JPS6053794B2

JPS6053794B2 - 内燃機関用プラズマ点火装置

Info

Publication number: JPS6053794B2
Application number: JP2498581A
Authority: JP
Inventors: 泰毅石川; 寛遠藤; 雅純曽禰; 巌今井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-02-24
Filing date: 1981-02-24
Publication date: 1985-11-27
Also published as: JPS57140568A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は内燃機関用プラズマ点火装置に関する。

プラズマ点火装置は、内燃機関（エンジン）の低負荷
運転域や稀薄混合気燃焼などのように、特に燃焼が不安
定になりがちな運転条件において、確実な着火を行い燃
焼の安定性を向上することができる。

その従来装置の構成としては、例えば第１図に示すよ
うなものがある。

このプラズマ点火装置において、エンジンの回転に同期
してオン・オフするコンタクトポイント１によつて、バ
ッテリ２からコイル３の１次巻線に流れる電流を断続す
ると、その２次巻線に−２０〜−３０（ＫＶ）の尖頭値
を有する高電圧パルスが発生する。この高電圧パルスは
、ダイオード４、デイストリビユータ５および抵抗入り
ハイテンションコードをそれぞれ介して、各気筒の燃焼
室に配設した点火プラグ６ａ〜６ｄに順次供給されるた
め、点火プラグ６ａ〜６ｄの各放電電極間が所定のタイ
ミングで火花放電（スパーク）を起こし導通状態になる
。一方、バッテリ２からプラズマ点火用電源回路７に付
勢電圧が供給されているので、導通した点火プラグには
、プラズマ点火用電源回路７から対応する保護用ダイオ
ード８ａ〜８ｄを介して、短時間に高エネルギーが注入
され、プラズマ点火が行われる。点火プラグ６ａ〜６ｄ
は、第２図に示すように、放電部の中心電極１１と側方
電極１２とを有し、それらの間と点火間隙の周囲をセラ
ミックス等の電気絶縁材１３で固定し、放電空間１４と
プラズマ噴射孔１５を形成した構造になつている。

従つて、通常の点火系から供給される尖頭値一２０〜−
３０（ＫＶ）の高電圧パルスで中心電極１１と側方電極
１２との間でスパークが生じ、次いでプラズマ点火用電
源回路７から−１〜−２（Ｋ■）の比較的低電圧である
が数ジュールの高エネルギーを数１００（μｓ）の間注
入すると、放電空間１４にプラズマ状ガスが発生し、こ
れが噴射孔１５から気筒に噴出するので、稀薄な混合気
であつても着火燃焼が行われる。

しかしながら、このような従来のプラズマ点火装置にあ
つては、デイストリビユータ５を用いてプラズマ点火用
電源回路７から点火プラグ６ａ〜６ｄに各爆発行程に１
回しかプラズマ点火が行えない構成となつていたため、
プラズマ点火エネルギーを増加させてより良好な燃焼を
行わせることができず、特に低温下におけるエンジンの
始動時に着火性能を向上することができないという問題
点があつた。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた
もので、始動時およびエンジンが低温アイドリング時の
み各気筒の１回の爆発行程につき２回以上プラズマ点火
を行うことにより、上記問題点を解決した内燃機関用プ
ラズマ点火装置を提．供することを目的とする。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第３図は本発明を４気筒エンジンに適用した一実施例を
示すブロック図である。

