JP6340948B2

JP6340948B2 - 点火装置

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Publication number: JP6340948B2
Application number: JP2014128326A
Authority: JP
Inventors: 将貴出口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2034-06-23
Also published as: US9543740B2; DE102015110068A1; JP2016009546A; US20150372459A1; DE102015110068B4

Description

本発明は、互いに磁気結合された１次コイル及び２次コイルを有する点火コイルと、該点火コイルに蓄えられる磁気エネルギに基づき中心電極と接地電極との間に高電圧が印加されることでこれら電極間に放電火花を生じさせる点火プラグとを備える点火装置に関する。

内燃機関の燃焼室における着火手段として用いられる点火プラグは、中心電極と接地電極との間の火花放電ギャップに放電火花を生じさせることにより、混合気に着火することができるよう構成されている。点火プラグは、この放電火花が繰り返し中心電極と接地電極との間に生じることにより放電面が消耗するなどして、累積使用時間に応じて劣化することとなる。

ここで、火花放電の最初の段階においては、点火プラグにおける中心電極とその周囲のハウジングとの間の浮遊容量に蓄積された電荷が火花放電ギャップに流れ込むことによる容量放電が生じる。放電面の消耗は、この容量放電電流が大きいほど促進されるため、点火プラグの長寿命化のためには、容量放電電流を低減することが求められる。容量放電電流を低減する方法としては、点火プラグの浮遊容量を低減する方法と、要求電圧を低減する方法とが考えられる。特許文献１には、点火プラグの浮遊容量を低減すべく、浮遊容量が形成される部分と中心電極との間に抵抗体を配置した点火プラグが開示されている。

特開２０１１−２２２２４２号公報

しかしながら、実際には、上記のように容量放電電流を低減する効果が充分に得られる程度の抵抗体の充填密度を得ることは、製造上困難である。また、上記効果を得るためには、抵抗体を少なくともプラグ先端部に近い部分に設ける必要があるが、この場合、燃焼室における燃焼から受ける熱ストレスによって、抵抗体が劣化し、抵抗値が変動してしまうおそれがある。その結果、着火性を確保しつつ容量放電電流を低減することは困難であり、長寿命の点火プラグを得ることができない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、点火プラグの長寿命化を効果的に図ることができる点火装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、互いに磁気結合された１次コイル及び２次コイルを有する点火コイルと、
該点火コイルに蓄えられる磁気エネルギに基づき中心電極と接地電極との間に電圧が印加されることでこれら電極間に放電火花を生じさせる点火プラグと、
上記点火コイルから供給される電気エネルギによって上記点火プラグの電極間にかかる電圧の絶対値が所定の電圧制限値を超えないよう制限する電圧制限手段とを有し、
該電圧制限手段は、上記点火プラグの累積使用時間の増加に伴い、上記電圧制限値を高くすることができるよう構成されていることを特徴とする点火装置にある。

上記点火装置は上記電圧制限手段を有するため、点火プラグの要求電圧を低減することができる。その結果、容量放電電流を低減することができ、中心電極及び接地電極の放電面の消耗を抑制することができる。

また、電圧制限手段は、上記点火プラグの累積使用時間の増加に伴い、電圧制限値を高くすることができるよう構成されている。上記のように、容量放電電流を低減することで、電極消耗を抑制することは可能であるが、徐々に消耗してしまうことは避けられない。電極が消耗すると、火花放電ギャップが徐々に大きくなり、要求電圧が高くなる。ここで、電圧制限手段による電圧制限値を低いままにしておくと、早期に失火してしまい、点火プラグの寿命を延ばすことができない。

そこで、電圧制限手段は、点火プラグの累積使用時間の増加に伴い、電圧制限値を高くすることができるよう構成されている。これにより、火花放電ギャップが拡大しても、点火プラグにおける火花放電を可能とすることができる。その結果、点火プラグの長寿命化を効果的に図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、点火プラグの長寿命化を効果的に図ることができる点火装置を提供することができる。

実施例１における、点火装置の回路構成図。実施例１における、点火プラグに印加される二次電圧Ｖｓ、容量放電時に定電圧素子に流れる電流Ｉ、モニタ用信号の電圧Ｖｍ、をそれぞれ表す線図。実施例１における、点火コントローラを含めた点火装置の全体説明図。実施例１における、累積使用時間と電圧制限値との関係を示す線図。実施例１における、累積使用時間と電極消耗量との関係を示す線図。実施例２における、点火装置の全体説明図。実施例３における、点火装置の回路構成図。実施例４における、点火装置の回路構成図。

