JP2009257112A - 内燃機関の点火システム - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ放電の適正なる実施と、点火プラグ等の保護との両立を図る。
【解決手段】点火システムは、点火プラグ１１の対向電極間に火花放電を発生させる火花放電回路１２と、火花放電回路１２による火花放電をトリガとしてプラズマ放電を発生させるプラズマ放電回路１３とから構成されている。火花放電回路１２は、一次コイル１４ａ及び二次コイル１４ｂからなる点火コイル１４と、一次コイル１４ａへの電流制御を行うＣＤＩ方式の点火制御部１５とを備えている。プラズマ放電回路１３は、２系統の電圧印加手段を有してなるプラズマ電源装置を備えて構成されている。すなわち、第１電圧印加手段として、第１電源４１と第１プラズマコンデンサ４２とが設けられ、第２電圧印加手段として、第２電源４３と第２プラズマコンデンサ４４とが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の点火システムに関し、特にプラズマ放電を実施するプラズマ放電式の点火システムに関するものである。

従来より、内燃機関の点火システムとして、点火プラグの先端部から高温高圧のプラズマガスを噴出させるようしたプラズマ放電式の点火システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマ放電式の点火システムによれば、燃焼の広がりが促進され、希薄混合気の着火性を向上させること等が可能となる。

プラズマ放電式の点火システムの概要を図７を用いて簡単に説明する。図７は点火コイル二次側の構成を示す回路図である。図７において、点火コイル７１は一次コイル及び二次コイルを有しており、その二次側にはプラズマ放電式の点火プラグ７２が接続されている。点火プラグ７２の点火コイル側にはプラズマ放電回路７３が接続されている。プラズマ放電回路７３は、電源７４とプラズマコンデンサ７５と高圧ダイオード７６とを備えている。上記構成の点火システムにおいては、一次コイルの通電開始又は通電遮断により二次コイルに高電圧が誘起され、その高電圧により点火プラグ７２の対向電極間に火花放電が生じる（ノーマル点火に相当）。そして、この火花放電をトリガとしてプラズマコンデンサ７５の電荷が一気に放出されると、点火プラグ７２にてプラズマ放電が発生する。これにより、高温高圧のプラズマガスが内燃機関の燃焼室内に噴出され、燃焼が行われる。
特開２００６−１２７８８７号公報

上述したとおりプラズマ放電式の点火システムでは、点火プラグ７２の対向電極間に生じる火花放電をトリガとしてプラズマ放電が生じるが、プラズマコンデンサ７５の電圧が過小である場合等においては、ノーマル点火の火花放電は生じるがそれに続くプラズマ放電は生じないといった、いわゆるプラズマ抜けが生じうる。また、プラズマコンデンサ７５の充電電圧を大きくすると、プラズマ抜けが抑制できる反面、プラズマ放電時において点火プラグに流れる電流が大きくなり、プラグ寿命が低下するという不都合が生じる。したがって、好適なるプラズマ放電を行わせるには改善の余地が残されている。

本発明は、プラズマ放電の適正なる実施と、点火プラグ等の保護との両立を図ることができる内燃機関の点火システムを提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明における内燃機関の点火システムは、一次コイル及び二次コイルを有する点火コイルと、点火コイルの二次コイルに接続されるプラズマ放電式の点火プラグと、点火プラグに通じる電気経路に設けられるプラズマ電源装置とを備える。そして、点火タイミングにて点火コイルにより点火プラグの対向電極間に火花放電を生じさせるとともに、該火花放電をトリガとしてプラズマ電源装置からの電圧印加により点火プラグにてプラズマ放電を生じさせる。

また、請求項１に記載の発明では、プラズマ電源装置は、点火タイミングでの火花放電をトリガとするプラズマ放電の開始後に印加電圧を高電圧側から低電圧側に切り替えることを特徴としている。かかる場合、プラズマ放電の開始当初には、点火プラグに対してプラズマ電源装置から高電圧が印加されることでプラズマ抜けが抑制できる。また、プラズマ放電の開始後には、点火プラグに流れる電流（プラグ電流）が大きくなるため、放電維持のために要する放電維持電圧（プラグ電圧）が低くなる（プラグ電流とプラグ電圧との関係は図３参照）。したがって、プラズマ放電の開始後にプラズマ電源装置による印加電圧を低くしてもプラズマ放電が継続できる、またこのとき、印加電圧の低減に伴い点火プラグに流れる電流が小さくなることで点火プラグ等の保護を図ることができる。以上により、プラズマ放電の適正なる実施と、点火プラグ等の保護との両立を図ることができる。

