JP7150039B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車両に搭載される内燃機関用の点火装置に関し、特に、複数の一次コイルを使用して点火プラグに放電を起こす内燃機関用点火装置の改良に関する。

車両搭載の内燃機関として、燃費改善のために直噴エンジンや高ＥＧＲエンジンが採用されているが、これらのエンジンは着火性があまり良くないため、点火装置には高エネルギー型のものが必要になる。そこで、古典的な電流遮断原理により点火コイル一次側から点火コイル二次側に放電エネルギーを与えることに加え、もう一つの一次コイルに通電して二次側へ与えるエネルギーを重畳的に高める重ね放電型点火装置を、本件発明者は提案している。（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に記載の点火装置は、点火コイルの一次電流を遮断することで二次側に発生する数Ｋｖの高圧電圧により、点火プラグの放電間隙に絶縁破壊を起こし、点火コイルの二次側に放電電流を流し始めた後に、もう一つの一次コイルに一次電流を流す。もう一つの一次コイルへの通電で生じる磁束の向きは、一次コイルの通電遮断で磁束が減少する向きと同じである。このため、通電遮断による一次コイルの磁束変化と、もう一つの一次コイルへの通電による発生磁束が、二次コイルに作用することとなる。すなわち、二次コイルには、通常の一次電流遮断による磁束変化よりも大きな磁束変化が作用するので、二次側に発生する磁束を加速させ、二次電流を重畳できる。事実、重ね放電型の点火装置によると、点火プラグに比較的大きな放電エネルギーを得ることができるため、燃料への着火性が向上し、ひいては燃費も向上する。

国際公開第２０１６／１５７５４１号

しかし、特許文献１に記載された重ね放電型点火装置は、もう一つの一次コイルへの通電量や通電時間を変えることで、二次側へ与える重畳エネルギーを調整できるものの、その調整を自動的に行う機能を備えていない。例えば、もう一つの一次コイルに流れる電流をフィードバック制御により希望の電流が流れるように調整すれば、もう一つの一次コイルへの通電制御を自動的に最適化できる。また、二次電流の状態によって、もう一つの一次コイルに流れる電流を増加させたり、逆に減少させたりして、二次電流を好適に保つ様にフィードバック制御を行うことでも、もう一つの一次コイルへの通電制御を自動的に最適化できる。

しかしながら、このような自動制御の機能を内燃機関用点火装置へ実装する場合、制御ユニットが大型化したり、装置自体が高コスト化したりという問題が生じる。制御ユニットが大型化してしまうと、狭小な車両内での搭載場所を別途確保する必要が生じてしまうので、車体の設計から見直さなければならない場合もある。また、制御ユニットが高コストになってしまうと、それだけ車両価格を上げなければならず、市場競争力を担保できない可能性もある。そのため、もう一つのコイルへの通電制御を自動的に最適化する機能を、複雑な回路で構成したり、複雑なアルゴリズムに基づくコンピュータ制御で実現したりしても、市場へ提供し難くなるという問題があった。

そこで、本発明は、点火プラグに発生した火花放電による着火性を必要十分に向上させる自動制御機能を、大型化・高コスト化させずに搭載できる内燃機関用点火装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、内燃機関用点火装置は、点火制御手段からの点火信号のオン・オフによって点火コイルへの通電制御を行うことで、点火コイルの二次側に放電エネルギーを与えて点火プラグに火花放電を起こさせる内燃機関用点火装置において、前記点火コイルは、点火信号がオンで行われる主一次電流の通電により順方向の磁束量が増加し、点火信号がオフになって主一次電流を遮断することにより順方向の磁束量が減少する主一次コイルと、該主一次コイルに対する通電遮断以降の放電期間内に重畳電流を流すことにより、順方向と逆の遮断方向に磁束を発生させる副一次コイルと、一端側が点火プラグと接続され、前記主一次コイルと副一次コイルの磁束変化が作用して放電エネルギーが与えられる二次コイルと、を有し、前記副一次コイルへの通電・遮断を行うと共に、副一次コイルへの通電量を変えることで、遮断方向の磁束量を変化させる副一次コイル通電スイッチ手段と、前記主一次コイルへの通電遮断と同時に前記副一次コイル通電スイッチ手段を動作させて、副一次コイルへの重畳電流供給を開始すると共に、時間経過に伴って重畳電流を増加させるように前記副一次コイル通電スイッチ手段を動作させる重畳制御手段と、を備える。

また、上記の内燃機関用点火装置において、前記重畳制御手段は、点火信号のオンで電荷をショートし、点火信号がオフとなった放電開始と共に充電を開始するコンデンサを備え、充電開始後におけるコンデンサの電荷蓄積状態を指標として、時間経過に伴う重畳電流の増加制御を行う構成でも良い。

また、上記の内燃機関用点火装置において、前記点火コイルの二次側に流れる二次電流を検出する二次電流検出手段と、前記二次電流検出手段の検出値が所定の重畳促進条件を満たすことに基づいて、前記重畳制御手段による重畳電流の増加を促進させる重畳促進手段と、を備える構成でも良い。

また、上記の内燃機関用点火装置において、前記重畳促進手段は、前記二次電流検出手段により検出された二次電流検出値と、二次電流を維持するために重畳電流の増加を促進する指標として予め定めた増加促進基準値とを対比し、検出された二次電流値が増加促進基準値を越えないことを重畳促進条件として用いる構成でも良い。