上記点火装置は、例えば、コージェネレーション用内燃機関、車両用内燃機関等に用いることができる。

（実施例１）
上記点火装置の実施例につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の点火装置１は、図１に示すごとく、点火コイル５と点火プラグ２と電圧制限手段３とを有する。
点火コイル５は、互いに磁気結合された１次コイル５１及び２次コイル５２を有する。
点火プラグ２は、点火コイル５に蓄えられる磁気エネルギに基づき中心電極２１と接地電極２２との間に電圧が印加されることでこれら電極間に放電火花を生じさせる。
電圧制限手段３は、点火コイル５から供給される電気エネルギによって点火プラグ２の電極間にかかる電圧Ｖｓの絶対値が所定の電圧制限値ＶＬを超えないよう制限する。

そして、電圧制限手段３は、図４に示すごとく、点火プラグ２の累積使用時間の増加に伴い、電圧制限値ＶＬを高くすることができるよう構成されている。
図１に示すごとく、電圧制限手段３は、スイッチング素子３１と複数の定電圧素子３２とを有する。そして、スイッチング素子３１の制御によって、電圧制限値ＶＬを異なる複数の値に切り替えることができるよう構成されている。

電圧制限手段３は、点火コイル５と点火プラグ２とを接続する接続配線１１に接続されている。
また、本例においては、電圧制限手段３は、定電圧素子３２とスイッチング素子３１と抵抗３３とを直列接続してなる直列体を、複数備えている。そして、これら複数の直列体が、点火プラグ２に対して並列となるように、接続配線１１に接続されている。

定電圧素子３２は、各定電圧素子３２が備えている規定電圧（降伏電圧）よりも低い電圧が逆方向にかかってもほとんど電流が流れず、規定電圧以上の電圧が逆方向に印加されたときに、規定電圧分の電圧降下が生じるように電流が流れるよう構成された素子である。定電圧素子３２としては、ツェナーダイオードを用いることができる。そして、定電圧素子３２は、アノードが接続配線１１側、カソードが接地側となるように、配線されている。また、各直列体は、接続配線１１側から、定電圧素子３２、抵抗３３、スイッチング素子３１の順に直列接続されている。ただし、この順序は、必ずしも限定されるものではない。また、スイッチング素子３１としては、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）を用いている。なお、スイッチング素子３１として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等、他の素子を用いることもできる。

また、複数の直列体のそれぞれに設けられた定電圧素子３２は、互いに規定電圧が異なっている。すなわち、第１の直列体に属する定電圧素子３２１の規定電圧Ｖ１よりも、第２の直列体に属する定電圧素子３２２の規定電圧Ｖ２のほうが高く、第ｎ（ｎは３以上の自然数）の直列体に属する定電圧素子３２ｎ規定電圧Ｖｎはさらに高い。なお、本例においては、電圧制限手段３は、直列体を３個以上備えている。これにより、電圧制限手段３は、電圧制限値ＶＬを３段階以上の値（Ｖ１、Ｖ２、・・・Ｖｎ）に切り替えることができる。

上述の構成を有する電圧制限手段３を用いることにより、点火コイル５から供給される電気エネルギによって点火プラグ２の電極間にかかる電圧Ｖｓ（二次電圧Ｖｓ）の絶対値が所定の電圧制限値ＶＬを超えないよう制限することができる。そして、電圧制限手段３は、点火プラグ２の累積使用時間の増加に伴い、電圧制限値ＶＬを高くすることができる。

図３に示すごとく、点火プラグ２と点火コイル５とを接続する接続配線１１は、ハイテンションコードによって構成されている。すなわち、接続配線１１は、点火コイル５の２次コイル５２に接続されるロッド部１１１と、点火コイル５に接続されるコネクタ部１１２と、ロッド部１１１とコネクタ部１１２との間のハーネス部１１３とからなる。ロッド部１１１は、点火プラグ２が取り付けられた内燃機関のエンジンヘッド６１のプラグホール６１１に挿入されて、点火プラグ２の基端部の端子２３に接続されている。

そして、本例においては、電圧制御手段３は、ハイテンションコード（接続配線１１）におけるコネクタ部１１２に接続され、エンジンヘッド６１に接地されている。なお、本例の点火装置１は、コージェネレーション用の内燃機関に用いられるものである。
また、点火プラグ２は、互いの間に火花放電ギャップＧを設けた中心電極２１と接地電極２２を有する。中心電極２１の先端は貴金属チップによって構成されている。また、接地電極２２にも、中心電極２１に対向する面に貴金属チップを設けることもできる。

