JP2023179015A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグにおいて予期しないタイミングでの放電を抑制できる技術を提供する。【解決手段】水素を含む燃料を用いた内燃機関用の点火装置１であって、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２を含む点火コイル１０３、電源装置１０２、スイッチング素子７０、点火プラグ１１３、および制限ダイオード１１４を有する。スイッチング素子７０は、１次コイルＬ１へ流れる１次電流の通電または遮断を切り替える。点火プラグ１１３は、２次コイルＬ２の一端８２２に誘起される高電圧に基づいて、ギャップｄにて放電する。制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の一端８２２から他端８２１へ向かって順方向となる、ツェナーダイオードまたはアバランシェダイオードである。制限ダイオード１１４の降伏電圧は、１次コイルＬ１の一端８１１へ印加される直流電圧値に、１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の巻き数比率を掛けた、ＯＮ時電圧の最大値よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用の点火装置に関する。

従来、自動車等に用いられるＳＩ（火花点火）レシプロエンジンを含む内燃機関には、点火装置が搭載される。点火装置の点火コイルは、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の制御により、バッテリから供給される直流の低電圧を数千Ｖ～数万Ｖにまで昇圧して、点火プラグヘ供給し、電気火花を発生させて燃料を点火させる。従来の点火装置の例については、例えば、特許文献１に記載されている。

特許第６５１７０８８号公報

特許文献１には、以下の構成を有する内燃機関用点火装置（１）が開示されている。まず、点火コイル（２）の一次コイル（２１）は、車載バッテリー等の直流電源（ＶＢ＋）に接続され、メインスイッチング素子（４）のオン・オフの制御によって、一次コイル（２１）を流れる一次電流（Ｉ１）の通電・遮断が切り替えられる（段落００１５，図１）。また、一次コイル（２１）と鉄心を介して磁気的に結合している二次コイル（２２）の一方端は点火プラグ（３）に接続され、他方端はＯＮ電圧防止用ダイオード（２３）を介して直流電源供給ラインに接続される。これにより、点火コイル（２）の一次電流（Ｉ１）遮断時に二次側に高電圧が発生し、点火プラグ（３）の放電ギャップに絶縁破壊が生じるとともに、ＯＮ電圧防止用ダイオード（２３）の順方向へ二次電流（Ｉ２）が流れる。（段落００１６，００２９）。一方、一次コイル（２１）への通電開始時に二次コイル（２２）に生ずる逆極性のＯＮ電圧は、ＯＮ電圧防止用ダイオード（２３）によって抑制される（段落００１７）。

近年、ＳＩ（火花点火）レシプロエンジンにおいて、水素を含む燃料が多く用いられている。水素を含む燃料を用いることによって、所謂、低炭素社会の実現に寄与すると考えられる。しかし一方で、水素は比較的低温でも燃焼し易く、かつ燃焼速度が速い特性を有する。このため、例えば、点火プラグにおいて予期しないタイミングで僅かに放電が起こると、燃料に引火して燃焼し得る。この場合、エンジンの燃焼室から吸気装置側へ炎が吹き返すバックファイヤー、エンジンの排気ガス中に残留する燃料が排気流路等において燃焼するアフターファイヤー、または着火のタイミングが制御できないプレイグニッション等の異常燃焼を引き起こす虞がある。

本発明の目的は、点火プラグにおいて予期しないタイミングで放電が起こることを抑制できる技術を提供することである。

上記課題を解決するため、本願の第１発明は、少なくとも水素を含む燃料を用いた内燃機関用の点火装置であって、点火コイルと、電源装置と、スイッチング素子と、点火プラグと、制限ダイオードとを有する。前記点火コイルは、１次コイルと２次コイルとが互いに電磁結合されることによって形成される。前記電源装置は、前記１次コイルの一端へ電源線を介して直流電圧を印加する。前記スイッチング素子は、前記１次コイルの他端と接地点との間に介挿され、前記電源装置から前記１次コイルへ流れる１次電流の通電または遮断を切り替え可能である。前記点火プラグは、前記２次コイルの一端に誘起される高電圧に基づいてギャップにおいて放電することによって前記燃料に点火する。前記制限ダイオードは、前記２次コイルの他端と前記電源装置または接地点とを直接的または間接的に接続する第１接続線、または前記２次コイルの一端と前記点火プラグとを接続する第２接続線において、介挿され、前記２次コイルの一端から他端へ向かう方向において順方向となる、ツェナーダイオードまたはアバランシェダイオードである。前記制限ダイオードの降伏電圧は、前記電源装置により前記１次コイルの一端へ印加される直流電圧の電圧値に、前記１次コイルの巻き数に対する前記２次コイルの巻き数の比率を、掛けることによって得られる、ＯＮ時電圧の最大値よりも大きい。

