JP6387659B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）に用いられる点火装置に関し、特に火花放電の継続技術に関する。

点火プラグの負担を軽減し、無駄な電力消費を抑えて、火花放電を継続させる技術として、周知の点火回路によって最初の火花放電（主点火と称す）を開始させた後、主点火が消える前に１次コイルの低圧側からバッテリ電圧供給ラインに向けて予めコンデンサに蓄えた電気エネルギを投入して２次コイルに同一方向の電流（直流の２次電流）を継続して流し、主点火で生じた火花放電を任意の期間（以下、放電継続期間）に亘って継続させるエネルギ投入回路を考案した（公知技術でない）。
なお、以下では、エネルギ投入回路により継続させる火花放電（主点火に続く火花放電）を継続火花放電と称する。

エネルギ投入回路は、放電継続期間中の１次電流（投入エネルギ）を制御することで、２次電流をコントロールして火花放電の維持を行う。継続火花放電中の２次電流をコントロールすることで、点火プラグの負担を軽減し、且つ無駄な電力消費を抑えて、火花放電の継続を行うことができる。
また、主点火に続く継続火花放電において２次電流を同一方向に流すため、主点火に続く継続火花放電において火花放電が途切れ難い。このため、エネルギ投入による継続火花放電を採用することで、希薄燃焼で、且つ気筒内に旋回流が生じる運転状態においても、火花放電の吹き消えを回避できる。

次に、本発明の理解補助の目的で、本発明を適用していないエネルギ投入回路の代表例を図４に基づき説明する（上述したように、周知技術ではない）。なお、図４に用いる符合は、後述する「実施例」と同一機能物に同一符合を付したものである。

図４に示す点火装置は、フルトラ作動（点火用スイッチング手段１１のＯＮ−ＯＦＦ作動）によって点火プラグ１に主点火を生じさせる主点火回路５と、主点火に継続する継続火花放電を行うエネルギ投入回路６とを備える。
エネルギ投入回路６は、車載バッテリ９（直流電源）の電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ２０ｓ、１次コイル３の低圧側に投入する電気エネルギをコントロールするためのエネルギ投入用スイッチング手段２１、及びエネルギ投入用スイッチング手段２１のＯＮ−ＯＦＦ作動を制御するエネルギ投入用ドライバ回路２２等を備えて構成される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０ｓは、チョークコイル、昇圧用スイッチング手段、昇圧用ドライバ回路、コンデンサ、ダイオード等からなる周知の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、放電中に一次コイル３の低圧側からエネルギ投入ができる数百Ｖ程度の電圧まで充電されている。
そして、主点火回路５とエネルギ投入回路６の主要部は、「点火回路ユニットＵ１」として１つのケース内に収容配置されて、点火プラグ１や点火コイル２とは異なる場所に設置される。

（問題点）
図４に示す点火装置では、エネルギ投入用のＤＣ−ＤＣコンバータ２０ｓを点火回路ユニットＵ１内に設けるため、点火装置の構成部品点数が多くなり、点火回路ユニットの大型化や高コスト化を招く。

（参考技術）
本発明に関連する技術として、点火装置において、所定条件の場合に、低圧の車載バッテリから昇圧して１次コイルへ印加するためにＤＣ−ＤＣコンバータを設置する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１の技術は、多重点火をするための回路を有する点火装置であって、エネルギ投入回路６に相当する回路を有するものではない。また、ＤＣ−ＤＣコンバータを設けることによる高コスト化や大型化の問題に対する解決手段については開示されていない。

特開２００６−６３９７３号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、継続火花放電を行う内燃機関用点火装置において、小型化及び低コスト化を実現することにある。

本発明の内燃機関用点火装置は、以下に説明する主点火回路とエネルギ投入回路とを備える。
主点火回路は、点火コイルの１次コイルの通電制御を行って点火プラグに火花放電を生じさせるための回路である。
エネルギ投入回路は、主点火回路の作動によって開始した火花放電中に、別の装置に搭載された高電圧発生手段によって１次コイルに電気エネルギを投入して点火コイルの２次コイルに同一方向の２次電流を流し、主点火回路の作動によって開始した火花放電を継続させるための回路である。
そして、エネルギ投入用の高電圧は、インジェクタの作動を制御するインジェクタドライバに搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータをそのまま使用する。

本発明によれば、火花放電継続のための１次コイルに対するエネルギ投入は、別の装置にて発生する数百Ｖ程度の高電圧によってなされる。
このため、点火装置専用のＤＣ−ＤＣコンバータが不要となる。従って、装置の小型化及び低コスト化を実現できる。