また、点火コイル５の１次コイル５１は、点火コントローラ４に接続されている。点火コントローラ４は、電源電圧を所定の電圧に昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ４１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４と１次コイル５１との間に接続されるコンデンサ４２とを有する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１とコンデンサ４２との間の配線から、ダイオード４３及びスイッチング素子４４を介して接地される接地配線が設けてある。

これにより、点火コントローラ４は、スイッチング素子４４をオフの状態にして、コンデンサ４２に電荷をチャージした後、所定のタイミングでスイッチング素子４４をオンとすることにより、点火コイル５の１次コイル５１に電流が流れる。これに伴い、点火コイル５の２次コイル５２に２次電圧Ｖｓが誘起される。そして、２次電圧Ｖｓが、点火プラグ２及び電圧制限手段３に印加されることとなる。

ここで、電圧制限手段３の作動及び機能の一例につき説明する。
例えば点火プラグ２が新品の状態にある初期の状態においては、第１の直列体のスイッチング素子３１１のみをオンとし、他の直列体のスイッチング素子３１はオフとする。これにより、点火プラグ２と並列接続された直列体は、第１の直列体のみとなり、第１の直列体の定電圧素子３２１の規定電圧Ｖ１が、電圧制限値ＶＬとなる。つまり、電圧制限値ＶＬを比較的低い値に設定することができる。これにより、要求電圧を低減でき、これに伴い、容量放電電流も小さくなり、点火プラグ２の電極の消耗を抑制することができる。

そして、点火プラグ２の累積使用時間がある程度経過した時点においては、火花放電ギャップＧの拡大により点火プラグ２が劣化して、火花放電が生じにくくなる。それゆえ、第２の直列体のスイッチング素子３１２のみをオンとし、第１の直列体のスイッチング素子３１１を含めた他のスイッチング素子３１をオフとする。これにより、電圧制限値ＶＬは、第２の直列体の定電圧素子３２２の規定電圧Ｖ２に切り替えられる。したがって、点火プラグ２に印加される二次電圧Ｖｓを高くすることができ、点火プラグ２の着火性を確保することができる。

なお、この切り替えのタイミングは、図２に示す、直列体に電流が流れる時間ｔの長さに基づいて行うことができる。つまり、定電圧素子３２に印加される二次電圧Ｖｓが規定電圧（電圧制限値ＶＬ）以上となると、定電圧素子３２に電流Ｉが流れるが、点火プラグ２の電極間に印加される電圧は、この規定電圧（電圧制限値ＶＬ）において保持される。そして、火花放電ギャップＧに火花放電が生じるまでの間に、ある程度の時間がかかり、この保持時間の間、直列体（定電圧素子３２）に電流Ｉが流れることとなる。つまり、この保持時間が上記時間ｔである。保持時間ｔが所定の時間よりも長くなると、失火のおそれがある。それゆえ、保持時間ｔが所定の時間を超えたとき、電圧制限値ＶＬが低すぎると判断することができ、このタイミングで、電圧制限値ＶＬを切り替えるべく、スイッチング素子３１のオンオフを切り替えて、点火プラグ２と並列接続される定電圧素子３２を切り替える。

そして、上記保持時間ｔは、各直列体に設けられた抵抗３３の両端にかかる電圧Ｖｍをモニタリングすることにより、計測することができる。つまり、定電圧素子３２に電流が流れている間、抵抗３３にも電流が流れ、その分の電圧降下が抵抗３３において生じる。これをモニタリングして、上記保持時間ｔを計測することができる。

さらに、点火プラグ２の累積使用時間が経過すると、さらに火花放電ギャップＧの拡大が進むため、電圧制限値ＶＬをさらに高くする必要が生じる。これに応じて、さらに、スイッチング素子３１のオンオフを切り替えて、より規定電圧が高い定電圧素子３２を備えた直列体のみが、点火プラグ２と並列接続された状態を作る。このようにして、図４の折れ線Ｌ１に示すごとく、点火プラグ２の累積使用時間の増加に伴い、段階的に電圧制限値ＶＬを上昇させることで、点火装置１を長期にわたり効果的に使用することを可能としている。

