KR101767809B1 - 점화 장치 - Google Patents

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유우키 곤도오
가네치요 데라다
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Abstract

점화 코일(2)의 1차측에 인가되는 1차 전압 V1과, 2차측에 흐르는 2차 전류 I2 중 어느 하나 또는 양쪽을 임계치 판정하여, 에너지 축적 코일(330)을 포함하는 보조 전원(3)과 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 저전압측 단자(201) 사이에 개재 장착한 방전용 스위치(32)를 개폐 제어함으로써, 점화 코일(2)로부터 점화 플러그(1)에의 방전 개시 후에 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 저전압측으로부터 도입하는 전자기 에너지를 과부족 없이 조정할 수 있게 된다.

Description

점화 장치{IGNITION DEVICE}
본 발명은 내연 기관의 기통 내에서 연료 혼합기의 점화를 행하는 점화 장치에 관한 것이다.
내연 기관의 기통 내에서 연료 혼합기의 점화를 행하는 점화 장치에 있어서, 연료 혼합기의 연소 상태를 양호한 것으로 하기 위해, 소위 다중 방전을 행하도록 구성된 것이 알려져 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 1회의 연소 행정 내에서 복수회의 방전을 단속적으로 발생시키는 구성이 개시되어 있다.
한편, 특허문헌 2에는, 방전 시간이 긴 다중 방전 특성을 얻기 위해서, 2개의 점화 코일을 병렬로 접속한 구성이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 에너지 축적 코일에 접속되는 전원의 전압이 변동된 경우에 있어서도, 소정의 출력 전류를 안정되게 흐르게 하도록, 점화 플러그에 플러스 마이너스의 반전하는 전류를 부여하기 위해서 제2 스위치 수단을 반복하여 온/오프하는 제어를 행하고, 제2 스위치 수단의 오프 기간에는, 제1 스위치 수단을 온함으로써 에너지 축적 코일에 축적되는 에너지를 급격하게 증대시키는 기간과, 제1 스위치 수단을 오프함과 함께, 제4 스위치 수단을 온함으로써 에너지 축적 코일에 축적되는 에너지를 완만하게 증대시키는 기간을 갖는 제어를 행하는 내연 기관의 점화 장치가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2000-199470호 공보 일본 특허 공개 제2007-231927호 공보 일본 특허 공개 제2011-174471호 공보
그런데, 특허문헌 1이나 특허문헌 3에 있는 바와 같이, 1회의 연소 행정 내에서 복수회의 방전을 단속적으로 발생시킬 경우, 당해 행정 내에 있어서의 점화 방전의 개시로부터 종료까지의 사이에, 점화 방전 전류가 반복하여 제로가 된다.
그러면, 특히 통내의 가스 유속이 큰 경우에, 소위「꺼짐」이 발생하여, 점화 에너지가 손실된다고 하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 특허문헌 2와 같이, 2개의 점화 코일을 병렬로 접속한 구성에 있어서는, 1회의 연소 행정 내에 있어서의 점화 방전의 개시로부터 종료까지의 사이에 점화 방전 전류가 반복하여 제로가 되는 일은 없지만, 장치 구성이 복잡화되어, 장치 사이즈도 대형화한다고 하는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 종래 기술에 있어서는, 점화에 필요한 에너지를 크게 상회하는 구성이 되는 것으로, 불필요한 전력 소비가 발생한다고 하는 문제도 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 실정에 감안하여, 점화 플러그의 경년 열화나 기관의 운전 조건의 변화 등, 개개의 변동 요인이 있어도, 방전의 꺼짐을 방지하면서, 전극의 소모를 억제하여, 안정된 방전의 유지를 도모함으로써 착화 로버스트성을 향상시킨 내연 기관의 점화 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 점화 장치는, 점화 플러그와, 직류 전원과, 점화 코일과, 제어 회로부와, 전자 제어 장치를 구비한다.
상기 점화 플러그는, 내연 기관의 기통 내에서 연료 혼합기를 점화한다.
상기 점화 코일은, 해당 직류 전원에 일단부의 고전압측 단자가 접속되는 1차 권선과 해당 1차 권선의 1차 권회수에 대하여 소정의 권회비가 되는 2차 권회수로 권회된 2차 권선을 구비하고 있다.
상기 점화 코일은, 상기 1차 권선에 흐르는 1차 전류의 증감에 의해, 상기 2차 권선에 높은 이차 전압을 발생하고, 상기 2차 권선의 일단부의 플러그측 단자에 상기 점화 플러그가 접속된다.
상기 제어 회로부는, 상기 점화 코일로부터 상기 점화 플러그에의 방전을 제어한다.
전자 제어 장치는, 상기 내연 기관의 운전 상황에 따라서 점화 시기를 지시하는 점화 신호와, 상기 보조 전원으로부터의 방전 개시를 지시하는 방전 기간 신호를 발한다.
상기 제어 회로부는, 보조 전원과, 점화용 스위치와 충전용 스위치와, 방전용 스위치와 드라이버 회로부와, 보조 에너지 필요 여부 판정 수단을 구비한다.
상기 보조 전원은, 적어도 상기 직류 전원에 의해 충전되는 에너지 축적 코일을 갖는다.
상기 점화용 스위치는, 점화용 제어 단자와 점화용 전원측 단자와 점화용 접지측 단자를 갖고 있다. 상기 점화용 스위치는, 상기 점화용 제어 단자에 입력된 상기 점화 신호에 기초하여 상기 점화용 전원측 단자와 상기 점화용 접지측 단자 사이의 도통을 개폐 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자이다. 상기 점화용 스위치는, 상기 점화용 전원측 단자가 상기 1차 권선의 타단부측 접지측 단자에 접속됨과 함께 상기 점화용 접지측 단자가 접지되고, 상기 직류 전원으로부터 상기 점화 코일에의 통전을 개폐 제어하여, 상기 점화 코일로부터 상기 점화 플러그에의 방전 개시를 제어한다.
상기 충전용 스위치는, 충전용 제어 단자와 충전용 전원측 단자와 충전용 접지측 단자를 갖고 있다. 상기 충전용 스위치는, 상기 충전용 제어 단자에 입력된 충전 제어 신호에 기초하여 상기 충전용 전원측 단자와 상기 충전용 접지측 단자 사이의 도통을 개폐 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자이다. 상기 충전용 스위치는, 상기 직류 전원으로부터 상기 보조 전원에의 충전을 제어한다.
상기 방전용 스위치는, 방전용 제어 단자와 방전용 전원측 단자와 방전용 접지측 단자를 갖고 있다. 상기 방전용 스위치는, 상기 방전용 제어 단자에 입력된 방전 제어 신호에 기초하여 상기 방전용 전원측 단자와 상기 방전용 접지측 단자 사이의 도통을 개폐 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자이다. 상기 방전용 스위치는, 상기 보조 전원으로부터의 상기 점화 코일에의 방전을 제어한다.
상기 드라이버 회로부는, 상기 점화 신호와 방전 기간 신호에 따라, 상기 점화용 스위치, 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치의 개폐를 제어한다.
상기 보조 에너지 필요 여부 판정 수단은, 상기 보조 전원으로부터의 에너지 투입의 필요 여부를 판정한다.
상기 충전용 스위치의 온에 의해 상기 에너지 축적 코일에 상기 전자기 에너지를 축적함과 함께, 상기 점화용 스위치의 오프에 의해 개시된 상기 점화 플러그의 점화 방전 중에, 보조 에너지 필요 여부 판정 수단에 의해 상기 보조 전원으로부터의 방전이 필요하다고 판단했을 때에는, 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치를 개폐 제어해서 상기 보조 전원으로부터 상기 1차 권선의 저전압측 단자로부터 전자기 에너지를 공급해서 상기 1차 전류를 변화시킴으로써, 상기 2차 권선에 흐르는 2차 전류를 증감하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 점화 플러그에서 상기 점화 방전이 개시된 후는 상기 2차 전류(이하, 적절히「방전 전류」라고 칭함)는, 그 상태에서는 시간 경과와 함께 제로에 가깝다. 이 점에서, 본 발명의 구성에 있어서는, 먼저 상기 충전용 스위치의 온에 의해, 상기 에너지 축적 코일에 상기 전자기 에너지가 축적된다.
이와 같이 하여 축적된 상기 전자기 에너지는, 상기 점화 방전 중에, 상기 충전용 스위치의 오프 및 상기 방전용 스위치의 온에 의해, 상기 에너지 축적 코일로부터 방출된다. 이러한 에너지 축적 코일로부터 방출된 전자기 에너지는, 상기 접지측 단자측으로부터 상기 1차 권선에 공급된다.
즉, 상기 에너지 축적 코일로부터 상기 1차 권선에, 상기 1차 전류가 공급된다. 이때, 그때까지 통류되고 있던 상기 방전 전류에 대하여, 이러한 1차 전류의 공급에 수반하는 추가분이 중첩된다. 이에 의해, 상기 1차 권선에 흐르는 전류가 증강되어, 상기 2차 권선에 방전 유지 전압 이상의 유도기 전력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 2차 전류 즉 상기 방전 전류가 증강되어, 이로써 당해 방전 전류가 상기 점화 방전을 유지 가능할 정도로 양호하게 확보된다. 또한, 상기 1차 권선에 있어서의 상기 타단부측 즉 상기 점화용 스위치측으로부터 전류를 중첩시키는 구성이 되므로, 이러한 전류의 중첩을 저전압으로 실현할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 소위「꺼짐」의 발생 및 이에 수반하는 점화 에너지의 손실이, 간략한 장치 구성에 의해 양호하게 억제된다.
또한, 이와 같이 상기 1차 권선의 저전압측(접지측 또는 상기 제1 스위칭측)으로부터 에너지를 투입함으로써, 상기 2차 권선측으로부터 에너지를 투입하는 경우보다도, 저압으로 에너지를 투입할 수 있게 된다.
이 점에서, 상기 1차 권선의 고전압측(상기 직류 전원측)으로부터, 상기 직류 전원의 전압보다 높은 전압으로 에너지 투입하면, 당해 직류 전원에의 유입 전류 등에 의해 효율이 나빠진다.
이에 반해, 본 발명에 따르면, 상술한 바와 같이, 상기 1차 권선의 저전압측으로부터 에너지를 투입하므로, 무엇보다 용이하게 효율적으로 에너지를 투입할 수 있다고 하는 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 보조 에너지 필요 여부 판정 수단에 의해, 상기 보조 전원으로부터의 에너지 공급이 필요하다고 판단되었을 때에만, 상기 보조 전원으로부터의 에너지가 과부족 없이 공급되므로, 과잉 에너지 투입에 의한 전극 소모를 억제할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 점화 장치를 구비한 엔진 시스템의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 점화 장치의 개요를 도시하는 회로도.
도 3은 도 2의 점화 장치의 작동을 나타내는 타임차트.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 점화 장치의 개요를 도시하는 회로도.
도 5는 제1 실시예로서 나타내는, 도 4의 점화 장치의 전극 소모 억제를 도모하는 경우의 동작을 설명하기 위한 타임차트.
도 6a는 제1 비교예로서 나타내는, 종래의 점화 장치에 있어서의 과잉 방전의 문제를 재현한 경우의 타임차트.
도 6b는 제2 비교예로서 나타내는, 종래의 점화 장치에 있어서의 꺼짐의 문제를 재현한 경우의 타임차트.
도 7a는 제1 실시예로서, 본 발명의 점화 장치에 있어서의 전극 소모 억제 효과를 도시하는 모식도.
도 7b는 제2 실시예로서, 본 발명의 점화 장치에 있어서의 꺼짐 억제 효과를 도시하는 모식도.
도 8a는 제1 비교예로서, 종래의 점화 장치에 있어서의 전극 소모의 문제를 도시하는 모식도.
도 8b는 제2 비교예로서, 종래의 점화 장치에 있어서의 꺼짐의 문제를 도시하는 모식도.
