JP2019085877A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源のみによる点火動作が継続し、コンデンサの放電電流による回生電力が蓄積しても、交流電源内部の電位上昇を防止できる内燃機関用点火装置を提供する。【解決手段】点火プラグと、放電用電源と、高周波交流電源と、を有する内燃機関用点火装置において、前記高周波交流電源は、直流電圧源と、入力コンデンサと、前記入力コンデンサの印加電圧を検出する電圧検出手段と、前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端に一次側巻線を接続したトランスと、前記インバータから出力された交流電圧を共振させる共振回路と、前記高周波交流電源から前記点火プラグへ供給される電流を検出する電流検出手段と、前記インバータを構成する前記スイッチング素子を制御する制御部と、を設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波プラズマ放電を利用する内燃機関用点火装置に関するものである。

自動車エンジン等の内燃機関の燃費を向上させる手法として希薄燃料ガスや排気ガスの一部を吸気側へ導き再度吸気させる排気再循環システム（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）、および燃焼室の高圧縮比化などが用いられる。しかしながら、いずれの手法も着実な点火が課題であり、着火性を高める必要があった。一般的な内燃機関用点火装置としては、点火コイルとイグナイタで構成された直流電源によって高電圧を発生させ、点火プラグの電極間に絶縁破壊放電を発生させるものが用いられる。

これに対し、着火性を高める内燃機関点火装置の一つとしてプラズマ点火装置が提案されている。このプラズマ点火装置は、スパークプラグ、直流電源、交流電源、混合部、および点火制御部を備える。そしてスパークプラグにおける中心電極と接地電極との電極間に交流プラズマを発生させることで点火し、その後スパークプラグに供給される交流電力を低減させ、スパークプラグの寿命を向上させるものであった。
（例えば、特許文献１参照）

また、交流電源の回路構成例の一つとして高周波プラズマ点火装置が提案されている。これは、バッテリ、フルブリッジインバータ、トランス、共振回路、点火プラグ、高電圧回路により構成され、インバータ回路のアームを共通化することで、点火プラグ個数の２倍より少ないアーム数とする構成であった。（例えば、特許文献２参照）

特開２０１２―１１２３１０公報（第３〜第１３頁、図１〜２） 特開２０１５−８６７０２号公報（第２〜第１０頁、図１）

しかしながら、特許文献１に提案されているプラズマ点火装置にあっては、直流電源から出力される高電圧の伝送路と、交流電源から出力される高周波交流電圧の伝送路が、一つの伝送路にまとめて点火プラグに接続されている。交流電源は、点火タイミングにおいて直流電源が出力する高電圧から、混合部のコンデンサによって分離されている。このように構成されたプラズマ点火装置において、燃焼室内の絶縁破壊は点火プラグの電極間の電圧が放電開始電圧に達することによって生じており、混合部のコンデンサにも点火プラグの電極間電圧と同電圧が印加される。このコンデンサに充電された電荷は、絶縁破壊が発生すると同時に、放電電流として交流電源に流入するという課題があった。

これに対し、特許文献２に提案されている高周波プラズマ点火装置にあっては、放電電流はインバータのスイッチング素子のダイオードによって整流され、バッテリに回生される。しかしながら、内燃機関の運転条件によっては、燃料ガスに着火しやすい条件も存在し、このときの点火装置による消費電力を抑制するため、交流電源は停止し、直流電源のみによる点火動作が実施される。この直流電源のみによる点火動作が継続する場合、点火毎に放電電流が交流電源に流入し、回生電力として蓄積される。回生電力は蓄積されるが交流電源が動作しないことから回生電力を消費できず、交流電源内部の電位が上昇する。そのため、高耐圧な回路素子で交流電源を構成する必要があり、交流電源の小型化に限界があった。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、直流電源のみによる点火動作が継続し、コンデンサの放電電流による回生電力が蓄積しても、交流電源内部の印加電圧の上昇を防止できる内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる内燃機関用点火装置は、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、前記点火プラグの電極間に直流高電圧を印加して前記電極間に火花放電を発生させる放電用電源と、前記火花放電の放電経路に高周波電圧を印加して前記電極間に高周波プラズマを発生させる高周波交流電源と、を有する内燃機関用点火装置において、
前記高周波交流電源は、直流電圧源と、入力コンデンサと、前記入力コンデンサの印加電圧を検出する電圧検出手段と、複数のスイッチング素子を有し、前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端に一次側巻線を接続したトランスと、前記トランスの二次側巻線に接続され、少なくとも１つ以上のコンデンサおよびリアクトルを有し、前記インバータから出力された交流電圧を共振させる共振回路と、前記高周波交流電源から前記点火プラグへ供給される電流を検出する電流検出手段と、前記インバータを構成する前記スイッチング素子のオンおよびオフ動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記入力コンデンサの検出電圧が予め設定された閾値電圧よりも高電圧であるとき、エネルギー消費動作として前記入力コンデンサに蓄積されたエネルギーを消費するよう、前記インバータを動作させることを特徴とするものである。

