JP2014211148A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い放電電流の火花放電を実現しつつ、点火プラグの電極磨耗を抑制する点火装置を得る。
【解決手段】第１の電極101aと第２の電極101bの間隙に火花放電を発生して燃焼室内の可燃混合気を点火させる点火プラグ101と、所定の高電圧を第１の電極101aに供給して間隙に火花放電の経路を形成させる火花放電経路生成装置102と、火花放電の経路に電流を供給する電流供給装置103と、電流供給装置103の動作時期を指示する動作時期指示装置104とを備え、動作時期指示装置104は、電流供給装置103から供給される電流を燃焼行程内で、２以上の複数の期間に分けて供給するよう指示する。
【選択図】図１

Description

この発明は、主に内燃機関の運転に用いられる点火装置に関し、特には、点火コイル装置で作る高電圧により点火プラグに火花放電を発生させると共に、加えて、火花放電経路に電流を流し込むことで、プラグギャップ間に放電プラズマを形成させるようにした火花点火式内燃機関の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らへの対応が急務となっている。この対応の一例として、過給機を利用したエンジンダウンサイジングによる軽量化により、燃料消費量を飛躍的に改善する方法がある。

高過給状態になると、エンジン燃焼室内の圧力が燃焼を伴っていない状態でも非常に高くなり、この中では燃焼を開始するための火花放電を発生させることが困難になることが知られている。この理由の一つに、点火プラグの高圧電極とＧＮＤ電極の間（ギャップ）で絶縁破壊を引起すための要求電圧が非常に高くなり、点火プラグの絶縁碍子部の耐電圧値を超えてしまう点がある。
この課題を解決するために、碍子部の耐圧を上げる研究がなされているが、実情では要求に対し十分な耐圧を確保することは困難であり、点火プラグのギャップ間隔を狭める手段をとらざるを得ない状況となっている。

しかしながら、点火プラグのギャップを狭めると、今度は電極部による消炎作用の影響が大きくなり、内燃機関の始動性の低下、燃焼性の低下を引起す等の問題が発生する。
この問題を解決するためには、消炎作用、つまり電極部に取られる熱エネルギーを上回るエネルギーを火花放電で与える、もしくは電極から少しでも遠いところで燃焼を引起す、といった回避手段が考えられ、例えば特許文献１に示すような点火装置が提案されている。

特許文献１に開示された点火装置は、従来の点火コイルにより点火プラグギャップに火花放電を発生させ、この火花放電の経路にダイオードを介して高周波電流を流し込むことで高エネルギーの火花放電、かつ通常の火花放電よりも広範囲に拡がる放電プラズマを形成することを可能にする装置である。

特開２０１１−０９９４１０号公報

特許文献１に示された従来の点火装置は、大電流を点火プラグの電極間に流し込むことで放電プラズマを広範囲に広げるため、電極の消耗が著しく早くなってしまうという課題がある。

この発明は、前述のような従来の装置に於ける課題を解決するためになされたものであって、簡素な構成で効率よく高エネルギー放電を実現すると共に、点火プラグの耐久性を維持しながら、大きなプラズマを形成し、狭小ギャップの点火プラグを用いても始動性や燃焼性を損なうことのない点火装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る点火装置は、間隙を介して対向する第１の電極と第２の電極とを有し、前記間隙に火花放電を発生して内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を点火させる点火プラグと、所定の高電圧を発生し、発生した高電圧を前記第１の電極に供給して前記間隙に前記火花放電の経路を形成させる火花放電経路生成装置と、前記間隙に形成された火花放電の経路に電流を供給する電流供給装置と、前記電流供給装置の動作時期を指示する動作時期指示装置と、を備え、前記動作時期指示装置は、燃焼行程内で前記間隙に供給される前記電流供給装置からの電流を、少なくとも２以上の複数の期間に分けて供給するように指示するよう構成したものである。

この発明の点火装置によれば、簡素な構成で効率良く高エネルギー放電を実現すると共に、点火プラグの電極の磨耗を抑制することができ、狭小ギャップの点火プラグを用いても内燃機関の始動性や燃焼性を損なうことがない点火装置を得ることができる。
その結果、エンジンの高過給ダウンサイジングによる軽量化や高圧縮比化による熱効率の向上等を行うことができ、従って、内燃機関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、環境保全に貢献することができる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

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による点火装置のタイミングチャートである。

実施の形態１．
この発明による点火装置は、点火コイル装置で作る高電圧により点火プラグの主プラグギャップ間に火花放電を発生させ、加えて、火花放電経路に大きな電流を流し込むことで、主プラグギャップ間に大きな放電プラズマを形成させるようにした点火装置に係るものである。以下、この発明の実施の形態１について、図１、図２を参照して説明する。