なお、図４の折れ線Ｌ１は、累積使用時間と電圧制限値ＶＬとの関係を示し、直線Ｌ２は、電圧制限手段３を設けない場合における、点火プラグ２の累積使用時間と要求電圧との関係を示す。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記点火装置１は電圧制限手段３を有するため、点火プラグ２の要求電圧を低減することができる。その結果、容量放電電流を低減することができ、中心電極２１及び接地電極２２の放電面の消耗を抑制することができる。

また、電圧制限手段３は、点火プラグ２の累積使用時間の増加に伴い、電圧制限値ＶＬを高くすることができるよう構成されている。上記のように、容量放電電流を低減することで、電極消耗を抑制することは可能であるが、徐々に消耗してしまうことは避けられない。電極が消耗すると、火花放電ギャップＧが徐々に大きくなり、要求電圧が高くなる。ここで、電圧制限手段３による電圧制限値ＶＬを低いままにしておくと、早期に失火してしまい、点火プラグ２の寿命を延ばすことができない。

そこで、電圧制限手段３は、点火プラグ２の累積使用時間の増加に伴い、電圧制限値ＶＬを高くすることができるよう構成されている。これにより、火花放電ギャップＧが拡大しても、点火プラグ２における火花放電を可能とすることができる。その結果、点火プラグ２の長寿命化を効果的に図ることができる。

図５の折れ線Ｌ３は、本例の点火装置１を用いたときの点火プラグ２の累積使用時間と電極消耗量との関係を示し、曲線Ｌ４は、電圧制限手段３を設けない場合の点火プラグ２の累積使用時間と電極消耗量との関係を比較として示している。同図より分かるように、電圧制限手段３を設けていない場合（Ｌ４）に比べ、電圧制限手段３を設けた場合（Ｌ３）には、電圧制限値ＶＬを設けている分、電極の消耗速度は小さくなる。その結果、電極消耗を大きく抑制することができ、点火プラグ２の寿命を延ばすことができる。

図５に示したＴｂは、ある所定の電極消耗量Ｗ０に達したときを点火プラグ２の寿命と考えたとき、本例の点火装置１が延ばすことのできる寿命の長さを表す。図４に示した電圧制限値ＶＬ（要求電圧）と累積使用時間との関係のグラフにおけるＴａも、要求電圧がＶ０に達したときを点火プラグ２の寿命と考えたとき、本例の点火装置１が延ばすことのできる寿命の長さを表す。なお、図４、図５は、実測データを示すものではなく、上記の説明上、理論的に考えられる概略の線図である。

また、電圧制限手段３は、スイッチング素子３１と複数の定電圧素子３２とを有し、スイッチング素子３１の制御によって、電圧制限値ＶＬを異なる複数の値に切り替えることができるよう構成されている。これにより、容易かつ確実に、電圧制限値ＶＬを切り替えることができる。

電圧制限手段３は、電圧制限値ＶＬを３段階以上の値に切り替えることができるよう構成されている。これにより、着火性を確保しつつ、電極の消耗を効果的に抑制することができる。その結果、点火プラグ２の長寿命化を効果的に図ることができる。

また、電圧制限手段３は、点火コイル５と点火プラグ２とを接続する接続配線１１に接続されている。これにより、点火コイル５や点火プラグ２の構造等を特に変更することなく、点火プラグ２の長寿命化を容易に図ることができる。

以上のごとく、本例によれば、点火プラグの長寿命化を効果的に図ることができる点火装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図６に示すごとく、電圧制限手段３をハイテンションコード（接続配線１１）のロッド部１１１に内蔵した点火装置１の例である。
本例においては、電圧制限手段３の接地側の端子を、点火プラグ２のハウジング２４に接続している。また、電圧制限手段３の他の端子は、ロッド部１１１内において、接続配線１１に電気的に接続してある。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、電圧制限手段３をロッド部１１１に内蔵してあるため、点火装置１を内燃機関に取り付ける際の作業性を向上させることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

(実施例３)
本例は、図７に示すごとく、スイッチング素子３１を定電圧素子３２よりも接続配線１１側に配線した例である。
すなわち、各直列体において、定電圧素子３２よりも点火コイル５に近い側に、スイッチング素子３１が接続されている。この場合、仮にスイッチング素子３１としてＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを用いたとすると、ベース端子に高い電圧が印加され、ベース端子に接続されたエンジンＥＣＵ等の制御部が損傷を受けるおそれがある。そこで、本例においては、スイッチング素子３１として、例えば、電気信号を光信号に変換し、絶縁性を確保して電気信号を伝達できるフォトカプラ等を用いることができる。

