JP7144981B2 - 点火装置 - Google Patents

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Description

本発明は、汎用の内燃装置(エンジン)に用いられる点火装置に関する。
内燃装置(エンジン)には、永久磁石を用いて発電する磁石発電機が用いられる場合がある。磁石発電機は、点火コイルと、その点火コイルをドライブするための点火ドライブ回路とを有する。
点火コイルは、コアと、コアの外周側に巻回される1次コイルと、1次コイルの外周側に巻回される2次コイルとを有する。点火ドライブ回路は、1次コイルに誘起する1次電圧を用いて点火コイルに1次電流を流し、その1次電流を遮断して2次コイルに点火用の2次電圧を誘起させる。
このような磁石発電機として、下記の特許文献1に進角付トランジスタ点火装置が開示されている。この進角付トランジスタ点火装置は、点火コイルに流れる電流の遮断ピーク電流値を、エンジンの回転数の上昇に応じて減少させることで、高回転時の火花発生エネルギーを略一定にしている。
特開平1-219356号公報
しかし、特許文献1の進角付トランジスタ点火装置では、進角幅を大きく動かすことができない。このため、エンジンの高出力、低燃費化に十分効果を得るのは難しく、内燃装置の低出力化が想定される。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、内燃装置の始動性を高めつつ高出力化を図ることができる点火装置を提供することを目的とする。
本発明の態様は、点火装置であって、フライホイールの外側に配置されるコアと、前記コアに設けられた点火ユニットと、前記点火ユニットが間に位置するよう互いに間隔をあけて、前記コアの一端側と他端側から前記フライホイールに向けて延びる一対のヨークと、を備え、前記点火ユニットは、前記コアの外周側に巻回される1次コイルと、前記1次コイルの外周側に巻回される2次コイルと、前記1次コイルに誘起する1次電圧を用いて前記1次コイルに1次電流を流し、前記1次電流を遮断して前記2次コイルに2次電圧を誘起させる点火ドライブ回路と、前記点火ドライブ回路を制御する制御回路と、前記1次電圧を昇圧する昇圧部を有し、昇圧された前記1次電圧を用いて前記制御回路を駆動させるための駆動電圧を生成する電源回路と、を有し、前記一対のヨークにおける各々の端部は、前記フライホイールの周方向に沿って前記コアから離れる側に迫り出しており、前記フライホイールの外周面上に設けられた永久磁石における前記周方向の一端から他端までのマグネット幅に対する、前記端部における前記周方向の一端から他端までのヨーク端幅の比率は60~100%とされ、前記一対のヨーク間のヨーク間隔に対する、前記マグネット幅の比率は95~100%とされる。
本発明によれば、内燃装置の始動性を高めつつも、内燃装置の高出力化を図ることができる。
内燃装置の一部を示す図である。 図1の一部分を断面で示す図である。 ヨークにおける従来との形状の違いを示す図である。 点火装置の回路構成を示す図である。 1次電圧波形を示す図である。 実施例1の1次電圧波形を示す図である。 実施例2の1次電圧波形を示す図である。
以下、本発明について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図1および図2を用いて内燃装置10の構成を説明する。内燃装置10は、シリンダ内で燃料を燃焼させることで得られるガスを作動流体として用いる原動機であり、磁石回転体12と、点火装置14とを有する。
磁石回転体12は、回転子であり、フライホイール20と永久磁石22とを有する。フライホイール20は、環状に形成されており、内燃装置10における不図示のクランクシャフトに取り付けられ、クランクシャフトの回転に連動して回転する。このフライホイール20の外周の一部には凹部20aが形成される。
永久磁石22は、フライホイール20の凹部20a内に固定されることでフライホイール20の外周面上に設けられる。永久磁石22は、磁化の方向がフライホイール20の径方向に向くように着磁されている。なお、フライホイール20の周方向に相対する凹部20aの両端部分は永久磁石22により磁化されており、当該両端部分に磁化される磁極と、永久磁石22の外周側の磁極とは相反している。
