JP2013160216A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で容易に大きな放電プラズマを形成することのできる点火装置を提供する。
【解決手段】点火コイル装置１０２が供給するエネルギーにより高電圧を発生する第１の電極１０１ａと、第１の電極１０１ａに第１の間隙を介して対向し燃料に着火するための火花放電を第１の間隙に発生させるための第２の電極１０１ｂと、第１の間隙より小さい第２の間隙を介して第１の電極に対向すると共に第２の電極１０１ｂに所定の抵抗値を有する導電体３０２を介して接続された第３の電極１０１ｃとを備えた点火プラグ１０１を備え、制御装置により一つの点火行程内で複数回点火コイル装置１０２を駆動して点火プラグに火花放電を発生されるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、主に内燃機関に用いられる点火装置に関するものである。

近年、環境保全、燃料枯渇の問題が提起されており、自動車業界に於いてもこれ等への対応が急務となっている。その対応の一例として、成層混合気を利用した超希薄燃焼である成層リーン燃焼による内燃機関の運転がある。成層リーン燃焼に於いては、可燃混合気の分布がバラツク場合あり、従ってこのバラツキを吸収できる点火装置が要求されている。

特許文献１に開示された従来の点火装置は、燃焼室内に火花放電を発生する点火プラグと、この点火プラグの火花放電にエネルギーを供給するマイクロ波発生装置とを備えたものである。この従来の点火装置によれば、より大きな放電プラズマを形成することができるので、空間的な着火機会を多くすることができ、混合気バラツキを吸収することができ、成層リーン燃焼に於ける前述の要求を満たすものであるとされる。

特開２０１０−９６１２８号公報

特許文献１に示された従来の点火装置は、大きな放電プラズマを形成することができる点で、失火防止、発生トルクのバラツキを抑えることが可能ではあるが、点火プラグとは別にマイクロ波を投入する経路が必要になる点で既存内燃機関への適用が困難である。又、ピストンが往復運動をし、大きな圧力変化を繰り返し、放電、燃焼によるプラズマの生成、消滅が繰り返される非常に不安定と言える燃焼室内に、マイクロ波のような周波数の高いエネルギーを安定供給するのは、インピーダンス整合等の面で、技術的及び製品個々のマッチング面での非常な困難性を伴うという課題があった。

この発明は、従来の点火装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構成で容易に大きな放電プラズマを形成することのできる点火装置を提供することを目的とするものである。

この発明による点火装置は、燃料に着火するための火花放電を発生する点火プラグと、前記火花放電を発生させるためのエネルギーを前記点火プラグに供給する点火コイル装置と、前記点火コイル装置を駆動する制御装置と、を備えた点火装置であって、前記点火プラグは、前記点火コイル装置が供給するエネルギーにより高電圧を発生する第１の電極と、前記第１の電極に第１の間隙を介して対向し前記燃料に着火するための火花放電を前記第１の間隙に発生させるための第２の電極と、前記第１の間隙より小さい第２の間隙を介して前記第１の電極に対向すると共に前記第２の電極に所定の抵抗値を有する導電体を介して接続された第３の電極とを備え、前記制御装置は、一つの点火行程内で複数回、前記点火コイル駆動することを特徴とするものである。

この発明の点火装置によれば、大きな放電電流により生成される多量のプラズマを点火プラグの電極間に繰返し、かつ、空間的に広い範囲から供給できるので、簡素な構成で容易に大きな放電プラズマを形成し、希薄燃料若しくは希釈燃焼を安定して燃焼させることができ、内燃機関等の運転に利用する燃料を飛躍的に削減することが可能となり、ＣＯ２の排出量を大きく削減し、環境保全に役立てることができる。

この発明の実施の形態1による点火装置の構成図である。 この発明の実施の形態１による点火プラグを示す断面図である。 この発明の実施の形態１による点火装置の動作を説明するタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２による点火プラグの断面図である。 この発明の実施の形態３による点火装置の構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態1による点火装置の構成図である。図1に於いて、この発明の実施の形態1による点火装置は、点火プラグ１０１と、点火プラグ１０１に所定の高電圧を印加すると共に電流を供給する点火コイル装置１０２と、点火コイル装置１０２の動作を制御する制御装置１０３とを備えている。

点火プラグ１０１は、第１の電極としての高圧電極１０１aと、高圧電極１０１ａに対
して第１の所定の間隙である主プラグギャップを介して対向する第２の電極としての外側電極１０１ｂと、第３の電極としての種火電極１０１ｃを備えている。種火電極１０１ｃは、抵抗成分１０１ｄを介して外側電極１０１ｂ接続されると共に、高圧電極１０１ａに対して第２の所定の間隙である副プラグギャップを介して対向している。

