JP6515643B2 - 内燃機関用点火制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用点火制御装置に関する。

従来、内燃機関用点火制御装置として、様々なものが提案されている。特許文献１には、点火プラグに定電圧素子としてツェナーダイオードが並列接続された構成が開示されている。かかる構成では、点火プラグにかかる電圧をツェナーダイオードの降伏電圧までに規制することにより、点火プラグに過度な高圧による電流が流れることを防止している。また、一次コイルの正極側と二次コイルの低電圧側との間には、ＯＮ飛火防止ダイオードが直列接続されている。これにより、一次コイルの正極側から二次コイルの低電圧側へ電流が流れることを防止して、着火タイミング前に点火プラグに飛火が発生することを防止している。

特開２０１４−７７４３２号公報

しかしながら、上記構成では、上述の如くツェナーダイオードとＯＮ飛火防止ダイオードがそれぞれ必要となるため、コスト高となる。一方、燃費の改善等を目的とした希薄燃焼（リーンバーン）エンジン等では、気筒内の流速が大きくなることから、着火性を確保するために点火プラグにおける放電形成に必要な電圧（要求電圧）を高めることが行われている。しかしながら、要求電圧を高めると、火花電圧が高くなることにより点火プラグの消耗が早くなったり、高耐電圧の絶縁碍子や高電圧出力のコイルが必要となるため、コスト高となったり、信頼性が劣ったりするなどの問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、製造コストの低減ができるとともに、要求電圧を低下させることができ、信頼性の高い内燃機関用点火制御装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、一次コイルと二次コイルとを備える点火コイルと、上記二次コイルの高電圧端子に電気的に接続された点火プラグとを有し、上記点火プラグの中心電極と上記点火プラグの接地電極との間に主放電を発生させて、燃料ガスに着火する内燃機関用点火制御装置であって、
上記点火コイルによって上記中心電極に負の高電圧を印加して上記主放電を発生させるように構成され、かつ、上記高電圧端子と上記中心電極との間に直列に設けられるとともに、カソード側が上記高電圧端子に電気的に接続され、アノード側が上記中心電極に電気的に接続されるダイオードを備え、
または、上記点火コイルによって上記中心電極に正の高電圧を印加して上記主放電を発生させるように構成され、かつ、上記高電圧端子と上記中心電極との間に直列に設けられるとともに、カソード側が上記中心電極に電気的に接続され、アノード側が上記高電圧端子に電気的に接続されるダイオードを備え、
上記ダイオードの降伏電圧は、上記点火プラグの要求電圧未満であって、
上記主放電の前に、上記要求電圧未満かつ上記降伏電圧以上の予備放電を発生させる予備放電発生手段を有することを特徴とする内燃機関用点火制御装置にある。

上記内燃機関用点火制御装置において、点火コイルによって中心電極に負の高電圧を印加して上記主放電を発生させるように構成され、かつ、上記高電圧端子と上記中心電極との間に直列に設けられるとともに、カソード側が上記高電圧端子に電気的に接続され、アノード側が上記中心電極に電気的に接続されるダイオードを備える場合には、点火コイルの二次コイルに二次電圧が誘起されると中心電極に負の高電圧が印加される。そして、中心電極と接地電極との間に放電が生じない場合には、中心電極に二次コイルから供給された電子が溜まって、ダイオードに逆バイアスがかかることとなり、中心電極には負の電圧が印加された状態が維持されることとなる。これにより、中心電極と接地電極との間のギャップにおいて気体のイオン化が促されて、当該ギャップに放電が生じやすい状態が形成される。その結果、かかる状態では、当該放電を生じさせるために印加すべき電圧（要求電圧）が低下することとなる。すなわち、上記内燃機関用点火制御装置によれば、上述の如くダイオードを接続することにより、点火プラグの要求電圧を低下することができる。

