JP3708799B2

JP3708799B2 - 内燃機関用点火コイル

Info

Publication number: JP3708799B2
Application number: JP2000179765A
Authority: JP
Inventors: 滋身村田; 満小岩
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: US20020007828A1; US6575151B2; JP2001355557A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車のエンジンなどの内燃機関の点火プラグに火花放電を生じさせるための内燃機関用点火コイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、実用新案登録第３０３９４２３号公報に示されている従来の内燃機関用点火コイルを示す断面図である。
図において、１は閉磁路を成す鉄芯、１ａは閉磁路中に形成されるギャップ、１ｂは一次巻線２、二次巻線３が周囲に巻回されている鉄芯の励磁部、１ｃは鉄芯励磁部の軸線である。一次巻線２は一次ボビン２ａに巻回され整列されている。二次巻線３は二次ボビン（図示せず）に巻回され整列されている。
【０００３】
４は励磁部１ｂと平行に配置されるスイッチングユニットで、内部にはバイポーラトランジスタやＩＧＢＴなどのスイッチング素子４ａが内蔵されている。一次巻線２とコネクタ５のターミナル５ａとは導体６により電気的接続がされている。７は二次巻線３に発生した高電圧を外部に出力する高圧端子である。上記各部品はケース８の内部に配置された後、ケース８の開口部８ａより注型樹脂９を真空含浸し、炉内で硬化させ一体化させる。
【０００４】
図７は、図６にて説明した点火コイルの内燃機関への搭載例を示す図である。図において、１０は図６にて説明した点火コイル、１１は内燃機関、１１ａは点火プラグ、１１ｂは点火プラグを内燃機関にねじ込む方向にあたる点火プラグの軸線、１０ａは点火コイル１０に接続されるアダプタで、内部に高電圧を導く導体１０bを内蔵しており、プラグホール１１ｃ内部に配置され点火コイル１０と点火プラグ１１aを接続する。点火コイル１０は内燃機関の各気筒１１ｄごとに点火プラグの直上に励磁部軸線１ｃがプラグ軸線１１ｂと直交して配置されている。
【０００５】
点火コイル１０に内蔵された、スイッチングユニット４は、例えば、図８に示すＤＯＨＣエンジンのようにカムカバー５０の吸、排気用の山の間の狭い隙間に点火コイル１０を搭載する場合は、図９に示すように、スイッチングユニット４を励磁部軸線１ｃと平行に、励磁部１bの上部に配置する。点火コイルの全幅はスイッチングユニット４の寸法を含まぬため最小寸法Ｌ_Wとすることができる。
【０００６】
次に、図１０に示すように、点火コイル１０をボンネットフード５１の低い車輛の内燃機関に搭載するためにはＩＧコイルの全高を下げる必要があるため、図１１に示すように、スイッチングユニット４を励磁部１bをはさんで鉄芯の対向部１ｄとは反対側に励磁部軸線１ｃと平行に配置する。これで点火コイルの全高はスイッチングユニット４の寸法を含まぬため最小寸法Ｌ_Hとすることができる。
【０００７】
次に、図１２を用いて、点火コイルの動作について説明する。
エンジンコントロールユニット２０から出力される点火信号のＯＮ−ＯＦＦ動作にあわせ、スイッチング素子４ａは一次巻線２に一次電流の通電、遮断を繰り返す。一次電流は通電を開始すると、磁気回路のインダクタンスにより、一気に電流は流れ出さず通電時間に比例したほぼ三角波状に電流が増加し、点火信号のＯＦＦ動作により一次電流は一気に遮断する。一次巻線２には一次電流の遮断時逆起電力が発生し、二次巻線３には一次巻線２と二次巻線３の巻数比倍の高電圧が発生する。この高電圧は二次巻線３から高圧端子７、アダプタ導体１０bを経て、点火プラグ１１ａに供給される。
【０００８】