請求項２に記載の発明では、プラズマ電源装置は、火花放電からプラズマ放電への放電維持のために要する放電維持電圧又はそれよりも高い電圧を、火花放電をトリガとして点火プラグに印加する第１電圧印加手段と、第１電圧印加手段による電圧印加に引き続き同電圧印加手段よりも低い電圧を点火プラグに印加する第２電圧印加手段と、を備える。こうして２つの電圧印加手段を備える構成によれば、プラズマ放電時における印加電圧の切替を容易にかつ適正に実施できる。

ここで、請求項３に記載したように、第１電圧印加手段による電圧印加時間は、第２電圧印加手段による電圧印加時間に比して短時間であるとよい。この場合、プラズマ放電の開始当初において高電圧の印加時間が短いため、プラグ電流の上昇を抑えることができる。したがって、点火プラグ等の保護において好適である。

請求項４に記載の発明では、第１，第２の各電圧印加手段はそれぞれ第１コンデンサ、第２コンデンサを有している。そして、第１コンデンサは、比較的高電圧かつ小容量であり、第２コンデンサは、比較的低電圧かつ大容量であるとしている。本構成によれば、プラズマ放電の開始当初において短時間の高電圧印加を行わせて確実にプラズマ放電を開始するとともに、それに引き続いて行われる低電圧印加によりプラズマ放電を継続させることができる。

請求項５に記載したように、第１コンデンサ及び第２コンデンサにはそれぞれ充電手段が接続され、各充電手段により第１，第２の各コンデンサが個別に充電されるとよい。これにより、第１，第２の各コンデンサの充電電圧を個別に管理できるようになるため、２つのコンデンサのうち何れかのみを使ったプラズマ放電を実現することも可能となる。

請求項６に記載の発明では、第１電圧印加手段及び第２電圧印加手段の両方による電圧印加を実施する放電方式と、それらのうち第１電圧印加手段による電圧印加のみを実施する放電方式とのいずれかが選択可能になっている。この場合、それら２つの放電方式ではプラズマ放電時に消費されるエネルギ量が相違するため、同２つの放電方式を使い分けることで適正なるエネルギ管理を実現できる。

プラズマ放電は、燃焼圧（筒内圧力）など機関運転状態に応じて発生のしやすさが相違する。そこで、請求項７に記載したように、第１電圧印加手段及び第２電圧印加手段の両方による電圧印加を実施する放電方式と、それらのうち第１電圧印加手段による電圧印加のみを実施する放電方式とを、内燃機関の運転状態に基づいて選択するとよい。これにより、プラズマ放電に際してプラグ電流が必要以上に流れることを抑制でき、一層適正に点火プラグの保護を図ることができる。

なお、内燃機関の運転状態に基づいて、
・第１，第２の電圧印加手段による両方の電圧印加を実施する放電方式、
・第１電圧印加手段による電圧印加のみを実施する放電方式、
・第１，第２の電圧印加手段による電圧印加をいずれも実施しない放電方式、
からいずれか１つを選択することも可能である。

また、図３（プラグ電流とプラグ電圧との関係図）に示すように、プラズマ放電式の点火プラグは１０Ａ以下の電流領域では負性抵抗を示し、プラグ電圧（対向電極間電圧）はプラグ電流が増加すると低下する。この関係によれば、プラズマ放電開始に際し、火花放電に伴い生じるプラグ電流を増加させることで、プラズマ放電開始のプラグ電圧（すなわち放電維持電圧）を下げることが可能となる。そこで、請求項８に記載の発明では、火花放電の発生時において点火プラグに流れる電流が０．３Ａ以上である構成としている。なお、既存の点火システムでは、プラグ保護等の観点からプラグ電流が比較的小さい値に抑えられており、一般にプラグ電流が０．１Ａ以下である。