そして、二次コイルの高電圧端子と中心電極との間に直列接続された当該ダイオードは、二次コイルから点火プラグへ当該ダイオードの降伏電圧以下の電流が流れるのを規制することになるため、従来のＯＮ飛火防止ダイオードと同様に、点火タイミング前に点火プラグに飛火が発生することを防止することができる。そのため、従来のＯＮ飛火防止ダイオードが不要となり、製造コストの低減が図られる。

さらに、二次コイルの高電圧端子と点火プラグとの間に直列接続された当該ダイオードにより、火花放電が形成されなかった場合における点火プラグにおける電圧（二次電圧）の振幅を小さく（すなわち、二次電圧の最大値と最小値との差を小さく）することができる。これにより、点火プラグに備えられる絶縁碍子への負荷を低減することができ、絶縁碍子の絶縁破壊を抑制することができる。これにより、当該装置の信頼性を向上することができる。

そして、上記内燃機関用点火制御装置において、点火コイルによって中心電極に正の高電圧を印加して上記主放電を発生させるように構成され、かつ、上記高電圧端子と上記中心電極との間に直列に設けられるとともに、カソード側が上記中心電極に電気的に接続され、アノード側が上記高電圧端子に電気的に接続されるダイオードを備える場合にも、上述と同様の作用効果を奏する。

以上のごとく、本発明によれば、製造コストの低減ができるとともに、要求電圧を低下させることができ、信頼性の高い内燃機関用点火制御装置を提供することができる。

実施例１における、内燃機関用点火制御装置の回路概略図。 実施例１における、点火コイルケースの断面図。 実施例１における、火花放電の形成過程を説明する模式図。 実施例１における、タイムチャートを表す図。 比較例及び実施例１における、二次電圧のタイムチャートを表す図。 変形例における、内燃機関用点火制御装置の回路概略図。 さらなる変形例における、点火コイルケースの断面図。

本発明の内燃機関用点火制御装置は、自動車などに備えられるエンジンに使用することができる。

（実施例１）
実施例に係る内燃機関用点火制御装置につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の内燃機関用点火制御装置１（以下、「点火制御装置１」ともいう）は、図１に示すように、一次コイル１１と二次コイル１２とを備える点火コイル１０と、二次コイル１２の高電圧端子１２ａに電気的に接続された点火プラグ２０とを有する。そして、内燃機関用点火制御装置１は、中心電極２１と点火プラグ２０の接地電極２２との間に主放電を発生させて、燃料ガスに着火する。
そして、点火コイル１０によって中心電極２１に負の高電圧を印加して上記主放電を発生させるように構成され、かつ、高電圧端子１２ａと中心電極２１との間に直列に設けられるとともに、カソード３０ｃ側が高電圧端子１２ａに電気的に接続され、アノード３０ａ側が中心電極２１に電気的に接続されて、ダイオード３０を備える。
または、図６に示す変形例のように、点火コイル１０によって中心電極２１に正の高電圧を印加して上記主放電を発生させるように構成され、かつ、高電圧端子１２ａと中心電極２１との間に直列に設けられるとともに、カソード３００ｃ側が中心電極２１に電気的に接続され、アノード３００ａ側が高電圧端子１２ａに電気的に接続されるダイオード３００を備える。
そして、図１に示すダイオード３０（図６に示すダイオード３００）の降伏電圧は、点火プラグ２０の要求電圧未満である。

以下、本例の点火制御装置１について、詳述する。
図１に示すように、点火コイル１０は、一次コイル１１と二次コイル１２とを備えている。図２に示すように、一次コイル１１と二次コイル１２とは、コア１３を介して磁気結合されている。そして、点火コイル１０は、点火コイルケース１０ａに収納されている。

図１に示すように、二次コイル１２の両端のうち一端である低電圧端子１２ｂは接続経路Ｌ１を介してバッテリ１４の正極側に接続され、他端である高電圧端子１２ａは、接続経路Ｌ２を介して点火プラグ２０の中心電極２１に接続されている。そして、バッテリ１４の負極側は接地されている。なお、本例では、バッテリ１４として、１２Ｖの端子電圧を有する鉛蓄電池を用いている。また、本例では、接地電位を「０Ｖ」とする。

