JP5987294B2 - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

内燃機関の点火装置 Download PDF

Info

Publication number
JP5987294B2
JP5987294B2 JP2011242758A JP2011242758A JP5987294B2 JP 5987294 B2 JP5987294 B2 JP 5987294B2 JP 2011242758 A JP2011242758 A JP 2011242758A JP 2011242758 A JP2011242758 A JP 2011242758A JP 5987294 B2 JP5987294 B2 JP 5987294B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
discharge
electrode
positive
center electrode
ignition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011242758A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2013096381A (ja
Inventor
柴田 正道
正道 柴田
泰臣 今中
泰臣 今中
水谷 厚哉
厚哉 水谷
光一 服部
光一 服部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Priority to JP2011242758A priority Critical patent/JP5987294B2/ja
Publication of JP2013096381A publication Critical patent/JP2013096381A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5987294B2 publication Critical patent/JP5987294B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Description

本発明は、点火コイルおよび点火プラグを備えた内燃機関の点火装置に関する。
一般的に、点火プラグの中心電極を負極、接地電極を正極とし、中心電極の側を起点に接地電極へ向けて火花を伸展させる放電はマイナス放電と呼ばれている(特許文献1参照)。一方、中心電極を正極とし、負極である接地電極へ向けて火花を伸展させる放電はプラス放電と呼ばれている。
特開2007−120374号公報
ここで、点火プラグへの電圧印加を開始してから放電が開始されるまでには、所定の時間(放電開始所要時間)を要する。以下、先述したマイナス放電およびプラス放電の各々の場合について、放電開始所要時間が必要となるメカニズムを図7に基づき説明する。なお、図7(a)〜(e)は、放電が開始されるまでのギャップ間の状態変化を表した模式図であり、図7中の上段はマイナス放電時、中段はプラス放電時を示す。
先ず、マイナス放電時の状態変化について説明する。両電極41,42間に電圧を印加すると、図7(a)に示すように、元々ギャップ間に存在していた電子は中心電極41へ向けて移動を開始し、遇存イオン(陽イオン)は接地電極42へ向けて移動を開始する。この時、(b)に示すように、ギャップ間に浮遊している分子に電子が高速で衝突することに起因して、浮遊分子から電子が放出される(α作用)。また、(c)に示すように、質量の大きい陽イオンが中心電極41に衝突することに起因して、中心電極41から電子が放出される(γ作用)。
そして、(d)に示すように、α作用およびγ作用により放出された電子がさらにα作用を引き起こすといった電子なだれが生じるので、ギャップ間での電離が加速度的に促進されてプラズマ状態になる((e)参照)。その結果、(f)に示すように、中心電極41を起点に火花が伸展して接地電極へ達することで、放電が開始される。したがって、両電極41,42間の電位差が所定電圧に達してから、(a)〜(f)の過程を経て放電が開始され、この過程に要する時間が、先述した放電開始所要時間となる。
プラス放電時の状態変化についても同様にして、(a)遇存イオンの移動開始、(b)α作用、(c)γ作用、(d)電子なだれ、(e)プラズマ状態の順に変化し、(f)に示すように、中心電極41を起点に火花が伸展して放電が開始される。但し、電子なだれが生じる過程において、中心電極41の周りに陽イオン雲CI(プラスの空間電荷の集合)が形成される((e)参照)。
これは、電子は質量が軽いため中心電極41へ容易に移動するのに対し、陽イオンは質量が重いためその場に残留するからである。そして、中心電極41は陽イオン雲CIと同極であるため電界強度が弱められてしまい、中心電極41から火花が伸展しにくくなる((f)参照)。そのため、両電極41,42間への電圧印加開始から放電開始までに要する時間が長くなるとともに、点火プラグの放電に要求される電圧(要求電圧)が高くなる。
以上の理由により、プラス放電の場合にはマイナス放電に比べて要求電圧が高くなる。また、接地電極42は燃焼室に突き出されて配置されているので、中心電極41に比べて高温になっている。そのため、放電時に陽イオンが、より高温になっている接地電極42に衝突(スパッタリング)して電極消耗が促進されてしまう。そのため、電極消耗の少ないマイナス放電を実施する点火装置が一般的に普及しているのが実情である。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電極消耗の抑制を図りつつ、要求電圧の低下を実現させた内燃機関の点火装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
