JP6537662B1

JP6537662B1 - 点火装置

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Publication number: JP6537662B1
Application number: JP2018073594A
Authority: JP
Inventors: 貴志井戸川; 尚紀片岡; 裕一村本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2038-04-06
Also published as: US20190311849A1; JP2019183710A; US10629368B2; DE102018218881A1

Abstract

【課題】簡易な構成で２次重畳電流を制限する点火装置を得る。
【解決手段】メイン１次コイル１０の電流を遮断したタイミングで、２次コイル１５に発生する電圧により２次電流を発生させ、その後にサブ１次コイル１２に通電し、２次コイル１５に重畳電流を発生させるように構成し、サブ１次コイル１２と直列に接続されたサブＩＣ１３をパルス制御して、サブ１次コイル１２に流れる電流を制御し、上記重畳電流を制御する点火装置において、サブ１次コイル１２に流れる電流を制限できるように構成した。
【選択図】図１

Description

本願は、例えば内燃機関に取り付けられる点火装置に関するものである。

内燃機関の燃費改善のために、リーン化あるいは高ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）化した内燃機関が検討されているが、これらの内燃機関の混合気は着火性が良くないため、点火装置は高エネルギー化、特に高電流化が求められている。そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、従来の１次コイル(メイン１次コイル)の電流を遮断して出力した２次側出力に、更にもう一つの１次コイル(サブ１次コイル)による出力エネルギー（電流）を加算的に重畳する点火装置が提案されている。

このサブ１次コイルによる２次重畳電流は、サブ１次コイルに印加される電源電圧の他に、点火プラグに印加される電圧（プラグ抵抗及びそこに流れる電流、プラグギャップ間電圧）及び２次コイル抵抗により発生する電圧降下などに影響を受けることが知られている。このため、不用意に２次電流を増加させた場合、燃焼性は満足できるものの、２次電流増加によって２次コイル発熱が増加し、点火装置が破損する恐れ、あるいはエネルギー(電流)が供給される点火プラグのギャップ端子が摩耗する問題が発生する。

この電流を制限（制御）するために、例えば、特許文献２に開示されているように、サブ１次コイルと直列に接続されたスイッチング素子(サブＩＣ)をパルス制御(サブＩＣのオン／オフ制御、あるいはＰＷＭ制御)することにより、サブ１次コイルに流れる電流平均値を制御し、２次重畳電流を制御する装置が提案されている。

米国特許９,３９９,９７９号明細書国際公開第２０１６／１５７５４１号パンフレット

しかし、上述した方式でサブ１次コイルに流れる電流を高精度に制御する場合、サブＩＣを高速でスイッチングする必要が生じるため、高速スイッチングの可能な素子を選定する必要が生じるほか、スイッチングに伴う損失が発生することになる。またメイン１次コイルによる２次電流消失後にサブＩＣをスイッチングした場合、通常点火とは逆極性の電圧が発生し、点火装置に内蔵された素子にダメージを与える恐れがあるため、これを避ける処置が必要となる。

本願は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で２次重畳電流を制限する点火装置を得ることを目的とするものである。

本願に開示される点火装置は、電源からの通電により正方向の通電磁束を発生し、電流を遮断することにより逆方向の遮断磁束を発生するメイン１次コイルと、上記メイン１次コイルに接続され、上記メイン１次コイルへの通電と遮断を切り替えるメインスイッチング素子と、電源からの通電により上記遮断磁束と同方向の磁束を発生するサブ１次コイルと、上記サブ１次コイルに接続され、上記サブ１次コイルへの通電と遮断を切り替えるサブスイッチング素子と、一端が点火プラグに接続され、上記メイン１次コイルと上記サブ１次コイルに磁気的に結合して放電エネルギーを発生する２次コイルと、を備え、
上記メインスイッチング素子を遮断したタイミングで上記２次コイルに発生する電圧により２次電流を発生させ、その後に上記サブスイッチング素子への通電により上記サブ１次コイルに通電し、上記２次コイルに重畳電流を発生させると共に、
上記サブ１次コイルに流れる電流のみが流れる経路に可変抵抗で構成された電流制限抵抗を接続して上記サブ１次コイルに流れる電流を制限することを特徴とする。

本願に開示される点火装置によれば、サブ１次コイルに流れる電流を制限することにより、電源電圧あるいは点火プラグ印加電圧の変動時に、重畳電流が過度に大きくなるのを防ぐことができる。

実施の形態１に係る点火装置を示す回路図である。実施の形態１に係る点火装置の通常状態における動作波形を示す図である。実施の形態１に係る点火装置の電流制限時における動作波形を示す図である。実施の形態２に係る点火装置を示す回路図である。

