JP6449736B2

JP6449736B2 - 内燃機関点火装置

Info

Publication number: JP6449736B2
Application number: JP2015155159A
Authority: JP
Inventors: 貴裕井上; 民田　太一郎; 太一郎民田; 橋本　隆; 隆橋本; 中川　光; 光中川; 友一坂下; 孝佳永井; 棚谷　公彦; 公彦棚谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-08-05
Also published as: JP2017031945A

Description

本発明は、バリア放電を利用した内燃機関点火装置に関する。

自動車の燃費向上にむけた希薄燃焼または高ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）環境下では点火が不安定となるため、従来より、多点点火が可能であるバリア放電式の点火装置が提案されている。特許文献１では、制御信号によって定義される周波数で中間電圧を出力する電源回路と、電源回路の出力に少なくとも２つ以上並列に接続されるプラズマ生成回路と、プラズマ生成回路の共振周波数の１つに基づいて制御信号の周波数を決定する電源回路用の制御装置とを備えた高周波プラズマ生成装置が提案されている。プラズマ生成回路は固有の共振周波数に相当する周波数でプラズマを生成する機能を持ち、各プラズマ生成回路の少なくとも一つが共振周波数をずらす手段を備える。上記特徴により、並列に接続されたプラズマ生成回路に対して選択的にプラズマを発生させることが可能である。

特許第５０３６８３０号公報

特許文献１に示す制御方式は、各点火経路において回路定数の違いにより共振周波数を変化させ、複数の点火プラグに対して選択的に放電を行う。しかしながら、上記制御方式を多気筒エンジンに適用した際には異なる周波数で熱プラズマが発生する。また、筒内圧力の変化によっても共振周波数が変わるため点火プラグに投入されるエネルギが気筒毎に異なってしまう。その結果、各気筒のエンジン出力にバラツキが発生してしまい、エンジン出力が不安定になり、または多気筒エンジンの寿命の低下を招くこととなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、エンジン出力を安定化させ、またはエンジンの寿命を向上させることが可能な内燃機関点火装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関点火装置は、信号を発信する信号発生回路と、前記信号発生回路の信号に対応した交流電圧を出力する電源回路と、コイルと、２つの電極の内の少なくとも一方の電極が誘電体で覆われた点火プラグとで構成される直列体を含み、前記直列体が前記電源回路に接続された複数の放電ユニットと、を備え、複数の前記放電ユニットは、点火プラグに並列に接続され静電容量の異なるコンデンサを各々備え、前記信号発生回路は、放電させる前記放電ユニットを決定するように、複数の前記放電ユニットの各々の前記コイル、前記点火プラグ、および前記コンデンサで定まる共振周波数に対応する信号を発信し、さらに前記共振周波数が高まるほど電圧印加時間を短くする信号を発信することを特徴とする。

本発明によれば、エンジン出力を安定化させ、またはエンジンの寿命を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の構成図本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の電源回路の構成図本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の点火プラグの構成図本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の信号発生回路に入力される点火信号の一例を示す図本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の高電圧部における等価回路を示す図本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の各電圧波形の一例を示す図本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の点火プラグに印加される電圧を示す図本発明の実施の形態２に係る内燃機関点火装置の第１の制御方式の例を示す概略図本発明の実施の形態２に係る内燃機関点火装置の第２の制御方式の例を示す概略図

以下に、本発明の実施の形態にかかる内燃機関点火装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の構成図である。内燃機関点火装置１００はバリア放電式の点火装置であり、説明を簡単化するため以下では単に点火装置１００と称する場合がある。点火装置１００は、点火用の信号を発生する信号発生回路１と、信号発生回路１の信号に対応した電圧を出力する電源回路２と、各々が電源回路２に接続された複数のバリア放電発生ユニット３とを備える。

信号発生回路１は、図示しない自動車のＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）から点火信号を受信し、予め定義された周波数および点火時間の点火用の信号を発信する。具体的には、信号発生回路１は、点火信号を受信して、予め設定された周波数および点火時間の矩形波を発信する機能を備える。発信する信号は、複数のバリア放電発生ユニット３の各々のコイル３１、点火プラグ３２、およびコンデンサ３３で定まる共振周波数に対応する信号である。ただし、発信する信号は、必ずしも厳密な矩形状のパルス信号でなくてもよく、後述するスイッチング素子２３をオンオフできるものであればよく、少なくとも５Ｖ以上の電圧の信号とする。また信号発生回路１は、点火信号を受信するために少なくとも１ｍｓ以下の時間分解能を備えているものとする。

