JP4188367B2 - 内燃機関点火装置 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば自動車に搭載される内燃機関点火装置に関するもので、詳しくは点火コイルの一次コイルに流される電流をスイッチング素子により通電遮断することにより、点火コイルの二次コイルに点火用高電圧を発生する内燃機関点火装置に関するものである。
従来の内燃機関用の点火装置は、イオン電流を検出する回路の出力端子を点火信号端子と同一経路にて出力するために、イオン電流に相当する電流と点火信号の電流とを流す抵抗と、抵抗に発生する電圧を比較するためのコンパレータ、比較した結果に基づいて点火信号とイオン電流に相当する電流とを切り換えるスイッチを備える(例えば、特許文献1参照。)。
特開2004−156608号公報
しかし、この点火装置は、コイル側に構成する抵抗と点火信号を供給する抵抗のばらつきやGND電位の影響を受けやすく、点火信号を正確にスイッチング素子に供給できないことや、回路規模が大きくなるという問題がある。
この発明の目的は、同一の信号線上で点火信号とイオン電流出力信号とが伝送され、これらの信号が伝送されるとき外乱が加わっても誤った点火に到らない内燃機関点火装置を提供することである。
この発明に係わる内燃機関点火装置は、点火時期を制御する点火信号を出力する電子制御装置と、上記電子制御装置からの上記点火信号に基づいて点火コイルの一次コイルに流される電流をスイッチング素子により通電遮断することにより、上記点火コイルの二次コイルに点火用高電圧が発生するとともに点火に伴って点火プラグに生成するイオンをバイアス電圧を印加することによりイオン電流として取り出し、イオン電流出力信号に変換し、上記電子制御装置に出力するイグナイタと、上記点火信号と上記イオン電流出力信号とがともに伝送される信号線と、が具備された内燃機関点火装置において、上記イグナイタは、上記信号線が接続されるとともに並列に電気負荷が接続される入力を有し、上記点火信号が上記電気負荷に流されると上記入力の電圧が予め定められた基準電圧より高くなり上記スイッチング素子をONする波形整形回路と、上記入力に接続されるとともに上記イオン電流が変換された上記イオン電流出力信号が出力される出力を有し、上記イオン電流出力信号が上記電子制御装置に出力されるときの上記入力の電圧が上記基準電圧未満になるように調整されるイオン電流検出出力回路と、を有する。
この発明に係わる内燃機関点火装置の効果は、点火信号およびイオン電流出力信号の伝送が同一の信号線上で行われ、イオン電流出力信号が伝送されるときには点火プラグに点火のための高圧を発生するスイッチング素子がOFFのまま推移するように、点火信号とイオン電流出力信号による電圧に差異が設定されているので、回路規模が大きくなることを防げる。
実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための形態1に係わる内燃機関点火装置の回路図である。図2は、実施の形態1に係わる内燃機関点火装置の各部信号のタイミングチャートである。
この実施の形態1の内燃機関点火装置1は、自動車に搭載される内燃機関に対する点火装置である。そして、この内燃機関点火装置1は、図1に示すように、電子制御装置(以下、ECUと称す。)2とイグナイタ3とから構成されている。
ECU2は、演算処理装置4、点火信号駆動回路5およびイオン制御回路6を有している。
演算処理装置4は、図示しないセンサなどからの信号に基づき所望のタイミング、例えば時点tで点火指令信号IGtを発信するとともに点火の後に入力されるイオン電流出力信号を解析する。
点火信号駆動回路5は、トランジスタ25のベースに入力される点火指令信号IGtがLowレベルになると、トランジスタ25がONになり、電源26からトランジスタ25、信号線7、抵抗9を経由してGNDに点火信号電流が流れる。
イオン制御回路6は、イグナイタ3から信号線7を介して伝送されたイオン電流出力信号だけ演算処理装置4に送る。
