JP2009103011A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できる点火装置を提供することにある。
【解決手段】ＩＧＢＴ８は、ＥＣＵ１から出力される点火信号に応じて点火コイル３に流れる１次電流を通電・遮断制御して、点火コイル３に高電圧を発生させる。異常検知処理部１８は、点火コイル３の異常検知後、ＥＣＵ１から出力される点火信号が入力する入力端子の電圧をＨＩＧＨにして異常を知らせると同時に、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間電圧をＬＯＷにして自動的にコイル動作を強制的に停止させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関用点火装置に係り、特に、異常検知に好適な内燃機関用点火装置に関する。

従来、イグナイタ内部に自己故障診断回路を設け、故障診断信号と点火信号とが１本の信号線で重畳されて通信を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、自己故障診断信号と点火信号を各々違う電圧値とすることで１本の信号線での通信を可能としており、イグナイタの故障診断回路からＥＣＵへの故障診断信号の出力タイミングの違いによって点火装置の異常を検知している。

特開平１０−１８４５２０号公報

しかしながら、特許文献１記載のものでは、故障診断信号と点火信号とが１本の信号線で重畳するための特別の回路が必要であり、また、その回路を動かす電源電圧が必要となる等、装置が大型化するものである。

また、点火コイルに異常が生じた場合、強制的に動作を停止する機能が無いため、例えば，点火コイルの一次側が短絡する等の故障が発生した場合、イグナイタが異常発熱により熱破壊し、車輌側ヒューズが断線する恐れがある。

本発明の目的は、装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できる点火装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる１次電流を通電・遮断制御して、前記点火コイルに高電圧を発生させる半導体スイッチング素子を有する内燃機関用点火装置であって、前記点火コイルの異常検知後、前記内燃機関用電子制御装置に異常を知らせると同時に、自動的にコイル動作を強制的に停止させる異常検知処理手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記異常検知処理手段は、点火コイルの異常検知後、前記内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号が入力する入力端子の電圧をＨＩＧＨとするとともに、前記半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧をＬＯＷとするものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記異常検知処理手段は、前記半導体スイッチング素子のＯＦＦ時のコレクタ−エミッタ間電圧により動作するようにしたものである。

本発明によれば、装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できるものとなる。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態による点火装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による点火装置を用いる点火システムの構成及び動作について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による点火装置を用いる点火システムの構成を示す回路図である。

本実施形態は、点火コイルの異常をその電流により検知し、故障をＥＣＵに伝え同時に自動的に点火信号に関わらずコイル動作を強制的に停止させ、発煙等の２次故障を防止するものである。コイルレアショート等の異常な電流が発生する故障の場合、イグナイタやコイルが発熱し、チップの焼損やコイル発煙など２次故障につながる可能性が非常に高いため、これを防止するようにしている。

本実施形態の点火システムは、内燃機関用電子制御装置（ＥＣＵ）１と、点火装置２と、点火コイル３と、点火プラグ４とから構成される。

ＥＣＵ１の出力段は、ＰＮＰトランジスタ５，抵抗６より構成される。ＣＰＵ７により算出された適正な点火タイミングの制御信号により、トランジスタ５をＯＮ，ＯＦＦし、点火装置にＨＩＧＨ，ＬＯＷのパルスからなる点火信号ＶＩＮを出力する。

点火装置２は、点火コイル３に流す電流をＯＮ，ＯＦＦするＩＧＢＴ８を備えている。ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＬＯＷ→ＨＩＧＨで、ＩＧＢＴ５は通電を開始する。ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨ→ＬＯＷでＩＧＢＴ５が遮断することにより、ＩＧＢＴ８のコレクタ部に電圧が発生し、点火コイル３の巻き数比倍に相当する高電圧が点火コイル３の２次側に誘起され、点火プラグ４の電極間に火花放電を発生させて混合気を燃焼させる。

なお、本点火装置２に必要な駆動回路は、ＥＣＵにより求められた最適点火時期で点火プラグに火花放電を発生させるためのタイミングと、点火コイルにエネルギをチャージするためにイグナイタを駆動させるために必要な電流及び電圧を出力する回路であれば問題ない。

