JP2011157862A - 火花点火式内燃機関の安全装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火コイルによる誘導電圧と電界生成回路による高周波電界とを重ね合わせて点火プラグの電極に印加する点火方法を実施するものにおいて、電界生成回路を源とする高周波が車体外に放射されることを抑止し、電波法規の遵守を図るとともに漏出高周波による支障を未然に防ぐ。
【解決手段】内燃機関のメンテナンス時に行われるボンネット等の開閉操作を検知するための操作検知機構６１と、操作検知機構６１を介してボンネット等の開閉操作を検知した場合に電界生成回路２による電界の生成を制止する制止機構６２とを備えてなる安全装置６を装備することとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火式内燃機関用の安全装置に関し、特に、点火コイルによる誘導電圧と電界生成回路による高周波電界とを重ね合わせて点火プラグの電極に印加する点火方法を実施するものにおける安全装置に関する。

火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することにより、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起、点火する。

近時では、燃焼室内の混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、電界生成回路、換言すれば高周波発振器が出力する高周波電圧を中心電極に印加し、その高周波電界により中心電極と接地電極との間の空間にプラズマ雰囲気を生成して、プラズマ雰囲気中で火花点火する「アクティブ着火」法が試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。

電界生成回路は、交流電圧を発生させる交流電圧発生回路や、脈流電圧を発生させる脈流電圧発生回路等である。このような電界生成回路が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが望ましい。

通常、電界生成回路はボンネット内に配設されるため、静電遮蔽により、電界生成回路を源とする高周波が車体外に放射されることはない。しかしながら、自動車の検査時等にボンネットを開けた状況の下では、高周波が車体外に放射されるおそれがあり、周囲に存在する電子機器類に不具合を及ぼす等の問題を招きかねない。

特願２００９−２５５８４３号明細書

本発明は、上記の問題に初めて着目してなされたものであって、高周波が車体外に放射されることを抑止し、電波法規の遵守を図るとともに漏出高周波による支障を未然に防ぐことを所期の目的とする。

本発明では、点火プラグに電気的に接続して火花放電を惹起する高電圧を印加する点火コイル、及び同点火プラグに電気的に接続して燃焼室内に電界を生成する電界生成回路を具備する火花点火式内燃機関に付随するものであって、前記内燃機関のメンテナンス時に行われる所定の操作を検知するための操作検知機構と、前記操作検知機構を介して所定の操作を検知した場合に前記電界生成回路による電界の生成を制止する制止機構とを備える安全装置を構成した。

前記操作検知機構は、前記点火プラグを遮蔽する部材、例えばボンネットやシリンダヘッド等を開ける操作を検知するセンサを有したものとすることが好適である。

本発明によれば、電界生成回路を源とする高周波が車体外に放射されることを抑止し、電波法規の遵守を図るとともに漏出高周波による支障を未然に防ぐことができる。

本発明の一実施形態における点火装置、電界生成回路及び安全装置を示すブロック図。 同実施形態における点火装置の回路図。 同実施形態における点火プラグの中央縦断面図。 同実施形態における電界生成回路及び安全装置の具体的構成を説明する図。 同実施形態における電界生成回路の要素であるＨブリッジの回路図。 同実施形態における、点火プラグを遮蔽する部材、及び当該部材を開ける操作を検知するためのセンサの例を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。はじめに、点火装置１について述べる。この点火装置１は、車両等に搭載される内燃機関に用いられるものである。点火装置１は、図１及び図２に示すように、電子制御装置３から発される点火信号を受けるイグナイタ１１と、イグナイタ１１が点火信号を受けた際に火花点火をもたらす高い誘導電圧を発生させる点火コイル１２と、点火コイル１２で発生した誘導電圧の印加を受ける点火プラグ１３とを要素とする。

イグナイタ１１は、点火コイル１２を収めたコイルケースに一体的に内蔵した半導体スイッチング素子である。

点火コイル１２は、一次コイル及び二次コイルを主体とする。コイルケースの下端部位には、点火プラグ１３を挿入して装着するためのプラグ装着部を設けてある。

点火プラグ１３は、図３に示すように、コイルケースのプラグ装着部に挿入して装着された状態で点火コイル１２に接続するターミナル１３１と、接地電極１３３との間で火花放電を行う中心電極１３２と、中心電極１３２とターミナル１３１とを接続する導体１３４と、この導体１３４の周囲を取り囲むように配置したノイズ低減部材１３５と、導体１３４及びノイズ低減部材１３５を被覆して絶縁する絶縁碍子１３６と、絶縁碍子１３６を外方から支持するとともに下端部に接地電極１３３を取り付けたハウジング１３７と備える。