上記構成の内燃機関用点火装置によれば、副一次コイル通電スイッチ手段と重畳制御手段とによって、副一次コイルへの重畳電流を適切に制御できるので、点火プラグに発生した火花放電による着火性を必要十分に向上させられる。また、副一次コイル通電スイッチ手段と重畳制御手段は、耐熱性および耐ノイズ性の良いディスクリート部品を用いた比較的単純な構造で実現できるので、内燃機関用点火装置自体を小型化・低コスト化できる。

第１実施形態に係る内燃機関用点火装置の概略構成図である。 第１実施形態に係る内燃機関用点火装置の要部における波形を示した波形図である。 第２実施形態に係る内燃機関用点火装置の概略構成図である。 第２実施形態に係る内燃機関用点火装置の要部における波形を示した波形図である。

次に、第１実施形態に係る内燃機関用点火装置１を、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示す内燃機関用点火装置１は、内燃機関の気筒毎に設けられる１つの点火プラグ２に放電火花を発生させる点火コイルユニット１０、この点火コイルユニット１０の動作タイミングを指示する点火信号Ｓｉ等を適宜なタイミングで出力する点火制御手段としての内燃機関駆動制御装置３、車両バッテリ等の直流電源４、直流電源４の供給電圧ＶＢ＋をＶＢｏｏｓｔ＋に昇圧する昇圧手段５等で構成される。なお、点火コイルユニット１０に供給するＶＢｏｏｓｔ＋は、直流電源４から生成する場合に限定されるものではなく、別途、所要電圧の直流電源を設けておき、ＶＢｏｏｓｔ＋を点火コイルユニット１０へ供給しても良い。

また、本実施形態に示す内燃機関用点火装置１においては、点火制御手段としての機能が、自動車の内燃機関を統括的に制御する内燃機関駆動制御装置３に含まれるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、ＥＣＵといった通常の内燃機関駆動制御装置３が有している点火信号生成機能によって生成された点火信号を受けて、適宜な制御信号を生成し、点火コイルユニット１０へ制御信号を出力する点火制御装置を別途設けるようにしても構わない。

点火コイルユニット１０は、点火コイル１１や制御基板等を所要形状のケース１２に収納して一体構造としたユニットである。このケース１２の適所には、高圧端子１２１とコネクタ１２２を設けてあり、高圧端子１２１を介して点火プラグ２を接続すると共に、第１～第５接続端子１２２ａ～１２２ｅを備えるコネクタ１２２を介して、内燃機関駆動制御装置３や直流電源４等と接続する。

点火コイル１１は、主一次コイル１１１ａ（例えば、１１４ターン）と副一次コイル１１１ｂ（例えば、２０ターン）に生ずる磁束を二次コイル１１２（例えば、９３４８ターン）に効率良く作用させるものである。例えば、高透磁性材料で形成したセンターコア１１３を取り巻くように主一次コイル１１１ａおよび副一次コイル１１１ｂを配置し、更にその外側に二次コイル１１２を配置した構造である。

主一次コイル１１１ａの一方端は、コネクタ１２２の第１接続端子１２２ａを介して直流電源４と接続され、電源電圧ＶＢ＋（例えば、１２Ｖ）が印加される。主一次コイル１１１ａの他方端は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いた点火スイッチ１３のコレクタに接続される。点火スイッチ１３のエミッタはコネクタ１２２の第５接続端子１２２ｅを介して接地点ＧＮＤに接続される。二次コイル１１２の一方端は高圧端子１２１を介して点火プラグ２と接続され、他方端はコネクタ１２２の第５接続端子１２２ｅを介して接地点ＧＮＤに接続される。なお、二次コイル１１２から接地へ至る間の線路には、二次コイル１１２から接地点ＧＮＤに向かって順方向となる整流素子Ｄ１（例えば、接地側にカソードを、二次コイル１１２側にアノードをそれぞれ接続したダイオード）を設け、二次電流Ｉ２の流路方向を規制する。

放電サイクルの適宜なタイミングで内燃機関駆動制御装置３より出力される点火信号Ｓｉは、コネクタ１２２の第４接続端子１２２ｄを介して、点火コイルユニット１０内の点火スイッチ１３のゲートに入力される。そして、点火信号Ｓｉが点火スイッチ１３のゲートに入力されると（例えば、点火信号Ｓｉの信号レベルがＬからＨに変わると）、点火スイッチ１３がオンになり、主一次コイル１１１ａの非給電側端部が接地点ＧＮＤに接続される。これにより、主一次コイル１１１ａには、給電側から接地側に向かう主一次電流Ｉ１が流れ始め、主一次電流Ｉ１の流量は増加してゆき、主一次電流Ｉ１ａの流量に応じて発生する通電磁束の磁束量が磁界のエネルギーとして蓄積される。なお、点火コイル１１の二次側には、二次コイル１１２や接続配線等の微少なコンデンサ成分により電気エネルギーが蓄積される。