点火プラグ１１ａの先端には点火コイルより高電圧が印加される中心電極と接地された側方電極が配置され、電極間の混合気が印加高電圧により絶縁破壊すると、放電が開始する。この放電は誘導放電と呼ばれ、点火コイルの一次コイルから注入され磁気回路に蓄積されたエネルギーが点火コイルの出力エネルギーとして内燃機関各気筒内の混合気に注入され、放電経路に火種を形成、成長させ着火する。点火コイルの出力電圧および出力エネルギーは一次電流の遮断電流値にほぼ比例するので、結果的に通電時間にほぼ比例する。
【０００９】
一次コイル２からの注入されたエネルギーは鉄芯の磁気エネルギーへ変換される過程で、鉄芯１の磁束飽和の制限を受ける。鉄芯１の最大磁束は鉄芯に使用する珪素鋼板等の磁性体の飽和磁束密度×鉄芯の断面積である。現在、特に大きな点火コイルの出力エネルギーを必要としないエンジンにおいて要求されるエネルギーで２３mJ程度であり、近年登場してきているリーンバーンエンジンや筒内噴射エンジンで４５mJ程度のエネルギーが必要とされている。現状、点火コイルに使用される鉄芯をベースにし検討すると、励磁部の鉄芯の断面積が５０平方ミリメートル以上必要であることがわかっている。当面積で２３mJのエネルギーが実現できる。
【００１０】
また、ギャップに一次コイルの励磁方向と逆向きの極性で磁石を配置し、励磁方向と逆方向に鉄芯が飽和した状態から励磁して使用することで２倍のエネルギーを磁気回路に蓄積できるため、４５mJ程度のエネルギーを実現できる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
点火コイルの軸方向長を決定する主な要素としては一次巻線の巻線長がある。これは図６の寸法Ｌ₀にあたる。例えば従来例においては、最大仕上り外形が０．５mm程度の一次巻線２を１５０Ｔ程度巻線しているが、巻線は一次ボビン２aにおいて巻き始めと巻き終わりが位置が一致させる必要があるので、かならず２層、４層といった複数層になる。従来の点火コイルでは、２層とし、巻線長Ｌ₀は０．５5mm×（１５０T／２層）＝３７．５mmとなり、ケース長Ｌ₁は４５mm程度であることから、９０％近くが一次コイルの寸法であることがわかる。
【００１２】
１５００cc程度の乗用車用の内燃機関の気筒間スパンＬ_K（図７）は９０mm前後であるので、図６に示す従来の点火コイルを図７に示す状態に搭載すると、ケース長Ｌ₁＋鉄芯取付け部寸法Ｌ₂：１６mm＋コネクタ寸法長Ｌ₃：２２mm+コネクタ相手側抜き差し寸法余裕：１０mm程度を考えると、まったく余裕が無いことがわかる。
【００１３】
気筒間スパンの大きいエンジンを仮定し、１０５mm程度の気筒間スパンＬ_K対応で設計したとしても、ケース長Ｌ₁は６０mm以内に納める必要がある。
一次巻線を細くすると巻線長Ｌ₀は短縮されるが、一次巻線の抵抗値が上昇し、内燃機関の始動時にバッテリーの電圧が低い場合に一次電流が抵抗により制限され、必要な性能を得られるだけの遮断電流が得られぬ場合があり、よって適切な一次巻線径が存在する。
【００１４】
以上から、各気筒の点火プラグ直上に点火コイルを配置する独立着火システムにおいては、内燃機関の気筒間スパンの制約から、点火コイルの軸方向長に制限が生じ、スイッチングユニット４を内蔵する点火コイルの場合は、内蔵位置を鉄芯の励磁部１ｂの軸線１ｃと平行に配置せざるを得ない。
【００１５】
従来の製品はスイッチング素子４ａを内蔵するスイッチングユニット４を鉄芯の励磁部１ｂの軸線１ｃと平行に配置するため、図８に示す点火コイルの全幅Ｌ_Wを縮小する必要がある内燃機関レイアウトの場合と図１０に示す点火コイルの全高Ｌ_Hを低減する必要がある内燃機関レイアウトの場合とそれぞれに対し、マッチした位置にスイッチングユニット４を配置する、２種類の製品を用意せねばならなかった。これから製品種が増えるためケース等の金型や、多品種に対応する設備等の投資が増え、コストの低減に不利であると言う問題点があった。
