JP6362375B2 - 内燃機関用の点火コイル - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の点火コイルに関し、特に、多重点火が可能で小型で高性能の点火コイルに関する。

昨今の内燃機関では、燃費改善などの目的で、空燃比をリーンに制御する希薄燃焼制御が採用されている。この場合、燃料が希薄である分だけ混合気の点火特性が劣化するので、一回の点火サイクルにおいて、必要回数、点火プラグを重複して駆動する多重点火方式が採られことがある。そこで、出願人も、第一と第二の点火トランスを相補的にＯＮ／ＯＦＦ制御して多重点火動作を実現する内燃機関用点火システムを提案している（特許文献１）。

図４は、この回路を図示したものであり、必要な点火エネルギーを、素早く一次コイルに充電するため、バッテリ電圧Ｖｂを昇圧して、４０〜５０Ｖの電源電圧Ｖｏｕｔを確保する共に、第一と第二のスイッチング素子ＩＧＴａ，ＩＧＴｂを所定回数、相補的にＯＮ／ＯＦＦ制御することで、所定時間、点火プラグの点火電流を継続させて所望の点火性能を実現している。

また、この種の点火コイルは、一般に、第一の点火信号Ｓｉｇａを受ける信号端子、昇圧された電源電圧Ｖｏｕｔを受ける電源端子、及び、グランド端子ＧＮＤ、を有する第１コネクタを設けると共に、この第１コネクタとは別に、第二の点火信号Ｓｉｇｂを受ける信号端子、昇圧された電源電圧Ｖｏｕｔを受ける電源端子、及び、グランド端子ＧＮＤ、を有する第２コネクタを設けている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−１６７６６５公報 特開２０１３−２４３２３９公報

引用文献１に記載の回路構成では、第一と第二の点火トランスの二次コイルが並列に接続されるので、２つの点火トランスの二次コイルによって閉回路が形成されてしまう。そこで、この閉回路に短絡電流が流れないよう、各点火トランンスの二次電流が逆放電方向に流れないよう規制するダイオードを配置する必要がある。そして、ダイオードとしては、二次コイルの点火放電時の誘起電圧が数十ｋＶであり、且つ、点火放電電流も瞬間的に大電流であることを考慮して、これに耐える素子を選択する必要がある。

ところで、昨今の市場の要請として、製造コストを上げることなく、点火コイルを高性能化して希薄燃焼時の正常動作を担保し、且つ、点火コイルを小型化することが望まれている。したがって、電流容量が高く、耐圧性能にも優れる最高ランクのダイオードを使用したのでは上記の要請に反することになる。一方、複数個のダイオードを直列接続して点火トランスの下方に配置したのでは（特許文献２参照）、点火トランスと絶縁性を確保するため、ダイオードの外径寸法を超える絶縁距離が必要となりコイルケースが高さ方向に大型化する。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、製造コストを上げることなく、小型で高性能の点火コイルを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、一次コイルと二次コイルが電磁結合してなる第一点火トランス、第一点火トランスの一次電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する第一スイッチング素子、一次コイルと二次コイルが電磁結合してなる第二点火トランス、及び、第二点火トランスの一次電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する第二スイッチング素子、を収容するケース本体部と、ケース本体部から点火プラグに向けて突出するケース軸部と、を有して構成された点火コイルであって、第一スイッチング素子と第二スイッチング素子は、一の点火タイミングに、位相の異なる第一と第二の点火パルスを受けて所定時間継続するＯＮ動作を実行した後、ＯＮ／ＯＦＦ動作を必要回数相補的に実行するよう構成され、第一点火トランスの二次電流が逆放電方向に流れないよう規制する複数個の第一規制素子と、第二点火トランスの二次電流が逆放電方向に流れないよう規制する複数個の第二規制素子と、を一の点火プラグに至る前記ケース軸部の内部に配置することを特徴とする。

ここで、第一と第二の規制素子とは、典型的にはダイオードを意味するが、ダイオードと同等に機能する電子素子であれば足りる。

好ましくは、第一規制素子と第二規制素子とは、何れも、第１端子から第２端子に向けて放電電流が許容される電子素子であって、各々の第２端子が第一と第二の点火トランスの二次コイルに接続されている一方、第一規制素子と第二規制素子の第１端子が互いに接続されて、点火プラグに放電電圧を供給している。

