JP2018204564A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より多くの方式の点火を選択して実行することのできる点火装置を提供する。【解決手段】第１電圧を供給する第１供給部８２、及び第１電圧よりも高い第２電圧を供給する第２供給部５０から供給される電圧に基づいて、点火プラグ８０に火花放電を生じさせる点火装置１０であって、中間タップ１６、中間タップよりもＧＮＤ側の第１端子１４、及び中間タップよりも第１供給部側の第２端子１２を有する１次コイル１１と、１次コイルに電磁的に結合され、点火プラグに接続された２次コイル２１と、第１端子とＧＮＤとを断続する第１スイッチ部３１と、第２供給部と中間タップとを断続する第２スイッチ部３２と、第２端子から第１供給部への電流を断続する第３スイッチ部３３，４３と、第１スイッチ部、第２スイッチ部、及び第３スイッチ部の断続状態を制御する制御部６０と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、点火プラグに火花放電を生じさせる点火装置に関する。

従来、点火コイルの１次コイルの通電制御により点火プラグに火花放電を生じさせる主点火回路と、火花放電中に１次コイルに電気エネルギを投入するエネルギ投入回路と、を備える点火装置がある（特許文献１参照）。特許文献１に記載の点火装置では、主点火回路の作動により開始した火花放電を、エネルギ投入回路により２次コイルに主点火回路の作動時と同一極性の２次電流を流すことで継続させている。

特開２０１５−２００２８４号公報

ところで、例えば内燃機関の負荷や回転速度や過給やＥＧＲの有無やリーンバン化等、点火装置により点火が行われる環境によって、燃焼に必要な点火エネルギは変化し、最適な点火方式は異なる。したがって、特許文献１に記載の点火装置は、主点火回路による誘導放電主点火と、エネルギ投入回路によるエネルギ投入点火とを実行することができるものの、最適な点火装置としては、未だ改善の余地を残すものとなっている。

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、その主たる目的は、より多くの方式の点火を選択して実行することのできる点火装置を提供することにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
第１電圧を供給する第１供給部（８２）、及び前記第１電圧よりも高い第２電圧を供給する第２供給部（５０、５０Ａ、８３）から供給される電圧に基づいて、点火プラグ（８０）に火花放電を生じさせる点火装置（１０）であって、
中間タップ（１６）、前記中間タップよりもＧＮＤ側の第１端子（１４）、及び前記中間タップよりも前記第１供給部側の第２端子（１２）を有する１次コイル（１１）と、
前記１次コイルに電磁的に結合され、前記点火プラグに接続された２次コイル（２１）と、
前記第１端子とＧＮＤとを断続する第１スイッチ部（３１）と、
前記第２供給部と前記中間タップとを断続する第２スイッチ部（３２、３２Ａ）と、
前記第２端子から前記第１供給部への電流を断続する第３スイッチ部（３３，４３、１３３）と、
前記第１スイッチ部、前記第２スイッチ部、及び前記第３スイッチ部の断続状態を制御する制御部（６０、７０）と、
を備える。

上記構成によれば、制御部により、第１スイッチ部、第２スイッチ部、及び第３スイッチ部の断続状態が制御される。これにより、点火装置は、以下の３方式の点火を例えばエンジンの運転状態などで選択して実行することができる。

すなわち、第２スイッチ部により第２供給部と中間タップとを切断し、第３スイッチ部により第１供給部と第２端子とを接続し、第１スイッチ部により第１端子とＧＮＤとを接続することで、１次コイルの第２端子から第１端子へ１次電流を流すことができる。その後、第１スイッチ部により第１端子とＧＮＤとを切断することで、２次コイルに高電圧が発生し、点火プラグにおいて「誘導放電主点火」を実行させることができる。

誘導放電主点火の開始後、第１スイッチ部を切断状態にし、第３スイッチ部を接続状態にし、第２スイッチ部により第２供給部と中間タップとを接続することで、１次コイルの中間タップから第２端子へ１次電流を流すことができる（エネルギ投入）。このとき、第２供給部は第１電圧よりも高い第２電圧を供給し、且つ１次コイルの中間タップから第２端子までの巻線数は第１端子から第２端子までの巻線数よりも少なくなる。このため、点火プラグにおける放電を維持するために必要な電圧である放電維持電圧Ｖｍよりも高い電圧で電流を流し込むことができ、誘導放電主点火時と同一方向の２次電流を２次コイルに追加して流すことができる。その後、第２スイッチ部を切断状態と接続状態とに交互に制御することで、２次電流が放電継続可能な目標電流値になるように継続して流すことができ、点火プラグにおいて「エネルギ投入点火」を実行させることができる。

また、誘導放電主点火の開始後、第３スイッチ部を切断状態にし、第２スイッチ部を接続状態にし、第１スイッチ部により第１端子とＧＮＤとを接続することで、１次コイルの中間タップから第１端子へ１次電流を流すことができる（急速通電）。このとき、第２供給部は第１電圧よりも高い第２電圧を供給し、且つ１次コイルの中間タップから第１端子までの巻線数は第２端子から第１端子までの巻線数よりも少なくなる。このため、誘導放電主点火と比較して１次電流の増加速度が速くなり、点火動作をさせるために誘導放電主点火時と同一方向の１次電流を１次コイルに短い時間で流すことができる。その後、第１スイッチ部により第１端子とＧＮＤとを切断することで、２次コイルに高電圧が発生し、点火プラグにおいて急速通電による誘導放電点火を実行させることができる。そして、第１スイッチ部を接続状態と切断状態とに交互に制御することで、１次コイルへの急速通電と誘導放電とを繰り返すことができ、点火プラグにおいて「急速通電多回点火」を実行させることができる。以上のように、３方式の点火から選択して実行することで、最適な消費電力で点火を実行することができる。

第２の手段では、前記第３スイッチ部は、前記第１供給部にアノードが接続され且つ前記第２端子にカソードが接続されたダイオード（４３）と、前記ダイオードに並列接続されたスイッチング素子（３３）とを含む。

