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技術 内燃機関用点火コイル

出願人 三菱電機株式会社
発明者 柳翔太井戸川貴志
出願日 2015年5月13日 (3年3ヶ月経過) 出願番号 2017-517533
公開日 2017年7月13日 (1年1ヶ月経過) 公開番号 WO2016-181517
状態 特許登録済
技術分野 変成器又はリアクトル一般 内燃機関の点火装置 コイルの絶縁
主要キーワード 総巻き数 わたり線 出力要件 総巻数 ボビン形状 外部容量 セクション数 対地容量

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図面 (14)

課題・解決手段

一次ボビン(10)に巻かれた一次巻線(20)を有する一次コイルと、複数のセクションを有する二次ボビン(30)に分割して巻かれた二次巻線(40)を有する二次コイルとを備え、二次コイルの巻線部は、軸長巻長さに対して最大巻線高さを20%から30%の間に構成した。

概要

背景

従来は内燃機関燃焼特性に着目し点火コイル高出力化でしかも高エネルギー化したいとの要求があった。エネルギースペックを満たせば出力電圧は十分に出ていたため、出力電圧の高電圧化はエネルギーを上げることで実現しようとするものばかりで、同じ出力エネルギーで如何に高電圧を出力するかという検討はされてこなかった。その中で二次コイル高耐電圧化に関する技術としてあげられるものは、ボビン形状巻数分布に関するものが主であった(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3を参照)。

概要

一次ボビン(10)に巻かれた一次巻線(20)を有する一次コイルと、複数のセクションを有する二次ボビン(30)に分割して巻かれた二次巻線(40)を有する二次コイルとを備え、二次コイルの巻線部は、軸長巻長さに対して最大巻線高さを20%から30%の間に構成した。

目的

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、低容量で高耐電圧な点火コイルを大型化させずに実現することを目的とする

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

一次ボビンに巻かれた一次巻線を有する一次コイルと、前記一次コイルの外周に配置され、前記一次コイルと同軸に配置され複数のセクションを有する二次ボビンに分割して巻かれた二次巻線を有し、前記一次巻線に流れる一次電流通電遮断に伴い高電圧点火プラグに供給する二次コイルと、前記一次コイルと前記二次コイルを磁気的に結合させる鉄心と、前記一次コイル、前記二次コイルおよび前記鉄心を収納する絶縁ケースを備えた内燃機関用点火コイルにおいて、前記二次コイルの巻線部は、軸長巻長さに対して最大巻線高さを20%から30%の間に構成したことを特徴とする内燃機関用点火コイル。

請求項2

前記二次ボビンに有する複数の前記セクションは壁によって区分され、前記二次コイルの巻数の多いセクション間の前記壁を巻線の少ないセクション間の壁より厚くしたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用点火コイル。

請求項3

前記二次コイルの巻終り側のセクションにおいては、巻始め側のセクションより前記二次巻線の内径は大きく、外形は小さくしたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用点火コイル。

請求項4

前記二次コイルのセクション当たりの巻数は、巻終り側のセクションにおいては巻始め側のセクションより少なく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コイル。

技術分野

0001

本発明は主として車両用内燃機関、例えば自動車内燃機関に取り付けられ、点火プラグ高電圧を供給し火花放電を発生させる点火コイルに関するものである。

背景技術

0002

従来は内燃機関の燃焼特性に着目し点火コイルを高出力化でしかも高エネルギー化したいとの要求があった。エネルギースペックを満たせば出力電圧は十分に出ていたため、出力電圧の高電圧化はエネルギーを上げることで実現しようとするものばかりで、同じ出力エネルギーで如何に高電圧を出力するかという検討はされてこなかった。その中で二次コイル高耐電圧化に関する技術としてあげられるものは、ボビン形状巻数分布に関するものが主であった(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3を参照)。

先行技術

0003

特開平1−274410号公報
特開平7−130559号公報
特開2000−100641号公報

発明が解決しようとする課題

0004

近年燃費改善のためにダウンサイジングターボ車や高圧エンジンが開発されている。高圧縮化に伴い、プラグ間絶縁破壊する電圧絶縁破壊電圧要求電圧)が増加するため、点火コイルの出力電圧も増加させる必要が出てきた。
要求電圧の増加に伴い点火コイルには、高出力電圧化と高耐電圧化が求められる。一方で近年のエンジンには気筒休止アクチュエータなどの補機が取り付けられる場合が多くなり、点火コイルに与えられる取付スペースは少なくなってきているため、点火コイルには同時に小型化も求められる。