【００１６】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、点火コイルの全幅を縮小する必要がある内燃機関レイアウトの場合においても、点火コイルの全高を低減する必要がある内燃機関レイアウトの場合においても１種類の製品において対応できる点火コイルを得、さらに高さも幅も制約を受けるさらに厳しいレイアウトの内燃機関に対しても装着が可能な製品を供することができ、結果的には、製品種類の低減によりケース等の金型種の低減と設備等の投資を抑えつつ製造時の段取り代えの工数も低減ができ、次に一機種当たりの生産数を大幅に増やすことができるので、コストを大きく低減することができる内燃機関用点火コイルを得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る内燃機関用点火コイルは、内燃機関の点火プラグ軸線と直交する軸線を有し、周囲に一次巻線を巻回した鉄芯の励磁部と、該励磁部の軸線に垂直に該励磁部の端部に配置され、上記一次巻線に流れる一次電流を通電、遮断するスイッチングユニットとを備え、上記鉄芯はギャップを有する閉磁路鉄芯であって、上記閉磁路鉄芯の一部で上記励磁部に連結し、該励磁部と上記スイッチングユニットの間に位置し断面積が励磁部断面積と略等しいサイド鉄芯部を備え、該サイド鉄芯部の断面形状が励磁部軸線方向に短い長方形形状である。
【００１８】
請求項２の発明に係る内燃機関用点火コイルは、請求項１の発明において、上記鉄芯の断面積は５０平方ミリメートル以上であるものである。
【００１９】
請求項３の発明に係る内燃機関用点火コイルは、請求項１または２の発明において、上記励磁部と上記スイッチングユニットを内蔵するケースを備え、該ケースの上記励磁部軸線方向の長さが６０mm未満であるものである。
【００２０】
請求項４の発明に係る内燃機関用点火コイルは、請求項１〜３のいずれかの発明において、上記鉄芯の素材は上記励磁部の軸線の方向に方向性を有する電磁鋼板であるものである。
【００２１】
請求項５の発明に係る内燃機関用点火コイルは、請求項１〜４のいずれかの発明において、上記スイッチングユニットの素子は７．５Ａ以上の電流にて遮断するスイッチング素子であるものである。
【００２３】
請求項６の発明に係る内燃機関用点火コイルは、請求項１〜５の発明において、上記閉磁路鉄芯のギャップは上記励磁部の外に形成されるものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による内燃機関用点火コイルを示す上視断面図、図２はその側方視断面図である。
図１において、１は閉磁路を成す鉄芯、１ａは閉磁路中に形成されるギャップ、１ｂは一次巻線２、二次巻線３が周囲に巻回されている鉄芯の励磁部、１ｃは鉄芯励磁部の軸線である。鉄芯１は、励磁部の軸線１ｃの方向に方向性を有する電磁鋼板を素材としている。また、鉄芯１の断面積はここでは５０平方ミリメートル以上であり、これにより、エンジンにおいて要求されるエネルギーに対応した点火コイルの出力エネルギーが容易に得られる。ギャップ１ａは鉄芯励磁部１ｂの外に配置され、ギャップ１ａ中には磁石１５が一次コイル２による鉄芯の励磁方向と逆向きの極性となる方向で配置されている。
【００２７】
１ｅは閉磁路鉄芯の一部で励磁部１ｂに連結し、励磁部１ｂとスイッチングユニット４の間に位置し断面積が励磁部断面積と概略等しく励磁部軸線方向に短い長方形形状であるサイド鉄芯部である。
２ａは一次巻線２を巻回させ整列させている一次ボビン、３ａは二次巻線３を巻回させ整列されている二次ボビン、４は励磁部軸線1ｃに垂直に、励磁部1ｂの端部に配置したスイッチングユニットで、内部にはバイポーラトランジスタやＩＧＢＴなどのスイッチング素子４ａが内蔵されている。このスイッチング素子４ａとしては例えば７．５Ａ以上の電流にて遮断するスイッチング素子が用いられる。８は各部品を内蔵するケースである。このケース８の励磁部軸線方向の長さは６０mm未満であり、これにより、任意の大きさの気筒間スパンのエンジンに適用できる。
【００２８】