本願の第２発明は、第１発明の点火装置であって、前記スイッチング素子の切り替えを制御する制御部をさらに有し、前記制御部は、前記スイッチング素子を閉状態にすることによって、前記１次コイルに１次電流を流して充電する充電制御と、前記充電制御を行った後、前記スイッチング素子を開状態に切り替えて、前記２次コイルの一端に高電圧を誘起させることによって、前記点火プラグの前記ギャップにおいて放電させる放電制御と、を行う。

本願の第３発明は、第１発明または第２発明の点火装置であって、前記降伏電圧は、１ｋＶ以上である。

本願の第４発明は、第１発明または第２発明の点火装置であって、前記２次コイルの一端から前記点火プラグまでの間に形成される浮遊容量を有する。

本願の第５発明は、第１発明または第２発明の点火装置であって、前記降伏電圧は、前記点火プラグの前記ギャップにおける絶縁破壊電圧よりも小さい。

本願の第６発明は、第５発明の点火装置であって、前記降伏電圧は、２ｋＶ以下である。

本願の第７発明は、第１発明または第２発明の点火装置であって、前記制限ダイオードは、前記第１接続線において介挿される。

本願の第８発明は、第１発明または第２発明の点火装置であって、前記制限ダイオードは、前記第２接続線において介挿される。

本願の第１発明～第８発明によれば、１次コイルに１次電流を流した際（ＯＮ時）に、２次コイルに生じるＯＮ時電圧を低減することができる。これにより、点火プラグにおいてＯＮ時にて放電が起こることを抑制できる。また、放電終了後に、制限ダイオードを逆方向に電流が流れることによって、点火プラグ付近に残留する残留エネルギーを低減することができる。この結果、点火プラグにおいてその後に異常タイミングで放電が起こることをさらに抑制できる。

特に、本願の第５発明によれば、放電終了後に、点火プラグにおいて再び放電が起こることなく、電源側または接地点側から２次コイルの一端および点火プラグの付近へ向かう電流を流すことによって、点火プラグ付近に残留する残留エネルギーを低減させることができる。

第１実施形態に係る内燃機関用の点火装置の動作環境を模式的に示すブロック図である。 第１実施形態に係る点火コイルの縦断面図である。 第１実施形態に係る点火装置を動作させる際の、ＥＳＴ信号の波形と、２次コイルに流れる２次電流の波形と、２次コイルの一端に生じる電圧（２次電圧）とを、それぞれ時系列で示したグラフである。 第１変形例に係る内燃機関用の点火装置の動作環境を模式的に示すブロック図である。 第２変形例に係る内燃機関用の点火装置の動作環境を模式的に示すブロック図である。 第３変形例に係る内燃機関用の点火装置の動作環境を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜１．第１実施形態＞
＜１－１．点火装置の構成＞
まず、本発明の第１実施形態となる内燃機関用の点火装置１の構成について、図面を参照しつつ説明する。図１は、第１実施形態に係る点火装置１の動作環境を模式的に示すブロック図である。なお、後述のとおり、点火装置１に含まれる点火コイル１０３の１次コイルＬ１と２次コイルＬ２とは、互いに積層される方向に配置されるが、図１では、理解容易のため、これらを隣接させて図示している。

本実施形態の点火装置１は、例えば、自動車等の車体１００に用いられるＳＩ（火花点火）レシプロエンジン等の内燃機関に搭載され、点火プラグ１１３に火花放電を発生させるための高電圧を印加する装置である。また、図１に示すように、車体１００には、当該点火装置１に加え、当該点火プラグ１１３と、電源装置１０２（バッテリ）と、ＥＣＵ１０５（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）とが、備えられている。なお、広義の意味において、点火プラグ１１３と、電源装置１０２と、ＥＣＵ１０５とは、点火装置１に含まれると見ることもできる。

点火プラグ１１３は、内燃機関の燃焼室で着火動作を実現するための装置である。点火プラグ１１３は、後述する点火コイル１０３の２次コイルＬ２の一端８２２に、導線（以下、「第２接続線１２１」と称する）を介して電気的に接続される。点火プラグ１１３は、２次コイルＬ２の一端８２２と接地点（グランド）との間に介挿される。点火コイル１０３の２次コイルＬ２に高電圧が誘起され、この高電圧が点火プラグ１１３の中心電極１４１と接地電極１４２との間のギャップｄ（図１参照）における絶縁破壊電圧を超えると、ギャップｄにおいて放電が起こり、火花が発生する。これにより、内燃機関に充填された燃料に点火される。すなわち、点火プラグ１１３は、２次コイルＬ２の一端８２２に誘起される高電圧に基づいて、ギャップｄにおいて放電することによって、燃料に点火する。

なお、本実施形態では、燃料として、水素や、水素と他の物質との混合物が用いられる。すなわち、内燃機関用の点火装置１には、少なくとも水素を含む燃料が用いられる。

また、第２接続線１２１や点火プラグ１１３には、１５～２０ｐＦ程度の静電容量成分が存在する。すなわち、２次コイルＬ２の一端８２２から点火プラグ１１３までの間には、静電容量成分が形成される。以下では、この静電容量成分を、仮想的に定義される「浮遊容量Ｃｓ」と称する。図１に示すように、浮遊容量Ｃｓは、ブロック図において模式的に点火プラグ１１３と並列に表すことができる。

