专利名称：点火装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及内燃机中所用的点火装置，最好是作为多重点火型点火装置发挥功能。
背景技术：
为了适合用于近年来的尾气排放对策和提高燃料消耗率的高压缩的稀薄混合气燃烧(稀薄燃烧)，作为内燃机的点火装置，要求有高能量的点火装置。例如，在以下的专利文献中记载了组合了电容性放电和电感性放电的多重放电型点火装置。
专利第2811781号[专利文献2]特开平11-210607号这些点火装置，与通常的电流切断方式的点火装置比较，尽管放电次数多而使电力消耗相应地增加，但却没有采取减少其电力消耗的对策。另外，作为电路构成，也存在需要两个大容量的开关元件且其控制电路部件件数也极其多、制造成本高的问题。进而，在上述的点火装置中，由于在原来的点火时刻以前处于开(ON)状态的开关元件存在，所以还有可能提前点火(pre-ignition)。
鉴于以上，本发明的目的在于，提供部件件数较少、同时可以抑制电力消耗的点火装置。另外的目的在于提供，由于在达到点火时刻以前开关元件不进入开状态，因此没有多余的电力消耗，而且误动作的顾虑也得以消除的点火装置。
发明内容
为了达到上述的目的，本发明的点火装置，在直流电源和接地端子之间设有连接了能量存储线圈、反向电流阻止元件、电容器的第一串联电路，并且在上述电容器的两端连接了由开关元件的电流通路和点火线圈构成的第二串联电路。上述开关元件被控制成，在被连接在上述点火线圈的次级侧的火花塞的点火动作时执行一次或多次的开/关(ON/OFF)动作。
另外，本发明的点火装置，在直流电源和接地端子之间设有连接了能量存储线圈、反向电流阻止元件、点火线圈、电容器的第三串联电路，并且在上述点火线圈和上述电容器串联连接的两端连接了开关元件的电流通路。上述开关元件被控制成，在连接在上述点火线圈的次级侧的火花塞的点火动作时执行一次或多次的开/关动作。
本发明为对应于一个点火线圈用单一的开关元件就足够的极其简洁的构成，同时还可以实现交替地重复电容性放电和电感性放电的多重放电型点火装置。此外，所谓电容性放电，是伴随着存储在电容器上的电荷的放电的火花塞的放电；所谓电感性放电，是在点火线圈中充电的磁场能直接地释放而执行的火花塞的火花放电。
根据本发明，就可以适当地改变开关元件的开/关动作的周期，多重放电中的设计自由度较高。另外，根据本发明，可以以与火花塞中的放电有无相应的动作周期来使开关元件进行开/关动作，可以得到对于点火放电来说必须的点火线圈的最优的输出电能。为此，可以实现在抑制电力消耗的同时放电持续时间较长的点火装置。另外，由于在多重放电时按顺序放电方向反转，所以可以防止火花塞的电极恶化。
在本发明中，最好与上述电容器并联或与点火变压器的初级线圈并联连接吸收振荡电流的缓冲器元件。作为缓冲器元件，最好采用只在正向导通的元件(典型地如二极管)。根据该构成，由于电容器不被反方向充电，在将本发明应用于多气缸内燃机时，可以在各气缸的点火单元共用单一的电容器。
这一点，可以根据表示图6(A)～(C)的动作的图13(A)～(C)来理解。例如，在图6(B)的构成的情况下，在开关元件5的开动作时，以电容器6和点火线圈4的初级线圈41构成振荡电路。为此，如图13(B)所示，当在电容器6中流过反向电流时，该反向电流分流向多个点火线圈。对此，若与电容器6并联连接二极管11(参考图13(A))或与点火线圈4的初级线圈41并联连接二极管11(参考图13(C))，由于不流过振荡电流，电流不会流过其他的点火线圈。但是，在图13(C)的构成的情况下，最好将开关元件5的开动作限定为一次。
另外，在本发明中，通过适当地设定开关元件的开动作时间，可以抑制电力消耗，而且可以抑制火花塞的恶化。特别地，用于使内燃机的燃烧开始的最初的开动作时间和多次反复进行的开/关动作的最后的开动作时间是重要的。最好根据内燃机的转速、内燃机的负载条件或电源电压适当地变更该最初的开动作时间和最后的开动作时间。
本发明，最好构成为设置流过上述能量储存线圈或上述开关元件的被监视电流的检测单元，而且上述检测单元的输出被输入到上述开关元件的驱动电路而构成，若上述开关元件的至少在最后的开动作时流过的被监视电流达到规定的上限值，就将上述开关元件强制地控制成关状态。若采用这样的构成，不用降低点火线圈的输出电压，就可以降低火花塞中的放电时的电源电力消耗，且可以增加多重点火次数。