上記構成によれば、第１供給部から第３スイッチ部のダイオードを介して第２端子に電流を流すことができる。このため、誘導放電主点火の実行に際して、第３スイッチ部を制御する必要がない。すなわち、第２スイッチ部を切断状態にし、第１スイッチ部を接続状態にすることで、１次コイルの第２端子から第１端子へ１次電流を流すことができる。また、エネルギ投入点火の実行に際しては、第１スイッチ部を切断状態にし、第３スイッチ部のスイッチング素子を接続状態にし、第２スイッチ部を接続状態にすることで、１次コイルの中間タップから第２端子へ１次電流を流すことができる。また、急速通電多回点火の実行に際しては、第３スイッチ部のスイッチング素子を切断状態にし、第２スイッチ部を接続状態にし、第１スイッチ部を接続状態にすることで、１次コイルの中間タップから第１端子へ第１の供給部よりも高い電圧の第２供給部から１次電流を流すことができる。

これにより、誘導放電主点火のための１次コイルへの通電電流と、エネルギ投入点火のための投入電流を第３スイッチ部の各半導体素子（ダイオード及びスイッチング素子）で実現できるため信頼性の高い点火装置が供給できる。さらに、各半導体素子で誘導放電主点火とエネルギ投入点火の電流を分担させることができるので、各素子の発熱を抑えることができ小型化できる。

第３の手段では、前記第３スイッチ部は、前記第１供給部から前記第２端子へ電流を流すことができ、且つ前記第２端子から前記第１供給部への電流を流す状態と遮断する状態とを切り替えることができる所定スイッチ（１３３）である。

上記構成によれば、誘導放電主点火に際しては、第２スイッチ部を切断状態にし、所定スイッチにより第１供給部から第２端子へ電流を流し、第１スイッチ部を接続状態にすることで、１次コイルの第２端子から第１端子へ１次電流を流すことができる。また、エネルギ投入点火の実行に際しては、第１スイッチ部を切断状態にし、所定スイッチを第２端子から第１供給部への電流を流す状態にし、第２スイッチ部を接続状態にすることで、１次コイルの中間タップから第２端子へ１次電流を流すことができる。また、急速通電多回点火の実行に際しては、所定スイッチを第２端子から第１供給部への電流を遮断する状態にし、第２スイッチ部を接続状態にし、第１スイッチ部を接続状態にすることで、１次コイルの中間タップから第１端子へ１次電流を流すことができる。このため、第３スイッチ部が、ダイオードを有しておらず、所定スイッチのみを有する構成で、各方式の点火を実行することができる。

具体的には、第４の手段のように、前記制御部は、前記第２スイッチ部により前記第２供給部と前記中間タップとを切断させ、前記第３スイッチ部により前記第１供給部と前記第２端子とを接続させ、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを接続させた後、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを切断させることで、前記点火プラグに火花放電を生じさせるといった構成により、点火プラグにおいて誘導放電主点火を実行させることができる。

具体的には、第５の手段のように、前記制御部は、前記点火プラグに火花放電を生じさせた後、前記第３スイッチ部により前記第２端子から前記第１供給部への電流を切断させ、前記第２スイッチ部により前記第２供給部と前記中間タップとを接続させた状態で、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを接続及び切断させることを繰り返すことで、前記点火プラグに火花放電を繰り返し生じさせるといった構成により、点火プラグにおいて急速通電多回点火を実行させることができる。

具体的には、第６の手段のように、前記制御部は、前記点火プラグに火花放電を生じさせた後、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを切断させ、前記第３スイッチ部により前記第１供給部と前記第２端子とを接続させた状態で、前記第２スイッチ部により前記第２供給部と前記中間タップとを接続及び切断させることを繰り返すことで、前記点火プラグに生じた前記火花放電を維持させるといった構成により、点火プラグにおいてエネルギ投入点火を実行させることができる。

第７の手段では、前記制御部は、前記点火プラグに火花放電を生じさせた後、前記第３スイッチ部により前記第２端子から前記第１供給部への電流を切断させ、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを接続させた状態で、前記第２スイッチ部により前記第２供給部と前記中間タップとを接続及び切断させることを繰り返すことで、前記中間タップから前記第１端子へ流れる１次電流を制御しつつ、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを接続及び切断させることを繰り返すことで、前記点火プラグに火花放電を繰り返し生じさせる。

上記構成によれば、点火プラグにおいて急速通電多回点火を実行させる際に、以下の制御が実行される。すなわち、第３スイッチ部を切断状態にし、第１スイッチ部を接続状態にした状態で、第２スイッチ部により第２供給部と中間タップとを接続及び切断させることを繰り返すことで、中間タップから第１端子へ流れる１次電流が制御される。このため、１次電流が過大になることを抑制しつつ、１次コイルに電気エネルギを貯めることができる。さらに、例えば第１スイッチ部が半導体スイッチング素子により構成され、そのゲート電圧を制御することで１次電流を制御する場合と比較して、第１スイッチ部の発熱を抑制することができる。

第８の手段では、ＧＮＤにアノードが接続され、且つ前記第２スイッチ部と前記中間タップとの間にカソードが接続された還流ダイオード（４１）を備える。

上記構成によれば、点火装置は、ＧＮＤにアノードが接続され、且つ第２スイッチ部と中間タップとの間にカソードが接続された還流ダイオードを備えている。このため、第６の手段によるエネルギ投入点火において、第２スイッチ部を切断状態にした際に、ＧＮＤ→還流ダイオード→中間タップ→第２端子→第３スイッチ部→第１供給部→ＧＮＤの還流経路により、還流電流を流すことができる。したがって、１次電流の急激な減少を抑制して、２次電流を継続して流し易くなり、ひいては火花放電を維持し易くなる。また、第７の手段による１次電流を制御する急速通電多回点火において、第２スイッチ部を切断状態にした際に、ＧＮＤ→還流ダイオード→中間タップ→第１端子→第１スイッチ部→ＧＮＤの還流経路により、還流電流を流すことができる。したがって、１次電流の急激な減少を抑制することができ、１次電流を制御し易くなる。

第９の手段では、前記第２電圧の異なる複数の前記第２供給部（５０、５０Ａ）と、前記複数の第２供給部と前記中間タップとをそれぞれ断続する複数の第２スイッチ部（３２、３２Ａ）と、を備え、前記制御部は、前記複数の第２スイッチ部から選択した前記第２スイッチ部により、前記第２供給部と前記中間タップとを断続させる。