電源装置１０２は、直流電力を充放電可能な電源装置（蓄電池）である。本実施形態では、電源装置１０２は、後述する点火コイル１０３の１次コイルＬ１と、導線（以下、「電源線１５０」と称する）を介して電気的に接続される。電源装置１０２は、点火コイル１０３の１次コイルＬ１の一端８１１へ、電源線１５０を介して直流電圧を印加する。

ＥＣＵ１０５は、車体１００のトランスミッションやエアバックの作動等を総合的に制御する既存のコンピュータである。

点火装置１は、点火コイル１０３、イグナイタ１０４、および制限ダイオード１１４を有する。

図２は、点火コイル１０３の縦断面図である。図２に示すように、点火コイル１０３は、ボビン４０と、１次コイルＬ１と、２次コイルＬ２と、鉄心６０とを有する。なお、図２では、１次コイルＬ１および２次コイルＬ２を、一部簡略化して図示している。また、以下の点火コイル１０３の説明においては、ボビン４０の中心軸Ｂｃと平行な方向を「軸方向」、ボビン４０の中心軸Ｂｃに直交する方向を「径方向」、ボビン４０の中心軸Ｂｃを中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。また、当該「平行な方向」とは、略平行な方向も含むものとし、当該「直交する方向」とは、略直交する方向も含むものとする。

ボビン４０は、互いに連結可能な１次ボビン４１および２次ボビン４２を含む。１次ボビン４１および２次ボビン４２はそれぞれ、中心軸Ｂｃに沿って筒状に延びる。また、１次ボビン４１の径方向の外側に、２次ボビン４２が配置される。１次ボビン４１および２次ボビン４２の材料には、例えば、樹脂が用いられる。

１次コイルＬ１は、１次ボビン４１の外周面に導線（以下「１次導線８１」と称する）が、中心軸Ｂｃを中心とする周方向に巻回されることによって形成される。１次コイルＬ１の形成が完了した後、１次コイルＬ１の外周面を覆うように、２次ボビン４２が配置され、１次ボビン４１に連結される。そして、２次ボビン４２の外周面に、１次導線８１とは別の導線（以下「２次導線８２」と称する）が、中心軸Ｂｃを中心とする周方向に巻回されることによって、２次コイルＬ２が形成される。このように、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２とを互いに積層するように配置することによって、これらを含む点火コイル１０３全体を小型化できる。ただし、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２は、このように互いに積層されつつ巻回される場合のみでなく、図１のように互いに隣接しつつ配置されてもよい。

鉄心６０は、中心鉄心６０１と外周鉄心６０２とが組み合わさった構造を有する。鉄心６０の中心鉄心６０１および外周鉄心６０２はそれぞれ、例えば、珪素鋼板が積層された積層鋼板により形成される。中心鉄心６０１は、ボビン４０の中心軸Ｂｃに沿って延びる。また、中心鉄心６０１は、１次ボビン４１の径方向の内側の空間４１０に挿通される。外周鉄心６０２は、２次ボビン４２および２次導線８２よりも径方向の外側を通り、中心鉄心６０１の軸方向の両端部を繋ぐ。これにより、鉄心６０は、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２とを電磁結合させる閉磁路構造を形成する。すなわち、点火コイル１０３は、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２とが互いに電磁結合されることによって形成される。

図１に示すように、１次コイルＬ１の一端８１１には、上記の電源装置１０２から延びる導線である電源線１５０が接続される。１次コイルＬ１の他端８１２は、後述するイグナイタ１０４に接続される。イグナイタ１０４に制御されることによって、１次コイルＬ１の一端８１１に、電源装置１０２からの直流の低電圧が印加され、１次コイルＬ１に次第に増加する１次電流が流れ始める。

２次コイルＬ２の一端８２２は、点火プラグ１１３に接続される。２次導線８２の線径は、１次導線８１の線径よりも小さい。また、２次コイルＬ２における２次導線８２の巻き数（例えば、８０００回）は、１次コイルＬ１における１次導線８１の巻き数（例えば、１００回）の８０倍程度以上である。これにより、詳細を後述するとおり、点火コイル１０３は、１次電流の遮断時に、電源装置１０２から供給される直流の低電圧の電力を、数千Ｖ～数万Ｖにまで昇圧する。すなわち、２次コイルＬ２には高電圧が誘起される。そして、２次コイルＬ２は、誘起された高電圧の電力を、点火プラグ１１３ヘと供給する。これにより、点火プラグ１１３において電気火花を発生させて燃料を点火させる。

