JP6214118B2

JP6214118B2 - 内燃機関用の点火装置

Info

Publication number: JP6214118B2
Application number: JP2014006405A
Authority: JP
Inventors: 尚紀片岡; 光宏泉
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: JP2015135073A

Description

従来より、内燃機関は環境問題や化石燃料の枯渇問題を解決するために、シリンダ内の混合気の空燃比を高くした希薄燃料によるリーン燃焼を行っており、このようなリーン燃焼では、希薄な燃料に対する着火性を向上させるため、点火コイルの高出力化が目指されてきた。しかし、点火コイルの高出力化により、点火プラグの放電電圧も高くなり、長期間の使用による点火プラグの電極摩耗が生じることが知られている。

この問題を解決するために、スイッチング素子の１次電流への通電を緩やかに行うことで点火プラグの放電電流を抑える方法が考えられるが、点火プラグの燻ぶりを焼切ることができずに内燃機関の失火を引き起こす問題が生じる。この対策として、２次コイルの高圧側に定電圧経路を備えて点火プラグの放電電圧が高くなることを回避する点火装置があり、例えば特開２０１３−１６０２０１号公報（以下「特許文献１」）が提案されている。

上記特許文献１の点火コイルの構成図を図４に示す。図４において、点火コイル40は、１次コイル10及びこのコイルと磁気結合された２次コイル20を備えて構成されている。また、１次コイル10の両端のうち一端は、バッテリ70の正極側に接続され、他端は、電子制御式の開閉手段であるスイッチング素子50の入出力端子を介して接地されている。

また、２次コイル20の両端のうち一端は、低圧側経路L１を介して接地電位を有する部位に接続されている。さらに、他端は、接続経路L2を介して中心電極80aに接続されている。

また、上記接続経路L2には、一端が接地された定電圧用経路L3が接続されている。さらに、定電圧用経路L3には、接続経路L2側から順に、定電圧素子としてのツェナーダイオード118と、電流検出用の抵抗体120とが備えられている。詳しくは、ツェナーダイオード118のアノードは、接続経路L2側に接続され、カソードは抵抗体120の一端に接続されている。

ここで、ＥＣＵによる点火制御について説明すると、まず、スイッチング素子50のゲートに入力される点火信号がオン点火信号とされることでスイッチング素子50がオン状態とされる。これにより、バッテリ70から１次コイル10へと１次電流の流通が開始され、点火コイル40への磁気エネルギの蓄積が開始される。ちなみに、１次コイル10に通電される場合、２次コイル20の両端のうち中心電極80a側の極性が正とされ、低圧側経路L１側の極性が負とされる。

そして、１次コイル10への通電後、点火信号がオフ点火信号に切り替えられることでスイッチング素子50がオフ状態とされると、２次コイル20の両端の極性が反転されるとともに２次コイル20に高電圧が誘起される。これにより、点火プラグの中心電極80aと接地電極80bとの間隙に高電圧が印加される。

ここで、定電圧用経路L3に上記ツェナーダイオード118が備えられている。このため、点火プラグ80のギャップの２次電圧がツェナーダイオード118のブレークダウン電圧を上回ろうとする場合、ツェナーダイオード118にてブレークダウン電圧分の電圧降下が生じることで、２次電圧がブレークダウン電圧で制限される。すなわち、２次電圧がブレークダウン電圧を上回ろうとする期間において２次電圧がブレークダウン電圧に維持される点火装置が記載されている。

特開２０１３−１６０２０１号公報

しかしながら、従来の内燃機関用の点火装置では次のような問題を生じている。即ち、特許文献１の点火装置は、２次電圧がブレークダウン電圧で維持される期間において、ギャップの気体の状態が放電に適した状態となると、点火プラグのギャップに放電火花が生じるとともに、接地電極から中心電極へと放電電流が流れ、点火プラグの放電電圧が高くなることを回避できるが、ブレークダウン電圧で制限される期間が長いため、点火プラグの電極に生じるコロナ電極が成長する問題が生じ、点火プラグの消耗に結びつく。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、点火プラグの電極に生じるコロナ放電が成長することを防ぎ、点火プラグの燻ぶりを焼切る素早い立ち上がり電圧を有すると共に、点火コイルからの放電電圧を抑えて点火プラグの摩耗を防ぐ内燃機関用の点火装置を提供することを目標とする。

