JP2014043859A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供給電力を低減することができると共に、ランニングコスト等のコストの低廉化を図ることができ、しかも、出力効率を高めることができ、さらに、アーク放電を効率よく維持させることができると共に、電極の消耗を抑制することができ、耐久性を向上させることができる点火装置を提供する。
【解決手段】接地電位とは絶縁体によって絶縁された中心電極と、接地電極と、中心電極と接地電極との間にパルス電圧を複数回印加し、放電を発生させる電源と、を有する点火装置において、電源の発生する各回の電流波形が、略三角形の前半部分１０６と、それに引き続く、前半部分１０６とは極性が逆転した後半部分１０８と、電流が概ね流れない電流停止部分１１０と、を有する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、車両用エンジン等に使用される点火装置に関する。

例えば車両用エンジンにおける点火装置は、特許文献１に記載されているように、碍子の貫通孔に挿入保持された中心電極と、碍子を取り囲む金属製ハウジングに取り付けた接地電極とを備え、前記中心電極と前記接地電極とをギャップを隔てて対向配置してある。そして、エンジンコントロールユニットからの点火信号により電源（パルス電源）から高電圧パルスを出力させ、該高電圧パルスを中心電極と接地電極との間に印加することによって、電極間に火花放電を発生させ、燃焼室内の混合気に着火するようにしている。

特開２００２−３１３５２３号公報

しかしながら、従来の点火装置では、アーク放電が生じた後も、アーク放電を維持させるために、高電圧のパルスを短い周期で連続的に供給する必要があり、高電圧のパルスの供給電力が大きくなるという問題がある。これは、ランニングコストの高価格化につながり、コスト的にも不利である。また、高電圧のパルスを短い周期で連続的に供給することで、電極の消耗が増大するため、寿命が短くなる。すなわち、従来の点火装置は、耐久性の面でも改善が必要であった。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、供給電力を低減することができると共に、ランニングコスト等のコストの低廉化を図ることができ、しかも、出力効率を高めることができ、さらに、アーク放電を効率よく維持させることができると共に、電極の消耗を抑制することができ、耐久性を向上させることができる点火装置を提供することを目的とする。

［１］ 本発明に係る点火装置は、絶縁体によって絶縁された中心電極と、接地電極と、前記中心電極と前記接地電極との間にパルス電圧を複数回印加し、放電を発生させる電源と、を有する点火装置において、前記電源の発生する各回の電流波形が、略三角形の前半部分と、それに引き続く、前記前半部分とは極性が逆転した後半部分と、電流が概ね流れない電流停止部分と、を有することを特徴とする。

［２］ 本発明において、前記電源は、第１区間に、前記中心電極と前記接地電極間において放電破壊を促進させるための高エネルギーの１以上の第１パルス電圧を前記中心電極と前記接地電極間に印加し、前記中心電極と前記接地電極間に放電破壊が実現した後の第２区間に、前記第１パルス電圧よりも低エネルギーの２以上の第２パルス電圧を印加して、前記電極間での放電破壊を維持させ、前記電流波形は、前記第２区間において前記第２パルス電圧と同期してもよい。

［３］ 本発明において、前記前半部分は、電流がランプ状に減衰する部分を有してもよい。

［４］ 本発明において、前記電流波形のピーク値が０．５Ａ以上２．０Ａ以下であってもよい。

［５］ 本発明において、前記電流波形の周期が２．５μｓｅｃ以上１０００μｓｅｃ以下であってもよい。

［６］ 本発明において、前記電流波形の周期に占める前記前半部分と前記後半部分の合計の時間的長さの割合が５／１０以上８／１０以下であってもよい。

［７］ 本発明において、前記前半部分の電荷量をＱ１、前記後半部分の電荷量をＱ２としたとき、
０．７Ｑ１≦Ｑ２≦１．５Ｑ１
であってもよい。

［８］ 本発明において、前記電流波形の周期に占める前記電流停止部分の時間的長さの割合が２／１０以上５／１０以下であってもよい。

［９］ 本発明において、前記絶縁体の表面に接して前記中心電極と前記接地電極とが離間して設置され、前記絶縁体の表面を介して沿面放電を行ってもよい。

［１０］ 本発明において、前記中心電極と前記接地電極とが空間を介して対向して配置され、前記中心電極と前記接地電極との間で火花放電を行ってもよい。

本発明に係る点火装置によれば、供給電力を低減することができると共に、ランニングコスト等のコストの低廉化を図ることができ、しかも、出力効率を高めることができる。さらに、アーク放電を効率よく維持させることができると共に、電極の消耗を抑制することができ、耐久性を向上させることができる。

図１は、本実施の形態に係る点火装置が使用されるエンジンの主要部を示す構成図である。 沿面放電型の点火プラグの一例を一部省略して示す断面図である。 沿面放電型の点火プラグの一例を一部省略して示す斜視図である。 火花放電型の点火プラグを示す側面図である。 パルス電源の一例を示すブロック図である。 パルス電源の一具体例を示すブロック図である。 パルス発生回路の動作を示すタイムチャートである。 インダクタンス変更部による制御の一例を示す説明図である。 本実施の形態に係る点火装置の処理動作を示すタイムチャートである。 放電破壊が実現した後の第２区間に出力される第２パルスの電流波形を示す拡大図である。 変形例に係るパルス電源の一具体例を示すブロック図である。

以下、本発明に係る点火装置の実施の形態例を図１〜図１１を参照しながら説明する。

先ず、本実施の形態に係る点火装置が使用されるエンジンの主要部について図１を参照しながら説明する。

エンジン１０００は、例えば図１に示すように、吸気管１００２、吸気バルブ１００４、燃焼室１００６、排気管１００８、排気バルブ１０１０、シリンダ１０１２、ピストン１０１４及び本実施の形態に係る点火装置１０を有する。点火装置１０は、点火プラグ１２と、パルス電源１４とを有する。

点火プラグ１２は、碍子１６（絶縁体）と、接地電位とは碍子１６によって絶縁された中心電極１８と、主体金具２０とを有し、碍子１６の表面を介して沿面放電を行う。主体金具２０は接地電極２１として機能する。

