JP4666628B2 - 内燃機関の無接点点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火時期を調整可能にするコンデンサ充放電式の、内燃機関の無接点点火装置に関する。

従来の内燃機関の無接点点火装置として、例えば、磁極を持ったロータの回転時に、エキサイタコイルが誘起した電圧を点火用充放電コンデンサに充電し、この点火用充放電コンデンサに充電した電荷を、トリガコイルが誘起した電圧によってスイッチされるスイッチング素子を通じて、イグニッションコイルに供給するものがある。

この内燃機関の無接点点火装置では、内燃機関の回転数、つまり、前記ロータの回転数が上昇すると、これとともに点火用充放電コンデンサの充放電タイミングが早くなり、遂には内燃機関の回転数が設定回転数を超えて上昇してしまい、内燃機関の焼付きを生じる場合がある。

一方、これに対し、内燃機関の回転数を監視する複数のスイッチング素子およびインピーダンス素子などを用いて、内燃機関が設定回転数に達したとき、点火用充放電コンデンサの点火タイミングを遅らせるなどして、内燃機関の過回転を電気的制御にて防止できるようにした内燃機関の無接点点火装置が、提供されている。

ところが、このような電気的制御による従来の内燃機関の無接点点火装置は、２個以上のスイッチング素子やインピーダンス素子を用いているために、実装のための占有空間が大きくなるほか、回路構成が複雑となり、装置全体のコストが高くなる。

これに対し、内燃機関の無接点点火装置に、点火用充放電コンデンサの充放電タイミングを設定する時定数回路等を付加するのみで、回路構成を複雑化することなく、ローコストに内燃機関の過回転を防止する内燃機関の無接点点火装置が提供されている。

この内燃機関の無接点点火装置では、磁石を挟んで配置された磁極を有するロータと、該ロータに対向配置されて、エキサイタコイルおよびトリガコイルを巻装したコアーと、エキサイタコイルの正の誘起電圧を充電する点火用充放電コンデンサとを設け、トリガコイルの正の誘起電圧が所定のトリガレベルに達したときにスイッチング素子をトリガして、前記点火用充放電コンデンサの電荷をイグニッションコイルに供給するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

従って、この内燃機関の無接点点火装置では、例えばトリガコイルの前記正の誘起電圧を充電する充放電回路を設けて、内燃機関が設定回転数以上となったとき、充放電回路の放電時定数にもとづく前記スイッチング素子のオンにより、前記点火用充放電コンデンサの充電を禁止することができる。従って、内燃機関が失火状態となり、内燃機関の回転数の上昇（過回転）を抑えることができる。
特開２００１−１９３６１８号公報

しかしながら、かかる従来の内燃機関の無接点点火装置にあっては、アナログ的に変化するトリガコイルの誘起電圧を用いて、前記スイッチング素子を駆動制御しているため、内燃機関の点火タイミングを進めたり遅らせたりする進角、遅角や失火の各制御応答が遅いという不都合があった。

また、マグネットや磁極を持つロータと、エキサイタコイルやトリガコイルを持つコアーとの取り付け（主にギャップ）精度のばらつき等により、制御される点火タイミングや失火タイミングにばらつきが生じるという問題があった。

本発明は、かかる従来の問題を解決するものであり、トリガコイルの誘起電圧から得られるパルスのデジタル処理により、制御応答が良好で、ロータおよびコアー相互の取り付け精度に影響されずに、設定された点火タイミングにて内燃機関を安定的に運転制御できるとともに、さらに内燃機関の始動時におけるケッチンの発生や逆転を確実に防止できる内燃機関の無接点点火装置を提供することを目的とする。

前記目的達成のために、本発明にかかる内燃機関の無接点点火装置は、磁石を挟んで配置された２つの磁極を有するロータと、該ロータに対向配置されて、エキサイタコイルおよびトリガコイルを巻装したコアーと、前記エキサイタコイルの正の誘起電圧を充電する点火用充放電コンデンサと、前記トリガコイルの誘起電圧に基づきトリガされて導通し、前記点火用充放電コンデンサの電荷をイグニッションコイルに供給するスイッチング素子と、を有する内燃機関の無接点点火装置であって、前記内燃機関の始動開始時には、前記ロータの回転によって前記トリガコイルに得られる第１および第２の正の誘起電圧とこれらの２つの誘起電圧間に連続する負の誘起電圧のうち、該負の誘起電圧直後の、前記第２の正の誘起電圧に基づいて得られる駆動パルスにより、前記スイッチング素子を駆動する制御手段を備えたことを特徴とする。

