(57)【要約】      （修正有）【課題】主一次コイルへの通電時間を長くすることなく、安定した燃焼を維持できる内燃機関用点火装置を提供する。【解決手段】主スイッチ素子１２による通電で順方向の磁束が生じる主一次コイル１１１ａと、第１端１１１ｂ１から第２端１１１ｂ２へ通電することで順方向の磁束が生じる副一次コイル１１１ｂと、主一次コイル１１１ａおよび副一次コイル１１１ｂの磁束が作用する二次コイル１１２とで点火コイル１１を構成し、内燃機関駆動制御装置３が点火信号Ｓｉと第１方向通電指示信号Ｓ１ｄを同時に出力して同時に停止することで、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂに生じさせた順方向磁束を同時に遮断する点火タイミング前重畳放電制御を行って二次側に与える放電エネルギを高め、効率良く内燃機関の安定した燃焼を維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により順方向の磁束が増加し、電流を遮断することにより順方向の磁束が減ぜられる主一次コイルと、
通電により前記主一次コイルと同じ順方向の磁束が生じる副一次コイルと、
一端側が点火プラグと接続され、前記主一次コイルおよび副一次コイルに生じた磁束が作用して放電エネルギが発生する二次コイルと、
を有する点火コイルと、
バッテリから前記主一次コイルへの通電・遮断を切り替える主スイッチ手段と、
前記バッテリから前記副一次コイルへの通電・遮断を切り替える副スイッチ手段と、
前記主スイッチ手段および前記副スイッチ手段を制御して、燃焼サイクルの所定のタイミングで点火プラグに放電火花を発生させる点火制御手段と、
を備え、
前記点火制御手段は、
前記主一次コイルへの通電・遮断制御により二次コイルに放電エネルギを発生させる通常放電制御が可能であると共に、
前記主一次コイルおよび前記副一火コイルへの通電・遮断を同時に制御する点火タイミング前重畳放電制御を可能としたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車両に搭載される内燃機関用の点火装置に関し、点火コイルの二次側に発生させる放電エネルギを重畳的に増大させて、良好な放電特性を得るものである。
【背景技術】
【０００２】
車両搭載の内燃機関として、燃費改善のために直噴エンジンや高ＥＧＲエンジンが採用されているが、これらのエンジンは着火性があまり良くないため、点火装置には高エネルギ型のものが必要になる。そこで、古典的な電流遮断原理により発生する点火コイル二次側出力に、さらにもう一つの点火コイルの出力を加算的に重畳する位相放電型の点火装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
この特許文献１に記載の点火装置によれば、主一次点火コイルの一次電流を遮断することでその二次側に発生する数ｋＶの高電圧により、点火プラグの放電間隙に絶縁破壊を起こして点火コイルの二次側から放電電流を流し始めた後に、主点火コイルと並列に接続された副点火コイルの一次電流を遮断し、その二次側に発生する数ｋＶの直流電圧を加算的に重畳することで、比較的長い時間に亙って点火プラグに大きな放電エネルギを与えることができるため、燃料への着火性が向上し、延いては燃費も向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１４０９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された点火装置のような方式では、点火プラグの放電電流が各コイルから出力される三角形の電流の組み合わせで決まるため、高電流期間を長くするためには、２つの点火コイルの点火位相を大きくしたうえで、２つの点火コイルに十分なエネルギを蓄積する時間を長くする必要がある。このように、２つの点火コイルを用いることに加えて一次コイルへの通電時間を長くすると、コイル本体の大型化及び一次コイルへの通電制御を行うスイッチング素子の発熱が高くなるという問題が生ずる。
【０００６】
また、一次コイルへの通電時間を長くすることなく、一次コイルに蓄積するエネルギを高める方法としては、コイルの体格を大きくして蓄積エネルギを増やす方法、複数の点火コイルを用いる方法が考えられる。しかしながら、大型の点火コイルを用いたり、複数の点火コイルを用いたりすれば、搭載スペースの確保が問題となってしまう。
【０００７】
さらに、点火コイルの外部あるいは内部で電源電圧を昇圧してコイルの二次側に直接的に高電圧を印加することで、一次コイルへの通電時間を長くすることなく、二次側の放電エネルギを高める方法も考えられる。しかしながら、このような方法では、電源電圧を数ｋＶ程度に昇圧させなければならないので、搭載する昇圧回路の高耐圧化および高電圧での接続耐性が必要となり、相当なコストアップとなってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、主一次コイルへの通電時間を長くすることなく安定した高電流期間を確保し、燃焼を維持することができ、しかも、点火コイルの大型化および大幅なコスト増を抑制できる内燃機関用点火装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、通電により順方向の磁束が増加し、電流を遮断することにより順方向の磁束が減ぜられる主一次コイルと、通電により前記主一次コイルと同じ順方向の磁束が生じる副一次コイルと、一端側が点火プラグと接続され、前記主一次コイルおよび副一次コイルに生じた磁束が作用して放電エネルギが発生する二次コイルと、を有する点火コイルと、バッテリから前記主一次コイルへの通電・遮断を切り替える主スイッチ手段と、前記バッテリから前記副一次コイルへの通電・遮断を切り替える副スイッチ手段と、前記主スイッチ手段および前記副スイッチ手段を制御して、燃焼サイクルの所定のタイミングで点火プラグに放電火花を発生させる点火制御手段と、を備え、前記点火制御手段は、前記主一次コイルへの通電・遮断制御により二次コイルに放電エネルギを発生させる通常放電制御が可能であると共に、前記主一次コイルおよび前記副一火コイルへの通電・遮断を同時に制御する点火タイミング前重畳放電制御を可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る内燃機関用点火装置によれば、点火タイミング前重畳放電制御を行うことができるので、運転条件に応じた必要十分な放電エネルギを副一次コイルから二次コイルへ重畳して、主一次コイルへの通電時間を長くすることなく安定した高電流期間を確保し、好適な燃焼を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る内燃機関用点火装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る内燃機関用点火装置により主通常放電制御を行うときの燃焼サイクルにおける各部波形を模式的に示した波形図である。