根据本发明，可以实现与使用高压缩稀薄混合气的燃料直喷内燃机(Gasoline Direct Injection Engine)相对应的点火装置，其结果，可以实现低燃料消耗率和低尾气排放的内燃机。在本发明中，关于以比较高的频率交替重复进行的电容性放电和电感性放电，可以适当地控制该重复次数和各放电能量。具体地，点火脉冲的重复次数和开关周期等的动作参数，可以依照内燃机的转速、内燃机的负载条件、或电源电压的变动来适当地变更。另外，本发明，也可以与多样化的电池的高电压化相对应，以简单的电路构成来实现降低电力消耗和自由度较高的设计。
图1是表示第一实施例子的点火装置的电路图。
图2是关于图1的点火装置将开关元件分成开状态和关状态情况来图示出等价电路的图。
图3是关于图1的点火装置来表示动作状态的时间图。
图4是关于图1的点火装置来说明发动机起动时的动作状态的图。
图5是关于图1的点火装置来说明怠速时和稳态动作时的动作状态的图。
图6是表示图1的点火装置的变形例子的电路图。
图7是表示第二实施例子的点火装置的电路图。
图8是关于图7的点火装置将开关元件分成开状态和关状态的情况来图示出等价电路的图。
图9是关于图7的点火装置来说明各瞬间的动作状态的图。
图10是表示图7的点火装置的变形例子的电路图。
图11是表示图7的点火装置的又一变形例子的电路图。
图12是表示图11的点火装置的动作内容的图。
图13是将图1的动作内容与其他变形例子进行对比来说明的图。
图14是说明对实现能量存储线圈和电流检测线圈优选的变压器构造的图。
图15是表示图14的变形例子的图。
具体实施例方式
图1是表示第一实施例子的点火装置的电路图。图示的点火装置，例如与四气缸的内燃机(在这里是汽车的引擎)相对应，相同构成的四个点火单元100、101、102、103，主要被ECU(电子控制单元electronic control unit)10控制而进行动作。点火单元100～103，根据开关元件5的开/关动作，在火花塞8的两端产生高电压，并使各点火单元100～103的火花塞8按时间顺序进行放电。
在点火单元100～103中，设有电源端子PWR、第一控制端子CTL1、第二控制端子CTL2、接地端子GND。电流检测线圈22的检测输出被提供给第一控制端子CTL1；相位不同的控制信号从ECU10被提供给第二控制端子CTL2。在这里，电流检测线圈22的检测输出与能量存储线圈21的电流值成比例。
如图1所示，经由第一二极管3和能量存储线圈21的串联电路，来自电池的直流电源E(42V)被提供给点火单元100～103的电源端子PWR。如图所示，第一二极管3，以从直流电源E向点火单元100～103流过正向电流的方式被连接，作为反向电流防止元件而起作用。
另外，以从接地端子GND向能量存储线圈21流过正向电流的方式来配置第二二极管7。该第二二极管7是作为直流电源E的旁路电路而起作用的元件。从而，必然如图示那样，在第一二极管3的下游侧，没有必要连接第二二极管7，在第一二极管3的上游侧，也可以连接第二二极管7(参考图1的虚线部分)。
电源线1和接地端子GND之间，连接有电容器(capacitor)12。该电容器12，实际是将陶瓷电容C1和电解电容C2并联连接而实现的。这些电容器C1、C2不只吸收重叠于电源线1上的噪声，还形成伴随开关元件5的开/关动作的高频信号的旁路电路。这样，在本实施例子中，由于在电源线1的最下游位置和接地端子GND之间设有电容器12，不使用高频特性好的高价格的二极管3、7，也可以以高速度使开关元件5进行开/关动作。
电容器6以及第三二极管11并联连接在各点火单元100～103和接地端子GND之间。第三二极管11，是防止电容器6在负方向被充电的缓冲器元件(damper)，并吸收经由开关元件5的振动电流。
其次，对点火单元100的内部构成进行说明，但是，其他的点火单元101～103也是完全相同的构成。点火单元100，包括作为开关元件的晶体管5，向晶体管5提供点火脉冲Vs、并实现点火单元的开/关动作的驱动电路9，连接晶体管5的集电极端子的点火线圈4。点火线圈4由经过电磁耦合初级线圈41和次级线圈42构成，火花塞8被连接到次级线圈42。此外，晶体管的发射极端子接地。
