JP2013096381A - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極消耗の抑制を図るべく、放電電圧の低下を実現させる。
【解決手段】中心電極４１を正極、接地電極４２を負極として放電（プラス放電）させるように構成し、中心電極４１と接地電極４２の電位差が所定電圧に達した後、中心電極４１の周りに残留するプラスの空間電荷（陽イオン雲ＣＩ）が所定量以上形成される前に放電が開始されるように、前記電位差の増大速度を設定する。これにより、陽イオン雲ＣＩにより火花伸展が妨げられる度合いを低減できる効果と、プラス放電による熱電子放出の効果とが発揮されることにより、点火プラグの放電開始に要求される電圧（要求電圧）を低下でき、ひいては、電極消耗を抑制できる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、点火コイルおよび点火プラグを備えた内燃機関の点火装置に関する。

一般的に、点火プラグの中心電極を負極、接地電極を正極とし、中心電極の側を起点に接地電極へ向けて火花を伸展させる放電はマイナス放電と呼ばれている（特許文献１参照）。一方、中心電極を正極とし、負極である接地電極へ向けて火花を伸展させる放電はプラス放電と呼ばれている。

特開２００７−１２０３７４号公報

ここで、点火プラグへの電圧印加を開始してから放電が開始されるまでには、所定の時間（放電開始所要時間）を要する。以下、先述したマイナス放電およびプラス放電の各々の場合について、放電開始所要時間が必要となるメカニズムを図７に基づき説明する。なお、図７（ａ）〜（ｅ）は、放電が開始されるまでのギャップ間の状態変化を表した模式図であり、図７中の上段はマイナス放電時、中段はプラス放電時を示す。

先ず、マイナス放電時の状態変化について説明する。両電極４１，４２間に電圧を印加すると、図７（ａ）に示すように、元々ギャップ間に存在していた電子は中心電極４１へ向けて移動を開始し、遇存イオン（陽イオン）は接地電極４２へ向けて移動を開始する。この時、（ｂ）に示すように、ギャップ間に浮遊している分子に電子が高速で衝突することに起因して、浮遊分子から電子が放出される（α作用）。また、（ｃ）に示すように、質量の大きい陽イオンが中心電極４１に衝突することに起因して、中心電極４１から電子が放出される（γ作用）。

そして、（ｄ）に示すように、α作用およびγ作用により放出された電子がさらにα作用を引き起こすといった電子なだれが生じるので、ギャップ間での電離が加速度的に促進されてプラズマ状態になる（（ｅ）参照）。その結果、（ｆ）に示すように、中心電極４１を起点に火花が伸展して接地電極へ達することで、放電が開始される。したがって、両電極４１，４２間の電位差が所定電圧に達してから、（ａ）〜（ｆ）の過程を経て放電が開始され、この過程に要する時間が、先述した放電開始所要時間となる。

プラス放電時の状態変化についても同様にして、（ａ）遇存イオンの移動開始、（ｂ）α作用、（ｃ）γ作用、（ｄ）電子なだれ、（ｅ）プラズマ状態の順に変化し、（ｆ）に示すように、中心電極４１を起点に火花が伸展して放電が開始される。但し、電子なだれが生じる過程において、中心電極４１の周りに陽イオン雲ＣＩ（プラスの空間電荷の集合）が形成される（（ｅ）参照）。

これは、電子は質量が軽いため中心電極４１へ容易に移動するのに対し、陽イオンは質量が重いためその場に残留するからである。そして、中心電極４１は陽イオン雲ＣＩと同極であるため電界強度が弱められてしまい、中心電極４１から火花が伸展しにくくなる（（ｆ）参照）。そのため、両電極４１，４２間への電圧印加開始から放電開始までに要する時間が長くなるとともに、点火プラグの放電に要求される電圧（要求電圧）が高くなる。

以上の理由により、プラス放電の場合にはマイナス放電に比べて要求電圧が高くなる。また、接地電極４２は燃焼室に突き出されて配置されているので、中心電極４１に比べて高温になっている。そのため、放電時に陽イオンが、より高温になっている接地電極４２に衝突（スパッタリング）して電極消耗が促進されてしまう。そのため、電極消耗の少ないマイナス放電を実施する点火装置が一般的に普及しているのが実情である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電極消耗の抑制を図りつつ、要求電圧の低下を実現させた内燃機関の点火装置を提供することにある。