まず構成を説明すると、このプラズマ点火装置は、バッ
テリ２１、昇圧器２２、点火回路２３ａ〜２３ｄおよび
制御回路２４を有する。昇圧器２２は、バッテリ２１の
１２（■）の電圧を１（ＫＶ）の直流電圧にするもので
、■−Ｘコンバータで構成することができ、起動停止を
外部より制御し得る。この昇圧器２２の出力電圧は、通
常の火花放電（スパーク）とプラズマ放電の付勢電圧と
して、点火回路２３ａ〜２３ｄに供給される。ここで、
点火回路２３ａ〜２３ｄは、各気筒ごとに設けられてお
り、その構成はそれぞれ同一であるので、第１気筒の点
火回路２３ａについてのみ説明する。点火回路２３ａは
、第１コンデンサ２５ａと第２コンデンサ２６ａとを有
しており、第１コンデ”ンサ２５ａとしては第２コンデ
ンサ２６ａの容量値より大きいものを用いるものとする
。また、第１コンデンサ２５ａとＸ−■コンバータ２２
との間にはダイオード２７ａを介装し、第１コンデンサ
２５ａの端子Ａをスイッチング手段としてのサイリスタ
２８ａを介して接地し、端子Ｂをダイオード２９ａを介
して接地する。第１コンデンサ２５ａと第２コンデンサ
２６ａおよび第１コンデンサ２５ａと点火プラグ３０ａ
との間には、それぞれトランス３１ａの１次巻線３２ａ
および２次巻線３３ａを介装する。なお、スイッチング
手段として高耐圧トランジスタ、高耐圧ＦＥＴのように
高耐圧半導体スイッチを用いることもできる。

制御回路２４は、クランク角センサ４１で得た角度信号
Ｓ４ｌを、４ビットリングカウンタ４２、パルス発生器
４３ａ〜４３ｄおよび単安定マルチバイブレータ４４ａ
〜４４ｄを介して、各気筒の１回の爆発行程で２回生起
する点火信号Ｓ４４ａ−Ｓ４４ｄを得る。

ここで、クランク角センサ４１は、内燃機関のクランク
軸の回転に同期した角度信号Ｓ４ｌを取り出すことがで
き、例えば４サイクル４気筒エンジンの場合であつて、
クランク軸の回転速度が３００（Ｒ．ｐ．ｍ）のとき、
１００（７Ｔ１．Ｓ）の周期で、クランク軸の１回転当
り２個の“１゛レベルの信号Ｓ４ｌが得られる。

また、パルス発生器４３ａの一例を第４図に示す。

ここで、５０は４ビットリングカウンタ４２の出力信号
Ｓ４２ａによつてトリガされる単安定マルチバイブレー
タであり、入力端子５１とノアゲート５２との間に、イ
ンバータ５３と抵抗５４およびコンデンサ５５からなる
積分回路とを並列接続して構成することができる。単安
定マルチバイブレータ５０の準安定時間Δｔ１は、積分
回路の時定数によつて任意に設定することができる。６
０は単安定マルチバイブレータ５０の出力信号によつて
トリガされるりトリガ可能な単安定マルチバイブレータ
であり、単安定マルチバイブレータ５０と全く同様に構
成し、入力端子６１とノアゲート６２との間に、インバ
ータ６３と抵抗６４およびコンデンサ６５からなる積分
回路とを並列接続し、準安定時間がΔらとなるように設
定する。

７０は単安定マルチバイブレータ６０の出力信号によつ
てトリガされる単安定マルチバイブレータであり、入力
端子７１とアンドゲート７２との間に、インバータ７３
と抵抗７４およびコンデンサ７５からなる積分回路とを
並列接続して構成することができる。

単安定マルチバイブレータ７０の準安定時間をΔちとな
るように設定する。８０はオアゲートであり、単安定マ
ルチバイブレータ５０の出力信号および単安定マルチバ
イブレータ７０の出力信号が供給され、オアゲート８０
から信号Ｓ４３ａを取り出す。