なお、図１に示すように、２次コイルＬ２のうち、点火プラグ１１３が接続される一端８２２とは反対側の他端８２１は、導線（以下、「第１接続線１２２」と称する）を介して電源装置１０２と直接的または間接的かつ電気的に接続される。本実施形態では、２次コイルＬ２の他端８２１は、電源線１５０と電気的に接続される。また、本実施形態では、第１接続線１２２において、制限ダイオード１１４が介挿される。制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２と直列に接続される。また、制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の一端８２２から他端８２１へ向かう方向において、順方向となる。本実施形態の制限ダイオード１１４には、ツェナーダイオードが用いられる。ただし、制限ダイオード１１４には、アバランシェダイオードが用いられてもよい。

詳細を後述するとおり、イグナイタ１０４のスイッチング素子７０を閉状態にし、１次コイルＬ１に１次電流を流して充電すると（ＯＮ時）、２次コイルＬ２の両端８２１，８２２に電位差が生じる。本実施形態では、ＯＮ時において、２次コイルＬ２の一端８２２は、他端８２１よりも高電圧となる。以下では、２次コイルＬ２の一端８２２と他端８２１との電位差を、「ＯＮ時電圧」と称することとする。ＯＮ時電圧の最大値は、電源装置１０２から電源線１５０を介して１次コイルＬ１の一端８１１へ印加される直流電圧の電圧値に、１次コイルＬ１の巻き数に対する２次コイルＬ２の巻き数の比率を掛けることによって、算出される。

例えば、１次コイルＬ１の一端８１１へ印加される直流電圧の電圧値を１２Ｖとし、１次コイルＬ１の巻き数を１００回とし、２次コイルＬ２の巻き数を８０００回とすると、１次コイルＬ１の巻き数に対する２次コイルＬ２の巻き数の比率は８０となるため、ＯＮ時電圧の最大値は、１２×８０＝９６０Ｖと算出される。このため、２次コイルＬ２の一端８２２に掛かる電圧の最大値は、例えば、プラス４８０Ｖ程度となり、２次コイルＬ２の他端８２１に掛かる電圧の最小値は、例えば、マイナス４８０Ｖ程度となる。また、場合により、２次コイルＬ２の一端８２２に掛かる電圧の最大値が０Ｖ程度となり、２次コイルＬ２の他端８２１に掛かる電圧の最小値がマイナス９６０Ｖ程度となることも想定され得る。一方、このとき、電源線１５０に掛かる電圧は１２Ｖである。

ここで、本発明では、上記の制限ダイオード１１４として、降伏電圧がＯＮ時電圧の最大値よりも大きいものが用いられる。本実施形態において用いられる制限ダイオード１１４の降伏電圧は、１ｋＶ以上である。一方、上記の例では、２次コイルＬ２の他端８２１に掛かる電圧の最小値（制限ダイオード１１４のアノード側）は、マイナス４８０Ｖ程度であり、電源線１５０に掛かる電圧（制限ダイオード１１４のカソード側）はプラス１２Ｖである。これにより、１次コイルＬ１に１次電流を流した際（ＯＮ時）に、制限ダイオード１１４における逆方向に、すなわち、第１接続線１２２を介して電流が２次コイルＬ２側に流れてしまうことを抑制できる。これにより、点火プラグ１１３において、ＯＮ時、すなわち、異常タイミングにて、放電が起こることを抑制できる。

また、本発明では、制限ダイオード１１４として、降伏電圧が点火プラグ１１３のギャップｄにおける絶縁破壊電圧よりも小さいものが用いられる。本実施形態において用いられる制限ダイオード１１４の降伏電圧は、２ｋＶ以下である。制限ダイオード１１４の降伏電圧を２ｋＶ以下とすることによる効果については、詳細を後述する。

イグナイタ１０４は、１次コイルＬ１に接続され、１次コイルＬ１に流れる電流を制御する半導体デバイスである。また、イグナイタ１０４は、ＥＣＵ１０５と電気的に接続され、ＥＣＵ１０５から信号（以下「ＥＳＴ信号」と称する）を受信する。イグナイタ１０４は、スイッチング素子７０と、駆動ＩＣ７１とを有する。なお、イグナイタ１０４は、ＥＣＵ１０５の電子回路と一体化されていてもよい。

スイッチング素子７０には、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。スイッチング素子７０は、１次コイルＬ１の他端８１２と、接地点（グランド）との間に介挿される。スイッチング素子７０のＣ（コレクタ）は、１次コイルＬ１の他端８１２に接続される。スイッチング素子７０のＥ（エミッタ）は、グランドに接続される。スイッチング素子７０のＧ（ゲート）は、駆動ＩＣ７１に接続される。

これにより、スイッチング素子７０は、電源装置１０２から１次コイルＬ１へ流れる１次電流の通電または遮断の切り替えが可能となる。スイッチング素子７０が閉状態になると、電源装置１０２から１次コイルＬ１に１次電流が流れる。スイッチング素子７０が開状態となると、１次コイルＬ１に流れる１次電流が遮断される。ただし、スイッチング素子７０には、他の種類のトランジスタが用いられてもよい。