上記構成によれば、点火装置は、第２電圧の異なる複数の第２供給部を備えており、複数の第２スイッチ部から選択された第２スイッチ部により、第２供給部と中間タップとが断続させられる。このため、中間タップに供給される第２電圧の高さを変えることができ、各方式の点火をより適切な消費電力で実行することができる。

第１０の手段では、前記制御部は、前記点火プラグにより点火が行われる環境に応じて、３方式の点火から選択した方式の点火を実行する。

上記構成によれば、制御部によって、点火プラグにより点火が行われる環境に応じて、３方式の点火から選択された方式の点火が実行される。このため、点火プラグにより点火が行われる環境に適した方式の点火を最適な消費電力で実行することができる。

第１１の手段では、前記制御部は、前記３方式の点火において前記第２供給部から供給される前記第２電圧を異ならせる。

上記構成によれば、制御部によって、点火装置を搭載したエンジンの環境に応じて、３方式の点火から選択される方式の点火を実行する場合の消費電力をより最適化することができる。

点火装置の電気的構成を示す回路図。 誘導放電主点火の態様を示す回路図。 誘導放電主点火の態様を示すタイムチャート。 エネルギ投入点火の態様を示す回路図。 エネルギ投入点火の態様を示すタイムチャート。 急速通電多回点火の態様を示す回路図。 急速通電多回点火の態様を示すタイムチャート。 エンジン運転状態と点火方式との関係を示す模式図。 点火方式の選択手順を示すフローチャート。 点火装置の変更例の電気的構成を示す回路図。 図７の一点鎖線枠内の変更例を示すタイムチャート。 点火装置の他の変更例の電気的構成を示す回路図。 点火装置の他の変更例の電気的構成を示す回路図。 点火装置の他の変更例の電気的構成を示す回路図。

以下、車両に搭載される多気筒のガソリンエンジン（内燃機関）の点火装置に具現化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。エンジンは、例えば希薄燃焼（リーンバーン）が可能な筒内直接噴射式のエンジンであり、気筒内に混合気の旋回流（タンブル流やスワール流等）を生じさせる旋回流コントロール部を備える。点火装置は、所定の点火タイミング（点火時期）において、エンジンの燃焼室内の混合気に点火（着火）を行う。点火装置は、各気筒の点火プラグに対応した点火コイルを用いるＤＩ（Direct Ignition）タイプの点火装置である。

図１に示すように、点火装置１０は、エンジン制御の中枢を成すエンジンＥＣＵ７０（Electronic Control Unit）から与えられる指示信号（主点火信号ＩＧＴ及びエネルギ投入信号ＩＧＷ）に基づいて、点火コイルの１次コイル１１の通電を制御する。そして、点火装置１０は、１次コイル１１の通電を制御することで点火コイルの２次コイル２１に生じる電気エネルギを制御して、点火プラグ８０に生じる火花放電を制御する。

ＥＣＵ７０は、各種センサから取得したエンジンパラメータ（暖機状態、エンジン回転速度、エンジン負荷等）や、エンジンの制御状態（希薄燃焼の有無、旋回流の程度等）に応じて、主点火信号ＩＧＴ及びエネルギ投入信号ＩＧＷを生成して出力する。

点火装置１０は、１次コイル１１、２次コイル２１、スイッチング素子３１〜３３、昇圧回路５０、ダイオード４１〜４４、電流検出抵抗４７，４８、及び制御回路６０を備えている。点火プラグ８０は、エンジンの気筒毎に搭載されている。そして、１次コイル１１及び２次コイル２１は点火プラグ８０毎に設けられているが、ここでは１つの点火プラグ８０に対応する構成を例に説明する。なお、点火装置１０の各構成は、１次コイル１１及び２次コイル２１を収容するケース内に収容されている。

点火プラグ８０は、周知の構成からなり、出力端子７１を介して２次コイル２１の一端に接続される中心電極と、エンジンのシリンダヘッド等を介してＧＮＤに接続（接地）される外側電極とを備えている。２次コイル２１の他端は、ダイオード４４及び電流検出抵抗４８を介してＧＮＤに接続（接地）されている。ダイオード４４のアノードが２次コイル２１に接続されており、カソードが電流検出抵抗４８に接続されている。電流検出抵抗４８は、２次コイル２１に流れる２次電流を検出する。電流検出抵抗４８の出力は制御回路６０へ入力される。ダイオード４４は、１次コイル１１の通電時に発生する不要な電圧による火花放電を抑制する。そして、点火プラグ８０は、２次コイル２１に生じる電気エネルギにより、中心電極と外側電極との間で火花放電を生じさせる。

点火コイルは、１次コイル１１と、１次コイル１１に電磁的に結合された２次コイル２１とを備えている。２次コイル２１の巻線数は、１次コイル１１の巻線数よりも多くなっている。

１次コイル１１は、電源側端子１２、ＧＮＤ側端子１４、中間タップ１６を備えている。１次コイル１１において、電源側端子１２と中間タップ１６との間の巻線が第１巻線部１１ａであり、中間タップ１６とＧＮＤ側端子１４との間の巻線が第２巻線部１１ｂである。

電源側端子１２（第２端子に相当）は、スイッチング素子３３及びダイオード４３を介してバッテリ８２に接続されている。バッテリ８２（第１供給部に相当）は、例えば周知の鉛バッテリであり、１２Ｖ（第１電圧に相当）の電圧を供給する。ダイオード４３のアノードがバッテリ８２に接続されており、カソードが電源側端子１２に接続されている。スイッチング素子３３は、パワートランジスタやＭＯＳ型トランジスタ等の半導体スイッチング素子であり、ダイオード４３に並列接続されている。スイッチング素子３３の断続状態は、制御回路６０により制御される。ダイオード４３は、ＭＯＳ型トランジスタの寄生ダイオードであってもよい。なお、スイッチング素子３３及びダイオード４３により、電源側端子１２からバッテリ８２への電流を断続する第３スイッチ部が構成されている。