複数のバリア放電発生ユニット３の各々は、共振用のコイル３１と点火プラグ３２とで構成される直列体を含み、直列体が電源回路２に接続された複数の放電ユニットである。複数のバリア放電発生ユニット３は、点火プラグ３２に並列に接続され静電容量の異なるコンデンサ３３を各々備える。具体的には、複数のバリア放電発生ユニット３の各々は、金属を代表とする導体を筒状に形成して接地された導電体３４と、導電体３４の内部に配置される共振用のコイル３１と、導電体３４の内部に配置されるコンデンサ３３と、電極がエンジン燃焼室４に突き出るように導電体３４の端部に配置される点火プラグ３２と、導電体３４の内部にコイル３１とコンデンサ３３が配置された後に導電体３４の内部に樹脂をモールドして成る絶縁体３５とを備える。

電源回路２で生成された交流電圧は１ｋＶから２０ｋＶであるため、電源回路と複数のコイル３１との接続には相応の耐圧を持つ配線が使用される。各バリア放電発生ユニット３では、コイル３１のインダクタンス成分と点火プラグ３２が保有する静電容量とコンデンサ３３との間のＬＣ共振により、電源回路２から出力された交流電圧がさらに昇圧され、後述する点火プラグ３２の放電領域３２ｄではバリア放電が発生する。よって、後述する電源回路２の直流−直流（ＤＣＤＣ）コンバータ２２および昇圧トランス２４の機能と合わせると、実施の形態１の点火装置１００は、三段階に分けて電圧の昇圧を行う構成である。

厳密には、ＬＣ共振に対応するインダクタンス成分および静電容量は、配線の取り回しにより変化するが、最終的には印加する周波数で微調整を行うものとする。コイル３１とは、ＬＣ共振に使用されるインダクタンス成分を指し、これは昇圧トランス２４による漏れインダクタンスでもよい。換言すれば漏れインダクタンスが存在する場合、必ずしもコイル３１を設ける必要はない。逆にインダクタンスが存在しない値とみなせる場合、各気筒上に配置するコイル３１に加えて、分岐する以前、すなわち電源回路２の出力にコイル３１を追加で設けてもよい。

図２は本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の電源回路の構成図である。図２に示す電源回路２は、直流電源２１から供給される直流電力の電圧を直流電源２１から出力される直流電圧よりも高い電圧の直流電圧に変換して出力するＤＣＤＣコンバータ２２と、ＤＣＤＣコンバータ２２から出力された直流電圧を交流電圧に変換する複数のスイッチング素子２３と、複数のスイッチング素子２３で変換された交流電圧を昇圧してバリア放電発生ユニット３へ出力する昇圧トランス２４とを備える。交流電圧は、バリア放電が可能であればよいので、正弦波に限定するものでなく、矩形波であってもよい。

電源回路２に接続される直流電源２１は、一般的な自動車の直流１２Ｖのバッテリである。電源回路２では、４つのスイッチング素子２３を２直列および２並列に配列したフルブリッジ回路が用いられ、複数のスイッチング素子２３の各々がＭＯＳＦＥＴで構成される。信号発生回路１から発信された信号はスイッチング素子２３の一端、すなわちＭＯＳＦＥＴのゲートに入力される。

昇圧トランス２４の一次側は２直列および２並列に配列された複数のスイッチング素子２３の各２直列間を結ぶように接続される。昇圧トランス２４の二次側の高圧側端子はバリア放電発生ユニット３に接続され、昇圧トランス２４の二次側の低圧側端子は対地される。昇圧トランス２４の巻数比は必要な昇圧比によって２から２０の間で決定される。

電源回路２の動作を説明する。ＤＣＤＣコンバータ２２では直流電源２１の出力電圧が２倍から４０倍に昇圧され、ＤＣＤＣコンバータ２２で昇圧された直流電圧は、４つのスイッチング素子２３で構成されるフルブリッジ回路で交流電圧に変換される。

実施の形態１では直流から交流への変換がフルブリッジ回路で行われているが、フルブリッジ回路の代わりにハーフブリッジ回路を使用してもよい。その場合、スイッチング素子２３が２つで済むが、同じ昇圧比でも２倍の電圧がスイッチング素子２３に印加されるため、より高い耐圧のスイッチング素子２３を選定しなくてはならない。