５はコネクタ、５ａはコネクタ５のターミナルであり、一次巻線２とコネクタ５のターミナル５ａ、スイッチングユニット４の接続端子４ｂ間は、導体６により電気的接続がされている。
また、図２において、７は二次巻線３にターミナル３ｂを介して接続される高圧端子、８ｂはアダプタ１０ａと接続されるケース８の一部をなす高圧タワーである。アダプタ１０ａは絶縁ゴム製で、内部に導体10ｂを内蔵し、点火プラグ（図示せず）に接続している。９は上記の各部品をケース内で固定、電気的絶縁をする注型樹脂である。
なお、本実施の形態１の動作については従来例と同じであるので、その説明を省略する。
【００２９】
次に、本実施の形態における点火コイルの各部品の作用について説明する。
図５に方向性と無方向性それぞれの珪素鋼板における、起磁力と磁束密度の関係を示す。
本実施の形態における鉄芯は、励磁部の軸線１ｃの方向に方向性を有する電磁鋼板を素材としている。これにて無方向の電磁鋼板を用いる場合に対し、少ない起磁力により、早く鉄芯の高磁束密度状態に達することができることがわかる。
通常、起磁力（Ａ／ｍ）＝一次巻線巻数n×一次電流Ｉ１であるから、所定磁束密度には一次電流が同じ場合、方向性電磁鋼板を用いた場合のほうが、少ない一次巻線巻数ですみ、一次巻線の巻線長Ｌ₀が短縮できる。
【００３０】
本実施の形態のスイッチングユニット４は、7.5Ａ以上の高い遮断電流で使用できるタイプのスイッチング素子を用いる。上述のように、一次巻線の起磁力（Ａ／ｍ）＝一次巻線巻数ｎ×一次電流Ｉ１であるから、これにより従来の点火コイルの６.5Ａ程度で使用する場合に対し、約１５％少ない一次巻線巻数においても同様の起磁力を発生させることができる。これから、少ない一次巻線巻数ですみ、一次巻線の巻線長Ｌ₀が短縮できる。
【００３１】
本実施の形態の閉磁路鉄芯のギャップ１ａは、励磁部１ｂの外に形成される。ギャップを励磁部内部に配置した場合は、ギャップでの漏洩磁束の影響により、一次巻線中から磁束が漏れてしまうため、磁気回路の効率が低下し、結果として出力エネルギーが１０％以上低下することを実験で確認した。励磁部内部にギャップ１ａを配置した場合はより多く一次巻線を巻かなければ外にギャップ１ａが有る場合と同等のエネルギーは得られない。本実施の形態ではギャップ１ａを励磁部１ｂの外に形成しているので、より少ない一次巻線巻数ですみ、巻線長Ｌ₀が短縮できる。
【００３２】
本実施の形態では、以上の技術を用いることにより、一次巻線の巻数を低減し、従来の点火コイルに対し、一次巻線の巻線長を大幅に短くした上で、空いた軸方向の空間にスイッチングユニット４を配置するものである。
スイッチングユニット４を励磁部軸線の端部に配置する場合、一次巻線２の横に閉磁路鉄芯のサイド鉄芯部１eが介在し、スイッチングユニット４を励磁部軸線に垂直に配置することが適切であるが、サイド鉄芯部１ｅの断面積は励磁部１ｂの断面積と等しくした上で、その断面形状が励磁部軸線方向に短い長方形形状とすれば、磁気回路の断面積変わらぬ為性能の低下は伴わず、点火コイル全長をさらに短縮することができる。
【００３３】
表１は、上記図９および図１１にて示す２種類の従来例と、本発明において、実際に製作した製品での仕様／性能の比較結果を示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
この表１において、従来例１はスイッチングユニット４は励磁部上部に並行に配置されているため、点火コイル外形は幅Ｌ_Wは狭いものの、高さＬ_Hが高くなっている。従来例２はスイッチングユニット４は励磁部側方に並行に配置されているため、点火コイル高さＬ_Hは低いものの幅Ｌ_Wは大きくなっている。本実施の形態による点火コイルでは、外形寸法は高さＬ_H、幅Ｌ_Wともに２種の従来の点火コイルのそれぞれ小さな寸法と一致するとともに、長さＬ_Lも従来の点火コイルと一致している。
【００３６】