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記載する。

請求項１記載の発明では、点火コイルから出力される二次電圧を、点火プラグの中心電極および接地電極の間で放電させる内燃機関の点火装置であって、前記中心電極を正極、前記接地電極を負極として放電させるように構成し、前記中心電極と前記接地電極の電位差が所定電圧に達した後、前記中心電極の周りに残留するプラスの空間電荷が所定量以上形成される前に放電が開始されるように、前記電位差の増大速度が設定されていることを特徴とする。

本発明者らが各種試験を実施したところ、点火プラグの電位差増大速度を速くすれば、プラス放電の方がマイナス放電よりも要求電圧を低下できることが見出された。以下、このように要求電圧を低下できる理由について、本発明者らの考察を説明する。

プラス放電の場合、先述した図７の中段に示すように、α作用およびγ作用により電子なだれが生じる際に、中心電極の周りに陽イオン雲が形成される。この陽イオン雲が火花伸展の妨げとなり、放電開始に要する時間（放電開始所要時間）が長くなるとともに要求電圧が高くなることは先述した通りである。

しかし、両電極間の電位差増大の速度が速ければ、陽イオン雲が大きくなる前に放電が開始され、陽イオン雲により火花伸展が妨げられる度合いを低減できることが分かった。つまり、放電開始所要時間に含まれていた陽イオン雲の影響による時間ロスを無くすことができるので、放電開始所要時間を大幅に短縮できるようになるとともに要求電圧を低下できる。

しかも、プラス放電の場合には、以下に説明する熱電子放出の効果が発揮されるので、その効果による要求電圧低下も見込まれる。すなわち、接地電極は中心電極に比べて燃焼中心に近い位置にあり高温になっているため、負極である接地電極から熱電子が放出され易い（図７中段（ｃ）参照）。よって、ギャップ間での電離が促進されて要求電圧が低下する。

以上による考察を鑑みた上記発明では、中心電極を正極、接地電極を負極として放電（プラス放電）させるように構成し、かつ、両電極間の電位差が所定電圧に達した後、中心電極の周りに残留するプラスの空間電荷（陽イオン雲）が所定量以上形成される前に放電が開始されるように、前記電位差の増大速度を設定している。

そのため、陽イオン雲により火花伸展が妨げられる度合いを低減できる効果と、プラス放電による熱電子放出の効果とが発揮されることにより、点火プラグの放電開始に要求される電圧（要求電圧）を低下でき、ひいては、電極消耗を抑制できる。

請求項２および請求項３記載の発明では、前記増大速度を１ｋＶ／μｓ以上に設定したことを特徴とする。また、請求項４記載の発明では、前記増大速度を５ｋＶ／μｓ以下に設定したことを特徴とする。

ここで、本発明者らは、放電させるために必要となる要求電圧（放電電圧）を計測する試験であって、電位差の増大速度を異ならせると要求電圧がどのように変化するのかについて試験を実施した。

図４（ａ）の縦軸は計測された要求電圧を示し、横軸は（ｂ）に示す立上り時間ΔＴ（増大速度に相当）を示す。この立上り時間ΔＴとは、点火プラグへ二次電圧の印加を開始してから、二次電圧がピーク値Ｖ２ｐｅａｋに達するまでの、二次電圧増大速度を表す指標であり、Ｖ２ｐｅａｋの１０％の値（５ｋＶ）から９０％の値（２０ｋＶ）にまで上昇するのに要した時間ΔＴのことである。なお、図４（ｃ）（ｄ）は（ａ）の拡大図である。図中の三角印はプラス放電時の試験結果であり、図中の丸印はマイナス放電時の試験結果を示す。

この試験結果から次のことが明らかとなった。すなわち、マイナス放電の場合には、立上り時間ΔＴが短いほど要求電圧は高くなる。これに対し、プラス放電の場合には、立上り時間ΔＴが１５μｓ（マイクロ秒）以下になると、立上り時間ΔＴを短くするほど要求電圧が低くなっていくことが分かった。但し、ΔＴ≦３μｓにすると立上り時間ΔＴを短くするほど要求電圧が高くなる。要するに、プラス放電の場合には、３μｓ≦ΔＴ≦１５μｓの領域において、立上り時間ΔＴを短くするほど要求電圧が低くなる。このことに起因して、プラス放電でΔＴ≦１５μｓにすれば、マイナス放電時に比べて要求電圧を十分に低下できる。

なお、ΔＴ＞１５μｓまたはΔＴ＜３μｓでプラス放電した場合、或いはマイナス放電の場合において、立上り時間ΔＴを短くするほど要求電圧が高くなる理由について、本発明者らは次のように考察した。

