JP2016166535A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振回路を含む電源システムを内燃機関の点火装置に適用した場合、エンジンコントロールユニットが点火タイミング指令を送信してから実際に燃料が燃焼するまでに時間差を生じ、意図しないタイミングで内燃機関内の圧力が上昇することにより、内燃機関にて十分なトルクが得られず、燃費の悪化が発生する。【解決手段】燃焼による圧力上昇で最大トルクが得られるタイミングと内燃機関で燃焼による圧力上昇が発生するタイミングのずれが小さくなるように、エンジンコントロールユニットまたは前記制御回路により前記インバータの動作を制御することによって、燃料消費率の悪化を抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に関するもので、特に、共振回路を備えた内燃機関用点火装置に関するものである。

ガソリンエンジンなどの内燃機関の点火装置では、内燃機関の燃料消費率（以下、燃費という）の改善が大きな課題である。そのため、希薄燃焼など、燃焼が不安定になりやすい条件においても、着火性能を向上させると共に燃焼時間を短くすることのできるバリア放電点火装置が提案されている。このバリア放電点火装置では、一方の電極が誘電体で覆われた点火プラグに対して非平衡プラズマ放電（誘電体バリア放電）を発生させ、ラジカルを積極的に生成することで、燃料に対して空気が過剰に供給されている状態においても着火性能を悪化させず、さらに複数のストリーマを形成させて広い体積中の多点で同時に点火させることにより燃焼室内における燃焼速度を向上させるように構成している（例えば特許文献１）。

このような内燃機関の点火装置では、放電電極間に高電圧を印加させることが必要で、この放電電極間に高電圧を発生させる電源システムとして、供給する交流電源の周波数を、インダクタンス要素とキャパシタンス要素の直列共振周波数またはその近傍に設定し、コイル及びコンデンサの共振によって電極に大きな直列共振電圧を発生させるようにした共振回路を使用するものが提案されている（例えば特許文献２）。

特許第４９２４２７５号公報 特開平９‐１７２７８８号公報

特許文献１には、内燃機関において着火性能を向上させると共に燃焼時間を短くするための点火装置が提案され、また、特許文献２には、放電電極間に必要とされる高電圧を得るための具体策として、共振回路によって共振電圧を発生させることが示されているが、内燃機関の点火装置においては、内燃機関の吸気−圧縮−点火−排気の動作と同期したタイミングで、点火プラグに交流高電圧を印加して、電極に非平衡プラズマ放電を発生させる必要がある。このため、この特許文献２の電源システムを内燃機関の点火装置に適用することを想定したとしても、交流電圧の印加開始から放電による点火が行われるまでに、共振電圧の共振成長時間（共振開始から放電電圧にまで電圧が上昇するまでの時間）による時間遅れが存在することから、エンジンコントロールユニット（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、以下ＥＣＵという）が点火タイミング指令を送信してから、燃料に点火され燃焼を開始するまでに時間差が生じ、意図しないタイミングで内燃機関内の圧力が上昇することになり、内燃機関としての十分なトルクが得られず、燃費の悪化が発生するという課題が生じる。
本発明は、前述の課題を解決するために行われたもので、内燃機関にとって最大トルクが得られるタイミングで点火できるように制御可能な内燃機関用点火装置を得ることを目的としている。

本発明に係る内燃機関用点火装置は、インダクタンスと内燃機関用の点火プラグのキャパシタンスとによって前記点火プラグに放電電圧を印加する共振回路、前記共振回路に交流電圧を供給する電源回路、および内燃機関における圧力上昇のタイミングと前記点火プラグの放電開始タイミングとが近づくように前記電源回路の交流電圧の供給のタイミングを制御する制御回路を備えたことを特徴とするものである。

また、インダクタンスと、電極が誘電体で覆われた点火プラグのキャパシタンスによって構成された共振回路、バッテリの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧し、昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して前記共振回路に供給するインバータ、および前記点火プラグの電極間の放電状態に基づいて内燃機関における圧力上昇のタイミングと前記点火プラグの放電開始タイミングとが近づくように前記インバータの動作をフィードバック制御する制御回路を備えたことを特徴とするものである。

本発明の点火装置によれば、共振回路を用いた場合に発生する共振電圧の共振成長時間による点火タイミングの遅れ分を、制御回路によって制御し、電源回路を早めに動作させるように制御することによって、内燃機関が燃料の燃焼による圧力上昇で最大トルクが得られるタイミングと実際に内燃機関において燃焼による圧力上昇が発生するタイミングのずれによって生じる燃費の低下を抑制することができる。また、燃焼のタイミングに応じてインバータを停止することによって、点火に関与しないタイミングに消費する点火装置の電力損失を低減することができる。