以下、本願の実施の形態に係る点火装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしく相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る点火装置を示す回路図である。図２は、図１に示す点火装置の通常状態（電源電圧１３．５Ｖ、常温、点火プラグ電圧１ｋＶ時）での動作波形を示す図である。また、図３は、図１に示す点火装置の電源電圧増加時（電源電圧１６Ｖ）の動作波形を示す図である。

図１に示すように、実施の形態１に係る点火装置は、メイン１次コイル１０と、メイン１次コイル１０の一端に接続され、メイン１次コイル１０への通電、遮断を切り替えるメインスイッチング素子（以下、メインＩＣという。）１１と、サブ１次コイル１２と、サブ１次コイル１２の一端に接続され、サブ１次コイル１２への通電、遮断を切り替えるサブスイッチング素子（以下、サブＩＣという。）１３と、一端が点火プラグ１４に接続されて、メイン１次コイル１０とサブ１次コイル１２に磁気的に結合し、放電エネルギーを発生する２次コイル１５とを備えている。

メイン１次コイル１０とサブ１次コイル１２のそれぞれの他端は、同一の電源１６に接続されている。メイン１次コイル１０は、電源１６から電流を流した時に、２次コイル１５と逆極性となるように巻回されており、サブ１次コイル１２は、電源１６から電流を流した時に、２次コイル１５と同極性となるように巻回されている。換言すると、メイン１次コイル１０とサブ１次コイル１２は、電源１６から見ると逆極性となるように巻回されている。従って、メイン１次コイルは、通電により正方向の通電磁束を発生し、電流を遮断することにより逆方向の遮断磁束を発生する。また、サブ１次コイルは、通電により上記遮断磁束と同方向の磁束を発生する。

メインＩＣ１１のコレクタは、メイン１次コイル１０に接続され、エミッタはＧＮＤ１７に接続されている。サブＩＣ１３のコレクタは、サブ１次コイル１２に接続され、エミッタは電流検知抵抗１８を介してＧＮＤ１７に接続されている。電流検知抵抗１８の電圧はサブＩＣ１３のゲート電圧を制御するゲート制御回路１９へ入力されるように構成されており、電流検知抵抗１８の電圧が一定、即ち、サブ１次コイル１２を流れる電流が一定となるように、サブＩＣ１３のゲートが制御されている。

次に、実施の形態１に係る点火装置の動作について、図２及び図３を用いて説明する。
図２及び図３の波形はそれぞれ図面の上段から、メインＩＣ１１の駆動信号、メイン１次コイル１０に流れる電流（以下、メイン１次電流という。）、サブＩＣ１３の駆動信号、サブ１次コイル１２に流れる電流（以下、サブ１次電流という。）、サブＩＣ１３のコレクタ電圧、及びメイン１次コイル１０による２次電流とサブ１次コイル１２による重畳電流とを加算した２次電流を示している。

図２は通常時の動作波形を示しており、メインＩＣ１１への駆動信号のオン／オフに従ってメイン１次コイル１０は通電、遮断される。メイン１次電流の遮断により、相互誘導作用で２次コイル１５に負側の大きな電圧が発生する（図２には示されていない）。この電圧により、点火プラグ１４のギャップ間で放電が発生し、２次コイル１５に負の電流が流れる。ここで、２次電流は矢印Ａ方向が正方向である。

次に、サブＩＣ１３をオンすることにより、サブ１次コイル１２に直ちに電流が流れ（電流立ち上がりが速い状態）、その後緩やかに増加する。これに伴い、サブ１次コイル１２と２次コイル１５の巻数比に応じた電流が２次電流に重畳される。その後、サブＩＣ１３をオフすることによりサブ１次電流が遮断され、２次電流への重畳電流も零となる。

以降、具体値を示して本実施の形態についての説明を行う。本実施の形態では、サブＩＣ１３の通電開始時に２次コイル１５の抵抗で生じる電圧降下を１ｋＶ程度となるように設計している。このため２次コイル１５の誘導電圧は上記電圧降下１ｋＶと点火プラグ電圧１ｋＶの和である２ｋＶとなる。
また、サブ１次コイル１２と２次コイル１５の巻数比を２００と設定しており、サブ１次コイル１２に生じる誘導電圧は１０Ｖ程度となる。更に、サブＩＣ１３のコレクタ・エミッタ間電圧が２Ｖ程度、サブ１次コイル１２の抵抗を０．２Ω程度とすることで、サブ１次電流は、サブＩＣ１３をオンした後に１０Ａ程度まで流れ、その後緩やかに増加していく。サブ１次電流に対応し、２次電流には５０ｍＡ程度の重畳電流が流れる。

一方、図３は電源電圧増加時の動作波形を示しており、サブ１次電流に制限を設けない場合は、サブＩＣ１３をオンした後に、図３の破線で示すように１８Ａ程度までサブ１次電流が流れ、それにより、２次電流には図３の破線で示すように９０ｍＡ程度の重畳電流が流れることになり、電源電圧の増加によって重畳電流が大きく増加することになる。

