JP4975132B2 - 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、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エンジンにダメージを与える。またエネルギが大きいため、その点火装置を常時動作させると、点火プラグの消耗が早く、消費電力も大きくなるという不都合がある。この不都合を解消する手段として、特許文献１に示すように、プラズマ式点火装置の点火プラグに与えるエネルギ(プラズマ電流値および放電時間)を内燃機関の運転条件に応じて制御するものがある。
特開平６−６６２３６号公報
前記のようなプラズマ点火装置は、点火プラグの中心電極がバッテリなどの電源系とショート状態になった場合、点火装置内の整流用ダイオード等の電子部品が過電流により破壊されるという問題がある。
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、
直流電源に接続され、直流電圧を出力するDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータの出力電圧を所定値に制限する電圧制限回路と、前記DC/DCコンバータの出力側に接続され、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充電するPJ用コンデンサと、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、内燃機関の運転条件に応じて前記PJ用コンデンサの充電期間を制御するようにオン・オフ制御される高耐圧スイッチとを備え、前記高耐圧スイッチは、一端を前記DC/DCコンバータの出力側に整流用ダイオードを介して接続されたタンク用コンデンサに接続され、他端を電流制限抵抗を介して前記PJ用コンデンサに接続されると共に、前記点火信号が供給されている期間ではオン、前記点火信号が供給されていない期間ではオフされるものである。
本発明のプラズマ点火装置によれば、点火プラグがバッテリなどの電源系とショート状態になった場合でも点火装置内の電子部品の破壊を防止することが出来ると共に
、プラズマジェットの誤噴射による内燃機関へのダメージ、点火プラグの消耗、消費電力を軽減することが出来る。
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１の変形例としての概略構成を示す回路図である。 実施の形態１の変形例としての概略構成を示す回路図である。 実施の形態１の変形例としての概略構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２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4、タンク用コンデンサ5、IGBT等の高耐圧スイッチ6、ドライブ回路7、電流制限抵抗8、PJ用コンデンサ9、インダクタ10、高圧用ダイオード11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4のカソード側と接続されている。整流用ダイオード4のアノード側は、電圧制限回路3とタンク用コンデンサ5の高圧側と高耐圧スイッチ6のエミッタとに接続されている。タンク用コンデンサ5の他端は接地されている。高耐圧スイッチ6のゲートはドライブ回路7と、コレクタは電流制限抵抗8と接続されている。ドライブ回路7の他端はＥＣＵ40と接続されている。電流制限抵抗8の他端はPJ用コンデンサ9の高圧側とインダクタ10と接続されている。PJ用コンデンサ9の他端は接地されている。インダクタ10の他端は高圧用ダイオード11のカソード側と、高圧用ダイオード11のアノード側は点火プラグ20と接続されている。
DC/DCコンバータ2、タンク用コンデンサ5、電流制限抵抗8の機能はPJ用コンデンサ9を充電することである。このためタンク用コンデンサ5の容量値をPJ用コンデンサ9の容量値に対し高く設定する。
高耐圧スイッチ6は、ＥＣＵ40から点火信号Igtと同期して出力される制御指令信号Sv1に応じてオン・オフ(ON/OFF)制御され、制御指令信号Sv1としてハイ(High)の電圧信号がドライブ回路7を介しゲートに供給されることでオン状態となり、前記の通りDC/DCコンバータ2、タンク用コンデンサ5、電流制限抵抗8によりPJ用コンデンサ9を充電する。これによりＥＣＵ40からハイの電圧信号Sv1が供給されているタイミングのみ、PJ用コンデンサ9が充電されるため、PJ用コンデンサ9が充電されている期間を限定することが可能となる。
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が供給されると、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、タンク用コンデンサ5を充電する。
時点t2において、タンク用コンデンサ5の充電電圧VC2が電圧制限回路3の設定電圧VC2maxに到達するとDC/DCコンバータ2の動作を停止させる。
時点t3(例えば点火信号Igtの立上がり時)において、ＥＣＵ40からハイの制御指令信号Sv1が供給されると、高耐圧スイッチ6がオン状態となりタンク用コンデンサ5からPJ用コンデンサ9へ充電が開始され、時点t4(例えば点火信号Igtの立下がり時)において、制御指令信号Sv1がロー(Low)に切替ると高耐圧スイッチ6がオフ状態となり充電を停止する。
