JP6445331B2 - 点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の点火コイルを備える点火装置に関する。

従来の点火装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された点火コイルを備えた点火装置は、図６に示すように、イグナイター制御回路１１、イグナイタースイッチＱ１、トランスＴａ、バッテリＥ及びダイオードＤ５を備え、フライバック制御方式を採用している。

イグナイター制御回路１１は、点火信号を入力し、点火信号によりイグナイタースイッチＱ１をオン又はオフさせる。イグナイタースイッチＱ１がオンしている期間においては、トランスＴａにエネルギーを蓄え、イグナイタースイッチＱ１がオフする期間に、トランスＴａに蓄えられたエネルギーをプラグ１６に供給し、プラグ１６を点火させる。

特開２００１−２１７１３１号公報

しかしながら、従来のトランスＴａは、２次側で高電圧を生成するため、トランス巻数比が大きく、トランス内に蓄えられたエネルギーは、電圧変換により大きく消費する。このため、プラグ１６に電流を供給できる時間が短く、プラグ１６が点火している時間が限られてしまう。その結果、燃料の燃焼効率が低くなり、燃料の一部が不完全燃焼になることによる排気ガスの悪化などが懸念される。

本発明の課題は、プラグの点火時間を延長させることにより燃料の燃焼効率を改善することができる点火装置を提供することにある。

本発明に係る点火装置は、互いに電磁的に結合する第１巻線、第２巻線及び第３巻線を有する点火コイルと、前記第１巻線の一端に接続される第１スイッチと、前記第１巻線の他端に接続されるバッテリと、一端が前記バッテリに接続され他端が前記第３巻線の一端に接続される昇圧部と、前記第３巻線の他端に接続される第２スイッチと、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをオンオフ駆動させる駆動装置とを備え、前記駆動装置は、前記第１スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えることで前記第２巻線に二次電流を流すとともに、前記第２スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることで前記第３巻線に前記昇圧部の出力を供給し、前記二次電流を同じ極性のままで継続させることを特徴とする。

本発明によれば、駆動装置は、第１スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えることで第２巻線に二次電流を流すとともに、第２スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることで第３巻線に昇圧部の出力を供給し、二次電流を同じ極性のままで継続させるので、プラグの点火時間を延長させることができ、これによって、燃料の燃焼効率を改善することができる。

本発明の実施例１に係る点火装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る点火装置の各部の動作波形図である。 本発明の変形例に係る点火装置の回路構成を示す図である。 本発明の変形例に係る点火装置の各部の動作波形図である。 本発明の変形例に係る点火装置の回路構成を示す図である。 従来の点火装置の回路構成を示す図である。

図６に示す従来の点火装置ではバッテリからの電力供給のみであったが、実施例では補助の昇圧コンバータからエネルギー重畳巻線へ電力供給を行うことを特徴とする。また、プラグ電流を検出して検出されたプラグ電流を補助の昇圧コンバータへフィードバックし、定電流制御を行うことを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施例１に係る点火装置の回路構成を示す図である。なお、図１において、図６に示す従来の点火装置と同一構成には、従来技術で使用した符号と同じ符号を付する。

実施例１の点火装置は、イグナイター制御回路１１、イグナイタースイッチＱ１、トランスＴ、バッテリＥ、ダイオードＤ１〜Ｄ５，Ｄａ，Ｄｂ、インバータ１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、遅延回路１３ａ、バッファ回路１４、定電流制御ＰＷＭ回路１５、ＭＯＳＦＥＴＱ２、及び抵抗Ｒ１〜Ｒ２、シャント抵抗Ｒｓを備えている。

エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０は、点火信号をイグナイター制御回路１１に出力する。イグナイター制御回路１１は、ＥＣＵ１０から点火信号を入力し、点火信号により抵抗Ｒ１を介してイグナイタースイッチＱ１をオン又はオフさせる。イグナイタースイッチＱ１は、本発明の第１スイッチに対応し、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴからなる。

