JP2008291728A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は上記点に鑑みて、高い抵抗値を有する抵抗を用いることなく、バッテリ電圧低下時のオン電圧低減および通電開始時間確保の両立を図ることができる点火装置を提供する。
【解決手段】定電流回路６で形成される定電流に基づいてＩＧＢＴ５のゲートに電荷が蓄積されるようにする。これにより、蓄積される速度が一定に保たれるようにでき、ゲート電圧ＶＧの上昇を緩やかにすることが可能となる。そして、ゲート電圧ＶＧがしきい値電圧Ｖｔに達してコイル電流が流れ始めてから点火するまでに要する通電開始時間Δｔ０が長時間掛かるようにでき、ＩＧＢＴ５のコレクタ電圧の低下の速さを遅くすることにより二次巻線８ｂ側の両端電圧を低く抑えることが可能となるため、プラグ部電圧Ｖ２のオン電圧を低下することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体スイッチング素子にてコイルの一次側巻線に流す電流を制御し、コイルの二次側巻線に接続されたプラグによる点火を制御する内燃機関用点火装置（以下、単に点火装置という）に関するものである。

点火装置では、点火コイルの通電開始時に、点火コイルの二次巻線側のプラグに、プラス側の電圧、いわゆるオン電圧が発生することにより、プラグで飛び火が発生し、早期着火する現象が生じる恐れがあることが知られている。特に最近のエンジンでは、高圧縮比化、リーンバーン化に伴い、点火コイルの発生電圧増加が要求される傾向があるため、オン電圧が高くなってしまう傾向にある。従って、オン電圧低減の必要性がより高まって来ている。

従来のコイル駆動回路としては、例えば図６の回路が知られており、ＩＧＢＴ１００のゲートと電源１０１との間に２つの抵抗１０２、１０３を備えると共に、２つの抵抗１０２、１０３の間にＮＰＮトランジスタ１０４のコレクタを接続し、エンジンＥＣＵ１０５からの点火信号を波形整形回路１０６にて波形整形された信号によりＮＰＮトランジスタ１０４をオンオフすることで、ＩＧＢＴ１００のゲートに電流が供給される場合と供給されない場合とを制御することができる回路構成となっている。この回路では、抵抗１０２の抵抗値を増加させることによりオン電圧を低減することができる（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−１９３６１５号公報

しかしながら、この抵抗値を上げすぎると、ゲート電圧の上昇速度が低下し所定電圧に到達するまでの所要時間が長くなり、ゲート電圧がしきい値電圧に達してコイル電流が流れ始めてから点火するまでに要する通電時間が短くなることになる。その結果、運転条件によって、例えば高回転時などでは、所定の通電時間が得られなくなり、点火コイルが所望の電圧を発生しなくなり、失火するおそれもあった。従って、抵抗１０２の抵抗値は、これらオン時間と、通電開始時間確保を両立させるよう選定する必要があり、選定の自由度が少なかった。

また、近年の車両は搭載される電子機器が増加し、バッテリに対する電気負荷が増大する傾向にあるため、運転状況や電子機器の使用状況によっては、バッテリ電圧低下量が増加傾向にある。特に、始動時には、そのような状況が発生し易い。そして、図６の回路の場合、バッテリ電圧が低下した場合、ゲート電圧の上昇速度が低減し、通電開始時間のバラツキが大きくなるため、所定の点火性能を確保するコイル電流が流せなくなる可能性がある。これを対策するためには抵抗１０２の抵抗値を減少させる必要があるが、このことは、バッテリ電圧が高い時のオン電圧を増大させてしまうことになる。このように、従来の回路では、バッテリ電圧の低下を考慮した場合、オン電圧低減と、通電開始時間確保を両立させることが非常に困難であるという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、高い抵抗値を有する抵抗を用いることなく、バッテリ電圧低下時のオン電圧低減および通電開始時間確保の両立を図ることができる点火装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、点火コイル（８）の一次巻線（８ａ）に接続され、ゲート電圧（ＶＧ）を制御してコレクタ−エミッタ間に流れる電流を制御することにより、一次巻線（８ａ）に流されるコイル電流（Ｉ１）を制御すると共に、点火コイル（８）の二次巻線（８ｂ）の両端電圧（Ｖ２）を制御し、プラグ（１０）での放電を制御するＭＯＳ構造の半導体スイッチング素子（５）と、半導体スイッチング素子（５）のゲートに対して定電流を供給することで、ゲートに電荷を蓄積し、ゲート電圧（ＶＧ）を上昇させる定電流回路（６）と、点火信号に基づいて定電流回路（６）が形成した定電流を半導体スイッチング素子（５）のゲートに供給するか否かの切替えを行うことで、半導体スイッチング素子（５）のオンオフを制御する制御手段（２、３）と、を備えていることを特徴としている。

