JP6041084B2 - 重ね放電型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の点火装置、特に重ね放電型内燃機関用点火装置の改良に関する。

最近では車両搭載の内燃機関として、燃費改善の為にリーンバーンエンジンや高ＥＧＲエンジンが採用されているが、これら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ー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二次側出力にＤＣ−ＤＣコンバータの高圧出力を重畳する重ね放電型内燃機関用点火装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

このような従来の重ね放電型内燃機関用点火装置では、点火コイルの一次電流を遮断することにより点火コイルの二次側に発生する数ｋＶの高圧電圧により、点火プラグの放電間隙に放電破壊を起こし、点火コイルの二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、このような重ね放電型内燃機関用点火装置によると、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ー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。

特開平８−６８３７２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された重ね放電型内燃機関用点火装置においては、点火コイル二次側出力にＤＣ−ＤＣコンバータの高圧出力を重畳するため、ＤＣ−ＤＣコンバータの高圧部、特に昇圧トランスと充放電用コンデンサには高耐圧の部品を選定する必要があり、ＤＣ−ＤＣコンバータの小型化は困難である。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータを点火コイル周辺に設置するわけにはいかず、ＤＣ−ＤＣコンバータを含む重ね放電機能部を点火コイルから離れた部位に設置せざるを得ないため、重ね放電機能部からの高圧出力を点火コイル２へ導出するために高耐圧の配線が必要になる。よって、従来の重ね放電型内燃機関用点火装置では、コストや収納スペースの面で問題が生じる。

また、リーンバーンエンジンや高ＥＧＲ等では、混合気の状態によって、同じ高エネルギーであっても短放電が望ましいケースや長放電が望ましいケースもあるため、混合気の状態に適した特性の放電を行えるような重ね放電型内燃機関用点火装置への要求があるものの、従来の重ね放電型内燃機関用点火装置では、重ね時間や重ね電流は充放電用コンデンサの容量で決まるため、重ね時間や重ね電流を任意に変更することは困難である。しかも、従来の重ね放電型内燃機関用点火装置は、設計上の重ね時間や重ね電流が保持されるため、結果的に、必要以上の放電エネルギーが供給されて無駄な電力消費が続いたり、点火プラグ電極の消耗を早めてしまうといった問題もある。

そこで、本発明は、低コストで装置の小型化が可能で、狭小な車載スペースへ設置できると共に、内燃機関に適した放電時間や放電エネルギーの制御が可能な構造に転用できる放電型内燃機関用点火装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、点火信号に応じて点火コイルの一次コイルの電流を遮断し、二次コイルに高電圧を誘起させると共に、該高電圧と同極性の電圧を重畳し、点火プラグの放電間隙に火花放電を起こして、燃焼室内の混合気に点火する重ね放電型内燃機関用点火装置において、前記点火信号に基づく二次コイルの高電圧誘起のタイミングで、所要電圧・所要周波数の重畳電圧生成用交流を出力する重畳電圧生成動作制御手段と、前記重畳電圧生成動作制御手段から供給される重畳電圧生成用交流の周期内で作動する倍電圧整流回路を多段に組み合わせ、入力尖頭値の段数倍の直流高電圧を出力するようにした多段倍電圧整流手段と、を備え、前記多段倍電圧整流手段の倍電圧整流回路は、前記重畳電圧生成動作制御手段から出力される重畳電圧生成用交流の波高値の２倍程度以上の耐圧性を有するディスクリート部品で構成し、前記点火コイルと同一のケース内へ前記多段倍電圧整流手段を収納し、前記多段倍電圧整流手段から出力される直流高電圧を、前記点火コイルの二次コイルに誘起する高電圧と同極性で重畳し、点火プラグに印加することにより重ね放電を行わせるようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の重ね放電型内燃機関用点火装置において、前記重畳電圧生成動作制御手段が出力する重畳電圧生成用交流の電圧値を変化させることにより、前記多段倍電圧整流手段より出力される電圧を調整できるようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の重ね放電型内燃機関用点火装置において、前記重畳電圧生成動作制御手段の駆動時間を任意に制御できる重ね時間制御手段を備え、前記多段倍電圧整流手段によって生成された直流高電圧の重ね時間を任意に変更できるようにしたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、多段倍電圧整流手段を構成する各倍電圧整流回路に用いるダイオードおよびコンデンサの耐圧は重畳電圧生成用交流出力の２倍程度で十分であるから、多段倍電圧整流手段の倍電圧整流回路は、重畳電圧生成用交流の波高値の２倍程度以上の耐圧性を有するディスクリート部品で構成でき、従来の重ね放電型内燃機関用点火装置の充放電用コンデンサの様な大容量のものは必要ない。また、倍電圧整流回路を構成するディスクリート部品は耐ノイズ性も高いので、点火コイルと同一のケース内へ多段倍電圧整流手段を収納でき、点火コイルと多段倍電圧整流手段をケース内の短い高圧配線で接続できる。これらのことから、コスト抑制および部品の小型化が可能になり、無理なく狭小な車載スペースへ設置できる。

