JPWO2014196469A1 - 火花点火式内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

スパークプラグへの投入電力を減らしつつ、高いエネルギー効率で点火を行う火花点火式内燃機関の点火装置は、制御回路１により、スパークプラグ２の電極間に直流電圧パルスを発生させる直流電圧パルス発生回路４を動作させた後に、スパークプラグ２の電極間に交流パルスを発生させる交流パルス発生回路３を動作させる。さらに、制御回路１は、交流パルス発生回路３を、複数の群パルスで制御し、群パルス間に休止期間を設ける。

Description

本発明は、スパークプラグの電極間に放電を誘起することで点火を行う、火花点火式内燃機関の点火装置に関する。

火花点火式内燃機関の点火装置は、内燃機関でのスパークプラグの電極間ギャップに放電を発生させ燃料に着火させる装置である。

従来の点火装置は、直流電源で生成した直流電力によってスパークプラグの電極間に火花放電を発生させた後、交流電源で生成した交流電力によってスパークプラグの電極間に交流プラズマを発生させることで点火を行っていた。電極間に交流プラズマを発生させた後に交流電力を低減することを特徴とする。この点火装置によれば、交流プラズマの発生及び維持のために交流電力によって電極に供給される総エネルギーを低減することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１１２３１０号公報

しかしながら、エンジン内の放電環境は変化しやすく、放電状態が変化しやすいため、放電を維持できる維持電力範囲は変動する。そこで先行技術に示すように、全体的な投入電力を減少させると、放電状態が不安定になる。一度放電が立ち消えてしまうと再放電しにくくなるので、立ち消えのリスクを回避しようとすると、スパークプラグにとって過剰な電力を供給することとなり、点火のためのエネルギー効率が低下するという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、投入電力を減らしつつ、高いエネルギー効率で点火を行う火花点火式内燃機関の点火装置を得ることを目的とする。

本発明に係る火花点火式内燃機関の点火装置は、内燃機関に設置されるスパークプラグの電極間に直流電圧パルスを発生させる直流電圧パルス発生回路と、スパークプラグの電極間に交流パルスを発生させる交流パルス発生回路と、直流電圧パルス発生回路を動作させた後に交流パルス発生回路を動作させる制御回路とを備え、制御回路は、交流パルス発生回路を、複数の群パルスで制御し、群パルス間に休止期間を設けるものである。

交流パルス発生回路を、複数の群パルスで制御し、群パルス間に休止期間を設けることで、スパークプラグへの過剰な電力供給を低減しつつ、高いエネルギー効率で点火を行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の点火装置の主要構成を概略的に示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の点火装置の動作を説明する図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る火花点火式内燃機関の点火装置の動作を説明する図である。 図４は、本発明の実施の形態３に係る火花点火式内燃機関の点火装置の動作を説明する図である。 図５は、本発明の実施の形態４に係る火花点火式内燃機関の点火装置の動作を説明する図である。 図６は、本発明の実施の形態５に係る火花点火式内燃機関の点火装置の動作を説明する図である。 図７は、本発明の実施の形態６に係る火花点火式内燃機関の点火装置の動作を説明する図である。

以下、本発明に係る火花点火式内燃機関の点火装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の点火装置の主要構成を概略的に示したものである。本発明の実施の形態１に係る点火装置は、交流パルス発生回路３と直流電圧パルス発生回路４と制御回路１で構成され、スパークプラグ２における中心電極２０１と接地電極２０２との電極間にプラズマを発生させて内燃機関（図示しない）の燃料に点火する装置である。なお、接地電極２０２は、点火装置を取り付ける内燃機関の構造物を介して接地されている。また、交流パルス発生回路３は、スイッチング部３１と共振部３２とで構成されている。交流パルス発生回路３と直流電圧パルス発生回路４は、制御回路１からＯＮ／ＯＦＦするタイミング信号を制御信号として受けて駆動制御される。また、接地電極２０２は、交流パルス発生回路３及び直流電圧パルス発生回路４の接地側と接続される。

