか簡略化された形態の回路図を概略的に示す。従来通りに構成される４つの巻線が設けられた鉄芯Ｔ１が、フライホィールに一体化された１つ又は複数の磁石によって磁化され、磁石は、フライホィール回転時に、鉄芯の両端部を通過する。種々のいくつかの磁石を使用して、一般的な視点から、点火電圧発生機としての機能に加えて、他の目的、例えばチェーンソーの燃料注入システム又はハンドル加熱にも使用できるより強力な発電機を提供することができる。相対的な磁石の移動により、以下のようにして巻線Ｌ１−Ｌ４において電圧が誘起される。

巻線Ｌ１は、スパーク発生に使用される電圧が誘起されるいわゆる充電巻線である。巻線Ｌ１は、整流素子Ｄ１及びＤ３を介して接続されたその両端点のうちの一方の端点１を介して充電コンデンサＣ１に接続され、スパークが活性化するまで、充電コンデンサＣ１にエネルギーが貯蔵される。他方の端点２は接地接続される。

巻線Ｌ２は、いわゆるトリガ巻線である。この巻線は、接地７と制御ユニットＭ１の入力端子ＩＮ１との間に接続され、この入力端子にフライホィールの位置及び速度についての情報を送る。制御ユニットＭ１が既知の従来の制御ユニットをわずかだけ変更したものであることに留意できる。

巻線Ｌ３はスパークプラグＳＰ１への点火電圧を発生させる変圧器の一次巻線を構成し、巻線Ｌ４は二次巻線を構成する。

従来の方法では、制御ユニットＭ１の出力端子ＯＵＴ１は、点火電圧をスパークプラグに送るべきときに導通される。トリガ電極が出力端子ＯＵＴ１に接続されたスイッチング素子（サイリスタ）Ｑ１は、接地への電流路を作成し、コンデンサＣ１を経由して一次巻線Ｌ３に電圧が接続される。次にまず、サイリスタの陽極のテスト点ＴＰ２での非常に高い電圧誘起により二次巻線Ｌ４に電圧遷移が発生する。その直後、変圧器Ｌ３／Ｌ４の状態が、減衰自励発振（ｄａｍｐｅｄ ｓｅｌｆ−ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）に変化し、エネルギーが、スイッチング素子Ｑ１及びシャントダイオードＤ２の形態の整流器Ｄ２を通してインダクタＬ３とコンデンサＣ１との間で遷移する。

本発明の範囲から逸脱することなくスパークを発生させるために他の共振回路及び非共振回路の両方を想像することも可能である。

制御ユニットＭ１の出力端子ＯＵＴ２は、当業者により容易に行われる従来の制御ユニットの変更を構成し、トランジスタＱ２の制御入力端子に接続され、トランジスタＱ２の主電極は、接地と整流素子Ｄ１とＤ３との間の共通点との間に接続される。したがって、トランジスタＱ２は、導通状態のとき、整流素子Ｄ１とＤ３との間の共通点を接地に接続することができ、それにより、巻線Ｌ１を短絡することができる。

ここで、制御ユニット（Ｍ１）の出力端子ＯＵＴ２の信号が、コンデンサ（Ｃ１）の充電が行われる、充電巻線（Ｌ１）への誘起電圧の半サイクル期間中に、充電巻線（Ｌ１）を周期的に短絡するように構成される。

Ｑ２が「オン」の期間中、フライホィールの磁石からの誘導により、電流が回路Ｌ１／Ｑ２を流れる。その後、Ｃ１の充電が行われるＱ２が「オフ」の期間が続く。この方法では、特にＬ１の誘導が低いが長く続く低速において、Ｌ１で実際に誘導される電圧よりもはるかに高い電圧までＣ１を充電することが可能である。

従来のＣＤＩシステムに本発明による方法を実施するために必要な部品は、単に、追加の整流素子／ダイオードＤ３、トランジスタＱ２、及び出力ＯＵＴ２を駆動するための制御ユニットＭ１内の適した補助ロジックのみである。