すなわち、二次電圧が所定電圧Ｖｂｒｅａｋに達してから、図７に示すα作用およびγ作用が始まりプラズマ状態に遷移していくが、α作用およびγ作用の開始からプラズマ状態になるまでに要する時間は一定である。つまり、所定電圧Ｖｂｒｅａｋに達してから一定時間が経過した時点で、放電が開始されて二次電圧が降下を開始する。したがって、二次電圧の立上り速度が速いほど（立上り時間Δが短いほど）、前記一定時間にて二次電圧が上昇する量は多くなり、ひいては要求電圧が高くなる。

しかし、立上り時間ΔＴが１５μｓ以下になると、先述したように陽イオン雲により火花伸展が妨げられる度合いが低減し、陽イオン雲の影響による時間ロスが小さくなっていくので、放電開始所要時間を短縮できるようになり、要求電圧を低下できる。但し、立上り時間ΔＴを３μｓにまで短くすれば、陽イオン雲が形成されなくなるので、陽イオン雲の影響による時間ロスは殆ど無くなる。よって、３μｓよりも短くしても前記時間ロスは短縮されないので、ΔＴ＜３μｓの領域では立上り時間ΔＴを短くするほど要求電圧が高くなる。

以上の試験結果および考察に基づき、上記発明によれば、両電極の電位差の増大速度を１ｋＶ／μｓ以上（ΔＴ≦１５μｓに相当）に設定するので、点火プラグの放電に要求される電圧（要求電圧）を低下でき、ひいては、電極消耗を抑制できる。また、前記増大速度を５ｋＶ／μｓ以下（ΔＴ≧３μｓに相当）に設定するので、必要以上に増大速度を速くすることを回避できる。よって、増大速度の高速化に伴い点火装置の構成部品に要求される性能を低く抑えることができる。

請求項５記載の発明では、前記接地電極には、前記中心電極へ向けて突出する針状の突起が形成されており、前記突起を起点に前記接地電極の側から前記中心電極へ向けて火花を伸展させるように構成されていることを特徴とする。

このような針状突起を接地電極に形成すれば、図７下段に例示するように、突起の近傍で電離が集中することとなり、突起を起点に中心電極４１に向けて火花が伸展するようにできる。一方、陽イオン雲は中心電極の側に形成されるので、火花の起点場所が陽イオン雲から遠ざかることになる。そして、火花の伸展は、起点から伸び始める時が、陽イオン雲に妨げられる度合いが最も大きいので、火花起点場所が陽イオン雲から遠ざかることとなる上記発明によれば、陽イオン雲により火花伸展が妨げられる度合いを低減できる。よって、放電開始所要時間の短縮化を促進でき、要求電圧の低下を促進できる。

請求項６記載の発明では、蓄電した電力を前記点火コイルの一次コイルへ放電することにより、前記点火コイルの二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで容量放電させる容量放電用回路と、前記一次コイルへの通電を遮断することにより、前記二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで誘導放電させる誘導放電用回路と、前記点火プラグの中心電極を正極としたプラス放電を実施し、当該プラス放電の途中で、前記中心電極を負極としたマイナス放電に切り替えるよう、前記一次コイルへの通電状態を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記プラス放電を前記容量放電により実施し、前記マイナス放電を前記誘導放電により実施するよう、前記容量放電用回路および前記誘導放電用回路の作動を制御することを特徴とする。

上記発明によれば、プラス放電を容量放電により実施し、マイナス放電を誘導放電により実施するので、図５中の符号Ｉ１（＋），Ｉ１（−）に例示するように、プラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）が一次コイルを流れる向きと、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）が一次コイルを流れる向きを同じにできる。その結果、Ｉ１（＋）による磁束とＩ１（−）による磁束の向きが同じになる。よって、互いの磁束が打ち消し合うことによる電力ロスを回避でき、ひいては点火コイルの大型化を抑制できる。

しかも、上述の如く両電流Ｉ１（＋），Ｉ１（−）の流れる向きを同じにできることに起因して、マイナス放電用の一次コイルとプラス放電用の一次コイルとを共用させることができる。つまり、図１記載の如く、プラス放電用の一次コイルＬ１Ａとマイナス放電用の一次コイルＬ１Ｂを各々備えることを不要にできるので、点火コイルの大型化を抑制できる。

以上により、上記発明によれば、プラス放電の途中でマイナス放電に切り替えて電極消耗の多いプラス放電の期間を短くすることを、点火コイルの大型化抑制を図りつつ実現可能となる。