駆動ＩＣ７１は、ＥＣＵ１０５から受信するＥＳＴ信号に基づき、スイッチング素子７０の切り替えを制御する制御部である。駆動ＩＣ７１は、スイッチング素子７０に接続された論理デバイスを有する。論理デバイスには、例えば、論理回路、プロセッサ、ＣＰＬＤ（ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）、またはＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）等が含まれる。論理デバイスは、点火装置１を動作させて点火プラグ１１３に点火するための演算処理を行う。

＜１－２．点火装置の動作＞
続いて、点火装置１の動作について説明する。図３は、点火装置１を動作させる際の、ＥＳＴ信号の波形と、２次コイルＬ２に流れる２次電流の波形と、２次コイルＬ２の一端８２２に生じる電圧（２次電圧）とを、それぞれ時系列で示したグラフである。なお、図３の２次電流については、制限ダイオード１１４の順方向に流れる場合は負、制限ダイオード１１４の逆方向に流れる場合は正として、図示している。図３の２次電圧については、接地点（グランド）に対する２次コイルＬ２の一端８２２の電圧値を図示している。

上記のとおり、１次コイルＬ１の一端８１１には、電源装置１０２から直流電圧（例えば、１２Ｖ）が電源線１５０を介して印加される。また、１次コイルＬ１の他端８１２は、スイッチング素子７０に接続される。また、駆動ＩＣ７１は、ＥＣＵ１０５から受信するＥＳＴ信号に基づき、スイッチング素子７０の切り替えを制御する。図３に示すように、点火装置１を動作させる際は、まず時刻ｔ０にて、ＥＣＵ１０５から駆動ＩＣ７１へ送信されるＥＳＴ信号の信号レベルをＬからＨにする。すると、駆動ＩＣ７１は、ＥＳＴ信号に基づき、スイッチング素子７０を開状態から閉状態に切り替える。これにより、１次コイルＬ１を形成する１次導線８１に１次電流が流れ、１次コイルＬ１に電荷が充電される（以下、このような、１次コイルＬ１に１次電流を流して充電する工程を「充電制御」と称する）。また、１次コイルＬ１に通電磁束が生じ、通電磁束に応じた磁界が鉄心６０へ作用する。

また、鉄心６０を介して１次コイルＬ１と電磁結合された２次コイルＬ２の両端８２１，８２２において、相互誘導作用により、電位差、すなわち、ＯＮ時電圧（例えば、９６０Ｖ）が生じる。これにより、２次コイルＬ２の一端８２２に掛かる電圧の最大値は正の値（例えば、プラス４８０Ｖ程度）となり、２次コイルＬ２の他端８２１に掛かる電圧の最小値は負の値（例えば、マイナス４８０Ｖ程度）となる。ここで、本実施形態では、上記の第１接続線１２２において、制限ダイオード１１４が介挿されている。制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の一端８２２から他端８２１へ向かう方向において、順方向となる。また、制限ダイオード１１４の降伏電圧は、１ｋＶ以上であり、ＯＮ時電圧の最大値よりも大きい。このため、制限ダイオード１１４における逆方向に、すなわち、第１接続線１２２を介して電流が２次コイルＬ２側に流れてしまうことを抑制できる。この結果、点火プラグ１１３において、ＯＮ時、すなわち、異常タイミングにて、放電が起こることを抑制できる。

充電制御を行った後、時刻ｔ１にて、ＥＣＵ１０５から駆動ＩＣ７１へ送信されるＥＳＴ信号の信号レベルをＨからＬにする。すると、駆動ＩＣ７１は、スイッチング素子７０を閉状態から開状態に切り替えて、電源装置１０２から１次コイルＬ１へ流れる１次電流を遮断する。これにより、鉄心６０を介して１次コイルＬ１と電磁結合された２次コイルＬ２において、相互誘導作用により、誘導起電力が誘起される。本実施形態では、２次コイルＬ２の一端８２２に、負の高電圧が誘起される。このとき、２次コイルＬ２の一端８２２における電圧値は、接地点（グランド）に対して、マイナス数千Ｖ～数万Ｖに及ぶ。

また、２次コイルＬ２の一端８２２に誘起される負の高電圧の絶対値は、点火プラグ１１３のギャップｄにおける絶縁破壊電圧を超える。これにより、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて絶縁破壊が生じる。そして、接地点（グランド）から、点火プラグ１１３の接地電極１４２を介して点火プラグ１１３の中心電極１４１へ向かい（図１参照）、さらに２次コイルＬ２を流れ、かつ、制限ダイオード１１４の順方向となる電流が生じる。この結果、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて放電が起こることによって、火花が発生し、内燃機関に充填された燃料に点火される。なお、本発明では、このようにスイッチング素子７０を開状態に切り替えて、１次コイルＬ１へ流れる１次電流を遮断し、２次コイルＬ２の一端８２２に高電圧を誘起させることによって、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて放電させる工程を「放電制御」と称する。なお、２次コイルＬ２の一端８２２に誘起される負の高電圧の絶対値が、点火プラグ１１３のギャップｄにおける絶縁破壊電圧を下回ると（時刻ｔ２）、点火プラグ１１３のギャップｄにおける放電が一旦終了する。

