JP5255682B2

JP5255682B2 - 点火装置

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Publication number: JP5255682B2
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Inventors: 公彦棚谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2013-08-07
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Description

この発明は、主として車両に用いられる内燃機関の点火を制御する点火装置に関するものである。

近年、環境保全、可燃混合気枯渇の問題が提起されており、自動車業界に於いてもこれらへの対応が急務となっている。この対応の一例として、成層混合気を利用した内燃機関の超希薄燃焼（成層リーン燃焼と称することもある）運転がある。しかし、成層リーン燃焼においては、可燃混合気の分布がバラツク場合あり、従ってこのバラツキを吸収できる点火装置が要求されている。そこで、成層リーン燃焼に於いて可燃混合気の分布のバラツキを少なくするため、特許文献１及び特許文献２に記載された点火装置が提案されている。

特許文献１に記載された従来の点火装置は、容量放電方式を用いて点火プラグの電極間で絶縁破壊を発生させ、容量放電方式による電極間の絶縁破壊の後に、誘導放電方式により点火プラグの電極間に交流の火花放電を連続して発生させるようにしている。その誘導放電方式は、予めエネルギーを蓄積したコイルから点火コイル装置の１次コイルへエネルギーを断続的に供給することにより、点火プラグの電極間に交流の火花放電を連続して発生させる放電方式である。このように構成された従来の点火装置によれば、長期間、火花放電を継続することができるので、時間的な着火機会を多く持つことができ、従って、可燃混合気の分布のバラツキを吸収することができるとされる。

また、特許文献２に記載された従来の点火装置は、燃焼室内に火花放電を発生させる点火プラグと、この点火プラグに発生した火花放電にエネルギーを供給するマイクロ波発生装置とを備えている。この従来の点火装置によれば、より大きな放電プラズマを形成することができるので、空間的な着火機会を多く持つことができ、従って、可燃混合気の分布のバラツキを吸収することができるとされる。

特許第４４９７０２７号公報特開２０１０−９６１２８号公報

特許文献１に示された従来の点火装置によれば、長期間放電を実現することで、確かに時間的な着火の機会は増加し、失火防止の面では効果が見られるが、着火タイミング面でのバラツキは抑えることができず、出力の向上、発生トルクのバラツキの改善、ドライバビリティの向上、等の面での課題が残る。これ等の課題を解決するためには、空間的な着火の機会を更に増やすことが必要となる。また、特許文献１に示された従来の装置は、交流放電を行なう点で放電プラズマを大きくできる可能性があるが、エネルギー蓄積コイルにエネルギーを貯めるには一定の時間を要するため、短時間での交流放電を行なうことが困難であり、かつ大きなエネルギーを供給するには飛躍的にエネルギー蓄積コイルのサイズを大きくする必要があり、発熱が大きくなる等の課題がある。

一方、特許文献２に示された従来の装置は、大きな放電プラズマを形成することができる点で、失火防止や、発生トルクのバラツキを抑えることが可能ではあるが、点火プラグ
とは別にマイクロ波を投入する経路が必要になる点で既存の内燃機関への適用が困難である。又、内燃機関の燃焼室内は、ピストンが往復運動をしているので大きな圧力変化が繰り返して発生し、更に、放電及び燃焼によるプラズマが生成と消滅を繰り返しており、非常に不安定な状態にあるが、このような不安定な状態にある内燃機関の焼室内に、マイクロ波のような周波数の高いエネルギーを安定供給するのは、インピーダンス整合等の面で、技術的に困難であり、製品個々のマッチング面で非常に難しいといわねばならない。

この発明は、従来の点火装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたものであり、可燃混合気の成層リーン燃焼等の燃焼を安定して発生させることができる点火装置を提供することを目的とするものである。