도 9a는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 점화 장치의 제1 변형예의 개요를 도시하는 회로도.
도 9b는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 점화 장치의 제2 변형예의 개요를 도시하는 회로도.
도 10은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 점화 장치의 개요를 도시하는 회로도.
도 11a는 도 10의 점화 장치의 작동을 나타내는 타임차트.
도 11b는 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 점화 장치의 변형예의 작동을 나타내는 타임차트.
<엔진 시스템의 구성>
우선, 본 발명의 점화 장치(6)의 설명에 앞서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 점화 장치가 적용되는 엔진 시스템(9)의 구성 개요에 대해서 설명한다.
엔진 시스템(9)은, 불꽃 점화식의 내연 기관인 엔진(7)과, 점화 장치(6)와, 흡기 및 배기 기구(8)에 의해 구성되어 있다. 엔진(7)의 본체부를 구성하는 엔진 블록(70)의 내부에는, 기통(701) 및 워터 재킷(702)이 형성되어 있다. 기통(701)은, 피스톤(72)을 왕복 이동 가능하게 수용하도록 설치되어 있다. 워터 재킷(702)은, 냉각액이 통류 가능한 공간이며, 기통(701) 주위를 둘러싸도록 설치되어 있다.
엔진 블록(70)의 상부인 실린더 헤드(71)에는, 흡기 포트(73) 및 배기 포트(74)가 기통(701)과 연통 가능하게 형성되어 있다. 또한, 실린더 헤드(71)에는, 흡기 포트(73)와 기통(702)의 연통 상태를 제어하기 위한 흡기 밸브(75)와, 배기 포트(74)와 기통(702)의 연통 상태를 제어하기 위한 배기 밸브(76)와, 흡기 밸브(75) 및 배기 밸브(76)를 소정의 타이밍에서 개폐 동작시키기 위한 밸브 구동 기구(77)가 설치되어 있다.
또한, 엔진 블록(70)에는 인젝터(78) 및 점화 플러그(1)가 장착되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 인젝터(78)는 기통(701) 내에 연료를 직접 분사하도록 설치되어 있다. 점화 플러그(1)는 기통(701) 내에서 연료 혼합기를 점화하도록 설치되어 있다.
엔진(7)에는, 흡기 및 배기 기구(8)가 접속되어 있다. 흡기 및 배기 기구(8)에는, 흡기관(81)[흡기 매니폴드(811) 및 서지 탱크(810)를 포함함]과, 배기관(82)과, EGR 통로(83)의 3종류의 가스 통로가 설치되어 있다.
흡기 매니폴드(811)는 흡기 포트(73)에 접속되어 있다. 서지 탱크(810)는 흡기 매니폴드(811)보다도 흡기 통류 방향에 있어서의 상류측에 배치되어 있다. 배기관(82)은 배기 포트(74)에 접속되어 있다.
EGR 통로(83)는 배기관(82)과 서지 탱크(810)를 접속함으로써, 배기관(82)에 배출된 배기 가스의 일부를 흡기에 도입 가능하게 설치되어 있다(EGR은 Exhaust Gas Recirculation의 약자임).
EGR 통로(83)에는, EGR 제어 밸브(84)가 개재 장착되어 있다.
EGR 제어 밸브(84)는, 그 개방도에 의해 EGR율[기통(701) 내에 흡입되는 연소 전의 가스에 있어서의 배기 가스의 혼입 비율]을 제어 가능하게 설치되어 있다.
EGR율을 높게 하면, 연비의 저감을 도모함과 함께, 배기 중의 NOx를 저감할 수 있는 반면, 착화성의 저하를 초래하여, 꺼짐이 발생하기 쉬워질 우려가 있다.
또한, 터보 과급기를 설치해서 흡기관(81)으로부터의 흡기량을 증가시켜서 연비의 저감을 도모한 과흡기 혼합 엔진 등에 있어서도, 착화성이 저하된다.
이러한 난착화성의 엔진에 있어서도, 본 발명에 관한 점화 장치(6)를 사용함으로써, 안정된 착화를 실현할 수 있다.
흡기관(81)에 있어서의, 서지 탱크(810)보다도 흡기 통류 방향에 있어서의 상류측에는, 스로틀 밸브(85)가 개재 장착되어 있다.
스로틀 밸브(85)는, 그 개방도가, DC 모터 등의 스로틀 액추에이터(86)의 동작에 의해 제어되도록 되어 있다.
또한, 흡기 포트(73)의 근방에는 스윌류나 텀블류를 발생시키기 위한 기류 제어 밸브(87)가 설치되어 있다.
엔진 시스템(9)에는, 본 발명에 관한 점화 장치(6)가 설치되어 있다. 점화 장치(6)는 점화 플러그(1)와, 점화 코일(2)과, 제어 회로부(3)와, 전자 제어 장치(4)와, 직류 전원(5)에 의해 구성되어 있고, 점화 플러그(1)의 동작을 제어하도록[즉 엔진(7)에 있어서의 점화 제어를 행함] 구성되어 있다.
점화 플러그(1)는, 점화 코일(2)로부터의 고전압의 인가에 의해 기통(701) 내에서 불꽃 방전을 발생하고, 혼합기의 점화를 행한다. 본 발명에 있어서, 점화 플러그(1)의 구성을 특별히 한정하는 것은 아니며, 소위 불꽃 방전식의 공지된 점화 플러그를 적절히 사용할 수 있다.
본 발명에서는, 기통(701) 내에 강한 기류가 발생하는 경우나, 기통 내로 도입되는 연료와 공기와의 혼합기의 농도가 희박해 난착화성의 조건에 있어서도, 방전 개시 후에, 제어 회로부(3) 내에 설치한 보조 전원(33)으로부터 점화 코일(2)에 중첩적으로 에너지를 투입함으로써 방전의 유지를 도모하도록 하고 있다.
제어 회로부(3)는, 기통(701) 내의 연료 혼합기에 점화하기 위한 불꽃 방전을 점화 플러그(1)에서 발생시키도록 점화 코일(2)로부터 점화 플러그(1)에의 방전을 제어하도록 구성되어 있다. 전자 제어 장치(4)[이하, ECU(4)라고 칭함]는, 소위 엔진 ECU(ECU는 Electronic Control Unit의 약자)이며, 회전 속도 센서(793) 등, 후술하는 각종 센서[79(791 내지 796)]의 출력에 기초하여 취득한 엔진(7)의 운전 상태[이하「엔진 파라미터」라고 약칭함]에 따라, 인젝터(78) 및 제어 회로부(3)를 포함하는 각 부의 동작을 제어하도록 되어 있다.
보다 구체적인 점화 제어 방법에 관해서는, 도 3을 참조하여, 후술한다.
ECU(4)는, 취득한 엔진 파라미터에 기초하여, 점화 신호 IGt 및 방전 기간 신호 IGw를 생성 및 출력하도록 되어 있다.
이러한 점화 신호 IGt 및 방전 기간 신호 IGw는, 기통(701) 내의 가스 상태 및 필요해지는 엔진(7)의 출력(이들은 엔진 파라미터에 따라서 변화됨)에 따른, 최적인 점화 시기 및 방전 전류를 규정하는 것이다.
회전 속도 센서(793)는, 엔진 회전 속도(엔진 회전수라고도 함) Ne를 검출(취득)하기 위한 센서이다.
이 회전 속도 센서(793)는, 피스톤(72)의 왕복 운동에 따라 회전하는 도시하지 않은 크랭크 샤프트의 회전 각도에 따른 펄스 형상의 출력을 발생하도록, 엔진 블록(70)에 장착되어 있다.
냉각 수온 센서(794)는, 워터 재킷(702) 내를 통류하는 냉각액의 온도인 냉각 수온 Tw를 검출(취득)하기 위한 센서이며, 엔진 블록(70)에 장착되어 있다.
에어플로우 미터(795)는, 흡입 공기량 Ga[흡기관(81)을 통류해서 기통(701) 내로 도입되는 흡입 공기의 질량 유량]를 검출(취득)하기 위한 센서이다. 이 에어플로우 미터(795)는, 스로틀 밸브(85)보다도 흡기 통류 방향에 있어서의 상류측에서, 흡기관(81)에 장착되어 있다. 흡기압 센서(796)는, 흡기관(81) 내의 압력인 흡기압 Pa를 검출(취득)하기 위한 센서이며, 서지 탱크(810)에 장착되어 있다.
스로틀 개방도 센서(792)는, 스로틀 밸브(85)의 개방도(스로틀 개방도 THA)에 대응하는 출력을 발생하는 센서이며, 스로틀 액추에이터(86)에 내장되어 있다. 액셀레이터 포지션 센서(791)는, 도시하지 않은 액셀러레이터의 조작량(액셀러레이터 조작량 ACCP)에 대응하는 출력을 발생하도록 설치되어 있다.
<제1 실시 형태>
도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 점화 장치(6)의 개요에 대해서 설명한다.
점화 장치(6)는, 불꽃 방전을 발생해서 엔진(7)의 기통 내로 도입한 혼합기의 점화를 행하는 점화 플러그(1)와, 점화 플러그(1)에 고전압의 인가와 방전 에너지의 공급을 행하는 점화 코일(2)과, 점화 코일(2)에의 에너지 공급을 제어하는 제어 회로부(3)와, 엔진(7)의 운전 상황에 따라서 점화 신호 IGt 및 방전 기간 신호 IGw를 출력해서 제어 회로부(3)를 제어하는 ECU(4)와 직류 전원(5)에 의해 구성되어 있다.
점화 플러그(1)는, 도시를 생략한 절연 애자를 개재해서 대향하는 한 쌍의 전극을 구비하고, 한쪽 전극은 접지되고, 다른 쪽 전극은 점화 코일(20)의 2차 권선(21)의 접지측 단자(211)에 접속되어 있다.
본 발명의 점화 장치(6)는, 상술한 엔진(7)의 기통(701)마다 설치된 점화 플러그(1)에의 고전압의 인가에 의해 불꽃 방전을 발생시켜서, 기통(701) 내로 도입된 혼합기의 점화를 행하는 것이다.
일반적으로, 소위 트랜지스터 점화에 있어서는, 직류 전원(5)의 전원 전압에 의해 1차 권선(20)의 충전을 행하고, 점화용 스위치(30)를 개폐하고, 2차 권선(21)에 매우 높은 이차 전압 V2를 발생시킴으로써, 조기에 방전을 일으킬 수 있지만, 기통(701) 내의 고기류에 의해 방전이 신장되는 경우에는, 방전 기간이 짧아져 착화가 불안정해질 우려가 있다.
그러나 본 발명의 점화 장치(6)에서는, 방전 개시 후에, 보조 전원(33)으로부터의 방전에 의한 에너지 투입에 의해, 방전 기간을 길게 해서 착화의 안정성을 도모할 수 있다.
직류 전원(5)은 차량 탑재 배터리나, 교류 전원을 레귤레이터 등에 의해 직류 변환한 공지된 직류 안정화 전원 등이 사용되고, 예를 들어 12V, 24V 등의 일정한 직류 전압을 공급한다.
점화 코일(2)은, 소정의 1차 권회수 N1만큼 권회된 1차 권선(20)과 소정의 2차 권회수 N2만큼 권회된 2차 권선(21)을 구비하고 있다.
이 점화 코일(2)은, 주지한 바와 같이, 1차 권선(20)을 통류하는 1차 전류 I1의 증감에 의해, 2차 권선(21)에 1차 전압 V1의 권회비(N=N2/N1)배의 이차 전압 V2를 발생하도록 구성되어 있다.