イオン制御回路6は、トランジスタ41とトランジスタ42からなるカレントミラー回路43とプッシュプル回路構成のトランジスタ44から構成される。トランジスタ41のコレクタは、トランジスタ42のコレクタと波形整形回路10のコンパレータ回路16のプラス入力端子に接続されている。トランジスタ41のエミッタは、トランジスタ42のエミッタとトランジスタ44のコレクタに接続されている。トランジスタ44のベースは、演算処理装置4の点火指令信号を出力する端子に接続されている。トランジスタ44のエミッタは、GNDに接続されている。
トタンジスタ44は、点火指令信号IGtがLowレベルのときOFFになり、点火指令信号IGtがHighレベルのときONになる。スイッチング素子11がONとなる間、すなわち点火指令信号IGtがLowレベルの間ではトランジスタ44がOFFとなっているので、点火信号IGtがイオン電流出力信号として演算処理装置4に伝達せず、マスク回路の機能を果たしている。
イグナイタ3は、点火コイル8、電気負荷としての入力抵抗9、波形整形回路10、スイッチング素子11、イオンバイアス回路12、イオン電流検出出力回路13から構成されている。
波形整形回路10は、基準電圧源15およびコンパレータ回路16を有している。そして、点火信号駆動回路5からの点火信号IGtにより、スイッチング素子11を駆動する。コンパレータ回路16のプラス入力端子に、信号線7が接続され、マイナス入力端子に基準電圧源15が接続されている。コンパレータ回路16の出力端子は、スイッチング素子11のゲートに接続されている。
そして、プラス入力端子から入力される電圧が基準電圧源15の基準電圧Vtonを超えるとき、コンパレータ回路16の出力端子の電圧がLowレベルからHighレベルに変化する。
スイッチング素子11は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)であり、ゲート端子Gにコンパレータ回路16の出力が接続され、コレクタ端子Cに点火コイル8の一次コイル17が接続され、エミッタ端子Eに自動車の車体などの基準電位点GNDが接続されている。この基準電位点GNDは通常アースと呼ばれる。
点火コイル8は、一次コイル17と二次コイル18とを有し、一次コイル17が接続されている電源端子Vに車載バッテリなどの出力が接続されている。車載バッテリの出力の直流電圧は、例えば12Vであり、電源端子Vの電圧は12Vとなる。
二次コイル18の高圧側18aは、点火プラグ19が接続されている。この点火プラグ19は、内燃機関の燃焼室に配置され、燃焼室内に供給されるガソリンなどの燃料に点火して燃焼させる。
二次コイル18の低圧側18bは、イオンバイアス回路12の入力端子12aが接続されている。
イオンバイアス回路12は、2つの端子、すなわち入力端子12aと出力端子12bが設けられている。出力端子12bは、後段のイオン電流検出出力回路13に接続されている。入力端子12aは、二次コイル18の低圧側18bに接続されている。
イオンバイアス回路12の内部構成について説明する。このイオンバイアス回路12は、ダイオード21、抵抗22、ツェナーダイオード23およびコンデンサ24を有している。ダイオード21のアノードおよび抵抗22の一方の端子が二次コイル18の低圧側18bに接続されている。ダイオード21のカソードおよび抵抗22の他方の端子がツェナーダイオード23のカソードおよびコンデンサ24の一方の端子に接続されている。ツェナーダイオード23のアノードおよびコンデンサ24の他方の端子が出力端子12bに接続されている。
ダイオード21は、一次コイル17に一次電流が立ち上がるときに二次コイル18に発生する二次電圧を抑制することで誤点火を防止する。抵抗22は、イオン電流が流れる経路を確保している。ツェナーダイオード23およびコンデンサ24は、二次コイル18の高圧側18aに発生した電圧により電荷をためる。
イオン電流検出出力回路13は、2つの端子、すなわち入力端子13aと出力端子13bが設けられている。入力端子13aは、イオンバイアス回路12の出力端子12bに接続され、出力端子12bは、信号線7の抵抗9の接続点よりECU2側に接続されている。
