JP2014173488A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグの消耗を抑制しつつ着火性に優れた点火装置を提供すること。
【解決手段】点火装置は、点火コイルと、点火プラグと、電圧制限手段とを備える。点火コイルは、１次コイル及び１次コイルと磁気結合された２次コイルを有する。点火プラグは、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。電圧制限手段は、点火コイルから供給される電気エネルギによって点火プラグに最初に生じる放電電圧部が終了した後において、点火プラグの電極間の放電を許容しつつ電極間にかかる電圧Ｖ２の絶対値が所定の電圧制限値Ｖｈを超えないよう制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、１次コイル及び該１次コイルと磁気結合された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。

例えば車両用エンジン等の内燃機関は、燃焼室内において放電を生じさせることによって燃焼室内のガスに点火するよう構成されている。かかる内燃機関において、特に希薄燃焼エンジンにおいて、近年、燃焼室内に気流を生じさせることにより、燃焼性向上を図る技術が種々開発されている。このような内燃機関においては、放電が気流によって引き伸ばされて、ガスへの着火性が向上する。しかし、気流が強いと、放電の吹き消えが生じ、その直後において、再放電が生じる。再放電が生じた後、再度気流によって放電が吹消えてしまうことがある。そして、放電吹消えと再放電が何度も繰り返されるといった放電繰り返し現象が生じ、この再放電の繰り返しにより点火プラグの電極の消耗が通常よりも促進されてしまうおそれがあった。
そこで、引用文献１においては、所定の条件のもとに再放電の継続を禁止する制御を行う内燃機関の点火制御装置が提案されている。

特開２０１２−１７７３１０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の内燃機関の点火制御装置においては、再放電を禁止してしまうため、放電期間が過剰に短くなることがあり、この場合には、放電期間の不足により失火するおそれが生じる。すなわち、点火プラグにおいては、供給された電気エネルギによって、容量放電が生じ、その後、誘導放電が継続しつつその間にも吹き消えと再放電が繰り返される。この間に、放電火花によって、燃焼室内のガスに点火され、着火する。ところが、上記特許文献１に記載の点火制御装置は、最初の容量放電の後の放電を禁止してしまうため、その分の電気エネルギを用いることなく、放電を終了してしまう。その結果、放電期間が過剰に短くなり、放電期間の不足により失火する要因となる。
その一方で、誘導放電中における吹き消えと再放電の繰り返しを許容すると、点火プラグの電極消耗の促進が懸念される。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、点火プラグの消耗を抑制しつつ着火性に優れた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、１次コイル及び該１次コイルと磁気結合された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に最初に生じる放電電圧部が終了した後において、上記点火プラグの電極間の放電を許容しつつ該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、を備えることを特徴とする点火装置にある（請求項１）。

上記電圧制限手段は、最初に生じる放電電圧部が終了した後において、放電を許容しつつ、上記点火プラグ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構成してある。これにより、最初の放電電圧部の終了後にも、上記点火プラグに供給した電気エネルギを充分に用いて、ガスへの着火性を確保しつつ、点火プラグの消耗を抑制することができる。つまり、最初の放電電圧部の終了後にも、放電を遮断することなく継続させることにより、点火プラグへ供給された電気エネルギを充分に利用して、着火性を確保する。それとともに、最初の放電電夏部の終了後において継続する放電（再放電）の電圧の絶対値を所定の電圧制限値以下とすることができる。そのため、この所定の電圧制限値を、点火プラグの消耗に与える影響が充分に小さい値としておくことにより、点火プラグの消耗を抑制しつつ、着火性を確保することができる。

以上のごとく、本発明によれば、点火プラグの消耗を抑制しつつ着火性に優れた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、電圧制限手段の動作と二次電圧及びツェナー電流の時間変化とを示す線図。 実施例２における、点火装置の回路構成図。

上記点火装置は、例えば、車両用内燃機関に用いることができる。
上記点火プラグを搭載する内燃機関の燃焼室には、例えば、燃料と空気との混合ガスが供給される。そして、燃焼室内には、ガスの流動が生じていることが好ましい。この気流としては、例えば、タンブル流、スワール流、或いはこれらの組合せの気流がある。
容量放電は、例えば、上記点火コイルの内部静電容量に蓄えられた電荷が放出されることにより生じる放電である。また、点火プラグにおける火花放電としては、容量放電以外に、点火コイル内の電磁誘導エネルギが放出されることにより生じる誘導放電もある。