ところで、放電開始に必要な二次電圧の絶対値は、放電維持に必要な二次電圧の絶対値よりも高い。また、容量放電は一般的に、誘導放電に比べて二次電圧の発生期間が短いものの、誘導放電に比べて二次電圧の絶対値を高くできる。これらを鑑みた上記発明では、放電開始にかかるプラス放電を容量放電で実施し、放電維持にかかるマイナス放電を誘導放電で実施するので、放電開始および放電維持に必要な二次電圧を高効率で生じさせることができる。

本発明の第１実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図。 プラス放電とマイナス放電の違いを説明する図。 図１の点火装置において、点火放電させる際の各種値の変化を示したタイムチャート。 本発明者らが実施した試験の結果を示す図。 本発明の第２実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図。 図５の点火装置において、点火放電させる際の各種値の変化を示したタイムチャート。 放電が開始されるまでのギャップ間の状態変化を表した模式図。

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図であり、電子制御装置（ＥＣＵ１０）に設けられたマイクロコンピュータ（制御手段）は、エンジン回転速度やアクセル操作量などのエンジンの運転状態を表す運転状態情報を取得し、その運転状態情報に基づいて最適な点火時期を算出する。そして、その点火時期に応じて点火信号ＩＧｔ１，ＩＧｔ２を生成し、後述する半導体スイッチＳＷＡ，ＳＷＢへ出力する。

内燃機関の気筒ごとに設けられる点火コイル２０は、磁気回路を形成するコア２１、プラス放電用の一次コイルＬ１Ａ、マイナス放電用の一次コイルＬ１Ｂ、および二次コイルＬ２等を備えて構成されている。なお、図に示す点火コイル２０は、プラス放電用の一次コイルＬ１Ａ、マイナス放電用の一次コイルＬ１Ｂおよび二次コイルＬ２を、同一のコア２１に巻き回して構成されている。

そして、バッテリ３０からプラス放電用の一次コイルＬ１Ａへの通電は半導体スイッチＳＷＡにより制御され、マイナス放電用の一次コイルＬ１Ｂへの通電は半導体スイッチＳＷＢにより制御される。なお、半導体スイッチＳＷＡ，ＳＷＢの作動は点火信号ＩＧｔ１，ＩＧｔ２により制御される。

図２（ａ）は、点火プラグ４０の中心電極４１および接地電極４２を示す図である。図示されるように、接地電極４２の表面が平らであるのに比べて中心電極４１には針状の突起が形成されている。そのため、この突起部分にて電界集中するため、両電極４１，４２間に生じる火花は、中心電極４１の突起部分を起点として接地電極４２へ伸展する。但し、図２（ｂ）に示すプラス放電時と図２（ｃ）に示すマイナス放電時とで、二次電流Ｉ２の向きが異なる。すなわち、プラス放電時には中心電極４１がプラス極、接地電極４２がマイナス極として機能し、中心電極４１の側から接地側へと二次電流Ｉ２が流れる。一方、マイナス放電時には中心電極４１がマイナス極、接地電極４２がプラス極として機能し、接地側から中心電極４１の側へと二次電流Ｉ２が流れる。

図３は、点火プラグ４０で放電させる際の各種値の変化を示したタイムチャートであり、要するに、放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替えている。このように切り替える制御手順について、以下に説明する。

先ず、点火信号ＩＧｔ２がオフからオンに切り替わったｔ１時点で、半導体スイッチＳＷＢがオン作動して、バッテリ３０から一次コイルＬ１Ｂへ一次電流Ｉ１Ｂが流れ始める（図３（ｂ）（ｄ）参照）。つまり、ｔ１時点でマイナス放電のための充電が開始される。

次に、点火信号ＩＧｔ１がオフからオンに切り替わったｔ２時点で、半導体スイッチＳＷＡがオン作動して、バッテリ３０から一次コイルＬ１Ａへ一次電流Ｉ１Ａが流れ始める（図３（ａ）（ｃ）参照）。つまり、ｔ２時点でプラス放電のための充電が開始される。

次に、点火信号ＩＧｔ１がオンからオフに切り替わったｔ３時点で、半導体スイッチＳＷＡがオフ作動して、一次コイルＬ１Ａへの通電が遮断される。これにより、一次コイルＬ１Ａに蓄えられていた充電エネルギの放電が開始され、中心電極４１の電位が接地電極４２の電位に比べて急激に高くなるよう、二次電圧Ｖ２が上昇する（図３（ｅ）参照）。その結果、中心電極４１から接地電極４２へ電流が流れる向きに放電（プラス放電）が開始される。