碍子１６は、図２及び図３に示すように、例えば円錐台形状の突出構造物２２と例えば円筒状の絶縁構造物２４（中心電極１８と主体金具２０とを電気的に絶縁するための構造物）とを備える。突出構造物２２の表面は、絶縁体露出面２６を構成する。

中心電極１８は、先端に設けられたキャップ２８と該キャップ２８から碍子１６を貫通する棒形状体３０とを備える。キャップ２８の表面、特に、碍子１６の突出構造物２２と対向する面と側周面は、第１導電体露出面３２を構成し、沿面放電の始点又は終点となる。

中心電極１８は、碍子１６により、主体金具２０から電気的に絶縁され、主体金具２０の中心軸３４に沿って機械的に固定される。

棒形状体３０は、例えば丸棒形状を有する。棒形状体３０は、碍子１６に埋設され、中心軸３４の方向に延在する。棒形状体３０は、少なくとも突出構造物２２の根元３６（図２において破線で示す）から先端３８までの区間の内部に埋設される。これにより、主体金具２０と棒形状体３０とが突出構造物２２により隔てられ、沿面放電の放電経路が存在する空間に誘電体バリア放電が発生する。棒形状体３０は、絶縁構造物２４の内部にも至る。

特に、上述した碍子１６の突出構造物２２は、根元３６から先端３８へ向かって径が細くなる先細り形状（テーパー形状）を持つ。これにより、先端３８側において棒形状体３０を被覆する絶縁体が薄くなり、誘電体バリア放電が促進され、沿面放電が発生しやすくなる。また、主体金具２０の開口に近づく根元３６側において棒形状体３０を被覆する絶縁体が厚くなり、棒形状体３０の絶縁が容易になる。

キャップ２８は、碍子１６の外部に露出し、突出構造物２２の先端３８に配置される。キャップ２８の先端側は、丸められる。これにより、キャップ２８の先端側の磨耗が抑制される。キャップ２８の根元から突出構造物２２の絶縁体露出面２６に沿って延びるつば（peak）４０が設けられている。これにより、キャップ２８の根元部分に末広がりの収容空間が形成される。収容空間には、突出構造物２２の先端３８が収容され、これにより、キャップ２８が突出構造物２２に固定される。

主体金具２０は、例えば円筒形状を有し、碍子１６の絶縁構造物２４を収容する中空部４２を有する。主体金具２０の表面、特に、碍子１６の突出構造物２２と対向する面及び先端面は第２導電体露出面４４を構成し、沿面放電の始点又は終点となる。

なお、突出構造物２２の径が一定である場合、又は、突出構造物２２が根元３６から先端３８へ向かって径が太くなる先太り形状（逆テーパー形状）を持つ場合であっても、プラズマを大きく広げるという点火プラグ１２の効用は完全には失われない。

絶縁構造物２４は、主体金具２０の中空部４２内に固定されることで、碍子１６が主体金具２０に対して固定される。突出構造物２２が主体金具２０の開口から突出する状態で保持される。なお、突出構造物２２と絶縁構造物２４とは一体物でなく、それぞれ別体でもよい。

碍子１６を構成する絶縁体としては、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスが採用されてもよいし、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂等の樹脂が採用されてもよい。碍子１６の材質は、望ましくは比誘電率が１０以上の絶縁体から選択される。これにより、誘電体バリア放電が促進され、沿面放電が発生しやすくなる。

主体金具２０及び中心電極１８を構成する導電体としては、白金等の金属が採用されてもよいし、ステンレス鋼、ニッケル合金等の合金が採用されてもよいし、導電性セラミックスが採用されてもよい。

そして、点火プラグ１２は、図１に示すように、その先端部分が燃焼室１００６内に露出させて設置される。図１の例では、燃焼室１００６のうち、ピストン１０１４の略軸線上の位置に点火プラグ１２を設置した例を示す。

パルス電源１４は、点火プラグ１２の中心電極１８と主体金具２０（接地電極２１）との間にパルス電圧を複数回印加し、放電を発生させる。パルス電源１４の負極と点火プラグ１２の接地電極２１とがそれぞれ接地され、パルス電源１４の正極と点火プラグ１２の中心電極１８とがケーブル等を介して電気的に接続される。

ここで、エンジン１０００の動作を簡単に説明すると、先ず、吸気バルブ１００４が開いて、ピストン１０１４が燃焼室１００６から遠ざかる方向に移動することによって、燃焼室１００６内に燃料（混合気）が導入される。このとき、燃焼室１００６内では混合気の導入に伴って、混合気の流動（ガス流動）が発生する。その後、ピストン１０１４が下死点まで移動した段階で吸気バルブ１００４を閉じる。この状態でも慣性によってガス流動が生じている。その後、ピストン１０１４が燃焼室１００６に向かって移動することで、燃焼室１００６の圧力が高められる。この状態でも慣性によってガス流動が生じている。このとき、パルス電源１４において発生したパルス電圧が、点火プラグ１２の中心電極１８と接地電極２１との間に印加される。パルス電圧が点火プラグ１２の中心電極１８と接地電極２１との間に印加されると、突出構造物２２の絶縁体露出面２６に沿う沿面放電（アーク放電）が発生する。この沿面放電により、プラズマが生成する。プラズマの生成と同時に又はプラズマの生成の後に火炎が誘発され、燃焼室１００６内の混合気への点火が行われ、混合気の流動（ガス流動）に沿ってアーク放電による火炎が進展、広がることとなる。混合気が燃焼すると、図示しないが、発生した排気ガスが排気バルブ１０１０及び排気管１００８を介して外部へと排出されると共に、混合気が燃焼室１００６内に再び導入されることになる。

沿面放電による点火は、沿面放電以外の放電による点火と比較して、放電開始電圧が低くなる。そのため、中心電極１８を被覆する絶縁体を薄くでき、点火プラグ１２の径を細くすることができる。また、碍子１６のくすぶり（carbon deposit）（混合気の燃焼によって碍子１６の表面に付着した炭素）を、沿面放電により焼き払うことができる。これにより、くすぶりによる失火等を防止することができる。