第1の発明では、点火コイルから出力される二次電圧を、点火プラグの中心電極および接地電極の間で放電させる内燃機関の点火装置であって、前記中心電極を正極、前記接地電極を負極として放電させるように構成し、前記中心電極と前記接地電極の電位差が所定電圧に達した後、前記中心電極の周りに残留するプラスの空間電荷が所定量以上形成される前に放電が開始されるように、前記電位差の増大速度が設定されていることを特徴とする。
本発明者らが各種試験を実施したところ、点火プラグの電位差増大速度を速くすれば、プラス放電の方がマイナス放電よりも要求電圧を低下できることが見出された。以下、このように要求電圧を低下できる理由について、本発明者らの考察を説明する。
プラス放電の場合、先述した図7の中段に示すように、α作用およびγ作用により電子なだれが生じる際に、中心電極の周りに陽イオン雲が形成される。この陽イオン雲が火花伸展の妨げとなり、放電開始に要する時間(放電開始所要時間)が長くなるとともに要求電圧が高くなることは先述した通りである。
しかし、両電極間の電位差増大の速度が速ければ、陽イオン雲が大きくなる前に放電が開始され、陽イオン雲により火花伸展が妨げられる度合いを低減できることが分かった。つまり、放電開始所要時間に含まれていた陽イオン雲の影響による時間ロスを無くすことができるので、放電開始所要時間を大幅に短縮できるようになるとともに要求電圧を低下できる。
しかも、プラス放電の場合には、以下に説明する熱電子放出の効果が発揮されるので、その効果による要求電圧低下も見込まれる。すなわち、接地電極は中心電極に比べて燃焼中心に近い位置にあり高温になっているため、負極である接地電極から熱電子が放出され易い(図7中段(c)参照)。よって、ギャップ間での電離が促進されて要求電圧が低下する。
以上による考察を鑑みた上記発明では、中心電極を正極、接地電極を負極として放電(プラス放電)させるように構成し、かつ、両電極間の電位差が所定電圧に達した後、中心電極の周りに残留するプラスの空間電荷(陽イオン雲)が所定量以上形成される前に放電が開始されるように、前記電位差の増大速度を設定している。
そのため、陽イオン雲により火花伸展が妨げられる度合いを低減できる効果と、プラス放電による熱電子放出の効果とが発揮されることにより、点火プラグの放電開始に要求される電圧(要求電圧)を低下でき、ひいては、電極消耗を抑制できる。
第2および第3の発明では、前記増大速度を1kV/μs以上に設定したことを特徴とする。また、第4の発明では、前記増大速度を5kV/μs以下に設定したことを特徴とする。
ここで、本発明者らは、放電させるために必要となる要求電圧(放電電圧)を計測する試験であって、電位差の増大速度を異ならせると要求電圧がどのように変化するのかについて試験を実施した。
図4(a)の縦軸は計測された要求電圧を示し、横軸は(b)に示す立上り時間ΔT(増大速度に相当)を示す。この立上り時間ΔTとは、点火プラグへ二次電圧の印加を開始してから、二次電圧がピーク値V2peakに達するまでの、二次電圧増大速度を表す指標であり、V2peakの10%の値(5kV)から90%の値(20kV)にまで上昇するのに要した時間ΔTのことである。なお、図4(c)(d)は(a)の拡大図である。図中の三角印はプラス放電時の試験結果であり、図中の丸印はマイナス放電時の試験結果を示す。
この試験結果から次のことが明らかとなった。すなわち、マイナス放電の場合には、立上り時間ΔTが短いほど要求電圧は高くなる。これに対し、プラス放電の場合には、立上り時間ΔTが15μs(マイクロ秒)以下になると、立上り時間ΔTを短くするほど要求電圧が低くなっていくことが分かった。但し、ΔT≦3μsにすると立上り時間ΔTを短くするほど要求電圧が高くなる。要するに、プラス放電の場合には、3μs≦ΔT≦15μsの領域において、立上り時間ΔTを短くするほど要求電圧が低くなる。このことに起因して、プラス放電でΔT≦15μsにすれば、マイナス放電時に比べて要求電圧を十分に低下できる。
なお、ΔT>15μsまたはΔT<3μsでプラス放電した場合、或いはマイナス放電の場合において、立上り時間ΔTを短くするほど要求電圧が高くなる理由について、本発明者らは次のように考察した。
すなわち、二次電圧が所定電圧Vbreakに達してから、図7に示すα作用およびγ作用が始まりプラズマ状態に遷移していくが、α作用およびγ作用の開始からプラズマ状態になるまでに要する時間は一定である。つまり、所定電圧Vbreakに達してから一定時間が経過した時点で、放電が開始されて二次電圧が降下を開始する。したがって、二次電圧の立上り速度が速いほど(立上り時間Δが短いほど)、前記一定時間にて二次電圧が上昇する量は多くなり、ひいては要求電圧が高くなる。
しかし、立上り時間ΔTが15μs以下になると、先述したように陽イオン雲により火花伸展が妨げられる度合いが低減し、陽イオン雲の影響による時間ロスが小さくなっていくので、放電開始所要時間を短縮できるようになり、要求電圧を低下できる。但し、立上り時間ΔTを3μsにまで短くすれば、陽イオン雲が形成されなくなるので、陽イオン雲の影響による時間ロスは殆ど無くなる。よって、3μsよりも短くしても前記時間ロスは短縮されないので、ΔT<3μsの領域では立上り時間ΔTを短くするほど要求電圧が高くなる。
以上の試験結果および考察に基づき、上記発明によれば、両電極の電位差の増大速度を1kV/μs以上(ΔT≦15μsに相当)に設定するので、点火プラグの放電に要求される電圧(要求電圧)を低下でき、ひいては、電極消耗を抑制できる。また、前記増大速度を5kV/μs以下(ΔT≧3μsに相当)に設定するので、必要以上に増大速度を速くすることを回避できる。よって、増大速度の高速化に伴い点火装置の構成部品に要求される性能を低く抑えることができる。