点火コイル装置１０２は、鉄心１０２ｃを介して相互に磁気結合された1次コイル１０２aと２次コイル１０２ｂ、及び整流ダイオード１０２ｄとを有する。制御装置１０３は、内燃機関の運転状況に応じて点火コイル装置１０２が動作するタイミング及び動作する回数を設定する制御信号Ｓを生成する信号生成装置１０３ａと、信号生成装置１０３ａから供給される制御信号Ｓにより、点火コイル装置１０２の１次巻線１０２ａに流れる電流を制御するようにスイッチング制御されるスイッチング素子１０３ｂとにより構成されている。

この発明の実施の形態１による点火装置では、信号生成装置１０３ａはマイクロプロセッサ（以下、ＭＰＵと称する）により構成され、スイッチング素子１０３ｂはＩＧＢＴにより構成されている。

点火コイル装置１０２の２次コイル１０２ｂの一端は、整流ダイオード１０２ｄを介して点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続され、他端は車両の接地電位の部位（以下、ＧＮＤと称する）に接続されている。

次に、点火プラグ１０１の構成について説明する。図２は、この発明の実施の形態１による点火装置の点火プラグの一例を示す断面図であり、（Ａ）は点火プラグ全体の従断面図、図２の（Ｂ）は、図２の（Ａ）に於けるＢ部の拡大断面図である。図２に於いて、点火プラグ１０１は、セラミック等の絶縁体からなる碍子部１１と、ターミナル部１２と、抵抗成分を有する充填部材１６と、第１の電極としての高圧電極１０１ａと、第２の電極としての外側電極１０２ｂと、第３の電極としての種火電極１０１ｃと、ネジ部１４と、ハウジング部１５とを備えている。

碍子部１１は、中央孔１１０を備え、一端部１１１が他端部１１２よりも細い管状に形成されている。ターミナル部１２は、碍子部１１の中央孔１１０内に挿入され、一端部が碍子部１１の他端部１１２から露出している。高圧電極１０１ａは、碍子部１１の一端部１１１の中央孔１１０内に挿入され、一端部が碍子部１１の一端部１１１から露出している。外側電極１０１ｂは、ネジ部１４と一体に形成され、高圧電極１０１ａの先端部に対して第１の所定の間隙である主プラグギャップを介して対向している。高圧電極１０１ａの他端部とターミナル部１２の他端部は、碍子部１１の中央孔１１０内に於いて充填部材１６により電気的に接続されている。

種火電極１０１ｃは、抵抗成分を有する導電体３０２により構成され、碍子部１１の一端部１１１の外周面に固着されている。種火電極１０１ｃは、高圧電極１０１ａの一端部の外周面を包囲し、且つ所定の間隙である副プラグギャップを介して高圧電極１０１ａに対向している。又、種火電極１０１ｃの他端部は、ネジ部１４の内周面に電気的に接続されており、ネジ部１４を介して外側電極１０１ｂに電気的に接続されている。高圧電極１０１ａと種火電極１０１ｃとの間の間隙である副プラグギャップは、種火電極１０１ｃが高圧電極１０１ａに接触せず、且つ高圧電極１０１ａと外側電極１０１ｂとの間の間隙である主プラグギャップの間隔よりも狭い間隔に設定されている。

金属製のハウジング部１５は、碍子部１１の外周面に固定されており、外周部が六角形状若しくは四角形状等に形成されている。ハウジング部１５は、点火プラグ１０１を内燃機関のシリンダブロック（図示せず）に設けられた貫通孔のネジ部に装着し若しくは取り外すためのナットの役割と、シリンダブロックへの点火プラグ１０１の固定を安定させる役割を有する。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による点火プラグ１０１は、ネジ部１４が内燃機関（図示せず）のシリンダブロックに設けられたネジ部に螺合され、ハウジング部１５が内燃機関のシリンダブロックに当接した状態で内燃機関のシリンダブロックに固定される。点火プラグ１０１のターミナル部１２は、点火コイル装置１０２の２次コイル１０２ｂに前述の整流ダイオード１０２ｄを介して接続される。

前述のように構成されたこの発明の実施の形態１による点火プラグ１０１は、種火電極１０１ｃに専用の外部端子を必要とせず、通常の点火コイル装置にそのまま接続して使用することができる。

この発明の実施の形態１による点火プラグ１０１は、種火電極１０１ｃを有しているので、主プラグギャップ間に絶縁破壊を引起すために必要な「要求電圧」を小さくすることができる。即ち、種火電極を有しない一般的な点火プラグがこの発明の実施の形態１による点火プラグと同一間隙の主プラグギャップを有するとすれば、この発明の実施の形態１による点火プラグによれば、その一般的な点火プラグと比較して、前述の要求電圧を約半分程度まで下げることができる。