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において、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、火花放電経路を形成するために点火プラグ１０１に所定の高電圧を印加する火花放電経路生成装置である点火コイル装置１０２と、火花放電経路に大きな放電プラズマを形成するための交流電流を供給する電流供給装置である高周波電源１０３と、高周波電源１０３の動作を制御し、火花放電経路に交流電流を供給する時期を指示する動作時期指示装置である制御装置１０４とを備えている。なお、制御装置１０４は、点火コイル装置１０２の動作も制御するものとする。

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を備えている。
点火コイル装置１０２は、コア１１８を介して磁気的に結合された１次コイル１１１と２次コイル１１２、１次コイル１１１の通電を制御するスイッチング素子１１４とスイッチング素子１１４を駆動するためのドライバ装置１１３、点火プラグ１０１の主プラグギャップで絶縁破壊を引起す際に発生する容量電流系のノイズを抑制するための抵抗装置１１５とを備えている。

高周波電源１０３は、交流電流を生成するスイッチング回路１１９と、スイッチング回路１１９により生成された交流電流を、主プラグギャップに形成される火花放電経路に供給し、点火コイル装置１０２の２次コイル１１２で発生する直流的な高電圧が、高周波電源１０３内のスイッチング回路１１９に印加されないようにブロックするためのバンドパスフィルタを構成するコンデンサ１１６と、インダクタ１１７とを備えている。

バンドパスフィルタの周波数は２ＭＨｚ程度とし、インダクタ１１７のインダクタンス値は５０マイクロＨ程度、コンデンサ１１６の容量値は１００ピコＦ程度のものを選定すると良い。このような数値の組合せであれば、汎用の素子での構成が可能となり、安価かつ効率の良い装置を実現できる。

２次コイル１１２の一端は、抵抗装置１１５を介して、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続されており、コンデンサ１１６の一端は直接、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続されている。

抵抗装置１１５は、ノイズを抑制するためのものであって、エンジンの構造や配線状態によりノイズの発生が少ない場合には取り付けなくても良く、この場合には２次コイル１１２の一端は直接、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続され、コンデンサ１１６の一端も直接、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続される。

スイッチング素子１１４、ドライバ装置１１３は、ノイズ低減や効率化のため点火コイル装置１０２内に配置しても良いし、エンジンの小型化、低重心化等を目的とし、点火コイル装置の小型、軽量化のために点火コイル装置１０２の外側、例えば制御装置１０４の内部や、高周波電源１０３の内部に配置しても良い。

次に、この発明の実施の形態１による点火装置の具体的な動作について図２を参照して説明する。
図２は、実施の形態１による点火装置の各部の信号を時系列に示すタイミングチャートである。

図２における信号（Ａ）は、図１の経路Ａの矢印方向を正とした信号であって、制御装置１０４が出力し、点火コイル装置１０２を駆動するための電圧信号である。
図２における信号（Ｂ）は、図１の経路Ｂの矢印方向を正とした信号であって、点火コイル装置１０２の出力電流を示す電流信号である。
図２における信号（Ｃ）は、図１の経路Ｃの矢印方向を正とした信号であって、制御装置１０４が出力し、高周波電源１０３中のスイッチング回路１１９を動作させる期間を示す電圧信号である。

図２における信号（ＤＨ）は、図１の経路ＤＨの矢印方向を正とした信号であって、高周波電源１０３内の、ハーフブリッジで構成されるスイッチング回路１１９のＨＩＧＨ側スイッチング素子のゲートを駆動するための電圧信号である。
図２における信号（ＤＬ）は、図１の経路ＤＬの矢印方向を正とした信号であって、高周波電源１０３内の、ハーフブリッジで構成されるスイッチング回路１１９のＬＯＷ側スイッチング素子のゲートを駆動するための電圧信号である。
図２における信号（Ｅ）は、図１の経路Ｅの矢印方向を正とした信号であって、高周波電源１０３の出力電流を示す電流信号である。
図２における信号（Ｆ）は、図１の経路Ｆの矢印方向を正とした信号であって、点火プラグ１０１の電極１０１ａ、電極１０１ｂ間、主プラグギャップに形成される火花放電経路に流れる放電電流を示す電流信号である。

図２のタイミングＴ０において、信号（Ａ）は既にＨＩＧＨとなっているので、点火コイル装置１０２内のスイッチング素子１１４はＯＮの状態、１次コイル１１１は通電状態であり、コア１１８に磁束エネルギーが蓄積されつつある。