第５図を参照して、ひとつの角度信号Ｓ４ｌに対して少
なくとも２つの信号Ｓ４３ａを取り出す手段について詳
述する。第５図は第４図に示したパルス発生器４３ａの
各部信号のタイミングチャートを示し、例えば１００Ｔ
ｒＬｓごとに生起する角度信号Ｓ４ｌに応動して生起す
るリングカウンタ出力信号Ｓ４２ａが′６ｒ５レベルに
なると、単安定マルチバイブレータ５０の出力信号が時
間Δちだけ゜゛１゛レベルを維持する。この信号をオア
ゲート８０から出力信号Ｓ４３ａの第１パルスＰ１とし
て取り出す。また、単安定マルチバイブレータ５０の出
力信号を供給された単安定マルチバイブレータ６０は、
時間Δちだけ゜“１゛レベルを維持する。ここで、単安
定マルチバイブレータ７０は時間Δちだけ゜゜１゛レベ
ルの信号を供給され、アンドゲート７２の一方の端子に
インバータ７３を介して反転信号が供給される。また、
時間ΔＴ２だけコンデンサ７５が充電される。従つて、
単安定マルチバイブレータ７０の出力信号は、Δちの間
は６゜０゛５レベルを維持し、時間ΔＴ２を経過した後
は、コンデンサ７５の充電電荷が放電されて所定の電位
以下になるまでの時間、本例ではΔちだけ“゜１゛レベ
ルを維持する。しかして、単安定マルチバイブレータ７
０の出力信号を、パルス発生器４３の出力信号Ｓ４３ａ
の第２パルスＰ２として取り出す。このように、１つの
トリガ信号Ｓ４２ａに応動して２個の出力パルスより成
る出力信号Ｓ４３ａを得ることができる。信号Ｓ４３ｂ
−Ｓ４３ｄも同様にして得ることができる。なお、準安
定時間を２Δちと設定した単安定マルチバイブレータ６
０″、準安定時間を３Δらと設定した単安定マルチバイ
ブレータ６『、準安定時間をそれぞれΔちとした単安定
マルチバイブレータ７『，７『を、第４図に破線で示す
ように接続すれば、第５図に示すように、１つの角度信
号Ｓ４２ａに応動して４個の出力パルスＰ１〜Ｐ４より
成る出力信号Ｓ４３ａを得ることができる。このように
して得られた信号Ｓ４３ａ−Ｓ４３ｄを準安定時間が５
０（Ｐｓ）の単安定マルチバイブレータ４４ａ〜４４ｄ
（第３図参照）に供給して波形整形し、１０ｒｒ１．ｓ
の時間隔をおいて生起するそれぞれ点火信号Ｓ４４ａ−
Ｓ４４ｄを取り出す。すなわち、第６図に示すように、
角度信号Ｓ４ｌに基いてリングカウンタ４２の各ビット
から順次に信号Ｓ４２ａ−Ｓ４２ｄを取り出し、この信
号Ｓ４２ａ−Ｓ４２ｄに応動させて点火信号Ｓ４４ａ−
Ｓ４４ｄを取り出し、内燃機関の１回の爆発行程につき
少なくとも２個の点火信号Ｓ４４ａ−Ｓ４４ｄを第３図
に示すサイリスタ２８ａ〜２８ｄの各ゲートに供給する
。例えば、第１気筒の点火回路２３ａにおいては、すで
に昇圧器２２の出力電圧が、ダイオード２７ａ１第１コ
ンデンサ２５ａおよびダイオード２９ａを介して供給さ
れ、第１コンデンサ２５ａ”はほぼ１（ＫＶ）を充電し
ている。

そこで、単安定マルチバイブレータ４４ａから点火信号
Ｓ４４ａがサイリスタ２８ａのゲートに供給されると、
サイリスタ２８ａがターンオンしてコンデンサ２５ａ０
）Ａ点がアース電位になるが、第１コンデンサ２５ａ（
：りＢ点が−１（ＫＶ）の電圧になる。そして、第１コ
ンデンサ２５ａの充電電荷は、サイリスタ２８ａ１第２
コンデンサ２６ａおよびトランス３１ａの１次巻線３２
ａを介して放電され、第２コンデンサ２６ａがその電荷
を充電する。こｈのとき、トランス３１ａの２次巻線３
３ａに−２０〜−３０（ＫＶ）の電圧が誘起し、点火プ
ラグ３０ａの中心電極と側方電極との間の電圧■１がほ
ぼその電圧になると、両電極間で火花放電が起こる。こ
のようにして点火プラグ３０ａが導通状態になると、第
１コンデンサ２５ａに残つている約０．５（Ｊ）の高エ
ネルギーが、トランス３１ａの２次巻線３３ａを介して
点火プラグ３０ａに短時間、例えば１００（μｓ）ほど
注入される。その結果、点火プラグ３０ａの噴射孔から
プラズマ状ガスが燃焼室に噴出し、混合気の着火と燃焼
が行われる。高エネルギーの注入が終了すると、１０（
７７１．ｓ）以内に第１コンデンサ２５ａは昇圧器２２
の出力電圧によつて再び充電され、１０（ＴｒＬｓ）後
に２回目の点火信号Ｓ４４ａがサイリスタ２８ａのゲー
トに供給されると、上述した過程が繰り返されることに
なる。このように、各気筒について１回の爆発行程ごと
に少なくとも２回のプラズマ放電が行われる。サイリス
タ２８ａ〜２８ｄは、点火信号Ｓ４４ａ−Ｓ４４ｄによ
つて、順次２度づつ導通状態になるので点火プラグ３０
ａ〜３０ｄに２度づつ高エネルギーの注入が行われ、１
→３→４→２の気筒の順序でその混合気の着火と燃焼が
繰り返される。