【図３】第１実施形態に係る内燃機関用点火装置により点火タイミング前重畳放電制御を行うときの燃焼サイクルにおける各部波形を模式的に示した波形図である。
【図４】第１実施形態に係る内燃機関用点火装置により点火タイミング後重畳放電制御を行うときの燃焼サイクルにおける各部波形を模式的に示した波形図である。
【図５】第１実施形態に係る内燃機関用点火装置により点火タイミング前重畳放電制御および点火タイミング後重畳放電制御を行うときの燃焼サイクルにおける各部波形を模式的に示した波形図である。
【図６】本発明に係る内燃機関用点火装置の第２実施形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明に係る内燃機関用点火装置の第３実施形態を示す概略構成図である。
【図８】第３実施形態に係る内燃機関用点火装置により副通常放電制御を行うときの燃焼サイクルにおける各部波形を模式的に示した波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明に係る内燃機関用点火装置の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１に示すのは、本発明の第１実施形態に係る内燃機関用点火装置１であり、内燃機関の気筒毎に設けられる１つの点火プラグ２に放電火花を発生させる点火コイルユニット１０と、この点火コイルユニット１０の動作タイミングを指示する点火信号Ｓｉ等を適宜なタイミングで出力する点火制御手段３１を備えた内燃機関駆動制御装置３、車両バッテリ等の直流電源４、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５等で構成される。
【００１４】
なお、本実施形態に示す内燃機関用点火装置１においては、点火制御手段３１が、自動車の内燃機関を統括的に制御する内燃機関駆動制御装置３に含まれるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、通常の内燃機関駆動制御装置３が有している点火信号生成機能によって生成された点火信号を受けて、適宜な制御信号を点火コイルユニット１０および副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５へ出力する点火制御手段を別途設けるようにしても構わない。
【００１５】
上記点火コイルユニット１０は、例えば、点火コイル１１、主スイッチ素子１２、主スイッチ素子１２と並列に設けるバイパス線路１３、このバイパス線路１３に設ける整流手段１４等を所要形状のケース１５に収納して一体構造としたユニットである。このケース１５の適所には、高圧端子１５１とコネクタ１５２を設けてあり、高圧端子１５１を介して点火プラグ２を接続すると共に、コネクタ１５２（例えば、第１接続端子１５２ａ〜第６接続端子１５２ｆを備えるコネクタ）を介して内燃機関駆動制御装置３、車両バッテリ等の直流電源４、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５、接地点ＧＮＤと接続する。
【００１６】
上記点火コイル１１は、主一次コイル１１１ａ（例えば、９０ターン）と副一次コイル１１１ｂ（例えば、６０ターン）と二次コイル１１２（例えば、９０００ターン）を備える。なお、点火コイル１１は、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂに生ずる磁束を二次コイル１１２に作用させるもので、例えば、センターコア１１１３を取り巻くように主一次コイル１１１ａおよび副一次コイル１１１ｂを配置し、更にその外側に二次コイル１１２を配置する。
【００１７】
主一次コイル１１１ａの一方端は、例えば第２接続端子１５２ｂを介して直流電源４と接続され、電源電圧ＶＢ＋（例えば、１２Ｖ）が印加される。主一次コイル１１１ａの他方端は、主スイッチ素子１２および第５接続端子１５２ｅを介して接地点ＧＮＤに接続される。
【００１８】
上記主スイッチ素子１２は、主一次コイル１１１ａへの通電・遮断を行うための主スイッチ手段であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いて構成する。すなわち、点火コイルユニット１０は、イグニッションコイルとイグナイタをケース１５内に封止したユニット構造である。なお、主スイッチ素子１２の制御端子であるゲートＧは、例えば第４接続端子１５２ｄを介して内燃機関駆動制御装置３に接続され、点火制御手段３１が生成する点火信号ＳｉによってＯＮ・ＯＦＦ制御される。
【００１９】
上記のように、点火信号Ｓｉによって主スイッチ素子１２がＯＮになり、主一次コイル１１１ａに通電されると、主一次電流Ｉ１ａが流れることで順方向の磁束が増加し、主スイッチ素子１２がＯＦＦになって主一次電流Ｉ１ａが遮断されると、順方向の磁束が急激に減ぜられ、この磁束変化を妨げる向きの磁界を生じさせるように、二次コイル１１２側に高電圧が発生し、点火プラグ２の放電ギャップ間に放電火花が生じ、二次電流Ｉ２が流れる。このように、主一次コイル１１１ａに対する通電・遮断制御によって点火プラグ２を放電させる制御を、以下では、主通常放電制御という。
【００２０】
上記二次コイル１１２は、一方端が高圧端子１５１を介して点火プラグ２に接続され、他方端は第６接続端子１５２ｆを介して接地点ＧＮＤに接続される。なお、第６接続端子１５２ｆと接地点ＧＮＤとの間には電流検出抵抗６１を設けて、二次電流検出信号Ｄｉ２が内燃機関駆動制御装置３へ供給されるようにする。