また、最初に生じる放電とは、上記点火コイルから点火プラグへの１回のエネルギ供給によって最初に生じる放電を意味する。すなわち、点火コイルから点火プラグへのエネルギ供給は、所定のタイミングによって繰り返し断続的に行われるが、各回のエネルギ供給によって最初に点火プラグの火花放電ギャップに生じる容量放電が、上述の「最初に生じる放電」である。本明細書において、これを、適宜「最初の放電」等とも表現する。

また、上記電圧制限値は、例えば、内燃機関の仕様、点火プラグの仕様等に応じて、適宜設定することができる。上記電圧制限値としては、例えば、最初の放電の後に繰り返される再放電による点火プラグの電極消耗を充分に抑制しつつ、再放電による着火性を確保することができる程度とする。例えば、上記電圧制限値は、誘導放電電圧が維持できる値であって、１〜２０ｋＶとすることができる。

また、上記電圧制限手段は、スイッチング素子と定電圧素子とからなることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記電圧制限値を所望のタイミングにて、正確に設定することができる。また、定電圧素子を用いることにより、電圧制限値の設定を細かく行うことが可能となる。上記定電圧素子としては、例えば、ツェナーダイオード、アバランシェダイオード、バリスタ等を用いることができる。また、上記スイッチング素子としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等を用いることができる。

また、上記電圧制限手段は、上記１次コイル側に設けてあることが好ましい（請求項３）。この場合には、上記スイッチング素子及び定電圧素子の耐圧を小さくすることが可能となるため、装置の小型化や低コスト化を実現しやすくなる。

（実施例１）
点火装置の実施例につき、図１、図２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、１次コイル５１及び該１次コイル５１と磁気結合された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、図２に示すごとく、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に最初に生じる放電電圧部が終了した後において、点火プラグ２の電極間の放電を許容しつつ該電極間にかかる電圧Ｖ２の絶対値が所定の電圧制限値Ｖｈを超えないよう制限する。

図１に示すごとく、点火装置１は、１次コイル５１への通電と遮断とを行うイグナイタ６を有する。また、電圧制限手段３は、スイッチング素子３１と定電圧素子としてのツェナーダイオード３２とからなる。また、電圧制限手段３は、１次コイル５１側に設けてある。

点火プラグ２は、中心電極２１と接地電極２２とを有し、中心電極２１と接地電極２２との間に火花放電ギャップＧが形成されている。接地電極２２は接地されている。また、中心電極２１は、接地電極２２に対して低電位となるよう構成されている。すなわち、点火コイル５により中心電極２１と接地電極２２との間に電圧が印加された際、中心電極２１の電位は負となる。

本例の点火装置１は、例えば、車両用内燃機関に用いることができる。そして、燃焼室には、例えば、燃料と空気との混合ガスが供給される。そして、燃焼室内には、例えば、タンブル流、スワール流、或いはこれらの組合せの気流など、ガスの流動が生じている。

電源４は直流電源であって、その正極に点火コイル５の１次コイル５１が接続されている。１次コイル５１における電源４と接続された側と反対側の端子は、イグナイタ６に接続されている。イグナイタ６は、スイッチング素子からなり、図示しない内燃機関の電子制御ユニットからの信号によって、オン・オフが制御されるよう構成されている。

１次コイル５１には、電圧制限手段３が、イグナイタ６と並列的に接続されている。すなわち、１次コイル５１におけるイグナイタ６との接続側には、互いに直列接続されたスイッチング素子３１とツェナーダイオード３２とが接続されている。ツェナーダイオード３２は、カソードを１次コイル５１に接続し、アノードをスイッチング素子３１に接続している。そして、スイッチング素子３１におけるツェナーダイオード３２と反対側を、アースに接地している。
点火コイル５の２次コイル５２は、点火プラグ２の中心電極２１に接続されている。

電圧制限手段３におけるスイッチング素子３１も、図示しない内燃機関の電子制御ユニットからの信号によって、オン・オフが制御されるよう構成されている。そして、イグナイタ６をオフとして、スイッチング素子３１をオンの状態としたとき、一次電圧がツェナーダイオード３２のツェナー電圧Ｖｚ１を超えないようにしてある。これに伴い、２次コイル５２において誘起される二次電圧Ｖ２の絶対値は、所定の電圧制限値Ｖｈを超えることを禁止される。この電圧制限値Ｖｈは、ツェナー電圧Ｖｚ１に対して所定の比率すなわち点火コイル５における１次コイル５１と２次コイル５２との巻き数比によって定まる。例えば、点火コイル５の巻き数比（１次コイル５１の巻き数：２次コイルの巻き数）が１：１００のとき、ツェナー電圧Ｖｚ１を５０Ｖとすることにより、二次電圧の電圧制限値Ｖｈを５ｋＶとすることができる。

