JP5709964B1 - 内燃機関点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の信頼性を向上させ、点火システムの機能を向上させた内燃機関点火装置を得る。【解決手段】点火信号に基づき点火コイルの一次コイル２の電流Ｉ１を通電、遮断するスイッチング素子５と、点火コイルの二次コイル３に接続され、点火時に流れる２二次電流Ｉ２を検出する二次電流検出回路９と、点火後に発生するイオン電流を検出して後段に出力するイオン電流検出回路８と、二次電流Ｉ２が所定の閾値を超えた時に出力される二次電流検出回路の出力信号Ｖｉ２に基づいて動作し、点火コイルに蓄えられたエネルギーの放出回路を形成するエネルギー消費回路１０を備えた内燃機関点火装置。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば自動車に搭載される内燃機関点火装置に関するもので、詳しくは点火コイルの一次コイルの電流をスイッチング素子により通電遮断することにより、点火コイルの二次コイルに点火用高電圧を発生する内燃機関点火装置に関するものである。

従来の内燃機関点火装置では、点火コイルの一次コイルに接続されているスイッチング素子を、一次電流の通電遮断後に再通電させて、二次電流を流れなくすることで、イオン電流を検出する期間を設けるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１２１５５３号公報

上記構成の従来の点火装置においては、スイッチング素子が通電された後に、さらに再通電させた場合に、スイッチング素子の発熱が大きくなるので、素子自身の発熱抑制および放熱性の確保が必要となり、サイズＵＰやコイル出力特性が制約を受けるといった問題があった。

この発明は、かかる不具合を解決するためになされたもので、スイッチング素子にかかる電力損失を軽減して素子の発熱を抑制すると共に、安定したイオン電流の検出を可能にして、装置の信頼性を向上させ、点火システムの機能を向上させた内燃機関点火装置を提供す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点火装置は、一端が電源端子に接続された一次コイルと、一端が点火プラグに接続された二次コイルを有する点火コイル、前記一次コイルの他端に直列接続され、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）から出力される点火信号に基づいてオンオフ制御され、前記点火コイルの一次コイルに流れる一次電流を通電および遮断するスイッチング素子を備えた内燃機関点火装置において、前記二次コイルの他端に接続され、前記スイッチング素子のオフによる点火時に、前記二次コイルに流れる二次電流を検出し、該二次電流が所定の電流閾値Ｉｔｈを超えている間出力信号Ｖｉ２を出力する二次電流検出回路、前記二次電流検出回路の出力信号Ｖｉ２に基づいて駆動され、前記点火コイルに蓄えられたエネルギーの放出回路を形成するエネルギ消費回路、および、点火後に発生するイオン電流を検出して出力するイオン電流検出回路を備えたものである。

この発明の内燃機関点火装置によれば、スイッチング素子にかかる電力損失を軽減して素子の発熱を抑制すると共に、安定したイオン電流の検出を可能にして、装置の信頼性を向上させ、点火システムの機能を向上させた内燃機関点火装置を得ることができる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態１の内燃機関点火装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１におけるエネルギ消費回路の構成の一例を示す回路図である。 この発明の実施の形態１における各動作点での各部信号波形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２の内燃機関点火装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態３の内燃機関点火装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態３における各動作点での各部信号波形を示すタイミングチャートである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による内燃機関点火装置の全体構成を示す回路図である。図１において、この実施の形態１の内燃機関点火装置は、自動車に搭載された内燃機関に対する点火装置であって、自動車に搭載される電子制御装置(ＥＣＵ)２００と、点火コイル１と、スイッチング素子５と、波形整形回路６と、イオン電流検出回路８と、二次電流検出回路９と、エネルギー消費回路１０を含んでいる。