１次コイル１１のＧＮＤ側端子１４（第１端子に相当）は、スイッチング素子３１に接続されている。スイッチング素子３１（第１スイッチ部に相当）は、パワートランジスタやサイリスタ等の半導体スイッチング素子である。スイッチング素子３１の出力側の端子が、電流検出抵抗４７（電流検出回路）を介してＧＮＤに接続（接地）されている。スイッチング素子３１は、制御回路６０からの信号に基づいて、ＧＮＤ側端子１４とＧＮＤとを断続する。電流検出抵抗４７は、スイッチング素子３１に流れる１次コイル電流を検出する。電流検出抵抗４７の出力は制御回路６０へ入力される。

１次コイル１１の中間タップ１６は、ダイオード４２を介してスイッチング素子３２に接続されている。ダイオード４２のアノードがスイッチング素子３２に接続されており、カソードが中間タップ１６に接続されている。スイッチング素子３２（第２スイッチ部に相当）は、ＭＯＳ型トランジスタ等の半導体スイッチング素子である。スイッチング素子３２の入力側の端子は、昇圧回路５０を介してバッテリ８２に接続されている。スイッチング素子３２は、制御回路６０からの信号に基づいて、昇圧回路５０と中間タップ１６とを断続する。スイッチング素子３２及びダイオード４２と、中間タップ１６との間には、還流ダイオード４１のカソードが接続されている。還流ダイオード４１のアノードはＧＮＤに接続されている。

昇圧回路５０（第２供給部に相当）は、チョークコイル５１、スイッチング素子５２、コンデンサ５３、及びダイオード５４を備えている。チョークコイル５１はバッテリ８２に接続されている。スイッチング素子５２は、ＭＯＳ型トランジスタ等の半導体スイッチング素子であり、バッテリ８２からチョークコイル５１への電流を流通及び遮断する。スイッチング素子５２の断続状態は、制御回路６０により制御される。スイッチング素子５２の断続状態が制御されることにより、コンデンサ５３はチョークコイル５１に蓄えられた電気エネルギを充電する。ダイオード５４は、コンデンサ５３に蓄えられた電気エネルギがチョークコイル５１側へ逆流すること防止する。そして、スイッチング素子３２が接続状態に制御されることで、昇圧回路５０は昇圧された電圧（例えば数十Ｖ〜数百Ｖ、第２電圧に相当）を中間タップ１６へ供給する。

制御回路６０（制御部に相当）は、入出力インターフェース、駆動回路等を備えている。制御回路６０は、ＥＣＵ７０からの信号及び電流検出抵抗４７，４８の出力等に基づいて、スイッチング素子３１〜３３，５２の断続状態を制御する。これにより、制御回路６０は、「誘導放電主点火」、「エネルギ投入点火」、及び「急速通電多回点火」の３方式の点火を選択し実行する。

図２は、誘導放電主点火の態様を示す回路図である。同図に示すように、スイッチング素子３２により昇圧回路５０と中間タップ１６とを切断し、スイッチング素子３１によりＧＮＤ側端子１４とＧＮＤとを接続することで、１次コイル１１の電源側端子１２からＧＮＤ側端子１４へ１次電流Ｉ１１が流れる。このとき、スイッチング素子３３は切断状態（オフ状態）であるが、ダイオード４３によりバッテリ８２と電源側端子１２とが接続されている。なお、１次コイル１１の通電開始時に流れようとする２次電流Ｉ２１は、ダイオード４４により阻止される。その後、スイッチング素子３１によりＧＮＤ側端子１４とＧＮＤとを切断することで、２次コイル２１に高電圧が発生し、点火プラグ８０において誘導放電主点火が実行される。なお、誘導放電主点火においては、スイッチング素子３３は導通状態でもよい。

図３は、誘導放電主点火の態様を示すタイムチャートである。同図に示すように、制御回路６０は、ＥＣＵ７０からの主点火信号ＩＧＴがHigh（Ｈ）である期間に亘って、スイッチング素子３１をオン状態（接続状態）に制御する。これにより、１次コイル１１の全巻線（第１巻線部１１ａ＋第２巻線部１１ｂ）に、バッテリ８２の電圧（バッテリ電圧）が供給される。そして、１次電流Ｉ１１が増加し、主点火信号ＩＧＴがLow（Ｌ）になった時点で、制御回路６０はスイッチング素子３１をオフ状態（切断状態）に制御する。これにより、１次コイル１１および２次コイル２１に高電圧が発生し、点火プラグ８０に火花放電が生じて、２次コイル２１に２次電流が流れる。その後、２次電流が減衰していき、放電が維持できる最小の電流である放電維持電流よりも減少すると、点火プラグ８０での放電が終了する。

図４は、エネルギ投入点火の態様を示す回路図である。同図に示すように、上記誘導放電主点火の開始後、スイッチング素子３１を切断状態にし、スイッチング素子３３を接続状態にし、スイッチング素子３２を接続状態にすることで、１次コイル１１の中間タップ１６から電源側端子１２（第１巻線部１１ａ）へ１次電流Ｉ１２が流れる（エネルギ投入）。これにより、２次コイル２１に誘導放電と同じ方向の高電圧が発生し、２次電流Ｉ２２に電流が重畳される。その後、スイッチング素子３２を切断状態（オフ状態）と接続状態（オン状態）とに交互に制御することで、２次電流Ｉ２２を所定の値に制御することで、点火プラグ８０においてエネルギ投入点火が実行される。

ここで、点火装置１０は還流ダイオード４１を備えている。このため、エネルギ投入点火において、スイッチング素子３２を切断状態にした際に、ＧＮＤ→還流ダイオード４１→中間タップ１６→電源側端子１２→スイッチング素子３３→バッテリ８２→ＧＮＤの還流経路により、還流電流が流れる。したがって、１次電流Ｉ１２の急激な減少が抑制され、２次電流Ｉ２２の急激な減少が抑制される。これにより所定の２次電流に制御することが容易となる。

