JP2016217269A - Ignition device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関用の点火装置に関する。 The present invention relates to an ignition device for an internal combustion engine.
例えば自動車のガソリンエンジン等の内燃機関には、燃焼室において燃料に着火するための点火プラグを備えた点火装置が設けてある。かかる点火装置の点火プラグとして、中心電極に高周波電圧を印加することによって該中心電極と接地電極との間にプラズマ放電を生じるよう構成された点火プラグがある。 For example, an internal combustion engine such as an automobile gasoline engine is provided with an ignition device having an ignition plug for igniting fuel in a combustion chamber. As an ignition plug of such an ignition device, there is an ignition plug configured to generate a plasma discharge between the center electrode and a ground electrode by applying a high frequency voltage to the center electrode.
特許文献1に開示された点火システムは、点火プラグにおける放電ギャップに火花放電を発生させる放電用電源と、放電ギャップに交流プラズマを発生させる交流電源とを備えている。この点火システムにおいては、火花放電の持続中に交流プラズマを発生させることで着火性を向上させる一方で、交流プラズマの投入を間欠的にすることで、電極消耗を抑制しようとしている。すなわち、点火プラグに高周波電力を印加する期間(高電力期間)と、高周波電力の印加を休止する期間(低電力期間)とを交互に設けることで、電極の消耗を抑制しつつ、着火性を確保しようとしている。
The ignition system disclosed in
しかしながら、特許文献1には、高周波電源部と点火プラグとの間に、昇圧回路部が設けられている構成が開示されていない。高周波電源部が出力する一次電圧を、昇圧回路部において昇圧して、点火プラグに高圧高周波の二次電圧を印加する構成においては、上述の高電力期間と低電力期間との切り替えタイミングを考慮しないと、二次電圧波形が乱れてしまうおそれがある。二次電圧波形が乱れると、点火プラグに充分な大きさの二次電圧を印加することができず、着火性が低下するおそれがある。
However,
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、着火性を確保しつつ、点火プラグの長寿命化を図ることができる内燃機関用の点火装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide an ignition device for an internal combustion engine that can achieve a long life of an ignition plug while ensuring ignitability.
本発明の一態様は、中心電極に高周波電圧を印加することによって該中心電極と接地電極との間にプラズマ放電を生じるよう構成された点火プラグと、
該点火プラグに高周波電力を供給する点火回路と、を有し、
上記点火回路は、高周波電力を生じる高周波電源部と、該高周波電源部が出力する高周波の一次電圧を昇圧して二次電圧を上記点火プラグに印加する昇圧回路部と、上記高周波電源部の出力を制御する出力制御部と、を有し、
上記高周波電源部は、上記一次電圧として一定のパルス幅を有するパルス正電圧とパルス負電圧とを交互に出力することができるよう構成されており、
上記出力制御部は、上記高周波電源部が上記パルス正電圧と上記パルス負電圧とを一定の周期で交互に出力するパルス出力状態と、上記高周波電源部が上記一次電圧の出力を休止するパルス休止状態とを、上記高周波電源部が点火信号を受信している間に切り替えるよう構成されており、
上記出力制御部による上記パルス出力状態と上記パルス休止状態との切り替えは、切り替えの直前及び直後の上記パルス正電圧及び上記パルス負電圧のパルス幅が、他の上記パルス正電圧及び上記パルス負電圧のパルス幅と同等に維持されるようなタイミングにおいて行うよう構成されていることを特徴とする内燃機関用の点火装置にある。
One aspect of the present invention is an ignition plug configured to generate a plasma discharge between a center electrode and a ground electrode by applying a high-frequency voltage to the center electrode.
An ignition circuit for supplying high-frequency power to the spark plug;
The ignition circuit includes a high-frequency power supply unit that generates high-frequency power, a booster circuit unit that boosts a high-frequency primary voltage output from the high-frequency power supply unit and applies a secondary voltage to the ignition plug, and an output of the high-frequency power supply unit An output control unit for controlling
The high frequency power supply unit is configured to alternately output a pulse positive voltage and a pulse negative voltage having a constant pulse width as the primary voltage,
The output control unit includes a pulse output state in which the high frequency power supply unit alternately outputs the pulse positive voltage and the pulse negative voltage at a constant cycle, and a pulse pause in which the high frequency power supply unit pauses the output of the primary voltage. The state is configured to switch while the high-frequency power supply unit receives an ignition signal,
Switching between the pulse output state and the pulse pause state by the output control unit is such that the pulse width of the pulse positive voltage and the pulse negative voltage immediately before and immediately after switching is different from the other pulse positive voltage and pulse negative voltage. An ignition device for an internal combustion engine, characterized in that the ignition device is configured to perform at a timing such that the pulse width is maintained equal to the pulse width of the internal combustion engine.
上記内燃機関用の点火装置において、上記出力制御部は、上記パルス出力状態と上記パルス休止状態とを、高周波電源部が点火信号を受信している間に切り替えるよう構成されている。したがって、点火信号を受信している間においても、点火プラグの中心電極と接地電極との間に、電圧が印加されていない期間が設けられることとなる。これにより、中心電極及び接地電極(以下、適宜「電極」という)の消耗を抑制して、点火プラグの長寿命化を図ることができる。 In the ignition device for an internal combustion engine, the output control unit is configured to switch between the pulse output state and the pulse pause state while the high frequency power supply unit receives an ignition signal. Therefore, even during reception of the ignition signal, a period in which no voltage is applied is provided between the center electrode of the spark plug and the ground electrode. Accordingly, it is possible to extend the life of the spark plug by suppressing the consumption of the center electrode and the ground electrode (hereinafter referred to as “electrode” as appropriate).