突出構造物２２は、根元３６から先端３８に向かって中心軸３４に沿って延在する。中心電極１８の中心軸３４は、まっすぐに延在するが、若干曲がってもよい。

点火プラグ１２を燃焼室１００６に取り付ける場合、突出構造物２２の絶縁体露出面２６、主体金具２０の第２導電体露出面４４及びキャップ２８の第１導電体露出面３２を、外部空間の燃焼室１００６に露出させる。これにより、突出構造物２２の絶縁体露出面２６に沿う沿面放電が発生した場合に、沿面放電により、燃焼室１００６にプラズマが生成し、燃焼室１００６を満たす混合気への点火が行われる。

突出構造物２２の絶縁体露出面２６は、根元３６側の境界４６から先端３８側の境界４８まで連続する。これにより、根元３６側の境界４６と先端３８側の境界４８とを結び突出構造物２２の絶縁体露出面２６に沿う沿面放電の経路が形成される。沿面放電の放電開始電圧は低い。従って、沿面放電の経路が形成された場合は、放電開始電圧が低くなり、放電距離が長くなる。放電距離が長くなった場合は、プラズマが大きく広がる。これにより、希薄燃焼が行われる場合等の難燃焼条件であっても混合気に安定して点火することができる。

突出構造物２２の絶縁体露出面２６と主体金具２０の第２導電体露出面４４とは、根元３６側の境界４６において接し、且つ、円周状の根元３６側の境界４６を挟んで連続する。これにより、主体金具２０の第２導電体露出面４４を始点又は終点とする放電が突出構造物２２の絶縁体露出面２６に沿って伸展する。

突出構造物２２の絶縁体露出面２６及びキャップ２８の第１導電体露出面３２は、先端３８側の境界４８において接し、且つ、円周状の先端３８側の境界４８を挟んで連続する。これにより、キャップ２８の第１導電体露出面３２を始点又は終点とする放電が突出構造物２２の絶縁体露出面２６に沿って伸展する。

根元３６側の境界４６と先端３８側の境界４８とは、中心軸３４の方向に離間している。また、突出構造物２２の最大径Ｄは、望ましくは、根元３６側の境界４６から先端３８側の境界４８までの中心軸３４方向の最短距離Ｌより小さい。これにより、点火プラグ１２の径が細くなり、点火プラグ１２が占有する体積が減少する。但し、最大径Ｄが最短距離Ｌより細くない場合もプラズマを大きく広げるという点火プラグ１２の効用は完全には失われない。突出構造物２２の最大径Ｄは、中心軸３４に垂直な径方向の突出構造物２２の寸法の最大値である。突出構造物２２の最大径Ｄが細くなることは、中心電極１８の絶縁性を若干低下させる。しかし、点火プラグ１２においては、沿面放電の利用により放電開始電圧が低下しているので、中心電極１８の絶縁性が若干低下しても大きな問題は生じない。

点火プラグ１２が占有する体積が減少することは、燃焼室１００６に２個以上の点火プラグ１２を取り付けることを容易にし、混合気への多点点火を容易にする。多点点火によれば、希薄燃焼が行われる場合等の難燃焼条件であっても混合気に安定して点火することができる。

点火プラグ１２としては、上述した沿面放電型の点火プラグのほか、火花放電型の点火プラグ１２ａを用いてもよい。

火花放電型の点火プラグ１２ａは、図４に示すように、高電圧パルスが印加され、接地電位とは碍子１６によって絶縁された概ね棒状の中心電極１８と、該中心電極１８の概ね延長上に放電ギャップ５０（空間）を介して配置された接地電極２１と、接地電極２１が接続される主体金具２０とを有する。すなわち、点火プラグ１２ａは、棒状の中心電極１８と、該中心電極１８を覆う筒状の碍子１６と、該碍子１６を保持する金属製の筒状の主体金具２０と、該主体金具２０に取付けた接地電極２１と、中心電極１８の後端部に電気的に接続した端子部５２とを有する。主体金具２０に接続された接地電極２１は途中から屈曲し、その先端部２１ａが中心電極１８の先端と対向するように延在している。

この場合も、パルス電圧が点火プラグ１２ａの中心電極１８と接地電極２１との間に印加されると、中心電極１８と接地電極２１間において火花放電（アーク放電）が発生し、このアーク放電により、プラズマが生成する。プラズマの生成と同時に又はプラズマの生成の後に火炎が誘発され、燃焼室１００６内の混合気への点火が行われ、混合気の流動（ガス流動）に沿ってアーク放電による火炎が進展、広がることとなる。

そして、本実施の形態に係る点火装置１０のパルス電源１４は、図５に示すように、中心電極１８と接地電極２１間にパルス電圧を印加するパルス生成部５４と、中心電極１８と接地電極２１間に放電を発生させるようにパルス生成部５４を制御するパルス制御部５６とを有する。

パルス生成部５４は、例えば図６に示すようなパルス発生回路５８を有する。このパルス発生回路５８は、直流電源部６０の両端に直列接続されたトランス６２、ＳＩサイリスタ６４及びスイッチング素子６６を有する。トランス６２の一次巻線６８における一方の第１端子６８ａに直流電源部６０の正極が接続され、トランス６２の一次巻線６８における他方の第１端子６８ｂにＳＩサイリスタ６４のアノードが接続されている。また、ＳＩサイリスタ６４のゲートと一次巻線６８の一方の第１端子６８ａ間には、ダイオード７０と抵抗７２が並列に接続されている。なお、ダイオード７０は、カソードが一次巻線６８の一方の第１端子６８ａに接続され、アノードがＳＩサイリスタ６４のゲートに接続されている。

スイッチング素子６６は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等によって構成され、そのゲート電極に入力端子７４が接続され、この入力端子７４にパルス制御部５６からの制御信号（オン信号Ｓｏｎ／オフ信号Ｓｏｆｆ）が供給されるようになっている。

また、トランス６２の二次巻線７６の一方の第２端子７６ａに接地電極２１（主体金具２０）が接続され、二次巻線７６の他方の第２端子７６ｂに中心電極１８が接続されている。さらに、例えば二次巻線７６の他方の第２端子７６ｂと中心電極１８との間にコンデンサ７８が接続されている。

