JP6902632B2 - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、点火コイルを備える内燃機関の点火装置に関する。

例えば、自動車用の内燃機関の点火装置は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）から供給される点火制御信号に応じて、点火コイルの一次側コイルへの一次電流の通電と遮断とを切り替える。これにより、点火装置は、一次側コイルへの一次電流の遮断に起因して、一次側コイルと磁気的に結合される二次側コイルに発生する誘導電圧（二次電圧）によって、点火プラグをスパークさせて、内燃機関のシリンダ内の混合気に着火する。

点火装置は、ハーネスを介して、内燃機関の近傍に設置される。しかしながら、点火装置には、ハーネスにサージや強い電磁界ノイズが誘起した際に、故障や誤動作が発生しないことが求められている。したがって、ハーネスに誘起するサージや強い電磁界ノイズを測定する様々なサージ耐性試験やＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）試験が規定されている。

ところで、点火装置は、一次側コイルへの一次電流の遮断時に非常に大きな誘導電圧を発生させるため、点火制御に起因して発生するノイズの影響による誤動作並びに特性劣化を防止する必要がある。

特許文献１は、点火信号に基づいて一次側コイルに一次電流を通電する前に、予め一次側コイルの浮遊容量成分を充電するＯＮ電圧抑制手段によって、二次電圧に立ち上がりの早いパルス電圧が発生することを抑制する点火装置が開示されている。

特開２０１７−２８１８号公報

ここで、一次側コイルへの一次電流の通電と遮断とを切り替える時には、点火コイルに誘導電圧が発生すると共に、様々なノイズも発生する。特に、一次電流の遮断時に、二次側コイルに高電圧を発生させて点火プラグをスパークさせる場合、ノイズが顕著に発生する。二次側コイルに発生させた高電圧が、点火コイルと直流電源との間の電源配線の誘導成分と容量成分とによる共振を引き起こし、電源配線には、共振ノイズを発生させる。電源配線に発生した共振ノイズは、点火コイルと直流電源との間の電源配線と、点火制御信号をＥＣＵから点火コイルに伝達する信号配線との配線間のカップリングによって、点火制御信号に注入される。点火制御信号に注入された共振ノイズがＥＣＵから供給される点火制御信号の極性を逆転させる振幅レベルにある場合、一次側コイルへの一次電流の遮断制御後に、一次側コイルには、意図しない通電と遮断とが繰り返される。この一次電流の意図しない挙動が一次電流の遮断直後に発生すると、二次電圧も一次電流の挙動に応じて振動する。このため、点火プラグのスパークに必要な電圧が得られない場合、内燃機関の失火に繋がることがある。

特許文献１に記載の点火装置では、一次側コイルへの一次電流の通電時に発生する共振ノイズを抑制している。しかしながら、一次電流の遮断時にも、一次電流の通電時に発生する共振ノイズよりも振動が大きいノイズが発生する。一次電流の遮断に起因して発生する共振ノイズが点火信号に廻り込む場合、共振ノイズの周期的なパルス除去処理が継続的に必要になる可能性があり、ＥＣＵから供給される点火信号に基づく点火応答性が劣化する懸念がある。さらに、共振ノイズが点火信号に対して極性を逆転させる振幅レベルである場合には、点火装置に無用なストレスを与えるため、素早く収束させる必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、点火を適切に制御することができる技術を提供することにある。

上記する課題を解決するため一の観点に係る内燃機関の点火装置は、直流電源に接続される一次側コイルと、前記一次側コイルと磁気的に結合されると共に点火プラグに接続される二次側コイルと、を有する点火コイルと、前記一次側コイルへの一次電流の通電と遮断とを切り替えるスイッチ素子と、電子装置から供給される点火制御信号に基づいてスイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部と、を備える内燃機関の点火装置であって、前記電子制御装置と前記スイッチ素子との間には、前記一次側コイルへの前記一次電流の遮断に起因して発生する第１共振ノイズを低減させるように、前記スイッチ素子の制御タイミングを遅らせる遅延部が配設される。

本発明によれば、点火を適切に制御することができる。

第１実施例に係る点火装置の構成図。 第１実施例に係る点火装置の信号の変化を示すタイミングチャート。 第２実施例に係る点火装置の構成図。 第３実施例に係るターンオン遅延調整回路の構成図。 第４実施例に係るターンオン遅延調整回路の構成図。 第５実施例に係る点火装置の構成図。

幾つかの実施例について、図面を用いて詳細に説明する。尚、以下に説明する実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施例の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、第1実施例に係る点火装置の構成図である。