本発明における実施の形態１によるバリア放電点火装置の回路構成を示す図である。 本発明における実施の形態１によるバリア放電点火装置の動作シーケンスを説明するタイミング図である。 本発明における実施の形態２によるバリア放電点火装置の回路構成を示す図である。 本発明における実施の形態２によるバリア放電点火装置の動作シーケンスを説明するタイミング図である。 本発明における実施の形態３によるバリア放電点火装置の回路構成を示す図である。 本発明における実施の形態３によるバリア放電点火装置の動作シーケンスを説明するタイミング図である。 本発明における実施の形態４によるバリア放電点火装置の回路構成を示す図である。 本発明における実施の形態４によるバリア放電点火装置の動作シーケンスを説明するタイミング図である。

実施の形態１
以下、この発明の実施の形態１について説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態１による内燃機関用のバリア放電点火装置は、バリア点火プラグ１に交流電圧を供給する電源回路１００と、電源回路１００を制御する制御手段２００とを備えており、バリア点火プラグ１は、共振用コイル１０と共に共振回路２を構成している。

電源回路１００は、バッテリ９、ＤＣ／ＤＣコンバータ５、インバータ４およびトランス３を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ５によってバッテリ９の電圧を５０Ｖ〜６００Ｖの範囲の一定電圧に昇圧し、このＤＣ／ＤＣコンバータ５から出力された一定電圧はインバータ４によって予め定められた周波数の交流電圧に変換し、この交流電圧はトランス３によって昇圧比倍の６００Ｖ〜５ｋＶの範囲に昇圧されて共振回路２に出力される。

共振回路２は、バリア点火プラグ１のキャパシタンス成分と共振用コイル１０およびトランス３の漏れインダクタンスによって構成され、このインダクタンス要素とキャパシタンス要素の直列共振周波数またはその近傍の周波数の交流電圧が供給されることによって大きな直列共振電圧が発生する現象を利用しており、５ｋＶ〜４０ｋＶまで昇圧され、バリア点火プラグ１に放電を発生させることになる。バリア点火プラグ１に放電が発生すると、内燃機関においては、燃料に点火が行われ、シリンダ（図示せず）内に爆発的に火炎が伝播する。内燃機関においては、点火後の燃料の燃焼によって上昇した圧力からエネルギーを取り出す。この内燃機関のシリンダ内の圧力は圧力センサ８によって検出され、信号が出力される。

制御手段２００は、制御回路６とＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７を備え、圧力センサ８からの信号を受けて、ＥＣＵ７から制御回路６に制御信号が出力され、制御回路６は、ＥＣＵ７からのインバータ４の点火信号Ｓ０に従い、インバータ４のスイッチング素子のオンオフを制御する。なお、インバータ４のスイッチング素子をオンオフする駆動周波数は、共振回路２の共振周波数としている。

なお、共振回路２は、例えばバリア点火プラグ１の持つキャパシタンス成分と共振用コイル１０とトランス３の漏れインダクタンスにより構成されるとしたが、バリア点火プラグ１の持つキャパシタンス成分とトランス３の漏れインダクタンスのみ、あるいはバリア点火プラグ１のキャパシタンス成分と共振用コイル１０のみで構成してもよい。また、共振回路２のキャパシタンス成分は、バリア点火プラグ１に対して、並列あるいは直列にコンデンサを接続することで増減させてもよい。
また、トランス３は、放電に必要な出力電圧を共振回路２のみで確保できる場合には取り除いてもよい。また、インバータ４は、直流電圧を交流電圧に変換する機能と、制御信号に従って周波数を変える機能を持つものであれば、どのような回路構成でもよく、例えばフルブリッジ構成等がある。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、インバータ４で必要な電圧をバッテリ電圧から生成するものであればどのような構成でもよく、例えば昇圧チョッパ等で構成される。

次に、タイミング動作について説明する。図２は本発明の実施の形態１のバリア放電点火装置の動作シーケンスを説明するタイミング図である。図中、信号Ｓ０は、ＥＣＵ７から制御回路６に入力される点火信号の一例であり、信号Ｓ０の立ち上がりが、インバータ４の回路動作指令を示し、信号Ｓ０の立ち下がりがインバータ４の回路停止指令を示している。また、ＥＣＵ７は、内燃機関にて燃焼による圧力上昇によって最大トルクが得られるタイミングである時刻ｔ０を算出している。この時刻ｔ０は、内燃機関の回転数や空燃比によって点火周期毎に変動する。信号Ｇ０は、制御回路６から出力されるインバータ４のスイッチング素子駆動信号の一例である。ここでは、信号Ｇ０のＨ（ハイ）状態をオン指令状態、Ｌ（ロー）状態をオフ指令状態としている。信号Ａ０は、バリア点火プラグ１に印加される電圧波形の一例であり、縦軸は電圧値を示している。信号Ｂ０は、圧力センサ８が検出した燃料の燃焼による内燃機関の圧力上昇信号の一例であり、ＥＣＵ７に入力されている。ここでは、信号Ｇ０のＨ（ハイ）状態を燃焼による圧力上昇を検出している状態とする。
この状態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、常に動作しており、インバータ４に予め定めた一定の電圧を供給しているものとしている。