そして、出力制御部によるパルス出力状態とパルス休止状態との切り替えは、切り替えの直前及び直後のパルス正電圧及びパルス負電圧のパルス幅が、他のパルス正電圧及びパルス負電圧のパルス幅と同等に維持されるようなタイミングにおいて行うよう構成されている。これにより、パルス出力状態において、一次電圧のパルス正電圧およびパルス負電圧のパルス幅が、部分的に小さくなることを防ぐことができる。その結果、昇圧回路部によって生成される二次電圧の電圧波形が乱れることを防ぎ、点火プラグに充分な大きさの二次電圧を印加することができ、着火性を確保することができる。 The switching between the pulse output state and the pulse pause state by the output control unit is such that the pulse width of the pulse positive voltage and the pulse negative voltage immediately before and after the switching is equal to the pulse width of the other pulse positive voltage and pulse negative voltage. It is configured so as to be performed at such a timing as to be maintained. Thereby, in the pulse output state, the pulse width of the pulse positive voltage and the pulse negative voltage of the primary voltage can be prevented from being partially reduced. As a result, it is possible to prevent the voltage waveform of the secondary voltage generated by the booster circuit unit from being disturbed, to apply a sufficiently large secondary voltage to the spark plug, and to ensure ignitability.
以上のごとく、本発明によれば、着火性を確保しつつ、点火プラグの長寿命化を図ることができる内燃機関用の点火装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an ignition device for an internal combustion engine capable of extending the life of the spark plug while ensuring ignitability.
(実施形態1)
内燃機関用の点火装置の実施形態につき、図1〜図8を用いて説明する。
本実施形態の内燃機関用の点火装置は、図1に示すごとく、点火プラグ2と、点火プラグ2に高周波電力を供給する点火回路3とを有する。点火プラグ2は、中心電極21に高周波電圧を印加することによって中心電極21と接地電極22との間にプラズマ放電を生じるよう構成されている。
(Embodiment 1)
An embodiment of an ignition device for an internal combustion engine will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the ignition device for an internal combustion engine of the present embodiment includes a
点火回路3は、高周波電力を生じる高周波電源部31と、高周波電源部31が出力する高周波の一次電圧を昇圧して二次電圧V2を点火プラグ2に印加する昇圧回路部32と、高周波電源部31の出力を制御する出力制御部34とを有する。
高周波電源部31は、図2に示すごとく、一次電圧として一定のパルス幅Wを有するパルス正電圧Vpとパルス負電圧Vnとを交互に出力することができるよう構成されている。
出力制御部34は、図3に示すごとく、高周波電源部31がパルス正電圧Vpとパルス負電圧Vnとを一定の周期で交互に出力するパルス出力状態Aと、高周波電源部31が一次電圧の出力を休止するパルス休止状態Bとを、高周波電源部31が点火信号IGtを受信している間に切り替えるよう構成されている。なお、図2、図3における各矩形波は、上段がオン、下段がオフを、それぞれ示す。以降の図における矩形波についても同様である。
As shown in FIG. 2, the high-frequency
As shown in FIG. 3, the
出力制御部34によるパルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えは、切り替えの直前及び直後のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅が、他のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅Wと同等に維持されるようなタイミングにおいて行うよう構成されている。
The switching between the pulse output state A and the pulse pause state B by the
具体的に後に詳述する図3に示す制御は、パルス正電圧Vpがオフ状態からオン状態となる立上りのタイミングにて、パルス休止状態Bからパルス出力状態Aへ切り替えている。パルス出力状態Aからパルス休止状態Bへの切り替えも、パルス正電圧Vpを立ち上げようとするタイミング、すなわち後述するハイサイド信号SHの立上りのタイミングとしている。ただし、パルス休止状態Bとなるため実際にはこのタイミングでパルス正電圧Vpが立ち上がることはない。なお、これは一例であり、これ以外のタイミングでパルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えを行うこともできる。 Specifically, the control shown in FIG. 3 described in detail later is switched from the pulse pause state B to the pulse output state A at the rising timing when the pulse positive voltage Vp is turned on from the off state. The switching from the pulse output state A to the pulse pause state B is also the timing at which the pulse positive voltage Vp is raised, that is, the rising timing of the high side signal SH described later. However, since the pulse pause state B is entered, the pulse positive voltage Vp does not actually rise at this timing. This is merely an example, and the pulse output state A and the pulse pause state B can be switched at other timings.
また、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えタイミングは、内燃機関の回転数及び負荷の大きさの少なくとも一方に応じて決定するよう構成することができる。例えば、内燃機関の回転数が大きい場合や負荷が大きい場合には、パルス出力状態Aの時間的割合が大きくなるように、切り替えタイミングを制御することができる。また、回転数が小さい場合や負荷が小さい場合には、パルス出力状態Aの時間的割合が小さくなるように、切り替えタイミングを制御することもできる。
また、例えば、内燃機関の回転数及び負荷の大きさと共に、適切なパルス出力状態Aの時間割合をマッピングしておいてもよい。この場合、当該マップに基いて、回転数及び負荷の大きさに応じたパルス出力状態Aの時間割合を導き出して、切り替えタイミングを制御することができる。
The switching timing between the pulse output state A and the pulse pause state B can be determined in accordance with at least one of the rotational speed of the internal combustion engine and the magnitude of the load. For example, when the rotational speed of the internal combustion engine is large or the load is large, the switching timing can be controlled so that the time ratio of the pulse output state A becomes large. Further, when the rotational speed is small or the load is small, the switching timing can be controlled so that the time ratio of the pulse output state A is small.
Further, for example, an appropriate time ratio of the pulse output state A may be mapped together with the rotational speed of the internal combustion engine and the magnitude of the load. In this case, the switching timing can be controlled by deriving the time ratio of the pulse output state A according to the rotation speed and the magnitude of the load based on the map.