このような点火装置では、定電流回路（６）で形成される定電流に基づいて半導体スイッチング素子（５）のゲートに電荷が蓄積されるようにしている。このため、ゲートに電荷が蓄積される速度が一定に保たれるようにでき、ゲート電圧（ＶＧ）の上昇を緩やかにすることが可能となる。具体的には、半導体スイッチング素子（５）のゲート電圧（ＶＧ）は、制御手段（３）にて定電流回路（６）が形成する定電流がゲートに供給されたときに、一定勾配で直線状に上昇したのち、半導体スイッチング素子（５）のしきい値電圧（Ｖｔ）において平坦状態となり、さらに一定勾配で直線状に上昇するようになる。
そして、ゲート電圧（ＶＧ）がしきい値電圧（Ｖｔ）に達してコイル電流が流れ始めるが、ゲート電圧（ＶＧ）がしきい値電圧（Ｖｔ）の付近では、半導体スイッチング素子（５）の電流通電能力が制限されるため、半導体スイッチング素子（５）のしきい値電圧（Ｖｔ）においてほぼ平坦状態の時間（Δｔ０）が長時間掛かるようにでき、この間、半導体スイッチング素子（５）のコレクタ電圧の低下の速さを遅くすることが可能となり、一次巻線（８ａ）の両端の電位差を小さくできる。これにより、二次巻線（８ｂ）側の両端電異差を低く抑えることが可能となるため、プラグ（１０）の電極部（Ｖ２）に発生するオン電圧を低下することが可能となる。

例えば、定電流回路（６）にて形成される定電流の電流値を１０〜２００μＡにすることにより、平坦状態となる時間を５〜２００μｓにすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態における点火装置１を含む点火系の回路構成図である。この図を参照して、本実施形態における点火装置１について説明する。

図１に示されるように、点火装置１は、波形整形回路２と、ＮＰＮトランジスタ３、抵抗４、ＩＧＢＴ５および定電流回路６が備えられて構成されたもので、エンジンＥＣＵ７からの点火信号に基づいて点火コイル８の一次巻線８ａへの電源９からの電力供給のスイッチング制御を行う。

エンジンＥＣＵ７から送られる点火信号は波形整形回路２にて波形整形され、波形整形後の信号によりＮＰＮトランジスタ３のゲート電圧を制御することで、ＮＰＮトランジスタ３が制御される。具体的には、エンジンＥＣＵ７からコイル通電前はＬｏｗレベル、コイル通電時にＨｉレベルとなる点火信号が送られてくると、それが波形整形回路にてレベルが反転させられ、その反転した点火信号にてＮＰＮトランジスタ３のオンオフが制御される。

ＮＰＮトランジスタ３のコレクタには、入力保護用の抵抗４を介してＩＧＢＴ５のゲートが接続されており、ＮＰＮトランジスタ３のオンオフ状態に応じてＩＧＢＴ５のゲートに対して印加されるゲート電圧ＶＧが制御される。すなわち、ＮＰＮトランジスタ３がオンのときには、ＮＰＮトランジスタ３のコレクタ電位（つまりＩＧＢＴ５のゲート電圧）がほぼゼロになるためＩＧＢＴ５がオフになるが、ＮＰＮトランジスタ３がオフになるとＩＧＢＴ５はゲート電圧ＶＧが高くなるためオンする。このため、ＩＧＢＴ５がオフのときには、ＩＧＢＴ５のコレクタに接続された点火コイル８の一次巻線８ａに電流が流れず、一次巻線８ａ両端に電位差は発生しないため、二次巻線８ｂの両端にも電位差は発生しないが、ＩＧＢＴ５がオンになると、バッテリなどの電源９からの電力供給に基づき点火コイル８の一次巻線８ａに電流が流れ一次巻線８ａ両端に電位差が発生する。それにより、二次巻線８ｂの両端にも一次巻線８ａと二次巻線８ｂの巻数比倍の電位差が発生することにより、プラグ１０の電極部にオン電圧が発生する。一次巻線に所望の電流が通電された後、ＩＧＢＴ５をオフする過程で、ＩＧＢＴ５のコレクタ部電圧が上昇し一次巻線８ａに電圧差が発生し、二次巻線８ｂにも一次巻線８ａと二次巻線８ｂの巻数比倍の高電圧が発生する。これにより、点火コイル８の二次巻線８ｂに接続されたプラグ１０で放電させることができるため、エンジンＥＣＵ７の点火信号に基づいて、点火装置１によるプラグ１０の点火タイミングの制御を行うことができるようになっている。