接下来，参考图2(A)(B)对图1的点火装置的动作内容进行说明。在开关元件5进行了开动作以后的情况下，图1的点火装置，等价地成为图2(A)的电路构成，电容器6的充电电荷经由点火线圈4的初级线圈41进行放电，另外，线圈充电电流i1流过能量存储线圈21。
实施例子的电路，假设如果不存在第三二极管11，以经由电容器6和初级线圈41以及开关元件5，流过振动电流的方式来设计电路。但是，实际上，由于第三二极管11与电容器6并联连接，电容器6的两端电压Vc，在与开关元件5的开动作同时急剧地减少以后，反向充电被阻止而稳定。换言之，电容器6的两端电压Vc，如图2(A)的左侧所示的那样急剧地变化。
另一方面，在开关元件5进行了关动作以后的情况下，图1的点火装置，等价地成为图2(B)的电路构成，电容器6经由能量存储线圈21被充电。此外，由于在电容器6的充电路径中存在第一二极管3和第二二极管7，由于该整流作用，电容器6的两端电压Vc急剧地增加到最高值以后，维持其值。该关系如在图2(B)的左侧所图示的那样，在图示例子中，电容器6被充电到300V。
然而，在图2(B)所示的关动作时，在能量存储线圈21中，在图示的朝向上产生较大的反电动势。因此，除了直流电源E以外，也串联增加了基于能量存储线圈21的电压源，在电源线1中向电容器6流过较大的充电电流。在这种情况下，即使存在由于从直流电源E引出的电源线1一般较长而引起的高频阻抗的增加，由于电源线1用第二二极管7和电源电容器12进行了旁路(bypass)，所以就可以降低从电源线1放射的高频噪声。
按照以上的动作内容，来说明图1的点火装置的动作内容。图3是表示点火装置的动作内容的时间图。图3的左半部分表示从内燃机的开始运转的怠速时开始部分负载时的点火动作，图3的右半部分表示达到接近全负载时的稳态运转后的稳态动作时的点火动作。另外，图4图示了为了使内燃机启动而使转动动力输出轴旋转时(也就是起动时)的点火动作。
<起动时的放电开始之前的动作>
因此，首先，基于图4来说明起动时的放电开始之前的动作。在本实施例子中，点火脉冲Vs，基于来自ECU10的控制信号CTL2，将开时间Ton初始设定为0.22mS，将关时间Toff初始设定为0.12mS。但是，如果流过能量存储线圈21的电流超过规定的上限值Imax(例如12A)，就基于控制信号CTL1，强制地将点火脉冲Vs控制成关状态。从而，在本实施例子中，若超过开时间的设定值Ion，或超过能量存储线圈21的电流上限值Imax，根据两者的逻辑或输出的点火脉冲Vs，开关元件5进入关动作状态。
那么，若42V的电源电压E被投入，充电电流i经由能量存储线圈21和第一二极管3流向电容器6，并在电容器6中存储与直流电源42V相对应的充电电荷(初始充电动作)。
其次，若开关元件初次接受H电平的点火脉冲Vs，开关元件5就进行开动作，电容器6的充电电荷经由点火线圈4的初级线圈41被放电(参考图4(A))。另一方面，线圈充电电流i1流过能量存储线圈21开始磁场能的存储。此外，与开关元件5进行完开动作相对应，开关元件5的集电极电位Vo变成0V，电容器6的两端电压Vc也急剧地下降到0V(参考图2(A))。
此外，由于来自电容器6的放电动作的开始，在点火线圈4的次级线圈42中，产生4.6KV程度的感应电压，但是，在该阶段，由于内燃机的气缸内压力较高，火花塞8不至于放电。另外，由于火花塞8没有开始放电，能量存储线圈21的电流值也不会超过上限值Imax。
之后，若开关元件5变化成关状态(参考图4(B))，由于存储在点火线圈4中的磁场能的释放，在次级线圈42中感应起30KV程度的高电压，火花塞8开始火花放电。也就是，在开关元件5从开动作变化到关动作的时刻，火花塞8开始放电，内燃机中的燃烧开始。另一方面，在能量存储线圈21中也感应出300V程度的反电动势，电容器6急速地被充电至大约300V。从而，其后，若开关元件5再次进行开动作，由于来自电容器6的放电动作，在点火线圈4的次级线圈42中感应出高电压，在火花塞8中进行与此之前相比反方向的放电。
这样，在本实施例子中，在开关元件的最初的开动作中，火花塞8不进行放电，直到火花塞8的动作开始，产生0.22mS程度的放电延迟。但是，由于将该延迟时间对应成怠速转速的延迟角度为0.18度的程度，所以不成问题。