次に、点火装置２の詳細構成について説明する。

ＩＧＢＴは、点火コイル３の１次コイルに流れる１次電流を通電，遮断する主回路を構成するメインＩＧＢＴ８と、ＩＧＢＴ８に流れる電流ＩＣを検出するためのシャント回路を構成するセンスＩＧＢＴ１０からなる。センスＩＧＢＴ１０のエミッタには、電流検出抵抗１１が接続されている。ＩＧＢＴ８に流れる電流ＩＣは、電流検出抵抗１１によって電圧Ｖ１として検出され、電流検知部１２に入力する。なお、本実施形態では、点火コイル３の１次コイルに流れる１次電流を通電，遮断する主回路として、ＩＧＢＴを用いているが、バイポーラトランジスタ等の他の大電流を通電遮断できる他の半導体スイッチング素子を用いてもよいものである。

電流検知部１２は、コンパレータ１５と、基準電圧Ｖｒｅｆを発生する抵抗１４とを備えている。抵抗１４には、定電流回路１３から低電流が供給され、これによって、基準電圧Ｖｒｅｆを発生する。コンパレータ１５は、電流検出抵抗１１によって検出された１次電流ＩＣに相当する電圧Ｖ１と、抵抗１４によって発生する基準電圧Ｖｒｅｆを比較する。電流検出抵抗１１の電圧Ｖ１が、基準電圧Ｖｒｅｆ以上になると、電流検知部１２が動作し、ＨＩＧＨレベルの電圧Ｖ３を出力する。なお、電流検出部１２が出力した信号Ｖ３は、ＶＩＮの立ち下がりと同期して立ち下がる。

パルス発生部１６は、点火信号ＶＩＮと立ち上がりタイミングが同期し、かつパルス幅が点火信号に対し短いパルスの信号Ｖ２を出力する。抵抗３０，３１は保護抵抗であり、これらの抵抗３０，３１で隣接した区画のＨＩＧＨ，ＬＯＷの区分けを可能としている。

異常検出処理部１８は、点火コイルの異常をその電流により検知し、故障をＥＣＵに伝え同時に自動的に点火信号に関わらずコイル動作を強制的に停止させ、発煙等の２次故障を防止するものである。異常検出処理部１８の詳細構成については、図３を用いて後述する。

次に、図２を用いて、点火コイル異常時における一次電流の諸形態について説明する。
図２は、点火コイル異常時における一次電流の諸形態を示す波形図である。

図２（Ａ）は、点火コイルの正常時に一次電流波形を示している。ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨ→ＬＯＷでＩＧＢＴ５が遮断することにより、一次電流が流れ始めるが、点火コイルの正常時には、一次電流は直線的に増加する。

図２（Ｂ）は、１次コイル巻き線で部分的にショートを起こす１次コイルレアショート時の一次電流波形を示している。１次コイルレアショート時には、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨ→ＬＯＷでＩＧＢＴ５が遮断直後に、瞬間的に大きな電流が流れ、その後正常時と同様に、直線的に増加する。

図２（Ｃ）は、２次コイル巻き線で部分的にショートを起こす２次コイルレアショート時の一次電流波形を示している。２次コイルレアショート時には、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨ→ＬＯＷでＩＧＢＴ５が遮断直後に、瞬間的に大きな電流が流れ、その後正常時と同様に、直線的に増加する。

図２（Ｄ）は、２次コイルから１次コイルに電流がリークする２次コイル→１次コイルリーク時の一次電流波形を示している。２次コイル→１次コイルリーク時には、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨ→ＬＯＷでＩＧＢＴ５が遮断直後に、瞬間的に大きな電流が流れ、その後正常時と同様に、直線的に増加する。

図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）に示すように、点火コイル異常時には、図２（Ａ）の正常時と対比すると明らかなように、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨ→ＬＯＷでＩＧＢＴ５が遮断直後に、瞬間的に大きな電流という特徴がある。