この発明による点火装置は、
間隙を介して対向する一対の電極を備え、前記一対の電極間に所定の高電圧が印加されたとき、前記間隙に火花放電を発生して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、
エネルギーを蓄積し、前記蓄積したエネルギーを開放することにより前記所定の高電圧を発生し、前記発生した所定の高電圧を前記電極間に印加する点火コイル装置と、
直流電源から共振コイルを介して充電され得る点火コンデンサと、前記点火コンデンサと接地電位との間に接続された第１のスイッチとを有し、前記点火コイル装置に前記点火コンデンサから前記エネルギーを供給し得るエネルギー供給装置と、
前記点火コイル装置と前記エネルギー供給装置との間に接続された第２のスイッチと、
前記第１のスイッチのスイッチング動作を制御する第１の制御信号と、前記第２のスイッチのスイッチング動作を制御する第２の制御信号とを出力する制御装置と、
前記第１のスイッチのスイッチング動作に同期して内部電圧を生成する駆動回路と、
を備え、
前記第１の制御信号は、前記第１のスイッチをオフからオンとする時刻と、前記第１のスイッチがオンを継続する時間とを制御し、
前記第２の制御信号は、前記第２のスイッチをオフからオンとする時刻と、前記第２のスイッチがオンを継続する時間を制御し、
前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とは、前記第１のスイッチがオンのときは前記第２のスイッチがオフとなり前記第１のスイッチがオフのときは前記第２のスイッチがオンとなるように、前記対応する夫々のスイッチのスイッチング動作を制御し、
前記エネルギー供給装置は、前記第１のスイッチがオンのとき、前記共振コイルと前記点火コンデンサとによる共振により前記点火コンデンサに前記直流電源の出力電圧値よりも絶対値が大きな電圧値に充電し、
前記第２のスイッチは、前記第２の制御信号に基づいて前記駆動回路の前記内部電圧が供給され又は遮断されることによりスイッチング動作を行ない、
前記点火コイル装置は、前記第２のスイッチがオンのとき、前記充電された前記点火コンデンサから前記エネルギーの供給を受けてそのエネルギーを蓄積し、前記第２のスイッチがオフのとき、前記蓄積したエネルギーを開放して前記高電圧を発生する、
ことを特徴とする。
又、この発明による点火装置は、
間隙を介して対向する一対の電極を備え、前記一対の電極間に所定の高電圧が印加されたとき、前記間隙に火花放電を発生して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、
エネルギーを蓄積し、前記蓄積したエネルギーを開放することにより前記所定の高電圧を発生し、前記発生した所定の高電圧を前記電極間に印加する点火コイル装置と、
直流電源から共振コイルを介して充電され得る点火コンデンサと、前記点火コンデンサと接地電位との間に接続された第１のスイッチとを有し、前記点火コイル装置に前記点火コンデンサから前記エネルギーを供給し得るエネルギー供給装置と、
前記点火コイル装置と前記エネルギー供給装置との間に接続された第２のスイッチと、
前記第１のスイッチのスイッチング動作を制御する第１の制御信号と、前記第２のスイッチのスイッチング動作を制御する第２の制御信号とを出力する制御装置と、
を備え、
前記第１の制御信号は、前記第１のスイッチをオフからオンとする時刻と、前記第１のスイッチがオンを継続する時間とを制御し、
前記第２の制御信号は、前記第２のスイッチをオフからオンとする時刻と、前記第２のスイッチがオンを継続する時間を制御し、
前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とは、前記第１のスイッチがオンのときは前記第２のスイッチがオフとなり前記第１のスイッチがオフのときは前記第２のスイッチがオンとなるように、前記対応する夫々のスイッチのスイッチング動作を制御し、
前記第１のスイッチは、起動時に前記オンを継続する時間を、その後に前記オンを継続する時間より長くなるように前記制御装置により制御され、
前記エネルギー供給装置は、前記第１のスイッチがオンのとき、前記共振コイルと前記点火コンデンサとによる共振により前記点火コンデンサに前記直流電源の出力電圧値よりも絶対値が大きな電圧値に充電し、
前記点火コイル装置は、前記第２のスイッチがオンのとき、前記充電された前記点火コンデンサから前記エネルギーの供給を受けてそのエネルギーを蓄積し、前記第２のスイッチがオフのとき、前記蓄積したエネルギーを開放して前記高電圧を発生する、
ことを特徴とする。

この発明による点火装置によれば、交流放電電流を早い周期で点火プラグの電極間に供給することができるので、簡単かつ容易に放電プラズマを形成し、成層リーン燃焼等の燃焼を安定して発生させることができるようになり、内燃機関の運転に利用する可燃混合気を飛躍的に削減することが可能となるので、ＣＯ２の排出量を大きく削減し、環境保全に寄与することができる。

この発明の実施の形態１による点火装置の構成図である。この発明の実施の形態１による点火装置の回路構成図である。この発明の実施の形態１による点火装置の動作を説明するタイミングチャートである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による点火装置について、図に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の実施の形態１による点火装置の構成図である。図１に於いて、車両等に搭載された内燃機関（図示せず）の点火装置１は、点火プラグ１０１と、点火コイル装置１０２と、エネルギー供給装置１０４と、制御装置１０３とにより構成されている。１０７は、内燃機関のグランドレベルの部位（以下、ＧＮＤ、と称する）である。

エネルギー供給装置１０４は、バッテリ１０６の出力電圧を昇圧して蓄える直流電源１１０と、直流電源１１０の出力電圧をさらに昇圧する共振コイル１１１と、共振コイル１１１により昇圧された電圧に基づいて充電される点火コンデンサ１１２と、前述の制御装置１０３により制御され、点火コンデンサ１１２の充電タイミングを制御する第１のスイッチ１１３とにより構成されている。