<怠速时的动作>
由于如上所述那样开始点火动作，接下来，对怠速时的点火动作基于图3的时间图(左侧)和图5进行说明。
在图3左侧所示的t＝t0的时刻，若接受到H电平的点火脉冲Vs，开关元件5就从关动作变化成开动作。为此，电容器6的充电电荷经由点火线圈4的初级线圈41急剧地被放电(参考图5(A)。由于电容器6，在起动时的最终动作中，被充电至400V程度，所以通过该大量的电荷被在点火线圈4中放电，点火线圈4的次级线圈42中感应出40KV以上的高电压，火花塞8继续图示右朝向的放电。此外，与开关元件5进行完了开动作相对应，开关元件5的集电极电位Vo变成0V(图3(B))。电容器6的两端电压Vc急剧地下降至0V(参考图2(A))。
另外，通过开关元件5进行了开动作，线圈充电电流i1开始流过能量存储线圈21，并开始磁场能的存储。该线圈电流i1，如图3(D)那样伴随着振荡分量。图3(D)是由电流检测线圈22检测出的能量存储线圈21的电流波形。
此外，若能量存储线圈21的电流超过上限值Imax，开关元件5被强制地过渡到关状态，但是，为了说明方便，在以下的说明中，假设能量存储线圈21的电流不会超过上限值Imax。
若假设能量存储线圈21的电流不超过上限值Imax，到从时刻t0开始了的火花放电结束而完成为止，在t1(＝10+0.22mS)时刻，开关元件5进行关动作(图5(B))。于是，通过这以前在点火线圈4中存储的磁场能被释放，在次级线圈42中感应出30kV程度的高电压，火花塞8继续与此之前反方向的放电动作。
另一方面，这时，在能量存储线圈21中感应出300V程度的电压，电容器6急速地被充电至大约300V(参考图2(B))。
其次，到从时刻t1开始了的电感性的火花放电结束而完成为止，在t2(＝t1+0.12mS)时刻，开关元件5再次进行开动作(图5(A))。于是，电容器6的充电电压300V被外加到点火线圈4的初级线圈41，在次级线圈42中感应出与先前放电时反方向的33KV程度的高电压。
为此，在火花塞8中放电电流反转流动，另外，在能量存储线圈21中开始磁场能的存储。
之后，开关元件5在t3(＝t2+0.22mS)时刻，再次进入关动作状态(图5(B))。于是，在点火线圈4的次级线圈42中感应出30KV程度的高电压，点火线圈8的火花放电电流再次反转并继续放电。另外，由于能量存储线圈21的反电动势，电容器6被再充电。
以下同样，只要能量存储线圈21的电流不超过上限值Imax，开关元件5就重复进行0.22mS期间的开动作和0.12mS期间的关动作。另外，在火花塞8中，交替重复电容性放电和电感性放电。如先前所说明那样，所谓电容性放电，是伴随存储在电容器6中的电荷的放电的火花塞8的火花放电，所谓电感性放电，是被充电到点火线圈4中的磁场能直接地被释放而执行的火花塞8的火花放电。
如图3所示，在该实施例子中，开关元件5重复4次开/关动作以后，根据ECU10的控制，在时刻tn开始最后的开动作(参考图5(C))。该开动作，是用于最初使在下次的点火时刻中的、在点火线圈4中感应的输出电压增加的动作。为此，将开时间设定成比这以前的开时间还长的0.4mS的程度。另外，将能量存储线圈21的电流上限值Imax也被设定成比这以前的还高，例如15A。
由于这样的初始设定，在点火线圈4中存储的磁场能变成比这之前的磁场能数倍大的水平，在时刻tm的火花塞8的电感性放电成为高输出(参考图3(C))。另外，在开关元件5过渡到关状态以后的时刻(图5(D))，能量存储线圈21的感应电压变成为400V的程度，在电容器6中，存储有充分的充电电荷，并且保持该状态不变一直维持到下一次的点火时刻(参考图5(A))。
<稳态动作时的动作>
接下来，对图3的右半部分所示的稳态动作时的点火动作进行说明。若达到点火时刻，在时刻t0，开关元件5进行开动作。于是，在电容器6中被充电的充分的充电电荷，变成通过点火线圈4的初级线圈41而被放电，在次级线圈42中感应出40KV以上的高电压，火花塞8开始火花放电(图5(A))。
之后，在在时刻t0已经开始的放电结束以前的时刻t1(＝t0+0.22mS)，开关元件5进行关动作。于是，在由于能量存储线圈21的感应电压而在电容器6中开始充电的同时，由于点火线圈4的次级线圈42的感应电压，在火花塞8中流过反转的放电电流(图5(B))。