ここで、パルス発生回路５８での回路動作を図７も参照しながら説明する。

先ず、図７のサイクル１の開始時点ｔａにおいて、パルス制御部５６からパルス発生回路５８の入力端子７４に対してオンを示す制御信号（オン信号Ｓｏｎ：例えば高レベル信号）が供給されると、スイッチング素子６６がオンとなり、これにより、ＳＩサイリスタ６４はターンオンを経てオンとなる。ＳＩサイリスタ６４がオンとなることによって、トランス６２に直流電源部６０の電圧Ｅと略同じ電圧が印加され、トランス６２の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス６２の一次巻線６８に流れる電流Ｉ１は勾配（Ｅ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス６２への誘導エネルギーの蓄積が行われる。

その後、一次側の電流Ｉ１の値が予め決められたピーク値（波高値）Ｉｐ１となった時点ｔｂにおいて、パルス制御部５６からパルス発生回路５８の入力端子７４に対してオフを示す制御信号（オフ信号Ｓｏｆｆ：例えば低レベル信号）が供給されると、スイッチング素子６６がオフとなり、これにより、ＳＩサイリスタ６４はターンオフを経てオフとなる。ＳＩサイリスタ６４がターンオフとなることによって、中心電極１８及び接地電極２１間への高電圧パルスＰの供給が開始される。ここで、直流電源部６０の電圧をＥ、スイッチング素子６６がオンとなっている期間（オン期間）をＴｏｎ、トランス６２の一次インダクタンスをＬ１としたとき、ピーク値Ｉｐ１は、
Ｉｐ１＝Ｅ×Ｔｏｎ／Ｌ１
となる。

そして、ＳＩサイリスタ６４がオフになることによってトランス６２にパルス状の誘導起電力Ｖｐ１が発生し、これに伴って、二次側の電流Ｉ２が急激に流れ、中心電極１８及び接地電極２１間には誘導起電力に応じたパルス状の高電圧Ｖｐ２（高電圧パルスＰ）が印加されることになる。

その後、高電圧Ｖｐ２のピークの時点を過ぎると、燃焼室１００６においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流Ｉ２は徐々に減衰し、予め決められたオフ期間Ｔｏｆｆ（スイッチング素子６６をオフにする期間）が経過する前の時点で基準レベル（０（Ａ））になる。従って、時点ｔｂから基準レベルに到達する時点までの時間が電流の導通時間Ｔｉとなる。

オフ期間Ｔｏｆｆが経過した時点でサイクル２が開始され、上述したサイクル１と同様の動作が繰り返される。

次に、パルス制御部５６について説明する。パルス制御部５６は、図６に示すように、パルス発生回路５８のスイッチング素子６６にオン信号Ｓｏｎ及びオフ信号Ｓｏｆｆを供給するスイッチング制御部８０と、第１制御部８２と、第２制御部８４と、第１時間計測部８６と、制御切替部８８とを有する。

第１制御部８２は、放電処理の各サイクル（図７のサイクル１、サイクル２とは異なる）における第１区間Ｔ１（図９参照）において、高エネルギーの１以上の第１パルスＰ１（第１パルス電圧）を中心電極１８及び接地電極２１間に印加して、該中心電極１８及び接地電極２１間での放電破壊を促進させるように制御する。

この第１制御部８２は、第１区間Ｔ１において、スイッチング素子６６をオンさせるオンタイミング信号Ｓｏ１を生成する第１オンタイミング生成部９０と、第１区間Ｔ１において、スイッチング素子６６をオフさせるオフタイミング信号Ｓｆ１を生成する第１オフタイミング生成部９２とを有する。例えば第１オフタイミング生成部９２は、第１オンタイミング生成部９０からのオンタイミング信号Ｓｏ１を、予め設定された時間だけ遅延させてオフタイミング信号Ｓｆ１として出力する。スイッチング制御部８０は、第１オンタイミング生成部９０からのオンタイミング信号Ｓｏ１に基づいてスイッチング素子６６をオンにし、第１オフタイミング生成部９２からのオフタイミング信号Ｓｆ１に基づいてスイッチング素子６６をオフにする。従って、第１オフタイミング生成部９２からのオフタイミング信号Ｓｆ１の出力周期が、第１パルスＰ１のパルス周期Ｔａ（＝１／パルス周波数）となる。また、図示しないがオンタイミング信号Ｓｏ１の出力時点からオフタイミング信号Ｓｆ１の出力時点までの時間が、第１パルスＰ１のための誘導エネルギーの蓄積期間に相当することとなる。

第２制御部８４は、放電処理の各サイクル中、中心電極１８及び接地電極２１間で放電破壊が実現した後の第２区間Ｔ２（図９参照）において、第１パルスＰ１よりも低エネルギーの２以上の第２パルスＰ２（第２パルス電圧）を印加して、中心電極１８及び接地電極２１間での放電破壊を維持させるように制御する。

この第２制御部８４は、第２区間Ｔ２において、スイッチング素子６６をオンさせるオンタイミング信号Ｓｏ２を生成する第２オンタイミング生成部９４と、第２区間Ｔ２において、スイッチング素子６６をオフさせるオフタイミング信号Ｓｆ２を生成する第２オフタイミング生成部９６とを有する。この場合も、例えば第２オフタイミング生成部９６は、第２オンタイミング生成部９４からのオンタイミング信号Ｓｏ２を、予め設定された時間だけ遅延させてオフタイミング信号Ｓｆ２として出力する。スイッチング制御部８０は、第２オンタイミング生成部９４からのオンタイミング信号Ｓｏ２に基づいてスイッチング素子６６をオンにし、第２オフタイミング生成部９６からのオフタイミング信号Ｓｆ２に基づいてスイッチング素子６６をオフにする。従って、第２オフタイミング生成部９６からのオフタイミング信号Ｓｆ２の出力周期が、第２パルスＰ２のパルス周期Ｔｂ（＝１／パルス周波数）となる。また、図示しないが、オンタイミング信号Ｓｏ２の出力時点からオフタイミング信号Ｓｆ２の出力時点までの時間が、第２パルスＰ２のための誘導エネルギーの蓄積期間に相当することとなる。従って、第２オンタイミング生成部９４及び第２オフタイミング生成部９６は、誘導エネルギーの蓄積期間を変更する蓄積期間変更部９８を構成することになる。