一次コイル１１の一端側の端子１１ｂは、バッテリ１４の正極側に接続され、他端の端子１１ａは、電子制御式の開閉手段であるスイッチング素子１６の入出力端子１６ａを介して接地されている。本例では、スイッチング素子１６として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ）を用いている。

接続経路Ｌ２において、二次コイル１２の高電圧端子１２ａと中心電極２１との間にダイオード３０が直列接続されている。ダイオード３０のカソード側３０ｃが高電圧端子１２ａに電気的に接続されており、アノード側３０ａが中心電極２１に電気的に接続されている。これにより、降伏電圧未満の電流が二次コイル１２側から中心電極２１側へダイオード３０を通過することが阻害される。すなわち、ダイオード３０は、電子が中心電極２１側から二次コイル１２側へ移動することを規制している。

ダイオード３０は、いわゆる高耐圧ダイオードである。ダイオード３０は、点火プラグ２０の要求電圧Ｖｏに応じて、所望の降伏電圧Ｖｔを有するものを使用することができ、例えば、降伏電圧が２０ｋＶ以上であるダイオード３０を採用できる。本例では、ダイオード３０の降伏電圧Ｖｔは、二次側のオープン故障を考慮して、３５ｋＶとしている。なお、ダイオード３０として、定電圧素子としてのツェナーダイオードを採用することもできる。ダイオード３０は、図２に示すように、接続経路Ｌ２に接続されて、点火コイルケース１０ａに収納されている。

図２に示すように、スイッチング素子１６は点火コイルケース１０ａに収納されており、図１に示すように、スイッチング素子１６に設けられた信号端子３２を介して電子制御装置（以下、ＥＣＵ１５）に接続されている。そして、ＥＣＵ１５からスイッチング素子１６に点火信号ＩＧｔが出力されて、スイッチング素子１６の開閉が制御される。

ここで、点火プラグ２０の中心電極２１に負の高電圧を印加した場合におけるギャップＧの気体の状態の推移を示す。なお、図３（ａ）は、中心電極２１に負の高電圧が印加される前のギャップＧの気体の状態を示し、図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、中心電極２１に負の高電圧が印加されている場合のギャップＧの気体の状態を示す。

まず、図３（ａ）に示すように、ギャップＧには、自由電子が存在する。中心電極２１に負の高電圧を印加すると、図３（ｂ）に示すように、ギャップＧに存在する自由電子が電界で加速されて、気体分子と衝突する。このため、図３（ｃ）に示すように、気体分子から自由電子が放出されてプラスイオンが生成される（α作用）。また、こうして生成されたプラスイオンが中心電極２１に衝突することで、中心電極２１から自由電子が放出される（γ作用）。

これにより、ギャップＧにプラスイオン及び自由電子が大量に存在するプラズマ状態となって高エネルギ状態となる。そして、中心電極２１付近においてプラスイオンの密度が高くなると、中心電極２１付近における電界が強化されて、α作用が促進され、ギャップＧに火花放電が生じることとなる。

次に、図４を参照しながら、ＥＣＵ１５による点火制御について説明する。なお、図４において、ＥＣＵ１５からスイッチング素子１６に出力される点火信号をＩＧｔ、一次コイル１１に流れる電流をＩ１、二次コイル１２に流れる電流をＩ２、中心電極２１にかかる電圧をＶ２とする。

図４に示すように、本例の点火制御装置１では、予備放電用エネルギ蓄積期間Ｐ１、予備放電開始タイミングＳ１、主放電用エネルギ蓄積期間Ｐ２、主放電開始タイミングＳ２の順に到来する。予備放電用エネルギ蓄積期間Ｐ１では、予備放電のための磁気エネルギを点火コイル１０に蓄積する。予備放電開始タイミングＳ１では、主放電の前に中心電極２１に負の高電圧を印加する。主放電用エネルギ蓄積期間Ｐ２では、主放電のための磁気エネルギを点火コイル１０に蓄積する。主放電開始タイミングＳ２では中心電極２１に負の高電圧を印加して火花放電を発生させて、点火プラグ２０において燃料ガスに着火させる。