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9に充電された電荷が抜け充電電圧VC1が0Vになる。以後、時点t6〜t8においてこの動作を繰り返す。
その後、時点t9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9は電荷が充電されていないため点火プラグ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がバッテリ電源1とショートした場合、高耐圧スイッチ6がオン状態では電流制限抵抗8とインダクタ10がDC/DCコンバータ2側へ流れる電流を抑制し、高耐圧スイッチ6がオフ状態ではインダクタ10がPJ用コンデンサ9とダイオード11へ流れる電流を抑制し、プラズマ電源回路100内の整流用ダイオード4等の電子部品の破壊を軽減する。
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11、整流用ダイオード34を配置した例を示したが、点火プラグの中心電極が陽極となる方向に、高圧用ダイオード11、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Igtに基づいて点火プラグ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、直流電源1に接続され、直流電圧を出力するDC/DCコンバータ2と、DC/DCコンバータ2の出力電圧を所定値に制限する電圧制限回路3と、DC/DCコンバータ2の出力側に接続され、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充電するPJ用コンデンサ9と、PJ用コンデンサ9とDC/DCコンバータ2との間に接続され、内燃機関の運転条件に応じてPJ用コンデンサ9の充電期間を制御するようにオン・オフ制御される高耐圧スイッチ6とを備えたもので、これにより点火プラグがバッテリなどの電源系とショート状態になった場合でも点火装置内の電子部品の破壊を防止することが出来ると共に、プラズマジェットの誤噴射によるエンジンへのダメージ、点火プラグの消耗、消費電力を軽減することが出来る。
なお、図３〜５は、それぞれ実施の形態１の変形例としての概略構成を示す回路図である。
例えば、図３に示すように、プラズマ電源回路100内にそれぞれ２セットの高耐圧スイッチ6,6’、ドライブ回路7,7’、電流制限抵抗8,8’、PJ用コンデンサ9,9’、インダクタ10,10’、高圧用ダイオード11,11’を配置し、PJ用コンデンサ9の容量値＞PJ用コンデンサ9’の容量値とすると共に、ＥＣＵ40から供給される制御指令信号Sv1、Sv1’を選択式(片方を供給、もしくは両方を同時に供給)とすることでプラズマエネルギを可変とすることが出来る。
また、図４に示すように、プラズマ電源回路100内にそれぞれ２セットのDC/DCコンバータ2,2’、電圧制限回路3,3’、整流用ダイオード4,4’、タンク用コンデンサ5,5’、高耐圧スイッチ6,6’、ドライブ回路7,7’を配置し、電圧制限回路3の制限電圧VC2＞電圧制限回路3’の制限電圧VC2’とすると共に、ＥＣＵ40から供給される制御指令信号Sv1、Sv1’を選択式(どちらか片方を供給)とすることでプラズマエネルギを可変とすることが出来る。
更に、図５に示すように、プラズマ電源回路100内にそれぞれ２セットのDC/DCコンバータ2,2’、電圧制限回路3,3’、整流用ダイオード4,4’、タンク用コンデンサ5,5’、高耐圧スイッチ6,6’、ドライブ回路7,7’、電流制限抵抗8,8’,PJ用コンデンサ9,9’、インダクタ10,10’、高圧用ダイオード11,11’を配置し、PJ用コンデンサ9の容量値＞PJ用コンデンサ9’、電圧制限回路3の制限電圧VC2＞電圧制限回路3’の制限電圧VC2´とすると共に、ＥＣＵ40から供給される制御指令信号Sv1、Sv1’を選択式(片方を供給もしくは両方を同時に供給)とすることでプラズマエネルギを可変とすることが出来る。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係わるプラズマ式点火装置の概略構成を図６に示す。
この実施の形態２によるプラズマ式点火装置は、実施の形態１のプラズマ式点火装置に対し、プラズマ電源回路100内の高耐圧スイッチ6の搭載位置をタンク用コンデンサ5と電流制限抵抗8の間からPJ用コンデンサ9とインダクタ10の間に変更したものである。その他の構成については、実施の形態１と同様のため説明を省略する。
図7にこの実施の形態２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が供給されると、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、タンク用コンデンサ5、PJ用コンデンサ9を充電する。
時点t2において、タンク用コンデンサ5の充電電圧VC2が電圧制限回路3の設定電圧VC2maxに到達するとDC/DCコンバータ２の動作を停止させる。