点火プラグ2は、例えば、図4に示すごとく、中心電極21と、中心電極21の外周側に設けた絶縁碍子23と、該絶縁碍子23の外周側に設けた接地電極22とを有する。そして、中心電極21に高周波高電圧を印加することにより、絶縁碍子23の表面を這うストリーマ放電を発生、進展させ、このストリーマ放電を放電経路として、中心電極21と接地電極22との間の放電部に交流グロー放電又はアーク放電を生ぜしめるよう構成されている。
点火装置1は、例えば、自動車エンジン等の車両用内燃機関に搭載して用いることができる。
For example, as shown in FIG. 4, the
The
高周波電源部31は、図1に示すごとく、駆動電源11より供給される直流電力をスイッチング素子311、312のスイッチングによって交流の高周波電力に変換して、出力するよう構成されている。高周波電源部31においては、駆動電源11が接続された高電位配線313と、接地された低電位配線314との間に、互いに直列接続された2つの抵抗315と、互いに直列接続された2つのコンデンサ316と、互いに直列接続された2つのスイッチング素子311、312とが、接続されている。
2つの抵抗315の間と、2つのコンデンサ316との間とは、共通電位12に接続されている。
As shown in FIG. 1, the high-frequency
Between the two
また、2つのスイッチング素子311、312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)等の半導体素子からなる。そして、2つのスイッチング素子311、312の間に、高周波電源部31の出力端子317が設けられている。
The two switching
このような構成によって、高周波電源部31は、高周波電力を正負均等に発振させて、出力端子317から出力することができ、昇圧回路部32における昇圧を効率よく行うことができるようにしている。なお、抵抗315、コンデンサ316、スイッチング素子311、312は、必ずしも2個ずつである必要はなく、高電位側と低電位側とに対称に配置されていれば、その個数は特に限定されるものではない。
With such a configuration, the high-frequency
昇圧回路部32は、互いに磁気的に結合された一次コイル321と二次コイル322とからなるトランスによって構成されている。点火プラグ2には、例えば、ピーク間電圧30kVpp以上の非常に高い電圧を印加するため、昇圧回路部32の昇圧倍率は、数十倍としている。また、昇圧回路部32の一次コイル321は、一端が高周波電源部31の出力端子317に接続され、他端が共通電位12に接続されている。また、二次コイル322の一端が点火プラグ2の中心電極21に接続され、他端が接地されている。
The step-up
また、高周波電源部31は、スイッチング素子311、312をオンオフ制御するスイッチング駆動部331を有する。すなわち、スイッチング駆動部331は、スイッチング素子311、312のゲートに駆動信号を入力するよう構成されている。駆動信号は、以下のように形成される。点火信号IGtが入力されることにより発振部332において生成されたパルス信号が、ハイサイド信号生成部333とローサイド信号生成部334とにおいて、それぞれハイサイド信号SHとローサイド信号SLとに変換される。そして、ハイサイド信号SH及びローサイド信号SLと、出力制御部34から送られる信号との論理積によって、駆動信号が形成されて、スイッチング駆動部331に送られる。スイッチング駆動部331は、この駆動信号に基づいて、2つのスイッチング素子311、312をオンオフ駆動する。
In addition, the high frequency
すなわち、図3に示すごとく、ハイサイド信号SHがオンであり、かつ出力制御部34からの出力信号SAがオンのとき、高電位配線313に接続されたハイサイド側のスイッチング素子311がオンとなり、パルス正電圧Vpがオンとなる。また、ローサイド信号がオンであり、かつ出力制御部34からの出力信号SAがオンのとき、低電位配線314に接続されたローサイド側のスイッチング素子312がオンとなり、パルス負電圧Vnがオンとなる。
That is, as shown in FIG. 3, when the high side signal SH is on and the output signal SA from the
ハイサイド信号SH及びローサイド信号SLは、点火信号IGtがある限り、一定の周波数にて、一定のパルス幅Wにて、交互にオンの状態が繰り返される。したがって、仮に出力制御部33がなければ、一定の周波数(一定のパルス幅W)のハイサイド信号SH及びローサイド信号SLが、交互にスイッチング駆動部331、332に送られて、図5に示すような一定の周波数、一定のパルス幅Wのパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnが、高周波電源部31から昇圧回路部32の一次コイル321に送られる。そして、一定の周波数の二次電圧V2が、点火プラグ2に印加されることとなる。
The high-side signal SH and the low-side signal SL are alternately turned on at a constant frequency and a constant pulse width W as long as the ignition signal IGt is present. Accordingly, if the output control unit 33 is not provided, the high-side signal SH and the low-side signal SL having a constant frequency (a constant pulse width W) are alternately sent to the switching
しかし、点火装置1は出力制御部34を備えており、出力制御部34による出力信号SAがオフのときは、ハイサイド信号SH又はローサイド信号SLがオンであっても、スイッチング駆動部331にはオンの信号が送られず、スイッチング素子311、312はオフの状態となる。すなわち、図3に示すごとく、出力信号SAがオフであるパルス休止状態Bの間は、ハイサイド信号SH又はローサイド信号SLがオンであっても、パルス正電圧Vpもパルス負電圧Vnもオフの状態が維持される。
However, the
そして、出力制御部34は、ハイサイド信号SHがオンの状態を継続している途中とも、ローサイド信号SLがオンの状態を継続している途中とも異なるタイミングにおいて、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えを行う。つまり、出力制御部34による出力信号SAのオンオフの切り替えタイミングは、ハイサイド信号SHがオンの状態を継続している途中とも、ローサイド信号SLがオンの状態を継続している途中とも異なる。本実施形態においては、切り替えタイミングは、ハイサイド信号SHの立上りのタイミングと同期している。
Then, the
パルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅をW、高周波電源部31の出力端子317から点火プラグ2までの回路である負荷回路13の共振周期をT0としたとき、T0/2≧W≧T0/4が満たされる。そして、パルス出力状態Aの長さTa及びパルス休止状態Bの長さTbは、T0/2の整数倍としている。T0/2≧Wとすることにより、一次電圧の周期(すなわち、パルス正電圧Vp又はパルス負電圧Vnの周期)を、共振周期T0に合わせることができる。つまり、二次電圧V2の周波数は、一次電圧の周波数と一致させることができるため、一次電圧の周波数(周期)を負荷回路13の共振周波数f0(共振周期T0)に合わせることで、二次電圧V2の周波数を共振周波数f0とすることができる。その結果、図6に示すごとく、二次電圧V2の利得を高くすることができ、点火回路3から点火プラグ2に効率的に電力を供給することができる。なお、図6の横軸は、二次電圧V2の周波数を対数にて示したものである。
When the pulse width of the pulse positive voltage Vp and a pulse negative voltage Vn W, the resonance period of the
また、W≧T0/4とすることにより、二次電圧V2の波形を共振周波数f0に合わせた周波数の正弦波とすることができ、充分に高い利得の二次電圧V2を得ることができる。一方、図7に示すごとく、パルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅Wが共振周波数T0の1/4を下回ると、二次電圧V2の出力波形を正常な正弦波とすることが困難となり、二次電圧波形が高次の異常な波形となってしまうおそれがある。その結果、高周波電源部31の出力エネルギーを充分に点火プラグ2に伝達することが困難となる。なお、図7における破線の正弦波は、正常(理想的)な二次電圧波形を示す。