なお、電極４１，４２間の放電電圧Ｖ２は、ｔ４時点でピーク値となった後、急降下する。但し、このｔ４時点では一次コイルＬ１Ｂに一次電流Ｉ１Ｂが流れているので、放電電圧Ｖ２はゼロになることなくプラス値に維持される。よって、一次コイルＬ１Ｂからの放電が終了したｔ４時点から、後述するマイナス放電が開始されるｔ５時点までの期間中に、電極４１，４２間の放電が消滅することはない。

次に、点火信号ＩＧｔ２がオンからオフに切り替わったｔ５時点で、半導体スイッチＳＷＢがオフ作動して、一次コイルＬ１Ｂへの通電が遮断される。これにより、一次コイルＬ１Ｂに蓄えられていた充電エネルギの放電が開始され、中心電極４１の電位が接地電極４２の電位に比べて急激に低くなるよう、二次電圧Ｖ２が降下する（図３（ｅ）参照）。その結果、プラス放電の状態からマイナス放電の状態に切り替わる。

その後、電極４１，４２間の放電電圧Ｖ２は、ｔ６時点でピーク値となった後、上昇してゼロ（正確にはバッテリ電圧（１２Ｖ））にまで降下する。但し、このｔ４時点では一次コイルＬ１Ｂに一次電流Ｉ１Ｂが流れているので、放電電圧Ｖ２はゼロになることなくプラス値に維持される。要するに、符号Ｔａに示す期間にてプラス放電が実施され、そのプラス放電の途中で（ｔ５時点で）マイナス放電に替わり、符号Ｔｂに示す期間にてマイナス放電が実施される。

次に、本実施形態の要部である二次電圧Ｖ２（中心電極４１と接地電極４２の電位差）の立上り速度（増大速度）について説明する。この立上り速度とは、図３において、二次電圧Ｖ２（放電電圧）が上昇を開始したｔ３時点から、ピーク値に達するｔ４時点までの電圧上昇速度（ｔ３〜ｔ４の傾き）のことである。図４（ｂ）は、マイナス放電を実施することなくプラス放電のみを実施した場合における、放電電圧の変化を示す波形であり、放電を開始した時点で放電電圧が急激に下降する。

つまり、放電開始時の放電電圧がピーク値Ｖ２ｐｅａｋであり、放電開始に必要な電圧（要求電圧）である。そして、このピーク値Ｖ２ｐｅａｋに達するまでの上昇速度が前記立上り速度に相当する。なお、図４（ａ）の試験結果では、Ｖ２ｐｅａｋの１０％の値（５ｋＶ）から９０％の値（２０ｋＶ）にまで上昇するのに要した時間（立上り時間ΔＴ）を、前記上昇速度を表す指標として用いている。

そして、３μｓ≦ΔＴ≦１５μｓとなるように、プラス放電用の一次コイルL１Ａと二次コイルＬ２との巻き数比を設定している。例えば、二次コイルＬ２の巻き数に対する一次コイルL１Ａの巻き数を少なくするほど、立上り時間ΔＴを短くできる。或いは、一次コイルL１Ａへ通電する一次電流Ｉ１Ａの立上り速度が速くなるように、半導体スイッチＳＷＡ等から構成される回路（一次コイル通電回路）を構成すれば、立上り時間ΔＴを短くできる。

以上により、本実施形態によれば、ΔＴ≦１５μｓとなるように、点火コイル２０および一次コイル通電回路の少なくとも一方を設定するので、図４（ｃ）の試験結果に示すように要求電圧を低下できる。なお、点火プラグ４０の雰囲気温度や筒内圧を異ならせても、図４（ａ）に示す特性波形が上下方向に平行移動するだけであり、立上り時間ΔＴ＝１５μｓのポイントから要求電圧が低下していくことに変わりはない。

また、ΔＴ≧３μｓとなるように、点火コイル２０および一次コイル通電回路の少なくとも一方を設定するので、図４（ｄ）の試験結果に示すように立上り時間ΔＴを必要以上に短くすることを回避できる。よって、点火コイル２０や一次コイル通電回路に要求される性能を低く抑えることができる。

ところで、接地電極４２は中心電極４１に比べて燃焼中心に近い位置にあり高温になっているため、スパッタリングによる消耗の度合いが大きい。したがって、スパッタリングが接地電極４２で生じるプラス放電の方が、スパッタリングが中心電極４１で生じるマイナス放電に比べて、電極消耗が大きくなることが懸念される。

この懸念に対し本実施形態では、放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替えるので、電極消耗の多いプラス放電の期間を短くできる。よって、電極消耗を抑制しつつプラス放電を実施できる。