【００２１】
内燃機関駆動制御装置３では、この二次電流Ｉ２を監視することで、エンジンの運転状況を知ることができ、エンジンの回転数等の他情報と併せて、当該気筒における放電エネルギの過不足を判断し、二次コイル１１２へ与える放電エネルギが足りない場合には放電エネルギを増やし、逆に二次コイル１１２へ与える放電エネルギが過剰である場合には放電エネルギを適宜減らすような制御を行えば、高い燃費改善効果を期待できる。かくするために、内燃機関駆動制御装置３の点火制御手段３１は、適切なタイミングで副一次コイル１１１ｂから適切な磁束が生じるように、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５の動作制御を行うのである。
【００２２】
ここで、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５によって、通電の向きや通電・遮断タイミングが制御される副一次コイル１１１ｂについて説明する。
【００２３】
副一次コイル１１１ｂは、予め定めた第１方向（例えば、副一次コイル１１１ｂの一方端である第１端１１１ｂ１から他方端である第２端１１１ｂ２へ至る向き）への通電により順方向の磁束が生じ、逆の第２方向（例えば、第２端１１１ｂ２から第１端１１１ｂ１へ至る向き）への通電により順方向とは反対の逆方向の磁束（主通常放電制御により二次側に発生する磁界と同じ向きの磁束）が生じる。
【００２４】
そして、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１は、例えば第３接続端子１５２ｃを介して副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５に接続され、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２は、例えば第１接続端子１５２ａを介して副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５に接続される。したがって、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５が、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１を給電側に、第２端１１１ｂ２を接地側にすると、副一次コイル１１ｂは第１方向に通電されることとなる。逆に、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５が、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２を給電側に、第１端１１１ｂ１を接地側にすると、副一次コイル１１ｂは第２方向に通電されることとなる。
【００２５】
なお、副一次コイル１１１ｂにおける第１方向および第２方向は、主一次コイル１１１ａとの配置状態によって定まる。例えば、副一次コイル１１１ｂの巻回方向と主一次コイル１１１ｂの巻回方向が同じになるよう配置されているときは、主一次コイル１１１ｂへの通電方向と同じ方向を第１方向として通電すれば、副一次コイル１１１ｂに順方向の磁束が生じる。逆に、副一次コイル１１１ｂの巻回方向と主一次コイル１１１ｂの巻回方向が逆向きになるよう配置されているときは、主一次コイル１１１ｂへの通電と逆方向を第１方向として通電すれば、順方向の磁束が生じる。
【００２６】
上記のように構成した副一次コイル１１１ｂに対し、前述した主一次コイル１１１ａによる主通常放電制御と同じタイミングで、第１方向へ通電を行うと、主一次コイル１１ａと同じ順方向の磁束が生じ、その後、主通常放電制御と同じタイミングで副一次コイル１１１ｂへの通電遮断を行うと、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂの順方向磁束が同時に急減するので、二次側に与える放電エネルギを高めることができる。すなわち、点火タイミングの前（主一次コイル１１１ａへの通電遮断タイミングの前）に副一次コイル１１１ｂによって順方向磁束を発生させておき、主一次コイル１１１ａと同時に副一次コイル１１１ｂへの通電遮断を行えば、副一次コイル１１１ｂによって放電エネルギを重畳して二次コイル１１２に与えることができる。
【００２７】
また、点火タイミング以降（主一次コイル１１１ａへの通電遮断タイミング以降）の適宜なタイミングで、副一次コイル１１１ｂに対し、第２方向への通電を行うと、逆方向の磁束（二次側に高電圧を発生させた磁界と同じ向きの磁束）が生じ、二次側の磁界が減衰して二次側起電力が低下してゆくことを抑制できるので、副一次コイル１１１ｂへの通電遮断を行うまで二次電流Ｉ２を高く維持できる。すなわち、点火タイミングの後に副一次コイル１１１ｂによって逆方向の磁束を発生させて二次コイル１１２に作用させれば、副一次コイル１１１ｂによって放電エネルギを重畳して二次コイル１１２に与えることができる。
【００２８】
なお、副一次コイル１１１ｂに対する第２方向への通電を遮断するタイミングは、二次電流Ｉ２を気筒内での好適な燃焼に必要な高電流に維持するために必要十分な時間が経過したときであり、それ以上の長時間に亘って副一次コイル１１１ｂへの第２方向通電を続けると、却って燃費を悪くしてしまう。このような副一次コイル１１１ｂに対する望ましい通電・遮断のタイミングは、一定の値に定まるものではなく、内燃機関の構造や点火コイルの特性、運転状況等によって様々に変化するので、内燃機関用点火装置１に適した設定値あるいは設定情報（設定値を求める演算式や対照表など）を内燃機関駆動制御装置３の点火制御手段３１に予め記憶させておけば良い。
【００２９】
また、副一次コイル１１１ｂへの第２方向通電を遮断したとき、その逆起電力が主一次コイル１１１ａに作用するため、通常の一次電流Ｉ１とは逆向きの電流を流そうとする逆方向の電圧が主スイッチ素子１２のコレクタ−エミッタ間に印加されることとなり、主スイッチ素子１２が故障したり、主スイッチ素子１２の劣化を早めたりする危険性がある。そこで、主スイッチ素子１２と並列にバイパス線路１３を設けると共に、このバイパス線路１３の接地点ＧＮＤ側から点火コイル１１側に向かって順方向となる整流手段１４（例えば、主スイッチ素子１２のコレクタ側にカソードを、主スイッチ素子１２のエミッタ側にアノードをそれぞれ接続したダイオード）を設けてある。