点火装置１は、例えば、自動車に搭載される内燃機関（以下、エンジン）の点火装置である。点火装置１は、「電子制御装置」の一例としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０と、「スイッチ素子制御部」の一例としてのスイッチ素子制御回路２０と、スイッチ素子３０と、車載バッテリー等の直流電源４０と、点火コイル５０と、点火プラグ６０とを備えている。

ＥＣＵ１０は、信号配線１１を介してスイッチ素子制御回路２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、エンジンの動作を制御する。例えば、ＥＣＵ１０は、エンジンの回転に基づいて、点火プラグ６０の点火タイミングを指示する「点火制御信号」の一部としてのＥＣＵ命令信号Ｓ１を出力する。

スイッチ素子制御回路２０は、入力回路２１と、「遅延部」の一例としてのターンオン遅延調整回路２２と、プリドライバ回路２３とを有している。入力回路２１は、ターンオン遅延調整回路２２と電気的に接続されている。ターンオン遅延調整回路２２は、プリドライバ回路２３と電気的に接続されている。プリドライバ回路２３は、信号配線２４を介してスイッチ素子３０に電気的に接続されている。

入力回路２１は、ＥＣＵ１０から出力されるＥＣＵ命令信号Ｓ１を受信する。入力回路２１は、受信したＥＣＵ命令信号Ｓ１を整形して点火制御信号Ｓ２を生成し、生成した点火制御信号Ｓ２をターンオン遅延調整回路２２に出力する。ターンオン遅延調整回路２２は、点火制御時に適切な遅延量Ｔｄ（図２参照。ターンオン遅延とも呼ぶ）を与えた遅延調整後信号Ｓ３を生成し、生成した遅延調整後信号Ｓ３をプリドライバ回路２３に出力する。遅延量Ｔｄは、点火制御信号Ｓ２が閾値を超える期間が長い程、増加されて良い。プリドライバ回路２３は、遅延調整後信号Ｓ３に基づいて、スイッチ素子３０を駆動するプリドライバ信号Ｓ４を生成し、生成したプリドライバ信号Ｓ４をスイッチ素子３０に出力する。

スイッチ素子３０は、信号配線２４に電気的に接続される制御用端子と、ＧＮＤに電気的に接続される接地用端子と、点火コイル５０の一次側コイル５１に電気的に接続される通電用端子とを有している。スイッチ素子３０には、プリドライバ回路２３から出力されるプリドライバ信号Ｓ４が入力される。スイッチ素子３０は、プリドライバ信号Ｓ４に応じて、点火コイル５０の一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の通電と遮断とを切り替える。尚、スイッチ素子３０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）でも良い。

点火コイル５０は、一次側コイル５１と、その一次側コイル５１と磁気的に結合される二次側コイル５２とを有している。

一次側コイル５１の高電圧端は、電源配線４１を介して直流電源４０に電気的に接続される。一次側コイル５１の低電圧端は、スイッチ素子３０を介して、ＧＮＤに電気的に接続される。

二次側コイル５２の一端は、点火プラグ６０に電気的に接続される。二次側コイル５２の他端は、オン電圧防止用ダイオード５５を介してＧＮＤに接続される。

このように構成された点火コイル５０は、スイッチ素子３０がオンからオフに切り替えられる（ターンオフされる）と、一次側コイル５１に通電される一次電流Ｉ１が遮断され、通電状態から遮断状態に遷移する。この時、二次側コイル５２には、負の高電圧（以下、二次電圧Ｖ２）が発生し、点火プラグ６０がスパークする。

一方、点火コイル５０は、スイッチ素子３０がオフからオンに切り替えられる（ターンオンされる）と、一次側コイル５１に一次電流Ｉ１が通電され、遮断状態から通電状態に遷移する。この時、二次側コイル５２には、遮断時とは逆極性の電圧が発生する。尚、発生した逆極性の電圧は、オン電圧防止用ダイオード５５によって抑制される。

図２は、第１実施例に係る点火装置の信号の変化を示すタイミングチャートである。尚、図２には、上から順に、電源電圧（ＶＢＡＴ）、ＥＣＵ命令信号（Ｓ１）、点火制御信号（Ｓ２）、遅延調整後信号（Ｓ３）、プリドライバ信号（Ｓ４）、一次電流（Ｉ１）及び二次電圧（Ｖ２）を示す。