点火プラグ１０１は内燃機関（図示せず）に搭載されており、内燃機関の燃焼室内に供給された可燃混合気に着火するための放電プラズマを生成する。点火コイル装置１０２は、点火プラグ１０１の一対の電極間に、放電プラズマを生成するためのエネルギーとしての電圧および電流を供給する。

前述のエネルギー供給装置１０４は、点火コイル装置１０２が点火プラグ１０１へ供給するエネルギーを生成するために必要なエネルギーを、車両に搭載されたバッテリ１０６の出力に基づいて生成する。第２のスイッチ１０５は、制御装置１０３からの制御信号を受けてエネルギー供給装置１０４から点火コイル装置１０２へのエネルギーの供給を制御する。

次に、この発明の実施の形態１による点火装置１の具体的構成について説明する。図２は、この発明の実施の形態１による点火装置の回路構成図であり、前述の図１に対応する部分には図1と同一符号を付してある。図２に於いて、直流電源１１０は、ＤＣ／ＤＣコ
ンバータ２０３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の出力により充電されるタンクコンデンサ２０１により構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３は、バッテリ１０６の出力端子に接続された１次コイル３０１ａとこの１次コイル３０１ａに磁気的に結合された２次コイル３０１ｂとにより構成された昇圧トランス３０１と、昇圧トランス３０１の１次コイル３０１ａに直列接続されたスイッチング素子３０２と、所定の周波数で発振する電圧をスイッチング素子３０２のベースに供給する発振回路３０３と、昇圧トランス３０１の２次コイル３０１ｂの出力を整流するダイオード３０４とを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３は、タンクコンデンサ２０１を速やかに充電できるように、３０［Ｗ］程度以上の出力を発生する能力を有する構成とするのが望ましい。

電圧制限回路２０４は、発振回路３０３の出力端子とＧＮＤとの間にコレクタ及びエミッタが接続されたスイッチング素子２１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の正極側出力端子とＧＮＤとの間に直列接続された抵抗２１１、２１２と、抵抗２１１と抵抗２１２との接続点とスイッチング素子２１０のベースとの間に接続されたツェナーダイオード２０７とを備えている。電圧制限回路２０４は、抵抗２１１と抵抗２１２により分圧された電圧がツェナーダイオード２０７の降伏電圧に達したとき、スイッチング素子２１０が導通してスイッチング素子３０２をオフとし、昇圧トランス３０１の出力を停止させてタンクコンデンサ２０１への充電を停止し、タンクコンデンサ２０１の電圧を制限する。

直流電源１１０のタンクコンデンサ２０１の一端は、共振コイル１１１の一端に接続され、他端はＧＮＤに接続されている。点火コンデンサ１１２の一端は、共振コイル１１１の他端に接続されている。第１のスイッチ１１３は、半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴにより構成され、そのエミッタはタンクコンデンサ２０１の他端に接続され、コレクタは点火コンデンサ１１２の他端に接続されている。共振コイル１１１は、「０」［μＨ］を超え１００［μＨ］以下の空芯型コイルにより構成されている、

第２のスイッチ１０５は、半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴにより構成され、そのエミッタは点火コンデンサ１１２の他端に接続されている。点火コイル装置１０２は、鉄心１０２ｃを介して磁気的に結合された１次コイル１０２ａと２次コイル１０２ｂとを備え、１次コイル１０２ａの一端は点火コンデンサ１１２の一端に接続され、他端は第２のスイッチ１０５のコレクタに接続されている。２次コイル１０２ｂの一端は点火プラグ１０１の一方の電極である中心電極に接続され、他端はＧＮＤに接続されている。点火プラグ１０１の中心電極とＧＮＤに接続されたＧＮＤ電極とは、所定の間隙を介して対向している。

制御装置１０３から第１の制御信号Ｓｃが第１のスイッチ１１３のベースに与えられると、第１のスイッチ１１３がオンとなり、タンクコンデンサ２０１から点火コンデンサ１１２への電荷移動が開始され、点火コンデンサ１１２の充電が開始される。この時、両者の間に共振コイル１１１が設けられているため、共振コイル１１１と点火コンデンサ１１２とによる共振現象により、点火コンデンサ１１２は、その共振周期の１／４程度の時間で、タンクコンデンサ２０１のほぼ倍の電圧まで充電される。このとき、第２のスイッチ１０５はオフであり、点火コンデンサ１１２と点火コイル装置１０２の１次コイル１０２ａとの間は電気的に遮断されている。後述するように、第２のスイッチ１０５は、そのベースに制御装置１０３からの第２の制御信号Ｓｉが与えられることによりオンとなる。