このとき点火プラグ３０ａ〜３０ｄの中心電極と側方電
極の間に印加される電圧Ｖ１〜Ｖ４は、第６図のような
波形になる。第７図は、第３図に示した制御回路２４の
他の実施例を示す。

この実施例においては、エンジンの運転条件に応じて、
各気筒の爆発行程におけるプラズマ点火回数を選択し得
るように制御回路２４を構成する。例えば、エンジン始
動時に内燃機開始動検知手段としてのイグニッションス
イッチ９１を“゜スタート位置にしたときに、切換回路
９２ａ〜９２ｄを、前述したパルス発生器４３ａ〜４３
ｄの出力パルスを準安定時間を５０（μｓ）に設定した
単安定マルチバイブレータ９３ａ〜９３ｄに供給するよ
うに切り換える。従つて、クランク角センサ４１の出力
信号を４ビットリングカウンタ４２で直並列変換し、そ
の出力信号Ｓ４２ａ−Ｓ４２ｄによつてパルス発生器４
３ａ〜４３ｄが出力する１０（Ｍｓ）間隔の信号Ｓ４３
ａ〜Ｓ４３ｄが、切換回路９２ａ〜９２ｄをそれぞれ介
して、単安定マルチバイブレータ９３ａ〜９３ｄに供給
されるため、単安定マルチバイブレータ９３ａ〜９３ｄ
が、各気筒の爆発行程ごとに２回の点火信号Ｓ９３ａ−
Ｓ９３ｄを順次出力する。次いで、イグニッションスイ
ッチ９１を６６オン゛にしたときには、切換回路９２ａ
〜９２ｄを介して４ビットリングカウンタ４２の出力パ
ルスをそのまま単安定マルチバイブレータ９３ａ〜９３
ｄに供給するようになす。これにより、単安定マルチバ
イブレータ９３゛ａ〜９３ｄが各気筒の爆発行程ごとに
１回の点火信号Ｓ９３ａ−Ｓ９３ｄを順次に出力する。
また、切換回路９２ａ〜９２ｄの制御信号として、第７
図において点線で図示しているように、イグニッション
スイッチ９１の６６スターＰ３信号と、温度検出手段と
しての水温／油温センサスイッチ９４の６６オゾ５信号
とをアンド回路９５で論理積した信号を用いる。

このようにすると、エンジンが低温の環境下にあり、か
つ始動時のみ、エンジンの各気筒について１回の爆発行
程に２度点火するように制御することができる。第８図
は第７図に示した制御回路２４の各信号波形を示す。

すなわち、エンジン始動時にのみ、各気筒の１回の爆発
工程に２回のプラズマ点火が行われ、エンジンが始動し
てイグニッションスイッチ９１を“オン゛の位置にした
ときには、各気筒の１回の爆発工程に１回のプラズマ点
火のみを行うことがわかる。第９図は、制御回路２４の
更に他の例を示すものである。