本発明にかかる内燃機関用点火装置によれば、放電用電源のみによる点火動作が継続し、共振コンデンサの放電電流による回生電力が高周波交流電源に蓄積しても、高周波交流電源内部の印加電圧の上昇を防止することができる。

本発明の実施の形態１にかかる内燃機関用点火装置の回路構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる内燃機関用点火装置の点火タイミングを示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる内燃機関用点火装置の高周波交流電源のインバータ動作を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる内燃機関用点火装置の共振負荷の特性を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる内燃機関用点火装置のエネルギー消費動作のタイミングチャートを示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる内燃機関用点火装置の回路構成例を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる内燃機関用点火装置の再点火動作を示す図である。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関用点火装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関用点火装置の回路構成例を示す図である。

内燃機関用点火装置１は、点火プラグ１０と、放電用電源１１と、高周波交流電源２と、を有する。

放電用電源１１は点火プラグ１０の電極間を絶縁破壊するために、直流高電圧を印加するものである。前記点火プラグの電極間に直流高電圧を印加することにより電極間に火花放電を発生させることができる。点火プラグ１０は、内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を点火させる。

高周波交流電源２は、点火プラグ１０に高周波電圧を印加するものである。火花放電の放電経路に高周波電圧を印加することにより電極間に高周波プラズマを発生させることができる。高周波交流電源２は、直流電圧源３、入力コンデンサ４、電圧検出手段８、インバータ５、トランス６、共振回路７、高周波交流電源２から点火プラグ１０に出力される電流を検出する電流検出手段９、および制御部１２から構成される。直流電圧源３は、例えば車両に搭載されたバッテリなどから構成される。電圧検出手段８は、入力コンデンサ４の印加電圧を検出する。

入力コンデンサ４は回路構成上、直流電圧源３とインバータ５の間に設けられ、直流電圧源３からのリップル電圧を抑制する。

インバータ５は、複数のスイッチング素子５１、５２、５３、５４を有し、直流電圧源３から出力される直流電圧を交流電圧に変換する。本実施の形態においては入力コンデンサ４を介して直流電圧が交流電圧に変換される。

インバータ５は、スイッチング素子５１と５２との直列回路からなる第１レグとスイッチング素子５３と５４との直列回路からなる第２レグとから構成される。インバータ５のスイッチング素子５１、５３のドレイン端は、直流電圧源３および入力コンデンサ４のプラス端に接続されている。また、インバータ５のスイッチング素子５２、５４のソース端は、直流電圧源３および入力コンデンサ４のマイナス端に接続されている。また、各スイッチング素子５１から５４は、逆並列ダイオード（ボディダイオード）を有している。

なお、本実施の形態では、インバータ５の回路構成はフルブリッジ回路を例に説明するが、例えばハーフブリッジ回路など他の構成を用いてもよい。また、各スイッチング素子はダイオードを内蔵したＭＯＳ（Mｅｔａｌ Oｘｉｄｅ Sｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構成としたが、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）の他の半導体素子であってもよい。