本実施形態では、異常検出処理部１８は、ＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨ→ＬＯＷでＩＧＢＴ５が遮断直後に、瞬間的に大きな電流が流れた場合に、異常と判定するとともに、コイル動作を強制的に停止させるものである。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部１８の構成及び動作について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部の構成を示す回路図である。図４は、本発明の一実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部の動作を示すタイミングチャートである。

図３に示すように、異常検出処理部１８は、第１処理部１９と、第２処理部２３とを備えている。

第１処理部１９は、電圧Ｖ３と電圧Ｖ４が入力されると共に、両者がＨＩＧＨの期間だけＡＮＤゲート２０はＨＩＧＨを出力する。出力された信号はダイオード２１を通過し、コンデンサ２２に充電され、電圧Ｖ５が発生する。第１処理部１９は、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮを電源とし動作する回路である。ＡＮＤゲート２０は、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮを電源とし動作する。

ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮが立ち下がり、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮから第１処理部１９の電源が取れなくなった後も、電圧Ｖ５は、第２処理部２３のＡＮＤゲート２５にＨＩＧＨを入力し続ける。

第２処理部２３は、ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥから電源を作る電源部（図示せず）を有し、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮに電源を依存しない回路である。なお、ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥは、図４に示すように、常に０Ｖ以上の正の電圧となっている。この電源部から、信号減圧部２４，ＡＮＤゲート２５やＪ−Ｋフリップフロップ２６に電圧が供給される。

ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥは一瞬高電圧が発生し、またバッテリー電圧に戻るという電圧変動の大きい領域である。イグナイタの強制停止は一連の放電動作終了後に行い、ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥの不安定領域を避ける必要がある。そのため、ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥの放電動作が終了し電圧が落ち着くまで、ＡＮＤゲート２５のＨＩＧＨ出力を遅延させる。

信号減圧部２４は、ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥが高電圧の時はＬＯＷを出力し、バッテリー電圧程度になったときにＨＩＧＨを出力する回路である。ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥがバッテリー電圧程度になると、ＡＮＤゲート２５の入力端子にＨＩＧＨが入力される。これにより、ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥの不安定領域を避けることができる。

信号減圧部２４からの出力は、ＡＮＤゲート２５、Ｊ−Ｋフリップフロップ（ＦＦ）２６のＪ及びＫ端子に入力する。Ｊ−ＫＦＦ２６は、ＲＥＳＥＴ端子がＩＧＢＴ８のゲート端子に接続されており、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ端子電圧ＶＧＥの立ち上がりの都度リセットされ、正常動作時の出力ＱはＬＯＷとなっている。Ｊ−ＫＦＦ２６のＪ端子及びＫ端子に共にＨＩＧＨが入力されると、クロックの立ち上がりと共に出力Ｑが反転し、ＨＩＧＨとなる。クロックはＡＮＤゲート２５の出力電圧Ｖ６が入力され、信号減圧部２４のＨＩＧＨ信号とコンデンサ２２の電圧Ｖ５のＨＩＧＨ信号でＨＩＧＨを出力する。Ｊ−ＫＦＦ２６のクロックに電圧Ｖ６が入力されると、入力と同時に出力を反転させ、出力ＱがＬＯＷ→ＨＩＧＨに変化する。この出力Ｑは、次にクロック端子に信号の立ち上がりが発生しない限りＨＩＧＨを出力し続ける。そのため、コンデンサ２２の放電により電圧が下がり、ＡＮＤゲート２５がＬＯＷとなっても、Ｊ−ＫＦＦ２６はＨＩＧＨを出力し続ける。

Ｊ−ＫＦＦ２６の出力は、インバータ２７とダイオード２９を介して、ＩＧＢＴ８のゲート端子にＬＯＷを出力し、同時に、ダイオード２８を介して、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮにＨＩＧＨを出力する。抵抗３０，３１は保護抵抗であり、これらの抵抗３０，３１で隣接した区画のＨＩＧＨ、ＬＯＷの区分けを可能としている。