請求項８によれば、プラズマ放電の開始当初においてプラズマ抜けが生じる可能性を大いに低減できる。また、プラズマ放電のために過剰に高い電圧を印加する必要が無いため、プラズマ放電開始後におけるプラグ電流を小さくできる。以上により、プラズマ放電の適正なる実施と、点火プラグ等の保護との両立を図ることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、車載エンジンを対象に、プラズマ放電方式の点火システムを構築するものである。当該システムにおいては、エンジン制御の中枢をなす電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を備え、同ＥＣＵにより都度のエンジン運転状態に基づいて点火時期制御等を実施するものとしている。

図１は、本実施形態における点火システムの回路構成を示す概略図である。本システムは、大別して、点火プラグ１１の対向電極間に火花放電を発生させる火花放電回路１２と、火花放電回路１２による火花放電をトリガとしてプラズマ放電を発生させるプラズマ放電回路１３とから構成されている。図示は省略するが、点火プラグ１１は、中心電極と接地電極とからなる一対の対向電極を備えており、これら対向電極間の間隙の周囲を碍子等の絶縁体で包囲することでチャンバが形成されている。チャンバには開口部が形成されており、チャンバ内で発生した高温高圧のプラズマガスがチャンバ開口部を通じて噴出されることで、燃焼室内の燃料が着火され燃焼に供される。

火花放電回路１２は、一次コイル１４ａ及び二次コイル１４ｂからなる点火コイル１４と、一次コイル１４ａへの電流制御を行うＣＤＩ方式（容量放電方式）の点火制御部１５とを備えている。点火制御部１５は、点火用コンデンサ１６とＤＣ−ＤＣコンバータ１７とを備えており、点火用コンデンサ１６の一方の端子にＤＣ−ＤＣコンバータ１７が接続され、他方の端子に一次コイル１４ａが接続されている。また、点火用コンデンサ１６の点火コイル側にはダイオード１８が接続され、反点火コイル側にはスイッチング素子としてのサイリスタ１９が接続されている。ダイオード１８及びサイリスタ１９はいずれもアノードがコンデンサ１６に接続され、カソードが接地されている。

サイリスタ１９のゲートには、サイリスタ制御回路としてワンショット回路２０が接続されている。ワンショット回路２０は、ＥＣＵ３０から入力される点火信号を波形整形することで所定パルス幅のサイリスタ駆動信号を生成し、そのサイリスタ駆動信号をサイリスタ１９のゲートに出力する。この場合、サイリスタ駆動信号のハイ期間にてサイリスタ１９が導通状態（オン状態）とされる。

また、点火コイル１４の二次コイル１４ｂには、ダイオード２１とノイズ低減用の抵抗２２とを介して点火プラグ１１が接続されている。

ＥＣＵ３０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じて点火時期制御等を実施する。具体的には、ＥＣＵ３０は、図示しない回転角センサや吸気管圧力センサ等の検出信号に基づいて点火時期を演算し、その点火時期に応じて生成した点火信号ＩＧｔを火花放電回路１２のワンショット回路２０に出力する。

上述した火花放電回路１２の構成は概ね既存のＣＤＩ点火回路と同様の構成であり、この火花放電回路１２により、所定の点火タイミングで点火プラグ１１に火花放電（ノーマル点火による絶縁放電）が発生する。すなわち、ＥＣＵ３０からの点火信号ＩＧｔに基づいてワンショット回路２０からサイリスタ駆動信号が出力されると、サイリスタ１９が導通状態になり点火用コンデンサ１６の放電が行われる。これにより、点火コイル１４の一次コイル１４ａに一次電流が流れるとともに、二次コイル１４ｂに高電圧が誘起されることに伴い点火プラグ１１の対向電極間に火花放電が発生する。

なお、点火用コンデンサ１６は点火のたびに放電が行われ、その放電の後、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７により充電される。例えば、点火タイミングから所定の待機時間が経過した時点にてＤＣ−ＤＣコンバータ１７による充電が開始され、次回の点火タイミングまでに所定電圧の充電が行われる。