トランス６は、インバータ５から出力される交流電圧を昇圧する。トランス６は一次側巻線６１と二次側巻線６２とを有する。一次側巻線６１はインバータ５の出力端に接続され、二次側巻線６２は共振回路７と接続される。

トランス６の一次側巻線６１と二次側巻線６２との巻数比は１：ｎである。トランス６の二次側巻線６２側の電圧を高電圧に昇圧するため、ｎは１より大きい実数とする。これにより、トランス６の二次側巻線６２間に発生する電圧は、トランス６の一次側巻線６１間に発生する電圧のｎ倍に変換される。したがってトランス６の二次側巻線６２に流れる電流は、トランス６の一次側巻線６１に流れる電流の１／ｎ倍に変換される。

共振回路７は、トランス６の二次側巻線６２に接続され、共振コンデンサ７２と共振リアクトル７１とを一つずつ有する。共振回路７は、インバータ５から出力された交流電圧を正弦波に整形する。共振回路７の一例として、本実施の形態では直列ＬＣ回路を用いており、具体的にはトランス６の二次側巻線６２と共振リアクトル７１と共振コンデンサ７２とが順に直列に接続されている。なお、他の共振回路を適用しても同様の点火動作を行うことが可能であることは言うまでもない。また、本実施の形態においては、共振コンデンサ７２と共振リアクトル７１をそれぞれ一つずつ有する構成としているが、少なくとも一つずつ有する構成であればよく、複数設けても良い。

制御部１２は、インバータ５における各スイッチング素子５１，５２，５３，５４のオンおよびオフ動作を制御する。この制御は、入力コンデンサ４の印加電圧が予め設定された閾値電圧よりも高電圧であるとき、エネルギー消費動作として入力コンデンサ４に蓄積されたエネルギーを消費するよう、インバータ５のスイッチング素子５１，５２，５３，５４を動作させるようにする。

次に、本実施の形態における内燃機関用点火装置１の基本的な動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１における高周波プラズマ点火のタイミングチャートを示す図である。

図２では、点火タイミング信号、インバータ駆動信号、点火プラグ電圧、点火プラグ電流、入力コンデンサ印加電圧のぞれぞれの状態を示している。図中のＴ１からＴ３はそれぞれある時刻を示している。

図２の時刻Ｔ１において、内燃機関用点火装置１は、図示していないエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと称する）から出力される点火タイミング信号の立下りに応じて、放電用電源１１から点火プラグ１０にマイナス電圧の印加を開始する。

図２の時刻Ｔ２は、点火プラグ１０への印加電圧がある電圧に到達する時刻である。この時刻Ｔ２では、点火プラグ１０の電極間が絶縁破壊され、火花放電が生ずる。点火プラグ１０が絶縁破壊に到達する電圧は、点火プラグ１０の電極間の距離や、燃焼室の状態で変化するが数kV〜数１０kV印加する必要がある。

点火プラグ１０が絶縁破壊された後、図２の時刻Ｔ３では、高周波交流電源２の動作が開始され、入力コンデンサ４に印加された直流電圧が、インバータ５により高周波交流電圧として出力される。

インバータ５から出力された高周波交流電圧は、トランス６により昇圧される。トランス６により昇圧された交流電圧は共振回路７により正弦波に整形され、数１００Ｖから数ｋＶ程度までの電圧値を有する数ＭＨｚの高周波交流電圧として点火プラグ１０に印加される。そして内燃機関の燃焼室内の燃料と空気の混合気に対して高周波プラズマ点火が行われる。

次に、高周波交流電源２が高周波プラズマ点火動作を実施しているときのインバータ５の動作波形について図３を用いて説明する。ここで、インバータ５出力電圧は、第１レグのスイッチング素子５１と５２の接続点の電位が、第２レグのスイッチング素子５３と５４の接続点の電位よりも高電位となる場合を正とし、インバータ５出力電流は第１レグのスイッチング素子５１と５２の接続点からトランス６の一次巻６１線を介して第２レグのスイッチング素子５３と５４の接続点に流れる方向を正としている。