0005

点火コイルの出力電圧は点火コイルの出力エネルギーが増えるとともに増加し、二次コイルの対地容量および高圧部(スプリング、点火プラグ)の容量が増えると減少する。そのため、高出力電圧化を行うために点火コイルとしては従来の高エネルギー化に加えて、二次コイルの対地容量低減が求められる。また点火コイルの高耐電圧化を実現するためには、二次コイルのセクション間容量の低減も重要な要素の一つである。

0006

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、低容量で高耐電圧な点火コイルを大型化させずに実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明に係る内燃機関用点火コイルにおいては、一次ボビンに巻かれた一次巻線を有する一次コイルと、一次コイルの外周に配置され、一次コイルと同軸に配置され複数のセクションを有する二次ボビンに分割して巻かれた二次巻線を有し、一次巻線に流れる一次電流通電遮断に伴い高電圧を点火プラグに供給する二次コイルと、一次コイルと二次コイルを磁気的に結合させる鉄心と、一次コイル、二次コイルおよび鉄心を収納する絶縁ケースを備えた内燃機関用点火コイルにおいて、二次コイルの巻線部は、軸長巻長さに対して最大巻線高さを20%〜30%としたものである。

発明の効果

0008

本発明によれば、二次コイルの巻線部を軸長巻長さに対して最大巻線高さを20%〜30%とすることで、二次コイルの対地容量を抑制し高出力電圧を得ることができ、二次コイルのセクション間容量も減少させるため、高耐電圧な二次コイルを得られ、小型かつ高出力電圧、高耐電圧な点火コイルを得ることができる。

図面の簡単な説明

0009

本発明の実施の形態1における点火コイルを示す断面図である。
本発明の実施の形態1に係る点火コイルにおけるセクション間容量および対地容量のイメージを示す図である。
本発明の実施の形態1に係る点火コイルにおける放電時と失火時の二次巻線の電位分布を示す特性図である。
本発明の実施の形態1に係る点火コイルにおける放電時と失火時の二次巻線の電位分布を示す特性図である。
本発明の実施の形態1に係る点火コイルにおけるセクション間容量が増加したときの二次巻線の電位分布を示す特性図である。
本発明の実施の形態1に係る点火コイルにおける巻線高さが大きくなった場合のわたり線との絶縁距離の関係を示す図である。
本発明の実施の形態1に係る点火コイルにおける軸長巻長さおよび最大巻線高さのイメージを示す図である。
本発明の実施の形態1に係る点火コイルにおける点火コイルの出力電圧と耐電圧の関係を示す特性図である。
本発明の実施の形態2における点火コイルを示す断面図である。
本発明の実施の形態3における点火コイルを示す断面図である。
本発明の実施の形態4における点火コイルを示す断面図である。
本発明の実施の形態5における点火コイルを示す断面図である。
本発明の実施の形態5に係る点火コイルにおける点火コイルのセクション間の電位差を示す特性図である。

実施例

0010

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る点火コイルの概略構成を示す断面図である。図1に示すように、この点火コイルは、一次ボビン10に巻かれた一次巻線20を有する一次コイルが設けられている。この一次コイルの外周には、一次巻線20に流れる一次電流の通電、遮断に伴い高電圧を点火プラグに供給する、一次コイルと同軸に配置され複数のセクションを有する二次ボビン30に分割巻きされ、励起時には巻始めから巻終わりにかけて巻数が増えるにしたがって高電圧となる分布を示す二次巻線40を有する二次コイルが配置されている。一次コイルと二次コイルは鉄心50によって磁気的に結合されている。また、これらの構成部品は絶縁ケース60に収納され絶縁樹脂70で注形されている。

0011

まず始めに、点火コイルの対地容量およびセクション間容量の説明を行う。図2に二次コイルと一次コイルの簡略図およびセクション間容量(Csec)、対地容量(CGND)のイメージを示す。
コンデンサ容量は式(1)で表せる。