1차 권선(20)의 제1 단부인 고전압측 단자(200)(비접지측 단자라고도 칭할 수 있음)측에는, 직류 전원(5)에 있어서의 비접지측 출력 단자(구체적으로는 +단자)가 접속되어 있다. 한편, 1차 권선(20)의 제2 단부인 저전압측 단자(201)(접지측 단자라고도 칭할 수 있음)측은, 점화용 스위치(30)를 통해, 접지측에 접속되어 있다. 즉, 직류 전원(5)은 점화용 스위치(30)가 온되었을 때에, 1차 권선(20)에서 고전압측 단자(200)측으로부터 저전압측 단자(201)측을 향하는 방향을 플러스로 하는 1차 전류 I1을 통류시키도록 설치되어 있다.
2차 권선(21)에 있어서의 제1 단부측의 비플러그측 단자(210)는, 다이오드(22)를 통해, 접지측에 접속되어 있다.
이 다이오드(22)는, 2차 전류(방전 전류)를 점화 플러그(1)로부터 2차 권선(21)을 향하는(즉 도면 중의 전류 I2가 마이너스의 값이 됨) 방향으로 규정하기 위해, 그 애노드가 2차 권선(21)에 있어서의 비접지측 단자(210)측에 접속되어 있다.
한편, 2차 권선(21)에 있어서의 제2 단부측에서의 플러그측 단자(211)는, 점화 플러그(1)에 접속되어 있다.
다이오드(22)는, 점화 코일(2)의 2차 권선(21)에 흐르는 2차 전류 I2의 방향을 규제하고 있다.
제어 회로부(3)는, 점화용 스위치(30)와 충전용 스위치(31)와 방전용 스위치(32)와 보조 전원(33)과 드라이버 회로부(34)와 보조 에너지 필요 여부 판정 수단(35)에 의해 구성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 보조 전원(33)으로서, 에너지 축적 코일(330)과 에너지 축적 콘덴서(331)가 설치되어 있다. 드라이버 회로부(34)에는, 충전용 스위치(31)를 개폐 구동하는 충전용 드라이버(340)와, 방전용 스위치(32)를 개폐 구동하는 방전용 드라이버(341)가 설치되어 있다.
점화용 스위치(30)에는, MOS 게이트 구조 트랜지스터인 IGBT(IGBT는 Insulated Gate Bipolar Transistor의 약칭) 등의 반도체 스위칭 소자가 사용되고 있다.
점화용 스위치(30)는, 점화용 제어 단자(30G)(게이트)와, 점화용 전원측 단자(30C)(콜렉터)와, 점화용 접지측 단자(30E)(이미터)를 갖고 있다.
점화용 스위치(30)는, 게이트(30G)에 입력된 점화 신호 IGt에 기초하여, 이미터 콜렉터 간의 도통을 개폐 제어하도록 구성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 점화용 전원측 단자(30C)는 1차 권선(20)의 저전압측 단자(201)측에 접속되고, 점화용 접지측 단자(30E)는 접지되어 있다.
또한, 점화용 스위치(30)의 콜렉터(30C)와 이미터(30E) 사이를 바이패스하도록 환류 다이오드(301)가 개재 장착되어 있다.
환류 다이오드(301)는, 점화용 스위치(30)의 콜렉터(30C)와 이미터(30E) 사이에, 이미터(30E)측(접지측)으로부터 콜렉터(30C)측(전원측)을 향하는 전류를 허용하고, 반대 방향의 전류는 저지하는 정류 소자이다.
환류 다이오드(301)의 캐소드는 점화용 스위치(30)의 콜렉터(30C)에 접속되고, 애노드는 이미터(30E)에 접속되어 있다.
환류 다이오드(301)는, 점화용 스위치(30)가 오프가 되어 이미터 콜렉터 간의 도통이 차단되었을 때에, 점화용 스위치(30)의 이미터측으로부터 콜렉터측을 향하는 방향의 전류 통류를 허용하는 환류 경로를 형성하고, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)에 접지측 단자(201)측으로부터 비접지측 단자(200)측을 향하는 방향의 전류를 흐르게 할 수 있다.
충전용 스위치(31)에는, MOS 게이트 구조 트랜지스터인 IGBT 등의 반도체 스위칭 소자가 사용되고 있다.
충전용 스위치(31)는, 충전용 제어 단자(31G)(게이트)와, 충전용 전원측 단자(31C)(콜렉터)와, 충전용 접지측 단자(31E)(이미터)를 갖고 있다. 충전용 스위치(31)는, 충전용 드라이버(340)로부터 게이트(31G)에 입력된 충전 제어 신호 VG31에 기초하여, 이미터 콜렉터 간의 도통을 개폐 제어하도록 구성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 충전용 스위치(31)의 콜렉터(31C)는 다이오드(332)를 통해, 방전용 스위치(32)의 드레인(32D)에 접속되어 있다.
다이오드(332)는 충전용 스위치(31)의 콜렉터(31C)로부터 방전용 스위치(32)의 드레인(32D)을 향하는 방향의 전류 통류를 허용하도록, 그 애노드가 충전용 스위치(31)의 콜렉터(31C)에 접속되어 있다. 또한, 충전용 스위치(31)는 이미터(31E)측이 접지되어 있다.
방전용 스위치(32)에는, MOSFET(MOSFET는 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor의 약칭) 등의 반도체 스위칭 소자가 사용되고 있다.
방전용 스위치(32)는, 각각 방전용 제어 단자(32G)(게이트)와, 방전용 전원측 단자(32D)(드레인)와, 방전용 접지측 단자(32S)(소스)를 갖고 있다. 방전용 스위치(32)는, 방전용 드라이버(341)로부터 방전용 제어 단자(32G)에 입력된 방전 제어 신호 VG32에 기초하여, 게이트 소스 간의 도통을 개폐 제어하도록 구성되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 방전용 스위치(32)로서, n채널 MOSFET를 사용한 예를 나타내고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 소위 파워 트랜지스터를 적절히 채용할 수 있다. 점화용 스위치(30), 충전용 스위치(31)에 있어서도 마찬가지이다.
본 실시 형태에 있어서는, 방전용 스위치(32)의 소스(32S)는 다이오드(333)를 통해, 1차 권선(20)에 있어서의 저전압측 단자(201)측에 접속되어 있다. 이 다이오드(333)는, 방전용 스위치(32)의 소스(32S)측으로부터 1차 권선(20)의 저전압측 단자(201)측을 향하는 방향의 전류의 통류를 허용하도록, 그 애노드가 방전용 스위치(32)의 소스(32S)에 접속되어 있다.
본 실시 형태에 있어서의 보조 전원(33)은, 에너지 축적 코일(330)과, 에너지 축적 콘덴서(331)와, 다이오드(332)에 의해 구성되어 있다.
다이오드(332)는 에너지 축적 코일(330)로부터 에너지 축적 콘덴서(331)에의 전류의 흐름을 정류하고, 에너지 축적 콘덴서(331)로부터 방전했을 때에 에너지 축적 코일(330)에의 역류를 저지하고 있다.
에너지 축적 코일(330)은, 충전용 스위치(31)의 온에 의해 전자기 에너지를 축적하도록 설치된 인덕터이다. 이 에너지 축적 코일(330)의 제1 단부의 전원측 단자(330V)는, 직류 전원(5)의 비접지측 출력 단자(+단자)에 접속되고, 제2 단부의 접지측 단자(330G)는 충전용 스위치(31)에 있어서의 충전용 전원측 단자(31C)에 접속되어 있다.
또한, 충전용 스위치(31)의 콜렉터(31C)와 방전용 스위치(32)의 드레인(32D) 사이에 개재 장착된 다이오드(332) 사이에, 충전용 스위치(31)에 대하여 병렬이 되도록 에너지 축적 콘덴서(331)가 설치되어, 비접지측 단자(331V)가 다이오드(332)의 캐소드에 접속되고, 접지측 단자(331G)가 접지되어 있다.
에너지 축적 콘덴서(331)는, 에너지 축적 코일(330)로부터 방전된 에너지를 축적하는 캐패시터이다.
본 실시 형태에 있어서의 드라이버 회로부(34)는, 충전용 스위치(31)를 개폐 구동하는 충전용 드라이버(340)와, 방전용 스위치(32)를 개폐 구동하는 방전용 드라이버(341)에 의해 구성되어 있다.
또한, 점화용 스위치(30)는 엔진(7)의 운전 상황에 따라서 ECU(4)로부터 발신된 점화 신호 IGt에 의해 직접 구동 가능하므로, 드라이버 회로부를 설치하고 있지 않지만, 충전용 스위치(31)와 마찬가지로 점화 신호 IGt에 따라서 점화 제어 신호 VG30을 발신하는 드라이버 회로부를 설치해도 된다.
충전용 드라이버(340)는, 엔진(7)의 운전 상황에 따라서 ECU(4)로부터 발진되어서 점화 신호 IGt를 받아, 소정의 주기로 하이 로우가 전환되는 고주파 펄스로 이루어지는 충전 구동 신호 VG31을 발생하고, 충전용 스위치(31)를 개폐 구동한다.
또한, ECU(4)로부터 점화 신호 IGt의 하강으로부터 소정의 지연 시간 τ(수μs 내지 수십 μs)만큼 지연되어서 상승하고, 방전 기간 Tw 경과 후에 하강하는 방전 기간 신호 IGw가 발신되고, 방전 기간 신호 IGw가 온이 되고 있는 사이에는 충전용 스위치(31)의 개폐 구동이 금지된다.
본 실시 형태에 있어서는, 점화 신호 IGt의 상승에 동기하여, 드라이버(340)의 개폐 구동이 개시되어, 점화 신호 IGt의 하강에 동기해서 드라이버(340)의 개폐 구동이 정지되고, 점화 신호 IGt가 온이 되고 있는 사이에, 에너지 축적 콘덴서(331)가 충전된다.
단, 반드시 에너지 축적 콘덴서(331)의 충전은 점화 신호 IGt의 온 기간에 한정되지 않고, 방전 기간 신호 IGw가 온이 되고 있는 기간 이외이면 언제 행해도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서의 보조 전원(33)은, 충전용 스위치(31)와 함께, 소위 승압 Dc-Dc 컨버터를 구성하고 있으며, 충전용 스위치(31)의 개폐에 의해, 에너지 축적 코일(330)에의 충전과 방전을 반복하고, 방전 전압 Vdc(충전 전압이라고도 할 수 있음)를 승압하면서 에너지 축적 콘덴서(331)에 중첩적으로 충전을 행하고 있다.
에너지 축적 콘덴서(331)는, 전원 전압(예를 들어, 12V 내지 24V)보다도 높은 전압(예를 들어, 50V 내지 수백 V)에 충전된다.
방전용 드라이버(341)는, 방전용 스위치(32)의 개폐 구동이 가능한 게이트 전압을 갖고, 소정의 개폐 주기로 하이 로우가 전환되는 고주파 펄스로 이루어지는 방전 제어 신호 VG32를 생성한다.
방전용 드라이버(341)에는, 점화 신호 IGt와, 방전 기간 신호 IGw와, 1차 전압 판정 신호 JDG1과, 2차 전류 판정 신호 JDG2가 입력된다.
보조 전원(33)은 방전용 스위치(32)를 개폐 구동함으로써, 에너지 축적 콘덴서(331)로부터의 방전과 정지를 전환함으로써, 1차 권선(20)에 흐르는 1차 전류 I1을 증강하고, 2차 권선(21)에 방전 유지 전압 이상의 유도기 전력을 발생시키므로, 2차 전류 I2가 증강되어, 2차 권선(21)에 방전의 유지를 도모하기 위한 방전 유지 전류를 발생시킬 수 있어 꺼짐을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명과 같이, 1차 권선(20)의 접지측 단자(201)로부터 에너지를 투입함으로써, 2차 권선(21)측으로부터 투입하는 경우보다도 낮은 전압으로 전자기 에너지를 투입할 수 있다.
또한, 1차 권선(20)의 고압측으로부터 점화용 스위치(30)의 온 중에 배터리 전압보다 높은 전압으로 투입하면 배터리에의 유입 전류 등에 의해 효율이 나빠진다.