スイッチング部３１は、スイッチ素子３０１、３０２と直流電源３０３とで構成されている。直流電源３０３の出力電力は、一例としてここでは２００Ｖとする。そして、スイッチング部３１は、共振部３２を介してスパークプラグ２と接続されている。本実施の形態１においては、スイッチ素子３０１、３０２として、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いる場合を示している。なお、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチ素子でも良いのは言うまでもない。スイッチング部３１は、制御回路１からスイッチ素子３０１、３０２をＯＮ／ＯＦＦするタイミング信号を制御信号として受けて、駆動制御されている。

共振部３２は、リアクトル５と直列コンデンサ６と共振コンデンサ７で構成される。直列コンデンサ６とスパークプラグ２は直列に接続される。直列コンデンサ６とスパークプラグ２の直列合成容量に対して、共振コンデンサ７が並列に接続される。直列コンデンサ６は中心電極２０１に、共振コンデンサ７は接地電極２０２にそれぞれ接続される。直列コンデンサ６、スパークプラグ２及び共振コンデンサ７から成る合成容量とリアクトル５とが、直列共振回路を構成している。

本実施の形態１においては、交流パルス発生回路３は、スイッチング部３１にスイッチ素子２つからなるハーフブリッジ回路を用いている。交流パルス発生回路３は、このスイッチング部３１と共振部３２とで構成されており、この交流パルス発生回路３により、スパークプラグ２への高周波電力の供給が実現される。この交流パルス発生回路３は、ハーフブリッジ回路に代えてスイッチ素子４つからなるフルブリッジ回路を用いるようにしてもよい。ハーフブリッジ回路を用いた交流パルス発生回路３は、スイッチ素子が２つで済むので回路構成を簡略化できる。また、交流パルス発生回路３は、ハーフブリッジ回路もしくはフルブリッジ回路に限定されるものではなく、スイッチ素子３０１、３０２のそれぞれのゲートに制御回路１から出力される制御信号を入力することで、交互にＯＮ／ＯＦＦ動作することにより交流回路を形成することができればよい。交流パルス発生回路３が発生する高周波の周波数は１ＭＨｚ〜５ＭＨｚで、およそ２ＭＨｚが好適である。交流パルス発生回路３の出力は、スイッチング部３１の出力を共振部３２とスパークプラグ２の浮遊容量とで共振させたものとなる。

直流電圧パルス発生回路４は、スイッチ素子４０１をＯＮすることにより点火コイル４０２の一次側に電流を流し、エネルギーを蓄積した後、スイッチ素子４０１をＯＦＦすることで点火コイル４０２の二次側に２０ｋＶ〜５０ｋＶの高電圧を発生させる。これは、一般的にフルトランジスタ方式と呼ばれる方式であるが、コンデンサに蓄積した電荷を点火コイルによって昇圧する、ＣＤＩ（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）方式を用いても良い。また、本実施の形態１においては、スイッチ素子４０１としてＩＧＢＴを用いる場合を示すが、耐圧が得られるものであればＦＥＴ等のスイッチ素子であっても良いのは言うまでもない。

共振動作を行う上で、共振コンデンサ７は共振動作を安定にするものであるが、必ずしも必要なわけではない。並列に共振コンデンサを設けることにより、スパークプラグの状態が様々に変化したとしても共振コンデンサを対象として共振させることができるため、負荷変動に依存せず安定した共振を得ることができる。しかしその反面、共振電流は常にコンデンサに対して流れるため大きな電力が必要となる。共振周波数は、例えばリアクトル５の値を３０μＨに設定し、共振コンデンサ７を２００ｐＦ、直列コンデンサ６を５０ｐＦ、スパークプラグ２の浮遊容量を１５ｐＦと見積もれば、スパークプラグ２が放電していない開放時の共振周波数を２ＭＨｚと見積もることができる。尚、放電時には、中心電極２０１と、接地電極２０２とが導通状態とみなせば、上記定数であれば、共振周波数として１．８４ＭＨｚを得る。