図５は、エネルギ投入点火の態様を示すタイムチャートである。同図に示すように、制御回路６０は、図３と同様の制御により誘導放電主点火を開始した後、時刻ｔ１において、スイッチング素子３３をオン状態に制御する。なお、制御回路６０は、ＥＣＵ７０からの主点火信号ＩＧＴがＨである期間に、バッテリ電圧を昇圧させて昇圧回路５０のコンデンサ５３に充電させる。

その後、制御回路６０は、ＥＣＵ７０からのエネルギ投入信号ＩＧＷがＨである期間に亘って、スイッチング素子３２をオン状態とオフ状態とに交互に制御する。このとき、昇圧回路５０はバッテリ電圧よりも昇圧された電圧を供給し、且つ１次電流Ｉ１２の流れる第１巻線部１１ａの巻線数は１次コイル１１の巻線数よりも少なくなる（図４参照）。このため、点火プラグ８０における放電を維持するために必要な電圧である放電維持電圧Ｖｍよりも高い電圧で電流を流し込むことができ、誘導放電主点火時と同一方向の２次電流Ｉ２２が２次コイル２１に追加して流れる。詳しくは、第１巻線部１１ａの巻線数Ｔ１と２次コイル２１の巻線数Ｔ２とは、以下のように設定されている。巻数比Ｔｒ＝Ｔ２／Ｔ１、バッテリ電圧Ｖｂ、昇圧回路５０の出力電圧Ｖｈ、放電維持電圧Ｖｍとして、Ｔｒ＞Ｖｍ／（Ｖｈ−Ｖｂ）となっている。放電維持電圧Ｖｍは、点火プラグ８０における放電を維持するために必要な電圧である。これにより、点火プラグ８０における放電を維持しつつ、１次電流Ｉ１２を流すことでエネルギ投入点火ができる。

制御回路６０は、電流検出抵抗４８により検出される２次電流Ｉ２２が、下限値Ｉｔｈ１と上限値Ｉｔｈ２との間に維持されるように、スイッチング素子３２のオンオフ状態をフィードバック制御する。下限値Ｉｔｈ１及び上限値Ｉｔｈ２は、一定値であってもよいし、エンジンの運転状態に応じて可変設定してもよい。その後、エネルギ投入信号ＩＧＷがＬになった時点で、制御回路６０はスイッチング素子３２をオフ状態に制御する。そして、制御回路６０は、スイッチング素子３３をオフ状態に制御する。なお、制御回路６０は、２次電流Ｉ２２が下限値Ｉｔｈ１と上限値Ｉｔｈ２との間に維持されるように、スイッチング素子３２のオンオフ状態をフィードフォワード制御することもできる。

図６は、急速通電多回点火の態様を示す回路図である。同図に示すように、上記誘導放電主点火の開始後、スイッチング素子３３を切断状態にし、スイッチング素子３２を接続状態にし、スイッチング素子３１を接続状態にすることで、１次コイル１１の中間タップ１６からＧＮＤ側端子１４（第２巻線部１１ｂ）へ１次電流Ｉ１３が流れる（急速通電）。なお、１次コイル１１の通電開始時に流れようとする２次電流Ｉ２３は、ダイオード４４により阻止される。その後、スイッチング素子３１を切断状態に制御することで、２次コイル２１に高電圧が発生し、点火プラグ８０において急速通電による誘導放電点火が実行される。そして、スイッチング素子３１を接続状態と切断状態とに交互に制御することで、第２巻線部１１ｂへの急速通電と誘導放電とが繰り返され、点火プラグ８０において急速通電多回点火が実行される。

図７は、急速通電多回点火の態様を示すタイムチャートである。同図に示すように、制御回路６０は、図３と同様の制御により誘導放電主点火を開始した後、時刻ｔ２において、スイッチング素子３２をオン状態に制御する。なお、制御回路６０は、ＥＣＵ７０からの主点火信号ＩＧＴがＨである期間に、バッテリ電圧を昇圧させて昇圧回路５０のコンデンサ５３に充電させる。

その後、制御回路６０は、多回点火信号がＨである期間に亘って、スイッチング素子３１をオン状態に制御する。このとき、昇圧回路５０はバッテリ電圧よりも昇圧された電圧を供給し、且つ１次電流Ｉ１３の流れる第２巻線部１１ｂの巻線数は１次コイル１１の巻線数よりも少なくなる（図６参照）。このため、誘導放電主点火と比較して１次電流Ｉ１３の増加速度が速くなり、誘導放電主点火時と同一方向の１次電流Ｉ１３が第２巻線部１１ｂに急速に流れる。そして、１次電流Ｉ１３が増加し、多回点火信号がＬになった時点で、制御回路６０はスイッチング素子３１をオフ状態に制御する。これにより、２次コイル２１に２次電流が流れて、点火プラグ８０に火花放電が生じる。以後、多回点火信号のＨとＬとに基づいて、スイッチング素子３１がオン状態とオフ状態とに交互に制御される。スイッチング素子３１が所定回数オン状態とオフ状態とに制御されると、制御回路６０はスイッチング素子３２をオフ状態に制御する。この所定回数は、一定値であってもよいし、エンジンの運転状態に応じて可変設定してもよい。なお、多回点火信号は、制御回路６０が指示してもよいし、ＥＣＵ７０から制御回路６０へ指示してもよい。

図８は、エンジン運転状態と点火方式との関係を示す模式図である。同図に示すように、ＥＣＵ７０は、エンジン回転速度とエンジン負荷とに応じて、制御回路６０により誘導放電主点火とエネルギ投入点火と急速通電多回点火とを実行させる。誘導放電主点火は、最も消費エネルギ−が少なくかつ火花エネルギ−も少ないため、例えば、ストイキ領域で運転する場合に好適である。誘導放電主点火に重畳させて実施するエネルギ投入点火は、継続して同じ極性の二次電流を流し続けるために最も多くの投入エネルギが必要である。しかし、エネルギ投入点火は、過給やＥＧＲの投入でエンジン内の気流速度が速く、火花が気流によって流されて伸ばされたり、吹き消されたりする場合に選択されると好適である。また、急速通電多回点火は、間欠的に二次電流を流すため、エネルギ投入点火よりも少ない投入エネルギで実現可能である。しかし、急速通電多回点火は、放電が間欠的になるため、エネルギ投入点火時と比較してシリンダ内の気流速度が遅く、点火による火種が点火プラグ８０近傍から遠ざからない場合に選択されるのが好適である。すなわち、ＥＣＵ７０は、点火プラグ８０により点火が行われる環境に応じて、３方式の点火から選択した方式の点火を制御回路６０により実行させる。詳しくは、エンジンによりストイキ運転が行われる高回転速度領域及び高負荷領域において、誘導放電主点火を実行する。エンジンにより希薄燃焼運転が行われる中回転速度領域及び中負荷領域において、エネルギ投入点火を実行する。エンジンにより希薄燃焼運転が行われる低回転速度且つ低負荷領域において、急速通電多回点火を実行する。