時刻ｔ１にて、ＥＣＵ７が信号Ｓ０を立ち上げると信号Ｇ０がＨとなり、インバータ４は、予め定められた周波数でスイッチング動作することで交流電圧を出力する。インバータ４の交流電圧は、トランス３で巻数比倍されて共振回路２に入力される。共振回路２では、バリア点火プラグ１のキャパシタンス成分と共振用コイル１０のインダクタンス成分のＬＣ共振により、図２に示すように、バリア点火プラグ１に印加される電圧信号Ａ０の振幅が徐々に成長する。電圧振幅成長に要する時間は、例えばＬＣ共振のＱ値と共振回路２のバリア点火プラグ１及び共振用コイル１０等の温度特性により、点火周期毎に変動する。

時刻ｔ２にて、バリア点火プラグ１に印加される電圧の振幅が放電開始電圧を超過すると、バリア点火プラグ１の電極間に誘電体バリア放電が発生し、内燃機関内の燃料に点火が行われる。
点火が行なわれると、内燃機関内を火炎が伝播し、燃料の燃焼による内燃機関の圧力上昇が発生する。時刻ｔ３にて、圧力センサ８が燃焼による圧力上昇を検出すると、ＥＣＵ７は信号Ｓ０を立ち下げる。制御回路６は、信号Ｓ０の立ち下がりと同時に信号Ｇ０をＬ状態で出力し、インバータ４を停止する。これにより、燃焼による圧力上昇後に、バリア点火プラグ１に余分な電力が投入されることを防ぎ、点火に寄与しない電力損失の発生を防ぐことができる。またＥＣＵ７では、圧力センサ８からの燃焼による圧力上昇を検出した時刻ｔ３を記録する。圧力センサ８は、燃焼終了後に圧力が低下すると、Ｌ状態に戻る。

内燃機関では、燃焼による圧力上昇で最大トルクが得られるタイミングである時刻ｔ０と実際に燃焼による圧力上昇を検出した時刻ｔ３の時間差ｔ１１が大きいほど、燃費が低下する。この時間差ｔ１１が生じる要因は、インバータ４のスイッチング素子駆動信号を出力した時刻ｔ１から内燃機関内に気圧上昇が発生する時刻ｔ３までに時間遅延があり、その時間遅延が回転周期毎に変動するため、時刻ｔ３と時刻ｔ０を一致させることができないことである。したがって、本発明の実施の形態１では、時間差ｔ１１ができるだけ小さくなるように、点火周期毎の信号Ｓ０の立ち上がりのタイミングをフィードバック制御することで、圧力上昇のタイミングのずれによって生じる内燃機関の燃費悪化を抑制する。
例えば、前の点火周期の時刻ｔ３が、時刻ｔ０よりも早かった場合においては、次の点火周期では、ＥＣＵ７が、前の点火周期の時刻ｔ１に対して時間差ｔ１１だけ遅い時刻に信号Ｓ０を立ち上げることにより、次の点火周期の時間差ｔ１１は前の点火周期に比べて小さくなる。
以上のような動作が、内燃機関の点火周期毎に繰り返される。

このように、実施の形態１では、バリア点火装置は、バリア点火プラグ１と、バリア点火プラグ１の電極間に放電を発生させるために交流電圧を５〜４０ｋＶまで昇圧する共振回路２と、交流電圧を昇圧して共振回路に供給するトランス３と、交流電圧を供給するインバータ４と、バッテリ電圧を昇圧してインバータ４へ出力するＤＣ／ＤＣコンバータ５と、制御回路６と、ＥＣＵ７と、内燃機関内の圧力を検出する圧力センサ８と、バッテリ９によって構成されており、ＥＣＵ７が最大トルクを得られる燃焼による圧力上昇のタイミングである時刻ｔ０と圧力センサ８にて実際に燃焼による圧力上昇を検出した時刻ｔ３の時間差ｔ１１がより小さくなるように、点火周期毎のインバータ４の駆動開始タイミングである時刻ｔ１をフィードバック制御することによって、圧力上昇のタイミングのずれにより生じる内燃機関の燃費悪化を抑制することができる。