しかも、ΔＴ≦１５μｓに設定した本実施形態によれば、上述したようにプラス放電時の要求電圧をマイナス放電時の要求電圧よりも低く抑えることができるので、プラス放電による放電開始時の要求電圧を低く抑えることができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、半導体スイッチＳＷＡ，ＳＷＢの遮断に伴い二次電圧を上昇させる誘導放電により、プラス放電およびマイナス放電を実現させている。これに対し本実施形態では、プラス放電を容量放電により実施し、マイナス放電を誘導放電により実現させている。

図５は、本実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図であり、要するに、二次コイルＬ２に生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて点火プラグ４０で容量放電させる容量放電用回路と、一次コイルＬ１への通電を遮断することにより、二次コイルＬ２に生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて点火プラグ４０で誘導放電させる誘導放電用回路とを備える。

内燃機関の気筒ごとに設けられる点火コイル２０は、磁気回路を形成するコア部材２１、一次コイルＬ１および二次コイルＬ２等を備えて構成される。詳細には、コア部材２１の外周面に、図示しない絶縁シートを介して両コイルＬ１，Ｌ２が重ねて巻き回されている。

コア部材２１は、一次コイルＬ１に一次電流Ｉ１が流れることにより生じた磁束を集中させるよう機能するものであるが、このようにコア部材２１で集中させることのできる磁束量（飽和磁束量）は、コア部材２１の材質や形状、大きさに応じて決まってくる。したがって、点火コイル２０の小型化を図りつつ飽和磁束量を大きくして所望の二次電圧Ｖ２を発生させるには、飽和磁束密度の高い材質を採用すればよいがコスト高となる。

一方、飽和磁束密度の低い材質を採用すれば、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）を流し始めてからプラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）を流し始めるまでの期間に、コア部材２１に生じる磁束が飽和量に達してしまう。すると、その後Ｉ１（＋）を一次コイルＬ１に流してもコア部材２１での磁束量が増大しなくなり、プラス放電を実施できなくなることが懸念される。

そこで本実施形態では、Ｉ１（−）の通電開始からＩ１（＋）の通電開始直前までに、コア部材２１に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、最低限の飽和磁束密度を有するコア部材２１を選定しているので、コスト高を抑制しつつ上記懸念を解消できる。

一次コイルＬ１への供給電力は、以下に説明する容量放電用回路および誘導放電用回路の２系統から可能である。

容量放電用回路は、半導体スイッチＳＷ（＋）、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０（昇圧手段）、コンデンサ５１（蓄電手段）およびダイオード５２により構成される。バッテリ３０の出力電圧はＤＣ−ＤＣコンバータ５０により昇圧され、その昇圧された電力は、半導体スイッチＳＷ（＋）をオフ作動させている期間中にコンデンサ５１に蓄電される。そして、半導体スイッチＳＷ（＋）をオン作動させると、コンデンサ５１に蓄電された高圧電力が一次コイルＬ１へ放電され、この放電に起因して、二次コイルＬ２での二次電圧Ｖ２の絶対値が昇圧され、点火プラグ４０にて容量放電が生じる。この容量放電は、先述したプラス放電の実施に適用される。

誘導放電用回路は、先述した半導体スイッチＳＷ（−）およびダイオード５３により構成され、バッテリ３０から供給される電力の一次コイルＬ１への通電と遮断を制御する。つまり、半導体スイッチＳＷ（−）をオン作動させて一次コイルＬ１への通電を開始させると、マイナス放電用の磁気エネルギが一次コイルＬ１へ蓄えられることとなる。その後、半導体スイッチＳＷ（−）をオフ作動させて通電を遮断すると、二次コイルＬ２に生じる二次電圧Ｖ２の絶対値が昇圧して、点火プラグ４０にて誘導放電が生じる。この誘導放電は、先述したマイナス放電の実施に適用される。

図５中の矢印Ｉ１（＋），Ｉ１（−）は、容量放電用回路によるプラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）が一次コイルＬ１を流れる向きと、誘導放電用回路によるマイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）が一次コイルを流れる向きを示す。これらの一次電流Ｉ１（＋），Ｉ１（−）が一次コイルＬ１を流れる向きは同一であり、この向きが逆転することはダイオード５２，５３により制限される。

ＥＣＵ１０は、半導体スイッチＳＷ（＋），ＳＷ（−）を制御することで、容量放電（プラス放電）により点火プラグ４０での放電を開始させ、そのプラス放電の途中で、誘導放電（マイナス放電）に切り替えるよう、点火プラグ４０での放電状態を制御する。