また、第２制御部８４は、第２区間Ｔ２の開始時点ｔ２で、トランス６２の少なくとも一次巻線６８のインダクタンスＬ１を変更するインダクタンス変更部１００を有する。一次巻線６８のインダクタンスＬ１を変更する方式としては、例えば図８に示すように、トランス６２の一次巻線６８に１以上のタップ端子１０２を接続しておき、一次巻線６８の他方の第１端子６８ｂ及び１以上のタップ端子１０２のうち、いずれかの端子をマルチプレクサ等のスイッチング装置１０４により、選択的にＳＩサイリスタ６４のアノードに接続する方式を好ましく採用することができる。あるいは、特開２００７−１４０８９号公報の図１１以降の実施の形態に示すように、２つのトランスを切り換え制御するようにしてもよい。

第１時間計測部８６は、放電処理の各サイクルの開始時点（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１）で第１切替信号Ｓｃ１を出力し、第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１から基準クロックｃｌｋを計数して、第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１から予め設定された時間が経過した時点（第２区間Ｔ２の開始時点ｔ２）で第２切替信号Ｓｃ２を出力する。

制御切替部８８は、第１時間計測部８６からの第１切替信号Ｓｃ１の入力に基づいて、第２制御部８４による制御を停止し、第１制御部８２による制御を開始するように指示信号を出力する。また、第１時間計測部８６からの第２切替信号Ｓｃ２の入力に基づいて、第１制御部８２による制御を停止し、第２制御部８４による制御を開始するように指示信号を出力する。

次に、本実施の形態に係る点火装置１０の処理動作について図９のタイムチャートも参照しながら説明する。なお、図９においては、説明を簡潔にするために、トランス６２の一次側での信号波形を省略し、トランス６２の二次側に発生する電圧波形（図９の上段参照）と電流波形（図９の下段参照）を模式的に示す。

先ず、図９に示すように、放電処理の各サイクルの開始時点（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１）において、第１制御部８２による制御が開始され、パルス生成部５４から高エネルギーの第１パルスＰ１が生成されて、中心電極１８及び接地電極２１間に印加される。第１パルスＰ１の電圧波形は、中心電極１８及び接地電極２１間でアーク放電が発生していない段階では、電圧Ｖ２が急峻に立ち上がり、且つ、急峻に立ち下がるインパルス的な電圧波形となり、第１パルスＰ１の電流波形は、電流Ｉ２が急峻に立ち上がり、電圧波形ほどではないが、やや急峻に立ち下がる電流波形となる。第１パルスＰ１の生成は少なくとも１回行われる。

中心電極１８及び接地電極２１間に高エネルギーの第１パルスＰ１が印加されると、中心電極１８及び接地電極２１間に放電が引き起こされる。すなわち、第１パルスＰ１の印加時間が所定時間に達すると、正イオンが陰極（接地電極２１）に衝突する際に放出された２次電子によって新たな正イオンを発生させるグロー放電が引き起こされる。一方、第１パルスＰ１の立ち上がり時の電圧Ｖ２の上昇率（電圧上昇率（ｄＶ２／ｄｔ））が概ね３０〜５００ｋＶ／μｓである場合、陽極（中心電極１８）から陰極（接地電極２１）へ向かうストリーマの成長が始まり、第１パルスＰ１の印加時間がさらに長くなると、ストリーマが本格的に成長し、陽極と陰極との間に枝分かれした長いストリーマが存在する状態となる。そして、第１パルスＰ１の印加時間がさらに長くなると、局部的な電流集中が発生し、最終的にアーク放電（放電破壊）が引き起こされる。１回の第１パルスＰ１の印加でアーク放電に達する場合もあるし、複数回の第１パルスＰ１の印加でアーク放電に達する場合もある。

アーク放電に達すると、中心電極１８及び接地電極２１において放電破壊が実現され、中心電極１８及び接地電極２１間のインピーダンスが低下する。そのため、放電破壊が実現した後の第１パルスＰ１は、ピーク電圧値が低下する。エネルギー保存の関係から、電流の導通時間が長くなり、そのため、電流はなだらかに時間をかけて立ち下がる電流波形となる。すなわち、放電破壊が実現した後の第１パルスＰ１は、中心電極１８及び接地電極２１間で放電破壊が実現されていない段階での第１パルスＰ１の波形とは異なった波形となる。なお、以下の説明では、放電破壊が実現した時点ｔ３から第２区間Ｔ２の開始時点ｔ２までの期間を放電破壊実現期間Ｔ３と記し、第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１から放電破壊が実現した時点ｔ３までの期間を放電破壊準備期間Ｔ１−Ｔ３と記し、放電破壊実現期間Ｔ３に出力される第１パルスＰ１を第３パルスＰ３と記す。また、第２区間Ｔ２を放電破壊維持期間と記す場合もある。

そして、中心電極１８及び接地電極２１間で放電破壊が実現した後、第２区間Ｔ２の開始時点ｔ２から、今度は第２制御部８４による制御が開始される。

第２制御部８４での制御が開始されると、第１パルスＰ１とは異なったパルス周期（＝１／パルス周波数）あるいは第１パルスＰ１と同じパルス周期で低エネルギーの第２パルスＰ２が生成されて、中心電極１８及び接地電極２１間に印加される。第２パルスＰ２は、中心電極１８及び接地電極２１間で実現した放電破壊を低エネルギーで維持させるために印加される。

具体的には、第２パルスＰ２の電流波形は、ピーク電流値（尖頭電流値Ｉｂ）が第１パルスＰ１のピーク電流値Ｉａや第３パルスＰ３のピーク電流値Ｉｃよりも小さくなり、尖頭電流値Ｉｂ以外は、第３パルスＰ３の電流波形に類似した波形となる。すなわち、第２パルスＰ２の電流波形は、図１０に拡大して示すように、略三角形の前半部分１０６と、それに引き続く、前半部分１０６とは極性が逆転した後半部分１０８と、電流が概ね流れない電流停止部分１１０とを有する。電流停止部分１１０での電流値は｜０．２Ａ｜以下である。