なお、内燃機関の火炎伝播速度は、回転数に比例するため、点火周期毎の時刻ｔ３も回転数に従って変動する。したがって、回転数が変化する場合において、ＥＣＵ７が、回転数毎の火炎伝播時間変化を補正する係数を算出し、その補正係数によって信号Ｓ０立ち上がりタイミングである時刻ｔ１をフィードフォワード制御することによって、前記時間差ｔ１１を小さくし、内燃機関の燃費の悪化を抑制することができる。
また、エンジン始動時は、前の点火周期の時間差ｔ１１が記録されていないため、時刻ｔ１をフィードバック制御することができず、時間差ｔ１１が大きくなってしまい、内燃機関の燃費の悪化を生じる。そこで、共振回路のＱ値から共振成長に要する時間ｔ１２を算出してＥＣＵ７に予め記録し、ＥＣＵ７が始動時に時刻ｔ１よりも時間ｔ１２だけ早く指令信号すなわち点火信号Ｓ０を立ち下げることにより、時間差ｔ１１を小さくし、燃費の悪化を抑制することができる。

実施の形態１では、燃焼による圧力上昇のタイミングである時刻ｔ３を圧力センサ８で検出し、その時刻ｔ３と最大トルクが得られるｔ０との差をなくすことにより、燃費の悪化を抑制する手法について記述した。これにより、少ない燃料でより多くのトルクを得ることができる。実施の形態２では、圧力センサ８を用いずにタイミングを制御することにより、コストを低減する手法について説明する。

実施の形態２
次に、この発明の実施の形態２について説明する。
図３は、実施の形態２によるバリア放電点火装置の回路構成を示す図で、図４は、この回路構成の動作を示すタイミング図ある。この図３に示した回路構成と図１の実施の形態１との違いは、バリア点火プラグ１に印加される電圧を検出するための分圧コンデンサ回路２１が、バリア点火プラグ１に対して並列接続されている点と、圧力センサ８が除去されている点である。分圧コンデンサ回路２１は、第１の分圧コンデンサ２２と第２の分圧コンデンサ２３を直列接続したものであり、第１の分圧コンデンサ２２側がバリア点火プラグ１と共振用コイル１０の間に接続され、第２の分圧コンデンサ２３側は基準電位に接続されている。この分圧コンデンサ回路２１は、バリア点火プラグ１に印加される５ｋＶ〜４０ｋＶ程度の高電圧を分圧し、第２の分圧コンデンサ２３において０．１Ｖ〜１００Ｖ程度の電圧として検出する。したがって、第２の分圧コンデンサ２３のキャパシタンス値は、第１の分圧コンデンサ２２に対して十分大きいものとし、例えば第１の分圧コンデンサ２２に対して４００倍以上程度のキャパシタンス値を持つものを選定する。

制御回路６では、第２の分圧コンデンサ２３で検出した電圧値により、バリア点火プラグ１にて放電が開始したタイミングを判定する。すなわち、図４に示す放電開始タイミングである時刻ｔ２においては、放電によるインピーダンス変化で変動するバリア点火プラグ１への印加電圧の変化を観測し検出する。
図３および図４の信号Ｓ１は、放電の発生を検出した際に、制御回路６からＥＣＵ７に出力される放電検出信号の一例である。ここでは、信号Ｓ１の立ち上がりが放電開始タイミングを示している。

次に、実施の形態２のタイミング動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるバリア放電点火装置の動作シーケンスを説明するタイミング図である。この実施の形態２のバリア放電点火装置の動作において、実施の形態１と異なる点は、バリア点火プラグ１にて放電が発生した際に制御回路６が、第２の分圧コンデンサ２３の電圧値から放電を検出し、放電開始タイミングをＥＣＵ７に信号Ｓ１（制御回路６の放電検出信号）を出力する点と、圧力センサ８による燃焼圧力の検出が無い点である。
時刻ｔ１の動作は、図２で説明した実施の形態１における動作と同様で、異なる点は、時刻ｔ２において、制御回路６が第２の分圧コンデンサ２３の電圧波形（図示せず）より、バリア点火プラグ１における放電開始を検出することである。制御回路６は、放電開始をＥＣＵ７に通知するために、時刻ｔ２にて信号Ｓ１を立ち上がりで出力する。ＥＣＵ７は信号Ｓ１を受けて、放電開始タイミングである時刻ｔ２を記録する。

時刻ｔ１から任意の放電終了時刻ｔ４にて、ＥＣＵ７は信号Ｓ０を立ち下げ、制御回路６から出力される信号Ｇ０が立ち下がり、インバータ４は停止する。時刻ｔ４は、放電開始時刻ｔ２から放電終了時刻ｔ４までの時間が、点火及び燃料の燃焼に必要な放電時間に対して十分に長くなるように、ＥＣＵ７にて予め決められている。
内燃機関では、実施の形態１で説明した図２における時間差ｔ１１が大きいほど、燃費が低下する。この実施の形態２では、最大トルクが得られる時刻ｔ０が、放電開始タイミングである時刻ｔ２に近づくように、点火周期毎の信号Ｓ０の立ち上がりタイミングである時刻ｔ１をフィードバック制御する。前記フィードバック制御により、時刻ｔ２が検出できない場合においても時間差ｔ１１を低減できるため、燃焼タイミングのずれによる内燃機関の燃費の悪化を抑制することができる。
以上のような動作が、内燃機関の点火周期毎に繰り返される。

