JP4912484B2 - プラズマ式点火装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるプラズマ式点火装置に関するものである。
圧縮混合気中にプラズマジェットを噴出する内燃機関のプラズマ式点火装置では、大きな点火エネルギを圧縮混合気に与えることができ着火性を向上できるが、PJ（プラズマジェット）用コンデンサの充電電圧が過小である場合等においては、点火プラグの火花放電は生じるがそれに続くプラズマ放電が生じないといった、いわゆるプラズマ抜けが生じうる。また、PJ用コンデンサの充電電圧を大きくすると、プラズマ抜けが抑制できる反面、プラズマ放電時において点火プラグに流れる電流が大きくなり、プラグ寿命が短くなるという不都合が生じる。この不都合を解決する手段として、特許文献１に示すように、点火プラグの火花放電をトリガとするプラズマ放電の開始後にPJ用コンデンサの充電電圧を高電圧から低電圧に切り替えるものがある。
特開２００９−２５７１１２号公報
前記のようなプラズマ式点火装置は、PJ用コンデンサの充電電圧が高電圧時および低電圧時ともに点火コイルの放電電圧に対し絶対値として高い設定電圧のため、点火プラグが外的変動などにより誤点火をした場合プラズマジェットを誤噴射し内燃機関にダメージを与える。また、内燃機関の燃焼室内が負圧状態となった場合、点火プラグの要求電圧が低下しPJ用コンデンサの充電電圧により誤点火を引き起こすという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑み、ロバスト性、すなわち不確定な外的変動に対する頑健性を増大し機能を向上したプラズマ式点火装置を提供することを目的とするものである。
本発明は、プラズマ放電式の点火プラグと、点火信号に基づいて前記点火プラグに放電電圧を供給する点火コイルと、前記点火プラグに並列に接続され、前記点火プラグの放電開始時に前記点火プラグの放電空間にプラズマを発生させるための電気エネルギを供給するプラズマ電源回路を備えたプラズマ式点火装置において、前記プラズマ電源回路は、前記点火プラグに並列に接続され、前記点火プラグの放電開始時に放電して前記点火プラ
グの放電空間に前記プラズマを発生させるための電気エネルギを供給するPJ用コンデンサと、直流電源に接続され、前記PJ用コンデンサを充電するための直流電圧を出力するDC/DCコンバータと、前記PJ用コンデンサと前記DC/DCコンバータとの間に接続され、前記点火コイルの放電電圧に比して絶対値が低い第１の設定電圧と前記点火コイルの放電電圧に比して絶対値が高い第２の設定電圧を有し、内燃機関の運転条件に応じて前記DC/DCコンバータの出力電圧を前記第１の設定電圧または前記第２の設定電圧に選択的に制限する電圧制限回路を備えたものである。
本発明のプラズマ式点火装置によれば、点火プラグが外的変動などにより誤点火をした場合プラズマジェットを誤噴射し内燃機関にダメージを与えることを防止することが出来る。また、内燃機関の燃焼室内が負圧状態となり点火プラグの要求電圧が低下した場合でもPJ用コンデンサの充電電圧による誤点火を防止することが出来る。
本発明の実施の形態１に係わるプラズマ式点火装置の概略構成を示す回路図である。 実施の形態１における各動作点でのタイミングチャートである。 実施の形態２における各動作点でのタイミングチャートである。 実施の形態３に係わるプラズマ式点火装置の概略構成を示す回路図である。 実施の形態３における各動作点でのタイミングチャートである。
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係わるプラズマ式点火装置の概略構成を図１に示す。
この実施の形態１のプラズマ式点火装置は、点火プラグ20と、この点火プラグ20の放電空間に放電を発生させるため、ＥＣＵ40からの点火信号Igtに基づき高電圧を発生させる点火回路30と、点火プラグ20の放電開始によりインピーダンスの低下した放電空間に電気エネルギを与えてプラズマを噴出するためプラズマ電流PJ-I1を発生させるプラズマ電源回路100によって構成される。点火回路30とプラズマ電源回路100は点火プラグ20に対し互いに並列に接続される。
