JP5906627B2

JP5906627B2 - 点火装置

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Publication number: JP5906627B2
Application number: JP2011203892A
Authority: JP
Inventors: 柴田　正道; 正道柴田; 泰臣今中; 憲佳坪田; 水谷　厚哉; 厚哉水谷; 光一服部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-09-17
Filing date: 2011-09-17
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2031-09-17
Also published as: JP2013064358A

Description

本発明は、内燃機関に形成される燃焼室内の混合気に点火する燃焼サイクルを繰り返す点火装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示のようなスパークプラグに、点火コイルによって放電電圧を印加することにより、スパークプラグの有する中心電極と第１接地電極との間の第１スパークギャップに火花放電を生じさせる点火装置が知られている。この特許文献１に開示のスパークプラグは、中心電極をプラス極とし接地電極をマイナス極とするプラス放電電圧を、点火コイルによって印加される。特許文献１のスパークプラグは、プラス放電電圧を印加された際に、火花放電に要する電圧を低減する効果を発揮する。（特許文献１図１３等参照）。

特開平７−１３０４５４号公報

さて、特許文献１に開示のスパークプラグにおいて、第１接地電極は、中心電極の突出方向にて当該中心電極と対向する形態である。故に、第１接地電極は、燃焼室内の混合気の燃焼に晒されて、中心電極よりも高温となり易い。さらに、プラス放電電圧の印加によって火花放電が開始されることにより、放電キャップに存在するプラスイオンは、マイナス極となる第１接地電極に向かって移動を開始する。そして、燃焼に晒されて高温となる第１接地電極にプラスイオンが衝突すると、第１接地電極を形成する金属原子は、当該第１接地電極の表面から放出されることとなる。このようなプラスイオンのスパッタリングにより、プラス放電電圧の印加されるスパークプラグでは上記のような接地電極の消耗が、大きくならざるを得なかった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、接地電極の消耗を低減可能な点火装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内燃機関に形成される燃焼室内の混合気に点火する燃焼サイクルを繰り返す点火装置であって、燃焼室に突出する第一電極、及び第一電極の突出方向にて当該第一電極と対向する第二電極、を有し、第一電極及び第二電極間に放電ギャップを形成する点火プラグと、第一電極をプラス極とし第二電極をマイナス極とするプラス放電電圧と、第一電極をマイナス極とし第二電極をプラス極とするマイナス放電電圧とを、切り換えて点火プラグに印加可能であり、１回の燃焼サイクル内において、プラス放電電圧の点火プラグへの印加によって放電ギャップに火花放電を生じさせた後、当該火花放電の継続中にマイナス放電電圧の印加に切り換える電圧印加手段とを、備え、電圧印加手段は、点火プラグと接続され、第一電極及び第二電極間に電圧を印加する第一巻線と、点火装置の外部の電源と接続され、１回の燃焼サイクル内において電源からの通電が遮断されることにより、第一巻線から点火プラグにプラス放電電圧が印加されるように、当該第一巻線に電圧を誘導する第二巻線と、電源と接続され、第一巻線からのプラス放電電圧の印加によって生じる火花放電の継続中に電源からの通電が遮断されることによって、第一巻線から点火プラグにマイナス放電電圧が印加されるように、当該第一巻線に誘導される電圧の極性を反転させる第三巻線とを、有し、第三巻線において通電を遮断される際に流れる電流値は、第二巻線において通電を遮断される際に流れる電流値よりも大きい点火装置とする。

この発明によれば、第一電極をプラス極とし第二電極をマイナス極とするプラス放電電圧が電圧印加手段によって点火プラグに印加されることにより、第一電極及び第二電極間に形成される放電ギャップには、火花放電が生じる。この火花放電が開始されると、放電キャップに存在するプラスイオンは、マイナス極となる第二電極に向かって移動を開始する。電圧印加手段は、火花放電を生じさせた後、火花放電の継続中に点火プラグに印加する電圧を、プラス放電電圧から、第一電極をマイナス極とし第二電極をプラス極とするマイナス放電電圧へと切り換える。故に、第二電極に向かって移動を開始したプラスイオンは、極性の反転によって新たにマイナス極となった第一電極に、移動先を変更する。以上により、第二電極へのプラスイオンの衝突は、回避され得る。したがって、プラスイオンのスパッタリングに起因する第二電極の消耗は、低減可能となる。

加えてこの発明では、燃焼サイクル毎に電源から第二巻線への通電が遮断されることにより、点火プラグと接続された第一巻線には、電圧が誘導される。第二巻線によって誘導される電圧により、第一巻線から点火プラグにプラス放電電圧が印加される。そして、第一巻線からのプラス放電電圧の印加によって生じる火花放電の継続中に電源から第三巻線への通電が遮断されることにより、第一巻線に誘導される電圧の極性は、反転する。以上により、第一巻線から点火プラグには、マイナス放電電圧が印加される。