上記の課題を解決するために本発明は次のような構成とする。即ち、１次コイルと２次コイルとが電磁結合されてなる点火コイルと、当該１次コイルへの通電のＯＮ・ＯＦＦを切り替える第１のスイッチング素子を備えるイグナイタと、から構成される内燃機関用の点火装置において、前記１次コイルの高圧側は、前記第１のスイッチング素子のコレクタ側と接続し、前記１次コイルの高圧側と前記第１のスイッチング素子のコレクタ側の接続点は、定電圧素子を介して第２のスイッチング素子のコレクタ側と接続し、当該定電圧素子は、アノードを前記第２のスイッチング素子と接続し、前記１次コイルの高圧側と前記第１のスイッチング素子のコレクタ側の接続点は、第１の抵抗を介して第２の抵抗及び前記第２のスイッチング素子のゲート側と接続することを特徴とする内燃機関用の点火装置とする。

上記の発明においては、前記定電圧素子は、１５０〜３６０Ｖの静電容量を有する構成としてもよい。

上記の構成によって、１次コイルの高圧側は、第１のスイッチング素子のコレクタ側と接続し、１次コイルの高圧側と第１のスイッチング素子のコレクタ側の接続点は、定電圧素子を介して第２のスイッチング素子のコレクタ側と接続し、定電圧素子は、アノードを第２のスイッチング素子と接続し、１次コイルの高圧側と第１のスイッチング素子のコレクタ側の接続点は、第１の抵抗を介して第２の抵抗及び第２のスイッチング素子のゲート側と接続することで、点火プラグの電極に生じるコロナ放電が成長することを防ぎ、点火プラグの燻ぶりを焼切る素早い立ち上がり電圧を有すると共に、点火コイルからの放電電圧を抑えて点火プラグの摩耗を防ぐ内燃機関用の点火装置が実現できる。

本発明の第１の実施例とする内燃機関用の点火装置のブロック図を示す。（Ａ）点火装置の立ち上がり電圧動作を示すブロック図、（Ｂ）点火装置の定電圧動作を示すブロック図である。実施例１の点火装置の動作を示すタイムチャートである。特許文献１の点火コイルの構成図を示す。

以下に本発明の実施の形態を示す実施例を図１乃至図３に基づいて説明する。

本発明の第１の実施例とする内燃機関用の点火装置のブロック図を図１に、（Ａ）点火装置の立ち上がり電圧動作を示すブロック図、（Ｂ）点火装置の定電圧動作を示すブロック図を図２に、点火装置の動作を示すタイムチャートを図３にそれぞれ示す。

図１において、点火装置100は点火コイル40とイグナイタ50から構成され、当該点火コイル40は１次巻線からなる１次コイル10、２次巻線からなる２次コイル20、及び、珪素鋼板からなる鉄芯30から構成される。また、当該イグナイタ50は第１のトランジスタ52とするＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とゲートドライブ54から構成される。さらに、当該ゲートドライブ54は内燃機関の適切な放電タイミングとなる点火信号を供給するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と接続され、当該ＥＣＵからの点火信号に基づいてパルス波を生成し、当該第１のトランジスタ52へ供給している。

また、前記１次コイル10の高圧側10aは前記第１のトランジスタ52のコレクタ側と接続し、前記第１のトランジスタ52のエミッタ側を介してグランドと接続される。さらに、前記第１のトランジスタ52のゲート側は前記ゲートドライブ54と接続され、コレクタ側とゲート側にカソード端子をコレクタ側に接続したダイオード56を備える。

また、前記１次コイルの高圧側10aと前記第１のトランジスタ52のコレクタ側の接続点はツェナーダイオード62を介して第２のトランジスタ60のコレクタ側と接続し、当該第２のトランジスタ60のエミッタ側を介してグランドと接続する。さらに、当該ツェナーダイオード62はアノード端子を当該第２のトランジスタ60のコレクタ側に接続する。

また、前記１次コイルの高圧側10aと前記第１のトランジスタ52のコレクタ側の接続点は第１の抵抗64aを介して前記第２のトランジスタ60のゲート側に接続し、当該第１の抵抗64aと前記第２のトランジスタ60のゲート側の接続点は第２の抵抗64bを介してグランドと接続する。さらに、前記ダイオード56は４００Ｖの静電容量を有することで前記１次コイル10のブレークダウン電圧が決定される。

また、前記ツェナーダイオード62は３６０Ｖの静電容量を有することで前記第２のトランジスタ60のコレクタ・エミッタ間へ分岐するクランプ電圧Ｖ_ＣＬが決定される。さらに、前記１次コイル10の低圧側10bは自動車のバッテリ電源70と接続する。