点火回路30は、点火コイル31と、点火コイル31の１次コイルに接続されたIGBT等のスイッチング素子32と、このスイッチング素子32をＥＣＵ40からの点火信号Igtに応じて動作させるドライブ回路33と、点火コイル31の２次コイルと点火プラグ20との間に接続された整流用ダイオード34とで構成されている。
そして、この点火回路は、ＥＣＵ40からの点火信号Igtに応じてドライブ回路33を介してスイッチング素子32を駆動し、点火コイル31の１次コイル電流I1をスイッチングすることにより、整流用ダイオード34を介して点火プラグ20に放電電圧を印加する。
本発明の特徴とするプラズマ電源回路100は、DC/DCコンバータ2、電圧制限回路3、整流用ダイオード5、PJ用コンデンサ6、インダクタ7、高圧用ダイオード8により構成される。
DC/DCコンバータ2は、入力側をバッテリ電源1に接続され、出力側を整流用ダイオード5のカソード側と接続されている。整流用ダイオード5のアノード側は、電圧制限回路3の入力端子3aとPJ用コンデンサ6の高圧側とインダクタ7とに接続されている。PJ用コンデンサ6の他端は接地され、インダクタ7の他端は高圧用ダイオード8のカソード側と接続され、高圧用ダイオード8のアノード側は点火プラグ20と接続されている。
ここで、電圧制限回路3の第１の設定電圧VCL1を点火コイル31の放電電圧V2Aに対し絶対値として低く、第2の設定電圧VCL2を点火コイル31の放電電圧V2Aに対し絶対値として高く設定する。
ＥＣＵ40から内燃機関の運転条件に対応して制御指令信号SV1としてロー(Low)の電圧信号が前記電圧制限回路3の入力端子3cに入力されている期間では、前記電圧制限回路3内のトランジスタ304はOFF状態であり、比較器309はPJ用コンデンサ6の充電電圧VC1が抵抗301、302、307、308とツェナーダイオード303により検出された検出電圧Vdと基準電圧Vth1を比較する。前記比較器309は前記検出電圧Vdが前記基準電圧Vth1未満になる、つまりPJ用コンデンサ6の充電電圧VC1が第１の設定電圧VCL1になると前記電圧制限回路3の出力端子3bから前記DC/DCコンバータ2にHighレベルの電圧検出信号が供給される。これにより、前記DC/DCコンバータ２の動作を停止させる。
また、ＥＣＵ40から制御指令信号SV1としてハイ(High)の電圧信号が前記電圧制限回路3の入力端子3cにが入力されている期間では、前記電圧制限回路3内のトランジスタ304はON状態であり、比較器309はPJ用コンデンサ6の充電電圧VC1が抵抗301、302、306、307、308とツェナーダイオード303により検出された検出電圧Vdと基準電圧Vth1を比較する。前記比較器309は前記検出電圧Vdが前記基準電圧Vth1未満になる、つまりPJ用コンデンサ6の充電電圧VC1が第2の設定電圧VCL2になると前記電圧制限回路3の出力端子3bから前記DC/DCコンバータ2にHighレベルの電圧検出信号が供給される。これにより、前記DC/DCコンバータ２の動作を停止させる。
図２にこの実施の形態１の各部波形についてのタイミングチャートを示す。
時点t1において、バッテリ電源1が投入されると、プラズマ電源回路100内のDC/DCコンバータ2が動作を開始し、PJ用コンデンサ6を充電する。この際、ＥＣＵ40から内燃機関の運転条件に対応してローの制御指令信号SV1が出力され、前記の通りプラズマ電源回路100の設定電圧は電圧制限回路3の第１の設定電圧VCL1となる。
時点t2において、PJ用コンデンサ6の充電電圧VC1が電圧制限回路3の第１の設定電圧VCL1に到達すると、DC/DCコンバータ2の動作が停止される。