また、本例においては、電圧制限手段３におけるスイッチング素子３１として、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）を用い、イグナイタ６を構成するスイッチング素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いている。

このように構成された電圧制限手段３を備えた点火装置１の動作の説明を、図２を用いて以下に行う。同図において上下に並べて記載した４つのグラフは、それぞれ横軸が時間軸である。そして、縦軸の左に付した記号がＩＧｔのグラフはイグナイタ６のオン・オフを、ＳＷのグラフはスイッチング素子３１のオン・オフを、Ｖ２のグラフは二次電圧Ｖ２の変化を、Ｉｚのグラフはツェナーダイオード３２に流れる電流値の変化を、それぞれ示す。

まず、イグナイタ６のスイッチング素子がオンとなることにより、１次コイル５１に電流が流れる。その後、イグナイタ６がオフすることにより、１次コイル５１への通電が遮断される。これに伴い、２次コイル５２に誘導起電力が発生し、二次電圧Ｖ２が点火プラグ２の中心電極２１と接地電極２２との間に印加される。この電気エネルギによって、点火プラグ２の電極間に最初の放電が生じる。図２のＶ２のグラフにおけるＰ１にて指し示した部分が、この最初の放電電圧部を表す。

なお、本例においては、この一回のイグナイタ６のオン・オフに起因して点火コイル５から点火プラグ２へ供給される電気エネルギによって最初に点火プラグ２の火花放電ギャップＧに生じる容量放電が、上述の最初の放電である。

そして、この最初の放電電圧部が終了した直後に、電圧制限手段３におけるスイッチング素子３１をオンする。これにより、電池４と１次コイル５１とツェナーダイオード３２とからなる閉回路が形成される。これにより、一次電圧がツェナー電圧Ｖｚ１に達したとき、ツェナーダイオード３２にツェナー電流Ｉｚが流れ、１次コイル５１の電気エネルギが開放される。すなわち、一次電圧がツェナー電圧Ｖｚ１を超えることを防ぐことができる。なお、スイッチング素子３１をオンするタイミングは、例えば、点火開始信号からの遅れ時間で設定することができる。あるいは、一次電圧や二次電圧から最初の容量放電を検出する検出手段を設け、該検出手段による最初の容量放電の検出信号に基づいて、スイッチング素子３１をオンするタイミングを設定することもできる。

これによって、２次コイル５２に誘起される二次電圧Ｖ２の絶対値が電圧制限値Ｖｈを超えることが防止されることとなる。すなわち、点火プラグ２の電極間にかかる電圧の絶対値が電圧制限値Ｖｈを超えることを防ぐことができる。つまり、本例の構成によれば、点火プラグ２の電極間の印加電圧が所定電圧を上回ろうとする場合、上記印加電圧が所定電圧で制限されてフラットにされる。そして、上記印加電圧が所定電圧に維持される期間内に火花放電ギャップＧにおける気体の状態が放電に適した状態とされることで、電極間に再放電火花が生じる。これにより、点火プラグ２の再放電電圧が過度に高くなることを回避でき、点火プラグ２の消耗を抑制することができる。

最初の放電の後は、点火プラグ２において誘導放電が生じているが、放電の吹き消えが生じると再び容量放電、誘導放電が生じる。図２のＶ２のグラフにおけるポイントＰ２、Ｐ３、Ｐ４が、この容量放電（再放電）を表す。この吹き消えと再放電とが繰り返し生じることにより、最初の放電において着火しなかったとしても、再放電によってガスに着火させることも可能となる。ただし、この再放電の電圧が、電圧制限値Ｖｈ以下に抑制されることとなる。これにより、点火プラグ２の電極消耗を抑制しつつ、最初の放電の後においても、着火性を確保することができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電圧制限手段３は、上述のごとく、最初に生じる放電電圧部が終了した後において、放電を許容しつつ、点火プラグ２にかかる電圧Ｖ２の絶対値が所定の電圧制限値Ｖｈを超えないよう構成してある。これにより、最初の放電電圧部の終了後にも、点火プラグ２に供給した電気エネルギを充分に用いて、ガスへの着火性を確保しつつ、点火プラグ２の消耗を抑制することができる。つまり、最初の放電電圧部の終了後にも、放電を遮断することなく継続させることにより、点火プラグ２へ供給された電気エネルギを充分に利用して、着火性を確保する。それとともに、最初の放電電圧部の終了後において継続する放電（再放電）の電圧の絶対値を所定の電圧制限値Ｖｈ以下とすることができる。そのため、この所定の電圧制限値Ｖｈを、点火プラグ２の消耗に与える影響が充分に小さい値としておくことにより、点火プラグ２の消耗を抑制しつつ、着火性を確保することができる。

