JP2011032879A - プラズマジェット点火装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】点火タイミングと大きく異なるタイミングで、プラズマ点火プラグの放電部での誤放電を防止し、エンジンの回転不良を防止する。また、点火回路における電力損失を低減する。
【解決手段】高電圧パルス回路2と、放電部1aにエネルギを供給するエネルギ蓄積コンデンサ6を設けた大電流パルス回路3を備え、大電流パルス回路3のスイッチ7のONから高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のOFFまでの期間を所定の時間と定め、制御回路4からのスイッチ7ON信号により、大電流パルス回路3内の共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6とのLC共振によって生じる直流電源5より大きい電圧値でエネルギ蓄積コンデンサ6の充電を行い、スイッチ素子13のOFFにより放電部1aでの放電開始、エネルギ蓄積コンデンサ6からのエネルギ供給が行われる。
【選択図】図1
【解決手段】高電圧パルス回路2と、放電部1aにエネルギを供給するエネルギ蓄積コンデンサ6を設けた大電流パルス回路3を備え、大電流パルス回路3のスイッチ7のONから高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のOFFまでの期間を所定の時間と定め、制御回路4からのスイッチ7ON信号により、大電流パルス回路3内の共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6とのLC共振によって生じる直流電源5より大きい電圧値でエネルギ蓄積コンデンサ6の充電を行い、スイッチ素子13のOFFにより放電部1aでの放電開始、エネルギ蓄積コンデンサ6からのエネルギ供給が行われる。
【選択図】図1
Description
この発明は内燃機関内にプラズマジェットを噴出することにより点火を行うプラズマジェット点火装置に関する。
近年、内燃機関の点火装置の一種で、プラズマジェット点火装置と呼ばれるものが提案されている。これは、点火プラグにおける放電で発生したプラズマをエンジン筒内にジェット状に噴射することにより、希薄燃焼エンジンなど難着火性エンジンでの確実な着火を行うものである。このプラズマジェット点火装置においては、プラズマ点火プラグに高電圧を印加し放電を開始した直後に大電流を流すことによりプラズマを噴出するエネルギを与える必要がある。
そこで例えば特許文献1においては、放電開始のための高電圧を発生する従来の点火システムと、低電圧大電流を供給するコンデンサを用いた回路などにより構成され、コンデンサには電源から抵抗を介して充電を行っている。
そこで例えば特許文献1においては、放電開始のための高電圧を発生する従来の点火システムと、低電圧大電流を供給するコンデンサを用いた回路などにより構成され、コンデンサには電源から抵抗を介して充電を行っている。
しかし、このような特許文献1に示されたプラズマジェット点火装置においては、プラズマ噴射が完了すると、ただちに噴射エネルギ蓄積用のコンデンサへの充電が開始され、コンデンサの電圧は点火タイミングに関わりなく点火プラグに印加されている。コンデンサの電圧は500〜1kV程度であり、放電開始用の高電圧パルス(20kV以上)と比較して低い。ところが、この点火プラグの放電開始電圧は、電極の温度や、エンジン筒内の圧力など諸条件によって変化し、高電圧パルスを印加しなくても、コンデンサに蓄積された500〜1kVの電圧のみで放電を開始してしまう場合がある。このような従来のプラズマジェット点火装置のように、常時コンデンサに電圧が印加されていると、本来の点火タイミングと異なるタイミングで点火動作が行われ、つまり不安定な点火動作によりエンジンの回転不良を引き起こす恐れがある。
また、抵抗を介して大電流を供給するコンデンサに充電を行うため、抵抗での電力損失が大きくなるという問題がある。さらに、コンデンサに充電する電源は、500V〜1kV程度の高い出力電圧が必要であり、大型化・高コスト化するという問題がある。
また、抵抗を介して大電流を供給するコンデンサに充電を行うため、抵抗での電力損失が大きくなるという問題がある。さらに、コンデンサに充電する電源は、500V〜1kV程度の高い出力電圧が必要であり、大型化・高コスト化するという問題がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、点火動作が安定であり、かつ低損失、小型で低コストなプラズマジェット点火装置を得ることを目的としている。
この発明に係るプラズマジェット点火装置は、内燃機関内に設置されたプラズマ点火プラグの放電部で放電を行うための高電圧パルスを発生する高電圧パルス回路と、放電部にプラズマ噴射エネルギを供給する大電流パルス回路と、高電圧パルス回路および大電流パルス回路を制御する制御回路とを備え、大電流パルス回路には、直流電源に直列接続されたエネルギ蓄積コンデンサ、共振コイルおよびスイッチが設けられており、該大電流パルス回路は、制御回路からの指令信号によってスイッチがONされることにより、エネルギ蓄積コンデンサと共振コイルとでLC共振を発生させ、直流電源の出力電圧値よりも絶対値が大きな電圧値となるようエネルギ蓄積コンデンサに充電を行い、高電圧パルス回路で高電圧パルスが発生して、プラズマ点火プラグの放電部で放電が開始されると、エネルギ蓄積コンデンサから放電部にプラズマ噴射エネルギを供給開始するものである。
