JPS58122361A - 直噴機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、混合気を形成する手段として燃料噴射ポン
プを供えた直噴機関における圧電素子を利用した点火装
置に関する。

従来圧電素子を利用した点火装置としては、例えば「内
燃機関Ｊ　Ｖｏｌ、２０　Ｎｏ、２４８（１９８１，す
Ｐ、８９にも記載されているように、第１図に示すよう
なものがある。

これを簡単に説明すると、上下極性を合せた圧電素子３
（材質はＰＺＴ、Ｐｂ（Ｚｒ−Ｔｉ）Ｏａなど、）に、
偏心円カム１の回転によシ加圧レバー２を介して急激な
圧縮応力を加え、その時に発生する高電圧をタイミング
スイッチ（ディストリビュータ状のもの）４の回転端子
に導き、ハイテンシミ／コード５ａ〜５ｄを介して各気
筒Ｑ点火プラグ６ａ〜６ｄに分配して、その正負゛電極
間に火花放電を発生させるものである。

□この圧電素子６に加える圧縮応力に対する発生電圧の
関係は、第２図に示すように直線的な比例関係になる。

ここで、圧電素子の各ファクタと発生電圧（Ｖ）及び蓄
積静電エネルギー（ｗ）の関係式を示す。

ｄ３ａ　　　ｄ３３Ｌ　　　Ｌ Ｖ　−−Ｆ　＝　−・−Ｆ　＝　−ｒ３ａ　ＦＣε　　
ＡＡ Ｉ　Ｌ　　　２２ ”　２　’　Ａ　”　３３Ｆ 上式中ておいて ■＝発生電圧　　（ＫＶ） Ａ：軸方向に分極した断面積　Ｃｎ？）Ｌ：軸方向の長
さ　　　　Ｃｍ） Ｆ：軸方向の圧縮力　　　　　（Ｎ） Ｗ：蓄積静電エネルギ　　　　（Ｊ） Ｃ：圧電素子の静電容量　　　（Ｆ） ε：圧電材料の誘電率　　　（Ｆ／ｒｎ）ｄ３３：圧電
材料の圧電定数（Ｃ／Ｎ又は”／Ｖ　）２３３：圧電材
料の圧電定数（／／Ｃ又はη丙）通常の点火装置に要求
される破壊電圧（点火プラグの正負極間に火花をとばす
最初の高電圧）は、全運転範囲において１５ＫＶ〜２５
ＫＶ程度であるため、圧電素子乙に加える圧縮応力Ｆ／
（〜／′）は第２図から３５０〜５６０　Ｖ４７ｍ”程
度となる。

ところで、一般に直噴機関において混合気を形成する手
段の一つである燃料噴射ポンプ７は、第６図にその要部
を示すようになっている。

これを簡単に説明すると、シャフト８の回転によシカム
円板１０が回転し、高圧プランジャ１１を往復運動させ
る。　高圧プランジャ１１が図上で右へ移動したとき、
図示しないフィードポンプにより高圧室１２に供給され
て充填されていた燃料が高圧に圧縮され、高圧プランジ
ャ１１の回転位置によシ一致する通路ａ、ｂを経て、デ
リバリパルプ１８から噴射管１３に圧送され、エンジン
のシリンダヘッドに各気筒に対応して装着した図示しな
い燃料噴射弁から噴霧となって噴出し、混合気を燃料室
内（副室内を含むンに形成する。

なお、１４は噴射タイミング機構、１５は遠心ガバナ、
１６はリターンパイプ、１７はフューエルカット用電磁
弁である。

しかしながら、このような従来の圧電素子を利用した点
火装置においては、圧電素子によって発生する電圧は高
くても、点火エネルギを大きくして着火を良くすること
は困難であシ、また、放電波形の特性上放電期間を長く
とることが不可能であったため、燃料の噴射タイミング
に合わせて点火を行なっても、実際の噴霧による混合気
が点火プラグの電極付近に到達できないうちに火花放電
が開始されてしまい、しかも長放電特性をとれないので
着火性を有効に向上させることができない。

また、点火エネルギも小さいので噴射量の変化に対応で
きないという問題点があった。

さらに、第１図に示したような点火装置では、エンジン
の回転数に係りなく燃料噴射と圧電素子による高電圧発
生のタイミングを合わせるのが難かしく、しかも、機械
的衝撃を受けるので耐久性の点でも問題があった。

この発明は、圧電素子を利用した直噴機関の点火装置に
おける上記のような問題を解消すること　□を目的とす
る。

そのため、この発明における点火装置は、燃料噴射ポン
プの高圧プランジャによ）圧縮される高圧室と連通ずる
圧力室を設け、この圧力室内に圧電素子を配設して、燃
料噴射時毎に点火プラグの電極間ギャップを破壊する高
電圧を発生させると共に、出力側にコンデンサを有する
直流昇圧回路を設けて、圧電素子に発生した高電圧によ
って点火プラグの電極間に火花放電を発生させた後、直
流昇圧回路のコンデンサに蓄えられた電荷エネルギを注
入して火花放電を継続させるようにして、上記の目的を
達成するものである。