時点t3(例えば点火信号Igtの立上がりの数ミリ秒前に設定する)において、ＥＣＵ40から内燃機関の運転条件に対応してハイの制御指令信号SV1が出力されると、前記の通りプラズマ電源回路100の設定電圧は電圧制限回路3の第２の設定電圧VCL2となる。
これによりDC/DCコンバータ２の動作が再開し、時点t4(例えば点火信号Igtの立下がりと同時と設定する)において、PJ用コンデンサ6の充電電圧VC1が電圧制限回路3の第２の設定電圧VCL2に到達すると、DC/DCコンバータ２の動作が停止される。また、時点t4においてＥＣＵ40から内燃機関の運転条件に対応してローの制御指令信号SV1が出力され、前記の通りプラズマ電源回路100の設定電圧は電圧制限回路3の第１の設定電圧VCL1となる。
ただし、時点t4においてPJ用コンデンサ6の充電電圧｜VC1｜＞｜VCL1｜のため、DC/DCコンバータ2の動作は停止した状態である。
時点t5において、点火プラグ20に高電圧V2が印加され絶縁破壊を起し、放電開始によりインピーダンスの低下した放電空間にプラズマ電源回路100から電気エネルギが与えられプラズマを噴出するためにプラズマ電流PJ-I1が流れる。プラズマ電流PJ-I1が流れることでPJ用コンデンサ6に充電された電荷が抜け充電電圧VC1が0Vになる。これにより、PJ用コンデンサ6の充電電圧｜VC1｜＜｜VCL1｜となり、DC/DCコンバータ2の動作が再開する。以後、時点t6〜ｔ10まで同様の動作を繰り返す。
その後、時点t11において外的変動により点火プラグ20が誤点火するが、PJ用コンデンサ6の充電電圧VC1(＝VCL1)＜V2A(点火コイル31の放電電圧)のため、高圧用ダイオード8はブレークすることなく点火プラグ20にプラズマ電流PJ-I1が流れることはない。
また、点火プラグ20が負圧状態になり要求電圧が低くなったとしても、ＥＣＵ40からローの制御指令信号SV1が出力されている期間では、PJ用コンデンサ6の充電電圧VC1＝VCL1であるため誤点火を起すことはない。
尚、図１には点火プラグ20の中心電極が陰極となる方向に高圧用ダイオード8、整流用ダイオード34を配置した例を示したが、点火プラグ20の中心電極が陽極となる方向に高圧用ダイオード8、整流用ダイオード34を配置した構成としてもよい。
以上のように本発明は、プラズマ放電式の点火プラグ20と、点火信号に基づいて点火プラグ20に放電電圧を供給する点火コイル31と、点火プラグ20に並列に接続され、点火プラグ20の放電開始時に点火プラグ20の放電空間にプラズマを発生させるための電気エネルギを供給するプラズマ電源回路100を備えたプラズマ式点火装置において、プラズマ電源回路100は、点火プラグ20に並列に接続され、点火プラグ20の放電開始時に放電して点火プラグ20の放電空間にプラズマを発生させるための電気エネルギを供給するPJ用コンデンサ6と、直流電源1に接続され、PJ用コンデンサ6を充電するための直流電圧を出力するDC/DCコンバータ2と、点火コイル31の放電電圧に比して絶対値が低い第１の設定電圧VCL1と点火コイル31の放電電圧に比して絶対値が高い第２の設定電圧VCL2を有する電圧制限回路3を備え、内燃機関の運転条件に応じて前記第１の設定電圧VCL1と前記第２の設定電圧VCL2を選択的に切り換えるようにしたもので、これにより点火プラグ20が外的変動などにより誤点火をした場合でもプラズマジェットの誤噴射を防止し、内燃機関へのダメージを防止することが出来ると共に、内燃機関の燃焼室内が負圧状態となり点火プラグ20の要求電圧が低下した場合でも、PJ用コンデンサ6の充電電圧VC1による誤点火を防止することが出来る。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２によるプラズマ点火式装置は、実施の形態１の構成において、図３に示すようにＥＣＵ40から出力される制御指令信号SV1を点火信号Igtと同期させたことを特徴としたものであり、動作原理については実施の形態１と同様であり説明を省略する。