この発明は、上記のような構成を採用しているので、所定時間内にLC共振によってエネルギ蓄積コンデンサを急速に充電するとともに、放電を行うためプラズマ点火プラグの放電部において、点火タイミングと異なるタイミングでの誤放電を防止し、エンジンの動作を安定させることができる。また、充電に伴う電力損失を低減することができ、エネルギ消費量の削減が可能となる。さらに、直流電圧源の電圧を下げることができ、小型、低コストで装置を実現することができるという効果がある。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。
図1は、実施の形態1によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
プラズマジェット点火装置100は、プラズマ点火プラグ1と、点火プラグ1の放電空間に放電を発生させるための20〜40kVの高電圧を発生する高電圧パルス回路2と、放電開始によりインピーダンスの低下した放電空間に電気エネルギを与えてプラズマを噴出するための、50〜100A程度の大電流パルスを発生する大電流パルス回路3、および制御回路4によって構成される。高電圧パルス回路2と大電流パルス回路3は、プラズマ点火プラグ1に対し、互いに並列に接続される。
高電圧パルス回路2には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチ素子13をオンすることにより点火コイル14の一次側に電流を流し、エネルギを蓄積した後、スイッチ素子13をオフすることにより点火コイル14の二次側に高電圧パルスを発生する、いわゆるフルトランジスタ方式を用いているが、これに限らずコンデンサに蓄積した電荷を点火コイルによって昇圧する、いわゆるCDI(Capacitor Discharge Ignition)方式を用いても良い。
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。
図1は、実施の形態1によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
プラズマジェット点火装置100は、プラズマ点火プラグ1と、点火プラグ1の放電空間に放電を発生させるための20〜40kVの高電圧を発生する高電圧パルス回路2と、放電開始によりインピーダンスの低下した放電空間に電気エネルギを与えてプラズマを噴出するための、50〜100A程度の大電流パルスを発生する大電流パルス回路3、および制御回路4によって構成される。高電圧パルス回路2と大電流パルス回路3は、プラズマ点火プラグ1に対し、互いに並列に接続される。
高電圧パルス回路2には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチ素子13をオンすることにより点火コイル14の一次側に電流を流し、エネルギを蓄積した後、スイッチ素子13をオフすることにより点火コイル14の二次側に高電圧パルスを発生する、いわゆるフルトランジスタ方式を用いているが、これに限らずコンデンサに蓄積した電荷を点火コイルによって昇圧する、いわゆるCDI(Capacitor Discharge Ignition)方式を用いても良い。
大電流パルス回路3は、バッテリ16の電圧を−300V〜−500Vの範囲の一定電圧Vdcに昇圧することにより、直流電源を構成するDC/DCコンバータ5、プラズマ噴射用のエネルギを蓄積するエネルギ蓄積コンデンサ6、DC/DCコンバータ5とエネルギ蓄積コンデンサ6との間に接続され、エネルギ蓄積コンデンサ6への充電を制御する逆電流阻止型のスイッチ7および共振コイル8、波形整形用のコイル9、および高電圧パルス回路2により発生する高電圧パルスが大電流パルス回路3の内部に印加されるのを防止するための高電圧阻止用ダイオード10により構成される。
エネルギ蓄積コンデンサ6の静電容量は、0.1μF〜10μF程度の範囲、例えば1μFであり、これを例えば絶対値800Vの電圧まで充電すれば、エネルギ蓄積コンデンサ6の蓄積エネルギEは、
E=CV2/2=320mJ
となり、この蓄積エネルギをプラズマの噴射エネルギとして用いることが可能となる。
エネルギ蓄積コンデンサ6の静電容量は、0.1μF〜10μF程度の範囲、例えば1μFであり、これを例えば絶対値800Vの電圧まで充電すれば、エネルギ蓄積コンデンサ6の蓄積エネルギEは、
E=CV2/2=320mJ
となり、この蓄積エネルギをプラズマの噴射エネルギとして用いることが可能となる。
逆電流阻止型のスイッチ7は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やIGBTなどのスイッチ素子7aとダイオード7bとの直列回路、およびスイッチ素子7aのゲートを駆動するゲート駆動増幅器7cによって構成されている。図1の大電流パルス回路3においては、さらにエネルギ蓄積コンデンサ6に並列に逆電圧印加防止用ダイオード11、残留電荷放電用抵抗12を接続している。