Further, with the W ≧ T 0/4, can be a sine wave of a frequency which combined waveform of the secondary voltage V 2 to the resonance frequency f 0, to obtain a secondary voltage V 2 of sufficiently high gain be able to. On the other hand, as shown in FIG. 7, when the pulse width W of the pulse positive voltage Vp and the pulse negative voltage Vn is less than 1/4 of the resonance frequency T 0 , the output waveform of the secondary voltage V 2 is made a normal sine wave. May become difficult, and the secondary voltage waveform may become a high-order abnormal waveform. As a result, it becomes difficult to sufficiently transmit the output energy of the high-frequency
また、パルス幅Wは、T0/2を超えない範囲で、なるべくT0/2に近いことが好ましい。これにより、利得の高い二次電圧V2を効果的に生成することができる。なお、パルス正電圧Vp又はパルス負電圧Vnの立上り時間tc及び立下り時間tdを考慮すると、W=T0/2−tc−tdであることが理想である。 The pulse width W is within a range that does not exceed the T 0/2, it is preferable as close as possible to T 0/2. Thereby, the secondary voltage V 2 having a high gain can be effectively generated. In consideration of the rise time tc and the fall time td of the pulse positive voltage Vp or the pulse negative voltage Vn, it is ideal that W = T 0 / 2−tc−td.
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記内燃機関用の点火装置1において、出力制御部34は、パルス出力状態Aと、パルス休止状態Bとを、高周波電源部31が点火信号IGtを受信している間に切り替えるよう構成されている。したがって、点火信号IGtを受信している間においても、点火プラグ2の中心電極21と接地電極22との間に、電圧が印加されていない期間が設けられることとなる。これにより、中心電極21及び接地電極22の消耗を抑制して、点火プラグ2の長寿命化を図ることができる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the
そして、出力制御部34によるパルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えは、切り替えの直前及び直後のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅Wが、他のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅Wと同等に維持されるようなタイミングにおいて行うよう構成されている。これにより、パルス出力状態Aにおいて、一次電圧のパルス正電圧Vpおよびパルス負電圧Vnのパルス幅Wが、部分的に小さくなることを防ぐことができる。
The switching between the pulse output state A and the pulse pause state B by the
すなわち、仮に、切り替えの直前又は直後のパルス正電圧Vp又はパルス負電圧Vnのパルス幅が、他のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅Wと同等に維持されないと、図8に示すごとく、二次電圧V2の電圧波形が乱れ、高周波電源部31のエネルギーを効率的に点火プラグ2に伝えることが困難となる。例えば、図8に示すごとく、切り替え直後のパルス負電圧Vnのパルス幅が、他のパルス幅Wよりも短くなると、二次コイル322において誘起される二次電圧V2の電圧波形が乱れてしまうおそれがある(同図のV29参照)。なお、図8に示す状態は、出力信号SAの立上りのタイミング(すなわち、パルス休止状態Bからパルス出力状態Aへの切り替えタイミング)の一つを、ローサイド信号SLのオン状態の継続中のタイミングとしたことにより、パルス負電圧Vnのパルス幅W9が他のパルス幅Wよりも短くなってしまった状態である。
That is, if the pulse width of the pulse positive voltage Vp or pulse negative voltage Vn immediately before or after switching is not maintained equal to the pulse width W of the other pulse positive voltage Vp and pulse negative voltage Vn, it is shown in FIG. As described above, the voltage waveform of the secondary voltage V 2 is disturbed, and it becomes difficult to efficiently transmit the energy of the high-
これに対して、本実施形態の点火装置1は、図3に示すごとく、切り替えの直前及び直後のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅が、他のパルス幅Wと同等になるようにしている。つまり、出力制御部34によるパルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えを、一次電圧の一定のパルス幅Wに影響を与えないようなタイミングで行っている。これにより、昇圧回路部32によって生成される二次電圧V2の電圧波形に上述のような乱れが生じることを防ぎ、点火プラグ2に充分な大きさの二次電圧V2を印加することができ、着火性を確保することができる。
In contrast, in the
また、パルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅Wと負荷回路13の共振周期T0とは、T0/2≧W≧T0/4を満たす。これにより、上述のごとく、利得の高い二次電圧V2を得ることができる。
また、パルス幅Wをこのような条件としたうえで、パルス出力状態Aの長さTa及びパルス休止状態Bの長さTbを、T0/2の整数倍としている。これにより、出力制御部34によるパルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えを、切り替えの直前及び直後のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅が、他のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅Wと同等に維持されるようなタイミングにおいて行いやすくなる。
The pulse from the pulse width W of the positive voltage Vp and pulse the negative voltage Vn and the resonance period T 0 of the
Further, the pulse width W in terms of adopting such conditions, a pulse output state A length Ta and a length Tb of the pulse pause state B, and an integral multiple of T 0/2. Thereby, the switching between the pulse output state A and the pulse pause state B by the
すなわち、一次電圧の周期を共振周期T0に合わせ、かつパルス出力状態Aの長さTa及びパルス休止状態Bの長さTbをT0/2の整数倍とすれば、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えタイミングが複数ある場合、そのすべてを、図3に示すごとく、ハイサイド信号SHがオンを継続する途中でも、ローサイド信号SLがオンを継続する途中でもないタイミングとすることが容易となる。 That, combined cycle of the primary voltage resonant period T 0, and when the pulse output state A of length Ta and pulse pause state B the length Tb and integral multiple of T 0/2, a pulse output state A and the pulse When there are a plurality of switching timings with the dormant state B, as shown in FIG. 3, all of them may be set at timings during which the high-side signal SH is not on or the low-side signal SL is on. It becomes easy.