種火電極１０１ｃと外側電極１０１ｂとを接続する抵抗成分１０１ｄの抵抗値、つまり図２に示す種火電極１０１ｃを構成する導電体３０２の抵抗成分の抵抗値は、内燃機関の運転状況に基づいて変化する前述の要求電圧に応じて決定するのが理想的であるが、その場合には、種火電極１０１ｃ専用の外部端子が必要になり、点火プラグの構造も複雑になる。しかし、限定された用途、例えばガソリンを燃料として用いる内燃機関を搭載する一般向け自動車に於いて、前述の要求電圧の最高値を下げたいという目的に限定するのであれば、抵抗成分１０１ｄの抵抗値を３００［ｋΩ］程度の固定値とすることでその目的を実現することができ、簡単な構成で主プラグギャップ間に絶縁破壊を引起すために必要な要求電圧を下げる効果を得ることができる。

又、シリンダ内の雰囲気圧が大気圧より負圧側にある場合に於いて前述の要求電圧を低下させることを目的とするのであれば、抵抗成分１０１ｄの抵抗値を５０［ｋΩ］程度とすれば最も効率良くそ音目的を実現することができる。更に、シリンダ内の雰囲気圧が１０気圧以上の高圧条件下に於いて前述の要求電圧を低下させることを目的とするのであれば、抵抗成分１０１ｄの抵抗値を１［ＭΩ］程度とすることでその目的を実現することができる。

前述のように、種火電極１０１ｃを有する点火プラグ１０１を使用することにより、主プラグギャップ間に絶縁破壊を引起すために必要な要求電圧をおよそ半分にすることできるので、点火コイル装置１０２を、従来のように電圧重視型の仕様ではなく、電流重視型の仕様、例えば、１次巻線１０２ａと２次巻線１０２ｂとの巻数比を「８０」以下とした仕様により構成することができる。このように、この発明の実施の形態１による点火プラグ１０１を用いることにより、点火コイル装置１０２を、蓄積し且つ解放するエネルギーが電流重視型である点火コイル装置とすることができる。

点火コイル装置１０２の２次コイル１０２ｂに流れる２次電流を大きくしようとすれば、２次コイル１０２ｂに発生する２次電圧が小さくなってしまい、種火電極を有しない従来型の点火プラグでは点火プラグ１０１の主プラグギャップ間に絶縁破壊を引起すことができず、失火状態となってしまう場合があった。種火電極を有しない従来型の点火プラグを使用して、点火コイル装置１０２の２次電流と２次電圧を共に大きくするためには、巨大な点火コイル装置が必要となってしまい、コスト面、及び内燃機関への搭載性の面で製品として成立しない。これに対して、この発明の実施の形態１による点火プラグ１０１は、種火電極１０１ｃを有するので、この点火プラグ１０１を点火装置に用いることにより、従来と同等のコスト、搭載性を維持しながら、主プラグギャップ間に絶縁破壊を確実に引き起こすことができ、かつ大きな放電電流を流すことができる。

点火プラグ１０１の主プラグギャップ間に大きな放電電流が流れると、点火コイル装置１０２の２次巻線１０２ｂから点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａへ至る経路にも大きな電流が流れる。従って、この経路に大きな抵抗成分が存在すると大きな損失が発生する。又、電流重視型とした点火コイル装置１０２の仕様次第では、発生電圧の不足により、電流を点火プラグ１０１の主プラグギャップ間に流し込めなくなってしまうことも考えられる。従って、点火コイル装置１０２の２次巻線１０２ｂから点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａへ至る経路の抵抗成分は極力小さくなるように設定する必要がある。

通常、点火プラグは、点火コイル装置に接続されるターミナルと高圧電極との間を接続する充填部材として、ノイズ抑制の観点から、５［ｋΩ］程度の大きな抵抗成分を備えた材料を用いるのが一般的であるが、前述のように電流供給の観点からすればその充填部材の抵抗成分は極力小さくされるべきである。そこで、この発明の実施の形態１による点火プラグ１０１では、その充填部材１６の抵抗値が１［ｋΩ］以下となるように留意されている。

点火プラグ１０１の主プラグギャップ間に大きな放電プラズマを形成するためには、主プラグギャップ間に「大きな電流」を、「短時間に繰返し」供給する必要がある。主プラグギャップ間に大きな電流を供給すればするほど、沢山のプラズマが形成される。しかし、このプラズマは放電経路の周囲に集中してしまうため、放電電流を大きくするだけでは目指す大きさの放電プラズマとはならない。生成されるプラズマを空間的に広い範囲に分布させるためには、放電を複数回発生させる、所謂、多重放電が必要となる。

点火プラグ１０１の主プラグギャップ間に発生する放電により、プラグギャップ間にプラズマが生成される。その放電が途切れると、プラズマは、一部分は自身の熱により拡散し、他の一部分は内燃機関の燃焼室内の可燃混合ガスの流動により流動し、更に他の一部分は消滅する等、様々な様態をとる。前述の放電が途切れたとき、主プラグギャップ間に再度放電を発生させるために主プラグギャップ間に所定の高電圧を印加すると、主プラグギャップ間の、よりインピーダンスの低い経路で放電が再開される。そのインピーダンスの低い経路は、プラズマ濃度の高い経路である場合や、主プラグギャップ間の最短経路である場合等様々であり、多重点化を行なうことにより、前の放電経路とは異なる経路で再放電が発生する確率が高くなる。