このように、実施の形態２では、バリア点火装置はバリア点火プラグ１と、バリア点火プラグ１の電極間に放電を発生させるために交流電圧を５ｋＶ〜４０ｋＶまで昇圧する共振回路２と、交流電圧を昇圧して共振回路に供給するトランス３と、交流電圧を供給するインバータ４と、バッテリ電圧を昇圧してインバータ４へ出力するＤＣ／ＤＣコンバータ５と、制御回路６と、ＥＣＵ７と、バッテリ９と、バリア点火プラグ１に印加される電圧を検出するための分圧コンデンサ回路２１によって構成されており、ＥＣＵ７が最大トルクを得られる燃焼による圧力上昇のタイミングである時刻ｔ０と第２の分圧コンデンサ２３から検出される放電開始タイミングである時刻ｔ２が近づくように、点火周期毎のインバータ４の駆動開始タイミングである時刻ｔ１をフィードバック制御することによって、圧力センサ８が無くても、圧力上昇のタイミングのずれによって生じる内燃機関の燃費の悪化を抑制することができる。

また、放電開始タイミングｔ２から燃焼による圧力上昇時刻ｔ３までの時間差ｔ２１は、エンジン構造とエンジンの動作条件により定まるため、予め測定して設定することにより、圧力センサ８を用いた場合と同等の燃費の悪化抑制効果を得ることができる。具体的には、予めＥＣＵ７または制御回路６に、条件毎の時間差ｔ２１を記録しておき、これを時刻ｔ２に加算することにより、圧力センサ８が無い場合においても圧力上昇時刻ｔ３を得ることができる。この時刻ｔ３と最大トルクが得られる時刻ｔ０が近づくように制御すれば、実施の形態１と同等の燃費の悪化抑制効果を得ることができる。

なお、実施の形態２では、圧力センサ８が無い場合においても、実施の形態１と同様の燃費の悪化抑制効果を得る手法について説明した。これによる利点は、圧力センサ８とその関連部品が不要になることによるコスト低減である。実施の形態３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を制御することにより、電力損失を低減する手法について説明する。

実施の形態３
次に、この発明の実施の形態３について説明する。
図５は、実施の形態３によるバリア放電点火装置の回路構成を示す図であって、実施の形態２の図３との違いは、制御回路６からＤＣ／ＤＣコンバータ５に出力される出力電圧目標値の信号Ｇ１が追加されている点である。
信号Ｇ１は、制御回路６からＤＣ／ＤＣコンバータ５に出力される出力電圧目標値の一例であり、この信号の増減に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧が増減する。
次に、実施の形態３におけるバリア点火装置の基本動作を説明する。バリア点火装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５が制御回路６の出力電圧目標値の信号Ｇ１を参照し、バッテリ９の電圧を５０Ｖ〜６００Ｖの範囲の電圧に昇圧する。したがって、制御回路６は信号Ｇ１によってＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を段階的に変更することが可能である。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧はバリア点火プラグ１への印加電圧と比例するため、制御回路６はＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧により、放電開始タイミングである時刻ｔ２を制御することが可能である。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の単位時間当たりの出力電圧変化量を大きくすれば、バリア点火プラグ１に印加される電圧の変化量も大きくなるため、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間を短くすることができる。
また、この実施の形態３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５以外の動作は、実施の形態２と等しいものとしている。

次に、タイミング動作について説明する。図６は、本発明の実施の形態３におけるバリア放電点火装置の動作シーケンスを説明するタイミング図である。信号Ｃ０は点火周期におけるＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を示しており、縦軸は電圧である。時刻ｔ１の動作は、図２によって説明した実施の形態１における動作と等しい。
実施の形態２における図４と異なる点は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間中に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を段階的に増加させ、バリア点火プラグ１に印加される電圧を段階的に増加させることである。時刻ｔ２にて、バリア点火プラグ１に印加される電圧が放電開始電圧に達したところで、バリア点火プラグ１に放電が発生し、点火が行なわれる。このとき、バリア点火プラグ１に印加される電圧の変化量は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧増加による振幅増加と共振による電圧振幅成長が重畳された値となる。したがって、ＥＣＵ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を段階的に変化させる際の変化量によって、スイッチング素子駆動信号を出力した時刻ｔ１から放電が開始する時刻ｔ２までの時間差ｔ３１を制御することができる。