この実施の形態２によれば、点火信号Igtが供給されていない期間では、電圧制限回路3の第１の設定電圧VCL1を選択し、点火信号Igtが供給されている期間では、第２の設定電圧VCL2を選択するようにしたことにより、点火プラグ20が外的変動などにより誤点火をした場合でもプラズマジェットの誤噴射を確実に防止し、内燃機関へのダメージを防止することが出来る。また、内燃機関の燃焼室内が負圧状態となり点火プラグ20の要求電圧が低下した場合でも、PJ用コンデンサ6の充電電圧VC1による誤点火を確実に防止することが出来る。
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係わるプラズマ式点火装置の概略構成を図４に示す。
この実施の形態３によるプラズマ式点火装置は、実施の形態１の構成においてクランク角センサ50をＥＣＵ40と接続し、内燃機関の吸気工程(CA：0〜180°)、圧縮工程(CA：180〜360°)、燃焼行程(CA：360〜540°)、排気工程(CA：540〜720°)とした時、クランク角センサ50からＥＣＵ40に供給されるクランク角信号SV2に基づき、圧縮工程(CA：180〜360°)の期間のみ、ＥＣＵ40がハイの制御指令信号SV1を出力するようにしたもので、そのタイミングチャートを図５に示す。動作原理については実施の形態１と同様であり説明を省略する。
この実施の形態３によれば、内燃機関の圧縮工程の期間のみ、電圧制限回路3の第２の設定電圧VCL2を選択することにより、点火プラグ20が外的変動などにより誤点火をした場合でもプラズマジェットの誤噴射を確実に防止し、内燃機関へのダメージを防止することが出来る。また、内燃機関の燃焼室内が負圧状態となり点火プラグ20の要求電圧が低下した場合でも、PJ用コンデンサ6の充電電圧VC1による誤点火を確実に防止することが出来る。
1 バッテリ電源
2 DC/DCコンバータ
3 電圧制限回路
5 整流用ダイオード
6 PJ用コンデンサ
7 インダクタ
8 高圧用ダイオード
100 プラズマ電源回路
20 点火プラグ
30 点火回路
31 点火コイル
・ スイッチング素子
33 ドライブ回路
34 整流用ダイオード
40 ＥＣＵ
50 クランク角センサ

Claims (3)

  1. プラズマ放電式の点火プラグと、点火信号に基づいて前記点火プラグに放電電圧を供給
    する点火コイルと、前記点火プラグに並列に接続され、前記点火プラグの放電開始時に前
    記点火プラグの放電空間にプラズマを発生させるための電気エネルギを供給するプラズマ
    電源回路を備えたプラズマ式点火装置において、
    前記プラズマ電源回路は、
    前記点火プラグに並列に接続され、前記点火プラグの放電開始時に放電して前記点火プラ
    グの放電空間に前記プラズマを発生させるための電気エネルギを供給するPJ用コンデンサと、
    直流電源に接続され、前記PJ用コンデンサを充電するための直流電圧を出力するDC/DCコンバータと、
    前記PJ用コンデンサと前記DC/DCコンバータとの間に接続され、前記点火コイルの放電電圧に比して絶対値が低い第１の設定電圧と前記点火コイルの放電電圧に比して絶対値が高い第２の設定電圧を有し、内燃機関の運転条件に応じて前記DC/DCコンバータの出力電圧を前記第１の設定電圧または前記第２の設定電圧に選択的に制限する電圧制限回路を備えたことを特徴とするプラズマ式点火装置。
  2. 前記点火信号が供給されていない期間では、前記第１の設定電圧を選択し、前記点火信
    号が供給されている期間では、前記第２の設定電圧を選択するようにしたことを特徴とす
    る請求項１記載のプラズマ式点火装置。
  3. 前記内燃機関の圧縮工程の期間のみ、前記第２の設定電圧を選択するようにしたことを
    特徴とする請求項１記載のプラズマ式点火装置。
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