直流電圧パルス発生回路４の出力パルスは、数十ｋＶの高電圧である。交流パルス発生回路３の出力は、電流ピークが３Ａ〜８Ａ程度の大電流である。本実施の形態１では、この２つの回路の出力を合わせこむ手法として周波数分離を用いている。すなわち、交流パルス発生回路３の出力に共振部３２を用いることで、共振周波数近辺の電力は、交流パルス発生回路３からスパークプラグ２に入り込むことができる。一方、直流電圧パルス発生回路４の出力は、共振周波数からはずれるため、交流パルス発生回路３に入り込まない。

図２は、実施の形態１における点火装置の制御回路１及び交流パルス発生回路３及び直流電圧パルス発生回路４の動作を説明するものである。図２において、横軸は時間を表わしている。図２において、（１）は制御回路１による直流電圧パルス発生回路４のスイッチ素子４０１を制御するための制御信号、（２）は制御回路１による交流パルス発生回路３のうちスイッチング部３１を動作させるための群パルスを生成するための群パルス発生信号で、（２）の信号がＯＮの間に指定した周波数だけスイッチ素子３０１、３０２をＯＮ／ＯＦＦ動作させる。（３）は制御回路１によるスイッチ素子３０１をＯＮ／ＯＦＦ動作させるための制御信号、（４）は制御回路１によるスイッチ素子３０２をＯＮ／ＯＦＦ動作させるための制御信号である。すなわち、（３）及び（４）の各制御信号が、それぞれスイッチ素子３０１、３０２のゲートに印加される。この（３）及び（４）のパルス列を群パルスと呼ぶ。（３）及び（４）の制御信号は、複数の群パルスを有している。（５）は共振部３２の出力であり、リアクトル５に流れる電流波形を示す。（６）はスパークプラグ２の中心電極２０１と接地電極２０２の間の電圧波形を示す。（７）はスパークプラグ２の中心電極２０１と接地電極２０２の間の電流波形を示す。

図２の（Ａ１）〜（Ｇ１）及び（Ａ２）はタイミングを示している。タイミング（Ａ１）からタイミング（Ｂ１）の間、直流電圧パルス発生回路４のスイッチ素子４０１をＯＮにすると、点火コイル４０２にエネルギーが蓄積する。スイッチ素子４０１をＯＦＦにするタイミング（Ｂ１）に合わせて、点火コイル４０２に蓄積された励磁エネルギーによりスパークプラグ２に直流電圧パルスが印加され、スパークプラグ２の電極を構成する中心電極２０１と接地電極２０２との間で絶縁破壊が生じる。次に、タイミング（Ｃ１）に合わせて、群パルス発生信号（２）がＯＮとなり、スイッチ素子３０１、３０２への制御信号（３）、（４）が交互にＯＮ／ＯＦＦ動作する。これにより、交流パルス発生回路３から交流パルスが出力される。タイミング（Ｄ１）で群パルス発生信号（２）がＯＦＦになっているが、共振エネルギーが残存しているため完全にプラグ電流（７）がゼロになるまでに数周期（タイミング（Ｄ１）からタイミング（Ｅ１）までの）時間がかかる。したがって、タイミング（Ｅ１）からタイミング（Ｆ１）が、実際にスパークプラグ２の電極間に交流パルス発生回路３からの電力が投入されない期間になる。なお、このタイミング（Ｅ１）からタイミング（Ｆ１）の期間は、タイミング（Ｂ１）よりも前の期間に比べるとスパークプラグ２の電極間の雰囲気は放電がし易い状態となっている。したがって、タイミング（Ｆ１）で再度、群パルス発生信号（２）がＯＮとなると、制御信号（３）、（４）は交互にＯＮ／ＯＦＦ動作を再開し、交流パルスがスパークプラグ２に印加されて放電する。