ここで、一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の遮断時には、二次側コイル５２に発生する二次電圧Ｖ２によって、点火コイル５０と直流電源４０との間の電源配線４１の誘導成分と容量成分とによる共振が引き起こされることがある。時刻Ｔ１において、電源配線４１に第１共振ノイズＶｎ１が発生すると、電源電圧ＶＢＡＴには、第１共振ノイズＶｎ１が注入される。この電源配線４１に発生した第１共振ノイズＶｎ１は、電源配線４１と信号配線１１とのカップリングによって、ＥＣＵ命令信号Ｓ１に注入され、ＥＣＵ１０から入力される命令として認識される。したがって、ＥＣＵ命令信号Ｓ１（図２ではＥＣＵ１０から実際に出力された信号を示す）が遮断状態にあるにも拘らず、点火制御信号Ｓ２は、周期的にＯＮとＯＦＦとを繰り返すような信号となる。

具体的には、スイッチ素子制御回路２０は、ＥＣＵ命令信号Ｓ１の極性に基づいて、スイッチ素子３０を制御する。このため、電源配線４１に第１共振ノイズＶｎ１が発生すると、一次電流Ｉ１は、通電状態と遮断状態とを繰り返すようになる。この結果、二次電圧Ｖ２は、一次電流Ｉ１の挙動に応じて振動し、点火プラグ６０のスパークに必要な電圧よりも低下してしまうことがある。

そこで、ターンオン遅延調整回路２２は、一次側コイル５１への一次電流の遮断に起因して発生する第１共振ノイズＶｎ１を低減させるように、スイッチ素子３０を制御する。

具体的には、第１共振ノイズＶｎ１は、スイッチ素子制御回路２０の点火制御信号Ｓ２に入力された後、時刻Ｔ２に一次側コイル５１に再び一次電流Ｉ１を通電させる。第１共振ノイズＶｎ１によって一次側コイル５１が再び通電されると、それに起因した第２共振ノイズＶｎ２が電源配線４１に発生する。この第２共振ノイズＶｎ２が第１共振ノイズＶｎ１に対して逆位相の場合、第１共振ノイズＶｎ１は減衰する。したがって、ターンオン遅延調整回路２２は、第２共振ノイズＶｎ２がその発生時刻（時刻Ｔ２）において第１共振ノイズＶｎ１に対して逆位相（約１８０度の位相差）となるように、スイッチ素子３０の制御タイミング（ターンオン）を遅らせる。

これにより、第２共振ノイズＶｎ２が第１共振ノイズＶｎ１を弱める（打ち消し合う）方向に作用し、第１共振ノイズＶｎ１の減衰を早めることができる。この結果、以降の第１共振ノイズＶｎ１に起因する一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の通電を、解消、或いは殆ど無視できる通電時間にすることができ、所望の二次電圧Ｖ２を得ることができ、点火プラグ６０による点火を適切に制御することが可能となる。

尚、ターンオン遅延調整回路２２は、点火制御信号Ｓ２が閾値未満となった時、スイッチ素子３０に一次側コイル５１への一次電流Ｉ１を遮断させて良い。即ち、ターンオン遅延調整回路２２は、スイッチ素子３０のターンオフのタイミングを遅延させなくて良い。これにより、点火コイル５０の点火応答性を確保することができる。

ここで、一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の遮断に起因して発生する第１共振ノイズＶｎ１の振動周期Ｔは、点火コイル５０と直流電源４０との間の電源配線４１のパラメータに基づいて、数１０μｓ程度であると想定される。したがって、ターンオン遅延調整回路２２は、比較的低コストな回路で、第１共振ノイズＶｎ１による一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の通電タイミングを遅延させることができる。尚、一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の制御タイミング（通電時間）を遅らせる場合、第１共振ノイズＶｎ１の振動周期Ｔ（数１０μｓ程度）は、点火プラグ６０のスパークに必要な一次側コイル５１の通電時間は２〜５ｍｓに比べて短いため、その遅れによる影響は無視できる。

次に、第２実施例に係る点火装置について説明する。尚、第２実施例に係る点火装置２は、第１実施例に係る点火装置１とは、スイッチ素子制御回路の構成が異なる。第１実施例と同一の構成には、同一符号を用いて説明を省略する。

図３は、第２実施例に係る点火装置の構成図である。

第２実施例に係る点火装置２のスイッチ素子制御回路１２０は、入力回路２１と、ターンオン遅延調整回路２２と、プリドライバ回路２３とに加え、「計時部」の一例としての計時回路２５と、判定回路２６と、パス選択回路２７とを有している。

計時回路２５は、点火信号Ｓ１の遮断時間を測定する。判定回路２６は、計時回路２５が測定した結果（遮断時間）が所定時間（下限閾値から上限閾値）の範囲内であるか否かを判定する。パス選択回路２７は、判定回路２６の判定結果に基づいて、ターンオン遅延を付加するパスと、ターンオン遅延を付加しないパスとを選択する。パス選択回路２７は、通電制御直前の遮断時間の長さに基づいて、ターンオン遅延調整の実施の有無を選択して良い。