第２のスイッチ１０５は、そのエミッタが接地されておらず、いわゆるフローティングの状態にある。そこで、第２のスイッチ１０５を安定して動作させるために駆動回路としてのハーフブリッジ駆動装置２０２が設けられている。即ち、ハーフブリッジ駆動装置２０２は、第２のスイッチ１０５を駆動するための安定電位を生成するものであり、内部コンデンサ２０５と、内部コンデンサ２０５の両端に夫々接続された第１の内部スイッチＳＷ１と第２の内部スイッチＳＷ２とを備えている。

第１の内部スイッチＳＷ１と第２の内部スイッチＳＷ２は、制御装置１０３からの前述の第１の制御信号Ｓｃ若しくは第２の制御信号Ｓｉを受けて、内部コンデンサ２０５の充電回路を構成し若しくは放電回路を形成するように動作する。即ち、第１の制御信号Ｓｃを受けたときは、第１の内部スイッチＳＷ１と第２の内部スイッチＳＷ２の夫々の可動接点が図２の下側の固定接点に接続され、バッテリ１０６→第２の内部スイッチＳＷ２→内部コンデンサ２０５→第１の内部スイッチＳＷ１→ＧＮＤの経路で内部コンデンサ２０５の充電回路を形成する。又、第２の制御信号Ｓｉを受けたときは、第１の内部スイッチＳＷ１と第２の内部スイッチＳＷ２の夫々の可動接点が図２の上側の固定接点に接続され、内部コンデンサ２０５→第２の内部スイッチＳＷ２→第２のスイッチ１０５のベース→第１の内部スイッチＳＷ１→内部コンデンサ２０５の経路で内部コンデンサ２０５の放電回路を形成する。

尚、図２では、第１の内部スイッチＳＷ１と第２の内部スイッチＳＷ２を機械的スイッチのように図示しているが、半導体により構成されたスイッチ、若しくはソフトウエアにより構成されたスイッチ、又はそれ等の組み合わせの何れであっても良く、前述の可動接
点及び固定接点に対応する機能を備えていれば良い。又、エネルギー供給装置１０４と制御装置１０３とは、同一のパッケージ内に配置されるようにしても良い。

次に、以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による点火装置の動作について説明する。図３は、この発明の実施の形態１による点火装置の動作を説明するタイミングチャートであり、（ａ）は第１の制御信号Ｓｃ、（ｂ）は第２の制御信号Ｓｉ、（ｃ）は点火コンデンサ１１２の充電電流ｉｃ、（ｄ１）はタンクコンデンサ２０１の電位Ｖｔ、（ｄ２）は点火コンデンサ１１２の電位Ｖｉ、（ｅ）は点火コイル装置１０２の１次コイル１０２ａに流れる１次電流Ｉ１、（ｆ）は点火コイル装置１０２の２次コイル１０２ｂに流れる２次電流Ｉ２、（ｇ）は２次コイル１０２ｂに発生した誘導電圧である２次電圧Ｖ２、即ち点火プラグ１０１の中心電極に印加される電圧、の夫々の時間的推移を示す波形である。

ここで、点火装置の基本的な動作について説明する。図２及び図３に於いて、タイミングＴ２に於いて制御装置１０３から第２の制御信号Ｓｉが発生されると、ハーフブリッジ駆動回路２０２の第１の内部スイッチＳＷ１と第２の内部スイッチＳＷ２の夫々の可動接点は図２の上側の固定接点に接続され、内部コンデンサ２０５の電荷は第２のスイッチ１０５のベース及びエミッタを介して放電し、第２のスイッチ１０５はオンとなる。これにより点火コンデンサ１１２に蓄えられていた電荷は、点火コイル装置１０２の１次コイル１０２ａ、及び第２のスイッチ１０５を介して、点火コンデンサ１１２の低圧側へと流れる。

点火コンデンサ１１２から１次コイル１０２ａへの電荷の流れが、つまり１次コイル１０２ａに流れる１次電流Ｉ１であり、タイミングＴ２から図３の（ｅ）に示す波形のように流れる。点火コンデンサ１１２の電位Ｖ１は、図３の（ｄ２）に示すようにタイミングＴ２からの時間経過に従って次第に低下する。１次コイル１０２ａに１次電流Ｉ１が流れると、１次コイル１０２ａと磁気的な結合状態にある２次コイル１０２ｂに図３の（ｇ）に示すように誘導起電力が発生する。２次コイル１０２ｂの一端は点火プラグ１０１の中心電極に接続されているため、２次コイル１０２ｂに発生した誘導起電力は点火プラグ１０１の中心電極に伝達される。