以上の構成では、第二巻線及び第三巻線を設けて、これら巻線の通電を順次遮断するという簡素な構成及び作動により、点火プラグに印加される電圧の極性の反転は、迅速且つ確実に実現可能となる。故に、火花放電の継続中という短い時間にて、プラス放電電圧の印加からマイナス放電電圧の印加への切り換えを要する電圧印加手段として、上記の構成は好適なのである。

さらにこの発明によれば、通電を遮断される際に流れる電流値が第二巻線よりも第三巻線の方が大きいことにより、第三巻線の導通遮断によって第一巻線に誘導される電圧は、第二巻線の導通遮断によって誘導される電圧よりも強くなる。故に、火花放電の継続中に第三巻線の導通遮断によって誘導される電圧は、第二巻線の導通遮断によって誘導された第一巻線の電圧を打ち消し、当該第一巻線の電圧の極性を反転させることができる。以上により、第二電極へのプラスイオンの衝突を回避して第二電極の消耗を低減する効果は、さらに確実に発揮可能となる。

請求項２に記載の発明では、電圧印加手段は、点火プラグへのプラス放電電圧の印加を開始した後、予め規定された時間が経過したときにて、マイナス放電電圧の印加に切り換えることを特徴とする。

この発明では、プラス放電電圧の印加からマイナス放電電圧の印加へと切り換えられるときは、プラス放電電圧の印加の開始時から規定される。故に、プラス放電電圧の印加を開始した後マイナス放電電圧の印加へと切り換えるまでの時間が適切に規定されることにより、電圧印加手段は、火花放電の開始後、当該火花放電の継続中に、電圧の極性の切り換える作動を確実に実施し得る。以上により、第二電極へのプラスイオンの衝突を回避して第二電極の消耗を低減する効果は、さらに確実に発揮可能となる。

請求項３に記載の発明では、第二電極には、第一電極に向かって突出し当該第一電極との間で放電ギャップを形成する突起部が、設けられることを特徴とする。

この発明のように、第一電極に向かって突出する突起部が第二電極に設けられる形態の点火プラグでは、当該突起部は、混合気の燃焼に晒されてさらに高温になり易い。故に、プラスイオンのスパッタリングに起因する消耗は、いっそう増大し得る。しかし、電圧印加手段が電圧の極性を反転させるので、突起部へのプラスイオンの衝突は、回避され得る。故に、消耗し易い形態であっても、当該突起部の消耗は、低減される。以上のように、電圧印加手段による電圧極性の反転によって実現される電極の消耗低減効果は、突起部を設けられた点火プラグと当該電圧印加手段とが組み合わされることにより、顕著に発揮される。

本発明の一実施形態による点火装置を示す構成図である。本発明の一実施形態による点火装置に用いられる点火プラグの要部を拡大して示す拡大図である。本発明の一実施形態による点火装置が各燃焼サイクルにおいて火花放電を生じさせる作動を説明するための図（ａ）〜（ｃ）であって、（ａ）は図４の時刻ｔ２〜ｔ３における点火装置を示し、（ｂ）は図４の時刻ｔ３〜ｔ４における点火装置を示し、（ｃ）は図４の時刻ｔ５における点火装置を示す。本発明の一実施形態による点火装置の作動を説明するためのタイミングチャートであって、（ａ）は点火プラグに印加される放電電圧の推移を示し、（ｂ）は第一イグナイタのオン状態及びオフ状態を示し、（ｃ）は第二イグナイタのオン状態及びオフ状態を示し、（ｄ）はプラス放電用の一次コイルに流れる電流を示し、（ｅ）はマイナス放電用の一次コイルに流れる電流を示す。誘導放電時におけるプラスイオンの挙動を説明するための図（ａ）及び（ｂ）であって、（ａ）はプラス放電が実施された場合のプラスイオンの挙動を示し、（ｂ）はマイナス放電に切り換えられた場合のプラスイオンの挙動を示す。電極温度と電極の消耗体積との相関を説明するための図である。本発明の一実施形態による点火装置において、プラス放電からマイナス放電へ切り換えを実施した場合の接地電極の消耗体積を、マイナス放電を実施した場合の接地電極の消耗体積及びプラス放電を実施した場合の接地電極の消耗体積と比較して示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態による点火装置１００を示している。点火装置１００は、ガソリンエンジン等の火花点火式方式の内燃機関に適用されて当該内燃機関に形成される燃焼室９０内の混合気に点火する装置である。点火装置１００は、内燃機関の燃焼サイクルのうち、圧縮行程後半の点火時期において、燃焼室９０内にて圧縮された混合気に火花放電によって点火する燃焼サイクルを繰り返す。点火装置１００は、点火プラグ２０、点火制御回路４０、及びエンジン制御装置７０等によって構成されている。

