JP6273986B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関(エンジン)に用いられる点火装置に関し、特に火花放電の継続技術に関する。
点火プラグの負担を軽減し、無駄な電力消費を抑えて、火花放電を継続させる技術として、新規の点火装置を考案した(公知技術でない)。
ここで、背景技術の理解補助の目的で、この新規の点火装置の概略構成を図3(a)に基づき説明する。なお、図3に用いる符合は、後述する「実施例」と同一機能物に同一符合を付したものである。
点火装置Aは、周知の点火回路(主点火回路と称す)による火花放電(主点火と称す)中に、新規のエネルギ投入回路6を搭載して火花放電の継続を行うものである。
エネルギ投入回路6は、主点火回路の作動により生じた主点火中に、1次コイル3のマイナス側からバッテリ電力供給ラインαに向けて電気エネルギを投入する「エネルギ供給部」であり、1次コイル3のマイナス側からバッテリ電力供給ラインαに向けて電気エネルギを投入することで2次コイルに2次電流を継続して流し、主点火で生じた火花放電を任意の期間(以下、放電継続期間)に亘って継続させる技術である。
エネルギ投入回路6は、放電継続期間中に1次コイル3に投入する投入エネルギを制御することで、2次電流をコントロールして火花放電の維持を行う。この技術により吹き消え再放電による点火プラグの負担を軽減し、且つ無駄な電力消費を抑えて、火花放電の継続を行うことができる。
なお、以下では、エネルギ投入回路6により継続させる火花放電(即ち、主点火に続く火花放電)を「継続火花放電」と称する。
(問題点)
バッテリ電力供給ラインαは、車載バッテリ7の電力を複数の装置(点火装置A、エンジン制御装置B、燃料噴射装置C等)に供給するマスタ電源ラインα1の他に、このマスタ電源ラインα1から分岐して点火装置Aへ電力供給を行う点火電源ラインα2を備える。
マスタ電源ラインα1には、手動操作されるイグニッションスイッチ23に連動する電源リレー24が設けられており、イグニッションスイッチ23がONされることで、車載バッテリ7の電力が複数の装置(点火装置A、エンジン制御装置B、燃料噴射装置C等)に供給される(例えば、特許文献1参照)。
ここで、エネルギ投入回路6に予期せぬ不具合が生じた場合を想定する。具体的には、図3(b)の矢印X、Yに示すように、エネルギ投入回路6が故障して、イグニッションスイッチ23がOFFされた時に、1次コイル3のマイナス側からマスタ電源ラインα1に向けて電気エネルギを投入し続ける場合を想定する。
この場合、エネルギ投入回路6にて昇圧した電気エネルギ(バッテリ電圧より高い電圧)がマスタ電源ラインα1に向けて継続して加えられる可能性がある。すると、エネルギ投入回路6からマスタ電源ラインα1に継続して加えられた電気エネルギ(過電圧/過電流)の影響を、他の装置(エンジン制御装置B、燃料噴射装置C等)が継続して受ける懸念があり、他の装置が故障したり、エネルギ投入回路6から1次コイル3へエネルギ投入が継続する期間に亘ってエンジンを停止できなくなる懸念がある。
特開2011−85070号公報
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギ投入回路が万が一に故障した場合であっても、エネルギ投入回路の電気エネルギがバッテリ電圧供給ラインを介して他の装置に影響を与えるのを防ぐことができる内燃機関用点火装置の提供にある。
「特許請求の範囲の請求項1」を採用する第1発明の内燃機関用点火装置は、ように、異常判定手段がエネルギ投入回路の故障を判定すると、出力停止用スイッチ手段29によりエネルギ投入ラインが切断されて、エネルギ投入回路から1次コイルへのエネルギ投入が停止される。
このように、エネルギ投入回路が万が一に故障したとしても、1次コイルへのエネルギ投入が停止されるため、1次コイルへのエネルギ投入が継続することによって生じる不具合(他の装置が故障する懸念や、エンジンを停止できなくなる懸念)を回避することができる。