然后，在放电结束以前的时刻t2(＝t1+0.12mS)，开关元件5再次进入开动作状态，在火花塞8中，进行基于电容器6的放电的电容性放电(图5(A))。以下相同，通过在时刻t3开关元件5进行关动作来继续多重放电，其后，在时刻tn～tm执行最后的开动作。
在以上说明的图3的点火动作中，动作信号S的脉冲幅度，意味着多重放电的放电继续时间TS。但是，基于内燃机的转速和负载条件或电源电压E的值在ECU中适当地决定该放电继续时间TS。例如，若发动机转速变得较高，与此相对应，有必要使放电继续时间TS缩短而设定(参考图3的右侧)。
在使放电继续时间TS缩短而设定的情况下，可以使点火脉冲Vs的脉冲幅值和脉冲周期与放电继续时间TS相应而缩短，但是，在本实施例子中，作为原则不将这些改变，而只减少开关次数。为此，在本实施例子中，不存在点火线圈4的输出电压与内燃机的转速等相对应而缺乏考虑地降低的担心。但是，在实施例子中，开关次数的最小值，例如，被设定成两次这样的限度。
另外，在本实施例子的电路构成中，点火线圈4的输出电压，主要基于向能量存储线圈21的能量存储通电时间、换言之是开关元件5的开时间Ton来进行变化。从而，如起动时和继其后的空载运转时那样，在电源电压较低时，最好使开时间Ton设定较长。在本实施例子中，即使将作为初始值的开时间Ton比较长地设定，如高速运转时等，在电源电压比较高的状态下，由于能量存储线圈21中的电流限制功能，开关元件的开时间Ton自动地被缩短。
这样，本实施例子，由于能量存储线圈21的电流值不超过上限值Imax，所以可以抑制无用的电力消耗的增大。也就是，在火花放电电流较大时，基于能量存储线圈21的电流值，点火脉冲的脉冲幅度自动地被缩短，从而降低不需要的电力消耗。
另外，一般而言，高压缩状态的火花塞8的初始放电电压，要求有25KV程度的高电压，但是，一旦放电开始，由于火花塞8附近的离子化，以20KV程度的低电压也可以继续放电。为此，可以相对地较短地设定点火脉冲Vs的脉冲幅值和脉冲周期，可以抑制点火线圈的输出电压而延长火花塞的寿命。另外，基于在能量存储线圈21中流过的电流值来决定火花塞脉冲的脉冲幅值从而抑制点火线圈的输出电压，在该意义上，也延长了火花塞8的寿命。
以上，具体地说明了图1的点火装置。但是，不限定于图1的电路构成。图6(A)是将图1的点火装置的主要部分抽出的电路图，图6(B)(C)，是将图6(A)的一部分变形了的电路图。图6(B)将第三二极管11从图6(A)的电路中除去，而将第四二极管27并联连接到开关元件上。另一方面，图6(C)，在图6(B)的电路中，将第三二极管11连接到点火线圈的初级线圈41的两端。
由于在图6(B)的电路中不存在第三二极管11，电容器6可以在正负任何的方向进行充电，在电容器6中流过自由振动电流。为此，点火线圈4的初级线圈41和次级线圈42的直流电流分量减少，具有抑制点火线圈内部的铜损、降低发热的优点。此外，第四二极管27形成了开关元件5的反方向电流的旁路电流通路。
另一方面，在图6(C)的电路构成中，与图6(A)的情况相同，可以抑制基于电容器6和初级线圈41的自由振动。也就是，若电容器6的电荷放电完了，在其后，在初级线圈41中感应的反方向的感应电压通过第三二极管11被吸收从而可以抑制自由振动。从而，电感性放电就成为与起因于点火线圈4的次级线圈42的漏感相应被抑制了的放电。为此，由于电容性放电变成可以支配，实用上，最好将开关元件5的开关次数限定于一次。而且，开动作时间与其他的电路构成相比设定得较长，例如，设为0.6mS～2mS。
图7是表示第二实施例子点火装置的电路图，与图1的点火装置相同的部件标以相同的编号。该点火装置，例如，与四气缸的内燃机相对应，相同构成的四个点火单元100、101、102、103主要被ECU10控制而进行动作。另外，电流检测线圈22的检测输出被提供给第一控制端子CTL1，相位不同的控制信号被从ECU10被提供给第二控制端子CTL2。
如图所示，基于电池的直流电源E(42V)经由第一二极管3和能量存储线圈21的串联电路被提供给点火单元100～103的电源端子PWR。另外，以正向电流从接地端子GND流向能量存储线圈21的方式来连接第二二极管7，并在电源线1和接地端子GND之间连接有电容器12。