ここで、第７図に示した部分と同一のものは、同じ符号
を付している。この制御回路２４においては、クランク
角センサ４１の出力信号Ｓ４ｌを４ビットリングカウン
タ４２とりトリガ可能な単安定マルチバイブレータ１０
１に供給する。いま、単安定マルチバイブレータ１０１
を、エンジン回転数監視センサとして用いるため、その
準安定時間を、例えば６０（ＴｒＬ，Ｓ）とすると、第
１０図に示すように、エンジンが始動し、その回転数が
５００（Ｒ．ｐ．ｍ）以下のとき、単安定マルチバイブ
レータ１０１は方形波を出力し、エンジンの回転数が５
００（Ｒ．ｐ．ｍ）を越えると゜゜１゛状態が続く信号
を出力する。すなわち、エンジン回転数が５００（Ｒ．
ｐ．ｍ）以下のときは角度信号Ｓ４ｌの周期は６０（７
ｎｓ）以上となり、角度信号Ｓ４ｌが立上るごとに単安
定マルチバイブレータ１０１は６０（Ｗｔ，ｓ）幅の゜
゜１゛信号を出力し、エンジン回転数が５００（Ｒ．ｐ
．ｍ）以上のときは、角度信号Ｓ４ｌの周期６０（ＷＬ
ｓ）以下となり、角度信号Ｓ４ｌが立上る毎に単安定マ
ルチバイブレータ１０１がりトリガされるので、単安定
マルチパイプレータ１０１は“゜１゛レベルの信号を維
持する。更に、単安定マルチバイブレータ１０１の出力
信号の前縁で準安定時間が少なくとも１５（Ｍｓ）以上
の単安定マルチバイブレータ１０２をトリガすることに
より、エンジンの始動時のように、エンジン回転数が５
００（Ｒ．ｐ．ｍ）以下のとき、マルチバイブレータ１
０２は角度信号Ｓ４ｌの立上りに応動して゜゜１゛信号
を出力し、これにより、切換回路１０３ａ〜１０３ｄを
切り換えて、パルス発生器４３ａ〜４３ｄの出力信号Ｓ
４３ａ−Ｓ４３ｄを、準安定時間を５０（μｓ）に設定
した単安定マルチバイブレータ１０４ａ〜１０４ｄにそ
れぞれ供給する。しかし、エンジンの回転が５００（Ｒ
．ｐ．ｍ）を越えると、単安定マルチバイブレータ１０
２は切換信号を出力しなくなり、４ビットリングカウン
タ４２の出力信号Ｓ４２ａ−Ｓ４２ｄが切換回路１０３
ａ〜１０３ｄを介して、単安定マルチバイブレータ１０
４ａ〜１０４ｄにそれぞれ供給されることになる。