点火コイル１は、一次コイル２と二次コイル３を有し、車載バッテリーなどの電源端子ＶＢに接続されている。車載バッテリーの電圧は、例えば１２Ｖである。
二次コイル３の一端子である高圧側端子には点火プラグ４が接続される。この点火プラグ４は、内燃機関の燃焼室に配置され、燃焼室内に供給されるガソリンなどの燃料に点火して燃焼させる。
波形整形回路６は、出力端子６ａと入力端子６ｂを持って構成される。出力端子６ａは後段のスイッチング素子５に接続されている。スイッチング素子５は、例えばＩＧＢＴ(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)であり、ゲート端子が波形整形回路６の出力端子６ａに接続され、コレクタ端子Ｃが点火コイル１の一次コイル２に接続され、エミッタ端子Ｅが自動車の車体などの基準電位点ＧＮＤに接続される。この基準電位点ＧＮＤは、通常アースと呼ばれる。

二次コイル３の他方の端子である低圧側端子は、二次電流検出回路９の入力端子９ａおよびイオン電流検出回路８の入力端子８ａに接続される。二次電流検出回路９の出力端子９ｂは、後述のエネルギー消費回路１０の入力端子１０ｂに接続され、エネルギー消費回路１０の出力端子１０ａはコイル１の一次コイル２、およびスイッチング素子５のコレクタに接続され、もう一つの出力端子１０ｃはＧＮＤに接続される。

図２にエネルギー消費回路１０の詳細を示す。
図２において、エネルギー消費回路１０の入力端子１０ｂは、タイマー回路１１に接続され、タイマー回路１１の出力端子は、第２のスイッチング素子１２の入力端子（ここではゲート）に接続される。第２のスイッチング素子１２の一方の出力端子（ここではコレクタ）は、エネルギー消費回路１０の出力端子１０ａに接続され、第２のスイッチング素子１２の他方の出力端子（ここではエミッタ）は、エネルギー消費回路１０の出力端子１０ｃに接続される。

次に、図３にこの実施の形態１の各部信号波形についてのタイミングチャートを示す。図３において、ＥＣＵ２００内のマイクロコンピュータから点火信号Ｉｇｔが時点ｔ１において波形整形回路６に供給され、点火信号Ｉｇｔが基準電圧を超えた場合に、スイッチ
ング素子５の入力端子（ここではゲート）に電圧供給されてスイッチング素子５がＯＮ状態となり、点火コイル１の一次コイル２に一次電流Ｉ１が流れ始める。
その後、点火信号Ｉｇｔが時点ｔ２においてＯＦＦ状態になり、波形整形回路６の基準電圧以下となってスイッチング素子５の入力端子電圧がＯＦＦした瞬間に、一次コイル２に流れる一次電流Ｉ１が遮断され、スイッチング素子５のコレクタＣに高電圧が発生する。

この時、一次コイル２のエネルギーは二次コイル３に変換され、負電圧が二次コイル３の高圧側に誘起される。二次コイル３の誘起電圧が、点火プラグ４のギャップ間絶縁破壊電圧を超えると、二次コイル３および二次電流検出回路９に二次電流Ｉ２が流れるが、この二次電流Ｉ２が二次電流検出回路９にて設定している電流閾値Ｉｔｈを超えたときに、二次電流検出回路９は出力信号Ｖｉ２をエネルギー消費回路１０に出力する。

二次電流Ｉ２が低下して、電流閾値Ｉｔｈを下回った時点ｔ３において、出力信号Ｖｉ２がＯＦＦする。エネルギー消費回路１０のタイマー回路１１は、二次電流検出回路９の出力信号Ｖｉ２のＯＦＦ時をトリガに、一定時間に設定された出力信号Ｖｒｏｎをスイッチング素子１２に供給することで、エネルギー消費回路１０は点火コイル１に蓄えられたエネルギーの放出回路を形成し、時点ｔ４までコイル一次電流Ｉ１’が流れる。
この期間（ｔ３〜ｔ４）は、点火コイル１に蓄えられたエネルギーが消費されることで二次電流が流れなくなり、イオン電流検出回路８からイオン電流Ｉｉｏｎが二次コイル３を介して点火プラグ４に流れる。