本実施の形態１における点火装置は、１回の点火期間（図２において、タイミング（Ａ１）からタイミング（Ａ２）までの間）に間欠動作を繰り返しながら、交流パルスが直流電圧パルスの発生から間欠動作の期間も含めて１ｍｓの間、スパークプラグ２の電極間に印加され続ける。この交流印加期間（図２において、タイミング（Ｃ１）からタイミング（Ｇ１）の間）は必ずしも１ｍｓに限るものではないが、点火に必要な火炎核が形成されるまでの時間としておよそ１ｍｓ程度あれば十分であり、それ以上の印加は過剰に電力が投入されることになる。

ここで、図２に示すように、タイミング（Ｃ１）〜タイミング（Ｄ１）の期間をＴｏｎ、タイミング（Ｄ１）〜タイミング（Ｆ１）の期間をＴｏｆｆとし、Ｔｏｆｆを休止期間と呼ぶこととする。したがって、制御回路１から出力され、スイッチング部３１に入力される制御信号は、複数の群パルスを有しこれらの群パルス間に休止期間が設けられている。本実施の形態１の点火装置を用いると、スパークプラグ２に投入されるエネルギーは、間欠発振をせず連続発振動作をさせるときと比べてＴｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）に削減することができる。

Ｔｏｎは、放電の形成及び共振の成長を見込んで設定する必要があり、例えば３０μｓ以上が望ましい。これにより連続発振制御の電流ピーク値と同等の電流ピーク値を得ることができる。周波数を２ＭＨｚ、Ｔｏｎを３０μｓに設定した場合、Ｔｏｎの期間に６０周期のパルスが印加されることになる。また、Ｔｏｆｆは火炎核の形成に悪影響を与えない時間に設定する必要があり、例えば１００μｓ以下が望ましい。仮にＴｏｎを５０μｓ、Ｔｏｆｆを５０μｓとすれば、１ｍｓの間に１０回の群パルスを形成することができ、連続発振動作に比べて投入エネルギーを１／２に削減できる。

これは換言すれば、着火に必要な放電としての周波数は高周波発生回路の出力周波数に対して１／２００程度の低周波でよく、１００μｓ周期（１０ｋＨｚ）で十分なことを示唆している。直流電圧パルス発生回路４の数十ｋＶの高電圧と電流ピーク値が８Ａ程度の大電流を周波数分離（高周波発生回路の印加周波数を高周波化）することで分離している。このため、着火に必要な放電周波数は、２つの回路の周波数の制約上、自由に選ぶことができない。そこで、高周波パルスであっても、放電特性としての見かけ上の低周波パルスを得る手段として間欠制御を用いている。

火炎核形成に有効なエネルギーは、スパークプラグ２に流れる放電電流のピーク値に依存するため、本実施の形態１のように間欠動作させることで、電流ピーク値を稼ぎつつ、スパークプラグ２への過剰なエネルギーの投入を防ぐことができる。これにより、回路の発熱量を抑えることにより、点火装置の小型化が可能となり、また、長期間の使用においても、プラグの消耗を減らすことができる。放電電流のピーク値、すなわち、電力の最大投入条件は、非放電の状態であっても確実に放電が再開できるような条件（放電開始電圧）に設定する。タイミング（Ｂ１）よりも前の放電開始電圧は、イグニッション電圧に等しい。タイミング（Ｅ１）からタイミング（Ｆ１）は、スパークプラグ２の電極間に電力が投入されない期間であるが、タイミング（Ｂ１）より前の状態（厳密に言えば、スパークプラグ２の電極間への直流電圧パルスの印加による絶縁破壊のタイミングより前の状態）とは異なり、この間の放電開始電圧はイグニッション電圧よりも低い。この放電開始電圧は、タイミング（Ｃ１）の直後が最も低く、時間が経過するほど上昇していきイグニッション電圧に近づいていく。本実施の形態１の点火装置は、放電開始電圧がイグニッション電圧より低い状態で再放電しているため、スパークプラグ２への過剰な電力の投入を防ぐことができる。