「特許請求の範囲の請求項2」を採用する第2発明の内燃機関用点火装置は、イグニッションスイッチに連動する電源リレーのOFF時に出力停止用スイッチ手段29が切断エネルギ投入ラインを切断して、エネルギ投入回路から1次コイルへのエネルギ投入を停止させる。
このように、エネルギ投入回路が万が一に故障したとしても、イグニッションスイッチをOFFすることで、1次コイルへのエネルギ投入が停止されるため、1次コイルへのエネルギ投入が継続することによって生じる不具合(エンジンを停止できなくなる懸念)を回避することができる。
内燃機関用点火装置の概略構成図である(実施例1)。 内燃機関用点火装置の概略回路図である(実施例2)。 (a)内燃機関用点火装置の概略構成図、(b)投入された電気エネルギの流れを示す説明図である(参考例:公知技術でない)。
以下において「発明を実施するための形態」を詳細に説明する。
本発明の具体的な一例(実施例)を図面に基づき説明する。なお、以下の「実施例」は具体的な一例を開示するものであり、本発明が「実施例」に限定されないことは言うまでもない。
[実施例1]
図1を参照して実施例1を説明する。
この実施例1における点火装置Aは、車両走行用の火花点火エンジンに用いられるものであり、所定の点火タイミング(点火時期)で燃焼室内の混合気に点火を行うものである。なお、エンジンの一例は、ガソリンを燃料とする希薄燃焼(リーンバーン燃焼)が可能な直噴式エンジンであり、排気ガスの一部をEGRガスとしてエンジン吸気側へ戻すEGR装置を搭載し、さらに気筒内に混合気の旋回流(タンブル流やスワール流等)を生じさせる旋回流コントロール手段を備える。
この実施例1における点火装置Aは、各気筒の点火プラグ1ごとに対応した点火コイル2を用いるDI(ダイレクト・イグニッションの略)タイプである。
この点火装置Aは、エンジン制御の中枢を成すエンジン制御装置(所謂ECU)Bから与えられる指示信号(点火信号IGT及び放電継続信号IGW)に基づいて点火コイル2の1次コイル3を通電制御するものであり、1次コイル3を通電制御することで点火コイル2の2次コイル4に生じる電気エネルギをコントロールして、点火プラグ1の火花放電をコントロールする。
エンジン制御装置Bは、各種センサから取得したエンジンパラメータ(暖機状態、エンジン回転速度、エンジン負荷等)やエンジンの制御状態(希薄燃焼の有無、旋回流の程度等)に応じた点火信号IGTおよび放電継続信号IGWを生成して出力する。
車両に搭載される点火装置Aは、
・各気筒毎に搭載される点火プラグ1と、
・各点火プラグ1毎に搭載される点火コイル2と、
・フルトラ作動を行う主点火回路5と、
・継続火花放電を行うエネルギ投入回路6と、
を備えて構成される。
なお、主点火回路5とエネルギ投入回路6の主要部は、「点火回路ユニット」として共通のケース内に収容配置されて、点火プラグ1や点火コイル2とは異なる場所に設置される。
点火プラグ1は、周知なものであり、2次コイル4の一端に接続される中心電極と、エンジンのシリンダヘッド等を介してアース接地される外側電極とを備え、2次コイル4から印加される高電圧により中心電極と外側電極との間で火花放電を発生させる。
点火コイル2は、周知なものであり、1次コイル3と、この1次コイル3の巻数より多くの巻数を有する2次コイル4とを備える。
1次コイル3の一端は、車載バッテリ7のプラス電極から電力の供給を受けるバッテリ電圧供給ラインαに接続される。
1次コイル3の他端側は、主点火回路5の点火用スイッチング手段10(例えば、パワートランジスタ、MOS型トランジスタ、サイリスタ等)を介してアース接地される。
2次コイル4の一端は、上述したように点火プラグ1の中心電極に接続される。
2次コイル4の他端は、バッテリ電圧供給ラインαまたはアース接地される。なお、図中は、2次コイル4の他端が、1次コイル3の通電時に不要な2次電圧を発生を抑制する第1ダイオード11と、後述する電流検出抵抗21とを介してアース接地される例である。
主点火回路5は、1次コイル3の通電制御を行って点火プラグ1に主点火を生じさせる。具体的に主点火回路5は、点火信号IGTのON期間に亘って点火用スイッチング手段10をONするものであり、点火用スイッチング手段10がONすることで点火コイル2の1次コイル3が通電される。