上記のようにエネルギーが蓄積された後、主一次コイル１１１ａへの通電が所定の点火タイミングで遮断されると、高圧の起電力が二次コイル１１２に生じて点火プラグ２の放電ギャップ間に火花放電が発生し、気筒燃焼室内の混合気に着火する。このとき、主一次コイル１１１ａには、通常の主一次電流Ｉ１ａとは逆向きの電流を流そうとする逆起電力が生ずる。この逆起電力が点火スイッチ１３のコレクタ－エミッタ間に印加されると、点火スイッチ１３が故障したり、点火スイッチ１３の劣化を早めたりする危険性がある。そこで、点火スイッチ１３と並列にバイパス線路１４を設けると共に、このバイパス線路１４の接地点側から点火コイル１１側に向かって順方向となる整流素子Ｄ２（例えば、点火スイッチ１３のコレクタ側にカソードを、点火スイッチ１３のエミッタ側にアノードをそれぞれ接続したダイオード）を設けた。

一方、主一次コイル１１１ａと同様に、鉄心１１３を介して二次コイル１１２に磁界を作用させることが可能な副一次コイル１１１ｂは、その一方端がコネクタ１２２の第２接続端子１２２ｂを介して昇圧手段５と接続され、昇圧電源ＶＢｏｏｓｔ＋が供給される。ＶＢｏｏｓｔ＋の給電線路には、副一次コイル通電スイッチ手段１５と整流素子Ｄ３を設ける。整流素子Ｄ３は、副一次コイル通電スイッチ手段１５から副一次コイル１１１ｂに向かって順方向となる（例えば、ダイオードのカソードを副一次コイル１１１ｂ側に、アノードを副一次コイル通電スイッチ手段１５側にそれぞれ接続する）ように設ける。これにより、副一次電流Ｉ１ｂ（以下、重畳電流という）の流路方向が規制され、副一次コイル通電スイッチ手段１５側へ逆向きの電流が流れることを阻止できる。副一次コイル１１１ｂの他方端は、コネクタ１２２の第５接続端子１２２ｅを介して接地点ＧＮＤに接続される。

副一次コイル通電スイッチ手段１６は、副一次コイル１１１ｂへの通電・遮断を行うと共に、副一次コイル１１１ｂへの通電量を変えることで、遮断方向（主一次コイル１１１ａの通電磁束を減じる方向）に生じる重畳磁束の磁束量を変化させることができる。このようなスイッチングと流量制御の機能は、種々の回路構造で実現できるが、本実施形態では、パワーＭＯＳ－ＦＥＴを用いた第１スイッチ素子１５１とｎｐｎ型バイポーラトランジスタを用いた第２スイッチ素子１５２で構成した例を示す。なお、通電磁束と重畳磁束の向きを逆にするためには、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂの巻回方向を逆向きにするか、主一次コイル１１１ａへの給電方向と副一次コイル１１１ｂへの給電方向を逆向きにしておけば良い。

上述した副一次コイル通電スイッチ手段１５の動作は、重畳制御手段１６の制御によって行う。重畳制御手段１６は、主一次コイル１１１ａへの通電遮断と同時に副一次コイル通電スイッチ手段１５を動作させて、副一次コイル１１１ｂへの重畳電流供給を開始させる。その後の時間経過に伴って、重畳制御手段１６は、副一次コイル１１１ｂに流れる重畳電流Ｉ１ｂを増加させるように、副一次コイル通電スイッチ手段１５の動作を制御する。重畳制御手段１６による副一次コイル通電スイッチ手段１５の制御は、副一次コイル通電制御信号Ｓｃによって行う。このような副一次コイル通電制御信号Ｓｃの生成機能は、種々の回路構造で実現できるが、本実施形態では、第１コンパレータ１６１とコンデンサＣと第３スイッチ素子１６２を用いて構成した例を示す。なお、重畳制御手段１５では、重畳電流Ｉ１ｂの流量を利用するため、副一次コイル１１１ｂからコネクタ１２２へ至る間の流路に抵抗Ｒ１を介挿し、この電圧変化を重畳電流検出信号線１７によって取得できる構造とした。

次に、副一次コイル通電手段１５の回路について説明する。第１スイッチ素子１５１のソースはＶＢｏｏｓｔ＋の給電側に、第１スイッチ素子１５１のドレインは副一次コイル１１１ｂ側（正確には、整流素子Ｄ３のアノード側）にそれぞれ接続してある。よって、第１スイッチ素子１５１のゲートに、ゲートしきい値電圧以上の電圧が印加されると、第１スイッチ素子１５１がオンとなって、副一次コイル１１１ｂへＶＢｏｏｓｔ＋が供給される。また、第１スイッチ素子１５１は、ゲート－ソース間電圧を上げることによって、大きなドレイン電流を流すことができるので、ゲートへの印加電圧を上げることにより、重畳電流Ｉ１ｂを増加させることができる。

第１スイッチ素子１５１の給電側には、給電線と接地線を繋ぐ線路を形成し、該線路中に抵抗Ｒ２と第２スイッチ素子１５２を設けてある。そして、抵抗Ｒ２と第２スイッチ素子１５２との間の電位が第１スイッチ素子１５１のゲート入力となる。ｎｐｎ型バイポーラトランジスタを用いた第２スイッチ素子１５２のコレクタは抵抗Ｒ２側に、エミッタは接地側に接続してあるので、ベースへの入力電流に応じてエミッタ－コレクタ間電流を制御できる。すなわち、第２スイッチ素子１５２がオフの時には、第１スイッチ素子１５１のベースは、電源ラインと同電位であるため、第１スイッチ素子１５１はオフとなり、重畳電流Ｉ１ｂは流れない。第２スイッチ素子１５２がオンになって、第１スイッチ素子１５１のベースにベースしきい値電圧以上の電位になると、第１スイッチ素子１５１はオンとなり、重畳電流Ｉ１ｂが流れ始める。更に、第２スイッチ素子１５２のエミッタ－コレクタ間電流を大きくすると、抵抗Ｒ２による電圧降下分が減少し、第１スイッチ素子１５１のベースに印加される電圧が高くなり、第１スイッチ素子１５１のドレイン電流を大きくできる。すなわち、重畳電流Ｉ１ｂを増加させることができる。