点火装置14は、固定子であり、コア24、点火ユニット26(図2参照)および一対のヨーク28を有する。コア24は、棒状に形成された芯部材であり、フライホイール20の外側に配置される。コア24は、クランクシャフトの軸方向およびフライホイール20の径方向に略直交する状態で、略真っ直ぐに延びている。
点火ユニット26は、図2に示すように、ケース30と、ケース30の内部に設けられた1次ボビン32、1次コイル34、2次ボビン36、2次コイル38および基板39とを有する。1次ボビン32はコア24の外周側に設けられ、1次コイル34は1次ボビン32を介してコア24の外周側に巻回される。2次ボビン36は1次コイル34の外周側に設けられ、2次コイル38は2次ボビン36を介して1次コイル34の外周側に巻回される。基板39は、2次コイル38の外周側において2次ボビン36に支持される。この基板39には、後述する点火装置14の回路が設けられる。
2次コイル38と、ケース30の外部に設けられた点火プラグ40(図4参照)とはコード42により接続される。2次コイル38に誘起した点火用の2次電圧は、コード42を介して、点火プラグ40に印加される。なお、ケース30は、内燃装置10の筐体などに固定され、当該ケース30の内部には、エポキシ樹脂などの樹脂が充てんされている。
一対のヨーク28は、点火ユニット26が間に位置するよう互いに間隔をあけてコア24に連結されており、コア24の一端側と他端側からフライホイール20に向けてそれぞれ延びている。なお、図1および図2に示す例では、一対のヨーク28とコア24とはおおむね「C」の形状となるよう連結されている。
一対のヨーク28における各々の端部28aは、フライホイール20と僅かな隙間を隔てて離隔しており、フライホイール20の周方向に沿ってコア24の端部から離れる側に迫り出している。なお、図3の二点鎖線で示すように、従来では一対のヨークの各々の端部は、コア24の端部から離れる側に迫り出していない形状であることが多い。
本実施形態の場合、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率は60~100%とされ、ヨーク間隔INに対するマグネット幅W1の比率は95~100%とされる。このような比率が設定されることで、内燃装置10の始動性を高めつつ高出力化を図ることができる。これについては後述する。
なお、マグネット幅W1は、フライホイール20の外周面上に設けられた永久磁石22における、フライホイール20の周方向の一端から他端までの直線距離である。ヨーク端幅W2は、ヨーク28の端部28aにおける、フライホイール20の周方向の一端から他端までの直線距離である。ヨーク間隔INは、互いに離隔して配置された一対のヨーク28間の直線距離である。
次に、図4を用いて点火装置14の回路構成を説明する。点火装置14は、点火ユニット26における基板39に設けられる回路として、電源回路50、クランク信号検出回路52、制御回路54および点火ドライブ回路56を主に備える。なお、図4に示されている1次コイル34、2次コイル38および点火プラグ40は、基板39に設けられる回路ではない。
電源回路50は、1次コイル34に誘起する1次電圧に基づいて、制御回路54を駆動させるための駆動電圧を生成する回路である。この電源回路50は、1次コイル34に誘起した1次電圧を昇圧する昇圧部60と、昇圧された1次電圧が過電圧になることを抑制する過電圧保護部62と、昇圧された1次電圧を略一定の駆動電圧として出力する定電圧部64とを有する。
クランク信号検出回路52は、1次コイル34に誘起する1次電圧に基づいて、回転角を検出する回路である。このクランク信号検出回路52は、回転角の検出結果をクランク信号として制御回路54に出力する。
制御回路54は、電源回路50から供給される駆動電圧により駆動する。制御回路54は、駆動すると、クランク信号検出回路52から出力されるクランク信号に基づいて点火ドライブ回路56を制御する。
