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技術 内燃機関用点火装置

出願人 株式会社日立製作所
発明者 寺田大介小貫洋中林研司深津克明
出願日 2007年10月22日 (13年4ヶ月経過) 出願番号 2007-273931
公開日 2009年5月14日 (11年9ヶ月経過) 公開番号 2009-103011
状態 未査定
技術分野 内燃機関の点火装置
主要キーワード 故障診断信号 二次故障 一次電流波形 自己故障診断 内燃機関用電子制御装置 コイル巻き線 駆動回路出力 故障診断回路
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この項目の情報は公開日時点(2009年5月14日)のものです。
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図面 (5)

課題

装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できる点火装置を提供することにある。

解決手段

IGBT8は、ECU1から出力される点火信号に応じて点火コイル3に流れる1次電流通電遮断制御して、点火コイル3に高電圧を発生させる。異常検知処理部18は、点火コイル3の異常検知後、ECU1から出力される点火信号が入力する入力端子電圧をHIGHにして異常を知らせると同時に、IGBT8のゲートエミッタ間電圧をLOWにして自動的にコイル動作を強制的に停止させる。

概要

背景

従来、イグナイタ内部に自己故障診断回路を設け、故障診断信号点火信号とが1本の信号線重畳されて通信を行うものが知られている(例えば、特許文献1参照)。これは、自己故障診断信号と点火信号を各々違う電圧値とすることで1本の信号線での通信を可能としており、イグナイタの故障診断回路からECUへの故障診断信号の出力タイミングの違いによって点火装置の異常を検知している。

特開平10−184520号公報

概要

装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できる点火装置を提供することにある。IGBT8は、ECU1から出力される点火信号に応じて点火コイル3に流れる1次電流通電遮断制御して、点火コイル3に高電圧を発生させる。異常検知処理部18は、点火コイル3の異常検知後、ECU1から出力される点火信号が入力する入力端子電圧をHIGHにして異常を知らせると同時に、IGBT8のゲートエミッタ間電圧をLOWにして自動的にコイル動作を強制的に停止させる。

目的

本発明の目的は、装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できる点火装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる1次電流通電遮断制御して、前記点火コイルに高電圧を発生させる半導体スイッチング素子を有する内燃機関用点火装置であって、前記点火コイルの異常検知後、前記内燃機関用電子制御装置に異常を知らせると同時に、自動的にコイル動作を強制的に停止させる異常検知処理手段を備えることを特徴とする内燃機関用点火装置。

請求項2

請求項1の内燃機関用点火装置において、前記異常検知処理手段は、点火コイルの異常検知後、前記内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号が入力する入力端子電圧をHIGHとするとともに、前記半導体スイッチング素子のゲートエミッタ間電圧をLOWとすることを特徴とする内燃機関用点火装置。

請求項3

請求項1の内燃機関用点火装置において、前記異常検知処理手段は、前記半導体スイッチング素子のOFF時のコレクタ−エミッタ間電圧により動作することを特徴とする内燃機関用点火装置。

技術分野

0001

本発明は、内燃機関用点火装置係り、特に、異常検知に好適な内燃機関用点火装置に関する。

背景技術

0002

従来、イグナイタ内部に自己故障診断回路を設け、故障診断信号点火信号とが1本の信号線重畳されて通信を行うものが知られている(例えば、特許文献1参照)。これは、自己故障診断信号と点火信号を各々違う電圧値とすることで1本の信号線での通信を可能としており、イグナイタの故障診断回路からECUへの故障診断信号の出力タイミングの違いによって点火装置の異常を検知している。

0003

特開平10−184520号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、特許文献1記載のものでは、故障診断信号と点火信号とが1本の信号線で重畳するための特別の回路が必要であり、また、その回路を動かす電源電圧が必要となる等、装置が大型化するものである。

0005

また、点火コイルに異常が生じた場合、強制的に動作を停止する機能が無いため、例えば,点火コイルの一次側が短絡する等の故障が発生した場合、イグナイタが異常発熱により熱破壊し、車輌ヒューズ断線する恐れがある。

0006

本発明の目的は、装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できる点火装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