また、前記２次コイル20の高圧側20aは内燃機関のシリンダ内へ放電を行う点火プラグ80と接続し、前記２次コイル20の低圧側20bはグランドと接続する。前記点火プラグ80にはプラグ碍子の絶縁破壊限界電圧が存在し、前記ツェナーダイオード62で決定されたクランプ電圧Ｖ_ＣＬが当該絶縁破壊限界電圧を下回っている。

図２（Ａ）において、前記イグナイタ50は点火装置100は前記ＥＣＵからの点火信号が入力されると前記ゲートドライブ54内で生成されたパルス波を前記第１のトランジスタ52のゲート側に供給する。前記第１のトランジスタ52はゲート・エミッタ間に電流が流れると、コレクタ・エミッタ間に電流が流れるため、前記電源70→前記１次コイル10→前記第１のトランジスタ52→グランドの経路で１次電流Ｉ_１が流れる。これにより、前記１次コイル10に立ち上がり電圧が発生し、前記１次コイル10は１次電流が蓄えられる。

図２（Ｂ）において、前記１次コイル10を流れる１次電流が大きくなると、前記第１の抵抗64aを介して前記第２のトランジスタ60のゲート・エミッタ間を流れる経路が発生する。前記第２のトランジスタ60はゲート・エミッタ間に電流が流れると、コレクタ・エミッタ間に電流が流れるため、前記電源70→前記１次コイル10→前記ツェナーダイオード62→前記第２のトランジスタ60→グランドの経路で１次電流Ｉ_ｃが流れる。また、前記ツェナーダイオード62は３６０Ｖの静電容量を有しているため、前記第２のトランジスタ60のコレクタ・エミッタ間に発生する電圧はクランプ電圧Ｖ_ＣＬで頭打ちとなる定電圧動作が働く。

また、定電圧動作時に前記１次コイル10を流れる１次電流Ｉ_１´は前記第１のトランジスタ52のコレクタ・エミッタ間を流れる１次電流Ｉ_ａと、前記第１の抵抗64aから前記第２のトランジスタ60のゲート間を流れる１次電流Ｉ_ｂと、及び、前記ツェナーダイオード62→前記第２のトランジスタ60のコレクタ・エミッタ間を流れる１次電流Ｉ_ｃと、からなる。

また、前記第１のダイオード52のコレクタ・エミッタ間には前記第２のトランジスタ60のコレクタ・エミッタ間にかかる電圧がクランプ電圧Ｖ_ＣＬを越えた分の電圧が発生する。これによって、前記１次コイル10にかかるクランプ電圧Ｖ_ＣＬを上回る電圧の立ち上がりが緩やかになる。

図３において、前記第１のトランジスタ52のスイッチング動作は前記ゲートドライブ54からのパルス波によってＯＮ・ＯＦＦが切り換えられる。また、前記第２のトランジスタ60のスイッチング動作は前記第１のトランジスタ52がＯＮに立ち上ってから前記第１の抵抗64aを介して前記第２のトランジスタ60のゲート・エミッタ間を１次電流Ｉ_ｂが流れることでＯＮに切り換えられる。さらに、前記第２のトランジスタ60は前記第１のトランジスタ52がＯＦＦに立ち下がり前記第１の抵抗64aを介して前記第２のトランジスタ60のゲート・エミッタ間を１次電流Ｉ_ｂが遮断されることでＯＦＦに切り替えられる。

また、当該実施例１における前記１次コイル10に生じる１次電圧は前記点火プラグ80の絶縁破壊限界電圧以下に設定されたクランプ電圧Ｖ_ＣＬを維持する。さらに、前記１次コイル10と電磁結合される前記２次コイル20に生じる２次電圧も誘導起電力による影響によりクランプ電圧Ｖ_ＣＬまでは素早く立ち上がり、クランプ電圧Ｖ_ＣＬ以降は最大出力電圧Ｖ_ＭＡＸまで緩やかに立ち上がる。