【００３０】
次に、副一次コイル１１１ｂへ第１方向の通電を行える順方向磁束発生状態と、副一次コイル１１１ｂへ第２方向の通電を行える逆方向磁束発生状態と、を相互に切り替え可能な副一次コイル磁束発生状態切替手段である副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５の一構成例について説明する。副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５は、第１副スイッチ素子５１、第２副スイッチ素子５２、第３副スイッチ素子５３、第４副スイッチ素子５４を備える。
【００３１】
第１副スイッチ素子５１は、副一次コイル１１１ｂへ第１方向の通電を行えるように、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１側を接地点ＧＮＤへ切り替える第１副スイッチ手段として機能する。例えば、第１副スイッチ素子５１は、電力制御用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタで構成し、第１副スイッチ素子５１のコレクタＣが副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側に、第１副スイッチ素子５１のエミッタＥが接地点ＧＮＤ側に接続され、第１副スイッチ素子５１のゲートＧには点火信号Ｓｉが入力される。したがって、点火信号ＳｉがＯＮ（例えば、信号レベルがＨ）になると、第１副スイッチ素子５１がＯＮになり、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２が接地点ＧＮＤに接続されることとなる。
【００３２】
第２副スイッチ素子５２は、副一次コイル１１１ｂへ第１方向の通電を行えるように、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側へ第１給電手段（例えば、直流電源４）から電源供給可能にする第２副スイッチ手段として機能する。例えば、第２副スイッチ素子５２は、高速スイッチング特性を備えるパワーＭＯＳ−ＦＥＴを用いて構成し、第２副スイッチ素子５２のドレインＤが直流電源４側に、第２副スイッチ素子５２のソースＳが副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１側に接続され、第２副スイッチ素子５２のゲートＧには点火制御手段３１からの第１方向通電指示信号Ｓ１ｄが入力される。したがって、第１方向通電指示信号Ｓ１ｄがＯＮ（例えば、信号レベルがＨ）になると、第２副スイッチ素子５２がＯＮになり、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１に直流電源４から電源電圧ＶＢ＋が印加されることとなる。
【００３３】
第３副スイッチ素子５３は、副一次コイル１１１ｂへ第２方向の通電を行えるように、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側を接地点ＧＮＤへ切り替える第３副スイッチ手段として機能する。例えば、第３副スイッチ素子５３は、高速スイッチング特性を備えるパワーＭＯＳ−ＦＥＴを用いて構成し、第３副スイッチ素子５３のドレインＤが副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１側に、第３副スイッチ素子５３のソースＳが接地点ＧＮＤ側に接続され、第３副スイッチ素子５３のゲートＧには点火制御手段３１からの第２方向通電許可信号Ｓ２ｐが入力される。したがって、第２方向通電許可信号Ｓ２ｐがＯＮ（例えば、信号レベルがＨ）になると、第３副スイッチ素子５３がＯＮになり、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１が接地点ＧＮＤに接続されることとなる。なお、第３副スイッチ素子５３と接地点ＧＮＤとの間には、電流検出抵抗６２を設け、第２方向の副一次電流検出信号Ｄｉ１ｓが内燃機関駆動制御装置３へ入力される。
【００３４】
第４副スイッチ素子５４は、副一次コイル１１１ｂへ第２方向の通電を行えるように、副一次コイル１１１ｂの第１端１１１ｂ１側へ第２給電手段（例えば、直流電源４）から電源供給可能にする第４副スイッチ手段として機能する。例えば、第４副スイッチ素子５４は、高速スイッチング特性を備えるパワーＭＯＳ−ＦＥＴを用いて構成し、第４副スイッチ素子５４のドレインＤが直流電源４側に、第４副スイッチ素子５４のソースＳが副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側に接続され、第４副スイッチ素子５４のゲートＧには点火制御手段３１からの第２方向通電指示信号Ｓ２ｄが入力される。したがって、第２方向通電指示信号Ｓ２ｄがＯＮ（例えば、信号レベルがＨ）になると、第４副スイッチ素子５４がＯＮになり、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ１に直流電源４から電源電圧ＶＢ＋が印加されることとなる。なお、副一次コイル１１１ｂへ印加する電圧を高くするために、第１電源や第２電源にはＶＢ＋の直流電源４を用いずに、より高圧の直流電源を用いるようにしても良い。或いは、昇圧回路７（図１中、二点鎖線で示す）を設けて、副一次コイル１１１ｂへの印加電圧を高めるようにしても良い。
【００３５】
ここで、上述した構造の副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５に対する点火制御手段３１の制御例を、図２〜図５に基づいて説明する。
【００３６】
図２は、主通常放電制御を示すもので、１回の燃焼サイクル中に主一次コイル１１１ａのみを使って放電エネルギを二次コイル１１２に与える基本的な制御である。
【００３７】