トランスＴは、本発明の点火コイルに対応し、互いに電磁的に結合されたイグナイター巻線Ｐ１（本発明の第１巻線に対応）と、イグナイター巻線Ｐ１と逆相の二次巻線Ｓ（本発明の第２巻線に対応）と、エネルギー重畳巻線Ｐ２（本発明の第３巻線に対応）とを有して構成されている。

イグナイタースイッチＱ１のドレインにはイグナイター巻線Ｐ１の一端が接続され、イグナイター巻線Ｐ１の他端にはバッテリＥの正極が接続され、バッテリＥの負極は接地されている。イグナイタースイッチＱ１のドレインとソースとの間には、ダイオードＤａが接続されている。ダイオードＤａは、イグナイタースイッチＱ１の寄生ダイオードであっても良い。

インバータ１２は、イグナイター制御回路１１からの点火信号を反転して、反転された点火信号をバッファ回路１４に出力する。遅延回路１３ａは、インバータ１２からの反転された点火信号を所定時間だけ遅延した後、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、本発明の昇圧部に対応し、インバータ１２からの反転された点火信号により、バッテリＥの電圧を昇圧して、昇圧された電圧を並列に接続された４つのダイオードＤ１〜Ｄ４のアノードに供給する。

４つのダイオードＤ１〜Ｄ４は、内燃機関の４つの気筒に対応して設けられている。図１では、ダイオードＤ１のカソードにエネルギー重畳巻線Ｐ２の一端が接続され、エネルギー重畳巻線Ｐ２の他端にはＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインが接続され、ＭＯＳＦＥＴＱ２のソースは接地されている。ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインとソースとの間には、ダイオードＤｂが接続されている。ダイオードＤｂは、ＭＯＳＦＥＴＱ２の寄生ダイオードであっても良い。

なお、図示されていないが、ダイオードＤ２〜Ｄ４のそれぞれのカソードにも、エネルギー重畳巻線Ｐ２に相当する巻線の一端が接続され、当該巻線の他端にはＭＯＳＦＥＴＱ２に相当するＭＯＳＦＥＴのドレインが接続され、当該ＭＯＳＦＥＴのソースは接地されている。

ＭＯＳＦＥＴＱ２（本発明の第２スイッチに対応）は、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴからなり、バッファ回路１４を介するインバータ１２からの反転された点火信号をゲートに入力することにより、オン／オフする。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオン状態である間、後述される内部信号に応じて、エネルギー重畳巻線Ｐ２に電気エネルギーを供給し続けるように動作する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフ状態からオン状態に切り替わってから所定時間後に電気エネルギーの供給を開始する。

イグナイター制御回路１１及びインバータ１２は、本発明の駆動装置に対応し、駆動装置は、イグナイタースイッチＱ１をオン状態からオフ状態に切り替えることで二次巻線Ｓに二次電流を流すとともに、ＭＯＳＦＥＴＱ２をオフ状態からオン状態に切り替えることでエネルギー重畳巻線Ｐ２にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力を供給し、二次電流の供給時間を延長させる。

トランスＴの二次巻線Ｓの一端にはプラグ１６の一端が接続され、二次巻線Ｓの他端にはダイオードＤ５のアノードが接続されている。ダイオードＤ５のカソードはシャント抵抗Ｒｓの一端と定電流制御ＰＷＭ回路１５の入力端子に接続されている。シャント抵抗Ｒｓの他端は、プラグ１６の他端とグランドとに接続されている。シャント抵抗Ｒｓからのプラグ電流信号はＥＣＵ１０に出力される。

定電流制御ＰＷＭ回路１５は、点火コイルの二次巻線Ｓに流れる二次電流をシャント抵抗Ｒｓにより検出し、検出値と内部リファレンス値とを比較することで、二次電流を一定値に制御するための内部信号をＤＣ／ＤＣコンバータ１３に出力する。

なお、図１に示す定電流制御ＰＷＭ回路１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の外部に設けたが、例えば、定電流制御ＰＷＭ回路１５をＤＣ／ＤＣコンバータ１３の内部に設けるようにしても良い。