単に多重点火とするだけでは一度の放電で十分なプラズマを生成することができないので、全体として大きな放電プラズマを形成することができず、又、放電電流を大きくするだけではプラズマの供給範囲が狭く大きな放電プラズマを形成することができないが、この発明の実施の形態１による点火プラグ１０１は、種火電極１０１ｃを有し、前述のように要求電圧を下げることができるので、十分なプラズマを形成し得る放電電流を供給できるようになり、多重点火により繰返し空間的に異なる位置、広い範囲からプラズマが供給されるようになり、より大きな放電プラズマを形成することができる。

次に、この発明の実施の形態１による点火装置の動作について説明する。制御装置１０３の信号生成装置１０３ａは、点火プラグ１０１の主プラグギャップ間に生成されたプラズマが消滅しきるより早い間隔で、かつ、形成されたプラズマが適当に拡がるような間隔で再放電を開始できるように、ＩＧＢＴからなるスイッチング素子１０３ｂを制御する。図３は、この発明の実施の形態１による点火装置の動作を説明するタイミングチャートであり、（ａ）はスイッチング素子１０３ｂのベースに供給される制御信号Ｓ、（ｂ）は点火コイル装置１０２の１次コイル１０２ａに流れる１次電流Ｉ１、（ｃ１）は整流ダイオード１０２ｄを備えている場合に主プラグギャップ間に流れる放電電流Ｉ２１、（ｃ２）は整流ダイオード１０１ｄを備えていない場合に主プラグギャップ間に流れる放電電流Ｉ２２、の夫々の波形を示している。

図１及び図３に於いて、先ず、図３の（ａ）に示す制御信号Ｓが、タイミングＴ１に於いてハイレベル（以下、Ｈレベルと称する）になると、スイッチング素子１０３ｂがオン状態となり、電源１００から点火コイル装置１０２の１次コイル１０２ａ、及びスイッチング素子１０３ｂを経由してＧＮＤへと１次電流Ｉ１が図２の（ｂ）に示すように流れ始め、次第に増加する。１次コイル１０２ａに１次電流Ｉ１が流れることにより、点火コイル装置１０２は磁気エネルギーを蓄積する。

点火コイル装置１０２に十分な磁気エネルギーが蓄えられた後、タイミングＴ２に於いて制御信号Ｓをローレベル（以下、Ｌレベルと称する）へと切替え、スイッチング素子１０３ｂをオフとして１次電流Ｉ１を遮断すると、点火コイル１０２は蓄えた磁気エネルギーを解放し、２次コイル１０２ｂの両端間に高電圧を発生する。点火コイル装置１０２が作り出したこの高電圧は、整流ダイオード１０２ｄを介して点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａへと伝わり、高圧電極１０１ａと種火電極１０１ｃとの間の副プラグギャップ間に絶縁破壊を引起し、種火放電を発生する。

副プラグギャップ間に種火放電が発生すると、高圧電極１０１ａと外側電極１０１ｂとの間の主プラグギャップ間のインピーダンスが低下する。そして、高圧電極１０１ａと外側電極１０１ｂとの間のインピーダンスが種火放電経路のインピーダンスを下回れば、高圧電極１０１ａと外側電極１０１ｂとの間で絶縁破壊を発生し、主プラグギャップ間に主放電が形成される。その結果、図３の（ｃ１）に示すように放電電流Ｉ２１が流れ次第に増加する。

ここで、この発明の実施の形態1では、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａから外側電極１０１ｂに向かう方向を正方向と定義する。前述の点火コイル装置１０２の磁気エネルギー解放時には、高圧電極１０１ａには２次コイル１０２ｂから負の高電圧が印加され、図３の（ｃ１）に示す負方向の放電電流Ｉ２１が流れる。

続いて、タイミングＴ３に於いて制御信号ＳをＨレベルへと切替えると、スイッチング素子１０３ｂがオン状態となり再び１次電流Ｉ１が流れ始め、点火コイル装置１０２にエネルギーが蓄積されると同時に、２次巻線１０２ｂには、磁気エネルギー解放時とは逆極性の誘導電圧が発生する。

タイミングＴ３からＴ４の間、２次巻線１０２ｂは点火プラグ１０１に対し正方向の電圧を発生し、点火コイル装置１０２内に整流ダイオード１０２ｄが設けられているので、図３の（ｃ１）に示すように主プラグギャップ間に流れる放電電流Ｉ２１は遮断される。このようにタイミングＴ３からＴ４の間は、放電電流が途切れ、プラズマが拡がっていくための時間となる。