このように、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮにはＨＩＧＨを出力し、ＥＣＵに異常を伝え、同時にＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ端子電圧ＶＧＥにＬＯＷを出力し、ＩＧＢＴ８をＯＦＦして、イグナイタ動作を停止させ、二次故障を防ぐことができる。

以上のように、本実施形態の異常検出処理部１８の電源は、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮ及びＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥとしている。その結果、図１に示すように、点火装置２の外部端子は、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮの入力端子と、ＩＧＢＴ８のエミッタが接続されるアース端子と、点火コイル３に接続される出力端子の３端子構成となる。３端子構成は、従来の点火装置で用いられているものであるが、本実施形態では、従来の点火装置に対して、異常検出処理部１８を追加したにも拘わらず、同じ３端子構成で実現できるので、装置を小型化できる。異常検出処理部１８の電源として、バッテリ電圧ＶＢを用いる方式も考えられるが、この場合は、４端子構成となり、端子数が増加する。

次に、図４により、異常検出処理部１８の動作について説明する。図４において、時刻ｔ１〜時刻ｔ２は正常時の動作を示し、時刻ｔ２〜時刻ｔ３は異常時の動作を示している。

最初に、正常時の動作について説明する。点火信号パルスであるＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨになると、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ端子電圧ＶＧＥもＨＩＧＨとなり、コレクタ電流ＩＣが立ち上がる。

コレクタ電流ＩＣの立ち上がりは、電流検出抵抗１１により電圧Ｖ１に変換され、電流検知部１２に出力する。同時に、パルス発生部１６は、点火信号に立ち上がりが同期した電圧Ｖ２を出力する。電圧Ｖ１が徐々に立ち上がって行き、予め設定された設定値Ｖｔｈ１に達すると、コンパレータ１５は電圧Ｖ３を出力する。

出力された電圧Ｖ２と電圧Ｖ３は、ＡＮＤゲート１７に入力される。点火コイル３に故障が無い場合は、電圧Ｖ１が参照電圧Ｖｒｅｆに達する前に、電圧Ｖ２がＨＩＧＨ→ＬＯＷとなり、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３がＨＩＧＨの時のタイミングが重ならず、ＡＮＧゲート１７の出力Ｖ４はＬＯＷのままとなり、それ以降の処理が進まない。

一方、点火コイルに異常が発生した場合について説明する。点火信号パルスであるＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮがＨＩＧＨになると、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ端子電圧ＶＧＥもＨＩＧＨとなり、コレクタ電流ＩＣが立ち上がる。

コレクタ電流ＩＣの立ち上がりは、電流検出抵抗１１により電圧Ｖ１に変換され、電流検知部１２に出力する。同時に、パルス発生部１６は、点火信号に立ち上がりが同期した電圧Ｖ２を出力する。電圧Ｖ１が徐々に立ち上がって行き、予め設定された設定値Ｖｔｈ１に達すると、コンパレータ１５は電圧Ｖ３を出力する。

出力された電圧Ｖ２と電圧Ｖ３は、ＡＮＤゲート１７に入力される。ここまでは、正常時と同様である。

それに対して、異常時には、一次電流ＩＣは正常時に比べ高くなるため、電圧Ｖ１が設定値Ｖｔｈ１に達する時間が早まり、電圧Ｖ３は電圧Ｖ２がＨＩＧＨの時にＨＩＧＨとなるため、ＡＮＤゲート１７である電圧Ｖ４は、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３が共にＨＩＧＨの間だけ、ＨＩＧＨを出力する。ＡＮＤゲート１７の出力Ｖ４は、異常検出処理部１８に入力する。

その結果、異常検出処理部１８は、前述したような動作を行う。すなわち、 第１処理部１９は、電圧Ｖ３と電圧Ｖ４の両者がＨＩＧＨの期間だけＡＮＤゲート２０はＨＩＧＨを出力する。この出力により、コンデンサ２２に充電され、電圧Ｖ５が発生する。