また、電源回路２は、直流電源２１の電圧をＤＣＤＣコンバータ２２で昇圧せずに、複数のスイッチング素子２３で直接交流に変換するように構成してもよい。複数のスイッチング素子２３で直接交流に変換した場合、ＤＣＤＣコンバータ２２が不要である。ただしこの構成の場合、昇圧トランス２４、コイル３１および点火プラグ３２を利用した共振周波数により必要な昇圧比が増加するため、サイズが大きくなってしまう。

また、昇圧トランス２４は必ずしも必要ではないが、昇圧トランス２４を用いない場合、ＤＣＤＣコンバータ２２と共振による昇圧のみでバリア放電させる必要がある。そのためＤＣＤＣコンバータ２２の負担が大きくなるだけでなく、昇圧不足でバリア放電が発生しないというリスクが生じる可能性がある点に留意する必要がある。また、昇圧トランス２４の設置場所は電源回路２の内部に限定されるものではなく、昇圧トランス２４をバリア放電発生ユニット３に組み込み、図示しないエンジン筺体の上部に配置してもよい。ただしこのように構成した場合、バリア放電発生ユニット３内のコイル３１を配置するスペースが制限され、コイル３１が持つインダクタンスの上限値が低くなる可能性がある点に留意する必要がある。

図３は本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の点火プラグの構成図である。点火プラグ３２は、バリア放電を発生させる電極を備えており、具体的には、点火プラグ３２の中心軸上に配置される中心電極である棒状の第一電極３２ａと、第一電極３２ａを内包する筒状の周辺電極である第二電極３２ｃと、第一電極３２ａと第二電極３２ｃの間に介在する誘電体３２ｂと、第一電極３２ａの一端部と第二電極３２ｃの一端部との間に形成される放電領域３２ｄとを備える。

点火プラグ３２は第一電極３２ａおよび第二電極３２ｃの少なくとも一方を誘電体３２ｂで覆った構造である。第一電極３２ａの一端は図１に示すコイル３１に接続され、第一電極３２ａの他端は放電領域３２ｄまで到達している。第一電極３２ａは、その端部を除き、外周面が誘電体３２ｂで覆われており、誘電体３２ｂは、その外周面が第二電極３２ｃで覆われている。すなわち第一電極３２ａと誘電体３２ｂと第二電極３２ｃは共通の中心軸を持ち、相互に固定されて一体型となっている。

放電領域３２ｄでは、誘電体３２ｂと第二電極３２ｃとの間に２．０ｍｍ以下の間隙である放電ギャップがあり、混合気を点火するためのバリア放電が発生する。放電ギャップを設けることにより、誘電体３２ｂの肉厚は放電領域３２ｄでは薄くなり、０．１ｍｍから５ｍｍとなる。放電ギャップを設けない場合、誘電体３２ｂと第二電極３２ｃと周辺気体との３つの物質が重なり合う点から、沿面状のバリア放電が発生する。この場合、点火に不利な放電であるが、消費電力の抑制効果がある。

誘電体３２ｂの肉厚が薄くなるほど誘電体３２ｂの電気的または機械的な強度は低下するが、放電ギャップを長く取ることができ点火に有利となる。反対に誘電体３２ｂの肉厚を厚くするほど、電気的または機械的な強度は向上するが、放電ギャップが短くなるため点火に不利となる。さらに誘電体３２ｂにおいて半径方向の温度勾配による熱応力が増加する。なお、放電領域３２ｄ以外では、誘電体３２ｂと第二電極３２ｃは接触していてもよいし、誘電体３２ｂと第二電極３２ｃとの間に空気または燃料との混合気層が存在していてもよい。または誘電体３２ｂと第二電極３２ｃは一部が接触していてもよく、接触領域の長さを調整することでエンジン稼働中の点火プラグ３２の温度が調整可能となる。