따라서, 본 발명에 따르면, 무엇보다 용이하게 효율적으로 에너지를 투입할 수 있다고 하는 우수한 효과가 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 보조 전원(33)으로부터의 방전을 적절하게 제어하기 위해, 제어 회로부(3)에 보조 에너지 필요 여부 판정 수단(35)으로서, 1차 전압 판정 수단(350)과 2차 전류 판정 수단(351)을 설치하고, 각각의 판정 결과를 방전용 드라이버(341)에 피드백하고 있다.
본 실시 형태에 있어서의 보조 에너지 필요 여부 판정 수단(35)은, 1차 전압 판정 수단(350)과 2차 전류 판정 수단(351) 및 2차 전류 검출 수단(352)에 의해 구성되어 있다.
본 발명에서는, 점화 신호 IGt의 하강 후, 방전 기간 신호 IGw의 상승 전의 타이밍에서, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 접지측 단자(201)에 있어서의 전압 V1을 1차 전압 판정 수단(350)에 의해 모니터한다.
1차 전압 판정 수단(350)은, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 접지측 단자(201)에 있어서의 전압을 1차 전압 V1로서 검출하고, 이것을 소정의 임계치 전압 V1th와 비교해서 임계치 판정하고, 그 결과를 1차 전압 판정 신호 JDG1로서, 방전용 드라이버(341)에 입력하여, 방전 에너지의 투입 개시를 결정한다.
또한, 2차 전류 판정 수단(351)은 2차 전류 I2를 검출하는 2차 전류 검출 수단(352)에 의해 검출한 2차 전류 I2를 소정의 2차 전류 상한 임계치 I2thH와 2차 전류 하한 임계치 I2thL과 비교하여, 그 결과를 2차 전류 판정 신호 JDG2로서 방전용 드라이버(341)에 피드백하고, 방전 전류의 안정화를 도모하도록 구성되어 있다.
방전용 드라이버(341)는, 점화 신호 IGt가 오프, 방전 기간 신호 IGw가 온, 1차 전압 판정 신호 JDG1이 온이 되었을 때, 방전용 스위치(32)의 개폐 구동을 개시하고, 2차 전류 판정 신호 JDG2의 온/오프에 따라서 방전용 스위치(32)의 개폐를 전환하고, 보조 전원(33)으로부터 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 접지측 단자(201)에의 방전을 제어한다.
즉, 본 발명에 따르면, 방전 기간 신호 IGw에 의해 일률적으로 보조 전원(33)으로부터의 방전이 개시되는 것은 아니며, 1차 전압 판정 수단(350)에 의해 보조 전원(33)으로부터의 방전이 필요하다고 판단된 경우만 방전이 허가되고, 과잉 에너지 공급에 의한 전극 소모의 억제를 도모할 수 있게 된다.
또한, 2차 전류 판정 수단(351)에 의해, 이차 전압 V2의 크기 여하에 관계없이, 방전 전류 I2가 일정한 범위에 들어가도록, 보조 전원(33)으로부터의 방전을 제어할 수 있게 된다.
<제1 실시예>
도 3을 참조하여 점화 장치(6)의 작동에 대해서 설명한다.
도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 엔진(7)의 운전 상황에 따라서 ECU(4)로부터 지정한 타이밍에서 하이 로우가 전환되는 점화 신호 IGt가 발신된다.
또한, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, ECU(4)로부터는 점화 신호 IGt의 하강으로부터 소정의 지연 시간 τ만큼 지연되어서 상승하고, 소정의 방전 기간 Tw의 사이 방전을 유지하도록 지시하는 방전 기간 신호 IGw가 발신된다.
본 실시 형태에 있어서는, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 점화 신호 IGt의 상승에 동기하여, 소정의 주기로 온 오프하는 충전 제어 신호 VG31이 생성되고, 충전용 스위치(31)가 온 오프한다.
방전용 스위치(32)가 오프된 상태에서, 충전용 스위치(31)를 온하면 직류 전원(5)으로부터 에너지 축적 코일(330)에 전류가 흐르고, 에너지 축적 코일(330)이 충전된다.
방전용 스위치(32)가 오프된 상태에서, 충전용 스위치(31)를 오프하면, 에너지 축적 코일(330)에 축적된 전자기 에너지는 다이오드(332)를 통해 에너지 축적 콘덴서(331)측으로 흘러, 에너지 축적 콘덴서(331)가 충전된다.
방전용 스위치(32)가 오프된 상태에서, 충전용 스위치(31)의 개폐를 반복하면, 에너지 축적 코일(330)의 충전과, 에너지 축적 코일(330)로부터 에너지 축적 콘덴서(331)에의 방전이 중첩적으로 반복되고, 도 3의 (h)에 도시한 바와 같이, 에너지 축적 콘덴서(331)에는, 직류 전원(5)의 전압보다도 훨씬 높은 방전 전압 Vdc에 충전되어, 전자기 에너지를 축적할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 점화 신호 IGt가 온하고 있는 사이에 에너지 축적 콘덴서(331)를 충전하는 구성을 나타내고 있지만, 반드시 에너지 축적 콘덴서(331)의 충전을 점화 신호 IGt에 동기해서 행할 필요는 없다.
소정의 방전 기간에 방전을 유지하기 위해서 필요한 에너지를 축적해 놓을 수 있는 것이면, 방전 기간 신호 IGw가 온되고 있는 기간을 제외하고 어떠한 시기에 에너지 축적 콘덴서(331)의 충전을 행해도 된다.
한편, 점화 신호 IGt의 온/오프에 동기하여, 도 3의 (e)에 도시한 바와 같이 점화용 스위치(30)가 온 오프된다.
점화용 스위치(30)가 온/오프에 의해, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)에 흐르고 있던 1차 전류 I1이 차단되면, 도 3의 (f)에 도시한 바와 같이, 1차 권선(20)의 높은 1차 전압 V1이 발생하고, 또한 도 3의 (g)에 도시한 바와 같이, 2차 권선(21)측에 1차 전압 V1의 권회비(N=N2/N1)에 비례하는 매우 높은 이차 전압 V2를 발생한다.
이 이차 전압 V2가 점화 플러그(1)에 인가되고, 플러그 갭 사이에서 절연 파괴가 발생하여 방전로가 형성되면, 도 3의 (i)에 사선으로 나타낸 바와 같이 큰 2차 전류 I2가 흘러, 점화용 스위치(30)의 온에 의해 축적된 자기 에너지를 완전히 방출할 때까지(I2가 0A가 될 때까지), 점화 플러그(1)에 불꽃 방전이 발생한다.
도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 점화 신호 IGt의 하강으로부터 방전 기간 신호 IGw의 상승까지의 사이에, 1차 전압 판정 수단(350)에 의해, 1차 전압 V1의 판정이 행하여진다.
이때, 점화용 스위치(30), 방전용 스위치(32)는 모두 오프인 상태로 되어 있다.
또한, 점화 코일(2)의 2차 권선(21)의 비플러그측 단자(210)와 플러그측 단자(211) 사이의 이차 전압 V2는, 점화 플러그(1)에 발생하고 있는 불꽃 방전의 실제 방전 거리에 따라 변화된다.
기통(201) 내에 강한 기류에 의해 방전 아크가 연장되면, 방전 거리가 길어져, 그만큼 2차 권선(21)의 이차 전압 V2가 높아진다.
점화 코일(2)의 유도 작용에 의해, 1차 권선(20)의 접지측 단자(201)에 있어서 검출되는 1차 전압 V1은, 이차 전압 V2의 변화에 비례해서 변화된다.
이로 인해, 1차 전압 V1을 검출함으로써, 기통(201) 내에 흐르는 기류에 의해 변화되는 이차 전압 V2를 예측이 가능해진다.
방전 아크의 연장이 발생하지 않는 조건이라고 판단한 경우에는, 보조 전원(33)으로부터의 방전을 정지하고, 또는 방전 개시 시기를 늦추어, 방전 아크의 연장에 의해 꺼짐이 발생하기 쉬운 조건이라고 판단한 경우에는, 보조 전원(33)으로부터의 방전을 조기에 개시시킬 수 있다.
1차 전압 판정 수단(350)에 의해, 1차 전압 V1과 소정의 1차 전압 임계치 V1th와의 비교가 행하여지고, 1차 전압 V1이 1차 전압 임계치 V1th를 초과할 경우에는, 방전의 연장이 발생하는 조건이라고 판단되어, 1차 판정 신호 JDG1이 온이 된다.
한편, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 방전 기간 신호 IGw는 점화 신호 IGt의 하강으로부터 일정한 지연 기간 τ만큼 지연되어서 상승하고, 1차 판정 신호 JDG1은, 그때마다 운전 조건에 따라, 상승 시기가 변화되므로, 방전 기간 신호 IGw를 1차 판정 신호 JDG1에 의해 보정함으로써, 운전 상황의 변화에 따라서 보조 전원(33)으로부터의 방전을 개시시킬 수 있다.
방전용 제어 드라이버(341)에는, 점화 신호 IGt, 방전 기간 신호 IGw, 1차 판정 신호 JDG1이 입력되고, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이 방전 제어 신호 VG32가 출력되고, 방전용 스위치(32)가 개폐 구동된다.
충전용 스위치(31)는 오프 상태로 되어 있고, 방전용 스위치(32)의 개폐에 의해, 도 3의 (h)에 도시한 바와 같이, 에너지 축적 콘덴서(331)의 방전이 일어나, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 접지측 단자(201)로부터 도입되게 된다.
이에 의해, 1차 권선(20)에 흐르는 1차 전류 I1이 증가되고, 도 3의 (i)에 도시한 바와 같이, 2차 전류가 증가된다.
보조 전원(33)으로부터의 방전이 개시되면, 2차 전류 판정 수단(351)에 설치한 2차 전류 검출 저항(352)에 의해, 점화 코일(2)의 2차 권선(21)에 흐르는 2차 전류 I2가 검출된다.
2차 전류 I2는 2차 전류 검출 저항(352)에 의해 전압 변환되어, 2차 전류 변환 전압 VI2로서 2차 전류 판정 수단(351)에 입력된다.
2차 전류 판정 수단(351)에 있어서는, 소정의 2차 전류 상한 임계치 I2thH와 2차 전류 하한 임계치 I2thL로 이루어지는 2개의 임계치와 2차 전류 I2를 비교하여, 2차 전류 판정 신호 JDG2가 출력된다.
2차 전류 I2가 2차 전류 상한 임계치 I2thH를 상회할 때에는 보조 전원(33)으로부터의 방전이 불필요하다고 판단하고, 2차 전류 I2가 2차 전류 하한 임계치 I2thL을 하회할 때에는 보조 전원(33)으로부터의 방전이 필요하다고 판단하여, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이, 2차 전류 판정 신호 JDG2가 온/오프를 전환해서 방전용 드라이버(341)에 입력되고, 방전용 스위치(32)의 온/오프가 전환된다.
그 결과, 이차 전압 V2의 변화에 관계없이, 도 3의 (i)에 도시한 바와 같이, 2차 전류 I2가 일정한 범위가 되도록 통전 제어할 수 있게 된다.
본 발명의 점화 장치(6)에서는, 꺼짐이 발생하기 어려운 조건에서는, 보조 전원(33)으로부터의 방전을 늦추는 것으로, 과잉 에너지 공급에 의한 전극 소모를 억제하는 한편, 꺼짐이 발생하기 쉬운 조건에서는, 보조 전원(33)으로부터의 방전을 빠르게 개시하고, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 접지측 단자(201)로부터 에너지를 주입하여, 방전의 유지를 도모하고, 꺼짐 방지를 도모한다.
또한, 2차 전류 검출 수단(352)에 의해 검출된 2차 전류 I2(VI2)의 변화를 임계치 판정하여, 보조 전원(33)으로부터의 방전과 정지를 전환함으로써, 이차 전압 V2의 변화에 관계없이, 2차 전류 I2를 일정한 범위로 유지할 수 있다.