このうち、前半部分１０６は、電流がランプ状に減衰する部分を有する。また、前半部分１０６のピーク電流値（尖頭電流値Ｉｂ）は、大きいほどアーク放電を維持しやすくなるが、電極の消耗が増大する。反対に、小さいほど電極の消耗は少なくなるが、アーク放電を維持し難くなる。そこで、尖頭電流値Ｉｂは、０．５Ａ以上２．０Ａ以下が好ましい。本実施の形態では、尖頭電流値Ｉｂを１．０Ａとした。

第２パルスＰ２の電流の導通時間、すなわち、前半部分１０６と後半部分１０８の合計の時間的長さＴｉ２は、第２制御部８４における第２オンタイミング生成部９４からのオンタイミング信号Ｓｏ２の出力時点から第２オフタイミング生成部９６からのオフタイミング信号Ｓｆ２の出力時点までの時間、すなわち、第２パルスＰ２のための誘導エネルギーの蓄積期間に応じて設定することができ、電流波形の立ち下りの傾きは、第２制御部８４におけるインダクタンス変更部１００による例えば一次巻線６８のインダクタンスＬ１を変更する（この場合、小さくする）ことによって設定することができる。前半部分１０６の時間的長さＴｉａ及び傾きを適宜変更することで、前半部分１０６の電荷量Ｑ１（電流の時間積算量）も変更することができる。また、後半部分１０８は、トランス６２の二次インダクタンス（二次側漏れインダクタンス及び二次側励磁インダクタンス）とコンデンサ７８とによる共振波形であるため、コンデンサ７８の値を適宜変更することで、後半部分１０８の時間的長さＴｉｂ及び電荷量Ｑ２を変更することができる。

さらに、第２パルスＰ２のパルス周波数は、電流Ｉ２の導通時間が設定された後のオンタイミング信号Ｓｏ２の出力周波数を設定することにより実現される。第２パルスＰ２のパルス周波数に応じて、電流停止部分１１０の時間的長さＴｉｃも変更することができる。もちろん、第２パルスＰ２のパルス周波数を一定にしておき、前半部分１０６の時間的長さＴｉａ及び／又は後半部分１０８の時間的長さＴｉｂを適宜変更することで、電流停止部分１１０の時間的長さＴｉｃを変更することができる。

第２パルスＰ２のパルス周波数（＝１／パルス周期Ｔｂ）は１〜４００ｋＨｚが好ましく、さらに好ましくは５〜２００ｋＨｚであり、特に好ましくは１０〜１５０ｋＨｚである。パルス周期Ｔｂで示すと、２．５μｓｅｃ以上１０００μｓｅｃ以下が好ましく、さらに好ましくは５μｓｅｃ以上２００μｓｅｃ以下であり、特に好ましくは６．７μｓｅｃ以上１００μｓｅｃ以下である。本実施の形態では、１０μｓｅｃを採用した。

第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２（前半部分１０６と後半部分１０８の合計の時間的長さ）は、長いほど、イオンの発生が増大し、アーク放電を維持しやすくなる。しかし、尖頭電流値Ｉｂ、第２パルスＰ２のパルス周波数等の兼ね合いにより、極端に長い時間を設定することはできない。そこで、第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２は、１μｓｅｃ以上が好ましく、さらに好ましくは２μｓｅｃ以上、より好ましくは４μｓｅｃ以上である。そして、パルス周期に占める前半部分１０６と後半部分１０８の合計の時間的長さの割合は５／１０以上８／１０以下であることが好ましい。本実施の形態では、パルス周期１０μｓｅｃに対して、第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２を７μｓｅｃとした。割合は７／１０である。

後半部分１０８の逆電流は、金属蒸気を電極に再付着させ、電極の消耗を抑制する働きがある。従って、逆電流の時間的積算値である電荷量Ｑ２が多いほど電極の消耗を抑制するため好ましい。しかし、尖頭電流値Ｉｂ、第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２、二次側インダクタンス等の兼ね合いにより、極端に多い電荷量を設定することはできない。そこで、前半部分１０６の電荷量をＱ１、後半部分１０８の電荷量をＱ２としたとき、０．７Ｑ１≦Ｑ２≦１．５Ｑ１が好ましく、さらに好ましくは、０．８Ｑ１≦Ｑ２≦１．３Ｑ１であり、より好ましくは、０．９Ｑ１≦Ｑ２≦１．１Ｑ１である。本実施の形態では、Ｑ２＝Ｑ１に設定した。

電流停止部分１１０は、第２パルスＰ２の前半部分１０６及び後半部分１０８で発生したイオンを減衰させる期間であり、短いほどアーク放電を維持することができる。しかし、尖頭電流値Ｉｂ、第２パルスＰ２の電流の導通時間Ｔｉ２等の兼ね合いにより、極端に短い時間を設定することはできない。そこで、パルス周期Ｔｂに占める電流停止部分１１０の時間的長さＴｉｃの割合は２／１０以上５／１０以下であることが好ましい。本実施の形態では、パルス周期１０μｓｅｃに対して、電流停止部分１１０の時間的長さＴｉｃを３μｓｅｃとした。割合は３／１０である。

第２制御部８４によって設定される電流Ｉ２の導通時間Ｔｉ２、前半部分１０６の立ち下りの傾き、第２パルスＰ２のパルス周期Ｔｂは、事前に、点火プラグ１２の種類、燃焼室１００６の形状、点火プラグ１２の設置位置等に基づいて実験、シミュレーション等を行って、それぞれ最適な範囲を求めておき、実施される点火プラグ１２の種類、燃焼室１００６の形状、点火プラグ１２の設置位置等に基づいて、予め求めておいた最適な範囲から適宜選択して設定することが好ましい。

次に、本実施の形態の他の好ましい態様について説明する。

先ず、第１パルスＰ１のピーク電圧値をＶａ、第２パルスＰ２のピーク電圧値をＶｂとしたとき、
Ｖａ＞Ｖｂ
である。

この場合、（１／３０００）×Ｖａ＜Ｖｂ＜Ｖａであることが好ましく、さらに好ましくは（１／１０００）×Ｖａ＜Ｖｂ＜（３／４）×Ｖａであり、特に好ましくは、（１／６００）×Ｖａ＜Ｖｂ＜（１／２）×Ｖａである。また、第２パルスＰ２の尖頭電流値Ｉｂは、第１パルスＰ１のピーク電流値Ｉａよりも低いことから、上述の範囲に設定することで、第２パルスＰ２が出力される第２区間Ｔ２の単位時間当たりの供給電力は、第１パルスＰ１が出力される第１区間Ｔ１の単位時間当たりの供給電力よりも低くなる。