タイミングＴ１において、信号（Ａ）をＬＯＷに切替えると、点火コイル装置１０２内のスイッチング素子１１４により１次コイル１１１の通電は遮断され、コア１１８に蓄積された磁束エネルギーを解放、２次コイル１１２に誘導電圧が発生し、図２の信号（Ｂ）に示す誘導電流が経路Ｂに流れ始めると共に、点火プラグ１０１が潜在的に備えている対地間容量、および高周波電源１０３内のコンデンサ１１６の充電が開始される。

タイミングＴ２においてコンデンサ１１６及び、点火プラグの対地間容量等の充電電圧が、点火プラグ１０１の電極１０１ａ、電極１０１ｂ間（主プラグギャップ）の絶縁破壊電圧に達すると、主プラグギャップ間で絶縁破壊が起こり、火花放電経路が形成されると共に、前記容量に蓄積された電荷の放出による電流、いわゆる信号（Ｆ）に示される容量電流２０１が火花放電経路に流れ込み、続いて信号（Ｂ）に示す誘導電流が火花放電経路に流れ込み、火花放電経路を形成、維持する。

容量電流２０１が流れている間、図１中のＧ点の電位はまだ高いので、高周波電源１０３から主プラグギャップ間の放電経路に安定して電流を供給することは難しい。従って、容量電流がおさまった頃から交流電流を注入するように、制御装置１０４は信号（Ｃ）をタイミングＴ３でＨＩＧＨに切替え、スイッチング回路１１９の動作を許可する。

タイミングＴ１からタイミングＴ３までの間隔は、運転状況に応じて決まるマップ値や計算値にしておくと良い。エンジン回転数や、負荷、温度の状態が変化すると、主プラグギャップ間の絶縁破壊電圧も変化し、絶縁破壊電圧の変化に応じてタイミングＴ２が変化するためである。例えば７００回転／分程度のアイドリング状態ではタイミングＴ１からタイミングＴ３までの間隔を５０マイクロ秒とし、４０００回転／分程度の全開負荷状態ではタイミングＴ１からタイミングＴ３までの間隔を１００マイクロ秒とする。またエンジン冷却水温が８０℃を超えたら一律で１０マイクロ秒を差し引くようにする。

スイッチング回路１１９は、信号（Ｃ）により、その動作が許可されると、主プラグギャップに形成される火花放電経路に向かって交流電流を送り込むように、スイッチング動作を開始する。
本実施の形態１においては、スイッチング回路１１９をハーフブリッジの構成とし、この後段にインダクタ１１７、コンデンサ１１６で構成されるバンドパスフィルタを配置しているので、このバンドパスフィルタの周期に合わせて、信号（ＤＨ）、信号（ＤＬ）を図２に示すように、ハーフブリッジのＨＩＧＨ側スイッチ、ＬＯＷ側スイッチが、交互にＯＮ／ＯＦＦとなるように、スイッチングを繰り返す。
このとき、高周波電源１０３の出力電流は、図２の信号（Ｅ）にようになる。

従って、主プラグギャップに形成された火花放電経路には、点火コイル装置１０２の出力電流（５０ｍ〜３００ｍＡ程度）である信号（Ｂ）と、高周波電源１０３の出力電流（２〜１０Ａ程度）である信号（Ｅ）とを足し合わせた、信号（Ｆ）に示す電流が流れることになる。

ここで、主プラグギャップ間に形成される火花放電経路に、大きな電流を流し続けると電極１０１ａ、電極１０１ｂ表面の発熱による溶融を伴って、著しく電極が磨耗してしまうという問題が発生する。
この問題を解決するためには、電極の金属が溶融する温度に達する前に一度放電を切り、温度の上昇を抑止することが必要となる。電極の温度上昇を一度抑止した後、再度電流を流し込むといったプロセスを複数回繰り返すことで、大きな放電プラズマを形成し、狭小ギャップの点火プラグを用いても、エンジンの始動性や燃焼性を損なうこと無く、電極の磨耗量を飛躍的に低減することができる。

前記電極温度上昇抑止のプロセスについて、引き続き図２のタイミングチャートを用いて具体的に説明する。

前述の通り、電極温度上昇の抑止のため、制御装置１０４はタイミングＴ４に於いて一時、信号（Ｃ）をＬＯＷへと切替え、スイッチング回路１１９の動作を停止させる。スイッチング回路１１９の動作が止まり、主プラグギャップ間の火花放電経路への大きな交流電流の供給が止まると、電極１０１ａ、電極１０１ｂの温度上昇が抑止される。しばらくして後、制御装置１０４は、タイミングＴ５において、再び信号（Ｃ）をＨＩＧＨへと切替え、スイッチング回路１１９の動作を再開する。主プラグギャップ間には誘導電流（Ｂ）による火花放電経路が形成されているので、再び大きな交流電流が主プラグギャップ間の火花放電系路に供給され始め、大きな放電プラズマが形成される。