又、同時に、１次コイル１０２ａに１次電流Ｉ１が流れると、点火コイル装置１０２の鉄心１０２ｃが磁化される、つまり磁気エネルギーが蓄えられる。１次コイル１０２ａに流れる１次電流Ｉ１の流れが、後述するようにタイミングＴ３で遮断されると、鉄心１０２ｃに蓄えられた磁気エネルギーの解放が始まり、１次電流Ｉ１が流れたときに発生した誘導起電力とは逆向きの誘導起電力が２次コイル１０２ｂに発生し、この誘導起電力もまた点火プラグ１０１の中心電極へ伝達される。

１次コイル１０２ａに流れる１次電流Ｉ１の通電と遮断を前述のように繰り返すことにより、２次コイル１０２ｂに交互に逆向きの誘導起電力が図３の（ｇ）のように発生し、この交流電圧が点火プラグ１０１の中心電極に印加される。従って、点火プラグ１０１の電極間には交流電界が発生することになる。以上が点火装置の基本的な動作である。

次に、点火プラグ１０１の電極間に、通常発生するプラズマより断面が大きくて広がりの大きいプラズマ（以下、体積プラズマ、と称する）を発生させるための、この発明の実施の形態１による点火装置の動作、及び、後述のパラメータの選び方に関して、エネルギー供給装置１０４の観点と、点火コイル装置１０２の観点とに分けて、図２及び図３に基づき説明する。

先ず、エネルギー供給装置１０４の観点から、前述の体積プラズマの発生について説明
する。エネルギー供給装置１０４は、前述したように、直流電源１１０と、共振コイル１１１と、点火コンデンサ１１２と、第１のスイッチ１１３とにより構成されている。ここで、体積プラズマを発生するために必要な条件は、点火プラグ１０１の電極間に於ける交流電界の単位時間辺りの変動量が大きいこと、及び、寿命の長いプラズマの発生が可能であること、の２つであると考えられる。この２つの条件は、通常時より交流電界を与える周波数が高いこと及び放電電流が大きいこと、と言い換えることができる。

放電プラズマ発生前の予備動作は、図３に示すタイミングＴ１から開始される。即ち、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、タイミングＴ１に於いて、制御装置１０３は第１の制御信号Ｓｃをハイレベル（以下、Ｈレベル、と称する）、第２の制御信号Ｓｉをローレベル（以下、Ｌレベル、と称する）へと切り替える。第１の制御信号ＳｃがＨレベルになると、第１のスイッチ１１３がオンとなり、図３の（ｃ）に示す充電電流Ｉｃがタンクコンデンサ２０１から共振コイル１１１を介して点火コンデンサ１１２へと流れ、点火コンデンサ１１２が充電される。

ここで、点火動作の初期、つまり点火装置の起動時に於いては、ハーフブリッジ駆動装置２０２の内部コンデンサ２０５が充電されておらず、若しくは、充電量が低下しており、第２のスイッチ１０５を駆動するための安定電位を供給することができなくなっているので、内部コンデンサ２０５を所定の電位まで充電する必要がある。そこで、内部コンデンサ２０５の最初の充電期間に相当する第１の制御信号ＳｃのＨレベルの期間（Ｔ１〜Ｔ２）を、２回目のＨレベルの期間（Ｔ３〜Ｔ４）及びそれ以降の期間よりも長くし、最初に内部コンデンサ２０５を所定の電位まで充電させるようにする。例えば、タイミングＴ１〜Ｔ２間は、３［ｍｓ］程度に設定しておく。

さて、タイミングＴ１に於いて第１の制御信号ＳｃがＨレベルに切り替わると、これに同期して、ハーフブリッジ駆動回路２０２に於ける第１の内部スイッチＳＷ１と第２の内部スイッチＳＷ２の可動接点は、図２の下側の固定接点に接続され、内部コンデンサ２０５はタイミングＴ１〜Ｔ２までの期間中にバッテリ１０６から所定の電位まで充電される。

点火プラグ１０１の電極間の放電による体積プラズマの発生は、以下のようにして開始される。即ち、タイミングＴ２に於いて、第１の制御信号ＳｃをＬレベル、第２の制御信号ＳｉをＨレベルに切り替えると、第１のスイッチ１１３がオフ、第２のスイッチ１０５がオンとなり、タイミングＴ１〜Ｔ２間の期間中に充電された点火コンデンサ１１２の電荷が点火コイル装置１０２の１次コイル１０２ａへと流れる。この電荷の流れが図３の（ｅ）に示す１次電流Ｉ１である。１次コイル１０２ａに１次電流Ｉ１が流れると、点火コイル装置１０２の鉄心１０２ｃへの磁気エネルギー蓄積が開始されると共に、２次コイル１０２ｂには図３の（ｇ）に示す負極性の誘導電圧Ｖ２が発生する。