또한, 보조 전원(33)으로부터의 방전 개시 후에는, 방전용 스위치(32)가 오프로 되어 있는 상태에서는, 1차 전압 V1은 접지되어 0이 되고, 방전용 스위치(32)가 온이 된 상태에서는, 에너지 축적 콘덴서(331)의 방전 전압 Vdc를 검출하게 된다.
<제2 실시 형태>
도 4를 참조하여, 제2 실시 형태에 있어서의 점화 장치(6a)에 대해서 설명한다.
또한, 이하의 실시 형태에 있어서, 상기 실시 형태와 동일 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 상이한 부분에 알파벳의 번호를 부여하였으므로, 공통된 부분의 설명을 생략하고, 각 실시 형태에 있어서의 특징적인 부분을 중심으로 설명한다. 다른 실시 형태에 있어서도 마찬가지이다.
본 실시 형태에 있어서의 점화 장치(6a)에서는, 제어 회로부(3a)를 점화용 스위치(30), 충전용 스위치(31), 방전용 스위치(32a), 보조 전원(33a), 드라이버 회로부(34a), 보조 에너지 필요 여부 판정 수단(35a)에 의해 구성하고 있다.
보조 전원(33a)은 1개의 에너지 축적 코일(330)에 대하여, 제1, 제2 에너지 축적 콘덴서(331A, 331B)를 설치하고 있다.
또한, 방전용 스위치(32a)로서, 제1, 제2 에너지 축적 콘덴서(331A, 331B)의 각각에 제1, 제2 방전용 스위치(321, 322)를 설치하고, 필요에 따라 제1 다이오드(332A), 제2 다이오드(332B), 제3 다이오드(333A), 제4 다이오드(333B)를 설치한 점이 상기 실시 형태와 상이하다.
또한, 드라이버 회로부(34a)는 충전용 스위치(31)를 개폐 제어하는 충전용 드라이버(340)와, 제1, 제2 방전용 스위치(321, 322) 각각을 개폐 구동하는 제1, 제2 방전용 드라이버(341, 342)에 의해 구성되어 있다.
또한, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 점화용 스위치(30)를 개폐 구동하는 점화 제어 드라이버를 설치해도 된다.
제1, 제2 방전용 드라이버(341, 342)에는, 점화 신호 IGt, IGw, 1차 전압 판정 신호 JDG1, 2차 전류 판정 신호 JDG2가 입력되어 있다.
상기 실시 형태에 있어서는, 1차 전압 V1을 임계치 판정하여, 방전 개시 시기의 결정을 행했지만, 본 실시 형태에 있어서는, 이 외에, 제1, 제2 에너지 축적 콘덴서(331A, 332A)의 전환을 행하도록 하고 있다.
전술한 바와 같이, 점화 신호 IGt의 하강으로부터 방전 기간 신호 IGw의 상승까지의 지연 시간 τ 사이에서는, 1차 전압 V1과 이차 전압 V2는 1차 권선(20)의 권회수 N1과 2차 권선(21)의 권회수 N2와의 권회비(N=N2/N1)에 비례하고, N=N2/N1=V2/V1의 관계가 성립되어, 지연 시간 τ 사이에 1차 전압 V1을 검출함으로써, 이차 전압 V2의 예측이 가능해진다.
한편, 방전 개시 후에는 제1 방전용 스위치(321)가 온이 되었을 때에는, 1차 전압 V1은 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)의 제1 방전 전압 Vdc1과 같고, 제2 방전용 스위치(322)가 온이 되었을 때에는, 1차 전압 V1은 제2 에너지 축적 콘덴서(331A)의 제2 방전 전압 Vdc2와 같아진다.
따라서, 1차 전압 V1을 검출함으로써, 보조 전원(33a)의 에너지 잔량을 감시할 수 있게 된다.
상기 실시 형태와 마찬가지로, 1차 전압 V1의 판정 결과에 기초하여, 제1 에너지 축적 콘덴서(331)로부터의 방전을 개시하고, 2차 전류 I2의 판정 결과에 의해, 2차 전류 I2가 일정한 범위가 되도록, 제1 에너지 축적 콘덴서(331)로부터의 방전을 행한 후, 제1 방전 전압 Vdc1이 소정의 방전 전압 임계치 Vdc1th보다 낮아진 경우에는 제1 방전용 드라이버를 정지하고, 제2 방전용 드라이버의 구동을 개시하고, 제2 에너지 축적 콘덴서(332)로부터의 방전으로 전환할 수 있게 된다.
또한, 1차 전압 V1의 판정에 있어서, 기통(701) 내가 꺼짐을 발생하기 어려운 조건이라 판단한 경우에는, 제2 에너지 축적 콘덴서(332)로부터의 방전을 행하지 않도록 하는 것도 가능해진다.
<제2 실시예>
도 5, 도 6a를 참조하여, 제2 실시예로서 나타내는, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 점화 장치(6a)의 기본적인 작동과 그 효과에 대해서 설명한다.
도 5 중 (a)는 점화 신호 IGt를, (b)는 방전 기간 신호 IGw를, (c)는 충전용 스위치(31)의 개폐 상태를, (d)는 제1 방전용 스위치(321)의 개폐 상태를, (e)는 제2 방전용 스위치(322)의 개폐 상태를, (f)는 점화용 스위치(30)의 개폐 상태를, (g)는 제1 방전 전압 Vdc1의 변화를, (h)는 제2 방전 전압 Vdc2의 변화를, (i)는 투입된 에너지 E의 적산량을, (j)는 1차 전압 V1의 변화를, (k)는 이차 전압 V2의 변화를, (L)은 2차 전류 I2의 변화를 나타낸다.
도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, ECU(4)로부터 엔진의 점화 시기에 따른 점화 신호 IGt가 발신된다.
도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, ECU(4)로부터 엔진의 운전 상황에 따라서 미리 설정한 방전 기간 신호 IGw가 발신된다.
도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 점화 신호 IGt의 상승에 동기해서 충전용 스위치(31)가 개폐 구동하고, 하강에 동기해서 충전용 스위치(31)의 구동이 정지된다.
도 5의 (g)에 도시한 바와 같이, 충전용 스위치(31)의 개폐 구동에 의해, 에너지 축적 코일(330)로부터 방출된 전자기 에너지가 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)에 중첩적으로 충전되어, 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)의 제1 방전 전압 Vdc1이 상승한다.
동시에, 도 5의 (h)에 도시한 바와 같이, 충전용 스위치(31)의 개폐 구동에 의해, 에너지 축적 코일(330)로부터 방출된 전자기 에너지가 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)에 중첩적으로 충전되어, 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)의 제2 방전 전압 Vdc2가 상승한다.
또한, 충전 완료 시에 있어서, 제1 방전 전압 Vdc1과 제2 방전 전압 Vdc2는 동등한 전압 Vdc(예를 들어, 100V)가 된다.
도 5의 (f)에 도시한 바와 같이, 점화 신호 IGt의 상승에 동기해서 점화용 스위치(30)가 온이 되고, 점화 신호 IGt의 하강에 동기해서 점화용 스위치(30)가 오프가 된다.
도 5의 (i)에 도시한 바와 같이, 점화용 스위치(30)의 차단에 의해, 높은 에너지가 단숨에 투입된다.
그 결과, 도 5의 (j)에 도시한 바와 같이, 점화용 스위치(30)의 오프에 의해, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)에 흐르는 1차 전류 I1의 급격한 변화에 의해, 1차 권선(20)의 1차 전압 V1이 급상승한다.
도 5의 (k)에 도시한 바와 같이, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)에 흐르는 전류의 급격한 변화에 의해, 2차 권선(21)에 매우 높은 이차 전압 V2가 발생하고, 점화 플러그(7)의 전극 사이에 형성된 공간의 절연이 파괴되어, 방전이 일어난다.
이때, 도 5의 (L)에 도시한 바와 같이, 큰 2차 전류 I2가 흐른다.
한편, 방전 개시 직후에는, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 방전 기간 신호 IGw가 상승한다.
그러면, 도 5의 (d)에 도시한 바와 같이, 방전 기간 신호 IGw의 상승에 동기하여, 방전용 스위치(321)가 개폐 구동된다.
도 5의 (g)에 도시한 바와 같이, 충전용 스위치(31), 점화용 스위치(30)가 오프가 된 상태에서, 방전용 스위치(321)의 개폐 구동에 의해, 제1 방전 전압 Vdc1이 변화된다.
그때 발생하는 전류가 1차 권선(20)에 흘러, 도 5의 (i)에 도시한 바와 같이, 방전 유지 에너지로서 투입되고, 도 5의 (L)에 도시한 바와 같이, 점화 플러그(1)의 전극 간의 방전을 유지하도록 2차 전류 I2의 저하를 억제한다.
도 5의 (j)에 도시한 바와 같이, 방전 개시에 의해, 1차 전압 V1은 단숨에 저하되지만, 기류에 의한 방전의 신장에 따라서 서서히 방전 공간의 저항이 상승되고, 소정의 방전 전압 임계치 Vdc1th를 초과하면, 방전 전류가 흐르기 어려워지지만, 1차 전압 판정 수단(350a)으로부터 출력된 판정 신호 JDG3에 의해 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터의 방전을 개시하기 위해, 도 5의 (e)에 도시한 바와 같이, 제2 방전용 스위치(322)가 개폐 구동된다.
제2 방전용 스위치(322)의 개폐 구동에 의해, 도 5의 (h)에 도시한 바와 같이, 제2 방전 전압 Vdc2가 변화된다.
이로 인해, 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)와 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)의 중첩적인 구동에 의해, 도 5의 (i)에 도시한 바와 같이, 투입 에너지 E가 증가되고, 도 5의 (j)에 도시한 바와 같이, 1차 전압 V1의 상승이 억제되어 꺼짐이 억제된다.
또한, 방전 기간 Tw1은 미리 설정한 맵에 기억되어, 운전 상황에 따라서 선택된 일정한 기간이 되지만, 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)로부터의 방전은, 지연 시간 τ 사이에 1차 전압 판정 수단(350a)에 의해 1차 전압 V1을 임계치 판정한 1차 전압 판정 신호 JDG1에 의해, 실제 운전 상황에 따른 적절한 타이밍에 방전 개시 시기가 결정되고, 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터의 방전 유지 에너지가 투입되는 제2 방전 기간 Tw2는, 방전 개시 후에, 제1 방전용 스위치(321)가 온이 되어 있을 때에, 1차 전압 판정 수단(350a)에 의해, 검출된 제1 방전 전압 Vdc1과 소정의 방전 전압 임계치 Vdc1th를 비교하여, 실제로 검출된 Vdc1이 방전 전압 임계치 Vdc1th 이하가 되는 타이밍에 따라서 증감된다.
또한, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 보조 전원(33a)으로부터의 방전이 개시된 후는 2차 전류 I2를 2차 전류 검출 수단(352)에 의해 검출하고, 2차 전류 판정 수단(351)에 의해 2차 전류 I2를 임계치 판정해서 2차 전류 I2가 일정한 범위가 되도록 2차 전류 판정 신호 JDG2의 출력이 전환되고, 제1, 제2 방전용 드라이버(341, 342)로부터 출력되는 방전 제어 신호 VG321, VG322의 하이 로우 전환이 행하여진다.
이에 의해, 이차 전압 V2가 기통(201) 내에 흐르는 기류의 변화에 의해 변동해도, 2차 전류 I2가 일정한 범위로 유지할 수 있다.
이로 인해, 발명의 점화 장치(6)에서는, 과부족 없이, 방전 유지에 필요한 에너지가 공급되게 된다.
본 발명에 있어서는, 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 1차 전압 V1과 2차 권선(21)에 발생하는 이차 전압 V2의 비 V1/V2가, 1차 권선(20)의 권회수 N1과 2차 권선(21)의 권회수 N2의 비 N1/N2에 대략 동등하도록, 1차 전압 V1을 모니터함으로써, 개체차나 운전 상황의 차이에 의한 이차 전압 V2의 변화를 예측하고, 운전 상황의 변화뿐만 아니라 개체차의 영향에 대응한, 정교한 점화 제어를 실시하는 것이 가능해지는 것이다.