また、電圧制限手段３は、スイッチング素子３１とツェナーダイオード３２とからなるため、電圧制限値Ｖｈを所望のタイミングにて、正確に設定することができる。また、ツェナーダイオード３２を用いることにより、電圧制限値Ｖｈの設定を細かく行うことが可能となる。

また、電圧制限手段３は、１次コイル５１側に設けてあるため、スイッチング素子３１及びツェナーダイオード３２の耐圧を小さくすることが可能となり、装置の小型化や低コスト化を実現しやすくなる。

以上のごとく、本例によれば、点火プラグの消耗を抑制しつつ着火性に優れた点火装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図３に示すごとく、電圧制限手段３０を、２次コイル５２の高圧側に設けた点火装置１０の例である。
すなわち、本例の点火装置１０においては、電圧制限手段３０を構成するスイッチング素子３１とツェナーダイオード３２との直列体を、２次コイル５２における点火プラグ２側の端子に電気的に接続している。そして、電圧制限手段３０が点火プラグ２と並列的に電気接続されている。

具体的には、電圧制限手段３０は、ツェナーダイオード３２のアノードを２次コイル５２に接続し、ツェナーダイオード３２のカソードに一端を接続したスイッチング素子３１の他端を接地している。
これにより、スイッチング素子３１をオンとした状態において、点火プラグ２に印加される二次電圧Ｖ２は、ツェナーダイオード３２のツェナー電圧Ｖｚ２を超えることが禁止される。すなわち、本例の場合には、最初の放電電圧部の終了後において、点火プラグ２に印加される二次電圧Ｖ２の絶対値の上限である電圧制限値Ｖｈは、ツェナーダイオード３２のツェナー電圧Ｖｚ２となる。

その他は、実施例１と同様である。なお、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。
本例によっても、実施例１と同様に、着火性を確保しつつ、点火プラグの電極消耗を効果的に抑制することができる点火装置を提供することができる。

点火装置は、実施例１、実施例２以外にも、種々の構成を採用し得る。例えば、電圧制限手段を点火コイル本体や点火プラグに設けることもできる。
また、上限値設定手段における定電圧素子としては、実施例１、実施例２に示したような、ツェナーダイオードに限らず、例えば、アバランシェダイオード、バリスタ等を用いることもできる。また、電圧制限手段は、定電圧素子とスイッチング素子とによる構成に限られるものではない。また、電圧制限手段におけるスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴに限らず、例えばＩＧＢＴ等としてもよい。また、イグナイタを構成するスイッチング素子は、ＩＧＢＴに限らず、例えばＭＯＳＦＥＴ等としてもよい。

１、１０ 点火装置
２ 点火プラグ
２１ 中心電極
２２ 接地電極
３、３０ 電圧制限手段
５ 点火コイル
５１ １次コイル
５２ ２次コイル
Ｖｈ 電圧制限値

Claims (3)

1. １次コイル（５１）及び該１次コイル（５１）と磁気結合された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該点火プラグ（２）に最初に生じる放電電圧部が終了した後において、上記点火プラグ（２）の電極間の放電を許容しつつ該電極間にかかる電圧（Ｖ２）の絶対値が所定の電圧制限値（Ｖｈ）を超えないよう制限する電圧制限手段（３、３０）と、を備えることを特徴とする点火装置（１、１０）。
2. 請求項１に記載の点火装置（１、１０）において、上記電圧制限手段（３、３０）は、スイッチング素子（３１）と定電圧素子（３２）とからなることを特徴とする点火装置（１、１０）。
3. 請求項１又は２に記載の点火装置（１）において、上記電圧制限手段（３）は、上記１次コイル（５１）側に設けてあることを特徴とする点火装置（１）。

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