点火プラグ２０は、点火制御回路４０と接続されており、内燃機関のシリンダヘッドに形成されたプラグホールに収容及び固定されている。点火プラグ２０は、点火制御回路４０から印加される放電電圧により、内燃機関の燃焼室９０にて圧縮された作動ガスに、火花放電によって点火する。点火プラグ２０は、中心電極２１及び接地電極２３に加えて、中心電極２１を点火制御回路４０に電気的に接続するための接続部、並びに中心電極２１及び接地電極２３間を絶縁する碍子部を有している。点火プラグ２０は、中心電極２１及び接地電極２３間に放電ギャップ２５を形成している。

図１及び図２に示されるように、中心電極２１は、円柱状に形成された碍子部の中心部分から燃焼室９０に突出することにより、当該燃焼室９０内に露出している。中心電極２１には、中心突起部２２が設けられている。中心突起部２２は、円柱状に形成された中心電極２１の本体部分から、接地電極２３に向かって針状に突出している。中心電極２１は、例えばニッケル合金によって形成され、中心突起部２２は、例えばイリジウム合金及び白金合金等で形成されている。

接地電極２３は、碍子部によって中心電極２１と絶縁されており、シリンダヘッドに接地されている。接地電極２３は、中心電極２１の側方となる碍子部の外周側から燃焼室９０に突出している。接地電極２３は、中心電極２１の突出方向に向かって湾曲することにより、中心電極２１の突出方向にて当該中心電極２１と対向している。接地電極２３には、中心電極２１の中心突起部２２との間で放電ギャップ２５を形成する接地突起部２４が設けられている。接地突起部２４は、湾曲状を呈する接地電極２３の本体部分から、中心電極２１に向かって針状に突出している。接地突起部２４は、ニッケル鋼等よりなる接地電極２３の本体部分に、白金等によりなる棒状のチップをレーザ溶接等にて接合することにより、形成されている。

図１に示されるように、点火制御回路４０は、点火プラグ２０の中心電極２１及び接地電極２３間に放電電圧を印加することにより、混合気に点火する火花放電を放電ギャップ２５に生じさせる回路である。点火制御回路４０は、中心電極２１及び接地電極２３間に印加する放電電圧の極性を変更可能である。具体的には、点火制御回路４０は、中心電極２１をプラス極とし接地電極２３をマイナス極とするプラス放電電圧と、中心電極２１をマイナス極とし接地電極をプラス極とするマイナス放電電圧とを切り換えて、各電極２１，２３間に印加可能である。点火制御回路４０は、燃焼サイクル毎に、プラス放電電圧の点火プラグ２０への印加によって、放電ギャップ２５に火花放電を生じさせる。そして、点火制御回路４０は、火花放電の継続中にマイナス放電電圧の印加に切り換える。以上の作動を実現するための点火制御回路４０は、二つの一次コイル３１，３３及び二次コイル３５を有する点火コイル３０、並びに第一イグナイタ５０及び第二イグナイタ６０等によって構成されている。

各一次コイル３１，３３は、銅等の導電性の材料によって形成された線材に絶縁性の塗料を焼き付けてなるエナメル電線を円筒状に巻回すことにより、形成されている。各一次コイル３１，３３は、点火装置１００の外部のバッテリ１０と接続されており、当該バッテリ１０からの電流を通電可能である。一次コイル３１，３３は、二次コイル３５と磁気的に結合されており、当該二次コイル３５との間において相互誘導可能である。一次コイル３１，３３のうちの一方は、他方の内周側に配置されている。加えて、一次コイル３１，３３のそれぞれの仮想の中心軸線が同軸となるように、これら一次コイル３１，３３は配置されている。さらに、一次コイル３１巻線方向が一次コイル３３の巻線方向と逆方向となるように、これら一次コイル３１，３３は配置されている。故に、一次コイル３１，３３のうち一方への導通により形成される磁界の方向は、他方への導通により形成される磁界の方向と逆向きとなる。

二次コイル３５は、銅等の導電性の材料によって形成された線材に絶縁性の塗料を焼き付けてなるエナメル電線であって、一次コイル３１，３３を形成するエナメル電線よりも線径の小さいものを円筒状に巻回すことにより、形成されている。二次コイル３５は、点火プラグ２０と接続されており、当該二次コイル３５に誘導される電圧によって、中心電極２１及び接地電極２３間に放電電圧を印加する。