エネルギ投入回路6は、主点火回路5の作動によって生じた主点火中に1次コイル3のマイナス側からバッテリ電圧供給ラインαへ向けて電気エネルギを投入することで、2次コイル4に2次電流を継続して流し、主点火回路5の作動によって生じた火花放電を継続させる。
具体的にエネルギ投入回路6は、着火性が低下する運転状態の時(希薄燃焼時、強旋回流の発生時、高EGR率時、低温始動時など)に火花放電の継続を行って混合気の着火性を高めるものであり、
・バッテリ電圧を昇圧させる昇圧回路12と、
・この昇圧回路12にて昇圧した電気エネルギを蓄えるエネルギ投入用コンデンサ13と、
・エネルギ投入用コンデンサ13に蓄えた電気エネルギを1次コイル3に投入するエネルギ投入ラインβをON−OFFするエネルギ投入用スイッチング手段14(例えば、MOS型トランジスタ、パワートランジスタ等)と、
・このエネルギ投入用スイッチング手段14のON−OFF作動を制御するエネルギ投入用ドライバ回路15と、
エネルギ投入用コンデンサ13から1次コイル3のみへ電流を流す第2ダイオード16と、
を備えて構成される。
昇圧回路12は、直流電圧を昇圧するDC−DCコンバータであり、
・一端がバッテリ電圧供給ラインαに接続されたチョークコイル17と、
・このチョークコイル17の通電状態を断続する昇圧用スイッチング手段18(例えば、磁界効果型トランジスタ、パワートランジスタ等)と、
・この昇圧用スイッチング手段18を繰り返しON−OFFさせる昇圧用ドライバ回路19と、
・エネルギ投入用コンデンサ13に蓄えた電気エネルギがチョークコイル17側へ逆流するのを防ぐ第3ダイオード20と、
を備えて構成される。
昇圧用ドライバ回路19は、点火信号生成部5から点火信号IGTが与えられる期間に亘って昇圧用スイッチング手段18を所定周期で繰り返してON−OFFするように設けられている。
エネルギ投入用ドライバ回路15は、エネルギ投入用スイッチング手段14のON−OFF状態をコントロールし、1次コイル3に投入する電気エネルギを制御することで、放電継続信号が与えられる期間に亘って2次電流を所定の目標範囲に維持させるものである。
エネルギ投入用ドライバ回路15は、ドライブ回路とコントロール回路を組み合わせたものであり、電流検出抵抗21を用いて2次電流を電流検出回路22でモニターし、電流検出回路22でモニターした2次電流が所定の目標範囲を維持するようにエネルギ投入用ドライバ回路15を制御することで、エネルギ投入用スイッチング手段14のON−OFF状態をフィードバック制御するものである。なお、エネルギ投入用ドライバ回路15の制御はフィードバック制御に限定するものではなく、2次電流が所定の目標範囲を維持するようにオープンループ制御によってエネルギ投入用スイッチング手段14をON−OFF制御するものであっても良い。また、継続火花放電中における2次電流の目標値は、一定であっても良いし、エンジンの運転状態(エンジン制御装置Bから付与される図示しない指示信号)に応じて変更するものであっても良い。
(点火装置Aの作動説明)
点火信号IGTがOFFからONへ切り替わると、
(a)点火信号IGTが出力される期間に亘って点火用スイッチング手段10がONされるとともに、
(b)点火信号IGTが出力される期間に亘って昇圧用スイッチング手段18が繰り返してON−OFFして昇圧作動を行い、バッテリ電圧より高く昇圧された電気エネルギがエネルギ投入用コンデンサ13に蓄えられる。
(c)点火信号IGTがONからOFFへ切り替わると、点火用スイッチング手段10がOFFされ、1次コイル3の通電状態が突然遮断される。その結果、1次電流が停止すると同時に1次電圧が立ち上がる。これにより、2次電圧が立ち上がって点火プラグ1に高電圧が印加されて、点火プラグ1において主点火が生じる。
(d)点火プラグ1で主点火が開始された後、2次電流は略三角波形状で減衰する。そして、2次電流が所定の下限電流値(火花放電を維持するための電流値)に低下する前に、エンジン制御装置Bが放電継続信号IGWを出力する。