例えば、パス選択回路２７は、計時回路２５が測定した結果（遮断時間）が第１共振ノイズＶｎ１の振動周期Ｔよりも長い場合、スイッチ素子３０を点火制御振動Ｓ２に基づいて制御して良い。即ち、パス選択回路２７は、第１共振ノイズＶｎ１による一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の通電タイミングを遅らせなくても良い。

具体的には、点火信号Ｓ１の通常想定される遮断時間の最小値は、エンジンの最大回転数に基づいて算出される点火サイクルの最小値から、点火プラグ６０がスパークするために必要な点火コイル５０の通電時間を、差し引いたものとなる。４ストロークエンジンの場合、点火サイクルの最小値は、エンジンの最大回転数を８０００ｒｐｍとすると、１５ｍｓ（＝６６．６Ｈｚ）であり、１２０００ｒｐｍとしても、１０ｍｓ（＝１００Ｈｚ）である。点火プラグ６０がスパークするために必要な点火コイル５０の通電時間を２〜５ｍｓとすると、通常想定される遮断時間の最小値は５ｍｓである。したがって、一次側コイル５１への通電直前の点火信号Ｓ１の遮断時間が、第１共振ノイズＶｎ１の振動周期Ｔよりも十分に長い場合、ＥＣＵ１０の正常な点火信号Ｓ１と判定し、ターンオン遅延を付加せず、一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の通電タイミングを変化させなくても良い。

さらに、パス選択回路２７は、計時回路２５が測定した結果（遮断時間）が第１共振ノイズＶｎ１の振動周期Ｔよりも短い場合、スイッチ素子３０を点火制御振動Ｓ２に基づいて制御して良い。即ち、パス選択回路２７は、第１共振ノイズＶｎ１による一次側コイル５１への一次電流Ｉ１の通電タイミングを遅らせなくても良い。これにより、外乱のサージやノイズによって発生する比較的短い遮断時間を拡張しないことも可能である。

次に、第３実施例に係るターンオン遅延調整回路について説明する。尚、第３実施例に係る点火装置は、第１実施例に係る点火装置１とは、ターンオン遅延調整回路の構成が異なる。第１実施例と同一の構成には、同一符号を用いて説明を省略する。

図４は、第３実施例に係るターンオン遅延調整回路の構成図である。

第３実施例に係る点火装置のターンオン遅延調整回路２２ａは、点火制御信号Ｓ２のＨｉｇｈレベルを通電とし、点火制御信号Ｓ２のＬｏｗレベルを遮断極性とした場合、抵抗器Ｒ及びコンデンサＣを有する一次遅れフィルタと、ターンオフ時に抵抗Ｒをバイパスするダイオード７１とを備えるアナログ回路である。

次に、第４実施例に係るターンオン遅延調整回路について説明する。尚、第４実施例に係る点火装置は、第１実施例に係る点火装置１とは、ターンオン遅延調整回路の構成が異なる。第１実施例と同一の構成には、同一符号を用いて説明を省略する。

図５は、第４実施例に係るターンオン遅延調整回路の構成図である。

第４実施例に係る点火装置のターンオン遅延調整回路２２ｂは、比較判定回路８１と、極性変化検知回路８２と、サイクル遅延回路８３と、アンド回路８４とを有するデジタル回路である。

比較判定回路８１は、点火制御信号S２が特定の閾値よりも高いレベルをＨｉｇｈとし、点火制御信号S２が特定の閾値よりも低いレベルをＬｏｗとして極性を判定する。極性変化検知回路８２は、点火制御信号S２のＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへの極性変化を検知する。サイクル遅延回路８３は、極性変化検知回路８２が点火制御信号S２のＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへの極性変化を検知した場合のみ、基準周期信号S５のサイクル周期を最少単位として、所定のサイクル周期分の遅延を付加した遅延調整後信号S３を生成する。アンド回路８４は、サイクル遅延回路８３の出力（遅延調整後信号S３）と、比較判定回路８１の出力（点火制御信号Ｓ２）とが共にＨｉｇｈの場合にのみ、遅延調整後信号S３を出力する。

次に、第５実施例に係る点火装置について説明する。尚、第５実施例に係る点火装置５は、第１実施例に係る点火装置とは、スイッチ素子制御回路の構成が異なる。第１実施例と同一の構成には、同一符号を用いて説明を省略する。

図６は、第５実施例に係る点火装置の構成図である。

第５実施例に係る点火装置５のスイッチ素子制御回路２２０は、入力回路２１と、ターンオン遅延調整回路２２と、プリドライバ回路２３とに加え、コンパレータ９１と、遅延設定レジスタ９２とを有している。