また、第一規制素子及び第二規制素子は、各々、複数の素子が直列接続されて構成されているか、或いは、各々、複数の素子が並列接続されて構成されているのが典型例である。

前記ケース本体部には、第一スイッチング素子を駆動する第一点火信号が供給される第一信号端子と、第二スイッチング素子を駆動する第二点火信号が供給される第二信号端子と、内燃機関に駆動されて可動する移動体に搭載されたバッテリの直流電圧が供給されるバッテリ端子と、バッテリ電圧を昇圧した電源電圧が供給される電源端子と、を受ける単一のコネクタが配置されているのが好適である。

また、第一規制素子及び第二規制素子を固定的に保持する規制本体部と、規制本体部の先端側に配置されて点火プラグに弾性接触可能な導体先端部と、規制本体部の基端側に配置されて、２つの二次コイルの高圧側端子に接触する導体基端部とで、全体として略Ｔ字状に一体構成された組立体が予め製造されており、この組立体の導体基端部がケース本体部に配置される一方、前記組立体の他の部分がケース軸部に配置されて、完成状態となるよう構成されているのが好適である。

本発明は、第一スイッチング素子と第二スイッチング素子は、一の点火タイミングに、位相の異なる第一と第二の点火パルスを受けて所定時間継続するＯＮ動作を実行した後、ＯＮ／ＯＦＦ動作を必要回数相補的に実行するよう構成において、複数個の第一規制素子と、複数個の第二規制素子とを一の点火プラグに至るケース軸部の内部に配置するので、最高レベルのダイオードを使用する必要が無く、且つ、ケース軸部を有効活用するので、製造コストを上げることなく、小型で高性能の点火コイルを実現できる。

実施例に係る点火コイルの回路構成を図示したものである。 実施例に係る点火コイルの内部構造を図示したものである。 変型例に係る点火コイルの内部構造を図示したものである。 従来技術に係る点火コイルを示す図面である。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１（ａ）は、点火コイルＣＬの回路構成を示すブロック図であり、２個のイグナイタモジュールＩＧａ，ＩＧｂと、２つの点火トランスＴａ，Ｔｂと、ダイオードモジュールＤｉと、を内蔵して構成されている。ここで、点火トランスＴａ，Ｔｂは、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２が、中心鉄芯Ｃｏや外装鉄芯Ｃｏ’を経由して電磁結合して構成されている。

そして、一次コイルＬ１の一次電流が遮断される点火放電時には、二次コイルＬ２のプラス端子（＋）とマイナス端子（−）との間に、数十ｋＶの点火電圧を発生するが、二次コイルＬ２のプラス端子（＋）は、何れの点火トランスＴａ，Ｔｂでも、一次コイルＬ１の電源ラインＶｃｃに接続されている。そのため、２つの二次コイルＬ２，Ｌ２は、電源ラインＶｃｃを経由して閉回路を形成するが、ダイオードモジュールＤｉが配置されているので、何れの方向にも短絡電流が流れることはない。

ダイオードモジュールＤｉは、点火トランスＴａ用の複数のダイオードＤａと、点火トランスＴｂ用の複数のダイオードＤｂに大別され、図示例では、三個のダイオードＤａと、三個のダイオードＤｂが全体として逆方向に接続されている。そして、三個のダイオードＤａと三個のダイオードＤｂの接続点（アノード端子）が、高圧出力端子Ｔｏに接続されている。

また、この点火コイルＣＬの接続コネクタＴＲは、自動車に搭載されたバッテリから１２Ｖ程度のバッテリ電圧ＶＢを受けるバッテリ端子Ｔ１と、ＥＣＵ（Engine Control Unit ）から第一点火パルスＳＧａを受ける第一信号端子Ｔ２と、ＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＶで４３Ｖ程度まで昇圧された電源電圧Ｖｃｃを受ける電源端子Ｔ３と、ＥＣＵから第二点火パルスＳＧｂを受ける第二信号端子Ｔ４と、グランドラインＧＮＤを共通化するグランド端子Ｔ５とを有して構成されている。また、点火トランスＴａ，Ｔｂの高圧出力は、ダイオードモジュールＤｉを経由して高圧出力端子Ｔｏに出力されて、点火プラグＰＧに供給されている。