また、請求項２に係る発明によれば、前記重畳電圧生成動作制御手段が出力する重畳電圧生成用交流の電圧値を変化させることにより、前記多段倍電圧整流手段より出力される電圧を調整できるようにしたので、混合気の状態に適した特性の放電を行えるような放電電流を流すことができる。

また、請求項３に係る発明によれば、前記重畳電圧生成動作制御手段の駆動時間を任意に制御できる重ね時間制御手段を備え、前記多段倍電圧整流手段によって生成された直流高電圧の重ね時間を任意に変更できるようにしたので、混合気の状態に適した特性の放電を行えるような重ね時間だけ放電電流を継続させることができる。

加えて、請求項２および請求項３の構成を併せて採用した発明によれば、重ね時間と重ね電流を任意に変更できるので、混合気の状態に最適な放電時間および最適な放電エネルギーを供給でき、必要以上の放電エネルギーが供給されて無駄な電力消費が続いたり、点火プラグ電極の消耗を早めてしまうといった問題を回避できる。

本発明の実施形態として示す重ね放電型内燃機関用点火装置の概略構成図である。 図１の重ね放電型内燃機関用点火装置における点火時の動作波形図である。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係る重ね放電型内燃機関用点火装置の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る重ね放電型内燃機関用点火装置を車両のエンジン点火装置に適用した一実施形態の概略構成を示すもので、点火コイル１（例えば、一次コイル１ａ、二次コイル１ｂ、鉄心１ｃ、スイッチング素子１ｄより成る）によって、点火プラグ２の放電間隙ｇに火花放電を起こし、図示を省略した車両エンジンの燃焼室の混合気に点火するものである。

例えば、エンジン制御装置（ＥＣＵ）からの点火信号により、点火コイル１のスイッチング素子１ｄがＯＮになることで、図示を省略した車載バッテリーから直流電圧ＶＢが供給されている一次コイル１ａに電流が流れ、その後、点火信号のパルス立ち下がりでスイッチング素子１ｄがオフとなり、一次コイル１ａの電流を遮断し、二次コイル１ｂに誘起される高電圧によって点火プラグ２の放電間隙間ｇに火花放電を起こす。

しかして、本実施形態に係る重ね放電型内燃機関用点火装置においては、上記二次コイル１ｂに誘起される高電圧に重畳する電圧を生成するため、「点火信号に基づく二次コイルの高電圧誘起のタイミングで、所要電圧・所要周波数の重畳電圧生成用交流を出力する重畳電圧生成動作制御手段」としてのＤＣ−ＡＣ昇圧回路３から重畳電圧生成用交流（例えば、ＡＣ２００Ｖ）を「重畳電圧生成動作制御手段から供給される重畳電圧生成用交流の周期内で作動する倍電圧整流回路を多段に組み合わせ、入力尖頭値の段数倍の直流高電圧を出力するようにした多段倍電圧整流手段」としての多段倍電圧整流回路４へ供給し、多段倍電圧整流回路４から直流高電圧（例えば、ＤＣ１．２ｋＶ）を出力させ、この直流高電圧を二次コイル１ｂの誘起電圧に重畳することで、点火プラグ２に生じさせる放電電流の大きさや放電時間を調整するのである。なお、二次コイル１ｂと接地点の間には、二次コイル１ｂ側がアノード、接地側がカソードとなるように高圧ダイオード５を設けてあり、多段倍電圧整流回路４から出力される直流高電圧のプラス側を高圧ダイオード５のカソード側に、マイナス側を高圧ダイオード５のアノード側に接続することで、二次コイル１ｂに誘起する高電圧と同極性で重畳するようにした。

上記ＤＣ−ＡＣ昇圧回路３は、点火信号によって点火コイル１のスイッチング素子１ｄがオフになるタイミング（例えば、点火信号のパルス立ち下がりの検出タイミング）で動作を開始し、所定の重ね時間経過後にタイマ等で動作を停止するものでも良いが、内燃機関の燃焼特性に応じた重ね時間に調整することが容易なように、「重畳電圧生成動作制御手段の駆動時間を任意に制御できる重ね時間制御手段」としての重ね時間制御回路６を設け、この重ね時間制御回路６に対する設定により、重ね時間（ＤＣ−ＡＣ昇圧回路３から重畳電圧生成用交流を出力させる時間）を任意に変化させることが出来るようにした。