制御回路4は、図示省略したエンジン制御ユニット(ECU)からの制御信号に従い、大電流パルス回路のスイッチ7やDC/DCコンバータ5、高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のオンオフを制御する。
制御回路4は、図示省略したエンジン制御ユニット(ECU)からの制御信号に従い、大電流パルス回路のスイッチ7やDC/DCコンバータ5、高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のオンオフを制御する。
次に動作について説明する。
図2は、この実施の形態1におけるプラズマジェット点火装置100の動作シーケンスを説明するタイミング図である。点火タイミング信号S0はECUから入力される。S0の立ち上がりが点火準備指示を、S0の立ち下がりが点火タイミングを示している。高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のオンオフ信号G0は、信号の立ち下がりのタイミングにて高電圧パルスを発生する。スイッチ7のオンオフを制御する信号G1は、ここでは、信号のH(ハイ)状態をオン指令状態、L(ロー)状態をオフ指令状態とする。図1に示した経路によるDC/DCコンバータ5からエネルギ蓄積コンデンサ6への充電電流をIcで示している。エネルギ蓄積コンデンサ6の電圧をVc、プラズマ点火プラグ1に流れる電流をIpj、プラズマ点火プラグ1に印加される電圧をVpjで示す。
図2は、この実施の形態1におけるプラズマジェット点火装置100の動作シーケンスを説明するタイミング図である。点火タイミング信号S0はECUから入力される。S0の立ち上がりが点火準備指示を、S0の立ち下がりが点火タイミングを示している。高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のオンオフ信号G0は、信号の立ち下がりのタイミングにて高電圧パルスを発生する。スイッチ7のオンオフを制御する信号G1は、ここでは、信号のH(ハイ)状態をオン指令状態、L(ロー)状態をオフ指令状態とする。図1に示した経路によるDC/DCコンバータ5からエネルギ蓄積コンデンサ6への充電電流をIcで示している。エネルギ蓄積コンデンサ6の電圧をVc、プラズマ点火プラグ1に流れる電流をIpj、プラズマ点火プラグ1に印加される電圧をVpjで示す。
まず、時刻t1にてECUからの点火タイミング信号S0がハイ(点火準備指示)の状態となると、高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のオンオフ信号G0が立ち上がり、点火コイル14へのエネルギ蓄積が始まる。時刻t2にてスイッチ7のオンオフ制御信号G1が立ち上がる。G0とG1の立ち上がりタイミングの順序は逆でも良く、点火コイル14へのエネルギ蓄積動作と、以下に説明するエネルギ蓄積コンデンサ6への充電動作のそれぞれが点火までに終了するようなタイミングであれば良い。
スイッチ7のオンオフ制御信号G1が立ち上がり、スイッチ7がオンすると、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6とのLC共振により、エネルギ蓄積コンデンサ6に正弦波状の電流Icが流れ、エネルギ蓄積コンデンサ6と共振コイル8の容量によって定まる共振周期の1/2の時間経過後、時刻t3において、エネルギ蓄積コンデンサ6の電圧Vcは、DC/DCコンバータ5の出力電圧よりも絶対値が大きい電圧、理想的にはDC/DCコンバータ5の出力電圧Vdc(−300V〜−500V)の2倍の電圧(−600V〜−1000V)まで立ち上がる。実際にはVcの到達電圧は充電電流経路の抵抗成分に依存して決まるLC共振のQによって異なり、DC/DCコンバータ5の出力電圧Vdcの2倍より絶対値がやや低い電圧Vcmaxとなる。時刻t3を経過後、LC共振の特性により充電電流は反転しようとするが、スイッチ7の逆電流阻止機能により、反転電流は阻止され、VcはVcmaxに維持される。閉じた状態であるスイッチ7は、続く時刻t4と同時あるいは、t3からt4までの間に開けばよく、オフタイミングの厳密な制御は不要である。
スイッチ7のオンオフ制御信号G1が立ち上がり、スイッチ7がオンすると、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6とのLC共振により、エネルギ蓄積コンデンサ6に正弦波状の電流Icが流れ、エネルギ蓄積コンデンサ6と共振コイル8の容量によって定まる共振周期の1/2の時間経過後、時刻t3において、エネルギ蓄積コンデンサ6の電圧Vcは、DC/DCコンバータ5の出力電圧よりも絶対値が大きい電圧、理想的にはDC/DCコンバータ5の出力電圧Vdc(−300V〜−500V)の2倍の電圧(−600V〜−1000V)まで立ち上がる。実際にはVcの到達電圧は充電電流経路の抵抗成分に依存して決まるLC共振のQによって異なり、DC/DCコンバータ5の出力電圧Vdcの2倍より絶対値がやや低い電圧Vcmaxとなる。時刻t3を経過後、LC共振の特性により充電電流は反転しようとするが、スイッチ7の逆電流阻止機能により、反転電流は阻止され、VcはVcmaxに維持される。閉じた状態であるスイッチ7は、続く時刻t4と同時あるいは、t3からt4までの間に開けばよく、オフタイミングの厳密な制御は不要である。