また、点火プラグ３２にはある程度の容量を持たせることが肝要なため、静電容量が確保できる構造となっている。具体的には点火プラグ３２の長さ、すなわち、第一電極３２ａおよび第二電極３２ｃを長くして両電極が対向する面積を広くしたり、第一電極３２ａおよび第二電極３２ｃの距離を狭めたりすることで静電容量を１０ｐＦから１００ｐＦ程度としている。例えば、駆動周波数を５００ｋＨｚ、点火プラグ３２の容量を１２ｐＦ、コンデンサ３３の容量を８ｐＦに設定すれば、共振が得られるインダクタンス値は５ｍＨとなる。あるいは駆動周波数を５０ｋＨｚとした場合の共振が得られるインダクタンス値は約５００ｍＨとなる。このようにインダクタンスが大きくなるとコイル３１のサイズも大きくなるので、共振周波数を設定する際はコンデンサ３３の静電容量を調整することが望ましい。しかしながら、ＬＣ共振に対応する静電容量が大きい程、大きな電流が流れるため、コイル３１で必要となる巻き線の直径が大きくなる。従ってコンデンサ３３の静電容量にはコイル３１の許容電流以下となるような値を設定する。

各バリア放電発生ユニット３において、異なる静電容量を持つコンデンサ３３を配置した場合、各々の共振周波数が変化する。するとある周波数を印加した時に単一の点火プラグ３２のみがコイル３１とＬＣ共振を起こし高電圧となるので、その気筒のみが点火を行うといった事が可能となる。他の気筒における点火プラグ３２にも電圧は印加されるがＬＣ共振しないので放電するまでの高電圧とならない。一方で、コイル３１のインダクタンス成分を変化させても上記と同様の効果を得られる。しかしながら、一般的には、配置するコンデンサ３３よりもコイル３１の方が制約条件がより厳しいため、コイル３１のインダクタンスを変化させるよりもコンデンサ容量を変化させる方が容易である。例えば４気筒を想定し、コイル３１のインダクタンスを５０ｍＨ、周波数を１００ｋＨｚ、１２０ｋＨｚ、１４０ｋＨｚ、１６０ｋＨｚとすると、ＬＣ共振するための静電容量は各々５１ｐＦ、３５ｐＦ、２６ｐＦ、２０ｐＦとなる。この静電容量は点火プラグ３２との並列容量である。

図４は本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の信号発生回路に入力される点火信号の一例を示す図である。図４には自動車のＥＣＵから等間隔で送信される点火信号Ａが示される。４つの周波数は、図１に示す４つのバリア放電発生ユニット３の各々に設けられる点火プラグ３２とコンデンサ３３で定まる共振周波数に対応する発信信号の周波数を表す。図４ではこれらの発信信号の波形を省略しているが、例えば、１段目の１００ｋＨｚの発信信号は、例えば図１の左から１つ目のバリア放電発生ユニット３内のコイル３１、点火プラグ３２、およびコンデンサ３３で定まる共振周波数に対応する信号である。同様に、上から２段目の１２０ｋＨｚの発信信号は、図１の左から２つ目のバリア放電発生ユニット３内のコイル３１、点火プラグ３２、およびコンデンサ３３で定まる共振周波数に対応する信号であり、上から３段目の１４０ｋＨｚの発信信号は、図１の左から３つ目のバリア放電発生ユニット３内のコイル３１、点火プラグ３２、およびコンデンサ３３で定まる共振周波数に対応する信号であり、上から４段目の１６０ｋＨｚの発信信号は、図１の左から４つ目のバリア放電発生ユニット３内のコイル３１、点火プラグ３２、およびコンデンサ３３で定まる共振周波数に対応する信号である。

信号発生回路１は、図４に示すように等間隔で出力される点火信号を受信したタイミングで、４種類の発信信号を繰り返し出力することにより、４気筒エンジンの各気筒における点火タイミングを等間隔にずらすことが可能となる。この仕組みにより、後述する高電圧部にスイッチング素子を使用することなく、点火が必要な気筒のみに制限して放電させることが可能となる。

次にコンデンサ３３を点火プラグ３２と並列に接続することによる効果を説明する。

図５は本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の高電圧部における等価回路を示す図である。図５には点火プラグ３２とコンデンサ３３の等価回路が示される。前述したように点火プラグ３２は誘電体３２ｂと放電領域３２ｄの静電容量が直列となっており、コンデンサ３３は点火プラグ３２の合計の静電容量と並列に接続される。バリア放電による点火では一定期間電圧を印加する方式であるため、電圧印加中の放電領域３２ｄの静電容量は燃焼状態、すなわち混合気の状態により変化していく。よって、点火プラグ３２だけをみれば、電圧を印加している間、常に共振周波数を維持する事が困難となり、点火の最中にも関わらず電圧が低下してしまう。誘電体３２ｂの静電容量を大きくすれば相対的に上記課題を抑制できるが、点火プラグ３２におけるサイズの制約上の観点と、誘電体３２ｂの絶縁破壊の観点から困難である。コンデンサ３３を点火プラグ３２と並列に接続することにより、放電期間中の共振周波数が変動、すなわち燃焼中の合成静電容量の変動を抑制でき、点火時間中に安定したバリア放電を維持することが可能となる。