また、交流波形に間欠制御を行う場合、放電がデジタル的に発生、停止を繰り返すことになる。これは瞬時電流の変化が大きくノイズ源や直流電源３０３に内蔵される電解コンデンサのリップル発熱を生みやすい。この場合、共振回路を応用すれば、共振の成長時間や減衰時間が発生するため、放電はデジタル的な発生、停止ではなく、図２に示された（５）、（７）におけるタイミング（Ｃ１）やタイミング（Ｅ１）のように、アナログ的に発生、停止することができる。これにより急激な現象変化を避けることができ、瞬時電流を抑制することができる。すなわち、ノイズ源の抑制や直流電源３０３の電解コンデンサのリップル発熱が抑制できる。このように、交流波形の間欠制御をよりよく実現するためにも本実施の形態１のような共振を利用した回路構成が望ましい。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る火花点火式内燃機関の点火装置の動作の一部を示したものである。本実施の形態の点火装置の回路構成は実施の形態１における図１と同じでよく、実施の形態１とは群パルスを生成するための群パルス発生信号及び制御回路１から出力され交流パルス発生回路３を制御する制御信号が相違する。図３は、本実施の形態の点火装置の交流パルス発生回路３及び直流電圧パルス発生回路４を駆動するための制御信号を示す図であり、実施の形態１と同じ働きの信号名は同じ符号で表記する。なお、本実施の形態２では特に交流パルス発生回路３を制御する制御信号における休止期間の挿入方法に特徴があるため、この特徴の説明に必要な制御信号（１）、（２）のみを示している。

実施の形態１では１回の点火期間において、ＴｏｎとＴｏｆｆの期間を変えていないが、図３に示すように、直流電圧パルスの印加直後ではＴｏｆｆを短く、直流電圧パルスの印加から時間を隔てるほどＴｏｆｆを長く設定しても良い。この場合、休止時間の挿入方法に重み付けをすることで、必要最小限に交流パルスを印加することができ、より最適に投入エネルギーを削減することができる。

群パルスにおいてＴｏｆｆは投入電力の削減に必要なものであり、長ければ長いほど電力削減効果は大きい。しかし、Ｔｏｆｆが長すぎると火炎核が形成できなくなる危険性がある。プラグ近傍に燃料がただよっている、その時間・空間領域に放電させることが肝要である。本来であれば、直流電圧パルスは放電発生から火炎核形成までを担うものである。つまり、直流電圧パルスの印加タイミングがプラグ近傍に燃料が漂う時間帯であるから、これを援護するための交流パルスもまた、直流電圧パルスの印加直後ではＴｏｆｆを短くし、交流パルスの印加密度を高めた方がよい。逆に、火炎核が成長しつつある時間帯では交流パルスの必要性が薄れるため、Ｔｏｆｆを長く設定する。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る火花点火式内燃機関の点火装置の動作の一部を示したものである。回路構成は実施の形態１における図１と同じでよく、実施の形態１とは群パルスを生成するための群パルス発生信号及び制御回路１から出力され交流パルス発生回路３を制御する制御信号が相違する。図４は、本実施の形態の点火装置の交流パルス発生回路３及び直流電圧パルス発生回路４を駆動するための制御信号を示す図であり、実施の形態１と同じ働きの信号名は同じ符号で表記する。なお、本実施の形態３では特に交流パルス発生回路３を制御する制御信号における休止期間の挿入方法に特徴があるため、この特徴の説明に必要な制御信号（１）、（２）のみを示している。

実施の形態１では１回の点火期間において、ＴｏｎとＴｏｆｆの期間を変えていないが、図４に示すように、直流電圧パルスの印加直後ではＴｏｆｆを長く、直流電圧パルスの印加から時間を隔てるほどＴｏｆｆを短く設定しても良い。この場合、休止時間の挿入方法に重み付けをすることで、必要最小限に交流パルスを印加することができ、より最適に投入エネルギーを削減することができる。