ここで、上記のとおり、２次コイルＬ２の一端８２２から点火プラグ１１３までの間には、１５～２０ｐＨ程度の静電容量成分からなる浮遊容量Ｃｓが形成されている。このため、点火プラグ１１３のギャップｄにおける放電が一旦終了した時点（時刻ｔ２）においても、依然として、点火プラグ１１３の中心電極１４１の付近、第２接続線１２１、または２次コイルＬ２の一端８２２の付近等において、電荷が残留する場合がある。本実施形態では、これらの箇所に、負の電荷が残留する。これにより、時刻ｔ２において、２次コイルＬ２の一端８２２における電圧値（以下、「残留電圧値Ｒｖ」と称する）は、接地点（グランド）に対して、負の値（例えば、マイナス３ｋＶ）となる。なお、残留電圧値Ｒｖの絶対値は、点火プラグ１１３のギャップｄにおける絶縁破壊電圧よりも小さい。しかしながら、この状況を放置すれば、その後に内燃機関内の圧力変化が生じたとき等に、予期しないタイミングで、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて再び放電が起こる虞がある。

そこで、本発明では、制限ダイオード１１４として、降伏電圧が、点火プラグ１１３のギャップｄにおける絶縁破壊電圧および残留電圧値Ｒｖの絶対値よりも小さいものが用いられる。本実施形態において用いられる制限ダイオード１１４の降伏電圧は、２ｋＶ以下である。上記の例では、２次コイルＬ２の一端８２２における残留電圧値Ｒｖ（制限ダイオード１１４のアノード側）は、負の値（例えば、マイナス３ｋＶ）である。一方、電源線１５０に掛かる電圧（制限ダイオード１１４のカソード側）はプラス１２Ｖであり、残留電圧値Ｒｖよりも大幅に高電位となる。これにより、短時間に、電源装置１０２の側から、制限ダイオード１１４における逆方向に、すなわち、第１接続線１２２を介して２次コイルＬ２の一端８２２付近へ向かう電流が流れる（時刻ｔ２～時刻ｔ３）。

これにより、点火プラグ１１３の中心電極１４１の付近、第２接続線１２１、または２次コイルＬ２の一端８２２の付近等に残留する電荷を打ち消し、２次コイルＬ２の一端８２２に生じる電圧（２次電圧）の絶対値を低減し、これらの箇所に残留する残留エネルギーを低減させることができる。この結果、その後に内燃機関内の圧力変化が生じた場合でも、予期しないタイミングで、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて再び放電が起こることを抑制できる。また、この現象は、制限ダイオード１１４のアノード側に在る２次コイルＬ２の一端８２２に生じる電圧（２次電圧）と、制限ダイオード１１４のカソード側に在る電源線１５０に掛かる電圧との電位差が、制限ダイオード１１４の降伏電圧と等しくなるまで継続される。ここで、２次コイルＬ２の一端８２２に生じる電圧（２次電圧）の絶対値は、電源線１５０に掛かる電圧の絶対値に比べて、大幅に大きいことから、この現象は、２次電圧（図３において「Ｖｚ」と図示される）の絶対値が、制限ダイオード１１４の降伏電圧と略等しくなるまで継続されるとみなすことができる。なお、２次コイルＬ２の一端８２２の電圧（２次電圧）の絶対値は、その後、点火プラグ１１３の中心電極１４１と接地電極１４２との間のギャップｄを介してイオン電流が流れたり、制限ダイオード１１４を漏れ電流が流れたりすることによって、さらに低減される（時刻ｔ３～時刻ｔ４）。

また、上記のとおり、制限ダイオード１１４の降伏電圧は、点火プラグ１１３のギャップｄにおける絶縁破壊電圧よりも小さい。このため、電源装置１０２の側から、制限ダイオード１１４における逆方向に、かつ、第１接続線１２２を介して２次コイルＬ２の一端８２２付近へ向かう電流が流れることを可能にすることで、残留エネルギーを低減し、時刻ｔ２の後、すなわち、異常タイミングにて、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて再び放電が起こることを抑制できる。

以上のとおり、本発明では、１次コイルＬ１に１次電流を流した際（ＯＮ時）に、電流が、制限ダイオード１１４を逆方向に通って２次コイルＬ２側へ流れてしまうことを抑制する。これにより、点火プラグ１１３において、ＯＮ時、すなわち、異常タイミングにて、放電が起こることを抑制できる。一方、放電終了後に、電流が、制限ダイオード１１４を逆方向に通って２次コイルＬ２の一端８２２付近へ向けて流れることによって、点火プラグ１１３の中心電極１４１の付近、第２接続線１２１、または２次コイルＬ２の一端８２２の付近等に残留する残留エネルギーを低減することができる。これにより、放電終了後、すなわち、異常タイミングにて、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて再び放電が起こることを抑制できる。この結果、比較的低温でも燃焼し易く、かつ燃焼速度が速い特性を有する水素を含む燃料を用いる内燃機関においても、異常タイミングで燃料に引火することを抑制し、エンジン等の破損の抑制に繋がる。