まず、燃焼サイクル中の所定タイミングで点火信号ＳｉがＯＮになると、主スイッチ素子１２がＯＮとなって、主一次電流Ｉ１ａが流れる。なお、点火信号ＳｉがＯＮになることで、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５の第１副スイッチ素子５１もＯＮになり、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側が接地点ＧＮＤに接続されるが、第１方向通電指示信号Ｓ１ｄはＯＦＦのままであるため、副一次コイル１１１ｂに第１方向の通電が行われることはない。
【００３８】
主一次コイル１１１ａへの通電から時間経過に伴って、主一次電流Ｉ１ａは飽和電流に達するまで増加してゆき、主一次コイル１１１ａにエネルギが蓄積される。そして、点火タイミングで点火信号ＳｉがＯＦＦになると（信号レベルがＨからＬになると）、主一次コイル１１１ａに蓄積されたエネルギに応じた起電力が二次側に生じて、二次電流Ｉ２が流れると共に点火プラグ２の電極間に絶縁破壊を起こして、気筒内に放電火花を生じさせる（容量放電）。その後も、二次コイル１１２に与えられた磁気エネルギの放出による放電（誘導放電）が０．５〜２．５ｍｓ程度続くが、二次コイル１１２に生じた起電力は次第に弱まり、二次電流Ｉ２も減衰してゆくため、必ずしも気筒内の好適な燃焼維持に十分な放電火花を得られない場合がある。
【００３９】
上述した主通常放電制御においては、主一次コイル１１１ａに印加されるのは、直流電源４の電源電圧ＶＢ＋で一定のため、主一次コイル１１１ａから二次コイル１１２に与えられる放電エネルギはほぼ一定である。よって、エンジンの回転数が低い場合など、安定した燃焼状態を維持するために、より長時間に亘って高い放電電流を点火プラグ２に流す必要がある場合、主一次コイル１１１ａから二次コイル１１２に与える放電エネルギを高める必要があり、それには、点火信号ＳｉのＯＮ時間を長くして、より高い放電エネルギを主一次コイル１１１ａに蓄積する必要がある。しかしながら、点火信号ＳｉのＯＮ時間を長くすると、主一次コイル１１１ａへの通電制御を行う主スイッチ素子１２の発熱が問題となって、主スイッチ素子１２に誤動作が生じたり、スイッチ素子１２の寿命を縮めてしまったりする危険性がある。しかして、本実施形態に係る内燃機関用点火装置１においては、副一次コイル１１１ｂを用いることで、点火信号ＳｉのＯＮ時間を長くすることなく、点火タイミングで二次コイル１１２に与える放電エネルギを増大させ、高電流期間を長くすることが可能である。
【００４０】
図３は、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５を順方向磁束発生状態に切り替えて、主一次コイル１１１ａおよび副一次コイル１１１ｂへ同時に通電する点火タイミング前重畳放電制御を示すものであり、１回の燃焼サイクル中に、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂの両方で蓄えたエネルギを一気に二次コイル１１２に与える制御である。
【００４１】
まず、燃焼サイクル中の所定タイミングで、点火信号Ｓｉと第１方向通電指示信号Ｓ１ｄが同時にＯＮになると共に、第２方向通電許可信号Ｓ２ｐおよび第２方向通電指示信号Ｓ２ｄがＯＦＦを維持していると、主スイッチ素子１２と副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５の第１副スイッチ素子５１および第２副スイッチ素子５２が同時にＯＮとなって、主一次電流Ｉ１ａに加えて第１方向の副一次電流Ｉ１ｂ１が流れる。このとき、副一次コイル１１１ｂに第１方向の電流Ｉ１ｂ１が流れることで、副一次コイル１１１ｂには、主一次コイル１１１ａに生じた磁束と同じ向きの順方向磁束が生じる。
【００４２】
主一次コイル１１１ａおよび副一次コイル１１１ｂへの通電から時間経過に伴って、主一次電流Ｉ１ａおよび副一次電流Ｉ１ｂは飽和電流に達するまで増加してゆき、主一次コイル１１１ａおよび副一次コイル１１１ｂにエネルギが蓄積されてゆく。そして、点火タイミングで点火信号Ｓｉおよび第１方向通電指示信号Ｓ１ｄが同時にＯＦＦになると、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂに蓄積されたエネルギに応じた起電力が二次側に生じて、二次電流Ｉ２が流れると共に点火プラグ２の電極間に絶縁破壊を起こし、気筒内に放電火花を生じさせる。
【００４３】
ここで、主一次電流Ｉ１ａおよび副一次電流Ｉ１ｂを同時に遮断することにより、二次コイル１１２に与えられる放電エネルギは、上述した主通常放電制御で主一次コイル１１１ａのみから二次コイル１１２に与えられる放電エネルギよりも大きなもの（図３の二次電流波形に、網掛けで示す部分）となるため、その分だけ容量放電を引き起こす印加電圧が高くなり、大きな二次電流Ｉ２が流れる。したがって、点火制御手段３１が点火タイミング前重畳放電制御を行えば、点火信号ＳｉのＯＮ時間を長くすることなく、二次側に与える放電エネルギを増大させ、より長時間に亘って高い放電電流を点火プラグ２に流すことができる。
【００４４】
なお、点火タイミング前重畳放電制御とは、一次側の電流遮断により二次側に放電エネルギを発生させる点火タイミングよりも前に、副一次コイル１１１ｂを用いて一次側に蓄積するエネルギを重畳しておき、一次側の電流遮断により二次側に生じた放電エネルギで点火プラグ２に放電火花を発生させる制御を意味する。
【００４５】
この点火タイミング前重畳放電制御は、必ずしも二次側に与える放電エネルギを高めるためだけに適用できるものではない。たとえは、主一次コイル１１１ａおよび主スイッチ素子１２が熱によるダメージを受けそうな場合、副一次コイル１１１ｂを用いた点火タイミング前重畳放電制御を行う事で、主一次コイル１１１ａおよび主スイッチ素子１２の負担を減らす事ができる。
【００４６】