図６は、このような放電状態の制御を実施すべく、プラス放電用の点火信号ＩＧｔ（＋）およびマイナス放電用の点火信号ＩＧｔ（−）を出力した際のタイムチャートである。

先ず、点火信号ＩＧｔ（−）がオフからオンに切り替わったｔ１時点で、半導体スイッチＳＷ（−）がオン作動して、バッテリ３０から一次コイルＬ１へマイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）が流れ始める（図６（ａ）（ｃ）参照）。つまり、ｔ１時点で誘導放電（マイナス放電）のための磁気エネルギ蓄積が開始される。

次に、点火信号ＩＧｔ（＋）がオフからオンに切り替わったｔ２時点で、半導体スイッチＳＷ（＋）がオン作動する。これにより、コンデンサ５１に蓄えられていた電力エネルギが放電され、一次コイルＬ１へプラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）が流れ始める（図６（ｂ）（ｄ）参照）。その結果、中心電極４１の電位が接地電極４２の電位に比べて急激に高くなるよう、二次電圧Ｖ２が変化する（図６（ｆ）参照）。その結果、中心電極４１から接地電極４２へ二次電流Ｉ２が流れる向きに放電（プラス放電）することとなる。つまり、ｔ２時点で容量放電（プラス放電）が開始される。

なお、一次コイルＬ１に実際に流れる一次電流Ｉ１（実一次電流Ｉ１）は、図６（ｅ）に示すようにＩ１（−）にＩ１（＋）を加算した値となる。実一次電流Ｉ１は、容量放電（プラス放電）の開始に伴いｔ３時点でピーク値となる。そして、その所定時間後のｔ４時点で、点火信号ＩＧｔ（−）をオンからオフに切り替えて、半導体スイッチＳＷ（−）をオフ作動させ、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）の通電が遮断される。

これにより、一次コイルＬ１に蓄えられていた磁気エネルギが開放され、中心電極４１の電位が接地電極４２の電位に比べて急激に低くなるよう、二次電圧Ｖ２が変化する（図６（ｆ）参照）。その結果、接地電極４２から中心電極４１へ二次電流Ｉ２が流れる向きに放電（マイナス放電）することとなる。

なお、一次電流Ｉ１（−）の通電を遮断させるｔ４時点で、点火信号ＩＧｔ（＋）をオンからオフに切り替えて、半導体スイッチＳＷ（＋）をオフ作動させるので、誘導放電（マイナス放電）の開始と同時に容量放電（プラス放電）が終了する。つまり、ｔ４時点で、容量放電（プラス放電）の継続中に誘導放電（マイナス放電）に切り替わる。

その後、電極４１，４２間の放電電圧Ｖ２はｔ５時点でゼロ（正確にはバッテリ電圧（１２Ｖ））になる。要するに、符号Ｔａに示す期間にてプラス放電が実施され、そのプラス放電の途中で（ｔ４時点で）マイナス放電に切り替わり、符号Ｔｂに示す期間にてマイナス放電が実施される。

そして、本実施形態でも上記第１実施形態と同様にして、二次電圧Ｖ２（中心電極４１と接地電極４２の電位差）の立上り速度（増大速度）を、二次電圧Ｖ２が所定電圧に達した後、中心電極４１の周りに残留するプラスの空間電荷が所定量以上形成される前に放電が開始されるように設定している。この立上り速度とは、図６において、二次電圧Ｖ２（放電電圧）がプラス放電開始に伴い上昇を開始したｔ２時点から、ピーク値に達するｔ３時点までの電圧上昇速度（ｔ２〜ｔ３の傾き）のことである。

以上詳述した本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果が発揮されるとともに、以下の効果も得られるようになる。

（１）放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替えるので、電極消耗の多いプラス放電の期間を短くできる。よって、電極消耗を抑制しつつプラス放電を実施できる。

（２）プラス放電を容量放電により実施し、マイナス放電を誘導放電により実施するので、プラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）が一次コイルＬ１を流れる向きと、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）が一次コイルＬ１を流れる向きを同じにできる。その結果、Ｉ１（＋）による磁束とＩ１（−）による磁束が互いに打ち消し合うことによる電力ロスを回避でき、ひいては点火コイル２０の大型化を抑制できる。

（３）上述の如く両電流Ｉ１（＋），Ｉ１（−）の流れる向きを同じにできることに起因して、マイナス放電用の一次コイルとプラス放電用の一次コイルとを共用させることができるので、点火コイル２０の大型化を抑制できる。