第5の発明では、前記接地電極には、前記中心電極へ向けて突出する針状の突起が形成されており、前記突起を起点に前記接地電極の側から前記中心電極へ向けて火花を伸展させるように構成されていることを特徴とする。
このような針状突起を接地電極に形成すれば、図7下段に例示するように、突起の近傍で電離が集中することとなり、突起を起点に中心電極41に向けて火花が伸展するようにできる。一方、陽イオン雲は中心電極の側に形成されるので、火花の起点場所が陽イオン雲から遠ざかることになる。そして、火花の伸展は、起点から伸び始める時が、陽イオン雲に妨げられる度合いが最も大きいので、火花起点場所が陽イオン雲から遠ざかることとなる上記発明によれば、陽イオン雲により火花伸展が妨げられる度合いを低減できる。よって、放電開始所要時間の短縮化を促進でき、要求電圧の低下を促進できる。
第6の発明では、蓄電した電力を前記点火コイルの一次コイルへ放電することにより、前記点火コイルの二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで容量放電させる容量放電用回路と、前記一次コイルへの通電を遮断することにより、前記二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで誘導放電させる誘導放電用回路と、前記点火プラグの中心電極を正極としたプラス放電を実施し、当該プラス放電の途中で、前記中心電極を負極としたマイナス放電に切り替えるよう、前記一次コイルへの通電状態を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記プラス放電を前記容量放電により実施し、前記マイナス放電を前記誘導放電により実施するよう、前記容量放電用回路および前記誘導放電用回路の作動を制御することを特徴とする。
上記発明によれば、プラス放電を容量放電により実施し、マイナス放電を誘導放電により実施するので、図5中の符号I1(+),I1(−)に例示するように、プラス放電用の一次電流I1(+)が一次コイルを流れる向きと、マイナス放電用の一次電流I1(−)が一次コイルを流れる向きを同じにできる。その結果、I1(+)による磁束とI1(−)による磁束の向きが同じになる。よって、互いの磁束が打ち消し合うことによる電力ロスを回避でき、ひいては点火コイルの大型化を抑制できる。
しかも、上述の如く両電流I1(+),I1(−)の流れる向きを同じにできることに起因して、マイナス放電用の一次コイルとプラス放電用の一次コイルとを共用させることができる。つまり、図1記載の如く、プラス放電用の一次コイルL1Aとマイナス放電用の一次コイルL1Bを各々備えることを不要にできるので、点火コイルの大型化を抑制できる。
以上により、上記発明によれば、プラス放電の途中でマイナス放電に切り替えて電極消耗の多いプラス放電の期間を短くすることを、点火コイルの大型化抑制を図りつつ実現可能となる。
ところで、放電開始に必要な二次電圧の絶対値は、放電維持に必要な二次電圧の絶対値よりも高い。また、容量放電は一般的に、誘導放電に比べて二次電圧の発生期間が短いものの、誘導放電に比べて二次電圧の絶対値を高くできる。これらを鑑みた上記発明では、放電開始にかかるプラス放電を容量放電で実施し、放電維持にかかるマイナス放電を誘導放電で実施するので、放電開始および放電維持に必要な二次電圧を高効率で生じさせることができる。
本発明の第1実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図。 プラス放電とマイナス放電の違いを説明する図。 図1の点火装置において、点火放電させる際の各種値の変化を示したタイムチャート。 本発明者らが実施した試験の結果を示す図。 本発明の第2実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図。 図5の点火装置において、点火放電させる際の各種値の変化を示したタイムチャート。 放電が開始されるまでのギャップ間の状態変化を表した模式図。
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図であり、電子制御装置(ECU10)に設けられたマイクロコンピュータ(制御手段)は、エンジン回転速度やアクセル操作量などのエンジンの運転状態を表す運転状態情報を取得し、その運転状態情報に基づいて最適な点火時期を算出する。そして、その点火時期に応じて点火信号IGt1,IGt2を生成し、後述する半導体スイッチSWA,SWBへ出力する。
内燃機関の気筒ごとに設けられる点火コイル20は、磁気回路を形成するコア21、プラス放電用の一次コイルL1A、マイナス放電用の一次コイルL1B、および二次コイルL2等を備えて構成されている。なお、図に示す点火コイル20は、プラス放電用の一次コイルL1A、マイナス放電用の一次コイルL1Bおよび二次コイルL2を、同一のコア21に巻き回して構成されている。
そして、バッテリ30からプラス放電用の一次コイルL1Aへの通電は半導体スイッチSWAにより制御され、マイナス放電用の一次コイルL1Bへの通電は半導体スイッチSWBにより制御される。なお、半導体スイッチSWA,SWBの作動は点火信号IGt1,IGt2により制御される。
図2(a)は、点火プラグ40の中心電極41および接地電極42を示す図である。図示されるように、接地電極42の表面が平らであるのに比べて中心電極41には針状の突起が形成されている。そのため、この突起部分にて電界集中するため、両電極41,42間に生じる火花は、中心電極41の突起部分を起点として接地電極42へ伸展する。但し、図2(b)に示すプラス放電時と図2(c)に示すマイナス放電時とで、二次電流I2の向きが異なる。すなわち、プラス放電時には中心電極41がプラス極、接地電極42がマイナス極として機能し、中心電極41の側から接地側へと二次電流I2が流れる。一方、マイナス放電時には中心電極41がマイナス極、接地電極42がプラス極として機能し、接地側から中心電極41の側へと二次電流I2が流れる。