時刻ｔ２において、分圧コンデンサ回路２１にてバリア点火プラグ１の放電開始を検出した際に、その際の信号Ｇ１の出力をＬ状態で固定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を所定値で一定とする。時刻ｔ２にて、バリア点火プラグ１に印加される電圧とバリア点火プラグ１の放電開始電圧は等しいため、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧はバリア点火プラグ１の放電開始に必要な最低限の値に固定することとなる。したがって、インバータ４と、トランス３と、共振回路２と、バリア点火プラグ１に過剰な電圧が印加されることはなくなるため、各部の印加電圧に依存する損失を抑制することができる。
時刻ｔ４において、実施の形態２と同様にして、インバータ４は停止する。ここで、制御回路６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を時刻ｔ１の値に戻すように、Ｇ２の立ち上がりを出力する。このときＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧は、時刻ｔ１の値に戻さなくてもよい。
以上の動作を点火周期毎に繰り返す。

このように、実施の形態３では、バリア点火装置はバリア点火プラグ１と、バリア点火プラグ１の電極間に放電を発生させるために交流電圧を５ｋＶ〜４０ｋＶまで昇圧する共振回路２と、交流電圧を昇圧して共振回路に供給するトランス３と、交流電圧を供給するインバータ４と、バッテリ電圧を昇圧してインバータ４へ出力するＤＣ／ＤＣコンバータ５と、制御回路６と、ＥＣＵ７と、バッテリ９と、バリア点火プラグ１に印加される電圧を検出するための分圧コンデンサ回路２１によって構成されており、インバータ４の動作開始とともに、制御回路６が、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を段階的に増加させる際の電圧変化量を増減することにより、ＥＣＵ７がスイッチング素子駆動信号を出力した時刻ｔ１から放電が開始する時刻ｔ２までの時間差ｔ３１を制御することができる。また、実施の形態３では、インバータ４の動作開始とともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を段階的に増加させることにより、インバータ４と、トランス３と、共振回路２と、バリア点火プラグ１に対して、過剰な電圧が印加されることを防ぎ、印加電圧に依存する損失を抑制することができる。

さらに、本実施の形態３では、実施の形態１の図１において説明した圧力センサ８を分圧コンデンサ回路２１の代わりに用いることで、分圧コンデンサ回路２１を用いた時と類似の効果を得ることができる。具体的には、分圧コンデンサ回路２１にて放電開始を検出した時刻ｔ２に行った動作シーケンスを、圧力センサ８にて燃焼による圧力上昇を検出した時刻に行えばよい。また圧力センサ８を用いる場合には、実施の形態１と同様に、燃焼による圧力上昇を検出すると同時にインバータ４を停止することによって、バリア点火プラグ１に余分な電力が投入されることを防ぎ、点火に寄与しない電力損失の発生を防ぐことができる。

実施の形態３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を制御することにより、電力損失を低減する手法について説明した。これによりバッテリ９の電力消費が減るため、発電のために要していた燃料消費量を低減し、燃費向上に寄与する効果がある。実施の形態４では、タイミング制御ではなく、共振電圧の共振成長時間自体を短くすることにより、燃費の悪化を抑制する手法について記述する。

実施の形態４
次に、この発明の実施の形態４について説明する。
図７は、実施の形態４によるバリア放電点火装置の回路構成を示す図である。図５の実施の形態３との違いは、図１において説明した実施の形態１の圧力センサ８が追加されている点である。
信号Ｓ２は、ＥＣＵ７が制御回路６に点火タイミングを伝達する点火信号の一例であり、立ち上がりが点火タイミング指令を示し、信号Ｓ２の立ち下がりがインバータ回路停止指令を示している。すなわち、点火信号は、指令信号として理解できる。

次に動作について説明する。図８は、本発明の実施の形態４におけるバリア放電点火装置の動作シーケンスを説明するタイミング図である。
信号Ｇ０は、常にＨ状態で出力され、インバータ４は交流電圧を常時出力しており、バリア点火プラグ１には放電が発生しない程度の電圧が常に印加されている。インバータ４のスイッチング素子をオンオフする駆動周波数は、共振回路２の共振周波数とする。
このとき制御回路６では、バリア点火プラグ１に印加される電圧がバリア点火プラグ１の放電開始電圧を上回ることがないように、信号Ｇ１によってＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧目標値を設定することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力をフィードバック制御する。
放電開始電圧の推定方法には、例えば前の点火周期において分圧コンデンサ回路２１にて検出した値から換算する方法、または圧力と放電開始電圧の関係を予め測定して設定することにより放電開始電圧を推定する方法等がある。後者の具体的な方法は、バリア点火プラグ１の放電開始電圧と圧力の関係の情報を予め測定し、テーブルとしてＥＣＵ７の内部に備えておいて、内燃機関の点火周期に応じて適当なタイミングで検出された圧力の値から、ＥＣＵ７の内部に保管したテーブルに基づいて放電開始電圧を推定するものである。この方法では、内燃機関の点火周期に応じて圧力を検出したが、電源回路の駆動周波数に応じた適当なタイミングで圧力を検出してもよい。