まず、予備放電用エネルギ蓄積期間Ｐ１では、時刻ｔ１において、スイッチング素子１６のゲートに入力される点火信号ＩＧｔがオンになると、スイッチング素子１６がオン状態になる。これにより、バッテリ１４から一次コイル１１へと電流の流通が開始され、点火コイル１０への磁気エネルギの蓄積が開始される。予備放電用エネルギ蓄積期間Ｐ１は、時刻ｔ２まで継続される。

時刻ｔ２は、予備放電開始タイミングＳ１である。時刻ｔ２において、点火信号ＩＧｔがオフになると、スイッチング素子１６がオフ状態になる。これにより、二次コイル１２に高電圧が誘起される。そして、点火プラグ２０の中心電極２１に負の高電圧が印加される。時刻ｔ２は、中心電極２１に印加された電圧Ｖ２が、ダイオード３０の降伏電圧Ｖｔ以上、要求電圧Ｖｏ未満の電圧となるように設定されて、点火コイル１０への磁気エネルギの蓄積量が調整されている。

そして、中心電極２１に印加された電圧Ｖ２は、要求電圧Ｖｏ未満であることから、ギャップＧに火花放電が生じない。そのため、二次コイル１２から中心電極２１に供給された電子は二次コイル１２側に移動できず、中心電極２１に電子が溜まることとなる。その結果、二次コイル１２への高電圧の誘起が終了した後も、リークによる電圧の低下はあるものの、ギャップＧにおいて負の高電圧が維持されることとなる。すなわち、図５に示すように、本例では、予備放電後の中心電極２１の電圧Ｖ２は、ダイオード３０を有しない比較例における着火を形成しない放電（オープン状態）の場合に比べて、電圧低下が抑制されて、比較的高い負の電圧が時刻ｔ３まで維持されている。

そして、時刻ｔ３では、スイッチング素子１６のゲートに入力される点火信号ＩＧｔがオンになり、スイッチング素子１６がオン状態になる。これにより、中心電極２１における電圧Ｖ２が負の高電圧に維持された状態で、バッテリ１４から一次コイル１１へと電流の流通が開始され、点火コイル１０への磁気エネルギの蓄積が開始される。これにより、主放電用エネルギ蓄積期間Ｐ２が開始される。主放電用エネルギ蓄積期間Ｐ２は時刻ｔ４まで継続される。

そして、時刻ｔ４は、主放電開始タイミングＳ２である。時刻ｔ４では、点火信号ＩＧｔがオフになり、スイッチング素子１６がオフ状態になる。これにより、二次コイル１２の両端の極性が反転されるとともに二次コイル１２に高電圧が誘起される。そして、点火プラグ２０の中心電極２１に負の高電圧が印加される。

ここで、主放電開始タイミングＳ２において、中心電極２１は予備放電により予め負の高電圧に維持された状態であって、すでにギャップＧはプラズマ状態（図３（ｄ）参照）となっており、放電が形成しやすい状態となっている。そのため、火花放電の形成のために二次コイル１２から中心電極２１に印加する負の電圧は、予備放電を行わない場合に比べて少なくて済む。したがって、図４に示すように、本例の要求電圧Ｖｏは、図４において破線で示すダイオード３０を有しない比較例における要求電圧Ｖｚよりも低くなっている。そして、点火プラグ２０のギャップＧに火花放電が生じると、接地電極２２から中心電極２１へと放電電流（二次電流）Ｉ２が流れることとなる。

上述のように、ＥＣＵ１５によるスイッチング素子１６の開閉制御により、予備放電が行われることとなるため、ＥＣＵ１５及びスイッチング素子１６が、要求電圧未満の予備放電を発生させる予備放電発生手段１５、１６として機能することとなる。