点火ドライブ回路56は、1次コイル34に誘起する1次電圧を用いて点火ユニット26に1次電流を流し、その1次電流を遮断して2次コイル38に2次電圧を誘起させる回路である。この点火ドライブ回路56は、トランジスタTr、絶縁スイッチ70、自動点火部72、スイッチドライブ74、1次電圧制限部76および1次電流制限部78を有する。
トランジスタTrは、1次コイル34に1次電流を流すためのものである。このトランジスタTrのベースは、スイッチドライブ74に接続され、トランジスタTrのコレクタは、グランドに接続され、トランジスタTrのエミッタは、1次コイル34の一端側に接続される。なお、1次コイル34の一端側は、1次コイル34の両端のうち、グランドに接続される側の端とは逆の端側である。
絶縁スイッチ70は、制御回路54と電気的に絶縁された状態であり、当該制御回路54から与えられる点火指令に応じたスイッチング信号を出力する。なお、絶縁スイッチ70の具体例としては、フォトカプラなどが挙げられる。
自動点火部72は、1次コイル34に誘起した1次電圧が所定の閾値を跨いだとき、1次コイル34に1次電流を流す動作を開始させるものである。この閾値は、制御回路54を駆動するために必要となる最小限電圧よりも低い値とされる。したがって、フライホイール20が低速回転であるために電源回路50で生成される駆動電圧が最小限電圧を確保できなくても、1次コイル34に1次電流を流すことができる。「1次電圧が所定の閾値を跨いだとき」とは、例えば1次電圧が所定の閾値以上になった後、所定の閾値以下になったとき、あるいは、1次コイル34に1次電流が流れ始めた後、1次電圧が所定の閾値以上になったときなどを指す。
具体的に、自動点火部72は、1次コイル34に誘起した1次電圧が所定の閾値を跨いだとき、ドライブ信号を生成してスイッチドライブ74に出力する。一方、電源回路50で生成された駆動電圧によって制御回路54が駆動した場合には、自動点火部72には絶縁スイッチ70からスイッチング信号が与えられるようになる。自動点火部72は、絶縁スイッチ70からスイッチング信号が与えられると、そのスイッチング信号が与えられている間は、ドライブ信号に代えてスイッチング信号をスイッチドライブ74に出力する。
スイッチドライブ74は、ドライブ信号またはスイッチング信号に応じてトランジスタTrを駆動するものである。すなわち、スイッチドライブ74は、ドライブ信号が与えられているときには、そのドライブ信号に応じてトランジスタTrをオン動作またはオフ動作させる。また、スイッチドライブ74は、スイッチング信号が与えられているときには、そのスイッチング信号に応じてトランジスタTrをオン動作またはオフ動作させる。トランジスタTrがオン動作すると、トランジスタTrのコレクタからエミッタに1次電流が流れ、1次コイル34に1次電流が流れる。一方、トランジスタTrがオフ動作すると、1次コイル34への1次電流の流れが遮断される。
1次電圧制限部76は、2次コイル38に誘起する2次電圧が所定値を超えないよう1次電圧を制限するものである。この1次電圧制限部76は、トランジスタTrのベースとグランドとの間に設けられる。なお、1次電圧制限部76として、例えば、ツェナダイオードまたはスナバ回路などを用いることができる。
1次電流制限部78は、1次電流の最大値が所定値以下となるように1次コイル34に流れる1次電流を制限するものである。この1次電流制限部78は、トランジスタTrのエミッタと、1次コイル34の一端との間に設けられる。なお、1次電流制限部78として、例えば、適宜の値を有する抵抗などを用いることができる。
次に、図5を用いて1次コイル34に誘起する1次電圧について説明する。クランクシャフトの回転に連動してフライホイール20が回転し、そのフライホイール20の外周面に位置する永久磁石22が点火ユニット26に近づくと、1次コイル34には副電圧(正方向の1次電圧)V1が所定の回転角の間だけ誘起する。
フライホイール20の回転が進んで点火ユニット26側に永久磁石22が向かうに応じて、副電圧V1に代わって主電圧(負方向の1次電圧)V2が所定の回転角の間だけ1次コイル34に誘起する。フライホイール20の回転がさらに進むと、主電圧V2に代わって副電圧V3が所定の回転角の間だけ1次コイル34に再び誘起する。フライホイール20の回転がさらに進んで永久磁石22が点火ユニット26から離れると、副電圧V3が消失する。