以下、この発明の実施例を添付図面の第４図以降を参照
して説明する。

第４図は、この発明の一実施例を示す燃料噴射ポンプの
高圧グラ／ジャ部とそこに設けた高電圧発生器の断面図
である。

まず構成を説明すると、燃料噴射ポンプ７は第３図に示
した従来のものと同様の構造であるが、その高圧プラン
ジャ１１により圧縮される高圧室１２と連通する高圧室
２６を設けた高電圧発生器２０を高圧プランジャ１１の
スリーブ先端に螺着している。

この高電圧発生器２０内には、圧電素子２１が絶縁体２
４および絶縁体ホルダ２５によって保持されて、その一
端面が圧力室２６に面してスプリング２８によって軽く
押えられ、他端面は予圧ねじ２２によって係止されてい
る。　そして、この圧電素子によって発生した高電圧は
、ハイテンションコード２６によって後述するディスト
リビュータ６０の回転端子へ導出される。

圧力室２６は圧電素子２１の面圧を高めるために、断面
積を小さくした倍圧部２７を介して燃料噴射ポングアの
高圧室１２と連通している。

したがって、燃料噴射時における燃料の圧縮圧力の数倍
の圧縮応力を圧電素子２１に加えて充分な破壊電圧を発
生させることができる。

例えば、４気筒の場合、高圧室１２にはクランク軸の回
転角１８００ごとに圧縮圧力が加わシ、その時高圧室１
２と連通する倍圧部２７によって、圧縮圧１００〜１５
０に９／−が断面積変化のため３倍強の３５０に９／６
Ｉ〜５６０　Ｋｙ／ｉに変換され、圧縮応力として圧電
素子２１に加わる。

それによって、圧電素子２１は１５〜２５ＫＶの高電圧
を発生し、ハイテンションフード２６から出力する。

圧電素子２１をもつ高電圧発生器２０を噴射ポンプ７の
高圧室１２と連通させて設けたのは、１組の圧電素子に
よって各気筒への燃料噴射時ごとに高電圧を発生させる
ことができ、しかも機械的打撃を受けず、燃圧により作
動するので耐久性を高めることができるからである。

第５図に前述の高電圧発生器をもつ噴射ポンプと組み合
わせたこの発明による点火装置を示す。

ハイテンションコード２６がディストＩＪ　ヒ：ｘ、　
−タロ０の回転端子に結線されており、燃料噴射弁４０
からの燃料の噴射タイミングと同期して高電圧発生器２
０によシ高電圧が発生した時、ディストリビュータ６０
で分配されて、ハイテンションコード３１を介して燃料
噴射気筒の点火プラグ６２に供給され、点火グラブ３２
の正負電極３２ａ。

３２ｂ間の絶縁を破壊して火花放電を発生させる。

なお、４２はシリンダヘッド４１に設けた渦流室、４３
はピストンである。

一方直流昇圧回路としてＤＣ／ＤＣコンバータ６６を設
け、このＤＣ／ＤＣコンバータ６３は、バッテリ６４か
らスイッチ６５を介して直流１２Ｖを供給される昇圧ト
ランスＴの１次側にトランジスタＱｌ、Ｑ２その他から
なる発振回路をもち、その１次電流の断続によって昇圧
トランスＴの２次側に昇圧した交番電圧を発生させ、ダ
イオードＤ１゜Ｄ２で整流して出力側のコンデンサＣＩ
、Ｃ２を充電し、約−２ＫＶの直流電圧を発生させるよ
うになっておシ、さらにこの出力側にコイルし及びダイ
オードＤ３を点火プラグ３２と直列に介掃されるように
内蔵している。　なお、Ｒはスイッチ６５をオフにした
時の放電用抵抗である。

このＤ　Ｃ／Ｄ　Ｃコンバータ６６の出力端子は、ハイ
テンションコード６６によってディストリビュータ３０
の回転端子に接続される。

したがって、前述のように点火プラグ６２の電極３２ａ
、３２ｂ間のギャップに火花放電が生じてイオンが満ち
た状態になると、コンデンサＣｚ。

Ｃ２に蓄えられた電荷エネルギがコイルＬ及びダイオー
ドＤ３．ハイテン７ヨンコード６６、ディス′。

トリピユータ３０．ハイテンションコード６１を経て、
点火プラグ６２のギャップ間にある時間経過を伴って放
電してエネルギを注入する。　　この放電時間の長さは
、コイルＬのインダクタンス成分の大小と点火プラグ３
２の電極間絶縁抵抗に依存する。