具体的には、主通常放電制御にて必要とされる点火信号ＳｉのＯＮ時間よりも適宜短いＯＮ時間となるように、点火制御手段３が時短点火信号Ｓｉ′と時短第１方向通電指示信号Ｓ１ｄ′を出力することで、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂにそれぞれ主一次電流Ｉ１ａと第１方向の副一次電流Ｉ１ｂ１が流れる時間を短くし、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂにそれぞれ蓄積されるエネルギを少なくする。かくすれば、主一次電流Ｉ１ａと第１方向の副一次電流Ｉ１ｂ１を遮断して二次側に与える放電エネルギを、ちょうど主通常放電制御により二次側に与える放電エネルギと同程度にすることができ、点火プラグ２の放電に支障が生じることはない。しかも、時短点火信号Ｓｉ′で駆動させることにより、主スイッチ素子１２と主一次コイル１１１ａの発熱量を減らすことができる。無論、二次側へより多くの放電エネルギを与える必要が生じた場合でも、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂの負担割合を適宜に調整することで、主スイッチ素子１２と主一次コイル１１１ａに過度な発熱が生ずることを抑制しつつ、必要十分な高電流期間を確保できるという利点がある。
【００４７】
上述した点火タイミング前重畳放電制御においては、一次側の電流遮断によって二次側に生ずる起電力を高めることで、二次側に高電流が一気に流れて容量放電が生じるものの、その後の誘導放電で高い二次電流を維持できる期間は飛躍的に長くならないので、より長時間に亘って高い放電電流を点火プラグ２に流すための制御としては、必ずしも燃費効率が良いとは言えない。しかして、本実施形態に係る内燃機関用点火装置１においては、副一次コイル１１１ｂを用いることで、点火信号ＳｉのＯＮ時間を長くすることなく、二次側の高電流期間を長くすることが可能である。
【００４８】
図４は、主一次コイル１１１ａへの通電・遮断による点火タイミング以降に、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５を逆方向磁束発生状態に切り替えて、副一次コイル１１１ｂへ通電開始する点火タイミング後重畳放電制御を示すもので、１回の燃焼サイクル中に、一次側への通電・遮断制御により二次側に放電エネルギを与える点火タイミング以降に、副一次コイル１１１ｂから誘導放電を維持するために必要十分なエネルギを二次側に与える制御である。
【００４９】
まず、燃焼サイクル中の所定タイミングで点火信号ＳｉがＯＮになると、主スイッチ素子１２がＯＮとなって、主一次電流Ｉ１ａが流れる。なお、点火信号ＳｉがＯＮになることで、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５の第１副スイッチ素子５１もＯＮになり、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２側が接地点ＧＮＤに接続されるが、第１方向通電指示信号Ｓ１ｄはＯＦＦのままであるため、副一次コイル１１１ｂに第１方向の通電が行われることはない。
【００５０】
主一次コイル１１１ａへの通電から時間経過に伴って、主一次電流Ｉ１ａは飽和電流に達するまで増加してゆき、主一次コイル１１１ａにエネルギが蓄積される。そして、点火タイミングで点火信号ＳｉがＯＦＦになると（信号レベルがＨからＬになると）、主一次コイル１１１ａに蓄積されたエネルギに応じた起電力が二次側に生じて、二次電流Ｉ２が流れると共に点火プラグ２の電極間に絶縁破壊が起き、気筒内に放電火花が生じる（容量放電）。
【００５１】
上記のようにして点火プラグ２に容量放電が生じ、放電電流が流れ始めた後、例えば、容量放電から誘導放電へ移行するタイミングで、点火制御手段３１が第２方向通電許可信号Ｓ２ｐをＯＮ（例えば、信号レベルをＬからＨ）にすると共に、第２方向通電指示信号Ｓ２ｄをＯＮにする。なお、図４に示す例では、第２方向通電指示信号Ｓ２ｄのデューティー比を変えるＰＷＭ制御を行うことで、副一次コイル１１１ｂへの供給電力を調整するものとした。
【００５２】
そして、副一次コイル１１１ｂを流れる第２方向の副一次電流Ｉ１ｂ２は、飽和電流に達するまで徐々に増加してゆき、逆方向の磁束（点火タイミング後に二次コイル１１２に生じた磁界と同じ向きの磁束）も増加してゆく（図４の副一次コイル電流波形中、網掛けで示す）。したがって、二次コイル１１２の電磁エネルギ放出による二次電流Ｉ２の低下を補うように、副一次コイル１１１ｂに生じた逆方向の磁束が二次コイル１１２に作用することとなり、二次電流Ｉ２が高電流のまま保持され（図４の二次電流波形中、網掛けで示す）、気筒内燃焼に好適な高電流期間を効率良く長期化できる。
【００５３】
その後、好適な気筒内燃焼に必要十分な高電流の維持期間（高電流期間）が経過すると、そのタイミングで点火制御手段３１が第２方向通電許可信号Ｓ２ｐおよび第２方向通電指示信号Ｓ２ｄをＯＦＦにする。これにより、副一次コイル１１１ｂによる逆方向の磁束が二次コイル１１２に作用しなくなるので、以降は二次コイル１１２の電磁エネルギ放出のみによる低い二次電流Ｉ２が流れることとなり、やがて二次電流Ｉ２が帰零する。
【００５４】
上述したように、点火制御手段３１が点火タイミング後重畳放電制御を行えば、点火信号ＳｉのＯＮ時間を長くすることなく、二次コイル１１２に与える放電エネルギを増大させ、点火プラグ２の電極間を流れる放電電流を高電流に維持できる期間を長期化できる。しかも、副一次コイル１１１ｂから二次コイル１１２に作用させる逆方向の磁束は、気筒内燃焼を好適に維持するために必要十分な高電流を発生・維持できる程度で良いことから、副一次コイル１１１ｂへの通電に要するエネルギは低く抑えることができ、燃費効率の向上に有効である。加えて、本実施形態の内燃機関用点火装置１においては、点火制御手段３１が副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５の第４スイッチ素子５４をＰＷＭ制御可能であるから、点火タイミング後重畳放電制御において副一次コイル１１１ｂに流す第２方向の副一次電流Ｉ１ｂ２を適宜に増減させることで、過不足の無い適切な放電エネルギを二次側に与えることができ、更なる燃費効率向上を期待できる。
【００５５】
なお、点火タイミング後重畳放電制御とは、一次側の電流遮断により二次側に放電エネルギを発生させる点火タイミング以降に、副一次コイル１１１ｂを用いて二次側に与えるエネルギを重畳してゆき、点火プラグ２に生じた放電を必要十分な期間に亘って維持させる制御を意味する。
【００５６】