次に、図4を用いて点火装置14の動作を説明する。上記のように、1次コイル34に副電圧V1、V3が誘起したときには、1次コイル34には他端側(グランド側)から一端側(グランド側とは逆側)に向かって電流が流れる。このとき、点火装置14では、電源回路50が駆動電圧を生成し、その駆動電圧に基づいて、点火ドライブ回路56を制御する制御回路54が駆動する。
一方、1次コイル34に主電圧V2が誘起したときには、1次コイル34には一端側(グランド側とは逆側)から他端側(グランド側)に向かって電流が流れる。このとき、制御回路54は、主電圧V2の誘起前に誘起していた副電圧V1を基に駆動した状態であり、クランク信号に基づいて点火ドライブ回路56を制御する。すなわち、制御回路54は、点火ドライブ回路56のトランジスタTrを駆動させて1次コイル34に1次電流を流し、所定の回転角となったときにトランジスタTrを停止させて1次コイル34に流れる1次電流を遮断する。これにより、2次コイル38に点火用の2次電圧が誘起する。
ところで、始動時などの低速回転時に誘起する副電圧V1、V3は小さくなる。本実施形態では、電源回路50が昇圧部60を有しているため、副電圧V1、V3が小さくても、制御回路54を駆動して1次コイル34に1次電流を流すことができる。したがって、低速回転時の始動性を向上することができる。
また、低速回転時よりも相対的に低い極低速回転時では、昇圧部60で副電圧V1、V3が昇圧されても制御回路54に対する駆動電圧を生成できない場合がある。このような場合であっても、本実施形態では、点火ドライブ回路56が自動点火部72を有しているため、1次コイル34に1次電流を流すことができる。したがって、低速回転時の始動性および安定性を向上することができる。
本実施形態では、自動点火部72は、1次コイル34に誘起した1次電圧が所定の閾値を跨いだとき、1次コイル34に1次電流を流す動作を開始させた。これにより、制御回路54に対する駆動電圧を生成できない場合に、自動点火部72が1次コイル34に1次電流を流すことができる。特に、所定の閾値以上になった1次電圧が、所定の閾値以下になったときに、自動点火部72が1次コイル34に1次電流を流す動作を開始する場合、始動後に生じた負荷によって回転数が低下して極低速回転時となっても、失火を抑制することができ、低速回転時の始動性および安定性をより一層向上させることができる。
[実施例1]
実施例1は、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率を70%で固定とし、ヨーク間隔INに対するマグネット幅W1の比率が105%、97.5%、90%である場合の各々の1次電圧波形を測定した。図6は、この測定結果を示すものである。なお、図6に示す1次電圧波形は、上記の点火ドライブ回路56における1次電流制限部78がない状態で測定されている。
図6に示すように、ヨーク間隔INに対するマグネット幅W1の比率が90%の1次電圧波形では、当該比率が97.5%の1次電圧波形に比べて副電圧が低下する。一方、ヨーク間隔INに対するマグネット幅W1の比率が105%の1次電圧波形では、当該比率が97.5%の1次電圧波形に比べて主電圧のピーク幅が狭く、進角幅が小さい。
1次電圧波形における副電圧を高くすること、および、主電圧の進角幅を広くすることの双方を有意に満足する、ヨーク間隔INに対するマグネット幅W1の比率を検証した結果、当該比率は、95~100%であることが分かった。なお、図6の1次電圧波形は、検証の一部を示すものである。
つまり、ヨーク間隔INに対するマグネット幅W1の比率が95~100%であれば、制御回路54を駆動するための電源を確保しつつ、放電エネルギーも確保することができる。したがって、内燃装置10の始動性を低下させることなく、内燃装置10の高出力化を図ることができる。
[実施例2]