イオン電流検出出力回路13の内部構造について説明する。イオン電流検出出力回路13は、2つのダイオード31、32と、2つのトランジスタ33、34を含むカレントミラー回路35と、抵抗36を有する。ダイオード31のアノードとダイオード32のカソードが接続され、ダイオード31のカソードとダイオード32のアノードが接続され、双方向のダイオードを構成している。そして、ダイオード31のアノードが入力端子13aに接続され、ダイオード31のカソードはアースされている。
カレントミラー回路35のトランジスタ33のエミッタとトランジスタ34のエミッタは内部電源Vccに接続されている。トランジスタ33のベースがトランジスタ34のベースとトランジスタ33のコレクタに接続されている。トランジスタ33のコレクタは入力端子13aに接続されている。一方、トランジスタ34のコレクタは抵抗36を介して出力端子13bに接続されている。
次に、この内燃機関点火装置1の動作について図2を参照して説明する。
演算処理装置4から時点tで点火指令信号IGtが点火信号駆動回路5に入力され、点火信号駆動回路5がONされて、抵抗9に点火信号電流が流れる。抵抗9の点火信号電流が流れると、信号線7の電圧Voutが高くなる。コンパレータ回路16のプラス入力端子の電圧Voutが基準電圧源15で設定される基準電圧Vton以上になるとき、スイッチング素子11がONされ、一次コイル17に一次電流Iが流される。
その後、コンパレータ回路16のプラス入力端子の電圧Voutが時点tで基準電圧Vton未満に低下すると、スイッチング素子11がOFFされる。また、時点t以降では、点火指令信号IGtがHighレベルに変わるので、イオン制御回路6のトランジスタ44がONになる。
スイッチング素子11がOFFされた瞬間に、一次コイル17に流れる一次電流Iが遮断され、スイッチング素子11のコレクタCに高電圧が発生する。
この高電圧は、点火プラグ19のギャップ間を絶縁破壊することができる負電圧として二次コイル18に変換される。そして、点火プラグ19のギャップ間が絶縁破壊された時点tにおいて二次電流Iが点火プラグ19側から二次コイル18を経て、ダイオード21、ツェナーダイオード23およびダイオード31を介してGNDに流れる。
その後、放電が終わった時点tにおいて、コンデンサ24にチャージされた電荷による電圧が点火プラグ19のギャップ間にバイアスされ、シリンダー内で燃焼に伴って発生したイオンに印加されることでイオン電流が抵抗22を介して二次コイル18に流れる。この瞬間、トランジスタ33がONした状態になり、カレントミラー回路35が動作する。
カレントミラー回路35のトランジスタ34は、トランジスタ44がONになっているので、トランジスタ33を介して流れたイオン電流相当のコレクタ電流を抵抗36を介してECU2内のイオン制御回路6に供給する。
イオン電流相当の電流がカレントミラー回路43のトランジスタ42を流れると、トランジスタ41にイオン電流相当の電流が流れる。イオン電流に相当する電流が演算処理装置4に流れる。このイオン電流に相当する電流がイオン電流出力信号である。
ここで、イオン電流が流れる時間帯でコンパレータ回路16のプラス入力端子の電圧は、内部電源Vccの電圧からトランジスタ34のコレクタ−エミッタ間電圧および抵抗36での電圧降下分を差し引いた電圧であり、この電圧を基準電圧Vton未満に設定することにより、コンパレータ回路16の出力をLowのまま推移しながらイオン電流に相当する電流を信号線7に流すことができる。
このような内燃機関点火装置1は、コンパレータ回路16の出力がHighレベルにならず、点火プラグ19に高圧が加わることなく、イオン電流に相当する電流を共用する信号線7に流すことができるので、回路規模が大きくなることが防げる。
また、イオン電流検出出力回路13にカレントミラー回路35を構成し、イオン電流に相当する電流をイオン制御回路6に流すので、電圧と異なり、GND電位の変動を受けることなく安定した制御を行うことができる。
また、イオン制御回路6に点火信号が送られるときにはOFFになるトランジスタ44を設け、点火信号が送られるときにはイオン制御回路6がOFFになっているので、点火信号を確実にコンパレータ回路16以降に伝達することができ、信頼性を向上することができる。