本例の内燃機関用点火制御装置１における作用効果について、詳述する。
以上のように、内燃機関用点火制御装置によれば、二次コイル１２と中心電極２１との間に、ダイオード３０が直列接続されており、ダイオード３０のカソード側３０ｃが二次コイル１２の高電圧端子１２ａに接続され、アノード側３０ａが中心電極２１に接続されている。そして、二次コイル１２に二次電圧が誘起されると中心電極２１に負の高電圧が印加される。中心電極２１と接地電極２２との間に放電が生じない場合には、中心電極２１に二次コイル１２から供給された電子が溜まって、ダイオード３０に逆バイアスがかかることとなり、中心電極２１には負の電圧が印加された状態が維持されることとなる。これにより、中心電極２１と接地電極２２との間のギャップＧにおいて気体のイオン化が促されて、当該ギャップＧに放電が生じやすい状態が形成される。その結果、かかる状態では、当該放電を生じさせるために印加すべき電圧（要求電圧Ｖｏ）が低下することとなる。すなわち、上記内燃機関用点火制御装置１によれば、上述の如くダイオード３０を接続することにより、点火プラグ２０の要求電圧Ｖｏを低下させることができる。

さらに、二次コイル１２の高電圧端子１２ａと点火プラグ２０との間に直列接続されたダイオード３０は、二次コイル１２から点火プラグ２０へダイオード３０の降伏電圧Ｖｔ以下の電流が流れるのを規制しているため、従来のＯＮ飛火防止ダイオードと同様に、着火タイミング前に点火プラグ２０に飛火が発生することを防止することができる。そのため、従来のＯＮ飛火防止ダイオードが不要となり、製造コストの低減が図られる。

さらに、図５に示すように、比較例における火花放電が形成されなかった場合（オープン状態）における中心電極２１にかかる電圧Ｖ２ａと、本例の予備放電における中心電極２１にかかる電圧Ｖ２を比較すると、比較例におけるオープン状態での電圧Ｖ２ａの最大電圧と最小電圧の差ΔＶ２ａは約４０ｋＶであった。一方、本例の予備放電における電圧Ｖ２の最大電圧と最小電圧の差ΔＶ２は、約２５ｋＶであった。これにより、中心電極２１にかかる電圧Ｖ２の最大電圧と最小電圧の差を小さくすることができるため、点火プラグ２０に設けられる絶縁碍子（図示せず）の絶縁破壊を抑制することができ、当該装置の信頼性を向上することができる。

また、本例ではダイオード３０として、高耐圧ダイオードを採用したが、これに替えて、定電圧ダイオードを備えることとしてもよい。そして、定電圧ダイオードは、該ダイオードの端子間電圧がダイオードの降伏電圧Ｖｔとなる場合に、ツェナー降伏又はアバランシュ降伏が生じるダイオードとすることができる。この場合も、本例と同等の作用効果を奏する。

また、本例では、予備放電発生手段として、ＥＣＵ１５及びスイッチング素子１６が備えられている。これにより、主放電の前に、確実に予備放電を確実に発生させることができ、要求電圧Ｖｏの低下を図ることができる。

そして、本例では、予備放電発生手段としてのＥＣＵ１５及びスイッチング素子１６は、予備放電により、点火プラグ２０に火花放電を生じさせないよう構成されている。これにより、主放電に先立って、点火プラグ２０のギャップＧをプラズマ状態にして、ギャップＧに放電を形成しやすい状態にすることができる。その結果、主放電における要求電圧Ｖｏを確実に低下させることができる。

また、本例では、ダイオード３０として、高耐圧ダイオードであって、降伏電圧Ｖｔが２０ｋＶ以上となるものを採用している。これにより、要求電圧Ｖｏが比較的高い場合においても、要求電圧Ｖｏを効果的に低下させることができる。