(1)上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号に応じて点火コイルに流れる1次電流通電遮断制御して、前記点火コイルに高電圧を発生させる半導体スイッチング素子を有する内燃機関用点火装置であって、前記点火コイルの異常検知後、前記内燃機関用電子制御装置に異常を知らせると同時に、自動的にコイル動作を強制的に停止させる異常検知処理手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できるものとなる。

0008

(2)上記(1)において、好ましくは、前記異常検知処理手段は、点火コイルの異常検知後、前記内燃機関用電子制御装置から出力される点火信号が入力する入力端子電圧をHIGHとするとともに、前記半導体スイッチング素子のゲートエミッタ間電圧をLOWとするものである。

0009

(3)上記(1)において、好ましくは、前記異常検知処理手段は、前記半導体スイッチング素子のOFF時のコレクタ−エミッタ間電圧により動作するようにしたものである。

発明の効果

0010

本発明によれば、装置を小型化でき、かつ、点火コイルの異常時に、強制的に点火装置の動作を停止できるものとなる。

発明を実施するための最良の形態

0011

以下、図1図4を用いて、本発明の一実施形態による点火装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態による点火装置を用いる点火システムの構成及び動作について説明する。
図1は、本発明の一実施形態による点火装置を用いる点火システムの構成を示す回路図である。

0012

本実施形態は、点火コイルの異常をその電流により検知し、故障をECUに伝え同時に自動的に点火信号に関わらずコイル動作を強制的に停止させ、発煙等の2次故障を防止するものである。コイルレアショート等の異常な電流が発生する故障の場合、イグナイタやコイルが発熱し、チップ焼損やコイル発煙など2次故障につながる可能性が非常に高いため、これを防止するようにしている。

0013

本実施形態の点火システムは、内燃機関用電子制御装置(ECU)1と、点火装置2と、点火コイル3と、点火プラグ4とから構成される。

0014

ECU1の出力段は、PNPトランジスタ5,抵抗6より構成される。CPU7により算出された適正な点火タイミング制御信号により、トランジスタ5をON,OFFし、点火装置にHIGH,LOWのパルスからなる点火信号VINを出力する。

0015

点火装置2は、点火コイル3に流す電流をON,OFFするIGBT8を備えている。ECU1の出力信号VINがLOW→HIGHで、IGBT5は通電を開始する。ECU1の出力信号VINがHIGH→LOWでIGBT5が遮断することにより、IGBT8のコレクタ部に電圧が発生し、点火コイル3の巻き数比倍に相当する高電圧が点火コイル3の2次側誘起され、点火プラグ4の電極間火花放電を発生させて混合気燃焼させる。

0016

なお、本点火装置2に必要な駆動回路は、ECUにより求められた最適点火時期で点火プラグに火花放電を発生させるためのタイミングと、点火コイルにエネルギチャージするためにイグナイタを駆動させるために必要な電流及び電圧を出力する回路であれば問題ない。

0017

次に、点火装置2の詳細構成について説明する。

0018

IGBTは、点火コイル3の1次コイルに流れる1次電流を通電,遮断する主回路を構成するメインIGBT8と、IGBT8に流れる電流ICを検出するためのシャント回路を構成するセンスIGBT10からなる。センスIGBT10のエミッタには、電流検出抵抗11が接続されている。IGBT8に流れる電流ICは、電流検出抵抗11によって電圧V1として検出され、電流検知部12に入力する。なお、本実施形態では、点火コイル3の1次コイルに流れる1次電流を通電,遮断する主回路として、IGBTを用いているが、バイポーラトランジスタ等の他の大電流通電遮断できる他の半導体スイッチング素子を用いてもよいものである。

0019

電流検知部12は、コンパレータ15と、基準電圧Vrefを発生する抵抗14とを備えている。抵抗14には、定電流回路13から低電流が供給され、これによって、基準電圧Vrefを発生する。コンパレータ15は、電流検出抵抗11によって検出された1次電流ICに相当する電圧V1と、抵抗14によって発生する基準電圧Vrefを比較する。電流検出抵抗11の電圧V1が、基準電圧Vref以上になると、電流検知部12が動作し、HIGHレベルの電圧V3を出力する。なお、電流検出部12が出力した信号V3は、VINの立ち下がりと同期して立ち下がる。