一方、プラズマ放電回路１３は、２系統の電圧印加手段を有してなるプラズマ電源装置を備えて構成されている。２系統の電圧印加手段のうち一方が、火花放電をトリガとして放電維持電圧又はそれ以上の高電圧を点火プラグ１１に印加する「第１電圧印加手段」であり、他方が、その第１電圧印加手段による電圧印加に引き続き同電圧印加手段よりも低い電圧を点火プラグ１１に印加する「第２電圧印加手段」である。なお、放電維持電圧は、火花放電からプラズマ放電への放電維持のために要する電圧、言い換えれば、ノーマル点火の火花放電は生じるがプラズマ放電は生じないといったプラズマ抜けが生じない最小電圧である。

詳しくは、第１電圧印加手段として、第１電源４１と第１プラズマコンデンサ４２とが設けられ、第２電圧印加手段として、第２電源４３と第２プラズマコンデンサ４４とが設けられている。第１プラズマコンデンサ４２と第２プラズマコンデンサ４４とを比較すると、第１プラズマコンデンサ４２は高電圧かつ小容量（例えば耐圧１２５０Ｖ、容量０．０５μＦ）であり、第２プラズマコンデンサ４４は低電圧かつ大容量（例えば耐圧６３０Ｖ、容量１．５μＦ）である。

第１電源４１と第２電源４３とは各プラズマコンデンサ４２，４４にそれぞれ接続されている。各電源４１，４３は例えばＤＣ−ＤＣコンバータよりなり、プラズマ放電の実施後における所定の充電期間において各プラズマコンデンサ４２，４４を個別に充電する。本実施形態では、第１電源４１は、第１プラズマコンデンサ４２を「８４０Ｖ」に充電する。また、第２電源４３は、第２プラズマコンデンサ４４を「４００Ｖ」に充電する。

第１プラズマコンデンサ４２と第２プラズマコンデンサ４４とによれば共通の放電経路を介して点火プラグ１１に対して電圧印加が行われるようになっており、第１プラズマコンデンサ４２から第２プラズマコンデンサ４４への電荷の流れを阻止する向きにダイオード４５が設けられている。この場合、ダイオード４５により、第１プラズマコンデンサ４２（高電圧コンデンサ）から第２プラズマコンデンサ４４（低電圧コンデンサ）への電荷の流れが阻止されるようになっている。また、第１プラズマコンデンサ４２と点火プラグ１１との間の電気経路には高圧ダイオード４６が設けられている。

プラズマ放電に際し、第１プラズマコンデンサ４２に蓄積された電荷は高圧ダイオード４６を介して点火プラグ１１に供給される。また、第２プラズマコンデンサ４４に蓄積された電荷はダイオード４５と高圧ダイオード４６とを介して点火プラグ１１に供給される。

ここで、第１プラズマコンデンサ４２の電圧印加（コンデンサ放電）に伴い発生するプラズマ電流と、第２プラズマコンデンサ４４の電圧印加（コンデンサ放電）に伴い発生するプラズマ電流との違いを図２を用いて説明する。図２において、（ａ）は第１プラズマコンデンサ４２の動作を示し、（ｂ）は第２プラズマコンデンサ４４の動作を示す。

図２（ａ）に示すように、第１プラズマコンデンサ４２は高電圧かつ小容量であるため、充電電圧は比較的早く低下し、プラズマ電流のピーク値も比較的低くなっている。つまり、プラズマ電流が上昇しきる前に充電電荷が無くなるため、電流ピーク値がさほど上昇しない（ピーク値＝６０Ａ程度）。これに対し、図２（ｂ）に示すように、第２プラズマコンデンサ４４は低電圧かつ大容量であるため、（ａ）よりも充電電圧の低下が遅く、また、（ａ）よりもプラズマ電流のピーク値が大きくなっている（ピーク値＝１４０Ａ程度）。要するに、第１プラズマコンデンサ４２による電圧印加時間は、第２プラズマコンデンサ４４による電圧印加時間に比して短時間となっている。