なお、本例では、火花放電の発生させるために、二次コイル１２から中心電極２１に負の高電圧を印加して、点火プラグ２０に主放電を発生させる構成について説明したが、これに替えて、次の変形例のようにしてもよい。すなわち、当該変形例では、図６に示すように、点火コイル１０によって中心電極２１に正の高電圧を印加して主放電を発生させるように構成され、かつ、高電圧端子１２ａと中心電極２１との間に直列に設けられるとともに、カソード側３００ｃが高電圧端子１２ａに電気的に接続され、アノード側３００ａが中心電極２１に電気的に接続されるダイオード３００が備えられている。この場合は、本例に対して、ダイオード３０におけるカソード３０ｃとアノード３０ａとの接続を入れ替えた構成となっている。この場合においても、本例と同等の作用効果を奏する。

なお、本例では、ダイオード３０を点火コイルケース１０ａ内に収納したが、これに限らず、図７に示すように、点火コイルケース１０ａに突出形成されたジョイント１０ｂ内に設けることとしてもよい。この場合には、ジョイント１０ｂ内に、ダイオード３０の設置スペースを確保するために、点火プラグ２０が接続される接続端子３１をジョイント１０ｂの突出方向側に設置している。

ダイオード３０をこのように配置することにより、点火コイルケース１０ｂと一体的に構成しつつも、点火コイル１０から離隔させることができるため、点火コイル１０からの熱の影響を低減してダイオード３０の破損を防止することができる。

以上のごとく、本例及び変形例によれば、製造コストの低減ができるとともに、要求電圧Ｖｏを低下させることができ、信頼性の高い内燃機関用点火制御装置１を提供することができる。

１ 内燃機関用点火制御装置
１０ 点火コイル
１１ 一次コイル
１２ 二次コイル
１４ バッテリ
１５ ＥＣＵ
１６ スイッチング素子
２０ 点火プラグ
２１ 中心電極
２２ 接地電極
３０、３００ ダイオード

Claims (5)

1. 一次コイル（１１）と二次コイル（１２）とを備える点火コイル（１０）と、上記二次コイル（１２）の高電圧端子（１２ａ）に電気的に接続された点火プラグ（２０）とを有し、上記点火プラグ（２０）の中心電極（２１）と上記点火プラグ（２０）の接地電極（２２）との間に主放電を発生させて、燃料ガスに着火する内燃機関用点火制御装置（１）であって、
   上記点火コイル（１０）によって上記中心電極（２１）に負の高電圧を印加して上記主放電を発生させるように構成され、かつ、上記高電圧端子（１２ａ）と上記中心電極（２１）との間に直列に設けられるとともに、カソード側（３０ｃ）が上記高電圧端子（１２ａ）に電気的に接続され、アノード側（３０ａ）が上記中心電極（２１）に電気的に接続されるダイオード（３０）を備え、
   または、上記点火コイル（１０）によって上記中心電極（２１）に正の高電圧を印加して上記主放電を発生させるように構成され、かつ、上記高電圧端子（１２ａ）と上記中心電極（２１）との間に直列に設けられるとともに、カソード側（３００ｃ）が上記中心電極（２１）に電気的に接続され、アノード側（３００ａ）が上記高電圧端子（１２ａ）に電気的に接続されるダイオード（３００）を備え、
   上記ダイオード（３０、３００）の降伏電圧は、上記点火プラグ（２０）の要求電圧未満であって、
   上記主放電の前に、上記要求電圧未満かつ上記降伏電圧以上の予備放電を発生させる予備放電発生手段（１５、１６）を有することを特徴とする内燃機関用点火制御装置（１）。
2. 上記ダイオード（３０、３００）として、定電圧ダイオードを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火制御装置（１）。
3. 上記定電圧ダイオードは、該定電圧ダイオードの端子間電圧が上記降伏電圧となる場合に、ツェナー降伏又はアバランシュ降伏が生じるダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用点火制御装置（１）。
4. 上記予備放電発生手段（１５、１６）は、上記予備放電により、上記点火プラグ（２０）に火花放電を生じさせないように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用点火制御装置（１）。
5. 上記ダイオード（３０、３００）は、高耐圧ダイオードであって、上記降伏電圧が２０ｋＶ以上あることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関用点火制御装置（１）。

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