그 결과, 도 7a에 제2 실시예로서 나타낸 바와 같이, 연소실 내의 기류가 약한 경우에는, 보조 전원(33)으로부터의 브레이크 방전과 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)로부터의 방전만이라도, 방전 아크 ARK가 연장되는 일이 없으므로, 브레이크 방전 후의 1차 전압 V1의 상승이 완만하고, 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터의 에너지 공급을 늦추어, 단기간만큼 충방전을 실시하도록 해도 안정된 착화가 가능하다.
<제3 실시예>
또한, 도 7b에 제3 실시예로서, 연소실 내에 강한 통내 기류가 발생하는 경우에 있어서의 본 발명의 효과에 대해서 설명한다.
또한, 제2 실시예와 동일한 작동에 대해서는 설명을 생략하고, 특징적인 점만을 설명한다.
연소실 내에 강한 기류가 발생하는 경우, 도 7b에 도시한 바와 같이, 방전 아크 ARK가 연장되므로, 이차 전압 V2가 조기에 상승한다.
이때, 이차 전압 V2의 변화와 1차 전압 V1의 변화에 상관이 있고, 지연 시간 τ 사이에 1차 전압 판정 수단(350a)에 의해, 1차 전압 V1을 모니터함으로써, 이차 전압 V2의 변화를 예측할 수 있다.
이로 인해, 조기에 V1이 소정의 1차 전압 임계치 V1th를 초과할 경우에는, 빠르게 제2 방전용 스위치(322)의 개폐가 개시되고, 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)와 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터 에너지가 높은 콘덴서로부터 선택적으로 에너지 투입이 실시된다.
그 결과, 도 7b에 도시한 바와 같이, 2차 전류 I2의 유지에 충분한 에너지가 투입되어, 꺼지는 일이 발생하는 일 없이, 안정된 착화를 실현할 수 있다.
<제1 비교예>
도 6a, 도 8a를 참조하여, 제1 비교예의 문제점을 설명한다.
제1 비교예에서는, 종래의 다중 방전을 행하는 점화 장치의 문제점을 밝히기 위해, 본 발명의 점화 장치(9)에 있어서, 1차 전압 V1의 감시 결과를 피드백시키지 않고, 연소실 내에 강한 기류가 발생하고 있지 않은 상태에서, 도 6의 (d), 도 6의 (e)에 도시한 바와 같이, 방전 개시 직후로부터 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)뿐만 아니라, 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터의 방전을 일정한 개폐 주기로 행한 결과를 나타내는 것이다.
그 결과, 제1 비교예에서는, 도 6a의 (i)에 도시한 바와 같이, 투입 에너지가 과잉 공급이 되고, 도 8a에 도시한 바와 같이, 강한 방전 아크가 계속해서 유지되어, 이것이 점화 플러그(1)의 전극 소모를 일으키는 요인이 되는 것이 판명되었다.
또한, 종래의 점화 장치와 같이, 전원 전압을 감시하여, 점화 플러그에 인가되는 전압을 평균화한 경우, 방전 유지가 곤란한 상황에서는 방전 유지를 도모하는 효과를 발휘할 수 있지만, 착화하기 쉬운 운전 상황에 있어서는 과잉 에너지 공급에 의한 전극 소모를 야기하게 된다.
<제2 비교예>
도 6b, 도 8b를 참조하여, 제2 비교예의 문제점을 설명한다.
제2 비교예에서는, 종래의 점화 장치 문제점을 밝히기 위해, 도 6b의 (d), 도 6의 (e)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 점화 장치(6)에 있어서 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터의 방전을 강제적으로 정지한 상태에서, 연소실 내에 강한 통내 기류가 발생한 조건 하에서, 점화 시험을 행한 결과를 나타내는 것이다.
제2 비교예에서는, 1차 전압 판정 신호 JDG1, 방전 전압 판정 신호 JDG3을 강제적으로 오프시키고, 또한 방전 개시 후는 2차 전류 판정 신호 JDG2를 피드백시키지 않고, 일정한 개폐 주기로 제1 방전용 스위치(321)를 개폐 제어하고, 점화 코일(2)의 1차 전압 V1, 제1 방전 전압 Vdc1 및 2차 전류 I2의 감시 결과를 피드백시키지 않는 상태로 하고 있다.
그 결과, 제2 비교예에서는, 점화 신호 IGt에 따라서, 점화 플러그(1)에 불꽃 방전을 발생시켜, 보조 전원(33a)으로부터의 방전에 의해, 어느 정도 방전의 유지를 도모하는 것이 가능하다.
그러나 제2 비교예에서는, 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터의 방전이 정지되고 있으므로, 연소실 내에 강한 기류가 발생하고 있으면, 도 8b에 도시한 바와 같이, 방전 아크 ARK가 떼어져, 조기에 이차 전압 V2가 상승되고, 방전의 유지가 곤란해져, 방전 아크가 연장되고, 도 6b의 (j), 도 6의 (k), 도 6의 (L)에 도시한 바와 같이, 방전의 꺼짐 및 재방전이 일어난다.
이때, 순간적으로 2차 전류 I2가 흐르지 않게 되어, 마치 스위칭이 행하여진 것과 같은 상태를 야기하여, 재방전이 발생한다.
이로 인해, 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)로부터 공급된 방전 에너지가 계속적으로 동일한 혼합기에 공급되는 일 없이, 방전 공간의 절연 파괴에 소비되어 버려, 충분한 화염 성장을 하는 일 없이, 화염핵 FLK가 꺼져, 실화에 이를 우려가 있다.
<변형예>
도 9a, 도 9b를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 점화 장치의 제1 및 제2 변형예(6b, 6c)에 대해서 설명한다.
상기 실시 형태에 있어서의 점화 장치(6a)에서는, 제1 에너지 축적 콘덴서(331A), 제2 에너지 축적 콘덴서(331B) 각각이, 제1, 제2 다이오드(332A, 332B,를, 제1, 제2 방전용 스위치(321, 322) 각각이, 제3, 제4 다이오드(333A, 333B)에 접속된 구성을 나타냈지만, 제1 변형예에 있어서의 점화 장치(6b)에서는, 도 9a에 도시한 바와 같이, 제1 다이오드(332A)를 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)와 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로 공유하고, 제2 변형예에 있어서의 점화 장치(6c)에서는 또한 제3 다이오드(333A)를 제1 방전용 스위치(321)와 제2 방전용 스위치(322)로 공유하도록 구성하고 있다.
이와 같이, 제1, 제2 에너지 축적 콘덴서(331A, 331B) 및 제1, 제2 방전용 스위치(321, 322)가, 제1, 제3 다이오드(332A, 333A)를 겸용함으로써, 각 소자에 흐르는 전류량이 커지므로, 상기 실시 형태에 있어서의 점화 장치(6a)보다도, 각 소자에 요구되는 용량은 커지지만, 상기 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘하면서, 부품 개수를 저감시킬 수도 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 방전 기간 신호 IGw를 제2 방전용 드라이버(342)에도 송신하고, 방전 기간 신호 IGw와 1차 전압 판정 신호 JDG1과, 방전 전압 판정 신호 JDG3이 모두 온이 된 경우에, 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터의 방전을 개시하도록 한 구성을 나타냈지만, 제1 변형예에 있어서의 점화 장치(6b)에서는, 제2 방전용 드라이버(342)에는 방전 기간 신호 IGw의 송신을 하지 않고, 제1 방전 전압 판정 신호 JDG3에만 의해, 제2 방전용 드라이버의 구동을 개시시키도록 해도 된다.
이러한 구성이라도, 상기 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 에너지 축적 콘덴서(331A)와 제2 에너지 축적 콘덴서(331B)로부터 중첩적으로 방전을 행하도록 제어하는 예를 나타냈지만, 어느 한쪽만으로부터의 방전을 행하도록 해도 된다.
또한, 제2 에너지 축적 콘덴서(331B), 제2 방전용 스위치(322) 및 필요에 따른 다이오드에 추가하여, 이들과 마찬가지인 구성으로 이루어지는 제3, 제4 에너지 축적 콘덴서(331C, 331D), 제3, 제4 방전용 스위치(323, 324) 및 필요에 따른 다이오드를 병렬로 설치하도록 해도 된다. 부품 개수가 증가하지만, 각 소자의 용량을 작게 할 수 있으므로, 총비용의 삭감을 할 수 있는 경우도 있고, 보다 1상 치밀한 전력 공급 매니지먼트도 가능해진다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 복수의 보조 전원(33)을 점화 코일(2)의 1차 권선(20)의 하류측에 접속한 예를 나타냈지만, 상류측에 설치하도록 해도 된다. 단, 그 경우, 정류 소자나 개폐 소자의 극성을 고려할 필요가 있다.
또한, 승압 회로는 공통 회로로 했지만, 각각에 설치해도 된다.
또한, 점화 신호 IGt 및 방전 기간 신호 IGw는 ECU(4)로부터의 신호를 그대로 사용한 예를 나타냈지만, 드라이버 회로부를 설치하여, 승압 동작 시간과 점화 코일 시간을 나누어도 된다.
<제3 실시 형태>
도 10을 참조하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 점화 장치(6d)에 대해서 설명한다.
점화 장치(6d)는 점화 플러그(1), 점화 코일(2), 제어 회로부(3d), ECU(4d), 직류 전원(5)으로 이루어지고, 제어 회로부(3d)는 점화용 스위치(30), 충전용 스위치(31), 방전용 스위치(32), 보조 전원(33d), 드라이버 회로부(34d), 보조 에너지 필요 여부 판정 수단(35d)에 의해 구성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성에 있어서, 보조 전원(33d)으로서, 에너지 축적 코일(330)만을 구비하고, 에너지 축적 콘덴서(331)를 폐한 점 및 보조 에너지 필요 여부 판정 수단(35d)을 ECU(4d)에 설치한 점이 상기 제1 실시 형태와 다르다.
본 실시 형태에 있어서의 드라이버 회로부(34d)는, ECU(4)로부터 출력된 점화 신호 IGt 및 방전 기간 신호 IGw를 수신하도록, ECU(4)에 접속되어 있다.
또한, 드라이버 회로부(34d)는 점화용 스위치(30), 충전용 스위치(31), 방전용 스위치(32)를 제어하도록, 점화용 제어 단자(30G), 충전용 제어 단자(31G) 및 방전용 제어 단자(32G)에 접속되어 있다. 이 드라이버 회로부(34d)는, 수신한 점화 신호 IGt 및 방전 기간 신호 IGw에 기초하여, 점화 신호 IGt, 충전 제어 신호 VG31 및 방전 제어 신호 VG32를, 각각 점화용 제어 단자(30G), 충전용 제어 단자(31G) 및 방전용 제어 단자(32G)에 출력하도록 설치되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, ECU(4d)에 보조 에너지 필요 여부 판정 수단(35d)이 설치되고, 1차 전압 V1, 방전 전압 Vdc 및 2차 전류 I2의 임계치 판정이 행하여지고, 1차 전압 판정 신호 JDG1, 2차 전류 판정 신호 JDG2, 방전 전압 판정 신호 JDG3이 ECU(4d)로부터 드라이버 회로부(34d)에 출력되도록 설치되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 에너지 축적 콘덴서(331)를 폐했기 때문에, 방전용 스위치(32)의 개폐만으로는, 에너지 축적 코일(330)에의 재충전을 할 수 없다.
이로 인해, 점화용 스위치(30)의 개폐에 의해, 방전을 개시한 후, 방전용 스위치(32)와 충전용 스위치(31)를 교대로 개폐하도록, 드라이버 회로부(34d)의 제어가 이루어진다.