本実施形態では、プラズマ放電に際し、第１プラズマコンデンサ４２による電圧印加の後に第２プラズマコンデンサ４４による電圧印加を実施する構成となっている。すなわち、プラズマ放電に際し、点火プラグ１１への印加電圧を高電圧側から低電圧側に切り替えるようにしている。かかる場合、第１プラズマコンデンサ４２の電圧印加によれば、高電圧の印加によりプラズマ抜けが抑制される。また、初期のプラズマ電流の発生に伴いプラグ電圧（放電維持電圧）が低くなるため、後続の第２プラズマコンデンサ４４による電圧印加が比較的低い電圧であっても、プラズマ放電が継続できることとなる。

第２プラズマコンデンサ４４による印加電圧を小さくできることについて補足する。プラズマ放電式の点火プラグ１１において、点火プラグ１１に流れる電流（プラグ電流）と対向電極間の電圧（プラグ電圧）との関係は図３に示す対数グラフのようになる。図３において、１０Ａ以下の電流領域では負性抵抗を示し、プラグ電流が増加するとプラグ電圧が低下する。図３によれば、上述のように第１プラズマコンデンサ４２の電圧印加により初期のプラズマ電流が発生すると、その後（プラグ電流増加後）はプラグ電圧を小さくできることが分かる。

次に、本実施形態におけるプラズマ放電の動作を図４のタイムチャートを用いて説明する。図４において、（ａ）は点火信号ＩＧｔの推移を、（ｂ）はサイリスタ駆動信号の推移を、（ｃ）は一次電流の推移を、（ｄ）はプラグ電圧の推移を、（ｅ）は第１プラズマコンデンサ４２の充電電圧ＶＣ１の推移を、（ｆ）は第２プラズマコンデンサ４４の充電電圧ＶＣ２の推移を、（ｇ）はプラズマ放電の開始後に生じるプラズマ電流の推移を、それぞれ示している。

図４において、時刻ｔ１〜ｔ２では点火信号ＩＧｔとしてハイ信号が出力され、その立ち下がりタイミングである時刻ｔ２では、サイリスタ駆動信号がロウからハイに切り替えられてサイリスタ１９が導通状態とされる。なお、サイリスタ駆動信号は所定時間（ｔ２〜ｔ５）にわたってハイレベルが保持される。サイリスタ１９の導通に伴い点火用コンデンサ１６の電荷が一気に放出され、点火コイル１４の一次コイル１４ａに一次電流が流れるとともに、二次コイル１４ｂに高電圧が誘起される。このとき、点火プラグ１１の対向電極間に絶縁破壊電圧を超える高電圧（例えば２０ｋＶ程度）が印加されることで、その対向電極間に火花放電が発生する。

その後、時間経過に伴いプラグ電圧（対向電極間の電圧）が低下する。そして、同プラグ電圧がプラズマ放電回路１３による電圧印加可能な電圧（図のＶＸ）まで低下した時刻ｔ３では、プラズマ放電回路１３の電圧印加に伴うプラズマ放電が開始される。なお、時刻ｔ３の時点では、第１プラズマコンデンサ４２の充電電圧ＶＣ１が８４０Ｖに、第２プラズマコンデンサ４４の充電電圧ＶＣ２が４００Ｖとなっている。プラズマ放電の開始電圧について補足すると、プラズマ放電回路１３では高圧ダイオード４６による電圧降下が生じるため、プラグ電圧が「第１プラズマコンデンサ４２の充電電圧−高圧ダイオード４６の降下電圧」となった時点でプラズマ放電が開始される。

プラズマ放電について以下に詳述する。時刻ｔ３では、第１プラズマコンデンサ４２による電圧印加に伴い、高圧ダイオード４６を通じて点火プラグ１１に向けてプラズマ電流が流れ始める。このとき、第１プラズマコンデンサ４２の印加電圧が高電圧であるため、確実にプラズマ放電が開始される。これにより、点火プラグ１１において火花放電（ノーマル点火による絶縁放電）に引き続いてプラズマ放電が行われ、点火プラグ１１のチャンバ外に（エンジンの燃焼室内に）プラズマガスが噴出される。その結果、エンジンの燃焼室内における燃料と空気との混合気が着火され、燃料の燃焼が開始される。