図3は、点火プラグ40で放電させる際の各種値の変化を示したタイムチャートであり、要するに、放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替えている。このように切り替える制御手順について、以下に説明する。
先ず、点火信号IGt2がオフからオンに切り替わったt1時点で、半導体スイッチSWBがオン作動して、バッテリ30から一次コイルL1Bへ一次電流I1Bが流れ始める(図3(b)(d)参照)。つまり、t1時点でマイナス放電のための充電が開始される。
次に、点火信号IGt1がオフからオンに切り替わったt2時点で、半導体スイッチSWAがオン作動して、バッテリ30から一次コイルL1Aへ一次電流I1Aが流れ始める(図3(a)(c)参照)。つまり、t2時点でプラス放電のための充電が開始される。
次に、点火信号IGt1がオンからオフに切り替わったt3時点で、半導体スイッチSWAがオフ作動して、一次コイルL1Aへの通電が遮断される。これにより、一次コイルL1Aに蓄えられていた充電エネルギの放電が開始され、中心電極41の電位が接地電極42の電位に比べて急激に高くなるよう、二次電圧V2が上昇する(図3(e)参照)。その結果、中心電極41から接地電極42へ電流が流れる向きに放電(プラス放電)が開始される。
なお、電極41,42間の放電電圧V2は、t4時点でピーク値となった後、急降下する。但し、このt4時点では一次コイルL1Bに一次電流I1Bが流れているので、放電電圧V2はゼロになることなくプラス値に維持される。よって、一次コイルL1Bからの放電が終了したt4時点から、後述するマイナス放電が開始されるt5時点までの期間中に、電極41,42間の放電が消滅することはない。
次に、点火信号IGt2がオンからオフに切り替わったt5時点で、半導体スイッチSWBがオフ作動して、一次コイルL1Bへの通電が遮断される。これにより、一次コイルL1Bに蓄えられていた充電エネルギの放電が開始され、中心電極41の電位が接地電極42の電位に比べて急激に低くなるよう、二次電圧V2が降下する(図3(e)参照)。その結果、プラス放電の状態からマイナス放電の状態に切り替わる。
その後、電極41,42間の放電電圧V2は、t6時点でピーク値となった後、上昇してゼロ(正確にはバッテリ電圧(12V))にまで降下する。但し、このt4時点では一次コイルL1Bに一次電流I1Bが流れているので、放電電圧V2はゼロになることなくプラス値に維持される。要するに、符号Taに示す期間にてプラス放電が実施され、そのプラス放電の途中で(t5時点で)マイナス放電に替わり、符号Tbに示す期間にてマイナス放電が実施される。
次に、本実施形態の要部である二次電圧V2(中心電極41と接地電極42の電位差)の立上り速度(増大速度)について説明する。この立上り速度とは、図3において、二次電圧V2(放電電圧)が上昇を開始したt3時点から、ピーク値に達するt4時点までの電圧上昇速度(t3〜t4の傾き)のことである。図4(b)は、マイナス放電を実施することなくプラス放電のみを実施した場合における、放電電圧の変化を示す波形であり、放電を開始した時点で放電電圧が急激に下降する。
つまり、放電開始時の放電電圧がピーク値V2peakであり、放電開始に必要な電圧(要求電圧)である。そして、このピーク値V2peakに達するまでの上昇速度が前記立上り速度に相当する。なお、図4(a)の試験結果では、V2peakの10%の値(5kV)から90%の値(20kV)にまで上昇するのに要した時間(立上り時間ΔT)を、前記上昇速度を表す指標として用いている。
そして、3μs≦ΔT≦15μsとなるように、プラス放電用の一次コイルL1Aと二次コイルL2との巻き数比を設定している。例えば、二次コイルL2の巻き数に対する一次コイルL1Aの巻き数を少なくするほど、立上り時間ΔTを短くできる。或いは、一次コイルL1Aへ通電する一次電流I1Aの立上り速度が速くなるように、半導体スイッチSWA等から構成される回路(一次コイル通電回路)を構成すれば、立上り時間ΔTを短くできる。
以上により、本実施形態によれば、ΔT≦15μsとなるように、点火コイル20および一次コイル通電回路の少なくとも一方を設定するので、図4(c)の試験結果に示すように要求電圧を低下できる。なお、点火プラグ40の雰囲気温度や筒内圧を異ならせても、図4(a)に示す特性波形が上下方向に平行移動するだけであり、立上り時間ΔT=15μsのポイントから要求電圧が低下していくことに変わりはない。
また、ΔT≧3μsとなるように、点火コイル20および一次コイル通電回路の少なくとも一方を設定するので、図4(d)の試験結果に示すように立上り時間ΔTを必要以上に短くすることを回避できる。よって、点火コイル20や一次コイル通電回路に要求される性能を低く抑えることができる。
ところで、接地電極42は中心電極41に比べて燃焼中心に近い位置にあり高温になっているため、スパッタリングによる消耗の度合いが大きい。したがって、スパッタリングが接地電極42で生じるプラス放電の方が、スパッタリングが中心電極41で生じるマイナス放電に比べて、電極消耗が大きくなることが懸念される。
この懸念に対し本実施形態では、放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替えるので、電極消耗の多いプラス放電の期間を短くできる。よって、電極消耗を抑制しつつプラス放電を実施できる。