以上のように、本実施形態の副一次コイル通電スイッチ手段１５によれば、第２スイッチ素子１５２のベースに副一次コイル通電制御信号Ｓｃを入力することで、重畳電流Ｉ１ｂのオン・オフおよび流量制御が可能となる。

次に、重畳制御手段１６の回路について説明する。第１コンパレータ１６１は、オープンコレクタ方式のコンパレータを用いる。オープンコレクタ方式のコンパレータは、出力ＶｏｕｔのＨレベル電圧を任意に設定できるので、抵抗Ｒ３を介して入力される重畳信号Ｓｐでプルアップ電圧を設定する。重畳信号Ｓｐは、内燃機関駆動制御装置３から供給され、コネクタ１２２の第３接続端子１２２ｃを介して点コイルユニット１０へ入力されるものである。第１コンパレータ１６１の出力Ｖｏｕｔは、副一次コイル通電スイッチ手段１５における第２スイッチ素子１５２のベース入力となる。すなわち、第１コンパレータ１６１の出力電圧に応じて、第２スイッチ素子１５２への供給電流を変化させることができるので、第１コンパレータ１６１の出力に応じた副一次コイル通電制御信号Ｓｃが生成される。

また、内燃機関駆動制御装置３からの重畳信号Ｓｐは、そのオン・オフによって重畳制御の開始と終了を指示するものであるから、重畳信号Ｓｐがオフのときに、副一次コイル通電制御信号Ｓｃにより副一次コイル通電スイッチ手段１５が動作させてはいけない。すなわち、重畳信号Ｓｐが入力される（例えば、信号レベルがＬからＨに変わる）タイミング以降に副一次コイル通電制御信号Ｓｃを出力し、重畳信号Ｓｐが停止する（例えば、信号レベルがＨからＬに変わる）タイミングで副一次コイル通電制御信号Ｓｃを確実に停止させなければならない。この点についても、オープンコレクタ方式のコンパレータを用い、重畳信号Ｓｐをプルアップ電圧としている第１コンパレータ１６１であれば、問題ない。重畳信号Ｓｐがオフのときは、第１コンパレータ１６１の論理がＨであっても出力ＶｏｕｔはＬになるから、副一次コイル通電スイッチ手段１５を動作させるような副一次コイル通電制御信号Ｓｃが生成されることはない。

第１コンパレータ１６１の反転入力Ｖｉｎ（－）には、重畳電流検出信号線１７を介して、重畳電流に応じた電圧信号が入力される。一方、第１コンパレータ１６１の非反転入力Ｖｉｎ（＋）には、増加指標信号線１６３から重畳電流Ｉ１ｂを増加させる指標となる信号が入力される。この増加指標信号線１６３には、電源電圧ＶＢ＋を抵抗Ｒ４ａと抵抗Ｒ４ｂで分圧した電圧が印加され、この電圧でコンデンサＣが充電される。すなわち、コンデンサＣの蓄積電荷がゼロであれば、増加指標信号線１６３の電位はゼロになり、時間経過に伴ってコンデンサＣに電荷が蓄積されて行くと増加指標信号線１６３の電位は上がる。なお、コンデンサＣの充放電特性により、必ずしも点火信号Ｓｉがオンの間に全電荷を放出してゼロ電位になるわけではないし、コンデンサＣが充電電圧（抵抗Ｒ４ａと抵抗Ｒ４ｂの分圧比に応じた電圧）に達する定常状態まで充電する必要はなく、時間経過に対する電荷蓄積の直線性が良い範囲で使うことが望ましい。

コンデンサＣの充電特性に応じた電荷蓄積特性線を指標として、第１コンパレータ１６１の出力電圧を変化させることができれば、副一次コイル１１１ｂへの重畳電流供給を開始した後、徐々に重畳電流Ｉ１ｂを増加させて行くことができる。かくするためには、所要のタイミングでコンデンサＣを放電（電荷をショート）させ、重畳制御開始のタイミングでコンデンサＣを充電可能にする機能と、充電開始後におけるコンデンサの電荷蓄積状態を副一次コイル通電制御信号Ｓｃに反映させる機能が必要である。

本実施形態では、コンデンサＣの充放電タイミングを制御するために、点火信号Ｓｉと第３スイッチ素子１６２を用いる。第３スイッチ素子１６２としては、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタを用い、エミッタを増加指標信号線１６３に、コレクタを接地点ＧＮＤに接続する。そして、点火信号Ｓｉが第３スイッチ素子１６２のゲートに入力される（例えば、信号レベルがＬからＨになる）と、第３スイッチ素子１６２がオンになるので、増加指標信号線１６３が接地電位に落ち、コンデンサＣの放電が行われる。その後、点火信号Ｓｉが停止する（例えば、信号レベルがＨからＬになる）と、第３スイッチ素子１６２がオフになるので、抵抗Ｒ４ａと抵抗Ｒ４ｂの分圧比に応じた電圧でコンデンサＣの充電が開始される。