なお、バリア放電発生ユニット３ではコイル３１と点火プラグ３２の間が高電圧領域となるため、誘電体３２ｂ以外の領域で点火に不要な放電が発生する虞が生じる。例えば、高電圧領域とエンジン筺体との間で発生し得る放電である。上記のような放電は、点火エネルギ効率の低下、放電ノイズによる周辺機器の電気的な損傷、または放電による周辺機器の熱的な損傷を招くため、抑制する必要がある。仮に、直流電圧を印加した場合の対策は高電圧領域を絶縁物で覆うだけでよいが、バリア放電に必須である交流電圧を印加した場合、高電圧領域を覆った絶縁物と、周囲の導体もしくは導体を覆った絶縁物との間でバリア放電が発生してしまう。そこで本実施の形態では昇圧装置であるコイル３１およびコンデンサ３３が絶縁体３５でモールドされ、さらに絶縁体３５の周囲は、接地された導電体３４で間隙なく覆われている。

具体的には、バリア放電発生ユニット３の筺体を金属のような導体で作成し、筺体そのものを導電体３４とし、導電体３４の内部に昇圧装置を配置した後に樹脂で内部をモールドして絶縁体３５とする。または、絶縁物で筺体を製作し、筺体の表面に導電スプレーを塗布し、または筺体の表面に金属メッキを施すといった方法がある。当然、バリア放電発生ユニット３では、高電圧経路と導電体３４との間に空気層は存在しない。

ここで、絶縁体３５の絶縁破壊には注意しなければならない。絶縁体３５の絶縁破壊強度を上回る電界が形成された場合、絶縁体３５が貫通し、その隙間を通して高電圧経路と導電体３４の間でアーク放電が発生し内部の導線が溶断されてしまう。よって、絶縁体３５は、印加する交流電圧に応じて厚みを取る必要がある。前記構成によりバリア放電発生ユニット３の表面と、エンジン筺体が同電位で構成されるので、不要な放電を抑制することができる。この不要な放電の抑制により、点火エネルギの効率が上昇するとともに周辺機器の電気的および熱的な損傷を防ぐことができる。

次に信号発生回路１で生成される点火信号と信号発生回路１の発信信号と点火プラグ３２への印加電圧との関係を詳細に説明する。

図６は本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の各電圧波形の一例を示す図である。図６の上から１段目には点火信号が示され、図６の上から２段目には信号発生回路１の発信信号が示され、図６の上から３段目には点火プラグ３２への印加電圧が示される。図６では点火信号と発信信号と点火プラグへの印加電圧とが同一の時間軸上に並べられている。

信号発生回路１は点火信号の立ち下がりをトリガとして、予め決められた点火時間で群状のパルス信号を発信する。点火信号の立ち下がりおよび立ち上がりは、電気ノイズにより必ずしも対称の波形とならない。そのため、ここではトリガとしてより正確な波形を形成する方を選択してよい。信号発生回路１が発信する群状のパルス信号の周波数は、放電および点火を行うバリア放電発生ユニット３の共振周波数である。上記群状のパルス信号によりスイッチング素子２３がオンオフ動作し、ＤＣＤＣコンバータ２２と昇圧トランス２４とＬＣ共振とによって増幅された電圧がプラグへ印加され、バリア放電が発生する。

図７は本発明の実施の形態１に係る内燃機関点火装置の点火プラグに印加される電圧を示す図である。縦軸は点火プラグに印加される電圧を表し、横軸は点火プラグに印加される電圧の周波数を表す。図７では点火装置１００が４気筒のエンジンに適用されているとし、４つの点火プラグ３２の各々に印加される電圧は、共振周波数からずれるほど低下する。この特性を利用して、放電させない他の３つの点火プラグ３２で放電開始電圧Ｂ
以下となるように、各点火プラグ３２で予め共振周波数を設定しておく。ＬＣ共振においては、インダクタンス成分と容量成分の間に存在する抵抗成分が小さい程、電圧は周波数に対して鋭いピークを持つ。各気筒での共振周波数は大きく変化しない方が望ましいため、コイル３１と点火プラグ３２の間の抵抗成分は小さくなるような配置とする。