このような構造の点火装置１において、定電流回路６は、電源９からＩＧＢＴ５のゲートにゲート電圧ＶＧを供給する経路上に配置されている。ＮＰＮトランジスタ３がオフされたときには、定電流回路６にて形成される定電流に基づいてＩＧＢＴ５のゲートに電荷が蓄積される。これにより、ゲート電圧ＶＧが上昇し、ＩＧＢＴ５がオンさせられる。定電流回路６として、例えば定電流の電流値が１０〜２００μＡのものを用いることができる。

以上のようにして、本実施形態の点火装置１が構成されている。続いて、本実施形態の点火装置１の詳細な作動および効果について、図２〜図５を参照して説明する。

図２は、本実施形態の点火装置１による点火時の各部のタイミングチャートであり、図３は、図２に示す期間ＴＡにおけるＩＧＢＴ５のゲート電圧の変化のみを拡大して示したタイミングチャートである。

図２に示すように、エンジンＥＣＵ７から点火信号が入力される。まず、点火信号がＬｏｗレベルの際には、波形整形回路２にてそれがＨｉレベルの信号に反転されるため、ＮＰＮトランジスタ３がオンした状態となる。このため、ＮＰＮトランジスタ３のコレクタ−エミッタ間の電位差がほぼ０となり、定電流回路６が形成する定電流がＮＰＮトランジスタ３側に流れ、ＩＧＢＴ５はオフ状態となる。

一方、図中時点Ｔ１において、点火信号がＬｏｗレベルからＨｉレベルに切り替わると、波形整形回路２にて点火信号がＬｏｗレベルに反転されるため、ＮＰＮトランジスタ３がオフになる。これにより、定電流回路６にて形成された定電流に基づき、抵抗４を介してＩＧＢＴ５のゲートに電荷が蓄積されていく。このとき、定電流回路６にて形成された定電流にて制限されるため、ＩＧＢＴ５のゲートに電荷が蓄積される速度が一定に保たれることになる。そして、ＩＧＢＴ５のゲートが入力容量を持っており、一定の電荷量が供給されないとゲート電圧ＶＧが高くならないという特徴を有しているため、ＩＧＢＴ５のゲートの入力容量への充電時間により、ゲート電圧ＶＧの上昇を緩やかにすることができる。したがって、図３に示すように、ＩＧＢＴ５のしきい値電圧Ｖｔまで比較的緩やかなほぼ直線状の第１の勾配θ１でゲート電圧ＶＧが上昇していく。

そして、ＩＧＢＴ５に一定量の電荷が蓄積され、図２および図３中の時点Ｔ２のように、ゲート電圧ＶＧがしきい値電圧Ｖｔに達すると、ＩＧＢＴ５がオフからオンに切り替わる。これにより、ＩＧＢＴ５のコレクタ電圧ＶＣが低くなり、一次巻線８ａの両端に電位差が発生し、点火コイル８の一次巻線８ａへの通電が開始される。そして、それに伴って、図２に示すように、二次巻線８ｂの両端電圧が一次巻線８ａとの巻線比に応じた高電圧になり、プラグ部電圧Ｖ２にオン電圧が発生する。

ただし、ゲート電圧ＶＧがしきい値電圧Ｖｔに達してコイル電流が流れ始めるが、ゲート電圧ＶＧがしきい値電圧Ｖｔの付近では、ＩＧＢＴ５の電流通電能力が制限されるため、ＩＧＢＴ５の電流能力が大きく制限され、ＩＧＢＴ５のコレクタ電圧ＶＣは電源９の電圧ＶＢから緩やかに低下し始める。そして、コレクタ電圧ＶＣが低下する時間、ゲートに供給される電流はコレクタ−ゲート間の容量とこの間の電圧変化に応じて充電されていくため、図２および図３に示すように、ゲート電圧ＶＧはしきい値電圧Ｖｔにおいて概ね平坦状態のままとなる。この平坦状態となる時間も、定電流回路６が形成する定電流の大きさによって決まるものであり、一定時間とすることが可能である。例えば、定電流回路６で形成される定電流の電流値を上述したように１０〜２００μＡに設定すると、平坦状態となる時間を５〜２００μｓｅｃに設定することができる。