また、本実施形態では、オープンコレクタ方式のコンパレータを第１コンパレータ１６１に用いることで、充電開始後におけるコンデンサＣの電荷蓄積状態を副一次コイル通電制御信号Ｓｃに反映させる機能を実現した。第１コンパレータ１６１の非反転入力である増加指標信号（コンデンサＣの蓄積状態を反映した電圧信号）と反転入力である重畳電流検出信号とが共に同程度の値（但し、増加指標信号≧重畳電流検出信号）であれば、両信号の電位差が小さくなる。非反転入力と反転入力の電位差が小さいと、コンパレータ出力の論理レベルがＬからＨに変わるまでの立ち上がり時間が長くなる。すなわち、コンデンサＣの充放電特性、増加指標信号線１６３への印加電圧、重畳電流検出信号線１７の信号検出レベル等を適宜に設定することで、重畳信号Ｓｐのオン時間幅に第１コンパレータ１６１の立ち上がり時間を対させることができる。そして、第１コンパレータ１６１の出力Ｖｏｕｔが徐々に高くなると、副一次コイル通電制御信号Ｓｃ（第２スイッチ素子１５２のベース電流）も徐々に高くなるので、副一次コイル通電スイッチ手段１５による重畳電流の増加制御を実現できる。

次に、内燃機関用点火装置１における要部の波形を示した図２に基づき、重畳制御を行わない場合の回路動作と、重畳制御を行う場合の回路動作を説明する。

まず、重畳制御を行わない点火サイクルについて説明する。点火信号Ｓｉがオンになって主一次コイル１１１ａへの通電が開始されると、主一次電流Ｉ１ａが流れ始める。このとき、点火信号Ｓｉがオンになることで、第３スイッチ素子１６２がオンになるので、コンデンサＣの電荷がショートされ、第１コンパレータ１６１の非反転入力Ｖｉｎ（＋）の入力電位はＬに落ちる。その後、点火信号Ｓｉがオフになって主一次コイル１１１ａへの通電が遮断されると、二次コイル１１２に放電エネルギーが与えられ、点火プラグ２に火花放電が生じて二次電流Ｉ２が流れ始める。点火信号Ｓｉがオフになったとき、第３スイッチ素子１６２もオフになるので、コンデンサＣの充電が開始されるが、重畳信号Ｓｐはオフのままであり、第１コンパレータ１６１の出力ＶｏｕｔはＬのままである。すなわち、重畳信号Ｓｐがオフのままであれば、重畳制御は行われないので、点火プラグ２の放電開始後に点火コイル二次側へ重畳的にエネルギーが与えられることは無く、主一次コイル１１１ａにおける順方向の磁束減少に伴って二次電流Ｉ２も減少して行く。

一方、重畳制御を行う点火サイクルでは、点火信号Ｓｉのオフと同時に重畳信号Ｓｐをオンにする。重畳信号Ｓｐがオンになると、第１コンパレータ１６１の出力にプルアップ電圧が与えられるので、副一次コイル通電制御信号Ｓｃが立ち上がる。なお、重畳信号Ｓｐがオンになった直後、コンデンサＣは放電状態であり、副一次コイル１１１ｂには重畳電流Ｉ１ｂが流れていないので、第１コンパレータ１６１の出力ＶｏｕｔはＬであるが、第２スイッチ素子１５２のベースには、ベースしきい値電圧を超えるベース電流が供給されるように、抵抗Ｒ３の値を設定しておく。したがって、重畳信号Ｓｐがオンになった直後から第１スイッチ素子１５１もオンとなり、副一次コイル１１１ｂへの電源供給が実行され、重畳電流Ｉ１ｂが流れ始める。

重畳信号Ｓｐがオンになって重畳電流Ｉ１ｂが流れ始めると、時間経過に伴ってコンデンサＣの充電量は徐々に増加し、重畳電流検出信号線１７より検出される重畳信号も徐々に増加する。第１コンパレータ１６１の非反転入力と反転入力の両信号は共に徐々に増加して行くので、電位差が一気に開くことは無いため、第１コンパレータ１６１の出力がＬからＨにかわるまでの立ち上がり時間が長くなる。このため、副一次コイル通電制御信号Ｓｃは一気にマックスまで上昇せず、徐々に上昇して行くこととなる。その結果、第２スイッチ素子１５２のベース電流が徐々に上昇し、第２スイッチ素子１５２のコレクタ－エミッタ間電流も徐々に増加するので、第１スイッチ素子１５１のドレイン電流も徐々に増加する。すなわち、本実施形態では、ディスクリート部品で比較的安価かつ小型に構成できる副一次コイル通電スイッチ手段１５および重畳制御手段１６を用いることで、重畳電流Ｉ１ｂを徐々に増加させる制御を実現できる。また、重畳電流Ｉ１ｂが徐々に上昇することで、回帰的に第１コンパレータ１６１の反転入力となる重畳電流検出信号も徐々に上昇することとなり、コンデンサＣの電荷蓄積特性線に追随する特性線を得ることができ、立ち上がり時間の遅延化を維持できる。