内燃機関用点火装置の概略構成図である（実施例）。 内燃機関用点火装置の作動を説明するためのタイムチャートである（実施例 ）。 内燃機関用点火装置の概略構成図である（参考例）。 内燃機関用点火装置の概略構成図である（参考例：公知技術でない）。

以下において「発明を実施するための形態」を詳細に説明する。

本発明の具体的な一例（実施例）を図面に基づき説明する。なお、以下の「実施例」は具体的な一例を開示するものであり、本発明が「実施例」に限定されないことは言うまでもない。

［実施例］
図１〜図２を参照して実施例を説明する。
この実施例における点火装置は、車両走行用の火花点火エンジンに搭載されるものであり、所定の点火タイミング（点火時期）で燃焼室内の混合気に着火（点火）を行うものである。なお、エンジンの一例は、ガソリンを燃料とする希薄燃焼（リーンバーン燃焼）が可能な直噴式エンジンであり、気筒内に混合気の旋回流（タンブル流やスワール流等）を生じさせる旋回流コントロール手段を備える。

この実施例における点火装置は、各気筒の点火プラグ１ごとに対応した点火コイル２を用いるＤＩ（ダイレクト・イグニッション）タイプである。
この点火装置は、エンジン制御の中枢を成すＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニットの略）から与えられる指示信号（点火信号ＩＧｔ及び放電継続信号ＩＧｗ）に基づいて点火コイル２の１次コイル３を通電制御するものであり、１次コイル３を通電制御することで点火コイル２の２次コイル４に生じる電気エネルギをコントロールして、点火プラグ１の火花放電をコントロールする。

なお、ＥＣＵは、各種センサから取得したエンジンパラメータ（暖機状態、エンジン回転速度、エンジン負荷等）やエンジンの制御状態（希薄燃焼の有無、旋回流の程度等）に応じた点火信号ＩＧｔおよび放電継続信号ＩＧｗを生成して出力する。

実施例の点火装置は、
・各気筒毎に搭載される点火プラグ１と、
・各点火プラグ１毎に搭載される点火コイル２と、
・フルトラ作動を行う主点火回路５と、
・継続火花放電を行うエネルギ投入回路６と、
を備えて構成される。

なお、主点火回路５とエネルギ投入回路６の主要部は、「点火回路ユニットＵ１」として１つのケース内に収容配置されて、点火プラグ１や点火コイル２とは異なる場所に設置される。

点火プラグ１は、周知なものであり、２次コイル４の一端と出力端子７を介して接続される中心電極と、エンジンのシリンダヘッド等を介してアース接地される外側電極とを備え、２次コイル４に生じる電気エネルギにより中心電極と外側電極との間で火花放電を生じさせる。

点火コイル２は、１次コイル３と、この１次コイル３の巻数より多くの巻数を有する２次コイル４とを備える。

１次コイル３の一端は、点火コイル２のプラス端子８に接続されるものであり、このプラス端子８はバッテリ電圧供給ラインα（車載バッテリ９のプラス電極から電力の供給を受けるライン）に接続される。
１次コイル３の他端は、点火コイル２の接地側端子１０に接続されるものであり、この接地側端子１０は、主点火回路５の点火用スイッチング手段１１（パワートランジスタ、ＭＯＳ型トランジスタ等）を介してアース接地される。

２次コイル４の一端は、上述したように出力端子７に接続されるものであり、この出力端子７が点火プラグ１の中心電極に接続される。
２次コイル４の他端は、バッテリ電圧供給ラインαまたはアース接地される。具体的な一例として、この実施例の２次コイル４の他端は、１次コイル３の通電時に発生する不要な電圧を抑制するための第１ダイオード１３を介してプラス端子８に接続される。

主点火回路５は、ＥＣＵから点火信号ＩＧｔが与えられる期間に亘って１次コイル３に車載バッテリ９の電圧（バッテリ電圧）を印加するものである。具体的に、主点火回路５は、１次コイル３の通電状態を断続する点火用スイッチング手段１１（パワートランジスタ、サイリスタ等）を備えるものであり、点火信号ＩＧｔが与えられると、点火用スイッチング手段１１をＯＮして１次コイル３にバッテリ電圧を印加する。