0020

パルス発生部16は、点火信号VINと立ち上がりタイミングが同期し、かつパルス幅が点火信号に対し短いパルスの信号V2を出力する。抵抗30,31は保護抵抗であり、これらの抵抗30,31で隣接した区画のHIGH,LOWの区分けを可能としている。

0021

異常検出処理部18は、点火コイルの異常をその電流により検知し、故障をECUに伝え同時に自動的に点火信号に関わらずコイル動作を強制的に停止させ、発煙等の2次故障を防止するものである。異常検出処理部18の詳細構成については、図3を用いて後述する。

0022

次に、図2を用いて、点火コイル異常時における一次電流の諸形態について説明する。
図2は、点火コイル異常時における一次電流の諸形態を示す波形図である。

0023

図2(A)は、点火コイルの正常時に一次電流波形を示している。ECU1の出力信号VINがHIGH→LOWでIGBT5が遮断することにより、一次電流が流れ始めるが、点火コイルの正常時には、一次電流は直線的に増加する。

0024

図2(B)は、1次コイル巻き線で部分的にショートを起こす1次コイルレアショート時の一次電流波形を示している。1次コイルレアショート時には、ECU1の出力信号VINがHIGH→LOWでIGBT5が遮断直後に、瞬間的に大きな電流が流れ、その後正常時と同様に、直線的に増加する。

0025

図2(C)は、2次コイル巻き線で部分的にショートを起こす2次コイルレアショート時の一次電流波形を示している。2次コイルレアショート時には、ECU1の出力信号VINがHIGH→LOWでIGBT5が遮断直後に、瞬間的に大きな電流が流れ、その後正常時と同様に、直線的に増加する。

0026

図2(D)は、2次コイルから1次コイルに電流がリークする2次コイル→1次コイルリーク時の一次電流波形を示している。2次コイル→1次コイルリーク時には、ECU1の出力信号VINがHIGH→LOWでIGBT5が遮断直後に、瞬間的に大きな電流が流れ、その後正常時と同様に、直線的に増加する。

0027

図2(B)〜図2(D)に示すように、点火コイル異常時には、図2(A)の正常時と対比すると明らかなように、ECU1の出力信号VINがHIGH→LOWでIGBT5が遮断直後に、瞬間的に大きな電流という特徴がある。

0028

本実施形態では、異常検出処理部18は、CU1の出力信号VINがHIGH→LOWでIGBT5が遮断直後に、瞬間的に大きな電流が流れた場合に、異常と判定するとともに、コイル動作を強制的に停止させるものである。

0029

次に、図3及び図4を用いて、本実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部18の構成及び動作について説明する。
図3は、本発明の一実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部の構成を示す回路図である。図4は、本発明の一実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部の動作を示すタイミングチャートである。

0030

図3に示すように、異常検出処理部18は、第1処理部19と、第2処理部23とを備えている。

0031

第1処理部19は、電圧V3と電圧V4が入力されると共に、両者がHIGHの期間だけANDゲート20はHIGHを出力する。出力された信号はダイオード21を通過し、コンデンサ22に充電され、電圧V5が発生する。第1処理部19は、ECU1の出力信号VINを電源とし動作する回路である。ANDゲート20は、ECU1の出力信号VINを電源とし動作する。

0032

ECU1の出力信号VINが立ち下がり、ECU1の出力信号VINから第1処理部19の電源が取れなくなった後も、電圧V5は、第2処理部23のANDゲート25にHIGHを入力し続ける。

0033

第2処理部23は、IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEから電源を作る電源部(図示せず)を有し、ECU1の出力信号VINに電源を依存しない回路である。なお、IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEは、図4に示すように、常に0V以上の正の電圧となっている。この電源部から、信号減圧部24,ANDゲート25やJ−Kフリップフロップ26に電圧が供給される。

0034

IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEは一瞬高電圧が発生し、またバッテリー電圧に戻るという電圧変動の大きい領域である。イグナイタの強制停止一連放電動作終了後に行い、IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEの不安定領域を避ける必要がある。そのため、IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEの放電動作が終了し電圧が落ち着くまで、ANDゲート25のHIGH出力を遅延させる。