以上の構成において、一方の一次コイル３１（図１にてＰ．Ｃｏｉｌ１と記載）は、プラス放電用の一次コイルである。プラス放電用の一次コイル３１は、燃焼サイクル毎にバッテリ１０からの通電が遮断されることにより、点火プラグ２０の中心電極２１及び接地電極２３間に二次コイル３５からプラス放電電圧が印加されるように、二次コイル３５に電圧を誘導する。他方の一次コイル３３（図１にてＰ．Ｃｏｉｌ２と記載）は、マイナス放電用の一次コイルである。マイナス放電用の一次コイル３３は、バッテリ１０からの通電が遮断されることにより、点火プラグ２０の中心電極２１及び接地電極２３間に二次コイル３５からマイナス放電電圧が印加されるように、二次コイル３５に電圧を誘導する。このバッテリ１０から一次コイル３３への通電は、一次コイル３１によるプラス放電電圧の印加によって生じる火花放電の継続中に、遮断される。これにより一次コイル３３は、二次コイル３５から点火プラグ２０にマイナス放電電圧が印加されるように、当該二次コイル３５に誘導されている電圧の極性を反転させる。

第一イグナイタ５０及び第二イグナイタ６０は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子を実装した回路基板を、絶縁性の樹脂材料によってモールドすることにより、形成されている。各イグナイタ５０，６０のＩＧＢＴのベースは、エンジン制御装置７０と接続されている。イグナイタ５０，６０は、エンジン制御装置７０からベースに入力される点火制御信号に基づいて、コレクタ及びエミッタ間における電流の導通及び遮断を切り換える。第一イグナイタ５０は、プラス放電用の一次コイル３１と接続されており、点火制御信号に基づいて、バッテリ１０から当該一次コイル３１への通電のオン状態及びオフ状態を切り換える。また、第二イグナイタ６０は、マイナス放電用の一次コイル３３と接続されており、点火制御信号に基づいて、バッテリ１０から当該一次コイル３３への通電のオン状態及びオフ状態を切り換える。

エンジン制御装置７０は、例えばマイクロコンピュータを主体に構成され、記憶領域としてのフラッシュメモリ、演算処理の作業領域としてのＲＡＭを有する制御装置である。エンジン制御装置７０は、内燃機関及び当該内燃機関を搭載する車両に設けられた種々のセンサと接続されており、これらのセンサから、例えば出力軸の回転速度、冷却水の温度、燃焼室９０に吸入される吸入空気量等の検出結果を取得する。エンジン制御装置７０は、取得した検出結果、予め構築された制御用のプログラム、及び予め規定された制御用のマップ等に基づいて、内燃機関の稼動を制御する。このようなエンジン制御装置７０による制御の一つが、点火制御回路４０及び点火プラグ２０による混合気への点火の制御である。エンジン制御装置７０は、点火コイル３０の一次コイル３１，３３への通電を制御する点火制御信号を、各イグナイタ５０，６０に出力する。

ここまで説明した構成の点火装置１００が、燃焼サイクル毎の火花放電の継続中にプラス放電からマイナス放電へと切り換える作動を、図３及び図４に基づいて詳細に説明する。

各燃焼サイクルの時刻ｔ１にて、エンジン制御装置７０は、通電をオフ状態からオン状態へと切り換える旨の点火制御信号を、第二イグナイタ６０に出力する。これにより、第二イグナイタ６０のコレクタ及びエミッタ間における電流の導通が可能となる（図４（ｃ）参照）。以上により、バッテリ１０からマイナス放電用の一次コイル３３への通電が開始されて、一次電流としての電流ｉｍが一次コイル３３を流れる（図３（ａ）及び図４（ｅ）参照）。一次コイル３３を流れる電流値は、時刻ｔ１からの時間の経過と共に上昇する。

エンジン制御装置７０は、時刻ｔ２にて、通電をオフ状態からオン状態へと切り換える旨の点火制御信号を、第一イグナイタ５０に出力する。これにより、第一イグナイタ５０のコレクタ及びエミッタ間における電流の導通が可能となる（図４（ｂ）参照）。以上により、バッテリ１０からプラス放電用の一次コイル３１への通電が開始されて、一次電流としての電流ｉｐが一次コイル３１を流れる（図３（ａ）及び図４（ｄ）参照）。一次コイル３１を流れる電流値は、時刻ｔ２からの時間の経過と共に上昇する。尚、図４（ａ）では、各一次コイル３１，３３への通電開始によって誘導される電圧の図示は、便宜的に省略されている。