図９は、点火方式の選択手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、ＥＣＵ７０により実行される。まず、エンジンの運転状態がストイキ運転であるか否か判定する（Ｓ１１）。エンジンの運転状態がストイキ運転であると判定した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、誘導放電主点火を選択する（Ｓ１２）。一方、エンジンの運転状態がストイキ運転でないと判定した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、エンジン回転速度が低回転速度であるか否か判定する（Ｓ１３）。エンジン回転速度が低回転速度でないと判定した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、エネルギ投入点火を選択する（Ｓ１４）。一方、エンジン回転速度が低回転速度であると判定した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、エンジン負荷が低負荷であるか否か判定する（Ｓ１５）。エンジン負荷が低負荷でないと判定した場合（Ｓ１５：ＮＯ）、エネルギ投入点火を選択する（Ｓ１４）。一方、エンジン負荷が低負荷であると判定した場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、急速通電多回点火を選択する（Ｓ１６）。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・スイッチング素子３２により昇圧回路５０と中間タップ１６とを切断し、ダイオード４３によりバッテリ８２と電源側端子１２とを接続し、スイッチング素子３１によりＧＮＤ側端子１４とＧＮＤとを接続することで、１次コイル１１の電源側端子１２からＧＮＤ側端子１４へ１次電流Ｉ１１を流すことができる。その後、スイッチング素子３１によりＧＮＤ側端子１４とＧＮＤとを切断することで、２次コイル２１に高電圧が発生し、点火プラグ８０において「誘導放電主点火」を実行させることができる。

・誘導放電主点火の開始後、スイッチング素子３１を切断状態にし、スイッチング素子３３を接続状態にし、スイッチング素子３２により昇圧回路５０と中間タップ１６とを接続することで、１次コイル１１の中間タップ１６から電源側端子１２へ１次電流Ｉ１２を流すことができる（エネルギ投入）。このとき、昇圧回路５０はバッテリ電圧よりも高い電圧を供給し、且つ１次コイル１１の中間タップ１６から電源側端子１２までの巻線数は、ＧＮＤ側端子１４から電源側端子１２までの巻線数よりも少なくなる。このため、点火プラグ８０における放電を維持するために必要な電圧である放電維持電圧Ｖｍよりも高い電圧で電流を流し込むことができ、誘導放電主点火時と同一方向の２次電流Ｉ２２を２次コイル２１に追加して流すことができる。その後、スイッチング素子３２を切断状態と接続状態とに交互に制御することで、２次電流Ｉ２２を継続して流すことができ、点火プラグ８０において「エネルギ投入点火」を実行させることができる。

・誘導放電主点火の開始後、スイッチング素子３３を切断状態にし、スイッチング素子３２を接続状態にし、スイッチング素子３１によりＧＮＤ側端子１４とＧＮＤとを接続することで、１次コイル１１の中間タップ１６からＧＮＤ側端子１４へ１次電流Ｉ１３を流すことができる（急速通電）。このとき、昇圧回路５０はバッテリ電圧よりも高い電圧を供給し、且つ１次コイル１１の中間タップ１６からＧＮＤ側端子１４までの巻線数は、電源側端子１２からＧＮＤ側端子１４までの巻線数よりも少なくなる。このため、誘導放電主点火と比較して１次電流Ｉ１３の増加速度が高くなり、誘導放電主点火時と同一方向の１次電流Ｉ１３を１次コイル１１に急速に流すことができる。その後、スイッチング素子３１によりＧＮＤ側端子１４とＧＮＤとを切断することで、２次コイル２１に高電圧が発生し、点火プラグ８０において急速通電による誘導放電点火を実行させることができる。そして、スイッチング素子３１を接続状態と切断状態とに交互に制御することで、１次コイル１１の第２巻線部１１ｂへの急速通電と誘導放電とを繰り返すことができ、点火プラグ８０において「急速通電多回点火」を実行させることができる。

・急速通電多回点火において、第２巻線部１１ｂのみに１次電流Ｉ１３を流すため、１次コイル１１全体に１次電流を流す場合と比較して、第２巻線部１１ｂのインピーダンスを低くすることができる。このため、第２巻線部１１ｂへの充電に必要な時間を短くすることができ、短い時間間隔で間欠的に点火を実行することができる。したがって、エンジンの燃焼室内に流れる気体の流速が、エネルギ投入点火時と比較して遅い場合には、点火と点火に間隔が生じても点火で暖められた火種が流されていかず、点火による火種がプラグ近傍に留まりやすい。このため、繰り返す火花放電により火種が重合されて燃焼にいたらせることが容易となり、生じた火種や火炎が吹き消えるまでに次の火花放電を生じさせて燃焼を継続させることができる。

・バッテリ８２からダイオード４３を介して電源側端子１２に電流を流すことができる。このため、誘導放電主点火の実行に際して、スイッチング素子３３を制御する必要がない。すなわち、スイッチング素子３２を切断状態にし、スイッチング素子３１を接続状態にすることで、１次コイル１１の電源側端子１２からＧＮＤ側端子１４へ１次電流Ｉ１１を流すことができる。また、エネルギ投入点火の実行に際しては、スイッチング素子３１を切断状態にし、スイッチング素子３３を接続状態にし、スイッチング素子３２を接続状態にすることで、１次コイル１１の中間タップ１６から電源側端子１２へ１次電流Ｉ１２を流すことができる。また、急速通電多回点火の実行に際しては、スイッチング素子３３を切断状態にし、スイッチング素子３２を接続状態にし、スイッチング素子３１を接続状態にすることで、１次コイル１１の中間タップ１６からＧＮＤ側端子１４へ１次電流Ｉ１３を流すことができる。