直流電圧パルスによる絶縁破壊（放電）は激しいエネルギーを伴うもので、放電により発生する荷電粒子や熱は直流電圧パルスの印加直後が最も大きく、徐々に減衰する傾向にある。十分に直流電圧パルスのエネルギーが大きければ、これだけで火炎核の形成は可能である。しかしながら、難着火条件下で使用する場合、一度形成した火炎核が消えてしまったり、火炎核の成長が遅いことも考えられる。直流電圧パルスの印加直後は直流電圧パルスの効果が相乗されるためＴｏｆｆを長くしても着火性能は高いが、直流電圧パルス印加から時間を隔てると、交流パルスのみで再着火させたり、火炎核成長を促進する必要がある。すなわち、直流電圧パルスの印加直後はＴｏｆｆを長く、直流電圧パルス印加から時間を隔てるとＴｏｆｆを短くすることが望ましい。

なお、実施の形態３のように直流電圧パルスの印加直後のＴｏｆｆを長く設定するか、実施の形態２のように直流電圧パルスの印加から時間を隔てるほどＴｏｆｆを長く設定するかは、エンジンの動作環境や直流電圧パルスの設定エネルギー、プラグ形状に依存し、それぞれの環境下で適宜選択できる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４における点火装置の制御回路１及び交流パルス発生回路３及び直流電圧パルス発生回路４の動作を説明するものである。回路構成は実施の形態１における図１と同じでよく、実施の形態１とは群パルスを生成するための群パルス発生信号及び制御回路１から出力され交流パルス発生回路３を制御する制御信号が相違する。図５は、実施の形態１と同じ働きの信号名は同じ符号で表記する。なお、本実施の形態４では特に交流パルス発生回路３を制御する制御信号におけるＴｏｎの期間の長さに特徴があり、Ｔｏｎの変化と電流ピーク値との関係を説明するために、制御信号（１）〜（４）に加えて、電流波形及び電圧波形を示す（５）〜（７）も示している。

実施の形態１では１回の点火期間において、ＴｏｎとＴｏｆｆの期間を変えていないが、図５に示すように、直流電圧パルスの印加直後ではＴｏｎを長く、直流電圧パルスの印加から時間を隔てるほどＴｏｎを短く設定しても良い。この場合、必要な期間に高周波発生回路からの出力を強化し、重要度の低い期間での出力を削減することができるため、効率的に電力の削減を図ることができる。

電流波形が定常状態、すなわち電流ピーク値が一定になるためには、放電の成長や共振の成長に必要な時間以上にＴｏｎを設定する必要がある。逆にいえば、これらの時間以下であれば電流ピーク値を下げることができるため、瞬間的な投入電力を調整することができる。実施の形態２ないし実施の形態３では休止を挿入することで、時間間隔についてのエネルギー削減について述べた。これに対して、本実施の形態では投入する電流値でエネルギーを削減することを主眼としている。

図５において、Ｔｏｎ１は第１の群パルス、Ｔｏｎ２は第２の群パルス、Ｔｏｎ３は第３の群パルスを示している。また、それぞれの群パルスと群パルスには休止期間Ｔｏｆｆ１、Ｔｏｆｆ２、Ｔｏｆｆ３が挿入されており、これらの群パルスが、例えば１ｍｓの間印加されている。電流波形（５）の電流ピーク値をＩｐとする。また、Ｔｏｎ１は、共振及び火炎核の成長が十分に達した時間を印加する必要がある。本実施の形態では、例えばＴｏｎ１を７０μｓとする。すなわち、Ｔｏｎ１は、共振や火炎核の成長時間や減衰時間よりも電流ピーク値Ｉｐが出力されている時間が長いことになる。Ｔｏｎ２はＴｏｎ１よりも短く設定する。例えばＴｏｎ２を１０μｓに設定すると、このとき電流ピーク値はＩｐに達するものの、Ｉｐに達するまでの成長時間や、Ｔｏｎ２がＯＦＦになってからの減衰時間の方が長い。さらに、Ｔｏｎ３では電流ピーク値Ｉｐに達する前に交流パルスの出力を停止するように設定する。例えばＴｏｎ３は４μｓ程度と設定する。