時刻ｔ５にて、ＥＣＵ７は信号Ｓ２を立ち上げる。信号Ｓ２の立ち上がりを受けて、制御回路６は、バリア点火プラグ１に印加される電圧が放電開始電圧に達するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を大きくする制御を行う。このとき共振回路２では予め共振による電圧増幅が行われていたため、共振電圧の共振成長時間が短縮されており、ＥＣＵ７からの信号Ｓ２の立ち上がりから内燃機関内の燃焼開始までに要する遅延時間は、予め電圧増幅を行っていない場合に比べて短くなる。したがって、点火周期毎の共振成長時間の変動によって生じるタイミングのずれを小さくできるため、燃焼による圧力上昇のタイミングのずれによる内燃機関の燃費悪化を抑制することができる。

時刻ｔ２にて、分圧コンデンサ回路２１が放電を検出した際に、制御回路６は、バリア点火プラグ１に印加される電圧が時刻ｔ２の値で一定となるように制御を実施する。これにより、バリア点火プラグ１に印加される電圧と放電開始電圧は等しくなるため、インバータ４と、トランス３と、共振回路２と、バリア点火プラグ１に過剰な電圧が印加されることはなくなり、各部の印加電圧に依存する損失を抑制することができる。このとき、バリア点火プラグ１に印加される電圧は、必ずしも時刻ｔ２の電圧値である必要はなく、時刻ｔ２の電圧値以上であればよい。
時刻ｔ３にて、圧力センサ８が燃料の燃焼による圧力上昇を検出した後に、制御回路６は、点火タイミング以外において、バリア点火プラグ１に印加される電圧が放電開始電圧を下回るように制御を実施する。
以上のような動作が、内燃機関の点火周期毎に繰り返される。

このように、実施の形態４では、バリア点火装置は、バリア点火プラグ１と、バリア点火プラグ１の電極間に放電を発生させるために交流電圧を５ｋＶ〜４０ｋＶまで昇圧する共振回路２と、交流電圧を昇圧して共振回路に供給するトランス３と、交流電圧を供給するインバータ４と、バッテリ電圧を昇圧してインバータ４へ出力するＤＣ／ＤＣコンバータ５と、制御回路６と、ＥＣＵ７と、内燃機関内の圧力を検出する圧力センサ８と、バッテリ９と、バリア点火プラグ１に印加される電圧を検出するための分圧コンデンサ回路２１によって構成されており、共振回路２にて予め共振による電圧増幅を行うことで共振電圧の共振成長時間を短縮し、点火タイミング指令から放電開始までに要する遅延時間を短くすることによって、共振成長時間の変動による内燃機関の燃費の悪化を抑制することができる。

なお、バリア点火プラグ１に印加される電圧は、インバータ４のスイッチング素子駆動周波数を共振回路２の共振周波数から遠ざけることにより小さくなり、共振周波数に近づけることにより大きくなるため、バリア点火プラグ１に印加される電圧の制御はインバータ４のスイッチング素子駆動周波数を変えることにより実施してもよい。また、インバータ４のスイッチング素子駆動周波数とＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧の両方を変えることにより実施してもよい。
また、本実施の形態４における時刻ｔ３にインバータ４を停止し、次の点火周期の時刻ｔ５に対して共振成長に要する時間だけ前にインバータ４を動作させることにより、点火に寄与しない時間にバリア放電点火装置を動作させることによって生じる損失を低減することができる。

なお、実施の形態４では、共振電圧の共振成長時間自体を短くすることにより、燃費の悪化を抑制する手法について説明した。これは、実施の形態１から３までのタイミング制御において、本実施の形態４の手法を用いることにより、共振成長時間と放電開始から燃焼までに要する時間の和である時間差ｔ１１が小さくなり、点火周期毎の時間差ｔ１１の違いによる誤差も小さくなるため、より正確にタイミング制御を行うことができ、燃費の悪化を抑制することに寄与する。

なお、本発明では、実施の形態１から４までをどのように組み合わせて用いてもよい。また、本発明は、内燃機関用点火装置として、バリア放電点火装置を取り上げて説明したが、バリア放電を用いた点火装置に限らず、共振回路を含む点火装置であれば、内燃機関用点火装置のどれに適用しても良いことはいうまでもない。

１ バリア点火プラグ、２ 共振回路、３ トランス、４ インバータ、
５ ＤＣ／ＤＣコンバータ、６ 制御回路、７ ＥＣＵ、８ 圧力センサ、
９ バッテリ、１０ 共振用コイル、２１ 分圧コンデンサ回路、
２２ 第１の分圧コンデンサ、２３ 第２の分圧コンデンサ、
１００ 電源回路、２００ 制御手段