・点火装置１０は、ＧＮＤにアノードが接続され、且つスイッチング素子３２と中間タップ１６との間にカソードが接続された還流ダイオード４１を備えている。このため、エネルギ投入点火において、スイッチング素子３２を切断状態にした際に、ＧＮＤ→還流ダイオード４１→中間タップ１６→電源側端子１２→スイッチング素子３３→バッテリ８２→ＧＮＤの還流経路により、還流電流を流すことができる。したがって、１次電流Ｉ１２の急激な減少を抑制して、２次電流Ｉ２２を継続して流し易くなり、ひいては火花放電を維持し易くなる。

・制御回路６０によって、点火プラグ８０により点火が行われる環境に応じて、３方式の点火から選択された方式の点火が実行される。このため、点火プラグ８０により点火が行われる環境に適した方式の点火を最適な消費電力で実行することができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・図１０に示すように、点火装置１０は、図１のスイッチング素子３３及びダイオード４３に代えて、スイッチ１３３を備えていてもよい。スイッチ１３３（所定スイッチに相当）は、双方向に電流を流すことが可能であり、且つ双方向の電流を遮断可能なスイッチング素子である。スイッチ１３３の断続状態は、制御回路６０により制御される。

上記構成によれば、誘導放電主点火に際しては、スイッチング素子３２を切断状態にし、スイッチ１３３を接続状態にし、スイッチング素子３１を接続状態にすることで、１次コイル１１の電源側端子１２からＧＮＤ側端子１４へ１次電流を流すことができる。また、エネルギ投入点火の実行に際しては、スイッチング素子３１を切断状態にし、スイッチ１３３を接続状態にし、スイッチング素子３２を接続状態にすることで、１次コイル１１の中間タップ１６から電源側端子１２へ１次電流を流すことができる。また、急速通電多回点火の実行に際しては、スイッチ１３３を切断状態にし、スイッチング素子３２を接続状態にし、スイッチング素子３１を接続状態にすることで、１次コイル１１の中間タップ１６からＧＮＤ側端子１４へ１次電流を流すことができる。したがって、各方式の点火を最適な消費電力で実行することができる。

なお、スイッチ１３３として、３ステートアナログスイッチング素子を用いることもできる。すなわち、スイッチ１３３は、バッテリ８２から電源側端子１２へ電流を流すことができ、且つ電源側端子１２からバッテリ８２への電流を流す状態と遮断する状態とを切り替えることができればよい。

・図１１は、図７の一点鎖線枠Ｓｒ内の変更例を示すタイムチャートである。制御回路６０は、点火プラグ８０に火花放電を生じさせた後、スイッチング素子３３を切断状態にし、スイッチング素子３１を接続状態にした期間（状態）で、スイッチング素子３２により昇圧回路５０と中間タップ１６とを接続及び切断させることを繰り返すことで、中間タップ１６からＧＮＤ側端子１４へ流れる１次電流Ｉ１３を制御する。詳しくは、制御回路６０は、電流検出抵抗４７により検出される１次電流Ｉ１３が、下限値Ｉｔｈ３と上限値Ｉｔｈ４との間に維持されるように（制限値を超えないように）、スイッチング素子３２のオンオフ状態をフィードバック制御する。

上記構成によれば、１次電流Ｉ１３が過大になることを抑制しつつ、１次コイル１１の第２巻線部１１ｂに電気エネルギを貯めることができる。さらに、スイッチング素子３１のゲート電圧の高さを制御しオン電圧、スイッチング活性度を調整することで１次電流Ｉ１３を制御する場合と比較して、スイッチング素子３１の発熱を抑制することができる。このため、スイッチング素子３１の過度に上昇することを抑制することができ、スイッチング素子３１の冷却構造を簡素化することができる。また、スイッチング素子３２を切断状態にした際に、ＧＮＤ→還流ダイオード４１→中間タップ１６→ＧＮＤ側端子１４→スイッチング素子３１→ＧＮＤの還流経路により、還流電流を流すことができる（図６参照）。したがって、１次電流Ｉ１３の急激な減少を抑制することができ、１次電流Ｉ１３を制御し易くなる。

・図１２に示すように、図１のチョークコイル５１に代えて、１次コイル１１の一部（第３巻線部１１ｃ）を、昇圧回路５０のチョークコイルとして用いることもできる。この場合、電源側端子１２は、１次コイル１１の第２の中間タップとなっている。すなわち、電源側端子１２は、１次コイル１１の端部に限らず、中間タップ１６よりもバッテリ８２側に設けられていればよい。

・図１３に示すように、図１の昇圧回路５０に代えて、バッテリ８３がスイッチング素子３２に接続されていてもよい。バッテリ８３（第２供給部に相当）は、バッテリ８２の電圧よりも高い電圧（第２電圧に相当）を供給する。例えば、車両が４８Ｖの電圧を供給するバッテリ８３を備えている場合に、バッテリ８３を昇圧回路５０の代わりに利用することができる。こうした構成によっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができるとともに、昇圧回路５０を省略することで点火装置１０を小型化及び低コスト化することができる。

・図１４に示すように、点火装置１０は、昇圧回路５０、スイッチング素子３２、及びダイオード４２に加えて、昇圧回路５０Ａ、スイッチング素子３２Ａ（第２スイッチ部に相当）、及びダイオード４２Ａを備えていてもよい。昇圧回路５０Ａ（第２供給部に相当）は、昇圧回路５０よりも高い電圧（例えば２００Ｖ、第２電圧に相当）を出力する。そして、制御回路６０は、スイッチング素子３２，３２Ａから選択したスイッチング素子により、対応する昇圧回路と中間タップ１６とを断続させる。なお、昇圧回路５０，５０Ａは、コンデンサ５３の電圧を、点火方式に応じて予め充電するようにして一つにしても良い。また、この場合コンデンサ５３の電圧を検出してフィードバッック制御するようにしても良い。