また、本実施形態では、点火コイル１０３の第１接続線１２２において制限ダイオード１１４を介挿することによって、本発明の課題を解決するための構成を提供することができた。一方、従来の点火コイルにおいては、第１接続線に相当する箇所に、ツェナーダイオードおよびアバランシェダイオードとは異なる別の素子が配置される場合がある。すなわち、本実施形態では、従来の点火コイルにおける別の素子を、制限ダイオード１１４に取り換えるのみでよい。このため、本実施形態の点火装置１を製造するための作業性を向上し、製造コストを抑制できる。

＜２．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態には限定されない。

図４は、第１変形例に係る点火装置１の動作環境を模式的に示すブロック図である。上記の実施形態では、制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の他端８２１と電源線１５０とを接続する第１接続線１２２において、介挿されていた。しかしながら、図４の第１変形例に示すように、制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の一端８２２と点火プラグ１１３とを接続する第２接続線１２１において、介挿されてもよい。なお、本変形例においても、制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の一端８２２から他端８２１へ向かう方向において、順方向となる。また、本変形例の制限ダイオード１１４には、上記の実施形態と同様の仕様を有する制限ダイオード１１４が用いられる。また、本変形例における点火装置１の制限ダイオード１１４を除く各部の構成は、上記の実施形態における点火装置１の制限ダイオード１１４を除く各部の構成と同一である。

本変形例においても、まず、充電制御として、１次コイルＬ１に１次電流を流して充電すると（ＯＮ時）、２次コイルＬ２の両端８２１，８２２において、相互誘導作用により、電位差、すなわち、ＯＮ時電圧（例えば、９６０Ｖ）が生じる。また、２次コイルＬ２の一端８２２に掛かる電圧の最大値は正の値（例えば、プラス４８０Ｖ程度）となり、２次コイルＬ２の他端８２１に掛かる電圧の最小値は負の値（例えば、マイナス４８０Ｖ程度）となる。ここで、本変形例では、上記の第２接続線１２１において、制限ダイオード１１４が介挿されている。制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の一端８２２から他端８２１へ向かう方向において、順方向となる。このため、電源装置１０２の側から、制限ダイオード１１４における逆方向に、すなわち、第１接続線１２２を介して電流が２次コイルＬ２や点火プラグ１１３へ流れてしまうことを抑制できる。この結果、点火プラグ１１３において、ＯＮ時、すなわち、異常タイミングにて、放電が起こることを抑制できる。

また、放電終了後に、電源装置１０２の側から、制限ダイオード１１４における逆方向に、すなわち、第１接続線１２２を介して電流が２次コイルＬ２や点火プラグ１１３へ流れることによって、点火プラグ１１３の中心電極１４１の付近、第２接続線１２１、または２次コイルＬ２の一端８２２の付近等に残留する残留エネルギーを低減することができる。これにより、放電終了後、すなわち、異常タイミングにて、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて再び放電が起こることを抑制できる。

上記の実施形態および第１変形例では、充電制御において、２次コイルＬ２の一端８２２に掛かる電圧は正の値となり、２次コイルＬ２の他端８２１に掛かる電圧は負の値となるように構成されていた。また、放電制御において、２次コイルＬ２の一端８２２に、マイナス数千Ｖ～数万Ｖに及ぶ負の高電圧が誘起されるように構成されていた。しかしながら、１次コイルＬ１における１次導線８１の巻回の方向や、２次コイルＬ２における２次導線８２の巻回の方向を変更することによって、２次コイルＬ２の両端８２１，８２２に現れる電圧値の正負が逆になるようにしてもよい。この場合、第１接続線１２２または第２接続線１２１に介挿される制限ダイオード１１４の順方向と逆方向とを、逆にすればよい。

上記の実施形態および第１変形例では、制限ダイオード１１４のカソード側や、２次コイルＬ２の他端８２１は、電源装置１０２のプラス側に接続されていた。しかしながら、図５の第２変形例および図６の第３変形例に示すように、制限ダイオード１１４のカソード側や、２次コイルＬ２の他端８２１は、接地点（グランド）に接続されてもよい。すなわち、制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の他端８２１と接地点（グランド）とを直接的または間接的に接続する第１接続線１２２において介挿され、２次コイルＬ２の一端８２２から他端８２１へ向かう方向において順方向となる、ツェナーダイオードまたはアバランシェダイオードであってもよい。