すると、エネルギ投入用ドライバ回路15によってエネルギ投入用スイッチング手段14がON−OFF制御されて、エネルギ投入用コンデンサ13に蓄えられていた電荷(電気エネルギ)が1次コイル3のマイナス側に印加され、エネルギ投入用コンデンサ13に蓄えられていたバッテリ電圧より高い電圧の電気エネルギが、1次コイル3のマイナス側からバッテリ電圧供給ラインαに向かって流れる。
具体的には、エネルギ投入用スイッチング手段14がONされる毎に1次コイル3のマイナス側からバッテリ電圧供給ラインαに向かう電流が追加して流れる。その結果、電流が追加される毎に、主点火後の2次電流と同方向の2次電流が2次コイル4に順次追加して流れる。
このように、エネルギ投入用ドライバ回路15がエネルギ投入用スイッチング手段14をON−OFF制御することで、火花放電を維持可能な程度に2次電流を継続して保持することができる。
このことを具体的に説明する。エンジンの気筒内に生じる強い気流などによって火花放電が流されると、火花放電長が伸張して放電電圧が上昇し、2次電流が減少していく。2次電流が所定値より減少すると、2次電流のフィードバック制御によりエネルギ投入用スイッチング手段14がONとなり、1次コイル3に電気エネルギ量が再投入される。その結果、火花放電が気流に流されて伸張しても2次電流が略一定に保たれ、放電維持電圧を維持することができ、火花放電の吹き消しが回避される。
逆に、継続火花放電中に2次電流が増加する方向に作用すると、2次電流のフィードバック制御によりエネルギ投入用スイッチング手段14がOFFになり、1次コイル3に投入される電気エネルギ量が減らされて2次電流が略一定に保たれる。
このようにして放電継続信号IGWの継続中は、継続火花放電による火花放電を点火プラグ1において継続させることができ、高い着火性を得るとともに、点火プラグ1における電極摩耗の軽減効果を得ることができ、さらに放電維持のための電力を最適に制御して無駄な電力消費を抑えることができる。
(f)そして、点火継続信号IGWがONからOFFへ切り替わると、エネルギ投入用ドライバ回路15が停止し、エネルギ投入用スイッチング手段14がOFF状態になる。これにより、エネルギ投入回路6が停止し、継続火花放電が終了する。
(実施例1の特徴技術)
車載バッテリ7のプラス電極に接続されるバッテリ電圧供給ラインαは、点火装置A、エンジン制御装置B、燃料噴射装置C等にバッテリ電圧の供給を行うマスタ電源ラインα1の他に、このマスタ電源ラインα1から分岐して点火装置Aへ電力供給を行う点火電源ラインα2を備えるものであり、1次コイル3のプラス側が点火電源ラインα2を介してマスタ電源ラインα1に接続される。
ここで、この実施例1の点火装置Aは、エネルギ投入回路6から1次コイル3へ電気エネルギの投入を行うエネルギ投入ラインβの断続状態の切り替えを行う出力停止用スイッチ手段29と、エネルギ投入回路6の故障を判定した際に出力停止用スイッチ手段29を切断状態に切り替える異常判定手段28とを備える。
出力停止用スイッチ手段29は、エネルギ投入用スイッチング手段14と1次コイル3の間のエネルギ投入ラインβをON−OFFするスイッチング手段(例えば、リレー、MOS型トランジスタ、パワートランジスタ等)であり、図中はリレー(リレースイッチ+リレーコイル)を用いる例を示す。
異常判定手段28は、エンジン制御装置Bの一部として設けられる制御プログラムであっても良いが、この実施例1ではエンジン制御装置Bから独立して「点火回路ユニット」に設けられる。エネルギ投入回路6の故障の判定技術は限定するものではないが、以下では理解補助の目的で具体的な一例を説明する。
異常判定手段28は、電流検出回路22から2次電流のモニター値と、エネルギ投入用ドライバ回路15の指示値を入力するように設けられている。そして、異常判定手段28は、電流検出回路22がエネルギ投入用ドライバ回路15に電気エネルギの投入量を増やす指示(エネルギ投入用スイッチング手段14のON指示)を所定時間に亘って継続して与えているのに、2次電流のモニター値が連動して反応しない場合にエネルギ投入回路6の異常を判定する。