以上のように構成された実施の形態１の内燃機関点火装置によれば、エネルギー消費回路を用いて点火コイルに蓄えられたエネルギーが放出されるので、スイッチング素子にかかる電力損失を軽減し、素子発熱を抑制し、信頼性を向上させることが可能である。

また、二次電流検出回路を用いて、イオン電流を検出するタイミングを早くすることで、安定したイオン電流の検出を行うことができ、信頼性の高い制御を行うことが可能となる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による内燃機関点火装置の全体構成を示す回路図である。図４において、この実施の形態２の内燃機関点火装置は、実施の形態１におけるエネルギー消費回路１０の出力端子１０ｃを電源端子ＶＢに接続したものである。
その他の構成は、実施の形態１と同じ構成なので、同一部分を同一符号で示し、説明を省略する。また、タイミングチャートについても図３と同様であるが、実施の形態１に対して、電源端子ＶＢから基準電位点（接地端子）ＧＮＤに流れる電流が小さくなるため、コイル一次電流Ｉ１’の電流値が小さくなる。

以上のように構成された実施の形態２の内燃機関点火装置によれば、エネルギー消費回路１０の出力を電源端子ＶＢに接続することで、実施の形態１と同様の効果に加え、第２のスイッチング素子１２にかかる電力損失を低減することができる

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による内燃機関点火装置の全体構成を示す回路図である。図５において、この実施の形態３の内燃機関点火装置は、実施の形態１における二次電流検出回路９をなくして、代わりに波形整形回路６に第２の出力端子６ｃを追加し、波形整形回路６からの出力信号をエネルギー消費回路１０に接続したものである。その他の構成は実施の形態１と同じ構成であり、同一部分を同一符号で示し、説明を省略する。

即ち、波形整形回路６には、第１の閾値Ｖｔｈ１および第２の閾値Ｖｔｈ２が設けられており、入力端子６ｂの電圧が第１の閾値Ｖｔｈ１を超えると出力端子６ａにスイッチング素子５に供給される第１の信号を出力し、入力端子６ｂの電圧が第２の閾値Ｖｔｈ２以上第１の閾値Ｖｔｈ１未満で、出力端子６ｃにエネルギー消費回路１０に供給される第２の信号を出力する。

図６にこの実施の形態１の各部信号波形についてのタイミングチャートを示す。
図６において、ＥＣＵ２００内マイクロコンピュータから点火信号Ｉｇｔが時点ｔ１において波形整形回路６に供給され、点火信号Ｉｇｔが第１の基準電圧である第１の閾値Ｖｔｈ１を超えた場合に、スイッチング素子５の入力端子（ここではゲート）に電圧供給されてスイッチング素子５がＯＮ状態となり、点火コイル１の一次コイル２に一次電流Ｉ１が流れ始める。
その後、点火信号Ｉｇｔが時点ｔ２においてＯＦＦ状態になり、波形整形回路６の第１の基準電圧以下となってスイッチング素子５の入力端子電圧がＯＦＦした瞬間に、一次コイル２に流れる一次電流Ｉ１が遮断され、スイッチング素子５のコレクタに高電圧が発生する。

この時、一次コイル２のエネルギーは二次コイル３に変換され、負電圧が二次コイル３の高圧側に誘起される。二次コイル３の誘起電圧が、点火プラグ４のギャップ間絶縁破壊電圧を超えると、二次コイル３に二次電流Ｉ２が流れるが、このとき、点火信号Ｉｇｔを再度ＯＮさせて第２の閾値電圧Ｖｔｈ２を超えたときに、波形整形回路６は第２の出力端子６ｃから第２の信号をエネルギー消費回路１０に供給する。この第２の信号の入力期間中に駆動信号Ｖｒｏｎをスイッチング素子１２に供給することで、エネルギー消費回路１０は点火コイル１に蓄えられたエネルギーの放出回路を形成し、時点ｔ４までコイル一次電流Ｉ１’が流れる。
この期間（ｔ３〜ｔ４）は点火コイル１に蓄えられたエネルギーが消費されることで二次電流が流れなくなり、イオン電流検出出力回路８からイオン電流Ｉｉｏｎが二次コイル３を介して点火プラグ４に流れる。