上記構成によれば、中間タップ１６に供給される電圧の高さを変えることができ、各方式の点火をより適切に省電力で実行することができる。例えば、エネルギ投入点火において、スイッチング素子３２Ａにより昇圧回路５０Ａと中間タップ１６とを断続させることで、第１巻線部１１ａに流れる１次電流、ひいては２次コイル２１に流れる２次電流を大きくすることができる。したがって、エンジン回転速度が高くなり、火花放電により生じた火炎が吹き消え易い点火環境であっても、燃料の燃焼を継続させることができる。一方、急速通電多回点火では、中間タップ１６に供給される電圧が高過ぎると、第２巻線部１１ｂの通電開始時に発生する逆極性の電圧が、ダイオード４４の耐圧を超えるおそれがある。そこで、急速通電多回点火において、スイッチング素子３２により昇圧回路５０と中間タップ１６とを断続させることで、点火プラグ８０に逆極性の放電が生じることを抑制することができる。

・ＥＣＵ７０は、３方式の点火から選択した任意の２方式の点火を、制御回路６０により実行させてもよい。

・ＥＣＵ７０（制御部に相当）が、制御回路６０の機能も含めて実行してもよい。

・点火装置１０を、旋回流コントロール部を備えていないエンジンに適用することもできる。また、点火装置１０を、ガソリンとの混合燃料や、ガソリン以外の燃料を用いる火花点火式のエンジンに適用することもできる。

１０…点火装置、１１…１次コイル、１２…電源側端子、１４…ＧＮＤ側端子、１６…中間タップ、２１…２次コイル、３１…スイッチング素子、３２…スイッチング素子、３２Ａ…スイッチング素子、３３…スイッチング素子、４３…ダイオード、５０…昇圧回路、５０Ａ…昇圧回路、６０…制御回路、７０…エンジンＥＣＵ、８０…点火プラグ、８２…バッテリ、８３…バッテリ、１３３…スイッチ。

Claims (11)

1. 第１電圧を供給する第１供給部（８２）、及び前記第１電圧よりも高い第２電圧を供給する第２供給部（５０、５０Ａ、８３）から供給される電圧に基づいて、点火プラグ（８０）に火花放電を生じさせる点火装置（１０）であって、
   中間タップ（１６）、前記中間タップよりもＧＮＤ側の第１端子（１４）、及び前記中間タップよりも前記第１供給部側の第２端子（１２）を有する１次コイル（１１）と、
   前記１次コイルに電磁的に結合され、前記点火プラグに接続された２次コイル（２１）と、
   前記第１端子とＧＮＤとを断続する第１スイッチ部（３１）と、
   前記第２供給部と前記中間タップとを断続する第２スイッチ部（３２、３２Ａ）と、
   前記第２端子から前記第１供給部への電流を断続する第３スイッチ部（３３，４３、１３３）と、
   前記第１スイッチ部、前記第２スイッチ部、及び前記第３スイッチ部の断続状態を制御する制御部（６０、７０）と、
   を備える点火装置。
2. 前記第３スイッチ部は、前記第１供給部にアノードが接続され且つ前記第２端子にカソードが接続されたダイオード（４３）と、前記ダイオードに並列接続されたスイッチング素子（３３）とを含む請求項１に記載の点火装置。
3. 前記第３スイッチ部は、前記第１供給部から前記第２端子へ電流を流すことができ、且つ前記第２端子から前記第１供給部への電流を流す状態と遮断する状態とを切り替えることができる所定スイッチ（１３３）である請求項１に記載の点火装置。
4. 前記制御部は、前記第２スイッチ部により前記第２供給部と前記中間タップとを切断させ、前記第３スイッチ部により前記第１供給部と前記第２端子とを接続させ、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを接続させた後、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを切断させることで、前記点火プラグに火花放電を生じさせる請求項１〜３のいずれか１項に記載の点火装置。
5. 前記制御部は、前記点火プラグに火花放電を生じさせた後、前記第３スイッチ部により前記第２端子から前記第１供給部への電流を切断させ、前記第２スイッチ部により前記第２供給部と前記中間タップとを接続させた状態で、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを接続及び切断させることを繰り返すことで、前記点火プラグに火花放電を繰り返し生じさせる請求項４に記載の点火装置。
6. 前記制御部は、前記点火プラグに火花放電を生じさせた後、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを切断させ、前記第３スイッチ部により前記第１供給部と前記第２端子とを接続させた状態で、前記第２スイッチ部により前記第２供給部と前記中間タップとを接続及び切断させることを繰り返すことで、前記点火プラグに生じた前記火花放電を維持させる請求項４又は５に記載の点火装置。
7. 前記制御部は、前記点火プラグに火花放電を生じさせた後、前記第３スイッチ部により前記第２端子から前記第１供給部への電流を切断させ、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを接続させた状態で、前記第２スイッチ部により前記第２供給部と前記中間タップとを接続及び切断させることを繰り返すことで、前記中間タップから前記第１端子へ流れる１次電流を制御しつつ、前記第１スイッチ部により前記第１端子とＧＮＤとを接続及び切断させることを繰り返すことで、前記点火プラグに火花放電を繰り返し生じさせる請求項４又は６に記載の点火装置。
8. ＧＮＤにアノードが接続され、且つ前記第２スイッチ部と前記中間タップとの間にカソードが接続された還流ダイオード（４１）を備える請求項６又は７に記載の点火装置。
9. 前記第２電圧の異なる複数の前記第２供給部（５０、５０Ａ）と、
   前記複数の第２供給部と前記中間タップとをそれぞれ断続する複数の第２スイッチ部（３２、３２Ａ）と、を備え、
   前記制御部は、前記複数の第２スイッチ部から選択した前記第２スイッチ部により、前記第２供給部と前記中間タップとを断続させる請求項１〜８のいずれか１項に記載の点火装置。
10. 前記制御部は、前記点火プラグにより点火が行われる環境に応じて、３方式の点火から選択した方式の点火を実行する請求項１〜９のいずれか１項に記載の点火装置。
11. 前記制御部は、前記３方式の点火において前記第２供給部から供給される前記第２電圧を異ならせる請求項１０に記載の点火装置。

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