以上のごとく、本実施形態によれば、着火性を確保しつつ、点火プラグの長寿命化を図ることができる内燃機関用の点火装置を提供することができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide an ignition device for an internal combustion engine capable of extending the life of the spark plug while ensuring ignitability.
(実施形態2)
本実施形態は、図9〜図11に示すごとく、出力制御部34が同期式順序回路341を備えた点火装置1の実施形態である。
なお、図9においては、スイッチング駆動部331に入力される駆動信号を生成する信号生成部30を、一点鎖線の枠にて省略したものであり、信号生成部30の構成は、図10に表す。
(Embodiment 2)
As shown in FIGS. 9 to 11, the present embodiment is an embodiment of the
In FIG. 9, the
本実施形態においては、出力制御部34は、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとを切り替えるための制御本体部340と、制御本体部340に接続された同期式順序回路341とを有する。制御本体部340は、図11に示すごとく、出力信号SA0を所定期間オンし、所定期間オフすることで、出力信号SA0とハイサイド信号SH及びローサイド信号SLとの論理積の駆動信号を、パルス休止状態Bにおいてオフとしておくようにしている。しかし、制御本体部340の出力信号SA0のオンオフの切り替えタイミングが正確に制御されていないと、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えタイミングが、ハイサイド信号SH又はローサイド信号SLがオン状態である途中となってしまうおそれがある。
In the present embodiment, the
そこで、出力制御部34に同期式順序回路341を設けることにより、制御本体部340による出力信号SA0の切り替えタイミングを、ハイサイド信号SH又はローサイド信号SLと同期させる。つまり、制御本体部340による出力信号SA0を、同期式順序回路341によって出力信号SA1に補正する。
Therefore, by providing a synchronous
例えば、図11に示した制御は、出力信号SA1のオンからオフ、オフからオンの切り替えタイミングを、ハイサイド信号SHの立上り(すなわち、発振部332のパルス信号の立上り)のタイミングと同期させている。したがって、この場合は、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えタイミングが、いずれも、ハイサイド信号SHの立上りのタイミングと同期することとなる。
その他は、実施例1と同様である。なお、実施形態1における符号と同じ符号は、同一の構成要素等を示すものであって、先行する説明を参照する。
For example, in the control shown in FIG. 11, the switching timing of the output signal SA1 from on to off and from off to on is synchronized with the rising timing of the high side signal SH (that is, the rising edge of the pulse signal of the oscillation unit 332). Yes. Therefore, in this case, the switching timing between the pulse output state A and the pulse pause state B is synchronized with the rising timing of the high side signal SH.
Others are the same as in the first embodiment. In addition, the same code | symbol as the code | symbol in
本実施形態の点火装置1においては、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えタイミングを、より正確に、ハイサイド信号SHのオン状態の途中でも、ローサイド信号SLのオン状態の途中でもないタイミングに制御することができる。その結果、より確実に、切り替えの直前及び直後のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅を、他のパルス正電圧Vp及びパルス負電圧Vnのパルス幅Wと同等に維持することができる。
In the
また、本実施形態のように、同期式順序回路341を用いることによって、制御本体部340は、各種ロジック回路によって構成することも、予めエンジン条件ごとに設定した制御パターンを記憶したMCU(Micro Control Unit)等によって構成することもできる。すなわち、このような構成の制御本体部340を用いる場合、制御本体部340が出力するパルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えタイミングは、発振部332のパルス信号の周期とは独立したものとなる。そこで、同期式順序回路341を用いることにより、切り替えタイミングを、ハイサイド信号SH又はローサイド信号SLに同期させることができる、その結果、切り替えタイミングを、ハイサイド信号SHのオン状態の途中でも、ローサイド信号SLのオン状態の途中でもないタイミングにすることができる。
In addition, as in the present embodiment, by using the synchronous
また、図11に示す制御は、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えタイミングを、パルス正電圧Vpの立上り(すなわちハイサイド信号SHの立上り)と同期させているため、制御を比較的簡素化することができる。なお、切り替えタイミングは、パルス正電圧Vpの立上り(すなわちハイサイド信号SHの立上り)に限らず、パルス正電圧Vpの立下り、若しくはパルス負電圧Vnの立上り又は立下り(すなわち、ローサイド信号SLの立上り又は立下り)と同期したタイミングとすることもできる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In addition, the control shown in FIG. 11 synchronizes the switching timing between the pulse output state A and the pulse pause state B with the rising of the pulse positive voltage Vp (that is, the rising of the high side signal SH). It can be simplified. The switching timing is not limited to the rise of the pulse positive voltage Vp (that is, the rise of the high side signal SH), but the fall of the pulse positive voltage Vp or the rise or fall of the pulse negative voltage Vn (that is, the low side signal SL) The timing may be synchronized with the rise or fall).