２次コイル１０２ｂに発生する誘導電圧Ｖ２は点火プラグ１０１の中心電極へと伝えられ、中心電極とＧＮＤ電極との間に絶縁破壊（全路破壊ともいう）を引起すと、図３の（ｆ）に示すように負方向の２次電流Ｉ２が流れ始める。この負方向の２次電流Ｉ２は、タイミングＴ２〜Ｔ３の期間に流れる。ここで、なるべく多くの磁気エネルギーが点火コイル装置１０２に蓄えられしかも可能な限り短くなるように、負方向の２次電流Ｉ２の流れるタイミングＴ２〜Ｔ３の期間を設定するこことで、動作効率を良くすることができる。そこで、１次電流Ｉ１が流れ終わる直前のタイミングをタイミングＴ３に合致させる。例えば、タイミングＴ２〜Ｔ３の期間を２０［μｓｅｃ］程度になるように設定する。ただし、このタイミングＴ２〜Ｔ３の期間は、接続される点火コイル装置１０２の特性に応じて決まる値であり、点火コイル装置１０２の特性に応じて調整される。

次に、タイミングＴ３に於いて、第１の制御信号ＳｃをＨレベル、第２の制御信号ＳｉをＬレベルへと切り替える。これにより、第１のスイッチ１１３がオン、第２のスイッチ１０５がオフとなり、１次コイル１０２ａに流れていた１次電流Ｉ１は遮断され、点火コイル装置１０２の鉄心１０２ｃに蓄積された磁気エネルギーの開放が始まる。この場合、前述の期間（Ｔ２〜Ｔ３）とは逆に、図３の（ｇ）に示すように正極性の誘導電圧Ｖ２が２次コイル１０２ｂに発生し、図３の（ｆ）に示すように点火プラグ１０１の電極間に正方向の２次電流Ｉ２が流れ始める。

タイミングＴ３〜Ｔ４の期間も、タイミングＴ２〜Ｔ３期間と同様になるべく短く設定するのが良いが、このタイミングＴ３〜Ｔ４の期間に点火コンデンサ１１２の充電も行われるので、点火コンデンサ１１２の充電時間に相当する時間に合致するようにタイミングＴ３〜Ｔ４を設定するのが最も効率が良く、例えば２０［μｓｅｃ］程度になるように設定する。この場合、タンクコンデンサ２０１は１００［μＨ］程度、点火コンデンサ１１２は２［μＦ］程度で良い。

以上の説明では、タイミングＴ２以降に於いて、第１の制御信号ＳｃのＬレベルの期間（第２の制御信号ＳｉのＨレベルの期間）と、第１の制御信号ＳｃのＨレベルの期間（第２の制御信号ＳｉのＬレベルの期間）とを等しくし、例えば夫々の期間を２０［μｓｅｃ］と設定した場合について説明したが、これら期間を等しくする必要はない。前述したように、これらの期間はなるべく短い方が良い。しかし、これ等の期間を短くすればするほど、２次電流Ｉ２のピークを出し難い方向となるので、これ等の期間は、使用する環境等で最適化されるべきである。尚、これ等の期間を長くするについては、装置の構成上の問題ないが、体積プラズマを生成し難くなる方向であり、これまでの検証から各５［μｓｅｃ］〜５０［μｓｅｃ］程度までが実用の範囲であると考えられる。

体積プラズマは、生成されたプラズマが消滅するまでに新たなプラズマを生成させることで全体的なプラズマの量が増加しているように見える現象であると考えられるが、プラズマの存続時間は電極間の放電の電流レベル、つまりプラズマに与えるエネルギーの量に関連しており、発明者らの実験結果によれば、実施の形態１による点火装置の構成での場合で、タイミングＴ２以降に於いて、第１の制御信号ＳｃのＬレベルの期間（第２の制御信号ＳｉのＨレベルの期間）と、第１の制御信号ＳｃのＨレベルの期間（第２の制御信号ＳｉのＬレベルの期間）とを、夫々、５［μｓｅｃ］〜５０［μｓｅｃ］程度の範囲に設定すればプラズマを存続させることができることを確認した。

従って、第１のスイッチ１１３と第２のスイッチ１０５を５［μｓｅｃ］〜５０［μｓｅｃ］の間隔でスイッチングするように、制御装置１０３からの第１の制御信号Ｓｃと第２の制御信号Ｓｉを交互に断続して出力することで、点火プラグの電極間に体積プラズマを発生させることができる。