0035

信号減圧部24は、IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEが高電圧の時はLOWを出力し、バッテリー電圧程度になったときにHIGHを出力する回路である。IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEがバッテリー電圧程度になると、ANDゲート25の入力端子にHIGHが入力される。これにより、IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEの不安定領域を避けることができる。

0036

信号減圧部24からの出力は、ANDゲート25、J−Kフリップフロップ(FF)26のJ及びK端子に入力する。J−KFF26は、RESET端子がIGBT8のゲート端子に接続されており、IGBT8のゲート−エミッタ端子電圧VGEの立ち上がりの都度リセットされ、正常動作時の出力QはLOWとなっている。J−KFF26のJ端子及びK端子に共にHIGHが入力されると、クロックの立ち上がりと共に出力Qが反転し、HIGHとなる。クロックはANDゲート25の出力電圧V6が入力され、信号減圧部24のHIGH信号とコンデンサ22の電圧V5のHIGH信号でHIGHを出力する。J−KFF26のクロックに電圧V6が入力されると、入力と同時に出力を反転させ、出力QがLOW→HIGHに変化する。この出力Qは、次にクロック端子に信号の立ち上がりが発生しない限りHIGHを出力し続ける。そのため、コンデンサ22の放電により電圧が下がり、ANDゲート25がLOWとなっても、J−KFF26はHIGHを出力し続ける。

0037

J−KFF26の出力は、インバータ27とダイオード29を介して、IGBT8のゲート端子にLOWを出力し、同時に、ダイオード28を介して、ECU1の出力信号VINにHIGHを出力する。抵抗30,31は保護抵抗であり、これらの抵抗30,31で隣接した区画のHIGH、LOWの区分けを可能としている。

0038

このように、ECU1の出力信号VINにはHIGHを出力し、ECUに異常を伝え、同時にIGBT8のゲート−エミッタ端子電圧VGEにLOWを出力し、IGBT8をOFFして、イグナイタ動作を停止させ、二次故障を防ぐことができる。

0039

以上のように、本実施形態の異常検出処理部18の電源は、ECU1の出力信号VIN及びIGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEとしている。その結果、図1に示すように、点火装置2の外部端子は、ECU1の出力信号VINの入力端子と、IGBT8のエミッタが接続されるアース端子と、点火コイル3に接続される出力端子の3端子構成となる。3端子構成は、従来の点火装置で用いられているものであるが、本実施形態では、従来の点火装置に対して、異常検出処理部18を追加したにも拘わらず、同じ3端子構成で実現できるので、装置を小型化できる。異常検出処理部18の電源として、バッテリ電圧VBを用いる方式も考えられるが、この場合は、4端子構成となり、端子数が増加する。

0040

次に、図4により、異常検出処理部18の動作について説明する。図4において、時刻t1〜時刻t2は正常時の動作を示し、時刻t2〜時刻t3は異常時の動作を示している。

0041

最初に、正常時の動作について説明する。点火信号パルスであるECU1の出力信号VINがHIGHになると、IGBT8のゲート−エミッタ端子電圧VGEもHIGHとなり、コレクタ電流ICが立ち上がる。

0042

コレクタ電流ICの立ち上がりは、電流検出抵抗11により電圧V1に変換され、電流検知部12に出力する。同時に、パルス発生部16は、点火信号に立ち上がりが同期した電圧V2を出力する。電圧V1が徐々に立ち上がって行き、予め設定された設定値Vth1に達すると、コンパレータ15は電圧V3を出力する。

0043

出力された電圧V2と電圧V3は、ANDゲート17に入力される。点火コイル3に故障が無い場合は、電圧V1が参照電圧Vrefに達する前に、電圧V2がHIGH→LOWとなり、電圧V2と電圧V3がHIGHの時のタイミングが重ならず、ANGゲート17の出力V4はLOWのままとなり、それ以降の処理が進まない。

0044

一方、点火コイルに異常が発生した場合について説明する。点火信号パルスであるECU1の出力信号VINがHIGHになると、IGBT8のゲート−エミッタ端子電圧VGEもHIGHとなり、コレクタ電流ICが立ち上がる。