この構成により、トリガコイルに得られる負の誘起電圧を基準にして、その直後に得られる第２の正の誘起電圧を読み違えすることなく特定できるため、この特定した正の誘起電圧から得られた駆動パルスによりスイッチング素子を駆動した際、内燃機関にケッチンや逆回転が発生するのを未然に回避することができる。

また、本発明にかかる内燃機関の無接点点火装置は、前記制御手段が、前記駆動パルスを、前記第１の正の誘起電圧の発生タイミングに対し内燃機関の点火タイミングを進める方向または遅らせる方向に制御するマイクロコンピュータであることを特徴とする。

この構成により、マイクロコンピュータの制御下で、内燃機関の回転速度の制御、過回転の防止制御、失火の制御等を、高精度かつ迅速に実行することができる。

また、本発明にかかる内燃機関の無接点点火装置は、前記制御手段が、第１の正の誘起電圧および第２の正の誘起電圧に基づいて得られる第１の入力パルスの立ち上がりタイミングから第２の入力パルスの立ち上がりタイミングまでの時間と、前記第２の正の入力パルスの立ち上がりタイミングと次の周期の第１の正の入力パルスの立ち上がりタイミングまでの時間とを比較し、この比較結果を内燃機関の回転速度の加減速情報として、制御プログラムに従って前記駆動パルスを内燃機関の点火タイミングを進める方向または遅らせる方向に制御することを特徴とする。

この構成により、得られた加減速情報によって、駆動パルスの有無や出力までの時間をデジタル的に高精度に補正処理することで、速やかに内燃機関のアイドリングの安定化等を図ることができる。

本発明は、制御手段を有し、この制御手段に、内燃機関の始動開始時に、ロータの回転によってトリガコイルに得られる第１および第２の正の誘起電圧のうち、該トリガコイルに得られる負の誘起電圧直後の、前記第２の正の誘起電圧に基づいて得られる駆動パルスを得て、この駆動パルスにより前記スイッチング素子を駆動させることによって、第２の正の誘起電圧の読み違えを回避でき、前記駆動パルスによってスイッチング素子を駆動した際に、内燃機関にケッチンや逆回転が発生するのを未然に防止することができるものである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態による内燃機関の無接点点火装置の要部構成を一部破断して示す正面図、図２は、本発明の実施形態による内燃機関の無接点点火装置を示す回路図である。

図１において、無接点点火装置を構成するエキサイタコイル１およびトリガコイル２が、コ字状コアー８の両脚部８ａ、８ｂにそれぞれ巻装されている。ここでは、エキサイタコイル１が後述のロータ３の回転方向４とは反対側の脚部８ａに巻装され、トリガコイル２がこの回転方向４側にある脚部８ｂに巻装されている。

また、コアー８の対向位置に、前記ロータ３が高速回転可能に配置されている。このロータ３は、アルミなどの非磁性の円柱状ブロックからなり、この円柱状ブロックには、磁石５を挟むようにして、一対の磁極６、７が埋設されている。

これらの磁極６、７は、ロータ３の外周に一部が露出しており、ロータ３の回転中にコアー８の両脚部８ａ、８ｂ端面に対向状態にて通過可能となっている。また、コアー８の両脚部８ａ、８ｂ端面は、円弧状に形成され、ロータ３の外周面に対して一定幅のギャップ（距離）を保持可能にしている。

なお、磁極６、７のサイズおよび設置間隔と、前記コアー８の両脚部８ａ、８ｂのサイズおよび間隔は、後述の点火用充放電コンデンサの充放電タイミングやトリガタイミングに応じて設定されている。

図２は、前記内燃機関の無接点点火装置を示す回路図である。同図において、
エキサイタコイル１にはダイオード９、点火用充放電コンデンサ１０およびイグニッションコイル１１の一次コイル１１ａが直列接続され、これらは、エキサイタコイル１が誘起する正の電圧を点火用充放電コンデンサ１０に充電する充電回路を構成している。

また、点火用充放電コンデンサ１０は、スイッチング素子としてのサイリスタ１２のアノード・カソードおよびイグニッションコイル１１の一次コイル１１ａとともに直列接続されている。

これらのサイリスタ１２およびイグニッションコイル１１は、点火用充放電コンデンサ１０の充電電荷をイグニッションコイル１１の１次コイル１１ａへ放電する放電回路を構成している。