各イグナイタモジュールＩＧａ，ＩＧｂは、各々、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）などのスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂと、スイッチング素子Ｑａ，ＱｂのＯＮ動作時の過電流や過熱状態などを検知してＯＮ電流を制限するコントロール部ＣＴＬａ、ＣＴＬｂと、を内蔵されて構成されている。なお、各コントロール部ＣＴＬａ，ＣＴＬｂは、バッテリ電圧ＶＢを電源電圧にして機能しており、ＥＵＣから受ける点火パルスＳＧａ，ＳＧｂに基づいて適宜な論理動作をすることでスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂのゲート端子を制御している。

図示の通り、スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂのエミッタ端子は、グランドラインＧＮＤに接続され、コレクタ端子は、一次コイルＬ１に接続されている。そして、スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂは、そのゲート端子にＨレベルの制御電圧を受けることでＯＮ動作し、一次コイルＬ１に充電電流が流れるように構成されている。

各スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂのゲート端子に供給される制御電圧は、その論理レベルが基本的に点火パルスＳＧａ，ＳＧｂと同じである。そして、この実施例では、各点火サイクルにおいて、ＥＣＵから図１（ｄ）に示すような点火パルスＳＧａ，ＳＧｂを受けることで、多重点火動作を実現している。

この点を具体的に確認すると、点火パルスＳＧａ，ＳＧｂがＨレベルであると、一次コイルＬ１に一次電流が流れ、その後、点火パルスＳＧａ，ＳＧｂがＬレベルに遷移した瞬間に、二次コイルＬ２には数十ｋＶの点火電圧が誘起される。ここで、点火サイクルにおいて、点火パルスＳＧａと点火パルスＳＧｂには、適宜な位相遅れが設けられており、最初のＨレベル期間を除けば、互いの論理レベルが反転している。

そのため、スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂは、点火パルスＳＧａ，ＳＧｂの最初のＨレベル期間を除けば、相補的にＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すことになる。したがって、点火コイルＣＬでは、点火パルスＳＧａ，ＳＧｂの最初のＨレベル期間に蓄積された磁気エネルギーに基づいて、２つの二次コイルＬ２，Ｌ２に相補的に高電圧が誘起されることになる。

しかも、一次コイルＬ１には、４３Ｖ程度に昇圧された電源電圧Ｖｃｃが供給されているので、一次コイルＬ１の電流が素早く目標値レベルに達することになり、スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂを高速にＯＮ／ＯＦＦ制御しても、内燃機関から要求されるレベルの高電圧を繰り返し発生させることができる。したがって、点火プラグＰＧでは、多重的な点火放電が実現されることになり（図１（ｄ）のｔ１、ｔ２、・・・、Ｔｎ＋１参照）、希薄状態の混合気に対しても点火ミスが生じない。

図２は、点火コイルＣＬの概略構成（図２（ａ）〜図２（ｇ））と、ダイオードモジュールＤｉを説明する図面（図２（ｈ）〜図２（ｊ））である。

この点火コイルＣＬは、図２（ｅ）に概略構成を示す通り、箱状に形成されたケース本体部１と、ケース本体部１から点火プラグＰＧに向けて突出するケース軸部２とに大別される。そして、ケース本体部１の底部からケース軸部２には、略Ｔ字状のダイオードモジュールＤｉが収容されている。なお、ケース軸部２は、例えば、９０〜１００ｍｍ程度の突出長さを有している。

ケース本体部１は、より詳細には、図２（ｄ）に示す通りであり、その側面には、バッテリ端子Ｔ１と、第一信号端子Ｔ２と、電源端子Ｔ３と、第二信号端子Ｔ４と、グランド端子Ｔ５とを有する接続コネクタＴＲが固定されている。この実施例では、点火トランスＴａ，Ｔｂや、これに関連する回路が２つ設けられているにも拘わらず、接続コネクタＴＲが単一であって共通化されているので、（１）端子数の低減、（２）配線ケーブルの削減、（３）接続コネクタ部の体積の低減などの効果がある。