コンパレータ９１は、ＥＣＵ命令信号Ｓ１の種類を判定する。遅延設定レジスタ９２には、ＥＣＵ命令信号Ｓ１の種類に応じたスイッチ素子３０の制御タイミングの遅延量Ｔｄをレジスタ設定値９３として記録した遅延量マップを有している。遅延設定レジスタ９２は、コンパレータ９１の判定結果と、遅延量マップとに基づいて、レジスタ設定値９３をターンオン遅延調整回路２２に出力する。

本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。

例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換える事が可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。制御線や信号線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や信号線を示しているとは限らない。

例えば、上記した実施例のターンオン遅延調整回路２２、２２ａ、２２ｂは、入力回路２１の下流側に配設されている。これに限らず、ターンオン遅延調整回路２２、２２ａ、２２ｂは、入力回路２０の上流側に配設しても良く、電源配線４１と信号配線１１との間で第１共振ノイズＶｎ１が注入されるカップリングポイントと、スイッチ素子３０との間に配設されていれば良い。

さらに、例えば、第１共振ノイズＶｎ１が複数の振動周期Ｔに亘る場合、ターンオン遅延調整回路２２、２２ａ、２２ｂは、前の振動周期よりも後の振動周期程、スイッチ素子３０の制御タイミングの遅延量Ｔｄを増加させて良い。これにより、周期的に発生する第１共振ノイズＶｎ１の減衰を早めることができる。

１…点火装置、２…点火装置、５…点火装置、１０…ＥＣＵ、２０…スイッチ素子制御回路、２２…ターンオン遅延調整回路、２２ａ…ターンオン遅延調整回路、２２ｂ…ターンオン遅延調整回路、２５…計時回路、３０…スイッチ素子、４０…直流電源、５０…点火コイル、５１…一次側コイル、５２…二次側コイル、６０…点火プラグ、１２０…スイッチ素子制御回路、２２０…スイッチ素子制御回路、Ｉ１…一次電流、Ｓ１…ＥＣＵ命令、Ｓ２…点火制御信号、Ｔ…振動周期、Ｔｄ…遅延量、Ｖｎ１…第１共振ノイズ、Ｖｎ２…第２共振ノイズ

Claims (5)

1. 直流電源に接続される一次側コイルと、前記一次側コイルと磁気的に結合されると共に点火プラグに接続される二次側コイルと、を有する点火コイルと、
   前記一次側コイルへの一次電流の通電と遮断とを切り替えるスイッチ素子と、
   電子制御装置から供給される点火制御信号に基づいて前記スイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部と、
   を備える内燃機関の点火装置であって、
   前記電子制御装置と前記スイッチ素子との間には、前記一次側コイルへの前記一次電流の遮断に起因して発生する第１共振ノイズを低減させるように、前記スイッチ素子の制御タイミングを遅らせる遅延部が配設され、
   前記遅延部は、前記第１共振ノイズによる前記一次側コイルへの前記一次電流の通電に起因して発生する第２共振ノイズが、前記第１共振ノイズに対して逆位相となるように、前記スイッチ素子の制御タイミングを遅らせる内燃機関の点火装置。
2. 前記遅延部は、前記点火制御信号が閾値未満となった時、前記スイッチ素子に前記一次側コイルへの前記一次電流を遮断させる、
   請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 直流電源に接続される一次側コイルと、前記一次側コイルと磁気的に結合されると共に点火プラグに接続される二次側コイルと、を有する点火コイルと、
   前記一次側コイルへの一次電流の通電と遮断とを切り替えるスイッチ素子と、
   電子制御装置から供給される点火制御信号に基づいて前記スイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部と、
   前記点火制御信号の遮断時間を計時する計時部を備える内燃機関の点火装置であって、
   前記電子制御装置と前記スイッチ素子との間には、前記一次側コイルへの前記一次電流の遮断に起因して発生する第１共振ノイズを低減させるように、前記スイッチ素子の制御タイミングを遅らせる遅延部が配設され、
   前記遅延部は、前記遮断時間に基づいて、前記スイッチ素子の制御タイミングを遅らせる内燃機関の点火装置。
4. 前記遅延部は、前記遮断時間が上限閾値よりも長い場合、前記スイッチ素子を点火制御信号に基づいて制御する、
   請求項３に記載の内燃機関の点火装置。
5. 前記遅延部は、前記遮断時間が下限閾値よりも短い場合、前記スイッチ素子を点火制御信号に基づいて制御する、
   請求項３に記載の内燃機関の点火装置。

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