時刻t4にECUから入力される点火タイミング信号S0が立ち下がると、高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のオンオフ信号G0が立ち下がり、高電圧パルス回路2からプラズマ点火プラグ1に高電圧パルスが印加され、プラズマ点火プラグ1の電極間(放電部1a)で放電が開始する。一旦放電が開始すると、電極間の電圧Vpjは急速に低下し、エネルギ蓄積コンデンサ6からプラズマ点火プラグ1に流れる電流Ipjは大電流パルスとなり、プラズマを加熱し噴射するエネルギを与える。このとき、波形整形コイル9により、大電流パルスのパルス幅とピーク電流が調整できる。以上のような動作が、内燃機関の点火周期毎に繰り返される。
ここで上記スイッチ7の立ち上がり時刻t2からスイッチ素子13の立ち下がり時刻t4までを所定の時間として制御回路に設定されている。
ここで上記スイッチ7の立ち上がり時刻t2からスイッチ素子13の立ち下がり時刻t4までを所定の時間として制御回路に設定されている。
前述した特許文献1に示された技術では、常時コンデンサに電圧が印加されていることにより、点火プラグに高電圧が印加されなくても、電極の状態やエンジン筒内の圧力などの条件によって放電を開始する恐れがあるが、この実施の形態1の構成では、点火タイミングの直前に、LC共振周期の1/2の時間で充電するので、点火タイミングと異なるタイミングでの誤放電を防止することができる。点火タイミングのずれの許容値は、点火時のエンジンのクランク角のずれ許容値とエンジンの回転数に依存するが、概ね50μs程度である。このようなずれの許容値は、一般的にエンジンシステムから点火装置への要求仕様として定められている。
そこで、LC共振による充電動作を開始するタイミング(図2におけるt2)から点火のタイミング(図2におけるt4)までの前記所定の時間を、上記点火タイミングのずれの許容値(例えば50μs)以下とし、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6とのLC共振の半周期もそれよりも短い時間、つまり所定時間>半周期時間とすれば、エネルギ蓄積コンデンサ6に蓄積された電圧のみで誤って放電を開始してしまっても、エンジンの動作への悪影響を回避することができる。
LC共振の周期Trは、Tr=2×π×√(LC)であるのでエネルギ蓄積コンデンサ6の値と、目標とする充電時間が決まれば、共振コイル8のインダクタンスを定めることができる。例えば、エネルギ蓄積コンデンサ6の静電容量C=1μF、共振コイル8のインダクタンスL=250μHとすれば、Tr≒100μs、Tr/2≒50μsであるので、インダクタンスの値を250μH以下とすれば、充電時間を上記点火タイミングのずれの許容値50μs以下とすることが可能である。インダクタンスをより小さくすれば、より短時間で充電することが可能となるが、充電時のピーク電流が大きくなり、スイッチ7に要求される電流スペックが大きくなるので、これらを鑑み、共振コイル8のインダクタンスは、エネルギ蓄積コンデンサ6の容量1μFに対し、10μH〜250μH程度の範囲で定めるのが望ましい。
なお、エネルギ蓄積コンデンサ6の容量と、共振コイル8のインダクタンス値は、上記の範囲の値に限定されるものでなく、プラズマジェット点火装置100の容量や点火タイミングのずれの許容値に対応した値によって設定されるものである。
また、定電圧源から抵抗を介してコンデンサを充電する回路方式では、コンデンサの充電エネルギと等量のエネルギ損失が抵抗で発生し、充電効率を50%以上に上げることが原理的にできないのに対し、この実施の形態1によればLC共振を用いてエネルギ蓄積コンデンサ6の充電を行うので、理想的には充電時のエネルギ損失は無く、スイッチ7や共振コイル8などの抵抗成分を考慮しても、容易に充電効率を90%以上に高めることが可能である。
LC共振の周期Trは、Tr=2×π×√(LC)であるのでエネルギ蓄積コンデンサ6の値と、目標とする充電時間が決まれば、共振コイル8のインダクタンスを定めることができる。例えば、エネルギ蓄積コンデンサ6の静電容量C=1μF、共振コイル8のインダクタンスL=250μHとすれば、Tr≒100μs、Tr/2≒50μsであるので、インダクタンスの値を250μH以下とすれば、充電時間を上記点火タイミングのずれの許容値50μs以下とすることが可能である。インダクタンスをより小さくすれば、より短時間で充電することが可能となるが、充電時のピーク電流が大きくなり、スイッチ7に要求される電流スペックが大きくなるので、これらを鑑み、共振コイル8のインダクタンスは、エネルギ蓄積コンデンサ6の容量1μFに対し、10μH〜250μH程度の範囲で定めるのが望ましい。
なお、エネルギ蓄積コンデンサ6の容量と、共振コイル8のインダクタンス値は、上記の範囲の値に限定されるものでなく、プラズマジェット点火装置100の容量や点火タイミングのずれの許容値に対応した値によって設定されるものである。
また、定電圧源から抵抗を介してコンデンサを充電する回路方式では、コンデンサの充電エネルギと等量のエネルギ損失が抵抗で発生し、充電効率を50%以上に上げることが原理的にできないのに対し、この実施の形態1によればLC共振を用いてエネルギ蓄積コンデンサ6の充電を行うので、理想的には充電時のエネルギ損失は無く、スイッチ7や共振コイル8などの抵抗成分を考慮しても、容易に充電効率を90%以上に高めることが可能である。