次に、このように構成された実施例の点火装置の動作を図２に示す各部の動作波形図を参照しながら詳細に説明する。

なお、図２において、点火信号は、ＥＣＵ１０から送られてくる信号、Ｑ１は、イグナイタースイッチＱ１の出力、Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴＱ２の出力、ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力、ＳはトランスＴの二次巻線Ｓのエネルギーを示す。

まず、時刻ｔ０〜ｔ１において、イグナイター制御回路１１は、Ｈレベルの点火信号をイグナイタースイッチＱ１のゲートに印加すると、イグナイタースイッチＱ１が時刻ｔ０〜ｔ１においてオンする。

すると、バッテリＥからイグナイター巻線Ｐ１、イグナイタースイッチＱ１を介してグランドに電流が流れてイグナイター巻線Ｐ１にエネルギーが蓄えられる。このとき、イグナイター巻線Ｐ１は、巻始めの電位に対して巻終わりの電位が高くなるため、二次巻線Ｓも、巻始めの電位に対して巻終わりの電位が高くなる。このため、二次巻線側では、ダイオードＤ５がオフするため、二次電流は流れない。

次に、時刻ｔ１において、イグナイター制御回路１１は、Ｌレベルの点火信号をイグナイタースイッチＱ１のゲートに印加すると、イグナイタースイッチＱ１がオフする。すると、イグナイター巻線Ｐ１も二次巻線Ｓも巻終わりの電位に対して巻始めの電位が高くなるため、二次巻線Ｓの巻始めからダイオードＤ５、シャント抵抗Ｒｓを介して二次電流が流れ、プラグ１６にエネルギーが供給される。二次巻線Ｓのエネルギーは、時刻ｔ１から時刻ｔ３の期間Ｔ１に亙って、プラグ１６に供給されて減少していく。

また、時刻ｔ１において、イグナイター制御回路１１からのＬレベルの点火信号は、インバータ１２で反転されてＨレベルとなり、Ｈレベルの点火信号がバッファ回路１４を介してＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートに供給される。このため、ＭＯＳＦＥＴＱ２は、時刻ｔ１〜ｔ４においてオンする。

次に、遅延回路１３ａは、インバータ１２で反転されてＨレベルの点火信号を時刻ｔ１から所定時間だけ遅延させる。所定時間遅延後の時刻ｔ２（時刻ｔ１と時刻ｔ３との中間の時刻）になると、時刻ｔ２〜ｔ４において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が起動する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、バッテリＥの電圧を昇圧して、昇圧された電圧を並列に接続された４つのダイオードＤ１〜Ｄ４のアノードに供給する。

従って、ダイオードＤ１については、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３からダイオードＤ１、エネルギー重畳巻線Ｐ２を介してＭＯＳＦＥＴＱ２に電流が流れる。ダイオードＤ２〜Ｄ４の各々についても、ダイオードＤ１の場合と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３からダイオードＤ２又はＤ３又はＤ４、エネルギー重畳巻線Ｐ２に相当する各構成部品を介してＭＯＳＦＥＴに電流が流れる。

このとき、エネルギー重畳巻線Ｐ２も二次巻線Ｓも巻終わりの電位に対して巻始めの電位が高くなるため、二次巻線Ｓの巻始めからダイオードＤ５、シャント抵抗Ｒｓを介して二次電流が流れ、プラグ１６にエネルギーが供給される。これにより、時刻ｔ２から時刻ｔ４の期間Ｔ２において、エネルギー重畳巻線Ｐ２のエネルギーが二次巻線Ｓに重畳される。

即ち、補助のＤＣ／ＤＣコンバータ１３からエネルギー重畳巻線Ｐ２へ電流を流すことで、二次巻線Ｓのフライバックエネルギーが減少するタイミング（時刻ｔ１から時刻ｔ３の間）で、エネルギー重畳巻線Ｐ２からのエネルギーを二次巻線Ｓからプラグ１６に供給し、二次電流の供給時間を延長させることでプラグ１６の点火時間を延長させる。