また、点火指令信号のレベルがLowのときONするトランジスタ25と点火指令信号のレベルがHighのときONするトランジスタ44とをプッシュプル回路として構成したので、点火信号とイオン電流出力信号とを分離する回路の構成を簡略化することができる。
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2に係わるイオン電流検出出力回路13Bの回路図である。
この発明の実施の形態2に係わるイオン電流検出出力回路13Bは、図3に示すように、実施の形態1に係わるイオン電流検出出力回路13のトランジスタ34を複数のトランジスタ群34Bとし、トランジスタ群34Bのベース電流を補償するベース電流補償トランジスタ37を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
ベース電流補償トランジスタ37のエミッタがトランジスタ33のベースに、ベース電流補償トランジスタ37のベースがトランジスタ33のコレクタに、ベース電流補償トランジスタ37のコレクタがGNDに接続されている。
このような内燃機関点火装置は、ベース電流補償トランジスタ37によりトランジスタ群34Bのベース電流を補償することにより、複数のトランジスタからなるトランジスタ群34Bによりイオン電流に相当する電流を増幅してイオン制御回路6に流すことができるので、外乱ノイズに対して耐量を確保することができ、より安定な制御を行うことができる。
実施の形態3.
図4は、この発明の実施の形態3に係わる内燃機関点火装置1Cの回路図である。
この発明の実施の形態3に係わる内燃機関点火装置1Cは、図4に示すように、実施の形態1に係わる内燃機関点火装置1に電源回路50を追加し、イオン電流検出出力回路13の代わりにイオン電流検出出力回路13C、抵抗9の代わりに電気負荷としての第1の定電流回路14を用いていることが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し、説明は省略する。
第1の定電流回路14は、点火信号駆動回路5のトランジスタ25がONになると電源26からトランジスタ25、信号線7に定電流を流す。
実施の形態1においては、イオン電流検出出力回路13に内部電源Vccを備えているが、実施の形態3においてはバッテリから供給される電源Vから内部電源Vccを生成する電源回路50を備えている。
電源回路50は、2つの抵抗51、52、トランジスタ53、クランプダイオード54を有する。抵抗51の一方の端子は、電源Vに接続され、抵抗51の他方の端子は、トランジスタ53のエミッタと抵抗52の一方の端子に接続されている。抵抗52の他方の端子は、トランジスタ53のベースとクランプダイオード54のカソードに接続されている。クランプダイオード54のアノードは、GNDに接続されている。トランジスタ53のコレクタは、イオン電流検出出力回路13Cのトランジスタ34のエミッタに接続されており、このコレクタの電圧が内部電源Vccである。
実施の形態3に係わるイオン電流検出出力回路13Cは、実施の形態1に係わるイオン電流検出出力回路13に第2の定電流回路38とトランジスタ39が追加されている。第2の定電流回路38は、内部電源Vccとトランジスタ37のエミッタの間に介設されている。トランジスタ39のベースは、トランジスタ34のコレクタと抵抗36の間で接続されている。トランジスタ39のコレクタは出力端子13bに接続されている。
次に、実施の形態3に係わる内燃機関点火装置の動作について説明するが、実施の形態1と異なる動作だけ説明し、同様な動作については説明を省略する。
点火指令信号IGtがLowレベルに変化してトランジスタ25のベースに供給されると、電源26からトランジスタ25、第1の定電流回路14を経由してGNDに点火信号IGtの電流が流れる。