尚、前述のスイッチングの期間の最低値は、理論的には更に小さく設定しても良いものであり、車両の配線の長さ等により定まるインピーダンスマッチングを考慮する中で最適値に設定すればよく前述のように５［μｓｅｃ］に限定されるものではない。従って、理論的には、第１のスイッチ１１３と第２のスイッチ１０５のスイッチングの間隔は、５［μｓｅｃ］〜５０［μｓｅｃ］の間隔であれば良い。

次に、点火プラグ１０１の電極間に、体積プラズマを発生させるための、この発明の実施の形態１による点火装置の動作、及び、パラメータの選び方に関して、点火コイル装置１０２の観点から、図２及び図３に基づき説明する。

体積プラズマは、点火プラグ１０１の電極間の間隙にプラズマを発生させ、この発生さ
せたプラズマに、この発明の実施の形態１では前述の通り２次電流Ｉ２による交流電界を印加することで、更にプラズマを増大させて発生させるのが基本的な考え方である。従って、２次電流Ｉ２によって点火プラグ１０１の電極間に発生したプラズマは、前述の交流電界により振り回される（振動する）まで、もしくは振り回されている間は、プラズマの存在を維持できる高エネルギーなプラズマであること望ましい。つまり、点火コイル装置１０２の特性としては、短時間で磁気エネルギーの蓄積が可能で、大きな２次電流Ｉ２を出せる特性を備えていることが、この発明の実施の形態１による点火装置に適したコイルである。

そのため、例えば、点火コイル装置１０２のコイルの線径を太くし、コイルの抵抗値を小さくすることで、１次電流Ｉ１、及び２次電流Ｉ２を大きくしたり、１次コイル１０２ａの巻数を大きくし、小さな１次電流Ｉ１で多くの磁気エネルギーを蓄えられるようにしたり、或いは２次コイル１０２ｂの巻数を少なくしてコイルの抵抗値を小さくすることで２次電流Ｉ２を大きくする。或いは、磁気エネルギーの蓄積／放出が早く行えるように鉄心１０２ｃの断面積を小さくする。このように点火コイル装置１０２を構成することで、放電時間を前述の５０［μｓｅｃ］以下、２次電流Ｉ２のピーク値を２００［ｍＡ］以上の点火コイルとすることが可能であり、この発明の実施の形態１による点火装置に適した点火コイル装置１０２とすることができる。

これらを組み合わせて生成される交流電界の周期は、１０［ｋＨｚ］以上となり、インピーダンス整合等の問題は発生せず、若しくは無視できる程度のものである。又、内燃機関の燃焼室に設置するのは点火プラグのみであって、これ以外の例えばアンテナのような装置の設置を必要とせず、従って、簡単な構成で体積プラズマを生成することができる。

尚、タイミングＴ４以降の動作は、タイミングＴ２〜Ｔ４の動作の繰返しとなるので詳細な説明は割愛するが、このように放電プラズマに交流磁界を繰返し印加することで体積プラズマを生成することができる。

この発明による点火装置は、内燃機関を利用する自動車、二輪車、船外機、その他特殊機械などにも搭載され、可燃混合気への着火を確実に行えるようになるので、内燃機関を効率良く運転できるようになり、可燃混合気枯渇問題、環境保全に役立つものである。

なお、この発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１点火装置１０１点火プラグ
１０２点火コイル装置１０２ａ点火コイル装置の１次コイル
１０２ｂ点火コイル装置の２次コイル
１０２ｃ点火コイル装置の鉄心１０３制御装置
１０４エネルギー供給装置１１０直流電源
１１１共振コイル１１２点火コンデンサ
１１３第１のスイッチ１０５第２のスイッチ
１０６、１０７バッテリ２０３ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０１昇圧トランス３０１ａ昇圧トランスの１次コイル
３０１ｂ昇圧トランスの２次コイル
３０２、２１０スイッチング素子３０３発振回路
３０４ダイオード２０１タンクコンデンサ
２０４電圧制限回路２１１、２１２抵抗
２０７ツェナーダイオード２０２ハーフブリッジ駆動回路
２０５ハーフブリッジの内部コンデンサ
ＳＷ１ハーフブリッジ駆動回路の第１の内部スイッチ
ＳＷ２ハーフブリッジ駆動回路の第２の内部スイッチ