この後、ＩＧＢＴ５のコレクタ電圧ＶＣが低下しきると、ＩＧＢＴ５のゲートに一定量の電荷が蓄積されるため、ＩＧＢＴ５の電流能力の制限によるコイル電流の制限、すなわち一次巻線８ａに流れる電流の制限が無くなり、ゲート電圧ＶＧが再び直線状に第１の勾配θ１で上昇する。一次巻線に所望の電流が通電された後、ＩＧＢＴ５をオフする過程で、ＩＧＢＴ５のコレクタ部電圧が上昇し一次巻線８ａに電圧差が発生し、二次巻線８ｂにも一次巻線８ａと二次巻線８ｂの巻数比倍の高電圧が発生する。これにより、点火コイル８の二次巻線８ｂに接続されたプラグ１０が放電し、点火が行われる。

このように、定電流回路６で形成される定電流に基づいてＩＧＢＴ５のゲートに電荷が蓄積されるようにすることで、蓄積される速度が一定に保たれるようにでき、ゲート電圧ＶＧの上昇を緩やかにすることが可能となる。そして、ゲート電圧ＶＧがしきい値電圧Ｖｔに達してコイル電流が流れ始めてからＩＧＢＴによる電流制限が掛かる電流制限時間Δｔ０が、ゲート電圧がしきい値電圧Ｖｔで一定となっている時間によって決まり、これらを定電流回路６が形成する定電流の大きさによって決めることができる。このため、この通電開始時間Δｔ０を調整することが可能となり、ＩＧＢＴ５のコレクタ電圧の低下の速さを調整することができる。これにより、通電開始時間Δｔ０が長時間掛かるようにでき、ＩＧＢＴ５のコレクタ電圧の低下の速さを遅くすることにより二次巻線８ｂ側の両端電圧を低く抑えることが可能となるため、プラグ部電圧Ｖ２のオン電圧を低下することが可能となる。

さらに、電源９の電圧が上昇したり、低下した場合にも、図３の破線で示したように、ゲート電圧ＶＧの変化の仕方は電源９の通常時の電圧のときとほぼ同じとなり、電源９の電圧に拘わらず、電流制限時間Δｔ０はほぼ一定になる。したがって、電源９の電圧が変動しても、オン電圧を低下することが可能となる。

図４は、従来の点火装置による点火時の各部のタイミングチャートであり、図５は、図４に示す期間ＴＡにおけるＩＧＢＴのゲート電圧の変化のみを拡大して示したタイミングチャートであり、（ａ）〜（ｃ）は、電源（バッテリ）電圧が正常時、上昇時、低下時をそれぞれ示している。

従来の点火装置の場合も、図４の時点Ｔ１において、点火信号がＬｏｗレベルからＨｉレベルに切り替わると、図６に示した抵抗１０２、１０３を介してＩＧＢＴ１００のゲートに電荷が蓄積されていく。このとき、抵抗１０２、１０３を介してＩＧＢＴ１００のゲートに電流を供給しているため、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ゲート電圧ＶＧは、しきい値電圧Ｖｔまで達するまでの立上り初期もしきい値電圧Ｖｔよりも高くなる立上り周期も、抵抗１０２、１０３とゲート容量にて構成されるコンデンサとの充電回路の時定数に応じたエキスポネンシャルカーブを示し、勾配θ２も大きく、しきい値電圧Ｖｔにおいて短期間平坦状態となる。このため、図４に示すように、ゲート電圧ＶＧの上昇が速く、コレクタ電圧ＶＣの低下も速くなって、二次巻線の両端電圧Ｖ２も必要以上に高電圧になるため、オン電圧が高くなってしまう。

ここで、従来の点火装置において、電源が通常状態（例えばバッテリ電圧≒１２Ｖ等）の場合に、例えばオン電圧を本実施形態と同等まで低下させるために、抵抗１０２の抵抗値やゲート絶縁膜厚を調整するなどにより、ゲート電圧ＶＧの波形の平坦状態となる部分の時間を調整すれば、本実施形態と同様に、コレクタ電圧ＶＣの変化時間を調整できるため、点火コイルの一次巻線側の両端電圧が大きくなることを抑えることができ、二次巻線の両端電圧で決まるオン電圧も低く抑えることが可能となる。