各点火单元100～103，包括作为开关元件的晶体管5，将点火脉冲Vs提供给晶体管5来实现点火单元的开/关动作的驱动电路9，点火线圈4，电容器6，第三二极管11。在这里，电容器6和第三二极管11相互并联连接，第三二极管11的阳极(anode)端子被接地，阴极(cathode)端子被连接到点火线圈4。
在图7的点火电路中，开关元件5基于点火脉冲Vs反复进行开动作和关动作。图8(A)表示开关元件5是开状态的情况下的等价电路。在该开状态，充电电流i1流过能量存储线圈21的同时，来自电容器6的放电电流i2流过点火线圈4的初级线圈41(参考图9(A))。
图8(B)表示开关元件5是关状态的情况下的等价电路。在该关状态，以流过振动电流的方式来进行电路设计，但是，在实际上，由于在电容器6上连接有第三二极管11，可以抑制自由振荡电流，电容器6不会在反方向被充电(图9(B))。这点图8(A)的放电动作的情况也相同(图9(A))。
该点火装置的动作内容也与图1的点火装置的情况基本相同，并重复电感性放电和电容性放电(图9(C))。但是，为了使火花塞8的放电电流不间断，由于能量存储线圈21的磁场放电能量和电容器11的容量的设计制约，需要将开关元件5的关动作时间较短地设定为0.08mS以下。
图10(B)(C)，是表示图7的电路的变形例子的示例。图10(A)与图7的电路构成相同，但是，图10(B)从图10(A)的电路中除去了第三二极管11，并将第四二极管27并联连接到开关元件5。该第四二极管27，由雪崩二极管(avalanche diode)或稳压二极管构成，保证开关元件5关状态下的电流通路。由于在图10(B)的电路中，不存在第三二极管11，且存在旁路开关元件5的第四二极管27，电容器6可以在正负任何方向上进行充电，在电容器6中流过自由振动电流。为此，点火线圈4的初级线圈41和次级线圈42的直流电流分量减少，具有抑制点火线圈内的铜损并降低发热的优点。
另外，图10(C)，是将第三二极管11与点火线圈的初级线圈并联连接的例子。在这样的电路构成中，与图10(A)的情况相同，可以抑制基于电容器6和初级线圈41的自由振动。但是，在图10(C)的电路构成的情况下，由于第三二极管11被连接到点火线圈4，在开关元件5是关状态的情况下，电流不流过点火线圈的初级线圈。从而，电感性放电成为与起因于点火线圈4的次级线圈42的漏感相应的被抑制了的放电。为此，由于电容性放电成为可控制，所以最好将开关元件5的开关限定为一次。
图11表示将图7的电路进一步进行变更了的电路例子。在图11的电路中，在四个点火单元100～103中共用电容器6和第三二极管11。另外，在四个点火单元中共用第二二极管7和电容器12以及能量存储线圈21。关于第一二极管3，在每个点火单元中分别设置。但是，在该电路构成的情况下，具有若开关元件进入关状态，在各点火单元100～103的点火线圈4的初级线圈41中也流过电流的缺点。(参考图12(B))。但是，由于已经在放电中的火花塞8进入低阻抗状态，虚线表示的电流路径基本不成问题，电容器几乎只在实线表示的电流路径中被充电。
以上示例了各种多重放电型点火装置，但是，本发明并不特别地限定于已经示例的各电路构成。例如，在图1的电路构成的情况下，在全部的点火单元中不共用由能量存储线圈21、第一二极管3、电容器6、以及第三二极管11组成的主要部分，也可以考虑各部件故障的情况，某种程度上分别地进行设置。例如，最好在内燃机的构成是四气缸的情况下每两个气缸配置一组、在6气缸的情况下每三个气缸配置一组、同时8气缸的情况下每4个气缸配置一组。
另外，实施例子中所示的开关元件5，不只是通常的晶体管，例如可以适当地选择IGBT以及FET等。另外，开关元件5的开/关动作时间，根据多样化的近年来的电源电压进行适当变更来使用，每当电源电压变得较高，就将点火脉冲Vs的脉冲周期设定成较短。
此外，在开关元件5的开/关控制中，也可以不将开动作时间进行时间设定，只根据流向能量存储线圈21的通电电流值的上限制Imax来进行控制。另外，在实施例子中，在开关元件5的全部的开动作时间，检测能量存储线圈21的电流，但是，也可以只在最后的开动作时检测电流来进行控制。
此外，在图1的实施例子中，点火线圈4的次级线圈42的低电压侧的端子接地，但是，也可以连接到初级线圈41。另外，在点火线圈4中，连接用于燃烧状态探测的离子电流检测电路等，也不失本发明的任何功能。