既製の点火プラグでは、中心電極１３２とターミナル１３１との間にノイズ低減用の抵抗を介設していることが多い。点火プラグ１３が抵抗を包有していないのは、電界生成回路２から出力され中心電極１３２に印加される高周波電圧を抵抗にて減衰させないようにするためである。抵抗の替わりに設けたノイズ低減部材１３５は、例えばＮｉ−Ｚｎフェライトを利用して形成した略円筒状の部材である。このノイズ低減部材１３５の複素透磁率の虚数成分は、２ＭＨｚ以下の周波数帯域において略一定であり、少なくとも２ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの周波数帯域では周波数が高くなるにつれて大きくなる。

点火装置１による火花点火の原理は、以下の通りである。電子制御装置３からの点火信号をイグナイタ１１が受けると、まずイグナイタ１１が点弧して点火コイル１２の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１１が消弧してこの電流が遮断される。さすれば、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１３の中心電極１３２に印加され、中心電極１３２と接地電極１３３との間で火花放電が発生する。

その上で、点火装置１には電界生成回路２を付設しており、電界生成回路２による高周波電界と点火コイル１２による高誘導電圧とを重ね合わせて点火プラグ１３のターミナル１３１ひいては中心電極１３２に印加するようにしている。

電界生成回路２の例としては、交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。脈流電圧発生回路を採用する場合、周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。電界生成回路２が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが望ましい。

本実施形態にあって、電界生成回路２は、図４及び図５に示すように、バッテリ４を電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路である。この電界生成回路２は、約１２Ｖのバッテリ４電圧を３００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１が出力する直流を交流に変換するＨブリッジ回路２２と、Ｈブリッジ回路２２が出力する交流をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス２３とを要素とする。

また、電界生成回路２の出力端に、第一ダイオード２４及び第二ダイオード２５を介設している。第一ダイオード２４は、カソードが昇圧トランス２３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１２との結節点であるミキサ５に接続している。第二ダイオード２５は、アノードが昇圧トランス２３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。これら第一ダイオード２４及び第二ダイオード２５は、点火タイミングにおいて点火コイル１２の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。

電界生成回路２が発振する高周波電圧は、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に、点火プラグ１３の中心電極１３２に印加される。これにより、中心電極１３２と接地電極１３３との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成する。

上記は、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

中心電極１３２と接地電極１３３との間の火花放電時に発生するノイズの主成分は、概ね６０ＭＨｚ帯にある。既述の通り、ノイズ低減部材１３５の透磁率の虚数成分は、火花放電時に発生するノイズが属する周波数帯、具体的には６０ＭＨｚ帯において大きな値をとる。従って、火花放電に由来するノイズが点火プラグ１３内のノイズ低減部材１３５に取り囲まれた部位を通過すると、ノイズ低減部材１３５が高周波ノイズの磁界成分に作用し、ノイズのエネルギーの大部分が熱に変換される（透磁損失）。このようにして、電子制御装置３その他の電装系を誤動作させ得る火花放電由来のノイズを減衰せしめている。

他方、電界生成回路２から出力される高周波電圧の周波数帯は、２００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの間にある。この周波数帯におけるノイズ低減部材１３５の透磁率の虚数成分は、６０ＭＨｚ帯におけるそれよりも十分に小さい。故に、高周波電圧の減衰は少なく、プラズマ雰囲気の生成は妨げられない。

しかして、本実施形態では、電界生成回路２を源とする高周波が不意に車体外に放射されることを抑止するための安全装置６を設置している。この安全装置６は、図１に示すように、内燃機関のメンテナンス時に行われる所定の操作を検知するための操作検知機構６１と、操作検知機構６１を介して所定の操作を検知した場合に電界生成回路２による電界の生成を制止する制止機構６２とを備えてなる。