本実施の形態４は、直流電圧パルスの印加直後の第１の群パルスＴｏｎ１では、直流電圧パルス発生回路４からの出力が大きく、スパークプラグ２で発生する放電も強いため着火性能は高い。この考え方は、実施の形態２で説明したものと同じく、本来、燃料がスパークプラグ２付近に漂っている時間帯は、直流電圧パルスでの絶縁破壊直後であることから、ここでの着火性能を強化するものである。一方、直流電圧パルスから時間を隔てると（例えば直流電圧パルスから５００μｓ〜１ｍｓの期間）、それほど放電を強化する必要がないと考えれば、第３の群パルスＴｏｎ３のような形態のものを印加すればよい。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５における点火装置の制御回路１及び交流パルス発生回路３及び直流電圧パルス発生回路４の動作を説明するものである。回路構成は実施の形態１における図１と同じでよく、実施の形態１とは群パルスを生成するための群パルス発生信号及び制御回路１から出力され交流パルス発生回路３を制御する制御信号が相違する。図６は、実施の形態１と同じ働きの信号名は同じ符号で表記する。なお、本実施の形態５では特に交流パルス発生回路３を制御する制御信号におけるＴｏｎの期間の長さに特徴があり、Ｔｏｎの変化と電流ピーク値との関係を説明するために、制御信号（１）〜（４）に加えて、電流波形及び電圧波形を示す（５）〜（７）も示している。

実施の形態１では１回の点火期間において、ＴｏｎとＴｏｆｆの期間を変えていないが、図６に示すように、直流電圧パルスの印加直後ではＴｏｎを短く、直流電圧パルスの印加から時間を隔てるほどＴｏｎを長く設定しても良い。この場合、必要な期間に高周波発生回路からの出力を強化し、重要度の低い期間での出力を削減することができるため、効率的に電力の削減を図ることができる。

実施の形態４のように直流電圧パルスの印加直後のＴｏｎを長く設定するか、実施の形態５のように直流電圧パルスの印加から時間を隔てるほどＴｏｎを長く設定するかは、エンジンの動作環境や直流電圧パルスの設定エネルギー、プラグ形状に依存し、それぞれの環境下で適宜選択できる。

また、実施の形態２及び実施の形態３のようなＴｏｆｆの制御方法と、実施の形態４及び実施の形態５のようなＴｏｎの制御方法は組み合わせてもよい。長いＴｏｎの後に短いＴｏｆｆを挿入し、短いＴｏｎの後に長いＴｏｆｆを挿入しても良い。逆に、長いＴｏｎの後に長いＴｏｆｆを挿入し、短いＴｏｎの後に短いＴｏｆｆを挿入しても良い。あるいは、１回の点火期間の中で、初期と末期のＴｏｎを長く、さらには、Ｔｏｆｆを短く設定し、中間付近のＴｏｎを短く、さらにはＴｏｆｆを短く設定してもよい。

実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６における点火装置の制御回路１及び交流パルス発生回路３及び直流電圧パルス発生回路４の動作を説明するものである。図７をもとに本実施の形態６について説明する。

実施の形態１から実施の形態５はＴｏｎの間は一定周波数を印加するものであった。これに対し、本実施の形態ではＴｏｎの周波数を変更することを特徴としている。ＴｏｎとＴｏｆｆの関係はＴｏｎの期間で放電を成長させるとともにＴｏｆｆの期間で放電を停止させ、プラグへの投入電力を削減するものである。もしもＴｏｆｆが長い場合は、次のＴｏｎの期間に放電を再開することができず、放電が立ち消えることになる。つまりＴｏｎ期間では十分に放電を成長させることが重要であり、特にＴｏｎ期間の初期では放電が消えている状態であるから電圧が跳ね上がるような形態であることが望ましい。

特に電極間のインピーダンスは放電中と非放電中とでは異なり、Ｔｏｆｆ期間中はＴｏｎ期間中と比べて抵抗値が高い状態と考えてよい。つまり、Ｔｏｎ期間中であってもＴｏｎ期間の初期は放電停止状態から放電再開状態への過渡状態であるから時々刻々とインピーダンスが変化することになる。すなわち、共振周波数もまたＴｏｎ期間の初期と十分に放電が成長したＴｏｎ期間の終了間際とでは異なる。