以上に説明したように実施の形態１の点火装置１００によれば、高電圧部にスイッチング素子を使う事無く、周波数を変化させるだけで各点火プラグ３２を選択的に放電することが可能となる。その結果、ノイズの低減およびエネルギ効率の向上といった効果が得られる。また並列にコンデンサ３３を接続しているため、筒内の圧力が変動しても共振周波数が変化せず、安定した制御が可能となる。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る内燃機関点火装置の第１の制御方式の例を示す概略図である。実施の形態２は信号発生回路１における制御方式に関するものである。以下では実施の形態１と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

印加周波数の変化だけで任意の点火プラグ３２を決められた一定時間放電させる場合、実施の形態１で示した機能だけでは周波数によって点火エネルギが異なってしまう。これはバリア放電の放電エネルギが周波数に比例して増加する原理に由来する。点火エネルギが異なった場合、気筒毎に燃焼性が異なるという課題が発生する。

このような課題を解決するためには周波数の増減と合わせて点火時間を調整する方法が考えられ、大まかには、点火エネルギを一定とするため、周波数と点火時間とを反比例させる制御方法であり、換言すれば、パルスのサイクル数を一定とする制御である。

しかしながら、点火エネルギが一定であれば必ずしも同等の点火性能が得られるわけではない。例えば、周波数１００ｋＨｚで点火時間３ｍｓとした場合と、周波数２００ｋＨｚで点火時間１．５ｍｓとした場合とでは点火性能は異なる。点火性能とは燃焼速度またはエンジン出力を示す指標であり、燃焼速度が速い程、また、エンジン出力が高い程、点火性能が高いと本発明では定義する。

図８には点火エネルギ一定の条件下で周波数と燃焼速度の関係を示す。縦軸は燃焼速度、横軸は周波数を示す。図８に示すように燃焼速度は周波数の増減に対して特性曲線をもつ。可能な限り最適な周波数で点火を行うべきであるが、共振周波数がバリア放電発生ユニット３毎に違うため、燃焼速度に差が生じてしまう。

そこで実施の形態２の点火装置１００では、燃焼速度が低下する周波数では、電圧印加時間すなわち点火時間を短くするように構成されている。具体的に説明すると、図８に示す４つの縦線と交わる周波数は左から順に１００ｋＨｚ、１２０ｋＨｚ、１４０ｋＨｚ、１６０ｋＨｚとする。これらの周波数は実施の形態１で説明した、信号発生回路１から出力されるパルス信号の周波数である。図８の例では燃焼速度が低下する周波数とは、これらの周波数の内、例えば１２０ｋＨｚ、１４０ｋＨｚ、１６０ｋＨｚであり、これらの周波数の内、最も燃焼速度が低下する周波数は１６０ｋＨｚである。

点火エネルギを単純に同一にする場合は、例えば１００ｋＨｚの電圧印加時間を２．６８８ｍｓ、１２０ｋＨｚの電圧印加時間を２．２４ｍｓ、１４０ｋＨｚの電圧印加時間を１．９２ｍｓ、１６０ｋＨｚの電圧印加時間を１．６８ｍｓのように、周波数と電圧印加時間を反比例の関係にすればよい。実施の形態２の点火装置１００では、例えば図８に示すように１２０ｋＨｚの電圧印加時間を２．２８ｍｓ、１４０ｋＨｚの電圧印加時間を２．０ｍｓ、１６０ｋＨｚの電圧印加時間を１．８ｍｓのように設定することで、各気筒において同等の燃焼速度を実現している。信号発生回路１はこのように電圧印加時間が調整された４種類の異なるパルス数を備える信号を、図６に記載の発振信号のように出力することにより実現される。このような制御を行うことにより、図８に示す矢印のように燃焼速度が低下する１２０ｋＨｚ、１４０ｋＨｚ、１６０ｋＨｚでの点火エネルギが増加し、気筒毎の均一な燃焼速度を確保することができる。なお、この増加量はエンジンの仕様または運転条件で変わるため、予め定量的に想定してＥＣＵに設定しておく。