この異常判定手段28は、エネルギ投入回路6の故障を判定した際に、出力停止用スイッチ手段29をOFF状態に切替え、エネルギ投入回路6から1次コイル3へのエネルギ投入を直ちに停止させるとともに、故障検出信号IGFをエンジン制御装置Bへ出力するように設けられている。
なお、図1中の符合IGIは、異常判定手段28へ与えられる指示信号である。
(実施例1の効果)
実施例1の点火装置Aは、上述したように、異常判定手段28がエネルギ投入回路6の故障を判定すると、出力停止用スイッチ手段29をOFF状態に切替え、エネルギ投入回路6から1次コイル3へのエネルギ投入を直ちに停止させる。
これにより、エネルギ投入回路6が万が一に故障したとしても、1次コイルへのエネルギ投入が停止されるため、1次コイルへのエネルギ投入が継続することによって他の装置(エンジン制御装置Bや燃料噴射装置C等)が故障する懸念や、イグニッションスイッチ23をOFFしてもエンジンを停止できなくなる懸念を回避できる。
[実施例2]
図2を参照して実施例2を説明する。なお、以下の実施例2において、上記実施例1と同一符合は同一機能物を示すものである。
この実施例2は、出力停止用スイッチ手段29の断続状態をイグニッションスイッチ23に連動させるものである。即ち、イグニッションスイッチ23に連動する電源リレー26に出力停止用スイッチ手段29のON−OFF状態を連動させるものであり、
(i)電源リレー26のON時に出力停止用スイッチ手段29が連動してONされ、
(ii)リレー26のOFF時に出力停止用スイッチ手段29が連動してOFFされるものである。
具体的に、図2に示すように、マスタ電源ラインα1には、乗員によって操作されるイグニッションスイッチ23に連動する電源リレー24が設けられる。この電源リレー24は、イグニッションスイッチ23がONされることで通電されるリレーコイル25と、このリレーコイル25が通電される状態でONするマスタ電源スイッチ26とを備える。
この構成により、イグニッションスイッチ23がONされることでマスタ電源スイッチ26がONされて、点火装置A、エンジン制御装置B、燃料噴射装置C等にバッテリ電圧が供給される。
また、この実施例2では、マスタ電源ラインα1から分岐した補助電源ラインα3が設けられる。この補助電源ラインα3は、出力停止用スイッチ手段29のON−OFF状態をコントロールする電源ラインであり、補助電源スイッチ27によってON−OFF状態の切り替えが行われる。
この補助電源スイッチ27は、上述したように出力停止用スイッチ手段29を操作するものであり、電源リレー24と連動する。
具体的に、リレーコイル25が通電されるとマスタ電源スイッチ26とともに補助電源スイッチ27がONして出力停止用スイッチ手段29がONする。また、リレーコイル25の通電が停止されるとマスタ電源スイッチ26とともに補助電源スイッチ27がOFFして出力停止用スイッチ手段29がOFFする。
(実施例2の効果)
実施例2の点火装置Aは、上述したように、電源リレー24のOFF時に出力停止用スイッチ手段29が切断エネルギ投入ラインβを切断して、エネルギ投入回路6から1次コイル3へのエネルギ投入を停止させる。このため、エネルギ投入回路6が万が一に故障したとしても、イグニッションスイッチ23をOFFすることで、1次コイル3へのエネルギ投入が停止されるため、1次コイル3へのエネルギ投入が継続することによって生じるエンジンを停止できなくなる懸念を回避できる。
実施例1と実施例2を組み合わせても良い。
上記の実施例では、補助電源スイッチ27を電源リレー24と連動させる例を示したが、補助電源スイッチ27を独立して設け、電源リレー24とは独立して作動するように設けても良い。
上記の実施例では、ガソリンエンジンに本発明の点火装置Aを用いる例を示したが、継続火花放電によって混合気の着火性の向上を図ることができるため、エタノール燃料や混合燃料を用いるエンジンに適用しても良い。もちろん、粗悪燃料が用いられる可能性のあるエンジンに用いても継続火花放電により着火性の向上を図ることができる。