これによれば、サイリスタ１２がトリガされて導通したとき、前記点火用充放電コンデンサ１０の充電電荷をイグニッションコイル１１に放出する。なお、このサイリスタ１２は、トリガによってエキサイタコイル1をシャントして点火用充放電コンデンサ１１への充電を阻止するようにも機能する。

さらに、前記イグニッションコイル１１の二次コイル１１ｂには点火プラグ１３が接続されている。さらに、前記サイリスタ１２のアノード・カソード間には、点火用充放電コンデンサ１０に対する電圧充電用を兼ねる逆流防止用のダイオード１４が接続されている。

一方、トリガコイル２の両端子には、駆動パルスを出力する制御手段としてのマイクロコンピュータ（マイコン）１５が接続されている。このマイクロコンピュータ１５の出力端子には、前記駆動パルスを入力するための前記サイリスタ１２のゲートが接続されている。

前記マイクロコンピュータ１５は、トリガコイル２が誘起する電圧を波形整形し、所定のプログラムに従ってデジタル処理を実施し、得られた駆動パルスを、前記サイリスタ１２のゲートに入力するように機能する。

次に、この内燃機関の無接点点火装置の動作を、図３乃至図７に示す回路各部の信号のタイミングチャートを参照しながら説明する。

まず、内燃機関が作動し、ロータ３が図１において矢印４方向に回転すると、このロータ３に対向するコアー８上のトリガコイル２およびエキサイタコイル１は電圧をそれぞれ誘起する。

このうち、エキサイタコイル１は、正の誘起電圧をダイオード９、およびイグニッションコイル１１の一次コイル１１ａを介して、点火用充放電コンデンサ１０に印加する。このため、この点火用充放電コンデンサ１０に電荷が充電される。この充電電荷は、後述の放電タイミングまで保持される。

一方、トリガコイル２は、図３（ａ）に示すような電圧を誘起し、コンピュータ１５の入力部では、その誘起電圧のレベル検出および波形成形処理を行い、図３（ｂ）に示すような２つの正の入力パルスｐ１、ｐ２と、図３（ｃ）に示すような１つの正の入力パルスｐ３とをそれぞれ取り出して認識する。ここで、入力パルスｐ３は入力パルスｐ１、ｐ２間に位置している。

まず、内燃機関の始動時においては、マイクロコンピュータ１５は、認識した図４（ａ）に示すような正の入力パルスｐ１、ｐ２（図３に示す入力パルスｐ１、ｐ２を時間軸上に略２周期分表示したもの）のうち、正の入力パルスｐ２の立ち上がりタイミングで、図４（ｂ）に示すような正の駆動パルスｐ４を生成する。

この駆動パルスｐ４は、内燃機関の回転、つまりロータ３の回転の１周期ごとに得られる。また、この駆動パルスｐ４は、エキサイタコイル１の正の誘起電圧により、前記点火用充放電コンデンサ１０に蓄積された充電電荷をイグニッションコイル１１に供給するために、前記サイリスタ１２に対して印加される。

従って、この駆動パルスｐ４によってサイリスタ１２がトリガされ、前記エキサイタコイル１の正の誘起電圧により、点火用充放電コンデンサ１０に蓄積されていた充電電荷が、サイリスタ１２のアノード、カソードを通してイグニッションコイル１１の１次コイル１１ａに放電される。このため、２次コイル１１ｂには瞬時に高電圧が誘起され、点火プラグ１３に火花を発生し、内燃機関の気筒内の混合気に着火が行われる。

この内燃機関の始動時において、駆動パルスｐ４による混合気の着火は、内燃機関の起動開始後ｎ回転（例えば２〜６回転）程度分実施される。これにより、内燃機関の回転はスムースに立ち上がって、次第に通常運転モード（メインモード）の回転数に上昇していく。

また、マイクロコンピュータ１５は、この内燃機関の始動モードでは、駆動パルスｐ４の、後述の進角方向または遅角方向への制御を規制している。

ところで、このような内燃機関の始動当初においては、始動直前の磁極６、７と脚部８ｂの位置関係によって、トリガコイル２による１周期目の正の誘起電圧（入力パルスＰ２に対応する電圧）が得られない場合がある。この場合には、駆動パルスＰ４は認識されない。

この場合には、マイクロコンピュータ１５は、次の周期（２周期目）の第１の入力パルスＰ１を第２の入力パルスとして誤認識してしまう。

このときは、誤認識してしまったこの第２の入力パルスにより、前記サイリスタ１２をトリガし、点火用充放電コンデンサ１０の電荷を点火コイル１１に誤って供給することとなり、内燃機関のケッチンまたは逆回転を招いてしまう。