イオン電流が流れたとき、内部電源Vccからトランジスタ34と抵抗36を経由して出力端子13bにイオン電流に相当する電流が流れるとともに内部電源Vccから第2の定電流回路38とトランジスタ39を経由して出力端子13bに定電流がながれる。そして、出力端子では、イオン電流に相当する電流と定電流とが重畳され、このうち定電流分は第1の定電流回路14を経由してGNDに流れ、イオン電流に相当する電流はトランジスタ42、トランジスタ44を経由してGNDに流れる。
このように第2の定電流回路38の定電流の大きさを第1の定電流回路14の定電流の大きさと等しくすることにより、イオン電流相当の電流のみをイオン制御回路6に供給することができる。
また、電源回路50は、クランプ回路構成にしているので、イオン電流相当の電流が流れたときに発生する電圧が抑制されるため、内部電源Vccの電圧を波形整形回路10の基準電圧Vton以下に設定することで、波形整形回路10がONすることなくイオン電流に相当する電流をECU2側に供給することができる。
このような内燃機関点火装置1Cは、点火信号として信号線7に定電流を流すために第1の定電流回路14を波形整形回路10のプラス入力端子に接続しているので、ECU2とイグナイタ3を接続する信号線7のコネクタなどに係わる電気的な接触信頼性を向上することができる。
また、イオン電流に相当する電流を流すときに第1の定電流回路14の電流値と同じ電流を第2の定電流回路38から重畳して出力しているので、イオン電流に相当する電流のみをイオン制御回路6に供給することができ、イオン電流に相当する電流を分離する回路の構成を簡略化することができる。
また、クランプ回路を電源回路50に構成しているので、イオン電流を検出して出力するときの誤動作に対するマージンを確保することができ、外乱ノイズによる影響を受けにくくなる。
実施の形態4.
図5は、この発明の実施の形態4に係わる内燃機関点火装置1Dの回路図である。
この発明の実施の形態4に係わる内燃機関点火装置1Dは、実施の形態1に係わる内燃機関点火装置1とイオン電流検出出力回路13Dが異なり、抵抗9が省略されているが、その他は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態4に係わるイオン電流検出出力回路13Dは、実施の形態1に係わるイオン電流検出出力回路13のトランジスタ34のエミッタとコレクタ間に抵抗56とダイオード57を接続していることが異なっており、その他は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
点火指令信号IGtのレベルがLowに変化すると、トランジスタ25がONし、電源26からトランジスタ25、信号線7、ダイオード57、抵抗56を経由して点火信号電流が流れる。このときのコンパレータ回路16のプラス入力端子の電圧Voutは、内部電源Vccの電圧に抵抗56での電圧降下分を加えた値となるので、この値を基準電圧Vton以上に回路定数を設定すれば、点火信号電流が流れたときにはコンパレータ回路16の出力がHighレベルに変化する。一方、点火指令信号IGtがHighレベルのときにはトランジスタ25のコレクタの電位が内部電源Vccの電圧より低いので、逆バイアスになるダイオード57には電流は流れず、トタンジスタ33にイオン電流が流れたときだけ、イオン電流に相当する電流が内部電源Vccからトランジスタ34、トランジスタ42、トランジスタ44を経由してGNDに流れる。
このような内燃機関点火装置1Dは、点火信号電流を電源26から内部電源Vccに流すことにより、ECU2とイグナイタ3とを接続する信号線7のコネクタなどに係わる接続信頼性を確保できる。
また、抵抗9、抵抗36を省略することができるので、回路の簡素化が可能である。
なお、実施の形態4においてはイオン電流検出出力回路13Dのトランジスタ34を1つのトランジスタで構成しているが、実施の形態2のように多連のトランジスタ群とベース電流補償トランジスタを用いても同様な効果が得られる。
また、実施の形態1乃至4に係わる内燃機関点火装置を自動車に搭載される内燃機関に対する点火装置として利用するとして説明しているが、船舶に搭載される内燃機関、家庭用、農業用の発動機として使用される内燃機関に対しても利用可能である。