尚、点火コイル装置１０２内に整流ダイオード１０２ｄを設けていない場合は、図３の（ｃ２）に示すように主プラグギャップ間に流れる放電電流Ｉ２２は、正方向及び負方向共に流れ、交流となる。タイミングＴ３の時点では主プラグギャップ間にプラズマが形成されており、主プラグギャップ間のインピーダンスが低下した状態なので、正の電圧が印加されると主プラグギャップ間にはこれまでとは逆方向である正方向の放電電流Ｉ２２が流れる。このとき、放電電流Ｉ２２は負方向から正方向に切替り、一度放電が途切れた状態となるため、この場合にも前述の放電の経路が変更される易くなる。

次に、タイミングＴ４に於いて、制御信号ＳをＬレベルへと切替えると、スイッチング素子１０３ｂがオフ状態となり、１次電流Ｉ１は図３の（ｂ）に示すように遮断され、前述同様、点火コイル装置１０３は蓄えたエネルギーを解放し、主プラグギャップ間には負方向の放電電流が流れる。以降、前述のタイミングＴ２からＴ４の動作を繰り返すことで、放電経路を変えながらの繰返し放電が可能となり、大きな放電プラズマを生成できようになる。

尚、タイミングＴ２からＴ３までの制御信号ＳのＬレベルの時間間隔と、タイミングＴ３からＴ４までの制御信号ＳのＨレベルの時間間隔とを等しくする必要はない。タイミングＴ４以降も同様である。

整流ダイオード１０２ｄを設けている場合には、図３の（ｃ１）に示す放電電流Ｉ２１が負のピークとなる付近となるタイミング、例えばタイミングＴ３に於いて制御信号ＳをＬレベルからＨレベルへと切替る方が、そうでない場合より多くのプラズマを空間に放出できるので、望ましい。主プラグギャップ間の放電中に於ける制御信号ＳのＬレベル継続時間、例えばタイミングＴ２からＴ３の間の時間は、点火コイル装置１０２の仕様次第であるが、例えば３［μｓ］程度の固定値に設定しておく。又、プラズマが消滅しきる前に制御信号ＳをＨレベルからＬレベルへと切替える必要がある。プラズマの消滅時間は、燃焼室内の温度、圧力、プラズマの種類等により異なるため、内燃機関の運転条件に応じて変更されるのが望ましいが、例えば１［μｓ］程度の固定値に設定しておく。

一方、整流ダイオード１０２ｄを設けていない場合には、図３の（ｃ２）に示す放電電流Ｉ２２が徐々に減衰し零付近となるタイミング、例えば、タイミングＴ３に於いて制御信号ＳをＬレベルからＨレベルへと切替る方が、そうでない場合よりプラズマが空間的に拡がる時間を作ることができるので、望ましい。この場合、制御信号ＳのＬレベル継続時間と、Ｈレベル継続時間は点火コイル装置１０２の仕様次第であるが、例えばＬレベル継続時間及びＨレベル継続時間の何れも５［μｓ］程度の固定値に設定しておく。

以上述べたように、この発明の実施の形態１による点火装置によれば、従来の点火装置のように複雑、かつ高価な構成とせず、且つ高度なマッチング等を必要とせず、一般的な点火装置と同等の構成、コストで大きな放電プラズマを形成し、多量のプラズマを燃焼室内の広範囲に供給、燃焼反応を促進することができるようになるので、希薄若しくは希釈燃焼限界領域等を拡大することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による点火装置の点火プラグについて説明する。図４は、この発明の実施の形態２による点火プラグの断面図で、（Ａ）は点火プラグ全体の従断面図、（Ｂ）は、図４の（Ａ）に於けるＢ部の拡大断面図である。図４に於いて、点火プラグ１０１は、セラミック等の絶縁体からなる碍子部１１と、ターミナル部１２と、抵抗成分を有する充填部材１６と、第１の電極としての高圧電極１０１ａと、第２の電極としての外側電極１０２ｂと、第３の電極としての種火電極１０１ｃと、ネジ部１４と、ハウジング部１５とを備えている。

碍子部１１は、中央孔１１０を備え、一端部１１１と他端部１１２は略同等の太さに形成されている。ターミナル部１２は、碍子部１１の中央孔１１０内に挿入され、一端部が碍子部１１の他端部１１２から露出している。高圧電極１０１ａは、碍子部１１の一端部１１１の中央孔１１０内に挿入され、一端部が碍子部１１の一端部１１１に設けられたキャビティ３０４内に露出している。キャビティ３０４は、碍子部１１の一端部１１１に形成された細孔３０６により細く絞り込まれている。

外側電極１０１ｂは、ネジ部１４の先端部をネジ部１４の中心側に略９０度に屈曲して構成されている。外側電極１０１ｂの中央部には、所定の直径の貫通穴からなるオリフィス３０５が形成されている。高圧電極１０１ａと外側電極１０１ｂは、キャビティ３０４の一部と細孔３０６と及びオリフィス３０５の一部とからなる主プラグギャップを介して対峙している。