本発明では、図３（ｃ）および図５（ｂ）に示すような入力パルスｐ３が、図３（ｂ）および図５（ａ）に示すような入力パルスｐ１、ｐ２の中間にあるところから、マイクロコンピュータ１５に、入力パルスｐ３の直後に得られる入力パルスｐ２を正規のパルスとして認識させることができる。

これにより、マイクロコンピュータ１５は認識したこの入力パルスｐ２に基づいて生成した、図４（ｂ）に示すような駆動パルスｐ４によりサイリスタ１２を正しくトリガし、内燃機関をケッチンや逆回転を発生させずに始動させることができる。

従って、内燃機関を収納した草刈機等において、内燃機関の始動直後におけるケッチンによって、人体が大きな衝撃を受けるのを未然に回避することができる。

また、マイクロコンピュータ１５は、図６（ａ）に示すような入力パルスｐ１の周期Ｔを計測することにより、内燃機関の回転数を把握することができる。さらに、マイクロコンピュータ１５は、外部からの入力操作に基づき、またはプログラムで予め決められた点火タイミングで、図６（ｂ）に示すような駆動パルスｐ４を出力している。

この駆動パルスｐ４は、入力パルスｐ１の立ち上がり時から次の入力パルスＰ２が入力されるまでの時間ｔ２内に位置するように、マイクロコンピュータ１５による信号処理によって出力される。

そして、前記駆動パルスｐ４は、前記サイリスタ１２のゲートに入力されてこれをトリガし、前記点火用充放電コンデンサ１０の放電タイミング、つまり内燃機関の点火タイミングを決定する制御信号となる。

この駆動パルスｐ４を、入力パルスｐ１に対してマイクロコンピュータ１５によるデジタル処理によって、進角方向〈矢印Ｓ方向）または遅角方向（矢印Ｒ方向）に移動させることで、内燃機関の点火タイミングを、ユーザが内燃機関の特性に応じて自由に設定することができる。

マイクロコンピュータ１５は、前記時間Ｔを計測することによって現在の内燃機関回転数を把握し、トリガコイル２から得られる最初の前記パルスｐ１波形を基準にして、任意に設定された時間ｔ２で前記点火用充放電コンデンサ１０の電荷を放電させる。

これにより、内燃機関の点火タイミングが制御される。この時間ｔ２（点火タイミング）は、プログラムによるデジタル信号処理によって内燃機関回転数ごとに任意に設定しておくことができる。

従って、コンピュータ１５がプログラムにより駆動パルスｐ４の位置を切り替えることで、内燃機関の回転数が十分に立ち上がった後、減速操作を認識した場合に、内燃機関の回転数を前記プログラムに従って予め設定されたアイドリング回転数に安定保持させておくことができる。また、その後、前記プログラムに従って、適時に目的回転数に速やかに立ち上げることも可能になる。

このように、プログラム上で前記時間ｔ２を予め固定的または任意に設定しておくことで、内燃機関の回転数を設定、変更することができる。この結果、点火プラグへの点火電圧の供給タイミングを調節し、例えば内燃機関の過回転防止や高速領域からアイドリング領域への内燃機関回転の急速応答制御を、簡単に実施することができる。

また、内燃機関の回転数は、図６（ａ）の時間Ｔで確認できるため、失火させようとする内燃機関の回転数をプログラムで予め設定しておくことができる。これにより、この失火させようとする回転数となった際、図６（ｂ）に示すような駆動パルスｐ４を１周期間中出力し、サイリスタ１２のゲートに速やかに入力することで、前記点火用充放電コンデンサ１０への充電を阻止することができ、失火を容易、確実に実現できる。

この場合において、失火からの復帰回転数を設定しておくことにより、失火後に点火を再開させて、内燃機関を再起動することもできる。

このように、マイクロコンピュータを用いたデジタル制御では、プログラムの設定により内燃機関の点火タイミングの進角制御や遅角制御を容易に実施でき、コアー８およびロータ３間のギャップのばらつきなどによって、点火時期や失火回転数がばらつくことを防止することができる。

また、図７に示すように、入力パルスｐ１、ｐ２の各立ち上がりタイミング間
の時間ｔ１と、入力パルスｐ２および次の周期の入力パルスｐ１の各立ち上がりタイミング間の時間とを測定し、その測定時間差から加減速の判定を行う。