一方、信号減圧部２４は、ＩＧＢＴ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥがバッテリー電圧程度になったときにＨＩＧＨを出力する。電圧Ｖ５がＨＩＧＨであり、信号減圧部２４の出力がＨＩＧＨになると、ＡＮＤゲート２５の出力Ｖ６は、ＨＩＧＨになる。Ｊ−ＫＦＦ２６のクロックに電圧Ｖ６が入力されると、入力と同時に出力を反転させ、出力ＱがＬＯＷ→ＨＩＧＨに変化する。この出力Ｑは、次にクロック端子に信号の立ち上がりが発生しない限りＨＩＧＨを出力し続ける。そのため、コンデンサ２２の放電により電圧が下がり、ＡＮＤゲート２５がＬＯＷとなっても、Ｊ−ＫＦＦ２６はＨＩＧＨを出力し続ける。

Ｊ−ＫＦＦ２６の出力は、インバータ２７とダイオード２９を介して、ＩＧＢＴ８のゲート端子にＬＯＷを出力し、同時に、ダイオード２８を介して、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮにＨＩＧＨを出力する。

このように、ＥＣＵ１の出力信号ＶＩＮにはＨＩＧＨを出力し、ＥＣＵに異常を伝え、同時にＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ端子電圧ＶＧＥにＬＯＷを出力し、ＩＧＢＴ８をＯＦＦして、イグナイタ動作を停止させ、二次故障を防ぐことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、点火コイルに異常が発生した場合に、点火コイルの故障をＥＣＵに伝え、同時に自動的に点火信号に関わらずコイル動作を強制的に停止させることにより、点火コイルの一次側が短絡する等の故障が発生した場合、イグナイタの熱破壊や車輌側のヒューズ溶断，点火コイルの発煙やチップの熱破損等の不具合を防ぐことができる。

また、コイルの異常発生時のＥＣＵへの異常の伝達及びイグナイタ動作の強制停止を実行する制御回路の電源として、異常検知後におけるＩＧＢＴがＯＦＦ時の、ＩＧＢＴのＶＣＥを基準電源とすることで、端子数を増やすことなく３端子構成での実現が可能となり、部品点数の削減や装置の小型化が可能となる。そして、この回路をパワートランジスタのモノリシックシリコン基板上に集積することで信頼性の高いイグナイタを達成することができる。

本発明の一実施形態による点火装置を用いる点火システムの構成を示す回路図である。 点火コイル異常時における一次電流の諸形態を示す波形図である。 本発明の一実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１…ＥＣＵ
２…イグナイタ
３…点火コイル
４…点火プラグ
５…ＰＮＰトランジスタ
６…イグナイタ駆動回路出力抵抗
７…ＣＰＵ
８…メインＩＧＢＴ
１０…センスＩＧＢＴ
１１…電流検出抵抗
１２…電流検知部
１３…定電流源
１４…電流検出抵抗
１５…コンパレータ
１６…パルス発生部
１７，２０，２５…ＡＮＤゲート
１８…処理回路部
１９…第１処理部
２１…ダイオード
２２…コンデンサ
２３…第２処理部
２４…信号減圧部
２６…Ｊ−Ｋフリップフロップ
２７…インバータ
２８，２９…ダイオード
３０，３１…抵抗

Claims (3)

1. 内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる１次電流を通電・遮断制御して、前記点火コイルに高電圧を発生させる半導体スイッチング素子を有する内燃機関用点火装置であって、
   前記点火コイルの異常検知後、前記内燃機関用電子制御装置に異常を知らせると同時に、自動的にコイル動作を強制的に停止させる異常検知処理手段を備えることを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 請求項１の内燃機関用点火装置において、
   前記異常検知処理手段は、点火コイルの異常検知後、前記内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号が入力する入力端子の電圧をＨＩＧＨとするとともに、前記半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間電圧をＬＯＷとすることを特徴とする内燃機関用点火装置。
3. 請求項１の内燃機関用点火装置において、
   前記異常検知処理手段は、前記半導体スイッチング素子のＯＦＦ時のコレクタ−エミッタ間電圧により動作することを特徴とする内燃機関用点火装置。

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