この発明を実施するための形態1に係わる内燃機関点火装置の回路図である。 実施の形態1に係わる内燃機関点火装置の各部信号のタイミングチャートである。 この発明の実施の形態2に係わるイオン電流検出出力回路の回路図である。 この発明の実施の形態3に係わる内燃機関点火装置の回路図である。 この発明の実施の形態4に係わる内燃機関点火装置の回路図である。
符号の説明
1、1C、1D 内燃機関点火装置、2 電子制御装置(ECU)、3 イグナイタ、4 演算処理装置、5 点火信号駆動回路、6 イオン制御回路、7 信号線、8 点火コイル、9、22、36、51、52、56 抵抗、10 波形整形回路、11 スイッチング素子、12 イオンバイアス回路、13、13B、13C、13D イオン電流検出出力回路、14、38 定電流回路、15 基準電圧源、16 コンパレータ回路、17 一次コイル、18 二次コイル、19 点火プラグ、21、31、32、57 ダイオード、23 ツェナーダイオード、24 コンデンサ、25、33、34、39、41、42、44、53 トランジスタ、26 電源、35、43 カレントミラー回路、37 ベース電流補償トランジスタ、50 電源回路、54 クランプダイオード。

Claims (9)

  1. 点火時期を制御する点火信号を出力する電子制御装置と、
    上記電子制御装置からの上記点火信号に基づいて点火コイルの一次コイルに流される電流をスイッチング素子により通電遮断することにより、上記点火コイルの二次コイルに点火用高電圧が発生するとともに点火に伴って点火プラグに生成するイオンをバイアス電圧を印加することによりイオン電流として取り出し、イオン電流出力信号に変換し、上記電子制御装置に出力するイグナイタと、
    上記点火信号と上記イオン電流出力信号とがともに伝送される信号線と、
    が具備された内燃機関点火装置において、
    上記イグナイタは、
    上記信号線が接続されるとともに並列に電気負荷が接続される入力を有し、上記点火信号が上記電気負荷に流されると上記入力の電圧が予め定められた基準電圧より高くなり上記スイッチング素子をONする波形整形回路と、
    上記入力に接続されるとともに上記イオン電流が変換された上記イオン電流出力信号が出力される出力を有し、上記イオン電流出力信号が上記電子制御装置に出力されるときの上記入力の電圧が上記基準電圧未満になるように調整されるイオン電流検出出力回路と、
    を有することを特徴とする内燃機関点火装置。
  2. 上記イオン電流出力信号は、上記イオン電流に相当する電流出力であることを特徴とする請求項1に記載する内燃機関点火装置。
  3. 上記イオン電流出力信号は、上記イオン電流が増幅された電流出力であることを特徴とする請求項1に記載する内燃機関点火装置。
  4. 上記イオン電流検出出力回路は、上記イオン電流をカレントミラーして上記イオン電流に相当する電流を出力することを特徴とする請求項2または3に記載する内燃機関点火装置。
  5. 上記電子制御装置では、上記点火信号を上記イグナイタに供給するときには上記イオン電流検出信号の検知を不可にすることを特徴とする請求項1に記載する内燃機関点火装置。
  6. 上記電子制御装置では、カレントミラー回路による上記イオン電流出力信号の検知の可否をプッシュプル回路により切り換えることを特徴とする請求項5に記載する内燃機関点火装置。
  7. 上記電気負荷は、第1の定電流回路からなり、
    上記イオン電流検出出力回路は、上記イオン電流出力信号を上記電子制御装置に供給するときに、上記第1の定電流回路の定電流値と同じ電流値の定電流を上記イオン電流出力信号に重畳する第2の定電流回路を有することを特徴とする請求項1に記載する内燃機関点火装置。
  8. クランプ回路を備え、上記イオン電流出力回路に定電圧電源を供給する電源回路を有することを特徴とする請求項1に記載する内燃機関点火装置。
  9. 上記電気負荷は、定電圧電源に接続される直列接続のダイオードおよび抵抗または定電流回路であることを特徴とする請求項1に記載する内燃機関点火装置。
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