また、副一次コイル１１１ｂへ第２方向の副一次電流Ｉ１ｂ２を流し始めるタイミングは、点火タイミング以降であれば良く、特に限定されない。例えば、主一次コイル１１１ａへの電流遮断と同時に行っても良いし、一次側の電流遮断から予め定めた所定時間経過後に副一次電流Ｉ１ｂ２を流すようにしても良いし、二次側に流れる二次電流Ｉ２が所定の判定値（例えば、点火プラグ２を流れる放電電流が気筒内燃焼に好適な放電火花形成を維持できる高電流値を下回る高いと考えられる二次電流の値）に達した時点で副一次電流Ｉ１ｂ２を流すようにしても良い。
【００５７】
上述した点火タイミング前重畳放電制御と点火タイミング後重畳放電制御は、同じ副一次コイル１１１ｂを使って放電エネルギを二次側に重畳するものであるが、その制御は、点火タイミング前と点火タイミング後に分かれているので、１回の燃焼サイクル中に両方の制御を行う事が可能である。
【００５８】
図５は、点火タイミング前重畳放電制御を行った後に点火タイミング後重畳放電制御を行う場合を示すもので、１回の燃焼サイクル中に、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂの両方で蓄えたエネルギを一気に二次コイル１１２に与えた後、更に、副一次コイル１１１ｂから誘導放電を維持するために必要十分なエネルギを二次側に与える制御である。
【００５９】
すなわち、主一次電流Ｉ１ａおよび副一次電流Ｉ１ｂを同時に遮断することで、二次側に与えられる放電エネルギは、副一次コイル１１１ｂが加わった分（図５の副一次コイル波形中、薄い網掛けで示す）だけ大きくなり、その分だけ二次側で容量放電を引き起こす印加電圧が高くなり（図５の二次電流波形中、薄い網掛けで示す）、更に、副一次コイル１１１ｂに第２方向の副一次電流Ｉ１ｂ２流した分（図５の副一次コイル波形中、濃い網掛けで示す）だけ二次コイル１１２に作用することとなり、二次電流Ｉ２が高電流のまま保持される（図５の二次電流波形中、濃い網掛けで示す）。
【００６０】
このように、点火タイミング前重畳放電制御と点火タイミング後重畳放電制御を１回の燃焼サイクル中に行えば、それぞれの制御を単独で行った場合よりも大きな放電エネルギを二次側に与えることができ、過酷な運転状況でも良好で安定した気筒内燃焼を実現することができる。
【００６１】
上述した第１実施形態に係る内燃機関用点火装置１によれば、内燃機関の運転状況に応じて、最適となるように、主通常放電制御、点火タイミング前重畳放電制御、点火タイミング後重畳放電制御、点火タイミング前重畳放電制御＋点火タイミング後重畳放電制御を適宜に使い分けることが可能なので、点火のための消費電力を適切化して、高い燃費改善効果を期待できる。
【００６２】
加えて、内燃機関用点火装置１で用いる点火コイル１１は、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂを備えるが、既存の点火コイルと同程度の体格に構成できる。したがって、二次側へ与える放電エネルギを高めるために複数のコイルや昇圧回路を必要とせず、既存の点火コイルと同程度の体格の点火コイル１１で良いことから、点火コイルの大型化および大幅なコスト増を抑制できる。
【００６３】
なお、第１実施形態に係る内燃機関用点火装置１は、副一次コイル１１１ｂの通電方向および通電・遮断を制御するための機能、すなわち第１〜第４副スイッチ素子５１〜５４を副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５としてユニット化したが、これに限定されるものではない。例えば、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５の第１副スイッチ素子５１は、点火信号Ｓｉによって、主スイッチ素子１２と同期してＯＮ・ＯＦＦするものであるから、点火信号Ｓｉの信号経路を簡単にするため、主スイッチ素子１２と第１副スイッチ素子５１を近接配置することが考えられる。
【００６４】
そこで、図６に示す第２実施形態に係る内燃機関用点火装置１′では、点火コイルユニット１０′のケース１５内に、第１副スイッチ素子５１を収納した。主スイッチ素子１２の制御端子であるゲートＧと第１副スイッチ素子５１の制御端子であるゲートＧを第４接続端子１５２ｄに接続し、この第４接続端子１５２ｄを介して内燃機関駆動制御装置３からの点火信号が入力されるようにする。かくすれば、点火信号Ｓｉの信号経路を簡略化できる。なお、主スイッチ素子１２と第１副スイッチ素子５１は、耐熱性および耐ノイズ性の高いディスクリート部品を用いることで、点火コイル１１と一体に封止しても、安定動作を期せる。また、副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５′は、第２副スイッチ素子５２、第３副スイッチ素子５３および第４副スイッチ素子５４を１つのケースに収納してユニット化する。
【００６５】
この第２実施形態に係る内燃機関用点火装置１′においても、点火制御装置３１が、点火信号Ｓｉ、第１方向通電指示信号Ｓ１ｄ、第２方向通電許可信号Ｓ２ｐ、第２方向通電指示信号Ｓ２ｄを適宜なタイミングで点火コイルユニット１０あるいは副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５′へ出力することで、第１実施形態の内燃機関用点火装置１と同様の主通常放電制御、点火タイミング前重畳放電制御、点火タイミング後重畳放電制御、点火タイミング前重畳放電制御＋点火タイミング後重畳放電制御を行う事ができる。
【００６６】
上述した第１，第２実施形態に係る内燃機関用点火装置１，１′では、主スイッチ素子１２と第１副スイッチ素子５１を共に点火信号Ｓｉによって制御するものであったが、主スイッチ素子１２と第１副スイッチ素子５１をそれぞれ別の信号にてＯＮ・ＯＦＦ制御するようにしても良い。
【００６７】
図７に示す第３実施形態の内燃機関用点火装置１″は、内燃機関駆動制御装置３″の点火制御手段３１″によって主点火信号Ｓｉａと副点火信号Ｓｉｂを生成し、主点火信号Ｓｉａによって主スイッチ素子１２をＯＮ・ＯＦＦ制御し、副点火信号Ｓｉｂによって副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５の第１副スイッチ素子５１をＯＮ・ＯＦＦ制御する。かくすれば、主一次コイル１１１ａに主一次電流Ｉ１ａを流すことなく、副一次コイル１１１ｂに第１方向の副一次電流Ｉ１ｂ１を流すことが可能となる。