第１プラズマコンデンサ４２はその容量が比較的小さいため充電電圧がいち早く低下し、同電圧が第２プラズマコンデンサ４４の充電電圧（４００Ｖ）まで低下する時刻ｔ４では、第２プラズマコンデンサ４４による電圧印加が開始される。時刻ｔ４以降、第２プラズマコンデンサ４４の放電に伴いプラズマ電流が流れ、そのプラズマ電流によりプラズマ放電が継続される。

第１プラズマコンデンサ４２及び第２プラズマコンデンサ４４は、プラズマ放電が行われた後、第１電源４１及び第２電源４３によりそれぞれ充電される。例えば、点火タイミングから所定の待機時間が経過した時点にて第１電源４１及び第２電源４３による充電が開始され、次回の点火タイミングまでに所定電圧（８４０Ｖ、４００Ｖ）の充電が行われる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

プラズマ放電に際し、プラズマ放電回路１３から点火プラグ１１への印加電圧を高電圧側から低電圧側に切り替えるようにしたため、プラズマ放電の開始当初においてプラズマ抜けを抑制できるとともに、プラズマ放電の開始後には、プラズマ放電を継続しつつプラグ電流を小さくすることができる。プラグ電流が小さくなることでプラグ寿命の伸ばすことが可能となる。以上により、プラズマ放電の適正なる実施と、点火プラグ等の保護との両立を図ることができる。

プラズマ放電回路１３における印加電圧の切替を２つのプラズマコンデンサ４２，３４の放電切替により行う構成としたため、プラズマ放電時における印加電圧の切替を容易にかつ適正に実施できる。

先に放電を行う第１プラズマコンデンサ４２は高電圧かつ小容量であり、後に放電を行う第２プラズマコンデンサ４４は低電圧かつ大容量であるとしたため、プラズマ放電の開始当初において短時間の高電圧印加を行わせて確実にプラズマ放電を開始するとともに、それに引き続いて行われる低電圧印加によりプラズマ放電を継続させることができる。このとき、第１プラズマコンデンサ４２による電圧印加時間は比較的短い時間であるため、プラズマ抜けを抑制しつつも、プラグ電流の上昇を抑えることができる。したがって、点火プラグ等の保護において好適である。

２つのプラズマコンデンサ４２，４４にはそれぞれ電源４１，４３が接続され、各電源４１，４３により各プラズマコンデンサ４２，４４が個別に充電されるため、各々の充電電圧を適正に管理できるようになる。また、２つのプラズマコンデンサ４２，４４のうち何れかのみを使ったプラズマ放電を実現することも可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。この実施形態の点火システムでは、従来と同じ１段式のプラズマ放電を実施しつつ、プラズマ放電の適正化を図るものである。システム構成を図５に示す。図５では、上述した図１と同様の構成については同じ部材番号が付されており、プラズマ放電回路１３の構成が相違する。すなわち、プラズマ放電回路１３には、ＤＣ−ＤＣコンバータ等からなる電源５１と、電源５１により充電されるプラズマコンデンサ５２と、プラズマコンデンサ５２から点火プラグ１１への向きを順方向として設けられる高圧ダイオード５３とを備えている。

また、本実施形態の点火システムとしては特に、点火タイミングでの火花放電の発生時において点火プラグ１１に流れる電流（プラグ電流）が０．３Ａ以上である構成としている。また、望ましくはプラグ電流が０．５Ａ以上であるとよい。上限は数Ａ程度（１，２Ａ程度、最大でも点火プラグ１１の負性抵抗の上限である１０Ａ程度）である。既存の点火システムではプラグ保護等の観点から一般にプラグ電流が０．１Ａ以下であることに比べれば、プラグ電流の増大化が図られていることとなる。

図３に示す関係からも分かるように、点火タイミングでの火花放電発生時におけるプラグ電流を大きくすることで、プラズマ放電開始のプラグ電圧（すなわち放電維持電圧）を下げることが可能となる。したがって、プラズマコンデンサ５２を過剰に大きくすることがなくても、プラズマ放電の開始当初においてプラズマ抜けが生じる可能性を大いに低減できる。また、プラズマ放電のために過剰に高い電圧を印加する必要が無いため、プラズマ放電開始後におけるプラグ電流を小さくできる。以上により、プラズマ放電の適正なる実施と、点火プラグ等の保護との両立を図ることができる。