操作検知機構６１は、電界生成回路２を源とする高周波の静電遮蔽を解除するような操作を検知する。典型的には、内燃機関、点火装置１及び電界生成回路２等が収容されるボンネットを開放する操作や、内燃機関のシリンダヘッド及び点火プラグ１３等を覆うシリンダヘッドカバーを取り外す操作がこれに当たる。操作検知機構６１は、図４及び図６に示すように、点火プラグ１３を遮蔽する部材７、即ちボンネットやシリンダヘッドカバー、プラグキャップ等に対する操作を検知するセンサ６１１を有する。センサ６１１としては、例えば、部材７の位置を感知する光学センサ（アクティブ赤外線センサ等）または機械式センサ（リミットスイッチ等）、部材７が操作された結果外部から入り込んでくる環境光を感知する光学センサ（フォトセンサ等）を用いることが考えられる。

また、制止機構６２は、図４に示しているように、バッテリ４から電界生成回路２のＤＣ−ＤＣコンバータ２１への通電を断接切換可能なスイッチ６２１を用いて構成することができる。スイッチ６２１は、電子制御装置３からの制御信号を受けて点弧／消弧する半導体スイッチング素子（パワートランジスタ等）、または電子制御装置３からの制御信号を受けて短絡／断絶する機械スイッチ（リレー等）である。

マイクロコンピュータシステムである電子制御装置３は、プログラムに従い、スイッチ６２１のＯＮ／ＯＦＦを制御する。電子制御装置３は、センサ６１１から出力される信号を受信して、ボンネット、シリンダヘッドカバー、プラグキャップ等の部材７の位置を検出する。そして、当該部材７が点火プラグ１３を遮蔽する所定位置に存在している、つまりは電界生成回路２を源とする高周波の静電遮蔽が維持されている状況にあることを条件として、スイッチ６２１をＯＮ状態とし、バッテリ４とＤＣ−ＤＣコンバータ２１との電気的接続を維持する。逆に、当該部材７が点火プラグ１３を遮蔽する所定位置に存在していないことを検知した暁には、スイッチ６２１をＯＦＦ状態として、バッテリ４から電界ＤＣ−ＤＣコンバータ２１への給電を遮断する。

本実施形態によれば、点火プラグ１３に電気的に接続して火花放電を惹起する高電圧を印加する点火コイル１２、及び同点火プラグ１３に電気的に接続して燃焼室内に電界を生成する電界生成回路２を具備する火花点火式内燃機関に付随するものであって、前記内燃機関のメンテナンス時に行われる所定の操作を検知するための操作検知機構６１と、前記操作検知機構６１を介して所定の操作を検知した場合に前記電界生成回路２による電界の生成を制止する制止機構６２とを備える安全装置６を構成したため、電界生成回路２を源とする高周波が不意に車体外に放射されることを有効に抑止できる。

前記操作検知機構６１を、前記点火プラグ１３を遮蔽するボンネット等の部材７を開ける操作を検知するセンサ６１１を用いて構成しているため、簡便かつ安価に操作検知機構６１を構築することができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、センサ６１１とスイッチ６２１との間に電子制御装置３を介在させていたが、センサ６１１とスイッチ６２１とを直結し、センサ６１１が出力する信号を直接スイッチ６２１に伝達してスイッチ６２１のＯＮ／ＯＦＦを切り換える態様をとることも可能である。

また、ボンネットが開けられる等して制止機構６２が作動している間は、点火プラグ１３の電極の周囲に高周波電界が形成されず、十分な大きさのプラズマが生成されない。要するに、従来から一般的な火花点火（非アクティブ着火）を行う状態となる。この状態で内燃機関を運転することもあり得ることから、操作検知機構６１を介して所定の操作を検知している間、または制止機構６２が作動している間は、電子制御装置３における内燃機関の運転制御プログラム（要求燃料噴射量、アイドル回転数、点火タイミング等の算定ロジック）を自動的に非アクティブ着火用のものに変更することが好ましい。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用することができる。

６…安全装置
６１…操作検知機構
６１１…センサ
６２…制止機構
７…点火プラグを遮蔽する部材

Claims (2)

1. 点火プラグに電気的に接続して火花放電を惹起する高電圧を印加する点火コイル、及び同点火プラグに電気的に接続して燃焼室内に電界を生成する電界生成回路を具備する火花点火式内燃機関に付随する安全装置であって、
   前記内燃機関のメンテナンス時に行われる所定の操作を検知するための操作検知機構と、
   前記操作検知機構を介して所定の操作を検知した場合に前記電界生成回路による電界の生成を制止する制止機構と
   を備えた安全装置。
2. 前記操作検知機構が、前記点火プラグを遮蔽する部材を開ける操作を検知するセンサを有するものである請求項１記載の安全装置。

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