また、この実施の形態1によれば充電時のエネルギ蓄積コンデンサ6の到達電圧Vcmaxは、DC/DCコンバータ5の出力電圧Vdcの約2倍となるので、DC/DCコンバータ5の出力電圧の大きさを、従来のおよそ1/2に下げることができ、用いる部品の耐電圧を下げることができるので、DC/DCコンバータ5を小型かつ低コストで実現することが可能となる。
なお、図1において、逆電圧印加防止用ダイオード11は、波形整形コイル9とエネルギ蓄積コンデンサ6とのLC共振により、エネルギ蓄積コンデンサ6に逆電圧が蓄積されるのを防止する働きを有する。また、残留電荷放電用抵抗12は、エネルギ蓄積コンデンサ6に電荷が残留した場合に、これを緩やかに放電してエネルギ蓄積コンデンサ6の電圧をゼロに戻し、2回目以降のサイクルにおいても最初のサイクルと同じ動作が行われるようにする働きがある。残留電荷放電用抵抗12とエネルギ蓄積コンデンサ6によって定まる時定数は、点火動作の周期より短く、エネルギ蓄積コンデンサ6を充電しはじめてから点火を行う時間(図2におけるt2からt4までの時間)よりも長く設定すればよい。点火動作後エネルギ蓄積コンデンサ6の電圧が0付近になるようであれば、逆電圧印加防止用ダイオード11や残留電荷放電用抵抗12は、省略することも可能である。
なお、図1において、逆電圧印加防止用ダイオード11は、波形整形コイル9とエネルギ蓄積コンデンサ6とのLC共振により、エネルギ蓄積コンデンサ6に逆電圧が蓄積されるのを防止する働きを有する。また、残留電荷放電用抵抗12は、エネルギ蓄積コンデンサ6に電荷が残留した場合に、これを緩やかに放電してエネルギ蓄積コンデンサ6の電圧をゼロに戻し、2回目以降のサイクルにおいても最初のサイクルと同じ動作が行われるようにする働きがある。残留電荷放電用抵抗12とエネルギ蓄積コンデンサ6によって定まる時定数は、点火動作の周期より短く、エネルギ蓄積コンデンサ6を充電しはじめてから点火を行う時間(図2におけるt2からt4までの時間)よりも長く設定すればよい。点火動作後エネルギ蓄積コンデンサ6の電圧が0付近になるようであれば、逆電圧印加防止用ダイオード11や残留電荷放電用抵抗12は、省略することも可能である。
また、図1においては、スイッチ7をエネルギ蓄積コンデンサ6のGND(グラウンド)側に接続し、共振コイル8を、ホット側(エネルギ蓄積コンデンサ6のGNDとは反対側)に接続したが、これは図3に示すように、スイッチ7、共振コイル8ともにホット側に接続しても、あるいは図4に示すようにスイッチ7、共振コイル8ともにGND側に接続しても良い。すなわち、DC/DCコンバータ5の出力端と、エネルギ蓄積コンデンサ6と、スイッチ7と、共振コイル8が互いに直列に接続されれば、どの様な回路構成であっても良い。
図1あるいは図4に示すように、スイッチ7として用いているMOSFETのソースあるいはIGBTのエミッタをGNDレベルとすると、スイッチ7のゲート駆動信号を、GNDレベルを基準とした信号とすることができるので、ゲート駆動信号を生成する回路が容易であるという利点がある。
一方、図3のようにスイッチ7、共振コイル8ともにホット側に接続すると、DC/DCコンバータの出力の一端をGND電位とすることができるので、DC/DCコンバータ5に用いるトランスの絶縁耐圧を下げたり、非絶縁型のDC/DCコンバータを用いたりすることが可能となる。
以上のように、図1、3、4に示す回路には、それぞれ利点があるので、状況に応じて選択すればよい。
図1あるいは図4に示すように、スイッチ7として用いているMOSFETのソースあるいはIGBTのエミッタをGNDレベルとすると、スイッチ7のゲート駆動信号を、GNDレベルを基準とした信号とすることができるので、ゲート駆動信号を生成する回路が容易であるという利点がある。
一方、図3のようにスイッチ7、共振コイル8ともにホット側に接続すると、DC/DCコンバータの出力の一端をGND電位とすることができるので、DC/DCコンバータ5に用いるトランスの絶縁耐圧を下げたり、非絶縁型のDC/DCコンバータを用いたりすることが可能となる。
以上のように、図1、3、4に示す回路には、それぞれ利点があるので、状況に応じて選択すればよい。
なお、本実施の形態1においては、ECUから与えられる高電圧パルス回路2への点火準備指示信号を用い、点火準備指示タイミングより所定時間後にスイッチ7をオンすることとしたが、ECUから別途スイッチ7をオンするタイミング信号を与えても良い。すなわち、点火タイミングよりも所定時間前にスイッチ7をオンし、エネルギ蓄積コンデンサ6への充電を行うように制御すれば良い。
このようにこの実施の形態1によるプラズマジェット点火装置100は、上記構成でLC共振によるエネルギ蓄積コンデンサ6への充電動作を開始するタイミングからプラズマ点火プラグ1の点火タイミングまでの時間、すなわち大電流パルス回路3のスイッチ7のONから高電圧パルス回路2のスイッチ素子13のOFFまでの時間を所定の時間とし、この所定の時間をエンジンの点火タイミングのずれの許容値以下としているので、誤放電を防止可能となり、エンジンの動作を安定させることができ、かつ電力損失を低減し、小型、低コストの装置を提供することができる。
実施の形態2.