<동작 설명>
이하, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 본 실시 형태의 구성에 의한 동작(작용·효과)에 대해서 설명한다. 도 11a 및 도 11b의 타임차트에 있어서,「Vdc」는 방전용 스위치(32)의 드레인(32D)의 전압,「I1」은 1차 전류,「I2」는 2차 전류를 각각 나타낸다.
또한, 도면 중, 1차 전류「I1」 및 2차 전류「I2」의 타임차트에 있어서는, 도 10에서 화살표로 나타내고 있는 방향이 플러스인 값이 되도록 나타내고 있는 것으로 한다. 또한, 다른 실시 형태와 마찬가지로, 점화 신호 IGt, 방전 기간 신호 IGw, 점화 신호 IGt(VG30), 충전 제어 신호 VG31 및 방전 제어 신호 VG32는, 도면 중 상방으로 상승한 상태가「H」이며, 하방으로 하강한 상태가「L」인 것으로 한다.
ECU(4d)는, 회전 속도 센서(793) 등의 각종 센서(79)의 출력에 기초하여 취득한 엔진 파라미터에 따라서, 인젝터(78) 및 제어 회로부(3)를 포함하는, 엔진 시스템(10)에 있어서의 각 부의 동작을 제어한다. 여기서, 점화 제어에 대해서 상세하게 설명하면, ECU(4d)는 취득한 엔진 파라미터에 기초하여, 점화 신호 IGt 및 방전 기간 신호 IGw를 생성한다. 그리고 ECU(4d)는 생성한 점화 신호 IGt 및 방전 투입 기간 신호 IGw를, 드라이버 회로부(34d)를 향해 출력한다. 또한, 본 실시 형태에서는 ECU(4d)에 1차 전압 V1, 방전 전압 Vdc, 2차 전류 I2가 입력되고, 각각을 임계치 판정한, 1차 전압 판정 신호 JDG1, 방전 전압 판정 신호 JDG3, 2차 전류 판정 신호 JDG2를 드라이버 회로부(34d)에 출력하도록 구성되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 에너지 투입 기간 신호 IGw는 점화 신호 IGt가 H 레벨로부터 L 레벨로 하강하는 동시에, L 레벨로부터 H 레벨로 상승할 수 있는 것으로 한다.
드라이버 회로부(34d)는, ECU(4d)로부터 출력된 점화 신호 IGt 및 에너지 투입 기간 신호 IGw를 수신하면, 이들에 기초하여, 점화용 스위치(30)의 온/오프를 제어하기 위한 점화 제어 신호 VG30, 충전용 스위치(31)의 온/오프를 제어하기 위한 충전 제어 신호 VG31 및 방전용 스위치(32)의 온/오프를 제어하기 위한 방전 제어 신호 VG32를 출력한다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 점화 제어 신호 VG30은 점화 신호 IGt와 동일하다. 이로 인해, 드라이버 회로부(34d)는, 수신한 점화 신호 IGt를 그대로 점화 제어 신호 VG30의 게이트(30G)를 향해서 출력한다.
한편, 충전 제어 신호 VG31 및 방전 제어 신호 VG32는, ECUd로부터 수신한 방전 기간 신호 IGw, 1차 전압 판정 신호 JDG1, 방전 전압 판정 신호 JDG3 및 2차 전류 판정 신호 JDG2에 기초하여 생성되는 것이다. 이로 인해, 드라이버 회로부(34d)는, 충전 제어 신호 VG31 및 방전 제어 신호 VG32를, 충전용 스위치(31)의 게이트(31G) 또는 방전용 스위치(32)의 게이트(32G)를 향해서 출력한다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 1차 전압 판정 수단(350d)의 판정 결과로부터, 보조 전원(33d)으로부터의 방전의 필요 여부를 판정한 다음, 충전 제어 신호 VG31은, 방전 기간 신호 IGw가 H 레벨로 상승함과 동시에 H 레벨로 상승함과 함께, 에너지 투입 기간 신호 IGw가 H 레벨 사이로 소정의 주기로 반복하여 상승되는, 온 듀티비가 일정(1 : 1)한 구형파 펄스 형상의 신호이다. 또한, 방전 제어 신호 VG32는, 방전 기간 신호 IGw가 H 레벨 사이로, 충전 제어 신호 VG31과 교대로 반복하여 상승되는, 온 듀티비가 일정(1 : 1)한 구형파 펄스 형상의 신호이다.
즉, 도 11a에 나타내고 있는 바와 같이, 충전 제어 신호 VG31이 H 레벨로부터 L 레벨로 하강함과 동시에 방전 제어 신호 VG32가 L 레벨로부터 H 레벨로 상승된다. 또한, 방전 제어 신호 VG32가 H 레벨로부터 L 레벨로 하강됨과 동시에 충전 제어 신호 VG31이 L 레벨로부터 H 레벨로 상승된다.
이하 도 11a를 참조하면, 시각 t1에서 점화 신호 IGt가 H 레벨로 상승되면, 이에 대응하여, 점화 제어 신호 VG30이 H 레벨로 상승됨으로써, 점화용 스위치(30)가 온된다. 이때 방전 기간 신호 IGw는 L 레벨이므로 충전용 스위치(31) 및 방전용 스위치(32)는 오프이다. 이에 의해, 1차 권선(20)에 있어서의 1차 전류 I1의 통류가 개시한다.
이와 같이 하여, 점화 신호 IGt가 H 레벨로 상승되고 있는 시각 t1-t2 사이에, 점화 코일(2)이 충전된다. 그 후, 시각 t2에서 점화 신호 IGt가 H 레벨로부터 L 레벨로 하강됨으로써 점화용 스위치(30)가 오프되면, 그 이전까지 1차 권선(20)에 통류하고 있던 1차 전류가 급격하게 차단된다. 그러면, 점화 코일(2)이 방전하고, 2차 권선(21)에서, 큰 2차 전류 I2인 방전 전류가 발생한다. 이에 의해, 점화 플러그(1)에서 점화 방전이 개시한다.
여기서, 시각 t2에서 점화 방전이 개시된 후는 종래의 방전 제어에 있어서는(또는 에너지 투입 기간 신호 IGw가 H 레벨로 상승되는 일 없이 L 레벨인 그대로 유지되는 것과 같은 운전 조건에 있어서는), 파선으로 나타낸 바와 같이, 방전 전류는 그 상태에서는 시간 경과와 함께 제로에 가깝고, 방전을 유지할 수 없을 정도까지 감쇠한다.
이 점에서, 본 동작예에 있어서는, 시각 t2에서, 점화 신호 IGt가 H 레벨로부터 L 레벨로 하강하는 동시에, 방전 기간 신호 IGw가 L 레벨로부터 H 레벨로 상승된다. 그러면, 먼저 방전 제어 신호 VG32가 L 레벨로 유지되면서, 충전 제어 신호 VG31이 H 레벨로 상승된다. 즉, 방전용 스위치(32)가 오프인 상태에서, 충전용 스위치(31)가 온된다. 이에 의해, 에너지 축적 코일(330)에 전자기 에너지가 축적된다.
그 후, 충전 제어 신호 VG31이 H 레벨로부터 L 레벨로 하강하는 동시에, 방전 제어 신호 VG32가 H 레벨로 상승된다. 이때, 충전용 스위치(31)의 오프에 의한, 에너지 축적 코일(330)의 방전 전압 Vdc의 승압과 동시에, 방전용 스위치(32)가 온되게 된다. 그러면, 에너지 축적 코일(330)로부터 방출된 전자기 에너지가, 1차 권선(20)에 대하여 그 저전압측 단자(201)측으로부터 공급된다. 이에 의해, 점화 방전 중에, 투입 에너지에 기인하는 1차 전류가 통류한다.
이와 같이 하여, 에너지 축적 코일(330)로부터 1차 권선(20)에 1차 전류가 공급되면, 그때까지 통류하고 있던 방전 전류 I2에 대하여, 이러한 1차 전류의 공급에 수반하는 추가분이 중첩된다. 이에 의해, 방전 전류 I2가, 점화 방전을 유지가능할 정도로 양호하게 확보된다.
이러한, 에너지 축적 코일(330)에 있어서의 전자기 에너지의 축적과, 에너지 축적 코일(330)로부터의 1차 전류의 공급에 수반하는 방전 전류의 중첩은, 충전 제어 신호 VG31의 온 펄스와 방전 제어 신호 VG32의 온 펄스가 교대로 출력됨으로써, 에너지 투입 기간 신호 IGw가 H 레벨로부터 L 레벨로 하강하는 시각 t4까지, 반복하여 행하여진다.
즉, 도 11a에 도시되어 있는 바와 같이, 충전 제어 신호 VG31의 펄스가 상승할 때마다, 에너지 축적 코일(330)에 전자기 에너지가 축적된다. 그리고 방전 제어 신호 VG32의 펄스가 상승할 때마다, 에너지 축적 코일(330)로부터 공급된 투입 에너지에 의해 1차 전류 I1이 차례로 추가되고, 이에 대응하여 방전 전류 I2가 차례로 추가된다.
이와 같이, 본 실시 형태의 구성에 있어서는, 소위「꺼짐」이 발생하지 않도록, 방전 전류를 양호하게 유지할 수 있게 된다. 또한, 본 실시 형태의 구성에 있어서는, 일본 특허 공개 제2007-231927호 공보에 기재된 종래의 구성에 있어서의 콘덴서가 생략되고 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 소위「꺼짐」의 발생 및 이에 수반하는 점화 에너지의 손실이, 종래보다도 간략한 장치 구성에 의해, 양호하게 억제된다.
본 실시 형태에 있어서도, 상기 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
<변형예>
이하, 본 실시 형태의 변형예에 대해서, 설명한다. 또한, 상술한 실시 형태의 일부 및 복수의 변형예의 전부 또는 일부가, 기술적으로 모순되지 않는 범위 내에 있어서, 적절히 복합적으로 적용될 수 있다.
또한, 예를 들어 ECU(4d) 중 일부의 기능 블록이, 드라이버 회로부(34d)와 일체화될 수 있다.
또는 드라이버 회로부(34d)가, 스위칭 소자마다 분할될 수 있다.
이 경우, 점화 제어 신호 VG30이 점화 신호 IGt일 때는, 드라이버 회로부(34d)를 개재하지 않고, 점화 신호 IGt가 ECU(4d)로부터 직접 점화용 스위치(30)의 게이트(30G)에 출력되어도 된다.
도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 방전용 스위치(32)의 입력측[즉 드레인(32D)]에서, 충전용 스위치(31) 및 에너지 축적 코일(330)에 의해, 소위 플라이백형의 승압 회로가 형성되어 있다.
본 발명은, 상술한 실시 형태에서 예시된 구체적인 동작에 한정되지 않는다. 본 실시 형태에 있어서는, 에너지 축적 코일(330)의 충방전을, 소정의 듀티비로 하이 로우가 전환되는 펄스 신호에 따라서, 전환하도록 하였지만, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 에너지 축적 코일(330)로부터의 1차 전류의 공급[충전용 스위치(31)의 오프 및 방전용 스위치(32)의 온]을 방전 전류 검출 저항(352)에 의해 검출된 방전 전류 I2를 소정의 전류 임계치 I2thH, I2thL과의 비교에 의해, 판정하는 2차 전류 판정 수단(351)을 마련하여, 2차 전류가 일정한 범위가 되도록 제어할 수도 있다.
도 11b에 나타내는 변형예에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 방전 전류(2차 전류 I2)가 소정의 2차 전류 하한 임계치 I2thL 이하가 되었을 때에, 1차 권선(20)에 있어서의 저전압측 단자에의 1차 전류의 공급을 실행하고, 소정의 2차 전류 임계치 I2thH 이상이 되었을 때에 1차 전류의 공급을 정지하도록 해도 된다.
구체적으로는, 2차 전류 검출 저항(352)에 의해 전압 변환된 2차 전류 I2를, 히스테리시스 비교기에 입력하고, 출력을 소정의 분압 저항을 거쳐 귀환시킨 임계치 전압과의 비교에 의해 일정한 범위 내로 조정할 수 있다.