図３の（ａ）は、インバータ５の出力電流がインバータ５の出力電圧に対して遅れ位相となる波形を示している。図３の（ｂ）は、インバータの出力電流がインバータ５の出力電圧に対して進み位相となる波形を示している。インバータ５の出力電流がインバータ５の出力電圧に対して遅れ位相となる条件は、共振回路７と点火プラグ１０で構成される合成リアクタンスが誘導性となる場合である。ただし、点火プラグ１０の電極間が絶縁破壊され放電経路が形成されているときは、点火プラグ１０を抵抗成分としてみなされるため、共振回路７の合成リラクタンスのみを考慮すればよい。

図３（ａ）を詳細に説明する。図３（ａ）における時刻Ｔａはスイッチング素子５１，５４のゲート信号が立ち上がるタイミングを表している。また、時刻Ｔｂはスイッチング素子５２，５３のゲート信号が立ち上がるタイミングを表している。

スイッチング素子５１，５４のゲート信号が立ち上がる時刻Ｔａでは、スイッチング素子５１，５４には負極性の電流が流れている。これは、スイッチング素子５１，５４の逆並列ダイオードが導通している状態を指し、ターンオンするスイッチング素子５１，５４のドレイン−ソース間電圧はゼロとなる。このため、スイッチング素子５１，５４ではゼロ電圧スイッチングが成立し、ターンオン時のスイッチング損失を低減することができる。これは、スイッチングの極性を反転させたスイッチング素子５２，５３がターンオンする時刻Ｔｂにも同様のことが言える。

図３（ｂ）を詳細に説明する。スイッチング素子５１，５４のゲート信号が立ち上がる時刻Ｔｃでは、スイッチング素子５１，５４が導通しインバータ５は正極性の電流を出力する。

時刻Ｔｄでインバータ出力電流の極性が反転する。このとき、スイッチング素子５１，５４が導通している。このため、スイッチング素子５１，５４のソースからドレインの方向に電流は流れる。

時刻Ｔｅでスイッチング素子５１，５４がターンオフする。これによりスイッチング素子５１，５４の逆並列ダイオードに電流が流れ、入力コンデンサ４に回生される。

次に、時刻Ｔｆになりスイッチング素子５２，５３をターンオンする。このときスイッチング素子５２，５３には電流が流れていない状態で、導通することからハードスイッチングとなる。

また、スイッチング素子５２，５３が導通すると同時にスイッチング素子５１，５４の逆並列ダイオードのリカバリが発生する。リカバリ期間中は第１レグのスイッチング素子５１、５２がともに導通した状態になることから、第１レグでは短絡が発生し、瞬間的に大電流が第１レグを通流する。スイッチング素子５１，５２では、この短絡電流による損失が発生し、スイッチング素子の発熱が増大するため、短絡電流に耐えうる特性をもつスイッチング素子への変更や冷却能力を強化が必要となる。

以上より、インバータ５はインバータ５の出力電流がインバータ５の出力電圧に対して遅れ位相となる、つまり共振回路７と点火プラグ１０を含む共振負荷回路が誘導性リアクタンスとなる周波数領域で動作させることとする。

次に、共振回路７における共振リアクトル７１と共振コンデンサ７２の共振点と共振ゲインの関係を説明する。図４は、共振リアクトル７１と共振コンデンサ７２とを含む負荷の共振点と共振ゲインの関係を示した図である。

図４の縦軸はゲインを示し、横軸は周波数を示す。図４において共振点より高い周波数領域では、周波数を高くすると共振ゲインが小さくなり、高周波交流電源の出力が低下する。また、共振点より低い周波数領域では、周波数を高くすると共振ゲインが大きくなり、高周波交流電源の出力が増加する。すなわち、共振点より高い周波数ではインバータ５にとって共振回路の合成リアクタンスは誘導性となり、共振点より低い周波数では容量性となる。

本実施の形態におけるインバータ５では上述したようにインバータ５のスイッチング素子５１，５４がターンオンするときにゼロ電圧スイッチングとするために、インバータ５の出力電圧に対し、出力電流が遅れ位相となるように動作させている。したがって、本実施の形態ではインバータ５はスイッチング素子のスイッチング周波数を共振点より高い周波数領域、すなわち、共振回路７の合成リアクタンスが誘導性となる周波数領域で動作される。