上記のような副一次コイル通電スイッチ手段１５と重畳制御手段１６を用い、重畳電流Ｉ１ｂを徐々に増加させる制御を行うと、二次コイル１１２に作用する磁束の変化量が好適に保持されるので、二次側に発生する起電圧を高いまま維持することができる。すなわち、主一次コイル１１１ａへの電流遮断後に順方向磁束が遮断方向に減ぜられる磁束変化は、時間経過と共に減少するが、遮断方向の重畳磁束を徐々に増やすように重畳電流Ｉ１ｂを副一次コイル１１１ｂに流すことで、磁束変化の減少を補完するのである。このような重畳制御を行えば、重畳信号Ｓｐで指示された期間は、二次コイル１１２に対して同程度の磁束変化が作用する状態を維持できるので、二次電流Ｉ２を高い値に保つことができ、点火プラグ２に発生した火花放電による着火性を必要十分に向上させられる。

次に、第２実施形態に係る内燃機関用点火装置１′を、添付図面に基づいて詳細に説明する。上述した第１実施形態の内燃機関用点火装置１と同一の構成には、同一符号を付して、説明を省略する。

第２実施形態の内燃機関用点火装置１′では、点火プラグ２に発生した火花放電による着火性を必要十分に向上させるため、二次電流Ｉ２を高く保つ制御を自動で行う構成を設けたものである。かくするためには、指標となる二次電流Ｉ２を検出する機能と、副一次コイル通電スイッチ手段１５に働きかけて重畳電流Ｉ１ｂの流量増加を促進させる機能が必要である。

点火コイル１１の二次側に流れる二次電流Ｉ２を検出する機能（二次電流検出手段）は、二次電流Ｉ２の流路適所（例えば、整流素子Ｄ１のカソード側と第５接続端子１２２ｅとの間）に介挿した抵抗Ｒ５と、この電圧変化を取得する二次電流検出信号線１８から成る。一方、副一次コイル通電スイッチ手段１５に働きかけて重畳電流Ｉ１ｂの流量を促進させる機能として、重畳促進手段１９を設けた。重畳促進手段１９は、種々の回路構造で実現できるが、本実施形態では、第２コンパレータ１９１と第４スイッチ素子１９２を用いて構成した例を示す。

重畳促進手段１９は、二次電流検出手段の検出値が所定の重畳促進条件を満たすことに基づいて、重畳制御手段１６による重畳電流の増加を促進させるものである。かかる制御を行う場合、二次電流Ｉ２が低下して良好な着火性を維持できなくなる状態を回避するために重畳電流Ｉ１ｂの増加を促進させるか否かを判断するための条件として、重畳促進条件の設定が必要である。例えば、重畳制御を行っている期間中、二次電流Ｉ２が所定の基準値よりも低い場合に、重畳制御手段１６から出力される副一次コイル通電制御信号Ｓｃの増加率を上げてやれば、副一次コイル通電スイッチ手段１５により重畳電流Ｉ１ｂの増加率も高められる。

そこで、第２コンパレータ１９１の非反転入力Ｖｉｎ（＋）に二次電流検出手段により検出された二次電流検出値（二次電流検出信号線１８の信号電圧）を入力し、反転入力Ｖｉｎ（－）に増加促進基準値を入力する。増加促進基準値は、二次電流Ｉ２を基準値以上に維持するために重畳電流の増加を促進する指標として予め定めた値である、二次電流検出値に対応した電圧値を用いる。本実施形態では、電源電圧ＶＢ＋を抵抗Ｒ５ａと抵抗Ｒ５ｂで分圧した電圧を増加促進基準値として用い、抵抗Ｒ５ａと抵抗Ｒ５ｂの間に接続された増加促進基準信号線１９３を介して、第２コンパレータ１９１の反転入力Ｖｉｎ（－）に入力する。かくすれば、二次電流検出値をと増加促進基準値との比較結果が、第２コンパレータ１９１の出力Ｖｏｕｔとして得ることができる。なお、第２コンパレータ１９１は、オープンコレクタ方式のコンパレータを用いるものとし、電源電圧ＶＢ＋が抵抗Ｒ８を介して入力されるプルアップ電圧を、出力ＶｏｕｔのＨレベル電圧に設定する。

第４スイッチ素子１９２は、例えば、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタを用いる。第４スイッチ素子１９２のエミッタは、コネクタ１２２の第１接続端子１２２ａを介して直流電源４と接続し、電源電圧ＶＢ＋が印加される。第４スイッチ素子１９２のコレクタは、抵抗Ｒ６を介して重畳制御手段１６の増加指標信号線１６３に接続され、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ４ｂの分圧比に応じた電圧信号（増加促進信号Ｓｕ）がコンデンサＣに印加される。このとき、抵抗Ｒ６の抵抗値を抵抗Ｒ４ａの抵抗値よりも低く設定しておけば、抵抗Ｒ６を介して増加指標信号線１６３に印加される電圧の方が、抵抗Ｒ４ａを介して増加指標信号線１６３に印加される電圧よりも高くなる。すなわち、「抵抗Ｒ４ａ＞抵抗Ｒ６」に設定しておけば、第４スイッチ素子１９２がオンになったとき、増加指標信号線１６３に高い電圧が印加されることとなり、コンデンサＣの充電速度を上げることができる。