実施例2は、ヨーク間隔INに対するマグネット幅W1の比率を100%で固定とし、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率が40%、60%、80%、100%である場合の各々の1次電圧波形を測定した。図7は、この測定結果を示すものである。なお、図7に示す1次電圧波形は、横軸が機械角(°)であることと、上記の点火ドライブ回路56における1次電流制限部78がある状態で測定されている。このため、図7に示す1次電圧波形の形状は、図6に示す1次電圧波形の形状と若干異なっている。
図7では、点火に用いることができる主電圧を十分に確保することができる領域、つまりこの領域内であればどこでも点火制御が可能となる機械角幅を、点火制御幅θwと設定している。図7に示すように、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率が60%以上の1次電圧波形では、1次電圧がV1からV2に切り替わるときを基準として設定した基準角度θ0から所定の点火制御幅θwの範囲内において主電圧が発生している。これに対し、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率が40%の1次電圧波形では、点火制御幅θwの範囲内において主電圧が発生しない角度(時間)がある。この主電圧が発生しない角度(時間)は、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率が60%未満であることが分かった。また、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率が100%を超える領域では、大きな主電圧を発生させることはできるが、装置の大型化を招く。したがって、点火制御幅θwの範囲内における主電圧を確保しながらも、適切な装置の大きさを確保できる。
つまり、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率が60~100%であれば、進角幅を広く確保することができる。したがって、内燃装置10の高出力化を図ることができる。
また、図7からも分かるように、マグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率が60~100%であれば、当該比率が60%未満の場合に比べて、副電圧を高めることができる。したがって、内燃装置10の始動性を高めることができる。
このようにマグネット幅W1に対するヨーク端幅W2の比率が60~100%であれば、内燃装置10の始動性を高めつつも、内燃装置10の高出力化を図ることができる。
[実施形態から得られる技術的思想]
上記実施形態および実施例から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。
点火装置(14)は、フライホイール(20)の外側に配置されるコア(24)と、コア(24)に設けられた点火ユニット(26)と、点火ユニット(26)が間に位置するよう互いに間隔をあけて、コア(24)の一端側と他端側からフライホイール(20)に向けて延びる一対のヨーク(28)とを備える。
点火ユニット(26)は、コア(24)の外周側に巻回される1次コイル(34)と、1次コイル(34)の外周側に巻回される2次コイル(38)と、1次コイル(34)に誘起する1次電圧を用いて1次コイル(34)に1次電流を流し、1次電流を遮断して2次コイル(38)に2次電圧を誘起させる点火ドライブ回路(56)と、点火ドライブ回路(56)を制御する制御回路(54)と、1次電圧を昇圧する昇圧部(60)を有し、昇圧された1次電圧を用いて制御回路(54)を駆動させるための駆動電圧を生成する電源回路(50)とを有する。
一対のヨーク(28)における各々の端部(28a)は、フライホイール(20)の周方向に沿ってコア(24)から離れる側に迫り出している。
この点火装置(14)では、フライホイール(20)の外周面上に設けられた永久磁石(22)における周方向の一端から他端までのマグネット幅(W1)に対する、端部(28a)における周方向の一端から他端までのヨーク端幅(W2)の比率は60~100%とされる。また、一対のヨーク(28)間のヨーク間隔(IN)に対する、マグネット幅(W1)の比率は95~100%とされる。
このような点火装置(14)によれば、副電圧(V1、V3)を高めつつ進角幅を広く確保することができるため、内燃装置(10)の始動性を高めつつ高出力化を図ることができる。