従つて、単安定マルチバイブレータ１０４ａ〜１０４ｄ
は、エンジン始動時のように低回転域においてのみ各気
筒の１回の爆発行程に２回の点火信号ＳｌＯ４ａ−Ｓｌ
Ｏ４ｄをサイリスタ２８ａ〜２８ｄの各ゲートにそれぞ
れ供給するが、エンジンの回転が５００（Ｒ．ｐ．ｍ）
を越えると、各気筒の１回の爆発行程に１回の点火信号
ＳｌＯ４ａ−ＳｌＯ４ｄがサイリスタ２８ａ〜２８ｄ（
第３図参照）の各ゲートに順次に出力される。また、単
安定マルチバイブレータ１０１の準安定時間を、例えば
１２０（ＷＬｓ）にすれば、エンジンの回転が２５０（
Ｒ．ｐ．ｍ）以下のときのみ、１回の爆発行程につき２
個の点火信号ＳｌＯ４ａ〜ＳｌＯ４ｄが単安定マルチバ
イブレータ１０４ａ〜１０４ｄから出力され、エンジン
を低温時に始動するときのみ上述の動作を行わせること
もできる。以上説明してきたように、本発明によれば、
制御回路の構成をエンジンの始動およびエンジンが低温
アイドリング時にのみ１回の爆発行程に２回以上プラズ
マ点火を行い、それ以外では各爆発行程で１回のプラズ
マ点火を行うようにしたので、エンジンの始動性能およ
び低温アイドリング時の着火性能が向上し、しかも通常
運転時のプラズマ点火に要する消費電力が節約できると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプラズマ点火装置のブロック図、第２図
はその点火プラグの構造を示す断面図、第３図は本発明
点火装置の構成の１例を示すブロック図、第４図はその
パルス発生器の構成の１例を示す回路図、第５図はその
各部波形を示すタイミングチャート、第６図は第３図に
示す本発明点火装置の各部信号を示すタイミングチャー
ト、第７図および第９図は第４図に示した制御回路の他
の２例をそれぞれ示すブロック図、第８図および第１０
図はその各部波形をそれぞれ示すタイミングチャートで
ある。１・・・・・・コンタクトポイント、２・・・・・・バ
ッテリ、３・・・・・・点火コイル、４・・・・・・ダ
イオード、５・・・・・・デイストリビユータ、６ａ〜
６ｄ・・・・点火プラグ、７・・・・・・電源回路、８
ａ〜８ｄ・・・・・・ダイオード、１１・・・・・・中
心電極、１２・・・・側方電極、１３・・・・・・絶縁
材、１４・・・・放電空間、１５・・・・・噴射孔、２
１・・・・バッテリ、２２・・・・・・昇圧器、２３ａ
〜２３ｄ・・・・点火回路、２４・・・・・・制御回路
、２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄ・・・・・・コンデ
ンサ、２７ａ〜２７ｄ，２８ａ〜２８ｄ・・・・・・サ
イリスタ、２９ａ〜２９ｄ・・・・・・ダイオード、３
０ａ〜３０ｃ・・・・・・点火プラグ、３１ａ〜３１ｄ
・・・・・トランス、３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄ
・・・・・・巻線、４１・・・・・クランク角センサ、
４２・・・・・リングカウンタ、４３ａ〜４３ｄ・・・
・・・パルス発生器、４４ａ〜４４ｄ，５０，６０，６
『，６『，７０，７『，７『・・・・単安定マルチバイ
ブレータ、５１，６１，７１・・・・入力端子、５２，
６２・・・・・ノアゲート、５３，６３，７３・・・・
・・インバータ、５４，６４，７４・・・・・・抵抗、
５５，６５，７５・・・コンデンサ、７２・・・・・
・アンドゲード、８０・・・・・・オアゲート、９１・
・・・・イグニッションスイッチ、９２ａ〜９２ｄ，１
０３ａ〜１０３ｄ・・・・・・切換回路、９３ａ〜９３
ｄ，１０１，１０２，１０４ａ〜１０４ｄ・・・・・単
安定マルチバイブレータ、９４・・・・・スイツ・チ、
９５・・・・・・アンド回路、Ｓ４ｌ，Ｓ４２ａ−Ｓ４
２ｄ，Ｓ４３ａ−Ｓ４３ｄ，Ｓ４４ａ−Ｓ４４ｄ，Ｓ９
３ａ−Ｓ９３ｄ，ＳｌＯ４ａ−ＳｌＯ４ｄ・・・・・・
信号。

Claims

【特許請求の範囲】

１昇圧器と、該昇圧器によりダイオードを介して点火
エネルギを蓄える第１コンデンサと、各気筒ごとに設け
られ、前記第１コンデンサをトランスの１次巻線を介し
て前記第１コンデンサより小さい容量の第２コンデンサ
に放電させるスイッチング手段とを有し、該スイッチン
グ手段に供給されるひとつの点火信号に応動して前記第
１コンデンサから前記第２コンデンサへの放電時に前記
トランスの２次巻線に生ずる高電圧により前記２次巻線
に接続した点火プラグに火花を生じさせ、次いで、前記
第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの電荷を前記
２次巻線を介して前記点火プラグに放電させるようにし
た内燃機関用プラズマ点火装置において、内燃機関の１
回の爆発行程につき２以上の点火信号を前記スイッチン
グ手段に供給可能な制御回路と、前記内燃機関の始動状
態および低温アイドリング状態を検知する検知手段とを
有し、該検知手段により前記内燃機関の始動状態および
低温アイドリング状態を検知した時のみ、前記制御回路
から前記２以上の点火信号を前記スイッチング手段に供
給して当該スイッチング手段を順次に駆動し、前記内燃
機関の１回の爆発行程につき、プラズマ点火を２回以上
行うことができるようにしたことを特徴とする内燃機関
用プラズマ点火装置。