このため、図１に示すように、サブＩＣ１３のエミッタ側に、例えば１０ｍΩ程度の電流検知抵抗１８を挿入すると、電流検知抵抗１８の両端の電圧を例えば０．１２Ｖにすることができる。即ち、電流検知抵抗１８に流れる電流が１２Ａになるように、ゲート制御回路１９にてサブＩＣ１３のゲート電圧を制御している。これにより、サブＩＣ１３のコレクタ・エミッタ間電圧が増加され、２次電流への重畳電流は６０ｍＡに制限されることになる。なお、電流検知抵抗１８の抵抗値は小さく設定されており、サブ１次電流へ与える影響も小さく抑えられている。また、電流検知抵抗１８に流れる電流が、１０Ａから２０Ａの範囲での設定であれば、重畳電流を確保しつつ、サブ１次コイル１２及びサブＩＣ１３に流れる電流により、サブ１次コイル１２及びサブＩＣ１３の発熱を防ぐことができる。従って、電流検知抵抗１８を可変抵抗で構成することが好ましい。

以上のように、実施の形態１に係る点火装置は、サブＩＣ１３のコレクタ・エミッタ間電圧を増加させることにより、電源電圧変更時の重畳電流増加量を抑制することができ、２次電流の最大値を制限することができる。これにより、２次コイル１５の発熱過多を防ぐことができ、過度な点火プラグ１４の摩耗を防ぐことができる。

また、図２に示す通常使用条件では電流を抑制していないので、通常状態においても、重畳電流量を大きく確保することができている。また、使用する電流の上限を１２Ａと設定しているため、メインＩＣ１１と同様の電流能力を有する他のスイッチング素子を使用することも可能になる。更に、２次電流の重畳電流、更にはサブ１次コイル１２に流れる電流を低減できるため、２次コイル１５及びサブ１次コイル１２の発熱も抑制することができる。

また、電源１６の電圧あるいは点火プラグ１４への印加電圧が変動しない通常状態では、サブ１次コイル１２に流れる電流を非制限状態に設定することにより、サブ１次電流が制限されることが無いため、通常状態での出力性能が制限されることがなくなる。

なお、上記の数値は一例であり、別の値に制限してもよく、メイン１次コイル１０と２次コイル１５の極性を逆極性としているが同極性としてもよい。また、メイン１次コイル１０と、サブ１次コイル１２を同一の電源に接続しているが、別電源（例えば１２Ｖ系と２４Ｖ系あるいは３６Ｖ系など）に接続してもよい。更には、ゲート制御回路１９に内燃機関情報（例えば、空燃比あるいはＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）量など)を入力することにより、内燃機関の運転条件に応じた制限値とすることも可能となる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る点火装置を示す回路図である。基本的な回路構成、及び動作原理、動作波形については実施の形態１と同様であるため、重複説明は省略する。
図４に示すように、実施の形態２に係る点火装置は、サブ１次コイル１２とサブＩＣ１３との間にサブ１次電流を制限する電流制限抵抗２０を接続している。実施の形態２は、実施の形態１における電流検知抵抗１８、及びゲート制御回路１９は設けられていない。なお、その他の構成は実施の形態１と同様である。

実施の形態２に係る点火装置は上記のように構成されており、以下に具体値を示して本実施の形態についての説明を行う。
実施の形態２ではサブＩＣ１３の通電開始時に、２次コイル１５の抵抗で生じる電圧降下を０．５ｋＶ程度となるように設計しており、接続される点火プラグ１４としては抵抗内蔵プラグを想定し、ギャップ間電圧を１ｋＶ、内蔵抵抗による電圧降下を０．５ｋＶ程度と想定している。このため２次コイル１５の誘導電圧は上記電圧降下１ｋＶと点火プラグ電圧１ｋＶの和である２ｋＶとなる。
また、サブ１次コイル１２と２次コイル１５の巻数比を２００と設定しており、サブ１次コイル１２に生じる誘導電圧は１０Ｖ程度となる。また、サブＩＣ１３のコレクタ・エミッタ間電圧が２Ｖ程度となるよう設定し、サブ１次コイル１２の抵抗を０．２Ω程度としている。

電流制限抵抗２０が無い場合には、実施の形態１と同様にサブ１次電流は１０Ａ程度となり、アシスト電流は５０ｍＡ程度となるが、本実施の形態においては、サブ１次電流が流れる経路に電流制限抵抗２０が挿入されており、その抵抗値を０．３Ωとしているため、サブ１次コイル１２に流れる電流が低下し、４Ａ程度となる。これに伴い、２次重畳電流は２０ｍＡとなる。