これから、本実施の形態の点火コイルは従来の点火コイルが装着されていたどちらの内燃機関に対しても装着が可能であり、さらに高さも幅も制約を受けるさらに厳しいレイアウトの内燃機関に対しても装着が可能な製品を供することができることがわかる。結果的には、製品種類の低減によりケース等の金型種の低減と設備等の投資を押さえ、製造時の段取り代えの工数も低減ができ、次に一機種当たりの生産数を大幅に増やすことができるのでコストを大きく低減することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、上述の励磁部軸長(一次コイル巻線長)を低減する技術をすべて同時に採用する必要はない。要求仕様に合わせ、適切な技術の組み合せにて本実施の形態を実現すれば良いことは言うまでもない。
【００３８】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では閉磁路鉄芯の場合について説明したが、鉄芯が開磁路であっても良い。
図３は、本実施の形態における鉄芯が開磁路の場合を示す上視断面図、図４はその側方視断面図である。なお、各部の番号と名称の関係は概略、図１、図２と同様であるのでその説明は省略する。
相違点は、１は開磁路の鉄芯、１５は一次コイル２による鉄芯の励磁方向と逆向きの極性となる方向で、鉄芯１の左端に配置されている磁石である。なお、本実施の形態における点火コイルの動作については従来例と同じであるので、その説明を省略する。
【００３９】
次に、本実施の形態における点火コイルの作用について説明する。
開磁路の点火コイルは閉磁路の場合に対し、同様の一次巻線の巻数であると、一次電流の立ち上がりが早くなり、出力性能もダウンする。閉磁路と同様の出力性能を得るためには一次巻線の巻線を１．５倍から2倍多く巻く必要がある。
近年、筒内の混合気飛花のために少出力エネルギーで複数回点火する方法が検討されているが、このアプリケーションに対しては本実施の形態の点火コイルが適している。
【００４０】
本実施の形態の点火コイルは上記実施の形態１の製品よりさらに小型化できるため、従来の点火コイルが装着されていたどの内燃機関に対しても装着が可能であり、さらに高さも幅も制約を受けるさらに厳しいレイアウトの内燃機関に対しても装着が可能な製品を供することができることがわかる。結果的には、製品種類の低減によりケース等の金型種の低減と設備等の投資を押さえ、製造時の段取り代えの工数も低減ができ、次に一機種当たりの生産数を大幅に増やすことができるのでコストを大きく低減することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、内燃機関の点火プラグ軸線と直交する軸線を有し、周囲に一次巻線を巻回した鉄芯の励磁部と、該励磁部の軸線に垂直に該励磁部の端部に配置され、上記一次巻線に流れる一次電流を通電、遮断するスイッチングユニットとを備えたので、従来の点火コイルに比べて高さ、幅ともに小型化となり、従来複数あった機種を１機種で代用できるとともにさらに高さも幅も制約を受けるさらに厳しいレイアウトの内燃機関に対しても装着が可能となり、以て、製品種類の低減によりケース等の金型種の低減と設備等の投資を抑えつつ製造時の段取り代えの工数も低減ができ、さらに一機種当たりの生産数を大幅に増やすことができるのでコストを大きく低減することができるという効果がある。また、上記鉄芯はギャップを有する閉磁路鉄芯であるので、点火コイルの巻数を低減できるという効果がある。また、上記閉磁路鉄芯の一部で上記励磁部に連結し、該励磁部と上記スイッチングユニットの間に位置し断面積が励磁部断面積と略等しいサイド鉄芯部を備え、該サイド鉄芯部の断面形状が励磁部軸線方向に短い長方形形状であるので、磁気回路の断面積が変わらぬ為性能の低下は伴わず、点火コイル全長をさらに短縮することができるという効果がある。
【００４２】
また、請求項２の発明によれば、上記鉄芯の断面積は５０平方ミリメートル以上であるので、エンジンにおいて要求されるエネルギーに対応した点火コイルの出力エネルギーが容易に得られるという効果がある。
【００４３】