エンジン制御装置７０は、時刻ｔ３にて、通電をオン状態からオフ状態に切り換える旨の点火制御信号を、第一イグナイタ５０に出力する。これにより、第一イグナイタ５０のコレクタ及びエミッタ間の導通が遮断される（図４（ｂ）参照）ので、バッテリ１０から一次コイル３１への通電は遮断される（図３（ｂ）参照）。一方で、第二イグナイタ６０の導通がオン状態のまま維持されることにより、バッテリ１０から一次コイル３３への電流ｉｍの通電は継続される。

以上により、電流ｉｐによって一次コイル３１の周囲に生じていた磁界が消失する。すると、一次コイル３１によって形成されていた磁界の消失を打ち消すように、二次コイル３５に電圧が誘導される。二次コイル３５は、一次コイル３１によって誘導される電圧により、点火コイル３０にプラス放電電圧の印加を開始する（図４（ａ）参照）。二次コイル３５によって印加されるプラス放電電圧は、時刻ｔ３からの時間の経過と共に上昇する。

プラス放電電圧の印加が時刻ｔ３にて開始されると、放電ギャップ２５に遇存する電子は、プラス極となる中心電極２１に向かって移動を開始する。電子は、加速した後、空気の分子に衝突することで、新たな電子とプラスイオンとを生じさせる（以下、「α作用」という）。また、放電ギャップ２５に遇存するプラスイオンは、マイナス極となる接地電極２３に向かって移動を開始する。プラスイオンは、接地電極２３に衝突することで、当該接地電極２３から熱電子を放出させる（以下、「γ作用」という）。

これらのα作用及びγ作用が繰り返し生じることにより、プラズマ状態の多数の電子及びプラスイオンを放電ギャップ２５に存在させた状態（以下、「放電可能状態」という）が形成される。そして、各電極２１，２３間に印加されるプラス放電電圧の上昇により、時刻ｔ４にて放電ギャップ２５の絶縁が破壊される。すると、放電ギャップ２５に蓄えられた静電エネルギによって、プラス極である中心電極２１からマイナス極である接地電極２３に、二次電流としての放電電流Ｉｐが流れる。これにより、容量放電である火花放電が放電ギャップ２５に生じる（図３（ｂ）及び図４（ａ）参照）。

エンジン制御装置７０は、点火プラグ２０へのプラス放電電圧の印加を開始させた時刻ｔ３の後、予め規定された時間が経過した時刻ｔ５にて、通電をオン状態からオフ状態に切り換える旨の点火制御信号を、第二イグナイタ６０に出力する。これにより、プラス放電電圧の印加によって生じる火花放電の継続中に第二イグナイタ６０のコレクタ及びエミッタ間の導通が遮断される（図４（ｃ）参照）。以上により、バッテリ１０から一次コイル３３への通電は、遮断される（図３（ｃ）参照）。一方で、第一イグナイタ５０の導通のオフ状態が維持されることにより、バッテリ１０から一次コイル３１への通電は遮断されたままとなる。

ここで、バッテリ１０から一次コイル３３への通電は、当該バッテリ１０から一次コイル３１への通電よりも早く開始される。故に、一次コイル３３において通電を遮断される際に流れる電流値ｉｍ_Ｍａｘは、一次コイル３１において通電を遮断される際に流れる電流値ｉｐ_Ｍａｘよりも大きくなる。

一次コイル３３の通電遮断により、電流ｉｍによって一次コイル３３の周囲に生じていた磁界が消失する。すると、一次コイル３３によって形成されていた磁界の消失を打ち消すように、二次コイル３５に電圧が誘導される。電流値ｉｐ_Ｍａｘよりも電流値ｉｍ_Ｍａｘが大きいことにより、二次コイル３５に誘導されている電圧の極性は、反転する。以上により、二次コイル３５は、点火コイル３０にマイナス放電電圧を印加する（図４（ａ）参照）。このとき、一次コイル３３から二次コイル３５に誘導された電磁エネルギは、プラス極となった接地電極２３からマイナス極となった中心電極２１に二次電流である放電電流Ｉｍとして流れて、誘導放電である火花放電を継続させる（図３（ｃ）参照）。以上の動作が、燃焼サイクル毎に行われる。