（４）Ｉ１（−）の通電開始からＩ１（＋）の通電開始直前までに、コア部材２１に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、最低限の飽和磁束密度を有するコア部材２１を選定しているので、コスト高を抑制しつつ上記懸念を解消できる。

（５）ところで、両電極４１，４２での絶縁破壊（放電開始）に必要な二次電圧Ｖ２の絶対値は、絶縁破壊後の放電維持に必要な二次電圧Ｖ２の絶対値よりも高い。また、容量放電は一般的に、誘導放電に比べて二次電圧Ｖ２の発生期間が短いものの、誘導放電に比べて二次電圧Ｖ２の絶対値を高くできる。これらを鑑みた本実施形態では、放電開始にかかるプラス放電を容量放電で実施し、放電維持にかかるマイナス放電を誘導放電で実施するので、放電開始および放電維持に必要な二次電圧Ｖ２を高効率で生じさせることができる。

（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、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・図２に示す上記第１実施形態では、接地電極４２のうち中心電極４１と対抗する部位を、平坦な形状にしているが、図４の下段に示すように、接地電極４２のうち中心電極４１と対抗する部位に、中心電極４１へ向けて突出する針状の突起４２ａを形成してもよい。

これによれば、図４下段に示すように、突起４２ａの近傍で電離が集中することとなり、突起４２ａを起点に中心電極４１に向けて火花が伸展するようにできる。一方、陽イオン雲ＣＩは中心電極４１の側に形成されるので、火花の起点場所が陽イオン雲ＣＩから遠ざかることになる。よって、陽イオン雲ＣＩにより火花伸展が妨げられる度合いを低減でき、放電開始所要時間の短縮化による放電電圧の低下を促進できる。

・図１に示す上記第１実施形態では、放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替える点火装置に本発明を適用させているが、マイナス放電の実施を廃止してプラス放電のみを実施する点火装置に、本発明を適用させてもよい。

・上記第２実施形態では、プラス放電用の半導体スイッチＳＷ（＋）と、マイナス放電用の半導体スイッチＳＷ（−）とを、ｔ４時点で同時にオフ作動させている。これに対し、マイナス放電用の半導体スイッチＳＷ（−）をオフ作動させて誘導放電を開始させた後に、プラス放電用の半導体スイッチＳＷ（＋）をオフ作動させてもよいし、ＳＷ（−）をオフ作動させる前にＳＷ（＋）をオフ作動させてもよい。いずれにしても、コンデンサ５１からの放電がピークとなったｔ３時点以降にＳＷ（＋）をオフ作動させればよい。

１０…ＥＣＵ（制御手段）、２０…点火コイル、４０…点火プラグ、４１…中心電極、４２…接地電極、４２ａ…針状の突起。

Claims (6)

1. 点火コイルから出力される二次電圧を、点火プラグの中心電極および接地電極の間で放電させる内燃機関の点火装置であって、
   前記中心電極を正極、前記接地電極を負極として放電させるように構成し、
   前記中心電極と前記接地電極の電位差が所定電圧に達した後、前記中心電極の周りに残留するプラスの空間電荷が所定量以上形成される前に放電が開始されるように、前記電位差の増大速度が設定されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 前記増大速度を１ｋＶ／μｓ以上に設定したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 点火コイルから出力される二次電圧を、点火プラグの中心電極および接地電極の間で放電させる内燃機関の点火装置であって、
   前記中心電極を正極、前記接地電極を負極として放電させるように構成し、
   前記中心電極と前記接地電極の電位差を増大させて放電を開始させるにあたり、前記電位差の増大速度を１ｋＶ／μｓ以上に設定したことを特徴とする内燃機関の点火装置。
4. 前記増大速度を５ｋＶ／μｓ以下に設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の点火装置。
5. 前記接地電極には、前記中心電極へ向けて突出する針状の突起が形成されており、
   前記突起を起点に前記接地電極の側から前記中心電極へ向けて火花を伸展させるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の点火装置。
6. 蓄電した電力を前記点火コイルの一次コイルへ放電することにより、前記点火コイルの二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで容量放電させる容量放電用回路と、
   前記一次コイルへの通電を遮断することにより、前記二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで誘導放電させる誘導放電用回路と、
   前記点火プラグの中心電極を正極としたプラス放電を実施し、当該プラス放電の途中で、前記中心電極を負極としたマイナス放電に切り替えるよう、前記一次コイルへの通電状態を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記プラス放電を前記容量放電により実施し、前記マイナス放電を前記誘導放電により実施するよう、前記容量放電用回路および前記誘導放電用回路の作動を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の点火装置。

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