1차 전압 판정 수단(350a)에 의해, 1차 전압 V1을 임계치 판정하고, 판정 플래그 JDG1이「0」에서「1」로 상승되고, 그 사이, 보조 전원(33d)으로서 설치된 에너지 축적 코일(330)에의 충전과 방전이 반복된다.
이때, 2차 전류 판정 수단(351)에 의해, 2차 전류 I2가 소정의 2차 전류 상한 임계치 I2thH, 2차 전류 하한 임계치 I2thL과 비교되어, 방전 제어 신호 VG32 및 충전 제어 신호 VG31이 교대로 온된다. 이에 의해, 에너지 축적 코일(330)로부터 1차 권선(20)에의 1차 전류의 공급이 행하여진다.
기타, 특별히 언급되고 있지 않은 변형예에 대해서도, 본 발명의 본질적 부분을 변경하지 않는 범위 내에 있어서, 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것은 당연하다.
또한, 본 발명의 과제의 해결 수단을 구성하는 각 요소에 있어서의, 작용·기능적으로 표현되고 있는 요소는, 상술한 실시 형태나 변형예에서 개시되고 있는 구체적 구성 및 그 균등물 외에, 당해 작용·기능을 실현 가능한 어떠한 구성도 포함한다.
1 : 점화 플러그
2 : 점화 코일
20 : 1차 권선
200 : 고전압측 단자(비접지측 단자)
201 : 저전압측 단자(접지측 단자)
21 : 2차 권선
210 : 비플러그측 단자(비접지측 단자)
211 : 플러그측 단자(접지측 단자)
3 : 제어부
30 : 점화용 스위치
30C : 점화용 전원측 단자(콜렉터)
30G : 점화용 제어 단자(게이트)
30E : 점화용 접지측 단자(이미터)
31 : 충전용 스위치
31C : 충전용 전원측 단자(콜렉터)
31G : 충전용 제어 단자(게이트)
31E : 충전용 접지측 단자(이미터)
32 : 방전용 스위치
32D : 방전용 전원측 단자(드레인)
32G : 방전용 제어 단자(게이트)
32S : 방전용 접지측 단자(소스)
33 : 보조 전원
330 : 에너지 축적 코일
330V : 코일 전원측 단자
330G : 코일 접지측 단자
331 : 에너지 축적 콘덴서
332, 333, 334 : 정류 소자(다이오드)
34 : 드라이버 회로부
340 : 충전용 드라이버
341 : 방전용 드라이버
35 : 보조 에너지 필요 여부 판정 수단
350 : 1차 전압 판정 수단
351 : 2차 전류 판정 수단
352 : 2차 전류 검출 수단
4 : 전자 제어 장치(ECU)
5 : 직류 전원
6 : 점화 장치
7 : 엔진(내연 기관)
8 : 흡기 및 배기 기구
9 : 엔진 시스템
IGt : 점화 신호
VG31 : 충전 제어 신호
VG32 : 방전 제어 신호
IGw : 방전 기간 신호
JDG1 : 1차 전압 판정 신호
JDG2 : 2차 전류 판정 신호

Claims (9)

  1. 엔진(7)의 기통(701) 내에서 연료 혼합기를 점화하는 점화 플러그(1)와,
    직류 전원(5)과,
    해당 직류 전원에 일단부의 고전압측 단자(200)가 접속되는 1차 권선(20)과 해당 1차 권선의 1차 권회수(N1)에 대하여 소정의 권회비(N=N2/N1)가 되는 2차 권회수(N2)로 권회된 2차 권선(21)을 구비하고, 상기 1차 권선에 흐르는 1차 전류(I1)의 증감에 의해, 상기 2차 권선에 높은 이차 전압(V2)를 발생하고, 상기 2차 권선의 일단부의 플러그측 단자(211)에 상기 점화 플러그가 접속되는 점화 코일(2)과,
    상기 점화 코일로부터 상기 점화 플러그에의 방전을 제어하는 제어 회로부(3)와,
    상기 엔진의 운전 상황에 따라서 점화 시기를 지시하는 점화 신호(IGt)와, 보조 전원으로부터의 방전 개시를 지시하는 방전 기간 신호(IGw)를 발하는 전자 제어 장치[ECU(4)]를 구비하는 점화 장치이며,
    상기 제어 회로부가,
    적어도 상기 직류 전원에 의해 충전되는 에너지 축적 코일(330)을 갖는 보조 전원(33)과,
    점화용 제어 단자(30G)와 점화용 전원측 단자(30C)와 점화용 접지측 단자(30E)를 갖고 있고, 상기 점화용 제어 단자에 입력된 상기 점화 신호(IGt)에 기초하여 상기 점화용 전원측 단자와 상기 점화용 접지측 단자 사이의 도통을 개폐 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자이며, 상기 점화용 전원측 단자가 상기 1차 권선의 타단부측의 접지측 단자(201)에 접속됨과 함께 상기 점화용 접지측 단자가 접지되고, 상기 직류 전원으로부터 상기 점화 코일에의 통전을 개폐 제어하여, 상기 점화 코일로부터 상기 점화 플러그에의 방전 개시를 제어하는 점화용 스위치(30)와,
    충전용 제어 단자(31G)와 충전용 전원측 단자(31C)와 충전용 접지측 단자(31E)를 갖고 있고 상기 충전용 제어 단자에 입력된 충전 제어 신호(VG31)에 기초하여 상기 충전용 전원측 단자와 상기 충전용 접지측 단자 사이의 도통을 개폐 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자이며, 상기 직류 전원으로부터 상기 보조 전원에의 충전을 제어하는 충전용 스위치(31)와,
    방전용 제어 단자(32G)와 방전용 전원측 단자(32D)와 방전용 접지측 단자(32S)를 갖고 있고 상기 방전용 제어 단자에 입력된 방전 제어 신호(VG32)에 기초하여 상기 방전용 전원측 단자와 상기 방전용 접지측 단자 사이의 도통을 개폐 제어하도록 구성된 반도체 스위칭 소자이며, 상기 보조 전원으로부터의 상기 점화 코일에의 방전을 제어하는 방전용 스위치(32)와,
    상기 점화 신호와 방전 기간 신호에 따라, 상기 점화용 스위치, 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치의 개폐를 제어하는 드라이버 회로부(34)와,
    상기 보조 전원으로부터의 에너지 투입의 필요 여부를 판정하는 보조 에너지 필요 여부 판정 수단(35)을 구비하고,
    상기 충전용 스위치의 온에 의해 상기 에너지 축적 코일에 전자기 에너지를 축적함과 함께,
    상기 점화용 스위치의 오프에 의해 개시된 상기 점화 플러그의 점화 방전 중에,
    보조 에너지 필요 여부 판정 수단에 의해 상기 보조 전원으로부터의 방전이 필요하다고 판단했을 때에는,
    상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치를 개폐 제어해서 상기 보조 전원으로부터 상기 1차 권선의 저전압측 단자로부터 전자기 에너지를 공급해서 상기 1차 전류를 변화시킴으로써, 상기 2차 권선에 흐르는 2차 전류를 증감하는 것을 특징으로 하는, 점화 장치(6, 6a, 6b, 6c, 6d).
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조 에너지 필요 여부 판정 수단이,
    상기 2차 권선의 타단부측의 비플러그측 단자(210)에 접속하여, 2차 권선에 흐르는 2차 전류(I2)를 검출하는 2차 전류 검출 수단(352)을 구비함과 함께, 해당 2차 전류를 소정의 2차 전류 상한 임계치(I2ThH)와, 2차 전류 하한 임계치(I2ThL)와의 비교에 의해 상기 2차 전류 상한 임계치를 초과할 경우에는, 상기 방전용 스위치를 오프로 해서 상기 보조 전원으로부터의 방전을 정지하고, 상기 2차 전류 하한 임계치(I2ThL)를 하회할 경우에는, 상기 방전용 스위치를 온으로 해서 상기 보조 전원으로부터의 방전을 허가하는 2차 전류 판정 수단(351)을 구비하는, 점화 장치(6, 6a, 6b, 6c, 6d).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보조 에너지 필요 여부 판정 수단이,
    상기 1차 권선의 접지측 단자에 있어서의 1차 전압(V1)을 검출하고, 해당 1차 전압과 소정의 1차 전압 임계치(V1th)와의 비교에 의해, 상기 보조 전원으로부터의 방전의 필요 여부를 판정하는 1차 전압 판정 수단(350)을 구비하는, 점화 장치(6, 6a, 6b, 6c, 6d).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보조 전원이, 상기 에너지 축적 코일에 추가하여, 상기 충전용 스위치와 상기 방전용 스위치 사이에, 상기 에너지 축적 코일에 축적된 전자기 에너지를 축적하는 1개 또는 복수의 에너지 축적 콘덴서(331)와, 각각의 에너지 축적 콘덴서에 대응하는 수의 상기 방전용 스위치를 구비하는, 점화 장치(6, 6a, 6b, 6c).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1차 권선의 접지측 단자에 있어서의 1차 전압(V1)을 검출하고, 해당 1차 전압과 소정의 1차 전압 임계치(V1th)와의 비교에 의해, 상기 보조 전원으로부터의 방전의 필요 여부를 판정하는 1차 전압 판정 수단(350)을 구비함과 함께,
    상기 1차 전압 판정 수단이, 상기 점화 신호의 하강 후, 상기 방전 기간 신호의 상승 전의 시기에 상기 1차 전압으로부터 상기 점화 코일의 권회비에 비례하는 상기 이차 전압을 예측하고, 상기 보조 전원으로부터의 방전 개시 시기를 결정하는, 점화 장치(6, 6a, 6b, 6c, 6d).
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서, 상기 1차 권선의 접지측 단자에 있어서의 1차 전압(V1)을 검출하고, 해당 1차 전압과 소정의 1차 전압 임계치(V1th)와의 비교에 의해, 상기 보조 전원으로부터의 방전의 필요 여부를 판정하는 1차 전압 판정 수단(350)을 구비함과 함께,
    상기 1차 전압 판정 수단이, 상기 점화 신호의 하강 후, 상기 방전 기간 신호의 상승 전의 시기에 상기 1차 전압으로부터 상기 점화 코일의 권회비에 비례하는 상기 이차 전압을 예측하고, 상기 보조 전원으로부터의 방전 개시 시기를 결정하는, 점화 장치(6, 6a, 6b, 6c).
  8. 제7항에 있어서, 상기 보조 전원이, 복수의 에너지 축적 콘덴서를 구비하고, 상기 1차 전압 판정 수단이, 상기 방전용 스위치가 온이 되어 있을 때에 상기 에너지 축적 콘덴서의 방전 전압(Vdc)을 검출하고, 해당 방전 전압과 소정의 방전 전압 임계치(Vdc1th)와의 비교에 의해, 상기 방전 전압이 상기 방전 전압 임계치를 상회할 경우에는, 상기 복수의 에너지 축적 콘덴서(331, 332) 중 적어도 하나로부터의 방전이 불필요하다고 판정하여, 그 에너지 축적 콘덴서로부터의 방전을 정지하기 위해 상기 복수의 방전용 스위치 중 적어도 한쪽을 오프하고,
    상기 방전 전압이 상기 방전 전압 임계치를 하회할 경우에는, 상기 복수의 에너지 축적 콘덴서로부터의 방전이 필요하다고 판정하여, 상기 복수의 방전용 스위치를 온하는, 점화 장치(6a, 6b, 6c).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 점화용 스위치의 점화용 접지측 단자와 점화용 전원측 단자 사이에, 점화용 접지측 단자로부터 점화용 전원측 단자를 향하는 전류를 허용하고, 반대 방향의 전류는 저지하는 정류 소자(301)를 개재 장착한, 점화 장치(6, 6a, 6b, 6c, 6d).
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