インバータ５のスイッチング周波数を調整し共振ゲインを変化させることによって、点火プラグ１０への印加電圧を変化させ、点火プラグ１０に流れる電流を制御することができる。具体的には、周波数は、電流検出手段９によって検出された検出電流が点火プラグ１０の電流要求値よりも低い場合は、共振点に近づくようにスイッチング周波数を低下させる調整を行う。また、検出電流が点火プラグの電流要求値より高い場合は、スイッチング周波数を増加させる調整を行う。このようにスイッチング周波数の調整を行うことにより、点火プラグ１０に流れる電流の制御が可能となる。

本実施の形態にかかる内燃機関用点火装置１のエネルギー消費動作について図２と図５を用いて説明する。

内燃機関用点火装置１は上述した点火動作を点火タイミング毎に繰り返す。点火動作の中で、放電用電源１１により点火プラグ１０の電極間が絶縁破壊されるとき、共振回路７を構成する共振コンデンサ７２には、点火プラグ１０の電極間電圧と等しい電圧が印加される。この共振コンデンサ７２に蓄えられたエネルギーは、図２の時刻Ｔ２に示す点火プラグ１０の電極間の絶縁破壊と同時に、共振リアクトル７１と共振コンデンサ７２のつくる共振周波数で振動する放電電流として放出される。

この放電電流はトランス６を介して、インバータ５に流入する。このとき、インバータ５は動作しておらず、スイッチング素子５１〜５４の逆並列ダイオードによって整流され、入力コンデンサ４に回生される。この放電電流からなる回生電力に伴い、入力コンデンサ４の印加電圧は上昇する。

その後、時刻Ｔ３にて高周波プラズマ点火動作が始まり、インバータ５が動作することで入力コンデンサ４のエネルギーが消費され、入力コンデンサ４の印加電圧は低下していく。このように、入力コンデンサの印加電圧が直流電圧源の出力電圧よりも低下した場合は、直流電圧源によって充電され、同電位となる。

高周波プラズマ点火を実施する際は、上述の一連の動作を繰り返すが、内燃機関の運転状態に応じて、放電用電源１１による火花点火のみで点火を行うことがある。この放電用電源１１のみによる点火動作が繰り返される場合、高周波交流電源２の入力コンデンサ４は、共振コンデンサ７２の放電電流による回生電力が繰り返し充電される。このとき、インバータ５の動作による高周波プラズマ点火動作が行われないため、入力コンデンサ４のエネルギーは消費されず、印加電圧は徐々に増加する。この印加電圧の増加を許容するためには、高耐圧な回路素子が必要であり、その場合、交流電源の小型化には限界がある。

そこで本実施の形態では、上述の放電用電源１１のみの点火動作が繰り返される場合において、入力コンデンサ４の印加電圧の上昇を回避するため、以下の動作を実施する。

図５はエネルギー消費動作のタイミングチャートを示した図である。図中には点火タイミング信号、インバータ駆動信号、点火プラグ電圧、点火プラグ電流、入力コンデンサ印加電圧の動作状態を示している。

入力コンデンサ４の印加電圧の上昇を回避する動作方法として、本実施の形態では、電圧検出手段８にて入力コンデンサ４の印加電圧を監視する。そして、予め設定された閾値電圧との大小を比較する。本実施の形態において閾値電圧は直流電圧源３の出力電圧以上、高周波交流電源２を構成する回路素子の定格電圧未満とする。

比較により、電圧検出手段８が閾値電圧以上となる入力コンデンサ４の印加電圧を検出すると、制御部１２は放電用電源１１による点火プラグ１０の電極間の絶縁破壊が終了し絶縁状態に戻った後に、インバータ５に動作信号を出力する。このときのインバータ５の動作は、通常の高周波プラズマ点火を実施するときと同様のスイッチング動作を行い、高周波交流電源２を構成する回路素子から発生する損失を以って入力コンデンサ４に蓄えられるエネルギーを消費する。