しかしながら、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来の点火装置におけるゲート電圧ＶＧの変化の仕方は、電源電圧の大きさに応じて異なり、電源電圧が通常時よりも大きくなるとゲート電圧ＶＧが立上りが速く（勾配θ２がより大きく）なり、電源電圧が通常時よりも小さくなるとゲート電圧ＶＧが遅く（勾配θ２が小さく）なる。このため、電源電圧の大きさに応じて電流制限時間Δｔ０が大きくばらつき、電源電圧の低下時には点火コイルへの通電ができなくなる可能性もある。

以上説明したように、本実施形態の点火装置１によれば、定電流回路６で形成される定電流に基づいてＩＧＢＴ５のゲートに電荷が蓄積されるようにすることで、オン電圧を低下させることと電流制限時間Δｔ０を確保することの両立が可能となる。また、高い抵抗値の抵抗を用いるものではなく、定電流回路６を用いているため、選定の自由度が小さくなることも無い。

さらに、定電流回路６を用いているため、電源９の電圧が変動しても、電流制限時間Δｔ０がほぼ一定となるようにできる。したがって、本実施形態の点火装置１を、例えばバッテリ電圧低下時のように電源９の電圧の低下に対する影響が少ないものにすることが可能となる。

なお、点火コイル８の一次巻線８ａと二次巻線８ｂとの間にオン飛火防止用のダイオードを備えることもできるが、上述したように、本実施形態の点火装置１によれば、オン電圧を低減することが可能になるため、このダイオードを備えなくても良い。勿論、オン飛火防止用のダイオードを備えれば、より確実にオン飛火防止を行うことが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、負荷駆動用の半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ５を例に挙げて説明したが、パワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合であっても本発明を適用することが可能である。

さらに、上記実施形態では、点火信号に基づいて定電流回路６の形成する定電流をＩＧＢＴ５のゲートに供給するか否かを制御する制御手段として、波形整形回路２およびＮＰＮトランジスタ３にて行っているが、他の回路構成であっても構わない。例えば、ＮＰＮトランジスタ３をＭＯＳトランジスタに変更しても構わない。

本発明の第１実施形態における点火装置を含む点火系の回路構成図である。 図１に示す点火装置による点火時の各部のタイミングチャートである。 図２に示す期間ＴＡにおけるＩＧＢＴ５のゲート電圧の変化のみを拡大して示したタイミングチャートである。 従来の点火装置による点火時の各部のタイミングチャートである。 図４に示す期間ＴＡにおけるＩＧＢＴのゲート電圧の変化のみを拡大して示したタイミングチャートであり、（ａ）〜（ｃ）は、電源（バッテリ）電圧が正常時、上昇時、低下時をそれぞれ示したタイミングチャートである。 従来の点火装置を含む点火系の回路構成図である。

符号の説明

１…点火装置、２…波形整形回路、３…ＮＰＮトランジスタ、４…抵抗、
５…ＩＧＢＴ、６…定電流回路、７…エンジンＥＣＵ、８…点火コイル、
８ａ…一次巻線、８ｂ…二次巻線、９…電源、１０…プラグ

Claims (4)

1. 点火コイル（８）の一次巻線（８ａ）に接続され、ゲート電圧（ＶＧ）を制御してコレクタ−エミッタ間に流れる電流を制御することにより、前記一次巻線（８ａ）に流されるコイル電流（Ｉ１）を制御すると共に、前記点火コイル（８）の二次巻線（８ｂ）の両端電圧（Ｖ２）を制御し、プラグ（１０）での放電を制御するＭＯＳ構造の半導体スイッチング素子（５）と、
   前記半導体スイッチング素子（５）のゲートに対して定電流を供給することで、前記ゲートに電荷を蓄積し、前記ゲート電圧（ＶＧ）を上昇させる定電流回路（６）と、
   点火信号に基づいて前記定電流回路（６）が形成した前記定電流を前記半導体スイッチング素子（５）の前記ゲートに供給するか否かの切替えを行うことで、前記半導体スイッチング素子（５）のオンオフを制御する制御手段（２、３）と、を備えていることを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記半導体スイッチング素子（５）の前記ゲート電圧（ＶＧ）は、前記制御手段（３）にて前記定電流回路（６）が形成する前記定電流が前記ゲートに供給されたときに、一定勾配で直線状に上昇したのち、前記半導体スイッチング素子（５）のしきい値電圧（Ｖｔ）において平坦状態となり、さらに一定勾配で直線状に上昇するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
3. 前記平坦状態となる時間が５〜２００μｓとされていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用点火装置。
4. 前記定電流回路（６）にて形成される前記定電流の電流値が１０〜２００μＡとされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の内燃機関用点火装置。

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