電流制限抵抗２０の挿入により、アシスト電流が低下するため、例えば重畳元のメイン１次コイル１０により発生する２次電流を増加させておくことで、重畳後の電流値を同等とする必要がある。
上記に対して、例えば使用する点火プラグ１４が変更され、無抵抗の点火プラグ(内蔵抵抗が０ｋΩ)となった場合、内蔵抵抗による電圧降下が無くなるため、２次コイル１５に発生する誘導電圧が低下し、それに伴い、メイン１次コイル１０あるいはサブ１次コイル１２に発生する誘導電圧も低下する。これにより、サブ１次コイル１２に印加される電圧が増加し、サブ１次電流が増加することになる。

電流制限抵抗２０が無い場合、点火プラグ１４の内蔵抵抗が無くなることで、サブ１次コイル１２に流れる電流は１６Ａ程度に(６Ａ増加)増加し、それに伴いアシスト電流は８０ｍＡ程度となり、点火プラグ１４に抵抗がある場合と比較して２次電流及び重畳電流の合計は３０ｍＡ増加することになる。一方、電流制限抵抗２０を挿入した本実施の形態の場合は、点火プラグ１４の内蔵抵抗が無くなることで、サブ１次電流は７Ａ程度に(３Ａ増加)増加し、それに伴いアシスト電流は４０ｍＡ程度となる。このため、点火プラグ１４に抵抗がある時と比較して２次電流及び重畳電流は１５ｍＡ程度の増加となる。

以上のように、サブ１次電流の経路に電流制限抵抗２０を挿入することで、サブ１次電流の増加量を抑制することが可能となり、重畳電流及び２次電流の増加量を低減することができる。また、電流制限抵抗２０により、サブ１次コイル１２及びサブＩＣ１３のコレクタ・エミッタ間電圧を増加させることなく、サブ１次電流を抑制できることから、サブ１次コイル１２及びサブＩＣ１３の発熱も抑制することができ、例えば熱容量の小さいＩＣをサブＩＣとして用いることも可能となる。

実施の形態２では、電流制限抵抗２０の挿入時の重畳電流低下を補うために、メイン１次コイル１０による２次電流を増加させることにしたが、例えば２次コイル１５の抵抗値を低下させたり、巻数比を増加させたりするなどにより、電流制限抵抗２０の非挿入時と同様の重畳電流を確保可能となるようにしてもよい。

また、電流制限抵抗２０をサブ１次コイル１２とサブＩＣ１３との間に挿入したが、例えばサブＩＣ１３とＧＮＤ１７の間など、サブ１次電流のみが流れる経路であれば問題ない。更に、電流制限抵抗２０を可変抵抗としてもよく、例えばこの時、想定する通常状態では電流制限抵抗２０を零Ωとし、点火プラグ１４のギャップ間の電圧変動時（減少時）に抵抗を増加させるように制御してもよい。また、実施の形態１と同様に、電源１６の電圧あるいは点火プラグ１４への印加電圧が変動しない通常状態では、サブ１次コイル１２に流れる電流を非制限状態に設定すれば、サブ１次電流が制限されることが無いため、通常状態での出力性能が制限されることがなくなる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０メイン１次コイル、１１メインスイッチング素子（メインＩＣ）、１２サブ１次コイル、１３サブスイッチング素子（サブＩＣ）、１４点火プラグ、１５２次コイル、１６電源、１７ＧＮＤ、１８電流検知抵抗、１９ゲート制御回路、２０電流制限抵抗。

Claims

電源からの通電により正方向の通電磁束を発生し、電流を遮断することにより逆方向の遮断磁束を発生するメイン１次コイルと、
上記メイン１次コイルに接続され、上記メイン１次コイルへの通電と遮断を切り替えるメインスイッチング素子と、
電源からの通電により上記遮断磁束と同方向の磁束を発生するサブ１次コイルと、
上記サブ１次コイルに接続され、上記サブ１次コイルへの通電と遮断を切り替えるサブスイッチング素子と、
一端が点火プラグに接続され、上記メイン１次コイルと上記サブ１次コイルに磁気的に結合して放電エネルギーを発生する２次コイルと、を備え、
上記メインスイッチング素子を遮断したタイミングで上記２次コイルに発生する電圧により２次電流を発生させ、その後に上記サブスイッチング素子への通電により上記サブ１次コイルに通電し、上記２次コイルに重畳電流を発生させると共に、
上記サブ１次コイルに流れる電流のみが流れる経路に可変抵抗で構成された電流制限抵抗を接続して上記サブ１次コイルに流れる電流を制限することを特徴とする点火装置。
上記電源の電圧あるいは上記点火プラグへの印加電圧が変動しない通常状態では、上記サブ１次コイルに流れる電流を非制限状態に設定することを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
上記サブ１次コイルに流れる電流の制限値を１０Ａから２０Ａに設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の点火装置。