ここで、図２の動作波形を参照しつつ、本実施形態に係る重ね放電型内燃機関用点火装置の各部動作を説明する。

先ず、点火信号として所定幅のパルスが点火コイル１に入力されると、パルス立ち上がりによってスイッチング素子１ｄがＯＮとなり、一次コイル１ａに一次電流が流れ始めるが、点火信号のパルス立ち下がりによってスイッチング素子１ｄがオフになると、一次コイル１ａに電流が流れなくなるため、点火コイル１の二次コイル１ｂには瞬時的に大きな二次電圧が誘起される。

上記のように、二次コイル１ｂに二次電圧が誘起されるタイミング（点火信号のパルス立ち下がりのタイミング）で重ね時間制御回路６がＤＣ−ＡＣ昇圧回路３へ出力する重ね時間制御信号をＯＮにし（例えば、信号レベルをＬからＨに変更し）、ＤＣ−ＡＣ昇圧回路３による重畳電圧生成用交流の出力を開始させる。ＤＣ−ＡＣ昇圧回路３は、重ね時間制御回路６からの重ね時間制御信号がＯＦＦになる（信号レベルがＨからＬに変わる）まで重畳電圧生成用交流の出力を続けるので、その間継続して多段倍電圧整流回路４から直流高電圧が出力されることとなる。

なお、ＤＣ−ＡＣ昇圧回路３は、車載バッテリーの直流電圧ＶＢ（例えば、ＤＣ１２Ｖ）をＡＣ２００Ｖにして出力するものを例示したが、これに限定されるものではなく、重畳電圧生成用交流の電圧値は任意に設定して構わない。或いは、出力電圧値を調整できる機能をＤＣ−ＡＣ昇圧回路３に設けておいても構わない。また、ＤＣ−ＡＣ昇圧回路３で生成した重畳電圧生成用交流（矩形波）のＯＮデューティ時間をＰＷＭ制御を使って変更することにより、多段倍電圧整流回路４より出力される電圧値を調整するようにしても良い。

上記のように構成したＤＣ−ＡＣ昇圧回路３からの重畳電圧生成用交流を受ける多段倍電圧整流回路４は、入力された交流の尖頭値の２倍の直流電圧を出力する倍電圧整流回路を３段としたもので、ＡＣ２００Ｖの入力に対して６倍圧となるＤＣ１．２ｋＶの直流高電圧を得ることができる。

なお、多段倍電圧整流回路４に用いる倍電圧整流回路は既知のもので良く、図１に示す３段倍電圧整流回路においては、ダイオードＤ１によりキャパシタＣ１に充電し、ダイオードＤ２によりキャパシタＣ２に充電し、以下同様にしてダイオードＤ３、ダイオードＤ４，ダイオードＤ５，ダイオードＤ６によりキャパシタＣ３，キャパシタＣ４，キャパシタＣ５，キャパシタＣ６に充電された結果、直列に接続されているキャパシタＣ２，キャパシタＣ４，キャパシタＣ６は、それぞれ入力尖頭値のおよそ２倍に充電されるので、６倍圧の直流を得ることができる。また、ＰＷＭ制御を使って重畳電圧生成用交流（矩形波）のＯＮデューティ時間を変更した場合は、多段倍電圧整流回路４に入力される矩形波の波高値は変わらないものの、ＯＮ／ＯＦＦデューティ比に応じて各キャパシタＣ１〜Ｃ６の充電電圧が低下するので、多段倍電圧整流回路４から得られる直流電圧（キャパシタの充電電圧×２×段数）を調整することができる。

すなわち、図１に示すような多段倍電圧整流回路４を用いて直流高電圧を取得する場合、各倍電圧整流回路のダイオードＤ１〜Ｄ６およびキャパシタＣ１〜Ｃ６の耐圧は、何れも重畳電圧生成用交流の電圧値の２倍以上あれば問題ないので、従来の重ね放電型内燃機関用点火装置の充放電用コンデンサの様な大容量は必要なく、部品の小型化およびコスト低減が可能になる。なお、多段倍電圧整流回路４は３段のものに限定されず、２段あるいは４段以上でも構わない。

上記のようにして多段倍電圧整流回路４から得られるＤＣ１．２ｋＶの直流高電圧は、重ね時間制御回路６の重ね時間制御信号がＯＦＦになる（信号レベルがＨからＬに変わる）まで継続して出力される。但し、多段倍電圧整流回路４から得られた直流高電圧を二次コイル１ｂに誘起される高電圧に重畳するとき、二次コイル１ｂに誘起される高電圧と同極性で重畳する必要があるため、放電電極への重畳電圧は、多段倍電圧整流回路出力の反転波形となる。