Claims

間隙を介して対向する一対の電極を備え、前記一対の電極間に所定の高電圧が印加されたとき、前記間隙に火花放電を発生して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、
エネルギーを蓄積し、前記蓄積したエネルギーを開放することにより前記所定の高電圧を発生し、前記発生した所定の高電圧を前記電極間に印加する点火コイル装置と、
直流電源から共振コイルを介して充電され得る点火コンデンサと、前記点火コンデンサと接地電位との間に接続された第１のスイッチとを有し、前記点火コイル装置に前記点火コンデンサから前記エネルギーを供給し得るエネルギー供給装置と、
前記点火コイル装置と前記エネルギー供給装置との間に接続された第２のスイッチと、
前記第１のスイッチのスイッチング動作を制御する第１の制御信号と、前記第２のスイッチのスイッチング動作を制御する第２の制御信号とを出力する制御装置と、
前記第１のスイッチのスイッチング動作に同期して内部電圧を生成する駆動回路と、
を備え、
前記第１の制御信号は、前記第１のスイッチをオフからオンとする時刻と、前記第１のスイッチがオンを継続する時間とを制御し、
前記第２の制御信号は、前記第２のスイッチをオフからオンとする時刻と、前記第２のスイッチがオンを継続する時間を制御し、
前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とは、前記第１のスイッチがオンのときは前記第２のスイッチがオフとなり前記第１のスイッチがオフのときは前記第２のスイッチがオンとなるように、前記対応する夫々のスイッチのスイッチング動作を制御し、
前記エネルギー供給装置は、前記第１のスイッチがオンのとき、前記共振コイルと前記点火コンデンサとによる共振により前記点火コンデンサに前記直流電源の出力電圧値よりも絶対値が大きな電圧値に充電し、
前記第２のスイッチは、前記第２の制御信号に基づいて前記駆動回路の前記内部電圧が供給され又は遮断されることによりスイッチング動作を行ない、
前記点火コイル装置は、前記第２のスイッチがオンのとき、前記充電された前記点火コンデンサから前記エネルギーの供給を受けてそのエネルギーを蓄積し、前記第２のスイッチがオフのとき、前記蓄積したエネルギーを開放して前記高電圧を発生する、
ことを特徴とする点火装置。
間隙を介して対向する一対の電極を備え、前記一対の電極間に所定の高電圧が印加されたとき、前記間隙に火花放電を発生して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、
エネルギーを蓄積し、前記蓄積したエネルギーを開放することにより前記所定の高電圧を発生し、前記発生した所定の高電圧を前記電極間に印加する点火コイル装置と、
直流電源から共振コイルを介して充電され得る点火コンデンサと、前記点火コンデンサと接地電位との間に接続された第１のスイッチとを有し、前記点火コイル装置に前記点火コンデンサから前記エネルギーを供給し得るエネルギー供給装置と、
前記点火コイル装置と前記エネルギー供給装置との間に接続された第２のスイッチと、
前記第１のスイッチのスイッチング動作を制御する第１の制御信号と、前記第２のスイッチのスイッチング動作を制御する第２の制御信号とを出力する制御装置と、
を備え、
前記第１の制御信号は、前記第１のスイッチをオフからオンとする時刻と、前記第１のスイッチがオンを継続する時間とを制御し、
前記第２の制御信号は、前記第２のスイッチをオフからオンとする時刻と、前記第２のスイッチがオンを継続する時間を制御し、
前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とは、前記第１のスイッチがオンのときは前記第２のスイッチがオフとなり前記第１のスイッチがオフのときは前記第２のスイッチがオンとなるように、前記対応する夫々のスイッチのスイッチング動作を制御し、
前記第１のスイッチは、起動時に前記オンを継続する時間を、その後に前記オンを継続する時間より長くなるように前記制御装置により制御され、
前記エネルギー供給装置は、前記第１のスイッチがオンのとき、前記共振コイルと前記点火コンデンサとによる共振により前記点火コンデンサに前記直流電源の出力電圧値よりも絶対値が大きな電圧値に充電し、
前記点火コイル装置は、前記第２のスイッチがオンのとき、前記充電された前記点火コンデンサから前記エネルギーの供給を受けてそのエネルギーを蓄積し、前記第２のスイッチがオフのとき、前記蓄積したエネルギーを開放して前記高電圧を発生する、
ことを特徴とする点火装置。
前記第１のスイッチがオンを継続する時間と、前記第２のスイッチがオンを継続する時間は、夫々、「０」［μｓｅｃ］を超え「５０」［μｓｅｃ］以下に設定される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。
前記共振コイルは、「０」［μＨ］を超え１００［μＨ］以下の空芯型コイルにより構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一項に記載の点火装置。
前記点火コイル装置は、前記点火プラグの電極間に、「０」［μｓｅｃ］を超え５０［μｓｅｃ］以下の時間で前記放電を発生させる特性を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の点火装置。
前記エネルギー供給装置と前記制御装置は、同一のパッケージ内に配置される、
ことを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れか一項に記載の点火装置。