これにより、この判定結果に応じて駆動パルスの有無や、出力までの時間ｔ２を補正して、ケッチン対策等を取ることができる。

このケッチン対策は、トリガコイル出力の１周期内における入力パルスｐ１、ｐ２の生成タイミングによる前記加減速の判定結果に基づいて行われるため、速やかに必要とする駆動パルスの有無、進角または遅角の制御を実施することができる。

これにより、この内燃機関を備えた草刈機等の始動時に、人体に大きな衝撃が入力されるのを回避することができる。

以上のように、本実施形態によれば、制御手段１５を設けて、この制御手段１５に、内燃機関の始動開始時に、ロータ３の回転によってトリガコイル１に得られる第１および第２の正の誘起電圧のうち、該トリガコイル１に得られる負の誘起電圧直後の、前記第２の正の誘起電圧に基づいて得られる駆動パルスにより、前記スイッチング素子１２を駆動させるようにしたので、トリガコイル１に得られる負の誘起電圧を基準にして、その直後に得られる第２の正の誘起電圧を読み違えすることなく特定でき、このためこの特定した正の誘起電圧から得られた駆動パルスによりスイッチング素子１２を駆動した際、内燃機関にケッチンや逆回転が発生するのを未然に回避することができる。

本発明の内燃機関の無接点点火装置は、トリガコイルの誘起電圧から得られるパルスのデジタル処理により、制御応答が良好で、ロータおよびコアー相互の取り付け精度に影響されずに、設定された点火タイミングにて内燃機関を安定的に運転制御できるとともに、さらに内燃機関の始動時におけるケッチンの発生や逆転を確実に防止できるという効果を有し、内燃機関の点火時期を調整可能にするコンデンサ充放電式の、内燃機関の無接点点火装置等に有用である。

本発明の実施形態による内燃機関の無接点点火装置の要部構成を一部破断して示す正面図である。 本発明の実施形態による内燃機関の無接点点火装置を示す回路図である。 図１におけるトリガコイルの誘起電圧および入力パルスを示すタイミングチャートである。 図１における内燃機関始動時の入力パルスおよび駆動パルスを示すタイミングチャートである。 図１における内燃機関始動時の入力パルスの読み違い防止方法を説明する入力パルスのタイミングチャートである。 本発明における進角、遅角制御時の入力パルスおよび駆動パルスを示すタイミングチャートである。 本発明における内燃機関のケッチン対策時の入力パルスおよび駆動パルスを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ エキサイタコイル
２ トリガコイル
３ ロータ
５ 磁石
６、７ 磁極
８ コアー
８ａ、８ｂ 磁極
１０ 点火用充放電コンデンサ
１１ イグニッションコイル
１２ サイリスタ（スイッチング素子）
１３ 点火プラグ
１５ マイクロコンピュータ（制御手段）
１７ 失火スイッチ

Claims (3)

1. 磁石を挟んで配置された２つの磁極を有するロータと、該ロータに対向配置されて、エキサイタコイルおよびトリガコイルを巻装したコアーと、前記エキサイタコイルの正の誘起電圧を充電する点火用充放電コンデンサと、前記トリガコイルの誘起電圧に基づきトリガされて導通し、前記点火用充放電コンデンサの電荷をイグニッションコイルに供給するスイッチング素子と、を有する内燃機関の無接点点火装置であって、前記内燃機関の始動開始時には、前記ロータの回転によって前記トリガコイルに得られる第１および第２の正の誘起電圧とこれらの２つの誘起電圧間に連続する負の誘起電圧のうち、該負の誘起電圧直後の、前記第２の正の誘起電圧に基づいて得られる駆動パルスにより、前記スイッチング素子を駆動する制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の無接点点火装置。
2. 前記制御手段は、前記駆動パルスを、前記第１の正の誘起電圧の発生タイミングに対し内燃機関の点火タイミングを進める方向または遅らせる方向に制御するマイクロコンピュータであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の無接点点火装置。
3. 前記制御手段は、第１の正の誘起電圧および第２の正の誘起電圧に基づいて得られる第１の入力パルスの立ち上がりタイミングから第２の入力パルスの立ち上がりタイミングまでの時間と、前記第２の正の入力パルスの立ち上がりタイミングと次の周期の第１の正の入力パルスの立ち上がりタイミングまでの時間とを比較し、この比較結果を内燃機関の回転速度の加減速情報として、制御プログラムに従って前記駆動パルスを内燃機関の点火タイミングを進める方向または遅らせる方向に制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の無接点点火装置。

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