上述のインバータ５のエネルギー消費動作により入力コンデンサ４の印加電圧が低下し、次の点火タイミング信号が出力されるまで、もしくは検出電圧が直流電圧源３と同電位になるまで低下したとき、インバータ５によるエネルギー消費動作を停止する。

高周波交流電源２の出力電圧は点火プラグ１０の電極間の絶縁破壊電圧未満であることから、点火プラグ１０は電極間の容量成分が負荷としてみなされる。そのため、共振コンデンサ７２と点火プラグ１０の容量成分の２直列が合成容量となり、この合成容量が共振コンデンサ７２の容量よりも低減する。よってエネルギー消費動作での負荷回路の共振点は、高周波プラズマ点火動作での負荷回路の共振点に比べ高周波側に遷移される。

高周波プラズマ点火動作時のスイッチング周波数とエネルギー消費動作時のスイッチング周波数を同じにする。この場合、共振回路７の構成によっては、エネルギー消費動作時はインバータ５のスイッチング周波数が容量性となる周波数領域や共振点に重なることが考えられる。しかし、高周波交流電源２の出力電圧は、点火プラグ１０の絶縁破壊電圧に比べ十分に低電圧であることから放電が実施されることはない。

このエネルギー消費動作時にインバータ５のスイッチング周波数が容量性となる周波数領域や、共振点に重なることを避けたい場合は、点火プラグ１０が絶縁破壊しているときの共振負荷回路の共振点と、点火プラグ１０が絶縁破壊していないときの共振負荷回路の共振点を事前に確認する。そして、エネルギー消費動作でのインバータ５のスイッチング周波数を、共振回路と点火プラグ１０の浮遊容量成分で構成される共振点よりも高周波になるよう動作させても良い。

上述のとおり、本実施の形態の内燃機関用点火装置１は、入力コンデンサ４の検出電圧が予め設定された閾値電圧よりも高電圧となるとき、エネルギー消費動作として入力コンデンサ４に蓄積されたエネルギーを消費するよう、インバータ５を動作させるものである。

よって、放電用電源１１のみによる点火動作が繰り返されたとしても、入力コンデンサ４に蓄積された回生エネルギーを適宜消費できる。その結果、高周波交流電源２の印加電圧の上昇を防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態２は実施の形態１のエネルギー消費動作を点火プラグ１０の電極間が絶縁破壊している期間においても実施させるようにした構成が相違している。実施の形態２では、本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明を省略する。

実施の形態１におけるエネルギー消費動作は、点火プラグ１０の電極間の絶縁破壊が終了した後に実施するという制限があった。これは、高周波交流電源２が高周波プラズマ放電に必要な電圧以上の電圧を出力しているためである。このとき点火プラグ１０の電極間が絶縁破壊されているときに高周波交流電源２が動作すると、高周波プラズマ放電が実施され内燃機関の動作状態によっては、不必要な点火動作が生じることになる。この点火動作は、直流電圧源３となるバッテリのエネルギー消費や、内燃機関に機械的ストレスを与えることに繋がる。

そこで実施の形態２では、エネルギー消費動作を実施する際にインバータ５のスイッチング素子５１〜５４のオンパルスの時比率を低減させる。スイッチング素子５１〜５４のオン時間が減ることでトランス６の励磁時間が低減し、高周波交流電源２の出力電圧・出力電流のピーク値が低下する。

この動作にて高周波交流電源２の出力電圧を高周波プラズマ点火に必要な放電維持電圧未満にすることで、点火プラグ１０の電極間が絶縁破壊していても、高周波プラズマ放電することなくエネルギー消費動作を行うことができる。

よって、上述したエネルギー動作により、エネルギー消費動作を実施する時期の制限がなくなる。その結果、電圧検出手段８が入力コンデンサ４の印加電圧が閾値電圧以上の電圧を検出した後、即座にエネルギー消費動作を実施することが可能となる。