しかも、ΔT≦15μsに設定した本実施形態によれば、上述したようにプラス放電時の要求電圧をマイナス放電時の要求電圧よりも低く抑えることができるので、プラス放電による放電開始時の要求電圧を低く抑えることができる。
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、半導体スイッチSWA,SWBの遮断に伴い二次電圧を上昇させる誘導放電により、プラス放電およびマイナス放電を実現させている。これに対し本実施形態では、プラス放電を容量放電により実施し、マイナス放電を誘導放電により実現させている。
図5は、本実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図であり、要するに、二次コイルL2に生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて点火プラグ40で容量放電させる容量放電用回路と、一次コイルL1への通電を遮断することにより、二次コイルL2に生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて点火プラグ40で誘導放電させる誘導放電用回路とを備える。
内燃機関の気筒ごとに設けられる点火コイル20は、磁気回路を形成するコア部材21、一次コイルL1および二次コイルL2等を備えて構成される。詳細には、コア部材21の外周面に、図示しない絶縁シートを介して両コイルL1,L2が重ねて巻き回されている。
コア部材21は、一次コイルL1に一次電流I1が流れることにより生じた磁束を集中させるよう機能するものであるが、このようにコア部材21で集中させることのできる磁束量(飽和磁束量)は、コア部材21の材質や形状、大きさに応じて決まってくる。したがって、点火コイル20の小型化を図りつつ飽和磁束量を大きくして所望の二次電圧V2を発生させるには、飽和磁束密度の高い材質を採用すればよいがコスト高となる。
一方、飽和磁束密度の低い材質を採用すれば、マイナス放電用の一次電流I1(−)を流し始めてからプラス放電用の一次電流I1(+)を流し始めるまでの期間に、コア部材21に生じる磁束が飽和量に達してしまう。すると、その後I1(+)を一次コイルL1に流してもコア部材21での磁束量が増大しなくなり、プラス放電を実施できなくなることが懸念される。
そこで本実施形態では、I1(−)の通電開始からI1(+)の通電開始直前までに、コア部材21に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、最低限の飽和磁束密度を有するコア部材21を選定しているので、コスト高を抑制しつつ上記懸念を解消できる。
一次コイルL1への供給電力は、以下に説明する容量放電用回路および誘導放電用回路の2系統から可能である。
容量放電用回路は、半導体スイッチSW(+)、DC−DCコンバータ50(昇圧手段)、コンデンサ51(蓄電手段)およびダイオード52により構成される。バッテリ30の出力電圧はDC−DCコンバータ50により昇圧され、その昇圧された電力は、半導体スイッチSW(+)をオフ作動させている期間中にコンデンサ51に蓄電される。そして、半導体スイッチSW(+)をオン作動させると、コンデンサ51に蓄電された高圧電力が一次コイルL1へ放電され、この放電に起因して、二次コイルL2での二次電圧V2の絶対値が昇圧され、点火プラグ40にて容量放電が生じる。この容量放電は、先述したプラス放電の実施に適用される。
誘導放電用回路は、先述した半導体スイッチSW(−)およびダイオード53により構成され、バッテリ30から供給される電力の一次コイルL1への通電と遮断を制御する。つまり、半導体スイッチSW(−)をオン作動させて一次コイルL1への通電を開始させると、マイナス放電用の磁気エネルギが一次コイルL1へ蓄えられることとなる。その後、半導体スイッチSW(−)をオフ作動させて通電を遮断すると、二次コイルL2に生じる二次電圧V2の絶対値が昇圧して、点火プラグ40にて誘導放電が生じる。この誘導放電は、先述したマイナス放電の実施に適用される。
図5中の矢印I1(+),I1(−)は、容量放電用回路によるプラス放電用の一次電流I1(+)が一次コイルL1を流れる向きと、誘導放電用回路によるマイナス放電用の一次電流I1(−)が一次コイルを流れる向きを示す。これらの一次電流I1(+),I1(−)が一次コイルL1を流れる向きは同一であり、この向きが逆転することはダイオード52,53により制限される。
ECU10は、半導体スイッチSW(+),SW(−)を制御することで、容量放電(プラス放電)により点火プラグ40での放電を開始させ、そのプラス放電の途中で、誘導放電(マイナス放電)に切り替えるよう、点火プラグ40での放電状態を制御する。
図6は、このような放電状態の制御を実施すべく、プラス放電用の点火信号IGt(+)およびマイナス放電用の点火信号IGt(−)を出力した際のタイムチャートである。
先ず、点火信号IGt(−)がオフからオンに切り替わったt1時点で、半導体スイッチSW(−)がオン作動して、バッテリ30から一次コイルL1へマイナス放電用の一次電流I1(−)が流れ始める(図6(a)(c)参照)。つまり、t1時点で誘導放電(マイナス放電)のための磁気エネルギ蓄積が開始される。
次に、点火信号IGt(+)がオフからオンに切り替わったt2時点で、半導体スイッチSW(+)がオン作動する。これにより、コンデンサ51に蓄えられていた電力エネルギが放電され、一次コイルL1へプラス放電用の一次電流I1(+)が流れ始める(図6(b)(d)参照)。その結果、中心電極41の電位が接地電極42の電位に比べて急激に高くなるよう、二次電圧V2が変化する(図6(f)参照)。その結果、中心電極41から接地電極42へ二次電流I2が流れる向きに放電(プラス放電)することとなる。つまり、t2時点で容量放電(プラス放電)が開始される。