进一步，在上述的各实施例子中，电流检测线圈22，与能量存储线圈21不同而另外被设置，但是，也可以在能量存储线圈21中设置中间抽头，基于来自中间抽头的输出，来检测能量存储线圈21的电流。
不管怎样，在基于能量存储线圈21的电流值来控制开关元件5的开动作时间的情况下，要求基于电流检测线圈的检测值的正确性。具体地，即使能量存储线圈21的电流值变化较大，与此相对应，能量存储线圈21的磁通量需要没有饱和地直线地增加。而且，希望能用较轻且廉价的线圈来实现上述的特性。
在本发明的点火装置中，对于燃料点火极其重要的、最初的放电点火能量，由在开关元件5关动作时释放的磁场能量，换言之，相当于单位时间的磁通变化量来决定。释放的磁场能是被存储在能量存储线圈21中的，从而，该磁场能由能量存储线圈21的磁通密度、线圈匝数、以及电流值决定。这里，磁通密度基本由铁心材料和其截面积来决定。
在本实施例子中，需要在0.22mS和0.4mS等的较短的时间内存储充分的磁场能量，但是，由于空间上的制约和成本上的问题，电感值自然存在限制，另外，若考虑给其他电子器件带来的噪音和电力消耗，则通电电流值也以15A程度为界限。从而，为了使本实施例子有效地发挥作用，就必然地要优化地设计磁路。
图14(A)是示例了依照上述要求的变压器(transformer)的构造的图。该变压器2，包括以层叠状缠绕能量存储线圈21和电流检测线圈22的线圈架18，插入线圈架18的中央开口的中心铁心16，与中心铁心16重合的矩形板状的磁铁14，覆盖线圈架18的外侧铁心13(13A，13B)。作为外侧铁心13示例粉末烧结铁心和叠层铁心等。另外，磁铁14，最好由钕和钐钴形成。
如图所示，由中心铁心16和外侧铁心13形成环状的闭合磁路。但是，由于磁铁14被配置于该闭合磁路的途中而形成空隙，作为整体的BH特性如图14(B)所示，稍稍有缓缓的倾斜。此外，图14(B)，表示了由能量存储线圈21的电流发生的磁场强度H和磁通密度B的关系。实际上，BH特性是磁场磁滞(Hysteresis)曲线，但是，为了方便在图14(B)中用直线表示。
在该变压器2中，磁铁14被配置在阻碍基于能量存储线圈21的电流的磁动势(磁场强度H)的方向上。而且，与能量存储线圈21的电流从零开始增加相应，磁通密度从(-H1，-B1)的初始位置向(+H2，+B2)增加。为此，与没有设置磁铁14的情况相比，能量存储线圈21的电流振幅的允许幅度较大，即使将铁心截断面积设计得较小，也不会使铁心磁饱和，而使电流检测功能有效的发挥作用。而且，在没有设置磁铁14的情况下，只允许达到0～H2程度的磁场强度振幅，但是，在设置了磁铁14的本实施例子中，由于允许-H1～+H2的磁场强度振幅，可以得到较大的磁通变化量，并将对于点火来说有效的较大的电荷量存储在电容器6中。
进而，在本实施例子中，中心铁心16的上部分16a略呈Y字状进行扩展与磁铁14连接。为此，就可以与以Y字状进行扩展的程度相应地使磁铁14的幅度变大，可以增大图14(B)的-B1。从而，在该意义上，磁场强度振幅(-H1～+H2)的允许幅度也较大。
图15(A)是为了使磁场强度振幅(-H1～+H2)进一步变大，在外侧铁心上设有倾斜的缝隙并在那里配置磁铁14的实施例子。在这种情况下，与倾斜地设置缝隙的程度相应，可以使图14(B)的-B1较大。另外，在该实施例子中，由于以将缝隙包进去的方式来缠绕能量存储线圈21和电流检测线圈22，与图14(A)的构成相比还具有漏磁通较少的优点。
图15(B)是进一步示例另外的实施例子的图。在该实施例子中，将圆柱状的中心铁心19、圆盘状的磁铁14和圆盘状的板片20进行叠层而包括在线圈架18之中。另外，在线圈架18中，将能量存储线圈21和电流检测线圈22进行叠层后，将圆筒状的板材15安装上。
板片20，可以使用弱磁性材料的软铁等，在施加了基于最大电流的最大磁场H1+H2时，缓和了基于磁铁14的排斥磁场，从而容易得到目标值的磁通密度B2。此外，设置在上下的板片20，也可以只设置其中一方，另外，也可以省略中央的磁铁14。
圆筒状的板材15，由硅钢板等构成，通过以将线圈绕线整体笼罩的方式进行插入，使能量存储线圈21和电流检测线圈22的泄漏磁通减少。其结果，就能够在可以实现变压器小型轻量化的同时，提高设计的自由度。此外，板材15不限定于一片，也可以安装多片。