エネルギ投入回路６は、
・別の装置に搭載された高電圧発生手段２０からの電気エネルギを１次コイル３のマイナス側（低圧側）に投入するエネルギ投入ラインβと、
・エネルギ投入ラインβをＯＮ−ＯＦＦするエネルギ投入用スイッチング手段２１（ＭＯＳ型トランジスタ等）と、
・このエネルギ投入用スイッチング手段２１のＯＮ−ＯＦＦ作動を制御するエネルギ投入用ドライバ回路２２と、
・１次コイル３からの電流の逆流を阻止するダイオード２３と、
を備えて構成される。

高電圧発生手段２０は、例えば、インジェクタ２５の作動を制御するインジェクタドライバ２６に搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータ２７である。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２７は、チョークコイル、昇圧用スイッチング手段、昇圧用ドライバ回路、コンデンサ、ダイオード等からなる周知の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータである。すなわち、所定の車載バッテリ（例えば１２Ｖの直流電源）に接続されたチョークコイルと、チョークコイルの通電状態を断続する昇圧用スイッチング手段（ＭＯＳ型トランジスタ等）と、この昇圧用スイッチング手段を繰り返しＯＮ−ＯＦＦさせる昇圧用ドライバ回路と、チョークコイルで蓄えた電気エネルギを充電するコンデンサと、コンデンサに蓄えた電気エネルギがチョークコイル側へ逆流するのを防ぐダイオード等を有する。これにより、車載バッテリからの電圧を昇圧して、インジェクタ２５に供給するものである。

本実施例では、このＤＣ−ＤＣコンバータ２７を、インジェクタ用の電源としてだけではなく、点火装置のエネルギ投入ラインβを介してエネルギ投入用の電源としても用いる。

エネルギ投入用ドライバ回路２２は、エネルギ投入用スイッチング手段２１のＯＮ−ＯＦＦ状態をコントロールし、１次コイル３に投入する電気エネルギを制御することで、放電継続信号ＩＧｗが与えられる期間に亘って２次電流を所定の目標範囲に維持させるものである。

エネルギ投入用ドライバ回路２２の具体的な一例は、２次電流が所定の目標範囲を維持するようにオープン制御（フィードフォワード制御）によってエネルギ投入用スイッチング手段２１をＯＮ−ＯＦＦ制御するものである（図１参照）。あるいは、２次電流を電流検出抵抗を用いてモニターし、モニターした２次電流が所定の目標範囲を維持するようにエネルギ投入用スイッチング手段２１のＯＮ−ＯＦＦ状態をフィードバック制御するものであってもよい。
なお、継続火花放電中における２次電流の目標値は、一定であっても良いし、エンジンの運転状態（ＥＣＵから付与される図示しない指示信号）に応じて変更するものであっても良い。

（実施例の作動説明）
次に、図２を参照して実施例の作動を説明する。
なお、図２中において、「ＩＧｔ」は点火信号ＩＧｔのハイ／ロー信号、「ＩＧｗ」は放電継続信号ＩＧｗのハイ／ロー信号、「点火用スイッチ」は点火用スイッチング手段１１のＯＮ／ＯＦＦ動作、「エネルギ投入用スイッチ」は、エネルギ投入用スイッチング手段２１のＯＮ／ＯＦＦ動作、点火用「Ｉ１」は１次電流（１次コイル３に流れる電流値）、「Ｉ２」は２次電流（２次コイル４に流れる電流値）、である。

ＥＣＵが点火信号ＩＧｔを出力すると、点火信号ＩＧｔが出力される期間（ｔ０１〜ｔ０２）に亘って点火用スイッチング手段１１がＯＮされる。

点火信号ＩＧｔがハイからローへ切り替わると、点火用スイッチング手段１１がＯＦＦされ、１次コイル３の通電状態が突然遮断される。すると、２次コイル４に高電圧が発生し、点火プラグ１において主点火が開始される。

点火プラグ１において主点火が開始された後、２次電流は略のこぎり波形状で減衰する。そして、２次電流が「所定の下限電流値（火花放電を維持するための電流値）」に低下する前に、ＥＣＵが放電継続信号ＩＧｗを出力する。

ＥＣＵが放電継続信号ＩＧｗを出力すると、エネルギ投入用スイッチング手段２１がＯＮ−ＯＦＦ制御されて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７のコンデンサに蓄えられていた電気エネルギの一部が、１次コイル３に投入される。これにより、エネルギ投入用スイッチング手段２１がＯＮされるたびに１次コイル３に１次電流が追加して流れ、１次電流が追加される毎に、主点火による２次電流と同方向の２次電流が２次コイル４に順次追加して流れる。