0012

C=ε・S/d ・・・ (1)
ここではSは電極板面積、dは電極板間の距離、εは電極板間の誘電体誘電率を表す。

0013

よって、
対地容量は、
CGND ∝ Li/dGND ・・・ (2)
セクション間容量は、
Csec ∝ hi/dsec ・・・ (3)
Li:i番目のセクションの軸長巻長さ
hi:i番目のセクションの巻線高さ
(ε、巻線の奥行きは一定とする。)
dGND:GNDおよび一次巻線までの距離
dsec:セクション間の壁の厚さ
と表すことができる。

0014

続いて、出力電圧と耐電圧の構造との関係について述べる。
出力電圧と構造の関係は、エネルギーと容量、容量にかかる電圧との関係を用いると、E=C・V22/2より、式(4)となるので、対地容量CGNDが大きくなった場合、出力電圧は低下してしまう。

0015

E :点火コイルの出力エネルギー
V2:出力電圧
C :CGND+Cext、Cext:エンジンやプラグなどの外部容量

0016

式(4)より、出力電圧を上げるためには点火コイルの出力エネルギーを上げること、外部容量Cを小さくすることが必要である。点火コイルの出力エネルギーUPは点火コイルの大型化を招くため、大型化せずに出力電圧を上げるには式(2)より、セクション軸長巻長さLiを小さくするか、距離dGNDを大きくすればよい。
点火コイルの出力要件から、二次コイルの必要巻線断面積が決まるため、二次コイルの各セクションの巻線断面積の合計は一定であるため、巻線高さhiとセクション軸長巻長さLiの間には、式(5)の関係がある。そのため、セクション軸長巻長さLiが小さくなる場合、セクションの巻線高さhiは大きくなる。

0017

0018

次に耐電圧と構造の関係の説明を行う。出力電圧をVとし総巻き数をNとすると、巻き数1Tあたりにかかる電圧VN1は、式(6)となる(V(n)はn番目の巻線に加わる電圧を示す)。

0019

VN1 = dV(n)/dn ・・・ (6)

0020

ここで、i番目のセクションあたりの軸方向巻数をnwiとすると層間の電位差Vlayerは、式(7)のように表せる。

0021

Vlayer ∝ VN1×nwi ・・・ (7)

0022

同様にセクション間の電位差Vsecは、あるセクションの巻数をni(iはセクションナンバー)とすると、式(8)となる。

0023

Vsec=VN1×ni ・・・ (8)

0024

式(7)より、層間の電位差Vlayerを低くするためには、電圧VN1、巻数nwiが小さくなる必要があり、式(8)より、セクション間の電位差Vsecを低くするためには、電圧VN1、巻数niが小さくなる必要がある。

0025

巻数nwiとセクション軸長巻長さLi には、次式(9)の関係があり、巻数nwiを小さくするためにはセクション軸長巻長さLiを小さくする必要がある。

0026

nwi×φ= Li ・・・ (9)
φ:二次巻線径

0027

電圧VN1について説明するために、点火コイル動作時の二次コイルの電位分布について詳細説明を行う。放電時と失火時の二次巻線の電位分布を図3図4に示す。縦軸は電圧、横軸は巻数を表す。各セクションの受け持つ電圧は、セクション数およびセクション当たりの巻数に依存する。放電時と失火時では巻線あたりに印加される電圧の傾向が異なることが分かる。セクション間の電位差Vsecは、あるセクションの巻数をni(iはセクションナンバー)とすると、式(10)となり、Vsecを小さくするためには、VN1を小さく、niを少なくする必要がある。

0028

Vsec=VN1×ni ・・・ (10)

0029

二次コイルの巻始めの低電圧部では図3に示すように、Vsec(失火)> Vsec(放電)となり失火時の耐電圧が厳しくなり、巻終わりに近い高電圧部では図4に示すように、Vsec(放電)>Vsec(失火)となり放電時の耐電圧が厳しくなる。また、セクション間容量が少ないときのdVsec/dnとセクション間容量が大きくなったときのdVsecz/dnでは図5に示すようにdVsecz/dn> dVsec/dnとなり、放電時に高圧セクションに印加される電圧がより急峻になる。

0030

上より、 Vsecを小さくするためには、セクション間容量が小さいことが必要であると分かる。セクション間容量を小さくするには、式(3)より巻線高さhiを低くする、あるいはセクション間の壁の厚みdsecを厚くすればよい。セクション間の壁の厚みdsecを厚くすると点火コイルの大型化につながってしまう。しかし、式(5)より巻線高さhiが小さくなると、セクション軸長巻長さLiを大きくする必要が出てきてしまう。