第１パルスＰ１のパルス周期をＴａ、第２パルスＰ２のパルス周期をＴｂとしたとき、
Ｔａ≧Ｔｂ
である。

この場合、第２パルスＰ２のパルス周波数（＝１／パルス周期Ｔｂ）は１〜４００ｋＨｚが好ましく、さらに好ましくは５〜２００ｋＨｚであり、特に好ましくは１０〜１５０ｋＨｚである。第２パルスＰ２のパルス周波数が低すぎると、中心電極１８及び接地電極２１間で実現した放電破壊を維持できなくなる。パルス周波数が高すぎると、単位時間当たりの供給電力が大きくなり、供給電力の低減化が不十分になるおそれがある。

第１パルスＰ１のピーク電圧値Ｖａ、第３パルスＰ３のピーク電圧値Ｖｃ、第１パルスＰ１の電流Ｉ２の導通時間Ｔｉ１、第３パルスＰ３の電流Ｉ２の導通期間Ｔｉ３は、
Ｖａ＞Ｖｃ
Ｔｉ１＜Ｔｉ３
の関係を有することが好ましい。

第２パルスＰ２の尖頭電流値Ｉｂ、第３パルスＰ３のピーク電流値Ｉｃ、第２パルスＰ２の電流Ｉ２の導通時間Ｔｉ２、第３パルスＰ３の電流Ｉ２の導通期間Ｔｉ３は、
Ｉｂ＜Ｉｃ
Ｔｉ２＜Ｔｉ３
の関係を有することが好ましい。

これにより、第２パルスＰ２が出力される第２区間Ｔ２の単位時間当たりの供給電力は、第３パルスＰ３が出力される放電破壊実現期間Ｔ３の単位時間当たりの供給電力よりも低くなる。この場合、第２パルスＰ２のピーク電流値Ｉｂの上限は、（５／６）×Ｉｃが好ましく、さらに好ましくは（２／３）×Ｉｃであり、特に好ましくは（１／２）×Ｉｃである。また、（１／１００）×Ｔｉ３＜Ｔｉ２＜（５／６）×Ｔｉ３が好ましく、さらに好ましくは（１／５０）×Ｔｉ３＜Ｔｉ２＜（２／３）×Ｔｉ３であり、特に好ましくは（１／２０）×Ｔｉ３＜Ｔｉ２＜（１／２）×Ｔｉ３である。

第１パルスＰ１のパルス周期Ｔａ、第２パルスＰ２のパルス周期Ｔｂ、第３パルスＰ３のパルス周期Ｔｃは、
Ｔａ＝Ｔｃ
Ｔｂ≦Ｔｃ
であることが好ましい。なお、第２パルスＰ２のパルス周波数（＝１／パルス周期Ｔｂ）は、上述したように、１〜４００ｋＨｚが好ましく、さらに好ましくは５〜２００ｋＨｚであり、特に好ましくは１０〜１５０ｋＨｚである。

また、第１パルスＰ１のパルス数は１０以下であることが好ましい。第１パルスＰ１のパルス数が多すぎると、高エネルギーの期間が長くなり、供給電力の低減化が不十分になるおそれがある。上述したように、第１パルスＰ１のパルス数が０の場合もあり得る。これは、１回目の第１パルスＰ１の印加でアーク放電に達した場合、この第１回目の第１パルスＰ１は、第３パルスＰ３として中心電極１８及び接地電極２１間に印加されることになるからである。

第３パルスＰ３のパルス数は１〜１０であることが好ましい。第３パルスＰ３は、実質的には高エネルギーの第１パルスＰ１であるから、パルス数が多すぎると、高エネルギーの期間が長くなり、供給電力の低減化が不十分になるおそれがある。

上述の第１パルスＰ１の数及び第３パルスＰ３の数は、第１パルスＰ１のパルス周期Ｔａと、第１時間計測部８６に設定される時間（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１から第２区間Ｔ２の開始時点ｔ２までの時間）とによって決定される。

ここで、以下に示す参考例と実施例の出力効率の違いについて説明する。

参考例は、中心電極１８及び接地電極２１間の放電破壊が実現した後の第２区間Ｔ２も第３パルスＰ３を中心電極１８及び接地電極２１間に連続供給して放電破壊を維持させた。実施例は、中心電極１８及び接地電極２１間の放電破壊が実現した後の第２区間Ｔ２に第２パルスＰ２を中心電極１８及び接地電極２１に連続供給して放電破壊を維持させた。

第３パルスＰ３と第２パルスＰ２のパラメータの違いは以下の通りである。すなわち、第３パルスＰ３について、パルス周波数をＦ３、ピーク電圧値をＶｃ、ピーク電流値をＩｃ、電流の導通時間をＴｉ３とし、第２パルスＰ２について、パルス周波数をＦ２、ピーク電圧値をＶｂ、ピーク電流値（尖頭電流値）をＩｂ、電流の導通時間をＴｉ２としたとき、以下の関係を有する。
Ｆ３＝１００ｋＨｚ
Ｆ２＝１００ｋＨｚ
Ｖｃ＝Ｖｂ
Ｉｃ＞Ｉｂ
Ｔｉ２＝Ｔｉ３／１０

この場合、実施例は、参考例と比して、ピーク電流値が低く、しかも、電流の導通時間が１／１０で済んでいるため、単位時間当たりの供給電力（中心電極１８及び接地電極２１への供給電力）を参考例の１／１０よりもさらに低く抑えることができる。

つまり、放電破壊を維持することができる出力電力をＰｘ、参考例の供給電力をＰｙとしたとき、参考例の出力効率はＰｘ／Ｐｙであるのに対して、実施例では、供給電力がＰｙ／１０よりもさらに低くなることから、実施例の出力効率は１０Ｐｘ／Ｐｙよりもさらに低くなり、出力効率を向上させることができることがわかる。また、実施例について、第２パルスＰ２のピーク電圧値Ｖｂ、尖頭電流値Ｉｂ、パルス周波数Ｆ２、電流の導通時間Ｔｉ２を、上述した好ましい範囲内で適宜選択することで、単位時間当たりの供給電力の低減の度合いを様々に変化させることができる。