ちなみに、本実施形態では、点火タイミングでの火花放電発生時におけるプラグ電流を「２Ａ」としている。また、プラグ電流を大きくするための構成として、点火コイル１４の一次側、二次側のインダクタンスＬ１，Ｌ２を小さくするとともに、点火用コンデンサ１６の充電電圧を大きくしている。具体的には、一次コイル１４ａのインダクタンスＬ１を２μＨ、二次コイル１４ｂのインダクタンスＬ２を１０ｍＨ、点火用コンデンサ１６の充電電圧を８００Ｖとしている。なお、既存のＣＤＩ点火システムでは、例えば一次コイル１４ａのインダクタンスＬ１が０．５ｍＨ、二次コイル１４ｂのインダクタンスＬ２が５Ｈ、点火用コンデンサ１６の充電電圧が２００Ｖである。また、プラズマコンデンサ５２の充電電圧は、既存のシステムでは１０００Ｖ程度であるのに対し、本実施形態では４００Ｖ程度である。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・第１の実施形態についての変形例として、プラズマ放電時の放電方式を適宜切り替える構成が可能である。すなわち、
（１）２つのプラズマコンデンサ４２，４４の両方による電圧印加を実施する放電方式、
（２）第１プラズマコンデンサ４２による電圧印加のみを実施する放電方式、
のいずれかを選択的に実施する構成が可能である。

又は、
（１’）２つのプラズマコンデンサ４２，４４の両方による電圧印加を実施する放電方式、
（２’）第１プラズマコンデンサ４２による電圧印加のみを実施する放電方式、
（３’）２つのプラズマコンデンサ４２，４４による電圧印加をいずれも実施しない放電方式、
のいずれかを選択的に実施する構成が可能である。

上記の（１）（２）を切り替える場合、（１’）〜（３’）を切り替える場合のいずれについても、燃焼圧（筒内圧力）などエンジン運転状態に応じて放電方式の切替を実施するとよい。（１’）〜（３’）を切り替える場合についての切替マップを図６に示す。図６では、燃焼圧に相応するパラメータとしてエンジン回転速度とエンジン負荷（吸入空気量や吸気管圧力等）とを用い、そのパラメータに応じて３つの領域が定められている。図中「ノーマル＋２段プラズマ」は上記（１’）に相当し、「ノーマル＋１段プラズマ」は上記（２’）に相当し、「ノーマルのみ」は上記（３’）に相当する。

上記のように放電方式を切り替える構成によれば以下の効果が得られる。すなわち、上記の各放電方式ではプラズマ放電時に消費されるエネルギ量が相違するため、それら各放電方式を使い分けることで適正なるエネルギ管理を実現できる。また、プラズマ放電に際してプラグ電流が必要以上に流れることを抑制でき、一層適正に点火プラグの保護を図ることができる。

・上記第１の実施形態では、プラズマ放電回路１３において電源印加手段として２つのプラズマコンデンサ４２，４４を用いたが、これを変更する。電圧印加手段として、コンデンサ以外の給電手段を用いることも可能である。要は、プラズマ放電の開始後に印加電圧を高電圧側から低電圧側に切り替えることが可能であればよい。

・上記第１の実施形態では、プラズマ放電回路１３において各電源４１，４３をＤＣ−ＤＣコンバータにより構成したが、これを変更し、高電圧バッテリなどの高電圧電源により構成してもよい。なおこの場合、プラズマ放電時において高電圧バッテリから点火プラグ１１に電圧が直接印加されないよう、電流制限手段として抵抗やダイオード等を給電経路に設けるとよい。

・上記各実施形態では、点火一次側の点火制御部１５としてＣＤＩ方式を採用したが、これを変更し、点火制御部１５として誘導点火方式を採用してもよい。誘導点火方式の場合、点火コイル１４の一次コイルに直列にスイッチング素子が設けられ、点火信号ＩＧｔに基づいてスイッチング素子がオン／オフされて一次コイルの通電及び通電遮断が行われる。この際、点火タイミングでの一次コイルの通電遮断に伴い二次コイルに高電圧が誘起されて点火プラグ１１の対向電極間に火花放電が生じる。