この補助ロジックは基本的なものであり、当業者により容易に実装することができ、これにより生じる制御ユニットＭ１の複雑性の増大はごくわずかである。

トランジスタＱ２は、この例ではＭＯＳＦＥＴトランジスタである必要はなく、整流素子Ｄ１／Ｄ３を厳密に回路図が示すように実装する必要もなく、例えば、本発明の方法の範囲から逸脱することなく、Ｄ１を全波整流ブリッジで置き換えることが可能である。

図２ａ及び図２ｂには、エンジン速度６００ｒｐｍでの図１による回路図内のテスト点ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３での時間に応じての電圧がそれぞれ示される。図２ａは、たった１つの整流器ダイオードが充電に使用される従来の充電手順を示し、図２ｂは、本発明による方法を使用しての充電を示す。これら図には、１３６Ｖから１９４Ｖに増大する、達成された充電電圧の測定値も示される。利用可能エネルギーがＷ＝Ｃ^＊Ｕ２／２で与えられる場合、本例では、充電コンデンサ０．４７ｕＦで利用可能エネルギーが４．３ｍＷｓから８．８ｍＷｓに増大した。

図２ｃ及び図２ｄは、図２ａ及び図２ｂと同じ関係であるが、速度が１２００ｒｍｐの場合を示す。電圧が２１４Ｖ及び２５６Ｖで上述した計算と同じ計算を使用すると、エネルギーの増大は１０．７ｍＷｓから１５．４ｍＷｓになる。したがって、可能なエネルギー増加は、速度の増大に伴って急速に低減する。しかし、このことは全体的に、充電巻線を全速度範囲に向けて最適化する必要がもはやないことにより補償される。実際に、エネルギーレベルを高速エンジン及び低速エンジンの両方で上昇させることが可能である。

本発明による方法の一実施態様の一例を概略的に示す。 従来の回路内の２つの測定点での波形を示す。 本発明による回路での対応する波形を示す。 従来の回路内の２つの測定点での波形を示す。 本発明による回路での対応する波形を示す。

符号の説明

１、２ 端点
７ 接地
Ｃ１ 充電コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 整流素子
ＩＮ１ 入力端子
ＯＵＴ１、ＯＵＴ２ 出力端子
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子
Ｌ１−Ｌ４ 巻線
Ｍ１ 制御ユニット
ＳＰ１ スパークプラグ
ＴＰ１−ＴＰ３ テスト点

Claims (3)

1. 第１の整流素子（Ｄ１）を介して点火電圧変圧器の一次巻線に接続された充電コンデンサ（Ｃ１）を充電して、スパークを発生するためのエネルギーを前記一次巻線に提供する少なくとも１つの充電巻線（Ｌ１）、及び出力端子（ＯＵＴ１）を有する制御ユニット（Ｍ）を備えるコンデンサ点火システムにおいて、スパークエネルギーを増大させる装置であって、さらに、前記充電巻線（Ｌ１）と前記充電コンデンサ（Ｃ１）との間に第２の整流素子（Ｄ３）、前記充電巻線（Ｌ１）と接地との間にスイッチング素子（Ｑ２）、及び該スイッチング素子（Ｑ２）を駆動するための前記制御ユニット（Ｍ）の出力端子（ＯＵＴ２）、を新たに配置することにより、前記スイッチング素子（Ｑ２）が第１の整流素子（Ｄ１）と第２の整流素子（Ｄ３）の接続点を接地させることができ、前記充電コンデンサ（Ｃ１）の充電が行われる、前記充電巻線（Ｌ１）への誘起交流電圧の半サイクル期間中に、前記充電巻線（Ｌ１）を周期的に短絡するように構成することにより、エンジン低速時にも前記充電巻線（Ｌ１）に誘起される交流電圧よりも高い電圧まで、前記充電コンデンサ（Ｃ１）の充電を増大させるように構成されることを特徴とする装置。
2. 制御ユニット（Ｍ１）が、前記充電コンデンサ（Ｃ１）の前記充電電圧が全速度範囲にわたって比較的一定のレベルに保持されるように、前記エンジン速度に応じて前記スイッチング素子（Ｑ２）を駆動するように、構成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記スイッチング素子（Ｑ２）が、前記エンジンを停止させるために前記充電巻線（Ｌ１）に短絡を生じさせることができるように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。

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