ここまで説明した点火装置１００のように、プラス放電電圧の印加によって火花放電を生じさせる構成では、点火プラグ２０に印加する放電電圧の抑制が可能である。詳記すると、燃焼室９０内における混合気の燃焼に晒される接地電極２３は、中心電極２１よりも高温となり易い。具体的には、中心電極２１が摂氏６００度程度であるのに対して、接地電極２３は、摂氏７００〜９００度程度となる。故に、放電電圧の印加開始（図４時刻ｔ３参照）から放電ギャップ２５の絶縁破壊まで（図４時刻ｔ４参照）の間において、接地電極２３におけるγ作用が生じ易くなる。以上により、放電可能状態の形成までの時間が短縮されるので、容量放電の生じる際の放電電圧が、抑制可能となる。

しかし、プラス放電電圧の印加によって誘導放電が継続される場合、図５（ａ）に示されるように、プラスイオンは、接地電極２３の接地突起部２４に衝突し続ける。このようなプラスイオンの接地突起部２４への継続的な衝突は、接地電極表面からの金属原子ｍａの放出（以下「スパッタリング」という）を引き起こし、当該電極２３を消耗させる。このようなスパッタリングによる電極の消耗は、図６に示されるように、電極の温度が摂氏約８００度を上回ると、いっそう顕著となる。

そこで本実施形態では、火花放電の継続中であって、容量放電から誘導放電へと推移した後の時刻ｔ５（図４参照）に、点火プラグ２０に印加される電圧がプラス放電電圧からマイナス放電電圧へと切り換えられる。故に、プラス放電電圧の印加により接地電極２３に向かって移動を開始したプラスイオンは、極性の反転によって新たにマイナス極となった中心電極２１に移動先を変更し、図５（ｂ）に示されるように、中心電極２１の中心突起部２２に衝突する。

以上によれば、高温の接地電極２３に対するスパッタリングを抑制できるので、当該接地電極２３の消耗は、低減可能となる。また、中心電極２１の温度が摂氏６００度程度に留まり得ることにより、プラスイオンの衝突による金属原子ｍａの放出は、当該中心電極２１では生じ難い。故に、中心電極２１の消耗も、低減可能となる。これらにより、点火プラグ２０の長寿化が実現されるのである。

このような本実施形態における電極の消耗低減効果を、図７に基づいてさらに詳しく説明する。図７に示されるのは、点火プラグ２０の消耗をベンチテストにて計測した計測結果である。このベンチテストでは、０．５メガパスカルの窒素雰囲気中にて、毎分７２００回転に相当する６０ヘルツの電圧が点火プラグ２０に印加される。各放電において、火花放電のために点火プラグ２０に供給されるエネルギは、３５ミリジュールに揃えられている。また、点火プラグ２０の中心突起部２２は、直径０．５５ミリメートル（ｍｍ），長さ０．８ｍｍであり、接地突起部２４は、直径０．７ｍｍ，長さ０．８ｍｍである。図７のｙ軸には、１回の火花放電当たりに換算した接地電極２３の消耗体積が示されている。

プラス放電を実施する形態での接地電極２３の消耗体積は、マイナス放電を実施する形態での接地電極２３の消耗体積よりも、大幅に増大する。対して、本実施形態のように、プラス放電からマイナス放電へ切り換えられる形態での接地電極２３の消耗体積は、プラス放電での消耗体積よりもマイナス放電での消耗体積に近くなる。したがって本実施形態では、プラス放電の実施される形態と同等の放電電圧の抑制効果を獲得しつつ、マイナス放電を実施する形態に近い接地電極２３の消耗を実現できるのである。

加えて本実施形態では、一組の一次コイル３１，３３を設けて、これら一次コイル３１，３３の通電を順次遮断するという簡素な構成及び作動により、点火プラグ２０に印加される電圧の極性の反転が、迅速且つ確実に実現されている。故に、火花放電の継続中という短い時間にて、プラス放電電圧の印加からマイナス放電電圧の印加への切り換えを要する点火制御回路４０として、上記の構成は好適なのである。

また本実施形態によれば、電流値ｉｐ_Ｍａｘよりも電流値ｉｍ_Ｍａｘが大きいので、一次コイル３３の導通遮断によって二次コイル３５に誘導される電圧は、一次コイル３１の導通遮断によって誘導される電圧よりも強くなる。故に、火花放電の継続中に一次コイル３３の導通遮断によって誘導される電圧は、一次コイル３１の導通遮断によって誘導された二次コイル３５の電圧を打ち消し、当該二次コイル３５の電圧の極性を反転させることができる。したがって、接地電極２３へのプラスイオンの衝突を回避して当該接地電極２３の消耗を低減する効果は、さらに確実に発揮可能となる。