図２（ａ）の平面図及び図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図に現れるように、ケース本体部１には、中心鉄芯Ｃｏを内包する一次コイルＬ１と、一次コイルＬ１を内包する二次コイルＬ２とが二組収容されて点火トランスＴａ，Ｔｂを構成している。そして、二組の二次コイルＬ２、Ｌ２の外側を各々周回するように、環状の外装鉄芯Ｃｏ’が２個配置されている。なお、配置状態では、中心鉄芯Ｃｏと外装鉄芯Ｃｏ’とが接触して、漏れ磁束の無い磁路が形成される。

このようにして構成される点火トランスＴａ，Ｔｂの上部に、イグナイタモジュールＩＧａ，ＩＧｂが配置されることで、ケース本体部１の平面方向における小型化を図っている。但し、何ら限定されるものではなく、例えば、接続コネクタＴＲに近接して、２つのイグナイタモジュールＩＧａ，ＩＧｂを立設しても良い。この場合には、ケース本体部１の高さ方向における小型化を実現することができる。

図２（ｈ）に示す通り、ダイオードモジュールＤｉは、ケース軸部２の軸方向に延びる素子本体部１０と、素子本体部１０の基端部において軸方向に直交して延びる基端部１１とに大別され、全体として略Ｔ字状に形成されている。そして、基端部１１には、点火トランスＴａの二次コイルＬ２のマイナス端子（−）と、点火トランスＴｂの二次コイルＬ２のマイナス端子（−）に各々接続される接続端子Ｄｔ１，Ｄｔ２が設けられている。

一方、素子本体部１０には、３個のダイオードＤａが直列接続されて接続端子Ｄｔ３に接続されていると共に、別の３個のダイオードＤｂが直列接続されて接続端子Ｄｔ３に接続されている。このダイオードモジュールＤｉの等価回路は、図１（ｂ）に示す通りである。例えば、逆方向耐圧１５ｋＶ程度のダイオードを使用すると、３個のダイオード全体としては逆方向耐圧が４５ｋＶ程度となり、点火電圧や電源電圧Ｖｃｃを更に高く設定しても点火回路の正常動作が確保される。すなわち、複数のダイオードによって逆方向電圧を分配するので、逆方向耐圧の高い高価なダイオードを使用しなくても、ダイオードモジュールＤｉ全体として、所望の逆方向耐圧を確保することができる。

図２（ｈ）や図２（ｊ）に現れる通り、接続端子Ｄｔ３は、金属平板を折り曲げて構成されており、所定の弾発力を有して、高圧出力端子Ｔｏに接触している。なお、高圧出力端子Ｔｏと接続端子Ｄｔ３の間に、雑音防止抵抗を配置しても良い。

何れにしても、本実施例では、略Ｔ字状に形成されたダイオードモジュールＤｉを予め製造しておき、点火コイルＣＬの製造完成時に、ケース軸部２にダイオードモジュールＤｉの素子本体部１０を挿入し、ケース本体部１の底部に、ダイオードモジュールＤｉの基端部１１を配置するので、点火コイルＣＬの組立工程を簡素化することができる。また、従来の点火コイルでは、高圧出力の伝導路として導体スプリングが配置されているに過ぎないケース軸部２を、有効活用できる利点がある。すなわち、導体スプリングを省略できる上に、デッドスペースを解消することができる。

また、ダイオードＤａ，Ｄｂと、二次コイルＬ２との間に十分な絶縁距離を確保できるので、ケース本体部１の底部に余分の絶縁距離を設ける必要がなくなり、ケース本体部１の高さ方向における小型化を実現することができる。

ところで、図２（ｈ）のダイオードモジュールＤｉでは、各３個のダイオードＤａ・・・，Ｄｂ・・・を軸方向に直線状に延設させたが、何ら限定されない。図３は、別のダイオードモジュールＤｉを示す図面であり、ケース軸部２の突出長さが、５０〜６０ｍｍ程度の点火コイルに好適に適用される。この場合の等価回路も、図１（ｂ）に示す通りであり、３個のダイオードＤａ・・・，Ｄｂ・・・が各々直列接続されている。この回路構成でも、逆電圧が３個のダイオードによって３分されることで、逆方向耐圧の高い高価なダイオードを使用しなくても、ダイオードモジュールＤｉ全体として所望の逆方向耐圧を確保することができる。