なお、一次コイルL1に実際に流れる一次電流I1(実一次電流I1)は、図6(e)に示すようにI1(−)にI1(+)を加算した値となる。実一次電流I1は、容量放電(プラス放電)の開始に伴いt3時点でピーク値となる。そして、その所定時間後のt4時点で、点火信号IGt(−)をオンからオフに切り替えて、半導体スイッチSW(−)をオフ作動させ、マイナス放電用の一次電流I1(−)の通電が遮断される。
これにより、一次コイルL1に蓄えられていた磁気エネルギが開放され、中心電極41の電位が接地電極42の電位に比べて急激に低くなるよう、二次電圧V2が変化する(図6(f)参照)。その結果、接地電極42から中心電極41へ二次電流I2が流れる向きに放電(マイナス放電)することとなる。
なお、一次電流I1(−)の通電を遮断させるt4時点で、点火信号IGt(+)をオンからオフに切り替えて、半導体スイッチSW(+)をオフ作動させるので、誘導放電(マイナス放電)の開始と同時に容量放電(プラス放電)が終了する。つまり、t4時点で、容量放電(プラス放電)の継続中に誘導放電(マイナス放電)に切り替わる。
その後、電極41,42間の放電電圧V2はt5時点でゼロ(正確にはバッテリ電圧(12V))になる。要するに、符号Taに示す期間にてプラス放電が実施され、そのプラス放電の途中で(t4時点で)マイナス放電に切り替わり、符号Tbに示す期間にてマイナス放電が実施される。
そして、本実施形態でも上記第1実施形態と同様にして、二次電圧V2(中心電極41と接地電極42の電位差)の立上り速度(増大速度)を、二次電圧V2が所定電圧に達した後、中心電極41の周りに残留するプラスの空間電荷が所定量以上形成される前に放電が開始されるように設定している。この立上り速度とは、図6において、二次電圧V2(放電電圧)がプラス放電開始に伴い上昇を開始したt2時点から、ピーク値に達するt3時点までの電圧上昇速度(t2〜t3の傾き)のことである。
以上詳述した本実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の効果が発揮されるとともに、以下の効果も得られるようになる。
(1)放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替えるので、電極消耗の多いプラス放電の期間を短くできる。よって、電極消耗を抑制しつつプラス放電を実施できる。
(2)プラス放電を容量放電により実施し、マイナス放電を誘導放電により実施するので、プラス放電用の一次電流I1(+)が一次コイルL1を流れる向きと、マイナス放電用の一次電流I1(−)が一次コイルL1を流れる向きを同じにできる。その結果、I1(+)による磁束とI1(−)による磁束が互いに打ち消し合うことによる電力ロスを回避でき、ひいては点火コイル20の大型化を抑制できる。
(3)上述の如く両電流I1(+),I1(−)の流れる向きを同じにできることに起因して、マイナス放電用の一次コイルとプラス放電用の一次コイルとを共用させることができるので、点火コイル20の大型化を抑制できる。
(4)I1(−)の通電開始からI1(+)の通電開始直前までに、コア部材21に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、最低限の飽和磁束密度を有するコア部材21を選定しているので、コスト高を抑制しつつ上記懸念を解消できる。
(5)ところで、両電極41,42での絶縁破壊(放電開始)に必要な二次電圧V2の絶対値は、絶縁破壊後の放電維持に必要な二次電圧V2の絶対値よりも高い。また、容量放電は一般的に、誘導放電に比べて二次電圧V2の発生期間が短いものの、誘導放電に比べて二次電圧V2の絶対値を高くできる。これらを鑑みた本実施形態では、放電開始にかかるプラス放電を容量放電で実施し、放電維持にかかるマイナス放電を誘導放電で実施するので、放電開始および放電維持に必要な二次電圧V2を高効率で生じさせることができる。
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
・図2に示す上記第1実施形態では、接地電極42のうち中心電極41と対抗する部位を、平坦な形状にしているが、図4の下段に示すように、接地電極42のうち中心電極41と対抗する部位に、中心電極41へ向けて突出する針状の突起42aを形成してもよい。
これによれば、図4下段に示すように、突起42aの近傍で電離が集中することとなり、突起42aを起点に中心電極41に向けて火花が伸展するようにできる。一方、陽イオン雲CIは中心電極41の側に形成されるので、火花の起点場所が陽イオン雲CIから遠ざかることになる。よって、陽イオン雲CIにより火花伸展が妨げられる度合いを低減でき、放電開始所要時間の短縮化による放電電圧の低下を促進できる。
・図1に示す上記第1実施形態では、放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替える点火装置に本発明を適用させているが、マイナス放電の実施を廃止してプラス放電のみを実施する点火装置に、本発明を適用させてもよい。
・上記第2実施形態では、プラス放電用の半導体スイッチSW(+)と、マイナス放電用の半導体スイッチSW(−)とを、t4時点で同時にオフ作動させている。これに対し、マイナス放電用の半導体スイッチSW(−)をオフ作動させて誘導放電を開始させた後に、プラス放電用の半導体スイッチSW(+)をオフ作動させてもよいし、SW(−)をオフ作動させる前にSW(+)をオフ作動させてもよい。いずれにしても、コンデンサ51からの放電がピークとなったt3時点以降にSW(+)をオフ作動させればよい。
10…ECU(制御手段)、20…点火コイル、40…点火プラグ、41…中心電極、42…接地電極、42a…針状の突起。