このように実施例１の点火装置によれば、駆動装置であるイグナイター制御回路１１とインバータ１２とは、イグナイタースイッチＱ１をオン状態からオフ状態に切り替えることで二次巻線Ｓに二次電流を流すとともに、ＭＯＳＦＥＴＱ２をオフ状態からオン状態に切り替えることでエネルギー重畳巻線Ｐ２にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力を供給し、二次電流の供給時間を延長させるので、プラグ１６の点火時間を延長させることができ、これによって、燃料の燃焼効率を改善することができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオン状態である間、二次電流を一定値に制御するようにエネルギー重畳巻線Ｐ２に電気エネルギーを供給し続ける。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の構成部品にかかる電気的ストレスの変動が小さくなり、点火装置の信頼性が改善される。

また、ＭＯＳＦＥＴＱ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の起動より所定時間早く、比較的低い電圧が印加された状態でオンするため、ターンオン時の電気的ストレスが軽減される。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、点火信号に応じて起動と停止とを繰り返すため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の構成部品の発熱が抑制され、点火装置の信頼性が改善される。

図３のように、遅延回路１３ａを省略し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３がＭＯＳＦＥＴＱ２のオンと同時に起動しても良く、図４のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、点火信号とは異なる起動信号により起動し、ＭＯＳＦＥＴＱ２の状態によらず昇圧動作を継続しても良い。後者の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力は、二次巻線Ｓのフライバックエネルギーが減少するタイミングで、エネルギー重畳巻線Ｐ２に供給される。この場合、トランスＴ及び二次側回路にかかる電気的ストレスが小さくなり、点火装置の信頼性が改善される。

また、図５のように、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０は、点火信号とプラグ電流切替信号とをイグナイター制御回路１１に出力するように構成されても良い。この場合、定電流制御ＰＷＭ回路１５は、プラグ電流切替信号に応じて内部リファレンス値を調整することで、二次電流を増大又は減少させるための内部信号をＤＣ／ＤＣコンバータ１３に出力する。二次電流を増大させることにより、失火を防止することができる。

Ｑ１ イグナイタースイッチ
Ｑ２ ＭＯＳＦＥＴ
Ｄ１〜Ｄ５，Ｄａ，Ｄｂ ダイオード
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
Ｒｓ シャント抵抗
Ｔ トランス
Ｐ１ 一次巻線
Ｐ１ エネルギー重畳巻線
Ｓ 二次巻線
Ｅ バッテリ
１０ ＥＣＵ
１１ イグナイター制御回路
１２ インバータ
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３ａ 遅延回路
１４ バッファ回路
１５ 定電流制御ＰＷＭ回路

Claims (4)

1. 互いに電磁的に結合する第１巻線、第２巻線及び第３巻線を有する点火コイルと、
   前記第１巻線の一端に接続される第１スイッチと、
   前記第１巻線の他端に接続されるバッテリと、
   一端が前記バッテリに接続され他端が前記第３巻線の一端に接続される昇圧部と、
   前記第３巻線の他端に接続される第２スイッチと、
   前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをオンオフ駆動させる駆動装置とを備え、
   前記駆動装置は、前記第１スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えることで前記第２巻線に二次電流を流すとともに、前記第２スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることで前記第３巻線に前記昇圧部の出力を供給し、前記二次電流を同じ極性のままで継続させることを特徴とする点火装置。
2. 前記昇圧部は、前記第２スイッチがオン状態である間、前記第３巻線に電気エネルギーを供給し続けることを特徴とする請求項１記載の点火装置。
3. 前記昇圧部は、前記点火コイルの第２巻線に流れる二次電流を検出し、検出された二次電流を一定値に制御することを特徴とする請求項１又は２記載の点火装置。
4. 前記昇圧部は、前記第２スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わってから所定時間後に電気エネルギーの供給を開始することを特徴とする請求項１記載の点火装置。

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