図５および図６に示すように、第２変形例および第３変形例において、まず、充電制御として、１次コイルＬ１に１次電流を流して充電すると（ＯＮ時）、２次コイルＬ２の両端８２１，８２２において、相互誘導作用により、電位差、すなわち、ＯＮ時電圧（例えば、９６０Ｖ）が生じる。また、２次コイルＬ２の一端８２２に掛かる電圧の最大値は正の値（例えば、プラス４８０Ｖ程度）となり、２次コイルＬ２の他端８２１に掛かる電圧の最小値は負の値（例えば、マイナス４８０Ｖ程度）となる。ここで、第２変形例では、第１接続線１２２において、制限ダイオード１１４が介挿されている。また、第３変形例では、第２接続線１２１において、制限ダイオード１１４が介挿されている。制限ダイオード１１４は、２次コイルＬ２の一端８２２から他端８２１へ向かう方向において、順方向となる。このため、電流が、２次コイルＬ２の一端８２２から他端８２１へ向かい、さらに接地点（グランド）へ流れることによって、ＯＮ時電圧が低減される。この結果、点火プラグ１１３において、ＯＮ時、すなわち、異常タイミングにて、放電が起こることを抑制できる。

また、放電終了後に、電流が、接地点（グランド）の側から、制限ダイオード１１４における逆方向に、２次コイルＬ２の一端８２２や点火プラグ１１３の中心電極１４１の付近へ流れることによって、点火プラグ１１３の中心電極１４１の付近、第２接続線１２１、または２次コイルＬ２の一端８２２の付近等に残留する残留エネルギーを低減することができる。これにより、放電終了後、すなわち、異常タイミングにて、点火プラグ１１３のギャップｄにおいて再び放電が起こることを抑制できる。

本発明の点火装置は、自動車等の車両のみならず、発電機等の様々な装置や産業機械に搭載されて、内燃機関の点火プラグに電気火花を発生させて燃料を点火させるために使用されるものであればよい。

上記の点火装置の細部の形状や構造は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変更してもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

１ 点火装置
６０ 鉄心
７０ スイッチング素子
８１ １次導線
８２ ２次導線
１０２ 電源装置
１０３ 点火コイル
１０４ イグナイタ
１０５ ＥＣＵ
１１３ 点火プラグ
１１４ 制限ダイオード
１２１ 第２接続線
１２２ 第１接続線
１５０ 電源線
８１１ １次コイルの一端
８１２ １次コイルの他端
８２１ ２次コイルの他端
８２２ ２次コイルの一端
Ｃｓ 浮遊容量
７１ 駆動ＩＣ（制御部）
Ｌ１ １次コイル
Ｌ２ ２次コイル
Ｒｖ 残留電圧値
ｄ （点火プラグの）ギャップ

Claims (8)

1. 少なくとも水素を含む燃料を用いた内燃機関用の点火装置であって、
   １次コイルと２次コイルとが互いに電磁結合されることによって形成された点火コイルと、
   前記１次コイルの一端へ電源線を介して直流電圧を印加する電源装置と、
   前記１次コイルの他端と接地点との間に介挿され、前記電源装置から前記１次コイルへ流れる１次電流の通電または遮断を切り替え可能なスイッチング素子と、
   前記２次コイルの一端に誘起される高電圧に基づいてギャップにおいて放電することによって前記燃料に点火する点火プラグと、
   前記２次コイルの他端と前記電源装置または接地点とを直接的または間接的に接続する第１接続線、または前記２次コイルの一端と前記点火プラグとを接続する第２接続線において、介挿され、前記２次コイルの一端から他端へ向かう方向において順方向となる、ツェナーダイオードまたはアバランシェダイオードである制限ダイオードと、
   を有し、
   前記制限ダイオードの降伏電圧は、前記電源装置により前記１次コイルの一端へ印加される直流電圧の電圧値に、前記１次コイルの巻き数に対する前記２次コイルの巻き数の比率を、掛けることによって得られる、ＯＮ時電圧の最大値よりも大きい、点火装置。
2. 請求項１に記載の点火装置であって、
   前記スイッチング素子の切り替えを制御する制御部
   をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記スイッチング素子を閉状態にすることによって、前記１次コイルに１次電流を流して充電する充電制御と、
   前記充電制御を行った後、前記スイッチング素子を開状態に切り替えて、前記２次コイルの一端に高電圧を誘起させることによって、前記点火プラグの前記ギャップにおいて放電させる放電制御と、
   を行う、点火装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の点火装置であって、
   前記降伏電圧は、１ｋＶ以上である、点火装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の点火装置であって、
   前記２次コイルの一端から前記点火プラグまでの間に形成される浮遊容量
   を有する、点火装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の点火装置であって、
   前記降伏電圧は、前記点火プラグの前記ギャップにおける絶縁破壊電圧よりも小さい、点火装置。
6. 請求項５に記載の点火装置であって、
   前記降伏電圧は、２ｋＶ以下である、点火装置。
7. 請求項１または請求項２に記載の点火装置であって、
   前記制限ダイオードは、前記第１接続線において介挿される、点火装置。
8. 請求項１または請求項２に記載の点火装置であって、
   前記制限ダイオードは、前記第２接続線において介挿される、点火装置。

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