したがって、実施の形態２では、実施の形態１と同様に、入力コンデンサ４に蓄積された回生エネルギーを適宜消費できる効果に加え、その消費動作を即座に実施することが可能とするものである。よって、高周波交流電源２の印加電圧の上昇を防ぐことができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３における内燃機関用点火装置を示す図である。図６において、図１と同じ符号を付けたものは、図１と同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１および実施の形態２とは、高周波交流電源２において、インバータ５とトランス６との間にダイオードブリッジ回路１３を接続した構成が相違している。

本発明の実施の形態３では、本発明の実施の形態１および２と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。図６を用いて実施の形態３における内燃機関用点火装置１の高周波交流電源２の構成について説明する。

高周波交流電源２は、直流電圧源３と、入力コンデンサ４と、電圧検出手段８と、インバータ５と、トランス６と、共振回路７と、高周波交流電源２から点火プラグ１０に出力される電流を検出する電流検出手段９と、制御部１２から構成される。さらに本実施の形態は、インバータ５とトランス６の間にダイオードブリッジ回路１３を有する。

ダイオードブリッジ回路１３は、４つのダイオード１３１、１３２、１３３、１３４で構成される。ダイオード１３１，１３３のカソードは、インバータ５のスイッチング素子５１と５３のドレイン端、直流電圧源３および入力コンデンサ４のプラス端に接続されている。また、ダイオード１３２，１３４のアノードは、インバータ５のスイッチング素子５２と５４のソース端、直流電圧源３および入力コンデンサ４のマイナス端に接続されている。

ダイオード１３１のアノードとダイオード１３２のカソードの接続点はトランス６一次側巻線の一端６１ａに接続する。また、第２レグのダイオード１３３のアノードとダイオード１３４のカソードの接続点はトランス６一次側巻線の他端６１ｂに接続される。すなわち、ダイオード１３１とダイオード１３２の直列回路を第１レグとし、ダイオード１３３とダイオード１３４の直列回路を第２レグとする回路となっている。

点火動作時における失火について説明する。内燃機関用点火装置１は、ＥＣＵからの点火タイミング信号に基づいて点火動作が実施される。しかしながら、燃焼室の状態や点火プラグ１０の電極の磨耗などが要因となり、点火プラグ１０の電極間に形成された火花が失火することがある。

火花が失火した場合は、放電用電源１１の点火コイルに残留する誘導エネルギーが、点火プラグ１０の電極間に供給され、再度絶縁破壊による点火が実施される。この点火動作を以降再点火と称する。

再点火は、ＥＣＵから送信される点火タイミング信号とは同期せずに実施される。このため、高周波交流電源２が動作中であっても失火した場合は再点火が実施される。また、再点火は点火プラグ１０の電極間の絶縁破壊することから、点火タイミング信号による絶縁破壊と同じく、共振コンデンサ７２による放電電流が発生する。

ここで、ダイオードブリッジ回路１３を備えない高周波交流電源２が動作中に再点火が発生し、共振コンデンサ７２からの放電電流がインバータ５に流入した場合について説明する。

例えば、インバータ５のスイッチングの位相と放電電流の位相との関係が上述した図３（ｂ）のように進み位相となるとき、実施の形態１で説明したように各スイッチング素子の逆並列ダイオードでリカバリが発生し、短絡しやすくなる。リカバリ期間の長さは遮断電流に依存する傾向である。

遮断する電流は共振コンデンサ７２から出力される放電電流がトランス６の巻数比倍になっていることから、高周波プラズマ点火動作のときに発生するリカバリ期間よりも長くなる。短絡期間が長くなると、短絡電流による過渡発熱が過大となり高周波交流電源２の構成素子の耐熱温度を超え破損する。または図示していない温度センサの閾値を超え高周波交流電源２の動作停止が頻発するといった状態となる。

図７は、内燃機関用点火装置１の再点火動作を示す図である。図７中には、点火タイミング信号と、インバータ駆動信号と、点火プラグ電圧と、点火プラグ電流の動作状態を示している。また図中におけるＴ１〜Ｔ５はある時刻を示すものである。