さらに本実施形態によれば、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの時間（本実施形態では、例えば４０マイクロ秒（μｓ）に設定されている）が適切に規定されることにより、点火制御回路４０は、火花放電の継続中であって、容量放電から誘導放電に移行した後に、電圧の極性の切り換える作動を確実に実施し得る。したがって、接地電極２３へのプラスイオンの衝突を回避して当該接地電極２３の消耗を低減する効果は、さらに確実に発揮可能となる。この時刻ｔ４から時刻ｔ５までの時間が短くなるほど、消耗を抑制する効果は高くなる。また加えて本実施形態のように、中心電極２１に向かって突出する接地突起部２４が接地電極２３に設けられる形態の点火プラグ２０では、当該接地突起部２４は、混合気の燃焼に晒されてさらに高温になり易い。故に、プラスイオンのスパッタリングに起因する消耗は、いっそう増大し得る。しかし、点火制御回路４０によって印加される電圧の極性が反転されることで、接地突起部２４へのプラスイオンの衝突は、回避され得る。故に、消耗し易い形態の接地突起部２４を有する点火プラグ２０であっても、当該突起部２４の消耗は、低減可能となる。以上のように、点火制御回路４０によって電圧の極性が反転されることにより実現する消耗低減効果は、接地電極２３に接地突起部２４を設けられた点火プラグ２０を当該点火制御回路４０と組み合わせることにより、顕著に発揮される。

尚、本実施形態において、バッテリ１０が特許請求の範囲の「電源」に相当し、中心電極２１が特許請求の範囲の「第一電極」に相当し、接地電極２３が特許請求の範囲の「第二電極」に相当し、接地突起部２４が特許請求の範囲の「突起部」に相当し、プラス放電用の一次コイル３１が特許請求の範囲の「第二巻線」に相当し、マイナス放電用の一次コイル３３が特許請求の範囲の「第三巻線」に相当し、二次コイル３５が特許請求の範囲の「第一巻線」に相当し、点火制御回路４０及びエンジン制御装置７０が協働で特許請求の範囲の「電圧印加手段」に相当する。

（他の実施形態）
以上、本発明による一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

上記実施形態において、点火制御回路４０は、一組の一次コイル３１，３３の通電を順次遮断することにより、火花放電の継続中にてマイナス放電電圧の印加に切り換える構成であった。しかし、点火制御回路４０の構成は、上記実施形態のものに限定されない。火花放電の継続中におけるプラス放電からマイナス放電へと切り換えることができれば、種々の構成が「電圧印加手段」として適用可能である。

上記実施形態において、プラス放電電圧の印加からマイナス放電電圧の印加へと切り換えられるタイミングは、第一イグナイタ５０の通電が遮断された時刻ｔ３から予め規定された時間の経過したときであった。しかし、プラス放電電圧の印加によって容量放電を生じさせ、マイナス放電電圧の印加によって誘導放電を継続することが可能であれば、極性を反転させるための構成及び制御は、適宜変更されてよい。例えば、点火制御回路は、容量放電の開始される時刻ｔ４を検出し、当該時刻ｔ４からの経過時間に基づいて放電電圧の極性を反転してもよい。

また上記実施形態において、放電電圧の極性を反転する時刻ｔ５を規定するための時刻ｔ３からの経過時間は、一定とされていた。しかし、時刻ｔ３からの経過時間は、適宜変更されてもよい。具体的には、点火制御回路は、内燃機関の稼働条件、例えば出力軸の回転速度及び冷却水温度等の検出結果を取得する。そして、点火制御回路は、予め規定された制御マップ及び取得した検出結果に基づいて、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの経過時間を変更してもよい。

上記実施形態において、第一イグナイタ５０をオン状態とする時刻ｔ２よりも前の時刻ｔ１にて第二イグナイタ６０をオン状態とすることにより、一次コイル３１における電流値ｉｐ_Ｍａｘよりも一次コイル３３における電流値ｉｍ_Ｍａｘが大きくされていた。しかし、プラス放電用の一次コイル及びマイナス放電用の一次コイルにおいてエナメル電線が巻回しされる回数を互いに異ならせることにより、電流値ｉｐ_Ｍａｘよりも電流値ｉｍ_Ｍａｘが大きくなる構成とされてもよい。

上記実施形態において、一次コイル３１，３３は、互いの巻線方向を逆方向とすることにより、極性の異なる電圧を二次コイル３５に誘導可能であった。しかし、二次コイルに誘導される電圧の極性を異ならせることが可能であれば、一組の一次コイルの構成は、上記のものに限定されない。例えば、点火コイルは、巻線方向の同じ一組の一次コイルを有する。そして、これらの一次コイルに異なる方向の電流が導通されるようにする。以上の構成でも、極性の異なる電圧を二次コイル３５に誘導することが可能となる。加えて、一組の一次コイルの配置は、適宜変更されてよい。例えば、一組の一次コイルは、二次コイルと並列となるように当該二次コイルの軸方向に沿って並べられる形態であってもよい。