また、請求項３の発明によれば、上記励磁部と上記スイッチングユニットを内蔵するケースを備え、該ケースの上記励磁部軸線方向の長さが６０mm未満であるので、任意の大きさの気筒間スパンのエンジンに適用できるという効果がある。
【００４４】
また、請求項４の発明によれば、上記鉄芯の素材は上記励磁部の軸線の方向に方向性を有する電磁鋼板であるので、無方向の電磁鋼板を用いる場合に比べて少ない起磁力により、早く鉄芯の高磁束密度状態に達することができるという効果がある。
【００４５】
また、請求項５の発明によれば、上記スイッチングユニットの素子は７．５Ａ以上の電流にて遮断するスイッチング素子であるので、少ない一次巻線巻数ですみ、一次巻線の巻線長を短縮できるという効果がある。
【００４７】
また、請求項６の発明によれば、上記閉磁路鉄芯のギャップは上記励磁部の外に形成されるので、より少ない一次巻線巻数ですみ、一次巻線の巻線長を更に短縮できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による内燃機関用点火コイルを示す上視断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による内燃機関用点火コイルを示す側方視断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２による内燃機関用点火コイルを示す上視断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２による内燃機関用点火コイルを示す側方視断面図である。
【図５】方向性と無方向性の珪素鋼板における、起磁力と磁束密度の関係を示す図である。
【図６】従来の内燃機関用点火コイルの一例を示す断面図である。
【図７】従来の点火コイルの内燃機関用への搭載例を示す図である。
【図８】従来の点火コイルの内燃機関用への搭載例を示す図である。
【図９】従来の内燃機関用の点火コイルの一例を示す外形図である。
【図１０】従来の点火コイルの内燃機関用への他の搭載例を示す図である。
【図１１】従来の内燃機関用点火コイルの他の例を示す外形図である。
【図１２】従来の内燃機関用点火コイルを示す配線図である。
【符号の説明】
１鉄芯、１ａギャップ、１ｂ鉄芯の励磁部、１ｃ励磁部軸線、１ｅサイド鉄芯部、２一次巻線、３二次巻線、４スイッチングユニット、８ケース。

Claims

内燃機関の点火プラグ軸線と直交する軸線を有し、周囲に一次巻線を巻回した鉄芯の励磁部と、
該励磁部の軸線に垂直に該励磁部の端部に配置され、上記一次巻線に流れる一次電流を通電、遮断するスイッチングユニットと
を備え、
上記鉄芯はギャップを有する閉磁路鉄芯であって、
上記閉磁路鉄芯の一部で上記励磁部に連結し、該励磁部と上記スイッチングユニットの間に位置し断面積が励磁部断面積と略等しいサイド鉄芯部を備え、該サイド鉄芯部の断面形状が励磁部軸線方向に短い長方形形状であることを特徴とする内燃機関用点火コイル。
上記鉄芯の断面積は５０平方ミリメートル以上であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用点火コイル。
上記励磁部と上記スイッチングユニットを内蔵するケースを備え、該ケースの上記励磁部軸線方向の長さが６０mm未満であることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関用点火コイル。
上記鉄芯の素材は上記励磁部の軸線の方向に方向性を有する電磁鋼板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関用点火コイル。
上記スイッチングユニットの素子は７．５Ａ以上の電流にて遮断するスイッチング素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関用点火コイル。
上記閉磁路鉄芯のギャップは上記励磁部の外に形成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関用点火コイル。