上記のプロセスを繰返す。すなわち、再度電極温度の上昇抑止のため、制御装置１０４は、タイミングＴ６に於いて信号（Ｃ）をＬＯＷへと切替え、スイッチング回路１１９の動作を停止、電極１０１ａ、電極１０１ｂの温度上昇を抑止し、タイミングＴ７において、再度信号（Ｃ）をＨＩＧＨへと切替え、スイッチング回路１１９の動作を再開させる。このようにすることで、電極温度の上昇を抑止しながら、大きな放電プラズマを形成できるようになる。

タイミングＴ３から以降は、運転条件や放電状態等に依存して設定されるマップ値や計算値としておくと良い。
例えば、回転数が高い、エンジン冷却水温が高い、目標電流レベルが大きいときはタイミングＴ３〜タイミングＴ４間を短く、タイミングＴ４〜タイミングＴ５間を長く、繰返しの回数は少なくすると良い。
運転条件や、放電状態で発熱量、放熱量が異なるためである。
例えば、エンジン冷却水温が８０℃未満でエンジン回転数が１０００回転／分以下では、５Ａピークの交流放電を５００マイクロ秒区間投入、３０マイクロ秒区間休止を４回繰り返す。回転数が３０００回転／分を上回った時点で５Ａピークの交流放電を５００マイクロ秒区間投入、３０マイクロ秒区間休止を３回繰り返しに変更、さらに水温が８０℃を超えた時点で、初回は５Ａピークの交流放電を５００マイクロ秒区間投入、３０マイクロ秒区間休止、２回目、３回目は５Ａピークの交流放電を３００マイクロ秒区間投入、３０マイクロ秒区間休止のようにする。４０００回転／分を上回れば３Ａピークの交流放電を３００マイクロ秒区間投入、５０マイクロ秒区間休止を２回繰り返しに変更する。

一般的には、内燃機関の運転条件や、運転状態に応じて、電流を連続して供給する期間を、１ミリ秒以下に設定し、また、電流を供給する間隔を、１０マイクロ秒以上に設定することが望ましい。
このようにすることで、燃焼性や始動性の低下を招くことなく、電極の磨耗を抑制しつつ、また消費電力の抑制もでき、効率の良いシステムとすることができる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、前述のように、簡素な構成で効率良く高エネルギー放電を実現すると共に、点火プラグの耐久性を維持しながら、大きな放電プラズマを形成し、狭小ギャップの点火プラグを用いても始動性や燃焼性を損なうことがなくなる。その結果、高過給ダウンサイジングによる軽量化や高圧縮比化による熱効率の向上等を行うことができるようになり、従って、内燃機関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、環境保全に貢献すること
ができる。

この発明による点火装置は、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。

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） １０２ 点火コイル装置
１０３ 高周波電源 １０４ 制御装置
１１１ １次コイル １１２ ２次コイル
１１３ ドライバ装置 １１４ スイッチング素子
１１５ 抵抗装置 １１６ コンデンサ
１１７ インダクタ １１８ コア
１１９ スイッチング回路

Claims (4)

1. 間隙を介して対向する第１の電極と第２の電極とを有し、前記間隙に火花放電を発生して内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を点火させる点火プラグと、
   所定の高電圧を発生し、発生した高電圧を前記第１の電極に供給して前記間隙に前記火花放電の経路を形成させる火花放電経路生成装置と、
   前記間隙に形成された火花放電の経路に電流を供給する電流供給装置と、
   前記電流供給装置の動作時期を指示する動作時期指示装置と、を備え、
   前記動作時期指示装置は、燃焼行程内で前記間隙に供給される前記電流供給装置からの電流を、少なくとも２以上の複数の期間に分けて供給するように指示することを特徴とする点火装置。
2. 前記動作時期指示装置は、前記電流供給装置からの電流を連続して供給する期間を、１ミリ秒以下に設定することを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
3. 前記動作時期指示装置は、前記電流供給装置からの電流を供給する間隔を、１０マイクロ秒以上設けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の点火装置。
4. 前記動作時期指示装置は、内燃機関の運転条件や、運転状態に応じて、前記電流供給装置から供給する電流の、供給期間、供給する間隔、および供給電流値を変更することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の点火装置。