種火電極１０１ｃは、抵抗成分を有する導電体３０２により構成され、碍子部１１の一端部１１１に埋め込まれている。この種火電極１０１ｃの内周部は、前述のキャビティ３０４の内壁に露出して高圧電極１０１ａの一端部の外周面を包囲し、且つ所定の間隙である副プラグギャップを介して高圧電極１０１ａに対向している。又、種火電極１０１ｃの外周部は、ネジ部１４の内周面に電気的に接続されており、ネジ部１４を介して外側電極１０１ｂに電気的に接続されている。高圧電極１０１ａと種火電極１０１ｃとの間の間隙である副プラグギャップは、種火電極１０１ｃが高圧電極１０１ａに接触せず、且つ高圧電極１０１ａと外側電極１０１ｂとの間の間隙である主プラグギャップの間隔よりも狭い間隔に設定されている。

その他の構成は、実施の形態１による点火プラグと同様である。

この実施の形態２による点火プラグ１０１は、プラズマジェット型の点火プラグであり、後述するように小さなキャビティ３０４内で大きな放電電流を発生させ、多量のプラズマを生成するものであり、外側電極１０１ｂにより小さく絞り込まれたオリフィス３０５から多量のプラズマを、方向性をもって噴出することができるため、より効果的な着火を行うことができる。

前述のように構成されたこの発明の実施の形態２による点火プラグ１０１は、種火電極１０１ｃに専用の外部端子を必要とせず、通常の点火コイル装置にそのまま接続して使用することができる。

この発明の実施の形態２による点火プラグ１０１は、種火電極１０１ｃを有しているので、主プラグギャップ間に絶縁破壊を引起すために必要な「要求電圧」を小さくすることができる。即ち、種火電極を有しない一般的な点火プラグがこの発明の実施の形態２による点火プラグと同一間隔の主プラグギャップを有するとすれば、この発明の実施の形態２による点火プラグによれば、その一般的な点火プラグと比較して、前述の要求電圧を約半分程度まで下げることができる。

種火電極１０１ｃと外側電極１０１ｂとを接続する抵抗成分１０１ｄの抵抗値、つまり図４に示す種火電極１０１ｃを構成する導電体３０２の抵抗成分の抵抗値は、内燃機関の運転状況に基づいて変化する前述の要求電圧に応じて決定するのが理想的であるが、その場合には、種火電極１０１ｃ専用の外部端子が必要になり、点火プラグの構造も複雑になる。しかし、限定された用途、例えばガソリンを燃料として用いる内燃機関を搭載する一般向け自動車に於いて、前述の要求電圧の最高値を下げたいという目的に限定するのであれば、抵抗成分１０１ｄの抵抗値を３００［ｋΩ］程度の固定値とすることでその目的を実現することができ、簡単な構成で主プラグギャップ間に絶縁破壊を引起すために必要な要求電圧を下げる効果を得ることができる。

又、シリンダ内の雰囲気圧が大気圧より負圧側にある場合に於いて前述の要求電圧を低下させることを目的とするのであれば、抵抗成分１０１ｄの抵抗値を５０［ｋΩ］程度とすれば最も効率良くそ音目的を実現することができる。更に、シリンダ内の雰囲気圧が１０気圧以上の高圧条件下に於いて前述の要求電圧を低下させることを目的とするのであれば、抵抗成分１０１ｄの抵抗値を１［ＭΩ］程度とすることでその目的を実現することができる。

実施の形態３．
大きな放電プラズマを形成し、多量のプラズマを内燃機関の燃焼室内の広範囲に供給するためには、「大きな電流」を、「短時間に繰返し」、プラグＧＡＰ間へ投入する方が良い。前述の実施の形態１では、電流供給コイルとしての点火コイル装置を、ＩＧＢＴからなるスイッチング素子で駆動する、所謂、フルトランジスタ方式とし、簡単、且つ安価な構成としていた。この実施の形態１によるフルトンジスタ方式は、前述のプラズマ供給要件である「大きな電流」と「短時間の繰返し」のうち、どちらかと言えば「短時間の繰返し」の方に重点を置いたシステムであって、１［ＭＨｚ］程度までの周期駆動が可能である。

これに対して、「大きな電流」を供給するという点では、電流供給コイルとしての点火コイル装置は、容量放電型点火方式（以下、ＣＤＩ方式と称する）の点火コイル装置である方が望ましい。しかしながら、一般的なＣＤＩ式は大きな電流を供給することはできるが、容量電流の供給源であるコンデンサの充電に数［ｍｓｅｃ］程度要するため、電流を「短時間の繰返し」で供給することは困難である。

この発明の実施の形態３による点火装置は、このような課題を解決し、「大きな電流」を「短時間に繰返し」供給できるＣＤＩ多重方式により電流供給コイルとしての点火コイル装置を駆動したもので、より高性能な点火装置を提供するものである。