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
(実施形態3)
本実施形態は、図12、図13に示すごとく、出力制御部34の出力信号SAを、規則的にオンとオフとが繰り返されるようにしたものである。
具体的には、出力信号SAのオン状態とオフ状態とが、それぞれ発振部332のパルス信号の2周期分ずつ(すなわち、ハイサイド信号SH又はローサイド信号SLの2周期分ずつ)となるように、出力制御部34が出力する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, the output signal SA of the
Specifically, the ON state and the OFF state of the output signal SA are respectively equal to two periods of the pulse signal of the oscillation unit 332 (that is, two periods of the high side signal SH or the low side signal SL). The
本実施形態においては、出力制御部34が同期式分周回路342を備えている。同期式分周回路342は、発振部332のパルス信号の周波数を整数分の1にして出力する。つまり、同期式分周回路342は、発振部332のパルス信号の周期を整数倍にして出力する。本実施形態においては、発振部332のパルス信号の周期を4倍にして出力している。そして、これとともに、同期式分周回路342は、その出力信号SAの立上り及び立下りを、発振部332のパルス信号の立上りであって、パルス正電圧Vpの立上りに同期させている。
In the present embodiment, the
このように、出力制御部34が同期式分周回路342を備えることにより、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとが、それぞれ発振部332のパルス信号の2周期分ずつとなる状態で、交互に繰り返されることとなる。すなわち、本実施形態においては、Ta=Tb=2T0である。
As described above, the
また、放電開始時(すなわち点火信号IGtが入力され始める段階)においては、所定時間、パルス出力状態Aが続くようにすべく、出力制御部34は、タイマ343と休止開始信号生成部344とを有する。すなわち、タイマ343によって、点火信号IGtの開始から所定時間以上経過した後に最初のパルス休止状態Bが現れるように制御する。
At the start of discharge (that is, when the ignition signal IGt starts to be input), the
なお、上述の同期式分周回路342を用いる場合に、タイマ343及び休止開始信号生成部344若しくはこれらに準ずる回路を併設することが好ましいが、このような回路を併設することなく、同期式分周回路342を設けてもよい。
その他は、実施例1と同様である。
Note that when the above-described synchronous
Others are the same as in the first embodiment.
本実施形態においては、比較的簡素な構成にて、正確に、パルス出力状態Aとパルス休止状態Bとの切り替えタイミングを、ハイサイド信号SHのオン状態の途中でも、ローサイド信号SLのオン状態の途中でもないタイミングに制御することができる。
また、本実施形態の点火装置1は、高周波電源部31が点火信号IGtを受信し始めた時点から、予め設定された所定時間が経過した時点において、最初のパルス休止状態Bが現れるよう構成されている。これにより、大電力が必要な放電開始時点において、充分なエネルギーを点火プラグ2に供給することができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the present embodiment, the switching timing between the pulse output state A and the pulse pause state B is accurately determined with a relatively simple configuration even when the low side signal SL is in the on state even during the on state of the high side signal SH. It is possible to control at a timing that is not halfway.
Further, the
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
(実施形態4)
本実施形態は、パルス休止状態Bから切り替えられた直後のパルス出力状態Aの継続時間について規定した点火装置1の形態である。
すなわち、パルス休止状態Bから切り替えられた直後のパルス出力状態Aは、少なくとも昇圧回路部32の二次電圧V2が点火プラグ2の要求電圧以上に上昇するまで継続するように構成されている。
(Embodiment 4)
The present embodiment is a form of the
In other words, the pulse output state A immediately after switching from the pulse pause state B is configured to continue at least until the secondary voltage V 2 of the
パルス休止状態Bからパルス出力状態Aに切り替わった直後においては、図14に示すごとく、二次電圧V2の大きさ(すなわち振幅)が充分に大きくなっていない場合がある。すなわち、切り替わり直後においては、二次電圧V2の大きさが徐々に大きくなり、所定時間経過後にサチュレートして、最大電圧Vmaxpp(ピーク間電圧)となる場合がある。かかる場合において、パルス休止状態Bからパルス出力状態Aに切り替わった時点t0から所定時間t2が経過するまで、パルス出力状態Aを維持することが、確実な点火の観点では好ましい。すなわち、パルス休止状態Bから切り替えられた直後のパルス出力状態Aは、昇圧回路部32の二次電圧V2の振幅が最大となるまで継続することが、着火性の観点で好ましい。
Immediately after switching from the pulse pause state B to the pulse output state A, as shown in FIG. 14, the magnitude (that is, amplitude) of the secondary voltage V 2 may not be sufficiently large. That is, immediately after switching, the magnitude of the secondary voltage V 2 gradually increases and may saturate after a predetermined time has elapsed to reach the maximum voltage Vmaxpp (peak-to-peak voltage). In such a case, it is preferable from the viewpoint of reliable ignition that the pulse output state A is maintained until a predetermined time t 2 elapses from the time t 0 when the pulse pause state B is switched to the pulse output state A. That is, it is preferable from the viewpoint of ignitability that the pulse output state A immediately after switching from the pulse pause state B is continued until the amplitude of the secondary voltage V 2 of the