時点t3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、放電開始により点火プラグ20の中心電極−接地電極間の放電空間のインピーダンスが低下する。その後、前記放電空間にプラズマ電流PJ-I1を流したいタイミングつまりプラズマジェットを噴射させたいタイミング時点t4でＥＣＵ40からハイの制御指令信号Sv1が供給されると、高耐圧スイッチ6がオン状態となり、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9に充電された電荷が抜け充電電圧VC1が0Vになる。時点t5において、制御指令信号Sv1がローに切替ると高耐圧スイッチ6がオフ状態となり、PJ用コンデンサ9とインダクタ10は電気的に分離される。また、時点t4において、タンク用コンデンサ5の充電電圧VC2が電圧制限回路3の設定電圧VC2max以下となりDC/DCコンバータ２の動作が開始し、タンク用コンデンサ5、PJ用コンデンサ9を充電する。以後、時点t6〜t8においてこの動作を繰り返す。
尚、PJ用コンデンサ9の充電電圧VC1を点火回路30の放電維持電圧V2Aよりも絶対値として小さく設定する（｜V2A−VC1｜＞高圧用ダイオード11のVf：順方向降下電圧に設定する）。
その後、時点t9において外的変動により点火プラグ20が誤点火するが、高耐圧スイッチ6はオフ状態のため点火プラグ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がバッテリ電源1とショートした場合、高耐圧スイッチ6がオン状態では電流制限抵抗8とインダクタ10がDC/DCコンバータ2側へ流れる電流を抑制し電子部品の破壊を軽減し、高耐圧スイッチ6がオフ状態ではでDC/DCコンバータ２側へ電流が流れる経路がないため電子部品を破壊することはない。
この実施の形態２によれば、PJ用コンデンサ9と点火プラグ20との間に接続され、内燃機関の運転条件に対応した制御指令信号Sv1によりPJ用コンデンサ9から点火プラグ20にプラズマ電流を供給するようにオン・オフ制御される高耐圧スイッチ6とを備えたことにより、点火プラグがバッテリなどの電源系とショート状態になった場合でも点火装置内の電子部品を破壊することなく、プラズマジェットの誤噴射によるエンジンへのダメージ、点火プラグの消耗、消費電力を軽減するとともに、最も燃焼に効果のあるポイントでプラズマジェットの噴射を行なうことが出来る。
1 バッテリ電源
2,2’ DC/DCコンバータ
3,3’ 電圧制限回路
4,4’ 整流用ダイオード
5,5’ タンク用コンデンサ
6,6’ 高耐圧スイッチ
7,7’ ドライブ回路
8,8’ 電流制限抵抗
9,9’ PJ用コンデンサ
10,10’ インダクタ
11,11’ 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
32 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

Claims (4)

  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、
    直流電源に接続され、直流電圧を出力するDC/DCコンバータと、
    前記DC/DCコンバータの出力電圧を所定値に制限する電圧制限回路と、
    前記DC/DCコンバータの出力側に接続され、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充電するPJ用コンデンサと、
    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、内燃機関の運転条件に応
    じて前記PJ用コンデンサの充電期間を制御するようにオン・オフ制御される高耐圧スイッ
    チとを備え、
    前記高耐圧スイッチは、一端を前記DC/DCコンバータの出力側に整流用ダイオードを介し
    て接続されたタンク用コンデンサに接続され、他端を電流制限抵抗を介して前記PJ用コン
    デンサに接続されると共に、前記点火信号が供給されている期間ではオン、前記点火信号
    が供給されていない期間ではオフされる
    ことを特徴とするプラズマ式点火装置。
  2. 前記プラズマ電源回路は、前記DC/DCコンバータに対して、前記PJ用コンデンサ及び前
    記高耐圧スイッチを２セット並列に配置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. 前記プラズマ電源回路は、前記PJ用コンデンサに対して、前記前記DC/DCコンバータ、
    電圧制限回路及び前記高耐圧スイッチを２セット並列に配置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。
  4. 前記プラズマ電源回路は、前記点火プラグに対して、前記前記DC/DCコンバータ、電圧
    制限回路、前記PJ用コンデンサ、前記高耐圧スイッチ、及び前記PJ用コンデンサを２セット並列に配置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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