上述のように、本実施の形態に係る点火装置１０は、第１区間Ｔ１において、高エネルギーの１以上の第１パルスＰ１を中心電極１８及び接地電極２１間に印加して、中心電極１８及び接地電極２１間での放電破壊を促進させるように制御する第１制御部８２と、中心電極１８及び接地電極２１間で放電破壊が実現した後の第２区間Ｔ２に、第１パルスＰ１よりも低エネルギーの２以上の第２パルスＰ２を印加して、中心電極１８及び接地電極２１間での放電破壊を維持させるように制御する第２制御部８４とを有するようにしたので、供給電力を低減することができると共に、ランニングコスト等のコストの低廉化を図ることができ、しかも、出力効率を高めることができる。

特に、第２パルスＰ２の電流波形を、略三角形の前半部分１０６と、それに引き続く、前半部分１０６とは極性が逆転した後半部分１０８と、電流が概ね流れない電流停止部分１１０とを有するようにしたので、アーク放電を効率よく維持させることができると共に、電極の消耗を抑制することができ、上述した供給電力の低減化に加えて、点火装置１０の長寿命化を向上させることができ、耐久性を向上させることができる。

次に、点火装置１０におけるパルス電源１４の変形例について図１１を参照しながら説明する。この変形例に係るパルス電源１４ａは、図１１に示すように、上述したパルス電源１４と略同様の構成を有するが、以下の点で異なる。

すなわち、パルス制御部５６は、さらに、放電破壊検出部１１２を有し、上述した第１時間計測部８６に代えて第２時間計測部１１４を有する。

放電破壊検出部１１２は、中心電極１８及び接地電極２１間の電圧に基づいて、中心電極１８及び接地電極２１間で放電破壊が実現したことを検出する。具体的には、例えば中心電極１８及び接地電極２１間の電圧が予め設定されたしきい値電圧以下になった時点で検出信号Ｓｄを出力する。しきい値電圧は、予め中心電極１８及び接地電極２１間に高電圧パルスを印加して放電破壊が生じた際の中心電極１８及び接地電極２１間の電圧を測定する作業を複数回行って、その平均値をとり、さらに、平均値に例えば平均値の１／１００〜１／１０の電圧を加算してしきい値電圧とする。１／１００〜１／１０のうち、いずれの割合を採用するかは、点火プラグ１２の種類、燃焼室１００６の形状、点火プラグ１２の設置位置等によって適宜選択することができる。

第２時間計測部１１４は、放電処理の各サイクルの開始時点（第１区間Ｔ１の開始時点ｔ１）で第１切替信号Ｓｃ１を出力し、放電破壊検出部１１２からの検出信号Ｓｄの入力に基づいて、該検出信号Ｓｄの入力時点から予め設定された時間（第１時間計測部８６での予め設定された時間とは異なり、０時間を含む）が経過した時点で第２切替信号Ｓｃ２を出力する。

この変形例においては、放電破壊が確実に実現してから第２制御部８４での制御へ移行させることができるため、信頼性の向上を図ることができる。

なお、本発明に係る点火装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…点火装置 １２…点火プラグ
１４…パルス電源 １６…碍子
１８…中心電極 ２０…主体金具
２１…接地電極 ５０…放電ギャップ
５２…端子部 ５４…パルス生成部
５６…パルス制御部 ５８…パルス発生回路
８０…スイッチング制御部 ８２…第１制御部
８４…第２制御部 ８６…第１時間計測部
８８…制御切替部 ９８…蓄積時間変更部
１００…インダクタンス変更部 １０２…タップ端子
１０４…スイッチング装置 １０６…前半部分
１０８…後半部分 １１０…電流停止部分
１１２…放電破壊検出部 １１４…第２時間計測部

Claims (10)

1. 絶縁体によって絶縁された中心電極と、
   接地電極と、
   前記中心電極と前記接地電極との間にパルス電圧を複数回印加し、放電を発生させる電源と、を有する点火装置において、
   前記電源の発生する各回の電流波形が、
   略三角形の前半部分と、
   それに引き続く、前記前半部分とは極性が逆転した後半部分と、
   電流が概ね流れない電流停止部分と、を有することを特徴とする点火装置。
2. 請求項１記載の点火装置において、
   前記電源は、
   第１区間に、前記中心電極と前記接地電極間において放電破壊を促進させるための高エネルギーの１以上の第１パルス電圧を前記中心電極と前記接地電極間に印加し、
   前記中心電極と前記接地電極間に放電破壊が実現した後の第２区間に、前記第１パルス電圧よりも低エネルギーの２以上の第２パルス電圧を印加して、前記電極間での放電破壊を維持させ、
   前記電流波形は、前記第２区間において前記第２パルス電圧と同期していることを特徴とする点火装置。
3. 請求項１又は２記載の点火装置において、
   前記前半部分は、電流がランプ状に減衰する部分を有することを特徴とする点火装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の点火装置において、
   前記電流波形のピーク値が０．５Ａ以上２．０Ａ以下であることを特徴とする点火装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の点火装置において、
   前記電流波形の周期が２．５μｓｅｃ以上１０００μｓｅｃ以下であることを特徴とする点火装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の点火装置において、
   前記電流波形の周期に占める前記前半部分と前記後半部分の合計の時間的長さの割合が５／１０以上８／１０以下であることを特徴とする点火装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の点火装置において、
   前記前半部分の電荷量をＱ１、前記後半部分の電荷量をＱ２としたとき、
   ０．７Ｑ１≦Ｑ２≦１．５Ｑ１
   であることを特徴とする点火装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の点火装置において、
   前記電流波形の周期に占める前記電流停止部分の時間的長さの割合が２／１０以上５／１０以下であることを特徴とする点火装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の点火装置において、
   前記絶縁体の表面に接して前記中心電極と前記接地電極とが離間して設置され、
   前記絶縁体の表面を介して沿面放電を行うことを特徴とする点火装置。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の点火装置において、
    前記中心電極と前記接地電極とが空間を介して対向して配置され、
    前記中心電極と前記接地電極との間で火花放電を行うことを特徴とする点火装置。

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