【００６８】
上記のように構成した第３実施形態の内燃機関用点火装置１″によって行う副通常放電制御を図８に示す。副通常放電制御は、１回の燃焼サイクル中に副一次コイル１１１ｂのみを使って放電エネルギを二次側に与える制御であり、例えば、主通常放電制御を行うための主一次コイル１１１ａや主スイッチ素子１２が発熱によるダメージを受けているときに有効である。
【００６９】
まず、燃焼サイクル中の所定タイミングで副点火信号Ｓｉｂおよび第１方向通電指示信号Ｓ１ｐがＯＮになると、第１副スイッチ素子５１を第２副スイッチ素子５２が同時にＯＮとなって、第１方向の副一次電流Ｉ１ｂ１が流れる。なお、副点火信号Ｓｉｂは、この信号単独で副一次電流Ｉ１ｂを流す制御を行えるのではなく、副一次コイル１１１ｂの第２端１１１ｂ２を接地点ＧＮＤ側に接続して第１端１１１ｂ１からの給電を可能にするものであるから、第１方向通電許可信号Ｓ１ｐに相当する。
【００７０】
副一次コイル１１１ｂへの通電から時間経過に伴って、第１方向の副一次電流Ｉ１ｂ１は飽和電流に達するまで増加してゆき、副一次コイル１１１ｂにエネルギが蓄積される。そして、点火タイミングで点火信号ＳｉがＯＦＦになると（信号レベルがＨからＬになると）、副一次コイル１１１ｂに蓄積されたエネルギに応じた起電力が二次側に生じ、二次電流Ｉ２が流れると共に点火プラグ２の電極間に絶縁破壊を起こして、気筒内に放電火花を生じさせる。
【００７１】
以上のように、副通常放電制御を行えば、主一次コイル１１１ａを使わず、副一次コイル１１１ｂのみで二次側に通常の普電エネルギを与え、点火プラグ２に通常の放電を生じさせる事が可能となる。そして、第３実施形態に係る内燃機関用点火装置１″においては、二次側に与えるエネルギを蓄積するためのコイルとして、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂを選択的に使用できるので、主一次コイル１１１ａのみに過度な負担をかけずにすみ、点火コイル１１の不慮の故障を効果的に回避できる。また、何らかの要因により、点火コイルユニット１０内の主一次コイル１１１ａ、主スイッチ素子１２または副一次コイル１１１ｂの何れかが故障して、主通常放電制御もしくは副通常放電制御が不能になった場合でも、正常に機能する方の一次コイルによって、主通常放電制御もしくは副通常放電制御を行えるので、点火コイル２の放電を確保することができ、当該気筒が点火不能となる最悪の事態を回避できるというメリットもある。
【００７２】
さらに、第３実施形態に係る内燃機関用点火装置１″においては、主点火信号Ｓｉａと副点火信号Ｓｉｂを独自に制御できるので、副点火信号Ｓｉｂによる副一次コイル１１１ｂへの通電開始タイミングを主点火信号Ｓｉａによる主一次コイル１１１ａへの通電開始タイミングよりも遅らせるように点火制御手段３１が制御することによって、副一次コイル１１１ｂに蓄積されるエネルギを調整できる。たとえば、主点火信号ＳｉａのＯＮ時間では主一次コイル１１１ａに蓄積されるエネルギが若干足りないような場合、主点火信号ＳｉａのＯＮ時間を長くせずに、エネルギの不足分を副一次コイル１１１ｂで補える程度にＯＮ時間を設定した副点火信号Ｓｉｂ（および第１方向通電指示信号Ｓ１ｄ）を出力することで、必要十分なエネルギが主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂに蓄積され、安定した点火制御を実現できる。しかも、主点火信号ＳｉａのＯＮ時間を長くする必要が無いので、主一次コイル１１１ａおよび主スイッチ素子１２の発熱を低減できる点でも有用である。
【００７３】
なお、内燃機関用点火装置１″のように、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂに電源供給するための直流電源として直流電源４を用いる場合には、主一次コイル１１１ａと副一次コイル１１１ｂの巻回数を同じにしておくことで、主通常放電制御により二次側に与える放電エネルギと副通常放電制御により二次側に与える放電エネルギをほぼ等しくすることができる。しかしながら、主一次コイル１１１ａの巻回数よりも副一次コイル１１１ｂの巻回数を少なくした場合には、副一次コイル１１１ｂへ電源供給する第１給電手段として、直流電源４よりも高電圧の電源を用いたり、昇圧回路を使って副一次コイル１１１ｂへの印加電圧を上げるようにしたりして、副通常放電制御によっても、主通常放電制御と同等の放電エネルギを二次側に与えられるように調整しておくことが望ましい。
【００７４】
上述した第１〜第３実施形態に係る内燃機関用点火装置１，１′，１″は、何れも一つの気筒のみ示したが、複数の気筒で構成される内燃機関の場合、気筒毎に副一次コイル磁束発生状態切替ユニット５を設けても良いし、各気筒に対応した第１〜第４副スイッチ素子５１〜５４全てを単一ケースに収納した統括ユニットとし、この統括ユニットと各気筒の点火コイルユニット１０とを接続するようにしても良い。
【００７５】
以上、本発明に係る内燃機関用点火装置のいくつかの実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。
【符号の説明】
【００７６】
１        内燃機関用点火装置
１０      点火コイルユニット
１１      点火コイル
１１１ａ  主一次コイル
１１１ｂ  副一次コイル
１１２    二次コイル
１１３    センターコア
１２      主スイッチ素子
１５      ケース
２        点火プラグ
３        内燃機関駆動制御装置
３１      点火制御手段
４        直流電源
５        副一次コイル磁束発生状態切替ユニット
５１      第１副スイッチ素子
５２      第２副スイッチ素子
５３      第３副スイッチ素子
５４      第４副スイッチ素子
【図１】
2019143635.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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