そこで、本実施の形態では、図７に示すように、各Ｔｏｎ（図７では、Ｔｏｎ１及びＴｏｎ２を図示）の初期の周波数を高く設定して、非放電状態の共振周波数に合わせ、その後、数サイクル隔てて各Ｔｏｎの共振周波数を放電状態の共振周波数におよそ合わせるように設定している。これにより各Ｔｏｎの印加初期では電極間隙に電圧が急速に立ち上がり放電を速やかに再開することができる。なお、厳密には図７ではＴｏｎ１、Ｔｏｎ２のいずれにおいても印加初期の周波数を高くし、その後、一定周波数となるように設定しているが必ずしもその必要はない。イグニッションの初期であるＴｏｎ１は放電状態にあることを考慮すれば印加期間初期の周波数を高く設定する必要はない。Ｔｏｆｆ１が存在する次のＴｏｎ２において、その印加初期のみの周波数を高く設定してもよい。

さらに、共振周波数を自動的に追尾するような制御方式を組み合わせれば、特に固定値として周波数を設定する必要はなく、放電が途切れた時には自動的に周波数が高くなることで、印加電圧が高くなるように制御してもよい。

あるいは、本実施の形態では共振周波数を変化させることで、放電開始に必要な群パルスの電力を調整していたが、図１における直流電源３０３の値を変化させてもよく、Ｔｏｎの初期の直流電源３０３の電圧を高く、放電が安定した後のＴｏｎ印加終了間際の直流電源３０３の電圧を低く設定してもよい。

本実施の形態によれば、群パルスと群パルスの間に休止期間を設けても、安定して放電を再開することができる。

以上のように、本発明は、投入電力を減らしつつ、高いエネルギー効率で点火を行う火花点火式内燃機関の点火装置として有用である。

１ 制御回路、２ スパークプラグ、３ 交流パルス発生回路、４ 直流電圧パルス発生回路、５ リアクトル、６ 直列コンデンサ、７ 共振コンデンサ、３１ スイッチング部、３２ 共振部、２０１ 中心電極、２０２ 接地電極、３０１，３０２，４０１ スイッチ素子、３０３ 直流電源、４０２ 点火コイル。

Claims (7)

1. 内燃機関に設置されるスパークプラグの電極間に直流電圧パルスを発生させる直流電圧パルス発生回路と、
   前記スパークプラグの電極間に交流パルスを発生させる交流パルス発生回路と、
   前記直流電圧パルス発生回路が動作した後に前記交流パルス発生回路が動作するように制御する制御回路と
   を備え、
   前記制御回路は、１回の点火期間において、複数の群パルスを有し前記群パルス間に休止期間が設けられた制御信号で、前記交流パルス発生回路を制御すること
   を特徴とする火花点火式内燃機関の点火装置。
2. 前記１回の点火期間において、前記休止期間の数は複数であり、
   前記制御回路は、前記直流電圧パルスの発生から時間を隔てるほど前記休止期間を長くすること
   を特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の点火装置。
3. 前記１回の点火期間において、前記休止期間の数は複数であり、
   前記制御回路は、前記直流電圧パルスの発生から時間を隔てるほど前記休止期間を短くすること
   を特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の点火装置。
4. 前記制御回路は、前記直流電圧パルスの発生から時間を隔てるほど前記群パルスの出力時間を長くすること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関の点火装置。
5. 前記制御回路は、前記直流電圧パルスの発生から時間を隔てるほど前記群パルスの出力時間を短くすること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関の点火装置。
6. 前記制御回路は、前記群パルスの印加期間初期は前記群パルスの印加期間の終了直前に比べて前記交流パルス発生回路の周波数を高く設定することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関の点火装置。
7. 前期交流パルス発生回路の出力電圧は、前記群パルスの印加期間初期は前記群パルスの印加期間の終了直前に比べて高く設定することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関の点火装置。

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