第４スイッチ素子１９２のベースには、抵抗Ｒ８を介して第２コンパレータ１９１の出力Ｖｏｕｔが入力される。第２コンパレータ１９１の出力ＶｏｕｔがＨのとき、第４スイッチ素子１９２のベース電流が流れないため、第４スイッチ素子１９２はオフとなり、増加促進信号Ｓｕが重畳制御手段１６に供給されることは無い。一方、第２コンパレータ１９１の出力ＶｏｕｔがＬになると第４スイッチ素子１９２のベース電流が流れ、第４スイッチ素子１９２がオフとなり、増加促進信号Ｓｕが重畳制御手段１６に供給される。

かく構成した重畳促進手段１９においては、二次電流検出値が増加促進基準値以下のとき（もしくは、満たないとき）、増加促進信号Ｓｕを重畳制御手段１６に供給するので、コンデンサＣの電荷蓄積速度が速められ、重畳電流Ｉ１ｂの増加が促進される。これにより、副一次コイル１１１ｂに生ずる重畳磁束が増加して、二次コイル１１２に作用する磁束変化が大きくなるので、点火コイル二次側の起電力が高まり、二次電流Ｉ２を高い値に保つことが可能となる。一方、二次電流検出値が増加促進基準値に満たないとき（もしくは、以下のとき）、重畳促進手段１９は増加促進信号Ｓｕを重畳制御手段１６へ供給しないので、コンデンサＣの電荷蓄積速度が速められることはない。すなわち、本実施形態の重畳促進手段１９では、二次電流検出値が増加促進基準値以下であること（もしくは、満たないこと）を重畳促進条件として用い、重畳促進条件を満たすことに基づいて、重畳制御手段１６による重畳電流の増加を促進させるように制御するのである。

次に、内燃機関用点火装置１′における要部の波形を示した図４に基づき、重畳制御を行わない場合の回路動作と、重畳制御を行う場合の回路動作を説明する。

まず、重畳制御を行わない点火サイクルについて説明する。点火信号Ｓｉがオンになって主一次コイル１１１ａへの通電が開始されると、主一次電流Ｉ１ａが流れ始める。このとき、点火信号Ｓｉがオンになることで、第３スイッチ素子１６２がオンになるので、コンデンサＣの電荷がショートされ、第１コンパレータ１６１の非反転入力Ｖｉｎ（＋）の入力電位はＬに落ちる。このとき、二次電流Ｉ２は流れていないので、重畳促進手段１９における第２コンパレータ１９１の出力ＶｏｕｔはＬとなるため、第４スイッチ手段１９２がオンとなり、重畳促進信号Ｓｕが出力されている。しかしながら、第３スイッチ素子１６２がオンになっているため、増加指標信号線１６３は接地電位となり、コンデンサＣが重畳促進信号Ｓｕによって充電されることは無い。

その後、点火信号Ｓｉがオフになって主一次コイル１１１ａへの通電が遮断されると、二次コイル１１２に放電エネルギーが与えられ、点火プラグ２に火花放電が生じて二次電流Ｉ２が流れ始める。点火信号Ｓｉがオフになったとき、第３スイッチ素子１６２もオフになるので、コンデンサＣの充電が開始される。このとき、非常に大きな二次電流Ｉ２が流れ、重畳促進手段１９における第２コンパレータ１９１の出力ＶｏｕｔはＨとなるため、第４スイッチ手段１９２がオフとなり、重畳促進信号Ｓｕがオフとなる。したがって、コンデンサＣは、高圧の重畳促進信号Ｓｕによって充電されず、抵抗Ｒ４ａを介して印加される電圧によって充電されることとなる。しかしながら、重畳信号Ｓｐがオフのままであるから、副一次コイル通電制御信号Ｓｃは出力されないので、重畳制御が行われることはない。よって、点火プラグ２の放電開始後に点火コイル二次側へ重畳的にエネルギーが与えられることは無く、主一次コイル１１１ａにおける順方向の磁束減少に伴って二次電流Ｉ２も減少して行く。

一方、重畳制御を行う点火サイクルでは、点火信号Ｓｉのオフと同時に重畳信号Ｓｐをオンにする。重畳信号Ｓｐがオンになると、第１コンパレータ１６１の出力にプルアップ電圧が与えられるので、副一次コイル通電制御信号Ｓｃが立ち上がる。なお、放電開始直後は重畳促進信号Ｓｕがオフとなるため、放電状態のコンデンサＣは、抵抗Ｒ４を介して印加される電圧によって充電され、その蓄積電荷状態を指標とする副一次コイル通電制御信号Ｓｃが出力される。したがって、重畳信号Ｓｐがオンになった直後から、副一次コイル通電スイッチ手段１５による副一次コイル１１１ｂへの電源供給が実行され、重畳電流Ｉ１ｂが流れ始める。