また、上述のように、時点t0から二次電圧V2の大きさが徐々に大きくなる場合において、二次電圧V2の大きさが点火プラグ2の要求電圧Vrpp(ピーク間電圧)に満たないうちは、放電が期待しにくい。それゆえ、二次電圧V2が要求電圧Vrpp以上となる前に、パルス出力状態Aを終了してしまっては、点火プラグ2の点火を行える可能性が低くなってしまう。そこで、少なくとも、二次電圧V2の大きさが点火プラグ2の要求電圧Vrpp以上となるまで、すなわち図14に示す時間t1が少なくとも経過するまでは、パルス出力状態Aを継続する。
As described above, when the magnitude of the secondary voltage V 2 gradually increases from the time t 0, the magnitude of the secondary voltage V 2 satisfies the required voltage Vrpp (peak-to-peak voltage) of the
一方、パルス出力状態Aの継続時間を、t1以上t2未満とすることにより、高周波電源部31の出力エネルギーを抑制して省エネルギーを図ることができる。ただし、上記の時間t1は、エンジン回転数や負荷等のエンジン条件、気流や気圧等の燃焼室内の環境(すなわち筒内環境)等によって変動する。そのため、この場合には、各種条件を測定しつつ、それらを基にした緻密なマッピング制御を行う等の必要がある。
On the other hand, by setting the duration of the pulse output state A to t 1 or more and less than t 2 , it is possible to save energy by suppressing the output energy of the high frequency
これにより、パルス出力状態Aにおいて、充分に大きい二次電圧V2を点火プラグ2に印加することができ、点火プラグ2の着火性を向上させることができる。
その他は、実施形態1と同様の構成および作用効果を有する。
Thereby, in the pulse output state A, a sufficiently large secondary voltage V 2 can be applied to the
Others have the same configuration and effects as the first embodiment.
(実験例1)
本例は、図15、図16に示すごとく、実施形態1の点火装置による点火プラグの長寿命化への影響につき、二次電流のRMS値を測定することにより、間接的に評価した例である。
(Experimental example 1)
In this example, as shown in FIG. 15 and FIG. 16, the influence of the ignition device of
すなわち、点火装置において、パルス出力状態Aの時間的割合を、種々変更した制御を行ったときに、二次電流のRMS値がどのように変化するかを測定した。具体的には、図15に示すごとく、パルス休止状態Bがない出力パターン(パターン1)、パルス出力状態Aの時間割合が全体の1/2のパターン(パターン2)、パルス出力状態Aの時間割合が全体の1/4のパターン(パターン3)、パルス出力状態Aの時間割合が全体の1/8のパターン(パターン4)にて、それぞれ試験を行った。ここで、パターン2〜4については、発振部332のパルス信号のn周期に1回ずつ、ハイサイド信号SHとローサイド信号SLとを印加することにより、図15に示す二次電圧V2を生成した。つまり、パターン1においてはn=1、パターン2においてはn=2、パターン3においてはn=4、パターン4においてはn=8となる。
That is, in the ignition device, how the RMS value of the secondary current is changed when the time ratio of the pulse output state A is variously changed is measured. Specifically, as shown in FIG. 15, an output pattern without the pulse pause state B (pattern 1), a pattern in which the time ratio of the pulse output state A is ½ of the whole (pattern 2), and the time of the pulse output state A The test was performed with a pattern having a ratio of 1/4 of the whole (pattern 3) and a pattern with a time ratio of the pulse output state A of 1/8 of the whole (pattern 4). Here, with respect to the
そして、各試験において、二次電流のRMS値を測定した。その結果を、図16に示す。図16において、横軸は、放電時間(点火信号IGtがオンの時間)を出力時間(点火プラグ2に電圧が印加された時間)にて除した値であり、上述のパルス出力状態Aの時間割合の逆数に相当する。縦軸は、パターン1における二次電流のRMS値に対する、各パターンにおける二次電流のRMS値の比(以下、電流RMS値比という。)である。図16において、P1、P2、P3、P4を付したプロットが、それぞれパターン1、パターン2、パターン3、パターン4における測定結果を示す。
In each test, the RMS value of the secondary current was measured. The result is shown in FIG. In FIG. 16, the horizontal axis is a value obtained by dividing the discharge time (time when the ignition signal IGt is on) by the output time (time when the voltage is applied to the spark plug 2), and the time of the pulse output state A described above. It corresponds to the reciprocal of the ratio. The vertical axis represents the ratio of the RMS value of the secondary current in each pattern to the RMS value of the secondary current in pattern 1 (hereinafter referred to as the current RMS value ratio). In FIG. 16, the plots marked with P1, P2, P3, and P4 show the measurement results in
同図から分かるように、放電時間/出力時間が大きくなるほど、電流RMS値比が小さくなっている。すなわち、パルス出力状態Aの時間割合を少なくすることにより、電極に与えるエネルギーを小さくすることができる。それゆえ、パルス休止状態Bを設けることにより、電極の消耗を抑制することができることが分かる。 As can be seen from the figure, the current RMS value ratio decreases as the discharge time / output time increases. That is, by reducing the time ratio of the pulse output state A, the energy given to the electrode can be reduced. Therefore, it can be seen that by providing the pulse pause state B, consumption of the electrodes can be suppressed.