このように、エネルギ投入用スイッチング手段２１をＯＮ−ＯＦＦ制御することで、２次電流が火花放電を維持可能な程度（目標２次電流の範囲内）に継続して流れる。すなわち、放電継続信号ＩＧｗが与えられる期間（ｔ０３〜ｔ０４）に亘って２次電流を所定の目標範囲に維持させる。その結果、放電継続信号ＩＧｗの継続中は、継続火花放電が点火プラグ１に維持される。
なお、このようなエネルギ投入による継続火花放電によれば、主点火に続く継続火花放電において火花放電が途切れ難いため、希薄燃焼で且つ気筒内に旋回流が生じる運転状態（火花放電の吹き消えが生じやすい運転状態）においても、火花放電の吹き消えを回避できる。

（実施例の効果）
実施例の点火装置は、火花放電継続のための１次コイル３に対するエネルギ投入は、別の装置に搭載された高電圧発生手段２０によってなされる。
このため、点火装置専用のＤＣ−ＤＣコンバータが不要となる。すなわち、図４に示す参考例とは異なり、点火回路ユニットＵ１内に、専用のＤＣ−ＤＣコンバータを配置する必要がない。
従って、部品点数を削減できるとともに、点火回路ユニットＵ１の小型化及び低コスト化を実現できる。

［参考例］
図３を参照して参考例を説明する。なお、上記実施例と同一符号は、同一機能物を示すものである。
本参考例の点火装置は、ハイブリッド車に搭載されるものである。そして、本参考例の高電圧発生手段２０は、ハイブリッド車に搭載された高電圧バッテリ４０である。
高電圧バッテリ４０は、例えば、走行用モータへの電力供給に用いられ、その電圧は例えば２８８Ｖである。

そして、本参考例のエネルギ投入回路６には、高電圧バッテリ４０への電流の逆流を阻止するダイオード４１と、一端がエネルギ投入ラインβに他端がアース接地されるコンデンサ４２が設けられている。高電圧バッテリ４０は、走行用モータや様々な補機の電源として用いられるため、エネルギ投入ラインβに印加される電圧に変動が生じる。コンデンサ４２は、この電圧変動を吸収するために機能する。

上記の実施例では、ガソリンエンジンに本発明の点火装置を用いる例を示したが、継続火花放電によって燃料（具体的には混合気）の着火性の向上を図ることができるため、エタノール燃料や混合燃料を用いるエンジンに適用しても良い。もちろん、粗悪燃料が用いられる可能性のあるエンジンに用いても継続火花放電により着火性の向上を図ることができる。

上記の実施例では、希薄燃焼（リーンバーン燃焼）運転が可能なエンジンに本発明の点火装置を用いる例を示したが、希薄燃焼とは異なる燃焼状態であっても継続火花放電によって着火性の向上を図ることができるため、リーンバーンエンジンへの適用に限定するものではなく、希薄燃焼を行わないエンジンに用いても良い。

上記の実施例では、燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式エンジンに本発明の点火装置を用いる例を示したが、吸気バルブの吸気上流側（吸気ポート内）に燃料を噴射するポート噴射式のエンジンに用いても良い。

上記の実施例では、混合気の旋回流（タンブル流やスワール流等）を気筒内にて積極的に生じさせるエンジンに本発明の点火装置を用いた例を開示したが、旋回流コントロール手段（タンブル流コントロールバルブやスワール流コントロールバルブ等）を有しないエンジンに用いても良い。

上記の実施例では、ＤＩタイプの点火装置に本発明を適用したが、２次電圧を各点火プラグ１に分配供給するディストリビュータタイプや、２次電圧の分配の必要性のない単気筒エンジン（例えば、自動二輪車等）の点火装置に本発明を適用しても良い。

１ 点火プラグ
２ 点火コイル
３ １次コイル
４ ２次コイル
５ 主点火回路
６ エネルギ投入回路
２５ インジェクタ
２６ インジェクタドライバ
２７ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (1)

1. 点火コイル（２）の１次コイル（３）の通電制御を行って点火プラグ（１）に火花放電を生じさせる主点火回路（５）と、
   この主点火回路（５）の作動によって開始した火花放電中に、別の装置により生じる高電圧を、エネルギ投入用の電源としても用い、前記１次コイル（３）に電気エネルギを投入して前記点火コイル（２）の２次コイル（４）に同一方向の２次電流を流し、前記主点火回路（５）の作動によって開始した火花放電を継続させるエネルギ投入回路（６）とを備え、
   前記エネルギ投入用の高電圧は、インジェクタ（２５）の作動を制御するインジェクタドライバ（２６）に搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータ（２７）をそのまま使用することを特徴とする内燃機関用点火装置。

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