0031

また巻線高さhiが大きくなった場合、図6に表されるように巻線最上段から任意の高さをHにおける、わたり線とセクションに巻かれている巻線との絶縁距離は、セクション間の壁の厚さが同じだとすると、式(11)となる。

0032

H・tanθ1>H・tanθ2 ・・・ (11)

0033

ここで、次式(12)の関係に置くと、式(13)のように表すことができ、式(13)より巻線高さhiが高くなる場合は、絶縁距離が短くなるため耐電圧は低下する。

0034

0035

H2T・dsec/hi>H2T・dsec /hid ・・・ (13)

0036

以上より、小型で高電圧出力かつ高耐電圧のコイルを設計するうえで、軸長巻長さLと巻線高さhmaxは、出力電圧と耐電圧に対してトレードオフの関係にあると言える。

0037

ここで、点火コイルの出力電圧と耐電圧の関係をまとめると図8のように表される。
図8の縦軸は電圧および耐電圧を示し、横軸は最大巻線高さを示す。

0038

点火コイルの出力は式(2)、式(4)から分かるように、Lが小さいほど点火コイルの出力電圧Vo(破線)は図8に示すように増加する。

0039

また点火コイルの耐電圧は、最大巻線高さhmaxが増加すると式(5)よりLが減少し、式(8)よりnwiが小さくなるため徐々に増加し、hmax=0.2Lあたりで耐電圧の最大値をとる。その後hmaxが増加し続けると、式(3)よりCsecが増加していくため耐電圧は徐々に低下していき、hmax=0.3 Lあたりで図8に示すように耐電圧Vw(実線)は出力電圧Voを下回ってしまう。

0040

さらに図8に示すVr(点線)は、エンジンの要求電圧を示す。点火コイルとして性能を出すためには耐電圧Vwが出力電圧Voを上回り、出力電圧Voがエンジンの要求電圧Vrを上回る必要がある。セクション数が増えれば、耐電圧の直線は上方向へシフトする。要求電圧Vrが増えると、二次コイルの設計の自由度が減少する。

0041

したがって、これまでの説明より耐電圧と出力電圧を過不足なく満足させるためには、二次巻線の最高巻高さhmaxはhmax=0.2〜0.3 Lとする必要がある。

0042

本実施の形態1における点火コイルでは、二次コイルの巻線部は、軸長巻長さL (Lは各セクションの軸長巻長さLi の合計ΣLi ) に対し最大巻線高さhmax (hmaxとなるセクションは任意のセクションでよい) を20%〜30%とした。軸長巻長さLおよび最大巻線高さhmaxのイメージは図7に表している。
二次ボビン30は、壁3a〜壁3fによって区分され、第1のセクションSEC1〜第7のセクションSEC7の7つのセクションが設けられている。図7では最大巻線高さhmaxは第4セクションSEC4における巻線高さh4である。

0043

実施の形態2.
図9は実施の形態2における点火コイルの要部を示しており、実施の形態1の点火コイルと異なる点は、二次コイルのセクション数が6セクションとなっている点である。

0044

セクションの数が6セクションの方がセクションの壁が少ないため二次コイルの巻線の割合が多いことが分かる。またセクションが少なくなることでセクション間容量を減らすことができ、耐電圧は必要最低限確保できるため、二次コイルのセクション数を6セクション以下とすることで点火コイルを最小の形状とすることができる。

0045

実施の形態3.
図10は実施の形態3における点火コイルの要部を示しており、実施の形態1の点火コイルと異なる点は、多くの巻線を行うセクションでは、セクション間の電位差が大きくなることから、絶縁距離を確保するためにセクション間の壁を厚くしている点である。

0046

ここで、あるセクションの二次巻線について考えてみると、まず一次コイル側最下層の巻始め側においてセクション端面から順番巻軸方向に巻きつけを行っていき、反対側の端面に達したとき一段上である下から2段目移行し、今度は最下段とは逆向きに軸方向に順番に巻きつけを行っていく。すなわち各セクションについて最下段からジグザグに巻線を行っていることになる。また分割巻きされた二次巻線が配置されるセクション間には壁があり、一つのセクション内部の巻線とその隣のセクションの内部の巻線とは、この壁に設けられた通路に配設されたわたり線によって連結されている。前述したようにコイルの巻付けに当たってはセクションの最下段から最上段へとジグザグに巻付けを行っていくので、わたり線は1つのセクションの最上段の巻線と最下段の巻線とを軸方向に対し斜めに結ぶことになる。このとき最下段同士(セクション間)の電位差は式(8)より、セクション当たりの巻数が多いほど大きくなるため、セクション間の壁の厚みを大きくする必要が出てくる。