その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

（実施例４）
本例は、図８に示すごとく、電圧制限手段３における複数の定電圧素子３２とスイッチング素子３１との配線構造を変更した例である。
つまり、本例においては、複数の定電圧素子３２を直列接続した直列配線３４を、接続配線１１とグランドとの間に接続する。また、直列配線３４における隣り合う定電圧素子３２の間から配線を分岐させ、各分岐配線３５にスイッチング素子３１と抵抗３３との直列体を設けている。また、直列配線３４には、抵抗３３が、複数のスイッチング素子３１と直列に接続されている。

ここで、複数の定電圧素子３２のうち、接続配線１１に近い側から順に、第１の定電圧素子３２１、第２の定電圧素子３２２、第３の定電圧素子３２３という。また、直列配線３４における接続配線１１に近い位置から分岐した分岐配線３５のスイッチング素子３１から順に、第１の定電圧素子３１１、第２の定電圧素子３１２、第３の定電圧素子３１３という。

このように構成された電圧制限手段３は、点火プラグ２の累積使用時間に応じて、第１のスイッチング素子３１１のみをオンとした状態から始まり、第２のスイッチング素子３１２のみをオンとした状態、第３のスイッチング素子３１３のみをオンとした状態、と続いて、最後はすべてのスイッチング素子３１をオフとした状態まで、順次複数のスイッチング素子３１のオンオフを切り替える。これにより、電圧制限値ＶＬを、第１の定電圧素子３２１の規定電圧とした状態から、第１の定電圧素子３２１及び第２の定電圧素子３２２の合計の規定電圧とした状態、第１〜第３の定電圧素子３２１、３２２、３２３の合計の規定電圧とした状態と続き、最後はすべての定電圧素子３２の合計の規定電圧を電圧制限値ＶＬとした状態まで、段階的に電圧制限値ＶＬを上昇させることができる。

なお、本例においては、第１の定電圧素子３２１の規定電圧が、点火プラグ２の初期の電圧制限値ＶＬとなり、他の定電圧素子３２の規定電圧は、切り替え時における電圧制限値ＶＬの上昇分となる。それゆえ、第１の定電圧素子３２以外は、第１の定電圧素子３２に比べて小さい規定電圧を有するものを用いる。

また、本例においては、電圧制限手段３が４つの定電圧素子３２と３つのスイッチング素子３１とを有し、電圧制限値ＶＬを４段階で切り替えることができるよう構成された例を示したが、これに限らず、複数の定電圧素子を直列接続した構成としつつ、定電圧素子及びスイッチング素子の数を変更し、電圧制限値の切り替え段数を変更することもできる。

本発明は、上記実施例に限られず、種々の構成を採りうる。例えば、点火コイル５又は点火プラグ２に、電圧制限手段３を内蔵した構成とすることもできる。

１点火装置
２点火プラグ
２１中心電極
２２接地電極
３電圧制限手段
３１、３１１、３１２、３１３、３１ｎスイッチング素子
３２、３２１、３２２、３２３、３２ｎ定電圧素子
５点火コイル
５１１次コイル
５２２次コイル

Claims

互いに磁気結合された１次コイル（５１）及び２次コイル（５２）を有する点火コイル（５）と、
該点火コイル（５）に蓄えられる磁気エネルギに基づき中心電極（２１）と接地電極（２２）との間に電圧が印加されることでこれら電極間に放電火花を生じさせる点火プラグ（２）と、
上記点火コイル（５）から供給される電気エネルギによって上記点火プラグ（２）の電極間にかかる電圧（Ｖｓ）の絶対値が所定の電圧制限値（ＶＬ）を超えないよう制限する電圧制限手段（３）とを有し、
該電圧制限手段（３）は、上記点火プラグ（２）の累積使用時間の増加に伴い、上記電圧制限値（ＶＬ）を高くすることができるよう構成されていることを特徴とする点火装置（１）。
上記電圧制限手段（３）は、スイッチング素子（３１、３１１、３１２、３１３、３１ｎ）と複数の定電圧素子（３２、３２１、３２２、３２３、３２ｎ）とを有し、上記スイッチング素子（３１、３１１、３１２、３１３、３１ｎ）の制御によって、上記電圧制限値（ＶＬ）を異なる複数の値に切り替えることができるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の点火装置（１）。
上記電圧制限手段（３）は、上記電圧制限値（ＶＬ）を３段階以上の値に切り替えることができるよう構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置（１）。
上記電圧制限手段（３）は、上記点火コイルと上記点火プラグ（２）とを接続する接続配線（１１）に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の点火装置（１）。