図５は、この発明の実施の形態３による点火装置の構成図である。図５に示す点火装置に於いて、点火プラグ１０１は、第1の電極としての高圧電極１０１ａと、第２の電極としての外側電極１０１ｂと、第３の電極としての種火電極１０１ｃとを備える。この点火プラグ１０１は、前述の実施の形態１に於いて図２に示した点火プラグ、若しくは実施の形態２に於いて図４に示した点火プラグの何れであっても良い。

点火コイル装置１０２は、鉄心１０２ｃを介して磁気的に結合された１次コイル１０２ａと、２次コイル１０２ｂとを備えている。２次コイル１０２ｂは、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに一端が接続され、他端はＧＮＤに接続されている。１次コイル１０２ａの両端間には、ＩＧＢＴにより構成された第１のスイッチング素子４０２を介して点火コンデンサ４０４が接続されている。点火コンデンサ４０４の正極側は整流ダイオード４０６とインダクタ４０３を介して電源１００に接続され、負極側はＩＧＢＴにより構成された第２のスイッチング素子４０５を介してＧＮＤに接続されている。

第１のスイッチング素子４０２、及び第２のスイッチング素子４０５は、ＭＰＵ（図示せず）により構成された信号生成装置（図示せず）からの第１の制御信号ＳｃＨ、及び第２の制御信号ＳｃＬにより夫々スイッチング制御される。信号生成装置は、内燃機関の運転状況に応じて点火コイル装置１０２が動作するタイミング及び動作する回数を設定し、前述の第１の制御信号ＳｃＨ、及び第２の制御信号ＳｃＬを生成する。尚、信号生成装置と、第１のスイッチング素子４０２と、第２のスイッチング素子４０５は、点火コイル装置１０２の１次側に点火コンデンサ４０４に蓄えられた電荷による容量電流を供給する容量電流供給装置を構成しており、この容量電流供給装置は、点火コイル装置１０２の動作を制御する制御装置の一部を構成している。

点火コイル装置１０２の１次コイル１０２ａに流れる１次電流Ｉ１は、点火コンデンサ４０４の正極側から１次コイル１０２ａ、第１のスイッチング素子４０２のコレクタからエミッタを経由して点火コンデンサ４０４の負極側へ戻る放電経路で流れる点火コンデンサ４０４の放電電流により構成される。従って、点火コンデンサ４０４に蓄積される電荷量が大きくなる程、１次電流Ｉ１の値は大きくなる。それ故、点火コンデンサ４０４の容量値Ｃや充電電圧を適当に選択することで「大きな電流」を供給することができるようになる。

点火コンデンサ４０４は、電源１００、整流ダイオード４０６、インダクタ４０３を経由して点火コンデンサ４０４の正極側、点火コンデンサ４０４の負極側、及び第２のスイッチング素子４０５のコレクタからエミッタを経由してＧＮＤへ至る充電経路で充電される。

点火コンデンサ４０４は、インダクタ４０３を介して電源１００に接続されているので、電源１００から点火コンデンサ４０４へ流れる充電電流は、点火コンデンサ４０４の容量値Ｃとインダクタ４０３のインダクタンス値Ｌとで決まる、所謂、ＬＣ共振の周期で増幅されて流れる。つまり、点火コンデンサ４０４の容量値Ｃとインダクタ４０３のインダクタンス値Ｌのパラメータを適切に選択すれば、非常に高速に、かつ電源１００の電圧よりも高い電圧まで点火コンデンサ４０４を充電できるようになり、従って「短時間に繰返し」も可能となる。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態３による点火装置に於いて、いま、前述の図３のタイミングＴ１に相当するタイミングで図示していない信号生成装置からの第１の制御信号ＳｃＨがＨレベルになると、第１のスイッチング素子４０２はオン状態となる。このとき、信号生成装置からの第２の制御信号ＳｃＬ（図３には図示せず）はＬレベルであり、第２のスイッチング素子４０５はオフ状態にある。第１のスイッチング素子４０２がオン状態になると、電源１００の電圧より高い電圧に充電されていた点火コンデンサ４０４の放電電流は、１次電流として前述の放電経路で点火コイル装置１０２に流れる。

次に、図３のタイミングＴ２に相当するタイミングで第１の制御信号ＳｃＨがＬレベルとなると、第１のスイッチング素子４０２はオフ状態となり点火コンデンサ４０４からの１次電流は遮断され、同時に第２の制御信号ＳｃＬがＨレベルとなり第２のスイッチング素子４０５はオン状態となる。第２のスイッチング素子４０５がオン状態になると、点火コンデンサ４０４は、前述の充電経路でＬＣ共振に基づき電源１００の電圧より高い電圧に高速に充電される。