再点火の状態において、実施の形態３のダイオードブリッジ回路１３を有する構成の場合の動作について説明する。

ダイオードブリッジ回路１３が、インバータ５とトランス６との間に接続されていると、放電電流は、インバータ５とダイオードブリッジ回路１３とに分流する。これにより、再点火時に入力コンデンサ４から発生する放電電流の位相を問わずに、放電電流を整流することができる。よって、インバータ５の各スイッチング素子の逆並列ダイオードで発生するリカバリ損失やリカバリ短絡期間を抑制することができる。

また、ダイオードブリッジ回路１３に使用するダイオードの順方向電圧特性が、インバータ５の逆並列ダイオードの順方向電圧特性より低電圧にすることで、ダイオードブリッジ回路１３の整流電流をより増加することができる。

さらに、トランス６からダイオードブリッジ回路１３までの接続を最短になるように構成する。これにより、配線経路よるインピーダンスが大きくなることが要因となり、インバータ５のスイッチング素子の逆並列ダイオードに流れる電流量が増大することを抑制することができる。

上述の構成により、高周波交流電源２が動作中に放電用電源１１による再点火が実施され、共振コンデンサ７２から、いかなる位相の放電電流がインバータ５に流入しても、ダイオードブリッジ回路１３で整流することができる。また、インバータ５のスイッチング素子の逆並列ダイオードのリカバリ損失の低減やリカバリ短絡による過渡発熱の抑制が可能となる。
よって、高周波交流電源２の印加電圧の上昇を効果的に防ぐことができる。

なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 内燃機関用点火装置、２ 高周波交流電源、３ 直流電圧源、４ 入力コンデンサ、５ インバータ、５１，５２，５３，５４ スイッチング素子、６ トランス、６１ トランスの一次側巻線、６２ トランスの二次側巻線、７ 共振回路、７１ 共振リアクトル、７２ 共振コンデンサ、８ 電圧検出手段、９ 電流検出手段、１０ 点火プラグ、１１ 放電用電源、１２ 制御部、１３ ダイオードブリッジ回路、１３１，１３２，１３３，１３４ ダイオード

Claims (5)

1. 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、
   前記点火プラグの電極間に直流高電圧を印加して前記電極間に火花放電を発生させる放電用電源と、
   前記火花放電の放電経路に高周波電圧を印加して前記電極間に高周波プラズマを発生させる高周波交流電源と、
   を有する内燃機関用点火装置において、
   前記高周波交流電源は、
   直流電圧源と、
   入力コンデンサと、
   前記入力コンデンサの印加電圧を検出する電圧検出手段と、
   複数のスイッチング素子を有し、前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
   前記インバータの出力端に一次側巻線を接続したトランスと、
   前記トランスの二次側巻線に接続され、少なくとも１つ以上のコンデンサおよびリアクトルを有し、前記インバータから出力された交流電圧を共振させる共振回路と、
   前記インバータを構成する前記スイッチング素子のオンおよびオフ動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記放電用電源のみで点火動作が行われ、
   前記入力コンデンサの検出電圧が予め設定された閾値電圧よりも高電圧であるときに、エネルギー消費動作として前記入力コンデンサに蓄積されたエネルギーを消費するよう、前記インバータを動作させることを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記制御部は、前記エネルギーの消費動作を行うとき、前記インバータの前記スイッチング素子を前記共振回路と前記点火プラグの浮遊容量からなる共振点よりも高周波となる周波数でスイッチング動作させ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. 前記制御部は、前記エネルギーの消費動作を行うとき、前記トランスの二次側巻線から出力される交流電圧が前記点火プラグの高周波プラズマ放電の放電維持電圧未満となるよう、前記インバータの前記スイッチング素子のオンパルスの時比率を低減することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用点火装置。
4. 前記高周波交流電源は、前記インバータと前記トランスの間にダイオードブリッジ回路を接続することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関用点火装置。
5. 前記ダイオードブリッジ回路は、前記インバータの前記スイッチング素子に備えられたダイオードよりも順方向電圧が小さい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。

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