上記の実施例では、希薄燃焼(リーンバーン燃焼)運転が可能なリーンバーンエンジンに本発明の点火装置Aを用い、着火性が悪化する希薄燃焼時の着火性を継続火花放電により向上させる例を示したが、希薄燃焼とは異なる燃焼状態であっても継続火花放電によって着火性の向上を図ることができるため、リーンバーンエンジンへの適用に限定するものではなく、希薄燃焼を行わないエンジンに用いても良い。
また、高EGRエンジン(エンジンにEGRガスとして戻される排気ガスの帰還率を高めることができるエンジン)に適用し、高EGR時に継続火花放電を生じさせて着火性の向上を図っても良い。
同様に、着火性が低下するエンジン低温時に継続火花放電を実施して、エンジン低温時における着火性の向上を図っても良い。
上記の実施例では、燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式エンジンに本発明の点火装置Aを用いる例を示したが、吸気バルブの吸気上流側(吸気ポート内)に燃料を噴射するポート噴射式のエンジンに用いても良い。
上記の実施例では、混合気の旋回流(タンブル流やスワール流等)を気筒内にて積極的に生じさせるエンジンに本発明の点火装置Aを用い、継続火花放電によって「旋回流による火花放電の吹き消し」を回避する例を開示したが、旋回流コントロール手段(タンブル流コントロールバルブやスワール流コントロールバルブ等)を有しないエンジンに用いても良い。
上記の実施例では、DIタイプの点火装置Aに本発明を適用したが、DIタイプに限定するものではなく、例えば単気筒エンジン(例えば、自動二輪車等)の点火装置Aに本発明を適用しても良い。
上記の実施例では、主点火回路5の一例としてフルトラを用いる例を示したが、主点火回路5の形式は限定しない。即ち、主点火回路5は、1次コイル3の通電状態を制御することで主点火を実施可能な回路であれば良く、CDI点火回路などフルトラ以外の点火回路を用いても良い。
1 点火プラグ
2 点火コイル
3 1次コイル
4 2次コイル
5 主点火回路
6 エネルギ投入回路
28 異常判定手段
29 停止用スイッチ手段

Claims (2)

  1. 点火コイル(2)の1次コイル(3)の通電制御を行って点火プラグ(1)に火花放電を生じさせる主点火回路(5)と、
    この主点火回路(5)の作動によって生じた火花放電中に前記1次コイル(3)のマイナス側からバッテリ電圧の供給を受けるバッテリ電圧供給ライン(α)に向けて電気エネルギを投入することで前記主点火回路(5)の作動によって生じた火花放電を継続させるエネルギ投入回路(6)と、
    このエネルギ投入回路(6)から前記1次コイル(3)へ電気エネルギの投入を行うエネルギ投入ライン(β)の断続状態の切り替えを行う出力停止用スイッチ手段(29)と、
    前記エネルギ投入回路(6)の故障を判定した際に前記出力停止用スイッチ手段(29)を切断状態に切り替える異常判定手段(28)と、
    を備えることを特徴とする内燃機関用点火装置。
  2. 点火コイル(2)の1次コイル(3)の通電制御を行って点火プラグ(1)に火花放電を生じさせる主点火回路(5)と、
    この主点火回路(5)の作動によって生じた火花放電中に前記1次コイル(3)のマイナス側からバッテリ電圧の供給を受けるバッテリ電圧供給ライン(α)に向けて電気エネルギを投入することで前記主点火回路(5)の作動によって生じた火花放電を継続させるエネルギ投入回路(6)と、
    このエネルギ投入回路(6)から前記1次コイル(3)へ電気エネルギの投入を行うエネルギ投入ラインβの断続状態の切り替えを行う出力停止用スイッチ手段(29)と、備え、
    乗員によって操作されるイグニッションスイッチ(23)に連動する電源リレー( 26)のオン時に前記出力停止用スイッチ手段(29)が連動してオンされ、前記電源リレー(26)のオフ時に前記出力停止用スイッチ手段(29)が連動してオフされることを特徴とする内燃機関用点火装置。
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