ところで、実施例の点火回路では、ダイオードＤａ，Ｄｂの逆方向耐圧だけでなく、点火電流も問題になることがある。例えば、図１（ｄ）に示す通り、多重点火方式では、一の点火サイクルにおいて、二次コイルＬ２の二次電流が、断続的に繰り返し大レベルとなり、これがダイオードＤａ，Ｄｂに流れる。具体的には、ｔ１、ｔ３、・・・ｔｎのタイミングでダイオードＤａに大電流が流れ、ｔ２、ｔ４、・・・ｔｎ＋１のタイミングでダイオードＤｂに大電流が流れ、これらの動作の結果として、点火プラグＰＧには所定レベル以上の点火電流が継続する。

そのため、点火パルスの遷移時の大電流が問題になる場合には、例えば、図１（ｃ）の回路構成を採るのが好ましい。この場合には、点火電流が３つのダイオードに分配されるので、順方向電流の絶対最大定格に劣るダイオードを使用することができる。なお、この電流分配タイプの回路構成は、図３（ｅ）に示すダイオードモジュールＤｉだけでなく、図２（ｈ）に示すダイオードモジュールＤｉに適用することもできる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定する趣旨ではなく、適宜に変更可能である。

１ ケース本体部
２ ケース軸部
ＣＬ 点火コイル
Ｄａ 第一規制素子
Ｄｂ 第二規制素子
Ｔａ 第一点火トランス
Ｔｂ 第二点火トランス
Ｑａ 第一スイッチング素子
Ｑｂ 第二スイッチング素子

Claims (6)

1. 一次コイルと二次コイルが電磁結合してなる第一点火トランス、第一点火トランスの一次電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する第一スイッチング素子、一次コイルと二次コイルが電磁結合してなる第二点火トランス、及び、第二点火トランスの一次電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する第二スイッチング素子、を収容するケース本体部と、
   ケース本体部から点火プラグに向けて突出するケース軸部と、を有して構成された点火コイルであって、
   第一スイッチング素子と第二スイッチング素子は、一の点火タイミングに、位相の異なる第一と第二の点火パルスを受けて所定時間継続するＯＮ動作を実行した後、ＯＮ／ＯＦＦ動作を必要回数相補的に実行するよう構成され、
   第一点火トランスの二次電流が逆放電方向に流れないよう規制する複数個の第一規制素子と、第二点火トランスの二次電流が逆放電方向に流れないよう規制する複数個の第二規制素子と、を一の点火プラグに至る前記ケース軸部の内部に配置することを特徴とする内燃機関用の点火コイル。
2. 第一規制素子と第二規制素子とは、何れも、第１端子から第２端子に向けて放電電流が許容される電子素子であって、
   各々の第２端子が第一と第二の点火トランスの二次コイルに接続されている一方、第一規制素子と第二規制素子の第１端子が互いに接続されて、点火プラグに放電電圧を供給している請求項１に記載の点火コイル。
3. 第一規制素子及び第二規制素子は、各々、複数の素子が直列接続されて構成されている請求項１又は２に記載の点火コイル。
4. 第一規制素子及び第二規制素子は、各々、複数の素子が並列接続されて構成されている請求項１又は２に記載の点火コイル。
5. 前記ケース本体部には、第一スイッチング素子を駆動する第一点火信号が供給される第一信号端子と、第二スイッチング素子を駆動する第二点火信号が供給される第二信号端子と、内燃機関に駆動されて可動する移動体に搭載されたバッテリの直流電圧が供給されるバッテリ端子と、バッテリ電圧を昇圧した電源電圧が供給される電源端子と、を受ける単一のコネクタが配置されている請求項１〜４の何れかに記載の点火コイル。
6. 第一規制素子及び第二規制素子を固定的に保持する規制本体部と、規制本体部の先端側に配置されて点火プラグに弾性接触可能な導体先端部と、規制本体部の基端側に配置されて、２つの二次コイルの高圧側端子に接触する導体基端部とで、全体として略Ｔ字状に一体構成された組立体が予め製造されており、この組立体の導体基端部がケース本体部に配置される一方、前記組立体の他の部分がケース軸部に配置されて、完成状態となる請求項１〜５の何れかに記載の点火コイル。