第１の実施形態における点火システムの概略を示す構成図。 第１，第２の各プラズマコンデンサの電圧印加に伴い発生するプラズマ電流の違いを説明するためのタイムチャート。 プラグ電流とプラグ電圧との関係を示す図。 プラズマ放電の動作を説明するためのタイムチャート。 第２の実施形態における点火システムの概略を示す構成図。 他の実施形態において放電方式の切替マップを示す図。 従来のプラズマ点火システムにおける点火コイル二次側の構成を示す回路図。

符号の説明

１１…点火プラグ、１３…プラズマ放電回路、１４…点火コイル、１４ａ…一次コイル、１４ｂ…二次コイル、３０…ＥＣＵ、４１…第１電源（充電手段）、４２…第２電源（充電手段）、４３…第１プラズマコンデンサ（第１コンデンサ）、４４…第２プラズマコンデンサ（第２コンデンサ）。

Claims (8)

1. 一次コイル及び二次コイルを有する点火コイルと、前記点火コイルの二次コイルに接続されるプラズマ放電式の点火プラグと、前記点火プラグに通じる電気経路に設けられるプラズマ電源装置とを備え、点火タイミングにて前記点火コイルにより前記点火プラグの対向電極間に火花放電を生じさせるとともに、該火花放電をトリガとして前記プラズマ電源装置からの電圧印加により前記点火プラグにてプラズマ放電を生じさせる内燃機関の点火システムであって、
   前記プラズマ電源装置は、前記火花放電をトリガとするプラズマ放電の開始後に印加電圧を高電圧側から低電圧側に切り替えるものであることを特徴とする内燃機関の点火システム。
2. 前記プラズマ電源装置は、
   前記火花放電からプラズマ放電への放電維持のために要する放電維持電圧又はそれよりも高い電圧を、火花放電をトリガとして前記点火プラグに印加する第１電圧印加手段と、
   前記第１電圧印加手段による電圧印加に引き続き同電圧印加手段よりも低い電圧を前記点火プラグに印加する第２電圧印加手段と、
   を備える請求項１に記載の内燃機関の点火システム。
3. 前記第１電圧印加手段による電圧印加時間は、前記第２電圧印加手段による電圧印加時間に比して短時間である請求項２に記載の内燃機関の点火システム。
4. 前記第１電圧印加手段は比較的高電圧かつ小容量の第１コンデンサを有してなり、
   前記第２電圧印加手段は比較的低電圧かつ大容量の第２コンデンサを有してなる請求項２又は３に記載の内燃機関の点火システム。
5. 前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサにはそれぞれ充電手段が接続され、各充電手段により第１，第２の各コンデンサが個別に充電される請求項４に記載の内燃機関の点火システム。
6. 前記第１電圧印加手段及び前記第２電圧印加手段の両方による電圧印加を実施する放電方式と、それらのうち前記第１電圧印加手段による電圧印加のみを実施する放電方式とのいずれかが選択可能になっている請求項２乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関の点火システム。
7. 前記第１電圧印加手段及び前記第２電圧印加手段の両方による電圧印加を実施する放電方式と、それらのうち前記第１電圧印加手段による電圧印加のみを実施する放電方式とを、内燃機関の運転状態に基づいて選択する選択手段を備える請求項２乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関の点火システム。
8. 一次コイル及び二次コイルを有する点火コイルと、前記点火コイルの二次コイルに接続されるプラズマ放電式の点火プラグと、前記点火プラグに通じる電気経路に設けられるプラズマ電源装置とを備え、点火タイミングにて前記点火コイルにより前記点火プラグの対向電極間に火花放電を生じさせるとともに、該火花放電をトリガとして前記プラズマ電源装置からの電圧印加により前記点火プラグにてプラズマ放電を生じさせる内燃機関の点火システムであって、
   前記火花放電の発生時に前記点火プラグに流れる電流が０．３Ａ以上である構成としたことを特徴とする内燃機関の点火システム。

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