４気筒エンジンの場合について、この作用を第６図によ
って説明する。

第６図（ａ）に示すように、噴射ポ／ブ７の高圧室１２
（第４図）の圧力がクランク軸回転角１８０゜ごとに発
生すると、それに同期して前述のように高電圧発生器２
０から同図Φ）に示すような高電圧が発生し、ディスト
リビュータ６０によって燃料噴射気筒の点火グラブ６２
へ分配印加され、その電極ギャップ間に同図（ｅ）〜（
ｆ）にＰで示すように火花放電を起す。

それによって、点火プラグ６２の電極ギャップ間の抵抗
が低下すると、ディストリビュータ３０を介して連結し
たＤ　Ｃ／Ｄ　Ｃコンバータ６３の２次側コンデンサＣ
１，Ｃ２に充電されている電荷がコイルＬを通って流入
し、点火プラグ３２の電極ギャップ間の火花放電を第６
図（ｃ）〜（ｆ）に斜線を施して示す波形のように継続
させて放出される。

この場合コイルＬのインダクタンスの設定によって、放
電期間ｔを２０ｍ５ｅｃ　前後にすると、渦流室４２（
第５図）内で第６図（２））〜（ｊ）に示す噴射弁４０
のリフトによる噴霧が開始するのと同時に点火プラグ３
２に最初の火花放電が始まシ、噴霧が点火プラグの電極
間に到達して燃焼を継続する間中放電を継続させること
ができる。

すなわち、燃料噴射期間（第６図の）にτで示す）と噴
射弁からの噴霧が点火プラグ６２の電極近傍に到達し、
初期燃焼が成長するまでの間、長放電を継続させる（放
電期間を第６図（ｄ）にｔで示す）ことによって、確実
な着火を保証する。

また、圧電素子による破壊電圧の発生機能と、ＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータに蓄えた電荷エネルギの直接注入による点
火を長放電で行なうことにより、従来の点火装置の欠点
である電磁気的な変換を行なう点火コイルによる効率の
悪化と、放電期間と点火エネルギの設定を点火コイルで
行なう場合の効率悪化による消費電力の増加により燃費
悪化を招く問題を基本的に解決することができる。

以上説明してきたように、この発明によれば、その構成
を従来の点火装置の欠点である変換効率の悪い（２０〜
４０％）点火コイルによって点火プラグの電極間破壊電
圧の発生と点火エネルギの供給を行なうのをやめ、破壊
電圧の発生機能を圧電素子にもたせ、加えて、点火エネ
ルギを長放電によって供給するための機能を出力側にコ
ンデンサを有する直流昇圧回路によって行なわせ、さら
に圧電素子による高電圧発生を１ケ所で行なうため、燃
料噴射ポンプの高圧プランジャの先の高圧室に連通しだ
圧力室に設け、機械的ショックを受けることなく燃圧作
動で行なうことにしたため、高電圧発生による火花放電
の開始と長放電による点火エネルギの注入によって、噴
霧が確実に点火プラグの電極近傍に到達した時に初期燃
焼の成長を助ける火花点火を効率よく行なうことができ
、しかも圧電素子の寿命を長くできるという効果が得ら
れる。

このように、点火装置の効率が向上することによシ、電
力消費量の低下が図られ、車両燃費が向上する。　また
、点火コイルを使用しないため点火系の重量とスペース
の大幅な低減も図れ、この点でも燃費向上に役立つ。

この発明は、直噴機関として、ディーゼルエンジン、ガ
ソリンエンジン、アルコールエンジン等に応用できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の圧電素子を利用した点火装置の例を示
す構成図、 第２図は、圧電素子に加える圧縮応力と発生電圧の関係
を示す線図、 第６図は、一般的な直噴機関における燃料噴射ボーンプ
の構造を示す要部断面図、 第４図は、この発明の一実施例を示す燃料噴射ポンプの
高圧プランジャ部とそ仁に設けた高電圧発生器の断面図
、 第５図は、同じく点火装置の構成図、 第６図は、第５図の点火装置の動作説明のだめの波形図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　点火装置をそなえた直噴機関において、燃料噴射ポ
   ンプの高圧プランジャによ一シ圧縮される高圧室と連通
   ずる圧力室を設け、この圧力室内に圧電素子を配設して
   点火時に点火プラグの電極間ギャップを破壊する高電圧
   を発生させると共に、出力側にコンデンサを有する直流
   昇圧回路を設け、前記圧電素子によって燃料噴射時ごと
   に発生される高電圧によって点火プラグの電極間に火花
   放電を発生させた後、前記直流昇圧回路のコンデンサに
   蓄えられた電荷エネルギを注入しヤ前記火花放電を所要
   期間継続させるようにしたことを特徴とする直噴機関の
   点火装置。 ２　上記圧力室は、圧電素子の面圧を高めるために断面
   積を小さくした倍圧部を備え、燃料の圧縮圧力の数倍の
   圧縮応力を前記圧電素子に加え、充分な破壊電圧を発生
   させるようにした特許請求の範囲第１項記載の直噴機関
   の点火装置。