また、電源回路(50)は昇圧部(60)を有しているため、1次電圧が小さくても、制御回路(54)を駆動して1次コイル(34)に1次電流を流すことができる。したがって、低速回転時の始動性をより一段と高めることができる。
なお、従来において低速回転時の始動性を高める場合、昇圧部(60)の機能を持たせるために1次コイル、2次コイルおよび電源回路とは別体の大きな電源が設けられていた。これに対し、点火装置(14)では、電源回路(50)の昇圧部(60)と、1次コイル(34)の外周側に巻回された2次コイル(38)とによって低速回転時の始動性を高めることができる。このため、従来の場合に比べて、点火装置(14)における部品点数を低減し、小型化を図ることができる。
点火ドライブ回路(56)は、1次電圧を制限する1次電圧制限部(76)を有するようにしてもよい。このようにすれば、過度の2次電圧が点火プラグ(40)に与えられることを防止できるため、点火プラグ(40)の劣化を軽減することができる。
点火ドライブ回路(56)は、1次コイル(34)に流れる1次電流を制限する1次電流制限部(78)を有するようにしてもよい。このようにすれば、過度の1次電流が点火ドライブ回路(56)および1次コイル(34)に流れることを防止できるため、点火ドライブ回路(56)の回路部品の劣化および点火ユニット(26)における発熱による劣化を軽減することができる。
点火ドライブ回路(56)は、1次コイル(34)に誘起した1次電圧が所定の閾値を跨いだとき、1次コイル(34)に1次電流を流す動作を開始させる自動点火部(72)を有するようにしてもよい。このようにすれば、低速回転時の始動性をより一段と高めることができる。また、負荷が生じて回転数が低下し、極低速回転となったときに失火することを抑制できる。
10…内燃装置 14…点火装置
20…フライホイール 22…永久磁石
24…コア 26…点火ユニット
34…1次コイル 38…2次コイル
50…電源回路 56…点火ドライブ回路
60…昇圧部 72…自動点火部
76…1次電圧制限部 78…1次電流制限部

Claims (3)

  1. フライホイールの外側に配置されるコアと、
    前記コアに設けられた点火ユニットと、
    前記点火ユニットが間に位置するよう互いに間隔をあけて、前記コアの一端側と他端側から前記フライホイールに向けて延びる一対のヨークと、
    を備え、
    前記点火ユニットは、
    前記コアの外周側に巻回される1次コイルと、
    前記1次コイルの外周側に巻回される2次コイルと、
    前記1次コイルに誘起する1次電圧を用いて前記1次コイルに1次電流を流し、前記1次電流を遮断して前記2次コイルに2次電圧を誘起させる点火ドライブ回路と、
    前記点火ドライブ回路を制御する制御回路と、
    前記1次電圧を昇圧する昇圧部を有し、昇圧された前記1次電圧を用いて前記制御回路を駆動させるための駆動電圧を生成する電源回路と、
    を有し、
    前記一対のヨークにおける各々の端部は、前記フライホイールの周方向に沿って前記コアから離れる側に迫り出しており、
    前記フライホイールの外周面上に設けられた永久磁石における前記周方向の一端から他端までのマグネット幅に対する、前記端部における前記周方向の一端から他端までのヨーク端幅の比率は60~100%とされ、
    前記一対のヨーク間のヨーク間隔に対する、前記マグネット幅の比率は95~100%とされ
    前記点火ドライブ回路は、前記1次コイルに誘起した前記1次電圧が所定の閾値を跨いだとき、前記1次コイルに前記1次電流を流す動作を開始させる自動点火部を有する、点火装置。
  2. 請求項1に記載の点火装置であって、
    前記点火ドライブ回路は、前記1次電圧を制限する1次電圧制限部を有する、点火装置。
  3. 請求項1または2に記載の点火装置であって、
    前記点火ドライブ回路は、前記1次コイルに流れる前記1次電流を制限する1次電流制限部を有する、点火装置。
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