以上，说明了对于本发明来说优选的变压器构造，但是，作为电流检测单元，不限定于变压器构造，当然也可以在开关元件5的发射极和接地之间连接小电阻值的电阻(resistor)来进行检测。
权利要求
1.一种点火装置，在直流电源与接地端子之间设置将能量存储线圈、反向电流防止元件和电容器连接起来的第一串联电路，并且在上述电容器的两端连接了由开关元件的电流通路及点火线圈组成的第二串联电路，所述点火装置的特征在于上述开关元件被控制成在上述点火线圈的次级侧所连接的火花塞的点火动作时执行一次或多次的开/关动作。
2.一种点火装置，在直流电源与接地端子之间设置将能量存储线圈、反向电流防止元件、点火线圈和电容器连接起来的第三串联电路，并且在上述点火线圈与上述电容器被串联连接的两端连接了开关元件的电流通路，所述点火装置的特征在于上述开关元件被控制成在上述点火线圈的次级侧所连接的火花塞的点火动作时执行一次或多次的开/关动作。
3.按照权利要求1所述的点火装置，其特征在于在上述电容器的两端，共同连接有多个上述第二串联电路。
4.按照权利要求1或2所述的点火装置，其特征在于在上述火花塞的点火动作时，反复进行放电方向交替切换的多次放电动作。
5.按照权利要求1或2所述的点火装置，其特征在于与上述电容器并联、或者与点火变压器的初级线圈并联地连接了仅在正向通电的缓冲元件。
6.按照权利要求1或2所述的点火装置，其特征在于上述开/关动作的开关次数依照用上述火花塞所驱动的内燃机的转速及负载条件、或者上述电源电压的电平而变更。
7.按照权利要求1或2所述的点火装置，其特征在于上述开/关动作的至少开动作时间依照用上述火花塞所驱动的内燃机的转速及负载条件、或者上述电源电压的电平动态地进行变更。
8.按照权利要求7所述的点火装置，其特征在于至少火花塞的点火动作时的最初的开动作时间动态地进行变更。
9.按照权利要求7所述的点火装置，其特征在于至少火花塞的点火动作时的最后的开动作时间动态地进行变更。
10.按照权利要求1或2所述的点火装置，其特征在于上述开/关动作中的、最后的开动作时间固定地被初始设定为比其以前的开动作时间长。
11.按照权利要求1或2所述的点火装置，其特征在于构成上述能量存储线圈的磁路插入与上述能量存储线圈通电时的磁通方向反极性的磁铁而构成。
12.按照权利要求11所述的点火装置，其特征在于设置上述能量存储线圈或者上述开关元件中流过的被监视电流的检测部件，上述检测部件的输出被输入到上述开关元件的驱动电路而构成，并构成为当上述开关元件的至少最后的开动作时流过的被监视电流到达规定的上限值时，将上述开关元件强制性地控制成关状态。
13.按照权利要求12所述的点火装置，其特征在于上述检测部件利用来自上述能量存储线圈的中间抽头的输出或者来自被电磁耦合到能量存储线圈的辅助线圈的输出。
14.按照权利要求12所述的点火装置，其特征在于上述监视电流的上限值，将上述开/关动作的最终阶段的值设定得高于初始阶段的值。
15.按照权利要求11所述的点火装置，其特征在于上述磁路形成为环状，并在其途中所形成的缝隙配置上述磁铁。
16.按照权利要求11所述的点火装置，其特征在于上述磁路用直线棒状的磁性材料所构成，在上述棒状的磁性材料的大致中央部或者两端部的至少一处设置有上述磁铁。
17.按照权利要求16所述的点火装置，其特征在于在上述棒状磁性材料的至少一方的端部，与上述磁铁相比为弱磁性材料的磁性材料片被连续配置于上述磁铁。
全文摘要
在直流电源(E)和接地端子(GND)之间设置将能量存储线圈(21)、第一二极管(3)、电容器(6)连接起来的第一串联电路。另外，在电容器6的两端连接开关元件(5)及点火线圈(4)的第二串联电路。这样构成的点火装置的开关元件(5)被控制成在点火线圈(4)的次级侧所连接的火花塞(8)点火动作时执行多次开/关动作。其结果，在火花塞8中能够交替地反复进行电容性放电和电感性放电。根据本发明，就可以实现部件个数少、又能够抑制电力消耗的多重放电型的点火装置。
文档编号F02P3/08GK1937120SQ20061015404
公开日2007年3月28日 申请日期2006年9月20日 优先权日2005年9月20日
发明者石田良夫 申请人:金刚石电机有限公司