0047

図10では、セクションごとの巻数をn1、n2、n3、n4、n5、n6、n7としてそれぞれの巻数の関係はn1>n2>n3>n4>n5>n6>n7となっている。また、それぞれの壁3a〜3fの厚みを便宜上3a、3b、3c、3d、3e、3fとすると、これらの壁の間には3a>3b>3c>3d>3e>3fの関係がある。即ち、二次コイルの巻数の多いセクション間の壁を巻線の少ないセクション間の壁より厚くしたことを特徴とする。
以上より、巻数の多いセクションのセクション間の壁の厚みのみ厚くすることで、不要な大型化を避けセクション間の耐電圧を上げることができる。

0048

このように、二次コイルで巻数の多いセクションのセクション間の壁を厚くすることで、容量の大きいセクションのみ間隔が広がるため、不要な大型化を避け、セクション間容量を抑制することができる。巻数の多いセクションではセクション間耐電圧が厳しくなるが、セクション間の壁を厚くすることでセクション間耐電圧を上げることができる。

0049

実施の形態4.
図11は実施の形態4における点火コイルの要部を示しており、実施の形態1の点火コイルと異なる点は、二次コイルの後半セクションにおいては二次巻線と一次巻線との距離rdは前半セクションでの距離rよりも大きく(rd>r)、また二次コイルの後半セクションにおいては一次巻線から二次巻線の最上段までの距離Rdは前半セクションでの距離Rよりも小さいこと(Rd巻終り側のセクションにおいては、巻始め側のセクションより二次巻線の内径は大きく、外形は小さくしたことを特徴とする。これにより他部品との絶縁距離を広く取ることができ、巻始め側(低圧側)は二次コイルの巻スペースを確保できるため大型化を防ぎ耐電圧を確保することが可能となる。

0050

このように、二次コイルの高圧セクションにおいては二次巻線の内径は大きく、外形は小さくすることで、低圧部については巻数を確保し、高圧部については他の部品例えば一次コイルとの距離を取ることができるため大型化を防ぎ耐電圧を確保(維持)することができる。

0051

実施の形態5.
図12は実施の形態5における点火コイルの要部を示しており、実施の形態1の点火コイルと異なる点は、二次コイルのセクション当たりの巻数が巻終りに近いセクションに行くほど少ないことを特徴としている点である。即ち、二次コイルのセクション当たりの巻数は、巻終り側のセクションにおいては巻始め側のセクションより少なくなっていることを特徴とする。

0052

図13に示すように、巻始めの低圧セクションでは巻数を多くし、巻終りの高圧セクションに向かって巻数を少なくすることで、巻始めの低電圧部のVsec(失火)と巻終わりに近い高電圧部のVsec(放電)とがほぼ等しい状態となり、セクション間の電位差を均一に近づけることができる。

0053

式(8)より巻数niを小さくすれば、電圧VN1が小さくなるが全てのセクションでniを少なくしてしまうと二次コイルの総巻数Nが少なくなってしまう。そのため、電圧VN1が小さいセクションすなわち低圧セクションでは巻数を多くし、電圧VN1が大きいセクションすなわち高圧セクションでは巻数niを少なくし、巻始め側(低圧側)は巻数niを多くすることで、セクション間の電位差を均一にし、巻数を確保することができるため、点火コイルの大型化を抑制することができる。
図12の構成では、それぞれのセクションの巻数n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7 は、n1>n2>n3>n4>n5>n6>n7としている。

0054

このように、二次コイルのセクション当たりの巻数は高圧セクションに行くほど少なくすることにより、高圧セクションでの急峻な電位分布でも耐電圧を確保することができる。

0055

本発明は、その発明の範囲内において、各実施例の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することができる。

0056

10一次ボビン、20一次巻線、30二次ボビン、40二次巻線、50鉄心、60絶縁ケース。

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