次に実施の形態2について説明する。
プラズマ点火プラグ1からプラズマジェットを噴出するにあたり、必要な噴出エネルギは、エンジンの回転数や混合気の空燃比など、エンジンの点火のしやすさに依存しており、常に大きなエネルギでプラズマジェットを噴出する必要は無い。プラズマの噴出エネルギはエネルギ蓄積コンデンサ6の充電エネルギに依存する。実施の形態1においては、エネルギ蓄積コンデンサ6をDC/DCコンバータ5の約2倍の電圧にまで充電したので、エネルギはほぼ一定であった。
この実施の形態2においては、充電電圧を変更可能としたものである。図5は実施の形態2によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
前記実施の形態1における図1との違いは、バイパス用ダイオード15が追加された点である。このバイパス用ダイオード15は、DC/DCコンバータ5の出力端とスイッチ7との直列回路と並列に挿入される。別の観点からみれば、このバイパス用ダイオード15は、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6とバイパス用ダイオード15の直列回路によって閉ループを形成するように挿入されており、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6における半周期間の共振電流を、DC/DCコンバータ5とスイッチ7の直列回路をバイパスして流すような位置および極性で挿入されている。
また、ECUから制御回路4に入力される信号S1が追加されている。信号S1はプラズマジェットに与えるエネルギの目標値を示すデータ信号であり、アナログ信号、パラレルロジック信号、またはシリアルロジック信号にて受け取ることが可能である。
次に実施の形態2について説明する。
プラズマ点火プラグ1からプラズマジェットを噴出するにあたり、必要な噴出エネルギは、エンジンの回転数や混合気の空燃比など、エンジンの点火のしやすさに依存しており、常に大きなエネルギでプラズマジェットを噴出する必要は無い。プラズマの噴出エネルギはエネルギ蓄積コンデンサ6の充電エネルギに依存する。実施の形態1においては、エネルギ蓄積コンデンサ6をDC/DCコンバータ5の約2倍の電圧にまで充電したので、エネルギはほぼ一定であった。
この実施の形態2においては、充電電圧を変更可能としたものである。図5は実施の形態2によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
前記実施の形態1における図1との違いは、バイパス用ダイオード15が追加された点である。このバイパス用ダイオード15は、DC/DCコンバータ5の出力端とスイッチ7との直列回路と並列に挿入される。別の観点からみれば、このバイパス用ダイオード15は、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6とバイパス用ダイオード15の直列回路によって閉ループを形成するように挿入されており、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6における半周期間の共振電流を、DC/DCコンバータ5とスイッチ7の直列回路をバイパスして流すような位置および極性で挿入されている。
また、ECUから制御回路4に入力される信号S1が追加されている。信号S1はプラズマジェットに与えるエネルギの目標値を示すデータ信号であり、アナログ信号、パラレルロジック信号、またはシリアルロジック信号にて受け取ることが可能である。
図6は実施の形態2におけるプラズマジェット点火装置100の動作シーケンスを説明するタイミング図である。
t1からt2までの動作、およびt4以降の動作は、実施の形態1の図2によって説明した動作と同じであり、異なる点は、実施の形態1に示した時刻t3より早い時刻t21にて、信号G1を立ち下げ、スイッチ7をオフする点である。すると、電流Icは図7(a)に示す経路から、図7(b)に示す経路に切り替わり、共振コイル8に蓄積されたエネルギがエネルギ蓄積コンデンサ6に速やかに放出されて、図6に示す時刻t22にて充電動作が終了する。この間、時刻t21から時刻t22までの間は、DC/DCコンバータ5のエネルギは、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6による共振回路に対して放出されないので、エネルギ蓄積コンデンサ6の充電電圧(の絶対値)は実施の形態1に比べ低く、エネルギ蓄積コンデンサ6に蓄積されるエネルギは小さくなる。
時刻t2から時刻t21までの期間、すなわちスイッチ7をオンする期間が短いほど、エネルギ蓄積コンデンサ6に蓄えられるエネルギは小さくなる。このように、スイッチ7をオンする期間を制御することによって、エネルギ蓄積コンデンサ6に蓄えられるエネルギを調節することが可能である。