以上のように構成された実施の形態１の内燃機関点火装置によれば、点火信号に基づきイオン電流を検出する時期および期間を制御することで、安定したイオン電流の検出を行うことができ、信頼性の高い制御を行うことができる。

この発明による内燃機関点火装置は、自動車に搭載される内燃機関に対する点火装置として利用されるが、船舶に搭載される内燃機関、または家庭用、農業用の発動機として使用される内燃機関に対しても、利用可能である。

１ 点火コイル、２ 一次コイル、３ 二次コイル、４ 点火プラグ、
５ スイッチング素子、６ 波形整形回路、８ イオン電流検出回路、
９ 二次電流検出回路、１０ エネルギ消費回路、１１ タイマー回路、
１２ 第２のスイッチング素子、２００ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）。

Claims (5)

1. 一端が電源端子に接続された一次コイルと、一端が点火プラグに接続された二次コイルを有する点火コイル、前記一次コイルの他端に直列接続され、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）から出力される点火信号に基づいてオンオフ制御され、前記点火コイルの一次コイルに流れる一次電流を通電および遮断するスイッチング素子を備えた内燃機関点火装置において、
   前記二次コイルの他端に接続され、前記スイッチング素子のオフによる点火時に、前記二次コイルに流れる二次電流を検出し、該二次電流が所定の電流閾値Ｉｔｈを超えている間出力信号Ｖｉ２を出力する二次電流検出回路、前記二次電流検出回路の出力信号Ｖｉ２に基づいて駆動され、前記点火コイルに蓄えられたエネルギーの放出回路を形成するエネルギー消費回路、および、点火後に発生するイオン電流を検出して出力するイオン電流検出回路を備えたことを特徴とする内燃機関点火装置。
2. 一端が電源端子に接続された一次コイルと、一端が点火プラグに接続された二次コイルを有する点火コイル、前記一次コイルの他端に直列接続され、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）から出力される点火信号に基づいてオンオフ制御され、前記点火コイルの一次コイルに流れる一次電流を通電および遮断するスイッチング素子を備えた内燃機関点火装置において、
   第１の閾値Ｖｔｈ１と第２の閾値Ｖｔｈ２が設定され、前記ＥＣＵからの点火信号が入力され、該点火信号が前記第１の閾値Ｖｔｈ１を超えた場合に、第１の信号を前記スイッチング素子に供給する第１の出力端子と、前記点火信号が前記第２の閾値Ｖｔｈ２以上で前記第１の閾値Ｖｔｈ１未満の場合に、第２の信号を出力する第２の出力端子を備えた波形整形回路、前記第２の出力端子からの前記第２の信号に基づいて駆動され、前記点火コイルに蓄えられたエネルギーの放出回路を形成するエネルギー消費回路、および、点火後に発生するイオン電流を検出して出力するイオン電流検出回路を備えたことを特徴とする内燃機関点火装置。
3. 前記エネルギー消費回路は、前記二次電流検出回路で検出される前記二次電流が設定値以下になった時から動作を開始し、前記エネルギーの放出回路を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関点火装置。
4. 前記エネルギー消費回路は、一方の端子が前記一次コイルと前記スイッチング素子の直列接続点に接続され、他方の端子が接地電位に接続される第２のスイッチング素子で構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関点火装置。
5. 前記エネルギー消費回路は、前記一次コイルの両端に出力端子が接続された第２のスイッチング素子で構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関点火装置。
   
   

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