上記実施形態において、点火プラグ２０の中心電極２１及び接地電極２３のそれぞれには、本体部分から突出する中心突起部２２及び接地突起部２４が設けられていた。しかし、種々の形態の点火プラグが、点火装置の構成として適用することができる。例えば、上記実施形態のような中心突起部２２及び接地突起部２４の少なくとも一方を省略した形態の点火プラグが点火装置に用いられていてもよい。さらに、複数の接地電極を備える形態の点火プラグが用いられていてもよい。

上記実施形態では、所定のプログラムを実施するエンジン制御装置７０が点火制御回路４０と協働することにより、特許請求の範囲に記載の「電圧印加手段」の機能は、果たされていた。しかし、「電圧印加手段」の一部に相当する構成は、上記実施形態のエンジン制御装置７０に限定されない。例えば、内燃機関の稼動を制御するエンジン制御装置とは別に、「電圧印加手段」の機能を点火制御回路と協働で果たす回路又は装置が、設けられていてもよい。又は、エンジン制御装置とは異なる車載された他の回路又は装置が、「電圧印加手段」の機能を兼ねていてもよい。さらに、これらの回路又は装置は、上記実施形態のエンジン制御装置７０のようなプログラムの実施によって所定の機能を果たす構成であってもよく、又はプログラムによらないで所定の機能を果たす構成であってもよい。

上記実施形態では、ガソリンエンジン等の内燃機関に用いられる点火装置１００に本発明を適用した例を説明したが、本発明の適用対象は、上記の点火装置に限定されない。車両に搭載されるガソリンエンジンに限らず、例えば、コージェネレーション及びガス圧送用ポンプ等の内燃機関に用いられる点火装置に、本発明は、適用可能である。

１０バッテリ（電源）、２０点火プラグ、２１中心電極（第一電極）、２２中心突起部、２３接地電極（第二電極）、２４接地突起部（突起部）、２５放電ギャップ、３０点火コイル、３１プラス放電用の一次コイル（第二巻線）、３３マイナス放電用の一次コイル（第三巻線）、３５二次コイル（第一巻線）、４０点火制御回路（電圧印加手段）、５０第一イグナイタ、６０第二イグナイタ、７０エンジン制御装置（電圧印加手段）、９０燃焼室、１００点火装置、ｍａ金属原子ｉｐ_Ｍａｘ，ｉｍ_Ｍａｘ電流値、ｉｐ，ｉｍ電流、Ｉｐ，Ｉｍ放電電流

Claims

内燃機関に形成される燃焼室内の混合気に点火する燃焼サイクルを繰り返す点火装置であって、
前記燃焼室に突出する第一電極、及び前記第一電極の突出方向にて当該第一電極と対向する第二電極、を有し、前記第一電極及び前記第二電極間に放電ギャップを形成する点火プラグと、
前記第一電極をプラス極とし前記第二電極をマイナス極とするプラス放電電圧と、前記第一電極をマイナス極とし前記第二電極をプラス極とするマイナス放電電圧とを、切り換えて前記点火プラグに印加可能であり、１回の前記燃焼サイクル内において、前記プラス放電電圧の前記点火プラグへの印加によって前記放電ギャップに火花放電を生じさせた後、当該火花放電の継続中に前記マイナス放電電圧の印加に切り換える電圧印加手段とを、備え、
前記電圧印加手段は、
前記点火プラグと接続され、前記第一電極及び前記第二電極間に電圧を印加する第一巻線と、
前記点火装置の外部の電源と接続され、１回の前記燃焼サイクル内において前記電源からの通電が遮断されることにより、前記第一巻線から前記点火プラグに前記プラス放電電圧が印加されるように、当該第一巻線に電圧を誘導する第二巻線と、
前記電源と接続され、前記第一巻線からの前記プラス放電電圧の印加によって生じる前記火花放電の継続中に前記電源からの通電が遮断されることによって、前記第一巻線から前記点火プラグに前記マイナス放電電圧が印加されるように、当該第一巻線に誘導される電圧の極性を反転させる第三巻線とを、有し、
前記第三巻線において通電を遮断される際に流れる電流値は、前記第二巻線において通電を遮断される際に流れる電流値よりも大きいことを特徴とする点火装置。
前記電圧印加手段は、前記点火プラグへの前記プラス放電電圧の印加を開始した後、予め規定された時間が経過したときにて、前記マイナス放電電圧の印加に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
前記第二電極には、前記第一電極に向かって突出し当該第一電極との間で前記放電ギャップを形成する突起部が、設けら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。