t1からt2までの動作、およびt4以降の動作は、実施の形態1の図2によって説明した動作と同じであり、異なる点は、実施の形態1に示した時刻t3より早い時刻t21にて、信号G1を立ち下げ、スイッチ7をオフする点である。すると、電流Icは図7(a)に示す経路から、図7(b)に示す経路に切り替わり、共振コイル8に蓄積されたエネルギがエネルギ蓄積コンデンサ6に速やかに放出されて、図6に示す時刻t22にて充電動作が終了する。この間、時刻t21から時刻t22までの間は、DC/DCコンバータ5のエネルギは、共振コイル8とエネルギ蓄積コンデンサ6による共振回路に対して放出されないので、エネルギ蓄積コンデンサ6の充電電圧(の絶対値)は実施の形態1に比べ低く、エネルギ蓄積コンデンサ6に蓄積されるエネルギは小さくなる。
時刻t2から時刻t21までの期間、すなわちスイッチ7をオンする期間が短いほど、エネルギ蓄積コンデンサ6に蓄えられるエネルギは小さくなる。このように、スイッチ7をオンする期間を制御することによって、エネルギ蓄積コンデンサ6に蓄えられるエネルギを調節することが可能である。
このようにこの実施の形態2では、ECU(エンジンコントロールユニット)から受け取る噴射エネルギの目標値を示す信号S1に従い、制御回路4にて、演算やLUT(ルックアップテーブル)などによって、スイッチ7をオンする期間を導出し、それに従いスイッチ7のオフ信号G1を出力することにより、点火装置100の外部からプラズマ噴出エネルギを調整することが可能となり、エンジンの状態に応じたプラズマ噴出エネルギを与えることができる。
以上のように、実施の形態2によれば、ECUからの噴射エネルギの目標値信号に従い、エネルギ蓄積コンデンサ6の充電エネルギを制御し、プラズマ噴出エネルギを調整することが可能であるので、エンジンの状態に応じたプラズマ噴出エネルギを与えることが可能となり、不必要に大きなエネルギをプラズマ点火プラグ1に与えないので、省エネルギのプラズマジェット点火装置100を提供することができ、かつ、プラズマ噴射による点火プラグの磨耗、劣化を抑制することが可能となるという効果がある。
以上のように、実施の形態2によれば、ECUからの噴射エネルギの目標値信号に従い、エネルギ蓄積コンデンサ6の充電エネルギを制御し、プラズマ噴出エネルギを調整することが可能であるので、エンジンの状態に応じたプラズマ噴出エネルギを与えることが可能となり、不必要に大きなエネルギをプラズマ点火プラグ1に与えないので、省エネルギのプラズマジェット点火装置100を提供することができ、かつ、プラズマ噴射による点火プラグの磨耗、劣化を抑制することが可能となるという効果がある。
なお、前記実施の形態1と2とは制御回路4がそれぞれの実施の形態毎に別個の制御する例を示したが、実施の形態2の構成を備え、実施の形態1及び実施の形態2の制御方式を併せて備える装置であっても良い。
1 プラズマ点火プラグ、1a 放電部、2 高電圧パルス回路、
3 大電流パルス回路、4 制御回路、5 DC/DCコンバータ、
6 エネルギ蓄積コンデンサ、7 スイッチ、8 共振コイル、13 スイッチ素子、
15 バイパス用ダイオード、100 プラズマジェット点火装置。
3 大電流パルス回路、4 制御回路、5 DC/DCコンバータ、
6 エネルギ蓄積コンデンサ、7 スイッチ、8 共振コイル、13 スイッチ素子、
15 バイパス用ダイオード、100 プラズマジェット点火装置。
Claims (9)
- 内燃機関内に設置されたプラズマ点火プラグの放電部で放電を行うための高電圧パルスを発生する高電圧パルス回路と、前記放電部にプラズマ噴射エネルギを供給する大電流パルス回路と、前記高電圧パルス回路および前記大電流パルス回路を制御する制御回路とを備えたプラズマジェット点火装置であって、
前記大電流パルス回路には、直流電源に直列接続されたエネルギ蓄積コンデンサ、共振コイルおよびスイッチが設けられており、該大電流パルス回路は、前記制御回路からの指令信号によって前記スイッチがONされることにより、前記エネルギ蓄積コンデンサと前記共振コイルとでLC共振を発生させ、前記直流電源の出力電圧値よりも絶対値が大きな電圧値となるよう前記エネルギ蓄積コンデンサに充電を行い、前記高電圧パルス回路で高電圧パルスが発生して、前記プラズマ点火プラグの放電部で放電が開始されると、前記エネルギ蓄積コンデンサから前記放電部にプラズマ噴射エネルギを供給開始することを特徴とするプラズマジェット点火装置。 - 内燃機関内に設置されたプラズマ点火プラグの放電部で放電を行うための高電圧パルスを発生する高電圧パルス回路と、前記放電部にプラズマ噴射エネルギを供給する大電流パルス回路と、前記高電圧パルス回路および前記大電流パルス回路を制御する制御回路とを備えたプラズマジェット点火装置であって、
前記大電流パルス回路には、直流電源に直列接続されたエネルギ蓄積コンデンサ、共振コイルおよびスイッチが設けられており、