(実験例2)
本例は、図17に示すごとく、実施形態4の点火装置による点火プラグの着火性につき、評価した例である。
まず、パルス出力状態Aの時間Taを2T0とし、パルス休止状態Bの時間Tbを6T0として、これを交互に規則的に繰り返す出力パターンをパターン5とする。また、パルス出力状態Aの時間TaをT0とし、パルス休止状態Bの時間Tbを3T0として、これを交互に規則的に繰り返す出力パターンをパターン6とする。パターン5とパターン6とは、高周波電源部31の出力エネルギーとしては等価である。なお、パターン5における時間Taは、上述の実施形態4に示した時間t1よりも充分に大きい値であり、パターン6における時間Taは、上記時間t1よりも小さい値である。
(Experimental example 2)
In this example, as shown in FIG. 17, the ignitability of the spark plug by the ignition device of
First, the time Ta in the pulse output state A is set to 2T 0 , the time Tb in the pulse pause state B is set to 6T 0 , and an output pattern that repeats this alternately and regularly is a pattern 5. Further, the time Ta in the pulse output state A is T 0 and the time Tb in the pulse pause state B is 3T 0 , and an output pattern that repeats this alternately and regularly is a pattern 6. The pattern 5 and the pattern 6 are equivalent as output energy of the high frequency
上記の2つのパターンにて、内燃機関を運転した。すなわち、燃焼室に導入した燃料混合気に対して、上記のそれぞれのパターンにて点火プラグ2に電圧を印加したときに、2つのパターンの間で、燃焼性能に相違が生じるか否かを確認した。燃焼性能の相違は、リーン限界A/Fを測定することにより行った。つまり、混合気の空燃比(A/F)を徐々に変化させて、着火できる限界の空燃比(すなわち、リーン限界A/F)を、それぞれの電圧印加パターン、すなわち、パターン5とパターン6とで比較した。その結果を、図17に示す。なお、この試験における内燃機関の条件としては、排気量2000cc、
エンジン回転数1200rpm、 図示平均有効圧300kPa、圧縮比13である。
The internal combustion engine was operated in the above two patterns. That is, when a voltage is applied to the
The engine speed is 1200 rpm, the indicated mean effective pressure is 300 kPa, and the compression ratio is 13.
図17から分かるように、リーン限界A/Fは、パターン6に比べて、パターン5の方が0.3高い。つまり、高周波電源部31の出力エネルギーとしては、パターン5とパターン6とは同等であるが、パターン5の方がより着火性に優れているといえる。これは、上記実施形態4において説明したように、パルス出力状態Aの継続時間Taが短すぎると、二次電圧V2が充分に大きくなる前にパルス出力状態Aを終えてしまうところ、パルス出力状態Aの継続時間Taを充分に長くすることで、着火性を向上させることができるためと考えられる。
As can be seen from FIG. 17, the lean limit A / F is 0.3 higher in the pattern 5 than in the pattern 6. That is, the output energy of the high-frequency
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。 The present invention is not limited to the above embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the scope of the invention.
1 点火装置
2 点火プラグ
21 中心電極
22 接地電極
3 点火回路
31 高周波電源部
32 昇圧回路部
34 出力制御部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該点火プラグ(2)に高周波電力を供給する点火回路(3)と、を有し、
上記点火回路(3)は、高周波電力を生じる高周波電源部(31)と、該高周波電源部(31)が出力する高周波の一次電圧を昇圧してパルス負電圧(V2)を上記点火プラグ(2)に印加する昇圧回路部(32)と、上記高周波電源部(31)の出力を制御する出力制御部(34)と、を有し、
上記高周波電源部(31)は、上記一次電圧として一定のパルス幅(W)を有するパルス正電圧(Vp)とパルス負電圧(Vn)とを交互に出力することができるよう構成されており、
上記出力制御部(34)は、上記高周波電源部(31)が上記パルス正電圧(Vp)と上記パルス負電圧(Vn)とを一定の周期で交互に出力するパルス出力状態(A)と、上記高周波電源部(31)が上記一次電圧の出力を休止するパルス休止状態(B)とを、上記高周波電源部(31)が点火信号(IGt)を受信している間に切り替えるよう構成されており、
上記出力制御部(34)による上記パルス出力状態(A)と上記パルス休止状態(B)との切り替えは、切り替えの直前及び直後の上記パルス正電圧(Vp)及び上記パルス負電圧(Vn)のパルス幅が、他の上記パルス正電圧(Vp)及び上記パルス負電圧(Vn)のパルス幅(W)と同等に維持されるようなタイミングにおいて行うよう構成されていることを特徴とする内燃機関用の点火装置(1)。 A spark plug (2) configured to generate a plasma discharge between the center electrode (21) and the ground electrode (22) by applying a high-frequency voltage to the center electrode (21);
An ignition circuit (3) for supplying high-frequency power to the spark plug (2),
The ignition circuit (3) includes a high-frequency power supply unit (31) that generates high-frequency power, and a high-frequency primary voltage output from the high-frequency power supply unit (31) to boost a pulse negative voltage (V 2 ) to the ignition plug ( 2) having a booster circuit section (32) to be applied to and an output control section (34) for controlling the output of the high frequency power supply section (31),
The high frequency power supply unit (31) is configured to alternately output a pulse positive voltage (Vp) and a pulse negative voltage (Vn) having a constant pulse width (W) as the primary voltage,
The output control unit (34) includes a pulse output state (A) in which the high-frequency power source unit (31) alternately outputs the pulse positive voltage (Vp) and the pulse negative voltage (Vn) at a constant cycle; The high frequency power supply unit (31) is configured to switch between a pulse pause state (B) in which the output of the primary voltage is stopped while the high frequency power supply unit (31) is receiving an ignition signal (IGt). And
Switching between the pulse output state (A) and the pulse pause state (B) by the output control unit (34) is performed by switching the pulse positive voltage (Vp) and the pulse negative voltage (Vn) immediately before and after the switching. An internal combustion engine configured to perform at a timing such that the pulse width is maintained equal to the pulse width (W) of the other pulse positive voltage (Vp) and the pulse negative voltage (Vn). Ignition device (1).
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