また実施の形態２の点火装置１００は、共振周波数の値に対応させて昇圧比を変化させるように構成してよい。図９は本発明の実施の形態２に係る内燃機関点火装置の第２の制御方式の例を示す概略図である。図８と同様に縦軸は燃焼速度、横軸は周波数を示し、燃焼速度は周波数の増減に対して特性曲線をもつ。

昇圧比を変化させる場合、例えば図１の左から１つ目のバリア放電発生ユニット３内のコイル３１と図３に示す放電領域３２ｄとの間に第一の電気抵抗体Ｒ１を挿入し、２つ目のバリア放電発生ユニット３内のコイル３１と放電領域３２ｄとの間に第二の電気抵抗体Ｒ２を挿入し、３つ目のバリア放電発生ユニット３内のコイル３１と放電領域３２ｄとの間に第三の電気抵抗体Ｒ３を挿入し、４つ目のバリア放電発生ユニット３内のコイル３１と放電領域３２ｄとの間に第四の電気抵抗体Ｒ４を挿入する。図９の特性曲線を例にすると、Ｒ１からＲ４の電気抵抗値は、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞Ｒ４で設定する。このように燃焼性の良好な共振周波数に設定されたバリア放電発生ユニット３では、電気抵抗値の高い電気抵抗体を直列に接続して点火エネルギを低減させる。この手段により全気筒における燃焼速度を均一にすることが可能である。なお、Ｒ１からＲ４の電気抵抗値はエンジンの仕様または運転条件で変わるため、予め定量的に想定して設定しておくものとする。

以上に説明したように実施の形態２の点火装置１００は、信号発生回路１が、共振周波数が高まるほど電圧印加時間を短くする信号を発信するように構成されている。また実施の形態２の点火装置１００は、複数のバリア放電発生ユニット３が、コイル３１と点火プラグ３２との間に電気抵抗体を各々備え、各々の電気抵抗値は異なるように構成されている。実施の形態２の点火装置１００によれば、各気筒の燃焼速度が均一となり、エンジン出力の安定化と多気筒エンジンの寿命の向上を図ることが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１信号発生回路、２電源回路、３バリア放電発生ユニット、４エンジン燃焼室、２１直流電源、２２ＤＣＤＣコンバータ、２３スイッチング素子、２４昇圧トランス、３１コイル、３２点火プラグ、３２ａ第一電極、３２ｂ誘電体、３２ｃ第二電極、３２ｄ放電領域、３３コンデンサ、３４導電体、３５絶縁体、１００内燃機関点火装置。

Claims

信号を発信する信号発生回路と、
前記信号発生回路の信号に対応した交流電圧を出力する電源回路と、
コイルと、２つの電極の内の少なくとも一方の電極が誘電体で覆われた点火プラグとで構成される直列体を含み、前記直列体が前記電源回路に接続された複数の放電ユニットと、
を備え、
複数の前記放電ユニットは、前記点火プラグに並列に接続され静電容量の異なるコンデンサを各々備え、
前記信号発生回路は、放電させる前記放電ユニットを決定するように、複数の前記放電ユニットの各々の前記コイル、前記点火プラグ、および前記コンデンサで定まる共振周波数に対応する信号を発信し、さらに前記共振周波数が高まるほど電圧印加時間を短くする信号を発信することを特徴とする内燃機関点火装置。
信号を発信する信号発生回路と、
前記信号発生回路の信号に対応した交流電圧を出力する電源回路と、
コイルと、２つの電極の内の少なくとも一方の電極が誘電体で覆われた点火プラグとで構成される直列体を含み、前記直列体が前記電源回路に接続された複数の放電ユニットと、
を備え、
複数の前記放電ユニットは、前記点火プラグに並列に接続され静電容量の異なるコンデンサを各々備え、さらに前記コイルと前記点火プラグとの間に電気抵抗体を各々備え、前記電気抵抗体の各々は、前記放電ユニットごとに電気抵抗値が異なり、
前記信号発生回路は、放電させる前記放電ユニットを決定するように、複数の前記放電ユニットの各々の前記コイル、前記点火プラグ、および前記コンデンサで定まる共振周波数に対応する信号を発信することを特徴とする内燃機関点火装置。