Claims (4)

  1. 点火コイルから出力される二次電圧を、点火プラグの中心電極および接地電極の間で放電させる内燃機関の点火装置であって、
    蓄電した電力を前記点火コイルの一次コイルへ放電することにより、前記点火コイルの二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで容量放電させる容量放電用回路と、
    前記一次コイルへの通電を遮断することにより、前記二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで誘導放電させる誘導放電用回路と、
    前記点火プラグの中心電極を正極としたプラス放電を実施し、当該プラス放電の途中で、前記中心電極を負極としたマイナス放電に切り替えるよう、前記一次コイルへの通電状態を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記中心電極を正極、前記接地電極を負極として放電させるように構成し、
    前記中心電極と前記接地電極の電位差を増大させて放電を開始させるにあたり、前記電位差の増大速度を1kV/μs以上に設定したことを特徴とする内燃機関の点火装置。
  2. 前記増大速度を5kV/μs以下に設定したことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の点火装置。
  3. 前記接地電極には、前記中心電極へ向けて突出する針状の突起が形成されており、
    前記突起を起点に前記接地電極の側から前記中心電極へ向けて火花を伸展させるように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の点火装置。
  4. 記制御手段は、前記プラス放電を前記容量放電により実施し、前記マイナス放電を前記誘導放電により実施するよう、前記容量放電用回路および前記誘導放電用回路の作動を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の内燃機関の点火装置。
JP2011242758A 2011-11-04 2011-11-04 内燃機関の点火装置 Active JP5987294B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011242758A JP5987294B2 (ja) 2011-11-04 2011-11-04 内燃機関の点火装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011242758A JP5987294B2 (ja) 2011-11-04 2011-11-04 内燃機関の点火装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013096381A JP2013096381A (ja) 2013-05-20
JP5987294B2 true JP5987294B2 (ja) 2016-09-07