重畳信号Ｓｐがオンになって重畳電流Ｉ１ｂが流れ始めると、時間経過に伴ってコンデンサＣの充電量は徐々に増加し、重畳電流検出信号線１７より検出される重畳信号も徐々に増加する。しかしながら、二次電流Ｉ２が次第に低下して、二次電流検出値が増加促進基準値に達する（あるいは、未満になる）と、重畳促進条件が成立するので、重畳促進手段１９は重畳促進信号Ｓｕがオンにする。これにより、コンデンサＣは重畳促進信号Ｓｕの電圧で充電されるようになるので、抵抗Ｒ４を介して印加される電圧によって充電されていたときよりも電荷蓄積速度が上がる。そして、コンデンサＣの蓄積電荷状態を指標とする副一次コイル通電制御信号Ｓｃの上昇率が上がり、副一次コイル通電スイッチ手段１５による重畳電流Ｉ１ｂの増加率も上がるので、点火コイル二次側へ与える放電エネルギーも増大し、二次電流Ｉ２の低減が抑制される。

その後、二次電流Ｉ２が上昇して、再び重畳促進条件が成立しなくなると、重畳促進手段１９は重畳促進信号Ｓｕがオフにし、コンデンサＣの電荷蓄積速度を通常時に戻す。これにより、点火コイル二次側へ与える放電エネルギーは低下し、二次電流Ｉ２の上昇が抑制される。その後、二次電流Ｉ２が低下して、再び重畳促進条件が成立すると、重畳促進手段１９は重畳促進信号Ｓｕをオンにし、コンデンサＣの電荷蓄積速度を高める。これにより、点火コイル二次側へ与える放電エネルギーは増大し、二次電流Ｉ２の低減が抑制される。すなわち、重畳信号Ｓｐがオンの間には、重畳促進手段１９が機能することで、二次電流Ｉ２が高くなりすぎたり低くなり過ぎたりすることを自動で制御できる。なお、コンデンサＣの蓄積電荷が増えて、重畳促進信号Ｓｕの電圧に近づくと、時間経過に対する蓄積電荷量の直線性が悪くなる。このため、重畳信号Ｓｐがオンになってからの時間経過が長くなり、コンデンサＣの充電電圧が重畳促進信号Ｓｕの印加電圧に近づくと、コンデンサＣの電荷蓄積速度を高め難くなり、重畳促進機能を発揮できなくなる可能性がある。この点を考慮して、重畳信号Ｓｐによる重畳時間に適するように、コンデンサＣや重畳促進信号等を設定しておくことが望ましい。

上記のような重畳促進手段１９を用い、重畳電流Ｉ１ｂの増加を促進させたり、通常の増加状態へ戻したりする制御を行うと、二次コイル１１２に作用する磁束の変化量を好適に保持できるので、二次側に発生する起電圧を高いまま維持することができる。すなわち、本実施形態の内燃機関用点火装置１′によれば、点火プラグ２に発生した火花放電による着火性を必要十分に向上させるために、二次電流Ｉ２を高い値に保ちつつも、過度に二次電流Ｉ２を上昇させて、電力消費を高めてしまうことを抑制できる。しかも、重畳促進手段１９は、第２コンパレータ１９１や第４スイッチ素子１９２といったディスクリート部品で比較的安価かつ小型に構成できる

以上、本発明に係る内燃機関用点火装置の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１ 内燃機関用点火装置（第１実施形態）
１１ 点火コイル
１１１ａ 主一次コイル
１１１ｂ 副一次コイル
１１２ 二次コイル
１５ 副一次コイル通電スイッチ手段
１６ 重畳制御手段
２ 点火プラグ
３ 内燃機関駆動制御装置
４ 直流電源

Claims (3)

1. 点火制御手段からの点火信号のオン・オフによって点火コイルへの通電制御を行うことで、点火コイルの二次側に放電エネルギーを与えて点火プラグに火花放電を起こさせる内燃機関用点火装置において、
   前記点火コイルは、点火信号がオンで行われる主一次電流の通電により順方向の磁束量が増加し、点火信号がオフになって主一次電流を遮断することにより順方向の磁束量が減少する主一次コイルと、該主一次コイルに対する通電遮断以降の放電期間内に重畳電流を流すことにより、順方向と逆の遮断方向に磁束を発生させる副一次コイルと、一端側が点火プラグと接続され、前記主一次コイルと副一次コイルの磁束変化が作用して放電エネルギーが与えられる二次コイルと、を有し、
   前記副一次コイルへの通電・遮断を行うと共に、副一次コイルへの通電量を変えることで、遮断方向の磁束量を変化させる副一次コイル通電スイッチ手段と、
   前記主一次コイルへの通電遮断と同時に前記副一次コイル通電スイッチ手段を動作させて、副一次コイルへの重畳電流供給を開始すると共に、時間経過に伴って重畳電流を増加させるように前記副一次コイル通電スイッチ手段を動作させる重畳制御手段と、を備え、
   前記重畳制御手段は、点火信号のオンで電荷をショートし、点火信号がオフとなった放電開始と共に充電を開始するコンデンサを備え、充電開始後におけるコンデンサの電荷蓄積状態を指標として、時間経過に伴う重畳電流の増加制御を行うことを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記点火コイルの二次側に流れる二次電流を検出する二次電流検出手段と、
   前記二次電流検出手段の検出値が所定の重畳促進条件を満たすことに基づいて、前記重畳制御手段による重畳電流の増加を促進させる重畳促進手段と、
   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装置。
3. 前記重畳促進手段は、前記二次電流検出手段により検出された二次電流検出値と、二次電流を維持するために重畳電流の増加を促進する指標として予め定めた増加促進基準値とを対比し、検出された二次電流値が増加促進基準値を越えないことを重畳促進条件として用いることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用点火装置。

Images