図３のタイミングＴ２に相当するタイミング以降は、タイミングＴ３、Ｔ４と、短時間に第１の制御信号ＳｃＨ、及び第２の制御信号ＳｃＬが交互にＨレベル、Ｌレベルに切り替わり、第１のスイッチング素子４０２、及び第２のスイッチング素子４０５の導通状態が前述のように交互に切り替わり、点火コイル装置１０２の１次電流が短時間に繰り返し流れる。図５に示す実施の形態３では点火コイル装置１０２の２次コイル１０２ｂに整流ダイオードは接続されていないので、第１のスイッチング素子４０２がオン状態とオフ状態とを繰り返すことにより流れる２次電流Ｉ２２は、図３の（ｃ２）に示すように交流電流として流れることになる。点火コイル装置１０２の２次コイル１０２ｂに接続された前述の点火プラグ１０１の動作については、実施の形態１若しくは実施の形態２と同様である。

タイミングＴ１以降の点火動作中では、第１の制御信号ＳｃＨと第２の制御信号ＳｃＬは、一方がＨレベルのときは他方がＬレベルとなるように制御装置の信号生成装置から出力され、その結果、第１のスイッチング素子４０２と第２のスイッチング素子４０５は、一方がオン状態のときは他方がオフ状態となるようにスイッチング制御される。

以上述べたＣＤＩ方式のこの発明の実施の形態３による点火装置によれば、１００［ｋＨｚ］程度までの周期駆動が可能となる。前述の実施の形態１によるフルトランジスタ方式の点火装置の場合も扱う電流値を大きくできるが、実施の形態３によるＣＤＩ方式の場合は、特に扱う電流値が大きくなるため、製品構造や取りつけ状態によっては周囲へのノイズ源となる可能性があるので、無線周波数帯等を外した動作周期を選択するのが望ましい。

この発明の実施の形態３による点火装置によれば、前述のように、点火コイル装置の１次コイルに、より大きな１次電流を、短時間に繰返し、流すことができるので、主プラグギャップ間の放電経路に、より大きな電流を投入できるようになる。従って、大きな放電プラズマを形成し、多量のプラズマを内燃機関の燃焼室内の広範囲に供給し、燃焼反応を促進することができるようになるので、希薄燃焼若しくは希釈燃焼の限界領域等を拡大することができる。

以上述べたこの発明の実施の形態１乃至３による点火装置は、内燃機関を利用する自動車、二輪車、船外機、その他特殊機械などにも搭載され、燃料への着火を確実に行えるようになるので、内燃機関を効率良く運転できるようになり、燃料枯渇問題、環境保全に役立つものである。

なお、この発明は、その発明の範囲内に於いて、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００ 電源 １０１ 点火プラグ
１０１ａ 第１の電極（高圧電極） １０１ｂ 第２の電極（外側電極）
１０１ｃ 第３の電極（種火電極） １０２ 点火コイル装置
１０２ａ １次コイル １０２ｂ ２次コイル
１０２ｃ 鉄心 １０２ｄ 整流ダイオード
１０３ 制御装置 １０３ａ 信号生成装置
１０３ｂ スイッチング素子 ４０２ 第１のスイッチング素子
４０５ 第２のスイッチング素子 ４０３ インダクタ
４０４ 点火コンデンサ １１ 碍子部
１１０ 碍子部の中央孔 １１１ 碍子部の一端部
１１２ 碍子部の他端部 １２ ターミナル部
１４ ネジ部 １５ ハウジング部
１６ 充填部材 ３０２ 導電体
３０４ キャビティ ３０５ オリフィス
３０６ 細孔

Claims (5)

1. 燃料に着火するための火花放電を発生する点火プラグと、前記火花放電を発生させるためのエネルギーを前記点火プラグに供給する点火コイル装置と、前記点火コイル装置を駆動する制御装置と、を備えた点火装置であって、
   前記点火プラグは、前記点火コイル装置が供給するエネルギーにより高電圧を発生する第１の電極と、前記第１の電極に第１の間隙を介して対向し前記燃料に着火するための火花放電を前記第１の間隙に発生させるための第２の電極と、前記第１の間隙より小さい第２の間隙を介して前記第１の電極に対向すると共に前記第２の電極に所定の抵抗値を有する導電体を介して接続された第３の電極とを備え、
   前記制御装置は、一つの点火行程内で複数回、前記点火コイルを駆動する、
   ことを特徴とする点火装置。
2. 前記制御装置は、前記点火コイル装置の１次側にコンデンサに蓄えられた電荷による容量電流を供給する容量電流供給装置を備え、前記容量電流により前記点火コイル装置を一つの点火行程内で複数回動作させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
3. 前記点火コイル装置は、１次コイルと２次コイルとを備え、
   前記１次コイルと前記２次コイルの巻数比は、８０以下である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 前記点火プラグは、前記点火コイル装置に接続される端子から前記第１の電極までの経路の抵抗値が１［ｋΩ］以下に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一項に記載の点火装置。
5. 前記点火プラグは、前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成されたキャビティ内で放電に応じて生成されるプラズマを、前記第２の電極に設けられたオリフィスから外部に噴出するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の火装置。

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