しかし、定電圧動作を行わない従来の点火装置（従来例１）では、前記２次コイル20に生じる２次電圧が最大出力電圧Ｖ_ＭＡＸをｖ_１高く超えた最大出力電圧Ｖ_ＭＡＸ´まで上昇するため、前記点火プラグ80の消耗が早くなる。また、前記２次コイルの高圧側20aの前記点火プラグ80と並列に備える定電圧素子によって定電圧動作を行う点火装置（従来例２）では前記２次コイル20に生じる２次電圧をクランプ電圧Ｖ_ＣＬまで抑えたため、前記点火プラグ80の電極間に電圧が生じる時間がｔ_１だけ長くなり、前記点火プラグ80の電極に生じるコロナ電極が成長してしまう。さらに、前記１次コイル10に通電する１次電流を緩やかに行うことで点火プラグの放電電流を抑える点火装置（従来例３）では、前記点火プラグ80の電極間に電圧が生じる時間がｔ_２だけ長くなり、前記点火プラグ80の電極に生じるコロナ電極が成長してしまうと共に、前記２次コイル20に生じる２次電圧のクランプ電圧Ｖ_ＣＬまで立ち上がりも緩やかになるため、前記点火プラグ80の燻ぶりを焼切ることができない。

上記の構成によって、前記１次コイルの高圧側10aと前記第１のトランジスタ52のコレクタ側の接続点はツェナーダイオード62を介して前記第２のトランジスタ60のコレクタ側と接続し、前記ツェナーダイオード62はアノード端子を前記第２のトランジスタ60のコレクタ側に接続し、前記１次コイルの高圧側10aと前記第１のトランジスタ52のコレクタ側の接続点は前記第１の抵抗64aを介して前記第２のトランジスタ60のゲート側に接続し、前記第１の抵抗64aと前記第２のトランジスタ60のゲート側の接続点は前記第２の抵抗64bを介してグランドと接続することで、前記１次コイル10に生じる１次電圧は前記点火プラグ80の絶縁破壊限界電圧以下に設定されたクランプ電圧Ｖ_ＣＬを維持するため、前記点火コイル40からの放電電圧を抑えて前記点火プラグ80の摩耗を防ぐ点火装置とすることができる。

また、前記１次コイル10と電磁結合される前記２次コイル20に生じる２次電圧がクランプ電圧Ｖ_ＣＬまでは素早く立ち上がるため、前記点火プラグ80の電極に生じるコロナ放電が成長することを防ぐと共に、前記点火プラグ80の電極間に生じる燻ぶりを焼切ることができる。

なお、上記実施例１の変形例として、前記イグナイタ50の構成は設計事情によって任意に変更できるものとする。また、前記第２のトランジスタ60はサイリスタ等のスイッチング素子に変更してもよい。さらに、前記ツェナーダイオード62は一定の電圧を得る定電圧素子であればよいし、前記ツェナーダイオード62は３６０Ｖの静電容量を有するものとしたが、前記点火プラグ80の絶縁破壊限界電圧に応じて決定するクランプ電圧Ｖ_ＣＬにより１５０〜３６０Ｖの範囲で決定してよい。

また、前記第１の抵抗64aと前記第２の抵抗64bは、前記第２のトランジスタ60のゲート側に対する分圧回路であれば設計事情によって任意の回路構成に変更してもよい。

10：１次コイル
10a：高圧側
10b：低圧側
20：２次コイル
20a：高圧側
20b：低圧側
30：鉄芯
40：点火コイル
50：イグナイタ
52：第１のトランジスタ（第１のスイッチング素子）
54：ゲートドライブ
56：ダイオード
60：第２のトランジスタ（第２のスイッチング素子）
62：ツェナーダイオード（定電圧素子）
64a：第１の抵抗
64b：第２の抵抗
70：電源
80：点火プラグ
100：点火装置

Claims

１次コイル10と２次コイル20とが電磁結合されてなる点火コイル40と、
当該１次コイル10への通電のＯＮ・ＯＦＦを切り替える第１のスイッチング素子52を備えるイグナイタ50と、から構成される内燃機関用の点火装置100において、
前記１次コイルの高圧側10aは、前記第１のスイッチング素子52のコレクタ側と接続し、
前記１次コイルの高圧側10aと前記第１のスイッチング素子52のコレクタ側の接続点は、定電圧素子62を介して第２のスイッチング素子60のコレクタ側と接続し、
当該定電圧素子62は、アノードを前記第２のスイッチング素子60と接続し、
前記１次コイルの高圧側10aと前記第１のスイッチング素子52のコレクタ側の接続点は、第１の抵抗64aを介して第２の抵抗64b及び前記第２のスイッチング素子60のゲート側と接続することを特徴とする内燃機関用の点火装置100。
前記定電圧素子62は、１５０〜３６０Ｖの静電容量を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用の点火装置100。