以上のように、本実施形態に係る重ね放電型内燃機関用点火装置においては、多段倍電圧整流回路４から出力される直流高電圧を点火コイル１の二次コイル１ｂに誘起する高電圧と同極性で重畳することで、点火プラグ２の放電波形は、図２に示すように、点火初期の大電流が流れた後も、多段倍電圧整流回路４からの直流高電圧が重畳されていることで、重ね時間制御回路６により制御される重ね時間が経過するまで、点火プラグ２の放電が継続することとなる。

しかも、本実施形態に係る重ね放電型内燃機関用点火装置においては、重畳電圧生成用交流を出力するＤＣ−ＡＣ昇圧回路３と、この重畳電圧生成用交流を受けて直流高電圧を生成する多段倍電圧整流回路４とを用いる構成としたので、重畳電圧生成動作制御手段としてのＤＣ−ＡＣ昇圧回路３が出力する重畳電圧生成用交流の電圧値を高くしたり、或いは低くしたりすることにより、多段倍電圧整流手段としての多段倍電圧整流回路４より出力される電圧を高くしたり低くしたり調整できるので、混合気の状態に適した特性の放電を行えるような放電電流を流すことができる。

さらに、重畳電圧生成動作制御手段としてのＤＣ−ＡＣ昇圧回路３の駆動時間は、重ね時間制御手段としての重ね時間制御回路６によって任意に制御できるので、多段倍電圧整流回路４によって生成された直流高電圧の重ね時間を長くしたり、短くしたり、任意に変更でき、混合気の状態に適した特性の放電を行えるような重ね時間だけ放電電流を継続させることができる。

加えて、ＤＣ−ＡＣ昇圧回路３による放電エネルギーの調整機能と、重ね時間制御回路６による重ね時間の調整機能を併せて使えば、重ね時間と重畳する放電エネルギーを任意に変更できるので、混合気の状態に最適な放電時間および最適な放電エネルギーを供給でき、必要以上の放電エネルギーが供給されて無駄な電力消費が続いたり、点火プラグ２の電極の消耗を早めてしまうといった問題を回避できる。

また、多段倍電圧整流回路４は、小型の部品で構成することが出来るので、点火コイル１と同一のケース内へ収納することが容易である。しかも、多段倍電圧整流回路４と高圧ダイオード５を点火コイル１と同一のケース内へ収納しておけば、多段倍電圧整流回路４からの高電圧供給線をケース内に納めることができ、直流高電圧線の引き回しが不要になって高耐圧の配線材料や配線スペースの確保も不要になる。

以上、本発明に係る重ね放電型内燃機関用点火装置の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１ 点火コイル
１ａ 一次コイル
１ｂ 二次コイル
１ｃ 鉄心
１ｄ スイッチング素子
２ 点火プラグ
ｇ 放電間隙
３ ＤＣ−ＡＣ昇圧回路
４ 多段倍電圧整流回路
５ 高圧ダイオード
６ 重ね時間制御回路

Claims (3)

1. 点火信号に応じて点火コイルの一次コイルの電流を遮断し、二次コイルに高電圧を誘起させると共に、該高電圧と同極性の電圧を重畳し、点火プラグの放電間隙に火花放電を起こして、燃焼室内の混合気に点火する重ね放電型内燃機関用点火装置において、
   前記点火信号に基づく二次コイルの高電圧誘起のタイミングで、所要電圧・所要周波数の重畳電圧生成用交流を出力する重畳電圧生成動作制御手段と、
   前記重畳電圧生成動作制御手段から供給される重畳電圧生成用交流の周期内で作動する倍電圧整流回路を多段に組み合わせ、入力尖頭値の段数倍の直流高電圧を出力するようにした多段倍電圧整流手段と、
   を備え、
   前記多段倍電圧整流手段の倍電圧整流回路は、前記重畳電圧生成動作制御手段から出力される重畳電圧生成用交流の波高値の２倍程度以上の耐圧性を有するディスクリート部品で構成し、
   前記点火コイルと同一のケース内へ前記多段倍電圧整流手段を収納し、
   前記多段倍電圧整流手段から出力される直流高電圧を、前記点火コイルの二次コイルに誘起する高電圧と同極性で重畳し、点火プラグに印加することにより重ね放電を行わせるようにしたことを特徴とする重ね放電型内燃機関用点火装置。
2. 前記重畳電圧生成動作制御手段が出力する重畳電圧生成用交流の電圧値を変化させることにより、前記多段倍電圧整流手段より出力される電圧を調整できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の重ね放電型内燃機関用点火装置。
3. 前記重畳電圧生成動作制御手段の駆動時間を任意に制御できる重ね時間制御手段を備え、前記多段倍電圧整流手段によって生成された直流高電圧の重ね時間を任意に変更できるようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の重ね放電型内燃機関用点火装置。

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