Family

ID=48618584

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011242758A Active JP5987294B2 (ja) 2011-11-04 2011-11-04 内燃機関の点火装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5987294B2 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5899823B2 (ja) * 2011-11-04 2016-04-06 株式会社デンソー 内燃機関の点火装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS51113041A (en) * 1975-03-28 1976-10-05 Kokusan Denki Co Ltd The ignition apparatus of an internal combustion engine
JPS5441241Y2 (ja) * 1976-01-26 1979-12-03
DE19817391A1 (de) * 1998-04-20 1999-10-21 Daimler Chrysler Ag Zündkerze für eine Brennkraftmaschine bzw. Sensorelement für Entflammungs- und Verbrennungsvorgang
JP2001032758A (ja) * 1999-07-22 2001-02-06 Ngk Spark Plug Co Ltd 内燃機関用点火装置
JP3524454B2 (ja) * 1999-11-30 2004-05-10 株式会社日立製作所 内燃機関点火装置
JP4271379B2 (ja) * 2001-02-08 2009-06-03 株式会社デンソー スパークプラグ
JP2003184723A (ja) * 2001-12-18 2003-07-03 Ngk Spark Plug Co Ltd 内燃機関用点火装置
JP4946990B2 (ja) * 2007-08-23 2012-06-06 株式会社デンソー プラズマ式点火装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013096381A (ja) 2013-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5899823B2 (ja) 内燃機関の点火装置
JP5255682B2 (ja) 点火装置
US8973562B2 (en) Ignition device and ignition method for internal combustion engine
KR102323181B1 (ko) 점화 시스템을 제어하기 위한 방법 및 장치
WO2017060935A1 (ja) 内燃機関用点火装置および内燃機関用点火装置の点火制御方法
JP6606856B2 (ja) 内燃機関用点火装置
US20150008838A1 (en) Method for operating an ignition device for an internal combustion engine
JP2016211446A (ja) 内燃機関用点火装置
US9816476B2 (en) Ignition system for spark ignition engines and method of operating same
JP2018084209A (ja) 内燃機関用点火装置
JP2018534471A (ja) 点火システムを制御する方法および装置
US7182077B2 (en) High energy density inductive coils for approximately 300 ma spark current and 150 mj spark energy for lean burn engines
JP6640372B2 (ja) 内燃機関用点火装置
JP5987294B2 (ja) 内燃機関の点火装置
JP5434966B2 (ja) 点火コイル
JP2018534472A (ja) 点火システムを制御する方法および装置
JP4952641B2 (ja) 内燃機関の点火システム
JP2013096383A (ja) 内燃機関の点火装置
US7506640B2 (en) Ignition system for internal-combustion engine
WO2018229883A1 (ja) 内燃機関用点火装置
US11067051B2 (en) Ignition device of internal combustion engine
JP2009068443A (ja) 内燃機関用点火コイル
JP4089484B2 (ja) 内燃機関用点火装置
JP2024506890A (ja) オン期間のエネルギー伝達によるデュアルエネルギー点火システム及びその方法
JP4512855B2 (ja) 着磁装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140904

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150519

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150520

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150717

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160202

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160330

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160712

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160725

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5987294

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250