前記制御回路は、前記大電流パルス回路の前記スイッチをON、OFF制御するとともに、前記スイッチをONしてから前記高電圧パルスが発生するまでの期間を所定の時間として設定して、前記高電圧パルス発生のタイミングを制御するものであり、前記大電流パルス回路は、前記制御回路からの指令信号によって前記スイッチがONされることにより、前記エネルギ蓄積コンデンサと前記共振コイルとでLC共振を発生させ、前記直流電源の出力電圧値よりも絶対値が大きな電圧値となるよう前記エネルギ蓄積コンデンサに充電を行い、前記高電圧パルス回路で高電圧パルスが発生して、前記プラズマ点火プラグの放電部で放電が開始されると、前記エネルギ蓄積コンデンサから前記放電部にプラズマ噴射エネルギを供給開始することを特徴とするプラズマジェット点火装置。 - 内燃機関内に設置されたプラズマ点火プラグの放電部で放電を行うための高電圧パルスを発生する高電圧パルス回路と、前記放電部にプラズマ噴射エネルギを供給する大電流パルス回路と、前記高電圧パルス回路および前記大電流パルス回路を制御する制御回路とを備えたプラズマジェット点火装置であって、
前記大電流パルス回路には、直流電源に直列接続されたエネルギ蓄積コンデンサ、共振コイル、スイッチが設けられているとともに、バイパス用ダイオードが前記エネルギ蓄積コンデンサと前記共振コイルとの直列回路によって閉ループを形成するよう設けられており、
前記制御回路は、前記大電流パルス回路の前記スイッチをON、OFF制御するとともに、前記スイッチをONしてから前記高電圧パルスが発生するまでの期間を所定の時間として設定して、前記高電圧パルス発生のタイミングを制御するものであり、前記大電流パルス回路は、前記制御回路からの指令信号によって前記スイッチがONされると、前記エネルギ蓄積コンデンサと前記共振コイルとのLC共振により、前記直流電源、前記エネルギ蓄積コンデンサ、前記共振コイル、前記スイッチにより構成される閉ループに共振電流が流れ、前記スイッチがOFFされると前記共振電流の経路は前記バイパス用ダイオード経由の閉ループに切り替わり、前記共振コイルに蓄積されたエネルギによって前記エネルギ蓄積コンデンサの充電が行われ、前記高電圧パルス回路で高電圧パルスが発生して、前記プラズマ点火プラグの放電部で放電が開始されると、前記エネルギ蓄積コンデンサから前記放電部にプラズマ噴射エネルギを供給開始することを特徴とするプラズマジェット点火装置。 - 前記制御回路に設定の所定の時間は、前記内燃機関の点火タイミングのずれの許容時間以下とし、かつ前記LC共振の共振周期の半周期の時間以上とすることを特徴とする請求項2に記載のプラズマジェット点火装置。
- 前記LC共振の共振周期の半周期の時間において、前記LC共振によりエネルギ蓄積コンデンサに充電が行われることを特徴とする請求項2に記載のプラズマジェット点火装置。
- 前記LC共振の共振周期の半周期の時間より短い時間内に、前記LC共振により共振コイルにエネルギの蓄積が行われることを特徴とする請求項3に記載のプラズマジェット点火装置。
- 前記エネルギ蓄積コンデンサの充電電圧値は、前記直流電源の出力電圧値の約2倍とすることを特徴とする請求項1,請求項2のいずれか1項に記載のプラズマジェット点火装置。
- 前記大電流パルス回路のスイッチON後、該スイッチがOFFとされる期間は、前記制御回路に入力される外部からのプラズマジェット噴射エネルギの目標値を示す信号に基づいて、該制御回路によって演算導出された期間であることを特徴とする請求項3に記載のプラズマジェット点火装置。
- 前記大電流パルス回路に設けられたスイッチは、逆電流阻止型であることを特徴とする請求項1,請求項3のいずれか1項に記載のプラズマジェット点火装置。
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JP2009177556A JP2011032879A (ja) | 2009-07-30 | 2009-07-30 | プラズマジェット点火装置 |
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---|---|---|---|---|
JP2012241529A (ja) * | 2011-05-16 | 2012-12-10 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 点火装置及び点火システム |
JP2012251513A (ja) * | 2011-06-06 | 2012-12-20 | Mitsubishi Electric Corp | プラズマジェット点火装置 |
JP2013185473A (ja) * | 2012-03-07 | 2013-09-19 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 点火システム |
CN114151260A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-03-08 | 四川泛华航空仪表电器有限公司 | 一种具有状态控制和bit功能的点火装置 |
-
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- 2009-07-30 JP JP2009177556A patent/JP2011032879A/ja active Pending
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