0045

コレクタ電流ICの立ち上がりは、電流検出抵抗11により電圧V1に変換され、電流検知部12に出力する。同時に、パルス発生部16は、点火信号に立ち上がりが同期した電圧V2を出力する。電圧V1が徐々に立ち上がって行き、予め設定された設定値Vth1に達すると、コンパレータ15は電圧V3を出力する。

0046

出力された電圧V2と電圧V3は、ANDゲート17に入力される。ここまでは、正常時と同様である。

0047

それに対して、異常時には、一次電流ICは正常時に比べ高くなるため、電圧V1が設定値Vth1に達する時間が早まり、電圧V3は電圧V2がHIGHの時にHIGHとなるため、ANDゲート17である電圧V4は、電圧V2と電圧V3が共にHIGHの間だけ、HIGHを出力する。ANDゲート17の出力V4は、異常検出処理部18に入力する。

0048

その結果、異常検出処理部18は、前述したような動作を行う。すなわち、 第1処理部19は、電圧V3と電圧V4の両者がHIGHの期間だけANDゲート20はHIGHを出力する。この出力により、コンデンサ22に充電され、電圧V5が発生する。

0049

一方、信号減圧部24は、IGBT8のコレクタ−エミッタ間電圧VCEがバッテリー電圧程度になったときにHIGHを出力する。電圧V5がHIGHであり、信号減圧部24の出力がHIGHになると、ANDゲート25の出力V6は、HIGHになる。J−KFF26のクロックに電圧V6が入力されると、入力と同時に出力を反転させ、出力QがLOW→HIGHに変化する。この出力Qは、次にクロック端子に信号の立ち上がりが発生しない限りHIGHを出力し続ける。そのため、コンデンサ22の放電により電圧が下がり、ANDゲート25がLOWとなっても、J−KFF26はHIGHを出力し続ける。

0050

J−KFF26の出力は、インバータ27とダイオード29を介して、IGBT8のゲート端子にLOWを出力し、同時に、ダイオード28を介して、ECU1の出力信号VINにHIGHを出力する。

0051

このように、ECU1の出力信号VINにはHIGHを出力し、ECUに異常を伝え、同時にIGBT8のゲート−エミッタ端子電圧VGEにLOWを出力し、IGBT8をOFFして、イグナイタ動作を停止させ、二次故障を防ぐことができる。

0052

以上説明したように、本実施形態によれば、点火コイルに異常が発生した場合に、点火コイルの故障をECUに伝え、同時に自動的に点火信号に関わらずコイル動作を強制的に停止させることにより、点火コイルの一次側が短絡する等の故障が発生した場合、イグナイタの熱破壊や車輌側のヒューズ溶断,点火コイルの発煙やチップの熱破損等の不具合を防ぐことができる。

0053

また、コイルの異常発生時のECUへの異常の伝達及びイグナイタ動作の強制停止を実行する制御回路の電源として、異常検知後におけるIGBTがOFF時の、IGBTのVCEを基準電源とすることで、端子数を増やすことなく3端子構成での実現が可能となり、部品点数の削減や装置の小型化が可能となる。そして、この回路をパワートランジスタモノリシックシリコン基板上に集積することで信頼性の高いイグナイタを達成することができる。

図面の簡単な説明

0054

本発明の一実施形態による点火装置を用いる点火システムの構成を示す回路図である。
点火コイル異常時における一次電流の諸形態を示す波形図である。
本発明の一実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部の構成を示す回路図である。
本発明の一実施形態による点火装置に用いる異常検出処理部の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

0055

1…ECU
2…イグナイタ
3…点火コイル
4…点火プラグ
5…PNPトランジスタ
6…イグナイタ駆動回路出力抵抗
7…CPU
8…メインIGBT
10…センスIGBT
11…電流検出抵抗
12…電流検知部
13…定電流源
14…電流検出抵抗
15…コンパレータ
16…パルス発生部
17,20,25…ANDゲート
18…処理回路
19…第1処理部
21…ダイオード
22…コンデンサ
23…第2処理部
24…信号減圧部
26…J−Kフリップフロップ
27…インバータ
28,29…ダイオード
30,31…抵抗

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