Claims (16)

1. 内燃機関の点火プラグに放電電圧を印加する共振回路、前記共振回路に交流電圧を供給する電源回路、および前記内燃機関の燃焼における圧力上昇のタイミングと前記点火プラグの放電開始タイミングとが近づくように前記電源回路から前記共振回路への交流電圧の供給のタイミングを制御する制御回路を備えたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記点火プラグは電極が誘電体で覆われたバリア点火プラグであって、前記電源回路は前記共振回路に交流電圧を供給するインバータと、バッテリ電圧を昇圧して前記インバータに所定の放電開始電圧以上の電圧を供給するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記制御回路はエンジンコントロールユニットからの指令信号を受けて前記インバータの動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
3. 前記共振回路に交流電圧を昇圧して供給するトランスを前記電源回路に備えた請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
4. 前記制御回路は前記バリア点火プラグにて放電が発生したことを前記エンジンコントロールユニットに通知し、前記エンジンコントロールユニットは放電発生タイミングと前記内燃機関にて最大トルクを得られるタイミングが近づくように前記インバータの動作タイミングを指示する指令信号を前記制御回路に出力することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用点火装置。
5. 前記エンジンコントロールユニットは、前記共振回路のＱ値から共振電圧の共振成長時間を算出し、前記最大トルクを得られる圧力上昇のタイミングよりも前記共振成長時間だけ早くに前記指令信号を出力するように制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用点火装置。
6. 前記バリア点火プラグにおいて放電が発生したことを検出するために前記内燃機関における燃焼による圧力上昇を検出する圧力センサを備え、前記エンジンコントロールユニットは前記圧力センサの情報に基づいて前記インバータの動作タイミングを指示する指令信号を出力することを特徴とする請求項２または請求項４に記載の内燃機関用点火装置。
7. 前記エンジンコントロールユニットは、前記内燃機関の回転数と燃焼の火炎伝播時間の関係から最大トルクが得られる圧力上昇のタイミングを算出し、前記燃焼による圧力上昇のタイミングと前記内燃機関にて最大トルクを得られるタイミングが近づくように、前記指令信号を出力することを特徴とする請求項２または請求項４に記載の内燃機関用点火装置。
8. 前記バリア点火プラグにおいて放電が発生したことを検出するために前記バリア点火プラグに印加される電圧を検出する分圧コンデンサ回路を備え、前記制御回路は前記分圧コンデンサ回路により検出された電圧波形によって前記バリア点火プラグにおいて放電が発生したことを検出するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用点火装置。
9. 前記分圧コンデンサ回路が、前記バリア点火プラグに対して並列接続されており、前記分圧コンデンサ回路は、第１の分圧コンデンサと第２の分圧コンデンサを直列接続したもので、前記第１の分圧コンデンサ側が前記バリア点火プラグと前記共振回路の間に接続され、前記第２の分圧コンデンサ側は基準電位に接続され、前記第２の分圧コンデンサのキャパシタンス値は、前記第１の分圧コンデンサに対して十分大きいものとしたことを特徴とする請求項８に記載の内燃機関用点火装置。
10. 前記制御回路は、制御信号によって前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を変更することにより前記バリア点火プラグにて放電開始するタイミングを制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用点火装置。
11. 前記制御回路は、点火タイミング以外において前記バリア点火プラグに印加される電圧が放電開始電圧を下回るように制御しつつ、点火タイミングにおいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御して放電を開始することにより、共振電圧の共振成長時間を短縮することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関用点火装置。
12. 前記制御回路は、制御信号により前記バリア点火プラグにおいて放電が発生した際の前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の値を固定することにより、前記バリア点火プラグに印加される電圧を放電開始電圧とするように制御することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の内燃機関用点火装置。
13. 前記制御回路は、前記インバータのスイッチング素子駆動周波数を制御することによりバリア点火プラグへの印加電圧を制御することを特徴とする請求項６または８に記載の内燃機関用点火装置。
14. 前記制御回路は、点火タイミング以外において前記バリア点火プラグに印加される電圧が放電開始電圧を下回るように制御しつつ、点火タイミングにおいて前記インバータのスイッチング素子駆動周波数を前記共振回路の共振周波数に近づけることにより、共振電圧の共振成長時間を短縮するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用点火装置。
15. 前記エンジンコントロールユニットは、前記内燃機関における燃焼を検出した際に前記インバータを停止するように制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用点火装置。
16. 前記エンジンコントロールユニットは、前記バリア点火プラグの放電開始電圧と圧力の関係の情報を予め内部に備え、前記圧力センサにて検出した圧力により、前記放電開始電圧を推定することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用点火装置。

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